JP6552692B2 - 素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置 - Google Patents

Description

本発明は素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置に関し、特に、インク等の液体を吐出するために発熱素子（ヒータ）を備えた素子基板、その素子基板を有する液体吐出ヘッド、及びその液体吐出ヘッドを用いる記録装置に関する。

ノズルからインク液滴を吐出させ、紙，プラスチックフィルムその他の記録媒体に付着させるインクジェット記録方式の中で、インクを吐出するために熱エネルギーを発生するヒータを有する液体吐出ヘッドを用いるものがある。この方式に従う液体吐出ヘッドは、例えば、通電に応じて発熱する電気熱変換素子およびその駆動回路などを半導体製造工程と同様の工程を用いて形成できる。従って、ノズルの高密度実装が容易であり記録の高精細化が達成できるなどの利点を有する。

この液体吐出ヘッドでは、異物や粘度が増加したインク等によるノズルの目詰まり、インク供給経路やノズル内に混入した気泡又はノズル表面の濡れ性の変化などの原因により、液体吐出ヘッドの全部または一部のノズルでインク吐出不良が発生することがある。そのような吐出不良が発生した場合に生じる画像品位の低下を避けるために、インク吐出状態を回復させる回復動作や、他のノズルなどによる補完動作を速やかに実行することが好ましい。しかし、これらの動作を速やかに行うためには、インク吐出状態の判定やその吐出不良発生の判定を正確にかつ適時に行うことが極めて重要な課題となっている。

従って、従来からも、種々のインク吐出状態判定方法やこれらを適用した装置が提案されている。

特許文献１は、インク吐出状態を検出するために、ヒータ直下に備えた温度検知素子により検知したインク吐出時の最高温度と予め定めた閾値と比較する方法を開示している。インクが正常に吐出され時はヒータの熱が吐出されるインク滴とともに排出されるのに対し、インク吐出不良時はインクが吐出されないため、熱が層間絶縁膜に溜まり、最高温度が高くなる。従って、この最高温度の違いからインク吐出状態を検出することができる。

また、特許文献２は吐出不良を検出するために、正常吐出時に生じる温度低下を検出する方法を開示している。正常吐出時は吐出されるインク液滴の一部が耐キャビテーション膜に接触し、温度検知素子の温度が急激に低下する。これに対して、インク吐出不良時はインク液滴が耐キャビテーション膜に接触することはないので、温度検知素子の温度は穏やかに低下する。従って、この温度変化の違いから吐出状態を検出することができる。

特開２００７−２９０３６１号公報 特開２００８−０００９１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示される吐出状態判定方法では、最高到達温度が液体吐出ヘッドの温度、印加エネルギー、温度検知素子の抵抗値の違いなどによって変化するため、それぞれの条件に応じた判定閾値が必要になる。

また、特許文献２に開示される構成では、温度の急激な低下を検出するために、検知温度を微分処理などの複数の演算処理を実行して温度変化のピークを目立たせているため、判定までの処理に時間がかかるという問題がある。さらに、その演算のために回路規模が大きくなる。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、より簡単な構成で、インク等の液体の吐出状態の判定を正確に実行可能な素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明の素子基板は次のような構成を有する。

即ち、基板と、前記基板に設けられた電気熱変換素子と、前記基板と前記電気熱変換素子との間に配された絶縁膜と、前記絶縁膜の内部に配され、前記基板の面に直交する方向から見て少なくとも一部が前記電気熱変換素子と重複する位置に設けられた温度検知素子と、を有する素子基板において、前記絶縁膜の内部に配され、前記温度検知素子と電気的に接続された配線であって、前記温度検知素子の前記基板の側の面と接し、前記基板の側へ向かって延びる第１部分と、前記温度検知素子よりも前記直交する方向において前記基板の側に位置し、前記基板の面に沿って延びる第２部分と、を備える前記配線を有することを特徴とする。

また本発明を別の側面から見れば、上記構成の素子基板を有し、前記電気熱変換素子の発熱によって液体を吐出する液体吐出ヘッドを備える。

さらに本発明を別の側面から見れば、そのような構成の液体吐出ヘッドを用いて記録を行う記録装置であって、前記温度検知素子に電流を供給する電流供給源と、前記電流供給源から供給された電流が前記温度検知素子に流れることで得られる前記温度検知素子からの出力電圧に基づいて、液体が正常に吐出されるか、吐出不良が生じるかを判定する判定手段とを有することを特徴とする記録装置を備える。

またさらに本発明を別の側面から見れば、そのような構成の液体吐出ヘッドを用いて記録を行う記録装置であって、フレキシブルケーブルと、前記フレキシブルケーブルを介して前記温度検知素子に電流を供給し、前記フレキシブルケーブルを介して前記温度検知素子からの出力電圧を受信可能である本体部とを有することを特徴とする記録装置を備える。

従って本発明によれば、簡単な構成で液体の吐出状態の判定を正確に行うことができるという効果がある。

本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録装置の主要機構部分を示す斜視図である。 温度検知素子を備えるインクジェット液体吐出ヘッドの基板（ヒータボード）の一部を示す模式的平面図と、そのａ−ａ’線に沿った模式的断面図である。 図１に示す記録装置を含む記録システムの制御構成を示すブロック図である。 正常にインク吐出が行われている場合と吐出不良が発生した場合のノズル内のインクの状態を示す図である。 正常にインク吐出が行われている場合と吐出不良が発生した場合の温度センサが検出する温度変化を示す図である。 本発明の実施例１に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。 本発明の実施例１に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。 図７に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれにおける２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。 図７に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器からの出力電圧の時間変化を示す図である。 本発明の実施例２に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。 図１０に示す温度検出回路を用い、２つの別個の電流供給源から電流を供給した場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。 図１０に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器からの出力電圧の時間変化を示す図である。 本発明の実施例３に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。 図１３に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。 図１３に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の減算器からの出力電圧の時間変化と参照電圧との関係を示す図である。 本発明の実施例４に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。 本発明の実施例５に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す上面図である。 図１７に示す回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれにおける２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。 図１７に示す回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器からの出力電圧の時間変化を示す図である。 本発明の実施例６に従う液体吐出ヘッドの１つのノズルのインク吐出不良時と正常吐出時の圧力室内のインク充填の有無の様子を示す側断面図である。 本発明の実施例６に従う温度検出素子とヒータの配置構成を示す上面図である。 本発明の実施例７に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。

以下添付図面を参照して本発明の好適な実施例について、さらに具体的かつ詳細に説明する。

なお、この明細書において、「記録」（「プリント」という場合もある）とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わない。さらに人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かも問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、または媒体の加工を行う場合も表すものとする。

また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものも表すものとする。

さらに、「インク」（「液体」と言う場合もある）とは、上記「記録（プリント）」の定義と同様広く解釈されるべきものである。従って、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成または記録媒体の加工、或いはインクの処理（例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固または不溶化）に供され得る液体を表すものとする。

またさらに、「記録素子」とは、特にことわらない限りインク吐出口乃至これに連通する液路及びインク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子を総括して言うものとする。

＜記録装置の説明（図１）＞
まず、以下に説明するいくつかの実施例に共通に適用可能なインクジェット記録装置（以下、記録装置）の構成について説明する。

図１は本発明の代表的な実施例であるインクジェット液体吐出ヘッド（以下、液体吐出ヘッド）を搭載し、インク等の液体を記録媒体に吐出して記録を行う記録装置の主要機構部の概要を示す斜視図である。図１に示されるように、液体吐出ヘッド１はキャリッジ３上に搭載され、キャリッジ３はタイミングベルト４の回転に従ってガイドレール６に沿って矢印Ｓで示す方向に往復移動が可能なように案内支持されている。液体吐出ヘッド１は記録媒体２と対向する面に、キャリッジ３の移動方向と異なる方向に配列されたノズル群を有している。そして、液体吐出ヘッド１を搭載したキャリッジ３が矢印Ｓ方向に往復走査する過程で、液体吐出ヘッド１のノズル群から記録データに従ってインクを吐出させることで、記録媒体２に対する記録が行われる。

液体吐出ヘッド１は複数色のインクを吐出することを考慮して複数個数を設けることができるものであり、例えば、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロ（Ｙ）、及び黒（Ｂｋ）のインクを用いた記録が可能である。液体吐出ヘッド１は、インクが収納されているインクタンクを分離可能または分離不能に一体に備えるものであってもよい。また、装置の固定部位に設けたインクタンクからチューブ等を介してインク供給を受けるものであってもよい。キャリッジ３には、フレキシブルケーブル８およびコネクタを介して各液体吐出ヘッド１に駆動信号等を伝達するための電気接続部が設けられている。

また、図１には示されていないが、液体吐出ヘッドの移動範囲であって記録媒体２に対する記録範囲外には、液体吐出ヘッドのノズルのインク吐出動作を良好な状態に維持または回復するために用いられる回復ユニットが設けられる。この回復ユニットは公知の構成のものを採用できる。例えば、液体吐出ヘッドのノズル形成面をキャッピングするキャップや、当該キャッピング状態において負圧を作用させることによりノズルからキャップ内にインクを強制排出させるポンプを備えた構成とすることができる。また、画像の記録には寄与しないインクの吐出（予備吐出）を例えばキャップ内に行わせるものであってもよい。

＜液体吐出ヘッドの構成（図２）＞
図２は温度検知素子を備える液体吐出ヘッドの基板（ヒータボード）の一部を示す模式的平面図とａ−ａ’線に沿った模式的断面図である。

列状に設けられた複数のノズル１０３それぞれよりインクを吐出させるために、駆動パルス信号により電力が供給される。これに応じて電気熱変換素子（以下、ヒータ）１０４が加熱され、例えば、インクに膜沸騰を生じさせることによりインク滴が各ノズルより吐出される。

図２（ａ）の平面図において、１０６はワイヤボンディングにより外部と接続され電力供給を行うための端子、１０５はヒータ１０４と同様の成膜プロセスによりヒータボードに形成された温度検知素子（以下、温度センサともいう）である。また、１０７は共通液室である。

図２（ｂ）の断面図に示すように、ヒータボードを構成するＳｉ基板１０８には、熱酸化膜ＳｉＯ₂等からなる蓄熱層１０９を介して温度に応じて抵抗値が変化する薄膜抵抗体で形成される温度センサ１０５が配置される。温度センサ１０５はＡｌ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，ＡｌＣｕ等からなる。さらに、Ｓｉ基板１０８には、ヒータ１０４に対する個別配線と、ヒータ１０４とこれに選択的に電力供給を行うための制御回路を接続する配線とを含むＡｌ等の配線１１０が形成される。さらに、層間絶縁膜１１１を介してヒータ１０４、ＳｉＮ等のパシベーション膜１１２および耐キャビテーション膜１１３が半導体製造工程と同様のプロセスにて高密度に積層されて配置される。なお、耐キャビテーション膜１１３には、ヒータ１０４上の耐キャビテーション性を高めるためにＴａ等を用いることができる。

以上説明した構造から分かるように、Ｓｉ基板１０８は多層構造をしており、ヒータ１０４が形成される層とは異なる層に温度センサ１０５が形成され、これらの層の間には層間絶縁膜１１１が形成される。また、ここでは説明を簡単にするために、各ヒータ１０４に対応して１つの温度センサが形成される構成としているが、以下に説明する実施例のように１つのヒータに対して２つの温度センサを形成することができる。

＜制御構成（図３）＞
図３は図１に示す記録装置を含む記録システムの制御構成を示すブロック図である。

図３において、１７００はインタフェースであり、ホストコンピュータその他の適宜の形態を有する外部装置１０００から送られてくるコマンドや画像データを含む記録信号を受信する。また、インタフェース１７００から外部装置１０００に対しては、必要に応じて記録装置のステータス情報を送出することができる。１７０１はＭＰＵであり、ＲＯＭ１７０２に記憶された後述する処理手順に対応した制御プログラムや所要のデータに従って記録装置内の各部を制御する。

１７０３は各種データ（上記記録信号や液体吐出ヘッドに供給される記録データ等）を保存するＤＲＡＭである。１７０４は液体吐出ヘッド１に対する記録データの供給制御を行うゲートアレイ（Ｇ．Ａ．）であり、インタフェース１７００、ＭＰＵ１７０１およびＤＲＡＭ１７０３間のデータ転送制御も行う。１７２６は所要のデータを記録装置の電源オフ時にも保存するためのＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリである。

１７０８はキャリッジモータであり、キャリッジ３を図１に示したように矢印方向に往復移動させるために用いられる。１７０９は搬送モータであり、記録媒体２を搬送するために用いられる。１７０５は液体吐出ヘッド１を駆動するヘッドドライバ、１７０６および１７０７はそれぞれ、搬送モータ１７０９およびキャリッジモータ１７０８を駆動するためのモータドライバである。１７１０は回復ユニットであり、上述したキャップや、ポンプ等を備えたものとすることができる。１７２５は操作パネルであり、操作者が記録装置に対して各種設定を行う設定入力部や操作者に対してメッセージを表示する表示部などを有している。１８００は記録媒体の搬送位置などを検出する光学センサである。

各ヒータの温度を検出するためには、端子１０６を通して温度センサに対して電力が供給され、その温度センサの電圧を検出し、これを出力する必要がある。従って、キャリッジ３にはそのような電力を供給する端子と温度センサからの出力電圧を受信する端子が備えられている。さらに、これらの端子を介した電力はフレキシブルケーブル８を介して記録装置本体から供給され、温度センサからの出力電圧はフレキシブルケーブル８を介して記録装置本体に出力される。

そして、記録装置本体では、フレキシブルケーブル８を介して得られた温度情報に基づいて各ノズルからインクが正常に吐出されたか、或いは、吐出不良が発生したかを判定することができる。

＜吐出状態と層間絶縁膜温度の関係＞
本発明が適用される液体吐出ヘッドは、基本的に、インクを吐出するため熱エネルギーを発生する発熱素子（ヒータ）と、その駆動に伴う温度変化を検出する温度検出素子（温度センサ）とを有する。

図４は正常にインク吐出が行われている場合と吐出不良が発生した場合のノズル内のインクの状態を示す図である。特に、図４は吐出状態に伴う耐キャビテーション膜１１３上の状態を示したものである。

図４に示すように、ヒータ１０４を加熱後の経過時間ｔ＝ｔ₁では、インク吐出不良時と正常吐出時共に、耐キャビテーション上は加熱により発生した泡に覆われる。さらに一定時間が経過後のｔ＝ｔ₂では、インク吐出不良時は耐キャビテーション膜の上に泡が残存しているのに対して、正常吐出時はその吐出に伴い発生する吐出されるインク液滴の一部が耐キャビテーション膜の表面に接触する。

図５は正常にインク吐出が行われている場合と吐出不良が発生した場合の温度センサ１０５が検出する温度変化を示す図である。特に、図５は吐出状態における耐キャビテーション膜１１３の表面下の温度変化を示したものである。また、図５におけるｔ＝ｔ₂は図４におけるｔ＝ｔ₂に対応している。

図５によれば、インク吐出不良時は耐キャビテーション膜の表面に常に泡が存在するため急激な温度変化は発生せず穏やかに温度が低下する。一方、インク正常吐出時は、ｔ＝ｔ₂のタイミングで熱がインク側へ移動するため、耐キャビテーション膜の表面の温度は急激に低下する。

次に、以上のような構成の記録装置とインク吐出動作におけるヒータの温度変化の特性を踏まえたインク吐出状態を判定するいくつかの実施例について説明する。

図６は本発明の実施例１に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。

図６（ａ）と図６（ｂ）とに示されるように、この実施例では１つのヒータに対して２つの温度検知素子（温度センサ）１０５Ａ、１０５Ｂを設ける。上述のように薄膜抵抗体として形成される温度検知素子（温度センサ）は一つのヒータ１０４の直下に２つ配置される。これにより、温度変化が異なるヒータ直下の２か所の温度が測定できる。

また、図６（ａ）に示されるように各温度検知素子に接続される配線は層をまたいで、温度検知素子とは別の層の配線１１０と接続される。このように配線を別の層に設けることによって、同じ層にある２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂの間での配線を経由する熱の移動が少なくなり、温度検知素子を配置した場所の温度を正確に測定できる。

また、図６（ｂ）にも例示されるように、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂそれぞれの平面形状は適宜定められる。図６（ｂ）に示す例では、第１の温度検知素子１０５Ａをヒータ１０４の中心におき、第２の温度検知素子１０５Ｂをヒータ１０４の周縁の辺に沿って配置している。

この配置により、耐キャビテーション膜１１３の表面の中心（ヒータ１０４の中心）への吐出されたインク液滴の一部の接触することで生じる中心部の大きな温度変化と、接触が生じない周辺部の小さな温度変化を同時に検知することが可能になる。さらに、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂ共に蛇行させながら配置することにより、素子の高抵抗化を図り、微小な温度変化もより大きな変化として検知することができる。

図７は本発明の実施例１に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。

図６に示した配置から明らかなように、ヒータ１０４の中央の直下に第１の温度検知素子１０５Ａがあり、ヒータ１０４の周辺の直下に第２の温度検知素子１０５Ｂが配置される。そして、各温度検知素子に定電流を流すための電流供給源１２０がＳｉ基板１０８の外部に備えられる。各温度検知素子に電流が流れることで温度変化による抵抗値の変化を電圧として出力できる。そして、各温度検知素子に発生する電圧を各温度検知素子に対応して設けられた差分器１２１、１２２により抽出し、２つの温度検知素子から得られた電圧（Ｖ₁，Ｖ₂）どうしを比較器１２３で比較する。最終的には比較器１２３からの出力電圧Ｖ_outが１つのヒータ１０４の温度情報として出力される。

なお、電流供給源１２０を除く以上のような構成の回路はＳｉ基板１０８に実装される。ただし、このような回路はＳｉ基板１０８上に必ずしも実装されなければならない訳ではなく、Ｓｉ基板１０８の外部、例えば、キャリッジ３内部や記録装置本体の制御回路に実装されても良い。しかしながら、検出された電圧への雑音の混入や信号減衰や外部配線の引き回しなどを考慮すると、Ｓｉ基板１０８に実装することは最良の態様と考えられる。

また、第１、第２の温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂは、ヒータ１０４の直下に配置されると述べたが、これは相対的な位置関係を表わすに過ぎない。従って、Ｓｉ基板１０８を実装した液体吐出ヘッド１がキャリッジ３に搭載されたときには、その取付の位置関係によって第１、第２の温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂはヒータ１０４の直上に配置されると言える場合もある。

さらに、図６では、１つのヒータの領域内に２つの温度検知素子が完全に含まれている例が図示されているが、対応する１つのヒータの温度を検知できる限り、２つの温度検知素子それぞれの一部が１つのヒータの領域内に含まれている配置でも良い。従って、上記の“直下”及び“直上”という用語は、１つのヒータの領域内に２つの温度検知素子が完全に含まれている場合のみならず、これらの一部が含まれている領域に配置される場合も含む。

図８は図７に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれにおける２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂから得られた電圧の時間変化を示す図である。

インク吐出不良時は、第２の温度検知素子１０５Ｂの温度より第２の温度検知素子１０５Ａの温度が常に高い。このため、図８（ａ）に示されるように、第１の温度検知素子の電圧Ｖ₁は第２の温度検知素子の電圧Ｖ₂より大きい。これに対して、時間Ｔ＝Ｔ_k以降での第１の温度検知素子１０５Ａの温度は第２の温度検知素子１０５Ｂの温度よりも低くなる。このため、第１の温度検知素子１０５Ａの電圧Ｖ₁は第２の温度検知素子１０５Ｂの電圧Ｖ₂よりも小さくなる。なお、Ｔ_kは、インク正常吐出時は吐出されたインク液滴の一部が耐キャビテーション膜１１３の中央への接触するタイミングである。

図９は図７に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器からの出力電圧の時間変化を示す図である。

比較器１２３はＶ₂≧Ｖ₁である時にその出力信号Ｖ_outはハイ（Ｈｉｇｈ）レベルとなる。一方、Ｖ₂＜Ｖ₁である時は、Ｖ_outはロー（Ｌｏｗ）レベルとなる。インク吐出不良時は常にＶ₁＞Ｖ₂であるため、比較器１２３からの出力信号Ｖ_outは常にロー（Ｌｏｗ）レベルとなり一定である。一方、インク正常吐出時、発泡時はＶ₁＞Ｖ₂となるため、出力信号Ｖ_outはロー（Ｌｏｗ）レベルとなる。しかしながら、時間Ｔ_k以降では、Ｖ₁＜Ｖ₂となるため、出力信号Ｖ_outはハイ（Ｈｉｇｈ）レベルとなる。なお、Ｔ_kは吐出されたインク液滴が耐キャビテーション膜１１３の中央に接触するタイミングである。

以上説明した実施例によれば、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂからの出力電圧時間変化を監視することにより、インクの正常吐出と吐出不良を判定することができる。なお、記録装置は、比較器１２３からの出力電圧Ｖ_outを１つのヒータ１０４の温度情報として受信する。このため、図９に示されているように、これを所定の閾値Ｖ_thと比較し、その大小関係によりインクの正常吐出と吐出不良を判定する。即ち、時間Ｔ_k以降、Ｖ_out≧Ｖ_thであれば正常吐出と判定する。一方、Ｖ_out＜Ｖ_thであれば吐出不良と判定する。

この実施例では、実施例１で示した温度検出回路を２つの電流供給源を用いて駆動する例について説明する。

図１０は本発明の実施例２に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。

図１０において、図７に示した構成と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明は省略する。図１０と図７とを比較すると明らかなように、この実施例では２つ温度検知素子それぞれに別個の電流供給源１２０Ａ、１２０Ｂを設けるように構成している。従って、この実施例では、各温度検知素子の電流を制御することができる。

図１１は電流供給源により第２の温度検知素子への供給電流を大きくした時の２つの温度検知素子からの出力電圧の時間変化を示す図である。

正常吐出時では、図１１（ｂ）に示すように、第１の温度検知素子１０５Ａの出力電圧Ｖ₁と第２の温度検知素子１０５Ｂの出力電圧Ｖ₂の大小関係は変化していない。しかしながら、第２の温度検知素子により大きな電流を供給し、より大きな電圧Ｖ₂'にすることで、時間Ｔ_k以降でのＶ₁とＶ₂'の大小関係が変化する。このとき、図１１（ａ）に示すように、インク吐出不良時はたとえ電流供給源による電流の調整を行っても、２つの温度検知素子からの出力電圧の大小関係が変わらないようにする。

なお、調整する電流は第１の温度検知素子に対してであっても第２の温度検知素子に対してであっても良い。

図１２は図１０に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器１２３からの出力電圧の時間変化を示す図である。

図１２に示すように、インク正常吐出時では、時間Ｔ_k以降にＶ₁＜Ｖ₂'となるため、比較器１２３の出力信号Ｖ_outはハイ（Ｈｉｇｈ）レベルとなる。一方、インク吐出不良時は常にＶ₁＞Ｖ₂'となるため、出力信号Ｖ_outは常にロー（Ｌｏｗ）レベルとなる。

なお、図１１〜図１２において、Ｔ_kは吐出されたインク液滴が耐キャビテーション膜の中央に接触するタイミングである。

温度検知素子の配置場所や製造バラツキ、吐出現象の変化などが原因で、実施例１の構成ではインク正常吐出時に各温度検知素子からの出力電圧Ｖ₁とＶ₂大小関係が変化しない場合がある。しかしながら、従って以上説明した実施例によれば、そのような場合でも、温度検知素子毎に電流を調整することで、電圧の大小関係を変えることができる。そして、この出力電圧の違いにより、正常吐出と吐出不良を判定することができる。

この実施例では、２つの温度検知素子間の電圧差から、インク吐出状態を検知する例について説明する。

前述のように、インク正常吐出時、ヒータ１０４の中央直下と周辺直下の温度差は吐出されたインク滴の一部が耐キャビテーション膜１１３の表面に接触するため小さくなる。これに対して、インク吐出不良時は、ヒータ１０４の中央と周辺はともに空気が接触しているため、中央直下と周辺直下の温度差は正常吐出時のように小さくならない。この実施例では、この温度差の大きさを検知することによって、インクの吐出状態を検知する。

図１３は本発明の実施例３に従う温度検出回路の構成を示す回路図である。

図１３において、図７に示した構成と同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明は省略する。

図１３に示すように、この実施例では２つの温度検知素子の電圧Ｖ₁とＶ₂との差を参照電圧Ｖ_refと比較する。この実施例では２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂの両端の電位差をＶ₁とＶ₂として抽出する。さらに減算器１２４によりＶ₁−Ｖ₂である電圧Ｖ₃を抽出する。そして、比較器により電圧Ｖ₃と参照電圧Ｖ_refとを比較する。

図１４は図１３に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。

図１４に示すように、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂの出力電圧の大小関係が吐出不良時（図１４（ａ））であっても、正常吐出時（図１４（ｂ））であっても、変化しないときがある。この図に示す例では、インク吐出不良時も正常吐出時もともに、常にＶ₁＞Ｖ₂となっている。しかし、正常吐出時では吐出されたインク液滴の一部が耐キャビテーション膜１１３の表面への接触するタイミングＴ_k以降の時間からＶ₁は大きく低下している。

図１５は図１３に示す温度検出回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の減算器からの出力電圧の時間変化と参照電圧との関係を示す図である。

図１４（ａ）で示したようにインク吐出不良時、Ｖ₁とＶ₂の差がほとんどないため、図１５に示すように、電圧Ｖ₃は大きく変化がしない。これに対して、図１４（ｂ）で示したようにインク正常吐出時、時間Ｔ_k以降、Ｖ₁は大きく低下する。従って、図１５に示すように、電圧Ｖ₃は小さくなる。

従って以上説明した実施例に従えば、予めインク正常吐出時と吐出不良時の電圧Ｖ₃から、これら２つの状態を分ける電圧を参照電圧Ｖ_refとして設定する。そして、この参照電圧と比較した大小関係からインク吐出状態を判定できる。即ち、Ｖ₃＜Ｖ_refであれば正常吐出と判定する。一方、Ｖ₃＞Ｖ_refであれば吐出不良と判定する。

ここでは、２つの温度検知素子はＳｉ基板１０８上の別の層に形成する例について説明する。インク吐出状態に伴う２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂの温度の大小関係の変化は耐キャビテーション膜１１３の表面に対して垂直方向においても存在するので、これら２つの温度検知素子の出力電圧の大小関係からインク吐出状態を判定できる。

図４に示した通り、インク吐出不良時は常に耐キャビテーション膜１１３の表面は熱伝導率の低い空気で覆われ断熱状態になり、温度が最も高い。一方で、インク正常吐出時は熱伝導率の高い吐出されたインク液滴の一部が耐キャビテーション膜の表面に接触するため、耐キャビテーション膜１１３の表面温度が下がり、耐キャビテーション膜の表面よりも下側の温度が表面より高くなる。従って、インク吐出状態によって、別の層に形成された２つの温度検知素子の温度の大小関係が異なる。このため、実施例１と同様な図７に示したような回路構成を備えることによって、インク吐出状態を判定できる。

図１６は本発明の実施例４に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。

この実施例では、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂを別の層に形成する。図１６（ａ）に示すように、第１の温度検知素子１０５Ａの直下には、第１の層間絶縁膜１１１Ａを形成し、さらにその直下に第２の温度検知素子１０５Ｂを形成する。さらにその直下に第２の層間絶縁膜１１１Ｂを形成する。また、それぞれの温度検知素子に接続する配線の位置は、配線からの放熱を避けるために、各温度検知素子から離れた所に接続するのが好ましい。また、この配線は熱の放熱を防ぐために短くすることが好ましい。

図１６に示す例では、第１の温度検知素子１０５Ａに接続する配線１１０Ａは左側に伸長し、第２の温度検知素子１０５Ｂに接続する配線１１０Ｂは右側に伸長している。

また、図１６（ｂ）に示す上面図では点線で描画されているのは第２の温度検知素子１０５Ｂであり、第１の温度検知素子１０５Ａに対して上面から見たときには重なる位置に配置されるが、実際には第１の温度検知素子１０５Ａよりも下の層に形成される。また、２つの温度検知素子に接続される配線１１０Ａ、１１０Ｂはそれぞれ互いに温度検知素子を挟んで１８０度、反転する位置から別の層の配線に配線される。

ここでは、２つの温度検知素子をＳｉ基板１０８の同じ層に同じ形状で形成する例について説明する。同じ層に同じ形状で形成することにより、この実施例によれば、ヒータ１０４を形成する層との間に形成される寄生容量を等しくでき、ヒータ１０４に電流が流れるときに、生じる寄生容量を経由するノイズの影響を同じにできる。従って、この実施例によれば、同じ大きさのノイズが重畳した２つの温度検知素子からの出力電圧を差分器で差分演算することによりノイズの電圧成分が相殺され、ノイズの影響を小さくできる。

図１７は本発明の実施例５に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す上面図である。この実施例では、上述のように、２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂを同じ層に同じ形状に形成する。２つの温度検知素子は同じ層に形成されるため、ヒータが形成される層とは同じ距離にある。また、２つの温度検知素子は同じ形状であるため、２つの温度検知素子の表面積は同じである。このように、２つの温度検知素子はヒータが形成される層に対して、距離と表面積が同じであるため、同じ大きさのヒータが形成される層に対して、同じ大きさの寄生容量をもつ。また、２つの温度検知素子を同じ層に同じ形状に形成したときの断面は図４（ａ）と同じようになる。

図１８は図１７に示す回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれにおける２つの温度検知素子の電圧の時間変化を示す図である。特に、図１８ではヒータから寄生容量経由のノイズが重畳したときの２つの温度検知素子からの出力電圧の時間変化を示している。図１８が示すように、ヒータ１０４の中央に配置される第１の温度検知素子１０５Ａの電圧Ｖ₁とヒータ１０４の周辺に配置される第２の温度検知素子の電圧Ｖ₂には、それぞれ同じ大きさのノイズが重畳している。これは、ノイズ源となるヒータ１０４の層と同じ大きさの寄生容量が形成されるためである。

図１８（ｂ）に示すように、インク正常吐出時、吐出されたインク液滴の一部が耐キャビテーション膜の表面への接触するタイミング以降の時間Ｔ_kから第１の温度検知素子の電圧Ｖ₁が大きく低下する。これに対して、図１８（ａ）に示すように、インク吐出不良時、電圧Ｖ₁のそのような急激な低下は認められない。

図１９は図１７に示す回路を用いた場合のインク吐出不良時と正常吐出時それぞれの場合の比較器からの出力電圧の時間変化を示す図である。

この実施例の構成では、電圧Ｖ₁とＶ₂にはそれぞれ、同じ大きさのノイズが重畳されるため、差分器の差分演算によりそのノイズは相殺され、出力結果はノイズの影響を受けない。その結果、インク正常吐出時では上述した時間Ｔ_k以降で比較器の出力電圧Ｖ_outはハイ（Ｈｉｇｈ）レベルとなる。一方、インク吐出不良時は常に、その出力電圧Ｖ_outはロー（Ｌｏｗ）レベルとなる。

従って、比較器の出力電圧を監視することで、インク吐出状態を正しく判定することができる。

ここでは、２つの温度検知素子をヒータの中心直下とヒータ周辺部直下ではなく、１つをヒータの中心直下にもう１つをヒータのインク供給口側の直下に配置する例について説明する。このように２つの温度検知素子を配置することにより、耐キャビテーション膜１１３の中心とインク供給口側のインク供給時に起こる温度差を検知できる。そして、この温度差から、インク充填の有無を検知できるので、たとえ吐出されたインク液滴の一部が耐キャビテーション膜の表面に接触しない場合でも、正常にインク吐出が行われているかどうかを判定できる。

図２０は本発明の実施例６に従う液体吐出ヘッドの１つのノズルのインク吐出不良時と正常吐出時の圧力室内のインク充填の有無の様子を示す側断面図である。

図２０（ａ）はインク吐出不良時の典型例の一つを示しており、圧力室内に常に泡が留まってインク吐出が生じない泡不吐の例である。泡不吐の時は圧力室内に常に気泡があるためインク充填が正常に行われない。インク充填がない時、耐キャビテーション膜１１３の表面のどこにおいてもインクが接触しておらず、耐キャビテーション膜の表面には常に空気が接触している。

一方、図２０（ｂ）はインク正常吐出時の例を示している。インク正常吐出時、インク充填は正常に行われる。インク充填があるときは、耐キャビテーション膜１１３の表面をインク供給口側からインクが流れてくるため、インク供給口から徐々にインクが耐キャビテーション膜１１３の表面に接触していく。

図２１は本発明の実施例６に従う温度検出素子とヒータの配置構成を示す上面図である。特に、図２１はインク充填の有無によりインク吐出状態を検知するように構成した温度検知素子の配置を示している。図２１に示すように、ヒータ１０４の中央直下に第１の温度検知素子１０５Ａが配置され、インク供給口側の直下には第２の温度検知素子１０５Ｂが配置される。

図２１に示す配置構成において、インク充填がない時は、耐キャビテーション膜１１３の表面には熱伝導率の低い空気が存在するため、２つの温度検知素子に急激な温度変化は生じない。従って、２つの温度検知素子の間の温度差は小さい。一方、インク充填があるときは、インク供給口側に熱伝導率の高いインクがあるため、第２の温度検知素子１０５Ｂは第１の温度検知素子１０５Ａと比較して温度が急激に下がる。従って、２つの温度検知素子間の温度差は大きくなる。

従って以上説明した実施例に従えば、２つの温度検知素子の間の温度差（ΔＴ）に対してインク正常吐出時と吐出不良時に対する閾値（Ｔth）を予め設けることにより、インク吐出状態を判定することができる。つまり、この閾値よりも温度差が大きい時（ΔＴ≧Ｔth）、インク充填が正常に行われており、正常吐出であると判定する。これに対して、温度差が予め定めた閾値よりも小さい時（ΔＴ＜Ｔth）、インク充填が正常に行われておらず、吐出不良であると判定するのである。

ここでは、２つの温度検知素子と差分器とを接続する配線を、Ｓｉ基板１０８上の別の層ではなく同じ層に形成する例について説明する。これらの要素を同じ層に形成することにより、基板製造の工程を減らすことができ、コストダウンに貢献する。このとき、２つの温度検知素子からの配線は、配線からの放熱による２つの温度検知素子の間の熱の移動を防ぐために、互いの温度検知素子とそれに接続する配線がない場所に形成するのが望ましい。

図２２は本発明の実施例７に従う温度検知素子とヒータの配置構成を示す側断面図と上面図である。

図２２（ａ）の断面図には、配線を温度検知素子と同じ層に形成した様子が示されており、この例では、２つの温度検知素子とその温度検知素子に接続する配線が層間絶縁膜１１１の直下の同じ層に形成されて様子が示されている。

また、図２２（ｂ）の上面図には、２つの配線１１０Ａ、１１０Ｂが２つの温度検知素子１０５Ａ、１０５Ｂそれぞれから、もう一つの温度検知素子とは離れた方向に伸長し、ヒータ１０４の領域外まで配線されていることが示されている。

さて以上説明した７つの実施例では、１つのヒータに２つの温度検知素子を配置し、インク吐出状態の判定を行う例について説明した。しかしながら、これらの実施例が、適宜のタイミングで、液体吐出ヘッドに含まれる全ノズルについて適用できることは言うまでもない。実行タイミングに関しては、例えば、これを記録動作中に実行しても良いし、予備吐出に際して実行しても良い。いずれにしても、吐出状態判定は各ノズルの吐出動作に伴って実行されるものであるので、インク吐出不良の生じたノズルを精度よく特定することも可能となる。

また以上説明した７つの実施例の構成においても、時間微分演算を行うような複雑な演算は必要としていない。従って、どの構成も複雑な回路構成を必要としないので、簡単な構成でかつ安価に構成することが可能になる。さらに、複雑な演算は必要としていないので判定処理を高速に行うことも可能になるし、回路構成が複雑でないので、回路面積を小さくすることも可能になる。

また、吐出不良の検出に応じ回復処理を速やかに実行したり、あるいは他のノズルで記録を補完する動作を速やかに実行したりすることが可能となる。さらには、最適な駆動パルスの決定、昇温などからの液体吐出ヘッドの保護処理、ユーザへの警告なども迅速に実行できるものとなる。

以上、シリアル記録を行う記録装置に本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はフルライン液体吐出ヘッドを用いる記録装置にも適用可能であることは勿論である。かかる記録装置では、記録動作が非常に高速であり、また、一連の記録動作中に液体吐出ヘッドを回復ユニットに位置づけて回復処理を行うことができない。従って、キャップへの予備吐出中や、記録動作中において吐出不良が発生したノズルを速やかに特定し、回復処理や、他のライン状液体吐出ヘッドによる記録の補完を迅速に行う上で、本発明は有効なものである。

１ 液体吐出ヘッド（記録ヘッド）、１０３ ノズル、１０４ ヒータ、
１０５ 温度センサ、１０８ Ｓｉ基板、１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ 配線、
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ 層間絶縁膜、１１２ パシベーション膜、
１１３ 耐キャビテーション膜

Claims (9)

1. 基板と、前記基板に設けられた電気熱変換素子と、前記基板と前記電気熱変換素子との間に配された絶縁膜と、前記絶縁膜の内部に配され、前記基板の面に直交する方向から見て少なくとも一部が前記電気熱変換素子と重複する位置に設けられた温度検知素子と、を有する素子基板において、
   前記絶縁膜の内部に配され、前記温度検知素子と電気的に接続された配線であって、前記温度検知素子の前記基板の側の面と接し、前記基板の側へ向かって延びる第１部分と、前記温度検知素子よりも前記直交する方向において前記基板の側に位置し、前記基板の面に沿って延びる第２部分と、を備える前記配線を有することを特徴とする素子基板。
2. 前記直交する方向から見て、前記温度検知素子は蛇行形状であることを特徴とする請求項１に記載の素子基板。
3. 前記直交する方向から見て、前記温度検知素子の前記蛇行形状は前記電気熱変換素子の領域の内側で折り返していることを特徴とする請求項２に記載の素子基板。
4. 前記直交する方向から見て、前記温度検知素子は複数の折り返し部を備える蛇行形状であり、前記複数の折り返し部の全ては前記電気熱変換素子の領域の内側に位置していることを特徴とする請求項３に記載の素子基板。
5. 前記配線の前記第１部分は、前記温度検知素子の両端部のそれぞれと接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子基板。
6. 前記配線を介して前記温度検知素子に電流を供給するための第１端子と、前記配線を介して前記温度検知素子からの出力電圧を受信するための第２端子と、を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の素子基板。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の素子基板を有し、
   前記電気熱変換素子の発熱によって液体を吐出する液体吐出ヘッド。
8. 請求項７に記載の液体吐出ヘッドを用いて記録を行う記録装置であって、
   前記温度検知素子に電流を供給する電流供給源と、
   前記電流供給源から供給された電流が前記温度検知素子に流れることで得られる前記温度検知素子からの出力電圧に基づいて、液体が正常に吐出されるか、吐出不良が生じるかを判定する判定手段とを有することを特徴とする記録装置。
9. 請求項７に記載の液体吐出ヘッドを用いて記録を行う記録装置であって、
   フレキシブルケーブルと、
   前記フレキシブルケーブルを介して前記温度検知素子に電流を供給し、前記フレキシブルケーブルを介して前記温度検知素子からの出力電圧を受信可能である本体部とを有することを特徴とする記録装置。

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