JP2000343699A

JP2000343699A - 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドを用いたヘッドカートリッジおよび液体吐出装置

Info

Publication number: JP2000343699A
Application number: JP15777799A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kubota; 雅彦久保田; Akihiro Yamanaka; 昭弘山中; Yoshiyuki Imanaka; 良行今仲
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】吐出口ごとにインクの性状を把握することに
より、高精細であって高品位な記録を高速に行うことが
できるようにする。【解決手段】発熱体２を有する素子基板１に参照電極
２１０を配置するとともに、素子基板１と接合すること
により吐出口５に連通する液流路７を形成することとな
る天板３に、イオン選択性電界効果トランジスタからな
るイオンセンサ２００を設ける。イオンセンサ２００に
より、液流路７内のインク中の染料イオンの会合状態を
検知し、適切な制御、例えば発熱体２への駆動パルスの
幅の制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーや機
械的エネルギーなどのエネルギーを液体に作用させるこ
とにより、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド、この
液体吐出ヘッドを用いたヘッドカートリッジ及び液体吐
出装置に関する。

【０００２】また本発明は、上述した液体吐出ヘッドや
ヘッドカートリッジを有し、紙、糸、繊維、布帛、皮
革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス
等の被記録媒体に対して記録を行う、プリンタ、複写
機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を
有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装
置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に適用できる
発明である。

【０００３】なお、本発明における「記録」とは、文字
や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与す
ることだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を
付与することをも意味するものである。

【０００４】

【従来の技術】熱等のエネルギーをインクに与えること
で、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態
変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって
吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着
させて画像形成を行うインクジェット記録方法が知られ
ている。この種のインクジェット記録方法を用いる記録
装置には、米国特許第４７２３１２９号明細書などに開
示されているように、一般的には、インクを吐出するた
めの吐出口と、この吐出口に連通するインク流路（液流
路）と、インク流路内に配されインクを吐出するための
エネルギーを発生するための手段としての電気熱変換体
とが配されている。

【０００５】このような記録方法によれば、品位の高い
画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、
この記録方法を行うヘッドでは、インクを吐出するため
の吐出口を高密度に配置することができるため、小型の
装置で高解像度の記録画像、さらにはカラー画像をも容
易に得ることができるという多くの優れた点を有してい
る。このため、このインクジェット記録方法は、近年、
プリンタ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機
器に利用されており、さらに、捺染装置などの産業用シ
ステムにまで利用されるようになってきている。

【０００６】例えば、特公昭６２−４８５８５号公報に
は、ノズル内に複数の発熱素子を設けることにより１つ
の吐出口から吐出される液滴の量を変化できるようにし
た多値出力のカラーインクジェットヘッドが開示されて
いる。ノズル内にｎ個（ｎ≧２）の発熱素子を設けてそ
れぞれ個別に駆動ドライバに接続し、独立に発熱素子を
駆動できるように構成し、さらに、発熱量がそれぞれ異
なるように各発熱素子の素子サイズを別にする。このと
き、ｎ個の発熱素子による印字ドットは、それぞれ異な
り、同時に駆動させる発熱素子の組み合わせにより、｛
_nＣ_n-1＋_nＣ_n-2＋…＋_nＣ₂＋_nＣ₁＋１｝通りの印字ドッ
トを形成することができる。つまり、１ノズルで｛_nＣ
_n-1＋_nＣ_n-2＋…＋_nＣ₂＋_nＣ₁＋１｝値の階調性を得る
ことができる。この素子構成を「多値ヒータ」と称す
る。

【０００７】さらに、特開平５−１５５０３７号公報に
は、発熱素子およびインク流路は低密度で配列し、イン
タレース駆動により高密度印字を達成する方法が開示さ
れている。

【０００８】ところで、インクを吐出するためのエネル
ギーを発生させるための電気熱変換体は、半導体デバイ
スの製造プロセスを用いて作製することができる。その
ため、従来のインクジェットヘッドは、シリコン基板か
らなる素子基板上に電気熱変換体を形成し、その上に、
インク流路を形成するための溝が予め形成されている天
板を接合した構成となっている。天板は、例えば、ポリ
サルフォン等の樹脂やガラスなどからなる。

【０００９】また、素子基板がシリコン基板からなるこ
とを利用し、電気熱変換体を素子基板上に構成するだけ
でなく、電気熱変換体を駆動するためのドライバや、ヘ
ッドの温度に応じて電気熱変換体を制御する際に用いら
れる温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に
構成したものもある。このようにドライバや温度センサ
およびその駆動制御部等を素子基板上に構成したヘッド
は実用に供されており、記録ヘッドの信頼性の向上およ
び装置の小型化に大きく寄与している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インク
ジェット記録に関し、多方面の製品のそれぞれの分野に
応じた、より高品位な画像の出力の要求が高まってい
る。そこで本発明者らは、より一層高品位な画像の出力
を実現するために、従来以上に吐出口すなわち電気熱変
換体の配列を高密度化することや、電気熱変換体のより
高精度な制御を行うことを検討したところ、以下のよう
な課題を想起するに至った。

【００１１】すなわち、上述したように電気熱変換体を
制御するための回路等を全て素子基板上に形成しようと
すると、素子基板が大きくなってしまい、結果的にヘッ
ド自体が大きくなり、また、吐出口の高密度配置の妨げ
になることがある。電気熱変換体が形成された素子基板
はシリコン半導体で構成されるのに対し、インク流路と
なるべき溝が形成された天板は例えばポリサルフォン等
の樹脂で構成されているので、これら両者間の熱膨張率
の差によって、吐出口密度を高めた場合に、電気熱変換
体とインク流路との間にずれが生じることがある。

【００１２】さらに、記録に使用するインクの性状が経
時変化することがあるので、より高品位な記録を行うた
めには、インクの性状に応じて電気熱変換体への駆動パ
ルスの幅を変化させたり、インク流路中の性状が変化し
たインクを吐出口側から吸い出して新鮮なインクと置き
換えるいわゆる回復動作を行うことが望ましい。多数の
吐出口を配列した記録ヘッドの場合、例えば罫線を多く
含むような文書を印字することを考えると、それら多数
の吐出口のうち、小数の特定の吐出口のみが高頻度で使
用されることになる。このため、インク流路ごとすなわ
ち吐出口ごとにインクの性状が異なることが予想され、
電気熱変換体への駆動パルスの幅をインク流路ごとに変
えられるようにすることが好ましい。

【００１３】本発明の目的は、高精細であって高品位な
記録を高速に行うことができる液体吐出ヘッドと、この
液体吐出ヘッドを利用したヘッドカートリッジおよび液
体吐出装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の液体吐出ヘッド
は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する液
流路と、前記液流路内に液体に吐出エネルギーを付与す
るエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドにおい
て、前記液流路に配置された濃度センサを有することを
特徴とする。

【００１５】濃度センサとしては、具体的には、イオン
センサを好ましく使用でき、中でもイオン選択性電界効
果トランジスタを好ましく使用できる。また、エネルギ
ー変換素子としては、電気エネルギーを熱エネルギーに
変換することにより液体中に気泡を発生せしめ、その気
泡の作用力によって液体を吐出口から吐出される電気熱
変換体を好ましく使用できる。

【００１６】本発明の液体吐出ヘッドの具体的な態様と
しては、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前記吐出口と連通する複数の液流路
を構成するための第１の基板及び第２の基板と、前記エ
ネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギーに変換
するためのに前記各液流路内に配された複数のエネルギ
ー変換素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記第
１の基板上に前記エネルギー変換素子が形成されるとと
もに、前記エネルギー変換素子を駆動させるドライバを
含む前記回路を前記第１の基板上に有し、前記各液流路
ごとに配置された濃度センサを前記第２の基板上に有す
ることを特徴とする液体吐出ヘッドが挙げられる。

【００１７】この液体吐出ヘッドにおいて、濃度センサ
としてイオン選択性電界効果トランジスタを使用する場
合には、イオン選択性電界効果トランジスタに対応する
参照電極を第１の基板上に好ましく形成できる。その場
合、エネルギー変換素子の表面に、金属からなりエネル
ギー変換素子をキャビテーションから保護する耐キャビ
テーション膜が形成されているのであれば、その耐キャ
ビテーション膜が参照電極として使用するようにしても
よい。このような耐キャビテーション膜として、例えば
タンタル膜が挙げられる。第１の基板及び第２の基板と
しては、シリコン基板を好ましく使用できる。

【００１８】この液体吐出ヘッドでは、濃度センサから
の検出値に基づき、最適なヒートパルスを選択する駆動
信号制御回路を第２の基板上に形成するようにしてもよ
い。

【００１９】さらにこの液体吐出ヘッドは、電気熱変換
体に面して液流路内に配置され、液体の流れの下流側に
自由端を有し、電気熱変換体の駆動による気泡の発生に
よる圧力に基づいて自由端を電気熱変換体から遠ざかる
方向に変位させて圧力を吐出口に向かって伝える可動部
材をさらに備えていてもよい。

【００２０】本発明のヘッドカートリッジは、本発明の
液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに供給される液
体を保持する液体容器とを有する。

【００２１】本発明の液体吐出装置は、本発明の液体吐
出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドから液体を吐出するた
めの駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有する、
あるいは、本発明の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘ
ッドから吐出された液体を受ける被記録媒体を搬送する
被記録媒体搬送手段とを有する。

【００２２】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。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、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。ここでは、第１の基板すなわち素子
基板と、第２の基板すなわちインク流路用の溝などが形
成された天板とが、いずれも、シリコン半導体基板によ
って構成されているものとする。素子基板および天板の
双方をシリコン基板によって形成することにより、熱膨
張率の差に起因する素子基板と天板との間のずれの問題
が生じなくなる。

【００２４】図１は、本発明の一実施形態である液体吐
出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。

【００２５】図１に示すように、この液体吐出ヘッド
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１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。

【００２６】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。すなわちこの発熱体２
は電気熱変換体である。

【００２７】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。

【００２８】さらにこの液体吐出ヘッドは、イオン選択
性ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなるイオンセン
サ２００を備えている。イオンセンサ２００は、天板３
において、後述する可動部材６の自由端６ｂよりも下流
側の位置に、第１の液流路７ａ中の液体に接するように
設けられている。このイオンセンサ２００を動作させる
ためには参照電極が必要であり、参照電極２１０は、素
子基板１の表面において第２の液流路７ｂ中の液体と接
するように設けられている。実際には、参照電極２１０
としては、後述するように、素子基板１の表面に形成さ
れる耐キャビテーション膜が使用される。

【００２９】この構成において、イオンセンサ２００と
参照電極２１０との間には、可動部材６が介在するわけ
であるが、実際には可動部材６の側方に隙間が形成され
ているので（可動部材６が第２の液流路を第１の液流路
から完全に分離するわけではないので）、可動部材６が
図示実線で示す閉鎖位置（初期位置）にあったとして
も、イオンセンサ２００の動作に必要なだけの液絡状態
が、第１の液流路７ａと第２の液流路７ｂの間で確保さ
れる。また、第１の液流路７ａと第２の液流路７ｂとで
イオン濃度が異なる場合も考えられるが、イオンセンサ
２００が第１の液流路７ａ側に設けられていることによ
り、イオンセンサ２００によって測定される濃度は第１
の液流路７ａ側での値である。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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
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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発
熱体２を駆動したりその駆動を制御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。

【００３７】以下に、半導体ウェハプロセス技術を用い
て形成された素子基板１の構造について説明する。

【００３８】図２は、図１に示す液体吐出ヘッドに用い
られる素子基板の断面図である。図２に示すように、本
実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１で
は、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸
化膜３０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜３０３がこの
順番で積層されている。層間膜３０３としては、ＳｉＯ
₂膜またはＳｉ₃Ｎ₄膜が用いられている。層間膜３０３
の表面に部分的に抵抗層３０４が形成され、抵抗層３０
４の表面に部分的に配線３０５が形成されている。配線
３０５としては、Ａｌまたは、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ
などのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０
５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ
₂膜またはＳｉ₃Ｎ₄膜から成る保護膜３０６が形成され
ている。保護膜３０６の表面の、抵抗層３０４に対応す
る部分およびその周囲には、抵抗層３０４の発熱に伴う
化学的および物理的な衝撃から保護膜３０６を守るため
の耐キャビテーション膜３０７が形成されている。この
耐キャビテーション膜３０７は、上述のように、イオン
センサ２００に対する参照電極としても機能するもので
ある。抵抗層３０４表面の、配線３０５が形成されてい
ない領域は、抵抗層３０４の熱が作用する部分となる熱
作用部３０８である。

【００３９】この素子基板１上の膜は半導体の製造技術
によりシリコン基板３０１の表面に順に形成され、シリ
コン基板３０１に熱作用部３０８が備えられている。

【００４０】図３は、図２に示す素子基板１の主要素子
を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図で
ある。

【００４１】図３に示すように、Ｐ導電体であるシリコ
ン基板３０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ
型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そし
て、一般的なＭＯＳ（金属−酸化物−半導体）プロセス
を用いてイオンプラテーションなどの不純物導入および
拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−ＭＯＳトラ
ンジスタ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−ＭＯＳ
トランジスタ４２１が備えられている。Ｐ−ＭＯＳ４２
０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型ある
いはＰ型の不純物を導入して形成されたソース領域４２
５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２
の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く
部分の表面に厚さ数十ｎｍのゲート絶縁膜４２８を介し
て堆積されたゲート配線４３５などから構成されてい
る。また、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ４２１は、Ｐ型ウェ
ル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純
物を導入して形成されたソース領域４２５およびドレイ
ン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域
４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚
さ数十ｎｍのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲ
ート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４
３５は、ＣＶＤ（化学的気相成長）法により堆積した厚
さ４００ｎｍ〜５００ｎｍのポリシリコンからなるもの
である。これらのＰ−ＭＯＳ４２０およびＮ−ＭＯＳ４
２１からＣＭＯＳロジックが構成されている。

【００４２】Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−ＭＯＳ４２
１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−ＭＯ
Ｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−ＭＯＳト
ランジスタ４３０も、不純物導入および拡散などの工程
によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられ
たソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型
ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン
領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介
して堆積されたゲート配線４３３などから構成されてい
る。

【００４３】本実施形態では、電気熱変換素子駆動用の
トランジスタとしてＮ−ＭＯＳトランジスタ４３０を用
いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力
を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることが
できるトランジスタであれば、このトランジスタに限ら
れない。

【００４４】Ｐ−ＭＯＳ４２０とＮ−ＭＯＳ４２１との
間や、Ｎ−ＭＯＳ４２１とＮ−ＭＯＳトランジスタ４３
０との間などの各素子間には、５００ｎｍ〜１μｍの厚
さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成
されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子
が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部
３０８に対応する部分は、シリコン基板３０１の表面側
から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。

【００４５】Ｐ−ＭＯＳ４２０、Ｎ−ＭＯＳ４２１およ
びＮ−ＭＯＳトランジスタ４３０の各素子の表面には、
厚さ約７００ｎｍのＰＳＧ（リンケイ酸ガラス）膜また
はＢＰＳＧ（ホウリンケイ酸ガラス）膜などから成る層
間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処
理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁
膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタク
トホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７に
より配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ
電極４３７の表面には、厚さ１μｍ〜１．５μｍのＳｉ
Ｏ₂膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法に
より形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作
用部３０８およびＮ−ＭＯＳトランジスタ４３０に対応
する部分には、厚さ約１００ｎｍのＴａＮ_0.8,hex膜か
らなる抵抗層３０４がＤＣスパッタ法により形成されて
いる。抵抗層３０４は、層間絶縁膜４３８に形成された
スルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ
電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層３０４の
表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線
層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。

【００４６】配線３０５、抵抗層３０４および層間絶縁
膜４３８の表面の保護膜３０６は、プラズマＣＶＤ法に
より形成された厚さ１μｍのＳｉ₃Ｎ₄膜からなるもので
ある。保護膜３０６の表面に形成された耐キャビテーシ
ョン膜３０７は、厚さ約２５０ｎｍのＴａなどの膜から
なるものである。

【００４７】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。

【００４８】図４は、図１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４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしてい
る。

【００４９】図４（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発熱体２と、画像データに
応じてこれら発熱体２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とが設けられている。

【００５０】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、各発熱体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、発熱体２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。

【００５１】一方、図４（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が形成されている。後述するように、液流路
に対応する各溝３ａには、イオンセンサ２００（図４
（ｂ）では不図示）がそれぞれ設けられている。さら
に、天板３には、これらイオンセンサからの出力結果に
基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１
６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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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および画像データ転送部１２
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発熱体２を形成
し、耐キャビテーション膜を形成し、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。

【００５５】天板３については、まず、シリコン基板上
に、イオンセンサ（とその駆動回路）および発熱体制御
部１６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。

【００５６】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
発熱体２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。

【００５７】なお、図１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１上に形成される。可動部材６の形成工程について
は後述する。

【００５８】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５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５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。

【００５９】以上説明したように、発熱体２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。

【００６０】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、発熱体２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、発熱体２と液流路７との位置精度が良好に維持
される。

【００６１】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。

【００６２】各発熱体２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４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。各発熱体２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、発熱体２と上記回路との接続不良が防
止される。

【００６３】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、発熱体２が設けられていない基
板すなわち天板３に設ける。図４に示した例では、発熱
体制御部１６がこれに相当する。

【００６４】その他、各発熱体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。

【００６５】上記の考え方に基づいて各回路等を素子基
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、各回路を
バランスよく振り分けることができる。

【００６６】次に、本発明の液体吐出ヘッドにおけるイ
オンセンサ２００について、図６を用いてさらに詳しく
説明する。なお図６では、説明を簡単にするため、可動
部材の記載を省略している。

【００６７】シリコン基板からなる素子基板１の表面に
は発熱体２および参照電極２１０が形成されている。こ
こではイオンセンサ２００の回路構成を明示するために
発熱体２と参照電極２１０とを分離して描いているが、
実際には、Ｔａからなり発熱体２の表面に形成される耐
キャビテーション膜３０７（図２参照）が、参照電極２
１０として用いられる。

【００６８】一方、シリコン基板からなる天板３にはＰ
型ウェル領域２０１が形成され、Ｐ型ウェル領域２０１
の表層にＮ型不純物を導入したソース領域２０２および
ドレイン領域２０３が形成されている。Ｐ型ウェル領域
２０１の表面（チャネル領域）とソース領域２０２およ
びドレイン領域２０３とを覆うようにゲート絶縁膜２０
４が設けられ、さらに、ゲート絶縁膜２０４の表面に、
窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるイオン感応膜２０５が
形成されて、イオン選択性ＦＥＴであるイオンセンサ２
００が構成されている。

【００６９】イオン感応膜２０５がインクと接すること
により、イオン感応膜とインクとの間でインク中のイオ
ン種とその濃度に応じた界面電位が発生する。イオンセ
ンサ２００のソース−ドレイン間に所定のバイアス電圧
を印加しておくことにより、界面電位に応じたドレイン
電流が流れる。測定時には、参照電極２１０とソースと
の間に適当なバイアスを印加しておき、界面電位とこの
バイアスとの和に応じたドレイン電流を観測する。ある
いは、イオンセンサ２１０をソースフォロア回路として
構成し、抵抗を介して電位として出力を得るようにして
もよい。

【００７０】ところで、この種の液体吐出ヘッドで使用
される吐出液体（インク）は、一般に、溶媒としての水
に、染料や顔料を溶解または分散させたものである。具
体的には、カルボキシル基や水酸基を有する染料イオン
や、これらの基を有する分散剤によって親水化された顔
料や、これらの基を付着させた顔料粒子を水に溶解また
は分散させたものである。このような染料あるいは顔料
は、水溶液系であるインク中で、図７（ａ），（ｂ）に
示すように、水素結合などの比較的弱い結合により、会
合状態を形成する。このような会合状態が数十／数百の
分子間で起こると、仮想的に高分子の色材分子となり、
インクの動的粘度を低下させ、その結果、吐出特性の劣
化をもたらすことになる。

【００７１】上述した会合状態が形成されると、見かけ
上、イオンとしてのカルボキシル基や水酸基の活量が低
下することになるとともに、イオン自体の実効的な分子
量が大きくなるため、イオンセンサ２０での検出電位に
変化を生じさせることになる。本実施形態の液体吐出ヘ
ッドでは、インク中での染料イオン等の会合状態をイオ
ンセンサ２００によって検知し、必要に応じてヘッドの
回復動作等を行って、ノズル中のインクを常に一定の解
離状態にする。また、インクでの会合状態は、ノズルの
使用頻度によってノズルごとに異なることがあるので、
この液体吐出ヘッドでは、ノズルごとにイオンセンサを
配することによってノズルごとに会合状態を検知し、そ
の検知結果に応じて、ノズルごとの発熱体２への駆動パ
ルスの幅を変化させる。

【００７２】図８（ａ）は、イオンセンサでの検知結果
を出力するための回路の一例を示す図であり、図８
（ｂ）は図８（ａ）の回路をロジック回路として表わし
たものである。ここでは、イオン濃度に応じて発振周波
数が変化する発振回路を説明する。

【００７３】ＭＯＳトランジスタ２２０，２２１を直列
に接続してインバータ回路が構成され、このようなイン
バータ回路２２２，２２３を２段、リング状に接続して
発振回路を構成し、さらにインバータ回路２２３の出力
をバッファとしての１段のインバータ回路２２４を介し
て取り出すことにより、発振出力としている。インバー
タ回路２２２の出力（すなわちインバータ回路２２３の
入力）と接地点との間にイオンセンサ２００を挿入して
いる。この回路によれば、イオンセンサ２００での検出
電位に応じて発振周波数が変化する。したがって、この
発振周波数を検出することにより、例えば、回復動作を
行わせたり、あるいは、ノズルごとの駆動パルス幅を変
化させたりすることができる。

【００７４】この液体吐出ヘッドにおいて、イオンセン
サの位置は、どの位置でインクの会合状態を検知したい
かに応じて、適宜に選択することができる。一般的に
は、吐出口の上流側直前でのインクの状態を知りたいこ
とが多いので、吐出口の直前の位置に設けられる。原理
的には、素子基板１にイオンセンサを設けることも可能
であるが、イオンセンサの出力の変化はせいぜい数ｍＶ
から数十ｍＶの程度であるので、大電流パルスで駆動さ
れる発熱部（電気熱変換体）２を有する素子基板１にイ
オンセンサを設けることは必ずしも好ましくない。した
がって、イオンセンサは、天板３あるいは可動部材６に
設けることが好ましい。可動部材６もシリコン系の材料
によって構成されるので、半導体デバイスプロセスを利
用することにより、可動部材６にイオンセンサを設ける
ことは困難ではない。また、天板３あるいは可動部材６
にイオンセンサを設けることにより、素子基板１の表面
の耐キャビテーション膜を参照電極として利用できるこ
ととなり、別途に参照電極を設ける必要がなくなる。

【００７５】イオンセンサでの検出電圧値は、ネルンス
ト(Nernst)の式によって支配されるため、温度の関数で
もある。そこで、温度の影響をなくすため、例えば、素
子基板１あるいは天板３に温度センサを設け、温度の測
定値に応じてイオン濃度の測定値を補正するようにして
もよい。このように温度センサを設けた場合には、この
温度センサの出力は、例えば、素子基板１を定温に加温
するために用いたり、温度に応じて発熱体２の駆動パル
ス幅を変化させたりするためにも、使用することができ
る。

【００７６】また、流体力学の面から導かれたストーク
ス(Stokes)の法則によれば、イオンのモル伝導度λは、

【００７７】

【数１】（ここで、Ｚ：イオンの電荷数、Ｆ：ファラデー定数、
Ｎ：単位面積当たりの分子数、η：粘性率、ｒ：イオン
半径）で与えられ、また、イオンの拡散係数Ｄは、

【００７８】

【数２】（ここで、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度）で与えられ
る。この流体力学のストークスの法則がインク中のイオ
ンの運動に当てはめることができるとする。その際、イ
ンクカートリッジやインクタンクに注入する前に、イン
クのモル伝導度λや拡散定数Ｄを測定しておいて、液体
吐出ヘッド内に予め設けられているメモリに認識させて
おく。

【００７９】インク中の色材成分（染料もしくは顔料）
にのみ着目してみると、イオン半径ｒ、粘性η、電荷数
Ｚが、可変するパラメータになる。

【００８０】さらに、着目したイオンの双極子モーメン
トμは、

【００８１】

【数３】で表わされ、インクの比誘電率εは、

【００８２】

【数４】（ここで、ｇ：隣接分子の相対的な配向で決まる量、
ｋ：ボルツマン定数）で表わされる。

【００８３】本実施形態でのイオンセンサを用いて、検
出電位の変化が、（イオンの電荷数Ｚ／イオン半径ｒ）
の比に比例すると考えると、(1)式から、粘性率ηの変
化を相対的に見積もることができる、この粘性率の変化
に応じて吐出特性を一定にするためのパルス制御が、大
変有効な手段になると考えられる。

【００８４】次に、ノズルごとのイオンの会合状態の測
定結果に応じて、回復動作を行う、あるいはノズルごと
の発熱体駆動パルスの幅を変化させるための液体吐出ヘ
ッドの具体的な構成について、図９（ａ），（ｂ）を用
いて説明する。図９（ａ）は素子基板の平面図であり、
図９（ｂ）は天板の平面図である。図２と同様、図９
（ａ）と図９（ｂ）とで互いの対向面を図示しており、
図９（ｂ）における点線部は、素子基板と接合した時の
液室及び液流路の位置を示している。

【００８５】なお、ここでは、素子基板４０１に流路壁
４０１ａが設けられた構造のヘッドを例として描いてい
るが、素子基板及び天板の構造に関しては、上述したい
ずれの形態にも適用できるものである。

【００８６】図９（ａ）において、素子基板４０１に
は、前述したように液流路に対応して並列に配列された
複数の発熱体４０２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４
１２が設けられており、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。また、素子基板４０１には、上述し
たように耐キャビテーション膜が設けられており、この
耐キャビテーション膜は、イオンセンサに対する参照電
極としても機能する。

【００８７】一方、図９（ｂ）において、天板４０３に
は、各液流路に対応してそれぞれ設けられたイオンセン
サ４１３ａ，４１３ｂ，…と、各イオンセンサ４１３
ａ，４１３ｂ，…にバイアス電圧を印加して各イオンセ
ンサを駆動するセンサ駆動部４１７と、イオンセンサの
出力に基づいて発熱体（発熱抵抗素子）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４１７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、そして、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。

【００８８】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。

【００８９】これらは、図４において説明したのと同様
の方法によって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４０
２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。

【００９０】第１の基板（素子基板４０１）と第２の基
板（天板４０３）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。そして、天板
４０３に設けられたイオンセンサ４１３によって、各ノ
ズルごとに、インクの会合状態が検知される。このと
き、素子基板４０１と天板４０３との間にインクが存在
しない場合には、例えばＭＯＳ電界効果トランジスタで
のゲートオープンに相当する異常な値が、イオンセンサ
４１３ａ，４１３ｂ，…から出力される。また、インク
の会合状態が適正でないときも、それに応じた値がイオ
ンセンサから出力される。このイオンセンサによる検出
結果に応じて、例えばノズル内にインクがないと判断さ
れたりインク中のイオンの会合状態が著しく正常状態か
ら逸脱していると判断される場合には、前述の制限回路
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
ことができる。これにより、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。さらに、ノズル中がイン
クで満たされている場合であっても、インク中のイオン
の会合状態に応じた検出値がノズルごとに得られるの
で、それらの検出値に応じてノズルごとに発熱体への駆
動パルスの幅を変化させることができる。

【００９１】本発明の場合には、上述のイオンセンサ、
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。

【００９２】またここでは、ノズルごとにイオンセンサ
を設ける構成としているが、発熱体４０２に対して各イ
オンセンサ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、これらイオンセ
ンサを天板４０３に設けていても配線が複雑になる等の
問題はない。

【００９３】次に、フォトリソグラフィプロセスを利用
した、素子基板への可動部材の製造方法について説明す
る。

【００９４】図１０は、図１に基づいて説明した液体吐
出ヘッドへの可動部材６の製造方法の一例を説明するた
めの図であり、図１０では、図１に示した液流路７の流
路方向に沿った断面が示されている。図１０に基づいて
説明する製造方法では、素子基板１上に可動部材６を形
成してなるものと、天板に流路側壁を形成してなるもの
とを接合することで、図１に示した構成の液体吐出ヘッ
ドを製造する。したがって、この製造方法では、可動部
材６が作り込まれた素子基板１に天板を接合する前に、
天板に流路側壁が作り込まれる。

【００９５】まず、図１０（ａ）では、素子基板１の発
熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行う
ための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層
としてのＴｉＷ膜７６をスパッタリング法によって厚さ
約５００ｎｍ形成する。

【００９６】次に、図１０（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の
表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜を
スパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。間隙
形成部材７１ａは、後述する図１０（ｄ）の工程におい
て、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在
されている。

【００９７】形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグ
ラフィプロセスを用いてパターニングすることで、その
Ａｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみ
を除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを
形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の
支持固定部に対応する部分が露出することになる。この
間隙形成部材７１ａは、素子基板１と可動部材６との間
の間隙を形成するための、Ａｌ膜からなるものである。
間隙形成部材７１ａは、図１に示した発熱体２と可動部
材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置を含む、
ＴｉＷ膜７６の表面の、可動部材６の支持固定部に対応
する部分を除く部分全てに形成されている。従って、こ
の製造方法では、ＴｉＷ膜７６の表面の、流路側壁に対
応する部分にまで間隙形成部材７１ａが形成されてい
る。

【００９８】この間隙形成部材７１ａは、後述するよう
にドライエッチングにより可動部材６を形成する際のエ
ッチングストップ層として機能する。これは、ＴｉＷ膜
７６や、素子基板１における耐キャビテーション膜とし
てのＴａ膜、および抵抗体上の保護層としてのＳｉＮ膜
が、液流路７を形成するために使用するエッチングガス
によりエッチングされてしまうからであり、それらの層
や膜のエッチングを防止するために、このような間隙形
成部材７１ａを素子基板１上に形成する。これにより、
可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜のドライエッチン
グを行う際にＴｉＷ膜７６の表面が露出することがな
く、そのドライエッチングによるＴｉＷ膜７６および、
素子基板１内の機能素子の損傷が間隙形成部材７１ａに
よって防止される。

【００９９】次に、図１０（ｃ）では、間隙形成部材７
１ａの表面全体および、ＴｉＷ膜７６の、露出した面全
体に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を形成す
るための材料膜である厚さ約４．５μｍのＳｉＮ膜７２
ａを、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。
ここで、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２ａを
形成する際には、図１１を参照して次に説明するよう
に、素子基板１を構成するシリコン基板などを介して、
素子基板１に備えられたＴａからなる耐キャビテーショ
ン膜を接地する。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反
応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およ
びラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラ
ッチ回路などの機能素子を保護することができる。

【０１００】図１１に示すように、ＳｉＮ膜７２ａを形
成するためのプラズマＣＶＤ装置の反応室８３ａ内に
は、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ａ
およびステージ８５ａが備えられている。ＲＦ電極８２
ａには、反応室８３ａの外部のＲＦ電源８１ａによって
電圧が印加される。一方、ステージ８５ａのＲＦ電極８
２ａ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素
子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ａと対向して
いる。ここで、素子基板１が有する、発熱体２の面上に
形成されたＴａからなる耐キャビテーション膜は、素子
基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙
形成部材７１ａは、素子基板１のシリコン基板、および
ステージ８５ａを介して接地されている。

【０１０１】このように構成されたプラズマＣＶＤ装置
においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状
態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にガスを供給
し、素子基板１とＲＦ電極８２ａとの間にプラズマ４６
を発生させる。反応室８３ａ内でのプラズマ放電により
分解されたイオン種やラジカルが素子基板１上に堆積す
ることで、ＳｉＮ膜７２ａが素子基板１上に形成され
る。その際、イオン種やラジカルにより素子基板１上に
電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション
膜が接地されていることにより、素子基板１内の発熱体
２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの
電荷によって損傷することが防止される。

【０１０２】次に、図１０（ｄ）では、ＳｉＮ膜７２ａ
の表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を厚さ約６１
０ｎｍ形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォト
リソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ
膜７２ａ表面の、可動部材６に対応する部分に第２の保
護層としてのＡｌ膜（不図示）を残す。その第２の保護
層としてのＡｌ膜は、可動部材６を形成するためにＳｉ
Ｎ膜７２ａのドライエッチングを行う際の保護層（エッ
チングストップ層）すなわちマスクとなる。

【０１０３】そして、誘電結合プラズマを使ったエッチ
ング装置を用い、前記第２の保護層をマスクにしてＳｉ
Ｎ膜７２ａをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７
２ａの残った部分で構成される可動部材６を形成する。
そのエッチング装置ではＣＦ ₄とＯ₂の混合ガスを用いて
おり、ＳｉＮ膜７２ａをパターニングする工程では、図
１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１
に直接固定されるようにＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を
除去する。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密
着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴ
ｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成
材料であるＴａが含まれる。

【０１０４】ここで、ドライエッチング装置を用いてＳ
ｉＮ膜７２ａをエッチングする際には、図１２を参照し
て次に説明するように素子基板１などを介して間隙形成
部材７１ａを接地する。これにより、ドライエッチング
の際にＣＦ₄ガスの分解により生じるイオン種およびラ
ジカルの電荷が間隙形成部材７１ａに留まることを防止
して、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素
子を保護することができる。また、このエッチングの工
程において、ＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去するこ
とで露出する部分、すなわちエッチングされる領域に
は、上述したように間隙形成部材７１ａが形成されてい
るため、ＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、間
隙形成部材７１ａによって素子基板１が確実に保護され
る。

【０１０５】図１２に示すように、ＳｉＮ膜７２ａをエ
ッチングするためのドライエッチング装置の反応室８３
ｂ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極
８２ｂおよびステージ８５ｂが備えられている。ＲＦ電
極８２ｂには、反応室８３ｂの外部のＲＦ電源８１ｂに
よって電圧が印加される。一方、ステージ８５ｂのＲＦ
電極８２ｂ側の面上には素子基板１が取り付けられてお
り、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ｂと対
向している。ここで、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１
ａは、素子基板１に備えれたＴａからなる耐キャビテー
ション膜と電気的に接続されており、かつ、その耐キャ
ビテーション膜は、前述したように素子基板１のシリコ
ン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａ
は、素子基板１の耐キャビテーション膜やシリコン基
板、およびステージ８５ｂを介して接地されている。

【０１０６】このように構成されたドライエッチング装
置において、間隙形成部材７１ａが接地された状態で供
給管８４ａを通して反応室８３ａ内にＣＦ₄とＯ₂の混合
ガスを供給し、ＳｉＮ膜７２ａのエッチングを行う。そ
の際、ＣＦ₄ガスの分解により生じるイオン種やラジカ
ルによって素子基板１上に電荷が発生するが、上述した
ように間隙形成部材７１ａが接地されていることによ
り、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素
子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが
防止される。

【０１０７】本実施形態では、反応室８３ａの内部に供
給するガスとして、ＣＦ₄とＯ₂の混合ガスを用いたが、
Ｏ₂が混合されていないＣＦ₄ガスまたはＣ₂Ｆ₆ガス、あ
るいはＣ₂Ｆ₆とＯ₂の混合ガスなどを用いてもよい。

【０１０８】次に、図１０（ｅ）では、酢酸、リン酸お
よび硝酸の混酸を用いて、可動部材６に形成したＡｌ膜
からなる前記第２の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成
部材７１ａを溶出して除去し、素子基板１上に可動部材
６を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板
１に形成したＴｉＷ膜７６の、気泡発生領域１０および
パッドに対応する部分を除去する。

【０１０９】以上のようにして、可動部材６が設けられ
た素子基板１が製造される。ここでは、図１に示したよ
うに可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定さ
れているものを製造する場合で説明したが、この製造方
法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固
定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この
場合、図１０（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成
する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を
素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側
の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板と
の密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であ
るＴｉＷ、および素子基板の耐キャビテーション膜の構
成材料であるＴａが含まれる。

【０１１０】上述した例では、流路側壁９を天板３に形
成した場合について説明したが、フォトリソグラフィプ
ロセスを用いて、素子基板１への可動部材６の形成と同
時に、流路側壁９を素子基板１に形成することもでき
る。

【０１１１】以下に、素子基板１に可動部材６及び流路
側壁９を設けた場合の、可動部材６及び流路側壁の形成
工程の一例について、図１３及び図１４を参照して説明
する。なお、図１３及び図１４は、可動部材及び流路側
壁が形成される素子基板の液流路方向と直交する方向に
沿った断面を示している。

【０１１２】まず、図１３（ａ）では、素子基板１の発
熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行う
ための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層
として、不図示のＴｉＷ膜をスパッタリング法によって
厚さ約５００ｎｍ形成する。この素子基板１の発熱体２
側の面に、間隙形成部材７１を形成するためのＡｌ膜を
スパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。形成
されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを
用いてパターニングし、図１に示した発熱体２と可動部
材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置に、素子
基板１と可動部材６との間の間隙を形成するための、Ａ
ｌ膜からなる間隙形成部材７１を複数形成する。それぞ
れの間隙形成部材７１は、後述する図１４（ｂ）の工程
において、可動部材６を形成するための材料膜であるＳ
ｉＮ膜７２がエッチングされる領域まで延在されてい
る。

【０１１３】間隙形成部材７１は、後述するようにドラ
イエッチングにより液流路７および可動部材６を形成す
る際のエッチングストップ層として機能する。これは、
素子基板１におけるパッド保護層としてのＴｉＷ層や、
耐キャビテーション膜としてのＴａ膜、および抵抗体上
の保護層としてのＳｉＮ膜が、液流路７を形成するため
に使用するエッチングガスによりエッチングされてしま
うからであり、これらの層や膜のエッチングが間隙形成
部材７１により防止される。そのため、ドライエッチン
グにより液流路７を形成する際に素子基板１の発熱体２
側の面や、素子基板１上のＴｉＷ層が露出しないよう
に、それぞれの間隙形成部材７１における液流路７の流
路方向と直行する方向の幅は、後述する図１４（ｂ）の
工程で形成される液流路７の幅よりも広くなっている。

【０１１４】さらに、ドライエッチング時には、ＣＦ₄
ガスの分解によりイオン種およびラジカルが発生し、素
子基板１の発熱体２や機能素子にダメージを与えること
があるが、Ａｌからなる間隙形成部材７１は、これらイ
オン種やラジカルを受け止めて素子基板１の発熱体２や
機能素子を保護するものとなっている。

【０１１５】次に、図１３（ｂ）では、間隙形成部材７
１の表面、および素子基板１の間隙形成部材７１側の面
上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を形成す
るための材料膜である厚さ約４．５μｍのＳｉＮ膜７２
を、間隙形成部材７１を被覆するように形成する。ここ
で、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２を形成す
る際には、図１１を参照して説明したように、素子基板
１を構成するシリコン基板などを介して、素子基板１に
備えられたＴａからなる耐キャビテーション膜を接地す
る。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でのプ
ラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの
電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路など
の機能素子を保護することができる。

【０１１６】次に、図１３（ｃ）では、ＳｉＮ膜７２の
表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を厚さ約６１０
ｎｍ形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリ
ソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ膜
７２表面の、可動部材６に対応する部分、すなわちＳｉ
Ｎ膜７２表面の可動部材形成領域に第２の保護層として
のＡｌ膜７３を残す。Ａｌ膜７３は、ドライエッチング
により液流路７を形成する際の保護層（エッチングスト
ップ層）となる。

【０１１７】次に、図１４（ａ）では、ＳｉＮ膜７２お
よびＡｌ膜７３の表面に、流路側壁９を形成するための
ＳｉＮ膜７４を、マイクロ波ＣＶＤ法を用いて厚さ約５
０μｍ形成する。ここで、マイクロ波ＣＶＤ法によるＳ
ｉＮ膜７４の成膜に使用するガスとしては、モノシラン
（ＳｉＨ₄）、窒素（Ｎ₂）およびアルゴン（Ａｒ）を用
いた。そのガスの組み合わせとしては、上記以外にも、
ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）やアンモニア（ＮＨ₃）などとの
組み合わせや、混合ガスを用いてもよい。また、周波数
が２．４５ＧＨｚのマイクロ波のパワーを１．５ｋＷと
し、ガス流量としてはモノシランを１００ｓｃｃｍ、窒
素を１００ｓｃｃｍ、アルゴンを４０ｓｃｃｍでそれぞ
れのガスを供給して、圧力が５ｍＴｏｒｒの高真空下で
ＳｉＮ膜７４を形成した。また、ガスのそれ以外の成分
比でのマイクロ波プラズマＣＶＤ法や、ＲＦ電源を使用
したＣＶＤ法などでＳｉＮ膜７４を形成してもよい。

【０１１８】ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜７４を形成する際
には、図１１に基づいて前述したようなＳｉＮ膜７２を
形成する方法と同様に、発熱体２の面上に形成されてい
るＴａからなる耐キャビテーション膜を素子基板１のシ
リコン基板を介して接地する。これにより、ＣＶＤ装置
の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種
およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２
やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。

【０１１９】そして、ＳｉＮ膜７４の表面全体にＡｌ膜
を形成した後に、形成されたＡｌ膜を、フォトリソグラ
フィなどの周知の方法を用いてパターニングして、Ｓｉ
Ｎ膜７４の表面の、液流路７に対応する部分を除く部分
にＡｌ膜７５を形成する。前述したように、それぞれの
間隙形成部材７１における液流路７の流路方向と直行す
る方向の幅は、次の図１４（ｂ）の工程で形成される液
流路７の幅よりも広くなっているので、Ａｌ膜７５の側
部が間隙形成部材７１の側部の上方に配置されている。

【０１２０】次に、図１４（ｂ）では、誘電結合プラズ
マを使ったエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７４および
ＳｉＮ膜７２をパターニングして流路側壁９および可動
部材６を同時に形成する。そのエッチング装置では、Ｃ
Ｆ₄とＯ₂の混合ガスを用いて、Ａｌ膜７３，２５および
間隙形成部材７１をエッチングストップ層すなわちマス
クとして、ＳｉＮ膜７４がトレンチ構造となるようにＳ
ｉＮ膜７４およびＳｉＮ膜７２のエッチングを行う。こ
のＳｉＮ膜７２をパターニングする工程では、図１に示
したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接
固定されるようにＳｉＮ膜７２の不要な部分を除去す
る。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密着部の
構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、
および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料で
あるＴａが含まれる。

【０１２１】ここで、ドライエッチング装置を用いてＳ
ｉＮ膜７２，２４をエッチングする際には、図１２を参
照して説明したように素子基板１などを介して間隙形成
部材７１を接地する。これにより、ドライエッチングの
際にＣＦ₄ガスの分解により生じるイオン種およびラジ
カルの電荷が間隙形成部材７１に留まることを防止し
て、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素子
を保護することができる。また、このエッチングの工程
で形成される液流路７の幅よりも間隙形成部材７１の幅
の方が広くなっているため、ＳｉＮ膜７４の不要な部分
を除去した際に素子基板１の発熱体２側の面が露出する
ことがなく、間隙形成部材７１によって素子基板１が確
実に保護される。

【０１２２】次に、図１４（ｃ）では、酢酸、リン酸お
よび硝酸の混酸を用いてＡｌ膜７３，２５を加温エッチ
ングすることで、Ａｌ膜７３，７５や、Ａｌ膜からなる
間隙形成部材７１を溶出して除去し、素子基板１上に可
動部材６および流路側壁９を作り込む。その後、過酸化
水素を用いて、素子基板１に形成したパッド保護層とし
てのＴｉＷ膜の、気泡発生領域１０およびパッドに対応
する部分を除去する。素子基板１と流路側壁９との密着
部にも、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および
素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴ
ａが含まれている。

【０１２３】以上、本発明の好ましい実施の形態につい
て説明したが、本発明の液体吐出ヘッドは上述したもの
に限定されるわけではない。例えば、可動部材を有しな
い、例えば上述した米国特許第４７２３１２９号明細書
に開示されるような液体吐出ヘッドにも適用可能なもの
である。

【０１２４】さらに、上述の液体吐出ヘッドにおいて第
１の液流路７ａと第２の液流路７ｂとに異なる液体を供
給し、可動部材の位置で両者を混合させ吐出させるよう
に構成した液体吐出ヘッドにも適用可能である。以下、
このような２液混合タイプの液体吐出ヘッドへの適用例
について説明する。

【０１２５】図１５は、２液混合タイプの液体吐出ヘッ
ドの流路方向の断面模式図を示しており、図１６はこの
液体吐出ヘッドの部分破断斜視図を示している。

【０１２６】図１５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発熱体５０
２が設けられた基板５０１上に、発泡液用の第２の液流
路５０４があり、その上に吐出口５１１に直接連通した
吐出液用の第１の液流路５０３が配されている。そし
て、第１と第２の流路の間に、金属等の弾性を有する材
料で構成された分離壁５０５が配されており、第１の液
流路５０３内の吐出液と第２の液流路５０４内の発泡液
とを区分している。

【０１２７】発熱体５０２の面方向上方への投影空間
（以下、吐出圧発生領域という。；図１５中のＡの領域
とＢの気泡発生領域を含む）に位置する部分の分離壁
は、スリット５０８によって吐出口側（液体流れの下流
側）が自由端で、共通液室（１２５，５１３）側に支点
が位置する片持梁形状の可動部材５０６となっており、
気泡発生領域Ｂに面して可動部材５０６が配されている
ような構成になっているため、後述するように発泡液の
発泡によって第１液流路側に開口するように動作する
（図中矢印方向）。

【０１２８】吐出口５１１に近接して、第１の液流路５
０３の天井部分には、第１の液流路５０３内の吐出液に
接するようにイオンセンサ５２０が形成されている。ま
た、イオンセンサ５２０に対向するように、基板５０１
の表面に、参照電極５２１が形成されている。この参照
電極５２１には、発熱体５０２の表面に形成されるＴａ
からなる耐キャビテーション膜を使用してもよい。

【０１２９】図１６においても、発熱体５０２としての
電気熱変換体と、この電気熱変換体に電気信号を印加す
るための配線電極５１４とが配された基板５０１上に、
第２の液流路５０４を構成する空間を介して分離壁５０
５が配置されていることが理解されよう。図１６では、
説明を簡単にするため、イオンセンサおよび参照電極は
示されていない。

【０１３０】図１７は、上述の可動部材５０６と第２の
液流路５０４との配置関係を説明するための図であり、
図１７（ａ）は可動部材５０６を上方から見た図であ
り、図１７（ｂ）は、分離壁５０５を外した第２の液流
路を上方から見た図である。そして、図１７（ｃ）は、
可動部材５０６と第２の液流路５０４との配置関係をこ
れらを垂ねることで模式的に示した図である。なお、い
ずれの図も下方が吐出口が配されている方向になってい
る。

【０１３１】第２の液流路５０４は発熱体５０２の前後
で狭窄部５０９を持っており、発泡時の圧力が第２の液
流路５０４を伝って逃げることを抑制するような室（発
泡室）構造となっている。従来のように、発泡を生ぜし
める流路と液体を吐出するための流路とが共通するヘッ
ドで、発熱体より液室側に発生した圧力が共通液室側に
逃げないように狭窄部を設ける場合には、吐出する液体
のリフィルを充分考慮して、狭窄部における流路断面積
があまり小さくならない構成を採る必要があった。

【０１３２】しかし、本発明において、第２の液流路に
流れる液体の消費を低くした場合には、第２の液流路５
０４の吐出圧発生部への充填量は少なくて良い。従っ
て、上述の狭窄部５０９における間隔を数μｍ〜十数μ
ｍと非常に狭くでき、第２の液流路で発生した発泡時の
圧力をあまり周囲に逃がすことがなく、集中して可動部
材側に向けることができ、この圧力を可動部材５０６を
介して吐出圧力として利用するため、より高い吐出エネ
ルギー効率、吐出圧力をさらに向上させることができ
る。

【０１３３】なお、上述した実施例では、発泡流路が複
数個並列されるその並列方向において搾られた狭窄部５
０９を吐出流路の始端と終端付近に対応した位置に配し
たが、これは発熱体５０２の近傍の流路方向前後位置に
配置するようにしてもよい。また、狭窄部５０９に挟ま
れる発泡流路の長さは、発熱体５０２の液体流れ方向長
さの１．５〜２倍程度であるのが望ましい。さらに、狭
窄部５０９の搾り具合は、発泡流路の幅の１／４〜１／
２程度が好ましい。この実施例では、１５μｍとしてい
る。なお、狭窄部５０９は上述の並列方向に直交する方
向に搾るようにしてもよい。

【０１３４】発熱体５０２としては、４０×１０５μｍ
の形状のものを用い、可動部材５０６はこの発熱体５０
２が配された前後室を覆うような状態で配されている。
なお、発熱体５０２や可動部材５０６の大きさや形状お
よび配置は、これに限られることなく、発泡液と吐出液
との所定の混合割合が得られ、発泡時の圧力を吐出圧と
して有効に利用できる形状および配置にすればよい。

【０１３５】本実施例においては、厚さ１５μｍのドラ
イフィルムを基板上に配し、パターニングすることで発
泡流路４を構成する流路壁を形成している。しかし、こ
れに限られることなく、流路壁の材質としては発泡液に
対しての耐溶剤性があり、流路壁形状を容易に形成でき
るものであればよい。その様な材質として、上述のドラ
イフィルムに加えて、シリコンを使用することができ、
さらに、液体レジスト、ポリサルフォン、およびポリエ
チレン等の樹脂、金、ニッケル等の金属、ガラスなどが
挙げられる。

【０１３６】また、第１の液流路５０３等は、吐出口５
１１を有するオリフィスプレートと、第１の液流路５０
３を形成する複数の液流路溝および複数の液流路溝に共
通に連通し第１の液体を夫々の液流路溝に供給するため
の第１の共通液室５１２を構成する凹部とを一体に有す
る溝付天板を分離室５０５に接合することで形成した。

【０１３７】可動部材を有する分離壁５０５は厚さ３〜
５μｍのニッケルで形成したが、分離壁を構成する材質
は発泡液と吐出液に対して耐溶剤性があり、可動部材と
して良好に動作するための弾性を有し、微細なスリット
が形成できるものであればよい。これらの材料として
は、シリコン系の材料や、ニッケル、金等の金属やポリ
エチレン等の樹脂が挙げられる。また、分離壁の厚さ
は、分離壁としての強度を達成でき、可動部材として良
好に動作するという観点からその材質と形状等を考慮し
て決定すればよいが、大まかに０．５〜１０μｍが望ま
しい。

【０１３８】また、可動部材を形成するためのスリット
の幅は本実施例では２μｍとしたが、発泡液と吐出液と
が異る液体であり、可動部材の非作動時の両液体の混液
を防止したい場合は、スリット幅を両者の液体間でメニ
スカスを形成する程度の間隔とし、夫々の液体同士の流
通を抑制すればよい。例えば、発泡液として２ｃＰ（セ
ンチポアズ）程度の液体を用い、吐出液として１００ｃ
Ｐ以上の液体を用いた場合には、５μｍ程度のスリット
でも混液を防止することができるが、さらに、３μｍ以
下にすることが望ましい。

【０１３９】本実施例においては、発熱体として電気信
号に応じて発熱するハフニュウムポライドや窒化タンタ
ル等の発熱抵抗体を発熱部として有するものを用いた
が、これに限られるものではなく、発泡液に対して吐出
液を吐出させるに十分な気泡の発生を生じさせるもので
あればよい。例えば、発熱部としてレーザ等の光を受け
ることで発熱するような光熱変換体を有する発熱体でも
良い。なお、発熱体は発熱部だけでなく発熱部を液体か
ら保護する保護膜をも含んでも良い。

【０１４０】次に図１８を用いて、図１５に示す２液混
合タイプの液体吐出ヘッドの動作を説明する。

【０１４１】前述の発熱体５０２が駆動されることで発
生した熱が、第２の液流路の気泡発生領域内の発泡液に
作用することで、発泡液に特公昭６１−５９９１４号公
報に記載されているような膜沸騰現象を生じさせ、気泡
を発生させる。この気泡発生に伴う圧力が吐出圧発生部
に配された可動部材５０６側に集中して伝搬し、気泡の
成長を伴って可動部材５０６が図１８（ａ）の状態から
図１８（ｂ）のように第１の液流路側に変位する。この
可動部材５０６の動作によって第１の液流路と第２の液
流路とが気泡の介在をもって大きく連通し、気泡の発生
に基づく圧力波が第１の液流路の吐出口側の方向に主に
伝わる。この圧力波の伝搬と、可動部材の機械的変位に
よって、吐出液体に対し発泡液体が所定の割合で混合し
た状態で液体が吐出口から吐出される。

【０１４２】この液体吐出ヘッドにおいて、従来の構成
のヘッドに比べて高い吐出エネルギー効率で、また高い
吐出圧でインクを吐出することができるのは、次のよう
な現象およびこれらの現象の相互作用によるものである
と考えられる。

【０１４３】まず、前述の可動部材５０６の変位によっ
て、第２の液流路５０４内で発生した吐出圧の内、可動
部材５０６側に伝わる吐出圧のほとんどが、第１の液流
路５０３のしかも吐出口方向に開放される、つまり第２
の液流路５０４で発生した吐出圧の伝搬方向が可動部材
５０６により吐出口方向に変換されること。また、気泡
の発生に伴う圧力によって動作する可動部材５０６の機
械的変位によって、第１の液流路５０３の吐出圧発生領
域の吐出液が押されることで吐出力が発生することが考
えられる。なお、可動部材５０６の動作時、可動部材５
０６の発熱体側に気泡が存在するため可動部材の動作を
抑制する流体の抵抗が少なく、可動部材５０６の動作が
応答性良く滑らかに行われることもこれらの効果に寄与
していると考えられる。

【０１４４】次に、気泡が収縮するに伴って可動部材５
０６が図１８（ａ）の位置まで戻ると共に第１の液流路
５０３では吐出された吐出液体量に見合う量の吐出液体
が上流側から供給される。この吐出液体の供給は前述の
可動部材５０６が閉じる方向であるため、吐出液体のリ
フィルが可動部材で妨げられることがない。この様に本
実施例の構成では、第１の液流路５０３の上流側の吐出
液は、ほとんどバック波の影響を受けることがないため
上流から下流への液体流れの一方向性が強く、リフィル
も良好に行われる。また、第２の液流路５０４内の発泡
液は、上述のようにあまり使用されないためリフィルも
わずかの量で終了する。

【０１４５】上述の実施例の構成によると、吐出液と発
泡液とを別液体とし、発泡液の発泡で生じた圧力によっ
て、吐出液を発泡液との所定の混合割合の下に吐出する
ことができる。このため従来、熱を加えても発泡が十分
に行われにくく吐出力が不十分であったポリエチレング
リコール等の高粘度の液体であっても、この液体を第１
の液流路５０３の供給し、発泡液に発泡が良好に行われ
る液体（エタノール：水＝４：６の混合液、１〜２ｃＰ
程度等）を第２の液流路５０４に供給することで良好に
吐出させることができる。さらに、本発明のヘッドの構
造においては先の実施例で説明したような効果をも生じ
るため、さらに高吐出効率、高吐出圧で高粘性液体等の
液体を吐出することができる。

【０１４６】また、加熱に弱い液体の場合においても、
この液体を第１の液流路５０３に吐出液として供給し、
第２の液流路５０４で熱的に変質しにくく良好に発泡を
生じる液体を供給すれば、加熱に弱い液体に熱的な害を
与えることなく、しかも上述のように高吐出効率、高吐
出圧で吐出することができる。

【０１４７】このように発泡液と吐出液との混合が行わ
れる場合、両者の混合比を所定の割合に制御すること
が、高品位の記録を行うために必要である。図１５に示
す液体吐出ヘッドの場合、吐出口５１１に近接してイオ
ンセンサ５２０が設けられているので、混合後の液体に
おけるイオン濃度を検知することができる。混合比は、
例えば、発熱体５０２に対する駆動パルスの幅や尖頭電
圧を変化させることによって制御できるから、イオンセ
ンサ５２０での検出結果をフィードバックすることによ
り、発泡液と吐出液との混合割合を常に一定のものとす
ることができる。

【０１４８】以下に、上述の各実施例で説明した流路構
造をする液体吐出ヘッド、ヘッドカートリッジ、液体吐
出装置を説明する。

【０１４９】図１９は複数の吐出口６１１とこれに連通
する液流路を有する液体吐出ヘッド６１６を示すもの
で、この液体吐出ヘッドは発熱体６０２が複数設けられ
た基板６０１と、前述の可動部材６０６を発熱体６０２
に対応して持つ分離壁６０５と、この分離壁上に設けら
れた複数の液流路６０３となる溝を構成する流路壁６１
５が設けられた天板６１４とで構成されている。ここに
は図示していないが、液流路ごとに、イオン選択性電界
効果トランジスタからなるイオンセンサが設けられ、ま
た、このイオンセンサに対向するように参照電極が設け
られている。

【０１５０】図２０は、図１９で示した液体吐出ヘッド
６１６とこの液体吐出ヘッドに供給するための液体を保
持するインク容器とを有するヘッドカートリッジ６１７
を示している。なお、このインク容器はインク消費後
に、インクを再充填して使用することが可能である。

【０１５１】図２１は、前述の液体吐出ヘッドを搭載し
た液体吐出装置の概略構成を示している。本実施例の液
体吐出装置のキャリッジＨＣは、液体タンク部６７０と
液体吐出ヘッド部６６０とが着脱可能なヘッドカートリ
ッジを搭載しており、被記録媒体搬送手段で搬送される
被記録媒体６８０の幅方向に往復移動する。

【０１５２】不図示の駆動信号供給手段からキャリッジ
上の液体吐出手段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から被記録媒体に対して記録液
体が吐出される。

【０１５３】また、本実施例の液体吐出装置において
は、被記録媒体搬送手段とキャリッジを駆動するための
駆動源としてのモータ６８１、駆動源からの動力をキャ
リッジに伝えるためのギア６８２、６８３およびキャリ
ッジ軸６８５等を有している。この記録装置およびこの
記録装置で行う液体吐出方法によって、各種の被記録媒
体に液体を吐出することで良好な画像の記録物を得るこ
とができた。

【０１５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、液流路に
接して濃度センサ、好ましくはイオンセンサを配置する
ことにより、吐出口ごとにインクの性状を把握すること
が可能になって、高精細であって高品位な記録を高速に
行うことができるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】図１に示した液体吐出ヘッドに用いられる素子
基板の断面図である。

【図３】図２に示した素子基板の主要素子を縦断するよ
うに素子基板を切断した模式的断面図である。

【図４】図１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、（ａ）は素子基板の平面図、
（ｂ）は天板の平面図である。

【図５】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６】イオンセンサを説明する図である。

【図７】（ａ），（ｂ）は、インク中の染料イオンの会
合状態を説明する図である。

【図８】（ａ）はイオンセンサが組み込まれた発振回路
を説明する回路図、（ｂ）はこの発振回路をロジック回
路として表わす回路図である。

【図９】イオンセンサの出力を利用して制御を行う例の
素子基板および天板の回路構成を示す図である。

【図１０】素子基板上に可動部材を形成する方法を説明
するための図である。

【図１１】プラズマＣＶＤ装置を用いて素子基板上にＳ
ｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。

【図１２】ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜を形
成する方法を説明するための図である。

【図１３】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成す
る方法を説明するための図である。

【図１４】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成す
る方法を説明するための図である。

【図１５】２液混合タイプの液体吐出ヘッドの断面模式
図である。

【図１６】図１５の液体吐出ヘッドの部分破断斜視図で
ある。

【図１７】図１５の液体吐出ヘッドの可動部材と第２の
液流路の構造を説明するための図である。

【図１８】可動部の動作を説明するための図である。

【図１９】複数の液流を有する液体吐出ヘッドの部分破
断斜視図である。

【図２０】本発明のヘッドカートリッジを説明するため
の図である。

【図２１】本発明の液体吐出装置の一例を示すための図
である。

【符号の説明】１素子基板２発熱体３天板４オリフィスプレート５吐出口６可動部材７液流路２００イオンセンサ２１０参照電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今仲良行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） 2C056 EA06 EA23 EB08 EB29 EC08 EC42 EC43 FA03 FA10 HA05 HA17 KD06 2C057 AF24 AF34 AF43 AG30 AG46 AG52 AG83 AK07 AL14 AM14 AM18 AP02 AP14 AP53 AQ02 BA05 BA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に
連通する液流路と、前記液流路内に液体に吐出エネルギ
ーを付与するエネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘ
ッドにおいて、前記液流路に配置された濃度センサを有することを特徴
とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】前記濃度センサがイオンセンサである請
求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】前記濃度センサがイオン選択性電界効果
トランジスタである請求項１に記載の液体吐出ヘッド
【請求項４】前記エネルギー変換素子が、電気エネル
ギーを熱エネルギーに変換することにより、前記液体中
に気泡を発生せしめ、該気泡の作用力によって前記液体
を前記吐出口から吐出される電気熱変換体である、請求
項１乃至３いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】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前記吐出口と連通する複数の
液流路を構成するための第１の基板及び第２の基板と、
前記エネルギーを前記液流路内の液体の吐出エネルギー
に変換するためのに前記各液流路内に配された複数のエ
ネルギー変換素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記第１の基板上に前記エネルギー変換素子が形成され
るとともに、前記エネルギー変換素子を駆動させるドラ
イバを含む前記回路を前記第１の基板上に有し、前記各液流路ごとに配置された濃度センサを前記第２の
基板上に有することを特徴とする、液体吐出ヘッド。
【請求項６】前記濃度センサがイオンセンサである請
求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】前記濃度センサがイオン選択性電界効果
トランジスタであり、前記イオン選択性電界効果トラン
ジスタに対応する参照電極が前記第１の基板上に形成さ
れている請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】前記エネルギー変換素子の表面に、金属
からなり前記エネルギー変換素子をキャビテーションか
ら保護する耐キャビテーション膜が形成され、前記耐キ
ャビテーション膜が前記参照電極として機能する請求項
７に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】前記耐キャビテーション膜がタンタルか
ら構成される請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】前記濃度センサからの検出値に基づ
き、最適なヒートパルスを選択する駆動信号制御回路が
前記第２の基板上に形成されている請求項５乃至９いず
れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】前記エネルギー変換素子が、電気エネ
ルギーを熱エネルギーに変換することにより、前記液体
中に気泡を発生せしめ、該気泡の作用力によって前記液
体を前記吐出口から吐出される電気熱変換体である、請
求項５乃至１０いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１２】前記電気熱変換体に面して前記液流路
内に配置され、前記液体の流れの下流側に自由端を有
し、前記電気熱変換体の駆動による気泡の発生による圧
力に基づいて前記自由端を前記電気熱変換体から遠ざか
る方向に変位させて前記圧力を前記吐出口に向かって伝
える可動部材をさらに備える請求項１１に記載の液体吐
出ヘッド。
【請求項１３】前記第１の基板及び前記第２の基板が
それぞれシリコン基板から構成されている請求項５乃至
１２いずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１４】吐出口に連通した第１の液流路と、液
体に熱を加えることで前記液体に気泡を発生させる発熱
体が設けられた第２の液流路と、前記第１の液流路と前
記第２の液流路との間に配され、液体の流れの下流側に
自由端を有し、前記第２の液流路内での気泡の発生によ
る圧力に基づいて前記自由端を前記第１の液流路側に変
位させて、前記圧力を前記第１の液流路に伝える可動部
材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口と前記可動部材の自由端位置との間で前記第
１の液流路に壁面に形成されたイオンセンサを有し、前記第１の液流路の供給される第１の液体と前記第２の
液流路に供給される第２の液体とを、前記第２の液体の
気泡発生に伴い、ともに前記吐出口から吐出するように
構成されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１５】前記イオンセンサがイオン選択性電界
効果トランジスタである請求項１４に記載の液体吐出ヘ
ッド。
【請求項１６】前記イオンセンサによって前記第１の
液体と前記第２の液体との混合比を検知し、その検知結
果に応じて前記発熱体の駆動条件を変化させる請求項１
４または請求項１５に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１７】前記発熱体が、電気信号を受けること
で熱を発生する電気熱変換体である請求項１４乃至１６
いずれか１項に掲載の液体吐出ヘッド。
【請求項１８】請求項１乃至１７のいずれか１項に記
載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに供給され
る液体を保持する液体容器とを有するヘッドカートリッ
ジ。
【請求項１９】請求項１乃至１７のいずれか１項に記
載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドから液体を
吐出するための駆動信号を供給する駆動信号供給手段と
を有する液体吐出装置。
【請求項２０】請求項１乃至１７のいずれか１項に記
載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドから吐出さ
れた液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送
手段とを有する液体吐出装置。