JP6750675B2 - 流体プリントヘッドおよびプリントヘッドの複数の駆動素子の作動を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに関し、より詳しくはインクジェットプリントヘッドノズルの状態を検出するためのシステムおよび方法に関する。

インクジェットノズルの健全性を検出することは当該技術分野において長年の課題である。走査型プリントヘッドの場合、欠落または不正確な働きをするノズルの影響を最小限に抑えるために、多回通過を実施する能力を用いてきた。インクジェット技術がレーザープリンタ性能の領域へと推し進むにつれて、ページ幅全体に跨がったノズルを有するプリントヘッドはより一般的になった。この印刷方法を用いることにより、印刷速度は向上するが、多回通過印刷はもはや可能でない。それゆえ、ノズルが適切に噴射していることを確かめる方法が必要とされる。

１つのそのような方法は、米国特許第８１７７３１８号明細書、第８３７６５０６号明細書および第８４４９０６８号明細書などに開示されている光学検出によるものである。この方法は、印刷装置にコストおよび複雑さを増す外部光源およびセンサを必要とする。

外部装置の必要性をなくすために、吐出器チップ自体にインピーダンスセンサを配置するという他の方法が開示されている。この方法の１つの可能な実施態様は、米国特許第８８７０３２２号明細書、第８８９９７０９号明細書および米国特許出願公開第２０１４／０３３３６９４号明細書に記載されている。これらの特許および特許出願では、熱蒸気泡の形成および崩壊を検出するために、経時的に測定される差動インピーダンスかまたはシングルエンドインピーダンスかのどちらかを用いることが教示されている。さらに、センサによって収集されたデータを外部で処理することによって様々なタイプのノズル状態、例えば詰まったノズルや弱いノズルを判定できることが教示されている。米国特許第８８７０３２２号明細書で詳しく開示されているように、システムの十分な性能を提供するためには較正方法が必要とされ得る。

プリントヘッドの状態を判定する従来の試みは全て、インクチャンバ内での気泡の形成を検出することに基づいている。この方法の１つの欠点は、気泡がセンサに到達するときまでに吐出事象が経過してしまうということである。大抵の場合、狭い通路またはチャンバの中の気泡の検出は、滴が吐出されてから５ｕｓ以上後に起こることになる。

米国特許第８１７７３１８号明細書 米国特許第８３７６５０６号明細書 米国特許第８４４９０６８号明細書 米国特許第８８７０３２２号明細書 米国特許第８８９９７０９号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０３３３６９４号明細書

本発明の目的は、ヒーターの電気抵抗の変化に基づいてヒーター表面での気泡の形成を検出するためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明の別の目的は、対応する駆動素子のサンプリングされたドレイン電圧の勾配変化に基づいてヒーター表面での気泡の形成を検出するためのシステムおよび方法を提供することである。

本発明の典型的な一実施形態による流体プリントヘッドは、プリントヘッドから流体が滴の形状で吐出されるように流体中で気泡を核生成させるべく駆動される複数のヒーター素子と、各々がプリンタコントローラに従って複数のヒーター素子のうちの対応する１つを選択的に駆動する複数の駆動素子と、複数の滴検出セルが備わった滴検出システムであって、各滴検出セルが、滴形成に際して起こる複数のヒーター素子のうちの対応する１つの電気抵抗の変化を検出する滴検出システムとを備える。

典型的な一実施形態において、複数の駆動素子の各々は、ゲート、ソースおよびドレインを含むＭＯＳＦＥＴ駆動素子である。

典型的な一実施形態において、各滴検出セルは、対応する駆動素子のドレインに電気的に接続されている。

典型的な一実施形態において、各滴検出セルは、対応する駆動素子のドレインでの電圧勾配変化を検出する。

典型的な一実施形態において、各滴検出セルは、電圧勾配変化の検出後に電力を対応するヒーター素子から除去するように構成されたコントローラを含む。

典型的な一実施形態において、各滴検出セルはサンプリング回路および勾配検出回路を含む。

典型的な一実施形態において、サンプリング回路はスイッチトキャパシタ回路を含む。

典型的な一実施形態において、サンプリング回路はＡ／Ｄ回路を含む。

本発明の典型的な一実施形態によれば、プリントヘッドの複数の駆動素子の作動を制御する方法であって、各駆動素子が、プリントヘッドから流体が滴の形状で吐出されるように複数のヒーター素子のうちの対応する１つを選択的に駆動して流体中で気泡を核生成させるものである。方法は、滴形成に際して起こる複数のヒーター素子のうちの対応する１つの電気抵抗の変化を検出するステップと、検出に基づいて複数のヒーター素子のうちの対応する１つを制止するステップとを含む。

典型的な一実施形態において、複数の駆動素子の各々は、ゲート、ソースおよびドレインを含むＭＯＳＦＥＴ駆動素子であり、検出のステップは、対応する駆動素子での電圧勾配変化を検出するステップを含む。

本発明の実施形態のその他の特徴および利点は、以下の詳細な記載、添付の図面および別記の特許請求の範囲からすぐに明らかになるであろう。

本発明に係る流体プリントヘッドは、ヒーターの電気抵抗の変化に基づいてヒーター表面での気泡の形成を検出することができる。

本発明の典型的な実施形態の特徴および利点は、添付図と併せて理解すれば以下の詳細な記載を参照してより十分に理解されよう。
図１は、本発明の典型的な一実施形態によるインクジェットプリントヘッドの斜視図である。 図２は、本発明の典型的な一実施形態によるインクジェットプリンタの斜視図である。 図３は、本発明の典型的な一実施形態による流体吐出素子の平面図である。 図４は、本発明の典型的な一実施形態による滴検出システムの１つのセルのブロック図である。 図５は、気泡の形成およびその後の液滴の吐出の最中での時間に対するヒーターの電圧および電流のグラフである。 図６は、図５に示すグラフをより大きくした図である。 図７は、図５に示す電流レベル変化に対して行った微分演算の出力を示すグラフである。 図８Ａは、本発明の典型的な一実施形態による滴検出システムの１つのセルの定常状態でのブロック図である。 図８Ｂは、本発明の典型的な一実施形態によるサンプリング回路へのドレイン電圧入力を示すグラフである。 図８Ｃは、本発明の典型的な一実施形態による勾配検出回路によって行われた微分演算を示すグラフである。 図８Ｄは、本発明の典型的な一実施形態による勾配検出回路のデジタル出力を示す。

本明細書中で使用する見出しは、構成上の目的しかなく、明細書または請求項の範囲を限定するために使用するものではない。本出願全体で使用する「してもよい」および「できる」という言葉は、強制（つまり「ねばならぬ」）の意味ではなく、許容（つまり「可能性がある」）の意味で使用している。同様に、「含む」および「含んでいる」という言葉は、何かを含むが限定的ではないことを意味する。理解しやすいように、可能な場合は、諸図に共通する類似の要素を表すのに類似の番号を付与している。

図１を参照して、本発明の典型的な一実施形態によるインクジェットプリントヘッドを全体的に１０として示す。プリントヘッド１０は、インクを保持するのに適切な任意の材料でできたハウジング１２を有する。その形状は様々であり得、プリントヘッドを担持または収容する外部デバイスによるところが大きい。ハウジングは、初回または補充のインクを保持するための少なくとも１つのコンパートメント１６をその内部に有する。ある実施形態では、コンパートメントは単一のチャンバを有し、ブラックインク、フォトインク、シアンインク、マゼンタインクまたはイエローインクのうちの１種類を収容している。他の実施形態では、コンパートメントは複数のチャンバを有し、３種のインクを収容している。好ましくは、それはシアン、マゼンタおよびイエローのインクを含む。さらに他の実施形態では、コンパートメントは、ブラック、フォト、シアン、マゼンタまたはイエローのインクのうちの複数種を収容している。しかし、コンパートメント１６はプリントヘッドのハウジング１２内に局所的に一体化して示されているが、その代わりに遠隔のインク源に接続して、例えばチューブからインクの供給を受ける場合もあることが理解されよう。

ハウジング１２の１つの表面１８に接着されているのは、フレキシブル回路の、特にはテープ自動接合（ＴＡＢ）回路２０の部分１９である。ＴＡＢ回路２０のもう１つの部分２１は、ハウジングの別の表面２２に接着されている。この実施形態では、２つの表面１８、２２は、ハウジングの縁２３のところで互いに対して直角に配置されている。

ＴＡＢ回路２０上には、使用中にヒーターチップ２５をプリンタ、ファックス機、コピー機、写真複写機、プロッター、複合機などの外部デバイスに電気的に接続するための複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）コネクタ２４が支持されている。ＴＡＢ回路２０には複数の導電体２６が存在して、Ｉ／Ｏコネクタ２４をヒーターチップ２５の入力端子（接合パッド２８）に電気的に接続したり短絡したりする。当業者であれば、そのような接続を容易に行う種々の技法を心得ている。簡潔にするために、図１には８つのＩ／Ｏコネクタ２４、８つの導電体２６、および８つの接合パッド２８のみを示すが、現代のプリントヘッドはそれよりもはるかに多くの数量を有し、本明細書では任意の数が等しく包含される。さらにまた、コネクタ、導電体および結合パッドのそのような個数は互いに等しくなっているが、実際のプリントヘッドは等しい個数を有していない場合があることは当業者であれば理解するはずである。

ヒーターチップ２５は、使用中にコンパートメント１６からインクを吐出する役割を果たす複数の流体噴射素子の列３４を収容している。流体発射素子は、ヒーターチップという名前から熱的な技術が暗示されるにもかかわらず、シリコン基板上の薄膜層またはピエゾ素子として形成された熱抵抗ヒーター素子（略してヒーター）を組み込んでいてもよい。簡潔にするために、列３４の複数の流体噴射素子は、インクビア３２に隣接して一列に並んだ５つのドットとして示しているが、実用では数百個または数千個の流体噴射素子が含まれる場合もある。以下に説明するように、垂直方向に隣接する流体噴射素子は、間に水平方向の間隙があってもなくても、または水平方向に互い違いになっていてもよい。一般に、流体噴射素子は、適宜プリンタの解像度（１インチ当たりのドット数）に合わせて、垂直方向に間隔がとってある。間隔のいくつかの例としては、ビアの長手方向に沿って、１インチの１／３００、１／６００、１／１２００、１／２４００などが挙げられる。ビアを形成するには、ヒーターチップを厚さ方向に貫通して切断またはエッチングによりビア３２を形成する多くの方法が知られている。いくつかのさらに好ましい方法としては、グリットブラスティングやエッチング、例えばウエット、ドライ、反応性イオンエッチング、深堀り反応性イオンエッチングなどが挙げられる。ノズルプレート（図示せず）には各ヒーターにそろって複数の孔があり、使用中にインクを発射する。ノズルプレートは、接着剤またはエポキシで接着しても、薄膜層として製造してもよい。

メモリユニット２７は、例えば製造日、寿命および補充可能回数などの情報に関するデータを格納する。

図２を参照すると、外部デバイスが、プリントヘッド１０を収容するインクジェットプリンタの形態で全体的に４０として示されている。プリンタ４０は、１つ以上のプリントヘッド１０を収容する複数のスロット４４を有するキャリッジ４２を備える。キャリッジ４２は、当該技術分野においてよく知られているように、ドライブベルト５０に供給される推進力によって、シャフト４８に沿って（コントローラ５７の出力５９に従い）印刷ゾーン４６の上方で往復動する。キャリッジ４２の往復動は、プリンタ４０内で給紙トレイ５４から用紙搬送路に沿って印刷ゾーン４６を通過し排紙トレイ５６へと送られる用紙５２などの印刷媒体に対して相対的に生じる。

印刷ゾーンでは、キャリッジ４２は、矢印で示すように、用紙送り方向に送られている用紙５２に対して概ね垂直の往復動方向に往復動する。そのようなときに、コンパートメント１６（図１）からのインク滴は、プリンタのマイクロプロセッサまたは他のコントローラ５７の指令に応じてヒーターチップ２５から吐出される。インク滴放出のタイミングは、印刷中の画像のピクセルパターンに対応する。多くの場合、そのようなパターンは、プリンタ外部の、コントローラ５７に（外部入力により）電気的に接続されたデバイス、例えば、限定されないが、コンピュータ、スキャナ、カメラ、視覚的表示装置、携帯情報端末などで生成される。

インク一滴を印刷または放出するために、流体噴射素子（図１の列３４のドット）に少量の電流が個別に流されて、少量のインクを急速に加熱する。それによってインクは局所のインクチャンバ内でヒーターとノズルプレートとの間で気化し、ノズルプレートから印刷媒体に向けて吐出されて発射される。そのようなインク滴を放出するのに必要な噴射パルスは、単一またはスプリット噴射パルスを具現化してもよく、接合パッド２８、導電体２６、Ｉ／Ｏコネクタ２４およびコントローラ５７間の接続から入力端子（例えば接合パッド２８）のヒーターチップで受信される。入力端子からの噴射パルスは、内部ヒーターチップ配線により、１個または多数の流体噴射素子へと搬送される。

コントローラ５７への入力６２として、ユーザー選択インターフェース６０を有するコントロールパネル５８も多くのプリンタに付属して、プリンタの追加の性能や堅牢性を提供している。

図３は、本発明の典型的な一実施形態による、全体として参照番号１００で示される流体吐出素子の平面図である。流体吐出素子１００は、感光性材料に特徴部を作像して現像するフォトリソグラフィ法を用いて形成された流体チャンバ１０２を含む。チャンバ１０２は約１５ｕｍの厚みを有し得る。薄膜加熱素子１０４がチャンバ１０２内に位置している。加熱素子１０４は、装置に電圧電位を印加することによって電力供給されることができる。典型的なインクジェット用途では、加熱素子の表面の温度は１ｕｓ以内に周囲温度から約３５０℃まで上昇することになる。チャンバがインク水溶液で満たされている場合、加熱素子の表面において蒸気泡が形成してその後に急速に膨張することになる。この膨張によって、インクはノズル口を通じてチャンバの外へと押し出される。典型的には、ノズル（図３中に示さず）は加熱素子１０４の上に位置している。加熱素子１０４の寸法は、吐出される液体の滴の大きさおよび特性に大いに依存するが、通常、素子のアスペクト比（長さ／幅）は大抵１〜３である。典型的な一実施形態において、加熱素子１０４は、ＴａＡｌＮの約８００Ａの薄層を堆積させることによって形成される。

インクまたはその他の流体がチャンバ１０２からノズル開口部を通って吐出された後、蒸気泡が崩壊することになる。気泡の崩壊は、加熱素子１０４を急速に破壊するであろう著しいキャビテーション力を及ぼす。加熱素子１０４の周辺にキャビテーション防止層を付けているのはそのためである。典型的な一実施形態において、キャビテーション防止層はタンタルで作られる。材料の硬さおよび化学的耐性ゆえに通常はタンタルを使用するが、その他の材料も同様に使用できよう。

本発明の典型的な実施形態において、ヒーター表面での気泡の形成は、ヒーターを通過する電流の勾配変化に基づいて検出される。液体がチャンバを離れるとき、ヒーターは本質的に乾燥状態で機能している。この時間の間にヒーター表面の加熱速度が増加する。この加熱の変化を検出することによって、気泡形成のちょうどその瞬間を検出することができる。

図４は、本発明の典型的な一実施形態による滴検出システムの、全体として参照番号２００で示される１つのセルのブロック図である。セル２００は、微分回路２１２、およびＡ／Ｄ変換器２１４およびコントローラ２１６を含む。セル２００は、各ヒーターの駆動素子のパワーＦＥＴのドレインでの電圧を検知するように構成される。例えば、検出システム全体の中のセルの数は、プリントヘッドチップ上のヒーターの数に依存する。あるいは、滴検出システムは、共通の微分回路およびコントローラに全てのドレイン電圧を送ることができるようにバスアーキテクチャを有してもよい。図４には、対応する駆動素子２０４を含んでヒーター２０２（抵抗器として表されている）が示されている。駆動素子２０４は、ポリシリコンゲート２０６、ソース２０８およびドレイン２１０を含むＭＯＳＦＥＴ駆動素子であることが好ましい。当該技術分野において既知のとおり、各駆動素子は、プリンタコントローラによって提供された論理構造に従ってヒーターを選択的に有効にするように作動できる。

微分回路２１２は、駆動素子２０４のドレイン２１０に電気的に接続されている。微分回路２１２は、滴形成時に生じる電圧の小さい勾配変化を増強する働きをする。これに関して、図５は、気泡の形成およびその後の液滴の吐出の最中にヒーターに流れる電流を示す。示されている例において、ヒーター材料は、３５０オーム／ｓｑｒ．のシート抵抗および、−３２０ｐｐｍの負の温度係数を有する。滴形成の時間である約８００ｎｓにおいて示されているように、ヒーター電流の勾配に僅かな増加がある。このことは、同じ事象を示すが吐出時のところをより大きい倍率で拡大したものである図６中に、よりよく示されている。勾配変化は小さいが、それは検出可能である。図７は、測定用オシロスコープでの信号に微分演算を適用した後の出力を示しており、特に、約８６０ｎｓでのヒーター電流の勾配変化を示している。

典型的な実施形態では、核生成を検知するために検出システムは、ヒーター回路を流れる電流を検知する。しかしながら好ましい実施形態によれば、パワーＦＥＴのドレインでの電圧を検知する。先程述べた測定電流と同様に、電圧の勾配変化は小さく、値を微分回路２１２によって微分することによって最もよく増強される。微分回路２１２は、当該技術分野において既知のいかなる適切な微分回路であってもよく、例えばキャパシタおよび演算増幅器などの回路部品を含んでいてもよい。

微分回路２１２の出力はＡ／Ｄ変換器２１４へ送られ、その出力は今度はコントローラ２１６へ送られる。コントローラ２１６は、滴形成が検出された後にヒーター２０２から電力を除去するように構成され得る。このように、セル２００を使用してヒーターの状態が判定され得る。例えば、コントローラに電圧勾配変化および時間に関する事前設定値をプログラムすることによってセル２００は、電圧勾配変化が実際に起こるか否かを判定することができ、もし起こるのであれば、勾配変化とプログラム済みの値およびタイミングとが一致するか否かを判定することができる。プログラム済みの値からのいかなる逸脱も、ヒーターが正常に作動していないことを指し示すことになろう。

コントローラ２１６は、滴の吐出が検出されたときに発射パルスを無効にするように構成され得る。これに関して、勾配変化が検出されたならば、微分回路２１２は、正論理またはデジタル１を出力し得る。この値が反転され、次いで発射パルスとのＡＮＤが行われると、信号がゲートされてパワーＦＥＴデバイスが切れるという結果になる。

図８Ａは、本発明の別の典型的な実施形態による滴検出システムの、全体として参照番号３００で示される１つのセルのブロック図である。セル３００は、サンプリング回路３１０および勾配検出回路（ｓｌｏｐ ｄｅｔｅｃｔ ｃｉｒｃｕｉｔ）３１２を含む。示されているように、電圧は、先の実施形態に関して記載したとおりトランジスタのドレインノードにおいてサンプリングされるが、目下の実施形態ではドレイン電圧はサンプリング回路３１０へ渡される。図８Ｂは、サンプリング回路３１０への入力として作用しているドレイン電圧を示す。サンプリング回路３１０は、アナログ出力を有するスイッチトキャパシタ回路またはデジタル出力を有するＡ／Ｄ回路であることができる。この値は、信号のサンプル間微分を行う勾配検出回路３１２へと供給される。サンプル間微分の結果を図８Ｃに示す。勾配の急変は勾配検出回路３１２内で検出され、図８Ｄに示すようにデジタル出力に変換される。先の実施形態でのように、勾配検出回路である微分回路３１２は、パワーＭＯＳＦＥＴの電力を切るために使用される正論理またはデジタル１を出力し得る。

本発明の具体的な実施形態を例示し説明してきたが、当業者にとっては本発明の精神と範囲を逸脱しない様々な他の変化形態および変更形態が明白であろう。したがって、本発明の範囲内のそのような変化形態および変更形態は全て別記の請求項に含まれるものとする。

１０ プリントヘッド
１２ ハウジング
１６ コンパートメント
１８，２２ 表面
１９，２１ 部分
２０ ＴＡＢ回路
２３ 縁
２４ Ｉ／Ｏコネクタ
２５ ヒーターチップ
２６ 導電体
２８ 接合パッド
３２ インクビア
３４ 列
４０ プリンタ
４２ キャリッジ
４４ スロット
４６ 印刷ゾーン
４８ シャフト
５０ ドライブベルト
５２ 用紙
５４ 給紙トレイ
５６ 排紙トレイ
５７ コントローラ
５８ コントロールパネル
５９ 出力
６０ ユーザー選択インターフェース
６２ 入力
１００ 流体吐出素子
１０２ 流体チャンバ
１０４ 加熱素子
２００，３００ セル
２０２ ヒーター
２０４ 駆動素子
２０６ ゲート
２０８ ソース
２１０ ドレイン
２１２，３１２ 微分回路
２１４ Ａ／Ｄ変換器
２１６ コントローラ
３１０ サンプリング回路

Claims (6)

1. 流体プリントヘッドであって、
   前記流体プリントヘッドから流体が滴の形状で吐出されるように前記流体中で気泡を核生成させるべく駆動される複数のヒーター素子と、
   各々がプリンタコントローラに従って前記複数のヒーター素子のうちの対応する１つを選択的に駆動する複数の駆動素子と、
   複数の滴検出セルが備わった滴検出システムであって、各滴検出セルが、滴形成に際して起こる前記複数のヒーター素子のうちの対応する１つの電気抵抗の変化を検出する滴検出システムと、を備え、
   前記複数の駆動素子の各々が、ゲート、ソースおよびドレインを含むＭＯＳＦＥＴ駆動素子であり、
   各滴検出セルが、対応する駆動素子の前記ドレインに電気的に接続され、対応する当該駆動素子の前記ドレインでの電圧勾配変化を検出する
   流体プリントヘッド。
2. 各滴検出セルが、前記電圧勾配変化の検出後に電力を対応するヒーター素子から除去するように構成されたコントローラを含む
   請求項１に記載の流体プリントヘッド。
3. 各滴検出セルがサンプリング回路および勾配検出回路を含む
   請求項１または２に記載の流体プリントヘッド。
4. 前記サンプリング回路がスイッチトキャパシタ回路を含む
   請求項３に記載の流体プリントヘッド。
5. 前記サンプリング回路がＡ／Ｄ回路を含む
   請求項３に記載の流体プリントヘッド。
6. プリントヘッドの複数の駆動素子の作動を制御する方法であって、
   各駆動素子が、前記プリントヘッドから流体が滴の形状で吐出されるように複数のヒーター素子のうちの対応する１つを選択的に駆動して前記流体中で気泡を核生成させるものであり、
   滴形成に際して起こる前記複数のヒーター素子のうちの対応する１つの電気抵抗の変化を検出するステップと、
   前記検出に基づいて前記複数のヒーター素子のうちの対応する１つを制止するステップと、を含み、
   前記複数の駆動素子の各々が、ゲート、ソースおよびドレインを含むＭＯＳＦＥＴ駆動素子であり、
   前記検出するステップが、対応する駆動素子の前記ドレインでの電圧勾配変化を検出するステップを含む
   方法。