JP2001038898A - インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な形状（例えば平面形）に形状記憶させ
た形状記憶合金を利用したインクジェットヘッドを提供
する。 【解決手段】 インク２４を収容する空間１４を形成し
ている壁の少なくとも一部が、突起部２２を有する弾性
部材３５により構成され、さらにその弾性部材３５に、
突起部２２を介して、平面形に形状記憶させた形状記憶
材料２９が接合され、形状記憶材料２９が記憶している
形状を再現することにより弾性部材３５を変形して上記
空間１４内の容積を減少させ、これにより、インク２４
を加圧し吐出させるインクヘットヘッド１０において、
平面状にある形状記憶材料２９を、突起部２２を介して
弾性部材３５に押し当てることにより変形させて、弾性
部材３５に接合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド、及びこのインクジェットヘッドを備えたインクジ
ェットプリンタに関する。

【０００２】

【従来の技術】アクチュエータとして形状記憶合金を用
いたインクジェットヘッドは種々のものが知られてい
る。このようなインクジェットヘッドは、外壁の一部に
インクを吐出させるためのノズルを設けたインク室を有
する。また、インク室の別の外壁の一部が、高温（母
相）で所定の形状に記憶させた形状記憶合金で構成され
ている。そこで、この形状記憶合金を常温（マルテンサ
イト相）から高温、またはその逆に変態させることでイ
ンク室の容積が縮小・拡大し、これにより、インク室に
収容されているインクが、ノズルを介して外部に飛翔す
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
は、形状記憶合金を成形するのは難しく、例えば特開平
１０−２５８５０８号公報では、形状記憶合金を複雑な
形状に加工し、この形状を高温で記憶させる必要があ
る。そのため、こうした形状記憶合金を用いたインクジ
ェットヘッドを製造するコストが高くなる。

【０００４】そこで、本発明は、簡単な形状（例えば平
面形）に形状記憶させた形状記憶合金を利用したインク
ジェットヘッドを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために、本発明のインクジェットヘッドは、インクを収
容する空間を形成している壁の少なくとも一部が、突起
部を有する弾性部材により構成され、さらにその弾性部
材に、突起部を介して、平面形に形状記憶させた形状記
憶材料が接合され、上記形状記憶材料が記憶している形
状を再現することにより上記弾性部材を変形して上記空
間内の容積を減少させ、これにより、上記インクを加圧
し吐出させるインクジェットヘッドにおいて、平面状に
ある上記形状記憶材料を、上記突起部を介して上記弾性
部材に押し当てることにより変形させて、上記弾性部材
に接合させることを特徴とするものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は、第１
の実施形態に係るインクジェットヘッド１０を示す。こ
のインクジェットヘッド１０は第１の基板１２を有す
る。第１の基板１２は、後で詳細に説明するように、そ
の上面及び下面をエッチングして多数の溝及び窪みが形
成されている。これらの溝及び窪みには、図２に示すよ
うに、所定の方向（図２の上下方向）に伸びる複数の平
行に配置された細長いインクチャンネル１４、これらイ
ンクチャンネル１４の長手方向一端部（図２の上端部）
から所定の間隔をあけて形成された共通インク室１６、
各インクチャンネル１４の長手方向一端部を共通インク
室１６に接続するインクインレット１８、及び各インク
チャンネル１４の長手方向他端部（図２の下端部）を大
気に接続するノズル２０が含まれる。

【０００７】インクチャンネル１４は、第１の基板１２
の上面に貼り付けられた薄い第２の基板（隔壁２２）で
覆われ、また、共通インク室１６及びインクインレット
１８は、第３の基板２３で覆われ、これにより、インク
チャンネル１４、共通インク室１６及びインクインレッ
ト１８にインク２４が収容できるようにしてある。第３
の基板２３は、貼り付けた状態でインクチャンネル１４
に対向する領域において、エッチングにより除去された
空室２８を有する。

【０００８】空室２８の中には、インクチャンネル１４
に対向する隔壁２２の上面部分に、ＴｉＮｉ合金などの
形状記憶合金からなる薄い板（アクチュエータ２９）
が、各インクチャンネル１４に対向して設けてある。

【０００９】アクチュエータ２９は、ＴｉＮｉ合金以外
にも、任意の形状記憶合金、例えばＴｉＮｉにＰｄ又は
Ｃｕを加えた合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金で作られても
よい。また、アクチュエータ２９は金属で形成する必要
はなく、金属以外、例えば、形状記憶樹脂、形状記憶繊
維、またはそれらの複合材料であってもよい。

【００１０】アクチュエータ２９は、高温雰囲気中で、
公知の薄膜形成技術（例えば、スパッタリング）により
形成される。薄膜形成が完了した時点で、各アクチュエ
ータ２９は、図４（ａ）に示すように、真っ直ぐな板で
ある。アクチュエータ２９はさらに、この平坦な状態で
アニールして形状記憶させている。しかし、以下に説明
するインクジェットヘッド製造過程で、アクチュエータ
２９が、図３（ａ）に示す状態に変形される。また、各
アクチュエータ２９は、図示しない導電リード部が接続
され、画像信号に対応した電圧が個別的に印加できるよ
うにしてある。

【００１１】次に、図３、４を用いて第１の基板１２と
第３の基板２３のさらに具体的な形状について説明す
る。第１の基板１２は、２つのプレート、すなわちノズ
ル２０を有するノズルプレート３０と、縦断面がジグザ
グ形状をしたバイアスプレート３２とを接合して構成さ
れる。バイアスプレート３２は、第３の基板２３に対向
する側において、所定の方向（図２の上下方向）に伸び
る複数の平行に配置された細長いＶ溝３４を有する。ま
た、これらＶ溝３４の間に、境界面がＶ溝３４の境界面
と略平行に形成された複数の台形状の貫通孔が設けてあ
り、この貫通孔の一方側をノズルプレート３０により閉
鎖し、もう一方側を隔壁２２により閉鎖することで、イ
ンクチャンネル１４、及び後述するようにアクチュエー
タ２９を復元するための斜め形状のばね部材（弾性部
材）３５が形成されている。

【００１２】第３の基板２３は、２つのプレート、すな
わち上部プレート３６と下部プレート３８とを接合して
構成される。下部プレート３８は、隔壁２２より僅かに
大きな長方形横断面を有する貫通孔を備え、この貫通孔
の一方側を上部プレート３６により閉鎖し、もう一方側
をアクチュエータ２９により閉鎖することで、空室２８
が形成されている。

【００１３】これら２つの基板、第１の基板１２と第３
の基板２３とを、図４（ａ）に示すように貼り合わせた
状態が、図３（ａ）と図４（ｂ）に示されている。具体
的には、常温状態で、第１の基板１２におけるインクチ
ャンネル１４の境界の一部を形成する隔壁（突起部）２
２が、第３の基板２３における空室２８の境界の一部を
形成する、平坦状のアクチュエータ２９を上方に押し込
み変形させている。

【００１４】次に、図５を用いてバイアスプレート３２
の製造工程の一例を説明する。まず、所定の厚さ（例え
ば１００μｍ）の単結晶シリコンウェハ［表面が（１０
０）面、オリエンテーションフラットが（１１０）面］
からなる一枚の板[図（ａ）]を、熱酸化炉に入れて酸化
させた後、スパッタリングを用いて片面（図の上面）に
例えば２μｍの厚さのＳｉＯ₂を成膜する[図（ｂ）]。
次に、上面及び下面にＳｉ₃Ｎ₄の薄膜をプラズマＣＶＤ
法により形成する[図（ｃ）]。次に、上面に図示しない
フォトレジストを用いてマスクパターンを形成した後、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＳｉ₃Ｎ₄を
エッチングし、これにより、所定の間隔をあけた複数の
Ｓｉ₃Ｎ₄部分（これは隔壁２２に対応する。）を形成す
る[図（ｄ）]。続いて、上記マスクパターンを除去した
後、別のマスクパターンを形成しＲＩＥを用いてＳｉＯ
₂をエッチングし、これにより、隣接する上記Ｓｉ₃Ｎ₄
部分の中間にＳｉＯ₂部分を形成する[図（ｅ）]。ま
た、下面にマスクパターンを形成した後、ＲＩＥを用い
てＳｉ₃Ｎ₄及びＳｉＯ₂を同時にエッチングし、これに
より、上面の隣接する上記Ｓｉ₃Ｎ₄部分の中間に下面の
Ｓｉ₃Ｎ₄及びＳｉＯ ₂部分を形成する[図（ｆ）]。続い
て、板の上面と下面にそれぞれ、水酸化カリウムを用い
たウエットエッチングを施すことで、バイアスプレート
３２のジグザグ形が得られる[図（ｇ）]（なお、このジ
グザグ形状の境界面は（１１１）面である。）。最後
に、上面のＳｉＯ₂部分をフッ酸によりエッチング除去
する。このようにして形成されたバイアスプレート３２
において、隔壁２２が設けられた部分が他の部分より高
くなっている。

【００１５】次に、図６を用いて下部プレート３８の製
造工程の一例を説明する。まず、所定の厚さ（例えば１
００μｍ）の単結晶シリコンウェハ［表面が（１１０）
面、オリエンテーションフラットが（１００）面］から
なる一枚の板[図（ａ）]に対し、スパッタリングを用い
て片面（図の上面）にＳｉＯ₂を成膜する[図（ｂ）]。
次に、その上にＳｉ₃Ｎ₄の薄膜をプラズマＣＶＤ法によ
り形成する[図（ｃ）]。続いて、下面に形状記憶合金で
あるＴｉＮｉを貼り付ける[図（ｄ）]。次に、下面に図
示しないフォトレジストを用いてマスクパターンを形成
した後、フッ酸：硝酸：水の比が１：１：８の溶液を用
いてＴｉＮｉをエッチングし、これにより、所定の間隔
をあけた複数のＴｉＮｉ部分（これはアクチュエータ２
９に対応する。）を形成する[図（ｅ）]。次に、上面に
対しマスクパターンを形成した後、ＲＩＥを用いてＳｉ
Ｏ₂及びＳｉ₃Ｎ₄をエッチングし、これにより、下面の
隣接する上記ＴｉＮｉ部分の中間に上面のＳｉ₃Ｎ₄及び
ＳｉＯ₂部分を形成する[図（ｆ）]。最後に、Ｓｉ板を
水酸化カリウムによりエッチング除去し、下部プレート
３８を得る[図（ｇ）]。

【００１６】再び図１〜３を参照して、以上のようにし
て製造されたインクジェットヘッド１０には、図示しな
いインクタンクより共通インク室１６、インクインレッ
ト１８を介して、各インクチャンネル１４及びノズル２
０にインク２４が充填される。この状態、つまり図３
（ａ）に示す状態で、アクチュエータ２９にパルス電圧
を印加すると、このアクチュエータ２９が自己発熱し、
変態温度を超えると母相に変態し、平面形に復帰する。
その結果、図３（ｂ）に示すように、アクチュエータ２
９、隔壁２２及びバイアスプレート３２のばね部材３５
が下方に押され、これにより、対応するインクチャンネ
ル１４のインク２４が加圧され、対応するノズル２０か
らインク２４が吐出する。続いて、アクチュエータ２９
へのパルス電圧の印加が終了すると、アクチュエータ２
９の発熱が終わり、アクチュエータ２９は、常温状態に
なる。その結果、アクチュエータ２９は、母相からマル
テンサイト相に変態し、バイアスプレート３２のばね部
材３５の復元力により、加熱前即ち電圧印加前の状態
［図３（ａ）］に復元する。このとき、インクチャンネ
ル１４に負圧が生じ、その吸引力によりインクインレッ
ト１８を介して共通インク室１６からインク２４が補充
される。

【００１７】（第２の実施形態）図７は、第２の実施形
態に係るインクジェットヘッド１０’の断面図を示す。
このインクジェットヘッド１０’は、第１の実施形態に
係るインクジェットヘッド１０に類似しており、以下で
は異なる点のみ説明する。バイアスプレート３２’は、
下部プレート３８に対向する側が閉鎖されており、他端
側（図の下側）をノズルプレート３０により閉鎖するこ
とによりインクチャンネル１４’が形成されている。バ
イアスプレート３２’の製造方法の一例としては、単結
晶シリコンウェハの片面にＢ（ボロン）を注入してＢド
ープ薄層（これはバイアスプレート３２’のばね部材３
５’に相当する。）を形成し、さらにインクチャンネル
１４’の壁を形成するために水酸化カリウムでシリコン
をエッチング除去（Ｂドープ層はエッチングされないで
そのまま残る。）することが考えられる。また、アクチ
ュエータ２９を変形させる部材として、アクチュエータ
２９に対向するバイアスプレート部分に、例えばＳｉＯ
₂からなる隔壁（突起部）２２’が形成されている。こ
のように構成されたバイアスプレート３２’を、アクチ
ュエータ２９が隔壁２２’を押し当てることで変形させ
た状態で、下部プレート３８に貼り付けて、インクジェ
ットヘッド１０’を形成する［図７（ｂ）］。

【００１８】なお、図７ではバイアスプレート３２’の
インクチャンネル１４’の壁が表面に対し垂直になって
いるが、これは、単結晶シリコンウェハの表面が（１１
０）面、オリエンテーションフラットが（１００）面の
場合であり、第１の実施形態のように、表面が（１０
０）面、オリエンテーションフラットが（１１０）面の
単結晶シリコンウェハを用いて上記壁を表面に対し斜め
に形成してもよい。

【００１９】以上のようにして製造されたインクジェッ
トヘッド１０’には、図示しないインクタンクより共通
インク室１６、インクインレット１８を介して、各イン
クチャンネル１４及びノズル２０にインク２４が充填さ
れる。この状態、つまり図７（ｂ）に示す状態で、アク
チュエータ２９にパルス電圧を印加すると、このアクチ
ュエータ２９が自己発熱し、変態温度を超えると母相に
変態し、平面形に復帰する。その結果、アクチュエータ
２９、隔壁２２’及びバイアスプレート３２’のばね部
材３５’が下方に押され、これにより、対応するインク
チャンネル１４’のインク２４が加圧され、対応するノ
ズル２０からインク２４が吐出する。続いて、アクチュ
エータ２９へのパルス電圧の印加が終了すると、アクチ
ュエータ２９の発熱が終わり、アクチュエータ２９は、
常温状態になる。その結果、アクチュエータ２９は、母
相からマルテンサイト相に変態し、バイアスプレート３
２’のばね部材３５’の復元力により、加熱前即ち電圧
印加前の状態［図７（ｂ）］に復元する。このとき、イ
ンクチャンネル１４’に負圧が生じ、その吸引力により
インクインレット１８を介して共通インク室１６からイ
ンク２４が補充される。なお、シリコンからなる下部プ
レート３８は、アクチュエータ２９への通電により発生
した熱を図示しない冷却装置に送る、ヒートシンクの役
割を果たす。

【００２０】図８はインクジェットヘッド１０（又は１
０’）を組み入れたプリンタ１００の一部を示す。この
プリンタ１００は、底板１０２と、この底板１０２から
略垂直に伸びて対向する一対の支持壁１０４と、これら
の支持壁１０４を連結する前壁１０６を有する。前壁１
０６の外側には、プリンタ１００により印字されるシー
ト（紙）Ｓを収容する給紙トレイ１０８が設けてあり、
この給紙トレイ１０８に収容されているシートＳが、前
壁１０６に形成されている給紙口（図示せず）を介し
て、プリンタ１００の内部に供給されるようにしてあ
る。

【００２１】前壁１０６の内側では、一対の支持壁１０
４に、前壁１０６と平行に上段ガイドレール１１２とそ
の下方に配置された下段ガイドレール１１４が支持され
ている。これらガイドレール１１２と１１４には、イン
クカートリッジ１１６が移動可能に支持されている。イ
ンクカートリッジ１１６をガイドレール１１２と１１４
に沿って往復移動させる走査機構１１８は、それぞれの
支持壁１０４の近傍で前壁１０６の内側に支持された一
対のプーリ１２０と、これらのプーリ１２０に巻回され
たベルト１２２と、いずれか一方のプーリ１２０を正逆
回転させるモータ（図示せず）とからなり、ベルト１２
２の一部にインクカートリッジ１１６が連結されてい
る。

【００２２】インクカートリッジ１１６は、本実施形態
では、その下面に上述したインクジェットヘッド１０を
一個又は複数個備えている。インクカートリッジ１１６
の下方には、インクジェットヘッド１０と間隔を置いて
シートガイド１２４が設けてある。このシートガイド１
２４の前壁１０６側には、この前壁１０６の給紙口を通
じてプリンタ１００の内部に送り込まれたシートＳを矢
印１２６方向（搬送方向）に搬送する給紙ローラ１２８
が、給紙方向と直交する方向に配置されており、対向す
る支持壁１０４に回転自在に支持されている。また、給
紙方向に関してインクカートリッジ１１６の下流側に
は、シートガイド１２４に対してシートＳを押し付ける
押圧ローラ１３０が給紙方向と直交する方向に配置され
ている。

【００２３】給紙ローラ１２８は、その軸１３２に固定
したギヤ１３４と、このギヤ１３４の近傍で支持壁１０
４に回転自在に支持されたギヤ１３６を介して、モータ
１３８に駆動連結されており、このモータ１３８の回転
に基づいて給紙ローラ１２８が回転してシートＳを矢印
１２６方向に搬送するようにしてある。

【００２４】このように構成されたプリンタ１００によ
る印字時、給紙トレイ１０８から送り出されたシートＳ
は前壁１０６の給紙口を通じてプリンタ１００の内部に
送り込まれる。次に、シートＳは、モータ１３８の駆動
に基づいて回転する給紙ローラ１２８により、シートガ
イド１２４に沿って矢印１２６方向に搬送される。ま
た、シートガイド１２４上を移動するシートＳは押圧ロ
ーラ１３０によりシートガイド１２４に押し付けられ、
これによりシートＳとインクヘッドヘッド１０との間隔
が一定に保たれる。

【００２５】シートＳの移動に同期して、インクカート
リッジ１１６は、ベルト１２２の回転によりガイドレー
ル１１２と１１４に沿って往復移動し、シートガイド１
２４上を移動するシートＳの部分に対して、インクジェ
ットヘッド１０からインクを吐出して印字する。印字さ
れたシートＳは図示しない排紙トレイ上に排出される。

【００２６】

【発明の効果】以上のように構成されたインクジェット
ヘッド及びインクジェットプリンタは、平面状に形状記
憶させた形状記憶材料を使用するので、形状記憶や接合
の作業が容易であり、その結果、上記インクジェットヘ
ッドを量産し易く、インクジェットヘッドの製造コスト
を下げることができる。

【００２７】また、本発明では、アクチュエータ（形状
記憶材料）２９、２９’以外の部材（例えば、ばね部材
３５、３５’、突起部２２、２２’）を所定の形状に構
成することにより、力、変位量、耐久性など使用する目
的に応じたアクチュエータ２９、２９’を自由に設計す
ることができる。例えば、突起部２２、２２’の厚さを
変えることにより、平面状に形状記憶させた形状記憶材
料２９、２９’の、常温状態での撓み量を自由に変える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの断面図。

【図２】 図１に示すインクジェットヘッドの第１の基
板の上面図。

【図３】（ａ） 本発明の第１の実施形態に係るインク
ジェットヘッドの、常温状態での断面図。（ｂ） 本発
明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの、ア
クチュエータ加熱時の断面図。

【図４】（ａ） 本発明の第１の実施形態に係るインク
ジェットヘッドの分解斜視図。（ｂ） 本発明の第１の
実施形態に係るインクジェットヘッドの、常温状態での
斜視図。

【図５】 本発明の第１の実施形態に係るバイアスプレ
ートの形成方法を示す工程図。

【図６】 本発明の第１の実施形態に係る上部プレート
の形成方法を示す工程図。

【図７】（ａ） 本発明の第２の実施形態に係るインク
ジェットヘッドの分解断面図。（ｂ） 本発明の第２の
実施形態に係るインクジェットヘッドの、常温状態での
断面図。

【図８】 本発明に係るインクジェットヘッドを組み入
れたプリンタの部分斜視図。

【符号の説明】

１０：インクジェットヘッド、１２：第１の基板、１
４：インクチャンネル、２２：第２の基板（隔壁、突起
部）、２３：第３の基板、２９：アクチュエータ、３
０：ノズルプレート、３２：バイアスプレート、３６：
上部プレート、３８：下部プレート。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを収容する空間を形成している壁
   の少なくとも一部が、突起部を有する弾性部材により構
   成され、さらにその弾性部材に、突起部を介して、平面
   形に形状記憶させた形状記憶材料が接合され、 上記形状記憶材料が記憶している形状を再現することに
   より上記弾性部材を変形して上記空間内の容積を減少さ
   せ、これにより、上記インクを加圧し吐出させるインク
   ジェットヘッドにおいて、 平面状にある上記形状記憶材料を、上記突起部を介して
   上記弾性部材に押し当てることにより変形させて、上記
   弾性部材に接合させることを特徴とするインクジェット
   ヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１のインクジェットヘッドを備え
   たことを特徴とするインクジェットプリンタ。