JPH10250076A - Method and unit for jetting recording liquid for printer head - Google Patents

Method and unit for jetting recording liquid for printer head

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JPH10250076A
JPH10250076A JP9321289A JP32128997A JPH10250076A JP H10250076 A JPH10250076 A JP H10250076A JP 9321289 A JP9321289 A JP 9321289A JP 32128997 A JP32128997 A JP 32128997A JP H10250076 A JPH10250076 A JP H10250076A
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memory alloy
shape memory
recording liquid
film shape
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance printing speed by forming a diaphragm of a thin film shape- memory alloy and a second thin film having residual compression force on a substrate, providing an oscillation space for the diaphragm by etching a part of the substrate thereby regulating deformation and recovery force of the diaphragm and increasing the frequency. SOLUTION: A space section 11 is formed vertically through a substrate 10 and the upper part thereof is covered with a diaphragm 12 comprising a thin film shape- memory alloy 12a and a second thin film 12b having regulable deformation and recovery force which is then mounted, immediately thereon, with a channel plate 13 provided with a chamber 14 for containing a recording liquid 20. The channel plate 13 is provided with a main channel 15 for passing the recording liquid 20 and a liquid jet port 17 communicating with the main channel 15 and a nozzle 19 corresponding to the liquid chamber 14 is made in a nozzle plate 18 provided above the channel plate 13. When power is fed from a power supply section to electrodes at the opposite ends of the alloy 12, heat is generated by its own resistance and the temperature is raised. Consequently, the shape-memory alloy 12 is flattened and the pressure in the liquid chamber 14 is raised. When current supply is interrupted, it is reset to expanded state and the pressure is reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【発明の属する技術分野】TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

【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。
The present invention relates to a recording liquid ejecting apparatus for a printer head and a method thereof, and more particularly, to a diaphragm vibrating due to a temperature change of a thin film shape memory alloy, adjusting a pressure of a liquid chamber, and Second with residual compressive stress
A thin film is deposited on a thin film shape memory alloy, the amount of deformation of the diaphragm can be easily adjusted, and the restoring force can be adjusted, so that the size can be reduced and the manufacturing process can be simplified. The present invention relates to a liquid ejecting apparatus and a method thereof.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A widely used printer head is a DOD (Drop and Demand) system. This DOD method does not need to charge or deflect the recording liquid droplets, does not require high pressure, and can easily print by ejecting the recording liquid droplets immediately under atmospheric pressure. Therefore, it is gradually being used. Representative injection principles include a heating injection method using a resistor and a vibration injection method using a piezoelectric element.

【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。
FIG. 1 is for explaining the principle of the heating type jetting method.
There is an ejection port a2 facing the recording material from the chamber a1, and a chamber a on the opposite side of the ejection port a2 is provided.
A resistor a3 is buried in one bottom portion to cause expansion of air. Therefore, the bubbles expanded by the resistance heating push the recording liquid inside the chamber a1 to the ejection port a2, and the recording liquid is ejected toward the recording material by the force.

【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。
FIG. 2 is for explaining the principle of the vibration type ejection method using a piezoelectric element. Similarly, there is a chamber b1 in which a recording liquid is provided.
There is an ejection port b2 from 1 to the recording material, and a piezoelectric element is buried in the bottom opposite to the ejection port to generate vibration.

【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。
As described above, when the piezoelectric element b3 vibrates at the bottom of the chamber b1, the recording liquid is ejected by the ejection port b by vibrating force.
The recording liquid is ejected to the recording material by the vibration force. Since the ejection method using the vibration of the piezoelectric element does not use heat, there is an advantage that the selection range of the recording liquid is large.

【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。
Further, a conventional printer head uses a shape memory alloy to discharge a recording liquid. JP 57
-203177, JP-A-63-57251, JP-A-4-
247680, JP-A-2-265752, JP-A-2-3
08466, JP-A-3-65349 discloses an embodiment of a printer head using a shape memory alloy.
The conventional embodiment has a configuration in which a large number of shape memory alloys having different phase transformation temperatures and different thicknesses are combined to bend and deformed, and are configured to be bent and deformed by a combination of an elastic member and a shape memory alloy. And others.

【0007】[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。
However, the above-mentioned heating type jet method has a problem that a chemical change occurs due to heating of the recording liquid, and such recording liquid adheres to the inner surface of the ejection port a2 to cause clogging. However, there is a drawback that the life of the heating resistor is short, and the storage stability of the document is poor because a water-soluble recording liquid must be used.

【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。
[0008] In addition, the above-described injection method using the vibration of the piezoelectric element has a problem in that mass production is poor because the processing of the piezoelectric element is difficult, and particularly, the work of attaching the piezoelectric element to the bottom of the chamber b1 is difficult.

【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。
Further, the conventional printer head using a shape memory alloy has problems that it is difficult to reduce the size of the head, the density and resolution of the nozzles are low, the manufacturing is difficult, and the mass productivity is poor. In addition, the shape memory alloy used is not a thin film but a thick film with a thickness of 50 μm or more. Therefore, power consumption during heating is large, cooling time is long, operating frequency is low, and printing speed is slow. There's a problem.

【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。
In order to solve the above various problems, the present inventor changes the pressure in the liquid chamber by vibration generated by a change in the temperature of the thin film shape memory alloy so that the recording liquid is ejected. Has already filed. According to the printer head filed earlier, the clogging of the nozzle is reduced due to the large acting force of the thin film shape memory alloy, and the deformation amount of the thin film shape memory alloy is large. The density can be increased to increase the resolution, and a thin film shape memory alloy can be easily manufactured using a semiconductor thin film manufacturing process and a substrate etching process, so that mass productivity is improved.

【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。
The present invention relates to an improvement of the previously filed printer head. An object of the present invention is to couple a second thin film capable of adjusting the amount of deformation and restoring force of a diaphragm to a thin film shape memory alloy by using a semiconductor thin film manufacturing process, and to reduce bending deformation in a process of cooling the thin film shape memory alloy. When restoring to the state, the restoring force is increased, and after ejecting the recording liquid, the time required for the diaphragm to restore to the state of bending deformation is shortened, thereby increasing the operating frequency and improving printing speed. And
Another object of the present invention is to provide a recording liquid ejecting apparatus for a printer head and a method thereof, in which the strength of the diaphragm is increased and the possibility of damage due to external impact is reduced.

【0012】[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、
温度変化によって形状が変化する形状記憶合金材質の薄
膜形状記憶合金と、前記薄膜形状記憶合金に結合してそ
の形状変化量を調節する少なくとも1枚以上の第2薄膜
とからなる振動板と、前記薄膜形状記憶合金の温度変化
を発生させる電源供給部と、前記薄膜形状記憶合金上に
設置して、記録液を貯蔵するための液室を形成し、前記
液室を取り囲む壁面の一方の側に前記記録液が流入する
ように流路を形成した流路板と、前記流路板上に設置し
て、前記薄膜が形状変化するとき、前記記録液を液滴の
形態で噴射するように、前記流路板の液室面積より小さ
い面積のノズルを形成したノズルプレートとを備えると
ころに特徴がある。
In order to achieve the above object, a recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to the present invention comprises:
A diaphragm comprising a thin film shape memory alloy of a shape memory alloy material whose shape changes according to a temperature change, and at least one or more second thin films coupled to the thin film shape memory alloy to adjust the shape change amount; A power supply for generating a temperature change of the thin film shape memory alloy, and a liquid chamber for storing the recording liquid, which is provided on the thin film shape memory alloy, is formed on one side of a wall surface surrounding the liquid chamber; A flow path plate having a flow path formed so that the recording liquid flows therein, and installed on the flow path plate so that when the thin film changes shape, the recording liquid is ejected in the form of droplets. A nozzle plate formed with a nozzle having an area smaller than the liquid chamber area of the flow path plate.

【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。
The present invention solves the disadvantages of both the conventional method using a piezoelectric element and the method using air expansion by heating, and the conventional method using a shape memory alloy. A diaphragm composed of a thin film shape memory alloy and a second thin film having a residual compressive stress is formed on a substrate, and a part of the substrate is etched to form a space where the diaphragm can vibrate. An object of the present invention is to provide a recording liquid ejecting apparatus that forms droplets by vibrating a plate.

【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。
Such a spraying device forms a thin film shape memory alloy by performing heat treatment after vapor deposition on a substrate by a sputtering method. Therefore, it has a flat shape in the mother phase state.
The second thin film is also configured to be bonded to the thin film shape memory alloy by using a semiconductor thin film manufacturing process. The deposited second thin film can retain residual compressive stress,
The magnitude of the residual compressive stress can be changed depending on the deposition conditions or the material. When a space is formed by etching a part of the substrate, the diaphragm made of the thin film shape memory alloy and the second thin film is bent and deformed by the residual compressive stress of the second thin film. When a thin film shape memory alloy is heated, it tends to change to a flat state due to the shape memory alloy. At this time,
The volume of the liquid chamber is reduced and the recording liquid is ejected. During cooling, the bending deformation occurs due to the residual compressive stress of the second thin film. At this time, the recording liquid is refilled. By repeating such a process, continuous ejection of the recording liquid is performed.

【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。
According to the present invention, a diaphragm having a simple structure and comprising a thin film shape memory alloy and a second thin film is manufactured by a semiconductor thin film manufacturing process and a substrate etching process, and the diaphragm is manufactured by such a semiconductor thin film manufacturing process. (2) The displacement of the diaphragm required for jetting the recording liquid can be easily obtained by using the residual compressive stress of the thin film, so that mass productivity is improved, and the residual stress of the second thin film is changed to change the magnitude of the residual stress. Since the amount can be easily adjusted and the amount of displacement can be increased, the area of the diaphragm is reduced. Therefore, the size of the head can be reduced, and high resolution can be achieved by increasing the density of the nozzles. Further, the second thin film adjusts the direction of bending deformation and contributes to diversification of the structure of the recording liquid ejecting apparatus.

【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。
In the present invention, since a thin film shape memory alloy is used, the power consumption during heating is greatly reduced, and the cooling time is greatly shortened. Further, when the thin film shape memory alloy returns to the state of bending deformation due to the residual compressive stress of the second thin film after the ejection of the recording liquid, the restoring force is strong and no residual vibration is generated.
Stable ejection of the recording liquid can be performed. Therefore, the operating frequency is improved, that is, the printing speed is improved.

【0017】[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。
FIG. 3 is an exploded perspective view of an ejection device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a perspective view showing a flow of a recording liquid according to one embodiment of the present invention. In the ejecting apparatus of the present invention, in order to increase the resolution, a large number of nozzles 19 for ejecting the recording liquid 20 are arranged vertically and horizontally, and the diaphragm 12 for substantially ejecting the recording liquid 20 is paired with each nozzle 19. Corresponds to 1. That is, a large number of spaces 11 penetrating in the vertical direction are formed before and after the substrate 10, and a large number of vibration plates 12 which are connected to the upper portion of the substrate 10 and close each space 11 are provided. The vibration plate 12 vibrates according to the temperature, and ejects the recording liquid 20 by the generated force at this time. Such a diaphragm 12 is composed of a thin film memory shape alloy 12a and a second thin film 12b, and in particular, the second thin film 12b is composed of a material capable of adjusting the amount of deformation and restoring force of the diaphragm 12, The operating frequency is increased by increasing the bending deformation speed (restoring force).

【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。
Further, there is provided a flow path plate 13 for covering the upper part of the substrate 10, and a liquid chamber 14 for storing the recording liquid 20 is formed in the flow path plate 13 immediately above each of the vibration plates 12. In addition, the flow path plate 1
A main flow path 15 through which the recording liquid 20 flows is provided at the center of 3, and the main flow path 15 and the corresponding liquid chamber 14 communicate with each other through a flow path 16. Further, on one side of the substrate 10, there is provided a liquid inlet 17 communicating with the main flow path 15 on one side of the flow path plate 13, and the recording liquid 20 is supplied to the main flow path 15 side.

【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。
Further, a nozzle plate 18 is provided to be connected to the upper part of the flow path plate 13.
A number of nozzles 19 corresponding to each liquid chamber 14 formed in 3 are formed. Further, each nozzle 19 corresponds to the diaphragm 12 exposed to the liquid chamber 14 side. When the vibration plate 12 vibrates, the pressure of the liquid chamber 14 changes, and the recording liquid 20 drops in a liquid state. The ink is ejected onto the sheet via the nozzle 19.

【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。
Thin film shape memory alloy 1 constituting diaphragm 12
2a undergoes a continuous phase change due to a temperature change. In this process, vibration occurs, and the recording liquid 20 is ejected through each nozzle 19 in a liquid state. In addition, the thin film shape memory alloy 12a
As shown in FIG. 5A, heating is performed by the power supply unit 21. That is, when a current flows from the electrodes 21a coupled to both ends of the thin film shape memory alloy 12a, the thin film shape memory alloy 1
2a is heated by self-resistance, the temperature rises, and it tends to become flat. Further, when the current of the power supply unit 21 is cut off, the thin film shape memory alloy 12a cools naturally and the diaphragm 12
Is restored to the original expanded state by the second thin film 12b.

【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。
As shown in FIG. 5B, a heater 21b for heating by a current from the power supply unit 21 is provided on one side surface of the second thin film 12b, and the thin film shape memory alloy 1 is provided.
2a can be heated. Then, as shown in FIG. 5C, another heat radiation film 12c can be provided on the bottom surface of the second thin film 12b in order to increase the cooling rate of the diaphragm 12. The heat dissipating film 12c cools and restores the heated diaphragm 12 in a short time, and increases the operating frequency of the diaphragm 12. Such a heat radiating film 12c is made of nickel having excellent heat radiating properties, and has a thickness of about 0.5 μm or more.
3 μm. The thin film shape memory alloy 12a constituting the diaphragm 12 is mainly composed of titanium and nickel, and has a thickness of about 0.1 μm to 5 μm. The second thin film 12a is made of thermal silicon oxide, polysilicon, or the like, and has a thickness of about 0.1 μm to 3 μm.

【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。
FIGS. 6A to 6C are cross-sectional views of the injection apparatus according to the embodiment of the present invention. Silicon is used as the material of the substrate 10. FIG. In the initial state in which the diaphragm 12 is plumply deformed on the opposite side of the nozzle 19, the thin film shape memory alloy 12
When a is heated to a temperature equal to or higher than the set temperature, the diaphragm 12 tends to become flat. At this time, the internal pressure of the liquid chamber 14 increases, and the recording liquid 20 is ejected through the nozzle 19 by being compressed.

【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。
When the temperature of the thin film shape memory alloy 12a falls below the set temperature, the diaphragm 12 is restored to its original expanded state by the residual compressive stress of the second thin film 12b.
At this time, after the internal pressure of the liquid chamber 14 decreases and the recording liquid 20 flows into the liquid chamber 14 due to the capillary action and the suction force of the nozzle 19, the above process is continuously repeated, and the recording liquid drops. Inject in the state of. Further, when the diaphragm 12 is deformed to a swollen state, the restoring force of the diaphragm 12 is strengthened by the residual compressive stress of the second thin film 12b, and the operating frequency is increased. That is, the second thin film 12b can restore in a short time by increasing the restoring force of the diaphragm 12. Since the recording liquid is replenished quickly and the recording liquid can be ejected immediately, the operation speed of the printer head is improved.

【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。
FIG. 8 is a process diagram showing a method for manufacturing a diaphragm according to the present invention, and FIG. 9 is a block diagram showing a method for manufacturing a diaphragm according to the present invention, which uses a semiconductor manufacturing process and a substrate etching process. . A second thin film 12b is formed on a substrate 10 made of a material such as silicon, glass, metal, or polymer.
Is formed by a semiconductor thin film manufacturing process to maintain a predetermined amount of residual compressive stress. The method includes a step 101 of forming the diaphragm 12 by depositing the thin film shape memory alloy 12a on the second thin film 12b. At this time, a sputtering method is mainly used as an evaporation method. The method also includes a step 102 of heat treating the thin film shape memory alloy 12a at a constant temperature for a predetermined time to crystallize the thin film shape memory alloy 12a so that the flat state is stored as a matrix. Then, the thin film shape memory alloy 12a is set to a martensite finish temperature (Mf) of about 4
Step 10 of cooling to 0 ° C. to 70 ° C. to martensite
3 is provided.

【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。
Further, the space immediately below the diaphragm 12 is etched by silicon to form a space 11 in the substrate 10.
2 is exposed to the outside, and the diaphragm 12 is bent downward (or upward) by the residual stress of the second thin film 12b while the diaphragm 12 is exposed to the outside, as shown in FIG. Is provided. The second thin film 12b is a process of forming using a semiconductor manufacturing process, and the magnitude of the residual stress can be adjusted by the deposition conditions and the material. In particular, the second thin film 12b is formed on the upper side of the thin film shape memory alloy 12a. Alternatively, the bending direction of the diaphragm 12 is determined by forming it on the lower side.

【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。
In the course of such bending deformation, the thin film shape memory alloy 12a maintains martensite. Also,
When the thin film shape memory alloy 12a is heated to a set temperature, that is, about 50 ° C. to 90 ° C., which is the parent phase end temperature (Af), FIG.
Step 107 in which the recording liquid 20 is ejected after being transformed into a flat plate shape as shown in FIG. And the thin film shape memory alloy 1
When 2a cools and becomes martensite, the second thin film 12b
Is bent and deformed by the residual compressive stress of
0, and the above steps 107 and 108 are repeated according to the temperature change of the thin film shape memory alloy 12a, and the recording liquid 20 is ejected in the form of droplets and printed.
9 is provided.

【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。
The thin film shape memory alloy 12a of the present invention
Is flattened in the parent phase during heating and bends and deforms in martensite during cooling due to a temperature difference. Therefore, as the temperature difference is reduced, the frequency (operating frequency) of the thin film 12 increases. Therefore, copper can be added to the alloy of titanium and nickel to reduce the temperature difference. As described above, the shape memory alloy using titanium, nickel, and copper can increase the frequency, that is, the operating frequency of the thin film shape memory alloy 12a by reducing the temperature difference of the phase change, thereby improving the printing speed.

【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。
Interpreting the possibility of producing a droplet using the thin film memory shape alloy of the present invention configured as described above is as follows.

【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=US+UKS=πR2γ
The energy density generated by the thin film shape memory alloy 12a is at most 10 × 10 6 J / m 3 , and the size of the thin film shape memory alloy 12a exposed in the space 11 is 2
In the case of 00 μm × 200 μm × 1 μm, assuming that the diameter of the generated droplet is 60 μm, it is possible to calculate the propriety of ejection from the thin film as follows. U = U S + U K U S = πR 2 γ

【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 US=記録液の表面エネルギー UK=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)
(Equation 1) U = energy required to generate a desired droplet of the recording liquid U S = surface energy of the recording liquid U K = kinetic energy of the recording liquid R = diameter of the droplet V = velocity of the recording liquid ρ = of the recording liquid Density (1000 kg / m 3 ) γ = Surface tension of recording liquid (0.073 N / 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。
Assuming that the speed of the desired droplet is 10 m / sec, the required energy (U) is: U = 2.06 × 10 −10 + 7.07 × 10 −10 = 9.13
× 10 −10 J.

【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、 Wmax=Wv・V Wmax=(10×108)・(200×200×1) =4×10-7J となる。
The maximum energy generated by the thin-film shape memory alloy (12a) is as follows: W max = W v · V W max = (10 × 10 8 ) · (200 × 200 × 1) = 4 × 10 -7 J .

【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。
When the diameter of the droplet is 100 μm, the required energy is U = 3.85 × 10 −9 J.

【0033】したがって、Wmax》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。
Therefore, since W max >> U, a droplet having a desired size can be obtained. That is, since the thin film shape memory alloy 12a has a very large generating force, it is possible to easily obtain a desired recording liquid droplet.

【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(ρs) =6450kg/m3 温度変化量(ΔT) =70−25=45℃ 熱容量(Specific heat)(Cp) =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(th
The displacement of the heating time, the consumed energy and the residual compressive stress according to the embodiment of the present invention are analyzed as follows. A current is caused to flow through the thin film shape memory alloy 12a, so that heat is generated by resistance, and the heat causes a phase change to occur. The required heating time and energy consumption are as follows. Material of thin film shape memory alloy = TiNi Length of thin film shape memory alloy (l) = 400 µm Density of thin film shape memory alloy (ρ s ) = 6450 kg / m 3 Temperature change (ΔT) = 70-25 = 45 ° C Heat capacity ( Specific heat) (C p ) = 230 J / kg ° C. Specific resistance of thin film shape memory alloy (ρ) = 80 μ · cm Current (I) = 1.0 A Thin film shape memory alloy width (w) = 300 μm height (t) = 1.0μm heating time (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。(Equation 2) Resistance (R) of thin film shape memory alloy = ρ (1 / w · t) = 1.1Ω Power consumption (I 2 R) = 1.1 watt The energy required to generate a droplet is heating time × power consumption = It becomes 8.1 μJ.

【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。
Therefore, the energy required for ejecting the recording liquid 20 to generate liquid droplets is about 8.1 μJ, which consumes less energy than the conventional heating method of 20 μJ.

【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。
FIG. 10 is a graph showing the heating time and temperature of the thin film shape memory alloy of the present invention. However, the thickness of the thin film shape memory alloy 12a is 1 μm.
m and the ambient temperature is 25 ° C.

【表1】 [Table 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。
When the ambient temperature is 25 ° C., after heating to 70 ° C. to change into the parent phase, the time to cool to 30 ° C. is about 2 hours.
It is about 00 μsec, which is about 5 kHz when converted to a frequency. Therefore, the operating frequency of the printer head is about 5 kHz. However, since the temperature at which the deformation is completely completed (the martensite end temperature) is about 45 ° C., there is no need to wait until the temperature drops to 30 ° C., and before that, the recording liquid 20 can be reheated and the recording liquid 20 can be continuously jetted. , 5
The operating frequency can be increased to more than kHz. The higher the operating frequency, the higher the printing speed.

【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(Em) =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 =hm 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(Scr
The displacement and restoring force due to the residual compressive stress of the thin film shape memory alloy and itself are analyzed as follows with reference to FIG. When a = b a = 200 μm Material of thin film shape memory alloy = TiNi Young's modulus (E m ) of thin film shape memory alloy = 30 GPa Residual compressive stress existing in thin film shape memory alloy = 30 MPa Poisson's ratio (ν) = 0. 3 of thin film shape memory alloy exposed to the space portion 11 length = a thin film shape memory alloy thickness = h m space 11 in the exposed width of the thin-film shape memory alloy = b thin shape memory alloy of the critical stress (S cr)

【数3】 cr=3.6MPa 薄膜形状記憶合金の中心変位(δm):(Equation 3) S cr = 3.6 MPa Center displacement (δ m ) of thin film shape memory alloy:

【数4】 δs=6.2μm(Equation 4) δ s = 6.2 μm

【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、 Wmax=Wv・Vである。(ただし、Wv: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) Wmax=(10×106)・(200×200×1)=4
×10-7
The maximum energy generated by the thin film shape memory alloy is W max = W v · V. ( Wv : energy that can be exhibited per unit volume of the thin film shape memory alloy J / m 3 , V: volume of the thin film shape memory alloy) W max = (10 × 10 6 ) · (200 × 200 × 1) = 4
× 10 -7 J

【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(UmTotal energy (U m ) generated by buckling of the thin film shape memory alloy during cooling

【数5】 =2.8×10-10(Equation 5) = 2.8 × 10 -10 J

【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。 Um=P・ΔV 体積変化(ΔV)=(δs・α2)/4=6.2×10-143 復元力(P)=4.5kPa
After the recording liquid 20 is jetted, the total energy generated when the thin film shape memory alloy buckles is converted into a restoring force (P) that causes bending deformation of the thin film shape memory alloy. The restoring force is as follows. U m = P · ΔV Volume change (ΔV) = (δ s · α 2 ) /4=6.2×10 −14 m 3 Restoring force (P) = 4.5 kPa

【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。
Assuming that half of the total volume change caused by the buckling of the thin film shape memory alloy was injected, 39 μm
To form droplets. The amount of displacement with respect to the thickness and size of the thin film shape memory alloy is as shown in the table below, and the unit is μm.

【表2】 [Table 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(Em) =30GPa 第2薄膜のヤング率(Es) =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(hm) =1μm 第2薄膜の厚み(hs) =1μm 第2薄膜の臨界応力(Scr
If the thin film shape memory alloy 12a constituting the diaphragm 12 has no residual compressive stress, the second thin film 12b
The displacement amount and the restoring force due to the residual compressive stress are obtained as follows. (See FIG. 11) When a = b, a = 200 μm Material of thin film shape memory alloy = TiNi Material of second thin film = Young's modulus (E m ) of thermally oxidized SiO 2 thin film shape memory alloy = 30 GPa Young's modulus (E s ) = 70 GPa Residual compressive stress (S) acting on the second thin film = 300 MPa Poisson's ratio (ν) = 0.3 Length of diaphragm 12 exposed to space 11 = a To space 11 Exposed width of diaphragm 12 = b Thickness of thin film shape memory alloy (h m ) = 1 μm Thickness of second thin film (h s ) = 1 μm Critical stress (S cr ) of second thin film

【数6】 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(δs(Equation 6) S cr = 8.4 MPa Center displacement (δ s ) of the second thin film when not bonded to the thin film shape memory alloy

【数7】 δs=13.5μm(Equation 7) δ s = 13.5 μm

【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(UbThe bending energy (U b ) generated by the residual compressive stress of the second thin film

【数8】 =2.9×10-19(Equation 8) = 2.9 × 10 -19 J

【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。
The bending energy of the second thin film is stored as the bending energy of the diaphragm 12 composed of the thin film shape memory alloy and the second thin film.

【数9】 s=6.5×10-9N/m Dm=2.7×10-9N/m(Equation 9) D s = 6.5 × 10 −9 N / m D m = 2.7 × 10 −9 N / 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。
Using the above equation, the displacement (δ) of the diaphragm 12
Is obtained, δ = 11.4 μm.

【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(Us)=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)=Wv・V (ただし、Wv: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) Wmax=(10×106)・(200×200×1)=4
×10-7
The energy lost in the second thin film when the recording liquid is jetted by heating the thin film shape memory alloy is the bending energy generated by the residual compressive stress of the second thin film. Bending energy (U s ) = 2.9 × 10 −9 J Maximum energy (W) generated by the thin film shape memory alloy
max ) = Wv · V ( Wv : energy J / m 3 that can be exhibited per unit volume of the thin film shape memory alloy, V: volume of the thin film shape memory alloy) W max = (10 × 10 6) ) · (200 × 200 × 1) = 4
× 10 -7 J

【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
(Us/Wmax)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。
The ratio (U s / W max ) of the energy consumed by the second thin film to the maximum energy that can be calculated by the thin film shape memory alloy is 0.73%. Therefore, when ejecting the recording liquid, the effect of energy loss due to the second thin film can be ignored.

【0049】 第2薄膜が座屈するときに発生する全体エネルギー(UsThe total energy (U s ) generated when the second thin film buckles

【数10】 (Equation 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(Us)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。 Us=P・ΔV 体積変化(ΔV) =(δs・α)/4=1.4×10-133 復元力(P) =107.1kPa
After the ejection of the recording liquid, the total energy (U s ) generated when the second thin film buckles is changed into the restoring force (P) of the diaphragm 12. The restoring force is as follows. U s = P · ΔV Volume change (ΔV) = (δ s · α) /4=1.4×10 −13 m 3 Restoring force (P) = 107.1 kPa

【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。
The change in the overall volume due to the deformation of the diaphragm 12 is 1
Assuming a jet of / 2, the droplet diameter is 51 μm.

【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。
Comparing the diaphragm composed only of the thin film shape memory alloy with the diaphragm composed of the thin film shape memory alloy and the second thin film, the displacement increased about twice from 6.2 μm to 11.4 μm. , Restoring force from 4.5 kPa to 107.1 k
Pa increased about 20 times or more. Therefore, when the second thin film is used, a desired displacement can be easily obtained, and the restoring force can be increased.

【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。
The displacement of the diaphragm 12 composed of the thin film shape memory alloy and the second thin film is as follows, and its unit is μm.

【表3】 [Table 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。
FIG. 12 is a sectional view of an injection device according to another embodiment of the present invention, and the present invention will be described using the same reference numerals for the same components as those in FIG. In another embodiment of the present invention, the flow path plate 13 and the nozzle plate 18
This is an extract of the bonding state of one thin film. Space 1 penetrating vertically through substrate 10
1 is formed and provided with a diaphragm 12 which is coupled to the upper part of the substrate 10 and covers the space 11. The diaphragm 12 vibrates due to a temperature change of the thin film shape memory alloy 12a, and ejects the recording liquid 20 by the generated force generated at this time. Further, the second thin film 12b constituting the diaphragm 12 increases the bending deformation speed (restoring force) of the diaphragm 12 to increase the operating frequency.

【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。
Further, a flow path plate 13 covering the lower portion of the substrate 10 is provided.
Is formed in the liquid chamber 14. In addition, a nozzle plate 18 is provided below the flow path plate 13, and a nozzle 19 corresponding to the liquid chamber 14 formed in the flow path plate 13 is formed on the nozzle plate 18. The nozzle 19 corresponds to the diaphragm 12 exposed on the liquid chamber 14 side. When the diaphragm 12 is deformed, the pressure of the liquid chamber 14 changes, and the recording liquid 20 is ejected onto the sheet via the nozzle 19 in a state of liquid droplets.

【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。
In another embodiment of the present invention configured as described above, the thin film shape memory alloy 12a
Is formed, the second thin film 12b becomes thin film shape memory alloy 12
Vapor deposition on top of a. Then, the substrate 1 is etched.
When the space 11 is formed at the lower part of the diaphragm 12, the diaphragm 12
The thin film 12b is bent and deformed by the residual compressive stress. When the thin film shape memory alloy 12a is heated in such a state of bending deformation, the vibration plate 12 is deformed into a flat plate state, and then cooled to be bent and deformed to an initial state. Further, in the process of bending deformation of the diaphragm 12, the operating frequency is increased because the restoring force is strengthened by the residual compressive stress of the second thin film 12b.

【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。
FIG. 13 is a cross-sectional view of an injection device according to still another embodiment of the present invention, and the same components as those in the embodiment of the present invention will be described using the same reference numerals. In the present embodiment, the diaphragm 12 is formed below the substrate 10, and the flow path plate 13 and the nozzle plate 1 are formed above the substrate 10.
8 are formed respectively. That is, in an initial state where the thin film shape memory alloy 12a is not heated, the diaphragm 12 is in a state of protruding into the space 11, but becomes flat when heated. Therefore, when the vibration plate 12 is heated, the recording liquid 20 becomes flattened and the recording liquid 20 is replenished into the liquid chamber 14, and when cooled, the recording liquid 20 is ejected because it bends and deforms and the pressure inside the liquid chamber 14 increases.

【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。
FIG. 14 is a cross-sectional view of an injection device according to still another embodiment of the present invention, and the same components as those of the embodiment of the present invention will be described using the same reference numerals. In the present embodiment, a plurality of second thin films 12b are used, and the second thin films can be made of different materials.
FIG. 14A shows that 2 is formed on the lower surface of the thin film shape memory alloy 12a.
FIG. 14B shows the second thin film 12b formed on the upper and lower surfaces of the thin film shape memory alloy 12a.
2b. With this configuration, the restoring force of the diaphragm 12 can be further increased, and a desired displacement can be more easily obtained. Further, the durability of the diaphragm 12 is increased, so that reliability is ensured.

【0059】[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。
As described above, according to the present invention,
When the temperature of the thin film shape memory alloy changes, the diaphragm vibrates, so that the recording liquid is ejected. In addition, since it is bonded to the second thin film having a residual compressive stress, when it is cooled and restored to the initial state, the restoring force is increased by the residual compressive stress, and the operating frequency is increased. Further, since the vibration plate has a large displacement amount, each space formed in the substrate and each liquid chamber formed in the flow path plate can be made small, so that the overall size of the printer head is reduced and downsized. Therefore, high resolution can be achieved by increasing the density of the nozzles.

【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。
Further, since the strength of the diaphragm is increased by the second thin film, there is little possibility that the diaphragm is damaged by an external impact. Further, since the generated force is large, the force for pushing out the recording liquid is increased, the clogging of the nozzle is reduced, the reliability is improved, and the size of the droplet of the recording liquid can be sufficiently reduced. This is effective for realizing high image quality. The driving voltage is 10
Since it is less than volts, the design and manufacture of the drive circuit is easy, and the diaphragm can be easily manufactured using the existing semiconductor process and etching process, so that mass productivity is improved,
There are effects such as a simple structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 従来の加熱式噴射装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional heating type injection device.

【図2】 従来の圧電素子式噴射装置の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a conventional piezoelectric element type injection device.

【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。
FIG. 3 is an exploded perspective view of an injection device according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a perspective view illustrating a flow of a recording liquid according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIGS. 5A, 5B, and 5C are front sectional views of an injection device according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIGS. 6A, 6B, and 6C are cross-sectional views illustrating an operation process of the injection device according to the embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 7 is a graph showing a phase change of the thin film shape memory alloy of the present invention.

【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。
FIG. 8 is a process chart showing a method for manufacturing a diaphragm according to the present invention.

【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。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a method for manufacturing a diaphragm according to the present invention.

【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。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the heating time and the temperature of the thin film of the present invention.

【図11】 本発明の振動板の大きさを示す断面図であ
る。
FIG. 11 is a sectional view showing the size of the diaphragm of the present invention.

【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。
12 (a), (b) and (c) are cross-sectional views of an injection device showing an operation process according to another embodiment of the present invention.

【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。
FIGS. 13 (a), (b), (c) and (d) are cross-sectional views showing an injection device according to still another embodiment of the present invention.

【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。
FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views showing an injection device according to still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 a1, b1 Chamber a2, b2 Injection port a3 Resistance b3 Piezoelectric element 11 Space section 12 Vibration plate 12a Thin film shape memory alloy 12b Second thin film 12c Heat dissipation film 13 Flow path plate 14 Liquid chamber 15 Main flow path 16 Flow path 17 Liquid injection port 18 Nozzle plate 19 Nozzle 20 Recording liquid 21 Power supply 21a Electrode 21b Heater

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 温度変化によって形状が変化する形状記
憶合金材質の薄膜形状記憶合金(12a)と、前記薄膜
形状記憶合金(12a)に結合してその形状変化量を調
節する少なくとも1枚以上の第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)の温度変化を発生させ
る電源供給部(21)と、 前記薄膜形状記憶合金(12a)の一方の側に設置し、
記録液(20)を貯蔵するための液室(14)を形成し
ており、前記液室(14)を取り囲む壁面の一方の側に
前記記録液(20)が流入するように流路(16)を形
成した流路板(13)と、 前記流路板(13)上に設置し、前記薄膜(12)が形
状変化するとき、前記記録液(20)が液滴の形態で噴
射するように、前記流路板(13)の液室(14)面積
より小さい面積のノズル(19)を形成したノズルプレ
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。
1. A thin film shape memory alloy (12a) made of a shape memory alloy material whose shape changes according to a temperature change, and at least one or more sheets connected to the thin film shape memory alloy (12a) to adjust the shape change amount. A diaphragm (12) comprising a second thin film (12b); a power supply (21) for generating a temperature change of the thin film shape memory alloy (12a); and one side of the thin film shape memory alloy (12a) Installed in
A liquid chamber (14) for storing the recording liquid (20) is formed, and a flow path (16) is formed so that the recording liquid (20) flows into one side of a wall surrounding the liquid chamber (14). ) Is formed on the flow path plate (13), and the recording liquid (20) is ejected in the form of droplets when the thin film (12) changes shape. A nozzle plate (18) formed with a nozzle (19) having an area smaller than the area of the liquid chamber (14) of the flow path plate (13).
【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。
2. A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, wherein said thin film shape memory alloy (12a) is a shape memory alloy containing titanium and nickel as main components.
【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。
3. The thin film shape memory alloy (12a) is a shape memory alloy to which copper is further added in order to reduce a phase change temperature difference and increase an operation frequency. Recording liquid ejection device for printer head.
【請求項4】 前記薄膜形状記憶合金(12a)が、
0.3μm〜5μmの厚みを有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。
4. The thin film shape memory alloy (12a)
2. The apparatus according to claim 1, wherein the apparatus has a thickness of 0.3 [mu] m to 5 [mu] m.
【請求項5】 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. The device according to claim 1, wherein the second thin film has a thickness of about 0.1 μm to 3 μm.
A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1.
【請求項6】 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. The apparatus according to claim 1, wherein the second thin film includes thermal silicon oxide.
【請求項7】 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. The apparatus according to claim 1, wherein the second thin film includes polysilicon.
【請求項8】 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. The power supply unit (21) includes electrodes (21a) coupled to both ends of the thin film shape memory alloy (12a) so that heat is generated by the self-resistance of the thin film shape memory alloy (12a). 2. A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, wherein:
【請求項9】 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し、前記電源
供給部(21)からの電流により加熱するヒーター(2
1b)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. The heater (2) formed on one side surface of the thin film shape memory alloy (12a) and heated by a current from the power supply unit (21).
The recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, further comprising 1b).
【請求項10】 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. A heat dissipating film (12c) formed on one side surface of the diaphragm (12) to dissipate the heat when the thin film shape memory alloy (12a) is heated and then cooled.
The recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, further comprising:
【請求項11】 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1
0記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
11. The heat radiation film (12c) has a thickness of about 0.5 μm to 3 μm.
0. A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to 0.
【請求項12】 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10記載
のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
12. The recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 10, wherein said heat radiating film (12c) comprises nickel having good thermal conductivity.
【請求項13】 前記振動板(12)の下に設置して、
前記薄膜形状記憶合金(12)が形状変化できる空間部
(11)を形成した基板(10)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。
13. Placed below said diaphragm (12),
2. A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, further comprising a substrate (10) having a space (11) in which the thin film shape memory alloy (12) can change its shape.
【請求項14】 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13記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
14. The vibration plate (12) is provided in the space (1).
14. The printer according to claim 13, wherein the area exposed to 1) and substantially changing its shape has a width (b) of 100 μm to 500 μm and a length (a) of 100 μm to 300 μm. Recording liquid ejecting device for head.
【請求項15】 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13記載のプリン
タヘッドの記録液噴射装置。
15. The apparatus according to claim 13, wherein the substrate comprises a single-crystal silicon material.
【請求項16】 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。
16. The vibrating plate (12) takes the form of a flat plate when the thin film shape memory alloy (12a) is heated to a parent phase end temperature and changed to a parent phase, and cooled to a martensite termination temperature to form a martensite. When the site changes, the second thin film (1
2. The recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1, wherein the recording liquid is ejected by the residual compressive stress of 2b).
【請求項17】 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16記載のプリンタヘッドの記録液噴射装置。
17. The thin-film shape memory alloy (12a) having a parent phase termination temperature of about 50 ° C. to 90 ° C., and the martensite termination temperature of about 40 ° C. to 70 ° C. A recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 1.
【請求項18】 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16記載のプリン
タヘッドの記録液噴射装置。
18. The thin film shape memory alloy (12a)
The time from heating to the mother phase to cooling to martensite is about 200 μsec or less, and the operating frequency is 5 kHz.
17. The recording liquid ejecting apparatus for a printer head according to claim 16, wherein z is not less than z.
【請求項19】 基板(10)に第2薄膜(12b)を
形成して残留圧縮応力を保持する段階(100)と、 前記第2薄膜(12b)上に薄膜形状記憶合金(12
a)を蒸着して振動板(12)を形成する段階(10
1)と、 前記薄膜形状記憶合金(12a)を熱処理して平板を母
相として記憶させる段階(102)と、 前記薄膜形状記憶合金(12a)を冷却してマルテンサ
イトにする段階(103)と、 前記基板(10)の一部をエッチングして、前記振動板
(12)の一部を露出させる段階(104)と、 前記振動板(12)の露出部位が前記第2薄膜(12
b)の残留圧縮応力により曲げ変形する段階(105)
と、 前記薄膜形状記憶合金(12a)を加熱して平板形態に
なって記録液(20)を噴射する段階(106)と、 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
により曲げ変形して、液室(14)の内部に前記記録液
(20)を補充する段階(107)と、 前記薄膜形状記憶合金(12a)の温度変化によって、
前記段階(106),(107)を繰り返して前記記録
液(20)が液滴の状態で噴射されて印刷する段階(1
08)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。
19. A step (100) of forming a second thin film (12b) on the substrate (10) to maintain a residual compressive stress; and forming a thin film shape memory alloy (12) on the second thin film (12b).
a) evaporating to form a diaphragm (12) (10)
1) heat treating the thin film shape memory alloy (12a) to store a flat plate as a matrix (102); and cooling the thin film shape memory alloy (12a) to martensite (103). (104) etching a part of the substrate (10) to expose a part of the diaphragm (12); and exposing a part of the diaphragm (12) to the second thin film (12).
Step b) of bending deformation due to residual compressive stress in b)
Heating the thin film shape memory alloy (12a) into a flat plate shape and injecting a recording liquid (20); and cooling the thin film shape memory alloy (12a) to become martensite. Refilling the recording liquid (20) into the liquid chamber (14) by bending and deforming the second thin film (12b) due to residual compressive stress; and temperature of the thin film shape memory alloy (12a). By change
The steps (106) and (107) are repeated, and the recording liquid (20) is ejected in the form of droplets to perform printing (1).
08), wherein the recording liquid ejection method for a printer head is provided.
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