(57)【要約】【課題】  少ない入力エネルギを利用し、かつ、過度の最高温度を必要としない、熱−機械的アクチュエータを提供する。【解決手段】  超小型電子機械装置、特に、インクジェットプリントヘッドのような液滴排出体用のサーマルアクチュエータを動作させるための装置、および、動作の方法を提供する。本サーマルアクチュエータは、基部要素、および、基部要素から自由端先端部へ延びる熱−機械的屈曲体部分を備えたカンチレバー状要素を有する。熱−機械的屈曲体部分は、バリア層、第１電気抵抗性材料で構成される第１デフレクタ層、および、第２電気抵抗性材料で構成される第２デフレクタ層を有しており、バリア層は第１デフレクタ層と第２デフレクタ層との間に接合されている。【選択図】図１
2004161002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基部要素、
（ｂ）前記基部要素より延び、自由端先端部が第１位置にあり、かつ、前記基部要素に隣接した基部端および前記自由端先端部に隣接した自由端を有する熱−機械的屈曲体部分を備えたカンチレバー状要素、および、
（ｃ）空間的サーマルパターンを有する熱パルスを前記熱−機械的屈曲体部分に直接的に加えることができ、前記カンチレバー状要素の自由端先端部の第２位置への偏向を生じさせる装置であって、前記空間的サーマルパターンは、前記熱−機械的屈曲体部分の前記自由端よりも、実質的に高い前記基部端の温度上昇を生じさせることを特徴とする前記装置、
を有する超小型電子機械装置用サーマルアクチュエータ。
【請求項２】
（ａ）基板に形成され、液体で満たされ、かつ、前記液体の液滴を排出するためのノズルを有するチャンバ、
（ｂ）前記チャンバ壁より延び、自由端先端部がノズルに近接した第１位置にあり、熱−機械的屈曲体部分が前記基部要素に隣接した基部端および前記自由端先端部に隣接した自由端を有する、カンチレバー状要素を備えたサーマルアクチュエータ、ならびに、
（ｃ）空間的サーマルパターンを有する熱パルスを前記熱−機械的屈曲体部分に直接的に加えることができ、前記自由端先端部の第２位置への迅速な偏向、および、液滴の噴出を生じさせる装置であって、前記空間的サーマルパターンは、前記熱−機械的屈曲体部分の前記自由端よりも、実質的に高い前記基部端の温度上昇を生じさせることを特徴とする前記装置、
を有する液滴排出体。
【請求項３】
（ａ）基部要素、
（ｂ）前記基部要素より第１位置にある自由端先端部へ延び、前記基部要素に隣接した基部端および前記自由端先端部に隣接した自由端を有し、さらに、大きな熱膨張係数を有する第１材料で構成された第１デフレクタ層、第２デフレクタ層、および、低い熱伝導度を有する誘電性材料で構成されたバリア層を有し、前記バリア層が前記第１デフレクタ層と前記第２デフレクタ層との間に接合されている、熱−機械的屈曲体部分を備えたカンチレバー状要素、ならびに、
（ｃ）空間的サーマルパターンを有する熱パルスを前記第１デフレクタ層に直接的に加えることができ、前記カンチレバー状要素の自由端先端部の第２位置への偏向を生じさせ、続いて、熱が前記バリア層を通して前記第２デフレクタ層へ拡散して前記カンチレバー状要素が均一な温度に達すると、前記カンチレバー状要素は第１位置へ回復する装置であって、かつ、前記空間的サーマルパターンは、前記第１デフレクタ層の前記自由端よりも、実質的に高い前記基部端の温度上昇を生じさせることを特徴とする前記装置、
を有する超小型電子機械装置用サーマルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、超小型電気機械装置に関する。さらに具体的には、インクジェット装置、および、その他の液滴排出体で用いられる類の超小型電気機械サーマルアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的最近になって、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）は発展を遂げつつある。そのようなＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ、および、ポジショナのような、従来の電気機械装置の代替物として使用されつつある。超小型電気機械装置は、超小型電子技術による製造技術を用いているため、コストを低くすることができる。本新規出願の発見もまた、ＭＥＭＳ装置のサイズスケールの小ささに負うところがある。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術によって可能な数多くの利用用途では、熱的発動作用を利用して装置に必要な運動を得ている。例えば、数多くのアクチュエータ、バルブ、および、ポジショナは、動作させるためにサーマルアクチュエータを使用している。ある利用用途では、必要な動作は搏動で与えられる。例えば、第１位置から第２位置へ迅速に変位し、その後、アクチュエータを第１位置へ回復させる動作は、流体中に圧力パルスを生成すること、または、作動パルスごとに１単位分の距離、もしくは、回転、だけ機構を前進させることに使用されるかもしれない。ドロップ・オン・デマンド式の液滴排出体は、離散的圧力パルスを用いて離散量の液体をノズルから排出する。
【０００４】
ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）式液体排出装置は、長年にわたり、インクジェット印刷システムのインク印刷装置として知られている。初期の装置は、カイザーら(Kyser et al.)の開示する特許文献１、および、シュテム(Stemme)の開示する特許文献２に開示されているような、圧電性アクチュエータに基づいていた。現在ポピュラーなインクジェット印刷様式である、サーマルインクジェット（、または、「バブルジェット」）は、特許文献３でハラら(Hara et al.)が議論しているように、電気抵抗性ヒータを用いて蒸気泡を作り、液滴を排出させている。
【０００５】
電気抵抗ヒータアクチュエータは、高度に発達した超小型電子技術工程によって製造されるため、圧電性アクチュエータよりも製造コスト面で有利である。他方、サーマルインクジェット液滴排出機構は、インクが気化可能成分を有していることを要し、そして、その成分の沸点よりも十分に高い温度まで、インク温度を局所的に上昇させる。このような熱の照射の実施が、サーマルインクジェット装置から確実に排出されるインク、および、その他の液体の、処方設計に厳しい制限を与える。圧電性作動装置であれば、このような厳しい制限を噴射される液体に課すことはない。なぜなら、液体は機械的に加圧されるからである。
【０００６】
インクジェット装置供給者の実現してきた、有用性、コストパフォーマンス、および、技術的性能の改善が、液体の微小計測を必要とする、他の利用用途に向けた装置への関心も惹起している。このような新しい利用用途には、ピーズら(Pease et al.)による特許文献４に開示されているような、微量分析化学に特化した化学物質の分配、ナカら(Naka et al.)による特許文献５に開示されているような、電子デバイスの製造のための被覆材の分配、および、プサロスら(Psaros et al.)による特許文献６に開示されているような、吸入療法のための微小滴の分配、を含んでいる。オンデマンド方式でミクロンサイズの広範な液滴を噴射可能とする装置および方法は、最高品質画像印刷においてのみならず、液滴の分配が、超小型液滴の単一的な分散、正確な配置およびタイミング、ならびに、極めて細やかなインクリメントを必要とする、新たな利用用途においても必要とされる。
【０００７】
広範な処方設計を有する液体を使用可能な微小液滴排出を、低コストで実現する取り組みが必要とされている。熱的インクジェットに用いられる超小型電子加工技術の利点と圧電性機械装置で利用可能な液体組成に関する自由度とを兼ね備える装置および方法が必要とされている。
【０００８】
熱的機構を有するアクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置については、キタハラが１９８８年７月２１日出願の特許文献７に開示している。このアクチュエータはインクジェットチャンバ内を可動な複層カンチレバーで構成されている。ビームがレジスタにより加熱され、それにより、層の熱膨張の不一致のために湾曲が生じる。ビームの自由端が移動してノズルにあるインクを加圧し、液滴の排出が生じる。最近、類似の熱的機構を有するＤＯＤインクジェットの構成が、シルバーブルック(Silverbrook)により、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、および、特許文献１３に開示されている。超小型電子加工処理を用いた熱的機構を有するインクジェット装置を製造する方法は、Ｋ．シルバーブルック(K. Silverbrook)により、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、および、特許文献１７に開示されている。本明細書においては、用語「サーマルアクチュエータ」、および、熱−機械的アクチュエータ、は相互に交換可能に用いている。
【０００９】
有用なデザインの熱−機械的アクチュエータは、層状に、または、ラミネートされた、カンチレバー状のビームであり、それは装置の構造に一端で固定され、その自由端はビームと垂直に偏向する。その偏向は、層状のビームに、ラミネートと垂直に、熱膨張に勾配を設けることで生じている。このような膨張の勾配は、層における温度勾配により実現してもよい。このような温度勾配を迅速に確立するには、パルスによるサーマルアクチュエータが好都合であり、また、温度勾配は同様に迅速に散逸することで、アクチュエータはすばやく初期位置に回復する。電気抵抗性材料を部分的に、幾層かで発熱抵抗に成型して用いることで、最適化されたカンチレバー状要素を構成してもよい。
【００１０】
反対の熱膨張勾配を形成、つまり、反対のビーム偏向を形成するように構成された、二重作動サーマルアクチュエータは、ノズルにおいて、正、および、負の両方の、圧力インパルスを生成する液滴排出体で有用である。正、および、負の両方の圧力インパルスの生成、および、そのタイミングをコントロールすることで、流体、および、ノズルのメニスカス効果を用いて、好都合に液滴排出の特性を変更できる。
【００１１】
サーマルヒーティングの空間的パターンを変更し、より少ない電気エネルギ入力でより大きな偏向を実現してもよい。Ｋ．シルバーブルック(K. Silverbrook)は、特許文献１８、および、特許文献１９で、空間的に不均一なサーマルパターンを有する、サーマルアクチュエータを開示している。しかし、開示のサーマルアクチュエータの熱−機械的屈曲部は、液体と接触して動作する構成ではなく、液滴排出体、および、超小型バルブのような装置における使用は信頼性を欠く。開示のデザインは、連結されたアーム構造を基にしており、本質的に製造が困難で、製造後に形状のねじれが生じることがあり、また、容易に機械的損傷を被る。シルバーブルックの開示する特許文献１８は、最高温度になりやすい、構造的に弱い基部端を有し、早期に破損する可能性を有する。
【００１２】
さらに、シルバーブルックの開示する特許文献１９のサーマルアクチュエータのデザインは、サーマルアクチュエータ中心部における過剰な温度上昇という、予想された問題点を解決することに向けられており、作動時のエネルギ効率の向上はない。開示されているアクチュエータのデザインはヒートシンク構成要素を有し、液体に浸されて使用される場合、望ましくない液体の背圧効果が増加し、さらに、アクチュエータの冷却を遅延させるかもしれない隔絶された質量体が加わり、信頼できる最大動作周波数を制限している。
【００１３】
少ないエネルギ、および、容認できる最高温度で動作可能であり、かつ、時間に対し変位を制御可能に偏向可能な、カンチレバー状要素サーマルアクチュエータが、ＭＥＭＳ製造方法を用いて製造可能なシステムを構築する上で必要であり、また、優秀な液滴形成特性、高い反復頻度での液滴の排出を可能にする。
【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】特開平２−３０５４３号公報
【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６，２０９，９８９号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，２３４，６０９号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，２３９，８２１号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，２４７，７９１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，１８０，４２７号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，２５４，７９３号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，２５８，２８４号明細書
【特許文献１７】米国特許第６，２７４，０５６号明細書
【特許文献１８】米国特許第６，２４３，１１３号明細書
【特許文献１９】米国特許第６，３６４，４５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
よって、本発明の目的は、少ない入力エネルギを利用し、かつ、過度の最高温度を必要としない、熱−機械的アクチュエータを提供することである。
【００１５】
また、本発明の目的は、サーマルアクチュエータを実質的に反対の方向に運動させてのアクチュエータの名目上の位置(a nominal position)への迅速な回復、および、さらに迅速な反復を可能とする、２重作動手段を有する、エネルギ効率のよいサーマルアクチュエータを提供することである。
【００１６】
またさらに、本発明の目的は、空間的サーマルパターンを有するパルスによって作動し、基部端が、熱−機械的屈曲体部の自由端よりも高温度に上昇される、エネルギ効率のよいカンチレバー状のサーマルアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る、先述の、および、その他の数多くの、特徴、目的、および、有利点は、本明細書の記す、詳細な説明、クレーム、および、図面より、容易に明解に理解できる。これら特徴、目的、および、有利点は、基部要素、および、基部要素から延在し、かつ、自由端先端が第１位置に存在する熱−機械的屈曲体部を有する、カンチレバー状要素を備えた、超小型電気機械装置のためのサーマルアクチュエータを構成することで実現される。熱−機械的屈曲体部は、基部要素に隣接した基部端、および、自由端先端部に隣接した自由端を有する。熱パルスを直接的に熱−機械的屈曲体部に適用するのに適化した装置が供される。熱パルスが空間的サーマルパターンを有し、基部端に、熱−機械的屈曲体部よりも高い温度を与える。熱−機械的屈曲体部の迅速な加熱により、カンチレバー状要素の自由端先端の第２位置への偏向が生じる。
【００１８】
特徴、目的、および、有利点はまた、低い熱伝導度を有する誘電体材料で構成されたバリア層、大きな熱膨張係数を有する第１電気抵抗性材料で構成された第１デフレクタ層、および、大きな熱膨張係数を有する第２電気抵抗性材料で構成された第２デフレクタ層を有し、バリア層が第１および第２デフレクタ層の間に接合されている、熱−機械的屈曲体部を構成することで実現される。第１ヒータレジスタは第１デフレクタ層に形成され、第１空間的サーマルパターンを有する熱エネルギを与えることに適し、それによって第１デフレクタ層基部端において、第１デフレクタ層自由端における第１デフレクタ層自由端温度増加、ΔＴ１ｆ、よりも大きな第１デフレクタ層基部端の温度増加、ΔＴ１ｂ、をもたらす。第２ヒータレジスタは第２デフレクタ層に形成され、第２空間的サーマルパターンを有する熱エネルギを与えることに適し、それによって第２デフレクタ層基部端において、第２デフレクタ層自由端における第２デフレクタ層自由端温度増加、ΔＴ２ｆ、よりも大きな第２デフレクタ層基部端の温度増加、ΔＴ２ｂ、をもたらす。第１電極対が第１ヒータレジスタに接続され、電気パルスが与えられ、第１デフレクタ層に抵抗性加熱が生じ、第２デフレクタ層に対して相対的な第１デフレクタ層の熱膨張が起こる。第２電極対が第２ヒータレジスタ部に接続され、電気パルスが与えられ、第２デフレクタ層に抵抗性加熱が生じ、第１デフレクタ層に対して相対的な第２デフレクタ層の熱膨張が起こる。第１および第２電極対への電気パルスの適用により、カンチレバー状要素の第１位置から第２位置への偏向が生じ、続いてバリア層を通して熱が拡散され、カンチレバー状要素が均一な温度に達すると、カンチレバー状要素は第１位置へ回復する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は特に、ＤＯＤインクジェット印刷のプリントヘッドとして使用される液滴排出体のサーマルアクチュエータとして有用である。好適な実施形態においては、サーマルアクチュエータは液体を排出するノズルを有する、液体で満たされたチャンバ内に存在する。サーマルアクチュエータは、チャンバの壁部より延び、自由端がノズル近傍にある第１位置に存在する、カンチレバー状要素を有する。第１および第２電極対への電気パルスの適用によって、カンチレバー状要素は第１位置から偏向し、ノズルにおいて液体に正、または、負の圧力を交互に与える。第１および第２電極対への電気パルスの適用、および、そのタイミングは、液滴排出の特性を調整する目的で用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、その特に好適な実施形態を詳しく参照することで詳細に説明されるが、その変形例および修正例も本発明の思想および範囲に含むことができると解されるべきである。
【００２１】
以下に詳しく説明されるように、本発明は、熱−機械的アクチュエータ、および、ドロップ・オン・デマンド液体排出装置、ならびに、その操作方法を提供する。そのような装置で最もよく知られたものはインクジェット印刷システムにおいてプリントヘッドとして用いられているものである。その他の数多くの利用用途は、インクジェットプリントヘッドと類似の装置での利用において現れるが、それらは、インク以外の、精確に計量され、高度な空間的精度で配置される必要のある液体を排出している。本明細書において、用語、インクジェット、および、液滴排出体、は相互に交換可能に用いられている。以下に記載の発明は、全体的な液滴排出の生産性が改善された、サーマルアクチュエータを基にした液滴排出体装置、および、その操作方法について開示している。
【００２２】
先ず、図１を参照すれば、本発明による装置および操作を用いることができるインクジェット印刷システムの概略表示が示されている。システムは、液滴をプリントする命令として、コントローラ３００により受信される信号を出力する、画像データソース４００を有する。コントローラ３００は、電気パルスソース２００に信号を出力する。次に、パルスソース２００が、インクジェットプリントヘッド１００内の各サーマルアクチュエータ１５に関連する電気抵抗手段に適用される電気エネルギパルスを有する、電圧信号を生成する。電気エネルギパルスにより、サーマルアクチュエータ１５は迅速に屈曲し、ノズル３０にあるインク６０を加圧し、受容体５００につくインク滴５０を排出する。ある種の液滴排出体は、主滴、および、衛星滴と称される非常に小さな、後に続く液滴を排出する。本発明では、そのような衛星滴は、例えば画素の印刷、または、微小な流体の増量の実施といった、な利用目的を果たす上で、排出される主滴の部分であると考える。
【００２３】
図２はインクジェットプリントヘッド１００の部分の平面図である。熱的に作動されるインクジェットユニット１１０のアレイが示されており、中心に揃ったノズル３０、および、インクチャンバ１２を有し、２列が互いに入り込んでいる。インクジェットユニット１１０は、超小型電子加工技術の方法を用い、基板１０の上、および、内部に形成される。液滴排出体１１０を形成するために用いることができる製造シーケンスの例が、本発明の譲受人に譲渡された、同時係属中の「Thermal Actuator」なる、２０００年１１月３０日出願の、米国特許出願第０９／７２６，９４５号に開示されている。
【００２４】
各液滴排出ユニット１１０は、サーマルアクチュエータの熱−機械的屈曲体部の第１デフレクタ層における、電気抵抗ヒータ部と、一体に形成、または、電気的に接続され、以下に記載の熱−機械的効果に関係する、第１電極対４２、４４を有する。各液滴排出体ユニット１１０はまた、熱−機械的屈曲体部の第２デフレクタ層と一体成形、または、電気的に接続された、第２電極対４６、４８を有しており、これらも以下に記載の熱−機械的効果に関係している。第１および第２デフレクタ層に形成されたヒータレジスタ部は一方が他方の上方にあり、図２において想像線で示されている。プリントヘッド１００の要素８０は、取り付け構造であり、これが、超小型電子基板１０、ならびに、他の、液体供給、電気信号、および、機械的インターフェース形態を相互連絡するための手段、の取り付け面になる。
【００２５】
図３（ａ）は、１つの液滴排出体ユニット１１０の平面図であり、第２平面図、図３（ｂ）、はノズル３０を有する液体チャンバカバー３３を取り除いた状態である。図３（ａ）において想像線で示している、サーマルアクチュエータ１５が、図３（ｂ）では実線で示されている。サーマルアクチュエータ１５のカンチレバー状要素２０は、基板１０に形成されている液体チャンバ１２の端部１４から延びている。カンチレバー状要素部分３４は、カンチレバーを固定する基部要素である、基板１０に接合されている。
【００２６】
アクチュエータのカンチレバー状要素２０は、櫂の形をしており、延伸した平らなシャフトの端部には、最終的なシャフトの幅よりも大きな直径を有する円盤を備えている。この形状は単に、使用可能なカンチレバーアクチュエータの例示に過ぎない。円盤形状は、カンチレバー状要素自由端先端部３２の中心で、ノズル３０と位置を合わせている。流体チャンバ１２は、湾曲壁部１６を有し、この壁部は自由端先端部３２の曲率と一致し、アクチュエータの動作のためのクリアランスを確保するため、隙間があけられている。
【００２７】
図３（ｂ）は、第２電極対４６および４８における、熱−機械的屈曲体部２５の第２デフレクタ層に形成された（想像線で示されている）第２ヒータレジスタ２７と、電気パルスソース２００との取り付けの概略図である。電極４６および４８に電位差が与えられ、第２デフレクタ層に抵抗性加熱が生じる。第１デフレクタ層に形成された第１ヒータレジスタ２６は、第２ヒータレジスタ２７（、および、バリア層）の下方に隠れているが、第１電極対４２および４４との接触を構成することを示す想像線によって示されている。電極４２および４４に電位差が与えられ、第１デフレクタ層に抵抗性加熱が生じる。ヒータレジスタ２６および２７は、それらがパターン形成されている層に、空間的サーマルパターンを構成するようにデザインされている。４つの分離した電極４２、４４、４６、および、４８として図示されているが、電気パルスソース２００に接続されていれば、各電極対の一方の電極は同一の点において電気的に接続されることが可能であり、ヒータレジスタ２６および２７は、電気パルスソース２００からの３つの入力を用いて対応できる。
【００２８】
図３（ａ）、および、図３（ｂ）の平面図においては、第１デフレクタ層が第１ヒータレジスタ２６によって適切に加熱される場合、アクチュエータ自由端３２が、本図を見る者の方向に向かって移動し、液滴は液体チャンバカバー３３のノズル３０から、本図を見る者に向かって排出される。この、作動および液滴排出の幾何形状は、数多くのインクジェットに関する開示において、「ルーフシュータ(roof shooter)」と呼ばれる。第２デフレクタ層が第２ヒータレジスタ２７によって加熱される場合、アクチュエータ自由端３２は、図３（ａ）および図３（ｂ）を見る者、および、ノズル３０から遠ざかる方向に移動する。この、自由端３２のノズル３０から遠ざかる動作は、カンチレバー状要素２０を名目上の位置に回復させるために用いてよく、それによって、ノズル３０における液体のメニスカスの状態を変更させること、流体チャンバ１２における液体の圧力を変化させること、もしくは、これらの複合、ならびに、その他の効果がもたらされる。
【００２９】
図４（ａ）ないし図４（ｃ）は、本発明に係る好適な実施形態による、カンチレバー状サーマルアクチュエータ１５の側面図を示している。図４（ａ）において、サーマルアクチュエータ１５は、第１位置にあり、そして、図４（ｂ）において、上方に偏向して第２位置にあることが示されている。図４（ａ）および図４（ｂ）の側面図は、図３（ｂ）の平面図における、線Ａ−Ａに沿って描かれている。図３（ｂ）の平面図の線Ｂ−Ｂに沿って描かれた、図４（ｃ）の側面図において、サーマルアクチュエータ１５は下方に偏向して第３位置にあることが示されている。カンチレバー状要素２０は、基板１０に固定されており、基板１０はサーマルアクチュエータの基部要素としての役割を果たしている。カンチレバー状要素２０は、基板基部要素１０の壁端１４から長さＬだけ延びている、熱−機械的屈曲体部分２５を有している。熱−機械的屈曲体部分２５は、基部要素１０に近接した基部端２８、および、自由端先端部３２に近接した自由端２９を有する。カンチレバー状要素２０、および、熱−機械的屈曲体部分２５の全厚ｈを図４に示す。
【００３０】
熱−機械的屈曲体部分２５を有する、カンチレバー状要素２０は幾つかの層、または、ラミネーションで構成される。層２２は、カンチレバー状要素２０において他の層と比較して、熱的に伸長された場合に、上方への偏向を生じさせる第１デフレクタ層である。層２４は、カンチレバー状要素２０において他の層と比較して、熱的に伸長された場合に、下方への偏向を生じさせる第２デフレクタ層である。第１および第２デフレクタ層は、温度に応答して実質的に同一の熱−機械的効果が得られる材料で構成されることが好ましい。
【００３１】
両層が熱平衡に達している場合、第２デフレクタ層は、第１デフレクタ層と機械的に均衡を保っており、逆もまた同じである。この均衡は、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４の両方に同一の材料を用いることにより、容易に実現可能である。また、この均衡は、実質的に等しい、熱膨張係数、および、その他の以下に記載する特性を有する材料を選択することにより、実現可能である。
【００３２】
本発明に係る、いくつかの実施形態では、第２デフレクタ層２４は第２均一レジスタ部２７にパターン形成されていない。これらの実施形態においては、第２デフレクタ層２４は、カンチレバー状要素２０が均一な内部温度に到達した場合に、第１デフレクタ層と機械的なバランスをとる、受動的回復層として機能する。
【００３３】
カンチレバー状要素２０はまた、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４の間に差し挟まれている、バリア層２３を有する。バリア層２３は、第１デフレクタ層２２を構成するのに用いられている材料の熱伝導度と比較して、低い熱伝導度を有する材料で構成される。バリア層２３の厚さ、および、熱伝導度は、第１デフレクタ層２２から第２デフレクタ層２４への熱移動の時定数τＢを所望量にするように選択される。バリア層２３は、電気的絶縁をもたらす目的で、誘電性絶縁体であってもよく、また、第１および第２デフレクタ層の電気抵抗性ヒータ部に関する部分の物理的な定義であってもよい。
【００３４】
バリア層２３が、１よりも多くの材料のラミネーションからなる副層を構成してもよく、それによって、熱流の管理、電気的絶縁性、および、カンチレバー状要素２０を構成する層を強固に接合するための機能を最適化することが可能である。バリア層２３の複数の副層構成により、第１および第２デフレクタ層のヒータレジスタの形成に用いるパターン製造工程の識別能を高めることもできる。
【００３５】
同様に、第１および第２デフレクタ層２２および２４も、１よりも多くの材料からなるラミネーションからなる副層を構成してもよく、それによって、電気的パラメータで構成される機能性、厚さ、熱膨張効果のバランス、電気的絶縁性、カンチレバー状要素２０を構成する層を強固に接合するための機能、等を最適化することが可能である。第１および第２デフレクタ層２２および２４が複数の副層からなる構成を有することにより、第１および第２デフレクタ層のヒータレジスタの形成に用いるパターン製造工程の識別能を高めることもできる。
【００３６】
本発明に係る、別の実施形態においては、バリア層２３は、低い熱膨張係数を有する誘電性材料で構成される厚い層であり、第２デフレクタ層２４は除去される。このような実施形態においては、誘電性材料からなるバリア層２３が２層を有する熱−機械的屈曲体における第２層の役割を果たす。大きな熱膨張係数を有する第１デフレクタ層２２の、第２層、この場合におけるバリア層２３、に対する膨張によって、大きな偏向力がもたらされる。
【００３７】
図４（ａ）ないし図４（ｃ）に示される、パッシベーション層２１、および、オーバーレイヤ３８を付加し、カンチレバー状要素２０を化学的、および、電気的に保護する。このような保護層は、本発明によるサーマルアクチュエータの利用用途によっては必要ではないかもしれない。そのような場合、これらは除去される。動作液体(working liquid)と１以上の表面が接触しているサーマルアクチュエータを利用している液滴排出体は、化学的、および、電気的に動作液体と不活性なパッシベーション層２１、および、オーバーレイヤ３８を必要としてもよい。
【００３８】
図４（ｂ）において、第１デフレクタ層２２に熱パルスが加えられ、層２２に温度の上昇、および、伸長が生じている。第２デフレクタ層２４は最初、伸長しない。なぜなら、バリア層２３が即時的な熱伝達を妨げているからである。温度の差異、それによる、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４の伸長の差が、カンチレバー状要素２０の上方への屈曲を生じさせる。液滴排出体のアクチュエータとして使用される場合、カンチレバー状要素２０の屈曲の応答性は、ノズルにおける液体を加圧するのに十分な程度に迅速でなければならない。一般に、第１デフレクタ層の第１ヒータレジスタ２６は、１０マイクロ秒未満の、好ましくは、４マイクロ秒未満の存続時間を有する電気パルスを用いた場合に、適当な熱パルスを作ることに適している。
【００３９】
図４（ｃ）において、熱パルスが第２デフレクタ層２４に加えられ、層２４に温度の上昇、および、伸長が生じている。第１デフレクタ層２２は最初、伸長しない。なぜなら、バリア層２３が即時的な熱伝達を妨げているからである。温度の差異、それによる、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４の伸長の差が、カンチレバー状要素２０の下方への屈曲を生じさせる。一般に、第２デフレクタ層の第２ヒータレジスタ２７は、１０マイクロ秒未満の、好ましくは、４マイクロ秒未満の存続時間を有する電気パルスを用いた場合に、適当な熱パルスを作ることに適している。
【００４０】
サーマルアクチュエータの利用用途によっては、電気パルスのエネルギ、および、その結果もたらされるカンチレバーの屈曲の量を、一の方向への偏向に対し、他の方向への偏向よりも大きくなるような選択も可能である。多くの利用用途においては、一方への偏向が主な物理的作動事象になる。そして、反対方向への偏向は、さらに小さな調整を行って、状態を予め設定することを目的として、または、カンチレバー状要素をその静止第１位置に回復させることを目的としてカンチレバーを変位させるために用いられる。
【００４１】
図５ないし図１４（ｃ）は、本発明に係る好適な実施形態による、１つの液滴排出体を構成するための製造工程を示している。これら実施形態において、第１デフレクタ層２２は、チタンアルミナイドのような電気抵抗性材料を用いて構成され、そして、電流を流すための部分がレジスタにパターン形成される。第２デフレクタ層２４もまた、チタンアルミナイドのような電気抵抗性材料を用いて構成され、電流を流すための部分がレジスタにパターン形成される。誘電性バリア層２３が、第１および第２デフレクタ層に形成され、デフレクタ層間の熱伝達のタイミングを制御する。
【００４２】
本発明に係る他の実施形態においては、カンチレバー状要素によるサーマルアクチュエータの、２層を有する熱−機械的屈曲体部分を形成する際、第２デフレクタ層２４を省略し、大きな熱膨張を有する第１デフレクタ層２２と共に、厚いバリア層２３に小さな熱膨張を有する第２層の役割を与えている。
【００４３】
本発明は、サーマルアクチュエータを作動させるときに、空間的サーマルパターンを有する熱パルスを利用することを含んでいる。空間的サーマルパターンは、数多くのデザイン、および、製造上の方法によって作成してよい。例えば、あらゆる電気抵抗材料層の抵抗を、所望の空間的パターンにおいて、より導電性のよいものにするような修正を加えてよい。その代わりに、導電性材料からなるさらなる層、または、薄膜抵抗材料を加え、熱パルスを与えるべきパターンを形成し、所望のサーマルパターンを形成してもよい。
【００４４】
図５は製造の第１段階における、図３（ｂ）に示されているカンチレバーの第１デフレクタ層２２部分の斜視図である。例えば、チタンアルミナイドのような高い熱膨張係数を有する第１材料が堆積され、そして、第１デフレクタ層構造にパターン形成される。図示されている構造は、標準的な超小型電子加工技術による堆積、および、パターン形成の方法によって、例えば、単結晶シリコンからなる、基板１０に形成される。チタンアルミナイド合金の堆積は、例えば、ＲＦ、または、パルスＤＣマグネトロンスパッタリングによって実施される。第１デフレクタ層２２は、部分的に第１ヒータレジスタを形成するようにパターン形成される。参考のために、第１デフレクタ層の自由端先端部３２に番号を付しておく。第１電極対４２および４４は、最終的には、電気パルスソース２００と接続される。
【００４５】
図６は、製造の次の段階を示す斜視図であって、導電性材料が堆積され、そして、電流シャントのパターンを描き、第１デフレクタ層２２における第１ヒータレジスタ２６の形成が完了する。一般に、導電層は、アルミニウムのような、金属製導体によって形成される。しかしながら、全体的な製造工程の設計に関する検討では、ケイ素化合物のような、他の高温材料が役に立つかもしれない。この材料は金属よりも伝導度が低いが、電気抵抗性材料よりもかなり高い伝導度を有する。
【００４６】
第１ヒータレジスタ２６は、入力電極４２から入力電極４４へ、電流を直列で通電させる電流接続シャント６８、第１レジスタに入力される電気エネルギの出力密度を修正する電流シャント６７、および、第１デフレクタ層２２の第１材料で形成されたヒータレジスタセグメント６６を有する。ヒータレジスタセグメント６６、および、電流シャント６７は、第１デフレクタ層に空間的サーマルパターンを構築するようにデザインされている。電流の経路は、矢印、および、文字「Ｉ」で示されている。
【００４７】
電極４２、４４は、先に基板１０に形成した回路と接続、または、テープ自動ボンディング（ＴＡＢ）、もしくは、ワイヤボンディングのような標準的な電気的相互接続法を用いて、外部で接続してもよい。パッシベーション層２１は、第１材料を堆積、および、パターン形成する前に、基板１０上に形成される。このパッシベーション層は、デフレクタ層２２、および、その後の構造の下方に残されても、または、後に続くパターン形成工程においてパターンを形成されてもよい。
【００４８】
図６に示されている方法の、代替的方法では、第１デフレクタ層の材料の抵抗性を変更し、図示されている電流シャントのパターンに類似の空間的パターンで伝導度を著しく高めている。伝導度の向上は、第１層２２を形成する電気抵抗性材料の実地処理で実現可能である。伝導度を向上させる実地処理の例としては、レーザーアニーリング、マスクを介したイオン注入、または、熱拡散ドーピングが含まれる。
【００４９】
図７は、先に形成された第１デフレクタ層２２、および、第１ヒータレジスタ２６の上方に堆積され、パターン形成されたバリア層２３の斜視図である。バリア層２３の材料は、第１デフレクタ層２２に比較して、低い熱伝導度を有する。例えば、バリア層２３は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、または、これら材料の複数層のラミネーション、等でよい。バリア層２３の材料はまた、良好な電気絶縁体、誘電体であって、先に議論した第１ヒータレジスタ構成要素に電気的パッシベーションを与える。
【００５０】
バリア層２３の材料が、第１デフレクタ層２２の材料、および、第２第２デフレクタ層２４の材料の両方の熱伝導度よりもかなり低い熱伝導度を有するならば、良好な効率を有するサーマルアクチュエータが実現できる。例えば、酸化ケイ素のような誘電性酸化物の熱伝導度は、チタンアルミナイドのような合金材料の熱伝導度よりも、大きさが数オーダー小さい。バリア層２３の熱伝導度が小さいことで、バリア層２３を、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４よりも薄くすることができる。バリア層２３に蓄積される熱は、熱−機械的作動のプロセスにとっては有用ではない。バリア層の大きさを最小化することで、サーマルアクチュエータのエネルギ効率が向上し、偏向位置から開始第１位置への迅速な回復を実現する助けとなる。バリア層２３の材料の熱伝導度は、第１デフレクタ層、または、第２デフレクタ層の材料の熱伝導度の２分の１未満であることが好ましく、さらには、１０分の１未満であることがより好ましい。
【００５１】
本発明に係る、幾つかの実施形態においては、バリア層２３は第１デフレクタ層の膜厚に匹敵する、または、それよりを大きな膜厚を有する、厚い層として形成される。これらの実施形態においては、バリア層２３は、大きな熱膨張を有する第１デフレクタ層２２と共に、小さい熱膨張を有する第２層の役割を果たし、カンチレバー状要素を有するサーマルアクチュエータの２層熱−機械的屈曲体部を形成する。これらの実施形態においては、図８、ないし、図１１に示される、３つ、または、４つの製造工程は省略される。
【００５２】
図８は、カンチレバー状要素を有するサーマルアクチュエータの第２デフレクタ層２４の斜視図である。例えばチタンアルミナイドのような、高い熱膨張係数を有する、第２材料が堆積、パターン形成され、第２デフレクタ層構造を形成する。第２デフレクタ層の自由端先端部３２には、参考のために番号を付してある。
【００５３】
図９に示すように、第２デフレクタ層２４は、カンチレバー状要素に対し、熱−機械的な力を与える第２手段として使用することを目的としてパターン形成されてよい。しかしながら、本発明に係る幾つかの実施形態においては、第２デフレクタ層は受動的回復層であり、カンチレバー状要素が熱的な平衡に達した場合において、第１デフレクタ層の及ぼす力と機械的にバランスをとる。第２デフレクタ層２４の、この受動的な、回復層の構成は図８に示されている。この層は、第１電極対４２、および、４４の側方に、バリア層２３を越えて基板１０と接触させている電極状の延長部４９を有することが示されている。層２４の延長部４９は、基板１０との良好な熱的接続性を実現するために形成された熱経路誘導部４９である。熱経路誘導部４９は、作動の後、カンチレバー状要素２０から熱を除去するために役立っている。熱経路の効果については、後に、図２２と関連させて議論する。
【００５４】
図９においては、第２デフレクタ層２４は、第２ヒータレジスタとして描写されており、そして、第２アドレッシング電極対４６、および、４８は、バリア層２３を越えて、第１電極対４２、および、４４の両側部の位置で接触する。電極４６、および、４８は、先に、基板１０に形成された回路と接続するか、または、テープ自動ボンディング（ＴＡＢ）、もしくは、ワイヤボンディングのような、標準的な電気的相互接続法により外部で接続してもよい。
【００５５】
図１０は、製造の次の段階を示す斜視図であって、ここでは、導電性材料が堆積され、電流シャントパターンを形成し、第２デフレクタ層２４における第２ヒータレジスタ２７の形成が完了する。第２ヒータレジスタ２７は、入力電極４６から入力電極４８へ電流を直列的に通電させる電流接続シャント６８、第２ヒータレジスタに入力された電気エネルギの出力密度を修正する電流シャント６７、および、第２デフレクタ層２４の第２材料で形成されたヒータレジスタセグメント６６を有する。ヒータレジスタセグメント６６、および、電流シャント６７は第２デフレクタ層に空間的なサーマルパターンを構築することを目的としてデザインされている。電流経路は、矢印、および、文字「Ｉ」で示されている。
【００５６】
図１０に示されているような方法とは別の代替的手法では、第２デフレクタ層の材料の抵抗性を変化させ、図示されている電流シャントのパターンに類似した空間的なパターンにおいて、その伝導度を著しく向上させる。伝導度の向上は、第２層２４を形成する電気抵抗性材料を実地処理することで実現してよい。伝導度を向上させる実地処理の例としては、レーザーアニーリング、マスクを介したイオン注入、または、熱拡散ドーピングが含まれる。
【００５７】
本発明に係る、幾つかの実施形態においては、例えば、チタンアルミナイドのように、同一の材料を、第２デフレクタ層２４、および、第１デフレクタ層２２の両方に用いている。この場合、先に形成した第１デフレクタ層２２の形状に支障を来たさないで、第２デフレクタ層２４の形状をパターン形成可能なように、中間的マスキング工程を必要としてもよい。代わりに、バリア層２３を、２つの異なる材料からなるラミネーションを用いて製造してもよく、その一方は、第２デフレクタ層２４のパターン形成の間、所定の位置に残って電極４２、４４、電流シャント６７、および、電流接続シャント６８を保護し、そして、除去され、図９、および、図１０に示されているようなカンチレバー状要素の中間的構造を得る。
【００５８】
図１１は、化学的、および、電気的保護を目的として、第２デフレクタ層、および、第２ヒータレジスタに付与されるパッシベーション材料オーバーレイヤ３８の付与に関する斜視図である。サーマルアクチュエータが、化学的、または、電気的に活性を有する材料と接触しないような利用用途に関しては、パッシベーション・オーバーレイヤ３８を省略してもよい。また、この段階において、初期パッシベーション層２１を、クリアランス領域３９から取り除いてもよい。クリアランス領域３９とは、後に基板１０に食刻される開口部より、動作流体(working fluid)が流れる場所、または、サーマルアクチュエータ１５のカンチレバー状要素の自由な運動を可能にするために必要なクリアランスである。
【００５９】
図１２は、液滴排出体のチャンバの内部形状に形成されている犠牲層３１の付与に関する斜視図である。これに適切な材料は、ポリイミドである。ポリイミドは、十分な深さをもって、装置基板に付与され、これまでにカンチレバー状要素を形成するために用いられた層、および、材料の全ての形態による表面を平坦化する。近接している材料との関係において、選択的に除去可能な材料であれば、あらゆる材料で犠牲構造３１を構成することができる。
【００６０】
図１３は、プラズマ堆積された酸化ケイ素、窒化物、等のような、コンフォーマル材料(conformal material)を犠牲層構造３１の上に堆積することで形成される、液滴排出体の液体チャンバ壁部、および、カバーの斜視図である。この層は、液滴排出体カバー３３を形成するよう、成形される。ノズル３０は液滴排出体チャンバ内に形成され、この製造シーケンスの段階において液滴排出体チャンバカバー３３内部に残存する、犠牲材料層３１に通じている。
【００６１】
図１４（ａ）、ないし、図１４（ｃ）は、図１３においてＡ−Ａとして示されている断面における、装置の側面図である。図１４（ａ）において、犠牲層３１は、ノズル開口部３０を除いて、液滴排出体のチャンバのカバー３３に取り囲まれている。また、図１４（ａ）に示されているように、基板１０は原型を保っている。パッシベーション層２１は、図１１においてクリアランス領域３９として示されている、ギャップ領域１３、および、カンチレバー状要素２０の周囲では、基板１０の表面から除去されている。これらクリアランス領域３９における層２１の除去は、犠牲構造３１が形成される前の製造段階において実行されている。
【００６２】
図１４（ｂ）において、基板１０は、カンチレバー要素２０、ならびに、カンチレバー要素２０の周囲、および、側方の、液体チャンバ領域、の下方から除去される。除去は、反応性イオンエッチング、または、基板として単結晶ケイ素が用いられている場合には、方向依存性エッチングのような、非等方性エッチング処理により実施されてよい。サーマルアクチュエータのみを構成するには、この犠牲構造および液体チャンバに関する工程は必要なく、基板１０を食刻するこの工程は、カンチレバー状要素を解放するために使用されてもよい。
【００６３】
図１４（ｃ）において、犠牲材料層３１は、酸素、および、フッ素ソースを用いての、ドライエッチングにより除去されている。エッチャントガスは、ノズル３０から、および、先に、基板１０の背面から食刻して新しく開かれた流体供給チャンバ領域１２から入る。この工程により、カンチレバー状要素２０は解放され、そして、液滴排出体構造の製造が完了する。
【００６４】
図１５（ａ）、および、図１５（ｂ）は、本発明に係る、ある好適な実施形態による、液滴排出体構造の側面図である。図１５（ａ）、および、図１５（ｂ）は図１３においてＡ−Ａとして示されている線に沿った側面図である。図１５（ａ）は、ノズル３０に近接した第１位置におけるカンチレバー状要素２０を示す図である。液体のメニスカス５２がノズル３０の外側リムにある。図１５（ｂ）はノズル３０に向かう、カンチレバー状要素２０の自由端３２の偏向を示す図である。カンチレバー状要素の上方への偏向は、第１デフレクタ層２２に形成された第１ヒータレジスタ２６に取り付けられた第１電極対４２、４４に電気パルスを加えることで生じる（図４（ｂ）を参照。）。この第２位置へのカンチレバー状要素の迅速な偏向により、液体６０を加圧し、ノズル３０におけるメニスカス圧に打ち勝って液滴５０が排出される。
【００６５】
図１６（ａ）、および、図１６（ｂ）は、本発明に係る、ある好適な実施形態による、液滴排出体構造の側面図である。図１６（ａ）、および、図１６（ｂ）の側面図は、図１３において、Ｂ−Ｂとして示されている線に沿った側面図である。図１６（ａ）は、ノズル３０に近接した第１位置におけるカンチレバー状要素２０を示している。液体のメニスカス５２が、ノズル３０の外側リムにある。図１６（ｂ）は、ノズル３０から遠ざかる、カンチレバー状要素２０の自由端先端部３２の偏向を示している。カンチレバー状要素の下方への偏向は、第２デフレクタ層２４に形成された第２ヒータレジスタ２７に取り付けられた第２電極対４６、４８に電気パルスを加えることで生じる（図４（ｃ）参照。）。この下方位置へのカンチレバー状要素の偏向により、ノズル３０付近の液体６０に負の圧力が加わり、メニスカス５２は下方、ノズル３０の内側リム領域に引っ込められる。
【００６６】
図示されている、カンチレバー状要素を有する種類の排出体の動作において、静止第１位置は、図４（ａ）、図１５（ａ）、および、図１６（ａ）に示されているような水平な状態であるより、むしろ、部分的に屈曲した状態であってよい。アクチュエータは、１回以上の超小型電子技術による堆積、または、硬化処理の後に残留する内的応力のために、室温において上方、または、下方に屈曲してもよい。装置は、熱管理設計、および、インク特性制御を含む、様々な目的のため、高温で動作してもよい。もしそうならば、第１位置は実質的に屈曲してもよい。
【００６７】
本明細書においては本発明を説明する目的で、自由端が偏向された位置に著しく変化していない場合、カンチレバー状要素は、静止、または、第１位置にある、と称している。理解の助けに、第１位置は図４（ａ）、図１５（ａ）、および、図１６（ａ）において水平として描写している。しかし、本発明の発明者は、第１位置が屈曲しているサーマルアクチュエータの動作についても承知しており、想定しており、本発明の範囲に完全に含まれる。
【００６８】
図５、ないし、図１４（ｃ）は、好適な製造シーケンスを示している。しかし、周知の超小型電子技術による製造工程、および、材料を用いた、数多くの他の構成工程に従ってよい。本発明の目的のためには、第１デフレクタ層２２、バリア層２３、および、随意的に、第２デフレクタ層２４、が得られる、あらゆる製造手法に従ってよい。これらの層は、副層、または、ラミネーションを有してもよく、その場合、その熱−機械的性質は、ラミネーション個々の特性の総和に起因する。さらに、図５、ないし、図１４（ｃ）に図示される製造シーケンスにおいて、液滴排出体の液体チャンバカバー３３、および、ノズル３０は、基板１０上にその場で(in situ)形成される。また、代わりに、サーマルアクチュエータを別個に構成し、液体チャンバ構成要素と接合して、液滴排出体を形成することもできる。
【００６９】
カンチレバー状要素を有するサーマルアクチュエータの熱−機械的屈曲体部分は、液滴排出体、スイッチ、バルブ、光偏向器、等の超小型電子技術装置の要求を満たすに十分な偏向量を得るのに十分な長さにデザインされている。熱−機械的屈曲部の層に関し、熱膨張の差異、剛性、厚さ、および、その他の要因の詳細が、カンチレバー状要素の適切な長さを決定する上で考慮される。
【００７０】
熱−機械的屈曲体部の幅は、作動時に得られる力を定める上で重要である。殆どのサーマルアクチュエータの利用用途では、作動により質量体を移動させ、そして、逆方向の力に打ち勝たなければならない。例えば、液滴排出体にて使用する場合、サーマルアクチュエータは、液体からなる質量体を加速させ、そして、背圧の及ぼす力に打ち勝って液滴を排出するのに十分な圧力パルスを生成しなければならない。スイッチ、および、バルブにて使用する場合、アクチュエータは物体を加圧し、良好な接続性、または、密閉性を実現しなければならない。
【００７１】
一般に、所定の長さ、および、材料層の構成に対し、生成しうる力は、カンチレバー状要素の熱−機械的屈曲部の幅に比例する。よって、熱−機械的屈曲体の簡単なデザインは、幅ｗ０、および、長さＬの長方形状のビームである。ここで、与えられた熱−機械材料、および、層の構成の組み合わせに対し、適切なアクチュエータの偏向を得るようにＬを選択し、また、適当な作動力を得るようにｗ０を選択する。
【００７２】
熱−機械的な作動力のエネルギ効率は、熱−機械的屈曲体部において、有益な空間的サーマルパターンを構成することで向上されることを、本発明の発明者は発見している。有益な空間的サーマルパターンとは、関連する層において、熱−機械的屈曲体部分の自由端よりも高い、基部端におけるΔＴの温度上昇を生じさせるパターンの１つである。
【００７３】
カンチレバー状アクチュエータのパフォーマンス特性は、以下の静的な微分方程式（１）を用いて理解される。
【数１】
2004161002.tif 000003
ここで、Ｉ＝(ｗ０ｈ３)/１２である。２階微分方程式（１）は、カンチレバーに沿った偏向、y(x)、および、距離xの関数として空間的に変化する、加えられた熱−機械的モーメント、MT(x)、との平衡関係を表している。距離xは熱−機械的屈曲体部分基部端の固定位置１４からの距離を計測している。距離の変数xは、熱−機械的屈曲体部分の長さLで規格化されている。つまり、位置Lにおいてx=1である。式（１）は、境界条件y(0)=dy(0)/dx=0を用い、y(x)について解いてもよい。
【００７４】
熱−機械的モーメント、および、構造に関する因子、MT(x)/EI、を、熱−機械的構造因子c、および、本明細書において空間的サーマルパターンと呼んでいる、温度増加の関数ΔT(x)に置き換えることにより、微分方程式（１）を、適用されている空間的サーマルパターンの関数として表してもよい。
【数２】
2004161002.tif 000004
【数３】
2004161002.tif 000005
熱−機械的構造因子、ｃは、熱−機械的屈曲体の温度が上昇した場合に内的熱−機械的モーメントを生じさせる、幾何学的な、および、材料の、特性を捉えている。これより以降に、複数層ビーム構造に対する「ｃ」の計算例を示す。ΔTを x の関数、つまり、ΔT(x)としていることから示唆されるように、温度上昇は空間的サーマルパターンを有する。
【００７５】
空間的サーマルパターン、ΔT(x)の例を幾つか図１７にプロットしている。図１７のプロットは、長方形状熱−機械的屈曲体部分に沿って作動温度上昇を示しており、ここで、基部端にて x=0、自由端位置においてx=1である。距離の変数 x は、熱−機械的屈曲体部分の長さLで規格化されている。空間的サーマルパターンはさらに、規格化され、全ての平均温度上昇が同じく１になっている。つまり、図１７に示す温度上昇プロファイルの、x=0からx=1までの積分値は、各空間的サーマルパターン例の温度に関する最大上昇、および、その他のパラメータを調整することにより、等しくなっている。熱−機械的屈曲体部分に与えられるエネルギの量は、この積分に比例する。つまり、プロットされている空間的サーマルパターンは全て、同量の熱エネルギを入力した結果である。
【００７６】
図１７において、プロット２３２は定数温度上昇関数、プロット２３４は１次減少温度上昇関数、プロット２３６は２次減少温度上昇関数、プロット２３８は段階的に１段の減少を有する温度上昇関数、そして、プロット２４０は逆べき則に従って減少する温度上昇関数を示している。以下の数式を用いて、これら空間的サーマルパターンを有する熱−機械的屈曲体部分の偏向への影響を解析する。
定数型ΔT
【数４】
2004161002.tif 000006
直線型ΔT
【数５】
2004161002.tif 000007
２次型ΔT
【数６】
2004161002.tif 000008
階段型ΔT
【数７】
2004161002.tif 000009
逆べき型ΔT
【数８】
2004161002.tif 000010
【００７７】
階段型ΔTは、熱−機械的屈曲体部分の基部端における、定数の場合のΔTからの増加、β、を用いて表され、そして、位置xsにて１段階減少している。階段型減少を有する空間的サーマルパターンが、定数の場合に正規化可能であるには、xs≦1/(1+β)である。xsが1/(1+β)に等しければ、熱−機械的屈曲体のxsの外側の温度上昇はゼロでなければならない。図１７にて曲線２３８としてプロットされている階段型空間的サーマルパターンは、β=0.5、xs=0.5なるパラメータを有する。
【００７８】
逆べき則型ΔTは、形状のパラメータa、b、および、逆べきnで表されている。パラメータaは、b、および、nの関数として、熱−機械的屈曲体部分の平均温度上昇をΔT0とする要請より決定される。
【数９】
2004161002.tif 000011
従って、
【数１０】
2004161002.tif 000012
図１７において、曲線２４０としてプロットされている逆べき則型空間的サーマルパターンは、n=3、b=1.62、および、2a＝8.50なる形状パラメータを有する。
【００７９】
図１７のプロット、および、式（４）ないし式（８）で表されている、幾つかの異なる空間的サーマルパターンから生じる、熱−機械的屈曲体部分の自由端の偏向、y(1)は、式（３）を用いて知ることができる。先ず、熱−機械的屈曲体部分に沿った温度上昇が一定の場合を考察するなら、式（４）を式（３）に代入する。それによって得られる微分方程式を、境界条件y(0)=dy(0)/dx=0として、y(x)について解く。
定数型ΔT
【数１１】
2004161002.tif 000013
【数１２】
2004161002.tif 000014
一定なサーマルパターンが加えられた、熱−機械的屈曲体部分の自由端の偏向に対し、式（１２）によって与えられる値、ycons(1)は、図１７に示されている、別の空間的サーマルパターンにより生じる自由端の偏向を、比較を目的とした規格化を実施するために以下で用いる。
【００８０】
熱−機械的屈曲体部分の基部端から自由端に向かって温度上昇が単調に減少する、多くの空間的サーマルパターンは、均一な温度上昇との比較において、自由端の偏向に改善が見られる。このことは、式（３）より、ビームの屈曲の変化率、d2y/dx2は、基部端から離れて温度上昇が減少するにつれて、減少する。つまり、式（５）より、
【数１３】
2004161002.tif 000015
ΔT(x)=ΔT0である、一定の温度上昇を有する場合と比較すれば、規格化された、単調減少するΔT(x)は、基部端におけるビームの傾きの変化率がより大きな値になる。基部端の近くで、カンチレバー状要素の傾きがさらに増加すれば、最終的な自由端における偏向量がさらに増加する。ビームの外側の範囲はレバーのアームとして機能しているので、基部端近傍における熱−機械的屈曲部の高温領域で生じる屈曲、および、偏向の量をさらに増幅させる。総入力エネルギ、または、平均温度上昇を一定に保ち、基部端の温度上昇が自由端の温度上昇よりも、かなり大きければ、熱−機械的屈曲体部分のエネルギ効率は有益な改善が見られる。語、「かなり大きい」とは、本明細書においては、少なくとも２０％より大きいことを意味する。
【００８１】
自由端に偏った空間的サーマルパターンに与えられる、さらなる熱エネルギは、レバレッジ効果を享受せず、一定な空間的サーマルパターンよりも効率的ではない。
【００８２】
本発明を理解するためには、単調に減少する空間的サーマルパターンを有する、熱−機械的屈曲体部分を、自由端における規格化偏向、y￣(1)を計算することによって特徴付けることが有用である。（ここで、y￣(1)は、以下の別行立ての数式において、yの直上に線を付したものと同一物を指す。他の文字に係る同様の表現も同様に解されるべきである。）自由端における規格化偏向、y￣(1)は、先ず、空間的サーマルパターンのパラメータを規格化することで、任意の空間的サーマルパターンに対して計算され、偏向を、類似の構成を有し、均一な温度上昇を有する、熱−機械的屈曲部と、一貫性のある方法で比較される。熱−機械的屈曲体部分に沿った距離、および、長さ、x、は、Lで規格化され、xの範囲は、固定位置１４におけるx=0から、自由端位置１８におけるx=1の範囲になる。
【００８３】
空間的サーマルパターンΔT(x)は、平均温度上昇がΔT0であるという要請によって規格化される。つまり、規格化空間的サーマルパターン、ΔT￣(x)は、パターンのパラメータを調整し、次式を満たす。
【数１４】
2004161002.tif 000016
そして、自由端規格化偏向、y￣(1)は、先ず、微分方程式（３）に規格化空間的サーマルパターン、ΔT￣(x)を挿入して、計算される。
【数１５】
2004161002.tif 000017
【００８４】
式（１５）は２回積分され、熱−機械的屈曲体部分の偏向、y(x)を決定する。積分解は上記の境界条件、y(0)=dy(0)/dx=0に従う。さらに、規格化空間的サーマルパターン関数ΔT￣(x)が段階的である、つまり、不連続を有するならば、yおよびdy/dxは、不連続点においてなめらかであることが必要である。y(x)は自由端位置１８、x=1において評価され、式（１２）より与えられる量、一定な空間的サーマルパターンでの自由端偏向、ycons(1)で規格化される。得られた量は、規格化自由端偏向、y￣(1)である。
【数１６】
2004161002.tif 000018
【００８５】
規格化自由端偏向y￣(1)が、y￣(1)>1ならば、空間的サーマルパターンは、等量のエネルギを均等に適用した場合よりも大きな自由端偏向をもたらす。このような空間的サーマルパターンを用いることにより、同等の均一な温度上昇パターンよりも、同一の熱エネルギの入力に対して大きな偏向を有する、または、少ない熱エネルギの入力に対して同量の偏向を有する、サーマルアクチュエータを作ることができる。しかし、y￣(1)<1ならば、そのような空間的サーマルパターンは、均一な温度上昇に比して、より少ない自由端偏向しか得られず、不都合である。
【００８６】
本明細書においては、規格化自由端偏向、y￣(1)、を、与えられた空間的サーマルパターンの、カンチレバー状サーマルアクチュエータのパフォーマンスに対する貢献度を評価し、特徴付けるために用いている。y￣(1)は、ΔT￣(x)の計算、および、式（１６）の評価のために周知の数値積分方法を用いることで、任意の空間的サーマルパターン、ΔT(x)に対して決定できる。y￣(1)>1である、あらゆる空間的サーマルパターンが本発明に対して好適である。
【００８７】
それぞれ式（５）ないし式（８）で与えられる、一次、２次、階段状、および、逆べき型の空間的サーマルパターンを有する長方形状熱−機械的屈曲体部分の偏向は、上記の方法により、境界条件y(0)=dy(0)/dx=0として上記微分方程式（１６）を用いることで得られる。さらに、階段型減少空間的サーマルパターンに対し、階段位置xsにおいて偏向、および、偏向の傾きはなめらかであると仮定する。そして、自由端における偏向値、y(1)は、一定なサーマルパターンの場合に対して規格化し、規格化自由端偏向y￣(1)を算出する。
一次型ΔT
【数１７】
2004161002.tif 000019
【数１８】
2004161002.tif 000020
二次型ΔT
【数１９】
2004161002.tif 000021
【数２０】
2004161002.tif 000022
階段型ΔT
【数２１】
2004161002.tif 000023
【数２２】
2004161002.tif 000024
β=xs=0.5の場合、
【数２３】
2004161002.tif 000025
逆べき型ΔT
【数２４】
2004161002.tif 000026
【数２５】
2004161002.tif 000027
n=3、b=1.62に対し、
【数２６】
2004161002.tif 000028
【００８８】
上記式（１８）、式（２０）、式（２３）、および、式（２６）より与えられる、規格化自由端偏向の大きさに関する表現は、熱−機械的屈曲体部分の自由端よりも、基部端において、高い温度上昇をもたらす、空間的サーマルパターンのエネルギ効率における改善を示している。例えば、一定な熱的プロファイルを有するアクチュエーションの代わりに、一次的に減少する空間的サーマルパターンに同一のエネルギ入力を行えば、自由端偏向は３３％大きくなる（式（１８）参照）。２次で減少するパターンに同一のエネルギが与えられれば、２５％大きくなる（式（２０）参照）。
【００８９】
階段状に減少する空間的サーマルパターンでは、温度上昇の階段の位置、xs、および、基部端の温度上昇、ΔTb、と自由端の温度上昇ΔTfとの間の階段の大きさの両方に依存した偏向の増加を有する。
【数２７】
2004161002.tif 000029
図１８において、幾つかのβ値に対し、階段位置、xsの関数として、式（２１）がプロットされており、ここで、xs≦１/(1+β)である。xsを1/(1+β)と等しくすれば、温度上昇は、xsの外側にある熱−機械的屈曲体の全長に渡ってゼロでなければならない。図１８において、プロット２９０は、β=1.0、プロット２９２は、β=0.75、プロット２９４は、β=0.50、プロット２９６は、β=0.25、そして、プロット２９８は、β=0.10としている。
【００９０】
βなる値は、一定なサーマルプロファイルを基にした例よりも、さらに加えられた熱、および、温度上昇の量を表しており、増加した偏向の効率を知るために、熱−機械的屈曲体部分の材料は、それに耐えなければならない。例えば、１００％増が可能であれば、その場合、β=1を用いる。図１８に示すプロット２９０では、最大可能階段位置xs=0.5を用いれば、自由端偏向において５０％増を実現可能であることが見て取れる。温度上昇において５０％増を実現可能であるならば、β=0.5であり、３３％までの効率増加が実現される。
【００９１】
本明細書では、幾つかの数式を解析し、熱−機械的屈曲体部分の基部端から、自由端へ単調減少する温度上昇を有する空間的サーマルパターンを評価している。本明細書にて解析されているいくつかの関数形式の組み合わせにより、数多くの別の空間的サーマルパターンを構成してもよい。解析された数式そのものから僅かに変更されている空間的サーマルパターンも、自由端の偏向の点では実質的に同等の性能を有する。規格化自由端偏向の値が、y￣(1)>1.0である、加えられる熱パルスのための空間的サーマルパターンは全て、本発明に係る好適な実施形態として想定されている。
【００９２】
本発明の別の特徴は、既に図４（ａ）ないし図１６（ｂ）に示されている複数層熱−機械的屈曲体部分の、デザイン、材料、および、構成に現れている。
【００９３】
本発明には、熱−機械的屈曲体部分に、空間的サーマルパターンを有する熱パルスを適用するための装置が含まれる。空間的パターンにおいて、熱エネルギを生成し、輸送可能なあらゆる手段を考慮してよい。熱−機械的屈曲体部分に光エネルギパターンを投射する手段、または、熱−機械的屈曲体にｒｆエネルギパターンを接続する手段が、適当な手段に含まれる。これら空間的サーマルパターンには、例えば、光エネルギを受け取るための光吸収、および、反射パターン、または、ｒｆエネルギを接続するための伝導体パターンといった、熱−機械的屈曲体部分に付けられた特殊な層が介在している。
【００９４】
本発明に係る好適な実施形態は、電気的パルスが加えられた際に、熱−機械的屈曲体部分に、空間的サーマルパターンを有する熱パルスを与えるために、電気抵抗装置を利用している。図１９（ａ）は、本発明により、空間的サーマルパターンを生成する熱−機械的屈曲体部分の領域におけるレジスタパターン６１を示している。レジスタパターン６１は、電流接続シャント６８によってシリアルに接続され、電流シャント６７のパターンで覆われた、２つのパラレルな薄膜レジスタを有し、一連の小さなレジスタセグメント６６を構成する。電流シャント６７の機能は、電流シャントの領域において、電力密度を減少させ、よって、ジュール加熱を減少させることである。電気的パルスが印加されると、レジスタパターン６１は、ジュール熱エネルギの空間的パターンを構成し、次に、図１９（ｂ）に概略的に示される空間的サーマルパターンを生じさせる。図示されている空間的サーマルパターンは、基部端において最も高い温度上昇、ΔTb、を生じ、そして、単調に減少し、自由端温度上昇、ΔTf、を生じさせる。
【００９５】
図２０（ａ）は、本発明による別の空間的サーマルパターンを生成する、熱−機械的屈曲体部分の領域における、レジスタパターン６２を示す。レジスタパターン６２は、電流接続シャント６８によってシリアルに接続され、電流シャント６７のパターンに覆われた２つのパラレルな薄膜レジスタを有し、一連のより小さなレジスタセグメント６６を構成している。電気的パルスが印加されると、レジスタパターン６２は、加えられたジュール熱エネルギの、階段状の空間的パターンを構成し、次に、図２０（ｂ）に概略的に示した階段状空間的サーマルパターンを生じさせる。図示されている階段状空間的サーマルパターンは、最も高い温度上昇、ΔTb、を基部端に生じさせ、そして、x=xsにおいて急峻に自由端温度上昇、ΔTf、まで下落する。
【００９６】
レジスタパターン６１および６２は、熱−機械的屈曲体部分の第１、または、第２デフレクタ層のいずれかに形成されればよい。代わりに、別個の薄膜加熱レジスタを、デフレクタ層の一方と良好な熱的な接続性を有する、さらなる層に構成してもよい。電流シャント領域は、幾つかの方法で形成可能である。良好な導体材料を、横たわる薄膜レジスタ上に堆積し、電流シャントのパターンに形成してよい。電流は、下に横たわるレジスタ層を出て、導体材料を流れ、よって局所的ジュール加熱は大きく減少する。
【００９７】
代わりに、レーザーアニーリング、イオン注入、または、ドーパント物質の熱拡散といった、実地での処理によって、薄膜レジスタ材料の伝導度を局所的に変化させてもよい。薄膜レジスタ材料の伝導度は、結晶構造、化学量論、または、ドーパント不純物の存在といった要因に依存している。電流シャント領域は、半導体製造工程と共通な、周知の熱的、ドーパント技術を利用して、薄膜レジスタ層内に、局所的な高伝導度領域として形成してもよい。
【００９８】
図２１（ａ）ないし図２１（ｃ）は、薄膜レジスタ材料、および、製造工程を用いている、空間的サーマルパターンを有する熱パルスを与えるための、形成装置の代替物の側面図である。図２１（ａ）は、電気抵抗性第１デフレクタ層２２、および、電気抵抗性第２デフレクタ層２４で形成された熱−機械的屈曲体部分を示している。パターンに形成された伝導性材料が、第１デフレクタ層２２の上方に形成され、第１電流シャントパターン７１が作られる。パターンに形成された伝導性材料が、第２デフレクタ層２４の上方にも形成され、第２電流シャントパターン７２が形成される。
【００９９】
図２１（ｂ）は、電気抵抗性第１デフレクタ層２２、および、受動的回復体層として構成された第２デフレクタ層２４で形成されている、熱−機械的屈曲体部分を示している。電流シャントパターン７５は、第１デフレクタ層材料の伝導度を局所的に増加させる、実地での処理によって第１デフレクタ層２２内に形成される。
【０１００】
図２１（ｃ）は、第１デフレクタ層２２、および、低熱膨張性材料層２３で形成されている、熱−機械的屈曲体部分を示している。薄膜レジスタ構造が、第１デフレクタ層２２との良好な熱的接続性を備えて、レジスタ層７６内に形成される。電流シャントパターン７７は、レジスタ層材料の伝導性を局所的に向上させる実地での処理によって、レジスタ層７６に形成される。薄膜レジスタ層７６は、薄いパッシベーション層３８によって、第１デフレクタ層２２とは、電気的に絶縁されている。
【０１０１】
また、薄膜レジスタのジュール加熱の空間的パターン形成は、所望のパターンにレジスタ材料の厚さを変化させることによって達成されてもよい。電流密度、よって、ジュール加熱は、層の厚さに逆比例する。隣接した薄膜レジスタの膜厚を、基部端において最も薄く、そして、自由端に向かって膜厚を増加させて形成することによって、有益な空間的サーマルパターンを、熱−機械的屈曲体部分に構成可能である。
【０１０２】
カンチレバー状要素２０内部の熱流は、一部の本発明の基礎をなす、主要な物理過程である。図２２は、内部熱流、QI、および、周囲への流れ、QSを示す矢印で熱流を示している。カンチレバー状要素２０は、屈曲し、自由端３２を偏向させる。なぜならば、第１デフレクタ層２２は、第１デフレクタ層２２への熱パルスの付与により、第２デフレクタ層２４よりも伸長するように構成されており、また、逆の場合も同様である。一般に、カンチレバーを備えた構成のサーマルアクチュエータは、均一な動作温度において大きく異なる熱膨張係数を有するように、アクチュエータ内部での大きな温度差で動作するように、または、両者を組み合わせて、設計されている。
【０１０３】
第１および第２デフレクタ層、ならびに、差し挟まれた薄いサーマルバリア層を用いている本発明に係る実施形態は、第１デフレクタ層２２と、第２デフレクタ層２４との間に生じる内部温度差を最大にし、利用するように設計されている。このような構成を、本明細書では、ただ一つの伸長するデフレクタ層、および、低い熱膨張係数を有する、第２層、を用いた二層サーマルアクチュエータと区別する目的で、三層サーマルアクチュエータと称する。二層サーマルアクチュエータは、短期的な温度差よりも、むしろ、主として層の材料の違いに基づいて動作する。
【０１０４】
好適な三層実施形態においては、第１デフレクタ層２２、および、第２デフレクタ層２４は、サーマルアクチュエータの動作温度の範囲では実質的に同一な熱膨張係数を有する材料を用いて構成されている。従って、アクチュエータの最大偏向は、第１デフレクタ層２２と、第２デフレクタ層２４との間の温度差が最大になったときに実現される。第１デフレクタ層２２、第２デフレクタ層２４、および、バリア層２３の間に、温度平衡に達すれば、アクチュエータは第１、または、名目上の位置へ回復する。温度が平衡に達する過程では、バリア層２３の特性、主としてその膜厚、ヤング率、熱膨張係数、および、熱伝導度が介在する。
【０１０５】
温度平衡化過程は、受動的に進行させても、または、低温層に熱を加えてもよい。例えば、第１デフレクタ層２２は先ず、所望の偏向が生じるように加熱され、それから、第２デフレクタ層２４が続いて加熱されて、より迅速にカンチレバー状要素全体を熱平衡に到達させる。サーマルアクチュエータの利用用途によっては、結果生じる温度が高くなり、サーマルアクチュエータが初期開始温度に戻るために長時間を要するにもかかわらず、カンチレバー状要素を第１位置に回復させることが望ましい場合もある。異なる材料特性、および、厚さを有するｋ層を備えた、カンチレバー状複数層構造は一般に、高い均一な温度においては、上記式（１１）に示すように、放物線状の弧のような形状を想定している。式（１１）の熱−機械的構造の係数、ｃが、カンチレバー要素の熱−機械的屈曲体部分の層の特性を捉えている。ｃは次式で与えられる。
【数２８】
2004161002.tif 000030
ここで、y0=0、yk=Σkj=1hj、ならびに、Ek、hk、σk、および、αkはそれぞれ第ｋ層の、ヤング率、厚さ、ポワソン比、および、熱膨張係数である。
【０１０６】
本発明に係る三層型は、第１および第２デフレクタ層を加熱する第１および第２ヒータレジスタ部の形成に基づいており、よって、温度差ΔTを生じさせ、それによってカンチレバーの屈曲が生じる。本発明の目的のためには、最初に第１デフレクタ層２２を加熱する熱パルスの後に到達する内部熱平衡の際、第２デフレクタ層が機械的に第１デフレクタ層２２とバランスをとることが望ましい。熱平衡において機械的にバランスをとることは、カンチレバー状要素の層の厚さ、ならびに、材料特性、特に、熱膨張係数、および、ヤング率に関する設計によって実現される。第１デフレクタ層２２、バリア層２３、または、第２デフレクタ層２４のいずれかが副層ラミネーションを有するならば、それに相当する特性は、その複合層に関して効力のある値である。
【０１０７】
あらゆる、高められ、かつ、均一な、カンチレバー状要素温度、ΔT≠0に対し、総偏向量に関する必要条件、y(x,ΔT)=0、を考慮することで、本発明を理解してもよい。式（１１）より、この条件は、熱−機械的構造係数c=0を要求することがわかる。式（２８）、熱−機械的構造係数が、c=0となるような、層の材料の特性、および、厚さの組み合わせのうち、あらゆる有意な(non-trivial)組み合わせは、本発明を実施可能である。つまり、c=0である、カンチレバーのデザインであれば、層間に一時的な温度勾配を生じさせることで作動させて、一時的なカンチレバーの偏向を生じさせることが可能である。そして、熱伝導によってカンチレバーの層が均一な温度に到達すると、カンチレバーは偏向していない位置に回復する。なぜならば、平衡している温度での膨張の効果は、設計上、釣り合うからである。
【０１０８】
式（２８）においてk=3である、三層カンチレバーの場合、簡単のため、３つの材料の層の全てが同一のポワソン比を有すると仮定すれば、熱−機械的構造係数ｃは以下の量に比例する。
【数２９】
2004161002.tif 000031
ここで、
【数３０】
2004161002.tif 000032
である。添字１、ｂ、および、２はそれぞれ、第１デフレクタ層、バリア層、および、第２デフレクタ層を指す。Ek、αk、および、hk(k=1、b、または、2)は、それぞれ、第ｋ層に関する、ヤング率、熱膨張係数、および、厚さである。パラメータＧは様々な層の弾性係数および寸法の関数であり、常に正数である。本発明を理解する目的のための、高められた温度において総偏向がゼロとなる三層ビームの場合、パラメータＧを決定するための外挿は必要ではない。
【０１０９】
式（２９）を検討すれば、C=0を満たす条件は、
【数３１】
2004161002.tif 000033
である。層の厚さが、h1=h2、熱膨張係数が、α1=α2、ヤング率が、E1=E2であるような特別な場合、量ｃはゼロとなり、高められている温度、つまり、ΔT≠0においても、総偏向はゼロである。
【０１１０】
式（３１）より、第２デフレクタ層２４の材料は、第１デフレクタ層２２の材料と同一であれば、第１デフレクタ層２２の厚さh1が第２デフレクタ層２４の厚さh2と実質的に同一である場合、三層構造は総偏向がゼロとなることがわかる。
【０１１１】
また、式（３１）より、所定の第１デフレクタ層２２に対し、数多くの、総偏向がゼロとなる第２デフレクタ層２４、および、バリア層２３のパラメータの組み合わせの選択が可能であることがわかる。例えば、第２デフレクタ層２４の厚さ、ヤング率、または、その両方に何らかの変化を与え、第２デフレクタ層２４および第１デフレクタ層２２の材料の熱膨張係数の差を補償してもよい。
【０１１２】
高められている温度、ΔTにおいて、三層、または、より複雑化した複数層のカンチレバー状構造に対して、総偏向がゼロになる層パラメータの組み合わせで、式（２８）ないし式（３２）より導出される組み合わせは全て、本発明の発明者により、本発明に係る実施可能な実施形態として想定されているものである。
【０１１３】
再度、図２２において、内部の熱流QIは層間の温度差によって駆動される。本発明を理解する目的で、第１デフレクタ層２２から第２デフレクタ層２４への熱流を、第２デフレクタ層２４の加熱過程、および、第１デフレクタ層２２の冷却過程ととらえてもよい。バリア層２３は、加熱、および、冷却過程における熱の移流に関する時定数、τBを決定するととらえればよい。
【０１１４】
時定数τBは、およそ、バリア層２３の厚さhbに比例し、バリア層を構成する材料の熱伝導度に逆比例する。先述のように、熱パルスの第１デフレクタ層２２への入力の継続時間は、熱移流の時定数よりも短くなければならない。さもなくば、潜在的に可能な温度差、および、偏向の程度は、バリア層２３を介した熱の損失によって、消散してしまう。
【０１１５】
カンチレバー状要素から周囲への、第２熱流アンサンブルは、QSと記された矢印で示される。外部への熱流に関する詳細は、サーマルアクチュエータの利用用途次第である。熱は、アクチュエータから、基板１０、または、その他の隣接する構造的要素へ伝導により流れる。アクチュエータが液体中、または、気体中で動作するなら、熱はこれら流体への伝導および対流によって消失する。また、熱は輻射によっても消失する。本発明を理解する目的で、周囲への熱の消失を、機能している数多くの過程および経路を統合した単一の外部冷却時定数、τSとして特徴付けてもよい。
【０１１６】
別の重要な時間のパラメータは、サーマルアクチュエータの動作に対して望まれる反復周期、τCである。例えば、インクジェットプリントヘッドにおいて使用される液滴排出体に関しては、アクチュエータの反復周期が液滴発射の頻度を規定しており、その頻度は、ジェットが持続できる画素書き込み速度を規定する。熱移流時定数τBはカンチレバー状要素が第１位置に回復するのに必要な時間を支配しており、エネルギ効率、および、迅速な動作にとっては、τB<<τCであることが好ましい。１回のパルスから次のパルスへのアクチュエーション性能における均一性は、反復周期τCをτBの数倍以上に設定することで改善される。つまり、τC>5τBならば、カンチレバー状要素は完全に釣り合って、第１、または、名目上の位置に復帰する。代わって、τC<2τBであれば、次の偏向を実施しようとするときに、かなりの量の残留偏向が残る。よって、τC>2τBであることが望ましく、より好ましくは、τC>4τBである。
【０１１７】
同様に、周囲への熱移流の時定数、τSも、アクチュエータの反復周期τCに影響を与えるかもしれない。効率的なデザインとするには、τSはτBよりも著しく長くなる。よって、3τBないし5τBの後、カンチレバー状要素が内部熱平衡に到達した後でさえ、カンチレバー状要素は、3τSないし5τSの時間の間は、環境温度、または、開始温度よりも高い。まだアクチュエータが環境温度よりも高い状態で、新しい偏向を開始してもよい。しかし、機械的な作動を一定量に維持するには、ますます高いカンチレバー状要素層のピーク温度が必要となる。τC<3τSなる周期での反復的パルス印加は、何らかの故障モードに達するまで、アクチュエータ材料の最大温度の継続的な上昇を引き起こす。
【０１１８】
図２２に、基板１０のヒートシンク部１１が示されている。シリコンのような、半導体、または、金属材料が基板１０に用いられている場合、図示されているヒートシンク部１１は、ヒートシンク位置として指定された、単なる基板１０の領域であってもよい。代わって、カンチレバー状要素２０から、固定部分３４にて伝導される熱の効率的なシンクとしての機能を果たすように、基板１０内に別の材料を備えてもよい。
【０１１９】
本発明に係るサーマルアクチュエータは、実質的に反対方向の動作および変位において、カンチレバー状要素２０の能動的な偏向が可能である。電気的パルスを与えて第１デフレクタ層２２を加熱することにより、カンチレバー状要素２０は、第１デフレクタ層２２（図４（ｂ）、および、図１５（ｂ）参照）から離れる方向に偏向する。電気的パルスを与えて第２デフレクタ層２４を加熱することにより、カンチレバー状要素２０は第２デフレクタ層２４から離れる方向に、そして、第１デフレクタ層２２に向かう方向に偏向する（図４（ｃ）、および、図１６（ｂ）参照）。上記式（３４）を満足するように設計されたカンチレバー状要素２０に対し、つまり、熱−機械的構造係数c=0である場合、内的な熱の移流によって内的熱平衡に達することが可能であれば、カンチレバー状要素２０を偏向させる熱−機械的な力は釣り合う。
【０１２０】
上記記載の大部分は、単一のサーマルアクチュエータ、または、液滴排出体の構成、および、動作についてのものだが、当然のことながら本発明は複数のサーマルアクチュエータ、および、液滴排出体ユニットからなるアレイ、および、アセンブリを形成可能である。また、本発明によるサーマルアクチュエータ装置は、他の電子的構成要素、および、回路と同時に製造しても、または、電子的構成要素、および、回路の製造の前、もしくは、後に同一の基板上に形成してもよいものと解されるべきである。
【０１２１】
上記より、本発明は、本目的を達成することに、よく適したものである。先述の本発明に係る好適な実施形態に関する記述は、例示、および、説明を目的として記されている。本発明を、開示の形態そのものに限定すること、または、開示の形態そのもので網羅することは意図していない。修正および変形は可能であり、修正および変形は上記説明によって、当業者であれば認識するであろう。このようなさらなる実施形態は、クレームの思想および範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明によるインクジェットシステムの概略図である。
【図２】本発明によるインクジェットユニット、または、液滴排出体ユニットのアレイの平面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図２に示されるインクジェットユニット個々の拡大平面図である。
【図４】（ａ）ないし（ｃ）は、本発明によるサーマルアクチュエータの動作を示す側面図である。
【図５】本発明によるサーマルアクチュエータを構成することに適した工程の初期段階の斜視図であって、カンチレバー状要素の第１デフレクタ層が形成され、かたどられる。
【図６】本発明によるサーマルアクチュエータを構成することに適した工程の次の段階の斜視図であって、導電性材料の付加、および、パターン形成により、第１デフレクタ層に第１ヒータレジスタが完成される。
【図７】図５および図６に示される工程の次の段階の斜視図であって、カンチレバー状要素の、第２層、または、バリア層が形成される。
【図８】図５ないし図７に示される工程の次の段階の斜視図であって、カンチレバー状要素の第２デフレクタ層が形成される。
【図９】図５ないし図８に示される工程の次の段階の斜視図であって、本発明の幾つかの実施形態にあって、第２デフレクタ層に第２ヒータレジスタがパターン形成される。
【図１０】図５ないし図９に示される工程の次の段階の斜視図であって、本発明の幾つかの実施形態にあって、導電性材料の付加、および、パターン形成により、第２ヒータレジスタが完成される。
【図１１】図５ないし図１０に示される工程の次の段階の斜視図であって、例えば液滴排出体用といった、装置の利用目的で必要であれば、誘電性化学的パッシベーション層がサーマルアクチュエータを覆って、形成される。
【図１２】図５ないし図１１に示される工程の次の段階の斜視図であって、本発明による液滴排出体の液体充填チャンバの形状に犠牲層が形成される。
【図１３】図５ないし図１２に示される工程の次の段階の斜視図であって、本発明による液滴排出体の、液体チャンバ、および、ノズルが形成される。
【図１４】（ａ）ないし（ｃ）は、図５ないし図１３に示される工程の最終段階の側面図であって、液体供給経路が形成され、犠牲層が除去されて、本発明による液滴排出体が完成される。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、本発明による液滴排出体の第１電極対への電気パルスの適用を示す側面図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による液滴排出体の第２電極対への電気パルスの適用を示す側面図である。
【図１７】加えられたサーマルモーメントに空間的依存性が生じている、熱−機械的屈曲体部の空間的サーマルパターンの図である。
【図１８】段階的に減少する空間的サーマルパターンを有する熱−機械的アクチュエータの規格化最大偏向の計算値を、温度増加の減少の程度および位置の関数として、プロットしている。
【図１９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明による空間的サーマルパターンを有するヒータレジスタの平面図、および、温度増加のプロットである。
【図２０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明による増加温度の段階的減少のある、空間的サーマルパターンを有するヒータレジスタの図である。
【図２１】（ａ）ないし（ｃ）は、空間的サーマルパターンを有する熱パルスを適用するための、幾つかの装置の側面図である。
【図２２】本発明によるカンチレバー状要素の内部、および、外部での熱流を示す側面図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１０  ・・・  基板基部要素
１１  ・・・  基板１０のヒートシンク部分
１２  ・・・  液体チャンバ
１３  ・・・  カンチレバー状要素−チャンバ壁間ギャップ
１４  ・・・  基部要素または壁端におけるカンチレバー状要素固定位置
１５  ・・・  サーマルアクチュエータ
１６  ・・・  液体チャンバ湾曲壁部
１８  ・・・  熱−機械的屈曲体部分の自由端幅位置
２０  ・・・  カンチレバー状要素
２１  ・・・  パッシベーション層
２２  ・・・  第１デフレクタ層
２３  ・・・  バリア層
２３ａ  ・・・  バリア層副層
２３ｂ  ・・・  バリア層副層
２４  ・・・  第２デフレクタ層
２５  ・・・  カンチレバー状要素の熱−機械的屈曲体部分
２６  ・・・  第１デフレクタ層に形成された第１ヒータレジスタ
２７  ・・・  第２デフレクタ層に形成された第２ヒータレジスタ
２８  ・・・  熱−機械的屈曲体部分の基部端
２９  ・・・  熱−機械的屈曲体部分の自由端
３０  ・・・  ノズル
３１  ・・・  犠牲層
３２  ・・・  カンチレバー状要素の自由端先端
３３  ・・・  液体チャンバカバー
３４  ・・・  カンチレバー状要素固定端
３５  ・・・  空間的サーマルパターン
３６  ・・・  第１空間的サーマルパターン
３７  ・・・  第２空間的サーマルパターン
３８  ・・・  パッシベーション・オーバーレイヤ
３９  ・・・  クリアランス領域
４１  ・・・  電極４４に取り付けられたＴＡＢリード線
４２  ・・・  第１電極対の電極
４３  ・・・  電極４４のはんだ瘤
４４  ・・・  第１電極対の電極
４５  ・・・  電極４６に取り付けられたＴＡＢリード線
４６  ・・・  第２電極対の電極
４７  ・・・  電極４６のはんだ瘤
４８  ・・・  第２電極対の電極
４９  ・・・  熱経路リード線
５０  ・・・  液滴
５２  ・・・  ノズル３０における液体のメニスカス
６０  ・・・  流体
６１  ・・・  単調空間的サーマルパターンを有する熱−機械的屈曲体部分
６２  ・・・  階段状空間的サーマルパターンを有する熱−機械的屈曲体部分
６６  ・・・  ヒータレジスタセグメント
６７  ・・・  電流シャント
６８  ・・・  電流接続シャント
７１  ・・・  第１パターンを有する電流シャント層
７２  ・・・  第２パターンを有する電流シャント層
７５  ・・・  第１デフレクタ層２２に形成された電流シャント領域
７６  ・・・  薄膜ヒータレジスタ層
７７  ・・・  薄膜ヒータレジスタ層７６に形成された電流シャント領域
８０  ・・・  支持構造取り付け部
１００  ・・・  インクジェットプリントヘッド
１１０  ・・・  液滴排出体ユニット
２００  ・・・  電気的パルスソース
３００  ・・・  コントローラ
４００  ・・・  画像データソース
５００  ・・・  受容体
【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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【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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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