JP4673979B2 - マイクロ電子機械装置用の熱作動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、マイクロ電子機械装置用の熱作動装置に関する。ここではインクジェットプリンタに関連して本発明を説明するが、本発明は、マイクロ電子機械ポンプ等の他のマイクロ電子機械装置にも適用できる。
【０００２】
発明の背景
マイクロ電子機械装置は、最近ますます良く知られるようになっており、通常、半導体の組立技術を使用して構成される。
【０００３】
マイクロ電子機械装置の再検討として、１９９８年１２月発行の「電気電子技術者協会スペクトル」（IEEE Spectrum）２４〜３３ページに発表された、エス．トム ピクロウ（S.Tom Picraux）とポール ジェイ．マクワーター（Paul J.McWhorter）の「集積マイクロシステムの幅広い展望」（The Broad Sweep of Integrated Micro Systems）という記事を考察することができる。
【０００４】
マイクロ電子機械装置の一型式として、インクジェット印刷装置があり、インク射出ノズルチャンバによってこの印刷装置からインクが射出される。多くの形態のインクジェット印刷装置が公知である。この分野の調査として、「出力ハードコピー装置」（Output Hard Copy Devices）、アール．デューベック（R. Dubeck）及びエス．セル（S. Sherr）編集、２０７〜２２０ページ（１９８８年）における、ジェイ．モーア（J. Moore）の「ノン−インパクトプリンティング：導入と歴史的展望」（Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective）と題された記事を参照する。
【０００５】
最近本出願人はインクジェット印刷の新規の形態を開発したが、これはマイクロ電子機械インクジェット（ＭＥＭＪＥＴ）技術と称する。ＭＥＭＪＥＴ技術の１つの実施形態では、インク射出ノズルチャンバから微量のインクを射出するために、電子機械作動装置によりチャンバの射出ノズルに向けて移動されるパドルまたはプランジャによって、インク射出ノズルチャンバからインクが射出される。
【０００６】
本発明は、ＭＥＭＪＥＴ技術においてまた他のマイクロ電子機械装置において使用される熱作動装置に関する。
【０００７】
発明の要約
本発明はマイクロ電子機械装置用の熱作動装置を提供するものとして広範囲に定義される。該熱作動装置は、一端が基板に取付けられ他端が可動部材に接続されるか一体化された電導性の材料からなる第１アームを備える。使用するには、該第１アームは、前記アームを通る電流の通過により加熱されるように配置される。熱作動装置は好ましくは第２のアームを含み、該第２のアームを基板と可動部材間に延在し、第１アームが加熱された時、第１アームが第２アームに対して膨張して、可動部材に偏向力を及ぼすようになっている。
【０００８】
第２アームは好ましくは結合手段によって第１アームに接続され、結合手段は最も好ましくは第１アームの両端の中間に位置する。
【００１１】
好適実施例及び他の実施例の説明
本発明は、他の形態もその範囲に属するが、ここでは添付図面を参照して、本発明の好適形態を例にとって説明する。
【００１２】
図１に示すように、インク射出装置１は、ノズルチャンバ２を備え、通常該チャンバ２には持上がったリムを有するインク射出ノズル４内に液曲面３を形成するようにインクが充填される。ノズルチャンバ２内のインクはインク供給チャネル５によって供給される。
【００１３】
インクは、ノズルパドル８に接続された熱作動装置７によってノズルチャンバ２から射出される。熱作動装置７は、２つのアーム１０と１１を備え、その下部アーム１１が電流源に接続され電流誘発加熱が発生するようになっている。
【００１４】
ノズルチャンバ２からのインク滴を射出することが望まれる場合、下部アーム１１を加熱し、上部アーム１０に対して下部アームの急速膨張を生じさせる。この急速膨張はノズルチャンバ２内のパドル８の急速上昇運動を生じさせる。
【００１５】
初期の動きが図２に示されており、パトル８が上方に移動して、ノズルチャンバ２内に実質的な圧力上昇を生じさせる。これは次にノズル４からのインクの流出を生じさせ、液曲面３を膨出させる。
【００１６】
次に、アーム１１への電流供給を止めると、図３に示すように、パドル８が元位置に復帰を始める。その結果ノズルチャンバ２内に実質的な圧力降下を生じさせる。ノズルリム４外部のインクの前方運動量が液曲面のくびれと破壊を生じさせ、図３に示すように、新たな液曲面３と小滴１３を形成する。小滴１３はインク印刷媒体（図示せず）上へ前方移動する。
【００１７】
ノズルチャンバは、形状が加工された縁１５を有し、それはパドル８が上方移動するにつれて、図２に示すように、チャネルスペース１６の大きな増大を生じさせる。この大きなチャネルスペース１６がかなりの量のインクをノズルチャンバ２内へと急速に流出させ、液曲面３の表面張力効果によって、チャネル１６を通してインクが引き寄せられる。ノズルチャンバの輪郭がノズルチャンバの急速補給を許し、装置は次第に図１に示されたような静止状態に復帰する。
【００１８】
更に、装置１は多数の他の重要な特徴も備えている。これらの特徴は、図１に示すように、パドル８の外周に形成された環状リム１８が、パドル８の構造的支持体として機能する一方、図３に示すように、液曲面３とパドル８表面間の距離を実質的に最大にする。この距離の最大化によって、液曲面３がパドル８表面に接触して動作特徴に影響を及ぼす可能性を減少させる。更に、表面２０に沿ったインクのウィッキングの可能性を減少させ、それによって装置１の動作特徴に影響を及ぼす可能性を減少させるために、インク流出防止リップ１９が設けられる。
【００１９】
次に、熱作動装置７の動作原則について図４〜１０を参照して説明する。図４において、基板２２に取付けられた熱作動装置１００は、作動装置本体２３を備え、その両側に作動化アーム２４と２５がある。２つのアーム２４と２５は好ましくは同じ材料から形成される。
【００２０】
作動装置を作動するには、アームに電流を通すことによって下部アーム２５が加熱される。熱膨張により下部アーム２５が上部アーム２４より長くなり、これらのアームは両端が接続されているので、下部アーム２５は圧縮応力を受け、上部アームが引張応力を受ける。拘束負荷が無ければ、これらの応力が上向きに曲がる構造物１００によって解放され、２つのアーム２４と２５が共通の中心の周りで弧を形成する。
【００２１】
図４においてPで示すように、作動装置の一端にある動的負荷（パドル及びインク）により、構造物１００の動きは、単なる曲げよりはるかに複雑になり、二次的歪みと座屈を生じるかもしれない。この問題は構造物１００の寸法及び材料を適正に選択することによって最小にすることができる。
【００２２】
実際には、アーム２４と２５が長すぎる場合、アーム２５の加熱と同時に、システムが図６に示すように座屈するかもしれない。この座屈は構造物１００の動作有効性を減少させる。図６に示すような座屈の可能性は、図７に示すような変更装置と共に、小さめの作動化アーム１２４と１２５を利用することによって実質的に減少させることができる。図８に示すように、下部アーム１２５を加熱した場合、作動装置本体１２３が上方に曲がり、システムが座屈する可能性が実質的に減少する。
【００２３】
更に、図８の装置では、作動化アーム１２４と１２５間の作動装置本体１２３の部分２６がせん断応力を受け、その結果、動作効率が減少するかもしれない。更に、材料２６の存在がアーム１２５からアーム１２４への急速な熱伝導を生じさせ得る。
【００２４】
アーム１２５は、本体１２３により許容され得る温度にすべきである。従って、動作パラメータは該部分２６の溶融温度等の諸特性によって決定される。
【００２５】
図９において、２つのアーム２２４と２２５及び作動装置本体２２３を備える熱作動装置の代替が示されているが、ここではアーム間にスペースまたはギャップ２８が形成される。図１０に示すように、これらのアームの一方を加熱すると同時に、アーム２２５が前述のように上方に曲がる。図１０の装置は、アーム２２４と２２５の温度等の動作パラメータが本体２２３において使用される材料によって制限されないという利点を有する。更に、図１０の装置は、本体２２３におけるせん断力の誘発を避け、動作中の層間剥離の危険性を最小にする。これらの発明原理は、動作の一層エネルギー効果的な形態を提供するために、図１〜３の装置の熱作動装置にも適用できる。
【００２６】
更に、熱作動装置の動作の一層効果的な形態を提供するために、色々改良を加えてもよい。熱作動装置は、誘発加熱に依存しており、好適実施形態において利用される装置を、図１１に図示するように、第１の端３１が基板に第２の端３２が負荷に相互接続された材料３０に実質的に簡略化することができる。アーム３０は、加熱されると、膨張して負荷３２に力を及ぼす。加熱と同時に、温度曲線はほぼ図１２に示すようになる。両端３１と３２は、「熱吸収部」として作用し、温度曲線が各端において低くなり、中央で最も高くなる。アーム３０の動作特徴は、溶融点３５によって決定され、中央３６の温度が溶融点３５を超えた場合、アームが破損する可能性がある。図１２のグラフは、図１１のアーム３０がその長さに沿って均一に加熱されない非最適結果を表している。
【００２７】
図１３に示すように、アーム３０の中央部分に熱吸収部３８と３９を設けてアーム３０を変更することによって、図１４に示すように、一層望ましい熱プロファイルを達成することができる。図１４の曲線は、アーム３０の長さを横切る一層均一な加熱を示しており、それによって一層効果的な全体的動作を提供する。
【００２８】
図１５に示すように、２つの作動装置作動化アーム３２４と３２５を接続するために、一連の支柱を設けることにより、一層の効率と座屈の可能性の減少が達成できる。一連の支柱４０と４１は、２つのアーム３２４と３２５を接続して、その座屈を防止するために設けられる。従って、下部アーム３２５が加熱された場合、下部アームは上方に曲がりやすくなり、作動装置本体３２３をも上方に曲げる。
【００２９】
更なる改良において、熱作動装置は、一連の突出部５５と５６を備え、これらの突出部は、熱作動装置の動作の細かな熱調整を提供するために戦略的に配置される。
【００３０】
図１６には、第１の基板５１に取付けられ、負荷５２に作用するように設計された熱作動装置５０の上平面図が略図的に図示されている。伝導性作動部分５４は、２つの突出部５５と５６を備え、該突出部を例えば横断面領域５８より大きな断面の厚みにすることにより、これらの領域において温度を低下させる作用をする。
【００３１】
図１７は、下部層６１と上部層６２間の継手６０の側面図である。
【００３２】
図１８には、異なる装置に対して結果として生じる加熱の概要のグラフが示されている。曲線７０は、図１１に示したような装置において生じる熱曲線である。第２の曲線７２は、中央熱吸収部を有する場合の図１３の装置におけるものである。第３の曲線７３は、図１６の装置における結果として生じる熱曲線である。
【００３３】
曲げ量が加熱中に費やされるエネルギーに比例することがシミュレーションにおいて見出された。このエネルギーは、曲線７０〜７３より下の領域に関し、また曲げ効率が温度に比例し、図１６の装置が作動装置５４に沿った比較的高い温度を許容するので、図１６の装置は、他の図示された装置より一層効率的である。
【００３４】
さらに別の装置構成も可能である。例えば、図１９には、２つの突出部７５と７６を設けた作動装置にわずかな変更を加えた形態が示されている。
【００３５】
図１８に関連して説明した発明原理を、熱作動装置を含むマイクロ電子機械システムの操作に適合する際に利用することもできる。マイクロ電子機械システムを製造する際に使用されるマスクを図２０に示す。これは一連の突出部８０を含み、それらが代替熱分布装置を提供する。インクジェットプリントヘッドの断面が図２１に示されている。
【００３６】
以上好適実施例について記載した本発明に、発明の精神また範囲から逸脱しなければ、色々変更及び／又は修正を加えてもよいことは当業者には理解できる。従って、全ての点で記載の好適実施例は、単なる例であって、これに限定されない。
【図面の簡単な説明】
図１〜３は、熱作動装置の作用を略図的に示す。
図４〜６は、熱作動装置の第１の形態を略図的に示す。
図７及び図８は、熱作動装置の第２の形態を略図的に示す。
図９及び図１０は、熱作動装置の第３の形態を略図的に示す。
図１１は、他の熱作動装置を略図的に示す。
図１２は、図１１の装置における、距離と温度の関係を示すグラフ。
図１３は、熱作動装置の更に他の形態を略図的に示す。
図１４は、図１３の装置における、距離と温度の関係を示すグラフ。
図１５は、熱作動装置の更に他の形態を略図的に示す。
図１６は、熱作動装置の上面図を略図的に示す。
図１７は、熱作動装置の側面図を示す。
図１８は、３つの異なる作動装置の構成における、距離と温度の関係を示すグラフ。
図１９は、別の作動装置の構成を示す。
図２０は、本発明の特徴を備えた熱インクジェットプリントヘッドノズルの製造において使用される半導体マスクを示す。
図２１は、図２０のマスクを使用して製造される熱作動装置を示す。

Claims (2)

1. マイクロ電子機械装置用の熱作動装置であって、前記熱作動装置は、
   一端が基板に取付けられ他端が可動部材に接続あるいは可動部材と一体化された電気的に伝導性の材料からなる第１アームであって、使用に際し前記第１アームを通る電流の通過により加熱されるように配置される前記第１アームと、
   前記基板と前記可動部材との間で延在する第２アームとを備え、
   前記第２アームが、前記第１アームの両端の中間に位置する結合手段によって前記第１アームに接続され、かつ前記第２アームは、前記第１アームが加熱された時、前記第１アームが前記第２アームに対して膨張して、前記可動部材に偏向力を及ぼすように配置されていることを特徴とする熱作動装置。
2. 前記結合手段が、前記第１アームの両端間の中央に位置していることを特徴とする請求項１記載の熱作動装置。

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