JP6610657B2 - インクジェットプリントヘッド用の温度制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、広くはプリントヘッドシステムの温度制御に関し、より具体的には、プリントヘッドＩＣ上に配置された記憶素子を用いて決定値をシステム上で記憶するための方法に関する。

インクジェットプリンタは、吐出ノズルの領域における環境が一噴射事象から次の噴射事象まで一貫している場合に、最良の品質を生む。噴射開始時の一貫した温度は、最良の印刷品質を生むために制御すべき重要な環境要因の１つである。それゆえ、ロバストな温度制御方法は、プリントヘッド設計において望ましい要素である。

コストを低く保つためには、インクジェットプリントヘッド用の温度センサは、インクジェットプリントヘッドＩＣ上で最小の配置空間を占めねばならない。あるタイプのセンサは、プリントヘッドＩＣ上での温度に比例する出力電流を生成する。このタイプのセンサの設計上の１つの難点は、当該空間はセンサ毎にオフセット電流が異なることを許す場合に最小化され得るが、温度勾配は全てのセンサについて一定値に制約される、という点である。オフセット電流はある基準温度において検知され得、その値はある形態の記憶装置によって記憶され得る。その後、センサの現在の電流、記憶されたオフセット電流、および温度勾配を使用してセンサ温度が計算され得、温度センサの近傍のプリントヘッドＩＣの温度が決定される。

上記の温度センサでは、オフセット電流値が遠隔でプリンタの電子制御機械に記憶され得るが、これは、プリントヘッドＩＣ上の各個別のセンサが記憶位置と独自に記憶されたオフセット値とを有することを必要とする。プリントヘッドＩＣ上の記憶素子を用いて、全てのセンサが同一のオフセット電流を有するように較正され得るならば、計算の複雑さは軽減される。その上、プリンタのコストが低くなる。

したがって、本発明の目的は、プリントヘッドシステムの温度制御を提供することであり、より具体的には、プリントヘッドＩＣ上に配置された記憶素子を用いて決定値をシステム上で記憶するための方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、温度制御基準のための機構を提供している記憶素子上に電荷を蓄積し得る方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ダイ上での設置面積、および外部ソースへの依存を最小限に抑えながら、温度変動に対して最小限の感受性を有するオンチップ基準ソリューションを提供することである。

本発明の例示的実施形態によれば、インクジェットプリントヘッド用の温度制御回路は、インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部とを備え、補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される。

本発明の例示的実施形態によるインクジェットプリントヘッドは、１つ以上の温度制御回路を備え、当該温度制御回路の各々が、インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部とを備え、補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される。

例示的実施形態において、オフセット電流補正部は浮遊ゲートトランジスタを備える。

例示的実施形態において、オフセット電流補正部は、補正電流を減少させるカレントミラーを備える。

例示的実施形態において、温度制御回路は、浮遊ゲートに電荷を与えるプログラムモードを有する。

例示的実施形態において、温度制御回路は、浮遊ゲート上の電荷を読み取って補正電流を生成する読み取りモードを有する。

例示的実施形態において、温度センサ部はバンドギャップ温度検出回路を備える。

本発明の実施形態のその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付図面および添付の特許請求の範囲から容易に明らかになる。

本発明によるインクジェットプリントヘッド用の温度制御回路は、プリントヘッドＩＣ上に配置された記憶素子を用いて決定値をシステム上で記憶することができる。

本発明の例示的実施形態の特徴および利点は、添付図面と照らし合わせながら以下の詳細な説明を参照することで、さらに完全に理解される。

図１は、一般的なインクジェットプリントヘッドの斜視図である。 図２は、一般的なインクジェットプリンタの斜視図である。 図３は、本発明の例示的実施形態による温度制御回路の回路図である。 図４は、本発明の例示的実施形態によるインクジェットプリントヘッド上での温度を検知する方法を示すフローチャートである。

本明細書で使用する見出し項目は、構成上の目的しかなく、明細書または特許請求の範囲を限定するために使用するものではない。本出願全体で使用する「してもよい」および「できる」という言葉は、強制（つまり「ねばならぬ」）の意味ではなく、許容（つまり「可能性がある」）の意味で使用している。同様に、「含む」および「含んでいる」という言葉は、何かを含むが限定的ではないことを意味する。理解しやすいように、可能な場合は、諸図に共通する類似の要素を表すのに類似の番号を付与している。

本発明の主目的は、シリコンに与える面積影響を最小限に抑えてシステム上で温度を制御する方法を提供することである。当該方法は、Ｉ／Ｏパッドを通じて提供される外部基準の使用を含む。この目的のために、浮遊ゲート素子を使用して温度コントローラ基準のための閾値領域を体系的に提供することができる。本発明は、記憶素子内に増分レベルを記憶する手段であってそれに次いで基準レベルがコントローラに提供される手段を提供する。

図１は、全体的に参照番号１１０で表されるインクジェットプリントヘッドを示す。インクジェットプリントヘッド１１０は、代表として接合パッド１２８で表されている多くのＩ／Ｏ端子のうちの１つと接続する１つ以上の温度センサ１３１を有するアクチュエータチップ１２５を含む。形式上、出力は、各々の温度センサ１３１の近傍の温度に比例する電流をも具現化する。電気回路構成およびその他の詳細については、他の図面を参照して以下に説明する。

プリントヘッド１１０は、プリントヘッドを収容および使用する外部装置、例えばプリンタ、ファクシミリ、スキャナ、コピー機、フォトプリンタ、プロッタ、オールインワンなどの形状にほぼ依存する形をしたハウジング１１２を有する。ハウジング１１２は、初回または詰め替え可能なインクを収容する内部コンパートメント１１６を少なくとも１つは有する。ある実施形態では、コンパートメント１１６は単一のチャンバを意図し、ブラックインク、シアンインク、マゼンタインクまたはイエローインクを収容している。他の実施形態では、コンパートメント１１６は多数のチャンバを意図し、別のまたは同じである多数のカラーインクを含んでいる。また、コンパートメント１１６は、（図示のように）ハウジング１１２内に局所的に一体化して存在してもよく、またはハウジング１１２および／もしくはプリントヘッド１１０から分離可能に、例えばチューブもしくはその他のコンジットを介して接続されて存在してもよい。

ハウジング１１２の一表面１１８には、フレキシブル回路の部分１１９、例えば、テープ自動接合（ＴＡＢ：Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄ）回路１２０が接着されている。ＴＡＢ回路１２０の別の部分はハウジング１１２の面１２２に接着されている。電気的に、ＴＡＢ回路１２０は、使用中にアクチュエータチップ１２５、例えばヒータチップを外部装置に接続するために複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）コネクタ１２４を支持している。当業者に知られているように、ＴＡＢ回路には複数の導電体１２６が存在して、Ｉ／Ｏコネクタ１２４をアクチュエータチップ１２５の端子（接合パッド１２８）に接続したり短絡したりする。また、図１は、簡潔にするために８つのＩ／Ｏコネクタ１２４、８つの導電体１２６、および８つの接合パッド１２８を示しているが、プリントヘッドはより多くの数量を有していてもよく、本明細書では任意の数が等しく包含される。コネクタ、導体、および接合パッドの数は互いに等しく示されているものの、実際の実施形態では等しくないように変えてもよい。

アクチュエータチップ１２５は、コンパートメント１１６のインクと流体接続する少なくとも１つのインクビア１３２を含む。製造中、アクチュエータチップ１２５は、種々の接着剤、エポキシなどのうちのいずれかによりハウジング１１２に取り付けられる。インクを吐出するためにアクチュエータチップ１２５は、サーマルヒータなどの流体噴射アクチュエータのカラム（カラムＡ〜カラムＤ）を含む。その他のチップでは、流体噴射アクチュエータは、圧電素子、ＭＥＭＳデバイス、変換器またはその他の適する素子を体現する。図１は、アクチュエータを５つのドットまたは黒い丸の４つのカラムとして簡素化しているが、実際には数ダース、数百または数千の数であり得る。個々のアクチュエータは、成長、堆積、マスキング、パターニング、フォトリソグラフィおよび／もしくはエッチングまたはシリコンなどの基板に対するその他の加工ステップによって作られた一連の薄膜層として形成される。複数のノズル穴を有するノズル部材（図示せず）は、インクを吐出するためにノズル穴がアクチュエータと概ね揃ってアクチュエータの上方に配置されるように、アクチュエータチップ上の別の薄膜層に接着されまたは別の薄膜層として作製される。

図２を参照して、全体的に参照番号１４０で表されるインクジェットプリンタの形態での外部装置には、使用中のプリントヘッド１１０が入っている。インクジェットプリンタ１４０は、１つ以上のプリントヘッド１１０を収容するための複数のスロット１４４を有するキャリッジ１４２を含む。キャリッジ１４２は、当該技術分野においてよく知られているように、ドライブベルト１５０に供給される推進力によって、シャフト１４８に沿って（コントローラ１５７の出力１５９に従い）印刷ゾーン１４６の上方で往復動する。キャリッジ１４２の往復動は、プリンタ１４０内で給紙トレイ１５４から用紙搬送路に沿って印刷ゾーン１４６を通過して排紙トレイ１５６へと送られる用紙１５２などの印刷媒体に対して相対的に生じる。

印刷ゾーンにある間、キャリッジ１４２は、（矢印で示すように）用紙１５２が送られる方向である用紙送り方向に対して概ね垂直の往復動方向に往復動する。コンパートメント１１６（図１）からのインクは、プリンタのマイクロプロセッサまたは他のコントローラ１５７の指令に応じてアクチュエータチップ１２５から（１つ以上の）液滴で吐出されることになる。このタイミングは、印刷中の画像のピクセルパターンに対応する。多くの場合、このパターンは、プリンタの外部の、コントローラ１５７に（外部入力により）電気的に接続されたデバイス、例えばコンピュータ、スキャナ、カメラ、視覚的表示装置、または携帯情報端末などで生成される。

インク一滴を放出するために、ヒータなどのアクチュエータ（例えばカラムＡ〜Ｄにおけるドットのうちの１つ、図１）は、（例えばアドレス指定とパルス発生との組み合わせによって）少量の電流が供給されて、少量のインクを急激に加熱する。これによってインクの一部は、ヒータとノズル部材との間にある局所のインクチャンバ内で蒸発し、ノズル部材における（１つ以上の）ノズルを通って印刷媒体に向かってインクの（１つ以上の）液滴を吐出する。そのような電流を供給するために用いられる代表的な噴射パルスは、接合パッド１２８、導電体１２６、Ｉ／Ｏコネクタ１２４およびコントローラ１５７の間で割り当てられた接続から端子（例えば、接合パッド１２８）のアクチュエータチップで受信される（またはヒータチップで復号される）。噴射パルスは、内部アクチュエータチップ配線により、入力端子から１つ以上のアクチュエータへと搬送される。

また、ユーザ選択インターフェース１６０を有するコントロールパネル１５８も、プリンタに付属して、コントローラ１５７にユーザ入力１６２を与えて、プリンタの追加の性能や堅牢性を提供する働きをする。

図３は、全体的に参照番号１で表される、本発明の例示的実施形態による温度制御回路を示す回路図である。温度制御回路１は、検知された温度に応じて加熱素子を制御できるようにインクジェットプリントヘッド上の位置での温度をモニタリングすることが意図されている。加熱素子は、チップの加熱を唯一の機能とする基板ヒータ、および／または印刷パターンにおいて現在待機中であるインクジェットヒータを含み得る。１つ以上の温度センサがプリントヘッドＩＣに含まれていてもよく、その場合、各々の温度センサが対応する温度制御回路を有する、ということを理解されたい。温度制御回路１は、温度センサ部１０およびオフセット補正部２０を含む。温度センサ部１０は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタＭ４、Ｍ７、Ｍ３０、Ｍ３１、Ｍ３４、Ｍ３５、Ｍ２５、Ｍ２６、Ｍ５、Ｍ４０；バイポーラトランジスタＱ１およびＱ２；ならびに抵抗器Ｒ０を含む、従来型のバンドギャップ温度検出回路から構成され得る。Ｍ４０を通じた出力電流は、オフセット電流と絶対温度に比例する電流（ＰＴＡＴ）との２成分からなり、下記式のように記述され得る：

式中：

Ｔは温度であり；

ＢはＰＴＡＴ温度電流の勾配であり；

Ｉ_{ＯＦＦＳＥＴ}は、２５℃で測定されたオフセット電流である。

設計は、バイポーラトランジスタＱ１とＱ２とでのベース−エミッタ電圧の差に基づく。通例Ｑ２の大きさはＱ１よりも大きく、この例においてＱ２は面積がＱ１の８倍である。これは、当該技術分野において一般にバンドギャップ回路として知られている。出力電流は、この電圧を抵抗器Ｒ０の値で割ったもので定義される。Ｒ０の作製に使用される材料は、ほんの小さな温度係数を有する。オフセット電流は、主に各温度センサのＭＯＳＦＥＴ部品の乱雑な不一致に基づいて変動する。

オフセット電流の変動を検知するためのセンサは温度モニタリングシステム内では望ましくなく、オフセット補正部２０のＭＯＳＦＥＴトランジスタＭ０、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３およびＭ９〜Ｍ１６を使用して決定され得る。これらの部品は各々の温度センサ内で使用される。オフセット補正部２０のコア要素は、浮遊ゲートＭＯＳＦＥＴ Ｍ０である。浮遊ゲートＭ０は、電荷が永久的に与えられ得、オフセット電流を変化させるために使用され得る。その目的は、オフセットを完全に除去することではなく、各温度センサに同じオフセット電流を有させることである。ＭＯＳＦＥＴ Ｍ１は、浮遊ゲートＭ０をｆｇ電源ピンにおける電圧につなぐスイッチとして使用する。Ｍ１０もまた、浮遊ゲートＭ０にかかる電圧電位を供給するためのスイッチとして使用する。浮遊ゲートＭ０に電荷を加えるには、ｆｇ電源の電圧を、約１０Ｖの電位、または浮遊ゲートＭ０上に電荷の蓄積を作り出すのに十分高いその他の電圧に設定する。この時には制御１ピンも１０Ｖであり、その一方でｆｇバイアス１ピンは、より多くの電荷が浮遊ゲートＭ０上に蓄積するのを回避するために３Ｖまたはその他の比較的低い電圧に設定される。これは、温度センサ「プログラム」電流モードである。その後、一定時間、例えば１００マイクロ秒間、制御１電圧を低電圧（０Ｖ）でパルス発生させる。これにより、電荷の量が浮遊ゲートＭ０上で蓄積される。より多くの電荷を浮遊ゲートＭ０に加えるために、制御１電圧の低パルスを繰り返し印加してもよい。Ｍ０上の電荷が十分になったときに、ｆｇ電源上の電圧を３Ｖに下げる。制御１電圧をゼロボルトに設定し、ｆｇバイアス１を３Ｖに設定する。これは、常温センサ「読み取り」電流モードである。実際には、所望の電流が獲得されるまで回路をプログラムモードから読み取りモードへと切り替える。

トランジスタＭ２、Ｍ３、Ｍ９およびＭ１１〜Ｍ１６は、Ｍ０を通る電流を３２分の１に低減するカレントミラーを形成する。これは、温度センサ出力電流Ｉ_Ｍ４０の感度を、浮遊ゲートの電荷の大きな変化に変える。Ｍ１６を通る電流Ｉ_Ｍ１６は、Ｍ４０を通る温度センサ電流Ｉ_Ｍ４０から差し引かれて、ｔｓｅ＿選択スイッチを通って流れる差分電流Ｉ_ＤＩＦＦを生じる。システム例において、各温度センサ回路１は、温度センサ回路をＭＯＳＦＥＴトランジスタＭ１４９およびＭ１４４からなる出力カレントミラー３０に（ｔｓｅバス接続を通じて）接続するｔｓｅ＿選択スイッチを有する。全ての温度センサのｔｓｅ＿選択スイッチのうちたった１つのみが温度電流読み取りのために作動している。この例では、出力電流はその後に６倍に拡大され、温度検出＿ｉｏｕｔピンにおいてＰＴＡＴ電流シンクとして現れる。

図４は、本発明の例示的実施形態によるインクジェットプリントヘッド上の温度センサを較正するための方法を示すフローチャートである。方法のステップＳ０２では、例えば制御されたサーマルチャック上にウェハを置くことによって、システム温度を強制的に全てのセンサと同じにする。たとえ温度がどのセンサでも同じであったとしても、各センサでのオフセット電流のために、センサ毎に異なった温度が「読み取り」され得る。ステップＳ０４では、最も低い任意のオフセット電流を有する温度センサを見つけるために、システム内の全ての温度センサが読み取りされる（浮遊ゲートがプログラムされることなく；ｆｇバイアス１は０ボルトに設定される）。ステップＳ０６〜Ｓ１２では、各センサのオフセット電流がステップＳ０４で決定された最も低いオフセット電流と等しく設定されるまで、各温度センサの浮遊ゲートが反復的にプログラムおよび読み取りされる。較正過程の最後には、システム内の温度センサは同じオフセット電流を有することになる。システムが作動中であるとき、各温度センサの近傍の温度は、オフセット電流およびＰＴＡＴ電流の勾配（Ｂ）が分かっている状態で決定され得る。

通常、浮遊ゲートＭ０は、ゲート上で捕捉される電荷の量によって、ドレインからソースへ電流を流れさせることができる。この電荷捕捉は、トランジスタの閾値電圧（Ｖｔ）を効果的に変化させる。通常、トランジスタのドレイン電流は下記式で示すことができる。

プログラミングの後では、この式は下記のとおりになる。

式中、ΔＶｆｇは下記のとおりである。

それゆえ、電流をプログラムできる精度ΔＩは、ゲート静電容量に反比例し、電荷の量に比例する。この点で本発明のデバイス構造は、この調整特徴を用いて基準を調節するように設計される。電荷配置を制御する代表的な方法は、バイアス電圧レベルおよび／または電圧を印加する時間量の使用に基づく。

そうして、プリントヘッドの製造または最終組立の間、自己完結型の閉ループ温度制御を提供している素子に対して正確な基準／較正値をプログラムすることができる。

本発明の具体的な実施形態を例示し説明してきたが、当業者にとっては本発明の精神と範囲を逸脱しない様々な他の変化形態および変更形態が明白であろう。したがって、本発明の範囲内のそのような変化形態および変更形態は全て別記の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１１０ プリントヘッド
１１２ ハウジング
１１６ コンパートメント
１１８ 表面
１１９ 部分
１２０ ＴＡＢ回路
１２２ 表面
１２４ Ｉ／Ｏコネクタ
１２５ アクチュエータチップ
１２６ 導電体
１２８ 接合パッド
１３１ 温度センサ
１３２ インクビア
１４０ インクジェットプリンタ
１４２ キャリッジ
１４４ スロット
１４６ 印刷ゾーン
１４８ シャフト
１５０ ドライブベルト
１５２ 用紙
１５４ 給紙トレイ
１５６ 排紙トレイ
１５７ コントローラ
１５８ コントロールパネル
１５９ 出力
１６０ ユーザ選択インターフェース
１６２ 入力

Claims (9)

1. インクジェットプリントヘッド用の温度制御回路であって、
   該インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、
   該オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために該出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部と、を備え、
   前記オフセット電流補正部は、
   浮遊ゲートトランジスタと、
   前記補正電流を減少させるカレントミラーと、を備え、
   該補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される
   温度制御回路。
2. 前記浮遊ゲートに電荷を与えるプログラムモードを有する
   請求項１に記載の温度制御回路。
3. 前記浮遊ゲート上の電荷を読み取って前記補正電流を生成する読み取りモードを有する
   請求項１に記載の温度制御回路。
4. インクジェットプリントヘッド用の温度制御回路であって、
   該インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、
   該オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために該出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部と、を備え、
   前記温度センサ部はバンドギャップ温度検出回路を備え、
   該補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される
   温度制御回路。
5. インクジェットプリントヘッドであって、
   １つ以上の温度制御回路を備え、該温度制御回路の各々は、
   該インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、
   該オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために該出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部と、を備え、
   前記オフセット電流補正部は、
   浮遊ゲートトランジスタと、
   前記補正電流を減少させるカレントミラーと、を備え、
   該補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される
   インクジェットプリントヘッド。
6. 前記温度制御回路は、前記浮遊ゲートに電荷を与えるプログラムモードを有する
   請求項５に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記温度制御回路は、前記浮遊ゲート上の電荷を読み取って前記補正電流を生成する読み取りモードを有する
   請求項５に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. インクジェットプリントヘッドであって、
   １つ以上の温度制御回路を備え、該温度制御回路の各々は、
   該インクジェットプリントヘッド上での検知温度に比例する電流とオフセット電流との合計を含む出力電流を生成する温度センサ部と、
   該オフセット電流を少なくとも部分的に補償するために該出力電流から差し引かれる補正電流を生成するオフセット電流補正部と、を備え、
   前記温度センサ部はバンドギャップ温度検出回路を備え、
   該補正電流によって補償された出力電流が温度制御回路出力電流として出力される
   インクジェットプリントヘッド。
9. 前記温度制御回路出力電流に基づいて制御される１つ以上のヒータをさらに備える
   請求項５に記載のインクジェットプリントヘッド。

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