JP6708412B2 - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。

吐出口からインクなどの液体を吐出する液体吐出ヘッドとして、熱エネルギーによる吐出方式の液体吐出ヘッドが知られている。この方式の液体吐出ヘッドは、電気信号に応じて熱エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を備え、この熱エネルギーにより液体中に気泡を発生させ、その気泡を利用して液体を吐出するものである。このような液体吐出ヘッドでは、液体吐出時の気泡の成長および消滅の際に機械的衝撃（キャビテーション）が発生する。このキャビテーションからエネルギー発生素子を保護するために、エネルギー発生素子を覆うように耐キャビテーション膜を形成する技術が知られている。

耐キャビテーション膜は、強度的な観点から、多くの場合、導電性の金属材料から形成されている。導電性の耐キャビテーション膜は、他の電気配線と導通して電位が生じると、電荷が液体に抜けて膜性質が変化（陽極酸化）してしまい、耐キャビテーションとしての機能を損なう可能性がある。そのため、耐キャビテーション膜は、他の電気配線と絶縁膜で絶縁されていることが重要となる。
特許文献１には、耐キャビテーション膜に接続されたテストパッドに電圧を印加することで、耐キャビテーション膜と他の電気配線との間の絶縁が確保されているかどうかの電気検査を行う方法が開示されている。

特開２００３−１４５７７０号公報

上述の電気検査は、液体吐出ヘッドの製造工程において、液体吐出ヘッドが完成する前、具体的には、基板（ウエハ）に耐キャビテーション膜などを形成して記録素子基板が形成された時点で実行することを前提としたものである。しかしながら、この電気検査の後にも、液体吐出ヘッドの完成までには配線工程や組立工程など多くの工程を経るため、記録素子基板に静電気が印加されたり外力が作用したりして、耐キャビテーション膜と他の電気配線との間に導通が発生する可能性がある。さらには、液体吐出ヘッドは、液体を充填して使用されるため、液体が充填されている状態でも耐キャビテーション膜と他の電気配線との間の導通の有無を検査する必要がある。すなわち、耐キャビテーション膜の絶縁性を確実に保証するためには、液体吐出ヘッドが完成した最終形態において耐キャビテーション膜の電気検査を実行することが求められる。
そこで、本発明の目的は、最終的な形態において耐キャビテーション膜と他の電気配線との間の絶縁性を検査する電気検査が実行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である。

上述した目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、エネルギー発生素子を覆うように設けられた導電性の耐キャビテーション膜と、カソードが耐キャビテーション膜に接続され、アノードがグランドに接続された保護ダイオードと、をそれぞれが有する複数の記録素子基板と、外部から電気的に接続可能な複数の接続パッドを有し、複数の接続パッドの１つが複数の記録素子基板の耐キャビテーション膜に電気的に接続された接続基板と、を有している。
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、エネルギー発生素子を覆うように設けられた導電性の耐キャビテーション膜と、エネルギー発生素子と電気的に接続される電気配線と、カソードが耐キャビテーション膜に接続され、アノードがグランドに接続された保護ダイオードと、をそれぞれが有する複数の記録素子基板を用意する工程と、外部から電気的に接続可能な複数の接続パッドを有する接続基板を用意する工程と、複数の接続パッドの１つと複数の記録素子基板の耐キャビテーション膜とを電気的に接続する工程と、１つの接続パッドを通じて、各記録素子基板において耐キャビテーション膜と他の電気配線との間の絶縁性を検査する工程と、を含んでいる。
このような液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法では、液体吐出ヘッドの最終形態においても、その外部から接続基板の接続パッドを通じて、耐キャビテーション膜に電気的に接続することが可能になる。

以上、本発明によれば、最終的な形態の液体吐出ヘッドにおいて、耐キャビテーション膜と他の電気配線との間の絶縁性を検査する電気検査が実行可能になる。

液体吐出装置の内部構成を示す概略斜視図である。 液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図である。 記録素子基板の構成例を示す概略断面図である。 液体吐出ヘッドの最終形態での概略的な回路構成を示すブロック図である。 図４に示す記録素子基板の回路構成に対応する概略平面図である。 記録素子基板ユニット、配線部材、および接続基板の概略平面図である。 記録素子基板と接続基板との配線例を示す透視平面図である。 液体吐出ヘッドの製造方法を示すフローチャートである。 記録素子基板単体での概略的な回路構成を示すブロック図である。 図９に示す記録素子基板の回路構成に対応する概略平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の内部構成を示す概略斜視図である。
液体吐出装置１０は、シリアルスキャン方式の液体吐出装置であり、液体吐出ヘッド１と、液体吐出ヘッド１を搭載するキャリッジ２とを備えている。液体吐出ヘッド１は、シートＳとの対向面に形成され、シートＳに向けて図中のｚ方向に液体を吐出するための複数の吐出口（図示せず）を有している。キャリッジ２は、ガイド軸３，４によって主走査方向（図中のｘ方向）に往復移動可能に支持されている。液体吐出装置１０では、シートＳが、液体吐出装置１０に設けられた挿入口６から挿入された後、その進行方向を反転させてから、ローラ５によって副走査方向（図中のｙ方向）に搬送される。そして、キャリッジ２の移動に伴って液体吐出ヘッド１から液体の吐出させる記録動作と、ローラ５によるシートＳの搬送動作とを繰り返すことで、シートＳに画像が記録される。
本実施形態の液体吐出ヘッド１は、後述するように、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子を備え、この熱エネルギーにより液体中に気泡を発生させ、その気泡を利用して吐出口から液体を吐出するものである。

図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドの構成を示す斜視図である。
液体吐出ヘッド１は、筐体１１と、記録素子基板ユニット１２と、配線部材１５と、接続基板２０とを備えている。記録素子基板ユニット１２、配線部材１５、および接続基板２０は、筐体１１に対して固定されている。筐体１１には、液体を収容する液体タンク（図示せず）が搭載され、筐体１１の内部には、液体タンクから記録素子基板ユニット１２へ液体を供給するための流路が設けられている。
記録素子基板ユニット１２は、記録素子基板１３と、記録素子基板１３を支持する支持部材１４とを備えている。図示した例では、３つの記録素子基板１３が設けられているが、記録素子基板の個数は３つに限定されるものではない。記録素子基板１３は、エネルギー発生素子が設けられた基板と、基板に接合され、複数の吐出口および複数の流路が形成された流路形成部材とを有している。エネルギー発生素子は、吐出口に対向する位置に配置されている。基板には、筐体１１の液体タンクから供給される液体を複数の流路に供給する供給路が形成されている。図示した例では、１つの記録素子基板１３に対して、４列の吐出口列が形成され、各列でそれぞれ異なる種類の液体が吐出可能になっているが、吐出口列の列数は４列に限定されるものではない。

接続基板２０は、液体吐出ヘッド１と液体吐出装置１０の装置本体とを電気的に接続するための部材であり、配線部材１５は、接続基板２０と記録素子基板１３とを電気的に接続するための部材である。すなわち、液体を吐出するための電気信号が、液体吐出装置１０の装置本体から入力され、接続基板２０および配線部材１５を介して、記録素子基板１３に供給されるようになっている。配線部材１５には、記録素子基板１３が配置される位置に対応して、長方形の開口部が形成され、その短辺周縁には、記録素子基板１３の電極部に電気的に接続される端子部が設けられている。また、配線部材１５には、接続基板２０の接続パッド２０１に電気的に接続される端子部も設けられている。配線部材１５としては、フレキシブル配線基板などを用いることができる。

図３（ａ）は、本実施形態の記録素子基板の一構成例を示す概略断面図であり、図３（ｂ）は、他の構成例を示す概略断面図である。
記録素子基板１３は、Ｓｉからなる基板１３１と、基板１３１の上に形成された、例えばＡｌからなる発熱抵抗体層１３２と、発熱抵抗体層１３２の上に形成された、例えばＡｌからなる一対の配線層１３３とを有している。発熱抵抗体層１３２は、一対の配線層１３３に挟まれた部分１３０がエネルギー発生素子として機能し、一対の配線層１３３に電圧が印加されることで、発熱して熱エネルギーを発生させることができる。この熱エネルギーにより、流路内の液体中に気泡を発生させ、その気泡を利用して吐出口から液体を吐出することができる。
さらに、発熱抵抗体層１３２および一対の配線層１３３の上方には、液体吐出時の気泡の成長および消滅の際に発生する機械的衝撃（キャビテーション）からエネルギー発生素子１３０を保護するために、耐キャビテーション膜１３５が形成されている。耐キャビテーション膜１３５は、強度的な観点から、導電性の金属材料で形成されていることが好ましく、特にＴａから形成されていることが好ましい。耐キャビテーション膜１３５は、図３（ａ）に示すように、例えばＴａの単層構造であってもよく、図３（ｂ）に示すように、例えばＴａ／Ｉｒ／Ｔａの３層構造であってもよい。耐キャビテーション膜１３５と発熱抵抗体層１３２および一対の配線層１３３との間には、これらを絶縁するための絶縁膜１３４が形成されている。

耐キャビテーション膜１３５は、流路内の液体と接触している状態で発熱抵抗体層１３２や配線層１３３と導通すると、耐キャビテーション膜１３５から液体に電荷が抜けることで、陽極酸化されてしまう。これにより、耐キャビテーション膜１３５のキャビテーションに対する耐性が低下し、液体の吐出性能を著しく低下させてしまう。そのため、液体の吐出性能の低下を抑制して記録画像の品位を良好に維持するためには、特に液体吐出ヘッド１の最終形態において、耐キャビテーション膜１３５と発熱抵抗体層１３２および配線層１３３との間の絶縁が保証されていることが重要となる。そこで、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、以下に示すように、耐キャビテーション膜１３５と他の電気配線（特に配線層１３３）との間の導通の有無を検査する電気検査が実行可能な構成を有している。

図４は、本実施形態の液体吐出ヘッドの最終形態における、記録素子基板、配線部材、および接続基板の概略的な回路構成を示すブロック図である。図５は、図４に示す記録素子基板の回路構成に対応する概略平面図である。
耐キャビテーション膜１３５は、記録素子基板１３の電極部１４１に電気的に接続され、電極部１４１は、配線部材１５を介して接続基板２０の接続パッド２０１に電気的に接続されている。接続パッド２０１は、液体吐出ヘッド１の外部から接続可能であり（図２参照）、これにより、液体吐出ヘッド１の外部から耐キャビテーション膜１３５に電気的に接続することができる。同様に、各配線層１３３も、配線部材１５を介して接続基板２０の接続パッド２０１に電気的に接続されている。したがって、液体吐出ヘッド１の最終形態において、耐キャビテーション膜１３５に接続された接続パッド２０１と、配線層１３３に接続された接続パッド２０１との間で、導通の有無を検査する電気検査を実行することができる。

耐キャビテーション膜１３５と接続パッド２０１との間には、記録素子基板１３上の回路素子（図示せず）を静電放電による破壊から保護するための保護ダイオード１３８が設けられている。保護ダイオード１３８は、カソードが耐キャビテーション膜１３５に接続され、アノードがグランド（ＶＳＳ）端子１３９に接続されている。したがって、接続基板２０の接続パッド２０１に印加された静電気を、保護ダイオード１３８を介してＶＳＳ端子１３９に放電することができる。そのため、印加された静電気が耐キャビテーション膜１３５を介して記録素子基板１３上の回路素子に放電して、その回路素子が破壊されるのを抑制することができる。配線層１３３と接続パッド２０１との間にも、同様に保護ダイオード１３８が設けられている。
また、耐キャビテーション膜１３５には、テストパッド１４０も接続されている。テストパッド１４０は、後述するように、記録素子基板１３が単体の状態で耐キャビテーション膜１３５の絶縁性を検査するために用いられる。

記録素子基板１３の電極部１４１は、図５に示すように、電極端子１３７上に金メッキ加工を施すことで構成されている。この金メッキ加工は、記録素子基板１３と配線部材１
５との電気的接続の信頼性を向上させるとともに、耐キャビテーション膜１３５と保護ダイオード１３８のカソードとを接続するために施されている。すなわち、耐キャビテーション膜１３５と保護ダイオード１３８とは、後述するように、記録素子基板１３が液体吐出ヘッド１に組み立てられる前の単体の状態では接続されておらず、金メッキ加工を施すことで初めて接続されることになる。

図６は、本実施形態の記録素子基板ユニット、配線部材、および接続基板の概略平面図である。
上述したように、記録素子基板ユニット１２は、記録素子基板１３と、記録素子基板１３を支持する支持部材１４とを有し、配線部材１５を介して接続基板２０に電気的に接続されている。接続基板２０は、複数の接続パッド２０１を有している。これらは、耐キャビテーション膜１３５や、発熱抵抗体（ヒータ）用の電源（ＶＨ）配線およびグランド（ＧＮＤＨ）配線として用いられる配線層１３３、データ信号用のデータ（ＤＡＴＡ）配線などに電気的に接続されている。したがって、液体吐出ヘッド１が液体吐出装置１０に搭載されて駆動される際には、装置本体の接続端子から複数の接続パッド２０１を通じて、液体吐出ヘッド１を駆動するための駆動信号や液体を吐出するための電気信号が入力されることになる。
なお、耐キャビテーション膜１３５に接続された接続パッド２０１は、上述したように、耐キャビテーション膜１３５の絶縁性の検査のために用いられ、液体吐出ヘッド１の駆動時には用いられない。そのため、この接続パッド２０１は、液体吐出ヘッド１が液体吐出装置１０に搭載される際には、装置本体と電気的に接続される必要はない。ただし、液体吐出装置１０において耐キャビテーション膜１３５の絶縁性を検査する場合には、装置本体と電気的に接続されていてもよい。

図７（ａ）は、本実施形態の記録素子基板（耐キャビテーション膜）と接続基板（接続パッド）との配線パターンの一例を示す透視平面図であり、図７（ｂ）は、他の例を示す透視平面図である。
耐キャビテーション膜１３５は、記録素子基板１３の電極部１４１に接続された配線部材１５の配線１５０を介して、接続基板２０の接続パッド２０１に電気的に接続されている。図７（ａ）に示す配線パターンでは、１つの接続パッド２０１に対して複数の耐キャビテーション膜１３５が接続するように、配線部材１５の配線１５０が形成されている。このような配線構成では、静電放電により１つの接続パッド２０１に静電気が印加されると、その静電気は複数の記録素子基板１３に分散され、それぞれの保護ダイオード１３８を通じてグランドに放電されることになる。すなわち、静電放電が生じた際に、各記録素子基板１３に個別に形成された保護ダイオード１３３を同時に機能させることができ、その結果、静電放電による回路素子破壊に対する耐性を向上させることができる。
なお、耐キャビテーション膜１３５と接続パッド２０１との配線パターンは、図７（ａ）に示すものに限定されるものではない。例えば、図７（ｂ）に示すように、１つの耐キャビテーション膜１３５が１つの接続パッド２０１に接続するように、配線部材１５の配線１５０が形成されていてもよい。

次に、図８に示すフローチャートに沿って、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。
まず、基板（ウエハ）１３１を用意し、その上に、発熱抵抗体層１３２、配線層１３３、耐キャビテーション膜１３５、電極端子１３７、およびテストパッド１４０などをそれぞれ形成する。こうして、図９および図１０に示すような記録素子基板１３を複数形成する（ステップＳ７０）。図９には、記録素子基板１３の概略的な回路構成がブロック図として示されており、図１０には、これに対応する概略平面図が示されている。図９および図１０によれば、例えばＡｌからなる配線層３３は、同様にＡｌからなる電極端子１３７に導通するように成膜され、同時に保護ダイオード１３８に接続されている。その一方、例えばＴａからなる耐キャビテーション膜１３５は、テストパッド１４０と接続するように成膜されるが、基板１３１上に最上層として成膜されるため、電極端子１３７には導通せず、保護ダイオード１３８にも導通していない。

次に、この記録素子基板１３に対し、電極端子１３７を通じて各配線（ＶＨ配線、ＧＮＤＨ配線、ＤＡＴＡ配線など）の電気検査を行い、特に発熱抵抗体層１３２のチェック（抵抗値など）を行う（ステップＳ７１）。その後、耐キャビテーション膜１３５の電気検査を実行する（ステップＳ７２）。
具体的には、耐キャビテーション膜１３５に接続されたテストパッド１４０に電圧を印加し、そのときのリーク電流の測定値に基づいて、耐キャビテーション膜１３５と他の電気配線（配線層１３３）との間の絶縁が確保されているかどうかを判定する。すなわち、リーク電流の測定値が一定値以上の場合、絶縁が確保されていないと判定し、一定値未満である場合、絶縁が確保されていると判定する。
リーク電流の有無の検査は、検査効率の点から、他の配線層１３３に対してまとめて行われることが好ましく、そのため、耐キャビテーション膜１３５（テストパッド１４０）には負の電圧が印加される。そのため、耐キャビテーション膜１３５が保護ダイオード１３８に接続されていると、保護ダイオード１３８を通じてグランドにリーク電流が流れてしまい、正常な電気検査を行うことができなくなる。このような理由で、記録素子基板１３が単体の状態では、耐キャビテーション膜１３５と保護ダイオード１３８とは接続されていない。

次に、電極端子１３７上に金メッキ加工を施し、図４および図５に示すように、電極部（メッキ層）１４１を形成して耐キャビテーション膜１３５と保護ダイオード１３８とを接続する。その後、ウエハを切断して複数の記録素子基板１３に分離する（ステップＳ７３）。そして、記録素子基板ユニット１２の形成や記録素子基板１３と配線部材１５との接続など、液体吐出ヘッド１の組立を行い、液体吐出ヘッド１が完成する（ステップＳ７４）。

耐キャビテーション膜１３５の電気検査後、液体吐出ヘッド１が完成するまでに、静電放電や接続不良が発生したり外力が作用したりすることで、耐キャビテーション膜１３５と他の電気配線との間には導通が発生する可能性がある。この導通の有無を検査して、耐キャビテーション膜１３の絶縁性を最終的に保証するために、液体吐出ヘッド１が完成した最終形態において、再び耐キャビテーション膜１３５の電気検査を実行する（ステップＳ７５）。
具体的には、耐キャビテーション膜１３５に接続された接続パッド２０１に電圧を印加し、ステップＳ７２と同様に、そのときのリーク電流の測定値に基づいて、耐キャビテーション膜１３５と他の電気配線（配線層１３３）との間の絶縁性の判定を行う。この場合、検査効率を多少犠牲にしても、検査精度を向上させて絶縁性の保証を確実にすることが重要であるため、リーク電流の有無の検査は、他の配線層１３３に対して個別に行われることが好ましい。そのため、ステップＳ７２とは異なり、耐キャビテーション膜１３５（接続パッド２０１）に負の電圧を印加する必要がなく、したがって、耐キャビテーション膜１３５に保護ダイオード１３８が接続された状態でも、正常な電気検査を実行することが可能となる。また、本実施形態では、耐キャビテーション膜１３５に保護ダイオード１３８が接続されているため、この段階での電気検査において、保護ダイオード１３８の不良の有無も検査することも可能となる。

なお、図８のフローチャートには示されていないが、耐キャビテーション膜１３５の電気検査と同時に、接続パッド２０１を通じて各配線（ＶＨ配線、ＧＮＤＨ配線、ＤＡＴＡ配線など）の電気検査（導電性や絶縁性、抵抗値、電流値、電圧値など）も行う。

１ 液体吐出ヘッド
１３ 記録素子基板
２０ 接続基板
１３５ 耐キャビテーション膜
２０１ 接続パッド

Claims (11)

1. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子を覆うように設けられた導電性の耐キャビテーション膜と、カソードが前記耐キャビテーション膜に接続され、アノードがグランドに接続された保護ダイオードと、をそれぞれが有する複数の記録素子基板と、
   外部から電気的に接続可能な複数の接続パッドを有し、前記複数の接続パッドの１つが前記複数の記録素子基板の前記耐キャビテーション膜に電気的に接続された接続基板と、
   を有する液体吐出ヘッド。
2. 前記保護ダイオードは、メッキ層によって前記耐キャビテーション膜に接続されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記耐キャビテーション膜は、Ｔａの単層構造を有する、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記耐キャビテーション膜は、Ｔａ／Ｉｒ／Ｔａの３層構造を有する、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子を覆うように設けられた導電性の耐キャビテーション膜と、前記エネルギー発生素子と電気的に接続される電気配線と、カソードが前記耐キャビテーション膜に接続され、アノードがグランドに接続された保護ダイオードと、をそれぞれが有する複数の記録素子基板を用意する工程と、
   外部から電気的に接続可能な複数の接続パッドを有する接続基板を用意する工程と、
   前記複数の接続パッドの１つと前記複数の記録素子基板の前記耐キャビテーション膜とを電気的に接続する工程と、
   前記１つの接続パッドを通じて、前記各記録素子基板において前記耐キャビテーション膜と前記電気配線との間の絶縁性を検査する工程と、
   を含む液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記複数の記録素子基板を用意する工程は、前記各記録素子基板において、前記記録素子基板に設けられ前記耐キャビテーション膜に接続されたテストパッドを通じて、前記耐キャビテーション膜と前記電気配線との間の絶縁性を検査することを含む、請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記複数の記録素子基板を用意する工程は、前記各記録素子基板において、前記保護ダイオードの前記カソードを前記耐キャビテーション膜に接続する前に、前記耐キャビテーション膜の絶縁性を検査することを含む、請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記複数の記録素子基板を用意する工程は、前記各記録素子基板において、前記保護ダイオードの前記カソードと前記耐キャビテーション膜とを接続するメッキ層を前記記録素子基板に形成することを含む、請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記テストパッドを通じた前記耐キャビテーション膜の絶縁性の検査は、前記テストパッドに負の電圧を印加することで、前記電気配線に対してまとめて行われる、請求項６から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 前記複数の記録素子基板を用意する工程は、前記各記録素子基板において、Ｔａの単層構造を有する前記耐キャビテーション膜を前記記録素子基板に形成することを含む、請求項５から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
11. 前記複数の記録素子基板を用意する工程は、前記各記録素子基板において、Ｔａ／Ｉｒ／Ｔａの３層構造を有する前記耐キャビテーション膜を前記記録素子基板に形成することを含む、請求項５から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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