(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー効率が良く、安定した吐出が可能で、高精細化に対応可能な液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】発熱体素子１０４を流路の内壁面より浮かせた状態で支持し、基板に形成した貫通孔１０６を介して発熱体と外部回路を接続するための配線１１１を形成する。流路内に電極棒および電極等を配置しないので液体の流れを妨げず、常に安定した吐出が可能である。また、複数化した場合に発熱体素子１０４を高密度で配置することができるので、高精細化に対応することが可能であり、さらには作製コストを低くすることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で基板に支持して前記流路内に配置した発熱体素子と、前記発熱体素子を外部回路に電気的に接続するための配線を備え、前記液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、前記配線の少なくとも一部が前記基板に形成された貫通孔内に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記貫通孔が前記流路と交差しないことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記基板が第１基板及び第２基板よりなり、該第１基板が前記発熱体素子及び発熱体素子を浮かせた状態で支持するための第１の溝を有し、前記第２基板が第２の溝を有し、第１の溝および第２の溝により流路が形成されることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記貫通孔が前記第１基板に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が、前記第１基板の前記第１の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記貫通孔が前記第２基板に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が、前記第２基板の前記第２の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記貫通孔が前記第１基板及び前記第２基板に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が、前記第１基板の前記第１の溝が形成された面と反対の面及び前記第２基板の前記第２の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記発熱体素子が前記第１の溝上に、両持ち梁状に形成されていることを特徴とする請求項３から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
複数の前記発熱体素子を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１２】
複数の前記発熱体素子が千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを有する記録装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを複数備え、発熱体素子に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内の液体を加熱して発泡させ発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、及び該吐出ヘッドを用いた記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させる方法が開示されている。
【０００５】
上記各公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクに気泡が発生し、この気泡の急激な膨張に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品質の画像を高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用いることができる。
【０００６】
このインクジェット記録方式においては、上述のように電気熱変換体すなわち液体を加熱するための発熱体素子が必要であり、従来は薄膜抵抗体を流路内の壁面に設置し、該薄膜抵抗体の２辺に電気パルスを印加するための配線を接続したものが、発熱体素子として用いられていた。
【０００７】
図４に、従来技術のインクジェット液体吐出ヘッドで用いられている配線パターンの一例を示す。
【０００８】
図４では、基板４０１上に薄膜抵抗体である発熱体素子４０２及び薄膜配線パターン４０３を設置することにより、集積度を向上させている。さらに特開平７−３１４６７８では、共通配線の１部を貫通孔を介して上部に取り出すことにより、集積度を向上させる方法が開示されている。いずれの場合も、流路内の壁面に壁面パターンの全部もしくは一部を形成することにより、集積度の向上が図られている。
【０００９】
しかしながら、上記したように発熱体素子を流路の壁面に設置した場合は、該発熱体素子で発生した熱エネルギーが、かなりの割合で壁面に散逸してしまう場合があった。これにより、熱エネルギーを発泡のエネルギーに変換する効率が低下し、消費電力が大きくなってしまう場合があった。この問題点を解決するために、特開昭５５−５７４７７ならびに特開昭６２−９４３４７号公報には、発熱体素子を部分的に流路内の空間に空中に浮かせた状態で設置し、これにより発熱体素子からプリントヘッド本体乃至は基板に熱が散逸されることを極力防止し、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く発泡のエネルギーに変換することにより、消費電力を低減させる装置が開示されている。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１号公報
【特許文献２】特公昭６１−５９９１２号公報
【特許文献３】特公昭６１−５９９１３号公報
【特許文献４】特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献５】特開平７−３１４６７８号公報
【特許文献６】特開昭５５−５７４７７号公報
【特許文献７】特開昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、発熱体素子を流路内の空間に浮かせて設置した上記従来技術では、流路内の壁面に発熱体素子の両端と電気的に接続した薄膜配線パターンを形成することが技術的に困難であり、以下に説明する問題点があった。
【００１１】
図５に示した特開昭５５−５７４７７では、流路内５０１に電極棒５０２および電極５０３を配置することにより、抵抗体（発熱体素子）５０４の両端と外部回路の電気的接続を行っている。しかしながら、流路５０１内に存在する電極棒５０２および電極５０３が流路５０１内の液体の流れを妨げる可能性があり、安定した液滴の吐出を得られない場合がある。このことは印刷品位の低下につながる。
【００１２】
また図６に示した特開平６２−９４３４７では、基板６０１に形成した凹所であるインク室６０２にヒーター要素（発熱体素子）６０３を両持ち梁状に形成し、インク室６０２の外にリード部（配線）６０４を形成した構成となっている。この場合、ヒーター要素を複数配置し集積化しようとすると、隣り合ったヘッド間の距離は配線の幅の分だけ長くなってしまい、集積密度が低下してしまう。このことは、印刷品位の低下や作製コストの増大につながる。また、配線幅を細くすることにより、ある程度集積度を向上させることは可能であるが、配線の抵抗値が増大するので配線幅を細くして集積密度を向上させることには限界がある。
【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換し、さらに流路内の液体の流れを妨げることなく安定した吐出が可能で、集積化したときのノズル密度が高く高精細化に対応可能な液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記課題を解決するため、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、および記録装置を以下のように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で基板に支持して前記流路内に配置した発熱体素子と、前記発熱体素子を外部回路に電気的に接続するための配線を備え、前記液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、前記配線の少なくとも一部が前記基板に形成された貫通孔内に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００１６】
本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔が前記流路と交差しないことを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００１７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記基板が第１基板及び第２基板よりなり、該第１基板が前記発熱体素子及び発熱体素子を浮かせた状態で支持するための第１の溝を有し、前記第２基板が第２の溝を有し、第１の溝および第２の溝により流路が形成されることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００１８】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔が前記第１基板に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００１９】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が第１基板の前記第１の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２０】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔が前記第２基板に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２１】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が、前記第２基板の前記第２の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２２】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔が前記第１基板及び前記第２基板に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２３】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記貫通孔に形成された前記配線と電気的に接続された取り出し配線が前記第１基板の前記第１の溝が形成された面と反対の面及び前記第２基板の前記第２の溝が形成された面と反対の面に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２４】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに前記発熱体素子が前記第１の溝上に、両持ち梁状に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２５】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに複数の前記発熱体素子を有することを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２６】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、さらに複数の前記発熱体素子が千鳥状に配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
【００２７】
本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００２８】
また、本発明の記録装置は、複数の前記液体吐出ヘッドを備え、発熱体素子に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置である。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明の液体吐出ヘッドでは、発熱体素子を流路内壁から浮かせた状態で支持することで、発熱体で発生した熱が基板に散逸するのを防ぎ熱エネルギーの利用効率を向上させることが可能となり、さらに流路内に電極棒および電極等を配置しないので液体の流れを妨げず、常に安定した吐出が可能である。また、複数化した場合に発熱体素子を高密度で配置することができるので、高精細化に対応することが可能であり、さらには作製コストを低くすることとが可能となる。
【００３０】
以上のことから、高解像度、高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低い記録装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の液体吐出ヘッドは、発熱体素子を流路内の壁面より浮かせた状態で支持するので、ヘッド本体や基板への熱の散逸を防止することができ、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く発泡エネルギーに変換することができる。また、配線が基板に形成された貫通孔内に形成されているので、流路内の壁面に薄膜配線を形成する必要がなく、作製が容易となる。また、配線が貫通孔内に形成されているので、発熱体素子の集積密度を向上させることが可能となり、高精細記録に対応することが可能になる。また、半導体製造工程を用いて作製する場合の同一基板面積からの取り個数を増やすことができ、製造コストを低く抑えることが可能となる。
【００３２】
また、本発明の液体吐出ヘッドでは、前記貫通孔が前記流路と交差しないので、流路内に電極棒等を設置すること無く、配線と発熱体素子を電気的に接続することが可能である。これにより、流路内の液体の流れが円滑となり、液滴の吐出特性を安定させることが可能となる。
【００３３】
また本発明の液体吐出ヘッドでは、基板表面に取り出し配線を形成されているので、基板面積を有効に利用することができ発熱体素子を高密度に配置することが可能となる。さらに、液体吐出ヘッドと外部回路との接続が容易となる。
【００３４】
また発熱体素子の支持形態に特に制限は無いが、両持ち梁形状にしたときに発熱体素子を効率良く配置することができ、発熱体を高密度で配置する上で好ましい。また両持ち梁以外の形態で支持した場合でも、貫通孔を介して配線を形成することにより集積密度を向上させることができる。
【００３５】
また発熱体素子を複数配置する場合は、千鳥状に配置することにより、液体吐出口の集積密度を向上させることができ、高精細記録に対応することが可能となる。また、これにより、半導体作製工程を用いて作製する場合の、同一基板面積からの取り個数を増やすことができ、製造コストを低く抑えることができる。
【００３６】
また、本発明の記録装置は、複数の液体吐出ヘッドを備えることにより高速な記録が可能となる。また、各発熱体素子に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えることにより安定した記録が可能となる。
【００３７】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例中の基板、天板、流路、発熱体、液体吐出口等の寸法や形状や材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変形できるものである。
【００３８】
（第１実施例）
本実施例では、図１に示したインクジェットヘッドを設計作製した各部の寸法は図１に示した通りである。Ｂ−Ｂ’断面図では、破線にて貫通孔１０４および配線１１１の位置を示した。本実施例の液体吐出ヘッドは、単結晶シリコン基板よりなる第１基板１０１に流路１０２の下半分となる第１の溝１０３をエッチングにより形成し、不純物を導入して導電性を持たせたｐｏｌｙ−Ｓｉの両面にＳｉ３Ｎ４よりなる保護層（不図示）を形成した平板形状の発熱体素子１０４を第１の溝１０３に対して両持ち梁形状となるように配置し、さらに流路１０２の上半分となる第２の溝１０５および貫通孔１０６を形成した単結晶シリコン基板よりなる第２基板１０７を、第１基板１０１に貼合わせて液体供給口１０８および先細形状の液体吐出口１０９を形成し、発熱体素子１０４と外部回路１１０を電気的に接続するためのＡｕよりなる配線１１１を貫通孔１０６を通して第２基板の上面に取り出したものである。第２基板の上面には上部配線（不図示）およびワイヤーボンディング用パッド（不図示）が形成されており、ワイヤーボンディング等によって外部回路１１０と発熱体素子を電気的に接続することが可能となっている。
【００３９】
この吐出ヘッドを用いて、Ｃ．Ｉ．フードブラック２３．０重量％，ジエチレングリコール１５．０重量％，Ｎ−メチル−２−ピロリドン５．０重量％，イオン交換水７７．０重量％よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解させた後、孔径０．４５μｍのポリフッ化エチレン系繊維製フィルタで濾過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクを流路に供給し、発熱体素子を加熱するための外部回路を接続し、インクの吐出を試みた。
【００４０】
吐出ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、発泡および消泡の状況、吐出したインクを観察したところ、安定した吐出特性を得ることができた。
【００４１】
本実施例のインクジェットヘッドでは、貫通孔１０６と流路１０２が交差しないので、流路１０２内に電極棒および電極等を配置する必要がない。このため、流路内の液体の流れを妨げることがなく、安定した液滴の吐出を得ることができる。
【００４２】
（第２実施例）
実施例１の液体吐出ヘッドを図２のように５個配置した液体吐出ヘッドを作製した。本実施例では、図２に示したように貫通孔２０１を介して各発熱体素子２０２と電気的に接続した配線２０３を第２基板２０４上面に取り出し、第２基板２０４上面に配線２０３と電気的に接続した上部配線２０５および個別電極２０６および共通電極２０７を形成した。各液体吐出口２０８を間隔１４０μｍで配置することができた。図２に示した第２基板上面の上部配線および電極は一例であり、必要に応じて設計を変更することができる。
【００４３】
本実施例では、貫通孔２０１の大きさは３５μｍ×５μｍであり、これが配線２０３の断面積となる。
【００４４】
例えば、駆動電流が２００ｍＡの場合、配線２０３に流れる電流の密度は、約１．１×１０５Ａ／ｃｍ２である。
【００４５】
一方、従来技術を用いて本実施例と同様の集積密度を得るためには、第１基板２０９の発熱体素子２０２と同一平面上に線幅５μｍの配線を形成する必要がある。この場合、配線メタルの膜厚を０．５μｍとすると、２００ｍＡの電流で駆動したときの電流密度は、８．０×１０６Ａ／ｃｍ２に達する。例えば、Ａｌで該配線を形成した場合、このような電流密度が印加されると該Ａｌ配線が溶断する可能性があり、信頼性や耐久性の面で問題があり、配線幅を太くする必要がある。本実施例では、貫通孔２０１内を配線材料で埋め込むことにより配線２０３を形成したことにより、発熱体素子を高密度で配置することが可能となった。また、基板上面に電極を形成したため、ワイヤーボンディング等を用いた外部回路との接続が容易になった。
【００４６】
（第３実施例）
本実施例では、図３に示した液体吐出ヘッドを作製した。図３は、図１におけるＢ−Ｂ’断面図に対応した断面を示す図である。本実施例の液体吐出ヘッドでは、となりあった発熱体素子３０１を千鳥状に配置してある。また、各発熱体素子３０１の両端と接続した配線のうちの配線３０２は貫通孔３０３を介して第１基板３０４下面に取り出してあり、配線３０５は貫通孔３０６を介して第２基板３０７上面に取り出してある。第１基板３０４下面は全面にＡｕ膜を蒸着して共通電極３０８としてあり、第２基板３０７上面には、各発熱体素子３０１に駆動電圧を印加するための個別電極（不図示）および上部配線３０９が形成されている。本実施例では、液体吐出口３１０を間隔１１０μｍで配置することができた。
【００４７】
本実施例では、発熱体素子３０１を干鳥状に配置したことにより、実施例２と比較して高密度に発熱体素子３０１を配置することが可能となり、液体吐出口３１０を高密度に配置することが可能となった。また、基板上下両面に個別電極もしくは共通電極を形成することにより、基板面積を有効に活用することが可能となった。
【００４８】
（第４実施例）
第２実施例の液体吐出ヘッドを装備し、発熱体駆動用電気回路を複数備え、該吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、該吐出ヘッドと被記録ヘッドとの相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低く、耐久性が高いものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施例の液体吐出ヘッドを示す図。
【図２】本発明の第２実施例の液体吐出ヘッドを示す図。
【図３】本発明の第３実施例の液体吐出ヘッドを示す図。
【図４】従来技術の液体吐出ベッドで用いられている配線パターンを示す図。
【図５】従来技術の液体吐出ヘッドを示す図。
【図６】従来技術の液体吐出ヘッドを示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１０１  第１基板
１０２  流路
１０３  第１の溝
１０４  発熱体素子
１０５  第２の溝
１０６  貫通孔
１０７  第２基板
１０８  液体供給口
１０９  液体吐出口
１１０  外部回路
１１１  配線
２０１  貫通孔
２０２  発熱体素子
２０３  配線
２０４  第２基板
２０５  上部配線
２０６  個別電極
２０７  共通電極
２０８  液体吐出口
２０９  第１基板
３０１  発熱体素子
３０２  配線
３０３  貫通孔
３０４  第１基板
３０５  配線
３０６  貫通孔
３０７  第２基板
３０８  共通電極
３０９  上部配線
４０１  基板
４０２  発熱体（薄膜抵抗体）
４０３  薄膜配線
５０１  流路
５０２  電極棒
５０３  電極
５０４  発熱体素子
６０１  基板
６０２  インク室（凹所）
６０３  ヒーター要素（発熱体素子）
６０４  リード部（配線）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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