(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項２】
前記記録素子の駆動に応じて電圧が変化する前記記録素子と前記駆動素子との間の電圧変化領域に対して、前記検出電極は離れて位置することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項３】
前記検出電極は、前記記録素子の複数に対して共通に備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項４】
前記検出電極は、前記インクジェット記録ヘッド用基板上における複数の前記記録素子の全てに対して共通に備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項５】
前記容量結合が大きい部分は、前記記録素子上に位置する前記保護膜の薄い部分であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項６】
前記記録素子は、前記インク中に気泡を発生させることによって、前記インクを吐出させる発熱素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項７】
前記保護膜は、前記インク中の気泡の消泡時に発生するキャビテーションの衝撃を抑える耐キャビテーション膜を含むことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項８】
前記耐キャビテーション膜は、前記記録素子の所定数毎に分離されていることを特徴とする請求項７に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項９】
前記保護膜における前記記録素子上の部分は、他の部分よりも単位面積当たりの静電容量が大きく設定され、
前記記録素子上における前記保護膜の部分の上に、前記耐キャビテーション膜が形成された
ことを特徴とする請求項７または８に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項１０】
前記保護膜は、前記記録素子上の部分が他の部分よりも薄く形成されたことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項１１】
前記インクジェット記録ヘッド用基板上に、複数の前記記録素子を選択的に駆動するための制御回路が構成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載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インクジェット記録ヘッド。
【請求項１３】
前記耐キャビテーション膜は、前記ノズル毎に対応させて分離されていることを特徴とする請求項１２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１４】
前記天板は、前記インクジェット記録ヘッド用基板と結合することによって、前記ノズルの複数に連通する共通液室を構成し、
前記検出電極の少なくとも一部は前記共通液室内に位置することを特徴とする請求項１２または１３に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１５】
請求項１２から１４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを用いて、被記録媒体に画像の記録が可能であることを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【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
【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】
0004447723.tif 000009
【図９】
0004447723.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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