JP2019195922A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線ピッチを狭くすること無く、高解像度化可能な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】液体を吐出するための複数の吐出口と、液体を吐出ために用いられるエネルギ発生手段と、エネルギ発生手段を駆動するための集積回路１１６とを備えた液体吐出ヘッドにおいて、吐出口とエネルギ発生手段とはそれぞれが列を成して設けられ、集積回路１１６とエネルギ発生手段である圧電素子が同一の基板上に設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

液体吐出ヘッドの吐出口から液体を吐出する手段として、吐出エネルギ発生素子を用いて圧力室内に圧力を発生させて、その圧力によって圧力室内の液体を圧力室の一端に形成された吐出口から吐出する方法が知られている。このような液体吐出ヘッドでは、各々の圧電素子や発熱体に電気接点を備えており、駆動信号を発生する集積回路と接続されて、駆動信号で圧電素子や発熱体等のエネルギ発生素子を駆動することによって吐出が行なわれる。また、このような液体吐出ヘッドでは、集積回路がフレキシブルプリント回路（以下「ＦＰＣ」）を介して液体吐出ヘッド上の配線と接続される構成がとられることが多い。しかし、高精細な記録を行なうために液体吐出ヘッド上に吐出口を高密度で配置すると、ＦＰＣと液体吐出ヘッドの配線との接続領域が減少し実装が困難になる。

特許文献１には、供給流路と回収流路とに挟まれた圧力室と、回収流路の上部に設けられエネルギ発生素子と集積回路とを接続する電気配線と、基板端部に設けられ電気配線と接続された集積回路と、を備えた液体吐出ヘッドが開示されている。これにより、各電気接点からの電気配線は液体吐出ヘッド内で引き回すだけでよく、ＦＰＣと液体吐出ヘッドの接続領域が狭くても容易に接続が可能となる。

特表２０１１−５２０６７０号公報

しかし、特許文献１の方法で更に液体吐出ヘッドを高解像度化する場合、吐出口の数と同時に電気配線の数が増えると、基板上で各吐出口から集積回路まで電気配線を引き回す際に、引き回し可能な領域は限定されていることから、配線ピッチを狭くする必要がある。

よって本発明は、配線ピッチを狭くすること無く、高解像度化可能な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口と、前記吐出口から液体を吐出するのに用いられるエネルギを発生するエネルギ発生手段と、前記エネルギ発生手段を駆動する電気信号を前記エネルギ発生手段に送る集積回路と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口と前記エネルギ発生手段とは、それぞれが列を成して設けられており、前記集積回路と前記エネルギ発生手段とは、同一の基板に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、配線ピッチを狭くすること無く、高解像度化可能な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を実現することができる。

（ａ）は吐出部の断面図であり、（ｂ）は吐出口を備えた面の平面図である。 液体吐出ヘッドの透過平面図である。 液体吐出ヘッドの拡大図である。 集積回路のブロック図である。 液体吐出ヘッドを用いたラインヘッドを示した図である。 液体吐出ヘッドの製造方法を工程順に示した図である。 液体吐出ヘッドの製造方法を工程順に示した図である。 液体吐出ヘッドを示した透過平面図である。 他の実施例の液体吐出ヘッドを示した透過平面図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態を適用可能な液体吐出ヘッド１００の吐出部の断面図であり、図１（ｂ）は、吐出口１０１を備えた面の透過平面図である。液体吐出ヘッド１００は、圧電素子１１０によるエネルギ発生機構を有しており、個別電極１１１、圧電素子１１０、共通電極１０９および振動板１０７が積層して形成されている。振動板１０７は、流路基板１０６上に形成されており、圧力室１０２の一壁面を構成している。圧力室１０２には、共通インク供給流路１１４から絞り部１０３を通ってインクが供給される。個別電極１１１に電圧が印加されると、圧電素子１１０が歪むことで振動板１０７を撓ませる。これによって圧力室１０２内のインクを吐出するためのエネルギを発生する。圧力室１０２は、連通口１０４を介して共通インク回収流路１１５と連通しておりインクが循環する。さらに吐出口基板１０５に形成された吐出口１０１が連通口１０４と連通しており、圧電素子１１１によって発生した圧力が圧力室１０２に直接作用し、吐出口１０１からインクを吐出することで、記録媒体に記録が行なわれる。

吐出口１０１は、複数の吐出口１０１が列を成して吐出口列を形成しており、吐出口列は、共通インク供給流路１１４および共通インク回収流路１１５に沿って設けられている。また、圧電素子１１０は、吐出口１０１と対応して設けられていることから、圧電素子１１０も列を成して設けられている。圧力室１０２は、吐出口１０１が形成された面に垂直な方向に、共通インク供給流路１１４の一部と重なって形成されており、これにより吐出口１０１を高密度で配置することができる。流路基板１０６には、集積回路１１６が設けられており、集積回路１１６は、引出し配線１１２によって個別電極１１１と接続されている。また、集積回路１１６は、圧力室１０２の近傍であり、吐出口１０１が形成された面に垂直な方向において、共通インク回収流路１１５と重なった位置に形成されている。つまり、集積回路１１６は、圧電素子１１０の列に沿って設けられている。なお、集積回路１１６は、共通インク供給流路１１４あるいは共通インク回収流路１１５の少なくとも一方と重なっていればよい。共通電極１０９と引出配線１１２とは、絶縁膜１１７で電気的に絶縁されている。絶縁膜１１７には、圧電素子１１０の保護および振動板１０７の変形領域を規制するための、キャビティを有する支持基板１０８が接着剤１１３を介して接合されている。

本実施形態では集積回路１１６と、共通電極１０９圧電素子１１０および個別電極１１１からなる圧電素子ユニットと、が振動板１０７を挟んだ近傍に設けられており、集積回路１１６と圧電素子ユニットとがいずれも振動板１０７に設けられた形態となっている。
このように、集積回路１１６と圧電素子ユニットとを同一の基板に設置し、集積回路１１６を圧電素子１１０の列に沿って設ける。これによって、集積回路１１６と圧電素子ユニットとを接続する引出配線１１２を基板上で引き回す必要がなくなり、配線の引き回しに要する面積も大幅に減少することができる。

支持基板１０８には、吐出口列の端部において、共通インク供給流路１１４へインクを供給する共通インク供給口と、共通インク回収流路からインクを回収する供給インク回収口が配置されており、液体吐出ヘッド１００の外部へ配管されてインクが循環される。

集積回路１１６には、圧電素子１１０を駆動するための電圧と、吐出を実施する吐出口１０１に対応した圧電素子１１０を選択するための選択信号とが、液体吐出ヘッド１００の外部から入力される。集積回路１１６は、各圧電素子１１０に対応したトランジスタからなるスイッチング回路を有しており、選択信号に基づいて、選択された圧電素子１１０に電圧を印加することができる。

吐出口１０１は、図１（ｂ）の矢印α方向に並んだ吐出口列を形成しており、その吐出口列に沿って共通インク供給流路１１４および共通インク回収流路１１５が配置されている。吐出口列において吐出口１０１は記録解像度に合わせて、図１（ｂ）の矢印β方向にずらして配置されており、例えば２４００ｄｐｉの解像度の液体吐出ヘッドの場合、吐出口１０１が１０．６μｍずつシフトしている。

図２は、液体吐出ヘッド１００の透過平面図であり、図３は、液体吐出ヘッド１００の拡大図である。液体吐出ヘッド１００には、吐出口列に沿って共通インク供給流路１１４および共通インク回収流路が形成されている。各共通インク供給流路１１４から、２列の吐出口列へインクが供給され、各共通インク回収流路１１５へ、２列の吐出口列からインクが回収される配置となっている。吐出口列は、液体吐出ヘッド１００の矢印α方向における中央部で上下のブロックに分割して配置されている。その中央部に流路基板１０６および支持基板１０８に形成された共通インク供給口１２２が配置され、共通インク供給口１２２から各共通インク供給流路１１４へインクが供給される。また、吐出口列の上下端部には、流路基板１０６および支持基板１０８に形成された共通インク回収口１２１が配置され、共通インク回収口１２１から各共通インク回収流路１１５のインクが回収される。

共通インク供給口１２２および共通インク回収口１２１が、圧力室１０２の形成領域に対して対向する位置に交互に配置されており、インクの供給および回収を容易に行なうことができる。このようにブロックに分割するのは、吐出口列の吐出口１０１の数が多いと、共通インク供給流路１１４が長く、流抵抗が高くなるため、圧力損失による圧力分布が生じて、吐出口１０１の位置により吐出性能にばらつきが出てしまうためである。本実施形態のように、インクの供給経路を上下２ブロックに分けることにより、共通インク供給流路１１４における流抵抗を下げることができる。

集積回路１１６（図３において破線で図示）は、圧力室１０２の近傍であり、吐出口が形成された面に垂直な方向から見て、各共通インク回収流路１１５と重なる位置に形成されている。集積回路１１６と接続された配線１２３、１２４は、実装端子１２５と接続されている。このように、共通インク回収流路１１５と集積回路１１６とが、重なる位置に配置されることにより、集積回路１１６の駆動時に集積回路１１６が発生した熱を、共通インク回収流路１１５により液体吐出ヘッド１００の外部へインクとともに排出することができる。また、集積回路１１６を圧電素子１１０の列に沿って設けることで、配線１２３、１２４の引き回しを短くすることができ、電気抵抗を低くすることができる。更に、集積回路１１６からの配線１２３、１２４および実装端子１２５は、引出配線１１２と同じ層に形成することができ、層を厚くすることで電気抵抗を低くすることができるため、少ない配線数でデイジーチェーン接続が可能となる。

吐出口列は、上下のブロックを合わせて例えば６４個の吐出口からなり、例えば６４列の吐出口列を配置することにより、４０９６個の吐出口を２４００ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）で形成することができる。この場合、共通インク供給流路１１４は、３２本、共通インク回収流路１１５は３３本配置される。各集積回路１１６は、それぞれ上下いずれかのブロックの、吐出口列の２列になった３２個の吐出口１０１に対応するエネルギ発生素子に電気信号を印加する。

図４は、集積回路１１６のブロック図である。まずシフトレジスタ（Ｓ／Ｒ）へ、クロック（ＣＬＫ）およびシリアルデータ（ＳＤ）が入力され、ラッチ信号（ＬＴ）をトリガとしてデータがラッチされる。ラッチされたデータに基づきスイッチング素子（ＳＷ）がアナログ電源（ＶＨ）によりＯｎ／Ｏｆｆ駆動し、入力された駆動波形（Ｄｒｉｖｅ Ｓｉｇｎａｌ）が圧電素子１１０へ印加される。

なお、本実施形態では液体吐出ヘッド１００の中央部に共通インク供給口を設ける構成としたが、これに限定されるものではない。例えば１２００ｎｐｉの液体吐出ヘッドの場合は、共通インク供給流路の長さが２４００ｎｐｉの半分になり流抵抗が低くなるため、ブロック分けをせずに液体吐出ヘッドの上端部に共通インク供給口、下端部に共通インク回収口を配置する構成にできる。インク循環の流路抵抗を考慮すると、共通インク供給口もしくは供給インク回収口のいずれかを、面積の大きな開口とすることが望ましい。

また、図３には、共通流路ごとに供給口および回収口を配置したが、複数の共通流路にまたがった広い開口とすることもできる。また、共通インク供給流路１１４と共通インク回収流路１１５とが逆の構成であってもよく、すなわち共通インク供給流路１１４と重なるように集積回路１１６が形成されていてもよい。さらに、液体吐出ヘッド内でインクが循環する構成ではないインク供給流路のみが形成された液体吐出ヘッドであっても本発明を適用することができ、同様に配線数を減らす効果を得ることができる。

図５は、本実施形態の液体吐出ヘッド１００を用いたラインヘッド１３５を示した図である。図のように、ラインヘッドの長手方向において液体吐出ヘッド１００の端部同士が重なるように交互に配置することで、長尺のラインヘッド１３５を構成することが可能である。液体吐出ヘッド１００から出る配線数が少ないため、幅の狭いＦＰＣを使用することができ、液体吐出ヘッド１００の配置が容易になる。

図６、図７は、液体吐出ヘッド１００の製造方法を工程順に示した図である。以下。液体吐出ヘッド１００の製造方法を工程順に説明する。先ず、図６（ａ）のように、Ｓｉからなる第１流路基板１１８に、トランジスタからなるスイッチング回路を有する集積回路１１６を形成する。集積回路１１６は、ＣＭＯＳプロセスを用いて形成することができる（集積回路形成工程）。その後、図６（ｂ）のように、第１流路基板１１８の集積回路１１６を形成した面に、振動板１０７となるＳｉＮをプラズマＣＶＤにより成膜し、集積回路１１６の電極接続部が露出するようにパターニングする。そして、図６（ｃ）のように、共通電極１０９であるＰｔをスパッタ法による成膜しパターニングする。

その後、パターニングした共通電極１０９の上に、圧電素子１１０であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を、５００℃以下の低温スパッタリングプロセスにより成膜し、さらに個別電極１１１をスパッタ法により成膜してパターニングを行なう（図６（ｄ）参照）。ここで集積回路１１６が形成された基板では、５００℃以下の成膜およびアニールが必要となるため、低温スパッタリングプロセスが有効である。そして、図６（ｅ）のように、集積回路１１６上の振動板１０７の上に電気絶縁膜１１７となるＳｉＯ２をプラズマＣＶＤで成膜し、個別電極１１１および集積回路１１６の電気接続部が露出するようにパターニングを行なう。最後に、個別電極１１１と集積回路１１６とを電気接続する引出配線１１２をパターニングすることで、集積回路１１６からの電気信号で圧電素子１１０に電圧を印加することができるエネルギ発生素子を構成する（エネルギ発生手段形成工程）（図６（ｆ）参照）。なお、ここで示した材料および成膜方法はこれに限定されるものではない。

次に、液体吐出ヘッド１００における流路の形成方法を説明する。図７（ｇ）のように、第１流路基板１１８に振動板の変位を規制するキャビティが設けられた支持基板１０８を接着剤１１３で接着接合する。支持基板１０８には、共通インク供給口１２２および共通インク回収口１２１（図２参照）が形成されている。その後、図７（ｈ）のように第１流路基板１１８を研磨処理により薄化し、ドライエッチング処理により圧力室１０２を形成する（図７（ｉ）参照）。別途用意する第２流路基板１１９には、共通インク供給流路１１４、共通インク回収流路１１５、絞り部１０３、連通口１０４が、Ｓｉ基板に両面エッチングにより形成されている。この第２流路基板１１９を第１流路基板１１８上に圧力室１０２の位置に合わせて接合する（図７（ｊ）参照）。このように第１の流路基板１１８に直接、集積回路１１６とエネルギ発生手段である圧電素子１１０を形成することで、両者を接続する引出配線１１２の長さを短くすることができる。よってページワイド型であるラインヘッドのような比較的吐出口の数が多いヘッドにおいても配線領域の増大を抑制することが可能となる。

その後、図７（ｋ）のように、連通口１０４と共通インク回収流路１１５とをつなぐ流路を形成した、第３流路基板１２０を第２流路基板１１９と接合する。このように流路基板１０６は、第１流路基板１１８と、第２流路基板１１９と、第３流路基板１２０の三層構成となっている。この流路基板１０６に吐出口１０１を形成（吐出口形成）した吐出口基板１０５を接合して、液体吐出ヘッド１００が形成される。

このように、集積回路１１６を圧電素子１１０と同一の基板上で、圧電素子１００の列に沿って近傍に設ける。これによって、引出配線１１２を引き回す距離が短くなり基板の限定された領域を引き回す必要がなくなった。その結果、配線ピッチを狭くすること無く、高解像度化可能な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を実現することができた。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図８は、本実施形態の液体吐出ヘッド２００を示した透過平面図である。本実施形態の液体吐出ヘッド２００は、種類の異なる液体を吐出することができる。吐出口列に沿って共通インク供給流路１１４および共通インク回収流路１１５が配置され、さらに共通インク回収流路１１５と重なる位置に集積回路１１６が形成されている。吐出口列は上下方向に４ブロックに分割されており、ブロックごとに異なる液体を供給する共通インク供給口（１３１、１３２、１３３、１３４）と、異なる液体を回収する共通インク回収口（１２７、１２８、１２９，１３０）とが設けられている。

配線１２３は、集積回路１１６をブロック間で接続し、共通インク供給口（１３１、１３２、１３３、１３４）および共通インク回収口（１２７、１２８、１２９，１３０）の間を通って接続されており、全ブロックに同一の信号が印加可能な構成となっている。このような構成にすることで、例えばカラー記録に用いるシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のインクを１つの液体吐出ヘッドで吐出すことができる。

（他の実施例）
図９は、本実施形態の他の実施例の液体吐出ヘッド２０１を示した透過平面図である。本実施例では、配線１２３がブロックごとに、すなわちインク色ごとにそれぞれまとめられて、実装端子１２５へ配線１２４により接続される。このような配線構成にすることにより、インクごとに異なるシリアルデータや駆動波形を入力することができるため、物性の異なるインクを使用した場合でもブロック間の吐出特性を合わせることができる。

共通インク供給口（１３１、１３２、１３３、１３４）は、ブロックごとに全ての吐出口列と連通する広い開口となっており、流路抵抗の小さい構成となっている。なお、開口面積の狭い回収口と吐出口列との間を配線１２３が通る構成となっているが、開口面積の広い供給口側であっても配線することが可能であり、さらに両方の開口に配線を振り分けることも可能である。流路基板に共通インク供給流路および共通インク回収流路が形成されているため、圧電素子、共通インク供給口および共通インク回収口が形成されていない領域を全て配線領域として使用可能である。また、共通インク供給口および共通インク回収口が吐出口に対して互い違いに配置された例を示してきたが、同じ側に配置されている構成であっても本発明を適用することができる。

このように、圧電素子１１０と集積回路１１６と同一の基板上で近傍に設け、集積回路１１６を圧電素子１００の列に沿って近傍に設け、吐出口列を４ブロックに分割して設ける。これによって、複数の異なるインクを吐出可能な液体吐出ヘッドで、配線ピッチを狭くすること無く、高解像度化可能な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を実現することができた。

１００ 液体吐出ヘッド
１０６ 流路基板
１１０ 圧電素子
１１１ 個別電極
１１４ 共通インク供給流路
１１５ 共通インク回収流路
１１６ 集積回路
２００ 液体吐出ヘッド
２０１ 液体吐出ヘッド

Claims (12)

1. 液体を吐出する複数の吐出口と、
   前記吐出口から液体を吐出するのに用いられるエネルギを発生するエネルギ発生手段と、
   前記エネルギ発生手段を駆動する電気信号を前記エネルギ発生手段に送る集積回路と、
   を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口と前記エネルギ発生手段とは、それぞれが列を成して設けられており、 前記集積回路と前記エネルギ発生手段とは、同一の基板に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体を循環する流路と、
   前記エネルギ発生手段が発生させるエネルギが直接作用し、前記吐出口と連通する圧力室と、が形成された流路基板を備え、
   前記流路は、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、前記圧力室から液体を回収する回収流路と、であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記集積回路は前記エネルギ発生手段の列に沿って設けられており、
   前記供給流路と前記回収流路とは、前記吐出口の列に沿って設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記集積回路の少なくとも一部は、前記吐出口が形成された面に垂直な方向に関して、前記供給流路あるいは前記回収流路の少なくとも一方と重なっていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記集積回路は、前記吐出口が形成された面に垂直な方向に関して、前記回収流路と重なっていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記供給流路の一部と前記圧力室とは、前記吐出口が形成された面に垂直な方向に関して、重なっていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記基板は、前記流路基板と接合されることで、前記圧力室の一部の壁を形成しており、前記エネルギ発生手段が駆動することで撓む振動板であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記集積回路と前記エネルギ発生手段とは、前記振動板の異なる面の上に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記供給流路と、前記回収流路と、前記圧力室と、前記集積回路とは、前記振動板に対して同一の側に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記流路基板の第１領域には、複数の第１供給流路と、複数の第１回収流路と、複数の第１集積回路と、複数の第１エネルギ発生手段が設けられ、
    前記流路基板の第２領域には、複数の第２供給流路と、複数の第２回収流路と、複数の第２集積回路と、複数の第２エネルギ発生手段が設けられ、
    前記第１供給流路と前記第２供給流路とには、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられた供給口から液体が供給されることを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記第１集積回路と前記第２集積回路とは、配線で接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 液体を吐出する複数の吐出口を形成する吐出口形成工程と、
    前記吐出口から液体を吐出するのに用いられるエネルギを発生する、列を成したエネルギ発生手段を形成するエネルギ発生手段形成工程と、
    前記エネルギ発生手段を駆動する電気信号を前記エネルギ発生手段に送る、列を成した集積回路を形成する集積回路形成工程と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法において、 前記集積回路と前記エネルギ発生手段とを、同一の基板に形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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