JP2017113906A - 記録素子基板、記録ヘッド、及び記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＳＤ電流によって絶縁膜に絶縁破壊が生じる恐れを低減する。【解決手段】 記録素子基板は、基体と、液体を吐出して記録を行うための記録素子と、記録素子を被覆する第１の導電膜が設けられた面と、を備える基板と、面の側に設けられ、液体を記録素子に流す流路を形成するための壁を備える流路形成部材と、を有する。更に記録素子基板は、面に直交する方向から見て壁のなす角度が１２０度以下である部分と面の側において接し、基体と電気的に接続され、第１の導電膜と電気的に分離された第２の導電膜を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、記録を行うための素子を有する記録素子基板、記録ヘッド、及び記録装置に関する。

所望の文字や画像等の情報を紙やフィルム等の記録媒体に記録する情報出力装置の１つとして液体吐出を吐出して記録を行う記録装置がある。この記録装置は液体吐出ヘッドから吐出された液滴を記録媒体に着弾させることで記録を行う。液体吐出ヘッドの液体吐出には様々な方式がある。液体吐出方式の一つとしてサーマル方式が良く知られている。サーマル方式とはインク等の液体に接するヒータに数μｓ程度通電することで発生する熱エネルギーにより誘発される液体の発泡現象を液滴の吐出に利用する液体吐出方式である。一般的にサーマル方式で使用される液体吐出ヘッドには記録素子としてのヒータを有する記録素子基板が搭載される。

記録素子基板は、ヒータが形成された基板、流路形成部材、吐出口形成部材を有している。ヒータの構成としては、例えば基板に設けられたヒータ電極の一部が除去され、そのヒータ電極の間に位置するヒータ層をヒータとして機能させる構成がある。ヒータは、液体の発泡および消泡時における熱および物理的、化学的衝撃からヒータを保護するための耐キャビテーション層によって被覆されている。また、ヒータ層と耐キャビテーション層との間には絶縁層が設けられている。

次に、液体吐出ヘッドの製造工程について説明する。まず、ウエハ状態の基板にヒータ等を形成した後、基板にドライフイルムを貼り合わせ、レジストコーティング等を用いて流路形成部材、吐出口形成部材を形成する。次に、当該ウエハ状態の基板をダイシングテープに貼りつけて、基板をダイヤモンド・ソー等により切断する。個別の基板に切り出された記録素子基板はダイシングテープに貼りつけられたまま切削屑等を除去するために洗浄される。この後、記録素子基板はダイシングテープから剥がされて、液体吐出ヘッドに組み込まれる。

ところで、上述した記録素子基板の製造工程や液体吐出ヘッドの記録動作等において、静電気放電（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｓｔａｔｉｃ−Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、以下ＥＳＤと表記）に起因して記録素子基板に不具合が発生することがある。特許文献１には、絶縁層の膜厚が２００ｎｍ程度である記録素子基板において、耐キャビテーション層とヒータ電極との間の絶縁層がＥＳＤにより絶縁破壊を起こす現象が記載されている。また、特許文献１には、この現象を防ぐために耐キャビテーション層がゲート接地型ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）に接続された構成も記載されている。この構成によれば耐キャビテーション層に流れ込んだＥＳＤによる電流を基板に逃がすことができるため、耐キャビテーション層とヒータ電極の間の絶縁層の絶縁破壊を防止できるという効果が記載されている。

米国特許第７２６７４３０号明細書

しかしながら、記録素子基板内の場所によってはＥＳＤ電流が集中しやすく、ＥＳＤ電流による絶縁層の絶縁破壊が生じてしまう恐れがある。これに関して、図８、図９を用いて説明する。図８はヒータ１０１、吐出口２０１、及びその周辺を示す記録素子基板の断面図、図９はヒータ１０１周辺部を拡大した平面図を示す。なお、図９ではヒータ１０１の位置を示すために部材の一部を透視して示している。

ヒータ１０１およびヒータ電極１５０ａ，１５０ｂの上側には絶縁層１３１が設けられ、さらにその上側には耐キャビテーション層１３０が設けられている。外部から流入したＥＳＤ電流１００３は吐出口２０１の近傍から吐出口形成部材２００ａ、流路形成部材２００ｂの沿面を通って流れる。更に、ＥＳＤ電流１００３は、電位的により安定している方向、すなわち吐出口形成部材２００ａ、流路形成部材２００ｂのうちのまだＥＳＤ電流１００３が到達していない領域へと全方向に拡散するように流れる。拡散したＥＳＤ電流１００３は、樹脂で形成された両部材２００ａ、２００ｂよりも導電率が高い、金属材料等で形成された耐キャビテーション層１３０に到達する。

このＥＳＤ電流１００３が拡散する過程において、発泡室２０２や流路２０３を形成する部材２００の形状によってＥＳＤ電流１００３が集中しやすくなる箇所が生じる。すなわち、基板１００のヒータ１０１が設けられた面に直交する方向から見て部材２００ｂの角度が小さい角部にＥＳＤ電流が集中しやすくなる。図９では、部材２００ｂのうちの流路２０３と発泡室２０２とを繋ぐ角部１００２が、吐出口２０１からの距離が近く、またその角度が近傍の部材２００ｂの角度と比べて小さい。そのため、この角部１００２やこの近傍に位置する耐キャビテーション層１３０にＥＳＤ電流１００３は集中しやすくなる。耐キャビテーション層１３０に集中したＥＳＤ電流１００３は部分的に電圧が高くなるため、その近傍にヒータ電極１５０ａ，１５０ｂの段差１０１７（図８）に起因して絶縁層１３１の絶縁性が低い箇所が存在すると、絶縁破壊が生じる恐れがある。

特に、長尺の基板においては特許文献１の構成を用いると、ゲート接地型ＭＯＳとヒータとの距離が増大するため、ヒータ上に設けられた耐キャビテーション層とゲート接地型ＭＯＳとの距離が増大する。するとＥＳＤによって耐キャビテーション層に電流が流れ込んだ箇所とゲート接地型ＭＯＳの距離が遠くなり、その間の絶縁膜の絶縁性が低い箇所でＥＳＤによる絶縁破壊が生じやすくなる。

そこで、本発明は、ＥＳＤ電流によって絶縁膜に絶縁破壊が生じる恐れを低減することを目的とする。

本発明の記録素子基板は、基体と、液体を吐出して記録を行うための記録素子と、前記記録素子を被覆する第１の導電膜が設けられた面と、を備える基板と、前記面の側に設けられ、液体を前記記録素子に流す流路を形成するための壁を備える流路形成部材と、を有する記録素子基板において、前記面に直交する方向から見て前記壁のなす角度が１２０度以下である部分と前記面の側において接し、前記基体と電気的に接続され、前記第１の導電膜と電気的に分離された第２の導電膜を有することを特徴とする。

本発明によると、ＥＳＤ電流によって絶縁膜に絶縁破壊が生じる恐れを低減することが可能となる。

第１の実施形態の記録素子基板の一部を示す平面図 図１におけるヒータ周辺部を拡大した図 図２のＡ−Ａ’断面図 第２の実施形態の記録素子基板の一部を示す平面図 図４のＢ−Ｂ’断面図 その他の実施形態を示す平面図 記録素子基板の斜視図 ＥＳＤ電流の経路を説明するための断面図 ＥＳＤ電流の経路を説明するための平面図 記録ヘッドの斜視図 記録装置の斜視図

（第１の実施形態）
図７は本発明を適用可能な記録素子基板１０００の一例を示す斜視図である。また、図１０は記録素子基板１０００を搭載した記録ヘッド１０３の一例、図１１は記録ヘッド１０３を搭載した記録装置１０４の一例をそれぞれ示す斜視図である。

記録素子基板１０００が搭載される記録ヘッド１０３は、記録素子基板１０００から吐出される液体が収納された液体収納容器１０８を搭載するための筺体１０５を有している。また、記録ヘッド１０３は、外部との電気接続のための端子を備える電気配線基板１０７、電気配線基板１０７と記録素子基板１０００とを接続するための電気配線部材１０６などを有している。

また、記録装置１０４は、記録媒体Ｐを搬送するための搬送手段１０２や記録ヘッド１０３を搭載して走査するためのキャリッジ１０９などを有している。記録ヘッド１０３は走査されながら液滴を吐出して記録媒体Ｐの所望の位置に着弾させることで記録を行う。記録ヘッド１０３の走査終了後、記録媒体Ｐは搬送手段１０２によって記録ヘッド１０３の走査方向と垂直な方向に送られる。これらの動作を繰り返すことで記録媒体Ｐへの記録が完了する。

図７に示すように、記録素子基板１０００は、記録素子としてのヒータ１０１が設けられた基板１００、吐出口形成部材２００ａ、流路形成部材２００ｂを有する。基板１００は記録素子基板１０００から吐出される液体を供給するための供給口１１０を有する。樹脂で形成された流路形成部材２００ｂは、内部にヒータ１０１が設けられる発泡室２０２、発泡室２０２に繋がる流路２０３（流路部）、流路２０３と供給口１１０とを連通する液室２０４を形成する。樹脂で形成された吐出口形成部材２００ａはヒータ１０１に対応する吐出口２０１を形成する。ヒータ１０１は複数配設されることでヒータ列を形成しており、吐出口２０１や発泡室２０２もヒータ１０１に対応して複数設けられている。また、基板１００は外部から基板１００に電圧や信号を供給するための端子１７０を備える。

図１は、第１の実施形態の記録素子基板１０００のヒータ列、供給口１１０及びそれらの周辺部を示す平面図である。図２は、ヒータ１０１の周辺部（図１のＡで示す部分）を拡大した図である。なお、図１や図２では、ヒータ１０１や後述するＥＳＤ誘導配線１００１などのレイアウトを説明するために部材の一部を透視して示している。また、後述する他の平面図についても同様である。

ヒータ１０１は共通ヒータ電極１５０ａと個別ヒータ電極１５０ｂと電気的に接続されている。個別ヒータ電極１５０ｂはヒータ１０１の他端においてスイッチング素子１６０に接続されている。

図３は図２のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。シリコンの基体１０上には熱酸化膜１２０、およびゲート酸化膜１２１が形成されている。熱酸化膜１２０上には第１の蓄熱層１２２が形成されている。第１の蓄熱層１２２上には第１のスイッチング素子電極１２３が形成されている。第１のスイッチング素子電極１２３は第１の蓄熱層１２２に設けられたビア１２２ｂを介して基体１０に接続される。第１のスイッチング素子電極１２３の接続領域には不純物拡散領域が形成されている。

第１のスイッチング素子電極１２３上には第２の蓄熱層１３２が形成されている。第２の蓄熱層１３２上には発熱抵抗層としてのヒータ層１５１（図２）が形成されている。ヒータ層１５１上にはヒータ電極層１５０が設けられており、このヒータ電極層１５０によって一対の電極としての共通ヒータ電極１５０ａと個別ヒータ電極１５０ｂが形成されている。共通ヒータ電極１５０ａと個別ヒータ電極１５０ｂとの間に形成されたヒータ層１５１によってヒータ１０１が形成される。第２の蓄熱層１３２に設けられたビアを介して第１のスイッチング素子電極１２３に接続される。

共通ヒータ電極１５０ａおよび個別ヒータ電極１５０ｂ上には絶縁層１３１がＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮなどで形成されている。絶縁層１３１上には耐キャビテーション層１３０がＴａ，Ｉｒなどの材料で形成されている。ヒータ１０１は第１の導電膜としての耐キャビテーション層１３０で被覆されている。耐キャビテーション層１３０とは液体の発泡および消泡時における熱および物理的、化学的衝撃からヒータ１０１を保護するための保護層をいう。

耐キャビテーション層１３０および絶縁層１３１上には流路形成部材２００ｂ、さらにその上には吐出口形成部材２００ａが形成されている。

続いて、ＥＳＤ電流１００３を基体１０に逃がすための構成について説明する。外部から流入したＥＳＤ電流１００３は吐出口２０１の近傍から吐出口２０１を形成する壁、発泡室２０２を形成する壁を順に通りヒータ１０１近傍に流入する。この流入されたＥＳＤ電流１００３は流路形成部材２００ｂの角部１００２（図２）やこの近傍に位置する耐キャビテーション層１３０に集中しやすくなる。流路形成部材２００ｂのうち、角部１００２は吐出口２０１の近傍に位置しており、また発泡室２０２と流路２０３とを繋ぎ、それらの一部を構成する角部１００２の角度がその近傍と比べて小さくなっているためである。

耐キャビテーション層１３０に集中したＥＳＤ電流１００３は部分的に電圧が高くなるため、その近傍にヒータ電極１５０ａ，１５０ｂに起因する段差など絶縁層１３１の絶縁性が低い箇所が存在すると、絶縁破壊が生じる恐れがある。

そこで、本実施形態においては、この角部１００２に接するように第２の導電膜としてのＥＳＤ誘導配線１００１を設ける。なお、角部とは基板１００の耐キャビテーション層１３０が設けられた面に直交する方向から見て流路を形成する壁のなす角度が１２０度以下の部分を称し、その形状は若干の丸みがある場合も含む。また、角部のうち、特にその角度が９０度以下である場合に上述したＥＳＤ電流の集中がより生じやすくなる。

なお、図２に示すように、本実施形態では角部１００２は、発泡室２０２を形成する壁２０２ａと流路２０３を形成する壁２０３ａとで構成されている。また、本明細書では、発泡室２０２と流路２０３とを合わせたものも流路と称する。

図３に示すように、ＥＳＤ誘導配線１００１は基板１００の最上層にあり、発泡室２０２内もしくは流路２０３内に露出している。また、図１、図２に示すように、ＥＳＤ誘導配線１００１はヒータ１０１毎に形成された発泡室２０２内もしくは流路２０３内に配置されており、ヒータ１０１の列に沿って延びている。また、ＥＳＤ誘導配線１００１はヒータ１０１の列端部に設けたビア１０１８（図１）を介して基体１０と電気的に接続されている。また、耐キャビテーション層１３０とＥＳＤ誘導配線１００１は、発泡室２０２内もしくは流路２０３内で配線パターンとして分離されており、基板１００内では電気的にも分離されている。また、ヒータ１０１上の耐キャビテーション層１３０は基板１００内では電源やグランドとも電気的に分離されている。基体１０は電荷を蓄積できる能力が耐キャビテーション層１３０やＥＳＤ誘導配線１００１と比較すると十分に大きいため、ＥＳＤ電流１００３を引き込みやすい。すなわち、耐キャビテーション層１３０とＥＳＤ誘導配線１００１を電気的に分離して、ＥＳＤ誘導配線１００１を基体１０と接続することで、相対的にＥＳＤ誘導配線１００１の方へＥＳＤ電流１００３が流れ込みやすい状況を作っている。

このように、本実施形態では、ＥＳＤ電流１００３が集中しやすい箇所である角部１００２に接するようにＥＳＤ電流１００３を引き込むためのＥＳＤ誘導配線１００１を配置する。また、ヒータ１０１上に設けられる耐キャビテーション層１３０は角部１００２に接しないように配置している。これにより、発泡室２０２内に静電気が流入した場合においても絶縁層１３１の破壊が生じる恐れを低減できる。

なお、ヒータ１０１を構成するためのヒータ電極１５０ａ，１５０ｂの段差部分を被覆する絶縁層１３１は、その段差によって成膜時に膜が形成されにくく膜質が低下して絶縁性が弱くなる恐れがある。そのため、本実施形態のようにＥＳＤ誘導配線１００１はこの部分を避けるように設けられていることが好ましい。

また、ＥＳＤ電流１００３が集中しやすい箇所を基準に考えたときに、ＥＳＤ誘導配線１００１までの距離よりもヒータ電極１５０ａ，１５０ｂまでの距離を相対的に遠ざけて配置することが好ましい。これらを実現するために、流路２０３の延びる方向、すなわち液室２０４からヒータ１０１に向かう液体の流れ方向と、共通ヒータ電極１５０ａと個別ヒータ電極１５０ｂとが対向する方向とが交差することがより好ましい。本実施形態ではこれらの方向が互いに直角となるように流路２０３とヒータ電極１５０ａ，１５０ｂとを配置している。

また、ＥＳＤ誘導配線１００１は導電性材料で形成されていればよいが、製造の容易性から、ＥＳＤ誘導配線１００１は、ヒータ１０１上の耐キャビテーション層１３０と同じＴａ，Ｉｒなどの材料で形成されることがより好ましい。

なお、上述したＥＳＤ電流による影響は、ヒータ電極の厚さや絶縁膜の材料によって顕著に現れることがある。すなわち、記録速度の更なる向上のため記録素子基板を長尺化し、これに伴うヒータ電極抵抗の増大を抑えるためにヒータ電極を厚膜化すると、絶縁膜の絶縁性が低下する恐れがある。例えば絶縁膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する場合、その電極の段差付近でガス、前駆体ラジカルの回り込み、付き回りが悪化し、ヒータ電極側面の絶縁膜の膜厚が薄くなり、膜質が悪くなる傾向があるためである。

また、画質や信頼性向上のため様々な顔料分散体や溶剤を含む液体を用いると、絶縁膜が溶解する恐れがあり、化学的安定性と電気的絶縁性を両立するためにＳｉＣやＳｉＮに替わってＳｉＣＮを用いることが検討されている。しかし、ＳｉＣＮは三元系の絶縁膜であるため膜質の制御が二元系と比べて難しく、ヒータ電極の段差付近において絶縁膜の膜質が低下する恐れがある。

本実施形態はこれらのように膜質が低下した絶縁層を用いたＥＳＤ電流による影響が生じやすい記録素子基板においても有効である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を図４、図５を用いて説明する。図４は、第２の実施形態の記録素子基板１０００の一部を示す平面図である。図５は図４のＢ−Ｂ’断面図である。本実施形態においても上述の実施形態と同様に流路形成部材２００ｂの角部に接するようにＥＳＤ誘導配線１００６が設けられている。

図５に示すように本実施形態では、ＥＳＤ誘導配線１００６は流路２０３の近傍に配置されたビア１００７を介して第３の導電膜としての基板電位配線層１００４と電気的に接続されている。

また、基板電位配線層１００４は、ヒータ１０１の列の両端部において基体１０とビア１００５を介して電気的に接続されている。基板電位配線層１００４は基板１００の耐キャビテーション層１３０が設けられた面に直交する方向から見て発泡室２０２と液室２０４との間に設けられている。また、基板電位配線層１００４は、ＥＳＤ誘導配線１００６を形成する材料よりも導電率の高いＡＬＣｕやＡＬＳｉなどの材料で形成され、ＥＳＤ誘導配線１００６よりも単位長さ当たりの抵抗値が小さくなるような厚さ・配線幅で配線される。

本実施形態によると、吐出口２０１から流れこんだＥＳＤ電流１００３をより基体１０に逃がしやすくすることができるので、ＥＳＤ電流によって記録素子基板１０００に絶縁破壊が生じる可能性をより低減することができる。

なお、ＥＳＤ誘導配線１００６と基板電位配線層１００４とを接続するビア１００７は、少なくとも１つ設けられていればよい。ただし、ＥＳＤ誘導配線１００６から基板１００までの抵抗値を少なくすることでよりＥＳＤ電流１００３を基体１０に引き込みやすくすることができるので、ビア１００７を流路２０３の近傍に複数設けることがより好ましい。

（その他の実施形態）
次に、本発明のその他の実施形態について図６を用いて説明する。後述する実施形態は上述の実施形態と流路２０３の形状や構造が異なっているため、ＥＳＤ電流が集中しやすい箇所も異なるので、これに対応してＥＳＤ誘導配線を設ける位置を変えている。

図６（ａ）は発泡室２０２と流路２０３の液体の流れ方向に対する断面積が同じ形状であり、流路形成部材２００ｂが形成する角部１００８にＥＳＤ電流は集中しやすい。そこで、この角部１００８に接するようにＥＳＤ誘導配線１００９を配置している。

図６（ｂ）は流路２０３の液体の流れ方向に対する断面積が徐々に変化する形状であり、流路形成部材２００ｂが形成する角部１０１０にＥＳＤ電流は集中しやすい。そこで、この角部１０１０に接するようにＥＳＤ誘導配線１０１１を配置している。

図６（ｃ）は発泡室２０２が円筒形状であり、かつ流路２０３の断面積が発泡室２０２に向かうにつれて小さくなっている。このとき、発泡室２０２と流路２０３とを繋ぐ角部１０１２にＥＳＤ電流は集中しやすい。そこで、この角部１０１２に接するようにＥＳＤ誘導配線１０１３を配置している。

図６（ｄ）は流路２０３内にフィルター１０１４が設けられた構成であり、このフィルター１０１４の一部である発泡室２０２側の角部１０１５がヒータ近傍において最も鋭角になっているため、この角部１０１５にＥＳＤ電流が集中しやすい。そこで、この角部１０１５に接するようにＥＳＤ誘導配線１０１６を配置している。

本実施形態においても、吐出口２０１から流れこんだＥＳＤ電流１００３を、ＥＳＤ誘導配線を介して基体１０に逃がすことができるので、記録素子基板１０００に絶縁破壊が生じる可能性を低減することができる。

１０ 基体
１００ 基板
１０１ ヒータ（記録素子）
１３０ 耐キャビテーション層（第１の導電膜）
２００ｂ 流路形成部材
１０００ 記録素子基板
１００１ ＥＳＤ誘導配線（第２の導電膜）
１００２ 角部

Claims (12)

1. 基体と、液体を吐出して記録を行うための記録素子と、前記記録素子を被覆する第１の導電膜が設けられた面と、を備える基板と、
   前記面の側に設けられ、液体を前記記録素子に流す流路を形成するための壁を備える流路形成部材と、
   を有する記録素子基板において、
   前記面に直交する方向から見て前記壁のなす角度が１２０度以下である部分と前記面の側において接し、前記基体と電気的に接続され、前記第１の導電膜と電気的に分離された第２の導電膜を有することを特徴とする記録素子基板。
2. 前記記録素子は、一対の電極と、前記一対の電極の間に位置する発熱抵抗層と、で構成されており、
   前記一対の電極が対向する方向と前記流路の延びる方向とが交差する、請求項１に記載の記録素子基板。
3. 前記記録素子と前記第２の導電膜とは、前記面に直交する方向において重ならない位置に設けられている、請求項１または請求項２に記載の記録素子基板。
4. 前記記録素子基板は複数の前記記録素子が配設された記録素子の列を有し、
   前記第２の導電膜は前記記録素子の列に沿って設けられており、前記記録素子の列の端部において前記第２の導電膜と前記基体とが電気的に接続されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の記録素子基板。
5. 前記流路は、前記記録素子によって液体に発泡を生じさせるための発泡室と、前記発泡室と前記基板に設けられた供給口とを連通する流路部と、を含み、
   前記部分は前記発泡室を形成するための壁と前記流路部を形成するための壁とで構成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の記録素子基板。
6. 前記部分は前記流路に設けられるフィルターの一部である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の記録素子基板。
7. 前記第２の導電膜は、前記第２の導電膜よりも単位長さ当たりの抵抗値が小さい第３の導電膜を介して前記基体に電気的に接続されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の記録素子基板。
8. 前記第１の導電膜と前記第２の導電膜とが同じ材料で形成されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の記録素子基板。
9. 前記第２の導電膜の一部は前記流路に露出している、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の記録素子基板。
10. 前記角度が９０度以下である、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の記録素子基板。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の記録素子基板を有する記録ヘッド。
12. 請求項１１に記載の記録ヘッドを有する記録装置。
    

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