JP3722189B2 - 記録ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に温度検知素子を搭載した記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大きく注目されている記録技術として、液体噴射記録方式がある。液体噴射記録方式は、普通紙への記録が可能であり、高品位記録、カラー化が容易であり、さらに静粛性に優れ、記録スピードと価格のバランスに優れているという特徴がある。さらに、構造が単純であるという利点も有している。
【０００３】
一方、構造が単純であるといっても、現在でも記録ヘッドや液体の取り扱いに課題を残している。特に、液体を扱うことによる信頼性、耐久性の確保が課題となっている。信頼性、耐久性を損なう要因としては、液体による目詰まり、液体流路への気泡の混入、記録ヘッド材料の液体による劣化などが挙げられる。
【０００４】
最近の液体噴射記録装置には、安価であっても写真画質に迫る高画質の画像を記録できるものも増えてきた。６色以上の多色インクを使用したり、１ヶ所にインクを重ね打ちするなどの工夫で色調表現を豊かにし、画像のざらざらした感じが少なくなった。このような液体噴射記録装置は、会社や広告等の専門業だけでなく、パーソナルコンピュータの普及に伴い一般家庭でも普通に使用されるようになった。例えば、家族の写真を入れてはがきを作るなどといったことが日常的に行われるようになった。このような用途では、人物の顔がかなり小さくなる場合もあり、少ないドットの集まりで表現しなければならない。このような場合、性能が低いと目の表情が変わってしまったり、肌にドットが目立って荒れた感じになってしまう。しかし最近の高機能化によって画質が向上し、このような用途にも十分利用可能になっている。
【０００５】
液体噴射記録方式には、発熱素子によって液体を急激に加熱し、液体中に発生した気泡により液体を吐出させるサーマル（バブル）方式と、電圧を印加すると変形するセラミックを用いて液体を吐出させるピエゾ方式がある。特にサーマル方式では、液体に噴射エネルギーを加えるための発熱素子が比較的単純な薄膜プロセスで作成できることから、発熱素子と同一基板上に同一薄膜プロセスで作成された電子回路を搭載する構成が増えている。発熱素子のみならず、ドライバや、低電圧の論理機能素子などを、発熱素子を搭載した基板に集積化することも行われている。これによって、配線を簡略化し、駆動ＩＣの負荷を低減し、さらには電気的接続のためのパッド数を削減してチップサイズを小さくすることができ、ノズルの高密度化や多ノズル化、およびコスト面で効果をあげている。このように発熱素子と同一基板上に駆動回路等を形成した構成は、例えば特開平９−２５４３６８号公報などに記載されている。
【０００６】
液体噴射記録方式において記録に用いるインク等の液体は、温度が高くなると粘度が低下し、噴射滴量が多くなる。また逆に、温度が低くなると粘度が上昇して、噴射滴量が少なくなってしまう。そのため、温度変化があると噴射滴量が変化して記録された画像に劣化を生じる。特にサーマル方式の場合、液体を吐出させるために熱エネルギーを利用することから、記録中に自己昇温しやすい。このような問題に対して、例えば特開平５−３１９０６号公報などに見られるように、温度変化が生じても噴射量を一定にする手法として、温度によりパルス幅を変更するという手法が提案されている。このほかにも、各種の昇温に対する対策が提案されている。
【０００７】
このように、液体噴射記録方式においては温度管理が画質に影響するが、そのためには正確に温度を測定する必要がある。上述のようにサーマル方式では記録ヘッドにおいて発熱するため、記録ヘッドにおける温度を測定することが望ましい。そのため、記録ヘッドに精度のよい温度検知素子を設置して温度を検出する方法が一般的である。発熱素子を搭載した基板に温度検知素子を設けることにより、応答性の高い温度検知が可能である。
【０００８】
図９は、従来の温度を検知するための回路構成の一例の説明図、図１０は、同じく温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。図中、５１は記録ヘッド、５２は温度検知素子、５３はプルアップ抵抗である。従来は、記録ヘッド５１を構成するシリコン基板上に温度検知素子５２を形成し、その一方を接地する。そしてもう一方を外部に出力させ、温度検知素子の外部でプルアップ抵抗を接続し、その接続点における電圧を温度検知結果として取り出している。しかし、シリコン基板上に薄膜プロセスで作成された温度検知素子の温度変化率は一般的に低い。そのため、図９に示すような回路構成によって温度検知結果として取り出される電圧変化は、図１０に示すように温度に対して小さく、電源や配線におけるノイズの影響による誤差が大きく、高精度の温度測定が困難であるという問題があった。温度変化率を改善するために、特別のプロセスを使用して温度検知素子を作成したり、複雑なアナログ回路を構成することも考えられるが、コスト的に不利である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板上に特別のプロセスを必要としない温度検知素子を設けるとともに、非常に簡単な回路で温度の変化に対する出力電圧の応答を改善し、低コストで感度のよい温度の測定を行い、温度の変化に対する画質の変化を防止可能な記録ヘッドを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明は、上記課題を解決するために、記録ヘッドのシリコン基板上に、第１の温度検知素子と、その第１の温度検知素子に直列に接続された抵抗とからなる第１の直列回路、および、その抵抗と第１の温度検知素子の接続点が制御端子に接続された増幅手段と、増幅手段と直列に接続された第２の温度検知素子とからなる第２の直列回路を並列に電源端子間に挿入して形成し、増幅手段と第２の温度検知素子との接続点を出力とする。このような構成により、温度変化により第１の温度検知素子の抵抗値が変化すると、増幅手段の制御入力が変化し、増幅手段のオン抵抗又は出力電流が変化し、第２の温度検知素子の温度変化による抵抗値変化に対する出力変化量を大きくするように働く。
【００１１】
前記抵抗は、例えば請求項２または請求項３に示すように、一方が電源端子のホット側に接続されたプルアップ抵抗、あるいは一方が電源端子のリターン側（接地）に接続されたプルダウン抵抗とすることができる。また、トランジスタなどの増幅手段として、好ましくは電界効果トランジスタ、さらに好ましくはｎＭＯＳトランジスタあるいはｐＭＯＳトランジスタを用いることができる。この場合、プルアップ抵抗あるいはプルダウン抵抗と第１の温度検知素子の接続点を電界効果トランジスタのゲート電極に接続し、電界効果トランジスタのドレインまたはソースに第２の温度検知素子を接続すればよい。
【００１２】
このような構成によれば、第１の温度検知素子の温度による抵抗値の変化によって、増幅手段、例えばｎＭＯＳトランジスタあるいはｐＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタの制御端子であるゲート電圧が変化して、ソース−ドレイン間の電流が変化する。それとともに、そのソース−ドレイン間の電流が流れる第２の温度検知素子の抵抗値も温度によって変化する。このように両者の相互作用によって、温度に対する出力電圧の変化量を大きくすることができる。そのため、記録ヘッドの温度を精度よく検知することができる。また、外来ノイズやＡＤコンバータなどの電圧を読み取る側における誤差の影響も少なくなり、より正確に液体の温度を検出することができる。また、構成が非常に簡単であり、回路のために必要とする面積も小さいので、低コストで印字品質に有利な記録ヘッドを提供可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図、図２は、同じく温度検知素子の一例を示す断面図である。図中、１１は第１の温度検知素子、１２はプルアップ抵抗、１３はｎＭＯＳトランジスタ、１４は第２の温度検知素子、２１はＳｉ基板、２２はＮ−拡散層、２３はＮ＋拡散層、２４はＬＯＣＯＳ、２５はＢＰＳＧ、２６は配線、２７はＰＳＧである。
【００１４】
第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、例えば図２に示すような構造のＮ−（Ｎ型低濃度）拡散層をＳｉ基板２１内に作製して構成することができる。Ｎ−拡散層は、二重拡散構造（ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造）のＭＯＳトランジスタに使用されている。Ｎ＋拡散層でドレインを形成する際、ゲート近傍にＮ−拡散層を設け、ドレイン近傍の電界を小さくする。このような構成により、ホットエレクトロンによる閾値の電圧の変動を抑えることができ、また、ソース、ドレイン間の耐圧向上を図ることができる。
【００１５】
Ｎ−拡散層２２は、２〜３×１０12／ｃｍ2 程度の濃度のＰイオンを約１８０ｅＶで注入して拡散させて形成することができる。また、Ｎ＋拡散層２３は４〜５×１０15／ｃｍ2 程度の濃度のＡｓイオンを約４０ｅＶで注入して拡散させて形成することができる。通常のＭＯＳトランジスタを作製する場合、ドレイン及びソースにこれと同等のＮ＋拡散層を設けて、Ａｌ等の配線材にコンタクトを経由して接続する。図２ではＮ＋拡散層２３は、パッドからＡｌ等の配線２６で接続されている。図２を参照してわかる通り、支配的な抵抗成分は低濃度のＮ−拡散層２２の部分である。この部分が温度により抵抗変化を起こし、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）素子となる。なお、Ｎ−層２２を設けなくても、Ｎ＋層２３だけでも十分ＰＴＣ素子として使用可能である。この場合、シート抵抗が低い関係上、レイアウト面積が大きくなる。
【００１６】
図２に示したＮ−拡散層２２を用いた温度検知素子（標準品）の温度と抵抗値の関係は、温度Ｔ０（Ｋ）の時の抵抗値をＲ０，温度Ｔ１（Ｋ）の時の抵抗値をＲ１としたとき、Ｒ１＝Ｒ０×ｅｘｐ（Ｂ×（Ｔ１−Ｔ０））で近似可能である。なお、直線で近似しても実質上は問題ない。図２に示すＮ−拡散層２２の抵抗値の温度変化率は、３０℃のときの抵抗値をＲ３０とすれば、３０℃→６０℃でＲ３０×０．５５（％／℃）程度である。Ｓｉ基板上に搭載する温度検知素子は、プロセス、材料上の制約から温度変化率がよくてもこの程度であり、温度変化率はかなり低い。そのため、従来のように図９に示すような回路により、温度変化を電圧変化として取り出すと、温度変化に対する電圧変化が少なく、ノイズの影響などによる読み取り誤差が大きくなる。
【００１７】
これを改善するため、本発明では図１に示すような構成をとっている。すなわち、Ｎ−拡散層による第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４、ポリシリコンによるプルアップ抵抗１２、Ｎチャネル・エンハンスメントトランジスタ（ｎＭＯＳトランジスタ１３）を、例えば温度検知素子１１を形成した同じシリコン基板２１上に形成する。このとき、ＣＭＯＳやバイポーラプロセスのようにウエルは不要である。
【００１８】
そして、第１の温度検知素子１１の一方をプルアップ抵抗１２に接続し、他方を接地する。また、プルアップ抵抗１２の他方を電源ラインに接続する。そして、第１の温度検知素子１１とプルアップ抵抗１２の接続点をｎＭＯＳトランジスタ１３のゲートに接続する。ｎＭＯＳトランジスタ１３のソースまたはドレインの一方が接地されるとともに、他方が第２の温度検知素子１４に接続されている。また、第２の温度検知素子１４の他方は電源ラインに接続されている。そして第２の温度検知素子１４とｎＭＯＳトランジスタ１３との接続点の電圧Ｖｏｕｔ２を温度検知結果として取り出す。
【００１９】
このような構成において、温度検知素子は温度に対して正特性であるので、温度上昇で第１の温度検知素子１１の抵抗値が上昇し、ｎＭＯＳトランジスタ１３のゲート電位が上がる。そのため、ゲート電位の上昇によって電流が増大する。第２の温度検知素子１４も温度上昇によって抵抗値が増え、ｎＭＯＳトランジスタ１３における電流の増加でますます電圧Ｖｏｕｔ２は下がる。
【００２０】
ここではｎＭＯＳトランジスタ１３は飽和領域で動作させている。飽和領域の場合の近似式として、Ｉｄｓ：ドレイン→ソース電流、Ｖｇｓ：ゲート−ソース間電圧、Ｖｔｈ：しきい値電圧としたとき、Ｉｄｓ＝（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）2 となる電流が流れる。飽和領域では、非飽和領域動作に比べてゲート電圧によるＩｄｓ変化率が大きい。そのため、図１に示すように第１の温度検知素子１１からのゲート電圧の変化によってドレイン→ソース電流Ｉｄｓの変化を大きくし、出力電圧の変化をさらに大きくすることができる。
【００２１】
具体例を示す。第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、図２に示すように幅ｗ＝６４μｍ、長さａ＝１２８μｍ、ｂ＝９μｍである。低濃度のＮ−拡散層２２のシート抵抗Ｒ□≒５ｋΩであり、３０℃での抵抗値Ｒ３０＝１０ｋΩ、温度変化率はＲ３０×０．５５％／℃（ＰＣＴ）である。プルアップ抵抗１２は、ポリシリコン層（シート抵抗Ｒ□≒６３．５Ω）で、３０℃での抵抗値Ｒ３０＝１０ＫΩ、温度変化率はＲ３０×０．０５％／℃（ＰＣＴ）である。ＮチャネルＥ−ＭＯＳＴｒ．（ｎＭＯＳトランジスタ１３）は、Ｗ＝４０μｍ、Ｌ＝５μｍ、Ｖｔ＝１Ｖ、プロセス係数２０×１０-6Ａ／Ｖ2 、温度変化率（Ｒｏｎ）はＲ３０×０．０５％／℃（ＰＣＴ）である。なお、Ｗ、Ｌは、ｎＭＯＳトランジスタ１３が飽和領域で動作するように設定している。
【００２２】
図３は、本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。図中、破線で示した出力Ｖｏｕｔ２ａの電圧変化のグラフは、ｎＭＯＳトランジスタ１３のプロセス係数が１６×１０-6Ａ／Ｖ2 の場合を示している。また、実線で示した出力Ｖｏｕｔ２ｂの電圧変化のグラフは、ｎＭＯＳトランジスタ１３のプロセス係数が２０×１０-6Ａ／Ｖ2 の場合を示している。なお、図１０に示した従来の出力電圧の変化も一点鎖線によって示している。
【００２３】
図３から分かるように、従来は２０→６０℃の温度変化によって出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化は２．４６３６Ｖ→２．６７４Ｖで０．２１０４Ｖの上昇程度であった。しかし上述の具体例では、実線に示すように温度変化に従って出力電圧が変化し、２０→６０℃の温度変化によって出力電圧Ｖｏｕｔ２ｂの変化は、３．４３３Ｖ→２．４２１Ｖに下降している。このように、上述の具体例では２０→６０℃の温度変化によって−１．０１２Ｖの変化があり、従来の０．２１０４Ｖに比べて４．２５倍の変化率を得ることができる。
【００２４】
実際に使用する際には、温度検知素子のバラツキを補正する手段を設けておくとよい。補正手段としては、例えば、温度検知素子のバラツキの情報をヒューズＲＯＭ等に書き込んでおき、使用するときに出力Ｖｏｕｔ２をＲＯＭの情報に従って補正し、正確な温度を計算することができる。
【００２５】
図４は、本発明の記録ヘッドの第２の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。図中、１５はプルダウン抵抗、１６はｐＭＯＳトランジスタである。この第２の実施の形態では、第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４とともに、ポリシリコンによるプルダウン抵抗１５と、Ｐチャネル・エンハンスメントトランジスタ（ｐＭＯＳトランジスタ１６）を、例えば温度検知素子１１を形成した同じシリコン基板２１上に形成する。なお、第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、上述の第１の実施の形態と同様、例えば図２に示すような構成である。
【００２６】
第１の温度検知素子１１の一方をプルダウン抵抗１５に接続し、他方を電源ラインに接続する。また、プルダウン抵抗１５の他方を接地する。そして、第１の温度検知素子１１とプルダウン抵抗１５の接続点をｐＭＯＳトランジスタ１６のゲートに接続する。ｐＭＯＳトランジスタ１６のソースまたはドレインの一方が電源ラインに接続されるとともに、他方が第２の温度検知素子１４に接続されている。また、第２の温度検知素子１４の他方は接地されている。そして第２の温度検知素子１４とｐＭＯＳトランジスタ１６との接続点の電圧Ｖｏｕｔ２を温度検知結果として取り出す。
【００２７】
このような構成において、温度検知素子は温度に対して正特性であるので、温度上昇で第１の温度検知素子１１の抵抗値が上昇し、ｐＭＯＳトランジスタ１６のゲート電位が下がる。そのため、ゲート電位の低下によって電流が増大する。さらに第２の温度検知素子１４も温度上昇によって抵抗値が増え、ｐＭＯＳトランジスタ１６における電流の増加とともに、ますます電圧Ｖｏｕｔ２は上昇する。そのため、温度の変化に対して電圧Ｖｏｕｔ２は大きく変動することになり、精度よく温度を検出することができる。なお、この場合もｐＭＯＳトランジスタ１６は飽和領域で動作させるとよい。
【００２８】
上述の第１および第２の実施の形態では、温度検知素子１１および温度検知素子１４として両方とも温度に対して正特性のものを用いているが、いずれか一方あるいは両方とも、温度に対して負特性のものを用いてもよい。この場合には、それらの特性に応じたＭＯＳトランジスタを用いることになる。また、上述の各実施の形態では、増幅手段としてｎＭＯＳトランジスタ１３あるいはｐＭＯＳトランジスタ１６を用いたが、これらに限らず、電界効果トランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタ、さらには増幅回路等によって構成することも可能である。
【００２９】
次に、本発明の記録ヘッドを液体噴射記録装置に応用した例を述べる。図５は、本発明の記録ヘッドの応用例を示す液体噴射記録装置の一例の概略構成斜視図である。図中、３１は被記録媒体、３２は液体噴射記録ヘッド、３３はキャリッジ、３４はインクカートリッジ、３５はガイド軸、３６はガイドレール、３７はフレキシブルケーブルである。ここでは、本発明の記録ヘッドを、液体の噴射によって記録を行う液体噴射記録装置における液体噴射記録ヘッドとして用いた例を示している。
【００３０】
被記録媒体３１は、例えば紙、ハガキ、布など、あらゆる記録可能な媒体で構成される。被記録媒体３１は、搬送機構によって液体噴射記録ヘッド３２と対向する位置に搬送される。
【００３１】
液体噴射記録ヘッド３２には、インクを噴射させるための発熱素子が設けられており、この発熱素子によって対向する被記録媒体３１へインクを噴射し、記録を行う。液体噴射記録ヘッド３２にはインクカートリッジ３４が装着されており、噴射するインクはこのインクカートリッジ３４から供給される。この液体噴射記録ヘッド３２は、本発明の記録ヘッドであり、上述の第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態で示したように、この液体噴射記録ヘッド３２の温度を検知する回路が形成されている。
【００３２】
液体噴射記録ヘッド３２およびインクカートリッジ３４はキャリッジ３３に搭載されている。この例では、２組の液体噴射記録ヘッド３２およびインクカートリッジ３４がキャリッジ３３に搭載されている。キャリッジ３３は、被記録媒体３１の搬送方向と直交する方向に延在するガイド軸３５およびガイドレール３６に沿って摺動可能に構成されている。
【００３３】
矢印Ａ方向から被記録媒体３１が搬送される。液体噴射記録ヘッド３２はキャリッジ３３がガイド軸３５およびガイドレール３６に沿って摺動することによって、矢印Ａの方向とはほぼ直交する方向に移動する。このとき、フレキシブルケーブル３７を介して記録データや制御信号、それに電力が供給され、液体噴射記録ヘッド３２に発熱素子が配列されている幅の帯状の領域に記録を行う。このような帯状領域ごとの記録動作を繰り返し行うことによって、被記録媒体３１上に画像を形成する。
【００３４】
また、例えば図１や図４に示したような温度を検知するための回路からの出力電圧Ｖｏｕｔ２がフレキシブルケーブル３７を介して出力されており、少なくともこの出力電圧Ｖｏｕｔ２に従った温度管理を行うことが可能である。温度管理の方法については、一例を後で述べる。
【００３５】
もちろん本発明の記録ヘッドは、このような構成の液体噴射記録装置に限らず、例えば被記録媒体の幅以上の幅を有する液体噴射記録ヘッドを有し、液体噴射記録ヘッドを移動させずに被記録媒体を移動させて記録を行う構成や、被記録媒体を停止させておいて液体噴射記録ヘッドのみが移動する構成など、各種の構成に対して応用することが可能である。
【００３６】
図６は、本発明の記録ヘッドを構成する発熱素子基板に形成される発熱素子および駆動回路等の構成図である。図中、４１は共通電極、４２は発熱素子、４３はドライバ素子、４４はプリドライバ、４５はＮＡＮＤ回路、４６は１６ｂｉｔカウンタ、４７は６４ｂｉｔラッチ、４８は６４ｂｉｔシフトレジスタである。ここでは熱エネルギーによって液体を噴射するサーマル型の液体噴射記録ヘッド（例えば図５における液体噴射記録ヘッド３２）の例を示している。なお、これらの回路のほかに、上述の図１や図４に示した温度を検知する回路が、同じ発熱素子基板上に形成される。
【００３７】
この例では、６４個の発熱素子４２を搭載している。ここで、６４個の発熱素子４２と記述したが、厳密には６４個分の発熱素子４２の領域を持ったということである。つまり、発熱素子４２を置く領域だけがあって実際には発熱素子４２がなかったり、通常の印字には使用しない特性の異なる素子であったり、いわゆるダミー素子である場合も含んでいる。例えば、異なる色のインクを一つの基板を使用して印字を行なう場合、異なる色の境界に幾つかのダミー素子を設けることが多い。この明細書では、以上のことを踏まえて、発熱素子の配置可能数を発熱素子数と呼んでいる。
【００３８】
図６では、６４個の発熱素子４２を４つずつ１６個のブロックに分けて分割駆動する場合である。６４個の発熱素子４２の一端はすべて共通電極４１を介して電源に接続されている。また、他端はそれぞれドライバ素子４３に接続されている。ドライバ素子４３は、例えばＭＯＳ−トランジスタなどで構成することができ、発熱素子４２を駆動する。プリドライバ４４は、対応する発熱素子４２の駆動信号を昇圧してドライバ素子４３の制御電極、例えばＭＯＳ−ＦＥＴではゲート電極に入力する。ＮＡＮＤ回路４５には、１６ｂｉｔカウンタ４６からのブロック分割駆動信号の１本と、ＥＮＡＢＬＥ信号と、６４ｂｉｔラッチ４７からのデータ信号が入力されており、対応する発熱素子４２が選択され、印字すべきデータが存在し、さらにＥＮＡＢＬＥ信号が入力されたとき、プリドライバ４４へ駆動信号を出力する。
【００３９】
１６ｂｉｔカウンタ４６は、クロックをカウントしてブロック分割駆動信号を発生し、各ブロックに対応するＮＡＮＤ回路４５に入力する。６４ｂｉｔラッチ４７は、各発熱素子４２に対応した印字データを保持する。６４ｂｉｔシフトレジスタ４８は、シリアル入力された印字データを順次保持し、６４ｂｉｔラッチ４７にパラレルに転送する。
【００４０】
図７は、図６に示す構成における動作の一例を示すタイミングチャートである。最初の印字を行なう前に、予め各発熱素子４２に対応した６４個の印字データを６４ｂｉｔシフトレジスタ４８にシリアルに入力する。その後、ＤＲＳＴ信号で６４ｂｉｔラッチ４７をリセットし、ＬＣＬＫ信号により６４ｂｉｔシフトレジスタ４８内の全ての印字データを６４ｂｉｔラッチ４７に転送してラッチさせる。６４ｂｉｔラッチ４７は、印字データをそれぞれのＮＡＮＤ回路４５に出力している。
【００４１】
１６ｂｉｔカウンタ４６は、ＢＲＳＴ信号でリセットされ、ＢＤＩＲ信号で駆動順序が選択された後、ＢＣＬＫ信号をカウントしてブロック分割駆動信号を選択的に送出する。図７ではＢＤＩＲ信号が‘Ｌ’で順方向印字、‘Ｈ’で逆方向印字を選択する。１６ｂｉｔカウンタ４６は、まず最初のＢＣＬＫ信号によりブロック１に対するブロック分割駆動信号を１〜４番目のＮＡＮＤ回路４５に対して出力する。外部よりプレパルスおよびメインパルスを有するＥＮＡＢＬＥ信号が入力されると、１〜４番目のＮＡＮＤ回路４５のうち６４ｂｉｔラッチ４７から印字データが出力されているもののみがＥＮＡＢＬＥ信号に従った駆動信号を出力し、プリドライバ４４を介してドライバ素子４３が駆動される。これにより１〜４番目の発熱素子４２のうち印字データが存在するものに電流が流れ、発熱素子４２が発熱する。
【００４２】
このときの駆動方法として、単一パルスによるシングルパルス駆動、あるいは、複数のパルスによるマルチパルス駆動を行うことができる。図７では、プレパルスおよびメインパルスによるダブルパルス駆動を行うものとした例を示している。プレパルスではインクは吐出されず、発熱素子４２の発熱による昇温のみが行われ、次のメインパルスで発熱素子４２の発熱によってインク中に気泡が発生し、インクが吐出されて印字が行なわれる。
【００４３】
続いて１６ｂｉｔカウンタ４６は次のＢＣＬＫ信号をカウントしてブロック２に対するブロック分割駆動信号を５〜８番目のＮＡＮＤ回路４５に対して出力し、５〜８番目の発熱素子４２のうち印字データの存在するものが発熱して印字が行なわれる。以下、順にブロック１６まで駆動して印字を行なう。この間に、次の６４個分の印字データをシリアルに６４ｂｉｔシフトレジスタ４８に入力する。
【００４４】
１６個のブロックの駆動が終了すると、ＢＲＳＴ信号により１６ｂｉｔカウンタ４６がリセットされ、ＢＤＩＲ信号により駆動方向が設定される。図７では逆方向の駆動が設定されている。また、ＤＲＳＴ信号によって６４ｂｉｔラッチ４７がリセットされ、ＬＣＬＫ信号によって６４ｂｉｔシフトレジスタ４８内の印字データが６４ｂｉｔラッチ４７にラッチされる。以後、１６番目のブロックから順に駆動され、最後に１番目のブロックが駆動される。これら一連の動作を繰り返し、印字を行なう。
【００４５】
上述のように液体噴射記録方式では、液体の温度により液体の粘度が変化し、噴射される液滴量が異なってくる。特に上述のようなサーマル方式では、発熱素子４２の発熱によって、記録ヘッドは高温になりやすい。そのため、何らかの手段で温度により駆動方法を変更し、一定の温度で記録が行われるように制御する必要が生じる。温度を制御する一つの方法として、発熱素子４２を駆動する際に与える駆動パルスの幅を変更する方法が考えられている。
【００４６】
図８は、記録ヘッドの温度と駆動パルスの関係の一例の説明図である。例えば、発熱素子に与える駆動パルスとして図８（Ｂ）に示すようなプレパルスおよびメインパルスを与える方法がある。プレパルスでは液体の噴射を行わず、液体を加温する。そしてメインパルスによって、液体を噴射させる。このような駆動方式を用いる場合には、記録ヘッドの温度に従ってプレパルス幅を変化させることによって、液体の温度をほぼ一定に保つことができる。すなわち、記録ヘッドの温度が低い場合には、プレパルス幅を長くして発熱量を多くし、液体の温度を上げる。また、記録ヘッドの温度が高い場合には、それほど液体の温度を上げる必要がないので、プレパルス幅を短くして発熱量を少なくする。さらに記録ヘッドの温度が高く、プレパルス幅を０にしても発熱量が多い場合には、メインパルスの幅を短くしている。なお、ここでは全体の駆動時間を一定にするため、プレパルスとメインパルスの間の時間も変更している。
【００４７】
ここではプレパルスとメインパルスによるダブルパルス駆動の場合の例を示したが、例えばシングルパルス駆動の場合にも、同様に温度に応じてパルス幅を変更し、液滴量の制御を行うことができる。もちろん、３以上のパルスを用いるマルチパルス駆動の場合も同様である。
【００４８】
このような記録ヘッドの温度に応じた駆動制御を行うことによって、噴射される液滴量を一定に保ち、良好な画質を維持することができる。このとき、記録ヘッドの温度を精度よく測定することが必要である。本発明の記録ヘッドでは、図１や図４に示すような温度を測定するための回路が、液体を噴射する素子と同じシリコン基板上に形成されているので、液体の噴射に関係する素子のなるべく近くで、しかも精度よく温度を測定することができる。そのため、記録ヘッドの温度をほぼ一定に保つように制御することができ、記録される画質を均一に保つことができる。
【００４９】
本発明の記録ヘッドに設けられている温度を測定する回路から出力される電圧をもとに温度を読み取る際には、回路の各素子で発生するバラツキを補正しておくことが望ましい。バラツキを補正する手段としては、例えば、機内に正確な温度検知素子を設けておき、この温度検知素子との初期値の差異で補正を行うことができる。
【００５０】
あるいは、例えば図３に示した温度と出力電圧Ｖｏｕｔ２との関係を示すグラフにおいて、グラフを直線近似し、実質的に傾きが同じとして、オフセットで補正することも可能である。例えば図３に示したグラフでは、温度をｘとしたとき、Ｖｏｕｔ２ａ＝−０．０２１６ｘ＋４．１８１４、Ｖｏｕｔ２ｂ＝０．０２３ｘ＋３．８９３７として直線近似できる。このときのオフセットを補正することにより、素子のバラツキに対応することができる。
【００５１】
さらには、機内のＲＯＭに、例えば各温度に対応する出力電圧Ｖｏｕｔ２の基準値を格納しておき、液体噴射記録装置の電源投入時に、そのときの温度に応じたＲＯＭの電圧値と実測値を比較して、この値をオフセットとして補正値とすることもできる。
【００５２】
実際に液体噴射記録装置で記録を行う際には、まず電源投入時に上述のようなオフセット値を記憶する。温度を検出する際には、図１や図４に示す出力電圧Ｖｏｕｔ２を測定し、オフセット値を加えて実際の温度を算出する。そして、例えば前述したように温度に応じてパルス幅を変更する等の制御を行えばよい。
【００５３】
なお、上述の説明では、本発明の記録ヘッドとして、熱エネルギーを用いて液体を噴射させて記録を行うサーマル型の液体噴射記録ヘッドに適用する例について説明したが、これに限らず、他の型の液体噴射記録ヘッドや、例えば熱転写型の記録ヘッドなど、各種の記録ヘッドへの応用が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、シリコン基板の温度を、その基板に内蔵した温度検知素子を利用して精度よく検知可能である。このとき、温度検知素子の温度変化率が大きいので、外来ノイズや読み取り系（ＡＤコンバータ等）における誤差の影響が少なくなり、より正確に液体の温度をモニタすることができる。また、構成が非常にコンパクトであるので低コストで印字品質に有利な液体噴射記録装置を提供可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図２】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための温度検知素子の一例を示す断面図である。
【図３】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。
【図４】 本発明の記録ヘッドの第２の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図５】 本発明の記録ヘッドの応用例を示す液体噴射記録装置の一例の概略構成斜視図である。
【図６】 本発明の記録ヘッドを構成する発熱素子基板に形成される発熱素子および駆動回路等の構成図である。
【図７】 図６に示す構成における動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】 記録ヘッドの温度と駆動パルスの関係の一例の説明図である。
【図９】 従来の温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図１０】 従来の温度を検知するための回路構成の一例における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…第１の温度検知素子、１２…プルアップ抵抗、１３…ｎＭＯＳトランジスタ、１４…第２の温度検知素子、２１…Ｓｉ基板、２２…Ｎ−拡散層、２３…Ｎ＋拡散層、２４…ＬＯＣＯＳ、２５…ＢＰＳＧ、２６…配線、２７…ＰＳＧ、１５…プルダウン抵抗、１６…ｐＭＯＳトランジスタ、３１…被記録媒体、３２…液体噴射記録ヘッド、３３…キャリッジ、３４…インクカートリッジ、３５…ガイド軸、３６…ガイドレール、３７…フレキシブルケーブル、４１…共通電極、４２…発熱素子、４３…ドライバ素子、４４…プリドライバ、４５…ＮＡＮＤ回路、４６…１６ｂｉｔカウンタ、４７…６４ｂｉｔラッチ、４８…６４ｂｉｔシフトレジスタ、５１…記録ヘッド、５２…温度検知素子、５３…プルアップ抵抗。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に温度検知素子を搭載した記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大きく注目されている記録技術として、液体噴射記録方式がある。液体噴射記録方式は、普通紙への記録が可能であり、高品位記録、カラー化が容易であり、さらに静粛性に優れ、記録スピードと価格のバランスに優れているという特徴がある。さらに、構造が単純であるという利点も有している。
【０００３】
一方、構造が単純であるといっても、現在でも記録ヘッドや液体の取り扱いに課題を残している。特に、液体を扱うことによる信頼性、耐久性の確保が課題となっている。信頼性、耐久性を損なう要因としては、液体による目詰まり、液体流路への気泡の混入、記録ヘッド材料の液体による劣化などが挙げられる。
【０００４】
最近の液体噴射記録装置には、安価であっても写真画質に迫る高画質の画像を記録できるものも増えてきた。６色以上の多色インクを使用したり、１ヶ所にインクを重ね打ちするなどの工夫で色調表現を豊かにし、画像のざらざらした感じが少なくなった。このような液体噴射記録装置は、会社や広告等の専門業だけでなく、パーソナルコンピュータの普及に伴い一般家庭でも普通に使用されるようになった。例えば、家族の写真を入れてはがきを作るなどといったことが日常的に行われるようになった。このような用途では、人物の顔がかなり小さくなる場合もあり、少ないドットの集まりで表現しなければならない。このような場合、性能が低いと目の表情が変わってしまったり、肌にドットが目立って荒れた感じになってしまう。しかし最近の高機能化によって画質が向上し、このような用途にも十分利用可能になっている。
【０００５】
液体噴射記録方式には、発熱素子によって液体を急激に加熱し、液体中に発生した気泡により液体を吐出させるサーマル（バブル）方式と、電圧を印加すると変形するセラミックを用いて液体を吐出させるピエゾ方式がある。特にサーマル方式では、液体に噴射エネルギーを加えるための発熱素子が比較的単純な薄膜プロセスで作成できることから、発熱素子と同一基板上に同一薄膜プロセスで作成された電子回路を搭載する構成が増えている。発熱素子のみならず、ドライバや、低電圧の論理機能素子などを、発熱素子を搭載した基板に集積化することも行われている。これによって、配線を簡略化し、駆動ＩＣの負荷を低減し、さらには電気的接続のためのパッド数を削減してチップサイズを小さくすることができ、ノズルの高密度化や多ノズル化、およびコスト面で効果をあげている。このように発熱素子と同一基板上に駆動回路等を形成した構成は、例えば特開平９−２５４３６８号公報などに記載されている。
【０００６】
液体噴射記録方式において記録に用いるインク等の液体は、温度が高くなると粘度が低下し、噴射滴量が多くなる。また逆に、温度が低くなると粘度が上昇して、噴射滴量が少なくなってしまう。そのため、温度変化があると噴射滴量が変化して記録された画像に劣化を生じる。特にサーマル方式の場合、液体を吐出させるために熱エネルギーを利用することから、記録中に自己昇温しやすい。このような問題に対して、例えば特開平５−３１９０６号公報などに見られるように、温度変化が生じても噴射量を一定にする手法として、温度によりパルス幅を変更するという手法が提案されている。このほかにも、各種の昇温に対する対策が提案されている。
【０００７】
このように、液体噴射記録方式においては温度管理が画質に影響するが、そのためには正確に温度を測定する必要がある。上述のようにサーマル方式では記録ヘッドにおいて発熱するため、記録ヘッドにおける温度を測定することが望ましい。そのため、記録ヘッドに精度のよい温度検知素子を設置して温度を検出する方法が一般的である。発熱素子を搭載した基板に温度検知素子を設けることにより、応答性の高い温度検知が可能である。
【０００８】
図９は、従来の温度を検知するための回路構成の一例の説明図、図１０は、同じく温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。図中、５１は記録ヘッド、５２は温度検知素子、５３はプルアップ抵抗である。従来は、記録ヘッド５１を構成するシリコン基板上に温度検知素子５２を形成し、その一方を接地する。そしてもう一方を外部に出力させ、温度検知素子の外部でプルアップ抵抗を接続し、その接続点における電圧を温度検知結果として取り出している。しかし、シリコン基板上に薄膜プロセスで作成された温度検知素子の温度変化率は一般的に低い。そのため、図９に示すような回路構成によって温度検知結果として取り出される電圧変化は、図１０に示すように温度に対して小さく、電源や配線におけるノイズの影響による誤差が大きく、高精度の温度測定が困難であるという問題があった。温度変化率を改善するために、特別のプロセスを使用して温度検知素子を作成したり、複雑なアナログ回路を構成することも考えられるが、コスト的に不利である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、シリコン基板上に特別のプロセスを必要としない温度検知素子を設けるとともに、非常に簡単な回路で温度の変化に対する出力電圧の応答を改善し、低コストで感度のよい温度の測定を行い、温度の変化に対する画質の変化を防止可能な記録ヘッドを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明は、上記課題を解決するために、記録ヘッドのシリコン基板上に、第１の温度検知素子と、その第１の温度検知素子に直列に接続された抵抗とからなる第１の直列回路、および、その抵抗と第１の温度検知素子の接続点が制御端子に接続された増幅手段と、増幅手段と直列に接続された第２の温度検知素子とからなる第２の直列回路を並列に電源端子間に挿入して形成し、増幅手段と第２の温度検知素子との接続点を出力とする。このような構成により、温度変化により第１の温度検知素子の抵抗値が変化すると、増幅手段の制御入力が変化し、増幅手段のオン抵抗又は出力電流が変化し、第２の温度検知素子の温度変化による抵抗値変化に対する出力変化量を大きくするように働く。
【００１１】
前記抵抗は、例えば請求項２または請求項３に示すように、一方が電源端子のホット側に接続されたプルアップ抵抗、あるいは一方が電源端子のリターン側（接地）に接続されたプルダウン抵抗とすることができる。また、トランジスタなどの増幅手段として、好ましくは電界効果トランジスタ、さらに好ましくはｎＭＯＳトランジスタあるいはｐＭＯＳトランジスタを用いることができる。この場合、プルアップ抵抗あるいはプルダウン抵抗と第１の温度検知素子の接続点を電界効果トランジスタのゲート電極に接続し、電界効果トランジスタのドレインまたはソースに第２の温度検知素子を接続すればよい。
【００１２】
このような構成によれば、第１の温度検知素子の温度による抵抗値の変化によって、増幅手段、例えばｎＭＯＳトランジスタあるいはｐＭＯＳトランジスタ等の電界効果トランジスタの制御端子であるゲート電圧が変化して、ソース−ドレイン間の電流が変化する。それとともに、そのソース−ドレイン間の電流が流れる第２の温度検知素子の抵抗値も温度によって変化する。このように両者の相互作用によって、温度に対する出力電圧の変化量を大きくすることができる。そのため、記録ヘッドの温度を精度よく検知することができる。また、外来ノイズやＡＤコンバータなどの電圧を読み取る側における誤差の影響も少なくなり、より正確に液体の温度を検出することができる。また、構成が非常に簡単であり、回路のために必要とする面積も小さいので、低コストで印字品質に有利な記録ヘッドを提供可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図、図２は、同じく温度検知素子の一例を示す断面図である。図中、１１は第１の温度検知素子、１２はプルアップ抵抗、１３はｎＭＯＳトランジスタ、１４は第２の温度検知素子、２１はＳｉ基板、２２はＮ−拡散層、２３はＮ＋拡散層、２４はＬＯＣＯＳ、２５はＢＰＳＧ、２６は配線、２７はＰＳＧである。
【００１４】
第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、例えば図２に示すような構造のＮ−（Ｎ型低濃度）拡散層をＳｉ基板２１内に作製して構成することができる。Ｎ−拡散層は、二重拡散構造（ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造）のＭＯＳトランジスタに使用されている。Ｎ＋拡散層でドレインを形成する際、ゲート近傍にＮ−拡散層を設け、ドレイン近傍の電界を小さくする。このような構成により、ホットエレクトロンによる閾値の電圧の変動を抑えることができ、また、ソース、ドレイン間の耐圧向上を図ることができる。
【００１５】
Ｎ−拡散層２２は、２〜３×１０12／ｃｍ2 程度の濃度のＰイオンを約１８０ｅＶで注入して拡散させて形成することができる。また、Ｎ＋拡散層２３は４〜５×１０15／ｃｍ2 程度の濃度のＡｓイオンを約４０ｅＶで注入して拡散させて形成することができる。通常のＭＯＳトランジスタを作製する場合、ドレイン及びソースにこれと同等のＮ＋拡散層を設けて、Ａｌ等の配線材にコンタクトを経由して接続する。図２ではＮ＋拡散層２３は、パッドからＡｌ等の配線２６で接続されている。図２を参照してわかる通り、支配的な抵抗成分は低濃度のＮ−拡散層２２の部分である。この部分が温度により抵抗変化を起こし、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）素子となる。なお、Ｎ−層２２を設けなくても、Ｎ＋層２３だけでも十分ＰＴＣ素子として使用可能である。この場合、シート抵抗が低い関係上、レイアウト面積が大きくなる。
【００１６】
図２に示したＮ−拡散層２２を用いた温度検知素子（標準品）の温度と抵抗値の関係は、温度Ｔ０（Ｋ）の時の抵抗値をＲ０，温度Ｔ１（Ｋ）の時の抵抗値をＲ１としたとき、Ｒ１＝Ｒ０×ｅｘｐ（Ｂ×（Ｔ１−Ｔ０））で近似可能である。なお、直線で近似しても実質上は問題ない。図２に示すＮ−拡散層２２の抵抗値の温度変化率は、３０℃のときの抵抗値をＲ３０とすれば、３０℃→６０℃でＲ３０×０．５５（％／℃）程度である。Ｓｉ基板上に搭載する温度検知素子は、プロセス、材料上の制約から温度変化率がよくてもこの程度であり、温度変化率はかなり低い。そのため、従来のように図９に示すような回路により、温度変化を電圧変化として取り出すと、温度変化に対する電圧変化が少なく、ノイズの影響などによる読み取り誤差が大きくなる。
【００１７】
これを改善するため、本発明では図１に示すような構成をとっている。すなわち、Ｎ−拡散層による第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４、ポリシリコンによるプルアップ抵抗１２、Ｎチャネル・エンハンスメントトランジスタ（ｎＭＯＳトランジスタ１３）を、例えば温度検知素子１１を形成した同じシリコン基板２１上に形成する。このとき、ＣＭＯＳやバイポーラプロセスのようにウエルは不要である。
【００１８】
そして、第１の温度検知素子１１の一方をプルアップ抵抗１２に接続し、他方を接地する。また、プルアップ抵抗１２の他方を電源ラインに接続する。そして、第１の温度検知素子１１とプルアップ抵抗１２の接続点をｎＭＯＳトランジスタ１３のゲートに接続する。ｎＭＯＳトランジスタ１３のソースまたはドレインの一方が接地されるとともに、他方が第２の温度検知素子１４に接続されている。また、第２の温度検知素子１４の他方は電源ラインに接続されている。そして第２の温度検知素子１４とｎＭＯＳトランジスタ１３との接続点の電圧Ｖｏｕｔ２を温度検知結果として取り出す。
【００１９】
このような構成において、温度検知素子は温度に対して正特性であるので、温度上昇で第１の温度検知素子１１の抵抗値が上昇し、ｎＭＯＳトランジスタ１３のゲート電位が上がる。そのため、ゲート電位の上昇によって電流が増大する。第２の温度検知素子１４も温度上昇によって抵抗値が増え、ｎＭＯＳトランジスタ１３における電流の増加でますます電圧Ｖｏｕｔ２は下がる。
【００２０】
ここではｎＭＯＳトランジスタ１３は飽和領域で動作させている。飽和領域の場合の近似式として、Ｉｄｓ：ドレイン→ソース電流、Ｖｇｓ：ゲート−ソース間電圧、Ｖｔｈ：しきい値電圧としたとき、Ｉｄｓ＝（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）2 となる電流が流れる。飽和領域では、非飽和領域動作に比べてゲート電圧によるＩｄｓ変化率が大きい。そのため、図１に示すように第１の温度検知素子１１からのゲート電圧の変化によってドレイン→ソース電流Ｉｄｓの変化を大きくし、出力電圧の変化をさらに大きくすることができる。
【００２１】
具体例を示す。第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、図２に示すように幅ｗ＝６４μｍ、長さａ＝１２８μｍ、ｂ＝９μｍである。低濃度のＮ−拡散層２２のシート抵抗Ｒ□≒５ｋΩであり、３０℃での抵抗値Ｒ３０＝１０ｋΩ、温度変化率はＲ３０×０．５５％／℃（ＰＣＴ）である。プルアップ抵抗１２は、ポリシリコン層（シート抵抗Ｒ□≒６３．５Ω）で、３０℃での抵抗値Ｒ３０＝１０ＫΩ、温度変化率はＲ３０×０．０５％／℃（ＰＣＴ）である。ＮチャネルＥ−ＭＯＳＴｒ．（ｎＭＯＳトランジスタ１３）は、Ｗ＝４０μｍ、Ｌ＝５μｍ、Ｖｔ＝１Ｖ、プロセス係数２０×１０-6Ａ／Ｖ2 、温度変化率（Ｒｏｎ）はＲ３０×０．０５％／℃（ＰＣＴ）である。なお、Ｗ、Ｌは、ｎＭＯＳトランジスタ１３が飽和領域で動作するように設定している。
【００２２】
図３は、本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。図中、破線で示した出力Ｖｏｕｔ２ａの電圧変化のグラフは、ｎＭＯＳトランジスタ１３のプロセス係数が１６×１０-6Ａ／Ｖ2 の場合を示している。また、実線で示した出力Ｖｏｕｔ２ｂの電圧変化のグラフは、ｎＭＯＳトランジスタ１３のプロセス係数が２０×１０-6Ａ／Ｖ2 の場合を示している。なお、図１０に示した従来の出力電圧の変化も一点鎖線によって示している。
【００２３】
図３から分かるように、従来は２０→６０℃の温度変化によって出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化は２．４６３６Ｖ→２．６７４Ｖで０．２１０４Ｖの上昇程度であった。しかし上述の具体例では、実線に示すように温度変化に従って出力電圧が変化し、２０→６０℃の温度変化によって出力電圧Ｖｏｕｔ２ｂの変化は、３．４３３Ｖ→２．４２１Ｖに下降している。このように、上述の具体例では２０→６０℃の温度変化によって−１．０１２Ｖの変化があり、従来の０．２１０４Ｖに比べて４．２５倍の変化率を得ることができる。
【００２４】
実際に使用する際には、温度検知素子のバラツキを補正する手段を設けておくとよい。補正手段としては、例えば、温度検知素子のバラツキの情報をヒューズＲＯＭ等に書き込んでおき、使用するときに出力Ｖｏｕｔ２をＲＯＭの情報に従って補正し、正確な温度を計算することができる。
【００２５】
図４は、本発明の記録ヘッドの第２の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。図中、１５はプルダウン抵抗、１６はｐＭＯＳトランジスタである。この第２の実施の形態では、第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４とともに、ポリシリコンによるプルダウン抵抗１５と、Ｐチャネル・エンハンスメントトランジスタ（ｐＭＯＳトランジスタ１６）を、例えば温度検知素子１１を形成した同じシリコン基板２１上に形成する。なお、第１の温度検知素子１１および第２の温度検知素子１４は、上述の第１の実施の形態と同様、例えば図２に示すような構成である。
【００２６】
第１の温度検知素子１１の一方をプルダウン抵抗１５に接続し、他方を電源ラインに接続する。また、プルダウン抵抗１５の他方を接地する。そして、第１の温度検知素子１１とプルダウン抵抗１５の接続点をｐＭＯＳトランジスタ１６のゲートに接続する。ｐＭＯＳトランジスタ１６のソースまたはドレインの一方が電源ラインに接続されるとともに、他方が第２の温度検知素子１４に接続されている。また、第２の温度検知素子１４の他方は接地されている。そして第２の温度検知素子１４とｐＭＯＳトランジスタ１６との接続点の電圧Ｖｏｕｔ２を温度検知結果として取り出す。
【００２７】
このような構成において、温度検知素子は温度に対して正特性であるので、温度上昇で第１の温度検知素子１１の抵抗値が上昇し、ｐＭＯＳトランジスタ１６のゲート電位が下がる。そのため、ゲート電位の低下によって電流が増大する。さらに第２の温度検知素子１４も温度上昇によって抵抗値が増え、ｐＭＯＳトランジスタ１６における電流の増加とともに、ますます電圧Ｖｏｕｔ２は上昇する。そのため、温度の変化に対して電圧Ｖｏｕｔ２は大きく変動することになり、精度よく温度を検出することができる。なお、この場合もｐＭＯＳトランジスタ１６は飽和領域で動作させるとよい。
【００２８】
上述の第１および第２の実施の形態では、温度検知素子１１および温度検知素子１４として両方とも温度に対して正特性のものを用いているが、いずれか一方あるいは両方とも、温度に対して負特性のものを用いてもよい。この場合には、それらの特性に応じたＭＯＳトランジスタを用いることになる。また、上述の各実施の形態では、増幅手段としてｎＭＯＳトランジスタ１３あるいはｐＭＯＳトランジスタ１６を用いたが、これらに限らず、電界効果トランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタ、さらには増幅回路等によって構成することも可能である。
【００２９】
次に、本発明の記録ヘッドを液体噴射記録装置に応用した例を述べる。図５は、本発明の記録ヘッドの応用例を示す液体噴射記録装置の一例の概略構成斜視図である。図中、３１は被記録媒体、３２は液体噴射記録ヘッド、３３はキャリッジ、３４はインクカートリッジ、３５はガイド軸、３６はガイドレール、３７はフレキシブルケーブルである。ここでは、本発明の記録ヘッドを、液体の噴射によって記録を行う液体噴射記録装置における液体噴射記録ヘッドとして用いた例を示している。
【００３０】
被記録媒体３１は、例えば紙、ハガキ、布など、あらゆる記録可能な媒体で構成される。被記録媒体３１は、搬送機構によって液体噴射記録ヘッド３２と対向する位置に搬送される。
【００３１】
液体噴射記録ヘッド３２には、インクを噴射させるための発熱素子が設けられており、この発熱素子によって対向する被記録媒体３１へインクを噴射し、記録を行う。液体噴射記録ヘッド３２にはインクカートリッジ３４が装着されており、噴射するインクはこのインクカートリッジ３４から供給される。この液体噴射記録ヘッド３２は、本発明の記録ヘッドであり、上述の第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態で示したように、この液体噴射記録ヘッド３２の温度を検知する回路が形成されている。
【００３２】
液体噴射記録ヘッド３２およびインクカートリッジ３４はキャリッジ３３に搭載されている。この例では、２組の液体噴射記録ヘッド３２およびインクカートリッジ３４がキャリッジ３３に搭載されている。キャリッジ３３は、被記録媒体３１の搬送方向と直交する方向に延在するガイド軸３５およびガイドレール３６に沿って摺動可能に構成されている。
【００３３】
矢印Ａ方向から被記録媒体３１が搬送される。液体噴射記録ヘッド３２はキャリッジ３３がガイド軸３５およびガイドレール３６に沿って摺動することによって、矢印Ａの方向とはほぼ直交する方向に移動する。このとき、フレキシブルケーブル３７を介して記録データや制御信号、それに電力が供給され、液体噴射記録ヘッド３２に発熱素子が配列されている幅の帯状の領域に記録を行う。このような帯状領域ごとの記録動作を繰り返し行うことによって、被記録媒体３１上に画像を形成する。
【００３４】
また、例えば図１や図４に示したような温度を検知するための回路からの出力電圧Ｖｏｕｔ２がフレキシブルケーブル３７を介して出力されており、少なくともこの出力電圧Ｖｏｕｔ２に従った温度管理を行うことが可能である。温度管理の方法については、一例を後で述べる。
【００３５】
もちろん本発明の記録ヘッドは、このような構成の液体噴射記録装置に限らず、例えば被記録媒体の幅以上の幅を有する液体噴射記録ヘッドを有し、液体噴射記録ヘッドを移動させずに被記録媒体を移動させて記録を行う構成や、被記録媒体を停止させておいて液体噴射記録ヘッドのみが移動する構成など、各種の構成に対して応用することが可能である。
【００３６】
図６は、本発明の記録ヘッドを構成する発熱素子基板に形成される発熱素子および駆動回路等の構成図である。図中、４１は共通電極、４２は発熱素子、４３はドライバ素子、４４はプリドライバ、４５はＮＡＮＤ回路、４６は１６ｂｉｔカウンタ、４７は６４ｂｉｔラッチ、４８は６４ｂｉｔシフトレジスタである。ここでは熱エネルギーによって液体を噴射するサーマル型の液体噴射記録ヘッド（例えば図５における液体噴射記録ヘッド３２）の例を示している。なお、これらの回路のほかに、上述の図１や図４に示した温度を検知する回路が、同じ発熱素子基板上に形成される。
【００３７】
この例では、６４個の発熱素子４２を搭載している。ここで、６４個の発熱素子４２と記述したが、厳密には６４個分の発熱素子４２の領域を持ったということである。つまり、発熱素子４２を置く領域だけがあって実際には発熱素子４２がなかったり、通常の印字には使用しない特性の異なる素子であったり、いわゆるダミー素子である場合も含んでいる。例えば、異なる色のインクを一つの基板を使用して印字を行なう場合、異なる色の境界に幾つかのダミー素子を設けることが多い。この明細書では、以上のことを踏まえて、発熱素子の配置可能数を発熱素子数と呼んでいる。
【００３８】
図６では、６４個の発熱素子４２を４つずつ１６個のブロックに分けて分割駆動する場合である。６４個の発熱素子４２の一端はすべて共通電極４１を介して電源に接続されている。また、他端はそれぞれドライバ素子４３に接続されている。ドライバ素子４３は、例えばＭＯＳ−トランジスタなどで構成することができ、発熱素子４２を駆動する。プリドライバ４４は、対応する発熱素子４２の駆動信号を昇圧してドライバ素子４３の制御電極、例えばＭＯＳ−ＦＥＴではゲート電極に入力する。ＮＡＮＤ回路４５には、１６ｂｉｔカウンタ４６からのブロック分割駆動信号の１本と、ＥＮＡＢＬＥ信号と、６４ｂｉｔラッチ４７からのデータ信号が入力されており、対応する発熱素子４２が選択され、印字すべきデータが存在し、さらにＥＮＡＢＬＥ信号が入力されたとき、プリドライバ４４へ駆動信号を出力する。
【００３９】
１６ｂｉｔカウンタ４６は、クロックをカウントしてブロック分割駆動信号を発生し、各ブロックに対応するＮＡＮＤ回路４５に入力する。６４ｂｉｔラッチ４７は、各発熱素子４２に対応した印字データを保持する。６４ｂｉｔシフトレジスタ４８は、シリアル入力された印字データを順次保持し、６４ｂｉｔラッチ４７にパラレルに転送する。
【００４０】
図７は、図６に示す構成における動作の一例を示すタイミングチャートである。最初の印字を行なう前に、予め各発熱素子４２に対応した６４個の印字データを６４ｂｉｔシフトレジスタ４８にシリアルに入力する。その後、ＤＲＳＴ信号で６４ｂｉｔラッチ４７をリセットし、ＬＣＬＫ信号により６４ｂｉｔシフトレジスタ４８内の全ての印字データを６４ｂｉｔラッチ４７に転送してラッチさせる。６４ｂｉｔラッチ４７は、印字データをそれぞれのＮＡＮＤ回路４５に出力している。
【００４１】
１６ｂｉｔカウンタ４６は、ＢＲＳＴ信号でリセットされ、ＢＤＩＲ信号で駆動順序が選択された後、ＢＣＬＫ信号をカウントしてブロック分割駆動信号を選択的に送出する。図７ではＢＤＩＲ信号が‘Ｌ’で順方向印字、‘Ｈ’で逆方向印字を選択する。１６ｂｉｔカウンタ４６は、まず最初のＢＣＬＫ信号によりブロック１に対するブロック分割駆動信号を１〜４番目のＮＡＮＤ回路４５に対して出力する。外部よりプレパルスおよびメインパルスを有するＥＮＡＢＬＥ信号が入力されると、１〜４番目のＮＡＮＤ回路４５のうち６４ｂｉｔラッチ４７から印字データが出力されているもののみがＥＮＡＢＬＥ信号に従った駆動信号を出力し、プリドライバ４４を介してドライバ素子４３が駆動される。これにより１〜４番目の発熱素子４２のうち印字データが存在するものに電流が流れ、発熱素子４２が発熱する。
【００４２】
このときの駆動方法として、単一パルスによるシングルパルス駆動、あるいは、複数のパルスによるマルチパルス駆動を行うことができる。図７では、プレパルスおよびメインパルスによるダブルパルス駆動を行うものとした例を示している。プレパルスではインクは吐出されず、発熱素子４２の発熱による昇温のみが行われ、次のメインパルスで発熱素子４２の発熱によってインク中に気泡が発生し、インクが吐出されて印字が行なわれる。
【００４３】
続いて１６ｂｉｔカウンタ４６は次のＢＣＬＫ信号をカウントしてブロック２に対するブロック分割駆動信号を５〜８番目のＮＡＮＤ回路４５に対して出力し、５〜８番目の発熱素子４２のうち印字データの存在するものが発熱して印字が行なわれる。以下、順にブロック１６まで駆動して印字を行なう。この間に、次の６４個分の印字データをシリアルに６４ｂｉｔシフトレジスタ４８に入力する。
【００４４】
１６個のブロックの駆動が終了すると、ＢＲＳＴ信号により１６ｂｉｔカウンタ４６がリセットされ、ＢＤＩＲ信号により駆動方向が設定される。図７では逆方向の駆動が設定されている。また、ＤＲＳＴ信号によって６４ｂｉｔラッチ４７がリセットされ、ＬＣＬＫ信号によって６４ｂｉｔシフトレジスタ４８内の印字データが６４ｂｉｔラッチ４７にラッチされる。以後、１６番目のブロックから順に駆動され、最後に１番目のブロックが駆動される。これら一連の動作を繰り返し、印字を行なう。
【００４５】
上述のように液体噴射記録方式では、液体の温度により液体の粘度が変化し、噴射される液滴量が異なってくる。特に上述のようなサーマル方式では、発熱素子４２の発熱によって、記録ヘッドは高温になりやすい。そのため、何らかの手段で温度により駆動方法を変更し、一定の温度で記録が行われるように制御する必要が生じる。温度を制御する一つの方法として、発熱素子４２を駆動する際に与える駆動パルスの幅を変更する方法が考えられている。
【００４６】
図８は、記録ヘッドの温度と駆動パルスの関係の一例の説明図である。例えば、発熱素子に与える駆動パルスとして図８（Ｂ）に示すようなプレパルスおよびメインパルスを与える方法がある。プレパルスでは液体の噴射を行わず、液体を加温する。そしてメインパルスによって、液体を噴射させる。このような駆動方式を用いる場合には、記録ヘッドの温度に従ってプレパルス幅を変化させることによって、液体の温度をほぼ一定に保つことができる。すなわち、記録ヘッドの温度が低い場合には、プレパルス幅を長くして発熱量を多くし、液体の温度を上げる。また、記録ヘッドの温度が高い場合には、それほど液体の温度を上げる必要がないので、プレパルス幅を短くして発熱量を少なくする。さらに記録ヘッドの温度が高く、プレパルス幅を０にしても発熱量が多い場合には、メインパルスの幅を短くしている。なお、ここでは全体の駆動時間を一定にするため、プレパルスとメインパルスの間の時間も変更している。
【００４７】
ここではプレパルスとメインパルスによるダブルパルス駆動の場合の例を示したが、例えばシングルパルス駆動の場合にも、同様に温度に応じてパルス幅を変更し、液滴量の制御を行うことができる。もちろん、３以上のパルスを用いるマルチパルス駆動の場合も同様である。
【００４８】
このような記録ヘッドの温度に応じた駆動制御を行うことによって、噴射される液滴量を一定に保ち、良好な画質を維持することができる。このとき、記録ヘッドの温度を精度よく測定することが必要である。本発明の記録ヘッドでは、図１や図４に示すような温度を測定するための回路が、液体を噴射する素子と同じシリコン基板上に形成されているので、液体の噴射に関係する素子のなるべく近くで、しかも精度よく温度を測定することができる。そのため、記録ヘッドの温度をほぼ一定に保つように制御することができ、記録される画質を均一に保つことができる。
【００４９】
本発明の記録ヘッドに設けられている温度を測定する回路から出力される電圧をもとに温度を読み取る際には、回路の各素子で発生するバラツキを補正しておくことが望ましい。バラツキを補正する手段としては、例えば、機内に正確な温度検知素子を設けておき、この温度検知素子との初期値の差異で補正を行うことができる。
【００５０】
あるいは、例えば図３に示した温度と出力電圧Ｖｏｕｔ２との関係を示すグラフにおいて、グラフを直線近似し、実質的に傾きが同じとして、オフセットで補正することも可能である。例えば図３に示したグラフでは、温度をｘとしたとき、Ｖｏｕｔ２ａ＝−０．０２１６ｘ＋４．１８１４、Ｖｏｕｔ２ｂ＝０．０２３ｘ＋３．８９３７として直線近似できる。このときのオフセットを補正することにより、素子のバラツキに対応することができる。
【００５１】
さらには、機内のＲＯＭに、例えば各温度に対応する出力電圧Ｖｏｕｔ２の基準値を格納しておき、液体噴射記録装置の電源投入時に、そのときの温度に応じたＲＯＭの電圧値と実測値を比較して、この値をオフセットとして補正値とすることもできる。
【００５２】
実際に液体噴射記録装置で記録を行う際には、まず電源投入時に上述のようなオフセット値を記憶する。温度を検出する際には、図１や図４に示す出力電圧Ｖｏｕｔ２を測定し、オフセット値を加えて実際の温度を算出する。そして、例えば前述したように温度に応じてパルス幅を変更する等の制御を行えばよい。
【００５３】
なお、上述の説明では、本発明の記録ヘッドとして、熱エネルギーを用いて液体を噴射させて記録を行うサーマル型の液体噴射記録ヘッドに適用する例について説明したが、これに限らず、他の型の液体噴射記録ヘッドや、例えば熱転写型の記録ヘッドなど、各種の記録ヘッドへの応用が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、シリコン基板の温度を、その基板に内蔵した温度検知素子を利用して精度よく検知可能である。このとき、温度検知素子の温度変化率が大きいので、外来ノイズや読み取り系（ＡＤコンバータ等）における誤差の影響が少なくなり、より正確に液体の温度をモニタすることができる。また、構成が非常にコンパクトであるので低コストで印字品質に有利な液体噴射記録装置を提供可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図２】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度を検知するための温度検知素子の一例を示す断面図である。
【図３】 本発明の記録ヘッドの第１の実施の形態における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。
【図４】 本発明の記録ヘッドの第２の実施の形態における温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図５】 本発明の記録ヘッドの応用例を示す液体噴射記録装置の一例の概略構成斜視図である。
【図６】 本発明の記録ヘッドを構成する発熱素子基板に形成される発熱素子および駆動回路等の構成図である。
【図７】 図６に示す構成における動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】 記録ヘッドの温度と駆動パルスの関係の一例の説明図である。
【図９】 従来の温度を検知するための回路構成の一例の説明図である。
【図１０】 従来の温度を検知するための回路構成の一例における温度と出力電圧の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…第１の温度検知素子、１２…プルアップ抵抗、１３…ｎＭＯＳトランジスタ、１４…第２の温度検知素子、２１…Ｓｉ基板、２２…Ｎ−拡散層、２３…Ｎ＋拡散層、２４…ＬＯＣＯＳ、２５…ＢＰＳＧ、２６…配線、２７…ＰＳＧ、１５…プルダウン抵抗、１６…ｐＭＯＳトランジスタ、３１…被記録媒体、３２…液体噴射記録ヘッド、３３…キャリッジ、３４…インクカートリッジ、３５…ガイド軸、３６…ガイドレール、３７…フレキシブルケーブル、４１…共通電極、４２…発熱素子、４３…ドライバ素子、４４…プリドライバ、４５…ＮＡＮＤ回路、４６…１６ｂｉｔカウンタ、４７…６４ｂｉｔラッチ、４８…６４ｂｉｔシフトレジスタ、５１…記録ヘッド、５２…温度検知素子、５３…プルアップ抵抗。
Claims (7)
- 記録素子が搭載されたシリコン基板を有する記録ヘッドにおいて、前記シリコン基板上に、第１の温度検知素子と、該第１の温度検知素子に直列に接続された抵抗とからなる第１の直列回路、および、該抵抗と前記第１の温度検知素子の接続点が制御端子に接続された増幅手段と、増幅手段と直列に接続された第２の温度検知素子とからなる第２の直列回路を並列に電源端子間に挿入して形成されており、前記増幅手段と前記第２の温度検知素子との接続点を出力とする構成を備え、前記第１の温度検知素子の温度変化による抵抗値が変化すると、前記第２の温度検知素子の温度変化による抵抗値変化に対する出力変化量が大きくなるように構成したことを特徴とする記録ヘッド。
- 記録素子が搭載されたシリコン基板を有する記録ヘッドにおいて、前記シリコン基板上に、第１の温度検知素子と、該第１の温度検知素子に接続するプルアップ抵抗と、該プルアップ抵抗と前記第１の温度検知素子の接続点がゲートに接続された電界効果トランジスタと、該電界効果トランジスタのドレインまたはソースに接続された第２の温度検知素子が形成されており、前記電界効果トランジスタと前記第２の温度検知素子との接続点を出力とする構成を備え、前記第１の温度検知素子の温度変化による抵抗値が変化すると、前記第２の温度検知素子の温度変化による抵抗値変化に対する出力変化量が大きくなるように構成したことを特徴とする記録ヘッド。
- 記録素子が搭載されたシリコン基板を有する記録ヘッドにおいて、前記シリコン基板上に、第１の温度検知素子と、該第１の温度検知素子に接続するプルダウン抵抗と、該プルダウン抵抗と前記第１の温度検知素子の接続点がゲートに接続された電界効果トランジスタと、該電界効果トランジスタのドレインまたはソースに接続された第２の温度検知素子が形成されており、前記電界効果トランジスタと前記第２の温度検知素子との接続点を出力とする構成を備え、前記第１の温度検知素子の温度変化による抵抗値が変化すると、前記第２の温度検知素子の温度変化による抵抗値変化に対する出力変化量が大きくなるように構成したことを特徴とする記録ヘッド。
- 前記電界効果トランジスタはＭＯＳトランジスタであり、飽和領域で動作することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の記録ヘッド。
- 前記シリコン基板上には、前記記録素子として液体に熱エネルギーを印加するための複数の発熱素子を搭載していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
- 前記第１の温度検知素子および前記第２の温度検知素子は、ｎ−低濃度拡散層で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
- 前記抵抗あるいは前記プルアップ抵抗または前記プルダウン抵抗は、ポリシリコン層で構成されていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
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