JP3745199B2

JP3745199B2 - Ink tank provided with three-dimensional semiconductor element, and ink jet recording apparatus equipped with the ink tank

Info

Publication number: JP3745199B2
Application number: JP2000181638A
Authority: JP
Inventors: 良二井上; 雅彦久保田; 良行今仲; 無我望月; 博之石永; 一郎斉藤; 孝明山口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2002005818A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からエネルギーが供給されると発光する立体形半導体素子が配されたインクタンク、および該インクタンクが着脱可能に搭載される、ファクシミリ・プリンター・複写機等に用いられるインクジェット記録装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来、記録ヘッドに設けた複数の噴射ノズルからインクを噴射させながら、記録ヘッドを搭載したキャリッジを印字方向に移動することで、画像をドットパターンで用紙に印字するようにしたインクジェット記録装置においては、記録用のインクを収容したインクタンクを設け、そのインクタンクのインクをインク供給路を介して記録ヘッドに供給するようにしている。そこで、そのインクタンクのインクの残量を検出するようにしたインク残量検出装置が実用に供されることについても、種々提案されている。
【０００４】
例えば、特開平６−１４３６０７号によれば、図１２に示すように非導電性のインクが満たされているインクタンク７０１の底側の内面に２本（１対）の電極７０２が配設され、インクタンク７０１内のインク中には、電極７０２と対向位置にある電極７０４が配設された浮揚体７０３が浮揚している。２本の電極７０２は、両電極の導通状態を検知する検知部（不図示）にそれぞれ接続されており、両電極の導通状態を検知すると、インクタンク７０１内のインクが無いことを示すインク残量エラーを発し、インクジェット記録ヘッド７０５の動作を停止させることが開示されている。
【０００５】
また、特登録２９４７２４５号によれば、図１３に示すように下部が底面に向かって漏斗状に形成されるとともに、底面に２つの導電体８０１，８０２が設けられ、インク８０３よりも比重の小さい金属球８０４が内部に設置される構成のインクジェットプリンタ用インクカートリッジ８０５が開示されている。このような構成では、インク８０３が消費されて減っていくとインク８０３の液面が下がる。それに伴って、インク８０３の表面に浮かんでいる金属球８０４の位置が下がっていく。インク８０３の液面がインクカートリッジ筺体の底面の位置まで下がると、金属球８０４は２つの導電体８０１，８０２に接する。すると、導電体８０１，８０２が導通するので、その間に電流が流れる。その通流を検出すれば、インクエンド状態を検出することができる。インクエンド状態が検出されれば、インクエンド状態を示す情報が使用者に知らされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来公報に代表するような、インクタンク内のインク残量を検出する構成が知られているが、このような構成ではインクタンク内に検出用の電極を配置する必要がある。また、電極間の導通状態によりインク残量を検知するため、インク成分に金属イオンを用いることができない等、使用するインクに制約が生じてしまう。また、上記の構成ではインク残量しか検知することができず、インクタンク内に収容されているインクの種類等のタンク内情報を知ることができない。
【０００７】
さらに、複数のインクを用いて印字するインクジェット記録装置では、インクを無駄なく使うために、各色ごとの複数のインクタンクを所定の位置に装着する場合がある。そのようなインクジェット記録装置では、ユーザーがインクタンクを不適切な位置に装着するのを防止するために、各色のインクタンクを異なる形状にし、不適切な位置では装着できないようにすることが一般的である。しかしながら、インクの色の数だけインクタンクの形状を異ならせることで、インクタンクのコストアップに繋がる場合があった。したがって、インクタンクの形状は同じでありつつ、誤装着を防止することが可能なインクタンクが望まれている。
【０００８】
上記のようなインクタンクを開発するにあたって、本発明者らは、直径１ミリのシリコン・ボールの球面上に半導体集積回路を形成するというボール・セミコンダクター社のボール・セミコンダクターに着目した。このボールセミコンダクターは球形であるため、これをインクタンク内に収容すれば、外部との情報のやり取りを平面形に比べて非常に効率良く行えることが予想された。しかしながら、このような機能を持つものを調査したところ、ＵＳＰ５８７７９４３号のようにボール・セミコンダクター同士を電気配線で接続する技術などが存在するだけで、上記の機能を持つ素子自体の開発が必要となった。また、この素子がインクタンクに有効に適用できるものである為には、クリアしなければならない課題もあった。課題の一つは、タンク内に収容された素子を起動させるための電力の供給である。素子の起動のための電源をインクタンクに持たせるとタンクが大型になったり、タンク外部に電源を備える場合でも電源と素子との接続手段が必要になり、タンクの製造コストが増え、タンクカートリッジが高価になるので、外部より非接触で素子を起動させねばならない。
【０００９】
更なる課題としては、インクタンクのインク液面や液面より一定の距離沈んだインク中で浮遊し得ることである。例えばインクタンク内のインク消費に伴う負圧量の変動を経時的に監視するにはインク液面に素子が位置するのが望ましいが、素子は水より比重の大きいシリコンからなるため、インクに浮遊させることが困難である。
【００１０】
本発明の目的は、インクタンク内に収容されているインクの種類等の検出に用いられる立体形半導体素子が配されたインクタンク、および該インクタンクが搭載されるインクジェット記録装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のインクタンクは、インクを直接収納した室を備えたインクタンクにおいて、立体形状シリコンに半導体プロセスによって作り込まれた、外部からのエネルギーを異なる種類のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、前記立体形状シリコンの表面に半導体プロセスによって作り込まれた、前記エネルギー変換手段で変換されたエネルギーによって発光する発光手段とを備え、重心が中心よりも重力方向下方に位置するとともに、メタセンタが前記重心よりも重力方向上方に位置するように構成された立体形半導体素子を前記インク中に浮遊させたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明のインクジェット記録装置は、立体形状シリコンに半導体プロセスによって作り込まれた、外部からのエネルギーを異なる種類のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、前記立体形状シリコンの表面に半導体プロセスによって作り込まれた、前記エネルギー変換手段で変換されたエネルギーによって発光する発光手段とが配された立体形半導体素子を備えたインクタンクが装着されるインクジェット記録装置であって、前記立体形半導体素子の前記発光手段を発光させる前記外部エネルギーの供給手段と、前記発光手段の光を受光する受光手段とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記インクジェット記録装置は、複数のインクタンクを、各インクタンク内に収容されたインクの種類に従って所定の位置に装着されるように構成されており、前記立体形半導体素子の発光手段が発光した光を受光した前記受光手段によって前記インクタンクが不適切な位置に装着されたことが検知されたときに警告を発する手段を備えている構成としてもよい。これによれば、ユーザーはインクタンクを適切な位置に装着し直すことができる。
【００２２】
あるいは、前記インクジェット記録装置は、複数のインクタンクが装着されるように構成されており、前記立体形半導体素子の発光手段が発光した光を受光した前記受光手段によって前記インクタンクの装着位置を検知し、装着されたインクタンクから供給されるインクの種類に合わせて記録ヘッドの駆動を制御する制御手段を備えている構成としてもよい。この構成によれば、ユーザーがインクタンクを間違った位置に装着した場合でも自動的に適切な画像記録が行われるため、ユーザーがインクタンクの装着位置に留意する必要がなくなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。特に、インクタンク中に素子を配置した場合の実施形態について詳細に説明する。なお、この素子はインクタンクのみに用いられるものでなく、他の対象物中に配して用いても同様の効果が得られる。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態による立体形半導体素子の内部構成および外部とのやり取りを表したブロック構成図である。この図で示す形態の立体形半導体素子３１は、外部Ａから素子３１に向かって非接触で供給された外部エネルギである起電力３２を電力３３に変換するエネルギー変換手段３４と、エネルギー変換手段３４で得た電力を用いて光を発光させる発光手段３５とを備え、インクタンク内のインク中に配される。発光手段３５はフォトダイオード等によって構成される。
【００２５】
なお、素子を動作させるために供給される起電力としては、電磁誘導、熱、光、放射線などが適用できる。また、エネルギー変換手段３４および発光手段３５は、素子の表面もしくは表面付近に形成されていることが望ましい。
【００２６】
このような形態では、外部Ａから素子３１に向かって起電力３２を与えると、エネルギー変換手段３４が起電力３２を電力３３へと変換し、その電力３３を用いて発光手段３５が光３６を放射する。発光手段３５から放射された光３６は、外部Ｂによってその強度が検出される。
【００２７】
なお、本明細書中の「立体形半導体素子」の「立体形」とは、三角柱、球、半球体、四角柱、回転楕円体、一軸回転体など、種々の立体形を全て含むものである。
【００２８】
また、外部エネルギーの供給方法としては、インクジェット記録装置に用いられる場合、素子に外部エネルギーとして起電力を供給する手段は、回復ポジション、リターンポジション、もしくはキャリッジ、記録ヘッド等に設ければ良い。これ以外にも、起電力を供給する手段を有する装置を用いれば、インクジェット記録装置がなくてもインクタンク内部の状態を知ることができ、例えば工場や販売店で用いれば検査などに用いられる（品質保証）。
【００２９】
次に、上述した実施の形態の立体形半導体素子を適用できるインクタンクの構成例を図２〜図４に示す。図２に示すインクタンク５０１は、インクを収納した可撓性のインク袋５０２を筐体５０３内に配置し、筐体５０３に固定したゴム栓５０４で袋口５０２ａを閉じておき、インク導出用の中空針５０５をゴム栓５０４に突き刺して袋内に連通させることで、不図示のインクジェットヘッドへインク供給を行なうものである。このようなインクタンク５０１のインク袋５０２内に本発明の立体形半導体素子５０６を配置することができる。
【００３０】
また、図３に示すインクタンク５１１は、インク５１３を収容した筐体５１２のインク供給口５１４に、インクを記録紙Ｓに向けて吐出し記録を行なうインクジェットヘッド５１５を取付けたものである。このようなタンク５１１内のインク５１３中に本発明の立体形半導体素子５１６を配置することができる。
【００３１】
また、図４に示すインクタンク５２１は、インク５２２を収容する完全密閉状態の第１室と、負圧発生部材５２３を収納する大気連通状態の第２室と、タンク最下部で第１室と第２室を連通させる連通路５２４とを備えたものである。第２室側のインク供給口５２５よりインクが消費されると、第２室側より大気が第１室へ入ることに替わって第１室のインク５２２が第２室に導出される。このようなタンク５２１内のインク５２２中にも、本発明の立体形半導体素子５２６を配置することができる。
【００３２】
次に、本発明の立体形半導体素子を備えたインクタンクを搭載するインクジェット記録装置の構成例を図５に概略図で示す。図５に示されるインクジェット記録装置６００に搭載されたヘッドカートリッジ６０１は、印字記録のためにインクを吐出する液体吐出ヘッドと、その液体吐出ヘッドに供給される液体を保持する図２〜図４に示したようなインクタンクとを有するものである。また、該インクタンク内に配された立体形半導体素子へ外部エネルギーである起電力を供給する手段６２２や前記素子から放射された光を受光する手段（不図示）が記録装置６００内に設置されている。
【００３３】
ヘッドカートリッジ６０１は、図５に示すように、駆動モータ６０２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギヤ６０３および６０４を介して回転するリードスクリュー６０５の螺旋溝６０６に対して係合するキャリッジ６０７上に搭載されている。駆動モータ６０２の動力によってヘッドカートリッジ６０１がキャリッジ６０７ともとにガイド６０８に沿って矢印ａおよびｂの方向に往復移動される。インクジェット記録装置６００には、ヘッドカートリッジ６０１から吐出されたインクなどの液体を受ける被記録媒体としてのプリント用紙Ｐを搬送する被記録媒体搬送手段（不図示）が備えられている。その被記録媒体搬送手段によってプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐの紙押さえ板６１０は、キャリッジ６０７の移動方向にわたってプリント用紙Ｐをプラテン６０９に対して押圧する。
【００３４】
リードスクリュー６０５の一端の近傍には、フォトカプラ６１１および６１２が配設されている。フォトカプラ６１１および６１２は、キャリッジ６０７のレバー６０７ａの、フォトカプラ６１１および６１２の領域での存在を確認して駆動モータ６０２の回転方向の切り換えなどを行うためのホームポジション検知手段である。プラテン６０９の一端の近傍には、ヘッドカートリッジ６０１の吐出口のある前面を覆うキャップ部材６１４を支持する支持部材６１３が備えられている。また、ヘッドカートリッジ６０１から空吐出などされてキャップ部材６１４の内部に溜まったインクを吸引するインク吸引手段６１５が備えられている。このインク吸引手段６１５によりキャップ部材６１４の開口部を介してヘッドカートリッジ６０１の吸引回復が行われる。
【００３５】
インクジェット記録装置６００には本体支持体６１９が備えられている。この本体支持体６１９には移動部材６１８が、前後方向、すなわちキャリッジ６０７の移動方向に対して直角な方向に移動可能に支持されている。移動部材６１８には、クリーニングブレード６１７が取り付けられている。クリーニングブレード６１７はこの形態に限らず、他の形態の公知のクリーニングブレードであってもよい。さらに、インク吸引手段６１５による吸引回復操作にあたって吸引を開始するためのレバー６２０が備えられており、レバー６２０は、キャリッジ６０７と係合するカム６２１の移動に伴って移動し、駆動モータ６０２からの駆動力がクラッチ切り換えなどの公知の伝達手段で移動制御される。ヘッドカートリッジ６０１に設けられた発熱体に信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりするインクジェット記録制御部は記録装置本体側に設けられており、図５では示されていない。
【００３６】
上述した構成を有するインクジェット記録装置６００では、前記の被記録媒体搬送手段によりプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐに対して、ヘッドカートリッジ６０１がプリント用紙Ｐの全幅にわたって往復移動する。この移動時に不図示の駆動信号供給手段からヘッドカートリッジ６０１に駆動信号が供給されると、この信号に応じて液体吐出ヘッド部から被記録媒体に対してインク（記録液体）が吐出され、記録が行われる。
【００３７】
次に、本発明の立体形半導体素子をインクタンク内に配置する場合の好ましい実施形態を更に詳しく説明する。
【００３８】
まず、本発明の立体形半導体素子に適用可能な情報入手手段を例に挙げる。インクタンク内に配置される立体形半導体素子が球状シリコンに作り込まれる場合、上記の実施の形態で説明した情報入手手段としては、（１）ＳｉＯ₂膜やＳｉＮ膜をイオン感応膜として作り、インクのｐＨを検知するセンサーや、（２）ダイヤフラム構造を有し、タンク内の圧力変化を検知する圧力センサーや、（３）光を熱エネルギーに変換し、焦電効果を有するフォトダイオードを作り込み、現在の位置を検出し、インク残量を検知するセンサーや、（４）材料の導電効果を用いて、タンク内の水分量により、インク有無を検知するセンサー等を挙げられる。
【００３９】
次に、本発明の立体形半導体素子に適用可能なエネルギー発生手段の具体例を挙げる。図６は本発明の立体形半導体素子の構成要素であるエネルギー発生手段の電力発生原理を説明するための図である。
【００４０】
図６において、外部共振回路１０１のコイルＬａに隣接して、発振回路１０２の導電体コイルＬを置き、外部共振回路１０１を通じてコイルＬａに電流Ｉａを流すと、電流Ｉａによって発振回路１０２のコイルＬを貫く磁束Ｂが生じる。ここで、電流Ｉａを変化させるとコイルＬを貫く磁束Ｂが変化するので、コイルＬには誘導起電力Ｖが生じる。したがって、球状シリコンにエネルギー発生手段としての発振回路１０２を作り込み、素子外部の例えばインクジェット記録装置に外部共振回路１０１を、素子側の発振回路１０２の導電体コイルＬと素子外部の共振回路１０１のコイルＬａとが隣接するように配設することにより、外部からの電磁誘導による誘導起電力で、素子を動作させる電力を発生することが出来る。
【００４１】
また、球状シリコンにエネルギー発生手段として作り込んだ発振回路１０２の巻き数ＮのコイルＬを貫く磁束Ｂは、外部共振回路１０１のコイルＬａの巻き数Ｎａと電流Ｉａの積に比例するから、比例定数をｋとして、
【００４２】
【数１】
Ｂ＝ｋ＊Ｎａ＊Ｉａ ▲１▼
コイルＬに生じる起電力Ｖは、
【００４３】
【数２】

ここで、磁束Ｂは、コイルの磁心の透磁率をμａ、磁界をＨとすると、
【００４４】
【数３】

となる。ここで、ｚは、外部共振回路のコイルと球状シリコンに作り込んだコイルとの距離を示している。
【００４５】
▲２▼式の相互インダクタンス：Ｍは、
【００４６】
【数４】

となる。ここで、μ_oは、真空の透磁率である。
【００４７】
そして、球状シリコンに作り込んだ発信回路のインピーダンス：Ｚは、
【００４８】
【数５】
Ｚ（ω）＝Ｒ＋ｊ｛ωＬ−（１／ωＣ）｝ ▲５▼
と表され、外部共振回路のインピーダンス：Ｚａは、
【００４９】
【数６】
Ｚａ（ω）＝Ｒａ＋ｊωＬａ−｛ω²Ｍ²／Ｚ（ω）｝ ▲６▼
となる。ここで、Ｊは、磁化を表している。そして、この外部共振回路が共振（電流値：Ｉａが最大になるとき）した時のインピーダンス：Ｚｏは、
【００５０】
【数７】
Ｚｏ（ωo）＝Ｒａ＋ｊＬａωo−（ω_o ²Ｍ²／Ｒ） ▲７▼
となり、この共振回路の位相の遅れ：φは、
【００５１】
【数８】
tanφ＝｛ｊＬａωo−（ω_o ²Ｍ²／Ｒ）｝／Ｒ ▲８▼
となる。
【００５２】
そして、この外部共振回路の共振周波数：ｆoは、
【００５３】
【数９】
ｆo＝１／２π（ＬＣ）^1/2 ▲９▼
で求められる。
【００５４】
上記のような関係から、球状シリコンに作り込んだ発振回路１０２のインピーダンスが、インクタンク内のインクの変化に応じて可変すると、外部共振回路１０１の周波数を変化させて、外部共振回路１０１のインピーダンスの振幅および位相差に、上記のインクの変化が表れてくる。さらには、この位相差や振幅には、インク残量（即ち、ｚの変化）も含まれている。
【００５５】
例えば、外部共振回路１０１の共振周波数を可変することで、球状シリコンに作り込んだ発振回路１０２からの出力（インピーダンス）が、周囲の環境変化に応じて、変化するので、この周波数依存性を検出することで、インクの有無やインク残量を検出することが出来る。
【００５６】
したがって、球状シリコンに作り込む発振回路は、電力を発生させるエネルギー発生手段としてのみならず、その発振回路と外部共振回路との関係で、タンク内のインクの変化を検知する手段の一部としても使用することが可能である。
【００５７】
図７は、本発明の立体形半導体素子を用いたインクタンクの概略構成図である。この図で示す立体形半導体素子５２６は、インクタンク５２１内の生インク５２２の液面付近に浮遊しており、インクタンク５２１外の外部共振回路（不図示）によって電磁誘導による起電力を誘起させられ、立体形半導体素子５２６の表面に付近に配設されたフォトダイオードが駆動されることで、光を発する。その光は、インク５２２を透過し、インクタンク５２１の外部の光センサ５５０で受光される。
【００５８】
図８に、代表的なインク（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）の吸光波長を示す。図８からわかるように、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色のインクは、３００〜７００ｎｍの波長帯において吸光率のピークが分散している。各色のインクの吸光率のピークは、イエローが約３９０ｎｍ、マゼンダが約５００ｎｍ、ブラックが約５９０ｎｍ、シアンが約６２０ｎｍである。そのため、３００〜７００ｎｍの範囲の波長を含む光を立体形半導体素子から発光させ、その光をインク中に透過させてインクタンク外にある光センサ５５０（図７参照）で受光し、どの波長が最も吸収されたかを検知することで、光が透過したインクの色が上記のうちのいずれであるかを判別することができる。
【００５９】
また、図８からわかるように、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色のインクは、波長５００ｎｍにおいて吸光率が互いに明確に異なる。波長５００ｎｍにおける各色のインクの吸光率は、マゼンダが約８０％、ブラックが約５０％、イエローが約２０％、シアンが約５％である。そのため、５００ｎｍの波長光に関して、立体形半導体素子で発光された光の強度に対するインク透過光の強度の割合（透光率）を検知することで、光が透過したインクの色が上記のうちのいずれであるかを判別することができる。
【００６０】
なお、上記のいずれの場合にも、一種類の立体形半導体素子を異なるインクタンク内にそれぞれ配して、複数のインク種の判別を行うことが可能である。
【００６１】
また、複数のインクタンクの各々が、それぞれのインクタンク内に収容されたインクの種類に従って所定の位置に装着されるように構成されているインクジェット記録装置においては、インクタンク内のインクを透過した光を受光した光センサ５５０によってインクタンクが不適切な位置に装着されたことが検知されたときにユーザーに警告を発する手段が備えられていてもよい。この場合の警告手段としては、ランプ等の発光手段やブザー等の鳴音手段などを用いることができる。ユーザーは、警告手段による警告によってインクタンクを誤った位置に装着したことを知り、そのインクタンクを本来の位置に装着し直すことができる。
【００６２】
あるいは、このようなインクジェット記録装置において、インクタンク内のインクを透過した光を受光した光センサ光によってインクタンクが不適切な位置に装着されたことが検知されたときに、装着されたインクタンクからインクが供給される記録ヘッドをそのインクの種類に合わせて制御する制御手段が備えられていてもよい。これによれば、ユーザーがインクタンクを間違った位置に装着した場合でも自動的に適切な画像記録が行われるため、ユーザーがインクタンクの装着位置に留意する必要がなくなる。
【００６３】
次に、本例の立体形半導体素子の製造方法について説明する。図９は、本発明の立体形半導体素子の製造方法の一例を説明するための工程図であり、各工程を球状シリコンの中心を通る断面で示している。また、ここでは、球状シリコンの重心を中心より下部になるように作成し、かつ、球面体内部の上部を空洞にして、更に、その空洞部を気密状態に保持する製造方法を例に挙げる。
【００６４】
図９（ａ）に示す球状シリコンに対し、その全表面上に図９（ｂ）に示すように熱酸化のＳｉＯ₂膜２０２を形成した後、図９（ｃ）に示すようにＳｉＯ₂膜の一部に開口２０３を形成するため、フォトリソグラフィプロセスを用いて、パターニングをする。
【００６５】
そして、図９（ｄ）に示すように、開口２０３を通じてのＫＯＨ溶液を用いた異方性エッチングにより、上部のシリコン部分のみ除去し、空洞部２０４を形成する。その後、図９（ｅ）に示すように、ＬＰＣＶＤ法を用いて、立体形素子の内外表面にＳｉＮ膜２０５を形成する。
【００６６】
更に、図９（ｆ）に示すように、メタルＣＶＤ法を用いて、立体形素子の全表面上にＣｕ膜２０６を形成する。そして、図９（ｇ）に示すように、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてＣｕ膜２０６をパターニングし、発振回路の一部である巻き数Ｎの導電体コイルＬを形成する。その後、導電体コイルＬを形成した立体形素子を真空装置から大気中に出し、上部の開口２０３を樹脂や栓などの封止部材２０７で塞ぎ、球面体内部の空洞部２０４を密閉状態にする。このように製造すれば、第３の実施の形態のように電力を用いて浮力を発生する手段を備えなくても、シリコンからなる立体形半導体素子自体に浮力を持たせることが出来る。
【００６７】
また、このような浮遊型の立体形半導体素子を製造する前に球状シリコンに形成しておくコイルＬ以外の駆動回路素子はＮ−ＭＯＳ回路素子を用いている。図１０に、Ｎ−ＭＯＳ回路素子を縦断するように切断した模式的断面図を示す。
【００６８】
図１０によれば、Ｐ導電体のＳｉ基板４０１に、一般的なＭｏｓプロセスを用いたイオンプランテーション等の不純物導入および拡散により、Ｎ型ウェル領域４０２にＰ−Ｍｏｓ４５０が構成され、Ｐ型ウェル領域４０３にＮ−Ｍｏｓ４５１が構成されている。Ｐ−Ｍｏｓ４５０およびＮ−Ｍｏｓ４５１は、それぞれ厚さ数百Åのゲート絶縁膜４０８を介して、４０００Å以上５０００Å以下の厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ−Ｓｉによるゲート配線４１５、およびＮ型あるいはＰ型の不純物導入をしたソース領域４０５、ドレイン領域４０６等で構成され、それらＰ−Ｍｏｓ４５０とＮ−Ｍｏｓ４５１によりＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００６９】
素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ３０１は、やはり不純物導入および拡散等の工程により、Ｐ型ウェル基板４０２上のドレイン領域４１１、ソース領域４１２およびゲート配線４１３等で構成されている。
【００７０】
ここで、素子駆動ドライバとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ３０１を使うと、１つのトランジスタを構成するドレインゲート間の距離Ｌは、最小値で約１０μｍとなる。その１０μｍの内訳の１つは、ソースとドレインのコンタクト４１７の幅であり、それらの幅分は２×２μｍであるが、実際は、その半分が隣のトランジスタとの兼用となるため、その１／２の２μｍである。内訳の他は、コンタクト４１７とゲート４１３の距離分の２×２μｍの４μｍと、ゲート４１３の幅分の４μｍであり、合計１０μｍとなる。
【００７１】
各素子間には、５０００Å以上１００００Å以下の厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４５３が形成され、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、一層目の蓄熱層４１４として作用する。
【００７２】
各素子が形成された後、層間絶縁膜４１６が約７０００Åの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ、ＢＰＳＧ膜等で堆積され、熱処理により平坦化処理等をされてから、コンタクトホールを介して、第１の配線層となるＡｌ電極４１７により配線が行なわれている。その後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂膜等の層間絶縁膜４１８を１００００Å以上１５０００Å以下の厚さに堆積し、更にスルーホールを形成した。
【００７３】
このＮ−Ｍｏｓ回路を、図９のように浮遊型の立体形半導体素子を形成する前に形成しておく。そして、本発明のエネルギー発生手段としての発振回路や情報入手手段としてのセンサ部などとの接続を上記スルーホールを介して行なう。
【００７４】
また、本例の浮遊型の立体形半導体素子を配したインクタンクがどのような状態においても、上述のような製法で球状シリコンに作り込まれた発振回路と、図６に示した外部共振回路との間で、安定した磁束（磁界）が働いている必要がある。しかし、インクなど液体中に浮遊した場合、外部振動により液面が振動をすることがある。そのような場合でも、液体中で安定した状態を保持するために、本例では、浮遊型の立体形半導体素子の重心を決定している。
【００７５】
図１１で示しているように、液体中に本例のボール形半導体素子２１０を浮遊させた場合、図１１（ａ）のように、釣り合いの状態にあるためには、
（１）浮力Ｆ＝物体の重量Ｗ
（２）浮力の作用線と重量の作用線（重心Ｇを通る線）が一致
という関係が成り立っていることが必要である。
【００７６】
そして、図１１（ｂ）のように、外力により液体が振動して、立体形半導体素子２１０が、釣り合いの状態から少し傾いた時、浮力の中心が移動し、浮力と重量とで偶力となる。
【００７７】
ここで、釣り合いの状態にあるときの重量の作用線（図１１（ｂ）中の一点鎖線）と、傾いたときの浮力の作用線（図１１（ｂ）中の実線）との交点をメタセンタと呼び、メタセンタと重心との距離ｈをメタセンタの高さと呼ばれている。
【００７８】
本例のように、立体形半導体素子２１０のメタセンタが重心より高い位置にあるので、偶力（復元力）は元の釣り合いの位置に戻そうとする向きに作用する。この復元力：Ｔは、
【００７９】
【数１０】

で表される。ここで、立体形半導体素子２１０が排除した液体の体積をＶと、立体形半導体素子２１０の比重量をρｇとしている。
【００８０】
そこで、この復元力を正にするためには、ｈ＞０となることが必要十分条件である。
【００８１】
そして、図１１（ｂ）から、
【００８２】
【数１１】

となる。ここで、ＩはＯ軸回りの慣性モーメントである。よって、
【００８３】
【数１２】

となることが、ボール形半導体素子２１０が、インク中で安定して浮遊し、外部共振回路からの誘電起電力の供給を行うための必要条件となる。
【００８４】
以上のような実施例の立体形半導体素子では、素子を起動させる電力を供給する外部エネルギーとしてコイルによる電磁誘導を使用したが、これ以外に光を使用してもよく、この光の明暗を電気信号に変換する場合は、光の照射により抵抗値が変化する材料（例えば、光導電体）を用いて、光導電効果により電力を発生させることができる。光導電体としては例えば、ＣｄＳ，ＩｎＳｂやＨｇ_0.8Ｃｄ_0.2Ｔｅなどの二元合金／三元合金や、ＧａＡｓ，Ｓｉ，Ｖａ−Ｓｉなどが用いられる。さらに、起電力として熱を使用する場合は、物質の放射エネルギーから量子効果により電力を発生させることができる。
【００８５】
また、本実施例の立体形半導体素子は、着脱可能に装着されたインクタンクに収容されたインクをインクジェット記録ヘッドに供給し、その記録ヘッドから噴射するインク滴で記録用紙に印字するインクジェット記録装置に関して、インク情報を検知し、最適な方法で記録装置を制御することに好ましく適用される。
【００８６】
なお、本実施例ではインクジェット記録装置の外装は不図示であるが、外装のカバーを半透明など中の状態が見れるものを用い、インクタンクも半透明のものを用いた場合には、タンクの光をユーザーが見れるので、例えば「タンクを交換したい」ことが分かり易く、ユーザーに、タンクを交換しようとする意欲を持たせることができる。（従来は装置本体のボタンが光るが、いくつかの表示機能を兼ねているため、光っても何を知らせたいのかユーザーには分かりにくい。）
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、立体形半導体素子が、外部からのエネルギーを異なる種類のエネルギーに変換するエネルギー変換手段と、エネルギー変換手段で変換されたエネルギーにより発光する発光手段とを有しているので、立体形半導体素子から放射された光をインク中に透過させ、その透過光のある波長における強度を検出することにより、インクの種類を判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による立体形半導体素子の内部構成および外部とのやり取りを表したブロック構成図である。
【図２】本発明の立体形半導体素子を適用できるインクタンクの構成例を示す図である。
【図３】本発明の立体形半導体素子を適用できるインクタンクの構成例を示す図である。
【図４】本発明の立体形半導体素子を適用できるインクタンクの構成例を示す図である。
【図５】本発明の立体形半導体素子を備えたインクタンクを搭載するインクジェット記録装置の概略構成図である。
【図６】本発明の立体形半導体素子の構成要素であるエネルギー発生手段の電力発生原理を説明するための図である。
【図７】本発明の立体形半導体素子を用いたインクタンクの概略構成図である。
【図８】代表的なインク（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）の吸光波長を示すグラフである。
【図９】本発明の立体形半導体素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。
【図１０】本発明の立体形半導体素子に使用するＮ−ＭＯＳ回路素子を縦断するように切断した模式的断面図である。
【図１１】図９で示す方法で製造した立体形半導体素子が液体中で安定した状態を保持するための条件を説明するための図である。
【図１２】特開平６−１４３６０７号に記載のインク残量検知装置を示す図である。
【図１３】特登録２９４７２４５号に記載のインク残量検知装置を示す図である。
【符号の説明】
３１，５０６，５１６，５２６立体形半導体素子
３２起電力
３３電力
３４エネルギー変換手段
３５発光手段
３６光
１０１外部共振回路
１０２発振回路
２０１球状シリコン
２０２ＳｉＯ₂膜
２０３開口
２０４空洞部
２０５ＳｉＮ膜
２０６Ｃｕ膜
２０７封止部材
２１０ボール形半導体素子
５０１，５１１，５２１インクタンク
５０２インク袋
５０２ａ袋口
５０３，５１２筐体
５０４ゴム栓
５０５中空針
５１３，５２２インク
５１４，５２５インク供給口
５１５インクジェットヘッド
５２３負圧発生部材
５２４連通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a three-dimensional semiconductor device that emits light when energy is supplied from the outside.And an ink jet recording apparatus used for a facsimile, a printer, a copying machine or the like on which the ink tank is detachably mounted.
[0003]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in an ink jet recording apparatus in which an image is printed on a paper in a dot pattern by moving a carriage mounted with a recording head in a printing direction while ejecting ink from a plurality of ejection nozzles provided in the recording head. An ink tank containing recording ink is provided, and the ink in the ink tank is supplied to the recording head via the ink supply path. Accordingly, various proposals have been made for practical use of an ink remaining amount detection device that detects the remaining amount of ink in the ink tank.
[0004]
For example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 6-143607, two (one pair) electrodes 702 are disposed on the inner surface of the bottom side of an ink tank 701 filled with non-conductive ink as shown in FIG. In the ink in the ink tank 701, a levitation body 703 in which an electrode 704 located at a position facing the electrode 702 is levitated. The two electrodes 702 are respectively connected to a detection unit (not shown) that detects the conduction state of both electrodes. When the conduction state of both electrodes is detected, the ink remaining in the ink tank 701 indicating that there is no ink. It is disclosed that a quantity error is generated and the operation of the inkjet recording head 705 is stopped.
[0005]
According to Japanese Patent No. 2947245, as shown in FIG. 13, the lower part is formed in a funnel shape toward the bottom surface, and two conductors 801 and 802 are provided on the bottom surface, and the specific gravity is smaller than that of the ink 803. An ink cartridge 805 for an ink jet printer having a configuration in which a metal ball 804 is installed is disclosed. In such a configuration, when the ink 803 is consumed and decreased, the liquid level of the ink 803 is lowered. Along with this, the position of the metal sphere 804 floating on the surface of the ink 803 is lowered. When the liquid level of the ink 803 is lowered to the position of the bottom surface of the ink cartridge housing, the metal ball 804 comes into contact with the two conductors 801 and 802. Then, since the conductors 801 and 802 become conductive, a current flows between them. If the flow is detected, the ink end state can be detected. If the ink end state is detected, information indicating the ink end state is notified to the user.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
A configuration for detecting the remaining amount of ink in the ink tank as represented by the above-described conventional publication is known. However, in such a configuration, it is necessary to dispose a detection electrode in the ink tank. Further, since the remaining amount of ink is detected based on the conductive state between the electrodes, the ink to be used is restricted, for example, metal ions cannot be used for the ink component. In the above configuration, only the remaining ink amount can be detected, and information in the tank such as the type of ink stored in the ink tank cannot be known.
[0007]
Furthermore, in an ink jet recording apparatus that prints using a plurality of inks, a plurality of ink tanks for each color may be mounted at predetermined positions in order to use ink without waste. In such an ink jet recording apparatus, in order to prevent the user from mounting the ink tank at an inappropriate position, it is common to form each color ink tank in a different shape so that the ink tank cannot be mounted at an inappropriate position. It is. However, by changing the shape of the ink tank by the number of ink colors, the cost of the ink tank may be increased. Therefore, there is a demand for an ink tank that has the same shape as the ink tank and can prevent erroneous mounting.
[0008]
In developing the ink tank as described above, the present inventors paid attention to Ball Semiconductor Co., Ltd., which forms a semiconductor integrated circuit on a spherical surface of a silicon ball having a diameter of 1 mm. Since this ball semiconductor has a spherical shape, if it is accommodated in an ink tank, it is expected that the exchange of information with the outside can be performed much more efficiently than the flat shape. However, as a result of investigating those having such functions, it is necessary to develop an element itself having the above-mentioned functions only by the technology of connecting the ball semiconductors with electric wiring as in US Pat. No. 5,877,943. It was. In addition, there is a problem that must be cleared for this element to be effectively applicable to an ink tank. One of the problems is the supply of electric power for starting the elements accommodated in the tank. If the ink tank has a power source for starting the element, the tank will become large, or even if a power source is provided outside the tank, a means for connecting the power source and the element will be required, increasing the tank manufacturing cost, and the tank cartridge However, the device must be activated without contact from the outside.
[0009]
As a further problem, it is possible to float in the ink liquid level of the ink tank or in the ink that has sunk a certain distance from the liquid level. For example, it is desirable that the element is located on the ink surface to monitor the fluctuation of the negative pressure amount due to the ink consumption in the ink tank over time. However, since the element is made of silicon having a specific gravity higher than that of water, it floats on the ink. It is difficult to do.
[0010]
  An object of the present invention is to provide a three-dimensional semiconductor element used for detecting the type of ink stored in an ink tank.Is provided, and an ink jet recording apparatus on which the ink tank is mounted.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the present inventionThe ink tank is an ink tank having a chamber for directly storing ink, and an energy conversion means for converting external energy into different kinds of energy, which is built into the three-dimensional silicon by a semiconductor process, and the three-dimensional silicon And a light emitting means that emits light by energy converted by the energy conversion means, and the center of gravity is located below the center in the gravity direction, and the metacenter is in the direction of gravity from the center of gravity. The three-dimensional semiconductor element configured to be positioned above is suspended in the ink.
[0020]
  In addition, the inkjet recording apparatus of the present invention includes an energy conversion means that converts external energy into different types of energy, which is built into the three-dimensional silicon by a semiconductor process, and the three-dimensional silicon.On the surfaceAn ink jet recording apparatus having an ink tank provided with a three-dimensional semiconductor element formed by a semiconductor process and provided with a light-emitting unit that emits light by energy converted by the energy conversion unit, the three-dimensional type The external energy supply means for causing the light emitting means of the semiconductor element to emit light, and the light receiving means for receiving the light of the light emitting means.
[0021]
  further,The inkjet recording apparatus includes a plurality of ink tanks,It is configured to be mounted at a predetermined position according to the type of ink stored in the ink tank,The light emitting means of the solid semiconductor element emits light.When it is detected by the light receiving means that has received light that the ink tank is mounted at an inappropriate positionPoliceIt is good also as a structure provided with the means to issue a notification. According to this, the user can reattach the ink tank to an appropriate position.
[0022]
  OrThe inkjet recording apparatus is configured to be equipped with a plurality of ink tanks, and the light emitting means of the three-dimensional semiconductor element emits light.The ink tank by the light receiving means receiving lightDetecting the mounting position ofFrom the installed ink tankInk suppliedAccording to the type ofDrive the recording headIt is good also as a structure provided with the control means to control. According to this configuration, even when the user mounts the ink tank in the wrong position, appropriate image recording is automatically performed, so that the user need not pay attention to the mounting position of the ink tank.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In particular, an embodiment in which elements are arranged in an ink tank will be described in detail. This element is not used only for the ink tank, but the same effect can be obtained even if it is used in another object.
[0024]
FIG. 1 is a block diagram showing an internal configuration of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention and an exchange with the outside. The solid-state semiconductor element 31 of the form shown in this figure includes an energy conversion means 34 that converts an electromotive force 32 that is external energy supplied from the external A toward the element 31 in a non-contact manner into electric power 33, and an energy conversion means 34. And the light emitting means 35 for emitting light using the electric power obtained in the above, and disposed in the ink in the ink tank. The light emitting means 35 is constituted by a photodiode or the like.
[0025]
Note that electromagnetic induction, heat, light, radiation, or the like can be applied as the electromotive force supplied to operate the element. Further, it is desirable that the energy conversion means 34 and the light emitting means 35 are formed on or near the surface of the element.
[0026]
In such a form, when the electromotive force 32 is applied from the external A toward the element 31, the energy conversion means 34 converts the electromotive force 32 into the electric power 33, and the light emitting means 35 uses the electric power 33 to transmit the light 36. Radiate. The intensity of the light 36 emitted from the light emitting means 35 is detected by the outside B.
[0027]
The “three-dimensional shape” of the “three-dimensional semiconductor element” in this specification includes all three-dimensional shapes such as a triangular prism, a sphere, a hemisphere, a quadrangular prism, a spheroid, and a uniaxial rotator.
[0028]
As an external energy supply method, when used in an ink jet recording apparatus, means for supplying an electromotive force as external energy to the element may be provided at a recovery position, a return position, a carriage, a recording head, or the like. In addition to this, if an apparatus having means for supplying an electromotive force is used, the state inside the ink tank can be known without an ink jet recording apparatus. For example, if used in a factory or a store, it is used for inspection ( quality assurance).
[0029]
Next, FIGS. 2 to 4 show configuration examples of ink tanks to which the three-dimensional semiconductor element of the above-described embodiment can be applied. In the ink tank 501 shown in FIG. 2, a flexible ink bag 502 containing ink is disposed in a housing 503, and the bag mouth 502a is closed by a rubber stopper 504 fixed to the housing 503, thereby leading out the ink. The hollow needle 505 is pierced into the rubber stopper 504 and communicated with the inside of the bag, thereby supplying ink to an inkjet head (not shown). The three-dimensional semiconductor element 506 of the present invention can be disposed in the ink bag 502 of such an ink tank 501.
[0030]
Further, the ink tank 511 shown in FIG. 3 has an ink jet head 515 attached to an ink supply port 514 of a casing 512 that contains ink 513 to eject ink toward the recording paper S and perform recording. The three-dimensional semiconductor element 516 of the present invention can be disposed in the ink 513 in such a tank 511.
[0031]
Also, the ink tank 521 shown in FIG. 4 includes a completely sealed first chamber for storing the ink 522, a second chamber in the atmospheric communication state for storing the negative pressure generating member 523, and a first chamber at the bottom of the tank. And a communication passage 524 for communicating the second chamber. When ink is consumed from the ink supply port 525 on the second chamber side, the air in the first chamber is led to the second chamber instead of the atmosphere entering the first chamber from the second chamber side. The solid semiconductor element 526 of the present invention can also be disposed in the ink 522 in the tank 521.
[0032]
Next, FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of an ink jet recording apparatus equipped with an ink tank provided with the three-dimensional semiconductor element of the present invention. A head cartridge 601 mounted on the ink jet recording apparatus 600 shown in FIG. 5 holds a liquid discharge head that discharges ink for print recording and holds liquid supplied to the liquid discharge head in FIGS. And an ink tank as shown. Further, means 622 for supplying an electromotive force as external energy to the solid semiconductor element arranged in the ink tank and means (not shown) for receiving light emitted from the element are installed in the recording apparatus 600. ing.
[0033]
As shown in FIG. 5, the head cartridge 601 is engaged with a helical groove 606 of a lead screw 605 that rotates via driving force transmission gears 603 and 604 in conjunction with forward / reverse rotation of the drive motor 602. Mounted on top. The head cartridge 601 is reciprocated along the guide 608 with the carriage 607 in the directions of arrows a and b by the power of the drive motor 602. The ink jet recording apparatus 600 includes a recording medium transport unit (not shown) that transports a print sheet P as a recording medium that receives liquid such as ink discharged from the head cartridge 601. The paper pressing plate 610 for the printing paper P conveyed on the platen 609 by the recording medium conveying means presses the printing paper P against the platen 609 over the moving direction of the carriage 607.
[0034]
Photocouplers 611 and 612 are disposed near one end of the lead screw 605. The photocouplers 611 and 612 are home position detecting means for confirming the presence of the lever 607a of the carriage 607 in the area of the photocouplers 611 and 612 and switching the rotation direction of the drive motor 602. In the vicinity of one end of the platen 609, a support member 613 that supports a cap member 614 that covers the front surface of the head cartridge 601 where the ejection port is located is provided. In addition, an ink suction unit 615 that sucks ink that has been discharged from the head cartridge 601 and accumulated in the cap member 614 is provided. The ink suction means 615 recovers the suction of the head cartridge 601 through the opening of the cap member 614.
[0035]
The ink jet recording apparatus 600 includes a main body support 619. A moving member 618 is supported on the main body support 619 so as to be movable in the front-rear direction, that is, in a direction perpendicular to the moving direction of the carriage 607. A cleaning blade 617 is attached to the moving member 618. The cleaning blade 617 is not limited to this form, and may be a known cleaning blade of another form. Further, a lever 620 for starting suction is provided in the suction recovery operation by the ink suction means 615, and the lever 620 moves in accordance with the movement of the cam 621 that engages with the carriage 607, and from the drive motor 602. The driving force is controlled to move by known transmission means such as clutch switching. An ink jet recording control unit that provides a signal to the heating element provided in the head cartridge 601 and controls the driving of each mechanism described above is provided on the recording apparatus main body side, and is not shown in FIG. .
[0036]
In the ink jet recording apparatus 600 having the above-described configuration, the head cartridge 601 reciprocates over the entire width of the print paper P with respect to the print paper P transported on the platen 609 by the recording medium transport means. When a drive signal is supplied from the drive signal supply means (not shown) to the head cartridge 601 during this movement, ink (recording liquid) is discharged from the liquid discharge head portion to the recording medium in accordance with this signal, and recording is performed. Done.
[0037]
Next, a preferred embodiment in which the three-dimensional semiconductor element of the present invention is arranged in an ink tank will be described in more detail.
[0038]
First, information acquisition means applicable to the three-dimensional semiconductor element of the present invention will be described as an example. When the three-dimensional semiconductor element arranged in the ink tank is made of spherical silicon, information acquisition means described in the above embodiment includes (1) SiO.₂A sensor that detects the pH of the ink by creating a film or SiN film as an ion-sensitive film, (2) a pressure sensor that has a diaphragm structure and detects pressure changes in the tank, and (3) converts light into thermal energy Then, a photodiode with a pyroelectric effect is built in to detect the current position, and a sensor for detecting the remaining amount of ink, and (4) the presence or absence of ink depending on the amount of moisture in the tank using the conductive effect of the material. Examples include a sensor to detect.
[0039]
Next, specific examples of energy generating means applicable to the three-dimensional semiconductor element of the present invention will be given. FIG. 6 is a diagram for explaining the power generation principle of the energy generating means which is a component of the three-dimensional semiconductor element of the present invention.
[0040]
In FIG. 6, when the conductor coil L of the oscillation circuit 102 is placed adjacent to the coil La of the external resonance circuit 101 and a current Ia is passed through the coil La through the external resonance circuit 101, the coil I of the oscillation circuit 102 is caused by the current Ia. Is generated. Here, when the current Ia is changed, the magnetic flux B penetrating the coil L is changed, so that an induced electromotive force V is generated in the coil L. Therefore, the oscillation circuit 102 as energy generating means is formed in the spherical silicon, the external resonance circuit 101 is provided, for example, in the ink jet recording apparatus outside the element, the conductor coil L of the oscillation circuit 102 on the element side, and the resonance circuit 101 outside the element. By disposing the coil La so as to be adjacent to each other, electric power for operating the element can be generated by an induced electromotive force generated by electromagnetic induction from the outside.
[0041]
Further, the magnetic flux B penetrating through the coil L having the winding number N of the oscillation circuit 102 formed as energy generating means in the spherical silicon is proportional to the product of the winding number Na of the coil La of the external resonance circuit 101 and the current Ia. Let k be a constant.
[0042]
[Expression 1]
B = k * Na * Ia (1)
The electromotive force V generated in the coil L is
[0043]
[Expression 2]

Here, the magnetic flux B is defined as follows: the magnetic permeability of the coil core is μa and the magnetic field is H.
[0044]
[Equation 3]

It becomes. Here, z indicates the distance between the coil of the external resonance circuit and the coil built in the spherical silicon.
[0045]
Mutual inductance of equation (2): M is
[0046]
[Expression 4]

It becomes. Where μ_oIs the permeability of the vacuum.
[0047]
And the impedance of transmission circuit built in spherical silicon: Z is
[0048]
[Equation 5]
Z (ω) = R + j {ωL− (1 / ωC)} (5)
The impedance of the external resonant circuit: Za is
[0049]
[Formula 6]
Za (ω) = Ra + jωLa− {ω²M²/ Z (ω)} (6)
It becomes. Here, J represents magnetization. And the impedance: Zo when this external resonance circuit resonates (when the current value: Ia becomes maximum) is:
[0050]
[Expression 7]
Zo (ωo) = Ra + jLaωo− (ω_o ²M²/ R) ▲ 7 ▼
The phase delay of this resonant circuit: φ is
[0051]
[Equation 8]
tanφ = {jLaωo− (ω_o ²M²/ R)} / R (8)
It becomes.
[0052]
The resonance frequency fo of this external resonance circuit is
[0053]
[Equation 9]
fo = 1 / 2π (LC)^1/2 ▲ 9 ▼
Is required.
[0054]
From the above relationship, when the impedance of the oscillation circuit 102 built in the spherical silicon is varied according to the change of the ink in the ink tank, the frequency of the external resonance circuit 101 is changed to change the impedance of the external resonance circuit 101. The change in the ink appears in the amplitude and phase difference. Further, the remaining amount of ink (that is, change in z) is included in the phase difference and amplitude.
[0055]
For example, by changing the resonance frequency of the external resonance circuit 101, the output (impedance) from the oscillation circuit 102 built in the spherical silicon changes according to changes in the surrounding environment, so this frequency dependency is detected. By doing so, it is possible to detect the presence or absence of ink and the remaining ink amount.
[0056]
Therefore, the oscillation circuit built in the spherical silicon is not only used as an energy generating means for generating electric power, but also as a part of means for detecting a change in ink in the tank due to the relationship between the oscillation circuit and the external resonance circuit. It is possible to use.
[0057]
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an ink tank using the three-dimensional semiconductor element of the present invention. The three-dimensional semiconductor element 526 shown in this figure is floating near the liquid surface of the raw ink 522 in the ink tank 521, and an electromotive force due to electromagnetic induction is induced by an external resonance circuit (not shown) outside the ink tank 521. Then, a photodiode disposed in the vicinity of the surface of the three-dimensional semiconductor element 526 is driven to emit light. The light passes through the ink 522 and is received by the optical sensor 550 outside the ink tank 521.
[0058]
FIG. 8 shows the absorption wavelength of typical inks (yellow, magenta, cyan, black). As can be seen from FIG. 8, the yellow, magenta, cyan, and black inks have dispersed absorbance peaks in the wavelength band of 300 to 700 nm. The ink absorbance peaks for each color are about 390 nm for yellow, about 500 nm for magenta, about 590 nm for black, and about 620 nm for cyan. Therefore, light including a wavelength in the range of 300 to 700 nm is emitted from the three-dimensional semiconductor element, transmitted through the ink, and received by the optical sensor 550 (see FIG. 7) outside the ink tank. By detecting whether the ink has been absorbed most, it is possible to determine which of the above colors the ink that has transmitted light.
[0059]
Further, as can be seen from FIG. 8, the yellow, magenta, cyan, and black inks clearly differ in absorbance from each other at a wavelength of 500 nm. The absorbance of each color ink at a wavelength of 500 nm is about 80% for magenta, about 50% for black, about 20% for yellow, and about 5% for cyan. Therefore, with respect to the light having a wavelength of 500 nm, the ratio of the intensity of light transmitted through the ink to the intensity of the light emitted from the three-dimensional semiconductor element (the light transmittance) is detected. It is possible to determine which is.
[0060]
In any of the above cases, one type of three-dimensional semiconductor element can be arranged in different ink tanks to discriminate a plurality of ink types.
[0061]
Further, in the ink jet recording apparatus configured such that each of the plurality of ink tanks is mounted at a predetermined position according to the type of ink stored in each ink tank, the ink in the ink tank is transmitted. There may be provided means for issuing a warning to the user when it is detected that the ink tank is mounted at an inappropriate position by the light sensor 550 that has received the light. As warning means in this case, light emitting means such as a lamp or sounding means such as a buzzer can be used. The user knows that the ink tank has been installed in the wrong position by the warning by the warning means, and can re-install the ink tank in the original position.
[0062]
Alternatively, in such an ink jet recording apparatus, when it is detected that the ink tank is mounted at an inappropriate position by the optical sensor light that receives the light transmitted through the ink in the ink tank, the mounted ink tank Control means for controlling the recording head supplied with ink from the ink according to the type of ink may be provided. According to this, even when the user mounts the ink tank in the wrong position, appropriate image recording is automatically performed, so that the user does not need to pay attention to the mounting position of the ink tank.
[0063]
Next, the manufacturing method of the three-dimensional semiconductor element of this example is demonstrated. FIG. 9 is a process diagram for explaining an example of the manufacturing method of the three-dimensional semiconductor element of the present invention, and shows each process by a cross section passing through the center of the spherical silicon. Here, an example is given of a manufacturing method in which the center of gravity of spherical silicon is formed so as to be lower than the center, the upper part inside the spherical body is made hollow, and the hollow part is kept airtight.
[0064]
The spherical silicon shown in FIG. 9 (a) is thermally oxidized on the entire surface as shown in FIG. 9 (b).₂After forming the film 202, as shown in FIG.₂In order to form the opening 203 in a part of the film, patterning is performed using a photolithography process.
[0065]
Then, as shown in FIG. 9D, only the upper silicon portion is removed by anisotropic etching using a KOH solution through the opening 203 to form a cavity portion 204. Thereafter, as shown in FIG. 9E, SiN films 205 are formed on the inner and outer surfaces of the three-dimensional element using LPCVD.
[0066]
Further, as shown in FIG. 9F, a Cu film 206 is formed on the entire surface of the three-dimensional element using a metal CVD method. Then, as shown in FIG. 9G, the Cu film 206 is patterned by using a well-known photolithography process to form a conductor coil L having the number of turns N that is a part of the oscillation circuit. Thereafter, the three-dimensional element in which the conductor coil L is formed is taken out from the vacuum apparatus to the atmosphere, the upper opening 203 is closed with a sealing member 207 such as a resin or a plug, and the cavity 204 inside the spherical body is sealed. . If manufactured in this way, the three-dimensional semiconductor element itself made of silicon can be given buoyancy without providing means for generating buoyancy using electric power as in the third embodiment.
[0067]
Further, N-MOS circuit elements are used as drive circuit elements other than the coil L formed on the spherical silicon before manufacturing such a floating three-dimensional semiconductor element. FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of the N-MOS circuit element cut in a longitudinal direction.
[0068]
According to FIG. 10, P-Mos 450 is formed in the N-type well region 402 by introducing and diffusing impurities such as ion plantation using a general Mos process in the Si substrate 401 of P conductor. N-Mos 451 is configured in 403. P-Mos 450 and N-Mos 451 are each made of poly-Si gate wiring 415 deposited by a CVD method to a thickness of 4000 mm or more and 5000 mm or less through a gate insulating film 408 having a thickness of several hundreds mm, and an N type or P A source region 405 and a drain region 406 into which impurities of a type are introduced, and a C-Mos logic is constituted by these P-Mos 450 and N-Mos 451.
[0069]
The element driving N-Mos transistor 301 is constituted of a drain region 411, a source region 412, a gate wiring 413, and the like on the P-type well substrate 402 by processes such as impurity introduction and diffusion.
[0070]
Here, when the N-Mos transistor 301 is used as an element driving driver, the distance L between the drain gates constituting one transistor is about 10 μm as a minimum value. One of the breakdowns of the 10 μm is the width of the source and drain contacts 417, which is 2 × 2 μm, but in fact, half of them are shared with the adjacent transistor, 2 μm. Other than the breakdown, 4 μm of 2 × 2 μm corresponding to the distance between the contact 417 and the gate 413 and 4 μm corresponding to the width of the gate 413, which is 10 μm in total.
[0071]
Between each element, an oxide film isolation region 453 is formed by field oxidation with a thickness of 5000 mm to 10,000 mm to separate the elements. This field oxide film acts as the first heat storage layer 414.
[0072]
After each element is formed, an interlayer insulating film 416 is deposited to a thickness of about 7000 mm by a PSG film, a BPSG film, or the like by CVD, planarized by a heat treatment, etc., and then the first via the contact hole. Wiring is performed by an Al electrode 417 serving as a wiring layer. After that, SiO by plasma CVD method₂An interlayer insulating film 418 such as a film was deposited to a thickness of 10,000 to 15000 and a through hole was further formed.
[0073]
This N-Mos circuit is formed before forming the floating three-dimensional semiconductor element as shown in FIG. And the connection with the oscillation circuit as an energy generation means of this invention, the sensor part as an information acquisition means, etc. is performed through the said through hole.
[0074]
Further, in any state of the ink tank provided with the floating solid semiconductor element of this example, the oscillation circuit built in the spherical silicon by the above-described manufacturing method and the external resonance circuit shown in FIG. A stable magnetic flux (magnetic field) must be working between However, when floating in a liquid such as ink, the liquid level may vibrate due to external vibration. Even in such a case, in this example, the center of gravity of the floating three-dimensional semiconductor element is determined in order to maintain a stable state in the liquid.
[0075]
As shown in FIG. 11, when the ball-shaped semiconductor element 210 of this example is suspended in the liquid, as shown in FIG.
(1) Buoyancy F = weight W of the object
(2) The buoyancy action line and the weight action line (the line passing through the center of gravity G) match.
It is necessary that this relationship holds.
[0076]
Then, as shown in FIG. 11B, when the liquid vibrates due to the external force and the three-dimensional semiconductor element 210 is slightly tilted from the balanced state, the center of the buoyancy moves, and the couple of buoyancy and weight Become.
[0077]
Here, the intersection of the action line of weight when in a balanced state (one-dot chain line in FIG. 11B) and the action line of buoyancy when tilted (solid line in FIG. 11B) is defined as the metacenter. The distance h between the metacenter and the center of gravity is called the height of the metacenter.
[0078]
Since the metacenter of the three-dimensional semiconductor element 210 is higher than the center of gravity as in this example, the couple (restoring force) acts in a direction to return to the original balanced position. This resilience: T
[0079]
[Expression 10]

It is represented by Here, the volume of the liquid excluded by the three-dimensional semiconductor element 210 is V, and the specific weight of the three-dimensional semiconductor element 210 is ρg.
[0080]
Therefore, in order to make this restoring force positive, it is a necessary and sufficient condition that h> 0.
[0081]
From FIG. 11 (b),
[0082]
## EQU11 ##

It becomes. Here, I is the moment of inertia around the O axis. Therefore,
[0083]
[Expression 12]

This is a necessary condition for the ball-shaped semiconductor element 210 to stably float in the ink and to supply the dielectric electromotive force from the external resonance circuit.
[0084]
In the three-dimensional semiconductor device of the embodiment as described above, electromagnetic induction by a coil is used as external energy for supplying electric power for starting up the device. In the case of conversion to a signal, electric power can be generated by a photoconductive effect using a material whose resistance value is changed by light irradiation (for example, a photoconductor). Examples of photoconductors include CdS, InSb, and Hg._0.8Cd_0.2A binary alloy / ternary alloy such as Te, GaAs, Si, Va-Si, or the like is used. Furthermore, when heat is used as an electromotive force, electric power can be generated from the radiant energy of the substance by a quantum effect.
[0085]
In addition, the three-dimensional semiconductor element of this embodiment supplies an ink contained in a detachably mounted ink tank to an ink jet recording head and prints on a recording paper with ink droplets ejected from the recording head. In particular, the present invention is preferably applied to detecting ink information and controlling the printing apparatus in an optimum manner.
[0086]
In this embodiment, the exterior of the ink jet recording apparatus is not shown, but when the cover of the exterior is translucent or the like can be seen, and the ink tank is also translucent, Since the user can see the light, it is easy to understand, for example, “I want to change the tank”, and the user can be motivated to change the tank. (In the past, the buttons on the device itself flash, but it also has several display functions, so it is difficult for the user to know what to tell even if it flashes.)
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the three-dimensional semiconductor element has the energy conversion means that converts external energy into different types of energy, and the light emitting means that emits light by the energy converted by the energy conversion means. Therefore, the type of ink can be determined by transmitting the light emitted from the three-dimensional semiconductor element into the ink and detecting the intensity of the transmitted light at a certain wavelength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an internal configuration of a three-dimensional semiconductor device according to an embodiment of the present invention and an exchange with the outside.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an ink tank to which the three-dimensional semiconductor element of the present invention can be applied.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of an ink tank to which the three-dimensional semiconductor element of the present invention can be applied.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of an ink tank to which the three-dimensional semiconductor element of the present invention can be applied.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording apparatus equipped with an ink tank provided with the three-dimensional semiconductor element of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of power generation of energy generating means that is a constituent element of the three-dimensional semiconductor element of the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an ink tank using the three-dimensional semiconductor element of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the absorption wavelength of typical inks (yellow, magenta, cyan, black).
FIG. 9 is a process diagram for explaining an example of a method for producing a three-dimensional semiconductor element of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an N-MOS circuit element used for the three-dimensional semiconductor element of the present invention cut in a longitudinal direction.
FIG. 11 is a diagram for explaining conditions for keeping a solid state of a solid semiconductor element manufactured by the method shown in FIG. 9 in a liquid.
FIG. 12 is a diagram showing an ink remaining amount detecting device described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-143607.
FIG. 13 is a diagram showing an ink remaining amount detecting device described in Japanese Patent No. 2947245;
[Explanation of symbols]
31,506,516,526 Solid-state semiconductor element
32 Electromotive force
33 Electric power
34 Energy conversion means
35 Light emitting means
36 light
101 External resonant circuit
102 Oscillator circuit
201 spherical silicon
202 SiO₂film
203 opening
204 Cavity
205 SiN film
206 Cu film
207 Sealing member
210 Ball-shaped semiconductor device
501, 511, 521 Ink tank
502 Ink bag
502a bag mouth
503,512 housing
504 Rubber stopper
505 Hollow needle
513,522 ink
514, 525 Ink supply port
515 Inkjet head
523 Negative pressure generating member
524 communication path

Claims

In an ink tank with a chamber that directly stores ink,
Energy conversion means that converts external energy into different types of energy built into the three-dimensional silicon by the semiconductor process, and conversion by the energy conversion means built into the three-dimensional silicon surface by the semiconductor process A solid-state semiconductor element having a center of gravity located below the center of gravity in the gravity direction and a metacenter located above the center of gravity in the direction of gravity. An ink tank characterized by being floated on.

Energy conversion means that converts external energy into different types of energy built into the three-dimensional silicon by the semiconductor process, and conversion by the energy conversion means built into the three-dimensional silicon surface by the semiconductor process An ink jet recording apparatus to which an ink tank including a three-dimensional semiconductor element provided with a light emitting means that emits light by the generated energy is mounted,
An ink jet recording apparatus comprising: the external energy supply unit configured to emit light from the light emitting unit of the three-dimensional semiconductor element; and a light receiving unit configured to receive light from the light emitting unit.

The ink jet recording apparatus is configured so that a plurality of ink tanks are mounted at predetermined positions according to the type of ink stored in each ink tank, and the light emitted by the light emitting means of the three-dimensional semiconductor element 3. The ink jet recording apparatus according to claim 2 , further comprising means for issuing a warning when the light receiving means receiving light detects that the ink tank is mounted at an inappropriate position.

The ink jet recording apparatus is configured to be mounted with a plurality of ink tanks, and detects the mounting position of the ink tank by the light receiving means that receives light emitted by the light emitting means of the three-dimensional semiconductor element, 3. The ink jet recording apparatus according to claim 2 , further comprising control means for controlling the driving of the recording head in accordance with the type of ink supplied from the mounted ink tank.