(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクレベルセンサーであって、
検出コンデンサーであって、該検出コンデンサーの容量が、チャンバ内のインクのレベルと共に変化する、検出コンデンサーと、
電圧Vpを前記検出コンデンサーに印加して、前記検出コンデンサーに電荷を配置するためのスイッチT2と、
前記検出コンデンサーと基準コンデンサー間で前記電荷が共有されて、その結果、基準電圧Vgが生じるようにするためのスイッチT3と、
ゲートにおける前記基準電圧に比例するドレイン−ソース間抵抗を提供するように構成されて、前記チャンバ内のインクのレベルが前記ドレイン−ソース間抵抗に基づいて決定されるようにするための評価用トランジスタ
を備え、
前記検出コンデンサーが、
前記チャンバ内のインクを噴射するための噴射要素を形成する金属プレートと、
前記金属プレートの上のパッシベーション層と、
前記パッシベーション層の上の前記チャンバ内の物質
を有することからなるインクレベルセンサー。
【請求項２】
前記物質が、
(i)インク、
(ii)インク及び空気、及び、
(iii)空気
からなるグループから選択される、請求項１のインクレベルセンサー。
【請求項３】
前記基準コンデンサーが、前記評価用トランジスタのゲート容量を構成する、請求項１または２のインクレベルセンサー。
【請求項４】
検出構造をさらに備え、該検出構造は、前記検出コンデンサー、前記チャンバ、ノズル、及び、シリコン基板上の絶縁層を備える、請求項１〜３のいずれかのインクレベルセンサー。
【請求項５】
前記金属プレートと前記絶縁層と前記基板とによって形成される寄生容量を除去するための寄生除去要素をさらに備える、請求項４のインクレベルセンサー。
【請求項６】
前記寄生除去要素が、導電性のポリシリコン層から構成される、請求項５のインクレベルセンサー。
【請求項７】
インクレベルセンサーであって、
ノードM1とグランドの間の検出コンデンサーであって、該検出コンデンサーの容量が、チャンバ内のインクのレベルと共に変化する、検出コンデンサーと、
電圧VpをM1に結合して前記検出コンデンサーが充電されるようにするためのスイッチT2と、
M1をノードM2に結合して、前記検出コンデンサーと、M2に結合された基準コンデンサーとの間で電荷が共有されるようにし、これによって、M2に電圧Vgが生じるようにするためのスイッチT3と、
ドレイン、M2に結合されたゲート、及び、グランドに結合されたソースを有し、Vgに比例するドレイン−ソース間抵抗を提供して、前記チャンバ内のインクのレベルが前記ドレイン−ソース間抵抗に基づいて決定されるようにするためのトランジスタT4
を備え、
前記検出コンデンサーが、
前記チャンバ内のインクを噴射するための噴射要素を形成する金属プレートと、
前記金属プレートの上のパッシベーション層と、
前記パッシベーション層の上の前記チャンバ内の物質
から構成されることからなる、インクレベルセンサー。
【請求項８】
前記ドレインが電流源に結合される、請求項７のインクレベルセンサー。
【請求項９】
M1及びM2をグランドに結合して、VpがM1に結合される前に、前記検出コンデンサー及び前記基準コンデンサーが放電されるようにするためのスイッチT1をさらに備える、請求項７または８のインクレベルセンサー。
【請求項１０】
T2を介してVpに結合されたノードMpであって、該MpとM1間の寄生容量が充電されないようにするためのノードMpをさらに備える、請求項７〜９のいずれかのインクレベルセンサー。
【請求項１１】
プリントヘッドに一体化されたインクレベルセンサーであって、
流体スロットと流体連絡する検出構造であって、流体室と該流体室内の検出コンデンサーとを有する検出構造と、
スイッチT2、スイッチT3、及びトランジスタを有するセンサー回路
を備え、
前記検出コンデンサーの容量は前記流体室内のインクのレベルと共に変化し、
前記検出コンデンサーは、
前記流体室内のインクを噴射するための噴射要素を形成する金属プレートと、
前記金属プレートの上のパッシベーション層と、
前記パッシベーション層の上の前記流体室内の物質
から構成され、
前記スイッチT2は、電圧Vpを前記検出コンデンサーに印加するためのものであり、前記スイッチT3は、前記検出コンデンサーと基準コンデンサー間で電荷が共有されようにすることによって、該基準コンデンサーに基準電圧Vgが生成されるようにするためのものであり、前記トランジスタは、前記基準電圧に比例するドレイン−ソース間抵抗を提供して、前記流体室内のインクのレベルが前記ドレイン−ソース間抵抗に基づいて決定されるようにするためのものである、インクレベルセンサー。
【請求項１２】
前記センサー回路は、前記検出コンデンサー及び前記基準コンデンサーをグランドに結合して、スイッチT2によってVpが前記検出コンデンサーに印加される前に、前記検出コンデンサー及び前記基準コンデンサーが放電されるようにするためのスイッチT1を備える、請求項１１のインクレベルセンサー。
【請求項１３】
前記金属プレートと前記金属プレートの下の絶縁層と該絶縁層の下の基板とによって形成される寄生容量を除去するための寄生除去要素をさらに備える、請求項１１または１２のインクレベルセンサー。
【請求項１４】
インクレベルセンサーであって、
ノードM1とグランドの間の検出コンデンサーであって、該検出コンデンサーの容量が、チャンバ内のインクのレベルと共に変化する、検出コンデンサーと、
電圧VpをM1に結合して前記検出コンデンサーが充電されるようにするためのスイッチT2と、
M1をノードM2に結合して、前記検出コンデンサーと、M2に結合された基準コンデンサーとの間で電荷が共有されるようにし、これによって、M2に電圧Vgが生じるようにするためのスイッチT3と、
ドレイン、M2に結合されたゲート、及び、グランドに結合されたソースを有し、Vgに比例するドレイン−ソース間抵抗を提供して、前記チャンバ内のインクのレベルが前記ドレイン−ソース間抵抗に基づいて決定されるようにするためのトランジスタT4と、
T2を介してVpに結合されたノードMpであって、該MpとM1間の寄生容量が充電されないようにするためのノードMp
を備えるインクレベルセンサー。
【請求項１５】
前記ドレインが電流源に結合される、請求項１４のインクレベルセンサー。
【請求項１６】
M1及びM2をグランドに結合して、VpがM1に結合される前に、前記検出コンデンサー及び前記基準コンデンサーが放電されるようにするためのスイッチT1をさらに備える、請求項１４または１５のインクレベルセンサー。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
あらゆるタイプのインクジェットプリンターについてインクリ供給リザーバ（インク供給槽）内のインクレベル（典型的にはインク量）を正確に検出することが多くの理由で望ましい。たとえば、インクレベルを正確に検出して、インクカートリッジ内に残っているインク量の対応する指標を提供することによって、プリンターのユーザーは、使い終わったインクカートリッジを交換する準備をすることができる。正確なインクレベルの指標は、インクの無駄遣いを防止するのにも役立つ。なぜなら、インクレベルの指標が不正確な場合には、インクカートリッジを早まって交換してしまう、すなわち、まだインクが残っているインクカートリッジを交換してしまう場合がしばしばあるからでる。さらに、印刷システムは、不適切なインク供給レベルによって生じうる低品質の印刷を防止するのに役立ついくつかのアクションを起動するために、インクレベル検出を使用する場合がある。
【０００２】
リザーバや流体室（流体室は流体チャンバともいう）内のインクのレベルを決定するために利用可能な多くの技術があるが、それらの精度及びコストに関連する種々の課題が依然として存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】（追って補充）
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】１実施形態にしたがう、インクレベルセンサーを組み込むのに適したインクジェット印刷システムとして具現化された流体噴射装置を示す。
【図２】１実施形態にしたがう、シリコンダイ基板中に形成された単一の流体スロットを有するTIJプリントヘッドの一方の端部の底面図である。
【図３】１実施形態にしたがう、流体滴発生器の１例の断面図である。
【図４】１実施形態にしたがう、検出構造の１例の断面図である。
【図５】１実施形態にしたがう、プリントヘッドを駆動するために使用されるオーバーラップしないクロック信号のタイミング図である。
【図６】１実施形態にしたがう、インクレベルセンサー回路の１例を示す。
【図７】１実施形態にしたがう、検出コンデンサーと固有の寄生容量の両方を有する検出構造の１例の断面図である。
【図８】１実施形態にしたがう、寄生除去要素を含む検出構造の１例の断面図である。
【図９】１実施形態にしたがう、寄生除去回路を有するインクレベルセンサー回路の１例を示す。
【図１０】１実施形態にしたがう、インクレベルを検出する方法の１例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【０００６】
課題とその解決策の概観
上記したように、流体室などのリザーバ（槽）内のインクのレベルを決定するために利用可能な多くの技術が存在する。たとえば、インクカートリッジ内で光ビームを反射または屈折させて、電気的な、及び／または、ユーザーが視認することができる、インクレベル指標を生成するために、プリズムが使用されている。背圧インジケータは、リザーバ内のインクレベルを決定するための別の手段である。いくつかの印刷システムは、インクレベルを決定する方法として、インクジェットプリントカートリッジから噴射されるインク滴の数を数える。さらに他の技術は、印刷システムにおけるインクレベルのインジケータとしてインクの導電率を用いる。しかしながら、インクレベルを検出するシステム及び技術の精度及びコストを改善することに関する課題が依然として存在している。
【０００７】
本開示の実施形態は、従来のインクレベル検出技術を改良するインクレベルセンサー及び関連する方法を提供する。開示されているセンサー及び方法は、サーマルインクジェット（TIJ）プリントヘッドに基板上で（すなわちオンボードで）一体化された容量性で電荷共有型の検出回路を利用する。該検出回路は、容量性センサーによって検出されたインクレベルの状態を取り込むサンプルホールド技術を実施する。容量性センサーの（静電）容量（キャパシタンス）はインクのレベルと共に変わる。容量性センサー上に置かれた電荷は、該容量性センサーと基準コンデンサー間で共有され、この結果、評価用トランジスタのゲートにある基準電圧が生じる。プリンターの特定用途向け集積回路（ASIC）内の電流源は、該トランジスタのドレインに電流を供給する。該ASICは、この結果生じた該電流源における電圧を測定して、該評価用トランジスタの対応するドレイン−ソース間抵抗（値）を計算する。該ASICは、次に、該評価トランジスタから決定された該抵抗（値）に基づいて、インクレベルの状態を決定する。
【０００８】
１実施形態では、インクレベルセンサーは、インク室（インクチャンバ）内のインクのレベルと共に（静電）容量が変わる検出コンデンサーを備えている。該センサーは、該検出コンデンサーに電圧Vpを印加するためのスイッチT2を備えており、電圧Vpが印加されると、該検出コンデンサー上に電荷が置かれる。別のスイッチT3によって、検出コンデンサーと基準コンデンサー間で電荷が共有され、この結果、基準電圧Vgが生じる。評価用トランジスタは、該基準電圧に比例するドレイン−ソース間抵抗（値）を提供するように構成されている。
【０００９】
別の実施形態では、インクレベルセンサーは、ノードM1とグランド（接地）間に検出コンデンサーを備えている。スイッチT2は、電圧VpをM1に結合して、該検出コンデンサーを充電し、スイッチT3は、M1をM2に結合して、該検出コンデンサーと基準コンデンサー間で電荷が共有されるようにし、これによって、M2に電圧Vgが生じる。該センサーは、ドレイン、M2に結合されているゲート、及び、グランド（接地）に結合されているソースを有するトランジスタT4を備えている。電流源は、該ドレインに電流を注入し、実行可能モジュールは、該ドレインで測定された電圧Vidに基づいて、該ドレインと該トランジスタのソース間の抵抗（値）を計算する。
【００１０】
１実施形態では、インクレベルを検出する方法は、プリチャージ電圧Vpを検出コンデンサーに印加して、該検出コンデンサーを電荷Q1で充電することを含む。その後、電荷Q1は、該検出コンデンサーと基準コンデンサー間で共有され、これによって、評価トランジスタのゲートに基準電圧Vgが生じる。該方法は、次に、該トランジスタのゲートにおけるVgから生じる該トランジスタのドレインとソース間の抵抗を決定する。
【００１１】
別の実施形態では、インクレベルを検出する方法は、記憶ノードM1において検出コンデンサーに電荷を配置することを含む。次に、該M1ノードは、第２の記憶ノードM2に結合されて、該電荷が、該検出コンデンサーと基準コンデンサー間で共有される。共有された電荷は、M1、M2、及びトランジスタのゲートに基準電圧Vgを生じさせる。次に、該トランジスタのドレインとソース間の抵抗（値）が決定され、該抵抗（値）は、ある基準電圧と比較されて、インクレベルが決定される。
【００１２】
例示的な実施形態
図１は、本開示の１実施形態にしたがう、本明細書に開示されているインクレベルセンサーを組み込むのに適したインクジェット印刷システム１００として具現化されている流体噴射装置を示している。この実施形態では、流体噴射アセンブリは、流体滴噴射プリントヘッド１１４として開示されている。インクジェット印刷システム１００は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、インク供給アセンブリ１０４、搭載アセンブリ１０６、媒体搬送アセンブリ１０８、電子プリンターコントローラ１１０、及び、インクジェット印刷システム１００の種々の電気的構成要素に電力を供給する少なくとも１つの電源１１２を備えている。インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、印刷媒体１１８に印刷するために、複数のオリフィスすなわちノズル１１６を通じて、印刷媒体１１８に向けてインク滴を噴射する少なくとも１つの流体噴射アセンブリ１１４（プリントヘッド）を備えている。印刷媒体１１８を、紙、カード用紙、透明フィルム（OHPフィルムなど）、ポリエステル、合板、フォームボード（foam board：発泡板）、布地、キャンバスなどの、任意のタイプの適切なシート状物質やロール材とすることができる。ノズル１１６は、典型的には、１以上の列すなわちアレイをなすように配置され、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２と印刷媒体１１８が相対移動する際に、ノズル１１６から適切な順番でインクを噴射することにより、文字、記号、及び／又は他の図形あるいは画像を印刷媒体１１８上に印刷するようになっている。
【００１３】
インク供給アセンブリ１０４は、プリントヘッドアセンブリ１０２に流体インクを供給し、また、インクを格納するためのリザーバ１２０を備えている。インクはリザーバ１２０からインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２へ流れる。インク供給アセンブリ１０４及びインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、一方向インク配送システムと循環式インク配送システムのいずれかを形成することができる。一方向インク配送システムの場合、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に供給されるインクは実質的に全て、印刷中に消費される。一方、循環式インク配送システムの場合は、プリントヘッドアセンブリ１０２に供給されるインクは、そのうちの一部だけが、印刷中に消費される。印刷中に消費されなかったインクは、インク供給アセンブリ１０４へ戻される。
【００１４】
１実施形態では、インク供給アセンブリ１０４は、インクを、インク調節アセンブリ１０５を通じて、正圧下で、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２へと、供給管などのインターフェース接続を介して供給する。インク供給アセンブリ１０４は、たとえば、リザーバ、ポンプ及び圧力調整器を備えている。インク調節アセンブリ１０５における調節には、フィルタリング、予熱、圧力サージ吸収、及びガス抜きを含めることができる。インクは、負圧下で、プリントヘッドアセンブリ１０２からインク供給アセンブリ１０４へと取り出される。プリントヘッドアセンブリ１０２の入口と出口間の圧力差は、ノズル１１６に適切な背圧を確立するように選択され、通常は、H2Oの−１と−１０の間の負圧である。インク供給アセンブリ１０４のリザーバ１２０は、取り外し、交換、及び／又は補充をすることができる。
【００１５】
搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して位置決めし、媒体搬送アセンブリ１０８は、印刷媒体１１８をインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して位置決めする。したがって、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２と印刷媒体１１８との間の領域には、ノズル１１６の近くに印刷ゾーン１２２が画定される。１実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は走査型プリントヘッドアセンブリである。その場合、搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して移動させて、印刷媒体１１８を走査するためのキャリッジを有する。他の実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は非走査型プリントヘッドアセンブリである。その場合、搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して所定の位置に固定する。したがって、媒体搬送アセンブリ１０８は、印刷媒体１１８をインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して位置決めする。
【００１６】
電子プリンターコントローラ１１０は、典型的には、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、搭載アセンブリ１０６、及び媒体搬送アセンブリ１０８と通信し、これらを制御するためのプロセッサ、ファームウェア、ソフトウェア、揮発性及び不揮発性の記憶要素（記憶装置の構成要素）を含む１以上の記憶要素、及びその他のプリンター電子回路を含む。電子コントローラ１１０は、コンピュータ等のホストシステムからデータ１２４を受信し、データ１２４を記憶装置に一時的に格納する。データ１２４は、典型的には、電子、赤外線、光その他による情報伝送経路を介してインクジェット印刷システム１００に伝送される。データ１２４は、たとえば、印刷すべき文書及び／又はファイルを表す。したがって、データ１２４は、インクジェット印刷システム１００に対する印刷ジョブを形成し、及び、１以上の印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータを含む。
【００１７】
１実施形態では、電子プリンターコントローラ１１０は、ノズル１１６からインク滴を噴射させるために、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を制御する。したがって、電子コントローラ１１０は、文字、記号、及び／または他の図形あるいは画像を印刷媒体１１８上に形成する噴射インク滴のパターンを画定する。噴射インク滴のパターンは、印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータによってデータ１２４から決定される。１実施形態では、電子コントローラ１１０は、プリンターの特定用途向け集積回路（ASIC）１２６、及び、ASIC１２６またはコントローラ１１０で実行可能な抵抗検知ファームウェアモジュール１２８を備える。プリンターASIC１２６は、電流源１３０及びアナログ-デジタル変換器（ADC）１３２を備える。ASIC１２６は、電流源１３０に現れている電圧を変換して抵抗（値）を求めることができ、次に、ADC１３２を用いて対応するデジタル抵抗値を求めることができる。抵抗検知モジュール１２８によって実施されるプログラム可能なアルゴリズムは、かかる抵抗値の決定、及び、その後の、ADC１３２によるデジタル変換を可能にする。
【００１８】
説明している実施形態では、インクジェット印刷システム１００は、本明細書に開示されているインクレベルセンサーを実施するのに適したサーマルインクジェット（TIJ）プリントヘッド１１４を有するドロップオンデマンドサーマルインクジェット印刷システムである。１実施例では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、単一のTIJプリントヘッド１１４を備えている。別の実施例では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、ワイドアレイのTIJプリントヘッド１１４を備えている。TIJプリントヘッドに関連する製造プロセスは、インクレベルセンサーの組み込みに好適であるが、圧電プリントヘッドなどの他のプリントヘッドタイプも、そのようなインクレベルセンサーを実施することができる。したがって、開示されているインクレベルセンサーは、TIJプリントヘッド１１４における実施には限定されない。
【００１９】
図２は、本開示の１実施形態による、シリコンダイ基板２０２中に形成された単一の流体スロット２００を有するTIJプリントヘッド１１４の一方の端部の底面図である。プリントヘッド１１４は単一の流体スロット２００を有するものとして図示されているが、本明細書に開示されている原理の適用例は、１つのスロット２００のみを有するプリントヘッドには限定されず、２つ以上のインクスロットを有するプリントヘッドなどの他のプリントヘッド構成も可能である。図３を参照して後述するように、TIJプリントヘッド１１４では、基板２０２は、流体室（流体チャンバ）２０４を有するチャンバ層と、ノズル１１６が内部に形成されているノズル層の下にある。しかしながら、説明の便宜上、下にある基板２０２を見せるために、図２のチャンバ層及びノズル層は透明であると想定されている。このため、図２の室２０４は、破線を用いて示されている。流体スロット２００は、基板２０２中に形成された細長いスロットであって、該スロットの両側に沿って配置された流体滴発生器３００（図３）を有している（流体滴発生器は液滴発生器ともいう）。流体スロット２００は、流体リザーバ１２０などの流体供給部（不図示）と流体連絡している。
【００２０】
図３は、本開示の１実施形態による、流体滴発生器３００の１例の断面図である。各流体滴発生器３００は、ノズル１１６、流体室２０４、及び流体室２０４内に配置されている噴射要素３０２を備えている。ノズル１１６は、ノズル層３１０内に形成されており、流体スロット２００の側部に沿ってノズル列を形成するように全体的に配置されている。噴射要素３０２は、シリコン基板２０２の上面上の絶縁層（たとえば、ポリシリコンガラス：PSG（polysilicon glass））３０４上の金属プレートないし金属板（たとえば、タンタル−アルミニウム：TaAl）から形成された熱抵抗器である。噴射要素３０２を覆う（または該噴射要素３０２の上にある）パッシベーション層３０６は、噴射要素を室２０４内のインクから保護し、及び、崩壊する気泡の衝撃を吸収するための機械的パッシベーションまたは保護用のキャビテーションバリア（cavitation barrier）構造として作用する。チャンバ層３０８は、壁、及び、基板２０２をノズル層３１０から分離する室（チャンバ）２０４を有している。
【００２１】
動作中、流体滴（または液滴。以下同じ）が、対応するノズル１１６を通って室２０４から噴射され、その後、室２０４は、流体スロット２００からの循環する流体で再充填される。より具体的には、電流が抵抗噴射要素（抵抗噴射素子ともいう）３０２を流れ、これによって該要素が急速に加熱される。噴射要素３０２の上にあるパッシベーション層３０６に隣接する流体の薄い層は、過熱されて気化し、これによって、対応する噴射室（噴射チャンバともいう）２０４内に気泡（蒸気泡）が生成される。急速に膨張する気泡は、流体滴を対応するノズル１１６の外に押し出す。加熱要素が冷えると、該気泡は急速に崩壊して、流体スロット２００から噴射室２０４内へとより多くの流体が引き込まれ、これによって、ノズル１１６から別の流体滴を噴射する準備が整う。
【００２２】
流体滴発生器３００に加えて、図２を再度参照すると、TIJプリントヘッド１１４は、１以上のプリントヘッド一体型インクレベルセンサー２０６を備えている。インクレベルセンサー２０６は、一般に、検出構造２０８、及び、プリントヘッド１１４に一体化されているインクレベルセンサー回路２１０を備えている。しかしながら、インクレベルセンサー２０６は、さらに、電流源１３０、及び、プリントヘッド１１４には一体化されていない、プリンターASIC１２６からのアナログ−デジタル変換器（ADC）１３２を組み込んでいる。代わりに、プリンターASIC１２６は、たとえば、プリンターシステム１００のプリンターカートリッジまたは電子コントローラに配置される。インクレベルセンサー回路２１０は、検出構造２０８内からの検出コンデンサー（Csense）２１２を組み込んでいる。検出構造２０８及びインクレベルセンサー回路２１０を、典型的な液滴発生器３００が配置される任意の位置において、インクスロット２００に沿ったプリントヘッド基板上に配置することができる。検出構造２０８及びインクレベルセンサー回路２１０については、図４及び図５を参照してより詳細に後述する。
【００２３】
図４は、本開示の１実施形態による、検出構造２０８の１例の断面図である。検出構造２０８は、一般に、典型的な流体滴発生器３００と同様のやり方で構成されるが、検出構造２０８は、検出構造２０８の室（チャンバ）から残留インクを除去するために使用される（図２に示す）クリア用抵抗（clearing resistor）２１４などの追加の特徴を備えることができる。したがって、典型的な流体滴発生器３００と同様に、検出構造２０８は、ノズル１１６、流体室２０４、流体室２０４内に配置された金属プレート噴射要素３０２などの導電要素（導体素子）、噴射要素３０２を覆うパッシべーション層３０６、及び、シリコン基板２０２の上面上の絶縁層３０４（たとえば、ポリシリコンガラス：PSG）を備える。
【００２４】
検出構造２０８内には、検出コンデンサー（Csense）２１２が、金属プレート要素３０２、パッシベーション層３０６、及び室２０４の物質もしくは内容物によって形成されている。検出コンデンサー２１２の（静電容量の）値は、室２０４内の物質が変わると変化する。室２０４内の物質を、全てインクとすることも、インクと空気とすることも、空気だけとすることもできる。したがって、検出コンデンサー２１２の値は、室２０４内のインクのレベルとともに変化する。インクが室２０４内に存在しているときは、検出コンデンサー２１２はグランド（接地）に対して良好なコンダクタンスを有するため、（静電）容量値は最大（たとえば１００％）である。しかしながら、室２０４内にインクがない（すなわち、空気だけが存在する）ときは、検出コンデンサー２１２の容量値は非常に小さい値に下がり、理想的にはゼロに近い。室２０４内にインクと空気が含まれているときには、検出コンデンサー２１２の容量値はゼロと１００％の間のどこかにある。検出コンデンサー２１２の変化する値を用いて、インクレベルセンサー回路２１０は、インクレベルを決定することができる。一般に、室２０４内のインクレベルは、プリンターシステム１００のリザーバ１２０内のインクのレベルを示す。いくつかの実施形態では、センサー回路２１０でインクレベルを測定する前に、（図２に示されている）クリア用抵抗２１４を用いて、検出構造２０８の室（チャンバ）から残留インクを除去する。その後、インクがリザーバ１２０内に存在する限り、インクは該室内へと環流して、正確なインクレベルの測定を可能にする。
【００２５】
図５は、本開示の１実施形態による、プリントヘッド１１４を駆動するために使用することができる同期化されたデータ及び噴射信号を有するオーバーラップしないクロック信号（S1〜S3）を有するタイミング図の一部５００の１例を示している（あるいは、該オーバーラップしないクロック信号に同期したデータ及び噴射信号を用いて、プリントヘッド１１４を駆動することができる）。図６を参照して後述するように、タイミンズ図５００中のクロック信号は、インクレベルセンサー回路２１０を動作させるためにも使用される。
【００２６】
図６は、本開示の１実施形態による、インクレベルセンサー回路２１０の１例を示している。一般に、センサー回路２１０は、電荷共有メカニズムを利用して、室（チャンバ）内のインクのそれぞれ異なるレベルを決定する。センサー回路２１０は、スイッチとして構成された２つの第１のトランジスタT1（T1a、T1b）を備えている。図５及び図６を参照すると、センサー回路２１０の動作中、第１のステップにおいて、クロックパルスS1を用いて、トランジスタスイッチT1a及びT1bを閉じ、これによって、記憶ノードM1及びM2をグランド（接地）に結合して、検出コンデンサー２１２及び基準コンデンサー６００を放電させる。基準コンデンサー６００は、ノードM2とグランドの間の（静電）容量である。この実施形態では、基準コンデンサー６００は、評価用トランジスタT4の固有のゲート容量として実施され、したがって、破線を用いて示されている。基準コンデンサー６００はさらに、ゲート−ソース間オーバーラップ容量などの関連する寄生容量を含んでいるが、T4のゲート容量が、基準コンデンサー６００の支配的な容量である。トランジスタT4のゲート容量を基準コンデンサー６００として用いて、ノードM2とグランド間に形成される特定の基準コンデンサーを排除することによって、センサー回路２１０内のコンポーネントの数が少なくなる。しかしながら、他の実施形態では、M2からグランドまでに形成される特定のコンデンサーを（T4の固有のゲート容量に加えて）含めることによって、基準コンデンサー６００の値を調整することが有益でありうる。
【００２７】
第２のステップでは、S1クロックパルスは終了して、T1a及びT1bスイッチが開く。T1スイッチが開くとすぐに、S2クロックパルスを用いてトランジスタスイッチT2を閉じる。T2が閉じると、ノードM1は（たとえば、約＋１５ボルトの）プリチャージ電圧Vpに結合され、電荷Q1が、Q1＝（Csense）×Vpという式にしたがって検出コンデンサー２１２の両端間に配置される。この時点で、M2ノードはゼロ電位に維持される。なぜなら、S3クロックパルスはオフだからである。第３のステップでは、S2クロックパルスは終了して、T2トランジスタスイッチが開く。T2スイッチが開くとすぐに、S3クロックパルスはトランジスタスイッチT3を閉じ、これによって、ノードM1とM2が互いに結合して、検出コンデンサー２１２と基準コンデンサー６００の間で電荷Q1が共有される。検出コンデンサー２１２と基準コンデンサー６００の間の共有された電荷Q1によって、以下の式にしたがって、ノードM2に（したがって、また、評価用トランジスタT4のゲートに）基準電圧Vgが生じる。
Vg＝（Csense／（Csense＋Cref））×Vp
【００２８】
別のサイクルが、記憶ノードM1及びM2を接地するクロックパルスS1で開始するまで、VgはM2に留まる。M2におけるVgが、評価用トランジスタT4をオンにし、これは、ID（トランジスタT4のドレイン）における測定を可能にする。この実施形態では、トランジスタT4は、抵抗値がゲート電圧Vg（すなわち基準電圧）に比例する抵抗器として動作する線形動作モードにあるようにバイアスされていることが想定されている。ドレイン−（グランドに結合されている）ソース間のT4の抵抗は、IDにわずかな電流（すなわち、約１ミリアンペアの電流）を流すことによって決定される。IDは、プリンターASIC１２６内の電流源１３０などの電流源に結合される。IDに電流源（からの電流）が印加されると、IDにおける電圧（VID）が測定される。コントローラ１１０またはASIC１２６で実行されるRsenseモジュール（抵抗検知モジュール）１２８などのファームウェアは、該電流及びVIDを用いて、VIDを、T4トランジスタのドレイン−ソース間の抵抗値Rdsに変換することができる。その後、プリンターASIC１２６内のADC１３２は、該抵抗値Rdsについて対応するデジタル値を決定する。抵抗値Rdsは、トランジスタT4の特性に基づいて、Vgの値に関する推測を可能にする。上記のVgに関する式から、Vgの値に基づいて、Csenseの値を見い出すことができる。次に、Csenseの値に基づいて、インクのレベルを決定することができる。
【００２９】
抵抗値Rdsが決定されると、種々のやり方を用いてインクレベルを求めることができる。たとえば、測定されたRds値を、Rdsの基準値、または、特定のインクレベルに関連することが実験的に決定されているRds値のテーブル（中のRds値）と比較することができる。インクがない（すなわち「ドライ（乾燥）」信号）か、または、インクレベルが非常に低い場合には、検出コンデンサー２１２の値は非常に小さい。これは、（約１．７ボルトという）非常に小さいVgを生じ、評価用トランジスタT4はオフであるか、または、ほとんどオフ状態にある（すなわち、T4は、動作を停止しているか、または、サブスレッショルド動作領域にある）。したがって、T4を通るIDからグランドまでの抵抗値Rdsは非常に大きいであろう（たとえば、ID電流は１．２ミリアンペアで、Rdsは典型的には１２キロオームより大きい）。逆に、インクレベルが高い（すなわち「ウェット（湿っている）」信号）場合には、検出コンデンサー２１２の値は、該コンデンサーの値の１００％に近く、その結果、Vgの大きな値（約３．５ボルト）が生じる。したがって、抵抗値Rdsは小さい。たとえば、インクレベルが高い場合には、Rdsは１キロオームより小さく、典型的には、数百オームである。
【００３０】
図７は、本開示の１実施形態による検出構造２０８の１例の断面図であり、検出コンデンサー２１２と、検出コンデンサー２１２の一部を形成する金属プレート３０２の下にある固有寄生容量Cp1（７００）との両方が示されている。固有寄生容量Cp1 ７００は、金属プレート３０２、絶縁層３０４、及び基板２０２によって形成される。上述したように、インクレベルセンサー２０６は、検出コンデンサー２１２の容量値に基づいてインクレベルを決定する。しかしながら、電圧（すなわちVp）が金属プレート３０２に印加されると、検出コンデンサー２１２が充電され、Cp1 ７００も充電される。このため、寄生容量Cp1 ７００は、検出コンデンサー２１２について決定された容量の約２０％に寄与しうる。この割合は、絶縁層３０４の厚さ、及び、絶縁材料の誘電率に依存して変わるだろう。しかしながら、「ドライ」状態（すなわち、インクがない場合）において寄生容量Cp1 ７００に残存している電荷は、評価用トランジスタT4をオンにするのに十分である。したがって、寄生容量Cp1 ７００は、ドライ／ウェット信号を希釈する（該信号の効果を弱める）。
【００３１】
図８は、本開示の１実施形態による、寄生除去要素８００を含む検出構造２０８の１例の断面図である。寄生除去要素は、寄生容量Cp1 ７００の影響を除去するように構成ないし設計されたポリシリコン層（polysilicon layer）などの導電層８００である。この構成では、電圧（すなわちVp）が金属プレート３０２に印加されると、該電圧は導電層８００にも印加される。これは、検出コンデンサー２１２の容量の決定からCp1 ７００を効果的に除去／分離するように、Cp1 ７００に電荷が発生するのを防止する。Cp2、すなわち、要素８０２は、寄生除去要素８００（導電性ポリ層８００。または導電性の合成樹脂層）に起因する固有容量である。Cp2 ８０２は、寄生除去要素８００の充電速度を遅くするが、Cp1 ７００の除去／分離には何も影響を与えない。なぜなら、要素８００には十分な充電時間が提供されるからである。
【００３２】
図９は、本開示の１実施形態による、寄生除去回路９００を有するインクレベルセンサー回路２１０の１例を示す。図９において、寄生容量Cp1 ７００は、金属プレート３０２（ノードM1）と導電層８００（ノードMp）の間に結合されている。図８及び図９を参照すると、寄生除去回路９００を有するインクレベルセンサー回路２１０は、図５のタイミング図５００に示されているようなオーバーラップしないクロック信号によって駆動される。第１のステップにおいて、クロックパルスS1を用いて、トランジスタスイッチT1a、T1b及びTp1を閉じる。スイッチT1a、T1b及びTp1が閉じると、記憶ノードM1、M2及びMpがグランド（接地）に結合されて、検出コンデンサー（Csense）２１２、基準コンデンサー（Cref）６００、及び寄生コンデンサー（Cp1）７００が放電する。第２のステップにおいて、S1クロックパルスが終了し、T1a、T1b及びTp1スイッチが開く。T1a、T1b及びTp1スイッチが開くとすぐに、S2クロックパルスを用いてトランジスタスイッチT2及びTp2を閉じる。T2及びTp2が閉じると、ノードM1とMpがそれぞれプリチャージ電圧Vpに結合される。これによって、検出コンデンサー（Csense）２１２の両端に電荷Q1が配置される。しかしながら、ノードM1とMpは同じ電位Vpにあるので、寄生コンデンサー（Cp1）７００には電荷は生成されない。
【００３３】
この場合、インクレベルセンサー回路２１０は、図６に関して上述したように動作を継続する。したがって、第３のステップにおいて、S2クロックパルスが終了し、T2及びTp2トランジスタスイッチが開く。T2及びTp2スイッチが開くとすぐに、S3クロックパルスがトランジスタスイッチT3及びTp3を閉じる。スイッチT3が閉じると、ノードM1とM2が結合して、検出コンデンサー２１２と基準コンデンサー６００間で電荷Q1が共有される。検出コンデンサー２１２と基準コンデンサー６００間で共有された電荷Q1によって、ノードM2に（したがって、また、評価用トランジスタT4のゲートに）基準電圧Vgが生じる。スイッチTp3が閉じると、寄生コンデンサー（Cp1）７００はグランドに結合される。S3クロックパルスが発生している間、Cp1 ７００上の寄生電荷は放電され、評価用トランジスタT4で評価されることになる検出コンデンサー２１２（の容量）だけが残される。寄生コンデンサー（Cp1）７００の影響は除去されるので、ドライ信号に関して、T4をオンにすることへの寄生容量の寄与は大きく低減される。
【００３４】
図１０は、本開示の１実施形態による、インクレベルを検出する方法１０００の１例のフローチャートである。方法１０００は、図１〜図９を参照して説明した上記の実施形態に関連する。方法１０００は、プリチャージ電圧Vpを検出コンデンサーに印加して、検出コンデンサーを電荷Qで充電するブロック１００２から開始する。Vpを検出コンデンサーに印加することは、スイッチT2を閉じることによってVpを第１の記憶ノードM1に結合することを含む。別の実施形態では、Vpを印加することは、VpをノードMpに印加して、M1とMp間の寄生コンデンサーが充電されるの防止することをさらに含む。
【００３５】
方法１０００のステップ１００４において、電荷Q1は、検出コンデンサーと基準コンデンサーの間で共有され、これによって、評価用トランジスタのゲートに基準電圧Vgが生じる。電荷Q1を共有することは、T2を開いて、Vpを検出コンデンサーから切り離すこと、及び、スイッチT3を閉じて検出コンデンサーを基準コンデンサーに結合することを含む。この共有によって、M1が第２の記憶ノードM2に結合されて、検出コンデンサーと基準コンデンサー間で電荷が共有される。この共有された電荷によって、M1、M2及び該トランジスタのゲートに基準電圧Vgが生じる。
【００３６】
方法１０００は、Vgに起因する評価用トランジスタのドレイン−ソース間の抵抗値を決定するステップ１００６に進む。該抵抗値は、該トランジスタのドレインに電流を流して、該トランジスタのドレインにおける電圧Vidを測定し、該電流及びVidから該抵抗値を計算するためのアルゴリズムを実行し、及び、該抵抗値をデジタル値に変換することによって決定される。
【００３７】
方法１０００のステップ１００８において、インクレベルが、該抵抗値を、予め決められている関連するインクレベルを有する抵抗値のグループ（中の抵抗値）と比較することによって決定される。方法１０００のステップ１０１０において、プリチャージ電圧Vpを印加する前に、検出コンデンサー及び基準コンデンサーが放電される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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