JP4799389B2 - ヘッド基板、記録ヘッド、ヘッドカートリッジ、及び記録装置 - Google Patents

Description

本発明はヘッド基板、記録ヘッド、ヘッドカートリッジ、及び記録装置に関する。本発明は、特に、例えば、温度検知回路を設けたヘッド基板、そのヘッド基板を用いた記録ヘッド、その記録ヘッドを用いたヘッドカートリッジ、及び記録装置に関するものである。

インクを吐出させて画像を記録するインクジェット記録ヘッドを用いたプリンタにおいて、吐出されたインク滴の大きさが不均一であると記録画像の品位が低下したり、濃度むら等に起因した画質の劣化が発生したりする。このため、高品位な記録を行うにはインク滴の大きさを常に一定に保つことが望まれる。

インクジェット記録ヘッドの中でもインクを加熱し発泡させ、その圧力によりインクを吐出させる方式を採用した記録ヘッドでは、インク滴の大きさはインクの粘度や発泡時の圧力に影響を受ける。インクの粘度や発泡時の圧力はインクの温度に依存するため、インクの温度が変化するとインク滴の大きさが変化する。その結果、インクの温度変化により記録画質を劣化させてしまう。

このため従来よりインク滴の温度を検知し、ヒータに供給する電流のパルス幅をインク温度に応じて変化させ、発泡エネルギーを制御しインク滴の大きさを一定に保つようにする制御がなされていた。また、インク切れや高速記録動作中に記録ヘッドの破壊に至るような異常な温度上昇を検知し、記録動作を休止させるという制御もなされている。

例えば、特許文献１には、このような制御を行うための温度検知手段が提案されている。この文献によれば、記録ヘッドのヒータが作りこまれた半導体基板上に内蔵されたダイオードにより温度検知する。ダイオードの順方向電圧（ＶＦ）は約−２ｍＶ／℃の温度依存特性を持つため、この電圧変化を検知することで記録ヘッドの温度を検知するのである。

図８は従来のインクジェット記録ヘッドを搭載したプリンタの記録ヘッド温度検知回路の構成を示す図である。

この回路では記録ヘッド外部に設けられた電流回路２０３および増幅回路により記録ヘッド２０１内に設けられたダイオード２０２に電流（Ｉｆ）を印加し、ダイオード２０２の順方向電圧を差動増幅器２０４を介して増幅および補正する。そして、ダイオード２０２からの出力電圧がプリンタ本体のＣＰＵ２０６のＡ／Ｄ変換回路（不図示）に入力端子２０９から入力される。このとき、ＣＰＵ２０６から出力信号ライン２１１とＤ／Ａ変換器２０８を経て比較器２０５に出力される電圧との変化分から記録ヘッド２０１の温度検知を行なう。

なお、プリンタ内部の温度は別のセンサ２０７により別の入力端子２１０を経てＣＰＵ２０６に入力される。
特開平６−３３６０７１号公報

しかしながら上述した従来のインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）では、ヘッド基板上に一個ないし数個の温度検知素子しか備えられていないため、ヘッド基板全体の平均的な温度しか検知できなかった。このため、ヒータの断線やノズルのごみ詰まり等により生じる個々のヒータにおける異常な温度変化を検知することはできなかった。また個々のヒータでの発熱を検知しようとした場合、温度検知素子を複数備え、検知結果を個々に読み出すための新たな回路やパッドを設ける必要がある。このため、ヘッド基板の面積が増大し、その結果、ヘッド基板のコストアップとなってしまう問題もある。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、ヘッド基板面積を大きく増大することなく個々のヒータにおける発熱を検知することが可能ヘッド基板を提供することを目的としている。また、そのヘッド基板を用いた記録ヘッド、ヘッドカートリッジ、及び記録装置を提供することも目的としている。

上記目的を達成するために本発明のヘッド基板は、以下のような構成からなる。

即ち、複数のヒータと前記複数のヒータを駆動する複数の駆動素子とを備えたヘッド基板であって、前記複数のヒータの各々に対応して設けられた複数の温度検知素子と、前記複数のヒータを駆動させる駆動信号に応じて前記温度検知素子からの信号を出力するための出力回路とを有することを特徴とする。

また他の発明によれば、上記構成のヘッド基板を用いた記録ヘッドを備える。

さらに他の発明によれば、上記記録ヘッドとその記録ヘッドに供給するインクを収容したインクタンクとを一体化したヘッドカートリッジを備える。

またさらに他の発明によれば、上記記録ヘッド又はヘッドカートリッジを搭載した記録装置を備える。

従って本発明によれば、複雑な回路を設けることなく個々の記録素子の温度を検知することが可能になるという効果がある。また、記録素子の温度検知のための温度検知素子の駆動信号を記録素子を駆動する駆動素子の駆動信号と共通化していることで、特別な信号や回路を必要としないので、ヘッド基板のサイズの増大を極力抑えることができる。これにより、記録ヘッドの小型化にも貢献する。

このようにして、記録不良による異常な温度変化を生じる記録素子を検知することで、例えば、補間記録などの代替処理を実行させることが可能になり、記録画像画質の劣化を防止することが可能となる。加えて、個々の記録素子の温度上昇の特性を検知することにより、記録素子に対し記録のための適切なエネルギー投入が可能となる。これにより、安定な記録の実現や記録素子の耐久性の向上に貢献する。

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、既に説明した部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

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。また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を問わず、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、記録要素とは、特にことわらない限り吐出口ないしこれに連通する液路およ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。

以下に用いる記録ヘッド用基板（ヘッド基板）とは、シリコン半導体からなる単なる基体を指し示すものではなく、各素子や配線等が設けられた構成を差し示すものである。

さらに、基板上とは、単に素子基板の上を指し示すだけでなく、素子基板の表面、表面近傍の素子基板内部側をも示すものである。また、本発明でいう「作り込み」とは、別体の各素子を単に基体表面上に別体として配置することを指し示している言葉ではなく、各素子を半導体回路の製造工程等によって素子板上に一体的に形成、製造することを示すものである。

＜インクジェット記録装置の説明（図１）＞
図１は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１の構成の概要を示す外観斜視図である。

図１に示すように、インクジェット記録装置（以下、記録装置という）は、インクジェット方式に従ってインクを吐出して記録を行なう記録ヘッド３をキャリッジ２に搭載し、キャリッジ２を矢印Ａ方向に往復移動させて記録を行う。記録時には、例えば、記録紙などの記録媒体Ｐを給紙機構５を介して給紙し、記録位置まで搬送し、その記録位置において記録ヘッド３から記録媒体Ｐにインクを吐出することで記録を行なう。

記録装置１のキャリッジ２には記録ヘッド３を搭載するのみならず、記録ヘッド３に供給するインクを貯留するインクカートリッジ６を装着する。インクカートリッジ６はキャリッジ２に対して着脱自在になっている。

図１に示した記録装置１はカラー記録が可能であり、そのためにキャリッジ２にはマゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、イエロ（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のインクを夫々、収容した４つのインクカートリッジを搭載している。これら４つのインクカートリッジは夫々独立に着脱可能である。

この実施例の記録ヘッド３は、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット方式を採用している。このため、記録ヘッド３には熱エネルギーを発生するために記録素子としての電気熱変換体を備えている。この電気熱変換体は各吐出口のそれぞれに対応して設けられ、記録信号に応じて対応する電気熱変換体にパルス電圧を印加することによって対応する吐出口からインクを吐出する。

＜インクジェット記録装置の制御構成（図２）＞
図２は図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。

図２に示すように、コントローラ６００は、ＭＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）６０３、ＲＡＭ６０４、システムバス６０５、Ａ／Ｄ変換器６０６などで構成される。ここで、ＲＯＭ６０２は後述する制御シーケンスに対応したプログラム、所要のテーブル、その他の固定データを格納する。ＡＳＩＣ６０３は、キャリッジモータＭ１の制御、搬送モータＭ２の制御、及び、記録ヘッド３の制御のための制御信号を生成する。ＲＡＭ６０４は、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等として用いられる。システムバス６０５は、ＭＰＵ６０１、ＡＳＩＣ６０３、ＲＡＭ６０４を相互に接続してデータの授受を行う。Ａ／Ｄ変換器６０６は以下に説明するセンサ群からのアナログ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、デジタル信号をＭＰＵ６０１に供給する。

また、図２において、６１０は画像データの供給源となるコンピュータ（或いは、画像読取り用のリーダやデジタルカメラなど）でありホスト装置と総称される。ホスト装置６１０と記録装置１との間ではインタフェース（Ｉ／Ｆ）６１１を介して画像データ、コマンド、ステータス信号等を送受信する。この画像データは、例えば、ラスタ形式で入力される。

さらに、６２０はスイッチ群であり、電源スイッチ６２１、プリントスイッチ６２２、回復スイッチ６２３などから構成される。

６３０は装置状態を検出するためのセンサ群であり、位置センサ６３１、温度センサ６３２等から構成される。

さらに、６４０はキャリッジ２を矢印Ａ方向に往復走査させるためのキャリッジモータＭ１を駆動させるキャリッジモータドライバ、６４２は記録媒体Ｐを搬送するための搬送モータＭ２を駆動させる搬送モータドライバである。

ＡＳＩＣ６０３は、記録ヘッド３による記録走査の際に、ＲＡＭ６０４の記憶領域に直接アクセスしながら記録ヘッドに対して記録素子（吐出ヒータ）の駆動データ（ＤＡＴＡ）を転送する。

なお、図１に示す構成は、インクカートリッジ６と記録ヘッド３とが分離可能な構成であるが、これらが一体的に形成されて交換可能なヘッドカートリッジを構成しても良い。

図３は、インクタンクと記録ヘッドとが一体的に形成されたヘッドカートリッジＩＪＣの構成を示す外観斜視図である。図３において、点線ＫはインクタンクＩＴと記録ヘッドＩＪＨの境界線である。ヘッドカートリッジＩＪＣにはこれがキャリッジ２に搭載されたときには、キャリッジ２側から供給される電気信号を受け取るための電極（不図示）が設けられており、この電気信号によって、前述のように記録ヘッドＩＪＨが駆動されてインクが吐出される。

なお、図３において、５００はインク吐出口列である。また、インクタンクＩＴにはインクを保持するために繊維質状もしくは多孔質状のインク吸収体が設けられている。

図４は記録ヘッドのヘッド基板上に作り込まれた温度検知回路の構成を示す回路図である。

図４に示すように、２本の共通の電源配線１０３、１０４の間に、インクを加熱し発泡させノズルよりインクを吐出させるための複数の記録素子（ヒータ）１０１と記録素子を駆動するための駆動素子（ＭＯＳトランジスタ）１０２とが直列接続される。ＭＯＳトランジスタ１０２のゲートには記録装置本体からの情報に基づいて制御回路１０５から制御信号が入力され、そのトランジスタのオン／オフ制御が行われる。

個々の記録素子１０１の近傍には温度検知素子（ダイオード）１０６が配置される。そして、温度検知素子１０６と直列に温度検知素子からの信号を出力するための出力回路としてのスイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）１０７が接続される。直列接続された温度検知素子（ダイオード）１０６とＭＯＳトランジスタ１０７は共通の温度検知出力配線１０８、１０９にそれぞれ接続される。ＭＯＳトランジスタ１０７のゲートには、検知信号制御回路１１０が接続され、検知信号制御回路１１０には温度検知素子に対応するヒータを駆動するＭＯＳトランジスタの制御信号が入力される。

検知信号制御回路１１０では、ＭＯＳトランジスタを駆動する制御信号に温度検知素子からの信号の出力タイミングを指定するための信号が生成される。

温度検知出力配線１０８、１０９には、ヘッド基板内または外部に設けられた一定電流を印加する定電流源１１２と共通配線間の電位差を検知する電圧検知回路１１３が接続される。

以下、その温度検知回路の動作について説明する。

複数の記録素子（ヒータ）１０１の内、検知を行う任意の記録素子（ヒータ）を制御回路から出力される駆動信号を用いて選択する。選択された記録素子（ヒータ）は駆動信号によってＭＯＳトランジスタ１０２が所望の時間“オン”となる。その結果、その記録素子（ヒータ）に電流が印加されヒータ上のインクを加熱、発泡させインク滴を吐出させる。

記録素子（ヒータ）に通電し加熱すると、その記録素子（ヒータ）近傍に配置された温度検知素子（ダイオード）１０６もその記録素子（ヒータ）の加熱に応じて温度が上昇する。一方、記録素子（ヒータ）１０１を駆動するＭＯＳトランジスタ１０２のゲートとその記録素子（ヒータ）近傍に配置された温度検知素子（ダイオード）１０６に直列接続されたＭＯＳトランジスタ１０７のゲートは検知信号制御回路１１０を介して接続される。

図５は、ヒータを駆動する駆動信号と検知信号制御回路１１０の出力信号（検知信号）のタイミングの例を示す図である。図５（ａ）に示す例は、ヒータ駆動パルスの立上りから一定時間の遅延の後、検知パルスを生成することを示している。一方、図５（ｂ）に示す例は、ヒータ駆動パルスの立下り後に一定の遅延後検知パルスが立ち下がることを示している。記録素子（ヒータ）１０１へ電流を印加するパルスに同期して（応じて）、温度検知素子（ダイオード）１０６と直列に接続されているＭＯＳトランジスタ１０７も“オン”となる。

このようにこの実施例ではヒータを駆動するための駆動信号に応じて検知信号制御回路で検知素子からの信号の出力タイミングを調整している。検知信号制御回路ではヒータを駆動するための駆動信号を受けて、検知タイミングを遅延させるための回路や検知期間を設定するための回路を有している。

この検知動作時、複数の記録素子（ヒータ）の内１つのみが選択される。このため、温度検知出力配線１０８、１０９に接続されている複数のＭＯＳトランジスタ１０７の内、検知を行う記録素子の近傍に配置されている温度検知素子（ダイオード）１０６に直列接続されるＭＯＳトランジスタ１０７のみ“オン”となる。このとき、温度検知出力配線１０８、１０９に接続されている定電流源１１２より一定電流が“オン”しているＭＯＳトランジスタ１０７を通して温度検知素子（ダイオード）１０６に印加される。その結果、温度検知素子（ダイオード）１０６の両端にはダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）が生じる。

このとき、ＭＯＳトランジスタのソース−ドレイン間での電圧降下に対して順方向電圧（Ｖｆ）が十分大きいとすると、温度検知出力配線１０８、１０９間での電圧を測定することでダイオードにより発生する順方向電圧（Ｖｆ）を検知することができる。ダイオードの順方向電圧（Ｖｆ）は、前述のように、温度変化に対し−２ｍＶ／℃の電圧変化を生じるため、出力配線間の電圧変化を測定することで、選択されたヒータの近傍の温度変化を検知することができる。この動作を順次、他の記録素子（ヒータ）に対しても行うことで個々の記録素子（ヒータ）全てに対し、記録素子（ヒータ）の駆動による温度変化を検知することができる。

図６はヘッド基板のレイアウトを示す図である。

このレイアウトはヘッド基板１００に図４に示す温度検知回路が左右対称に２系統配置されている例を示している。

図６に示すレイアウト構成では、インクがヘッド基板の下面よりヘッド基板の中央に開けられたインク供給口１２０を通って、ヘッド基板の上面に配置された記録素子（ヒータ）１０１上に供給される。そして、記録素子（ヒータ）１０１を駆動素子１０２により駆動・加熱することで、記録素子（ヒータ）上のインクが発泡し、ヘッド基板上面に形成されるノズル（不図示）よりインクが吐出する。

図６に示すように、温度検知素子１０６とスイッチング素子１０７と温度検知出力配線１０８、１０９は、記録素子１０１と駆動素子１０２の間に配置される。温度検知出力配線１０８、１０９は、ヘッド基板１００の端部に配置されている入出力パッド部１１１に接続され、ヘッド基板外部に温度検知情報を出力する。

図４を参照して説明したように、温度検知を行う記録素子（ヒータ）１０１の駆動素子１０２のゲートとスイッチング素子１０７のゲートは検知信号制御回路１１０を介して接続される。従って、図６に示すように、これらの素子を隣接して配置することで、互いのゲートを接続する配線を最短で結線することができ効率的に回路を基板上にレイアウトすることができる。

従って以上説明した実施例に従えば、従来のヘッド基板面積に比較して記録素子毎に設けられた温度検知素子とスイッチング素子を配置する面積の増加するものの、他に温度検知に関わる回路を特に必要としない。従って、個々の記録素子（ヒータ）の温度検知を可能にする一方、ヘッド基板面積の増大を最小限に抑えることができる。

＜他の実施例＞
図７は他の実施例に従う温度検知回路の構成を示す回路図である。

なお、図７において、既に図５で説明したの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４と図７とを比較すると分るように、この実施例では温度検知素子１０６を設けない。この実施例では、スイッチング素子１０７ａが温度検知とスイッチングの両方の機能を兼用する。つまり、スイッチング素子の“オン”時の温度特性を利用して温度検知を行う。

この実施例では、スイッチング素子１０７ａとしてＭＯＳトランジスタを用い、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗値の温度変化を温度検知に利用する。ＭＯＳトランジスタのオン抵抗は通常、数１０００ｐｐｍ／℃の温度特性をもつため、この抵抗値の温度変化を検知することで、前述の実施例と同様にヒータ近傍の温度を検知することが可能となる。

この実施例に従えば、前述の実施例と比較して、温度検知素子１０６を設ける必要ないため、ヘッド基板の面積を図６のレイアウト構成に比べさらに縮小することができる。

以上の実施例は、特にインクジェット記録方式の中でも、インク吐出のために熱エネルギーを発生する手段（例えば電気熱変換体等）を備え、その熱エネルギーによりインクの状態変化を生起させる方式を用いて記録の高密度化、高精細化が達成できる。

さらに加えて、本発明の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装置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。

本発明の代表的な実施の形態であるインクジェット記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。 記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。 インクタンクと記録ヘッドとが一体的に形成されたヘッドカートリッジＩＪＣの構成を示す外観斜視図である。 記録ヘッドのヘッド基板上に形成される温度検知回路の構成を示す回路図である。 図４に示す回路の駆動タイミング図を示す図である。 図４に示すヘッド基板のレイアウト構成を示す図である。 他の実施例に従う温度検知回路の構成を示す回路図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの温度検知回路の構成を示す図である。

符号の説明

１０１ 記録素子（ヒータ）
１０２ 駆動素子（ＭＯＳトランジスタ）
１０５ 制御回路
１０６ 温度検知素子（ダイオード）
１０７ スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）
１０８、１０９ 温度検知出力配線
１１０ 検知信号制御回路
６００ コントローラ
６０１ ＭＰＵ
６０２ ＲＯＭ
６０３ ＡＳＩＣ
６０４ ＲＡＭ
６０５ システムバス
６０５ Ａ／Ｄ変換器
６１０ ホスト装置
６１１ インタフェース

Claims (12)

1. 複数のヒータと前記複数のヒータを駆動する複数の駆動素子とを備えたヘッド基板であって、
   前記複数のヒータの各々に対応して設けられた複数の温度検知素子と、
   前記複数のヒータを駆動させる駆動信号に応じて前記温度検知素子からの信号を出力するための出力回路とを有することを特徴とするヘッド基板。
2. 前記駆動信号に応じて前記各ヒータに対応した温度検知素子からの信号の出力タイミングを指定する検知信号を前記出力回路に対して出力する検知信号制御回路をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のヘッド基板。
3. 前記出力回路はＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記複数の温度検知素子は前記ＭＯＳトランジスタに直列に接続されたダイオードで構成されることを特徴とする請求項１に記載のヘッド基板。
4. 前記複数の温度検知素子は前記出力回路を兼ねたＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記ＭＯＳトランジスタのオン抵抗は温度依存性をもつことを特徴とする請求項１に記載のヘッド基板。
5. 前記複数の駆動素子各々はＭＯＳトランジスタであり、
   前記ＭＯＳトランジスタのゲートと、
   前記複数の温度検知素子に含まれるＭＯＳトランジスタのゲートには前記複数のヒータを駆動させる駆動信号と同じ駆動信号が共通に入力されることを特徴とする請求項３又は４に記載のヘッド基板。
6. 前記ＭＯＳトランジスタの一端と前記ダイオードの一端との間の電圧変化を測定する電圧検知回路と、
   前記電圧検知回路に定電流を供給する定電流源とをさらに有することを特徴とする請求項３に記載のヘッド基板。
7. 前記ＭＯＳトランジスタの両端の間の電圧変化を測定する電圧検知回路と、
   前記電圧検知回路に定電流を供給する定電流源とをさらに有することを特徴とする請求項４に記載のヘッド基板。
8. 前記駆動素子のＭＯＳトランジスタと前記温度検知素子に含まれるＭＯＳトランジスタとを隣接して配置することを特徴とする請求項５に記載のヘッド基板。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のヘッド基板を用いた記録ヘッド。
10. 前記記録ヘッドはインクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドであることを特徴とする請求項９に記載の記録ヘッド。
11. 請求項１０に記載の記録ヘッドと、該記録ヘッドに供給するためのインクを収容したインクタンクとを一体化したヘッドカートリッジ。
12. 請求項１０に記載の記録ヘッド又は請求項１１に記載のヘッドカートリッジを搭載した記録装置。

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