(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリントヘッドであって、
ノズルと
流体チャネルと、
前記チャネル内に配置されたセンサープレートと、
前記センサープレートに結合されて、流体が該センサープレートを通過する流体移動イベント中に前記チャネル内の流体のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定回路
を備え、
前記インピーダンス測定回路が、
検出抵抗と、
前記検出抵抗を流れる電流をサンプリングするための出力サンプルホールド
を備えることからなる、プリントヘッド。
【請求項２】
前記インピーダンス測定回路は、前記センサープレートを流れる電流を生じさせるための被制御電圧源と前記センサープレートに印加される電圧を生じさせるための被制御電流源とからなるグループから選択される、請求項１のプリントヘッド。
【請求項３】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
入力レジスタと、
前記入力レジスタから入力コードを受け取って、前記電圧源をバイアスするバイアス電圧を提供するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）
を備えることからなる、請求項２のプリントヘッド。
【請求項４】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
前記ＤＡＣからのバイアス電圧をサンプリングして、該バイアス電圧を前記電圧源に加えるための入力サンプルホールド
を備えることからなる、請求項３のプリントヘッド。
【請求項５】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
スイッチであって、閉じた位置では、前記電圧源がバイアスされている間、前記センサープレートを短絡し、開いた位置では、前記センサープレートに前記電圧源からの電圧を加えるための該スイッチを備えることからなる、請求項３のプリントヘッド。
【請求項６】
前記インピーダンス測定回路がさらに、前記検出抵抗を流れる前記電流をデジタル値に変換するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を備えることからなる、請求項１〜５のいずれかのプリントヘッド。
【請求項７】
前記インピーダンス測定回路がさらに、前記デジタル値を格納するための出力レジスタを備えることからなる、請求項６のプリントヘッド。
【請求項８】
前記インピーダンス測定回路がさらに、前記流体移動イベントを開始するための状態機械を備えることからなる、請求項１〜７のいずれかのプリントヘッド。
【請求項９】
前記流体移動イベントは、前記ノズルを通して流体を噴射する噴射イベントと、前記流体チャネルから流体を押し出すプライミングイベントとからなるグループから選択される、請求項１〜８のいずれかのプリントヘッド。
【請求項１０】
ノズルを流体スロットに流体的に結合する流体チャネルと、
インピーダンス測定回路
を備えるプリントヘッドであって、
前記インピーダンス測定回路が、
前記チャネル内に配置されたセンサープレートと、
検出抵抗と、
前記センサープレート及び前記検出抵抗を流れる電流を生じさせるための被制御電圧源と、
流体移動イベント中に、前記検出抵抗を流れる電流の電流値を測定して保持するためのサンプルホールド増幅器
を備えることからなる、プリントヘッド。
【請求項１１】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
前記電流値をデジタル値に変換するためのＡＤＣと、
前記デジタル値を格納するための出力レジスタ
を備えることからなる、請求項１０のプリントヘッド。
【請求項１２】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
入力コードを提供するための入力レジスタと、
前記入力コードをバイアス電圧に変換するためのＤＡＣと、
前記ＤＡＣからのバイアス電圧をサンプリングして、該バイアス電圧を前記被制御電圧源に加えるための入力サンプルホールド増幅器
を備えることからなる、請求項１０または１１のプリントヘッド。
【請求項１３】
前記インピーダンス測定回路がさらに、
スイッチであって、閉じた位置では、前記電圧源がバイアスされている間、前記センサープレートを短絡し、開いた位置では、前記センサープレートに前記電圧源からの電圧を加えるための該スイッチを備えることからなる、請求項１０〜１２のいずれかのプリントヘッド。
【請求項１４】
前記インピーダンス測定回路がさらに、前記スイッチ、前記サンプルホールド増幅器、前記ＤＡＣ、及び前記ＡＤＣを制御するための状態機械を備えることからなる、請求項１１を引用する請求項１２をさらに引用する請求項１３のプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
種々の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（インク量またはインク面レベル）を正確に検出することは、多くの理由から望ましい。たとえば、インクの正確なレベルを検出して、１つの流体カートリッジ内に残っている該レベルに対応するインク量の指標を提供することによって、プリンターのユーザーは、消耗したインクカートリッジを交換する準備をすることが可能になる。正確なインクレベルの指標は、インクの浪費を回避するのにも役立つ。なぜなら、インクレベルの指標が不正確だと、まだインクが残っているインクカートリッジを早まって交換してしまうことが多いからである。さらに、印刷システムは、不十分な供給レベルに起因して生じうる低品質の印刷を防止するのに役立つ所定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ことができる。
【０００２】
リザーバすなわち流体室（流体チャンバ）内の流体のレベル（流体の量もしくは液面レベル。以下同じ）を決定するために利用できる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】（補充可能性あり）
【図面の簡単な説明】
【０００４】
以下、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
【図１】センサープレートのインピーダンスを測定する流体レベルセンサーを有する流体噴射装置を実施するのに適したインクジェット印刷システムの１例を示す。
【図２】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例示的なTIJプリントヘッドの一方の端部の底面図である。
【図３】例示的な流体滴発生器の断面図である。
【図４】流体移動イベント中にインクがセンサープレートの上を後退させられるときのいくつかの異なる段階にある例示的なＭＥＭＳ構造の部分上面図及び部分側面図である。
【図５】例示的なインピーダンス測定／センサー回路の高レベルブロック図を示す。
【図６】センサープレートを流れる電流を誘起するための電圧源を有する例示的なインピーダンス測定／センサー回路の高レベルブロック図を示す。
【図７】センサープレートに印加される電圧を誘起するための電流源を有する例示的なインピーダンス測定／センサー回路の高レベルブロック図を示す。
【図８】インクレベルセンサーの１例をブラックボックス要素として示した図である。
【図９】ある範囲の入力刺激にわたる、ドライ応答曲線、ウェット応答曲線、及び差曲線の例を示す。
【図１０】弱いドライ応答曲線、弱いウェット応答曲線、及び弱い差曲線の例を示す。
【図１１】弱いウェット応答曲線及び弱いドライ応答曲線に影響を与えるプロセス及び環境の変化の例を示す。
【図１２】図１１からのウェットとドライの差（ウェット−ドライ）信号を重ねて表示した図であり、刺激に対して該差がプロットされており、プロセス及び環境によって引き起こされたシフト（変化）の例を示している。
【図１３】刺激の代わりに応答に基づく差信号曲線の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
概観
上記したように、リザーバすなわち流体室内の流体のレベルを決定するために利用できる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、リザーバ内の流体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（またはインク残量。以下同じ）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流体レベルインジケータとして流体の導電率を使用する。しかしながら、流体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。
【０００６】
本明細書に開示されている例示的なプリントヘッドは、従来のインクレベル検出技術を改良する流体／インクレベルセンサーを提供する。プリントヘッド流体／インクレベルセンサーは、一般に、インピーダンス測定／センサー回路を有するプリントヘッドＭＥＭＳ構造の１以上の流体要素（流体素子）を組み込んでいる。ＭＥＭＳ構造の該流体要素は、ある種の試験室（テストチャンバ）として機能する流体チャネルを備えている。流体チャネルは、インクリザーバ内のインクの利用可能性に対応するインクレベルを有する。回路は、該チャネル内に配置された１以上のセンサー（すなわち、センサープレート）を備え、センサープレートからグランド（アース）までの該チャネル内のインクのインピーダンスを測定することによって該チャネル内のインクのレベルまたは存在を測定する。インクのインピーダンスは空気のインピーダンスよりもはるかに小さいので、該インピーダンス測定回路は、インクが該センサーに接触しているか否かを検出する。該インピーダンス測定回路はまた、残留インクの小さな膜が該センサー上に残っている（存在する）か否かを検出する。該インピーダンスは、残留インクの膜の断面積が小さくなるにつれて大きくなる。該回路を最適な動作点にバイアスするために、バイアスアルゴリズムが印刷システムにおいて実行される。該回路がバイアスされる該動作点は、ドライインク状態（すなわち、インクが存在しない状態）とウェットインク状態（すなわち、インクが存在する状態）の間の最大出力差信号を可能にする（すなわち差信号の最大化を可能にする）。プリントヘッドノズルからのインク滴の噴射／吐出やインクによるプリントヘッドのプライミングなどの異なる流体移動イベントによって、流体チャネル内のインクに背圧がかかる。該背圧によって、インクをノズルから引き出して、センサープレートの上を該チャネルを通して引き戻すことができ、これによって、該プレートが空気にさらされて、該プレートのインピーダンス（プレートインピーダンス）に測定可能な変化が引き起こされる。インピーダンス測定／センサー回路を、たとえば、該プレートを流れる測定可能な電流を生じさせる被制御電圧源（出力電圧を制御可能な電圧源）として、または、該プレートに（たとえば該プレートの両端間に）電圧応答を生じさせる電流を生じる被制御電流源（出力電流を制御可能な電流源）として実施することができる。
【０００７】
被制御電圧源が該インピーダンス測定回路内に実装されているときは、センサープレートを流れる誘起された電流は、検出抵抗（器）によって測定されて、該プレートがウェット（ウェットは、流体チャネル内にインクがあることを示す）であるか、ドライ（ドライは、流体チャネル内に空気が存在することを示す）であるかの指標を提供する。バイアスアルゴリズムは、最適な動作点への該電圧源のバイアスを実行し、この最適な動作点では、微弱信号状態におけるウェットプレート状態とドライプレート状態間でセンサープレート（及び検出抵抗）の最大差電流応答が引き起こされる。被制御電流源が該インピーダンス測定回路内に実装されているときは、該プレートに（たとえば該プレートの両端間に）かかる誘起された電圧は、該プレートがウェットであるかドライであるかの（被制御電圧源と）類似の指標を提供する。バイアスアルゴリズムは、最適な動作点への該電流源のバイアスを実行し、この最適な動作点では、センサープレートに供給される電流の量によって、微弱信号状態におけるウェットプレート状態とドライプレート状態間の該プレートの最大差電圧応答が引き起こされる。
【０００８】
開示されているプリントヘッド及びインピーダンス測定／検出回路は、ＭＥＭＳ構造（たとえば、流体チャネル及びインク室）に残ったくずや破片による汚染に対する高い耐性を含む利点を有する流体レベルセンサーを可能にする。汚染に対するこの高い耐性は、ウェット状態とドライ状態の正確な流体レベル指標を提供するのに役立つ。また、流体レベルセンサーのコストは、既存のサーマルインクジェットプリントヘッドに配置される回路及びＭＥＭＳ構造を使用するがゆえに抑えられる。インピーダンス測定／検出回路のサイズ（大きさ）は、数個（たとえば２〜３個）のインクジェットノズルの空間に該回路を配置可能な程度のものである。
【０００９】
１例では、プリントヘッドは、ノズル、流体チャネル、及び該流体チャネル内に配置されたセンサープレートを備える。プリントヘッドはまた、該センサープレートに結合されて、流体が該センサープレートを通過する流体移動イベント中に該チャネル内の流体のインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定回路を備える。
【００１０】
別の例では、プリントヘッドは、ノズルを流体供給スロットに流体的に（流体連絡可能に）結合する流体チャネルを備える。プリントヘッドに一体化されたインピーダンス測定回路は、該チャネル内に配置されたセンサープレートと、該センサープレート及び検出抵抗を流れる電流を生じさせるための被制御電圧源を備える。インピーダンス測定回路内のサンプルホールド増幅器は、インク滴の噴射やインクプライミングイベントなどの流体移動イベント中に検出抵抗を流れる誘起された電流の電流値を測定してホールド（保持）する。
【００１１】
例示的な実施形態
図１は、センサープレートのインピーダンスを測定する流体レベルセンサーを有する流体噴射装置を実施するのに適した例示的なインクジェット印刷システム１００を示している。この例では、流体噴射装置は、インクジェットプリントヘッド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１１４）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（カンバス）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とが互いに相対的に移動する際に、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／又は他の図形もしくは画像を印刷媒体１１８上に印刷するようになっている。
【００１２】
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では、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では、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に戻される。
【００１３】
いくつかの例では、インク供給アセンブリ１０４は、インクを、（インクのフィルタリング、予熱、圧力サージ吸収、ガス抜きなどのための）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。したがって、インク供給アセンブリ１０４はまた、１以上のポンプ及び圧力調整器（不図示）を備えることができる。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へと引き込まれる。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の約−１と約−１０の間の負圧である。しかしながら、（たとえば、リザーバ１２０における）インク供給が耐用期限（寿命）の終わりに近づくにつれて、印刷（すなわちインク滴の噴射）またはプライミング動作中に加えられる背圧が上昇する。この上昇した背圧の強さは、インクメニスカスをノズル１１６から後退させて、ＭＥＭＳ構造の流体チャネルを通じて引き戻すのに十分なものである。プリントヘッド１１４上のインクレベルセンサー２０６（図２）は、そのような流体移動イベント中に正確なインクレベル指標を提供するインピーダンス測定／センサー回路を備えている。
【００１４】
いくつかの例では、リザーバ１２０は、印刷処理で使用される（異なる色もしくはインク、前処理用組成物、定着液などの）他の適切な流体を供給する複数のリザーバを備えることができる。いくつかの例では、リザーバ内の流体を、印刷用流体以外の流体とすることができる。１例では、プリントヘッドアセンブリ１０２とインク供給アセンブリ１０４は、インクジェットカートリッジまたはペン（不図示）内に共に収容される。インクジェットカートリッジは、カートリッジ本体内にそれ自体の流体供給部を含むことができ、または、たとえば、チューブ（管）を通じて該カートリッジに接続された流体リザーバ１２０などの外部の供給部から流体を受け取ることができる。それ自体の流体供給部を含むインクジェットカートリッジは、一般に、該流体供給部（の流体）が空になると使い捨て可能である。
【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の近くにまたは隣接して印刷ゾーン１２２が画定される。１例では、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備える。他の例では、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し、一方、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と通信し及びこれらを制御するためのプロセッサ（ＣＰＵ）１１１、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１１３、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、コンピュータなどのホストシステムからデータ１２４を受信し、データ１２４をメモリ（記憶装置）１１３に一時的に格納する。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実施例では、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／または他の図形もしくは画像を印刷媒体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、データ１２４からの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決定される。１例では、電子コントローラ１１０は、プロセッサ１１１で実行可能な命令を有するバイアスアルゴリズム１２６をメモリ１１３内に含む。バイアスアルゴリズム１２６は、インクレベルセンサー２０６（図２）を制御し、及び、ウェット状態（すなわち、インクが存在するとき）とドライ状態（すなわち、空気が存在するとき）間で、センサー２０６から最大の電圧応答差が生じる最適な動作／バイアス点を決定するために実行される。電子コントローラ１１０はさらに、プロセッサ１１１で実行可能な命令を有する測定モジュール１２８をメモリ１１３内に備えている。最適なバイアス点が決定された後で、測定モジュール１２８が実行され、これによって、インクレベルセンサー２０６を制御する測定サイクルが開始されて、測定された時間（この時間は、ドライ状態がＭＥＭＳ構造の流体チャネル内で持続している時間である）に基づいてインクレベルが決定される。
【００１８】
説明している例では、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、開示されている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ず、圧電プリントヘッドなどの他の流体噴射装置における使用にも適している。
【００１９】
図２は、シリコンダイ基板２０２中に形成された単一の流体／インク供給スロット２００を有する例示的な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ない。２つ以上の流体スロットを有するプリントヘッドや流体チャネル及び流体室にインクをもたらすために種々の大きさの穴を使用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。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、流体リザーバ１２０などの流体供給部と流体連絡（すなわち流体が行き来できるように）している。流体スロット２００は、流体室２０４及びノズル１１６を含む該スロットの両側に沿って配置された流体滴発生器３００を有している（流体滴発生器は液滴発生器ともいう）。図３を参照して後述するように、基板２０２は、流体室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では、室２０４及びノズル１１６は破線を用いて示されている。
【００２０】
スロット２００の両側に沿って配置された流体滴発生器３００に加えて、TIJプリントヘッド１１４は、１以上の流体（インク）レベルセンサー２０６を備えている。流体レベルセンサー２０６は、一般に、プリントヘッド１１４上のＭＥＭＳ構造の１以上の要素、及び、インピーダンス測定／センサー回路２０８を組み込んでいる。ＭＥＭＳ構造は、たとえば、流体スロット２００、流体チャネル２１０、流体室２０４、及びノズル１１６を備えている。
【００２１】
インピーダンス測定／センサー回路２０８は、流体チャネル２１０のフロア（底面）もしくは壁などの流体チャネル２１０内に配置されたセンサープレート２１２を備えている。インピーダンス測定／センサー回路２０８はまた、センサープレート２１２にインピーダンスを生じさせるためのソース要素（供給要素）５０４（図５）及びインピーダンスを測定するための検出要素を一般的に備える他の回路２１４を組み込んでいる。別の実施例では、ソース要素は、電圧源及び電流源を備えることができる。検出要素は、たとえば、緩衝増幅器（バッファアンプ）、サンプルホールド増幅器、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）、及びその他の測定回路を備えることができる。センサープレート２１２は、たとえばタンタルから形成された金属プレート（金属板）である。ＡＤＣや測定回路などの他の回路２１４の一部は、その全てが基板２０２上の一つの場所にはなくてもよく、基板２０２上の異なる位置に分散していてもよい。流体センサー２０６及びインピーダンス測定／センサー回路２０８については、図５〜図１３に関してより詳細に後述する。
【００２２】
図３は、例示的な流体滴発生器３００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内に配置された噴射要素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、リンケイ酸ガラス（PSG：phosphosilicate glass））３０４上の金属プレート（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、該噴射要素を室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、基板２０２をノズル層３１０から分離する室（チャンバ）２０４及び壁を有している。
【００２３】
印刷中、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（または該要素３０２を覆っている）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。該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。
【００２４】
図４は、インク滴の噴射中やインクプライミング動作中などの流体移動イベント中に、インクがセンサープレートの上を引き戻されるときのいくつかの異なる段階における例示的なＭＥＭＳ構造の部分上面図及び部分側面図である。上記したように、流体レベルセンサー２０６は、一般に、流体チャネル２１０、流体室２０４、及び専用のセンサーノズル１１６などのＭＥＭＳ構造の要素を備えている。流体レベルセンサー２０６はまた、流体チャネル２１０の底面や壁などの流体チャネル２１０内に配置されたセンサープレート２１２を組み込んでいるインピーダンス測定／センサー回路２０８を備えている。インピーダンス測定／センサー回路２０８は、インク滴の噴射やインクプライミング動作などの流体移動イベント中に流体チャネル内にどの程度流体（インク）が存在するかしないかを検出するように動作する。リザーバ１２０におけるインク供給が耐用期限（寿命）の終わりに近づくと、インクメニスカスがノズル１１６から流体チャネル２１０を通って引き戻され（または後退させられ）、これによって、センサープレート２１２が空気にされることになるのに十分なほど、印刷またはプライミング動作中に加えられる背圧が強くなる。図４の（ａ）は、インク４００が、室２０４を満たしており、ノズル１１６内にインクメニスカス４０２を形成している通常状態を示している。この状態では、センサープレート２１２は流体チャネル２１０を満たしているインクで覆われているので、センサープレート２１２はウェット状態にある。プライミング動作中、または、通常のインク滴噴射による印刷動作中は、ある背圧が流体チャネル２１０内のインクに加えられ、これによって、図４の（ｂ）に示すように、インクメニスカス４０２が、ノズルから後退させられて、該チャネル内へと引き戻される。リザーバ１２０におけるインク供給が耐用期限（寿命）の終わりに近づくと、この背圧が上昇し、チャネル２１０及びノズル１１６へとインクが流れるのに要する時間も長くなる。図４の（ｃ）に示すように、上昇した背圧は、センサープレート２１２がノズル１１６を通じて引き込まれた空気にさらされるのに十分なほどインクメニスカスをチャネル２１０中へと引き戻す。センサープレート２１２は、リザーバに残っているインクの量及び生じた背圧の大きさに依存して、ノズル１１６を通って引き込まれつつある空気に多かれ少なかれさらされる。後述するように、センサー回路２０８は、空気にさらされたセンサープレート２１２を用いて、インク供給の耐用期限（寿命）の終わりの近くにおける正確なインクレベルを決定する。
【００２５】
図５は、例示的なインピーダンス測定／センサー回路２０８の高レベルのブロック図である。上記したように、インピーダンス測定／センサー回路２０８は、流体チャネル２１０内に配置されたセンサープレート２１２、センサープレート２１２に（たとえば該プレート２１２の両端間に）インピーダンスを生じさせるためのソース要素５０４を備えている。図６に示されているように、１例では、ソース要素５０４は、センサープレート２１２に結合されて、該プレート２１２及び検出抵抗６００を流れる電流を生じさせるための電圧源５０４を備えている。この例では、検出抵抗６００を通る電流を測定して、センサープレート２１２のインピーダンスを決定する。別の例では、図７に示されているように、ソース要素５０４は、センサープレート２１２に結合されて、センサープレート２１２に（たとえば該プレート２１２の両端間に）かかる電圧を生じさせるための電流源５０４を備えている。この例では、センサープレート２１２に印加されている電圧を測定して、センサープレート２１２のインピーダンスを決定する。
【００２６】
インピーダンス測定／センサー回路２０８は、センサープレート２１２及びソース要素５０４に加えて、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）５００、入力Ｓ＆Ｈ（入力サンプルアンドホールド要素）５０２、スイッチ５０６、出力Ｓ＆Ｈ（出力サンプルホールド要素）５０８、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）５１０、状態機械（ステートマシン）５１２、クロック５１４、及び、レジスタ0xD0〜0xD6（５１６）などの複数のレジスタといった他の構成要素を備えている。インピーダンス測定／センサー回路２０８の動作は、スイッチ５０６が閉じてセンサープレート２１２を短絡している間に、ソース要素５０４をＤＡＣ５００及び入力Ｓ＆Ｈ ５０２で構成ないし設定する（すなわちバイアスする）ことから開始する。より詳細に後述するバイアスアルゴリズム１２６が、コントローラ１１０で実行されて、レジスタ0xD2に与えるための刺激（入力コード）を決定する。該刺激は、ＤＡＣ ５００から最適なバイアス電圧が出力されるようにするものであり、ソース要素５０４は、この最適なバイアス電圧でバイアスされる。
【００２７】
ソース要素５０４がバイアスされた後で、測定モジュール１２８が、コントローラ１１０で実行されて、流体レベル測定サイクルを開始する。この測定サイクルの間、測定モジュール１２８は、状態機械５１２を用いてインピーダンス測定回路２０８を制御する。測定時間になると、状態機械５１２は、回路２０８を準備し、測定を行い、該回路をアイドル状態に戻すといういくつかの段階中を１段階ずつ回路２０８を進めることによって該測定を調整する。最初のステップにおいて、状態機械５１２が、たとえば、ライン５１８に信号を置くことによって、流体移動イベントを開始する。流体移動イベントは、ノズル１１６からインクを吐出または噴射して、該ノズル及び室２０４からインクを除去し、及び、流体チャネル２１０内に背圧スパイクを生成する。状態機械５１２は、次に、ある遅延時間（遅延期間）を提供する。この遅延時間は可変であるが、典型的には、約２マイクロ秒〜約３２マイクロ秒の間継続する。
【００２８】
この遅延時間の後、第１の回路準備段階において、スイッチ５０６を開く。図６を参照すると、スイッチ５０６が開くと、電圧源５０４はセンサープレート２１２に結合される。加えられた電圧源５０４（の電圧）は、センサープレート２１２を覆っているインクのインピーダンスに応じて、該プレート２１２及び検出抵抗６００を流れる電流を生じさせる。より具体的には、プレート２１２（の両端間）にかかる電圧Ｖoutは、次の関係に基づく。
Ｖout＝Ｖdd−ID（Ｒs＋Ｒp）
【００２９】
ここで、Ｖddは、供給電圧であり、IDは、ＤＡＣ ５００からのバイアス電圧Ｖgs（すなわち６０２のゲート−ソース間電圧）によって制御されるトランジスタのドレインに流れる電流である。回路２０８内の電圧は、図５〜図７においてアース（接地）記号５２０で示されているグランド（接地）を基準としている。図７を参照すると、スイッチ５０６が開くと、電流源５０４がセンサープレート２１２に結合されて、電流源５０４からの電流が該プレート２１２に加えられる。該プレートのインピーダンスに加えられた電流、及び、（インクが存在する場合の）関連する該プレートにおけるインクの電気化学、または、（インクが存在しない場合の）関連する空気の電気化学によって、該プレート及びその化学系に電圧応答が生じる。流体チャネル２１０が完全にドライ状態の場合は、該インピーダンスは主に容量性であろう。流体が存在する場合は、該インピーダンスは、実数と虚数の時間変化成分の両方でありうる。電流源５０４から供給される電流は次の関係に基づく。
Ｉα（Ｖgs−Ｖｔ）２
【００３０】
ここで、ＶgsはＤＡＣ ５００からのバイアス電圧である。Ｖgsは、ゲート−ソース間電圧であり、Ｖｔは、電流源５０４の電流生成トランジスタのゲート閾値電圧であり、該ＤＡＣの電圧は該トランジスタに印加される。
【００３１】
第２の回路準備段階において、状態機械５１２が、スイッチ５０６を開いて、第２の遅延時間（この遅延時間も約２〜約３２マイクロ秒の間継続する）を提供する。該第２の遅延の後、状態機械５１２は、出力Ｓ＆Ｈ増幅器５０８に、アナログ応答をサンプリング（すなわち測定）させる。図６を参照すると、出力Ｓ＆Ｈ増幅器５０８は、検出抵抗（Ｒs）６００に流れる電流の値をサンプリングして該値をホールド（保持）する。図７を参照すると、出力Ｓ＆Ｈ増幅器５０８は、センサープレート２１２における電圧の値をサンプリングして該値をホールド（保持）する。これらの両方の例において、状態機械５１２は、次に、ＡＤＣ５１０による変換を開始し、この変換によって、サンプリングされたアナログ応答値が、レジスタ0xD6に格納されるデジタル値（デジタル応答値）に変換される。該レジスタは、測定モジュール１２８が該レジスタ（に格納されているデータ）を読み取るまで該デジタル応答値を保持する。回路２０８は、次に、別の測定サイクルが開始されるまでアイドルモード（アイドル状態）にされる。
【００３２】
測定モジュール１２８は、デジタル化された該デジタル応答値をRdetect閾値と比較して、該センサープレートがドライ状態にあるか否かを判定する。測定された応答がRdetect閾値を超えている場合には、ドライ状態が存在し、そうでなければ、ウェット状態が存在する（Rdetect閾値の計算については後述する）。ドライ状態が検出されたことは、センサープレート２１２が空気にさらされるのに十分な程度に流体チャネル内２１０内のインクが背圧によって引き戻されていることを示している。追加の測定サイクルを通じて、ドライ状態が持続した（すなわち、該センサープレートが空気にさらされた）時間の長さが測定され、該時間の長さを用いてドライ状態を生成している背圧の大きさを補間する（補間によって求める）。背圧は、インク供給の耐用期限の終わりの近くにおいて（または該期限の終わりに近づくにつれて）予測可能に上昇するので、インクレベルの正確な決定を行うことができる。
【００３３】
上記したように、バイアスアルゴリズム１２６は、コントローラ１１０で実行されて、ソース要素５０４をバイアスするための、ＤＡＣ５００からの最適なバイアス電圧を決定する。バイアスアルゴリズム１２６は、バイアス電圧を決定する一方で、流体レベルセンサー２０６（すなわち、インピーダンス測定回路２０８及びＭＥＭＳ構造）を制御する。バイアスアルゴリズム１２６から見れば、図８に示すように、流体レベルセンサー２０６は、入力または刺激を受けて出力または応答を提供するブラックボックス要素である。入力電圧は、インピーダンス測定回路２０８のレジスタ0xD2に与えられる０〜２５５（８ビット）の数値（入力コード）を用いて設定される。レジスタ0xD2に入力された数値またはコードは、ＤＡＣ ５００に与えられる刺激であり、該ＤＡＣから出力されるアナログ電圧は、その刺激に１０ｍＶを乗じたものである。したがって、ソース要素５０４をバイアスするために利用できるＤＡＣ５００からのアナログバイアス電圧の範囲は、０〜２．５５Ｖである。インピーダンス測定回路２０８からの出力または応答は、８ビットレジスタ0xD6に格納されているデジタルコード（デジタル符号）である。
【００３４】
バイアスアルゴリズムは、入力コードと出力コード間のインピーダンス測定回路２０８の刺激対応答関係を用いて、センサープレート２１２がウェットである（すなわち、インクが、ＭＥＭＳ流体チャネル２１０内に存在して、該プレートを覆っている）ときと、センサープレート２１２がドライである（すなわち、インクがＭＥＭＳ流体チャネル２１０から引き戻されて（ないし後退させられて）、空気が該プレートを取り囲んでいる）ときとの間で、最適な出力デルタ信号（すなわち最大応答電圧）を提供する。図９に示すように、刺激（入力コード）が最小のプリチャージ電圧カウント値から最大のプリチャージ電圧カウント値まで（すなわち、０から２５５まで、つまり、ＳminからＳmaxまで）走査される（移動させられる）と、応答（出力コード）は、３つの異なる領域、すなわち、オフ領域、活性領域、及び飽和領域を経る応答波形を生成する。これらの３つの領域は共に、くずれ気味の「Ｓ」の形状を形成する。図９は、入力刺激のこの範囲にわたる、ドライ応答曲線９００、ウェット応答曲線９０２、及び、該ウェット応答曲線と該ドライ応答曲線の差を示す差曲線９０４を示している。図９の応答曲線は、それらの応答が強い好適な状態を示している。一般に、最大の信号差（すなわち、最大の差応答曲線）は、センサープレート２１２が、チャネル一杯のインクで完全にウェット状態にあるときと、センサープレート２１２が該チャネル内の空気と最大限に接触して完全にドライ状態にあるときの間に生じる。
【００３５】
流体／インクが存在するときと存在しないときとで（すなわち、ウェット状態とドライ状態とで）応答曲線は変わるが、ＭＥＭＳ構造内に伝導性もしくは導電性のくずないし破片やインク残留物などの汚染物がほとんど存在しないかまたは全く存在しないときに、その変化はより大きい。したがって、図９の強い応答曲線によって示されているように、応答は最初は強い。しかしながら、時間が経つにつれて、ＭＥＭＳ構造は、流体チャネル及び流体室内のインク残留物で汚染される場合があり、具体的には、ドライ応答が弱まって、ウェット応答に近づく。汚染物は、ドライ状態においてドライ応答を弱める伝導もしくは導電状態を生じさせ、これによって、ドライ応答とウェット応答の差が小さくなる。図１０は、弱いドライ応答曲線１０００、弱いウェット応答曲線１００２、及び弱い差応答曲線１００４の例を示しており、この場合、ＭＥＭＳ構造内の汚染物の存在などの好ましくない状態によってそれらの応答が弱められている。図１０からわかるように、弱いウェット応答曲線と弱いドライ応答曲線との差は、図９の強い応答曲線で示されている差よりもずっと小さい。図９に示されている強い差曲線９０４は、容易に評価ないし判断することができる、ウェット状態とドライ状態との間のはっきりとした相違ないし区別を提供している。しかしながら、弱い応答状態の下では、ウェット状態とドライ状態の相違を見出す（すなわち、それらの状態を区別する）ことは、それらの間の差が小さいためにより難しくなっている。バイアスアルゴリズム１２６は、（図１０に示されている）弱い応答差曲線１００４における差の最適な点を見つける。該最適な点において、流体／インクレベル測定は、ウェット状態とドライ状態との間の最大の応答を提供する。
【００３６】
図１１（a.1、a.2、a.3、b.1、b.2、b.3、c.1、c.2、c.3）は、製造プロセス、供給電圧及び温度（これらプロセス、電圧及び温度をＰＶ＆Ｔという）などのプロセス及び環境条件の違いに応じた、弱いドライ応答曲線１１００、弱いウェット応答曲線１１０２、及び、それらの差の例を示している。図１１のa.1、a.2、及びa.3は、プロセス条件が最悪（Ｗ）で、供給電圧が５．５Ｖで、温度が摂氏１５度（これらは、それらの図において「W;5.5V;15C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。図１１のb.1、b.2、及びb.3は、プロセス条件が最良（Ｂ）で、供給電圧が４．５Ｖで、温度が摂氏１１０度（これらは、それらの図において「B;4.5V;110C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。図１１のc.1、c.2、及びc.3は、プロセス条件が典型的（Ｔ）で、供給電圧が５．０Ｖで、温度が摂氏６０度（これらは、それらの図において「T;5.0V;60C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。いくつかの場合では、応答曲線の活性領域は、ＰＶ＆Ｔの変化に起因してその傾きが変わる。他の場合では、応答曲線の活性領域は、該領域が、オフ領域内の前の方から開始するか後の方から開始するかというようにその配置がシフト（または変化）する。図１１のa.1〜a.3、b.1〜b.3、及びc.1〜c.3におけるドライ及びウェット応答曲線は、ＰＶ＆Ｔ条件の変化によって生じうるそのような傾き及び開始点の変化を示している。図１１のa.1〜a.3、b.1〜b.3、及びc.1〜c.3における差曲線１１０４は、該入力刺激範囲に対する及びＰＶ＆Ｔ条件の変化に対するウェット応答曲線とドライ応答曲線との差を示している。
【００３７】
図１２は、刺激に対してプロットされたドライ応答とウェット応答の差の例を示している。図１１に示されている差曲線１１０４を重ねて図１２が作成されている。これは、差曲線のピークの高さ、差曲線の開始部分（アプローチ）及び減衰部分の勾配、差曲線に沿った刺激軸の中心の配置がすべて、ＰＶ＆Ｔに応じて変わることを例示することを意図したものである。
【００３８】
図１３は、本開示の１実施形態による、ウェット応答に対してプロットされた複合差曲線の１例１３００を示している。差曲線の基準を、刺激ではなく応答に対してシフトする（すなわち変える）ことによって、ＰＶ＆Ｔの相違からの分離（独立性）の尺度が得られる。バイアスアルゴリズム１２６は、差が小さい場合に、ウェット状態とドライ状態の間の最大のインクレベル測定応答を提供する最適な差位置がどこにあるかという解を見つける。したがって、その解は、ＰＶ＆Ｔのそのような変化に対して耐性があり、かつ、可能なかぎり大きなマージン（余裕）を提供するはずのものである。したがって、図１３に示されているように、差曲線１１０４を、入力刺激の関数ではなく、ウェット応答曲線１１０２の関数として見ることによって、ＰＶ＆Ｔによる変化（またはＰＶ＆Ｔの変化）の大部分を除去することができる。これは、プロセス、電圧及び温度（ＰＶ＆Ｔ）によって、所与の刺激に対する出力値が大きく変化するからである。しかしながら、ドライ状態（インクなし）とウェット状態（インクあり）との間の差は、ＰＶ＆Ｔによってそれほど変化しないので、この差を用いて、ＰＶ＆Ｔによって引き起こされる変化の大部分を除去することができる。差曲線の複合体は、全てのプロセス及び環境（ＰＶ＆Ｔ）条件にわたって決定された多くの差曲線を重ね合わせることによって形成された領域を取り囲んでいる。したがって、該複合差曲線の上にある領域は、ＰＶ＆Ｔ条件の影響を受けない存在可能な信号応答領域を表している。複合差曲線の中心は、ドライ状態とウェット状態間の出力応答値（たとえば電圧応答）を最大にするピーク応答（Ｒpeak）を実現するために、インクレベル測定がなされるべき位置（場所）を表している。Ｒpeak応答の位置は、最小のウェット応答Ｒminと最大のウェット応答Ｒmax間の距離（または長さ）に対する割合として表される。したがって、複合差曲線１３００におけるＲpeakの位置はＲpd%と呼ばれる。さらに、１つの測定サイクル中において、位置Ｒpd%における複合差曲線１３００のピークの高さは、ドライ状態が存在するときに予期される（ＲminとＲmax間の距離（長さ）に対する割合としての）最小差（Ｄmin%と呼ぶ場合がある）を表している。
【００３９】
バイアスアルゴリズム１２６は、複合差曲線１３００のＲpd%に配置されているピーク応答Ｒpeakを生じる入力刺激値Ｓpeakを決定する。該アルゴリズムは、レジスタ0xD2に最小刺激（Ｓmin）を入力し、応答をサンプリングしてレジスタ0xD6に格納する。該アルゴリズムはまた、レジスタ0xD2に最大刺激（Smax）を入力し、応答をサンプリングしてレジスタ0xD6に格納する。レジスタ0xD6内のこれらの２つの値は、応答の両極端のそれぞれの値、すなわち、ＲminとＲmaxである。この場合、ピーク応答値Ｒpeakを、次のように計算することができる。
Ｒpeak＝Ｒmin＋（Ｒpd%×（Ｒmax−Ｒmin））
【００４０】
さらに、対応する刺激値Ｓpeakを、種々のアプローチによって見いだすことができる。刺激を、たとえば、ＳminからＳmaxへと走査（移動）させて、応答がＲpeakに達したときに止めることができる。別のアプローチは、二分探索を使用することである。ピーク応答Ｒpeakを生じる刺激値Ｓpeakは、インピーダンス測定回路２０８内のソース要素５０４を最適にバイアスすることによって、センサープレート２１２においてドライプレート状態とウェットプレート状態間の最大の応答を測定できるようにするためにレジスタ0xD2に与えられる入力コードである。
【００４１】
上記したように、ある１つの測定サイクルにおいて、測定モジュール１２８は、センサープレート２１２に印加された測定された応答電圧とＲdetect閾値を比較することによって、センサープレート２１２がドライ状態にあるか否かを判定することができる。測定された応答がＲdetectを超えている場合にはドライ状態が存在し、そうでない場合にはウェット状態が存在する。Ｒdetect閾値は、次の式によって計算される。
Ｒdetect＝Ｒpeak＋（（Ｒmax−Ｒmin）×（Ｄmin%／２））
【００４２】
応答電圧において予期される最小差Ｄmin%は、ドライ状態の場合とウェット状態の場合の間でノイズマージンを共有するために分割される（すなわち２で割られる）。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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