JP3025055B2

JP3025055B2 - サーマルインクジェットプリンタ、不破壊気泡の検出装置及び方法

Info

Publication number: JP3025055B2
Application number: JP3147132A
Authority: JP
Inventors: エイチスロウィクジョン; エフポンドスティーヴン
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1991-06-19
Publication date: 2000-03-27
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JPH04232753A; US5072235A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、好ましくない印字状態
にあるかどうかを検査するため、サーマルインクジェッ
ト印字ヘッド内の空気（または、他のガスもしくは蒸
気）の存在を電子的に検出する方法および装置、より詳
細には、サーマルインクジェットプリンタのインクチャ
ンネル内の不破壊気泡の存在を検出し、もし不破壊気泡
の存在が検出されたら、再装填回路を起動させる方法お
よび装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サーマルインクジェット印字ヘッドの出
現は高品質の印刷を可能にした。サーマルインクジェッ
ト印字ヘッドの例は、米国特許第4,789,425 号や同第4,
829,324 号に記載されている。サーマルインクジェット
印字ヘッドは、毛管インク供給チャンネルの末端にある
ノズルの近くに配置された抵抗発熱体が、命令に応じて
選択的に発生した熱エネルギーを利用して、インクを瞬
時に蒸発させる。この蒸発によって一時的に発生した各
気泡は、インク滴を放出し、記録媒体に向けて飛ばす。
この印字ヘッドは、キャリッジ型プリンタまたはページ
幅型プリンタのいずれにも組み入れることができる。キ
ャリッジ型プリンタは、一般に、インクチャンネルとノ
ズルを有する比較的小形の可動式印字ヘッドを備えてい
る。印字ヘッドは、通常、使い捨てインク供給カートリ
ッジに密封して取り付けられている。印字ヘッドとカー
トリッジの組立体は、往復して、静止している記録媒体
たとえば用紙の上に一度に一情報帯を印字する。一情報
帯が印刷されたあと、次の情報帯と先の情報帯が連続す
るように、用紙は、印字された情報帯の高さに等しい距
離だけステップ状に送られる。ページ全体を印字し終わ
るまで、以上の手順が繰り返される。キャリッジ型プリ
ンタの例については、米国特許第4,751,599 号を参照さ
れたい。これに対して、ページ幅型プリンタは、用紙の
幅以上の長さをもつ静置式印字ヘッドを備えている。用
紙は、印字工程の間、印字ヘッドの長手方向に直角な方
向に一定速度で搬送され、ページ幅印字ヘッドの下を連
続的に通過する。ページ幅印字ヘッドの例については、
米国特許第4,829,324 号を参照されたい。

【０００３】上記米国特許第4,829,324 号は、毛管作用
でインクを供給する１以上のインク供給チャンネルをも
つ印字ヘッドを開示している。各ノズルに形成されたメ
ニスカスは、インクがノズルから滲み出るのを防止す
る。ノズルの上流側の各チャンネル内に、発熱体が設置
されている。データ信号を表す電流パルスが発熱体に印
加されると、発熱体に接触しているインクが瞬時に蒸発
して、各電流パルスごとに気泡が発生する。この気泡が
成長して、ノズルから相当量のインクが膨れ出るが、気
泡の破壊が始まると、ちぎれて滴になり、この結果、各
ノズルからインク滴が放出される。各滴が放出されたあ
と、メニスカスが破れてチャンネルの中に後退し過ぎる
のを防止するため、電流パルスは整形されている。上記
米国特許第4,829,324 号には、サーマルインクジェット
印字ヘッドの線形アレーのいろいろな実施例、たとえば
シートシンク基板の上面および下面に印字ヘッドサブユ
ニットを取り付けてページ幅の印字ヘッドにしたジグザ
グ配置型の直線アレーや、印字ヘッドサブユニットを互
いに突き合わせてベージ幅の長さに拡張した線形アレー
などが記載されている。また上記の配列法は、異なるカ
ラーインクで多色印刷を行う場合に使用できる。

【０００４】しかし、通常の印字動作において、インク
ジェット印字ヘッドのインクチャンネルの内部に、空
気、その他のガスの破壊しない気泡が出現することがあ
る。そのような気泡は、空気を吸い込んだり、インクか
ら脱離して生じるのが普通である。これらの不破壊気泡
と、通常の動作においてインク滴を放出するための通常
の破壊気泡とを混同すべきではない。不破壊気泡がかな
り大きく、あるいは加熱素子の近くにあると、印字の品
質に悪い影響を及ぼすであろう。もし不破壊気泡が十分
に大きくなれば、インクチャンネルはもはやインク滴を
放出することができず、印字された文字に空白スペース
や欠如が現れるであろう。

【０００５】一般に、印字の品質を回復させる手段は、
再充填動作であった。印字の品質が低下したことを認め
たとき、ユーザーは再充填機能を手動で作動させること
ができる。しかし、再充填機能の手動作動は、印字の品
質の低下を目で認識したときだけ、その是正措置が取ら
れることが短所である。

【０００６】上記の短所の改善策として、あらかじめ定
めた間隔で再充填を継続的に行うように装置を設計する
ことができる。しかし、そのような装置の欠点は、イン
クと時間が無駄に使われることである。

【０００７】米国特許第4,518,974 号および同第4,625,
220 号は、印字ヘッドのノズルインク室の隣りに配置さ
れた圧電素子の電圧レベルの変動を検出する検出回路を
備えた圧電式インクジェット印字へっドを開示してい
る。上記２つの特許に開示されている検出回路は、ノズ
ルがインクのみで満たされているときと、隣接するノズ
ル内に気泡が存在しているときの圧電素子の電圧レベル
の差異を見分ける。前記米国特許第4,518,974 号に記載
されている検出回路は、圧電素子の一対の端子間に現れ
る電圧の振動成分を検出するかなり複雑なものである。
上記の２つの検出回路は、気泡発生用変換器のほかに、
検出用変換器が存在するので、相当に複雑である。上記
２つの検出回路は圧電変換器と一緒に使用されるから、
上記の２つの特許文献は本発明を暗示していない。

【０００８】もちろん、印字ヘッドのインクチャンネル
すなわち室内に存在する気泡が検出されたら、気泡除去
装置を作動させるべきである。そのような気泡除去装置
は、たとえば米国特許第4,466,005 号および同第4,695,
852 号に開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上から、本発明の第
１の目的は、印字の品質を保証するため、サーマルイン
クジェット印字ヘッド内の不破壊気泡を自動的に検出
し、不破壊気泡を除去する信号を発生する検出装置を提
供することである。

【００１０】本発明の第２の目的は、印字動作を妨げず
に、しかもオペレータの介入なしに、印字ヘッドのイン
クチャンネルを監視することができる検出装置を提供す
ることである。

【００１１】本発明の第３の目的は、サーマルインクジ
ェット印字ヘッドのインクチャンネル内に不破壊気泡が
存在するか否かを判断する方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、サーマルイン
クジェット印字ヘッドの気泡発生用発熱体を検出回路に
接続することによって上記および本発明のその他の目的
を達成している。ガスおよび蒸気の熱伝導率は、インク
のそれよりも低いので、発熱体の近くに不破壊気泡が存
在すれば、伝達される熱が少なくなり、発熱体は多量の
熱を保有することになる。この熱の保有は、必然的に発
熱体の温度を上昇させ、発熱体の抵抗率に変化を生じさ
せる。電気パルスが発熱体に印加されると、発熱体の抵
抗が変化するので、発熱体を流れる電流レベルが変化す
るであろう。不破壊気泡が存在するときと、存在しない
ときとでは、発熱体の抵抗が異なってくるので、不破壊
気泡を検出する方法および装置を開発する基礎として、
この事実を使用することができる。

【００１３】オームの法則は抵抗と電流の間の周知の関
係（Ｖ／Ｒ＝Ｉ）を定義しているので、インク充満室
（不破壊気泡が存在しない室）の近くの発熱体に流れた
電流の平均値を計算することにより、電流パルスの持続
時間の間の発熱体を流れる電流の平均値に相当する基準
値を求めることができる。同じ電流パルスおよび同じ持
続時間の場合、もし発熱体を流れる電流の平均値が前記
基準値と著しく異なれば、その差異は不破壊気泡が存在
することを示している。

【００１４】サーマルインクジェット印字ヘッドのイン
クチャンネル内の不破壊気泡を常に監視できるように、
印字ヘッド内の各気泡発生用発熱体に電流を供給するラ
インが検出回路に接続されている。検出回路は、プリン
タの印字動作に影響を及ぼさずに、検出機能を実行する
ことができるように、発熱体の抵抗に比べてかなり小さ
い抵抗値の感知素子を備えている。発熱体を流れる電流
は、接続された感知素子における電圧降下に比例する。
比較手段に接続された計算手段に前記検出回路を接続す
ることにより、電気パルスの持続時間の間に発熱体を流
れる電流の計算平均値と基準値とを比較し、不破壊気泡
が存在するか否か（もし、存在すれば、印字ヘッドのイ
ンクチャンネルは好ましくない動作状態になる）を判断
することができる。好ましくない動作状態が検出された
場合には、比較手段が発した信号により、印字ヘッドの
インクチャンネルの再充填動作が開始される。

【００１５】

【実施例】添付図面を参照して、以下の詳しい説明を読
まれれば、発明をより完全に理解することができ、また
発明の多くの利点を容易に理解することができるであろ
う。諸図面を通じて、同一または対応する部品は同じ参
照番号で示してある。図１に、インクチャンネル１から
インクを放出するノズル３を備えた通常のサーマルイン
クジェット印字ヘッドを示す。発熱体４は、チャンネル
内にノズル３の近くに設置され、発熱体板４４上に設置
された電極４２に接続されている。チャンネル１は、発
熱体板４４とチャンネル板４６の間にある。チャンネル
１をインクで満すために、チャンネル板４６にインク供
給孔７が形成されている。サーマル印字ヘッドは、複数
のインクチャンネルが作られたチャンネル板と、複数の
発熱体が作られた発熱体板とから成っている。これらの
印字ヘッドは、米国特許第4,829,324 に開示されている
方法で、シリコンチップの上に作られる。

【００１６】図２は、発熱体４とトランジスタ８を含む
能動型サーマルインクジェットプリンタを示す。発熱体
４は、トランジスタ８に直列に接続され、節Ｂを形成し
ている。トランジスタ８は、複数のゲートライン１８の
１つであるゲートライン１６を通してアドレスされる。
ゲートライン１６は、さらに、トランジスタ５で代表さ
れる他のトランジスタに接続されている。トランジスタ
５は、発熱体２に直列に接続され、節Ａを形成してい
る。複数のシンクライン２２の１つであるシンクライン
２０は、トランジスタ８をスイッチングデバイス２３に
接続する。スイッチングデバイス２３は、シンクライン
２０を選択して低インピーダンスへ結合し、接地する。
シンクライン２０は、さらに、トランジスタ１２で代表
される他のトランジスタに接続されている。トランジス
タ１２は、発熱体６に直列に接続され、節Ｃを形成して
いる。図２は、それぞれが印字ヘッドのインクチャンネ
ルに対応している複数の発熱体が、さまざまなゲートラ
インおよびシンクラインへどのように接続されるかを明
らかにしている。（１）スイッチングデバイス２１によ
り、ゲートライン１６が電圧源へ切り換えられ、ゲート
ライン１６を共有するすべてのトランジスタがターンオ
ンされ、そして（２）スイッチングデバイス２３によ
り、シンクライン２０が低インピーダンスへ切り換えら
れ、接地されると、発熱体４のみが電流パルスを受け取
る。このように起動された発熱体４は熱エネルギーを発
生し、この熱エネルギーはチャンネル１に入っているイ
ンク（図示せず）中に放散して、気泡となる核が生じ
る。気泡が膨張すると、インク滴がノズル３の外へ押し
出され、そのあと気泡が破壊する。以上から、異なるイ
ンクチャンネルが、どのように作動し、インクを放出す
るかがわかる。

【００１７】図５は、印字ヘッドアレイの各チャンネル
１００と組み合わされた任意の発熱体を、上記の手順で
作動させることができる多重アドレッシング装置を示
す。詳しく述べると、対応するゲートライン（１６Ａ，
１６Ｂ，１６Ｃ）とシンクライン（２０Ａ，２０Ｂ，２
０Ｃ，２０Ｄ）が起動されると、どれか１つのチャンネ
ル（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，．．．１００Ｌ）
が起動される。たとえば、チャンネル１００Ｇを起動さ
せるため、スイッチングデバイス２１と２３により、そ
れぞれゲートライン１６Ｂ（複数のゲートライン１８の
うちの１つ）とシンクライン２０Ｃが起動される。

【００１８】サーマルインクジェット印字ヘッドは、発
熱体の受動型アレーまたは能動型アレーを備えることが
できる。受動型アレーは、各発熱体に対し対応するアド
レッシング電極を設ける必要がある。受動型アレーの例
が、米国特許第4,829,324 号に記載されている。しか
し、能動型アレーは、トランジスタに接続されたさまざ
まのシンクラインとゲートラインを使用することによ
り、前に述べたやり方で発熱体を起動させることができ
る。能動型アレーを備えたサーマル印字ヘッドの例が、
米国特許第4,651,164 号に開示されている。トランジス
タ、シンクライン、およびゲートラインは、発熱体と同
じ発熱体板に設けることができるので、能動型アレーを
採用すれば、スペースが節減される。しかし、本発明は
能動型アレーまたは受動型アレーのいずれにも適用でき
る。

【００１９】次に、図３について説明する。発熱体４
に、一般に、３マイクロ秒持続する電流パルスの間、一
定電位が加わる。しかし、電流パルスの間の温度上昇に
より発熱体の抵抗が変化するので、発熱体を流れる電流
が変化する。一般に、どんな物質から作られた発熱体
も、発熱体の温度が変化すると、その抵抗が変化する。
シリコンのような半導体材料の場合には、温度が上昇す
ると、シリコンにどんな不純物を添加したかにより、シ
リコンの抵抗が増大したり、減少したりする。しかし、
本発明の原理は、どんな種類の不純物を添加した場合に
も当てはまる。さらに、インク充満チャンネル内のどん
な液体も気泡により置き換えられると、熱の放散は遅く
なる。気泡はインクより熱伝導率および熱容量が小さい
ので、異質の気泡は発熱体の温度上昇率を増大させるこ
とが、試験で実証された。

【００２０】発熱体４が起動されると、大きなスイッチ
ング振動が検出されることがある。熱によって生じた発
熱体の抵抗変化のため、発熱体を流れる電流レベルが変
動する。３マイクロ秒のパルスの間の電流の平均値は、
発熱体４に通じたチャンネル１に不破壊気泡が存在しな
いときの平均電流の読みに対応する特定の基準値を与え
る。

【００２１】試験により、不破壊気泡の存在によって電
流差が生じること、その電流差の存在を、不破壊気泡の
存在を検出する実際の手段の基礎として使用できること
がわかった。電流差は、大きな不破壊気泡が発熱体の上
を覆っている場合が最も大きく、基準値からの差は２〜
３％である。気泡がより小さく、発熱体からより遠くに
あって、熱伝導の妨げにならない場合には、差はより小
さい。この２〜３％の差は、実験により証明された。し
たがって、３マイクロ秒の持続時間の平均電流の読みを
用いて、印字ヘッド内に存在する気泡が印字欠陥を引き
起こすおそれがあるか否かを調べることができる。電流
差のしきい値は、印字欠陥を引き起こす気泡の大きさに
対応するように選定される。平均電流が基準値から前記
のしきい値より大きく相違するときは、不破壊気泡の存
在が確実であるから、印字ヘッドを再充填する時期であ
り、信号を発生して再充填動作を開始させることができ
る。

【００２２】節Ｄ，Ｅを付加することにより、図２の構
成に発熱体電流を測定する回路網を追加することができ
る。

【００２３】図３は、節Ｄ，Ｅを付加することによって
図２の回路網に接続された検出回路４０を示す。節Ｄ，
Ｅは印字ヘッドの外部にあるので、チップを改造する必
要がないことに留意されたい。さらに、同じ節を利用で
きるので、受動型で構成された印字ヘッドに、同じ形式
の気泡検出装置を使用できることに留意されたい。

【００２４】検出回路４０は、電流をすべての発熱体へ
供給するラインである節Ｄに電気的に接続された比較的
廉価な感知素子すなわち抵抗器３０を備えている。発熱
体４を流れる電流は、検出用抵抗器３０における電圧降
下Ｖ（ｔ）に比例する。検出用抵抗器３０は、電源１４
に直列に接続されている。検出用抵抗器３０は、実用模
型として使用したものであり、その抵抗は、発熱体４の
抵抗（ 100〜300 Ω）と比べてかなり小さく、４Ωであ
るが、抵抗値がさらに小さくても十分に機能を果たすこ
とができる。さらに、電源１４および接続リード線３
６，３８に含まれる抵抗も、検出素子として十分に利用
することができる。増幅器３４とブロックキャパシタ３
２は、検出用抵抗器３０と電源１４に並列に接続されて
いる。増幅器３４とブロックキャパシタ３２の間の接続
により、増幅器３４は交流結合される。

【００２５】検出用抵抗器３０の抵抗は、発熱体４の抵
抗（約 100〜300 Ω）よりかなり小さいので、気泡検出
回路４０が通常のインクジェット動作に及ぼす影響は無
視できる。したがって、検出回路４０は、印字動作を妨
げずに、オンラインで動作し、インクチャンネル内の不
破壊気泡の存在を常時試験することができる。インクチ
ャンネルを個別にアドレスすることができる限り、同じ
電流供給ラインを共有するすべてのインクチャンネル
を、１個の検出回路４０で十分に取り扱うことが可能で
ある。

【００２６】検出回路４０の増幅器３４は、パルス持続
時間の間に増幅器から受け取ったアナログ信号を抽出
し、保持し、そのアナログ信号をディジタル信号に変換
する計算手段５１に接続されている。計算手段５１はパ
ルス持続時間の間の電流の平均値を計算して、その値を
マイクロプロセッサ５０へ転送する。マイクロプロセッ
サ５０は、試験した発熱体内の電流の平均値と基準値を
比較して、もしその比較が不破壊気泡の存在を示してい
れば（すなわち、平均値が基準値からしきい値より大き
く相違している場合）、再充填信号７０を発する。

【００２７】インクチャンネルが正常に印字していると
きの各発熱体内の電流の平均の読みを測定することによ
り、各インクチャンネルごとに基準値が決められる。こ
れらの平均の読みはパルス持続時間にわたって測定さ
れ、基準値に変換されたあと、マイクロプロセッサ５０
のメモリに記憶される。この基準値は、あとで、発熱体
の平均値と比較され、不破壊気泡の存在を判断するため
使用される。基準値と平均値との差が、プログラム可能
なすなわち選択可能なしきい値より大きければ、不破壊
気泡の存在を示している。この差が検出されると、マイ
クロプロセッサは再充填信号を発する。

【００２８】通例は、発熱体（たとえば、発熱体２，
４，６，等）の抵抗は比較的均一であるので、発熱体電
流を単一基準値と比較して不破壊気泡が存在するか否か
を判断することができる。発熱体の抵抗が均一でない場
合には、マイクロプロセッサ５０のメモリに記憶された
１群の基準値と気泡検出回路４０の出力とを比較すれば
よいであろう。

【００２９】マイクロプロセッサ５０は、検出回路の出
力と発熱体のパルス印加とを同期させ、そして個々のサ
イクルにおいてパルスが印加されなかったインクチャン
ネルの検出回路出力を廃棄するようにプログラムされて
いる。

【００３０】実験室では、スイッチングノイズは、平均
すること、積分すること、あるいはフィルタすることで
制御した。また、より大きな抵抗（たとえば、50Ω) の
検出用抵抗器を使用することにより、ノイズの低下が得
られた。周囲状況がそのような大きな抵抗を必要とし、
そのために正常な印字動作を妨げることが起きる場合に
は、検出用抵抗器を図３の閉回路の外に設置すればよい
であろう。図４は、接点ＸまたはＹに交互に接続可能な
スイッチ５６をもつ検出回路４０を示す。インクチャン
ネルを試験して気泡の存在を調べたい場合には、スイッ
チ５６が接点Ｘと接続するので、電流は発熱体に比べて
相対的に高い抵抗値の抵抗器３０を通って流れる。検出
回路４０が検出モードでない場合には、スイッチ５６が
接点Ｙと接続するので、抵抗器３０はバイパスされ、発
熱体の動作は影響を受けない。また、定期的に印字動作
を中断し、検出用抵抗器を回路に切り換えて、検出動作
を実行することができる。再充填の必要性が検出された
ら、前に述べたように、再充填動作を自動的に開始する
ことができる。

【００３１】好ましい実施例に関する上記の説明は、例
示のためであり、発明を限定するものではない。上記の
開示内容から、数多くの本発明の修正物や均等物が考え
られる。したがって、ここに記載した以外のやり方で、
しかも特許請求の範囲の中で、本発明を実施できること
を理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクチャンネル内に、ノズルの近くに配置さ
れた発熱体を有する通常のサーマルインクジェット印字
ヘッドの横断面図である。

【図２】サーマルインクジェット印字ヘッドの発熱体板
の略回路図である。

【図３】本発明の検出回路に接続された図２の発熱体板
の略回路図である。

【図４】本発明の検出回路の代替実施例の回路図であ
る。

【図５】印字ヘッドアレーの個々のインクチャンネルを
起動させるための多重アドレッシング装置の略図であ
る。

【符号の説明】

１インクチャンネル２発熱体３ノズル４発熱体５トランジスタ６発熱体７インク供給孔８，１２トランジスタ１４電源１８ゲートライン２０シンクライン２１スイッチングデバイス２２シンクライン２３スイッチングデバイス３０検出用抵抗器３２ブロックキャパシタ３４増幅器３６，３８接続リード線４０本発明の気泡検出回路４２電極４４発熱体板４６チャンネル板５０マイクロプロセッサ５１計算手段５６スイッチ７０再充填信号１００Ａ〜１００ＬインクチャンネルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ節

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者スティーヴンエフポンドアメリカ合衆国ニューヨーク州 14534 ピッツフォードブルックハロー３ (56)参考文献特開昭59−14967（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/01

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サーマルインクジェット印字ヘッドのイ
ンクチャンネル内の不破壊気泡の存在を検出する装置を
備えたプリンタにおいて、前記インクチャンネルの近くに配置された発熱要素と、前記発熱要素に所定の持続時間の間、電気パルスを与え
る手段と、前記発熱要素に接続され、該発熱要素内において、前記
所定の持続時間の間にわたる平均電流レベルが基準値を
越えたかどうかを検出する手段とを備えたことを特徴と
するプリンタ。
【請求項２】サーマルインクジェット印字ヘッドのイ
ンクチャンネルに近接する発熱要素を有し、該インクチ
ャンネル内の不破壊気泡の存在を検出する装置におい
て、前記発熱要素に所定の持続時間の間、電気パルスを与え
る手段と、前記発熱要素に直列に接続され、該発熱要素内における
電流を、前記所定の持続時間の間にわたって、感知する
感知素子とを備え、該感知素子における電圧降下が前記
発熱要素内における前記電流に比例していることを特徴
とする装置。
【請求項３】サーマルインクジェット印字ヘッドのイ
ンクチャンネル内の不破壊気泡の存在を検出する方法に
おいて、前記インクチャンネルに近接した発熱要素に所定の持続
時間の間、電気パルスを与えるステップと、前記所定の持続時間の間において、幾つかの異なるサン
プリング間隔で、前記発熱要素に接続された感知素子に
かかっている、複数の電圧レベルを検出するステップと
から成り、前記複数の電圧レベルは、前記所定の持続時
間の間にわたる発熱要素の温度変化による発熱要素の抵
抗率の変化によって生じていることを特徴とする方法。