JP2016221902A - 半導体装置、液体吐出ヘッド、液体吐出カートリッジ及び液体吐出装置 - Google Patents

半導体装置、液体吐出ヘッド、液体吐出カートリッジ及び液体吐出装置 Download PDF

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一成 藤井
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航 遠藤
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Abstract

【課題】液体にエネルギーを与える素子に流れる電流の波形のばらつきを低減するための技術を提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッド用の半導体装置は、第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、液体を吐出させるための複数の吐出素子であって、各吐出素子は複数の第1トランジスタの1つの第2端子と複数の第2トランジスタの1つの第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、複数の第1トランジスタに接続された共通の信号線を通じて複数の第1トランジスタの制御端子に供給する第1制御回路と、第1トランジスタの第2端子と第1トランジスタの制御端子との少なくとも一方の電圧を安定化させるための安定化回路とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置、液体吐出ヘッド、液体吐出カートリッジ及び液体吐出装置に関する。
特許文献1には、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッド用の半導体装置として、以下の構成を提案する。液体に熱エネルギーを与えるヒータの一端をトランジスタを通じて電源電圧に接続するとともに、当該ヒータの他端を別のトランジスタを通じて接地に接続する。半導体装置の制御回路は、液体を吐出させる場合に、これらのトランジスタの両方をオンにする。半導体装置の制御回路は、液体を吐出させない場合に、これらのトランジスタの両方をオフにする。
特開2010−155452号公報
ヒータの両端に接続されているトランジスタが両方ともがオフの場合に、ヒータはフローティング状態となる。そのため、トランジスタのリーク電流や、半導体装置の外部からの光による光電効果の影響でフローティング状態のヒータの電圧が変化することがある。ヒータを駆動するタイミングごとヒータの電圧がばらつくと、それに応じてヒータを流れる電流の波形にもばらつきが生じる。本発明は、液体にエネルギーを与える素子に流れる電流の波形のばらつきを低減するための技術を提供することを特徴とする。
上記課題に鑑みて、液体吐出ヘッド用の半導体装置であって、第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、液体を吐出させるための複数の吐出素子であって、各吐出素子は前記複数の第1トランジスタの1つの前記第2端子と前記複数の第2トランジスタの1つの前記第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、前記複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、前記複数の第1トランジスタに接続された共通の信号線を通じて前記複数の第1トランジスタの前記制御端子に供給する第1制御回路と、前記第1トランジスタの前記第2端子と前記第1トランジスタの前記制御端子との少なくとも一方の電圧を安定化させるための安定化回路とを備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
上記手段により、液体にエネルギーを与える素子に流れる電流の波形のばらつきを低減するための技術が提供される。
本発明の実施形態の半導体装置の等価回路図。 図1の一部に着目した図。 本発明の実施形態の半導体装置の動作を説明する図。 本発明の実施形態の半導体装置の動作を説明する図。 本発明の実施形態の半導体装置の変形例を説明する図。 本発明の実施形態の半導体装置の変形例を説明する図。 本発明の実施形態の半導体装置の応用例を説明する図。
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。本発明の一部の実施形態は、液体吐出ヘッド用の半導体装置に関する。液体吐出ヘッドは、例えばインクジェット記録装置(インクジェットプリンタ)に用いられるインクジェット記録ヘッドである。
図1の回路図を参照して、一部の実施形態に係る液体吐出ヘッド用の半導体装置100の構成例について説明する。半導体装置100は、基板SUBと、複数のヒータ101と、複数の接地側トランジスタ102と、複数の電源側トランジスタ103と、導電パッド104、105と、制御回路106と、複数の制御回路107と、複数の安定化回路111とを備える。複数のヒータ101等の構成要素は基板SUB上に形成されている。
複数のヒータ101は、基板SUBの長辺方向(図1では左右の方向)に並んでいる。以下、各ヒータ101の構成について説明する。ヒータ101は例えば発熱抵抗体であり、2つの端子(図1の上側の端子と下側の端子)を有し、これらの端子の間を電流が流れることによって発熱する。ヒータ101が発熱すると、それに応じて液体が加熱され、当該液体が液体吐出ヘッドから吐出される。ヒータ101は、吐出素子の一例である。吐出素子は、液体にエネルギーを与えることによって液体を吐出することができる。このように液体にエネルギーを与える吐出素子は、ヒータ101以外の素子であってもよく、例えば圧電素子であってもよい。液体にエネルギーを与える吐出素子は、記録素子とも呼ばれうる。1つのヒータ101は、複数の接地側トランジスタ102のうちのいずれか1つと、複数の電源側トランジスタ103のうちのいずれか1つとの間に接続されている。このような接続により、電源側トランジスタ103、ヒータ101、および、接地側トランジスタ102は、1つの電流経路を形成しうる。なお、本実施例ではすべてのヒータが1つの接地側トランジスタ102と1つの電源側トランジスタ103の間に接続されているが、基板SUBはそれ以外のヒータをさらに備えていてもよい。
複数の接地側トランジスタ102は、基板SUBの長辺方向に並んでいる。以下、各接地側トランジスタ102の構成について説明する。接地側トランジスタ102は、2つの主端子と1つの制御端子とを有する。接地側トランジスタ102は、例えばPMOSトランジスタである。この場合に、PMOSトランジスタのソースとドレインとがそれぞれ主端子であり、ゲートが制御端子である。接地側トランジスタ102のソースは、ヒータ101の一方の端子(図1の下側の端子)に接続されている。接地側トランジスタ102のドレインは、導電線108を通じて導電パッド104に接続されている。接地側トランジスタ102のゲートは、信号線109を通じて制御回路106に接続されている。接地側トランジスタ102のバックゲートは、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。
複数の電源側トランジスタ103は、基板SUBの長辺方向に並んでいる。以下、各電源側トランジスタ103の構成について説明する。接地側トランジスタ102は、2つの主端子と1つの制御端子とを有する。電源側トランジスタ103は、例えばNMOSトランジスタである。この場合に、NMOSトランジスタのソースとドレインとがそれぞれ主端子であり、ゲートが制御端子である。電源側トランジスタ103のソースは、ヒータ101の他方の端子(図1の上側の端子)に接続されている。電源側トランジスタ103のドレインは、導電線110を通じて導電パッド105に接続されている。電源側トランジスタ103のゲートは、制御回路107に接続されている。電源側トランジスタ103のバックゲートは、電源側トランジスタ103のソースに接続されている。
導電パッド104には、半導体装置100の外部から所定の電圧が供給される。導電パッド104に供給された電圧は、導電線108を通じて伝達され、導電線108に共通に接続された複数の接地側トランジスタ102のドレインに供給される。導電パッド105には、半導体装置100の外部から所定の電圧が供給される。導電パッド105に供給された電圧は、導電線110を通じて伝達され、導電線110に共通に接続された複数の電源側トランジスタ103のドレインに供給される。導電パッド104、105のそれぞれには互いに異なる電圧が供給される。導電パッド105に導電パッド104よりも高い電圧が供給されてもよいし、導電パッド105に導電パッド104よりも低い電圧が供給されてもよい。本実施形態では、導電パッド104に接地電圧が供給され、導電パッド105に正の電源電圧が供給される。
制御回路106は、信号線109を通じて、信号線109に共通に接続されている複数の接地側トランジスタ102のゲートに制御信号を供給する。制御回路106が供給する制御信号に応じて、接地側トランジスタ102のオン・オフが切り替わる。接地側トランジスタ102がオンの場合に、接地側トランジスタ102によって接続されたヒータ101と導電線108との間が導通状態となり、接地側トランジスタ102がオフの場合にこれらの間が非導通状態(言い換えると、開放状態)になる。すなわち、接地側トランジスタ102は、ヒータ101と導電線108との間の導通状態を切り替えるスイッチ素子として機能する。
複数の制御回路107のそれぞれの構成を以下に説明する。制御回路107は、当該制御回路107に個別に接続されている電源側トランジスタ103のゲートに制御信号を供給する。制御回路107が供給する制御信号に応じて、電源側トランジスタ103のオン・オフが切り替わる。電源側トランジスタ103がオンの場合に、電源側トランジスタ103によって接続されたヒータ101と導電線110との間が導通状態となり、電源側トランジスタ103がオフの場合にこれらの間が非導通状態になる。すなわち、電源側トランジスタ103は、ヒータ101と導電線110との間の導通状態を切り替えるスイッチ素子として機能する。
複数の安定化回路111のそれぞれの構成を以下に説明する。安定化回路111は、接地側トランジスタ102に対応して設けられており、接地側トランジスタ102のゲートに接続されている。接地側トランジスタ102のゲートには信号線109も接続されているので、安定化回路111は信号線109にも接続されている。図1に示すように、安定化回路111と接地側トランジスタ102とを接続する経路と、制御回路106と接地側トランジスタ102とを接続する経路とが重複部分を有してもよい。安定化回路111は容量素子112を有する。容量素子112の一方の電極(図1の上側の電極)は接地側トランジスタ102のゲートに接続されており、容量素子112の他方の電極(図1の下側の電極)は接地されている。安定化回路111の機能については後述する。
複数のヒータ101、複数の接地側トランジスタ102及び複数の電源側トランジスタ103は、複数のブロックBLKに分けられている。本実施形態では、各ブロックBLKは、4つのヒータ101と、当該4つのヒータ101に共通に接続された1つの接地側トランジスタ102と、当該4つヒータ101と1対1に接続された4つの電源側トランジスタ103とを含む。複数のブロックBLKが基板SUBの長辺方向に並んでいる。ブロックBLKの分け方は図1の例に限られず、各ブロックBLKが1つ以上のヒータ101と、当該1つ以上のヒータ101に接続された1つ以上の接地側トランジスタ102及び1つ以上の電源側トランジスタ103を含んでいればよい。また、複数のブロックBLKの構成が互いに異なっていてもよい。
本実施形態の半導体装置100は安定化回路111を複数備え、各ブロックBLKに対して1つの安定化回路111が配されている。これに代えて、一部のブロックBLKのみに安定化回路111が配されてもよい。例えば、複数のブロックBLKごとに1つの安定化回路111が配されてもよい。
続いて、図2及び図3を参照して、半導体装置100の動作の一例について説明する。図2(A)は、半導体装置100の1つのヒータ101及びこのヒータ101に接続される回路素子に着目した回路図であり、図2(B)は、後述する比較例の回路図である。図3は、この1つのヒータ101に着目して、半導体装置100の各位置の電圧または電流の変化を説明するグラフである。図2(A)に示すように、制御回路106が信号線109を通じて接地側トランジスタ102のゲートに供給する制御信号の電圧をVG1で表し、制御回路107が電源側トランジスタ103のゲートに供給する制御信号の電圧をVG2で表す。また、接地側トランジスタ102のソース電圧をVS1で表し、電源側トランジスタ103のソース電圧をVS2と表す。また、ヒータ101を流れる電流をIで表す。
以下の説明では、導電パッド104に接地電圧(0V)が供給され、導電パッド105に電源電圧(30V)が供給されるとする。制御回路106は、半導体装置100の動作中に、吐出の有無にかかわらず、制御信号の電圧VG1を接地側トランジスタ102のオン電圧(2V)に維持する。制御回路107は、半導体装置100の外部から供給される吐出制御信号(例えば画像信号)に応じて制御信号(パルス信号)の電圧VG2をオン電圧とオフ電圧との間で切り替えることによって、ヒータ101を駆動する。具体的に、制御回路107は、ヒータ101を用いて液体を吐出させる場合に制御信号の電圧VG2を電源側トランジスタ103のオン電圧(28V)にし、液体を吐出させない場合に制御信号の電圧VG2を電源側トランジスタ103のオフ電圧(0V)にする。本明細書でトランジスタのオン電圧とは、トランジスタをオンにするためにゲートに供給する電圧であり、トランジスタのオフ電圧とは、トランジスタをオフにするためにゲートに供給する電圧のことである。
図3(A)〜(D)のそれぞれのグラフの横軸は時間を示す。図3(A)〜(C)のそれぞれのグラフの縦軸は電圧値を示し、図3(D)のグラフの縦軸は電流値を示す。図3(A)は電圧VG1、VG2を示し、図3(B)は電圧VS2を示し、図3(C)は電圧VS1を示し、図3(D)は電流Iを示す。
時刻T1よりも前に、制御回路107は、電源側トランジスタ103のゲートに供給する制御信号の電圧VG2をオフ電圧(0V)に維持する。この場合に、電源側トランジスタ103はオフとなり、ヒータ101に流れる電流Iも0Aとなる(すなわち、電流が流れない)。また、接地側トランジスタ102のゲートにオン電圧が供給されているものの、ヒータ101に電流が流れていないので、接地側トランジスタ102もオフとなる。従って、ヒータ101の両端は電気的にフローティングとなり、電圧VS1、VS2は何れも不定値となる。この状態では、ヒータ101に電流が流れないので、電圧VS1と電圧VS2とは互いに等しい値となる。
吐出制御信号により液体の吐出が指示されると、制御回路107は、時刻T1から時刻T4にかけて、電源側トランジスタ103のゲートへ供給する制御信号の電圧VG2をオフ電圧(0V)からオン電圧(28V)に変化させる。時刻T2において、電源側トランジスタ103のゲート電圧が、電源側トランジスタのソース電圧VS2(不定値)に電源側トランジスタ103の閾値電圧(1V)を加えた値を上回ると、電源側トランジスタ103がオンになる。それに応じて、電源側トランジスタ103はソースフォロアとして動作する。その結果、電源側トランジスタ103のゲート電圧の上昇に応じて電源側トランジスタ103のソース電圧も上昇する。また、電源側トランジスタ103がオンになると、電源側トランジスタ103のドレインからソースへ電流が流れ始め、その電流がヒータ101に流れ、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1も上昇し始める。
時刻T3において、接地側トランジスタのソース電圧VS1が、接地側トランジスタ102のゲート電圧から接地側トランジスタ102の閾値電圧(1V)を引いた値を上回ると、接地側トランジスタ102がオンになる。それに応じて、接地側トランジスタ102はソースフォロアとして動作する。その結果、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1は、接地側トランジスタ102のゲート電圧(3V)から接地側トランジスタ102の閾値電圧(1V)を引いた値に固定(すなわち、ホールド)される。また、接地側トランジスタ102がオンになると、接地側トランジスタ102のソースからドレインへ電流が流れ始める。
制御回路107は、時刻T4から時刻T5にかけて、電源側トランジスタ103へ供給する制御信号の電圧VG2をオン電圧(28V)に維持する。これにより、ヒータ101に電流が流れ続け、液体が吐出される。その後、制御回路107は、時刻T5からT7にかけて、電源側トランジスタ103へ供給する制御信号の電圧VG2をオン電圧(28V)からオフ電圧(0V)に変化させる。この変化に伴い、電源側トランジスタ103のソース電圧VS2も降下する。
接地側トランジスタ102のソース電圧VS1が3Vに固定されているので、時刻T6において、電源側トランジスタ103のソース電圧VS2は、電源側トランジスタ103のゲート電圧の降下に追従できなくなり、電源側トランジスタ103がオフになる。それにより、ヒータ101に流れる電流Iも止まり、接地側トランジスタ102もオフになる。
その後、再び液体の吐出が指示されると、制御回路107は、時刻T1から時刻T4と同じ動作を時刻T8から開始する。図3の例では、2回の吐出動作において、制御回路107からの制御信号が立ち上がり始める時刻T1、T8のそれぞれにおける接地側トランジスタ102のソース電圧VS1が互いに等しい。この場合に、時刻T1、T8のそれぞれから等しい時間(T2−T1)の経過後にヒータ101に電流Iが流れ始める。しかし、制御回路107からの制御信号の電圧VG2がオフ電圧(0V)の間、接地側トランジスタ102のソースは電気的にフローティングであるので、このソース電圧VS1は不定値である。そのため、例えば接地側トランジスタ102及び電源側トランジスタ103のリーク電流や半導体装置100の外部からの光の入射によって、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1が変化する可能性がある。
図4を参照して、時刻T8における接地側トランジスタ102のソース電圧VS1が時刻T1における接地側トランジスタ102のソース電圧VS1よりも低い場合の半導体装置100の動作について説明する。図4のグラフの各項目は図3のグラフの各項目と同様である。以下の説明では時刻T1から始まる吐出動作を1回目の吐出動作と呼び、時刻T8から始まる吐出動作を2回目の吐出動作と呼ぶ。
図3で説明した動作と同様に、図4でも制御回路107は時刻T8において制御信号の電圧VG2をオフ電圧(0V)から上昇し始める。時刻T9において、電源側トランジスタ103のゲート電圧が、電源側トランジスタのソース電圧VS2(不定値)に電源側トランジスタ103の閾値電圧(1V)を加えた値を上回ると、電源側トランジスタ103がオンになる。時刻T9における電源側トランジスタのソース電圧VS2は、時刻T2における電源側トランジスタのソース電圧VS2よりも低い。そのため、2回目の吐出動作において制御回路107が制御信号の電圧VG2を上昇させ始めてからヒータ101に電流が流れ始めるまでの時間(T9−T8)は、1回目の吐出動作における当該時間(T2−T1)よりも短い。
その後、時刻T10において、電源側トランジスタのソース電圧VS1が、接地側トランジスタ102のゲート電圧から接地側トランジスタ102の閾値電圧(1V)を引いた値を上回ると、接地側トランジスタ102がオンになる。2回目の吐出動作において電源側トランジスタ103がオンになってから接地側トランジスタ102がオンになるまでの時間(T10−T9)は、1回目の吐出動作における当該時間(T3−T2)よりも長い。
図4の例とは反対に、時刻T8における接地側トランジスタ102のソース電圧VS1が時刻T1における接地側トランジスタ102のソース電圧VS1よりも高い場合を検討する。この場合に、2回目の吐出動作の開始からヒータ101に電流が流れ始めるまでの時間は、1回目の吐出動作の開始からヒータ101に電流が流れ始めるまでの時間よりも長い。また、2回目の吐出動作において電源側トランジスタ103がオンになってから接地側トランジスタ102がオンになるまでの時間は、1回目の吐出動作における当該時間よりも短い。
以上のように、接地側トランジスタ102のソースが電気的にフローティングであることに起因して、ヒータ101を流れる電流Iの波形が吐出動作ごとにばらつきうる。それにより、例えば半導体装置100が画像形成に用いられる場合に、画質が低下する。本実施形態では、半導体装置100が安定化回路111を有することによって、このような電流Iの波形のばらつきを低減する。
電源側トランジスタ103がオンになってから接地側トランジスタ102がオンになるまでの時間は、接地側トランジスタ102のゲート・ソース間の容量を放充電するための時間に依存する。図2(B)に示す比較例に係る半導体装置のように安定化回路111を有しない場合に、この放充電に必要な電荷は制御回路106のみから供給される。
一方、本実施形態に係る半導体装置100では、接地側トランジスタ102のゲートに、制御回路106だけでなく安定化回路111も接続されている。従って、接地側トランジスタ102のゲート・ソース間の容量の放充電に必要な電荷は、制御回路106だけからではなく、安定化回路111の容量素子112からも供給される。すなわち、安定化回路111は、接地側トランジスタ102のゲート・ソース間の容量の放充電に起因するゲート電圧の変動を抑制する機能を有する。本明細書では、このように電圧の変動を抑制することを、電圧を安定化させるという。本実施形態に係る半導体装置100は、接地側トランジスタ102のゲート電圧を安定化させることによって、比較例の半導体装置よりも、接地側トランジスタ102のゲート・ソース間の容量の放充電にかかる時間を短縮できる。それに応じてヒータ101に流れる電流Iの波形のばらつきが低減される。
安定化回路111と接地側トランジスタ102のゲートとの間の配線長が短いほど、当該配線の寄生抵抗および容量による影響が軽減されるので、安定化回路111によるゲート電圧の安定化の効果が高まる。そこで、安定化回路111を接地側トランジスタ102の近傍に配してもよい。例えば、接地側トランジスタ102のゲートと安定化回路111との間の配線長が、接地側トランジスタ102のゲートと制御回路106との間の配線長よりも短くてもよい。さらに、安定化回路111と接地側トランジスタ102との間の配線長が、接地側トランジスタ102と他の任意の回路素子との間の配線長よりも短くてもよい。または、1つの安定化回路111が1つの接地側トランジスタ102に対して配されている場合に、この安定化回路111と接地側トランジスタ102との間の配線長が、この安定化回路111と他の接地側トランジスタ102との間の配線長よりも短くてもよい。
図1に示すように、1つの制御回路106が信号線109を介して複数の接地側トランジスタ102に共通に接続されている場合に、複数のヒータ101が同時に駆動された結果、信号線109に多量の電流が流れることがある。本実施形態の半導体装置100は、安定化回路111によって接地側トランジスタ102のゲート電圧が安定化されるので、このような場合であってもゲート電圧が大きく変化することが抑制される。
安定化回路111の容量素子112の構成は、接地側トランジスタ102のゲート容量と同様の構成であってもよい。例えば、接地側トランジスタ102が酸化膜の一部をゲート酸化膜として含むMOSトランジスタであり、容量素子112が当該酸化膜の他の一部を含むMOSキャパシタであってもよい。また、接地側トランジスタ102のゲート容量の容量値と容量素子112の容量値とが互いに等しくてもよい。
上述の例では、制御回路106が制御信号の電圧VG1を接地側トランジスタ102のオン電圧(2V)に維持し、制御回路107が制御信号の電圧VG2を電源側トランジスタ103のオン電圧(28V)とオフ電圧(0V)との間で切り替える。これに代えて、制御回路107が制御信号の電圧VG2を電源側トランジスタ103のオン電圧(28V)に維持し、制御回路106が制御信号の電圧VG1を接地側トランジスタ102のオン電圧(2V)とオフ電圧(0V)との間で切り替えてもよい。この場合に、安定化回路111は、電源側トランジスタ103のゲートに接続される。
また、上述の例では、制御回路107が供給する制御信号の電圧VG2が電源側トランジスタ103のオフ電圧(0V)である間も、制御回路106は制御信号の電圧VG1を接地側トランジスタ102のオン電圧(2V)に維持する。これに代えて、制御回路107が供給する制御信号の電圧VG2が電源側トランジスタ103のオフ電圧(0V)である間の少なくとも一部の期間に、制御回路106は制御信号の電圧VG1を接地側トランジスタ102のオフ電圧(0V)に切り替えてもよい。
続いて、図5を参照して、半導体装置100の変形例について説明する。図5(A)に示す変形例は、安定化回路111の代わりに安定化回路500を有する点で図1に示す半導体装置100とは異なり、他の点は同じであってもよい。安定化回路500は、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1を安定化させる機能を有する。具体的に、安定化回路500は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値を下回った場合に、当該ソース電圧を上昇する機能を有する。以下にこのような機能を有する安定化回路500の具体的な構成例について説明する。
安定化回路500は、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。安定化回路500は、クリップトランジスタ501と制御回路502とを有する。クリップトランジスタ501は、例えばNMOSトランジスタである。クリップトランジスタ501のソースは、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。クリップトランジスタ501のドレインは、電源電圧源V1に接続されている。クリップトランジスタ501のゲートは、制御回路502に接続されている。クリップトランジスタ501のバックゲートは、クリップトランジスタ501のソースに接続されている。このように、クリップトランジスタ501は、電源電圧源V1と接地側トランジスタ102のソースとの間に配されている。制御回路502は、当該制御回路502に個別に接続されているクリップトランジスタ501のゲートに制御信号を供給する。安定化回路500と接地側トランジスタ102との間の配線長や、安定化回路500とブロックBLKとの関係などは、安定化回路111と同様なので、重複する説明を省略する。
以下の説明では、半導体装置100の動作中に、電源電圧源V1が5Vの電圧を供給し、制御回路512が2.5Vの制御信号を供給するとする。また、クリップトランジスタ501の閾値電圧を1Vとする。上述のとおり、接地側トランジスタ102のソースが電気的にフローティングの場合に、接地側トランジスタ102のソース電圧は不定となる。このソース電圧が1.5Vを下回ると、クリップトランジスタ501のゲート電圧からソース電圧を減じることで得られる値がクリップトランジスタ501の閾値電圧を上回る。その結果、クリップトランジスタ501がオンとなり、電源電圧源V1から接地側トランジスタ102のソースへ電流が流れ、接地側トランジスタ102のソース電圧が上昇する。このように、安定化回路500は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上の範囲となるように当該ソース電圧をクリップする。具体的に、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上の範囲に含まれる場合に、クリップトランジスタ501がオフとなり、電源電圧源V1と接地側トランジスタ102のソースとの間が非導通状態になる。一方、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上の範囲から外れた場合に、クリップトランジスタ501がオンとなり、電源電圧源V1と接地側トランジスタ102のソースとの間が導通状態になる。所定の下限値は、クリップトランジスタ501のゲートに供給される電圧に基づいて設定されうる。換言すると、安定化回路50は、クリップトランジスタ501のゲートに供給される電圧に基づいて、接地側トランジスタ102のソースの電圧をクリップする。半導体装置100が安定化回路500を備えることによって、電気的にフローティングである接地側トランジスタ102のソースの電圧の変動を抑制できるので、駆動中にヒータ101に流れる電流Iの波形のばらつきが低減される。
図5(B)に示す変形例は、安定化回路111の代わりに安定化回路510を有する点で図1に示す半導体装置100とは異なり、他の点は同じであってもよい。安定化回路510は、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1を安定化させる機能を有する。具体的に、安定化回路510は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の上限値を上回った場合に、当該ソース電圧を降下する機能を有する。以下にこのような機能を有する安定化回路510の具体的な構成例について説明する。
安定化回路510は、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。安定化回路510は、クリップトランジスタ511と制御回路512とを有する。クリップトランジスタ511は、例えばPMOSトランジスタである。クリップトランジスタ511のソースは、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。クリップトランジスタ511のドレインは、接地されている。クリップトランジスタ511のゲートは、制御回路512に接続されている。クリップトランジスタ511のバックゲートは、クリップトランジスタ511のソースに接続されている。このように、クリップトランジスタ511は、接地電圧を供給する電圧源と接地側トランジスタ102のソースとの間に配されている。制御回路512は、当該制御回路512に個別に接続されているクリップトランジスタ511のゲートに制御信号を供給する。安定化回路510と接地側トランジスタ102との間の配線長や、安定化回路510とブロックBLKとの関係などは、安定化回路111と同様なので、重複する説明を省略する。
以下の説明では、半導体装置100の動作中に、制御回路512が3.5Vの制御信号を供給するとする。また、クリップトランジスタ511の閾値電圧を1Vとする。上述のとおり、接地側トランジスタ102のソースが電気的にフローティングの場合に、接地側トランジスタ102のソース電圧は不定となる。このソース電圧が4.5Vを上回ると、クリップトランジスタ511のソース電圧からゲート電圧を減じることで得られる値がクリップトランジスタ511の閾値電圧を上回る。その結果、クリップトランジスタ511がオンとなり、接地側トランジスタ102のソースから接地へ電流が流れ、接地側トランジスタ102のソース電圧が降下する。このように、安定化回路510は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の上限値以下の範囲となるように当該ソース電圧をクリップする。具体的に、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の上限値以下の範囲に含まれる場合に、クリップトランジスタ511がオフとなり、接地と接地側トランジスタ102のソースとの間が非導通状態になる。一方、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の上限値以下の範囲から外れた場合に、クリップトランジスタ511がオンとなり、接地と接地側トランジスタ102のソースとの間が導通状態になる。所定の上限値は、クリップトランジスタ511のゲートに供給される電圧に基づいて設定されうる。換言すると、安定化回路500は、クリップトランジスタ511のゲートに供給される電圧に基づいて、接地側トランジスタ102のソースの電圧をクリップする。半導体装置100が安定化回路510を備えることによって、電気的にフローティングである接地側トランジスタ102のソースの電圧の変動を抑制できるので、駆動中にヒータ101に流れる電流Iの波形のばらつきが低減される。
図5(C)に示す変形例は、安定化回路111の代わりに安定化回路520を有する点で図1に示す半導体装置100とは異なり、他の点は同じであってもよい。安定化回路520は、接地側トランジスタ102のソース電圧VS1を安定化させる機能を有する。具体的に、安定化回路520は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値を下回った場合に当該ソース電圧を上昇し、所定の上限値を上回った場合に当該ソース電圧を降下する機能を有する。以下にこのような機能を有する安定化回路520の具体的な構成例について説明する。
安定化回路520は、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。安定化回路520は、クランプダイオード521とクランプダイオード522とを有する。クランプダイオード521のアノードは、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。クランプダイオード521のカソードは、電源電圧源V2に接続されている。クランプダイオード522のアノードは、電源電圧源V2に接続されている。クランプダイオード522のカソードは、接地側トランジスタ102のソースに接続されている。すなわち、これらのクランプダイオード521、522は、接地側トランジスタ102のソースと電源電圧源V2との間に接続されている。安定化回路520と接地側トランジスタ102との間の配線長や、安定化回路520とブロックBLKとの関係などは、安定化回路111と同様なので、重複する説明を省略する。
以下の説明では、半導体装置100の動作中に、電源電圧源V1が3Vの電圧を供給するとする。また、クランプダイオード521、522の順方向電圧を1Vとする。上述のとおり、接地側トランジスタ102のソースが電気的にフローティングの場合に、接地側トランジスタ102のソース電圧は不定となる。このソース電圧が4.0Vを上回ると、クランプダイオード522を通じて接地側トランジスタ102のソースから電源電圧源V2へ電流が流れ、接地側トランジスタ102のソース電圧が降下する。このソース電圧が2.0Vを下回ると、クランプダイオード521を通じて電源電圧源V2から接地側トランジスタ102のソースへ電流が流れ、接地側トランジスタ102のソース電圧が上昇する。このように、安定化回路520は、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上、所定の上限値以下の範囲となるように当該ソース電圧をクランプする。具体的に、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上、所定の上限値以下の範囲に含まれる場合に、クランプダイオード521、522の両方が非導通状態となり、電源電圧源V1と接地側トランジスタ102のソースとの間が非導通状態になる。一方、接地側トランジスタ102のソース電圧が所定の下限値以上、所定の上限値以下の範囲から外れた場合に、クランプダイオード521、522のいずれかが導通状態となり、電源電圧源V1と接地側トランジスタ102のソースとの間が導通状態になる。半導体装置100が安定化回路520を備えることによって、電気的にフローティングである接地側トランジスタ102のソースの電圧の変動を抑制できるので、駆動中にヒータ101に流れる電流Iの波形のばらつきが低減される。安定化回路520は、クランプダイオード521、522のうちの一方のみを有し、所定の上限値または下限値のみで規定される範囲に接地側トランジスタ102のソース電圧をクランプしてもよい。また、安定化回路520は、直列接続された複数のクランプダイオード521を備えてもよいし、直列接続された複数のクランプダイオード522を備えてもよい。
続いて、図6を参照して、半導体装置100の別の変形例について説明する。図6(A)に示す変形例は、安定化回路500が接地側トランジスタ102のゲートに接続されている点で図5(A)に示す半導体装置100の変形例とは異なり、他の点は同じであってもよい。安定化回路520と接地側トランジスタ102との間の配線長や、安定化回路520とブロックBLKとの関係などは、安定化回路111と同様なので、重複する説明を省略する。上述のように、接地側トランジスタ102のゲートに制御回路106を接続しただけでは、接地側トランジスタ102のゲート電圧VS1が安定しないことがある。図6(A)の例では、安定化回路500は、接地側トランジスタ102のゲート電圧VS1を安定化させる機能を有する。
図6(B)に示す変形例は、安定化回路510が接地側トランジスタ102のゲートに接続されている点で図5(B)に示す半導体装置100の変形例とは異なり、他の点は同じであってもよい。図6(C)に示す変形例は、安定化回路520が接地側トランジスタ102のゲートに接続されている点で図5(C)に示す半導体装置100の変形例とは異なり、他の点は同じであってもよい。図6(B)や図6(C)に示す変形例でも、安定化回路510、520が、接地側トランジスタ102のゲート電圧VS1を安定化させる機能を有する。
続いて、その他の実施形態として、図7を参照しつつ、上記の実施形態で説明された半導体装置100を利用した液体吐出ヘッド、液体吐出カートリッジ及び液体吐出装置を以下に説明する。図7(a)は、いずれかの実施形態で説明された半導体装置100を基体601として有する記録ヘッド600の主要部を液体吐出ヘッドの一例として示す。図7(a)では、上述の実施形態のヒータ101が発熱部602として描かれている。また、説明のために天板603の一部が切り取られている。図7(a)に示されるように、複数の吐出口604に連通した液路605を形成するための流路壁部材606とインク供給口607を有する天板603とを基体601に組み合わせることにより、記録ヘッド600が構成されうる。この場合に、インク供給口607から注入されるインクが内部の共通液室608へ蓄えられて各液路605へ供給され、その状態で基体601が駆動されることで、吐出口604からインクが吐出される。図1の実施形態の安定化回路111、図5の変形例の安定化回路500、510、520及び図6の変形例の安定化回路500、510、520を適宜組み合わせて、1つの半導体装置100に搭載してもよい。
図7(b)は液体吐出カートリッジの一例であるインクジェット用のカートリッジ610の全体構成を説明する図である。カートリッジ610は、上述した複数の吐出口604を有する記録ヘッド600と、この記録ヘッド600に供給するためのインクを収容するインク容器611とを備えている。液体容器であるインク容器611は、境界線Kを境に記録ヘッド600に着脱可能に設けられている。カートリッジ610には、図7(c)に示される記録装置に搭載された場合にキャリッジ側からの駆動信号を受け取るための電気的コンタクト(不図示)が設けられており、この駆動信号によって発熱部602が駆動される。インク容器611の内部には、インクを保持するために繊維質状または多孔質状のインク吸収体が設けられており、これらのインク吸収体によってインクが保持されている。
図7(c)は液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置700の外観斜視図を示す。インクジェット記録装置700は、カートリッジ610を搭載し、カートリッジ610へ付与される信号を制御することにより、高速記録、高画質記録を実現しうる。インクジェット記録装置700において、カートリッジ610は、駆動モータ701の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア702、703を介して回転するリードスクリュー704の螺旋溝721に対して係合するキャリッジ720上に搭載されている。カートリッジ610は駆動モータ701の駆動力によってキャリッジ720と共にガイド719に沿って矢印aまたはb方向に往復移動可能である。不図示の記録媒体給送装置によってプラテン706上に搬送される記録用紙P用の紙押え板705は、キャリッジ移動方向に沿って記録用紙Pをプラテン706に対して押圧する。フォトカプラ707、708は、キャリッジ720に設けられたレバー709のフォトカプラ707、708が設けられた領域での存在を確認して駆動モータ701の回転方向の切換等を行うためにホームポジションの検知を行う。支持部材710はカートリッジ610の全面をキャップするキャップ部材711を支持し、吸引部712はキャップ部材711内を吸引し、キャップ内開口を介してカートリッジ610の吸引回復を行う。移動部材715は、クリーニングブレード714を前後方向に移動可能にし、クリーニングブレード714及び移動部材715は、本体支持板716に支持されている。クリーニングブレード714は、図示の形態でなく周知のクリーニングブレードが本実施形態にも適用できる。また、レバー717は、吸引回復の吸引を開始するために設けられ、キャリッジ720と係合するカム718の移動に伴って移動し、駆動モータ701からの駆動力がクラッチ切換等の公知の伝達手法で移動制御される。カートリッジ610に設けられた発熱部602に信号を付与し、駆動モータ701等の各機構の駆動制御を司る記録制御部(不図示)は、装置本体側に設けられている。
次に、図7(d)に示されるブロック図を用いてインクジェット記録装置700の記録制御を実行するための制御回路の構成について説明する。制御回路は、記録信号が入力するインタフェース800、MPU(マイクロプロセッサ)801、MPU801が実行する制御プログラムを格納するプログラムROM802を備えている。制御回路は更に、各種データ(上記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(ランダムアクセスメモリ)803と、記録ヘッド808に対する記録データの供給制御を行うゲートアレイ804とを備えている。ゲートアレイ804は、インタフェース800、MPU801、RAM803間のデータ転送制御も行う。さらにこの制御回路は、記録ヘッド808を搬送するためのキャリアモータ810と、記録紙搬送のための搬送モータ809とを備えている。この制御回路はさらに、記録ヘッド808を駆動するヘッドドライバ805、搬送モータ809及びキャリアモータ810をそれぞれ駆動するためのモータドライバ806、807とを備えている。上記制御構成の動作を説明すると、インタフェース800に記録信号が入るとゲートアレイ804とMPU801との間で記録信号がプリント用の記録データに変換される。そして、モータドライバ806、807が駆動されるとともに、ヘッドドライバ805に送られた記録データに従って記録ヘッドが駆動され、印字が行われる。
100 半導体装置、101 ヒータ、102 接地側トランジスタ、103 電源側トランジスタ、106 制御回路、107 制御回路、111 安定化回路、112 容量素子

Claims (19)

  1. 液体吐出ヘッド用の半導体装置であって、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、
    液体を吐出させるための複数の吐出素子であって、各吐出素子は前記複数の第1トランジスタの1つの前記第2端子と前記複数の第2トランジスタの1つの前記第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、
    前記複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、前記複数の第1トランジスタに接続された共通の信号線を通じて前記複数の第1トランジスタの前記制御端子に供給する第1制御回路と、
    前記第1トランジスタの前記第2端子と前記第1トランジスタの前記制御端子との少なくとも一方の電圧を安定化させるための安定化回路と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2トランジスタがオフである場合に、前記第1トランジスタの前記第2端子は電気的にフローティングであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記安定化回路は、第1電極と第2電極とを有する容量素子を含み、
    前記容量素子の前記第1電極は、前記共通の信号線に接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1トランジスタはMOSトランジスタであり、
    前記容量素子はMOSキャパシタであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記安定化回路は、
    前記第1トランジスタの前記第2端子または前記制御端子のいずれか1つの端子と電圧源との間に接続されており、
    前記1つの端子の電圧が所定の範囲に含まれる場合に、前記1つの端子と前記電圧源との間を非導通状態にし、
    前記1つの端子の電圧が前記所定の範囲から外れた場合に、前記1つの端子と前記電圧源との間を導通状態にすることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記安定化回路は、前記第1トランジスタの前記第2端子または前記制御端子のいずれか1つの端子と電圧源との間に接続された第3トランジスタを含み、
    前記安定化回路は、前記第3トランジスタの制御端子に供給される電圧に基づいて、前記1つの端子の電圧をクリップすることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記1つの端子は、前記第2端子であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記1つの端子は、前記制御端子であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体装置。
  9. 前記第1トランジスタと前記安定化回路との間の配線長が、前記第1トランジスタと前記第1制御回路との間の配線長よりも短いことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体装置は前記安定化回路を複数備え、
    前記複数の第1トランジスタ、前記複数の第2トランジスタ及び前記複数の吐出素子は複数のブロックに分かれており、
    前記複数のブロックの1つは、1つ以上の前記吐出素子と当該吐出素子に接続された前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタとを含み、
    前記複数の安定化回路は、それぞれ、前記複数のブロックの1つに対して配されていることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記複数の第2トランジスタの導通状態を個別に制御するための第2制御信号を前記第2トランジスタの制御端子に供給する第2制御回路を、備えることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 液体吐出ヘッド用の半導体装置であって、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、
    液体を吐出させるための複数の吐出素子であって、各吐出素子は前記複数の第1トランジスタの1つの前記第2端子と前記複数の第2トランジスタの1つの前記第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、
    前記複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、前記複数の第1トランジスタに接続された共通の信号線を通じて前記複数の第1トランジスタの前記制御端子に供給する第1制御回路と、
    前記第1トランジスタの前記制御端子に接続された電極を有する容量素子とを備えることを特徴とする半導体装置。
  13. 液体吐出ヘッド用の半導体装置であって、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、
    液体を吐出させるためのエネルギーを当該液体に与える複数の吐出素子であって、各吐出素子はいずれかの前記第1トランジスタの前記第2端子といずれかの前記第2トランジスタの前記第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、
    前記複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、前記複数の第1トランジスタに接続された共通の信号線を通じて前記複数の第1トランジスタの前記制御端子に供給する第1制御回路と、
    電圧源と前記第1トランジスタの前記第2端子との間に配された第3トランジスタまたはダイオードとを備えることを特徴とする半導体装置。
  14. 液体吐出ヘッド用の半導体装置であって、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第1電圧が供給される複数の第1トランジスタと、
    第1端子、第2端子及び制御端子を有しており、当該第1端子に第2電圧が供給される複数の第2トランジスタと、
    液体を吐出させるためのエネルギーを当該液体に与える複数の吐出素子であって、各吐出素子はいずれかの前記第1トランジスタの前記第2端子といずれかの前記第2トランジスタの前記第2端子との間に接続されている、複数の吐出素子と、
    前記複数の第1トランジスタの導通状態を制御するための第1制御信号を、共通の信号線を通じて前記複数の第1トランジスタの前記制御端子に供給する第1制御回路と、
    電圧源と前記第1トランジスタの前記制御端子との間に配された第3トランジスタまたはダイオードとを備えることを特徴とする半導体装置。
  15. 前記複数の第2トランジスタの導通状態を個別に制御するための第2制御信号を前記第2トランジスタの制御端子に供給する第2制御回路を、備えることを特徴とする請求項12乃至請求項14のいずれか1項に記載の半導体装置。
  16. 前記第2電圧は前記第1電圧よりも高いことを特徴とする請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の半導体装置。
  17. 請求項1乃至請求項16のいずれか1項に記載の半導体装置と、前記半導体装置によって液体の吐出が制御される吐出口とを備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  18. 請求項17に記載の液体吐出ヘッドとインクを収容する液体容器とを備えることを特徴とする液体吐出カートリッジ。
  19. 請求項17に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに液体を吐出させるための駆動信号を供給する供給手段とを有することを特徴とする液体吐出装置。
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