JP2015217584A - Base substance for liquid discharge head, liquid discharge head, liquid discharge device, and manufacturing method of base substance for liquid discharge head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気熱変換素子を用いてインク等の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a liquid discharge head substrate provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid such as ink using an electrothermal conversion element, a liquid discharge head including the liquid discharge head substrate, a liquid discharge apparatus, and a liquid discharge head The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for an automobile.
電気熱変換素子を用いて液体を吐出可能な液体吐出ヘッドとしては、インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドがある。この記録ヘッドは、電気熱変換素子の発熱によりインクを発泡させ、その発泡エネルギーを利用して、インク流路の先端の吐出口からインクを吐出する。このような記録ヘッドに備わる記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)には、電気熱変換素子と、それを駆動回路に接続するための電極配線と、が備えられ、電気熱変換素子、インク流路、および吐出口などによって、インクを吐出可能なノズルが構成される。 As a liquid ejection head capable of ejecting liquid using an electrothermal conversion element, there is an ink jet recording head capable of ejecting ink. This recording head foams ink by the heat generated by the electrothermal conversion element, and uses the foaming energy to eject ink from the ejection port at the tip of the ink flow path. A recording head substrate (liquid discharge head substrate) provided in such a recording head includes an electrothermal conversion element and an electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element to a drive circuit. A nozzle capable of discharging ink is configured by the flow path, the discharge port, and the like.
特許文献1には、複数のノズルを高密度に形成するために、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側とに分けて形成して、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図る電極配線構造が記載されている。 In Patent Document 1, in order to form a plurality of nozzles with high density, the electrothermal conversion element and the electrode wiring are formed separately on one side and the other side of the insulating layer, and the electrothermal conversion element and the electrode wiring are formed. An electrode wiring structure for increasing the density is described.
しかしながら、特許文献1に記載の電極配線構造にあっては、電気熱変換素子と電極配線が絶縁層を介して対向しているため、電気熱変換素子を駆動するための電流が電極配線に流れたときに、電気熱変換素子が発した熱が電極配線に伝わりやすい。そのため、電極配線にエレクトロマイグレーションが生じるおそれがある。例えば、電極配線を構成するAlに生じたヒロック(突起)が電気熱変換素子に向かって成長した場合には、電気熱変換素子に表面に凸部が生じ、その部分にキャビテーションが集中して、耐久性が損なわれるおそれがある。Alの電極配線の上に、Ta、W,Cr,Ti,Mo、または、これらの合金などの高融点金属をバリアメタルとして積層させた場合には、エレクトロマイグレーションによるヒロックの成長は抑えられる。しかし、電極配線中に生じるボイド(空隙)の発生は抑えられず、電気回路の故障を招くおそれがある。 However, in the electrode wiring structure described in Patent Document 1, since the electrothermal conversion element and the electrode wiring are opposed to each other through the insulating layer, a current for driving the electrothermal conversion element flows through the electrode wiring. The heat generated by the electrothermal transducer is easily transferred to the electrode wiring. Therefore, electromigration may occur in the electrode wiring. For example, when a hillock (protrusion) generated in Al constituting the electrode wiring grows toward the electrothermal conversion element, a convex portion is generated on the surface of the electrothermal conversion element, and cavitation is concentrated on that part, Durability may be impaired. When a refractory metal such as Ta, W, Cr, Ti, Mo, or an alloy thereof is laminated as a barrier metal on an Al electrode wiring, hillock growth due to electromigration can be suppressed. However, the generation of voids (voids) that occur in the electrode wiring cannot be suppressed, and there is a risk of failure of the electric circuit.
本発明の目的は、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図りつつ、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a long-life liquid discharge head substrate, a liquid discharge head, a liquid discharge device, and a liquid discharge head substrate that are excellent in durability while increasing the density of electrothermal conversion elements and electrode wirings. It is to provide a manufacturing method.
本発明の液体吐出ヘッド用基体は、電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第1の電極配線が形成され、前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第1の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする。 The substrate for a liquid discharge head of the present invention is a substrate for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid by heat generation of an electrothermal conversion element, and is provided on one side of the insulating layer and on the other side of the insulating layer. A first electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element positioned to a drive circuit is formed, and the electrothermal conversion is provided in a portion of the insulating layer facing the electrothermal conversion element and the first electrode wiring. A heat insulating portion that suppresses heat conduction from the element to the first electrode wiring is provided.
本発明によれば、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側に分けて、それらの高密度化を図りつつ、電気熱変換素子と電極配線との対向部分に断熱部を備えることにより、電気熱変換素子の発熱による電極配線への影響を抑制することができる。この結果、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the electrothermal conversion element and the electrode wiring are divided into one side and the other side of the insulating layer to increase the density thereof, and the heat insulating portion is provided at the facing portion between the electrothermal conversion element and the electrode wiring. By providing, the influence on the electrode wiring due to the heat generation of the electrothermal conversion element can be suppressed. As a result, it is possible to provide a long-life base for a liquid discharge head, a liquid discharge head, a liquid discharge apparatus, and a method for manufacturing a liquid discharge head base having excellent durability.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、液体としてのインクを吐出する記録ヘッドと、それを用いて画像を記録するインクジェット記録装置としての適用例である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are application examples as a recording head that ejects ink as a liquid and an inkjet recording apparatus that records an image using the recording head.
(第1の実施形態)
図1は、記録ヘッド(液体吐出ヘッド)110を用いて画像を記録可能なフルラインタイプのインクジェット記録装置(液体吐出装置)120を模式的に示す正面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front view schematically showing a full-line type inkjet recording apparatus (liquid ejection apparatus) 120 capable of recording an image using a recording head (liquid ejection head) 110.
記録装置120には、紙などの記録媒体Wを矢印Y方向に搬送するための搬送部121と、その搬送部121に記録媒体Wを供給するための供送部122と、が備えられている。また、本実施形態の記録装置120には、6つの記録ヘッド110(110Y,110LM,110M,110LC,110C,110K)が交換可能に装着されている。これらの記録ヘッドは、対応するインクカートリッジ(液体貯留容器)123からイエロー(Y)、淡マゼンダ(LM)、マゼンダ(M)、淡シアン(LC)、シアン(C)、ブラック(K)のインク(液体)がそれぞれ供給される。6つの記録ヘッド110は、記録媒体Wの搬送方向に沿って一定の間隔をおいて配備され、それぞれの記録ヘッド110には、インクを吐出可能な複数の吐出口が記録媒体Wの搬送方向と交差する方向(本実施形態においては、直交する方向)に配列されている。
The
また、記録装置120には、記録ヘッド110のインクの吐出状態を良好に維持するための回復処理を行う回復ユニット124が備えられている。回復処理としては、記録に寄与しないインクを吐出口から吸引排出または加圧排出させる処理、記録に寄与しないインクを吐出口から吐出させる予備吐出、および記録ヘッド110の吐出口面(吐出口が形成される面)のワイピング処理などがある。また、記録装置120には、それを操作するためのオペレーションパネル部125が備えられている。
Further, the
図2は、記録ヘッド110の分解斜視図である。
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
記録ヘッド110の底部は、セラミックプレート100によって構成されている。このセラミックプレート100上には、後述するように、複数のヒータ(電気熱変換素子)、共通液室、流路、および吐出口などを備えた吐出エレメント101と、電気配線基板102と、が配置されている。吐出エレメント101および電気配線基板102は、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。以下、インク(液体)の吐出口と、吐出口に連通する流路と、を含む部分を「ノズル」ともいう。それぞれのノズルには、インクの吐出に用いる吐出エネルギーを発生させるための吐出エネルギー発生素子として、ヒータ(電気熱変換素子)が配備されている。また、記録ヘッド110内に形成される共通液室内には、流路形成部材103に設けられた液体導入路を通して、インクカートリッジ123からインクが供給される。吐出エネルギー発生素子としてのヒータを発熱させて、インクが発泡させることにより、その発泡エネルギーを利用して吐出口からインクを吐出させることができる。
The bottom of the
図3は、吐出エレメント101におけるノズル近傍部分の一部切欠斜視図である。
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a portion in the vicinity of the nozzle in the
記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)30には、後述する複数の層および電極配線などが配備されている。また、基体30には、インクを加熱して発泡させるための複数のヒータ(電気熱変換素子)21が配備されており、そのヒータ21には、それに通電するための電極配線が接続されている。その電極配線の一方には、ヒータ21に対する通電を制御するためのスイッチングトランジスタなどを含む駆動回路(図示せず)が接続されている。スイッチングトランジスタは、制御用のゲート素子などの回路からなるICによって駆動制御され、記録装置120からの信号に応じてヒータ21を制御する。
The recording head substrate (liquid discharge head substrate) 30 is provided with a plurality of layers and electrode wirings, which will be described later. In addition, the
ヒータ21は、複数の流路23のそれぞれに対応するように形成されている。それぞれの流路23の一端は、対応する吐出口24に連通し、それぞれの流路23の他端は共通液室25に連通している。流路23は、基体30、流路壁20、天板22で囲まれて管状をなしている。
The
図4は、基体30の要部の平面図、図5は、ヒータ21上に位置する図4のV−V線に沿う断面図、図6は、ヒータ21から離れて位置する図4のVI−VI線に沿う断面図である。
4 is a plan view of the main part of the
本実施形態における記録ヘッド用基体30は、シリコン基板11上に、蓄熱層12、第1の電極配線13の下層(配線部)13a、第1の電極配線13の上層(バリアメタル)13b、および発熱抵抗層16aを形成した積層構造となっている。蓄熱層12は熱酸化膜からなり、下層13aはAl,Al−Si,Al−Cuなどからなり、上層13bはTa、W,Cr,Ti,Moなど高融点金属からなり、絶縁層15はSiO膜またはSiN膜からなる。発熱抵抗層16aはTaSiN膜などからなり、その一部はヒータ21を形成する。ヒータ21に対応する絶縁層15の部分には、図5のように、第1の電極配線13側に位置する空間14が形成されている。また、ヒータ21に対応する領域以外の発熱抵抗層16aの部分には、図6のように、Al,Al−Si,Al−Cuなどからなる第2の電極配線の上層16bが積層されており、発熱抵抗層16aと併せて第二の電極配線16を形成している。さらに、SiO膜またはSiN膜などからなる保護膜17と、ヒータ21の発熱に伴う化学的および物理的衝撃から保護膜17を守るための耐キャビテーション膜18が形成されている。
In the present embodiment, the
このように構成された記録ヘッド用基体30の表面、すなわち耐キャビテーション膜18の上面には、流路壁20が配設されている。さらに、流路壁20の上面には天板22が設けられ、これにより複数の流路23が高密度に隣接して形成される。それぞれの流路23に対しては、1つまたは複数のヒータ21が形成される。本例においては、それぞれの流路23に対して1つのヒータ21が形成されている。
A
次に、記録ヘッド用基体30の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、単結晶シリコンからなるSi(シリコン)基板11に、熱酸化膜法、CVD法などによって、1.12μmの熱酸化膜からなる蓄熱層12を形成する。次に、その蓄熱層12の上に、スパッタリング法によって厚さ1μmのAlSi層を形成する。その後、Ti(チタン)などからなる高融点金属をバリアメタルとして積層し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチングにより第1の電極配線13(13a,13b)を形成する。次に、プラズマCVD法などによって、SiOなどからなる膜厚0.9μmの絶縁層15を形成し、この絶縁層15に、エッチングによりスルーホール(図示せず)を形成する。
First, a
ヒータ21に対応する絶縁層15の部分に対しては、次のようにして空間14を形成する、すなわち、まずは、膜厚0.5μmのSiO層をプラズマCVDによって成膜する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチングによって、空間14を形成する部分のSiO層を除去する。その後、エッチングによって形成された空間14に相当する部分を埋めつくすように、プラズマCVD法によって、除去可能な犠牲層となるSiN膜を形成する。次に、エッチバックもしくはCMP(化学機械研磨)によりSiO層が0.45μmとなるように削る。さらに、その上に、残りの膜厚に相当する0.45μmのSiO層をプラズマCVDによって形成する。その後、熱リン酸によって犠牲層のSiN膜のみを除去することにより、残ったSiO層に空間14が形成される。この犠牲層を除去するためには、全ての空間14となる部分を外周部に接続する必要がある。空間14と空間14の接続、および空間14と外周部とを接続するための形態は任意である。例えば、空間14と空間14をそのままの形状で接続してもよく、また、空間14と空間14の間に絶縁層を柱状に残して、構造的な強度を増してもよい。
For the portion of the insulating
次に、Ta−Si合金ターゲットにN2ガスを用いた反応性スパッタリング法によって、TaSiNからなる発熱抵抗層16aを形成する。さらに、その発熱抵抗層16aの上に、膜厚0.4μmのAlCu膜16bをスパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチングを用いて第2の電極配線16を形成する。
Next, the
ヒータ(電気熱変換素子)21は、次のようにして形成される。すなわち、第2の電極配線16(16a,16b)のうち、ヒータ21に相当する部分のAlCu膜16bだけをエッチングすることにより、ヒータ21を形成する。次に、プラズマCVD法によって、SiNからなる膜厚0.5μmの保護膜17を形成し、さらにスパッタリング法によって、膜厚0.23μmのTa膜による耐キャビテーション膜18を形成する。
The heater (electrothermal conversion element) 21 is formed as follows. That is, the
以上により、記録ヘッド用基体30が作成される。
Thus, the
本実施形態において、それぞれのヒータ21に接続される第2の電極配線16(16a,16b)は、スルーホールを介して絶縁層15の下部に位置する第1の電極配線13(13a,13b)に接続される。そのため、本実施形態における記録ヘッド用基体30は、同一平面上に第1,第2の電極配線13(13a,13b),16(16a,16b)を形成する場合に比べて、大幅にノズルの実装密度を高めることが可能である。このことは、高画質化が求められる記録装置に搭載される記録ヘッドとして、好適である。
In the present embodiment, the second electrode wirings 16 (16a, 16b) connected to the
また、本実施形態の記録ヘッド用基体30においては、ヒータ21と、その直下の第1の電極配線13(13a,13b)と、の間における絶縁層15の部分に空間14が形成されている。そのため、ヒータ21において発生した熱は、通電されている第1の電極配線13(13a,13b)には伝達され難い。その結果、第1の電極配線13(13a,13b)におけるエレクトロマイグレーションの発生が抑制され、記録ヘッド用基体30の故障率の低減、および寿命の大幅な向上を図ることができる。具体的には、エレクトロマイグレーションによるヒロック(突起)とボイド(空隙)の両方の発生を抑えることができる。
In the
エレクトロマイグレーションによる平均寿命は、下式によって表わすことができる。 The average lifetime due to electromigration can be expressed by the following equation.
MTF:平均寿命
A:配線の材質、構造、寸法などに関する定数
J:電流密度
n:電流密度に関する定数
Ea:活性化エネルギー
k:ボルツマン定数
T:絶対温度
上式によって表されるように、電流密度Jおよび絶対温度Tが平均寿命MTFを短くする要因になる。前述したように、本実施形態においては、発熱するヒータ21と、その直下の第1の電極配線13(13a,13b)と、の間に空間14が形成されている。そのため、ヒータ21からの熱は、通電している第1の電極配線13に対して伝わりにくくなり、ヒータ21の直下の第1の電極配線13の平均寿命FTMは、従来に比べて改善されることになる。従来のように、ヒータ21と、その直下の第1の電極配線13と、の間の絶縁層15に空間14が形成されていない場合には、第1の電極配線13への通電時に、ヒータ21からの熱が絶縁層15を介して第1の電極配線13に伝わる。そのため、第1の電極配線13の平均寿命FTMが低下するおそれがある。
MTF: Average life A: Constant related to wiring material, structure, dimensions, etc. J: Current density n: Constant related to current density Ea: Activation energy k: Boltzmann constant T: Absolute temperature Current density as expressed by the above equation J and absolute temperature T are factors that shorten the average life MTF. As described above, in the present embodiment, the
また、本実施形態において、ヒータ21と空間14との間には、図5のように、絶縁層15の一部である絶縁膜15aが位置する。このように、絶縁膜15aを介して、空間14を第1の電極配線13(13a,13b)側に形成しているために、安定した構造となる。仮に、ヒータ21の直下に空間14を形成した場合には、ヒータ21が空間14上に浮いた形態となり、不安定な構造となる。
In the present embodiment, an insulating
このように、ヒータ21の熱が第1の電極配線13に伝わり難くして、第1の電極配線13におけるエレクトロマイグレーションの発生を抑制して、その長寿命化を実現することができる。また、エレクトロマイグレーションによるヒロック(突起)とボイド(空隙)の両方の発生を抑えることができるため、ヒロックの発生を抑制するために積層される高融点金属のバリアメタルを削減することができ、製造コストの低減を図ることも可能となる。また、複数のノズルを高密度に形成するために、ヒータ21と第1の電極配線13を絶縁層15の一方側と他方側とに分けて形成して、ヒータ21および第1の電極配線13の高密度に配備することができる。
As described above, the heat of the
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態における記録ヘッド用基体30の説明図であり、前述した図5と同様に、ヒータ21上に位置する部分の断面図である。第1の実施形態において、絶縁層15内の空間14は第1の電極配線13側に形成されている。本実施形態において、絶縁層15内の空間14は、ヒータ21と第1の電極配線13のいずれにも接しないように、それらの中間に形成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is an explanatory view of the
本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、ヒータ21の発熱時の熱は、第1の電極配線13に伝わりにくくなり、その長寿命化を実現することができる。
According to the present embodiment, as in the first embodiment, the heat generated when the
(他の実施形態)
前述した実施形態においては、ヒータ21から第1の電極配線13への熱伝導を抑制するための断熱部として、絶縁層15におけるヒータ21と第1の電極配線13との対向部分に空間14を形成した。しかし、その断熱部は空間14のみに特定されず、例えば、絶縁層15よりも熱伝導率が低い部材によって形成してもよい。また、空間14内に不活性ガスなどを入れてもよい。要は、ヒータ21から第1の電極配線13への熱伝導を抑制することができればよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the
また本発明は、種々の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法として広く適用することができる。また本発明は、液体を吐出可能な液体吐出ヘッドを用いて、種々の媒体(シート)に対して、種々の処理(記録、加工、塗布、照射、読取、検査など)を施す液体吐出装置に対しても適用可能である。その媒体(記録媒体を含む)は、紙、プラスチック、フィルム、織物、金属、フレキシブル基板等、材質は問わず、インクを含む液体が付与される種々の媒体を含む。 Further, the present invention is widely used as a liquid discharge head substrate provided in a liquid discharge head capable of discharging various liquids, a liquid discharge head including the liquid discharge head substrate, a liquid discharge apparatus, and a method for manufacturing a liquid discharge head substrate. Can be applied. The present invention also provides a liquid ejection apparatus that performs various processes (recording, processing, application, irradiation, reading, inspection, etc.) on various media (sheets) using a liquid ejection head capable of ejecting liquid. It can also be applied to. The medium (including the recording medium) includes various media to which a liquid containing ink is applied regardless of the material, such as paper, plastic, film, fabric, metal, and flexible substrate.
11 シリコン基板
13 第1の電極配線
13a 第1の電極配線の配線層
13b バリアメタル層
14 空間
15 絶縁層
16 第2の電極配線
16a 発熱抵抗層
16b 第2の電極配線の配線層
21 電気熱変換素子(ヒータ)
24 吐出口
30 記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)
DESCRIPTION OF
24
Claims (10)
絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第1の電極配線が形成され、
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第1の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。 A base for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging liquid by heat generation of an electrothermal conversion element,
A first electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element located on the other side of the insulating layer to a drive circuit is formed on one side of the insulating layer,
A heat insulating part for suppressing heat conduction from the electrothermal conversion element to the first electrode wiring is provided in a portion of the insulating layer facing the electrothermal conversion element and the first electrode wiring. Substrate for liquid discharge head.
前記電気熱変換素子の発熱により吐出口から液体を吐出可能であることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A liquid discharge head substrate according to any one of claims 1 to 7,
A liquid discharge head, wherein the liquid can be discharged from the discharge port by heat generated by the electrothermal conversion element.
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、除去可能な犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に空間を形成する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基体の製造方法。 A substrate for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid by heat generation of an electrothermal conversion element, wherein the electrothermal conversion element positioned on the other side of the insulating layer is driven on one side of the insulating layer A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head in which a first electrode wiring for connection to a substrate is formed,
Forming a removable sacrificial layer at a portion of the insulating layer facing the electrothermal transducer and the first electrode wiring;
Removing the sacrificial layer and forming a space in a facing portion between the electrothermal transducer and the first electrode wiring;
A method for producing a substrate for a liquid discharge head, comprising:
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