專利名稱：噴墨記錄頭及非線性電氣元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于噴墨打印機(jī)、特別是利用發(fā)泡現(xiàn)象的噴泡打印機(jī)中的噴墨記錄頭及非線性電氣元件。
背景技術(shù)：
關(guān)于非線性電流電壓元件技術(shù)，對(duì)于在某一溫度(居里溫度)下電阻值反常上升的非線性特性PTC熱敏電阻，在過去提出的各種各樣的制品中就有應(yīng)用。例如，在特開平5-47457號(hào)公報(bào)中就提出過具有正溫度系數(shù)(PTC)特性的有機(jī)平面狀發(fā)熱體的提案。另外，在特開平5-258840號(hào)公報(bào)中，提出過將多個(gè)PTC元件并聯(lián)的PTC發(fā)熱裝置的提案。另外，在特開平4-97927號(hào)公報(bào)中發(fā)表過利用PTC熱敏電阻發(fā)熱體，將油墨溫度保持在所需的溫度范圍的噴墨裝置。
另外，關(guān)于非線性電流電壓元件技術(shù)，對(duì)于具有在某一電壓以下幾乎沒有電流流過、但在某一電壓以上就有電流流過的電流電壓特性(即MIM型電流電壓特性)的MIM元件的泡噴記錄頭的應(yīng)用，在例如，特開2001-71499號(hào)公報(bào)，特開2002-046274號(hào)公報(bào)，特開2002-046275號(hào)公報(bào)，特開2002--067325號(hào)公報(bào)，特開2002-067326號(hào)公報(bào)中都有過提案。
圖7是MIM型電氣特性的概念圖。圖中，即使施加極性未定的非選擇電壓、也不會(huì)使非線性元件發(fā)熱的非線性元件的電流電壓特性最好是不論是在正電壓端或者負(fù)電壓端施加絕對(duì)值小的電壓，都只有足夠小的電流流過的電流電壓特性。因此，特別是非線性元件的電流電壓特性，如圖7所示，在施加會(huì)出現(xiàn)預(yù)期的發(fā)泡現(xiàn)象的電壓時(shí)，使流過的電流相當(dāng)于絕對(duì)值為I0的電流的施加電壓+V1與-V2之間的絕對(duì)值的比(V1/V2)為0.5～2的值、而且，在施加+V1/2、-V2/2的電壓時(shí)，流過的電流的絕對(duì)值最好是在I0/10以下。
另一方面，涉及到噴墨記錄頭的技術(shù)，對(duì)于適用于噴泡記錄方式的記錄頭，一般備有噴射液體用的微細(xì)噴孔、將液體導(dǎo)入噴孔的流路、和在一部分流路上設(shè)置的發(fā)熱裝置。作為噴泡記錄方式，是通過利用加熱裝置使流路內(nèi)的液體形成局部高溫，而使液體發(fā)泡，產(chǎn)生氣泡，利用發(fā)泡時(shí)產(chǎn)生的高壓，將液體通過微細(xì)的噴孔擠出，使被擠出的液體付著在記錄紙等上面的。
為了采用這種記錄技術(shù)使記錄的圖象高精彩化，就需要從高密度配置的噴孔噴出微小液滴的技術(shù)。為此，將形成微細(xì)的流路和微細(xì)的加熱裝置作為基本重點(diǎn)。因此，提出了在噴泡記錄方式中通過靈活運(yùn)用單純的結(jié)構(gòu)、改進(jìn)攝影刻印工程技術(shù)，構(gòu)成高密度配置有噴孔、流路和發(fā)熱體的記錄頭的方法的提案(例如，參照特開平08-15629號(hào)公報(bào))。另外，為了調(diào)整能夠噴出微小液滴的噴出量，提出了采用中心的發(fā)熱量比周邊大的發(fā)熱體的提案(參照特開昭62-201254號(hào)公報(bào))。
作為加熱裝置，通常采用由厚度為0.05μm左右的氮化鈦薄膜制成的電阻發(fā)熱體。利用對(duì)其通電時(shí)的焦耳熱使液體發(fā)泡。為了使電阻發(fā)熱體的表面不受氣蝕的損傷，通常在約為0.8μm左右的SiN一類的絕緣層之間配置厚度約為2μm左右的Ta一類的金屬制的耐磨層。
在上述這樣的噴泡記錄方式的記錄頭中，油墨發(fā)泡用的電阻發(fā)熱體自身的成品電阻或連接的配線的電阻在某種左右上都會(huì)產(chǎn)生離散。因此，即使在一定條件下施加電壓，由于因電阻而使電壓下降產(chǎn)生離散，使得由電阻發(fā)熱體構(gòu)成的加熱器的發(fā)熱量產(chǎn)生離散。所以，由于要回避因?yàn)槭艿竭@樣的加熱量的離散而對(duì)圖象品位造成影響等方面的理由，作為對(duì)于驅(qū)動(dòng)由多個(gè)加熱器構(gòu)成的加熱器陣列的驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)于每個(gè)電阻發(fā)熱體的電壓值通常要按照高于為使面對(duì)液體的整體面保持穩(wěn)定發(fā)泡的必要電壓值，特別要按照必要電壓值的1.2倍來設(shè)定電壓值。
然而，當(dāng)設(shè)定了如上所述的高驅(qū)動(dòng)電壓值的情況，由于在平均的加熱器上施加了比全面發(fā)泡所必要的電壓過剩的電壓，就存在理論上會(huì)在發(fā)泡后繼續(xù)進(jìn)行不必要的加熱的問題。
具體地說，例如，以1μs的脈沖驅(qū)動(dòng)加熱器的情況下，典型地是在6μs左右發(fā)泡，在發(fā)泡以后仍然對(duì)加熱器進(jìn)行不必要的加熱(過剩加熱)，與300℃左右的發(fā)泡溫度相比，加熱器表面，在典型條件下會(huì)達(dá)到600～700℃左右的高溫，根據(jù)條件的不同，還會(huì)有更高高溫的問題。
為了對(duì)該問題作更詳細(xì)敘述，通過對(duì)上述的過剩加熱在理論上繼續(xù)進(jìn)行討論，還有發(fā)生以下問題的憂慮①由于發(fā)泡后供給無效能量，從有效利用能量的角度看是不理想的。
②出于加熱器溫度的過度高溫化的原理方面的原因，必須將加熱器材料的耐熱性設(shè)計(jì)成高于必要的以上。另外，根據(jù)情況，會(huì)成為熱破壞的原因。還有，由于反復(fù)進(jìn)行急劇的溫度變化，還會(huì)有產(chǎn)生耐久性惡化的憂慮。
因此，如果實(shí)現(xiàn)能夠抑制發(fā)泡后的過剩發(fā)熱的噴泡用的加熱器，就有可能提供從節(jié)能、提高耐久性、防止熱破壞的觀點(diǎn)看是理想的噴泡用的噴頭。
另一方面，現(xiàn)有的多數(shù)噴頭都是以將發(fā)熱元件和二極管或邏輯電路部件經(jīng)過半導(dǎo)體加工程序(離子注入法等)在硅膠底板上同時(shí)進(jìn)行成型制作為前提的。因此，由于使用噴嘴數(shù)較少的噴頭，能夠使結(jié)構(gòu)緊湊，所以具有能夠利用單一工程制作的優(yōu)點(diǎn)。然而，例如，當(dāng)使用具有與紙張整幅寬度等長的全長多噴頭時(shí)，如果要整體制作，就要有約305mm的長度，由于難以使用普通的硅芯片，就有成為高成本制法的問題。
正因如此，如果采用不依賴離子注入法等現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工程序的MIM元件就能夠驅(qū)動(dòng)噴泡用的發(fā)熱元件矩陣，則有可能提供低成本的長尺寸的噴墨頭。
另外，在噴泡用的記錄頭中，加熱器部件的電阻發(fā)熱體必須要向串聯(lián)在MIM元件上的電阻元件和MIM元件自身供給大約0.1GW/m2以上的電力密度。由于電流大，MIM元件自身有遭受破壞的憂慮。但對(duì)于這樣的MIM元件本身方面的損失，由于在液晶顯示等現(xiàn)有的MIM元件的應(yīng)用制品中的MIM元件都非常小，所以迄今為止未出現(xiàn)問題。這就是說，要考慮使用電功率大的噴泡用MIM元件的特有的問題。
特別是在現(xiàn)有的MIM元件中，在電極間的距離有離散現(xiàn)象的情況下，電流集中在電極間隔狹窄的部分，會(huì)有難于均勻發(fā)熱的憂慮。
圖8中所示，是在采用MIM元件時(shí)，電極間隔等在表面內(nèi)有離散存在時(shí)溫度分布隨時(shí)間變化的一個(gè)例子。首先，由于電流向電極間隔狹窄的部分集中，產(chǎn)生不均勻的初始溫度分布。接著，由于隧道電流的電阻值的NTC(正溫度系數(shù))特性方面的原因，使高溫部分的電阻值降低，則高溫部分的高溫狀態(tài)變得更高，有達(dá)到破壞的憂慮。再者，根據(jù)已知，MIM元件在絕緣體中的電傳導(dǎo)機(jī)制，有保羅-弗蘭格爾(Paul-Frenkel)型傳導(dǎo)那樣的在絕緣體中重復(fù)多次隧道效應(yīng)的跳躍型電傳導(dǎo)、和富勒-諾爾德哈姆(Fowler-Nordheim)型那樣的比較簡單的隧道傳導(dǎo)。
另外，在MIM元件中，由于隧道電流造成的MIM元件的電阻值的NTC(負(fù)溫度系數(shù))特性的原因，產(chǎn)生上述電流集中的情況下，由于電流集中部分的電阻更加降低，使溫度更進(jìn)一步上升，使元件本身有遭受破壞的憂慮。

發(fā)明內(nèi)容
所以，鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種針對(duì)無用溫度的上升具有自動(dòng)保護(hù)元件的功能的、具有MIM型電氣特性的非線性電氣元件。
另外，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能夠提供節(jié)省能源、而且耐久性高、價(jià)錢便宜的、大尺寸噴頭的噴墨記錄頭。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的噴墨記錄頭的特征在于在通過發(fā)熱裝置使液體發(fā)泡、噴射液體的噴墨記錄頭中，上述的發(fā)熱裝置具有一對(duì)電極，具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層，在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層；上述的一對(duì)電極夾持上述具有正電阻系數(shù)的電阻層和上述絕緣層而形成的層壓體。
另外，本發(fā)明的噴墨記錄頭的絕緣層的厚度可以是在4nm以上、40nm以下。
另外，使本發(fā)明的噴墨記錄頭的具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層的電阻值急劇上升的溫度可以是在液體發(fā)泡溫度的附近，也可以是在250℃以上、490℃以下。
除此以外，本發(fā)明的噴墨記錄頭的發(fā)熱裝置實(shí)質(zhì)上可以是由MIM元件和PTC熱敏電阻串聯(lián)成的電路；絕緣層可以是在施加比規(guī)定電壓低的電壓時(shí)沒有電流流過、但是當(dāng)施加比規(guī)定電壓高的電壓時(shí)則有電流流過；電阻層可以是在液體發(fā)泡后電流立即被切斷。
另外，本發(fā)明的噴墨記錄頭具有一對(duì)電極，具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層，在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層，和由接觸孔形成的部件；可以是通過接觸孔，上述的一對(duì)電極夾持具有正電阻系數(shù)的電阻層和絕緣層。
本發(fā)明的非線性電氣元件的特征在于在具有非線性電阻特性的非線性電氣元件中備有一對(duì)電極，具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層，當(dāng)施加比規(guī)定電壓高的電壓時(shí)有電流流過的絕緣層；上述一對(duì)電極挾持具有上述正電阻溫度系數(shù)的電阻層和上述絕緣層。
另外，本發(fā)明的非線性電氣元件的厚度可以是在4nm以上、40nm以下。實(shí)質(zhì)上可以是由MIM元件和PTC熱敏電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)體。
另外，本發(fā)明的非線性電氣元件，可以是具有一對(duì)電極，被夾持在上述一對(duì)電極之間、具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)電阻值急劇上升的正電阻系數(shù)的電阻發(fā)熱體，為了將上述一對(duì)電極中的一個(gè)電極與上述發(fā)熱電阻體電氣連接而形成接觸孔的、覆蓋發(fā)熱電阻體的電絕緣體，和覆蓋另一個(gè)電極的絕緣層。
上述的本發(fā)明的噴墨記錄頭具有一對(duì)電極，具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層，和在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層；以由一對(duì)電極夾持具有正電阻系數(shù)的電阻層和絕緣層而形成的層壓體作為發(fā)熱裝置。即本發(fā)明的噴墨記錄頭的發(fā)熱裝置實(shí)質(zhì)上是由MIM元件和PTC熱敏電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成的；施加電壓時(shí)，施加低于規(guī)定電壓的電壓時(shí)沒有電流流過；施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)有電流流過；而且在液體發(fā)泡后電流能夠自動(dòng)切斷。圖9表示的是，將本發(fā)明的噴墨記錄頭的發(fā)熱裝置作為MIM元件101和PTC熱敏電阻100的等價(jià)電路的電路圖。
另外，如圖10所示的矩陣電路，是由MIM元件101和PTC熱敏電阻100構(gòu)成的串聯(lián)電路，這就是說，由于發(fā)熱裝置是被配置在由X1、X2…的列向配線和Y1、Y2…的行向配線構(gòu)成的矩陣配線的各交點(diǎn)上的，則在一對(duì)電極之間施加某一電壓以上的電壓時(shí)，會(huì)有電流流過而發(fā)熱，液體受發(fā)熱裝置加熱而發(fā)泡，發(fā)泡之后，在施加電壓的狀態(tài)下，受PTC熱敏電阻的作用，使電流自動(dòng)切斷。另外，當(dāng)在一對(duì)電極之間施加某一電壓以下的電壓的情況下，沒有電流流過，不產(chǎn)生發(fā)熱，從而能夠形成以噴泡方式噴墨的記錄頭的能夠矩陣驅(qū)動(dòng)的矩陣驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。這就是說，本發(fā)明的噴墨記錄頭為了在發(fā)泡后在施加電壓的狀態(tài)下自動(dòng)切斷電流，防止過剩發(fā)熱，在抑制多余能量的消耗的同時(shí)，也防止了發(fā)熱裝置的損壞，提高了發(fā)熱裝置的耐久性。
另外，通過將呈現(xiàn)MIM型電流電壓特性的非線性元件，如上所述配置在矩陣電極的交點(diǎn)上，利用矩陣驅(qū)動(dòng)時(shí)的偏壓，能夠抑制在非選擇點(diǎn)上的無用發(fā)熱，使加熱器的矩陣驅(qū)動(dòng)成為可能。另外，采用矩陣驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)器和加熱器容易分離，也有可能取得使用便宜的非Si底板進(jìn)行大量生產(chǎn)的效果。
另外，上述本發(fā)明的非線性電氣元件，由于具有具有溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻發(fā)熱體，和覆蓋在發(fā)熱電阻體上的電絕緣層，所以在保持作為MIM元件的特性的同時(shí)，即使由于電流集中產(chǎn)生元件溫度的局部上升，由于電阻層中的比電阻急劇上升，而能夠抑制流向電流集中部分的電流，使MIM型電流電壓特性處于激活狀態(tài)，能夠穩(wěn)定處理異常大的大電流。
另外，由于絕緣層的厚度在4nm以上、40nm以下，能夠?qū)σ試娔绞絿娚湟后w的單元的矩陣驅(qū)動(dòng)賦予理想的MIM型電氣特性。
根據(jù)已知，MIM元件在絕緣體中的電傳導(dǎo)機(jī)制，有保羅-弗蘭格爾(Paul-Frenkel)型傳導(dǎo)那樣的在絕緣體中反復(fù)多次進(jìn)行隧道效應(yīng)的跳躍型電傳導(dǎo)、和富勒-諾爾德哈姆(Fowler-Nordheim)型那樣的比較簡單的隧道傳導(dǎo)。
采用這樣的隧道型的電流流動(dòng)，為了使電流流向所連接的元件，必須要使電極之間的距離極為狹窄。使電流流向MIM元件的絕緣體的極限膜厚或者極限電極間隔與絕緣材料和電極材料的種類或者傳導(dǎo)機(jī)制雖然有很大的依存關(guān)系，但是為了使作為MIM元件使用的有效電流流動(dòng)，電極間隔最好是例如在100nm以下。再者，為了使噴墨記錄頭的驅(qū)動(dòng)在低壓下獲得必要的大電流，理想的是將電極間隔取在40nm以下。另外，由于電極間隔過于狹窄，會(huì)使電極的金屬表面的離子產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射，所以電極間隔最好是在1nm以上。再者，為了得到生成穩(wěn)定的隧道傳導(dǎo)的隧道偶合，電極間隔最好是取在4nm以上。這就是說，特別是將電極間隔取在1nm以上、100nm以下則更好。使用4nm以上、40nm以下的非線性元件作為MIM元件是理想的。
另外，由于使上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層的電阻值急劇上升的溫度是在上述液體的發(fā)泡溫度附近，所以發(fā)泡后就會(huì)迅速自動(dòng)切斷電流。另外，考慮到一般的油墨發(fā)泡溫度和與油墨接觸的發(fā)熱體的表面溫度通常具有低于發(fā)熱體內(nèi)部溫度的傾向，所以理想的是將這樣的溫度取在250℃以上、490℃以下。
如上所見，通過本發(fā)明，能夠提供、針對(duì)無效的溫度上升、具有自動(dòng)保護(hù)元件功能的MIM型電氣特性的非線性元件，同時(shí)還能夠提供節(jié)能的、耐久性能高的、價(jià)格便宜的、長尺寸的噴墨記錄頭。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施例的噴墨記錄頭的模型截面圖。
圖2是圖1的噴墨記錄頭的加熱部件的平面圖。
圖3是表示圖1的噴墨記錄頭所用的電阻發(fā)熱體的電阻值和溫度的依存關(guān)系的曲線圖。
圖4是在使用圖1的噴墨記錄頭的液體發(fā)泡步驟中電阻發(fā)熱體的電阻、電力消耗和加熱表面溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖5是表示在本發(fā)明的第1實(shí)施例的非線性電流電壓元件中的面內(nèi)溫度分布變化的概念圖。
圖6是本發(fā)明的第2實(shí)施例的噴墨記錄頭的模型截面圖。
圖7是MIM型電氣特性的概念圖。
圖8是表示現(xiàn)有MIM元件的面內(nèi)溫度分布變化的概念圖。
圖9是表示將本發(fā)明的噴墨記錄頭的加熱裝置作為MIM元件和PTC的等價(jià)電路的電路圖。
圖10是將MIM元件和PTC熱敏電阻的串聯(lián)電路配置在矩陣電路交點(diǎn)上的矩陣電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照

本發(fā)明的實(shí)施例。
(第1實(shí)施例)圖1、2是第1實(shí)施例的噴墨記錄頭的模型圖。圖1是截面圖，圖2是平面圖。圖1、2所表示的是一個(gè)發(fā)泡用的加熱部分。噴墨記錄頭的整體可以是由圖1、2中所示的多個(gè)發(fā)泡加熱部件配置構(gòu)成的。
該噴墨記錄頭具有用作為油墨供給口8的貫通孔進(jìn)行開口了的底板6。在底板6的上面形成蓄熱層4，在該層上面另外還有構(gòu)成金屬電極用的兩個(gè)金屬層，在兩者之間配置了PTC熱敏電阻層1和經(jīng)過層壓形成的電壁壘層104。在圖2的示例中，兩個(gè)金屬電極2、3形成互相交叉的帶條狀平面形狀，PTC熱敏電阻層1和用電絕緣膜構(gòu)成的電壁壘層104被配置在兩塊金屬電極2、3的交叉位置上。這就是說，在底板6上按照金屬電極3、PTC熱敏電阻層1、電壁壘層104、和金屬電極2的順序，經(jīng)過層壓形成發(fā)泡用的加熱器。
除此以外，在底板6上配置了形成流路9和噴孔5的噴嘴成型構(gòu)件7。噴孔5在面對(duì)發(fā)泡加熱器的位置上開口。另外，在圖1、2中雖然未作詳細(xì)圖示，但是油墨流路9是由從油墨供給口8起到發(fā)泡加熱器上方、分別貫通到多個(gè)發(fā)泡加熱器上方的多個(gè)油墨流路9形成的。
在該噴墨記錄頭中，通過利用驅(qū)動(dòng)用電壓施加源10向兩個(gè)金屬電極2、3之間施加電壓，使電流流過由PTC熱敏電阻層1、金屬電極2、3和電壁壘層104構(gòu)成的非線性電流電壓元件，產(chǎn)生焦耳熱。通過該焦耳熱，充填在流路9內(nèi)的液體(油墨)經(jīng)過發(fā)泡，產(chǎn)生氣泡11，受到發(fā)泡時(shí)的壓力的作用，通過噴孔5噴出噴射液滴12。
驅(qū)動(dòng)用電壓施加源10通常設(shè)在噴墨記錄裝置的本體內(nèi)。在規(guī)定的時(shí)間向多個(gè)發(fā)泡用加熱器選擇施加電壓。在圖1、2中，省略了對(duì)這些結(jié)構(gòu)的圖示，僅模式表示了驅(qū)動(dòng)用電壓施加源10。另外，油墨供給口8被連接在圖中未示出的油墨供給源上。在噴出噴射液滴12之后，伴隨著氣泡消失，液體從油墨供給源通過油墨供給口8被導(dǎo)入流路9內(nèi)充填。
在本實(shí)施例中，在以例如有結(jié)晶軸(111)、厚0.625mm的Si底板作為底板1的情況下，可以采用Si的異向性蝕刻法形成油墨供給口8。另外，可以用例如厚0.2μm的白金薄膜作為電極2、3。蓄熱層4可以使用厚2.75μm的Si的熱氧化膜。另外，噴嘴成型材料7可以用例如樹脂制成。油墨供給口8可以采用Si的異向性蝕刻法形成。
在本實(shí)施例的噴墨記錄頭中，是用PTC熱敏電阻發(fā)熱體作為PTC熱敏電阻層1的。PTC熱敏電阻發(fā)熱體是具有當(dāng)該溫度高于規(guī)定溫度(居里點(diǎn))時(shí)電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻發(fā)熱體。
圖3是表示在本實(shí)施例中適宜于作為PTC熱敏電阻層1的PTC熱敏電阻發(fā)熱體的電阻值(R)-溫度特性模型曲線圖。在同圖中，Tb表示發(fā)泡溫度。即，在該例中，液體是用大約在300℃發(fā)泡的油墨。另一方面，Tc表示PTC熱敏電阻發(fā)熱體的居里點(diǎn)。用作PTC熱敏電阻層1的PTC熱敏電阻發(fā)熱體的居里點(diǎn)，以稍高于發(fā)泡溫度Tb的溫度為宜。圖3所示的例子中，約為350℃。由圖可見，雖然可以將居里點(diǎn)根據(jù)發(fā)泡溫度作相應(yīng)的適宜設(shè)定，但鑒于一般油墨的發(fā)泡溫度，被用作噴墨記錄頭的發(fā)泡用加熱器的PTC熱敏電阻的居里點(diǎn)，以250～490℃為宜。
這樣的PTC熱敏電阻層1，例如，可以使用在鈦酸鋇中摻雜鉛的(Ba0.5Pb0.5)TiO3的、厚0.4μm的薄膜構(gòu)成。在此情況下，該P(yáng)TC熱敏電阻發(fā)熱體在室溫下的比電阻約為10Ω·cm，居里點(diǎn)約為350℃，在400℃下的比電阻約為1000Ω·cm。采用該P(yáng)TC熱敏電阻作為PTC熱敏電阻層1，構(gòu)成發(fā)泡用加熱器。在作為加熱器的有效尺寸為20μm×20μm的情況下，該發(fā)泡用加熱器在常溫下的元件電阻約為100Ω，400℃下的元件電阻約為10kΩ。在該發(fā)泡用加熱器上施加例如脈沖寬度約為0.1μs，脈沖高度約為10V的電壓，在低于居里點(diǎn)的低溫狀態(tài)下，有0.05A的電流流過。受到由此而產(chǎn)生的焦耳熱的作用，液體被加熱發(fā)泡，能夠以大約15m/s的速度噴出噴射液滴12。
另外，作為電壁壘層的絕緣薄膜層，使用例如，SiN薄膜、SiO2薄膜、金屬陽極氧化膜，雖然是以在1nm以上、100nm以下的為宜，但是在4nm以上、40nm以下則更好。
其次，關(guān)于該噴墨記錄頭的液體發(fā)泡步驟，參照?qǐng)D4進(jìn)行說明。圖4所示，從上到下，分別是表示PTC熱敏電阻層1的電阻值R、電力消耗、發(fā)泡用加熱器的表面溫度的、在同一期間隨時(shí)間變化的3個(gè)曲線圖。在圖4的電力消耗、加熱器表面溫度的曲線中，虛線表示使用在使用溫度范圍內(nèi)溫度雖然變化、但電阻值卻幾乎沒有變化的、一般的電阻發(fā)熱體的情況下的變化。
按照以前所述的現(xiàn)有技術(shù)，在噴墨記錄頭中，構(gòu)成發(fā)泡用加熱器的電阻發(fā)熱體在成品電阻和布線電阻多少有些離散現(xiàn)象，為了充分保證液體在穩(wěn)定發(fā)泡的情況下噴射液體，一般將加熱器的驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)定為高于能夠使電阻的離散不產(chǎn)生過大的影響的，使加熱器均衡地產(chǎn)生全面發(fā)泡的電壓。在本實(shí)施例中也和這樣的情況相同，具體的說，以全面發(fā)泡所必要的電壓的大約1.2倍的電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓。因此，圖4中所示的曲線表示的是使電阻離散影響不會(huì)過大的、平均的電阻發(fā)熱體的變化。
在開始施加脈沖電壓時(shí)，加熱器的表面溫度最初向液體的發(fā)泡溫度的方向上升，使液體開始發(fā)泡。在此過程中，由于液體相態(tài)變化使加熱器的熱能被消耗，直到發(fā)泡完畢，也就是在達(dá)到全面發(fā)泡之前，加熱器的表面溫度是朝向保持恒定不變的發(fā)泡溫度的方向推移的。在按照規(guī)定的脈沖寬度施加上述那樣高的電壓的情況，加熱器表面的液體，從開始施加電壓脈沖之時(shí)起，到經(jīng)過一定時(shí)間之后的時(shí)刻為止，在施加電壓脈沖終了之前全面發(fā)泡。在本實(shí)施例中，以發(fā)生全面發(fā)泡所必要的電壓的1.2倍的電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓。這就是說，由于要多投入40％左右的能源，當(dāng)規(guī)定的脈沖寬度是例如1μs的60％左右，就是要用0.6μs左右使液體全面發(fā)泡。
全面發(fā)泡后，在采用溫度即使變化而電阻值卻幾乎不變的一般電阻發(fā)熱體的情況下，加熱器表面溫度如虛線所示從發(fā)泡溫度開始進(jìn)一步地上升。具體地說，例如，按照300℃左右的發(fā)泡溫度計(jì)算，加熱器表面溫度典型地會(huì)達(dá)到600℃～700℃左右的高溫。此時(shí)，就要消耗不必要的加熱(過剩加熱)。也就是說，如上所述，當(dāng)采用高到1.2倍左右的電壓作為驅(qū)動(dòng)電壓的情況，從理論上講要消耗40％左右的無效能源。
另一方面，在本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，采用居里點(diǎn)略高于發(fā)泡溫度的PTC熱敏電阻發(fā)熱體作為PTC熱敏電阻層1。在這樣的情況下，發(fā)泡完畢后，當(dāng)PTC熱敏電阻層1的溫度繼續(xù)上升時(shí)，PTC熱敏電阻層1的電阻R急劇增大，通常達(dá)到比常溫時(shí)的電阻R1大10倍以上的R2，在PTC熱敏電阻層1中變得幾乎沒有電流流過。所以，當(dāng)采用本實(shí)施例時(shí)，加熱器的表面溫度在發(fā)泡完畢后幾乎沒有上升。具體地說，在本實(shí)施例中，隨著加熱器表面溫度接近于350℃左右的居里點(diǎn)，發(fā)泡用加熱器的元件電阻從常溫時(shí)的電阻100Ω急劇升高到400℃時(shí)的10kΩ。由此，相對(duì)于使用一般的電阻發(fā)熱器的情況下，加熱器表面溫度會(huì)達(dá)到600～700℃左右的高溫，而當(dāng)使用本實(shí)施例時(shí)，加熱器表面溫度大致保持在300℃左右，能夠?qū)囟却蟠髩旱汀?br> 另外，發(fā)泡結(jié)束后，由于幾乎沒有電流流過，即使再繼續(xù)施加電壓，也幾乎不再消耗電力。這就是在圖4的電力消耗曲線中用斜線標(biāo)出的部分。在本實(shí)施例的示例中，能夠節(jié)約大約40％的電力。
另外，圖5是表示對(duì)在一對(duì)電極2、3之間夾持有PTC熱敏電阻1和電壁壘層104的非線性電流電壓元件施加電壓時(shí)、有大電流流過的情況下，在元件面內(nèi)的溫度分布隨時(shí)間變化的概念圖。
如圖所示，在本實(shí)施例的非線性電流電壓元件中，例如，由于遭受級(jí)差等的影響，發(fā)生電流集中，在面內(nèi)的初期溫度分布即使會(huì)發(fā)生溫度高的部分與低的部分混合存在，但是，由于受到在某一溫度下電阻值急劇上升的PTC熱敏電阻層1的作用，溫度高的部分的電阻值和發(fā)熱會(huì)受到抑制，使面內(nèi)的溫度分布均勻化，很快就會(huì)有在溫度大致恒定的狀態(tài)下能夠全面均勻發(fā)熱的效果。特別是通過采用具有在油墨滴發(fā)泡溫度附近電阻值急劇上升的正電值溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻，能夠提供在噴墨油墨的發(fā)泡溫度附近的溫度下全面均勻發(fā)熱的發(fā)熱體。
如以上說明可見，如果采用本實(shí)施例，發(fā)泡用加熱器實(shí)質(zhì)上是由電極2、3和電壁壘層104構(gòu)成的MIM元件，與PTC熱敏電阻層1之間的串聯(lián)電路(參照?qǐng)D9)形成的。在施加電壓時(shí)，如果施加的電壓低于規(guī)定的電壓則沒有電流流過，施加的電壓高于規(guī)定電壓時(shí)有電流流過，而且，液體發(fā)泡后是能夠自動(dòng)切斷電流的，能夠抑制發(fā)泡用發(fā)熱器發(fā)泡后的不必要的發(fā)熱。由此可見，能夠防止發(fā)泡用加熱器產(chǎn)生必要溫度以上的高溫，能夠提高加熱器的耐久性。另外，發(fā)泡后，PTC熱敏電阻層1實(shí)質(zhì)上能夠不消耗電力，能夠達(dá)到節(jié)能化的目的。
本實(shí)施例中的PTC熱敏電阻層1的結(jié)構(gòu)不受示例的制約。這就是說，一般通過使用具有當(dāng)溫度高于規(guī)定溫度時(shí)電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻的，都能夠獲得本實(shí)施例的所述效果。
(第2實(shí)施例)圖6是本發(fā)明的第2實(shí)施例的噴墨記錄頭的模型截面圖。圖6所示是一個(gè)發(fā)泡用加熱器部分，噴墨記錄頭的全體可以如圖5所示由多個(gè)發(fā)泡用加熱器部件配置構(gòu)成。在同圖中，凡是和第1實(shí)施例同樣的部分都附有同樣的符號(hào)，說明從略。
在本實(shí)施例的噴墨記錄頭中，下側(cè)電極3在與蓄熱層4之間經(jīng)由密接層51被層壓。下側(cè)電極3b和在其上面層壓成型的PTC熱敏電阻層1的上方形成絕緣體層52。在該絕緣體52的層中，形成使PTC熱敏電阻上表面部分外露的接觸孔53，在該接觸孔53以外的區(qū)域PTC熱敏電阻層1全被覆蓋。因此，在該絕緣體52上層壓形成了電壁壘層104b，再在該層的上面層壓形成上側(cè)電極2b。這就是說，本實(shí)施例的噴墨記錄頭的電極2b、3b是在接觸孔53內(nèi)夾持電壁壘層104b和PTC熱敏電阻層1構(gòu)成的。
絕緣體52的層是例如厚1μm的SiN薄膜；電極2b、3b是厚0.2μm的鉑電極；密接層51是厚0.05μm的Ti密接層。另外，PTC熱敏電阻層1可以使用和第1實(shí)施例同樣的結(jié)構(gòu)。因此，和第1實(shí)施例的情況相同，能夠防止加熱器的溫度形成過剩的高溫，能夠減低電力消耗。
采用本實(shí)施例，PTC熱敏電阻層1被絕緣體52覆蓋，另外，絕緣體52在接觸孔中露出的部分被電極2b覆蓋，不會(huì)接觸液體。所以，在上述示例中，電極2b是用化學(xué)穩(wěn)定的材料鉑制成的。能夠防止發(fā)泡加熱器的化學(xué)損傷，提高發(fā)泡用加熱器的耐久性。
按以上說明可見，本實(shí)施例的噴墨記錄頭和第1實(shí)施例相同、是由電極2b、3b和電壁壘層104b構(gòu)成的MIM元件與PTC熱敏電阻層1的串聯(lián)電路(參閱圖9)構(gòu)成的。當(dāng)施加的電壓低于規(guī)定的電壓時(shí)不會(huì)有電流流過；施加高于規(guī)定電壓時(shí)就有電流流過。而且，由于在液體發(fā)泡以后，能夠自動(dòng)切斷電流，能夠抑制發(fā)泡用加熱器在發(fā)泡以后不必要的發(fā)熱。因而就能夠防止發(fā)泡用加熱器產(chǎn)生不必要的高溫，能夠提高加熱器的耐久性。另外，在發(fā)泡以后，PTC熱敏電阻層1能夠不存在實(shí)質(zhì)性的電力消耗，能夠達(dá)到節(jié)能化的目的。
權(quán)利要求
1.一種噴墨記錄頭，通過發(fā)熱裝置使液體發(fā)泡、噴射液體，其特征在于包括上述發(fā)熱裝置具有一對(duì)電極，具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層，在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層；上述的一對(duì)電極夾持上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層和上述絕緣層形成的層壓體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的噴墨記錄頭，其特征在于上述絕緣層的厚度在4nm以上、40nm以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1記載的噴墨記錄頭，其特征在于上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層的電阻值急劇上升的溫度是在上述液體的發(fā)泡溫度的附近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1記載的噴墨記錄頭，其特征在于上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層的電阻值急劇上升的溫度是在250℃以上、490℃以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1記載的噴墨記錄頭，其特征在于上述發(fā)熱裝置實(shí)質(zhì)上是由MIM元件和PTC熱敏電阻串聯(lián)構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1記載的噴墨記錄頭，其特征在于上述絕緣層當(dāng)施加的電壓比規(guī)定電壓低時(shí)沒有電流流過；并且當(dāng)施加的電壓比規(guī)定電壓高時(shí)則有電流流過；上述電阻層在上述液體發(fā)泡后，切斷電流。
7.一種噴墨記錄頭，其特征在于包括一對(duì)電極；具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層；在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層；以及形成有接觸孔的絕緣構(gòu)件；其中上述一對(duì)電極有接觸孔內(nèi)夾持上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層和上述絕緣層。
8.一種非線性電氣元件，具有非線性電阻特性，其特征在于包括一對(duì)電極；具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)、電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻層；在施加高于規(guī)定電壓的電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層；其中上述一對(duì)電極夾持上述具有正電阻溫度系數(shù)的電阻層和上述絕緣層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8記載的非線性電氣元件，其特征在于上述的絕緣層的厚度是在4nm以上、40nm以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求8記載的非線性電氣元件，其特征在于該非線性元件實(shí)質(zhì)上是由MIM的元件和PTC熱敏電阻的串聯(lián)電路構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)體。
11.一種非線性電氣元件，其特征在于包括一對(duì)電極；夾持在上述一對(duì)電極之間、具有當(dāng)溫度上升到高于規(guī)定溫度時(shí)電阻值急劇上升的正電阻溫度系數(shù)的電阻發(fā)熱體；覆蓋上述發(fā)熱電阻體的、為了使上述一對(duì)電極中的一個(gè)電極和上述發(fā)熱電阻體電氣連接而形成有接觸孔的電絕緣體；覆蓋上述接觸孔內(nèi)的上述一個(gè)電極的、當(dāng)施加的電壓高于規(guī)定電壓時(shí)、有電流流過的絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明的噴墨記錄頭及非線性電氣元件具有以下特征在經(jīng)過開口、形成有作為貫通孔的油墨供給口(8)的底板(6)上面，形成蓄熱層(4)，再在其上面經(jīng)過層壓成型，形成作為金屬電極(2、3)的兩個(gè)金屬層，以及配置在其間的PTC熱敏電阻層(1)和電壁壘層(104)。PTC熱敏電阻層(1)是由具有當(dāng)超越規(guī)定溫度Tc時(shí)電阻R急劇增加的正電阻溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻構(gòu)成的。通過這樣的結(jié)構(gòu)，來抑制發(fā)熱裝置的不必要發(fā)熱，防止發(fā)熱裝置產(chǎn)生過剩的高溫。溫度Tc是略高于液體發(fā)泡溫度Tc的溫度，特別理想的是在250～490℃之間調(diào)整。
文檔編號(hào)B41J2/05GK1448268SQ031082
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月29日
發(fā)明者杉岡秀行 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社