JP4933629B2 - Inkjet nozzle assembly having a thermal bending actuator that defines the main part of the nozzle chamber roof with an active beam - Google Patents
Inkjet nozzle assembly having a thermal bending actuator that defines the main part of the nozzle chamber roof with an active beam Download PDFInfo
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Description
本出願は熱曲げアクチュエータに関する。それは主として、熱曲げ作動を介してインクを吐出する改良されたインクジェットノズルを提供するために開発された。 The present application relates to a thermal bending actuator. It was developed primarily to provide an improved inkjet nozzle that ejects ink via a hot bending operation.
[相互参照]
本出願の出願人または譲受人によって出願された以下の特許または特許出願は、この相互参照により本明細書に組み込まれる。
The following patents or patent applications filed by the applicant or assignee of this application are hereby incorporated by this cross-reference:
本出願人は、熱曲げ作動を利用する多数のMEMSインクジェットノズルを以前に記述してきた。熱曲げ作動とは一般的に、電流が流れた1つの材料の別の材料に対する熱膨張によって発生する曲げ動作を意味する。結果的に生じる曲げ動作は、場合によりノズルチャンバに圧力波を発生させるパドルまたはベーンの動きを介して、ノズル開口からインクを吐出させるために使用することができる。 Applicants have previously described a number of MEMS inkjet nozzles that utilize hot bending operation. Thermal bending operation generally refers to a bending operation that occurs due to thermal expansion of one material through which current flows relative to another material. The resulting bending motion can be used to cause ink to be ejected from the nozzle openings, optionally through paddle or vane movements that generate pressure waves in the nozzle chamber.
幾つかの代表的な型の熱曲げインクジェットノズルは、上記の相互参照の節に列挙した特許および特許出願に例証されており、それらの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。 Several representative types of hot-bending ink jet nozzles are illustrated in the patents and patent applications listed in the cross-reference section above, the contents of which are hereby incorporated by reference.
特許文献1は、ノズルチャンバに配置されたパドルおよびノズルチャンバの外部に配置された熱曲げアクチュエータを有するインクジェットノズルを記載している。アクチュエータは、非導電性材料(例えば二酸化ケイ素)の上部パッシブビームに融着させた導電性材料(例えば窒化チタン)の下部アクティブビームの形を取る。アクチュエータは、ノズルチャンバの壁のスロットを介して受容されるアームを介してパドルに接続される。下部アクティブビームに電流が流れると、アクチュエータは上方に曲がり、その結果としてパドルは、ノズルチャンバのルーフに画成されたノズル開口に向かって移動し、それによってインクの液滴が吐出される。この設計の利点はその構成の単純さである。この設計の欠点は、パドルの両面がノズルチャンバ内部の比較的高粘度のインクに抗して作用することである。 Patent Document 1 describes an inkjet nozzle having a paddle disposed in a nozzle chamber and a thermal bending actuator disposed outside the nozzle chamber. The actuator takes the form of a lower active beam of conductive material (eg, titanium nitride) fused to an upper passive beam of non-conductive material (eg, silicon dioxide). The actuator is connected to the paddle via an arm received through a slot in the wall of the nozzle chamber. As current flows through the lower active beam, the actuator bends upward, with the result that the paddle moves toward the nozzle opening defined in the roof of the nozzle chamber, thereby ejecting a drop of ink. The advantage of this design is its simplicity of construction. The disadvantage of this design is that both sides of the paddle act against the relatively high viscosity ink inside the nozzle chamber.
特許文献2は、アクチュエータがノズルチャンバの移動ルーフ部分を形成するインクジェットノズルを記載している。アクチュエータは、ポリマ材料によって被包された導電性材料の蛇行状コアの形を取る。アクチュエータは作動するとノズルチャンバのフロアに向かって曲がり、チャンバ内の圧力を高め、チャンバのルーフに画成されたノズル開口からインクの液滴を押し出す。ノズル開口はルーフの非移動部分に画成される。この設計の利点は、移動ルーフ部分の片面だけがノズルチャンバ内部の比較的高粘度のインクに抗して作用し得るということである。この設計の欠点は、ポリマ材料によって被包された蛇行状導電性要素からのアクチュエータの構成をMEMSプロセスで達成することが難しいことである。 U.S. Patent No. 6,099,056 describes an inkjet nozzle in which an actuator forms a moving roof portion of a nozzle chamber. The actuator takes the form of a serpentine core of conductive material encapsulated by a polymer material. When actuated, the actuator bends toward the floor of the nozzle chamber, raising the pressure in the chamber and pushing ink drops out of the nozzle openings defined in the roof of the chamber. The nozzle opening is defined in a non-moving part of the roof. The advantage of this design is that only one side of the moving roof portion can act against the relatively high viscosity ink inside the nozzle chamber. A disadvantage of this design is that it is difficult to achieve an actuator configuration from a serpentine conductive element encapsulated by a polymer material in a MEMS process.
特許文献3は、ノズル開口が画成された可動ルーフ部分を有するノズルチャンバを含むインクジェットノズルを記載している。可動ルーフ部分は、ノズルチャンバの外部に配置された熱曲げアクチュエータにアームを介して接続される。アクチュエータは、下部パッシブビームから離間した上部アクティブビームの形を取る。アクティブおよびパッシブビームを離間させることによって、パッシブビームはアクティブビームのヒートシンクとして作用することができないので、熱曲げ効率が最大化される。上部アクティブビームに電流が流れると、ノズル開口が画成された可動ルーフ部分はノズルチャンバのフロアに向かって回転を生じ、それによってノズル開口から吐出する。ノズル開口はルーフ部分と共に移動するので、滴飛行方向は、ノズルリムの形状の適切な変形によって制御することができる。この設計の利点は、移動ルーフ部分の片面だけがノズルチャンバ内部の比較的高粘度のインクに対して働かなければならないことである。さらなる利点は、アクティブおよびパッシブビーム部材を離間させることによって、最小熱損失が達成されることである。この設計の欠点は、アクティブおよびパッシブビーム部材を離間させることで構造的剛性が失われることである。 U.S. Patent No. 6,057,049 describes an inkjet nozzle that includes a nozzle chamber having a movable roof portion in which nozzle openings are defined. The movable roof portion is connected via an arm to a thermal bending actuator disposed outside the nozzle chamber. The actuator takes the form of an upper active beam spaced from the lower passive beam. By separating the active and passive beams, thermal bending efficiency is maximized because the passive beam cannot act as a heat sink for the active beam. As current flows through the upper active beam, the movable roof portion, in which the nozzle openings are defined, rotates toward the floor of the nozzle chamber, thereby discharging from the nozzle openings. Since the nozzle opening moves with the roof portion, the drop flight direction can be controlled by appropriate deformation of the shape of the nozzle rim. The advantage of this design is that only one side of the moving roof portion must work for the relatively high viscosity ink inside the nozzle chamber. A further advantage is that minimal heat loss is achieved by separating the active and passive beam members. The disadvantage of this design is that structural stiffness is lost by separating the active and passive beam members.
より効率的な滴吐出および改善された機械的ロバスト性を達成するように、熱曲げインクジェットノズルの設計を改良する必要がある。 There is a need to improve the design of hot-bending inkjet nozzles to achieve more efficient drop ejection and improved mechanical robustness.
第1態様では、本発明は、
フロアおよびルーフを備えるノズルチャンバであって、上記ルーフにはノズル開口が画成され、上記ルーフがフロアに向かって可動である移動部分を有するノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有し、ノズル開口からインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流を流したときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームとを備える、
インクジェットノズル組立体を提供する。
In the first aspect, the present invention provides:
A nozzle chamber comprising a floor and a roof, the nozzle chamber having a moving portion in which nozzle openings are defined and the roof is movable toward the floor;
A thermal bending actuator having a plurality of cantilever beams and ejecting ink from nozzle openings;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to the drive circuit;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current is passed through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending. Prepare
An inkjet nozzle assembly is provided.
場合により、第1アクティブビームはルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
場合により、上記移動部分はアクチュエータを備える。 In some cases, the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームは上記ルーフの外面の少なくとも一部分を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least a portion of the outer surface of the roof.
場合により、ノズル開口がフロアに対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 Optionally, the nozzle opening is defined in the moving part so that the nozzle opening is movable relative to the floor.
場合により、アクチュエータはノズル開口に対して可動である。 In some cases, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
場合により、第1ビームは曲がりくねったビーム要素によって画成され、上記曲がりくねったビーム要素は複数の近接ビーム部材を有する。 In some cases, the first beam is defined by a serpentine beam element, the serpentine beam element having a plurality of proximal beam members.
場合により、複数の近接ビーム部材は、第1ビームの長手軸に沿って延びる複数の長尺ビーム部材、および第1ビームの横軸を横切って延びると共に長尺ビーム部材を相互接続する少なくとも1つの短尺ビーム部材を備える。 Optionally, the plurality of proximal beam members includes a plurality of elongate beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the elongate beam members. A short beam member is provided.
場合により、上記複数のビームの1つは多孔質材料から構成される。 In some cases, one of the plurality of beams is comprised of a porous material.
場合により、上記多孔質材料は2以下の誘電率を有する多孔質二酸化ケイ素である。 In some cases, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
場合により、熱曲げアクチュエータはさらに、第1ビームと第2ビームとの間に挟まれた第3絶縁ビームを備える。 In some cases, the thermal bending actuator further comprises a third insulating beam sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第1ビームは第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
場合により、第1ビームの少なくとも一部分は第2ビームから離間する。 In some cases, at least a portion of the first beam is spaced from the second beam.
場合により、第1ビームは、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、およびアルミニウム合金を含む群から選択された材料から構成される。 In some cases, the first beam is comprised of a material selected from the group comprising titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys.
場合により、第1ビームはアルミニウム合金から構成される。 In some cases, the first beam is composed of an aluminum alloy.
場合により、上記アルミニウム合金はアルミニウムと100GPa超のヤング率を有する少なくとも1つの他の金属とを含む。 In some cases, the aluminum alloy comprises aluminum and at least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa.
場合により、上記少なくとも1つの金属はバナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択される。 Optionally, the at least one metal is selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel.
場合により、上記合金はアルミニウムおよびバナジウムを含む。 Optionally, the alloy includes aluminum and vanadium.
場合により、上記合金は少なくとも80%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy includes at least 80% aluminum.
第2態様では、本発明は、
駆動回路に接続するための第1アクティブ要素と、
第1要素に電流が流れたときに第1要素が第2要素に対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1要素と機械的に協働する第2パッシブ要素と、
を備え、第1要素がアルミニウム合金から構成される、複数の要素を有する熱曲げアクチュエータを提供する。
In the second aspect, the present invention provides:
A first active element for connection to a drive circuit;
A second passive element that mechanically cooperates with the first element such that when the current flows through the first element, the first element expands relative to the second element, resulting in bending of the actuator;
And a thermal bending actuator having a plurality of elements, wherein the first element is made of an aluminum alloy.
場合により、上記アルミニウム合金が、アルミニウムと100GPa超のヤング率を有する少なくとも1つの他の金属とを含む。 In some cases, the aluminum alloy includes aluminum and at least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa.
場合により、上記少なくとも1つの金属はバナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択される。 Optionally, the at least one metal is selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel.
場合により、上記合金はアルミニウムおよびバナジウムを含む。 Optionally, the alloy includes aluminum and vanadium.
場合により、上記合金は少なくとも80%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy includes at least 80% aluminum.
場合により、上記第1および第2要素はカンチレバービームである。 In some cases, the first and second elements are cantilever beams.
場合により、第1ビームは長手軸に沿って第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam along the longitudinal axis.
場合により、第2ビームの少なくとも一部分は第1ビームから離間し、それによって第1ビームは第2ビームの少なくとも一部分から絶縁される。 In some cases, at least a portion of the second beam is spaced from the first beam, thereby isolating the first beam from at least a portion of the second beam.
場合により、上記複数の要素の1つは多孔質材料から構成される。 In some cases, one of the plurality of elements is comprised of a porous material.
場合により、上記多孔質材料は約2以下の誘電率を有する。 In some cases, the porous material has a dielectric constant of about 2 or less.
場合により、上記多孔質材料は多孔質二酸化ケイ素である。 Optionally, the porous material is porous silicon dioxide.
場合により、第3絶縁ビームが第1ビームと第2ビームとの間に狭持される。 In some cases, a third insulating beam is sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
さらなる態様では、本発明は、
ノズル開口およびインク入口を有するノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有する、ノズル開口を介してインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を含み、第1ビームがアルミニウム合金から構成される、インクジェットノズル組立体を提供する。
In a further aspect, the invention provides:
A nozzle chamber having a nozzle opening and an ink inlet;
A thermal bending actuator for ejecting ink through a nozzle opening having a plurality of cantilever beams;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to the drive circuit;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current flows through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending;
And an ink jet nozzle assembly in which the first beam is composed of an aluminum alloy.
場合により、ノズルチャンバはフロアと移動部分を有するルーフとを備え、それによって上記アクチュエータの作動が上記移動部分を上記フロアに向かって移動させる。 In some cases, the nozzle chamber includes a floor and a roof having a moving portion, whereby actuation of the actuator moves the moving portion toward the floor.
場合により、移動部分はアクチュエータを備える。 In some cases, the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームはルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
場合により、第1アクティブビームは上記ノズルチャンバの外面の少なくとも一部分を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least a portion of the outer surface of the nozzle chamber.
場合により、ノズル開口がフロアに対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 Optionally, the nozzle opening is defined in the moving part so that the nozzle opening is movable relative to the floor.
第3態様では、本発明は、
駆動回路に接続するための第1アクティブ要素と、
第1要素に電流が流れたときに第1要素が第2要素に対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1要素と機械的に協働する第2パッシブ要素と、
を備え、上記複数の要素の1つが多孔質材料から構成される、
複数の要素を有する熱曲げアクチュエータを提供する。
In a third aspect, the present invention provides:
A first active element for connection to a drive circuit;
A second passive element that mechanically cooperates with the first element such that when the current flows through the first element, the first element expands relative to the second element, resulting in bending of the actuator;
And one of the plurality of elements is composed of a porous material,
A thermal bending actuator having a plurality of elements is provided.
場合により、上記多孔質材料は約2以下の誘電率を有する。 In some cases, the porous material has a dielectric constant of about 2 or less.
場合により、上記多孔質材料は多孔質二酸化ケイ素である。 Optionally, the porous material is porous silicon dioxide.
場合により、上記第1および第2要素はカンチレバービームである。 In some cases, the first and second elements are cantilever beams.
さらなる態様では、第1ビームと第2ビームとの間に狭持された第3絶縁ビームをさらに備える熱曲げアクチュエータを提供する。 In a further aspect, a thermal bending actuator is provided that further comprises a third insulating beam sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第1ビームはその長手軸に沿って第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam along its longitudinal axis.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
場合により、第1要素は窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、およびアルミニウム合金を含む群から選択された材料から構成される。 Optionally, the first element is composed of a material selected from the group comprising titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys.
場合により、第1要素はアルミニウム合金から構成される。 In some cases, the first element is comprised of an aluminum alloy.
場合により、上記アルミニウム合金は、アルミニウムと100GPaを超えるヤング率を有する少なくとも1つの他の金属とを含む。 Optionally, the aluminum alloy includes aluminum and at least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa.
場合により、上記少なくとも1つの金属はバナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択される。 Optionally, the at least one metal is selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel.
場合により、上記合金はアルミニウムおよびバナジウムを含む。 Optionally, the alloy includes aluminum and vanadium.
場合により、上記合金は少なくとも80%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy includes at least 80% aluminum.
別の態様では、本発明は、
ノズル開口およびインク入口を有するノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有し、ノズル開口を介してインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を備え、上記複数のビームの1つが多孔質材料から構成される、インクジェットノズル組立体を提供する。
In another aspect, the invention provides:
A nozzle chamber having a nozzle opening and an ink inlet;
A thermal bending actuator having a plurality of cantilever beams and ejecting ink through the nozzle openings;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to the drive circuit;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current flows through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending;
An inkjet nozzle assembly, wherein one of the plurality of beams is comprised of a porous material.
場合により、ノズルチャンバはフロアと移動部分を有するルーフとを備え、それによって上記アクチュエータの作動が上記移動部分を上記フロアに向かって移動させる。 In some cases, the nozzle chamber includes a floor and a roof having a moving portion, whereby actuation of the actuator moves the moving portion toward the floor.
場合により、移動部分はアクチュエータを備える。 In some cases, the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームはルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
場合により、第1アクティブビームは上記ノズルチャンバの外面の少なくとも一部分を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least a portion of the outer surface of the nozzle chamber.
場合により、ノズル開口がフロアに対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 Optionally, the nozzle opening is defined in the moving part so that the nozzle opening is movable relative to the floor.
第4態様では、本発明は、
フロアおよびルーフを備え、上記ルーフにはノズル開口が画成され、上記ルーフがフロアに向かって可動である移動部分を有する、ノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有し、ノズル開口を介してインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を備え、上記移動部分がアクチュエータを備える、インクジェットノズル組立体を提供する。
In a fourth aspect, the present invention provides:
A nozzle chamber comprising a floor and a roof, the nozzle chamber having a moving portion in which a nozzle opening is defined and the roof is movable toward the floor;
A thermal bending actuator having a plurality of cantilever beams and ejecting ink through the nozzle openings;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to the drive circuit;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current flows through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending;
An inkjet nozzle assembly, wherein the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームはルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
場合により、第1アクティブビームは、上記ルーフの外面の少なくとも一部分を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least a portion of the outer surface of the roof.
場合により、ノズル開口がフロア部分に対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 In some cases, the nozzle opening is defined in the moving portion such that the nozzle opening is movable relative to the floor portion.
場合により、アクチュエータはノズル開口に対して可動である。 In some cases, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
場合により、第1ビームは曲がりくねったビーム要素によって画成され、上記曲がりくねったビーム要素は複数の近接ビーム部材を有する。 In some cases, the first beam is defined by a serpentine beam element, the serpentine beam element having a plurality of proximal beam members.
場合により、複数の近接ビーム部材は、第1ビームの長手軸に沿って延びる複数の長尺ビーム部材、および第1ビームの横軸を横切って延びると共に長尺ビーム部材を相互接続する少なくとも1つの短尺ビーム部材を備える。 Optionally, the plurality of proximal beam members includes a plurality of elongate beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the elongate beam members. A short beam member is provided.
場合により、上記複数のビームの少なくとも1つは多孔質材料から構成される。 In some cases, at least one of the plurality of beams is comprised of a porous material.
場合により、上記多孔質材料は2以下の誘電率を有する多孔質二酸化ケイ素である。 In some cases, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
場合により、熱曲げアクチュエータはさらに第1ビームと第2ビームとの間に狭持された第3絶縁ビームを備える。 Optionally, the thermal bending actuator further comprises a third insulating beam sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第1ビームは第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
場合により、第1ビームの少なくとも一部分は第2ビームから離間する。 In some cases, at least a portion of the first beam is spaced from the second beam.
場合により、第1ビームは窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、およびアルミニウム合金を含む群から選択される材料から構成される。 In some cases, the first beam is comprised of a material selected from the group comprising titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys.
場合により、第1ビームはアルミニウム合金から構成される。 In some cases, the first beam is composed of an aluminum alloy.
場合により、上記アルミニウム合金は、アルミニウムと100GPaを超えるヤング率を有する少なくとも1つの他の金属とを含む。 Optionally, the aluminum alloy includes aluminum and at least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa.
場合により、上記少なくとも1つの金属はバナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択される。 Optionally, the at least one metal is selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel.
場合により、上記合金はアルミニウムおよびバナジウムを含む。 Optionally, the alloy includes aluminum and vanadium.
場合により、上記合金は少なくとも80%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy includes at least 80% aluminum.
第5態様では、本発明は、
フロアおよびルーフを備え、上記ルーフにはノズル開口が画成され、上記ルーフがフロアに向かって可動である移動部分を有する、ノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有し、ノズル開口を介してインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を備え、第1アクティブビームが上記ルーフの外面の少なくとも一部分を画成する、インクジェットノズル組立体を提供する。
In a fifth aspect, the present invention provides:
A nozzle chamber comprising a floor and a roof, the nozzle chamber having a moving portion in which a nozzle opening is defined and the roof is movable toward the floor;
A thermal bending actuator having a plurality of cantilever beams and ejecting ink through the nozzle openings;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to the drive circuit;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current flows through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending;
And an inkjet nozzle assembly in which a first active beam defines at least a portion of the outer surface of the roof.
場合により、上記移動部分がアクチュエータを備える。 In some cases, the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームはルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
場合により、ノズル開口がフロアに対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 Optionally, the nozzle opening is defined in the moving part so that the nozzle opening is movable relative to the floor.
場合により、アクチュエータはノズル開口に対して可動である。 In some cases, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
場合により、第1ビームは曲がりくねったビーム要素によって画成され、上記曲がりくねったビーム要素が複数の近接ビーム部材を有する。 In some cases, the first beam is defined by a serpentine beam element, the serpentine beam element having a plurality of proximity beam members.
場合により、曲がりくねったビーム要素は複数の長尺ビーム部材および少なくとも1つの短尺ビーム部材を含み、各長尺ビーム部材は第1ビームの長手軸に沿って延び、第1ビームの横軸を横切って延びる短尺ビーム部材によって相互接続される。 Optionally, the tortuous beam element includes a plurality of elongate beam members and at least one elongate beam member, each elongate beam member extending along the longitudinal axis of the first beam and across the transverse axis of the first beam. Interconnected by elongate beam members that extend.
場合により、上記複数のビームの1つは多孔質材料から構成される。 In some cases, one of the plurality of beams is comprised of a porous material.
場合により、上記多孔質材料は2以下の誘電率を有する多孔質二酸化ケイ素である。 In some cases, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
場合により、熱曲げアクチュエータはさらに第1ビームと第2ビームとの間に狭持された第3絶縁ビームを備える。 Optionally, the thermal bending actuator further comprises a third insulating beam sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第1ビームは第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
場合により、第1ビームの少なくとも一部分は第2ビームから離間する。 In some cases, at least a portion of the first beam is spaced from the second beam.
場合により、第1ビームは、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、およびアルミニウム合金を含む群から選択された材料から構成される。 In some cases, the first beam is comprised of a material selected from the group comprising titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys.
場合により、第1ビームはアルミニウム合金から構成される。 In some cases, the first beam is composed of an aluminum alloy.
場合により、上記アルミニウム合金は、アルミニウムと100GPa超のヤング率を有する少なくとも1つの他の金属とを含む。 In some cases, the aluminum alloy includes aluminum and at least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa.
場合により、上記少なくとも1つの金属は、バナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択される。 Optionally, the at least one metal is selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel.
場合により、上記合金はアルミニウムおよびバナジウムを含む。 Optionally, the alloy includes aluminum and vanadium.
場合により、上記合金は少なくとも80%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy includes at least 80% aluminum.
第6態様では、本発明は、
複数の近接ビーム部材を有する曲がりくねったビーム要素によって画成される、駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1ビームが第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を備え、複数の近接ビーム部材が第1ビームの長手軸に沿って延びる複数の長尺ビーム部材、および第1ビームの横軸を横切って延びると共に長尺ビーム部材を相互接続する少なくとも1つの短尺ビーム部材を備える、複数の細長いカンチレバービームを有する熱曲げアクチュエータを提供する。
In a sixth aspect, the present invention provides:
A first active beam for connection to a drive circuit defined by a serpentine beam element having a plurality of proximity beam members;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that when the current flows through the first beam, the first beam expands relative to the second beam, resulting in actuator bending;
A plurality of elongate beam members extending along the longitudinal axis of the first beam, and at least one short beam extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the elongate beam members A thermal bending actuator having a plurality of elongated cantilever beams comprising a beam member is provided.
場合により、上記第1ビームは上記アクチュエータの1端に位置する1対の電気接点を介して上記駆動回路に接続される。 In some cases, the first beam is connected to the drive circuit via a pair of electrical contacts located at one end of the actuator.
場合により、第1電気接点は上記曲がりくねったビーム要素の第1端に接続され、第2電気接点は上記曲がりくねったビーム要素の第2端に接続される。 Optionally, a first electrical contact is connected to the first end of the tortuous beam element and a second electrical contact is connected to the second end of the tortuous beam element.
場合により、上記複数のビームの1つは多孔質材料から構成される。 In some cases, one of the plurality of beams is comprised of a porous material.
場合により、上記多孔質材料は2以下の誘電率を有する多孔質二酸化ケイ素である。 In some cases, the porous material is porous silicon dioxide having a dielectric constant of 2 or less.
さらなる態様では、第1ビームと第2ビームとの間に狭持された第3絶縁ビームをさらに備える熱曲げアクチュエータを提供する。 In a further aspect, a thermal bending actuator is provided that further comprises a third insulating beam sandwiched between the first beam and the second beam.
場合により、第3絶縁ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the third insulating beam is composed of a porous material.
場合により、第1ビームは第2ビームに融着または接合される。 Optionally, the first beam is fused or joined to the second beam.
場合により、第2ビームは多孔質材料から構成される。 In some cases, the second beam is comprised of a porous material.
場合により、第1ビームの少なくとも一部分は第2ビームから離間する。 In some cases, at least a portion of the first beam is spaced from the second beam.
場合により、第1ビームは窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、およびアルミニウム合金を含む群から選択された材料から構成される。 In some cases, the first beam is comprised of a material selected from the group comprising titanium nitride, titanium aluminum nitride, and aluminum alloys.
さらなる態様では、本発明は、
ノズル開口およびインク入口を有するノズルチャンバと、
複数のカンチレバービームを有する、ノズル開口を介してインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、上記アクチュエータが、
複数の近接ビーム部材を含む曲がりくねったビーム要素によって画成される、駆動回路に接続するための第1アクティブビームと、
第1ビームに電流が流れたときに第1要素が第2ビームに対して伸張し、結果的にアクチュエータの曲げを生じるように、第1ビームと機械的に協働する第2パッシブビームと、
を備え、
複数の近接ビーム部材が第1ビームの長手軸に沿って延びる複数の長尺ビーム部材、および第1ビームの横軸を横切って延びると共に長尺ビーム部材を相互接続する少なくとも1つの短尺ビーム部材を備える、インクジェットノズル組立体を提供する。
In a further aspect, the invention provides:
A nozzle chamber having a nozzle opening and an ink inlet;
A thermal bending actuator for ejecting ink through a nozzle opening having a plurality of cantilever beams;
Comprising the actuator,
A first active beam for connection to a drive circuit defined by a serpentine beam element including a plurality of proximity beam members;
A second passive beam mechanically cooperating with the first beam such that the first element extends relative to the second beam when current flows through the first beam, resulting in actuator bending;
With
A plurality of elongate beam members extending along the longitudinal axis of the first beam and at least one short beam member extending across the transverse axis of the first beam and interconnecting the elongate beam members; An inkjet nozzle assembly is provided.
場合により、ノズルチャンバはフロアおよび移動部分を有するルーフを備え、それによって上記アクチュエータの作動が上記移動部分を上記フロアに向かって移動させる。 In some cases, the nozzle chamber comprises a roof having a floor and a moving portion, whereby actuation of the actuator moves the moving portion toward the floor.
場合により、移動部分がアクチュエータを備える。 In some cases, the moving part comprises an actuator.
場合により、第1アクティブビームがルーフの総面積の少なくとも30%を画成する。 In some cases, the first active beam defines at least 30% of the total roof area.
場合により、第1アクティブビームが上記ノズルチャンバの外面の少なくとも一部分を画成する。 Optionally, the first active beam defines at least a portion of the outer surface of the nozzle chamber.
場合により、ノズル開口がフロアに対して可動であるように、ノズル開口は移動部分に画成される。 Optionally, the nozzle opening is defined in the moving part so that the nozzle opening is movable relative to the floor.
場合により、アクチュエータはノズル開口に対して可動である。 In some cases, the actuator is movable relative to the nozzle opening.
さらなる態様では、上記アクチュエータの1端に配置され、上記曲がりくねったビーム要素と上記駆動回路との間の電気的接続を達成する1対の電気接点をさらに備えたインクジェットノズル組立体を提供する。 In a further aspect, there is provided an inkjet nozzle assembly further comprising a pair of electrical contacts disposed at one end of the actuator to achieve an electrical connection between the tortuous beam element and the drive circuit.
場合により、第1電気接点は上記曲がりくねったビーム要素の第1端に接続され、第2電気接点は上記曲がりくねったビーム要素の第2端に接続される。 Optionally, a first electrical contact is connected to the first end of the tortuous beam element and a second electrical contact is connected to the second end of the tortuous beam element.
アルミニウム合金から構成される熱弾性アクティブ要素
通常、MEMS熱曲げアクチュエータ(または熱弾性アクチュエータ)は、アクティブ要素およびアクティブ要素の線膨張を抑制するパッシブ要素の形の1対の要素を備える。アクティブ要素は、パッシブ要素と比較してより大きい熱弾性膨張を受ける必要があり、それによって曲げ動作がもたらされる。要素は最大限の構造的一体性のために一体に融着もしくは接合するか、またはパッシブ要素への熱損失を最小化するために離間させることができる。
Thermoelastic active elements composed of aluminum alloys Typically, MEMS thermobending actuators (or thermoelastic actuators) comprise a pair of elements in the form of active elements and passive elements that suppress the linear expansion of the active elements. The active element needs to undergo greater thermoelastic expansion compared to the passive element, thereby providing a bending action. The elements can be fused or joined together for maximum structural integrity, or they can be spaced apart to minimize heat loss to the passive elements.
これまで、我々は窒化チタンを熱曲げアクチュエータのアクティブ熱弾性要素に対する適切な候補として記載してきた(例えば米国特許第6,416,167号参照)。例えば出願人の米国特許第6,428,133号に記載された他の適切な材料としてTiB2、MoSi2、およびTiAlNがある。 So far we have described titanium nitride as a suitable candidate for the active thermoelastic element of a thermal bending actuator (see, for example, US Pat. No. 6,416,167). Other suitable materials described, for example, in Applicant's US Pat. No. 6,428,133 include TiB 2 , MoSi 2 , and TiAlN.
その高い熱膨張および低い密度の点から見て、アルミニウムはアクティブ熱弾性要素として使用するための強力な候補である。しかし、アルミニウムは比較的低いヤング率が悩みであり、それはその全体的熱弾性効率を損ねる。したがってアルミニウムはこれまでアクティブ熱弾性要素用の適切な材料として注目されなかった。 In view of its high thermal expansion and low density, aluminum is a strong candidate for use as an active thermoelastic element. However, aluminum suffers from a relatively low Young's modulus, which detracts from its overall thermoelastic efficiency. Thus, aluminum has not previously been noted as a suitable material for active thermoelastic elements.
しかし、今や、アルミニウム合金は、高い熱膨張、低い密度、および高いヤング率の有利な特性を併せ持つので、熱弾性アクティブ要素用としての優れた材料であることが明らかになった。 However, it has now been found that aluminum alloys are excellent materials for thermoelastic active elements because they combine the advantageous properties of high thermal expansion, low density, and high Young's modulus.
一般に、アルミニウムは100GPa超のヤング率を有する少なくとも1つの金属と合金にされる。一般に、アルミニウムはバナジウム、マンガン、クロム、コバルト、およびニッケルを含む群から選択された少なくとも1つの金属と合金にされる。驚くべきことに、そのような金属と合金されたときにアルミニウムの優れた熱膨張特性は損なわれないことが明らかになった。 In general, aluminum is alloyed with at least one metal having a Young's modulus greater than 100 GPa. In general, aluminum is alloyed with at least one metal selected from the group comprising vanadium, manganese, chromium, cobalt, and nickel. Surprisingly, it has been found that the excellent thermal expansion properties of aluminum are not impaired when alloyed with such metals.
場合により、合金は少なくとも60%、場合により少なくとも70%、場合により少なくとも80%、または場合により少なくとも90%のアルミニウムを含む。 Optionally, the alloy comprises at least 60% aluminum, optionally at least 70%, optionally at least 80%, or optionally at least 90% aluminum.
図1は、支柱202に固定されたカンチレバービーム(片持ち梁)201の形のバイモルフ熱曲げアクチュエータ200を示す。カンチレバービーム201は、二酸化ケイ素の上部パッシブビーム220に接合された下部アクティブビーム210を備える。アクチュエータ200の熱弾性効率を、(i)100%のAl、(ii)95%のAlおよび5%のV(バナジウム)、並びに、(iii)90%のAlおよび10%のV、の各々から構成されたアクティブビームについて比較した。
FIG. 1 shows a bimorph
短い電気パルスでアクティブビーム210を刺激し、レーザレーザ干渉計によって決定される、3m/sのピーク振動速度を確立するために必要なエネルギを測定することによって、熱弾性効率を比較した。結果を下表に示す。
したがって、95%Alおよび5%Vから成る合金は、同等の100%Alのデバイスより2.08倍低いエネルギが必要であった。さらに90%Alおよび10%Vから成る合金は、同等の100%Alのデバイスより2.12倍低いエネルギが必要であった。したがって、アルミニウム合金は、インクジェットノズル用の熱曲げアクチュエータを含むMEMS用途の範囲で、アクティブ熱弾性要素用としての優れた候補であると結論付けられた。
Thermoelastic efficiency was compared by stimulating the
Thus, an alloy consisting of 95% Al and 5% V required 2.08 times less energy than an equivalent 100% Al device. Furthermore, the 90% Al and 10% V alloy required 2.12 times lower energy than the equivalent 100% Al device. Thus, it was concluded that aluminum alloys are excellent candidates for active thermoelastic elements in a range of MEMS applications including thermobending actuators for inkjet nozzles.
熱曲げアクチュエータを含むインクジェットノズル
次に、アルミニウム合金から構成されるアクティブ要素を有する熱曲げアクチュエータを組み込むことのできる、典型的なインクジェットノズルについて説明する。
Inkjet Nozzle Including Thermal Bending Actuator A typical inkjet nozzle that can incorporate a thermal bending actuator having an active element composed of an aluminum alloy will now be described.
融着された熱曲げアクチュエータを備えるノズル組立体
最初に図2(A)および図3に目を向けると、第1実施形態に係るノズル組立体100の略図が示されている。ノズル組立体100は、米国特許第6,416,167号に記載の通り、シリコン基板3の不動態層2上にMEMSプロセスによって形成される。ノズル組立体100はルーフ4および側壁5を有するノズルチャンバ1を含む。基板3にエッチングされたインク入口チャネル7を用いてノズルチャンバ1にインク6が充填される。ノズルチャンバ1はさらにノズルチャンバからインクを吐出するためのノズル開口8を含む。図2(A)に示すように、ノズル開口8のリム21にインクメニスカス20がピニングされる。
Nozzle Assembly with Fused Thermal Bending Actuator Turning first to FIGS. 2A and 3, a schematic diagram of a
ノズル組立体100はさらに、アーム11を介してノズルチャンバの外部に位置するアクチュエータ10に相互接続される、ノズルチャンバ1内部に位置するパドル9を含む。図2にさらに明確に示す通り、アームはノズルチャンバ1のスロット12を介して延びる。スロット12内のインクの表面張力は、ノズルチャンバ1に含まれるインクに対し流体シールをもたらすのに充分である。
The
アクチュエータ10は、横方向に離間した複数の細長いアクチュエータユニット13を備える。各アクチュエータユニットは、不動態層2上に取り付けられた固定支柱14とアーム11との間に延びる。したがって、支柱14はアクチュエータ10の曲げ動作のための枢軸をもたらす。
The
各アクチュエータユニット13は、第1アクティブビーム15およびアクティブビームの上面に融着された第2パッシブビーム16を備える。アクティブビーム15は導電性であり、基板3のCMOS層の駆動回路に接続される。パッシブビーム16は一般的に非導電性である。
Each actuator unit 13 includes a first
ここで図2(B)を参照すると、アクティブビーム15に電流が流れるときに、それは加熱され、パッシブビーム16に対する熱膨張を受ける。これはアクチュエータ10の上向きの曲げ動作を引き起こし、それはパドル9の回転運動に拡大される。
Referring now to FIG. 2B, when current flows through the
この結果的に生じるパドルの運動は、図1(B)に示すように急速に膨張するインクメニスカス20付近の圧力の一般的増大を引き起こす。その後、アクチュエータは消勢され、それによりパドル9はその休止位置に戻る(図2(C))。
This resulting paddle movement causes a general increase in pressure near the rapidly expanding
このパルスサイクル中に、インクの液滴17がノズル開口8から吐出され、同時にインク6がインク入口7を介してノズルチャンバ1内に再び流入する。ノズルリム21の外側のインクの前方運動量および対応する逆流は結果的に、図2(C)に示すように、印字媒体に向かって進む液滴17の一般的縮径および引裂きを引き起こす。潰れたメニスカス20は、インク入口7を介してインク6をノズルチャンバ1内に吸引させる。ノズルチャンバ1は再充填されるので、図2(A)の位置が再び達成され、ノズル組立体100はインクの別の液滴を吐出する準備が整う。
During this pulse cycle,
図3に目を向けると、アクチュエータユニット13はそれらの横軸に対してテーパを付けられ、支柱14に接続された狭幅端およびアーム11に接続された広幅端を有することが分かる。このテーパ付けは、支柱14付近で最大の抵抗加熱が起き、それによって熱弾性曲げ動作が最大化されることを確実にする。
Turning to FIG. 3, it can be seen that the actuator units 13 are tapered with respect to their horizontal axes and have a narrow end connected to the
通常、パッシブビーム16はCVDによって堆積された二酸化ケイ素またはTEOSから構成される。図2〜4に示す通り、アーム11は同じ材料から形成される。
Usually, the
本発明では、アクティブビーム15は上述の通り、アルミニウム合金、好ましくはアルミニウム−バナジウム合金から構成される。
In the present invention, the
離間熱曲げアクチュエータを備えるノズル組立体
ここで図5〜8に目を向けると、第2実施形態に係るノズル組立体300が図示されている。添付する図面の図5〜7に目を向けると、ノズル組立体300は、六角形の入口303(他の適切な形状とすることができる)を通してチャンバ304に開口するインク供給アパーチャ302を画成する基板301上に、(MEMS技術により)構築される。チャンバはフロア部分305、ルーフ部分306、ならびに入れ子式に重なり合う外周側壁307および308によって画成される。ルーフ部分306から下方に垂下する側壁307は、フロア部分305から上方に垂下する側壁308内で上下動することができる大きさに作られる。
Nozzle Assembly with Separated Thermal Bending Actuator Turning now to FIGS. 5-8, a
吐出ノズルは、下でさらに述べるように、ノズルチャンバからインクを吐出するための開口を画成するように、ルーフ部分306に位置するリム309によって形成される。
The discharge nozzle is formed by a
ルーフ部分306および下方に垂下する側壁307は、非加熱カンチレバーによって拘束されるジュール加熱カンチレバーを形成する層から通常作成される曲げアクチュエータ310によって支持されるので、ジュール加熱カンチレバーを加熱することによりジュール加熱カンチレバーと非加熱カンチレバーとの間に示差膨張が生じ、曲げアクチュエータ310を曲げさせる。
The
曲げアクチュエータの近端311は基板301に固定され、下でさらに述べるアンカ部材312によって後方に移動することが防止され、遠端313はインクジェットノズルのルーフ部分306および側壁307に固定され、それらを支持する。
The proximal end 311 of the bending actuator is secured to the
使用中、インクは、いずれかの適切な仕方で、通常は前掲の同時係属出願に記載されるように、通路302および開口303を介してノズルチャンバ内に供給される。ノズルチャンバからインク滴を吐出することが望ましい場合、電流が曲げアクチュエータ310に供給され、アクチュエータを図6に示す位置まで曲げさせ、ルーフ部分306をフロア部分305に向かって下方に移動させる。この相対運動はノズルチャンバの容積を低減させ、314(図6)に示すようにノズルリム309を介してインクを上方に隆起させ、そこでインクはインクの表面張力によって液滴に形成される。
In use, ink is supplied into the nozzle chamber in any suitable manner, usually through
曲げアクチュエータ310の電流が停止すると、アクチュエータは図7に示すようにまっすぐな形状に戻り、ノズルチャンバのルーフ部分306は元の位置まで上昇する。部分的に形成されたインク液滴314の運動量は液滴を上昇させ続け、図7に示すようにインク液滴315を形成させ、それは隣接する紙面または他の印字対象物品に発射される。
When the current in the bending
本発明の一形態では、フロア部分305の開口303はノズルチャンバの断面と比較して相対的に大きく、アパーチャ302の側壁およびインクリザーバ(図示せず)から開口302に導通する供給導管における粘性抵抗により、ルーフ部分306が下降すると、インク液滴はノズルリム309を通して吐出される。
In one form of the invention, the
曲げアクチュエータ310の作動中、すなわち曲げ中にインクがノズルチャンバから漏出するのを防止するために、次に図7および8を具体的に参照しながらさらに説明するように、流体シールが側壁307および308の間に形成される。
In order to prevent ink from leaking out of the nozzle chamber during operation of the bending
ルーフ部分306およびフロア部分305の相対運動中に、表面張力によってインクがノズルチャンバ内に保持されることを確実にする側壁307および308の幾何学的特徴によって、インクはノズルチャンバ内に保持される。この目的のために、下方に垂下する側壁307と上方に垂下する側壁308の相互対向面316との間に非常に微細なギャップが設けられる。図8に明示されるように、インク(暗色陰影領域として示される)は2つの側壁の近接性によって、下方に垂下する側壁307と上方に延びる側壁の内向き面316との間の小さいアパーチャ内に抑止され、それは側壁の近接性のため表面張力によりインクが自由開口317を「自己密封」することを確実にする。
During the relative movement of the
不純物または表面張力を破る他の要因のため表面張力抑止を逃れるかもしれないインクに備えるために、上方に垂下する側壁308は、内面316のみならず離間平行外面18をも有し2つの表面の間にU字状のチャネル319を形成する、上向きのチャネルの形で設けられる。表面307および316の間の表面張力から逃れたインク液滴はU字状のチャネル内に溢流し、ノズル層の表面を超えて「漏出する」のではなく、むしろそこに保持される。このようにして、インクを移動ノズル機構内に保持するのに有効な二重壁の流体シールが形成される。
In order to provide for ink that may escape surface tension suppression due to impurities or other factors that break surface tension, the
図8を参照すると、アクチュエータ310は、第2パッシブビーム360の上に間隔を置いて配置された第1アクティブビーム358から構成されることが分かる。2つのビームを離間させることによって、アクティブビーム358からパッシブビーム360への熱伝達は最小化される。したがって、この離間構成は熱弾性効率を最大化するという利点を有する。本発明では、アクティブビーム358は、上述の通りアルミニウム−バナジウム合金のようなアルミニウム合金から構成することができる。
Referring to FIG. 8, it can be seen that the
移動ノズルルーフを画成する熱曲げアクチュエータ
図5〜8によって例示される実施形態は、チャンバのフロア部分305に対して移動するルーフ部分306を有するノズルチャンバ304を備えるノズル組立体300を示した。可動ルーフ部分306は、ノズルチャンバ305の外部に配置された2層熱曲げアクチュエータ310によって、フロア部分305に向かって移動するように作動する。
Thermal Bending Actuator Defining a Moving Nozzle Roof The embodiment illustrated by FIGS. 5-8 has shown a
移動構造の1つの面だけが粘性インクに対して働かなければならないので、移動ルーフは滴吐出エネルギを低下させる。しかし、依然として滴吐出に利用可能な動力の量を増大させる必要がある。動力の量を増大させることにより、短いパルス幅を使用して同量のエネルギを提供することができる。より短いパルス幅により、改善された滴吐出特性を達成することができる。 The moving roof reduces drop ejection energy because only one face of the moving structure has to work against the viscous ink. However, there is still a need to increase the amount of power available for droplet ejection. By increasing the amount of power, a short pulse width can be used to provide the same amount of energy. With shorter pulse widths, improved drop ejection characteristics can be achieved.
アクチュエータの出力を増大させるための1つの手段は、アクチュエータの大きさを増大することである。しかし、図5〜8に示したノズル設計では、アクチュエータの大きさの増大はノズルの間隔に悪影響を及ぼし、それは高解像度のページ幅プリントヘッドの製造に望ましくないことが明らかである。 One means for increasing the output of the actuator is to increase the size of the actuator. However, in the nozzle designs shown in FIGS. 5-8, it is clear that the increase in actuator size adversely affects nozzle spacing, which is undesirable for the production of high resolution page width printheads.
この問題の解決策は、図9〜12に示すノズル組立体400によって提供される。ノズル組立体400は、シリコン基板403の不動態CMOS層402上に形成されたノズルチャンバ401を備える。ノズルチャンバは、ルーフ404およびルーフから不動態CMOS層402まで延びる側壁405によって画成される。インクは、シリコン基板の裏面からインクを受け取るインク供給チャネル407と流体連通したインク入口406によって、ノズルチャンバ401に供給される。インクは、ルーフ404に画成されたノズル開口408によってノズルチャンバ401から吐出される。ノズル開口408はインク入口406から偏位している。
A solution to this problem is provided by the
図10により明示するように、ルーフ404は、ルーフの総面積のかなりの部分を画成する移動部分409を有する。通常、移動部分409はルーフの総面積404の少なくとも20%、少なくとも30%、少なくとも40%、または少なくとも50%を画成する。図9〜12に示す実施形態では、ノズル開口408およびノズルリム415は移動部分409に画成されるので、ノズル開口およびノズルリムは移動部分と共に移動する。
As clearly shown by FIG. 10, the
ノズル組立体400は、移動部分409が平面状の上部アクティブビーム411および平面状の下部パッシブビーム412を有する熱曲げアクチュエータ410によって画成されることを特徴とする。したがって、アクチュエータ410は通常、ルーフの総面積404の少なくとも20%、少なくとも30%、少なくとも40%、または少なくとも50%を画成する。相応に、上部アクティブビーム411は通常、ルーフの総面積404の少なくとも20%、少なくとも30%、少なくとも40%、または少なくとも50%を画成する。
The
図9および10に示すように、上部アクティブビーム411の少なくとも一部分は、2つのビームの断熱を最大化するために、下部パッシブビーム412から離間される。さらに詳しくは、Tiの層は、TiNから構成される上部アクティブビーム411とSiO2から構成される下部パッシブビーム412との間の架橋層413として使用される。架橋層413は、アクチュエータ410のアクティブおよびパッシブビーム間にギャップ414を画成することを可能にする。このギャップ414は、アクティブビーム411からパッシブビーム412への熱伝達を最小化することによって、アクチュエータ410の全体的効率を改善する。
As shown in FIGS. 9 and 10, at least a portion of the upper
しかし、言うまでもなく、構造的剛性を向上するために、アクティブビーム411を代替的にパッシブビーム412に直接融着または接合することができることは理解される。そのような設計変更は当業者が充分に対応できる範囲内にあり、本発明の範囲内に包含される。
However, it will be appreciated that the
アクティブビーム411はTi架橋層を介して1対の接点416(正および接地)に接続される。接点416はCMOS層の駆動回路と接続する。
The
ノズルチャンバ401からインクの液滴を吐出することが必要なときに、アクティブビーム411を介して2つの接点416間に電流が流れる。アクティブビーム411は電流によって急速に加熱され、パッシブビーム412に対して伸張し、それによって(ルーフ404の移動部分409を画成する)アクチュエータ410を基板403に向かって下方に曲げさせる。アクチュエータ410のこの動きは、ノズルチャンバ401内部の圧力の急速な増加によって、インクをノズル開口408から吐出させる。電流が流れなくなると、ルーフ404の移動部分409はその休止位置に戻され、それにより次の吐出に備えてインクが入口406からノズルチャンバ401内に吸引される。
When it is necessary to eject ink droplets from the
したがって、インク液滴吐出の原理は、ノズル組立体300に関連して上述した原理と類似している。しかし、熱曲げアクチュエータ410はルーフ404の移動部分409を画成し、アクティブビーム411はノズル組立体400の全体的大きさに比較して大きい領域を有するので、ずっと大きい量の動力が液滴の吐出に利用可能になる。
Thus, the principle of ink droplet ejection is similar to that described above with respect to the
図12に目を向けると、ノズル組立体400を(本明細書に記載する全ての他のノズル組立体と同様に)ノズル組立体のアレイに複製して、プリントヘッドまたはプリントヘッド集積回路を画成することができることは、容易に理解される。プリントヘッド集積回路はシリコン基板、基板上に形成されたノズル組立体のアレイ(通常、列を成して配列される)、およびノズル組立体用の駆動回路を備える。例えば2004年5月27日出願の出願人の先行する米国特許出願第10/854,491号および2004年12月20日出願の同第11/014、732号に記載するように、複数のプリントヘッド集積回路を当接またはリンクさせて、ページ幅インクジェットプリントヘッドを形成することができ、上記公報の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。 Turning to FIG. 12, the nozzle assembly 400 (as with all other nozzle assemblies described herein) is duplicated into an array of nozzle assemblies to define a printhead or printhead integrated circuit. It can be easily understood that it can be achieved. The printhead integrated circuit includes a silicon substrate, an array of nozzle assemblies (typically arranged in rows) formed on the substrate, and a drive circuit for the nozzle assemblies. For example, as described in prior U.S. patent application Ser. No. 10 / 854,491 filed on May 27, 2004 and 11 / 014,732 filed Dec. 20, 2004. The head integrated circuit can be abutted or linked to form a page-width inkjet printhead, the contents of which are incorporated herein by reference.
図13〜15に示したノズル組立体500は、熱曲げアクチュエータ510に関する限り、ノズル組立体400と同様であり、上部アクティブビーム511および下部パッシブビーム512を有し、ノズルチャンバ501のルーフ504の移動部分を画成する。したがって、ノズル組立体500は増大する動力に関して、ノズル組立体400と同じ利点を達成する。
The
しかし、ノズル組立体400とは対照的に、ノズル開口508およびリム515はルーフ504の移動部分によって画成されない。むしろ、ノズル開口508およびリム515はルーフ504の固定部分に画成されるので、液滴吐出中にアクチュエータ510はノズル開口およびリムとは独立して動作する。この構成の利点は、液滴飛行方向のより平易な制御が達成されることである。
However, in contrast to
熱曲げ効率が改善されるという固有の利点を持つアルミニウム合金は、図9〜15に示す実施形態に関連して上述した熱曲げアクチュエータ410および510のどちらでも、アクティブビームとして使用することができることは、言うまでもなく理解される。
An aluminum alloy with the inherent advantage of improved thermal bending efficiency is that it can be used as an active beam in either of the
ノズル組立体400および500は、出願人の先行する米国特許第6,416,167号および第6,755,509号に例示されたインクジェットノズル製造工程と類似の仕方で、適切なMEMS技術を用いて構築することができ、上記公報の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
曲げ方向に最適剛性を有するアクティブビーム
ここで図11および15を参照すると、アクチュエータ410および510の上部アクティブビーム411および511が各々、屈曲(ビーム411の場合)または蛇行状(ビーム511の場合)いずれかの形状を有する曲がりくねったビーム要素から構成されることが分かる。曲がりくねったビーム要素は細長く、抵抗加熱に適した比較的小さい断面積を有する。加えて、曲がりくねった形状は、ビーム要素のそれぞれの端をアクチュエータの1端に配置されたそれぞれの接点に接続することを可能にし、ノズル組立体の全体的設計および構築を簡素化する。
Active Beam with Optimal Stiffness in Bending Direction Referring now to FIGS. 11 and 15, the upper
特に図14および15を参照すると、細長いビーム要素520は、アクチュエータ510の細長いアクティブカンチレバービーム511を画成する蛇行形状を有する。蛇行状のビーム要素520は、第1電気接点516を第2電気接点516と接続する平面状の曲がりくねった経路を有する。電気接点516(正および接地)はアクチュエータ510の1端に配置され、CMOS層502の駆動回路とアクティブビーム511との間の電気接続を達成する。
With particular reference to FIGS. 14 and 15, the
蛇行状のビーム要素520は標準リソグラフィエッチング技術によって作製され、複数の近接ビーム部材によって画成される。一般的にビーム部材とは、例えば長手方向または横方向に略直線状に延びるビーム材の中実部分と定義することができる。ビーム要素520のビーム部材は、細長いカンチレバービーム511の長手軸に沿って延びる長尺ビーム部材521、および細長いカンチレバービーム511の横軸を横切って延びる短尺ビーム部材522から構成される。蛇行状ビーム要素520の場合のこの構成の利点は、それがカンチレバービーム511の曲げ方向に最大限の剛性を達成することである。曲げ方向の剛性は、各作動後にアクチュエータ510の曲げをその休止位置に戻すことを容易にするので、有利である。
The
図11に示すノズル組立体400の屈曲アクティブビーム形状が、ノズル組立体500に関連して上述したのと同一または同様の利点を達成することは理解される。図11において、長手方向に延びる長尺ビーム部材は421で示される一方、横方向に延びる相互接続用の短尺ビーム部材は、422で示される。
It will be appreciated that the bent active beam shape of the
熱効率を高めるための多孔質材料の使用
上述した全ての実施形態のみならず、本出願の出願人によって記載された熱曲げアクチュエータの他の全ての実施形態においても、アクティブビームは構造的ロバスト性のためにパッシブビームに接合される(図1および2参照)か、あるいはアクティブビームは、最大限の熱効率のためにパッシブビームから離間される(図8参照)。ビーム間のエアギャップによって達成される熱効率は言うまでもなく望ましい。しかし、熱効率のこの改善は通常、構造的ロバスト性および熱曲げアクチュエータの座屈傾向と引換えにもたらされる。
Use of Porous Material to Increase Thermal Efficiency In all other embodiments described above, as well as in all other embodiments of the thermal bending actuator described by the applicant, the active beam is structurally robust. For this purpose (see FIGS. 1 and 2) or the active beam is separated from the passive beam for maximum thermal efficiency (see FIG. 8). Of course, the thermal efficiency achieved by the air gap between the beams is desirable. However, this improvement in thermal efficiency usually comes at the price of structural robustness and thermal bending actuator buckling tendency.
米国特許第6,163,066号は、約2.0以下の誘電率を有する多孔質二酸化ケイ素絶縁体を記載しており、その内容は参照によって本明細書に組み込まれる。該物質は炭化ケイ素を堆積し、多孔質二酸化ケイ素を形成すべく炭素成分を酸化することによって形成される。ケイ素に対する炭素の比率を高めることによって、結果的に得られる多孔質二酸化ケイ素の空孔率を高めることができる。多孔質二酸化ケイ素は、寄生抵抗を低下させるための集積回路の不動態層として有用であることが知られている。 US Pat. No. 6,163,066 describes a porous silicon dioxide insulator having a dielectric constant of about 2.0 or less, the contents of which are incorporated herein by reference. The material is formed by depositing silicon carbide and oxidizing the carbon component to form porous silicon dioxide. By increasing the ratio of carbon to silicon, the porosity of the resulting porous silicon dioxide can be increased. Porous silicon dioxide is known to be useful as a passive layer in integrated circuits to reduce parasitic resistance.
しかし、本出願の出願人は、このタイプの多孔質材料が熱曲げアクチュエータの効率を改善するのに有用であることを発見した。多孔質材料はアクティブビームとパッシブビームとの間の絶縁層として使用することができ、あるいはパッシブビーム自体として使用することができる。 However, the applicant of the present application has discovered that this type of porous material is useful in improving the efficiency of thermal bending actuators. The porous material can be used as an insulating layer between the active beam and the passive beam, or it can be used as the passive beam itself.
図16は、上部アクティブビーム601、下部パッシブビーム602、ならびに上部および下部ビーム間に狭持された絶縁層603を備える熱曲げアクチュエータ600を示す。絶縁ビームは多孔質二酸化ケイ素から構成されるが、アクティブビーム601およびパッシブビーム602はそれぞれTiNおよびSiO2のような任意の適切な材料から構成することができる。
FIG. 16 shows a
絶縁層603の空孔率は、アクティブビーム601およびパッシブビーム602間の優れた断熱を達成する。絶縁層603はまたアクチュエータ600に構造的ロバスト性をももたらす。したがってアクチュエータ600は、図1、2、および8に関連して上述した両タイプの熱曲げアクチュエータの利点を結合する。
The porosity of the insulating
代替的に、かつ図17に示すように、多孔質材料は単純に2層熱曲げアクチュエータのパッシブ層を形成してもよい。したがって熱曲げアクチュエータ650は、TiNから構成された上部アクティブビーム651、および多孔質二酸化ケイ素から構成された下部パッシブビーム652を備える。
Alternatively, and as shown in FIG. 17, the porous material may simply form the passive layer of a two-layer thermal bending actuator. Accordingly, the
言うまでもなく、図16および17に示すタイプの熱曲げアクチュエータをいずれかの適切なインクジェットノズルまたは他のMEMSデバイスに組み込むことができることは理解される。熱効率および構造的剛性の改善は、機械的アクチュエータまたはトランスデューサを必要とする任意のMEMS用途においてそのようなアクチュエータを魅力的にする。 Of course, it is understood that a thermal bending actuator of the type shown in FIGS. 16 and 17 can be incorporated into any suitable inkjet nozzle or other MEMS device. Improvements in thermal efficiency and structural rigidity make such actuators attractive in any MEMS application that requires mechanical actuators or transducers.
図16および17に示すタイプの熱曲げアクチュエータは、上述したインクジェットノズル組立体400および500に使用するのに特に適している。熱曲げアクチュエータ410および510の適切な変形により、熱効率および構造的ロバスト性の上記改善が実現されることを、当業者は容易に理解される。
A thermal bending actuator of the type shown in FIGS. 16 and 17 is particularly suitable for use with the
さらに、上述した熱曲げアクチュエータ600および650におけるアクティブビーム部材601および651は、熱曲げ効率のさらなる改善のために、本明細書で上述したようにアルミニウム合金から構成してもよいことは理解される。
Furthermore, it will be appreciated that the
言うまでもなく、単なる実施例として本発明を説明したこと、および付属する特許請求の範囲に記載する本発明の範囲内で細部の変形を施してもよいことは理解される。 It will be understood that the present invention has been described by way of example only and that variations in detail may be made within the scope of the invention as set forth in the appended claims.
Claims (13)
複数のカンチレバービームを有し、前記ノズル開口からインクを吐出するための熱曲げアクチュエータと、
を備え、
前記熱曲げアクチュエータが、
駆動回路に接続するための第1アクティブビームであって、当該第1アクティブビームは、曲がりくねったビーム要素によって画成され、前記曲がりくねったビーム要素が複数の近接ビーム部材を有し、当該複数の近接ビーム部材はお互いに近接している、当該第1アクティブビームと、
前記第1アクティブビームから離れて設けられた第2パッシブビームであって、前記第1アクティブビームに電流を流したときに前記第1アクティブビームが熱膨張し当該第2パッシブビームに対して伸張し、結果的に前記熱曲げアクチュエータの曲げを生じるように、前記第1アクティブビームと機械的に協働する、当該第2パッシブビームと、
を備え、
前記第1アクティブビームが前記ルーフの総面積の少なくとも30%を画成する、インクジェットノズル組立体。A nozzle chamber comprising a floor and a roof, the nozzle chamber having a moving portion in which nozzle openings are defined and the roof is movable toward the floor;
A thermal bending actuator having a plurality of cantilever beams and ejecting ink from the nozzle openings;
With
The thermal bending actuator is
A first active beam for connection to a drive circuit , wherein the first active beam is defined by a serpentine beam element, the serpentine beam element having a plurality of proximity beam members, the plurality of proximity beams; The beam members are in close proximity to each other, the first active beam ;
A second passive beam provided away from the first active beam, wherein the first active beam thermally expands and expands with respect to the second passive beam when a current is passed through the first active beam. The second passive beam mechanically cooperating with the first active beam to result in bending of the thermal bending actuator;
With
An inkjet nozzle assembly, wherein the first active beam defines at least 30% of the total area of the roof.
前記第1アクティブビームの長手軸に沿って延びる複数の長尺ビーム部材と、
前記第1アクティブビームの横軸を横切って延びると共に長尺ビーム部材を相互接続する少なくとも1つの短尺ビーム部材と、
を備える、請求項1に記載のインクジェットノズル組立体。The plurality of proximity beam members are
A plurality of elongate beam members extending along a longitudinal axis of the first active beam;
At least one short beam member extending across the transverse axis of the first active beam and interconnecting the long beam members;
The inkjet nozzle assembly of claim 1 , comprising:
アルミニウムと、
100GPaを超えるヤング率を有する少なくとも1つの他の金属と、
を含む、請求項9に記載のインクジェットノズル組立体。The aluminum alloy is
With aluminum,
At least one other metal having a Young's modulus greater than 100 GPa;
The inkjet nozzle assembly of claim 9 , comprising:
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