JP2005186360A - Element substrate for liquid discharge head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細な吐出ノズルから液体を液滴として吐出させて記録媒体に記録を行う液体吐出ヘッド用素子基板に関するものである。 The present invention relates to an element substrate for a liquid discharge head that performs recording on a recording medium by discharging liquid as droplets from a fine discharge nozzle.
液体吐出記録方式(インクジェット方式)に使用される液体吐出ヘッドは、インク等の液体を吐出する複数の微細な吐出ノズル(オリフィス)を構成する複数の液流路および各液流路内に位置付けられた吐出エネルギー発生素子を備え、記録情報に対応した駆動信号を吐出エネルギー発生素子に印加し、該吐出エネルギー発生素子が位置付けられている液流路内の液体に吐出エネルギーを付与することによって、液体を微細な吐出ノズルから飛翔液滴として吐出させて、記録媒体に記録を行うように構成されている。 A liquid discharge head used in a liquid discharge recording method (inkjet method) is positioned in a plurality of liquid flow paths that constitute a plurality of fine discharge nozzles (orifices) for discharging a liquid such as ink and in each liquid flow path. Liquid by applying a drive signal corresponding to the recording information to the discharge energy generating element and applying the discharge energy to the liquid in the liquid flow path where the discharge energy generating element is positioned. Is ejected as flying droplets from a fine ejection nozzle, and recording is performed on a recording medium.
この種の液体吐出ヘッドの中でも熱エネルギーを利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドは、吐出エネルギー発生素子としての複数の発熱抵抗体(電気熱変換素子)や複数の吐出ノズルを高密度に配列させることができるために高解像度の記録を行うことが可能であり、また、小型化も容易であるなどの利点を有している。この種の熱エネルギーを利用した液体吐出ヘッドは、複数の発熱抵抗体を列状に高密度に配列するとともに、複数の発熱抵抗体に対して共通の蓄熱層や絶縁層を積層した基板を用いる構成が一般的である。 Among these types of liquid discharge heads, a liquid discharge head that discharges liquid using thermal energy has a plurality of heating resistors (electrothermal conversion elements) as discharge energy generating elements and a plurality of discharge nozzles arranged at high density. Therefore, it is possible to perform recording at a high resolution, and it is advantageous in that it can be easily downsized. A liquid discharge head using this type of thermal energy uses a substrate in which a plurality of heating resistors are arranged in a line at a high density and a common heat storage layer or insulating layer is laminated on the plurality of heating resistors. The configuration is common.
このような液体吐出ヘッドの代表的な構成例を図3に模式的に図示する。図3において、102はアルミ等の金属基板、103はSiO2 等の無機膜あるいはポリイミドやポリエーテルアミド等の耐熱性の樹脂等で形成される絶縁層であり、104は、熱エネルギーが金属基板102を介して放出されることを防止するために絶縁層103の上に形成される蓄熱層であり、この蓄熱層104の上に、複数の発熱抵抗体層105やこれらの発熱抵抗体層105にそれぞれ電力を供給するための電極配線層106等が配されている。さらに、その上に電気絶縁層107や保護層108を積層して、素子基板101を作製し、この素子基板101上に吐出ノズルを構成する液流路109を形成した天板部材110を設けて液体吐出ヘッドを構成している。
A typical configuration example of such a liquid discharge head is schematically shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 102 denotes a metal substrate such as aluminum, 103 denotes an inorganic film such as SiO 2, or an insulating layer formed of a heat-resistant resin such as polyimide or polyether amide, and 104 denotes a heat energy of the metal substrate. The heat storage layer is formed on the
このように発熱抵抗体層105と電極配線層106で形成される複数の発熱抵抗体を配する素子基板101においては、発熱抵抗体により生じる液体を吐出するための熱エネルギーが基板102を介して放出されることにより吐出エネルギーの低下を招き印字品位が劣ることを防止するとともに、熱エネルギーを液流路109内の液体に効率良く伝えるための手段の一つとして、蓄熱層104が発熱抵抗体の下方で基板102の全面に設けられている。この蓄熱層104の材料は、絶縁物であって熱容量が大きければ特に限定されないものであり、この蓄熱層104によって、基板102を介する熱エネルギーの放出を最少に止め、熱エネルギーを液体に効率良く供給することができるようにしている。
As described above, in the
なお、液体吐出ヘッドの素子基板の作製には、通常、真空成膜による工程が不可欠であり、蓄熱層の形成も例外ではない。すなわち、蓄熱層は、スパッタリング、CVD(ケミカルベーパーデポジション)等を用いて、通常、基板全面に形成されている。
ところで、前述した従来技術等においては、一枚の基板に複数個の素子基板を作り込み、そして最終的に、各素子基板を基板の切断ラインに沿って切断して切り出すことにより、個々の液体吐出ヘッド用素子基板を作製している。このため、基板サイズがおのずから大きくなる。また、蓄熱層は大面積の基板全面に形成され、そして、蓄熱層として応力の高いSiO2 膜、SiN膜、SiON膜等が用いられているため、基板は、大面積と高応力の合算で大きく反って変形してしまい、液体吐出ヘッドの作製のための後工程で用いる装置等において、吸着による基板保持ができないなど装置に適合しないといった問題が生じていた。 By the way, in the above-described prior art and the like, a plurality of element substrates are formed on one substrate, and finally, each element substrate is cut along a cutting line of the substrate to cut out individual liquids. An element substrate for a discharge head is manufactured. For this reason, the substrate size naturally increases. In addition, since the heat storage layer is formed on the entire surface of the substrate having a large area, and a high-stress SiO 2 film, SiN film, SiON film, or the like is used as the heat storage layer, the substrate is the sum of the large area and the high stress. The apparatus is greatly warped and deformed, and there has been a problem that the apparatus used in the subsequent process for manufacturing the liquid discharge head is not compatible with the apparatus, such as being unable to hold the substrate by suction.
この問題を回避するために、基板裏面にも表面と同じ膜を同一膜厚で成膜し、応力のバランスを取ることが必須とされていた。このように、大面積の膜応力による基板の変形を補正するために基板裏面への同一の膜を成膜することは、そのための材料や加工時間、人件費を要するともにコスト高にもつながり、二重の手間がかかっていた。 In order to avoid this problem, it has been essential to balance the stress by forming the same film on the back surface of the substrate with the same film thickness. In this way, forming the same film on the back surface of the substrate to correct the deformation of the substrate due to the film stress of a large area requires the material, processing time, labor cost for that, and leads to high cost, It took a double effort.
そこで、本発明は、上記の従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、基板の反り等の変形をなくするとともに素子基板の作製工程を簡略化することができる液体吐出ヘッド用素子基板を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and is a liquid ejection that can eliminate the deformation of the substrate and the like, and can simplify the manufacturing process of the element substrate. An object of the present invention is to provide a head element substrate.
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用素子基板は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する複数の発熱抵抗体列を基板に形成するとともに各発熱抵抗体により発生する熱エネルギーを効率良く液体に伝えるための蓄熱層を前記基板上に形成し、前記基板を切断することにより複数の素子基板を個々に分離して構成する液体吐出ヘッド用素子基板において、前記基板上に形成される前記蓄熱層は、各素子基板毎に分割して設けられていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the element substrate for a liquid discharge head according to the present invention has a plurality of heating resistor arrays for generating thermal energy for discharging a liquid formed on the substrate and the thermal energy generated by each heating resistor. Forming a heat storage layer on the substrate for efficiently transferring the liquid to the liquid, and forming the element substrate for a liquid discharge head on the substrate by separating the plurality of element substrates by cutting the substrate. The heat storage layer is provided separately for each element substrate.
本発明の液体吐出ヘッド用素子基板において、前記蓄熱層は、前記基板を切断することにより個々の素子基板に分離するための切断ラインで分割されていることが好ましい。 In the element substrate for a liquid discharge head according to the present invention, it is preferable that the heat storage layer is divided by a cutting line for separating the heat storage layer into individual element substrates by cutting the substrate.
本発明の液体吐出ヘッド用素子基板において、前記蓄熱層は、前記発熱抵抗体の形成領域にのみ対応して設けられていることが好ましい。 In the element substrate for a liquid discharge head according to the present invention, it is preferable that the heat storage layer is provided only corresponding to a region where the heating resistor is formed.
本発明の液体吐出ヘッド用素子基板によれば、発熱抵抗体により発生する熱エネルギーの基板からの放出を抑えて該熱エネルギーを効率良く液体に伝えるための蓄熱層を、複数の素子基板を作り込む基板上に形成する際に、各素子基板毎に分割して設けることにより、応力を低減することができ、基板の反り等の変形を後工程に基板を流す上で問題のないレベルに抑えることができる。また、従来のように基板裏面に応力補正膜を設けなくても良く、工程の簡略化ができ、加工時間や材料費の削減が可能となり、コストダウンを図ることができる。 According to the element substrate for a liquid discharge head of the present invention, a plurality of element substrates are formed with a heat storage layer for suppressing the release of heat energy generated by the heating resistor from the substrate and efficiently transmitting the heat energy to the liquid. When forming on a substrate to be embedded, by providing each element substrate separately, stress can be reduced, and deformation such as warpage of the substrate can be suppressed to a level that does not cause any problem in flowing the substrate to a subsequent process. be able to. Further, unlike the prior art, it is not necessary to provide a stress correction film on the back surface of the substrate, the process can be simplified, the processing time and material cost can be reduced, and the cost can be reduced.
さらに、長尺の素子基板においては、蓄熱層を発熱抵抗体の下にのみ設けることにより、応力の低減を図り、基板の変形を抑えることができる。 Furthermore, in a long element substrate, by providing a heat storage layer only under the heating resistor, stress can be reduced and deformation of the substrate can be suppressed.
また、個々の素子基板を基板から切り出す際に、基板の切断ライン上に蓄熱層を設けないことにより、切断刃の寿命を延ばすことができ、この面からもコストダウンを図ることができる。 Further, when cutting out each element substrate from the substrate, the life of the cutting blade can be extended by not providing the heat storage layer on the cutting line of the substrate, and the cost can be reduced also from this aspect.
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態による液体吐出ヘッド用素子基板を説明するための図であり、同(a)は、複数の素子基板を切り出す前の概略的な平面図であり、同(b)は、素子基板の蓄熱層を形成した状態を(a)のA−A線に沿って破断して示す断面図であり、同(c)は、(a)のA−A線に沿って破断して示す素子基板の断面図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a liquid discharge head element substrate according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic plan view before cutting out a plurality of element substrates. (B) is sectional drawing which fractures | ruptures and shows the state in which the thermal storage layer of the element substrate was formed along the AA line of (a), The same (c) is the AA line of (a). It is sectional drawing of the element substrate shown broken along.
図1の(a)ないし(c)において、2はアルミ等の金属基板であり、この金属基板2上には、それぞれ発熱抵抗体列を有する複数の液体吐出ヘッド用素子基板1が作製され、これらの素子基板1は最終的に切断ライン9に沿って切り出されて個々の素子基板1に分離される。3は、金属基板2の全面にSiO2 を成膜した絶縁層であり、この絶縁層3は金属基板2と後に形成する発熱抵抗体層5や電極配線層6とを電気的に完全に絶縁するものであり、その膜厚は薄い方が応力の点から好ましい。4は、熱エネルギーが金属基板2を介して放出されることを防止して熱のリークを抑えるための蓄熱層であり、この蓄熱層4は、絶縁層3を成膜した後に、図1の(a)ないし(c)に図示するように、切断ライン9で分割されるように、すなわち、切断ライン9の部分には成膜されないように、形成する。このような蓄熱層4の形成は、切断ライン9の部分を金属マスクで覆い、切断ライン9以外の部分に蓄熱層をスパッタリング等により成膜する(いわゆる、マスクデポを行う)ことにより行うことができる。このように、本実施の形態における蓄熱層4は、金属基板2の全面に設けるのではなく、各素子基板1毎に分割して設けられる。この蓄熱層4は、熱のリークを抑えるために設けるものであって、膜厚は2μm以上とすることが望ましい。なお、蓄熱層は、所望の特性によって材質や膜厚を決定することができ、最も一般的に用いられる材質としては、SiO2 、SiN、SiON等が挙げられ、その膜厚は、材質によって熱容量が変わるので、用途に応じて個別に設定する必要がある。
In FIGS. 1A to 1C, reference numeral 2 denotes a metal substrate such as aluminum. On the metal substrate 2, a plurality of liquid discharge head element substrates 1 each having a heating resistor array are fabricated. These element substrates 1 are finally cut out along the
また、図1の(c)において、5は、吐出エネルギー発生素子となる発熱抵抗体5aを形成するための発熱抵抗体層、6は各発熱抵抗体5aに電力を供給するための電極配線層であり、これらは、順次成膜し、それぞれ、フォトリソ工程によりパターン化することにより形成される。7および8は、発熱抵抗体層5や電極配線層6で形成される複数の発熱抵抗体5aを電気的に分離しそして保護するように積層される絶縁層と保護層である。
In FIG. 1C,
次に、本実施の形態の液体吐出ヘッド用素子基板について、さらに具体的にその作製工程に沿って説明する。 Next, the element substrate for a liquid discharge head according to the present embodiment will be described more specifically along the manufacturing process.
先ず、300mm×200mmサイズで板厚3.5mmのアルミ製の金属基板2上に、スパッタリングによりSiO2 を膜厚500Åで基板全面に成膜して絶縁層3を形成する。この絶縁層3は、金属基板2と後に形成する配線が電気的に完全に絶縁されればよいので、薄い方が応力の点から好ましい。また、この500Å程度の膜厚は、基板の反り(変形)の観点からは特に問題のないレベルである。このSiO2 の成膜は、スパッタリングに限らず、CVD法でもよく、絶縁性能が得られれば特に限定されない。
First, an insulating
次いで、この絶縁層3としてのSiO2 膜を成膜した後に、蓄熱層4としてのSiO2 を成膜する。この蓄熱層4は、基板2全面に設けるのではなく、図1の(a)および(b)に図示するように、各素子基板1を切り出すための基板2の切断ライン9で分割されるように、すなわち、切断ライン9の部分には成膜されないように形成する。切断ライン9の部分を金属マスクで覆い、切断ライン9の部分以外の部分に蓄熱層をスパッタリングにより成膜する(いわゆる、マスクデポを行う)。このように蓄熱層4が成膜された状態を図1の(b)に図示する。この蓄熱層4の成膜手法は、絶縁層3と同様に特に限定されるものではない。蓄熱層4は、熱のリークを抑えるために設けるものであって、本実施の形態の場合は3μmの膜厚に設定した。なお、蓄熱層4としては、SiO2 の他に、SiN、SiON等を用いることができ、その膜厚は材質の熱容量によって個別に設定することとなる。
Then, after forming the SiO 2 film as the insulating
そして、その後に、発熱抵抗体5aを形成するための複数の発熱抵抗体層5および発熱抵抗体5aに電力を供給するための複数の電極配線層6を順次成膜し、それぞれフォトリソ工程によりパターン化することにより、発熱抵抗体5aを形成する。その後、複数の発熱抵抗体層5および電極配線層6の上に絶縁層7と保護層8を適宜を成膜する。この状態を図1の(c)に図示する。
Thereafter, a plurality of
このように複数の素子基板1が基板2上に作製された後、基板2の切断ライン9に沿って図示しない切断刃により切断し、各素子基板1を切り出すことにより、個々の素子基板1が得られる。その後、個々の素子基板1に対して、図1の(c)に二点鎖線で図示するような液流路を有する天板部材を設けることにより、液体吐出ヘッドが完成する。
After a plurality of element substrates 1 are produced on the substrate 2 in this way, each element substrate 1 is cut by cutting with a cutting blade (not shown) along the
以上のように、金属基板2上に作製される複数の素子基板1において、蓄熱層4は切断ライン9の部分で分割されているので、蓄熱層4の面積を小さくすることができ、分割された各エリアにおける全応力を小さく抑えることができる。したがって、蓄熱層4を基板の反り等の変形が生じないレベルで形成することができる。
As described above, in the plurality of element substrates 1 manufactured on the metal substrate 2, the heat storage layer 4 is divided at the
これにより、液体吐出ヘッドの製造工程において、その後工程に基板を流す際に従来問題となっていた吸着による基板保持が不良となることをなくし、製造工程において、トラブルが生じることなく流すことが可能となり、発熱抵抗体層や電極配線層等を歩留まり良く形成することができる。同時に、基板の裏面に応力補正膜を形成する必要がなくなることから、製造プロセスの簡略化ができ、材料も削減できるとともに成膜コストを下げることが可能となる。また、基板の切断ライン上に蓄熱層が設けられていないので、各素子基板を切り出す際に用いる切断刃にダメージを与えることがなく、切断刃の寿命を延ばすことができる。 As a result, in the manufacturing process of the liquid discharge head, it is possible to prevent the substrate holding due to suction, which has been a problem in the past when flowing the substrate in the subsequent process, from becoming defective, and to flow without causing trouble in the manufacturing process. Thus, the heating resistor layer, the electrode wiring layer, and the like can be formed with high yield. At the same time, since it is not necessary to form a stress correction film on the back surface of the substrate, the manufacturing process can be simplified, the material can be reduced, and the film formation cost can be reduced. Moreover, since the heat storage layer is not provided on the cutting line of the substrate, the cutting blade used for cutting each element substrate is not damaged, and the life of the cutting blade can be extended.
次に、本発明の他の実施の形態による液体吐出ヘッド用素子基板について、図2の(a)ないし(c)を参照して説明する。 Next, a liquid discharge head element substrate according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図2は、本発明の他の実施の形態による液体吐出ヘッド用素子基板を説明するための図であり、同(a)は、複数の素子基板を切り出す前の概略的な平面図であり、同(b)は、素子基板の蓄熱層を形成した状態を(a)のB−B線に沿って破断して示す断面図であり、同(c)は、(a)のB−B線に沿って破断して示す素子基板の断面図である。 FIG. 2 is a view for explaining an element substrate for a liquid discharge head according to another embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a schematic plan view before cutting out a plurality of element substrates. The same (b) is sectional drawing which fractured | ruptures and shows the state which formed the thermal storage layer of the element board | substrate along the BB line of (a), (c) is the BB line of (a). It is sectional drawing of the element substrate shown fractured | ruptured along.
本実施の形態は、蓄熱層を素子基板の発熱抵抗体の領域の下のみに設けるものであり、このように構成することにより、蓄熱層面積を非常に小さくすることができ、素子基板が長尺の場合に特に有効である。 In the present embodiment, the heat storage layer is provided only under the region of the heating resistor of the element substrate. With this configuration, the area of the heat storage layer can be extremely small, and the element substrate is long. This is particularly effective for the scale.
図2の(a)ないし(c)において、12は、約200mm×300mmサイズで板厚3.5mmのアルミ等の金属基板であり、この金属基板12上には、それぞれ発熱抵抗体列を有する複数の長尺の素子基板11が作製され、これらの素子基板11は最終的に切断ライン19に沿って切り出されて個々の長尺の素子基板11に分離される。13は、金属基板12の全面にSiO2 を膜厚500Åで成膜した絶縁層であり、この絶縁層13は金属基板12と後に形成する発熱抵抗体層15や電極配線層16とを電気的に完全に絶縁するものであり、その膜厚は薄い方が応力の点から好ましい。14は、熱エネルギーが金属基板12を介して放出されることを防止するための蓄熱層であり、発熱抵抗体15aの形成領域の下のみに設けられている。本実施の形態では、蓄熱層14としてSiNを用い、CVD法にて1.5μmの膜厚に成膜した。なお、この蓄熱層14の成膜に際しては、発熱抵抗体15aの形成領域の下方にのみに蓄熱層14が形成されるように、マスクデポを行う。すなわち、マスクは金属をスリット状にエッチングしたものを用い、スリットのサイズは、500μm×260mmとした。このようにして形成される蓄熱層14は、発熱抵抗体15aの形成領域の下方にのみに設けられるので、260mmという長さであっても、全応力はそれほど大きくならず、基板の反り(変形)も後工程で問題にならないレベルに収まっている。
In FIGS. 2A to 2C,
図2の(c)において、15は、吐出エネルギー発生素子となる発熱抵抗体15aを形成するための発熱抵抗体層、16は各発熱抵抗体15aに電力を供給するための電極配線層であり、これらは、順次成膜され、それぞれ、フォトリソ工程によりパターン化することにより形成される。17aと17bは、複数の発熱抵抗体層15や電極配線層16および複数の発熱抵抗体15aを電気的に分離する絶縁層であり、18は発熱抵抗体層15や電極配線層16を保護する保護層である。
In FIG. 2C, reference numeral 15 denotes a heating resistor layer for forming the
複数の素子基板11が金属基板12上に作製された後に、金属基板12の切断ライン19に沿って図示しない切断刃により切断し、各素子基板11を切り出すことにより、個々の素子基板11が得られる。そして、個々の素子基板11に対して図示しない液流路を有する天板部材を設けることにより、液体吐出ヘッドが完成する。
After the plurality of
このように形成される本実施の形態の液体吐出ヘッド用素子基板において、蓄熱層14は、発熱抵抗体15aの形成領域のみに設けられているので、260mmという長尺であっても、全応力はそれほど大きくならず、基板の反り(変形)も後工程において問題にならない。このように作製される基板は、基板の裏面に応力補正膜を形成することなく、後工程をスムーズに流すことができ、発熱抵抗体層や電極配線層等を歩留まり良く形成することができる。そして、前述した実施の形態と同様に、製造プロセスの簡略化、材料の削減等により、成膜コストを下げることが可能となる。
In the liquid discharge head element substrate of the present embodiment formed in this way, the
1 (液体吐出ヘッド用)素子基板
2 金属基板
3 絶縁層
4 蓄熱層
5 発熱抵抗体層
5a 発熱抵抗体
6 電極配線層
7 絶縁層
8 保護層
9 切断ライン
11 (液体吐出ヘッド用)素子基板
12 金属基板
13 絶縁層
14 蓄熱層
15 発熱抵抗体層
15a 発熱抵抗体
16 電極配線層
17a、17b 絶縁層
18 保護層
19 切断ライン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 (For liquid discharge heads) Element substrate 2
Claims (3)
前記基板上に形成される前記蓄熱層は、各素子基板毎に分割して設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用素子基板。 A plurality of heating resistor arrays that generate thermal energy for discharging liquid are formed on the substrate and a heat storage layer is formed on the substrate to efficiently transmit the thermal energy generated by each heating resistor to the liquid, In an element substrate for a liquid discharge head constituted by separating the plurality of element substrates individually by cutting the substrate,
The element substrate for a liquid discharge head, wherein the heat storage layer formed on the substrate is provided separately for each element substrate.
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