JP2021014098A - 素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の挙動を高感度に検出する可能な素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置を提供することである。【解決手段】この素子基板は、液体を吐出するために発熱する第１の電気熱変換素子と、第１の電気熱変換素子の近傍に配置される少なくとも１つの温度検知素子と、該温度検知素子による温度検知動作に関連して発熱する第２の電気熱変換素子とを備える。【選択図】 図４

Description

本発明は素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置に関し、特に、例えば、素子基板を組み込んだ液体吐出ヘッドをインクジェット方式に従って記録を行うために記録ヘッドとして適用した記録装置に関する。

インクジェット記録装置に代表されるインク等の液体を吐出する液体吐出装置は、液体吐出ヘッド（以下、記録ヘッド）を有する。記録ヘッドには多数の吐出口が形成されており、例えば、電気熱変換素子で発生した熱エネルギーを用いてインクを発泡させることで、吐出口からインクを吐出する。

記録ヘッドは素子基板と流路形成部材などによって構成される。素子基板には、電気熱変換素子と電気熱変換素子を保護するための被覆層とインクを供給するための供給口が設けられている。流路形成部材には吐出口（ノズル）が設けられており、素子基板と接合されることで吐出口と供給口との間が連通する流路を形成している。その被覆層の表面は、流路に露出しており、電気熱変換素子で発生した熱エネルギーをインクに付与する熱作用部となる。

記録ヘッドは、そのインク吐出面への異物付着、インク供給経路やノズル内に混入した気泡又はノズル表面の濡れ性の変化などの原因により、記録ヘッドの全部または一部のノズルでインク液滴が吐出しなくなることがある。また、吐出されたインク液滴が記録媒体上の所望の位置から着弾がずれることで形成される画像にヨレが生じるなどのインク吐出不良が発生することがある。そのような吐出不良が発生した場合に生じる画像品位の低下を避けるためには、インク吐出状態を回復させる回復動作や、他のノズルなどによる補完記録動作を速やかに実行することが好ましい。そのために、インク吐出状態の判定を正確にかつ適時に行うことが極めて重要な課題となっている。従って、従来からも、種々のインク吐出状態判定方法やこれらを適用した装置が提案されている。

例えば、特許文献１はインク吐出不良を検出するために、正常吐出時に生じる温度低下を検出する方法とその構成を開示している。特許文献１によれば、素子基板に、液体に熱を供給する電気熱変換素子と、その電気熱変換素子の温度を検知する第１の温度検知素子と第２の温度検知素子とを備える。特に、電気熱変換素子が配置される領域の直下に、第１の温度検知素子と第２の温度検知素子それぞれの少なくとも一部が含まれるように配置し、各温度検知素子から得られる出力電圧を比較する比較器を備える。このような構成を用いることで、比較結果からインク吐出が正常か異常かを判定している。

インク正常吐出時は吐出されるインク液滴の一部（サテライト）が分離落下し、吐出口を通過して、素子基板の電気熱変換素子の表層に付着し、その結果、温度検知素子の温度が急激に低下する。これに対して、インク吐出不良時はインク液滴の一部が落下して、素子基板の電気熱変換素子の表層に付着するという状態が生じないので、温度検知素子の温度は穏やかに低下する。従って、この温度変化の違いから吐出状態を検出することができる。

特開２０１５−２１４０７９号公報

ところで、吐出状態を検出する際には、電気熱変換素子に電力を供給してインクを加熱してその温度変化を急峻にして検出の精度を高めている。ここで、温度検知領域を大きくすることで検出の精度をより高めることができるが、インク発泡に直接寄与する電気熱変換素子のサイズを大きくすると、小液滴の吐出が困難となり高品位記録を行うことができなくなる恐れがある。

特に特許文献１に開示されたような、１つの電気熱変換素子に複数の温度検知素子を配置する構成の場合では、各温度検知素子に割り当てられる温度検知領域が小さくなり液体（インク）の挙動検出の感度がより低下してしまう。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、液体の挙動を高感度に検出する可能な素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の素子基板は次のような構成からなる。

即ち、液体を吐出するために発熱する第１の電気熱変換素子と、前記第１の電気熱変換素子の近傍に配置される少なくとも１つの温度検知素子と、前記少なくとも１つの温度検知素子による温度検知動作に関連して発熱する第２の電気熱変換素子と、を有することを特徴とする。

また本発明を別の側面から見れば、上記構成の素子基板を用いた液体吐出ヘッドであって、複数の前記第１の電気熱変換素子に対応して、液体を吐出する複数の吐出口を備えることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

さらに本発明を別の側面から見れば、上記構成の液体吐出ヘッドを前記液体をインクとし、該インクを吐出する記録ヘッドとして用い、記録媒体に記録を行う記録装置であって、前記第１の電気熱変換素子を駆動してインク吐出動作を行わせるとともに、前記温度検知素子による温度検知の結果に基づいてインクの吐出状態の検出を行う制御手段を有することを特徴とする記録装置である。

本発明によれば、例えば、インクのような液体の挙動を高感度に検出することができるという効果がある。

本発明の代表的な実施例である記録ヘッドを備えた記録装置の構成概略を示す斜視図である。 図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。 記録ヘッドの１つの記録素子（ノズル）に着目して、その駆動構成を説明するブロック図である。 記録ヘッドの構造を説明する図である。 電気熱変換素子の加熱のためのヒートパルスと温度検知層の検査開始信号と温度検知層の出力信号波形を表したタイミングチャートである。 図５に対応して電気熱変換素子の加熱のためにヒートパルスを印加してインク吐出動作を行った際のインク液滴の一部の落下の様子を示す図である。 図６に対応してインク吐出動作を行った際のインク液滴の一部の落下の様子を示す図である。 １つの電気熱変換素子と１つの温度検知素子それぞれの断面構成及び位置関係を説明する断面図である。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には、複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられても良い。さらに添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

なお、この明細書において、「記録」（「プリント」という場合もある）とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わない。また人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かを問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、または媒体の加工を行う場合も表すものとする。

また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものも表すものとする。

さらに、「インク」（「液体」と言う場合もある）とは、上記「記録（プリント）」の定義と同様広く解釈されるべきものである。従って、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成または記録媒体の加工、或いはインクの処理（例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固または不溶化）に供され得る液体を表すものとする。

またさらに、「記録素子」（「ノズル」という場合もある）」とは、特にことわらない限り吐出口ないしこれに連通する液路およびインク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子を総括して言うものとする。

以下に用いる記録ヘッド用の素子基板（ヘッド基板）とは、シリコン半導体からなる単なる基体を指し示すものではなく、各素子や配線等が設けられた構成を差し示すものである。

さらに、基板上とは、単に素子基板の上を指し示すだけでなく、素子基板の表面、表面近傍の素子基板内部側をも示すものである。また、本発明でいう「作り込み（built-in）」とは、別体の各素子を単に基体表面上に別体として配置することを指し示している言葉ではなく、各素子を半導体回路の製造工程等によって素子板上に一体的に形成、製造することを示すものである。

＜記録装置の概要説明（図１〜図２）＞
図１は本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を用いて記録を行なう記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。

図１に示すように、インクジェット記録装置（以下、記録装置）１はインクジェット方式に従ってインクを吐出して記録を行なうインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）３をキャリッジ２に搭載している。そして、キャリッジ２を矢印Ａ方向に往復移動させて記録を行う。記録紙などの記録媒体Ｐを、給紙機構５を介して給紙し、記録位置まで搬送し、その記録位置において記録ヘッド３から記録媒体Ｐにインクを吐出することで記録を行なう。

記録装置１のキャリッジ２には記録ヘッド３を搭載するのみならず、記録ヘッド３に供給するインクを貯留するインクタンク６を装着する。インクタンク６はキャリッジ２に対して着脱自在になっている。

図１に示した記録装置１はカラー記録が可能であり、そのためにキャリッジ２にはマゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、イエロ（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のインクを夫々、収容した４つのインクカートリッジを搭載している。これら４つのインクカートリッジは夫々独立に着脱可能である。

この実施例の記録ヘッド３は、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット方式を採用している。このため、電気熱変換素子（ヒータ）を備えている。この電気熱変換素子は各吐出口のそれぞれに対応して設けられ、記録信号に応じて対応する電気熱変換素子にパルス電圧を印加することによって対応する吐出口からインクを吐出する。なお、記録装置は、上述したシリアルタイプの記録装置に限定するものではなく、記録媒体の幅方向に吐出口を配列した記録ヘッド（ラインヘッド）を記録媒体の搬送方向に配置するいわゆるフルラインタイプの記録装置にも適用できる。

図２は図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。

図２に示すように、コントローラ６００は、ＭＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）６０３、ＲＡＭ６０４、システムバス６０５、Ａ／Ｄ変換器６０６などで構成される。ここで、ＲＯＭ６０２は後述する制御シーケンスに対応したプログラム、所要のテーブル、その他の固定データを格納する。ＡＳＩＣ６０３は、キャリッジモータＭ１の制御、搬送モータＭ２の制御、及び、記録ヘッド３の制御のための制御信号を生成する。ＲＡＭ６０４は、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等として用いられる。システムバス６０５は、ＭＰＵ６０１、ＡＳＩＣ６０３、ＲＡＭ６０４を相互に接続してデータの授受を行う。Ａ／Ｄ変換器６０６は以下に説明するセンサ群からのアナログ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、デジタル信号をＭＰＵ６０１に供給する。

また、図２において、６１０は画像データの供給源となる図１に示したホストやＭＦＰに対応するホスト装置である。ホスト装置６１０と記録装置１との間ではインタフェース（Ｉ／Ｆ）６１１を介して画像データ、コマンド、ステータス等をパケット通信により送受信する。このパケット通信については後で説明する。なお、インタフェース６１１としてＵＳＢインタフェースをネットワークインタフェースとは別にさらに備え、ホストからシリアル転送されるビットデータやラスタデータを受信できるようにしても良い。

さらに、６２０はスイッチ群であり、電源スイッチ６２１、プリントスイッチ６２２、回復スイッチ６２３などから構成される。

６３０は装置状態を検出するためのセンサ群であり、位置センサ６３１、温度センサ６３２等から構成される。この実施例では、この他にもインク残量を検出するフォトセンサが設けられる。このフォトセンサの詳細について後述する。

さらに、６４０はキャリッジ２を矢印Ａ方向に往復走査させるためのキャリッジモータＭ１を駆動させるキャリッジモータドライバ、６４２は記録媒体Ｐを搬送するための搬送モータＭ２を駆動させる搬送モータドライバである。

ＡＳＩＣ６０３は、記録ヘッド３による記録走査の際に、ＲＡＭ６０４の記憶領域に直接アクセスしながら記録ヘッドに対して発熱素子（インク吐出用のヒータ）を駆動するためのデータを転送する。加えて、この記録装置には、ユーザインタフェースとしてＬＣＤやＬＥＤで構成される表示部が備えられている。

＜記録ヘッドの駆動構成と記録ヘッドの概要説明（図３〜図５）＞
図３は記録ヘッドの１つの記録素子（ノズル）に着目して、その駆動構成を説明するブロック図である。

記録装置１のコントローラ（制御手段）６００は、温度検知素子１３２や電気熱変換素子１０２から出力された温度情報に基づき、液体（インク）の挙動を判断すると共に最適な駆動条件となるヒートパルスを第１の駆動回路１４１に与える。最適な駆動条件とは、例えば、隣接ノズルが吐出しない、あるいは吐出がヨレる場合に補完するように駆動することである。

インクの挙動情報が必要な場合、コントローラ６００は第１の駆動回路１４１へのパルスにオフセットを加えたタイミングでパルスを第２の駆動回路１４２へ与える。合わせて、温度検知素子１３２に検査開始信号を連動させて与えることで温度情報（温度検知の結果）を出力させる。そして、入力されたパルス信号に従って各駆動回路が各素子の発熱抵抗体層１０４に通電して駆動する。

なお、図３に示した構成では、電気熱変換素子１０２と温度検知素子１３２の内部にそれぞれ、第１の駆動回路１４１、第２の駆動回路１４２が含まれるように図示されているが、これらの駆動回路はそれぞれの素子の外部に設けられても良い。この場合、後述する記録ヘッドに内蔵される素子基板に実装されても良いし、或いは、記録ヘッド３とコントローラ６００との間に駆動回路として設けられても良い。

また、以下の実施例では、電気熱変換素子１０２には温度検知層１０８を形成する例を説明しているが、電気熱変換素子１０２の発熱抵抗体層１０４の下部に温度検知層１０８が形成されない素子基板を用いることもできる。

図４は記録ヘッドの構造を説明する図である。記録ヘッド３は複数の記録素子が形成される素子基板１００を内蔵する。

図４において、（ａ）は記録ヘッド３の３つの記録素子（ノズル）に着目し、これらを上方から眺めて内部構成を示す透視上面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面図である。なお、以下に述べる上下関係は断面内での相対的な位置関係を示しており、記録ヘッドの取り付け方向が逆転した場合には上下関係も逆転する。また、図４（ａ）に示す例ではＡ−Ａ’線に沿った方向に複数のノズルが配置されるので、この方向がノズル配列方向となる。

図４（ａ）に示すように、素子基板１００に備えられる各記録素子には液室形成部材２００が設けられ、液室形成部材２００で囲われた液室３００が形成される。また、液室３００にはインクを供給する供給口１１１と電気熱変換素子１０２と温度検知素子１３２とが設けられる。素子基板１００はシリコン（Ｓｉ）基板などの上に薄膜が多層構造に形成されている。なお、供給口１１１は素子基板１００を貫通した貫通孔である。

この例では１つの電気熱変換素子１０２の両側にＡ−Ａ’線に沿って２つの温度検知素子１３２ａ、１３２ｂが配置される構成となっている。

図４（ｂ）に示すように、電気熱変換素子１０２は、ＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体層１０４に配線層１０５を接続することによって形成される。即ち、発熱抵抗体層１０４の下部に形成された少なくとも一対の配線層１０５の間に位置する発熱抵抗体層１０４の部分が電気熱変換素子１０２の発熱部として機能する。以下、電気熱変換素子１０２の発熱抵抗体層１０４を「第１の電気熱変換素子」という。

図４（ｂ）に示す例では、配線層１０５は発熱抵抗体層１０４の下部に設けられるが、逆に配線層１０５は発熱抵抗体層１０４の上部に設けてもよい。配線層１０５と発熱抵抗体層１０４とをプラグなどの電気接続部材を介して接続する構成であってもよい。配線層１０５は発熱抵抗体層１０４と外部電極（不図示）を電気的に接続する配線であり、導電性を有する材料を用いて形成される。配線層１０５を介して第１の電気熱変換素子は時間変化する電力を供給するための第１の駆動回路に接続される。第１の駆動回路はコントローラ６００からの信号に応じて第１の電気熱変換素子への電力の供給を制御（ＯＮ／ＯＦＦ）する。また、配線層１０５は第１の駆動回路から記録ヘッド３の素子基板の端部にまで延在し、その先端が外部との電気的接続を行うための外部電極を成している。なお、第１の駆動回路は素子基板１００でなく素子基板１００の外部に設けてもよい。

また、電気熱変換素子１０２は素子基板１００上に設けられるが、素子基板１００に接していなくてもよく、素子基板１００に対して宙に浮いていてもよい。また、電気熱変換素子１０２の最下層には素子基板１００と接して熱の散逸を防止するＳｉＯ膜やＢＰＳＧ膜などからなる蓄熱層を設けても良い。電気熱変換素子１０２は後述する温度検知層１０８を有してもよい。

液室形成部材２００は、樹脂や金属、あるいは無機材料で形成される。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂のような感光性樹脂が挙げられる。金属としては、例えば、ＳＵＳプレートが挙げられ、無機材料としては、ＳｉＮやＳｉＣ、ＳｉＣＮ等が挙げられる。

図４では、液室形成部材２００が樹脂で形成されている例を示している。液室形成部材２００は単層に限らず、複数層でもよい。液室形成部材２００が複数層から形成される場合には、液室形成部材２００の最下層として素子基板１００との密着を向上する密着向上層があってもよい。

また、図４（ｂ）に示すように、液室形成部材２００にはインクを吐出するための吐出口１２１が液室３００と連通するように形成されている。インクタンク６から供給口１１１を介して液室３００に供給されたインクは、電気熱変換素子１０２によって熱エネルギーを与えられ、吐出口１２１から吐出される。

保護層１０６は、発熱抵抗体層１０４および配線層１０５とほかの層の間に設けられ、ＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる絶縁層として機能する。上部保護層１０７は保護層１０６の上部に設けられ、インクの発泡および消泡に伴う化学的、物理的影響から電気熱変換素子１０２を保護する。保護層１０６だけで保護できるならば上部保護層１０７はなくてもよい。上部保護層１０７を設ける場合はＴａやＩｒなどの金属膜で形成される。保護層１０６および上部保護層１０７は、単層でも複数の層を積層していてもよい。

さらに、図４（ｂ）に示すように、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの断面構成は温度検知層１０８が設けられていること以外は電気熱変換素子１０２と同様であるが、必要に応じて一部の層を省略してもよい。省略可能な層の例としては、インクの消泡に伴う化学的、物理的影響がない平面配置であれば上部保護層１０７が挙げられる。これは、電気熱変換素子１０２とは異なり、インクの発泡や消泡に伴う影響が少ないためである。このように上部保護層１０７を省略することで温度検知素子１３２ａ、１３２ｂと液室３００との距離が小さくなり、温度検知の精度を向上することができる。温度検知層１０８は発熱抵抗体層１０４の下部に設けられるが、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの近傍であれば平面上で離れていてもよい。発熱抵抗体層１０４が薄板状の形状を有している場合、その薄膜の中央部がもっとも温度変化が大きいので、少なくとも中央部の直下に温度検知層１０８が存在することが好ましい。温度検知層１０８は温度に応じて電気抵抗値が変化する物性を有する金属、あるいは無機材料の単層、あるいはこれらの複数層で形成される。

金属材料としては、例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金が挙げられる。温度検知層１０８が導電体であれば温度検知層１０８自体を温度検知素子１３２ａ、１３２ｂへの配線に用いてもよいし、発熱抵抗体層１０４を接続するための配線層１０５からは電気的に独立した配線層を別に設けてもよい。温度に応じた電気抵抗値の変化が温度検知層１０８よりも小さくかつ温度検知層１０８よりも電気伝導度の高い別の配線層を用いて温度検知層１０８を接続し温度変化に対応した電気抵抗の変化が全体の電気抵抗に占める割合を高くすることができるので好ましい。逆に、温度検知層１０８の電気抵抗値が高ければ温度検知層１０８で発熱抵抗体を兼ねることで発熱抵抗体層１０４を省略してもよい。いずれにしても、温度変化に対応した電気抵抗の変化が全体の電気抵抗に占める割合を高くすることで、微小な温度変化もより大きな変化として検知することができる。

具体的には、温度に対して電気抵抗値がより大きく変化する物性をもつ材料を温度検知層１０８に用いるか、温度検知層１０８の幅を細くする。或いは、温度検知層１０８の線長を長くするために蛇行させた形状として配置する。このようにして温度検知層を高抵抗にすることで温度変化に対応した電気抵抗の変化を相対的に大きくできる。これらにより、出力信号のＳ／Ｎ比を向上させてインクの挙動を検出しやすくすることができる。以下、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの発熱抵抗体層１０４、即ち、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂによる温度検知動作に関連して（先立って）発熱する発熱抵抗体層１０４を「第２の電気熱変換素子」という。なお、温度検知層１０８のことを温度検知素子とも称する。

第１の駆動回路とは別に設けられた、時間変化する電力を供給するための第２の駆動回路に配線を介して第２の電気熱変換素子は接続される。第２の駆動回路はコントローラ６００からの信号に応じて第２の電気熱変換素子への電力の供給を制御（ＯＮ／ＯＦＦ）する。温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの温度検知層１０８は配線を介してコントローラ６００に接続され、コントローラ６００から検査開始信号および電力が供給される。温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの温度検知層１０８に電力が供給されることで、温度変化に対応した抵抗値の変化によって変化する電圧あるいは電流が出力される。以下、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの温度検知層１０８からの出力を「温度検知素子の出力」という。

外部端子を介してコントローラ６００に設けられたＯＰアンプなどの回路でこの出力変化を処理することでインクの挙動を検出することができる。なお、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂからの出力信号をコントローラ６００で処理するのではなく、素子基板１００に設けられた処理回路（不図示）を用いて処理してもよいし、コントローラ６００と素子基板１００に設けられた処理回路の両方を用いてもよい。

以上説明したように、第１の電気熱変換素子に接続された第１の駆動回路から第２の電気熱変換素子に接続された第２の駆動回路が独立しているので、第１の電気熱変換素子と第２の電気熱変換素子を夫々、個別のタイミングやエネルギーでの加熱が可能になる。

温度変化から検出可能なインクの挙動としては、インクが正常吐出しているかどうか、インクの吐出方向が所望の方向からずれ（以下、ヨレ）ているかどうか、吐出後にインクが液室に供給されるかどうかなどがあげられるが、本発明はこれらに限定されない。

正常吐出かどうかを検出するためには、急激な温度低下に対応する温度検知素子１３２の出力信号の急峻な変化の有無によって判定する。そのため正常吐出時は吐出インク液滴の一部が電気熱変換素子１０２の表層に付着する場合と、吐出不良時はインク液滴が電気熱変換素子１０２の表層に付着しない場合とで温度検知素子１３２で検出される温度の変化に差がある現象を利用すればよい。

インクの吐出方向が所望の方向からヨレているかどうかは、２つの温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの出力信号の差分が急激に変化するかどうかで判定すればよい。ヨレが発生すると、吐出されるインク液滴の一部が素子基板１００の電気熱変換素子の表層に付着する位置が変化するので、インク液滴の一部が付着した温度検知素子の検出温度変化が他の温度検知素子のそれに対して急激であることを利用して検出する。具体的には、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂそれぞれから出力される信号同士を比較した差の絶対値が閾値よりも大きい場合には変化している側にヨレていると判定できる。あるいは温度検知素子１３２ａ、１３２ｂそれぞれから出力される信号が変化する時刻について比較することで変化が早い側にヨレていると判定できる。

いずれにしろ、インクの挙動が正常か異常かを検出するためには温度変化をできる限り急峻にすることが必要となる。そのため、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂによる温度検知動作に先立って第２の電気熱変換体にインクが発泡しない程度のエネルギーを与えて温度検知素子１３２ａ、１３２ｂを加熱する。これにより、加熱後の吐出されるインクの一部が素子基板１００の電気熱変換素子１０２の表層に付着する際の温度変化を加熱しない場合よりも急峻にする。

そのため、この実施例では、第１の電気熱変換体に電力を供給するための第１の駆動回路と第２の電気熱変換体に電力を供給するための第２の駆動回路を独立して設けている。これら２つの駆動回路を独立に動作させることにより、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂが第２の電気熱変換体を備えない場合に比べて高感度にインクの挙動を検出することができる。このとき、電気熱変換素子１０２上のインク発泡前に、インク発泡に十分なエネルギーを与えて温度検知素子１３２ａ、１３２ｂ上のインクを発泡させると、膜沸騰が核沸騰になるなど電気熱変換素子１０２上の液体の発泡への影響が懸念されるため好ましくない。そのため、インクを発泡させない範囲でできる限り大きいエネルギーを第２の電気熱変換体に与えるとその分、温度変化も急峻になるため好ましい。

インク吐出有無の判断だけであるなら、１つの電気熱変換素子に対応する温度検知素子の数は１つでも複数でもよい。しかしながら、前述のようにヨレ検知のためには、１つの電気熱変換素子に複数の温度検知素子を設け、かつ複数の温度検知素子と電気熱変換素子がなす方向を検知したいヨレの方向とそろえることが好ましい。

例えば、記録ヘッドから吐出されたインク液滴が着弾する記録媒体の搬送方向と垂直な方向にヨレた場合、記録画像にスジ状の濃度むらが発生し目立つため特に補完する必要がある。その場合、素子基板を平面視した際に電気熱変換素子を挟んで記録媒体の搬送方向と直交する方向にオフセットした位置に温度検知素子１３２ａ、１３２ｂを設けるのが望ましい。

ただし、記録媒体の搬送方向に吐出されたインク液滴がヨレた場合も、目立ちにくいだけで画像品位の低下を生じるのは変わらない。そのため、速やかに検知して回復動作が行えるように、素子基板を平面視した際に電気熱変換素子を挟んで記録媒体の搬送方向にオフセットした位置に温度検知素子を設けることが望ましい。

ヨレの方向が予測できない場合は、電気熱変換素子を挟んで記録媒体の搬送方向にオフセットした位置と記録媒体の搬送方向に垂直な方向にオフセットした位置の両方に温度検知素子を設けてもよい。あるいは、３つの温度検知素子と１つの電気熱変換素子が一直線上にならないように、電気熱変換素子から見て三方向に温度検知素子を設けてもよい。ここで、１つの電気熱変換素子に対応する温度検知素子とは、ある電気熱変換素子について、各温度検知素子から最近接の電気熱変換素子が当該電気熱変換素子であるような温度検知素子を指す。なお、等距離に複数の電気熱変換素子が配置される場合は１つの電気熱変換素子に対応する温度検知素子はそれらのうちの任意の組み合わせでよい。

図５は電気熱変換素子の加熱のためのヒートパルスと温度検知層の検査開始信号と温度検知層の出力信号波形（以下、センサ応答）を表したタイミングチャートである。この例では、電気熱変換素子１０２の発熱抵抗体層１０４が形成される層の直下に温度検知層１０８が形成され、直接的に電気熱変換素子１０２の温度検知を可能にしている。

図５において、センサ応答１は記録ヘッド３のインク挙動検出時の一方の温度検知素子１３２ａの温度検知層１０８からの出力信号を処理した後の波形を表している。また、波形センサ応答２は記録ヘッド３のインク挙動検出時の電気熱変換素子１０２の温度検知層１０８からの出力信号を処理した後の波形を表している。センサ応答３は記録ヘッド３のインク挙動検出時の他方の温度検知素子１３２ｂの温度検知層１０８からの出力信号を処理した後の波形を表している。なお、図５では説明のため、電気熱変換素子を加熱前から冷却後までの出力波形を示したが、実際は不吐検出やヨレ検出に必要となる波形間の差異が現れるインク液滴付着直後のみの温度検知素子１３２ａ、１３２ｂからの出力を検出すれば十分である。

図６は図５に対応して電気熱変換素子の加熱のためにヒートパルスを印加してインク吐出動作を行った際のインク液滴の一部の落下の様子を示す図であり、図７は図６に対応してインク吐出動作を行った際のインク液滴の一部の落下の様子を示す図である。なお、図６は素子基板の断面図を示し、図７は素子基板を吐出口の上方から眺めた透視図である。そして、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）と、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）に対応している。

さて、図５（ａ）は記録ヘッド３のインク挙動検出時の温度検知素子１３２ａに液滴の一部が付着した場合の各センサ応答を示している。図６（ａ）、図７（ａ）はそれぞれ、温度検知素子１３２ａにインク液滴が落下し付着した様子を示している。この場合、センサ応答１はインク吐出時にインク液滴の一部が付着した方の温度検知素子１３２ａからの出力波形を示し、センサ応答３はインク不吐や吐出ヨレなどでインク液滴が付着しなかった方の温度検知素子１３２ｂからの出力波形を示している。センサ応答１では、吐出されたインク液滴の一部が温度検知素子１３２ａの表層近傍に付着したので、温度検知素子１３２ａの温度は急激に低下する。それに対して、センサ応答３では、インク液滴が温度検知素子１３２ｂの表層近傍に付着しないので、温度検知素子１３２ｂの温度は穏やかに低下する。そのため、これら２つの応答を比較すると分かるように、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの出力信号に急峻な変化があるかないかという違いになってヨレの有無が現れる。

温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの温度変化をできるだけ急峻にするため第２の電気熱変換素子へのヒートパルスは加熱終了後、温度検知層１０８に熱が伝わる時間経過したタイミングでインク液滴が付着するよう加熱を終了させる特性をもつことが最適である。ここでいう温度検知層１０８に熱が伝わる時間経過とは、加熱終了から温度検知層１０８が最高温度に到達するまでにかかる時間をいう。そのためには、第１の電気熱変換素子よりも第２の電気熱変化素子を加熱するエネルギーを小さく調整すればよい。

具体的には、第１の電気熱変換素子と第２の電気熱変換素子への加熱電力が同じであれば第１の電気熱変換素子の方を先に加熱開始する。あるいは、第１の電気熱変換素子と第２の電気熱変換素子の加熱開始タイミングを揃えて第１の電気熱変換素子よりも第２の電気熱変化素子への加熱電力を弱くするなどの制御を行う。また、加熱終了については第１の電気熱変換素子よりも第２の電気熱変化素子の方が後に加熱終了することが好ましい。温度検知素子１３２ａ、１３２ｂを加熱する時間幅については温度変化に与える影響が少ないが、エネルギー効率を向上させるためには回路上可能な範囲で大電力で短時間で加熱することが好ましい。これらを実現するためには第１の電気熱変換素子と第２の電気熱変換素子をそれぞれ独立したタイミング及びエネルギー量で加熱できる構成が必要となる。

図５（ｂ）は記録ヘッド３の電気熱変換素子１０２にインク液滴の一部が付着した場合の各センサの応答を示している。図６（ｂ）、図７（ｂ）はそれぞれ、電気熱変換素子１０２にインク液滴が落下し付着した様子を示している。図５（ｂ）に示すように、センサ応答１とセンサ応答３は、両方の温度検知素子１３２ａ、１３２ｂにインク液滴が付着していないので、温度検知素子１３２ａ、１３２ｂの温度は穏やかに低下する。このような変化は、図５（ａ）に示した急激な温度低下が生じる温度検知素子１３２ａの出力信号の特性とは異なる。一方、センサ応答２は、電気熱変換素子１０２にインク液滴の一部が付着するので、これに対応する温度低下は急激なものとなる。

図５（ｃ）は記録ヘッド３のインク挙動検出時に、図５（ａ）の場合とは異なり、他方の温度検知素子１３２ｂにインク液滴の一部が付着した場合の各センサの応答を示している。図６（ｃ）、図７（ｃ）はそれぞれ、温度検知素子１３２ｂにインク液滴が落下し付着した様子を示している。これを図５（ａ）と比較すると、インク液滴が付着した方の温度検知素子１３２ｂの出力特性が入れ替わっている以外は、図５（ａ）の出力特性と同じである。

図８は１つの電気熱変換素子と１つの温度検知素子それぞれの断面構成及び位置関係を説明する断面図である。この図では、図４（ｂ）に示した電気熱変換素子１０２と温度検知素子１３２ｂの近傍のみを図示しており、それ以外の部分は図４（ｂ）と変わらないので省略している。

図８に示した絶縁層１１０は、発熱抵抗体層１０４や配線層１０５や温度検知層１０８などの電流の流れる層を絶縁するための層である。絶縁層１１０は、ＳｉＯやＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）などの絶縁体の単層、あるいはこれらの複数層で形成される。断熱層１１２は素子基板１００への熱の過剰な拡散を防ぐための断熱層であり、ＳｉＯなどの低熱伝導率材料の単層、あるいはこれらの複数層で形成される。吐出周波数のタイムスケールでは断熱層１１２より下には熱がほぼ伝わらないように熱設計される。

電気熱変換素子１０２と温度検知素子１３２それぞれの配線層１０５や温度検知層１０８などの導体層同士は液室あるいは不導体層によって分断されている。これにより、温度検知素子１３２が電気熱変換素子１０２によって加熱されることに起因するノイズ発生が防止される。

従って、電気熱変換素子１０２と温度検知素子１３２との間の分断部の水平距離よりも温度検知素子１３２の最表層から温度検知層１０８までの垂直距離の方を短くすることが好ましい。また、断熱層１１２より表層側に温度検知層１０８を設けている。これは断熱層１１２より下に熱が伝わらないからである。

従って以上説明した実施例に従えば、１つの電気熱変換素子に対して２つの温度検知素子を配置し、電気熱変換素子と温度検知素子それぞれに発熱抵抗体層を設け、これらを互いに独立に駆動できる別々の駆動回路を設けている。これにより、電気熱変換素子と温度検知素子を互いに対して独立のタイミングで駆動し、インク吐出動作において、温度検知素子の温度変化が最も大きくなる条件で温度変化の検知を行うことができるので、より正確にインク不吐検知が可能になる。

また、１つの電気熱変換素子に対して２つの温度検知素子を配置することで、２つの温度検知素子によって検出される温度変化の特性を比較することで、２つの温度検知素子を配置した方向のインクのヨレ発生の検出やヨレの方向を判断することができる。このように、この実施例に従えば、吐出インクの挙動を把握することが可能になる。

なお、以上説明した実施例では、インクを吐出する記録ヘッドとその記録装置を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。また本発明は、例えば、バイオチップ作製や電子回路印刷やカラーフィルタ製造などの用途としても用いることができる。

以上の実施例で説明した記録ヘッドは、一般的には、液体吐出ヘッドということもできる。また、そのヘッドから吐出するのはインクに限定されるものではなく、一般的に、液体ということもできる。

本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１ 記録装置、２ キャリッジ、３ 記録ヘッド、６ インクタンク、
１００ 素子基板、１０２ 電気熱変換素子、１０４ 発熱抵抗体層、１０５ 配線層、
１０６ 保護層、１０７ 上部保護層、１０８ 温度検知層、１０９ 付着インク液滴、
１１１ 供給口、１１２ 断熱層、１２１ 吐出口、１３２ 温度検知素子、
２００ 液室形成部材、３００ 液室

Claims (14)

1. 液体を吐出するために発熱する第１の電気熱変換素子と、
   前記第１の電気熱変換素子の近傍に配置される少なくとも１つの温度検知素子と、
   前記少なくとも１つの温度検知素子による温度検知動作に関連して発熱する第２の電気熱変換素子と、を有することを特徴とする素子基板。
2. 前記素子基板は多層構造であり、
   前記第２の電気熱変換素子の下層に前記温度検知素子が形成されることを特徴とする請求項１に記載の素子基板。
3. 前記第１の電気熱変換素子の下層に前記温度検知素子とは別の温度検知素子が形成されることを特徴とする請求項２に記載の素子基板。
4. 前記第１の電気熱変換素子への電力の供給を制御するための第１の駆動回路と、
   前記第２の電気熱変換素子への電力の供給を制御するための第２の駆動回路と、をさらに有し、
   前記第１の駆動回路と前記第２の駆動回路とは互いに独立に駆動できることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の素子基板。
5. 前記第１の電気熱変換素子は、複数、備えられ、
   前記素子基板を平面視した際に、複数の前記第１の電気熱変換素子それぞれを挟むように、少なくとも２つの前記温度検知素子が配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子基板。
6. 複数の前記第１の電気熱変換素子が配置される方向に、前記少なくとも２つの温度検知素子が配置されることを特徴とする請求項５に記載の素子基板。
7. 複数の前記第１の電気熱変換素子が配置される方向とは直交する方向に、前記少なくとも２つの温度検知素子が配置されることを特徴とする請求項５に記載の素子基板。
8. 複数の前記第１の電気熱変換素子が配置される方向と、複数の前記第１の電気熱変換素子が配置される方向とは直交する方向のそれぞれに、前記少なくとも２つの温度検知素子が配置されることを特徴とする請求項５に記載の素子基板。
9. 複数の前記第１の電気熱変換素子それぞれの近傍の３つの方向それぞれに温度検知素子を配置することを特徴とする請求項５に記載の素子基板。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の素子基板を用いた液体吐出ヘッドであって、
    複数の前記第１の電気熱変換素子に対応して、液体を吐出する複数の吐出口を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
11. 前記第１の電気熱変換素子よって発生する熱により液体を加熱し発泡させることで、前記複数の吐出口から液体を吐出し、
    前記第２の電気熱変換素子によって発生する熱により前記液体が発泡しない程度に加熱することを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 請求項１０又は１１に記載の液体吐出ヘッドを、前記液体をインクとし、該インクを吐出する記録ヘッドとして用い、記録媒体に記録を行う記録装置であって、
    前記第１の電気熱変換素子を駆動してインク吐出動作を行わせるとともに、前記温度検知素子による温度検知の結果に基づいてインクの吐出状態の検出を行う制御手段を有することを特徴とする記録装置。
13. 前記制御手段は、前記温度検知素子により出力される検出温度の時間変化に基づいて前記インクの吐出状態の検出を行うことを特徴とする請求項１２に記載の記録装置。
14. 前記制御手段は、少なくとも２つの前記温度検知素子それぞれが出力する検出温度の時間変化を比較することにより、インク吐出にヨレが発生しているかどうかを判定することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の記録装置。

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