JP2002067326A

JP2002067326A - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2002067326A
Application number: JP2000254087A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Sugioka; 秀行杉岡; Yasuyuki Tamura; 泰之田村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】電流集中による非線形素子の破壊を防止す
る。【解決手段】ＭＩＭ素子であってインクを加熱して発
泡させる発熱手段の役割を担う非線形素子１は、第１の
電圧印加手段６１により電圧Ｖ₁を印加される第１の電
極６と、下部層２２の上に設けられ、第２の電圧印加手
段６２により電圧Ｖ₂を印加される第２の電極５と、第
１の電極６と第２の電極５とを絶縁する絶縁性薄膜２４
とを有する。電位Ｖ₁を与えられる、第１の電極６の第
１の電位付与位置７０１と、電位Ｖ₂を与えられる、第
２の電極５の第２の電位付与位置７０２とは、非線形素
子１の膜厚方向に関する投影面において互いに離れるよ
うに配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタ、特に、発泡現象を利用したバブルジェット（登
録商標）プリンタなどに応用されるインクジェット記録
ヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、バブルジェット記録方式に適用さ
れる記録ヘッドは、一般に微細な吐出口、流路および該
流路の一部に設けられる発熱体を備えている。バブルジ
ェット記録方式とは、発熱体を用いて流路内の液体を局
所的に高温にすることにより気泡を発生させ、発泡時の
高い圧力を利用して、液体を微細な吐出口より吐出さ
せ、記録紙等の被記録媒体に付着させる記録方式であ
る。

【０００３】この種の記録技術によって記録される画像
を高精彩化するためには、微小な液滴を高密度に吐出さ
せる技術が要求される。そのため、微細な流路と微細な
発熱源を形成することが基本的に重要となる。それゆ
え、バブルジェット記録方式では構造の単純性を活かし
て、フォトリソグラフィ工程技術を駆使した高密度ヘッ
ドの作成方法が、たとえば、特開平０８-１５６２９号
公報等に開示されている。また、液滴の吐出量を調整す
るために、端部に比べ中央部の発熱量が大きい発熱体が
特開昭６２-２０１２５４号公報等に開示されている。

【０００４】発熱体としては、通常、厚さ０．０５μｍ
程度の窒化タンタル薄膜抵抗体を用い、これに通電した
時のジュール熱で液体の発泡を行う。このような抵抗発
熱体には、通常、キャビテーションによる抵抗発熱体表
面の損傷を防止するために、０．８μｍ程度のＳｉＮな
どの絶縁体を介して厚さ０．２μｍ程度のＴａなどの金
属からなる耐キャビテ−ション層が配置されている。

【０００５】また、特開昭６４−２０１５１号公報に
は、基板上に、複数の縦配線と複数の交点部分に、順電
流通電により発熱する整流素子を設けたことを特徴とし
たマルチノズルインクジェット記録ヘッドが開示されて
いる。また、特開昭５７−３６６７９号公報には、基板
上に、順方向の通電により発熱可能なダイオードを複数
個アレイ状に配列したサーマルヘッドが開示されてい
る。

【０００６】また、特開平０５−１８５５９４号公報に
は、ヘッド用基板に電気変換素子とダイオ−ドを設けマ
トリクス駆動する構成や同一基板上に電気熱変換素子と
シフトレジスタ部、ラッチ部、論理回路等のロジック回
路を形成したインクジェットヘッドが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のインクジェット
記録ヘッドの多くは発熱素子とダイオードやロジック回
路部を半導体プロセス（イオン注入などの方法）でシリ
コン基板上に同時に作り込むことを前提としている。し
たがって、比較的ノズル数の少ないインクジェット記録
ヘッドではコンパクトにでき、単一の工程できるという
利点がある。しかしながら、例えば紙幅いっぱいの長さ
を有するフルマルチヘッドでは、一体的に作ろうとすれ
ば１２インチという長さが必要で、通常のシリコンウェ
ハを使うことが難しく高コストな製法となる恐れがあっ
た。

【０００８】それゆえ、イオン注入法などの従来の半導
体プロセスに頼らないで作成できる非線形素子を用いて
マトリクス駆動することができれば、長尺なインクジェ
ットヘッドを低コストで提供できる可能性がある。

【０００９】一方、液晶用ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓ
ｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）素子等が通常扱う電力密度
は１Ｗ/ｍ²程度である。これに対して、インクジェット
記録ヘッドにおいては、ヒ−タ部の抵抗発熱体ではおよ
そ０．１ＧＷ/ｍ²以上の電力密度を扱う必要があり、従
来のＭＩＭ素子をマトリクス駆動用の非線形素子とする
応用製品において経験したことがない電力および電流を
ＭＩＭ素子で扱う必要があった。

【００１０】このため、ＭＩＭ素子の電極内で電流の集
中する領域があると局所的な発熱が発生し、ＭＩＭ素子
が破壊するおそれがあった。特に、上電極と下電極で絶
縁層を介して上下電極をクロスさせる構成のＭＩＭ素子
において電極抵抗が無視できない場合には、ＭＩＭ素子
の角部分において、電流の集中による局所的な異常発熱
による破壊の恐れがあった。

【００１１】そこで本発明は、ＭＩＭ素子をインクジェ
ット記録ヘッドに使用する上で未踏の電力密度を扱うた
めに生じるおそれのある、インクジェット用ＭＩＭ素子
特有の電流集中によるＭＩＭ素子の破壊を来さない、長
尺なインクジェット記録ヘッド、およびインクジェット
記録装置を低コストで提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出す
るために利用される熱エネルギを発生し、第１の電極と
第２の電極とで絶縁性薄膜を挟持する非線形素子を有
し、前記第１の電極は前記絶縁性薄膜に当接する第１の
当接領域と電位を付与される第１の電位付与位置とを含
み、前記第２の電極は前記絶縁性薄膜に当接する第２の
当接領域と電位を付与される第２の電位付与位置とを含
み、前記第１の電極のシート抵抗は前記第１の当接領域
の全ての部位で実質的に均一であり、前記第２の電極の
シート抵抗は前記第２の当接領域の全ての部位で実質的
に均一であり、前記第１の当接領域における前記第１の
電極のシート抵抗と前記第２の当接領域における前記第
２の電極のシート抵抗とは実質的に同一であり、前記第
１の当接領域の中で前記第１の電位付与位置に最近接す
る第１の最近接部位および前記第２の当接領域の中で前
記第２の電位付与位置に最近接する第２の最近接部位と
は、前記非線形素子の膜厚方向に関する投影面において
離隔していることを特徴とする。

【００１３】上記の通り構成された本発明のインクジェ
ット記録ヘッドは、電流密度が高くなることで発熱量の
多い、第１の電位付与位置に最近接する第１の最近接部
位と、第２の電位付与位置に最近接する第２の最近接部
位とが、非線形素子の膜厚方向に関する投影面において
離隔している。このため、電極間での高い発熱と低い発
熱が相殺され、発熱が均一化される。

【００１４】また、非線形素子は矩形であり、第１の最
近接部位と第２の最近接部位とは、矩形の非線形素子の
向かい合う二辺のそれぞれに対応する部位ものであって
もよいし、非線形素子は帯状であり、第１の最近接部位
と第２の最近接部位とは、帯状の非線形素子の両端部の
それぞれに対応する部位に含まれるものであってもよ
い。

【００１５】また、第１の電極および第２の電極は、と
もに帯状の帯状電極であってもよいし、第１の電極およ
び第２の電極は、ともに矩形の矩形帯状電極であっても
よい。

【００１６】さらに、第１の電極および第２の電極は、
ともに湾曲した湾曲型帯状電極であってもよいし、第１
の電極の第１の当接領域における幅に対する第２の電極
の第２の当接領域における幅の比が５／６から６／５の
範囲内であってもよい。

【００１７】また、第１の電極と第２の電極とは実質的
に同一の材料で構成されており、第１の電極の厚さは第
１の当接領域の全ての部位で実質的に均一であり、第２
の電極の厚さは第２の当接領域の全ての部位で実質的に
均一であり、第１の当接領域における第１の電極の厚さ
と第２の当接領域における第２の電極の厚さとは実質的
に同一であってもよい。

【００１８】本発明のインクジェット記録装置は、被記
録媒体を搬送する搬送手段と、前記被記録媒体の被記録
面に対向してインクを吐出する吐出口が設けられている
インクジェット記録ヘッドとを有するインクジェット記
録装置において、前記インクジェット記録ヘッドが、本
発明のインクジェット記録ヘッドであり、前記非線形素
子への電力供給の制御を行う制御部を有することを特徴
とする。

【００１９】上記の通り構成された本発明のインクジェ
ット記録装置は、インクジェット記録ヘッドが本発明の
インクジェット記録ヘッドであるため、電流密度が高く
なることで発熱量の多い、第１の電位付与位置に最近接
する第１の最近接部位と、第２の電位付与位置に最近接
する第２の最近接部位とが、非線形素子の膜厚方向に関
する投影面において離隔している。このため、電極間で
の高い発熱と低い発熱が相殺され、発熱が均一化され
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、本実
施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面図で
あり、図２は、図１に示したインクジェット記録ヘッド
の模式的な平面図である。

【００２１】図１に示すように、このインクジェット記
録ヘッドは、吐出口形成部材５２に穿設された吐出口１
２２の近傍に、インクタンク４０２（図９参照）から下
部層２２に形成されたインク供給口５４を介して供給さ
れたインク１１２を保持する液室１１１と、液室１１１
と吐出口１２２とを連通し、流路壁７５を壁面とする流
路３１とを有している。液室１１１内の下部層２２上に
は、図１の紙面に垂直な方向に伸びる矩形の帯状の第２
の電極５と、その上に形成された矩形の帯状の絶縁性薄
膜２４と、さらにその上に配置され、図１の紙面の左右
方向に伸びる耐キャビテーション性を有する金属からな
る矩形の帯状の第１の電極６との積層体である非線形素
子１が形成されている。非線形素子１は、ＭＩＭ素子で
あってインク１１２を加熱して発泡させる発熱手段の役
割を担っており、吐出口１２２に対向する位置に配され
ている。また、非線形素子１は、電位Ｖ₁を与えられ
る、第１の電極６の第１の電位付与位置７０１と、電位
Ｖ₂を与えられる、第２の電極５の第２の電位付与位置
７０２とが、非線形素子１の膜厚方向に関する投影面に
おいて互いに離隔して設けられている。

【００２２】次に、このインクジェット記録ヘッドによ
る記録方法を説明する。

【００２３】非線形素子１の、第１の電極６の第１の電
位付与位置７０１に第１の電圧印加手段６１により電位
Ｖ₁を、第２の電極５の第２の電位付与位置７０２に第
２の電圧印加手段６２により電位Ｖ₂をそれぞれ印加し
て、両電極間に電位差Ｖ（＝Ｖ₂−Ｖ₁）を発生させた
時、電位差に応じて流れる非線形なプールフレンケル電
流による電流密度Ｉは以下の式で求められる。

【００２４】Ｉ＝αＶｅｘｐ（βＶ^1/2） …（式１）

【００２５】 α＝（（ｎμｑ）／ｄ）ｅｘｐ（−φ／（ｋ_BＴ）） …（式２）

【００２６】 β＝（１／（ｋ_BＴ））(ｑ³／（πε_iε₀ｄ）)^1/2 …（式３）

【００２７】（ｎ：キャリア密度、μ：キャリアの移動
度、ｑ：キャリアの電荷量、ｄ：絶縁性薄膜２４の厚
さ、φ：トラップの深さ、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：
温度、ε_i：絶縁性薄膜２４の誘電率、ε₀：真空の誘電
率）

【００２８】この電流密度Ｉが電極間に流れ、電力密度
Ｐ（＝ＩＶ）が消費されて発熱し、この熱によりインク
１１２が発泡（膜沸騰）して気泡１２５が生じる。この
際のインク１１２の圧力上昇により、吐出口１２２から
吐出口形成部材５２に略垂直な方向に吐出インク滴９が
吐出され、この吐出インク滴９を不図示の被記録媒体に
付着させることにより記録が行われる。

【００２９】次に、ＭＩＭ素子の形成方法について説明
する。

【００３０】下部層２２としては、例えば、厚さ１ｍｍ
のガラス基板を用い、この上に、まず、例えば、幅４０
μｍ、厚さ０．２μｍのＴａをスパッタ蒸着法やＣＶＤ
法（化学的気相成長法）などで蒸着して、第２の電極５
を形成する。次に、第２の電極５を陽極酸化して、絶縁
性薄膜２４として厚さ０．０５〜０．１μｍ程度の金属
酸化膜を形成する。ここで、陽極酸化は、硼酸、燐酸、
酒石酸などの酸やそのアンモニウム塩の希薄水溶液を電
解液とし、電解液中に第２の電極５を配置したガラス基
板である下部層２２を浸漬し、第２の電極５を陽極とし
て、通電処理することにより行う。続いて、耐キャビテ
ーション性を有する金属を第２の電極５に交差するよう
に、幅４０μｍ、厚さ０．２μｍでスパッタ蒸着法など
により蒸着して第１の電極６を形成し、ＭＩＭ素子を得
る。耐キャビテーション性を有する金属としては、例え
ばＴａを用いる。

【００３１】非線形素子１は、気泡１２５が発生する部
分、すなわちインク１１２と接する部分が、耐キャビテ
ーション性を有する金属により構成されている。このた
め、非線形素子１はキャビテーションに強く、この上に
さらに耐キャビテーション層を形成する必要はないの
で、発熱部とインク接触面との距離を短くできる。すな
わち、耐キャビテーション層を必要とする従来の発熱抵
抗体では、耐キャビテーション層と発熱抵抗体との間に
両者を電気的に絶縁するための絶縁層を設ける必要があ
るため、発熱抵抗体とインクとの間に２つの層が介在す
る。これに対し、本実施形態の非線形素子１では、絶縁
層が不要であり、発熱部である絶縁性薄膜２４とインク
１１２との間に耐キャビテーション性を有する第１の電
極６のみを介する構成であるため、絶縁層がない分だけ
発熱部とインク接触面との距離を短くできる。このた
め、発熱部からインク１１２への熱伝達性が良くなり、
少ない消費電力でインク１１２を発泡させることができ
る。

【００３２】また、非線形素子１の発熱量は、（式１）
〜（式３）に示すように絶縁性薄膜２４の厚みと材料定
数だけに依存し、耐キャビテーション性を有する第１の
電極６の抵抗値には依存しないため、第１の電極６の膜
厚を十分に大きくして、高い耐キャビテーション性を得
ることができる。

【００３３】次に、図３に、本実施形態のインクジェッ
ト記録ヘッドをマトリクス駆動するためのマトリクス回
路を示す。

【００３４】このマトリクス回路は、第１の電極６は行
方向にＹ_j、Ｙ_j+1…と配列され、第３の電極７は列方向
にＸ_j、Ｘ_j+1…と配列されることでマトリクス回路を構
成している。本実施形態のインクジェット記録ヘッドで
は、Ｙ_j、Ｙ_j+1…、Ｘ_i、Ｘ_i ₊₁…から成るマトリクス回
路の第２の電極５と第１の電極６との交点で、非線形素
子１が接続されている。

【００３５】後述するインクジェット記録装置に設けら
れている制御部４０は、第２の電極５の１つに選択電位
波形を入力し、第１の電極６に画像信号に応じて吐出用
または非吐出用情報電位波形を入力することにより、画
像信号に応じて非線形素子１をオン状態またはオフ状態
に制御し、吐出口１２２からの吐出インク滴９の吐出お
よび非吐出を制御する。このようにして電力が供給され
た非線形素子１上のインク１１２が急速に加熱されるこ
とで非線形素子１上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生
し、非線形素子１表面全域に一斉にきわめて高い圧力を
伴って発生する。この圧力によって、上述したように吐
出インク滴９が吐出口１２２から吐出され、被記録媒体
上に画像が形成される。

【００３６】次に、第１の電極６と第２の電極５との発
熱に関して、第１の電極および第２の電極で絶縁薄膜層
を挟持する非線形素子を集中定数回路を用いて等価的に
示した図４を用いて説明する。

【００３７】なお、図４において、第１の電極６の内部
抵抗は電極抵抗６５１として、第２の電極５の内部抵抗
は電極抵抗６５２として、絶縁性薄膜２４はＭＩＭ型非
線形素子６５３として等価的に示されている。また、各
電極内の個々の電極抵抗６５１および電極抵抗６５２の
抵抗値は、いずれも同一である。すなわち、第１の電極
６のシート抵抗は、絶縁性薄膜２４に当接する第１の当
接領域９１（図１参照）の全ての部位で実質的に均一で
あり、第２の電極５のシート抵抗は絶縁性薄膜２４に当
接する第２の当接領域９２（図１参照）の全ての部位で
実質的に均一であり、第１の当接領域９１における第１
の電極６のシート抵抗と第２の当接領域９２における第
２の電極５のシート抵抗とは実質的に同一である。

【００３８】第１の電位付与位置７０１に電位Ｖ₁が与
えられ、かつ、第２の電位付与位置７０２に電位Ｖ₂が
与えられて、第１の電位付与位置７０１と第２の電位付
与位置７０２との間に電位差を与えることで、第１の電
極６と第２の電極５とに電流が流れることとなる。この
際、第１の電極６の第１の電位付与位置７０１に近い領
域では電極抵抗６５１が小さいため電流密度が高くな
り、よって、発熱量が多くなり、また、第２の電極５で
も、第２の電位付与位置７０２に近い領域では電極抵抗
６５２が小さいため電流密度が高くなり、よって、発熱
量が多くなると推定できる。一方、第１の電極６の端部
に近い領域では電極抵抗６５１が大きいため電流密度が
低くなり、よって、発熱量が少なくなり、また、第２の
電極５の端部に近い領域では電極抵抗６５２が大きいた
め電流密度が低くなり、よって、発熱量が少なくなると
推定できる。

【００３９】本実施形態の非線形素子１では、第１の電
極６における発熱量の多い部分と、第２の電極５におけ
る発熱量の多い部分、すなわち、第１の電位付与位置７
０１に近い領域である第１の最近接部７１と、第２の電
位付与位置７０２に近い領域である第２の最近接部７２
とが、矩形の非線形素子１の向かい合う二辺のそれぞれ
に対応する部位、換言すれば、第１の最近接部７１と第
２の最近接部７２とが各電極の両端部に位置することで
非線形素子１の膜厚方向に関する投影面において離隔し
て形成されているため、電極間で高い発熱と低い発熱が
相殺され、発熱が均一化される。

【００４０】また、本実施形態の非線形素子１は、図４
に示すように、第１の電位付与位置７０１から第１の電
極６の端部に向かって、また、第２の電位付与位置７０
２から第２の電極５の端部に向かって、各電極内の電位
がともに略一次元的に降下する構成となっているため、
第１の電極６および第２の電極５間の電位差の変化が抑
制でき、電極方向に沿った方向と垂直な方向の電流成分
による発熱の不均一化が抑制できる。

【００４１】ところで、ＭＩＭ素子とは、原義的には絶
縁体とこれを挟み込むように配置された金属とを有する
トンネル接合素子であるが、通常、絶縁体とこれを挟み
込むように配置された導電体電極とを有する接合素子も
ＭＩＭ素子と呼ばれる。

【００４２】ＭＩＭ素子での、絶縁体中の電気伝導機構
としては、上述したプールフレンケル型伝導のような絶
縁体の中で複数のトンネリングを繰り返すホッピング型
の電気伝導や、ファウラーノルドハイム型伝導のような
比較的単純なトンネル伝導などが知られている。

【００４３】こうしたトンネル型の電流が流れ、接合素
子に電流が流れるためには、電極間の距離が極めて狭い
必要がある。ＭＩＭ素子に電流が流れる絶縁体の限界膜
厚、または、限界電極間隔は絶縁材料や電極材料の種類
や伝導機構に大きく依存するが、ＭＩＭ素子として有為
な電流が流れるためには、例えば、電極間隔を１００ｎ
ｍ以下とすることが望ましい。さらに、バブルジェット
記録ヘッドの駆動に必要な大電流を低電圧で得るために
は、好ましくは、電極間隔を４０ｎｍ以下とすることが
望ましい。

【００４４】また、電極間隔が極端に狭いと電極の金属
表面のイオンが電界放射を起こす恐れがあるため、電極
間隔を１ｎｍ以上とすることが望ましい。さらに、安定
なトンネル伝導が生じるトンネル接合を得るためには電
極間隔を４ｎｍ以上とすることが望ましい。

【００４５】すなわち、特に、電極間距離が１ｎｍ以上
１００ｎｍ以下であり、より好ましくは、４ｎｍ以上４
０ｎｍ以下であるＭＩＭ素子を非線形素子１として用い
ることが好ましい。

【００４６】また、ＺｎＯにＢｉ、ＰｒおよびＣｏ等の
金属酸化物を添加した焼結体層や、炭化けい素ＳｉＣな
どからなる粒状結晶層を、上記のＭＩＭ素子における絶
縁体の代わりに電極間に配置した、いわゆるバリスタ
も、極性に依らず、高電圧側では低い抵抗値を示し、低
電圧側では高い抵抗値を示すＭＩＭ型の電流電圧特性を
有する素子であり、ＭＩＭ素子と同様にこのバリスタを
本発明の非線形素子１として用いることができる。

【００４７】このようなＭＩＭ型の電流電圧特性を示す
非線形素子１を発熱手段として用いることによって、ノ
イズ電圧などの発熱素子の駆動電圧より低い電圧が発熱
素子に印加されても、低い電圧が印加された場合の非線
形素子１の抵抗値が大きいことにより、非線形素子１に
はほとんど電流が流れないので、非線形素子１の不要な
発熱を防止することができ、また、所望の非線形素子１
の駆動のために投入した電気エネルギが、他の非線形素
子１の不要な発熱により消費され、駆動する非線形素子
１への投入電気エネルギが小さくなって所望の発泡を発
生させられず、液体吐出量が変化して記録画像の画質を
乱すことを防止できる。

【００４８】ここで、極性が定まらないノイズ電圧によ
って非線形素子１が発熱しないように、非線形素子１の
電流電圧特性は、正電圧側、負電圧側とも、小さい絶対
値の電圧の印加では、充分に小さな電流しか流れない電
流電圧特性であることが望ましい。そこで、特に、非線
形素子１の電流電圧特性は、図５に示すように、所望の
発泡を発生させるために電圧を印加した時に流れる電流
に相当する絶対値Ｉ₀の電流を与える印加電圧＋Ｖ₁と、
−Ｖ₂との絶対値の比（Ｖ₁／Ｖ₂）が０．５〜２の値で
あり、かつ、＋Ｖ₁／２、−Ｖ₂／２の電圧を印加した時
に流れる電流の絶対値がＩ₀／１０以下であることが望
ましい。

【００４９】こうしたＭＩＭ型の電流電圧特性を示す非
線形素子１をマトリクス電極の交点に配置することによ
り、マトリクス駆動時のバイアス電圧による非選択点で
の不要な発熱を抑制し、ヒータのマトリクス駆動を可能
とできる。また、マトリクス駆動により、ドライバとヒ
ータの分離を容易とし、安価な非Ｓｉ基板での大量生産
も可能とできる効果がある。

【００５０】なお、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドおよび製造方法を説明するために用いた数値は、一
例であり、これに限定されるものではない。

【００５１】以上説明したように本実施形態のインクジ
ェット記録ヘッドによれば、第１の電極６の高発熱部と
第２の電極５の低発熱部が絶縁性薄膜を介して対峙し、
同様に、第１の電極６の低発熱部と第２の電極５の高発
熱部が絶縁性薄膜を介して対峙する、すなわち、第１の
最近接部７１と第２の最近接部７２とが非線形素子１の
膜厚方向に関する投影面において離隔して形成されてい
るため、電極間で高い発熱と低い発熱が相殺され、発熱
が均一化される。よって、非線形素子１により安定した
インクの吐出特性を得られるとともに、電流集中による
非線形素子の破壊を防止することができる。

【００５２】また、特に、非線形素子１がマトリクス駆
動用の素子であると同時に、液体を加熱し発泡させるこ
とを特徴とする発泡用の発熱体であるため、マトリクス
駆動時に通常必要となる非線形素子による投入エネルギ
の損失が防止され、投入エネルギを有効に利用できる効
果がある。

【００５３】さらに、従来の半導体プロセスに頼らない
で作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子１をマトリク
ス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記録
ヘッドを低コストで提供することができる。

【００５４】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的な平
面図を図６に示す。

【００５５】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、非線形素子１０１が、第１の電極１０６の幅Ｗ₁が
第２の電極１０５の幅Ｗ₂に比べて狭い以外は、第１の
実施形態と基本的に同様の構成であるため、詳細の説明
は省略する。

【００５６】非線形素子１０１の第１の最近接部１７１
から第２の最近接部１７２までの電極平面内の電流成分
が電極の幅方向に対して一様であるためには、上下電極
の幅が略等しいことが好ましい。しかしながら、作成時
のずれを考慮すると、電極面内の第１の電極１０６の幅
Ｗ₁と第２の電極１０５の幅Ｗ₂との比が０．８３から
１．２（５／６から６／５）の範囲内で電極幅に差を持
たせた方が特性ばらつきの少ない非線形素子が作成でき
る場合がある。このため、図６に示すように、第１の電
極１０６の幅Ｗ₁が第２の電極１０５の幅Ｗ₂に比べて狭
いものであってもよく、例えば、第１の電極１０６の幅
Ｗ₁を６５．０８μｍとし、第２の電極１０５の幅Ｗ₂を
幅は７０μｍとするものであってもよい。

【００５７】以上、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドによれば、第１の実施形態と同様に、第１の電極１
０６の高発熱部と第２の電極１０５の低発熱部が絶縁性
薄膜を介して対峙し、同様に、第１の電極１０６の低発
熱部と第２の電極１０５の高発熱部が絶縁性薄膜を介し
て対峙する、すなわち、第１の最近接部１７１と第２の
最近接部１７２とが非線形素子１０１の膜厚方向に関す
る投影面において離隔して形成されているため、電極間
で高い発熱と低い発熱が相殺され、発熱が均一化され
る。よって、非線形素子１０１により安定したインクの
吐出特性を得られるとともに、電流集中による非線形素
子の破壊を防止することができる。

【００５８】また、特に、非線形素子１０１がマトリク
ス駆動用の素子であると同時に、液体を加熱し発泡させ
ることを特徴とする発泡用の発熱体であるため、マトリ
クス駆動時に通常必要となる非線形素子による投入エネ
ルギの損失が防止され、投入エネルギを有効に利用でき
る効果がある。

【００５９】さらに、従来の半導体プロセスに頼らない
で作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子１０１をマト
リクス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット
記録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００６０】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的な平
面図を図７に示す。

【００６１】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、非線形素子２０１が、第１の電極２０６、第２の電
極２０５、および第１の電極２０６と第２の電極２０５
との間に形成されている不図示の絶縁性薄膜のそれぞれ
の形状が湾曲した帯形状である以外は、第１の実施形態
と基本的に同様の構成であるため、詳細の説明は省略す
る。本実施形態では、第１の電極２０６、第２の電極２
０５、および絶縁性薄膜はそれぞれ帯状でＵ字型である
がこれに限定されるものではない。

【００６２】以上、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドによれば、第１および第２の実施形態と同様に、第
１の電極２０６の高発熱部と第２の電極２０５の低発熱
部が絶縁性薄膜を介して対峙し、同様に、第１の電極２
０６の低発熱部と第２の電極２０５の高発熱部が絶縁性
薄膜を介して対峙する、すなわち、第１の最近接部２７
１と第２の最近接部２７２とが非線形素子２０１の膜厚
方向に関する投影面において離隔して形成されているた
め、電極間で高い発熱と低い発熱が相殺され、発熱が均
一化される。よって、非線形素子２０１により安定した
インクの吐出特性を得られるとともに、電流集中による
非線形素子の破壊を防止することができる。

【００６３】また、特に、非線形素子２０１がマトリク
ス駆動用の素子であると同時に、液体を加熱し発泡させ
ることを特徴とする発泡用の発熱体であるため、マトリ
クス駆動時に通常必要となる非線形素子による投入エネ
ルギの損失が防止され、投入エネルギを有効に利用でき
る効果がある。

【００６４】さらに、従来の半導体プロセスに頼らない
で作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子２０１をマト
リクス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット
記録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００６５】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的な側
断面図を図８に示す。

【００６６】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、非線形素子３０１が、第１の電極３０６上にＳｉＮ
絶縁膜３８１とＴａ薄膜３８２より構成される保護層を
有する。すなわち、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドは、第１の電極３０６に耐キャビテーション性を持
たせていない場合に有効な構成である。

【００６７】なお、上述以外は、第１の実施形態と基本
的に同様の構成であるため、詳細の説明は省略する。な
お、ＳｉＮ絶縁膜３８１の膜厚は１．０μｍであっても
よく、また、Ｔａ薄膜３８２の膜厚は０．２３μｍであ
ってもよい。

【００６８】以上、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドによれば、第１ないし第３の実施形態と同様に、第
１の電極３０６の高発熱部と第２の電極３０５の低発熱
部が絶縁性薄膜を介して対峙し、同様に、第１の電極３
０６の低発熱部と第２の電極３０５の高発熱部が絶縁性
薄膜を介して対峙する、すなわち、第１の最近接部３７
１と第２の最近接部３７２とが非線形素子３０１の膜厚
方向に関する投影面において離隔して形成されているた
め、電極間で高い発熱と低い発熱が相殺され、発熱が均
一化される。よって、非線形素子３０１により安定した
インクの吐出特性を得られるとともに、電流集中による
非線形素子の破壊を防止することができる。

【００６９】また、特に、非線形素子３０１がマトリク
ス駆動用の素子であると同時に、液体を加熱し発泡させ
ることを特徴とする発泡用の発熱体であるため、マトリ
クス駆動時に通常必要となる非線形素子による投入エネ
ルギの損失が防止され、投入エネルギを有効に利用でき
る効果がある。

【００７０】さらに、従来の半導体プロセスに頼らない
で作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子３０１をマト
リクス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット
記録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００７１】次に、上述した各実施形態で示したインク
ジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置
の一例を、図９に模式的に示す。

【００７２】このインクジェット記録装置は、駆動回路
４０３により駆動制御される紙送りローラ４０５で被記
録媒体である紙４０６を搬送する構成となっている。ま
た、上述した各実施形態で示した制御部４０により制御
されるインクジェット記録ヘッド４０７は、その各吐出
口が、搬送されてくる紙４０６に対向するように設けら
れており、制御部４０からの信号に応じて各吐出口から
インクを吐出し、紙４０６上に画像を形成する。インク
ジェット記録ヘッド４０７へのインクはインクタンク４
０２から供給される。

【００７３】なお、本発明は、第１ないし第４の実施形
態を例として説明してきたが、これらになんら限定され
るものではない。また、以下に第１の実施形態の実施例
を示すが、本発明はこれらによって何ら限定されるもの
でもない。

【００７４】

【実施例】次に、本発明の実施例として、上述の第１の
実施形態で示したインクジェット記録ヘッドの製作およ
び特性に関して説明する。なお、以下の説明に用いる記
号は、第１の実施形態で用いた記号と同じ記号を用いる
ものとする。

【００７５】非線形素子１は、幅６５．０８μｍの帯状
金属からなる第２の電極５を陽極酸化して得られる酸化
絶縁膜である絶縁性薄膜２４の上に、同じく幅６５．０
８μｍの帯状金属である第１の電極６を、第１の最近接
部７１と第２の最近接部７２とが重なるように略平行に
積層し作成する。さらに具体的には、第２の電極５とし
て、Ｔａ薄膜をＲＦスパッタ法で成膜し、その表面を陽
極酸化法で酸化し、厚さ約３２ｎｍのＴａ₂Ｏ₅薄膜を形
成した後、同じくＴａ薄膜をＲＦスパッタ法で成膜し第
２の電極５とする。この時、ＲＦスパッタは約１．３３
Ｐａ程度のＡrガス雰囲気中で行う。また、陽極酸化は
０．８重量％のクエン酸水溶液中でメッシュ状白金電極
を陰極として行う。また、基板２３は結晶軸＜１１１
＞、厚さ０．６２５ｍｍのＳｉ基板であり、下層部２２
は厚さ２．７５μｍのＳｉ熱酸化膜である。

【００７６】また、Ｔａ薄膜である第１の電極６と第２
の電極５との厚さは、それぞれ２３ｎｍである。すなわ
ち、第１の電極６と第２の電極５との材料および膜厚が
略等しい。よって、第１の電極６と第２の電極５とのシ
ート抵抗は略等しくなり、第１の電極６の発熱分布と第
２の電極５の発熱分布とは、第１の最近接部７１と第２
の最近接部７２との中線に対して略対称となり、上述し
たように、第１の電極６の高発熱部と第２の電極５の低
発熱部が絶縁層を介して対峙し、同様に、第１の電極６
の低発熱部と第２の電極５の高発熱部が絶縁層を介して
対峙するため、発熱分布を効果的に均一化できることと
なる。ここで、Ｔａの電気抵抗率は１３．５μΩ・ｃｍ
(文献：伝熱工学資料、改定第４版、日本機会学会発
行、丸善)であり、厚さ２３ｎｍのＴａのシート抵抗は
５．４Ωである。

【００７７】また、第１の電極６と第２の電極５とのシ
ート抵抗を均一にするために、それらの膜厚は完全に均
一であることが好ましい。しかし、第１の電極６と第２
の電極５との周縁部においてわずかなテーパが形成され
る場合がある。このようなわずかなテーパの形成される
要因は、以下に述べる通りである。

【００７８】まず、エッチング液を用いたウェットエッ
チングでパターニングした場合、通常、エッチングは、
レジストの無い露出面を上方から下方に向かって等方的
に進行する。このため、上側が多く削られ、下側が少な
く削られることから、被パターニング材の周縁部にわず
かなテーパが形成される。また、荷電粒子を加速して表
面に照射するようなドライエッチングでパターニングし
た場合、エッチングは下方向のみに進行するが、それで
も、荷電粒子の横方向への運動が発生するために、被パ
ターニング材の周縁部にわずかなテーパが形成される。

【００７９】しかし、わずかなテーパであればシート抵
抗への影響はほとんどないため、本実施例では、第１の
電極６と第２の電極５との周縁部にこのような意図しな
いわずかなテーパが形成された場合のものについても
「実質的に均一」として包含するものとする。

【００８０】また、非線形素子１の大きさは６５．０８
μｍ×６５．０８μｍで正方形であり、非線形素子１の
面積は４２３５μｍ²である。このとき、非線形素子１
の第１の電極６と第２の電極５との間に印加される電圧
３３．５Ｖに対する素子抵抗は約２６５Ωである。この
時、非線形素子１に３３．５Ｖの電圧を印加し、１２６
ｍＡの電流が流れる。この時、非線形素子１で熱に変換
される消費電力は４．２３５Ｗであり、非線形素子１の
電力密度は１ＧＷ/ｍ²となり、吐出用液体を加熱し発泡
させることができた。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように本発明のインクジェ
ット記録ヘッドによれば、第１の最近接部位と、第２の
最近接部位とが、非線形素子の膜厚方向に関する投影面
において離隔しているため、電極間での高い発熱と低い
発熱が相殺され、非線形素子の発熱が均一化される。ま
た、電位付与位置から電極の端部に向かって、各電極内
の電位がともに略一次元的に降下し、よって、電極間の
電位差の変化が抑制でき、非線形素子の電極方向に沿っ
た方向と垂直な方向の電流成分による発熱の不均一化が
抑制できる。

【００８２】また、特に、非線形素子がマトリクス駆動
用の素子であると同時に、液体を加熱し発泡させること
を特徴とする発泡用の発熱体であるため、マトリクス駆
動時に通常必要となる非線形素子による投入エネルギの
損失が防止され、投入エネルギを有効に利用できる効果
がある。

【００８３】さらに、従来の半導体プロセスに頼らない
で作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子をマトリクス
駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記録ヘ
ッドを低コストで提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドの平面
図である。

【図３】本発明の第１の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの非線形素子をマトリクス駆動するためのマ
トリクス回路である。

【図４】第１の帯状電極および第２の帯状電極で絶縁層
を挟持する非線形素子を、集中定数回路を用いて等価的
に示した図である。

【図５】非線形素子の電流電圧特性を示した図である。

【図６】本発明の第２の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの模式的な平面図である。

【図７】本発明の第３の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの模式的な平面図である。

【図８】本発明の第４の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図９】本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載し
た、本発明のインクジェット記録装置の一例を示す模式
図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１、３０１非線形素子５、１０５、２０５、３０５第２の電極６、１０６、２０６、３０６第１の電極９吐出インク滴２２下部層２３基板２４絶縁性薄膜３１流路４０制御部５２吐出口形成部材５４インク供給口６１第１の電圧印加手段６２第２の電圧印加手段７１、１７１、２７１、３７１第１の最近接部７２、１７２、２７２、３７２第２の最近接部７５流路壁９１第１の当接領域９２第２の当接領域１１１液室１１２インク１２２吐出口１２５気泡３８１ＳｉＮ絶縁膜３８２Ｔａ薄膜４０２インクタンク４０３駆動回路４０５紙送りローラ４０６紙４０７インクジェット記録ヘッド６５１、６５２電極抵抗６５３ＭＩＭ型非線形素子７０１第１の電位付与位置７０２第２の電位付与位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出するために利用される熱エ
ネルギを発生し、第１の電極と第２の電極とで絶縁性薄膜を挟持する非線
形素子を有し、前記第１の電極は前記絶縁性薄膜に当接する第１の当接
領域と電位を付与される第１の電位付与位置とを含み、
前記第２の電極は前記絶縁性薄膜に当接する第２の当接
領域と電位を付与される第２の電位付与位置とを含み、前記第１の電極のシート抵抗は前記第１の当接領域の全
ての部位で実質的に均一であり、前記第２の電極のシー
ト抵抗は前記第２の当接領域の全ての部位で実質的に均
一であり、前記第１の当接領域における前記第１の電極
のシート抵抗と前記第２の当接領域における前記第２の
電極のシート抵抗とは実質的に同一であり、前記第１の当接領域の中で前記第１の電位付与位置に最
近接する第１の最近接部位および前記第２の当接領域の
中で前記第２の電位付与位置に最近接する第２の最近接
部位とは、前記非線形素子の膜厚方向に関する投影面に
おいて離隔していることを特徴とするインクジェット記
録ヘッド。
【請求項２】前記非線形素子は矩形であり、前記第１
の最近接部位と前記第２の最近接部位とは、前記矩形の
非線形素子の向かい合う二辺のそれぞれに対応する部位
である請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】前記非線形素子は帯状であり、前記第１
の最近接部位と前記第２の最近接部位とは、前記帯状の
非線形素子の両端部のそれぞれに対応する部位に含まれ
る請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】前記第１の電極および前記第２の電極
は、ともに帯状の帯状電極である請求項１から３のいず
れか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】前記第１の電極および前記第２の電極
は、ともに矩形の矩形帯状電極である請求項４に記載の
インクジェット記録ヘッド。
【請求項６】前記第１の電極および前記第２の電極
は、ともに湾曲した湾曲型帯状電極である請求項４に記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】前記第１の電極の前記第１の当接領域に
おける幅に対する前記第２の電極の前記第２の当接領域
における幅の比が５／６から６／５の範囲内である請求
項１から６のいずれか１項に記載インクジェット記録ヘ
ッド。
【請求項８】前記第１の電極と前記第２の電極とは実
質的に同一の材料で構成されており、前記第１の電極の
厚さは前記第１の当接領域の全ての部位で実質的に均一
であり、前記第２の電極の厚さは前記第２の当接領域の
全ての部位で実質的に均一であり、前記第１の当接領域
における前記第１の電極の厚さと前記第２の当接領域に
おける前記第２の電極の厚さとは実質的に同一である請
求項１から７のいずれか１項に記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項９】被記録媒体を搬送する搬送手段と、前記
被記録媒体の被記録面に対向してインクを吐出する吐出
口が設けられているインクジェット記録ヘッドとを有す
るインクジェット記録装置において、前記インクジェット記録ヘッドが、請求項１から８のい
ずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドであり、前記非線形素子への電力供給の制御を行う制御部を有す
ることを特徴とするインクジェット記録装置。