JP2011093237A - 液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びこれを備えた液体吐出装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びこれを備えた液体吐出装置 Download PDF

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Ryoji Ohashi
亮治 大橋
Yoshiyuki Imanaka
良行 今仲
Koichi Komata
好一 小俣
Hideo Tamura
秀男 田村
Takaaki Yamaguchi
孝明 山口
Kosuke Kubo
康祐 久保
Yuji Tamaru
勇治 田丸
Toshio Negishi
俊雄 根岸
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Abstract

【課題】 2つの異なる吐出量を吐出できる発熱素子を備えた液体吐出ヘッド用基板において、駆動素子の上側に無駄な領域が無い液体吐出ヘッド用基板を提供することを目的としている。
【解決手段】 小液滴用の第1の駆動素子102の上側に、第1の駆動素子102の領域をほぼ含むように第1の電源配線105を設け、大液滴用の第2の駆動素子202の上側に、第2の駆動素子202の領域をほぼ含む様に第2の電源配線205を設けている。
【選択図】 図5

Description

本発明は、液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びこれを備えた液体吐出装置に関する発明に関する。
近年のインクジェット分野においては、高画質化と記録の高速化の両立を図るために、1つの色のインクを2つの異なる吐出量で吐出して記録を行えるインクジェット記録ヘッドに代表される液体吐出ヘッド(以下、ヘッドとも称する)が求められている。
このような2つの異なる吐出量の液滴(便宜上、大液滴と小液滴と呼ぶこととする)を吐出可能なヘッドが特許文献1に開示されている。図1(a)は、特許文献1に開示される液体吐出ヘッドの上面図であり、図1(b)は図1(a)のB−B断面を示したものである。高速の記録を達成するために用いられる大液滴は、共通液室6から大液滴用インク流路5aを通り大液滴圧力室4aに供給され、発熱素子7aで熱せられることで、大液滴吐出口3aから吐出される。一方高画質を達成するために用いられる小液滴は、同じ共通液室6から小液滴用インク流路5bを通り小液滴圧力室4bに供給され、発熱素子7bで熱せられることで、小液滴吐出口3bから吐出される。
また製造コストを削減するために、液体吐出ヘッド用基板のサイズを削減することも求められており、配線を積層することで液体吐出ヘッド用基板のサイズを削減する構成が特許文献2に開示されている。特許文献2に開示される配線のレイアウトを図1(c)に示す。基板には、発熱素子10に電源を供給する電源配線15と、GND配線11と、発熱素子に駆動信号を出力するパワートランジスタ12と、駆動ロジック回路13とが設けられている。パワートランジスタ12の上側に電源配線15を設け、さらに駆動ロジック回路13の上側にGND配線11を設け、このような積層構造とすることで、基板の面積を削減している。
特開2007−125810号公報 特開平08−108536号公報
特許文献1に示される1つの供給口から供給される液体を、異なる吐出量の液滴として吐出する2つの異なる大きさの発熱素子を備えた液体吐出ヘッド用基板にも、特許文献2に示されるような積層構造を採用することで基板のサイズを縮小することができる。
2つの異なる吐出量の液滴を吐出するためには、発熱素子からの発熱量を吐出量に応じたものとする必要があり、これは、発熱素子の抵抗値と、電源配線の抵抗値と、GND配線の抵抗と、MOSトランジスタの抵抗とを調整することで達成できる。
しかしながら、発熱素子からの発熱量を調整するには、それらの中で主として発熱素子の抵抗値と電源配線の抵抗値とを変更することで調整することが通常であった。このような場合には以下のようなことが想定される。
図2(a)は、2つの異なる吐出量の液滴を吐出できる液体吐出ヘッド用基板50に、特許文献2の積層構造を採用した構成の一例を示す。図示されるように、大液滴用の発熱素子401と小液滴吐出用の発熱素子301と、大液吐出用の電源配線405と小液滴吐出用の電源配線305と、が基板に設けられている。発熱素子401、301のそれぞれの発熱量に最適な、発熱素子の抵抗値と電源配線の抵抗値を設定し、それにあわせて電源配線の幅を設定した場合には、大液吐出用の電源配線405の面積より、小液滴吐出用の電源配線305の面積が小さくなる。
一方、図2(b)は、図2(a)に示される電源配線の下の階層にある、発熱素子を駆動する駆動素子を示したものである。
基板には、駆動する大液滴吐出用の発熱素子401を選択するために用いられる駆動素子が設けられている領域402(大液滴の駆動素子領域)が設けられている。さらに、駆動する小液滴吐出用の発熱素子301を選択するために用いられる駆動素子が設けられている領域302(小液滴の駆動素子領域)が示されている。大小液滴それぞれを吐出するための駆動素子の領域402、302の面積はほぼ同じである。
上層において、大小液滴吐出用の発熱素子のそれぞれ対応した電源配線の面積を設定したにもかかわらず、下層においては、駆動素子の領域402、302の面積が同等である。そのため、駆動素子302の上側に、電源配線305が設けられていない領域が存在し、この領域が無駄になっているという課題があった。
本発明は2種類の吐出量の液滴を吐出できる発熱素子を備えた液体吐出ヘッド用基板において、駆動素子が設けられた領域の上側の領域を有効に使用し、サイズの最適化が図られた液体吐出ヘッド用基板を提供することを目的としている。
本発明の液体吐出ヘッド用基板は、液体を吐出するために用いられる熱エネルギーを発生する第1の発熱素子と、前記第1の発熱素子よりも小さい体積の液体を吐出するために用いられる熱エネルギーを発生する第2の発熱素子と、前記第1の発熱素子を駆動するための信号を出力する第1の駆動素子と、前記第2の発熱素子を駆動するための信号を出力する第2の駆動素子と、を備えた面を有する基板と、前記面に垂直な方向に関して前記面の上側に設けられた、前記第1の発熱素子と電気的に接続された第1の電源配線と、前記第2の発熱素子と電気的に接続された第2の電源配線と、を有し、前記第2の電源配線が設けられている第2の配線領域の面積は、前記第1の電源配線が設けられている第1の配線領域の面積より小さく、前記第2の駆動素子が設けられている第2の駆動素子領域の面積は前記第1の駆動素子が設けられている第1の駆動素子の面積より小さく、前記面に垂直な方向に関して、前記第1の配線領域は、前記第1の駆動素子領域を覆うように設けられており、かつ、第2の配線領域は、前記第2の駆動素子領域を覆うように設けられていることを特徴とする。
本発明では、第1の駆動素子の領域の上側に、第1の駆動素子領域を覆うように第1の電源配線の領域を設ける。そして第1の駆動素子の領域より小さい第2の駆動素子の領域を覆うように第1の電源配線の領域より小さい第2の電源配線の領域を設ける。これにより、それぞれの駆動素子の上側を削減し、小型化された液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。
従来の液体吐出ヘッド用基板を示した図である。 2種類の吐出量の液滴を吐出できる液体吐出ヘッドの一例である。 本発明を用いることのできる液体吐出記録装置である。 本発明を用いることのできる液体吐出ヘッドユニット及びヘッドである。 実施例のヘッドのレイアウト図である。 実施例に示すMOSトランジスタの拡大図である。
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図3は、本発明が適用できる液体吐出装置を示す概略図である。図3に示すように、リードスクリュー5004は、駆動モータ5013の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア5011,5009を介して回転する。キャリッジHCは液体吐出ヘッドユニットを固定可能であり、リードスクリュー5004の螺旋溝5005に係合するピン(不図示)を有しており、リードスクリュー5004が回転することによって矢印a,b方向に往復移動される。ヘッド400は、固定用部材として用いられるキャリッジHCに搭載されている。
紙押え板5002は、キャリッジHCの移動方向に亘って記録紙Pをプラテン5000に対して押圧する。フォトセンサ5007,5008は、キャリッジHCのレバー5006を検知領域で検知することによって、モータ5013の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知素子である。ヘッド400の前面を気密に覆うキャップ5022は、支持部材5016に支持されている。また、このキャップ5022内を吸引する吸引部材5015は、キャップ内開口5023を介してヘッド400の吸引回復を行う。クリーニングブレード5017及びこのクリーニングブレード5017を前後方向に移動可能にする部材5019は、本体支持板5018に支持されている。クリーニングブレード5017は、この構成に限定されるものではなく、周知の他のクリーニングブレードが本実施形態に適用することもできる。また、吸引回復動作の吸引を開始するためのレバー5021は、キャリッジHCと係合するカム5020の移動に伴って移動し、駆動モータからの駆動力がクラッチ切り換え等の伝達機構で移動制御される。
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復の各動作は、キャリッジHCがホームポジション側の領域に移動したときにリードスクリュー5004の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されている。しかし、周知のタイミングで所望の作動を行うようにすれば、本実施形態にはいずれも適用できる。
図4(a)は、図3のような液体記録装置に搭載可能な液体吐出ヘッドユニット40の斜視図である。液体吐出ヘッド41(以下、ヘッドとも称する)は、支持基板に設けられた端子と接続するフレキシブルフィルム配線基板43により、液体記録装置と接続するコンタクトパッド44に導通している。また、ヘッド41は、支持基板に接合されることでヘッドユニット40に支持されされている。ここでヘッドユニット40は、インクタンクと一体化したヘッド41の一例を示しているが、インクタンクを分離できる分離型とすることも出来る。
図4(b)は、本発明を用いることのできる液体吐出ヘッドの斜視図であり、シリコン半導体基板などに半導体装製造技術を用いて形成することができる。
ヘッド41は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱素子を有するシリコンからなる液体吐出ヘッド用基板50(以下、基板とも称する)の上に、樹脂からなる壁部材150を設けることで構成されている。樹脂からなる壁部材150には、複数の第1の吐出口100からなる第1の吐出口列と、複数の第2の吐出口200からなる第2の吐出口列と、これらと液体を供給する供給口121とを連通する流路の壁が設けられている。樹脂からなる壁部材150は、流路の壁を内側にして基板50と接することで、流路を形成している。
第1の発熱素子101は、第1の吐出口100に対向して設けられており、第2の発熱素子201が第2の吐出口200に対向するように設けられている。第1の発熱素子101は、第2の発熱素子201よりも少さい体積の液体を吐出するように設けられている。
複数の第1の発熱素子101が一列に設けられることで、第1の素子列が設けられており、第1の素子列に沿って、複数の第2の発熱素子201が一列に設けられることで第2の素子列が設けられている。供給口121は、第1の素子列と第2の素子列との間に位置するように、基板50を貫通して設けられている。
以下、便宜的に第1の発熱素子101は小液滴用、第2の発熱素子201は大液滴用に用いられると表現することとする。
さらに基板50には、第1の発熱素子101と第2の発熱素子201とを駆動するための電圧や信号を入出力するための複数の電極端子111が設けられており、これがフレキシブルフィルム配線基板43と接続している。これらの接続には、ワイヤーボンディング法などを用いて電気的に接続させることができる。
液体は、供給口121から供給され、第1の発熱素子101と第2の発熱素子201で加熱されることで膜沸騰し、この圧力により第1の吐出口100と第2の吐出口200から紙などの被記録媒体の被記録面に吐出される。第1の発熱素子101と第2の発熱素子201とは、異なる吐出量の液滴を吐出させることができ、これにより高画質と高速とを両立することができる。
なお、本発明において「液体」とは、広く解釈されるべきものであり、被記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、被記録媒体の処理に供されるインク等の液体を言うものとする。
(実施例)
次に、図4(b)のような異なった吐出量の液滴を吐出することのできる配線レイアウトを図5(a)に示す。
基板50には、複数の第1の発熱素子101に共通に、電気的に接続された第1の電源配線105と、複数の第2の発熱素子201に共通に、電気的に接続された第2の電源配線205とが設けられている。さらに、基板50には、複数の第1の発熱素子101と接地電位とを接続する第1のGND配線110と、複数の第2の発熱素子201と接地電位とを接続する第2のGND配線210も設けられている。発熱素子(101,201)は、電源配線(105,205)とGND配線(110、210)との間に電位差をかけることによって、電流が流れ、駆動される。
本実施例の発熱素子は、其々600dpiの配列密度で設けられており、吐出量を5plとした大液滴用の第2の発熱素子201と、吐出量を1plとした小液滴用の第1の発熱素子101が供給口121を挟んで配列されている。吐出量5plの大液滴は、少ない吐出回数で記録することができるため、高速の記録動作を行うときに用いられる。一方吐出量1plの小液滴は、高画質の記録動作を行うときに用いられる。
図5(b)は、図5(a)の配線レイアウトの下側に設けられた、スイッチング素子(駆動素子)と、これらに論理信号を入力するロジック配線のレイアウトを示している。
スイッチング素子は、発熱素子の駆動を決定する電流をON/OFFするために用いられ、本実施例においてはMOSトランジスタ(以下、MOSとも称する)が用いられている。基板50には、第1のMOS102と第2のMOS202と、MOSに論理信号を入力するロジック配線が設けられた第1のロジック配線領域103と第2のロジック信号領域203が設けられている。発熱素子の一端は、複数の発熱素子に共通に接続する電源配線が接続しており、他側には、個別に設けられたMOSを介して、複数の発熱素子に共通に接続するGND配線が接続されている。
第1のMOS102(第1の駆動素子)は、第1の発熱素子101ごとに設けられており、第1の素子列に沿って第1のトランジスタ列(第1の駆動素子列)となっている。また第2のMOS202(第2の駆動素子)も、第2の発熱素子201ごとに設けられており、第2の素子列に沿って第2のトランジスタ列(第2の駆動素子列)となっている。
第1の電源配線105は、絶縁層(不図示)を介して第1のトランジスタ列の、基板50の面に垂直な方向に関して上側に、設けられている。さらに、第2の電源配線205は、絶縁層(不図示)を介して第2のトランジスタ列の、基板50の面に垂直な方向に関して上側に設けられている。このとき、第1のMOS102の上側には、第1のMOS102の領域(第1の駆動素子領域)をほぼ含む様に第1の電源配線105(第1の配線領域)が位置するように設けられている。また、第2のMOS202の上側には、第2のMOS202の領域(第2の駆動素子領域)をほぼ含む様に第2の電源配線205(第2の配線領域)が位置するように設けられている。このように、第1の電源配線105と第2の電源配線205とを設けることにより、MOSの上側に無駄な領域が無い液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。
GND配線の、基板50の面に垂直な方向に関して下側には、ロジック配線の領域が設けられている。さらに、GND配線と、電源配線と、ロジック配線とは、電極端子111と接続し、液体吐出記録装置と電気的に導通するように設けられている。小液滴用の第1の発熱素子101に接続する、GND配線110の幅(Wgs)と、大液滴用の第2の発熱素子201に接続するGND配線210の幅(Wgl)は、同じ幅となるように設けられている。GND配線は、発熱素子の接地配線としてだけではなく、MOSの接地配線としても用いられているため、抵抗値を下げるように極力幅を広く設けることにより、MOSを安定に用いることができる。
ロジック配線は、同じ数の発熱素子を駆動するので、小液滴用のロジック配線領域103の幅(Wls)と、大液滴用のロジック配線領域203との幅(Wll)とは同じ幅となるように設けられている。またロジック配線の、基板50の面に垂直な方向に関して上側に、GND配線が設けられている。
このとき、ロジック配線とGND配線とを積層して設け、さらにロジック配線とGND配線の幅をほぼ一致させることにより(Wls=Wll≒Wgs=Wgl)基板50の面積を削減することができる。
次に、MOSトランジスタの具体的な構成について説明する。
図6は、図5(b)の発熱素子の一部を拡大した図である。以下、第1の発熱素子101似接続する第1のMOSを用いて説明するが、第2のMOSも同様な構成である。
第1のMOS102は、絶縁層に設けられたスルーホール26を介して第1の発熱素子101に接続されている。また、第1のMOS102は、絶縁層に設けられたスルーホール27を介してGND配線110と接続している。さらに第1のMOS102の基板50の面に垂直な方向に関して上側には、第1の電源配線105が設けられている。
図6(b)は、図6(a)のMOSトランジスタをさらに拡大したものである。MOSトランジスタは、ドレイン電極29と、ソース電極28と、ゲート電極31とで設けられている。図6(b)に示すように、MOSトランジスタの大きさは、ゲート電極31のゲート長さ(Wゲート)で決まる。ゲート長さ(Wゲート)と、電源配線の幅(W)をほぼ一致させることにより、MOSトランジスタの上側の領域をほぼ電源配線で含むことができ、MOSトランジスタの上側に無駄な領域が無い液体吐出ヘッド用基板を提供できる。
発熱素子は、液体を発泡するために必要な熱量を発生させる必要であり、これらは発熱素子の抵抗と、流れる電流で決まる。小液滴用の第1の発熱素子101は、大液滴用の第2の発熱素子201に比べて熱量が少なくてよいため、第1の発熱素子101の抵抗値と流れる電流値は、小さくすることができる。
第1の発熱素子101に流れる電流値が小さくなると、この電流を流すために用いられる第1の電源配線105の幅を、第2の電源配線205の幅より狭くすることができる。さらにMOSトランジスタをONにした時に生じるオン抵抗が大きくても、発熱素子101を駆動するだけの電流を流すことはできるため、MOSトランジスタのゲート長Wを短くすることができる。そのため、小液滴用のMOSトランジスタ102のゲート長を短くし、さらに電源配線105の幅を、ゲート長に併せて短くすることができ、発熱素子の配列方向と直交する方向に関して、基板50の面積を縮小することができる。
ここで、印加される駆動電圧(電位差)をV、発熱素子の抵抗値をRヒータ、電源配線の抵抗をR電源、MOSトランジスタのオン抵抗をRスイッチ、GND配線抵抗をRGND、電流をIとすると、それぞれの抵抗値と電流は以下の関係式で表すことができる。
/(RVH+Rヒータ+Rスイッチ+RGND)=I
は一般的に大液滴と小液滴と同じ電圧が用いられ、GND配線の抵抗は低抵抗であることが求められている。電流値と発熱素子の抵抗値が決まっている場合には、RVH+Rスイッチの値が一定となる状態で、ゲート長さW、電源配線の幅が其々最短になるように構成することで、基板の長さを小さくすることができる。なお、其々の長さが最短になる場合にはゲート長さWと電源配線の幅はほぼ一致している状態であるといえる。また、発熱素子の抵抗値を適宜調整することでさらに、基板の長さをさらに小さくすることができる。
次に具体的数値を入力して説明する、Vが24Vと一定で駆動され、大液滴用の電流値が50mA、発熱素子201の抵抗が450Ωであり、小液滴用の電流値が25mA、発熱素子101の抵抗が960Ωとした場合を考えてみる。このときGND配線の抵抗は10Ωであるとする。
そうすると大液滴用のRVH+Rスイッチの値が20Ωであるのに対し、小液滴用のRVH+Rスイッチの値は150Ωとなる。従って、この抵抗値分の上昇が許される分だけ、小液滴の電源配線の幅(すなわちMOSトランジスタのゲート長さ)を、大液滴の電源配線の幅より短くすることができる。
このように、各発熱素子に流れる電流値に応じて、MOSトランジスタのゲート長と電源配線の幅とをおおよそ一致させることで、基板の面積を最小面積とすることができる。この構成を、吐出量の異なる(大液滴と小液滴)2列の発熱素子列を有する基板50に適用することにより、同じ吐出量(大液滴)の2列の発熱素子列を有する基板50より基板の面積を縮小することができる。
このような基板50は、半導体製法を用いて1枚のウエハーに複数設けられているが、各基板50の面積を縮小することで、1枚のウエハーから取得できる基板数を増やすことができる。これにより、1つのヘッド41に係るコストを削減することができる。
50 液体吐出ヘッド用基板
101 第1の発熱素子
201 第2の発熱素子
102 第1の駆動素子
202 第2の駆動素子
105 第1の電源配線
205 第2の電源配線
121 供給口

Claims (7)

  1. 液体を吐出するために用いられる熱エネルギーを発生する第1の発熱素子と、前記第1の発熱素子によって吐出する液体の体積よりも小さい体積の液体を吐出するために用いられる熱エネルギーを発生する第2の発熱素子と、前記第1の発熱素子と電気的に接続され該第1の発熱素子を駆動するための第1の駆動素子と、前記第2の発熱素子と電気的に接続され該第2の発熱素子を駆動するための第2の駆動素子と、前記第1の発熱素子と電気的に接続された第1の電源配線と、前記第2の発熱素子と電気的に接続された第2の電源配線と、前記第1の発熱素子と前記第2の発熱素子と前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記第1の電源配線と前記第2の電源配線とが設けられた面と、
    を有し、
    前記第1の電源配線は前記第1の駆動素子を覆うように設けられており、前記第2の電源配線は前記第2の駆動素子を覆うように設けられており、
    前記第2の電源配線が設けられている第2の配線領域の面積は、前記第1の電源配線が設けられている第1の配線領域の面積より小さく、
    前記第2の駆動素子が設けられている第2の駆動素子領域の面積は、前記第1の駆動素子が設けられている第1の駆動素子領域の面積より小さいことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
  2. 前記第1の発熱素子と、前記第2の発熱素子と、はそれぞれ複数設けら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用基板。
  3. 前記第1の電源配線から前記面に向かう方向にみて、前記第1の駆動素子領域は、前記第1の配線領域の内側に設けられており、前記第2の駆動素子領域は前記第2の配線領域の内側に設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド用基板。
  4. 前記第1の発熱素子と接地電位とを接続する第1のGND配線と、前記第2の発熱素子と接地電位とを接続する第2のGND配線と、を有し、
    前記第1のGND配線と前記第2のGND配線とは、前記面において、ほぼ同じ面積を有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
  5. 前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子とには、MOSトランジスタが用いられており、前記第1の駆動素子のゲート長さより、前記第2の駆動素子のゲート長さの方が短いことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板と、
    前記第1の発熱素子に対向して設けられた、液体の第1の吐出口と、前記第2の発熱素子に対向して設けられた、液体の第2の吐出口と、前記第1の吐出口と前記第2の吐出口とに連通する流路の壁を有し、前記壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板に接することで、前記流路を形成する壁部材と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
  7. 記録媒体の被記録面に前記第1および第2の吐出口が対向することが可能なように設けられている請求項6に記載の液体吐出ヘッドと、該ヘッドを固定するための固定用部材とを少なくとも具備することを特徴とする液体吐出装置。
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JP (1) JP2011093237A (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016124234A (ja) * 2015-01-06 2016-07-11 キヤノン株式会社 素子基板、液体吐出ヘッド及び記録装置

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