JP2004001176A - 二重作動熱アクチュエータ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】僅かな位置及びより急速の繰り返しに対するアクチュエータの急速復帰を許容する実質的に反対の方向において熱アクチュエータを移動する二重動作手段から成る熱アクチュエータを提供する。
【解決手段】基板ベース要素１０と、前記基板ベース要素から延在する片持ち梁要素２０を含む。前記片持ち梁要素２０は、低温伝導性を備えた絶縁材料から成り、第１の偏向層２２と第２の偏向層２４との間で接着されており、両者とも実質的に等しい熱膨張係数を備えた抵抗性のある材料から成る。第１の偏向層２２または第２の変更層２４は加熱によって熱膨張し、片持ち梁要素２０は膨張した偏向層の反対側で撓む。
【選択図】　　　　図４（ａ）

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル装置、より具体的には、インクジェット装置及び他の液滴放出源において使用されるタイプの如きマイクロ・エレクトロ・メカニカル熱アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル装置（ＭＥＭＳ）は、比較的最近、開発されている。そのようなＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ、及び位置決め装置の如き従来のエレクトロ・メカニカル装置の代わりとして用いられている。マイクロ・エレクトロ・メカニカル装置は、マイクロ・エレクトロニック組み立て技術の使用により、潜在的には低コストである。新たな適用もＭＥＭＳ装置の小規模化により発見されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術の多くの潜在的適用が、そのような装置において必要とされる動作を提供するための熱作動を実現化する。例えば、多くのアクチュエータ、バルブ、及び位置決め装置が、動作のための熱アクチュエータに使用される。幾つかの適用においては、必要とされる動きはパルスである。例えば、アクチュエータの第１の位置へ復帰に引き続き、第１の位置から第２の位置への急速変位は、流体中の圧力パルスを発生又は作動パルス毎の距離又は回転の機構１ユニットを進行するために使用されてもよい。ドロップ・オン・ディマンド（Ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）液滴放出源は、ノズルから液の分離した量を噴出するために、分離した圧力パルスを使用する。
【０００４】
ドロップ・オン・ディマンド（Ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）液滴放出源は、長年インクジェット印刷システムにおけるインク印刷装置として知られている。初期の装置は、Ｋｙｓｅｒ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許第３，９４６，３９８号（特許文献１参照）及びＳｔｅｍｍｅの米国特許第３，７４７，１２０号（特許文献２参照）によって開示されているように、圧電アクチュエータに基づいている。インクジェット印刷の現在普及しているフォームである熱インクジェット（又は「バブルジェット（登録商標）」）は、Ｈａｒａ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許４，２９６，４２１号（特許文献３参照）に開示されているように、滴放出を引き起こす蒸発泡を発生する電気的に抵抗性のあるヒータを用いている。
【０００５】
電気的に抵抗性のあるヒータアクチュエータは、良く開発されたマイクロ・エレクトロニック過程を用いて製造することができるため、圧電アクチュエータよりも製造費用の面で有利である。一方、熱インクジェット滴放出機構は、インクが、蒸発可能な成分を備え、この成分の沸点を超えたインク温度に局所的に上がることを要求する。この温度露出は、インク及び熱インクジェット装置によって信頼可能に放出された他の液のフォーミュレーションに関する厳格な制限を位置づける。液は、機械的に圧力をかけられているので、圧電的に動作された装置は、ジェット可能な液におけるそのような厳格な制限を課すことはない。
【０００６】
可能性、コスト、及びインクジェット装置供給者による技術的作用は、液のマイクロ−計量を要求する他の適用のための装置において、関心を発生させる。これらの新たな適用は、Ｐｅａｓｅ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許５，５９９，６９５号（特許文献４参照）に開示あるように、マイクロ−分析的な化学的性質のための特別な化学物質を省き、Ｎａｋａ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許５，９０２，６４８号（特許文献５参照）に開示あるように、電子装置の製造のためのコーティング物質を省き、Ｐｓａｒｏｓ　ｅｔ　ａｌ．の米国特許５，７７１，８８２号（特許文献６参照）に開示あるように、医学的吸入テラピーのためのマイクロドロップを省く。要求に応じた広範囲の液のミクロサイズの滴を放出を可能とする装置及び方法は、最も高品質のイメージ印刷のみならず、投与する液が超小滴の単一分散、適切な位置づけ及びタイミング、及び微細な増加を要求する適用の出現に必要とされる。
【０００７】
マイクロ滴放出への低コストアプローチは、液のフォーミュレーションの広範囲で使用され得る。装置及び方法は、圧電機械装置に可能な液構成自由を伴う熱インクジェットに使用されるマイクロエレクトロニック組み立ての有利な点を組み合わせるのに必要とされる。
【０００８】
熱機械アクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置は、Ｔ．Ｋｉｔａｈａｒａの１９８８年７月２１日に出願された日本特許２，０３０，５４３号（特許文献７）に開示されている。アクチュエータは、インクジェット室内で移動可能な２層片持ち梁として機能する。梁は、層の熱拡張におけるミスマッチに起因してそれを曲げることを引き起こす抵抗器によって加熱される。梁の自由端は、滴放出を引き起こすノズルにおいてインクに圧力をかけるために動く。最近、類似した熱−機械ＤＯＤインクジェット形状が、Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋの米国特許６，０６７，７９７号、米国特許６，２０９，９８９号、米国特許６，２３４，６０９号、米国特許６，２３９，８２１号、米国特許６，２４３，１１３号、米国特許６，２４７，７９１号（特許文献８乃至１３）に開示されている。用語「熱アクチュエータ」及び熱−機械アクチュエータは、ここでは交換可能に使われる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第３，９４６，３９８号
【特許文献２】
米国特許第３，７４７，１２０号
【特許文献３】
米国特許４，２９６，４２１号
【特許文献４】
米国特許第５，５９９，６９５号
【特許文献５】
米国特許第５，９０２，６４８号
【特許文献６】
米国特許５，７７１，８８２号
【特許文献７】
特開平２−３０，５４３号
【特許文献８】
米国特許６，０６７，７９７号、
【特許文献９】
米国特許６，２０９，９８９号、
【特許文献１０】
米国特許６，２３４，６０９号、
【特許文献１１】
米国特許６，２３９，８２１号、
【特許文献１２】
米国特許６，２４３，１１３号、
【特許文献１３】
米国特許６，２４７，７９１号
【特許文献１４】
米国特許６，２５４，７９３号
【特許文献１５】
米国特許６，２５８，２８４号
【特許文献１６】
米国特許６，２７４，０５６号
【発明が解決しようとする課題】
熱−機械的に動作された滴放出器は、マイクロ・エレクトロニック材料及び装備を用いて大量に製造され得り、熱インクジェット装置中で信頼できない液を用いて動作する低コスト装置として保証されている。熱アクチュエータ及び熱アクチュエータ・スタイル・液滴放出器は、時間の機能として所定の転置を作り出すことが制御されるためにアクチュエータの移動を許容する。動作の最も高い繰り返しレート及び滴放出密度は、もし熱動作が蓄えられた機械エネルギ効果と一致して電気的に制御され得るのであれば、実現されてもよい。
【００１０】
液滴放出器にとって、滴発生事象は、ノズルの滴中の圧力インパルスを創り出すことによってもよく、圧力インパルスの時の液メニスカスの状態によってもよい。滴発生の特質、特に、滴の容積、速度及びサテライト・フォーメーションは、熱アクチュエータの転置の特別な時間多様性によって影響されてもよい。開発された印刷質は、印刷密度レベルを変化することを製造するために滴容積を変化すること、標的滴容積をより正確に制御すること、及びサテライト・フォーメーションを抑えることによって得てもよい。印刷製造は、熱アクチュエータが、最小スターティング転置状況に戻り、必要とされる時間を減少することによって増加してもよく、その結果、次の滴放出事象が始められてもよい。
【００１１】
熱アクチュエータ及びＤＯＤ放出器のための動作の装置及び方法は、熱アクチュエータの転置を変化する時間の開発された制御に必要とされ、そのような装置の生産を最大とし、望ましい液滴放出特徴のための液圧プロファイルを創り出す。
【００１２】
熱−機械アクチュエータの実用的な設計は、梁に対して直角に偏った自由端を備えた装置構造に対し一端で固定された片持ち梁である。偏向は、直角方向において梁中で熱膨張勾配を設定することによって引き起こされる。そのような膨張勾配は、温度勾配、実際の物質変化、層、梁を通じて引き起こされ得る。パルス熱アクチュエータにとって、迅速に熱膨張勾配を創設し、それを迅速に消すことができるのは有利である。最初の位置に対してアクチュエータを復帰することを補助するために、熱膨張勾配に対抗することを積極的に発生することは更に有利なことである。これは、実質的に反対の方向に片持つ梁を偏向することを動作する二重動作手段を備えることによって得ることができるであろう。
【００１３】
熱膨張勾配に対抗し、ビーム偏向に対向することを発生する二重熱アクチュエータは、ポジティブ及びネガティブのノズルにおける圧力インパルスを発生する液滴放出器中で実用的である。ポジティブ及びネガティブの圧力インパルスの発生及びタイミングの制御は、流体及びノズルメニスカス効果を許容し、望ましくは滴放出特徴と変化するために用いられてもよい。
【００１４】
片持ち梁要素熱アクチュエータは、時間プロファイルに対する転置の制御において偏向でき、ＭＥＭＳの組み立て方法を用いて組み立てでき、優良な滴フォーメーション特徴を伴う高繰り返し周波数において液滴放出を可能とするシステムを構築するために必要とされる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、僅かな位置及びより急速の繰り返しに対するアクチュエータの急速復帰を許容する実質的に反対の方向において熱アクチュエータを移動する二重動作手段から成る熱アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１６】
本発明はまた、片持ち梁要素を用いた二重作動熱アクチュエータによって作動される液滴放出器を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明の別の目的は、転置を変化する所定の合成的な時間を得るために、二重作動を実現する熱アクチュエータを動作しり方法を提供するものである。
【００１８】
本発明の更なる目的は、液滴放出の特徴と適合させるために二重作動を実現する熱アクチュエータを備えた液滴放出器を動作する方法を提供するものである。
【００１９】
本発明の様々な他の特徴、目的及び効果は、詳細な説明、クレーム、及び図面より明らかになるであろう。これらの特徴、目的及び効果は、ベース要素及び前記ベース要素から延在し活性化前に、通常は第１の位置に存する片持ち梁要素を含むマイクロ・エレクトロ・メカニカル装置のための熱アクチュエータによって得ることができる。片持ち梁要素は、低熱伝導材料から成り、熱膨張の大きな係数を備えた第１の電気的に抵抗性のある材料から成る第１の偏向層と熱膨張の大きな係数を備えた第２の電気的に抵抗性のある材料から成る第２の偏向層との間で接着されるバリア層を含む。熱アクチュエータは更に、第１の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第１の偏向層に接続され第２の偏向層に関連して第１の偏向層の熱膨張をもたらす第１の電極対を含む。第２の電極対は、第２の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第２の偏向層に接続され第１の偏向層に関連して第２の偏向層の熱膨張をもたらす。第１又は第２の何れかの電極対の電気パルスの適用は、第１の位置から第２の位置へ片持ち梁要素の偏向を引き起こし、バリア層を通じる熱拡散として第１の位置への片持ち梁要素の復帰にひきつづき、片持ち梁要素は均一な温度へ到達する。
【００２０】
本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷のためのプリントヘッドとしての液滴放出器のための熱アクチュエータとして特に有用である。この望ましい実施形態では、熱アクチュエータは、液を放出するノズルを含む液充填室中に存する。熱アクチュエータは、室の壁から延在する片持ち梁要素及びノズルに最も近い第１の位置に存する自由端を含む。第１又は第２の何れかの電極対への電気パルスの適用は、第１の位置からの片持ち梁要素の偏向を引き起こし、交互に、ノズルにおける液中のポジティブ又はネガティブな圧力を引き起こす。電気パルスの第１及び第２の電極対への適用及びそのタイミングは、液滴放出の特徴に適合するために使用される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
望ましい実施形態を参照して、本発明を詳細に説明するが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００２２】
以下に詳述するように、本発明は、熱−メカニカル・アクチュエータ及びドロップ・オン・ディマンド液放出装置のための装置及びその運転方法を提供するものである。このような装置の最も知られているものは、インクジェット印刷システムにおけるプリントヘッドとして使用される。多くの適用は、インクジェットプリントヘッドに類似した装置の使用に現れるが、良好に計量され高空間的精度を伴って置かれる必要のあるインク以外の液を放出する。用語インクジェット及び液滴放出は、ここでは交換可能に使われる。後述する発明は、滴放出生産性を向上するための熱アクチュエータに基づく滴放出器を運転するための装置及び方法を提供するものである
先ず、図１には、本発明による、装置を使ったインクジェットシステムの概略図が示されている。当該システムは、印刷滴へのコマンドとしてコントローラ３００によって受信される信号を提供するイメージデータ源４００を含む。コントローラ３００は、電気パルス源２００に信号を出力する。パルス源２００は、順に、インクジェットプリントヘッド１００内の各熱アクチュエータ１５と関係して、電気的な抵抗手段に適用される電気エネルギパルスから成る電圧信号を発生する。電気エネルギパルスは、急速に曲がる熱アクチュエータ１５、ノズル３０に設けられたインク６０に圧力をかけること、レシーバ５００上にランドするインク滴５０を放出することを引き起こす。本発明は、実質的に同じ容積及び速度、即ち、名目値の＋／−２０％の範囲内の容積及び速度を備えた滴の放出を引き起こす。幾つかの滴放出器は、滴及びサテライト滴という用語付けられる極小流れ滴を放出することができる。本発明は、そのようなサテライト滴は全適用目的に仕えることに関し放出される主滴の重きをなす部、例えば、イメージ画素の印刷又は流体の増加をマイクロ偏向するものである。
【００２３】
図２は、インクジェットプリントヘッド１００の一部の平面図である。熱的に作動するインクジェットユニット１１０の配列が、中心に一直線にされているノズル３０及び２列に中掌状（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）のインク室１２を備えて示されている。インクジェットユニット１１０は、マイクロ・エレクトロニック製作方法を用いて基板の上及び中に形成されている。滴放出器１１０を形成するために用いられる製作シークエンスの例が、２０００年１１月３０日に出願され、本発明の譲渡人に譲渡され、審査係属中の米国特許出願番号０９／７２６，９４５の「熱アクチュエータ」に開示されている。
【００２４】
各滴放出ユニット１１０は、熱アクチュエータ１５の第１の偏向層中のｕ状の電気的に抵抗性のある加熱部と共に形成又は電気的に接続された関係電極４２、４４を備え、後述するように熱−メカニカル効果中に関係している。各滴放出ユニット１１０はまた、熱アクチュエータ１５の第２の偏向層中のｕ状の電気的に抵抗性のある加熱部と共に形成又は電気的に接続された関係電極４６、４８を備え、後述するように熱−メカニカル効果中に関係している。第１及び第２の偏向層中のｕ状の抵抗器部は、正確に他方であり図２において見せかけ線で示されている。プリントヘッド１００の要素８０は、マウンティング構造であり、マイクロ・エレクトロニック基板１０のためのマウンティング表面及び液供給、電気信号、機械的インターフェイス特徴を相互に接続するための他の手段を提供するマウンティング構造である。
【００２５】
図３ａは、１つの滴放出器ユニット１１０の平面図であり、図３ｂは、ノズル３０を含む液室カバー２８を取り除いたときの第２の平面図である。
【００２６】
図３ａにおいて見せかけ線で示される熱アクチュエータ１５は、図３ｂにおいて実線で示されている。熱アクチュエータ１５の片持ち梁要素２０は、基板１０中に形成された液室１２の端１４から延在している。片持ち梁要素部２０ｂは、基板１０に接着されており片持ち梁を固定する。
【００２７】
アクチュエータの片持ち梁要素２０は、パドル形状を有し、延在されて平坦で軸幅よりも大きな直径の円板を備えた軸端を有する。この形状は使用できる片持ち梁アクチュエータの単なる図示であり、多くの他の形状が可能である。パドル形状は、アクチュエータ自由端２０ｃの中心と一直線になっている。流体室１２はアクチュエータ自由端２０ｃの曲率に一致する湾曲壁部１６を備え、アクチュエータ動作のためのクリアランスを提供するためにスペースが設けられている。
【００２８】
図３ｂは、第２の電極対４６、４８における第２の偏向層の電気的に抵抗性のある加熱部２７に対する電気パルス源２００の取り付けを模式的に示した図である。電圧相違は、ｕ−形状抵抗器２７を通じて第２の偏向層の抵抗加熱を引き起こす電圧端末４６及び４８に適用される。これは、図中、電流Ｉで示されている。第１の偏向層のｕ−形状抵抗部２６は、抵抗性のある加熱部２７（及びバリア層）の下に隠れているが、見せかけ線で示され、第１の電極対４２及び４４に接触するように出現する。電圧相違は、ｕ−形状抵抗器２６を通じて第１の偏向層の抵抗加熱を引き起こす電圧端末４２及び４４に適用される。電気パルス源２００に接続する４つの別々の電極４２、４４、４６及び４８として図示されているが、電極の各対の１つの部材は、共通点において電気的に接触しており、抵抗性のある加熱部２６及び２７は、電気パルス源２００から３つの入力を用いて処理され得る。
【００２９】
図３ａ及び図３ｂの平面図において、アクチュエータ自由端２０ｃは、第１の偏向層が抵抗部２６によって適切に加熱されるときに観察者に向って動き、滴はカバー２８中でノズル３０から観察者に向って放出される。この動作及び滴放出の幾何学は、多くのインクジェット開示において「ルーフシュータ」と呼ばれる。第２の偏向層が抵抗部２７によって加熱されたときに、アクチュエータ自由端２０ｃは、図３ａ及び図３ｂの観察者及びノズル３０から移動する。ノズル３０からの自由端２０ｃの動作は、名目位置へ片持ち梁要素２０を復帰させ、ノズル３０における液メニスカスの状態を変え、流体室１２中の液圧又はこれらの組み合わせを変えること等に用いられる。
【００３０】
図４ａ−図４ｃは、本発明の望ましい実施形態の片持ち梁熱アクチュエータ１５の側面図である。図４ａにおいて、熱アクチュエータ１５は、第１の位置にあり、図４ｂにおいて、第２の位置へ上方へ偏向されている。図４ａ及び図４ｂの側面図は、図３ｂの平面図における線Ａ−Ａに沿って形成されている。図３ｂの平面図における線Ｂ−Ｂに沿って形成されている側面図である図４ｃでは、熱アクチュエータ１５は、異なる第２の位置へ下へ向って偏向している。片持ち梁要素２０は、熱アクチュエータのためのベース要素である基板１０へ固定されている。片持ち梁要素２０は、基板ベース要素１０の壁端１４から延在している。
【００３１】
片持ち梁要素２０は、幾つかの層から成る。層２２は、第１の偏向層であり、片持ち梁要素２０中の他の層に関し熱的に引き延ばされるときに上方への偏向を引き起こす。層２４は、第２の偏向層であり第２の偏向層であり、片持ち梁要素２０中の他の層に関し熱的に引き延ばされるときに熱アクチュエータ１５の下方への偏向を引き起こす。第１及び第２の層は望ましくは、熱−メカニカル効果と実質的に同じ効果を伴った温度に対応する材料から構成されている。
【００３２】
第２の偏向層及び第１の偏向層が熱平衡にあるときに、第２の偏向層は、機械的に第１の偏向層と釣り合っており、第１の偏向層は、機械的に第２の偏向層と釣り合っている。この釣り合いは、第１の偏向層２２と第２の偏向層２４の双方にとって同じ材料を用いて得てもよい。釣り合いはまた、実質的に等しい熱膨張係数及び後述する他の特性を有する材料から選択して得てもよい。
【００３３】
片持ち梁要素２０はまた、第１の偏向層２２と第２の偏向層２４との間に置かれたバリア層２３を含む。バリア層２３は、第１の偏向層２２を構成するのに用いられる材料の熱伝導に関し低熱伝導性を備えた材料から成る。バリア層２３の厚さ及び熱伝導性は、第１の偏向層２２から第２の偏向層２４への熱伝達にとっての所望の平均時間τ_Ｂを与えるために選択される。バリア層２３はまた、第１及び第２の偏向層の電気的抵抗性のある加熱器部のために、電気的絶縁、及び部分的物理的精査を提供する絶縁物であってもよい
バリア層２３は、１以上の構造物層の下位層から成り、熱流れ管理の機能の活用、電気的絶縁、及び片持ち梁要素２０の層の強い接着を許容する。バリア層２３の複数下位層構造はまた、第１及び第２の偏向層の抵抗部を形成するために実現化されるパターンニング製作処理の区別を補助してもよい。
【００３４】
図４ａ乃至図４ｃに示される受動層２１及び２５は、化学的及び電気的に片持ち梁要素２０を保護する。このような保護は、本発明の熱アクチュエータの幾つかの適用にとって必要とされなく、そのような場合は消去されてもよい。作動している液によって１以上の表面上に接触される熱アクチュエータを実用化する液滴放出器は、作動している液に化学的及び電気的に不活性な受動層２１及び２５を要求してもよい。
【００３５】
図４ｂにおいて、熱パルスは、第１の偏向層２２に適用され、温度の上昇及び引き延ばしを引き起こす。バリア層２３は迅速な熱伝導を妨げるために、第２の偏向層２４は、最初のうちは引き延ばさない。第１の偏向層２２と第２の偏向層２４の間における温度の相違、即ち、延長は、片持ち梁要素２０を上方へ曲げることを引き起こす。滴放出器中にアクチュエータとして使用するときは、片持ち梁要素２０の曲げ応答は、ノズルにおいて液を十分に圧力を与えるに十分に急速であるべきである。典型的には、１０μ秒よりも小さい、望ましくは４μ秒よりも小さい電気パルス持続が使われるときに、第１の偏向層の電気的抵抗器部２６は適切な熱パルスを適用するために適合される。
【００３６】
図４ｃにおいて、熱パルスは、第２の偏向層２４に適用され、温度の上昇及び引き延ばしを引き起こす。バリア層２３は迅速な熱伝導を妨げるために、第１の偏向層２２は、最初のうちは引き延ばさない。第２の偏向層２４と第１の偏向層２２の間における温度の相違、即ち、延長は、片持ち梁要素２０を下方へ曲げることを引き起こす。典型的には、１０μ秒よりも小さい、望ましくは４μ秒よりも小さい電気パルス持続が使われるときに、第２の偏向層の電気的抵抗器部２７は適切な熱パルスを適用するために適合される。
【００３７】
熱アクチュエータの適用に因っては、電気パルスのエネルギ及び対応する片持ち梁の曲げの量は、他に関連して１つの偏向方向にとってより大きく選択されてもよい。多くの適用において、１つの方向での偏向は、初期の物理的動作となるであろう。反対の方向での偏向は、状況を予め設定するため又は活動していない第１の位置への片持ち梁要素への復帰のための片持ち梁転置へもより小さな適合に使用されてもよい。
【００３８】
図５乃至１０は、本発明の望ましい幾つかの実施形態における１つの液滴放出器を構成するための製作処理ステップを図示したものである。これらの実施形態において、第１の偏向層２２は、チタンアルミニウムの如き、電気的に抵抗性のある材料を用いて成り、部分２６は、電流Ｉを流すための抵抗へパターン化される。第１の偏向層２４は、チタンアルミニウムの如き、電気的に抵抗性のある材料を用いて成り、部分２７は、電流Ｉを流すための抵抗へパターン化される。
【００３９】
図５は、第１の製作ステージにおける片持ち梁の第１の偏向層２２部分を図示したものである。図示された構造は、標準のマイクロ・エレクトロニック成膜及びパターンニング方法による例えば、単結晶シリコン等の基板１０上に形成される。インターメタリック・チタンアルミニウムの成膜は、例えばＲＦ又はパルスＤＣマグネトロン・スパッタリングによって実行されてもよい。抵抗器部２６は、第１の偏向層２２中でパターン化される。電流経路は、矢印及び文字「Ｉ」によって示されている。抵抗器部２６を処理するための第１の電極対４２及び４４は、第１の偏向層２２材料中で形成されるように図示されている。電極４２、４４は、基板１０中に以前に形成された電気回路構成と接触してもよく、テープ・オートメイテッド・ボンデイング（ＴＡＢ）又はワイヤ・ボンディング等の他の標準的な電気相互接続方法によって外的に接触していてもよい。受動層２１は、偏向層の成膜及びパターンニングの前に基板１０上に形成される。この受動層は、偏向層２２及び他のその後の構造の下に置かれていてもよく、又はその後のパターンニング処理においてパターン化されてもよい。
【００４０】
図６は、以前に形成された熱アクチュエータの第１の偏向層２２部よりも上に成膜及びパターン化されたバリア層２３を図示している。バリア層２３材料は、第１の偏向層２２に比べて低い熱伝導性を備える。例えば、バリア層２３は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、これらの材料の複数層の積層物などであってもよい。
【００４１】
熱アクチュエータの望ましい効率は、バリア層２３材料が第１の偏向層２２材料及び第２の偏向層２４材料の双方よりも実質的に低い熱伝導性を備える場合に実現される。例えば、酸化シリコン等の絶縁性酸化物は、チタンアルミニウムの如きインターメタリック材料よりも幾つかのオーダ小さな大きさの熱伝導性を備えるであろう。低熱伝導性は、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４に関し、バリア層２３を薄くすることを許容する。バリア層２３によって蓄積された熱は、熱−メカニカル動作処理にとっては有用ではない。バリア層の容積を最小化することは、熱アクチュエータのエネルギ効率を向上し、偏向された位置から開始された第１の位置への急速な復帰を得る点で補助する。バリア層２３物質の熱伝導性は、望ましくは、第１の偏向層又は第２の偏向層材料の二分の一以下であり、より望ましくは十分の一以下である。
【００４２】
図７は、以前に形成されたバリア層２３よりも上に成膜及びパターン化された第２の偏向層２４を図示している。抵抗器部２７は、第２の偏向層２４中にパターン化されている。電流経路は、矢印及び文字「Ｉ」によって示されている。図示された実施形態では、抵抗器部２７を処理するための第２の電極対４６及び４８は、第１の電極対４２及び４４の何れかの側上の部分に接触するためにバリア層２３に持ってこられた第２の偏向層２４材料中で形成される。電極４６及び４８は、基板１０中に以前に形成された電気回路構成と接触してもよく、テープ・オートメイテッド・ボンデイング（ＴＡＢ）又はワイヤ・ボンディング等の他の標準的な電気相互接続方法によって外的に接触していてもよい。
【００４３】
本発明の幾つかの望ましい実施形態では、例えば、インターメタリック・チタンアルミニウム等の同じ材料が、第２の偏向層２４及び第１の偏向層２２の双方に使用される。この場合、中間のマスキング・ステップは、以前に渡された第１の偏向層２２形状を与えることなく、第２の偏向層２４形状を許容するために必要とされる。交互に、バリア層２３は、２つの異なる材料の積層物を使って製作されてもよく、第２の偏向層２４をパターンニングしている一方で、その一つは電極４２、４４を適当に保護するように置かれ、そして図７で示される片持ち梁要素中間構造での結果を取り除く。
【００４４】
化学的又は電気的保護のために、第２の偏向層の上にこの段階で追加的な受動材料を適用してもよい。また、最初の受動層２１は、流体が基板１０の上方でエッチングされるために開口から通過する領域からパターン化される。
【００４５】
図８は、液滴放出器の室の内部に形成される犠牲層２９の追加を示す。この目的にとって望ましい材料は、ポリミイドである。ポリミイドは、十分な深さにおいて装置基板に適用され、図７に示される第１の電極層２２、バリア２３、及び第２の電極層２４の地形を備えた表面をプラナライズする。近接材料に関し選択的に取り除かれる他の材料は、犠牲構造２９を構成するために用いられてもよい。
【００４６】
図９は、犠牲層構造２９の上部にプラズマ成膜シリコン酸化物又は窒化物等のコンフォーマル材料を成膜して形成された滴放出室壁及びカバーを図示する。この層は、滴放出室２８を形成するためにパターン化される。ノズル３０は、犠牲材料層２９に通じる滴放出器中に形成され、製作シークエンスのこの段階で滴放出室２８内に残っている。
【００４７】
図１０ａ乃至１０ｃは、図９において線Ａ−Ａとして示された面を通じた装置の側面図である。図１０ａにおいて、犠牲層２９は、ノズル開口３０を除いて滴放出室壁２８内で囲まれている。また、図１０ａに示されるように、基板１０は、完全である。受動層２１は、間隙領域１３中および片持ち梁要素２０の近傍付近において基板１０の表面から取り除かれる。この状況における層２１の取り除きは、犠牲層２９の形成前に製作ステージにおいて行われる。
【００４８】
図１０ｂにおいて、基板１０は、片持ち梁要素２０及び片持ち梁要素２０の周り及び近傍の液室領域の下に取り除かれる。取り除きは、反応性イオンエッチングの如き異方性エッチング処理又は、使用されている基板が単結晶シリコンである場合には配向従属エッチングによってなされてもよい。熱アクチュエータを単独で構成するためには、犠牲層及び液室ステップは必要ではなく、この基板１０をエッチングするステップは、片持ち梁要素をリリースするために用いてもよい。
【００４９】
図１０ｃにおいて、犠牲層２９は、酸素及びフッ素源を用いたドライエッチングによって取り除かれる。エッチャントガスは、ノズル３０を通じて、基板１０の後方から以前にエッチングされ、新しく開口された流体供給室領域１２から入る。このステップは、片持ち梁要素２０をリリースし、液滴放出構造の製作を完全にする。
【００５０】
図１１ａ及び図１１ｂは、本発明の、幾つかの実施形態における液滴放出構造の側面図である。図１１ａ及び図１１ｂの側面図は、図９において、Ａ−Ａで示した線に沿って形成されている。図１１ａは、ノズル３０に最も近い第１の位置中の片持ち梁要素２０を示す。液メニスカス５２は、ノズル３０の外部リムにおいて静止する。図１１ｂは、ノズル３０への片持ち梁要素２０の自由端２０ｃの偏向を図示する。片持ち梁要素の上方への偏向は、第１の偏向層２２の抵抗器部２６に取り付けられた第１の電極対４２、４４へ電気パルスを適用することによって引き起こされる（図３ｂ参照）。片持ち梁要素のこの第２の位置への急速偏向は、ノズル３０におけるメニスカス圧力に勝り、滴５０が放出されることが引き起こされる液６０に圧力をかける。
【００５１】
図１２ａ及び図１２ｂは、本発明の、幾つかの実施形態における液滴放出構造の側面図である。図１２ａ及び図１２ｂの側面図は、図９において、Ｂ−Ｂで示した線に沿って形成されている。図１２ａは、ノズル３０に最も近い第１の位置中の片持ち梁要素２０を示す。液メニスカス５２は、ノズル３０の外部リムにおいて静止する。図１２ｂは、ノズル３０への片持ち梁要素２０の自由端２０ｃの偏向を図示する。片持ち梁要素の下方への偏向は、第２の偏向層２４の抵抗器部２７に取り付けられた第２の電極対４６、４８へ電気パルスを適用することによって引き起こされる（図３ｂ参照）。片持ち梁要素のこの下方位置への偏向は、ネガティブにノズル３０の近傍中で液６０に圧力をかけ、メニスカス５２をより低いノズル３０の内部リム領域へ反応させる。
【００５２】
図示されたタイプの片持ち梁要素の放出器の動作において、静止した第１の位置は、図１１ａ及び図１２ａに図示した水平状況よりも、片持ち梁要素２０の部分的曲げ状況であってもよい。１以上のマイクロ・エレクトロニック成膜又はカーリング処理の後に残存している内圧のために、アクチュエータは、室温において上方又は下方に曲げられてもよい。装置は、熱管理設計及びインク特性制御を含む様々な目的のために上昇した温度において動作されてもよい。もし、そうであるならば、第１の位置は、実質的に曲げられるであろう。
【００５３】
本発明の成膜の目的のために、偏向された位置において自由端が明確に変化しなければ、片持ち梁要素は静止され又は第１の位置中に在るであろう。簡単に理解するために、第１の位置は、図４ａ、図１１ａ及び図１２ａにおいて水平に描かれている。しかしながら、曲げ第１位置に関する熱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ており、本発明の範囲に十分に含まれる。
【００５４】
図５乃至１０は、望ましい製作シーケンスを図示したものである。しかしながら、多くの他の構造アプローチは、周知のマイクロ・エレクトロニック製作処理及び材料を使用することを伴ってもよい。本発明の目的のために、第１の偏向層２２、バリア層２３、及び第２の偏向層２４を含む片持ち梁要素をもたらす如何なる製作アプローチを伴ってもよい。更には、図５乃至１０の図示されたシークエンスにおいて、液室２８及び液滴放出器のノズル３０は、基板１０上のもとの位置に形成されていた。或いは、熱アクチュエータは、別々に構成されても、液滴放出器から液室成分へ接着してもよい。
【００５５】
片持ち梁要素２０内における熱の流れは、本発明の根本の原始的物理プロセスである。図１３は、内部熱流れＱ_Ｉ及び周辺Ｑ_Ｓへの流れを指定する矢印によって熱の流れを図示する。第１の偏向層２２への熱パルスの追加によって第２の偏向層２４に関し引き延ばされ、またその逆も同様であり、片持ち梁要素２０は、偏向自由端２０ｃを曲げる。一般的には、アクチュエータ内で大きな温度相違を伴って動作されるために、片持ち梁形状の熱アクチュエータは、動作温度の均一における熱膨張係数の大きな相違、又は双方の幾つかのコンビネーションを有するように設計されてもよい。本発明は、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４の間において設定された内部温度相違を実現化及び最大化するために設計されている。
【００５６】
望ましい実施形態では、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４は、熱アクチュエータの動作の温度範囲を超える実質的に等しい熱膨張係数を備えた材料で構成される。従って、最大アクチュエータ偏向は、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４の最大温度相違を得られたときに発生する。第１の偏向層２２、第２の偏向層２４及びバリア層２３の間において温度が平衡のときに、アクチュエータの第１又は名目の位置への復帰が発生するであろう。温度平衡処理は、バリア層２３、初期的な厚さ、ヤングモジュール、熱膨張率及び熱伝導率によって成立する。
【００５７】
温度平衡処理は、受動的に続行され、熱は冷却層に追加されてもよい。例えば、第１の偏向層２２は、所望の偏向を引き起こすために先ず加熱され、そして第２の偏向層２４は、より迅速に熱平衡へ全部の片持ち梁要素をもたらすために、引き続き加熱されてもよい。熱アクチュエータの適用に起因して、たとえ平衡における結果温度が高く、最初の開始温度に戻るために熱アクチュエータにとってより長くかけるとしても、第１の位置へ片持ち梁要素を復帰することがもっと望ましい。
【００５８】
上述したように、本発明の目的のために、内部熱平衡が最初に第１の偏向層２２を加熱する熱パルスに引き続いて到達するときは、第２の偏向層２４は第１の偏向層２２と機械的にバランスがとれていることが望ましい。熱平衡における機械的バランスは、片持ち梁要素の層の厚さ及び材料特性、特に熱膨張率及びヤングモジュールの設計によって得られる。熱メカニカル効果の十分な解析は、三層片持ち梁要素の全てのパラメータにおける任意の値の状況にとって、とても複雑である。本発明は、平衡温度における三層ビーム構造にとって正味の偏向を考慮して理解されてもよい。
【００５９】
異なる材料特性及び厚さを備えた第１の偏向層、バリア層、及び第２の偏向層から構成される片持ち梁三層構造は、一般的には、上昇温度における放物線状の円弧形状と推定される。片持ち梁の自由端の偏向Ｄは、基本温度ΔＴよりも上の温度の機能として、以下の関係により、材料特性及び厚さに比例している。
【００６０】
【数１】

ここで、
【００６１】
【数２】

【００６２】
【数３】

下付きのｄ１、ｂ及びｄ２は、夫々、第１の偏向層、バリア層及び第２の偏向層である。Ｅ_ｊ、α_ｊ、及びｈ_ｊ（ｊ＝ｄ１，ｂ，又はｄ２）は、夫々、ｊ番目におけるヤングモジュール、熱膨張係数及び厚さである。パラメータＧは、弾力性のあるパラメータ及び様々な層の寸法の機能であり、常にポジティブな量である。パラメータＧの探査は、三層梁が本発明を理解するために上昇された温度において正味のゼロ偏向を備えたときを決定するのに必要とされない。
【００６３】
式１及び２における重要な量Ｍは、層の重要な特性及び厚さの影響を得る。三層片持ち梁は、Ｍ＝０の場合の上昇値ΔＴにおける正味のゼロ偏向、即ち、Ｄ＝０を備える。式４が成立するときに、式２において条件Ｍ＝０となる。
【００６４】
【数４】

層の厚さｈ_ｄ１＝ｈ_ｄ２、熱膨張係数α_ｄ１＝α_ｄ２、ヤングモジュールＥ_ｄ１＝Ｅ_ｄ２のときの特別な場合に、上昇温度、例えば、ΔＴがゼロでないときにおいても、量Ｍはゼロであり、ゼロ正味偏向である。
【００６５】
式２から、第２の偏向層２４材料が、第１の偏向層２２材料と同じであるときに、もし、第１の偏向層２２の厚さｈ_ｄ１が実質的に第２の偏向層２４の厚さｈ_ｄ２と等しいときに、三層構造は正味ゼロ偏向を備える、と理解される。
【００６６】
式２から、与えられた第１の偏向層２２にとっての正味ゼロ偏向を与えるために選択されるであろう第２の偏向層２４及びバリア層２３のパラメータの多くの他の組み合わせが在ることも理解される。例えば、第２の偏向層２４厚さにおける幾つかのバリエーション、ヤングモジュール、又は双方が、第２の偏向層２４材料と第１の偏向層２２材料の間における異なる熱膨張係数を補償するために使用されてもよい。
【００６７】
上昇温度ΔＴにおける三層構造のための正味ゼロ偏向を導く式１乃至４で得られる層パラメータの全ての組み合わせが、本発明の実行可能な実施形態として本発明の発明者によって予想される。
【００６８】
図１３において図示された内部熱流れＱ_１は、層間の温度差によって駆動される。本発明を理解するために、第１の偏向層２２から第２の偏向層２４への熱流れは、第２の偏向層２４への加熱処理及び第１の偏向層２２への冷却処理として示されるであろう。バリア層２３は、加熱及び冷却処理の双方において熱伝達するために一定時間τ_Ｂの創設として示されるであろう。
【００６９】
一定時間τ_Ｂは、バリア層２３の厚さｈ_ｂに略比例し、この層を構成するために使用された材料の熱伝導に反比例する。上述したように、第１の偏向層２２への熱パルス入力は、持続において一定熱伝導時間よりも短くなるべきであり、さもなければ、潜在的な温度相違及び熱伝導マグニチュードは、バリア層２３を通じて熱損失の超過によって放散されるであろう。
【００７０】
片持ち梁要素から周囲への第２の熱流れアンサンブルは、Ｑ_ｓで示された矢印によって示される。外部熱流れの詳細は、熱アクチュエータの適用に重要にも依存するであろう。熱は、条件によってアクチュエータから基板１０又は他の近傍構造要素へ流れてもよい。もし、アクチュエータが液又はガスにおいて動作するのであれば、対流及び伝導を通じて、熱はこれらの流体に損失されるであろう。熱はまた、放熱を通じて失われてもよい。本発明の理解のために、周囲へ失われた熱は、動作している多くの処理及び経路を統合する単一の外部冷却一定時間τ_ｓとして特徴付けられても良い。
【００７１】
別の重要な時間パラメータは、熱アクチュエータを動作するための望ましい繰り返し周期τ_ｃである。例えば、インクジェットプリントヘッドにおいて使用される液滴放出器のために、アクチュエータ繰り返し周期は、噴射を持続することができる画素記録速度を創設する滴放射周波数を創設する。熱伝導一定時間τ_Ｂは、第１の位置へ片持ち梁要素を復帰させるために必要とされる時間を決定するので、エネルギ効率及び急速処理にとってτ_Ｂ＜＜τ_Ｃであることが望ましい。１つのパルスから次への動作実行における統合は、繰り返し周期τ_Ｃがτ_Ｂ以上の幾つかのユニットを選択するように発展するであろう。即ち、もしτ_Ｃ＞５τ_Ｂであれば片持ち梁要素は十分に平衡となり、第１又は名目の位置へ戻る。もし、τ_Ｃ＜２τ_Ｂであれば、次の偏向が試されるときに残っている残余偏向のかなりの量が在るであろう。従って、τ_Ｃ＞２τ_Ｂが望ましく、τ_Ｃ＞４τ_Ｂがより望ましい。
【００７２】
周囲への熱伝達一定時間τ_ｓは、アクチュエータ繰り返し周期τ_Ｃに影響を与えても良い。従って、片持ち梁要素が３乃至５τ_Ｂの時間後に内部熱平衡に到達した後においても、片持ち梁要素は、３乃至５τ_Ｂの時間まで包囲した温度又は開始温度となるであろう。アクチュエータがまだ上述の囲まれた温度であるが、新しい偏向が始められてもよい。しかしながら、機械的動作の一定量を維持するために、片持ち梁要素の層にとってより高いピーク温度が要求されるであろう。期間τ_Ｃ＜３τ_Ｓにおける繰り返しパルスは、ある失敗モードが到達されるまで、アクチュエータ材料における最高温度において継続した上昇を引き起こすであろう。
【００７３】
基板１０のヒートシンク部１１が図１１に示されている。シリコンの如き半導体又は金属材料が基板１０に使用されると、図示されたヒートシンク部１１は、ヒートシンクされた位置として単純に指定された基板地域であってもよい。或いは、固定部２０ｂにおける片持ち梁要素２０から案内された熱にとって、効率的なシンクとして仕えるために、別の材料が基板１０に含まれていてもよい。
【００７４】
図１４は、熱時間が片持ち梁２０内及び片持ち梁２０から周囲の構造及び材料へ伝達される。温度Ｔは、安定状況動作温度を超える第１の偏向層２２の温度エクスカーションの意図した範囲を越えて統一されたスケールでプロットされる。即ち、熱パルスが適用された後に図１４におけるＴ＝１は第１の偏向層によって到達された最高温度であり、図１４におけるＴ＝０は片持ち梁要素の基準又は安定状態温度である。図１４の時間軸は、τ_Ｃのユニットにおいてプロットされ、繰り返し動作のための最低時間周期である。また図１４の図示は、パルス期間時間τ_Ｐを備えた単一の加熱パルス２３０である。加熱パルス２３０が、第１偏向層２２に適用される。
【００７５】
図１４は、温度Ｔと時間ｔの４つのプロットである。第２の偏向層２４及び第１の偏向層２２のための曲線が、熱伝達一定時間τ_Ｂの２つの異なる値を備えた片持ち梁要素の形状のためにプロットされている。熱伝達一定時間τ_Ｓのための一つの値が４つの温度曲線全てのために使われている。１次元の指数の加熱及び冷却機能が、図１４の温度対時間プロットを発生することが推測される。
【００７６】
図１４において、曲線２１０が第１の偏向層２２の温度を図示し、曲線２１２が、第１の偏向層２２に適用される熱パルスに引き続く第２の偏向層２４の温度を図示する。曲線２１９及び２１２のために、バリア層２３熱伝達一定時間は、τ_Ｂ＝０．３τ_Ｃであり、周囲への冷却のための一定時間τ_Ｓ＝２．０τ_Ｃである。図１４は、内部平衡がＥで示される点に到達するまで、第１の偏向層２２の温度２１０が下がるにつれて、第２の偏向層２４の温度２１２が上がることを示している。点Ｅの後に、層２２及び２４の双方の温度が、τ_Ｓ＝２．０τ_Ｃで決定される速度でともに下落し続ける。片持ち梁要素の偏向量は、第１の偏向層温度２１０と第２の偏向層温度２１２の相違に略比例している。よって、片持ち梁要素は、図１４においてＥで示される時間及び温度において、その偏向された位置から第１の位置へ復帰される。
【００７７】
温度曲線２１４及び２１６の第２の対は、夫々、より短いバリア層一定時間τ_Ｂ＝０．１τ_Ｃの場合における第１の偏向層温度及び第２の偏向層温度を示す。曲線２１４及び２１６の周囲冷却一定時間は、曲線２１０及び２１２に関する限りは、τ_Ｓ＝２．０τ_Ｃである。片持ち梁要素２０内での内部熱平衡の点は、図１４においてＦで示されている。よって、片持ち梁要素は、図１４においてＦで示される時間及び温度において、その偏向位置から第１の位置へ復帰される。
【００７８】
図１４の図示された温度プロットから、片持ち梁要素が次の動作が始まる前に第１又は名目の位置へ復帰するために、τ_Ｂはτ_Ｃに関し小さい。もし、次の動作が時間ｔ＝１．０τ_Ｃにおいて始められれば、平衡点Ｅ及びＦから、τ_Ｂ＝０．１τ_Ｃのときに第１の位置へ完全に復帰する。しかしながら、τ_Ｂ＝０．３τ_Ｃのときに、時間ｔ＝１．０τ_Ｃにおいて曲線２１０及び２１２の小さな温度相違によって示されたやや偏向された位置から開始される。
【００７９】
図１４はまた、片持ち梁要素２０は、内部熱平衡への到達及び第１の位置への偏向の復帰の後に上昇された温度にあることを示す。片持ち梁要素２０は、この上昇された温度において引き延ばされ、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４の間の力のバランスのために偏向されない。この片持ち梁要素は、上昇された温度において、内部熱平衡の状況から動作されてもよい。しかしながら、このような上昇された温度状況から熱平衡及び動作の継続された適用は、装置における様々な材料として発生するために失敗モードを引き起こしてもよく、ピーク温度エクスカーションもまた上昇するように動作環境が発生し始める。その結果、有利にも、周囲への熱伝達一定時間τ_Ｓを出来るだけ減少する。
【００８０】
本発明の熱アクチュエータを動作することにおいて、有利にも、バリア層２３の熱伝達一定時間τ_Ｂの認識において、電気的パルスパラメータを選択する。ひとたび設計及び製作されると、本発明による片持ち梁設計を備えた熱アクチュエータは、バリア層２３を通じて、第１の偏向層２２及び第２の偏向層２４の間における熱伝達にとって特徴的一定時間を示す。効率的エネルギ使用及び最大偏向パフォーマンスにとって、熱パルスエネルギは、τ_Ｂで特徴づけられる内部エネルギ伝達処理と比較して短い時間を越えて適用される。従って、電気的抵抗性のある加熱のために適用される熱エネルギ又は電気パルスは、τ_Ｐ＜τ_Ｂ、望ましくはτ_Ｐ＜１／２τ_Ｂのときのτ_Ｐの期間を備えることが望ましい。
【００８１】
本発明における熱アクチュエータは、実質的に反対の動作及び転置における片持ち梁要素２０に関する活動的な偏向を許容する。第１の偏向層２２を加熱するための電気パルスを適用することによって、片持ち梁要素２０は、第１の偏向層２２からの方向において偏向する（図４ｂ及び図１１ｂ参照）。第２の偏向層２４を加熱するための電気パルスを適用することによって、片持ち梁要素２０は、第２の偏向層２４からの方向において第１の偏向層２２に向けて偏向する（図４ｃ及び図１２ｂ参照）。式４を満足するよう設計された内部熱平衡が、内部熱伝達を通じて発生することが許容されれば、片持ち梁要素２０が偏向する熱−メカニカル力は、バランスをとられる。
【００８２】
受動内部熱伝達及び外部冷却処理に加えて、片持ち梁要素２０は、加熱されていない層材料の伸張又は圧縮から上昇する受動内部機械力に対応する。例えば、第１の偏向層２２が片持ち梁要素２０を曲げることが引き起こされるよう加熱されると、バリア層２３及び第２の偏向層２４は機械的に圧縮される。圧縮された材料中に蓄えられた機械エネルギは、曲げに対向する反バネ力へ導く。偏向層の１つを突然加熱することによって引き起こされる熱−メカニカルインパルスに引き続いて、片持ち梁要素２０は、上述した熱リラクゼーション処理に加えて、蓄えられた機械エネルギが放散されるまで、振動状態へ移る。
【００８３】
図１５は、片持ち梁要素の止められた振動環境を示している。プロット２５０は、時間の機能として、片持ち梁要素の自由端２０ｃの転置を示す。プロット２５２は、止められた振動転置を開始する最初の熱−メカニカルインパルスを発生する電気パルスを示している。電気パルスの時間期間τ_Ｐ１は、上述した内部熱伝達一定時間τ_Ｂの二分の一よりも小さいと仮定する。図１５における時間軸は、τ_Ｐ１のユニットにおいてプロットされている。片持ち梁要素自由端転置のプロット２５０は、振動共振期間τ_Ｒ乃至１６τ_Ｐ１および振動停止一定時間τ_Ｄ乃至８τ_Ｐ１の場合を図示している。図１５から、第１及び第２の偏向層２２及び２４の双方を通じて熱−メカニカルインパルスの対象となる片持ち梁要素２０の合成動作は、内部熱及び機械的効果と同様に活動的に適用された熱−メカニカル力の双方の結合であると理解されるであろう。
【００８４】
時間プロファイル対望ましい所定の転置は、適用された電気パルスのパラメータ、特に、エネルギと時間期間、適用されたパルス間の待機時間τ_Ｗ１及び第１及び第２の偏向層が処理される順を実行して成ってもよい。図１５に示される片持ち梁要素２０の共振振動停止動作は、単一の熱−メカニカルインパルスに対応して静止した又は第１の位置の双方において転置を発生する。第２の反対の熱−メカニカルインパルスは、第１のインパルスによって始められた振動を増幅する又は更にダンプするために、計測されてτ_Ｗ１を用いる。
【００８５】
第１の位置へのより急速にダンプし復帰することを促進する活動的シークエンスは、図１６においてプロット２６０、２６２及び２６４によって示されている。図１５に示される振動停止動作をプロットするために使用される片持ち梁要素２０の同じ特徴であるτ_Ｂ、τ_Ｒ及びτ_Ｄは、図１６においても同様に使用される。プロット２６０は、第１の偏向層２２の抵抗器部２６に取り付けられた電極対に適用される電気パルスに対応して急速に偏向する片持ち梁要素を示す。この第１の電気パルスは、プロット２６２として図示されている。パルス期間τ_Ｐ１は、図１５において使用されたのと同じように使用され、図１６におけるプロットの時間軸は、τ_Ｐ１のユニットにおいて使用される。プロット２６０によって示された片持ち梁要素２０の最初の偏向は、従って、図１５におけるプロット２５０と同じである。
【００８６】
図１６においてプロット２６４に示されるように、短い待機時間τ_Ｗ１の後に、第２の電気パルスが、第２の偏向層２２の抵抗器部２７に取り付けられた電極対へ適用される。この第２の電気パルスのエネルギは、
第２の偏向層２４を加熱し、時間内にその点における第１の偏向層２２のそれと近いようにその温度を上昇するように選択される。図１６での図示において、第２の電気パルス２６４は、第１の電気パルス２６２と同様の振幅を備えるよう示され、より短い時間期間τ_Ｐ２＜τ_Ｐ１を備える。この仕方で第２の偏向層を加熱し、圧縮性の蓄積されたエネルギをリリースし、片持ち梁要素２０の曲げを引き起こす力のバランスをとる。よって、第２の偏向層２４に適用するための第２の電気パルスは、片持ち梁要素２０の急速な振動停止及びそれを第１の位置へ復帰させるという効果を有する。
【００８７】
第１の位置へ片持ち梁要素２０をより早くに復帰する目的で第２の電気パルスを適用することは、片持ち梁要素の全部のより多くの加熱エネルギの追加という不利益を有するものである。偏向の期間において復帰されるが、片持ち梁要素は、より高い温度に在るであろう。より多くの時間が、互いの動作を始めるための温度から最初の開始温度へ冷却するために必要とされるであろう。
【００８８】
第２の動作を用いるアクティブな復帰は、熱アクチュエータの適用にとって価値があり、最初の片持ち梁要素偏向の期間の最小化が重要である。例えば、アクティブな液滴放出器に使われるときは、第１の位置へのアクティブな片持ち梁要素の復帰は滴終了処理を急がせ、アクティブな復帰が使われなかった場合よりも小さな滴を生産する。異なる回数において（待機時間τ_Ｗを変更することによって）片持ち梁要素２０の後退を開始することによって、異なる滴の大きさが作り出されるであろう。
【００８９】
液滴放出器のノズル３０の速度における液メニスカス及び液の状況を予め設定することによって、液滴放出の特徴と変えるための活動的なシークエンスが図１７に示されている。液滴放出器のノズル領域において製造された状況が図１８ａ乃至図１８ｃに更に示されている。プロット２７０は、片持ち梁要素自由端２０ｃの時間対偏向を図示し、プロット２７２は、第１の偏向層２２を処理する第１の電極対に適用される電気パルスシークエンスを図示し、プロット２７４は、第２の偏向層２４を処理する第２の電極対に適用される電気パルスシークエンスを図示する。図１５及び図１６において上述のように、同じ片持ち梁要素の特徴τ_Ｂ、τ_Ｒ、及びτ_Ｄが図１７において使用されると仮定する。時間軸は、τ_Ｐ１のユニット中でプロットされている。
【００９０】
静止した第１の位置から、片持ち梁要素は、第２の偏向層２４へ電気パルスを適用することによってノズル３０からの第１の偏向された量Ｄ_１である（図１８ａ及び図１８ｂ）。これは、ノズルにおける液圧を減少する効果を備え、液室１２へ向けてノズル３０内のボア内でメニスカスを後退させることを引き起こす。そして、選択された待機時間τ_Ｗ１後、片持ち梁要素は、滴放出を引き起こすノズルへ向って量Ｄ_２を偏向される。待機時間τ_Ｗ１が選択され、最初の熱−メカニカルインパルスによって引き起こされた片持ち梁要素２０の共振動作がノズルに向けられ、第２の熱−メカニカルインパルスがこの動作を増幅し、強い受動圧力パルスが滴形成を引き起こす。
【００９１】
第１の動作又は片持ち梁要素２０の激しい共振振動に関する第２の動作の時間を変化することによって引き起こされる最初のネガティブ圧力エクスカーションの大きさを変化することにより、異なる容積及び速度の滴が製造されるであろう。サテライト滴の形成はまた、ノズルにおけるメニスカスの予めの位置決め又は受動的圧力インパルスの時間によって影響される。
【００９２】
図１７におけるプロット２７０、２７２、及び２７４はまた、第２の待機時間τ_Ｗ２後に第２の液滴放出を発生させるための第２の動作セットを示す。この第２の待機時間τ_Ｗ２は、次の動作パルスが適用される前に、第１又は名目の位置へ片持ち梁要素２０が復帰するために必要とされる時間の計算へ選択される。パルス時間τ_Ｐ１及びτ_Ｐ２及び内部−パルス待機時間τ_Ｗ１とともに第２の待機時間τ_Ｗ２は、液滴放出の処理を繰り返すための実務的な繰り返し時間τ_Ｃを創り出す。最大滴繰り返し周波数ｆ＝１／τ_Ｃは、重要なシステムパフォーマンス特性である。第２の待機時間τ_Ｗ２は、最初の熱伝達一定時間τ_Ｂよりもずっと長い。最も望ましくは、本発明の熱アクチュエータ及び液滴放出器の効率的かつ再生可能な動作にとってτ_Ｗ２＞３τ_Ｂである。
【００９３】
本発明の二重熱−メカニカル動作手段に適用される電気パルスのパラメータ、動作順序、及び熱伝達一定時間τ_Ｂ及び共振振動期間τ_Ｒのような熱アクチュエータ物理的特徴に関する動作時間は、時間プロファイル対所望の所定の転置を設計するための道具の豊富なセットを提供する。本発明の熱アクチュエータの二重動作性能は、電子制御システムによって管理される時間プロファイル対転置変化を許容する。この性能は、適用データを変化する面において名目のパフォーマンスを維持し、環境ファクターを変化し、作動液又は荷重を変化する等のためにアクチュエータ転置プロファイルにおける適合のために使用されてもよい。この性能はまた、グレーレベル印刷を創りだすための幾つかの所定の滴量の発生の如き複数の所定の効果を引き起こす複数の分離した動作プロファイルを創りだす点における重要値を備える。
【００９４】
上述の説明の多くは、単一の滴放出器の形状及び動作に向けられているが、本発明は、複数の滴放出ユニットの配列および組立ての形成に適用することができる。また、本発明の熱アクチュエータ装置は、他の電子要素及び回路と共に同時に製作されてもよく、電子要素及び回路の製作の前後に同じ基板上に形成されてもよい。
【００９５】
更には、上述の説明は、本発明の好ましい実施形態であって、第１の偏向層２２、バリア層２３及び第２の偏向層２４を含む片持ち梁要素
を示している。開示したものと実質的に同じ性質を備えた二重の動作片持ち梁が、追加的な熱−弾性層、受動層、付着層又は他の機能を備えた層を用いて形状づけられ製作されてもよい。第１の偏向層２２、バリア層２３、及び第２の偏向層２４は夫々異なる材料の下位層又は同じ材料の等級の合成物から成ってもよい。追加層を動作する方法は、上述の二重対抗動作の補足に使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットシステムの概略図である。
【図２】本発明のインクジェットユニット又は液滴放出ユニットの配列の平面図である。
【図３（ａ）】図２に示す各々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図３（ｂ）】図２に示す各々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図４（ａ）】本発明による熱アクチュエータの動きを図示した側面図である。
【図４（ｂ）】本発明による熱アクチュエータの動きを図示した側面図である。
【図４（ｃ）】本発明による熱アクチュエータの動きを図示した側面図である。
【図５】片持ち梁要素の第１の偏向層が形成されている本発明の熱アクチュエータを構成するのに適した処理の初期の段階の斜視図である。
【図６】片持ち梁要素のバリア層が形成されている図５に図示した処理の次の段階の斜視図である。
【図７】片持ち梁要素の第２の偏向層が形成されている図５及び図６に図示された処理の次の段階の斜視図である。
【図８】本発明の滴放出器の室を充填する液の形において犠牲的層が形成されている図５乃至図７に図示された処理の次の段階の斜視図である。
【図９】本発明の液室及び滴放出器のノズルが形成されている図５乃至８に図示された処理の次の段階の斜視図である。
【図１０（ａ）】液供給通路が形成され、犠牲層が取り除かれ、液滴放出器が完成している図５乃至１０に図示された処理の最後の段階の側面図である。
【図１０（ｂ）】液供給通路が形成され、犠牲層が取り除かれ、液滴放出器が完成している図５乃至１０に図示された処理の最後の段階の側面図である。
【図１０（ｃ）】液供給通路が形成され、犠牲層が取り除かれ、液滴放出器が完成している図５乃至１０に図示された処理の最後の段階の側面図である。
【図１１（ａ）】本発明の滴放出器の第１の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１１（ｂ）】本発明の滴放出器の第１の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１２（ａ）】本発明の滴放出器の第２の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１２（ｂ）】本発明の滴放出器の第２の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１３】本発明の片持ち梁要素の内及び外における熱流れを図示した側面図である。
【図１４】偏向器および本発明の片持ち梁要素のバリア層の２つの形状に対する第２の偏向層に対する時間に対する温度をプロットしたものである。
【図１５】偏向インパルスを条件とした片持ち梁の結合された共鳴振動運動の図である。
【図１６】本発明の熱アクチュエータの時間に対する転置に影響を与える電気パルスの幾つかの変形適用の図である。
【図１７】本発明の滴放出の特徴に影響を与える電気パルスの幾つかの変形適用の図である。
【図１８（ａ）】本発明の滴放出を引き起こす第２の電極対及び第１の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１８（ｂ）】本発明の滴放出を引き起こす第２の電極対及び第１の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【図１８（ｃ）】本発明の滴放出を引き起こす第２の電極対及び第１の電極対への電気パルスの適用を図示した側面図である。
【符号の説明】
１０　　　基板ベース要素
１１　　　基板１０のヒートシンク部
１２　　　液室
１３　　　片持ち梁要素と室壁との間の間隙
１４　　　片持ち梁要素固定における壁端
１５　　　熱アクチュエータ
１６　　　液室湾曲壁部
２０　　　片持ち梁要素
２０ａ　　片持ち梁要素曲げ部
２０ｂ　　片持ち梁要素固定部
２０ｃ　　片持ち梁要素自由端部
２１　　　受動層
２２　　　第１偏向層
２３　　　バリア層
２３ａ　　バリア層下位層
２３ｂ　　バリア層下位層
２４　　　第２偏向層
２５　　　受動層
２６　　　第１偏向層の抵抗部
２７　　　第２偏向層の抵抗部
２８　　　液室構造、壁及びカバー
２９　　　犠牲層
３０　　　ノズル
３３　　　薄膜抵抗器加熱器構造
４１　　　電極４４に取り付けられたＴＡＢリード
４２　　　第１の電極対の電極
４３　　　電極４４上の半田バンプ
４４　　　第１の電極対の電極
４５　　　電極４６に取り付けられたＴＡＢリード
４６　　　第２の電極対の電極
４７　　　電極４６上の半田バンプ
４８　　　第２の電極対の電極
５０　　　滴
５２　　　ノズル３０における液メニスカス
６０　　　流体
８０　　　マウンティング構造
１００　　インクジェットプリントヘッド
１１０　　滴放出器ユニット
２００　　電気パルス
３００　　コントローラ
４００　　イメージデータ源
５００　　レシーバ

Claims (3)

1. （ａ）ベース要素と、
   （ｂ）第１の位置に存する前記ベース要素から延在する片持ち梁要素であって、前記片持ち梁要素は、低温伝導性を備えた絶縁材料と、熱膨張の大きな係数を備えた第１の電気的に抵抗性のある材料から成る第１の偏向層と、熱膨張の大きな係数を備えた第２の電気的に抵抗性のある材料から成る第２の偏向層とを含むバリア層を含み、
   前記バリア層は、第１の偏向層と第２の偏向層との間で接着されている当該片持ち梁要素と、
   （ｃ）第１の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第１の偏向層に接続され第２の偏向層に関連して第１の偏向層の熱膨張をもたらす第１の電極対と、
   （ｄ）第２の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第２の偏向層に接続され第１の偏向層に関連して第２の偏向層の熱膨張をもたらす第２の電極対であって、
   第１又は第２の何れかの電極対の電気パルスの適用は、第１の位置から第２の位置へ片持ち梁要素の偏向を引き起こし、バリア層を通じる熱拡散として第１の位置への片持ち梁要素の復帰にひきつづき、片持ち梁要素は均一な温度へ到達する当該第２の電極対と、
   を含むことを特徴とするマイクロ・エレクトロ・メカニカル装置のための熱アクチュエータ。
2. （ａ）ベース要素と、
   （ｂ）第１の位置に存する片持ち梁前記ベース要素から延在する片持ち梁要素であって、
   熱膨張の大きな係数を備えた第１の電気的に抵抗性のある材料から成る第１の偏向層と、
   熱膨張の大きな係数を備えた第２の電気的に抵抗性のある材料から成る第２の偏向層と、
   前記第１及び第２の偏向層よりも薄く、低温伝導性を備えた絶縁材料とから成り、前記第１及び第２の偏向層の間に接着されているバリア層と、
   を含む当該片持ち梁要素と、
   （ｃ）第１の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第１の偏向層に接続され第２の偏向層に関連して第１の偏向層の熱膨張をもたらす第１の電極対と、
   （ｄ）第２の偏向層の抵抗性のある加熱を引き起こす電気パルスを適用するために第２の偏向層に接続され第１の偏向層に関連して第２の偏向層の熱膨張をもたらす第２の電極対であって、
   第１又は第２の何れかの電極対の電気パルスの適用は、第１の位置から第２の位置へ片持ち梁要素の偏向を引き起こし、バリア層を通じる熱拡散として第１の位置への片持ち梁要素の復帰にひきつづき、片持ち梁要素は均一な温度へ到達する当該第２の電極対と、
   を含むことを特徴とするマイクロ・エレクトロ・メカニカル装置のための熱アクチュエータ。
3. ベース要素と、
   前記ベース要素から延在し第１の位置に在し、熱伝達平均時間τ_Ｂを備え、熱膨張の大きな係数を備えた第１の電気的に抵抗性のある材料から成る第１の偏向層と、熱膨張の大きな係数を備えた第２の電気的に抵抗性のある材料から成る第２の偏向層との間で接着されているバリア層を含む片持ち梁要素と、
   前記第１の偏向層を加熱する電気パルスを適用する第１の偏向層に接続される第１の電極対と、
   前記第２の偏向層を加熱する電気パルスを適用する第２の偏向層に接続される第２の電極対と、を含む熱アクチュエータの運転方法において、
   （ａ）前記片持ち梁要素の第１の偏向を引き起こすに十分な熱エネルギを与える第１の電気パルスを前記第１の電極対に適用し、
   （ｂ）時間τ_Ｗ１待機し、
   （ｃ）前記片持ち梁要素の第２の偏向を引き起こすに十分な熱エネルギを与える第２の電気パルスを前記第２の電極対に適用し、前記時間τ_Ｗ１は前記第１の偏向層及び前記第２の偏向層の所定の合成を得るために選択されることを特徴とする熱アクチュエータの運転方法。

Images