JP4801673B2 - 変化する曲げ剛性を有する２点係止式熱アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に微小電気機械装置に関し、より詳細には、インクジェット装置及び他の液滴放出器で用いられるタイプのような微小電気機械熱アクチュエータに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、比較的最近の発展である。かかるＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ及びポジショナーのような従来の電気機械装置に対する代替として用いられている。微小電気機械装置は、微小電子製造技術の使用に起因して、潜在的に低いコストである。新規の用途は、また、ＭＥＭＳ装置の小さいサイズスケールに起因して見出されている。ＭＥＭＳの多くの潜在的な用途は、熱作動を利用し、かかる装置において必要とされる動きを提供する。例えば、多くのアクチュエータ、バルブ及びポジショナーは、移動のために熱アクチュエータを用いる。ある用途では、第１の位置へのアクチュエータの復帰が後続する、第１の位置から第２の位置への迅速な変位は、液体内に圧力パルスを生成するために用いられ、若しくは、作動パルスあたりの単位距離若しくは回転で機構を動かすために用いられる場合があるだろう。ドロップ・オン・デマンド式液滴放出器は、離散的な圧力パルスを用いてノズルから離散的な量の液体を放出する。

ドロップ・オン・デマンド式液（ＤＯＤ）液体放出装置は、多年、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きた。従前の装置は、特許文献１及び２に開示されるような圧電アクチュエータに基づいていた。

特許文献３及び４は、圧電作動式インクジェット液生成器の効率的な構成を開示する。これらの開示は、柔軟なダイヤフラム層を長方形の液生成器液圧室上に形成し、ついで、長方形の室に位置合わせしてダイヤフラム上にプレート上の圧電エクスパンダを形成することによって、積層型圧電トランスデューサの構成を教示する。開示される試験データが示すところによると、圧電積層体の撓み量は、圧電プレートが、ダイヤフラム層により被覆されている圧力室への長方形の開口幅よりも幾分狭い場合により大きい。特許文献３及び４の開示は、圧力室が〈１１２〉格子方向に沿って配列される（１１０）格子面に沿って切られたシリコン基板の利用に向けられる。

インクジェット印刷の現在一般的な形態である熱インクジェット（若しくは“バブルジェット（登録商標）”）は、特許文献５で議論されるように、液滴放出を引き起こす蒸気バブルを生成するために電気抵抗ヒータを用いる。電気抵抗ヒータアクチュエータは、高度に発展した超小型電子技術プロセスを用いて製造できるので、圧電アクチュエータよりも製造コストで有利である。他方、熱インクジェット液滴放出機構は、インクが気化可能な成分を有することを必要とし、インク温度をこの成分の沸点よりも非常に上まで局所的に上昇させる。この温度照射は、熱インクジェット装置により信頼性が高い態様で放出されることができるインク及び他の液体の形成に対して過酷な制限を与える。圧電式作動装置は、液体が機械的に加圧されるので、噴射されることができる液体に対してかかる過酷な制限を与えない。

インクジェット装置のサプライヤーにより実現されてきた利用可能性、コスト及び技術的な性能の改善は、また、液体の微小計量を必要とする他の用途用の装置における関心を発生させた。これらの新しい用途は、特許文献６に開示されるように、微小分析化学のために、専用化学物質を計量分配すること、特許文献７に開示されるように、電子装置製造用にコーティング材料を計量分配すること、及び、特許文献８に開示されるように、医療吸入療法のために微小液滴を計量分配することを含む。要求に応じて、広範な液体のミクロンサイズの液滴を放出できる装置及び方法は、最高の品質の画像印刷に対して必要とされるだけでなく、液体計量分配が超小型液滴の単分散、正確な配置及びタイミング、及び微小増分を必要とする用途を出現させるためにも必要とされる。

広範な液体形成で用いることができる、微小液滴放出及び微小流体計量分配（valving）に対する低コストのアプローチが必要とされる。熱インクジェット用の微小電子部品製造技術の利点と、ピエゾ−エレクトロ−機械装置に利用可能な液体成分寛容度とを組み合わせる装置が必要とされる。

熱−機械アクチュエータを利用する機械ＤＯＤインクジェット装置は、特許文献９により開示される。アクチュエータは、インク放出ノズルと対向してインク室内に配置される単一の電気抵抗材料から構成される薄いビーム（梁）として構成される。ビームは、電流がビームを通過するときに圧縮方向の熱−機械力に起因して座屈する。ビームは、製造中にノズルに向けてお辞儀する形状に事前に曲げられ、従って、熱−機械座屈は、常に、事前に曲げられた方向に発生する。

特許文献１０乃至１３は、熱−機械ＤＯＤインクジェット構成を開示する。超小型電子技術プロセスを用いて熱−機械装置を製造する方法は、特許文献１４乃至１６に開示される。開示される熱アクチュエータは、熱モーメントが実質的に異なる熱膨張係数を有する層間に生成される二層片持ちビームタイプである。加熱時、片持ち微小ビームは、熱膨張係数が高い方の層から離れる方向に曲がり、自由端が撓み、液滴放出が引き起こされる。

幾つかの開示は、熱膨脹電気抵抗層の選択として金属間チタンアルミナイドを含む特に効率的な材料を利用する熱−機械アクチュエータに対してなされる。これらの開示は、特許文献１７乃至１９を含む。後者の２つの特許文献は、更に、ビームアクチュエータの部分的な長さを加熱することにより達成される改善されたエネルギ効率を有する片持ち熱アクチュエータを更に開示する。

特許文献２０では、“スナップ−スルー（snap-through）”モードで動作する２点係止式ビーム形態の熱アクチュエータが開示される。この開示では、スナップ−スルーモードは、ビームを半硬質（semi-rigid）態様で係止することによって実現されることが教示される。

熱−機械作動式液滴放出器は、微小電子材料及び装置を用いて量産されることができ、且つ、熱インクジェット装置において信頼性が低いだろう液体との動作を可能とする低コスト装置として見込みがある。大型の信頼性の高い力アクチュエータは、二層構成を熱サイクリングすることにより実現されることができる。しかし、高い液滴反復周期での熱アクチュエータ型液滴放出器の動作は、過剰な熱の蓄積を防止するために、液滴放出を引き起こすために必要とされるエネルギに注意深く注意を払うことを必要とする。液滴生成は、ノズルでの液体における大きな圧力インパルスを生成することにも依存する。力及び体積変位を最大化する構成及び設計は、それ故に、より効率的に動作することができ、また、より高い粘性及び密度を有する流体を用いて使用可能となることができる。

バイナリ流体微小バルブ用途は、開から閉状態への迅速な遷移から利益を享受し、これにより、中間圧力で費やされる時間を最小化する。改善されたエネルギ効率の熱−機械アクチュエータは、作動状態に維持されるとき、より頻繁な作動及びより少ないエネルギ消費を可能とするだろう。バイナリ微小スイッチ用途は、また、微小バルブと同様の改善された熱アクチュエータ特性から利点を享受するだろう。

熱−機械アクチュエータに対する有用な設計は、対向する縁部で装置構造に係止されその中心で外向きに曲がる（反る）ことができるビーム若しくはプレートであり、ビーム若しくはプレートのノミナルの休止（定常）面に直角である機械作動を提供する。少なくとも２つの対向する縁部に沿って係止される熱−機械ビームは、２点係止式(doubly-anchored)熱アクチュエータと称される。熱アクチュエータの移動可能な部材に対する構成は、ここでは変形可能な部材と称され、変形可能な部材の周囲まわりを完全に係止することを含め、多様な平らな形状及び周囲係止の量を有してよい。かかる多係止型変形可能な部材の全ては、本発明の予測される構成であり、用語“２点係止式”に含まれることが意図される。

変形可能な部材の変形は、変形可能な部材の面内に熱膨張作用をもたらすことによって引き起こされる。変形可能な部材材料の嵩膨脹及び収縮の双方は、変形可能な部材の厚さの勾配と共に、熱−機械アクチュエータの設計で有用である。かかる膨脹勾配は、温度勾配により引き起こされることができ、若しくは、変形可能な部材を介した、実際の材料の変化、層によって引き起こされることができる。これらの嵩及び勾配熱−機械効果は、所定の大きさの変位で所定方向に座屈することによって動作するアクチュエータを設計するために共に用いられてよい。

許容可能なピーク温度で動作できつつ、大きな力の多き及び加速度を搬送する２点係止式熱アクチュエータは、ＭＥＭＳ製造方法を用いて製造されることができ高い周波数で多様な流体を用いて動作するシステムを構築するために必要とされる。エネルギ効率を相当に改善する設計特徴は、ＭＥＭＳベースの熱アクチュエータ及び集積電子部品の商業的な用途に有用である。
Ｋｙｓｅｒ他による米国特許第３，９４６，３９８号 Ｓｔｅｍｍｅによる米国特許第３，７４７，１２０号 Ｍｉｙａｔａ他による米国特許第５，７５４，２０５号 Ｍｉｙａｔａ他による米国特許第５，９２２，２１８号 Ｈａｒａ他による米国特許第４，２９６，４２１号 Ｐｅａｓｅ他による米国特許第５，５９９，６９５号 Ｎａｋａ他による米国特許第５，９０２，６４８号 Ｐｓａｒｏｓ他による米国特許第５，７７１，８８２号 Ｍａｔｏｂａ他による米国特許第５，６８４，５１９号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，０６７，７９７号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，０８７，６３８号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，２３９，８２１号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，２４３，１１３号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，１８０，４２７号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，２５４，７９３号 Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる米国特許第６，２７４，０５６号 Ｊｅｒｒｏｌｄ他による米国特許第６，５６１，６２７号 Ｌｅｂｅｎｓ他による米国特許第６，６３１，９７９号 Ｃａｂａｌ他による米国特許第６，５９８，９６０号 Ｃａｂａｌ他による米国特許出願公開第２００３／０２１４５５６号

それ故に、本発明の目的は、大きな力の大きさ及び加速度を提供し且つ過剰なピーク温度を必要としない２点係止式熱アクチュエータを提供することである。

また、本発明の目的は、２点係止式熱アクチュエータにより動作される液滴放出器を提供することである。

また、本発明の目的は、２点係止式熱アクチュエータにより動作される流体微小バルブを提供することである。

また、本発明の目的は、２点係止式熱アクチュエータにより動作される電気微小スイッチを提供することである。

本発明の上述及び多くの他の特徴、目的及び効果は、ここに付与される詳細な説明、請求項及び図面を参照することで容易に明らかになる。これらの特徴、目的及び効果は、対向する係止縁部を有する凹部が形成されたベース部材を含む微小電気機械装置用２点係止式熱アクチュエータを構築することによって達成される。対向する係止縁部にてベース部材に取り付けられて第１の位置に定在する変形可能な部材は、低い熱膨張係数を有する第１の材料の第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料の第２の層とを有する平らな積層体として構成される。変形可能な部材は、係止縁部の近傍に係止部、及び、係止部間に中央部を有し、係止部の曲げ剛性が中央部の曲げ剛性よりも実質的に低い。２点係止式熱アクチュエータは、更に、変形可能な部材の温度の急な上昇を引き起こすための熱パルスを変形可能な部材に印加するように構成された装置を含む。変形可能な部材は、第２の材料に向かう方向に反り（曲がり）、その後、温度が減少した際に緩和して第１の位置に戻る。

本発明は、特に、ＤＯＤインクジェット印刷用のプリントヘッドとして用いられる液滴放出器用の熱アクチュエータとして好適である。この好ましい実施例では、２点係止式熱アクチュエータは、液体が充填された室であって、液体を放出するノズルを含む室内に定在する。２点係止式熱アクチュエータへの熱パルスの印加は、ノズルに向かう方向での急速な曲がりを引き起こし、液体をノズルから付勢する。

本発明は、高速な圧力スイッチングを必要とする流体定量装置若しくはシステムで用いられる流体微小バルブ用の熱アクチュエータとして好適である。この好ましい実施例では、２点係止式熱アクチュエータは、流体フローポートを含む液体充填室内に定在する。２点係止式熱アクチュエータは、本発明の実施例の常態で開のバルブ若しくは常態で閉のバルブに対して流体フローポートを開成若しくは閉成するために機能する。２点係止式熱アクチュエータへの熱パルスの印加は、初期的に、流体フローポートを開成若しくは閉成するように構成された座屈を引き起こす。

本発明は、また、電子回路を制御するために用いられる電気微小スイッチ用の熱アクチュエータとして好適である。この好ましい実施例では、２点係止式熱アクチュエータは、外部回路を開成若しくは閉成するためにスイッチ電極と接触若しくは離反する制御電極を動作させる。２点係止式熱アクチュエータへの熱パルスの印加は、微小スイッチを開成若しくは閉成するように構成された座屈を引き起こす。

本発明は、ある好ましい実質的にを特に参照して詳説されるが、変形及び修正は、本発明の範囲内で実現できることは理解されるだろう。

以下で詳説する如く、本発明は、２点係止式熱アクチュエータ、ドロップ・オン・デマンド式液体放出装置、常態閉及び常態開の微小バルブ、及び、常態閉及び常態開の微小スイッチを提供する。かかる装置のうちの最も知られた装置は、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用いられる。インクジェットプリントヘッドに類する装置を利用するが、精密に定量され高い空間精度で付着される必要があるインク以外の液体を放出する多くの他の用途は出現している。インクジェット及び液滴放出器の用語は、ここでは互いに互換性がある態様で用いられる。以下で開示される本発明は、広範な流体特性に対して改善された液滴放出性能を有する熱−機械アクチュエータに基づく液滴放出器を提供する。本発明は、更に、改善されたエネルギ効率を備える微小バルブ及び微小スイッチを提供する。

本発明の発明者は、クランプされた若しくは２点係止された、変形可能な部材型微小熱アクチュエータが、変形可能な部材の曲げ剛性が係止縁部近傍の部位で低減された場合に、顕著に改善されたエネルギ効率を有するように設計されることができることを、知見した。加熱時、複数層の変形可能な部材は、最も高い熱膨張の層の方向に反る。加熱を中央部に制限し、変形可能な部材がクランプされる縁部及び位置の近傍で変形可能な部材の曲げ剛性を低減することによって、より大きい撓みが、所与の量の熱入力エネルギに対して達成される。

図１は、従来の２点係止式熱アクチュエータの側面視を示す。変形可能な部材２０は、２つの対向する係止（アンカー）縁部１４にてベース部材１０に係止される。図示された変形可能な部材は、２つの層、第１層２２及び第２層２４からなる薄いビームである。第１層２２は、酸化珪素や窒化珪素のような、低い熱膨張係数を有する材料から構成される。第２層２４は、金属のような、高い熱膨張係数を有する材料から構成される。図１（ａ）は、通常の動作温度での定在（休止）時の変形可能な部材２０を示す。図示された従来の熱アクチュエータでは、第２の材料は、チタンアルミナイドのような電気抵抗金属であり、電流が層２４を通って半田バンプ４３，４７及びＴＡＢボンドリード線４１，４６のような図示された電気接点を介して流れるときに自己加熱する。電流を印加することによって変形可能な部材を加熱することは、図１（ｂ）に示すように、より熱膨張しやすいそう２４に向かう方向に変形可能な部材を変形（曲げ若しくは座屈）させる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明による２点係止式熱アクチュエータ１５の側面視を示す。図２（ａ）では、２点係止式熱アクチュエータは、休止の第１位置にある。図２（ｂ）では、変形可能な部材は、第２層２４における電気抵抗材料に電流を通すことによって加熱され、温度が上昇し、変形可能な部材が第２の釣り合い（平衡）形状まで曲げられ若しくは座屈させられる。第２層２４は、係止部２４ａ及び中央部２４ｃを有するように図示されている。本発明の重要な局面は、変形可能な部材の曲げ剛性が、係止縁部１４に近傍の係止部１８において、中央部１９の曲げ剛性に比べて低減されることである。機械的な低減は、係止部１８における曲げ剛性が変形可能な部材２０の中央部１０の曲げ剛性よりも少なくとも２０％小さい場合に実質的であるといわれる。

第２層２４上の第３層２６は、図２にも図示されている。この層は、２点係止式熱アクチュエータの特別な用途に依存して多様な機能を有することができる。液滴放出器若しくは微小バルブで用いられるとき、第３層２６は、適切な化学的耐性及び電気的絶縁性を有する不活性化層であってよい。マイクロスイッチでの使用に対しては、第３層２６は、絶縁性のある副層及び導電性のある副層を有する多層積層体であってよい。第３層２６は、第１層２２から見て第２層２４の反対側に設けられるので、その曲げ剛性が変形可能な部材の熱曲げを阻害しないことが重要である。第３層は、典型的には、第１層２２若しくは第２層２４よりも実質的に低い厚さで設けられ、実現可能な場合には、非常に低いヤング率を有する材料を用いる。

変形可能な部材２０は、図２に示す３層からなって図示されている。本発明の実際の実現は、製造上の理由若しくは追加の保護及び不活性化のために導入される追加の層を含んでよい。また、考えられることとして、図示された層の任意の層は、改善された性能若しくは製造上の利点のために複数の副層からなってもよい。本発明の全ての実施例は、実質的に異なる熱膨張係数を有する第１及び第２層２２,２４を有する特徴を共有し、これにより、加熱されたときに熱−機械変形を提供する。例えば上層２６のような他の層は、信頼性の改善を含め、更なる有利な機能を提供するために設けられてよい。

本発明のある好ましい実施例では、より小さい係止部剛性は、第２層の係止部を、第２層の中央部を形成する材料よりもヤング率が実質的に小さい材料を用いて形成することによって、達成される。例えば、第２層２４の係止部２４ａは、アルミニウムで形成されてよく、中央部２４ｃは、チタンアルミナイドで形成されてもよい。係止部において変形可能な部材の中央部よりも小さい剛性を達成する他のアプローチは、変形可能な部材の係止部におけるより薄い層若しくはより狭い実効幅を含む。

図２及び他の図における２点係止式熱アクチュエータ１５のジオメトリは、典型的な微小ビーム構造に対するスケールに従っていない。典型的には、第１層２２及び第２層２４は、厚さ数ミクロンで形成され、２点係止式変形可能な部材２０の長さは、１００ミクロンより大きく、典型的には、３００ミクロンより小さい。

変形可能な部材の挙動の根底をなす物理のより詳細な理解は、２つの係止ポイントで支持されるビームを支配する偏微分式の解析によりアプローチされることができる。以下の座標及び幾何学上のパラメータは、図２に示される。変形可能な部材２０は、対向する係止縁部１４で基板１０に係止されるビームである。変形可能な部材に反った軸は、“ｘ”で指示され、左側の係止縁部１４でｘ＝０であり、変形可能な部材の中心でｘ＝Ｌであり、右側の係止縁部１４でｘ＝２Ｌである。更に、変形可能な部材の係止部１８と中央部１９の間の境界は、近似的であり、各係止縁部から距離Ｌ_ａに位置する。係止部と中央部の間の境界は、本発明により実際に構築された変形可能な部材が、剛性が中央部の実効値から係止部の実効値に変化するまでの有限遷移領域を有することになることは、理解されるべきである。ｘ軸に垂直なビームの撓みは、ｆ（ｘ）で示される。図示された対称のビームの変形は、中心に関して対称であり、それ故に、軸から離れる最大撓みｆ_ｍａｘは、ｘ＝Ｌに位置し、即ちｆ_ｍａｘ＝ｆ（Ｌ）である。

図示された変形可能な部材２０は、厚さｈ_１の第１層２２及び厚さｈ_２の第２層２４からなる。対向する係止縁部１４間の微小ビームの長さは、２Ｌである。実際に実現されるビームは、また、有限の幅ｗを有することになる。図２の側面視は、幅寸法を示していない。幅寸法は、幅が変形可能な部材の横断方向で一定である構成に対して本発明の理解に重要でない。しかし、本発明のある好ましい実施例では、変形可能な部材の幅、若しくは、変形可能な部材のある層の幅は、曲げ剛性を低減するために係止部において狭くされてもよい。

図２におけるｘ軸は、対向する係止縁部位置１４間の空間を端から端まで延在して示されている。ｘ軸は、ここで変形可能な部材２０の中心面と称される面内に位置する。この面は、残留の変形若しくは座屈の無い平らな変形可能な部材の部分を示す。

振動するビームの小さな振動に対する標準式は、以下の通りであり、

これを用いて、種々の標準的な境界条件が用いられる。ここでは、ｘは、ビームの長さに沿った空間座標であり、ｔは時間、ｕ（ｘ，ｔ）はビームの変位量、ρはビームの密度、ｈは厚さ、ｗは幅、Ｅはヤング率、σはポアソン比である。ビームの曲げ剛性Ｄは、式１の第２項において、材料特性Ｅ及びσ、幾何的パラメータｈ及びｗ、及び形状因子１／１２により捕捉される。曲げ剛性は、次の通りである。

多層ビームに対して、物理定数は、全て実効パラメータであり、種々の層ｊの物理定数の重み付け平均として算出される。

ここで、

α_ｊは、ｊ番目の層の熱膨張係数であり、αは、多層ビームに対する実効熱膨張係数である。

本発明のある好ましい実施例に対して、一以上の層ｊの幅は、変形可能な部材２０の中央部１０に対して係止部１８において有意に狭くされてよい。それ故に、実効ヤング率Ｅ_ｊは、上記式４における各層に対して、ｊ番目の層の各幅部分ｗ_ｊｉのヤング率Ｅ_ｊｉを積算し、変形可能な部材の全体の幅ｗにより正規化することによって、算出される。例えば、層が半分だけ狭くされている場合、当該層の実効ヤング率Ｅ_ｊは、嵩材料のヤング率地の半分まで低減されることになる。このように異なる実効層幅を考慮することは、以下の解析を均一な幅を有する変形可能な部材に対するモデルを用いて進めることを可能とする。係止部１８の全体としての幅ｗ_ａが中央部の幅ｗ_ｃに対して低減される場合、これは、解析において、式２の剛性Ｄを評価するときにｗに対して、それぞれの全体の幅ｗ_ａ若しくはｗ_ｃを用い、式４において実効層ヤング率値Ｅ_ｊを用いることによって、考慮されることができる。

標準式１は、加熱、残留歪及び取り付け接続部によりビーム端部に掛かるモーメントを考慮する境界条件に起因したビームの圧縮若しくは膨脹を含む幾つかの追加の物理作用を考慮するために修正される。

拘束される微小ビームを加熱する主な作用は、圧縮応力である。加熱された微小ビームは、拘束されていない場合には、膨脹するだろう。膨脹に対してビームを拘束する際、取り付け接続部は、対向する係止縁部１４間の微小ビームを圧縮する。微小ビームの未変形の形状に対して、この熱により誘起される応力は、次の項を式１の形態に付加することによって表される。

上記の式１０において、αは、式７で与えられる平均熱膨張係数であり、Ｔは温度である。かかる項は、均一に圧縮されるビームを表すだろう。

しかし、微小ビームは、均一に圧縮されない。それは、外向きに曲がって変形され、変形は、圧縮を緩和することになる。
微小ビームの局部膨脹は、次の通りである。

式１１における右側の項は、式の左側の完全な表現のテーラー展開における第１項である。右側の項は、局部膨脹の近似としてここで用いられることになり、伴われる非常に小さい大きさの変形により正当化される。式１０におけるテーラー近似を用いて、正味の局部応力は、次の通りである。

結果として得られる応力の垂直成分は、このとき次の通りである。

それ故に、ビームの小さい振動に対する完全な数学的モデルは次の通りとなる。

本発明の目的のため、ビームは、時間依存する温度サイクルＴ（ｔ）を介して周期的に繰り返されるようにされた際に種々の形状を取り、休止位置及び変形釣り合い位置により図２（ａ）及び図２（ｂ）で示されるような座屈運動を引き起こすように設計される。更なる解析のため、熱平衡時にｕ（ｘ．ｔ）＝ｆ（ｘ）とする。即ち、ｆ（ｘ）は、任意の温度Ｔでの平衡状態のビームの時間変化しない形状である。

式１４は、固定温度Ｔで平衡形状ｆ（ｘ）の項の改変であり、次の微分方程式を生む。

式１５の第２項の微分を実行すると、次の通りとなる。

更なる解析のため、変形可能な部材を加熱し、熱モーメントｃＴを発生させることの物理効果、及び、液滴放出器内の作動流体の逆圧により負荷される荷重、微小バルブのバルブシートに当たることにより負荷される荷重、若しくは微小即ちを閉じることにより負荷される荷重のような、荷重Ｐの物理効果を導入することは有益である。本発明に適用する仮定を簡易化することは、加熱及び荷重の双方が、図２のｘ軸に沿って係止縁部１４からＬ_ａ延在する係止部１８間の変形可能な部材の中央部１９に主に負荷されることである。

本発明は、変形された部材の温度が上昇するにつれて生ずる膨脹座屈の事前バイアス方向に対して作用する内部熱−機械力が発生されることを必要とする。必要とされる力は、不均質構造により達成され、不均質構造は、典型的には、異なる熱−機械特性を有する、特に実質的に異なる熱膨張係数を有する複数材料からなる平らな積層体である。図２に示す２層部材に対して、第１層２２及び第２層２４の熱膨張係数が実質的に異なる一方でそれらそれぞれのヤング率の値が類似する場合に、有効な熱モーメントｃＴが、上昇温度Ｔで発生することになる。

熱モーメントは、構造を平衡形状に曲げる作用をし、平衡形状では、熱膨張係数の大きい方の層が曲げの外側である。それ故に、第２層２４が、第１層２２の熱膨張係数よりも有意に大きい熱膨張係数を有する場合、熱モーメントは、変形可能な部材２０を図２の上向きに曲げるように作用することになる。

２次元積層構造の熱モーメント係数ｃは、次のように、積層体を構成する層の厚さ及び材料特性から見出すことができる。

ここで、ｙ_ｃは、上記式９で与えられる。

変形可能な部材の特性、加熱、及び作動荷重がｘ＝Ｌに関して対称である限り、“半ビーム”の解析、即ちｘ＝０からＬの区間上の微分式は、全体の変形可能な部材２０の挙動を捕捉することになる。本発明は、変形可能な部材の中心に関して力及び特性における対称性の簡易仮定をなすことにより理解されてもよい。ここでは、以下、式１６は、図２に示した変形可能な部材２０に適用され、この場合、変形可能な部材の特性及び力は、空間範囲ｘ＝Ｌ_ａからＬに亘る中央部１９に対する値に比べて、空間範囲ｘ＝０からＬ_ａに亘る係止部１８に対して異なる値を有してよい。これは、対称な変形可能な部材２０の左側である。右側は、左側の解析に対称な結果を示すことになる。

図２の変形可能な部材２０の左側に上記式を適用すると、次の平衡微分方程式及び関連する境界条件のセットは、周囲よりも高い特定の平衡温度Ｔに対する変形可能な部材の撓みないし形状ｆ（ｘ）を表す。

ここで、ラベル“ａ”は、ｘ＝０からｘ＝Ｌ_ａまで延在する係止部１８を指し、ラベル“ｃ”は、ｘ＝Ｌ_ａからｘ＝Ｌまで延在する中央部１９を指す。荷重Ｐ_ｉは、中央部１９にのみ印加されると仮定する。即ち、Ｐ_ａ＝０、Ｐ_ａ＝Ｐ（ｘ），ｘ＝Ｌ_ａからＬ。

適用可能な境界条件は次の通りであり、

遷移位置ｘ＝Ｌ_ａでは、次の通りである。

ここで、

Ｄ_ａ及びＤ_ａは、変形可能な部材２０の係止部１８及び中央部１９に対する曲げ剛性係数である。

上記のｘ＝０、Ｌ及びＬ_ａで境界条件を備える非線形微分方程式は、次の変数ｘの変形を用いて数学的により容易に解かれる。

これらの変形は、左端（ｚ＝０）に全ての境界条件をまとめ、係止部から中央部への遷移位置での全ての境界条件を、新しい区間［０、Ｌ］の右端（ｚ＝Ｌ）にまとめる。結果として得られる境界値問題は、次の通りである。

付随する境界条件は、次のように変形される。

上記式は、非線形常微分方程式を解く計算ソフトウェア、Asher,Christiansen and RusselによるCOLSYSを用いて、数値的に解かれた。この計算サブルーチンは、インターネットのウェブサイトwww.netlib.orgにて入手可能である。

好ましい材料及び層の一例の設計は、数値計算を介してモデル化された。この例の変形可能な部材は、５層からなった。第１層２２は、２つの副層、即ち０．３μｍの厚さのβ−炭化珪素（β−ＳｉＣ）から形成される副層２２ａ、及び、０．２μｍの厚さの酸化珪素（ＳｉＯ_２）から形成される副層２２ｂからなった。第２層２４は、係止部１８及び中央部１９に対して異なる特性を付与するために層２４内に部位２４ａ及び２４ｃに構成される、２つの材料、即ち１．５μｍの厚さのアルミニウム（Ａｌ）若しくはチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）からなった。第３層２６は、２つの副層、即ち０．５μｍの厚さの酸化珪素（ＳｉＯ_２）から形成される副層２６ａ、及び、０．３μｍの厚さのテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）から形成される副層２６ｂからなった。

モデル化された変形可能な部材は、全体で３．８μｍの厚さであった。全体の長さ２Ｌは、３００μｍであり、全ての層が同一の幅３０μｍを有していた。実効ヤング率、密度及び熱膨張係数の値は、上記の式３乃至式９を用いて計算されることができる。モデル計算で用いられた材料値及び計算された実行パラメータは、表１に与えられる。

第２層２４の係止部２４ａの２つの構成がモデル化され算出された。即ち、ケース１は、係止部２４ａに対してアルミニウムを有し、ケース２は、係止部２４ａに対してチタンアルミナイドを有する。双方のモデル化された構成は、変形可能な部材２０の中央部１９に対して同一の材料構成を有し、第２層２４の中央部２４に対してチタンアルミナイドを有する。変形可能な部材２０の中央部１９に対する熱モーメント係数は、式１７から計算され、表１のパラメータを用いてｃ＝．０５３３３ｃｍ^−１℃^−１となった。

第２層２４全体にチタンアルミナイドを有するモデル構成であるケース２に対する式２５乃至３０の数値解の結果が、図３にプロットされている。プロットは、中央部１９が周囲温度よりも高い温度Ｔ、１００℃に達するまで加熱された後の変形可能な部材２０の左側の計算された平衡形状ｆ（ｘ）を示す。変形量ｆ（ｘ）は、変形可能な部材に沿った位置ｘと同様、ミクロンの単位で表現される。変形された部材２０は、対称形状を有すると仮定され、従って、右側が相補形を有するだろう。最大の変形ｆ_ｍａｘは、ビーム中心ｘ＝１５０μｍで生ずる。

個々の曲線２１０乃至２２２は、係止部から中央部への遷移の異なる位置、即ちＬ_ａに対する異なる値をプロットする。各曲線と関連付けられたＬ_ａの値は、次の通りである。曲線２１０（Ｌ_ａ＝５／６Ｌ）、曲線２１２（Ｌ_ａ＝４／６Ｌ）、曲線２１４（Ｌ_ａ＝３／６Ｌ）、曲線２１６（Ｌ_ａ＝２／６Ｌ）、曲線２１８（Ｌ_ａ＝１／４Ｌ）、曲線２２０（Ｌ_ａ＝１／５Ｌ）、及び曲線２２２（Ｌ_ａ＝１／６Ｌ）。

このケース２の構成に対して、変形可能な部材２０の係止部１８及び中央部１９は、同一の機械的特性を有する。結果として、最大変形の異なる量は、中央部のみが加熱され、中央部のみが荷重Ｐを受けるという仮定から生じている。これらの仮定は、ヒータが中央部のみで実効的となるようにパターン化され且つ荷重が変形可能な部材２０の中心で最も大きい抵抗を印加するように構成されているケースに近似する。後者の条件は、以下の図７及び図８に示す液体室の砂時計形状により液滴生成器に対して伝えられる。室は、変形可能な部材２０の中央部１９を囲繞して最も収縮されるので、主要な流体の逆圧荷重は、中央部１９に印加されることになる。図３のプロット図を研究することにより、ケース２に対しては、最大変形量を最大化するに対する最適な選択肢、即ちＬ＝Ｌ_ａ＝１／４Ｌに対してｆ_ｍａｘ≒２．２７μｍが存在することが理解できる。

第２層２４の係止部２４ａに対してアルミニウムを有し中央部２４ｃに対してチタンアルミナイドを有するモデル構成であるケース１に対する式２５乃至３０の数値解の結果が、図４にプロットされている。プロットは、中央部１９が周囲温度よりも高い温度Ｔ、１００℃に達するまで加熱された後の変形可能な部材２０の左側の計算された平衡形状ｆ（ｘ）を示す。変形量ｆ（ｘ）は、変形可能な部材に沿った位置ｘと同様、ミクロンの単位で表現される。変形された部材２０は、対称形状を有すると仮定され、従って、右側が相補形を有するだろう。最大の変形ｆ_ｍａｘは、ビーム中心ｘ＝１５０μｍで生ずる。

個々の曲線２３０乃至２３６は、係止部から中央部への遷移の異なる位置、即ちＬ_ａに対する異なる値をプロットする。各曲線と関連付けられたＬ_ａの値は、次の通りである。曲線２３０（Ｌ_ａ＝５／６Ｌ）、曲線２３２（Ｌ_ａ＝４／６Ｌ）、曲線２３４（Ｌ_ａ＝３／６Ｌ）、及び曲線２３６（Ｌ_ａ＝２／６Ｌ）。

このケース１の構成に対して、変形可能な部材２０の係止部１８及び中央部１９は、異なる機械的特性を有する。特に、係止部は、ケース１ではケース２に比べて剛性が低い。これは、表１における実効ヤング率の値を比べることにより理解できる。ケース１では、実効ヤング率が１１４ＧＰａであり、ケース２の１９４ＧＰａの実効ヤング率よりも約４０％小さい。図４の曲線２３０乃至２３６により表される異なる量の最大変形は、係止部１８における低減された曲げ剛性と共に、中央部のみが加熱され且つ中央部のみが荷重Ｐを受けるという仮定から生ずる。

ケース１の変形可能な部材の最大変形量は、Ｌ＝Ｌ_ａ＝１／３Ｌに対してｆ_ｍａｘ≒２．６９μｍである。係止部における曲げ剛性を４０％低減することは、最大変形量の１８％の増加をもたらした。

図３及び図４におけるプロットされた結果は、２次元解析に基づいていた。３次元数値解析も、ケース１及びケース２の構成の変形可能な部材２０に対して実行された。ＥＳＩ ＣＦＤ社による数値解析器ＣＦＤ−ＡＣＥ^＊が、３次元解析に用いられた。このソフトウェアパッケージは、インターネットのウェブサイトwww.esi-group.comにて入手可能である。

３Ｄ計算は、係止部から中央部への遷移位置Ｌ_ａの関数としてｆ（Ｌ）＝ｆ_ｍａｘの値を求めるために実行された。モデルに対する式２５乃至３０のこれらの３次元数値解の結果は、図５にプロットされている。図５のプロット２４０は、第２層の中央部２４ａがアルミニウムで形成されたケース１に対してである。図５のプロット２４２は、第２層の中央部２４ａがチタンアルミナイドで形成されたケース２に対してである。３次元計算は、２次元解析が変形量を過大に評価することを示す。しかし、３次元計算は、また、係止部１８における剛性を低減する比例的な効果が、２次元解析により過小に評価されることを示す。図５のプロット２４０及び２４２は、係止部１８における剛性の４０％までの低減は、最大変形量の４０％までの増加を生むこと、即ちｆ_ｍａｘが１．５１μｍから２．２μｍまで増加することを示す。

図５のプロットは、明らかに、係止縁部１４に近傍の２点係止式熱アクチュエータの変形可能な部材２０の部位の曲げ剛性を低減することによって達成可能な最大変形量の増加を実証している。入力される同一のエネルギに対する変形量の改善は、係止部間の距離を増加するため、使用されるエネルギの全体量を低減するため、若しくは、作動の繰り返し周期を増加させるために、利用されてよい。

改善の量は、上述の多くの材料、形状及び幾何因子に依存する。上述の解析されたモデルの変形可能な部材２０における曲げ剛性を低減する手段は、第２層２４の一部を、実質的に低いヤング率を有する材料で置き換えることであった。式２，２５乃至３０を精査することから理解できるように、曲げ剛性パラメータＤを低減する任意の手段は、所与のエネルギ入力に対する改善された変形をもたらすことになる。曲げ剛性を低減する手段は、実効厚さｈを低減すること、実効幅ｗを低減すること、実効ヤング率Ｅを低減すること、若しくはこれらの任意の組み合わせを含む。

これより、係止位置近傍の曲げ剛性が低減された２点係止式熱アクチュエータの幾つかの微小装置への適用例が議論される。本発明は、特にインクジェットプリントヘッドである液滴放出器、液体微小バルブ及び電気微小スイッチへの、かかる熱アクチュエータの組み込みを含む。

図６を参照するに、本発明による装置を使用してよいインクジェット印刷システムの概略図が示されている。システムは、液滴を印刷するためのコマンドとしてコントローラ３００により受信される信号を供給する画像データ源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、電気エネルギパルスからなる電圧信号を生成し、電圧信号は、インクジェットプリントヘッド１００内の各２点係止式熱アクチュエータ１５に対応付けられた電気抵抗手段に印加される。電気エネルギパルスは、２点係止式熱アクチュエータ１５を迅速に変形させ、ノズル３０位置のインクを加圧し、受像体５００上に着地するインク液滴５０を放出する。

図７は、インクジェットプリントヘッド１００の平面視を示す。熱作動式インクジェットユニット１１０のアレイは、中央に整列されたノズル３０及びインク室１２を有して示されている。インクジェットユニット１１０は、超小型電子部品製造方法を用いて基板内及び基板上に形成される。

各液滴放出ユニット１１０は、対応する電気ヒータ電極接点４２，４４を有し、電気ヒータ電極接点４２，４４は、２点係止式熱アクチュエータの変形可能な部材２０の第２層内に形成され、後述の如く熱−機械作用に参加する電気抵抗ヒータと一体に形成され、若しくは、電気抵抗ヒータに電気的に接続される。本実施例の電気抵抗は、変形可能な部材２０の第２層２４に対応し、図７の平面視では別個に見えない。プリントヘッド１００の部材８０は、微小電子基板１０、及び、液体供給、電気信号及び機械的インターフェース機能を相互接続する他の手段に対する搭載面を提供する。

図８（ａ）は、単一の液滴放出ユニット１１０の平面視を示し、２番目の平面視図８ｂは、ノズル３０を含む液室カバー２８が除去されている。

図８ａに架空的に示される２点係止式熱アクチュエータ１５は、図８（ｂ）において実線で見ることができる。２点係止式熱アクチュエータ１５の変形可能な部材２０は、基板１０内の凹部（くぼみ）として形成される液体室１２の対向する係止縁部１４から延在する。変形可能な部材の固定部２０ｂは、基板１０に結合され、変形可能な部材を係止する。

アクチュエータの変形可能な部材２０は、長くて薄い幅広のビームの形状を有する。この形状は、使用できる２点係止式熱アクチュエータ用の変形可能な部材の単なる例である。多くの他の形状が適用可能である。本発明のある実施例に対して、変形可能な部材は、その外周まわりで連続的にベース部材に取り付けられるプレートである。

図８では、液体室１２は、２点係止変形中にアクチュエータの移動に対するクリアランスを提供するために離間された、変形可能な部材２０の中央部１９に対応する狭い壁部を１２ｃに有する。２点係止式熱アクチュエータの最大変形が生ずる室１２の壁の閉じ位置は、ノズル３０で液滴放出に効果的に影響するように生成された圧力インパルスを集中させる補助をする。

図８（ｂ）は、ヒータ電極４２及び４４での電気抵抗ヒータ（変形可能な部材２０の第２層に対応する）への電気パルス源２００の取り付けを概略的に示す。電圧差が、抵抗を解して抵抗加熱を引き起こすために電圧端子４２及び４４に印加される。これは、電流Ｉを示す矢印により一般的に指示される。図８の平面視では、変形可能な部材２０の中央部１９は、電気的に脈動され、その中心面から外向きに座屈するとき、図を見る人に向かう方向に移動する。液滴は、カバー２８内のノズル３０から図を見る人に向かう方向に放出される。この作動及び液滴放出のジオメトリは、多くのインクジェット開示において“ルーフシューター（roof shooter）”と呼ばれている。

図９は、本発明の好ましい実施例による２点係止式熱アクチュエータの側面視を示す。図９（ａ）では、変形可能な部材２０は、第１の休止位置にある。図９（ｂ）は、第２位置へと上向きに座屈された変形可能な部材を示す。変形可能な部材２０は、２点係止式熱アクチュエータに対するベース部材として機能する基板１０に係止される。

液滴放出器におけるアクチュエータとして用いられるとき、変形可能な部材の座屈応答は、ノズルでの液体を十分に加圧するほど迅速でなければならない。典型的には、電気抵抗加熱装置が、熱パルスを印加するように適合される。１０μｓｅｃより短い電気パルス持続時間が用いられ、好ましくは、２μｓｅｃより短い持続時間が用いられる。

図１０乃至図１６は、本発明の好ましい実施例の幾つかによる単一の液滴放出器を構成するための製造処理ステップを示す。これらの実施例に対して、第２層２４は、チタンアルミナイドのような、電気的に抵抗のある材料を用いて構成され、電流Ｉを搬送する部位が、抵抗内にパターン化される。第２層２４の係止部２４ａは、変形可能な部材２０の係止部１８の曲げ剛性を有意に低減し且つ中央部に加熱領域を閉じ込めるため、アルミニウムのような、より柔軟な伝導性材料で置換される。

図１０は、微小電気機械処理シーケンスの初期ステージにおける、例えば単結晶シリコンである微小電子部品材料基板１０を示す。図示された製造シーケンスでは、基板１０は、２点係止式熱アクチュエータのベース部材１０になる。不活性化層２１は、酸化物、窒化物、ポリシリコン若しくはその類のような材料であってよく、製造シーケンスの終了付近で後方側のエッチングに対するエッチングストッパとして機能もする。エッチング可能な領域６２は、最終の変形可能な部材まわりの液体補充を提供し、変形可能な部材を解放するため、層２１内に開口される。

図１０は、また、事前に用意された基板上に堆積及びパターン化された将来の変形可能な部材の第１層２２を示す。第１層２２に対して用いられる第１材料は、低い熱膨張係数を有し、比較的高いヤング率を有する。第１層２２に適する典型的な材料は、珪素の酸化物若しくは窒化物、及びβ型炭化珪素である。しかし、多数の微小電子部品材料は、強い熱モーメントを生成する補助をし、ひずんだときに弾性エネルギを貯める第１層２２の機能を提供する。第１層２２は、また、一以上の副層からなってもよい。多数の微小アクチュエータ装置の用途に対して、第１層は、厚さが数ミクロンとなるだろう。

図１１は、第１層の上に被覆される将来の変形可能な部材の第２層２４の形成を図示する。第２層２４は、金属のような、大きい熱膨張係数を有する第２材料から構成される。大きな熱モーメントを生成し、且つ、２点係止式熱アクチュエータに対する弾性エネルギの蓄積を最大化するために、好ましくは、第２材料は、第１材料と同等のヤング率を有する。本発明に対して好ましい第２材料は、チタンアルミナイド金属間化合物である。チタンアルミナイド金属間化合物の堆積は、例えばＲＦ若しくはパルスＤＣマグネトロンスパッタリングにより、実行されてよい。図１０乃至１６に示した本発明の実施例に対して、第２層２４は、また、変形可能な部材２０の中央部１９及び第２層２４の中央部２４ｃも画成するレジスタパターンを形成する電気抵抗である。

図１２は、アルミニウムのような柔軟な金属材料の追加により第２層２４の形成の完成を示す図である。この材料は、第２層２４の係止部２４ａを形成する。アルミニウムは、また、第２層の中央部２４ｃとして形成される電気抵抗材料への電気接続を形成する。

図１３は、変形可能な部材の前に形成された層上への第３層の形成の完成を示す図である。上述の如く、第３層２６は、多様の機能のために用いられてよい。図１０乃至図１６において製造されているインクジェットプリントヘッド用途に対しては、第３層２６は、インク（作動流体）との化学的及び電気的反応からの変形可能な部材の保護を提供する。第３層は、酸化物及び有機コーティングの双方のような、異なる材料の副層からなってよい。

第３層２６は、電気接点電極４２，４４を提供するように窓が開けられる。ヒータ電極４２，４４は、第１層２２及び不活性化層２１（図１３に示されず）を介して貫通する基板１０に事前に形成された回路に接触してよい。或いは、ここで図示されるように、ヒータ電極４２，４４は、Tape Automated Bonding（ＴＡＢ）やワイヤ結合のような、他の標準的な電気接続方法により外部的に接触されてもよい。

本発明の代替実施例は、変形可能な部材に熱パルスを印加するために追加の電気抵抗素子を利用する。この場合、かかる素子は、第１層２２及び第２層２４の間若しくは第２層２４の上方に配置される一以上の追加の積層体として構成されてもよい。熱膨張する層である第２層２４への直接的な熱パルスの印加は、第２層及び第１層２２の間の熱望調査を最大化することによって最大の熱モーメントを促進する上で利点がある。しかし、電気抵抗ヒータ素子を含む追加の積層体は、変形可能な部材の全体の熱−機械挙動に寄与するので、第２層２４の上方若しくは下方の、これらの積層体の最も好ましい位置付けは、追加の層の機械的な特性に依存する。

図１４は、液滴放出器の室の内部の形状へと形成される犠牲層２９の追加を示す。犠牲層２９は、前に堆積された層上に形成される。この目的のために適した材料は、ポリイミドである。ポリイミドは、第１層２２、第２層２４、第３層２６及び種々の目的のために追加された追加層のトポグラフィーを有する表面を平坦化するためにも、十分な深さで装置基板内に付与される。近傍の材料に対して選択的に除去されることができる任意の材料が、犠牲構造２９を構成するために用いられてよい。

図１５は、犠牲層構造２９上に、プラズマ堆積される酸化珪素、窒化珪素若しくはその類のような、コンフォーマル材料を堆積することによって形成されるカバー２８及び液滴放出器の上室の壁を示す。この層は、液滴放出器室を完成させるためにパターン化され、基板１０のエッチング部位により追加的に形成されることになり、図７及び図８において室１２として指示される。ノズル３０は、液滴放出器の上室２８に形成され、製造シーケンスのこの段階では液滴放出器の上室内のままである犠牲材料層２９に連通する。

図１６（ａ）乃至図１６（ｃ）は、図１５のＡ−Ａで指示される断面を通る装置の側面視を示す。図１６（ａ）では、犠牲層２９は、ノズル開口３０を除く液滴放出器の上室壁２８内に収容されている。また、図１６（ａ）に示すように、基板１０は手が付けられていない。図１６（ｂ）では、基板１０は、変形可能な部材２０まわり及び周辺の液体室領域１２（図１０乃至図１３参照）及び変形可能な部材２０の下方が除去される。除去は、使用される基板が単結晶シリコンである場合に対して配向依存エッチング、反応性イオンエッチング、若しくは、ウエット及びドライエッチング方法のある組み合わせのような、異方性エッチング処理によりなされてよい。２点係止式熱アクチュエータ単独を構成するためには、犠牲構造及び液体室ステップは必要でなく、基板１０のエッチング除去のステップは、変形可能な部材を解放するために用いられてよい。

図１６（ｃ）では、犠牲層２９が、ポリイミドの使用の場合に酸素及びフッ素源を用いたドライエッチングにより除去されている。エッチング剤ガスは、ノズル３０を介して、基板の裏側から前にエッチングされた、新たに開口された流体供給室領域１２から入る。このステップは、変形可能な部材２０を解放し、液滴放出器構造の製造が完了する。

図１０乃至図１６は、好ましい製造シーケンスを示す。しかし、多くの他の構成アプローチが、広く知られた微小電子部品製造プロセス及び材料を用いて追従されてもよい。本発明の目的のため、第１層２２、第２層２４を含み、係止部１８の曲げ剛性が変形可能な部材２０の中央部１９の曲げ剛性よりも実質的に小さい変形可能な部材を生む任意の製造アプローチが追従されてもよい。更に、図１０乃至図１６の図示されたシーケンスでは、液滴放出器の室壁１２，２８及びノズル３０は、基板１０上の位置に形成されていた。或いは、２点係止式熱アクチュエータは、別に構成され、液滴放出器を形成するために液体室構成要素に結合されることも可能でありうる。

図１０乃至図１６は、第２層が電気抵抗材料で形成される好ましい実施例を示す。第２層２４の一部は、電気パルスが対のヒータ電極４２，４４に印加されるときに電流を搬送する同時抵抗部位へと形成され、これにより、第２層２４を直接加熱する。本発明の他の好ましい実施例では、第２層２４は、変形可能な部材に熱を印加するように適合された他の装置により加熱される。例えば、薄膜抵抗構造は、第１層２２上に形成され、次いで、その上に第２層２４が形成されてもよい。或いは、薄膜抵抗構造は、第２層２４の上部上に形成されることができる。

熱は、電気抵抗以外の装置により第２層２４に導入されてもよい。光エネルギのパルスは、変形可能な部材の第１及び第２層により吸収され、若しくは、光エネルギの特定のスペクトルの効率的な吸収対として機能する特別に付加された追加の層により吸収されうる。熱パルスを印加するための光エネルギパルスの使用は、本発明による２点係止式熱アクチュエータ微小バルブに関連して以下の図２０において図示される。変形可能な部材に熱エネルギのパルスを伝達するように適合されることができる任意の装置が、本発明を実現するための実行可能な手段として考えられる。

本発明による２点係止式熱アクチュエータは、流体微小バルブの構成において有用である。常態閉の流体微小バルブ構成は、図１７に示され、常態開の流体微小バルブ構成は、図１８に示されている。常態閉及び常態開のバルブ構成の双方に対して、２点係止式熱アクチュエータは、顕著に改善されたエネルギ効率若しくは最大撓みの理由により効果的である。

常態閉の微小バルブは、図１７（ａ）に示すように構成されてよく、従って、変形可能な部材２０がその休止位置にあるとき第２層２２は流体フローポート３２に対して付勢される。図示されたバルブ構成では、バルブシーリング部材３８は、第１層２２上に担持されている。バルブシーリング部材３８は、バルブシート３６に対して密接する。不活性化層２１は、第１層２２が不活性化機能を実現できるので、このバルブ構成に対しては省略されている。図示された構成では、流体は、図８の上に図示されたインクジェット液滴生成器室用に図示されるような変形可能な部材まわりの入口経路（図示せず）を介して圧力下で源から入れられる。熱パルスが変形可能な部材２０に印加されるとき、バルブが最大に開き、ストリーム５２（図１７（ｂ））を放出する。バルブは、上向きに座屈した状態を維持するために変形可能な部材の加熱を継続することによって、開状態に維持されることができる。

状態開の微小バルブは、図１８（ａ）に示すように構成されてもよい。変形可能な部材２０は、流体フローポート３２の近傍に配置され、変形可能な部材２０の座屈変形がフローポート３２を閉じるために十分であるように、流体フローポート３２の十分近くに配置される。図１８には図示されていないが、バルブシーリング部材は、変形可能な部材２０により担持されうり、バルブシートは、図１７に示す常態閉の微小バルブに同様の態様で設けられうる。熱パルスが変形可能な部材に印加されるとき、バルブは、流体フローポート３２に向けて変形可能な部材を付勢することによって閉じる。バルブは、上向きに座屈した状態を維持するために変形可能な部材の加熱を継続することによって、閉状態に維持されることができる。

上述の２点係止式熱アクチュエータ、液滴放出器及び微小バルブの説明は、対向する係止縁部に両端が半剛結で取り付けられる薄い長方形の微小ビームの形状で変形可能な部材を示してきた。変形可能な部材の長い縁部は、取り付けられず、自由に動き、２次元の座屈変形を生む。或いは、変形可能な部材は、完全に閉じた外周まわりに取り付けられるプレートとして構成されてもよい。

図１９は、その円形の外周まわり全体が取り付けられる円形積層体として構成された変形可能な部材２０の平面視を示す。かかる変形可能な部材は、３次元の態様で、座屈ないしパッカーリングする。変形可能な部材の外周完全取り付け型構成は、作動流体内に浸された変形可能な部材を作動させることが望ましいときに効果的となりえる。若しくは、変形可能な部材は、一方の面でエア、真空、若しくは他の低抵抗媒体に対して作動し、反対の面に当たる作動流体の印加に対して変形することも利点となりうる。

図１９（ａ）は、中央ノズル３０を備える正方形流体上室２８を有する液滴放出器を示す。図１９（ａ）で架空に示すように、円形の変形可能な部材２０は、外周の係止縁部１４に接続される。変形可能な部材２０は、流体室の底壁の一部を形成する。流体は、入口ポート３１を介して室に入る。図１９（ｂ）では、上室２８が除去されている。熱パルスは、ヒータ電極４２、４４を介して変形可能な部材２０の積層構造内に含まれる電気抵抗層に電流を通すことによって印加される。

図２０は、変形可能な部材が、完全な円形外周まわりが取り付けられた円形積層体である本発明の代替実施例を示す。変形可能な部材は、常態閉の微小バルブの壁の一部を形成する。変形可能な部材の第２層２４側は、光収集及び合焦部材４０により方向付けられる光エネルギ３９にアクセス可能であるように構成されている。流体は、入口ポート３１を介して微小バルブに入ることができる。バルブは、十分な強度の光エネルギのパルスを方向付け、２点係止式座屈を引き起こすために適切な温度時間プロフィールにより変形可能な部材を加熱することによって、動作される。バルブは、変形可能な部材の十分に上昇した温度を維持するために十分な光エネルギパルスを供給し続けることによって、開状態に維持されてよい。

本発明による光作動式装置は、完全な電気的及び機械的絶縁が微小バルブの開成中に維持されている点で効果的である。液滴放出器、微小バルブ若しくは他の２点係止式熱アクチュエータ用の光作動式構成は、本発明による同様の態様で設計されてもよい。

本発明による２点係止式熱アクチュエータは、電気回路を制御する微小スイッチの構成においても有用である。本発明による微小スイッチユニット１５０の平面視が図２１に示されている。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、常態閉の微小スイッチユニット１６０の側面視を示し、図２３（ａ）及び図２２（ｂ）は、常態開の微小スイッチユニット１７０の側面視を示す。

図２１の平面視では、変形可能な部材２０は、電気抵抗手段により加熱される。電気パルスは、ヒータ電極４２，４４を介して電気パルス源２００により印加される。微小スイッチは、第１スイッチ電極１５５と第２スイッチ電極１５７を介して電気回路を制御する。第１スイッチ電極１５５及び第２スイッチ電極１５７は、変形可能な部材２０の上の位置にスペーサ支持体１５２により支持されている。空間１５９は、第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７を分離し、従って、スイッチ入力パッド１５６，１５８に接続される外部回路は、第１及び第２スイッチ電極が電気的に短絡されない限り、オープンである。第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７の下方の制御電極１５４は、スペーシング構造１５２内の電極アクセス開口１５３を介して短絡接触へと付勢されてもよい。制御電極１５４は、高い伝導性の材料から構成される。変形可能な部材２０は、熱パルスの印加により座屈を受ける際に、第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７に向かう方向若しくは離れる方向に制御電極を移動させるように配置される。

常態閉の微小スイッチは、図２２に示すように構成されてもよい。図２２の側面視は、図２１のラインＣ−Ｃに沿って形成される。変形可能な部材２０の第１層２２は、変形可能な部材２０がその休止形状にあるときに、制御電極１５４を第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７（図示せず）に接触するように付勢し、これにより、入力パッド１５６，１５８（図示せず）を介して外部回路を閉じる。熱パルスが変形可能な部材２０に印加されるとき、微小スイッチは、最大に開き（図２２（ｂ））、外部回路を切断し、即ち微小スイッチを開く。微小スイッチは、上向きの座屈状態を維持するために十分に変形可能な部材を加熱し続けることによって開状態に維持されてもよい。

常態開の微小スイッチは、図２３に示すように構成されてもよい。図２３の側面視は、図２１のラインＣ−Ｃに沿って形成される。変形可能な部材２０は、電極アクセス開口１５９の近傍に配置され、座屈後に変形が制御電極１５４を第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７（図示せず）に短絡接触するように付勢するほど十分であるように、電極アクセス開口１５９の十分近くに配置される。熱パルスが変形可能な部材２０に印加される時、微小スイッチは、制御電極１５４を第１及び第２スイッチ電極１５５，１５７との電気接触状態へと付勢することによって、閉じる。微小スイッチは、上向きの座屈状態を維持するために十分に変形可能な部材を加熱し続けることによって閉状態に維持されてもよい。第２層２４が電気的に抵抗のある本発明の実施例に対しては、電気絶縁層１５１が、制御電極１５４の下方に設けられてよい。

図２１乃至図２３に示す微小スイッチに対しては、第１及び第２スイッチ電極の双方は、スペーシング構造１５２により支持され、制御電極１５４は、スイッチを開若しくは閉にするために双方と短絡接触する。第２スイッチ電極１５４が変形可能な部材２０上に形成され、制御電極１５４との永久的に接触する代替例の微小スイッチ構成が、図２４に示される。第１スイッチ電極１５５は、スペーシング構造１５２により支持され、電気アクセス開口１５３を介して制御電極による接触のためにアクセス可能である。本発明のこの図示された実施例では、開閉する微小スイッチは、それ故に、第１スイッチ電極１５５との接触するように若しくは離反するように制御電極１５４を付勢する変形可能な部材２０から得られる。

図２４は、永久電気接点で第２スイッチ電極及び制御スイッチ１５４を有する構成の代替例の微小スイッチユニット１５０の平面視を示す。図２５（ａ）は、本発明のこの構成による常態閉の微小スイッチユニット１６０の側面視を示す。図２５（ａ）は、図２４のラインＤ−Ｄに沿って形成された側面視であり、定常の常態閉の常態のスイッチを示す。この視では、外部電気回路入力リード線１５６，１５８が見えるが、変形可能な部材を加熱する電気抵抗手段に取り付けられるヒータ電極４２，４４は示されていない。図２５（ｂ）は、熱パルスが印加され変形可能な部材が座屈を受けた後の常態閉の微小スイッチユニット１６０の側面視であり、制御スイッチ１５４と第１スイッチ電極１５５の間の空間１５９を開き、これにより、外部回路をオープンにする。図２５（ｂ）は、図２４のラインＥ−Ｅに沿って形成され、ヒータ電極４２，４４を示すが、入力電極１５６，１５８は示していない。

上述の２点係止式熱アクチュエータ微小スイッチの説明は、対向する係止縁部に両端が取り付けられる薄い長方形の微小ビームの形状で変形可能な部材を示してきた。変形可能な部材の長い縁部は、取り付けられず、自由に動き、２次元の座屈変形を生む。或いは、変形可能な部材は、微小バルブに対して上記の図１９に示したように、完全に閉じた外周まわりに取り付けられるプレートとして構成されてもよい。外周完全取り付け型の変形可能な部材は、制御電極に対向する面側が真空若しくは他の低抵抗ガス内の変形可能な部材を動作させることが望ましいときに効果的となりうる。

図２６は、変形可能な部材が、完全な円形外周まわりが取り付けられた円形積層体である常態閉の微小スイッチユニット１６０の代替実施例の側面視を示す。変形可能な部材の第２層２４側は、光収集及び合焦部材４０により方向付けられる光エネルギ３９にアクセス可能であるように構成されている。微小スイッチは、十分な強度の光エネルギのパルスを方向付け、２点係止式座屈を引き起こすために変形可能な部材を加熱することによって、動作される。微小スイッチは、変形可能な部材の十分に上昇した温度を維持するために十分な光エネルギパルスを供給し続けることによって、開状態に維持されてよい。

本発明による光作動式装置は、完全な電気的及び機械的絶縁が微小スイッチの開成中に維持できる点で効果的である。常態開の微小スイッチに対する光作動式構成は、本発明による同様の態様で設計されてもよい。

図２７は、係止部１８における変形可能な部材２０の曲げ剛性を低減する代替設計の平面視を示す。スロット２７により図示されるように、係止部における変形可能な部材２０の一以上の層から材料が除去されている。この態様の材料の除去は、変形可能な部材２０の中央部１９に比べて係止部１８におけるビーム構造の実効幅を低減することによって、曲げ剛性を低減する。

図２８は、係止部１８における変形可能な部材２０の曲げ剛性を低減する代替設計の側面視を示す。図示された２点係止式熱アクチュエータに対しては、第１層２２は、係止部において完全に除去されている。この態様での材料の除去は、実効厚さ及び実効ヤング率の双方を係止部１８において低減することによって、曲げ剛性を低減する。

ここでの各図は、平らで中心面内にあるような変形可能な部材２０の休止形状を示している。しかし、上昇若しくは降下される温度からの製造プロセス作用若しくは動作に起因して、変形可能な部材の休止形状は、中心面から弓状に曲げられてもよい。本発明は、変形可能な部材２０の休止形状のこの多様性を予期し含んでいる。

上述の説明の多くは、単一の２点係止式熱アクチュエータ、液滴放出器、微小バルブ若しくは微小スイッチに向けていたが、本発明が、かかる単一の装置ユニットの組立体及びアレイを形成することに適用可能であることは、理解されるべきである。また、本発明による２点係止式熱アクチュエータ装置は、他の電子部品及び回路と同時に製造されてもよく、若しくは、電子部品及び回路の製造前後に同一の基板上に形成されてもよい。

更に、上述の詳細な説明は、主に、電気抵抗装置、パルス光エネルギにより加熱される２点係止式熱アクチュエータを議論しているが、誘導加熱のような、熱パルスを生成する他の手段が、本発明による変形可能な部材に熱パルスを印加するために適合されてもよい。

上述からは、本発明は、目的の全てを得るように良好に適合されたものであることが分かる。本発明の好ましい実施例の上述の説明は、図示及び説明の目的で提示されてきた。本発明を、網羅的であることや開示される正確な形態に限定することは意図されていない。修正及び変形は、可能であり、上述の教示に照らして当業者により認識されるだろう。かかる追加の実施例は、添付の請求項の範囲内に内包される。

２点係止式熱アクチュエータの２位置を示す側面視。 本発明による２点係止式熱アクチュエータの２位置を示す側面視。 異なる量の加熱をその長さ方向に沿って有する変形可能な部材の平衡変位の理論計算値を示す図。 異なる量の加熱をその長さ方向に沿って有すると共に中央部よりも機械的剛性が低い係止部を有する変形可能な部材の等価変位の理論計算値を示す図。 異なる量の加熱をその長さ方向に沿って有すると共に中央部の機械的剛性以下の機械的剛性である係止部を有する変形可能な部材の等価変位の理論計算値を示す図。 本発明によるインクジェットシステムの概略図。 本発明による液滴放出ユニット若しくはインクジェットユニットのアレイの平面視。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図７に示すような個別のインクジェットユニット及び２点係止式熱アクチュエータの拡大平面視。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、本発明による液滴放出器の休止及び液滴放出位置を図示する側面視。 基板が用意され、変形可能な部材の第１の層が堆積及びパターン化される、本発明による２点係止式熱アクチュエータを構築するのに好適なプロセスの最初のステージの斜視。 変形可能な部材の第２の層が形成及びパターン化される、図１０に示すプロセスの次のステージの斜視。 変形可能な部材の第２の層の係止部が形成される、図１０−１１に示すプロセスの次のステージの斜視。 保護不活性化層が形成及びパターン化される、図１０−１２に示すプロセスの次のステージの斜視。 本発明による液滴放出器の室に充填する液体の形状における犠牲層が形成される、図１０−１３に示すプロセスの次のステージの斜視。 本発明による液滴放出器の液体室及びノズルが形成される、図１０−１４に示すプロセスの次のステージの斜視。 図１６（ａ）乃至図９（ｃ）は、液体供給路が形成され、犠牲層が取り除かれて本発明による液滴放出器が完成される、図１０乃至１５に示したプロセスの最終ステージの側面視である。 図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、本発明による常態閉の微小バルブの閉位置及び開位置を示す側面視。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による常態開の微小バルブの動作を示す側面視。 図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による完全に閉じた周囲まわりに係止される変形可能な部材を有する常態閉の微小バルブを示す平面視。 図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による光エネルギ加熱パルスにより動作される常態閉の微小バルブの動作を示す側面視。 本発明の好ましい実施例による電気微小スイッチを示す平面視。 図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による常態閉の微小スイッチの動作を示す側面視。 図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による常態開の微小スイッチの動作を示す側面視。 本発明の好ましい実施例による電気微小スイッチに対する代替設計を示す平面視。 図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による図２４の構成を有する常態閉の微小スイッチの動作を示す側面視。 図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、本発明の好ましい実施例による光エネルギ加熱パルスにより動作される常態閉の微小スイッチの動作を示す側面視。 係止部の曲げ剛性を低減するために幅が実質的に狭くされた変形可能な部材の係止部を有する２点係止式熱アクチュエータの平面視。 係止部の曲げ剛性を低減するために実質的に薄くされた変形可能な部材の係止部を有する２点係止式熱アクチュエータの平面視。

符号の説明

１０ 基板ベース部材
１１ 液体室狭幅壁部
１２ 液体室
１２ｃ 液体室１２の狭幅の中央部
１３ 柔軟な結合材料
１４ 変形可能な部材１２の係止位置の、対向する係止縁部
１５ 本発明による２点係止式熱アクチュエータ
１７ ベース部材の解放位置
１８ 変形可能な部材の係止部
１９ 変形可能な部材の中央部
２０ 変形可能な部材
２０ｂ 基板１０に結合される変形可能な部材２０の固定部
２１ 不活性化層及び／又はエッチング停止マスキング層
２２ 第１層
２４ 第２層
２４ａ 第２層の係止部
２４ｃ 第２層の中央部
２６ 第３層
２７ 係止部の変形可能な部材の材料を除去する穴
２８ 液体室構造、壁及びカバー
２９ 犠牲層
３０ ノズル
３１ 流体入口ポート
３２ 流体フローポート
３４ 流体入口経路
３６ バルブシート
３８ バルブシーリング部材
４０ 光方向付け部材
４１ ＴＡＢリード線
４２ ヒータ電極
４３ 半田バンプ
４４ ヒータ電極
４５ 半田バンプ
４６ ＴＡＢリード線
４７ 電気抵抗部材、薄膜抵抗レジスタ
５０ 液滴
５２ 流体ストリーム
６０ 流体
６２ エッチング可能な領域
８０ マウンチング構造
９０ ２点係止式熱アクチュエータの従来の設計
１００ インクジェットプリントヘッド
１１０ 液滴放出器ユニット
１２０ 常態閉の微小（マイクロ）バルブユニット
１３０ 常態開の微小（マイクロ）バルブユニット
１５０ 微小（マイクロ）スイッチユニット
１５１ 電極下方の電気絶縁層
１５２ スペーシング構造
１５３ 電極アクセス開口
１５４ 制御電極
１５５ 第１スイッチ電極
１５６ 第１スイッチ電極への入力パッド
１５７ 第２スイッチ電極
１５８ 第２スイッチ電極への入力パッド
１５９ 第１及び第２スイッチ電極間の空間
１６０ 常態閉の微小（マイクロ）スイッチユニット
１７０ 常態開の微小（マイクロ）スイッチユニット
２００ 電極パルス源
３００ コントローラ
４００ 画像データ源
５００ 受信機

Claims (2)

1. 微小電気機械装置用熱アクチュエータであって、
   （ａ）対向する係止縁部を有する凹部が形成されたベース部材と、
   （ｂ）前記対向する係止縁部にて前記ベース部材に取り付けられて第１の位置に定在し、低い熱膨張係数を有する第１の材料の第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料の第２の層とを有する平らな積層体として構成され、前記係止縁部の近傍に係止部及び前記係止部間に中央部を有する変形可能な部材であって、前記係止部の曲げ剛性が前記中央部の曲げ剛性よりも実質的に低い変形可能な部材と、
   （ｃ）前記変形可能な部材に熱パルスを印加するように構成された装置であって、前記変形可能な部材の温度の急な上昇を引き起こし、前記変形可能な部材を前記第２の材料に向かう方向に反らせ、次いで、前記変形可能な部材の温度が減少した際に前記第１の位置へと緩和させる、装置とを含み、
   前記係止部の実効ヤング率はＥ _ａ であり、前記中央部の実効ヤング率はＥ _ｃ であり、Ｅ _ａ はＥ _ｃ よりも実質的に小さい、熱アクチュエータ。
2. 液滴放出器であって、
   （ａ）基板内に形成され、液体が充填され、前記液体の滴を放出するノズルを有する室と、
   （ｂ）前記基板から支持される対向する係止縁部と、
   （ｃ）前記対向する係止縁部にて前記ベース部材に取り付けられ、第１の位置に定在する変形可能な部材であって、変形時に前記ノズルで前記液体を加圧するように構成され、低い熱膨張係数を有する第１の材料の第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料の第２の層とを有する平らな積層体として構成され、前記係止縁部の近傍に係止部、及び、前記係止部間に、前記係止部の曲げ剛性よりも実質的に低い曲げ剛性の中央部を有する変形可能な部材と、
   （ｄ）前記変形可能な部材に熱パルスを印加するように構成された装置であって、前記変形可能な部材の温度の急な上昇を引き起こし、前記変形可能な部材を前記第２の材料に向かう方向に反らせ、次いで、前記変形可能な部材の温度が減少した際に前記第１の位置へと緩和させる、装置とを含み、
   前記係止部の実効ヤング率はＥ _ａ であり、前記中央部の実効ヤング率はＥ _ｃ であり、Ｅ _ａ はＥ _ｃ よりも実質的に小さい、液滴放出器。

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