(57)【要約】２つの作動モードを利用した２つのチャンバを分離する圧電性材料の壁の形態をとるアクチュエータ。両方の作動モードは両方のチャンバにおける体積変位をもたらすが、しかし、一のチャンバ内でお互いを増加させ、他のチャンバ内でお互いに打ち消すように働く。このようなアクチュエータによって分離された多くのチャネルを有する液滴堆積のための流体ポンプは、隣接部分とは実質的に独立して働くそれぞれのチャネルによって動作させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多くの方向に並んで配列された多くの圧力チャンバと、
隣接する圧力チャンバを分離する変位可能な壁であって、前記多くの方向に平行な方向に分極した圧電性材料、および自身に対して電界を印加するための電極手段、を備えた壁と、を有し、
その状況で、前記変位可能な壁が前記電極手段の間に印加される電界下に存在可能なように配置され、他の第２の隣接するチャンバにおいて変位された体積とは異なる、一の第１の前記隣接するチャンバの体積を変位させる
ことを特徴とする液滴堆積のための流体ポンプ。
【請求項２】
前記圧力チャンバは液体を収容することを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項３】
前記第２のチャンバにおいて変位される体積はほぼゼロであることを特徴とする請求項１または２に記載の流体ポンプ。
【請求項４】
前記変位可能な壁は、その幾何学的な中心からオフセットした中立軸を持っていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項５】
前記変位可能な壁は、その壁の１つの側に、その壁の反対側の剛性よりも大きな剛性を持っていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項６】
前記大きな剛性の壁の側は、大きい方の体積変位を示す圧力チャンバに隣接することを特徴とする請求項５に記載の流体ポンプ。
【請求項７】
前記壁の一側の剛性は、その側に形成されるコーティングによってもたらされることを特徴とする請求項５または６に記載の流体ポンプ。
【請求項８】
前記コーティングは電気伝導性であることを特徴とする請求項７に記載の流体ポンプ。
【請求項９】
前記コーティングは無電解メッキによって形成されることを特徴とする請求項８に記載の流体ポンプ。
【請求項１０】
前記コーティングは前記電極手段を形成することを特徴とする請求項８または９に記載の流体ポンプ。
【請求項１１】
前記コーティングは非導電性コーティングをさらに有することを特徴とする請求項７、８、９、１０のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１２】
前記非導電性コーティングは無機物であることを特徴とする請求項１１に記載の流体ポンプ。
【請求項１３】
前記変位可能な壁の両側にコーティングが形成され、それぞれの側の剛性はそれぞれのコーティングの厚さによって決定されることを特徴とする請求項７に記載の流体ポンプ。
【請求項１４】
前記第１の隣接するチャンバがノズルを有することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項１５】
前記第２の隣接するチャンバがノズルを有することを特徴とする請求項１４に記載の流体ポンプ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載された流体ポンプにより、流体をポンプで汲み出すための流体ポンプの動作。
【請求項１７】
高密度マルチチャネル配列をなし、チャネルの長手方向に垂直な配列方向に相互に隔てられた多数の平行なチャネルを有する電気的パルス液滴堆積装置であって、
前記チャネルは、該チャネルの前記長手方向に延在すると共に、さらに前記長手方向に垂直でかつ前記配列方向に垂直な方向に延在するそれぞれの側壁を持ち、
それぞれのノズルが液体の液滴の噴出のために前記チャネルと連通し、
堆積液体の液滴ソース、および前記チャネルに対して有効に位置した電気的に作動可能な手段に前記チャネルを連結するための連結手段が、いくつかのチャネルの選択された作動に際して、選択されたチャネル側壁の少なくとも一部の前記配列方向に一様に平行に横方向変位させ、前記選択されたチャネル側壁の少なくとも一部は少なくとも前記チャネルの長手方向の実質的な部分に延在するようなものであり、
それによって自身に連通するノズルからの液滴噴出をもたらすように内部の圧力変化を起こさせ、
その状況で、コーティングが前記電気的に作動可能な手段の対向する面に塗布され、前記コーティングがそれぞれの面に異なった正味の剛性を提供することを特徴とする液滴堆積装置。
【請求項１８】
流体ポンプ装置のためのアクチュエータを形成する方法であって、
第１および第２の面を有する圧電性材料を提供する段階と、
前記第１および第２の面上に導電性コーティングを形成する段階であって、前記第１の面上の導電性コーティングが前記第２の面上の導電性コーティングより剛性が高いようにする段階と、
前記圧電性材料が圧力チャンバの１つの壁を提供するようにその圧力チャンバを形成する段階と、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
アクチュエータであって、
２つの作動領域を分離する圧電性材料の塊を有し、
前記アクチュエータは２つの作動モードを持ち、
両方の作動モードは両方の作動領域に変位を起こさせ、
前記変位はそれぞれのモードが一の作動領域を増加させ、他の作動領域を打ち消す状態で、関連することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２０】
それぞれのモードによって起こされた変位は、１つの作動領域において作動により起こされる正味の変位が実質的にないように、ほぼ大きさが等しいことを特徴とする請求項１９に記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
前記アクチュエータのそれぞれの側において、２つの作動モードが異なる表面の変位をもたらすことを特徴とする請求項１９または２０に記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
前記アクチュエータのそれぞれの側において、２つの作動モードが同じ表面の重ね合わせた変位をもたらすことを特徴とする請求項１９または２０に記載のアクチュエータ。
【請求項２３】
剪断モード偏差のみを使うことを特徴とする請求項１９から２２のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
２つの作動モードは前記アクチュエータの同じ部分と関係付けられることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記アクチュエータは、第１の方向に分極された圧電性材料の部分と、前記第１の方向に平行な第２の方向の電界を印加するための電極とを有し、前記第１のモードは前記部分の膨張に対応し、両方の作動領域において等しい変位を起こさせ、それら前記変位は同じ符号のものであることを特徴とする請求項１９から２４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項２６】
前記アクチュエータは、並んで配列されて第１の方向に分極された圧電性材料の２つの部分と、第１の前記作動領域に隣接する一の部分と、第２の作動領域に隣接する他の部分と、前記第１の方向に垂直な第２の方向の電界を印加するための電極とを有し、
前記第１のモードは前記部分を離れるよう移動させる剪断変位に対応し、それによって両方の作動領域に等しい変位を起こさせ、それら前記変位は同じ符号のものであることを特徴とする請求項１９から２４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項２７】
それぞれの前記部分は反対方向に分極された２つの領域を有し、前記部分は、両方が反対方向のシェブロン形状に変形することを特徴とする請求項２６に記載のアクチュエータ。
【請求項２８】
前記アクチュエータは作動の際に第１の方向における歪みに耐えるよう適合させられた圧電性材料の部分を有し、
その状況で、前記方向における前記部分の中立軸が前記部分の幾何学的な中心からオフセットされ、さらに前記第２のモードが前記部分を曲げることに対応し、両方の作動領域において等しい変位を起こさせ、それら前記変位は反対符号のものであることを特徴とする請求項１９から２７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項２９】
前記アクチュエータは第１の方向に分極された圧電性材料の部分と、前記第１の方向に垂直な第２の方向の電界を印加するための電極とを有し、
その状況で、前記第２のモードが前記部分を剪断変形させることに対応し、両方の作動領域において等しい変位を起こさせ、それら前記変位は反対符号のものであることを特徴とする請求項１９から２７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項３０】
前記アクチュエータは第１の方向に分極され、かつ２つの隣接した領域を持つ圧電性材料の部分であって、それぞれの前記領域が反対方向に分極された圧電性材料の部分と、前記第１の方向に垂直な第２の方向の電界を印加するための電極と、を有し、
その状況で、前記第２のモードがシェブロン形状への前記部分の偏差に対応し、両方の作動領域において等しい変位を起こさせ、それら前記変位は反対符号のものであることを特徴とする請求項１９から２７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項３１】
請求項１９から３０のいずれか１項に記載のアクチュエータによって分離された多くの圧力チャンバを有する液滴堆積装置であって、前記チャネルにおける変位によって起こされる前記チャンバ内の圧力の変化が、前記チャンバに連通するノズルからの液滴の選択的な噴出をもたらすことを特徴とする液滴堆積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータに関し、特に液滴堆積装置のためのアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴堆積装置またはインクジェットプリントヘッドは、流体の小さな液滴を基板上に配置することができる。インク以外の他の流体が噴出チャンバに連通するノズルから流体を圧して噴出されるかもしれないが、このような装置をこれ以後インクジェットプリントと呼ぶことにする。噴出チャンバに連通するアクチュエータ（作動部分）は流体を噴出する力を加える。これらのアクチュエータは多くの異なった形態をとるが、２つのカテゴリーのうちの１つに当てはまる傾向がある。第１のものは機械的なもので、電気的パルスがアクチュエータに変形を起こし、そして例えば、静電気的、熱的曲がり、または圧電性の技法を含む。第２のカテゴリーは熱的アクチュエータまたはバブル（泡）アクチュエータ(bubble actuator)であって、流体をその核形成ポイントに持って来るように熱が加えられる。結果としての泡はチャンバ内でインクを加圧し、ノズルを通してそれのいくらかを圧する。
【０００３】
圧電性というのは、石英、ロッシェル塩(Rochelle Salt)、およびトルマリンの天然結晶、そしてさらにチタン酸バリウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛(Lead Zirconate Titanate：ＰＺＴ）のようなセラミックス製品を含めた、ある特定の種類の結晶材料の特性である。ＰＶＤＦのようなある特定のプラスチックも、圧電性特性を示しうる。
【０００４】
機械的圧力がこれらの材料の１つに加えられる場合、結晶構造は圧力に比例した電圧を生じる。逆に電界が加えられる場合、その構造は材料の寸法変化を生じつつ形状を変える。
【０００５】
所与の品目に対する圧電効果は、圧電性材料のタイプと、機械的および電気的な動作の軸に依存する。ある特定のタイプの圧電性材料（ＰＺＴとして知られている）に対して、これらの軸は「分極」の際に決まり、セラミックの圧電性特性と分極電界の方向を生じさせるプロセスがその方向を決定する。
【０００６】
分極プロセスが完了すると、電圧が印加されている限りは、分極電圧より低い電圧がセラミックの寸法を変える。
【０００７】
分極電圧と同じ極性を持つ電圧は、分極軸に沿った追加的な膨張と、分極軸に垂直な収縮を引き起こす。反対極性を持った電圧は反対の効果を有している：つまり、分極軸に沿った収縮と分極軸に垂直な膨張である。いずれのケースでも、電圧が電極から除去されると、圧電素子はその分極された寸法に戻る。ある電圧が分極方向に直角な方向に印加されると、圧電素子は厚み剪断または面剪断で移動する。
【０００８】
一般には、これらの動作の２つかそれ以上が同時に存在している。ある場合では、１つのタイプの膨張には、お互いに補償し合って体積の変化をもたらさないような他のタイプの収縮が伴う。例えば、プレートの長さの膨張は幅または厚さの等価な収縮によって補償されうる。しかしながら、いくつかの材料では、補償の効果は等しい量のものではなく、正味の体積変化が起こる。いずれの場合も、機械的共振による増幅が含まれない時には、変形は非常に小さい。
【０００９】
図１は圧電性材料の標準的な方向を説明している。３つの直交する軸を１、２、および３と称する。分極、または軸３は、常にセラミック中での分極方向と平行にとる。符号４、５、および６は、１、２、および３それぞれの軸の周りの剪断の移動を表す。分極方向は、分極プロセスの際に２つの電極間に印加される強い電界によって構築される。電気的および機械的な数量に関連付けるために二重の下付添え字（例えばｄｉｊ）を導入する。１番目の下付添え字は加勢方向を与え、２番目のものは系の応答方向を記述する。例えばｄ33は、電界が分極軸（方向３）に沿っており、歪み（偏差）が同じ軸に沿っている場合に該当する。電界が前記と同じ方向であるが、歪みが１番の軸（分極軸に直角）方向にあるならば、ｄ31が該当する。
【００１０】
液滴堆積装置または圧電性材料からなる流体ポンプを生産することが、従来の技術で提案されて来た。例えば特許文献１に記載された１つの構成は、お互いに平行に配列された第１および第２の圧電性部分によって形成されてポンプチャネルを提供する。その部分は、電極によって生じた電界と平行に分極方向が存在するように分極される。この電界の印加の下に、圧電性部分はｄ31とｄ33の両モードを膨張させ、それによって噴出チャンバの圧力に影響を与える。例えば、ｄ33は、電界が分極軸（方向３）に沿っており、歪み（偏差）が同じ軸に沿っている場合に該当する。電界が前記と同じ方向であるが、歪みが１番の軸（分極軸に直角）方向にあるならば、ｄ31が該当する。
【００１１】
剪断またはｄ１５モードで動作する共通の壁デバイスが特許文献２に記載されている。チャンバのそれぞれに向かうように、またはそれぞれから離れるように変形できるような単一の変位可能な壁によって２つの隣接する圧力チャンバが分離される。隣接するチャンバの第１のものに向かって壁が変形する場合、このチャンバ内の圧力は増加するが、他方のチャンバ内の圧力は減少する。同様に、第２のチャンバに向かって壁が変形する場合、このチャンバでの圧力は第１のチャンバ内の圧力の対応する減少を伴いつつ増加する。気圧変化は主に、壁の移動によって引き起こされる体積変化に起因する。
【特許文献１】米国特許第４，８４２，４９３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８８７，１００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
共通の壁を提供することにより、チャンバ密度の増加と、所与の数の噴出チャンバに対するプリントヘッドのサイズの縮小が可能となる。しかしながら、それぞれの壁が同時に２つのチャンバに作用するので、それぞれの噴出チャンバから液滴を同時に発射することはできず、それ故このことは液滴が噴出できる割合を減らす。
【００１３】
本発明の目的は、改善された装置を提供し、これらおよび他の問題に対処することを探求することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一局面によれば、配列方向に並んで配置された多くの圧力チャンバを有する液滴堆積のための流体ポンプが提供され、
隣接する圧力チャンバを分離する変位可能な壁であって、前記多くの方向に平行な方向に分極した圧電性材料、および自身に対して電界を印加するための電極手段、を備えた壁、を有し、
その状況で、前記変位可能な壁が前記電極手段の間に印加される電界下に存在可能なように配置され、他の隣接するチャンバにおいて変位された体積とは異なる、一の前記隣接するチャンバの体積を変位させる。
【００１５】
また、圧力チャンバにおいて変位される体積は流体の対応する体積に置き換わる。好ましくは、この流体は液体の形態であるが、ガス（気体）であってもよい。
【００１６】
好ましくは、第２の隣接するチャンバにおいて変位される体積は、実質的に零であり、つまり、その変位は隣接するチャンバの動作に対して深刻な影響を与えないということである。
【００１７】
変位可能な壁は、好ましくは、その幾何学的な中心からオフセットした(offset：偏った)中立軸を持つように配列される。このような配置が（オフセットされた）中立軸に平行な歪みを受ける場合、曲げモーメントが誘発されて曲げ歪みがもたらされる。変位可能な壁では、壁の一側がその壁の反対側よりも大きな剛性を持つことができる。変位可能な壁の異なる面は、壁のそれぞれの側に塗布されたコーティングによってもたらされた異なる剛性を持っていることが好ましいのであるが、しかしその壁の構造は、例えば一の側に沿って軟化させるノッチを提供することなどにより、中立軸をオフセットさせる代案の方法で適合させることができる。このコーティングは、例えば不動態化(passivation：パッシベーション)機能または電気伝導機能のような、壁の一部を単に増加させる以外の機能的な特徴を持たせることができる。２つ以上の異なるコーティング材料を、壁の一方か両方の側に、重なった配置状態で提供することができる。同じコーティング材料または複数材料を異なる厚さの壁の両側に提供することができ、そして一方あるいはそれぞれの側の厚さを剛性の点で相対的に相違するようにできる。
【００１８】
電極手段は、それらの間に生成される電界が前記多くの方向に平行になるように、好ましくは、壁の対向する面上に位置する電極によって提供される。好ましい実施の態様では、電極は異なった厚さのものであり剛性の相対的な相違を提供する。
【００１９】
電極は無電解メッキによって形成することができる。方向付け技術、例えば真空メッキを使ってシード層をそれぞれの壁の１つの側に堆積することができる。次にシード層に、適切な無電解プロセスでさらにメッキし、壁の一側にはメッキされ、他側にはメッキされないようになる。次に、それぞれの壁の他側にシード層が堆積され、無電解メッキプロセスが続けられる。この時点で壁の両側がメッキされることになるが、一側の最初の層だけにおいて、異なる厚さが維持されるという結果になる。
【００２０】
あるいは、例えば湿式の化学的プロセスを使い、それぞれの壁の両側にシード層を提供することによって電極を形成することができる。次に、第１の組のそれぞれの壁の第１の面を接続し、別に第２の組のそれぞれの壁の第２の面を接続するためにパターニングが行なわれる。次に壁が別々に電気メッキされ、第１の組が第２の組より長い時期メッキされるか、またはその逆のメッキが行なわれる。
【００２１】
好ましい実施の態様では、圧力チャンバは実質的に同一である。例えば、それぞれの圧力チャンバは等しい寸法のものであって、流体が噴出されるノズルを貫通させつつ構成することができる。他の実施の態様において、圧力チャンバのいくつかが、液滴がノズルを通って噴出される噴出チャンバのことを指し、一方、残りのチャンバが流体を噴出しないダミーチャンバのことを指す。ダミーチャンバは液体または空気を有しうる。
【００２２】
ダミーチャンバおよび圧力チャンバは共に配列方向に直角な伸長方向にチャネルを膨張させることができる。
【００２３】
チャネルの上端を覆って伸び、それによってその上端を閉じるようなカバーを提供することができる。一実施の態様では、そのカバーは液滴を噴出するノズルを収容する。他の実施の態様において、ノズルはノズルプレートに形成され、そしてノズルプレートは圧力チャネルの前面に取り付けられる。ダミーチャネルは、その上端表面を閉じるカバーを持っていても、持っていなくてもよい。
【００２４】
上記カバーは剛性のあるものとすることができ、あるいは好ましくは、変位可能な壁の湾曲を可能にするような柔軟性を持たせることができる。例えば柔軟な接着剤層をカバーによって変位可能な壁の上端に固着させることなどにより、柔軟なヒンジを提供することができる。
【００２５】
モールディング(moulding)やソーイング(sawing)、あるいはそれら２種類の組み合わせでも、流体ポンプを形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
さて、図１〜図１２を参照して、専ら例によって、これから本発明を説明する。
【００２７】
図２を参照すると、インクジェットプリンタヘッド１０は多数の平行なインクチャネル１２を有し、それらは配列を形成し、そしてチャネルの長手方向に垂直な多くの方向にチャネルが隔てられている。チャネルはｍｍ当たり２個以上のチャネル密度で形成される。ラミネート（薄板）加工された圧電性材料のシート１４において、ふさわしくはＰＺＴが矢印１５，１５’の方向に分極され、側壁１６と底面によってそれぞれ規定され、ＰＺＴの厚さはチャネル深さより厚い。チャネル１２は上端が開放され、プリンタヘッドにおいてシート１４に対し熱的に加工された絶縁材料からなる上端シート２０によって閉じられ、チャネルの底面に平行に配置され、また壁１６の上端２２に接合されている。それらの側壁と底面上のチャネル１２は、金属化された電極層２４によって裏打ちされている。従って、類似の大きさであるが反対符号の電圧の差が隣接するそれぞれの２つの壁１６の反対側の面上における電極に印加される場合、壁は分極方向１５に直角な電界を受ける、ということは明白であろう。その結果、その壁は剪断モードで変形し、破線２８で示されるような場所に変位する。
【００２８】
図３において、チャネル１２が統一された深さの前方部分を有することが見て取れ、その前方部分は、その前方端においてノズル４０を内部に形成したノズルプレート３８により閉じられる。そしてノズル４０からは、チャネル内のインクの液滴がチャネルの対面するアクチュエータ壁１６の付勢によって噴出される。チャネル１２は壁１６の上端から拡張する浅い深さの部分も有している。壁１６の反対側の面上にある金属化メッキ部分２４はチャネル側壁の深さを占めるが、チャネルの長さに亘って延在しておらず、プリントヘッドの容量負荷を最小化する。使用された適切な電極金属は、ニッケルとクロムの合金、すなわちニクロムであるか、または無電解メッキニッケルである。電極は、まず、メッキ角度を利用して堆積され、側壁の全深さに電極が堆積することを可能にする。マニホールド(manifold)領域において壁に堆積することを防止するためにマスクが使われる。このステップは繰り返され、それぞれの壁の両側に電極が形成されることを可能にする。第３のステップは、それぞれのチャネルの底部に垂直な堆積によって遂行され、その結果チャネルの底面上に堆積が生じ、マニホールド領域においてはチャネルがラン・アウト(run out)する(逃げる)。
【００２９】
壁１６上のいずれかの側の電極２４に適切な波形を印加することによって、液滴はそれぞれのチャネルから噴出される。特に好ましい波形はドロー・リリース・リインフォース(draw-release-reinforce：引き―解放―加勢)波形として知られている。チャンバの外側への境界となっている両方の壁を引くことによって、まず選択されたチャネルの体積を増加させ、そして一定の時間その状態に壁を保持する。その一定の時間が経過した後、選択されたチャネルの体積を減らすように壁が内側に動かされ、それによってノズルを通して液滴が噴出される。それぞれの壁が隣接するチャネルに作用するので、明らかに、隣接するチャネルの両方から同時に液滴を噴出することはできない。液滴が選択されていないチャネルから噴出されないことにも留意すべきである。これら２つの特徴の組み合わせで、液滴をチャネルから噴出できる最大の周波数を減らす。
【００３０】
それぞれの活性チャネルの間に「エア・ギャップ(air gap)」を提供することは、図２および図３のプリントヘッドの動作周波数を増やしうる。エア・ギャップは噴出チャネルより狭くできるが、チャネル密度を５０％にまで下げることになることがわかる。
【００３１】
アクチュエータの他の形態を、図４を参照しながら説明する。再び、圧電性セラミックの平行な壁によって分離された多数の平行なチャネルが形成される。しかしながら、分極の方向は、図２を参照しながら説明した分極の方向に垂直である。この壁は配列方向に分極され、いずれかの側の壁に提供された電極が極性方向に平行な方向の壁を横切る電界を印加する。チャネル１２はＰＺＴの一側に形成され、関係するノズル５０を持っている。電極２４はチャネルの内部壁上に提供される。
【００３２】
図４のアクチュエータを拡大した図である図５で、より詳細に見ると、駆動電極２４も、図３で矢印１５によって示すようなＰＺＴを分極させる電界を印加するのに使われる。壁およびベースのいずれかの側にある電極は、同じ厚さのものである。駆動電界が電極間に印加される場合、壁１６は点線で表すようにｄ33方向で厚くなり、ｄ31方向における高さ方向で収縮することになる。これらの方向における所与のチャネルに対する正味の変位をδ31wallおよびδ33wallと命名する。従って、トータルの正味の変位は以下の式によって与えられる：
【００３３】
【数１】
2008505781.tif 000003
【００３４】
本発明によるアクチュエータを、図６を参照して説明する。圧電性材料は、駆動電極間への分極電界を印加することによって分極される。しかしながら、電極は、噴出チャンバ１２の中にあるか外にあるかによって異なる厚さのものである。これは、出願人によって発見されたことであって、壁の反対側に、噴出性能を改善するような異なる剛性を提供する。
【００３５】
異なった剛性が、値δbendingによる体積変位を増加させる曲げモーメントを、アクチュエータ壁に誘起するので、噴出性能は改善される。各々の壁は点線で表すような位置に変位する。従って、トータルの正味の変位は以下の式によって与えられる：
【００３６】
【数２】
2008505781.tif 000004
【００３７】
しかしながら、ベース１８の剛性は壁の曲げ移動を抑制することができ、さらに噴出性能を改善するように設計変更をすることができる。例えばベース中の分極方向を逆にしたり、ベースの厚さを減少したりできる。
【００３８】
例えば、さらに薄いベースが提供される場合の偏差を図７に表す。δbendingは増加して全体的な体積変位は改善される。
【００３９】
圧電性材料の膨張と収縮によって変位した体積、および曲げ移動によって変位した体積は、特に、圧電性材料の反対側の面上に提供された異なった剛性によって曲げが誘発される状況で、共に機能することができ、チャンバ中のトータルの正味の体積変位を増加または減少させる、ということが出願人によってさらに認識された。
【００４０】
別々のメッキ部分が逆であれば、曲げは反対方向に起き、変位δ31wallおよびδ33wallは反対になり、チャンバ中の正味の体積変位は以下で与えられる：
【００４１】
【数３】
2008505781.tif 000005
【００４２】
δbendingに対する適切な値を選択し、機能させることによって、δbending＝δ33＋δ31の下に、チャネル中の正味の体積変位が実質的にない状態でアクチュエータを動作させることが可能である。
【００４３】
好都合に、この状態で、またはこれに近い状態で働かせることによって、あらゆるチャネルが同時に液滴を噴出するよう作動させることのできる、共通壁の液滴堆積装置を提供することが可能である。
【００４４】
それぞれのチャネルに対してただ１つの壁を作動させることによって、これは達成できるが、図８において変位した壁の形状を破線で示している。この配置においては、それぞれの壁の別々のメッキ部分は同じ「方向」にあり、示されたように、右手の薄いメッキ部分１１０２と左手の厚いメッキ部分１１０４である。この配置においては、それぞれのチャネルは一つの壁の偏差によって作動させられる。チャネル１１０８の作動は壁１１０６の偏差のみによって達成される。１つの壁だけが撓むが、チャネルにおける正味の変位は圧電性の膨張／収縮と曲げ効果の合計である。上記で説明したように、壁１１０６の作動は実質的にチャネル１１１２のいかなる正味の変位をも起こさない。従って、隣接するチャネル１１１２は、チャネル１１０８とは実質的に独立して作動できる（すなわち、もし必要ならば、これらの２つの隣接するチャネルが同時に作動できる）、ということが理解できるであろう。
【００４５】
示されたように生じる曲げのために、この構造は、その場所で必要な壁回転が可能なように、壁の上端または底面（あるいはその両方）において十分に従順であるべきである。例えば、上端プレート１１１４は十分に追従可能な材料から作ることができる。あるいは、壁が上端または底面プレートと出会うところに機械的ヒンジを使用することができる。
【００４６】
隣接するチャネルの同時作動を可能にする他の壁構造を図９から図１２に示す。これらの図のそれぞれは、２つのチャネルを規定する３つの壁を表す。壁に対する分極パターンは左側の壁において矢印で示すが、電極配置および適用される駆動信号に応じて、同じ作動形態を達成するために別の分極形態も可能である。いかなる場合の作動も、壁または壁部分を横切る（示されたように左から右、または右から左への）電界の印加による。中央の壁は、その作動させられた形状、すなわち左側のチャネルにおける正味の変位を起こし、実質的には右側のチャネルに正味の変位を起こさないような壁変形、を示している。これらの図にはノズルは示していないが、チャネルの最上部またはチャネル端部に位置することができる。
【００４７】
図９において、チャネル壁１２０２の下の部分はいわゆる直接モードで動作し、印加された電界と分極は壁のその部分の膨張を起こす同じ方向になる。壁１２０４と１２０６の２つの上の部分は、印加された電界に垂直な反対の方向に分極され、作動時にシェブロン(chevron)のような形状を引き起こす剪断状態で動作する。作動時に、部分１２０２が膨張してチャネル１２２０と１２３０の両方の体積の収縮を引き起こすことがわかる。しかしながら、上の部分１２０４と１２０６のシェブロン形状はチャネル１２２０の体積の収縮と、チャネル１２３０の体積の増加を引き起こす。チャネル１２３０の変位はお互いに打ち消すようにようにされ、それによって実質的にチャネル１２３０の体積の正味の変化を起こさず、一方、チャネル１２２０の変位は増加され、そのチャネルからの液滴噴出を起こさせる。この実施形態においては、壁の高さ全体を横切る単一の電解の印加によって作動がもたらされる。
【００４８】
好ましい実施形態においては、部分１２０４と１２０６の機能と均衡するために直接モードの壁部１２０２が強化した機能を持つことが必要となるであろう。この部分を横切る一層大きな電界、高機能の圧電性材料、この部分に対するさらに高い高さの壁、またはこれらのいずれかの組み合わせを使うことによって、これを達成することができる。あるいは、またはさらに、チャネルのベースまたは最上部に直接モード動作を適用することができる。しかし、直接モードで動作している壁部の高さの収縮がベース部１２４０の偏差をもたらす傾向があり、隣接する両方のチャネルにいくらかの変位を起こす、ということがわかる。
【００４９】
図１０を参照すると、上の壁部１３０４と１３０６は図９を参照して上記で説明したように、同じ方法で動作する。壁の下の部分は、ギャップ１３１２によって分離された、シェブロンのような２組の作動部分１３０８と１３１０から形成される。このギャップはインクまたは空気で満たすことができる。作動時に、下の部分１３０８と１３１０は反対の方向に曲がり、隣接する両方のチャネル１３２０と１３３０で体積収縮を起こす。図９と同様に、チャネル１３２０の作動がチャネル１３３０中の正味の体積変化を実質的に起こさないように、この構造を配列させることができる。この構造は、図９よりも複雑であって、ノズルピッチの増加をもたらし、さらに低い解像力をもたらすかもしれない。しかしながら、剪断モード動作は、通常、直接モード動作よりも長いライフサイクル(life cycle)を有し、そのために剪断モード動作だけを使う実施形態における利点が存在する。
【００５０】
このような「二重壁」構造においては、通常、電極はそれぞれの壁の外側の面と内側の面の両方に形成され、そして壁の分極の方向は電極がどのように接続されるか、また駆動信号がどのように印加されるかに依存することになる。このような配置は、壁の高さまでの途中部分に途切れた部分のある電極層を含むことができる。
【００５１】
図１１の壁構造の下の部分に対しては、ギャップ１５１２によって分離された、シェブロンのような２組の作動部分１５０８と１５１０を再び使用する。上の部分１５１６は、同じ方向に分極したＰＺＴの単一部分から形成される。それは、上の部分を横切る電界の印加の際に、半分のシェブロン配置のように剪断モードで変形する。これは片持ち（カンチレバー）のように振舞い、壁の中心を横方向に変異させ、壁の下の部分で類似の横方向の変位を引き起こす。下の部分１５０８と１５１０は、前述のように外側にシェブロンを拡大するように変位するが、さらにそれらに重ね合わせられる剪断または傾斜を有する。
【００５２】
なお、図１１の実施形態においては、チャネルの上端における部材１５１８は比較的剛性を有し、片持ちとして振舞う部分１５１６により誘起される曲げモーメントに対して抵抗をもつべきである。
【００５３】
図１２の実施形態は、印加された電界に垂直な反対方向に分極した壁部１６０４と１６０６を使用し、動作の際にシェブロンに変形する。これらの部分は、図１２および図１３で説明したものと実質的に同じであるが、ただここでは、それらは壁の上端の部分ではなくむしろ底に対して使用される。壁の上端は二重壁の形態をとっており、空胴（キャビティ）によって分離された壁部１６０８と１６１０を持っている。部分１６０８と１６１０は、それぞれ印加される電界と垂直な単一の分極方向をもつが、反対方向に分極される（例えば電極を使用した分極により達成できる）。作動時には、これらの部分は、それぞれ反対の外方向に傾斜する片持ちとして動作する。この変形を可能にするために、カバーまたはノズルプレートとすることのできる部材１６１８が、ある特定の実施形態において一定のコンプライアンス(compliance：弾力性)の度合を示すことを要求される、ということが理解される。
【００５４】
図８から図１２の実施形態が、すべて２つの異なった動作モードを使用する、ということが理解される。その一つは、２つの隣接するチャネルの同じ符号の変位（すなわち両方のチャネルの体積を減らすか、両方のチャネルの体積を増やすこと）を起こし、もう一つは、２つの隣接するチャネルの反対符号の変位（すなわち一方の体積を減らし、他方の体積を増やすこと）を起こす。図８においては、異なった２つの作動モードは同じ壁部、すなわち２つの異なった偏差モードを受ける一つの動作表面、に重ね合わせられる。図９〜図１２においては、２つの作動モードは、異なる動作モードを持った異なる壁部から由来すると考えることができる。図１１においては、壁の上下の部分は、異なる動作モードに関係する異なる構造を持っているが、しかし上述のように下の部分における動作モードのいくつかの重ね合わせが存在する。
【００５５】
多くの異なった作動モードの組み合わせを説明してきたけれども、さらなる組み合わせも可能である、ということが理解できる。
【００５６】
さて、部品を製造する方法を図８を参照しながら説明する。まず、ＰＺＴタイルおよび基板サポートを一緒にラミネート加工する。チャネル１１０８、１１１２などをソーイング(saw：のこ切断)し、シード(種)メッキを塗布する。このメッキをパターンニングし、電気メッキによって電極を形成する。パッシベーション・コーティングを電極上に塗布し、その次に圧電性材料を分極させる。壁の強い動作に応じて低い程度に分極されるように、それぞれの壁を、アクチュエータの動作の均一な変化が一定になるような別々のレベルに分極させることができる。このプロセスの後の方において分極させることの利益は、高温のプロセスを利用できるということである。
【００５７】
特に好ましいパッシベーションの形態は、ファラデー遮蔽(Faraday Cage：ファラデー・ケージ)である。ファラデー遮蔽は、例えば電極上に非電導層が堆積される場合で、電気伝導性の層が非電導層の上に堆積される場合に作られる。
【００５８】
好ましくは、それぞれの層はコンフォーマル(conformal)であって、アクチュエータ全体を覆う。ノズルは、適切な取り付け機構、例えばエポキシ、熱圧縮、共晶、陽極法などを使って外側の電気伝導層に取り付ける。
【００５９】
ノズルプレート接続は、外側の電気伝導層はエッチングされるが内側の絶縁層を残すようなプロセスによって再加工することもできる。例えば、絶縁層をパリレン(parylene)とし、外側の電導層を銅とすることができる。塩化第二鉄または硫酸アンモニウムのいずれかによるエッチング液を、パリレンの影響なしに銅を急速にエッチングするのに使うことができる。
【００６０】
エッチングが完了すると、ノズルプレートを解放し、再加工か取り替えが自由にできる。次に、新たな外側の電気伝導層を絶縁層上に堆積し、続いて取替えノズルプレートを取り付ける。
【００６１】
例えばスピーカ（拡声器）などのような他のアクチュエータを提供するために、本発明を利用ことも可能である。スピーカのために本発明のアクチュエータを使うことの一つの特別な利益は、アクチュエータの正味の変位が反対側で顕著でないので、逆向きに反射される音が実質的にない、ということである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】圧電性材料のブロックに対する標準的な方向を示す。
【図２】剪断モード作動を使ったインクジェットプリンタヘッド配置を示す。
【図３】剪断モード作動を使ったインクジェットプリンタヘッド配置を示す。
【図４】直接モード作動を使ったインクジェットプリンタヘッドを示す。
【図５】直接モード作動を使ったインクジェットプリンタヘッドを示す。
【図６】作動において曲げを使用すること示す。
【図７】作動において曲げを使用すること示す。
【図８】チャネルが実質的に独立して作動されうる配置を示す。
【図９】隣接するチャネルの同時作動を可能にする他の構造を示す。
【図１０】隣接するチャネルの同時作動を可能にする他の構造を示す。
【図１１】隣接するチャネルの同時作動を可能にする他の構造を示す。
【図１２】隣接するチャネルの同時作動を可能にする他の構造を示す。
【符号の説明】
【００６３】
１０  インクジェットプリンタヘッド
１２  チャネル（噴出チャンバ）
１４  シート
１５  分極方向
１６  壁
１８  ベース
２０  上端シート
２２  上端
２４  電極（金属化メッキ部分）
３８  ノズルプレート
４０  ノズル
５０  ノズル
１１０２、１１０４  メッキ部分
１１０６  壁
１１０８、１１１２  チャネル
１１１４  上端プレート
１２０２、１２０４  壁
１２２０、１２３０  チャネル
１２４０  ベース部
１３０４、１３０６  壁
１３０８、１３１０  作動部分
１３１２  ギャップ
１３２０、１３３０  チャネル
１５０８、１５１０  作動部分
１５１２  ギャップ
１５１８  チャネルの上端における部材
１６０４、１６０６  壁
１６０８、１６１０  壁
１６１８  カバー（またはノズルプレート）
【図１】
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【図２】
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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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【国際調査報告】
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