(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板に接合されている天板と、前記基板と前記天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板に固定されている固定端と、前記液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、
前記可動部材は、前記基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、前記下部保護層の前記基板と対向する面は平坦であり、前記発熱抵抗層の発熱部は前記可動部材の幅方向に対して対称に形成され、前記発熱部に電圧が印加されることで前記液流路内の液体を該可動部材と前記基板との間で発泡させ該液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記上部電極層および前記下部電極層は高融点金属で形成されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記絶縁層はＳｉＮである請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記発熱抵抗層は、前記発熱部の吐出方向上流および下流にて前記下部電極層と電気的に接続されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記上部電極層および前記下部電極層が前記可動部材の表面側から裏面にわたるように形成されている請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、
該調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記調整用ヒータには、前記発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加され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】
前記天板には電圧コンバーターが設けられており、該電圧コンバーターにより前記調整用ヒータに印加される電圧が前記発熱部に印加される電圧よりも低くなっている請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記調整用ヒータには前記発熱部に接続される電源とは異なる電源が接続されることにより、前記調整用ヒータに印加される電圧が前記発熱部に印加される電圧よりも低くなっている請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記調整用ヒータに接続される電源はロジック回路用電源である請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記調整用ヒータは前記発熱部の吐出方向下流側に設けられる請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、インクジェットプリンター等に用いられる微小電気機械装置の一例である液体吐出ヘッドには、液流路内の液体を加熱して発泡させ、発泡時の圧力により液体を吐出口から吐出させるものがある。液体を加熱するために、素子基板上には吐出用ヒータが配設されており、駆動電圧は素子基板上の配線を介して吐出用ヒータに供給される。
【０００３】
近年、このような液体吐出ヘッドにおいて、発泡時の気泡の大部分を吐出口側に導いて、吐出効率を向上させるために、液流路内に一端支持の片持ち梁状の可動部材を配設した構成が提案されている。この可動部材は、素子基板上に一端が固定的に支持され、他端が液流路内に延びることにより、素子基板上にある間隔をおいて保持され、かつ液流路内で発泡圧力等により変位可能に構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、上述の可動部材を液流路内に有する液体吐出ヘッドのうち、特開平10-76659号公報では、可動部材に吐出用ヒータを設ける構成が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特開平10-76659号公報に記載の吐出用ヒータの構成は、図１４のように可動部材表面を折り返すように電気熱変換体の電極1204,1205が形成されている。このような電気熱変換体のレイアウトでは、吐出用ヒータ1206の位置が可動部材の幅方向で非対称になり、発泡の際に可動部材がねじれやすくなるため、可動部材の耐久性を必ずしも充分に満足できない場合があった。また、電極の幅も十分には取れないため大電流を流すことには適した構造とはなっていない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、液流路内の可動部材に吐出用ヒータを有する場合に耐久性と信頼性に富んだ液体吐出ヘッドを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、下部保護層の基板と対向する面は平坦であり、発熱抵抗層の発熱部は可動部材の幅方向に対して対称に形成され、発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出することにある。
【００１０】
なお、上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていることが好ましい。
【００１１】
絶縁層はＳｉＮであることが好ましい。
【００１２】
発熱抵抗層は、発熱部の吐出方向上流および下流にて下部電極層と電気的に接続されていることが好ましい。
【００１３】
上部電極層および下部電極層が可動部材の表面側から裏面にわたるように形成されていることが好ましい。
また、発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、該調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、をさらに有していてもよい。
【００１４】
調整用ヒータには、前記発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加されるようになっていてもよい。
【００１５】
天板には電圧コンバーターが設けられており、電圧コンバーターにより調整用ヒータに印加される電圧が発熱部に印加される電圧よりも低くなっていてもよい。
【００１６】
調整用ヒータには発熱部に接続される電源とは異なる電源が接続されることにより調整用ヒータに印加される電圧が発熱部に印加される電圧よりも低くなっていてもよい。
【００１７】
調整用ヒータに接続される電源はロジック回路用電源であってもよい。
【００１８】
調整用ヒータは発熱部の吐出方向下流側に設けられていてもよい。
【００１９】
調整用ヒータは発熱部の吐出方向上流側に設けられていてもよい。
【００２０】
調整用ヒータは複数設けられ、且つ、発熱部の吐出方向上流側と下流側にそれぞれ設けられていてもよい。
【００２１】
調整用ヒータは発熱部よりも面積が小さいことが好ましい。
【００２２】
調整用ヒータ用ドライバは発熱部用ドライバよりも面積が小さいことが好ましい。
【００２３】
発熱部用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であってもよい。
【００２４】
天板は、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していてもよい。
【００２５】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域（または可動部材）を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、またはこの構成上の方向に関しての表現として用いられる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１には本発明の第１の実施形態を示している。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、素子基板１と天板３とで構成される液流路７内に設置された素子基板1側に吐出用ヒータ２０７を備えた可動部材２０６を有する。可動部材２０６は、液流路７を吐出口５に連通した第１の液流路７ａと、気泡発生領域１０を有する第２の液流路７ｂとに分けるように、素子基板1に対面して配置された片持梁状の薄膜であり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で形成される。
【００２９】
この可動部材２０６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材２０６を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、素子基板1に面した位置に素子基板1を覆うような状態で素子基板1から所定の距離を隔てて配されている。この素子基板1と可動部材２０６に設けられた吐出用ヒータ２０７との間が気泡発生領域１０となる。
【００３０】
天板３は、各吐出用ヒータ２０７に対応した複数の液流路７および各液流路７に液体を供給するための共通液室８を構成するためのもので、天井部分から各吐出用ヒータ２の間に延びる液流路側壁９が一体的に設けられている。天板３はシリコン系の材料で構成され、液流路７および共通液室８のパターンをエッチングで形成したり、シリコン基板上にＣＶＤ法等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、液流路側壁９となる材料を堆積した後、液流路７の部分をエッチングして形成することができる。
【００３１】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応しそれぞれ液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍ程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３に液流路７を形成する際に天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【００３２】
上記構成に基づき、吐出用ヒータ２０７を発熱させると、素子基板1と吐出用ヒータ２０７との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより吐出用ヒータ２０７表面上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材２０６に優先的に作用し、可動部材２０６は図１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材２０６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００３３】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材２０６を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００３４】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材２０６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材２０６も最終的には図１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材２０６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００３５】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出用ヒータ２０７を駆動したり、その駆動を制御したりするための回路や素子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板３に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板３がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００３６】
次に、可動部材２０６の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。
【００３７】
まず、ＩＣが形成され絶縁層５０２が積層されたシリコン基板５０１上に、配線５０３を、スパッタリング法によって約１μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングしている。次に、図２（ａ）に示すように、ＳｉＮからなる電極保護層５０４をＣＶＤ法によって１μｍの厚さに形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、Ａｌからなる間隙形成部材５０６をスパッタリング法によって約５μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングする。次に、図２（ｃ）に示すように、上層に、後に形成される発泡部の耐キャビテーション層（Ｔａ層）５０５を２０００オングストロームの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングする。次に、図３（ａ）に示すように、ＳｉＮからなるヒータ保護層５０７をＣＶＤ法によって０．１〜０．５μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって、スルーホール５２０，５２１を形成する。
【００３８】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＴａＮからなる抵抗層（吐出用ヒータ）５０８を１０００オングストロームの厚さに、図３（ｃ）に示すように、Ｃｕからなる配線５０９を３０００オングストロームの厚さに、スパッタリング法によって連続形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、電極と熱作用部とを形成する。これにより、抵抗層（吐出用ヒータ）５０８と接続される配線５０９が、スルーホール５２０を介して配線５０３と接続される。
【００３９】
また、後述する上下折り返し配線５１１とＶＨ配線（信号電圧供給用の配線）の接続性をよくするために、間隙形成部材５０６のスルーホール５２１を覆うように、Ｃｕからなる配線５０９が電極部として形成される。
【００４０】
次に、図４（ａ）に示すように、ＳｉＯからなる蓄熱層５１０が、ＣＶＤ法によって２.０μｍの厚さに形成され、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、ＶＨ配線上の電極部５０９上と抵抗層５０８の上下折り返し部分の配線５０９上にスルーホール５２２，５２３が形成される。
【００４１】
次に、図４（ｂ）に示すように、Ｃｕからなる上下折り返し線である配線５１１が、スパッタリング法によって５０００オングストロームの厚さに形成される。そしてフォトリソグラフィ法およびエッチング法によって所定のパターンにパターニングされ、その結果、抵抗層５０８と配線５０３を接続する上下折り返し配線５０９，５１１が形成される。
【００４２】
次に、図４（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなる、上下折り返し配線の保護層５１２が、ＣＶＤ法によって１μｍの厚さに形成される。次に、この保護層５１２から、耐キャビテーション層５０５まで連続して、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって、可動部材２０６の形状にパターニングされる。そして、間隙形成部材５０６の一部をウェットエッチング法によって除去し、可動部材２０６を形成する。最後にフォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、外部との接続用の電極パッドを形成し、図５に示す状態となる。
【００４３】
なお、素子基板１および天板３には、ヒータが設けられていないので、前記した可動部材２０６に接続するための配線以外の配線等は形成されていない。
【００４４】
このように、基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層されたものであり、発熱抵抗層の発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出する構成であると、可動部材における発泡面をフラットにすることができ、発熱部の耐久性を向上させることができる。
【００４５】
上記構成は、基板上に間隙形成部材を設ける工程と、間隙形成部材上に、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層する工程と、間隙形成部材を除去することにより片持ち梁状の可動部材を形成する工程とによって形成することができる。
【００４６】
このようにして形成した可動部材内に形成された吐出用ヒータ２０７は、抵抗層５０８より下方の層が上方の層よりも薄い層構造となっているため、下層側に発泡を生じる。また、発泡時の反作用によって可動部材２０６が上方に跳ね上がるため、後方へのインクの逃げが少なくなり発泡効率が上がる。また、消泡部分が、発泡面の動きによって、面に固定されないため、キャビテーション集中が起こりにくく、基板５０１等の寿命が向上する。  さらに、吐出用ヒータを可動部材の幅方向で対称に形成でき、可動部材の動作中のねじれを低減できる。そして、発泡面側に電極の段差がなく、平坦な構造になっているため、熱衝撃の影響を受けにくく可動部材の寿命が向上する。また、可動部材の主材料となる絶縁層は、通常、セラミック材で構成されるが、このセラミック材の両面に電極が設けられることにより、絶縁層が補強され、可動部材の耐久性がいっそう向上する構成となっている。
【００４７】
さらに、上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていると、両電極層のヒロックや応力ひずみを防止することができる。
【００４８】
［第２の実施形態］
図６には本発明の第２の実施形態を示している。本実施形態では、可動部材２０６に吐出用ヒータ２０７が設けられ、さらに第１の実施形態と同様に天板３に加熱用ヒータ２０８が形成されている。
【００４９】
まず、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第１の基板と第２の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【００５０】
この回路構成を図７に概略的に示す。図７（ａ）に示すように、基板１には、複数の吐出用ヒータおよびそのドライバと、時分割制御ロジック回路と、シフトレジスタが設けられている。図７（ｂ）に示すように、天板３には、加熱用ヒータ（調整用ヒータ，コントロールヒータ）およびセンサと、そのドライバと、電圧コンバーターと、メモリ等を含む制御回路が設けられている。加熱用ヒータとセンサとはサイズの最適化ができるので、ドライバも含めて小型化が可能である。この電圧コンバーターは、調整用（加熱用）ヒータへの印加電圧を吐出用ヒータへの印加電圧よりも低くするために設けられている。
【００５１】
本実施形態では、液体の温度に応じて加熱用ヒータ２０８が作動して液体の粘度を調節することによって、吐出性能を常に一定に保つようにしている。すなわち、吐出口付近の液体が高粘度である場合、加熱用ヒータ２０８が適宜のタイミングで作動して局部的に加熱し液体の粘度を低下させることができる。それによって、所望の吐出特性が得られる。加熱用ヒータ２０８は、吐出用ヒータの真上または吐出口寄りに配置されており、前方および弁周辺の粘性抵抗を軽減でき、安定した吐出が可能となる。この加熱用ヒータ２０８を天板３に作り込むことにより、液体吐出ヘッド自体が小型化できる。また、この加熱用ヒータ２０８およびその駆動素子等は、素子基板１に設けられている吐出用ヒータ２０７やその駆動素子や配線パターンとは無関係に任意の位置に配置することができるので、吐出用の液体を加熱するために最適なところに配置可能であるとともに、スペース的に自由度が高いので、各部材をコンパクトにまとめて配置して液体吐出ヘッド自体を小型化することが可能である。
【００５２】
この加熱用ヒータ２０８を天板３に配置した構成の利点について、さらに詳細に説明する。本構成では、素子基板１に半導体プロセスを用いて吐出用ヒータ２０７を構成し、素子基板１と接合することにより液流路７を構成する天板３に、各液流路７毎に吐出量を制御する加熱用ヒータ２０８とその加熱用ヒータ２０８を駆動するための駆動素子（ドライバ）および駆動制御回路を配置している。それにより、加熱用ヒータ２０８の抵抗や形状や駆動電圧や駆動パルス幅などの自由度が大きい。例えば、図１０（ａ）に示すように、加熱用ヒータ２０８を吐出用ヒータ２０７と同一電圧で短いパルスにより駆動することも、図１０（ｂ）に示すように、加熱用ヒータ２０８を吐出用ヒータ２よりも低い電圧で長いパルスにより駆動することも可能である。これは、加熱用ヒータ２０８が天板３に配置されるので、吐出用ヒータ２０７の発泡条件からくる制約から解放されるからである。また、近年の記録素子の高密度化（３６０ｄｐｉ以上）に伴い、レイアウト上、吐出用ヒータ２が設けられる素子基板１に、加熱用ヒータ２０８およびそれを駆動する駆動素子（ドライバ）や制御ロジック回路を、前記したような駆動パルス幅等の自由度を確保しつつ搭載することは困難である。しかしながら、本実施形態では、加熱用ヒータ２０８および加熱用ヒータ用ドライバを天板３に搭載する構成であるため、前記した自由度を確保しながら実現することが可能である。
【００５３】
また、液体の吐出量は、発泡中心から前方の流抵抗と後方の流抵抗とのバランスにより変動するものであり、後方の流抵抗を一定とした場合、前方の流抵抗が小さいほど液体吐出量が増加する。そこで本実施形態では、発泡前に前方の液体のみを吐出用ヒータの射出方向下流に設けられた加熱用ヒータ２０８にて暖める。すなわち、前方の液体のみを暖める程度の加熱作用を生じるような駆動パルスを加熱用ヒータ２０８に供給する。こうして、加熱用ヒータ２０８に印加するエネルギーを制御して、液体の粘度を制御し前方の流抵抗を実質的に変化させることにより、吐出量を制御できる。
【００５４】
従来、同一基板上の吐出用ヒータの前方に加熱用ヒータを配置する構成が存在していたが、この場合、加熱用ヒータを前方に配置することはレイアウト上の制約が大きく困難であった。しかし本実施形態では、個々の加熱用ヒータ２０８に対応して独立した駆動素子（ドライバ）などを設け、吐出用ヒータの駆動電圧よりも低い駆動電圧を供給することができるため、加熱用ヒータ２０８を最適な大きさ、位置に配置することができる。しかも、チップ全体の大きさを大型化することはない。なお、加熱用ヒータへの印加電圧を吐出用ヒータへの印加電圧より低くする手段としては、電圧コンバーターを用いる以外に、天板に別電源を接続することにより行うことができる。また、ロジック回路電源を別電源として用いれば新たに電源を増やす必要はない。
【００５５】
さらに、吐出用ヒータ用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であると、吐出用ヒータと調整用ヒータとを同期させて駆動させることが可能になる。
【００５６】
天板が、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していると、吐出用ヒータと独立して液流路内の状態を調整用ヒータで調整することが可能となる。
【００５７】
次に、素子基板１および天板３への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【００５８】
図８は、図６に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図８（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【００５９】
図８（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の吐出用ヒータ２０７と、画像データに応じてこれら吐出用ヒータ２０７を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、吐出用ヒータ２の駆動条件を制御するために必要なパラメータを測定するセンサ１３とが設けられている。
【００６０】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各吐出用ヒータ２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、吐出用ヒータ２０７の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【００６１】
センサ１３としては、吐出用ヒータ２０７の近傍の温度を測定する温度センサや、吐出用ヒータ２０７の抵抗値をモニタするための抵抗センサ等が用いられる。
【００６２】
噴射される液滴の吐出量を考えた場合、その吐出量は主に液体の発泡体積に関係する。液体の発泡体積は、吐出用ヒータ２０７およびその周辺の温度によって変化する。そこで、温度センサによって吐出用ヒータ２０７および周辺の温度を測定し、その結果に応じて液体吐出のためのヒートパルスを印加する前に、液体を吐出しない程度の小さいエネルギーのパルス（プレヒートパルス）を加え、そのプレヒートパルスのパルス幅や、その出力タイミングを変更することにより吐出用ヒータ２０７および周辺の温度を調整して、一定の液滴を吐出するようにして画像品位を維持することが行われる。
【００６３】
また、吐出用ヒータ２０７における、液体を発泡させるのに必要なエネルギーを考えた場合、放熱条件が一定であれば、そのエネルギーは吐出用ヒータ２０７の必要な単位面積当たりの投入エネルギーと吐出用ヒータ２０７の面積の積で表わされる。これにより、吐出用ヒータ２０７の両端にかかる電圧、吐出用ヒータ２０７を流れる電流およびパルス幅を、その必要なエネルギーが得られる値に設定すればよい。ここで吐出用ヒータ２０７に印加される電圧については、液体吐出装置本体の電源により電圧を供給することにより、ほぼ一定に保持することができる。一方、吐出用ヒータ２０７を流れる電流については、吐出用ヒータ２０７の抵抗値が、素子基板１の製造過程における吐出用ヒータ２０７の膜厚のばらつき等により、ロットにより、あるいは素子基板１によって抵抗値が異なってくる。従って、印加されるパルス幅が一定で、吐出用ヒータ２０７の抵抗値が設定よりも大きい場合はその流れる電流値が小さくなり、吐出用ヒータ２０７に投入されるエネルギー量が不足してしまい、液体を適正に発泡させることができなくなる。逆に、吐出用ヒータ２０７の抵抗値が小さくなると、同じ電圧を印加しても電流値が設定値よりも大きくなる。この場合には、吐出用ヒータ２０７により過剰なエネルギーが発生され、吐出用ヒータ２０７の損傷や短寿命につながるおそれがある。そこで、抵抗センサによって吐出用ヒータ２０７の抵抗値を常にモニタし、その値により電源電圧やヒートパルス幅を変化させ、吐出用ヒータ２０７にほぼ一定のエネルギーが印加されるようにする方法もある。
【００６４】
一方、図８（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて吐出用ヒータ２０７の駆動条件を制御する吐出用ヒータ制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【００６５】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【００６６】
ここで、素子基板１および天板３への回路等の形成手順の一例について説明する。
【００６７】
素子基板１については、まず、シリコン基板上に、上記ドライバ１１、画像データ転送部１２およびセンサ１３を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、前述したようにして吐出用ヒータ２を形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１４および外部コンタクトパッド１５を形成する。
【００６８】
天板３については、まず、シリコン基板上に、上記吐出用ヒータ制御部１６およびセンサ駆動部１７を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、上述したように、成膜技術およびエッチングによって、液液流路や共通液室を構成する溝３ａ，３ｂおよび供給口３ｃを形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１８を形成する。
【００６９】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して吐出用ヒータ２０７が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。  なお、以上の説明においては、素子基板１に設けられた吐出用ヒータ２０７の電気的接続のための構成について詳細に説明したが、天板３に設けられた加熱用ヒータ２０８の電気的接続のための構成に関しても、前記したものと実質的に同様な構成が天板３等に設けられる。前記の説明と重複するためここでは説明を省略する。
【００７０】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図９に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図９において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【００７１】
以上説明したように、吐出用ヒータ２０７の駆動や制御のための各種回路等を素子基板１と天板３とに両者の電気的接合を考慮した上で振り分けることで、これらの回路等が１つの基板に集中しなくなるので、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。また、素子基板１に設けられた回路等と天板３に設けられた回路等との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、ヘッド外部への電気的接続部の数が減り、信頼性の向上、部品点数の削減、ヘッドのより一層の小型化を実現することができる。
【００７２】
また、上述した回路等を素子基板１と天板３とに分散させることで、素子基板１の歩留まりを向上させることができ、その結果、液体吐出ヘッドの製造コストを下げることができる。さらに、素子基板１および天板３を、シリコンという同一材料をベースとした材料で構成しているため、素子基板１と天板３との熱膨張係数が等しくなる。その結果、吐出用ヒータ２０７の駆動により素子基板１および天板３が熱膨張しても両者にずれは生じなくなり、吐出用ヒータ２０７と液流路７との位置精度が良好に維持される。
【００７３】
本実施形態では上述の各回路等をその機能に応じて振り分けているが、この振り分けの基準となる考え方について以下に述べる。
【００７４】
各吐出用ヒータ２０７に個別またはブロック単位に電気配線接続で対応する回路は、素子基板１に形成する。図８に示した例では、ドライバ１１および画像データ転送部１２がこれに相当する。各吐出用ヒータ２０７には駆動信号がパラレルに与えられるので、その信号分だけ配線の引き回しが必要となる。従って、このような回路を天板３に形成すると、素子基板１と天板３との接続数が多くなり接続不良が発生する可能性が高くなるが、素子基板１に形成することで、吐出用ヒータ２０７と上記回路との接続不良が防止される。
【００７５】
制御回路などアナログ的な部分は、熱の影響を受け易いことから、吐出用ヒータ２０７が設けられていない基板すなわち天板３に設ける。図８に示した例では、吐出用ヒータ制御部１６がこれに相当する。
【００７６】
センサ１３は、必要に応じて素子基板１に設けてもよいし、天板３に設けてもよい。例えば抵抗センサである場合には、抵抗センサは素子基板１上に設けないと意味がなかったり測定精度が低下したりするため素子基板１に設ける。また、温度センサの場合には、ヒータ駆動回路の異常による温度上昇などを検知する場合には素子基板１上に設けることが好ましいが、後述するインクを介しての温度上昇によりインクの状態を判断したい場合には、天板３、或いは素子基板１と天板３との双方に設けることが好ましい。
【００７７】
その他、各吐出用ヒータ２に個別にもブロック単位にも電気配線接続で対応していない回路、必ずしも素子基板１に設けなくてもよい回路、天板３に設けても測定精度には影響しないセンサ等は、素子基板１および天板３のいずれか一方に集中しないように必要に応じて素子基板１または天板３に形成する。図８に示した例では、センサ駆動部１７がこれに相当する。
【００７８】
上記の考え方に基づいて各回路やセンサ等を素子基板１と天板３とに設けることで、素子基板１と天板３との電気的接続数をできるだけ少なくしつつも、各回路やセンサ等をバランスよく振り分けることができる。
【００７９】
このように、素子基板１に多数設けられている吐出用ヒータ２０７に個々に対応して直接接続される駆動素子等は、素子基板１に配置することが好ましいが、この駆動素子の駆動タイミングを制御する回路等は必ずしも素子基板１に配置する必要はなく、素子基板１と天板３のいずれかの空いたスペースに適宜配置すればよい。このことは、加熱用ヒータ２０８に関しても同様である。すなわち、天板３に多数設けられている加熱用ヒータ２０８に個々に対応して直接接続される駆動素子等は、天板３に配置されるが、この駆動素子の駆動タイミングを制御する回路等は、素子基板１と天板３のいずれかの空いたスペースに適宜配置される。
【００８０】
［第３の実施形態］
図１１には本発明の第３の実施形態を示している。第１、２の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、１つの液流路７内に２つの加熱用ヒータ２０９が吐出ヒータ２０７の上流および下流にそれぞれ配設されている。この構成によると、液体吐出後のリフィル（再充填）特性が向上するとともに、メニスカスの安定が図れるという効果がある。
【００８１】
［第４の実施形態］
図１２には本発明の第４の実施形態を示している。第１〜３の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に素子基板１に吐出用ヒータ２０７が設けられ、さらに天板３に設けられた可動部材２１０に加熱用ヒータ２１１が形成されている。天板３の自体の構成は、第１の実施形態と同様であり、可動部材２１１の構成は第６の実施形態の可動部材２０６と実質的に同じであり、その製造方法は素子基板１を天板３に置換する以外、特に変更すべき点はない。本実施形態によると、加熱用ヒータ２１１により液体の粘度を低くし、吐出性能を保つことができる。特に、加熱用ヒータ２１１が液流路７中に位置する可動部材２１０に形成されているので、加熱効率がよい。そして、吐出用ヒータ２およびその駆動素子は素子基板１に、加熱用ヒータ２１１およびその駆動素子は可動部材２１０に、それぞれ振り分けて配設されているので、スペースの節約ができるとともに、それぞれ異なる所望の駆動を行うことが容易にできる。
【００８２】
［第５の実施形態］
図１３には本発明の第５の実施形態を示している。第１〜４の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、第９の実施形態と同様に、素子基板１に吐出用ヒータ２が設けられ、可動部材２１０に加熱用ヒータ２１１が設けられ、さらに第１の実施形態と同様に天板３にもう１つの加熱用ヒータ２１２が形成されている。天板３の構成は、第１の実施形態と同様である。本実施形態によると、第９の実施形態の効果に加えて、液体吐出後のリフィル（再充填）特性が向上するとともに、メニスカスの安定が図れるという効果がある。
【００８３】
【発明の効果】
基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、下部保護層の基板と対向する面は平坦であり、発熱抵抗層の発熱部は可動部材の幅方向に対して対称に形成され、発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出する構成であると、可動部材における発泡面をフラットにすることができ、発熱部の耐久性を向上させることができる。
【００８４】
上記構成は、基板上に間隙形成部材を設ける工程と、間隙形成部材上に、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層する工程と、間隙形成部材を除去することにより片持ち梁状の可動部材を形成する工程とによって形成することができる。
【００８５】
上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていると、両電極層のヒロックや応力ひずみを防止することができる。
【００８６】
発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、が設けられているとともに、調整用ヒータには、発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加される構成であると、機能に応じて最適な場所に配置することができ、従来より高密度配置が可能となり、ヘッドの小型化にも寄与する。さらに、チップの製造歩留まりを向上させ、ヘッドの製造コストを下げることができる。また、発熱部と機能素子とを独立して制御することができるので、最適な駆動を行うことができる。
【００８７】
液流路中に配置される可動部材に発熱部または機能素子を設ける構成とすると、省スペース化およびヘッドの小型化に効果的であるとともに、液体加熱の効率が向上する。
【００８８】
調整用ヒータに接続される電源がロジック回路用電源であると、新たに電源を用意する必要がなくなる。
【００８９】
調整用ヒータが発熱部の吐出方向下流側に設けられていると、吐出口近傍の液体の粘度をコントロールできることから、吐出量の制御を行うことができる。
【００９０】
調整用ヒータが発熱部の吐出方向上流側に設けられていると、液体吐出後のリフィル特性を向上することができる。
【００９１】
調整用ヒータが複数設けられ、且つ、発熱部の吐出方向上流側と下流側にそれぞれ設けられていると、液体吐出後のリフィル特性を向上させることができるとともに、メニスカスの安定が図れる。
【００９２】
調整用ヒータが発熱部よりも面積が小さいと、液流路内の発熱部に対して所望の位置にレイアウトすることができる。
【００９３】
発熱部用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であると、発熱部と調整用ヒータとを同期させて駆動させることが可能になる。
【００９４】
天板が、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していると、発熱部と独立して液流路内の状態を調整用ヒータで調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の前半の工程を説明するための断面図である。
【図３】第１の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の中間の工程を説明するための断面図である。
【図４】第１の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の後半の工程を説明するための断面図である。
【図５】第１の実施形態の液体吐出ヘッドの部分拡大断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図７】（ａ）は図６に示した液体吐出ヘッドの基板の概略図、（ｂ）は天板の概略図である。
【図８】図６に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。
【図９】図６に示す液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図１０】（ａ）は図６に示す液体吐出ヘッドの吐出用ヒータと加熱用ヒータの駆動パルスの一例を示す波形図、（ｂ）はその他の例を示す波形図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態の液体吐出ヘッドの構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図１４】従来の可動部材上に吐出用ヒータを設けた構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１      素子基板
３      天板
３ａ，３ｂ  溝
３ｃ    供給口
５      吐出口
４      オリフィスプレート
６ａ    支点
６ｂ    自由端
７      液流路
７ａ    第１の液流路
７ｂ    第２の液流路
８      共通液室
９      液流路側壁
１０    気泡発生領域
１１    ドライバ
１２    画像データ転送部
１３    センサ
１４    接続用コンタクトパッド
１５    外部コンタクトパッド
１６    吐出用ヒータ制御部
１７    センサ駆動部
１８    接続用コンタクトパッド
２０    液体吐出ヘッドユニット
２２    ベース基板
２３    プリント配線基板
２０６  可動部材
２０７  吐出用ヒータ
２０８，２０９  加熱用ヒータ
２１０  可動部材
２１１，２１２  加熱用ヒータ
５０１  基板
５０２  絶縁層
５０３  配線
５０４  電極保護層
５０５  耐キャビテーション層
５０６  間隙形成部材
５０７  ヒータ保護層
５０８  抵抗層
５０９  配線
５１０  蓄熱層
５１１  配線
５１２  保護層゜
５２０，５２１，５２２，５２３  スルーホール
【図１】
0004194224.tif 000002
【図２】
0004194224.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004194224.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004194224.tif 000007
【図７】
0004194224.tif 000008
【図８】
0004194224.tif 000009
【図９】
0004194224.tif 000010
【図１０】
0004194224.tif 000011
【図１１】
0004194224.tif 000012
【図１２】
0004194224.tif 000013
【図１３】
0004194224.tif 000014
【図１４】
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