JP2003260696A

JP2003260696A - サーマルアクチュエータ

Info

Publication number: JP2003260696A
Application number: JP2003005957A
Authority: JP
Inventors: John Andrew Lebens; アンドリューレーベンスジョン; Antonio Cabal; キャべルアントニオ; David Stewart Ross; スチュワートロスデービッド
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2003-09-16
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: DE60305985T2; JP4531336B2; US20030137560A1; EP1329319B1; US6631979B2; EP1329319A1; DE60305985D1

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない入力エネルギーで動作し、かつ、動作
温度の低い熱機械アクチュエータを提供する。【解決手段】長さＬの、作動前に、第一の位置に静止
しているカンチレバー素子を有する。カンチレバー素子
は長さＬ_H（ただし、０．３Ｌ≦Ｌ_H≦０．７Ｌ）のチタ
ンアルミナイド等の電気抵抗材料で構成された層を有す
る。カンチレバー素子は、第一層に接着され、低い熱膨
張率を有する誘電材料で構成された第二層を有する。均
一抵抗部に電気パルスを印加して抵抗加熱を発生させ、
第一層の均一抵抗部が第二層に対して熱膨張し、第二の
位置にたわみ、その後、温度が下がると、第一の位置に
復帰する。第一層は、ほぼカンチレバー素子の長さ全体
にわたって延び、均一抵抗部は、この材料の中央スロッ
トをカンチレバー素子の長さの一部から除去することに
よって形成される。均一抵抗部を、長さＬ_H（ただし、
０．３Ｌ＜Ｌ_H＜０．７Ｌ）となるよう形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に超小型電気機
械デバイスに関し、より詳しくは、インクジェットデバ
イスおよびその他液滴放出器(リキッド・ドロップ・エ
ミッタ: liquiddrop emitter)に使用する超小型電気
機械サーマルアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍ
ｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓ
ｙｓｔｅｍｓ）は、比較的新しく開発されたものであ
る。このＭＥＭＳはアクチュエータ、バルブ、位置決め
器となる従来の電気機械デバイスに代わるものとして使
用されている。超小型電気機械デバイスは、マイクロエ
レクトロニクス（半導体シリコン集積回路）の製造技術
を使用しているため、低コストとなる可能性がある。ま
た、ＭＥＭＳデバイスの規模の小ささから、新たな用途
も見出されつつある。

【０００３】ＭＥＭＳテクノロジーの多くの用途におい
て、その装置において必要な運動を提供するために、サ
ーマルアクチュエータが利用されている。たとえば、多
くのアクチュエータ、バルブ、位置決め器はその動作の
ためにサーマルアクチュエータを使用する。一部の用途
では、パルス化された動作が必要とされる。たとえば、
アクチュエータが第一の位置から第二の位置に高速で移
動し、その後第一の位置に復帰するという動作を利用
し、液体に圧力パルスを発生させる、あるいはアクチュ
エーションパルス１個につき、メカニズムを位置または
回転を１単位ずつ進める。ドロップ・オン・デマンド型
の液滴放出器は、個々に分離された圧力パルスを使っ
て、ノズルから個別の量の液体を排出させる。

【０００４】ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ：Ｄｒ
ｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）型液体放出デバイスは、イ
ンクジェット印刷システムにおけるインク印刷デバイス
として知られている。初期のデバイスは、圧電アクチュ
エータに基づくものであった（例えば、特許文献１、２
参照。）。

【０００５】現在人気の高いインクジェット印刷形態で
あるサーマルインクジェット（または「バブルジェット
（登録商標）」）式では、電気抵抗ヒータを使って蒸気
の泡を発生させ、これによって液滴を放出させている
（例えば、特許文献３参照。）。

【０００６】電気抵抗ヒータによるアクチュエータは、
開発の進んだマイクロエレクトロニクスのプロセスを使
用して製造されるため、圧電式アクチュエータと比較
し、製造コストの面で有利である。その一方で、サーマ
ルインクジェット液滴放出メカニズムには、気化可能な
成分を含むインクが必要であり、インクの温度が局所的
にこの成分の沸点より高くなる。このような高温下にさ
らされるため、サーマルインクジェットデバイスによっ
て確実に放出されるインクその他の液体の調合は極めて
限定される。圧電式に作動されるデバイスは、液体を機
械的に加圧するため、噴射できる液体にそうした厳しい
制限は無い。

【０００７】インクジェットデバイスの供給者がこれま
でに実現した利用可能性、コストおよび技術的パフォー
マンスの改善により、液体の微量測定を必要とする他の
用途にそうしたデバイスを利用することに対する関心が
深まった。このような新たな用途の例には、微量分析化
学薬品用の特殊化学薬品の供給（例えば、特許文献４参
照。）、電子デバイス製造用被膜剤の供給（例えば、特
許文献５参照。）、薬剤吸入療法用微小滴供給がある
（例えば、特許文献６参照。）。

【０００８】最高品質の画像印刷だけでなく、液体供給
が超微量の液滴の単独放出、正確な位置付けとタイミン
グ、微細なインクリメントを必要とする新たな用途にと
っても、要求に応じてさまざまな液体の微量小滴を放出
することのできるデバイスや方法が必要とされる。

【０００９】さまざまな調合の液体に使用できる、低コ
ストの微量小滴放出方法が必要とされている。それには
サーマルインクジェットシステムに使用されるマイクロ
エレクトロニクス製造技術の利点と、圧電機械デバイス
に利用できる幅広い液体組成物とを組み合わせた装置と
方法が必要である。

【００１０】サーモメカニカルアクチュエータを利用す
るＤＯＤインクジェットデバイスのアクチュエータは、
インクジェットチャンバの中で移動可能な二層カンチレ
バーとして構成される。抵抗器によってビームが加熱さ
れ、２つの層の熱膨張率の違いにより、これが湾曲す
る。ビームの自由端が移動してノズルのインクを加圧
し、液滴が放出される（特許文献７参照。）。

【００１１】最近、同様の熱機械ＤＯＤインクジェット
システムの構成が、開示されている（例えば、特許文献
８、９、１０、１１参照。）。

【００１２】マイクロエレクトロニクスのプロセスを使
って熱機械インクジェットデバイスを製造する方法も開
示されている（例えば、特許文献１２、１３、１４参
照。）。

【００１３】熱機械式で作動する液滴放出器は、マイク
ロエレクトロニクスの材料と機器を使って大量生産で
き、サーマルインクジェットデバイスでは信頼性が低下
してしまう液体を使って操作できるため、低コストのデ
バイスとして大きな将来性がある。しかしながら、サー
マルアクチュエータ式の液滴放出器を高い滴下反復頻度
で作動させる場合、温度の上昇に注意しなければならな
い。液滴生成は、ノズル部分の液体内に圧力衝撃を作る
ことに依存している。放出デバイス、熱機械アクチュエ
ータそのもののベースライン（基底状態時）温度が大き
く上昇すると、デバイスの材料と作用液体そのものの許
容動作温度限度を超え、有効なアクチュエータ移動の一
部に対するシステム制御が失われる。熱機械アクチュエ
ータ内の熱を管理し、そのデバイスの生産性を最大限に
する熱機械ＤＯＤ放出器の作動装置と作動方法が必要で
ある。

【００１４】熱機械アクチュエータの有益な設計は、一
端がデバイス構造に固定され、自由端がビームに垂直に
たわむカンチレバービームである。このたわみは、ビー
ムの熱膨張勾配を垂直方向に設定することによって発生
する。この膨張勾配は、ビームを形成する層の温度勾配
または実際の材料の違いによって発生する。熱膨張勾配
を素早く確立し、その後これをやはり素早く散逸させ、
アクチュエータが当初の位置に復帰できることは、パル
ス式サーマルアクチュエータにとって望ましい。入力エ
ネルギーの削減は、散逸しなければならない使用済み熱
エネルギーの量が減ることになるため、アクチュエータ
の復帰に役立つ。

【００１５】サーマルアクチュエーションの反復頻度
は、これを利用するデバイスの生産性にとって重要であ
る。たとえば、サーマルアクチュエータＤＯＤインクジ
ェット印字ヘッドの印字速度は液滴反復頻度に依存し、
液滴反復頻度は、サーマルアクチュエータをリセットす
るのに必要な時間に依存する。少ない入力エネルギーと
高い許容ピーク温度で動作できるカンチレバー素子を用
いたサーマルアクチュエータは、高い頻度で動作し、Ｍ
ＥＭＳ製造方法を使って製造できるシステムを構築する
のに必要となる。

【００１６】

【特許文献１】米国特許第３，９４６，３９８号明細書

【特許文献２】米国特許第３，７４７，１２０号明細書

【特許文献３】米国特許第４，２９６，４２１号明細書

【特許文献４】米国特許第５，５９９，６９５号明細書

【特許文献５】米国特許第５，９０２，６４８号明細書

【特許文献６】米国特許第５，７７１，８８２号明細書

【特許文献７】特開平２−３０５４３公報

【特許文献８】米国特許第６，０６７，７９７号明細書

【特許文献９】米国特許第６，０８７，６３８号明細書

【特許文献１０】米国特許第６，２３９，８２１号明細
書

【特許文献１１】米国特許第６，２４３，１１３号明細
書

【特許文献１２】米国特許第６，１８０，４２７号明細
書

【特許文献１３】米国特許第６，２５４，７９３号明細
書

【特許文献１４】米国特許第６，２７４，０５６号明細
書

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、入力エネルギーを削減し、過剰な許容ピーク温度を
必要としない熱機械アクチュエータを提供することであ
る。

【００１８】また、本発明の目的は、作用液体に損傷を
与えないピーク温度で動作するエネルギー効率のよい熱
機械カンチレバーによって作動する液滴放出器を提供す
ることでもある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記およびその他の本発
明の特徴、目的、利点は、本明細書による詳細な説明、
特許請求範囲および図面から容易に明らかになる。これ
らの特徴、目的、利点は、基部素子と、基部素子から長
さＬだけ延び、作動前の平常時は第一の位置に安定する
カンチレバー素子を備える超小型電気機械デバイス用サ
ーマルアクチュエータを構成することによって実現され
る。カンチレバー素子は、基部素子から長さＬ_H（０．
３Ｌ≦Ｌ_H≦０．７Ｌ）だけ延びる均一な抵抗部分を持
つようパターニングされた、チタンアルミナイド等、電
気抵抗を有する材料で構成された第一層を有する。カン
チレバー素子は、第一層に付着された、熱膨張率が第一
層より低い誘電材料で構成される第二層を有する。均一
な抵抗部分に接続された一対の電極により、電気パルス
を印加してジュール熱を発生させ、その結果、第二層に
対して相対的に第一層の均一な抵抗部分が熱膨張し、カ
ンチレバー素子が第二の位置へとたわみ、電気パルス通
過後は均一な抵抗部分から熱が伝達され、温度が低下す
ると、カンチレバー素子は第一の位置に復帰する。第一
層は好ましくは、カンチレバー素子の長さとほぼ同じだ
け延び、均一な抵抗部分は好ましくは、カンチレバー素
子の長さの一部からこの材料の中央スロットを除去する
ことによって形成される。均一な抵抗部分を長さＬ
_H（０３Ｌ＜Ｌ_H＜０．７Ｌ）となるよう形成することに
より、動作に必要な入力エネルギーが削減でき、しかも
動作温度の過剰な上昇を防止できる。

【００２０】本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷用印
字ヘッドに使用される液滴放出器のためのサーモアクチ
ュエータとして特に有益である。この好ましい実施形態
において、サーマルアクチュエータは、液体を放出する
ためのノズルを有し、液体が充満したチャンバの中に設
置される。サーマルアクチュエータはチャンバの壁から
延びるカンチレバー素子を有し、その自由端はノズルに
近い第一の位置に安定している。カンチレバー素子への
熱パルスの印加により、自由端がノズルから液体を押し
出す。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明は、特定の好ましい実施形
態を参照しながら詳細に説明されるが、本発明の範囲内
で変更や改造が可能である。

【００２２】以下に詳細に説明するように、本発明はサ
ーマルアクチュエータおよびドロップ・オン・デマンド
液体放出デバイス用の装置を提供する。このようなデバ
イスの最も一般的なものは、インクジェット印刷システ
ムの印字ヘッドとして使用される。インクジェット印字
ヘッドと同様であるが、インク以外の、精密に計量し、
高い空間精度で着弾させる必要のある液体を放出するデ
バイスを利用する用途はその他にも数多く出現してい
る。インクジェットと液滴放出器という用語は、本明細
書において互換的に使用される。以下に説明する発明
は、エネルギー効率と液滴放出の生産性を改善する熱機
械アクチュエータに基づく液滴放出器を提供する。

【００２３】まず図１を見ると、本発明による装置を使
用し、本発明に従って操作できるインクジェット印刷シ
ステムの略図が示されている。このシステムは、画像デ
ータ発生源４００を有し、これが送信する信号をコント
ローラ３００が印刷用液滴へのコマンドとして受信す
る。コントローラ３００は、電気パルス発生源２００に
信号を出力する。パルス発生源２００は、インクジェッ
ト印字ヘッド１００内の各熱機械アクチュエータ１５と
関連する電気抵抗手段に印加される電気エネルギーパル
スで構成される電圧信号を発生する。電気エネルギーパ
ルスは、熱機械アクチュエータ１５（以下、「サーマル
アクチュエータ」と呼ぶ）を素早く湾曲させ、ノズル３
０内のインク６０に圧力をかけ、インク小滴５０を放出
し、これがレシーバ５００に着弾する。本発明は、ほぼ
同じ体積と速度、つまり公称値＋／−２０％の範囲の体
積と速度を持つ小滴の放出を実現する。液滴放出器の中
には、主要小滴と、その後を追う非常に小さな、衛星小
滴（サテライトドロップ: satellite drop）と呼ばれる
小滴を放出するものもある。本発明は、用途の全体的目
的、たとえば画像画素の印刷または液体のインクリメン
トの微量供給を実現する中で、このような衛星小滴を主
要小滴の一部と考える。

【００２４】図２は、インクジェット印字ヘッド１００
の一部の平面図である。熱によって作動されるインクジ
ェットユニットのアレイ１００は、中央に整列されたノ
ズル３０と、相互に噛み合う形の２列のインクチャンバ
１２を有する。インクジェットユニット１００は、マイ
クロエレクトロニクスによる製造方法を使い、基板１０
上およびその中に形成される。液滴放出器１１０を形成
するのに使用できる製造シーケンスの一例は、本発明と
同じ譲受人に譲渡された、２０００年１１月３０日出願
の同時係属中の米国特許第０９／７２６，９４５号、
「サーマルアクチュエータ」に記載されている。

【００２５】各液滴放出ユニット１１０は関連する電気
リードコンタクト４２，４４を有し、これは図２におい
て破線で示される電気的な均一抵抗部２５とともに形成
され、あるいはこれに電気的に接続されている。図の実
施形態において、均一抵抗部２５はサーマルアクチュエ
ータ１５の偏向層の中に形成され、後述するように、熱
機械効果に貢献する。印字ヘッド１００の素子８０は、
マイクロエレクトロニクスによる基板１０および液体供
給、電気信号、機械的インタフェース機能を相互接続す
るためのその他の手段を取り付けるための表面を提供す
る取付構造である。

【００２６】図３はひとつの液滴放出ユニット１１０の
平面図であり、第二の平面図である図４ではノズル３０
を含めた液体チャンバカバー２８が取り外されている。

【００２７】図３に破線で示されるサーマルアクチュエ
ータ１５は、図４においては実線で示されている。サー
マルアクチュエータ１５のカンチレバー素子２０は、基
板１０の中に形成された液体チャンバ１２の端部１４か
ら延びる。カンチレバー素子アンカー部２６は、基板１
０に結合され、カンチレバーを固定する。

【００２８】アクチュエータのカンチレバー素子２０は
櫂の形状であり、長い平坦なシャフトの終端にシャフト
の幅より大きな直径のディスクがある。この形状は使用
可能なカンチレバーアクチュエータの一例に過ぎず、こ
れ以外にも多くの形状が使用できる。櫂の形状で、ノズ
ル３０がカンチレバー素子の自由端部２７の中心と一列
に並ぶ。液体チャンバ１２は１６で曲線状の壁部を有
し、これは自由端部２７の曲率とほぼ一致し、アクチュ
エータが移動できる間隙ができるよう空間が設けられて
いる。

【００２９】図４は、電気パルス発生源２００を相互接
続端子４２，４４で電気抵抗ヒータ２５に取り付けた様
子を図式的に示す。電圧が電圧端子４２，４４に印加さ
れ、Ｕ字型抵抗器２５を通じて抵抗加熱が発生する。こ
れは一般に、電流Ｉを示す矢印によって示される。図
３，図４の平面図において、アクチュエータの自由端部
２７はパルスを受けると、図を見ている人の方向に移動
し、カバー２８のノズル３０から液滴が図を見ている人
に向かって放出される。この操作と液滴放出の幾何学
は、多くのインクジェットに関する開示文献の中で「ル
ーフシュータ」と呼ばれる。

【００３０】図５，図６は、本発明の好ましい実施形態
によるカンチレバーサーマルアクチュエータ１５の側面
図である。図５において、アクチュエータは第一の位置
にあり、図６では上方にたわみ、第二の位置にある。カ
ンチレバー素子２０は、基部素子１０のアンカー部１４
から長さＬだけ延びる。カンチレバー素子２０は複数の
層で構成される。第一層２２はたわみ層で、カンチレバ
ー素子２０内の他の層に関して熱によって伸長した時に
上方にたわませる。これは熱膨張率の大きい電気抵抗材
料、好ましくはチタンアルミナイド合金で構成される。
第一層２２の厚さはｈ₁である。

【００３１】カンチレバー素子２０はまた、第一層２２
に接着された第二層２３を有する。第二層２３は第一層
２２の構成に使用された材料に関して低い熱膨張率を有
する材料で構成される。第二層２３の厚さは、所与の熱
エネルギー入力について、所望の機械的剛性を得て、カ
ンチレバー素子のたわみを最大限にするよう選択され
る。第二層２３は、第一層に形成された抵抗加熱素子を
電気的に絶縁する誘電絶縁体でもあってもよい。第二層
は、第一層２２の一部として形成される電気抵抗器を部
分的に定めるのに使用してもよい。第二層の厚さはｈ₂
である。

【００３２】第二層２３は、熱流管理、電気的絶縁、カ
ンチレバー素子２０の層の強力な結合の機能を最適化す
るように、複数の材料によるサブレイヤ、積層で構成し
てもよい。

【００３３】図４に示されるパッシベーション（表面安
定化処理）層２１は、第一層２２を化学的、電気的に保
護するために設けられている。この保護は、本発明によ
るサーマルアクチュエータの用途によっては不要なもの
もあるため、その場合は省くことができる。作用液体が
ひとつまたは複数の表面に接触するサーマルアクチュエ
ータを利用する液滴放出器は、作用液体に対して化学
的、電気的に不活性なパッシベーション層２１が必要と
なる。

【００３４】熱パルスが第一層２２に印加されると、こ
れによって第一層の温度が上昇し、伸長する。第二層２
３は、熱膨張率が低いことおよび第一層２２から第二層
２３に熱が拡散するまでに時間がかかるので、第一層２
２ほど伸長しない。第一層２２と第二層２３の長さの違
いにより、図６に示すように、カンチレバー素子２０は
上方に湾曲する。液滴放出器のアクチュエータとして使
用された場合、カンチレバー素子２０の湾曲応答は、ノ
ズルの液体を十分に加圧できるよう急速でなければなら
ない。一般的には、電気抵抗加熱装置を使って熱パルス
を印加する。使用されるパルスの持続時間は１０μ秒未
満、好ましくは４μ秒未満である。

【００３５】図７から図１３は、本発明の好ましい実施
形態のいくつかによる単独液滴放出器を構成するための
製造工程を示す。これらの実施形態について、第一層２
２は、チタンアルミナイド等、電気抵抗材料を使って構
成され、電流Ｉを流すための部分を抵抗器にパターニン
グする。図７は、製造の第一段階におけるカンチレバー
の第一層２２を示す。図の構造は、一般的なマイクロエ
レクトロニクスの蒸着およびパターニング方法により、
たとえば単結晶シリコン等の基板１０の上に形成され
る。基板１０の一部は、そこからカンチレバー素子２０
が延びることになる基部素子ともなる。チタンアルミナ
イド合金の蒸着は、たとえばＲＦまたはパルスＤＣマグ
ネトロンスパッタリング等によって行うことができる。
チタンアルミナイドに使用できる蒸着プロセスの一例
は、本発明と同じ譲受人に譲渡された、２０００年１１
月３０日出願の同時係属中の米国特許第０９／７２６，
９４５号に記載されている。

【００３６】第一層２２の厚さはｈ₁である。均一な抵
抗部２５は、層材料のパターンを除去することにより、
第一層２２の中にパターニングされる。電流経路は矢印
と文字Ｉによって示される。図では、アドレス用電気リ
ード４２，４４も、第一層２２の材料の中に形成されて
いる。リード４２，４４は、基部素子基板１０の中にす
でに形成された回路と接触しても、あるいはテープ自動
ボンディング（ＴＡＢ）またはワイヤボンディング等、
他の一般的な電気的相互接続方法によって外部から接触
してもよい。パッシベーション層２１は基板１０の上
に、第一層２２の材料を蒸着、パターニングする前に形
成する。このパッシベーション層は第一層２２およびそ
の他の後続構造の下に残しても、その後のパターニング
プロセスにおいて除去してもよい。

【００３７】図８は、先に形成されたサーマルアクチュ
エータの第一層２２の上に蒸着され、パターニングされ
た第二層２３を示す。均一抵抗部２５（図８では示され
ず）は、第一層２２の電気抵抗材料を除去し、抵抗パタ
ーンを残すことによって形成された。第二層２３は、残
りの抵抗パターンを覆う第一層２２の上に形成される。
第二層２３の厚さはｈ₂である。第二層２３の材料は、
第一層２２の材料より熱膨張率が低い。たとえば、第二
層２３は二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニ
ウムまたはこれらの材料等を何層か重ねたものでよい。

【００３８】この段階で、第二層２３の上に化学的、電
気的保護のためのパッシベーション材料を追加すること
ができる。また、当初のパッシベーション層２１におい
て、基板１０にエッチングで形成される開口部から液体
が通過する部分がパターニングによって除去される。

【００３９】図９は、液滴放出器のチャンバの内側の形
状に形成される犠牲層２９を追加した図である。ポリイ
ミドがデバイス基板に、図８に示す第一層２２と第二層
２３の位相幾何学を有する表面を平面化するのに十分な
深さで設置される。犠牲層２９の材料については、隣接
する材料に関して選択的に除去することのできるもので
あれば、何でも使用できる。

【００４０】図１０は、犠牲層構造２９の上に、プラズ
マ蒸着酸化シリコン、窒化シリコンその他等、絶縁保護
材料を蒸着することによって形成される液滴放出器のチ
ャンバウォールとカバーを示す。この層のパターニング
により、液滴放出器のチャンバ２８が形成される。ノズ
ル３０が液滴放出器のチャンバの中に形成され、製造シ
ーケンスのこの段階で液滴放出器のチャンバ２８の中に
残る犠牲材層２９と連絡する。

【００４１】図１１，１２は、図１０のＡ−Ａで切断し
たデバイスの断面側面図である。図１１において、犠牲
層２９は、ノズルの開口部３０を除き、液滴放出器のチ
ャンバウォール２８の中に囲み込まれる。図１１から、
基板１０には何も施されていないことがわかる。パッシ
ベーション層２１が基板１０の表面のギャップ領域１３
とカンチレバー素子２０の周辺から除去されている。こ
れらの部分の層２１の除去は、犠牲構造２９を形成する
前の製造段階で行われた。

【００４２】図１２において、基板１０はカンチレバー
素子２０およびカンチレバー素子２０の周辺および横の
液体チャンバ領域の下から除去される。この除去は、反
応イオンエッチング等、あるいは使用される基板が単結
晶シリコンの場合は方向依存エッチング等の異方性エッ
チングによって行うことができる。サーマルアクチュエ
ータだけを構成する場合は、犠牲構造と液体チャンバの
ステップは不要となり、基板１０をエッチングで除去す
るこのステップは、カンチレバー素子２０を解放するた
めに使用することができる。

【００４３】図１３において、犠牲材層２９は、酸素お
よびフッ素発生源を使ったドライエッチングによって除
去された。エッチングガスはノズル３０を通じて、基板
１０から先にエッチングされ、新たに開けられた液体供
給チャンバ領域１２から入る。このステップにより、カ
ンチレバー素子２０は解放され、液滴放出器構造の製造
が完成する。

【００４４】図１４から１５は、本発明の好ましい実施
形態による液滴放出器構造の側面図である。図１４は、
ノズル３０に近い第一の位置にあるカンチレバー素子２
０を示す。図１５は、カンチレバー素子２０の自由端２
７がノズル３０に向かってたわむ様子を示す。カンチレ
バー素子がこの第二の位置に急速にたわむことにより、
液体６０を加圧し、液滴５０が放出される。

【００４５】図に示された種類のカンチレバー素子を有
する動作中の放出器において、静止位置である第一の位
置は、図１４に示されるような水平位置より、カンチレ
バー２０が部分的に曲がった状態となる場合もある。ア
クチュエータは、ひとつまたは複数のマイクロエレクト
ロニクスによる蒸着または硬化プロセスを実行した後に
残る内部ストレスによって、室温で上下いずれかに湾曲
する可能性がある。デバイスは、温度管理のためのデザ
インおよびインク特性の制御をはじめとするさまざまな
目的のために、温度を上昇させて操作される場合もあ
る。その場合、第一の位置は図１５に示されているよう
に、実質的に湾曲していることがある。

【００４６】明細書における本発明の説明においては、
カンチレバー素子は自由端が湾曲した位置に大きく変化
しない場合、静止している、あるいは第一の位置にある
と言う。理解しやすさを期すために、第一の位置は図５
および図１４において水平に描かれている。しかしなが
ら、湾曲している第一の位置に関するサーマルアクチュ
エータの動作は本発明の発明者によって知られ、予想さ
れ、完全に本発明の範囲に入る。

【００４７】図７から図１３は好ましい製造シーケンス
（工程）を説明している。しかしながら、周知のマイク
ロエレクトロニクスによる製造プロセスと材料を使い、
これ以外にも多くの構成アプローチを採用できる。本発
明の目的のために、第一層２２と第二層２３を有するカ
ンチレバー素子が得られるのであれば、どのような製造
アプローチでも採用できる。さらに、図７から図１３に
示されたシーケンスにおいて、液滴放出器の液体チャン
バ２８とノズル３０は基板１０上に形成された。これに
代わり、サーマルアクチュエータを別に構成し、液体チ
ャンバコンポーネントに結合して液滴放出器を形成して
もよい。

【００４８】本発明の発明者は、カンチレバーサーマル
アクチュエータのエネルギー効率を、たわみ層である第
一層２２の一部だけを加熱することによって改善するこ
とを発見した。第一層２２を構成するために使用される
電気抵抗材料は、カンチレバー素子の長さＬの一部だけ
について延びる均一抵抗部２５を有するようパターニン
グすることができる。図１６，１７は、このコンセプト
を説明するものである。図１６は、図７に示したパター
ニング済みの第一層２２の透視図である。第一層２２の
電気抵抗材料は、材料の中央スロット２４を除去するこ
とにより、Ｕ字型抵抗器にパターニングされる。図１６
において、均一な抵抗部２５はＬ_H、つまりカンチレバ
ー素子の全長Ｌだけ延びる。つまり、Ｌ_H＝Ｌである。

【００４９】図１７において、第一層２２は、カンチレ
バー素子の全長Ｌより短い距離Ｌ_Hだけ伸びる均一な抵
抗部２５を持つようパターニングされる。つまり、Ｌ_H
＜Ｌである。第一層２２は、点線によって３つの部分に
分けて描かれている。つまり、自由端部２７、均一抵抗
部２５、固定端部２６である。電気入力パッド４２，４
４は、固定端部２６に形成される。

【００５０】図１７に示されるデザインの第一層２２を
有するカンチレバー素子によるアクチュエータを操作す
る際、均一抵抗部２５の長さＬ_H全体について、ほぼ均
一に加熱される。均一抵抗部２５の第一層２２は、第二
層２３に関して伸張し（図１７では示さず）、これによ
ってカンチレバー素子は第一層２２から遠ざかる方向に
湾曲する。第一層２２の自由端２７は均一抵抗部２５に
固定されているため、自由端２７もまた湾曲する。自由
端２７はレバーアームのように動作し、直接加熱される
均一抵抗部２５において発生するたわみ量を拡大する。
この拡大効果により、入力エネルギーが大きく節約され
る。アクチュエータの自由端の所望のたわみ量は、伸張
層の一部だけを加熱すればよいため、少ない入力エネル
ギーで実現できる。

【００５１】図１８，１９は、本発明を理解する上で有
益な、寸法上の関係を示す第一層２２の平面図である。
第一層２２は、図１７について説明したように、３つの
部分で形成される。固定端部２６、均一抵抗部２５、自
由端部２７である。電流が入力パッド４２と４４の間を
流れると、均一抵抗部２５が均等に加熱される。この均
一な抵抗加熱により、図１５に示すカンチレバー素子２
０のたわみが発生する。このような固定端部の抵抗加熱
は利用されないエネルギーであり、好ましくは、固定端
部２６において、第一層２２の断面積を増大させ、電流
経路の長さをできるだけ短くすることによって無効な加
熱を小さくできる。自由端部２７においては、電流経路
が均一抵抗部２５とほぼ一致するため、ほとんど抵抗加
熱が発生しない。

【００５２】図１８，図１９において、均一抵抗部２５
は、固定位置１４から延びる長さがＬ_Sの中央スロット
２４の部分の第一層２２を除去することによって形成さ
れる。中央スロット２４の幅は平均Ｗ_Sである。抵抗加
熱のホットスポットを防止するため、中央スロット２４
は好ましくは、長さＬ_Sに沿って均一な寸法で形成す
る。機械的強度と熱サイクル効率の点から、中央スロッ
ト２４の幅Ｗ_Sは、均一抵抗の電流経路の決定と同様
に、できるだけ狭くすることが好ましい。本発明の好ま
しい実施形態において、第二層２３の材料は先にパター
ニングされた第一層２２の材料の上に重ねられる。第一
層２２を中央スロット２４の中まで第二層２３でくまな
く覆うために、中央スロット２４はサイドウォールを下
から上に向かって先細に形成することができる。好まし
くは、中央スロット２４は、その平均幅が第一層２２の
厚さｈ₁の３倍より小さくなるよう、つまりＷ_S＜３ｈ₁
となるよう形成される。高さ対幅のアスペクト比が１：
３の第一層２２の特徴は、ＭＥＭＳ製造プロセスの能力
範囲内である。

【００５３】図１８において、均一抵抗部２５の長さＬ
_Hは中央スロット２４の長さＬ_Sより大きい。均一抵抗部
２５内の電流経路は、中央スロット２４の終端から外側
に向かって、電流経路の直線アーム部の幅にほぼ等しい
距離だけ延びる。電流経路の直線アーム部の幅は約１／
２Ｗ（ただし、Ｗは第一層２２の均一抵抗部の幅）であ
り、中央スロットの幅Ｗ_SはＷより小さく、Ｗ_S＜＜Ｗと
なる。したがって、図１８に示す形状において、Ｌ_H＝
Ｌ_S＋１／２Ｗである。

【００５４】第一層２２のデザインを、カンチレバー素
子２０の長さＬを均一抵抗部の長さＬ_Hで割った、分数
長さＦという点で分析すると有益である。つまり、Ｆ＝
Ｌ_H／Ｌである。第一層２２の最適なデザインを選択す
るために、カンチレバー素子２０の自由端２７の所望の
たわみＤを得るために必要なピーク温度ΔＴを、分数長
さＦの関数として計算すると有益である。ΔＴは基本動
作温度または室温からの温度上昇として測定される。所
望のたわみＤを得るために必要な入力エネルギー量ΔＱ
をヒータの分数長さＦの関数として計算することも有益
である。

【００５５】図１８は、ヒータの分数長さＦ＝２／３の
第一層２２のデザインを示す。図１９は、Ｆ＝１／３の
デザインを示す。

【００５６】本発明は、一部が均一に加熱され、湾曲が
起こるときのカンチレバー素子２０のたわみを幾何学的
に分析することによって理解できる。図２０は、理想的
なカンチレバー素子２０を示し、その自由端は量Ｄだけ
たわんでいる。たわみ量Ｄは、基部素子１０の固定位置
１４から長さＬ_Hだけ延びる均一抵抗部２５の伸長によ
って起こる。カンチレバー素子２０の伸張後の長さはＬ
であり、加熱部分の長さＬ_Hはその一部である。つま
り、Ｌ_H＜Ｌである。均一抵抗部２５が加熱されると、
第一層２２は第二層２３に関して量ΔＬ_Hだけ延びる
（図６参照）。

【００５７】第一層２２と第二層２３の長さの不一致
が、層の厚さ全体にわたって起こる。本発明を理解する
には、加熱された均一抵抗部２５を層２２と２３の間の
熱膨張率の不一致ΔＬ_Hによって放物線状に形成される
ビームとして分析することが適当である。

【００５８】図２０において、長さＬ_Hの均一抵抗部２
５が、室温または基本動作温度Ｔ_bas _eより高い温度ΔＴ
になるまで加熱された場合のカンチレバー素子２０の形
状が示される。加熱部分は、図２０に示すような放物線
アーチの形状に形成される。カンチレバー素子２０の加
熱されていない自由端部２７は、放物線アーチの接線と
して、均一抵抗部２５の終端から延びる。自由端部２７
の角度Θは、距離ｘ＝Ｌ_Hでの放物線アーチの傾斜を評
価することによって得られる。自由端部２７の総たわみ
量Ｄは加熱された均一抵抗部２６から生じるたわみ成分
Ｄ₁と加熱されていない部分の角伸張から生じるたわみ
成分Ｄ₂との総和である。

【００５９】Ｄ＝Ｄ₁＋Ｄ₂ （１）カンチレバー素子２０の加熱部分の形状は、固定位置１
４の固定点からの距離ｘの関数として、機械的中心線Ｄ
_c（ｘ）から計算される。機械的中心線は、図２０にお
いて線Ｄ_cで示される。熱膨張率が異なり、ビームが平
坦な基本温度より高い温度ΔＴで平衡状態となる２層ビ
ームの機械的中心線Ｄ_c（ｘ）に関する等式は以下のよ
うになる。

【００６０】

【数１】ただし、

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】Ｅ_j，ｈ_j，δ_jはｊ番目の層（ｊ＝１，２）のヤング係
数、厚さ、ポアソン比である。項Ｇは曲げ剛性と呼ばれ
る。項α₁とα₂はそれぞれ、第一層と第二層の熱膨張率
である。重要な数量（ｃΔＴ）は、２層構造の熱モーメ
ントである。

【００６１】たわみ成分Ｄ₁は、数式（２）においてｘ
＝Ｌ_Hとすることによって得られる。

【００６２】

【数６】ビームの終端は、ｘ＝Ｌ_Hの地点で放物線アーチに接す
る直線として延長される。この直線の伸張の傾斜ｔａｎ
Θは、数式（２）においてｘ＝Ｌ_Hでとすることによっ
て得られる。

【００６３】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】 Θが小さいため、Θに関する二次近似によりｓｉｎΘ≒
ｔａｎΘである。そこで、数式（７）と数式（１１）を
数式（２）に代入すると、総たわみ量Ｄが出る。

【００６４】

【数１１】短い長さを持つ均一抵抗部２５を形成することの利点と
結果を理解するために、公称デザインの場合と比較する
ことが有益である。公称デザインの場合、サーマルアク
チュエータの用途には、たわみ量Ｄが公称量Ｄ₀でなけ
ればならないとされる。さらに、カンチレバー素子２０
の全長Ｌが抵抗加熱され、Ｌ_H＝Ｌ，Ｆ＝１．０である
と、ΔＴ₀の温度差は電気パルスによって確立されなけ
ればならない。つまり、フルレングスのヒータの公称た
わみ量は

【数１２】となる。

【００６５】たわみ量の数式（１２）はヒータの分数長
さＦ＝Ｌ_H／Ｌと上記の公称たわみ量Ｄ₀から、以下のよ
うに公式化することができる。

【００６６】

【数１３】数式（１４）は、カンチレバー素子の加熱部分が全長Ｌ
の分数Ｆである時、たわみ量を実現するために到達しな
ければならないピーク温度の関係を示す。ピーク温度と
ヒータの分数長さとのトレードオフは、サーマルアクチ
ュエータのデバイス用途によって必要となる一定の公称
たわみ量Ｄ₀と等しく設定される場合について、数式
（１４）に代入することによって得られる。

【００６７】

【数１４】数式（１５）をグラフにすると図２１の曲線２１０のよ
うになる。ΔＴは、ΔＴ₀の単位でプロットされる。こ
の関係は、ヒータの分数長さＦがＦ＝１から減少する
と、所望のカンチレバー素子のたわみ量Ｄ₀を達成する
のに必要な温度差が大きくなる。図１９に示すように、
ヒータの分数長さＦ＝１／３の場合、温度差は、ヒータ
長さ１００％の公称ケースより約７０％大きくなければ
ならない。図１８に示すＦ＝２／３の場合、ΔＴはΔＴ
₀より約２０％大きくなければならない。したがって、
数式１５と図２１の曲線２１０から、カンチレバー素子
の加熱部分を縮小するには、デバイスのより高いピーク
温度の許容性を犠牲にしなければならないことがわか
る。サーマルアクチュエータの材料とアクチュエータに
使用する液体には、使用できる実際上のピーク温度を限
定するような故障モードがある。ヒータの分数長さを最
低値まで削減しようとすると、ある地点で、必要なピー
ク温度が使用液体の信頼できなくなるレベルにまでなる
ため、さらにヒータの長さを小さくすることは非現実的
である。

【００６８】カンチレバー素子を有するサーマルアクチ
ュエータの加熱部分を縮小することの重要な利点は、入
力エネルギー削減が実現されることにある。均一抵抗部
２５に加えられるエネルギーパルスΔＱは、温度をΔＴ
だけ上昇させる。つまり、一次近似で、

【数１５】

【数１６】となる。ただし、ｍ₁は第一層２２の均一抵抗部２５の
質量である。ρ₁は第一層２２を構成するのに使用され
る電気抵抗材料の密度である。ｈ₁，Ｗ，ＦＬは、電気
エネルギーパルスによってはじめに加熱される第一層２
２の材料の厚さ、幅、長さである。Ｃ₁は、第一層２２
の電気抵抗材料の比熱である。

【００６９】Ｌ_H＝Ｌ，Ｆ＝１．０の公称デザインの場
合に必要な入力エネルギー量は、

【数１７】となる。

【００７０】数式（１８）を正規化すると、

【数１８】

【数１９】となる。

【００７１】数式（２０）は、入力エネルギーとヒータ
の分数長さとのトレードオフを説明する。公称入力パル
スエネルギーΔＱ₀によって正規化される入力パルスエ
ネルギーΔＱをプロットすると、図２１の曲線２１２と
なる。曲線２１２は、ヒータの分数長さが減少すると、
必要なエネルギーも減ることを示している。加熱部分の
材料はより高い温度差ΔＴまで上昇されなければならな
いものの、加熱される材料は少なくてすむ。したがっ
て、入力パルスエネルギーの最終的な削減は、ヒータの
分数長さを減らすことによって実現できる。たとえば、
図１８に示すＦ＝２／３のヒータ構成では、Ｆ＝１の公
称ケースより必要なエネルギーが２５％少なくてすむ。
図１９に示すＦ＝１／３のヒータ構成は、公称ケースよ
り必要なエネルギーが４０％少ない。

【００７２】本発明による分数長さのヒータを有するサ
ーマルアクチュエータを操作することにより、必要な量
のたわみを実現するために使用される入力エネルギーを
少なくすることができる。使用エネルギーの削減には、
電源節約、ドライバ回路の費用、デバイスのサイズ、包
装の面での利点をはじめとする多くのシステムの利点が
ある。

【００７３】液滴放出器等の熱によって作動されるデバ
イスの場合、入力エネルギーの削減は、液滴反復頻度が
改善されることも意味する。サーマルアクチュエータの
クールダウン時間が液滴反復頻度を左右する物理的効果
を限定することがしばしばある。作動させるのに使われ
るエネルギーが少ないと、入力熱エネルギーが散逸し、
公称のアクチュエータ位置に復帰するのに必要な時間が
短縮される。

【００７４】分数長さの均一抵抗部２５を使用すると、
さらに、入力熱エネルギーの大部分が基板基部素子１０
の付近に留まるため、各動作後にカンチレバー素子２０
から基部素子１０へと素早く熱が伝えられる。カンチレ
バー素子からの熱伝導の時間定数τは、熱伝導の一次元
的分析を使うことにより、一次近似まで理解することが
できる。このような分析により、時間定数は、熱流経路
の長さの二乗に比例することがわかる。したがって、長
さＬ_H＝ＦＬの均一抵抗部２５の熱伝導時間定数は、Ｆ²
に比例する。

【００７５】

【数２０】ただし、τ₀は、フルレングスのヒータの公称ケースに
関する熱伝導時間定数である。したがって、アクチュエ
ータのクールダウンに必要な時間は、均一な抵抗部２５
の分数長さを減少させることによって大幅に改善でき
る。Ｆ²に比例して発生する伝導伝熱時間定数の減少
は、本発明による分数長さのヒータを使ったサーマルア
クチュエータを使用する場合の重要なシステム上の利点
である。

【００７６】動作ごとに必要な入力エネルギーを削減
し、伝導を通じた放熱速度を改善することにより、反復
動作が必要な場合に、より低い温度ベースラインを保つ
ことができる。より低い入力エネルギーで複数のパルス
がサポートされ、開始温度をパルス間で上昇させ、しか
もデバイス温度を、ある故障上限より低く保つことがで
きる。

【００７７】図２１の曲線２１０と２１２は、必要なた
わみ量を実現するために、短いヒータを選択する際、シ
ステム上のトレードオフがあることを示している。ヒー
タの長さが短くなるとエネルギー入力は減るが、ピーク
温度が高くなり、信頼性の面で問題が生じる。多くのシ
ステムにおいて、エネルギー削減割合と温度上昇割合
は、コストと信頼性の面でシステムに与える影響はほぼ
等しい。これら２つの数量の最適化は、２つの積を出す
ことによって理解できる。ΔＱのエネルギーを削減しよ
うとすれば、基本動作温度より高い必要温度ΔＴを上昇
させなければならない。

【００７８】システム最適化係数Ｓは、ヒータの分数長
さＦの関数として、数式（１５），数式（２０）から以
下のように表すことができる。

【００７９】

【数２１】

【数２２】数式（２３）のシステム最適化係数Ｓをプロットする
と、図２１の曲線２１４のようになる。これが正規化さ
れ、ΔＱ₀ΔＴ₀のユニットを持つことになる。曲線２１
４から、システム最適化係数Ｓは最低値Ｓ_mまで改善さ
れ、次に、ΔＱの削減と比較して、必要なΔＴが大きく
なることがわかる。システム最適化係数の最低値Ｓ
_mは、Ｓの導関数がゼロの場合のＦの数値として見つけ
られる。

【数２３】Ｆ＝Ｆ_m＝２／３の時、ｄＳ／ｄＦ＝０である。したが
って、Ｆ＝２／３を選択すると、基礎動作温度以上の必
要温度差割合（パーセンテージ）によって調整されるエ
ネルギー節約割合を実現するデザインを最適化できる。

【００８０】図２１でグラフに表された関係から、サー
マルアクチュエータシステムには、１＞Ｆ＞２／３の
時、ピーク温度上昇というデメリットより大きな割合で
エネルギーが削減されるというメリットがある。Ｆ＝２
／３以下の場合、ピーク温度上昇割合は、入力パルスエ
ネルギーの低減割合より大きい。Ｆ＝１／２の時、３３
％というピーク温度上昇割合は、やはり３３％のパルス
エネルギー削減割合と同じである。

【００８１】Ｆ＜１／２の場合、ピーク温度上昇割合
は、パルスエネルギー削減割合より大きい。必要な温度
上昇量（パーセンテージ）は、Ｆ〜０.３の時、公称ケ
ースの２倍である。動作温度は、この分数長さ以下で急
速に増加し、Ｆ〜０．２ではＦ＝１の場合の３倍近くな
る。図２１と数式（１５），数式（２０）から、Ｆ＜
０．３の場合、エネルギー削減はわずかに数パーセント
ポイントのみ増加するが、その一方で必要な温度は２
倍、３倍となる。動作温度のこのように大きな上昇は、
サーマルアクチュエータの構成と組立に使用できる材料
を厳しく限定し、本発明の液滴放出器の実施形態におけ
るサーマルアクチュエータに必然的に接触する液体の組
成を厳しく限定する。したがって、本発明によれば、ヒ
ータの分数長さは、過剰な動作温度によって生じるデバ
イスとシステムの信頼性の問題を回避するために、Ｆ＞
０．３となるよう選択する。

【００８２】エネルギー削減とピーク温度の上昇のバラ
ンスをとるシステムデザインは、０．３Ｌ＜Ｌ_H＜０．
７Ｌの範囲でヒータの分数長さを選択することによって
得られる。この範囲の上限は、エネルギー節約のゲイン
を最適化しながら、動作温度の上昇を最小限にする分数
長さによって決まる。この範囲の下限は、動作温度の上
昇がフルレングスのヒータの場合の２倍となり、さらに
エネルギー削減が必要な動作温度の急上昇と比較して非
常に小さい地点によって決まる。

【００８３】ここまで説明したカンチレバー素子は、カ
ンチレバー素子２０のほぼ長さ全体にわたって延びる電
気抵抗材料の第一層２２を使用した。この構成は、機械
的強度と動作サイクルの冷却段階における熱伝達から好
ましい。しかしながら、本発明は、電気抵抗層２２の長
さを短くして短いヒータを構成することによっても実現
できる。この実施形態を図２３に示す。図２４の構成に
おいて、カンチレバー素子２０の加熱部２５は、支持用
の第二層２３だけが自由端部２７を有するように先端が
切られている。ほぼフルレングスの電気抵抗材料の層を
有する上述の構成を比較のために図２２として示す。

【００８４】図２２，図２３に示す２つの構成は、これ
らが数式（１）から（１４）の関連パラメータの全部に
ついて同じ数値を持つことから、ほぼ同じたわみ量Ｄを
呈するものと予想される。しかしながら、図２３の構成
は、液体を移動させるために使用された場合にそれほど
急速に低温化せず、また、自由端部２７からの熱はカン
チレバー素子から容易に伝わらない。また、図２３の自
由端構成の強度は図２２の構成のそれより弱い。この弱
さは、液滴放出デバイスの破損または自由端が大量の液
体その他の材料を移動させるその他の用途においてアク
チュエータが故障する原因となる可能性がある。図２３
に示す部分的長さのヒータ材料構成は、自由端先端が機
械的に弱くても、また、アクチュエータの反復時間がゆ
っくりであっても容認される用途について可能性の高い
本発明の実施形態である。

【００８５】以上の説明の多くは単独サーマルアクチュ
エータまたは液滴放出器の構成と動作に関するものであ
ったが、本発明は複数のサーマルアクチュエータおよび
液滴放出ユニットのアレイやアセンブリを構成する場合
にも適用できると理解すべきである。また、本発明によ
るサーマルアクチュエータデバイスは、他の電子コンポ
ーネントと回路と同時に製造しても、電子コンポーネン
トと回路の製造の前または後に、同じ基板上に形成して
もよい。

【００８６】本発明の好ましい実施形態に関する上記の
説明は、例示と説明を目的として行われた。これは、開
示されたそのままの形態に本発明を限定しようとするも
のではない。変更や改変も可能であり、当業者は上記の
教示から、そのような変更や改変を予想できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットシステムの略図
である。

【図２】本発明によるインクジェットユニットまたは
液滴放出ユニットアレイの平面図である。

【図３】図２に示すここのインクジェットユニットの
拡大平面図である。

【図４】図２に示すここのインクジェットユニットの
拡大平面図である。

【図５】本発明によるサーマルアクチュエータの運動
を示す側面図である。

【図６】本発明によるサーマルアクチュエータの運動
を示す側面図である。

【図７】本発明によるサーマルアクチュエータを構成
するのに適したプロセスの初期段階で、カンチレバー素
子の第一層が形成される様子の透視図である。

【図８】図７に示すプロセスの次の段階で、カンチレ
バー素子の第二層が形成される様子の透視図である。

【図９】図７，図８に示すプロセスの次の段階で、本
発明による液滴放出器のチャンバを満たす液体の形状の
犠牲層が形成される様子の透視図である。

【図１０】図７から図９に示すプロセスの次の段階
で、本発明による液滴放出器の液体チャンバとノズルが
形成される様子の透視図である。

【図１１】図７から図１０に示すプロセスの次の段階
で、液体供給経路が形成され、犠牲層が除去されて本発
明による液滴放出器が完成する様子の側面図である。

【図１２】図７から図１０に示すプロセスの次の段階
で、液体供給経路が形成され、犠牲層が除去されて本発
明による液滴放出器が完成する様子の側面図である。

【図１３】図７から図１０に示すプロセスの次の段階
で、液体供給経路が形成され、犠牲層が除去されて本発
明による液滴放出器が完成する様子の側面図である。

【図１４】本発明による液滴放出器の動作を示す側面
図である。

【図１５】本発明による液滴放出器の動作を示す側面
図である。

【図１６】本発明の好ましい実施形態を示す第一層の
デザインの透視図である。

【図１７】本発明の好ましい実施形態を示す第一層の
デザインの透視図である。

【図１８】本発明の好ましい実施形態を示す第一層の
デザインの平面図である。

【図１９】本発明の好ましい実施形態を示す第一層の
デザインの平面図である。

【図２０】本発明の好ましい実施形態を分析するのに
使用される幾何学的数量を示す図である。

【図２１】本発明によるサーマルアクチュエータ性能
の属性を示すグラフである。

【図２２】本発明の２つの好ましい実施形態の比較を
示す側面図である。

【図２３】本発明の２つの好ましい実施形態の比較を
示す側面図である。

【符号の説明】

１０基板基部素子、１２液体チャンバ、１３カ
ンチレバー素子とチャンバウォールとのギャップ、１４
カンチレバー素子固定位置、１５サーマルアクチュ
エータ、１６液体チャンバ湾曲ウォール部、２０カ
ンチレバー素子、２１パッシベーション層、２２第
一層、２３第二層、２４均一抵抗部を形成する中央
スロット、２５カンチレバー素子の均一抵抗部、２６
カンチレバー素子の固定端部、２７カンチレバー素
子の自由端部、２８液体チャンバ構造の壁（カバ
ー）、２９パッシベーション層、３０ノズル、４１
ＴＡＢリード、４２電気入力パッド、４３はんだ
バンプ、４４、電気入力パッド、５０液滴、６０作
用液体、８０支持構造、１００インクジェット印字
ヘッド、１１０液滴放出ユニット、２００、電気パル
ス発生源、３００コントローラ、４００画像データ
発生源、５００レシーバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アントニオキャべルアメリカ合衆国ニューヨークウェブスターブリードルレーン 848 (72)発明者デービッドスチュワートロスアメリカ合衆国ニューヨークフェアポートクレーグロード 28 Ｆターム(参考） 2C057 AF54 AG57 AP14 AP34 AQ02 BA06 BA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）基部素子と、（ｂ）前記基部素子から長さＬだけ延び、第一の位置に
安定するカンチレバー素子であって、該基部素子から長
さＬ_H（ただし、０．３Ｌ≦Ｌ_H≦０．７Ｌ）だけ延びる
均一抵抗部を持つようパターニングされた、電気抵抗材
料で構成される第一層と、前記第一層に付着された、前
記第一層より低い熱膨張率を有する誘電材料で構成する
第二層と、を有するカンチレバー素子と、（ｃ）前記均一抵抗部に接続され、電気パルスを印加し
てジュール熱を発生させ、その結果、前記第二層に対す
る前記第一層の均一抵抗部の熱膨張と前記カンチレバー
素子の第二の位置へのたわみを生じさせた後、前記熱が
前記均一抵抗部から伝搬し、その温度が低下すると、前
記カンチレバー素子が前記第一の位置に復帰するように
する一対の電極と、を備えることを特徴とする超小型電
気機械装置用サーマルアクチュエータ。
【請求項２】前記第一層は該基部素子から該カンチレ
バー素子の長さＬとほぼ等しい分だけ延びることを特徴
とする請求項１に記載のサーマルアクチュエータ。
【請求項３】前記Ｌ_Hは２／３Ｌとほぼ等しいことを
特徴とする請求項１に記載のサーマルアクチュエータ。