打印头的记录液喷射装置及其方法 本发明涉及一种打印头喷射装置及喷射方法，特别是涉及一种通过薄膜状形状记忆合金相变过程所产生的变形来调节贮液室的压力，使记录液喷射出去的原理，使打印头可以做的小巧、结构简单的打印头喷射装置及方法。
一般的被广泛应用的打印头是DOD(Drop On Demand)方式。这种DoD方式不必把记录液带电使其偏向，也不需要高压，在大气压下可以即时喷射记录液得以容易地打，所以越来越多地得到利用。有代表性的喷射原理是利用电阻加热或喷射方法和利用压电元件(Piezo-Electric)的振动式喷射方法。
图1是说明加热式喷射方法的原理图，其有内装记录液的腔a1，有从该腔a1朝向被打印物的喷射口a2和在该喷口a2对面、腔a1的底部埋设地电阻a3，用以构成引发空气的膨胀。因此，由电阻引起膨胀的气泡(Bubble)把腔a1内的记录液挤出喷射口a2，记录液在这个力的作用下喷向被打印物。
图2是说明因压电元件的振动式喷射方法原理图，同样有一个内装记录液的腔b1，有从该腔b1面向被打印物的喷口b2，有在喷口对面一侧底部埋设的压电元件(Piezo-Transducer)，以此构成引发振动。
当埋在腔b1底部的压电元件b3一但引发振动，记录液就会借助振动力挤出喷口b2，记录液也就借助这振动力喷射到被打印物上。
这种用压电元件振动喷的方法是不用热的，所以有记录液的选择范围大的优点。
另外，现有的打印头上有为了记录液记录液而使用形状记忆合金的。在日本国特开昭57-203177，特开昭63-57251，特开平4-247680，特开平2-265752，特开平2-308466，特开平3-65349等公开了使用形状记忆合金的打印头实施例。现有的实施例中有把多个不同相变温度不同厚度的形状记忆合金结合起来构成翘曲变形的方式和借助于弹性另件与形状记忆合金的组合而构成翘曲变形的方式等等。
但是所述加热式喷射方法存在记录液会被热量加热而引起化学变化的问题，这样记录液吴喷射口a2的内壁而引起堵塞现象的问题，而且存在有发热电阻的寿命短的缺点，同时由于只能用水溶性记录液，所以存在有文件的保存性降低的缺点。
另外，所述的用压电元件振动的喷射方法，存在其压电元件难加工，特别是把压电元件贴装到腔b1底部的操作很难，因此存在大规模生产性很低的问题。
另外，以前使用形状记忆合金的打印头，其头的尺寸大难于小型化，喷咀的密集度很低解象度不好，不容易制造批量生产性很低。同时，存在所使用的形状记忆合金实际上不是薄膜，而是厚度50微米以上的厚膜，所以加热时，耗电量大，因冷却时间长而动作频率降低，因打印速度慢而没有实用性等缺点。
本发明是为了解决所述现有的各种各样的问题而开发的，本发明的目的就是提供利用形状记忆合金薄膜在相变过程中产生的变形改变贮液室的压力，使记录液喷射出去，利用增大记忆合金的发生力减少喷咀堵塞现象，利用薄膜的变形量大，可把记忆合金薄膜做的很小，提高了喷咀的密度使解象度得以提高。可以利用半导体薄膜生产工艺在基片上蒸镀形状记忆合金薄膜而获得所希望的变形量，提高了大批量生产性的打印头喷射装置及方法。
为了达到所述目的，本发明的打印头喷射装置是由随温度变化而变形的记忆合金薄膜以及为使所述记忆合金薄膜产生温度变化的供电电源，及在所述记忆合金薄膜一侧设置的形成贮存记录液的贮液室并在围成所述贮液室壁面的一侧形成使所述记录液流入流道的流道板及在所述流道板上设置的，当所述记忆合金薄膜改变形状时能把所述记录液以液滴状态喷射的形成比所述流道权贮液室面积小的喷咀的喷咀板等所构成为其特征。
本发明为了解决现存的用压电元件方式及用加热使空气膨胀方式的缺点和现存的使用形状记忆合金方式的缺点，用半导休薄膜生产工艺在基片上形成记忆合金薄膜，把基片的一部分腐蚀掉，菜成记忆合金薄膜得以振动的空间，实现了以记忆合金薄膜的振动形成液滴的喷射装置。
在基片上用半导体生产工艺蒸镀形状记忆合金，然后进行热处理，形成记忆合金薄膜。所以它在母相状态下呈扁平状。蒸镀上的记忆合金薄膜能在马氏体状态保留残留压缩应力，并可随蒸镀条件，热处理的温度以及时间的不同而改变残留压缩应力的大小。腐蚀基片的一部分形成空间后，由于残留压缩应力的作用，记忆合金薄膜会因压曲现象而翘曲变形。把薄膜的形状记忆合金加热，则记忆合金呈母变成扁平状态，此时贮液室容积变小记录液被喷出。冷却时因残留压缩应力发生翘曲变形，此时进行记录液的补充。重复这样的过程就可进行连续喷墨了。
本发明其构造简单，用半导体薄膜生产工艺和腐蚀基片的方法使记忆合金薄膜成为现实，利用残留压缩应力喷墨所必需的记忆合金薄膜位移变化量得以容易实现，所以大大增加了批量生产性，同时能用改变残留压缩应力的大小来很容易地调整变量的方法获得大位移量，所以记忆合金薄膜的面积可以做的很小。因此打印头可以小型化，因提高喷咀的密度得以达到高解象度。
由于使用了记忆合金薄膜，大大节省了加热时的耗电，冷却时冷却时间也非常短，同时喷射记录液后恢复到因残留压缩应力而弯曲变形状态时不产生残留振动，因此可进行平稳地喷射记录液。可以使动作频率的增加，总之是提高了打印速度。
参照附图，通过对优选实施例的详细描述，本发明的上述目的以及其它优点将变得更加清楚，其中
图1是现有的加热式喷射装置剖面图。
图2是现有的压电元件式喷射装置剖面图。
图3是本发明实施例的喷射装置的分解立体图。
图4是本发明实施例的记录液流入的立体图。
图5A、5B是本发明实施例的喷射装置的正面图。
图6A、图6B、图6C、图6D是本发明的实施例喷射装置的局部剖面图和动作过程示意图。
图7是本发明的记忆合金薄膜相态变化的曲线图。
图8表示按本发明制造单向记忆合金薄膜的制造方法工艺图。
图9表示按本发明制造单向记忆合金薄膜的制造方法方框图。
图10表示按本发明制造双向记忆合金薄膜的制造工艺图。
图11表示按本发明制造双向记忆合金薄膜的制造方法方框图。
图12表示本发明的记忆合金薄膜的加热时间与温度的曲线图。
图13表示本发明的记忆合金薄膜大小的剖面图。
图14A、图14B、图14C、图14D表示本发明的另一实施例的喷射装置剖面图和动作过程示意图。
图3是用于本发明一实施例的喷射装置分解立体图，图4是本发明一实施例的记录液流动的立体图。本发明的喷射装置为了提高解象度，把记录液20的喷咀19横向、纵向多列配置，实际用来喷射记录液20的记忆合金薄膜12，与各喷咀19一一对应。
备置了能形成许多在基片前后贯通上下的空间部分11且组合在基片10上面堵住各空间部分11的多个记忆合金薄膜12。备置盖住基片10上部的流道板13，在流道板13上对应于记忆合金薄膜12的正上方形成收纳记录液的贮液室14。并在流道板13的中央备置流记录液20的主流道15，主流道15与各贮液室14通过流道16互相连通。并且，在基片10一侧备置与流道板13一侧的主流道15连通的记录液注入口17，向主流道15一侧供应记录液20。
同时具有与流道环13上部组合的喷咀板18，喷咀板18形成了对应于在道环13上形成的各个贮液室14的多个喷咀19。并且各个喷咀19与暴露在该贮液室14侧的记忆合金薄膜12对应，当该记忆合金薄膜12变形时，该贮液室14的压力变化，记录液20以液滴状态通过各喷咀19喷到纸上。
记忆合金薄膜12因温度变化而进行连续的相态变化，在这过程中引起它的振动，记录液20就通过各个喷咀19呈液滴状被喷出。
图6A至图6D是本发明一实施例中的喷射装置的侧剖面图，表示挑选某种记忆合金薄膜的示意图。记忆合金薄膜12在喷咀19的对面一侧处于鼓起的初始状态，一旦被加热到设定温度以上就变成母相同时变成扁平状，此时贮液室14内的压力增加，受到压缩的记录液20就通过喷咀19被喷出来。当记忆保金薄膜12的温度下降到下时，就会因残留压缩应力的作用翘曲而恢复到变形状态，贮液室14内的压力下降，记录液20在喷咀19的毛细现象和吸力的作用下流到贮液室14内，以后便连续重复所述过程用于打印。
另外，如图5所示，记忆合金薄膜12是通过供电电源21被加热的。即，在记忆合金薄膜12两端连接的电极21a上施加供电电源21的电源，则记忆合金薄膜靠本身的电阻而发热，温度上升变成母相同时成为扁平状。当切断供电电源21的电源，记忆合金薄膜12被自然冷却，同时因残留压缩应力的作用恢复到原来的鼓起状态。另外，如图5B所示，在记忆合金薄膜12侧的面上，粘贴着用从供电电源21引出附加电源加热的电热器21b可用来加热记忆合金薄膜12。
就这样，因温度变化而产生相态变化并发生形变的形状记忆合金(Shape memory alloy)被用作记忆合金薄膜12，其材质的主要成分是钛(Ti)和镍(Ni)，具厚度约为0.3μm-5μm左右。另外，用形状记忆合金制成的记忆合金薄膜12因制造方法不同而有不同方向性。图8至图9是依本发明制造同一单向记忆合金薄膜(One-WayThin film shape memory alloy)的制造方法工艺图和方框图，图3至图6上用的是单向记忆合金薄膜。具有在硅等材料构造基片10上蒸镀记忆合金薄膜12的阶段(100)。蒸度主要是使用飞溅沉淀(Suptter-deposition)和激光磨蚀(Laser ablation)法。
然后，是在一定温度下进行一时间热处理使其结晶，在母相下呈平板状态的阶段(101)。然后，备置了使其冷却到马氏体终结温度(μf)，约40～70℃的同时，在记忆合金薄膜12中存有从母相变成马氏体所产生的残留压缩应力的阶段102。
然后是腐蚀掉连接附在记忆合金薄膜12上的基片，在以硅片构成的基片10上形成空间部分11、使记忆合金薄膜12暴露的外部的阶段(103)，然后是使记忆合金薄膜12因残留压缩应力向下侧(或上侧)翘曲变形成如图6A所示的阶段(104)。接着是在马氏体状态下，使翘曲变形3的记忆合金薄膜12升温到设定温度，即母相终结温度(Af)的约50～90℃，则在母相下变形，呈如图6C所示的扁平状，把记录液喷出的阶段(105)。然后是把记忆合金薄膜12冷却成马氏体，在残留压缩应力下翘曲变形，记录液20被补充到贮液室14的内部阶段(106)和记忆合金薄膜12重复随温度变化而变化的所述阶段(105)、(106)的打印阶段(107)。
图10和图11是依本发明制造双向记忆合金薄膜(Two-WayThin film Shape memory alloy)的生产工艺图和方框图。备置了把记忆合金薄膜12在空腔22的内部，在一定的温度下进行一定时间的热处理使其结晶成为母相的阶段(200)。然后间使记忆合金薄膜12冷却到马氏体终结温度(μf)约40～70℃、母相向马氏体转化的阶段(201)。然后是在马氏体相态下，在不会引起塑性滑移的范围内，施加外力使其变形的阶段(202)。随后是把记忆合金薄膜12加热到母相终结温度(Af)，约50～90℃，在变成母相的同时呈扁平的阶段(203)。
然后是多次重复所述(201)、(202)、(203)各个阶段使记忆合金薄膜学习的阶段(204)，在学习阶段(204)中，有把记忆合金薄膜12降临到马氏体终结温度(Mf)时，即使无外力也产生变形的阶段(205)。然后是记忆合金薄膜12一经被加热到母相临界温度(Af)，记忆合金薄膜12就变成扁平状把记录液20喷出的阶段9206)。还有记忆合金薄膜12一经冷却成了马氏体就借助自身的力量翘曲变形，使记录液20补充到贮液室14内的阶段(207)和记忆合金薄膜12重复因温度变化而变化的所述(206)、(207)阶段，具以这个过程打印的阶段(208)。即，引起记忆合金薄膜12随温度变化向两个方向往复运动的同时喷射记录液20。双向记忆合金薄膜的翘曲变形量是由在制造过程中施加外力的程度所决定的，所以可以容易地获得所希望的位移量。
具有双向性的记忆合金薄膜12也适用于本发明一实施例的图6的场合。例如，在基片10一侧形成空间部分11以后，把完成了学习的记忆合金薄膜12组合在基片10上。此时把记忆合金薄膜12，以覆盖住空间部分11的状态固定在基片10一侧的表面上，当温度变化时，记忆合金薄膜12是以空间部分11为中心产生变形而喷射记录液20。
另外，本发明的记忆合金薄膜12是因温差在母相下呈扁平状，在马氏体相下翘曲变形的，所以温差越小薄膜12的振动次数(动作频率)就越增加。因此为了减少相变温差，在钛(Ti)和镍(Ni)的合金中添加了铜(Cu)。由于使用了这样的钛(Ti)、镍(Ni)及铜(Cu)的形状记忆合金相变温差减少了，所以增加了记忆合金薄膜12的振动次数，也就是增加了动作频率从而可以提高打印速度。
如此构成本发明的记忆合金薄膜其实际能形成液滴的万能性，现说明如下：
由记忆合金薄膜产生的能量密度(Wmax)最大为10×106J/m3，记忆合金薄膜的体积(V)为200×200×1μm时，若将产生液滴的直径定为60μm则如下式决定了记忆合金薄膜能否喷射：
U＝US+UK
US＝ΠR2γUk=112πρR3v2]]>
U＝产生期望记录液液滴所需要的能量
Us＝记录液的表面能量
Uk＝记录液的动能
R＝液滴的直径
V＝记录液的速度
ρ＝记录液的密度(1000kg/m3)
γ＝记录液的表面张力(0.073N/m)
若期望的液滴速度为10m/sec，则所需能量U为：U＝2.06×10-10+7.07×10-10＝9.13×10-10J(焦耳)由记忆合金薄膜产生的最大能量为Wmax＝Wv·V，(其中Wv：为每单位体积的记忆合金薄膜所能发出的能量，J/m3。V：记忆合金薄膜的体积)。即
Wmax＝(10×106)·(200×200×1)
＝4×10-7J
当液滴的直径是100μm时，所需的能量
U＝3.85×10-9J
因此，由于Wmax＞＞U，所以可以获得所期望大小的液滴。即，记忆合金薄膜的发生力非常大，所以可以很容易地获得所期望的液滴。
下面对本发明的实例中的加热时间和消耗能量以及随残留压缩应力的位移量分析如下。在记忆合金薄膜12上接通电源、借由电阻而发热、因该热而引起相变、把25℃的记忆合金薄膜12加热到70℃，即达到变为母相相态为止的加热时间和能耗计算如下。
记忆合金薄膜的材质＝TiNi
记忆合金薄膜的长度(1)＝400μm
记忆合金薄膜的密度(ρs)＝6450kg/m3
温差变化量(ΔT)＝70-25＝45℃
热容量(Specific heat)(Cρ)＝230J/kg℃
记忆合金薄膜的电阻率(ρ)＝80μ·cm
施加电流(I)＝1.0A
记忆合金薄膜的宽(W)＝300μm
记忆合金薄膜的厚度(t)＝1.0μm
加热时间(th)th=ρsΔTCP(W·t)2ρ·I2=7.4μsec]]>
记忆合金薄膜的电阻R＝ρ(1/W·t)＝1.1Ω
耗电量(I2R)＝1.1watt
产生液滴所需能量为
加热时间×耗电量＝8.1μJ
因此，喷射记录液20使其产生液滴所需的能量约为8.1μJ，比起以前加热方式的20μJ，能耗降低了。
图12是表示本发明的记忆合金薄膜的加热时间与温度的曲线图，用于实验的物性使如下所示。
记忆合金薄膜12的厚度1μm，环境温度25℃。 记录液 空气记忆合金薄膜 (TiNi) 基片(Si)密度(kg/m3) 1000 1 6400 2330比热(J/kg·K) 4179 1000 230 890热传导系数 0.566 0.026 23 124
在25℃的环境温度下，加热到70℃变为母相以后，冷却到30℃的时间约为200μm左右，换算成振动次数约为5KHZ。也就是说打印头的工作频率为5KHZ左右。但是，变形完全结束温度(马氏体终结温度)约为45℃，所以不必等它冷却到30℃为止即可进行此前的再加热继续喷射记录液20，所以工作频率可以提高到5KHZ以上。工作频率越大打印速度越可提高。
下面，参照图13分析记忆合金薄膜因其自身残留压缩应力而产生的位移量及恢复力。
a＝b时 a＝200μm
记忆合金薄膜的材质 ＝TiNi
记忆合金薄膜的杨氏模量(Em) ＝30Gpa
记忆合金薄膜中残存的压缩应力 ＝30μPa
泊松比(Poisson’s ratio)(υ) ＝0.3
暴露在空间部分11的记忆合金薄膜的长度 ＝a
记忆合金薄膜的厚度 ＝hm
暴露在空间部分11的记忆合金薄膜的长度 ＝b
记忆合金薄膜的临界应力(Scr)为：Scr=4.38h2ma2Em1-v2---(1)]]>
因此，记忆合金薄膜的中心位移(δm)为δm=2.298hm(SScr-1)---(2)]]>δs＝6.2μm以及记忆合金薄膜翘曲(Buckling)所产生的全部能量(Um)Um=2500Dmh2m33a2(SScr-1)2Dm=Emh3m12(1-V2)]]>＝2.8×10-10j
喷射记录液以后，记忆合金薄膜翘曲时产生的全部能量转变为使记忆合金薄膜产生翘曲变形的恢复力(P)。恢复力的计算如下：
Um＝P·ΔV
容积差(ΔV)＝(δs·α2)/4＝6.2×10-14m3
恢复力(P)＝4.5kPa
假设由记忆合金薄膜翘曲而产生的全部容积差的1/2用来喷射记录液，可形成39μm的液滴。
对应于记忆合金薄膜的厚度与大小的位移量如下表所示，单位是μm。 a×b×hm 300×120×0.5 400×120×0.5 600×120×0.5 位移量 4.5 4.5 4 a×b×hm 300×150×0.5 400×150×0.5 600×150×0.5 位移量 5.7 5.7 5.7 a×b×hm 300×200×0.5 400×200×0.5 600×200×0.5 位移量 7.4 7.6 7.6 a×b×hm 300×120×1.0 400×120×1.0 600×120×1.0 位移量 4.0 4.0 4.0 a×b×hm 300×150×1.0 400×150×1.0 600×150×1.0 位移量 5.3 5.3 5.3 a×b×hm 300×200×1.0 400×200×1.0 600×200×1.0 位移量 7.1 7.4 7.4 a×b×hm 300×120×1.5 400×120×1.5 600×120×1.5 位移量 3.1 3.1 3.1 a×b×hm 300×150×1.5 400×150×1.5 600×150×1.5 位移量 4.6 4.6 4.6 a×b×hm 300×200×1.5 400×200×1.5 600×200×1.5 位移量 6.7 6.9 6.9
图14是本发明另外实例的喷射装置剖面图，与图3的构成要素相同，故使用同样符号说明本发明。本发明的另外实例是在基片10的下部具有流道板13和喷咀板18的装置，是任选了一种薄膜结合状态的例子。在基片10上备置了可形成贯通上下的空间部分11、结合在基片10上部覆盖住空间部分11的记忆合金薄膜12。同时备置了覆盖基片10下部的流道板13，在流道板13上对应于空间部分11形成了收纳记录液20的贮液室14。
另外，还有组合在流道板13下部的喷咀板18，在喷咀板18上形成了对应于在流道板13上形成的贮液室14的喷咀19。同时喷咀19对应于暴露在贮液室14侧的记忆合金薄膜12，当记忆合金薄膜12变形时，贮液室14的压力发生变化，记录液20就会呈液滴状通过喷咀被喷到纸上。
如此构成的本发明的另一实施例中具有与本发明主要实施例相同的记忆合金薄膜的构造。此时，记忆合金薄膜12因制造工艺不同而有单向性和双向性，会因随温度变化发生的相变化使它变形，在这个过程中，贮存在贮液室14及空间部分11内的记录液20通过喷咀19呈液滴状被喷到纸上。另外，本发明的另一实施例是采用在基片10上形成的空间部分11中收纳记录液20的方式，所以在基片10上很容易形成贮液室15和流道16。
如以上说明，根据本发明，随着能使记录液喷出的记忆合金薄膜温度的变化引起相态变化，在这过程中利用变形把记录液喷出。另外，由于记忆合金薄膜其位移量很大，所以在基片上形成的各个空间和在流道板上形成的各个贮液室可以做的很小，因此可以减小打印头的大小而使其做的很小，由于提高了喷咀的密集度，从而有利于达到高解象度。同时，由于其发生力很大，增加了记录液的挤出力，减少了喷咀的堵塞，提高了可靠性，而且可以获得十分小的记录液的液滴，有利于达到高的图象品质。另外，由于它的驱动电压为10伏以下，所以驱动电路的设计以及制作都很容易，由于用的是现有的半导体工艺和腐蚀上艺，可以把起到振动作用的记忆合金薄膜，在硅、玻璃、金属片的及聚合物等的基片上得以实现，因而提高了批量生产性、简化了构造等的效果。