JP2007290160A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】非常に少ない基板面積で、吐出口及びヒータの高密度配置に伴う配線の引き回しが可能になる構成を提供する。
【解決手段】シリコン基板１０１の裏側面に、駆動素子２０４と２本の電力配線２０１，２０２とロジック配線２０３とが設けられている。一方の電力配線２０１は、シリコン基板１０１の表側面と裏側面を貫通する貫通電極１０４とシリコン基板１の表側面の一方の配線電極部１０２とを介して、ヒータ１０３の一端に電気接続されている。もう一方の電力配線２０２は、駆動素子２０４、上記とは別の貫通電極１０４、及び、もう一方の配線電極部１０２を介して、ヒータ１０３の他端に電気接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドに関する。

従来、発熱抵抗体が配置された面と垂直に吐出する形態のヘッドがあるが、このようなヘッドでは図６に示すように基板２０１の上面から見てインク供給口２０２が矩形でその両側に直線的に吐出口２０３が配列されるのが一般的である。なお、図示していないが、各吐出口２０３に対応して発熱抵抗体（以下、ヒータと呼ぶ。）が配置されている。

しかしながら、ヒータを高密度に配置すると、ヒータサイズや吐出口の大きさの制約から直線に配置するのが難しいので、二次元にヒータや吐出口を配置する方法（例えば千鳥配置）が提案されている。

また、上記形態のヘッドでは、基板の発熱抵抗体に電気を供給する電極と、外部配線板との電気接続が、基板の吐出口側の面で接続される。そのため、特許文献１に述べられているように、上記電気接続部分が、吐出口が形成された面と、紙などの記録シートとの間にある場合が生じる。この場合、記録シートを吐出口面に近接させることができず、印字性能を低下させるため、特許文献１に開示されたヘッドでは、上記電気接続部の高さを低くしている。

しかしながら、基板の吐出口面側に電気接続部を設けると、必ず出っ張り部が出来るので、究極的な構成として基板の吐出口面とは反対側の面で電気接合することが考えられている。そのため、基板の吐出口面から反対側の面に貫通電極を設け、基板の吐出口とは反対側の面で外部配線板との接合を行うことが提案されている。
特公平８−２５２７２号公報

ヒータ及び吐出口を二次元配置する為には、ヒータに対する配線の引き回しが重要で、配線領域を確保する必要があった。その為、二次元配置の場合は基板サイズが大きくなることがあった。

駆動素子をヒータに対して設けることで、駆動用の配線を減少させることが出来たが、それを駆動するロジックの配線の引き回しが難しく、結局、配線領域を確保する必要があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題に鑑み、非常に少ない基板面積で、吐出口及びヒータの高密度配置に伴う配線の引き回しが可能になる構成を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の前提となる液体吐出ヘッドは、基板と、吐出エネルギー発生素子と、流路形成部材と、液体供給口と、吐出口とを備える。基板の表面には吐出エネルギー発生素子が形成される。流路形成部材は、該吐出エネルギー発生素子に対応して流路を形成する。液体供給口は、基板を貫通して流路に液体を供給する。吐出口は、流路から吐出エネルギー発生素子のエネルギーによって液滴を吐出するための開口部である。

そして、本発明の特徴は、上記の液体吐出基板において、前記基板の表面から裏面に貫通する貫通電極を備える。さらに、前記吐出エネルギー発生素子を前記貫通電極を経由して駆動する駆動素子が、前記基板の裏面に配置されている。そして、前記液体供給口、前記流路、前記吐出エネルギー発生素子、前記貫通電極および前記駆動素子を一つのまとまりとして二次元に配置してあることで上記の課題が解決される。

本発明によれば、非常に少ない基板面積で、吐出口及びエネルギー発生素子の高密度配置に伴う配線の引き回しが可能になる。

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。

図１に本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの完成状態を示す。図１（ａ）は本実施形態の液体吐出ヘッドを吐出口面側から見た平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）とは反対側から見た平面図、図１（ｃ）は図１（ａ）（ｂ）のα−β断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）（ｂ）のＸ−Ｙ断面図である。また、図２〜図５は本実施形態の液体吐出ヘッドの製造工程を説明する図である。図２〜５の各図における（ａ）は基板の表側面を示す平面図、（ｂ）は基板の裏側面を示す平面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）のα−β断面図、（ｄ）は（ａ）（ｂ）のＸ−Ｙ断面図である。

図１を参照すると、本実施形態の液体吐出ヘッドは、シリコン基板１０１上にノズル材（流路形成部材）１０５を形成したものである。シリコン基板１０１の、ノズル材１０５が形成された面（基板１０１の表側面）には、吐出エネルギー発生素子であるヒータ（発熱抵抗体）１０３と、ヒータ１０３の両端に電力を与えるための配線電極部１０２とが形成されている。

ノズル材１０５には、ヒータ１０３を包囲する液室が形成され、かつ、この液室とインク供給口１０７とを繋ぐ液流路が形成されている。この明細書では液室と液流路を合わせてノズルと呼んでいる。さらに、ノズル材１０５の、ヒータ１０３と対向する部位には吐出口（オリフィスとも呼ぶ。）１０６が開口しており、吐出口１０６の孔は上記液室に連通している。インク供給口１０７は、シリコン基板１０１の、ノズル材１０５が形成された側の面から反対側面に貫通している。

シリコン基板１０１の、ヒータ１０３とは反対側の面（基板１０１の裏側面）には、駆動素子２０４と、２本の電力配線２０１，２０２と、ロジック配線２０３とが設けられている。駆動素子２０４はシリコン基板１０１に作りこまれている。２本の電力配線２０１，２０２は駆動素子２０４を挟むように平行に延在し、ロジック配線２０３は駆動素子２０４に電気接続されている。

一方の電力配線２０１は、シリコン基板１０１の表側面と裏側面を貫通する貫通電極１０４とシリコン基板１の表側面の一方の配線電極部１０２とを介して、ヒータ１０３の一端に電気接続されている。

もう一方の電力配線２０２は、駆動素子２０４、上記とは別の貫通電極１０４、及び、もう一方の配線電極部１０２を介して、ヒータ１０３の他端に電気接続されている。

なお、図１では一つの吐出口に対応するユニットだけを示したが、実際のヘッドでは複数の吐出口部が配列されている。この場合は、ヒータ１０３、インク供給口１０７、貫通電極１０４、駆動素子２０４をひとつのまとまりとして、二次元に配置し、吐出口１０６の高密度配置を実現する。

次に、本実施形態のヘッドの製法を、図１〜５に基づいて説明する。

まず、両面が研磨されてなる３００μｍ厚のシリコン基板１０１の片面に、図２に示すように、電力配線２０１，２０２、ロジック配線２０３、及び駆動素子２０４を半導体技術により形成する。

次いで、図３に示すように、シリコン基板１０１の、駆動素子２０４等が形成された面とは反対側の面に、ヒータ１０３の材料であるＴａＮをスパッタ法にて成膜し、フォトリソ技術を用いてヒータ１０３を形成する。さらに、同じ面に、配線電極部１０２の材料であるＡｌをスパッタ法にて成膜し、フォトリソ技術を用いて配線電極部１０２を形成する。ヒータサイズは２０μｍ×２０μｍである。必要があれば、ヒータ１０３及び配線電極部１０２の上にこれらを保護する保護層を設けても良い。

次に、シリコン基板１０１に対して、貫通電極１０４となる部分をドライエッチ法でエッチングすることにより、２０μｍ径の貫通穴を形成する。そして、貫通穴にメッキシード層を成膜し、電解メッキによって、その穴に充填するように金メッキにて貫通電極１０４を形成する。このようにして、表側面のヒータ１０３を、裏側面に配置された電力配線２０１，２０２と駆動素子２０４とロジック配線２０３を用いて駆動する基板（素子基板とも称す。）が完成する。

次に、図４に示すように、シリコン基板１０１の、配線電極部１０２及びヒータ１０３が形成された面に、ノズルを形成するための型として厚膜のポジレジスト１０８を１０μｍ厚で塗布し、露光、現像によって、所望のパターンを形成する。

そして、現像されたポジレジスト１０８上に、図５に示すように、ノズル材105として感光性のネガ型のエポキシを２０μｍ厚で塗布し、露光、現像によって、１０μｍ径の吐出口１０６を形成する。

その後、シリコン基板１０１の裏側面にエッチングのマスク材を形成しパターニングした後、ドライエッチングすることで、図１に示すようにインク供給口１０７を形成する。そして、ノズルの型材であるポジレジスト１０８を除去し、液体吐出基板が完成する。

以上のようにして作製された吐出口１０６、ヒータ１０３、および駆動素子２０４は、横６０μｍ×縦１２０μｍの中に各々一つ形成され、一ユニットとして設計することが出来る。つまり、図１（ａ）の平面図で言うと、一ユニットの横寸法（図面左右方向の寸法）が６０μｍで、その縦寸法が（図面上下方向の寸法）が１２０μｍで設計できる。

たとえば、ヒータをヒータサイズ以下の２０μｍピッチで並べる場合、直線に配置する方法ではヒータが並べられないので、千鳥配置の必要がある。しかし、従来技術のようにヒータ列方向に矩形に形成されたインク供給口では、各ヒータに対向する吐出口からインク供給口までの流路が一定の直線距離で配置することができない。そのため、矩形のインク供給口ではヒータを千鳥配置で並べると、吐出口からインク供給口までの距離の違いによる吐出性能のバラツキの問題が発生する。

これに対し、本発明のヘッドでは、吐出口からインク供給口までの流路がどれも一定の距離で配置できるので、距離の違いによる吐出性能のバラツキの問題が生じない。

また、各ユニットを三列に並べることにより、配線領域の確保なしに縦１２０μｍ×３＝３６０μｍの領域で並べることができる。

つまり、基板裏面に配線を取り出すことが出来るので、基板裏面で自由に配線を引き回すことができ、表面での配線引き回し領域を確保する必要がなくなり、基板の大きさを小さくすることが出来る。また、駆動素子を裏面に設けることにより、さらに基板を小さくすることが出来る。

したがって、従来技術では困難であった、ヒータの配置の高密度配置ができ、さらに非常に少ない面積で、ヒータとノズルと駆動素子等が設けられた基板を作製することができる。すなわち、低コストで、高密度にヒータを配したノズルと駆動素子を有する素子基板を提供することができる。

この素子基板にて作製されたヘッドは、高密度でヒータを配置できるので、低コストで多くのノズルを設置することができ、高画質で高速のインクジェットプリンタを提供することができる。

以上の実施形態において、記録方式として熱エネルギーを生成する発熱抵抗体を用いたバブルジェット方式について説明を行ってきた。しかし、本願発明はそれに限定されるものではなく、圧電素子などの振動エネルギーによって液滴を吐出させる方式にも適用できる。

本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの完成状態を示す図である。 本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態による液体吐出ヘッドの製造工程を説明する図である。 従来の液体吐出ヘッドを説明する図である。

符号の説明

１０１ シリコン基板
１０２ 配線電極部
１０３ ヒータ（発熱抵抗体）
１０４ 貫通電極
１０５ ノズル材（流路形成部材）
１０６ 吐出口
１０７ インク供給口
１０８ ポジレジスト（ノズルの型材）
２０１，２０２ 電力配線
２０３ ロジック配線
２０４ 駆動素子

Claims (2)

1. 基板と、基板の表面に形成された吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対応して流路を形成する流路形成部材と、前記基板を貫通して前記流路に液体を供給する液体供給口と、前記流路から前記吐出エネルギー発生素子のエネルギーによって液滴を吐出するための吐出口とを備えた液体吐出基板において、
   前記基板の表面から裏面に貫通する貫通電極と、
   前記基板の裏面に配置され、前記吐出エネルギー発生素子を前記貫通電極を経由して駆動する駆動素子と、をさらに備えており、
   前記液体供給口、前記流路、前記吐出エネルギー発生素子、前記貫通電極および前記駆動素子を一つのまとまりとして二次元に配置してあることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記駆動素子が前記基板に作りこまれていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。

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