JP4093751B2 - ノズルの健全状態を判断するための熱監視システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ここに示す概念は、概して、インクジェット印刷機構において用いられるものを含む、発射信号に応答して、正確な量の流体を１つまたは複数のノズルを通して噴射する熱流体噴射システムに関し、特に、ノズルが健全状態にあるか否かを判断するための熱監視システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１つの熱流体噴射システムは、一般に「インク」と呼ばれる液体の着色剤の滴を噴射する「ペン」としばしば呼ばれるカートリッジを備えるインクジェット印刷機構において用いられる。各ペンは、非常に小さなピンホールサイズのノズルが形成された流体噴射プリントヘッドを備え、インク滴は上記ノズルを通して噴射される。画像を印刷するため、プリントヘッドはページを横切って左右に推進され、移動する際にインク滴を所望のパターンに噴射する。２つの初期のインク熱噴射機構は米国特許第５，２７８，５８４号および同第４，６８３，４８１号に記載されており、これらは双方とも本発明の譲渡人であるヒューレット・パッカード社（Hewlett-Packard Company）に譲渡されている。サーマルシステムでは、ノズルオリフィス板と基板層との間に、インクチャネルと蒸発または噴射チャンバとを含むバリア層が配置されている。この基板層は、通常、電圧が印加されることにより蒸発チャンバ内のインクを加熱する抵抗器等の加熱要素の線形アレイを含む。加熱されると、電圧が印加された抵抗器に対応付けられたノズルからインク滴が噴射される。プリントヘッドがページを横切って移動する際に選択的に抵抗器に電圧印加することにより、インクがあるパターンで印刷媒体上に噴出され、所望の画像（たとえば、ピクチャ、チャート、またはテキスト）を形成する。
【０００３】
インクジェットプリンタにおける不機能ノズルは、紙等の媒体シート上に所望の画像を印刷しようとするときに印刷品質の欠陥の一因になる。また、他の流体を施与する場合に、不機能ノズルにより、受ける表面上での流体の量が不適切であったり、流体の配置が不正確になる。不機能ノズルには、（１）内部噴射ヘッドの汚染、（２）噴射ヘッド内の気泡、（３）ノズルにわたる流体の固まり、（４）外部噴射ヘッドの汚染、および（５）噴射することができない抵抗器を含む等、考えられうる様々な原因がある。特定の実施に応じて、不機能ノズルについて他の原因も存在しうる。マルチパス流体噴射ルーチンまたは印刷モードにおいて、たとえば、バックアップノズルを用いて不良ノズルによって失われる流体配置の質を幾分回復することを助けることで、不機能ノズルを機能ノズルと交換する多様な方式が提案されてきた。これら多様な流体噴射ルーチンまたは印刷モード方式は、ノズルが機能していないときを確実に検出して判断する能力に依存する。
【０００４】
不都合なことに、インクジェット印刷においては、小さなノズルと速乾インクとを組み合わせると、プリントヘッドが、乾いたインクおよび微小な埃粒子または紙繊維のみならず、新しいインク自体内の固形物によっても詰まり易くなる。部分的にまたは完全にブロックされたノズルは、印刷媒体への滴の消失または滴を誤って配向させる原因となることがあり、これはいずれも印刷の質を劣化させる。ノズル「吐出（spitting）」ルーチンは、インクを噴射して、乾いたインクの詰まりを押し出し、当分野では「吐壺（spittoon：スピツーン）」と呼ばれる廃棄物受け皿に入れる。詰まりをノズルから押し出す他に、吐出はまたノズル付近のインクを加熱もし、これがインクの粘度を低下させてインク詰まりの溶解を助ける。
【０００５】
プリントヘッド内にある気泡もまたノズルの噴射を妨げることがある。これら気泡は、双方とも本発明の譲渡人であるHewlett-Packard社に譲渡された米国特許第５，５９２，２０１号および同第５，７１４，９９１号に教示されているものなどのプライミングルーチンにおいて、プリントヘッドから真空力によって引き出すことができる。プライミングシステムを装備していない装置では、プリントヘッドに供給しているインク槽に正の力を加えることで、プリントヘッドから気泡を押し出すことができる。たとえば、インクジェットペンの本体は、インクを蒸発しないようにすると共に、ノズルからインクが漏れたり垂れたりしないようにインクを保持するインク貯蔵槽としての役割を果たすことができる。インク漏れは、インク貯蔵システムによって提供される「背圧」として知られる力を用いて防止される。所望の背圧レベルは、弾性ブラダー（resilient bladder）設計、ばね−バッグ設計、およびフォームベースの設計等各種タイプのペン本体設計を用いて得ることができる。これら槽に蓄えられているインクに力を加えることにより、インク自体を用いてノズルから気泡を押し出すことができる。
【０００６】
インクジェット印刷機構等の精密な流体噴射システムを動作するに当たり、プリントヘッドノズルが命令されたように噴射しているか否かについて、内蔵されたマイクロプロセッサおよび／またはホストコンピュータにあるプリンタドライバ等のプリントコントローラにフィードバックを提供することが役立つ。この情報は、ノズルが詰まり、詰まりをとるためにパージまたは吐出する必要があるか否かの判断に有用である。詰まったノズルのみを吐出して詰まりを除去するため、この情報により、吐出プロセスが能率化されると共にインクの節約になる。さらに、破損したノズルまたは加熱要素を検出することができると、発射方式において他のノズルを代用して破損したノズルが補償される。
【０００７】
故障したノズルの検出には、様々な異なる方式が用いられてきた。たとえば、駆動回路の抵抗を調べるプリンタ内の特殊回路により、故障した発射抵抗器を検出することができる。抵抗が開回路を示す場合には、発射パルスを受信することができないため、明らかにその抵抗器は発射することがない。滴がノズルから噴射されたか否かを検出するために、様々なセンサが従来用いられてきた。たとえば、一つの方法では、フォトダイオードおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）の対を用いて、フォトダイオードとＬＥＤとの間を通過する滴の影を検出する。１つの光学系は、光学検出器がもはや滴を見ることができなくなるまで、段々と小量の滴を発射することにより、所与の発射温度での適量の変化を測定した。不都合なことに、ターゲットの滴量は新しいインクジェットカートリッジほど低くなっており、現在では滴によっては５ピコリットル程度のものがある。これら小さな滴では、複数発射して信号を増大するか、あるいはこのような光学滴検出器を正確に位置決めする必要があり、これは、印刷機構の製造において一貫して信頼のおけるように実施することが困難である。
【０００８】
別のシステムでは、滴がターゲットに衝突するか否かを検出するために、圧電性フィルムが滴ターゲットとして用いられる。静電検出法では、噴射された滴からの正または負の電荷が検出される。さらに別の方法では、圧電結晶を用いて、滴がプリントヘッドから噴射される際に生成される音響信号を検出する。これらの方法はすべて、少なくともプロトタイプ環境において構築されテストされており、ノズルの故障検出に有効であり、また場合によっては弱い滴や誤って配向された滴にも有効なことがわかっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
不都合なことに、これら初期の検出方法はすべて２つの深刻な欠点を有している。第１に、これら初期の方法では、正常な印刷等の流体噴射アクティビティ中に「即座に（on the fly）」ノズルの故障を検出することができない。第２に、これら初期の方法では、噴射ヘッドの全噴射頻度においてノズルの故障を検出することができない。ノズルの健全状態は、任意の流体噴射ルーチンまたは印刷ジョブ中に変化しうる。このため、印刷ジョブまたは他の流体噴射アクティビティ中に即座に不機能ノズルを検出することができないと、深刻な問題につながりうる。ノズルは即座に故障しうるため、不機能ノズルを即座に検出し、その結果得られる流体噴射または印刷ジョブが高い品質で当初意図されたように行われるように、正しいシステムを適用して交換されたノズルを即座に利用するノズル交換システムを有することが望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、発射信号に応答して、正常状態では流体を噴射する流体噴射ノズルの健全状態を監視する方法であって、発射信号を上記ノズルに与えるステップと、その後、ノズルの温度変化を監視するステップと、最後に該監視された温度変化から、発射信号を与えるステップに応答して、ノズルが流体を噴射したか否かを判断するステップと、を含む方法が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、流体を収容する流体槽と、上記槽と流通して上記流体を受け取るノズルを含み、正常な状態では発射信号に応答して、このノズルを通して上記液体を噴射する流体噴射ヘッドと、を備える流体噴射機構が提供される。不都合なことに、ノズルは時にインクが詰まったまたはブロックされた「不健全状態（poor health）」にあり、求められるときに流体を噴射不可能なことがある。この不具合に対処するため、本流体噴射機構は、前記ノズルの温度変化を監視し、この変化に応答して温度信号を生成する温度センサも備える。本流体噴射機構はまた、発射信号を生成するコントローラも備える。コントローラはまた、温度信号から、発射信号を与えたことに応答してノズルが流体を噴射したか否かを判断する。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、流体噴射機構には流体を収容する流体槽と、流体噴射ヘッドとが設けられる。ヘッドは、上記槽と流通して上記流体を受け取るノズルを含み、正常な状態では発射信号に応答して、このノズルを通して上記液体を噴射する。本流体噴射機構はまた、発射信号を上記ノズルに与える手段と、ノズルの温度変化を監視する手段とを備える。本流体噴射機構はまた、監視された温度変化から、発射信号を与えたことに応答してノズルが流体を噴射したか否かを判断する手段も備える。
【００１３】
本発明の全般的な目的は、不必要な介入なしで熱流体噴射ノズルが健全状態にあるか否かを即座に判断し、不健全な状態にあるノズルが見つかった場合には、ノズル回復または交換ルーチンを採用する監視システムを提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、インクジェット印刷機構に設置されている場合に、プリントヘッドノズルの健全状態を監視する熱監視システムを提供することである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従って構築される流体噴射システムの実施形態の一例を示し、ここでは、産業、オフィス、家庭、または他の環境においてビジネスレポート、連絡、デスクトップパブリッシング等の印刷に使用しうるインクジェット印刷機構、より具体的にはインクジェットプリンタ２０として示されている。様々なインクジェット印刷機構が市販されている。たとえば、本発明を具現しうる印刷機構のいくつかとして少数の例を挙げれば、プロッタ、ポータブル印刷ユニット、複写機、カメラ、ビデオプリンタ、およびファクシミリ機がある。便宜上、本発明の概念についてインクジェットプリンタ２０の環境において説明する。
【００１６】
プリンタのコンポーネントはモデルごとに変化しうることは明白であるが、典型的なインクジェットプリンタ２０は、ハウジングまたはケーシングエンクロージャ２３に取り囲まれたシャシ２２を備える。内部コンポーネントがはっきりと見えるように、ハウジングまたはケーシングエンクロージャ２３の大部分は省略されている。印刷媒体処理システム２４は、印刷ゾーン２５を通して印刷媒体シートを供給する。印刷媒体は、紙、カード用紙（card stock）、封筒、織物、透明シート、マイラー（登録商標）等任意のタイプの適したシート材料で良いが、便宜上、紙を印刷媒体として用いて例示する実施形態を説明する。印刷媒体処理システム２４は、供給または給紙トレイ２６等の媒体入力を備え、これに媒体の供給がなされ、印刷前に格納される。モータおよびギアアセンブリ２７で動く従来の一連の媒体送りまたは駆動ローラ（図示せず）を用いて、印刷のために、印刷媒体を供給トレイ２６から印刷ゾーン２５に移動することができる。印刷後、媒体シートは、印刷されたシートを受けるよう延出して示される一対の引き込み式の出力乾燥羽根部材（output drying wing members）２８に着地する。羽根２８は、脇に引き込んで新たに印刷されたシートを出力トレイ３０に落とす前に、一時的に、新しく印刷されたシートを出力トレイ部分３０内にあるまだ乾燥中の先に印刷されたあらゆるシートの上方に保持する。媒体処理システム２４は、レター、リーガル、Ａ４、封筒等を含む異なるサイズの印刷媒体に適応するための一連の調節機構を含むことができる。処理システム２４は、一般に長方形の媒体シートを媒体の長さに沿って縦方向に固定するための摺動式長さ調節レバー３２と、媒体シートを媒体の幅を横切って幅方向に固定するための摺動式幅調節レバー３４を備える場合もある。
【００１７】
プリンタ２０はまた、通常はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ（図示せず）であるホストデバイスから命令を受信するプリンタコントローラも備え、これはマイクロプロセッサ３５として模式的に示されている。実際、プリンタコントローラの機能の多くは、ホストコンピュータ、プリンタ内蔵の電子機器回路、またはこれらの間の相互作用により実行することができる。ここで用いる「プリンタコントローラ３５」という語は、ホストコンピュータ、プリンタ、これらの間の中間装置、またはかかる要素間の相互作用の組み合わせによって実行されるかに関わらず、これら機能を包含する。ホストコンピュータに連結されたモニタを用いて、プリンタの状態またはホストコンピュータで実行中の特定のプログラム等の視覚的な情報をオペレータに表示してもよい。パーソナルコンピュータ、キーボードおよび／またはマウスデバイス等その入力装置、およびモニタはすべて、当業者に周知である。
【００１８】
シャシ２２は、走査軸３８を画定するガイドロッド３６を支持すると共に、インクジェットプリントヘッドカートリッジ４０を印刷ゾーン２５を横切って左右に、走査軸３８に沿って往復運動するように摺動可能に支持する。カートリッジ４０は、ここではキャリッジ駆動ＤＣモータ４４に連結されたエンドレスベルト４２を含むものとして示されるキャリッジ推進システムによって駆動される。キャリッジ推進システムはまた、従来の光学エンコーダシステム等、キャリッジ位置信号をコントローラ３５と連絡する位置フィードバックシステムも備える。キャリッジの移行経路に沿って延出するエンコーダストリップ４５を読み取るために、光学エンコーダリーダをキャリッジ４０に取り付けることができる。そしてキャリッジ駆動モータ４４は、プリンタコントローラ３５から受信する制御信号に応答して動作する。従来の可撓性多芯ストリップ４６を用いて、さらに後述するように、印刷のために、コントローラ３５からイネーブルまたは発射コマンド制御信号をプリントヘッドキャリッジ４０に送ることができる。
【００１９】
キャリッジ４０は、ガイドロッド３６に沿って、様々な従来のプリントヘッドサービス機能を提供するサービスステーションユニット（図示せず）を収容することができるサービス領域４８に推進される。プリントヘッドを掃除し保護するために、通常、サービスステーション機構がプリンタシャシ内に取り付けられるため、プリントヘッドはサービス提供およびメンテナンスのために、ステーションに移動することができる。格納のため、または印刷していない期間中、サービスステーションは通常、プリントヘッドノズルを汚染物質および乾燥から気密密閉するキャッピングシステムを備える。キャップによっては、プリントヘッドに真空を引き込むポンプユニットに接続されていることなどで、プライミングを促進するよう設計されるものもある。動作中、「吐出（spitting）」として知られるプロセスにおいて多数のインク滴を各ノズルを通して発射することで、プリントヘッド内の詰まりは定期的に除去される。この画像を生成しない無駄なインクは、サービスステーションの「吐壺」槽部分に集められる。吐出後、キャップを外した後、または時には印刷中、殆どのサービスステーションは、プリントヘッドの表面をワイピングして、残留インク、ならびにプリントヘッドオリフィス板に集められたあらゆる紙埃や他のデブリ（debris）を除去するエラストマーワイパを備える。
【００２０】
キャップ、ワイパ、およびプライマ（使用されている場合には）のようなプリントヘッドにサービスを提供するコンポーネントを選択的にプリントヘッドに接触させるために、モータにより駆動されたり、キャリッジ４０との係合を通して動作可能な並進式（translating）または回転式の装置等、異なる様々な機構を用いうる。たとえば、適した並進式または浮動そり（floating sled）式のサービスステーション動作機構は、米国特許第４，８５３，７１７号および同第５，１５５，４９７号において見られ、これらは双方とも本発明の譲渡人であるHewlett-Packard社に譲渡されている。回転式のサービス機構は、カラーインクジェットプリンタのＤｅｓｋＪｅｔ（登録商標）８５０Ｃ、８５５Ｃ、８２０Ｃ、８７０Ｃ、および８９５Ｃモデルで市販されている（Hewlett-Packard社に譲渡された米国特許第５，６１４，９３０号も参照されたい）。一方、他のタイプの並進式サービス機構は、カラーインクジェットプリンタのＤｅｓｋＪｅｔ（登録商標）６９０Ｃ、６９３Ｃ、７２０Ｃ、および７２２Ｃモデル、および２０００ＣＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｅｒｉｅｓモデルで市販されており、これらはすべてＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ社から販売されている。
【００２１】
印刷ゾーン２５においては、図１に開いて示されるラッチ機構５８によってキャリッジ４０に固定されたブラックインクカートリッジ５０および３つの単色インクカートリッジ５２、５４、および５６等のインクジェットカートリッジから媒体がインクを受ける。カートリッジ５０〜５６はまた一般に、当業者には「ペン」と呼ばれる。ペン５０〜５６によって施与されるインクは、顔料系インク、染料系インク、またはこれらの組み合わせ、ならびにパラフィン系インク、染料および顔料双方の特徴を有するハイブリッドまたはコンポジットインクであることができる。勿論、印刷ではない関係においては、流体噴射カートリッジを用いて他のタイプの流体を正確に噴射することができる。
【００２２】
例示するペン５０〜５６はそれぞれ、インク供給源を貯蔵する槽を内部に備える。各ペン５０〜５６の槽は、各色についてプリンタにインク供給源全体を内蔵することができ、これは、交換式カートリッジに典型的なことであるか、「軸外（off axis）」インク送出システムとして知られるものでは、インクの小型の供給源のみが貯蔵される。交換式カートリッジシステムは、走査軸３８に沿って印刷ゾーン２５にわたって往復するペンとしてインク供給源全体を担持する。したがって、交換式カートリッジシステムは「軸上（on-axis）」システムと考えることができる一方、主インク供給源を印刷ゾーン走査軸から離れた固定場所に貯蔵するシステムは「軸外」システムと呼ばれる。軸外システムでは、各色の主インク供給源が４つの補充式または交換式主槽６０、６２、６４、および６６等、プリンタ内の固定場所に貯蔵され、これらの主槽は、シャシ２２によって支持される静止したインク供給源レセプタクル６８に収容される。ペン５０、５２、５４、および５６は、プリントヘッド７０、７２、７４、および７６それぞれを有し、該プリントヘッドは、静止した槽６０〜６６からプリントヘッド７０〜７６に隣接する内蔵された槽にコンジットまたは管系７８を介して送出されるインクを噴出する。
【００２３】
流体噴射または噴出ヘッドを表すプリントヘッド７０〜７６は、それぞれオリフィス板を有し、オリフィス板には当業者に周知の様式で複数のノズルがそれを通って形成されている。各プリントヘッド７０〜７６のノズルは通常、オリフィス板に沿って少なくとも１つであるが一般には２つの線形アレイで形成される。したがって、ここで用いられる「線形」という語は、「略線形」または実質的に線形として解釈することができ、たとえばジグザグ構成で互いにわずかにずれたノズル構成も含みうる。各線形アレイは通常、走査軸３８に垂直な長手方向に並び、各アレイの長さがプリントヘッドのシングルパスの最大画像スワス（swath）を決定する。例示するプリントヘッド７０〜７６は、サーマルインクジェットプリントヘッドであり、これはそれぞれノズルに対応付けられた複数の抵抗器を備えるが、これについては図２に関してさらに詳細に後述する。選択された抵抗器に電圧を印加すると１泡のガスが形成され、該気泡がインク滴をノズルからノズル下の印刷ゾーン２５にある紙シートに噴射する。プリントヘッド抵抗器には、コントローラ３５から多芯ストリップ４６を介して受信される発射コマンド制御信号に応答して、選択的に電圧が印加される。
【００２４】
図２は、流体噴射ヘッドの一形態を示し、ここでは、ブラックインクを供給するカートリッジ５０のインクジェットプリントヘッド７０として示されている。例示されるカートリッジ５０は、中心軸８１によって二分されるプラスチックの本体８０を備える。本体（body）８０はインク供給チャネル８２を画定し、これはカートリッジ５０の上部長方形状部分内にあるインク槽と流通する。本体８０はまた、供給チャネル８２の下部末端にキャビティ８５を画定する隆起壁８４も備える。従来の流体噴射または噴出機構は、流体キャビティ８５内の中央に配置され、3M社から市販されているＫａｐｔｏｎ（登録商標）テープ、Ｕｐｉｌｅｘ（登録商標）テープ、または当業者に知られている他の同等材料等の可撓性ポリマーテープ８８に接着層８６による取り付けを通して所定位置に保持される。例示されるテープ８８はまた、たとえばレーザアブレーション（laser ablation）技術により、テープ８８に形成されるオフセットノズル孔またはオリフィス９０の２つの並行な列を画定することで、ノズルオリフィス板としても機能する。エポキシ、ホットメルト、シリコン、紫外線（ＵＶ）硬化性化合物、またはこれらの混合物であることができる接着層８６は、隆起壁８４とテープ８８の間に流体シールを形成する。
【００２５】
インク噴射機構は、一般には単一の対応付けられたノズル９０の背後にそれぞれ配置され、個々に電圧印加される複数の薄膜発射抵抗器９５を含むシリコン基板９６を備える。発射抵抗器９５は、コントローラ３６から可撓性導体を介してキャリッジ４０に、そして電気相互接続を介してポリマーテープ８８が担持する導体（明瞭化のために省略）に送られる１つまたは複数のイネーブル信号または発射パルスによって選択的に電圧が印加されるときにオーム加熱器(ohmic heater)として作用する。プリントヘッド抵抗器９５とコントローラ３５の間の通信は、好ましくは、ペン５０とキャリッジ４０の間の電気相互接続を介してなされる。従来のフォトリソグラフィ技術を用いて、基板９２の表面上にバリア層９２を形成することができる。バリア層９２は、フォトレジストまたはある他のポリマーの層であり、テープ８８と協働して、対応付けられた発射抵抗器９５をそれぞれ取り巻く蒸発チャンバ９３を画定する。バリア層９２は、ポリイソプレンフォトレジストの未硬化層等の薄膜接着層９４によりテープ８８に接合される。カートリッジ供給槽からのインクは、一対の曲がった矢印９８で示されるように流体供給チャネル８２を通り、基板９６の縁を周り、そして各蒸発チャンバ９３に流れる。発射抵抗器９５に電圧が印加されると、噴射されたインク滴９９で示されるように、蒸発チャンバ９３内のインクが噴射される。
【００２６】
図３は、本発明に従って構築される熱監視システム１００の一形態を示す。熱監視システム１００は、インク滴９９の噴射中または試行された噴射中に作成される熱特性を用い、コントローラ３５から受信した発射パルスに応答して、滴が実際に噴射されたか否かを判断する。監視システム１００は、上記従来の技術の項で述べた初期のシステムの場合でのように、プリントヘッドをサービス領域４８内の特別なセンサに位置決めする間に、不必要な時間を浪費する必要なく、「即座（on the fly）」に、すなわち正常な流体噴射または印刷ルーチン中に行うことができる。さらに、ノズル健全状態の監視および不機能ノズルを機能ノズルで代用することにより、プリンタ２０または他の流体噴射機構は、機能していないあらゆるノズルによって本源的なジョブが影響を受けないように、必要な修正を行うことができる。
【００２７】
熱監視システム１００は、正常印刷１０４中、正常ノズルパージ中または吐出ルーチン１０６中、または特別なノズル検査ルーチン１０８中等、いくつかの起動アクティビティ（initiating activity）１０２のうちのいずれか１つの間に起動される。これら起動アクティビティ１０４、１０６、または１０８のいずれかが発生すると、プリンタコントローラ３５が信号を発射パルス発生器１１０に送信し、該発射パルス発生器１１０が発射電圧を選択された抵抗器９５にわたって印加する。測定ステップ１１２において、選択された抵抗器９５が発射すると予期される時間枠で、発射抵抗器の抵抗の変化が時間の経過に伴い測定される。この抵抗測定後、変換ステップ１１４において、ステップ１１２において測定された抵抗に対してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換が行われる。この経時にわたる発射抵抗器９５の抵抗の変化は、図４のグラフに示すように曲線１１５として描くことができる。トレース１１５を生成した後、信号分析ステップ１１６が図４に関してさらに後述するように行われる。
【００２８】
判断ステップ１１８において、図４における曲線１１５等、結果として得られる曲線が、正しく機能しているノズル９０を示す良好な信号であるか否かについて判断が行われる。ステップ１１８により良好な信号が実際に見つかる場合、ＹＥＳ信号１２０が継続ステップ１２２に発せられ、継続ステップ１２２において、正しく機能しているノズル９０を用いて正常な流体噴射が続けられる。しかし、判断ステップ１１８により良好な信号が見つからない場合には、ＮＯ信号１２４が発せられる。行われる次の動作は、選択されたノズル９０が検査されていたとき、特定の起動ステップ１０４〜１０８のいずれが発生していたかによって決まる。
【００２９】
正常印刷中の起動ステップ１０４が発生した場合には、ＮＯ信号１２４が交換ステップ１２６に進み、次の印刷スワスにおいて、機能していない不良なノズルを正しく機能しているノズルと交換する。ステップ１２６における交換ノズルが用いられたこの後の印刷スワスが完了すると、クエリステップ（querying step）１２８において、印刷ジョブが完了したか否かを尋ねる。完了していない場合、ＮＯ信号１３０が継続ステップ１３２に発せられ、交換ノズルを用いて印刷ジョブが続けられる。クエリステップ１２８において印刷ジョブが完了したと決定される場合、ＹＥＳ信号１３４が特別検査ステップ１３５に発せられ、ここで、特別検査ルーチン１０８を開始することにより、疑いのある不良なノズルが検査される。
【００３０】
良好信号判断ステップ１１８に戻り、吐出または特別検査ルーチン中にステップ１０６または１０８を用いて検査ルーチンを開始した後に、ＮＯ信号１２４が発せられる場合には、ノズル回復ステップ１３６がＮＯ信号１２４を受信する。ステップ１３６の後に試行されるノズル回復ルーチンのタイプは、ノズルの詰まりのタイプおよび本実施形態ではプリンタ２０である流体噴射ユニットで利用可能な回復機器のタイプによって決まる。まず、判断ステップ１３８において、さらに後述するように図４と同様のグラフに示される場合には発射抵抗器９５の熱特性の分析により、またはかかるデータの作表を通して、ノズルの詰まりの正確なタイプが判断される。次に、クエリステップ１４０において、ノズルの詰まりが固形物であるか否かという質問が尋ねられる。ノズルの詰まりが実際に固形物である場合、ＹＥＳ信号１４２が発せられ、プリントヘッドワイピングまたは溶媒回復（solvent recovery）ルーチン１４４が行われる。この回復ルーチン１４４の後に、信号１４６が検査ステップ１３５に発せられ、特別ノズル検査開始ステップ１０８が行われる。
【００３１】
クエリステップ１４０において詰まりが固形物でないと決定される場合には、ＮＯ信号１４８が発せられる。プリンタ２０等の流体噴射ユニットのタイプに応じて、固形物ではない詰まり、すなわち蒸気または気泡の詰まりが様々な異なる方法で回復される。たとえば、プリンタ２０が、たとえば、現在ではHewlett-Packard社に譲渡されている米国特許第５，７１４，９９１号に開示されるものなどのプライミング（priming）システムを備える場合、プライミングステップ１５０が開始される。このプライミングルーチン中、オリフィス板８８に負圧または減圧を加えることで、空気または蒸気がプリントヘッドからパージされる。このプライミングルーチン１５０の後に、信号１５２が特別検査ステップ１３５に送信され、特別検査開始ステップ１０８が再度起動され、ステップ１５０のプライミング動作が、ノズルの詰まりの除去に有効であったか否かを判断する。
【００３２】
特定の流体噴射システムがプライミングシステムを備えていない場合には、正圧印加ステップ１５４が、クエリステップ１４０からＮＯ信号１４８を受信する。次に、ステップ１５４は、圧力をインク供給ライン７８を通してプリントヘッド７０に送ることで正圧をインク供給源に加え、気泡詰まりをノズル９０から押し出す。この正圧印加ステップ１５４の後、信号１５６が検査ステップ１３５に発せられ、特別検査開始ステップ１０８が起動されて、ステップ１５４の正圧印加が実際に不良ノズルからの気泡詰まりの除去に成功したか否かを判断する。勿論、ワイピング／溶媒回復ステップ１４４、プライミングステップ１５０、あるいは正圧印加ステップ１５４のいずれかが詰まりの除去に成功しなかった場合には、これらステップを監視ルーチン１００に対して連続して繰り返すことができ、または印刷が要求される場合には、ノズル交換ルーチン１３２を開始することができる。
【００３３】
上述したように、分析ステップ１１６および詰まりのタイプを判断するステップ１３８は、図４に示す発射抵抗器の熱特性を用いる。曲線１１５は、流体滴９９を噴射する正しく機能しているノズル９０の動作を示している。この曲線１１５には、いくつかの異なるセグメントおよびセクションがある。時間ゼロ（０）秒とは、コントローラ３５により発射信号が最初に抵抗器９５に送られたときを示す。時間ゼロより前では、抵抗器９５はおおよそ室温として示される周囲温度曲線セクション１５８を有する。発射パルスを加えた後、抵抗器温度は、第２の弧セクション１６２が後に続く第１の弧セクション１６０で示されるように上がり始め、発射パルスが時間ゼロにおいて開始されてから８秒が経過する少し前に、約３３０度の最高温度に達する。この最高温度の後に、曲線１１５は、曲線セクション１６４に示されるように温度が急激に降下し、再び９秒の時間ポイント前に周囲温度に戻る。
【００３４】
曲線１１５の第１の弧部分１６０の間、抵抗器９５からのエネルギが、ここではインクである液体を取り巻く抵抗器に伝えられる。曲線１１５の第２の弧部分１６２は伝熱を示し、ここで抵抗器９５が、液体が沸騰する際に形成される気泡を加熱する。正しく機能しているノズルは、２つの弧曲線セクション１６０および１６２が一緒になる場所である遷移１６５を有する熱特性を生成する。この遷移期１６５の間、ここではインクである液体が沸騰し始めるにつれ、気泡が形成される。気泡が最終的に破裂すると、インク滴９９がノズル９０から噴射され、これは曲線部分１６２と１６４とが一緒になる曲線１１５の急に折れ曲がった部分１６６において示される。
【００３５】
したがって、良好信号判断ステップ１１８は曲線１１５の遷移１６５を探し、これは、図４に示すように、プリントヘッド７０に対して３秒から５秒の間のどこかで、約１秒の領域にわたって発生する。遷移ポイント１６５が存在するか否かを判断する際に、第１および第２の弧曲線セクション１６０および１６２を直線トレースとして数学的に近似することができる。たとえば、抵抗器９５が気泡を加熱しているとき、曲線１６２は直線曲線（straight-line curve）１６８で近似することができる。同様に、抵抗器９５が液体を加熱しているとき、第１の弧曲線１６０を直線曲線１７０で近似することができる。これら２つの数学的近似曲線１６８と１７０との交点１７２が見つかる場合、ステップ１１８は、実際に気泡が形成され、ノズル９０が正しく機能していると判断する。数学的に近似して曲線１６８および１７０を生成し、変曲点（inflection point）１７２が発生するか否かを判断することは、生データのグラフ分析よりも好ましい。これは、曲線１１５の実際の信号変曲部分１６５よりもポイント１７２を検出しやすいためである。
【００３６】
したがって、良好信号判断ステップ１１８の動作がここで理解される。上述したように、図４の熱特性は、固形物または空気という、どのタイプの詰まりが発生しているかを判断するために、判断ステップ１４８によっても用いられうる。ノズル詰まりのタイプがわかると、これを用いて、ワイピング／溶媒印加ルーチン１４４、プライミングルーチン１５０、または正圧印加ルーチン１５４のいずれのタイプのノズル回復ルーチンを行うかを判断する。たとえば、トレース１１５内に遷移１６５がない場合には、固形物の詰まりを見つけることができる。固形物ノズル詰まりの場合、抵抗器９５は第１の弧部分１６０に沿って加熱してから、ポイント１６５における遷移の代わりに、温度は曲線１７４に示されるように延び、ここで、曲線１１５のポイント１６６においてなど、気泡の破裂が発生することなく、熱が液体に放散され続ける。したがって、ノズルの熱特性は曲線１７４の経路を辿る場合、固形物詰まりが見つかったものと考えられ、ＹＥＳ信号１４２が生成され、ワイピングおよび／または溶媒回復ルーチン１４４を開始する。
【００３７】
蒸気または気泡ノズル詰まりの場合、発射パルスの初期印加後、抵抗器の熱特性は曲線１７５のトレースを辿り、それから、ノズルが気泡で詰まっていると監視システム１００が判断する。図４のグラフにおいて、蒸気／気泡詰まり曲線１７５がどのように熱トレース１１５の第２の部分１６２とおおよそ同じ弧を辿るかに留意する。ここでは、抵抗器９５の熱エネルギはガスまたは気泡に消費される。したがって、気泡詰まりが検出されると、ＮＯ信号１４８が生成され、プライミングルーチン１５０あるいは正圧印加ルーチン１５４のいずれかを開始し、ノズル９０から気泡を引き込むか、あるいは押し出す。
【００３８】
要約すれば、滴噴射中のインクジェット抵抗器９５の温度履歴を、核生成前段階（pre-nucleation stage）１７６、核生成段階（nucleation stage）１７８、および核生成後段階（post-nucleation stage）１８０として図４に示す３つの段階に分けることができる。核生成前段階１７６の間、発射パルス生成器１１０によって駆動電流が印加されるとき、インクは抵抗器９５に接触している。核生成段階１７８では、発射レジスタと液体との間の界面にある液体のいくらかの相が液体から気体に変化する。核生成後の核生成後段階１８０では、熱い抵抗器９５は、この実施の形態においてガスまたは泡と呼ばれるインク蒸気のみに接している。図４に示すように、液体相にある流体と気体相にある流体との熱容量および伝熱性は異なるため、核生成前段階１７６および核生成後段階１８０それぞれの熱特性１６０および１６２は異なる。健全状態のノズルのトレース１１５のこれらの特徴を知ることで、ノズルが健全状態にあるか否かを判断するために、熱プロファイルを用いることができる。
【００３９】
単に曲線近似ルーチンを適用して曲線１６８および１７０を生成して変曲点１７２を探す代わりに、入力データに対して数学的ルーチンを実行することができる。この数学的ルーチンでは、熱特性の二次導関数を計算して、温度の上昇率を見つける。この二次導関数曲線が、変曲点１６５を表す値ゼロ（０）を通過しない場合、ノズル９０の発射チャンバが核生成に成功しなかったため、曲線１７４のトレースに対応し、気泡は形成されなかったと判断される。したがって、ステップ１４０は、詰まりは実際に固形物であると判断し、ＹＥＳ信号１４２が生成される。
【００４０】
熱的にノズルの健全状態を検出する代替の方法は、生成ステップ１１０により発射パルスが提供された後の抵抗器９５の温度の上昇を見ることを含む。上記したように、気体詰まりは、抵抗器９５が空気と接しており、ノズル９０がデプライミングされたことを示す曲線１７５で示される熱特性として現れる。さらに、空気の詰まりが発生した場合、結果として生じる温度低下率は、健全な状態にあるノズルトレース１１５のかなり上への曲線１７５の急激な上昇からわかるように、大幅に低下される。
【００４１】
一実施形態において、抵抗器温度の測定は、抵抗器９５自体の抵抗または伝導性の変化を用いることで行われる。あるいは、熱感知抵抗器または熱センサ１８２等他の熱センサが発射抵抗器９５付近のプリントヘッドに埋め込まれる。別個の熱センサ１８２を様々な異なる場所に配置してもよく、例示される特定のプリントヘッド設計の１つの好ましい場所のみが図２に示されていることは明らかである。しかし、単純な場合には、発射抵抗器９５だけを用いて、対応付けられたノズル９０が正しく機能しているか否かを判断するほうが容易なこともある。
【００４２】
さらに、図４の熱特性は１つの特定タイプのプリントヘッドノズルについて示されているが、ノズルのタイプおよび流体噴射ヘッド設計、ならびに使用される流体のタイプに応じて、健全状態にあるノズルトレースの正確な形状および配置、ならびに詰まったノズルトレース１７４、１７５が、図４に示されるものとは異なることは明らかである。さらに、ここでは、熱監視システム１００について噴射される流体がインクであり、プリントヘッド担持ビヒクルがインクジェットプリンタ２０であるものとして説明したが、このノズルの健全状態監視システム１００は、製造、電子工学、医療、電気器具、食料、自動車、および正確な流体の噴射が望まれる他の業界で使用される流体噴射プロセス等、他の流体噴射用途でも使用可能なことは明らかである。加えて、正常な流体噴射アクティビティ中のノズルの健全状態を監視することで、不健全なノズルを容易に検出し、１４４、１５０、および１５４等様々な回復ルーチンを用いて回復して、永久的なダメージを受ける前に、健全な状態に容易に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 １つの流体噴射システムの一例の斜視図であり、ここでは、内部に支持される流体噴射ノズルの健全状態を判断する例示的な熱監視システムの一形態を用いるインクジェット印刷機構として示されている。
【図２】 流体噴射ヘッドの一形態の拡大した前部断面図であり、ここでは、インク滴を噴射する２つのノズルを備えるインクジェットプリントヘッドとして示されている。
【図３】 図１の熱監視システムの一形態のフローチャートである。
【図４】 ノズルの健全状態を判断するために、図１の熱監視システムが用いる熱特性のグラフである。
【符号の説明】
９０ 流体噴射ノズル
９５ 発射抵抗器
９９ インク滴
１００ 熱監視システム
１０８ ノズル検査ルーチン
１１０ 発射パルス発生器
１１２ 測定ステップ
１１５ 曲線
１１８ 判断ステップ
１２６ 機能していない不良なノズルを正しく機能しているノズルと交換するステップ
１２８ クエリステップ
１３２ 継続ステップ
１３６ ノズル回復ステップ
１３８ 判断ステップ
１４２ ＹＥＳ信号
１４４ 回復ルーチン
１４８ ＮＯ信号
１５０ プライミングステップ
１５４ 正圧印加ステップ
１６５ 遷移ポイント

Claims (13)

1. 正常な状態では発射信号に応答して流体を噴射する流体噴射ノズルの健全状態を監視する方法であって、前記発射信号を前記ノズルに与えるステップと、その後、前記ノズルの温度変化を監視するステップと、前記発射信号を与えるステップに応答して、前記監視された温度変化から前記ノズルが前記流体を噴射したか否かを判断するステップと、前記ノズルが前記流体を噴射しない場合には、いずれのタイプの詰まりが前記ノズルの失敗を引き起こしたかを判断するステップをさらに含み、前記流体を噴射しなかった前記ノズルの機能性を回復するステップをさらに含み、前記回復するステップは、前記判断されたタイプの詰まりに対応する回復ルーチンを用いるステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記発射信号が正常な流体噴射ジョブ中に与えられ、かつ前記ノズルが前記流体を噴射しない場合には、代用ノズルから前記液体を噴射するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記正常な流体噴射ジョブの完了の後に、前記流体を噴射しなかった前記ノズルの機能性を回復するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 失敗した前記ノズルの回復が成功したか否かを判断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記失敗したノズルの回復が不成功だった場合、前記代用ノズルを前記失敗したノズルの代用として使用し続けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記判断されたタイプの詰まりが固形物の詰まりを含む場合、前記回復ルーチンは前記ノズルをワイピングするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記回復ルーチンは、溶媒を前記ノズルに加えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記判断されたタイプの詰まりが蒸気の詰まりを含む場合、前記回復ルーチンは正圧を印加して前記ノズルから前記蒸気の詰まりを押し出すステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記判断されたタイプの詰まりが蒸気の詰まりを含む場合、前記回復ルーチンは真空圧を加えて前記ノズルから前記蒸気の詰まりを引き出すステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記発射信号を与えるステップは、前記発射信号を前記ノズルに対応付けられた発射抵抗器に与えることを含み、前記監視するステップは、前記発射抵抗器の抵抗変化を監視することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記判断するステップは、前記監視された温度変化を時間の経過に伴いトレースで作図するステップと、前記トレースにおいて変曲領域が見つかる場合、前記ノズルが前記流体の噴射に成功したと判断するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法を実施する流体噴射機構。
13. 前記流体はインクジェットインクを含み、複数の発射信号の少なくとも１つにそれぞれ応答して前記インクジェットインクを噴射する複数の流体噴射ノズルを有するサーマルインクジェットプリントヘッドをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の流体噴射機構。

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