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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-11491(P2020-11491A)
(43)【公開日】2020年1月23日
(54)【発明の名称】素子基板および液体吐出ヘッド
(51)【国際特許分類】
   B41J 2/14 20060101AFI20191220BHJP
【FI】
   B41J2/14 205
   B41J2/14 201
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】OL
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2018-136800(P2018-136800)
(22)【出願日】2018年7月20日
(71)【出願人】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123788
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 昭夫
(74)【代理人】
【識別番号】100127454
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 雅昭
(72)【発明者】
【氏名】下津佐 峰生
(72)【発明者】
【氏名】岩橋 進哉
(72)【発明者】
【氏名】佐久間 貞好
【テーマコード(参考)】
2C057
【Fターム(参考)】
2C057AF23
2C057AF93
2C057AG42
2C057AG46
2C057AG82
2C057AG91
2C057AQ02
2C057BA04
2C057BA13
(57)【要約】      (修正有)
【課題】発熱抵抗体の下側に設けられる部材が平坦化されている場合であっても、発熱抵抗体の放熱性を向上させることが可能な素子基板を提供する。
【解決手段】素子基板100は、基材10と、基材10に積層された蓄放熱層13と、蓄放熱層13に積層された発熱抵抗体15と、蓄放熱層13に埋設され、かつ、発熱抵抗体15と接続された1対の接続配線12aおよび12bとを有する。発熱抵抗体15における接続配線12aおよび12bのそれぞれと接続する接続領域の互いに反対側の端部から互いに離れる方向に延びる放熱作用領域23aおよび23bの合計は、接続領域12aおよび12bの面積の合計の10倍よりも大きい。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、絶縁性を有し、前記基材に積層された蓄放熱層と、前記蓄放熱層に積層された発熱抵抗体と、前記蓄放熱層に埋設され、かつ、前記発熱抵抗体と接続された少なくとも1対の接続配線と、を有し、前記接続配線を介して前記発熱抵抗体に電力を供給する素子基板において、
前記発熱抵抗体は、前記1対の接続配線のそれぞれと接続し、かつ、前記1対の接続配線が並んだ方向とは交差する方向に延びる1対の接続領域と、前記1対の接続領域の間の発熱領域と、前記1対の接続領域の前記発熱領域とは反対側の端部から互いに離れる方向に延びる1対の外延領域と、を含み、
前記1対の外延領域の面積の合計は、前記1対の接続領域の面積の合計の10倍よりも大きいことを特徴とする素子基板。
【請求項2】
前記1対の外延領域の面積の合計は、前記1対の接続領域の面積の合計の20倍よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の素子基板。
【請求項3】
前記1対の外延領域の面積の合計は、前記1対の接続領域の面積の合計の1000倍よりも小さいことを特徴する、請求項1または2に記載の素子基板。
【請求項4】
前記蓄放熱層における前記発熱抵抗体が積層された面は、平坦化されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項5】
前記接続配線は、ビアで形成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項6】
前記発熱抵抗体を覆うように設けられた保護層と、前記保護層に積層された耐キャビテーション層とをさらに有し、
前記1対の外延領域の少なくとも一方は、前記基材と直交する方向から見て前記耐キャビテーション層からはみ出していることを特徴する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項7】
前記保護層の膜厚は、300nm以下であることを特徴とする請求項6に記載の素子基板。
【請求項8】
前記外延領域は、前記基材と直交する方向から見て矩形状、ハンマーヘッド形状または櫛歯形状であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項9】
前記発熱抵抗体と前記基材との間に設けられた補助配線をさらに有することを特徴する請求項1ないし8のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項10】
前記基材と前記蓄放熱層との間に設けられた絶縁層をさらに有し、
前記補助配線は、前記絶縁層に埋設された信号配線を含むことを特徴する請求項9に記載の素子基板。
【請求項11】
前記補助配線は、前記信号配線と前記基材とを接続する第1の補助接続配線を含むことを特徴する請求項10に記載の素子基板。
【請求項12】
前記信号配線は、間隔を空けて複数積層されることを特徴する請求項10または11に記載の素子基板。
【請求項13】
前記補助配線は、複数の前記信号配線を互いに接続することを特徴する請求項12に記載の素子基板。
【請求項14】
前記補助配線は、前記蓄放熱層に埋設された補助給電配線と、前記補助給電配線と前記信号配線とを接続する第3の補助接続配線とをさらに含むことを特徴する請求項10ないし13のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項15】
液体が供給される供給口をさらに有し、
前記補助配線と前記供給口との間は、前記発熱抵抗体と前記供給口との間よりも長い請求項9ないし14のいずれか1項。
【請求項16】
液体が供給される供給口と、前記接続配線と接続された給電配線とをさらに有し、
前記給電配線と前記供給口との間は、前記発熱抵抗体と前記供給口との間よりも長い請求項1ないし15のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項17】
前記蓄放熱層に埋設され、前記接続配線を介して前記発熱抵抗体に電力を供給する給電配線と、前記蓄放熱層に埋設され、前記1対の接続領域の少なくとも一方と前記給電配線とを接続する追加接続配線と、をさらに有し、
前記追加接続配線は、前記接続配線よりも外側に設けられることを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1項に記載の素子基板。
【請求項18】
請求項1ないし17のいずれか1項に記載の素子基板と、
前記発熱抵抗体の発熱によって液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材と、を有する液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を備えた素子基板および液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【0002】
インクジェットプリンタのような液体吐出装置で用いられる液体吐出ヘッドには、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子として、熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有する素子基板を備えたものがある。この種の液体吐出ヘッドでは、近年の液体吐出ヘッドに対する高速化や長寿命化の要請に伴い、発熱抵抗体の抵抗値が変化する変化量の抑制が求められている。
また、特許文献1には、発熱抵抗体を備えた液体吐出ヘッドにおいて、発熱抵抗体を効率良く駆動するために、発熱抵抗体の下側に設けられる部材を平坦化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002−144571号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載の技術には、発熱抵抗体の大部分が熱伝導率の比較的小さい絶縁膜に覆われているため、放熱性が低いという問題がある。
具体的には、従来、発熱抵抗体は配線層と大面積で直接接続され、発熱抵抗体の放熱は熱伝導率の比較的高い配線層を介して行われている。これに対して特許文献1に記載の技術では、発熱抵抗体は、ビアを介して配線層と接続され、かつ、熱伝導率の比較的小さい絶縁膜に覆われているため、放熱性が低い。放熱性が低いと、発熱抵抗体とその周辺が十分に冷却されず、発熱抵抗体の抵抗値の変化量が大きくなってしまう。
【0005】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、発熱抵抗体の下側に設けられる部材が平坦化されている場合であっても、発熱抵抗体の放熱性を向上させることが可能な素子基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明による素子基板は、基材と、絶縁性を有し、前記基材に積層された蓄放熱層と、前記蓄放熱層に積層された発熱抵抗体と、前記蓄放熱層に埋設され、かつ、前記発熱抵抗体と接続された少なくとも1対の接続配線と、を有し、前記接続配線を介して前記発熱抵抗体に電力を供給する素子基板において、前記発熱抵抗体は、前記1対の接続配線のそれぞれと接続し、かつ、前記1対の接続配線が並んだ方向とは交差する方向に延びる1対の接続領域と、前記1対の接続領域の間の発熱領域と、前記1対の接続領域の前記発熱領域とは反対側の端部から互いに離れる方向に延びる1対の外延領域と、を含み、前記1対の外延領域の面積の合計は、前記1対の接続領域の面積の合計の10倍よりも大きいことを特徴とする。
本発明による液体吐出ヘッドは、前記素子基板と、前記発熱抵抗体の発熱によって液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材と、を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、接続配線が接続される接続領域から互いに離れる方向に延びる外延領域の面積の合計が接続領域の面積の合計の10倍よりも大きいため、外延領域を用いて放熱することが可能になる。したがって、発熱抵抗体の下側に設けられる部材が平坦化され、接続配線がビアであっても、発熱抵抗体の放熱性を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明の第1の実施形態の素子基板を模式的に示す図である。
図2】本発明の第1の実施形態の素子基板における放熱作用領域率と抵抗変化率との関係を示す図である。
図3】本発明の第2の実施形態の素子基板を模式的に示す図である。
図4】本発明の第3の実施形態の素子基板を模式的に示す図である。
図5】本発明の第4の実施形態の素子基板を模式的に示す図である。
図6】本発明の第5の実施形態の素子基板を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【0010】
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る素子基板を示す図である。具体的には、図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る素子基板を模式的に示した平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿った縦断面図である。
図1に示す素子基板100は、インクジェットプリンタのような液体吐出装置で用いられる液体吐出ヘッドに搭載され、インクなどの液体を吐出するために使用される。図1に示すように素子基板100は、基板1と、基板1に積層された吐出口形成部材2とを有する。基板1は、基材10と、絶縁層11と、給電配線12aおよび12bと、蓄放熱層13と、接続配線14aおよび14bと、発熱抵抗体15と、保護層16とを含む。図1では、積層方向をZ方向、Z方向に直交し、かつ、互いに直交する2方向をそれぞれX方向およびY方向としている。
基材10は、例えば、単結晶シリコンなどで形成される。絶縁層11は、基材10の上に積層されている。絶縁層11は、絶縁性(電気絶縁性)を有する。絶縁層11は、例えば、酸化珪素などの無機質材料で形成される。
給電配線12aおよび12bは、絶縁層11の上に積層される配線層である。給電配線12aおよび12bは、発熱抵抗体15に対して電源電力を供給するための配線である。給電配線12aおよび12bは、例えば、アルミニウムや銅を主成分とする金属材料で形成される。
【0011】
蓄放熱層13は、給電配線12aおよび12bを覆うように絶縁層11の上に積層される。蓄放熱層13は、素子基板100の熱応答特性を向上させる機能を有する。蓄放熱層13は、絶縁性と所望の熱伝導性とを有する。蓄放熱層13は、例えば、酸化珪素などの無機質材料で形成される。蓄放熱層13は、例えば、1.0〜3.0μm程度の厚みを有する。
発熱抵抗体15は、蓄放熱層13上に積層される。具体的には、発熱抵抗体15の積層前に、蓄放熱層13における発熱抵抗体15が積層される面に対して、その面を平坦化するための平坦化処理が行われ、その平坦化処理が行われた面に発熱抵抗体15が積層される。平坦化処理は、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)などによって行われる。
発熱抵抗体15は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生させるエネルギー発生素子として機能する。発熱抵抗体15は、例えば、TaSiN(窒化タンタルシリコン)やWSiN(窒化タングステンシリコン)などの抵抗材料で形成される。発熱抵抗体15は、例えば、10〜200nm程度の厚みを有する。
素子基板100の高速化の観点から、発熱抵抗体15の抵抗値は、給電配線12aおよび12bの抵抗値に対して十分に高いことが望ましい。これは、発熱抵抗体15の抵抗値が低い場合、給電配線12aおよび12bの電圧降下のために、同時に駆動できる発熱抵抗体15の数、つまり同時に記録できるビット数が制限されてしまい、記録速度が低下するからである。本実施形態では、発熱抵抗体15のシート抵抗値は1000Ω/□である。これは、例えば、発熱抵抗体15の比抵抗を4000μΩcm、膜厚を40nmとすることで実現できる。
【0012】
接続配線14aおよび14bは、蓄放熱層13を貫通するように設けられたビアで形成され、給電配線12aおよび12bと発熱抵抗体15とを電気的に接続する。具体的には、接続配線14aは、給電配線12aと発熱抵抗体15とを電気的に接続する第1のビアであり、接続配線14bは、給電配線12bと発熱抵抗体15とを接続する第2のビアである。電気的な接続は、より具体的には、オーミックな接続である。接続配線14aおよび14bは、例えば、タングステンや銅を主成分とする金属材料で形成される。
接続配線14aおよび14bは、例えば、正方形状のマスクパターンなどを用いて形成される。本実施形態では、接続配線14aおよび14bは、X方向に並んで配置される。接続配線14aおよび14bは、少なくとも1対、つまり、それぞれ少なくとも1つずつあればよい。本実施形態では、接続配線14aおよび14bは、それぞれ複数ずつあり、複数の接続配線14aおよび複数の接続配線14bはそれぞれY方向に並んで配置される。また、接続配線14aおよび14bは、横断面が略円形となる形状を有し、その幅(直径)は0.3〜0.6μm程度である。しかしながら、接続配線14aおよび14bは、この例に限らず、例えば、横断面が矩形状となる形状を有してもよい。この場合、接続配線14aおよび14bにおける横断面の幅(長手方向の長さ)は0.3〜0.6μm程度である。なお、接続配線14aおよび14bの大きさは略等しい。
【0013】
保護層16は、発熱抵抗体15を覆うように蓄放熱層13の上に積層される。保護層16は、絶縁性を有する。保護層16は、給電配線12aおよび12bや発熱抵抗体15をインクなどの液体から保護する。保護層16は、例えば、窒化珪素を含む無機材料で形成される。保護層16は、素子基板100の熱応答特性を良くするためにできるだけ薄くすることが好ましい。具体的には、保護層16は、300nm以下であることが好ましい。本実施形態では、保護層16は、50〜300nm程度の厚みを有する。
また、本実施形態では、発熱抵抗体15の下側に設けられた部材である蓄放熱層13が平坦化されているため、発熱抵抗体15の側部で生じる段差部の高さは、発熱抵抗体15の厚みと同一となる。このため、発熱抵抗体15の上部に位置する保護層16の膜厚を薄くすることが可能である。これにより、発熱抵抗体15から液体への熱伝達効率を高くし、少ない電源電力で液体を吐出することが可能になる。
吐出口形成部材2は、保護層16の上に積層される。吐出口形成部材2は、インクなどの液体を吐出する吐出口3を備える。
保護層16と吐出口形成部材2との間には、吐出口3から吐出する液体を蓄える圧力室4と、圧力室4と連通し、圧力室4まで液体を導く流路5とが形成されている。圧力室4は、発熱抵抗体15の上方に設けられ、吐出口3は圧力室4を介して発熱抵抗体15と対向する位置に設けられる。なお、流路5は、液体を、流路5を介して圧力室4に供給するための供給口(図示せず)と接続されている。
【0014】
以上説明した素子基板100では、給電配線12aおよび12bから接続配線14aおよび14bを介して電源電力が発熱抵抗体15に供給されると、発熱抵抗体15にて熱エネルギーが発生し、その熱エネルギーにより圧力室4内に気泡6が生じる。そして、気泡6により圧力室4内の圧力が増加して、圧力室4内の液体が吐出口3から吐出される。
このとき、蓄放熱層13は、発熱抵抗体15で発生する熱の蓄熱および放熱を行う。例えば、蓄放熱層13は、発熱抵抗体15で発生する熱を蓄熱して、発熱抵抗体15の温度を気泡6が発生するのに必要な温度まで上昇させる時間を短くする。また、蓄放熱層13は、気泡6を発生させた後に不要となった熱を基材10や給電配線12aおよび12bなどに逃がすことで放熱する。
【0015】
また、本実施形態では、発熱抵抗体15は、熱応答特性の更なる向上のために、接続領域21aおよび21bと、発熱作用領域22と、放熱作用領域23aおよび23bとを含む。
接続領域21aおよび21bは、接続配線14aおよび14bが接続する1対の領域である。より具体的には、接続領域21aは、接続配線14aと接続し、かつ、接続配線14aのX方向の幅と同じ幅L1aを有し、Y方向に発熱抵抗体15の端から端まで延びる領域である。また、接続領域21bは、接続配線14bと接続し、かつ、接続配線14bのX方向の幅と同じ幅L1bを有し、Y方向に発熱抵抗体15の端から端まで延びる領域である。すなわち、接続領域21aおよび21bは、接続配線14aと14bとが並ぶ方向であるX方向に略直交するY方向に延びている。なお、接続領域21aおよび21bは、X方向に対して交差する方向に延びていればよい。また、本実施形態では、接続領域21aおよび21bは、複数の接続配線14aおよび14bがそれぞれY方向に並べて配置されて構成されているが、Y方向に延びた1対の接続配線14aおよび14bによって構成されていてもよい。
発熱作用領域22は、素子基板100を上方(基材10と直交する方向)から見たとき吐出口3を含む領域である。具体的には、発熱作用領域22は、接続領域21aおよび21bの間にある領域、つまり、接続領域21aの接続領域21b側(吐出口3側)の端部から、接続領域21bの接続領域21a側(吐出口3側)の端部までの領域である。
発熱作用領域22は、接続配線14aおよび14bを介して発熱抵抗体15に電源電力が供給された際に電流が流れることで発熱する発熱領域、つまり、液体を吐出するための熱エネルギーを発生させる領域である。
発熱作用領域22は、上方から見て略正方形状となることが望ましい。この場合、発熱抵抗体15によって発生する気泡6を略円形状とすることが可能になる。これにより、吐出された液体から生じる分散滴を抑制することが可能になり、その結果、高精細な記録が可能となる。
また、発熱作用領域22のサイズに応じて、発生する熱エネルギーが変化し、その結果、吐出口3から吐出される液体の量である吐出量が変化する。したがって、発熱作用領域22のサイズは所望の吐出量に応じて決定されることが望ましい。例えば、液体の所望の吐出量が1plの場合、発熱作用領域22が上方から見て略正方形状であるとすると、発熱作用領域22のX方向の幅L2が15μmとなるように設計される。
【0016】
放熱作用領域23aおよび23bは、接続領域21aおよび21bのそれぞれから互いに離れる方向に延びる1対の外延領域である。具体的には、放熱作用領域23aは、接続領域21aの接続領域21b側(吐出口3側)とは反対側の端部から接続領域21b側とは反対側に延びる第1の領域である。放熱作用領域23bは、接続領域21bの接続領域21a側(吐出口3側)とは反対側の端部から接続領域21aとは反対側に延びる第2の領域である。
放熱作用領域23aおよび23bは、発熱作用領域22で発生された熱エネルギーを放熱させる領域である。本実施形態では、放熱作用領域23aおよび23bの面積は、接続領域21aおよび21bの面積よりも十分大きいことが望ましい。具体的には、放熱作用領域23aおよび23bの面積の合計は、接続領域21aおよび21bの面積の合計の10倍よりも大きいことが望ましく、20倍よりも大きいことがより望ましい。
本実施形態では、発熱抵抗体15は矩形状であり、接続領域21aおよび21bと放熱作用領域23aおよび23bとは、Y方向の長さが等しい矩形状である。したがって、放熱作用領域23aおよび23bの面積と接続領域21aおよび21bの面積の比率は、放熱作用領域23aおよび23bの幅L3aおよびL3bと接続領域21aおよび21bの幅L1aおよびL1bの比率と等しい。このため、放熱作用領域23aおよび23bの幅L3aおよびL3bの合計が接続領域21aおよび21bの幅L1aおよびL1bの10倍よりも大きいことが望ましく、20倍よりも大きいことがより望ましい。
【0017】
図2および表1は、本実施形態の素子基板100における放熱作用領域率と抵抗変化率との関係を評価した評価結果を示す。
【表1】
図2および表1で示された例では、接続領域21aおよび21bは互いに同形状であり、放熱作用領域23aおよび23bは互いに同形状である。放熱作用領域率は、接続領域21aの面積に対する放熱作用領域23aの面積の比率、つまり、接続領域21aの幅L1aに対する放熱作用領域23aの幅L3aの比率を示す。なお、放熱作用領域率は、接続領域21bの面積に対する放熱作用領域23bの面積の比率、つまり、接続領域21bの幅L1bに対する放熱作用領域23bの幅L3bの比率にも一致する。抵抗変化率は、パルス電圧を発熱抵抗体15に対して1×1010回供給した場合における発熱抵抗体15の抵抗値の初期値からの変化率を示す。
図2では、横軸は、放熱作用領域率を対数目盛で示し、縦軸は、抵抗変化率の絶対値を任意の目盛で示す。表2における抵抗変化率は、抵抗変化率の絶対値を、放熱作用領域率が1の場合を100%とした値で示す。
図2および表1では、互いに異なる条件1および2における抵抗変化率が示されている。条件1は、発熱抵抗体15に供給するパルス電圧のパルス幅が1.0μsecであり、条件2は、パルス電圧のパルス幅が0.5μsecである。パルス電圧の駆動周波数は、条件1および2に共通しており、15kHzである。なお、条件2の方が条件1よりも発熱抵抗体15の抵抗値の変化量が大きい。
図2および表1に示されたように、放熱作用領域率が3以下の場合、発熱抵抗体15の抵抗変化率が著しく大きい。また、放熱作用領域率が5以上の場合、発熱抵抗体15の抵抗変化率が低下する。そして、放熱作用領域率が10以上の場合、発熱抵抗体15の抵抗変化率が大きく低下する。そして、放熱作用領域率が200の場合、条件1および2の両方において発熱抵抗体15の抵抗変化率が約4分の1まで低くすることができる。また、放熱作用領域率が200よりも大きい場合、図示していないが、発熱抵抗体15の抵抗変化率は、放熱作用領域率が200の場合と比べてあまり低下しない。
また、接続領域21bの幅L1bに対する放熱作用領域23bの幅L3bの比率を0に固定して、接続領域21aの幅L1aに対する放熱作用領域23aの幅L3aの比率のみを変化させたとする。この場合、放熱作用領域率と抵抗変化率との関係は、図2および表1の放熱作用領域率の値を略2倍にしたものと一致する。このため、放熱作用領域率が10、つまり、接続領域21aの幅L1aに対する放熱作用領域23aの幅L3aの比率を10とした場合に、抵抗変化率は88.9%となる。
以上により、放熱作用領域23aおよび23bの幅L3aおよびL3bの合計が接続領域21aおよび21bの幅L1aおよびL1bの合計の10倍よりも大きければ、発熱抵抗体15の抵抗変化率を十分に低下させることが分かる。また、放熱作用領域23aおよび23bの幅L3aおよびL3bの合計が接続領域21aおよび21bの幅L1aおよびL1bの合計の20倍よりも大きければ、発熱抵抗体15の抵抗変化率を大きく低下させることが可能になる。
なお、複数の発熱抵抗体15(吐出口3)を配列する場合、発熱抵抗体15をX方向に延ばして放熱作用領域23aおよび23bを設けているため、Y方向に複数の発熱抵抗体15を配列すれば複数の発熱抵抗体15の配列密度を低下させる恐れがない。
なお、図示しないが発熱抵抗体15の発熱作用領域22が略正方形であれば、発熱作用領域22の一辺の長さが10〜30μmの間において、図1および表1で示した評価結果とほとんど変わらない。
また、特許文献1に記載の技術では、放熱作用領域23aおよび23bに対応する領域は、加工マージンや重ね合わせマージンなどのマージン分しかなく、その幅は接続領域21aおよび21bの幅に対して0〜3倍程度である。このため、熱エネルギーを放熱させるのに十分ではない。
【0018】
以上説明したように本実施形態によれば、放熱作用領域23aおよび23bの面積の合計が接続領域21aおよび21bの面積の合計の10倍よりも大きいため、発熱抵抗体の放熱性を向上させることが可能になる。
また、本実施形態では、放熱作用領域23aおよび23bの面積の合計が接続領域21aおよび21bの面積の合計の1000倍より小さいため、発熱抵抗体15が必要以上に大きくなることを抑制することが可能になる。
【0019】
<第2の実施形態>
図3は、本発明の第2の実施形態に係る素子基板を示す図である。具体的には、図3(a)は、本発明の第2の実施形態に係る素子基板を模式的に示した平面図であり、図3(b)は、図3(a)のB−B線に沿った縦断面図である。
図3に示す素子基板100aは、図1に示した第1の実施形態の素子基板100と比べて、耐キャビテーション層31をさらに備えている点で異なる。耐キャビテーション層31は、圧力室4における気泡6の発生および消滅の際のキャビテーションによる衝撃から発熱抵抗体15を保護する部材である。耐キャビテーション層31は、保護層16に積層されている。耐キャビテーション層31は、発熱抵抗体15の上方、つまり、圧力室4を介して吐出口3と対向する位置に設けられる。耐キャビテーション層31は、保護層16によって発熱抵抗体15や給電配線12aおよび12bと電気的に絶縁されている。
耐キャビテーション層31は、例えば、TaやIrなどを含む耐熱性に優れた高融点金属で形成される。耐キャビテーション層31は、単層で形成されてもよいし、複層で形成されてもよい。耐キャビテーション層31は、例えば、30〜250nm程度の厚みを有する。
耐キャビテーション層31は、上方から見て発熱抵抗体15の発熱作用領域22を全て覆い、発熱抵抗体15の放熱作用領域23aおよび23bの少なくとも一方が耐キャビテーション層31からはみ出すように設けられる。図の例では、上方から見て放熱作用領域23aおよび23bの両方が耐キャビテーション層31からはみ出している。なお、圧力室4における気泡6は発熱作用領域22の上で発生および消滅するため、耐キャビテーション層31が放熱作用領域23aおよび23bを覆っていなくても、キャビテーションによる衝撃から発熱抵抗体15を保護することができる。
【0020】
以上説明したように本実施形態では、放熱作用領域23aおよび23bの少なくとも一方が耐キャビテーション層31からはみ出ているため、耐キャビテーション層31が放熱作用領域23aおよび23bによる放熱を妨げることを抑制することが可能になる。このため、キャビテーションによる衝撃から発熱抵抗体15を保護しつつ、発熱抵抗体の放熱性を向上させることが可能になる。
【0021】
<第3実施形態>
図4は、本発明の第3の実施形態に係る素子基板を示す図である。具体的には、図4(a)は、本発明の第3の実施形態に係る素子基板を模式的に示した平面図であり、図4(b)は、図4(a)のC−C線に沿った縦断面図である。
図4に示す素子基板100bは、図3に示した第3の実施形態の素子基板100aと比べて、絶縁層11が多層構造を有する点と、基材10と発熱抵抗体15との間に補助配線40が設けられている点とで異なる。
図4の例では、絶縁層11は、絶縁層11a〜11dの4層で形成されている。
絶縁層11b〜11dには、補助配線40である信号配線42(42a〜42c)が埋設されている。より具体的には、絶縁層11a〜11dは、下から絶縁層11a、11b、11c、11d順に積層される。絶縁層11aの上に信号配線42aが積層され、絶縁層11bが信号配線42aを覆うように絶縁層11aの上に積層される。同様に、絶縁層11bの上に信号配線42bが積層され、絶縁層11cが信号配線42bを覆うように絶縁層11bの上に積層され、絶縁層11cの上に信号配線42bが積層され、絶縁層11dが信号配線42cを覆うように絶縁層11cの上に積層される。これにより、信号配線42a〜42cは、間隔を空けて複数積層される。信号配線42は、例えば、アルミニウムや銅を主成分とする金属材料で形成される。
また、補助配線40として補助給電配線である給電配線12cが蓄放熱層13に埋設されている。給電配線12cは、上方から見て給電配線12aおよび12bの間に設けられる。給電配線12cは、給電配線12aおよび12bと同様にアルミニウムや銅を主成分とする金属材料で形成されている。
また、補助配線40として、基材10と給電配線12cと信号配線42a〜42cとを電気的に接続する補助接続配線である接続配線43(43a〜43d)が設けられている。具体的には、接続配線43aは、基材10と信号配線42aとを接続する第1の接続配線である。接続配線43bおよび43cは、信号配線42a〜42cを互いに接続する第2の補助接続配線である。具体的には、接続配線43bは、信号配線42aと信号配線42bとを互いに接続し、接続配線43cは、信号配線42bと信号配線42cとを互いに接続する。接続配線43dは、給電配線12cと信号配線42cとを接続する第3の補助配線である。接続配線43は、絶縁層11を貫通するように設けられたビアである。また、接続配線43は、例えば、タングステンや銅を主成分とする金属材料で形成される。
以上説明した素子基板100bでは、補助配線40である給電配線12c、信号配線42および接続配線43は、発熱抵抗体15から蓄放熱層13を介して伝達してきた熱を基材10などに逃すことで、発熱抵抗体15の放熱を補助する。
なお、補助配線40は、信号配線42だけで構成されてもよいし、給電配線12cと信号配線42とで構成されてもよい。また、絶縁層11は、多層構造を有していれば、4層構造に限定されない。
【0022】
また、図4では、液体を、流路5を介して圧力室4に供給するための供給口45aおよび45bが示されている。図の例では、供給口45aおよび45bは、吐出口3(圧力室4)当たり1つずつ設けられているが、複数の吐出口3(圧力室4)で共用される構成でもよい。
発熱抵抗体15は、例えば、TaSiNやWSiNなどの抵抗材料により形成され、給電配線12a〜12cおよび信号配線42は、例えば、アルミニウムや銅を主成分とする金属材料で形成されている。アルミニウムや銅は、液体であるインクによる溶解性が高いため、供給口45aおよび45bの側壁からインクが侵入して給電配線12a〜12cや信号配線42に到達した場合に、給電配線12a〜12cや信号配線42に断線が発生する恐れが高い。このため、給電配線12a〜12cおよび信号配線42は、供給口45aおよび45bから十分な距離を置いて配置する必要がある。
このため、本実施形態では、上方から見た場合、給電配線12a〜12cおよび信号配線42と供給口45aおよび45bと間は、発熱抵抗体15と供給口45aおよび45bとの間よりも長い。これにより、給電配線12a〜12cおよび信号配線42は、供給口45aおよび45bから十分な距離を置いて配置することが可能になる。
【0023】
以上説明したように本実施形態によれば、基材10と発熱抵抗体15との間に補助配線40が設けられている。このため、発熱抵抗体15で発生した熱を、補助配線40を介して基材10方向へも放熱することができる。したがって、素子基板100bの面積を大きくすることなく、熱応答特性(放熱性)を向上させることが可能になる。
また、本実施形態では、給電配線12a〜12cおよび信号配線42と供給口45aおよび45bと間は、発熱抵抗体15と供給口45aおよび45bとの間よりも長い。このため、給電配線12a〜12cおよび信号配線42は、供給口45aおよび45bから十分な距離を置いて配置することが可能になり、給電配線12a〜12cや信号配線42に断線が発生することを抑制することが可能になる。
【0024】
<第4の実施形態>
図5は、本発明の第4の実施形態に係る素子基板を示す図、具体的には、本発明の第4の実施形態に係る素子基板を模式的に示した平面図である。図5のD−D線に沿った縦断面図は、図1(a)のA−A線に沿った縦断面図である図1(b)と同じである。
図5に示す素子基板100cは、図3に示した第1の実施形態の素子基板100aと比べて、発熱抵抗体15の形状および配置が異なる。発熱抵抗体15の形状および配置には、素子基板100cの面積や、配線や供給口などの構造物の配置などにより制約がある。例えば、図4に示した第3の実施形態の素子基板100bの場合、吐出口3の両側に設けられた供給口45aおよび45bによって、発熱抵抗体15の放熱作用領域23aおよび23bの幅L3aおよびL3bに制約がある。このような場合、放熱作用領域23aおよび23bは、その幅方向とは交差する向きに延びることが好ましい。
本実施形態では、放熱作用領域23aおよび23bは、上方から見て、放熱作用領域23aおよび23bの接続領域21aおよび21b側とは反対側の端部付近で、Y方向の両側に延びるハンマーヘッド形状を有する。この場合であっても、放熱作用領域23aおよび23bの面積の合計を接続領域21aおよび21bの面積の合計の10倍よりも大きくすることで、熱応答特性(放熱性)を向上させることが可能になる。なお、放熱作用領域23aおよび23bは、ハンマーヘッド形状に限らず、他の形状でもよい。例えば、放熱作用領域23aおよび23bは、櫛歯形状でもよい。また、放熱作用領域23aは、非対称形状などでもよい。
【0025】
以上説明したように本実施形態の液体吐出ヘッドでは、放熱作用領域23aおよび23bがハンマーヘッド形状または櫛歯形状を有しているため、素子基板100cに発熱抵抗体15の配置に制約がある場合でも、所望の放熱性を得ることが可能になる。
【0026】
<第5の実施形態>
図6は、本発明の第5の実施形態に係る素子基板を示す図である。具体的には、図6(a)は、本発明の第5の実施形態に係る素子基板を模式的に示した平面図であり、図6(b)は、図6(a)のE−E線に沿った縦断面図である。
図6に示す素子基板100dは、図3に示した第2の実施形態の素子基板100aと比べて接続配線61aおよび61bをさらに有する点で異なる。
接続配線61aおよび61bは、給電配線12aおよび12bと発熱抵抗体15とを接続する追加接続配線であり、蓄放熱層13を貫通するように設けられたビアで形成される。具体的には、接続配線61aは、給電配線12aと発熱抵抗体15の放熱作用領域23aとを接続し、接続配線61bは、給電配線12bと発熱抵抗体15の放熱作用領域23bとを接続する。このとき、接続配線61aは接続配線14aよりも外側に配置され、接続配線61bは接続配線14bよりも外側に配置される。なお、接続配線61aおよび61bと放熱作用領域23aおよび23bとの接続は、オーミック接続でもよいし、オーミック接続でなくてもよい。接続配線61aおよび61bは、接続配線14aおよび14bと同様にタングステンや銅を主成分とする金属材料で形成される。
接続配線61aおよび61bが存在する場合でも、給電配線12aおよび12bからの給電電力による電流は、接続配線14a、14b、61aおよび61bのうちの主に互いに最も近接した接続配線14aおよび14bを流れる。このため、接続配線61aおよび61bが存在する場合でも、発熱作用領域22、放熱作用領域23aおよび23bの位置および大きさは、第2の実施形態と比べて変化がない。
【0027】
本実施形態によれば、接続配線61aおよび61bが発熱抵抗体15の放熱作用領域23aおよび23bと給電配線12aおよび12bとを接続している。このため、発熱抵抗体15で発生した熱を、接続配線61aおよび61bを介して給電配線12aおよび12bへ放熱することができる。したがって、素子基板100bの面積を大きくすることなく、熱応答特性(放熱性)を向上させることが可能になる。
なお、本実施形態において接続配線61aおよび61bは、給電配線12aおよび12bと接続されていたが、図4で示した第3の実施形態と同様に、給電配線12aおよび12bの下層に設けられた信号配線42と接続されてもよい。
【0028】
なお、以上説明した各実施形態において、素子基板100〜100dの各部を形成する材料の熱伝導率[W/mK]は、各部が薄膜で形成されるため、バルクの熱伝導率とは異なる。例えば、各部を形成する材料の熱伝導率[W/mK]は、例えば、シリコンが150、酸化珪素が1、TaSiNが50、WSiNが50、タングステンが50、アルミニウムが200、Taが50、Irが50などである。
また、以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0029】
10 基材
11 絶縁層
12a、12b 給電配線
13 畜放熱層
14a、14b 接続配線
15 発熱抵抗体
16 保護層
23a、23b 放熱作用領域(外延領域)
31 耐キャビテーション層
40 補助配線
図1
図2
図3
図4
図5
図6