(57)【要約】  二点固定型熱アクチュエータは、対向する固定端を有する凹部を備えて形成された基盤要素を有する。対向する固定端の位置で基盤要素に取り付けられた変形要素が、低い熱膨張係数を有する第１の材料から成る第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料から成る第２の層とを含む平面状の積層体として構築される。この変形要素は固定端に隣接する固定部分と該固定部分間の中心部分とを有し、固定部分の曲げ剛性は中心部分の曲げ剛性より実質的に低くされる。
2008520933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧流体を制御するノーマリークローズ型流体マイクロバルブであって：
（ａ）基板に形成され且つ流体流出口を有するチャンバ；
（ｂ）前記基板によって支持された対向する固定端；
（ｃ）前記対向する固定端に取り付けられた変形要素であり、前記流体流出口を封止可能な中心部分を有し、低い熱膨張係数を有する第１の材料から成る第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料から成る第２の層とを含む平面状の積層体として構築され、前記固定端に隣接する固定部分と該固定部分間の中心部分とを有し、前記固定部分の曲げ剛性が前記中心部分の曲げ剛性より実質的に低い、変形要素；及び
（ｄ）前記変形要素に急激な温度上昇を生じさせ、前記変形要素を前記流体流出口から離れる方向に屈曲させ、前記加圧流体が前記流体流出口を通って流れることができるように前記流体流出口を開かせ、その後、前記変形要素の温度が低下したときに前記流体流出口が封止されるように、前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された部材、
を有するノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項２】
前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、前記変形要素と良好に熱的接触した電気抵抗素子を有する、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項３】
前記第２の材料は電気抵抗材料であり、前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、前記第２の層の一部に電流が流れること可能にするように前記第２の層に接続されたヒータ電極対を有する、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項４】
前記第２の材料はチタンアルミナイドである、請求項３に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項５】
前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、光エネルギーパルスが前記変更要素に突き当たることを可能にする導光素子を有する、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項６】
前記固定部分の実効的なヤング率がEaであり、前記中心部分の実効的なヤング率がEcであり、EaはEcより実質的に小さい、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項７】
前記固定部分の実効的な厚さがhaであり、前記中心部分の実効的な厚さがhcであり、haはhcより実質的に小さい、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項８】
前記固定部分での前記第１の層の厚さが前記中心部分での前記第１の層の厚さより実質的に小さい、請求項７に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項９】
前記固定部分の実効的な幅がwaであり、前記中心部分の実効的な幅がwcであり、waはwcより実質的に小さい、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１０】
前記変形要素は2Lの特性長を有し、前記固定部分はLaの特性長を有し、1/4L≦La≦1/2Lである、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１１】
前記第１の材料は電気絶縁材料である、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１２】
前記電気絶縁材料はシリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコン炭化物、又はこれらの組み合わせである、請求項１１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１３】
前記第２の層の上に位置する第３の材料から成る第３の層を更に有し、前記第３の材料は電気絶縁性である、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１４】
前記第３の材料は有機高分子である、請求項１３に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１５】
前記対向する固定端は閉じた周囲を形成し、且つ前記変形要素の全ての端部が前記固定端に取り付けられている、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１６】
前記変形要素の自由端部分は前記固定端に取り付けられていない、請求項１に記載のノーマリークローズ型流体マイクロバルブ。
【請求項１７】
加圧流体を制御するノーマリーオープン型流体マイクロバルブであって：
（ａ）基板に形成され且つ流体流出口を有するチャンバ；
（ｂ）前記基板によって支持され、中心面を定める対向する固定端；
（ｃ）前記対向する固定端に取り付けられた変形要素であり、流体流出口に近接する中心部分を有することで前記加圧流体の前記流体流出口を通じての流れを可能にし、低い熱膨張係数を有する第１の材料から成る第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料から成る第２の層とを含む平面状の積層体として構築され、前記固定端に隣接する固定部分と該固定部分間の中心部分とを有し、前記固定部分の曲げ剛性が前記中心部分の曲げ剛性より実質的に低い、変形要素；及び
（ｄ）前記変形要素に急激な温度上昇を生じさせ、前記変形要素を前記流体流出口の方に屈曲させて、前記流体流出口に接触させ且つそれを封止させることにより前記流体流出口を通じての流れを停止させ、その後、前記変形要素の温度が低下したときに前記流体流出口が緩められて開かれるように、前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された部材、
を有するノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項１８】
前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、前記変形要素と良好に熱的接触した電気抵抗素子を有する、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項１９】
前記第２の材料は電気抵抗材料であり、前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、前記第２の層の一部に電流が流れること可能にするように前記第２の層に接続されたヒータ電極対を有する、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２０】
前記第２の材料はチタンアルミナイドである、請求項１９に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２１】
前記変形要素に加熱パルスを印加するように適応された前記部材は、光エネルギーパルスが前記変更要素に突き当たることを可能にする導光素子を有する、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２２】
前記固定部分の実効的なヤング率がEaであり、前記中心部分の実効的なヤング率がEcであり、EaはEcより実質的に小さい、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２３】
前記固定部分の実効的な厚さがhaであり、前記中心部分の実効的な厚さがhcであり、haはhcより実質的に小さい、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２４】
前記固定部分での前記第１の層の厚さが前記中心部分での前記第１の層の厚さより実質的に小さい、請求項２３に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２５】
前記固定部分の実効的な幅がwaであり、前記中心部分の実効的な幅がwcであり、waはwcより実質的に小さい、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２６】
前記変形要素は2Lの特性長を有し、前記固定部分はLaの特性長を有し、1/4L≦La≦1/2Lである、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２７】
前記対向する固定端は閉じた周囲を形成し、且つ前記変形要素の全ての端部が前記固定端に取り付けられている、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２８】
前記変形要素の自由端部分は前記固定端に取り付けられていない、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項２９】
前記変形要素の前記中心部分に前記流体流出口に向かい合わせで接合されたバルブ封止材を更に有し、前記バルブ封止材は前記加熱パルスの印加後に前記流体流出口に押し当てられて前記加圧流体に対する封止を形成する、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項３０】
前記流体流出口の位置に形成された弁座を更に有し、前記弁座は前記バルブ封止材を受け入れることにより前記加圧流体に対する封止を形成する、請求項２９に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項３１】
前記第１の材料は電気絶縁材料である、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項３２】
前記電気絶縁材料はシリコン窒化物、シリコン酸化物、シリコン炭化物、又はこれらの組み合わせである、請求項３１に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項３３】
前記第２の層の上に位置する第３の材料から成る第３の層を更に有し、前記第３の材料は電気絶縁性である、請求項１７に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【請求項３４】
前記第３の材料は有機高分子である、請求項３３に記載のノーマリーオープン型流体マイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、微小電気機械デバイスに関し、より具体的には、例えばインクジェットデバイス及びその他の液滴エミッタにて使用される種類などの微小電気機械熱アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は比較的最近の成果である。ＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ及びポジショナのような従来の電気機械デバイスの代替品として使用されている。微小電気機械デバイスは、マイクロエレクトロニクス製造技術を使用できるため、潜在的に低コストである。また、ＭＥＭＳデバイスは小型であることにより、新規の用途が見出されてきている。ＭＥＭＳ技術の多くの潜在的用途は、このようなデバイスに必要な動作を提供する熱アクチュエータを利用するものである。例えば、多くのアクチュエータ、バルブ及びポジショナは動作のために熱アクチュエータを使用している。一部の用途では、要求される動作はパルス的である。例えば、流体内に圧力パルスを発生するため、あるいは駆動パルス毎に移動又は回転の１単位だけ機構を進めるため、第１の位置から第２の位置へ短時間で移動させた後、第１の位置にアクチュエータを回復させることが用いられることがある。ドロップ・オン・デマンド式の液滴エミッタは、ノズルから離散量の液体を吐出するために離散的な圧力パルスを使用する。
【０００３】
ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）式の液体吐出デバイスは長年、インクジェット印刷システムのインク印刷デバイスとして知られている。初期のデバイスは、例えば特許文献１及び２により開示されているような圧電アクチュエータに基づいていた。
【０００４】
特許文献３及び４は、圧電的に駆動されるインクジェット液滴生成器の効率的な形態を開示している。これらの開示は、長方形の液滴生成器液体圧チャンバ上に可撓性を有する振動板（diaphragm）層を形成し、その後、長方形のチャンバに整合させて振動板上に板状の圧電拡張部を形成することによる、積層された圧電トランスデューサの構築を教示している。開示された実験データにより、圧電積層体の変位量は、振動板層により覆われた圧力チャンバへの長方形の開口の幅より圧電板が幾分狭い場合に大きくなることが示されている。特許文献３及び４の開示は、（１００）格子面に沿って劈開されたシリコン基板の使用に向けられたものであり、圧力チャンバは＜１１２＞格子方向に沿って配置されている。
【０００５】
現在よく知られているインクジェット印刷の形態であるサーマル・インクジェット（又は“バブルジェット（登録商標）”）は、特許文献５に説明されているように、液滴の吐出を起こさせる蒸気泡を発生させるために電気抵抗ヒータを使用している。電気抵抗ヒータ式アクチュエータは圧電アクチュエータに対して製造コストの面で利点を有している。なぜなら、電気抵抗ヒータ式アクチュエータは十分に開発されたマイクロエレクトロニクスプロセスを用いて製造可能だからである。他方、サーマル・インクジェット液滴吐出機構は、インクが気化可能な成分を有していることを必要とし、この成分の沸点より十分高くまでインク温度を局所的に上昇させている。この温度暴露は、サーマル・インクジェットデバイスにより確実に吐出可能なインク及びその他の液体の形成に、厳しい制約を課してしまう。一方、圧電駆動デバイスは噴出可能な液体にこのような厳しい制約を課さない。何故なら、この液体は機械的に加圧されるからである。
【０００６】
インクジェットデバイスの供給者により実現されてきた可用性、コスト、及び技術的な性能向上はまた、液体の微量計量を必要とする他の用途に関してこのデバイスへの関心を生じさせてきた。これらの新用途には、特許文献６にて開示されているような微量分析化学のために特定化学物質を調合すること、特許文献７にて開示されているような電子デバイス製造のためにコーティング材料を調合すること、及び特許文献７にて開示されているように医療吸入療法のために微小液滴を調合することが含まれる。
【０００７】
広範囲の液体のミクロンサイズの液滴を要求に応じて吐出可能なデバイス及び方法は、最高品質の画像印刷に必要とされるが、液体調合が単分散の超微量液滴、正確な配置及びタイミング、並びに微量の増量を必要とする新用途にも必要とされる。
【０００８】
広範囲の液体形成とともに使用可能な、微量液滴吐出及び微量流体の流れ調節への低コスト手法が望まれる。サーマル・インクジェットに使用されるマイクロエレクトロニクス製造の利点を、圧電機械デバイスに利用可能な液体組成の自由度と結合させる部材が望まれる。
【０００９】
熱機械アクチュエータを使用するＤＯＤインクジェットデバイスが特許文献９にて開示されている。このアクチュエータは、インクチャンバ内でインク吐出ノズルの反対側に配置された単一の電気抵抗材料から構築された薄い梁（ビーム）として構成される。この梁は電流がこの梁を通過するときの圧縮性の熱機械力によって屈曲する。この梁は、熱機械的な屈曲が常に事前屈曲方向に生じるように、予め製造中に、ノズルに向かって曲がった形状に屈曲させられている。
【００１０】
特許文献１０乃至１３は、熱機械的ＤＯＤインクジェット構造について開示している。マイクロエレクトロニクスプロセスを用いて熱機械的インクジェットデバイスを製造する方法は、特許文献１４乃至１６にて開示されている。開示された熱アクチュエータは二層カンチレバー（片持ち梁）型であり、これは、実質的に異なる熱膨張係数を有する層間に熱モーメントが生成されるものである。加熱すると、高い側の熱膨張係数を有する層から逸れるようにカンチレバーのマイクロビームが屈曲して自由端を偏位させることにより、液滴の吐出が引き起こされる。
【００１１】
熱膨張する電気抵抗層の選択として、チタンアルミナイド金属間化合物を含む特に効果的な材料の組み合わせを利用した熱機械アクチュエータについて、幾つかの開示が為されている。これらの開示は特許文献１７乃至１９を含む。特許文献１８及び１９は更に、ビーム式アクチュエータの部分長を加熱することによってエネルギー効率が改善されたカンチレバー型熱アクチュエータを開示している。
【００１２】
特許文献２０は、“スナップ−スルー（snap-through）”モードにて動作する二点固定型ビーム式熱アクチュエータを開示している。この文献にて、梁を半剛体的に固定することによりスナップスルーモードが実現され得ることが教示されている。
【００１３】
熱機械駆動の液滴エミッタは、マイクロエレクトロニクス材料及び装置を用いて大量生産可能で、且つサーマル・インクジェットデバイスでは確実でなかった液体を用いた動作を可能にする低コストデバイスとして期待される。熱循環二層構造により、大きく且つ確実な力による駆動が実現可能である。しかしながら、高速な滴下繰り返し周波数での熱アクチュエータ式液滴エミッタの動作は、過剰な熱蓄積を回避するため、液滴の吐出を引き起こすのに必要なエネルギーへの念入りな配慮を必要とする。液滴の発生事象はノズル位置で液体内に大きい圧力インパルスを作り出すことに頼っている。力及びボリューム変位を最大化した構造及び設計は、故に、より効率的に動作するかもしれず、また、より高い粘性及び密度を有する流体とともに使用可能になるかもしれない。
【００１４】
二値の流体マイクロバルブ用途は、オープン状態からクローズ状態への短時間での移行による恩恵を受け、それにより中間圧力に費やされる時間を最小化する。エネルギー効率の改善された熱機械アクチュエータは、より高頻度での作動と、作動状態に維持されるときのより少ないエネルギー消費とを可能にするであろう。二値のマイクロスイッチ用途もまた、マイクロバルブと同様に、改善された熱アクチュエータ特性の恩恵を受けるであろう。
【００１５】
熱機械アクチュエータの実用的な設計は、対向する端部でデバイス構造に固定され、その中心から外側に屈曲することが可能な梁（ビーム）又は板（プレート）であり、これらは梁又は板の名目上の静止平面に垂直な機械的作動をもたらす。少なくとも２つの対向する端部に沿って固定された熱機械ビームは、以下では二点固定型熱アクチュエータと称される。熱アクチュエータの可動部材のこの構成は、ここでは変形要素と称され、多様な平面形状と、変形要素の周辺付近を完全に固定することを含む多様な周辺固定量とを有し得る。全てのこのような複数点固定型の変形要素は、本発明が意図する構成であり、“二点固定型”という用語に含まれることとする。
【００１６】
変形要素の変形は、変形要素の平面内の熱膨張効果を調整することによって引き起こされる。変形要素材料のバルクの膨張及び収縮の何れも、変形要素の厚さの傾斜とともに、熱機械アクチュエータの設計において有用である。この膨張の傾斜は、変形要素全体での温度傾斜又は現実の材料変化、層群、によって発生され得る。これらバルク及び傾斜の熱機械効果は、所定の大きさの変位で所定の方向に屈曲することにより動作するアクチュエータを設計するために、一緒に使用されてもよい。
【００１７】
多様な流体を用いて高周波で動作し、且つＭＥＭＳの製造方法を用いて製造可能なシステムを構築するため、大きい力の振幅と加速度とを実現しながら許容可能なピーク温度で動作可能な二点固定型熱アクチュエータが望まれる。エネルギー効率を有意に向上させる設計の特徴は、ＭＥＭＳに基づく熱アクチュエータ及び集積電子デバイスの商業的応用に有用である。
【特許文献１】米国特許第３９４６３９８号明細書
【特許文献２】米国特許第３７４７１２０号明細書
【特許文献３】米国特許第５７５４２０５号明細書
【特許文献４】米国特許第５９２２２１８号明細書
【特許文献５】米国特許第４２９６４２１号明細書
【特許文献６】米国特許第５５９９６９５号明細書
【特許文献７】米国特許第５９０２６４８号明細書
【特許文献８】米国特許第５７７１８８２号明細書
【特許文献９】米国特許第５６８４５１９号明細書
【特許文献１０】米国特許第６０６７７９７号明細書
【特許文献１１】米国特許第６０８７６３８号明細書
【特許文献１２】米国特許第６２３９８２１号明細書
【特許文献１３】米国特許第６２４３１１３号明細書
【特許文献１４】米国特許第６１８０４２７号明細書
【特許文献１５】米国特許第６２５４７９３号明細書
【特許文献１６】米国特許第６２７４０５６号明細書
【特許文献１７】米国特許第６５６１６２７号明細書
【特許文献１８】米国特許第６６３１９７９号明細書
【特許文献１９】米国特許第６５９８９６０号明細書
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００３／０２１４５５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、大きい力の振幅と加速度とを提供可能で、且つ過度のピーク温度を必要としない、二点固定型の熱アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明はまた、二点固定型熱アクチュエータによって駆動される液滴エミッタを提供することを目的とする。
【００２０】
本発明はまた、二点固定型熱アクチュエータによって駆動される流体マイクロバルブを提供することを目的とする。
【００２１】
本発明はまた、二点固定型熱アクチュエータによって駆動される電気マイクロスイッチを提供することを目的とする。
【００２２】
本発明の上述及び他の多数の特徴、目的及び効果は、以下にて説明される詳細な説明、特許請求の範囲及び図面を検討することに容易に明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の特徴、目的及び効果は、対向する固定端を有する凹部を備えて形成された基盤要素を有する微小電気機械デバイス用の二点固定型熱アクチュエータを構築することによって達成される。対向する固定端の位置で基盤要素に取り付けられ且つ第１の位置にある変形要素が、低い熱膨張係数を有する第１の材料から成る第１の層と高い熱膨張係数を有する第２の材料から成る第２の層とを含む平面状の積層体として構築される。変形要素は固定端に隣接する固定部分と該固定部分間の中心部分とを有し、固定部分の曲げ剛性は中心部分の曲げ剛性より実質的に低くされる。二点固定型熱アクチュエータは更に、変形要素の急激な温度上昇を生じさせる加熱パルスを変形要素に印加するように適応された部材を有する。変形要素は第２の層に向かって外側に第２の位置まで屈曲し、その後、温度が低下すると第１の位置まで緩和される。
【００２４】
本発明は、特に、ＤＯＤインクジェット印刷用の印刷ヘッドとして使用される液滴エミッタ用の熱アクチュエータとして有用である。この好適な実施形態においては、二点固定型熱アクチュエータは、液体を吐出するためのノズルを有する液体充填チャンバ内に位置している。二点固定型熱アクチュエータの変形要素への加熱パルスの印加は、ノズル方向への短時間での屈曲を生じさせ、ノズルから液体を押し出す。
【００２５】
本発明は、短時間での圧力スイッチングを必要とする流体計量デバイス又はシステムに使用される流体マイクロバルブ用の熱アクチュエータとして有用である。この好適な実施形態においては、二点固定型熱アクチュエータは流体流出口を有する流体充填チャンバ内に位置している。二点固定型アクチュエータは、本発明に従ったノーマリーオープン型バルブ又はノーマリークローズ型バルブの流体流出口を閉じる、あるいは開くように作用する。二点固定型熱アクチュエータの変形要素への加熱パルスの印加は、先ず、流体流出口を開く、あるいは閉じる屈曲を生じさせる。
【００２６】
本発明はまた、電気回路を制御するために使用される電気マイクロスイッチ用の熱アクチュエータとして有用である。この好適な実施形態においては、二点固定型熱アクチュエータは、スイッチ電極と接触したり接触しなかったりすることができる制御電極を駆動して、外部回路を開いたり閉じたりする。二点固定型熱アクチュエータの変形要素への加熱パルスの印加は、マイクロスイッチを開く、あるいは閉じる屈曲を生じさせる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明について、特に本発明の特定の好適実施形態を参照しながら詳細に説明するが、本発明の範囲内で変形及び変更が為され得ることは理解されるところである。
【００２８】
以下にて詳細に説明されるように、本発明は二点固定型熱アクチュエータ、ドロップ・オン・デマンド式液体吐出デバイス、ノーマリークローズ型及びノーマリーオープン型のマイクロバルブ、及びノーマリークローズ型及びノーマリーオープン型のマイクロスイッチのための部材を提供するものである。このようなデバイスで最も知られたものはインクジェット印刷システムにおける印刷ヘッドとして使用されている。インクジェット印刷ヘッドと同様のデバイスであるが、細かく計量され且つ高い空間的精度で堆積される必要がある液体（インク以外）を吐出するデバイスを利用する数多くの他の用途が出現しつつある。インクジェットと液滴エミッタという用語は、ここでは、相互に置き換え可能なものとして用いることとする。以下にて説明される本発明は、広範囲の流体特性に対して液滴吐出性能が向上された熱機械アクチュエータに基づく液滴エミッタを提供する。本発明は更に、エネルギー効率が向上されたマイクロバルブ及びマイクロスイッチを提供する。
【００２９】
本発明の発明者による発見によれば、固定された、すなわち二点固定型の変形要素によるマイクロ熱アクチュエータは、変形要素の曲げ剛性が固定端に近い部分で低減される場合に、有意に向上されたエネルギー効率を有するように設計され得る。加熱されると、多層変形要素は最も高い熱膨張係数を有する層の方向に屈曲する。加熱を中心部分に制限し、且つ固定される箇所及び端部付近の変形要素の曲げ剛性を低減することにより、所与の熱量の入力エネルギーに対して、より大きい変位が実現される。
【００３０】
図１ａ及び１ｂは、従来の二点固定型熱アクチュエータの側面図を例示している。変形要素20は対向する２つの固定端14の位置で基盤要素10に固定されている。例示された変形要素は第１の層22及び第２の層24の二層から成る薄い梁である。第１の層22は、例えばシリコン酸化物又は窒化物などの低い熱膨張係数を有する材料から構築されている。第２の層24は、例えば金属などの高い熱膨張係数を有する材料から構築されている。図１ａは、公称動作温度で静止している変形要素20を示している。例示された従来の熱アクチュエータにおいては、第２の材料は例えばチタンアルミナイド等の電気抵抗性金属である。この材料は、はんだバンプ43、45及びＴＡＢ接合リード41、46として例示された電気接続を介して電流が層24に流れると自己発熱する。印加電流によって変形要素を加熱することにより、変形要素は図１ｂに例示されているように、より熱膨張性である層24の方に変形（屈曲）させられる。
【００３１】
図２ａ及び２ｂは、本発明に従った二点固定型熱アクチュエータ15の側面図を例示している。図２ａにおいて、二点固定型熱アクチュエータは静止の第１位置にある。図２ｂにおいては、第２の層24の電気抵抗材料に電流を流すことによって変形要素は加熱されており、温度が上昇され、変形要素は第２の平衡形状に屈曲させられている。第２の層24は固定部分24aと中心部分24cとを有するように示されている。本発明の重要な点は、変形要素の曲げ剛性が固定端14付近の固定位置18で、中心部分19の曲げ剛性より低減されていることである。固定部分18の曲げ剛性が変形要素20の中心部分19の曲げ剛性より少なくとも20％低い場合、この機械的な低減は十分と言える。
【００３２】
図２ａ及び２ｂには、第２の層24上に形成された第３の層26も示されている。この層は二点固定型熱アクチュエータの具体的な用途に応じて多様な機能を有していてもよい。液滴エミッタ又はマイクロバルブにて使用されるとき、第３の層26は適当な耐化学性及び電気絶縁性を有するパッシベーション層であってもよい。マイクロスイッチにて使用される場合、第３の層26は、絶縁性であるサブレイヤーと導電性であるサブレイヤーとを有する多層積層体であってもよい。第３の層26は第２の層24の第１の層22とは反対側に設けられるので、その曲げ剛性が変形要素の熱屈曲を妨げないことが重要である。第３の層26は、典型的に、第１の層22又は第２の層24より実質的に薄い厚さで、且つ可能であれば非常に低いヤング率を有する材料を用いて設けられる。
【００３３】
図２では、変形要素20は三層から成るとして例示されている。本発明の実際の実装は、製造上の理由又は更なる保護及びパッシベーションのために導入された更なる層を含んでいてもよい。また、理解されるように、例示された層の何れかが性能向上又は製造上の利点のために複数のサブレイヤーから成っていてもよい。本発明の全ての実施形態は、有意に異なる熱膨張係数を有する第１及び第２の層22、24を有し、それにより加熱時に熱機械的な変形がもたらされるという特徴を共有している。例えば上部層26である他の層は、信頼性向上を含む更なる有利な機能をもたらすように付加されていてもよい。
【００３４】
本発明の好適な一部の実施形態では、第２の層の固定部分を、第２の層の中心部分を形成する材料より有意に低いヤング率を有する材料を用いて形成することによって、より低い剛性を有する固定部分が実現される。例えば、第２の層24の固定部分24aはアルミニウムから形成され、中心部分24cはチタンアルミナイドから形成されてもよい。変形要素の中心部分と比較して固定部分の剛性を低くする他の手法には、変形要素の固定部分についてその層厚を薄くすること、又は実効的な幅を狭くすることが含まれる。
【００３５】
図２ａ及び２ｂ、並びに本出願中の他の図に例示されている二点固定型熱アクチュエータ15の幾何学形状は、典型的なマイクロビーム構造に関して縮尺通りではない。典型的に、第１の層22及び第２の層24は数ミクロンの厚さで形成され、二点固定型変形要素20の長さは100μmより大きく、典型的に、約300μmである。
【００３６】
変形要素の挙動に内在する物理の更なる詳細な理解には、２つの固定点で支持された梁を統治する偏微分方程式の解析によって迫ることができる。図２ａ及び２ｂには、ここで従う座標及び幾何学パラメータが例示されている。変形要素20は対向する固定端14で基板10に固定された梁である。変形要素に沿う軸が“x”軸に指定されており、左側の固定端14でx=0、変形要素の中心でx=L、そして右側の固定端14でx=2Lである。また、変形要素の固定部分18と中心部分19との境界は何れかの固定端から距離Laに位置している。固定部分と中心部分との境界は、本発明に従って実際に構築される変形要素は、剛性が中心部分の実効値から固定部分の実効値へと変化する有限の移行領域を有するという点で近似的なものであると理解されるべきである。ｘ軸に垂直な梁の変位はf(x)とされている。例示された対称な梁の変形は中心に対して対称であるので、軸からの最大変位fmaxはx=Lに位置することになり、すなわち、fmax=f(L)である。
【００３７】
例示された変形要素20は、厚さh1を有する第１の層22及び厚さh2を有する第２の層24を有している。対向する固定端14間のマイクロビームの長さは2Lである。実際に実装される梁はまた有限の幅wを有する。図２ａ及び２ｂの側面図は幅方向の次元を示していない。幅が変形要素全体で均一である構成では、幅方向の次元は本発明の理解には重要でない。しかしながら、本発明の好適な一部の実施形態では、変形要素の幅、すなわち、変形要素の幾つかの層の幅は、曲げ剛性を低減するように固定部分で狭くされていてもよい。
【００３８】
図２ａ及び２ｂのｘ軸は対向する固定端位置14間の空間を測るように示されている。ｘ軸は、ここでは変形要素20の中心面と呼ばれるものの中に存在している。この平面は、残留する変形又は屈曲がなく平坦な変形要素の位置を特徴付けるものである。
【００３９】
振動する梁の微小振動に関する標準方程式は、
【００４０】
【数１】
2008520933.tif 000003
で表され、これとともに様々な標準的な境界条件が使用される。ここで、xは梁の長手方向の空間座標、tは時間、u(x,t)は梁の変位、ρは梁の密度、hは厚さ、wは幅、Eはヤング率、そしてσはポアソン比である。梁の曲げ剛性Dは、材料特性であるE及びσ、幾何学パラメータh及びw、並びに形状係数1/12により、数式１の第２項にて得られる。曲げ剛性は、
【００４１】
【数２】
2008520933.tif 000004
で表される。
【００４２】
多層の梁（多層ビーム）の場合、物理定数は全て実効的なパラメータであり、様々な層jの物理定数の加重平均として計算される：
【００４３】
【数３】
2008520933.tif 000005
ただし、
【００４４】
【数４】
2008520933.tif 000006
であり、αjはｊ番目の層の熱膨張係数、αは多層ビームの実効的な熱膨張係数である。
【００４５】
本発明の一部の好適な実施形態では、１つ以上の層jの幅は固定部分18で、変形要素20の中心部分19より実効的に狭くされていてもよい。故に、実効的なヤング率Ejは等式（４）にて、j番目の層の各々の幅部分wjiのヤング率Ejiの和をとり、変形要素の全体幅wによって正規化することにより、層ごとに計算される。例えば、ある１つの層が半分に狭くされている場合、この層の実効ヤング率Ejはバルク材料のヤング率の値の半分に低減されることになる。このように異なる実効的な層幅を計上することにより、均一の幅を有する変形要素についてのモデルを用いて進められる以下の解析が可能になる。固定部分18の全体の幅waが中心部分の幅wcに対して低減される場合、そのことは、等式（２）の曲げ剛性D及び等式（４）の実効的な層のヤング率Ejを推定するときに、wにそれぞれの全体幅wa又はwcを用いることによって、この解析にて計上され得る。
【００４６】
標準方程式（１）は、更なる幾つかの物理効果を説明できるように変形される。これらの物理効果は、加熱、残留歪み、及び取付け接続により梁の端部に加えられるモーメントを説明する境界条件に起因する梁の収縮又は膨張を含む。
【００４７】
拘束されたマイクロビームを加熱することの主な影響は圧縮応力である。加熱されたマイクロビームは、仮に拘束されていないとすると膨張することになる。膨張に対して梁を拘束すると、取付け接続が、対向する固定端14間のマイクロビームを圧縮する。マイクロビームの形状が変形されていない場合、この熱誘起応力は等式（１）に次の形態の項を付加することによって表されてもよい。
【００４８】
【数５】
2008520933.tif 000007
ただし、この数式（１０）においては、αは等式（７）にて与えられる平均熱膨張係数であり、Tは温度である。この項は均一に圧縮される梁を表している。
【００４９】
しかしながら、マイクロビームは均一には圧縮されずに、変形され、外側に屈曲され、この変形が圧縮を緩和させることになる。マイクロビームの局所的な膨張は次式で表される。
【００５０】
【数６】
2008520933.tif 000008
数式（１１）の右辺は、この数式の左辺の完全な表現のテイラー展開の第１項である。この右辺はここでは、伴われる変形が非常に小さい大きさであることにより正当化される、局所的な膨張の近似として用いられる。数式（１０）のテイラー近似を用いると、正味の熱誘起局所応力は以下となる：
【００５１】
【数７】
2008520933.tif 000009
そして、得られた応力の縦方向成分は以下となる：
【００５２】
【数８】
2008520933.tif 000010
故に、梁の微小振動に関する完全に数学的なモデルは以下となる：
【００５３】
【数９】
2008520933.tif 000011
本発明の目的では、梁は、図２ａ及び２ｂにて静止位置及び平衡変形位置により例示された屈曲運動を生じさせるように設計された時間依存温度サイクルT(t)を繰り返させられるので、梁は様々な形状を呈する。解析を進めるため、熱平衡ではu(x,t)=f(x)とする。すなわち、f(x)は所与の温度Tでの梁の、時間変化しない、平衡形状である。
【００５４】
等式（１４）は、或る一定温度Tでの平衡形状f(x)の項で書き直され、次の微分方程式が生成される：
【００５５】
【数１０】
2008520933.tif 000012
方程式（１５）の第２項の微分を実行することにより次式となる：
【００５６】
【数１１】
2008520933.tif 000013
解析を進めるためには、変形要素を加熱することにより熱モーメントcTが発生されるという物理効果と、例えば、液滴吐出器内の作動流体の逆圧、マイクロバルブの弁座に突き当たること、又はマイクロスイッチを閉じることによって課せられる負荷とを導入することが役に立つ。本発明に適用する仮定を単純化することは、加熱と負荷との双方は主に変形要素の中心部分19、すなわち、図２のｘ軸に沿って固定端14からLaまで延在する２つの固定部分18に挟まれた部分、に加えられるとすることである。
【００５７】
本発明は、変形要素の温度が上昇したときに生じる事前バイアスされた方向の膨張屈曲に逆らって作用する熱機械力が内部に生成されることを必要とする。必要な力は、不均一構造を設計することによって達成される。この不均一構造は、典型的に、異なる熱機械特性、特に、実質的に異なる熱膨張係数、を有する材料から成る平面状の積層体である。図２に例示された二層の要素では、第１の層22と第２の層24と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似通っている場合に、加熱温度Tにて有意な熱モーメントcTが発生される。
【００５８】
この熱モーメントは、より大きい熱膨張係数を有する層が屈曲の外側となる平衡形状へと構造体を屈曲させるように作用する。故に、第２の層24が第１の層22の熱膨張係数より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要素20を図２の上方に屈曲させるように作用することになる。
【００５９】
２次元積層体構造の熱モーメントの係数cは、この積層体を含む層群の材料特性及び厚さから、次式にて求められ得る：
【００６０】
【数１２】
2008520933.tif 000014
ただし、ycは上記の等式（９）にて与えられる。
【００６１】
変形要素の特性、加熱、及び使用負荷がx=Lについて対称である限り、“半分の梁”の解析、すなわち、x=0からLの間での微分方程式の解析により、変形要素20全体の挙動を捉えることができる。本発明は、単純化のために変形要素の中心についての特性及び力の対称性を仮定することによって理解されてもよい。以下では、図２に例示された変形要素においては、変形要素の特性及び力が空間範囲x=0からLaまでの固定部分18で、空間範囲x=LaからLまでの中心部分19の値とは異なる値を有するとし、この変形要素に等式（１６）が適用される。これは、対称な変形要素20の左側である。右側は左側の解析と対称な結果を示すことになる。
【００６２】
等式（１６）を図２の変形要素20の左側に適用すると、以下の平衡微分方程式とそれに付随する境界条件セットとが、周囲より高い特定の平衡温度Tでの変形要素の変位又は形状f(x)を記述することになる。
【００６３】
【数１３】
2008520933.tif 000015
ただし、標識“a”はx=0からLaまで延在する固定部分18を参照するものであり、標識“c”はx=LaからLまで延在する中心部分19を参照するものである。負荷Piは中心部分19にのみ加えられると仮定する。すなわち、Pa=0であり、x=LaからLでPc=P(x)である。
【００６４】
適用可能な境界条件は：
【００６５】
【数１４】
2008520933.tif 000016
と、ｘ＝Laの移行位置における；
【００６６】
【数１５】
2008520933.tif 000017
である。ただし、
【００６７】
【数１６】
2008520933.tif 000018
であり、Da及びDcは変形要素20の固定部分18及び中心部分19の曲げ剛性係数である。
【００６８】
x=0,L,Laでの境界条件を有する上述の非線形微分方程式は、以下の変数xの変換を用いて数学的にいっそう容易に解かれる：
【００６９】
【数１７】
2008520933.tif 000019
これらの変換は全境界条件を新たな間隔［0,L］の左端（z=0）に折り畳み、固定部分から中心部分への移行部の全条件を新たな間隔［0,L］の右端（z=L）に折り畳む。得られる境界値問題は：
【００７０】
【数１８】
2008520933.tif 000020
及び
【００７１】
【数１９】
2008520933.tif 000021
となる。付随する境界条件は以下のように変換される：
【００７２】
【数２０】
2008520933.tif 000022
【００７３】
【数２１】
2008520933.tif 000023
上述の方程式を、非線形常微分方程式を解くための計算ソフトウェア（Asher、Christiansen及びRusselによるＣＯＬＳＹＳ）を用いて数値解法により解いた。なお、このサブルーチンはインターネットウェブサイト：www.netlib.orgにて入手可能である。
【００７４】
好適な材料及び層厚の設計の一例を、数値解法によりモデル化した。この一例としての変形要素を５つの層で構成した。第１の層22は、0.3μm厚さのβシリコン炭化物（β-SiC）で形成されたサブレイヤー22aと、0.2μm厚さのシリコン酸化物（SiO2）で形成されたサブレイヤー22bとの２つのサブレイヤーから成るものとした。第２の層24は、固定部分18及び中心部分19に異なる特性をもたらすように部分24a及び24cにて層24内に構成された、1.5μm厚さのアルミニウム（Al）又はチタンアルミナイド（TiAl）の２つの材料から成るとした。第３の層26は、0.5μm厚さのシリコン酸化物（SiO2）で形成されたサブレイヤー26aと、0.3μm厚さのテフロン（登録商標）（PTFE）で形成されたサブレイヤー26bとの２つのサブレイヤーから成るとした。
【００７５】
モデル化された変形要素は全体で3.8μm厚さとした。全体長2Lは300μmとし、全ての層が30μmの同一の幅を有するとした。実効的なヤング率、密度及び熱膨張係数の値は上述の数式（３）乃至（９）を用いて計算され得る。モデル計算にて使用された物性値及び計算による実行パラメータは表１に与えられている。
【００７６】
【表１】
2008520933.tif 000024
第２の層24の固定部分24aについて２つの構造をモデル化し、計算した。ケース１は固定部分24aにアルミニウムを有し、ケース２は固定部分24aにチタンアルミナイドを有する。何れのモデル構造も、変形要素20の中心部分19に同一の材料構成を有し、第２の層24の中心部分にチタンアルミナイドを有する。変形要素20の中心部分19の熱モーメントの係数は、表１内のパラメータを用いて、数式１７にてc=0.0533cm-1K-1として計算した。
【００７７】
第２の層24の全体にチタンアルミナイドを有するケース２のモデル構造についての数式（２５）乃至（３０）の数値計算結果が図３にプロットされている。このプロットは、中心部分19が周囲温度より高い100℃の温度Tに到達するまで加熱された後の、計算による変形要素20の左側の平衡形状f(x)を示している。変形量f(x)は、変形要素に沿った位置xと同様に、ミクロン単位で表されている。変形された要素20は対称形状を有すると仮定されているので、右側は相補形状を有することになる。最大変位fmaxは梁の中心であるx=150μmの位置に生じている。
【００７８】
個々の曲線210乃至222は、異なる固定部分−中心部分移行位置、すなわち、異なるLaの値についてプロットしている。各曲線に関するLaの値は：曲線210（La=5/6L）；曲線212（La=4/6L）；曲線214（La=3/6L）；曲線216（La=2/6L）；曲線218（La=1/4L）；曲線220（La=1/5L）；曲線222（La=1/6L）である。
【００７９】
このケース２の構造では、変形要素20の固定部分18及び中心部分19は同一の機械特性を有している。従って、異なる最大変形量は、中心部分のみが加熱され且つ中心部分のみが負荷Pを抱えるという仮定に起因するものである。これらの仮定は、ヒータが中心部分のみに効果を有するようにパターン化され、且つ負荷が殆どの抵抗を変形要素20の中心に印加するように構成されているケースを近似している。この後者の条件は、後に図７及び８にて例示される砂時計のような形状の液体チャンバによる液滴生成器の場合に導かれるものである。このチャンバは変形要素20の中心部19の周りで大きく縮められているので、流体の主な逆圧負荷は中心部分に印加されることになる。図３のプロットを学ぶことにより、ケース２の場合に最大変位を最大化させるのに最適なLaの選択、すなわちLa=1/4Lでfmax=2.27μm、が存在することが理解され得る。
【００８０】
第２の層24の固定部分24aにアルミニウム、中心部分24cにチタンアルミナイドを有するケース１のモデル構造についての数式（２５）乃至（３０）の数値計算結果が図４にプロットされている。このプロットは、中心部分19が周囲温度より高い100℃の温度Tに到達するまで加熱された後の、計算による変形要素20の左側の平衡形状f(x)を示している。変形量f(x)は、変形要素に沿った位置xと同様に、ミクロン単位で表されている。変形された要素20は対称形状を有すると仮定されているので、右側は相補形状を有することになる。最大変位fmaxは梁の中心であるx=150μmの位置に生じている。
【００８１】
個々の曲線230乃至236は、異なる固定部分−中心部分移行位置、すなわち、異なるLaの値についてプロットしている。各曲線に関するLaの値は：曲線230（La=5/6L）；曲線232（La=4/6L）；曲線234（La=3/6L）；曲線236（La=2/6L）である。
【００８２】
このケース１の構造では、変形要素20の固定部分18及び中心部分19は相異なる機械特性を有している。具体的には、ケース１ではケース２と比較して固定部分が軟らかくされている。これは、表１にて実効的なヤング率の値を比較することにより認識され得る。ケース１での実効ヤング率は114GPaであり、ケース２の実効ヤング率194GPaより約40％低くなっている。図４の曲線230乃至236により示されている異なる最大変形量は、中心部分のみが加熱され且つ中心部分のみが負荷Pを抱えるという仮定とともに、固定部分18の曲げ剛性が低減されていることに起因するものである。
【００８３】
ケース１の変形要素の最大変位はLa=1/3Lでfmax=2.69μmである。固定部分の曲げ剛性を40％低減することは、最大変位を18％増大させている。
【００８４】
図３及び４で得られたプロットは２次元解析に基づいたものである。ケース１及びケース２の構造の変形要素20について３次元数値解析も行った。３次元解析にはＥＳＩ  ＣＦＤ社の数値ソルバＣＦＤ−ＡＣＥ*を使用した。このソフトウェアパッケージはインターネットウェブサイトwww.esi-group.comにて入手可能である。
【００８５】
３次元計算は、f(L)=fmaxの値を固定部分−中心部分移行位置Laの関数として導出するように行った。このモデルの数式（２５）乃至（３０）のこれら３次元数値解法の結果は図５にプロットされている。図５のプロット240は、第２の層の固定部分24aがアルミニウムで形成されたケース１の場合のものである。図５のプロット242は、第２の層の固定部分24aがチタンアルミナイドで形成されたケース２の場合のものである。この３次元計算は、２次元解析が変形量を過大評価していることを示している。しかしながら、この３次元計算はまた、固定部分18の剛性を低減することの割合的な効果は２次元解析により過小評価されていることも示している。図５のプロット240及び242は、固定部分の剛性の約40％の低減が最大変位の約45％の増大をもたらすこと、すなわち、fmaxが1.51μmから2.2μmに増大することを示している。
【００８６】
図５のプロットは、二点固定型熱アクチュエータ15の変形要素20の固定端14に隣接する部分の曲げ剛性を低減することにより実現可能な最大変位の増大を明示している。同一の入力エネルギーでの変形量の改善は、アクチュエータ位置間の距離を増大させ、それにより、使用エネルギー総量を低減するため、あるいは活性化の繰り返し周波数を増大させるために利用されてもよい。
【００８７】
改善量は上述の数多くの材料、形状及び幾何学的要因に依存する。以上にて解析された変形要素20モデルにて曲げ剛性を低減する手段は、第２の層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。数式（２）、（２５）乃至（３０）を分析することにより理解され得るように、曲げ剛性パラメータDを低減する如何なる手段も、所与のエネルギー入力での変位を改善することになる。曲げ剛性を低減する手段には、実効的な厚さhを薄くすること、実効的な幅wを狭くすること、実効的なヤング率Eを低くすること、又はこれらの任意の組み合わせが含まれる。
【００８８】
続いて、固定位置付近の曲げ剛性が低減された二点固定型熱アクチュエータのマイクロデバイスへの応用について幾つか説明する。本発明は、このような熱アクチュエータを、特にインクジェット印刷ヘッドである液滴エミッタに内蔵すること、並びに液体マイクロバルブ及び電気マイクロスイッチに内蔵することを含んでいる。
【００８９】
図６は、本発明に従った部材を使用し得るインクジェット印刷システムの概略を示している。このシステムは画像データ源400を含んでおり、画像データ源400は、液滴を印刷するための命令として制御器300により受け取られる信号を供給する。制御器300は電気パルス源200に信号を出力する。続いて、パルス源200は電気エネルギーパルスを有する電圧信号を発生する。この電気エネルギーパルスはインクジェット印刷ヘッド100内の二点固定型熱アクチュエータ15の各々に付随する電気抵抗手段に印加されるものである。電気エネルギーパルスは二点固定型熱アクチュエータ15を短時間で変形させ、ノズル30に位置するインクを加圧し、インク滴50を吐出させる。インク滴50は受取器500上に着地する。
【００９０】
図７は、インクジェット印刷ヘッド100の一部の平面図を示している。インクチャンバ12及び中央に整列されたノズル30を有する熱駆動インクジェットユニット110のアレイが示されている。インクジェットユニット110はマイクロエレクトロニクス製造方法を用いて基板10の表面及び内部に形成されている。
【００９１】
液滴エミッタユニット110の各々は付随の電気ヒータ電極コンタクト42、44を有している。コンタクト42、44は、二点固定型熱アクチュエータの変形要素20の第２の層内に形成されて後述の熱機械効果に関与する電気抵抗ヒータに対して、それとともに形成されるか、それに電気的に接続されるかしている。この実施形態の電気抵抗は変形要素20の第２の層24と一致しており、図７の平面図では個別に可視化されてはいない。印刷ヘッド100の構成要素80は、マイクロエレクトロニクス基板10や、液体供給、電気信号及び機械的接合機能を相互接続する他の手段のための搭載面を提供する実装用の構造である。
【００９２】
図８ａは、単一の液滴エミッタユニット110の平面図を例示しており、第２の平面図である図８ｂでは、ノズル30を含む液体チャンバの覆い28が除去されている。
【００９３】
図８ａにて透視的に示された二点固定型熱アクチュエータ15は、図８ｂでは実線で表されている。二点固定型熱アクチュエータ15の変形要素20は、基板10内に凹部として形成された液体チャンバ12の対向する固定端14から延在している。変形要素固定部20bが基板10に接合されており、変形要素20を固定している。
【００９４】
アクチュエータの変形要素20は、長く、薄く、そして幅広の梁の形状を有している。この形状は、使用可能な二点固定型熱アクチュエータの変形要素を単に例示するものである。数多くの他の形状が適用可能である。本発明の一部の実施形態では、変形要素はその周囲を連続して囲む基盤要素に取り付けられた板である。
【００９５】
図８ａ及び８ｂにおいては、流体チャンバ12は、12cの位置で変形要素20の中心部分19の形状に従って狭くされ、二点固定型の変形におけるアクチュエータ動作のための隙間を設けるために隔てられた壁部を有している。二点固定型アクチュエータの最大変位が生じるときに閉じるようにチャンバ12の壁を位置付けることは、ノズル30での液滴の吐出に効率的に影響を及ぼすように、生成される圧力インパルスを集中させる助けとなる。
【００９６】
図８ｂは、ヒータ電極42及び44の位置で電気抵抗ヒータ（これは変形要素20の第２の層24に一致する）に電気パルス源200を取付けることを概略的に例示している。抵抗を介する抵抗加熱を生じさせるように、電圧端子42及び44に電位差が印加される。これは、電流Iを示す矢印によって概略的に示されている。図８ｂの平面図においては、変形要素20の中心部分19は、電気的にパルスされ、その中心面から外側に屈曲するとき、見る者の方に移動する。液滴は覆い28内のノズル30から見る者の方に吐出される。この幾何学配置の作動及び液滴吐出は、インクジェットの数多くの文献の中で“ルーフ・シューター”と呼ばれている。
【００９７】
図９ａ及び９ｂは、本発明の好適な一実施形態に従った二点固定型熱アクチュエータの側面図を例示している。図９ａでは、変形要素20は第１の静止位置にある。図９ｂは、上方に第２の位置まで屈曲された変形要素を示している。変形要素20は、二点固定型熱アクチュエータの基盤要素として機能する基板10に固定されている。
【００９８】
液滴エミッタのアクチュエータとして使用されるとき、変形要素20の屈曲応答は、ノズル位置で液体を十分に加圧するのに十分なだけ素早くなければならない。典型的に、電気抵抗加熱部材はヒートパルスを与えるように適合される。10μsec未満の電気パルス幅が使用され、好ましくは、2μsec未満のパルス幅が使用される。
【００９９】
図１０乃至１６は、本発明の一部の実施形態に従った単一の液滴エミッタを構築するための製造処理工程を例示している。これらの実施形態では、第２の層24は例えばチタンアルミナイド等の電気抵抗材料を用いて構築され、一部が、電流Iを流す抵抗になるようにパターニングされる。第２の層24の固定部分24aは、加熱される領域を中心部分に制限し且つ変形要素20の固定部分18の曲げ剛性を有意に低減するために、より軟らかい導電性材料、例えばアルミニウム、に置き換えられる。
【０１００】
図１０は、微小電気機械製造処理シーケンスの初期段階における、例えば単結晶シリコンであるマイクロエレクトロニクス材料の基板10を例示している。例示された製造シーケンスにおいて、基板10は二点固定型熱アクチュエータの基盤要素10となる。パッシベーション層21は、例えば酸化物、窒化物、ポリシリコン又はこれらに類するもの等の材料であってよく、製造シーケンスの終わり近くの背面エッチングのためのエッチング停止層としても機能する。層21には、完成後の変形要素周辺に液体補給部を設け、且つ変形要素を解放するための、エッチング可能な領域62が開かれている。
【０１０１】
図１０はまた、先に準備された基板上に堆積され且つパターニングされた、後に変形要素になるものの第１の層22を例示している。第１の層22に使用される第１の材料は低い熱膨張係数と比較的高いヤング率とを有している。第１の層22に好適な典型的な材料はシリコンの酸化物若しくは窒化物、及びβシリコンカーバイドである。しかしながら、数多くのマイクロエレクトロニクス材料が、大きい熱モーメントを生成する助けとなり且つ歪んだときに弾性エネルギーを蓄積するという第１の層22の機能を果たす。第１の層22はまた１つ以上の材料から成るサブレイヤー群を有していてもよい。多くのマイクロアクチュエータ用途では、第１の層22は数ミクロンの厚さである。
【０１０２】
図１１は、第１の層22の上に存在する、後に変形要素になるものの第２の層24の形成を例示している。第２の層24は、大きい熱膨張係数を有する例えば金属などの第２の材料で構築される。大きい熱モーメントを生成し、且つ二点固定型アクチュエータのための弾性エネルギーの蓄積を最大化するため、第２の材料は第１の材料のヤング率と同程度のヤング率を有している。本発明に好適な第２の材料は、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又はパルス化されたＤＣのマグネトロンスパッタリングによって行われてもよい。図１０乃至１６に例示された本発明の実施形態では、第２の層24は電気抵抗性であり、第２の層24の中心部分24c及び変形要素20の中心部分19を定める抵抗パターンを形成する。
【０１０３】
図１２は、例えばアルミニウム等の比較的軟らかい金属材料を付加することにより、第２の層24の形成を完了させることを例示している。この材料は第２の層24の固定部分24aを形成する。アルミニウムはまた、第２の層の中心部分24cとして形成された電気抵抗材料への電気接続を形成する。
【０１０４】
図１３は、変形要素の先に形成された層群を覆う第３の層26の形成を完了させることを例示している。上述のように、第３の層26は多様な機能のために使用されてもよい。図１０乃至１６にて製造されるインクジェット印刷ヘッドの用途では、第３の層26は、インク（作動流体）との化学的及び電気的相互作用からの変形要素の保護を提供する。第３の層は、例えば酸化物と有機被膜との双方といった相異なる材料から成るサブレイヤーを有していてもよい。
【０１０５】
電気コンタクト電極42及び44を設けるために第３の層26には窓が開けられる。ヒータコンタクト42、44は、基板10内に先に形成された回路に、第１の層22及びパッシベーション層21内のビア（図１３には示されていない）を通って接触していてもよい。他の例では、ここで例示されるように、ヒータ電極42、44は、例えばテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）又はワイヤーボンディング等、その他の標準的な電気相互接続法により、外部からコンタクトを摂られてもよい。
【０１０６】
本発明の代替実施形態は、変形要素に加熱パルスを印加する更なる電気抵抗要素を用いる。この場合、この更なる要素は、第１の層22と第２の層24との間、又は第２の層24の上に位置付けられた更なる積層体の１つとして構築されてもよい。熱膨張層である第２の層24に加熱パルスを直接的に印加することは、第２の層24と第１の層22との間の熱膨張の差を最大化することによって最大熱モーメントを増大させる上で有利である。しかしながら、電気抵抗ヒータ素子を有する更なる積層体は変形要素の全体的な熱機械的挙動に寄与するので、これらの積層体の最も好ましい位置付け、すなわち第２の層24の上か下かは、更なる層の機械特性に依存することになる。
【０１０７】
図１４は犠牲層29の付加を示しており、犠牲層29は液滴エミッタのチャンバの内面形状に形成される。犠牲層29は先に堆積された層群を覆って形成される。この目的での好適材料はポリイミドである。ポリイミドは十分な深さでデバイス基板に塗布され、第１の層22、第２の層24、第３の層26、及び様々な目的で追加された何らかの更なる層群の地形を有する表面を平坦化する。隣接材料に対して選択的に除去可能な如何なる材料も、犠牲構造29を構築するために使用され得る。
【０１０８】
図１５は、例えばプラズマ堆積されたシリコンの酸化物、窒化物などの共形材料を犠牲層構造29上に堆積することにより形成された、液滴エミッタの液体上部チャンバ及び覆い28を例示している。この層は、基板10のエッチング部分によって更に形成された図7及び８にチャンバ12として指し示されている液滴エミッタチャンバを完成させるようにパターニングされる。液滴エミッタの上部チャンバ28には、この製造シーケンスのこの段階では液滴エミッタの上部チャンバ壁28内に残っている犠牲材料層29に通じるノズル30が形成される。
【０１０９】
図１６ａ乃至１６ｃは、図１５のＡ−Ａとして指し示された断面でのデバイスの側面図を示している。図１６ａにおいては、犠牲層29はノズル開口30を除いて、液滴エミッタ上部チャンバ壁28内に囲まれている。また、図１６ａにおいて、基板10は原型を保っている。図１６ｂにおいては、基板10は変形要素20並びに変形要素20の周辺及び脇の液体チャンバ領域12（図１０乃至１３参照）の下方で除去されている。この除去は、例えば反応性イオンエッチング、使用基板が単結晶シリコンである場合の方向依存性エッチング、又はウェットエッチング法とドライエッチング法との組み合わせ等の、異方性エッチングプロセスにより為され得る。二点固定型熱アクチュエータだけを構築する場合には、犠牲構造及び液滴チャンバの工程は不要であり、基板10をエッチング除去する該工程は変形要素を解放するために用いられてもよい。
【０１１０】
図１６ｃにおいては、ポリイミドを使用した場合には酸素及びフッ素源を用いて、犠牲材料層29がドライエッチングによって除去されている。エッチャントガスがノズル30を介して流入し、基板10の裏面側から先にエッチングされた、新たに開かれた流体供給チャンバ領域12を形成する。この工程により、変形要素20が解放され、液滴エミッタ構造の製造が完了される。
【０１１１】
図１０乃至１６は好適な製造シーケンスを例示している。しかしながら、周知のマイクロエレクトロニクス製造プロセス及び材料を用いる数多くの他の構築手法に従ってもよい。本発明の目的のためには、第１の層22、第２の層24を有し、且つ変形要素20の固定部分18の曲げ剛性が中心部分19の曲げ剛性より実質的に低い関係を有する変形要素をもたらす如何なる製造手法に従ってもよい。さらに、図１０乃至１６に例示されたシーケンスにおいては、液滴エミッタのチャンバ壁12、28及びノズル30は基板上にその場（in-situ）形成されたが、他の例では、二点固定型熱アクチュエータは別個に構築され、液滴エミッタを形成するように液体チャンバ部品に接合されることも可能である。
【０１１２】
図１０乃至１６は、第２の層が電気抵抗材料で形成される好適な実施形態を例示するものである。第２の層24の一部が、電気パルスがヒータ電極対42、44に印加されたときに電流が流れる抵抗部分になるように形成されることにより、第２の層24が直接的に加熱される。本発明の他の好適な実施形態においては、第２の層24は変形要素を加熱するように適応された他の部材によって加熱される。例えば、第１の層22上に薄膜抵抗体が形成され、その上に第２の層24が形成されることも可能である。また、薄膜抵抗体は第２の層24の頂部に形成されることもできる。
【０１１３】
熱は第２の層24に電気抵抗以外の部材によって導入されてもよい。光エネルギーのパルスは、変形要素の第１及び第２の層、又は光エネルギーの特定スペクトルの吸収体として機能するように特に付加された更なる層によって吸収され得る。本発明に従った二点固定型熱アクチュエータマイクロバルブに関連して、加熱パルスを印加するために光エネルギーパルスを利用することは、後に図２０ａ及び２０ｂにて例示される。変形要素に熱エネルギーパルスを伝えるように適応され得る如何なる部材も、本発明を実施するために使用可能な手段と見込まれる。
【０１１４】
本発明に従った二点固定型熱アクチュエータは、流体マイクロバルブの構築に有用である。ノーマリークローズ型流体マイクロバルブ構成が図１７ａ及び１７ｂに、ノーマリーオープン型流体マイクロバルブが図１８ａ及び１８ｂに示されている。二点固定型熱アクチュエータは、有意に改善されたエネルギー効率又は最大変位のため、ノーマリーオープン型及びノーマリークローズ型の何れのバルブ構成の場合にも有利である。
【０１１５】
ノーマリークローズ型マイクロバルブは、図１７ａに示されるように、変形要素20がその静止形状にあるときに第１の層22が流体流出口32に接触させられるように構成され得る。例示されたバルブ構成においては、第１の層22にバルブ封止材（弁座）38が備えられている。弁座38は弁座36に接触して封止するものである。このバルブ構成では、第１の層22がパッシベーション機能を果たすので、パッシベーション層21は省略されている。例示された構成においては、図８にて例示されたインクジェット滴生成チャンバの場合に示されているように、流体は加圧されて流体源から変形要素の周りの注入路（図示せず）を介して収容される。加熱パルスが変形要素20に印加されると、バルブが最大量まで開き、噴出52を吐出する（図１７ｂ）。バルブは、屈曲状態を維持するのに十分なように変形要素を加熱し続けることにより、オープン状態に維持されてもよい。
【０１１６】
ノーマリーオープン型マイクロバルブは図１８ａに示されるように構成され得る。変形要素20は、流体流出口32に近接して位置付けられ、変形要素20の屈曲変形が流出口32を閉じるのに十分であるようにして十分に閉じられている。図１８には示されていないが、バルブ封止材が変形要素20に支持され、図１７に示されたノーマリークローズ型マイクロバルブと同様に弁座が備えられることもできる。加熱パルスが変形要素20に印加されると、変形要素を流体流出口32に接触させることによりバルブが閉じる。バルブは、上方への屈曲状態を維持するのに十分なように変形要素を加熱し続けることにより、クローズ状態に維持されてもよい。
【０１１７】
以上の二点固定型熱アクチュエータ、液滴エミッタ及びマイクロバルブの例が示してきた変形要素は、対向する端部位置で半剛体接続の対向する固定端に取り付けられた薄い長方形のマイクロビームの形状をしていた。変形要素の長辺は取り付けられておらず、２次元の屈曲変形を生じさせながら自由に動くことができた。他の例では、変形要素は完全に閉じた周囲の周りで取り付けられた板として構成されてもよい。
【０１１８】
図１９ａ及び１９ｂは、円形の周囲の周りで完全に取り付けられた円形の積層体として構成された変形要素20の平面図を示している。この変形要素は３次元的に屈曲する、すなわち、すぼまる。変形要素の周囲を完全に取り付けることは、作動流体内に浸された変形要素を操作することが望ましくない場合に有利となり得る。あるいは、変形要素がその一方の面上で空気、真空又はその他の低抵抗媒体に対して作用しながら、反対側の面を浸す本出願の作動流体に対して変形することも有利となり得る。
【０１１９】
図１９ａは、中心ノズル30を具備した正方形の流体上部チャンバ28を有する液滴エミッタを例示している。図１９ａには、円形の変形要素20は周囲の固定端14に接続されていることが透視的に示されている。変形要素20は流体チャンバの底部壁の一部を形成している。流体は流入口31を介してチャンバに流入する。図１９ｂにおいては、上部チャンバ28が除去されている。変形要素20の積層体構造に含まれる電気抵抗層にヒータ電極42及び44を介して電流を流すことによって、加熱パルスが印加される。
【０１２０】
図２０ａ及び２０ｂは本発明の代替実施形態を例示しており、この実施形態においては、変形要素は円形の積層体であり、完全な円周の周りで取り付けられている。変形要素はノーマリークローズ型マイクロバルブの壁の一部を形成している。変形要素の第２の層の側は、集光集束素子40により導かれる光エネルギー39を利用し得るように構成されている。流体は流入口31を介してマイクロバルブに流入し得る。二点固定型屈曲を生じさせるための適当な温度・時間プロファイルによって、変形要素を加熱するのに十分な強度を有する光エネルギーのパルスを導くことにより、このバルブは操作される。バルブは、変形要素の十分に加熱された温度を維持するのに十分な光エネルギーを供給し続けることにより、オープン状態に維持されてもよい。
【０１２１】
本発明に従った光駆動デバイスは、マイクロバルブを開きながら完全な電気的且つ機械的な分離が維持され得る点で有利となり得る。液滴エミッタ、マイクロバルブ、又はその他の二点固定型熱アクチュエータ用の光駆動構成が、本発明に従って同様にして設計され得る。
【０１２２】
本発明に従った二点固定型熱アクチュエータはまた、電気回路を制御するマイクロスイッチの構築においても有用である。本発明に従ったマイクロスイッチユニット150の平面図が図２１に例示されている。図２２ａ及び２２ｂは、ノーマリークローズ型マイクロスイッチ160の構成を側面図にて例示しており、図２３ａ及び２３ｂは、ノーマリーオープン型マイクロスイッチ170を側面図にて例示している。
【０１２３】
図２１の平面図において、変形要素20は電気抵抗手段によって加熱される。ヒータ電極42及び44を介して電気パルス源200によって電気パルスが印加される。このマイクロスイッチは第１のスイッチ電極155及び第２のスイッチ電極157を介して電気回路を制御する。第１のスイッチ電極155及び第２のスイッチ電極157は、変形要素20の上方位置にあるスペーサ支持体152によって支持されている。空間159が第１及び第２のスイッチ電極155、157を分離しており、第１及び第２のスイッチ電極が電気的に橋渡しされない限り、スイッチ入力パッド156及び158に接続された外部回路はオープンとなる。第１及び第２のスイッチ電極155、157の下方の制御電極154は、スペーサ構造152内の電極アクセス開口153を通って橋渡し接触させられ得る。制御電極154は高導電性材料で構築されている。変形要素20は、加熱パルスの印加によって屈曲させられるときに、制御電極を第１及び第２のスイッチ電極155、157に対して向かう方向又は離れる方向に移動させるように位置付けられている。
【０１２４】
ノーマリークローズ型マイクロスイッチは図２２ａ及び２２ｂに例示されるように構成され得る。図２２ａ及び２２ｂの側面図は図２１の直線Ｃ−Ｃに沿って取られたものである。変形要素20の第１の層22は、変形要素20が残留形状にあり、そ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ているときに、制御電極154を第１及び第２のスイッチ電極155及び157（図示せず）に接触させている。加熱パルスが変形要素20に印加されると、このマイクロスイッチは最大量だけ開いて外部回路を断線させる、すなわち、マイクロスイッチを開く。マイクロスイッチは、屈曲状態を維持するのに十分なように変形要素を加熱し続けることにより、オープン状態に維持されてもよい。
【０１２５】
ノーマリーオープン型マイクロスイッチは図２３ａ及び２３ｂに例示されるように構成され得る。図２３ａ及び２３ｂの側面図は図２１の直線Ｃ−Ｃに沿って取られたものである。変形要素20は、屈曲された後に、変形が制御電極154を第１及び第２のスイッチ電極155及び157（図示せず）に橋渡し接触させるのに十分となるように、電極アクセス開口159に十分に近接して位置付けられている。加熱パルスが変形要素20に印加されると、このマイクロスイッチは、制御電極154を第１及び第２のスイッチ電極155、157に電気接触させることによって閉じる。マイクロスイッチは、上方への屈曲状態を維持するのに十分なように変形要素を加熱し続けることにより、クローズ状態に維持されてもよい。第２の層24が電気抵抗性である本発明の実施形態では、制御電極154の下に電気絶縁層151が設けられてもよい。
【０１２６】
図２１乃至２３に例示されたマイクロスイッチ構造では、第１及び第２のスイッチ電極の双方がスペーサ構造152によって支持されており、制御電極154はスイッチを開いたり閉じたりするために両者と橋渡し接触する。これに代わるマイクロスイッチ構造が図２４に例示されており、その構造においては、第２のスイッチ電極157は変形要素20上に形成され、制御電極154に恒久的に電気接触している。第１のスイッチ電極155はスペーサ構造152によって支持され、電気アクセス開口153を通って制御電極に接触されるようにアクセス可能にされている。故に、この本発明の実施形態においては、マイクロスイッチの開閉は制御電極を第１のスイッチ電極155に対して接触させたり接触させなかったりする変形要素によって得られる。
【０１２７】
図２４は、第２のスイッチ電極と制御電極154とを恒久的に電気接触させた代替マイクロスイッチユニット150の構造を平面図にて例示している。図２５ａは、本発明のこの構造に従ったノーマリークローズ型マイクロスイッチユニット160の側面図を例示している。図２５ａは図２４の直線Ｄ−Ｄに沿って取られた側面図であり、残留すなわち通常のクローズ状態にあるスイッチを示している。この図においては、外部電気回路の入力リード156及び158は示されているが、変形要素の加熱のために電気抵抗手段に取り付けられたヒータ電極42、44は示されていない。図２５ｂは、加熱パルスが印加され、変形要素が屈曲し、制御電極154と第１のスイッチ電極155との間に空間159を開かせ、それにより外部回路が開かれた後の、ノーマリークローズ型マイクロスイッチユニット160の側面図を例示している。図２５ｂは図２４の直線Ｅ−Ｅに沿って取られた側面図であり、ヒータ電極42、44は示されているが、入力リード156、158は示されていない。
【０１２８】
以上の二点固定型熱アクチュエータ・マイクロスイッチが示してきた変形要素は、対向する端部位置で対向する固定端に取り付けられた薄い長方形のマイクロビームの形状をしていた。変形要素の長辺は取り付けられておらず、２次元の屈曲変形を生じさせながら自由に動くことができた。他の例では、マイクロスイッチの変形要素は、上述のマイクロバルブに関して図１９にて例示されているように、完全に閉じた周囲の周りで取り付けられた板として構成されてもよい。変形要素の周囲を完全に取り付けた構造は、変形要素の制御電極と反対の面側で真空又はその他の低抵抗ガス内で変形要素を操作することが望ましくない場合に有利となり得る。
【０１２９】
図２６ａ及び２６ｂはノーマリークローズ型マイクロスイッチユニット160の代替実施形態の側面図を例示しており、この実施形態においては、変形要素は完全な円周の周りで取り付けられた円形の積層体である。変形要素の第２の層の側は、集光集束素子40により導かれる光エネルギー39を利用し得るように構成されている。このマイクロスイッチは、二点固定型屈曲を生じさせるように変形要素を加熱するのに十分な強度を有する光エネルギーのパルスを導くことにより操作される。マイクロスイッチは、変形要素の十分に加熱された温度を維持するのに十分な光エネルギーのパルスを供給し続けることにより、オープン状態に維持されてもよい。
【０１３０】
本発明に従った光駆動デバイスは、マイクロスイッチを開きながら完全な電気的且つ機械的な分離が維持され得る点で有利となり得る。ノーマリーオープン型マイクロスイッチ用の光駆動構成が、本発明に従って同様にして設計され得る。
【０１３１】
図２７は、固定部分18における変形要素20の曲げ剛性を低減するための代替設計を平面図にて例示している。スロット27によって例示されるように、固定部分において変形要素20の１つ又は複数の層から材料が除去されている。このように材料を除去することは、固定部分18における梁構造の実効的な幅を、変形要素20の中心部分19と比較して狭くさせることによって曲げ剛性を低減させる。
【０１３２】
図２８は、固定部分18における変形要素20の曲げ剛性を低減するための代替設計を平面図にて例示している。例示された二点固定型熱アクチュエータでは、第１の層22が固定部分において完全に除去されている。このように材料を除去することは、固定部分18における実効的な厚さ及び実効的なヤング率の双方を低減させることによって曲げ剛性を実質的に低減させる。
【０１３３】
これらの図は変形要素20の静止形状を、平坦で中心面にあるものとして描いている。しかしながら、製造プロセスの影響、又は加熱温度若しくは低温からの動作に起因して、変形要素の静止形状は中心面から離れるように屈曲していてもよい。本発明は変形要素20の静止形状のこの多様性をも意図・包含するものである。
【０１３４】
以上の説明の多くは、単一の二点固定型熱アクチュエータ、液滴エミッタ、マイクロバルブ、又はマイクロスイッチの構造及び動作に向けられたものであったが、本発明はこの単一のデバイスユニットのアレイ及び組立体を形成することにも適用可能であることは理解されるべきである。また、本発明に従った二点固定型熱アクチュエータデバイスは、他の電子部品及び回路と同時に製造されてもよいし、電子部品及び回路の製造の前又は後に同一基板上に形成されてもよい。
【０１３５】
また、以上の詳細な説明は主として、電気抵抗部材又はパルス状の光エネルギーによって加熱される二点固定型熱アクチュエータについて説明するものであったが、加熱パルスを生成する例えば誘導加熱などの他の手段が、本発明に従って加熱パルスを変形要素に印加するように適応されてもよい。
【０１３６】
以上により、本発明は全ての結果及び目的を達成するために十分に適応されたものであることが理解されるであろう。本発明の好適な実施形態に関する以上の説明は例示及び説明の目的で提示されたものであって、他を排除するものでも本発明を開示されたそのものの形態に限定するものでもない。変更及び変形が可能であり、それらはこの開示の恩恵を受けて当業者に認識されるものである。そのような更なる実施形態は添付の特許請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１ａ】二点固定型熱アクチュエータの１つの位置を例示する側面図である。
【図１ｂ】二点固定型熱アクチュエータの１つの位置を例示する側面図である。
【図２ａ】本発明に従った二点固定型熱アクチュエータの１つの位置を例示する側面図である。
【図２ｂ】本発明に従った二点固定型熱アクチュエータの１つの位置を例示する側面図である。
【図３】長手方向に沿って異なる加熱量を有する変形要素について、その平衡変位量の理論計算結果を示す図である。
【図４】長手方向に沿って異なる加熱量を有し、且つ中心部分より機械的に柔らかい固定部分を有する変形要素について、その平衡変位量の理論計算結果を示す図である。
【図５】長手方向に沿って異なる加熱量を有する変形要素の最大平衡変位量について、中心部分に対して機械的に等しい硬さの固定部分を有する場合と軟らかい固定部分を有する場合とを理論的に比較した図である。
【図６】本発明に従ったインクジェットシステムを例示する概略図である。
【図７】本発明に従ったインクジェットユニット又は液滴エミッタユニットのアレイを示す平面図である。
【図８ａ】図７に例示された個々のインクジェットユニット及び二点固定型熱アクチュエータを示す拡大平面図である。
【図８ｂ】図７に示された個々のインクジェットユニット及び二点固定型熱アクチュエータを示す拡大平面図である。
【図９ａ】本発明に従った液滴エミッタの静止位置を例示する側面図である。
【図９ｂ】本発明に従った液滴エミッタの液滴吐出位置を例示する側面図である。
【図１０】本発明に従った二点固定型熱アクチュエータを構築するのに適したプロセスの第１段階を示す斜視図であり、基板が準備され、変形要素の第１の層が堆積され且つパターニングされている。
【図１１】図１０に示されたプロセスの次の段階を示す斜視図であり、変形要素の第２の層の中心部分が形成され且つパターニングされている。
【図１２】図１０及び１１に示されたプロセスの次の段階を示す斜視図であり、変形要素の第２の層の固定部分が形成されている。
【図１３】図１０乃至１２に示されたプロセスの次の段階を示す斜視図であり、保護用パッシベーション層が形成され且つパターニングされている。
【図１４】図１０乃至１３に示されたプロセスの次の段階を示す斜視図であり、本発明に従った液滴エミッタの液体充填チャンバの形状の犠牲層が形成されている。
【図１５】図１０乃至１４に示されたプロセスの次の段階を示す斜視図であり、本発明に従った液滴エミッタの液体チャンバ及びノズルが形成されている。
【図１６ａ】図１０乃至１５に示されたプロセスの最終段階を示す側面図である。
【図１６ｂ】図１０乃至１５に示されたプロセスの最終段階を示す側面図であり、液体供給路が形成されている。
【図１６ｃ】図１０乃至１５に示されたプロセスの最終段階を示す側面図であり、本発明に従った液滴エミッタを完成させるように犠牲層が除去されている。
【図１７ａ】本発明に従ったノーマリークローズ型の液体マイクロバルブについて、そのクローズ位置を例示する側面図である。
【図１７ｂ】本発明に従ったノーマリークローズ型の液体マイクロバルブについて、そのオープン位置を例示する側面図である。
【図１８ａ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリーオープン型マイクロバルブについて、その動作を例示する側面図である。
【図１８ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリーオープン型マイクロバルブについて、その動作を例示する側面図である。
【図１９ａ】本発明の好適な実施形態に従った、完全に閉じた周囲の周りで固定された変形部材を有するノーマリークローズ型マイクロバルブを例示する平面図である。
【図１９ｂ】本発明の好適な実施形態に従った、完全に閉じた周囲の周りで固定された変形部材を有するノーマリークローズ型マイクロバルブを例示する平面図である。
【図２０ａ】本発明の好適な実施形態に従った、光エネルギー加熱パルスにより動作されるノーマリークローズ型マイクロバルブについて、その動作を例示する側面図である。
【図２０ｂ】本発明の好適な実施形態に従った、光エネルギー加熱パルスにより動作されるノーマリークローズ型マイクロバルブについて、その動作を例示する側面図である。
【図２１】本発明の好適な実施形態に従った電気マイクロスイッチを例示する平面図である。
【図２２ａ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２２ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２３ａ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリーオープン型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２３ｂ】本発明の好適な実施形態に従ったノーマリーオープン型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２４】本発明の好適な実施形態に従った電気マイクロスイッチの代替設計を例示する平面図である。
【図２５ａ】本発明の好適な実施形態に従った図２４の構成を有するノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２５ｂ】本発明の好適な実施形態に従った図２４の構成を有するノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２６ａ】本発明の好適な実施形態に従った、光エネルギー加熱パルスにより操作されるノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２６ｂ】本発明の好適な実施形態に従った、光エネルギー加熱パルスにより操作されるノーマリークローズ型マイクロスイッチについて、その動作を例示する側面図である。
【図２７】固定部分の曲げ剛性を低減するために変形要素の固定部分の幅が効果的に狭くされている二点固定型熱アクチュエータを例示する平面図である。
【図２８】固定部分の曲げ剛性を低減するために変形要素の固定部分が効果的に薄くされている二点固定型熱アクチュエータを例示する側面図である。
【符号の説明】
【０１３８】
10    基板（基盤要素）
11    液体チャンバの狭くされた壁部分
12    液体チャンバ
12c    液体チャンバ12の狭くされた中心部分
13    可撓性のある結合材料
14    変形要素の固定点にある対向する固定端
15    本発明に従った二点固定型熱アクチュエータ
16    変形要素の自由端部分
17    基盤要素の解放部分
18    変形要素の固定部分
19    変形要素の中心部分
20    変形要素
20b    基盤10に接合された変形要素20の固定部分
21    パッシベーション層又はエッチング停止マスキング層
22    第１の層
24    第２の層
24a    第２の層の固定部分
24c    第２の層の中心部分
26    第３の層
27    固定部分の変形要素材料を除去するスロット
28    液体チャンバ構造、壁及び覆い
29    犠牲層
30    ノズル
31    流体流入口
32    流体流出口
34    流体流入路
36    弁座
38    バルブ封止材
39    光エネルギー
40    導光素子
41    ＴＡＢリード
42    ヒータ電極
43    はんだバンプ
44    ヒータ電極
45    はんだバンプ
46    ＴＡＢリード
47    電気抵抗素子、薄膜ヒータ抵抗
50    液滴
52    流体噴出
60    流体
62    エッチング可能領域
80    マウント用構造
90    従来設計の二点固定型熱アクチュエータ
100    インクジェット印刷ヘッド
110    液滴エミッタユニット
120    ノーマリークローズ型マイクロバルブユニット
130    ノーマリーオープン型マイクロバルブユニット
150    マイクロスイッチユニット
151    制御電極下の電気絶縁層
152    スペーサ構造
153    電極アクセス開口
154    制御電極
155    第１のスイッチ電極
156    第１のスイッチ電極への入力パッド
157    第２のスイッチ電極
158    第２のスイッチ電極への入力パッド
159    第１のスイッチ電極と第２のスイッチ電極との間の空間
160    ノーマリークローズ型マイクロスイッチユニット
170    ノーマリーオープン型マイクロスイッチユニット
200    電気パルス源
300    制御器
400    画像データ源
500    受取器
【図１（ａ）】
2008520933.tif 000025
【図１（ｂ）】
2008520933.tif 000026
【図２（ａ）】
2008520933.tif 000027
【図２（ｂ）】
2008520933.tif 000028
【図３】
2008520933.tif 000029
【図４】
2008520933.tif 000030
【図５】
2008520933.tif 000031
【図６】
2008520933.tif 000032
【図７】
2008520933.tif 000033
【図８（ａ）】
2008520933.tif 000034
【図８ｂ】
2008520933.tif 000035
【図９（ａ）】
2008520933.tif 000036
【図９（ｂ）】
2008520933.tif 000037
【図１０】
2008520933.tif 000038
【図１１】
2008520933.tif 000039
【図１２】
2008520933.tif 000040
【図１３】
2008520933.tif 000041
【図１４】
2008520933.tif 000042
【図１５】
2008520933.tif 000043
【図１６（ａ）】
2008520933.tif 000044
【図１６（ｂ）】
2008520933.tif 000045
【図１６（ｃ）】
2008520933.tif 000046
【図１７（ａ）】
2008520933.tif 000047
【図１７（ｂ）】
2008520933.tif 000048
【図１８（ａ）】
2008520933.tif 000049
【図１８（ｂ）】
2008520933.tif 000050
【図１９（ａ）】
2008520933.tif 000051
【図１９（ｂ）】
2008520933.tif 000052
【図２０（ａ）】
2008520933.tif 000053
【図２０（ｂ）】
2008520933.tif 000054
【図２１】
2008520933.tif 000055
【図２２（ａ）】
2008520933.tif 000056
【図２２（ｂ）】
2008520933.tif 000057
【図２３（ａ）】
2008520933.tif 000058
【図２３（ｂ）】
2008520933.tif 000059
【図２４】
2008520933.tif 000060
【図２５（ａ）】
2008520933.tif 000061
【図２５（ｂ）】
2008520933.tif 000062
【図２６（ａ）】
2008520933.tif 000063
【図２６（ｂ）】
2008520933.tif 000064
【図２７】
2008520933.tif 000065
【図２８】
2008520933.tif 000066
【国際調査報告】
2008520933.tif 000067
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