專利名稱：打印頭的記錄液噴射裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及打印頭的記錄液噴射裝置及其方法，具體地說明，涉及這樣一種裝置和方法，即，該裝置中薄膜形狀記憶合金的溫度變化使振動板振動，調(diào)節(jié)液室壓力，并將具有殘留壓縮應(yīng)力的第2薄膜蒸鍍在薄膜形狀記憶合金上，能容易地調(diào)節(jié)振動板的變形量，調(diào)節(jié)復(fù)原力，增加動作頻率、提高打印速度，可以實現(xiàn)小型化，構(gòu)造簡單，用半導(dǎo)體薄膜制造工序批量生產(chǎn)，生產(chǎn)性好。
通常廣泛采用的打印頭是DOD(Dorp On Demand)方式。該DOD方式不必使記錄液滴帶電或偏向，也不需要高壓，可在大氣壓力下即時地噴射記錄液滴，容易打印。因此，該方式越來越多地被采用。其代表性的噴射原理是采用電阻的加熱式噴射法和采用壓電元件(Piezo-Electric)的振動式噴射法。
圖1說明加熱式噴射法的原理。裝置中具有內(nèi)裝著記錄液的腔室a1、從該腔室a1朝向被記錄材的噴射口a2、在該噴射口a2相反側(cè)的腔室a1底部埋設(shè)著的用于誘發(fā)空氣膨脹的電阻a3。被電阻膨脹了的氣泡將腔室a1內(nèi)部的記錄液推出噴射口a2，記錄液在該力作用下朝著被記錄材噴射。
圖2說明采用壓電元件的振動式噴射方法原理。裝置中具有內(nèi)裝著記錄液的腔室b1、從該腔室b1朝向被記錄材的噴射口b2、在該噴射口b2相反側(cè)的底部埋設(shè)著的用于誘發(fā)振動的壓電元件(Piezo-Transducer)。
這樣，在腔室b1底部的壓電元件b3誘發(fā)了振動時，記錄液被振動力推出噴射口b2，記錄液被該振動力噴射到記錄材上。
由于這種借助于壓電元件振動的噴射方法不采用熱，所以記錄液的選擇度大。
另外，為了排出記錄液，現(xiàn)有的打印頭中采用形狀記憶合金。在日本專利公報特開昭57-203177號、特開昭63-57251號、特開平4-247680號、特開平2-265752號、特開平2-308466號、特開平3-65349號中揭示了使用形狀記憶合金的打印頭的實施例。這些現(xiàn)有的實施例中，有相變態(tài)溫度不同、厚度不同的形狀記憶合金多個被結(jié)合而產(chǎn)生彎曲變形的構(gòu)造，也有通過彈性部件與形狀記憶合金的結(jié)合而產(chǎn)生彎曲變形的構(gòu)造等。
但是，上述加熱式噴射方法的缺點是，記錄液被加熱而誘發(fā)化學(xué)變化，這種記錄液會附著在噴射口a2的內(nèi)面而堵塞，而且發(fā)熱電阻器的壽命短。并且，由于使用水溶性記錄液，不利于文件的保存。
上述用壓電元件振動的噴射方法的缺點是，壓電元件的加工困難，特別是把壓電元件付著在腔室b1底部的作業(yè)更困難，所以，批量生產(chǎn)的生產(chǎn)性差。
采用現(xiàn)有形狀記憶合金的打印頭，不容易實現(xiàn)小型化，噴咀的密集度低，成像度差，制造不容易，批量生產(chǎn)性差。另外，所用的形狀記憶合金不是薄膜，而是厚度約為50μm的厚膜，所以加熱時電力消耗大，冷卻時間長，動作頻率低，打印速度慢，缺乏實用性。
本發(fā)明者為了解決上述各問題，已申請了一項打印頭的發(fā)明，該打印頭是借助液室的壓力變化而噴射記錄液，該液室壓力的變化是由薄膜形狀記憶合金溫度變化而產(chǎn)生的。該已申請的打印頭，由于薄膜形狀記憶合金的發(fā)生力(Actuating force)大，所以能減少噴咀的堵塞，而且由于薄膜形狀記憶合金的變形量大，所以，可將打印頭制作得小，提高噴咀的密集度，提高成像度。用半導(dǎo)體薄膜制造工序和基板蝕刻工序可以容易地得導(dǎo)到薄膜形狀記憶合金，提高批量生產(chǎn)性。
本發(fā)明是對上述已申請打印頭的改進，本發(fā)明的目的是提供一種打印頭的記錄液噴射裝置及其方法。本發(fā)明的裝置和方法中，用半導(dǎo)體薄膜制造工序使能調(diào)節(jié)振動板變形量和復(fù)原力的第2薄膜與薄膜形狀記憶合金結(jié)合，在薄膜形狀記憶合金冷卻的過程中復(fù)原到彎曲變形狀態(tài)時，通過增加該復(fù)原力，使記錄液噴射后振動板復(fù)原到彎曲變形狀態(tài)的時間縮短，增加動作頻率，提高打印速度，并提高振動板的強度，減少因外部沖擊產(chǎn)生的損傷。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的打印頭記錄液噴射裝置，其特征在于，備有振動板、電源供給部、流路板和噴咀板；振動板由薄膜形狀記憶合金和至少一片第2薄膜構(gòu)成，薄膜形狀記憶合金由隨溫度變化而變化形狀的形狀記憶合金材質(zhì)做成，第2薄膜與薄膜形狀記憶合金結(jié)合并調(diào)節(jié)其形狀變化量；電源供給部使薄膜形狀記憶合金產(chǎn)生溫度變化；流路板設(shè)置在薄膜形狀記憶合金上，形成用于儲存記錄液的液室，在圍成液室的壁面的一側(cè)形成供記錄液流入用的流路；噴咀板設(shè)置在流路板上，其上形成面積小于流路板的液室面積的噴咀，在上述薄膜變化形狀時，記錄液以液滴形態(tài)被噴射出。
本發(fā)明的記錄液噴射裝置能克服現(xiàn)有技術(shù)中的采用壓電元件的方式和通過加熱使空氣膨脹的方式的缺點，也能克服現(xiàn)有的采用形狀記憶合金方式的缺點，用半導(dǎo)體薄膜制造工序在基板上形成振動板，該振動板由薄膜形狀記憶合金和具有殘留壓縮應(yīng)力的第2薄膜構(gòu)成，對基板的一部分進行蝕刻，構(gòu)成使振動板能振動的空間部，借助于振動板的振動噴射液滴。
該噴射裝置是在基板上用真空陰極噴鍍法蒸鍍后，進行熱處理，形成薄膜形狀記憶合金。因此，成為母相狀態(tài)的扁平形狀。第2薄膜也是用半導(dǎo)體薄膜制造工序與薄膜形狀記憶合金結(jié)合。蒸鍍的第2薄膜可以具有殘留壓縮應(yīng)力，根據(jù)蒸鍍方法、蒸鍍條件或材質(zhì)，可以變化殘留壓縮應(yīng)力的大小。對基板的一部分進行蝕刻而形成空間部時，由薄膜形狀記憶合金和第2薄膜構(gòu)成的振動板在第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力作用下，產(chǎn)生彎曲變形。薄膜形狀記憶合金被加熱時，由形狀記憶合金變化成扁平狀態(tài)，這時，液室容積減小，記錄液被噴射出。薄膜形狀記憶合金被冷卻時，借助于第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力產(chǎn)生彎曲變形，這時，進行記錄液的再充填(Refill)。反復(fù)此過程進行連續(xù)的記錄液噴射。
本發(fā)明構(gòu)造簡單，用半導(dǎo)體薄膜制造工序和基板蝕刻工序就可以做成由薄膜形狀記憶合金和第2薄膜構(gòu)成的振動板，利用由半導(dǎo)體薄膜制造工序制造的第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力，能容易得到噴射記錄液所需的振動板的變位，可提高批量生產(chǎn)性。另外，通過改變第2薄膜的殘留應(yīng)力的大小可以調(diào)節(jié)變形量，可得到大的變位量，從而可減小振動板的面積。因此，可實現(xiàn)打印頭的小型化，提高噴咀的密集度，提高成像度。另外，第2薄膜調(diào)節(jié)彎曲變形方向可實現(xiàn)記錄液噴射裝置構(gòu)造的多樣化。
本發(fā)明中，由于采用薄膜形狀記憶合金，減少了加熱時的電力消耗，冷卻時間也減少，記錄液噴射后，薄膜形狀記憶合金被第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力復(fù)原到彎曲變形的狀態(tài)時，其復(fù)原力強不產(chǎn)生殘留振動，所以，能穩(wěn)定地進行記錄液的噴射。因此，動作頻率增加，提高打印速度。
圖1是現(xiàn)有加熱式噴射裝置的斷面圖。
圖2是現(xiàn)有壓電元件式噴射裝置的斷面圖。
圖3是本發(fā)明一實施例噴射裝置的分解立體圖。
圖4是表示本發(fā)明一實施例的記錄液流動的立體圖。
圖5A、圖5B、圖5C是本發(fā)明一實施例噴射裝置的正剖視圖。
圖6A、圖6B、圖6C是本發(fā)明一實施例噴射裝置的側(cè)剖視圖、表示動作過程。
圖7是表示本發(fā)明的薄膜形狀記憶合金的相變化的線圖。
圖8是表示本發(fā)明的振動板制造方法的工序圖。
圖9是表示本發(fā)明的振動板制造方法的框圖。
圖10是表示本發(fā)明的薄膜加熱時間與溫度的線圖。
圖11是表示本發(fā)明的振動板大小的斷面圖。
圖12A、12B、12C是本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖，是表示動作過程的圖。
圖13A、13B、13C、13D是表示本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖。
圖14A、14B是表示本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖。
下面，參照


本發(fā)明的實施例。
圖3是本發(fā)明一實施例噴射裝置的分解立體圖，圖4是表示本發(fā)明一實施例中記錄液流動的立體圖。本發(fā)明的噴射裝置，為了提高成像度，噴射記錄液的噴咀19在縱、橫向配設(shè)多排，使記錄液噴射的振動板12與這些噴咀19一一對應(yīng)。即，在基板10的前后方，形成多個貫通上下側(cè)的空間部11，備有多個結(jié)合在基板10的上面并堵塞各空間部11的振動板12。振動板12借助于溫度變化振動，振動時產(chǎn)生的力(發(fā)生力)使記錄液20噴射。該振動板12由薄膜形狀記憶合金(Thin film Shaoememory alloy)12a和第2薄膜12b構(gòu)成，第2薄膜12b由能調(diào)節(jié)振動板12的變形量及復(fù)原力的材質(zhì)構(gòu)成，使彎曲變形速度(復(fù)原力)增加，提高動作頻率。
還備有復(fù)蓋基板10上部的流路板13，在該流路板13上，在每個振動板12的正上方，形成收容記錄液20的液室14。在流路板13的中央備有供記錄液20流過的主流路15，主流路15與液室14通過流路16相互連通。在基板10的一側(cè)，備有與流路板13的一側(cè)主流路15連通的液注入口17，記錄液20被供給到主流路15。
還備有結(jié)合在流路板13上部的噴咀板18，在噴咀板18上形成多個噴咀19，這些噴咀19與形成在流路板13上的各液室14對應(yīng)。另外，各噴咀19與朝著液室14側(cè)露出的振動板12對應(yīng)，該振動板12振動時，液室14的壓力變化，記錄液20以液滴狀態(tài)通過各噴咀19噴射到打印紙上。
構(gòu)成振動板12的薄膜形狀記憶合金12a因溫度變化而連續(xù)地產(chǎn)生相變化，在此過程中引起振動，使記錄液20通過各噴咀19以液滴狀態(tài)噴射出。如圖5A所示，薄膜形狀記憶合金12a被電源供給部21加熱。即，結(jié)合在薄膜形狀記憶合金12a兩端的電極21a上接通了電源供給部21的電源時，薄膜形狀記憶合金12a因本身阻抗而被加熱，溫度上升而成為扁平狀。當(dāng)電源供給部21的電源切斷時，薄膜形狀記憶合金12a自然冷卻，振動板12被第2薄膜12b恢復(fù)到原來的鼓起狀態(tài)。
如圖5B所示，也把被電源供給部21的電源加熱的加熱器21b付著在第2薄膜12b的一側(cè)面，加熱薄膜形狀記憶合金12a。另外，如圖5C所示，為了提高振動板12的冷卻速度，也可以將散熱膜12c付著在第2薄膜12b的底面。散熱膜12c使被加熱了的振動板12在短時間內(nèi)冷卻并復(fù)原，從而使振動板12的動作頻率增加。該散熱膜12c由散熱性好的鎳(Ni)構(gòu)成，其厚度約為0.5μm～3μm。構(gòu)成振動板12的薄膜形狀記憶合金12a以鈦(Ti)和鎳(Ni)為主要成分，其厚度約為0.1μm～5μm。第2薄膜12b用熱的二氧化硅(Thermallygrown Sio2)或多晶硅(Polysilicon)等做成，其厚度約為0.1μm～3μm。
圖6A至圖6C是本發(fā)明一實施例噴射裝置的側(cè)斷面圖?；?0的材質(zhì)是硅。振動板12在噴咀19的相反側(cè)，其初期狀態(tài)是呈鼓起的變形狀態(tài)，在該狀態(tài)下，當(dāng)薄膜形狀記憶合金12a被加熱到?jīng)]定以上溫度時，振動板12成為扁平狀，這時，液室14的內(nèi)壓增加而被壓縮，記錄液20就通過噴咀19噴射出。
當(dāng)薄膜形狀記憶合金12a溫度下降到設(shè)定溫度以下時，振動板12在第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力作用下，恢復(fù)到原來的鼓起狀態(tài)，這時，液室14的內(nèi)壓降低，記錄液20在噴咀19的毛細管現(xiàn)象和吸入力作用下，流入液室14。以下連續(xù)地反復(fù)上述過程，記錄液作為液滴狀態(tài)噴射出。另外，在振動板12變形為鼓起狀態(tài)時，振動板12的復(fù)原力被第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力強化，動作頻率增加，即第2薄膜12b使振動板12的復(fù)原力增大，可在短時間內(nèi)復(fù)原，這樣，記錄液的補充得以很快進行，能即時地進行記錄液的噴射，可提高打印頭的動作速度。
圖8是表示本發(fā)明振動板制造方法的工序圖。圖9是表示本發(fā)明振動板制造方法的框圖，采用半導(dǎo)體薄膜制造工序和基板蝕刻工序。備有步驟(100)～(108)。在步驟(100)，在由硅、玻璃、金屬或聚合物等材質(zhì)構(gòu)成的基板10上，用半導(dǎo)體薄膜制造工序形成第2薄膜12b，并使其具有一定大小殘留壓縮應(yīng)力。在步驟(101)，將薄膜形狀記憶合金12a蒸鍍在第2薄膜12b的上部，構(gòu)成振動板12。該蒸鍍的方法主要采用真空陰極噴鍍(Sputterdeposition)。在步驟(102)，用一定的溫度對薄膜形狀記憶合金12a進行一定時間的熱處理，使其結(jié)晶化，把平板狀態(tài)作為母相記憶。在步驟(103)，使薄膜形狀記憶合金12a冷卻到馬氏體終了溫度(Mf)即約40～70℃，成為馬氏體。
在步驟(104)，對振動板12的正下部進行蝕刻，在基板10上形成空間部11，使振動板12向外露出。在步驟(105)，一邊使振動板12向外露出一邊使其在第2薄膜12b的殘留應(yīng)力作用下向下部(或上部)彎曲變形，成為圖6A所示形狀。第2薄膜12b，在用半導(dǎo)體薄膜制造工序形成的過程中，根據(jù)蒸鍍條件和材質(zhì)可以調(diào)節(jié)殘留應(yīng)力的大小，通過將第2薄膜12b形成在薄膜形狀記憶合金12a的上側(cè)或下側(cè)可以決定振動板12的彎曲方向。
在該彎曲變形的過程中，薄膜形狀記憶合金12a保持著馬氏體。在步驟(106)，將薄膜形狀記憶合金12a加熱到設(shè)定溫度、即母相終了溫度(Af)的約50～90℃時，變形為圖6B所示的平板狀態(tài)，記錄液20被噴射。在步驟(107)，薄膜形狀記憶合金12a被冷卻而成為馬氏體時，在第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力作用下彎曲變形，記錄液20被補充到液室14。在步驟(108)，借助于薄膜形狀記憶合金12a的溫度變化而反復(fù)上述各步驟(106)、(107)，記錄液20作為液滴狀態(tài)被噴射而打印。
本發(fā)明的薄膜形狀記憶合金12a借助于溫度差而變形，在加熱時成為母相的扁平狀，冷卻時成為馬氏體彎曲變形，所以，溫度差越小薄膜12的振動數(shù)(動作頻率)越增加。因此，為了減少溫度差，可在鈦(Ti)和鎳(Ni)的合金中添加銅(Cu)。這樣，采用了鈦、鎳、銅的形狀記憶合金能減少相變化溫度差，可增加薄膜形狀記憶合金12a的振動數(shù)即動作頻率，提高打印速度。
下面，說明上述構(gòu)造的本發(fā)明薄膜形狀記憶合金形成液滴的可能性。
由薄膜形狀記憶合金12a產(chǎn)生的能量密度最大為10×106J/m3，薄膜形狀記憶合金12a的露出于空間部11的大小為200×200×1μm時，設(shè)產(chǎn)生的液滴直徑為60μm，則如下式地決定薄膜是否能使噴射產(chǎn)生。
U＝Us+UkUs＝πR2VUk=112πρR3γ2]]>U＝產(chǎn)生所需記錄液的液滴需要的能量Us＝記錄液的表面能量Uk＝記錄液的運動能量R＝液滴的直徑V＝記錄液的速度ρ＝記錄液的密度(1000kg/m3)γ＝記錄液的表面張力(0.073N/m)設(shè)希望的液滴速度為10m/sec，則所需能量(U)為U＝2.06×10-10+7.07×10-10＝9.13×10-10j
薄膜形狀記憶合金12a產(chǎn)生的最大能量為Wmax＝Wv·VWmax＝(10×108)·(200×200×1)＝4×10-7j另外，當(dāng)液滴直徑為100μm時，所需要的能量為U＝3.85×10-9j因此，由于Wmax》U，所以能形成所需大小的液滴。即，由于薄膜形狀記憶合金12a產(chǎn)生的力非常大，所以能容易得到所需記錄液的液滴。
下面，分析本發(fā)明一實施例中的加熱時間和消耗能量及殘留壓縮應(yīng)力引起的變位量。給薄膜形狀記憶合金12a接通電源，由其本身的阻抗產(chǎn)生熱，該熱引起相變化，求把25℃的薄膜形狀記憶合金12a加熱至70℃即使其成為母相所需的加熱時間和消耗能量。用下式求出。
薄膜形狀記憶合金的材質(zhì)＝TiNi薄膜形狀記憶合金的長度(1)＝400μm薄膜形狀記憶合金的密度(ρs)＝6450kg/m3溫度變化量(ΔT)＝70-25＝45℃熱容量(Specific heat)(Cρ)＝230J/kg℃薄膜形狀記憶合金的比抵抗(ρ)＝80μ·cm電流(I)＝1.0A薄膜形狀記憶合金的寬度(W)＝300μm薄膜形狀記憶合金的高度(t)＝1.0μm加熱時間(tn)th=ρsΔTCD(W·t)2ρ·I2=7.4μsec]]>薄膜形狀記憶合金的阻抗(R)＝ρ(1/W·t)＝1.1Ω消耗電力(I2R)＝1.1Watt產(chǎn)生液滴所需的能量加熱時間×消耗電力＝8.1μJ因此，噴射記錄液20、產(chǎn)生液滴所需的能量約為8.1μJ，比已往加熱方式的20μJ減少了消耗能量。
圖10是表示本發(fā)明的薄膜形狀記憶合金的加熱時間和溫度的線圖，用于實驗的物性值如下。
薄膜形狀記憶合金12a的厚度為1μm，周圍溫度為25℃。
周圍溫度為25℃時，加熱到70℃變成為母相后，再冷卻到30℃的時間約200μsec，換算為振動頻率則約為5KHz。因此，打印頭的動作頻率約為5KHz。但是，變形全部結(jié)束的溫度(馬氏體終了溫度)約為45℃，所以，沒有必要冷卻到30℃，可在此之前再加熱，繼續(xù)噴射記錄液20，所以，能提高5KHz以上的動作頻率。動作頻率大則打印速度快。
下面，參照圖11分析薄膜形狀記憶合金和因其自身的殘留壓縮應(yīng)力引起的變位量及復(fù)原力。
a＝b時，a＝200μm薄膜形狀記憶合金的材質(zhì)＝TiNi薄膜形狀記憶合金的楊氏模量(Em)＝30GPa存在于薄膜形狀記憶合金的殘留壓縮應(yīng)力＝30MPa泊松比(Poisson’sratio)(ν)＝0.3向空間部11露出的薄膜形狀記憶合金的長度＝a薄膜形狀記憶合金的厚度＝hm向空間部11露出的薄膜形狀記憶合金的寬度＝b薄膜形狀記憶合金的臨界壓力(Scr)Scr=4.38h2ma2Em1-v2---(1)]]>Scr＝3.6MPa薄膜形狀記憶合金的中心變位(δm)δm=2.298hm(SScr-1)---(2)]]>δm＝6.2μm薄膜形狀記憶合金產(chǎn)生的最大能量Wmax＝WV·V(WV每單位薄膜形狀記憶合金能發(fā)揮的能量J/m3V薄膜形狀記憶合金的體積Wmax＝(10×106)·(200×200×1)＝4×10-7j冷卻時，薄膜形狀記憶合金的彎曲(Buckling)產(chǎn)生的能量(Um)為Um=2500Dmh2m33a2(SScr-1)2Dm=Emh3m12(1-v2)]]>＝2.8×10-10j記錄液20噴射后，薄膜形狀記憶合金彎曲時產(chǎn)生的能量變成使薄膜形狀記憶合金產(chǎn)生彎曲變形的復(fù)原力P。復(fù)原力如下。
Um＝P·ΔV體積變化(ΔV)＝(δs·α2)/4＝6.2×10-14m3復(fù)原力(P)＝4.5KPa假設(shè)薄膜形狀記憶合金的彎曲產(chǎn)生的體積變化的1/2用于噴射，則能形成39μm的液滴。
相對于薄膜形狀記憶合金厚度的變位量如下表所示，單位是(μm)。
表1
另外，當(dāng)構(gòu)成振動板12的薄膜形狀記憶合金12a上沒有殘留壓縮應(yīng)力時，按以下方法求第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的變位量及復(fù)原力。
(見圖11)a＝b時，a＝200μm薄膜形狀記憶合金的材質(zhì)＝TiNi第2薄膜的材質(zhì)＝熱氧化SiO2薄膜形狀記憶合金的楊氏模量(Em)＝30GPa第2薄膜的楊氏模量(Es)＝70GPa作用于第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力(S)＝300MPa泊松比(Poisson’s ratio)(γ)＝0.3向空間部11露出的振動板12的長度＝a向空間部11露出的振動板12的寬度＝b薄膜形狀記憶合金的厚度(hm)＝1μm第2薄膜的厚度(hs)＝1μm第2薄膜的臨界壓力(Scr)Scr=4.38h2ma2Em1-v2---(1)]]>Scr＝8.4MPa與薄膜形狀記憶合金結(jié)合時的第2薄膜的中心變位(δs)δm=2.298h(SScr-1)----(2)]]>δs＝13.5μm第2薄膜的殘留壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的彎曲(bending)能量(Ub)Ub=Π4δ2Dsα2]]>Ds=Esh3s12(1-v2)]]>＝2.9×10-19j第2薄膜的彎曲能量作為由薄膜形狀記憶合金和第2薄膜構(gòu)成的振動板12的彎曲能量儲存起來。Ub=Π2δ2Dsα2+Π4δ2Dmα2]]>Ds＝6.5×10-9N/mDm＝2.7×10-9N/m用前式求振動板12的變位量(δ)，則δ＝11.4μm記錄液因薄膜形狀記憶合金的加熱而噴射時，由第2薄膜損失的能量是第2薄膜的殘留壓縮壓力產(chǎn)生的彎曲能量。
彎曲能量(Us)＝2.9×10-9j薄膜形狀記憶合金產(chǎn)生的最大能量Wmax＝WV·V(WV每單位薄膜形狀記憶合金能發(fā)揮的能量J/m3V薄膜形狀記憶合金的體積Wmax＝(10×106)·(200×200×1)＝4×10-7j第2薄膜消耗的能量相對于薄膜形狀記憶合金的該算出最大能量的比(Us/Wmax)是0.73％。因此，記錄液噴射時，可以忽略第2薄膜引起的能量的損失影響。第2薄膜彎曲時產(chǎn)生的能量(Us)US=2500Dsh2s33α2(SScr-1)2=1.5×10-8j]]>記錄液噴射后，第2薄膜彎曲時產(chǎn)生的能量Us變成為振動板12的復(fù)原力(P)。復(fù)原力如下。
Us＝P·ΔV體積變化(ΔV)＝(δs·α)/4＝1.4×10-13m3
復(fù)原力(P)＝107.1KPa假設(shè)振動板12的變形產(chǎn)生的體積變化的1/2用于噴射，則液滴直徑為51μm。
把僅由薄膜形狀記憶合金構(gòu)成的構(gòu)造與由薄膜形狀記憶合金和第2薄膜構(gòu)成的振動板相比較，變位量從6.2增加到11.4μm，約增加了2倍。復(fù)原力從4.5KPa增加到107.1KPa，約增加了20倍。因此，采用第2薄膜能容易地得到所需的變位量，能增加復(fù)原力。
由薄膜形狀記憶合金和第2薄膜構(gòu)成的振動板12的變位量如下表所示，其單位是(μm)表2
圖12是本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖，與圖3中相同部件注以相同標(biāo)號。該實施例中，在基板10的下部備有流路板13和噴咀板18，表示薄膜的結(jié)合狀態(tài)。在基板10上形成上下方向貫通的空間部11，還備有結(jié)合在基板10的上部并復(fù)蓋空間部11的振動板12。振動板12借助于薄膜形狀記憶合金12a的溫度變化而振動，該振動時產(chǎn)生的力使記錄液20噴射。構(gòu)成振動板12的第2薄膜12b使振動板12的彎曲變形速度(復(fù)原力)增加，提高動作頻率。
還備有復(fù)蓋基板10下部的流路板13，在該流路板13上形成與空間部11對應(yīng)的、收容記錄液20的液室14。還備有結(jié)合在流路板13下部的噴咀板18，在該噴咀板18上形成與上述液室14對應(yīng)的噴咀19。噴咀19與朝液室14一側(cè)露出的振動板12對應(yīng)，振動板12變形時，液室14的壓力變化，記錄液20以液滴狀態(tài)通過噴咀19噴射到打印紙上。
這樣，在本實施例中在基板10的上部形成了薄膜形狀記憶合金12a后，把第2薄膜12b蒸鍍在薄膜形狀記憶合金12a的上部。然后，用蝕刻在基板10的下部形成空間部11，這樣，振動板12就能在第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲變形。在該彎曲變形的狀態(tài)加熱薄膜形狀記憶合金12a時，振動板12變形成為平板狀態(tài)，然后被冷卻又彎曲變形到初期狀態(tài)。在振動板12的彎曲變形過程中，第2薄膜12b的殘留壓縮應(yīng)力引起的復(fù)原力被強化，動作頻率提高。
圖13是本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖，與上述第1實施例相同的部件注以相同標(biāo)號。本實施例中，在基板10的下部形成振動板12，在基板10的上部分別形成流路板13和噴咀板18。即，在薄膜形狀記憶合金12a未被加熱的初期狀態(tài)，振動板12是突出到空間部11內(nèi)部的狀態(tài)，加熱后變成為扁平狀態(tài)。因此，振動板12被加熱成為扁平狀時，記錄液20補充到液室14內(nèi)部，振動板12冷卻時彎曲變形時，液室14內(nèi)部的壓力增加，記錄液20被噴射出。
圖14是本發(fā)明另一實施例噴射裝置的斷面圖，與上述第1實施例相同的部件注以相同標(biāo)號。本實施例中，使用了若干片第2薄膜12b，用不同的材質(zhì)構(gòu)成第2薄膜12b。圖14A中，在薄膜形狀記憶合金12a的下面形成2片第2薄膜12b。圖14b中，在薄膜形狀記憶合金12a的上下面分別形成第2薄膜12b。該構(gòu)造可以更加強化振動板12的復(fù)原力，更加容易地得到所需的變位量。另外，還可以增加振動板12耐久性，確保可靠性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，振動板借助于薄膜形狀記憶合金的溫度變化而振動，該振動使記錄液噴射。由于結(jié)合著具有殘留壓縮應(yīng)力的第2薄膜，所以，在被冷卻而復(fù)原到初期狀態(tài)時，該殘留壓縮應(yīng)力使復(fù)原力強化，動作頻率增加。由于振動板的變位量大，形成在基板上的各空間部和形成在流路板上的各液室可以減小，這樣，減小了打印頭的整體尺寸，可實現(xiàn)小型化，提高噴咀的密集度，有利于實現(xiàn)高成像度。
由于振動板的強度因第2薄膜而加強，所以外部沖擊造成的損傷小。由于振動時發(fā)生的力大，把記錄液推出的力增加，可減少噴咀的堵塞，提高可靠性。并且記錄液的液滴大小能夠形成得很小，能得到高的打印質(zhì)量。由于驅(qū)動電壓在10伏以下，所以驅(qū)動電路的設(shè)計及制作都很容易，用現(xiàn)有的半導(dǎo)體薄膜制造工序和蝕刻工序極易得到振動板，所以，能提高批量生產(chǎn)的生產(chǎn)性，并且構(gòu)造簡單化。
權(quán)利要求
1.一種打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，備有振動板(12)、電源供給部(21)、流路板(13)和噴咀板(18)；振動板(12)由薄膜形狀記憶合金12a和至少一片第2薄膜(12b)構(gòu)成，薄膜形狀記憶合金(12a)由隨溫度變化而變化形狀的形狀記憶合金材質(zhì)做成，第2薄膜(12b)與薄膜形狀記憶合金(12a)結(jié)合并調(diào)節(jié)其形狀變化量；電源供給部(21)使上述薄膜形狀記憶合金(12a)產(chǎn)生溫度變化；流路板(13)設(shè)置在上述薄膜形狀記憶合金(12a)上，形成用于儲存記錄液(20)的液室(14)，在圍成上述液室(14)的壁面的一側(cè)形成供記錄液(20)流入用的流路(16)；噴咀板(18)設(shè)置在上述流路板(13)上，其上形成面積小于上述流路板(13)的液室(14)面積的噴咀(19)，在(12)薄膜記憶合金12a變化形狀時，上述記錄液(20)以液滴形態(tài)被噴射出。
2.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述薄膜形狀記憶合金(12a)是以鈦(Ti)和鎳(Ni)為主要成分的形狀記憶合金。
3.如權(quán)利要求2所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，為了減小相變化溫度差、提高動作頻率，上述薄膜形狀記憶合金(12a)中還添加了銅(Cu)。
4.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述薄膜形狀記憶合金(12a)的厚度約為0.3～5μm。
5.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述第2薄膜(12b)的厚度約為0.1～3μm。
6.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述第2薄膜(12b)含有熱二氧化硅(SiO2)。
7.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述第2薄膜(12b)含有多晶硅。
8.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述電源供給部(21)備有結(jié)合在薄膜形狀記憶合金(12a)兩端的電極(21a)，使得薄膜形狀記憶合金(12a)由自身阻抗發(fā)熱。
9.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述電源供給部(21)備有形成在振動板(12)一側(cè)面的加熱器(21b)，通過接通電源加熱薄膜形狀記憶合金(12a)。
10.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，備有形成在振動板(12)一側(cè)面的散熱膜(12c)，當(dāng)薄膜形狀記憶合金(12a)被加熱后又冷卻時該散膜(12c)使熱發(fā)散。
11.如權(quán)利要求10所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述散熱膜(12c)的厚度約為0.5～3μm。
12.如權(quán)利要求10所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述散熱膜(12c)含有熱傳導(dǎo)性好的鎳(Ni)。
13.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，備有設(shè)置在振動板(12)下面的基板(10)，在該基板(10)上形成能使振動板(12)形狀變化的空間部(11)。
14.如權(quán)利要求13所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述振動板(12)朝著空間部(11)露出，其形狀變化的面積是寬度(b)為100μm-500μm，長度(a)為100～300μm。
15.如權(quán)利要求13所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述基板(10)含有單晶硅材質(zhì)。
16.如權(quán)利要求1所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述振動板(12)，在薄膜形狀記憶合金(12a)被加熱到母相終了溫度時變化為母相的平板狀態(tài)；在薄膜形狀記憶合金(12a)被冷卻到馬氏體終了溫度時變化為馬氏體，這時被第2薄膜(12b)的殘留壓縮應(yīng)力彎曲變形。
17.如權(quán)利要求16所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，薄膜形狀記憶合金(12a)的母相終了溫度約為50～90℃，馬氏體終了溫度約為40～70℃。
18.如權(quán)利要求16所述的打印頭的記錄液噴射裝置，其特征在于，上述薄膜形狀記憶合金(12a)被加熱到母相后冷卻到馬氏體的時間約為200μsec以下，動作頻率為5KHz以上。
19.一種打印頭的記錄液噴射方法，其特征在于備有步驟(100)～(108)；在步驟(100)，在基板(10)上形成第2薄膜(12b)；在步驟(101)，把薄膜形狀記憶合金(12a)蒸鍍到第2薄膜(12b)上，形成振動板(12)；在步驟(102)，對薄膜形狀記憶合金(12a)進行熱處理，將平板作為母相記憶；在步驟(103)，冷卻上述薄膜形狀記憶合金(12a)，使其成為馬氏體；在步驟(104)，對基板(10)的一部分進行蝕刻，使上述振動板(12)的一部分露出；在步驟(105)，使振動板(12)的露出部位被第2薄膜(12b)的殘留壓縮應(yīng)力產(chǎn)生彎曲變形；在步驟(106)，薄膜形狀記憶合金(12a)被加熱而成為平板狀，記錄液(20)被噴射出；在步驟(107)，薄膜形狀記憶合金(12a)被冷卻而成為馬氏體，被上述第2薄膜(12b)的殘留壓縮應(yīng)力產(chǎn)生彎曲變形，記錄液(20)被補充到液室(14)的內(nèi)部；在步驟(108)，借助于薄膜形狀記憶合金(12a)的溫度變化，反復(fù)上述步驟(106)、(107)，記錄液(20)以液滴狀被噴射而打印。
全文摘要
本發(fā)明能縮短記錄液噴射后振動板復(fù)原到彎曲變形狀態(tài)的時間,增加動作頻率,提高打印速度,增強振動板的強度,減小外部沖擊的損傷。本發(fā)明的裝置備有振動板、電源供給部、流路板和噴嘴板。振動板由薄膜形狀記憶合金和薄膜構(gòu)成。電源供給部使薄膜形狀記憶合金產(chǎn)生溫度變化。流路板設(shè)置在薄膜形狀記憶合金上,其上形成液室,包圍液室壁面的一側(cè)形成流路。噴嘴板設(shè)置在流路板上,其上形成噴嘴,在薄膜形成變化時,記錄液以液滴形態(tài)被噴射。
文檔編號B41J2/015GK1192963SQ971221
公開日1998年9月16日 申請日期1997年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月10日
發(fā)明者崔海龍 申請人:三星電機株式會社