JP2003291348A

JP2003291348A - インクジェット記録ヘッド、および非線形電気素子

Info

Publication number: JP2003291348A
Application number: JP2002096257A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Sugioka; 秀行杉岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: CN1448268A; CN1229227C; US20030197761A1; JP3862587B2; US6736490B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱手段の不必要な発熱を抑制し、発熱手段
が過剰に高温になるのを防止する。【解決手段】インク供給口８が貫通孔として開口され
た基板６の上面には蓄熱層４が形成されており、さらに
その上に、金属電極２、３となる２つの金属層と、その
間に配置されたＰＴＣサーミスタ層１および電気的バリ
ア層１０４が積層されている。ＰＴＣサーミスタ層１
は、所定の温度Ｔｃを超えると抵抗Ｒが急激に増加する
正の抵抗温度係数を有するＰＴＣサーミスタから構成さ
れている。温度Ｔｃは、発泡させる液体の発泡温度Ｔｃ
よりも少し高い温度、特に２５０〜４９０℃に調整する
ことが好ましい。

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
ヘッドおよび非線形電気素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】非線形電流電圧素子技術に関して、ある
温度（キュリー温度）で抵抗値が桁違いに上昇する非線
形特性ＰＴＣサーミスタが古くから提案され様々な製品
に応用されている。例えば、特開平５―４７４５７号公
報では正温度係数（ＰＴＣ）特性を有する有機面状発熱
体が提案されている。また、特開平５―２５８８４０号
公報には複数のＰＴＣ素子を並列接続したＰＴＣ発熱装
置が提案されている。また、特開平４―９７９２７号公
報ではＰＴＣサーミスタ発熱体を用いて、インクの温度
を所要の温度範囲に保つインク噴射装置が開示されてい
る。

【０００３】また、非線形電流電圧素子技術に関して、
ある電圧以下では、ほとんど電流が流れず、ある電圧以
上では電流が流れる電流電圧特性（いわゆる、ＭＩＭ型
電流電圧特性）を持ったＭＩＭ素子のバブルジェット記
録ヘッドへの応用が、例えば、特開２００１-７１４９
９号公報、特開２００２-０４６２７４号公報、特開２
００２-０４６２７５号公報、特開２００２-０６７３２
５号公報、特開２００２-０６７３２６号公報で提案さ
れている。

【０００４】図７は、ＭＩＭ型電気特性の概念図であ
る。ここで、極性が定まらない非選択電圧によっても非
線形素子が発熱しないように、非線形素子の電流電圧特
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、非線形素子の電
流電圧特性は、図７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。

【０００５】一方、インクジェット記録ヘッド技術に関
して、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、液体を吐出する微細な吐出孔と、吐出孔へ
と液体を導く流路と、流路の一部に設けられた発熱手段
を備えている。バブルジェット記録方式とは、発熱手段
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
液体を発泡させて気泡を発生させ、発泡時に生じる高い
圧力を利用して、液体を微細な吐出孔より押し出し、押
し出した液体を記録紙などに付着させる記録方式であ
る。

【０００６】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配置さ
れた吐出孔から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手段を形成することが基本
的に重要となる。そこで、バブルジェット記録方式で
は、構造の単純性を活かし、フォトリソグラフィ工程技
術を駆使して、吐出孔、流路、発熱体が高密度に配置さ
れた記録ヘッドを作成する方法が提案されている（例え
ば、特開平０８−１５６２９号公報参照）。また、微小
な液滴を吐出できるように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を用いる
ことが提案されている（特開昭６２−２０１２５４号公
報参照）。

【０００７】発熱手段としては、通常、厚さ０．０５μ
ｍ程度の窒化タンタル薄膜からなる抵抗発熱体が用いら
れ、これに通電した時のジュール熱で液体を発泡させ
る。このような抵抗発熱体上には、抵抗発熱体の表面が
キャビテーションによって損傷するのを防止するため
に、通常、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
ャビテーション層が配置されている。

【０００８】上述のようなバブルジェット記録方式の記
録ヘッドにおいて、インク発泡用の抵抗発熱体は、通
常、それ自身の仕上がり抵抗や接続される配線の抵抗に
ある程度のばらつきが生じる。このため、一定の条件で
電圧を印加しても、抵抗による電圧降下にばらつきが生
じることにより、抵抗発熱体によって構成されるヒータ
の発熱量にばらつきが生じる。そこで、このような発熱
量のばらつきによって画像品位に影響が生じるのを回避
するなどの理由により、複数のヒータからなるヒータア
レイを駆動するための駆動電圧は、通常、個々の抵抗発
熱体の、液体に面する面全体で安定して発泡を生じさせ
るのに必要な電圧値よりも高い電圧値、特に、必要電圧
値の１．２倍程度の電圧値に設定されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように駆動電圧を高めに設定した場合、平均的なヒータ
では、全面発泡に必要な電圧より過剰な電圧が印加され
るため、原理的に発泡後に不必要な加熱が継続して行わ
れる問題があった。

【００１０】具体的には、例えば、１μｓのパルスでヒ
ータを駆動する場合、典型的には、６μｓ程度で発泡
し、発泡後もヒータによる不必要な加熱（過剰な加熱）
継続し、３００℃程度の発泡温度に対してヒータ表面
は、典型的には、６００〜７００℃程度の高温に達し、
条件によっては、さらに高温となるおそれ発生する問題
があった。

【００１１】この問題をさらに詳しく述べると、上述し
たような過剰加熱の原理的な継続によって、以下のよう
な問題が発生するおそれがあった。発泡後も無駄なエネルギーを供給するため、エネルギ
ーの有効利用の点で好ましくないこと。ヒータ温度の過度な高温化の原理的な原因となるた
め、ヒータ材料の耐熱性を必要以上に高く設計する必要
があること。また、場合によっては、熱的破壊の原因と
なること。及び、急激な温度変化を繰り返し与えること
によって、耐久性能の悪化の原因となるおそれがあっ
た。

【００１２】それゆえ、発泡後の過剰な発熱を抑制でき
るバブルジェット用ヒータが実現すれば、省エネ、耐久
性向上、熱的破壊防止の観点から好ましいバブルジェッ
ト用ヘッドを提供できる可能性がある。

【００１３】一方、従来の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
いヘッドではコンパクトにでき、単一の工程で作製でき
るという利点がある。しかし、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
れば約３０５ｍｍ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。

【００１４】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ＭＩＭ素子を用いて
バブルジェット用発熱素子を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。

【００１５】また、バブルジェット用の記録ヘッドにお
いては、ヒータ部の抵抗発熱体ではおよそ０．１ＧＷ／
ｍ²以上の電力密度をＭＩＭ素子に直列接続した抵抗素
子やＭＩＭ素子自体に供給する必要があり、大電流によ
って、ＭＩＭ素子自体の破壊を招くおそれがあった。こ
のようなＭＩＭ素子自体による電力損失は、液晶ディス
プレイなど従来のＭＩＭ素子応用製品のＭＩＭ素子で
は、桁違いに小さく、これまで問題となるものではなか
った。すなわち、大電力を扱うバブルジェット用ＭＩＭ
素子特有の問題と考えられる。

【００１６】特に、従来のＭＩＭ素子では、電極間の距
離にばらつきがある場合、電流が電極間隔の狭い部分に
集中し、均一な発熱が困難になる恐れがあった。

【００１７】図８に、ＭＩＭ素子による、電極間隔等に
面内ばらつきがある場合についての温度分布の時間変化
の一例を示す。ＭＩＭ素子において、電極間隔等に面内
ばらつきがある場合には、まず、電流が電極間隔の狭い
部分に集中するため不均一な初期温度分布を生じる。続
いて、高温部の抵抗値が、トンネル電流の抵抗値のＮＴ
Ｃ（正の温度係数）特性に起因して低下するため、高温
部がさらに高温状態となって破壊に到るおそれがあっ
た。なお、ＭＩＭ素子での、絶縁体中の電気伝導機構と
しては、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。

【００１８】また、ＭＩＭ素子では、トンネル電流に由
来するＭＩＭ素子の抵抗値のＮＴＣ（負の温度係数）特
性のために、前述のような電流の集中があった場合に、
電流集中部の抵抗がさらに低下することでさらに温度が
上昇し、素子自体が破壊するおそれがあった。

【００１９】そこで本発明は、上述の問題点を鑑み、不
用な温度上昇に対して自動的に素子を保護する機能を持
ったＭＩＭ型電気特性を持った非線形電気素子を提供す
ることを目的とする。

【００２０】また、本発明の別の目的は、省エネでかつ
耐久性が高く、安価な長尺ヘッドを提供できるインクジ
ェット記録ヘッドを提供することを目的とする。

【００２１】

【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、発熱手段によっ
て液体を発泡させ液体を吐出させるインクジェット記録
ヘッドにおいて、前記発熱手段が、１対の電極と、所定
の温度以上で抵抗値が急激に上昇する正の抵抗温度係数
を有する抵抗層と、所定の電圧以上で電流を流す絶縁層
とを有し、前記１対の電極で、前記正の抵抗温度係数を
有する抵抗層と前記絶縁層とを挟持してなる積層体を有
することを特徴とする。

【００２２】また、本発明の本発明のインクジェット記
録ヘッドは、絶縁層の厚みが４ｎｍ以上、４０ｎｍ以下
であってもよい。

【００２３】また、本発明の本発明のインクジェット記
録ヘッドは、正の抵抗温度係数を有する抵抗層の抵抗値
が急激に上昇する温度が、液体の発泡温度付近であって
もよいし、あるいは２５０℃以上４９０℃以下であって
もよい。

【００２４】さらに、本発明の本発明のインクジェット
記録ヘッドは、発熱手段が、実質的にＭＩＭ素子とＰＴ
Ｃサーミスタの直列な回路であってもよく、絶縁層が、
電圧印加時に所定の電圧以下では電流を流さず、かつ、
所定の電圧以上で電流を流し、抵抗層が、液体の発泡後
に電流を遮断するものであってもよい。

【００２５】また、本発明の本発明のインクジェット記
録ヘッドは、１対の電極と、所定の温度で抵抗値が急激
に上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗層と、所定の
電圧で電流を流す絶縁層と、コンタクトホールが形成さ
れた部材とを有し、コンタクトホールを介して１対の電
極で、正の抵抗温度係数を有する抵抗層と絶縁層が挟持
されているものであってもよい。

【００２６】本発明の非線形電気素子は、非線形な抵抗
特性を有する非線形電気素子において、１対の電極と、
所定の温度付近で抵抗値が急激に上昇する正の抵抗温度
係数を有する抵抗層と、所定の電圧で電流を流す絶縁層
を有し、前記１対の電極で、前記正の抵抗温度係数を有
する抵抗層と前記絶縁層とを挟持していることを特徴と
する。

【００２７】また、本発明の非線形電気素子は、絶縁層
の厚みが４ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であってもよいし、
実質的にＭＩＭ素子とＰＴＣサーミスタの直列な回路か
らなる積層構造体であってもよい。

【００２８】さらに本発明の非線形電気素子は、１対の
電極と、１対の電極間に挟持された、所定の温度よりも
昇温したときに抵抗値が急激に上昇する正の抵抗温度係
数を有する抵抗発熱体と、１対の電極のうちの一方の電
極を発熱抵抗体に電気的に接続させるためのコンタクト
ホールが形成され、発熱抵抗体を被覆している電気的な
絶縁体と、一方の電極を被覆する電気的な絶縁層とを有
するものであってもよい。

【００２９】上述した本発明のインクジェット記録ヘッ
ドは、１対の電極と、所定の温度以上で抵抗値が急激に
上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗層と、所定の電
圧以上の電圧で電流を流す絶縁層を有し、１対の電極
で、正の抵抗温度係数を有する抵抗層と絶縁層を挟持し
てなる積層体を発熱手段としている。つまり、本発明の
インクジェット記録ヘッドの発熱手段は、実質的にＭＩ
Ｍ素子とＰＴＣサーミスタの直列な回路となり、電圧印
加時に所定の電圧以下では電流が流れず、所定の電圧以
上で電流が流れ、かつ、液体の発泡後に電流を自動的に
遮断することができるものである。図９に、本発明のイ
ンクジェット記録ヘッドの発熱手段を、ＭＩＭ素子１０
１とＰＴＣサーミスタ１００との等価回路として示した
回路図を示す。

【００３０】また、図１０に示すマトリクス回路図のよ
うに、ＭＩＭ素子１０１とＰＴＣサーミスタ１００との
直列な回路、すなわち、発熱手段を、Ｘ１、Ｘ２・・・
の列方向配線と、Ｙ１、Ｙ２・・・の行方向配線とから
なるマトリクス配線の各交点に配置することで、１対の
電極間にある電圧以上の電圧を印加すると電流が流れて
発熱し、発熱手段は液体を加熱し発泡させ、発泡後は、
電圧が印加された状態であっても、ＰＴＣサーミスタに
より電流を自動的に遮断し、また、１対の電極間にある
電圧以下の電圧が印加された場合には、電流は流れず発
熱を生じない、バブルジェット方式によるインクジェッ
ト記録ヘッドの、マトリクス駆動が可能なマトリクス回
路を構成することができる。すなわち、本発明のインク
ジェット記録ヘッドは、発泡後は、電圧が印加された状
態であっても電流が自動的に遮断されるため、過剰な発
熱が防止され、余分なエネルギーの消費が抑制されると
同時に、発熱手段の損傷が防止され、発熱手段の耐久性
が向上したものとなっている。

【００３１】また、ＭＩＭ型の電流電圧特性を示す非線
形素子を、上述したように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
ス駆動を可能となる。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。

【００３２】また、上述した本発明の非線形電気素子
は、所定の温度よりも昇温したときに抵抗値が急激に上
昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗発熱体と、発熱抵
抗体を被覆する電気的な絶縁層を有することで、ＭＩＭ
素子としての特性を保持しながら、電流集中が発生して
素子温度が局部的に上昇しても、抵抗層の比抵抗が急激
に上昇することで電流集中部への電流を抑制できるた
め、ＭＩＭ型電流電圧特性の特徴であるオン状態での桁
違いに大きな大電流を安定に扱うことができる。

【００３３】また、絶縁層の厚みが４ｎｍ以上、４０ｎ
ｍ以下であることによって、バブルジェット方式の液体
吐出ユニットのマトリクス駆動に好ましいＭＩＭ型電気
特性を与えることができる。

【００３４】ＭＩＭ素子での、絶縁体中の電気伝導機構
としては、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。

【００３５】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。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。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４０ｎｍ以下であるＭＩＭ素
子を非線形素子として用いることが好ましい。

【００３６】また、前記正の抵抗温度係数を有する抵抗
層の抵抗値が急激に上昇する温度が前記液体の発泡温度
付近であることにより、発泡後に速やかに自動的に電流
が遮断される。また、このような温度は、一般的なイン
クの発泡温度とインクと接する発熱体の表面温度が通常
は発熱体内部の温度よりも低くなる傾向があることを考
慮すると、２５０℃以上４９０℃以下であることが好ま
しい。

【００３７】このように、本発明により、不用な温度上
昇に対して自動的に素子を保護する機能を有するＭＩＭ
型電気特性の非線形電気素子を提供できるとともに、省
エネで、かつ耐久性が高く、安価な長尺のインクジェッ
ト記録ヘッドを提供できる。

【００３８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。（第１の実施形態）図１、２は、第１の実施形態のイン
クジェット記録ヘッドの模式図であり、図１は断面図、
図２は平面図である。図１、２は、１つの発泡用ヒータ
部分を示しており、インクジェット記録ヘッド全体は、
図１、２に示す発泡用ヒータ部を複数配置した構成であ
ってよい。

【００３９】このインクジェット記録ヘッドは、インク
供給口８が貫通孔として開口された基板６を有してい
る。基板６の上面には蓄熱層４が形成されており、さら
にその上に、金属電極２、３となる２つの金属層と、そ
の間に配置されたＰＴＣサーミスタ層１および電気的バ
リア層１０４が積層されている。図２に示す例では、２
つの金属電極２、３は互いに交差するストライプ状の平
面形状を有しており、ＰＴＣサーミスタ層１および電気
的な絶縁薄膜である電気的バリア層１０４が２つの金属
電極２、３が交差する位置に配置されている。すなわ
ち、基板６上に金属電極３、ＰＴＣサーミスタ層１、電
気的バリア層１０４、金属電極２の順で積層された発泡
用ヒータが形成されている。

【００４０】さらに、基板６上には、流路９と吐出孔５
を形成するノズル形成部材７が配置されている。吐出孔
５は、発泡用ヒータに対向する位置に開口している。ま
た、図１、２には詳細には図示していないが、インク流
路９は、供給口８から発泡用ヒータ上へと通じており、
複数の発泡用ヒータ上へそれぞれ通じる複数のインク流
路９が形成されている。

【００４１】このインクジェット記録ヘッドでは、２つ
の金属電極２、３間に駆動用電圧印加源１０によって電
圧を印加することによって、ＰＴＣサーミスタ層１、金
属電極２、３および電気的バリア層１０４からなる非線
形電流電圧素子に電流が流れ、ジュール熱が発生する。
このジュール熱によって、流路９内に充填された液体
（インク）が発泡して気泡１１を生じ、発泡時の圧力に
よって吐出孔５から吐出液滴１２が吐出される。

【００４２】駆動用電圧印加源１０は、通常、インクジ
ェット記録装置本体に設けられ、電圧は、複数の発泡用
ヒータに所定のタイミングで選択的に印加される。図
１、２では、これらの構成については図示を省略し、模
式的に駆動用電圧印加源１０のみを示している。また、
インク供給口８は不図示のインク供給源に接続されてお
り、吐出液滴１２が吐出された後、消泡に伴って、液体
がインク供給源からインク供給口８を介して流路９内に
導入され充填される。

【００４３】本実施形態において、基板１としては、例
えば、結晶軸＜１１１＞、厚さ０．６２５ｍｍのＳｉ基
板を用いることができ、この場合、Ｓｉの異方性エッチ
ングによりインク供給口８を形成することができる。ま
た、電極２、３としては、例えば、厚さ０．２μｍの白
金薄膜を用いることができる。蓄熱層４は、厚さ２．７
５μｍのＳｉ熱酸化膜を用いることができる。また、ノ
ズル形成材７は、例えば樹脂から形成することができ、
インク供給口８は、Ｓｉの異方性エッチングにより形成
することができる。

【００４４】本実施形態のインクジェット記録ヘッドで
は、ＰＴＣサーミスタ層１としてＰＴＣサーミスタ発熱
体を用いている。ＰＴＣサーミスタ発熱体は、その温度
が所定の温度（キュリー点）よりも高くなったときに抵
抗値が急減に上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗発
熱体である。

【００４５】図３は、本実施形態におけるＰＴＣサーミ
スタ層１として好適に用いることができるＰＴＣサーミ
スタ発熱体の抵抗値（Ｒ）−温度特性を模式的に示すグ
ラフである。同図において、Ｔｂは発泡温度を示してい
る。すなわち、この例では、液体としては、約３００℃
で発泡するインクを用いている。一方、ＴｃはＰＴＣサ
ーミスタ発熱体のキュリー点を示している。ＰＴＣサー
ミスタ層１として用いるＰＴＣサーミスタ発熱体のキュ
リー点は、発泡温度Ｔｂよりも少し高い温度であること
が好ましく、図３に示す例では、約３５０℃である。こ
のように、キュリー点は液体の発泡温度に応じて適宜設
定してよいが、インクジェット記録ヘッドの発泡用ヒー
タとして用いるＰＴＣサーミスタのキュリー点は、一般
的なインクの発泡温度を鑑みて、２５０〜４９０℃とす
るのが好ましい。

【００４６】このようなＰＴＣサーミスタ層１は、例え
ば、チタン酸バリウムに鉛をドープした（Ｂａ_0.5Ｐｂ
_0.5）ＴｉＯ₃の厚さ０．４μｍの薄膜によって構成する
ことができる。この場合、このＰＴＣサーミスタ発熱体
の室温での比抵抗は約１０Ω・ｃｍ、キュリー点は約３
５０℃であり、４００℃での比抵抗は約１０００Ω・ｃ
ｍである。このＰＴＣサーミスタをＰＴＣサーミスタ層
１として用いて発泡用ヒータを構成し、ヒータとしての
有効サイズを２０μｍ×２０μｍとした場合、この発泡
用ヒータの常温での素子抵抗は約１００Ωであり、４０
０℃での素子抵抗は約１０ｋΩである。この発泡用ヒー
タに、例えば、パルス幅約１．０μｓ、パルス高約１０
Ｖの電圧を印加すると、キュリー点より低温の状態では
０．０５Ａの電流が流れ、それによって生じるジュール
熱によって液体を加熱発泡させ約１５ｍ／ｓの速度で吐
出液滴１２を吐出させることができる。

【００４７】また、電気的バリア層であるところの絶縁
薄膜層としては、例えば、ＳｉＮ薄膜、ＳｉＯ₂薄膜、
金属陽極酸化膜等を使用し、膜厚は１ｎｍ以上、１００
ｎｍ以下とするのが好適であるが、４ｎｍ以上、４０ｎ
ｍ以下がより好適である。

【００４８】次に、このインクジェット記録ヘッドによ
る液体発泡工程について、図４を参照して説明する。図
４は、上から順に、ＰＴＣサーミスタ層１の抵抗値Ｒ、
消費電力、発泡用ヒータの表面温度の、同一期間での時
間変化を示す３つのグラフを示している。図４の消費電
力、ヒータ表面温度のグラフにおいて、破線は、使用温
度範囲内で温度が変化しても抵抗値があまり変化しない
一般的な抵抗発熱体を用いた場合の変化を示している。

【００４９】従来技術として前述したように、インクジ
ェット記録ヘッドにおいては、発泡用ヒータを構成する
抵抗発熱体の仕上がり抵抗や配線抵抗に多少のばらつき
があったとしても、確実に十分に液体を発泡させて安定
して液体を吐出させるために、ヒータの駆動電圧は、通
常、抵抗のばらつきによる影響があまり大きくない、平
均的なヒータによって全面発泡を生じさせることができ
る電圧よりも高い電圧に設定されている。本実施形態に
おいても、これは同様であり、具体的には、全面発泡を
生じさせるのに必要な電圧の約１．２倍の電圧を駆動電
圧としている。そして、図４に示すグラフは、抵抗のば
らつきによる影響があまり大きくない、平均的な抵抗発
熱体における変化を示している。

【００５０】電圧パルスの印加を開始すると、ヒータ表
面温度は、最初、液体の発泡温度へと上昇し、液体は発
泡し始める。この際、ヒータの熱エネルギが液体の相変
化のために消費されるので、発泡が完了するまで、すな
わち全面発泡するまで、ヒータの表面温度は一定の発泡
温度のまま推移する。上述のように高めの電圧を所定の
印加パルス幅で印加した場合、ヒータ表面の液体は、電
圧パルスの印加を開始してから、ある程度の時間が経過
した時点で、電圧パルスの印加が終了する前に全面発泡
する。本実施形態では、全面発泡を生じさせるのに必要
な電圧の約１．２倍の電圧を駆動電圧としており、すな
わち４０％程度多めのエネルギーを投入しているので、
所定の印加パルス幅、例えば１μｓに対して、その６０
％程度、すなわち０．６μｓ程度で液体は全面発泡す
る。

【００５１】全面発泡後、温度が変化しても抵抗値があ
まり変化しない一般的な抵抗発熱体を用いた場合には、
ヒータ表面温度は、破線で示すように発泡温度からさら
に上昇する。具体的には、例えば、３００℃程度の発泡
温度に対してヒータ表面温度は、典型的には、６００〜
７００℃程度の高温に達する。この際、このような不必
要な加熱（過剰な加熱）にエネルギーが消費される。す
なわち、上述のように、１．２倍程度高めの電圧を駆動
電圧とした場合、原理的に４０％程度のエネルギーが無
駄に消費される。

【００５２】一方、本実施形態の構成では、ＰＴＣサー
ミスタ層１として、発泡温度よりも少し高い温度をキュ
リー点とするＰＴＣサーミスタ発熱体を用いている。こ
の場合、発泡完了後、ＰＴＣサーミスタ層１の温度がさ
らに上昇すると、ＰＴＣサーミスタ層１の抵抗Ｒは、常
温における抵抗Ｒ１に比べて通常１０倍以上大きい抵抗
Ｒ２へと、急激に大きくなり、ＰＴＣサーミスタ層１に
はほとんど電流が流れなくなる。このため、本実施形態
によれば、ヒータ表面温度は、発泡が完了してもほとん
ど上昇しない。具体的には、本実施形態の例では、ヒー
タ表面温度が、３５０℃程度のキュリー点に近づくにつ
れて、発泡用ヒータの素子抵抗は、常温における抵抗１
００Ωから４００℃における約１０ｋΩへと急激に高く
なる。これによって、一般的な抵抗発熱体を用いた場
合、ヒータ表面温度が６００〜７００℃程度の高温に達
するのに対して、本実施形態によれば、ヒータ表面温度
を発泡温度とほぼ同じ約３００℃程度と、劇的に低い温
度に抑えることができる。

【００５３】また、発泡完了後は、電流がほとんど流れ
なくなるので、電圧が引き続き印加されたとしても電力
はほとんど消費されない。すなわち、図４の消費電力の
グラフにおいて斜線で示す分の電力、本実施形態の例で
は約４０％の電力を節約することができる。

【００５４】また、図５は、ＰＴＣサーミスタ層１と電
気的バリア層１０４を１対の電極２、３間に挟持した非
線形電流電圧素子に電圧を印加することにより大電流を
流す場合について、素子の面内温度分布が時間とともに
どのように変化するかを示す概念図である。

【００５５】図示したように本実施形態の非線形電流電
圧素子では、例えば段差等の影響で電流の集中が発生し
て、温度の高い部分と低い部分が混在するような面内初
期温度分布が発生しても、ある温度で急激に抵抗値が上
昇するＰＴＣサーミスタ層１の作用により、温度の高い
部分の電流値と発熱が抑制され、面内の温度分布が均一
化し、やがて、温度略一定で全面均一発熱にできる効果
がある。特に、インク滴の発泡温度付近で抵抗値が急激
に上昇する正の温度係数を有するＰＴＣサーミスタを用
いることにより、バブルジェットインクの発泡温度付近
の温度で全面が均一に発熱できる発熱体を提供できる。

【００５６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、発泡用ヒータが、実質的に、電極２、３および電気
的バリア層１０４からなるＭＩＭ素子と、ＰＴＣサーミ
スタ層１との直列な回路（図９参照）となり、電圧印加
時に所定の電圧以下では電流が流れず、所定の電圧以上
で電流が流れ、かつ、液体の発泡後に電流を自動的に遮
断することができるものであり、発泡用ヒータの発泡後
の不必要な発熱を抑制できる。それによって発泡用ヒー
タが必要以上に高温になるのを防止でき、ヒータの耐久
性を高めることができる。また、発泡後はＰＴＣサーミ
スタ層１で実質的に電力が消費されないようにでき、省
エネ化を図ることができる。

【００５７】なお、本実施形態におけるＰＴＣサーミス
タ層１の構成は、例示したものに限られることはない。
すなわち、一般に、温度が所定の温度よりも高くなった
時に抵抗値が急激に上昇する正の抵抗温度係数を有する
ＰＴＣサーミスタを用いることによって、本実施形態の
上述のような効果を得ることができる。（第２の実施形態）図６に、本発明の第２の実施形態の
インクジェット記録ヘッドの模式的断面図を示す。図６
は、１つの発泡用ヒータ部分を示しており、インクジェ
ット記録ヘッド全体は、図５に示す発泡用ヒータ部を複
数配置した構成にすることができる。同図において、第
１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付
し、説明を省略する。

【００５８】本実施形態のインクジェット記録ヘッドで
は、下側の電極３ｂは、蓄熱層４との間に密着層５１を
介して積層されている。下側の電極３ｂと、その上に積
層されたＰＴＣサーミスタ層１との上には、絶縁体５２
の層が形成されている。この絶縁体５２の層には、ＰＴ
Ｃサーミスタ層１の上面を部分的に露出させるコンタク
トホール５３が形成され、このコンタクトホール５２以
外の領域でＰＣＴサーミスタ層１を被覆している。そし
て、この絶縁体５２上に電気的バリア層１０４ｂが積層
されており、この上に上側の電極２ｂがさらに積層され
ている。すなわち、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドは、電極２ｂ、３ｂが、電気的バリア層１０４ｂと
ＰＴＣサーミスタ層１とをコンタクトホール５２を介し
て挟持した構成となっている。

【００５９】絶縁体５２の層は、例えば、厚さ１μｍの
ＳｉＮ薄膜であり、電極２ｂ、３ｂは厚さ０．２μｍの
白金電極であり、密着層５１は厚さ０．０５μｍのＴｉ
密着層である。また、ＰＴＣサーミスタ層１は、第１の
実施形態と同様の構成にすることができ、それによっ
て、第１の実施形態におけるのと同様に、ヒータ温度が
過剰に高温になるのを防止でき、消費電力を低減でき
る。

【００６０】本実施形態では、ＰＴＣサーミスタ層１
は、絶縁体５２によって覆われ、また絶縁体５２のコン
タクトホールから露出した部分は電極２ｂによって覆わ
れており、液体とは接触していない。そして、電極２ｂ
は化学的に安定な材料、上述の例では白金から構成され
ており、発泡用ヒータが化学的に損傷するのを防止する
ことができ、発泡用ヒータの耐久性を高めることができ
る。

【００６１】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も、第１の実施形態と同様に、電極
２ｂ、３ｂおよび電気的バリア層１０４ｂからなるＭＩ
Ｍ素子と、ＰＴＣサーミスタ層１との直列な回路（図９
参照）となり、電圧印加時に所定の電圧以下では電流が
流れず、所定の電圧以上で電流が流れ、かつ、液体の発
泡後に電流を自動的に遮断することができるものであ
り、発泡用ヒータの発泡後の不必要な発熱を抑制でき
る。それによって発泡用ヒータが必要以上に高温になる
のを防止でき、ヒータの耐久性を高めることができる。
また、発泡後はＰＴＣサーミスタ層１で実質的に電力が
消費されないようにでき、省エネ化を図ることができ
る。る。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｍ
ＩＭ型の電気特性を示す絶縁層とある温度で抵抗値が急
激に上昇する正の抵抗温度係数を有するＰＴＣ型の抵抗
層を有する積層体を１対の電極で挟持することにより、
不用な温度上昇に対して自動的に素子を保護する機能を
持ったＭＩＭ型電気特性を持った非線形電気素子を提供
できる効果がある。

【００６３】また、本発明によれば、ＭＩＭ型の電気特
性を示す絶縁層とある温度で抵抗値が急激に上昇する正
の抵抗温度係数を有するＰＴＣ型の抵抗層を有する積層
体を１対の電極で挟挟した発熱手段を用いることで、省
エネでかつ耐久性が高く、安価な長尺ヘッドを提供でき
るインクジェット記録ヘッドを提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のインクジェット記録
ヘッドの模式的断面図である。

【図２】図１のインクジェット記録ヘッドのヒータ部の
平面図である。

【図３】図１のインクジェット記録ヘッドに用いられる
抵抗発熱体における、抵抗値の温度依存性を示すグラフ
である。

【図４】図１のインクジェット記録ヘッドを用いた液体
発泡工程における、抵抗発熱体の抵抗、消費電力、ヒー
タ表面温度の時間変化を示すグラフである。

【図５】本発明の第１の実施形態の非線形電流電圧素子
における面内温度分布の変化を示す概念図である。

【図６】本発明の第２の実施形態のインクジェット記録
ヘッドの模式的断面図である。

【図７】ＭＩＭ型電気特性の概念図である。

【図８】ＭＩＭ素子における面内温度分布の変化を示す
概念図である。

【図９】本発明のインクジェット記録ヘッドの発熱手段
を、ＭＩＭとＰＴＣとの等価回路として示した回路図で
ある。

【図１０】ＭＩＭ素子とＰＴＣサーミスタとの直列な回
路をマトリクス回路の交点に配置したマトリクス回路図
である。

【符号の説明】

１ＰＴＣサーミスタ層２、２ｂ、３、３ｂ電極４蓄熱層５吐出孔６基板７ノズル形成部材８インク供給口９流路１０駆動用電圧印加源１１気泡１２吐出液滴５１密着層５２絶縁体５３コンタクトホール１０４、１０４ｂ電気的バリア層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱手段によって液体を発泡させ液体を
吐出させるインクジェット記録ヘッドにおいて、前記発熱手段が、１対の電極と、所定の温度以上で抵抗
値が急激に上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗層
と、所定の電圧以上で電流を流す絶縁層とを有し、前記
１対の電極で、前記正の抵抗温度係数を有する抵抗層と
前記絶縁層とを挟持してなる積層体を有することを特徴
とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】前記絶縁層の厚みが４ｎｍ以上、４０ｎ
ｍ以下である、請求項１に記載インクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項３】前記正の抵抗温度係数を有する抵抗層の
抵抗値が急激に上昇する温度が、前記液体の発泡温度付
近である、請求項１または２に記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項４】前記正の抵抗温度係数を有する抵抗層の
抵抗値が急激に上昇する温度が２５０℃以上４９０℃以
下である、請求項１ないし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】前記発熱手段が、実質的にＭＩＭ素子と
ＰＴＣサーミスタの直列な回路である、請求項１ないし
４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６】前記絶縁層が、電圧印加時に所定の電圧
以下では電流を流さず、かつ、所定の電圧以上で電流を
流し、前記抵抗層が、前記液体の発泡後に電流を遮断す
る、請求項１ないし５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７】前記１対の電極と、所定の温度で抵抗値
が急激に上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗層と、
所定の電圧で電流を流す絶縁層と、コンタクトホールが
形成された部材とを有し、前記コンタクトホールを介し
て前記１対の電極で、前記正の抵抗温度係数を有する抵
抗層と前記絶縁層が挟持されている、請求項１ないし６
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８】非線形な抵抗特性を有する非線形電気素
子において、１対の電極と、所定の温度付近で抵抗値が急激に上昇す
る正の抵抗温度係数を有する抵抗層と、所定の電圧で電
流を流す絶縁層とを有し、前記１対の電極で、前記正の
抵抗温度係数を有する抵抗層と前記絶縁層とを挟持して
いることを特徴とする非線形電気素子。
【請求項９】前記絶縁層の厚みが４ｎｍ以上、４０ｎ
ｍ以下である、請求項８に記載の非線形電気素子。
【請求項１０】実質的にＭＩＭ素子とＰＴＣサーミス
タの直列な回路からなる積層構造体である、請求項８ま
たは９に記載の非線形電気素子。
【請求項１１】１対の電極と、前記１対の電極間に挟
持された、所定の温度よりも昇温したときに抵抗値が急
激に上昇する正の抵抗温度係数を有する抵抗発熱体と、
前記１対の電極のうちの一方の電極を前記発熱抵抗体に
電気的に接続させるためのコンタクトホールが形成さ
れ、前記発熱抵抗体を被覆している電気的な絶縁体と、
前記一方の電極を被覆する電気的な絶縁層とを有する、
請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の非線形電気
素子。