JP2000343695A

JP2000343695A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置

Info

Publication number: JP2000343695A
Application number: JP15773699A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Imanaka; 良行今仲; Masahiko Kubota; 雅彦久保田; Akihiro Yamanaka; 昭弘山中; Hiroyuki Ishinaga; 博之石永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】より安定した液体吐出が可能な液体吐出ヘッ
ドを提供する。【解決手段】互いに接合されることで、複数の吐出口
とそれぞれ連通する複数の液流路を構成する素子基板３
１および天板３３を有する。素子基板３１に、電気エネ
ルギーを上記液流路内の液体を吐出するためのエネルギ
ーに変換する発熱体３２が各液流路毎に形成され、天板
３３に、上記液流路内の液体の状態を検出するセンサが
各液流路毎に形成され（センサ部１１）、さらにこれら
センサの出力を増幅する増幅機１３が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーを利
用して液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびそのヘッド
を用いる液体吐出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の液体吐出ヘッドは、液体（イン
クなど）の吐出を安定に行うための種々の機構を備えて
いる。一例として、特開平7-52387号公報には、インク
温度制御機能を備えたインクジェット記録ヘッドが開示
されている。このインクジェット記録ヘッドの概略構成
を図９に示し、そのインクジェット記録ヘッドのヘッド
基板に形成される温度制御部の構成を図１０に示す。

【０００３】図９において、インクジェット記録ヘッド
は、ヘッド基板５００上に複数のヒータＨｎが形成され
るとともに、これらヒータＨｎに対応したインク路を形
成するための隔壁５０１が形成され、該隔壁５０１に天
板５０２が接合されることにより、吐出口５０３、イン
ク路５０５及び共通液室５０４が形成された構成となっ
ている。ヘッド基板５００には、図１０に示すように、
ヘッド温度を検出するための温度センサ５１０と、ヘッ
ド温度を調節するためのサブヒータ５１１ａ，５１１ｂ
と、温度センサ５１０の出力に基づいてサブヒータ５１
１ａ，５１１ｂを駆動するための回路、すなわちアナロ
グ変換器５１２、増幅器５１３、比較器５１４、サブヒ
ータドライバ５１５からなる回路と、から構成される温
度制御回路が造り込まれている。

【０００４】上記インクジェット記録ヘッドでは、温度
センサ５１０の出力に応じてサブヒータ５１１ａ，５１
１ｂの駆動が制御され、これによりヘッド温度が所望の
温度範囲に維持される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】液体の吐出をより安定
して行うための機構として、上述したようなヘッド温度
制御以外に、ノズルの状態変化を細かく検出（各ノズル
毎に液体を介しての抵抗または温度の変化を検出）し
て、その結果に応じて液体吐出用ヒータ（発熱体）の駆
動を制御するといった手法が検討されている。しかしな
がら、そのようなノズルの状態変化を検出するセンサは
比較的に出力インピーダンスが高いため、その出力にヒ
ータ駆動電流などによるノイズがのり易い。そのため、
そのようなセンサをヒータ、駆動回路、ロジック素子な
どが形成される素子基板側に設けてしまうと、ヒータ駆
動電流ノイズなどによってその検出精度が低下するとい
う問題が生じる。特に、最近では、液体吐出ヘッドの多
ノズル化、高速化に伴ってヘッド基板に流れる電流（ヒ
ータ駆動電流）の量が増加しており、ノズルの状態変化
を細かくモニタする上で上記ノイズ問題は重要な課題の
１つとなっている。

【０００６】また、最近では、発熱体の駆動による熱膨
張により素子基板および天板にずれが生じないように、
素子基板および天板をシリコンという同一材料をベース
とした材料で構成するようにしたものが開発されてお
り、その結果、センサや種々の回路素子をその機能に応
じて素子基板および天板に振り分けて形成することが可
能となっているが、上記のようなノイズ問題を考慮した
ヘッドはこれまでになく、その開発が課題の１つとなっ
ていた。

【０００７】さらに、センサで出力された信号は増幅器
によって増幅することによりノイズの影響を受け難くす
ることができるが、センサと増幅器との距離が長くなる
とノイズをひろいやすくなるため、センサと増幅器との
位置関係においてもノイズ問題を考慮することは重要な
課題であった。

【０００８】本発明の目的は、上記課題を解決し、より
安定した液体吐出が可能な液体吐出ヘッド、およびその
液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の液体吐出ヘッドは、互いに接合されること
で、複数の吐出口とそれぞれ連通する複数の液流路を構
成する第１および第２の基板を有し、前記第１の基板
に、電気エネルギーを前記液流路内の液体を吐出するた
めのエネルギーに変換するエネルギー変換素子が各液流
路毎に形成され、前記第２の基板に、前記液流路内の液
体の状態を検出する検出素子が各液流路毎に形成される
とともに、これら検出素子の出力をそれぞれ増幅する増
幅手段が形成されていることを特徴とする。

【００１０】本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出
ヘッドを備え、前記液体吐出ヘッドを構成する第２の基
板の検出素子で得られた検出結果に基づいて、前記液体
吐出ヘッドを構成する第１の基板のエネルギー発生素子
を調整しながら駆動し、記録媒体に液体を吐出して記録
を行うことを特徴とする。

【００１１】上記のとおりの本発明によれば、検出素子
および増幅手段はエネルギー変換素子が形成される第１
の基板とは異なる第２の基板に形成されているので、エ
ネルギー変換素子を駆動する際に生じるノイズ（ヒータ
駆動電流ノイズ）が検出素子の出力にのりにくくなると
ともに、検出素子と増幅手段との距離を短くすることが
できるため検出精度を低下させるといった問題は生じな
い。

【００１２】また、本発明によれば、検出素子および増
幅手段は、エネルギー変換素子が形成される第１の基板
に比べて比較的配置スペースに余裕のある第２の基板に
形成されるので、前述の課題で述べたような配置スペー
スの問題は生じない。

【００１３】さらに、検出先切替スイッチ手段を備える
ものにおいては、各検出素子をシリアル駆動するように
構成されているので、第２の基板におけるそれら素子の
配置スペースが少なくて済む。

【００１４】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。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１６】まず、本発明に適用可能な液体吐出ヘッド
の構造の概略について説明する。本発明の適用可能な液
体吐出ヘッドは、素子基板および天板が互いに接合され
ることで、複数の吐出口とそれぞれ連通する複数の液流
路が形成される構造を有する。図２に、本発明に適用可
能な液体吐出ヘッドの一形態を示す。

【００１７】図２に示す液体吐出ヘッドは、液体に気泡
を発生させるための熱エネルギーを与える複数個（図２
では１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子
基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素
子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィス
プレート４と、素子基板１と天板３とで構成される液流
路７内に設置された可動部材６とを有する。

【００１８】素子基板１は、シリコン等の基板上に絶縁
および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリ
コン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵
抗層および配線をパターニングしたものである。この配
線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を
流すことで発熱体２が発熱する。

【００１９】天板３は、各発熱体２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、天井部分から各発熱体２
の間に延びる流路側壁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９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、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。さらに、この天板３は後述する本発明の特徴で
ある温度制御部の各回路素子をその製造過程において造
り込むことができる。

【００２０】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。

【００２１】可動部材６は、液流路７を吐出口５に連通
した第１の液流路７ａと、発熱体２を有する第２の液流
路７ｂとに分けるように、発熱体２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。

【００２２】この可動部材６は、液体の吐出動作によっ
て共通液室８から可動部材６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、発熱体２に面
した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所
定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部
材６との間が気泡発生領域１０となる。

【００２３】上記構成に基づき、発熱体２を発熱させる
と、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の
液体に熱が作用し、これにより発熱体２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６に優先的に作用し、可動部材６は図
２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６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。

【００２４】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
６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。

【００２５】一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材
６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部
材６も最終的には図２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６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。

【００２６】次に、本発明の液体吐出ヘッドの特徴であ
る、上記回路素子の配置について詳細に説明する。図１
は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板お
よび天板に形成される回路素子の構成を示す図である。

【００２７】図１（ａ）に示すように、素子基板３１
（図２の素子基板１に相当する。）には、一列に配列さ
れた発熱体３２（図２の発熱体２に相当する。）と、ド
ライバとして機能するパワートランジスタ４１と、パワ
ートランジスタ４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路
３９と、パワートランジスタ４１の駆動タイミングを制
御するための駆動タイミング制御ロジック回路３８と、
シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像デー
タ転送回路４２と、発熱体３２の抵抗値または温度を直
接検出するランクヒータ４３とが形成されている。

【００２８】駆動タイミング制御ロジック回路３８は、
装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体３２
を同時に通電するのではなく発熱体３２を分割駆動して
時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タ
イミング制御ロジック回路３８を駆動するイネーブル信
号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力
端子４５ｋ〜４５ｎから入力される。

【００２９】また、素子基板３１に設けられる外部コン
タクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子４５ｋ
〜４５ｎの他に、発熱体３２の駆動電源の入力端子４５
ａ、パワートランジスタ４１の接地端子４５ｂ、発熱体
３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号
用の入力端子４５ｃ〜４５ｅ、ロジック回路の駆動電源
端子４５ｆ、接地端子４５ｇ、画像データ転送回路４２
のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端
子４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の
入力端子４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロッ
ク信号の入力端子４５ｊがある。

【００３０】一方、図１（ｂ）に示すように、天板３３
（図２の天板３に相当する。）には、液体を介しての抵
抗値または温度の変化を検出するセンサが各流路毎に設
けられたセンサ部１１と、センサ部１１の各センサを順
次選択する検出先切替スイッチ１２と、検出先切替スイ
ッチ１２にて選択されたセンサの出力を増幅する増幅器
１３と、検出先切替スイッチ１２にて選択されたセンサ
およびランクヒータ４３を駆動するセンサ駆動回路４７
と、増幅器１３およびランクヒータ４３の出力をそれぞ
れモニタしその結果に応じて発熱体３２への印加エネル
ギーを制御する駆動信号制御回路４６と、センサ部１１
の各センサで検出される抵抗値データ（または温度デー
タ）あるいは抵抗値（または温度）からランク分けされ
たコード値、および予め測定されている各発熱体３２に
よる液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルス印加に
おける液体吐出量）をヘッド情報として記憶し駆動信号
制御回路４６に出力するメモリ４９とが形成されてい
る。

【００３１】また、接続用コンタクトパッドとして、素
子基板３１および天板３３には、ランクヒータ４３とセ
ンサ駆動回路４７とを接続する端子４４ｇ，４４ｈ，４
８ｇ，４８ｈ、外部から上記発熱体３２を駆動するエネ
ルギーを制御するために必要な信号用の入力端子４５ｃ
〜４５ｅと駆動信号制御回路４６とを接続する端子４４
ｂ〜４４ｄ，４８ｂ〜４８ｄ、駆動信号制御回路４６の
出力をＡＮＤ回路３９の一方の入力端子に入力させるた
めの端子４８ａ等が設けられている。

【００３２】上述のように構成される本形態の液体吐出
ヘッドでは、ランクヒータ４３によって素子基板３１側
における発熱体３２（またはその近傍）の状態変化が直
接検出されるとともに、センサ部１１の各センサによっ
て各液流路毎の液体の状態変化が細かく検出され、これ
ら検出結果に基づいて発熱体３２の駆動制御が行われ
る。以下、各駆動制御について詳細に説明する。

【００３３】＜センサ部１１を用いた駆動制御＞センサ
部１１では、各液流路（ノズル）の状態変化、すなわち
液体を介した抵抗値または温度の変化が検出される。こ
こでは、センサ部１１を抵抗センサにより構成した場合
の動作を説明する。

【００３４】まず、検出先切替スイッチ１２によってセ
ンサ部１１の各センサのうちからセンサが１つ選択さ
れ、その選択されたセンサがセンサ駆動回路４７によっ
て駆動される。駆動されたセンサからの検出結果（抵抗
値データ）は、増幅器１３を介してメモリ４３に入力さ
れ記憶される。駆動信号制御回路４６では、上記メモリ
４９に記憶された抵抗値データおよび液体吐出量特性に
応じて発熱体３２の駆動パルスの立ち上がりデータおよ
び立ち下がりデータを決定し、端子４８ａ，４４ａを介
してＡＮＤ回路３９に出力する。続いて、検出先切替ス
イッチ１２によってセンサ部１１のセンサのうちから別
のセンサが選択され、同様にして検出結果がメモリ４９
に記憶され、発熱体３２の駆動パルスの立ち上がりデー
タおよび立ち下がりデータがＡＮＤ回路３９へ出力され
る。このようにして、検出先切替スイッチ１２にてセン
サ部１１のセンサが順次選択され、それぞれのセンサの
検出結果に基づく立ち上がりデータおよび立ち下がりデ
ータがＡＮＤ回路３９へ出力される。一方、シリアルで
入力された画像データは、画像データ転送回路４２のシ
フトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路
にラッチされて、駆動タイミング制御回路３８を介して
ＡＮＤ回路３９に出力される。これにより、立ち上がり
データおよび立ち下がりデータに応じてヒートパルスの
パルス幅が決定され、このパルス幅で発熱体３２への通
電が行われる。この結果、各吐出口での液体吐出量は一
定になる。

【００３５】なお、センサ部１１を構成するセンサとし
て温度センサを用い、液体を介した温度変化の検出を行
うようにした場合は、センサ部１１の各温度センサが順
次選択されてその検出結果がメモリ４９に記憶されるこ
とになる。この場合、駆動信号制御回路４６では、メモ
リ４９に記憶された検出結果および液体吐出量特性に応
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、液流
路内の液体の温度を所望の範囲内に維持することが行わ
れる。これにより、液体の吐出量が各吐出口で一定にな
る。

【００３６】上記の温度センサを用いた駆動制御の場
合、プレヒート幅を決定する選択データの保存は、例え
ば液体吐出装置の起動時等に一度だけ行えばよい。この
場合には、液体吐出装置の電源が投入された後、予め測
定されている液体吐出量特性と、センサ部１１で検出さ
れた温度データに応じて、駆動信号制御回路４６は各発
熱体３２のプレヒート幅を決定する。メモリ４９には、
各発熱体３２に対応するプレヒート幅を選択するための
選択データが記憶されており、実際にプレヒートを行う
際に、メモリ４９に記憶されている選択データに従って
プレヒート信号が選択され、これに応じて発熱体３２が
プレヒートされる。

【００３７】上述の構造によれば、センサ部１１の各セ
ンサおよび増幅器は天板側に形成されているので、セン
サ部１１の各センサの出力及びセンサと増幅器との間で
素子基板３１側で発生するヒータ駆動電流ノイズの影響
が生じることはない。

【００３８】また、センサ駆動回路４７、駆動信号制御
回路４６、検出先切替スイッチ１２も天板側に形成され
ているので、これら回路に上記ヒータ駆動電流ノイズの
影響が生じることはない。

【００３９】さらに、検出先切替スイッチ１２を用いて
センサ部１１の各センサをシリアル駆動するように構成
されているので、天板３３におけるそれら回路の配置ス
ペースが少なくて済み、ヘッドの小型化を図ることがで
きる。

【００４０】上述の抵抗センサ、温度センサを用いた駆
動制御を応用して、液流路内の液体の粘度、濃度などを
検出し、それらの値が所望の範囲内に維持されるように
発熱体３２の駆動を制御することもできる。一例とし
て、図３（ａ）に、液流路内の液体の粘度を検出する機
能を備えた液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図
を示し、図３（ｂ）に、天板に設けられた粘度測定用回
路の概略図を示す。なお、図３（ａ）中、図２に示した
構成と同じ構成には同じ符号を付している。

【００４１】この例では、液体に気泡を発生させるため
の熱エネルギーを与える複数個（図３では１つのみ示
す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この
素子基板１上に接合され、粘度センサ２００の電極２０
０ａ、２００ｂが設けられた天板３と、素子基板１およ
び天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４
と、素子基板１と天板３とで構成される液流路７内に設
置された可動部材６とを有する。

【００４２】天板３の表面には、各第１の液流路７ａ内
の液体の粘度を測定するための粘度センサ２００が形成
されている。粘度センサ２００は、吐出口５付近に液体
に接するように設けられた電極２００ａ、２００ｂを有
し、これら電極は流れ方向に並列に配されている。

【００４３】粘度測定用回路は、図３（ｂ）に示すよう
に、電極２００ａ、２００ｂ間の液体の粘度に応じてそ
の抵抗値が変化する抵抗２０１と、基準となる抵抗値を
与えるための抵抗２０３と、バッファとしての機能を有
するオペアンプ２０４とから構成される。この粘度測定
用回路を構成する各回路素子は、半導体ウェハプロセス
により天板に形成される。

【００４４】上記粘度測定用回路では、粘度センサ２０
０を駆動する粘度センサ駆動回路（不図示）より印加さ
れる入力パルス電圧２０２と抵抗２０１の抵抗値とによ
って決まる出力電圧Ｖが、液体粘度の検出結果として得
られる。そして、この検出結果に基づいて上述したよう
な駆動制御が行われる。

【００４５】＜ランクヒータ４３を用いた駆動制御＞ラ
ンクヒータ４３は素子基板３１に形成されており、発熱
体３２の抵抗や素子基板３１の温度を直接検出する。ラ
ンクヒータ４３としては、発熱体３２の近傍の温度を直
接測定する温度センサや、発熱体３２の抵抗値を直接モ
ニタする抵抗センサ等が用いられる。このようなランク
ヒータ４３では、検出する温度または抵抗の変化が大き
いため、その出力に前述したヒータ駆動電流ノイズがの
るものの、その影響は少ない。

【００４６】上記ランクヒータ４３にて素子基板３１の
異常昇温が検出されると、その結果が駆動信号制御回路
４６へ送出される。駆動信号制御回路４６では、発熱体
３２の駆動を制限あるいは停止する動作が行われる。

【００４７】以上説明した発熱体３２の駆動制御におい
て、センサ部１１を、抵抗センサおよび温度センサの２
つのセンサをそれぞれ複数配置した構成とし、それぞれ
のセンサの検出結果に応じてヒートパルスおよびプレヒ
ートパルスの双方を制御することで、画像品位をより向
上させることもできる。

【００４８】また、センサ部１１は、発熱体３２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液体
の状態を検出するようにしてもよい。この場合、駆動信
号制御回路４６による発熱体３２の駆動制御および画像
データ転送部４２による画像データの出力もその分割ブ
ロック単位に行われる。これにより、印字速度の高速化
に容易に対応することができる。

【００４９】さらに、センサ部１１の各センサおよびラ
ンクヒータ４３の各出力結果をメモリ４９に記憶し、こ
れら検出結果と予め与えられている、該検出結果に応じ
た液体吐出特性とに基づいて、発熱体３２の駆動制御を
行うようにしてもよい。

【００５０】さらに、メモリ４９に記憶されるヘッド情
報としては、上述した発熱体の抵抗値データ等の他に、
吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インク
の色等）も含めることもできる。液体の種類によっては
その物性が異なり、吐出特性が異なるからである。これ
らのヘッド情報のメモリ４９への記憶は、この液体吐出
ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体
吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置
側から転送されることで行ってもよい。

【００５１】次に、素子基板３１および天板３３への回
路等の形成手順の一例について説明する。

【００５２】素子基板３１については、シリコン基板上
に、駆動タイミング制御ロジック回路３８、画像データ
転送部４２およびランクヒータ４３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した後、発熱体３
２を形成し、最後に、接続用コンタクトパッドおよび外
部コンタクトパッドを形成する。

【００５３】天板３３については、シリコン基板上に、
センサ部１１、検出先切替スイッチ１２、増幅器１３、
駆動信号制御回路４６およびセンサ駆動回路４７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した
後、成膜技術およびエッチングによって、液流路や共通
液室を構成する溝および供給口を形成し、最後に、接続
用コンタクトパッドを形成する。

【００５４】上記のように構成された素子基板３１と天
板３３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応
して発熱体３２が配置されるとともに、それぞれの接続
用パッドを介して素子基板３１および天板３３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。素子基板３１と天板３
３との接合後に、液流路の先端にオリフィスプレートを
接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。な
お、図２に示したように本実施形態の液体吐出ヘッドは
可動部材６を有しているが、この可動部材６について
も、上述のようにして素子基板に回路等を形成した後、
フォトリソグラフィプロセスを用いて素子基板３１上に
形成される。

【００５５】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４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４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。ここでは、
外部コンタクトパッド１５を素子基板のみに設けた例に
ついて説明したが、素子基板ではなく天板のみに設けて
もよい。

【００５６】以上説明した液体吐出ヘッドでは、各セン
サの出力に応じて発熱体３２の駆動が制御されるように
なっているが、各センサ出力に応じて素子基板３１の温
度を制御するように構成することもできる。以下に、素
子基板の温度を制御することが可能な液体吐出ヘッドを
説明する。

【００５７】図５は、センサ出力に応じて素子基板の温
度を制御する例の素子基板および天板の回路構成を示す
図である。図中、図１と同じ構成のものには同じ符号を
付している。

【００５８】この例では、図５に示すように、素子基板
３１に、液体の吐出用の発熱体３２とは別に、素子基板
３１の温度を調節するために素子基板３１自体を加熱す
る保温ヒータ５５と、その保温ヒータ５５のドライバと
なるパワートランジスタ５６とが設けられている。この
場合、天板３３側のセンサ部１１のセンサとして温度セ
ンサが用いられる。

【００５９】本形態では、駆動信号制御回路４６はコン
パレータを有しており、素子基板３１の必要とされる温
度に基づいて予め決定された閾値と各センサからの出力
とを比較し、閾値よりもセンサからの出力が大きい場合
に、保温ヒータ５５を駆動するためのヒータ制御信号を
出力する。ここで、上記の素子基板３１の必要とされる
温度とは、この液体吐出ヘッド内の液体の粘性が安定吐
出範囲にあるような温度である。駆動信号制御回路４６
から出力されるヒータ制御信号は、素子基板３１および
天板３３に形成された端子（接続用コンタクトパッド）
を介して保温ヒータ用のパワートランジスタ５６に入力
される。

【００６０】上記の構成により、各センサの出力結果に
応じて、駆動信号制御回路４６により保温ヒータ５５が
駆動され、素子基板３１の温度が所定の温度に保たれ
る。その結果、液体吐出ヘッド内の液体の粘性が安定吐
出範囲に保たれ、良好な吐出が可能となる。

【００６１】なお、各センサには、固体差による出力値
のばらつきがある。より正確な温度調節を行いたい場合
には、このばらつきを補正するために、ヘッド情報とし
て出力値のばらつきの補正値をメモリ４９に記憶させ、
メモリ４９に記憶された補正値に応じて、駆動信号制御
回路４６に設定された閾値を調整してもよい。

【００６２】次に、上述した本発明の液体吐出ヘッドの
変形例として、少なくともインク有無検知のための温度
センサおよびその出力を増幅するアンプを天板側に設け
たいくつかの例を挙げ、その温度センサの検出結果に基
づくヘッド駆動動作を説明する。

【００６３】図６〜図８はいずれも本発明の液体吐出ヘ
ッドの素子基板及び天板の回路構成の変形例を説明する
ための概略説明図であり、各図いずれも（ａ）は素子基
板の平面図、（ｂ）は天板の平面図を示している。な
お、これらの図は、図１と同様、各図の（ａ）と（ｂ）
とで互いの対向面を図示しており、各図の（ｂ）におけ
る点線部は、素子基板と接合した時の液室及び流路の位
置を示している。各図中、温度センサの出力を増加する
アンプは示されていないが、いずれの例においても天板
側にアンプが配置されているものとする。以下の各説明
において、特に断りのない限りは、図６〜図８に示す各
実施例をそれぞれ組合わせた形態も本発明に含まれるも
のであることは言うまでもない。また、以下の説明で、
共通の機能を有する部分については、同じ符号を用いて
説明している。

【００６４】図６（ａ）において、素子基板４０１に
は、各流路に対応して並列に配列された複数の発熱体４
０２と、共通液室内に設けられたサブヒータ４５５と、
画像データに応じてこれら発熱体４０２を駆動するドラ
イバ４１１と、入力された画像データをドライバ４１１
に出力する画像データ転送部４１２が設けられている。
さらに、この素子基板４０１には、ノズルを形成するた
めの流路壁４０１ａや、共通液室を形成するための液室
枠４０１ｂが設けられている。

【００６５】一方、図６（ｂ）において、天板４０３に
は、共通液室内の温度を測定するための温度センサ４１
３と、温度センサ４１３を駆動するセンサ駆動部４１７
と、温度センサの出力に基づいて発熱体４０２の駆動を
制限または停止する制限回路４５９と、センサ駆動部４
１７及び制限回路４５９の信号に基づいて発熱体４０２
の駆動条件を制御する発熱体制御部４１６とが設けられ
るとともに、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４０３ａが開口してい
る。

【００６６】さらに、素子基板４０１および天板４０３
の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基
板４０１に形成された回路等と天板４０３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４１４，４１８が設けられている。また、素子基板
４０１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４１５が設けられている。素子基板４
０１の大きさは天板４０３の大きさよりも大きく、外部
コンタクトパッド４１５は、素子基板４０１と天板４０
３とを接合したときに天板４０３から露出する位置に設
けられている。これらは、半導体ウェハプロセスにより
回路が形成されている。そして、上記のように構成され
た素子基板４０１と天板４０３とを位置合わせして接合
すると、各液流路に対応して発熱体４０２が配置される
とともに、それぞれの接続用コンタクトパッド４１４，
４１８を介して素子基板４０１および天板４０３に形成
された回路等が電気的に接続される。

【００６７】素子基板４０１（第１の基板）と天板４０
３（第２の基板）との間には、数十μｍというスペース
にインクが満たされるようになっている。このため、サ
ブヒータ４５５による加熱を行なった際に、インクの有
無によって第２基板への熱の伝わりかたに差が生じる。
この熱の伝わりかたの差をＰＮ接合を利用したダイオー
ドセンサ等により構成される温度センサ４１３で検知す
ることで、液室内のインクの有無を検知することが可能
となる。そこで、この温度センサ４１３による検出結果
に応じて、例えば温度センサ４１３がインクがあるとき
と比べて異常な温度を検知した場合には制限回路４５９
により、発熱体４０２への駆動を制限、あるいは停止し
たり、本体へ異常を知らせる信号を出力したりすること
で、ヘッドの物理的な損傷を防止し、常に安定した吐出
性能を発揮することのできるヘッドを提供することがで
きる。

【００６８】特に、本発明の場合には、上述の温度セン
サ、及び制限回路を半導体ウェハプロセスにより製造す
ることができるので、最適な位置に素子を配置すること
ができるとともに、ヘッド自体のコストアップをするこ
となくヘッドの損傷防止機能を付加することができる。

【００６９】図７は、図６の変形例を示す説明図であ
り、図７に示される変形例では、サブヒータではなく、
吐出用のヒータすなわち発熱体４０２を用いている点が
前述の図６に示す形態と異なっている。図７に示す変形
例では、温度センサ４１３は発熱体４０２と対向する天
板４０３上の領域に設けられており、発熱体４０２で発
泡しないレベルの短パルス、あるいは低電圧で駆動した
ときの温度を検出することで、インク有無検知を行なう
ようにしたものである。インク有無検知を行う他、液体
の吐出動作を行いながら温度をモニターし、駆動にフィ
ードバックすることも可能である。本変形例の構成は、
共通液室にサブヒータを配置しづらい場合は特に有効で
ある。また、本変形例では、発熱体制御部４１６によっ
て、温度センサ４１３の出力に基づくヘッド駆動の制限
あるいは停止が行われている。

【００７０】図８に示す変形例は、図７に示す変形例と
比較して、温度センサ４１３を異なる発熱体４０２に対
応する複数のグループ（図面上では４１３ａ，４１３
ｂ、４１３ｃ...と一つ一つのノズルに対応）を形成す
るように配置している点が異なっている。発熱体４０２
は選択的に駆動できることから、このように複数の温度
センサを設けることで、より細かい部分でのインク有無
など、インクの状態の検知を行うことができる。

【００７１】さらに、本実施例のように各発熱体４０２
に一対一で対応するように温度センサを設けることで、
液体吐出時の温度変化をノズル単位に検出することがで
き、ノズル内のインクの有無、さらには発泡状態を温度
で検出することが可能となる。各ノズル毎のインク切れ
による部分的な不吐出の検知については、ヘッドの製造
工程においてインクがない場合とある場合とでの発熱抵
抗素子の加熱時の温度変化をヘッド情報として記憶し発
熱体制御部４１６に出力するメモリを設け、メモリ内に
保持される性状吐出の場合のデータとの比較により行な
ってもよいし、隣接する複数のノズルのデータと比較す
ること（例えば４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ....で４
１３ｂだけ異常な出力となった場合は、４１３ｂについ
て異常と判定する）により行なってもよい。このように
メモリの値とセンサの出力とを比較することで、より精
度の高いインク有無検知を行うことができる。

【００７２】なお、上記の場合、発熱体４０２に対して
各温度センサ４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ...は電気
配線接続で対応しているわけではないので、天板４０３
に設けていても配線が複雑になる等の問題はない。ま
た、複数のセンサを設ける場合であっても、本発明のよ
うに半導体ウェハプロセスにより製造することで、コス
トの上昇を招くことはない。

【００７３】以上、説明した各実施形態、変形例の構成
が適用される液体吐出ヘッドの構造は、図２に示した構
造に限られるものではなく、熱エネルギーを利用する種
々の液体吐出ヘッドに適用可能である。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
液体の状態を検出するセンサの検出精度がヒータ駆動電
流ノイズによって低下することはないので、液体吐出を
より安定的に行うことができる。

【００７５】また、センサおよびアンプは比較的スペー
スに余裕のある天板に形成されるので、設計の自由度が
向上する。

【００７６】さらに、検出先切替スイッチを用いて各セ
ンサをシリアル駆動するように構成したものにおいて
は、素子の配置スペースが少なくて済むので、ヘッドの
小型化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの構成を
説明するための図であり、（ａ）は素子基板の平面図、
（ｂ）は天板の平面図である。

【図２】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッド構造
を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。

【図３】本発明の一実施形態である液体粘度センサを備
える液体吐出ヘッドを説明するための図であり、（ａ）
は液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図、（ｂ）
は粘度測定用回路の概略図である。

【図４】図１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５】本発明の一実施形態である素子基板温度を制御
する液体吐出ヘッドの一例を示す図である。

【図６】本発明の変形例を説明するための図であり、
（ａ）は素子基板の平面図、（ｂ）は天板の平面図であ
る。

【図７】本発明の変形例を説明するための図であり、
（ａ）は素子基板の平面図、（ｂ）は天板の平面図であ
る。

【図８】本発明の変形例を説明するための図であり、
（ａ）は素子基板の平面図、（ｂ）は天板の平面図であ
る。

【図９】インクジェット記録ヘッドの概略構成を示す図
である。

【図１０】図９に示すインクジェット記録ヘッドのヘッ
ド基板に形成される温度制御回路の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１センサ部１２検出先切替スイッチ１３増幅器３１素子基板３２発熱体３３天板３８駆動タイミング制御ロジック回路３９ＡＮＤ回路４１パワートランジスタ４２画像データ転送回路４３ランクヒータ４６駆動信号制御回路４７センサ駆動回路４９メモリ

フロントページの続き (72)発明者山中昭弘東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者石永博之東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF82 AG30 AG46 AG83 AK07 AL14 AM16 AN01 AR14 AR17 BA05 BA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに接合されることで、複数の吐出口
とそれぞれ連通する複数の液流路を構成する第１および
第２の基板を有し、前記第１の基板に、電気エネルギーを前記液流路内の液
体を吐出するためのエネルギーに変換するエネルギー変
換素子が各液流路毎に形成され、前記第２の基板に、前記液流路内の液体の状態を検出す
る検出素子が各液流路毎に形成されるとともに、これら
検出素子の出力をそれぞれ増幅する増幅手段が形成され
ている液体吐出ヘッド。
【請求項２】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記増幅手段は、前記検出素子の出力をそれぞれ高イン
ピーダンスで受けて低インピーダンスで出力するように
構成されている液体吐出ヘッド。
【請求項３】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記第２の基板に、前記検出素子をそれぞれ駆動するた
めの駆動手段がさらに形成された液体吐出ヘッド。
【請求項４】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記第２の基板に、前記検出素子の検出結果をそれぞれ
前記増幅手段を介して受け、該検出結果に応じて前記各
エネルギー変換素子の駆動条件を制御する駆動制御手段
がさらに形成された液体吐出ヘッド。
【請求項５】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記第２の基板に、前記検出素子の駆動および検出をシ
リアルに行うための検出先切替スイッチ手段がさらに形
成された液体吐出ヘッド。
【請求項６】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記エネルギー変換素子は液体に熱エネルギーを作用さ
せることで液体に気泡を発生させるものであり、前記液流路には前記エネルギー変換素子に面して配され
前記吐出口に向かう下流側が自由端となる可動部材が設
けられている液体吐出ヘッド。
【請求項７】請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおい
て、前記検出素子が、液体を介しての抵抗または温度の変化
を検出するセンサである液体吐出ヘッド。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれか１項に記載の
液体吐出ヘッドを備え、前記液体吐出ヘッドを構成する
第２の基板の検出素子で得られた検出結果に基づいて、
前記液体吐出ヘッドを構成する第１の基板のエネルギー
発生素子を調整しながら駆動し、記録媒体に液体を吐出
して記録を行う液体吐出記録装置。