JP2927765B2 - プリンタヘッドの記録液噴射装置及びその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

【０００１】本発明は、プリンタヘッドの記録液噴射装
置及びその方法に関するものであり、より詳しくは、薄
膜形状記憶合金の温度変化によって振動板が振動し、液
室の圧力を調節して、そして残留圧縮応力を有する第２
薄膜を薄膜形状記憶合金に蒸着して、振動板の変形量を
容易に調節することができ、復元力の調節が可能になる
ことで、小型化でき、製造工程が簡単になるプリンタヘ
ッドの記録液噴射装置及びその方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に広く用いられているプリンタヘッ
ドはＤＯＤ（ドロップ・アンド・デマンド）方式であ
る。このＤＯＤ方式は記録液の液滴を帯電させたり偏向
させたりする必要がなく、高圧も必要とせず、大気圧の
下ですぐに記録液の液滴を噴射して容易にプリントする
ことができるため、次第に利用されるようになってい
る。代表的な噴射原理は、抵抗を用いる加熱式噴射方法
と圧電素子を用いる振動式噴射方法とがある。

【０００３】図１は、加熱式噴射方法の原理を説明する
ためのものであり、記録液が内装されるチャンバーａ１
があり、このチャンバーａ１から被記録材に向いた噴射
口ａ２があり、この噴射口ａ２の反対側のチャンバーａ
１底部には抵抗ａ３を埋設して、空気の膨張を起こすよ
うに構成している。したがって、抵抗加熱により膨張し
た気泡はチャンバーａ１の内部の記録液を噴射口ａ２に
押し出し、記録液がその力で被記録材に向けて噴射す
る。

【０００４】図２は、圧電素子による振動式噴射方法の
原理を説明するためのものであり、同様に、記録液が内
装されているチャンバーｂ１があり、このチャンバーｂ
１から被記録材に向けた噴射口ｂ２があり、噴射口の反
対側の底部には圧電素子を埋設して、振動を起こすよう
に構成している。

【０００５】このように、チャンバーｂ１の底部で圧電
素子ｂ３が振動すると、記録液は振動力により噴射口ｂ
２に押し出され、記録液はその振動力によって被記録材
に噴射する。圧電素子の振動による噴射方法は熱を用い
ないので、記録液の選択幅が大きいという利点がある。

【０００６】また、従来のプリンタヘッドには、記録液
を吐出するため、形状記憶合金を使用する。特開昭５７
−２０３１７７，特開昭６３−５７２５１，特開平４−
２４７６８０，特開平２−２６５７５２，特開平２−３
０８４６６，特開平３−６５３４９には、形状記憶合金
を使用したプリンタヘッドの実施形態を開示している。
従来の実施形態には、相変態温度が異なり、厚みが異な
った形状記憶合金が多数結合して曲げ変形するように構
成したもの、弾性部材と形状記憶合金との結合により曲
げ変形するように構成したもの等がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記加
熱式噴射方法は、記録液の加熱により化学的変化が起こ
り、このような記録液が噴射口ａ２の内面に付着して目
詰まりを起こすという問題があり、そして発熱抵抗器の
寿命が短く、水溶性記録液を使用しなければならないた
めに、文書の保存性が悪いという欠点がある。

【０００８】また、前記圧電素子の振動による噴射方法
は、圧電素子の加工が難しく、特に圧電素子をチャンバ
ーｂ１の底部に付着させる作業が難しいため、量産性が
悪いという問題点がある。

【０００９】また、従来の形状記憶合金を用いたプリン
タヘッドは、ヘッドサイズの小型化が難しく、ノズルの
密集度および解像度が低く、製造が難しくて量産性が悪
いという問題点がある。また、使用した形状記憶合金は
薄膜ではなく、厚み５０μｍ以上の厚膜であるため、加
熱時の電力消費が大きく、冷却時間が長いために動作周
波数が低く、印刷速度が遅い等の実用性に問題がある。

【００１０】本発明者は、上記の種々の問題点を解決す
るため、薄膜形状記憶合金の温度変化によって発生する
振動により液室の圧力を変化させて、記録液が噴射する
ようにするプリンタヘッドをすでに出願している。先に
出願したプリンタヘッドによると、薄膜形状記憶合金の
発生力（Actuating force）が大きいのでノズルの目詰
まりが減少し、かつ薄膜形状記憶合金の変形量が大きい
ので、プリンタヘッドを小型化してノズルの密集度を高
めて高解像度にすることができ、半導体薄膜製造工程と
基板エッチング工程を用いて薄膜形状記憶合金を容易に
作製できるので量産性が向上する。

【００１１】本発明は、先に出願したプリンタヘッドの
改善に関するものである。本発明の目的は、振動板の変
形量と復元力とを調節できる第２薄膜を半導体薄膜製造
工程を用いて薄膜形状記憶合金に結合させて、薄膜形状
記憶合金を冷却する過程で曲げ変形の状態に復元すると
き、その復元力が増加するようにして、記録液を噴射し
た後、振動板が曲げ変形の状態に復元する時間を短くす
ることで、動作周波数が高くなって印刷速度が向上し、
かつ振動板の強度を高めて外部衝撃による破損の恐れが
少ないプリンタヘッドの記録液噴射装置及びその方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明によるプリンタヘッドの記録液噴射装置は、
エッチングにより上下に貫通させた空間部を形成する基
板と、前記基板の上部面に０.３μm〜５μmの厚さに蒸
着されて前記空間部の上端部をカバーする薄膜形状記憶
合金と、前記薄膜形状記憶合金に結合されてその形状変
化量を調節する少なくとも１枚以上に付着される第２薄
膜とからなる振動板と、前記薄膜形状記憶合金の形状変
化のための電流を供給する電源供給部と、前記基板の上
部に積層され、前記薄膜形状記憶合金が蒸着されている
部位には記録液が貯蔵される液室が形成され、前記液室
は流路により主流路と連通されるようにする流路板と、
前記流路板上部に積層され、前記液室内の記録液を前記
薄膜形状記憶合金の形状変化により液滴の形態に噴射さ
れるように前記液室よりは小さい面積のノズルを形成す
るノズルプレートとを備えるところに特徴がある。

【００１３】本発明は、既存の圧電素子を用いた方式及
び加熱による空気膨張を用いた方式と、既存の形状記憶
合金を用いた方式との両方の欠点を解決するため、半導
体薄膜製造工程を用いて、基板上に薄膜形状記憶合金と
残留圧縮応力を有する第２薄膜とから構成した振動板を
形成し、基板の一部をエッチングして、振動板が振動で
きる空間部を構成し、振動板の振動により液滴を形成す
る記録液噴射装置を提供するものである。

【００１４】このような噴射装置は、基板上にスパッタ
リング法で蒸着してから熱処理して薄膜形状記憶合金を
形成する。したがって、母相状態で偏平な形状になる。
また、第２薄膜も半導体薄膜製造工程を用いて、薄膜形
状記憶合金と結合するように構成する。蒸着した第２薄
膜は、残留圧縮応力を保持することができ、蒸着方法、
蒸着条件又は材質によって残留圧縮応力の大きさを変化
させることができる。基板の一部をエッチングして空間
部を形成すると、第２薄膜の残留圧縮応力により、薄膜
形状記憶合金と第２薄膜とから構成した振動板は曲げ変
形する。薄膜形状記憶合金を加熱すると、形状記憶合金
によって偏平な状態に変化しようとする。このときに、
液室容積が減少して記録液を噴射し、冷却時には第２薄
膜の残留圧縮応力により曲げ変形が発生し、この際に記
録液の再充填が行われる。このような過程を繰り返し
て、連続的な記録液の噴射を行う。

【００１５】本発明は、構造が簡単であり、半導体薄膜
製造工程と基板エッチング工程により薄膜形状記憶合金
と第２薄膜とからなる振動板を作製し、このような半導
体薄膜製造工程により製造した第２薄膜の残留圧縮応力
を用いて、記録液の噴射に必要な振動板の変位を容易に
得ることができるので量産性が向上し、また、第２薄膜
の残留応力の大きさを変えて変形量を容易に調節するこ
とができ、変位量を大きくすることができるので振動板
の面積が小さくなる。したがって、ヘッドの小型化が可
能であり、ノズルの密集度を高めて高解像度を達成する
ことができる。また、第２薄膜は、曲げ変形の方向を調
節して記録液噴射装置の構造の多様化に寄与する。

【００１６】本発明は、薄膜形状記憶合金を用いるた
め、加熱時の電力消費が大幅に低減し、冷却時間も非常
に早くなる。また、記録液の噴射後に、薄膜形状記憶合
金が第２薄膜の残留圧縮応力により曲げ変形の状態に復
帰するとき、復帰力が強く残留振動を発生しないので、
安定した記録液の噴射を行なうことができる。したがっ
て、動作周波数の向上、すなわち印刷速度が向上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図３は本発明の１実施形態による
噴射装置の分離斜視図であり、図４は本発明の１実施形
態の記録液の流れを示す斜視図である。本発明の噴射装
置は、解像度を高めるため、記録液２０が噴射する多数
のノズル１９が縦と横に配列し、記録液２０を実質的に
噴射する振動板１２がこの各ノズル１９と１対１に対応
する。すなわち、基板１０の前後に上下側方向に貫通し
た空間部１１を多数形成して、基板１０の上部に結合し
て各空間部１１を塞ぐ振動板１２を多数備えている。振
動板１２は温度によって振動し、このときに発生する発
生力により、記録液２０を噴射する。このような振動板
１２は、薄膜記憶形状合金１２ａと第２薄膜１２ｂとか
ら構成し、特に、第２薄膜１２ｂは振動板１２の変形量
及び復元力を調節することができる材質で構成し、曲げ
変形の速度（復元力）を増加させて動作周波数を高め
る。

【００１８】また、基板１０の上部を覆う流路板１３を
備え、流路板１３には該当振動板１２の各直上部に記録
液２０を収容する液室１４を形成する。また、流路板１
３の中央には記録液２０が流れる主流路１５を備え、主
流路１５と該当液室１４は、流路１６により相互に連通
する。また、基板１０の一方の側には流路板１３の一方
の側の主流路１５に連通する液注入口１７を備えて、記
録液２０が主流路１５側に供給される。

【００１９】また、流路板１３の上部に結合するノズル
プレート１８を備え、ノズルプレート１８は、流路板１
３に形成した各液室１４に対応するノズル１９を多数形
成する。また、各ノズル１９は該当液室１４側に露出し
た振動板１２に対応し、この振動板１２が振動すると
き、該当液室１４の圧力が変化して、記録液２０が液滴
状態で各ノズル１９を介して用紙に噴射する。

【００２０】振動板１２を構成する薄膜形状記憶合金１
２ａは温度変化によって連続的に相変化し、この過程で
振動が起こって記録液２０が各ノズル１９を介して液滴
の状態で噴射する。また、薄膜形状記憶合金１２ａは、
図５の（ａ）に示すように、電源供給部２１により加熱
する。すなわち、薄膜形状記憶合金１２ａの両端に結合
した電極２１ａから電流を流すと、薄膜記憶形状合金１
２ａは自己抵抗により発熱して温度が上昇し偏平になろ
うとする。また、電源供給部２１の電流が遮断される
と、薄膜形状記憶合金１２ａは自然冷却し、振動板１２
は第２薄膜１２ｂにより元の膨らんだ状態に復元する。

【００２１】また、図５の（ｂ）に示すように、電源供
給部２１からの電流により加熱するヒーター２１ｂを第
２薄膜１２ｂの一方の側面に設けて薄膜形状記憶合金１
２ａを加熱することができる。そして、図５の（ｃ）に
ように、振動板１２の冷却速度を高めるため、第２薄膜
１２ｂの底面に別の放熱膜１２ｃを設けることもでき
る。放熱膜１２ｃは、加熱した振動板１２を短時間に冷
却させて復元するようにするもので、振動板１２の動作
周波数を高める。このような放熱膜１２ｃは、放熱性に
優れたニッケルで構成され、その厚みが約０．５μｍ〜
３μｍである。また、振動板１２を構成する薄膜形状記
憶合金１２ａは、チタンとニッケルが主成分であり、そ
の厚みが約０．１μｍ〜５μｍ程度である。そして、第
２薄膜１２ａとしては熱酸化珪素又はポリシリコン等を
使用し、その厚みが約０．１μｍ〜３μｍ程度である。

【００２２】図６の（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態
による噴射装置の断面図であり、基板１０の材質として
はシリコンを用いる。振動板１２がノズル１９の反対側
にふっくらと変形した初期状態で薄膜形状記憶合金１２
ａを設定温度以上に加熱すると、振動板１２は偏平にな
ろうとし、この際に液室１４の内圧が増加して、記録液
２０が圧縮されることによりノズル１９を介して噴射す
る。

【００２３】また、薄膜形状記憶合金１２ａが設定温度
以下に下がると、振動板１２は第２薄膜１２ｂの残留圧
縮応力により元の状態である膨らんだ状態に復元する。
この際に、液室１４の内圧が低下して、ノズル１９の毛
細管現象と吸入力により記録液２０が液室１４の内部に
流入した後、前記過程を連続的に繰り返して記録液が液
滴の状態で噴射する。また、振動板１２が膨らんだ状態
に変形するとき、第２薄膜１２ｂの残留圧縮応力により
振動板１２の復元力が強化されて動作周波数が高くな
る。すなわち、第２薄膜１２ｂは振動板１２の復元力を
増大させることにより、短時間の復元が可能となる。記
録液の補充が素早く行われて記録液の噴射が直ちに行え
るのでプリンタヘッドの動作速度が向上する。

【００２４】図８は、本発明による振動板の製造方法を
示す工程図であり、図９は本発明による振動板の製造方
法を示すブロック図であり、半導体製造工程と基板エッ
チング工程を使用する。シリコン、ガラス、金属、又は
ポリマー等の材質で構成した基板１０に第２薄膜１２ｂ
を半導体薄膜製造工程により形成して、一定大きさの残
留圧縮応力を保持する段階１００を備える。そして、第
２薄膜１２ｂの上部に薄膜形状記憶合金１２ａを蒸着し
て、振動板１２を構成する段階１０１を備える。この際
に、蒸着方法としては、主としてスパッタリング法を用
いる。また、薄膜形状記憶合金１２ａを一定温度で一定
時間熱処理して結晶化させて、平板状態を母相として記
憶させる段階１０２を備える。そして、薄膜形状記憶合
金１２ａをマルテンサイト終了温度（Ｍｆ）である約４
０℃〜７０℃に冷却してマルテンサイトにする段階１０
３を備える。

【００２５】また、振動板１２の直下部をシリコンエッ
チングして、基板１０に空間部１１を形成し、振動板１
２が外部に露出する段階１０５を備え、振動板１２が外
部に露出しながら第２薄膜１２ｂの残留応力により下部
（又は上部）に曲げ変形して図６の（ａ）のようになる
段階１０６を備える。第２薄膜１２ｂは、半導体製造工
程を用いて形成する過程であり、蒸着条件と材質とによ
って残留応力の大きさを調節することができ、特に、第
２薄膜１２ｂが薄膜形状記憶合金１２ａの上側又は下側
に形成することによって振動板１２の曲げ方向が決ま
る。

【００２６】このような曲げ変形をする過程で、薄膜形
状記憶合金１２ａはマルテンサイトを維持する。また、
薄膜形状記憶合金１２ａを設定温度、つまり母相終了温
度（Ａｆ）である約５０℃〜９０℃に加熱すると、図６
の（ｂ）のような平板形態に変形して記録液２０が噴射
する段階１０７を備える。そして、薄膜形状記憶合金１
２ａが冷えてマルテンサイトになると、第２薄膜１２ｂ
の残留圧縮応力により曲げ変形して液室１４に記録液２
０を補充する段階１０８と、薄膜形状記憶合金１２ａの
温度変化によって前記各段階１０７，１０８を繰り返し
て記録液２０が液滴の状態で噴射して印刷する段階１０
９を備える。

【００２７】また、本発明の薄膜形状記憶合金１２ａ
は、温度差によって、加熱時に母相で偏平になり、冷却
時にマルテンサイトで曲げ変形するので、温度差を小さ
くするほど薄膜１２の振動数（動作周波数）が増加す
る。したがって、温度差を減らすため、チタンとニッケ
ルの合金に銅を添加することができる。このようにチタ
ンとニッケル及び銅を用いた形状記憶合金は相変化の温
度差を減らすことにより、薄膜形状記憶合金１２ａの振
動数、つまり動作周波数を高めて印刷速度を向上させる
ことができる。

【００２８】このように構成した、本発明の薄膜記憶形
状合金による液滴作製の可能性を解釈すると、以下のよ
うになる。

【００２９】薄膜形状記憶合金１２ａによって発生する
エネルギー密度が最大１０×１０⁶Ｊ／ｍ³であり、薄膜
形状記憶合金１２ａの空間部１１に露出した大きさが２
００μｍ×２００μｍ×１μｍである場合、発生する液
滴の直径が６０μｍであるとすると、次のように薄膜か
らの噴射の可否を計算することができる。 Ｕ＝Ｕ_S＋Ｕ_K Ｕ_S＝πＲ²γ

【数１】 Ｕ＝所望する記録液の液滴を発生させるために必要なエ
ネルギー Ｕ_S＝記録液の表面エネルギー Ｕ_K＝記録液の運動エネルギー Ｒ＝液滴の直径 Ｖ＝記録液の速度 ρ＝記録液の密度（１０００ｋｇ／ｍ³） γ＝記録液の表面張力（０．０７３Ｎ／ｍ）

【００３０】所望の液滴の速度が１０ｍ／ｓｅｃである
とすると、必要なエネルギー（Ｕ）は、 Ｕ＝２．０６×１０^-10＋７．０７×１０^-10＝９．１３
×１０^-10Ｊである。

【００３１】薄膜形状記憶合金（１２ａ）により発生す
る最大エネルギーは、 Ｗ_max＝Ｗ_v・Ｖ Ｗ_max＝（１０×１０⁸）・（２００×２００×１） ＝４×１０^-7Ｊ となる。

【００３２】また、液滴の直径が１００μｍである場
合、必要エネルギーは、 Ｕ＝３．８５×１０^-9Ｊである。

【００３３】したがって、Ｗ_max》Ｕであるので、所望
の大きさの液滴を得ることができる。すなわち、薄膜形
状記憶合金１２ａは発生力が非常に大きいために、所望
の記録液の液滴を容易に得ることができる。

【００３４】また、本発明の１実施形態の加熱時間と消
費エネルギー及び残留圧縮応力による変位量を解析する
と次のようになる。薄膜形状記憶合金１２ａに電流を流
して、抵抗により熱が発生するようにし、その熱により
相変化が起こるようにして、２５℃の薄膜形状記憶合金
１２ａを加熱して７０℃、つまり母相になるまでの加熱
時間と消費エネルギーを求めると次のようになる。 薄膜形状記憶合金の材質 ＝ ＴｉＮｉ 薄膜形状記憶合金の長さ（ｌ） ＝４００μｍ 薄膜形状記憶合金の密度（ρ_s） ＝６４５０ｋｇ／ｍ³ 温度変化量（ΔＴ） ＝７０−２５＝４５℃ 熱容量（Specific heat）（Ｃ_p） ＝２３０Ｊ／ｋｇ℃ 薄膜形状記憶合金の比抵抗（ρ） ＝８０μ・ｃｍ 電流（Ｉ） ＝１．０Ａ 薄膜形状記憶合金の幅（ｗ） ＝３００μｍ 薄膜形状記憶合金の高さ（ｔ） ＝１．０μｍ 加熱時間（ｔ_h）

【数２】 薄膜形状記憶合金の抵抗（Ｒ） ＝ρ（１／ｗ・ｔ）＝１．１Ω 消費電力（Ｉ²Ｒ） ＝１．１ｗａｔｔ 液滴を発生させるに必要なエネルギーは、 加熱時間×消費電力 ＝８．１μＪとなる。

【００３５】したがって、記録液２０を噴射して液滴を
発生させるのに必要なエネルギーは、約８．１μＪであ
り、従来の加熱方式の２０μＪより消費エネルギーが少
ない。

【００３６】図１０は本発明の薄膜形状記憶合金の加熱
時間と温度を示すグラフで、実験のための物性値を以下
に示す。ただし、薄膜形状記憶合金１２ａの厚みは１μ
ｍであり、周囲温度は２５℃である。

【表１】

【００３７】周囲温度が２５℃である場合、７０℃まで
加熱して母相に変えた後、３０℃まで冷える時間は約２
００μｓｅｃ程度であり、これを振動数に換算すると約
５ｋＨｚとなる。したがって、プリンタヘッドの動作周
波数は５ｋＨｚ程度である。しかし、変形が完全に終わ
る温度（マルテンサイト終了温度）は約４５℃であるの
で、３０℃に冷えるまで待つ必要がなく、その前に再加
熱して記録液２０を噴射し続けることができるので、５
ｋＨｚ以上に動作周波数を高めることができる。動作周
波数が高くなれば、印刷速度が向上する。

【００３８】また、薄膜形状記憶合金とその自体の残留
圧縮応力による変位量及び復元力を図１１を参照して分
析すると以下のようになる。 ａ＝ｂであるとき ａ ＝２００μｍ 薄膜形状記憶合金の材質 ＝ＴｉＮｉ 薄膜形状記憶合金のヤング率（Ｅ_m） ＝３０ＧＰａ 薄膜形状記憶合金に存在する残留圧縮応力 ＝３０ＭＰａ ポアソン比（ν） ＝０．３ 空間部１１に露出した薄膜形状記憶合金の長さ ＝ａ 薄膜形状記憶合金の厚み ＝ｈ_m 空間部１１に露出した薄膜形状記憶合金の幅 ＝ｂ 薄膜形状記憶合金の臨界応力（Ｓ_cr）

【数３】 Ｓ_cr＝３．６ＭＰａ 薄膜形状記憶合金の中心変位（δ_m）：

【数４】 δ_s＝６．２μｍ

【００３９】薄膜形状記憶合金によって発生する最大エ
ネルギーは、 Ｗ_max＝Ｗ_v・Ｖである。（ただし、Ｗ_v：薄膜形状記憶
合金の単位体積当たりに発揮することができるエネルギ
ー Ｊ／ｍ³、Ｖ：薄膜形状記憶合金の体積） Ｗ_max＝（１０×１０⁶）・（２００×２００×１）＝４
×１０^-7Ｊ

【００４０】 冷却時に、薄膜形状記憶合金の座屈により発生する全体エネルギー（Ｕ_m）

【数５】 ＝２．８×１０^-10Ｊ

【００４１】記録液２０を噴射した後、薄膜形状記憶合
金が座屈するときに発生する全体エネルギーは、薄膜形
状記憶合金の曲げ変形を発生させる復元力（Ｐ）に変わ
る。復元力は次のようになる。 Ｕ_m＝Ｐ・ΔＶ 体積変化（ΔＶ）＝（δ_s・α₂）／４＝６．２×１０^-14ｍ³ 復元力（Ｐ）＝４．５ｋＰａ

【００４２】薄膜形状記憶合金の座屈により発生した全
体積変化の１／２が噴射されたと仮定すると、３９μｍ
の液滴を形成する。薄膜形状記憶合金の厚みと大きさに
対する変位量は下表の通りであり、単位はμｍである。

【表２】

【００４３】また、振動板１２を構成する薄膜形状記憶
合金１２ａに残留圧縮応力がない場合、第２薄膜１２ｂ
の残留圧縮応力による変位量及び復元力を求めると次の
ようになる。（図１１参照） ａ＝ｂであるとき、 ａ ＝２００μｍ 薄膜形状記憶合金の材質 ＝ＴｉＮｉ 第２薄膜の材質 ＝熱酸化ＳｉＯ₂ 薄膜形状記憶合金のヤング率（Ｅ_m） ＝３０ＧＰａ 第２薄膜のヤング率（Ｅ_s） ＝７０ＧＰａ 第２薄膜に作用する残留圧縮応力（Ｓ） ＝３００ＭＰａ ポアソン比 （ν） ＝０．３ 空間部１１へ露出された振動板１２の長さ ＝ａ 空間部１１へ露出された振動板１２の幅 ＝ｂ 薄膜形状記憶合金の厚み（ｈ_m） ＝１μｍ 第２薄膜の厚み（ｈ_s） ＝１μｍ 第２薄膜の臨界応力（Ｓ_cr）

【数６】 Ｓ_cr＝８．４ＭＰａ 薄膜形状記憶合金と結合しなかった場合の第２薄膜の中心変位（δ_s）

【数７】 δ_s＝１３．５μｍ

【００４４】 第２薄膜の残留圧縮応力により発生した曲げエネルギー（Ｕ_b）

【数８】 ＝２．９×１０^-19Ｊ

【００４５】第２薄膜の曲げエネルギーは、薄膜形状記
憶合金と第２薄膜とから構成した振動板１２の曲げエネ
ルギーとして貯蔵する。

【数９】 Ｄ_s＝６．５×１０^-9Ｎ／ｍ Ｄ_m＝２．７×１０^-9Ｎ／ｍ

【００４６】前記式を用いて振動板１２の変位量（δ）
を求めると、 δ＝１１．４μｍになる。

【００４７】薄膜形状記憶合金の加熱による記録液の噴
射のときに、第２薄膜で損失するエネルギーは、第２薄
膜の残留圧縮応力により発生した曲げエネルギーであ
る。 曲げエネルギー（Ｕ_s）＝２．９×１０^-9Ｊ 薄膜形状記憶合金により発生される最大エネルギー（Ｗ
_max）＝Ｗ_v・Ｖ （ただし、Ｗ_v：薄膜形状記憶合金の単位体積当たりに
発揮することができるエネルギー Ｊ／ｍ³、Ｖ：薄膜
形状記憶合金の体積） Ｗ_max＝（１０×１０⁶）・（２００×２００×１）＝４
×１０^-7Ｊ

【００４８】薄膜形状記憶合金が算出できる最大エネル
ギーに対して、第２薄膜により消費したエネルギーの比
（Ｕ_s／Ｗ_max）は、０．７３％である。したがって、記
録液の噴射するときに、第２薄膜によるエネルギーの損
失影響を無視することができる。

【００４９】 第２薄膜が座屈するときに発生する全体エネルギー（Ｕ_s）

【数１０】

【００５０】記録液の噴射後、第２薄膜が座屈するとき
に発生する全体エネルギー（Ｕ_s）は、振動板１２の復
元力（Ｐ）に変わる。復元力は次のようになる。 Ｕ_s＝Ｐ・ΔＶ 体積変化（ΔＶ） ＝（δ_s・α）／４＝１．４×１０^-13ｍ³ 復元力（Ｐ） ＝１０７．１ｋＰａ

【００５１】振動板１２の変形による全体体積変化の１
／２が噴射すると仮定すると、液滴直径は５１μｍであ
る。

【００５２】薄膜形状記憶合金のみで構成されたもの
と、薄膜形状記憶合金と第２薄膜で構成した振動板とを
比較すると、変位量が６．２μｍから１１．４μｍに約
２倍に増加し、復元力が４．５ｋＰａから１０７．１ｋ
Ｐａに約２０倍以上増加した。したがって、第２薄膜を
用いると、所望変位量を容易に得ることができ、復元力
を増加させることができる。

【００５３】薄膜形状記憶合金と第２薄膜で構成した振
動板１２の変位量は次のようになり、その単位はμｍで
ある。

【表３】

【００５４】図１２は、本発明の他の実施形態による噴
射装置の断面図であり、図３と同構成要素には同一符号
を使用して本発明を説明する。本発明の他の実施形態
は、基板１０の下部に流路板１３とノズルプレート１８
とを備えたものであり、１つの薄膜の結合状態を抜粋し
たものである。基板１０に上下方向に貫通した空間部１
１を形成し、基板１０の上部に結合して空間部１１を覆
う振動板１２を備える。振動板１２は薄膜形状記憶合金
１２ａの温度変化により振動し、このときに発生する発
生力により記録液２０を噴射する。また、振動板１２を
構成する第２薄膜１２ｂは、振動板１２の曲げ変形速度
（復元力）を増加させて動作周波数を高める。

【００５５】また、基板１０の下部を覆う流路板１３を
備え、流路板１３には空間部１１に対応して記録液２０
を収容する液室１４を形成する。また、流路板１３の下
部に結合するノズルプレート１８を備え、ノズルプレー
ト１８には流路板１３に形成した液室１４に対応するノ
ズル１９が形成する。また、ノズル１９は液室１４側に
露出した振動板１２に対応する。振動板１２が変形する
とき、液室１４の圧力が変化して、記録液２０が液滴の
状態でノズル１９を介して用紙に噴射する。

【００５６】このように構成した本発明の他の実施形態
においては、基板１０の上部に薄膜形状記憶合金１２ａ
を形成した後、第２薄膜１２ｂが薄膜形状記憶合金１２
ａの上部に蒸着する。その後、エッチングにより基板１
０の下部に空間部１１を形成すると、振動板１２は第２
薄膜１２ｂの残留圧縮応力により曲げ変形する。このよ
うに曲げ変形した状態で薄膜形状記憶合金１２ａを加熱
すると、振動板１２が平板状態に変形し、以後冷却する
と初期状態に曲げ変形する。また、振動板１２が曲げ変
形する過程で、第２薄膜１２ｂの残留圧縮応力により復
元力が強化されることにより動作周波数が高くなる。

【００５７】図１３は、本発明のさらなる他の実施形態
による噴射装置の断面図であり、本発明の１実施形態と
同構成要素は同一符号を使用して本発明を説明する。本
実施形態においては、基板１０の下部に振動板１２を形
成し、基板１０の上部に流路板１３とノズルプレート１
８とをそれぞれ形成したものである。すなわち、薄膜形
状記憶合金１２ａを加熱しなかった初期状態では、振動
板１２が空間部１１の内部に突出した状態であるが、加
熱すると偏平になる。したがって、振動板１２を加熱す
ると偏平になって記録液２０が液室１４の内部に補充さ
れ、冷却すると曲げ変形して液室１４の内部の圧力が増
加するので記録液２０が噴射する。

【００５８】図１４は本発明のさらなる他の実施形態に
よる噴射装置の断面図であり、本発明の１実施形態と同
じ構成要素は同一符号を使用して本発明を説明する。本
実施形態は、第２薄膜１２ｂを複数使用したものであ
り、第２薄膜が異なった材質で構成することができる。
図１４の（ａ）は、薄膜形状記憶合金１２ａの下面に２
枚の第２薄膜１２ｂを形成したものであり、図１４の
（ｂ）は薄膜形状記憶合金１２ａの上下面に第２薄膜１
２ｂをそれぞれ形成したものである。このように構成す
ると、振動板１２の復元力をさらに強くすることがで
き、所望の変位量をより容易に得ることができる。ま
た、振動板１２の耐久性が増加するので信頼性が確保さ
れる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
薄膜形状記憶合金の温度が変化することで、振動板が振
動するために記録液が噴射する。また、残留圧縮応力を
有する第２薄膜と結合しているので、冷却して初期状態
に復元するとき、その残留圧縮応力により復元力が強く
なって動作周波数が高くなる。また、振動板はその変位
量が大きいため、基板に形成した各空間部と流路板とに
形成した各液室を小さくすることができるので、プリン
タヘッドの全体サイズが小さくなって小型化することが
できるので、ノズルの密集度を高くして高解像度を達成
することができる。

【００６０】また、第２薄膜により振動板の強度が高く
なるので、外部衝撃で破損する恐れが少ない。また、発
生力が大きいため、記録液を押し出す力が増加して、ノ
ズルの目詰まりが少なくなって信頼性が向上し、そして
記録液の液滴の大きさを十分に小さくすることができる
ので高画質の実現に有効である。また、駆動電圧は１０
ボルト以下であるので駆動回路の設計及び製作が容易で
あり、既存の半導体工程とエッチング工程を用いて振動
板を容易に作製することができるので量産性が向上し、
構造が簡単になる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の加熱式噴射装置の断面図である。

【図２】 従来の圧電素子式噴射装置の断面図である。

【図３】 本発明の１実施形態による噴射装置の分離斜
視図である。

【図４】 本発明の１実施形態の記録液の流れを示す斜
視図である。

【図５】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の１実施
形態による噴射装置の正断面図である。

【図６】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の１実施
形態による、噴射装置の動作過程を示す断面図である。

【図７】 本発明の薄膜形状記憶合金の相変化を示すグ
ラフである。

【図８】 本発明による振動板の製造方法を示す工程図
である。

【図９】 本発明による振動板の製造方法を示すブロッ
ク図である。

【図１０】 本発明の薄膜の加熱時間と温度との関係を
示すグラフである。

【図１１】 本発明の振動板の大きさを示す断面図であ
る。

【図１２】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の他の
実施形態による、動作過程を示す噴射装置の断面図であ
る。

【図１３】 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発
明のさらなる他の実施形態の噴射装置を示す断面図であ
る。

【図１４】 （ａ），（ｂ）は、本発明のさらなる他の
実施形態の噴射装置を示す断面図である。

【符号の説明】

ａ１，ｂ１ チャンバー ａ２，ｂ２ 噴射口 ａ３ 抵抗 ｂ３ 圧電素子 １１ 空間部 １２ 振動板 １２ａ 薄膜形状記憶合金 １２ｂ 第２薄膜 １２ｃ 放熱膜 １３ 流路板 １４ 液室 １５ 主流路 １６ 流路 １７ 液注入口 １８ ノズルプレート １９ ノズル ２０ 記録液 ２１ 電源供給部 ２１ａ 電極 ２１ｂ ヒーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−91865（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−91873（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−168051（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−65349（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−202351（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−87971（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−340963（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−128709（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (17)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチングにより上下に貫通させた空間
   部（１１）を形成する基板（１０）と、 前記基板（１０）の上部面に０.３μm〜５μmの厚さに
   蒸着されて前記空間部（１１）の上端部をカバーする薄
   膜形状記憶合金（１２ａ）と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）に結合されてその形状
   変化量を調節する少なくとも１枚以上に付着される第２
   薄膜（１２ｂ）とからなる振動板（１２）と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）の形状変化のための電
   流を供給する電源供給部（２１）と、 前記基板（１０）の上部に積層され、前記薄膜形状記憶
   合金（１２ａ）が蒸着されている部位には記録液（２
   ０）が貯蔵される液室（１４）が形成され、前記液室
   （１４）は流路（１６）により主流路（１５）と連通さ
   れるようにする流路板（１３）と、 前記流路板（１３）上部に積層され、前記液室（１４）
   内の記録液を前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）の形状変
   化により液滴の形態に噴射されるように前記液室（１
   ４）よりは小さい面積のノズル（１９）を形成するノズ
   ルプレート（１８）とを備えることを特徴とするプリン
   タヘッドの記録液噴射装置。
2. 【請求項２】 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）が、チ
   タンとニッケルとを主成分とする形状記憶合金であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のプリンタヘッドの記録液
   噴射装置。
3. 【請求項３】 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）が、相
   変化温度差を小さくして動作周波数を高くするため、銅
   をさらに添加した形状記憶合金であることを特徴とする
   請求項２記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
4. 【請求項４】 前記第２薄膜（１２ｂ）は、その厚みが
   約０．１μｍ〜３μｍであることを特徴とする請求項１
   記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
5. 【請求項５】 前記第２薄膜（１２ｂ）は、熱酸化珪素
   を備えることを特徴とする請求項１記載のプリンタヘッ
   ドの記録液噴射装置。
6. 【請求項６】 前記第２薄膜（１２ｂ）は、ポリシリコ
   ンを備えることを特徴とする請求項１記載のプリンタヘ
   ッドの記録液噴射装置。
7. 【請求項７】 前記電源供給部（２１）が、前記薄膜形
   状記憶合金（１２ａ）の自己抵抗で発熱するように、前
   記薄膜形状記憶合金（１２ａ）の両端に結合する電極
   （２１ａ）を備えることを特徴とする請求項１記載のプ
   リンタヘッドの記録液噴射装置。
8. 【請求項８】 前記電源供給部（２１）は、前記薄膜形
   状記憶合金（１２ａ）の一方の側面に形成され、前記電
   源供給部（２１）からの電流により加熱するヒーター
   （２１ｂ）を備えることを特徴とする請求項１記載のプ
   リンタヘッドの記録液噴射装置。
9. 【請求項９】 前記振動板（１２）の一方の側面に形成
   して、前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）を加熱してから
   冷却するとき、その熱を放熱させる放熱膜（１２ｃ）を
   備えることを特徴とする請求項１記載のプリンタヘッド
   の記録液噴射装置。
10. 【請求項１０】 前記放熱膜（１２ｃ）は、その厚みが
    約０．５μｍ〜３μｍであることを特徴とする請求項９
    記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
11. 【請求項１１】 前記放熱膜（１２ｃ）は、熱伝導度の
    よいニッケルを備えることを特徴とする請求項９記載の
    プリンタヘッドの記録液噴射装置。
12. 【請求項１２】 前記振動板（１２）が前記空間部（１
    １）に露出して実質的に形状変化する面積は、その幅
    （ｂ）が１００μｍ〜５００μｍであり、その長さ
    （ａ）が１００μｍ〜３００μｍであることを特徴とす
    る請求項１記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
13. 【請求項１３】 前記基板（１０）は、単結晶シリコン
    材質を備えることを特徴とする請求項１記載のプリンタ
    ヘッドの記録液噴射装置。
14. 【請求項１４】 前記振動板（１２）は、前記薄膜形状
    記憶合金（１２ａ）を母相終了温度に加熱して母相に変
    化すると平板の形態になり、マルテンサイト終了温度に
    冷却してマルテンサイトに変化すると前記第２薄膜（１
    ２ｂ）の残留圧縮応力により曲げ変形することを特徴と
    する請求項１記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
15. 【請求項１５】 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）の母
    相終了温度が約５０℃〜９０℃であり、前記マルテンサ
    イト終了温度が約４０℃〜７０℃であることを特徴とす
    る請求項１４記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
16. 【請求項１６】 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）は、
    母相に加熱してからマルテンサイトに冷却するまでの時
    間が約２００μｓｅｃ以下であり、動作周波数が５ｋＨ
    ｚ以上であることを特徴とする請求項１４記載のプリン
    タヘッドの記録液噴射装置。
17. 【請求項１７】 基板（１０）の上部面に残留圧縮応力
    を有する第２薄膜（１２ｂ）を形成し、前記第２薄膜
    （１２ｂ）の上部面には薄膜形状記憶合金（１２ａ）を
    蒸着させ、振動板（１２）を形成する段階と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）を母相では偏平した状
    態を記憶するようにし、冷却によりマルテンサイトに相
    変化されるように熱処理する段階と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）をパターニングして基
    板（１０）の一方の側に一部だけ残るようにする段階
    と、 前記基板（１０）の前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）が
    蒸着されている部分をエッチングして空間部（１１）を
    形成する段階と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）を加熱して母相となる
    と偏平するようになりながら記録液（２０）が噴射され
    るようにし、前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）を冷却し
    てマルテンサイトになると前記第２薄膜（１２ｂ）の残
    留圧縮応力により曲げ変形されながら液室（１４）の内
    部に前記記録液（２０）が補充されるようにする段階
    と、 前記薄膜形状記憶合金（１２ａ）の温度変化により前記
    段階を繰り返しながら前記記録液（２０）が液滴の状態
    に噴射されて印刷する段階とを備えることを特徴とする
    プリンタヘッドの記録液噴射方法。