(57)【要約】　　　（修正有）【課題】高い反復頻度で、多サイクル使用においても操作可能な熱力学的なアクチュエータによって作動される液体滴エミッターを提供する。【解決手段】サーマルアクチュエータは、基部要素から延在し活性以前に第一位置に通常存在しているカンチレバー型要素を含み、アルミニウム化チタンなどの電気的に伝導性の物質から構成される第一層と、間に電気的な流れが連続的に伝導するカップリング装置と、並びに低係数の熱膨張を有し、前記第一層に付加された誘電体物質から構成される第二層とを含む。電気的な電圧パルスを適用するように提供され、それによって、第二位置に対するカンチレバー型要素の偏向に帰着する、第一及び第二抵抗器セグメントの発動出力密度並びにカップリング装置内の最大の出力密度を引き起こす。【選択図】　　　　図１
2004082723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超小型の電気機械的な装置のサーマルアクチュエータであって、
（ａ）基部要素と、
（ｂ）前記基部要素から延在し第一位置に存在しており、前記基部要素から各々延在する第一抵抗器セグメント及び第二抵抗器セグメントを有するようにパターン化された電気的に伝導性の物質から構成される第一層と、前記第一抵抗器セグメントと前記第二抵抗器セグメントとの間に電気的な流れが連続的に伝導するカップリング装置と、並びに低係数の熱膨張を有し、前記第一層に付加された誘電体物質から構成される第二層とを含むカンチレバー型要素と、
（ｃ）前記第一及び第二抵抗器セグメントの発動出力密度及び第二位置に対する前記カンチレバー型要素の偏向に帰着する前記カップリング装置内で前記発動出力密度の４倍未満の最大の出力密度を誘発する、第一電極と第二電極との間に電気的な電圧パルスを適用するように前記第一抵抗器セグメントに接続された前記第一電極及び前記第二抵抗器セグメントに接続された前記第二電極と、
を有することを特徴とするサーマルアクチュエータ。
【請求項２】
液体滴エミッタであって、
（ａ）液体で充満され、前記液体の滴を発射するためのノズルを有し、基板に形成されたチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバー壁から延在するカンチレバー型要素及び前記ノズルに隣接する第一位置に存在する遊離端とを有し、前記カンチレバー型要素は前記壁から各々延在する第一抵抗器セグメント及び第二抵抗器セグメントを有するようにパターン化された電気的に伝導性の物質から構成される第一層と、前記第一抵抗器セグメントと前記第二抵抗器セグメントとの間に電流が連続的に伝導するカップリング装置と、並びに低係数の熱膨張を有し、前記第一層に付加された誘電体物質から構成される第二層とを含むサーマルアクチュエータと、
（ｃ）前記カンチレバー型要素の迅速な偏向及び液体滴の発射をもたらす、前記第一及び第二抵抗器セグメント内での発動出力密度及び前記カップリング装置内で最大の出力密度を引き起こす、前記最大の出力密度が前記発動出力密度に対して４倍未満である、第一電極と第二電極との間に電気的な電圧パルスを適用するように前記第一抵抗器セグメントに接続された前記第一電極及び前記第二抵抗器セグメントに接続された前記第二電極と、
を有することを特徴とする液体滴エミッタ。
【請求項３】
液体滴エミッタの操作方法であって、該液体滴エミッタは、液体で充満され、前記液体の滴を発射するためのノズルを有するチャンバーと；前記チャンバー壁から延在するカンチレバー型要素及び前記ノズルで前記液体の圧力を作用するための前記ノズルに隣接する第一位置に存在する遊離端とを有し、前記カンチレバー型要素は第一抵抗器セグメント及び第二抵抗器セグメントを有するようにパターン化された電気的に伝導性の物質から構成される第一層と、カップリング装置と、並びに低係数の熱膨張を有し、前記第一層に付加された誘電体物質から構成される第二層とを含むサーマルアクチュエータと；前記第一層を加熱するために電気的パルスを適用する前記第一及び第二抵抗器セグメントに接続される電極と；を含有し、前記操作方法は、
（ａ）前記カップリング装置に近接の前記カンチレバー型要素と接触する前記液体での蒸気泡沫の形成に帰着する、電気的なパルスエネルギーＥｍａｘ及び出力Ｐｍａｘを決定することと、並びに
（ｂ）液体滴を発射するために、Ｅｏｐ＜０．９Ｅｍａｘであり、さらにＰｏｐ＜０．９Ｐｍａｘである条件で電気的なパルスエネルギーＥｏｐ及び出力Ｐｏｐを適用することと、
を含むことを特徴とする液体滴エミッタの操作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、超小型の電気機械的装置に関し、より詳細にはインクジェット装置又は他の液体滴エミッタに使用されるタイプの超小型の電気機械的なサーマルアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超小型の電気機械的なシステム（ＭＥＭＳ）は比較的最近の発展されてきた。かかるＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ、及びポジショナーとしての従来の電気機械的な装置に代替として使用される。超小型の電気機械的な装置は、超小型電子組立て技術の使用によって、潜在的に低コストである。さらに、新規な適用がＭＥＭＳ装置の小型化規模によりもたらされている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術の多くの潜在的な適用は、かかる装置で必要な移動を提供するためのサーマルアクチュエータを活用する。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サーマルアクチュエータを使用する。数多の適用において、必要とされる移動はパルスされる。例えば、第一位置へのアクチュエータの復元に続き、第一位置から第二位置への迅速な移動は、液体中の圧力パルスを生成するために使用されるかもしれないし、１ユニット距離の機能又は作動パルス毎の回転を進めるために使用されるかもしれない。ドロップオンデマンド（Ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）液体滴エミッターは、ノズルから個別な液量で液体を放出するために個別の圧力パルスを使用する。
【０００４】
ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）液体発射装置は、長年インクジェット印刷システムのインク印刷装置として周知である。初期の装置は、圧電気アクチュエータに依存している（例えば、特許文献１及び２参照。）。インクジェット印刷の最近の一般的な形態では、サーマルインクジェット（又は“バブルジェット（登録商標）”）は滴の発射を引き起こす、蒸気バブルを生成するために電気的に抵抗性のヒーターを使用する（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
電気的に抵抗性のヒーターアクチュエータは、良好に開発された超小型電子技術工程を使用して組立可能であるために、圧電気のアクチュエータに対する製造コストにおいて利点を有する。一方、サーマルインクジェットの滴発射機能は、気化できる構成部分を有するインクを必要とし、かかる構成部分の沸点以上にインク温度を局所的に上げる。かかる温度に対する暴露は、サーマルインクジェット装置によって確実に発射される、インク及び他の液体の形態に厳しい制限を設ける。圧電気的に作動する装置は、液体が機械的に加圧されるので、噴射できる液体にかかる厳しい制限を課さない。
【０００６】
インクジェット装置の供給者によって認識されている、有効性、コスト及び技術的な性能の改良はまた、液体の超微細計量を必要とする他の適用における装置での関心を生ずる。それらの新規の適用は、超微細の分析化学における特定の化学品の分注、電子装置を製造するためのコーティング剤の分注、及び医学の吸入療法における超微細の滴の分注を含む（例えば、それぞれ特許文献４，５及び６を参照。）。広い範囲で液体のマイクロサイズの滴に依存する発射を可能にする装置と方法は高品質の画像印刷において必要とされるだけでなく、さらに液体の分注が超微細滴の単一分散、正確な移動とタイミング、及び微細な増分を必要とする適用を顕著にするために必要とされる。
【０００７】
微細な滴の発射に対する低コストのアプローチは、幅広い範囲の液体の形態で使用可能であることを必要とする。圧電性電気機械的な装置に有用な液体の構成範囲を備えたサーマルインクジェットにおいて使用される超小型電子組立て技術の利点を組み合わせる装置及び方法が必要である。
【０００８】
熱力学的なアクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置が開示されている（例えば、特許文献７参照。）。アクチュエータは、インクジェットチャンバー内で移動可能な二層のカンチレバーとして形態化される。ビームは、層の熱膨張における不適合により湾曲することを引き起こす、抵抗器によって加熱される。ビームの遊離末端は、滴の発射を引き起こすノズルにおいてインクを加圧するように移動する。最近では、同様の熱機械的なＤＯＤインクジェット形態が開示されている（例えば、特許文献８，９，１０及び１１を参照。）。超小型電子技術工程を使用する熱機械的なインクジェット装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１２、１３及び１４参照。）。
【０００９】
熱機械的に作動される滴エミッタは、サーマルインクジェット装置に依存せずに液体との操作を可能にする、超小型電子技術の物質と設備を使用して大量生産できる、低コストの装置として嘱望されている。しかしながら、カンチレバー型のサーマルアクチュエータと滴エミッタの設計と操作は、作用する液体に隣接するかもしれない、特に、カンチレバー型要素内の潜在的に過度に加熱する場所“ホットスポット”に対する注意深い配慮を必要とする。カンチレバーが内蔵する抵抗性ヒーターに電気的なエネルギーパルスを供給することにより偏向される場合、パルス電流は最も便利なように、カンチレバーが基部要素に固着される場合の移動可能な（偏向可能な）構造で断続的に導かれる。したがって、電流はカンチレバー型要素上のいくつかの位置で方向を反転する。電流の指向的な変化の位置は、ホットスポットに帰着する、より高い電流密度と出力密度の場所かもしれない。
【００１０】
ホットスポットは、抵抗性物質の抵抗率の損失又は破滅的な融解、機械的な性質を変更するイオンの電気移動、隣接した層の離層、保護物質の深割れと子割れ、及び構成要素である作用液と促進される化学的な相互作用を含んでいる、数多の潜在的な信頼度問題の位置である。熱機械的に活性された滴エミッタにおける追加的な潜在問題は、ホットスポットに直ちに隣接する、作用液における蒸気泡沫の生成である。かかる後者の現象は、インク滴を発射するために十分な圧力パルスを提供する、サーマルインクジェット装置で目的をもって意図的に採用される。しかしながら、かかる蒸気泡沫の形成は、滴発射タイミング、量及び速度の変則的で不安定な変化を引き起こすので、熱機械的に活性化される滴エミッタでは望ましくない。さらに、泡沫形成はカンチレバー型要素で、活発度が高い泡沫崩壊の損害と作用液の変質した構成部分の強化によって起こるかもしれない。
【００１１】
電流の集まりを減少するサーマルインクジェットバブルを形成するヒーター抵抗器の設計が開示されている（例えば、特許文献１５、１６、１７及び１８を参照。）。上述の開示によって提案される、サーマルインクジェットの物理的工程、装置の構成部分の形態と設計制約は、カンチレバー型要素の熱機械的アクチュエータと滴エミッタとは異なる、実質的な技術を有する。サーマルインクジェット装置は、好ましくは、熱機械的滴エミッタが蒸気泡沫形成を回避する、滴を発射するために蒸気泡沫を生成するべきである。
【００１２】
カンチレバー型サーマルアクチュエータにおける操作の形態と方法は、最大の発動力を備える高い反復頻度で操作可能である一方で、過度の温度位置を避けるか、又は蒸気泡沫を生成する。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第３，９４６，３９８号明細書
【特許文献２】
米国特許第３，７４７，１２０号明細書
【特許文献３】
米国特許第４，２９６，４２１号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，５９９，６９５号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，９０２，６４８号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，７７１，８８２号明細書
【特許文献７】
特許第２，０３０，５４３号明細書
【特許文献８】
米国特許第６，０６７，７９７号明細書
【特許文献９】
米国特許第６，０８７，６３８号明細書
【特許文献１０】
米国特許第６，２３９，８２１号明細書
【特許文献１１】
米国特許第６，２４３，１１３号明細書
【特許文献１２】
米国特許第６，１８０，４２７号明細書
【特許文献１３】
米国特許第６，２５４，７９３号明細書
【特許文献１４】
米国特許第６，２７４，０５６号明細書
【特許文献１５】
米国特許第６，２８０，０１９号明細書
【特許文献１６】
米国特許第６，１２３，４１９号明細書
【特許文献１７】
米国特許第６，２９０，３３６号明細書
【特許文献１８】
米国特許第６，３０９，０５２号明細書
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、過度に減衰する温度に到達する位置を有さず、高い反復頻度で、多サイクル使用においても機能不全にならずに操作可能である、熱力学的なアクチュエータを提供することである。
【００１４】
本発明の目的はまた、作用液での蒸気泡沫形成を引き起こす、温度に到達する位置を有さない、熱力学的なアクチュエータによって作動される液体滴エミッターを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の先に記載した多くの他の特徴、目的及び利点は、ここに記載の詳細、請求項、添付図によってより明らかとなるだろう。かかる特質、目的及び利点は、基部要素と、基部要素から延在し、作動前に第一位置に通常存在するカンチレバー要素とを含有する、超小型電気機械的な装置におけるサーマルアクチュエータを構成することによって達成される。カンチレバー型要素は、アルミニウム化チタンなどの電気的に抵抗性物質から構成され、基部要素から各々延在する、第一抵抗器セグメントと第二抵抗器セグメントを有するようにパターン化された、第一層を含む。カンチレバー型要素はまた、電気的な抵抗性物質にパターン化されたカップリングセグメントか、又は第一と第二抵抗器セグメント間に電気的な流れを連続的に伝導する、電気的な活性物質に形成されるカップリング装置を含む。低い熱膨張係数を有する誘電性物質で構成される、第二層は、第一層に付加される。第一抵抗器セグメントに接続される第一電極と第二抵抗器セグメントに接続される第二電極は、第一電極と第二電極間の電気的な電圧パルスを適用するように提供され、それによって、最大の出力密度が作動出力密度の４倍未満である、カンチレバー型要素の偏向を第二位置に帰着する、第一と第二抵抗器セグメントにおける作動出力密度とカップリングセグメントか又は装置内における最大の出力密度を引き起こす。さらに、カップリングセグメントは第一層の一部分に形成されてもよく、ここで電気的な抵抗性物質は厚いか、又は実質的に高い伝導性を有するように修正される。
【００１６】
本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷におけるプリントヘッドとして使用される液体滴エミッタでのサーマルアクチュエータとして、特に有用である。かかる好ましい実施態様において、サーマルアクチュエータは液体を発射するためのノズルを含む、液体が充満したチャンバーに存在する。サーマルアクチュエータは、チャンバー壁から延在するカンチレバー型要素と、ノズルに近接する第一位置に存在する遊離末端を含む。カンチレバー型要素に対する熱パルスの適用は、ノズルから液体を追い出す遊離末端の偏向を引き起こす。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明の好ましい実施態様を特異的に参照して詳細に記載されるが、しかし変更と修正が本発明の趣旨及び範囲内においてもたらされることが理解されるだろう。
【００１８】
下記に詳細に記載のように、本発明はサーマルアクチュエータのための機器とドロップオンデマンドの液体発射装置を提供する。かかる装置の最も共通することは、インクジェット印刷システムのプリンタヘッドとして使用される。多くの他の適用はインクジェットプリンタヘッドと同様の装置に活用されるが、しかしながら、極微量に計量され、高度に空間的な正確さで沈着される必要があるインク以外の液体を発射する。ここで使用される用語のインクジェットと液体滴エミッタは互換性がある。下記に記載される本発明は、不安定な性能と初期の装置の機能不全をそうでなければ引き起こすかもしれない、ホットスポットである、過度な温度の位置を回避するように、形態化されて操作される、熱力学的なアクチュエータに基づいた滴エミッタを提供する。
【００１９】
最初に図１を参照するに、本発明によって操作される機器を使用してもよい、インクジェット印刷システムの概略図が示される。かかるシステムは、滴を印刷する命令としてコントローラ３００によって受取られる信号を提供する画像データ源４００を含む。コントローラ３００は、電気的なパルス源２００に信号を出力する。次ぎに、パルス源２００は、インクジェットプリンタヘッド１００内の各熱力学的なアクチュエータ１５と関連する電気的な抵抗手段に適用される、電気的なエネルギーパルスから構成される電気的な電圧信号を生じる。電気的なエネルギーパルスは、熱力学的なアクチュエータ１５（ここより以下では“サーマルアクチュエータ”と記載）の急速な偏向を引き起こし、ノズル３０に位置するインク６０を加圧し、受け手５００に着地するインク滴５０を発射する。
【００２０】
図２はインクジェットプリンタヘッド１００の部分的な平面図を示す。熱で作動されたインクジェットユニットのアレイ１１０は、中心に配列されたノズル３０を有し、２列で指のように組まれたインクチャンバーを有して示されている。インクジェットユニット１１０は、超小型電子技術組み立て方法を用いて基板１０上及び基板１０内に形成される。滴エミッタ１１０を形成するために使用される組み立て工程の例は、本発明の譲受人に譲渡された２０００年１１月３０日に“サーマルアクチュエータ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ）”の名称で出願された、同時係属出願の米国特許出願第０９／７２６，９４５号に記載されている。
【００２１】
各滴エミッタ１１０は、図２の幻影図に示される、ヒーター抵抗器部分２５を備えて形成されるか、又はヒーター抵抗器部分２５に電気的に接続される、電気的なリード線の接点４２、４４を関連づけている。例示された好ましい実施態様において、ヒーター抵抗器部分２５はサーマルアクチュエータ１５の第一層に形成され、記載されるように熱機械的な作用に関係する。プリンタヘッド１００の要素８０は、超小型電子基板１０の取り付け面を供給し、液体供給と電気信号を相互接続するための手段を供給し、及び機械的な接触面の特質を提供する、取り付け構造である。
【００２２】
図３ａは、単一の滴エミッタユニット１１０の平面図の例示であり、図３ｂは含有するノズル３０が取り除かれて、液体チャンバーのカバー２８を備える、第二平面図である。
【００２３】
図３ａの幻影で示されるサーマルアクチュエータ１５は図３ｂでは実線で見られる。サーマルアクチュエータ１５のカンチレバー型要素２０は、基板１０に形成された液体チャンバー１２のエッジ１４から延在する。カンチレバー型要素の固着部２６は基板１０に接続されて、カンチレバーを固着する。
【００２４】
アクチュエータのカンチレバー型要素２０は、軸幅よりも長い直径のディスクで終了する、拡大された平らな軸のパドル形状を有する。かかる形状は使用できるカンチレバーのアクチュエータの単なる例示であり、多くの他の形状は適用可能である。パドル形状は、カンチレバー型要素の遊離末端部分２７の中心でノズル３０を配列する。液体チャンバー１２は、アクチュエータの移動においてクリアランスを供給するために離れて間隔が置かれた、カンチレバー型要素の遊離末端部分２７の弯曲に一致する場所１６で曲がった壁の部分を有する。
【００２５】
図３ｂは、相互接続端末４２と４４の抵抗性ヒーター２５に対する電気的なパルス源２００の概略的な付加を例示する。電圧差は電圧端末４２と４４に適用され、Ｕ字型抵抗器２５を介した抵抗の加熱を引き起こす。これは、一般的に、電流Ｉを示す矢印によって示されている。図３の平面図において、パルスされて滴がカバー２８のノズル３０から見る人に向かって発射される場合、アクチュエータの遊離末端部分２７は見る人に向かって移動する。作動と滴の発射のかかる幾何学的配置は、多くのインクジェットの開示において“ルーフシューター”と呼ばれる。
【００２６】
図４（ａ）と４（ｂ）は、本発明の好ましい実施態様によるカンチレバー型のサーマルアクチュエータ１５を側面図で例示する。図４ａにおいて、アクチュエータは第一位置にあり、図４ｂでは上方に偏向した第二位置が示されている。カンチレバー型要素は、基部要素１０の固着位置１４から長さＬで延在する。カンチレバー型要素２０は、数層から構成される。第一層２２は、カンチレバー型要素２０の他の層に関して熱により拡張する場合に上方に向かう偏向を引き起こす。大きな熱膨張係数を有する、好ましくは、金属間化合物のアルミニウム化チタンである、電気的な抵抗性物質から構成される。第一層２２は厚さｈ１を有する。
【００２７】
カンチレバー型要素２０はまた、第一層２２に付加する、第二層２３を含む。第二層２３は、第一層２２を構成するために使用される物質に関して、低い熱膨張係数を有する物質から構成される。第二層２３の厚さは、所望の機械的剛さを提供するため、さらに熱エネルギーの与えられた入力においてカンチレバー型要素の偏向を最大限にするために選択される。第二層２３はまた、抵抗性のヒーターセグメントと、電流カップリング装置と第一層内に形成されるセグメント又は本発明の数多の好ましい実施態様で使用される第三の物質において、電気的な絶縁を提供するために、誘電性の絶縁体であってもよい。第二層は、第一層２２の部分として形成される、電気抵抗器とカプラーセグメントを部分的に確定するために使用されてもよい。第二層２３は、厚さｈ２を有する。
【００２８】
第二層２３は、熱流管理の作用、電気的な隔離及びカンチレバー型要素２０の層の強度な結合の最適化を可能にするように、一つ以上の物質の層板構造である、サブ層から構成されている。
【００２９】
図４に示されるパシベーション層２１は、第一層２２を化学的及び電気的に保護するために提供される。かかる保護は本発明によるサーマルアクチュエータの数多の適用において必要とされないかもしれない。この場合には、かかる保護は削除される。作用液によって一つ以上の表面に接触されるサーマルアクチュエータを活用する液体滴エミッタは、作用液に対して化学的及び電気的に不活性なパシベーション層２１を必要としてよい。
【００３０】
熱のパルスは第一層２２に適用され、第一層２２の温度を上昇し拡張を引き起こす。第二層２３の小さい熱膨張係数と第一層２２から第二層２３に向かって拡散する熱において必要とされる時間のために、第二層２３はほとんど拡張しない。第一層２２と第二層２３間の長さの差は、図４ｂに例示するように、カンチレバー型要素２０を上方に曲げる。滴エミッタでアクチュエータとして使用される場合、カンチレバー型要素２０の湾曲反応は、ノズルでの液体を十分に加圧するために迅速でなければならない。典型的には、電気的な抵抗性の加熱機器は、熱のパルスと４μ秒以下の電気パルス時間、好ましくは２μ秒以下の電気パルス時間を適用するために適合される。
【００３１】
図５乃至１０は、本発明の数多の好ましい実施態様による単一の液体滴エミッタを構成するための組み立て工程を例示する。かかる実施態様において、第一層２２は、アルミニウム化チタンなどの電気的に抵抗性の物質を用いて構成され、一部分は電流Ｉを伝達するために抵抗器に部分的にパターン化される。
【００３２】
図５は組み立ての第一段階におけるカンチレバーの第一層２２を例示する。例示された構造は、例えば、標準の超小型電子技術の沈着及びパターン化方法によった単一の水晶のシリコンである、基板１０に形成される。基板１０の一部分は、カンチレバー型要素２０が延在する、基部要素として役立つ。金属間化合物のアルミニウム化チタンの沈着は、例えば、ＲＦ又はパルス型ＤＣマグネトロンスパッタリングによって実行される。アルミニウム化チタンにおいて使用されてもよい沈着工程の例は、本発明の譲受人に譲渡された２０００年１１月３０日に“サーマルアクチュエータ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｃｔｕａｔｏｒ）”の名称で出願された、同時係属出願の米国特許出願第０９／７２６，９４５号に記載されている。
【００３３】
第一層２２は、厚さｈ１で沈着される。第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４は、電気的に抵抗性の物質のパターンを除去することによって第一層２２に形成される。加えて、電流カップリングセグメント６６は、第一抵抗器セグメント６２と第二抵抗器セグメント６４間に電流を連続的に伝導する、第一層に形成される。電流の通路は矢印と表示“Ｉ”によって示される。電気的に抵抗性の物質に形成されるカップリングセグメント６６はまた、電流を伝導する場合にカンチレバー型要素を加熱してもよい。しかしながら、カンチレバーの末端部に導入されている、かかるカプラーの熱エネルギーは、サーマルアクチュエータの偏向にとって重要でないか、又は必要ではない。カプラーセグメント６６の主要な機能は、電流の方向を反転することである。
【００３４】
アドレスする電気的なリード線４２と４４は、第一層２２の物質に形成されるように例示される。リード線４２、４４は、基部要素の基板１０に事前に形成された回路と接触してもよいし、又はテープの自動化結合（ＴＡＢ）又はワイヤー結合などの他の標準の電気的な相互接続方法によって外部に接触してもよい。パシベーション層２１は、第一層２２の物質の沈着とパターン化以前に基板１０に形成される。パシベーション層は、第一層２２の下に置かれてもよく、さらに別の後の構造の下に置かれてもよいし、又は続くパターン化工程で除去されてもよい。
【００３５】
図６は、本発明の数多の好ましい実施態様における次ぎの組立段階を例示する。電気的に活性な物質で構成される第三層２４は、第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４間に作動電流を伝導する、カプラー装置６８に添加されてパターン化される。電気的に活発な物質は、好ましくは、第一層２２において使用される、電気的に抵抗性の物質よりも、実質的により伝導性である。一般的には、層２４はアルミニウムなどの金属コンダクタから構成される。しかしながら、全体的な組立工程の設計の考慮は、金属よりも低い伝導性を有するが、しかし電気的に抵抗性の物質の伝導性よりも実質的に高い伝導性を有する、ケイ化物などの他の高温物質によって、さらによく役立つかもしれない。これより下記に説明されるように、良好なコンダクタ物質においてカプラー装置６８を形成する目的は、出力密度を低くすることであり、それによって減衰するホットスポットを除去する。
【００３６】
図７は、サーマルアクチュエータの事前に形成された第一層２２の部分にわたって第二層２３が沈着してパターン化していることを示す。図６に示される代替となる実施態様において、第二層２３はまた、残存する層２４のカプラー装置の部分を覆うであろう。第二層２３は、残存する抵抗器パターンを覆う第一層２２にわたって形成される。第二層２３は、厚さｈ１で沈着される。第二層２３の物質は、第一層２２の物質に比較して、低い熱膨張係数を有する。例えば、第二層２３は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、又はそれら物質の多層化層板構造あるいは同様のものであってよい。
【００３７】
追加的なパシベーション物質は、この段階で化学的で電気的な保護において第二層２３全体にわたって適用してよい。さらに、初期のパシベーション層２１は、流体が基板１０にエッチングされる開口部から通過するであろう、エリアからパターン化される。
【００３８】
図８は、液体滴エミッタのチャンバーの内部形状内に形成される、犠牲層２９の追加を示す。この目的における適切な物質はポリイミドである。ポリイミドは、図５乃至７に例示のように第一層２２、第二層２３及びオプションの第三層２４の形状を有する平面をさらに平面化するために十分な深さで装置の基板に適用される。隣接する物質に関して選択的に除去可能な任意の物質は、犠牲構造２９を構成するために使用してもよい。
【００３９】
図９は滴エミッタの液体チャンバー壁と犠牲層構造２９上にプラズマ沈着された酸化ケイ素、窒化ケイ素又は同様のものなどの順応物質を沈着することによって形成されるカバーを例示する。かかる層は滴エミッタのチャンバー２８を形成するためにパターン化される。ノズル３０は、組み立て工程における、この段階において滴エミッタのチャンバー２８内に残存する、犠牲物質層２９と通じている、滴エミッタのチャンバーに形成される。
【００４０】
図１０（ａ）乃至１０（ｃ）は、図９のＡ−Ａで示される部分による装置の側面図を示す。図１０ａにおいて、犠牲層２９はノズル開口部３０を除いて滴エミッタのチャンバー壁２８内に包含される。さらに、図１０ａでは、基板１０はそのままである。パシベーション層２１は、ギャップエリア１３における基板１０の表面及びカンチレバー型要素２０の周辺から取り除かれる。それらの位置における層２１の除去は、犠牲構造２９の形成前に組み立て段階においてなされる。
【００４１】
図１０ｂにおいて、基板１０は、カンチレバー要素２０の真下及びカンチレバー要素２０の周りと横の液体チャンバーエリアで取り除かれる。除去は、反応性イオンエッチング又は使用される基板が単一の結晶シリコンである場合の配位依存型エッチングなどの異方性のエッチング工程によってなされてよい。サーマルアクチュエータ独自の構成において、犠牲構造と液体チャンバー段階は必要とされず、基板１０をエッチングする、かかる段階はカンチレバー型要素２０を放出するために使用されてよい。
【００４２】
図１０ｃにおいて、犠牲物質層２９は、酸素とフッ素の供給を使用するドライエッチングによって取り除かれる。腐食液ガスは、基板１０の背面から事前にエッチングされた、新規に開かれた流体供給チャンバーエリア１２からノズル３０を介して入り込む。この段階はカンチレバー型要素２０を放出し、液体滴エミッタの構造の組み立てを完遂する。
【００４３】
図１１（ａ）及び１１（ｂ）は、本発明の数多の好ましい実施態様による液体滴エミッタの構造の側面図である。図１１ａはノズル３０に近接の第一位置におけるカンチレバー型要素２０を示す。図１１ｂはノズル３０に向かうカンチレバー型要素２０の遊離末端２７の偏向を示す。この第二位置へのカンチレバー型要素の迅速な偏向は、発射される滴５０を引き起こす液体６０を加圧する。
【００４４】
例示されたタイプのカンチレバー型要素でのエミッタ操作において、静止している第一位置は、図１１ａに例示される水平状態よりもカンチレバー型要素２０が部分的に曲がった状態であってよい。一つ以上の超小型電子技術の沈着か又は処置工程の後に残存する内部ストレスのために、アクチュエータは室温で上方向又は下方向に曲げられてよい。装置は、サーマル管理設計とインクの適切な制御を含有する、様々な目的における高温度で操作されてよい。そのような場合は、第一位置は図１１ｂに例示のように実質的に曲げられてよい。
【００４５】
ここに記載の本発明の目的において、カンチレバー型要素は静止されると呼ばれるか、又は遊離末端が偏向された位置で著しく変化しない場合はカンチレバー型要素の第一位置であると呼ばれる。この事例を容易に理解するために、第一位置は図４ａと図１０ａにおいて水平に描写されている。しかしながら、湾曲の第一位置に関するサーマルアクチュエータの操作は周知であり、本発明の完全な範囲内であり、本発明の開発者によって認識される。
【００４６】
図５乃至１０は好ましい組み立ての流れを例示する。しかしながら、多くの他の構成アプローチは、周知の超小型電子技術の組み立て工程及び物質を使用して従ってよい。本発明の目的において、第一層２２と、第二層２３と、オプションで第三層２４を含有するカンチレバー型要素に帰着する組み立てアプローチは、従ってよい。さらに、図５乃至１０の流れの例示において、液体滴エミッタの液体チャンバー２８とノズル３０は基板１０にインサイチュー形成された。代替として、サーマルアクチュエータは個別に形成され、液体滴エミッタを形成するように液体チャンバー構成に結合される。
【００４７】
本発明の発明者は、カンチレバー型要素のサーマルアクチュエータを活用する液体滴エミッタの操作は、カンチレバー上のホットスポット部位に隣接するポイントでの作用流体における蒸気泡沫を生じてよい。図１２（ａ）及び１２（ｂ）は、観察された現象を例示する。図１２（ａ）は、カンチレバー型要素のサーマルアクチュエータの第一層２２を構成するために使用される電気的に抵抗性の物質で構成されるＵ字型の加熱抵抗器の配置を例示する。抵抗器の配置は、アーチ形状のカプラーセグメント６６に接続される場合に、カンチレバーが位置６３と６５にそれぞれ固着される、位置１４から平行に延在する、第一抵抗器セグメントと第二抵抗器セグメント６４である、二つの拡張された部分を含む。電気的なパルスは、カンチレバー型要素の偏向に帰着する、第一層２２の抵抗性の加熱を引き起こすように第一電極４２と第二電極４４間に適用される。
【００４８】
図１２ｂは、図１２ａの抵抗器配置の理解に有用な等価な回路を例示する。第一抵抗器セグメント６２は、第一抵抗器Ｒ１として捕獲され、第二抵抗器セグメント６４は第二抵抗器Ｒ２として捕獲され、カプラーセグメント６６はカプラー抵抗器Ｒｃとして捕獲される。第一及び第二電極４２及び４４にわたって加えられた電圧Ｖ０の適用は、等価な回路のまわりを通過する電気的な流れＩを引き起こす。アンカーポイント位置１４で開始する第一及び第二抵抗器セグメントに適用される実際の電圧は、第一及び第二電極に存在してよい寄生性の抵抗によって削減され、物質はアンカー位置１４まで広がる。それらは、本発明の理解を明白にするためにこの説明において無視する。カプラーセグメント６６にわたる電圧の低下は、図１２ｂの等価な回路図におけるＶｃとして表示される。
【００４９】
図１２ｃは、カプラーセグメント６６と第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４の部分を示す、カンチレバー型要素の第一層２２の末端を拡大した平面図である。第一抵抗器セグメント６２は、カプラーセグメント６６に接続する、位置６３において幅ｗ１を有する。第二抵抗器セグメント６４は、カプラーセグメント６６に接続する、位置６５において幅ｗ２を有する。第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４は、厚さｈ１を有する第一層２２に形成され、σ０の名目上の伝導率を有する電気的に抵抗性物質から構成される。図１２に例示された第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４は、一般的に、アンカー位置１４とカプラー接続位置６３及び６５のそれぞれとの間で長さＬ０延在する、長方形状である。したがって、等価である第一及び第二抵抗器値は、
【００５０】
【数１】
2004082723.tif 000003
である。
【００５１】
カプラーセグメント６６は、内径ｒ０及び外径ｒ１を有する半環体として例示される。電流径路の長さがｒ１におけるよりもｒ０で短いために、抵抗は内径から外径に変化する。電圧が低下するために、Ｖｃはすべての径路において同一であり、Ｊ＝電流／エリアである、電流密度は外径よりも内径に沿って高くなる。図１２ｃにおいて、内径ｒ０に向かう電流の込み合いの線を示すことによって例示される。
【００５２】
温度上昇が電流密度の二乗に比例するので、電流密度は重要な量である。長さＬ、断面エリアＡ、物質の伝導度σ、質量密度ｐ、熱容量ｃ、及び伝導電流Ｉを有する電気的に活性な物質の容量を考慮する。したがって、電流密度Ｊは、
【００５３】
【数２】
2004082723.tif 000004
である。入力電気エネルギーが熱エネルギーに変換されることが第一オーダーで仮定すると、質量ｍを有することを考慮した体積は、時間の増分ｄｔにわたるΔＴによる温度で上昇するだろう。
【００５４】
【数３】
2004082723.tif 000005
式６は、第一オーダーで温度上昇は、電流密度Ｊ２に比例する。式６の量Ｊ２／σは、入力電力／体積として定義される、電力密度ＰＤである。
【００５５】
【数４】
2004082723.tif 000006
したがって、カンチレバー型要素のサーマルアクチュエータにおけるホットスポットの理解は、電流が込み合うエリアにおける電流及び出力密度を分析することによって進められる。
【００５６】
図１２ｂに例示される等価な回路で流れる電流Ｉ０は、
【００５７】
【数５】
2004082723.tif 000007
であり、式中のＲ１及びＲ２は式１で与えられる。分析を簡素化し、下記の記載を理解するために、ｗ１＝ｗ２＝ｗ０、及びＲ１＝Ｒ２＝Ｒ０であることを仮定されるだろう。
【００５８】
カプラーセグメントＲｃの等価な抵抗は、下記のように、半環型にわたって統合することによって分かる。
【００５９】
【数６】
2004082723.tif 000008
式中、ｈｃはカプラーセグメント又は装置における電気的に活性物質の厚さであり、σｃは、カプラーセグメント又は装置が構成される電気的な活性物質の伝導度である。図５及び１２ｂに描写される、第一層２２に形成される下プラーセグメント６６において、ｈｃ＝ｈ１及びσｃ＝σ０である。図６及び１７に描写され、第三層２４に形成されるカプラー装置６８において、ｈｃ＝ｈ３であり、σｃ＞＞σ０である伝導度を有する電気的な活性物質が使用される。本発明の他の好ましい実施態様において、追加された第三層２４は、ｈｃ＝ｈ１＋ｈ３及びσｃ＝σ０である場合に第一層物質で使用される、同一の電気的抵抗物質から構成されてよい。
【００６０】
本発明の数多の好ましい実施態様は、カプラーセグメントｈｃ＞ｈ１における電気的な抵抗性物質の厚さを増すことによって及びカプラーセグメント又は装置σｃ＞σ０における物質の伝導度を増すことによって、カプラー装置又はカプラーセグメントにおける電流及び出力密度を減少することによって構成される。増大された伝導度は、局在的に増大する伝導度に対して第一層２２を形成する電気的な抵抗性物質のインサイチュー処理によって、又はより高い伝導度を有する電気的に活性な物質の第三層２４を採用することによって達成されて良い。伝導度を増大するインサイチュー処理の例は、レーザーアニーリング、マスクを通過するイオン注入、又は高エネルギーの電気パルスの適用による抵抗性の自己加熱を含んでいる。
【００６１】
図１２ｃに例示される半環型内の半径ｒにおける電流密度Ｊ（ｒ）は、環帯型におけるすべてのアーチ形の増分ｄｒにわたって電圧Ｖｃが発生することを注目することによって、電流Ｉ（ｒ）及び抵抗Ｒ（ｒ）から分かる。
【００６２】
【数７】
2004082723.tif 000009
式中、Ｖｃ＝Ｉ０Ｒｃである。第一及び第二抵抗器セグメントにおける名目上の電流密度に対して上述の電流密度を標準化し、つまり、Ｊ０＝Ｉ０／ｈ１ｗ０であり、かつ、式１０において与えられたＲｃにおける式を挿入して、正規化電流密度は、
【００６３】
【数８】
2004082723.tif 000010
である。
【００６４】
上述の式１３は、カプラーセグメント又は装置における最大の電流密度、Ｊｍａｘは、内径ｒ＝ｒ０において最大になるであろう。
【００６５】
【数９】
2004082723.tif 000011
過度の温度位置、ホットスポットを回避するために、Ｊｍａｘの大きさは、式１４での幾何学的要因の比率、つまり、ｈ１／ｈｃ、ｗ０／ｒ０及びｒ１／ｒ０における適切な値を選択することによって減少されるか、又は制限されて良い。
【００６６】
図１３は、図１２に示される第一及び第二抵抗器セグメント６２、６４並びにカプラーセグメント６６の全体の形状を有する、数多の象徴する幾何学的配置における式１４からグラフ化されたＪｍａｘの依存性を例示する。全体の形状は、ｗ１＝ｗ２＝ｗ０及びｒ１＝ｒ０＋ｗ０によって特徴付けられる。図１３のグラフ２１０及び２１２において、ｒ０はｗ０の単位で表現され、つまり、ｒ０＝ｘｗ０であり、式中ｘ＝０．２乃至１．０である。グラフ２１０において、層の厚さの比率は１．０であり、つまり、ｈ１＝ｈｃである。グラフ２１２において、カプラーの厚さは、第一層の名目上の厚さの２倍であり、つまり、ｈｃ＝２ｈ１である。したがって、Ｊｍａｘ（ｘ）における下記の式は、図１３での２つの層の厚さの比率においてグラフ化される。
【００６７】
【数１０】
2004082723.tif 000012
カプラーセグメント６６が、内径ｒ０が第一及び第二抵抗器セグメントにおける名目上の幅ｗ０のほぼ半分よりも短い場合に最大のカプラー電流密度Ｊｍａｘが名目上の電流密度Ｊ０の２倍以上である、第一及び第二抵抗器セグメント６２、６４の名目上の厚さと同じ厚さを有することを図１３のグラフ２１０から理解して良い。カプラーセグメントの厚さが、図１３のグラフ２１２のように名目上の厚さにわたって２倍である場合、最大の電流密度が名目上の電流密度の２倍を越える以前に、内径は名目上の幅の１０分の１と同じくらい狭くてよい。
【００６８】
電気エネルギーの入力を受ける抵抗器体積の温度上昇は、電流密度の２乗に比例する式６及び出力密度に比例する式８に示された。電流密度及び出力密度の２乗は、式７によって注意されるように、抵抗器体積物質の伝導度によって異なる。カプラー装置又はセグメントにおける最大の出力密度ＰＤｍａｘ及び式１５で達成するために使用される象徴的な幾何学的配置におけるカプラー装置又はセグメントでの最大の温度上昇ΔＴｍａｘ並びに図１３のグラフ２１０及び２１２は、カプラーの最大電流密度を表す式１５を上に記載の式６乃至８に挿入することによって得られる。したがって、
【００６９】
【数１１】
2004082723.tif 000013
であり、式中、ＰＤ０は名目上の出力密度であり、ΔＴ０は図１２ｃの第一及び第二抵抗器セグメント６２、６４における名目上の温度上昇である。ｐ０、ｃ０、ｐｃ及びｃｃは、第一及び第二抵抗器セグメント６２、６４で使用される電気的な抵抗性物質並びにカプラーセグメント６６又は装置６８で使用される電気的な活性物質における、それぞれの質量密度及び熱容量である。カプラー装置又はセグメントの部分的な環帯型の幾何学的要因の寄与は、ｘに依存する条件によって式１７で実行され、上述のように、式中、ｒ０＝ｘｗ０及びｒ１＝ｒ０＋ｗ０である。
【００７０】
最大の出力密度ＰＤｍａｘ及び最大の温度上昇ＤＴｍａｘに対する形状要因の寄与は、図１４のグラフ２２０によって例示される。すなわち、図１４のグラフ２２０は、式１６と１７の比率条件が１．０と等しいように、物質の特質と層の厚さが等しい場合になされる。カプラーセグメントにおける最大出力密度又は最大の温度上昇のいずれかは、標準化ユニットのグラフ２２０の縦座標から読み取れるかもしれない。図１４のグラフ２２０は、電流のカップリングが第一層２２の電気的に抵抗性の物質におけるカプラーセグメントを形成することによって提供される、本発明の数多の好ましい実施態様を表す。カプラーセグメントの物質特性及び厚さは、第一及び第二抵抗器セグメントの同一パラメータと名目上同じである。
【００７１】
図１４のグラフ２２０は、カプラーセグメントのアーチ形状型の内径に位置する、最大のカプラー温度上昇又は最大のカプラー出力密度が、内径が名目上の第一及び第二抵抗器の幅ｗ０に対して０．４倍以下である場合、カンチレバー型要素のいずれかで生じる、名目上の値よりも４倍以上であるだろう。図１５は、第一又は第二抵抗器セグメント６２又は６４における幅のほぼ半分である、内径ｒ０を有するように設計された、カプラーセグメント６６を例示する。そのような設計は、最も熱いスポット温度である、最大の温度上昇をおよそ３．３ΔＴ０まで制限する。
【００７２】
電流カプラーセグメントの内径において高い値を採用する困難さは、第一層物質の除去である。本発明のカンチレバー型要素のサーマルアクチュエータにおいて、第一層物質の全体の幅は、アクチュエータが偏向する際に生じる熱力学的な力の度合いに対して大きく寄与する。第一層の熱膨張は、アクチュエータで利用できる基本的な機械力を提供する。与えられたカンチレバーの長さにおいて、第一層物質がより広く膨張するにつれて、ネット力も大きくなる。
【００７３】
図１６は、電流の２つのループが採用されるカンチレバー型要素における、抵抗器及びカプラー形態の代替となる設計を例示する。電圧パルスは、第一抵抗器セグメント６２及び第二抵抗器セグメント６４にそれぞれ接続された第一電極４２及び第二電極４４上に適用される。二重ループにおける他の２つの脚である、第三及び第四セグメント６７及び６９は、共通の電極４６によってカンチレバーから連結される。カンチレバー型要素は、アンカーエッジ１４において基部要素１０から延在する。ホットスポットがカンチレバー型要素から離れて位置する共通電極４６で可能なように生成されうる一方で、ホットスポットが滴エミッタ又は他の液体処理装置の作用液に隣接しないで配置することは簡単である。概念的に、本発明を理解する目的において、セグメント６７及び６９は、最も高い電流密度の位置が、最短の内径である、セグメント６７の内径にある、カップリングセグメントとなるように、共に考慮される。
【００７４】
図１６に例示された２つのループの設計は、内径ｒ０が多くの第一層物質として除去せずに、第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４の幅の本質的な分画であることを可能にする。回路全体の抵抗は、単一のループ配置と等価な出力密度の公称値ＰＤ０を導入するためにより大きな電圧パルスを必要としてほぼ２倍となるだろう。本発明の目的において、マルチループを有する抵抗器の形態は、電流カップリング装置を形成するように第一及び第二抵抗器セグメントと抵抗器セグメントとの間に考慮される入力電圧端子に付加される、抵抗器セグメントで同様にして解析される。
【００７５】
図１７（ａ）及び１７（ｂ）は、本発明によるカプラー装置６８の使用における斜視図及び拡大平面図である。図１７で影付きで示された電気的に活性物質の第三層２４は、カップリング装置６８を形成するために添加されてパターン化される。第三層２４の追加は、式１６において捕らえられるように、伝導性比率σ０／σｃ、厚さ比率の二乗（ｈ１／ｈｃ）２、熱容量及び質量密度比によって最大の出力密度がより小さな実際的な程度まで減じられることを可能にする。第一層を形成するために使用される同一の電気的に抵抗性の物質は、物質の特性比が１．０となり、厚さの比率が好ましく衝突するであろう場合の第三層２４とカップリング装置６８を形成するために使用されてよい。カプラーセグメントでの電気的に抵抗性の物質層の厚さに対してさらに４１％の厚さを加えることは、同一値の内径ｒ０において、最大の出力密度と最大の温度上昇は２倍削減するであろう。代替として、第三層２４を形成するために加えられた電気的に活性な物質が、第一層において使用される電気的に抵抗性の物質よりも実質的に高い伝導度を有する場合、最大の出力密度は、より短い内径値を使用する一方で、著しく減少されてよい。
【００７６】
電流カプラー装置上のホットスポット又はカンチレバー型要素に位置するセグメントの最大の出力密度及び最大の温度上昇を制御するであろう、パラメータの多くの組み合わせがあることが、式１６及び１７並びに図１４のグラフ２２０から分かる。
【００７７】
ここでの分析は、カップリング装置が図１２及び１５乃至１７とは異なる形状を有する、より一般的な場合に対して適用できる。過度の温度上昇位置は、電流が方向を変更する場合はいつでも、加熱する抵抗器形態で発生してよい。かかる位置は、電流カプラー装置におけるアーチ型部分の最小の内径を考慮してよい、最小の通路の長さを有するであろう。電流の入り込み幅である、アーチ形状部分に直ちに先行する直線部分の抵抗器の幅は、上に記載の式１５で到達するようになされるのと同様に内径を標準化又は“スケール化”するために使用されてよい。電流方向を変化する複数のエリアを備える抵抗器の形態において、最も熱いスポットは、電流径路の標準化された内径がおそらく最小である位置となるであろう。かかる位置でのより伝導性を有する物質の適用は、出力密度を削減するだろう。上の式１６及び１７は、様々な位置で異なる物質、厚さ、入り込み幅、及び内径が存在する条件が与えられた薄膜ヒーター形態でのホットスポットにおける電位と比較して有用である。
【００７８】
本発明の発明者は、液体と接触して作用する、カンチレバー型要素のサーマルアクチュエータがヒーター抵抗器形態内で最も高い出力密度の位置において最初に現れる、蒸気泡沫の発生を引き起こして良いことを確認した。かかる泡沫の形成は、装置の予測可能で信頼できる性能に対して不適当である。ホットスポットでの蒸気泡沫の発生によって伴うのであれば、許容できるサイクル数における液体での熱力学的なアクチュエータ装置を操作することは実際的に考えられない。したがって、発動抵抗器の主用部分での最大出力密度と名目上の出力密度との位置間の出力密度の比率は、かかる装置を操作する範囲における重要な限定となる。例えば、ホットスポットの出力密度が名目上の出力密度に対して１０倍高いのであれば、蒸気泡沫が核を有する、温度の１０分の１未満の名目上の温度上昇を確実に使用して、装置を操作することができうる。
【００７９】
液体の化学的安全性を含む様々な実際的の考慮において、作用液及び装置の組立に使用される有機物の構成部分の温度範囲と、ホットスポットにおける上部温度の範囲は、おそらく３００℃乃至４００℃の範囲であるだろう。水は、第一に環境上安全で使いやすいために、ＭＥＭＳ装置で使用される作用液における最も一般的な溶剤である。インクジェット印刷において使用される色素などの多くの巨大な有機分子は、３００℃より高い温度で分解するであろう。接着剤又は保護コーティングとして使用されるほとんどの有機物質は、４００℃より高い温度で分解するであろう。
【００８０】
一方で、実際に構成されたカンチレバー型要素のサーマルアクチュエータによって生成してよい偏向力は、活用できるパルスされた温度上昇量に直接的に関係する。かかる温度の上昇は、例えば、発動抵抗器、図１７に記載の第一及び第二抵抗器セグメント６２及び６４に適用される、名目上の出力密度に直接的に関連される。一般的には、５０℃の温度上昇は、ＭＥＭＳに基づくサーマルアクチュエータにおける機械的な発動の有効量を提供するために最低レベルとなりうる。より好ましくは、１００℃乃至１５０℃のパルスされた温度上昇は、インクジェットプリンタヘッドなど液体滴エミッタで使用されるサーマルアクチュエータにおいて望ましい。
【００８１】
許容できる機械的な性能における最低の名目上の出力密度及び蒸気泡沫形成を回避する最大の出力密度の上に記載の境界は、カンチレバー型要素のサーマルアクチュエータでのヒーター抵抗器形態における好ましい設計を導く。好ましい設計は、電流カプラー装置のアーチ部分の最短の内径で生じる、最大のカプラー出力密度が、主要なヒーター抵抗器セグメントで生じる名目上の出力密度の高くとも４倍であることを本発明の発明者は確認した。電流カプラー装置が主要なヒーターセグメントを形成するために使用される同一の電気的に抵抗性の層のカプラーセグメントである場合において、好ましい設計は名目上の電流密度の２倍であるホットスポット位置でカプラー電流密度を制限する。最大の電流密度及び最大の出力密度におけるかかる限定は、ここで説明されるような物質、厚さ及び幾何学的要因の様々な組み合わせによって達成されて良い。
【００８２】
本発明の液体滴エミッタが、最初に実験的に決定すること、各必要な作用液の蒸気泡沫形成の開始を引き起こす入力パルス力及びエネルギー条件により最良に操作されるかもしれないことを本発明の発明者はさらに確認した。次いで、通常操作において、入力パルス力及びエネルギーは、確定した泡沫核形成値より少なくとも１０％小さくなるように強要される。蒸気泡沫の核形成は、同一のカンチレバー型要素及び液体チャンバーの特性を有するが、カンチレバー型要素の周知のホットスポットエリアでの光学的観察に適する、試験装置で直接的に観察されるかもしれない。蒸気泡沫の核形成及び崩壊は音響学的に検出されても良い。
【００８３】
先の多くの記載は、単一のサーマルアクチュエータ又は滴エミッタの形態及び操作が導かれる一方、本発明は複数のサーマルアクチュエータ及び滴エミッタユニットのアレイ及びアセンブルの形成に適用できることが理解される。さらに、本発明によるサーマル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るか、又は電子部品及び回路の組立前に、若しくはその組立後に同じ基板上で形成されるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるインクジェットシステムを概略して示す図である。
【図２】本発明によるインクジェットユニットのアレイ又は液体滴エミッタユニットの平面図である。
【図３ａ】図２で示される個々のインクジェットユニットを拡大した平面図である。
【図３ｂ】図２で示される個々のインクジェットユニットを拡大した平面図である。
【図４ａ】本発明によるサーマルアクチュエータの移動を例示する側面図である。
【図４ｂ】本発明によるサーマルアクチュエータの移動を例示する側面図である。
【図５】カンチレバー型要素の電気的な抵抗性物質の第一層が形成される、本発明によるサーマルアクチュエータを構成するために適切な工程の初期段階の斜視図である。
【図６】電気的な活性物質の第三層が付加されて、そこにカップリング装置が形成される、本発明の数多の好ましい実施態様における、次ぎの工程段階の斜視図である。
【図７】カンチレバー型要素の誘電性物質の第二層が形成される、図５又は６に例示された工程の次段階の斜視図である。
【図８】本発明による滴エミッタのチャンバーを液体で充満する形状の犠牲層が形成される、図５乃至７に例示される工程の次段階の斜視図である。
【図９】本発明による滴エミッタの液体チャンバー及びノズルが形成される、図５乃至８に例示される工程の次段階の斜視図である。
【図１０ａ】液体供給通路が形成されて、犠牲層が本発明による液体滴エミッタを完遂するために移動される、図５乃至９に例示される工程の最終段階の側面図である。
【図１０ｂ】液体供給通路が形成されて、犠牲層が本発明による液体滴エミッタを完遂するために移動される、図５乃至９に例示される工程の最終段階の側面図である。
【図１０ｃ】液体供給通路が形成されて、犠牲層が本発明による液体滴エミッタを完遂するために移動される、図５乃至９に例示される工程の最終段階の側面図である。
【図１１ａ】本発明による滴エミッタの操作を例示する側面図である。
【図１１ｂ】本発明による滴エミッタの操作を例示する側面図である。
【図１２ａ】望ましくないホットスポットの発生を例示する、第一層の設計と等価な回路の斜視図である。
【図１２ｂ】望ましくないホットスポットの発生を例示する、第一層の設計と等価な回路の平面図である。
【図１２ｃ】望ましくないホットスポットの発生を例示する、第一層の設計と等価な回路の平面図である。。
【図１３】２つの層の厚さ比におけるアーチ型部分を有する、電流カプラーセグメントの内部半径での電流密度のグラフである。
【図１４】アーチ型部分を有する、電流カプラーセグメントの内部半径での最大の出力密度及び最大の温度上昇を示すグラフである。
【図１５】本発明の好ましい実施態様による、カプラーセグメントの平面図である。
【図１６】本発明の好ましい実施態様による、カプラーセグメントを活用する、代替となる設計の平面図である。
【図１７ａ】本発明の好ましい実施態様による、カプラーセグメントの斜視図である。
【図１７ｂ】本発明の好ましい実施態様による、カプラーセグメントの正面図である。
【符号の説明】
１０　　基板の基部要素
１２　　液体チャンバー
１３　　カンチレバー型要素とチャンバー壁との間のギャップ
１４　　カンチレバー型要素のアンカー位置
１５　　サーマルアクチュエータ
１６　　液体チャンバーの湾曲した壁部分
２０　　カンチレバー型要素
２１　　パシベーション層
２２　　第一層
２３　　第二層
２４　　第三層
２５　　ヒーター抵抗器
２６　　カンチレバー型要素のアンカー端部
２７　　カンチレバー型要素の遊離端部
２８　　液体チャンバーの構造、壁とカバー
２９　　パシベーション層
３０　　ノズル
４１　　ＴＡＢリード線
４２　　電気的な入力パッド
４３　　ハンダこぶ
４４　　電気的な入力パッド
４６　　共通電極
５０　　滴
５２　　蒸気泡沫
６０　　作用液
６２　　第一抵抗器セグメント
６３　　第一結合位置
６４　　第二抵抗器セグメント
６５　　第二結合位置
６６　　カップリングセグメント
６７　　複数のループ形態での抵抗器セグメント
６８　　カップリング装置
６９　　複数のループ形態での抵抗器セグメント
８０　　支持構造
１００　インクジェットプリンタヘッド
１１０　滴エミッタユニット
２００　電気的なパルス源
３００　コントローラ
４００　画像データ源
５００　レシーバ
【図１】
2004082723.tif 000014
【図２】
2004082723.tif 000015
【図３ａ】
2004082723.tif 000016
【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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