JP2023048839A - 液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 吐出液滴が斜めに吐出されているか否かを検知することができる液体吐出装置を提供することを目的とする。【解決手段】 液体吐出装置2は、液体を吐出する吐出口111と、吐出口111から液体を吐出するために液体を加熱する加熱素子101と、を有する記録素子基板1を備える。液体吐出装置2は、少なくとも第1の温度検知素子104と第2の温度検知素子107とをさらに有し、記録素子基板1を平面視したとき、第1の温度検知素子104と第2の温度検知素子107は、加熱素子101を中心に、対象となる位置に形成されていることを特徴とする。【選択図】 図1
Description
本発明は、液体を吐出する液体吐出装置に関する。
吐出口から液体(インク)を吐出して紙等の記録媒体に記録を行う方式として、液体を加熱する加熱素子(ヒータ)で発生させた熱エネルギーにより吐出口からインクを吐出させるサーマル式液体吐出装置が知られている。
特許文献1には、サーマル式液体吐出装置において、1つのヒータに2つの温度検知素子(温度センサ)を配置する構成が開示されている。2つの温度センサからの出力信号の大小関係を比較することにより、吐出口から正常に液体が吐出されているか否かを判定している。以下、液体が正常に吐出されている場合を正常吐出状態、液体が正常には吐出されていない場合を不吐出状態と称する。
具体的には、特許文献1においては、例えば平面視でヒータ中央とヒータ周辺に温度センサを1つずつ配置する。ヒータ中央の温度センサの両端子間電圧をV1、ヒータ周辺の温度センサの両端子間電圧をV2とし、V1とV2をコンパレータで比較する。不吐出状態のときは常にV1>V2となるのに対して、正常吐出状態のときはV1<V2となる期間が存在する。この違いを利用し、吐出口から正常に液体が吐出されているか否かを判定することができる。
しかしながら、特許文献1の構成においては、正常吐出状態と判定した場合であっても、吐出された液滴が吐出口から斜めに吐出されている(以下、ヨレ吐出や斜め吐出と称することもある)ことがある。吐出液滴が斜めに吐出されている状態は、記録品位の低下を招く原因になるため、不吐出状態に分類されるべき状態である。即ち、特許文献1においては、不吐出状態を正常吐出状態と誤判定してしまう恐れがある。
本発明は、上記課題を鑑み、吐出液滴が斜めに吐出されているか否かを検知することができる液体吐出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口から液体を吐出するために液体を加熱する加熱素子と、を有する記録素子基板を備える液体吐出装置において、少なくとも第1の温度検知素子と第2の温度検知素子とをさらに有し、前記記録素子基板を平面視したとき、前記第1の温度検知素子と前記第2の温度検知素子は、前記加熱素子を中心に、対象となる位置に形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、吐出液滴が斜めに吐出されているか否かを検知することができる液体吐出装置を提供することができる。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本実施形態について説明する。図15は、吐出口から液体が斜めに吐出されているか否かを検査する斜め吐出検査装置2の制御構成を示すブロック図である。制御部4からの指示を受けて、信号生成部3は記録素子基板1に対して、クロック信号(CLK)、ラッチ信号(LT)、ブロック信号(BLE)、ヒータ選択信号(DATA)、ヒートイネーブル信号(HE)を出力する。更に、吐出口毎に設けた2つの温度センサの選択や通電量、出力信号の処理に関わる、センサ選択信号(SDATA)、定電流信号(Diref)、しきい値信号1(Dth1)、しきい値信号2(Dth2)を出力する。
以下、図面を参照しながら、本実施形態について説明する。図15は、吐出口から液体が斜めに吐出されているか否かを検査する斜め吐出検査装置2の制御構成を示すブロック図である。制御部4からの指示を受けて、信号生成部3は記録素子基板1に対して、クロック信号(CLK)、ラッチ信号(LT)、ブロック信号(BLE)、ヒータ選択信号(DATA)、ヒートイネーブル信号(HE)を出力する。更に、吐出口毎に設けた2つの温度センサの選択や通電量、出力信号の処理に関わる、センサ選択信号(SDATA)、定電流信号(Diref)、しきい値信号1(Dth1)、しきい値信号2(Dth2)を出力する。
判定結果抽出部5は、2つの温度センサ(第1の温度検知素子および第2の温度検知素子)が検出した温度情報に基づいて記録素子基板1から出力される判定結果信号(RSLT)を受信し、ラッチ信号LTの立下りと同期してラッチ期間毎に判定結果を抽出する。そして、判定結果が斜め吐出だった場合に、判定結果に対応するブロック信号BLE、センサ選択信号SDATAをメモリ6に記録する。
制御部4は、メモリ6に記録されたヨレ吐出吐出口のブロック信号BLE、センサ選択信号SDATAを受けて、駆動対象ヒータに斜め吐出の吐出口が含まれる場合、該当ブロックのヒータ選択信号DATAから斜め吐出の吐出口を消去する。そして、代わりに斜め吐出補完用の吐出口を該当ブロックのヒータ選択信号DATAに追加して、信号生成部3に出力する。
図1は、本実施形態における記録素子基板1に設けられた複数の吐出口の内の1つの吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。図2は、図1の吐出口の断面図であり、図2(A)はA-A断面図、図2(B)はB-B断面図を表している。記録素子基板1の上に形成されたオリフィスプレート212には、インク流路112が形成され、インク供給口113とインク排出口114がインク流路112に対して垂直方向に記録素子基板1内に形成されている。インク流路112の上には、1つの吐出口に対して1つの吐出口111がオリフィスプレート212に形成される。
吐出口111直下の記録素子基板1内に、例えばTaSiNのような比抵抗が高く熱的に安定した材料の薄膜抵抗体から成る矩形状のヒータ101が設けられる。さらにヒータ101の長辺側中央付近に、図1の平面図において一部がヒータ101と重なるように、絶縁層202を介してヒータ101の下層に薄膜抵抗体から成る温度センサ(温度検知素子)104,107が設けられている。温度検知素子104(第1の温度検知素子)と温度検知素子107(第2の温度検知素子)は、ヒータ101を中心に対称となるように設けられる。ここで対象とは、記録素子基板を平面視したとき、第1の温度検知素子104の中心と加熱素子101の中心との距離に対する、第2の温度検知素子107の中心と加熱素子101の中心との距離の比率が、0.95以上1.05以下であることをいう。図1においては、第1の温度検知素子104および第2の温度検知素子107は、加熱素子101の短手方向に配置されている。温度センサ104、107は出力電圧を高めるため、ヒータ101と同等の大きな比抵抗を有し、温度抵抗係数が高い材料を用いるのが望ましい。
ヒータ101と温度センサ104、107の上には、例えばSiNのような絶縁体の保護膜201が形成される。さらにその上には、図1の平面図においてヒータ101を覆うように、例えばTaから成る耐キャビテーション膜110が形成される。
図1に示すように、温度センサ104、107は保護膜201と耐キャビテーション膜110を介してインク流路112と重なる位置に設けられる。記録素子基板1は、基板211上の絶縁部材202に対して複数の配線層が設けられて構成される。絶縁部材202は、複数の層間絶縁膜が積層されて構成され、上記配線層の個々は層間絶縁膜の間に設けられる。基板211にはシリコン等の半導体材料が用いられ、絶縁部材202にはシリコン酸化物等の絶縁材料が用いられる。
上述のヒータ101、並びに、温度センサ104,107は、上記複数の配線層に設けられた配線パターンおよび導電プラグを介して電気接続されることにより、記録機能を実現可能な回路を形成する。本実施形態では、基板211に最も近い第1層と、その上方の第2層の計2つの配線層が設けられるものとする。
ヒータ101は、ヒータ101の短辺側の一端部において導電プラグ102を介して第2層の配線パターン209に接続され、他端部において導電プラグ103を介して第2層の配線パターン210に接続される。なお、配線パターン209は電源線に接続され、配線パターン210は後述のスイッチ素子319(図3参照)を介して接地されるものとする。
温度センサ104は、図1に示されるように、導電プラグ105,106を介して所定の配線パターンに接続される。例えば、図2Aに示されるように、温度センサ104は、一端部に設けられた導電プラグ106を介して第2層のパッド204に接続され、更に導電プラグ206を介して第1層の配線パターン208に接続される。
温度センサ107は、温度センサ104同様、導電プラグ108,109を介して所定の配線パターンに接続される。例えば、図2Aに示されるように、温度センサ107は、一端部に設けられた導電プラグ108を介して第2層のパッド203に接続され、更に導電プラグ205を介して第1層の配線パターン207に接続される。
また、ヒータ101の下方において、第2層には放熱用パターン207が配され、該パターン207は、プラグ209を介して第1層の放熱用パターン208に接続され、該パターン208は、プラグ210を介して基板211に接続される。このような構成によれば、ヒータ101が駆動されて熱を発生した後において該駆動が抑制された場合には、該熱は基板211に速やかに放出されることとなる。
図3は、本実施形態における記録素子基板1に実装したヒータの駆動回路、および温度センサの出力信号の処理回路のブロック図である。ここでは説明を簡単にするために、記録素子基板1は吐出口列301内にそれぞれ4個のヒータ101a~dと8個の温度センサ104a~d,107a~dを備えており、図3に示すような順序で配列しているものとする。
記録素子基板1は、ヒータ101a~dを駆動するための定電圧源302と温度センサ104a~104d,107a~107dに通電するための定電流源304、外部から、または外部へ信号や情報を入出力する入出力部(パッドあるいは端子)を備えている。また、定電流源304への電力供給元として定電圧源303により、定電流源304の高電圧側には例えば5VのVHTAが、低電圧側にはGNDとしてのVSSが印加される。
定電流源304は2系統の電流源である、定電流源309(第1の定電流源)および定電流源310(第2の定電流源)で構成されている。同じ電流型DAC307を基準電流源としてミラーリング回路308により同じ増幅率で定電流源309および310に電流Irefがミラーリングされる。
スイッチ素子(MOSトランジスタ)319aは、ヒータ101aおよびゲート回路317a、318aと共に、1つの駆動回路316aを構成し、ヒータ101aに対する定電圧源302の電圧の印加を制御する。スイッチ素子319aがオンすると、ヒータ101aの高電圧側には例えば24VのVHが、低電圧側にはGNDHが印加される。他の3個のヒータ101b~101dも、同様のスイッチ素子によって制御される。
温度センサ104a,107aは、スイッチ素子324a~327aと共に1つの温度取得回路323aを構成する。スイッチ素子324aは温度センサ104aに対する定電流源309の電流の給電を制御する。また、スイッチ素子325aは温度センサ104aに発生する電圧のボルテージフォロワ328に対する出力を制御する。同様に、スイッチ素子326aは温度センサ107aに対する定電流源310の電流の給電を制御する。また、スイッチ素子327aは温度センサ107aに発生する電圧のボルテージフォロワ329に対する出力を制御する。
スイッチ素子324a~327aは同時にオンとなり、このとき温度センサ104a、107aはヒータ101aに対応する吐出口から吐出するインク滴のヨレ状態を検査するための温度信号をバッファアンプ328,329に出力する。他の6個の温度センサ104b~104d,107b~107dも、同様のスイッチ素子によって制御される。
以上示したように、図3の回路構成では、4つの駆動回路316a~316dと4つの温度取得回路323a~323dを備えている。また、4つの駆動回路316a~316dと4つの温度取得回路323a~323dは、2つのグループG1、G2に分けられている。各グループは2つの駆動回路と2つの温度取得回路で構成されている。
図4は、記録素子基板1のロジック回路部における制御のタイミングを表したタイミングチャートである。以下、図3および図4を参照し、本実施形態の記録素子基板1のロジック回路部の動作について説明する。
記録素子基板1は、ヨレ吐出検査装置2から転送されるクロック信号(CLK)、ラッチ信号(LT)、ブロック信号(BLE)、2bitシリアルデータであるヒータ選択信号(DATA)、ヒートイネーブル信号(HE)を受信する。なお、ブロック信号(BLE)は通常は多bitシリアルデータであるが、本実施形態では1bitデータとなる。
更に、2bitシリアルデータであるセンサ選択信号(SDATA)も受信する。クロック信号(CLK)以外は、ブロック周期tbの間隔で受信する。すなわち、4つの駆動回路316a~316dと4つの温度取得回路323a~323dの制御を、2回のブロックに時分割して行ない、これを2回繰り返すことにより8個の温度センサ104b~104d,107b~107dの温度信号の取得を完了する。
ブロック信号BL1~BL4は、クロック信号(CLK)に同期してシフトレジスタ311に転送されて、それぞれタイミングt0~t3でラッチ回路312にラッチされ、デコーダ313でデコードされて、配線B1,B2に出力される。なお、本実施形態ではシフトレジスタ311は1bitのレジスタとなる。配線B1,B2の信号は、次のラッチタイミングまでのtbの間保持され、その間に次のブロック信号がシフトレジスタ311に転送される。
配線B1,B2の信号は、2つのうちどちらか1つのみ有効となる信号で、同時に駆動するヒータを選択するために使用される。図3では、配線B1はゲート回路317a,317cと接続している。従って、配線B1の信号が有効(Highアクティブ)になれば、ヒータ101a,101cを同時に駆動することができる。同様に、配線B2の信号が有効になれば、ヒータ101b,101dを同時に駆動することができる。
図4に示すように、本実施形態では、t0~t1間およびt2~t3間ではB1が、t1~t2間およびt3~t4間ではB2が、それぞれ有効となるように時分割で駆動する場合を扱うことにする。
ヒータ選択信号DT1~DT4は、クロック信号(CLK)に同期してシフトレジスタ314a,314bに転送されて、それぞれタイミングt0~t3でラッチ回路315a,315bにラッチされ、配線D1,D2に出力される。配線D1,D2の信号は、次のラッチタイミングまでのtbの間保持され、その間に次のヒータ選択信号がシフトレジスタ314a,314bに転送される。
配線D1,D2の信号は、ヒータのグループG1,G2を選択するために使用される。図1では、配線D1はゲート回路317a,317bと接続している。従って、配線D1の信号が有効(Highアクティブ)になれば、グループG1のヒータ101a,101bを選択することができる。同様に、配線D2の信号が有効になれば、グループG2のヒータ101c,101dを選択することができる。
本実施形態では、前半の2回のブロックでグループG1のヒータを、後半の2回のブロックでグループG2のヒータを選択する場合を扱うことにする。すなわち、4回のブロックで4つのヒータ全ての駆動が完了する。
配線B1,B2の信号は、配線D1の信号と共に、それぞれゲート回路317a,317bに入力される。ゲート回路317a,317bの出力信号は、ヒートイネーブル信号(HE)と共に、それぞれ更にゲート回路318a,318bに入力される。ゲート回路318a,318bは、それぞれ配線H1,H2にパルス信号401,402を出力する。配線H1,H2は、それぞれスイッチ素子319a,319bと接続しており、パルス信号401,402により、それぞれヒータ101a,101bが駆動される。
同様に、ゲート回路318c,318dによって、それぞれ配線H3,H4にもパルス信号403,404が出力される。配線H3,H4は、それぞれスイッチ素子319c,319dと接続しており、パルス信号403,404により、それぞれヒータ101c,101dが駆動される。
センサ選択信号SDT1~SDT4は、クロック信号(CLK)に同期してシフトレジスタ320a,320bに転送されて、それぞれタイミングt0~t3でラッチ回路321a,321bにラッチされ、配線SD1,SD2に出力される。配線SD1,SD2の信号は、次のラッチタイミングまでのtbの間保持され、その間に次のセンサ選択信号がシフトレジスタ320a,320bに転送される。
配線SD1,SD2の信号は、駆動するヒータに対応した温度センサが含まれるグループをG1,G2から1つ選択するために使用される。図3では、配線SD1はゲート回路322a,322bと接続している。従って、配線SD1の信号が有効(Highアクティブ)になれば、グループG1の温度センサ104a,104b,107a,107bを、駆動するヒータに対応した温度センサとして選択することができる。同様に、配線SD2の信号が有効になれば、G2の温度センサ104c,104d,107c,107dを、駆動するヒータに対応した温度センサとして選択することができる。
図4に示すように、本実施形態では、4回のブロックのうち第1、第2ブロックでは配線SD1の信号を有効にしてグループG1の温度センサを選択する場合を扱うことにする。また、第3、第4ブロックでは配線SD2の信号を有効にしてグループG2の温度センサを選択する場合を扱うことにする。
温度センサを選択するためのブロック信号は、配線B1,B2の信号を流用する。すなわち、配線SD1の信号と共に、配線B1,B2の信号が、それぞれゲート回路322a,322bに入力される。同様に、配線B1,B2の信号が、配線SD2の信号と共に、それぞれゲート回路322c,322dに入力される。
定電流Irefの設定値Direfは32段階で設定可能な5bitのデジタル値として定められ、クロック信号CLKに同期してシフトレジスタ305に転送される。そして、ラッチ信号LTに同期してラッチ回路306にラッチされ、電流出力型のデジタルアナログコンバータ(DAC)307に出力される。すなわち、DAC307は設定値Direfに基づいて出力電流Irefinを出力する。
ラッチ回路306の出力信号は、次のラッチタイミングまでの間保持され、その間に次の設定値Direfがシフトレジスタ305に転送される。
DAC307の出力電流Irefinは定電流源309および310にミラーリングされ、例えば12倍に増幅されて定電流Irefとして出力される。
以上により、第1ブロックでは、ゲート回路322aによりt0~t1間で有効となるパルス信号405が配線S1に出力される。配線S1はスイッチ素子324a,325aと接続しており、パルス信号405によりt0~t1の間、温度センサ104aに定電流源309から定電流Irefが給電される。
温度センサ104aの温度T1における抵抗Rs1は、常温温度をT0、そのときの抵抗をRs0、温度センサ104aの温度抵抗係数をTCRとして、以下の式(1)で表される。
Rs1=Rs0・{1+TCR・(T1-T0)} (1)
そして、温度センサ104aの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs1は、以下の式(2)で表される。
Vs1=Iref・Rs1=Iref・Rs0・{1+TCR・(T1-T0)}
・・・(2)
上式(2)で表される温度信号Vs1が配線V1を通じてボルテージフォロワ328に出力される。
Rs1=Rs0・{1+TCR・(T1-T0)} (1)
そして、温度センサ104aの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs1は、以下の式(2)で表される。
Vs1=Iref・Rs1=Iref・Rs0・{1+TCR・(T1-T0)}
・・・(2)
上式(2)で表される温度信号Vs1が配線V1を通じてボルテージフォロワ328に出力される。
また、配線S1はスイッチ素子326a,327aも接続しており、パルス信号405によりt0~t1の間、温度センサ107aに定電流源310から定電流Irefが給電される。
温度センサ107aの温度T2における抵抗Rs2は以下の式(3)で表される。
Rs2=Rs0・{1+TCR・(T2-T0)} (3)
そして、温度センサ107aの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs2は、以下の式(4)で表される。
Vs2=Iref・Rs2=Iref・Rs0・{1+TCR・(T2-T0)}
・・・(4)
上式(4)で表される温度信号Vs2が配線V2を通じてボルテージフォロワ329に出力される。
Rs2=Rs0・{1+TCR・(T2-T0)} (3)
そして、温度センサ107aの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs2は、以下の式(4)で表される。
Vs2=Iref・Rs2=Iref・Rs0・{1+TCR・(T2-T0)}
・・・(4)
上式(4)で表される温度信号Vs2が配線V2を通じてボルテージフォロワ329に出力される。
本実施形態では温度センサ104a,107aの常温抵抗値が同じRs0となるように構成したが、常温抵抗値が異なっていても構わない。その場合は常温T0における温度信号Vs1,Vs2が等しくなるように、温度センサ104a,107aに給電する定電流値を定電流源309,310で調整する。
第2ブロックでは、ゲート回路322bによりt1~t2間で有効となるパルス信号406が配線S2に出力される。配線S2はスイッチ素子324b,325bと接続しており、パルス信号406によりt1~t2の間、温度センサ104bに定電流源309から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ104bの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs1を配線V1を通じてボルテージフォロワ328に出力する。
また、配線S2はスイッチ素子326b,327bにも接続しており、パルス信号406によりt1~t2の間、温度センサ107bに定電流源310から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ107bの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs2を配線V2を通じてボルテージフォロワ329に出力する。
第3ブロックでは、ゲート回路322cによりt2~t3間で有効となるパルス信号407が配線S3に出力される。配線S3はスイッチ素子324c,325cと接続しており、パルス信号407によりt2~t3の間、温度センサ104cに定電流源309から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ104cの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs1を配線V1を通じてボルテージフォロワ328に出力する。
また、配線S3はスイッチ素子326c,327cにも接続しており、パルス信号407によりt2~t3の間、温度センサ107cに定電流源310から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ107cの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs2を配線V2を通じてボルテージフォロワ329に出力する。
第4ブロックでは、ゲート回路322dによりt3~t4間で有効となるパルス信号408が配線S4に出力される。配線S4はスイッチ素子324d,325dと接続しており、パルス信号408によりt3~t4の間、温度センサ104dに定電流源309から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ104dの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs1を配線V1を通じてボルテージフォロワ328に出力する。
また、配線S4はスイッチ素子326d,327dにも接続しており、パルス信号408によりt3~t4の間、温度センサ107dに定電流源310から定電流Irefが給電される。それと同時に、温度センサ107dの定電流給電側端子に発生する温度信号Vs2を配線V2を通じてボルテージフォロワ329に出力する。
なお、温度信号Vs1,Vs2を差動アンプ330(差動信号出力手段)に直接入力すると、スイッチ素子の抵抗が差動アンプ330の入力インピーダンスに影響して、温度信号Vs1,Vs2が電圧降下して差動アンプ330に入力されてしまう。そのため、温度信号Vs1,Vs2を吐出口列101内に設けたボルテージフォロワ328,329で一旦受けてから差動アンプ330に入力している。
図5は、記録素子基板1の吐出口列101外に設けられた差動アンプ330の詳細な回路構成を表した回路図である。差動アンプ330は、オペアンプ501、定電圧源502、抵抗503~506で構成される。
第1~第4の各ブロックにおいて、差動アンプ330は式(4)で表される温度信号Vs2から式(2)で表される温度信号Vs1を差し引いた信号(差動信号)を差動アンプの増幅率Gdifで増幅する。そして、定電圧源502の電圧Vofsだけオフセットした、以下の式(5)で表される信号Vdifを出力する。
Vdif=Gdif・(Vs2-Vs1)+Vofs
=Vofs-Gdif・Iref・Rs0・TCR・(T2-T1) (5)
ここで、抵抗503,504の抵抗値をRD1、抵抗505,506の抵抗値をRD2とすると、増幅率Gdifは以下の式(6)で表される。
Vdif=Gdif・(Vs2-Vs1)+Vofs
=Vofs-Gdif・Iref・Rs0・TCR・(T2-T1) (5)
ここで、抵抗503,504の抵抗値をRD1、抵抗505,506の抵抗値をRD2とすると、増幅率Gdifは以下の式(6)で表される。
この作動アンプ133によって2種類のノイズが相殺される。1つは基準電流源307の電流変動によって、式(2)と式(4)に示される定電流Irefに比例して温度信号Vs1,Vs2に重畳するノイズである。もう1つは寄生容量を介して配線V1,V2と交差する配線の電圧変動によるクロストークノイズである。上記以外のノイズで信号Vdifに残留するノイズは、ローパスフィルタ331によって抑制され、信号VFとして出力される。
信号VFを、2つの閾値信号Dth1,Dth2に基づいた、閾値電圧Vdth1(第1の所定値),Vdth2(第2の所定値)と比較することにより吐出がヨレているかどうか(斜め吐出か否か)を判定する。すなわち、信号VFはコンパレータ335の正端子に入力され、負端子に入力されたしきい値電圧Vdth1との比較が行われる。そして、VF>Vdth1であればハイレベル(ヨレ吐出)、VF≦Vdth1であればローレベル(正常吐出)となる信号を配線CMP1に出力する。
一方で、信号VFはコンパレータ339の負端子に入力され、正端子に入力された閾値電圧Vdth2との比較が行われる。そして、Vdth2>VFであればハイレベル(ヨレ吐出)、Vdth2≦VFであればローレベル(正常吐出)となる信号を配線CMP2に出力する。
閾値電圧Vdth1,Vdth2は、例えば8mV刻みで0.5V~2.54Vまで256ランクで設定可能となっている。閾値電圧Vdth1,Vdth2の設定値Dth1,Dth2は、例えば256ランクで設定可能な8bitのデジタル値として定められ、クロック信号CLKに同期して信号生成部3からシフトレジスタ332,336にそれぞれ転送される。
閾値信号Dth1はラッチ信号LTに同期してラッチ回路333にラッチされ、電圧出力型のDAC334に出力される。ラッチ回路333の出力信号は次のラッチタイミングまでの間保持され、その間に次の閾値信号Dth1がシフトレジスタ332に転送される。同様にして、閾値信号Dth2はラッチ信号LTに同期してラッチ回路336にラッチされ、電圧出力型のDAC338に出力される。ラッチ回路338の出力信号は次のラッチタイミングまでの間保持され、その間に次の閾値信号Dth2がシフトレジスタ336に転送される。
信号CMP1,CMP2はORゲート回路340に入力されて配線CMPに出力される。信号CMPをRSラッチ回路341のセット入力端子に入力することで、信号CMPのパルス信号はハイレベルに保持されて配線HCMPに出力される。この信号HCMPを、ラッチ信号LTをトリガーにしてフリップフロップ回路342でラッチすることにより、ヨレ吐出のときに次のラッチ期間でハイレベルとなる判定結果信号RSLTが得られる。
信号HCMPは、ラッチ信号LTの反転信号をRSラッチ回路341のリセット入力端子に入力することで、ラッチ信号LTの立下りでリセットされる。
判定結果信号RSLTは、図14に示した判定結果抽出部5で、ラッチ信号LTの立下りに同期して、ラッチ期間分遅延させたブロック信号BLEとセンサ選択信号SDATAと共に抽出される。
本実施形態では、上記の差動アンプ330からフリップフロップ回路342までの判定回路部を吐出口列301外の記録素子基板1内部に設ける構成としたが、記録素子基板1外で記録ヘッドに備えられた制御チップ内に設けても構わない。また該判定回路部は記録ヘッド外で記録装置に備えられた制御チップ内に設けても構わない。
図6は、吐出口111からインク滴601が吐出し、尾引602が耐キャビテーション膜110に墜落したときの状態を表した吐出口断面模式図であり、図6(A)は正常吐出時、図6(B)はヨレ吐出時を表している。図7は、図4に示した第1ブロックにおける記録素子基板1の判定回路部の各出力波形を表したタイミングチャートであり、図7(A)は正常吐出時、図7(B)はヨレ吐出時を表している。他のブロックも同様のタイミングチャートとなるため、本実施形態では割愛する。
以下、図6および図7に基づいて、本実施形態の第1ブロックにおける判定回路部の正常吐出時とヨレ吐出時における動作の違いについて説明する。図6(A)は正常吐出時の吐出口断面模式図であり、インク滴(吐出液滴)601はオリフィスプレート212の表面に対して垂直に吐出する。また、発泡した気泡内部の負圧は尾引602に対して対称に作用し、メニスカスの破裂による気泡の大気連通も吐出口111全周で同時に発生して、尾引602は平面視でヒータ101の中心に墜落する。
従って、墜落した尾引602は平面視でヒータ101に対して対称に広がるため、ヒータ101に対して対称に配置された温度センサ104,107は尾引602によって均等に冷却される。そのため、図7(A)に示すように、温度センサ104,107の出力信号Vs1,Vs2は波形701のように重なって見える。なお、波形701は、駆動パルス401によるヒータ101への加熱により初期電圧Viniから上昇し、尾引602の墜落による冷却により特徴点702から急速に降温し始める。
出力信号Vs1,Vs2が同じ(T1=T2)となるので、式(5)から出力信号Vs1,Vs2は電流変動ノイズとクロストークノイズも含めて相殺され、作動アンプ330の出力信号Vdifは定電圧のVofsとなる。従って、ローパスフィルタ331の出力信号VFも図7(A)に示すように定電圧Vofsの波形703となる。このVofsに対して均等になるように、しきい値電圧Vdth1,Vdth2は設定される。
図7(A)では、Vdth2≦VF≦Vdth1となるので、信号CMP1,CMP2はいずれもローレベル(正常吐出)となり、ORゲート回路340の出力信号CMPもローレベルとなってパルスは発生しない(704)。従って、信号HCMP(705)および判定結果信号RSLT(706)もローレベル(正常吐出)となって判定結果抽出部5に出力される。
一方、図6(B)はヨレ吐出時の吐出口断面模式図であり、インク滴601は図6(A)の吐出方向から左側にヨレて吐出した状態を表している。また、発泡した気泡内部の負圧は尾引602に対して非対称に作用し、気泡の大気連通もメニスカスが薄くなった箇所から非対称に発生して、結果として尾引602はヒータ101の中心から左側にヨレて墜落する。
従って、墜落した尾引602は平面視で図6(A)よりも温度センサ107に近づき、温度センサ104から離れるため、温度センサ104よりも温度センサ107のほうが尾引602によって強く冷却される。すなわち、図7(B)に示すように、温度センサ104の出力信号Vs1の波形707に出現する特徴点709ほうが、温度センサ107の出力信号Vs2の波形708に出現する特徴点710よりも、出現タイミングが遅くなる。また、特徴点709以降の降温速度が特徴点710以降の降温速度よりも遅く、波形の傾きが緩やかになる。
ただし、特徴点710と特徴点709の出現時間差は僅かであり、特徴点709,710の出現タイミングを抽出するには微分フィルタ等の回路が別途必要となる上に精度が低く、出現時間差を良好な精度で検出することができない。
一方、特徴点710以降、出力信号Vs2の波形708が出力信号Vs1の波形707を僅かではあるが安定して下回り、波形708,707の出力信号の差動を取って増幅した信号Vdifは良好な精度で安定して検出できる。そこで、信号Vdifに基づいてヨレ吐出状態の判定を行う。
式(5)から作動アンプ330の出力信号Vdifは、特徴点710以降は定電圧Vofsから低下する。従って、ローパスフィルタ331の出力信号VFも図7(A)に示すように特徴点710以降、定電圧Vofsから低下する波形711となる。このVofsに対して均等になるように、しきい値電圧Vdth1,Vdth2は設定される。
図7(A)で、Vdth2>VFとなる区間において、信号CMP1はローレベル,信号CMP2はハイレベル(ヨレ吐出)となり、ORゲート回路340の出力信号CMPはハイレベル(ヨレ吐出)となってパルス713が発生する。
従って、信号HCMPにはパルス713をホールドするパルス714が発生し、判定結果信号RSLT(715)はハイレベル(ヨレ吐出)となって判定結果抽出部5に出力される。
インク滴601の吐出方向が、図6(B)に示した方向とは逆方向の右側にヨレる場合は、図7(B)の波形707と波形708は入れ替わって、信号VFは、定電圧Vofsに対して波形711を折り返した波形712となる。
この場合、VF>Vdth1となる区間において、信号CMP1はハイレベル(ヨレ吐出),信号CMP2はローレベルとなり、ORゲート回路340の出力信号CMPはハイレベル(ヨレ吐出)となって、左側にヨレる場合と同様にパルス713が発生する。従って、信号HCMPにはパルス713をホールドするパルス714が発生し、判定結果信号RSLT(715)はハイレベル(ヨレ吐出)となって判定結果抽出部5に出力される。
以上説明したように、本実施形態では記録素子基板を平面視したとき、対称に配置した2つの温度センサに同一の基準定電流源から生成した定電流を給電すると共に、2つの温度センサの定電流給電側の端子の信号間の差動を取って増幅する構成とした。これにより、電流変動ノイズとクロストークノイズを相殺しながら増幅することで、2つの温度センサを結ぶ方向の僅かなヨレ吐出でも高精度に検出することができる。
(第2の実施形態)
図8は、第1の実施形態で示した図1において、2つの温度センサ104,107を設けた層と同層に、2つの温度センサ801,804を縦方向に対称配置で追加した吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。
図8は、第1の実施形態で示した図1において、2つの温度センサ104,107を設けた層と同層に、2つの温度センサ801,804を縦方向に対称配置で追加した吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。
図1に示したように、ヒータ101の長辺側中央付近に2つの温度センサ104,107を対称に配置する構成では、墜落尾引602が図1において横方向にヨレる場合にヨレ吐出状態を安定して検知することが可能であった。
しかしながら、墜落尾引602が図1において縦方向にヨレる場合は、温度センサ104,107の出力信号の差動を取ってもヨレ吐出状態を検知することができなかった。
そこで図8に示すように、本実施形態ではヒータ101の中心に対して縦方向に対称となるように温度センサ801,804を配置する。また、定電流源309,310に加えて、追加した温度センサ801,804に対応した定電流源も新たに2系統追加し、合わせて4系統とする。
そうすることで、墜落尾引602が縦方向にヨレる場合でも、温度センサ801,804の出力信号の差動を取ることによりヨレ吐出状態を検知することが可能になる。この場合、しきい値電圧Vdth1,Vdth2は、墜落尾引602が図8において斜め方向にヨレる場合の信号VFも想定した上で設定する。
(第3の実施形態)
図9は、記録素子基板1に設けられた複数の吐出口の内、ヒータ101の長辺側に重なるように4つの温度センサ901,904,907,910をヒータ101に対して互いに対称に設けた吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。なお、4つの温度センサに電流を給電する定電流源も、各々の温度センサの分を合わせて4系統とする。
図9は、記録素子基板1に設けられた複数の吐出口の内、ヒータ101の長辺側に重なるように4つの温度センサ901,904,907,910をヒータ101に対して互いに対称に設けた吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。なお、4つの温度センサに電流を給電する定電流源も、各々の温度センサの分を合わせて4系統とする。
図9に示すように、ヒータ101の長辺側の片側に2つずつ温度センサを対称に配置することで、第2の実施形態と同等の効果を得ることができる。すなわち、温度センサ901,907の出力の差動信号VF1、または温度センサ904,910の出力の差動信号VF2のうち、少なくとも一方がしきい値電圧を超えていれば、横方向にヨレ吐出していると判定する。
同様にして、温度センサ901,904の出力の差動信号VF3、または温度センサ907,910の出力の差動信号VF4のうち、少なくとも一方が別途設定したしきい値電圧を超えていれば、縦方向にヨレ吐出していると判定する。
または、温度センサ901,910の出力の差動信号VF5と、温度センサ904,907の出力の差動信号VF6を、別途設定したしきい値電圧と比較しても構わない。この場合、差動信号VF5またはVF6の内、どちらか一方がしきい値電圧を超えていれば斜め方向にヨレ吐出、共にしきい値電圧を超えていれば横または縦方向にヨレ吐出していると判定する。
(第4の実施形態)
図10は、ヒータ101を設けた層と同層に、ヒータ101の長手方向と短手方向にそれぞれ2つの計4つの温度センサ1001,1004,1007,1010をヒータ101に対して対称に配置した吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。
図10は、ヒータ101を設けた層と同層に、ヒータ101の長手方向と短手方向にそれぞれ2つの計4つの温度センサ1001,1004,1007,1010をヒータ101に対して対称に配置した吐出口を、基板側からインクの吐出方向に見た平面図である。
4つの温度センサ1001,1004,1007,1010は、図10の平面図においてインク流路112に重なるように配置される。また図11は図10の吐出口のA-A断面図を表している。図10に示すように、4つの温度センサ1001,1004,1007,1010をヒータ101と同じ材料で構成することでシート抵抗を高くすることができ、センサ長を短くしてより狭い範囲の温度を取得するともに、比較的自由な配置を取ることができる。
また図11に示すように、図2(A)よりも温度センサをインク流路112に対して近づけることができ、ヒータ101からの熱を受けながら、墜落尾引602による冷却に対して感度をより高めることができる。また、4つの温度センサ1001,1004,1007,1010を縦方向と横方向に対称に配置することで、第2の実施形態と同等の効果を得ることができる。
(第5の実施形態)
図12は、耐キャビテーション膜110を設けた層と同層に、平面視でヒータ101の長辺側中央と短辺側中央に隣接して4つの温度センサ1201,1204,1207,1210をヒータ101に対して対称に配置した平面図である。また図13は図12の吐出口のA-A断面図を表している。
図12は、耐キャビテーション膜110を設けた層と同層に、平面視でヒータ101の長辺側中央と短辺側中央に隣接して4つの温度センサ1201,1204,1207,1210をヒータ101に対して対称に配置した平面図である。また図13は図12の吐出口のA-A断面図を表している。
耐キャビテーション膜110は、ヒータ101をキャビテーションから保護するのに必要最小限の範囲を覆うように設けられている。4つの温度センサ1201,1204,1207,1210と耐キャビテーション膜110との間の隙間は最小限となるように設定され、該温度センサは図12の平面図においてインク流路112に重なるように配置される。
上記説明したように配置することにより、4つの温度センサをヒータ101に最も近接して設けることができるが、それでもヒータ101から十分な熱を受けるには距離が空き過ぎている。
そこで、差動を取る1対の温度センサの出力信号に有意な差が出現する直前に、ヒータ101を設けた層と同層に温度センサを加熱するための4つの補助ヒータ(補助加熱素子)1213,1216,1219,1222を設ける。
温度センサ1201を加熱するために補助ヒータ1213を、温度センサ1204を加熱するために補助ヒータ1216を、温度センサ1207を加熱するために補助ヒータ1219を、温度センサ1210を加熱するために補助ヒータ1222を設ける。4つの補助ヒータは、ヒータ101が導電プラグを介して接続する第2層の電源線と同じ電源線に、導電プラグを介して接続する。
図14は、本実施形態において図4に示した第1ブロックにおける記録素子基板1の判定回路部のヨレ吐出時における各出力波形を表したタイミングチャートである。インク滴601は、図6(B)に示すように横方向の左側にヨレた場合を表している。
温度センサ1201,1204を補助ヒータで加熱しない場合は、図14に示した波形1403のようにヨレ吐出を検出するのに十分な感度が得られない。従って、信号CMPにパルス1409が出現する前に温度センサ1201,1204を補助ヒータで加熱することにより、温度センサの出力波形は昇温点1404から急昇温して十分な感度が得られるようになる。
昇温点1404以降の波形1401は温度センサ1201の出力信号Vs1を表し、波形1402は温度センサ1204の出力信号Vs2を表している。
図6(B)に示すように墜落尾引602は左側にヨレるため、波形1401に出現する特徴点1405ほうが、波形1402に出現する特徴点1406よりも出現タイミングが遅くなる。また、特徴点1405以降の降温速度が特徴点1406以降の降温速度よりも遅く、波形の傾きが緩やかになる。
特徴点1406以降、出力信号Vs2の波形1402が出力信号Vs1の波形1401を下回るため、式(5)から作動アンプ330の出力信号Vdifは、特徴点710以降は定電圧Vofsから低下する。従って、ローパスフィルタ331の出力信号VFも図14に示すように特徴点1406以降、定電圧Vofsから低下する波形1407となる。このVofsに対して均等になるように、しきい値電圧Vdth1,Vdth2は設定される。
図14で、Vdth2>VFとなる区間において、信号CMP1はローレベル,信号CMP2はハイレベル(ヨレ吐出)となり、ORゲート回路340の出力信号CMPはハイレベル(ヨレ吐出)となってパルス1409が発生する。従って、信号HCMPにはパルス1409をホールドするパルス1410が発生し、判定結果信号RSLT(1411)はハイレベル(ヨレ吐出)となって判定結果抽出部5に出力される。
本実施形態では図13に示すように、温度センサをインク流路112に接するように設けたため、上記説明したように温度センサは補助ヒータからの熱を受けながら、墜落尾引602による冷却に対して感度をより高めることができる。また、4つの温度センサ1201,1204,1207,1210を縦方向と横方向に対称に配置することで、実施例2と同等の効果を得ることができる。
(その他の実施形態)
第1の実施形態から第5の実施形態について説明してきたが、本発明は上述した値や形態に限定するものではない。例えば、ヒータに対して横方向に対称となるように設けた2つの温度センサと、縦方向に対称となるように設けた2つの温度センサは、それぞれ別の層に設けても構わない。
第1の実施形態から第5の実施形態について説明してきたが、本発明は上述した値や形態に限定するものではない。例えば、ヒータに対して横方向に対称となるように設けた2つの温度センサと、縦方向に対称となるように設けた2つの温度センサは、それぞれ別の層に設けても構わない。
また、2つの温度センサを設ける位置がヒータに対して対称であっても、2つの温度センサの形状は対称でなくても構わない。また、吐出口列辺りの吐出口数は4個に限定するものではなく、例えば512個であっても構わないし、吐出口列自体も1列でなく複数列あっても構わない。
1 記録素子基板
2 液体吐出装置
101 加熱素子
104 第1の温度検知素子
107 第2の温度検知素子
111 吐出口
2 液体吐出装置
101 加熱素子
104 第1の温度検知素子
107 第2の温度検知素子
111 吐出口
Claims (12)
- 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口から液体を吐出するために液体を加熱する加熱素子と、
を有する記録素子基板を備える液体吐出装置において、
少なくとも第1の温度検知素子と第2の温度検知素子とをさらに有し、
前記記録素子基板を平面視したとき、前記第1の温度検知素子と前記第2の温度検知素子は、前記加熱素子を中心に、対象となる位置に形成されていることを特徴とする液体吐出装置。 - 前記記録素子基板を平面視したとき、前記第1の温度検知素子の中心と前記加熱素子の中心との距離に対する、前記第2の温度検知素子の中心と前記加熱素子の中心との距離の比率が、0.95以上1.05以下である請求項1に記載の液体吐出装置。
- 同一の基準電流源から定電流を生成する第1の定電流源および第2の定電流源と、
前記第1の定電流源からの電流を前記第1の温度検知素子に給電するか否かを切り替える第1の切り替え手段と、
前記第2の定電流源からの電流を前記第2の温度検知素子に給電するか否かを切り替える第2の切り替え手段と、
前記第1の温度検知素子からの出力信号と、前記第2の温度検知素子からの出力信号との差動信号を出力する差動信号出力手段と、
をさらに有する請求項1または2に記載の液体吐出装置。 - 前記差動信号を予め設定した閾値電圧と比較することで、前記吐出口から吐出される液体が斜めに吐出されているか否かを判定する判定回路部をさらに有する請求項3に記載の液体吐出装置。
- 前記判定回路部は、前記差動信号が、予め設定した第1の閾値電圧より大きい、または予め設定した第2の閾値電圧よりも小さい場合に、前記吐出口からの液体が斜めに吐出されていると判定する請求項4に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および前記第2の温度検知素子は、前記加熱素子の短手方向に配置されている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および前記第2の温度検知素子は、前記加熱素子の長手方向に配置されている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記記録素子基板を平面視したとき、前記第1の温度検知素子および前記第2の温度検知素子は、前記加熱素子と重ならない位置に形成されている請求項1ないし7のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および第2の温度検知素子は、絶縁層を介して前記加熱素子の下層に形成された薄膜抵抗体である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および第2の温度検知素子は、前記加熱素子と同層に形成された薄膜抵抗体である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および第2の温度検知素子は、耐キャビテーション膜と同層に形成された薄膜抵抗体である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記第1の温度検知素子および第2の温度検知素子を加熱する補助加熱素子をさらに有する請求項1ないし11のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
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JP2021158381A JP2023048839A (ja) | 2021-09-28 | 2021-09-28 | 液体吐出装置 |
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