(57)【要約】【課題】発熱体を有する物体を支持する支持部材に関し、発熱体による熱膨張を抑制してこの物体の位置を高精度に保持し、あわせて、コストを低減することのできる発熱体用支持部材を提供する。【解決手段】支持部材を、温度が６０℃以下の範囲において、少なくとも一つの方向に沿った線膨張係数が１０ｘ１０−６／Ｋ以下であり、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金に冷間圧延加工を施してなるものとする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を含む物体を支持する部材において、
少なくとも一つの方向に沿った線膨張係数が、６０℃以下の温度範囲において−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであり、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金に冷間圧延加工を施してなる発熱体用支持部材。
【請求項２】
前記形状記憶合金を、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ系、Ｎｉ−Ａｌ系のものとする請求項１に記載の発熱体用支持部材。
【請求項３】
組成がＺｎ：１２〜３０ａｔ％、Ａｌ：４〜１３ａｔ％、残部：Ｃｕの形状記憶合金に、６００〜７００℃の熱処理ならびに１００〜２００℃の熱処理をこの順に施し、その後、４〜１２％の圧延率で冷間圧延加工を施してなる請求項１〜２のいずれかに記載の発熱体用支持部材。
【請求項４】
前記冷間圧延加工において、一方向にだけ圧延してなる請求項１〜３のいずれかに記載の発熱体用支持部材。
【請求項５】
前記冷間圧延加工において、互いに直交する二方向に圧延してなる請求項１〜３のいずれかに記載の発熱体用支持部材。
【請求項６】
６０℃以下の温度範囲において、熱伝導率が、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜５のいずれかに記載の発熱体用支持部材。
【請求項７】
発熱体を含む前記物体の、セラミックスよりなる部分を、接着により支持する請求項１〜６のいずれかに記載の発熱体用支持部材。
【請求項８】
ヒータを内蔵したインクジェットノズル部を位置決め固定して支持するとともにカートリッジ駆動手段によって往復駆動される支持板を、請求項１〜７のいずれかに記載の発熱体用支持部材で構成してなるサーマルインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱体を有する物体を支持する部材、および、この支持部材をノズル組立体用支持板として用いたサーマルインクジェットプリンタに関し、特に、発熱体による温度上昇があっても寸法変化が小さく、かつ、安価な発熱体用支持部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のサーマルインクジェットプリンタの印刷ヘッドを示す部分断面図であり、図５は、図４の矢視Ｖ−Ｖに対応する平面図である。印刷ヘッド２０は、タイミングベルト２３により駆動され、ガイドシャフト２２に沿って往復変位するキャリッジ２１、キャリッジ２１に固定されて移動する位置決め枠体２８、位置決め枠体２８に一体化されて設けられた支持板２４、支持板２４に固定支持されるノズル組立体２５、支持板２４を挟んでノズル組立体２５を締結する放熱板２９、および、放熱板２９に固定されインクカートリッジ３３を保持するカートリッジホルダ３２を具える。
【０００３】
ノズル組立体２５は、インクを噴射する多数のノズル孔２６とそれぞれのノズル孔２６に対応して設けられたヒータ２７とを具え、ヒータ２７を瞬間的に加熱することによりインクを気化させその圧力で所定単位量のインクを噴射することができる。この印刷ヘッド２０を用いて紙Ｐに所定の印刷パターンで印刷するには、まず紙Ｐを停止させた状態で、指令された印刷パターンにしたがってそれぞれのインクを噴射させながら、キャリッジ２１をＴの方向に往復変位させた後、紙を所定ピッチだけ矢印Ｆの方向に送る。そして、このキャリッジ２１の往復変位と、所定ピッチの紙送りとを交互に繰り返すことにより所定のパターンの印刷を完了することができる（例えば、特許文献１。）。
【０００４】
ここで、高品位の印刷を行うためには、インクを噴射するときのノズル孔２６の位置を高精度に制御する必要があり、そのためには、タイミングベルト２３の高精度な駆動によりキャリッジ２１の位置決めをリアルタイムに正確に行うことはもちろんであるが、ノズル組立体２５に設けられ発熱体となる多数のヒータ２７からの熱伝導に起因する支持板２４の温度変化により支持板２４が伸縮することを防止する必要がある。なぜなら、支持板２４の寸法が温度変化によって変化した場合、この支持板２４と一体的に設けられた位置決め枠２８はキャリッジ２１に固定されているので、支持板２４の寸法変化は、キャリッジ２１をＴ方向およびＦ方向にそれぞれ伸縮させ、このとき、特に、キャリッジ２１とタイミングベルトとの接合点から遠い位置にあるノズル孔２６は温度変化の影響を大きく受け、所期した位置からずれてしまうということが起こってしまうからである。
【０００５】
このような問題に対処するため、従来のサーマルインクジェットプリンタにおいては、支持板２４の、ノズル組立体２５を取り付ける面と反対側の面に金属等よりなる熱伝導率の高い放熱板２９を設け、ノズル組立体２５を支持板２４に取り付けるためのボルト３１を熱伝導率の高い金属等の材料で構成しこれを支持板２４を貫通させて放熱板２９に取り付けることにより放熱性能を確保するとともに、ノズル組立体２５を直接支持する支持板２４を熱膨張率の小さなセラミック材料で構成するものとなっている。
【０００６】
すなわち、ノズル組立体２５の位置を温度変化により変化させないためには、支持部分の温度上昇に伴う寸法変化を抑えることが重要であり、以上に説明したサーマルインクジェットプリンタの例においては、支持板２４は低熱膨張率の材料で構成され、この条件を満足する材料として、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＣ等のセラミックスの焼結体が用いられる。
【０００７】
しかしながら、このセラミックスの焼結体は、焼結体であるが故に収縮によるワレが発生しやすいく、セラミックスの放熱板３１を高精度に仕上げるために多大の工数がかかる上、熱伝導率が小さいので放熱板３１を余計に設ける等、構造が複雑になるため、印刷ヘッド２０の全体コストを低減することが難しいという問題があり、熱膨張率の低い安価な材料が求められていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−０３４９０６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被支持物体が有する発熱体からの伝熱があっても寸法変化が小さく、かつ、安価な発熱体用支持部材を提供するとともに、このような発熱体用支持部材によりノズル組立体を支持するよう構成されたサーマルインクジェットプリンタを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明はなされたものであり、その要旨構成ならびに作用を以下に示す。
【００１１】
請求項１に記載の発熱体用支持部材は、発熱体を含む物体を支持する部材において、
少なくとも一つの方向に沿った線膨張係数が、６０℃以下の温度範囲において−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであり、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金に冷間圧延加工を施してなるものである。
【００１２】
請求項２に記載の支持部材は、請求項１に記載するところにおいて、前記形状記憶合金を、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ系、Ｎｉ−Ａｌ系とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の支持部材は、請求項１〜２のいずれかに記載するところにおいて、組成がＺｎ：１２〜３０ａｔ％、Ａｌ：４〜１３ａｔ％、残部：Ｃｕの形状記憶合金に、６００〜７００℃の熱処理ならびに１００〜２００℃の熱処理をこの順に施し、その後、４〜１２％の圧延率で冷間圧延加工を施してなるものである。
【００１４】
請求項４に記載の支持部材は、請求項１〜３のいずれかに記載するところにおいて、前記冷間圧延加工において、一方向にだけ圧延してなるものである。
【００１５】
請求項５に記載の支持部材は、請求項１〜３のいずれかに記載するところにおいて、前記冷間圧延加工において、互いに直交する二方向に圧延してなるものである。
【００１６】
請求項６に記載の支持部材は、請求項１〜５のいずれかに記載するところにおいて、６０℃以下の温度範囲において、熱伝導率が、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるものである。
【００１７】
請求項７に記載の支持部材は、請求項１〜６のいずれかに記載するところにおいて、発熱体を含む前記物体の、セラミックスよりなる部分を、接着により支持するものである。
【００１８】
請求項８に記載のサーマルインクジェットプリンタは、ヒータを内蔵したインクジェットノズル部を位置決め固定して支持するとともにカートリッジ駆動手段によって往復駆動される支持板を、請求項１〜７のいずれかに記載の発熱体用支持部材で構成してなるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１ないし図３に基づいて説明する。図１は、サーマルインクジェットプリンタの印刷ヘッドを示す部分断面図であり、図２は、図１の矢視ＩＩ−ＩＩに対応する平面図である。印刷ヘッド１０は、タイミングベルト３により駆動され、ガイドシャフト２に沿って往復変位するキャリッジ１、キャリッジ１に固定されて移動する位置決め枠体８、位置決め枠体８に一体的に設けられた支持板４、支持板４に接着等の手段により固定支持されるノズル組立体５、および、支持板４に固定されインクカートリッジ１３を保持するカートリッジホルダ１２を具える。
【００２０】
ノズル組立体５は、インクを噴射する多数のノズル孔６と、それぞれのノズル孔６に対応して設けられたヒータ７とを具え、ヒータ７を瞬間的に加熱することによりインクを気化させその圧力で所定単位量のインクを噴射することができる。この印刷ヘッド１０を用いて紙Ｐに所定の印刷パターンで印刷するには、まず紙Ｐを停止させた状態で、指令された印刷パターンにしたがってそれぞれのインクを噴射させながら、キャリッジ１をＴの方向に往復変位させた後、紙Ｐを所定ピッチだけ矢印Ｆの方向に送る。そして、このキャリッジ１の往復変位と、所定ピッチの紙送りとを交互に繰り返すことにより所定のパターンの印刷を完了することができる。
【００２１】
支持板４は、温度が６０℃以下の範囲において、少なくとも一つの方向に沿った線膨張係数が−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであり、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金に冷間圧延加工を施して構成されていて、この線膨張係数は、セラミックスの線膨張係数５〜１０ｘ１０−６／Ｋとほぼ同等の値を有するので、支持板４は、温度変化に対して、セラミックスよりなる従来の支持板と同等の寸法安定性を具えるものとなり、また、形状記憶合金は、これを安価に調達することができるので、コスト的にも有利なものとなる。
【００２２】
ここで、支持板４に用いる形状記憶合金は、熱弾性型マルテンサイト変態を生じるものであり、かつこれが冷間圧延加工されてなることが重要であり、形状記憶合金がこれらの特性を有することにより、前記の低い線膨張係数を実現させることができる。なかでも、安価なものとして、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ系、Ｎｉ−Ａｌ系の形状記憶合金を用いるのが好ましい。
【００２３】
Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系の形状記憶合金に関して、前記線膨張係数を得るプロセスは次の通りである。組成がＺｎ：１２〜３０ａｔ％、Ａｌ：４〜１３ａｔ％、残部：Ｃｕの形状記憶合金のインゴットを、例えば７００〜９００℃で熱間圧延して、所要の形状、この実施形態の場合は板状に加工する。そして、板状の形状記憶合金を、６００〜７００℃の温度に保持して第一の熱処理を施し、次いでこれを１００〜２００℃まで急冷したあとこの温度に保持して第二の熱処理を施す。このあと、第一、第二の熱処理を経てできた板状形状記憶合金に、４〜１２％の圧延率で冷間圧延加工を施すことにより寸法の安定した線膨張係数の小さな支持板４を得ることができる。
【００２４】
このようにして形成された形状記憶合金を用いることにより低い線膨張係数の支持板４を得ることができるが、その作用、理由について以下に説明する。熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金は、高温でのオーステナイト相が低温でマルテンサイト相になる合金であり、オーステナイト相は、β相と呼ばれ体心立方結晶構造をなし、また、マルテンサイト相は、単斜晶構造をなすものである。そして、このような形状記憶合金の温度を、マルテンサイト相よりなる状態から上昇させてゆくと、通常の線形的な熱膨張現象と並行して、マルテンサイト相からオーステナイト相への逆変態に伴う体積減少が発生するが、これはオーステナイト相がマルテンサイト相より密度が高いために発生するものであり、この体積減少は、通常の熱膨張を差し引きして実質の熱膨張を低下させ、あるいは通常の熱膨張に打ち勝って熱収縮を起こさせという結果をもたらす。
【００２５】
この逆変態が継続する温度範囲や、体積減少の程度は材料に依存するが、もし、この逆変態による体積減少が、広い温度範囲にわたって緩やかに起こり、その体積減少の程度が通常の熱膨張と見合う程度のものであるとするならば、この形状記憶合金は、広い温度範囲にわたって寸法変化が極めて小さいという特性を示し、支持板４に用いる材料として最適なものとなる。
【００２６】
以上のことを、図３を用いて具体的に説明する。図３（ａ）は、組成がＺｎ：２１．６ａｔ％、Ａｌ：１０．２  ａｔ％、残部：Ｃｕのインゴットを８００℃で熱間圧延したあと、６５０℃での第一の熱処理ならびに１５０℃での第二の熱処理をこの順に施し、その後、冷間圧延加工を施してできた形状記憶合金の、圧延した方向の伸びの温度変化を示したグラフである。この伸びは、所定温度（例えば２０℃とする）における長さＬとそれぞれの温度における長さＬ’から２０℃における長さＬを差し引いた差ΔＬをＬで割ったものであり、グラフ中、それぞれの曲線は下から順に、常温で圧延加工する際の圧延率を０％、１．５％、４％、９％、および１５％にして形成されたこの形状合金の伸びを示すものであり、合わせてこれらと比較するため、Ｎｉ：４０．５  ａｔ％、残部：Ｆｅの組成よりなる合金の伸び、および純銅の伸びも示した。
【００２７】
なお、縦軸は、それぞれの曲線の伸びの絶対数値ではなく、各曲線内の伸びの相対変化だけを示すものであり、縦軸には目盛りを付けずそのスケールだけを記載した。すなわち、それぞれの曲線の上下の絶対位置は意味をもたず、それらの傾き、もしくは傾きの変化だけが相互比較の対象となる。そして、曲線が水平、すなわち傾きがゼロであることはΔＬが温度に関わらず一定であること、すなわち線膨張係数がゼロで、寸法が安定していることを意味する。
【００２８】
図３（ａ）が示すように、圧延率が０％、すなわち何も外力を加えない状態の形状記憶合金Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌは、−２０℃付近で逆変態が発生するが、極めて狭い温度範囲でしか逆変態が継続しないので、熱膨張に伴う伸び増加の温度領域と逆変態に伴う伸びの温度領域とがはっきりわかれ、伸びが一定となる温度領域はほとんど存在しない。圧延率が１．５％、４％に増加すると、逆変態に伴う伸び（縮み）も大きくなるが、逆変態が継続する温度領域も拡がり、その結果、ΔＬが温度に関わらず一定となる温度領域も拡がる。
【００２９】
さらに、圧延率を９％にして冷間加工したものは、広い温度範囲にわたって緩やかな伸び減少を伴う逆変態が継続し、この温度範囲では、単位温度差当たりの伸び減少の量が通常の熱膨張とほぼ同程度となるので、差し引きに実質伸びは極めて小さいくゼロに近いものとなる。ところが、圧延率をさらに上げて１５％としたものは、逆変態に伴う伸び減少は極めて広い温度範囲で継続するものの、単位温度差当たりの伸び減少も無視できるほど小さくなり、実質の伸びの変化を小さなものにする効果はほとんど得られなくなってしまう。
【００３０】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した圧延率９％のものについて、線膨張係数を温度に対してプロットしたもの、つまり、図３（ａ）の曲線の勾配をプロットしたものであり、前記６０℃までの温度範囲において、この合金の線膨張係数は、−３ｘ１０−６〜６ｘ１０−６／Ｋの範囲にあるので、支持板４が具えなければならない、−６０℃以下の温度範囲で線膨張係数−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであるという条件を十分満足することができる。
【００３１】
そして、以上の説明から分かるように、冷間圧延加工の際の圧延率を所定の範囲に限定することにより、広い温度範囲で小さい線膨張係数を担持することのできる形状記憶合金を得ることができる。より具体的には、６０℃以下の温度範囲で線膨張係数−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであるという条件を満足させる圧延率は４〜１２％であり、この範囲外の圧延率では、線膨張係数の条件を満足することができない可能性がある。なお、上記のことを記載した参照文献としては以下のものがある。
Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ８０  ［２３］  （２００２−６−１０）  （米）  ｐ．４３４８−４３５０
【００３２】
以上の説明においては、圧延方向を一方向とし、圧延率を適切に選択することにより、形状記憶合金の、この方向の線膨張係数を小さくすることができることを説明したが、冷間圧延加工を互いに直交する二方向に施すことにより、この両方向を含む面内のどの方向にも低い線膨張係数をもつ形状記憶合金を得ることができる。
【００３３】
ここで、形状記憶合金が広い温度範囲にわたって逆変態を起すためには、高温において形状記憶合金がオーステナイト相の単相よりなっていることが前提であり、この前提条件が満たされないと、温度上昇に伴う十分な体積減少効果を得ることができない。Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系の形状記憶合金において、組成比率をＺｎ：１２〜３０ａｔ％、Ａｌ：４〜１３ａｔ％、残部：Ｃｕが好ましいが、これは、これ以外の比率ではオーステナイト相単相を得ることができないためであり、また、オーステナイト相単相を得るため、この合金を固溶化して６００〜７００℃に保持する第一の熱処理を行うが、このときの処理温度範囲がこれ以外のものであるとすると、完全なオーステナイト相単相が得られない可能性が生じて好ましくない。
【００３４】
そして、この合金は、通常このような高い温度で使われることはないので、この温度で形成されたオーステナイト相単相が、通常の使用温度範囲、例えば６０℃以下の温度でも保持される必要があり、そのため、形状記憶合金を第一の熱処理温度から、オーステナイト相単相が変化しないよう１００〜２００℃まで急冷してこの温度に所定時間保持するのが好ましい。１００〜２００℃に保持するのが第二の熱処理であるが、温度が２００℃を越えると、オーステナイト相以外の相が形成される可能性があり、また、１００℃未満であると、内部応力が残り、オーステナイト相単相を安定化することが難しい。
【００３５】
さらに、支持板４の熱伝導率を、８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とするの好ましく、このことにより、発熱体であるヒータ７を有するノズル組立体５からの熱を、特別な放熱板を設けることなく効率よく放熱することができ、印刷ヘッド全体を簡素な構造にしてコストの低減するとともに、支持板４の温度上昇を抑え印刷ヘッドの位置精度を向上させることができる。ちなみに従来のセラミックスよりなる支持板の熱伝導率は、通常１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、したがって本発明における支持板４は、放熱性能を大幅に改善することができる。
【００３６】
なお、本実施形態において、支持板４は一層構造としたが、製作の都合上、あるいは既存商品との構造の互換性等の理由により複数の層より構成することもでき、その場合、いずれの層も、６０℃以下の温度範囲で、熱伝導率が線膨張係数が−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであることが必要である。
【００３７】
また、ノズル組立体５はそのセラミックスよりなる部分を接着接合により支持板４に支持されているが、このような場合、支持部材が、被支持物体の接着接合関与部分と同程度の熱膨張率を有することが、接着剥離を起こさないためには重要であり、本実施形態の支持板４は、前述のようにセラミックスと同程度の線膨張係数を具えるので、接着接合関与部分がセラミックスであるノズル組立体５との剥離を発生させることはなく有利なものとなる。なおここで、純粋のＳｉも、セラミックスの一種類としてこれに含まれるものとする。
【００３８】
以上の実施形態で示したサーマルインクジェットプリンタの印刷ヘッドにおける支持板４は、本発明の支持部材の一つの実施態様を示すものであり、この態様以外にも、例えば、スクリーン上に像を写すためのプロジェクタのランプを支持する支持部材など、高い放熱作用と、高温になっても寸法変化が小さいこととが要求される用途にこれを用いて効果をあげることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、支持板４は、温度が
６０℃以下の範囲において、少なくとも一つの方向に沿った線膨張係数が−１０ｘ１０−６〜１０ｘ１０−６／Ｋであり、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金に冷間圧延加工を施してなるので、支持板４が支持するノズル組立体５に設けられたヒータ７からの熱の影響を抑制してその寸度変化を小さいものとし、このことによりプリンタの印刷精度を高いものとすることができ、あわせて、支持板４、ひいては印刷ヘッド１０のコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る、サーマルインクジェットプリンタの印刷ヘッドを示す部分断面図である。
【図２】図１の矢視ＩＩ−ＩＩに対応する平面図である。
【図３】形状記憶合金の伸びおよび線膨張係数の温度依存性を示すグラフである。
【図４】従来のサーマルインクジェットプリンタの印刷ヘッドを示す部分断面図である。
【図５】図４の矢視Ｖ−Ｖに対応する平面図である。
【符号の説明】
１  キャリッジ
２  ガイドシャフト
３  タイミングベルト
４  支持板
５  ノズル組立体
６  ノズル孔
７  ヒータ
８  位置決め枠体
１０  印刷ヘッド
１２  カートリッジホルダ
１３  インクカートリッジ
Ｐ  紙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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