JP2012152902A - 液体吐出ヘッド用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギー発生素子の有効発泡領域を確保しつつ、高密度に配置するためには、エネルギー発生素子の長さを長くしてエネルギー発生素子の面積を増やす必要があるが、これにより供給する電気エネルギー量も増やす必要が生じてしまう。
【解決手段】 複数のエネルギー発生素子に接続し、かつ、隣接するエネルギー発生素子の間に配置される接続配線を有する液体吐出ヘッド用基板において、接続配線が配置されていない隣接するエネルギー発生素子の間の距離を、接続配線が設けられている部分の距離より狭くする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体を吐出して記録動作を行うために用いられる液体吐出ヘッド用基板に関する。

インクジェット記録装置に代表される液体吐出装置では、通電することでエネルギー発生素子が発生する熱エネルギーを液体に伝え、液体を吐出口から吐出させて記録動作を行う。特許文献１には、複数のエネルギー発生素子１０８が、１つの接続配線１０９に接続されることで高密度に配置する構成が開示されている。図５に特許文献１に開示される液体吐出ヘッド用基板の配線レイアウトを示す。液体吐出ヘッド用基板１５０に設けられた複数のエネルギー発生素子１０８の間の領域に、複数のエネルギー発生素子１０８の一端が共通に接続する接続配線１０９が設けられ、もう一端には個別配線１０２が其々設けられている。さらにエネルギー発生素子１０８の位置が均等になるように設けられている。

近年このような液体吐出装置では高速に高精細の画像の記録を実現するため、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子を高密度に配置することが要求されている。

特許文献１に開示されるようなエネルギー発生素子１０８を、１２００ｄｐｉ以上の高密度に配置しようとすると、隣接するエネルギー発生素子の間隔（ピッチとも称する）を約２１μｍで設ける必要がある。このとき接続配線１０９と隣接する１０８ａの個別配線１０２ａと接続配線１０９との距離は、電気的信頼性を確保するためにある一定以上確保する必要がある。そのため高密度かつ均等にエネルギー発生素子１０８を配置しようとすると、エネルギー発生素子の幅自体を狭くする必要がある。

特開平１１−０７０６５８号公報

エネルギー発生素子の外周部は、絶縁層等により熱が吸収されてしまうため、有効発泡領域はエネルギー発生素子の一定の外周幅を除いた領域となる。そのためエネルギー発生素子の一方の幅を狭くしてアスペクト比を大きくしつつ、有効発泡領域を等しい面積設けようとすると、発熱素子の他方の幅を長くすることが必要となる。このような液体吐出ヘッドはチップ面積の増大を招くばかりか、エネルギー発生素子に通電するエネルギー量を増やすことが必要である。

本発明はこのような課題を鑑みて発明されたものであり、エネルギー発生素子を高密度に配置したとしても、効率良く記録動作を行うことができる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、一対の配線に接続され、該一対の配線に通電することで、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子、の複数が、配列された素子列と、前記素子列に属する複数の前記エネルギー発生素子のうち、連続する複数の前記エネルギー発生素子に対応する複数の前記一対の配線の一方と共通に接続され、隣接するエネルギー発生素子の間を通るように設けられた接続配線の複数と、を備え、
隣接するエネルギー発生素子の間に前記接続配線が設けられた、隣接する前記エネルギー発生素子の間の間隔は、隣接するエネルギー発生素子の間に前記接続配線が設けられていない、該隣接する前記エネルギー発生素子の間の間隔より広いことを特徴としている。

以上のように設けることにより高密度にエネルギー発生素子を配置したとしても、効率良く記録動作を行うことができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の液体吐出ヘッドの模式的な斜視図である。 第一の実施形態に示す液体吐出ヘッドの上面図である。 第一の実施形態に示す液体吐出ヘッドを用いて吐出された液体の概略図である。 第二の実施形態に示す液体吐出ヘッドの上面図である。 従来の液体吐出ヘッドの概略図である。 本発明の液体吐出装置及びヘッドユニットの模式的な斜視図である。

（液体吐出装置）
図６（ａ）は、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載可能な液体吐出装置を示す概略図である。図６（ａ）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はヘッドユニットを載置可能であり、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２０方向に走査が行われる。このキャリッジＨＣには、ヘッドユニット４０が搭載されている。本発明に係る液体吐出装置は、一度の走査で紙などの被記録媒体Ｐに対して記録動作を行うことができる。

（ヘッドユニット）
図１（ｂ）は、図１（ａ）のような液体吐出装置に搭載可能なヘッドユニット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）はフレキシブルフィルム配線基板４３により、液体吐出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、インクタンク４２と接合されることで一体化されヘッドユニット４０を構成している。ここで例として示しているヘッドユニット４０は、インクタンク４２とヘッド４１とが一体化したものであるが、インクタンクを分離できる分離型とすることも出来る。

（液体吐出ヘッド）
図１に本発明を用いることができる液体吐出ヘッド４１の斜視図を示す。ここでは複数のエネルギー発生素子１２が配列されてなる素子列を１２００ｄｐｉの密度、すなわち約２１μｍピッチで配置した液体吐出ヘッド４１を用いて説明する。本発明の液体吐出ヘッド４１は、エネルギー発生素子１２とエネルギー発生素子１２を液体から保護するための絶縁層（不図示）とをシリコン基板上に備えた液体吐出ヘッド用基板５と、液体吐出ヘッド用基板５の上に設けられた流路部材１４とを有している。流路部材１４は、エネルギー発生素子１２により発生されるエネルギーにより液体を吐出する吐出口２５と、吐出口２５に連通する流路４６の一部となる凹部４６ａとを有している。この凹部４６ａを内側にして、流路部材１４が液体吐出ヘッド用基板５に接することで流路４６が設けられている。

さらに、液体吐出ヘッド４１は、流路４６に液体を送るために液体吐出ヘッド用基板５を貫通して設けられる供給口４５と、外部との電気的接続を行う端子部１７と、を有している。流路部材１４に設けられた吐出口２５は、所定のピッチで配列した吐出口列となっており、矩形形状の供給口４５の長手方向に沿って両側に二列設けられている。供給口４５から供給された液体が、流路４６に運ばれ、接続端子１７から供給される外部からの電圧を、電気配線（不図示）を介してエネルギー発生素子１２に印加することで発生するエネルギーによって吐出口２５から吐出され、記録動作が行われる。

液体吐出ヘッド４１は、図１（ａ）に示すように１つの供給口のみならず、同じ種類の液体を供給するために図１（ｂ）のように複数の供給口４５を用いることもできる。

なお本明細書内において、「液体記録装置」とは、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などの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置等を示しており。液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。「記録」とは、文字や図形など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、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

また「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、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。インクまたは被記録媒体の処理としては、例えば、被記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。

（第一の実施形態）
本実施形態は、エネルギー発生素子１２として電気熱変換素子（発熱素子）を用いている。液体は、発熱素子１２で発生する熱エネルギーで膜沸騰を起こし、この圧力により吐出口２５から吐出されることで記録動作が行われる。

次に液体吐出ヘッド用基板５の層構成を説明する。図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ’に沿って液体吐出ヘッド用基板５に垂直に液体吐出ヘッド４１を切断した場合の切断面の状態を模式的に示したものである。トランジスタ等の駆動素子（不図示）が設けられたシリコン基体１の上には、基体１の一部を熱酸化して設けた熱酸化層２と、シリコン化合物からなる蓄熱層４とが設けられている。蓄熱層４の上に、通電することで発熱する材料（例えばＴａＳｉＮやＷＳｉＮなど）からなる発熱抵抗層６が設けられ、発熱抵抗層６に接するように、発熱抵抗層より抵抗の低いアルミニウムなどを主成分とする材料からなる一対の配線７が設けられている。一対の配線７の間に電圧を印加し、発熱抵抗層６の一対の配線７の間に位置する部分を通電により発熱させることで、間に位置する発熱抵抗層６の部分を発熱素子１２として用いる。これらの発熱抵抗層６と一対の配線７は、インクなどの吐出に用いられる液体との絶縁を図るために、ＳｉＮ等のシリコン化合物などの絶縁性材料からなる絶縁層８で被覆されている。さらに吐出のための液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃などから発熱素子１２を保護するために、発熱素子１２の部分に対応する絶縁層８の上に耐キャビテーション層として用いられる保護層１０が設けることができる。具体的には、保護層１０としてタンタルなどの金属材料を用いることができる。さらに絶縁層８の上に流路部材１４が設けられている。なお、絶縁層８と流路部材１４との密着性を向上させるために、絶縁層８と流路部材１４との間にポリエーテルアミド樹脂などからなる密着層を設けることもできる。発熱素子１２の対向する位置には、吐出口２５が設けられており、発熱素子１２を駆動することで生じる熱エネルギーを用いて流路４６の液体を膜沸騰させて吐出口２５から液体を吐出することで記録動作を行う。

図２（ｂ）は、図１（ａ）に示すような液体吐出ヘッド４１の発熱素子１２と一対の配線７とを模式的に表した上面図を示している。

一対の配線７の一方は、発熱素子１２の一端と接続されており、さらに一対の配線７の一方の複数が共通に１つの接続配線３に接続され、接続配線は供給口４５とは反対方向へ延長して設けられている。一対の配線７の他方である個別配線１３は、それぞれの発熱素子１２の他端と接続して設けられ、供給口４５とは反対方向へ延長して設けられている。

個別配線１３は、発熱素子１２のＯＮ／ＯＦＦを制御するために用いられるＭＯＳ−ＦＥＴなどの駆動素子（不図示）を介して接地電位を供給するための接地配線（不図示：以下、ＧＮＤＨ配線と称する）と共通に接続されている。また接続配線３は、電源電位を供給するための電源配線（不図示：以下、ＶＨ配線）に共通に接続されている。さらにＶＨ配線とＧＮＤＨ配線は液体吐出ヘッド用基板５の端子１７のいずれかに接続されており、この端子１７を介して記録装置などに接続されている。ＶＨ配線とＧＮＤ配線との間に電位差をかけて発熱素子１２に電流を流すことで、発熱素子１２を駆動させることができる。

以下、接続配線３が２つの発熱素子１２と接続されている場合を説明する。隣接する第一の発熱素子１２ａと第二の発熱素子１２ｂに対応する一対の配線の一方に接続する接続配線３は、第一の発熱素子１２ａと第二の発熱素子１２ｂの間の領域を通り、供給口４５とは反対側へ延長するように設けられている。以下、１つの接続配線３に接続する２つの発熱素子１２を１つの素子群として呼ぶこととする。素子列はこのような素子群が複数配列して設けられている。隣接する発熱素子の間に接続配線３が通る箇所の、該隣接する発熱素子の重心同士の距離をＰ２とする。さらに、隣接する発熱素子の間に接続配線が通らない箇所の、該隣接する発熱素子の重心同士の距離をＰ１としたとき、Ｐ２＞Ｐ１の関係となるように設けられている。Ｐ２＞Ｐ１として、隣接する発熱素子の間に接続配線が通らない、隣接する発熱素子の重心同士の間隔を狭くすることにより、発熱素子の幅を小さくすることなく高密度に発熱素子を配置することができる。

さらに、図２（ｂ）に示すように素子列は供給口４５を挟んで、同じ種類の液体の記録動作に用いられる第一の素子列と、第二の素子列との二列が平行に設けられている。第一の素子列の接続配線３ａは、第二の素子列の隣接する接続配線３の間の位置となるように設けている。すなわち、供給口４５の長手方向に直交する短手方向に関して、第一の素子列に属する素子群の領域が、第二の素子列に属する素子群の領域と１／２ピッチずれるように設けている。このように、互いにずらして設けることによりＰ２＞Ｐ１というように発熱素子を不均等に配置したとしても互い補いあうことができ、記録動作に影響を与えることなく記録画像を設けることができる。

次に発熱素子の幅を狭くした場合と比較して、本発明の効果を具体的に説明する。
複数の発熱素子を１２００ｄｐｉの素子密度を実現するためには、約２１μｍの配置ピッチで配置しなければならない。しかしながら配線と配線との間は、フォトリソグラフ技術等の製造工程における信頼性や、隣接する配線間の電気的信頼性を確保するために、ある一定以上の距離を保つことが必要とされている。

図２（ｂ）のＰは矩形形状の発熱素子の配置ピッチ、Ｗは発熱素子の供給口の長辺方向に関する長さ、Ｌは発熱素子の供給口の短辺方向に関する長さ、ＤＬは配線幅、ＤＳは発熱素子と配線との間隔とする。ＤＳは、上記のように最低幅が決まるため発熱素子を均等に配置することを前提に考えると、
Ｗ＝Ｐ−（ＤＬ＋ＤＳ×２）という式を満たすように設けることが必要となる。

また、発熱素子を用いて安定した速度で所望の液滴量を吐出できるという吐出性能を得るためには、液体を急速加熱して膜沸騰現象を起こすために寄与する有効発泡領域を確保する必要がある。有効発泡領域とは、実際に通電されて熱を発する発熱素子面積から素子を駆動しても十分に液体を膜沸騰させる温度に達しない外周部領域を差し引いた面積をいう。

矩形形状の発熱素子に関して、図３（ａ）はアスペクト比（Ｌ１／Ｗ１）の小さい発熱素子の模式図を示し、図３（ｂ）は比較的アスペクト比（Ｌ２／Ｗ２）の大きい発熱素子の模式図を示している。図３（ａ）、（ｂ）に示す発熱素子の発熱抵抗層はともに一対の電極に接続しており、この一対の電極により発熱抵抗層に電流が流れることで発熱して記録動作に用いられる。このような発熱抵抗層の生じる熱は、全ての熱が記録動作に用いられるのではなく一部は絶縁層によって吸収されてしまう。そのため発熱素子の有効発泡領域１２ａ（第一の領域）は、発熱素子の外周から一定幅（Ｘμｍ）内側に入ったところとなる。すなわち液体の吐出に寄与する有効発泡領域は、液体の吐出に寄与されない第二の領域１２ｂで囲われて設けられている。このような発泡に用いられない第二の領域の幅Ｘは、ほぼ一定の幅であるため、アスペクト比の大きい場合は同じ有効面積を確保するために必要な発熱素子の面積が大きくなる。

従って有効発泡領域を確保しつつ、Ｗ＝Ｐ−（ＤＬ＋ＤＳ×２）という式を満たすためには、アスペクト比の大きい発熱素子を設けることが必要となる。
たとえば液体の発泡に寄与しない外周部幅Ｘが２μｍで有効発熱素子面積が２００平方μｍ必要な場合の発熱素子の面積を考えてみる。アスペクト比１（Ｌ１／Ｗ１＝１）の場合と比べて、アスペクト比２（Ｌ１／Ｗ１＝２）で約４％、アスペクト比３（Ｌ１／Ｗ１＝３）で約９％、アスペクト比４（Ｌ１／Ｗ１＝４）で１５％それぞれ発熱素子の面積を大きくする必要がある。

また、このように発熱素子の面積が大きくなることに伴い、発泡に用いられない発熱素子の領域も多くなるため必要とされるエネルギー量も多くなる。
これに対し発熱素子の間隔をあえてＰ２＞Ｐ１というように不均等に配置することにより、１２００ｄｐｉを達成するために発熱素子の面積を狭める必要がないため接続配線が設けられていない発熱素子間の領域を有効に活用することが出来る。すなわち高密度化を図りつつ発熱素子の素子列に沿った方向の幅を広くして有効発泡領域を確保することができ、供給口の短辺方向に関して発熱素子のＬを長くしなくとも、効率良く記録動作を行うことができる。

さらに第一の素子列に対応する接続配線に対して、第二の素子列に対応する接続配線を１／２ピッチずれるように設けられていることにより、一度の走査で記録画像のスジ・ムラなどが生じない信頼性の高い記録動作を行うことができる。

なお、本実施形態においては接続配線３は、第一の発熱素子と第二の発熱素子の間に位置する例を用いて説明したが、隣接する素子群との間を通過してもよい。

（第二の実施形態）
本実施形態に示すヘッドは、図１（ｂ）に示すような同じ種類の液体を供給するために用いられる二列の供給口を有する液体吐出ヘッドに関するものである。供給口の長辺に沿って両側に第一の素子列と第二の素子列と第三の素子列と第四の素子列が平行に設けられている。ヘッドの層構成やＶＨ配線とＧＮＤ配線等を用いた記録動作は第一の実施形態と同様であるので省略する。

図４（ａ）に、図１（ｂ）のような液体吐出ヘッド４１の供給口４５と発熱素子１２と一対の配線７を抽出して模式的に表した上面図を示している。さらに、発熱素子１２の素子列に対向する吐出口に便宜的にＡ〜Ｄの番号をつけ、吐出口列Ａ、吐出口列Ｂ、吐出口列Ｃ、吐出口列Ｄとする。

それぞれの素子列は４つの連続する発熱素子からなる素子群毎に一つの接続配線３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄをそれぞれ備えている。この接続配線は、図４（ａ）では、中央に設けている構成を示しているが、いずれの発熱素子の間または他の素子群との間を通過してもよい。

本実施形態のように接続配線の通る部分の発熱素子間隔よりも、接続配線の通らない部分の発熱素子間隔を小さくなるように配置している。このように発熱素子間隔をあえて均等にしないことで、接続配線を間に通す必要のない発熱素子間の領域を有効に活用することが出来る。すなわち高密度化を図りつつ発熱素子の素子列に沿った方向の幅を広くして有効発泡領域を確保することができ、効率良く記録動作を行うことができる。

さらに図６（ａ）で示した被記録媒体Ｐとの相対移動方向２０に対して、１つの素子列に対応する隣接する接続配線の間隔を１ピッチとしたときに、素子列毎に接続配線の位置が１／４ピッチずつずれるように設けられている。これにより被記録媒体Ｐとの相対移動方向に対して各列の発熱素子の位置も互いにずれることになる。このときの吐出口列ＡからＤまで順番に被記録媒体に液体を吐出し、記録動作を行った場合の吐出液滴を模式的に配置したものを図４（ｂ）に示す。複数の液滴が重なると分かりにくくなるため、図４（ｂ）のＹ方向は便宜的に素子列毎の吐出液滴をわかりやすいように示している。

それぞれの吐出口列から吐出された液滴の形成する吐出液滴は、均等なピッチの画素単位２２に整列することはなく、吐出口列と同様に接続配線の部分に隙間が生じることになる。しかしそれぞれ偏り方の異なる吐出口列Ａから吐出された液滴の形成する吐出液滴が、互いに偏りを打ち消しあうことができ、一度の走査で記録画像のスジ・ムラなどが生じない信頼性の高い記録動作を行うことができる。

本実施形態においては、素子列を四列設けた場合を用いたが、素子列はいくつ存在しても良い。例えば素子列が８列の構成では、連続する８つの発熱素子が一つの接続配線に接続するように設け、供給口の短辺方向に関して各列の接続配線が延長線上に一致しないように１／８ピッチ毎ずらしても、同様に液滴の偏りを打ち消しあうことができる。このとき、１つの接続配線に接続される発熱素子の数と、素子列の数とが一致するように設けることで、吐出液滴の偏りを打ち消しあうことができる。

３ 接続配線
１３ 個別配線
７ 一対の配線
１２ エネルギー発生素子
２５ 吐出口
４１ 液体吐出ヘッド
４５ 供給口

Claims (7)

1. 一対の配線に接続され、該一対の配線に通電することで、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子、の複数が、配列された素子列と、
   前記素子列に属する複数の前記エネルギー発生素子のうち、連続する複数の前記エネルギー発生素子に対応する複数の前記一対の配線の一方と共通に接続され、隣接するエネルギー発生素子の間を通るように設けられた接続配線の複数と、
   を備えた液体吐出ヘッド用基板であって、
   隣接するエネルギー発生素子の間に前記接続配線が設けられた、隣接する前記エネルギー発生素子の間の間隔は、隣接するエネルギー発生素子の間に前記接続配線が設けられていない、該隣接する前記エネルギー発生素子の間の間隔より広いことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
2. 前記エネルギー発生素子は、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する第一の領域と、該第一の領域の外周を囲むように一定の幅で設けられ、液体の吐出に用いられないエネルギーを発生する第二の領域とで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. 前記素子列の前記複数のエネルギー発生素子が配列する方向に関して、前記接続配線が設けられていない隣接する前記エネルギー発生素子の間の間隔は、それぞれ等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド用基板。
4. 前記一対の配線の他方と、前記接続配線と、は前記素子列の前記複数のエネルギー発生素子が配列する方向と直交する方向に延長して設けられてい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. 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は、平行となるように複数の前記素子列を有しており、
   前記素子列の前記複数のエネルギー発生素子が配列する方向と直交する方向に関して、それぞれの前記素子列に属する接続配線は、互いに延長線上に位置しないように設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
6. 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は、平行となるように第一の素子列と第二の素子列との二列の前記素子列を有しており、
   前記素子列の前記複数のエネルギー発生素子が配列する方向に関して、前記第一の素子列に対応する複数の前記接続配線は、前記第二の素子列に対応する複数の前記接続配線に対して、それぞれ隣接する接続配線の間隔の１／２ピッチずれるように設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
7. 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は、平行となるように第一の素子列と第二の素子列と第三の素子列と第四の素子列の四列の前記素子列を有しており、
   前記素子列の前記複数のエネルギー発生素子が配列する方向に関して、それぞれの前記素子列に対応する前記接続配線は、隣接する接続配線の間隔を１／４ピッチずつずれるように設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。

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