JP4471357B2 - Liquid discharge head and liquid discharge apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出機構にスイッチ回路を有する液体吐出用ヘッドおよび液体吐出装置に関し、特に、インク吐出機構にエネルギーを注入してインクを吐出させ、インク液滴を記録媒体上に付着させることにより画像を形成する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あるいはDNAチップ、有機トランジスタ、カラーフィルタなどの作製に用いられる装置などに適用できる液体吐出用ヘッド及び装置に関するものである。 The present invention relates to a liquid discharge head and a liquid discharge apparatus having a switch circuit in a liquid discharge mechanism, and in particular, by injecting energy into an ink discharge mechanism to discharge ink and depositing ink droplets on a recording medium. The present invention relates to a liquid ejection head and apparatus applicable to an inkjet recording head and an inkjet recording apparatus for forming an image, or an apparatus used for manufacturing a DNA chip, an organic transistor, a color filter, and the like.
液体吐出装置として、インクジェットプリンタのような記録装置を例に挙げて説明する。インク吐出機構(液体吐出機構)の構造として、発熱抵抗体からなるヒータにエネルギーとなる電流を流し、ヒータで発生した熱を用いてインク(液体)を加熱して気泡を発生させ、この気泡の膨張運動によりインクを圧迫して吐出させるものが従来から知られている。このインク吐出機構から吐出されたインク液滴を記録媒体上に付着させることにより画像を形成するインクジェット記録方式は、記録品位が高く、低騒音であるという利点を有している。また、インクジェット記録方式は、カラー記録が比較的容易であり、普通紙にも記録可能であり、装置の小型化が容易であるという利点も有している。さらに、インクジェット記録方式は、インクが吐出される多数の吐出口を高密度に配設することにより高速記録が可能である。これらのことから、インクジェット記録方式はプリンタやファクシミリ等の情報出力装置に広く用いられている。 A recording apparatus such as an ink jet printer will be described as an example of the liquid ejecting apparatus. As a structure of the ink discharge mechanism (liquid discharge mechanism), an electric current as an energy is supplied to the heater composed of the heating resistor, and the ink (liquid) is heated using the heat generated by the heater to generate bubbles. 2. Description of the Related Art Conventionally, an ink that presses and ejects ink by an expansion motion is known. An ink jet recording system that forms an image by adhering ink droplets ejected from the ink ejection mechanism onto a recording medium has the advantages of high recording quality and low noise. Further, the ink jet recording method has advantages that color recording is relatively easy, recording is possible on plain paper, and the apparatus is easily downsized. Further, the ink jet recording method can perform high-speed recording by arranging a large number of ejection ports from which ink is ejected. For these reasons, the ink jet recording method is widely used in information output devices such as printers and facsimiles.
図8に、従来のインクジェット記録ヘッド(液体吐出用ヘッド)の主要な回路構成を示す。同図に示すように、この回路では、ヒータを含むインク吐出機構51とスイッチ回路52が電源VHと接地電位GNDH間に直列に接続された構成を有している。スイッチ回路52には画像信号に応じた、インクジェット記録装置本体からの外部制御信号が入力され、それによって、ヒータへ流れる電流のON/OFF制御が行われる。
FIG. 8 shows a main circuit configuration of a conventional inkjet recording head (liquid ejection head). As shown in the figure, this circuit has a configuration in which an
ヒータは、インクを吐出する吐出口に通じ、インクが充填されるノズル内に形成されている。ヒータ上には、通常、窒化シリコン(SiN)からなり絶縁特性を有する第1の保護膜が形成され、さらに、第2の保護膜としてタンタル(Ta)膜が形成されている。この第2の保護膜(以下Ta保護膜と呼ぶ)は、インクの気泡が発生する際に、インクの化学的反応や気泡の成長や消滅によって発生する衝撃からヒータを守る働きをする。 The heater is formed in a nozzle filled with ink through an ejection port for ejecting ink. A first protective film made of silicon nitride (SiN) and having insulating properties is usually formed on the heater, and a tantalum (Ta) film is formed as a second protective film. The second protective film (hereinafter referred to as a Ta protective film) functions to protect the heater from an impact generated by a chemical reaction of the ink or the growth or disappearance of the bubbles when the ink bubbles are generated.
スイッチ回路2がONし、ヒータに電流が流れるとヒータは発熱し、発生した熱によって、第1、第2の保護膜を介してインクが加熱される。そして、保護膜とインクの界面温度が所定の温度に達するとインクの気泡が発生し、ヒータ上のインクは吐出口より射出される。
When the
図9に、従来のインクジェット記録ヘッドの、インク吐出時のヒータ部分の温度変化を示す。図9(a)は、ヒータ、すなわち発熱抵抗体の温度の変化を実線、第2の保護膜(以下、Ta保護膜と呼ぶ)の表面温度の変化を点線で示すグラフであり、図9(b)は、図9(a)に対応する時刻における、スイッチ回路に入力するパルス電圧の波形を示すグラフである。 FIG. 9 shows the temperature change of the heater portion of the conventional ink jet recording head during ink ejection. FIG. 9A is a graph showing a change in the temperature of the heater, that is, the heating resistor, as a solid line, and a change in the surface temperature of the second protective film (hereinafter referred to as a Ta protective film) as a dotted line. FIG. 9B is a graph showing the waveform of the pulse voltage input to the switch circuit at the time corresponding to FIG.
ヒータ温度およびTa保護膜の表面温度は、スイッチ回路がONする直前(時刻t0)では、室温と同じT0となっている。スイッチ回路をONさせ、ヒータに電流が流れると、それまで室温と同じT0だったヒータ温度およびTa保護膜の表面温度が上昇する。Ta保護膜の表面温度がT1(≒300℃)に達した時刻t1において、Ta保護膜とインクとの界面に気泡が発生する。この時、ヒータ温度は既にT1よりも少し高いT2に達している。気泡が発生したことにより、Ta保護膜の表面からインク中へ熱が伝搬しなくなるため、Ta保護膜の表面温度は急激な上昇を始める。同様にヒータ温度も急激に上昇する。これらの温度は、スイッチ回路をOFFさせ、ヒータへ流れる電流を遮断する時刻t3を頂点としており、すなわち、この時ヒータおよびTa保護膜の温度は最高到達温度TP1、TP2となる。スイッチ回路をOFFさせ、ヒータへ流れる電流を遮断した時刻t3後は、ヒータは発熱しないので、ヒータ温度およびTa保護膜の表面温度は急激に低下し、やがてもとの室温T0にもどる。 The heater temperature and the surface temperature of the Ta protective film are T 0 which is the same as the room temperature immediately before the switch circuit is turned on (time t 0 ). When the switch circuit is turned on and a current flows through the heater, the heater temperature and the surface temperature of the Ta protective film, which have been T 0 which is the same as the room temperature, increase. At time t 1 when the surface temperature of the Ta protective film reaches T 1 (≈300 ° C.), bubbles are generated at the interface between the Ta protective film and the ink. At this time, the heater temperature has already reached the slightly higher T 2 than T 1. Due to the generation of bubbles, heat does not propagate from the surface of the Ta protective film into the ink, so the surface temperature of the Ta protective film starts to increase rapidly. Similarly, the heater temperature rises rapidly. These temperatures, the switching circuit was turned OFF, the time t 3 when interrupting the flow of current to the heater and an apex, i.e., the temperature at this time the heaters and Ta protective film becomes maximum temperature T P1, T P2. The switching circuit was turned OFF, after the time t 3 when the interrupting the flow of current to the heater, since the heater does not generate heat, the surface temperature of the heater temperature and Ta protective film drops sharply, eventually returns to the original room temperature T 0.
このようなインクジェット記録ヘッドにおいて、インク吐出を耐久限度を越えて繰り返すと、第2の保護膜(Ta)の表面上にインクの焦げが生じることがあり、このインクの焦げは、気泡形成の安定性を低下させる要因となる。さらにインクの吐出を繰り返すと、Ta保護膜の表面が削られて徐々に薄くなり、インクがTa保護膜を通り抜け、第1の保護膜へのインクの浸透が進み、さらにはヒータおよび金属配線までインクが浸透し、最終的には断線してしまう。これに対して、スイッチ回路をOFFさせヒータへ流れる電流を遮断する時刻t3と、気泡が発生する時刻t1との間の時間を短縮し、ヒータの最高到達温度TP1およびTa保護膜の最高到達温度TP2を下げるほど、インクジェット記録ヘッドの耐久性が著しく向上することが、実験的に明らかとなっている。 In such an ink jet recording head, if the ink ejection is repeated beyond the endurance limit, the ink may be burned on the surface of the second protective film (Ta). It becomes a factor to reduce the sex. Further, when the ink is repeatedly ejected, the surface of the Ta protective film is shaved and gradually thinned, the ink passes through the Ta protective film, the ink penetrates into the first protective film, and further to the heater and the metal wiring Ink penetrates and eventually breaks. On the other hand, the time between the time t 3 when the switch circuit is turned off and the current flowing to the heater is cut off and the time t 1 when bubbles are generated are shortened, and the maximum temperature T P1 and the Ta protective film of the heater are reduced. It has been experimentally shown that the durability of the ink jet recording head is remarkably improved as the maximum temperature T P2 is lowered.
従来より、このヒータの最高到達温度TP1およびTa保護膜の最高到達温度TP2を下げるために、様々な工夫がなされている。この一例として、特許文献1には、インクジェット記録装置に温度センサを取り付け、インクジェット記録ヘッドの温度を、温度センサでセンシングして、ヒータに電流を流す時間、すなわち、スイッチ回路をON状態にさせる制御信号の幅を制御する機構をプリンタ本体に備える構成が開示されている。この際、この温度センサは、インクジェット記録ヘッド全体の温度を計測している。
Conventionally, in order to lower the highest temperature T P2 of maximum temperature T P1 and Ta protective layer of the heater, it has been made various devices. As an example of this,
また、他の例として、特許文献2には複数のヒータを同時に駆動し、その駆動数が逐次変化するような場合には、その同時駆動本数に応じて、ヒータを駆動する時間を制御する制御装置をプリンタ本体に備える構成が開示されている。
しかしながら、上述した特許文献1に開示されたインクジェット記録ヘッドでは、インクジェット記録ヘッドの全体的な温度をセンシングするものであるので、ヒータ近辺の温度を正確に把握してスイッチ回路を制御するのは困難である。したがって、ヒータ近辺の最高到達温度を低く抑える上では、より有効なスイッチ回路制御を実現できる余地がある。
However, since the inkjet recording head disclosed in
また、多数のヒータに流れるヒータ電流のばらつきを考慮すると、インクを確実に吐出させるために、スイッチ回路をONさせる時間は、インクの吐出に必要な時間よりも長くする必要があり、電流を流す時間を設定するという方法でヒータの耐久性を向上させるのには限界がある。これに対し、ヒータ電流のばらつきを少なくする対策がとられているが完全にばらつきを無くすのは困難であり、また、ばらつきの補正にはコストがかかる。 Further, in consideration of variations in heater currents flowing through a large number of heaters, the time for which the switch circuit is turned on needs to be longer than the time necessary for ink ejection in order to eject ink reliably. There is a limit to improving the durability of the heater by setting the time. On the other hand, measures are taken to reduce the variation in the heater current, but it is difficult to completely eliminate the variation, and it is expensive to correct the variation.
また、量産された各インクジェット記録ヘッドでは、プロセスのばらつきが存在するため、工場出荷時前にインクの発泡(吐出)に必要なスイッチ回路のON時間を測定し、この時間をメモリーに記憶し、パルス幅をプリンタ本体に搭載されているPWM回路によってこのメモリーに記憶された時間に合わせるのが好ましい。このためには、インクジェット記録ヘッド毎にメモリーが必要となる。このように、工場出荷時前の測定や、メモリーの設置、設定を必要とすることは、プリンタ本体のコストアップの一因となる。 In addition, due to process variations in each mass-produced inkjet recording head, the ON time of the switch circuit required for ink foaming (ejection) is measured before factory shipment, and this time is stored in the memory. The pulse width is preferably adjusted to the time stored in this memory by the PWM circuit mounted on the printer body. For this purpose, a memory is required for each ink jet recording head. Thus, the need for measurement before shipment from the factory and the installation and setting of the memory contribute to an increase in the cost of the printer main body.
本発明は、液体吐出機構へのエネルギー注入のON/OFFを行い、液体吐出機構内に充填された液体を吐出する液体吐出用ヘッドにおいて、ON/OFF制御を適切に実行可能な構成を用い、耐久性の向上を図ると共に、コストも低く抑えることができる液体吐出用ヘッド、およびそれを備える液体吐出装置を提供することを目的とする。 The present invention uses a configuration capable of appropriately executing ON / OFF control in a liquid discharge head that performs ON / OFF of energy injection into the liquid discharge mechanism and discharges the liquid filled in the liquid discharge mechanism. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head capable of improving durability and reducing the cost, and a liquid discharge apparatus including the same.
上述の目的を達成するため、本発明の液体吐出用ヘッドは、第1の電源と第2の電源との間に液体吐出機構とスイッチ回路が電気的に直列に接続され、スイッチ回路によって液体吐出機構へのエネルギー注入をON/OFFさせることにより液体吐出の制御を行う液体吐出用ヘッドにおいて、液体吐出機構とスイッチ回路の接続点に接続された寄生素子を含む容量に相関のある信号を、スイッチ回路の動作の制御のために出力する容量検出回路を有することを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, in the liquid discharge head according to the present invention, a liquid discharge mechanism and a switch circuit are electrically connected in series between a first power supply and a second power supply, and the liquid discharge is performed by the switch circuit. a liquid discharge head for controlling the liquids ejection unloading by turning oN / OFF the energy injection into the mechanism, a signal correlated with the volume containing the parasitic element connected to the connection point of the liquid ejection mechanism and the switching circuit And a capacitance detection circuit for outputting for controlling the operation of the switch circuit.
この構成によれば、液体が吐出されたことを液体吐出機構とスイッチ回路の接続点の容量の変化によって捉え、液体が吐出された後速やかに、液体吐出機構へのエネルギー注入をOFFさせることができる。 According to this configuration, the fact that the liquid has been discharged can be detected by the change in the capacitance at the connection point between the liquid discharge mechanism and the switch circuit, and immediately after the liquid has been discharged, the energy injection into the liquid discharge mechanism can be turned off. it can.
本発明を用いることによって、液体が吐出された後も液体吐出機構に過剰にエネルギーが注入されるのを抑えることができ、それによって、ヒータの耐久性を向上させることができる。また、従来技術におけようなヒータ電流のばらつき補正、工場出荷前の、発泡させるために必要なスイッチ回路のON時間測定、この時間を記憶するメモリー回路の設置、さらには、記録装置本体へのPWM回路の搭載の必要性を無くし、記録装置の製造コストを大幅に低減することが可能となる。 By using the present invention, it is possible to prevent excessive energy from being injected into the liquid discharge mechanism even after the liquid has been discharged, thereby improving the durability of the heater. In addition, the heater current variation correction as in the prior art, the ON time measurement of the switch circuit necessary for foaming before shipment from the factory, the installation of a memory circuit for storing this time, and further to the recording device main body The necessity of mounting the PWM circuit is eliminated, and the manufacturing cost of the recording apparatus can be greatly reduced.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1に、本発明の第1の実施形態のインクジェット記録ヘッド(液体吐出用ヘッド)の、ヒータ20とノズルを有するインク吐出機構(液体吐出機構)1を含む部分の主要な回路構成図、図2に、この回路構成を適用可能な一例のインクジェット記録ヘッドのインク吐出機構1の断面図を示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a main circuit configuration diagram of a portion including an ink discharge mechanism (liquid discharge mechanism) 1 having a
インク吐出機構1には、発熱抵抗体からなるヒータ層11と、金属配線層12が所定のパターンで素子基体10上に形成されている。これらは、素子基体10としてのシリコン基板上にヒータ層11を堆積させ、さらにその上に金属配線層12を積層し、金属配線層12とヒータ層11を同時にエッチングして所定のパターンにした後、所定の位置で金属配線層12のみを部分的にエッチングしてヒータ層11を露出させることによって形成することができる。ヒータ層11を露出させた部分が、金属配線層12を介して電流が流されて発熱するヒータ20として働く。
In the
金属配線層12およびヒータ層11の露出した部分上には、絶縁特性を有する第1の保護膜13が形成されている。第1の保護膜13としては、プラズマCVD法によって窒化シリコン(SiN)を積層するのが一般的である。第1の保護膜13上には、第2の保護膜14が形成されている。この第2の保護膜14は、インクの気泡が発生する際、インクの化学的反応や気泡の成長や消滅によって発生する衝撃からヒータを守る働きをする。第2の保護膜14としては、タンタル(Ta)膜を積層するのが現在では一般的である。
On the exposed portions of the
第2の保護膜14上には、インク16を吐出させるための吐出口17と、吐出口17に通じ、インク16が充填される流路を形成するノズル形成部材15が積層されている。吐出口17は、ヒータ20の真上に形成されている。流路の一端は、不図示のインク供給系からインクが供給されるインク流入口18となっている。
On the second
図2(a)は、インク16がノズルに充填された状態を示している。この状態から、ヒータ20に電流が流されると、ヒータ20が加熱し、インクが発泡させられて、吐出口17から吐出される。図2(b)は、インク16が吐出された直後の状態を模式的に示している。インク吐出後、インク流入口18よりインク16が供給され、ノズル内にインク16が再充填され、図2(a)に示す状態に戻る。
FIG. 2A shows a state in which the
次に、図1を用いて、本実施形態の、インク吐出機構1を含む部分の回路構成について説明する。
Next, a circuit configuration of a portion including the
第1の電源VHと第2の電源GNDHとの間に、インク吐出機構1とこのインク吐出機構1に注入するエネルギーの制御を行うスイッチ回路2が直列に接続されている。本実施形態では、第2の電源GNDHを接地電位としている。
Between the first power supply VH and the second power supply GNDH, an
スイッチ回路2には、そのスイッチング動作を制御するスイッチ制御回路4が接続されている。インク吐出機構1とスイッチ2の接続点には、その接続点に接続された寄生素子を含む容量5を検出する容量検出回路3が接続されている。この容量検出回路3は、スイッチ制御回路4に接続されており、容量検出回路3の検出信号が、スイッチ制御回路4に入力される。また、スイッチ制御回路4には、インクジェット記録ヘッドによって形成する画像のデータに応じてインクを吐出させるための、インクジェット記録装置(液体吐出装置)本体側からの外部制御信号も入力される。
A switch control circuit 4 that controls the switching operation is connected to the
次に、図1の回路の動作について説明する。 Next, the operation of the circuit of FIG. 1 will be described.
インクの吐出命令となる制御信号がスイッチ制御回路4に入力されると、スイッチ制御回路4は、スイッチ2をON状態に移行させ、それによって、インク吐出機構1へのエネルギー注入が開始される。すなわち、ヒータ20に電流が流れ始める。ヒータ20に電流が流れ始めると、ヒータ20は発熱し始め、その熱でインクが加熱される。そして、ヒータ20の第2の保護膜とインク16との界面温度が所定の温度に達すると、ノズル内のインク16は吐出口17より、記録媒体に向けて吐出される。
When a control signal serving as an ink ejection command is input to the switch control circuit 4, the switch control circuit 4 shifts the
この際、インク吐出機構1とスイッチ2の接続点の容量CHが変化する。これは、図2(a)に示すように、ヒータ20上にインク16が有る時と、図2(b)に示すようにヒータ20上にインク16が無い時とで、容量CHが異なるためである。インクが充填されている時の容量値をC1とし、インクが無くなった時の容量値をC2とすると、C1>C2の関係が成り立つ。
At this time, the capacitance C H at the connection point between the
容量検出回路3はこの容量CHの変化を検出した後、吐出が完了したことと相関のある検出信号をスイッチ制御回路4へ出力する。ここで、相関のある、とは完全にインクがなくなった状態以外でも、あらかじめ閾値を設定しておき、インク残量が一定量以下になった場合を、吐出完了したとみなす場合の信号である。スイッチ制御回路4は、この検出信号によってスイッチ2をOFF状態に移行させ、インク吐出機構1へのエネルギー注入を遮断し、ヒータ20に流れる電流を遮断する。
After detecting the change in the capacitance C H , the
以上説明した本実施形態によれば、インクの吐出に相関して発生する容量CHの変化を検出し、それによって、インクが吐出された後速やかに、インク吐出機構1へのエネルギー注入を停止することができる。したがって、ヒータ20を有するインク吐出機構1に、インクが吐出された後にまでエネルギーが過剰に注入されるのを抑え、ヒータ20の耐久性を向上させることができる。
According to the embodiment described above detects a change in capacitance C H generated in correlation with the discharge of the ink, thereby promptly after ink has been ejected, stop energy input to the
この際、本実施形態では、従来技術のように、ヒータへのエネルギー注入量を注入時間によって制御するものではないので、エネルギー注入量を調整するためにヒータ電流のばらつきを補正する必要がない。また、工場出荷前に、発泡させるために必要なヒータへの通電時間を測定してメモリーに記憶させること、このメモリー回路を搭載すること、さらには、インクジェット記録装置本体にPWM回路を搭載することも不要となる。これらのことから、本実施形態によれば、インクジェット記録装置の製造コストを大幅に低減することができる。
(第2の実施形態)
図3に、本発明の第2の実施形態のインクジェット記録ヘッドの、ヒータRHを有するインク吐出機構を含む部分の主要な回路構成図を示す。
At this time, in this embodiment, unlike the conventional technique, the energy injection amount to the heater is not controlled by the injection time, and thus it is not necessary to correct the variation in the heater current in order to adjust the energy injection amount. Before shipping to the factory, measure the energization time of the heater necessary for foaming and store it in the memory, install this memory circuit, and install the PWM circuit in the main body of the inkjet recording device Is also unnecessary. For these reasons, according to this embodiment, the manufacturing cost of the ink jet recording apparatus can be significantly reduced.
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a main circuit configuration diagram of a portion including an ink discharge mechanism having a heater RH of the ink jet recording head according to the second embodiment of the present invention.
ヒータRHの一端は、スイッチ回路を構成するパワートランジスタTrのドレインに接続され、ヒータRHの他端は第1の電源VHに接続され、パワートランジスタのソースは第2の電源GNDHに接続されている。なお、本実施形態では、第2の電源GNDHは接地電位としている。また、図3では、パワートランジスタTrのバックゲートは、ソースとショートされているが、必ずしもこのようにする必要は無く、バックゲートをソースと異なる第3の電源に接続してもよい。 One end of the heater RH is connected to the drain of the power transistor Tr constituting the switch circuit, the other end of the heater RH is connected to the first power supply VH, and the source of the power transistor is connected to the second power supply GNDH. . In the present embodiment, the second power supply GNDH is set to the ground potential. In FIG. 3, the back gate of the power transistor Tr is short-circuited with the source. However, this is not always necessary, and the back gate may be connected to a third power source different from the source.
パワートランジスタTrのドレインとヒータRHとの接続点Aには、容量検出回路DETが接続されている。容量検出回路DETは、インバータで構成された発振回路OSCを有しており、この発振回路OSCに、接続点Aの容量CHが負荷容量として接続されている。発振回路OSCの出力Foutは、ローパスフィルタLPFを介してバッファ回路BUFに入力されている。容量検出回路DETの出力S1は、発振回路OSCの出力Foutとバッファ回路BUFの出力S0を入力とする第1の排他的論理和回路XOR1の出力となっている。なお、バッファ回路BUFは、ローパスフィルタLPFの出力を波形整形するために設けられており、ローパスフィルタLPFの特性によっては無くても構わない。 A capacitance detection circuit DET is connected to a connection point A between the drain of the power transistor Tr and the heater RH. Capacitance detection circuit DET has an oscillating circuit OSC which is an inverter, the oscillation circuit OSC, the capacitance C H of the connection point A is connected as a load capacity. The output F out of the oscillation circuit OSC is input to the buffer circuit BUF through the low pass filter LPF. Capacity output S1 of the detection circuit DET is the output of the first exclusive OR circuit XOR1, which receives the output F out and the output S0 of the buffer circuit BUF of the oscillation circuit OSC. The buffer circuit BUF is provided to shape the waveform of the output of the low-pass filter LPF, and may not be provided depending on the characteristics of the low-pass filter LPF.
この際、接続点Aの容量CHは、ヒータRH上にインクが存在する状態と、存在しない状態では、先述したようにヒータRH上にインクが存在する状態の時の方が大きい。したがって、発振回路OSCの出力Foutの発振周波数は、ヒータRH上にインクが存在する時の方が、インクが存在しない時より低くなる。ローパスフィルタLPFの特性は、発振回路OSCの出力Foutを、ヒータ上にインクが在る時の、比較的低い出力周波数の時には通過させ、インクが吐出されてヒータ上にインクが存在しない時の、比較的高い出力周波数の時には遮断するように設定されている。 Since the capacitor C H at the connection point A, a state where the ink on the heater RH is present, in the absence, it is larger in the state where the ink on the heater RH is present as described previously. Therefore, the oscillation frequency of the output F out of the oscillation circuit OSC is lower when ink is present on the heater RH than when no ink is present. The characteristic of the low-pass filter LPF is that the output F out of the oscillation circuit OSC is passed at a relatively low output frequency when ink is present on the heater, and when the ink is ejected and no ink is present on the heater. It is set to cut off when the output frequency is relatively high.
容量検出回路DETの出力S1は、スイッチ制御回路CNTに入力され、その第1のDフリップフロップDFF1のクロック端子に接続されている。また、スイッチ制御回路CNTには、第1の外部制御信号HESがクロック端子に入力されている第2のDフリップフロップDFF2が設けられている。第1のDフリップフロップDFF1および第2のDフリップフロップDFF2の入力Dは共にロジック回路の電源電圧VDDに接続され、また、両者には共にリセット端子があり、両リセット端子には共に第2の外部制御信号HERが入力されている。容量検出回路DETの出力VGは、第1のDフリップフロップDFF1の出力S2と第2のDフリップフロップDFF2の出力S3を入力とする第2の排他的論理和回路XOR2の出力となっており、パワートランジスタTrのゲートに接続されている。 The output S1 of the capacitance detection circuit DET is input to the switch control circuit CNT and connected to the clock terminal of the first D flip-flop DFF1. Further, the switch control circuit CNT is provided with a second D flip-flop DFF2 in which the first external control signal HES is input to the clock terminal. The inputs D of the first D flip-flop DFF1 and the second D flip-flop DFF2 are both connected to the power supply voltage VDD of the logic circuit, both have a reset terminal, and both reset terminals have a second terminal. An external control signal HER is input. The output VG of the capacitance detection circuit DET is the output of the second exclusive OR circuit XOR2 that receives the output S2 of the first D flip-flop DFF1 and the output S3 of the second D flip-flop DFF2, It is connected to the gate of the power transistor Tr.
次に、本実施形態の動作について図4を参照して説明する。図4は、図3の回路を動作させた時のタイミングチャートである。 Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a timing chart when the circuit of FIG. 3 is operated.
インクの吐出前には、第1、第2のDフリップフロップDFF1,DFF2は、後述するようにリセットされている。ヒータRH上にはインクが存在するため、接続点Aの容量CHは比較的大きく、したがって、容量CHを負荷とする発振回路OSCの出力Foutの出力周波数は比較的低くなっているので、FoutはローパスフィルタLPFを通過する。このため、第1の排他的論理和回路XOR1の両入力は同じになっており、したがって、その出力S1はローレベルとなっている。この際、図には記載していないが、FoutがローパスフィルタLPFを通過する際に、第1の排他的論理和回路XOR1の出力がローレベルなるように、S0のFoutに対する出力遅延時間を相殺するために、発振回路OSCと第1の排他的論理和XOR1との間に、必要に応じて遅延回路を設けることができる。 Prior to ink ejection, the first and second D flip-flops DFF1 and DFF2 are reset as will be described later. Since ink is present on the heater RH, the capacitance C H at the connection point A is relatively large. Therefore, the output frequency of the output F out of the oscillation circuit OSC having the capacitance C H as a load is relatively low. , F out pass through the low pass filter LPF. For this reason, both inputs of the first exclusive OR circuit XOR1 are the same, and therefore the output S1 is at a low level. At this time, although not shown in the drawing, when F out passes through the low-pass filter LPF, the output delay time with respect to F out of S0 is set so that the output of the first exclusive OR circuit XOR1 becomes low level. In order to cancel out, a delay circuit may be provided between the oscillation circuit OSC and the first exclusive OR XOR1 as necessary.
S1がローレベルであるので、外部制御信号HESとして、後述するようにパルス信号が入力される前には、第1、第2のDフリップフロップDFF1,DFF2の出力S2,S3は共にローレベルになっている。したがって、S2,S3を入力とする第2の排他的論理和回路XOR2の出力、すなわちスイッチ制御回路CNTの出力VGはローレベルであり、パワートランジスタTrはOFF状態となっている。 Since S1 is at the low level, the outputs S2 and S3 of the first and second D flip-flops DFF1 and DFF2 are both set to the low level before the pulse signal is input as the external control signal HES as described later. It has become. Therefore, the output of the second exclusive OR circuit XOR2 having S2 and S3 as inputs, that is, the output VG of the switch control circuit CNT is at the low level, and the power transistor Tr is in the OFF state.
インク吐出時には、まず、第1の外部制御信号HESとして、記録装置本体側から、記録ヘッドによって形成する画像のデータに応じたインクの吐出命令であるパルス信号が入力される。第1の外部制御信号HESとしてパルス信号が入力されることによって、その立ち上がりエッジで第2のDフリップフロップDFF2の出力S3がハイレベルになる。この時、ヒータ上にはまだインクが存在した状態のままであるので、第1のDフリップフロップDFF1の出力S2はローレベルのままであり、したがって、第2の排他的論理和回路XOR2にはローレベルのS2とハイレベルのS3が入力されて、その出力VGがハイレベルとなり、これによって、パワートランジスタTrがON状態にされ、ヒータRHに電流が流れ始める。 At the time of ink ejection, first, as the first external control signal HES, a pulse signal which is an ink ejection command corresponding to image data formed by the recording head is input from the recording apparatus main body side. When a pulse signal is input as the first external control signal HES, the output S3 of the second D flip-flop DFF2 becomes high level at the rising edge. At this time, since the ink still exists on the heater, the output S2 of the first D flip-flop DFF1 remains at the low level, and therefore the second exclusive OR circuit XOR2 The low level S2 and the high level S3 are inputted, and the output VG thereof becomes the high level. As a result, the power transistor Tr is turned on, and the current starts to flow through the heater RH.
ヒータRHに電流が流れ始めるとヒータRHが発熱し、この熱によって、ヒータRH上の保護膜を介してインクが加熱される。インクは、所定の温度に達すると発泡し、吐出口から吐出される。これによって、インクがヒータRH上からなくなると、接続点Aの容量CHの値が小さくなり、発振回路OSCの出力信号Foutの発振周波数が高くなる。このとき、先述したローパスフィルタLPFの特性から、発振回路OSCの出力FoutはローパスフィルタLPFで遮断され、バッファ回路BUFの出力S0はハイレベル(あるいはローレベル)に固定され、第1の排他的論理和回路XOR1の出力S1は、Foutと同様の周波数のパルス波となる。このS1のパルス信号の最初の立ち上がりエッジで、第1のDフリップフロップDFF1の出力S2がハイレベルになる。したがって、第2のXORの出力VGは再びローレベルになり、それによって、パワートランジスタTrがOFF状態にされ、ヒータRHへの電流注入が停止される。 When current starts to flow through the heater RH, the heater RH generates heat, and the heat heats the ink through the protective film on the heater RH. When the ink reaches a predetermined temperature, it foams and is ejected from the ejection port. Thus, when the ink runs out from the RH heater, the value of the capacitance C H of the connection point A becomes small, the oscillation frequency of the output signal F out of the oscillation circuit OSC is high. At this time, the output F out of the oscillation circuit OSC is blocked by the low-pass filter LPF and the output S0 of the buffer circuit BUF is fixed at the high level (or low level) from the above-described characteristics of the low-pass filter LPF. the output S1 of the OR circuit XOR1 is a pulse wave of the same frequency and F out. At the first rising edge of the pulse signal of S1, the output S2 of the first D flip-flop DFF1 becomes high level. Accordingly, the output VG of the second XOR again becomes a low level, thereby turning off the power transistor Tr and stopping the current injection into the heater RH.
ノズルからインクが吐出されると、ノズルの特性で決まる一定の時間の間に、再びノズル内にインクが充填される。これに伴い、発振回路OSCの出力信号Foutの発振周波数は再び低くなり、S0およびS1は、発泡前の状態に戻る。その後、記録装置本体から適当なタイミングで外部制御信号HERとしてパルス信号が入力され、これによって、第1および第2のDフリップフロップDFF1,DFF2がリセットされて、それらの出力S2,S3がローレベルに戻され、回路はインク吐出前の状態に戻る。この際、出力S2,S3は同時にローレベルに戻されるので、スイッチ制御回路CNTの出力VGはローレベルのまま変化しない。 When ink is ejected from the nozzle, the ink is again filled in the nozzle during a certain time determined by the characteristics of the nozzle. Accordingly, the oscillation frequency of the output signal F out of the oscillation circuit OSC is lowered again, S0 and S1 is returned to before foaming state. Thereafter, a pulse signal is input as an external control signal HER from the recording apparatus at an appropriate timing, whereby the first and second D flip-flops DFF1 and DFF2 are reset, and their outputs S2 and S3 are at low level. The circuit returns to the state before ink ejection. At this time, since the outputs S2 and S3 are simultaneously returned to the low level, the output VG of the switch control circuit CNT remains low.
以上のように本実施形態の構成によって、ヒータとスイッチ回路の接続点の容量CHの変化に応じて信号を出力する容量検出回路DETを用いた、スイッチ回路としてのパワートランジスタTrのON/OFF制御を実現することができる。したがって、本実施形態によれば、第1の実施形態において説明したように、ヒータRHの耐久性を向上させ、インクジェット記録ヘッドの製造コストを低減することができるという効果を得ることができる。 The configuration of the embodiment as described above, was used capacitance detection circuit DET which outputs a signal in response to a change in the capacitance C H of the connecting point of the heater and the switch circuit, ON / OFF of the power transistor Tr as a switching circuit Control can be realized. Therefore, according to the present embodiment, as described in the first embodiment, it is possible to improve the durability of the heater RH and to obtain the effect that the manufacturing cost of the ink jet recording head can be reduced.
なお、本実施形態の図3では、パワートランジスタTrとしてMOSトランジスタを記載しているが、本発明におけるスイッチ回路は、MOSトランジスタに限定されるものではなく、DMOSトランジスタ、オフセットMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタなど、ON/OFF動作可能なスイッチ特性を有する種々のトランジスタを用いることができる。 In FIG. 3 of the present embodiment, a MOS transistor is described as the power transistor Tr. However, the switch circuit in the present invention is not limited to the MOS transistor, and may be a DMOS transistor, an offset MOS transistor, a bipolar transistor, or the like. Various transistors having switch characteristics capable of ON / OFF operation can be used.
また、これら実施形態で説明した、本発明の構成はインクの不吐を検知することにも応用することが可能である。ここで、インクの不吐には、大きく3つの原因が考えられる。
原因1:インク流入路にゴミ等が詰まってヒータ抵抗RH上にインクが充填され無いので、インクが吐出されない。
原因2:ヒータ抵抗RHが寿命等により発熱体として機能しなくなったため(断線した場合等)、インクが吐出されない。
原因3:ノズルの吐出口にゴミ等が詰まって、インクが吐出されない。
Further, the configuration of the present invention described in these embodiments can also be applied to detecting ink discharge failure. Here, there are three main causes for ink discharge failure.
Cause 1: The ink inflow path is clogged with dust and the heater resistance RH is not filled with ink, so that ink is not ejected.
Cause 2: Ink is not ejected because the heater resistance RH does not function as a heating element due to its life or the like (when disconnected).
Cause 3: The nozzle outlet is clogged with dust, etc., and ink is not discharged.
本実施形態の構成では、上記の3つの原因のうち、原因1および原因2の場合にインクの不吐を検知することが可能である。
In the configuration of the present embodiment, it is possible to detect ink discharge failure in the case of
これらの場合は、ヒータ抵抗RH上にインクが充填され無い、もしくは充填された後吐出されないため、容量値の変化が起こらない。そのため、ヒータ抵抗RHに電圧を印加してから所定の時間が経過しても容量が変化したかどうかを検出すれば、インクの不吐を検出することができる。 In these cases, the ink does not fill the heater resistor RH or is not discharged after being filled, so that the capacitance value does not change. Therefore, if it is detected whether the capacity has changed even after a predetermined time has elapsed since the voltage was applied to the heater resistor RH, ink ejection failure can be detected.
このように、本発明の構成によれば、ヒータ抵抗RHとスイッチ回路2との接続点の寄生容量CHの変化を検出する手段である検出回路3と、その検出の有無に応じてスイッチ回路を制御するスイッチ制御回路4とによって、ヒータ抵抗RHの過加熱を防止することができる。
(液体吐出装置)
次に、上述の第1、第2の実施形態の液体吐出用ヘッドを搭載する一例の液体吐出装置の構成について説明する。
Thus, according to the configuration of the present invention, the
(Liquid discharge device)
Next, the configuration of an example of a liquid ejection apparatus that mounts the liquid ejection heads of the first and second embodiments described above will be described.
本発明の液体吐出用ヘッドは、上述した各実施形態に示した回路を有する半導体装置の絶縁層上に、吐出口やそれに連通する流路を形成する、成形樹脂やフィルムなどからなるノズル形成部材を組み合わせて作製することができる。そして、この液体吐出用ヘッドを、インクを収容するインクタンクと接続して、液体吐出装置としてのインクジェット記録装置本体に搭載し、本体の電源回路から電源電圧を、画像処理回路から画像データを液体吐出用ヘッドに供給すれば、インクジェット記録ヘッドとして動作させることができる。 The liquid discharge head according to the present invention is a nozzle forming member made of a molded resin or a film that forms a discharge port and a flow path communicating therewith on the insulating layer of the semiconductor device having the circuit described in each of the above-described embodiments. Can be combined. Then, this liquid discharge head is connected to an ink tank that contains ink, and is mounted on a main body of an ink jet recording apparatus as a liquid discharge apparatus. If supplied to the ejection head, it can be operated as an inkjet recording head.
図5に、このような液体吐出用ヘッドの一構成例を説明するための、液体吐出用ヘッドの一部分の斜視図を示す。同図では、構成を分かりやすくするために、液体吐出用ヘッドの一部を破断して示している。 FIG. 5 is a perspective view of a part of the liquid discharge head for explaining one configuration example of such a liquid discharge head. In the figure, in order to make the configuration easy to understand, a part of the liquid ejection head is shown broken away.
素子基体152上には、本体側からの電気信号に応じて電流が流されることによって熱を発生し、その熱によって発生する気泡によって吐出口153からインクを吐出するための電気熱変換素子であるヒータ141が複数列状に配置されている。このヒータ141のそれぞれには、それを駆動するための電流を供給する配線電極154が接続さられており、配線電極154の一端側には前述したスイッチ素子(不図示)が電気的に接続されている。さらに、図示していないが、素子基体152上には、前述した容量検出回路やスイッチ制御回路などが形成され、これらによって上述の各実施形態に示した回路が構成されている。
The
素子基体152上には、ノズル形成部材156が接続されている。これによって、各ヒータ141に対向する位置に配置された吐出口153、各吐出口153に対応して設けられた、各吐出口153へインクを供給するための流路155、複数の流路155にインクを供給するための共通液室157が形成されている。
A
図6に、上記の素子基体152を組み込んだ液体吐出用ヘッドの一例の全体構造を示す。ノズル形成部材156と接続された素子基体152は、枠体158に組み込まれている。そして、素子基体152には、記録装置本体側からの電気信号を受け取るためのコンタクトパッド159が一端に設けられたフレキシブルプリント配線基板160が接続されている。このフレキシブルプリント配線基板160を介して素子基体152に、記録装置本体の制御器から駆動信号などの各種電気信号が供給される。
FIG. 6 shows an overall structure of an example of a liquid discharge head in which the
図7に、本発明の液体吐出用ヘッドを搭載する一例の液体吐出装置であるインクジェット記録装置IJRAを示す。 FIG. 7 shows an ink jet recording apparatus IJRA which is an example of a liquid discharge apparatus equipped with the liquid discharge head of the present invention.
液体吐出用ヘッドは、インクタンクITと共にインクジェット記録カートリッジIJCとして、キャリッジHCに搭載されている。キャリッジHCは、ガイドレール5003とリードスクリュー5005によって支持されており、リードスクリュー5005のら線溝5004に係合するピン(不図示)を有している。リードスクリュー5005は駆動力伝達ギア5011、5009を介して駆動モータ9011の正逆回転に連動して回転させられ、それによって、キャリッジHCは、矢印a,b方向に往復移動させられる。
The liquid ejection head is mounted on the carriage HC as an ink jet recording cartridge IJC together with the ink tank IT. The carriage HC is supported by a
また、このインクジェット記録装置IJRAには、記録媒体である記録紙Pを搬送する記録媒体搬送機構が設けられている。記録媒体搬送機構には、キャリッジHCに搭載されて往復移動させられる液体吐出用ヘッドのインク吐出面に対向する位置に、プラテンが設けられており、記録紙Pは、紙押え板5002によって、キャリッジHCの移動方向にわたってプラテンに向かって押圧される。
The ink jet recording apparatus IJRA is provided with a recording medium transport mechanism for transporting the recording paper P that is a recording medium. The recording medium transport mechanism is provided with a platen at a position facing the ink ejection surface of the liquid ejection head mounted on the carriage HC and reciprocally moved. The recording paper P is conveyed by the
キャリッジHCの往復移動経路の一端には、フォトカプラ5007,5008が設けられている。フォトカプラ5007,5008は、キャリッジHCのレバー5006のこの域での存在を確認して、駆動モータ9011の回転方向の切換等に利用される信号を発信するホームポジション検知機構として働く。
キャリッジHCがホームポジションに位置している状態で、液体吐出用ヘッドのインク吐出面に対向する位置には、インク吐出面をキャッピングするキャップ部材が支持部材5013に支持されて設けられており、キャップ部材内には、不図示の吸引手段に接続されたキャップ内開口5023が形成されている。液体吐出用ヘッドは、不使用時に適宜このキャップ部材によって覆われて乾燥やごみの付着から保護され、また、液体吐出用ヘッド内のインクの一部を吸引手段によって吸い出す吸引回復が行われる。また、キャップ部材に並んで、液体吐出用ヘッドの吐出口面をクリーニングするクリーニングブレード5017が設けられている。クリーニングブレード5017は、支持部材5019を介して、液体吐出用ヘッドに向かって前後方向に移動可能に本体支持板5018に支持されている。クリーニングブレード5017は、この形態に限られることはなく、周知のクリーニングブレードを適用できることはいうまでもない。これらの動作は、吸引回復の吸引を開始するためのレバー5012、キャリッジHCと係合するカム5020、カム5020の移動に伴って移動し、駆動モータ9011からの駆動力を切り換えるクラッチ切換機構などを含む公知の伝達機構などによって制御される。
A cap member for capping the ink discharge surface is supported by a
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復は、キャリッジHCがホームポジション側の領域に来た時に、リードスクリュー5005の作用も利用して、各処理を行うための対応位置で所望の処理を行うことができるように構成されている。これらの処理部は、周知のタイミングで所定の動作を行うように構成することができる。
In the capping, cleaning, and suction recovery, when the carriage HC comes to the home position side region, it is possible to perform a desired process at a corresponding position for performing each process using the action of the
上述した液体吐出装置としてのインクジェット記録装置IJRAの各構成は、単独でも複合的に見ても優れたものであり、本発明にとって好ましい構成例である。なお、詳細には説明しないが、インクジェット記録装置IJRAは、電源電圧や画像信号に応じた駆動制御信号などを素子基体152に供給するための電気回路からなる制御器駆動信号供給機構(不図示)を有している。
Each configuration of the ink jet recording apparatus IJRA as the liquid ejecting apparatus described above is excellent both independently and in combination, and is a preferable configuration example for the present invention. Although not described in detail, the ink jet recording apparatus IJRA has a controller drive signal supply mechanism (not shown) including an electric circuit for supplying a drive control signal corresponding to a power supply voltage and an image signal to the
以上、本発明について好ましい各種実施形態を示して説明したが、本発明はこれらの実施形態の詳細に限定されるものではなく、本発明の範囲内で、各実施形態における各構成要素を代替物や均等物に置換できることは明らかである。 The present invention has been described with reference to various preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the details of these embodiments, and each component in each embodiment can be substituted within the scope of the present invention. Obviously, it can be replaced with the equivalent.
1 インク吐出機構
2,CNT スイッチ回路
3,DET 容量検出回路
4 スイッチ制御回路
OSC 発振回路
LPF ローパスフィルタ
BUF バッファ回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記液体吐出機構と前記スイッチ回路の接続点の容量に相関のある信号を検出する容量検出回路を有し、
前記容量検出回路は、前記容量を負荷とした発振回路を有することを特徴とする液体吐出用ヘッド。 A liquid discharge mechanism and a switch circuit are electrically connected in series between the first power supply and the second power supply, and the liquid discharge is controlled by controlling the energy injection to the liquid discharge mechanism by the switch circuit. In the discharge head,
Have a capacitance detection circuit for detecting a signal correlated with the capacity of the connection point of the switching circuit and the liquid ejection mechanism,
The liquid ejection head , wherein the capacitance detection circuit includes an oscillation circuit using the capacitance as a load .
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