JP4194224B2 - Liquid discharge head - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、インクジェットプリンター等に用いられる微小電気機械装置の一例である液体吐出ヘッドには、液流路内の液体を加熱して発泡させ、発泡時の圧力により液体を吐出口から吐出させるものがある。液体を加熱するために、素子基板上には吐出用ヒータが配設されており、駆動電圧は素子基板上の配線を介して吐出用ヒータに供給される。
【0003】
近年、このような液体吐出ヘッドにおいて、発泡時の気泡の大部分を吐出口側に導いて、吐出効率を向上させるために、液流路内に一端支持の片持ち梁状の可動部材を配設した構成が提案されている。この可動部材は、素子基板上に一端が固定的に支持され、他端が液流路内に延びることにより、素子基板上にある間隔をおいて保持され、かつ液流路内で発泡圧力等により変位可能に構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
また、上述の可動部材を液流路内に有する液体吐出ヘッドのうち、特開平10-76659号公報では、可動部材に吐出用ヒータを設ける構成が開示されている。
【0005】
しかしながら、特開平10-76659号公報に記載の吐出用ヒータの構成は、図14のように可動部材表面を折り返すように電気熱変換体の電極1204,1205が形成されている。このような電気熱変換体のレイアウトでは、吐出用ヒータ1206の位置が可動部材の幅方向で非対称になり、発泡の際に可動部材がねじれやすくなるため、可動部材の耐久性を必ずしも充分に満足できない場合があった。また、電極の幅も十分には取れないため大電流を流すことには適した構造とはなっていない。
【0006】
そこで本発明の目的は、液流路内の可動部材に吐出用ヒータを有する場合に耐久性と信頼性に富んだ液体吐出ヘッドを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、下部保護層の基板と対向する面は平坦であり、発熱抵抗層の発熱部は可動部材の幅方向に対して対称に形成され、発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出することにある。
【0010】
なお、上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていることが好ましい。
【0011】
絶縁層はSiNであることが好ましい。
【0012】
発熱抵抗層は、発熱部の吐出方向上流および下流にて下部電極層と電気的に接続されていることが好ましい。
【0013】
上部電極層および下部電極層が可動部材の表面側から裏面にわたるように形成されていることが好ましい。
また、発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、該調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、をさらに有していてもよい。
【0014】
調整用ヒータには、前記発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加されるようになっていてもよい。
【0015】
天板には電圧コンバーターが設けられており、電圧コンバーターにより調整用ヒータに印加される電圧が発熱部に印加される電圧よりも低くなっていてもよい。
【0016】
調整用ヒータには発熱部に接続される電源とは異なる電源が接続されることにより調整用ヒータに印加される電圧が発熱部に印加される電圧よりも低くなっていてもよい。
【0017】
調整用ヒータに接続される電源はロジック回路用電源であってもよい。
【0018】
調整用ヒータは発熱部の吐出方向下流側に設けられていてもよい。
【0019】
調整用ヒータは発熱部の吐出方向上流側に設けられていてもよい。
【0020】
調整用ヒータは複数設けられ、且つ、発熱部の吐出方向上流側と下流側にそれぞれ設けられていてもよい。
【0021】
調整用ヒータは発熱部よりも面積が小さいことが好ましい。
【0022】
調整用ヒータ用ドライバは発熱部用ドライバよりも面積が小さいことが好ましい。
【0023】
発熱部用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であってもよい。
【0024】
天板は、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していてもよい。
【0025】
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。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0027】
[第1の実施形態]
図1には本発明の第1の実施形態を示している。
【0028】
図1に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、素子基板1と天板3とで構成される液流路7内に設置された素子基板1側に吐出用ヒータ207を備えた可動部材206を有する。可動部材206は、液流路7を吐出口5に連通した第1の液流路7aと、気泡発生領域10を有する第2の液流路7bとに分けるように、素子基板1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。
【0029】
この可動部材206は、液体の吐出動作によって共通液室8から可動部材206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、素子基板1に面した位置に素子基板1を覆うような状態で素子基板1から所定の距離を隔てて配されている。この素子基板1と可動部材206に設けられた吐出用ヒータ207との間が気泡発生領域10となる。
【0030】
天板3は、各吐出用ヒータ207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、天井部分から各吐出用ヒータ2の間に延びる液流路側壁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8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法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、液流路側壁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。
【0031】
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。
【0032】
上記構成に基づき、吐出用ヒータ207を発熱させると、素子基板1と吐出用ヒータ207との間の気泡発生領域10の液体に熱が作用し、これにより吐出用ヒータ207表面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206に優先的に作用し、可動部材206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206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。
【0033】
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206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。
【0034】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材206の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材206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206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。
【0035】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出用ヒータ207を駆動したり、その駆動を制御したり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。
【0036】
次に、可動部材206の製造方法について、図2〜図4を参照して説明する。
【0037】
まず、ICが形成され絶縁層502が積層されたシリコン基板501上に、配線503を、スパッタリング法によって約1μmの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングしている。次に、図2(a)に示すように、SiNからなる電極保護層504をCVD法によって1μmの厚さに形成する。次に、図2(b)に示すように、Alからなる間隙形成部材506をスパッタリング法によって約5μmの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングする。次に、図2(c)に示すように、上層に後に形成される発泡部の耐キャビテーション層(Ta層)505を2000オングストロームの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって所定のパターンにパターニングする。次に、図3(a)に示すように、SiNからなるヒータ保護層507をCVD法によって0.1〜0.5μmの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって、スルーホール520,521を形成する。
【0038】
次に、図3(b)に示すように、TaNからなる抵抗層(吐出用ヒータ)508を1000オングストロームの厚さに、図3(c)に示すように、Cuからなる配線509を3000オングストロームの厚さに、スパッタリング法によって連続形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、電極と熱作用部とを形成する。これにより、抵抗層(吐出用ヒータ)508と接続される配線509が、スルーホール520を介して配線503と接続される。
【0039】
また、後述する上下折り返し配線511とVH配線(信号電圧供給用の配線)の接続性をよくするために、間隙形成部材506のスルーホール521を覆うように、Cuからなる配線509が電極部として形成される。
【0040】
次に、図4(a)に示すように、SiOからなる蓄熱層510が、CVD法によって2.0μmの厚さに形成され、フォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、VH配線上の電極部509上と抵抗層508の上下折り返し部分の配線509上にスルーホール522,523が形成される。
【0041】
次に、図4(b)に示すように、Cuからなる上下折り返し線である配線511が、スパッタリング法によって5000オングストロームの厚さに形成される。そしてフォトリソグラフィ法およびエッチング法によって所定のパターンにパターニングされ、その結果、抵抗層508と配線503を接続する上下折り返し配線509,511が形成される。
【0042】
次に、図4(c)に示すように、SiNからなる、上下折り返し配線の保護層512が、CVD法によって1μmの厚さに形成される。次に、この保護層512から、耐キャビテーション層505まで連続して、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法によって、可動部材206の形状にパターニングされる。そして、間隙形成部材506の一部をウェットエッチング法によって除去し、可動部材206を形成する。最後にフォトリソグラフィ法およびエッチング法によって、外部との接続用の電極パッドを形成し、図5に示す状態となる。
【0043】
なお、素子基板1および天板3には、ヒータが設けられていないので、前記した可動部材206に接続するための配線以外の配線等は形成されていない。
【0044】
このように、基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層されたものであり、発熱抵抗層の発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出する構成であると、可動部材における発泡面をフラットにすることができ、発熱部の耐久性を向上させることができる。
【0045】
上記構成は、基板上に間隙形成部材を設ける工程と、間隙形成部材上に、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層する工程と、間隙形成部材を除去することにより片持ち梁状の可動部材を形成する工程とによって形成することができる。
【0046】
このようにして形成した可動部材内に形成された吐出用ヒータ207は、抵抗層508より下方の層が上方の層よりも薄い層構造となっているため、下層側に発泡を生じる。また、発泡時の反作用によって可動部材206が上方に跳ね上がるため、後方へのインクの逃げが少なくなり発泡効率が上がる。また、消泡部分が、発泡面の動きによって、面に固定されないため、キャビテーション集中が起こりにくく、基板501等の寿命が向上する。 さらに、吐出用ヒータを可動部材の幅方向で対称に形成でき、可動部材の動作中のねじれを低減できる。そして、発泡面側に電極の段差がなく、平坦な構造になっているため、熱衝撃の影響を受けにくく可動部材の寿命が向上する。また、可動部材の主材料となる絶縁層は、通常、セラミック材で構成されるが、このセラミック材の両面に電極が設けられることにより、絶縁層が補強され、可動部材の耐久性がいっそう向上する構成となっている。
【0047】
さらに、上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていると、両電極層のヒロックや応力ひずみを防止することができる。
【0048】
[第2の実施形態]
図6には本発明の第2の実施形態を示している。本実施形態では、可動部材206に吐出用ヒータ207が設けられ、さらに第1の実施形態と同様に天板3に加熱用ヒータ208が形成されている。
【0049】
まず、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第1の基板および第2の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換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有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第1の基板と第2の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【0050】
この回路構成を図に概略的に示す。図7(a)に示すように、基板1には、複数の吐出用ヒータおよびそのドライバと、時分割制御ロジック回路と、シフトレジスタが設けられている。図7(b)に示すように、天板3には、加熱用ヒータ(調整用ヒータ,コントロールヒータ)およびセンサと、そのドライバと、電圧コンバーターと、メモリ等を含む制御回路が設けられている。加熱用ヒータとセンサとはサイズの最適化ができるので、ドライバも含めて小型化が可能である。この電圧コンバーターは、調整用(加熱用)ヒータへの印加電圧を吐出用ヒータへの印加電圧よりも低くするために設けられている。
【0051】
本実施形態では、液体の温度に応じて加熱用ヒータ208が作動して液体の粘度を調節することによって、吐出性能を常に一定に保つようにしている。すなわち、吐出口付近の液体が高粘度である場合、加熱用ヒータ208が適宜のタイミングで作動して局部的に加熱し液体の粘度を低下させることができる。それによって、所望の吐出特性が得られる。加熱用ヒータ208は、吐出用ヒータの真上または吐出口寄りに配置されており、前方および弁周辺の粘性抵抗を軽減でき、安定した吐出が可能となる。この加熱用ヒータ208を天板3に作り込むことにより、液体吐出ヘッド自体が小型化できる。また、この加熱用ヒータ208およびその駆動素子等は、素子基板1に設けられている吐出用ヒータ207やその駆動素子や配線パターンとは無関係に任意の位置に配置することができるので、吐出用の液体を加熱するために最適なところに配置可能であるとともに、スペース的に自由度が高いので、各部材をコンパクトにまとめて配置して液体吐出ヘッド自体を小型化することが可能である。
【0052】
この加熱用ヒータ208を天板3に配置した構成の利点について、さらに詳細に説明する。本構成では、素子基板1に半導体プロセスを用いて吐出用ヒータ207を構成し、素子基板1と接合することにより液流路7を構成する天板3に、各液流路7毎に吐出量を制御する加熱用ヒータ208とその加熱用ヒータ208を駆動するための駆動素子(ドライバ)および駆動制御回路を配置している。それにより、加熱用ヒータ208の抵抗や形状や駆動電圧や駆動パルス幅などの自由度が大きい。例えば、図10(a)に示すように、加熱用ヒータ208を吐出用ヒータ207と同一電圧で短いパルスにより駆動することも、図10(b)に示すように、加熱用ヒータ208を吐出用ヒータ2よりも低い電圧で長いパルスにより駆動することも可能である。これは、加熱用ヒータ208が天板3に配置されるので、吐出用ヒータ207の発泡条件からくる制約から解放されるからである。また、近年の記録素子の高密度化(360dpi以上)に伴い、レイアウト上、吐出用ヒータ2が設けられる素子基板1に、加熱用ヒータ208およびそれを駆動する駆動素子(ドライバ)や制御ロジック回路を、前記したような駆動パルス幅等の自由度を確保しつつ搭載することは困難である。しかしながら、本実施形態では、加熱用ヒータ208および加熱用ヒータ用ドライバを天板3に搭載する構成であるため、前記した自由度を確保しながら実現することが可能である。
【0053】
また、液体の吐出量は、発泡中心から前方の流抵抗と後方の流抵抗とのバランスにより変動するものであり、後方の流抵抗を一定とした場合、前方の流抵抗が小さいほど液体吐出量が増加する。そこで本実施形態では、発泡前に前方の液体のみを吐出用ヒータの射出方向下流に設けられた加熱用ヒータ208にて暖める。すなわち、前方の液体のみを暖める程度の加熱作用を生じるような駆動パルスを加熱用ヒータ208に供給する。こうして、加熱用ヒータ208に印加するエネルギーを制御して、液体の粘度を制御し前方の流抵抗を実質的に変化させることにより、吐出量を制御できる。
【0054】
従来、同一基板上の吐出用ヒータの前方に加熱用ヒータを配置する構成が存在していたが、この場合、加熱用ヒータを前方に配置することはレイアウト上の制約が大きく困難であった。しかし本実施形態では、個々の加熱用ヒータ208に対応して独立した駆動素子(ドライバ)などを設け、吐出用ヒータの駆動電圧よりも低い駆動電圧を供給することができるため、加熱用ヒータ208を最適な大きさ、位置に配置することができる。しかも、チップ全体の大きさを大型化することはない。なお、加熱用ヒータへの印加電圧を吐出用ヒータへの印加電圧より低くする手段としては、電圧コンバーターを用いる以外に、天板に別電源を接続することにより行うことができる。また、ロジック回路電源を別電源として用いれば新たに電源を増やす必要はない。
【0055】
さらに、吐出用ヒータ用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であると、吐出用ヒータと調整用ヒータとを同期させて駆動させることが可能になる。
【0056】
天板が、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していると、吐出用ヒータと独立して液流路内の状態を調整用ヒータで調整することが可能となる。
【0057】
次に、素子基板1および天板3への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【0058】
図8は、図6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)は素子基板の平面図、同図(b)は天板の平面図である。なお、図8(a)および(b)は、互いの対向面を表わしている。
【0059】
図8(a)に示すように、素子基板1には、並列に配列された複数の吐出用ヒータ207と、画像データに応じてこれら吐出用ヒータ207を駆動するドライバ11と、入力された画像データをドライバ11に出力する画像データ転送部12と、吐出用ヒータ2の駆動条件を制御するために必要なパラメータを測定するセンサ13とが設けられている。
【0060】
画像データ転送部12は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ11にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部12は、各吐出用ヒータ2に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、吐出用ヒータ207の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、1つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【0061】
センサ13としては、吐出用ヒータ207の近傍の温度を測定する温度センサや、吐出用ヒータ207の抵抗値をモニタするための抵抗センサ等が用いられる。
【0062】
噴射される液滴の吐出量を考えた場合、その吐出量は主に液体の発泡体積に関係する。液体の発泡体積は、吐出用ヒータ207およびその周辺の温度によって変化する。そこで、温度センサによって吐出用ヒータ207および周辺の温度を測定し、その結果に応じて液体吐出のためのヒートパルスを印加する前に、液体を吐出しない程度の小さいエネルギーのパルス(プレヒートパルス)を加え、そのプレヒートパルスのパルス幅や、その出力タイミングを変更することにより吐出用ヒータ207および周辺の温度を調整して、一定の液滴を吐出するようにして画像品位を維持することが行われる。
【0063】
また、吐出用ヒータ207における、液体を発泡させるのに必要なエネルギーを考えた場合、放熱条件が一定であれば、そのエネルギーは吐出用ヒータ207の必要な単位面積当たりの投入エネルギーと吐出用ヒータ207の面積の積で表わされる。これにより、吐出用ヒータ207の両端にかかる電圧、吐出用ヒータ207を流れる電流およびパルス幅を、その必要なエネルギーが得られる値に設定すればよい。ここで吐出用ヒータ207に印加される電圧については、液体吐出装置本体の電源により電圧を供給することにより、ほぼ一定に保持することができる。一方、吐出用ヒータ207を流れる電流については、吐出用ヒータ207の抵抗値が、素子基板1の製造過程における吐出用ヒータ207の膜厚のばらつき等により、ロットにより、あるいは素子基板1によって抵抗値が異なってくる。従って、印加されるパルス幅が一定で、吐出用ヒータ207の抵抗値が設定よりも大きい場合はその流れる電流値が小さくなり、吐出用ヒータ207に投入されるエネルギー量が不足してしまい、液体を適正に発泡させることができなくなる。逆に、吐出用ヒータ207の抵抗値が小さくなると、同じ電圧を印加しても電流値が設定値よりも大きくなる。この場合には、吐出用ヒータ207により過剰なエネルギーが発生され、吐出用ヒータ207の損傷や短寿命につながるおそれがある。そこで、抵抗センサによって吐出用ヒータ207の抵抗値を常にモニタし、その値により電源電圧やヒートパルス幅を変化させ、吐出用ヒータ207にほぼ一定のエネルギーが印加されるようにする方法もある。
【0064】
一方、図8(b)に示すように、天板3には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝3a,3bが形成される他に、素子基板1に設けられたセンサ13を駆動するセンサ駆動部17と、センサ駆動部17により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて吐出用ヒータ207の駆動条件を制御する吐出用ヒータ制御部16とが設けられている。なお、天板3には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口3cが開口している。
【0065】
さらに、素子基板1および天板3の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板1に形成された回路等と天板3に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド14,18が設けられている。また、素子基板1には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド15が設けられている。素子基板1の大きさは天板3の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド15は、素子基板1と天板3とを接合したときに天板3から露出する位置に設けられている。
【0066】
ここで、素子基板1および天板3への回路等の形成手順の一例について説明する。
【0067】
素子基板1については、まず、シリコン基板上に、上記ドライバ11、画像データ転送部12およびセンサ13を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、前述したようにして吐出用ヒータ2を形成し、最後に、接続用コンタクトパッド14および外部コンタクトパッド15を形成する。
【0068】
天板3については、まず、シリコン基板上に、上記吐出用ヒータ制御部16およびセンサ駆動部17を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、上述したように、成膜技術およびエッチングによって、液液流路や共通液室を構成する溝3a,3bおよび供給口3cを形成し、最後に、接続用コンタクトパッド18を形成する。
【0069】
上記のように構成された素子基板1と天板3とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して吐出用ヒータ207が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド14,18を介して素子基板1および天板3に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド14,18に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板1と天板3との電気的接続を接続用コンタクトパッド14,18によって行うことで、素子基板1と天板3との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板1と天板3との接合後に、液流路7の先端にオリフィスプレート4を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。 なお、以上の説明においては、素子基板1に設けられた吐出用ヒータ207の電気的接続のための構成について詳細に説明したが、天板3に設けられた加熱用ヒータ208の電気的接続のための構成に関しても、前記したものと実質的に同様な構成が天板3等に設けられる。前記の説明と重複するためここでは説明を省略する。
【0070】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図9に示すように、プリント配線基板23が搭載されたベース基板22上に固定し、液体吐出ヘッドユニット20とされる。図9において、プリント配線基板23には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン24が設けられ、これら配線パターン24は、ボンディングワイヤー25を介して外部コンタクトパッド15と電気的に接続される。外部コンタクトパッド15は素子基板1のみに設けられているので、液体吐出ヘッド21と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド15を素子基板1に設けた例について説明したが、素子基板1ではなく天板3のみに設けてもよい。
【0071】
以上説明したように、吐出用ヒータ207の駆動や制御のための各種回路等を素子基板1と天板3とに両者の電気的接合を考慮した上で振り分けることで、これらの回路等が1つの基板に集中しなくなるので、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。また、素子基板1に設けられた回路等と天板3に設けられた回路等との電気的接続を接続用コンタクトパッド14,18によって行うことで、ヘッド外部への電気的接続部の数が減り、信頼性の向上、部品点数の削減、ヘッドのより一層の小型化を実現することができる。
【0072】
また、上述した回路等を素子基板1と天板3とに分散させることで、素子基板1の歩留まりを向上させることができ、その結果、液体吐出ヘッドの製造コストを下げることができる。さらに、素子基板1および天板3を、シリコンという同一材料をベースとした材料で構成しているため、素子基板1と天板3との熱膨張係数が等しくなる。その結果、吐出用ヒータ207の駆動により素子基板1および天板3が熱膨張しても両者にずれは生じなくなり、吐出用ヒータ207と液流路7との位置精度が良好に維持される。
【0073】
本実施形態では上述の各回路等をその機能に応じて振り分けているが、この振り分けの基準となる考え方について以下に述べる。
【0074】
各吐出用ヒータ207に個別またはブロック単位に電気配線接続で対応する回路は、素子基板1に形成する。図8に示した例では、ドライバ11および画像データ転送部12がこれに相当する。各吐出用ヒータ207には駆動信号がパラレルに与えられるので、その信号分だけ配線の引き回しが必要となる。従って、このような回路を天板3に形成すると、素子基板1と天板3との接続数が多くなり接続不良が発生する可能性が高くなるが、素子基板1に形成することで、吐出用ヒータ207と上記回路との接続不良が防止される。
【0075】
制御回路などアナログ的な部分は、熱の影響を受け易いことから、吐出用ヒータ207が設けられていない基板すなわち天板3に設ける。図8に示した例では、吐出用ヒータ制御部16がこれに相当する。
【0076】
センサ13は、必要に応じて素子基板1に設けてもよいし、天板3に設けてもよい。例えば抵抗センサである場合には、抵抗センサは素子基板1上に設けないと意味がなかったり測定精度が低下したりするため素子基板1に設ける。また、温度センサの場合には、ヒータ駆動回路の異常による温度上昇などを検知する場合には素子基板1上に設けることが好ましいが、後述するインクを介しての温度上昇によりインクの状態を判断したい場合には、天板3、或いは素子基板1と天板3との双方に設けることが好ましい。
【0077】
その他、各吐出用ヒータ2に個別にもブロック単位にも電気配線接続で対応していない回路、必ずしも素子基板1に設けなくてもよい回路、天板3に設けても測定精度には影響しないセンサ等は、素子基板1および天板3のいずれか一方に集中しないように必要に応じて素子基板1または天板3に形成する。図8に示した例では、センサ駆動部17がこれに相当する。
【0078】
上記の考え方に基づいて各回路やセンサ等を素子基板1と天板3とに設けることで、素子基板1と天板3との電気的接続数をできるだけ少なくしつつも、各回路やセンサ等をバランスよく振り分けることができる。
【0079】
このように、素子基板1に多数設けられている吐出用ヒータ207に個々に対応して直接接続される駆動素子等は、素子基板1に配置することが好ましいが、この駆動素子の駆動タイミングを制御する回路等は必ずしも素子基板1に配置する必要はなく、素子基板1と天板3のいずれかの空いたスペースに適宜配置すればよい。このことは、加熱用ヒータ208に関しても同様である。すなわち、天板3に多数設けられている加熱用ヒータ208に個々に対応して直接接続される駆動素子等は、天板3に配置されるが、この駆動素子の駆動タイミングを制御する回路等は、素子基板1と天板3のいずれかの空いたスペースに適宜配置される。
【0080】
[第3の実施形態]
図11には本発明の第3の実施形態を示している。第1、2の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、1つの液流路7内に2つの加熱用ヒータ209が吐出ヒータ207の上流および下流にそれぞれ配設されている。この構成によると、液体吐出後のリフィル(再充填)特性が向上するとともに、メニスカスの安定が図れるという効果がある。
【0081】
[第4の実施形態]
図12には本発明の第4の実施形態を示している。第1〜3の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、第1の実施形態と同様に素子基板1に吐出用ヒータ207が設けられ、さらに天板3に設けられた可動部材210に加熱用ヒータ211が形成されている。天板3の自体の構成は、第1の実施形態と同様であり、可動部材211の構成は第6の実施形態の可動部材206と実質的に同じであり、その製造方法は素子基板1を天板3に置換する以外、特に変更すべき点はない。本実施形態によると、加熱用ヒータ211により液体の粘度を低くし、吐出性能を保つことができる。特に、加熱用ヒータ211が液流路7中に位置する可動部材210に形成されているので、加熱効率がよい。そして、吐出用ヒータ2およびその駆動素子は素子基板1に、加熱用ヒータ211およびその駆動素子は可動部材210に、それぞれ振り分けて配設されているので、スペースの節約ができるとともに、それぞれ異なる所望の駆動を行うことが容易にできる。
【0082】
[第5の実施形態]
図13には本発明の第5の実施形態を示している。第1〜4の実施形態と同様な構成については同一の符号を付与し説明を省略する。本実施形態では、第9の実施形態と同様に、素子基板1に吐出用ヒータ2が設けられ、可動部材210に加熱用ヒータ211が設けられ、さらに第1の実施形態と同様に天板3にもう1つの加熱用ヒータ212が形成されている。天板3の構成は、第1の実施形態と同様である。本実施形態によると、第9の実施形態の効果に加えて、液体吐出後のリフィル(再充填)特性が向上するとともに、メニスカスの安定が図れるという効果がある。
【0083】
【発明の効果】
基板と、基板に接合されている天板と、基板と天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、基板に固定されている固定端と、液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、可動部材は、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、下部保護層の基板と対向する面は平坦であり、発熱抵抗層の発熱部は可動部材の幅方向に対して対称に形成され、発熱部に電圧が印加されることで液流路内の液体を可動部材と基板との間で発泡させ液体を吐出する構成であると、可動部材における発泡面をフラットにすることができ、発熱部の耐久性を向上させることができる。
【0084】
上記構成は、基板上に間隙形成部材を設ける工程と、間隙形成部材上に、基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層する工程と、間隙形成部材を除去することにより片持ち梁状の可動部材を形成する工程とによって形成することができる。
【0085】
上部電極層および下部電極層は高融点金属で形成されていると、両電極層のヒロックや応力ひずみを防止することができる。
【0086】
発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、が設けられているとともに、調整用ヒータには、発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加される構成であると、機能に応じて最適な場所に配置することができ、従来より高密度配置が可能となり、ヘッドの小型化にも寄与する。さらに、チップの製造歩留まりを向上させ、ヘッドの製造コストを下げることができる。また、発熱部と機能素子とを独立して制御することができるので、最適な駆動を行うことができる。
【0087】
液流路中に配置される可動部材に発熱部または機能素子を設ける構成とすると、省スペース化およびヘッドの小型化に効果的であるとともに、液体加熱の効率が向上する。
【0088】
調整用ヒータに接続される電源がロジック回路用電源であると、新たに電源を用意する必要がなくなる。
【0089】
調整用ヒータが発熱部の吐出方向下流側に設けられていると、吐出口近傍の液体の粘度をコントロールできることから、吐出量の制御を行うことができる。
【0090】
調整用ヒータが発熱部の吐出方向上流側に設けられていると、液体吐出後のリフィル特性を向上することができる。
【0091】
調整用ヒータが複数設けられ、且つ、発熱部の吐出方向上流側と下流側にそれぞれ設けられていると、液体吐出後のリフィル特性を向上させることができるとともに、メニスカスの安定が図れる。
【0092】
調整用ヒータが発熱部よりも面積が小さいと、液流路内の発熱部に対して所望の位置にレイアウトすることができる。
【0093】
発熱部用ドライバと調整用ヒータ用ドライバの信号生成部が共通であると、発熱部と調整用ヒータとを同期させて駆動させることが可能になる。
【0094】
天板が、液流路毎に調整用ヒータに対応する液流路内の状態を検知するセンサをさらに有していると、発熱部と独立して液流路内の状態を調整用ヒータで調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の液体吐出ヘッドの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】本発明の第1の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の前半の工程を説明するための断面図である。
【図3】第1の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の中間の工程を説明するための断面図である。
【図4】第1の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の後半の工程を説明するための断面図である。
【図5】第1の実施形態の液体吐出ヘッドの部分拡大断面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態の液体吐出ヘッドの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7】(a)は図6に示した液体吐出ヘッドの基板の概略図、(b)は天板の概略図である。
【図8】図6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)は素子基板の平面図、同図(b)は天板の平面図である。
【図9】図6に示す液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図10】(a)は図6に示す液体吐出ヘッドの吐出用ヒータと加熱用ヒータの駆動パルスの一例を示す波形図、(b)はその他の例を示す波形図である。
【図11】本発明の第3の実施形態の液体吐出ヘッドの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12】本発明の第4の実施形態の液体吐出ヘッドの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13】本発明の第5の実施形態の液体吐出ヘッドの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14】従来の可動部材上に吐出用ヒータを設けた構成を示す模式図である。
【符号の説明】
1 素子基板
3 天板
3a,3b 溝
3c 供給口
5 吐出口
4 オリフィスプレート
6a 支点
6b 自由端
7 液流路
7a 第1の液流路
7b 第2の液流路
8 共通液室
9 液流路側壁
10 気泡発生領域
11 ドライバ
12 画像データ転送部
13 センサ
14 接続用コンタクトパッド
15 外部コンタクトパッド
16 吐出用ヒータ制御部
17 センサ駆動部
18 接続用コンタクトパッド
20 液体吐出ヘッドユニット
22 ベース基板
23 プリント配線基板
206 可動部材
207 吐出用ヒータ
208,209 加熱用ヒータ
210 可動部材
211,212 加熱用ヒータ
501 基板
502 絶縁層
503 配線
504 電極保護層
505 耐キャビテーション層
506 間隙形成部材
507 ヒータ保護層
508 抵抗層
509 配線
510 蓄熱層
511 配線
512 保護層゜
520,521,522,523 スルーホール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a liquid discharge head. To Related.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a liquid discharge head that is an example of a microelectromechanical device used for an ink jet printer or the like that heats and foams liquid in a liquid flow path, and discharges liquid from a discharge port by pressure at the time of foaming. . In order to heat the liquid, a discharge heater is provided on the element substrate, and a driving voltage is supplied to the discharge heater via wiring on the element substrate.
[0003]
In recent years, in such a liquid discharge head, a cantilevered movable member supported at one end is arranged in the liquid flow path in order to guide most of bubbles at the time of foaming to the discharge port side and improve discharge efficiency. Proposed configuration is proposed. The movable member has one end fixedly supported on the element substrate and the other end extending into the liquid flow path so that the movable member is held at a certain interval on the element substrate. Is configured to be displaceable.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Of the liquid discharge heads having the above-mentioned movable member in the liquid flow path, Japanese Patent Laid-Open No. 10-76659 discloses a configuration in which a discharge heater is provided on the movable member.
[0005]
However, in the configuration of the discharge heater described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-76659, the electrodes 1204 and 1205 of the electrothermal transducer are formed so as to fold the surface of the movable member as shown in FIG. In such an electrothermal converter layout, the position of the discharge heater 1206 is asymmetric in the width direction of the movable member, and the movable member is easily twisted during foaming, so the durability of the movable member is not always sufficiently satisfied. There were cases where it was not possible. In addition, since the width of the electrode is not sufficient, the structure is not suitable for flowing a large current.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a liquid discharge head having high durability and reliability when the movable member in the liquid flow path has a discharge heater. Do It is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A feature of the present invention is a liquid discharge head having a substrate, a top plate bonded to the substrate, and a liquid flow path formed between the substrate and the top plate, and a fixed end fixed to the substrate. And a cantilevered movable member having a free end extending into the liquid flow path. The movable member includes a lower protective layer, a heating resistor layer, a lower electrode layer, an insulating layer, and an upper electrode from the substrate side. Layer and upper protective layer The surface of the lower protective layer facing the substrate is flat, and the heat generating portion of the heat generating resistance layer is formed symmetrically with respect to the width direction of the movable member, By applying a voltage to the heat generating portion, the liquid in the liquid flow path is caused to foam between the movable member and the substrate to discharge the liquid.
[0010]
The upper electrode layer and the lower electrode layer are preferably made of a refractory metal.
[0011]
The insulating layer is preferably SiN.
[0012]
The heating resistance layer is located upstream and downstream in the discharge direction of the heating section. beneath Electrically connected to the electrode layer Has been It is preferable.
[0013]
It is preferable that the upper electrode layer and the lower electrode layer are formed so as to extend from the front surface side to the back surface of the movable member.
Further, unlike the heat generating portion, the heater further includes an adjustment heater provided in the liquid flow path corresponding to the heat generating portion, and an adjustment heater driver for driving the adjustment heater. Also good.
[0014]
A voltage lower than the voltage applied to the heat generating portion may be applied to the adjustment heater.
[0015]
The top plate is provided with a voltage converter, and the voltage applied to the adjustment heater by the voltage converter may be lower than the voltage applied to the heat generating portion.
[0016]
The voltage applied to the adjustment heater may be lower than the voltage applied to the heat generation part by connecting a power supply different from the power supply connected to the heat generation part to the adjustment heater.
[0017]
The power supply connected to the adjustment heater may be a logic circuit power supply.
[0018]
The adjustment heater may be provided on the downstream side in the discharge direction of the heat generating portion.
[0019]
The adjustment heater may be provided on the upstream side in the discharge direction of the heat generating portion.
[0020]
A plurality of adjustment heaters may be provided, and may be provided on the upstream side and the downstream side in the discharge direction of the heat generating portion.
[0021]
The adjustment heater preferably has a smaller area than the heat generating portion.
[0022]
It is preferable that the adjustment heater driver has a smaller area than the heat generating portion driver.
[0023]
The signal generation unit of the heating unit driver and the adjustment heater driver may be common.
[0024]
The top plate may further include a sensor for detecting a state in the liquid flow path corresponding to the adjustment heater for each liquid flow path.
[0025]
The terms “upstream” and “downstream” used in the description of the present invention are related to the flow direction of the liquid from the liquid supply source to the discharge port through the bubble generation region (or the movable member), or the direction in this configuration. It is used as an expression.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0027]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
[0028]
As shown in FIG. 1, the liquid discharge head of the present embodiment includes a movable heater 207 provided with a discharge heater 207 on the element substrate 1 side installed in a liquid flow path 7 constituted by the element substrate 1 and the top plate 3. A member 206 is provided. The movable member 206 faces the element substrate 1 so as to divide the liquid channel 7 into a first liquid channel 7 a communicating with the discharge port 5 and a second liquid channel 7 b having the bubble generation region 10. These cantilever-shaped thin films are formed of a silicon-based material such as silicon nitride or silicon oxide.
[0029]
The movable member 206 has a fulcrum 6a on the upstream side of a large flow flowing from the common liquid chamber 8 to the discharge port 5 side through the movable member 206 by the liquid discharge operation, and a free end 6b on the downstream side of the fulcrum 6a. In order to cover the element substrate 1, the element substrate 1 is disposed at a position facing the element substrate 1 at a predetermined distance from the element substrate 1. A bubble generation region 10 is formed between the element substrate 1 and the discharge heater 207 provided on the movable member 206.
[0030]
The top plate 3 is for constituting a plurality of liquid flow paths 7 corresponding to the respective discharge heaters 207 and a common liquid chamber 8 for supplying liquid to the respective liquid flow paths 7. A liquid passage side wall 9 extending between the heaters 2 is integrally provided. The top plate 3 is made of a silicon-based material, and the pattern of the liquid flow path 7 and the common liquid chamber 8 is formed by etching, or silicon nitride, silicon oxide, or the like is formed on the silicon substrate by a known film formation method such as a CVD method. Then, after depositing a material for forming the liquid flow path side wall 9, the liquid flow path 7 can be formed by etching.
[0031]
In the orifice plate 4, a plurality of discharge ports 5 corresponding to the respective liquid flow paths 7 and communicating with the common liquid chamber 8 through the respective liquid flow paths 7 are formed. The orifice plate 4 is also made of a silicon-based material. For example, the orifice plate 4 is formed by cutting a silicon substrate on which the discharge ports 5 are formed to a thickness of about 10 to 150 μm. The orifice plate 4 is not necessarily required for the present invention. Instead of providing the orifice plate 4, the thickness of the orifice plate 4 is formed on the top surface of the top plate 3 when the liquid flow path 7 is formed on the top plate 3. By leaving a considerable wall and forming the discharge port 5 in this portion, a top plate with a discharge port can be obtained.
[0032]
Based on the above configuration, when the discharge heater 207 generates heat, heat acts on the liquid in the bubble generation region 10 between the element substrate 1 and the discharge heater 207, thereby causing a film boiling phenomenon on the surface of the discharge heater 207. Based on this, bubbles are generated and grow. The pressure accompanying the growth of the bubbles preferentially acts on the movable member 206, and the movable member 206 is displaced so as to open largely toward the discharge port 5 with the fulcrum 6a as the center, as indicated by a broken line in FIG. Depending on the displacement or the displaced state of the movable member 206, the propagation of pressure based on the generation of bubbles and the growth of the bubbles themselves are guided to the discharge port 5 side, and the liquid is discharged from the discharge port 5.
[0033]
That is, on the bubble generation region 10, the movable member 206 having the fulcrum 6 a on the upstream side (common liquid chamber 8 side) of the liquid flow in the liquid flow path 7 and the free end 6 b on the downstream side (discharge port 5 side). By providing the bubble, the pressure propagation direction of the bubble is guided to the downstream side, and the pressure of the bubble directly and efficiently contributes to the discharge. The bubble growth direction itself is guided in the downstream direction in the same manner as the pressure propagation direction, and grows larger downstream than upstream. Thus, by controlling the bubble growth direction itself with the movable member and controlling the bubble pressure propagation direction, the fundamental discharge characteristics such as discharge efficiency, discharge force, or discharge speed can be improved.
[0034]
On the other hand, when the bubble enters the defoaming step, the bubble rapidly disappears due to a synergistic effect with the elastic force of the movable member 206, and the movable member 206 finally returns to the initial position shown by the solid line in FIG. . At this time, in order to supplement the contraction volume of the bubbles in the bubble generation region 10 and also to supplement the volume of the discharged liquid, the liquid flows from the upstream side, that is, the common liquid chamber 8 side, and enters the liquid flow path 7. Liquid filling (refilling) is performed, and this liquid refilling is performed efficiently and reasonably and stably with the return action of the movable member 206.
[0035]
In addition, the liquid discharge head according to the present embodiment includes a circuit and an element for driving the discharge heater 207 and controlling the drive. These circuits and elements are allocated to the element substrate 1 or the top board 3 according to their functions. These circuits and elements can be easily and finely formed using a semiconductor wafer process technique because the element substrate 1 and the top plate 3 are made of silicon material.
[0036]
Next, a method for manufacturing the movable member 206 will be described with reference to FIGS.
[0037]
First, an IC is formed on a silicon substrate 501 on which an insulating layer 502 is stacked. , Arrangement The line 503 is formed to a thickness of about 1 μm by a sputtering method, and is patterned into a predetermined pattern by a photolithography method and a dry etching method. Next, as shown in FIG. 2A, an electrode protective layer 504 made of SiN is formed to a thickness of 1 μm by a CVD method. Next, as shown in FIG. 2B, a gap forming member 506 made of Al is formed to a thickness of about 5 μm by sputtering, and patterned into a predetermined pattern by photolithography and dry etching. Next, as shown in FIG. , A cavitation-resistant cavitation layer (Ta layer) 505 to be formed later is formed to a thickness of 2000 angstroms and patterned into a predetermined pattern by photolithography and dry etching. Next, as shown in FIG. 3A, a heater protective layer 507 made of SiN is formed to a thickness of 0.1 to 0.5 μm by a CVD method, and a through hole 520 is formed by a photolithography method and a dry etching method. , 521 are formed.
[0038]
Next, as shown in FIG. 3B, the resistance layer (discharge heater) 508 made of TaN has a thickness of 1000 angstroms, and the wiring 509 made of Cu is made 3000 angstroms as shown in FIG. 3C. The electrode and the heat action portion are formed by a photolithography method and an etching method. Accordingly, the wiring 509 connected to the resistance layer (ejection heater) 508 is connected to the wiring 503 through the through hole 520.
[0039]
Further, in order to improve the connectivity between the upper and lower folded wirings 511 and the VH wiring (signal voltage supply wiring), which will be described later, a wiring 509 made of Cu is used as an electrode portion so as to cover the through hole 521 of the gap forming member 506. It is formed.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4A, a heat storage layer 510 made of SiO is formed to a thickness of 2.0 μm by the CVD method, and on the electrode portion 509 on the VH wiring by a photolithography method and an etching method. Through holes 522 and 523 are formed on the wiring 509 at the upper and lower folded portions of the resistance layer 508.
[0041]
Next, as shown in FIG. 4B, a wiring 511 which is an upper and lower folded line made of Cu is formed to a thickness of 5000 angstroms by sputtering. Then, patterning is performed in a predetermined pattern by photolithography and etching, and as a result, upper and lower folded wirings 509 and 511 that connect the resistance layer 508 and the wiring 503 are formed.
[0042]
Next, as shown in FIG. 4C, the protective layer 512 of the upper and lower folded wiring made of SiN is formed to a thickness of 1 μm by the CVD method. Next, the protective layer 512 and the anti-cavitation layer 505 are continuously patterned into the shape of the movable member 206 by a photolithography method and a dry etching method. Then, a part of the gap forming member 506 is removed by wet etching to form the movable member 206. Finally, electrode pads for connection to the outside are formed by photolithography and etching, and the state shown in FIG. 5 is obtained.
[0043]
Since the element substrate 1 and the top plate 3 are not provided with a heater, no wiring other than the wiring for connecting to the movable member 206 is formed.
[0044]
Thus, the substrate and bonded to the substrate Have Formed between the board and the top board. Have A liquid discharge head having a liquid flow path that is fixed to the substrate. Have The movable member has a cantilever-like movable member having a fixed end and a free end extending into the liquid flow path. The movable member includes a lower protective layer, a heating resistor layer, a lower electrode layer, and an insulating layer from the substrate side. , Upper electrode layer, upper protective layer And When the voltage is applied to the heat generating portion of the heat generating resistance layer, the liquid in the liquid flow path is foamed between the movable member and the substrate and the liquid is discharged, and the foaming surface of the movable member is flattened. And the durability of the heat generating part can be improved.
[0045]
In the above configuration, the gap forming member is provided on the substrate, and the lower protective layer, the heating resistor layer, the lower electrode layer, the insulating layer, the upper electrode layer, and the upper protective layer are sequentially stacked on the gap forming member from the substrate side. Stratify And removing the gap forming member Forming cantilevered movable members It can form by the process to do.
[0046]
The discharge heater 207 formed in the movable member formed in this way has a layer structure in which the layer below the resistance layer 508 is thinner than the upper layer, and thus foams on the lower layer side. Further, since the movable member 206 jumps upward due to the reaction at the time of foaming, there is less escape of ink to the rear, and the foaming efficiency is increased. Further, since the defoamed portion is not fixed to the surface by the movement of the foamed surface, cavitation concentration hardly occurs, and the life of the substrate 501 and the like is improved. Further, the discharge heater can be formed symmetrically in the width direction of the movable member, and the twist during the operation of the movable member can be reduced. And since there is no level | step difference of an electrode in the foaming surface side and it is a flat structure, it is hard to receive to the influence of a thermal shock and the lifetime of a movable member improves. Also, the insulating layer, which is the main material of the movable member, is usually composed of a ceramic material. By providing electrodes on both sides of this ceramic material, the insulating layer is reinforced, and the durability of the movable member is further improved. It is the composition to do.
[0047]
Furthermore, if the upper electrode layer and the lower electrode layer are formed of a refractory metal, hillocks and stress strains of both electrode layers can be prevented.
[0048]
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a discharge heater 207 is provided on the movable member 206, and a heating heater 208 is formed on the top plate 3 as in the first embodiment.
[0049]
First, as an embodiment applicable to the present invention, a first substrate for configuring a plurality of discharge ports that discharge liquid, and a plurality of liquid flow paths that are joined to each other and communicate with the discharge ports, respectively, and A second substrate; a plurality of energy conversion elements disposed in each liquid flow path for converting electrical energy into liquid discharge energy in the liquid flow path; and for controlling the drive conditions of the energy conversion elements A liquid discharge head having a plurality of elements or electric circuits having different functions and having the elements or electric circuits distributed to the first substrate and the second substrate according to the functions will be described.
[0050]
Fig. 7 Is shown schematically. As shown in FIG. 7A, the substrate 1 is provided with a plurality of ejection heaters and their drivers, a time-division control logic circuit, and a shift register. As shown in FIG. 7B, the top plate 3 is provided with a control circuit including a heater for heating (adjustment heater, control heater) and a sensor, a driver thereof, a voltage converter, a memory, and the like. . Since the size of the heater and the sensor can be optimized, the size of the heater and the driver can be reduced. This voltage converter is provided in order to make the voltage applied to the adjustment (heating) heater lower than the voltage applied to the discharge heater.
[0051]
In this embodiment, the heater 208 for heating is operated according to the temperature of the liquid to adjust the viscosity of the liquid, so that the discharge performance is always kept constant. That is, when the liquid in the vicinity of the discharge port has a high viscosity, the heater 208 for heating can be operated at an appropriate timing to locally heat and reduce the viscosity of the liquid. Thereby, desired ejection characteristics can be obtained. The heater 208 for heating is disposed directly above the discharge heater or close to the discharge port, can reduce the viscous resistance in front and around the valve, and enables stable discharge. By making this heater 208 in the top plate 3, the liquid discharge head itself can be miniaturized. In addition, the heater 208 and its driving element can be disposed at any position regardless of the discharge heater 207 provided on the element substrate 1 and its driving element and wiring pattern. Since the liquid can be arranged at an optimum place for heating the liquid and has a high degree of freedom in terms of space, it is possible to reduce the size of the liquid discharge head itself by arranging the members in a compact manner.
[0052]
The advantage of the configuration in which the heater 208 for heating is arranged on the top plate 3 will be described in more detail. In this configuration, the discharge heater 207 is configured on the element substrate 1 using a semiconductor process, and the discharge amount is applied to the top plate 3 that configures the liquid channel 7 by bonding to the element substrate 1 for each liquid channel 7. A heater 208 for controlling the heating, a driving element (driver) for driving the heater 208, and a drive control circuit are arranged. As a result, the degree of freedom such as the resistance, shape, driving voltage, and driving pulse width of the heater 208 is large. For example, as shown in FIG. 10 (a), the heater 208 can be driven by a short pulse at the same voltage as the discharge heater 207, or the heater 208 for discharge can be discharged as shown in FIG. 10 (b). It is also possible to drive with a long pulse at a voltage lower than that of the heater 2. This is because the heater 208 for heating is disposed on the top plate 3, so that it is released from the restrictions due to the foaming conditions of the discharge heater 207. Further, with the recent increase in the density of recording elements (360 dpi or more), the heating heater 208, a driving element (driver) for driving the heater 208, and a control logic circuit are provided on the element substrate 1 on which the ejection heater 2 is provided in terms of layout. Is difficult to mount while securing the degree of freedom such as the drive pulse width as described above. However, in the present embodiment, since the heating heater 208 and the heating heater driver are mounted on the top plate 3, it can be realized while ensuring the above-described degree of freedom.
[0053]
Also, the liquid discharge amount varies depending on the balance between the flow resistance ahead and the flow resistance behind the foaming center. When the flow resistance behind is constant, the smaller the front flow resistance, the lower the liquid discharge amount. Will increase. Therefore, in this embodiment, only the liquid in front is heated by the heating heater 208 provided downstream in the ejection direction of the discharge heater before foaming. That is, a driving pulse that causes a heating action to warm only the liquid in front is supplied to the heater 208 for heating. In this way, the amount of discharge can be controlled by controlling the energy applied to the heater 208 to control the viscosity of the liquid and substantially changing the forward flow resistance.
[0054]
Conventionally, there has been a configuration in which a heating heater is arranged in front of a discharge heater on the same substrate, but in this case, it is difficult to arrange the heating heater in front because of restrictions on layout. However, in this embodiment, an independent drive element (driver) or the like is provided corresponding to each heating heater 208, and a driving voltage lower than the driving voltage of the discharge heater can be supplied. Can be placed in an optimal size and position. In addition, the size of the entire chip is not increased. In addition, as a means for making the voltage applied to the heater for heating lower than the voltage applied to the heater for discharge, it can be performed by connecting a separate power source to the top plate in addition to using a voltage converter. Further, if the logic circuit power supply is used as another power supply, it is not necessary to newly increase the power supply.
[0055]
Furthermore, if the signal generators of the discharge heater driver and the adjustment heater driver are common, the discharge heater and the adjustment heater can be driven in synchronization.
[0056]
When the top plate further includes a sensor for detecting the state in the liquid flow path corresponding to the adjustment heater for each liquid flow path, the state of the liquid flow path is adjusted independently of the discharge heater. It becomes possible to adjust with.
[0057]
Next, a configuration for distributing circuits and elements to the element substrate 1 and the top plate 3 will be described.
[0058]
8A and 8B are diagrams for explaining the circuit configuration of the liquid discharge head shown in FIG. 6, in which FIG. 8A is a plan view of the element substrate, and FIG. 8B is a plan view of the top plate. In addition, Fig.8 (a) and (b) represent the mutually opposing surface.
[0059]
As shown in FIG. 8A, the element substrate 1 includes a plurality of discharge heaters 207 arranged in parallel, a driver 11 that drives these discharge heaters 207 in accordance with image data, and an input image. An image data transfer unit 12 that outputs data to the driver 11 and a sensor 13 that measures parameters necessary for controlling the driving conditions of the ejection heater 2 are provided.
[0060]
The image data transfer unit 12 includes a shift register that outputs image data input serially to each driver 11 in parallel, and a latch circuit that temporarily stores data output from the shift register. Note that the image data transfer unit 12 may output image data individually corresponding to each discharge heater 2, or the arrangement of the discharge heaters 207 is divided into a plurality of blocks, and the image corresponding to the block unit. It may be one that outputs data. In particular, it is possible to easily cope with the increase in printing speed by providing a plurality of shift registers for one head and distributing and inputting data transfer from the recording apparatus to the plurality of shift registers.
[0061]
As the sensor 13, a temperature sensor that measures the temperature near the discharge heater 207, a resistance sensor that monitors the resistance value of the discharge heater 207, or the like is used.
[0062]
When considering the ejection amount of the ejected droplets, the ejection amount is mainly related to the foaming volume of the liquid. The foaming volume of the liquid varies depending on the discharge heater 207 and the surrounding temperature. Therefore, the temperature of the discharge heater 207 and the surrounding temperature are measured by a temperature sensor, and before applying a heat pulse for liquid discharge according to the result, a pulse of energy that does not discharge liquid (preheat pulse) is applied. In addition, by changing the pulse width of the preheat pulse and the output timing thereof, the discharge heater 207 and the surrounding temperature are adjusted to maintain the image quality by discharging a certain droplet. .
[0063]
Further, when considering the energy required for foaming the liquid in the discharge heater 207, if the heat dissipation condition is constant, the energy is the energy input per unit area required for the discharge heater 207 and the discharge heater. It is represented by the product of the area of 207. Thus, the voltage applied to both ends of the discharge heater 207, the current flowing through the discharge heater 207, and the pulse width may be set to values at which the necessary energy can be obtained. Here, the voltage applied to the ejection heater 207 can be kept substantially constant by supplying the voltage from the power source of the liquid ejection apparatus body. On the other hand, regarding the current flowing through the discharge heater 207, the resistance value of the discharge heater 207 depends on the lot or the element substrate 1 due to variations in the film thickness of the discharge heater 207 in the manufacturing process of the element substrate 1. Will be different. Therefore, when the applied pulse width is constant and the resistance value of the discharge heater 207 is larger than the set value, the flowing current value becomes small, and the amount of energy input to the discharge heater 207 becomes insufficient, and the liquid Cannot be properly foamed. Conversely, when the resistance value of the discharge heater 207 decreases, the current value becomes larger than the set value even when the same voltage is applied. In this case, excessive energy is generated by the discharge heater 207, which may lead to damage or short life of the discharge heater 207. Accordingly, there is a method in which the resistance value of the discharge heater 207 is constantly monitored by a resistance sensor, and the power supply voltage and the heat pulse width are changed according to the value, so that substantially constant energy is applied to the discharge heater 207.
[0064]
On the other hand, as shown in FIG. 8B, the top plate 3 is provided on the element substrate 1 in addition to the grooves 3a and 3b forming the liquid flow path and the common liquid chamber as described above. A sensor drive unit 17 that drives the sensor 13 and a discharge heater control unit 16 that controls a drive condition of the discharge heater 207 based on an output result from the sensor driven by the sensor drive unit 17 are provided. The top plate 3 has a supply port 3c that communicates with the common liquid chamber in order to supply liquid from the outside to the common liquid chamber.
[0065]
Furthermore, in order to electrically connect a circuit or the like formed on the element substrate 1 and a circuit or the like formed on the top plate 3 to the mutually facing portions of the joint surface of the element substrate 1 and the top plate 3 respectively. Contact pads 14 and 18 are provided. The element substrate 1 is provided with external contact pads 15 that serve as input terminals for external electric signals. The size of the element substrate 1 is larger than the size of the top plate 3, and the external contact pad 15 is provided at a position exposed from the top plate 3 when the element substrate 1 and the top plate 3 are joined.
[0066]
Here, an example of a procedure for forming circuits and the like on the element substrate 1 and the top plate 3 will be described.
[0067]
For the element substrate 1, first, circuits constituting the driver 11, the image data transfer unit 12, and the sensor 13 are formed on a silicon substrate using a semiconductor wafer process technique. Next, the discharge heater 2 is formed as described above, and finally the connection contact pad 14 and the external contact pad 15 are formed.
[0068]
As for the top plate 3, first, the circuits constituting the discharge heater control unit 16 and the sensor driving unit 17 are formed on a silicon substrate by using a semiconductor wafer process technique. Next, as described above, the grooves 3a and 3b and the supply port 3c constituting the liquid flow path and the common liquid chamber are formed by the film forming technique and etching, and finally the contact pad 18 for connection is formed.
[0069]
When the element substrate 1 and the top plate 3 configured as described above are aligned and joined, the discharge heaters 207 are disposed corresponding to the respective liquid flow paths, and the connection pads 14 and 18 are respectively connected. The circuit etc. which were formed in the element substrate 1 and the top plate 3 are electrically connected through this. For example, the electrical connection may be performed by placing gold bumps or the like on the connection pads 14 and 18, but other methods may be used. Thus, the electrical connection between the element substrate 1 and the top plate 3 is performed by the connection contact pads 14, 18, so that the above-described circuits are electrically connected simultaneously with the joining of the element substrate 1 and the top plate 3. It can be performed. After the element substrate 1 and the top plate 3 are joined, the orifice plate 4 is joined to the tip of the liquid flow path 7, thereby completing the liquid ejection head. In the above description, the structure for electrical connection of the discharge heater 207 provided on the element substrate 1 has been described in detail. However, the electrical connection of the heater 208 provided on the top plate 3 is not described. With regard to the configuration for this, the top plate 3 or the like is provided with a configuration substantially similar to that described above. Since it overlaps with the above description, the description is omitted here.
[0070]
When the liquid discharge head thus obtained is mounted on a head cartridge or a liquid discharge device, as shown in FIG. 9, the liquid discharge head is fixed on a base substrate 22 on which a printed wiring board 23 is mounted. The unit 20 is used. In FIG. 9, a printed wiring board 23 is provided with a plurality of wiring patterns 24 that are electrically connected to the head controller of the liquid ejection device. These wiring patterns 24 are connected to the external contact pads 15 via bonding wires 25. And electrically connected. Since the external contact pad 15 is provided only on the element substrate 1, the electrical connection between the liquid discharge head 21 and the outside can be performed in the same manner as a conventional liquid discharge head. Here, an example in which the external contact pads 15 are provided on the element substrate 1 has been described, but the external contact pads 15 may be provided only on the top plate 3 instead of the element substrate 1.
[0071]
As described above, various circuits for driving and controlling the discharge heater 207 are distributed to the element substrate 1 and the top plate 3 in consideration of the electrical connection between them, so that these circuits 1 Since it does not concentrate on one substrate, the liquid discharge head can be downsized. Further, the electrical connection between the circuit and the like provided on the element substrate 1 and the circuit and the like provided on the top plate 3 is performed by the connection contact pads 14 and 18, so that the number of electrical connection portions to the outside of the head is reduced. It is possible to reduce, improve reliability, reduce the number of parts, and further reduce the size of the head.
[0072]
In addition, by dispersing the above-described circuit and the like on the element substrate 1 and the top plate 3, the yield of the element substrate 1 can be improved, and as a result, the manufacturing cost of the liquid ejection head can be reduced. Furthermore, since the element substrate 1 and the top plate 3 are made of a material based on the same material called silicon, the thermal expansion coefficients of the element substrate 1 and the top plate 3 are equal. As a result, even if the element substrate 1 and the top plate 3 are thermally expanded by driving the discharge heater 207, there is no deviation between them, and the positional accuracy between the discharge heater 207 and the liquid flow path 7 is maintained well.
[0073]
In the present embodiment, the above-described circuits and the like are distributed according to their functions. The concept that serves as a reference for this distribution will be described below.
[0074]
A circuit corresponding to each discharge heater 207 by electrical wiring connection individually or in units of blocks is formed on the element substrate 1. In the example shown in FIG. 8, the driver 11 and the image data transfer unit 12 correspond to this. Since the drive signals are given in parallel to the discharge heaters 207, it is necessary to route the wiring by the amount corresponding to the signals. Therefore, when such a circuit is formed on the top plate 3, the number of connections between the element substrate 1 and the top plate 3 is increased, and there is a high possibility that a connection failure will occur. Connection failure between the heater 207 and the circuit is prevented.
[0075]
An analog portion such as a control circuit is easily affected by heat, and thus is provided on a substrate on which the discharge heater 207 is not provided, that is, the top plate 3. In the example shown in FIG. 8, the discharge heater control unit 16 corresponds to this.
[0076]
The sensor 13 may be provided on the element substrate 1 or the top plate 3 as necessary. For example, in the case of a resistance sensor, the resistance sensor is provided on the element substrate 1 because it is meaningless unless the resistance sensor is provided on the element substrate 1 or the measurement accuracy is lowered. In the case of a temperature sensor, it is preferable that the temperature sensor is provided on the element substrate 1 in order to detect a temperature rise due to an abnormality in the heater drive circuit, but the ink state is determined by the temperature rise via the ink described later. If desired, it is preferably provided on the top plate 3 or both the element substrate 1 and the top plate 3.
[0077]
In addition, a circuit that does not correspond to each discharge heater 2 individually or in block units by electrical wiring connection, a circuit that does not necessarily need to be provided on the element substrate 1, or a circuit that is provided on the top plate 3 does not affect the measurement accuracy. Sensors and the like are formed on the element substrate 1 or the top plate 3 as necessary so as not to concentrate on either the element substrate 1 or the top plate 3. In the example shown in FIG. 8, the sensor drive unit 17 corresponds to this.
[0078]
By providing each circuit, sensor, etc. on the element substrate 1 and the top plate 3 based on the above concept, each circuit, sensor, etc., while minimizing the number of electrical connections between the element substrate 1 and the top plate 3 as much as possible. Can be distributed in a well-balanced manner.
[0079]
As described above, it is preferable that the drive elements and the like directly connected in correspondence with the discharge heaters 207 provided in large numbers on the element substrate 1 are arranged on the element substrate 1. The circuit to be controlled is not necessarily arranged on the element substrate 1, and may be appropriately arranged in any vacant space of the element substrate 1 and the top plate 3. The same applies to the heater 208 for heating. That is, driving elements and the like directly connected to the heating heaters 208 provided in large numbers on the top board 3 are arranged on the top board 3, and a circuit for controlling the driving timing of the driving elements, etc. Are appropriately arranged in any vacant space of the element substrate 1 and the top plate 3.
[0080]
[Third Embodiment]
FIG. 11 shows a third embodiment of the present invention. The same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the present embodiment, two heaters 209 are disposed in one liquid flow path 7 upstream and downstream of the discharge heater 207, respectively. According to this configuration, the refill (refilling) characteristics after discharging the liquid are improved, and the meniscus can be stabilized.
[0081]
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 shows a fourth embodiment of the present invention. The same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the present embodiment, similarly to the first embodiment, a discharge heater 207 is provided on the element substrate 1, and a heating heater 211 is formed on the movable member 210 provided on the top plate 3. The configuration of the top plate 3 itself is the same as that of the first embodiment, the configuration of the movable member 211 is substantially the same as that of the movable member 206 of the sixth embodiment, and the manufacturing method thereof includes the element substrate 1. There is no point which should be changed in particular except replacing with the top plate 3. According to the present embodiment, the viscosity of the liquid can be lowered by the heater 211 and the discharge performance can be maintained. In particular, since the heater 211 for heating is formed on the movable member 210 located in the liquid flow path 7, the heating efficiency is good. The discharge heater 2 and its driving element are allocated to the element substrate 1 and the heating heater 211 and its driving element are allocated to the movable member 210, respectively. Can be easily driven.
[0082]
[Fifth Embodiment]
FIG. 13 shows a fifth embodiment of the present invention. The same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In the present embodiment, as in the ninth embodiment, the discharge heater 2 is provided on the element substrate 1, the heater 211 is provided on the movable member 210, and the top plate 3 is provided in the same manner as in the first embodiment. Another heater 212 is formed. The configuration of the top 3 is the same as that of the first embodiment. According to the present embodiment, in addition to the effects of the ninth embodiment, the refill (refilling) characteristics after liquid ejection are improved, and the meniscus can be stabilized.
[0083]
【The invention's effect】
In a liquid discharge head having a substrate, a top plate bonded to the substrate, and a liquid flow path formed between the substrate and the top plate, a fixed end fixed to the substrate, and a liquid flow path The movable member has a cantilever-like movable member having a free end extending to the substrate, and the movable member includes a lower protective layer, a heating resistor layer, a lower electrode layer, an insulating layer, an upper electrode layer, and an upper protective layer from the substrate side. Stacked in order The surface of the lower protective layer facing the substrate is flat, and the heat generating portion of the heat generating resistance layer is formed symmetrically with respect to the width direction of the movable member, When the voltage is applied to the heat generating part, the liquid in the liquid flow path is foamed between the movable member and the substrate and the liquid is discharged, so that the foaming surface of the movable member can be flattened, and heat is generated. The durability of the part can be improved.
[0084]
In the above configuration, the gap forming member is provided on the substrate, and the lower protective layer, the heating resistor layer, the lower electrode layer, the insulating layer, the upper electrode layer, and the upper protective layer are sequentially stacked on the gap forming member from the substrate side. Stratify And removing the gap forming member Forming cantilevered movable members It can form by the process to do.
[0085]
If the upper electrode layer and the lower electrode layer are formed of a refractory metal, hillocks and stress strains of both electrode layers can be prevented.
[0086]
Unlike the heat generation part, an adjustment heater provided in the liquid flow path corresponding to the heat generation part and an adjustment heater driver for driving the adjustment heater are provided, and for adjustment If the heater is configured to be applied with a voltage lower than the voltage applied to the heat generating part, it can be placed at an optimal location according to the function, and can be arranged at a higher density than before, and the size of the head can be reduced. It also contributes to Furthermore, the manufacturing yield of the chip can be improved and the manufacturing cost of the head can be reduced. In addition, since the heat generating portion and the functional element can be controlled independently, optimal driving can be performed.
[0087]
When the heat generating part or the functional element is provided in the movable member arranged in the liquid flow path, it is effective for space saving and head size reduction, and the efficiency of liquid heating is improved.
[0088]
If the power source connected to the adjustment heater is a logic circuit power source, there is no need to prepare a new power source.
[0089]
If the adjustment heater is provided on the downstream side in the discharge direction of the heat generating portion, the viscosity of the liquid in the vicinity of the discharge port can be controlled, so that the discharge amount can be controlled.
[0090]
When the adjustment heater is provided on the upstream side in the discharge direction of the heat generating portion, the refill characteristic after the liquid discharge can be improved.
[0091]
If a plurality of adjustment heaters are provided and provided on the upstream side and the downstream side in the discharge direction of the heat generating portion, the refill characteristics after the liquid discharge can be improved and the meniscus can be stabilized.
[0092]
If the adjustment heater has a smaller area than the heat generating portion, it can be laid out at a desired position with respect to the heat generating portion in the liquid flow path.
[0093]
When the signal generation unit of the heat generating unit driver and the adjustment heater driver are common, the heat generation unit and the adjustment heater can be driven in synchronization.
[0094]
If the top plate further includes a sensor for detecting the state in the liquid flow path corresponding to the adjustment heater for each liquid flow path, the state in the liquid flow path can be adjusted by the adjustment heater independently of the heat generating portion. It becomes possible to adjust.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path for explaining the structure of a liquid discharge head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the first half of the manufacturing method of the liquid discharge head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining an intermediate step in the method of manufacturing the liquid ejection head according to the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a latter half of the manufacturing method of the liquid ejection head according to the first embodiment.
FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of the liquid ejection head according to the first embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path for explaining the structure of a liquid discharge head according to a second embodiment of the present invention.
7A is a schematic view of a substrate of the liquid discharge head shown in FIG. 6, and FIG. 7B is a schematic view of a top plate.
8A and 8B are diagrams for explaining a circuit configuration of the liquid discharge head shown in FIG. 6, in which FIG. 8A is a plan view of an element substrate, and FIG. 8B is a plan view of a top plate.
9 is a plan view of a liquid discharge head unit on which the liquid discharge head shown in FIG. 6 is mounted.
10A is a waveform diagram showing an example of drive pulses for the discharge heater and the heater for the liquid discharge head shown in FIG. 6, and FIG. 10B is a waveform diagram showing another example.
FIG. 11 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path for explaining the structure of a liquid discharge head according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path for explaining the structure of a liquid discharge head according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view taken along a liquid flow path for explaining the structure of a liquid discharge head according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration in which a discharge heater is provided on a conventional movable member.
[Explanation of symbols]
1 Element substrate
3 Top plate
3a, 3b groove
3c Supply port
5 Discharge port
4 Orifice plate
6a fulcrum
6b Free end
7 Liquid flow path
7a First liquid flow path
7b Second liquid flow path
8 Common liquid chamber
9 Liquid channel side wall
10 Bubble generation area
11 Driver
12 Image data transfer unit
13 Sensor
14 Contact pads for connection
15 External contact pad
16 Discharge heater controller
17 Sensor drive
18 Contact pads for connection
20 Liquid discharge head unit
22 Base substrate
23 Printed circuit board
206 Movable member
207 Discharge heater
208,209 Heater for heating
210 Movable member
211,212 Heater for heating
501 substrate
502 Insulating layer
503 Wiring
504 Electrode protective layer
505 Anti-cavitation layer
506 Gap forming member
507 Heater protective layer
508 resistance layer
509 Wiring
510 heat storage layer
511 wiring
512 Protective layer
520, 521, 522, 523 Through hole

Claims (11)

基板と、該基板に接合されている天板と、前記基板と前記天板との間に形成されている液流路とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板に固定されている固定端と、前記液流路内に延びている自由端とを有する片持ち梁状の可動部材を有し、
前記可動部材は、前記基板側より下部保護層、発熱抵抗層、下部電極層、絶縁層、上部電極層、上部保護層の順に積層され、前記下部保護層の前記基板と対向する面は平坦であり、前記発熱抵抗層の発熱部は前記可動部材の幅方向に対して対称に形成され、前記発熱部に電圧が印加されることで前記液流路内の液体を該可動部材と前記基板との間で発泡させ該液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。
In a liquid discharge head having a substrate, a top plate bonded to the substrate, and a liquid flow path formed between the substrate and the top plate,
A cantilevered movable member having a fixed end fixed to the substrate and a free end extending into the liquid flow path;
The movable member is laminated in order of a lower protective layer, a heating resistor layer, a lower electrode layer, an insulating layer, an upper electrode layer, and an upper protective layer from the substrate side, and a surface of the lower protective layer facing the substrate is flat. There, the heat generating portion of the heat generating resistor layer is formed symmetrically with respect to a width direction of the movable member, the liquid movable member of the liquid flow path by applying a voltage to the heating portion and the substrate A liquid discharge head, wherein the liquid is discharged by bubbling between the two.
前記上部電極層および前記下部電極層は高融点金属で形成されている請求項1に記載の液体吐出ヘッド。The liquid discharge head according to claim 1, wherein the upper electrode layer and the lower electrode layer are formed of a refractory metal. 前記絶縁層はSiNである請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。The liquid ejection head according to claim 1, wherein the insulating layer is SiN. 前記発熱抵抗層は、前記発熱部の吐出方向上流および下流にて前記下部電極層と電気的に接続されている請求項1乃至3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。4. The liquid discharge head according to claim 1, wherein the heat generation resistance layer is electrically connected to the lower electrode layer upstream and downstream in the discharge direction of the heat generation portion. 前記上部電極層および前記下部電極層が前記可動部材の表面側から裏面にわたるように形成されている請求項4に記載の液体吐出ヘッド。The liquid discharge head according to claim 4, wherein the upper electrode layer and the lower electrode layer are formed so as to extend from the front surface side to the back surface of the movable member. 前記発熱部とは異なり、前記液流路内に前記発熱部に対応して設けられる調整用ヒータと、
該調整用ヒータを駆動するための調整用ヒータ用ドライバと、をさらに有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
Unlike the heat generating part, an adjustment heater provided in the liquid flow path corresponding to the heat generating part,
The liquid discharge head according to claim 1, further comprising an adjustment heater driver for driving the adjustment heater.
前記調整用ヒータには、前記発熱部に印加される電圧よりも低い電圧が印加されることを特徴とする請求項6に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid discharge head according to claim 6, wherein a voltage lower than a voltage applied to the heat generating portion is applied to the adjustment heater. 前記天板には電圧コンバーターが設けられており、該電圧コンバーターにより前記調整用ヒータに印加される電圧が前記発熱部に印加される電圧よりも低くなっている請求項7に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid discharge head according to claim 7, wherein the top plate is provided with a voltage converter, and a voltage applied to the adjustment heater by the voltage converter is lower than a voltage applied to the heat generating portion. . 前記調整用ヒータには前記発熱部に接続される電源とは異なる電源が接続されることにより、前記調整用ヒータに印加される電圧が前記発熱部に印加される電圧よりも低くなっている請求項7に記載の液体吐出ヘッド。  The voltage applied to the adjustment heater is lower than the voltage applied to the heat generating part by connecting a power supply different from the power supply connected to the heat generating part to the adjustment heater. Item 8. The liquid discharge head according to Item 7. 前記調整用ヒータに接続される電源はロジック回路用電源である請求項9に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid discharge head according to claim 9, wherein a power source connected to the adjustment heater is a logic circuit power source. 前記調整用ヒータは前記発熱部の吐出方向下流側に設けられる請求項6乃至10のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid discharge head according to claim 6, wherein the adjustment heater is provided on the downstream side in the discharge direction of the heat generating portion.
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