【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録ヘッド用基板、その基板を搭載したインクジェット記録ヘッド、そのインクジェット記録ヘッドを用いた記録装置、およびランクヒーター測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、複写機、ファクシミリ等の機能を有する記録装置や、コンピューターやワードプロセッサ等を含む複合機やワークステーションの出力機器として用いられる記録装置は、画像情報に基づいて用紙やプラスチック薄板（例えば、ＯＨＰ等に用いる）等の記録シートに画像を記録する。これらの記録装置は、用いている記録方法により、インクジェット式、ワイヤドット式、感熱式、熱転写式、レーザービーム式などに分類される。
【０００３】
そのうち、インクジェット式の記録装置（以下、インクジェット記録装置）は、記録手段（具体的には記録ヘッド）から記録シートにインクを吐出して画像を記録する。インクジェット記録装置によれば、記録手段のコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができ、普通紙に特別の処理をせずに画像を記録でき、ランニングコストが安く、ノンインパクト方式であるため騒音が少なく、しかも多色のインクを使用してカラー画像を記録するのが容易である等、様々な利点を有している。
【０００４】
インクジェット記録方式の中にもいくつか手法がある。そのひとつに、発熱体をノズル内に構成し、発熱体で発生する熱によりインクにバブルを発生させ、そのエネルギーを用いてインクを吐出するバブルジェット記録方式がある。そして、インクを吐出するためのエネルギーを発熱体により発生させる記録素子は半導体製造プロセスを用いて作製できる。そして、バブルジェット記録方式の記録ヘッドは、シリコン基板からなる素子基板上に記録素子を形成し、その上に、インク流路を形成するための溝を形成した、ポリサルフォン等の樹脂やガラス等からなる天板を接合した構成となっている。
【０００５】
また、素子基板がシリコン基板からなることを利用し、記録素子だけでなく、記録素子を駆動するためのドライバーや、記録素子を記録ヘッドの温度に応じて制御する際に用いられる温度センサおよびその駆動制御部などをも素子基板上に構成したものもある。
【０００６】
この種の記録ヘッド用基板の一例として図１１に示すような構成のものがある（特許文献１参照）。
【０００７】
図１１において、素子基板９００には、インクに吐出用の熱エネルギーを与える、並列に配列された発熱抵抗素子である複数のヒーター９０１と、各ヒーター９０１を駆動するための複数のパワートランジスタ（ドライバー）９０２と、シリアル信号の画像データおよびシリアルクロック（ＣＫ）が外部から入力され、１ライン毎に画像データを出力するシフトレジスタ９０４と、ラッチ用のクロック（Ｌ）に同期してシフトレジスタ９０４から出力された１ライン分の画像データをラッチし、パワートランジスタ９０２にパラレルに転送するラッチ回路９０３と、パワートランジスタ９０２に対応してそれぞれ設けられ、ラッチ回路９０３の出力信号を外部からのイネーブル信号に応じてパワートランジスタ９０２に印加する複数のＡＮＤゲート９１５と、画像データや各種信号等を外部から入力するための入力端子９０５〜９１２が形成されている。
【０００８】
このような構成において、シリアル信号として入力された画像データは、シフトレジスタ９０４によってパラレルな信号に変換され、ラッチ用のクロックに同期してラッチ回路９０３で出力保持される。この状態で入力端子９０８を介して駆動パルス信号（ＡＮＤゲート９１５に対するイネーブル信号）が入力されることにより、画像データに応じてパワートランジスタ９０２がオンされ、対応するヒーター９０１に電流が流れて、その液流路（ノズル）のインクが熱され、ノズル先端よりインクが液滴として吐出される。
【０００９】
また、以上の構成に加えて、素子基板９００には、素子基板９００の温度を測定するための温度センサ、あるいは製造工程において生じるヒーターの抵抗値の基板毎のバラツキに対して駆動電圧や駆動パルス幅を調整制御するためのモニター手段等のセンサ類９１４や、ノズル内のインク温度制御を行うための保温ヒーターが形成されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−２５６８８３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
近年、インクジェット記録においては、高画質化、高速記録などの高機能化の要求がますます高まっている。高画質化を達成するために、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくすることにより１ドット当りの吐出量を少なくして小ドット化し、記録密度（解像度）を上げることにより画質を向上させる方法がある。
【００１２】
従来、画像を形成する液滴は、吐出量を小さくする際、ノズルの形状を変える（オリフィス面積を小さくする）とともにヒーターの面積を小さくすることで対応してきた。
【００１３】
図１２は、解像度および吐出量とヒーター面積との関係をドットで示しているグラフである。例えば、過去によく用いられた３６０ｄｐｉの解像度においては、約４０ｎｇの吐出量が必要であり、その際のヒーター面積は約２７００μｍ２である。しかし、近年では１２００ｄｐｉ、２４００ｄｐｉが主流である。図１２を参照すると、１２００ｄｐｉの解像度においては約８００μｍ２のヒーター面積が必要である。２４００ｄｐｉの解像度においては約６００μｍ２のヒーター面積が必要である。また、グラフ中に点線で示された直線とドットとの関係から分かるように、吐出量とヒーター面積は比例関係にはない。すなわち、解像度３６０、１２００、２４０００のドットが直線上に乗っていない。吐出量が小さくなるに従って、比例関係からのずれが大きくなっていることがグラフから分かる。
【００１４】
図１３は、図１２における吐出量の小さい領域を拡大したグラフである。図１３において、点線は８ｎｇからの外挿線である。例えば、図１３において、吐出量８ｎｇを４ｎｇにする場合、外挿線によればヒーター面積は約４００μｍ２となる。しかし、実際には約６００μｍ２が必要となる。つまり、吐出量を１／２にすると、ヒーターの面積比は１／２になるのではなく、０．７３となる。したがって、同じ量のインクを吐出するために、約４割程度大きなヒーター面積が必要となる。
【００１５】
なお、ヒーター面積と、インクを吐出のためにヒーター部に印加するエネルギーとの間には比例関係があることがこれまでに分かっている。
【００１６】
図１４は、インクの吐出量４ｎｇおよび８ｎｇにおけるドットイメージを示す図である。図１４を参照すると、インクの吐出量が８ｎｇから４ｎｇへと半分になると、２倍のドット数が必要となることが分かる。すなわち、例えば１枚に画像を同じ時間で記録するためには、吐出量が半分になると、２倍の吐出周波数でインクを吐出することが求められる。図１５は、同じ時間で画像を記録するとした場合の吐出量と吐出周波数との関係をドットで示すグラフである。図１５を参照すると、吐出量が８ｎｇのとき吐出周波数が１５ｋＨｚであるのに対して、画像記録のスピードを維持するためには吐出量が４ｎｇのとき吐出周波数が３０ｋＨｚとなっている。
【００１７】
以上のように、高画質化のために吐出量を小さくするとヒーター面積は小さくなる。しかし、ヒーター面積は吐出量に比例して小さくはならない。そのため、同じスピードを維持するとき、図１６に示すように、ヒーター部に必要とされるエネルギーは増大し、エネルギー効率が低下する。
【００１８】
さらに、記録ヘッドにおいては、ヒーター部以外にも、ヒーターのスイッチングを行うドライバー部や、ヒーターにエネルギーを供給するための配線部なども抵抗成分を持っている。ヒーターにエネルギーを供給する際に、これらの抵抗成分においてもエネルギーロスが発生している。
【００１９】
図１７，１８はエネルギーロスを求めるための記録ヘッド用基板の等価回路である。これらの等価回路において記録ヘッド用基板の１つのヒーターに着目し、発熱ヒーター部（Ｉ）とドライバー部および配線抵抗部（ＩＩ）とに分けてエネルギー消費を算出する。発熱ヒーター部（Ｉ）で消費されるエネルギーはインクの吐出に寄与するが、ドライバー部および配線抵抗部（ＩＩ）で消費されるエネルギーはインクの吐出に寄与しない。したがって、それがエネルギーロスとなる。図１７は、吐出量が８ｎｇの記録ヘッド用基板の等価回路であり、図１８は、吐出量が４ｎｇの記録ヘッド用基板の等価回路である。
【００２０】
図１７において、発熱ヒーター部（Ｉ）の抵抗を１００Ω（シート抵抗値１００Ω／□）、ドライバー部および配線抵抗部（ＩＩ）の抵抗値を５０Ωとすると、系全体の抵抗値は１５０Ωとなる。これを駆動電圧１５Ｖで駆動すると、系全体には０．１Ａの電流が流れる。これを駆動パルス幅１μｓで駆動すると、インクの吐出に寄与しない（ＩＩ）の部分でのエネルギーロスＥ（１）は、
【００２１】
【数１】
【００２２】
となる。ここで、Ｒ（１）は（ＩＩ）の部分の抵抗値、Ｉ（１）は電流値、Ｐｗ（１）はパルス幅を示す。
【００２３】
一方、図１８において、発熱ヒーター部（Ｉ）の抵抗を１００Ω（シート抵抗値１００Ω／□）、ドライバー部と配線抵抗部（ＩＩ）の抵抗値を５０Ωとすると、系全体の抵抗値は１５０Ωとなる。ヒーターサイズが小さくなったことにより、駆動電圧１２．５Ｖで駆動すると、系全体には０．０８３Ａの電流が流れる。これを駆動パルス幅１μｓで駆動すると、インクの吐出に寄与しない（ＩＩ）の部分でのエネルギーロスＥ（２）は、同様にして、
【００２４】
【数２】
【００２５】
となる。最後の×２は、画像記録のスピードを低下させずに同一の画像を形成するために、吐出周波数を図１７のものの２倍としていることを示す。
【００２６】
式（１）、（２）から、ドライバー部および配線抵抗部（ＩＩ）におけるエネルギーロスの比は、
【００２７】
【数３】
【００２８】
となり、ドライバー部および配線抵抗部（ＩＩ）におけるエネルギーロスが３８％増大している。
【００２９】
同様にして、系全体での消費エネルギー比について考える。図１７の記録ヘッド用基板の消費エネルギーＥ（１）′と、図１８の記録ヘッド用基板の消費エネルギーＥ（２）′の比は、
【００３０】
【数４】
【００３１】
となる。ここで、Ｖ（１）、Ｖ（２）は図１７、１８における各駆動電圧を示す。このように、系全体で見たときにも約３９％のエネルギー増加がある。
【００３２】
以上のことから、記録密度を２倍にしつつ同一の画像記録スピードを達成するためにエネルギー消費が約４０％増大し、インクの吐出に寄与しないエネルギーロスも同様に約４０％増大する。これはヘッド温度の上昇につながるので、インクの吐出量の変動要因となる温度を下げるために画像記録スピードを低下せざるを得なくなる。
【００３３】
今後の更なる高画質化、高速記録に向けて小ドット化や吐出周波数を上げることが要求されており、その際、上述した消費エネルギーの問題は更に深刻となる。これを解決するのに従来の方法では限界があり、新たな対策が必要となってきている。
【００３４】
消費エネルギーを削減する方法として、例えば、ヒーターを高抵抗化すること方法が考えられる。ヒーターを高抵抗化することにより系全体の電流値が低減され、ドライバー部や配線抵抗部でのエネルギーロスが低減される。
【００３５】
しかし、ヒーターを高抵抗化するためにはヒーター材の比抵抗値を大きくする必要がある。一般的に、現在、ヒーターとして用いられている材料の多くは、比抵抗値を大きくすると抵抗温度係数ＴＣＲがマイナス側に大きくなる傾向がある。そのため、ヒーターを高抵抗化すると、エネルギー効率がアップする反面、当然ながらヒーターの単位面積当たりの消費電力も大きくなる。
【００３６】
ところで、記録ヘッド用基板には、モニター用のヒーター（以下、ランクヒーターと称す）が通常のヒーターと同一工程により形成されているものがある。この種の記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置は、ランクヒーターの抵抗値（以下、ランク抵抗と称す）を測定し、ランク抵抗を基にして、ヒーターを駆動する際の駆動条件（例えば、駆動パルス幅または駆動電圧）を調整することにより、インクの吐出を最適な状態に安定させる。
【００３７】
このランクヒーターも例外でなく、従来と同じ測定電流もしくは従来より大きい測定電流にてモニターしようとすると、従来よりも単位面積あたりの消費電力が大きくなり、それに伴ってヒーター温度も上昇する。その影響で抵抗値が下がってしまうので、正確な抵抗値がモニターできなくなってしまう。もしその抵抗値を元に駆動パルス幅もしくは駆動電圧を決定したとすると、常温での抵抗値より低い数値でモニターされたため、吐出エネルギーは抵抗値×電流×電流×パルス幅にて定義されることからも分かるように、抵抗値が下がった分エネルギー不足となり、最悪インクが吐出しないことも考えられる。
【００３８】
そこで、この課題（ランクヒーターの温度上昇による抵抗値変化）を解決するために、測定電流を小さくすることが考えられる。しかし、ランク抵抗測定時の測定電流または測定電圧を小さくしたところ、配線部分などの寄生抵抗成分を拾ってしまい正確な数値をモニターできなかった。また、ヒーターの単位面積当たりの消費電力を一定としながら、ランクヒーターの昇温を抑える手段として、ヒーターのサイズを小さくすることが考えられる。しかし、そうすると、パターンのバラツキやプロセスのバラツキによる影響が大きくなってしまい、ランク抵抗と実際のヒーターの抵抗値との差が大きくなり、測定精度があまり良くなかった。
【００３９】
本発明の目的は、ヒーターの抵抗値を安定してモニターでき、高画質化、高速記録が可能な記録ヘッド用基板、記録ヘッド、記録装置を提供することである。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の記録ヘッド用基板は、電圧を印加されて記録を行なうための熱エネルギーを発生する発熱抵抗素子である複数のヒーターと、ヒーターの抵抗値のモニターのために抵抗値を測定される発熱抵抗素子であるランクヒーターとを同一基板上に有する記録ヘッド用基板において、ランクヒーターは、ランクヒーターの昇温を抑え、かつ抵抗値が安定するような電圧および電流の範囲で測定されることを特徴としている。
【００４１】
したがって、ランクヒーターの昇温が抑えられるので、温度変化による抵抗値の変化の影響を極力受けず、かつ抵抗値が安定しているので、抵抗温度係数ＴＣＲが大きなヒーター材を用いても温度変化の影響が少なく、また寄生抵抗成分の影響が少ない状態で、ヒーターの抵抗値を安定して正確にモニターすることができる。
【００４２】
また、ランクヒーターは、ランクヒーターの単位面積当たりの消費電力が１〜３ワット／平方ミリメートルの範囲となる電圧および電流で抵抗値を測定されることが好ましい。このヒーターおよびランクヒーターの材料は、抵抗温度係数が−１５０ｐｐｍ／セ氏度以上である場合に特に有効な手段となり得る。
【００４３】
また、ランクヒーターは、ヒーターと同一工程にて形成されていることが好ましい。さらにランクヒーターは、ヒーターと同じ構成およびサイズであるものを複数並べた構成であることが好ましい。
【００４４】
したがって、同一工程にて、同じ構成およびサイズに形成されたランクヒーターとヒーターとは測定条件の差が少なく、ランクヒーターの測定値がヒーターの特性をよく示す。また、同じ構成およびサイズのものを複数並べる構成にすることにより、パターンバラツキ、プロセスバラツキを吸収し、バラツキが平均化されるので、ヒーターの特性を良く示すモニター結果を得ることが可能になる。
【００４５】
また、ランクヒーターが複数設けられていてもよい。ランクヒーターが複数設けられていることにより、今度は基板内（ウェハー面内）のバラツキを吸収することもできる。特に、基板サイズが大きい場合に有効な手段となりうる。
【００４６】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、上述した本発明の記録ヘッド用基板を有し、インクを吐出するための複数の吐出口がヒーターに対応して設けられている。
【００４７】
また、ランクヒーターの抵抗値のモニター結果を格納するための不揮発性メモリをさらに有してもよい。
【００４８】
本発明のインクジェット記録装置は、上述した本発明のインクジェット記録ヘッドと、インクジェット記録ヘッドを搭載するための部材とを少なくとも有している。
【００４９】
また、ランクヒーターの抵抗値のモニター結果を、インク吐出のためのヒーターの駆動にフィードバックするフィードバック手段をさらに有することが好ましい。
【００５０】
したがって、モニター結果がヒーターの駆動にフィードバックされることにより、基板毎の個体差が調整され、安定して良好にインクを吐出することができる。
【００５１】
また、フィードバック手段は、モニター結果を、ヒーターを駆動する信号のパルス幅または電圧にフィードバックしてもよい。
【００５２】
また、上述した不揮発性メモリを有するインクジェット記録ヘッドを搭載した際、フィードバック手段は、不揮発性メモリからモニター結果を読出して、インク吐出のためのヒーターの駆動にフィードバックすることとしてもよい。
【００５３】
また、本発明の一態様によれば、ヒーターは、ＴａｘＳｉｙＲｚで表され、ＲがＣ、ＯまたはＮから選択された１種以上の元素であり、指数ｘ、ｙおよびｚがｘ＋ｙ＋ｚ＝１００で定義される材料からなる薄膜により形成されている。
【００５４】
本発明のランクヒーター測定方法は、電圧を印加されて記録を行なうための熱エネルギーを発生する発熱抵抗素子である複数のヒーターと、ヒーターの抵抗値のモニターのために抵抗値を測定される発熱抵抗素子であるランクヒーターとを同一基板上に有する記録ヘッド用基板のランクヒーター測定方法において、
ランクヒーターの昇温を抑え、かつ抵抗値が安定するような電圧および電流の範囲で測定することを特徴としている。
【００５５】
また、ランクヒーターの単位面積当たりの消費電力が１〜３ワット／平方ミリメートルの範囲となる電圧および電流で抵抗値を測定することが好ましい。
【００５６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本発明によるものを含む一般的なインクジェット記録ヘッド用基板の一構成例を示す図である。図１において、ヒータアレイ２０１は、インクを吐出させるための熱エネルギーを供給する発熱抵抗素子である複数のヒーター（不図示）が配列されている領域である。パワーＭＯＳアレイ２０２は、ヒーターに電流を選択的に供給するためのトランジスタ（不図示）が配列されているドライバー領域である。
【００５８】
論理回路２０３は、ドライバーのトランジスタのスイッチング動作を制御するためのロジック回路（不図示）が配置されている領域である。また、パッド２０４は、インクジェット記録装置本体側との電気的接続を行うためのパッドが配置されている領域である。さらに、インク供給口２０５は、インクジェット記録ヘッド用基板２００の裏面側に設けられたインクタンク（不図示）から基板表面の各ヒーターの位置へインクを供給するためのインク供給口である。
【００５９】
図２は、図１におけるヒータアレイ２０１〜パッド２０４のヒーター一列分を詳細に示した図である。図２において、素子基板９００には、複数のヒーター９０１と、複数のパワートランジスタ（ドライバー）９０２と、シフトレジスタ９０４と、ラッチ回路９０３と、複数のＡＮＤゲート９１５と、入力端子９０５〜９１２が形成されている。素子基板９００は、一例として、ＴａｘＳｉｙＲｚ（ＲはＣ、ＯまたはＮから選択された１種以上の元素、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）で示される材料からなる薄膜で形成されている。
【００６０】
複数のヒーター９０１は、並列に配列されており、インクに吐出用の熱エネルギーを与える。
【００６１】
パワートランジスタ９０２は、各ヒーター９０１を駆動する。
【００６２】
シフトレジスタ９０４は、外部からシリアルに入力される画像データ及びこれに同期するシリアルクロックが入力され、１ライン毎に画像データを入力する。
【００６３】
ラッチ回路９０３は、ラッチ用のクロックに同期してシフトレジスタ９０４から出力された１ライン分の画像データをラッチし、パワートランジスタ９０２にパラレルに転送する。
【００６４】
複数のＡＮＤゲート９１５は、パワートランジスタ９０２に対応してそれぞれ設けられ、ラッチ回路９０３の出力信号を外部からのイネーブル信号に応じてパワートランジスタ９０２に印加する。
【００６５】
複数の入力端子９０５〜９１２は、画像データや各種信号等を外部から入力するため端子である。
【００６６】
このような構成において、シリアル信号として入力された画像データは、シフトレジスタ９０４によってパラレルな信号に変換され、ラッチ用のクロックに同期してラッチ回路９０３で出力保持される。この状態で入力端子を介してヒーター９０１の駆動パルス信号（ＡＮＤゲート９１５に対するイネーブル信号）が入力されることにより、画像データに応じてパワートランジスタ９０２がオンされ、対応するヒーター９０１に電流が流れて、その液流路（ノズル）のインクが熱され、ノズル先端よりインクが液滴として吐出される。
【００６７】
また、以上のような構成に加えて、素子基板９００には、素子基板９００の温度を測定するための温度センサや、ランクヒーター９１４などのセンサ類、ノズル内のインク温度制御を行うための保温ヒーター（不図示）などが形成される。ランクヒーター９１４は、ヒーター９０１と同一工程により形成されており、抵抗値（ランク抵抗）が測定される。測定されたランク抵抗は、記録ヘッド用基板の製造工程で生じるヒーターの抵抗値の基板毎のバラツキに対して駆動電圧や駆動パルス幅を調整制御するのに用いられる。
【００６８】
ランクヒーター９１４は記録ヘッド用基板の膜付けやエッチングなどの変動要素をヒーター９０１と同様に受けるようにするために、ヒーター９０１と同一工程により形成される。また、ランクヒーター９１４はヒーターサイズ等のパターンバラツキ、プロセスバラツキの影響をできるだけ小さくするために、同じ構成、サイズのものを複数個並べて、例えば平均をとるなどするのが望ましい。さらに、基板内に複数箇所設けることにより、基板内のバラツキ、ウェハ面内バラツキ等の平均化が可能になり、特に、基板サイズが大きい場合に、より精度の高い測定値のモニターが可能となる。
【００６９】
記録装置は、ランクヒーター９１４の抵抗値を測定し、測定された値を駆動条件（ここでは駆動パルス幅または駆動電圧）にフィードバックする。抵抗値をモニターする方法は、電流ソースによる方法と電圧ソースによる方法が考えられる。
【００７０】
ここでは電流ソースによる方法を例示する。
【００７１】
図３は、従来のランクヒーター測定条件を示すグラフである。従来のヒーターはシート抵抗値が比較的低いので、抵抗温度係数ＴＣＲ（ヒーターの温度特性）が小さかった。そのため、図３に示すように測定電流を大きくして、ある程度ランクヒーターのヒーター温度が上昇しても抵抗値には殆ど変化が無かった。したがって、ソース電流の測定領域として、かなり広い範囲が可能であり、測定領域について特に気にする必要がなかった。
【００７２】
しかし、エネルギー効率を上げるためにヒーターを高抵抗化するには、ヒーター材の比抵抗値を大きくする必要がある。そうすると、図４に示すように、抵抗温度係数ＴＣＲがマイナス側に大きくなり、温度上昇により抵抗値が下がる割合が大きくなる。特に、抵抗温度係数ＴＣＲが−１５０ｐｐｍ／℃以上となるヒーター材の場合に有効な手段となり得る。このようなヒーター材をランクヒーターにも用いてランク抵抗を測定しようとすると、図５に示すように、必然的に単位面積当たりの消費電力が大きくなる。そうすると、従来と同じレベルのソース電流にて抵抗値をモニターしようとしたとき、温度上昇による抵抗材の温度特性を拾ってしまい、モニターされるランク抵抗は低く出る。この抵抗値を基に駆動条件（駆動パルス幅または駆動電圧）を設定すると、エネルギー不足となり、理想的なインクの吐出が出来なくなり、最悪の場合にはインクが吐出されないことも考えられる。
【００７３】
その解決手段として、上述したように、可能な限りランクヒーターの温度を上昇させないように測定すればよい。それには測定電流を小さくすれば良いが、小さくし過ぎると、逆に図５に示されたように配線などの寄生抵抗成分を拾って、抵抗値がふらついてしまい、そのため正しい抵抗値がモニターできなくなる。
【００７４】
また、他の解決手段として、上述したように、ヒーターサイズを小さくすることにより、ランクヒーターの全体の昇温を抑える方法も考えられる。しかし、ヒーターサイズが小さくなると、パターンバラツキやプロセスバラツキの影響が大きくなり、ランクヒーターと実際のヒーターとの抵抗値の差が大きくなり、正しい値がモニターできないことにより、駆動条件の正確な調整ができなくなる。
【００７５】
すなわち、従来と同じ測定条件では、図６に示すように抵抗変化率が大きくなり、それにより必然的に図７に示すように単位面積当たりの消費電力も大きくなってしまう。そうすると、当然ながら、同じような傾向で図８に示すようにランクヒーターの温度も上昇してしまうために、正しいヒーターの抵抗を測定できなくなる。
【００７６】
そこで、本実施形態では、測定電流が図５に示した測定に適した領域となるようにソース電流を設定し、抵抗値の出力が安定している領域でランク抵抗を測定する。測定に適した領域とは、ランクヒーターが昇温せず、かつ電流値が安定するような領域であり、図５において測定電流の変化に対してランク抵抗の変化の少ない領域のことである。測定電流を測定に適した領域にするには、消費電力が１〜３［Ｗ／ｍｍ２］となるようにすればよい。それにより、安定したランク抵抗により、正しい（すなわち常温における）ヒーターの抵抗値を測定することができる。このようなランクヒーター測定方法によって測定された測定値は安定しており、かつ正確な値となる。そのような測定値を基に駆動条件を設定することにより、インクジェット記録装置は記録ヘッドからのインクの吐出を安定させることができる。なお、抵抗温度係数（ＴＣＲ）が−１５０ｐｐｍ／℃以上において特に有効な手段となり得る。
【００７７】
インクジェット記録装置の動作の一例について説明する。この例では、記録ヘッドは、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリを備えている。
【００７８】
まず、記録ヘッドの製造工程においてランク抵抗を測定し、その抵抗値または、その抵抗値から定まるランクなどを、インクジェット記録ヘッドに搭載される不揮発性メモリに格納する。ランク抵抗の測定は、上述したような、測定に適した測定電流の領域において行われる。このように製造された記録ヘッドはインクジェット記録装置に搭載される。
【００７９】
記録ヘッドの不揮発性メモリに格納されたランク等は、インクジェット記録装置の本体に搭載された読み取り装置により読み取られる。インクジェット記録装置は、そのランク等を基にして最適な駆動条件（駆動パルス幅または駆動電圧）を設定する。
【００８０】
そして、画像を記録する際には、インクジェット記録装置は、その駆動条件で動作する。これにより、インクジェット記録装置は安定してインクを吐出し、良好な画像を記録することができる。
【００８１】
インクジェット記録装置の動作の他の例について説明する。この例では、記録ヘッドは不揮発性メモリを備えていない。
【００８２】
まず、記録ヘッドに不揮発性メモリが備えられていない場合は、インクジェト記録装置は記録ヘッドのランクヒーターの抵抗値を読み取り、その値を基にして駆動条件を設定する。そして、画像を記録する際に、インクジェット記録装置は、その駆動条件で動作する。これにより、インクジェット記録装置は安定してインクを吐出し、良好な画像を記録することができる。
【００８３】
図９は、本実施形態の記録ヘッド用基板を用いて構成された記録ヘッドの一例を示す斜視図である。
【００８４】
同図に示すように、本実施形態の記録ヘッド２１は、図１に示したインク供給口２０５の両側に配されるヒータアレイ２０１の各発熱抵抗素子に対応して２列に配列された吐出口２１０を有している。すなわち、吐出口プレート２０６には、所定のピッチで並んだ吐出口２１０の列が２列がある。そして、本実施形態の記録ヘッド２１に対してはインクタンクＩＴが着脱自在に取付けられる。
【００８５】
図１０は、図９に示した記録ヘッドおよびインクタンクを装着して記録を行うインクジェット記録装置の一例を示す概略斜視図である。イエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ）およびブラック（Ｂ）の各インクに対応した記録ヘッド２１Ｙ，２１Ｍ，２１Ｃおよび２１Ｂ（およびそれぞれのインクタンクＩＴ）はキャリッジ２０に着脱自在に設けられる。キャリッジ２０はガイドシャフト２３と摺動自在に係合し、またキャリッジ２０にはプーリー２５，２６およびベルト２８を介してモータ２７の駆動力が伝えられる。これにより、各記録ヘッド２１Ｙ，２１Ｍ，２１Ｃおよび２１Ｂは被記録媒体としての記録紙Ｐに対する走査を行うことができる。記録紙Ｐは、一対の搬送ローラ２２Ａ，２２Ｂにより、記録ヘッドの走査の間に所定量づつ搬送される。また、記録ヘッドの移動範囲の一端には、各記録ヘッドの吐出回復処理を行うための回復ユニット２４が設けられている。
【００８６】
なお、本発明は、特にインクジェット記録方式の中でも、インク吐出を行わせるために利用されるエネルギーとして熱エネルギーを発生する手段（例えば電気熱変換体やレーザ光等）を備え、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の記録ヘッド、記録装置において優れた効果をもたらすものである。かかる方式によれば記録の高密度化、高精細化が達成できるからである。
【００８７】
その代表的な構成や原理については、例えば、米国特許第４７２３１２９号明細書，同第４７４０７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて行うものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド型，コンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持されているシートや液路に対応して配置されている電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急速な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信号を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギを発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この気泡の成長，収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐出させて、少なくとも１つの滴を形成する。この駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行われるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信号としては、米国特許第４４６３３５９号明細書，同第４３４５２６２号明細書に記載されているようなものが適している。なお、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を採用すると、さらに優れた記録を行うことができる。
【００８８】
記録ヘッドの構成としては、上述の各明細書に開示されているような吐出口，液路，電気熱変換体の組合せ構成（直線状液流路または直角液流路）の他に熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示する米国特許第４５５８３３３号明細書，米国特許第４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれるものである。加えて、複数の電気熱変換体に対して、共通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開示する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開示する特開昭５９−１３８４６１号公報に基づいた構成としても本発明の効果は有効である。すなわち、記録ヘッドの形態がどのようなものであっても、本発明によれば記録を確実に効率よく行うことができるようになるからである。
【００８９】
さらに、記録装置が記録できる被記録媒体の最大幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのような記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合せによってその長さを満たす構成や、一体的に形成された１個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。
【００９０】
加えて、上例のようなシリアルタイプのものでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に一体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。
【００９１】
また、本発明の記録装置の構成として、記録ヘッドの吐出回復手段、予備的な補助手段等を付加することは本発明の効果を一層安定できるので、好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子或はこれらの組み合わせを用いて加熱を行う予備加熱手段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げることができる。
【００９２】
また、搭載される記録ヘッドの種類ないし個数についても、例えば単色のインクに対応して１個のみが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数のインクに対応して複数個数設けられるものであってもよい。すなわち、例えば記録装置の記録モードとしては黒色等の主流色のみの記録モードだけではなく、記録ヘッドを一体的に構成するか複数個の組合せによるかいずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色によるフルカラーの各記録モードの少なくとも１つを備えた装置にも本発明は極めて有効である。
【００９３】
さらに加えて、以上説明した本実施形態においては、インクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化もしくは液化するものを用いてもよく、あるいはインクジェット方式ではインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲内で温度調整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあるように温度制御するものが一般的であるから、使用記録信号付与時にインクが液状をなすものを用いてもよい。加えて、熱エネルギーによる昇温を、インクの固形状態から液体状態への状態変化のエネルギーとして使用せしめることで積極的に防止するため、またはインクの蒸発を防止するため、放置状態で固化し、加熱によって液化するインクを用いてもよい。いずれにしても熱エネルギーの記録信号に応じた付与によってインクが液化し、液状インクが吐出されるものや、被記録媒体に到達する時点ではすでに固化し始めるもの等のような、熱エネルギーの付与によって初めて液化する性質のインクを使用する場合も本発明は適用可能である。このような場合のインクは、特開昭５４−５６８４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記載されるような、多孔質シート凹部または貫通孔に液状又は固形物として保持された状態で、電気熱変換体に対して対向するような形態としてもよい。本発明においては、上述した各インクに対して最も有効なものは、上述した膜沸騰方式を実行するものである。
【００９４】
さらに加えて、本発明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端末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。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、ランクヒーターの昇温が抑えられているので、温度変化による抵抗値の変化の影響を極力受けず、かつ抵抗値が安定している領域で測定することが可能になるので、抵抗温度係数ＴＣＲが大きなヒーター材を用いても温度変化の影響が少なく、また寄生抵抗成分の影響が少ない状態で、ヒーターの抵抗値を安定して正確にモニターすることができ、インクジェット記録装置の高画質化、高速記録が可能になる。
【００９６】
また、同一工程、同じ構成およびサイズに形成されたランクヒーターを複数並べることにより、パターンバラツキやプロセスバラツキを吸収し、測定される値の平均化がされ、ランクヒーターの測定値がヒーターの特性をよく示すので、インクジェット記録装置の高画質化、高速記録が可能になる。
【００９７】
さらに、基板内に複数箇所設けることにより、基板内バラツキ、ウェハ面内バラツキ等の平均化が可能になり、特に、基板サイズが大きい場合に、より精度の高い測定値のモニターが可能になり、インクジェット記録装置の高画質化、高速記録が可能になる。
【００９８】
また、ランクヒーター抵抗値のモニター結果がヒーターの駆動にフィードバックされることにより、基板毎の個体差が調整され、安定して良好にインクを吐出することができるので、高画質化、高速記録が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のものを含む一般的なインクジェット記録ヘッド用基板の一構成例を示す図である。
【図２】図１におけるヒータアレイ２０１〜パッド２０４のヒーター一列分を詳細に示した図である。
【図３】従来のランクヒーター測定条件を示すグラフである。
【図４】シート抵抗と抵抗温度係数ＴＣＲとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施形態におけるランクヒーター測定条件を示すグラフである。
【図６】ヒーター材の比抵抗値に対する、測定電流と抵抗値変化率の関係を示すグラフである。
【図７】ヒーター材の比抵抗値に対する、測定電流と単位面積当たりの消費電力の関係を示すグラフである。
【図８】ヒーター材の比抵抗値に対する、測定電流とランクヒーターの温度との関係を示すグラフである。
【図９】本実施形態の記録ヘッド用基板を用いて構成された記録ヘッドの一例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示した記録ヘッドおよびインクタンクを装着して記録を行うインクジェット記録装置の一例を示す概略斜視図である。
【図１１】従来の記録ヘッド用基板の一構成例を示す図である。
【図１２】解像度および吐出量とヒーター面積との関係をドットで示しているグラフである。
【図１３】図１２における吐出量の小さい領域を拡大したグラフである。
【図１４】インクの吐出量４ｎｇおよび８ｎｇにおけるドットイメージを示す図である。
【図１５】同じ時間で画像を記録するとした場合の吐出量と吐出周波数との関係をドットで示すグラフである。
【図１６】同じスピードで画像を記録する場合のインク吐出量と消費エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１７】吐出量が８ｎｇの記録ヘッド用基板の等価回路である。
【図１８】吐出量が４ｎｇの記録ヘッド用基板の等価回路である。
【符号の説明】
２０ キャリッジ
２１，２１Ｙ，２１Ｍ，２１Ｃ，２１Ｂ 記録ヘッド
２２Ａ，２２Ｂ 搬送ローラ
２４ 回復ユニット
２５，２６ プーリー
２７ モータ
２８ ベルト
２００ インクジェット記録ヘッド用基板
２０１ ヒータアレイ
２０２ パワーＭＯＳアレイ
２０３ 論理回路
２０４ パッド
２０５ インク供給口
２０６ 吐出口プレート
２１０ 吐出口
９００ 素子基板
９０１ ヒーター
９０２ パワートランジスタ（ドライバー）
９０３ ラッチ回路
９０４ シフトレジスタ
９０５〜９１２ 入力端子
９１４ ランクヒーター
９１５ ＡＮＤゲート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a printhead substrate, an inkjet printhead equipped with the substrate, a printing apparatus using the inkjet printhead, and a rank heater measuring method.
[0002]
[Prior art]
Recording devices having functions such as printers, copiers, and facsimile machines, and recording devices used as output devices of multifunction machines and workstations including computers and word processors, etc., use paper or plastic thin plates (for example, OHP, etc.) based on image information. The image is recorded on a recording sheet such as the following. These recording apparatuses are classified into an ink jet type, a wire dot type, a thermal type, a thermal transfer type, a laser beam type, and the like according to a recording method used.
[0003]
Among them, an ink jet recording apparatus (hereinafter, referred to as an ink jet recording apparatus) records an image by discharging ink from a recording unit (specifically, a recording head) onto a recording sheet. According to the inkjet recording apparatus, the recording means can be easily made compact, high-definition images can be recorded at high speed, images can be recorded on plain paper without special processing, running costs are low, The non-impact method has various advantages such as low noise and easy recording of a color image using multicolor inks.
[0004]
There are several methods in the ink jet recording method. One of them is a bubble jet recording system in which a heating element is formed in a nozzle, a bubble is generated in ink by heat generated by the heating element, and the ink is ejected using the energy. A recording element that generates energy for ejecting ink by a heating element can be manufactured by using a semiconductor manufacturing process. The recording head of the bubble jet recording method forms a recording element on an element substrate made of a silicon substrate, and forms a groove for forming an ink flow path thereon, from a resin such as polysulfone, glass, or the like. The top plate is joined.
[0005]
Further, utilizing the fact that the element substrate is made of a silicon substrate, not only the recording element but also a driver for driving the recording element, a temperature sensor used when controlling the recording element according to the temperature of the recording head, and the like. In some cases, a drive control unit and the like are also formed on an element substrate.
[0006]
As an example of this type of recording head substrate, there is one having a configuration as shown in FIG. 11 (see Patent Document 1).
[0007]
In FIG. 11, a plurality of heaters 901 which are heating resistance elements arranged in parallel and apply heat energy for discharging ink to ink, and a plurality of power transistors (drivers) for driving each heater 901 are provided on an element substrate 900. ) 902, a shift register 904 that receives image data of a serial signal and a serial clock (CK) from the outside and outputs image data for each line, and a shift register 904 that synchronizes with a latch clock (L). A latch circuit 903 that latches the output image data for one line and transfers the image data in parallel to the power transistor 902 and a latch circuit 903 corresponding to the power transistor 902 and converts the output signal of the latch circuit 903 into an enable signal from the outside Corresponding to a plurality of ANDs applied to the power transistor 902 And over DOO 915, input terminals 905 to 912 for inputting the image data and various signals or the like from the outside.
[0008]
In such a configuration, image data input as a serial signal is converted into a parallel signal by the shift register 904, and output and held by the latch circuit 903 in synchronization with a latch clock. In this state, when a drive pulse signal (enable signal to the AND gate 915) is input via the input terminal 908, the power transistor 902 is turned on in accordance with image data, and a current flows to the corresponding heater 901. The ink in the liquid flow path (nozzle) is heated, and the ink is ejected from the nozzle tip as droplets.
[0009]
In addition to the above configuration, the element substrate 900 may include a temperature sensor for measuring the temperature of the element substrate 900, or a driving voltage or a driving pulse for a variation in the resistance value of the heater generated in the manufacturing process for each substrate. Sensors 914 such as monitor means for adjusting and controlling the width, and a warming heater for controlling the ink temperature in the nozzles are formed.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-7-256883
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been an increasing demand for higher performance in inkjet recording, such as higher image quality and higher speed recording. In order to achieve high image quality, a method of improving the image quality by reducing the size of the heater (heating resistor) to reduce the ejection amount per dot to reduce the size of the dot and increasing the recording density (resolution). There is.
[0012]
Conventionally, when the ejection amount of the droplet for forming an image is reduced, the shape of the nozzle is changed (the orifice area is reduced) and the area of the heater is reduced.
[0013]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the resolution, the ejection amount, and the heater area by dots. For example, at a resolution of 360 dpi often used in the past, a discharge amount of about 40 ng is required, and the heater area at that time is about 2700 μm 2 It is. However, in recent years, 1200 dpi and 2400 dpi have become mainstream. Referring to FIG. 12, at a resolution of 1200 dpi, about 800 μm 2 Heater area is required. About 600 μm at 2400 dpi resolution 2 Heater area is required. Also, as can be seen from the relationship between the dot and the straight line indicated by the dotted line in the graph, the discharge amount and the heater area are not in a proportional relationship. That is, the dots having the resolutions of 360, 1200, and 24000 are not on a straight line. It can be seen from the graph that the deviation from the proportional relationship increases as the discharge amount decreases.
[0014]
FIG. 13 is a graph in which a region with a small discharge amount in FIG. 12 is enlarged. In FIG. 13, the dotted line is an extrapolation line from 8 ng. For example, in FIG. 13, when the discharge amount is 8 ng and 4 ng, the heater area is about 400 μm according to the extrapolation 2 It becomes. However, actually, about 600 μm 2 Is required. That is, when the discharge amount is reduced to １ ／, the area ratio of the heater is reduced to 0.73 instead of 、. Therefore, in order to eject the same amount of ink, a heater area that is about 40% larger is required.
[0015]
It has been known that there is a proportional relationship between the area of the heater and the energy applied to the heater for discharging ink.
[0016]
FIG. 14 is a diagram showing dot images at ink ejection amounts of 4 ng and 8 ng. Referring to FIG. 14, it can be seen that when the ink ejection amount is halved from 8 ng to 4 ng, twice the number of dots is required. That is, for example, in order to print an image on one sheet at the same time, it is required to discharge ink at twice the discharge frequency when the discharge amount is halved. FIG. 15 is a graph showing, by dots, the relationship between the ejection amount and the ejection frequency when recording images at the same time. Referring to FIG. 15, the ejection frequency is 15 kHz when the ejection amount is 8 ng, whereas the ejection frequency is 30 kHz when the ejection amount is 4 ng in order to maintain the speed of image recording.
[0017]
As described above, when the ejection amount is reduced for higher image quality, the heater area is reduced. However, the heater area does not decrease in proportion to the discharge amount. Therefore, when maintaining the same speed, as shown in FIG. 16, the energy required for the heater section increases, and the energy efficiency decreases.
[0018]
Further, in the recording head, in addition to the heater section, a driver section for switching the heater, a wiring section for supplying energy to the heater, and the like also have a resistance component. When energy is supplied to the heater, energy loss occurs in these resistance components as well.
[0019]
17 and 18 are equivalent circuits of a recording head substrate for obtaining an energy loss. Focusing on one heater of the printhead substrate in these equivalent circuits, the energy consumption is calculated separately for the heating heater section (I), the driver section, and the wiring resistance section (II). The energy consumed by the heating heater section (I) contributes to ink ejection, but the energy consumed by the driver section and the wiring resistance section (II) does not contribute to ink ejection. Therefore, it becomes an energy loss. FIG. 17 is an equivalent circuit of a print head substrate having a discharge amount of 8 ng, and FIG. 18 is an equivalent circuit of a print head substrate having a discharge amount of 4 ng.
[0020]
In FIG. 17, when the resistance of the heating heater section (I) is 100Ω (sheet resistance value 100Ω / □) and the resistance values of the driver section and the wiring resistance section (II) are 50Ω, the resistance value of the entire system is 150Ω. When this is driven at a drive voltage of 15 V, a current of 0.1 A flows through the entire system. When this is driven with a drive pulse width of 1 μs, the energy loss E (1) in the portion (II) that does not contribute to ink ejection is
[0021]
(Equation 1)
[0022]
It becomes. Here, R (1) indicates the resistance value of the portion (II), I (1) indicates the current value, and Pw (1) indicates the pulse width.
[0023]
On the other hand, in FIG. 18, assuming that the resistance of the heating heater unit (I) is 100Ω (sheet resistance value 100Ω / □) and the resistance values of the driver unit and the wiring resistance unit (II) are 50Ω, the resistance value of the entire system is 150Ω. Become. When the heater is driven at a driving voltage of 12.5 V due to a decrease in the heater size, a current of 0.083 A flows through the entire system. When this is driven with a drive pulse width of 1 μs, the energy loss E (2) in the portion (II) that does not contribute to the ejection of the ink is similarly calculated.
[0024]
(Equation 2)
[0025]
It becomes. The last x2 indicates that the ejection frequency is twice that of FIG. 17 in order to form the same image without lowering the image recording speed.
[0026]
From equations (1) and (2), the ratio of the energy loss in the driver section and the wiring resistance section (II) is:
[0027]
[Equation 3]
[0028]
The energy loss in the driver section and the wiring resistance section (II) is increased by 38%.
[0029]
Similarly, consider the energy consumption ratio of the entire system. The ratio of the energy consumption E (1) ′ of the recording head substrate of FIG. 17 to the energy consumption E (2) ′ of the recording head substrate of FIG.
[0030]
(Equation 4)
[0031]
It becomes. Here, V (1) and V (2) indicate the respective drive voltages in FIGS. Thus, there is about a 39% increase in energy when viewed as a whole system.
[0032]
From the above, to achieve the same image recording speed while doubling the recording density, the energy consumption increases by about 40%, and the energy loss that does not contribute to ink ejection also increases by about 40%. This leads to an increase in the head temperature, so that the image recording speed must be reduced in order to lower the temperature, which is a factor that causes a variation in the ink ejection amount.
[0033]
In order to achieve higher image quality and high-speed printing in the future, it is required to reduce the size of dots and increase the ejection frequency. At that time, the problem of energy consumption described above becomes more serious. The conventional method has a limit to solve this, and new measures are needed.
[0034]
As a method of reducing energy consumption, for example, a method of increasing the resistance of a heater can be considered. By increasing the resistance of the heater, the current value of the entire system is reduced, and the energy loss in the driver section and the wiring resistance section is reduced.
[0035]
However, in order to increase the resistance of the heater, it is necessary to increase the specific resistance of the heater material. In general, for many materials currently used as heaters, the resistance temperature coefficient TCR tends to increase on the minus side when the specific resistance value is increased. Therefore, when the resistance of the heater is increased, the energy efficiency is increased, but the power consumption per unit area of the heater is naturally increased.
[0036]
Incidentally, some recording head substrates have a monitor heater (hereinafter, referred to as a rank heater) formed in the same process as a normal heater. An ink jet recording apparatus using a recording head of this type measures a resistance value of a rank heater (hereinafter, referred to as a rank resistance), and drives the heater based on the rank resistance. By adjusting the width or the driving voltage, the ejection of ink is stabilized in an optimum state.
[0037]
This rank heater is no exception, and if it is attempted to monitor with the same measurement current as before or with a measurement current larger than before, the power consumption per unit area becomes larger than before and the heater temperature rises accordingly. Since the resistance value is reduced by the influence, it is impossible to monitor an accurate resistance value. If the driving pulse width or driving voltage is determined based on the resistance value, the discharge energy is defined as resistance value x current x current x pulse width because it was monitored at a lower value than the resistance value at room temperature. As can be seen from FIG. 7, it is conceivable that the energy is insufficient due to the decrease in the resistance value, and the ink is not ejected at worst.
[0038]
Therefore, in order to solve this problem (resistance change due to temperature rise of the rank heater), it is conceivable to reduce the measured current. However, when the measurement current or the measurement voltage at the time of the rank resistance measurement was reduced, a parasitic resistance component such as a wiring portion was picked up, and an accurate numerical value could not be monitored. Further, as a means for suppressing the temperature rise of the rank heater while keeping the power consumption per unit area of the heater constant, it is conceivable to reduce the size of the heater. However, in this case, the influence of the variation of the pattern and the variation of the process becomes large, the difference between the rank resistance and the actual resistance value of the heater becomes large, and the measurement accuracy is not so good.
[0039]
An object of the present invention is to provide a recording head substrate, a recording head, and a recording apparatus capable of stably monitoring the resistance value of a heater and achieving high image quality and high-speed recording.
[0040]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the printhead substrate of the present invention is provided with a plurality of heaters, which are heating resistance elements that generate thermal energy for performing recording by applying a voltage, and for monitoring the resistance value of the heaters. In a recording head substrate having on the same substrate a rank heater which is a heating resistance element whose resistance value is measured, the rank heater suppresses the temperature rise of the rank heater and generates a voltage and a current that stabilize the resistance value. It is characterized by being measured in the range of
[0041]
Therefore, the rise in the temperature of the rank heater is suppressed, so that it is not affected by the change in the resistance value due to the temperature change as much as possible, and the resistance value is stable. And the resistance of the heater can be stably and accurately monitored with little influence of the parasitic resistance component.
[0042]
Further, it is preferable that the resistance value of the rank heater is measured at a voltage and a current at which power consumption per unit area of the rank heater is in a range of 1 to 3 watts / square millimeter. The material of the heater and the rank heater can be a particularly effective means when the temperature coefficient of resistance is -150 ppm / degree C. or more.
[0043]
The rank heater is preferably formed in the same step as the heater. Further, it is preferable that the rank heater has a configuration in which a plurality of heaters having the same configuration and size as the heater are arranged.
[0044]
Therefore, the difference in the measurement conditions between the rank heater and the heater formed in the same process and having the same configuration and size is small, and the measured value of the rank heater shows the characteristics of the heater well. Further, by arranging a plurality of devices having the same configuration and the same size, pattern variations and process variations are absorbed and the variations are averaged, so that it is possible to obtain a monitor result that shows the characteristics of the heater well.
[0045]
Further, a plurality of rank heaters may be provided. By providing a plurality of rank heaters, it is also possible to absorb variations in the substrate (in the plane of the wafer). In particular, this can be an effective means when the substrate size is large.
[0046]
The inkjet recording head of the present invention has the above-described recording head substrate of the present invention, and has a plurality of ejection ports for ejecting ink corresponding to the heaters.
[0047]
Further, a nonvolatile memory for storing the monitoring result of the resistance value of the rank heater may be further provided.
[0048]
An ink jet recording apparatus of the present invention has at least the above-described ink jet recording head of the present invention and a member for mounting the ink jet recording head.
[0049]
Further, it is preferable to further include a feedback unit that feeds back a result of monitoring the resistance value of the rank heater to driving of the heater for discharging ink.
[0050]
Therefore, the monitoring result is fed back to the driving of the heater, whereby the individual difference between the substrates is adjusted, and the ink can be stably and favorably ejected.
[0051]
The feedback means may feed back the monitoring result to the pulse width or voltage of a signal for driving the heater.
[0052]
Further, when the inkjet recording head having the above-described nonvolatile memory is mounted, the feedback unit may read out the monitoring result from the nonvolatile memory and feed back the result to the driving of the heater for ejecting ink.
[0053]
Further, according to one embodiment of the present invention, the heater is represented by TaxSiyRz, R is one or more elements selected from C, O, or N, and indices x, y, and z are defined by x + y + z = 100. It is formed of a thin film made of a material to be used.
[0054]
The method of measuring a rank heater according to the present invention includes a plurality of heaters, which are heating resistance elements that generate thermal energy for performing recording by applying a voltage, and a heating element whose resistance value is measured for monitoring the resistance value of the heater. In a rank heater measuring method for a recording head substrate having a rank heater that is a resistance element and the same substrate,
It is characterized in that measurement is performed in a range of voltage and current where the rise in the rank heater is suppressed and the resistance value is stabilized.
[0055]
Further, it is preferable to measure the resistance value at a voltage and a current at which the power consumption per unit area of the rank heater is in the range of 1 to 3 watts / square millimeter.
[0056]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0057]
FIG. 1 is a view showing one configuration example of a general substrate for an ink jet print head including the one according to the present invention. In FIG. 1, a heater array 201 is an area where a plurality of heaters (not shown), which are heating resistance elements for supplying thermal energy for discharging ink, are arranged. The power MOS array 202 is a driver region in which transistors (not shown) for selectively supplying a current to the heater are arranged.
[0058]
The logic circuit 203 is an area where a logic circuit (not shown) for controlling the switching operation of the driver transistor is arranged. The pad 204 is an area where pads for making electrical connection with the ink jet recording apparatus main body are arranged. Further, the ink supply port 205 is an ink supply port for supplying ink from an ink tank (not shown) provided on the back surface side of the inkjet recording head substrate 200 to the position of each heater on the substrate surface.
[0059]
FIG. 2 is a diagram showing in detail one heater array of the heater array 201 to the pad 204 in FIG. 2, a plurality of heaters 901, a plurality of power transistors (drivers) 902, a shift register 904, a latch circuit 903, a plurality of AND gates 915, and input terminals 905 to 912 are formed on an element substrate 900. Have been. The element substrate 900 is, for example, Ta Ta. x Si y R z (R is at least one element selected from C, O or N, x + y + z = 100).
[0060]
The plurality of heaters 901 are arranged in parallel, and apply thermal energy for ejection to the ink.
[0061]
The power transistor 902 drives each heater 901.
[0062]
The shift register 904 receives image data serially input from the outside and a serial clock synchronized therewith, and inputs image data for each line.
[0063]
The latch circuit 903 latches one line of image data output from the shift register 904 in synchronization with a latch clock, and transfers the image data to the power transistor 902 in parallel.
[0064]
The plurality of AND gates 915 are provided corresponding to the power transistors 902, respectively, and apply an output signal of the latch circuit 903 to the power transistor 902 in accordance with an external enable signal.
[0065]
The plurality of input terminals 905 to 912 are terminals for externally inputting image data, various signals, and the like.
[0066]
In such a configuration, image data input as a serial signal is converted into a parallel signal by the shift register 904, and output and held by the latch circuit 903 in synchronization with a latch clock. In this state, when a driving pulse signal of the heater 901 (an enable signal to the AND gate 915) is input via the input terminal, the power transistor 902 is turned on in accordance with image data, and a current flows to the corresponding heater 901. Then, the ink in the liquid flow path (nozzle) is heated, and the ink is ejected as droplets from the nozzle tip.
[0067]
In addition to the above-described configuration, the element substrate 900 has a temperature sensor for measuring the temperature of the element substrate 900, sensors such as the rank heater 914, and a heat insulator for controlling the ink temperature in the nozzles. A heater (not shown) and the like are formed. The rank heater 914 is formed by the same process as the heater 901 and measures a resistance value (rank resistance). The measured rank resistance is used for adjusting and controlling the drive voltage and the drive pulse width with respect to the variation in the resistance value of the heater generated in the manufacturing process of the printhead substrate for each substrate.
[0068]
The rank heater 914 is formed in the same process as the heater 901 in order to receive variable elements such as film formation and etching of the recording head substrate in the same manner as the heater 901. In order to minimize the influence of pattern variations such as heater size and process variations, rank heaters 914 are preferably arranged with a plurality of heaters of the same configuration and size and averaged, for example. Furthermore, by providing a plurality of locations in the substrate, variations in the substrate, variations in the wafer surface, and the like can be averaged, and particularly, when the substrate size is large, more accurate monitoring of measured values can be performed. .
[0069]
The recording device measures the resistance value of the rank heater 914, and feeds back the measured value to a driving condition (here, a driving pulse width or a driving voltage). As a method of monitoring the resistance value, a method using a current source and a method using a voltage source can be considered.
[0070]
Here, a method using a current source will be exemplified.
[0071]
FIG. 3 is a graph showing conventional rank heater measurement conditions. Since the conventional heater has a relatively low sheet resistance, the temperature coefficient of resistance TCR (temperature characteristic of the heater) is small. Therefore, as shown in FIG. 3, even if the measured current was increased and the heater temperature of the rank heater was increased to some extent, the resistance value hardly changed. Therefore, a considerably wide range is possible as a measurement region of the source current, and it is not necessary to particularly care about the measurement region.
[0072]
However, in order to increase the resistance of the heater in order to increase energy efficiency, it is necessary to increase the specific resistance of the heater material. Then, as shown in FIG. 4, the temperature coefficient of resistance TCR increases to the negative side, and the rate of decrease in resistance value due to temperature rise increases. In particular, it can be an effective means in the case of a heater material having a temperature coefficient of resistance TCR of -150 ppm / ° C. or more. When trying to measure the rank resistance using such a heater material also as a rank heater, the power consumption per unit area inevitably increases as shown in FIG. Then, when the resistance value is to be monitored at the same level of the source current as in the related art, the temperature characteristic of the resistance material due to the temperature rise is picked up, and the monitored rank resistance is low. If driving conditions (driving pulse width or driving voltage) are set based on this resistance value, energy will be insufficient, and ideal ink ejection will not be possible. In the worst case, ink may not be ejected.
[0073]
As a solution to this, as described above, the temperature may be measured so as not to raise the temperature of the rank heater as much as possible. For this purpose, the measurement current should be reduced. However, if the measurement current is too small, parasitic resistance components such as wiring are picked up as shown in FIG. 5 and the resistance value fluctuates, so that the correct resistance value can be monitored. Disappears.
[0074]
Further, as another solution, as described above, a method of suppressing the temperature rise of the entire rank heater by reducing the heater size can be considered. However, as the heater size becomes smaller, the effects of pattern variations and process variations increase, and the difference between the resistance values of the rank heater and the actual heater increases. become unable.
[0075]
That is, under the same measurement conditions as those in the related art, the rate of change in resistance increases as shown in FIG. 6, and as a result, the power consumption per unit area necessarily increases as shown in FIG. Then, as a matter of course, the temperature of the rank heater also increases with the same tendency as shown in FIG. 8, so that it is impossible to measure the resistance of the correct heater.
[0076]
Therefore, in the present embodiment, the source current is set so that the measurement current is in a region suitable for the measurement shown in FIG. 5, and the rank resistance is measured in a region where the resistance value output is stable. The area suitable for measurement is an area where the rank heater does not heat up and the current value is stable, and is an area where the change in the rank resistance is small with respect to the change in the measured current in FIG. In order to make the measurement current suitable for the measurement, the power consumption is 1 to 3 [W / mm 2 ]. Thereby, the resistance value of the heater (at room temperature) can be measured correctly with the stable rank resistance. The measured value measured by such a rank heater measuring method is stable and accurate. By setting driving conditions based on such measured values, the ink jet recording apparatus can stabilize the ejection of ink from the recording head. When the temperature coefficient of resistance (TCR) is at least -150 ppm / ° C., it can be a particularly effective means.
[0077]
An example of the operation of the inkjet recording device will be described. In this example, the recording head includes a nonvolatile memory such as an EEPROM.
[0078]
First, a rank resistance is measured in a print head manufacturing process, and the resistance value or a rank determined from the resistance value is stored in a nonvolatile memory mounted on the inkjet print head. The measurement of the rank resistance is performed in the range of the measurement current suitable for the measurement as described above. The recording head manufactured in this way is mounted on an ink jet recording apparatus.
[0079]
The rank and the like stored in the nonvolatile memory of the recording head are read by a reading device mounted on the main body of the ink jet recording device. The inkjet recording apparatus sets optimum driving conditions (driving pulse width or driving voltage) based on the rank or the like.
[0080]
When recording an image, the inkjet recording apparatus operates under the driving conditions. Thereby, the ink jet recording apparatus can stably eject the ink and record a good image.
[0081]
Another example of the operation of the inkjet recording apparatus will be described. In this example, the recording head has no nonvolatile memory.
[0082]
First, when the recording head is not provided with a nonvolatile memory, the inkjet recording apparatus reads the resistance value of the rank heater of the recording head, and sets the driving conditions based on the value. Then, when recording an image, the inkjet recording apparatus operates under the driving conditions. Thereby, the ink jet recording apparatus can stably eject the ink and record a good image.
[0083]
FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of a printhead configured using the printhead substrate of the present embodiment.
[0084]
As shown in the drawing, the recording head 21 of the present embodiment has ejection ports arranged in two rows corresponding to the respective heating resistance elements of the heater array 201 arranged on both sides of the ink supply port 205 shown in FIG. 210. That is, the discharge port plate 206 has two rows of the discharge ports 210 arranged at a predetermined pitch. The ink tank IT is detachably attached to the recording head 21 of the present embodiment.
[0085]
FIG. 10 is a schematic perspective view showing an example of an ink jet recording apparatus which performs recording by mounting the recording head and the ink tank shown in FIG. The recording heads 21Y, 21M, 21C, and 21B (and the respective ink tanks IT) corresponding to the yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (B) inks are provided on the carriage 20 in a detachable manner. Can be The carriage 20 is slidably engaged with a guide shaft 23, and the driving force of a motor 27 is transmitted to the carriage 20 via pulleys 25 and 26 and a belt 28. Thereby, each of the recording heads 21Y, 21M, 21C and 21B can scan the recording paper P as a recording medium. The recording paper P is transported by a predetermined amount during the scanning of the recording head by the pair of transport rollers 22A and 22B. Further, at one end of the moving range of the recording head, a recovery unit 24 for performing the ejection recovery processing of each recording head is provided.
[0086]
In addition, the present invention particularly includes a means (for example, an electrothermal converter or a laser beam) for generating thermal energy as energy used for causing ink to be ejected even in an ink jet recording method. The present invention brings about an excellent effect in a recording head and a recording apparatus of a type that causes a state change. This is because according to such a method, it is possible to achieve high density and high definition of recording.
[0087]
Regarding the typical configuration and principle, it is preferable to use the basic principle disclosed in, for example, US Pat. Nos. 4,723,129 and 4,740,796. This method can be applied to both the so-called on-demand type and the continuous type. In particular, in the case of the on-demand type, it is arranged corresponding to the sheet or the liquid path holding the liquid (ink). Applying at least one drive signal corresponding to the recording information and providing a rapid temperature rise exceeding nucleate boiling to the electrothermal transducer, thereby causing the electrothermal transducer to generate thermal energy, and This is effective because film boiling occurs on the heat-acting surface of the liquid, and as a result, air bubbles in the liquid (ink) corresponding to this drive signal one-to-one can be formed. The liquid (ink) is ejected through the ejection opening by the growth and contraction of the bubble to form at least one droplet. When the drive signal is in a pulse shape, the growth and shrinkage of the bubble are performed immediately and appropriately, so that the ejection of liquid (ink) having particularly excellent responsiveness can be achieved, which is more preferable. As the pulse-shaped drive signal, those described in U.S. Pat. Nos. 4,463,359 and 4,345,262 are suitable. Further, if the conditions described in US Pat. No. 4,313,124 of the invention relating to the temperature rise rate of the heat acting surface are adopted, more excellent recording can be performed.
[0088]
As the configuration of the recording head, in addition to the combination configuration (straight liquid flow path or right-angle liquid flow path) of the discharge port, liquid path, and electrothermal converter as disclosed in the above-mentioned specifications, A configuration using U.S. Pat. No. 4,558,333 and U.S. Pat. No. 4,459,600, which disclose a configuration in which a is bent, is also included in the present invention. In addition, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 59-123670 discloses a configuration in which a common slit is used as a discharge portion of an electrothermal converter for a plurality of electrothermal converters, and an aperture for absorbing a pressure wave of thermal energy is provided. The effect of the present invention is effective even if the configuration is based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-138461, which discloses a configuration corresponding to a discharge unit. That is, according to the present invention, recording can be performed reliably and efficiently regardless of the form of the recording head.
[0089]
Further, the present invention can be effectively applied to a full-line type recording head having a length corresponding to the maximum width of a recording medium on which a recording apparatus can record. Such a recording head may have a configuration that satisfies the length by combining a plurality of recording heads, or a configuration as a single recording head that is integrally formed.
[0090]
In addition, even with the serial type printer as in the above example, the recording head fixed to the main unit or attached to the main unit enables electrical connection with the main unit and supply of ink from the main unit. The present invention is also effective when a replaceable chip-type recording head or a cartridge-type recording head in which an ink tank is provided integrally with the recording head itself is used.
[0091]
Further, it is preferable to add ejection recovery means for the recording head, preliminary auxiliary means, and the like as the configuration of the recording apparatus of the present invention since the effects of the present invention can be further stabilized. Specifically, heating is performed on the recording head by using capping means, cleaning means, pressurizing or suction means, an electrothermal transducer or another heating element or a combination thereof. Pre-heating means for performing the pre-heating and pre-discharging means for performing the discharging other than the recording can be used.
[0092]
Regarding the type or number of print heads to be mounted, for example, in addition to one provided for single color ink, a plurality of print heads are provided corresponding to a plurality of inks having different print colors and densities. May be used. That is, for example, the printing mode of the printing apparatus is not limited to the printing mode of only the mainstream color such as black, but may be any of integrally forming the printing head or a combination of a plurality of printing heads. The present invention is also very effective for an apparatus provided with at least one of the recording modes of full color by color mixture.
[0093]
In addition, in the present embodiment described above, the ink is described as a liquid, but an ink that solidifies at room temperature or below and that softens or liquefies at room temperature may be used, In general, the temperature of the ink itself is controlled within a range of 30 ° C. or more and 70 ° C. or less to control the temperature so that the viscosity of the ink is in a stable ejection range. May be used. In addition, in order to positively prevent the temperature rise due to thermal energy by using the energy of the state change from the solid state of the ink to the liquid state, or to prevent the ink from evaporating, the ink solidifies in a standing state, An ink that liquefies by heating may be used. In any case, the application of thermal energy, such as the one in which the ink liquefies and the liquid ink is ejected by the application in accordance with the thermal energy recording signal, and the one in which the ink starts to solidify when it reaches the recording medium, etc. The present invention is also applicable to a case where an ink that liquefies for the first time is used. In such a case, the ink is held in a state of being held as a liquid or solid substance in the concave portion or through hole of the porous sheet as described in JP-A-54-56847 or JP-A-60-71260. Alternatively, it may be configured to face the electrothermal converter. In the present invention, the most effective one for each of the above-mentioned inks is to execute the above-mentioned film boiling method.
[0094]
In addition, as the form of the ink jet recording apparatus of the present invention, in addition to a form used as an image output terminal of an information processing device such as a computer, a form of a copying apparatus combined with a reader or the like, and a facsimile apparatus having a transmission / reception function are adopted. Or the like.
[0095]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the temperature rise of the rank heater is suppressed, it is possible to perform the measurement in a region where the resistance value is stable without being affected by the change in the resistance value due to the temperature change. Even if a heater material having a large resistance temperature coefficient TCR is used, the effect of temperature change is small and the influence of parasitic resistance components is small, so that the resistance value of the heater can be monitored stably and accurately. And high-speed recording is possible.
[0096]
In addition, by arranging a plurality of rank heaters formed in the same process, the same configuration and size, pattern variations and process variations are absorbed, the measured values are averaged, and the measured values of the rank heaters determine the characteristics of the heater. Since it shows well, it is possible to improve the image quality of the inkjet recording apparatus and perform high-speed recording.
[0097]
Furthermore, by providing a plurality of locations in the substrate, variations in the substrate, variations in the wafer surface, and the like can be averaged, and in particular, when the size of the substrate is large, more accurate monitoring of measured values can be performed. High image quality and high-speed recording of the ink jet recording apparatus can be performed.
[0098]
In addition, since the monitor result of the rank heater resistance value is fed back to the heater drive, individual differences between the substrates are adjusted, and ink can be discharged stably and favorably. Will be possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing one configuration example of a general substrate for an inkjet recording head including the one of the present invention.
FIG. 2 is a view showing in detail a heater array 201 to a pad 204 in one row of heaters in FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing conventional rank heater measurement conditions.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a sheet resistance and a temperature coefficient of resistance TCR.
FIG. 5 is a graph showing rank heater measurement conditions in the present embodiment.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the measured current and the rate of change in resistance with respect to the specific resistance of the heater material.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a measured current and power consumption per unit area with respect to a specific resistance value of a heater material.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a measured current and a temperature of a rank heater with respect to a specific resistance value of a heater material.
FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of a printhead configured using the printhead substrate of the present embodiment.
FIG. 10 is a schematic perspective view showing an example of an ink jet recording apparatus that performs recording by mounting the recording head and the ink tank shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a configuration of a conventional printhead substrate.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the resolution, the ejection amount, and the heater area by dots.
FIG. 13 is an enlarged graph of a region having a small discharge amount in FIG.
FIG. 14 is a diagram illustrating dot images at ink ejection amounts of 4 ng and 8 ng.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the ejection amount and the ejection frequency when dots are printed at the same time by dots.
FIG. 16 is a graph showing a relationship between an ink ejection amount and energy consumption when an image is printed at the same speed.
FIG. 17 is an equivalent circuit of a print head substrate having a discharge amount of 8 ng.
FIG. 18 is an equivalent circuit of a printhead substrate having a discharge amount of 4 ng.
[Explanation of symbols]
20 carriage
21, 21Y, 21M, 21C, 21B recording head
22A, 22B transport roller
24 Recovery Unit
25,26 pulley
27 motor
28 belt
200 Substrate for inkjet recording head
201 heater array
202 Power MOS array
203 logic circuit
204 pads
205 ink supply port
206 Discharge port plate
210 outlet
900 element substrate
901 heater
902 power transistor (driver)
903 latch circuit
904 shift register
905-912 input terminal
914 rank heater
915 AND gate