JP2000343700A

JP2000343700A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出記録装置

Info

Publication number: JP2000343700A
Application number: JP15835999A
Authority: JP
Inventors: Shinji Watanabe; 伸二渡辺; Akihiro Yamanaka; 昭弘山中; Masahiko Kubota; 雅彦久保田; 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】各ノズル内の液体の発泡状態を監視して各発
熱素子による液滴吐出を安定化させることができる記録
ヘッドを提供する。【解決手段】吐出ノズル内で発熱体２に被さるように
配された可動部材６に、ポリシリコン膜もしくは圧電素
子からなる圧力センサ素子２００が作り込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録ヘッドの吐出制御に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体吐出記録装置、特にインクジェット
式記録装置は、現代のビジネスオフィスやその他の事務
処理部門において広汎に使用されている。

【０００３】このような記録装置に備わるヘッド（イン
クジェット記録ヘッドと言う）は、インク等の記録液を
吐出する複数の微細な穴（オリフィス）、各オリフィス
にそれぞれ連通する複数の液流路および各液流路内に位
置付けられた吐出エネルギー発生素子を備えている。こ
の吐出エネルギー発生素子に記録情報に対応した駆動信
号を印加し、吐出エネルギー発生素子の位置する液流路
内の記録液に吐出エネルギーを付与することによって、
記録液をオリフィスから飛翔液滴として吐出させて記録
を行なうように構成されている。

【０００４】この種のインクジェット記録ヘッドは例え
ば図１５に示すように、高精度にオリフィスが形成され
たオリフィスプレート１００と、そのオリフィスにそれ
ぞれ連通する複数の液流路溝を持つ天板１０１と、表面
に複数の吐出エネルギー発生素子１０２が形成されたＳ
ｉ基板からなる素子基板１０３とから構成される。オリ
フィスプレート１００のオリフィス１０４、天板１０１
の液流路溝、素子基板１０３上の吐出エネルギー発生素
子１０２がそれぞれ対応するように位置決めし、ばね等
の付勢手段あるいは接着剤により接合され、素子基板１
０３の電気配線の端部に位置し、本体装置から駆動信号
などの電気信号を受けるパッドを有する配線基板（不図
示）と共に、ベースプレート１０５上に固定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなインクジェ
ット記録装置は、高精細な記録画像の形成、保守点検が
比較的容易等のユーザ要求に答えられるように開発、研
究が図られている。

【０００６】本発明者らは鋭意研究の結果、上述の要求
に答えられる記録装置を提供するために、ノズル内に可
動部材を設け、この可動部材の変位時のひずみを検出す
ることで、液体の発泡状態から発熱素子の駆動条件を調
整することができるヘッド構成を新規に見い出した。

【０００７】そこで本発明の目的は、各ノズル内の液体
の発泡状態を監視して各発熱素子による液滴吐出を安定
化させることができる記録ヘッドおよび記録装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、液体を吐出する複数の吐出口の各々に連通
する複数の液流路を構成するために互いに接合された第
１の基板および第２の基板内に、前記吐出口から液体を
吐出する吐出エネルギーを発生させるために前記各液流
路内に配された複数のエネルギー発生素子と、該エネル
ギー発生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備え、さらに前記各
液流路内に可動部材を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記可動部材に作り込まれた圧力センサ素子と、該圧力
センサ素子で検出した出力値を読み取る回路部とを備え
たことを特徴とする。

【０００９】前記圧力センサ素子はポリシリコン膜や圧
電素子を用いたことを特徴とする。

【００１０】上記の液体吐出ヘッドは、前記回路部で得
た出力値に基づき前記エネルギー発生素子を調整しなが
ら駆動して液体を吐出することを特徴とする。

【００１１】また前記圧力センサ素子がポリシリコン膜
の場合は、前記ポリシリコン膜の温度を検出する温度セ
ンサを備えることが望ましい。

【００１２】この温度センサを備えた液体吐出ヘッド
は、前記回路部で得た出力値を、前記温度センサで得た
ポリシリコン膜の温度をもとに補正し、この補正した値
に基づき前記エネルギー発生素子を調整しながら駆動し
て液体を吐出する。

【００１３】さらに前記エネルギー発生素子は電気熱変
換素子である。

【００１４】また本発明は上記の液体吐出ヘッドにより
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
をも含む。

【００１５】上記のとおりの発明では、圧力センサ素子
を有する可動部材が液流路内に配されていることによ
り、発熱体上に発生した気泡による発泡圧力が、可動部
材の変位に応じる圧力センサ素子によって電気的に測定
することが可能である。特に、液体中の可動部材の変位
量からは発泡圧力を予測できる事により、エネルギー発
生素子の駆動条件を調整して、吐出特性を安定化させる
ことが可能である。

【００１６】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。

【００１７】

【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。

【００１８】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。

【００１９】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、可動
部材６に設けられ、液体を発泡させた際の気泡の圧力
や、液体の流れによる流圧を可動部材６の歪み又は振動
によって検出する圧力センサ（不図示）とを有する。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。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３
０８である。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２
３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４
２０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なるソース領域４２５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
の表面に厚さ数百Å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−Ｍｏｓ４２１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なるソ
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百Åのゲート絶縁膜４
２８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４３５は、ＣＶＤ法により堆積
した厚さ４０００Å〜５０００Åのポリシリコンから成
るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍ
ｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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、５０００Å〜１００００
Å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。

【００３７】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７０００ÅのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ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１００００Å〜１
５０００ÅのＳｉＯ₂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４３
８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１０００ÅのＴ
ａＮ_0.8,he _x膜から成る抵抗層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４
３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４
３１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。

【００３８】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１００００ÅのＳｉ₃Ｎ₄膜から成る
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２５００ÅのＴａなどの
膜から成るものである。

【００３９】次に、気泡発生領域１０に面して設けられ
た、圧力センサを有する可動部材６について図４および
図５を参照して説明する。

【００４０】図４（ａ）は圧力センサを有する可動部材
６を備えたノズルを素子基板１に垂直に流路方向に沿っ
て切断した断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）にお
いて発熱体２で液体に発生した気泡に伴って変位する可
動部材６の様子を示している。また、図５は各液流路に
配設された可動部材６の圧力センサに対する電気配線を
示すために素子基板１に平行な方向に沿って切断した断
面図である。

【００４１】図４に示すように可動部材６内に、各電極
２０１にリード配線２０２と繋がった電極２０１が両端
に形成された圧力センサ素子２００が作り込まれてい
る。例えばＳｉＮからなる可動部材６内の圧力センサ素
子２００としては、ポリシリコン膜におけるピエゾ抵抗
効果を利用した半導体ひずみゲージや、外部からの圧力
で電圧が発生する圧電素子を用いる。本例では、センサ
素子が効率的に屈曲するように、圧力センサ素子２００
の上部と下部の両方又は一方の可動部材を一部除去して
ある。また図５に示すように各液流路における可動部材
６の圧力センサ素子２００の両端の電極２０１のうち、
一方の電極はこれと同じ他の圧力センサ素子の一方の電
極と共に共通配線２０２ａに繋がっており、もう一方の
電極は各可動部材に個別に設けられたセグメント配線２
０２ｂに繋がっている。

【００４２】次に、フォトリソグラフィプロセスを利用
した、圧力センサを有する可動部材６の素子基板１への
製造方法について説明する。

【００４３】図６及び図７は、図１及び図４に示した可
動部材の液体吐出ヘッドへの製造方法の一例を説明する
ための図であり、図６及び図７では、図１及び図４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６及び図７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。従って、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、その天板には流路側壁が作り込まれ
る。

【００４４】まず、図６（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
５０００Å形成する。

【００４５】次に、図６（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６（ｇ）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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】次に、図６（ｃ）では、間隙形成部材７１
ａ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２．５μｍのＳｉＮ膜７２ａ
を、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。

【００４９】次に、ＳｉＮ膜７２ａの表面全体にポリシ
リコン膜を形成した後、形成されたポリシリコン膜を周
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、可動部材６の圧力センサ素子２００（図４参照）に
対応する部分にポリシリコン膜２００ａを残す。

【００５０】次に、図７（ａ）に示すように、圧力セン
サ素子になるポリシリコン膜２００ａの両端部に対して
それぞれ、ＡｌもしくはＣｕ/Ｗでリード配線２０２
ａ、２０２ｂ（図４及び図５参照）をパターニングす
る。

【００５１】次に、図７（ｂ）では、ＳｉＮ膜７２ａの
表面全体に、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２．０μｍのＳｉＮ
膜７２ｂを、ポリシリコン膜２００ａ及びリード配線２
０２ａ，２０２ｂを被覆するように形成する。

【００５２】次に、ＳｉＮ膜７２ｂの表面に、スパッタ
リング法によりＡｌ膜を厚さ約６１００Å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７２ｂ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。但し、後述のドライエッチングの際
にポリシリコン膜２００ａの一部が露出されるように、
ポリシリコン膜２００ａ上のＳｉＮ膜７２ｂの表面の一
部には前記第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）は残
さない。この第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ＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂにドライ
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。

【００５３】そして、図７（ｃ）では、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ＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂをパターニング
することで、そのＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂ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ＣＦ₄とＯ₂の混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜
７２ａ及び７２ｂ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Ｔｉ
Ｗ、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。

【００５４】次に、図７（ｄ）では、酢酸、りん酸およ
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。

【００５５】以上のようにして、圧力センサ素子を有す
る可動部材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６（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。

【００５６】その後、他方の素子基板３である天板側に
おいては、電気的な接続用パッドが形成された表面上
に、金バンプ等を形成し、凸電極部を形成する。

【００５７】そして、図示しないが、天板側の凸電極
と、素子基板１側の凹電極間で、金属の共晶を利用した
接合を行った。この際、両側の金属種は、同種金属を採
用した方が接合時の温度・圧力を低減でき、かつ、接合
強度を高めることができる。

【００５８】次に、エキシマレーザを用いて、フェイス
全面に設置したコンタクトマスクを介して、オリフィス
５を形成した。以上のようにして図１に示した液体吐出
ヘッドが作製される。

【００５９】上述した製法例では、流路側壁９を天板３
側に形成しておく場合を説明したが、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側に形成してもよ
い。また、ポリシリコン膜２００ａを用いた半導体圧力
センサを有する構造についての製法を説明したが、ポリ
シコン膜２００ａを圧電素子に代えても上記と同様の製
法で本発明の液体吐出ヘッドを作製し得る。

【００６０】図８は、可動部材６に設けた圧力センサで
検出した出力信号を演算して、発熱体への印加エネルギ
ーを制御する素子基板１および素子基板３の回路構成の
一例を示している。

【００６１】図８（ａ）に示すように、素子基板１に
は、一列に配列された発熱体２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４
１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、各発熱体２上方に面する可動部材の変位量を監視す
ることで発熱体２による発泡時の圧力を検出する圧力セ
ンサ（不図示）とが形成されている。

【００６２】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２を
同時に通電するのではなく発熱体２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。

【００６３】また、素子基板１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２の駆動電源の入力端子４５ａ、
パワートランジスタ４１の接地端子４５ｂ、発熱体２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４
５ｆ、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４５
ｉ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。

【００６４】一方、図８（ｂ）に示すように、天板であ
る素子基板３には、前記圧力センサを駆動するためのセ
ンサ駆動回路４７と、前記圧力センサからの出力をモニ
タしその結果に応じて発熱体２への印加エネルギーを制
御するための駆動信号制御回路４６と、前記圧力センサ
で検出された出力値データあるいは出力値からランク分
けされたコード値、および予め測定されている各発熱体
２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。

【００６５】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３２には、吐出ヒータ用ランクヒ
ータ４３とセンサ駆動回路４７とを接続する端子４４
ｇ，４４ｈ，４８ｇ，４８ｈ、外部から上記発熱体２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４４ｂ〜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。

【００６６】以上の構成において、まず、可動部材６の
変位が圧力センサ素子２００で検出され、その結果がメ
モリ４９に記憶される。駆動信号制御回路４６では、メ
モリ４９に記憶された出力値データおよび液体吐出量特
性に応じて発熱体２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。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Ａ
ＮＤ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２への通電が
行われる。その結果、発熱体２にはほぼ一定のエネルギ
ーが印加される。

【００６７】次に、図９〜図１１を参照して、前記圧力
センサ素子からの出力をモニターするための回路例を説
明する。

【００６８】図９はポリシリコン膜を用いた圧力センサ
からの出力をモニターするための回路図であり、（ａ）
は図４及び図５に示した可動部材の圧力センサによる出
力電圧を検出する回路図、（ｂ）は（ａ）の模式的な回
路図を示している。

【００６９】図９において、通常時のポリシリコン膜２
００ａの抵抗値をｒとすると、電流計２０３にはｉ=VDD
/(R0+R×r(R+r))の電流が流れる。いま、吐出エネルギ
ー発生素子である発熱体を通電させ、記録液を発泡させ
た場合、発泡の圧力により可動部材（弁）６及びポリシ
リコン膜２００ａが変位する。ポリシリコンは変位にほ
ぼ比例して抵抗値が増加する特性を持つため、ポリシリ
コン膜２００ａの抵抗値ｒが可動部材６の変位に伴って
変化し、その結果、電流計４によって測定される電流値
も変化する。すなわち、電流値の変化によって可動部材
６の変位量及び発泡圧力、吐出エネルギーや可動部材後
方（共通液室側）への圧力が計測可能となる。

【００７０】また図９の回路において、Ｖout端子の電
圧はVDD−ｉ×Rであり、この電圧もポリシリコン膜２０
０ａの抵抗値変化に伴い変化する。よって、このＶout
出力を素子基板３内部のメモリ４９（図８参照）にフィ
ードバックする。この場合、駆動信号制御回路４６で、
このフィードバックされた信号をもとに駆動パルスの切
り替えや選択、パルス幅調整などを行うことで常に安定
した発泡圧力を得ることができる。

【００７１】上記のように圧力センサ素子にポリシリコ
ン膜を用いた場合、ポリシリコンは温度によってひずみ
抵抗が変化する特性を持つ。そのため、図１０の例では
ポリシリコン膜２００ａの温度をモニターする温度セン
サ２０４をさらに備えていることが望ましい。つまり図
１０において、ポリシリコン膜２００ａに温度センサ２
０４を介して電圧VDDを供給することにより、発泡にお
いて発生する熱の温度変化によるポリシリコン膜２の特
性変化を補償して、上述のフィードバック制御をより正
確に行うことができる。

【００７２】また圧力センサ素子に圧電素子を用いた場
合は、図１１に示す回路のように、記録液発泡時の圧力
による圧電素子２０５の変位に伴う起電力を電圧計２０
６によって測定することにより、可動部材６の変位量及
び発泡の圧力が計測可能となる。

【００７３】さらに図１１の回路において、Ｖout端子
の電圧は圧電素子２０５の起電力である。よって、この
Ｖout出力を素子基板３内部のメモリ４９（図８参照）
にフィードバックする。この場合も、駆動信号制御回路
４６で、このフィードバックされた信号をもとに駆動パ
ルスの切り替えや選択を行うことで常に安定した発泡圧
力を得ることができる。

【００７４】上述のように、良好な画像品位を得るため
に発熱体２の駆動を制御しても、共通液室内に気泡が発
生し、これが液体のリフィルとともに液流路内に移動し
てくると、共通液室内には液体が存在するにもかかわら
ず、液体が吐出されないという不具合が発生する場合が
ある。

【００７５】そこで、これに対処するために、各液流路
内の可動部材６に設けた圧力センサで発泡状態の異常が
検出されたらその結果を後述の吸引回復操作を制御する
回路に出力させる処理回路を素子基板１又は３に設けて
もよい。そして、この処理回路からの出力に基づき、後
述の液体吐出記録装置側のインク吸引手段で、液体吐出
ヘッド内の液体を吐出口から強制的に吸引するようにす
れば、液流路内の気泡を除去することができる。

【００７６】次に、上記の圧力センサを用いた発泡状態
の検知および不良回復動作の例を図１２及び図１３を用
いて説明する。

【００７７】図１２は非印字時に発泡状態の異常を検出
してヘッドの吐出回復を図る制御動作を説明するための
フローチャートである。ここでいう非印字時は、記録装
置の電源投入時や回復後や印字前などに実施されるノズ
ルからの予備吐出動作の時である。図１２に示すよう
に、設定された駆動条件のとおりヒータ（発熱体２）が
駆動される（ステップＳ１〜Ｓ３）。この時、正常にヒ
ータ表面に気泡が発生すれば、この時の発泡圧力によっ
て可動部材が変位する。よって、ヒータ駆動に応じて可
動部材が変位したかどうかで発泡状態の良否が判別でき
ると共に、可動部材の変位量で発泡パワーの大きさが判
る。そこで、ヒータ駆動後に、可動部材に設けた圧力セ
ンサからの出力が検知され、その出力値で発泡状態の良
否が判定される（ステップＳ３、Ｓ４）。

【００７８】発泡状態が不良、すなわち吐出不良の場合
はその不良ノズルが記憶される（ステップＳ５）。一
方、発泡状態に問題が無ければ、圧力センサからの出力
値データを図８に示したメモリ４９にフィードバック
し、印字時に、その記録した出力値データを駆動信号制
御回路４６によって参照しながら発熱体２への印加パル
スの幅を調整してもよい（ステップＳ７）。

【００７９】以上のステップＳ１〜Ｓ７の操作を全ノズ
ルに対して行う（ステップＳ８）。なお、本例では各ノ
ズルの発泡状態を順次にセンサーで判定する方法を採っ
たが、複数ノズルの発泡状態を判定する方法であっても
よい。

【００８０】全ノズルの発泡状態を判定した後、全ノズ
ルのセンサー出力が良好であったか、つまり不良ノズル
は無かったかを判定する（ステップＳ１０）。全ノズル
のセンサー出力が良好で無い場合はノズルに対して後述
の装置本体の吸引回復操作が実施される（ステップＳ１
０）。

【００８１】以上のようにして非印字時の発泡状態検知
シーケンスが終了する。

【００８２】一方、図１３は印字時に発泡状態の異常を
検出してヘッドの吐出回復を図る制御動作を説明するた
めのフローチャートである。同図に示すように、所定の
画像データに基づく印字命令が終了するまで、設定され
た駆動条件のとおりヒータ（発熱体２）が駆動され、印
字が行なわれる（ステップＳ１２〜Ｓ１３）。このヒー
タ駆動後は、図１２に示したシーケンスと同様、可動部
材に設けた圧力センサからの出力が検知され、その出力
値で発泡状態の良否が判定される（ステップＳ１４、Ｓ
１５）。

【００８３】発泡状態が不良、すなわち吐出不良の場合
はその不良ノズルが記憶される（ステップＳ１６）。一
方、発泡状態に問題が無ければ、圧力センサからの出力
値データを図８に示したメモリ４９にフィードバック
し、その記録した出力値データを駆動信号制御回路４６
によって参照しながら次回印字時の発熱体２への印加パ
ルスの幅を調整する（ステップＳ１７）。

【００８４】全印字ノズルの発泡状態を判定した後、全
印字ノズルのセンサー出力が良好であったか、つまり不
良ノズルは無かったかを判定する（ステップＳ１８）。
全印字ノズルのセンサー出力が良好で無い場合は後述の
装置本体の吸引回復操作が実施される。

【００８５】以上のようにして印字時の発泡状態検知シ
ーケンスが終了する。

【００８６】（その他の実施の形態）図１４は、上述し
たインクジェット記録ヘッドを装着して適用することの
できる液体吐出記録装置の一例であるインクジェット記
録装置を示す斜視図である。図１４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、上述したセンサを有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液体容
器とを有するものである。ヘッドカートリッジ６０１
は、図１４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。

【００８７】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６
０７のレバー６０７ａの、フォトカプラ６１１および６
１２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。

【００８８】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６
０７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６
１７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６
１５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１４では示されていない。

【００８９】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
って往復移動しながら記録を行う。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、圧力セ
ンサ素子を有する可動部材が液流路内に配されているこ
とにより、発熱体上に発生した気泡による発泡圧力を、
可動部材の変位に応じる圧力センサ素子によって電気的
に測定することができる。特に、液体中の可動部材の変
位量からは発泡圧力を予測することができ、これによっ
て、エネルギー発生素子の駆動条件を調整することによ
って、吐出特性を安定化させることができる。

【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】本発明の実施の形態に係る、圧力センサを有す
る可動部材を備えたノズルを最もよく表した図である。

【図５】図４の、各液流路に配設された可動部材の圧力
センサに対する電気配線を示すために素子基板に平行な
方向に沿って切断した断面図である。

【図６】図４に示した素子基板上に、圧力センサ素子を
有する可動部材を形成する方法を説明するための図であ
る。

【図７】図４に示した素子基板上に、圧力センサ素子を
有する可動部材を形成する方法を説明するための図であ
る。

【図８】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）はヒータボードになる
素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板になる素子基板の
平面図である。

【図９】本発明の液体吐出ヘッドに備わるセンサの構成
例を示す回路図である。

【図１０】本発明の液体吐出ヘッドに備わるセンサの構
成例を示す回路図である。

【図１１】本発明の液体吐出ヘッドに備わるセンサの構
成例を示す回路図である。

【図１２】本発明の液体吐出ヘッドにおいて発泡状態を
センサ検知し吐出回復を図るための非印字時のフローチ
ャートである。

【図１３】本発明の液体吐出ヘッドにおいて発泡状態を
センサ検知し吐出回復を図るための印字時のフローチャ
ートである。

【図１４】本発明の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出記
録装置の一例を示す概略斜視図である。

【図１５】従来のインクジェット記録ヘッドを一部切り
欠いて見た斜視図である。

【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６ａ支点６ｂ自由端７液流路８共通液室９流路側壁１０気泡発生領域７１ａ間隙形成部材７２ａ、７２ｂＳｉＮ膜７３、７５Ａｌ膜７６ＴｉＷ膜２００圧力センサ素子２００ａポリシリコン膜２０１電極２０２リード電極２０２ａ共通配線２０２ｂセグメント配線２０３電流計２０４温度センサ２０５圧電素子２０６電圧計３０１シリコン基板３０２熱酸化膜３０３層間膜３０４抵抗層３０５配線３０６保護層３０７耐キャビテーション膜３０８熱作用部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久保田雅彦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） 2C057 AF24 AG12 AL03 AL15 AL25 AM03 AM18 AR17 BA03 BA13 DD06 DD07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を吐出する複数の吐出口の各々に連
通する複数の液流路を構成するために互いに接合された
第１の基板および第２の基板内に、前記吐出口から液体
を吐出する吐出エネルギーを発生させるために前記各液
流路内に配された複数のエネルギー発生素子と、該エネ
ルギー発生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備え、さらに前記
各液流路内に可動部材を備えた液体吐出ヘッドにおい
て、前記可動部材に作り込まれた圧力センサ素子と、該圧力
センサ素子で検出した出力値を読み取る回路部とを備え
たことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】前記圧力センサ素子はポリシリコン膜を
用いた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】前記ポリシリコン膜の温度を検出する温
度センサを備えた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】前記圧力センサ素子は圧電素子であるこ
とを特徴とする請求項１に記載に記載の液体吐出ヘッ
ド。
【請求項５】前記回路部で得た出力値に基づき前記エ
ネルギー発生素子を調整しながら駆動して液体を吐出す
ることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
液体吐出ヘッド。
【請求項６】前記回路部で得た出力値を、前記温度セ
ンサで得た前記ポリシリコン膜の温度をもとに補正し、
この補正した値に基づき前記エネルギー発生素子を調整
しながら駆動して液体を吐出することを特徴とする請求
項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】前記エネルギー発生素子は電気熱変換素
子であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに
記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載の液体
吐出ヘッドにより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。