JP4447723B2

JP4447723B2 - Inkjet recording head substrate, inkjet recording head, and inkjet recording apparatus

Info

Publication number: JP4447723B2
Application number: JP2000042076A
Authority: JP
Inventors: 良行今仲; 哲人池田; 真二高木; 一郎斉藤; 亨久保川; 健太郎矢野; 真夫加藤; 利治乾
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: JP2001232776A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクの検出が可能なインクジェット記録ヘッド、そのインクジェット記録ヘッドに用いられるインクジェット記録ヘッド用基板、および、そのインクジェット記録ヘッドを用いて記録を行うインクジェット記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、複写機、ファクシミリ等の機能を有する記録装置、或いはコンピューターやワードプロセッサ等を含む複合機やワークステーションの出力機器として用いられる記録装置は、画像情報に基づいて、用紙やプラスチック薄板（例えば、ＯＨＰ等に用いる）等の記録シートに画像を記録するように構成されている。このような記録装置は、使用する記録手段の記録方法により、インクジェット式、ワイヤドット式、感熱式、熱転写式、レーザービーム式等の記録方式に分けられる。
【０００３】
それらの記録方式の内、インクジェット式の記録装置（インクジェット記録装置）は、記録手段であるインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）から、記録シートなどの被記録媒体にインクを吐出して記録を行うものであり、記録手段のコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができる。さらには、普通紙に、特別の処理を必要とせずに記録することができるためランニングコストが安く、また、ノンインパクト方式であるため記録動作時の騒音が少なく、しかも多色のインクを使用してカラー画像を記録することが容易である等の利点を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方式の中にもいくつか手法があり、その１つとしては、ノズル内に、インクに熱エネルギーを与えるための発熱体を設け、その発熱体の発熱によってノズル内のインクにバブルを発生させたときの発泡エネルギーを用いて、ノズルからインクを吐出させるバブルジェット記録方式がある。ここで、インクを吐出するためのエネルギーを発生させる記録素子としての発熱体は、半導体製造プロセスを用いて作製することができる。そのため、バブルジェット記録方式を利用したインクジェット記録ヘッドは、シリコン基板からなる素子基板上に記録素子を形成し、その上に、インク流路を形成するための溝が形成された天板を接合した構成となっている。その天板は、ポリサルフォン等の樹脂やガラス等からなる。
【０００５】
また、素子基板がシリコン基板からなることを利用し、記録素子を素子基板上に構成するだけでなく、記録素子を駆動するためのドライバ、記録素子を記録ヘッドの温度に応じて制御する際に用いられる温度センサ、および、その温度センサの駆動制御部等を、素子基板上に構成したものもある。
【０００６】
特開平７−２５６８８３号公報には、上述したインクジェット記録ヘッド用の基板の一例が開示されている。その公報に開示された従来のインクジェット記録ヘッド用基板の構成を図９に示す。
【０００７】
図９において、記録ヘッド用の基板である素子基板１００には、インク吐出用の熱エネルギーをインクに与えるための記録素子としての発熱体１０１が配置されている。また、並列に配列された複数の発熱体（記録素子）１０１に対して、各発熱体１０１を駆動するためのパワートランジスタ（ドライバ）１０２が設けられている。さらに、素子基板１００上には、シフトレジスタ１０４と、ラッチ回路１０３と、複数のＡＮＤゲート１１５が形成されている。シフトレジスタ１０４は、端子１０６を介して外部から画像データをシリアルに入力し、また、これに同期するシリアルクロックを端子１０５から入力して、１ライン分の画像データを保持する。ラッチ回路１０３は、端子１０７を介して入力されるラッチ用のクロック（ラッチ信号）に同期して、シフトレジスタ１０４からパラレルに出力された１ライン分の画像データをラッチし、それをパワートランジスタ１０２にパラレルに転送する。複数のＡＮＤゲート１１５は、パワートランジスタ１０２に対応してそれぞれ設けられ、ラッチ回路１０３の出力信号を、外部からのイネーブル信号に応じてパワートランジスタ１０２に印加する。１０８は、駆動素子であるパワートランジスタ１０２のオン時間、すなわち発熱体１０１に電流を流して駆動する時間を、記録ヘッド部の外部から制御するための駆動パルス幅入力（ヒートパルス）端子である。１０９は、ラッチ回路１０３やシフトレジスタ１０４等のロジック回路の駆動電源（５Ｖ）を入力するための端子である。さらに、接地端子１１０、およびセンサ１１４の駆動やモニタ用の端子１１２等が設けられている。このように、基板１００上に形成される端子１０５〜１１２は、画像データや各種信号等を外部から入力するための入力端子である。
【０００８】
また、素子基板１００には、その素子基板１００の温度を測定するための温度センサ、あるいは各発熱体１０１の抵抗値を測定するための抵抗センサ等のセンサ１１４が形成される。以上のように、ドライバ、温度センサ、及びその駆動制御部等を素子基板上に構成したヘッドは実用に供されており、記録ヘッドの信頼性の向上、及び装置の小型化に寄与している。
【０００９】
このような構成において、シリアル信号として入力された画像データは、シフトレジスタ１０４によってパラレル信号に変換され、ラッチ用のクロックに同期してラッチ回路１０３に保持される。この状態において、入力端子１０７を介して、発熱体１０１の駆動パルス信号（ＡＮＤゲート１１５に対するイネーブル信号）が入力されることにより、画像データに応じてパワートランジスタ１０２がオンされ、対応する発熱体１０１に電流が流れて、熱エネルギーが発生する。素子基板１００には、インク吐出のための液流路（ノズルともいう）や、その液流路と連通する共通液室を形成するために、天板が接合される。このように構成することにより、インクタンク（インク収容部ともいう）に収容されるインクが共通液室を介して各ノズルへ供給され、インクの安定供給が達成されている。前述のように、発熱体の駆動によって発生した熱エネルギーにより、液流路（ノズル）内のインクが加熱されて、ノズル先端の吐出口からインクが液滴として吐出される。
【００１０】
ここで、安定した印字等の記録を行なうための重要なポイントの１つとして、ヘッド内の共通液室や各ノズル内における記録時のインクの有無が挙げられる。つまり、インクタンク内のインク量が少なくなった場合、あるいはノズル先端部からノズルへの空気の混入や、共通液室内に発生した気泡のノズルへの移動等が生じた場合には、インクを安定して吐出することが困難となり、記録品位を劣化させるおそれがある。例えば、インクジェット記録ヘッドに設けられている複数のノズルの内、特定のノズルにのみインクの安定吐出が困難な状況が発生して、それが不良ノズルとなった場合には、その不良ノズルによる記録が行われなくなるため、記録画像中に記録が行われない部分がスジ状に発生してしまう。また、共通液室内のインクが少なくなった場合には、一部のノズルに対してのみインクが供給されることがあり得るため、上述のような不良ノズルの発生による部分的なインクの不吐出と同様に、記録品位を劣化させてしまうこととなる。
【００１１】
このような、不良ノズルによる部分的なインクの不吐出の発生状態を検出するために、従来より、共通液室やノズル内のインクの状態、特にインクの有無を検出する方法が提案されている。
【００１２】
例えば、特開昭５８−１１８２６７号公報には、インクジェット記録ヘッドに配列された複数のノズルについて、ノズル毎について、インクの有無を検出する方法が提案されている。すなわち、その方法の場合には、各ノズルのインクの有無を検出するために、各ノズル内に、記録素子とは別に、熱によって抵抗が変化する温度検出用の素子が配置される。そして、ノズル内のインクが無くなった場合に、記録素子である発熱体の発熱によってノズル付近の温度上昇変化の割合が大きくなることを利用し、その温度上昇変化を温度検出用の素子によって検出することにより、インクの有無を検知する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開昭５８−１１８２６７号公報に開示される構成においては、ノズル近辺の温度を直接確認するために、各ノズル毎に、温度を検出可能な素子またはセンサーを配置したり、さらには、それらの温度検出用の素子やセンサーを駆動するための駆動素子についてもノズル内もしくはヘッド用基板上に配置する必要がある。このような構成は、ノズルのサイズが大きくて、比較的低い密度でノズルが配列される記録ヘッドに対しては、有効に適用することができる。
【００１４】
しかしながら、近年においては、より高速かつ高精細な記録の達成が要求されており、このような要求に応えるべく、インクジェット記録ヘッドに配列するノズル数を多くしたり、ノズルを高密度に配列することによって、高記録密度化が年々進められている。
【００１５】
このような、高密度にノズルを配列したインクジェット記録ヘッド用基板においては、ノズル内部やその近辺に、各記録素子に対応させて温度検出用の素子やセンサーを配置したり、その素子やセンサーを駆動するための駆動素子を基板上に配置することが困難となってきている。また、ノズル数を増大した場合も同様であり、基板上に配置する素子数が増えることとなり、インクジェット記録ヘッド用基板のチップサイズの大型化、あるいはセンサー素子とその他の回路等を電気的に接続するための配線層の多層化につながり、その結果、基板上の構造の複雑化や、チップの製造コストアップを招くこととなる。
【００１６】
また、特開昭５８−１１８２６７号公報においては、温度検出用の素子をヘッドの外部に対して電気的に接続するための検出用端子の構成については明記されておらず、記録素子毎に対応した検出用端子を基板上に設けるとすれば、ヘッドに必要な端子の数が増大してしまう。さらには、ヘッドと記録装置を電気的に接続するためのフレキシブル基板等の配線数の増大や、それらの配線における信号を個別に制御するための記録装置本体上の素子の増大など、さまざまな部分において装置の大型化を招くこととなり、コストアップを避けることが困難となる。
【００１７】
また、特開昭５８−１１８２６７号公報に開示される構成においては、温度変化を検知する方式であるため、その検知方式を適用可能な記録方式は、熱エネルギーを発生する発熱体を記録素子として用いた記録方式に限定されるという制約もあった。
【００１８】
本発明の目的は、きわめて簡単な構成によって記録ヘッド内のインクを検出することができ、しかも種々の記録方式に広く適用することができるインクジェット記録ヘッド用基板、インクジェット記録ヘッド、およびインクジェット記録装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット記録ヘッド用基板は、吐出口からインクを吐出して記録を行なうためのインクジェット記録ヘッドに搭載されるインクジェット記録ヘッド用基板において、インクを吐出するためのエネルギーを供給する記録素子と、前記記録素子を駆動するための駆動素子と、前記インクジェット記録ヘッド用基板上に形成された絶縁性の保護膜と、前記保護膜上に位置するインクを介して、前記記録素子の駆動に応じて発生する前記記録素子と前記駆動素子との間の電圧変化を検出可能な検出電極と、を備え、前記記録素子と前記駆動素子との間の電圧変化領域と、前記インクとの間における電圧変化の伝達は、容量結合によってなされ、前記保護膜は、前記電圧変化領域と前記インクとの間の容量結合を部分的に変化させるように形成し、前記検出電極は、前記容量結合が小さい部分を挟んで前記容量結合が大きい部分から離れ、かつ前記記録素子と前記駆動素子との間に備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、上記のインクジェット記録ヘッド用基板と、前記インクジェット記録ヘッド用基板に結合することによって、前記記録素子の所定数毎に対応するノズルを構成する天板と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明のインクジェット記録装置は、上記のインクジェット記録ヘッドを用いて、被記録媒体に画像を記録可能であることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、記録素子の駆動時と非駆動時に、その記録素子と駆動素子との間に電圧の変化が発生し、その電圧の変化が交流的にインクに伝達することに着目してなされたものである。記録素子と駆動素子との間において電圧が発生する電圧発生領域と、インクとの間は、例えば保護膜によって絶縁する。
【００２４】
具体的には、基板上の検出電極によって、電圧発生領域からインクを介して交流的に伝達される電圧の変化を検出し、そのインクの存在量に応じて検出電圧が変化することを利用して、インクを検出する。例えば、電圧発生領域の電圧変化が交流的に伝達される伝達部分を各記録素子毎に電気的に分離して備え、その伝達部分と検出電極との間におけるインクの有無によって電気抵抗が変化することを利用して、インクの有無をノズル毎に検出することができる。
【００２５】
また、本発明では、インクの検出信号の信号源が記録素子そのものであり、前述した従来例のように記録素子の熱を利用しないため、検出電極は、基板上の全記録素子に対して共通に備えることも可能であり、さらに記録素子が発熱素子である場合には、その発熱素子上にキャビテーション保護膜を形成する際に、それと同時に検出電極を形成することができる。
【００２６】
また、本発明は、インクの検出に熱を利用しておらず、また記録素子の駆動に応じて電圧の変化が生じればよいため、種々の記録素子を用いて多様な記録方式にも応用できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用したインクジェット記録ヘッド用基板の構成を示す図である。なお、この図１は、本発明の説明に必要な要部構成を示したものであり、本発明は、図１に示す素子や端子の構成、及びその数についても限定されるものではない。
【００２９】
図１に示すインクジェット記録ヘッド用基板の基本的な構成は、従来技術として図９を参照して説明したインクジェット記録ヘッド用基板１００に対して、インクの検出に用いる検出電極１１８を追加した構成である。従来の構成と比較して、大幅に複雑化させることなく本発明の実施が可能なことは、図から明らかに分かる。検出電極１１８は、後述するように、保護膜４０５、耐キャビテーション膜２０５、およびノズル内のインクを介して、ヒータ１０１の駆動回路と交流的に結合している。図１中の１１６は、その交流的な結合部であり、図１１のようにコンデンサとして等価回路を構成する。図１１中の点線Ｂによって囲まれた部分は、後述するように、インクの存在量に応じて電気抵抗が変化するノズル内の部分であり、また図１１中のＤは、ＡＮＤゲート１１５からの駆動信号を表す。
【００３０】
以下、本発明の基本的構成、及びノズル毎の検出の原理について、図２、図３、図４、および図７を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図２は、図１に示すインクジェット記録ヘッド用基板の概略構成を示す平面図であり、基板上に設ける素子、電極、端子等のレイアウトの概略が示されている。図３は、図１および図２に示すインクジェット記録ヘッド用基板に、吐出口およびノズルを構成するための天板を接合した状態を示す概略斜視図である。また、図４は、インクジェット記録ヘッド用基板に天板を接合した状態において、基板およびノズルの構成を示す断面図である。なお、この図４は、図３中の矢印ａ−ａ線に沿う断面図である。また、図７は、本発明において、記録素子である発熱素子を駆動した時の、インクジェット記録ヘッド用基板上における各部の電圧の状態を示す図である。
【００３２】
図２は、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板を上から平面的に見た図であり、主に、本発明の特徴的な構成を図示している。図１と同様に、図２に示す１０１は記録素子として用いられる発熱体（以下、ヒータと称する）であり、駆動素子であるドライバ１０２によって駆動される。２０３は、ヒータ１０１の一端部とドライバ１０２との間を接続する配線であり、１１１は、ヒータ１０１の他端部に電源電圧を供給するための配線である。また、ヒータ１０１上には、図４のように、電気的に絶縁された保護膜４０５（保護層）が形成されており、この保護膜４０５を介してヒータ１０１の上方に耐キャビテーション膜２０５が配置されている。なお、図２においては、ヒータ１０１、ドライバ１０２等の配置を説明するために、保護膜４０５の図示は省略している。また、本実施例で説明するインクジェット記録ヘッドは、ヒータ１０１が駆動されたときに発生する熱エネルギーによって、ノズル内のインクに気泡を生成し、その気泡の成長圧力によってインクを吐出口３１０（図３および図４参照）から吐出する、いわゆるバブルジェット方式を採用するものである。前述の耐キャビテーション膜２０５は、インクを吐出する際に発生した気泡が収縮したときの衝撃が、ヒータ１０１や保護膜４０５に伝わるのを抑える役割を果たすために設けられるものであり、タンタル等の高融点金属で形成されている。１１８は、インク検出のために設けた電極配線であり、１１７は、電極配線１１８の端部に設けられて、その電極配線１１８を基板外部へ電気的に接続するための外部端子である。
【００３３】
本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の特徴的な構成は、図２に示すように、耐キャビテーション膜２０５を各ヒータ（記録素子）１０１毎に分割して配置した構成と、ドライバ１０２から離れかつヒータ１０１とドライバ１０２間の配線２０３から離れた位置に、検出電極１１８をレイアウトした構成にある。検出電極１１８は、配線パターンとして形成することができる。
【００３４】
この図２に示したインクジェット記録ヘッド用基板の構成において、どのようにしてノズル内のインクの有無を検出するかについて、図３および図４を参照し、以下詳細に説明する。
【００３５】
上述したように、図３は、天板３１４をインクジェット記録ヘッド用基板１００と接合した状態を示す概略斜視図であり、それらの天板３１４と基板１００とを接合することにより、ノズル部４０８（図４参照）と共通液室３１１が構成される。なお、この図３では、ノズル部４０８、及び共通液室３１１の構成を説明するために、天板３１４の上方の壁部材の構成については点線で表している。また、図２に示したように、２０５が耐キャビテーション膜である。また、前述したように、記録素子であるヒータ１０１が耐キャビテーション膜２０５の下に位置し、なおかつヒータ１０１の上部には絶縁保護膜４０５が形成されているため、図３においては、ヒータ１０１は図示されていない。また、ヒータ１０１を駆動するためのドライバ１０２についても同様であり、それも図３において図示されていない。
【００３６】
本発明においては、各ノズル毎に分離して配置された耐キャビテーション膜２０５を含むヒーター１０１（図３では不図示）の部分と、ドライバ１０２（図３では不図示）と、ノズル壁３１２で形成されるノズル部４０８と、インク検出のための検出電極１１８と、の関係が重要となる。
【００３７】
図４において、電源部から電源配線１１１を介して供給される駆動電力は、ドライバ１０２によるスイッチングにしたがってヒータ１０１へ与えられて熱エネルギーを発生する。この熱エネルギーによりノズル内に気泡が発生し、吐出口３１０からインクが吐出される。
【００３８】
ここで、ドライバ１０２のスイッチングによってヒータ１０１が駆動される前の段階、つまりドライバ１０２がＯＦＦの時点においては、そのヒータ１０１の電位と、ヒータ１０１とドライバ１０２との間の配線２０３の電位と、ドライバ１０２上の一部配線（ドライバ１０２内のスイッチとして作用する部分からヒータ１０１側の部分）の電位は、それぞれヒータ電源配線１１１の電位と同じとなっている。また、インク（一般的にインク成分中にはイオンが含まれているため、導電性がある）が電気的に浮いていることにより、つまりインクがＧＮＤに対して直流的にハイインピーダンスの状態であることにより、電気的に絶縁膜となる保護膜４０５上の耐キャビテーション膜２０５の電位は、インクと同様に電気的に浮いた状態、つまりＧＮＤ（グランド）に対して直流的にハイインピーダンスの状態となっている。同様に、検出電極１１８の電位も基本的には電気的に浮いた状態となり、その検出電極１１８の電位を検出するために接続される装置の入力インピーダンスによって、その電位はほぼ決定する。本例の場合は、検出電極１１８の電位を検出するために、図４のように、検出電極１１８とＧＮＤとの間に、電圧モニタＭと１Ｍ〜１０ＭΩの抵抗を並列に接続した。したがって、ヒータ１０１の駆動前の段階では、検出電位が０Ｖとなる。
【００３９】
一方、ヒータ１０１を駆動した場合、すなわちドライバ１０２が配線２０３をＧＮＤに接続するようにスイッチング（ＯＮ）した場合は、当然ながらヒータ１０１に電流が流れる。その際、ヒータ１０１はドライバ１０２側に近いほど電位が下がり、ヒータ１０とドライバ１０２との間の配線２０３、及びドライバ１０２上の一部配線の電位は、ほぼＧＮＤレベルに急激に降下する。図４において、点線Ａによって囲まれた部分は、ヒータ１０１の駆動時に電圧が急激に下がる部分を示している。このように電圧が降下したときに、直流的には絶縁膜として働いていた保護膜４０５がコンデンサの誘電膜として働くことにより、保護膜４０５を介してヒータ１０１上からドライバ１０２上に渡って設けられた耐キャビテーション膜２０５と、その上に位置するインクに、交流的に電位変化が伝達されることが分かった。そのため、インクがノズル部４０８および共通液室部３１１に存在する場合は、その電位変化が検出電極１１８に伝達されることとなる。また、ノズル部４０８および／または共通液室部３１１にインクが存在しない場合は、耐キャビテーション膜２０５の部分には電位変化が伝達されるものの、その部分と検出電極１１８との間におけるノズル部４０８および／または共通液室部３１１内の電気抵抗が著しく大きくなるため、結果的に、検出電極１１８に伝達される電位変化が著しく小さくなったり、あるいは検出電極１１８に電位変化が伝達されなくなる。このように、ノズル部４０８や共通液室部３１１内におけるインクの存在量、極端にはインクの有無に応じて、検出電極１１８の電位変化が異なることから、駆動したヒータ１０１の部分と、検出電極１１８との間におけるインクの存在量、極端にはインクの有無を検出することができる。
【００４０】
図２および図４において、点線Ｂによって囲まれた部分は、インクの存在量によって電気抵抗が変化する部分、つまり検出電極１１８の電位変化に大きい影響を与える部分を示す。また、図２中の点線１１６によって囲まれた部分は、図１および図１１中における交流的な結合部に相当する。
【００４１】
図７は、以上のような検出原理を利用したインクの検出動作を説明するためのタイミングチャートである。７０１は、ヒータ１０１を駆動するタイミングと駆動時間を決定するイネーブル信号である。ヒータ１０１は、ドライバ駆動制御用の信号（図示せず）に基づき、イネーブル信号に同期して順次個別に駆動される。７０３は、ヒータ１０１とドライバ１０２との間における配線２０３の電位であり、この電位７０３の変化と同様に、ドライバ１０２側に近いヒータ１０１の部分の電位と、ドライバ１０２上の一部配線（ドライバ１０２内のスイッチとして作用する部分からヒータ１０１側の部分）の電位も変化する。これらの部分を含み、電圧が変化する部分を電圧変化領域ともいう。なお、ヒータ１０１上においては、その位置によって電位の変化の振幅が異なり、ドライバ１０２側に近いほど大きくなる。また、絶縁保護膜４０５の表面電位は、その下の電圧変化領域の電位とほぼ同一となっていると考えられる。７０４および７０５は、検出電極１１８の電位変化によって得られるインクの検出信号であり、検出信号７０４は、図４中の部分Ｂにインクがある場合の検出信号、検出信号７０５は、その部分Ｂにインクがない場合の検出信号である。部分Ｂにインクがある場合は、そのＢ部分の電気抵抗が小さいため、検出電極１１８によって検出される電位変化、ひいては検出信号７０４の変化が大きくなる。一方、部分Ｂにインクがない場合は、そのＢ部分の電気抵抗が大きいため、検出電極１１８によって検出される電位変化、ひいては検出信号７０４の変化が小さくなる。このように、部分Ｂにインクがある場合とない場合によって、検出電極１１８によって検出される検出信号が変化することが分かる。もちろん、部分Ｂにおけるインクの存在量に応じて、検出電極１１８によって検出される検出信号は変化する。
【００４２】
このような検出電極１１８からの検出信号は、ヒータ１０１の駆動タイミングに応じて時分割することにより、駆動ノズル毎に、インクの存在量、極端にはインクの有無を検出することができる。図７中の検出信号７０４は、駆動ノズルの全てにおいてインクがある場合の検出信号であり、同様に、図７中の検出信号７０５は、駆動ノズルの全てにおいてインクがない場合の検出信号である。したがって、例えば、１つの駆動ノズルにおいてインクがなかった場合には、その駆動ノズルに対応する検出信号のみが変化の小さい検出信号７０５として現れ、他の駆動ノズルに対応する検出信号は変化の大きい検出信号７０５として現れることになる。
【００４３】
なお、耐キャビテーション膜２０５を、ヒータ１０１に対応させて分離していることにより、隣接するノズルの影響を受けることなく、インクの有無に応じたノズル毎の電位変化を確実に検出することができる。また、このように耐キャビテーション膜２０５をヒータ１０１に対応させて分離するとともに、検出側の電極１１８を全ノズルに対して共通に用いて、各ノズルを順次時分割で駆動することにより、配列された複数のノズルの各々におけるインクの有無を１つの検出電極１１８からの検出信号によって検出することができる。
【００４４】
また、インクの検出信号の信号源として、ヒーター１０１そのものを用いることができるため、各ノズル単位のインクの有無の検出は、従来よりシフトレジスタ等を構成すべく記録ヘッドに設けられているロジック回路を用いて行なうことができ、構造を複雑化することなく、非常に簡易な構成でインクの有無の検出を行うことが可能となる。
【００４５】
図８は、本発明が適用できるインクジェット記録装置ＩＪＲＡの概観図である。
【００４６】
同図において、リードスクリュー８４は、駆動モータ８１の正逆回転により、駆動力伝達ギア８２，８３を介して正逆転される。キャリッジＨＣは、リードスクリュー８４の螺旋溝に対して係合するピン（不図示）を有し、リードスクリュー８４の回転方向に応じて、図中の矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。このキャリッジＨＣには、インクジェット記録ヘッド８５とインクタンク８６とから構成されるヘッドカートリッジＩＪＨが搭載されている。この図８に示すインクジェット記録装置ＩＪＲＡは、一般的にシリアルプリンタと称される記録装置であり、キャリッジＨＣの矢印ａ，ｂ方向に沿った主走査と、被記録媒体である記録シート８７の副走査とを繰り返すことにより、記録シート８７の全面に対する記録動作が行われる。
【００４７】
図１０は、図８に示した記録装置の記録制御を実行するための制御部の要部の構成を示すブロック図である。
【００４８】
図１０において、１０００は制御回路、１１００は記録信号を入力するインターフェースであり、インターフェース１１００は、記録装置ＩＪＲＡの外部に接続されるホスト機器等から転送されるデータの受信を行う。１００１はＭＰＵ、１００２はＭＰＵ１００１が実行する制御プログラムを格納するプログラムＲＯＭ、１００３は各種データ（上記の記録信号やヘッドに供給される記録データ等）を保存しておくダイナミック型のＲＡＭである。１００４は、ヘッドカートリッジＩＪＨに対する記録データの供給制御を行うゲートアレイであり、インターフェース１１００、ＭＰＵ１００１、ＲＡＭ１００３の間のデータ転送制御も行う。１００９は、ヘッドカートリッジＩＪＨを搭載したキャリッジＨＣ（図８）を走査するためのキャリアモータ、１００８は、被記録媒体である記録紙８７を搬送するための搬送モータである。また、１００６、１００７は、それぞれ搬送モータ１００８、キャリアモータ１００９を駆動するためのモータドライバである。
【００４９】
１１１７は、図１，図２に示す端子１１７に接続される信号線であり、その端子１１７を介して、インクジェット記録ヘッド用基板１００の検出電極１１８と電気的に接続される。インクの検出時には、インク量に応じた電圧変化が、端子１１７から信号線１１１７を介して装置本体の制御回路１０００へ入力される。１０１２は、記録素子であるヒータ１０１を駆動するためのイネーブル信号、素子基板１００上のロジック回路に入力するクロック信号、およびラッチ信号等を含む、種々の信号を出力するための信号線である。また、１０１６は、不図示の電源部よりヘッドカートリッジＩＪＨに対して、記録素子としてのヒータ１０１を駆動するための駆動電力を供給する信号線である。１０１７は、ヘッドカートリッジＩＪＨに搭載される記録ヘッド用素子基板１００のロジック回路に対して、電力を供給するための信号線である。
【００５０】
このような制御部の構成において、任意のタイミングでヒータ１０１の駆動を行うとともに、信号線１１１７と端子１１７を介して、素子基板１００上の検出電極１１８によって得られる検出信号を入力して、それをモニタすることにより、ノズル内のインクの有無を検出することができる。なお、このようなインクの有無の検出を行うタイミングについては、例えば、被記録媒体に対して記録動作を行っていない時に、各ノズル毎の駆動を順次行うことにより、各ノズル毎のインクの有無を検出することができる。一般に、インクジェット記録装置においては、インクジェット記録ヘッドの吐出状態を回復させるために、予備的にインクを吐出させる予備吐出動作、つまり画像の記録に寄与しないインクを記録ヘッドから吐出させる動作を行うことが知られており、この予備吐出動作を利用することにより、各ノズルのインクの有無に関する状態を個々に検出することができる。もちろん、記録動作中にインクの検出を行うこともできる。
【００５１】
検出電極１１８によって得られる信号のモニタについては、制御回路上に設けた制御手段であるＭＰＵ１００１によって行うことができる。なお、駆動したヒータ１０１と、検出電極１１８の電位の変化とを対応付けることにより、配列されたノズルのそれぞれについてインクの有無を検出して、インクが無くなってインクの吐出が行えない状態が発生しているノズル、あるいは、そのインク不吐出の可能性があるノズルを特定することができる。
【００５２】
以上説明した本発明の実施形態によれば、耐キャビテーション膜２０５をヒータ１０１に対応させて分離していることにより、隣接するノズルの影響を受けることなく、インクの有無に応じたノズル毎の電位変化を確実に検出することができる。また、検出電極１１８を全ノズルに対して共通に用いて、その検出電極１１８からの検出信号を各ノズルの駆動タイミングに対応付けることにより、複数のノズルの各々におけるインクの有無を１つの検出電極１１８からの検出信号によって検出することができる。また、インクの検出信号の信号源として、ヒーター１０１そのものを用いることにより、各ノズル単位のインクの有無の検出は、シフトレジスタ等を構成すべく従来より記録ヘッドに設けられているロジック回路を用いて行なうことができ、構造を複雑化することなく、非常に簡易な構成でインクの有無の検出を行うことが可能となる。
【００５３】
また、ノズルの駆動方式としては種々の方式を採用することができ、その駆動方式に応じて、検出電極１１８からの検出信号を駆動ノズルに対応付けることにより、駆動ノズル毎におけるインクの有無を検出することができる。ノズルの駆動方式としては、一般に知られているブロック駆動方式、つまりノズルを複数ずつのブロック単位で駆動する方式も採用することができる。その場合には、１つの検出電極１１８からの検出信号によって、ブロック単位毎に、ノズルにおけるインクの有無を検出することになる。また、耐キャビテーション膜２０５は、所定数のノズルの間においては分離せずに設けてもよく、例えば、ノズルをブロック駆動する場合には、同じブロック内の複数のノズル、または異なるブロック内における所定数ずつのノズルに関しては、耐キャビテーション膜２０５を分離せずに設けてもよい。また、検出電極１１８は、基板１００上に構成される複数のノズルの全てに対して共通するように１つ設ける他、所定数ずつのノズルに対応するように複数設けてもよい。
【００５４】
また、基板１００と天板３１４は、記録素子毎あるいは複数の記録素子毎にノズルを形成するものであればよい。また、インクジェット記録装置は、インクの検出信号に応じて記録動作を制限する等、そのインク検出信号を記録動作の制御に利用することができる。
【００５５】
（他の実施形態）
前述した実施形態では、図４のように、ヒータ１０１の駆動により電位が変化する部分Ａと、検出電極１１８との位置関係において、検出電極１１８がドライバ１０２から離れた位置に配備されている。また、その図４の構成においては、保護膜４０５がほぼ均一に形成されている。本発明は、このような図４に示した構成に限られるものではなく、ヒータ１０１の駆動によってノズル内に電位変化をもたらす信号源となる部位に関しては、その構成を変更したものであってもよい。
【００５６】
図５（ａ）は、図４に示す構成において、ヒータ１０１上の部分Ｅに位置する保護膜４０５の厚さを、保護膜４０５の他の部分よりも薄くした場合の構成例を示している。この図５（ａ）の構成によれば、保護膜４０５の厚さを薄くした部分Ｅの静電容量を大きくすることができ、結果的に、ノズル内のインクに伝わる電位変化を大きくして、検出電極１１８からの検出信号によるインクの検出感度を高めることができる。したがって、部分Ｅは、その静電容量が大きいために、インクの検出信号を発生させるための信号源Ｆ中において特に強い信号源となる。信号源Ｆは、ヒータ１０１におけるドライバー１０２寄りの部分と、配線２０３と、ドライバ１０２上の一部配線（ドライバ１０２内のスイッチとして作用する部分からヒータ１０１側の部分）と、を含み、電圧変化領域を構成する。これらの結果、ノズル内における部分Ｅと検出電極１１８との間の部分Ｂに、インクがあるか否かを確実に検出することができる。
【００５７】
また、図５（ｂ）は、ヒータ１０１上の部分Ｅに位置する保護膜４０５の厚さを、保護膜４０５の他の部分よりも薄くするとともに、検出電極１１８をドライバ１０２の上方に配置した構成を示している。なお、部分Ｅにおける保護膜４０５の厚さは、図５（ａ）の場合に比較して、さらに薄くされている。この図５（ｂ）の構成によれば、ヒータ１０１上の部分Ｅにおける保護層４０５を薄くすることにより、その部分Ｅにおける静電容量は、ヒータ１０１とドライバ１０２との間の配線２０３部分における静電容量よりも大きくすることができる。図５（ｂ）中のＧは、配線２０３部分によって成る信号源である。また、検出電極１１８をドライバ１０２上に配置して、検出電極１１８を部分Ｅに近づけることにより、それらの間の局所的な部分Ｂにおけるインクの有無を検出することができる。
【００５８】
また、図６は、ヒータ１０１上の部分Ｅの保護膜４０５を薄くした場合において、さらなる他の構成例を示すものである。この図６においては、保護膜４０５を保護膜４０５ａ、４０５ｂの２層で構成するとともに、ヒータ１０１上の耐キャビテーション膜２０５を保護膜４０５ａの上に形成し、さらに、保護膜４０５ａと４０５ｂの比誘電率を異ならせている。詳細には、保護膜４０５ａを保護膜４０５ｂよりも誘電率が高い部材とした。このように、ヒータ１０１上の保護膜４０５ａが薄くかつ高い誘電率となることにより、部分Ｅがより強い信号源となって、検出感度をさらに高めることが可能となる。
【００５９】
以上のように、ヒータ上部の保護膜を薄くしたり、さらに、その部分の保護膜の誘電率を高くすることにより、ヒーター上の保護膜のエネルギー伝達効率をあげることができる。このような構成により、ヒータ部分が信号源として大きく働くため、必然的に、信号源となる位置をヒータ上の特定の位置に限定することができる。さらには、ヒータ上部を除く他の部分を信号源として作用しにくくして、インク検出の際に、その誤検出を招くノイズの影響を小さくすることができ、結果として、インクの検出感度を高めて精度良くインクの有無を検出することが可能となる。また、上記のように、信号源となる位置を限定することにより、検出電極をドライバ上などにフレキシブルに配置することも可能となる。
【００６０】
なお、上述した実施形態においては、記録素子として発熱体を用いてインクを吐出するバブルジェット記録方式を例に説明した。しかし、記録素子を駆動した場合に発生する電圧変化をインクを介して検出することは、他の記録方式においても可能である。したがって、本発明は、バブルジェット記録方式に限らず、他の記録方式にも広く適用することができる。
【００６１】
また、上述した構成においては、インクジェット記録ヘッド用基板として、ヒータ上部に、気泡が収縮する消泡時の衝撃を抑えるための耐キャビテーション膜を形成した例に挙げて説明した。しかし、導電性を有するインクを用いるのであれば、耐キャビテーション膜が無い場合においても、本発明の検出の原理を適用することが可能である。
【００６２】
（その他）
なお、本発明は、特にインクジェット記録方式の中でも、インク吐出を行わせるために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段（例えば電気熱変換体やレーザ光等）を備え、前記熱エネルギによりインクの状態変化を生起させる方式の記録ヘッド、記録装置において優れた効果をもたらすものである。かかる方式によれば記録の高密度化，高精細化が達成できるからである。
【００６３】
その代表的な構成や原理については、例えば、米国特許第４７２３１２９号明細書，同第４７４０７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて行うものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド型，コンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持されているシートや液路に対応して配置されている電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急速な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信号を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギを発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この気泡の成長，収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐出させて、少なくとも１つの滴を形成する。この駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行われるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信号としては、米国特許第４４６３３５９号明細書，同第４３４５２６２号明細書に記載されているようなものが適している。なお、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を採用すると、さらに優れた記録を行うことができる。
【００６４】
記録ヘッドの構成としては、上述の各明細書に開示されているような吐出口，液路，電気熱変換体の組合せ構成（直線状液流路または直角液流路）の他に熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示する米国特許第４５５８３３３号明細書，米国特許第４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれるものである。加えて、複数の電気熱変換体に対して、共通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開示する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開示する特開昭５９−１３８４６１号公報に基いた構成としても本発明の効果は有効である。すなわち、記録ヘッドの形態がどのようなものであっても、本発明によれば記録を確実に効率よく行うことができるようになるからである。
【００６５】
さらに、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのような記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合せによってその長さを満たす構成や、一体的に形成された１個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。
【００６６】
加えて、上例のようなシリアルタイプのものでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に一体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。
【００６７】
また、本発明の記録装置の構成として、記録ヘッドの吐出回復手段、予備的な補助手段等を付加することは本発明の効果を一層安定できるので、好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子或はこれらの組み合わせを用いて加熱を行う予備加熱手段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げることができる。
【００６８】
また、搭載される記録ヘッドの種類ないし個数についても、例えば単色のインクに対応して１個のみが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数のインクに対応して複数個数設けられるものであってもよい。すなわち、例えば記録装置の記録モードとしては黒色等の主流色のみの記録モードだけではなく、記録ヘッドを一体的に構成するか複数個の組み合わせによるかいずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色によるフルカラーの各記録モードの少なくとも一つを備えた装置にも本発明は極めて有効である。
【００６９】
さらに加えて、以上説明した本発明実施例においては、インクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化もしくは液化するものを用いてもよく、あるいはインクジェット方式ではインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲内で温度調整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあるように温度制御するものが一般的であるから、使用記録信号付与時にインクが液状をなすものを用いてもよい。加えて、熱エネルギによる昇温を、インクの固形状態から液体状態への状態変化のエネルギとして使用せしめることで積極的に防止するため、またはインクの蒸発を防止するため、放置状態で固化し加熱によって液化するインクを用いてもよい。いずれにしても熱エネルギの記録信号に応じた付与によってインクが液化し、液状インクが吐出されるものや、記録媒体に到達する時点ではすでに固化し始めるもの等のような、熱エネルギの付与によって初めて液化する性質のインクを使用する場合も本発明は適用可能である。このような場合のインクは、特開昭５４−５６８４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記載されるような、多孔質シート凹部または貫通孔に液状又は固形物として保持された状態で、電気熱変換体に対して対向するような形態としてもよい。本発明においては、上述した各インクに対して最も有効なものは、上述した膜沸騰方式を実行するものである。
【００７０】
さらに加えて、本発明インクジェット記録装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の画像出力端末として用いられるものの他、リーダ等と組合せた複写装置、さらには送受信機能を有するファクシミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、記録素子の駆動に応じて発生する記録素子と駆動素子との間の電圧変化をインクを介して検出することにより、その検出結果とインクの存在量との関係から、記録ヘッド内のインクをきわめて簡単な構成によって検出することができ、しかも種々の記録方式に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したインクジェット記録ヘッド用基板の電気的な概略構成を説明するための平面図である。
【図２】図１のインクジェット記録ヘッド用基板の要部の概略構成を示す平面図である。
【図３】図１のインクジェット記録ヘッド用基板に天板を接合してノズルを構成した状態を示す概略斜視図である。
【図４】図３のａ−ａ線に沿うノズル周辺部分の断面図である。
【図５】（ａ）,（ｂ）は、本発明の異なる他の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドのノズル周辺の断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドのノズル周辺の断面図である。
【図７】本発明の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドのインク検出動作を説明するためのタイムチャートである。
【図８】本発明を適用可能なインクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図である。
【図９】従来のインクジェット記録ヘッド用素子基板の電気的な概略構成を示す平面図である。
【図１０】図８に示すインクジェット記録装置の制御システムを示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド用基板に形成されるインクの検出回路の概念図である。
【符号の説明】
１００インクジェット記録ヘッド用基板（素子基板）
１０１記録素子（発熱体）
１０２駆動素子（ドライバ）
１０３ラッチ回路
１０４シフトレジスタ
１１６交流的結合部
１１８検出用電極
２０３配線部
２０５耐キャビテーション膜
３１０吐出口
３１１共通液室
３１２ノズル壁
３１４天板
４０５保護膜（絶縁性保護膜）
４０８ノズル部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head capable of detecting ink, an ink jet recording head substrate used in the ink jet recording head, and an ink jet recording apparatus that performs recording using the ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
A recording device having a function such as a printer, a copying machine, a facsimile, or a recording device used as an output device of a multifunction device including a computer, a word processor, or the like, or a workstation, uses paper or a plastic thin plate (for example, OHP). The image is recorded on a recording sheet. Such a recording apparatus is classified into an ink jet type, a wire dot type, a thermal type, a thermal transfer type, a laser beam type and the like depending on the recording method of the recording means used.
[0003]
Among these recording methods, an ink jet recording apparatus (ink jet recording apparatus) performs recording by discharging ink from an ink jet recording head (hereinafter also referred to as a recording head), which is a recording means, onto a recording medium such as a recording sheet. The recording means can be easily made compact, and high-definition images can be recorded at high speed. Furthermore, since it can be recorded on plain paper without the need for special processing, the running cost is low, and because it is a non-impact method, there is little noise during the recording operation, and multi-color ink is used. Thus, there are advantages such as easy recording of color images.
[0004]
There are several methods in such an ink jet recording system, and one of them is that a heating element for giving thermal energy to the ink is provided in the nozzle, and the heat generated by the heating element causes the ink in the nozzle to be heated. There is a bubble jet recording method in which ink is ejected from nozzles using foaming energy when bubbles are generated. Here, a heating element as a recording element that generates energy for ejecting ink can be manufactured using a semiconductor manufacturing process. Therefore, an ink jet recording head using a bubble jet recording method has a recording element formed on an element substrate made of a silicon substrate, and a top plate on which grooves for forming an ink flow path are formed. It has a configuration. The top plate is made of resin such as polysulfone, glass or the like.
[0005]
In addition to utilizing the fact that the element substrate is made of a silicon substrate, not only the recording element is configured on the element substrate, but also a driver for driving the recording element, and when the recording element is controlled according to the temperature of the recording head. Some of the temperature sensors used and the drive control unit of the temperature sensors are configured on an element substrate.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-256883 discloses an example of the substrate for the ink jet recording head described above. FIG. 9 shows the configuration of a conventional inkjet recording head substrate disclosed in the publication.
[0007]
In FIG. 9, an element substrate 100, which is a substrate for a recording head, has a heating element 101 as a recording element for applying thermal energy for ink ejection to ink. A power transistor (driver) 102 for driving each heating element 101 is provided for a plurality of heating elements (recording elements) 101 arranged in parallel. Further, a shift register 104, a latch circuit 103, and a plurality of AND gates 115 are formed on the element substrate 100. The shift register 104 inputs image data serially from the outside via the terminal 106 and inputs a serial clock synchronized with this from the terminal 105 to hold image data for one line. The latch circuit 103 latches image data for one line output in parallel from the shift register 104 in synchronization with a latching clock (latch signal) input via the terminal 107, and outputs it to the power transistor 102. In parallel. A plurality of AND gates 115 are provided corresponding to the power transistors 102, respectively, and apply the output signal of the latch circuit 103 to the power transistors 102 in accordance with an enable signal from the outside. Reference numeral 108 denotes a drive pulse width input (heat pulse) terminal for controlling an on time of the power transistor 102 as a drive element, that is, a time for driving by driving the current to the heating element 101 from the outside of the recording head unit. Reference numeral 109 denotes a terminal for inputting driving power (5 V) of logic circuits such as the latch circuit 103 and the shift register 104. Further, a ground terminal 110, a terminal 112 for driving and monitoring the sensor 114, and the like are provided. As described above, the terminals 105 to 112 formed on the substrate 100 are input terminals for inputting image data, various signals, and the like from the outside.
[0008]
The element substrate 100 is formed with a sensor 114 such as a temperature sensor for measuring the temperature of the element substrate 100 or a resistance sensor for measuring the resistance value of each heating element 101. As described above, the head in which the driver, the temperature sensor, the drive control unit, and the like are configured on the element substrate has been practically used, and contributes to the improvement of the reliability of the recording head and the miniaturization of the apparatus. .
[0009]
In such a configuration, image data input as a serial signal is converted into a parallel signal by the shift register 104 and held in the latch circuit 103 in synchronization with a latching clock. In this state, when a drive pulse signal (an enable signal for the AND gate 115) of the heating element 101 is input through the input terminal 107, the power transistor 102 is turned on according to the image data, and the corresponding heating element 101 is turned on. A current flows through and heat energy is generated. A top plate is joined to the element substrate 100 in order to form a liquid flow path (also referred to as a nozzle) for discharging ink and a common liquid chamber communicating with the liquid flow path. With this configuration, ink stored in an ink tank (also referred to as an ink storage unit) is supplied to each nozzle through a common liquid chamber, and stable ink supply is achieved. As described above, the ink in the liquid flow path (nozzle) is heated by the thermal energy generated by driving the heating element, and the ink is ejected as droplets from the ejection port at the tip of the nozzle.
[0010]
Here, as one of important points for performing recording such as stable printing, the presence or absence of ink at the time of recording in the common liquid chamber in each head and each nozzle can be cited. In other words, when the amount of ink in the ink tank decreases, or when air is mixed into the nozzle from the nozzle tip or bubbles are generated in the common liquid chamber, the ink is stabilized. Therefore, it becomes difficult to discharge, and there is a risk of deteriorating the recording quality. For example, when a situation occurs in which it is difficult to stably eject ink to only a specific nozzle among a plurality of nozzles provided in an ink jet recording head, and that becomes a defective nozzle, recording by the defective nozzle As a result, no portion of the recorded image is recorded in a streak shape. In addition, when the ink in the common liquid chamber is low, ink may be supplied to only some of the nozzles, so partial ink non-ejection due to the occurrence of defective nozzles as described above. In the same manner as described above, the recording quality is deteriorated.
[0011]
In order to detect the occurrence state of partial ink non-ejection due to such a defective nozzle, methods for detecting the state of ink in the common liquid chamber and the nozzle, particularly the presence or absence of ink, have been proposed. .
[0012]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 58-118267 proposes a method for detecting the presence or absence of ink for each nozzle of a plurality of nozzles arranged in an ink jet recording head. That is, in the case of this method, in order to detect the presence or absence of ink in each nozzle, a temperature detecting element whose resistance is changed by heat is arranged in each nozzle separately from the recording element. Then, when the ink in the nozzles runs out, the temperature rise change rate near the nozzles is increased by the heat generated by the heating element as the recording element, and the temperature rise change is detected by the temperature detection element. Thus, the presence or absence of ink is detected.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In the configuration disclosed in the above-mentioned JP-A-58-118267, in order to directly check the temperature in the vicinity of the nozzle, an element or sensor capable of detecting the temperature is arranged for each nozzle, These temperature detecting elements and driving elements for driving the sensors also need to be arranged in the nozzle or on the head substrate. Such a configuration can be effectively applied to a recording head in which the nozzle size is large and the nozzles are arranged at a relatively low density.
[0014]
However, in recent years, it has been demanded to achieve higher speed and higher definition recording, and in order to meet such demands, the number of nozzles arranged in the ink jet recording head is increased or the nozzles are arranged at high density. As a result, higher recording density is being promoted year by year.
[0015]
In such an ink jet recording head substrate in which nozzles are arranged at high density, an element or sensor for temperature detection is arranged corresponding to each recording element in the vicinity of the nozzle, or the element or sensor is arranged. It has become difficult to arrange driving elements for driving on a substrate. The same applies when the number of nozzles is increased, which means that the number of elements arranged on the substrate increases, and the chip size of the inkjet recording head substrate increases, or the sensor elements and other circuits are electrically connected. As a result, the number of wiring layers is increased. As a result, the structure on the substrate is complicated and the manufacturing cost of the chip is increased.
[0016]
Japanese Patent Laid-Open No. 58-118267 does not specify the configuration of the detection terminal for electrically connecting the temperature detection element to the outside of the head, and corresponds to each recording element. If the detected terminals are provided on the substrate, the number of terminals necessary for the head increases. In addition, various parts such as an increase in the number of wirings such as a flexible substrate for electrically connecting the head and the recording apparatus, and an increase in elements on the recording apparatus main body for individually controlling signals in those wirings However, this increases the size of the apparatus and makes it difficult to avoid an increase in cost.
[0017]
In addition, in the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-118267, since the temperature change is detected, a recording method to which the detection method can be applied uses a heating element that generates thermal energy as a recording element. There was also a restriction that it was limited to the recording method used.
[0018]
An object of the present invention is to provide an ink jet recording head substrate, an ink jet recording head, and an ink jet recording apparatus that can detect ink in a recording head with a very simple configuration and can be widely applied to various recording methods. It is to provide.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
An inkjet recording head substrate according to the present invention includes a recording element for supplying energy for ejecting ink in an inkjet recording head substrate mounted on an inkjet recording head for performing recording by ejecting ink from ejection ports. A driving element for driving the recording element; An insulating protective film formed on the inkjet recording head substrate; Said Located on protective film A detection electrode capable of detecting a change in voltage between the recording element and the driving element generated in response to driving of the recording element via ink; The voltage change region between the recording element and the drive element and the ink are transmitted by capacitive coupling, and the protective film is provided between the voltage change region and the ink. Capacitive coupling is formed so as to be partially changed, and the detection electrode is provided between the recording element and the drive element, with the capacitive coupling being separated from the large capacitive coupling with the small capacitive coupling interposed therebetween. It is characterized by that.
[0020]
An ink jet recording head of the present invention includes the above-described ink jet recording head substrate, and a top plate constituting nozzles corresponding to a predetermined number of the recording elements by being coupled to the ink jet recording head substrate. It is characterized by that.
[0022]
The ink jet recording apparatus of the present invention is the above ink jet recording head. The And an image can be recorded on a recording medium.
[0023]
The present invention has been made by paying attention to the fact that a voltage change occurs between the recording element and the driving element when the recording element is driven and is not driven, and the change in voltage is transmitted to the ink in an AC manner. Is. A voltage generation region in which a voltage is generated between the recording element and the driving element and the ink are insulated by, for example, a protective film.
[0024]
Specifically, the detection electrode on the substrate is used to detect a change in the voltage transmitted from the voltage generation region through the ink in an AC manner, and the detection voltage changes according to the amount of ink present. Detecting ink. For example, a transmission portion where the voltage change in the voltage generation region is transmitted in an alternating manner is electrically separated for each recording element, and the electrical resistance changes depending on the presence or absence of ink between the transmission portion and the detection electrode. By utilizing this, the presence or absence of ink can be detected for each nozzle.
[0025]
Further, in the present invention, the signal source of the ink detection signal is the recording element itself, and the heat of the recording element is not used as in the above-described conventional example. Therefore, the detection electrode is common to all the recording elements on the substrate. In the case where the recording element is a heating element, the detection electrode can be formed simultaneously with the formation of the cavitation protective film on the heating element.
[0026]
In addition, the present invention does not use heat for ink detection, and it is only necessary that the voltage change according to the driving of the recording element. Therefore, the present invention can be applied to various recording systems using various recording elements. it can.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an ink jet recording head substrate to which the present invention is applied. FIG. 1 shows a configuration of a main part necessary for the description of the present invention, and the present invention is not limited to the configuration and the number of elements and terminals shown in FIG.
[0029]
The basic configuration of the ink jet recording head substrate shown in FIG. 1 is a configuration in which a detection electrode 118 used for ink detection is added to the ink jet recording head substrate 100 described with reference to FIG. is there. It can be clearly seen from the figure that the present invention can be implemented without significant complications compared to the conventional configuration. As will be described later, the detection electrode 118 is AC-coupled to the drive circuit of the heater 101 via the protective film 405, the anti-cavitation film 205, and the ink in the nozzle. Reference numeral 116 in FIG. 1 denotes an AC coupling portion, and forms an equivalent circuit as a capacitor as shown in FIG. A portion surrounded by a dotted line B in FIG. 11 is a portion in the nozzle where the electric resistance changes according to the amount of ink present, as will be described later, and D in FIG. Represents a drive signal.
[0030]
Hereinafter, the basic configuration of the present invention and the principle of detection for each nozzle will be described in detail with reference to FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, and FIG.
[0031]
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of the inkjet recording head substrate shown in FIG. 1, and shows an outline of the layout of elements, electrodes, terminals and the like provided on the substrate. FIG. 3 is a schematic perspective view showing a state in which the top plate for constituting the discharge ports and nozzles is joined to the inkjet recording head substrate shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the substrate and nozzles in a state where the top plate is joined to the substrate for the inkjet recording head. 4 is a cross-sectional view taken along the line aa in FIG. FIG. 7 is a diagram showing the voltage state of each part on the substrate for an ink jet recording head when a heating element as a recording element is driven in the present invention.
[0032]
FIG. 2 is a plan view of the ink jet recording head substrate of the present invention as viewed from above, and mainly shows the characteristic configuration of the present invention. Similar to FIG. 1, reference numeral 101 shown in FIG. 2 denotes a heating element (hereinafter referred to as a heater) used as a recording element, and is driven by a driver 102 as a driving element. Reference numeral 203 denotes wiring for connecting one end of the heater 101 and the driver 102, and reference numeral 111 denotes wiring for supplying a power supply voltage to the other end of the heater 101. Further, as shown in FIG. 4, an electrically insulated protective film 405 (protective layer) is formed on the heater 101, and the anti-cavitation film 205 is formed above the heater 101 via the protective film 405. Has been placed. In FIG. 2, the protective film 405 is not shown in order to explain the arrangement of the heater 101, the driver 102, and the like. In addition, the ink jet recording head described in the present embodiment generates bubbles in the ink in the nozzles by the thermal energy generated when the heater 101 is driven, and the ink is ejected from the ejection ports 310 (see FIG. 3 and FIG. 4), a so-called bubble jet method is employed. The anti-cavitation film 205 described above is provided in order to prevent the impact generated when the bubbles generated when ink is ejected from contracting from being transmitted to the heater 101 and the protective film 405. It is made of a refractory metal. Reference numeral 118 denotes an electrode wiring provided for ink detection, and reference numeral 117 denotes an external terminal provided at an end of the electrode wiring 118 to electrically connect the electrode wiring 118 to the outside of the substrate.
[0033]
As shown in FIG. 2, the characteristic structure of the substrate for an ink jet recording head of the present invention includes a structure in which an anti-cavitation film 205 is divided and arranged for each heater (recording element) 101, and a heater that is separated from the driver 102 and The detection electrode 118 is laid out at a position away from the wiring 203 between the driver 101 and the driver 102. The detection electrode 118 can be formed as a wiring pattern.
[0034]
In the configuration of the inkjet recording head substrate shown in FIG. 2, how to detect the presence or absence of ink in the nozzles will be described in detail below with reference to FIGS.
[0035]
As described above, FIG. 3 is a schematic perspective view showing a state in which the top plate 314 is joined to the inkjet recording head substrate 100. By joining the top plate 314 and the substrate 100, the nozzle portion 408 ( 4) and a common liquid chamber 311. In FIG. 3, the configuration of the wall member above the top plate 314 is indicated by a dotted line in order to describe the configuration of the nozzle portion 408 and the common liquid chamber 311. Further, as shown in FIG. 2, reference numeral 205 denotes an anti-cavitation film. Further, as described above, the heater 101 which is a recording element is located below the anti-cavitation film 205, and the insulating protective film 405 is formed on the heater 101. Therefore, in FIG. Not shown. The same applies to the driver 102 for driving the heater 101, which is not shown in FIG.
[0036]
In the present invention, a heater 101 (not shown in FIG. 3) including a cavitation resistant film 205 arranged separately for each nozzle, a driver 102 (not shown in FIG. 3), and a nozzle wall 312 are formed. The relationship between the nozzle unit 408 to be detected and the detection electrode 118 for ink detection is important.
[0037]
In FIG. 4, driving power supplied from the power supply unit via the power supply wiring 111 is given to the heater 101 in accordance with switching by the driver 102 to generate thermal energy. Bubbles are generated in the nozzle by this thermal energy, and ink is ejected from the ejection port 310.
[0038]
Here, before the heater 101 is driven by the switching of the driver 102, that is, at the time when the driver 102 is OFF, the potential of the heater 101, the potential of the wiring 203 between the heater 101 and the driver 102, The potential of a part of the wiring on the driver 102 (the portion on the heater 101 side from the portion acting as a switch in the driver 102) is the same as the potential of the heater power supply wiring 111, respectively. Also, the ink (generally conductive because ions are contained in the ink component) is electrically floating, that is, the ink is in a state of high impedance in direct current with respect to GND. As a result, the potential of the anti-cavitation film 205 on the protective film 405 that is an electrically insulating film is in an electrically floating state like ink, that is, in a state of high impedance in a direct current with respect to GND (ground). It has become. Similarly, the potential of the detection electrode 118 is basically in an electrically floating state, and the potential is almost determined by the input impedance of a device connected to detect the potential of the detection electrode 118. In this example, in order to detect the potential of the detection electrode 118, a voltage monitor M and a resistance of 1M to 10MΩ are connected in parallel between the detection electrode 118 and GND as shown in FIG. Therefore, the detection potential is 0 V before the heater 101 is driven.
[0039]
On the other hand, when the heater 101 is driven, that is, when the driver 102 is switched (ON) so as to connect the wiring 203 to GND, a current flows through the heater 101 as a matter of course. At that time, the closer the heater 101 is to the driver 102 side, the lower the potential, and the potential of the wiring 203 between the heater 10 and the driver 102 and a part of the wiring on the driver 102 suddenly drops to almost the GND level. In FIG. 4, a portion surrounded by a dotted line A indicates a portion where the voltage rapidly decreases when the heater 101 is driven. When the voltage drops in this way, the protective film 405 that has acted as an insulating film in terms of DC acts as a dielectric film of the capacitor, so that it is provided over the driver 101 from the heater 101 via the protective film 405. It was found that a potential change was transmitted to the cavitation resistant film 205 and the ink positioned thereon in an alternating manner. Therefore, when ink is present in the nozzle portion 408 and the common liquid chamber portion 311, the potential change is transmitted to the detection electrode 118. Further, when no ink is present in the nozzle portion 408 and / or the common liquid chamber portion 311, the potential change is transmitted to the portion of the anti-cavitation film 205, but the nozzle portion 408 between that portion and the detection electrode 118. In addition, since the electric resistance in the common liquid chamber 311 is remarkably increased, as a result, the potential change transmitted to the detection electrode 118 is remarkably reduced or the potential change is not transmitted to the detection electrode 118. As described above, since the potential change of the detection electrode 118 varies depending on the amount of ink present in the nozzle portion 408 and the common liquid chamber portion 311, or in the extreme, the presence or absence of ink, It is possible to detect the amount of ink present between the electrode 118 and, in the extreme, the presence or absence of ink.
[0040]
2 and 4, a portion surrounded by a dotted line B indicates a portion where the electrical resistance changes depending on the amount of ink present, that is, a portion that greatly affects the potential change of the detection electrode 118. Further, a portion surrounded by a dotted line 116 in FIG. 2 corresponds to an AC coupling portion in FIGS. 1 and 11.
[0041]
FIG. 7 is a timing chart for explaining the ink detection operation using the detection principle as described above. Reference numeral 701 denotes an enable signal for determining the timing and driving time for driving the heater 101. The heaters 101 are sequentially driven individually in synchronization with an enable signal based on a driver drive control signal (not shown). Reference numeral 703 denotes the potential of the wiring 203 between the heater 101 and the driver 102. Similarly to the change in the potential 703, the potential of the portion of the heater 101 close to the driver 102 side and the partial wiring on the driver 102 (driver The potential from the portion acting as a switch in 102 to the portion on the heater 101 side also changes. A portion including these portions where the voltage changes is also referred to as a voltage change region. Note that on the heater 101, the amplitude of the potential change differs depending on the position, and becomes larger as it is closer to the driver 102 side. Further, it is considered that the surface potential of the insulating protective film 405 is substantially the same as the potential of the voltage change region below it. 704 and 705 are ink detection signals obtained by the potential change of the detection electrode 118. The detection signal 704 is a detection signal when ink is present in the portion B in FIG. This is a detection signal when there is no ink. When there is ink in the portion B, since the electric resistance of the portion B is small, the potential change detected by the detection electrode 118, and hence the change in the detection signal 704 is large. On the other hand, when there is no ink in the portion B, since the electric resistance of the portion B is large, the potential change detected by the detection electrode 118, and hence the change in the detection signal 704, becomes small. Thus, it can be seen that the detection signal detected by the detection electrode 118 changes depending on whether or not there is ink in the portion B. Of course, the detection signal detected by the detection electrode 118 changes according to the amount of ink present in the portion B.
[0042]
Such detection signals from the detection electrodes 118 are time-divided according to the drive timing of the heater 101, so that the amount of ink present, that is, the presence or absence of ink can be detected for each drive nozzle. The detection signal 704 in FIG. 7 is a detection signal when there is ink in all of the drive nozzles. Similarly, the detection signal 705 in FIG. 7 is a detection signal when there is no ink in all of the drive nozzles. . Therefore, for example, when there is no ink in one drive nozzle, only the detection signal corresponding to that drive nozzle appears as a detection signal 705 with a small change, and the detection signals corresponding to the other drive nozzles are detected with a large change. It will appear as signal 705.
[0043]
In addition, by separating the anti-cavitation film 205 corresponding to the heater 101, it is possible to reliably detect a potential change for each nozzle according to the presence or absence of ink without being affected by adjacent nozzles. . In addition, the anti-cavitation film 205 is separated corresponding to the heater 101 in this manner, and the detection side electrode 118 is commonly used for all the nozzles, and the nozzles are sequentially driven in a time division manner. In addition, the presence or absence of ink in each of the plurality of nozzles can be detected by a detection signal from one detection electrode 118.
[0044]
In addition, since the heater 101 itself can be used as a signal source for the ink detection signal, detection of the presence or absence of ink for each nozzle unit is conventionally performed by a logic circuit provided in the recording head to form a shift register or the like. Thus, it is possible to detect the presence or absence of ink with a very simple configuration without complicating the structure.
[0045]
FIG. 8 is a schematic view of an ink jet recording apparatus IJRA to which the present invention can be applied.
[0046]
In the figure, the lead screw 84 is rotated forward and backward via the driving force transmission gears 82 and 83 by the forward and reverse rotation of the drive motor 81. The carriage HC has a pin (not shown) that engages with the spiral groove of the lead screw 84, and is reciprocated in the directions of arrows a and b in the drawing according to the rotation direction of the lead screw 84. A head cartridge IJH including an ink jet recording head 85 and an ink tank 86 is mounted on the carriage HC. The ink jet recording apparatus IJRA shown in FIG. 8 is a recording apparatus generally referred to as a serial printer, and performs main scanning along the directions of arrows a and b of the carriage HC and a sub sheet of a recording sheet 87 as a recording medium. By repeating the scanning, the recording operation on the entire surface of the recording sheet 87 is performed.
[0047]
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a main part of a control unit for executing the recording control of the recording apparatus shown in FIG.
[0048]
In FIG. 10, reference numeral 1000 denotes a control circuit, and 1100 denotes an interface for inputting a recording signal. The interface 1100 receives data transferred from a host device or the like connected to the outside of the recording apparatus IJRA. Reference numeral 1001 denotes an MPU, reference numeral 1002 denotes a program ROM for storing a control program executed by the MPU 1001, and reference numeral 1003 denotes a dynamic RAM for storing various data (such as the above-described recording signals and recording data supplied to the head). Reference numeral 1004 denotes a gate array that controls supply of print data to the head cartridge IJH, and also performs data transfer control among the interface 1100, MPU 1001, and RAM 1003. Reference numeral 1009 denotes a carrier motor for scanning the carriage HC (FIG. 8) on which the head cartridge IJH is mounted. Reference numeral 1008 denotes a conveyance motor for conveying the recording paper 87 as a recording medium. Reference numerals 1006 and 1007 denote motor drivers for driving the transport motor 1008 and the carrier motor 1009, respectively.
[0049]
Reference numeral 1117 denotes a signal line connected to the terminal 117 shown in FIGS. 1 and 2, and is electrically connected to the detection electrode 118 of the ink jet recording head substrate 100 via the terminal 117. When ink is detected, a voltage change corresponding to the ink amount is input from the terminal 117 to the control circuit 1000 of the apparatus main body via the signal line 1117. Reference numeral 1012 denotes a signal line for outputting various signals including an enable signal for driving the heater 101 as a recording element, a clock signal input to a logic circuit on the element substrate 100, a latch signal, and the like. Reference numeral 1016 denotes a signal line for supplying driving power for driving the heater 101 as a recording element to the head cartridge IJH from a power supply unit (not shown). Reference numeral 1017 denotes a signal line for supplying power to the logic circuit of the recording head element substrate 100 mounted on the head cartridge IJH.
[0050]
In such a configuration of the control unit, the heater 101 is driven at an arbitrary timing, and a detection signal obtained by the detection electrode 118 on the element substrate 100 is input via the signal line 1117 and the terminal 117, By monitoring this, the presence or absence of ink in the nozzle can be detected. Regarding the timing for detecting the presence or absence of such ink, for example, when the recording operation is not performed on the recording medium, the presence or absence of ink for each nozzle is performed by sequentially driving each nozzle. Can be detected. In general, in an inkjet recording apparatus, in order to recover the ejection state of the inkjet recording head, a preliminary ejection operation for ejecting ink in advance, that is, an operation for ejecting ink from the recording head that does not contribute to image recording is performed. By using this preliminary discharge operation, it is possible to individually detect the state relating to the presence or absence of ink at each nozzle. Of course, ink can also be detected during the recording operation.
[0051]
Monitoring of the signal obtained by the detection electrode 118 can be performed by the MPU 1001 which is a control means provided on the control circuit. In addition, by associating the driven heater 101 with the change in the potential of the detection electrode 118, the presence or absence of ink is detected for each of the arranged nozzles, and there is a state where ink cannot be discharged and ink cannot be ejected. It is possible to identify a nozzle that has a possibility of ink ejection failure.
[0052]
According to the embodiment of the present invention described above, since the anti-cavitation film 205 is separated corresponding to the heater 101, the potential for each nozzle according to the presence or absence of ink is not affected by adjacent nozzles. A change can be reliably detected. Further, by using the detection electrode 118 in common for all nozzles and associating the detection signal from the detection electrode 118 with the drive timing of each nozzle, the presence or absence of ink in each of the plurality of nozzles is detected by one detection electrode 118. It can detect with the detection signal from. In addition, by using the heater 101 itself as a signal source for the ink detection signal, the presence or absence of ink for each nozzle unit is detected using a logic circuit conventionally provided in the print head to form a shift register or the like. It is possible to detect the presence or absence of ink with a very simple configuration without complicating the structure.
[0053]
Various methods can be adopted as the nozzle driving method, and the presence or absence of ink in each driving nozzle is detected by associating the detection signal from the detection electrode 118 with the driving nozzle according to the driving method. be able to. As the nozzle driving method, a generally known block driving method, that is, a method of driving the nozzles in units of a plurality of blocks can be employed. In that case, the presence / absence of ink in the nozzle is detected for each block by the detection signal from one detection electrode 118. Further, the anti-cavitation film 205 may be provided without being separated between a predetermined number of nozzles. For example, when the nozzles are block-driven, a plurality of nozzles in the same block or predetermined in different blocks are used. With respect to several nozzles, the anti-cavitation film 205 may be provided without being separated. One detection electrode 118 may be provided so as to be common to all of the plurality of nozzles configured on the substrate 100, or a plurality of detection electrodes 118 may be provided so as to correspond to a predetermined number of nozzles.
[0054]
The substrate 100 and the top plate 314 may be any one that forms nozzles for each recording element or for each of a plurality of recording elements. Further, the ink jet recording apparatus can use the ink detection signal for controlling the recording operation, such as limiting the recording operation according to the ink detection signal.
[0055]
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 4, the detection electrode 118 is arranged at a position away from the driver 102 in the positional relationship between the detection electrode 118 and the portion A where the potential changes by driving the heater 101. Further, in the configuration of FIG. 4, the protective film 405 is formed substantially uniformly. The present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 4 as described above, and the configuration of a portion that becomes a signal source that causes a potential change in the nozzle by driving the heater 101 may be changed. Good.
[0056]
FIG. 5A shows a configuration example in the case where the thickness of the protective film 405 located on the portion E on the heater 101 is made thinner than the other portions of the protective film 405 in the configuration shown in FIG. . According to the configuration of FIG. 5A, the capacitance of the portion E where the thickness of the protective film 405 is reduced can be increased, and as a result, the potential change transmitted to the ink in the nozzle is increased. Ink detection sensitivity based on the detection signal from the detection electrode 118 can be increased. Therefore, the portion E becomes a particularly strong signal source in the signal source F for generating the ink detection signal because of its large capacitance. The signal source F includes a portion near the driver 102 in the heater 101, a wiring 203, and a partial wiring on the driver 102 (a portion on the heater 101 side from a portion acting as a switch in the driver 102). Configure the area. As a result, it is possible to reliably detect whether or not there is ink in the portion B between the portion E and the detection electrode 118 in the nozzle.
[0057]
5B, the thickness of the protective film 405 positioned on the portion E on the heater 101 is made thinner than the other portions of the protective film 405, and the detection electrode 118 is disposed above the driver 102. The configuration is shown. Note that the thickness of the protective film 405 in the portion E is further reduced as compared with the case of FIG. According to the configuration of FIG. 5B, the protective layer 405 in the portion E on the heater 101 is thinned so that the electrostatic capacity in the portion E is in the wiring 203 portion between the heater 101 and the driver 102. It can be larger than the capacitance. G in FIG. 5B is a signal source composed of the wiring 203 portion. Further, by arranging the detection electrode 118 on the driver 102 and bringing the detection electrode 118 close to the portion E, it is possible to detect the presence or absence of ink in a local portion B between them.
[0058]
FIG. 6 shows still another configuration example when the protective film 405 of the portion E on the heater 101 is thinned. In FIG. 6, the protective film 405 is composed of two layers of protective films 405a and 405b, an anti-cavitation film 205 on the heater 101 is formed on the protective film 405a, and the ratio of the protective films 405a and 405b is further increased. Different dielectric constants. Specifically, the protective film 405a is a member having a higher dielectric constant than that of the protective film 405b. Thus, when the protective film 405a on the heater 101 is thin and has a high dielectric constant, the portion E becomes a stronger signal source and the detection sensitivity can be further increased.
[0059]
As described above, the energy transfer efficiency of the protective film on the heater can be increased by reducing the thickness of the protective film on the upper part of the heater or increasing the dielectric constant of the protective film on that portion. With such a configuration, since the heater portion functions greatly as a signal source, the position that becomes the signal source can inevitably be limited to a specific position on the heater. Furthermore, the other parts except the upper part of the heater can be made difficult to act as a signal source, and the influence of noise that causes erroneous detection can be reduced during ink detection. As a result, the ink detection sensitivity is increased. Therefore, it is possible to detect the presence or absence of ink with high accuracy. Further, as described above, by limiting the position to be a signal source, the detection electrodes can be flexibly arranged on the driver or the like.
[0060]
In the above-described embodiment, the bubble jet recording method in which ink is ejected using a heating element as the recording element has been described as an example. However, it is possible to detect the voltage change generated when the recording element is driven via ink in other recording methods. Therefore, the present invention is not limited to the bubble jet recording method and can be widely applied to other recording methods.
[0061]
In the above-described configuration, an example in which an anti-cavitation film for suppressing an impact at the time of defoaming in which air bubbles contract is formed on the upper portion of the heater as the substrate for the ink jet recording head has been described. However, if the ink having conductivity is used, the detection principle of the present invention can be applied even when there is no anti-cavitation film.
[0062]
(Other)
The present invention includes a means (for example, an electrothermal converter or a laser beam) that generates thermal energy as energy used for ejecting ink, particularly in the ink jet recording system, and the ink is generated by the thermal energy. In the recording head and the recording apparatus of the type that causes the state change, excellent effects are brought about. This is because such a system can achieve high recording density and high definition.
[0063]
As for the typical configuration and principle, for example, those performed using the basic principle disclosed in US Pat. Nos. 4,723,129 and 4,740,796 are preferable. This method can be applied to both the so-called on-demand type and the continuous type. In particular, in the case of the on-demand type, it is arranged corresponding to the sheet or liquid path holding the liquid (ink). By applying at least one drive signal corresponding to the recorded information and giving a rapid temperature rise exceeding nucleate boiling to the electrothermal transducer, the thermal energy is generated in the electrothermal transducer, and the recording head This is effective because film boiling occurs on the heat acting surface of the liquid and, as a result, bubbles in the liquid (ink) corresponding to the drive signal on a one-to-one basis can be formed. By the growth and contraction of the bubbles, liquid (ink) is ejected through the ejection opening to form at least one droplet. It is more preferable that the drive signal has a pulse shape, since the bubble growth and contraction is performed immediately and appropriately, and thus it is possible to achieve discharge of a liquid (ink) having particularly excellent responsiveness. As this pulse-shaped drive signal, those described in US Pat. Nos. 4,463,359 and 4,345,262 are suitable. Further excellent recording can be performed by employing the conditions described in US Pat. No. 4,313,124 of the invention relating to the temperature rise rate of the heat acting surface.
[0064]
As the configuration of the recording head, in addition to the combination configuration (straight liquid channel or right angle liquid channel) of the discharge port, the liquid channel, and the electrothermal transducer as disclosed in each of the above-mentioned specifications, the heat acting part The configurations using US Pat. No. 4,558,333 and US Pat. No. 4,459,600, which disclose the configuration in which the lens is disposed in the bending region, are also included in the present invention. In addition, for a plurality of electrothermal transducers, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-123670 that discloses a configuration in which a common slit is used as a discharge portion of the electrothermal transducer or an aperture that absorbs pressure waves of thermal energy is provided. The effect of the present invention is also effective as a configuration based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-138461 which discloses a configuration corresponding to the discharge unit. That is, whatever the form of the recording head is, according to the present invention, recording can be performed reliably and efficiently.
[0065]
Furthermore, the present invention can be effectively applied to a full-line type recording head having a length corresponding to the maximum width of a recording medium that can be recorded by the recording apparatus. As such a recording head, either a configuration satisfying the length by a combination of a plurality of recording heads or a configuration as a single recording head formed integrally may be used.
[0066]
In addition, even the serial type as shown in the above example can be connected to the main body of the recording head or attached to the main body of the device so that electrical connection with the main body of the device and ink supply from the main body are possible. The present invention is also effective when a replaceable chip type recording head or a cartridge type recording head in which an ink tank is integrally provided in the recording head itself is used.
[0067]
In addition, it is preferable to add a recording head ejection recovery means, a preliminary auxiliary means, and the like as the configuration of the recording apparatus of the present invention, since the effects of the present invention can be further stabilized. Specifically, heating is performed using a capping unit, a cleaning unit, a pressurizing or suction unit, an electrothermal transducer, a heating element different from this, or a combination thereof. Examples thereof include a preliminary heating unit for performing the discharge and a preliminary discharge unit for performing discharge different from the recording.
[0068]
Also, regarding the type or number of recording heads to be mounted, for example, a plurality of recording heads corresponding to a plurality of inks having different recording colors and densities are provided in addition to one provided corresponding to a single color ink. May be used. That is, for example, the recording mode of the recording apparatus is not limited to the recording mode of only the mainstream color such as black, but may be configured by integrally configuring the recording head or by combining a plurality of colors. Alternatively, the present invention is extremely effective for an apparatus having at least one of full-color recording modes by color mixing.
[0069]
In addition, in the embodiments of the present invention described above, the ink is described as a liquid. However, ink that is solidified at room temperature or lower and that softens or liquefies at room temperature may be used. In the ink jet method, the temperature of the ink itself is generally adjusted within a range of 30 ° C. or higher and 70 ° C. or lower to control the temperature of the ink so that it is in the stable discharge range. A liquid material may be used. In addition, it is solidified and heated in an untreated state in order to actively prevent the temperature rise caused by thermal energy from being used as the energy for changing the state of the ink from the solid state to the liquid state, or to prevent the ink from evaporating. You may use the ink which liquefies by. In any case, by applying thermal energy according to the application of thermal energy according to the recording signal, the ink is liquefied and liquid ink is ejected, or when it reaches the recording medium, it already starts to solidify. The present invention can also be applied to the case where ink having a property of being liquefied for the first time is used. The ink in such a case is in a state of being held as a liquid or a solid in a porous sheet recess or through-hole as described in JP-A-54-56847 or JP-A-60-71260. Alternatively, the electrothermal converter may be opposed to the electrothermal converter. In the present invention, the most effective one for each of the above-described inks is to execute the above-described film boiling method.
[0070]
In addition, the ink jet recording apparatus according to the present invention may be used as an image output terminal of an information processing device such as a computer, a copying apparatus combined with a reader, or a facsimile apparatus having a transmission / reception function. The thing etc. may be sufficient.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, the present invention detects a voltage change between a recording element and a driving element that occurs in response to driving of the recording element through ink, and thereby detects the detection result and the amount of ink present. From the relationship, the ink in the recording head can be detected with a very simple configuration, and can be widely applied to various recording methods.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view for explaining a schematic electrical configuration of an inkjet recording head substrate to which the present invention is applied.
2 is a plan view showing a schematic configuration of a main part of the substrate for an ink jet recording head of FIG. 1. FIG.
3 is a schematic perspective view showing a state in which a nozzle is configured by bonding a top plate to the ink jet recording head substrate of FIG. 1. FIG.
4 is a cross-sectional view of a peripheral portion of the nozzle along the line aa in FIG. 3;
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views around the nozzles of an ink jet recording head according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the vicinity of a nozzle of an ink jet recording head according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a time chart for explaining an ink detection operation of the ink jet recording head in the embodiment of the invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording apparatus to which the present invention is applicable.
FIG. 9 is a plan view showing a schematic electrical configuration of a conventional ink jet recording head element substrate.
10 is a block diagram showing a control system of the ink jet recording apparatus shown in FIG.
FIG. 11 is a conceptual diagram of an ink detection circuit formed on the inkjet recording head substrate in the embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
100 Inkjet recording head substrate (element substrate)
101 Recording element (heating element)
102 Drive element (driver)
103 Latch circuit
104 Shift register
116 AC coupling
118 Detection electrode
203 Wiring part
205 Anti-cavitation film
310 Discharge port
311 Common liquid chamber
312 nozzle wall
314 Top plate
405 Protective film (insulating protective film)
408 Nozzle part

Claims

In an inkjet recording head substrate mounted on an inkjet recording head for performing recording by ejecting ink from ejection ports,
A recording element for supplying energy for ejecting ink;
A driving element for driving the recording element;
An insulating protective film formed on the inkjet recording head substrate;
A detection electrode capable of detecting a voltage change between the recording element and the driving element, which is generated in response to driving of the recording element, via ink positioned on the protective film;
With
Transmission of the voltage change between the ink and the voltage change region between the recording element and the driving element is made by capacitive coupling,
The protective film is formed so as to partially change capacitive coupling between the voltage change region and the ink,
The substrate for an ink jet recording head, wherein the detection electrode is provided between the recording element and the driving element, and is provided between the recording element and the driving element, with a portion having a small capacitive coupling interposed therebetween.

2. The inkjet according to claim 1, wherein the detection electrode is located away from a voltage change region between the recording element and the driving element, the voltage of which changes according to driving of the recording element. Printhead substrate.

3. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein the detection electrode is provided in common for a plurality of the recording elements.

3. The inkjet recording head substrate according to claim 1, wherein the detection electrode is provided in common for all of the plurality of recording elements on the inkjet recording head substrate. 4.

5. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein the portion having the large capacitive coupling is a thin portion of the protective film located on the recording element.

6. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein the recording element is a heating element that discharges the ink by generating bubbles in the ink.

7. The ink jet recording head substrate according to claim 6, wherein the protective film includes an anti-cavitation film that suppresses an impact of cavitation that occurs when bubbles in the ink disappear.

8. The ink jet recording head substrate according to claim 7, wherein the anti-cavitation film is separated for each predetermined number of the recording elements.

The portion of the protective film on the recording element is set to have a larger capacitance per unit area than other portions,
The substrate for an ink jet recording head according to claim 7 or 8, wherein the anti-cavitation film is formed on the protective film portion on the recording element.

10. The substrate for an ink jet recording head according to claim 7, wherein the protective film is formed such that a portion on the recording element is thinner than other portions.

11. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein a control circuit for selectively driving the plurality of recording elements is formed on the ink jet recording head substrate. .

An ink jet recording head substrate according to any one of claims 1 to 11,
A top plate constituting nozzles corresponding to each predetermined number of the recording elements by being coupled to the ink jet recording head substrate;
An ink jet recording head comprising:

The inkjet recording head according to claim 12, wherein the anti-cavitation film is separated corresponding to each nozzle.

The top plate is combined with the ink jet recording head substrate to constitute a common liquid chamber communicating with a plurality of the nozzles,
The inkjet recording head according to claim 12 or 13, wherein at least a part of the detection electrode is located in the common liquid chamber.

15. An ink jet recording apparatus, wherein an image can be recorded on a recording medium using the ink jet recording head according to claim 12.