JP3658221B2 - Ink jet recording head, head substrate, and method of manufacturing the substrate - Google Patents

Ink jet recording head, head substrate, and method of manufacturing the substrate Download PDF

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Non-Adjustable Resistors (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
米国特許第4723129号公報あるいは米国特許第4740796号公報等に開示されているインクジェット記録方式は、高速、高密度で高精度、高画質の記録が可能で、かつカラー化、コンパクト化に適している。このインクジェット記録方式を用いる、熱エネルギーを利用してインクを発泡させて記録媒体にインクを吐出する記録ヘッドは、インクを発泡させるための発熱抵抗体とこれに電気的接続を行う配線とを同一の基板上に作製してインクジェット記録ヘッド用基板とし、さらにその上にインクを吐出させるためのノズルを形成した構成が一般的である。
【0003】
そして、このインクジェット記録ヘッド用基板は、一方では投入する電気エネルギーの省力化、他方ではインクの発泡にともなう機械的ダメージおよび熱パルスによる発熱部の破壊による基板の寿命の低下を防ぐために、様々な工夫がなされている。とりわけ一対の配線パターンの間に位置する発熱部を有する発熱抵抗体をインクから保護する保護膜については、多くの工夫がなされている。
【0004】
この保護膜は、熱の効率から見ると、熱伝導率の高いもの、あるいは薄い方が有利である。ところが一方、インクの発泡にともなう機械的ダメージや膜の欠陥の確率からすると、厚い方が有利である。さらに保護膜は、発熱抵抗体に接続する配線をインクから守るという役目もあり、厚さに関して言えば、発熱抵抗体部よりむしろ配線部を保護する目的によって一層の制限を受ける。
【0005】
詳述すると、一般的に発熱抵抗体の表面は非常に平滑であり、その上の保護膜が緻密に形成され得るのに対し、配線は一般的にAlからなり、Alの表面は製造時の熱の影響を受けやすく、表面に凹凸が比較的あり、さらにAlの厚さは約500nm程度の厚さがあるため、段差部の保護膜の膜質が悪くなりやすい。以上の点から、保護膜の厚さはある程度の、実際には1μm程度の厚さが必要になっている。
【0006】
発熱抵抗体上の保護膜をできる限り薄くし、かつ配線上の保護機能を安定させるために、特開平08−112902号公報には、発熱抵抗体上の保護膜を部分的に薄膜化する方法が記載されている。この方法では、発熱抵抗体上の保護膜のみを薄くすることで、投入するエネルギーの低減と寿命の安定化を達成することができる。
【0007】
しかしながら、この例では、まず発熱抵抗体と配線パターンを下地となる酸化シリコン膜上に形成し、次に酸化シリコンを第1層目の保護膜として形成し、次にパターニングによって発熱抵抗体の発熱部上の保護膜を部分的に除去し、最後に窒化シリコンを第2層目の保護膜として形成するために、以下のような問題があった。
【0008】
部分的な保護膜の除去は、通常ウェットエッチングでなされる。そして、エッチング液としては、一層目の保護膜が酸化シリコンならばフッ化水素系のエッチング液が用いられる。また、発熱抵抗体はHfB2やTaNからなるのが一般的であるが、これらはフッ化水素系のエッチング液ではダメージを受けない。
【0009】
ここで局部的に保護膜を除去する部分を発熱抵抗体の発熱部の領域より数μm程度内側とした場合、製造工程上の問題はないが、発熱部の全面積より内側の比較的小さい領域となるために、熱効率が低下する。
【0010】
一方、配線および発熱抵抗体とその下の基板との段差を覆いながら形成した一層目の保護膜の膜質は、その段差部分で悪くなっていることがある。そのため、発熱抵抗体の発熱部より広く一層目の保護層を除去した場合、発熱抵抗体とその下の基板との段差の近くをエッチングすることになるので、膜質の比較的悪い段差部に沿ってアンダーカットが進行し、膜内部に空孔が発生し、結果としてヘッド用基板の寿命を低下させることがある、という問題が生ずる。ここで、段差部の一層目の膜質が悪くなるのは、発熱抵抗体のエッチングとして微細化のために垂直エッチングを採用することが多く、断面がはぼ90°に切り立っていることもその要因と考えられる。従って、アンダーカットを極力なくすためには、一層目の保護膜のエッチング時間を厳密に管理することが必要であった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の問題点を解決し、発熱抵抗体の発熱部をできるだけ広く利用し、また高熱効率で省エネルギー構造でありながら、工程管理が容易で寿命の長いインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、基板上に、発熱部を形成する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続する配線と、前記発熱抵抗体と前記配線との上にそれらを保護するために設けられる保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられたインクジェット記録ヘッドであって、前記保護膜が、前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第1層保護膜と、該第1層保護膜上に該第1層保護膜とは異なる材料で形成され前記発熱抵抗体の前記発熱部に対応する箇所に開口を有し無機材料からなる第2層保護膜と、該第2層保護膜と前記開口から露出した前記第1層保護膜とを覆う、前記第1層保護層と同じ材料系の第3層保護膜と、を含むことを特徴とする。
【0013】
また本発明のインクジェット記録ヘッド用基板は、シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線と、前記発熱抵抗体該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板であって、前記保護膜が、前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第1層保護膜と、該1層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように設けられた第2層保護膜と、該2層保護膜と、前記開口を介して前記第1層保護膜と、に接して積層された第3層保護膜と、を有し、前記第1層保護膜と前記第3層保護膜とが同じ第1のシリコン化合物からなり、前記第2層保護膜が前記第1のシリコン化合物とは異なる第2のシリコン化合物であって前記第1のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の材料からなることを特徴とする。
【0014】
また本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第1のシリコン化合物からなる第1層保護膜を形成する工程と、前記第1層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように、前記第1のシリコン化合物とは異なり前記第1のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の第2のシリコン化合物からなる第2層保護膜を形成する工程と、
前記第2層保護膜と、前記開口を介して前記第1層保護膜と、に接して前記第1のシリコン化合物からなる第3層保護膜を積層する工程と、を有することを特徴とする。
【0015】
また本発明のインクジェット記録装置は、前記のインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドを搭載するための部材と、を具備することを特徴とする。
【0016】
この様な本発明では、第1層保護膜が発熱抵抗体と配線を覆うので、発熱抵抗体や配線のパターンの隅部の段差が緩和される。従って、その上に形成される第2層保護膜の膜質が改善され、第2層保護膜をエッチングしても、段差部に沿ってオーバーエッチングが進行することが実質的にない。
【0017】
そして、第1層保護膜と同じ材料系の第3層保護膜は、発熱部上に残る第1層保護膜と合わさって発熱部の保護膜となる一方、配線上では第1層保護膜及び第2層保護膜の上に積層されて少なくとも3層構造の保護膜を形作る。このように、複数層に分かれて膜形成が行われるので、1層の保護膜のどこかに欠陥があったとしても、複数層構造の保護膜全体のどこかに欠陥が発生する確率を極めて小さくすることができる。
【0018】
この様に、本発明によれば、省エネルギーと寿命安定性と工程管理の簡便性とを兼ね備えたインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、基板上に、発熱部を形成する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続する配線と、発熱抵抗体と配線との上にそれらを保護するために設けられる保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられた構造をもつものである。保護膜は、発熱抵抗体と配線とを覆う第1層保護膜と、該第1層保護膜上に該第1層保護膜とは異なる材料で形成され発熱抵抗体の発熱部に対応する箇所に開口を有し無機材料からなる第2層保護膜と、該第2層保護膜と開口から露出した前記第1層保護膜とを覆う、第1層保護層と同じ材料系の第3層保護膜と、を含む。
【0020】
本発明において、第2層保護膜の材料は、主に製造上の理由により、第1層保護膜とは異なる材料で形成される。通常は、第2層保護膜の開口をエッチングで形成することから、第2層保護膜の方が第1層保護膜よりエッチングされやすい材料で形成されていることが好ましい。すなわち、第1層保護膜材料より第2層保護膜材料のエッチング速度が大きくなるように材料を選ぶことが好ましく、特に選択比(第2層保護膜材料のエッチング速度/第1層保覆膜材料のエッチング速度)が10以上あることが好ましく、20以上あることが一層好ましい。
【0021】
また、本発明において、第1層保護膜と第3層保護膜とは、主に発熱部の開口における膜同士の密着強度の観点から、同じ材料系からなる。ここで、第2層保護膜は、前述した様に第1層保護膜及び第3層保護膜と異なる材料で形成されるが、第1層保護膜及び第3層保護膜と同じ材料系からなることが好ましい。「同じ材料系」とは、シリコンを含む材料であることが特に好ましい。この様な材料として、第1層保護膜及び第3層保護膜を窒化シリコンで形成し、第2層保護膜を酸化シリコンで形成することが好適である。
【0022】
第2層保覆膜を、ボロンまたはリンを含む酸化シリコンで形成すると、窒化シリコン膜とのエッチングレート差をさらに大きくとることができるので好ましい。 本発明において、第1層保護膜の膜厚は、通常0.01〜0.5μm、好ましくは0.01〜0.1μmである。また、第2層保護膜の膜厚は、通常0.3〜1.5μm、好ましくは0.5〜1.0μmである。第3層保護膜の膜厚は、通常0.1〜1.0μm、好ましくは0.1〜0.5μmである。
【0023】
【実施例】
以下に実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【0024】
(実施例1)
図2は本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の要部を示す模式的上面図である。図1は、図2中のX1−X2の一点鎖線によって切断した模式的側断面図である。
【0025】
図1および図2に示すように、Si基板11の上に、蓄熱層12として酸化シリコン膜が形成されており、その上に発熱抵抗体層13、配線14としてAl層がそれぞれ所定のパターン形状に形成されている。一対の配線14同士の間隙にある発熱抵抗体層13の部分が発熱部20となる。
【0026】
この発熱抵抗体層13および配線14を覆う様に、第1層保護膜15として窒化シリコン層、発熱抵抗体層の発熱部20上に開口を有する第2層保護膜16として酸化シリコン層、第3層目保護膜17として窒化シリコン膜、更には発泡及び消泡時の衝撃やキャビテーション破壊からの保護を主目的とした耐キャビテーション膜18のTa膜が順に形成されている。
【0027】
この構造をもつインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法を、図3および図4の(a)〜(g)を用いて説明する。
【0028】
図3(a)に示すように、Si基板11に熱酸化法、スパッタ法、CVD法などによって、発熱抵抗体の下地としての蓄熱層12となる酸化シリコン膜を形成する。
【0029】
次に図3(b)に示すように、蓄熱層12上に、反応性スパッタリングにより、発熱抵抗体層13となるTaN層13aを約100nm、配線14となるAl層14aをスパッタリングにより500nmの厚さに形成する。
【0030】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、Al層14aをウェットエッチングし、さらにTaN層13aをリアクティブエッチングし、断面形状が図3(c)(平面形状は図1を参照のこと)のような配線14および発熱抵抗体層13を形成する。発熱部20は、Al層14aが除去されて発熱抵抗体層13が露出しており、配線パターン14に電流を流したときに発熱が生じる。
【0031】
次に、図3(d)に示すように、第1層保護膜15として窒化シリコン膜を200nm、さらに第2層保護膜16となる酸化シリコン膜16aをCVD法によって500nmの厚さに形成する。
【0032】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、発熱抵抗体の発熱部20上の酸化シリコン膜16aを部分的にフッ化水素液を用いてエッチングして、図4(e)に示すように第2層保護膜16を形成する。このとき、段差30が形成される。
【0033】
次に、図4(f)に示すように、第3層保護膜17として窒化シリコンを300nmの厚さにCVD法を用いて形成する。
【0034】
次に、図4(g)に示すように、スパッタリング法によって耐キャビテーション膜18としてのTaを200nmの厚さに形成する。
【0035】
最後にフォトリソグラフィ法によってTa膜及び第1〜第3層保護膜をエッチングし、外部電源との接続に必要なAl電極による電極パッドを露出させることにより、インクジェット記録ヘッド用基板の要部の製造を完了する。
【0036】
このようにして製造したインクジェット記録ヘッド用基板を用いてインクジェットヘッドを組み立て、その性能を確認したところ、省電力及び長寿命を達成できた。
【0037】
(実施例2)
第2層保護膜としてボロンまたはリンをドープした酸化シリコンを用いることを除き、実施例1と同様にしてインクジェット記録ヘッドを製造した。その結果、フッ化水素液に対するエッチングレートが速くなり、第1層保護膜の材料である窒化シリコンとの選択比がさらに大きくなった。これにより、第2層保護膜のエッチング時におきる第1層保護膜に対するダメージが軽減するので、さらに第2層保護膜を厚くすることができる。従って、省電力でありながら、配線層の保護を一層確実に図ることができる。
【0038】
以上の実施例において、米国特許第4,429,321号公報の様に、発熱抵抗体を駆動する集積回路を同一のSi基板内に作り込んでもよい。この場合、集積回路部分は、配線部分と同様に、第1層保護膜、第2層保護膜および第3層保護膜で覆われていることが好ましい。
【0039】
(他の実施例)
以下、本発明のインクジェットヘッド用基板を適用可能なインクジェットヘッド及びインクジェット装置について説明する。図5は、このようなインクジェットヘッドを示す模式的部分破断斜視図である。エッチング、蒸着スパッタリング等の半導体プロセス工程を経て、基板1102上に成膜形成された電気熱変換体1103、配線1104、液路壁1105、天板1106から構成されているインクジェットヘッドが示されている。
【0040】
記録用液体1112は図示していない液体貯蔵室から液体供給管1107を通してヘッド1101の共通液室1108内に供給される。図中、1109は液体供給管用コネクタである。共通液室1108内に供給された液体1112はいわゆる毛管現象により液路1110内に供給され、液路先端の吐出口面(オリフィス面)でメニスカスを形成することにより安定に保持される。
【0041】
ここで、電気熱変換体1103に通電することにより、電気熱変換体面上の液体が急峻に加熱され、液路中に気泡が生起され、その気泡の膨張、収縮により吐出口1111から液体を吐出し液滴が形成される。
【0042】
図6は、本発明が適用されるインクジェット装置の要部を示す模式的斜視図である。駆動モータ5013の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア5011,5009を介して回転するリードスクリュー5004の螺旋溝5005に対して係合するキャリッジHCはピン(不図示)を有し、矢印方向に往復移動される。5002は紙押え板であり、キャリッジ移動方向にわたって紙をプラテン5000に対して押圧する。5007,5008はフォトカプラでキャリッジのレバー5006のこの域での存在を確認してモータ5013の回転方向切替等を行うためのホームポジション検知手段である。
【0043】
5016は記録ヘッドの前面をキャップするキャップ部材5022を支持する部材で、5015はこのキャップ内を吸引する吸引手段でキャップ内開口5023を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。5017はクリーニングブレードで、5019はこのブレードを前後方向に移動可能にする部材であり、本体支持板5018にこれらは支持されている。ブレードは、この形態でなく周知のクリーニングブレードが本例に適用できることは言うまでもない。また、5012は吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジと係合するカム5020の移動に伴って移動し、駆動モータからの駆動力がクラッチ切替等の公知の伝達手段で移動制御される。
【0044】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復は、キャリッジがホームポジション側領域にきたときにリードスクリュー5004の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されているが、周知のタイミングで所望の作動を行うようにすれば、本例にはいずれも通用できる。なお、本装置は、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を駆動するための駆動信号供給手段を有している。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、省エネルギーと寿命安定性と工程管理の簡便性とを兼ね備えたインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の一例を示す模式的側断面図である。
【図2】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の一例を示す模式的上面図である。
【図3】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造工程を示す模式的側断面図である。
【図4】図3に引き続き、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造工程を示す模式的側断面図である。
【図5】本発明のインクジェット記録ヘッドの要部を示す模式的部分破断斜視図である。
【図6】本発明のインクジェット記録装置の要部を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
11 Si基板
12 蓄熱層(酸化シリコン)
13 発熱抵抗体
13a TaN層
14 配線パターン
14a Al層
15 第1層保護膜(窒化シリコン)
16 第2層保護膜
16a 酸化シリコン膜
17 第3層保護膜(窒化シリコン)
18 耐キャビテーション膜(Ta)
20 発熱部
30 段差
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head that performs recording by discharging ink, the head substrate, a method for manufacturing the substrate, and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
The ink jet recording system disclosed in US Pat. No. 4,723,129 or US Pat. No. 4,740,796 can perform high-speed, high-density, high-precision and high-quality recording, and is suitable for colorization and compactification. . A recording head that uses this ink jet recording method and foams ink using thermal energy to eject the ink onto a recording medium has the same heating resistor for foaming the ink and wiring that electrically connects to the heating resistor. In general, the ink jet recording head substrate is formed on the substrate, and nozzles for discharging ink are formed on the substrate.
[0003]
In addition, this inkjet recording head substrate is used in various ways in order to save labor of electric energy input on the one hand, and on the other hand, to prevent mechanical damage caused by ink foaming and a decrease in the life of the substrate due to destruction of the heat generating part due to heat pulses. Ingenuity has been made. In particular, many contrivances have been made for the protective film that protects the heat generating resistor having the heat generating portion located between the pair of wiring patterns from ink.
[0004]
From the viewpoint of heat efficiency, it is advantageous that the protective film has a high thermal conductivity or is thin. On the other hand, a thicker layer is advantageous from the viewpoint of the probability of mechanical damage and film defects accompanying ink foaming. Furthermore, the protective film also serves to protect the wiring connected to the heating resistor from ink, and in terms of thickness, the protective film is further restricted by the purpose of protecting the wiring portion rather than the heating resistor portion.
[0005]
In detail, the surface of the heating resistor is generally very smooth and the protective film thereon can be densely formed. On the other hand, the wiring is generally made of Al, and the surface of the Al is as manufactured. It is easily affected by heat, the surface is relatively uneven, and the thickness of Al is about 500 nm, so the quality of the protective film of the stepped portion tends to deteriorate. In view of the above, the protective film is required to have a certain thickness, in fact, about 1 μm.
[0006]
In order to make the protective film on the heating resistor as thin as possible and stabilize the protective function on the wiring, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-112902 discloses a method of partially thinning the protective film on the heating resistor. Is described. In this method, by reducing only the thickness of the protective film on the heating resistor, it is possible to achieve a reduction in energy input and stabilization of the life.
[0007]
However, in this example, first, the heating resistor and the wiring pattern are formed on the underlying silicon oxide film, then silicon oxide is formed as the first protective film, and then the heating resistor generates heat by patterning. In order to partially remove the protective film on the part and finally form silicon nitride as the second protective film, there are the following problems.
[0008]
The partial protection film is usually removed by wet etching. As the etching solution, if the first protective film is silicon oxide, a hydrogen fluoride-based etching solution is used. The heating resistor is generally made of HfB 2 or TaN, but these are not damaged by the hydrogen fluoride type etching solution.
[0009]
Here, when the part where the protective film is locally removed is located about several μm inside the heating resistor area of the heating resistor, there is no problem in the manufacturing process, but a relatively small area inside the entire area of the heating part. Therefore, the thermal efficiency is lowered.
[0010]
On the other hand, the quality of the protective film of the first layer formed while covering the step between the wiring and the heating resistor and the underlying substrate may be deteriorated at the step. Therefore, if the first protective layer is removed wider than the heating part of the heating resistor, the vicinity of the step between the heating resistor and the substrate below it will be etched, so along the step part having a relatively poor film quality. As a result, undercutting progresses and voids are generated inside the film, resulting in a problem that the life of the head substrate may be reduced. Here, the reason why the first layer film quality of the stepped portion is deteriorated is that vertical etching is often used for miniaturization as etching of the heating resistor, and the fact that the cross section is substantially 90 ° is also a factor. it is conceivable that. Therefore, in order to eliminate undercut as much as possible, it is necessary to strictly control the etching time of the first protective film.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the conventional problems, use the heat generating part of the heat generating resistor as widely as possible, and have a high thermal efficiency and an energy saving structure, but the process management is easy and the life is long, and the head And a manufacturing method of the substrate and an ink jet recording apparatus.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The inkjet recording head of the present invention protects a heating resistor that forms a heating portion on a substrate, wiring that is electrically connected to the heating resistor, and the heating resistor and the wiring. An ink jet recording head having an ink path communicating with an ejection port for ejecting ink on an ink jet recording head substrate having a protective film provided therefor, wherein the protective film includes the heating resistor and the heating resistor. A first layer protective film covering the wiring, and an opening formed on the first layer protective film with a material different from the first layer protective film and corresponding to the heat generating portion of the heat generating resistor; A second layer protective film made of an inorganic material, and a third layer protective film of the same material system as the first layer protective layer covering the second layer protective film and the first layer protective film exposed from the opening; , Including.
[0013]
In addition, the inkjet recording head substrate of the present invention includes a heating resistor layer provided on a silicon substrate and a pair formed on the heating resistor layer with a portion serving as a heating portion being spaced apart. a wiring layer electrically connected to a substrate for an ink jet recording head having a protective film covering said wiring layer on said heat generating resistor layer and the heat generating resistor layer, said protective film, said A first layer protective film covering the heating resistor layer and the wiring layer; and a step formed on an end of the wiring layer and the heating resistor layer from above the one layer protective film ; a second layer protective film provided so as to have a opening at a position corresponding to the section, said the two-layer protective film, said first layer protecting film through the opening, a third stacked in contact with the It has a layer protecting film; wherein said first layer protecting film third layer protective film and the same first A silicon compound, and wherein the second layer protective film is composed of a large etching rate material than the etch rate of the a different second silicon compound first silicon compound and the first silicon compound To do.
[0014]
The method for producing a substrate for an ink jet recording head according to the present invention includes a heating resistor layer provided on a silicon substrate and a pair of heating resistors layered on the heating resistor layer with a portion serving as a heating portion being separated. A method for manufacturing an ink jet recording head substrate, comprising: a wiring layer electrically connected to a body layer; and a protective film covering the heating resistor layer and the wiring layer on the heating resistor layer , the heating resistor layer and forming a first layer protecting film made of the first silicon compound covering said interconnection layer, from the top of the first layer protecting film, the heat generating resistor and the end of the wiring layer covers the step portion is formed in the layer, so as to have an opening at a position corresponding to the heating unit, first of the first greater etch rate than the etch rate of the silicon compound and the first silicon compound Unlike 2 silico Forming a second layer protective film made of a compound,
And having said second layer protecting film and said first layer protecting film through the opening, and a step of laminating a third layer protective film consisting of the first silicon compound in contact with the .
[0015]
In addition, an ink jet recording apparatus of the present invention includes the above ink jet recording head and a member for mounting the ink jet recording head.
[0016]
In the present invention as described above, since the first layer protective film covers the heating resistor and the wiring, the step difference at the corners of the heating resistor and the wiring pattern is alleviated. Therefore, the film quality of the second layer protective film formed thereon is improved, and even if the second layer protective film is etched, overetching does not substantially proceed along the stepped portion.
[0017]
The third layer protective film of the same material system as the first layer protective film is combined with the first layer protective film remaining on the heat generating part to form a protective film for the heat generating part, while on the wiring, the first layer protective film and A protective film having at least a three-layer structure is formed on the second protective film. As described above, since the film is formed by being divided into a plurality of layers, even if there is a defect somewhere in the protective film of one layer, the probability that a defect will occur somewhere in the entire protective film having a multi-layer structure is extremely high. Can be small.
[0018]
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ink jet recording head, a head substrate, a method for manufacturing the substrate, and an ink jet recording apparatus that combine energy saving, life stability, and process management simplicity.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inkjet recording head according to the present invention protects a heating resistor that forms a heating portion on a substrate, wiring that is electrically connected to the heating resistor, and the heating resistor and wiring on the heating resistor. And an ink path that communicates with an ejection port for ejecting ink, on a substrate for an inkjet recording head having a protective film. The protective film is a first layer protective film that covers the heating resistor and the wiring, and a portion that is formed on the first layer protective film with a material different from that of the first layer protective film and that corresponds to the heating portion of the heating resistor. A third layer of the same material system as the first layer protective layer covering the second layer protective film made of an inorganic material having an opening in the first layer protective film and the second layer protective film and the first layer protective film exposed from the opening And a protective film.
[0020]
In the present invention, the material of the second layer protective film is formed of a material different from that of the first layer protective film mainly for manufacturing reasons. Usually, since the opening of the second layer protective film is formed by etching, the second layer protective film is preferably formed of a material that is more easily etched than the first layer protective film. That is, it is preferable to select a material such that the etching rate of the second layer protective film material is higher than that of the first layer protective film material, and in particular, the selectivity (the etching rate of the second layer protective film material / the first layer covering film). The etching rate of the material is preferably 10 or more, and more preferably 20 or more.
[0021]
In the present invention, the first layer protective film and the third layer protective film are made of the same material system mainly from the viewpoint of adhesion strength between the films in the opening of the heat generating portion. Here, the second layer protective film is formed of a material different from that of the first layer protective film and the third layer protective film as described above, but from the same material system as the first layer protective film and the third layer protective film. It is preferable to become. The “same material system” is particularly preferably a material containing silicon. As such a material, it is preferable that the first layer protective film and the third layer protective film are formed of silicon nitride and the second layer protective film is formed of silicon oxide.
[0022]
It is preferable to form the second layer covering film with silicon oxide containing boron or phosphorus because the difference in etching rate from the silicon nitride film can be further increased. In the present invention, the thickness of the first protective film is usually 0.01 to 0.5 μm, preferably 0.01 to 0.1 μm. The film thickness of the second layer protective film is usually 0.3 to 1.5 μm, preferably 0.5 to 1.0 μm. The film thickness of the third layer protective film is usually 0.1 to 1.0 μm, preferably 0.1 to 0.5 μm.
[0023]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0024]
(Example 1)
FIG. 2 is a schematic top view showing the main part of the ink jet recording head substrate of the present invention. FIG. 1 is a schematic side cross-sectional view taken along the one-dot chain line X1-X2 in FIG.
[0025]
As shown in FIGS. 1 and 2, a silicon oxide film is formed as a heat storage layer 12 on a Si substrate 11, and an Al layer as a heating resistor layer 13 and a wiring 14 is formed in a predetermined pattern shape on the silicon oxide film. Is formed. A portion of the heating resistor layer 13 in the gap between the pair of wirings 14 becomes a heating portion 20.
[0026]
A silicon nitride layer is formed as the first layer protective film 15 so as to cover the heat generating resistor layer 13 and the wiring 14, a silicon oxide layer is formed as the second layer protective film 16 having an opening on the heat generating portion 20 of the heat generating resistor layer, As the third protective film 17, a silicon nitride film, and further a Ta film of the anti-cavitation film 18 mainly for protection from impact and cavitation destruction during foaming and defoaming are formed in order.
[0027]
A method for manufacturing an ink jet recording head substrate having this structure will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4G.
[0028]
As shown in FIG. 3A, a silicon oxide film serving as a heat storage layer 12 as a base of the heating resistor is formed on the Si substrate 11 by thermal oxidation, sputtering, CVD, or the like.
[0029]
Next, as shown in FIG. 3B, the TaN layer 13a to be the heating resistor layer 13 is about 100 nm thick on the heat storage layer 12 by reactive sputtering, and the Al layer 14a to be the wiring 14 is 500 nm thick by sputtering. To form.
[0030]
Next, the Al layer 14a is wet-etched by photolithography, and the TaN layer 13a is reactive-etched. The cross-sectional shape is as shown in FIG. 3C (see FIG. 1 for the planar shape). The wiring 14 and the heating resistor layer 13 are formed. In the heat generating portion 20, the Al layer 14a is removed and the heat generating resistor layer 13 is exposed, and heat is generated when a current is passed through the wiring pattern 14.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3D, a silicon nitride film is formed to a thickness of 200 nm as the first layer protective film 15, and a silicon oxide film 16a to be the second layer protective film 16 is formed to a thickness of 500 nm by the CVD method. .
[0032]
Next, using a photolithography method, the silicon oxide film 16a on the heat generating portion 20 of the heat generating resistor is partially etched using a hydrogen fluoride solution to form the second layer as shown in FIG. A protective film 16 is formed. At this time, a step 30 is formed.
[0033]
Next, as shown in FIG. 4F, silicon nitride is formed as a third layer protective film 17 to a thickness of 300 nm using a CVD method.
[0034]
Next, as shown in FIG. 4G, Ta as the anti-cavitation film 18 is formed to a thickness of 200 nm by a sputtering method.
[0035]
Finally, the Ta film and the first to third layer protective films are etched by photolithography to expose the electrode pads by the Al electrodes necessary for connection to the external power source, thereby manufacturing the main part of the substrate for the ink jet recording head. To complete.
[0036]
As a result of assembling an ink jet head using the ink jet recording head substrate thus manufactured and confirming its performance, power saving and a long life could be achieved.
[0037]
(Example 2)
An ink jet recording head was manufactured in the same manner as in Example 1 except that silicon oxide doped with boron or phosphorus was used as the second layer protective film. As a result, the etching rate with respect to the hydrogen fluoride solution was increased, and the selectivity with respect to silicon nitride as the material of the first layer protective film was further increased. As a result, damage to the first layer protective film that occurs during etching of the second layer protective film is reduced, so that the second layer protective film can be further thickened. Therefore, the wiring layer can be more reliably protected while saving power.
[0038]
In the above embodiment, an integrated circuit for driving the heating resistor may be built in the same Si substrate as in US Pat. No. 4,429,321. In this case, the integrated circuit portion is preferably covered with the first layer protective film, the second layer protective film, and the third layer protective film, similarly to the wiring portion.
[0039]
(Other examples)
Hereinafter, an inkjet head and an inkjet apparatus to which the inkjet head substrate of the present invention can be applied will be described. FIG. 5 is a schematic partially broken perspective view showing such an ink jet head. An inkjet head including an electrothermal transducer 1103, a wiring 1104, a liquid path wall 1105, and a top plate 1106 formed on a substrate 1102 through a semiconductor process such as etching and vapor deposition sputtering is shown. .
[0040]
The recording liquid 1112 is supplied from a liquid storage chamber (not shown) through the liquid supply pipe 1107 into the common liquid chamber 1108 of the head 1101. In the figure, reference numeral 1109 denotes a liquid supply pipe connector. The liquid 1112 supplied into the common liquid chamber 1108 is supplied into the liquid passage 1110 by a so-called capillary phenomenon, and is stably held by forming a meniscus on the discharge port surface (orifice surface) at the front end of the liquid passage.
[0041]
Here, when the electrothermal transducer 1103 is energized, the liquid on the surface of the electrothermal transducer is heated suddenly, bubbles are generated in the liquid path, and the liquid is discharged from the discharge port 1111 by the expansion and contraction of the bubbles. A droplet is formed.
[0042]
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a main part of an ink jet apparatus to which the present invention is applied. The carriage HC that engages with the spiral groove 5005 of the lead screw 5004 that rotates via the driving force transmission gears 5011 and 5009 in conjunction with forward and reverse rotation of the drive motor 5013 has a pin (not shown), and is in the direction of the arrow. Is reciprocated. Reference numeral 5002 denotes a paper pressing plate that presses the paper against the platen 5000 in the carriage movement direction. Reference numerals 5007 and 5008 denote home position detecting means for confirming the presence of the carriage lever 5006 in this region by a photocoupler and switching the rotation direction of the motor 5013 and the like.
[0043]
Reference numeral 5016 denotes a member that supports a cap member 5022 that caps the front surface of the recording head. Reference numeral 5015 denotes suction means for sucking the inside of the cap, and performs suction recovery of the recording head through the cap opening 5023. Reference numeral 5017 denotes a cleaning blade, and reference numeral 5019 denotes a member that enables the blade to move in the front-rear direction, and these are supported by a main body support plate 5018. Needless to say, the blade is not in this form, and a known cleaning blade can be applied to this example. Reference numeral 5012 denotes a lever for starting suction for suction recovery. The lever 5012 moves with the movement of the cam 5020 engaged with the carriage, and the driving force from the drive motor is controlled by a known transmission means such as clutch switching. The
[0044]
These capping, cleaning, and suction recovery are configured so that desired processing can be performed at their corresponding positions by the action of the lead screw 5004 when the carriage comes to the home position side region. Any operation can be applied to this example as long as the operation is performed. The apparatus includes a drive signal supply unit for driving an energy generating element that generates energy used to eject ink.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ink jet recording head, a head substrate, a method for manufacturing the substrate, and an ink jet recording apparatus that have both energy saving, life stability, and ease of process management. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional side view showing an example of a substrate for an ink jet recording head of the present invention.
FIG. 2 is a schematic top view showing an example of a substrate for an ink jet recording head of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional side view illustrating a manufacturing process of an ink jet recording head substrate of the present invention.
4 is a schematic cross-sectional side view showing the manufacturing process of the ink jet recording head substrate of the present invention, following FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a schematic partially broken perspective view showing a main part of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a main part of the ink jet recording apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Si substrate 12 Thermal storage layer (silicon oxide)
13 Heating resistor 13a TaN layer 14 Wiring pattern 14a Al layer 15 First layer protective film (silicon nitride)
16 Second layer protective film 16a Silicon oxide film 17 Third layer protective film (silicon nitride)
18 Anti-cavitation film (Ta)
20 Exothermic part 30 Step

Claims (7)

シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線と、前記発熱抵抗体該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板であって、
前記保護膜が、
前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第1層保護膜と、
前記第1層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように設けられた第2層保護膜と、
前記第2層保護膜と、前記開口を介して前記第1層保護膜と、に接して積層された第3層保護膜と、
を有し、
前記第1層保護膜と前記第3層保護膜とが同じ第1のシリコン化合物からなり、前記第2層保護膜が前記第1のシリコン化合物とは異なる第2のシリコン化合物であって前記第1のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の材料からなることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板
A heating resistor layer provided on the silicon substrate; a wiring layer laminated on the heating resistor layer with a portion serving as a heating portion being separated; and the heating layer electrically connected to the heating resistor layer; a protective film covering the resistor layer and the wiring layer on the heat generating resistor layer, a substrate for an ink jet recording head having,
The protective film is
A first layer protective film covering the heating resistor layer and the wiring layer ;
From the top of the first layer protecting film, covering a step portion formed at an end of the wiring layer and the heating resistor layer, a second that is provided so as to have a opening at a position corresponding to the heating unit A layer protective film;
Said second layer protecting film and said first layer protecting film through the opening, and a third layer protective film laminated in contact with,
Have
The first layer protective film and the third layer protective film are made of the same first silicon compound, and the second layer protective film is a second silicon compound different from the first silicon compound, An ink jet recording head substrate comprising a material having an etching rate higher than that of one silicon compound .
前記第1のシリコン化合物が窒化シリコンであり、前記第2のシリコン化合物が酸化シリコンであることを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド用基板 2. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein the first silicon compound is silicon nitride and the second silicon compound is silicon oxide . 前記第1のシリコン化合物が窒化シリコンであり、前記第2のシリコン化合物がボロンまたはリンを含む酸化シリコンからなることを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド用基板 2. The ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein the first silicon compound is silicon nitride, and the second silicon compound is made of silicon oxide containing boron or phosphorus . 前記第3層保護膜の上に、耐キャビテーション膜が更に設けられていることを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板Wherein on the third layer protective film, an ink jet recording head substrate according to any one of claims 1 to 3, characterized in that anti-cavitation film is further provided. 前記耐キャビテーション膜はタンタルからなることを特徴とする請求項4に記載のインクジェット記録ヘッド用基板5. The inkjet recording head substrate according to claim 4, wherein the cavitation-resistant film is made of tantalum . 請求項1ないし5のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板の上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 6. An ink jet recording head, comprising: an ink jet recording head substrate according to claim 1, wherein an ink path communicating with an ejection port for ejecting ink is provided on the ink jet recording head substrate . シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第1のシリコン化合物からなる第1層保護膜を形成する工程と、
前記第1層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように、前記第1のシリコン化合物とは異なり前記第1のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の第2のシリコン化合物からなる第2層保護膜を形成する工程と、
前記第2層保護膜と、前記開口を介して前記第1層保護膜と、に接して前記第1のシリコン化合物からなる第3層保護膜を積層する工程と、
有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
A heating resistor layer provided on the silicon substrate; a wiring layer laminated on the heating resistor layer with a portion serving as a heating portion being separated; and the heating layer electrically connected to the heating resistor layer; A protective film covering the resistor layer and the wiring layer on the heating resistor layer , and a method for manufacturing an ink jet recording head substrate,
Forming a first layer protective film made of a first silicon compound covering the heating resistor layer and the wiring layer ;
The first silicon is formed so as to cover a step portion formed by an end of the wiring layer and the heating resistor layer from above the first layer protective film and to have an opening at a position corresponding to the heating portion. a compound forming a second layer protective film made of the second silicon compound of greater etch rate than the etch rate of the first silicon compound Unlike,
Laminating a third layer protective film made of the first silicon compound in contact with the second layer protective film and the first layer protective film through the opening;
A method for producing a substrate for an ink jet recording head, comprising:
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