(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体チャンバと、
流体出口と、
薄膜圧電セラミック素子および前記流体チャンバの壁の機能を果たす膜を含むアクチュエータと、
前記アクチュエータの支持部分が前記アクチュエータの駆動の主移動方向において移動しないようにすると同時に、前記支持部分の少なくとも２つの側でそのような駆動の移動を可能にするように構成された支持要素とを含み、
前記支持要素が、前記アクチュエータのおおよそ反対側に広がるユニット部分に接続される、圧電ユニット。
【請求項２】
前記圧電セラミック素子の厚さが、約５μｍ（ミクロン）又はそれ未満である、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項３】
前記圧電セラミック素子の厚さが、約１．５μｍ（ミクロン）又はそれ未満である、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項４】
堆積されて焼結された圧電セラミック素子を含む、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項５】
前記アクチュエータが、パターン形成された圧電セラミック素子を含む、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項６】
前記パターン形成された圧電セラミック素子が、２つの独立して制御可能な圧電セラミック素子からなる、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項７】
前記アクチュエータを駆動回路に接続するための相互接続電極が、前記アクチュエータの支持部分に配置されている、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項８】
前記支持要素が、前記流体チャンバ内において、前記流体チャンバの底面から延在する、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項９】
前記支持要素が支柱からなる、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項１０】
前記流体チャンバの長さが、前記流体チャンバの幅の約１〜３倍である、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、２つの直角をなす方向において少なくとも約１１５μｍ（ミクロン）の距離を越えて前記流体チャンバの上に延在する、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項１２】
隣接する支持要素間の距離が、３０〜８０μｍ（ミクロン）である、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項１３】
前記支持要素が前記出口と入口との間に延在する、請求項１に記載の圧電ユニット。
【請求項１４】
圧電駆動により流体を噴出する方法であって、
圧電セラミック素子を駆動し、
少なくとも１つの流体チャンバ壁および少なくとも１つの支持要素により支持された膜を振動させ、その結果、前記膜が個々の支持要素に隣接する少なくとも２つの側で撓み、前記膜の撓みは、前記膜が個々の支持要素に取り付けられている部分において阻止され、
前記流体チャンバ内の流体を、前記振動に対する応答として前記個々の支持要素に沿って、前記チャンバの方へ通じる出口の方向に流し、
前記振動により個々の出口から流体を噴出することを含む、方法。
【請求項１５】
圧電ユニットを製作する方法であって、
膜上の圧電セラミック材料をパターン形成することにより薄膜アクチュエータを形成し、前記アクチュエータが約５μｍ（ミクロン）又はそれ未満の厚さを有し、
前記アクチュエータをウェハーに接続し、前記ウェハーが流体チャンバ壁および支持要素を含み、前記支持要素が、接続後に前記アクチュエータの表面に垂直な方向から見られる場合に前記チャンバの少なくとも１つの側壁間に延在し、その結果、前記支持要素および前記壁が、前記ウェハーと接続後に前記薄膜アクチュエータ９を支持することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
ピエゾ（圧電）式インクジェットプリントヘッドにおいて、インク又は他の流体は一般に、小滴の形態で噴出される。流体は、様々な流体チャンバから様々なノズルを介して基体上に移動する。流体は、圧電素子の運動により噴出される。流体チャンバは、圧電アクチュエータ、一般に圧電素子に接続される膜からなる壁を有する。流体は、圧電素子により付勢（駆動）される膜の振動動作によって、ノズルの方へ移動する。
【０００２】
現在、ユニモルフ型の圧電アクチュエータは、圧電層と一体化された又は圧電層に取り付けられたフレキシブルな膜を含む。アクチュエータが、例えば薄膜の圧電セラミック及び薄い膜層と共に、比較的小さい厚さ、例えば１〜１０μｍ（ミクロン）を有する場合、アクチュエータが流体チャンバの上に広がることができる最大幅は通常、せいぜい５０〜１００μｍ（ミクロン）又はそれ未満である。より大きなスパンでは、アクチュエータは、所望の周波数および／または圧力を達成するのに適さない。従って、流体チャンバは通常、細長い形状を有し、その結果、最大幅は約５０〜１００μｍ（ミクロン）又はそれ未満であるが、その長さは大幅に大きく、例えば０．５ｍｍ〜２ｍｍである。
【０００３】
本発明の目的は、代替の圧電方法および圧電デバイスを提供することである。
【０００４】
さて、例示のために、本発明の特定の実施形態が、添付図面に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略側断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略正面断面図である。
【図１Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、ノズルプレートが例示のために透明にされている図である。
【図１Ｄ】図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略底面図であり、幾つかの部品が例示のために波線により示されている図である。
【図２Ａ】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略側断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略正面断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａ及び図２Ｂのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、ノズルプレートが例示のために透明にされている図である。
【図２Ｄ】図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃのピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略底面図であり、チャンバの底面、入口、及び出口が例示のために波線により示されている図である。
【図３】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略正面断面図である。
【図４】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略正面断面図である。
【図５】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図である。
【図６】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図である。
【図７】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、アクチュエータが例示のために除去されている図である。
【図８】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略斜視図であり、アクチュエータが例示のために除去されている図である。
【図９】ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、アクチュエータが例示のために除去されている図である。
【図１０】図９のプリントヘッドユニットを有するピエゾ式インクジェットプリントヘッドの一部の略上面図であり、アクチュエータが例示のために各プリントヘッドユニットから除去されている図である。
【図１１】パターン形成された圧電セラミック素子をアクチュエータが有する、ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、アクチュエータが例示のために透明で且つ波線で示されている図である。
【図１２】２つの別個の圧電セラミック素子からなるパターン形成された圧電セラミック素子をアクチュエータが有する、ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニットの略上面図であり、アクチュエータが例示のために透明で且つ波線で示されている図である。
【０００６】
詳細な説明
以下の詳細な説明において、添付図面を参照する。当該説明および図面における実施形態は、例示であるとみなされるべきであり、説明された要素の特定の実施形態に制限するとみなされるべきではない。例示のために、縮尺および相対寸法は、実際のようになっていない。
【０００７】
示された図面は、素子またはデバイスの向きを制限するとみなされるべきではない。例えば、上面図は、それぞれの素子（単数または複数）の向きに応じて、底面図または側面図なども表すことができる。しかしながら、単一の実施形態に関する複数の図面は、示された特徴要素の相対的関係および相対的向きを示すことができる。従って、デバイスの向き及び使用法に応じて、上部壁は底部壁とみなされることができ、逆もまた同じであるが、底部壁と上部壁の互いに対する、及びデバイスに対する関係は、維持され得る。同様の原理は、他の特徴要素も考慮することができ、例えば特徴要素の長さ又は幅は、任意の一貫した方法で選択され得る。
【０００８】
複数の実施形態が、特定の要素の変更、組み合わせ、又は変形によって以下の説明から導出され得る。更に、本明細書に特に開示されていないかもしれない実施形態または要素は、以下の説明および図面から導出され得る。
【０００９】
図１は、圧電ユニット１を示す。ユニット１は、ピエゾ式インクジェットプリントヘッドの一部を形成することができるピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニット１からなることができる。当該技術において、ピエゾ式インクジェットプリントヘッドのユニット１は、「ジェット」とも呼ばれ得る。ユニット１は流体チャンバ２を含むことができる。流体チャンバ２の体積（容積）は、少なくとも１つの壁３、４、５Ａ〜５Ｄにより決定され得る。少なくとも１つの壁は、上部壁３、底面４、及び多数の側壁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄからなることができる。ユニット１は、流体チャンバ２の方へ通じる流体出口６を含むことができる。出口６は、ノズル７を含むことができる。必要に応じて、出口６は、流体チャンバ２からの流体をノズル７へ案内するためのディセンダ（descender：下垂部）を含むことができる。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、流体滴は、ノズル７から進行方向に噴出するように示される。
【００１０】
ユニット１は、アクチュエータ９を含むことができる。アクチュエータ９は、薄膜アクチュエータ９からなることができる。アクチュエータ９は、流体チャンバ２の壁として、例えば流体チャンバ２の底面または上部壁として機能することができ、以降アクチュエータ壁と称する。アクチュエータ９は、膜１０及び少なくとも１つの圧電セラミック素子１１を含むことができる。圧電セラミック素子１１は、薄膜圧電セラミック素子１１からなることができる。膜１０及び圧電セラミック素子１１の双方は、薄膜材料からなることができる。薄膜圧電セラミック素子１１は、堆積された又は堆積されて焼結された圧電セラミック材料からなることができる。膜１０は流体チャンバ２の壁を形成することができる。一実施形態において、１つのアクチュエータ９は、１つの流体チャンバ２に沿って延在する１つの膜１０を含むことができ、当該アクチュエータ９は同じ流体チャンバ２に沿って延在する複数の圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂを含む。
【００１１】
圧電セラミック材料は膜１０上にパターン形成され得る。「パターン形成された」圧電セラミック素子１１は、流体チャンバ２の上に少なくとも１つの妨害物１２を含む圧電セラミック素子１１として理解され得る。例えば、アクチュエータ９は、圧電セラミック材料により覆われている膜１０の部分の間に圧電セラミック材料により覆われていない膜１０の他の部分を含むことができる。別のパターン形成された圧電セラミック素子１１は、１つのアクチュエータ９上に設けられる複数の圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂを含むことができる。図１Ａ〜図１Ｄの例示的な圧電セラミック素子１１は、それが２つの圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂを含むという事実によって示されたようにパターン形成され、係る２つの圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂの間には、図１Ｂ及び図１Ｄで看取され得るように、妨害物１２が設けられる。
【００１２】
ユニット１は、支持要素１３を含むことができる。図示されたように、ユニット１は、複数の支持要素１３を含むことができる。支持要素１３は、アクチュエータ９の支持された部分（以降、支持部分と称する）１４がアクチュエータ９の駆動の主移動方向Ｍにおいて移動しないように配置され得る。支持要素１３は、アクチュエータ９のほぼ反対側に延在するプリントヘッドユニットの部分に接続され得る。支持要素１３は、プリントヘッドの剛性部分に接続され得る。支持要素１３が接続されるプリントヘッドの部分は、どれがアクチュエータ壁を含むかに応じて、例えばアクチュエータ壁４の反対側にあるチャンバ壁３の部分、例えば流体チャンバ２の底部壁４又は上部壁３からなることができる。支持要素１３により、薄膜アクチュエータ９が流体チャンバ２の全体にわたって延在することを可能にすることができるが、支持要素１３が無い場合には、アクチュエータ９は２倍以上厚くなるであろう。
【００１３】
支持部分１４は、支持要素１３に接続された膜１０の一部を含むことができる。支持要素１３は、駆動の移動方向Ｍにおいてアクチュエータ９を支持することができ、その結果、支持部分１４及び支持要素１３は、比較的静止している状態のままであるが、アクチュエータ９の周囲の部分は、圧電セラミック素子１１の駆動により振動され得る。例えば、図１の例において、移動方向Ｍにおける駆動は特に、支持部分１４の少なくとも２つの側で、支持部分１４に隣接して存在することができる。一実施形態において、妨害物１２が、側面図または正面図から看取されるように、例えば支持部分１４の下または上に、支持部分１４に設けられ得る。そして、圧電セラミック素子１１は、側面図または正面図から看取されるように、支持部分１４に隣接して延在する。
【００１４】
流体チャンバ２は、流体を流体チャンバ２に入れるための少なくとも１つの入口１５を含むことができる。入口１５は例えば、チャンバ壁３、４、５Ａ〜５Ｄの何れかに設けられることができる。図面において、入口は側壁５Ｂに設けられる。入口１５及び出口６は、流体がチャンバの体積における全ての点を押し流すように、チャンバの体積において対向する位置に設けられ得る。例えば、入口１５及び出口６は、対向する壁３、４に又はそれらの近くに、及び／又は対向する側壁５Ａ、５Ｂ又は５Ｃ、５Ｄに又はそれらの近くに設けられ得る。図示された実施形態において、出口６は上部壁３に、個々の側壁５Ａの近くに延在し、入口１５は、対向する側壁５Ｂに、底部壁４の近くに延在する。一実施形態において、１つ又は複数の支持要素１３は、出口６と入口１５との間に延在することができる。個々の支持要素１３は流体チャンバ２内に、即ち少なくとも１つの側壁５Ａ〜５Ｄの間に又はそれらの内側に延在することができる。
【００１５】
支持要素１３は、支柱を含むことができる。支柱は、実質的に円柱とすることができ、及び／又は実質的に丸くされた、例えば円形または楕円形の円周方向壁を有することができる。とりわけ、支柱の形状は、アクチュエータの可動部分の面積を最大にすることが望ましいかもしれない。ユニット１は、支柱のアレイを含むことができる。
【００１６】
支持要素１３の断面の水平方向の厚さＣは例えば、約５〜３０μｍ（ミクロン）とすることができ、例えば１０〜１５μｍ（ミクロン）とすることができる。示された支持要素１３の例示的な断面の厚さＣは、約１５μｍ（ミクロン）とすることができる。最小の断面の厚さは、チャンバ２の深さ、エッチングプロセスのタイプ、及び適切な流れを可能にする断面の厚さＣの不均一性により決定され得る。
【００１７】
アクチュエータ９は、２つの独立して制御可能な圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂを含むことができる。例えば、独立して制御可能な圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂは、個々の支持要素１３の一方の側に延在することができる。
【００１８】
支持要素１３の使用により、薄膜アクチュエータ９のスパン（全長）は、同じ厚さのアクチュエータを有する従来のプリントヘッドのユニットに対して増加することが可能になる。必要に応じて、流体チャンバ２の従来の細長い形状は、支持要素１３を用いることにより回避され得る。代わりに、より空間効率の良いチャンバ形状が達成され得る。一実施形態において、上面図から看取されるように、流体チャンバ２の基本的な形状は例えば、おおよそ円形、正方形、六角形、任意の内接多角形などとすることができる。当然のことながら、係る形状は、わずかに変更されることができ、例えば、かどは丸み付けされたり及び／又は切り取られたりすることができ、或いは長さは、幅よりもわずかに長くすることができる。例えば、有利な形状は、上面図から看取されるように、楕円形、菱形、及び／又は長方形の形状を含むことができる。一実施形態において、流体チャンバ２の長さは、流体チャンバ２の幅の約１〜３倍とすることができる。ここで、長さＬ及び幅Ｗは、ユニット１の上部壁または底部壁に平行な平面における２つの直角をなす方向において、対向する側壁５Ａ〜５Ｄ間の距離とみなされ得る。チャンバ２の高さＨは、チャンバ２の底部壁４と上部壁３との間の距離とみなされ得る。
【００１９】
隣接する支持要素１３間の距離Ｄは、２０〜９０μｍ（ミクロン）とすることができ、例えば３０〜８０μｍ（ミクロン）とすることができる。例えば、隣接する支持要素間の距離は、約５５μｍ（ミクロン）とすることができる。最小距離は、チャンバ２の深さ、エッチングプロセスのタイプ、及び／又は適切な流れを可能にすることができる隣接する支持要素１３間の開口サイズにより決定され得る。同様に、支持要素１３と側壁との間の距離は、２０〜９０μｍ（ミクロン）とすることができ、例えば、５５μｍ（ミクロン）とすることができる。一実施形態において、アクチュエータ９は、２つの直角をなす方向において少なくとも約１１５μｍ（ミクロン）の距離を越えて（例えば、少なくとも約１５０μｍ（ミクロン））、流体チャンバ２の全体に広がることができる。当該距離は、対向する側壁の部分５Ａ、５Ｂ、又は５Ｃ、５Ｄ間の距離とすることができる。１つ又は複数の支持要素１３は、比較的広いスパンを得るようにアクチュエータ９を支持することができる。支持要素１３は、アクチュエータ９の支持されないスパンの最大値、即ち支持要素１３間、及び／又は支持要素１３と壁５Ａ〜５Ｄとの間を、チャンバ２の幅の少なくとも半分だけ減少させるように配置され得る。
【００２０】
圧電セラミック素子１１の厚さＴは、約５μｍ（ミクロン）又はそれ未満とすることができ、例えば約３μｍ（ミクロン）又はそれ未満、例えば１．５μｍ（ミクロン）又はそれ未満とすることができる。圧電セラミック素子１１の厚さＴは、例えば約０．５μｍ（ミクロン）とすることができる。アクチュエータ９の厚さは、例えば１０μｍ（ミクロン）又はそれ未満、例えば約１〜約１０μｍ（ミクロン）、例えば約２．５〜約５．５μｍ（ミクロン）とすることができる。支持要素１３は、比較的幅の広い流体チャンバ２に広がる比較的薄いアクチュエータ９を可能にすることができる。対向する側壁の部分の間の、流体チャンバ２上のアクチュエータ９の全体的なスパンは、２つの直角をなす方向において少なくとも１５０μｍ（ミクロン）又はそれ以上とすることができるが、アクチュエータ９の厚さは、５μｍ（ミクロン）又はそれ未満、例えば１．５μｍ（ミクロン）又はそれ未満とすることができる。全体的なスパンは、例えばユニット１に使用される支持要素１３の配置および数に応じて、より大きくすることができる。
【００２１】
支持要素１３が流体チャンバ２の側壁の部分の間のほぼ中間で、又は２つの支持要素１３間のほぼ中間でアクチュエータ９を支持する場合、アクチュエータ９の厚さは、約２．５分の１に縮小され得るが、駆動の移動方向Ｍにおいてアクチュエータ９の同じ変位を達成する。言い換えれば、支持されないアクチュエータのスパンを、元の支持されないスパンの半分に縮小することにより、アクチュエータの厚さは、同様の変位のために約２．５分の１に縮小され得る。更に、支持されていないアクチュエータのスパンを半分に縮小することにより、アクチュエータの厚さは、圧力の損失なしに約２分の１に縮小され得る。従って、支持要素１３を選択的に配置することにより、流体チャンバ２の寸法は、比較的自由に選択され得る。
【００２２】
長方形の膜１０の中央における応力σのレベル、最大の変位ｙｍａｘを推定するために公式が使用され得る。以下の公式において、均一負荷が、長方形の膜１０の全表面にわたって印加される。この状況は、例えば４つの側壁５Ａ〜５Ｄにより圧着された膜１０の実質的に全表面にわたって負荷を印加する圧電セラミック素子１１を有する長方形のアクチュエータ９に対応することができる。膜１０の中央における膜１０の最大の変位ｙｍａｘの表れは、式、即ちｙｍａｘ＝（αｑｂ４）／（Ｅｔ２）より得られることができる。
【００２３】
ここで、αは以下で示される一定の係数を表し、Ｅは弾性の係数を表し、ｔは膜の厚さを表し、ｂは側壁５Ｃ〜５Ｄ間の膜１０の幅を表し、ｑは表面にわたって印加された圧力を表す。同一の条件の場合、膜１０の中央における膜１０の応力σの表れは、式、即ちσ＝（β２ｑｂ２）／ｔ２により得られることができる。ここで、β２は、定数である。以下のテーブルは、一定の係数α及びβ２を取り出すために使用されることができ、ａは側壁５Ａ〜５Ｂの間の膜１０の長さを表す。
【００２４】
【表１】
0005466304.tif 000002
【００２５】
同じチャンバ２及び等しいアクチュエータ９について、支持要素１３の行が膜１０の中心線に沿って、即ち個々の側壁５Ｃ〜５Ｄの中間に配置される場合、厚さｔ、応力σ、及び／又は変位ｙｍａｘの結果としての変化は、支持要素１３がない場合のその値の半分だけｂの値を減らすことにより推定され得る。最大圧力の結果としての変化は、応力σの変化に対応することができる。
【００２６】
上記で略記された理論的な状況は、１つの層から構成された膜１０に対応する。複数の層アクチュエータ９に印加する場合、Ｅ、α、及びβ２のような定数の値は変化する可能性がある。しかしながら、厚さｔ及び幅ｂの指数は、支持要素１３の配置に関する一般的な影響を推定するには大体同じとすることができる。従って、アクチュエータ９の全体的な厚さ及びスパンに関する支持要素１３の配置の一般的な影響は、これらの公式を用いて推定され得る。例えば、支持要素１３が考慮に入れられる場合、以下の公式が使用され得る。即ち、
（ｂ２／ｂ１）４＝（ｔ２／ｔ１）３
ここで、ｔ１とｂ１は、膜１０の最初の厚さと幅であり、ｂ２は、２等分する支持要素１３と個々の側壁５との間のスパンの幅であり、ここで、
ｂ２＝（１−ε）ｂ１／２である。
【００２７】
ここで、εは、チャンバ２の全体の幅の百分率の形態で示された、支持要素１３の幅である。例えば、ε＝０の場合、ｔ２≒ｔ１／２．５であり、ε＝０．１４の場合、ｔ２≒ｔ１／３である。従って、支持要素１３の単一の行がチャンバを２等分し、支持要素１３の幅（チャンバの全体的な幅の約１４％の幅を有する）が含まれる場合、アクチュエータ９の厚さは、同様の変位ｙｍａｘに対して少なくとも３分の１に縮小されることができ、厚さｔは、圧力の損失なしで、少なくとも２．３分の１に縮小され得る。
【００２８】
支持要素１３を挿入してアクチュエータ９の厚さを低減した後にほぼ同じ変位および圧力を達成するために、圧電素子１１のパターン形成および他の幾何学的因子が調整され得る。更に、上記の公式の代わりに、又は上記の公式に加えて、実際の値が、有限の素子分析モデル及び／又は実験を通じて計算され得る。
【００２９】
ユニット１を製作する方法は、膜１０上の薄膜圧電セラミック材料をパターン形成することを含むことができる。例えば、薄膜圧電セラミック材料は、膜１０上に堆積され、その後、焼結され得る。とりわけ、圧電セラミック材料の堆積は、スパッタリング、ゾルゲルコーティング、エアロゾル衝突法などにより実施され得る。別の実施形態において、薄膜圧電セラミック素子は、圧電セラミック材料を含む基板を、例えばフォトリソグラフィ法を用いてエッチングすることによりパターン形成され得る。
【００３０】
結果としてのアクチュエータ９は、５μｍ（ミクロン）又はそれ未満、例えば３μｍ（ミクロン）又はそれ未満、又は例えば１．５μｍ（ミクロン）又はそれ未満の厚さを有することができる。流体チャンバ２は、リソグラフィ的に、又はそうでなければ、ウェハーを照射してエッチングすることにより製造され得る。ウェハーの周囲の部分は、側壁５Ａ〜５Ｄを形成することができる。例えば、リソグラフィで処理されたウェハーは、側壁５Ａ〜５Ｄ及び支持要素１３を含むことができる。薄膜アクチュエータ９が、例えば流体チャンバ２及び支持要素１３がエッチングされた後に、ウェハー（側壁５Ａ〜５Ｄなど）に接続され得る。支持要素１３がチャンバ２の少なくとも１つの側壁５Ａ〜５Ｄの間に延在することができ、その結果、支持要素１３は、ウェハー部分との接続の後で薄膜アクチュエータ９を支持する。
【００３１】
ユニット１を用いた圧電駆動により流体滴を発射する方法は、以下のことを含むことができる。圧電セラミック素子１１の駆動に応じて、膜１０が振動することができる。振動は、チャンバ２の内部の流体に過渡圧力パルスを生成し、それにより流体が出口６の方向に流れ、１つ又は複数の小滴がノズル７から発射され得る。膜１０は少なくとも１つの流体チャンバ壁５Ａ〜５Ｄ及び少なくとも１つの支持要素１３により支持されることができ、その結果、膜は、少なくとも上面図から看取されるように、個々の支持要素１３に隣接する少なくとも２つの側で撓む。アクチュエータ９における撓みは、個々の支持要素１３が取り付けられている場所、例えば支持部分１４において、少なくとも移動方向Ｍで阻止される。流体チャンバ２内の流体は、支持要素１３の少なくとも２つの側での振動に対する応答として個々の支持要素１３に沿って、出口６の方向に流れ、流体滴が個々の出口６から噴出され得る。
【００３２】
図２Ａ〜図２Ｄにおいて、ユニット１の別の実施形態が示される。この実施形態において、支持要素１３は、隔壁からなることができる。壁の形状を有する支持要素１３は、流体が壁に沿って比較的容易に流れることができるため好都合であり、その結果、チャンバ２内の流体の流れは影響を受けない、又は流体の流れの影響は少なくとも低減され得る。隔壁は、流体チャンバ２内に、例えば流体チャンバ２の側壁５Ａ〜５Ｄの少なくとも１つにほぼ平行に延在することができる。隔壁は、入口１５から出口６までの間の流体の流れを妨げないように配置され得る。隔壁は、入口１５と出口６との間で長手方向に延在することができる。隔壁は、流体の流れの主方向Ｆにほぼ平行に又は主方向Ｆに沿って配置されることができ、この場合、流体の流れの主方向Ｆは、例えば平均的な流れの方向を選択することにより、及び／又は入口１５と出口６との間に想像上の線を引くことにより求められ得る。例えば、複数の隔壁が設けられてもよい。隔壁の水平方向の厚さＣは、約５μｍ（ミクロン）〜約３０μｍ（ミクロン）、例えば約１０〜約１５μｍ（ミクロン）、例えば約１５μｍ（ミクロン）とすることができる。
【００３３】
図３において、更なる実施形態が示される。ユニット１は、少なくとも１つの支持要素１３及び少なくとも１つの対応する支持部分１４を含むことができる。支持要素１３は、流体チャンバ２内に延在することができる。圧電セラミック素子１１は、支持部分１４の近くに妨害物１２を含むパターン形成された圧電セラミック素子を含むことができる。後続の電気駆動回路に接続するための相互接続電極１６は、妨害物１２内に支持部分１４に設けられ得る。相互接続電極１６は、複数の独立して制御可能な圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂを駆動回路に接続するように配置され得る。一実施形態において、別個の相互接続電極１６は、各別個の圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂに設けられ得る。例えば別個の圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂが独立して制御されるように構成される場合、それぞれには、駆動回路と相互接続するための対応する相互接続電極１６が設けられ得る。相互接続電極１６は、圧電セラミック素子１１を後続の電気回路と接触させるように構成された導電性ボンディングパッドを含むことができる。後続の電気回路は、少なくとも１つのワイヤ１６Ａ及び／又はトレースなどを含むことができる。
【００３４】
妨害物１２及び支持要素１３により、駆動相互接続電極１６が支持部分１４上に好都合に配置されることを可能にすることができる。妨害物１２は、相互接続電極１６が圧電セラミック素子１１上に配置される必要があることを防ぐことができる。支持要素１３により比較的静止した状態が保たれる支持部分１４上に相互接続電極１６を配置することにより、相互接続電極１６の振動が防止され、比較的ストレス（応力）のない取り付けが達成され得る。図３に示されるように、相互接続電極１６は、流体チャンバ２の少なくとも１つの側壁５Ａ〜５Ｄの間で、例えばアクチュエータ９の中央の近く又は中央で、薄膜の膜７に直接的に接続され得る。
【００３５】
当該技術において知られているように、アクチュエータ９は、圧電素子に接続された少なくとも２つの電極（図示せず）を含むことができ、電極間に電圧を有する。一実施形態は、圧電セラミック素子１１の対向する表面に電極を有することができる。個々の圧電セラミック素子１１と膜１０との間の接触面（インターフェース）における平面上の個々の電極（以降、内側電極と呼ぶ）は、同じ層の部分を形成することができ、接地に対して同じ電圧を有することができる。実際には、内側電極層は接地電位に維持されてもよい。圧電セラミック素子１１がパターン形成された圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂからなる場合、電極と圧電セラミック素子１１との間に延在することができるインターフェース導電層は、連続的とすることができ、その結果、各内側電極は、インターフェース導電層を介して個々の圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂに電気接続され得る。反対側の電極、即ち膜１０の反対側にあり、圧電セラミック素子１１の外側にある電極は、導電薄膜のストリップを介して相互接続電極１６に接続され得る。製造方法において、導電薄膜のストリップは、圧電セラミック素子１１が膜１０にパターン形成された後に追加され得る。余計な処理工程を避けるために、内側電極は連続的とすることができる。圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂのそれぞれが独立して制御される一実施形態において、導電薄膜は、各外側電極と関連付けられるそれぞれの別個の相互接続電極１６から延在することができる。
【００３６】
他の実施形態において、２つの電極は、同じ平面に、及び／又は圧電セラミック素子１１の外側表面に設けられてもよい。複数の電極が設けられ、同じ電圧を有するあらゆる他の電極と互いにかみ合わされ、対応するパターン形成された圧電セラミック素子１１Ａ、１１Ｂに接続され得る。
【００３７】
図４において、一実施形態が示され、この場合、支持要素１３は流体チャンバ２の外側に配置され得る。支持要素１３は、アクチュエータ９の反対側に及びインクチャンバ２の外側におおよそ少なくとも部分的に延在するプリントヘッド部分１７に接続され得る。当該部分１７は、比較的剛性の高い部分とすることができる。当該部分１７は、支持要素１３を支持することに加えて、圧電セラミック素子１１を保護および／または気密封止ためのキャップ及び／又は保護層を含むことができる。例えば、当該部分１７は、アクチュエータ９の反対側に直立壁１７Ａ及び／又は接合部分１７Ｂを含むことができる。
【００３８】
図５は、上面図において、圧電インクジェットプリントヘッドのユニット１に関する別の実施形態を示す。ユニット１は、パターン形成された圧電セラミック素子１１を含むことができる。パターン形成された圧電セラミック素子１１は、複数の分離された圧電セラミック素子１１Ｃ〜１１Ｆを含むことができる。図示された例において、４つの圧電セラミック素子１１Ｃ〜１１Ｆが設けられる。別個の圧電セラミック素子１１Ｃ〜１１Ｆは独立して制御可能とすることができる。別個の圧電セラミック素子１１Ｃ〜１１Ｆは、互いに対してほぼ平行に延在することができる。アクチュエータ９は、圧電セラミック素子１１Ｃ〜１１Ｆ間に複数の妨害物１２Ａ〜１２Ｃ（例えば、３つの妨害物１２Ａ〜１２Ｃ）を含むことができる。
【００３９】
図６は、上面図において、圧電インクジェットプリントヘッドのユニット１に関する別の実施形態を示す。流体チャンバ２は、上面図から看取されるように、ほぼ円形の形状を有することができる。流体チャンバ２は、１つの側壁５を含むことができる。側壁５は実質的に円形とすることができる。ユニット１は、アクチュエータ９のおおよそ中央部分に対して配置された支持要素１３を含むことができる。上面図において看取されるように、ユニット１は、支持要素１３、及びチャンバ２のおおよそ中央に配置された対応する支持部分１４を含むことができる。
【００４０】
アクチュエータ９は、支持部分１４において妨害物１２を含むことができる。アクチュエータ９は、実質的に円形に形作られた圧電セラミック素子１１を含むことができる。妨害物１２は、圧電セラミック素子１１のおおよそ中央部分に設けられ得る。上面図から看取されるように、圧電セラミック素子１１は、支持要素１３と側壁５との間に、支持要素１３に隣接して及び側壁５に隣接して配置され得る。
【００４１】
支持要素１３に比較的近い、又は個々の側壁５に近い膜１０の部分において、振動は妨げられ得る。従って、圧電セラミック素子１１は、上面図から看取されるように、個々の支持要素１３から少し離れて、及び／又は個々の側壁５から少し離れて配置され得る。例えば、そのような距離は、少なくとも１μｍ（ミクロン）、又は少なくとも５μｍ（ミクロン）、又は少なくとも１０μｍ（ミクロン）とすることができる。
【００４２】
図７において、ユニット１の更なる実施形態が示され、この場合、流体チャンバ２の上面図が示されている。チャンバ２は、上面図から看取されるように、円形または内接多角形の形状からなることができ、円形の壁５、又は内接多角形の形状を有する壁５を有する。支持要素１３は、支柱からなることができる。支持要素１３は、上面図から看取されるように、チャンバ２のおおよそ中央に延在することができる。例えば、２つの入口１５が設けられ得る。支持要素１３が入口１５と出口６との間に延在することができる。入口１５の位置は、コンピュータによる流体力学モデルを用いることにより、提供され得る。このように、流体は、支持要素１３を好都合に流れ過ぎることができる。また、２つの入口１５は、流体チャンバ２中をより均一に流れること、ひいてはチャンバ２をさっと外へ出ていくことを可能にすることができる。
【００４３】
図８は、アクチュエータ９が除去されている、ユニット１の実施形態を斜視図で示す。同じウェハーの隣接するチャンバ２の部分も見ることができる。支持要素１３のアレイが示される。アレイは、マトリクスのような構成からなることができる。例えば、支持要素１３の２つ又はそれ以上の行および／または列が設けられ得る。図示された構成において、支持要素アレイは、支持要素１３の３つの行および３つの列、即ち９個の支持要素１３を含む。支持要素１３は、互いから均整のとれた距離Ｄ、例えば約３０〜８０μｍ（ミクロン）、例えば約５５μｍ（ミクロン）の距離で配列され得る。チャンバの長さ及び／又は幅は、例えば約１１５〜４００μｍ（ミクロン）、例えば約２６５μｍ（ミクロン）とすることができる。支持要素１３のアレイは、入口１５と出口６との間に配置され得る。入口１５は、流体チャンバ２の側部に、個々の側壁５Ｃ、５Ｄの近くに配置され得る。側部に近い入口１５は、チャンバ２内での流体の有利な流れを可能にすることができる。支持要素１３の複数の行および／または列を有することにより、アクチュエータ９が比較的幅の広い流体チャンバ２に広がることを可能にすることができる。妨害物１２が、膜１０の支持部分１４（図示せず）に配置され得る。
【００４４】
図９は、アクチュエータ９が例示のために除去されているユニット１を上面図で示す。ユニット１は出口６及び２つの入口１５を含むことができる。支持要素１３のアレイ（例えば、互いから等しい距離Ｄで配列された４つの支持要素１３）は、出口６と入口１５との間に設けられ得る。ユニット１のチャンバ２は実質的に正方形に形作られることができ、この場合、かどに丸みをつけられ得る。看取され得るように、支持要素１３は、対応する正方形の形状に配列されることができ、この場合、支持要素１３は、それぞれ丸みをつけられた又は切り取られたかどの近くに設けられ得る。チャンバ２の側部のかどの少なくとも１つは、切り取られ、チャンバ２の切り取られた側部１８を提供することができる。切り取ることに起因して、チャンバ２は、丸みをつけられることもできる別の２つのかど１９を含むことができる。出口６は、チャンバ２の切り取られた側部１８の反対側にある丸みをつけられたかどに設けられ得る。入口１５は切り取られた側部１８の近く、例えば切り取られた側部１８の丸みをつけられたそれぞれのかど１９の近くに配置され得る。係る構成は、流体チャンバ２内の比較的な均一な流体の流れを可能にすることができる。丸みをつけられたかどは、流体の流れを効率化することができるが、切り取ることは、全チャンバ２の全体にわたって流体を分散させることに役立つことができる。
【００４５】
図１０は、図９のユニット１に対応することができる幾つかのユニット１がアレイで配列されたプリントヘッドの一部を示す。看取され得るように、ユニット１のノズル７は、行および／または列で配列され得る。ユニット１は、マトリクスのように、及び／又は斜めの直線に沿って配列され得る。ユニット１の異なる行および／または列の出口６は、図１０に示されるように、おおよそ同じ想像上の直線Ｌ上に配列され得る。図示された実施形態は、プリントヘッドの比較的高いノズル密度を可能にすることができる。
【００４６】
図１１は、ユニット１が実質的に細長い形状を有し、チャンバ２の側壁５の周囲がレーストラックのように形作られることができる実施形態を示す。入口１５はチャンバ２の長手方向の端部の近くに、例えば側壁５に配置され得る。出口６は、入口１５に対して反対側の長手方向の端部に配置され得る。複数の支持要素１３が、入口１５と出口６との間に配置され得る。支持要素１３は、少なくとも上面図において、入口１５と出口６との間に引かれることができる想像上の直線Ｌ２上に配置され得る。レーストラックの形状により、流体が、全チャンバ２の全体にわたって比較的均一に導かれることを可能にすることができる。
【００４７】
図１１において、圧電セラミック素子１１は、波線で示される。圧電セラミック素子１１は、支持部分１４において妨害物１２を含むようにパターン形成され得る。妨害物１２は、支持部分１４から特定の距離を置いてそれらの境界を有することができ、その結果、少なくとも上面図から看取されるように、支持部分１４と圧電セラミック素子１１との間に間隙が存在することができる。また、圧電セラミック素子１１の周囲の境界は、図６に関連して説明もされたように、少なくとも上面図から看取されるように、側壁５から特定の距離を置いて延在することができる。
【００４８】
アクチュエータ９は、約２．５μｍ（ミクロン）の厚さを有することができる。隣接する支持要素１３間の距離Ｄ、及び支持要素１３と側壁５との間の距離は、例えば約５５μｍ（ミクロン）、又は例えば少なくとも３０〜８０μｍ（ミクロン）とすることができる。圧電セラミック素子１１の図示されたパターンは、スパンが当該距離Ｄと厳密に等しくない場合でも、アクチュエータ９の比較的均一な変位および剛性を可能にすることができる。約２．５μｍ（ミクロン）のアクチュエータ厚さを有し、支持要素１３間の距離Ｄ、及び支持要素１３と側壁５との間の距離が約５５μｍ（ミクロン）である図示された例は、アクチュエータ９の撓み毎に、出口６への約３．３ピコリットルの流体の最大変位体積という結果になることができる。
【００４９】
図１２は、図１１に対して区別する特徴要素を有する、図１１に類似したユニット１の実施形態を示す。分割妨害物１２Ｄは、圧電セラミック素子１１を２つの別個の圧電セラミック素子１１Ｇ、１１Ｈに分割することができる。別個の圧電セラミック素子１１Ｇ、１１Ｈは、独立して制御可能とすることができる。対応する電極１６（図１２には示されない）は、支持部分１４の少なくとも１つに配置され、圧電セラミック素子１１Ｇ、１１Ｈのそれぞれに取り付けられ得る。
【００５０】
分割妨害物１２Ｄは、支持部分１４の少なくとも１つの上に延在することができる。上面図から少なくとも看取されるように、分割妨害物１２Ｄは、膜１０の中央において、膜１０の幅にわたって水平方向に延在する開口を含むことができる。
【００５１】
一実施形態において、別個の独立して制御可能な圧電セラミック素子１１Ｇ、１１Ｈは、より良い流体の流れを達成するように、非同時に付勢され得る。
【００５２】
有利な点は、個々の圧電セラミック素子１１のパターン形成が、最大の撓みを達成するように適合され得る。膜１０の厚さ及び／又は圧電セラミック素子１１の厚さは、所望の流体圧力を達成するように適合され得る。これは、本開示内のあらゆるアクチュエータ９に適用され得る。あらゆる設計は、出口での所望される流体速度を満たす圧力でもって最も大きい可能な変位を達成するように最適化され得る。
【００５３】
上述されたように、支持部分１４に妨害物１２を設けることは有利であるかもしれないが、特定の実施形態において、圧電セラミック素子１１は、妨害物を備えずに、支持部分１４及び支持要素１３又は側壁５Ａ〜５Ｄの上に延在することができる。更に、本発明は、細長い流体チャンバの形状の使用を除外しない。
【００５４】
本説明において、インクジェットプリントヘッドのユニット１が説明されたが、他の実施形態において、ユニット１は、例えば圧電インクジェットプリントヘッドのユニット以外の、任意のタイプの圧電アクチュエータを含むことができる。例えば、流体は、液体および／または気体からなることができる。ユニット１は、流体を動かすＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスの一部分とすることができ、この場合、ＭＥＭＳデバイスは例えば、ラボオンチップの一部分を形成することができる。他の実施形態において、ユニット１は、空気を変位させるためのスピーカ又はトーン発生装置を含むことができる。更に別の実施形態において、ユニット１は、構成要素を移動させる（例えば原子間力顕微鏡において先端部（チップ）の位置を制御する）ためのデバイスを含むことができる。
【００５５】
第１の態様において、（i）流体チャンバ２、（ii）流体出口６、（iii）アクチュエータ９を含む圧電ユニット１が、提供される。ユニット１は、薄膜圧電セラミック素子１１、流体チャンバ２の壁４の機能を果たす膜１０、及び（iv）アクチュエータ９の支持部分１４がアクチュエータ９の駆動の主移動方向Ｍにおいて移動しないようにすると同時に、支持部分１４の少なくとも２つの側で係る駆動の移動Ｍを可能にするように構成された支持要素１３を含むことができ、支持要素１３は、アクチュエータのおおよそ反対側に延在することができるユニット部分４、１７に接続され得る。
【００５６】
第２の態様において、圧電駆動により流体滴を噴出する方法が提供され得る。方法は、（i）圧電セラミック素子１１を駆動し、（ii）少なくとも１つの流体チャンバ壁５、５Ａ〜５Ｄ及び少なくとも１つの支持要素１３により支持された膜１０を振動させ、その結果、膜１０が個々の支持要素１３に隣接する少なくとも２つの側で撓み、膜１０の撓みは、膜１０が個々の支持要素１３に取り付けられている部分１４において阻止され、（iii）チャンバ２内の流体を、支持要素１３の少なくとも２つの側での振動に対する応答として個々の支持要素１３に沿って、チャンバ２の方へ通じる出口６の方向に流し、（iv）振動により個々の出口６から流体滴を噴出することを含む。
【００５７】
第３の態様において、圧電ユニット１を製作する方法が提供され得る。方法は、（i）膜１０上の圧電セラミック材料をパターン形成することにより薄膜アクチュエータ９を形成し、アクチュエータ９は約５μｍ（ミクロン）又はそれ未満の厚さｔを有することができ、（ii）アクチュエータ９をウェハーに接続し、ウェハーが流体チャンバ壁５、５Ａ〜５Ｄ及び支持要素１３を含むことができ、支持要素１３は、接続後にアクチュエータ９の表面に垂直な方向から見られる場合にチャンバ２の少なくとも１つの側壁５間に延在し、その結果、支持要素１３及び当該壁５が、ウェハーと接続後に薄膜アクチュエータ９を支持することができることを含む。
【００５８】
上記の説明は、網羅的にする、又は本発明を開示された実施形態に制限することは意図されていない。開示された実施形態に対する他の変形形態は、図面、本開示、及び特許請求の範囲の検討から、本発明を実施する当業者により理解され、もたらされることができる。特許請求の範囲において、単語「含む（からなる）」は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「a」及び「an」は、複数を除外しないと同時に、特定の数の要素に対する言及は、より多くの要素を有する可能性を除外しない。単一のユニットは、本開示において列挙された幾つかの要素の機能を実現することができ、本開示において列挙された幾つかの要素は、１つのユニットの機能を実現することができる。
【００５９】
特定の手段が互いに異なる従属項に列挙されている単なる事実は、これらの手段の組み合わせが利益をもたらすために使用されることができないことを示すわけではない。複数の代替案、等価物、変形形態および組み合わせは、本発明の範囲から逸脱せずに行われ得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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