(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、液滴エミッタのような、マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータを動作させる装置と方法を提供することである。【解決手段】  ベース要素を有し、ベース要素から伸びる熱−機械ベンダ部分と第１の位置にある自由端の先端を有する片持ちばり要素を有する、マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータを構成する。熱−機械ベンダ部分は、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅を有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きい。直接的に熱−機械ベンダ部分へ、空間パターンを有する熱パルスを加えるように適応される装置が設けられる。熱パルスは、熱−機械ベンダ部分の自由端よりも、ベース端の大きな温度増加となる、空間熱パターンを有する。熱−機械ベンダ部分の高速な加熱は、片持ちばり要素の自由端の先端を第２の位置へ偏向させる。【選択図】  図３ａ 
2004160650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータであって、
（ａ）ベース要素を有し、
（ｂ）ベース要素から伸びる熱−機械ベンダ部分と第１の位置にある自由端の先端を有する片持ちばり要素を有し、熱−機械ベンダ部分は、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅ｗｂ、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅ｗｆを有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きく、
（ｃ）直接的に熱−機械ベンダ部分へ、空間パターンを有する熱パルスを加えるように適応され、片持ちばり要素の自由端の先端を第２の位置へ偏向させる、装置を有し、前記空間熱パターンは、熱−機械ベンダ部分の自由端よりも、ベース端の実質的に大きな温度増加となる、熱アクチュエータ。
【請求項２】
マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータであって、
（ａ）ベース要素を有し、
（ｂ）ベース要素から第１の位置にある自由端の先端へ伸びる熱−機械ベンダ部分を有する片持ちばり要素を有し、熱−機械ベンダ部分は、大きな熱膨張率を有する第１の電気抵抗性材料より構成される第１デフレクタ層、第２デフレクタ層及び、低熱伝導率を有する誘電体材料より構成される障壁層を有し、障壁層は第１デフレクタ層と第２デフレクタ層の間に張り合わされ、熱−機械ベンダ部分は更に、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅ｗｂ、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅ｗｆを有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きく、
（ｃ）第１デフレクタ層に形成されかつ、自由端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層自由端温度増加ΔＴ１ｆよりも実質的に大きな、ベース端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層ベース端温度増加ΔＴ１ｂとなる空間熱パターンを有する熱エネルギーを加えるように適用される、第１のヒーター抵抗を有し、
（ｄ）第２デフレクタ層に対する第１デフレクタ層の熱膨張及び第２の位置への片持ちばり要素の偏向となり、続いて、熱が障壁層を通して第２デフレクタ層へ拡散しそして片持ちばり要素が一様な温度に達すると、片持ちばり要素を第１の位置へ復帰する、空間熱パターンを有する熱エネルギーのパルスを第１デフレクタ層へ加えるために、電気パルスを加えるために第１のヒータ抵抗部分に接続された第１の組の電極を有する、熱アクチュエータ。
【請求項３】
熱アクチュエータを動作させる方法であって、前記熱アクチュエータは、ベース要素を有し；ベース要素から第１の位置にある自由端の先端へ伸びる熱−機械ベンダ部分を有する片持ちばり要素を有し、熱−機械ベンダ部分は、大きな熱膨張率を有する第１の電気抵抗性材料より構成される第１デフレクタ層、第２デフレクタ層及び、低熱伝導率を有する誘電体材料より構成される、熱伝達時定数τＢを有する障壁層を有し、障壁層は第１デフレクタ層と第２デフレクタ層の間に張り合わされ、熱−機械ベンダ部分は更に、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅ｗｂ、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅ｗｆを有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きく；第１デフレクタ層に形成されかつ、自由端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層自由端温度増加ΔＴ１ｆよりも大きな、ベース端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層ベース端温度増加ΔＴ１ｂとなる空間熱パターンを有する熱エネルギーを加えるように適用される、第１のヒーター抵抗を有し；電気パルスを加えるために第１のヒータ抵抗部分に接続された第１の組の電極を有し；この動作させる方法は、
（ａ）第１の組の電極に、τＰ＜（１／２）τＢである、継続時間τＰを有し、第２の位置への片持ちばり要素の偏向となる、第２デフレクタ層に対して第１デフレクタ層の熱膨張を起こすのに十分な熱エネルギーを供給する、電気パルスを加え、
（ｂ）次の電気パルスを加える前に、τＣ＞３τＢである時間τＣの間待ち、それにより、熱が障壁層を通して第２デフレクタ層へ拡散しそして、片持ちばり要素を次に偏向させる前に、片持ちばり要素は実質的に第１の位置へ復帰される、
ことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、マイクロエレクトロメカニカル装置に関連し、特に、インクジェット装置及び他の液滴（ｌｉｑｕｉｄ  ｄｒｏｐ）エミッタで使用される形式のような、マイクロエレクトロメカニカル熱アクチュエータに関連する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は、比較的最近に開発されている。そのようなＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ及び位置決め器のような、従来のエレクトロメカニカル装置の代わりとして使用されている。マイクロエレクトロメカニカル装置は、マイクロエレクトロニック製造技術を使用するので、潜在的に低コストである。新しい応用も、ＭＥＭＳ装置の小サイズ規模により、発見されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術の多くの潜在的な応用は、そのような装置に必要な動作を提供するために、熱アクチュエーション（熱作動）を使用する。例えば、多くのアクチュエータ、バルブ及び位置決め器は、動きのために熱アクチュエータを使用する。ある応用では、要求される動きは、パルス化される。例えば、第１の位置から第２の位置への高速な移動は、続いての第１の位置へのアクチュエータの高速な復帰は、液体内の圧力パルスを発生するために又は、機構をユニットの距離だけ進めるために又は、作動パルス当りの回転のために使用されうる。ドロップ−オン−デマンド液滴エミッタは、ノズルから別個の量の液体を噴射するために別個の圧力パルスを使用する。
【０００４】
ドロップ−オン−デマンド（ＤＯＤ）液体放射装置は、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知られている。初期の装置は、Ｋｙｓｅｒ他の特許文献１７とＳｔｅｍｍｅの特許文献１８に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る。インクジェット印刷の現在人気のある構成は、熱インクジェット（又は、”バブルジェット（登録商標）”）が、蒸気バブルを発生するのに電気的に抵抗性のヒータを使用し、これは、Ｈａｒａ他の特許文献１６に記載のように、滴放射を起こす。
【０００５】
電気的抵抗性ヒーターは、それらは良好に開発されたマイクロエレクトロニックプロセスを使用して製造できるので、圧電アクチュエータを超える製造コストの優位性を有する。他方では、熱インクジェット滴放射機構は、インクが気化可能な構成要素を有し、そして、局所的に、インク温度をこの構成要素の沸点以上に上げることが必要である。この温度露出は、熱インクジェット装置により信頼性をもって放射されるインク及び他の液体の製剤形態に関する厳しい制限を与える。圧電的に作動される装置は、液体は機械的に圧力が与えられるので、放射される液体にそのような厳しい制限は課されない。
【０００６】
インクジェット装置供給者により実現された有効性、コスト、及び技術的な性能改善は、液体のマイクロメータリング（供給）する他の応用のための装置で興味が発生した。これらの新たな応用は、Ｐｅａｓｅ他の特許文献１５により開示されているマイクロ分析化学についての特別化された化学物質を供給すること；Nａｋａ他の特許文献１３により開示されている電子装置製造のためのコーティング材料の供給；及びＰｓａｒｏｓ他により特許文献１４により開示されている医療用吸入治療にためのマイクロ滴供給を含む。要求で、広い範囲の液体のマイクロサイズ化された滴を放出できる装置と方法が、高品質画像印刷には必要であるが、しかし、液体供給が、超小滴の単散布、正確な配置及びタイミング及び微小な増加を必要とする、出現する応用についても必要である。
【０００７】
広範囲の液体製剤形態で使用できる、マイクロ滴放射への低コストのアプローチが、必要とされる。熱インクジェットについて使用されるマイクロエレクトロニック製造の優位点と、圧電機構装置に利用できる液体組成の許容範囲と結合する、装置と方法が必要である。
【０００８】
熱−機械アクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置が、１９８８年７月２１に出願された、Ｔ．Ｋｉｔａｈａｒａの特許文献１９に開示されている。アクチュエータは、インクジェット室内で可動する２層カンチレバー（片持ちばり）として、構成される。ビーム（梁、ｂｅａｍ）は、抵抗により加熱され、層の熱膨張の不一致により、曲がりを発生する。ビームの自由端は、ノズルでインクに圧力をあたえるために移動し、滴放射を発生する。近年、同様な熱−機械DODインクジェット構成の開示が、K．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる、特許文献１２、１１、９、８、７及び５によりなされている。マイクロエレクトロニックプロセスを使用する熱−機械インクジェット装置を製造する方法が、K．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋによる、特許文献１０、４、３、及び２により開示されている。用語”熱アクチュエータ”と熱−機械アクチュエータはここでは、相互に交換可能に使用される。
【０００９】
熱−機械的に作動された滴エミッタは、マイクロエレクトロニック材料と装置を使用して量産されうる低コスト装置として約束されそして、これは、熱インクジェット装置で信頼性がない液体と動作することを可能とする。アクチュエータの動きが時間の関数として予め定められた変位を発生するように制御されることを可能とする、熱アクチュエータと熱アクチュエータ形式の液滴エミッタが、必要とされる。作動の最も高い繰返しレート及び、滴放射の一貫性が、蓄積された機械的エネルギー効果と協同して、熱作動が電子的に制御される場合には、実現される。更に、入力電気エネルギーの関数として、アクチュエータの動きを最大にする設計も、増加された作動繰返しレートに貢献する。
【００１０】
液滴エミッタについては、滴発生イベントは、ノズルでの液体内の圧力インパルスを生成することに、しかし、圧力インパルスの時点で液体メニスカスの状態にも依存する。滴発生の特徴は、特に滴体積、速度及びサテライト（付随体、ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）形成は、熱アクチュエータの変位の特定の時間変動により影響される。改善された印刷品質は、変化する印刷濃度レベルを発生するために滴体積を変えることにより、目標滴体積を更に精密に制御することにより、及びサテライト形成を抑圧することにより、達成される。印刷の生産性は、次の滴放射イベントが開始されるように、熱アクチュエータが公称開始変位状態に戻るのに要求される時間を減少させることにより、増加される。
【００１１】
使用されるエネルギーを最小化し且つそのような装置の生産性を最大化し且つ好ましい液滴放射特性のための液体圧力プロファイルを生成するために熱アクチュエータの変位を変える時間の改善された制御を可能とする、熱アクチュエータとＤＯＤエミッタのための動作の装置及び方法が、必要である。
【００１２】
熱−機械アクチュエータのため有効な設計は、ビームに垂直に一方にそらせる（偏向させる）自由端を有する装置構造の一端に固定された、層化された又は積層化された、カンチレバー（片持ちばり）化のビーム（梁、ｂｅａｍ）である。偏向は、積層に垂直に、積層化されたビーム内の熱膨張勾配を設定することにより発生される。そのような熱膨張勾配は、層間の温度勾配により発生される。パルス化された熱アクチュエータにとって、そのような温度勾配を素早く確立できること、及び、同様に素早く放散させることはは優位である。最適化された片持ちばり化要素は、幾つかの層に対して加熱抵抗に部分的にパターン化された、電気抵抗性材料を使用して構成されうる。
【００１３】
反対の熱膨張グラディエントを発生するように構成された２重作動熱アクチュエータは、これゆえ、反対のビーム偏向が、ノズルでの正及び負の圧力インパルスを発生するために、液滴エミッタで、利用できる。正と負の圧力インパルスの両方の発生とタイミングの制御は、液体とノズルメニスカス効果が、滴放射特性を好ましく変えるのに使用できることを可能とする。
【００１４】
前の構成よりも少ない入力エネルギーを必要としながら、同等な量の偏向と偏向力を発生する設計は、特にインクジェットプリントヘッドの、種々の熱的に作動される装置の商業的な潜在性を向上するために必要とされる。片持ちばり化要素の熱−機械ベンダー部分の形状は、負荷又は液体背圧の影響を減少させるのに最適化され、それにより、必要なエネルギーを減少する。
【００１５】
加熱の空間的なパターンは、電気的エネルギーの少ない入力に対して更なる変更となるように、変更される。Ｋ．Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋは、特許文献６と１で、空間的に非一様な熱パターンを有する熱アクチュエータを開示している。しかしながら、開示された熱アクチュエータの熱−機械曲がり部分は、液体と接触して動作するように構成されておらず、液滴エミッタ及びマイクロバルブとしてそのような装置で使用するためにはそれらは信頼性がない。開示された設計は、本来製造することが難しく、製造後のねじれ形状を現し、そして、簡単に機械的な損傷を受ける、結合されたアーム構造に基づいている。Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋの特許文献６に開示されている熱アクチュエータ設計は、ピーク温度を受ける、おそらく早期に故障する、構造的に弱いベース端を有する。
【００１６】
更に、Ｓｉｌｖｅｒｂｒｏｏｋの特許文献１に開示された熱アクチュエータ設計は、熱アクチュエータの中心での過度の温度上昇の予想された問題を解決することに向けられており、作動中のエネルギー効率の増加を提供しない。開示されたアクチュエータは、液体中に浸されて使用されるときに望ましくない液体背圧効果を増加し、さらに、アクチュエータの冷却を遅くさせうる分離された部分を加え、最大の信頼性ある動作周波数を制限する、ヒートシンク構成要素を有する。
【００１７】
片持ちばり化された構成要素の熱アクチュエータは、これは減少されたエネルギーと許容できるピーク温度で動作できそして、制御された変位対時間プロファイルで偏向されることが可能であり、ＭＥＭＳ製造法を使用して製造される、そして、優れた滴形成特性を有する高繰返し周波数で液滴放射も可能とすることができるシステムを構築する必要がある。
【特許文献１】米国特許番号６，３６４，４５３号公報
【特許文献２】米国特許番号６，２７４，０５６号公報
【特許文献３】米国特許番号６，２５８，２８４号公報
【特許文献４】米国特許番号６，２５４，７９３号公報
【特許文献５】米国特許番号６，２４７，７９１号公報
【特許文献６】米国特許番号６，２４３，１１３号公報
【特許文献７】米国特許番号６，２３９，８２１号公報
【特許文献８】米国特許番号６，２３４，６０９号公報
【特許文献９】米国特許番号６，２０９，９８９号公報
【特許文献１０】米国特許番号６，１８０，４２７号公報
【特許文献１１】米国特許番号６，０８７，６３８号公報
【特許文献１２】米国特許番号６，０６７，７９７号公報
【特許文献１３】米国特許番号５，９０２，６４８号公報
【特許文献１４】米国特許番号５，７７１，８８２号公報
【特許文献１５】米国特許番号５，５５９，６９５号公報
【特許文献１６】米国特許番号４，２９６，４２１号公報
【特許文献１７】米国特許番号３，９４６，３９８号公報
【特許文献１８】米国特許番号３，７４７，１２０号公報
【特許文献１９】日本国特許番号２０３３０５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、本発明の目的は、減少された入力エネルギーと過度のピーク温度を必要としない熱−機械アクチュエータを提供することである。
【００１９】
本発明の目的は、公称位置へアクチュエータを高速に復帰し且つ更に高速な繰り返しを可能とする、実質的に反対の方向へ熱アクチュエータを移動する２重作動手段を含む、エネルギー効率の良い熱アクチュエータをも提供することである。
【００２０】
本発明の目的は、一様な内部温度に達するときに、初期位置へ復帰するように設計された片持ちばり化要素を使用して構成されるエネルギー効率の良い熱アクチュエータにより作動される、液滴エミッタを提供することである。
【００２１】
本発明の更なる目的は、負荷又は背圧の効果を減少させらために整形されそして、エネルギー効率を改善するために空間熱パターンを有するヒータ抵抗によりエネルギーが与えられる、熱−機械ベンダー部分を使用して作動される液滴エミッタを提供することである。
【００２２】
本発明の更なる目的は、変位を変える予め定められた結果の時間を達成するために、エネルギー効率の良い熱アクチュエータを有する液滴エミッタを動作させる方法を提供することである。
【００２３】
本発明の更なる目的は、液滴放射の特性を調整するために、２重作動を使用する、エネルギー効率の良い熱アクチュエータを有する液滴エミッタを動作させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の前述の及び多くの他の特徴、目的及び、利点は、詳細な説明、請求の範囲及び、図面を見れば、容易に明らかとなろう。これらの特徴、目的及び、利点は、ベース要素を有し、ベース要素から伸びる熱−機械ベンダ部分と第１の位置にある自由端の先端を有する片持ちばり要素を有する、マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータを構成することにより達成される。熱−機械ベンダ部分は、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅ｗｂ、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅ｗｆを有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きい。直接的に熱−機械ベンダ部分へ、空間パターンを有する熱パルスを加えるように適応される装置が設けられる。熱パルスは、熱−機械ベンダ部分の自由端よりも、ベース端の大きな温度増加となる、空間熱パターンを有する。熱−機械ベンダ部分の高速な加熱は、片持ちばり要素の自由端の先端を第２の位置へ偏向させる。
【００２５】
この特徴、目的及び、利点は、ベース要素を有し、ベース要素から第１の位置にある自由端の先端へ伸びる熱−機械ベンダ部分を有する片持ちばり要素を有する、マイクロエレクトロメカニカル装置の熱アクチュエータを構成することにより達成される。熱−機械ベンダ部分は、低熱伝導率を有する誘電体材料より構成される障壁層、大きな熱膨張率を有する第１の電気抵抗性材料より構成される第１デフレクタ層、及び、大きな熱膨張率を有する第２の電気抵抗性材料より構成される第２デフレクタ層を有し、障壁層は第１と第２デフレクタ層の間に張り合わされる。熱−機械ベンダ部分は更に、ベース端とベース要素に隣接するベース端幅ｗｂ、及び、自由端と自由端の先端に隣接する自由端幅ｗｆを有し、ベース端幅は、実質的に、自由端幅よりも大きい。第１のヒーター抵抗は、第１デフレクタ層に形成されかつ、自由端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層自由端温度増加ΔＴ１ｆよりも大きな、ベース端での第１デフレクタ層内の第１デフレクタ層ベース端温度増加ΔＴ１ｂとなる第１空間熱パターンを有する熱エネルギーを加えるように適用される。第２のヒーター抵抗は、第２デフレクタ層に形成されかつ、自由端での第２デフレクタ層内の第２デフレクタ層自由端温度増加ΔＴ２ｆよりも大きな、ベース端での第２デフレクタ層内の第２デフレクタ層ベース端温度増加ΔＴ２ｂとなる第２空間熱パターンを有する熱エネルギーを加えるように適用される。第１の組の電極は、第２デフレクタ層に対する第１デフレクタ層の熱膨張となる、第１デフレクタ層の抵抗性加熱を起こすために、電気パルスを加えるために第１のヒータ抵抗に接続される。第２の組の電極は、第１デフレクタ層に対する第２デフレクタ層の熱膨張となる、第２デフレクタ層の抵抗性加熱を起こすために、電気パルスを加えるために第２のヒータ抵抗部分に接続される。第１の組み又は第２の組の電極のいずれかへの電気パルスの印加は、第１の位置から第２の位置への片持ちばり要素の偏向を起こし、続いて、熱が障壁層を通して拡散しそして片持ちばり要素が一様な温度に達すると、片持ちばり要素を第１の位置へ復帰する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷のためのプリントヘッドとして使用される液滴エミッタについての熱アクチュエータとして特に有効である。好ましい実施例では、熱アクチュエータは、液を噴出するノズルを含む液体が充填された室内にある。熱アクチュエータは、部屋の壁から伸びる片持ちばり化要素とノズルに最も近い第１の位置にある自由端を含む。第１又は第２の組みの電極のいずれかへの電気パルスの印加は、片持ちばり化要素をその第１の位置から遠くに移動し、そして、代わりに、ノズルにおいて液体内で正又は負の圧力を起こす。第１と第２の組みの電極への電気パルスの印加とそのタイミングは、液滴放射の特性を調整するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明を、ある特定の好ましい実施例を参照して特に詳細に説明するが、本発明の意図と範囲内で種々の修正が実行できることは理解されよう。
【００２８】
以下に詳細に説明するように，本発明は、熱−機械アクチュエータにつての装置及びドロップオンデマンド液体放射装置及び、その動作方法を提供する。最も知られているそのような装置は、インクジェット印刷システムのプリントヘッドとして使用される。インクジェットプリントヘッドと同様な装置を使用する多くの他の応用が出現しているが、それは精密に計量しながら供給する及び高い空間精度で配置される必要のあるインク以外の液体を放射する。用語インクジェット及び液滴エミッタは、ここでは相互に交換的に使用される。以下に記載する本発明は、全体的な滴放射生産性を改善するために、熱アクチュエータに基づいて、滴エミッタを動作させる装置と方法を提供する。
【００２９】
第１図では、本発明に従った装置及び本発明に従って動作される、インクジェット印刷システムの概略が示されている。このシステムは、滴を印刷するコマンドとしてコントローラ３００により受信される信号を供給する画像データソース４００を有する。コントローラ３００は、電気パルスのソース２００へ信号を出力する。パルスソース２００は、順に、インクジェットプリントヘッド１００内の各熱アクチュエータ１５に関連する電気抵抗手段に印加される電気エネルギーパルスよりなる電気電圧信号を発生する。電気エネルギパルスは、熱アクチュエータ１５を、高速に曲げ、ノズル３０に配置されたインク６０に圧力をかけそして、レシーバ５００に着地するインク滴５０を放射する。本発明は、実質的に同じ体積で同じ速度の即ち、公称値の＋／−２０％以内の体積と速度を有する、滴の放射を発生する。幾つかの滴エミッタは、主滴と非常に小さなトレーリング滴、サテライト滴と呼ぶ、を放射する。本発明は、そのようなサテライト滴は、例えば画像画素の印刷又は流体の増加をマイクロディスペンシングするような全体的な応用に関して、放出された主滴の部分と考えられると仮定する。
【００３０】
図２は、インクジェットプリントヘッド１００の部分の平面図を示す。２つの行に互いにかみ合うように、中央に配列されたノズル３０、及び、インク室１２、熱的に作動されるインクジェットユニット１１０の配列が示されている。インクジェットユニット１１０は、マイクロエレクトロニック製造法を使用して基板１０上に形成される。滴エミッタ１１０を形成するのに使用される例示の製造シーケンスは、２０００年１１月３０日に出願された、名称”熱アクチュエータ（Ｔｈｅｍａｌ  Ａｃｔｕａｔｏｒ）”の米国特許出願番号０９／７２６，９４５に開示されている。
【００３１】
各滴エミッタユニット１１０は、熱アクチュエータの熱−機械ベンダ部分２５の第１デフレクタ層内の電気抵抗ヒータ部分で形成され又はそれに接続された、そして、以下に記載する熱機械効果に参加する、関連する第１の組みの電極４２，４４を有する。各インクジェットユニット１１０は、熱アクチュエータの熱−機械ベンダ部分２５の第２デフレクタ層内の電気抵抗ヒータ部分で形成され又はそれに接続された、そして、以下に記載する熱機械効果に参加する、関連する第２の組みの電極４６，４８を有する。第１及び第２のデフレクタ層に形成されたヒータ抵抗部分は互いの上にあり図２で破線により示されている。プリントヘッド１００の要素８０は、マイクロエレクトロニック基板１０と液体サプライ、電気信号及び、機械的インターフェース特徴を相互に接続する他の手段のためのマウンティング面を設けるマウンティング構造である。
【００３２】
図３ａは、単一の滴エミッタユニット１１０の平面図を示し、ノズル３０を含む液体室カバー３３を有し、そして、第２の平面図、図３ｂは、除去されている。図３ａで破線で示された熱アクチュエータ１５は、図３ｂでは、実線で示されている。熱アクチュエータ１５の片持ちばり要素２０は、基板１０に形成された液体室１２のエッジ１４から伸びる。片持ちばり要素部分３４は、基板１０に張りつけられておりこれは、片持ちばりを固定するベース要素として働く。
【００３３】
アクチュエータの片持ちばり要素２０は、パドルの、伸びた、先細の平面シャフトの、最終的なシャフト幅よりも大きな直径のディスクで終わる形状を有する。この形状は、単に、使用されうる片持ちばりアクチュエータを示し、多くの他の形状も以下に記載のように、適用可能である。ディスク形状は、ノズル３０を、片持ちばり要素自由端の先端３２の中心に、整列する。液体室１２は、自由端の先端３２の曲率に一致する曲線の壁部分を１６に有し、アクチュエータの移動のためにクリアランスを提供するために離れている。
【００３４】
図３ｂは、第２の組みの電極４６と４８で、熱−機械ベンダ部分２５の第２デフレクタ層に形成された（破線で示された）第２のヒータ抵抗２７への電気パルスのソース２００の取りつけを示す。電極４６と４８に電圧差が与えられ、第２デフレクタ層に抵抗加熱を発生する。第1デフレクタ層内に形成された第1のヒータ抵抗２６は、第２のヒータ抵抗２７（及び障壁層）の下に隠れているが、しかし、第１の組の電極４２と４４に接触するように破線で示されている。電極４２と４４に電圧差が与えられ、第１デフレクタ層に抵抗加熱を発生する。ヒータ抵抗２６と２７は、それらがパターン化されている層へ空間熱パターンを供給するように設計されている。電気パルスのソース２００へ接続された、４つの別の電極４２、４４、４６及び、４８として示されているが、各電極の組の１つのメンバは、共通点で接触し、それにより、抵抗２６と２７は、電気パルスのソース２００からの３入力を使用してアドレスされることが可能である。
【００３５】
図３ａ−３ｂの平面図では、アクチュエータ自由端３２は、第１デフレクタ層が第１抵抗２６により適切に加熱されたときに見る人に向かって移動し、そして、滴が液体室カバー３３内のノズル３０から見る人に向かって放射される。この外形と滴放射は、多くのインクジェットの開示では、”ルーフシューター”と呼ばれている。アクチュエータ自由端３２は、第２デフレクタ層が第２のヒータ抵抗２７により加熱されるときに、図３ａ―３ｂの見る人とノズル３０から遠くへ移動する。ノズル３０から遠くへのこの自由端３２の作動は、公称位置へ片持ちばり要素２０を復帰し、ノズル３０で液体メニスカスの状態を変え、液体室１２内の液体圧力を変え又は、幾つかのこれらの組み合わせ及び他の効果を行うのに使用される。
【００３６】
図４ａ−４ｃは、本発明の好ましい実施例に従った片持ちばり熱アクチュエータ１５の側面図を示す。図４ａでは、熱アクチュエータ１５は、第１の位置にありそして、図４ｂでは第２の位置へ上方に偏向されて示されている。図４ａと４ｂの側面図は、図３ｂの平面図の線Ａ−Ａに沿って形成される。側面図４ｃでは、図３ｂの平面図の線Ｂ−Ｂに沿って形成され、熱アクチュエータ１５は、第３の位置へ下方へ偏向されている。片持ちばり要素２０は、熱アクチュエータのベース要素として働く、基板１０に固定されている。片持ちばり要素２０は、基板ベース要素１０の壁エッジ１４から長さＬで伸びる熱−機械ベンダ部分２５を含む。熱−機械ベンダ部分２５は、基板１０に隣接するベース端２８と、自由端の先端３２に隣接する自由端２９を有する。片持ちばり要素２０と熱−機械ベンダ部分２５の全体の厚みｈは、図４に示されている。
【００３７】
熱−機械ベンダ部分２５を含む、片持ちばり要素２０は、幾つかの層又は積層で構成される。層２２は、片持ちばり要素２０の他の層に関して熱的に引き伸ばされているときに、上方への偏向を起こす、第１デフレクタ層である。層２４は、片持ちばり要素２０の他の層に関して熱的に引き伸ばされているときに、熱アクチュエータ１５の下方への偏向を起こす、第２デフレクタ層である。第１と第２デフレクタ層は、実質的に同じ熱−機械効果で温度に応答する材料で構成されるのが好ましい。
【００３８】
第２デフレクタ層は、両者が熱的に平衡のときに、機械的に第１デフレクタ層を均衡させ、そして逆にする。この均衡は、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の両方に同じ材料を使用することにより、容易く達成される。均衡は以下に記載のように、実質的に等しい熱膨張率と他の特性を有する材料を選択することによっても達成される。
【００３９】
本発明の幾つかの実施例について、第２デフレクタ層２４は、第２の均一の抵抗部分２７でパターン化されない。これらの実施例については、第２デフレクタ層２４は、片持ちばり要素２０が一様な内部温度に達するときに機械的に第１デフレクタ層と均衡する、受動復帰層として動作する。
【００４０】
片持ちばり要素２０は、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間に挿入された障壁層２３も有する。障壁層２３は、第１デフレクタ層２２を構成するのに使用される材料の熱伝導率に関して低い熱伝導率を有する材料により構成される。障壁層２３の厚さと熱伝導率は、第１デフレクタ層２２から第２デフレクタ層２４への熱伝導のために望ましい時定数τBを供給すように選択される。障壁層２３は、第１と第２デフレクタ層の電気抵抗ヒーター部分に対する、電気的絶縁及び、部分的な物理的定義、を提供する誘電絶縁体でもよい。
【００４１】
障壁層２３は、片持ちばり要素２０の、熱流管理、電気的な分離、及び、層の強い結合の最適化を可能とするために、サブ層、１つ以上の材料の積層、で構成される。障壁層２３の複数のサブ層構成は、第１及び第２デフレクタ層のヒータ抵抗を形成するのに使用されるパターン化製造プロセスの区別を補助する。
【００４２】
第１と第２のデフレクタ層２２と２４は、同様に、片持ちばり要素２０の、電気パラメータの機能、厚み、熱膨張効果の均衡、電気的絶縁、及び、層の強い結合の最適化、等、を可能とするために、サブ層、１つ以上の材料の積層、で構成される。第１及び第２デフレクタ層２２と２４の複数のサブ層の構成は、第１及び第２デフレクタ層のヒータ抵抗を形成するのに使用されるパターン化製造プロセスの区別を補助する。
【００４３】
本発明の幾つかの代わりの実施例では、障壁層２３は、低熱膨張率を有する誘電体及び、材料で構成される厚い層として設けられ、そして、第２デフレクタ層２４は除去される。これらの実施例については、誘電体材料障壁層２３は、２層熱−機械ベンダ内の第２層の役割を行う。大きな熱膨張率を有する第１デフレクタ層２２は、障壁層２３のこの場合に、第２の層に対して伸張することにより偏向力を供給する。
【００４４】
図４ａ−４ｃに示されている不動態化層２１とオーバー層３８は、化学的及び電気的に片持ちばり要素２０を保護するために設けられている。そのような保護層は、本発明に従った熱アクチュエータの幾つかの応用には必要なく、そのような場合には除去される。動作液体により１つ又はそれ以上の面が接触される熱アクチュエータを使用する液滴エミッタは、不動態化層２１と０３８を必要とし、これらは、動作液体に化学的及び電気的に不活性とされる。
【００４５】
図４ｂでは、熱パルスが第１デフレクタ層２２に印加され、温度を上昇させ引き伸びる。第２デフレクタ層２４は、障壁層２３がそれへ即時に熱伝導するのを防ぐので、最初は伸びない。温度差、これゆえ、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間の伸張は、片持ちばり要素２０を上方へ曲げる。滴エミッタ内でアクチュエータとして使用されるときに、片持ちばり要素２０の曲げ応答は、ノズルで液体に圧力を加えるのに十分に高速でなければならない。典型的には、第１デフレクタ層の第１のヒータ抵抗２６は、１０μ秒より短い電気パルス継続時間そして、好ましくは、４μ秒より短い継続時間が使用されるときに、適切な熱パルスを印加するように適応される。
【００４６】
図４ｃでは、熱パルスが第２デフレクタ層２４に印加され、温度を上昇させ引き伸びる。第１デフレクタ層２２は、障壁層２３がそれへ即時に熱伝導するのを防ぐので、最初は伸びない。温度差、これゆえ、第２デフレクタ層２４と第１デフレクタ層２２の間の伸張は、片持ちばり要素２０を下方へ曲げる。典型的には、第２デフレクタ層の第２のヒータ抵抗２７は、１０μ秒より短い電気パルス継続時間そして、好ましくは、４μ秒より短い継続時間が使用されるときに、適切な熱パルスを印加するように適応される。
【００４７】
熱アクチュエータの応用に依存して、電気パルスのエネルギ及び、その結果の片持ちばり曲げの対応する量は、他に対して偏向の１方向に大きくなるように、選択されうる。多くの応用では、１方向の変更は、主な物理作動イベントである。反対方向への偏向は、そして、前設定状態の又は静止の第１の位置へ片持ちばり要素を復帰させる、片持ちばり変位を小さく調整するのに使用される。
【００４８】
図５から１３ｃは、本発明のいくつかの好ましい実施例に従って、単一液滴エミッタを構成する製造処理ステップを示す。これらの実施例については、第１デフレクタ層２２は、チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような、電気抵抗材料を使用して構成され、そして、部分が電流を流す抵抗にパターン化される。第２デフレクタ層２４も、チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような、電気抵抗材料を使用して構成され、そして、部分が電流を流す抵抗にパターン化される。誘電体障壁層２３は、第１と第２デフレクタ層の間に形成され、デフレクタ層間の熱伝導タイミングを制御する。
【００４９】
本発明の他の実施例については、第２デフレクタ層２４は省略され、そして、厚い障壁層２３が、片持ちばり要素熱アクチュエータの２層熱−機械ベンダ部分を形成する、高膨張第１デフレクタ層２２と共に、低熱膨張第２層として働く。
【００５０】
図５は、製造の第１段階の図３ｂに示されたような、片持ちばりの第１デフレクタ層２２部分の外観を示す。例えば、チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような、高熱膨張率を有する第１の材料が、配置され、そして、第１デフレクタ層構造を形成するためにパターン化される。示された構造は、標準のマイクロエレクトロニクス積層及びパターン化法により、例えば、単一の結晶シリコンのような、基板１０上に形成される。合金のチタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）の積層は、例えば、ＲＦ又はパルス化ＤＣマグネトロンスパッタリングにより実行される。第１デフレクタ層２２は、第１のヒータ抵抗を部分的に形成するようにパターン化される。第１デフレクタ層の自由端の先端３２部分は、基準としてラベル付けされる。第１の組の電極４２と４４は、最終的に電気パルスのソース２００に取りつけられる。
【００５１】
図６は、製造の次のステップの外観を示し、導体材料が積層されそしてパターン化され第１デフレクタ層２２内の第１のヒータ抵抗２６の形成が完了する。典型的には、導体層は、アルミニウムのような金属導体で形成される。しかしながら、全体的な製造処理設計の考慮は、金属よりも低導電率を有するが電気抵抗材料よりも実質的に高い導電率を有する、珪素化合物（シリサイド、ｓｉｌｉｃｉｄｅ）のような、他のより高い温度材料により、よりよく供給される。
【００５２】
第１のヒータ抵抗２６は、第１デフレクタ層２２の第１の材料で形成されるヒータ抵抗セグメント６６、入力電極４２から入力電極４４へ直列に電流を流す電流結合素子６８及び、第１の抵抗に入力される電気エネルギの電力密度を修正する電流シャント６７より構成される。ヒータ抵抗セグメント６６と電流シャント６７は、第１デフレクタ層内に、空間熱パターンを確立するように設計される。電流経路は、矢印と文字”Ｉ”により示されている。
【００５３】
各電極４２と４４は、基板１０上に前に形成された回路と接触し、又は、テープ自動化ボンディング（ＴＡＢ）又はワイアボンディングのような、他の標準電気相互接続法により外部的に接触される。不動態化層２１が、第１材料の積層及びパターン化の前に、基板１０上に形成される。この不動態化層は、デフレクタ層２２と他の後続の構造の下に残され、又は後続の処理でパターン化されて取られる。
【００５４】
図６に示されたものへの代わりのアプローチは、示された電流シャントパターンと同様に空間パターンを更に大きく導電性にするために、第１デフレクタ層材料の抵抗率を修正する。増加された導電率は、元の場所で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）第１層２２を形成する電気的材料を処理することにより、達成される。導電率を上げる元の場所の（ｉｎ  ｓｉｔｕ）処理の例は、レーザアニーリング、マスクを通してのイン注入、又は、熱拡散ドーピングを含む。
【００５５】
図７は、前に形成された第１デフレクタ層２２と第１のヒータ抵抗２６上に、積層され且つパターン化された障壁層２３の外観を示す。障壁層２３材料は、第１デフレクタ層２２と比較して低熱伝導率を有する。例えば、障壁層２３は、二酸化珪素、ちっ化珪素、酸化アルミニウム又は、これらの材料等の多層化された積層でもよい。障壁層２３材料は、前述の第１のヒータ抵抗のための電気的な不動態化を提供する、良好な電気絶縁体、誘電体でもよい。
【００５６】
障壁層２３材料が第１デフレクタ層２２材料と第２デフレクタ層２４材料の両方よりも実質的に小さい熱伝導率を有する場合には、熱アクチュエータの好ましい効率が、実現される。例えば、酸化ケイ素のような、誘電体酸化物は、チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような合金材料よりも数オーダー小さな大きさの熱伝導率を有する。低熱伝導率は、障壁層２３を第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４に対して薄くすることを可能とする。障壁層２３により蓄積される熱は、熱−機械作動プロセスについては、有効でない。障壁層の体積を最小化することは、熱アクチュエータのエネルギ効率を改善しそして、偏向された位置から開始する第１の位置への高速な復帰を助ける。障壁層２３の熱伝導率は、好ましくは第１デフレクタ層又は第２デフレクタ層の熱導電率の半分より小さいか又は、更に好ましくは１０分の１である。
【００５７】
本発明の幾つかの実施例では、障壁層２３は第１デフレクタ層の厚みと同等か又は大きな厚みを有する厚い層として形成される。これらの実施例では、障壁層２３は、片持ちばり要素熱アクチュエータの２層熱−機械ベンダ部分を構成する、高熱膨張第１デフレクタ層２２とともに、低熱膨張率第２層を提供する。これらの実施例では、図８−１０に示された次の２又は３製造ステップは、省略されうる。
【００５８】
図８は、片持ちばり要素熱アクチュエータの第２デフレクタ層２４の外観を示す。例えば、チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような、高い熱膨張率を有する第２材料は、第２デフレクタ層構造を形成するために、積層されそしてパターン化されている。第２デフレクタ層２４は、第２のヒータ抵抗を形成するために部分的にパターン化されている。第２デフレクタ層の自由端の先端３２部分は、基準にラベル付けされている。
【００５９】
示された実施例では、第２の組の電極４６と４８は、第２のヒータ抵抗をアドレスするために、障壁層２３上に置かれた第２デフレクタ層２４材料に形成され、第１の組の電極４２と４４の何れかの側の位置に接触する。電極４６と４８は、基板１０に前に形成された回路と接触し又は、又は、テープ自動化ボンディング（ＴＡＢ）又はワイアボンディングのような、他の標準電気相互接続法により外部的に接触される。
【００６０】
図９は、製造の次のステップの外観を示す図であり、導体材料は積層され且つパターン化され、第２デフレクタ層２４に、第２ヒータ抵抗２７が形成されている。典型的には、導体層はアルミニウムのような金属導体で形成される。しかしながら、全体的な製造処理設計の考慮は、金属よりも低導電率を有するが電気抵抗材料よりも実質的に高い導電率を有する、珪素化合物（シリサイド、ｓｉｌｉｃｉｄｅ）のような、他のより高い温度材料により、よりよく供給される。
【００６１】
第２のヒータ抵抗２７は、第２デフレクタ層２４の第１の材料で形成されるヒータ抵抗セグメント６６、入力電極４６から入力電極４８へ直列に電流を流す電流結合素子６８及び、第２のヒータ抵抗に入力される電気エネルギの電力密度を修正する電流シャント６７より構成される。ヒータ抵抗セグメント６６と電流シャント６７は、第２デフレクタ層内に、空間熱パターンを確立するように設計される。電流経路は、矢印と文字”Ｉ”により示されている。
【００６２】
図９に示されたものへの代わりのアプローチは、示された電流シャントパターンと同様に空間パターンを更に大きく導電性にするために、第２デフレクタ層材料の抵抗率を修正する。増加された導電率は、元の場所で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）第２層２４を形成する電気的材料を処理することにより、達成される。導電率を上げる元の場所の（ｉｎ  ｓｉｔｕ）処理の例は、レーザアニーリング、マスクを通してのイン注入、又は、熱拡散ドーピングを含む。
【００６３】
本発明のいくつかの好ましい実施例では、第２デフレクタ層２４は、ヒータ抵抗部分を構成するためにパターン化されていない。これらの実施例については、第２デフレクタ層２４は、片持ちばり要素２０が一様な内部温度に達するときに機械的に第１デフレクタ層と均衡する、受動復帰層として動作する。電気的入力パッドの代わりに、熱経路リードが、基板１０のヒートシンクと接触するために、第２デフレクタ層２４に形成されうる。熱経路リードは、作動後に片持ちばり要素２０から熱を除去するのに役立つ。熱経路効果は、図４０に関して、以下に説明する。
【００６４】
本発明の幾つかの好ましい実施例では、例えば、合金チタンアルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のような、同じ材料が、第２デフレクタ層２４と第１デフレクタ層２２の両方に使用される。この場合には、合金マスキングステップが、以前に線引きされた第１デフレクタ層２２形状を乱すことなしに、第２デフレクタ層２４形状のパターン化を可能とするために必要である。代わりに、障壁層２３が、２つの異なる材料の積層層を使用して、製造され、その１つは、適所に残され、第１の組の電極４２と４４、電流シャント６７及び、電流結合素子６８を保護し、一方、第２デフレクタ層２４をパターン化し、そして、図８と９に示された片持ちばり要素中間構造となるように除去される。
【００６５】
図１０は、化学的及び電気的保護のための、第２デフレクタ層と第２のヒータ抵抗上に与えられる不動態化材料オーバー層３８を加えた外観を示す。熱アクチュエータが化学的又は電気的に活性な材料と接触しない応用については、不動態化オーバー層３８は省略される。また、この段階では、初期不動態化層２１が、クリアランス領域３９からパターン化除去される。クリアランス領域３９は、動作液体が基板１０で後にエッチングされる開口から通過する位置であり、又は、熱アクチュエータ１５の片持ちばり要素の自由な移動を許すために必要なクリアランスである。
【００６６】
図１１は、滴エミッタの室の内部の形状に形成される、犠牲層３１の追加の外観を示しす。この目的のための好ましい材料は、ポリイミドである。ポリイミドは、これまで片持ちばり要素を構成するために使用された全ての層と材料のトポグラフィを有する、面を平面化するために、十分に深く装置基板に与えられる。隣接する材料に関して選択的に除去されることが可能などのような材料も、犠牲層３１を構成するために使用されうる。
【００６７】
図１２は、犠牲層３１上に、プラズマ積層酸化ケイ素、ちっ化物又は同様なもののような、等写の材料を積層することにより形成された的エミッタ液体室とカバーの外観を示す。この層は滴エミッタ室カバー３３を形成するようにパターン化される。ノズル３０が滴エミッタ室に形成され、犠牲材料層３１へ伝達し、これは、製造シーケンスのこの段階で、滴エミッタ室カバー３３内に残る。
【００６８】
図１３ａ−１３ｃは、図１２でＡ−Ａとして示された部分を通しての装置の側面図を示す。図１３ａでは、犠牲層３１がノズル３０を除いて、滴エミッタ室カバー３３内に囲まれている。また、図１３ａに示されているように、基板１０はそのままである。不動態化層２１は、ギャップ領域１３内で基板１０の面から除去されておりそして、片持ちばり要素２０の周辺の周りは、図１０のクリアランス領域３９として示されている。これらのクリアランス領域３９内の層２１の除去は、犠牲層３１を構成する前の製造段階でなされた。
【００６９】
図１３ｂでは、片持ちばり要素２０の下のそして、液体室領域周りのそして、片持ちばり要素２０のそばの、基板１０が除去される。除去は、反応性イオンエッチングのような又は、使用される基板が単結晶シリコンの場合については配向依存エッチングのような、異方性エッチングプロセスによりなされうる。熱アクチュエータを単独で構成するために、犠牲構造と液体室捨てが必要であり、そして基板１０をエッチングするこのステップ片持ちばり要素を開放するのに使用される。
【００７０】
図１３ｃでは、犠牲材料層３１は、酸素とフッ素源を使用するドライエッチングにより除去される。エッチング用の腐食ガスが、ノズル３０を介してそして、基板１０の背面から前にエッチングされた、新たに開けられた液体供給室領域１２から、入る。このステップは、片持ちばり要素２０を解放しそして、液滴エミッタ構造の製造を完了する。
【００７１】
図１４ａと１４ｂは、本発明の幾つかの好ましい実施例に従った、液滴エミッタ構造の側面を示す。図１４ａと１４ｂの側面図は、図１２のＡ−Ａとして示された線に沿って形成される。図１４ａは、ノズル３０に隣接する第１の位置の片持ちばり要素２０を示す。液体メニスカス５２は、ノズル３０の外の縁にある。図１４ｂは、ノズル３０に向かった片持ちばり要素２０の自由端の先端３２の偏向を示す。片持ちばり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のヒータ抵抗２６に取りつけられた第１の組の電極４２と４４に電気パルスを印加することにより発生する（図４ｂ参照）。この第２の位置への片持ちばり要素の高速の偏向は、流体６０に圧力を加え、ノズル３０でメニスカス圧力を超えてそして、滴５０が放射される。
【００７２】
図１５と１５ｂは、本発明の好ましい幾つかの実施例に従って、液滴エミッタ構造の側面図を示す。図１５と１５ｂの側面図は、図１２のＢ−Ｂで示された線に沿って形成される。図１５ａは、ノズル３０に隣接する第１の位置の片持ちばり要素２０を示す。液体メニスカス５２は、ノズル３０の外の縁にある。図１５ｂは、ノズル３０から離れる片持ちばり要素２０の自由端の先端３２の偏向を示す。片持ちばり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のヒータ抵抗２７に取りつけられた第２の組みの電極４６と４８に電気パルスを印加することにより発生する（図４ｃ参照）。この下方への片持ちばり要素の偏向は、流体６０にノズル３０付近で負の圧力を加え、メニスカス５２をノズル３０の低い内部縁領域へ引き戻す。
【００７３】
示されている片持ちばり要素形式の動作するエミッタでは、静止第１位置は図４ａ、１４ａ、１５ａ及び、３９ａに示された水平状態よりも、片持ちばり要素２０が部分的に曲げられた状態でも良い。アクチュエータは、１つ又はそれ以上のマイクロエレクトロニクス積層又は硬化処理後に残る内部応力のために、室温で上方又は下方へ曲げられてもよい。装置は、種々の目的のために、熱管理設計及びインク特性制御を含む、上昇された温度で動作される。そのような場合には、第１の位置は実質的に曲げられる。
【００７４】
ここでの本発明の記載の目的のために、片持ちばり要素は、自由端が偏向位置に大きく変化しないときには、静止又は第１の位置にあるといわれる。理解の容易のために、第１の位置は、図４ａ、１４ａ、１５ａ及び、３９ａに水平として示されている。しかしながら、曲げられた第１の位置に関する熱アクチュエータの動作は、知られており、そして、本発明の発明者により予想されそして、本発明の完全に範囲内である。
【００７５】
図５から１３ｃは、好ましい製造プロセスを示す。しかしながら、良く知られたマイクロエレクトロニクス製造プロセスと材料を使用した、多くの他の構成アプローチも、ある。本発明の目的のために、第１デフレクタ層２２、障壁層２３及び、オプションで、第２デフレクタ層２４を含む片持ちばり要素となるどのような製造プロセス使用できる。これらの層は、サブ層又は積層より構成され、その場合には、個々の積層の特性の合計からの熱−機械動作となる。更に、図５から１３ｃの示された製造シーケンスでは、液滴エミッタの滴室カバー３３とノズル３０は、基板１０の元の場所に形成された。代わりに、熱アクチュエータは、別々に構成されそして、液滴エミッタを形成するために、液体室構成要素に結合されることが可能である。
【００７６】
本発明の発明者は、片持ちばり要素熱アクチュエータの効率は、重要に、熱−機械ベンダ部分の形状に影響されることを見つけた。片持ちばり要素は、滴エミッタ、スイッチ、バルブ、光反射器等の、マイクロエレクトロニック装置応用の要求に合うように、十分な偏向の量となるのに十分な長さを有するように設計される。熱膨張差、剛性、厚み及び、熱−機械ベンダ部分の層に関連する他の係数の詳細は、片持ちばり要素についての適切な長さを決定するのに考慮される。
【００７７】
片持ちばり要素の幅は、作動中に達成できる値からを決定するのに重要である。熱アクチュエータの多くの応用については、作動は、質量を移動し、そして反対力に打ち勝たねばならない。例えば、液滴エミッタで使用されるときには、熱アクチュエータは、滴を放射するのに十分な圧力パルスを発生するために、液体の質量を加速しそして、背圧力に打ち勝たねばならない。スイッチ及びバルブに使用されるときには、アクチュエータは、良好な接触と密閉を達成するために材料を圧縮しなければならない。
【００７８】
一般的には、与えられた長さと材料層構造について、発生されうる力は、片持ちばり要素の熱−機械ベンダ部分の幅に比例する。熱−機械ベンダの簡単な設計は、従って、幅がｗ０で長さがLの矩形のビームであり、ここで、熱−機械材料と層構造の所定の組みについて、Ｌは適切なアクチュエータ偏向を発生するように選択されそして、ｗ０は作動の適切な力を発し得するように選択される。
【００７９】
上述の簡単な矩形形状は、熱−機械ベンダについての最もエネルギ効率の良い形状ではないことが、本発明の発明者により見つけられた。むしろ、片持ちばり要素の固定された端から自由端の狭い幅へ、熱−機械ベンダ部分の幅が減少すると、ベンダの所定の領域に対してより大きな力が発生することが、見つけられた。
【００８０】
図１６ａと１６ｂは、本発明に従った片持ちばり要素２０と熱−機械ベンダ部分６２と６３の平面図を示す。熱−機械ベンダ部分６２と６３は、ベース要素アンカ位置１４から自由端の先端３２への接続１８の位置へ伸びる。熱−機械ベンダ部分の幅は、実質的に、ベース端ｗｂでの方が、自由端ｗｆよりも大きい。図１６ａでは、熱−機械ベンダの幅は、ｗｂからｗｆへ線形に減少し、台形の形状の熱−機械ベンダ部分を生成する。図１６ａに示されたように、ｗｂとｗｆは、台形の熱−機械ベンダ部分６３の領域は、同じ長さＬと幅ｗ０＝１／２（ｗｂ＋ｗｆ）を有する、図１６ａの破線で示された、矩形の熱−機械ベンダ部分９０の領域と等しいように選択される。
【００８１】
図１６ａに示された線形先細形状は、図１６ｂに示された、本発明に従った一般的な先細形状の特別な場合である。図１６ｂに示された、一般的な先細熱−機械ベンダ部分６２は、幅ｗ（ｘ）を有し、これは、基板１０のアンカー位置１４でのｗｂから、距離Ｌの自由端の先端３２への接続位置１８でのｗｆへ、距離ｘの関数として、単調に減少する。図１６ｂでは、熱−機械ベンダ部分６２の幅が単調に減少する距離をわたり、距離変数ｘは、範囲ｘ＝０→１をカバーするように即ち、長さＬにより正規化された単位で、表現される。
【００８２】
先細形状の熱−機械ベンダ部分６２と６３の有益な効果は、そのような形状を有するビームの曲げへの抵抗を分析することにより理解される。図１７ａと１７ｂは、閉じられた形式で分析的に調査される第１の形状を示す。図１７ａは、第１デフレクタ層２２と第２層２３より構成される片持ちばり要素２０の外観を示す。線形に先細の（台形の）熱−機械ベンダ部分６３は、基板１０のアンカー位置１４から自由端の先端３２へ伸びる。負荷又は背圧を示す力Ｐが、図１７ａの負のｙ−方向に、熱−機械ベンダ部分６３の片持ちばり要素の自由端の先端３２と接続する自由端２９へ、垂直に与えられる。
【００８３】
図１７ｂは、以下で分析に使用される、台形化熱−機械ベンダ部分６３の幾何学的特徴の平面図を示す。線形の先細の量は、図１７ｂで角度θで、そして、図１６ｂで差の幅δｗ０／２として、示されていることに、注意する。先細のこれらの２つの記述は、次のような関係を有する：ｔａｎθ＝δｗ０／２。
【００８４】
熱−機械ベンダ部分６３は、アンカー位置１４に固定され（ｘ＝０）そして、自由端２９位置１８（ｘ＝Ｌ）で力Ｐが当てられており、多層構造の、全体的な厚みｈ，及び、実効ヤング率Ｅのような、幾何学的なパラメータに基づく平衡形状を仮定する。アンカー接続は、移動することから防ぐ片持ちばり要素上で、力Ｐの反対の方向へ、力を及ぼす。従って、固定されたベース端からの距離ｘで、熱−機械ベンダ部分上に作用する、正味のモーメントＭ（ｘ）は、
Ｍ（ｘ）＝Ｐｘ−ＰＬ      （１）
である。
【００８５】
熱−機械ベンダ部分６３は、ビーム剛性Ｉ（ｘ）とヤング率Ｅとして表される幾何形状ファクタに従って、印加されたモーメントＭ（ｘ）に応答して、曲げに抵抗する。従って、
【００８６】
【数１】
2004160650.tif 000003
である。
【００８７】
上述の式４は、ｙ（ｘ）、幾何学的パラメータの関数としての熱−機械ベンダメンバの偏向、材料パラメータ及び、Ｌの単位で現された、固定のアンカー位置からの距離ｘ、の微分方程式である。式４は、境界条件ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０を使用して、ｙ（ｘ）について解かれる。
【００８８】
本発明の幅形状を減少させることに、比較するために、基礎又は公称の場合を確立するために、矩形の熱−機械ベンダ部分について、最初に式４を解くのが有益である。従って、図１６ａの破線に示された矩形の形状について、
【００８９】
【数２】
2004160650.tif 000004
矩形熱−機械ベンダ部分６３の自由端で、ｘ＝１．０、ビームの偏向、負荷Ｐに応答して、ｙ（１）は、
【００９０】
【数３】
2004160650.tif 000005
である。
【００９１】
矩形熱−機械ベンダ部分の自由端２９の偏向、ｙ（１）は、上述の式９で示されており、正規化係数として以下に分析で使用される。即ち、本発明に従って減少する幅を有する熱−機械ベンダ部分の負荷Ｐの下での偏向の量は、分析され矩形の場合と比較される。本発明の熱−機械ベンダ部分は、等しい負荷又は背圧により、同じ長さＬと平均幅ｗ０を有する矩形熱−機械ベンダ部分よりも、少なく変位されることが示されている。本発明に従った熱−機械ベンダ部分の形状が負荷力と背圧力に対して更に抵抗があるので、矩形熱−機械ベンダと比較して、同じ熱エネルギの入力により、更に大きな偏向と更に力のある偏向が達成される。
【００９２】
図２，３，１６及び、１７に示された台形形状の熱−機械ベンダ部分は、本発明の好ましい実施例である。熱−機械ベンダ部分６３は、ベース端幅ｗｂから自由端幅ｗｆへ、基板１０のアンカー位置１４からの距離、ｘの線形な関数で、狭くなるように設計される。更に、得られる改善された効率を明確にするために、台形形状の熱−機械ベンダ部分は、上述の式５で記載される、矩形形状の熱−機械ベンダ部分と、同じ長さL及び、領域ｗ０Lを有するように設計される。台形形状幅関数ｗ（ｘ）は、
【００９３】
【数４】
2004160650.tif 000006
として表現される
線形幅関数、式１０を、微分方程式４に挿入すると、自由端２９での、負荷Pに応答する、台形形状の熱−機械ベンダ部分６３の偏向の計算、ｙ（ｘ）を可能とする。
【００９４】
【数５】
2004160650.tif 000007
ここで、上述の式１２のＣ０は、矩形熱−機械ベンダ部分の場合の式７−９で見つかるのと同じ定数Ｃ０である。量δは、ｗ０の単位での先細の量を示す。更に上述の式１２は、δ→０のような矩形の場合については、式７となる。
【００９５】
先細形状の熱−機械ベンダ部分の有益な効果は、更に、自由端２９で、負荷Ｐで誘起された偏向の量を試験しそして、矩形形状の場合について見つけられた、偏向の量、−Ｃ０／３、により正規化することにり、理解される（式９参照）。自由端で正規化された偏向は、指定された
【００９６】
【数６】
2004160650.tif 000008
であり：
【００９７】
【数７】
2004160650.tif 000009
である。
【００９８】
正規化された自由端偏向、
【００９９】
【数８】
2004160650.tif 000010
は、図１８にδの関数として、曲線２０４にプロットされている。図１８の曲線２０４は、δが増加すると、熱−機械ベンダ部分は印加された負荷Ｐの下でより少なく偏向することを示す。実際的な実行では、暗示された自由端を狭くすることも、自由端の先端３２が熱−機械ベンダ部分６３と接続する片持ちばり要素２０内の弱い自由端位置１８を導くので、δは、δ＝０．７５を超えて大きく増加できない。
【０１００】
図１８の正規化された自由端偏向プロット２０４は、先細の又は台形の形状の熱−機械ベンダ部分は、アクチュエータ負荷又は、液体移動装置の場合には背圧に更に効率的に抵抗することを示す。例えば、幅ｗ０＝２０μｍ及び長さＬ＝１００μｍの、典型的な矩形熱アクチュエータが、自由端でｗｆ＝１０μｍに狭められそし、てベース端でｗｂ＝３０μｍに広げられる場合には、δ＝０．５である。そのような先細の熱−機械ベンダ部分は、同じ面積の２０μｍ幅の矩形熱アクチュエータよりも、〜１８％より小さく偏向される。これは、同じ熱エネルギーでパルス化されたときに、先細の熱−機械ベンダ部分の改善された負荷抵抗が、作動力の増加と正味の自由端変更に変換される。代わりに先細の形状の改善された力効率は、低エネルギ加熱パルスを使用しながら、同じ量の力を提供する。
【０１０１】
図１６ｂに示されたように、ベース端から自由端へ幅が単調に減少する、熱−機械ベンダ部分についての多くの形状が、等しい面積と長さの矩形のベンダと比較して、作動負荷又は背圧への改善された抵抗を示す。これは、ビームの曲げの変化のレート、ｄ２ｙ／ｄｘ２は、ベース端での幅が増加するにつれて、減少することは、式４から分かる。
即ち、式４は、
【０１０２】
【数９】
2004160650.tif 000011
ｗ（ｘ）＝ｗ０の矩形の場合と比較すると、一定の、正規化された、単調に減少するｗ（ｘ）は、ベース端でのビームの傾斜の変化のレートについて小さな負の値となり、これは、与えられた負荷Ｐの下で下方に偏向される。従って、自由端、ｘ＝１、でのビーム偏向の累積された量は、低い。負荷に対する熱−機械ベンダ部分抵抗の有益な改善は、自由端が機械的に弱い長い構造を生成する点に狭められない条件で、ベース端幅が実質的に自由端幅よりも大きい場合に、存在する。用語、実質的に大きいは、少なくとも２０％より大きいことを意味するのに使用される。
【０１０３】
上述の線形の積細形状でなされたように、与えられる負荷Ｐを受ける、自由端の正規化された偏向、
【０１０４】
【数１０】
2004160650.tif 000012
を計算することにより、幅を単調に減少させる熱−機械ベンダ部分を特徴化することは、本発明の理解に有益である。自由端の正規化された偏向、
【０１０５】
【数１１】
2004160650.tif 000013
は、同様に構成された長さＬと一定の幅ｗ０の矩形の熱−機械ベンディング部分に対して、偏向が一貫する方法で比較されうるようにするために、最初に形状パラメータを正規化し、図１６ｂに示されたように任意の形状６２について計算される。任意の形状の熱−機械ベンダ部分６２の長さと沿った距離、ｘ、は、ｘがアンカー位置１４でｘ＝０から自由端位置１８でｘ＝１の範囲となるように、Ｌに対して正規化される。
【０１０６】
幅減少関数、ｗ（ｘ）、は、任意形状の熱−機械ベンダ部分６２の平均幅がｗ０であることを要求することにより、正規化される。即ち、正規化された幅減少関数
【０１０７】
【数１２】
2004160650.tif 000014
は、
【０１０８】
【数１３】
2004160650.tif 000015
となるように、形状パラメータを調整することにより形成される。
自由端での、正規化された偏向、
【０１０９】
【数１４】
2004160650.tif 000016
は、最初に正規化された幅減少関数
【０１１０】
【数１５】
2004160650.tif 000017
を微分方程式４に代入することにより、計算される：
【０１１１】
【数１６】
2004160650.tif 000018
ここで、Ｃ０は、上述の式８で与えられるのと同じ係数である。
【０１１２】
式１６は、熱−機械ベンダ部分６２に沿って偏向、ｙ（ｘ）、を決定するために２回積分される。積分法は、上述の、ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０の境界条件を受ける。更に、正規化幅減少関数
【０１１３】
【数１７】
2004160650.tif 000019
がステップを即ち、不連続を有する場合には、ｙとｄｙ／ｄｘは不連続点で連続することが要求される。ｙ（ｘ）は時油単位置１８、ｘ＝１、で評価され、量（−Ｃ０／３）、長さＬと幅ｗ０の矩形熱−機械ベンダの自由端偏向、により正規化される。結果の量は、自由端での正規化された偏向である、
【０１１４】
【数１８】
2004160650.tif 000020
：
【０１１５】
【数１９】
2004160650.tif 000021
である。
【０１１６】
自由端での正規化された偏向が、
【０１１７】
【数２０】
2004160650.tif 000022
の場合には、熱−機械ベンダ部分形状は、同じ面積を有する矩形形状よりも、負荷の下で、偏向へのより大きな抵抗である。そのような形状は、熱エネルギの同じ入力に対するより大きな偏向を有する又は、同等な矩形熱アクチュエータよりも小さな熱エネルギの入力で同じ偏向を有する、熱アクチュエータを生成するのに使用される。しかしながら、
【０１１８】
【数２１】
2004160650.tif 000023
の場合には、形状は、与えられた負荷又は背圧効果に対して抵抗が低くそして、矩形形状に対して不利である。
【０１１９】
自由点での正規化された偏向、
【０１２０】
【数２２】
2004160650.tif 000024
は、ここでは、熱−機械ベンダ部分の形状の、片持ちばり化熱アクチュエータの性能への貢献を特徴化し且つ評価するのに使用される。
【０１２１】
【数２３】
2004160650.tif 000025
は
【０１２２】
【数２４】
2004160650.tif 000026
を計算するための良く知られた数値積分法と評価式１７を使用して、任意の幅減少形状、ｗ（ｘ）、について決定されうる。
【０１２３】
【数２５】
2004160650.tif 000027
を有する全ての形状は、本発明の好ましい実施例である。
【０１２４】
本発明に従ったを実現する２つの代わりの形状は、図１９ａと１９ｂに示されている。図１９ａは、線形よりも大きい幅縮小、この場合にはｗｂからｗｆへの２次の幅の変化、を有する熱−機械ベンダ部分６４を示す：
【０１２５】
【数２６】
2004160650.tif 000028
である。
図１９ｂは、ｘ＝ｘｓで単一ステップ減少を有する、ステップ状に減少する熱−機械ベンダ部分６５を示す：
【０１２６】
【数２７】
2004160650.tif 000029
線形よりも大きな幅関数と式１９に示されたステップ状の代わりの形式は、更に本発明の理解を助ける、近い形式の解決方法へ影響を受けやすい。
【０１２７】
図１９ｃは、熱−機械ベンダ部分６５、薄膜抵抗６９へ、直接的に熱パルスを印加するように適応される代わりの装置を示す。薄膜抵抗は、完成後に又は中間段階で与えられる、片持ちばり要素２０と熱−機械ベンダ部分６５の構成前に、基板１０に形成される。そのような熱パルスの印加装置は、本発明のどのような熱−機械ベンダ部分設計とともに使用されてもよい。
【０１２８】
試験される最初のステップ状の熱−機械ベンダ部分６５は、Lの単位で、中間点ｘｓ＝０．５で、減少するものである。即ち、
【０１２９】
【数２８】
2004160650.tif 000030
ここで、δ＝（ｗｂ−ｗｆ）／２であり、熱−機械ベンダ部分６５の面積は幅ｗ０と長さLの矩形のベンダに等しい。式４は、ステップ化熱−機械ベンダ部分６５の自由端位置１８に与えられる負荷Pの下で経験される偏向ｙ（ｘ）について解かれる。境界条件ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０は、ステップｘｓ＝０．５でのｙとｄｙ／ｄｘの連続性を要求することにより、補われる。負荷Pのもとでの偏向ｙ（ｘ）は、
【０１３０】
【数２９】
2004160650.tif 000031
である。
【０１３１】
等しい面積と長さの矩形ベンダの自由端偏向により正規化された、自由端位置１８でのステップ化熱−機械ベンダ部分の偏向は、
【０１３２】
【数３０】
2004160650.tif 000032
である。
【０１３３】
式２２は、δの関数として、図２０のプロット２０６としてプロットされている。ステップ化熱−機械ベンダ部分６５は、その点でビームが弱くなりそして抵抗が減少する、約δ〜０．５までの部分について負荷Ｐへの抵抗は改善されることを示すことが分かる。〜．５ｗ０のステップ減少を選択することにより、ステップ化ビームは、等しい面積と長さの矩形熱−機械ベンダ部分よりも〜１６％以下の偏向をする。この増加された負荷抵抗は、δ＝０．５の先細部分を有する台形形状の熱−機械ベンダ部分について見られるのと同等である（図１８のプロット２０４参照）。
【０１３４】
図２０は、ステップ化熱−機械ベンダ部分６についての与えられたステップ位置についての最適な幅の減少があることを示す。それは、またステップ化熱−機械ベンダ部分の所定の部分幅減少について、最適ステップ位置ｘｓが存在しうる。以下の一般的な、１ステップ幅減少の場合が、分析され：
【０１３５】
【数３１】
2004160650.tif 000033
であり、ここで、ｆは、矩形熱−機械ベンダ部分に値する公称幅ｗ０と比較した自由端幅の割合であり、ｆ＝ｗｆ／ｗ０である。式２３は、前述の境界条件ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０と、ステップｘｓでのｙの連続性ｄｙ／ｄｘを使用して、微分式４に代入される。自由端位置１８での正規化された偏向は、
【０１３６】
【数３２】
2004160650.tif 000034
のようである。
【０１３７】
ｘｓの関数としての式２４の傾斜は、ｆの選択のために、ｘｓの最適値を決定するために試験され：
【０１３８】
【数３３】
2004160650.tif 000035
である。
式２５内の傾斜関数は、波状の中括弧内の分子がゼロであるときには、ゼロである。自由端の正規化偏向が最小値となるｆとｘｓの値、ｆｏｐｔとｘｓｏｐｔが、以下の関係：  
【０１３９】
【数３４】
2004160650.tif 000036
に従って、式２５から見つかる。
式２６で与えられるｆｏｐｔとｘｓｏｐｔの間の関係が図２１の曲線２２２にプロットされている。
【０１４０】
自由端の正規化された偏向についての最小値、
【０１４１】
【数３５】
2004160650.tif 000037
は、ステップ位置の場所に所定の選択に対して実現されうるが、ｆｏｐｔを上述の式２４に挿入することにより計算されうる。これは、達成される単一ステップ減少熱−機械ベンダ部分の自由端の正規された変更の最小値に対する式：
【０１４２】
【数３６】
2004160650.tif 000038
を生じる。
自由端の正規化変更についての最小値、
【０１４３】
【数３７】
2004160650.tif 000039
は、図２２に、ステップ位置の場所ｘｓの関数として、曲線２２４としてプロットされている。図２２から、熱−機械ベンダ部分についての標準矩形形状を超える、負荷抵抗の少なくとも１０％の改善を得るために、ステップ位置は、ｘｓ〜０．３から０．８４の範囲に選択されうることが、分かる。この範囲のｘｓの選択は、式２６に従ったｆｏｐｔの選択と結合し、自由端の正規化された変更の減少が０．９より低くなることを可能とする、即ち、
【０１４４】
【数３８】
2004160650.tif 000040
である。
【０１４５】
式２４で表現される自由端位置１８で、正規化偏向
【０１４６】
【数３９】
2004160650.tif 000041
は、自由端幅割合ｆとステップ位置ｘｓの関数として、図２３に輪郭プロットされている。図２３の輪郭は、ラベルが付されているように、
【０１４７】
【数４０】
2004160650.tif 000042
の範囲の、一定の
【０１４８】
【数４１】
2004160650.tif 000043
の線である。有益な単一ステップ幅減少形状は、
【０１４９】
【数４２】
2004160650.tif 000044
を有する。図２３の
【０１５０】
【数４３】
2004160650.tif 000045
輪郭より非常に小さな
【０１５１】
【数４４】
2004160650.tif 000046
の値となるパラメータｆとｘｓについての選択は、図２２からも理解されるように、ない。それらの、
【０１５２】
【数４５】
2004160650.tif 000047
のステップ化幅減少形状は、本発明の好ましい実施例ではない。これらの形状は図２３のプロットの下の左角でのパラメータ選択である。
【０１５３】
負荷の下で自由端の偏向に幾つかの有益な減少を生じる２つの変数ｆとｘｓの複数の組合せがあることは、図２３の輪郭プロットから理解されよう。例えば、図２３の
【０１５４】
【数４６】
2004160650.tif 000048
輪郭は、機械ベンディング部分は、ｘｓ＝０．４５又はｘｓ＝０．６８のいずれかのステップ位置を有するｆ＝０．５の自由端幅割合を有するように構成されうることを示す。
【０１５５】
閉じられた形式の解決方法へ影響を受けやすい線形よりも大きい幅減少関数形状が、図２４ａと２４ｂに示されている。図２４ａの熱−機械ベンディング部分９７と図２４ｂの熱−機械ベンディング部分９８は、以下の２次の形式を有する幅減少関数：
【０１５６】
【数４７】
2004160650.tif 000049
を有し、ここで、上記の式１５の形状正規化要求が、ｂとｃの関数としてパラメータ”ａ”についての関係：
【０１５７】
【数４８】
2004160650.tif 000050
となるようにする。
更に、熱−機械ベンディング部分の自由端が、ゼロより大きくなるように、ｃは：
【０１５８】
【数４９】
2004160650.tif 000051
を満たさなければならない。
図２４ａと２４ｂの破線形状９０は、２次形状９７と９８として、同じ長さＬと平均幅ｗ０を有する矩形熱−機械ベンダ部分を示す。
【０１５９】
図２４ａと２４ｂに示された、２次形状の熱−機械ベンダ部分９７と９８の潜在的に有益な効果は、式１７と上述の境界条件を使用して、自由端の正規化偏向
【０１６０】
【数５０】
2004160650.tif 000052
を計算することにより、理解されよう。式２８により与えられる
【０１６１】
【数５１】
2004160650.tif 000053
に対する式を、式１７に挿入して：
【０１６２】
【数５２】
2004160650.tif 000054
を生じ、ここで、ａは、式２９により規定されるようにｂとｃに関連し、そして、ｃは、式３０により規定されるように制限される。
【０１６３】
式３１で表現される自由短１８での、正規化偏向
【０１６４】
【数５３】
2004160650.tif 000055
は、パラメータｂとｃの関数として図２５に輪郭プロットされている。図２５の輪郭は、一定の
【０１６５】
【数５４】
2004160650.tif 000056
の線であり、ラベル付けされているように、
【０１６６】
【数５５】
2004160650.tif 000057
の範囲である。有益な２次幅減少形状は、
【０１６７】
【数５６】
2004160650.tif 000058
を有する形状である。図２５の
【０１６８】
【数５７】
2004160650.tif 000059
輪郭よりも非常に小さな
【０１６９】
【数５８】
2004160650.tif 000060
の値となるパラメータｂとｃの選択はない。図２５の上方右手のパラメータ空間の大きな領域は、自由端幅がゼロより大きくなければならないという要求、式３０、により、許されていない。
【０１７０】
図２５の輪郭プロット又は、式３１から直接的に、２次幅減少関数形状式２８は
【０１７１】
【数５９】
2004160650.tif 000061
を有する形状を生じないことが理解されよう。式３０により境界が付されるパラメータ空間は、上述の単一ステップ減少形状又は以下に説明する逆べき乗形状の場合のように、長い、狭く弱い自由端領域を有する幾つかの形状とならない。
【０１７２】
負荷の下で、自由端の変更の有益なある減少を生じる、２つのパラメータｂとｃの多くの組み合わせがあることは、図２５の輪郭プロットから理解されよう。例えば、図２５の
【０１７３】
【数６０】
2004160650.tif 000062
輪郭は、有益な熱−機械ベンディング部分は、式２８により定義される形状を有するように構成され、ここで、ｂ＝０．０３５及びｃ＝８．０である点Ｑ又は、ｂ＝０．５７及びｃ＝０．０である点Ｒであることを示す。これらの２つの形状は、図２４ａと２４ｂに示されている。即ち、図２４ａに示されている熱−機械ベンダ部分９７は、式２８に従って形成され、ここで、ａ＝３．０３２、ｂ＝０．０３５及びｃ＝８．０即ち図２５の点Ｑである。図２４ｂに示されている熱−機械ベンダ部分９８は、式２８に従って形成され、ここで、ａ＝０．６９、ｂ＝０．５７及びｃ＝０．０即ち図２５の点Ｒである。
【０１７４】
他の幅減少関数形式、逆べき乗関数は、これは閉じられた形式の解決方法に影響を受けやすいが、図２６ａ−２６ｃに示されている。それぞれ図２６ａ−２６ｃの熱−機械ベンディング部分９２、９３及び、９４は、以下の逆べき乗形式：
【０１７５】
【数６１】
2004160650.tif 000063
を有する幅減少関数を有し、ここで、ｎ≧０、ｂ＞０である。上述の式１５の形状正規化要求を課し、ｂとｎの関数として、パラメータ”ａ”についての関係：
【０１７６】
【数６２】
2004160650.tif 000064
となる。
図２６ａ−２６ｃの破線矩形形状９０は、逆べき乗形状９２，９３及び９４と同じ長さＬと平均幅ｗ０を有する矩形熱−機械ベンダ部分を示す。
【０１７７】
図２６ａ―２６ｃに示されている、逆べき乗熱−機械ベンダ部分の潜在的に有益な効果は、上述の式１７と境界条件を使用して、自由端の正規化偏向
【０１７８】
【数６３】
2004160650.tif 000065
を計算することにより理解されうる。式３２で与えられる
【０１７９】
【数６４】
2004160650.tif 000066
に関する式を、式１７に挿入することにより：
【０１８０】
【数６５】
2004160650.tif 000067
を生じ、ここで、式３３により規定されるように、ａは、ｂとｎに関連する。
【０１８１】
式３４で示された、自由端位置１８での正規化偏向
【０１８２】
【数６６】
2004160650.tif 000068
は、パラメータｂとｎの関数として、図２７に輪郭プロットされている。図２７の輪郭は、ラベル付けされているように、
【０１８３】
【数６７】
2004160650.tif 000069
の範囲の、一定の
【０１８４】
【数６８】
2004160650.tif 000070
の線である。図２７の
【０１８５】
【数６９】
2004160650.tif 000071
よりも非常に小さい
【０１８６】
【数７０】
2004160650.tif 000072
の値となる、パラメータｂとｎの選択はない。有益な逆べき乗幅減少形状は、
【０１８７】
【数７１】
2004160650.tif 000073
を有する。
【０１８８】
負荷の下で、自由端の偏向の有益なある減少を生じる、２つのパラメータｂとｎの多くの組み合わせがあることは、図２７の輪郭プロットから理解されよう。例えば、図２７の
【０１８９】
【数７２】
2004160650.tif 000074
輪郭は、有益な熱−機械ベンディング部分は、式３２により定義される形状を有するように構成され、ここで、ｂ＝１．７５及びｎ＝３である点Ｓ又は、ｂ＝１．５及びｎ＝５である点Ｔであることを示す。これらの２つの形状は、図２６ａと２６ｂに示されている。即ち、図２６ａに示されている熱−機械ベンダ部分９２は、式３２に従って形成され、ここで、２ａ＝１０．０３、ｂ＝１．７５及びｎ＝３即ち図２７の点Ｓである。図２６ｂに示されている熱−機械ベンダ部分９３は、式３２に従って形成され、ここで、２ａ＝２３．２５、ｂ＝１．５及びｎ＝５即ち図２７の点Ｔである。
【０１９０】
図２６ｃに示された逆べき乗形状熱−機械ベンダ部分９４は、同じ面積を有する矩形形状と比較して、与えられた負荷又は背圧に対する有益な抵抗を提供しない。熱−機械ベンダ部分９４は、式３２に従って構成され、ここで、２ａ＝５．１６、ｂ＝１、ｎ＝６の、図２７の点Ｖである。この形状は、
【０１９１】
【数７３】
2004160650.tif 000075
の値の自由端で正規化された偏向を有する。ここに記載した種々の幅減少関数形式の試験は、自由端領域が長く且つ狭すぎる場合には、熱−機械ベンダ部分の形状は同等の矩形形状よりも効率が低いことを示す。そのような形状の広げられたベース端幅は、与えられた負荷Ｐへの抵抗を改善するが、長く、狭い自由端は、非常に弱いので、その偏向は太いベース端領域の利益を打ち消す。
【０１９２】
【数７４】
2004160650.tif 000076
を有する逆べき乗幅減少形状は、本発明の好ましい実施例ではない。
【０１９３】
幾つかの数学的形状は、ｗｂがｗｆよりも実質的に大きい、ベース端の幅ｗｂから自由端の幅ｗｆへ単調に減少する幅を有する熱機械ベンディング部分を評価するためにここで分析された。多くの他の形状は、ここで分析された特別な形状の組み合わせとして構成されうる。また、分析された正確な数学的形状からほんの僅かに修正された形状は、加えられた負荷に対する抵抗に関して、実質的に同じ性能特性を有する。自由端値の正規化された偏向
【０１９４】
【数７５】
2004160650.tif 000077
を有する熱機械ベンダ部分についての全ての形状は、本発明の好ましい実施例として予想される。
【０１９５】
熱−機械ベンダ部分の自由端を狭めることを伴なう負荷力又は背圧抵抗減少は、必然的に、一定の面積と長さについて、ベース端が広げられることを意味する。より広いベースは、片持ちばり要素から活性加熱を除去するより広い熱伝導経路を提供するという更なる利点を有する。しかしながら、幾つかの点で、より広いベース端は、アクチュエータが意図された動作温度に達する前に、多すぎる熱が失われる場合には、熱効率の低い熱アクチュエータとなる。
【０１９６】
台形形状の熱−機械ベンダ部分の活性化の数値シミュレーションは、図１７ａと１７ｂに示されたように、液滴エミッタ応用の表す装置寸法と熱パルスを使用して実行された。計算は、熱−機械ベンダ部分６３の領域をわたり均一な加熱を仮定した。代表的な液体背圧に対する、達成された自由端位置１８の模擬された偏向は、図２８に曲線２３０として、先細各θ〜０°から１１°を有する先細の熱−機械ベンダ部分に対して、プロットされている。パルス入力当りのエネルギーは、異なる先細角を有する熱−機械ベンダ部分の長さと全体的な面積のように、一定に保たれる。図２８のプロット２３０については、偏向は、背圧負荷への更なる抵抗を有する装置に対して、大きい。３°から１０°の範囲の先細角度は、同じ面積と長さを有する矩形熱−機械ベンダ部分を超える、実質的に増加された偏向又はエネルギー効率を提供することは、図２８のプロット２３０から理解されよう。矩形装置性能は、プロット２３０のθ＝０°値により示されている。
【０１９７】
プロット２３０の約６°の角度での偏向の落ちこみは、熱−機械ベンダ部分の広くするベース端からの熱損失による。更に高い先細の装置は、活性化熱の早まった損失のために、意図された動作温度に達しない。最適な先細又は幅減少設計は、そのような熱損失効果についての試験後に選択されるのが好ましい。
【０１９８】
印加負荷に対するより良い抵抗を介した先細形状の効率の利点更に加えて、本発明の発明者は、熱−機械作動力のエネルギー効率は、熱−機械ベンダ部分の有益な空間熱パターンを確立することにより、向上されうることを発見した。有益な空間熱パターンは、関連する層内の、温度の増加、ΔＴが、熱−機械ベンダ部分の自由端でよりも、ベース端で大きくなるようにするものである。これは、更に、熱−機械ベンダ部分のベース端のアンカー位置１４から測定された、距離ｘの関数として、空間的に変化する、印加された熱−機械モーメント、ＭＴ（ｘ）の高かを計算するために、上述の式２を使用することにより理解されうる。
【０１９９】
矩形熱−機械ベンダ部分については、剛性Ｉ（ｘ）は一定値である。従って、式２は、書き直した式４を導き、式３５：
【０２００】
【数７６】
2004160650.tif 000078
となり、ここで、
【０２０１】
【数７７】
2004160650.tif 000079
及び、距離変数ｘは、Ｌにより正規化される。量”ｃ”は、熱−機械ベンダの温度が増加されたときに、内部熱−機械モーメントを導く、幾何学的及び材料的特性を捕捉する、熱−機械構造係数である。多層ビーム構造についての”ｃ”の例示の計算は、以下に与えられる。温度増加は、ｘの関数ΔＴ、即ちΔＴ（ｘ）を作成することにより示された、空間熱パターンを有する。
【０２０２】
幾つかの例示の熱パターン、ΔＴ（ｘ）は、図２９にプロットされている。図２９のプロットは、矩形熱−機械ベンダ部分に沿った温度増加プロファイルを示し、ここで、ｘ＝０はベース端であり、そして、ｘ＝１は自由端位置である。距離ｘは、熱−機械ベンダ部分の長さＬにより正規化されている。温度増加プロファイルは、１に正規化される、全てが同じ平均温度増加を有するように、更に、正規化される。即ち、ｘ＝０からｘ＝１に評価される、図２９の温度増加プロファイルの積分は、各空間熱パターン例についての温度の最大増加を調整することにより、等しくなされた。全てのプロットされた熱パターンが同じ量の入力熱エネルギの印加から生じるように、熱−機械ベンダ部分に与えられるエネルギーの量は、この積分に比例する。
【０２０３】
図２９では、プロット２３２は一定の温度増加プロファイルを示し、プロット２３４は線形に減少する温度増加プロファイルを示し、プロット２３６は２次に減少する温度増加プロファイルを示し、プロット２３８は温度増加が１ステップで減少するプロファイルを示し、そして、プロット２４０は逆べき乗則に減少する温度増加関数を示す。以下の数学的な式はこれらの空間熱パターンを有する熱−機械ベンダ部分の偏向にかする効果を分析するのに使用される：
【０２０４】
【数７８】
2004160650.tif 000080
ステップ化ΔＴプロファイルは、熱−機械ベンダ部分のベース端及び、単一ステップ減少の位置ｘｓで、一定の場合を超える、ΔＴ、βの増加に関して表現される。ステップ化減少空間熱パターンを一定の場合に正規化することが出来るために、
【０２０５】
【数７９】
2004160650.tif 000081
である。ｘｓが１／（１＋β）に等しく設定される場合には、温度増加は、ｘｓの熱−機械ベンダ部分の外側の長さについてゼロでなければならない。図２９に曲線２３８でプロットされたステップ化空間熱パターンは、パラメータβ＝０．５及びｘｓ＝０．５を有する。
【０２０６】
逆べき乗則ΔTパターンは、形状パラメータａ，ｂ及び、逆べき乗ｎに関して表現される。ｂとｎの関数としての、パラメータａは、熱−機械ベンダ部分をわたる平均温度増加がΔＴ０であることを要求することにより決定される：
【０２０７】
【数８０】
2004160650.tif 000082
図２９の曲線２４０としてプロットされた逆べき乗則空間熱パターンは、形状パラメータ：ｎ＝３、ｂ＝１．６２及び、２ａ＝８．５０を有する。
【０２０８】
熱機械ベンダ部分の自由端の偏向、ｙ（１）は、図２９にプロットされた及び式３６−４０に示された幾つかの異なる空間熱パターンからの結果であり、式３５を使用して理解されうる。最初に、熱−機械ベンダ部分に沿った一定の温度増加の場合を考えると、式３６は、式３５に挿入される。結果の微分方程式は、境界条件：ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０を仮定して、ｙ（ｘ）についてに解かれる。
【０２０９】
【数８１】
2004160650.tif 000083
一定の熱パターンが印加されたときに、熱−機械ベンダ部分の自由端の偏向について式４４で与えられた値、ｙｃｏｎｓ（１）は、比較目的のために、以下で、図２９に示された他の空間熱パターンからの結果の偏向を正規化するのに使用される。
【０２１０】
熱−機械ベンダ部分のベース端から自由端へ温度増加が単調に減少する多くの空間熱パターンは、均一な温度増加と比較して自由端の改善された偏向を示す。これは、ベース端から離れると温度増加が減少するので、ビームのベンディングの変化率ｄ２ｙ／ｄｘ２が減少することを認識することにより、式３５から分かる。即ち、式３５から：
【０２１１】
【数８２】
2004160650.tif 000084
ΔＴ（ｘ）＝ΔＴ０の一定の温度増加の場合と比較すると、正規化された、単調に減少するΔＴ（ｘ）は、ベース端でのビームの傾斜の変化率についての大きな値となる。片持ちばり要素の傾斜が更に増加されるとベース端とさらに近くなり、自由端の偏向の最後の量は大きくなる。これは、ビームの外側の範囲が、レバーアームとして働き、ベース端に近い熱−機械ベンディング部分のより高い温度領域で発生する、曲げと偏向の量を更に増加する。熱−機械ベンダ部分エネルギー効率の有益な改善は、全体の入力エネルギ又は平均温度増加が一定に保たれる場合には、ベース端温度増加が実質的に自由端温度増加よりも大きい、結果となる。用語、実質的に大きいは、ここでは、少なくとも２０％大きいことを意味する。
【０２１２】
自由端に向かってバイアスされている空間熱パターンの加えられた熱エネルギーを適用することは、てこの作用を享受せずそして、一定の空間熱パターンよりも効率が低い。
【０２１３】
自由端で正規化された偏向、
【０２１４】
【数８３】
2004160650.tif 000085
を計算することにより、単調に減少する空間熱パターンを有する熱−機械ベンダ部分を特徴化することは、本発明の理解に有益である。自由端で正規化された偏向、
【０２１５】
【数８４】
2004160650.tif 000086
は、偏向が、一様な温度増加を受ける同様に構成された熱−機械ベンディング部分と一貫性のある方法で比較されるように、最初に空間熱パターンを正規化することにより、任意の空間熱パターンについて計算される。熱−機械ベンダ部分の長さとそれに沿った距離、ｘは、ｘがアンカー位置１４でｘ＝０から自由端位置１８でｘ＝１となるように、Lに正規化される。
【０２１６】
空間熱パターン、ΔＴ（ｘ）は、平均温度増加がΔＴ０であることを要求することにより正規化される。即ち、正規化空間熱パターン
【０２１７】
【数８５】
2004160650.tif 000087
は、
【０２１８】
【数８６】
2004160650.tif 000088
となるように、パターンパラメータを調整することにより構成される。自由端での正規化偏向
【０２１９】
【数８７】
2004160650.tif 000089
は、そして、最初に正規化空間熱パターン
【０２２０】
【数８８】
2004160650.tif 000090
を微分方程式３５：
【０２２１】
【数８９】
2004160650.tif 000091
に挿入することにより計算される。
【０２２２】
式４７は、偏向、ｙ（ｘ）を決定するために、熱−機械ベンダ部分に沿って、２回積分される。積分階は、上述のｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０の境界条件を受ける。更に加えて、正規化空間熱パターン関数
【０２２３】
【数９０】
2004160650.tif 000092
がステップ、即ち、不連続点を有する場合には、ｙとｄｙ／ｄｘは、不連続点で連続であることが要求される。ｙ（ｘ）は自由端位置１８、ｘ＝１で評価されそして、量、ｙｃｏｎｓ（１）、式４４で与えられる、一定空間熱パターンの自由端偏向、により正規化される。結果の量は、自由端で正規化された偏向、
【０２２４】
【数９１】
2004160650.tif 000093
：
【０２２５】
【数９２】
2004160650.tif 000094
である。
【０２２６】
自由端での正規化された偏向が、
【０２２７】
【数９３】
2004160650.tif 000095
の場合には、その空間熱パターンは、同じエネルギーを一様に与えることによるよりも更に多くの自由端偏向を提供する。そのような、空間熱パターンは、熱エネルギーの同じ入力についての更に多くの偏向又は、同等な一様な温度増加パターンよりも少ない熱エネルギの入力での同じ偏向を有する熱アクチュエータを形成するのに使用される。しかしながら、
【０２２８】
【数９４】
2004160650.tif 000096
の場合には、その空間熱パターンは、少ない自由端偏向を生じそして、一様な温度増加に対して不利である。
【０２２９】
自由端での正規化偏向
【０２３０】
【数９５】
2004160650.tif 000097
は、ここでは、印加された空間熱パターンの片持ちばり熱アクチュエータの性能への貢献を特徴化し且つ評価するのに使用される。
【０２３１】
【数９６】
2004160650.tif 000098
は、
【０２３２】
【数９７】
2004160650.tif 000099
を計算しそして、式４８を評価する、知られた数値積分法を使用して、任意の空間熱パターン、ΔＴ（ｘ）について決定される。
【０２３３】
【数９８】
2004160650.tif 000100
を有する全ての空間熱パターンは、本発明の好ましい実施例である。
【０２３４】
それぞれ式３７−４０で与えられる線形、２次、ステップ化、及び、逆べき乗空間熱パターンを受ける矩形熱−機械ベンダ部分の偏向は、境界条件：ｙ（０）＝ｄｙ（０）／ｄｘ＝０を有する上述の微分方程式４８を使用することにより、同様な方法で見つかる。ステップ化減少空間熱パターンについては、更に偏向と偏向の傾斜がステップ位置ｘｓで連続であるということが仮定される。自由端の偏向値、ｙ（１）は、一定の熱パターンの場合に正規化される。
【０２３５】
【数９９】
2004160650.tif 000101
上述の式５０，５２，５５及び、５８で与えられる正規化された自由端偏向の大きさについての表現は、熱−機械ベンダ部分の自由端よりもベース端でより高い温度増加となる空間熱パターンのエネルギ効率の改善を示す。例えば、線形に減少する空間熱パターンの代わりに、一定の熱プロファイル作動について使用される同じエネルギ入力が与えられる場合には、自由端偏向は３３％大きい（式５０参照）。エネルギが２次減少パターンで与えられる場合には、偏向は、２５％大きい（式５２参照）。エネルギが逆べき乗減少パターンで与えられる場合には、偏向は、２４％大きい（式５８参照）。
【０２３６】
ステップ減少空間熱パターンは、温度増加ステップの位置ｘｓと、ベース端温度増加ΔＴｂと自由端温度増加ΔＴｆの間のステップ大きさの両方に依存する、偏向増加を有する：
【０２３７】
【数１００】
2004160650.tif 000102
式５９は、ステップ位置ｘｓの関数として、幾つかの値βに対して、図３０にプロットされており、ここで、ｘｓ≦１／（１＋β）である。ｘｓが１／（１＋β）に等しく設定されている場合には、温度増加は、ｘｓの熱−機械ベンダ部分の外側の長さについて、ゼロでなければならない。図３０では、プロット２９０では、β＝１．０；プロット２９２では、β＝０．７５；プロット２９４では、β＝０．５；プロット２９６では、β＝０．２５；そして、プロット２９８では、β＝０．１０である。
【０２３８】
βの値は、増加された偏向効率を実現するために、熱−機械ベンダ部分の材料により許容されねばならない、一定の熱プロファイルベースの場合を超える、追加の加熱と温度増加を表す。例えば、１００％増加が実現可能な場合には、値β＝１が使用されうる。図３０のプロット２９０から、最大可能なステップ位置ｘｓ＝０．５が使用される場合には、自由端偏向の５０％増加が実現されうることがわかる。温度増加の５０％増加が実現可能な場合には、値β＝０．５０及び、３３％までの効率増加が実現されうる。
【０２３９】
熱−機械ベンダ部分のベース端から自由端へ単調に減少する温度増加を有する熱空間パターンを評価するために、幾つかの数学的形状が、ここで分析される。多くの他の空間熱パターンが、ここで分析された特定の関数形状の組み合わせとして構成されうる。また、分析された正確な数学的形状からほんの僅かに修正される空間熱パターンは、自由端の偏向に関して、実質的に同じ性能特性を有する。自由端値の正規化された偏向
【０２４０】
【数１０１】
2004160650.tif 000103
を発生する印加された熱パルスについての全ての空間熱パターンは、本発明の好ましい実施例として予想される。
【０２４１】
熱−機械ベンダ部分エネルギ効率の有益な改善は、ベース端温度増加が自由端温度増加よりも実質的に大きい、結果となる。用語、実質的に大きいは、ここでは、少なくとも２０％大きいことを意味するために使用される。自由端に向かってバイアスされている空間熱パターンの加えられた熱エネルギーを適用することは、てこの作用を享受せずそして、一定の空間熱パターンよりも効率が低い。
【０２４２】
本発明は、空間熱パターンを有する熱パルスを熱−機械ベンダ部分に与える装置を含む。空間パターンの熱エネルギを発生しそして伝導するどのような手段も、考えられうる。適切な手段は、光エネルギパターンを熱−機械ベンダ部分上に投影する又は、ｒｆエネルギパターンを熱−機械ベンダ部分へ結合することを含む。そのような空間熱パターンは、例えば、光エネルギを受ける光吸収及び反射パターン又は、ｒｆエネルギを結合する導体パターンのような、熱−機械ベンダ部分に与えられた特別な層により媒介される。
【０２４３】
本発明の好ましい実施例は、電気パルスによりパルスが与えられたときに、空間熱パターンを有する熱パルスを、熱−機械ベンダ部分へ与えるために、電気抵抗装置を使用する。図３１ａは、本発明に従った空間熱パターンを発生する、単調に減少する幅の熱−機械ベンダ部分６２の領域の、単調に減少する空間熱パターン７３を示す。空間熱パターン７３は、電流カプラシャント６８により直列に接続されそして直列のより小さな抵抗セグメント６６となる電流シャント６７のパターンが重ねられた、薄膜抵抗セグメント６６により発生される。電流シャント６７の機能は、電力密度を減少させることであり、そして、これゆえに、電流シャントの領域のジュール加熱を減少させることである。電気パルスでエネルギが与えられるときに、抵抗パターン６２は、ジュール熱エネルギの空間パターンを引き起こし、これは、順に、図３１ｂの曲線２０８に概略が示されたように、空間熱パターン７３を発生する。示された空間熱パターンは、最も高い温度増加ΔＴｂがベース端に発生するようにし、そして、自由端温度増加ΔＴｆへ単調に減少する温度増加を発生する。
【０２４４】
図３２ａは、本発明に従ったステップ幅減少熱−機械ベンダ部分６５の領域のステップ低下空間熱パターン７４を示す。空間熱パターン７４は、電流カプラシャント６８により直列に接続されそして直列のより小さな抵抗セグメント６６となる電流シャント６７のパターンが重ねられた、薄膜抵抗セグメント６６により発生される。電気パルスでエネルギが与えられるときに、与えられたジュール熱エネルギのステップ化パターンを引き起こし、これは、順に、図３２ｂの曲線２１０に概略が示されたように、ステップ化空間熱パターン７４を発生する。示されたステップ化空間熱パターン７４は、最も高い温度増加ΔＴｂがベース端に発生するようにし、そして、ｘ＝ｘｓで、自由端温度増加ΔＴｆへ急激に低下する温度増加を発生する。
【０２４５】
空間熱パターンを発生する抵抗パターンは、熱−機械ベンダ部分の第１と第２のデフレクタ層のいずれかに形成されうる。代わりに、別の薄膜ヒータ抵抗が、他のいずれかのデフレクタ層と良好な熱接触をする、追加の層に構成されても良い。電流シャント領域は、幾つかの方法で構成されうる。良好な導体材料は、下の薄膜抵抗上の電流シャントパターンに配置され且つパターン化される。電流は、下にある抵抗層を離れそして、導体材料を通り、それにより、局所的なジュール加熱を非常に減少させる。
【０２４６】
代わりに、薄膜抵抗材料の導電率が、レーザアニーリング、イオン注入又は、ドーパント材料の熱拡散のようなプロセスにより元の場所で、局部的に修正されても良い。薄膜抵抗材料の導電率は、結晶化構造、化学量論又は、ドーパント不純物の存在のような、ファクタに依存する。現在のシャント領域は、半導体製造プロセスに一般的な良く知られた熱及びドーパント技術を使用して、薄膜抵抗層内の高導電率の局所化された領域として形成されうる。
【０２４７】
図３３ａ−３３ｃは、薄膜抵抗材料と製造プロセスを使用する空間熱パターンを有する熱パルスを与える装置を構成する幾つかの選択肢の側面図を示す。図３３ａは、電気抵抗の第１デフレクタ層２２と電気抵抗の第２デフレクタ層２４で形成された、熱−機械ベンダ部分を示す。パターン化導体材料が、第１の電流シャントパターン７１を形成するために、第１デフレクタ層２２上に形成されている。パターン化導体材料が、第２の電流シャントパターン７２を形成するために、第２デフレクタ層２４上に形成されている。
【０２４８】
図３３ｂは、電気抵抗第１デフレクタ層２２と受動復帰層として構成された第２デフレクタ層２４で形成された熱−機械ベンダ部分を示す。電流シャントパターン７５は、第１デフレクタ層材料の導電率を局所的に増加するプロセスにより元の場所で、第１デフレクタ層２２内に形成される。
【０２４９】
図３３ｃは、第１デフレクタ層２２と低熱膨張材料層２３で形成された熱−機械ベンダ部分を示す。薄膜抵抗構造は、第１デフレクタ層２２と良好な熱接触の抵抗層７６内に形成される。電流シャントパターン７７は、抵抗層材料の導電率を局所的に増加するプロセスにより元の場所で、抵抗層７６内に形成される。薄膜抵抗層７６は、薄いパッシベーション層３８により第１デフレクタ層２２から分離されている。
【０２５０】
薄膜抵抗のジュール加熱の幾つかの空間パターン化は、望みのパターンに抵抗材料の厚みを変えることによっても、達成される。電流密度は、これゆえに、ジュール加熱は、層の厚みに反比例する。有益な空間熱パターンは、隣接する薄膜ヒータ抵抗を、ベース端で最も薄くそして自由端に向かって厚みを増加するように形成することにより、熱−機械ベンダ部分内に発生されうる。
【０２５１】
図３１ａと３２ａの熱機械ベンダ部分は、幅の減少形状と減少する温度空間熱パターンの両方の組み合わせを示す。本発明の発明者は、数値シミュレーションを介して、両方のエネルギ節約機構が熱作動についての最大のエネルギ効率を達成するために、組み合わせて使用されうることを見つけた。液滴エミッタのような、熱アクチュエータと装置応用は、ここに開示されている、有益な形状と空間熱パターン概念のいずれかの組合せを使用して設計されうる。そのような組合せは、本発明の実施例から予想される。
【０２５２】
本発明の追加の特徴は、図４ａ−１５ｂの前述した多層熱−機械ベンダ部分の設計、材料及び、構成から生ずる。
【０２５３】
片持ちばり要素２０内の熱流は、本発明の幾つかの基礎をなす主に物理プロセスである。図３４は、内部熱流ＱＩと周辺への流れＱＳを指定する矢印により示されている。第１デフレクタ層２２へ熱パルスを加えることにより、第１デフレクタ層２２は第２デフレクタ層２４に対して伸びるように作られているので、片持ちばり要素２０は、偏向する自由端３２を曲げる。一般的には、片持ちばり構成の熱アクチュエータは、アクチュエータ内の大きな温度差で又は両方の組合せで動作するように、一様な動作温度で熱膨張の係数で大きな差を有するように設計されている。
【０２５４】
間に薄い熱障壁層を有する第１及び第２デフレクタ層を使用する本発明の実施例は、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間に発生される内部温度差を使用し且つ最大化するように設計される。そのような構造は、１つの引き伸びるデフレクタ層と第２の低熱膨張率層のみを使用する２層熱アクチュエータから区別するために、ここでは、３層熱アクチュエータと呼ばれる。２層熱アクチュエータは、短い温度差よりも、層の材料差で主に動作する。
【０２５５】
好ましい３層の実施例では、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４は、熱アクチュエータの動作の温度範囲をわたり実質的に等しい熱膨張率を有する材料を使用して構成される。従って、最大アクチュエータ偏向が、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間の最大温度差に達するときに発生する。第１又は公称位置へのアクチュエータの復帰は、温度が、第１デフレクタ層２２、第２デフレクタ層２４及び、障壁層２３の間で平衡したときに、発生する。温度平衡プロセスは、主に、障壁層２３の特性、その厚さ、ヤング率、熱膨張率及び、熱伝導率、により媒介される。
【０２５６】
温度平衡プロセスは受動的に進み又は、熱は冷却層に加えられる。例えば、第１デフレクタ層２２が、最初に加熱されて、望ましい偏向を発生すると、第２デフレクタ層２４は、続いて加熱され、全体的な片持ちばり要素を非常に素早く熱平衡にする。熱アクチュエータのアプリケーションに依存して、平衡での結果の温度が高くそして、熱アクチュエータが初期開始温度へ戻るのに長くかかっても、片持ちばり要素を第１の位置へ回復させるのがさらに望ましい。
【０２５７】
異なる材料特性と厚みを有するｋ層よりなる片持ちばりの多層構造は、一般的には、上げられた温度で、放物弧形状を仮定する。基礎温度より上の温度ΔTとアンカエッジ１４からの距離ｘの関数として、片持ちばりの機械的中心線の偏向ｙ（ｘ，Ｔ）は、以下の関係に従って、材料特性と厚みに比例する：
【０２５８】
【数１０２】
2004160650.tif 000104
ｃΔＴは熱モーメントであり、ｃは、片持ちばり要素の層の特性を捕捉し且つ：
【０２５９】
【数１０３】
2004160650.tif 000105
により与えられる、熱機械構造ファクタであり、ここで、
【０２６０】
【数１０４】
2004160650.tif 000106
及び、Ｅｋ、ｈｋ、σｋ及び、αｋは、それぞれ第ｋ層の、ヤング率、厚み、ポアソン比、及び熱膨張率である。
【０２６１】
３層形式の本発明は、第１及び第２デフレクタ層を加熱し、それにより、温度差ΔTを起こし、これが片持ちばりの曲げを発生する、第１と第２のヒーター抵抗部分の形成に基づいている。本発明の目的のために、内部熱平衡にへ、最初に第１デフレクタ層２２を加熱する熱パルスに続いて到達するときに、第２デフレクタ層２４は機械的に、第１デフレクタ層２２と均衡することが望ましい。熱平衡での機械的な均衡は、特に熱膨張率とヤング率の、片持ちばり要素の層の厚みと材料特性の設計により達成される。どの第１デフレクタ層２２、障壁層２３及び、第２デフレクタ層２４がサブ層の積層より構成される場合でも、関連する特性は、複合層の実効値である。
【０２６２】
本発明は、片持ちばり要素の高められたしかし一様の温度ΔＴ≠０についての、ゼロネット偏向ｙ（ｘ，ΔＴ）＝０に対して必要な条件を考えることにより理解されうる。式６０から、この条件は熱機械構造ファクタｃ＝０であることを要求することが分かる。熱機械構造ファクタｃ＝０、式６１、となる層材料特性と厚みの重要な組み合わせは、本発明は、の実効を可能とする。即ち、ｃ＝０を有する片持ちばり設計は、層間の時間温度グラディエントを発生することにより活性化され、片持ちばりの一時的な偏向を起こす。そして、片持ちばりの層が熱伝導を介して一様な温度に近づくにつれて、平衡熱膨張効果が設計により均衡するので、片持ちばりは、未偏向の位置へ復帰される。
【０２６３】
式６１でｋ＝３及び、全ての３つの材料層について同じポアソン比であるという簡単な仮定を有する３層片持ちばりの場合については、熱機械構造ファクタｃは、以下の量に比例して示される：
【０２６４】
【数１０５】
2004160650.tif 000107
下付きの１、ｂ及び２は、第１デフレクタ、障壁及び、第２デフレクタ層をそれぞれ表す。Ｅｋ、αｋ及びｈｋ（ｋ＝１，ｂ又は、２）は、第ｋ層についての、それぞれヤング率、熱膨張率及び、厚みを表す。パラメータＧは、弾性パラメータと種々の層の寸法の関数であり、常に正の量である。パラメータＧの調査は、本発明を理解する目的のために、３層ビームが高められた温度でネットゼロ偏向を有するときを決定するために必要とされない。
【０２６５】
式６２の右辺の量は、層の材料特性の重要な効果と厚みを表現する。３層片持ちばりは、ｃ＝０の場合に、高められた値のΔＴについて、ネットゼロ偏向、ｙ（ｘ，ΔＴ）＝０、を有する。式６２を試験し、
【０２６６】
【数１０６】
2004160650.tif 000108
の時に条件ｃ＝０が発生する。
層の厚みがｈ１＝ｈ２、熱膨張率α１＝α２、及び、ヤング率の、Ｅ１＝Ｅ２の特別な場合について、高められた温度、即ち、ΔＴ≠０でさえ、量ｃはゼロでありそしてゼロネット偏向がある。
【０２６７】
第２デフレクタ層２４材料が第１デフレクタ層２２材料と同じ場合には、３層構造は、第１デフレクタ層２２の厚みｈ１が、第２デフレクタ層２４の厚みｈ２と実質的に等しい場合には、ゼロ偏向を有することは、式６４から理解されよう。
【０２６８】
所定の第１デフレクタ層２２に対して、ネットセロ偏向を提供するように選択されうる、第２デフレクタ層２４と障壁層２３についてのパラメータの多くの他の組み合わせがあることは、式６４から理解されよう。例えば、第２デフレクタ層２４の厚み、ヤング率又は、両方の変形が、第２デフレクタ層２４と第１デフレクタ層２２材料の間の異なる熱膨張率を補償するのに使用されてもよい。
【０２６９】
高められた温度ΔＴで、３層又はそれ以上の複合多層片持ちばり構造についてゼロネット偏向を導く式６１−６４で表現されている層パラメータの組合せの全ては、本発明の発明者により、本発明の実現可能な実施例として予想される。
【０２７０】
図３４に戻ると、内部熱流ＱＩは、層間の温度差により駆動される。本発明を理解する目的のために、第１デフレクタ層２２から第２デフレクタ層２４への熱流は、第２デフレクタ層２４についての加熱プロセス及び、第１デフレクタ層２２についての冷却プロセスとみなされうる。障壁層２３は、加熱及び冷却プロセスの両方での熱伝導のために、時定数τＢを確立すると見られる。
【０２７１】
時定数τＢは、障壁層２３の厚みｈｂにほぼ比例し、この層を構成するのに使用される材料の熱伝導率に反比例する。前述のように、第１デフレクタ層２２への熱パルス入力は、熱伝導時定数より短い期間でなければならず、そうでなければ、潜在的温度差と偏向の大きさは、障壁層２３を通した過度の熱損失により消費される。
【０２７２】
片持ちばり要素から周囲への第２の熱流全体は、ＱＳとマークの記された矢印で示される。外部の熱流の詳細は、熱アクチュエータのアプリケーションに重要に依存する。熱は、アクチュエータから基板１０へ又は、他の隣接する構造要素へ、伝導により流れる。アクチュエータが液体又はガス中で動作する場合には、対流及び伝導を課してこれらの流体へ熱を失う。熱は放射を介しても失われる。本発明を理解する目的のために、周囲への熱損失は、動作している多くのプロセスと経路を統合する、単一の外部冷却時定数τＳとして特徴化されうる。
【０２７３】
重要な他のタイミングパラメータは、熱アクチュエータを動作させるための、望ましい繰返し期間τＣである。例えば、インクジェットプリントヘッドで使用される液滴エミッタについては、アクチュエータ繰返し期間は、滴発射周波数を確立し、これは、ジェットが持続できる画素書き込みレートを確立する。熱伝導時定数τＢが、第１位置へ復帰するために片持ちばり要素について要求される時間を支配するので、エネルギ効率及び高速動作のためにτＢ＜＜τＣであることが好ましい。１つのパルスから次への作動性能の一様性は、繰返し期間τＣがτＢの数単位又はそれ以上に選択されるにつれて改善される。即ち、τＣ＞５τＢである場合には、片持ちばり要素は完全に平衡されそして、第１又は公称位置へ戻される。代わりに、τＣ＜２τＢである場合には、次の偏向がなされるときに残る、大きな量の残りの偏向がある。従って、τＣ＞２τＢ及び、さらに好ましくはτＣ＞４τＢであることが望ましい。
【０２７４】
周囲への熱伝導時定数τＳは、アクチュエータ繰返し周期τＣに同様に影響する。効率的な設計については、τＳは、τＢよりも非常に長い。従って、片持ちばり要素が、３から５τＢの時間の後に内部熱平衡に達した後にさえも、片持ちばり要素は、３から５τＳの時間までは、周囲温度又は開始温度上にある。アクチュエータがまだ周囲温度上であるが、新たな偏向が開始される。しかしながら、一定の量の機械作動を維持するために、片持ちばり要素の層のついてのより一層高いピーク温度が必要とされる。周期τＣ＜３τＳの繰返しパルスは、幾つ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連続する上昇を発生する。
【０２７５】
図３４には、基板１０のヒートシンク１１が示されている。シリコンのような半導体又は金属材料が基板１０に使用されるときには、示されたヒートシンク部分１１は、単に、熱吸収位置として指定される基板１０の領域である。代わりに、別の材料が、アンカ部分３４で片持ちばり要素２０から伝導する熱の効率的なシンクとして動作するために基板１０内に含まれても良い。
【０２７６】
図３５は、片持ちばり要素２０内でのそして、片持ちばり要素２０から周囲構造及び材料への熱伝導のタイミングを示す。温度Ｔは、安定状態動作温度上で、第１デフレクタ層２２の温度変位の意図された範囲をわたる正規化されたスケールでプロットされている。即ち、図３５のＴ＝１は、熱パルスが印加された後に第１デフレクタ層が達する最大温度であり、そして、図３５のＴ＝０は、片持ちばり要素のベース又は安定状態温度を示す。図３５の時間軸は、繰返される作動の最小時間期間、τＣの単位でプロットされている。また、図３５は、τＰのパルス継続時間を有する単一の加熱パルス２４０が示されている。加熱パルス２４０は、第１デフレクタ層２２に印加される。
【０２７７】
図３５は、温度Ｔ対時間ｔの４つのプロットを示す。第２デフレクタ層２４と第１デフレクタ層２２に対する曲線は、熱伝導時定数τＢの２つの異なる値を有する片持ちばり要素構成についてプロットされている。熱伝導時定数の単一値τＳが、全ての４つの温度曲線について使用された。１次元の指数加熱及び冷却関数が、図２８の温度対時間プロットを発生するために仮定される。
【０２７８】
図３５では、曲線２４８は、第１デフレクタ層２２の温度を示し、そして曲線２４２は、第１デフレクタ層２２に熱パルスが与えられたのに続き第２デフレクタ層２４の温度を示す。曲線２４８と２４２については、障壁層２３熱伝導時定数は、τＢ＝０．３τＣであり、そして、周囲への冷却についての時定数は、τＳ＝２．０τＣである。図３５は、内部平衡がＥで示された点で達するまで、第１デフレクタ層２２温度２４８の減少につれて上昇する、第２デフレクタ層２４温度２４２を示す。点Ｅの後に、両方の層２２と２４の温度は、τＳ＝２．０τＣで支配されるレートで、共に減少を続ける。片持ちばり要素の偏向の量は、ほぼ第１デフレクタ層温度２４８と第２デフレクタ層温度２４２の間の差に比例する。これゆえに、片持ちばり要素は、図３５のＥで示された時間と温度で、その偏向位置から第１の位置へ復帰する。
【０２７９】
温度曲線の第２の組み２４４と２４６は、短い障壁層時定数τＢ＝０．１τＣの場合の、それぞれ第１デフレクタ層温度と第２デフレクタ層温度を示す。曲線２４４と２４６についての周囲冷却時定数も、曲線２４８と２４２についてのτＳ＝２．０τＣである。片持ちばり要素２０内の内部熱平衡点は、図３５のＦで示されている。これゆえに、片持ちばり要素は、図３５のＦで示された時間と温度で、偏向位置から第１の位置へ復帰される。
【０２８０】
次の作動が開始される前に、片持ちばり要素がその第１又は公称位置へ復帰されるために、τＢがτＣよりも小さいことが優位なのは、図３５の示された温度プロットから理解されよう。次の作動がｔ＝１．０τＣで開始される場合には、片持ちばり要素は、τＢ＝０．１τＣの時に、その第１の位置へ、完全に復帰されることが、平衡点ＥとＦから、理解できる。τＢ＝０．３τＣの場合には、しかしながら、時間ｔ＝１．０τＣで、曲線２４８と２４２の間の小温度差により示された、いくらか偏向した位置から開始しうる。
【０２８１】
図３５は、内部熱平衡に達しそして変更が第１の位置へ復帰した後でさえも、片持ちばり要素２０は、高められた温度にあることを示す。片持ちばり要素２０は、この高められた温度で伸びるが、しかし、第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間の力の均衡により偏向しない。片持ちばり要素は、高められた温度での内部熱平衡の状態から作動されうる。しかしながら、熱パルスの連続する印加とそのような高められた温度状態からの作動は、ピーク温度偏位も増加するので装置内の種々の材料又は動作環境に発生し始めるように、故障モードを発生しうる。従って、周囲への熱伝導の時定数τＳをできる限り減少させるのが、優位である。
【０２８２】
本発明に従った熱アクチュエータの動作では、障壁層２３の熱伝導時定数τＢの認識を有する電気パルスパラメータを選択するのが有利である。一旦、設計されかつ製造されると、本発明に従った片持ちばり設計を有する熱アクチュエータは、障壁層２３を通して第１デフレクタ層２２と第２デフレクタ層２４の間の熱伝導について、特徴的な時定数τＢを示す。効率的なエネルギ使用と最大偏向性能のために、τＢにより特徴化される内部エネルギ伝導プロセスと比較して短い時間をわたり、熱パルスエネルギが与えられる。従って、電気的抵抗加熱のために与えられる熱エネルギ又は電気パルスは、τＰの継続時間を持つことが、好ましく、こおで、τＰ＜τＢであり、好ましくはτＰ＜１／２τＢである。
【０２８３】
本発明の熱アクチュエータは、実質的に対向する動きと変位で片持ちばり要素２０についての活性化された偏向を可能とする。第１デフレクタ層２２を加熱するために、電気パルスを加えることにより、片持ちばり要素２０は、第１デフレクタ層２２から離れる方向に偏向する（図４ｂと１４ｂ参照）。第２デフレクタ層２４を加熱するために、電気パルスを加えることにより、片持ちばり要素２０は、第２デフレクタ層２４から離れそして、第１デフレクタ層２２に向かう方向に偏向する（図４ｃと１５ｂ参照）。片持ちばり要素２０に偏向を起こす熱−機械力は、内部熱平衡が、上述の式６４を満足するように設計された、即ち、熱機械構造ファクタｃ＝０のときの、片持ちばり要素２０に対しては、内部熱伝導を介して発生することが可能とされる場合には、均衡となる。
【０２８４】
受動内部熱伝導及び外部冷却プロセスに加えて、片持ちばり要素２０は、加熱されていない層の圧縮又は張力から生じる、受動内部機械力にも応答する。例えば、第１デフレクタ層２２が加熱され片持ちばり要素２０に曲がりを生じる場合には、障壁層２３と第２デフレクタ層２４は、機械的に圧縮される。圧縮された材料に蓄積された機械エネルギは、曲げに逆らう反対のスプリング力を導き、これゆえに、偏向に逆らう。変更層の１つを突然加熱することにより発生される熱−機械パルスに続き、片持ちばり要素２０は、前述の熱緩和プロセスに加えて、蓄積された機械エネルギが消費されるまで、振動して移動する。
【０２８５】
図３６は、片持ちばり要素のダンプされた振動動作を示す。プロット２５０は、時間の関数として、片持ちばり要素の自由端の先端３２の変位を示す。プロット２５２は、ダンプされた振動変位を開始する、初期熱−機械インパルス力を発生する電気パルスを示す。電気パルスの継続時間τP1は、前述の内部熱伝導時定数τBの半分よりも小さいと仮定される。図３６の時間軸は、τP1の単位でプロットされている。片持ちばり要素自由端変位のプロット２５０は、振動の共振期間τR〜１６τP1及びダンピング時定数τD〜８τP1の場合を示す。第１及び第２デフレクタ層２２と２４の両方を介して熱−機械インパルスを受ける、片持ちばり要素２０の結果の動きは、能動的に加えられた熱−機械力と、内部熱及び機械効果の両方の組合せであることは、図３６から理解されよう。
【０２８６】
望ましい予め定められた変位対時間プロファイルは、特にエネルギと時間継続時間、与えられたパルスの間の待ち時間τW1、及び、第１及び第２デフレクタ層がアドレスされる順序の、加えられた電気パルスのパラメータを使用して構成される。片持ちばり要素２０のダンプされた振動動作は、図３６に示されたように、単一の熱−機械インパルスに応答して、静止又は第１の位置の両側に変位を発生する。第２の反対の熱−機械インパルスは、第１のインパルスにより開始した振動を、増幅するために又は更に減衰させるために、τW１を使用して時間が決められる。
【０２８７】
第１の位置への更に高速な減衰及び回復を促進するように働く能動シーケンスが図，３７のプロット２６０、２６２及び２６４に示されている。図３６に示された減衰された振動動作をプロットするのに使用される片持ちばり要素２０の同じ特徴τB、τR及びτDが、同様に図３７に使用されている。プロット２６０は、第１デフレクタ層２２の第１のヒータ抵抗２６に取りつけられた電極の組に加えられた電気パルスに応答して高速に偏向する片持ちばり要素を示す。第１の電気パルスは、プロット２６２に示されている。パルスの継続時間τＰ１は、図３６で使用されているのと同じでありそして、図３７のプロットの時間軸はτＰ１の単位である。プロット２６０により示され低る片持ちばり要素２０の初期偏向は、それゆえに、図３６のプロット２５０と同じである。
【０２８８】
短い待ち時間τＷ１の後に、第２の電気パルスは、図３７のプロット２６４に示されたように、第２デフレクタ層２２の第２のヒータ抵抗２７に取りつけられた電極の組に加えられる。この第２の電気パルスは、第２デフレクタ層２４を加熱しそして、その温度をその時点でほぼ第１デフレクタ層２２の温度へ上げるために、選択される。図３７の説明では、第２の電気パルス２６４は、第１の電気パルス２６２と同じ振幅を有するしかし、より短い継続時間τＰ２＜τＰ１を有するように示されている。この方法で第２デフレクタ層を加熱することは、第２デフレクタ層を引き伸ばし、圧縮的に蓄積されたエネルギを解放しそして、片持ちばり要素２０を曲げを起こす力を均衡する。これゆえに、第２デフレクタ層２４に与えられる第２の電気パルスは、片持ちばり要素２０の振動を高速に減衰させ且つそれを第１の位置へ復帰させる効果を有する。
【０２８９】
第１の位置へ片持ちばり要素２０を更に高速に復帰させるために第２の電気パルスを与えることは、片持ちばり要素へ全体的にさらなる熱エネルギを与える欠点を有する。偏向に関して復帰しても、片持ちばり要素は高い温度にある。そこから他の作動を開始する初期開始温度へ、それが冷えて戻るために更に多くの時間を必要とする。
【０２９０】
第２の作動を使用する能動復帰は、初期片持ちばり要素偏向の継続時間の最小化が重要である、熱アクチュエータのアプリケーションでは、貴重である。例えば、液滴エミッタを活性化するのに使用するときに、片持ちばり要素を第１の位置へ能動的に復帰させることは、滴ブレークオフプロセスを早くさせるのに使用され、それにより、能動復帰が使用されなかった場合よりも小さな滴を発生する。（待ち時間τＷ１を変化することにより）異なる時間で片持ちばり要素２０の後退を開始することにより、異なる滴サイズが発生されうる。
【０２９１】
液滴エミッタのノズル３０の付近の液体及び液体メニスカスの状態を予め定め設定することにより、液滴エミッタ特性を変化するように動作する能動シーケンスが、図３８に示されている。液滴エミッタのノズル領域に発し得される状態は、更に図３９ａ−３９ｃに示されている。プロット２７０は、片持ちばり要素の自由端の先端３２の偏向対時間を示し、プロット２７２は、第１デフレクタ層２２内に形成された第１のヒータ抵抗２６をアドレスする第１の組の電極に加えられる電気パルスシーケンスを示し、そして、プロット２７４は、第２デフレクタ層２４内に形成された第２のヒータ抵抗２７に取りつけられた第２の組の電極に加えられる電気パルスシーケンスを示す。同じ片持ちばり要素特性τＢ、τＲ及びτＤが、図３６と３７で前述したように図３８について仮定される。時間軸は、τＰ１の単位でプロットされている。
【０２９２】
静止の第１の位置から、片持ちばり要素は、第２デフレクタ層２４に電気パルスを加えることによりノズル３０から離れて量Ｄ２だけ最初に偏向される（図３９ａと３９ｂ参照）。これは、ノズルでの液圧を減少させる効果を有し、そして、液体室１２に向かってノズル３０の内腔の内に後退させるメニスカスを発生される。そして選択された待ち時間τＷ１の後に、片持ちばり要素はノズルに向かって量Ｄ１だけ偏向され、滴噴出を発生する。待ち時間τＷ１は、初期熱−機械インパルスにより発生された片持ちばり要素２０の共振動作がノズルに向かいそして、第２の熱−機械インパルスがこの動作を増幅しそして、強い正の圧力インパルスが滴形成を起こすように、選択される。
【０２９３】
第１の作動により発生される初期の負圧力変位の大きさを変えることにより、又は、片持ちばり要素２０の励起された共振振動に関する第２の作動のタイミングを変えることにより、異なる体積と速度の滴が、発生されうる。サテライト滴の形成も、ノズル内のメニスカスの予めの配置と正の圧力インパルスのタイミングにより影響されうる。
【０２９４】
図３８のプロット２７０、２７２及び２７４は、第２の待ち時間τＷ２を待った後に、第２の液滴放射を発生するための第２の組みの作動を示す。第２の待ち時間τＷ２は、次の作動パルスが加えられる前に、その第１又は公称位置に復帰される片持ちばり要素２０について要求される時間を発生するように選択される。第２の待ち時間τＷ２は、パルス時間τＰ１とτＰ２、及び、パルス間待ち時間τＷ１、共に、液滴放射の処理を繰返すための、実際の繰り返し時間τＣを確立する。最大滴繰返し周波数ｆ＝１／τＣは、重要なシステム性能属性である。第２の待ち時間τＷ２が、内部熱伝導時定数τＢよりも非常に長いことが好ましい。最も好ましくは、本発明の熱アクチュエータと液滴エミッタの効率的且つ再生できる活性化についてτＷ２＞３τＢであることが最も好ましい。
【０２９５】
本発明の２重熱−機械作動手段に与えられる電気パルスのパラメータ、作動の順序、及び、熱伝導時間τＢと共振振動期間τＲのような、熱アクチュエータ物理特性に関する作動のタイミングは、望ましい予め定められた変位対時間プロファイルを設計するツールの豊富な組みを提供する。本発明の熱アクチュエータの２重作動能力は、変位対時間プロファイルの修正を、電子制御システムにより管理されるようにすることを可能とする。この能力は、変化するアプリケーションデータ、変化する環境ファクタ、変化する液体又は負荷等に関わらず、公称性能を維持する目的でアクチュエータ変位プロファイルの調整をするのに使用される。この能力は、グレーレベル印刷を生成するために幾つかの予め定められた滴低積を発生するような、複数の予め定められた効果を発生する複数の個別の作動プロファイルを生成するのに重要な値も有する。
【０２９６】
大部分の前述の分析は、第１及び第２デフレクタ層２２と２４及びデフレクタ層間の熱伝導を制御する障壁層２３を含む３層の片持ちばり要素に関して示された。このように記載の３層の１つ又はそれ以上は、サブ層から構成される積層として形成されうる。そのような構成は、図４０ａと４０ｂに示されている。図４０ａと４０ｂの片持ちばり要素は、３つのサブ層２２ａ、２２ｂ及び２２ｃを有する第１デフレクタ層２２；サブ層２３ａと２３ｂを有する障壁層２３；及び２つのサブ層２４ａと２４ｂを有する第２デフレクタ層２４より構成される。図４０ａにより示された構成は、１つのアクチュエータのみ、第１のヒータ抵抗２６を有する。それは、上方に偏向する位置Ｄ１で示されている。図４０ａの第２デフレクタ層２４は、受動復帰層として動作する。
【０２９７】
図４０ｂでは、第１及び第２デフレクタ層２２と２４が、第１及び第２のヒータ抵抗２６と２７で、それぞれパターン化されている。第２デフレクタ層を活性化する結果として、下方に偏向された位置Ｄ２で示されている。図４０ｂの構造は、第１と第２の一様な抵抗部分に適切に電気的にパルスを与えることにより、上方又は下方のいずれかに活性化されうる。第１又は第２デフレクタ層又は障壁層を構成する複数のサブ層の使用は、本発明について望ましいｃ＝０条件を発生する熱機械構造ファクタを調整する手段と共に種々の製造の考慮について、利点がある。
【０２９８】
前述の説明の大部分は単一の液滴エミッタの構成と動作に向けられているが、本発明は、複数の滴エミッタユニットの配列と組立体を形成するのに適することは、理解されるべきである。本発明に従った熱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うる又は、電子部品及び回路の製造前又は後に同じ基板上に形成されうることも理解されるべきである。
【０２９９】
前述から、本発明は、全ての目的を得るために良好に適用されるものであることが分かる。本発明の好ましい実施例の前述の記載は、説明と記載の目的のために示された。徹底的であること又は開示された詳細な形式に本発明を限定することは、意図されていない。修正及び変形が可能であり、そして、上述の教示により当業者に認識される。そのような追加の実施例は、添付の請求の範囲の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【０３００】
【図１】本発明に従ったインクジェットシステムの概略を示す図である。
【図２】本発明に従ったインクジェットの配列又は液滴エミッタユニットの平面図を示す図である。
【図３ａ】図２に示された個々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図３ｂ】図２に示された個々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図４ａ】本発明に従った熱アクチュエータの動きを示す側面図である。
【図４ｂ】本発明に従った熱アクチュエータの動きを示す側面図である。
【図４ｃ】本発明に従った熱アクチュエータの動きを示す側面図である。
【図５】本発明に従った熱アクチュエータを構成するのに適するプロセスの初期段階の外観を示す図であり、片持ちばり要素の第１デフレクタ層が形成されている。
【図６】本発明に従った熱アクチュエータを構成するのに適するプロセスの次の段階の外観を示す図であり、導体材料の追加とパターン化により第１デフレクタ層に、第１ヒータ抵抗が形成されている。
【図７】図５−６に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、片持ちばり要素の第２層又は障壁層が形成されている。
【図８】図５−７に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、片持ちばり要素の第２デフレクタ層が形成されている。
【図９】図５−８に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、導体材料の追加とパターン化により第２デフレクタ層に、第２ヒータ抵抗が形成されている。
【図１０】図５−９に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、液滴エミッタのような装置応用で必要な場合には、誘電体及び化学不動態化層が熱アクチュエータ上に形成される。
【図１１】図５−１０に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、本発明に従って滴エミッタの液体充填室の形状の犠牲層が形成される。
【図１２】図５−１１に示されたプロセスの次の段階の外観を示す図であり、本発明に従った滴エミッタの液体室とノズルが形成される。
【図１３ａ】図５−１２に示されたプロセスの最終段階の側面図であり、液供給経路が形成されそして、犠牲層が除去され、本発明に従った液滴エミッタが完了する。
【図１３ｂ】図５−１２に示されたプロセスの最終段階の側面図であり、液供給経路が形成されそして、犠牲層が除去され、本発明に従った液滴エミッタが完了する。
【図１３ｃ】図５−１２に示されたプロセスの最終段階の側面図であり、液供給経路が形成されそして、犠牲層が除去され、本発明に従った液滴エミッタが完了する。
【図１４ａ】本発明に従って、滴エミッタの第１の組みの電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図１４ｂ】本発明に従って、滴エミッタの第１の組みの電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図１５ａ】本発明に従って、滴エミッタの第２の組みの電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図１５ｂ】本発明に従って、滴エミッタの第２の組みの電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図１６ａ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の代わりの設計の平面図である。
【図１６ｂ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の代わりの設計の平面図である。
【図１７ａ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の設計の、それぞれ、外観及び平面図である。
【図１７ｂ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の設計の、それぞれ、外観及び平面図である。
【図１８】先細部分の関数として、先細の熱−機械アクチュエータに課された負荷の下で、熱−機械ベンダ部分自由端偏向のプロットを示す図である。
【図１９ａ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の代わりの設計の平面図である。
【図１９ｂ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の代わりの設計の平面図である。
【図１９ｃ】本発明に従った熱−機械ベンダ部分の代わりの設計の平面図である。
【図２０】幅減少部分の関数としてステップ化減少熱−機械アクチュエータについての課された負荷の下での熱−機械ベンダ部分自由端変更のプロットを示す図である。
【図２１】自由端の最小正規化偏向を生じる単一ステップ減少形状の熱−機械ベンダ部分のパラメータのプロットを示す図である。
【図２２】ステップ位置の関数として、図２１にプロットされた最適パラメータからの、単一ステップ減少熱−機械ベンダ部分の自由端の最小正規化偏向のプロットを示す図である。
【図２３】ステップ位置と自由端減少の関数として、単一ステップ減少熱−機械アクチュエータに対する課された負荷の下での熱−機械ベンディング部分自由端偏向の輪郭のプロットを示す図である。
【図２４ａ】本発明に従った熱−機械ベンディング部分についての代わりの設計の平面図である。
【図２４ｂ】本発明に従った熱−機械ベンディング部分についての代わりの設計の平面図である。
【図２５】図２４に示された形式の幅減少形状に対する課された負荷の下での熱−機械ベンディング部分自由端偏向の輪郭のプロットを示す図である。
【図２６ａ】熱−機械ベンディング部分についての代わりの設計の平面図を示す図である。
【図２６ｂ】熱−機械ベンディング部分についての代わりの設計の平面図を示す図である。
【図２６ｃ】熱−機械ベンディング部分についての代わりの設計の平面図を示す図である。
【図２７】図２６に示された形式の幅減少形状に対する課された負荷の下での熱−機械ベンディング部分自由端偏向の輪郭のプロットを示す図である。
【図２８】先細の角度の関数として、作動されたときの、先細の熱−機械アクチュエータのピーク偏向の数値シミュレーションのプロットを示す図である。
【図２９】与えられた熱モーメントの空間依存性を起こす、熱−機械ベンダ部分上の幾つかの空間熱パターンを示す図である。
【図３０】温度上昇減少の大きさと位置の関数として、ステップ化減少空間熱パターンを有する熱−温度アクチュエータの正規化されたピーク偏向の計算のプロットを示す図である。
【図３１ａ】本発明に従った空間熱パターンを有するヒータ抵抗を示す、それそれ、平面図と温度上昇プロットを示す図である。
【図３１ｂ】本発明に従った空間熱パターンを有するヒータ抵抗を示す、それそれ、平面図と温度上昇プロットを示す図である。
【図３２ａ】本発明に従った上昇温度でのステップ化減少を有する空間熱パターンを有するヒータ抵抗を示す、それそれ、平面図と温度上昇プロットを示す図である。
【図３２ｂ】本発明に従った上昇温度でのステップ化減少を有する空間熱パターンを有するヒータ抵抗を示す、それそれ、平面図と温度上昇プロットを示す図である。
【図３３ａ】空間熱パターンを有する熱パルスを加える幾つかの装置を示す側面図である。
【図３３ｂ】空間熱パターンを有する熱パルスを加える幾つかの装置を示す側面図である。
【図３３ｃ】空間熱パターンを有する熱パルスを加える幾つかの装置を示す側面図である。
【図３４】本発明に従った片持ちばり要素の中又は外の熱流を示す側面図である。
【図３５】本発明に従った片持ちばり要素の熱−機械ベンダ部分の障壁層の２つの構成に対する第１偏向及び第２デフレクタ層に対する温度対時間のプロットを示す図である。
【図３６】偏向インパルスを受ける片持ちばりビームのダンプされた共振振動動作を示す図である。
【図３７】本発明に従った熱アクチュエータの変位対時間に影響を及ぼす、電気パルスの幾つかの代わりの印加を示す図である。
【図３８】本発明に従った滴放射の特性に影響を及ぼす、電気パルスの幾つかの代わりの印加を示す図である。
【図３９ａ】本発明に従った滴放射を発生するために、第２の組みへそして第１の組の電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図３９ｂ】本発明に従った滴放射を発生するために、第２の組みへそして第１の組の電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図３９ｃ】本発明に従った滴放射を発生するために、第２の組みへそして第１の組の電極への電気パルスの印加を示す側面図である。
【図４０ａ】本発明に従った多層積層構成を示す側面図である。
【図４０ｂ】本発明に従った多層積層構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【０３０１】
１０  基板
１１  基板１０のヒートシンク
１２  液体室
１３  片持ちばり要素と室へ記の間のギャップ
１４  ベース要素又は壁端での片持ちばり要素アンカ位置
１５  熱アクチュエータ
１６  液体室曲線壁部分
１８  熱−機械ベンダ部分の自由端幅の位置
２０  片持ちばり要素
２１  不動態化層
２２  第１デフレクタ層
２２ａ  第１デフレクタ層サブ層
２２ｂ  第１デフレクタ層サブ層
２２ｃ  第１デフレクタ層サブ層
２３  障壁層
２３ａ  障壁層サブ層
２３ｂ  障壁層サブ層
２４  第２デフレクタ層
２４ａ  第２デフレクタ層サブ層
２４ｂ  第２デフレクタ層サブ層
２５  片持ちばり要素の熱−機械ベンダ部分
２６  第１デフレクタ層に形成された第1のヒータ抵抗
２７  第２デフレクタ層に形成された第２のヒータ抵抗
２８  熱−機械ベンダ部分のベース端
２９  熱−機械ベンダ部分の自由端
３０  ノズル
３１  犠牲層
３２  片持ちばり要素自由端の先端
３３  液体室カバー
３４  片持ちばり要素のアンカ端
３５  空間熱パターン
３６  第１の空間熱パターン
３７  第２の空間熱パターン
３８  パッシベーション層
３９  クリアランス領域
４１  電極４４に取りつけられたＴＡＢリード
４２  第１の電極の組の電極
４３  電極４４の半田バンプ
４４  第１の電極の組の電極
４５  電極４６に取りつけられたＴＡＢリード
４６  第２の電極の組の電極
４７  電極４６の半田バンプ
４８  第２の電極の組の電極
４９  熱経路リード
５０  インク滴
５２  ノズル３０での液体メニスカス
６０  流体
６２  単調幅減少の熱−機械ベンダ部分
６３  台形形状の熱−機械ベンダ部分
６４  線形よりも大きい幅減少の熱−機械ベンダ部分
６５  ステップ幅減少の熱−機械ベンダ部分
６６  ヒータ抵抗セグメント
６７  電流シャント
６８  電流結合素子
６９  薄膜ヒータ抵抗
７１  第１のパターン化電流シャント層
７２  第２のパターン化電流シャント層
７３  単調に減少する空間熱パターン
７４  ステップ減少空間熱パターン
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  薄膜ヒータ抵抗
７７  薄膜ヒータ抵抗層７６に形成された電流シャント領域
８０  マウンティングサポート構造
９０  公称ケース矩形熱−機械ベンダ部分
９２  逆べき乗則減少形状熱−機械ベンダ部分
９３  逆べき乗則減少熱−機械ベンダ部分
９４  逆べき乗則減少熱−機械ベンダ部分
９７  ２次減少形状熱−機械ベンディング部分
９８  ２次減少形状熱−機械ベンディング部分
１００  インクジェットプリントヘッド
１１０  滴エミッタユニット
２００  電気パルスのソース
３００  コントローラ
４００  画像データソース
５００  レシーバ
【図１】
2004160650.tif 000109
【図２】
2004160650.tif 000110
【図３ａ】
2004160650.tif 000111
【図３ｂ】
2004160650.tif 000112
【図４ａ】
2004160650.tif 000113
【図４ｂ】
2004160650.tif 000114
【図４ｃ】
2004160650.tif 000115
【図５】
2004160650.tif 000116
【図６】
2004160650.tif 000117
【図７】
2004160650.tif 000118
【図８】
2004160650.tif 000119
【図９】
2004160650.tif 000120
【図１０】
2004160650.tif 000121
【図１１】
2004160650.tif 000122
【図１２】
2004160650.tif 000123
【図１３ａ】
2004160650.tif 000124
【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
2004160650.tif 000127
【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
2004160650.tif 000132
【図１７ａ】
2004160650.tif 000133
【図１７ｂ】
2004160650.tif 000134
【図１８】
2004160650.tif 000135
【図１９ａ】
2004160650.tif 000136
【図１９ｂ】
2004160650.tif 000137
【図１９ｃ】
2004160650.tif 000138
【図２０】
2004160650.tif 000139
【図２１】
2004160650.tif 000140
【図２２】
2004160650.tif 000141
【図２３】
2004160650.tif 000142
【図２４ａ】
2004160650.tif 000143
【図２４ｂ】
2004160650.tif 000144
【図２５】
2004160650.tif 000145
【図２６ａ】
2004160650.tif 000146
【図２６ｂ】
2004160650.tif 000147
【図２６ｃ】
2004160650.tif 000148
【図２７】
2004160650.tif 000149
【図２８】
2004160650.tif 000150
【図２９】
2004160650.tif 000151
【図３０】
2004160650.tif 000152
【図３１ａ】
2004160650.tif 000153
【図３１ｂ】
2004160650.tif 000154
【図３２ａ】
2004160650.tif 000155
【図３２ｂ】
2004160650.tif 000156
【図３３ａ】
2004160650.tif 000157
【図３３ｂ】
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【図３３ｃ】
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【図３４】
2004160650.tif 000160
【図３５】
2004160650.tif 000161
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９ａ】
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【図３９ｂ】
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【図３９ｃ】
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【図４０ａ】
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【図４０ｂ】
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