JP2005522358A - 熱伝導経路を有する熱弾性インクジェットアクチュエータ - Google Patents

Abstract

インクジェットプリンタアセンブリにおいて使用するためのサーマルインクジェットアセンブリは、液滴の形成が促進される所定の負の圧力プロファイルを達成するように構成されている熱伝導手段を備えている。好ましい実施形態においては、熱伝導手段は、非熱伝導性の受動曲がり層（５６）の中に配置されている、アルミニウムなど熱伝導性の非常に高い材料の薄い層（５４）を備えている。アクチュエータの全体的な冷却速度と、従って受動曲がり層が静止位置に戻る速度は、製作時にアクチュエータのヒーターから熱伝導層までの近さを制御することによって制御することができる。

Description

発明の分野

本発明は、インクジェット印刷の分野に関し、特に、改良された熱弾性インクジェットアクチュエータを開示する。

関連技術の説明

米国特許出願第０９／７９８，７５７号明細書と米国特許出願第０９／４２５，１９５号明細書は、熱弾性アクチュエータインクジェットノズル装置を開示している。これら両方の明細書は、本発明の出願人によって共同所有されており、両明細書の全体は本文書に参考とすることにより援用されている。

図１は、上記の明細書に説明されている発明の実施形態による第１のノズルを示している。図１は、ノズル装置の側面透視図であり、図２は、図１のノズル装置の分解透視図である。一つのノズル装置１は、空気中で動作する二本のアーム４，５を備えており、これらのアームは、薄い０．３ミクロンの二ホウ化チタンの層６と、その下のずっと厚い５．８ミクロンのガラスの層７とから構成されている。二本のアーム４，５は、一つに結合されており、エンクロージャを形成している薄膜であるポイント９を中心に旋回する。このエンクロージャは、ノズル室１０の一部を形成している。アーム４，５は、ＣＭＯＳ層３の一部を形成していることができる下方のアルミニウム伝導層１４，１５に、柱１１，１２によって接合されている。ノズル室１８の外面は、ガラス又は窒化物から形成することができ、インクで満たされるエンクロージャを形成している。この外側の室１８は、ＭＥＭ工程手法による製造時に内部空隙の急速腐食液に供せられる複数の腐食液穴（例：１９）を備えている。

パドル面２４は、製作時に構造部を解放した結果として下向きに曲がっている。電流が二ホウ化チタンの層６を流れると、アーム４，５沿いのこの層が加熱される。この加熱により、アーム４，５のうちヤング率の高いＴｉＢ_２層が膨張する。

この膨張の作用により、アームがほぼ下方に曲がり、アームは膜９を中心に枢動する。枢動の結果、パドル面２４が急激に上方に動く。パドル面２４が上方に動くことにより、ノズル室２１からインクが射出される。圧力の上昇は、より小さな腐食液穴１９の表面張力特性に打ち勝つほど大きくはなく、この結果として、ノズル室穴２１からインクが射出される。

上述したように、二ホウ化チタンの薄片６は、この層６が加熱されたときにガラス層７が曲がるだけの十分に高いヤング率を持つ。従って、このインクジェットデバイスの動作は、図３〜図５に示すとおりである。インクジェットノズルは、静止状態においては図３に示す状態であり、全体的に下に曲がっている位置にあり、インクのメニスカス３０がわずかな隆起を形成しており、パドルが膜壁９を中心に旋回している。二ホウ化チタン層６は、加熱されることによって膨張する。この層がガラス層７によって曲がり、これに起因して図４に示すようにパドル２４が膜壁９を中心に旋回する。これにより、メニスカス３０が急激に膨張し、その結果として正の圧力パルスが生じ、インクがノズル室１０からほぼ射出される。次に、二ホウ化チタンへの電流がオフに切り替えられ、パドル２４がその静止状態に戻る結果として、負の圧力パルスが生じる。これによってメニスカス３０からインクが下方に吸い込まれ、この結果として、必要な時点でインク滴３１がノズル室１０から射出される。

電気による加熱のパルスの形状を制御することによって、熱弾性アクチュエータの正の圧力パルスの大きさと時定数とを制御することができる。しかしながら、負の圧力パルスは制御されないままである。負の圧力パルスの特性は、粘性と表面が大きい流体の場合に影響が大きくなる。従って、負の圧力パルスの特性が調整されている熱弾性インクジェットノズルが提供されれば、それは望ましいであろう。

いくつかのタイプの熱弾性アクチュエータの更なる問題として、アクチュエータが非常に高温になり、非伝導層の底面上の液体の沸点を超える温度が生じることがある。

本発明の目的は、負の圧力パルスの特性が調整されている熱弾性アクチュエータを提供することである。

発明の概要

本発明の第１の側面によると、熱弾性アクチュエータアセンブリであって、
加熱要素によって生成される熱をアクチュエータアセンブリから伝えて逃がすことによって動作後にアクチュエータの静止状態への戻りを促進する目的で配置されている熱伝導手段、
を含んでいる、熱弾性アクチュエータアセンブリが提供される。

加熱要素は、受動曲がり層（ｐａｓｓｉｖｅ ｂｅｎｄ ｌａｙｅｒ）に接合されている加熱層を備えており、熱伝導手段が受動曲がり層の中に位置している、ことが好ましい。

熱伝導手段は、受動曲がり層の中に位置している一層又は複数層の熱伝導性の金属材料を備えていることができる。

一層又は複数層の熱伝導性の金属材料は、アクチュエータに接触しているインクの過熱を防ぐのに十分であることが好ましい。

一般的には、一層又は複数層の熱伝導性の金属材料は、熱伝導性材料（例：アルミニウム）と受動曲がり層基板との積層を備えている。

熱弾性アクチュエータは、インクジェットプリンタに組み込まれることが予測される。

また、望ましい動作特性を有する熱弾性アクチュエータアセンブリを製造する方法であって、
アクチュエータの望ましい負の圧力パルス特性を決定するステップと、
望ましい負の圧力パルス特性に対応する熱損失プロファイルを決定するステップと、
このプロファイルを達成するように構成されている熱伝導手段を有する熱弾性アクチュエータを形成するステップと、
を含む、方法も提供する。

望ましい負の圧力パルス特性を決定するステップは、熱弾性アクチュエータにおいて使用する流体の物理的特性を決定するステップを含んでいることが好ましい。

前記プロファイルを達成するように構成されている熱伝導手段を有する熱弾性アクチュエータを形成するステップは、アクチュエータの受動曲がり層に一層又は複数層の熱伝導層を形成するステップを含んでいてもよい。

詳細な説明

図６を参照し、この図は、先行技術の熱弾性アクチュエータ４０の一部の簡略化した側面プロファイルを示している。アクチュエータ４０は、ヒーター層４２の形式における加熱要素と、受動曲がり層４４とを備えている。一般には、受動曲がり層は、熱伝導率の低い絶縁体（二酸化珪素など）を備えている。インクなどの流体がリザーバ４６を満たしている。矢印５０，５２は、ヒーター層４２からの熱の流れの方向を示している。

次に、本発明による熱弾性アクチュエータの好ましい実施形態を、図７を参照しながら説明する。このアクチュエータは、非熱伝導性の受動曲がり層５６の中に、熱伝導性の非常に高い材料（アルミニウムなど）の薄い層５４が配置されている。従って、熱エネルギがヒーター層から外に伝わって逃げるとき、最終的にこの伝導層に達し、矢印５８が示すように伝わって逃げる。この熱は、アクチュエータ自体の厚さを貫いて更に伝わるのではなく、アクチュエータから、熱伝導層５４によって、支持構造（図示していない）の比較的冷たい大きな熱的質量体（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）に伝わって逃げる。

アクチュエータの全体的な冷却速度と、従って受動曲がり層が静止位置に戻る速度と、従って負の圧力パルスの形状は、ヒーター層５８と熱伝導層５４の間の近さによって制御することができる。熱伝導層がヒーター層の近くに位置しているほど、アクチュエータはより迅速に冷える。

接合されているアクチュエータの底面が過度に熱くなることを防ぐように熱伝導層を配置することができ、これによって、使用する任意の流体を、沸騰又は過熱が生じることなくアクチュエータに直接接触させることができる。

図８は、伝導経路が三層のアルミニウムと受動曲がり材料との積層６０を備えている、本発明の更なる実施形態による熱弾性アクチュエータを示している。アルミニウム層と受動曲がり材料とを交互に配置することによって、アクチュエータの機械的特性に対する熱伝導層の影響を最小にすることができる。これに代えて、アクチュエータの機械的特性と干渉しないように、ヤング率が比較的低い、一層の別の熱伝導性材料を使用することができる。

図７と図８の実施形態においては、加熱層５８は受動曲がり層５６に連続的に直接接合されている。いわゆる「分離」型の熱弾性アクチュエータにおいては、加熱要素は受動基板と連続的には接合されておらず、空隙によって部分的に隔てられている。図９には、分離型アクチュエータに適用した本発明の更なる実施形態が示してあり、加熱要素６４が受動基板５６から空隙６２によって部分的に隔てられている。この場合にも、熱伝導層５４は、アクチュエータの支持アセンブリ（図示していない）の方に熱を伝えて逃がすように作用する。

本発明は、負のパルス特性が調整されているアクチュエータを提供する。このことは、アルミニウムなど一層の熱良導体の形式における熱伝導手段を設けることによって達成されている。アクチュエータの熱伝導特性を変化させることによって、冷却時間を長くして、アクチュエータが静止位置により迅速に戻るようにすることができる。従って、本発明は、望ましい特性を持つようにアクチュエータを設計する方法も包含する。

この方法では、最初に、アクチュエータの望ましい負の圧力パルス特性を決定する。この圧力パルス特性は、アクチュエータが静止位置に戻る速度に関連する。一般的には、負の圧力パルスは、特定の粘度のインクの場合にインク滴のくびれ（ｎｅｃｋｉｎｇ）が生じるように設計する。

圧力パルス特性を決定した時点で、望ましい負の圧力パルス特性に対応する熱損失プロファイルを決定する。この決定は、必要な場合には試行錯誤プロセスによって行うことができ、或いは、数学的モデル化手法を利用することができる。次いで、そのプロファイルを達成するように構成されている熱伝導層を持つ熱弾性アクチュエータを作製する。

受動曲がり層の機械的特性を維持し、それによって熱損失プロファイルを達成するうえで関与する変数の数を少なくする目的で、複数の熱伝導層を持つアクチュエータを形成することが最も簡単であるかもしれない。

このアクチュエータは、インクジェットプリンタアセンブリとインクジェットプリンタにおける用途を持つことが理解されるであろう。

本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明したが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部の変更を行うことができることが認識されるであろう。

先行技術の熱弾性アクチュエータの透視図である。 図１の熱弾性アクチュエータの分解図である。 図１の熱弾性アクチュエータの第１の動作段階時の断面図である。 図１の熱弾性アクチュエータの第２の動作段階時の断面図である。 図１の熱弾性アクチュエータの更なる動作段階時の断面図である。 先行技術の熱弾性アクチュエータアセンブリの一部の断面図である。 本発明の第１の実施形態による熱弾性アクチュエータアセンブリの一部の断面図である。 本発明の第２の実施形態による熱弾性アクチュエータアセンブリの一部の断面図である。 本発明の更なる実施形態による熱弾性アクチュエータアセンブリの一部の断面図である。

Claims (10)

1. 熱弾性アクチュエータアセンブリであって、
   加熱要素によって生成される熱を当該アクチュエータアセンブリから伝えて逃がすことによって動作後に当該アクチュエータの静止状態への戻りを促進する目的で配置されている熱伝導手段、
   を含んでいる、熱弾性アクチュエータアセンブリ。
2. 前記加熱要素が、受動曲がり層に接合されている加熱層を備えており、かつ、前記熱伝導手段が前記受動曲がり層の中に位置している、請求項１に記載の熱弾性アクチュエータアセンブリ。
3. 前記熱伝導手段が、前記受動曲がり層の中に位置している一層又は複数層の熱伝導性の金属材料を備えている、請求項２に記載の熱弾性アクチュエータ。
4. 前記一層又は複数層の熱伝導性の金属材料が、当該アクチュエータに接触しているインクの過熱を防ぐのに十分である、請求項３に記載の熱弾性アクチュエータ。
5. 前記一層又は複数層の熱伝導性の金属材料が、熱伝導性材料と受動曲がり層基板との積層を備えている、請求項３に記載の熱弾性アクチュエータ。
6. 前記一層又は複数層の熱伝導性の金属材料がアルミニウムを備えている、請求項５に記載の熱弾性アクチュエータ。
7. 請求項３に記載の熱弾性アクチュエータを含んでいる、インクジェットプリンタ。
8. 望ましい動作特性を有する熱弾性アクチュエータアセンブリを製造する方法であって、
   前記アクチュエータの望ましい負の圧力パルス特性を決定するステップと、
   前記望ましい負の圧力パルス特性に対応する熱損失プロファイルを決定するステップと、
   前記プロファイルを達成するように構成されている熱伝導手段を有する前記熱弾性アクチュエータを形成するステップと、
   を含む、方法。
9. 望ましい負の圧力パルス特性を決定する前記ステップが、前記熱弾性アクチュエータにおいて使用する流体の物理的特性を決定するステップを含んでいる、請求項８に記載の方法。
10. 前記プロファイルを達成するように構成されている熱伝導手段を有する前記熱弾性アクチュエータを形成する前記ステップが、前記アクチュエータの受動曲がり層に一層又は複数層の熱伝導層を形成するステップを含んでいる、請求項９に記載の方法。

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