(57)【要約】【課題】異なる量の液滴を吐出するための、インクジェット装置等の液滴吐出器を操作するための装置と方法を提供する。【解決手段】液滴吐出器は、液体の小滴を吐出するノズル３０を有する上側液体チャンバ構造３３、ノズル部の液体に圧力をかける熱機械的アクチュエータ１５、熱機械的アクチュエータ１５に熱パルスを印加する装置を備える。第一のパワーＰ１、第一のパルス期間τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ１×τｐ１を有する第一の熱パルスを印加し、第一の液滴量Ｖｄ１を有し、目標速度ｖ０で移動する液滴が吐出されるように、熱機械的アクチュエータ１５を移動し、第二のパワーＰ２、第二のパルス期間τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ２×τｐ２を有する第二の熱パルスを印加し、第二の液滴量Ｖｄ２を有し、目標速度ｖ０で移動する液滴が吐出されるように、熱機械的アクチュエータ１５を移動させる。この時、Ｖｄ２＞Ｖｄ１，Ｅ２＞Ｅ１，τｐ２＞τｐ１、Ｐ２＜Ｐ１とする。【選択図】図１
2004209981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に異なる量と実質的に同じ目標速度ｖ０を有する液滴を吐出し、液体が充填され、液体の小滴を吐出するためのノズルを有するチャンバと、ノズル部の液体に圧力をかけるためのチャンバ内の可動部を有する熱機械的アクチュエータと、熱機械的アクチュエータに熱パルスを印加するための装置を備える液滴吐出器の操作方法であって、
（ａ）第一のパワーＰ１、第一のパルス期間τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ１×τｐ１を有する第一の熱パルスを印加し、第一の液滴量Ｖｄ１を有し、実質的に目標速度ｖ０で移動する液滴が吐出されるように、アクチュエータの可動部を移動させるステップと、
（ｂ）第二のパワーＰ２、第二のパルス期間τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ２×τｐ２を有する第二の熱パルスを印加し、第二の液滴量Ｖｄ２を有し、実質的に目標速度ｖ０で移動する液滴が吐出されるように、アクチュエータの可動部を移動させるステップとを含み、それぞれ関係がＶｄ２＞Ｖｄ１，Ｅ２＞Ｅ１，τｐ２＞τｐ１、Ｐ２＜Ｐ１であることを特徴とする操作方法。
【請求項２】
実質的に異なる量と所定の液滴速度範囲ｖｄｍｉｎからｖｄｍａｘに含まれる液滴速度を有する液滴を吐出する液滴吐出器の操作方法であって、
前記液滴吐出器は、液体が充填され、液体の小滴を吐出するためのノズルを有するチャンバと、ノズル部の液体に圧力をかけるためのチャンバ内の可動部を有する熱機械的アクチュエータと、熱機械的アクチュエータに熱パルスを印加するための装置を備え、
（ａ）最大液滴速度範囲ｖｄｍｉｎからｖｄｍａｘを選択するステップと、
（ｂ）第一のパワーＰ１、第一のパルス期間τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ１×τｐ１を有する第一の熱パルスを印加し、第一の液滴量Ｖｄ１を有し、第一の速度ｖ１ｄで移動する液滴が吐出されるように（ただし、ｖｄｍｉｎ≦ｖ１ｄ＜ｖｄｍａｘ）アクチュエータの可動部を移動させるステップと、
（ｃ）第二のパワーＰ２、第二のパルス期間τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ２×τｐ２を有する第二の熱パルスを印加し、第二の液滴量Ｖｄ２を有し、第二の速度ｖ２ｄで移動する液滴が吐出されるように（ただし、ｖ１ｄ＜ｖ２ｄ≦ｖｄｍａｘ）アクチュエータの可動部を移動させ、Ｖｄ２が実質的にＶｄ１，Ｅ２＞Ｅ１，τｐ２＞τｐ１であるステップと、
を含むことを特徴とする操作方法。
【請求項３】
実質的に異なる液量と所定の液滴速度範囲ｖｄｍｉｎからｖｄｍａｘ内の液滴速度を有する液滴を吐出する液滴吐出器であって、
（ａ）基板上に形成され、液体が充填され、液滴を吐出するためのノズルと、弧状チャンバ部を有するチャンバと、
（ｂ）チャンバ壁から延び、弧状形状を有する先端周辺部を持つ自由端を有するカンチレバー式素子を備えるアクチュエータであって、前記先端周辺部は間隙距離だけ前記弧状チャンバ部から離れており、ノズルでの液体に圧力を加えるよう、前記弧状チャンバ部内で移動する熱機械的アクチュエータと、
（ｃ）請求項２の方法に従って前記熱機械的アクチュエータに熱パルスを印加するよう構成された装置であって、前記実質的に異なる量の液滴を範囲ｖｄｍｉｎからｖｄｍａｘ内の液滴速度で吐出する装置と、
を備えることを特徴とする液滴吐出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ドロップオンデマンド方式の液体吐出装置に関し、より詳しくは、熱機械的アクチュエータを採用するインクジェット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）液体吐出装置は長年にわたり、インクジェット印刷システムにおけるインク印刷装置として知られてきた。初期の装置は、圧電アクチュエータに基づくものであった（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。現在人気の高いインクジェット印刷形態であるサーマルインクジェット方式（あるいは「バブルジェット（登録商標）」）は、液滴を吐出させる気泡を発生する電気抵抗(electroresistive)ヒータを用いる（例えば、特許文献３）。
【０００３】
電気抵抗ヒータによるアクチュエータは、十分に開発されたマイクロエレクトロニックプロセスを使って製造できるため、圧電式アクチュエータより製造コストの点で有利である。これに対し、サーマルインクジェット方式の液滴噴出メカニズムでは、インクが揮発成分を含むことを必要とし、インクの温度をこの成分の沸点以上に局所的に上昇させる。このような加熱により、サーマルインクジェット装置から高い信頼性をもって吐出できるインクその他の液体の調合が極めて限定される。圧電式装置の場合、液体が機械的に圧縮されるため、噴出される液体に関する厳しい制約がない。
【０００４】
インクジェット装置の供給者が実現してきた入手可能性、コスト、技術的性能面での改良により、液体のマイクロメータリングを必要とするその他の用途にこの装置を使用することに対する関心が高まっている。これらの新たな用途には、微量解析用化学薬品の定量吐出（例えば、特許文献４）、電子機器製造用コーティング材料の定量吐出（例えば、特許文献５）、薬剤吸入療法用マイクロドロップ吐出（例えば、特許文献６）等がある。最高品質の画像印刷のほか、液体の吐出に超微細小滴の解粒、正確な設置とタイミング、微小な増加量を必要とするような新たな用途に、需要に応じてさまざまな液体の微量な小滴を吐出することのできる装置と方法が必要である。
【０００５】
さまざまな調合の液体に使用できる微細小滴吐出のための低コストの方法が必要である。サーマルインクジェットに使用されるマイクロエレクトロニックプロセスによる製造の利点と、圧電機械装置で利用可能な液体組成の幅広さとを複合させた装置と方法が必要である。
【０００６】
熱機械的アクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置が開示されている。アクチュエータは、インクジェットチャンバ内で移動可能な二層カンチレバーとして構成される。ビームが抵抗器によって加熱され、二層の熱膨張率の違いによってたわむ。ビームの自由端が移動してノズル部分のインクを圧縮し、小滴を噴出させる（例えば、特許文献７参照）。最近、同様の熱機械的ＤＯＤインクジェットの構成が開示された（例えば、特許文献８、特許文献９、特許文献１０参照）。また、マイクロエレクトロニックプロセスを用いた熱機械的インクジェット装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１１、特許文献１２参照）。
【０００７】
熱機械的動作による液滴吐出器は、マイクロエレクトロニック材料と機器を使って大量生産でき、サーマルインクジェット装置では高い信頼性が得られない液体でも利用可能な低コストの装置として大きな可能性を持つ。このほか、液滴吐出器を、液滴量の実質的に異なる小滴を有益に発生するように動作させる装置と方法があれば非常に望ましい。このような装置と方法により、ひとつの液滴吐出器で小滴発射サイクルごとに異なるレベルの液体を供給することが可能となる。インクジェット印刷において、この能力を利用し、複数の画像グレイレベルを生成しながら、バイナリ印刷による印刷速度を保つことができる。ひとつのインク小滴吐出器でグレイレベルの印刷を行うことができれば、噴出部が少ない印刷システムを設計し、全体的システムコストを下げる、あるいはバイナリレベル印刷システムと同等の装置コストで、より早いグレイレベル画像正味印刷速度を達成するよう構成することが可能となる。
【０００８】
ドロップオンデマンド型インクジェット印字ヘッドから異なる量のインク小滴を吐出する方法が、これまでいくつか開示され、使用されてきた。このような目的で流体共鳴を利用することが、圧電ドロップオンデマンド型インクジェットデバイスについて知られている。このような既知の方法において、表面張力によって駆動されるノズルにおけるインクのメニスカスの共鳴あるいはコンプライアンス効果によって駆動されるインクチャンバのヘルムホルツ共鳴現象を利用して、吐出される小滴の量または数を変更する。なお、インクジェット印字ヘッドのオリフィスにおけるインクのモード共鳴に関連する周波数にスペクトルエネルギーを集中させて圧電トランスデューサを駆動する波形を採用しているものがある（例えば、特許文献１３）。この場合、インクのメニスカスの異なる共鳴モードを励起させることにより、異なるサイズの小滴を吐出する。
【０００９】
また、インクジェット装置の優性共鳴周波数を使って圧電印字ヘッドを操作する方法を開示しているものがある。この優性共鳴は、個々のジェットチャンバのヘルムホルツ共鳴として説明され、圧電トランスデューサを作動させることによって励起され、まずジェットチャンバを膨張させ、共鳴期間中は待機し、チャンバを収縮させてこの共鳴を強化する、というものである。この励起プロセスが複数のサイクルについて繰り返され、サイズの異なる印刷スポットのために複数の結合した小滴を発生する（例えば、特許文献１４参照）。
【００１０】
大型のインクチャンバとサイドウォールアクチュエータを備える圧電形ＤＯＤ印字ヘッドを使ったマルチトーン印刷の方法がある。この方法は、個々の噴出部がパルスのパケットによって励起され、ジェットチャネル内の長手方向の音響共鳴を発生させ、これによって多数の個別の小滴が吐出される方法である（例えば、特許文献１５参照）。また、圧電方インクジェット印字ヘッドのインクチャネルの音響共鳴の同様な使用について述べているものもある（例えば、特許文献１６参照）。
【００１１】
圧電印字ヘッドで使用される圧電トランスデューサは、インク液チャンバを圧縮および拡張するよう駆動され、これによってノズルにおけるインクのメニスカスが押し出される、あるいは引き込まれる。吐出される液滴量の変化は、メニスカスの位置と速度を一連の圧縮および拡張電気パルスによって操作することにより達成される。このように圧電型ドロップオンデマンドインクジェット印字ヘッドを操作する装置と方法が多数提案されている（例えば、特許文献１７、特許文献１８参照）。
【００１２】
サーマルインクジェットドロップオンデマンド印字ヘッドを、複数の液滴量を発生させるように操作するための装置と方法もまた開示されている。例えば、駆動電気パルスのパルス幅を変化させるステップと、印加されるエネルギーを増大させるステップと、これによってより大きなエネルギー入力については、より大きな液滴を吐出するステップを含む、サーマルインクジェット印字ヘッドの操作方法を開示している。開示されている液滴量は約１６％の範囲で大きさが変化する。
【００１３】
これより大きな液滴量の変化が、ヒータ抵抗器の異なる部分を通電するように構成されたサーマルインクジェット装置および方法について報告されている。たとえば、インクノズルチャンバひとつにつき複数の発熱抵抗器を備える装置がある（例えば、特許文献２０参照）。この場合、複数の発熱抵抗器は、独立して駆動され、複数の量の異なる液滴を吐出する。また、ある範囲の気泡量を発生させ、サイズの異なる液滴を吐出するように個別に通電される区分化されたヒータ抵抗器の構成を開示するものもある（例えば、特許文献２０参照）。
【００１４】
熱機械的アクチュエータは、インジェット印字ヘッドで使用される圧電型アクチュエータより大きさが実質的に小さく、その共鳴挙動が機械的に異なる。熱機械的アクチュエータは、サーマルインクジェットヒータ抵抗器より製造が複雑であり、したがって、上記のようなサーマルインクジェット装置と同様の方法で噴出部ひとつにつき複数のアクチュエータを作るのは、より困難である。熱機械的アクチュエータの特異な物理的構成、挙動および機能に合わせた量の異なる液滴を発生するための装置と方法が必要である。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第３，９４６，３９８号明細書
【特許文献２】米国特許第３，７４７，１２０号明細書
【特許文献３】米国特許第４，２９６，４２１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５９９，６９５号明細書
【特許文献５】米国特許第５，９０２，６４８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，７７１，８８２号明細書
【特許文献７】特許第２，０３０，５４３号明細書
【特許文献８】米国特許第６，０６７，７９７号明細書
【特許文献９】米国特許第６，２３４，６０９号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，２３９，８２１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，２５４，７９３号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，２７４，０５６号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，６８９，２９１号明細書
【特許文献１４】米国特許第５，２０２，６５９号明細書
【特許文献１５】米国特許第５，３６１，０８４号明細書
【特許文献１６】米国特許第４，５１３，２９９号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，９３３，１６８号明細書
【特許文献１８】米国特許第６，０９５，６３０号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，７２６，６９０号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，８８０，７６２号明細書
【特許文献２１】米国特許第６，３１８，８４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、量が実質的に異なり、速度が実質的に同じ液滴を吐出する熱機械的液滴吐出器とその操作方法を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、所定の範囲内で量と速度が実質的に異なる液滴を吐出する熱機械的液滴吐出器とその操作方法を提供することである。
【００１８】
本発明のまた別の目的は、量と速度が実質的に異なる液滴を吐出するインクジェット印字ヘッドの操作方法であり、その吐出が、印刷平面への液滴到達時間と同期するように時間遅延され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】
【００１９】
本発明の上記およびその他多数の特徴、目的、利点は、本願の詳細な説明、特許請求範囲および図面を見ることにより容易に明らかとなる。これらの特徴、目的、利点は、量の異なる液滴を吐出するための、インクジェット装置等の液滴吐出器を操作することによって実現する。液滴吐出器は、液体が充填され、その液体の小滴を吐出するためのノズルを有するチャンバと、ノズルにおける液体に圧力を加えるようチャンバ内で移動することのできる部分を有する熱機械的アクチュエータと、熱機械的アクチュエータに熱パルスを印加するよう構成された装置を備える。操作方法は、第一の力Ｐ１、第一のパルス幅τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ１×τｐ１を有する第一の熱パルスを印加するステップと、第一の液量Ｖｄ１を有し、実質的に目標速度ｖ０で移動する液滴を吐出するようアクチュエータの可動部を移動させるステップと、第二の力Ｐ２、第二のパルス幅τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ２×τｐ２を有する第二の熱パルスを印加するステップと、第二の液量Ｖｄ２を有し、実質的に目標速度ｖ０で移動する液滴を吐出するようアクチュエータの可動部を移動させるステップ（ただし、Ｖｄ２＞Ｖｄ１，Ｅ２＞Ｅ１，τｐ２＞τｐ１，Ｐ２＜Ｐ１）を含む。別の操作方法により、量が実質的に異なり、所定の速度範囲ｖｍｉｎからｖｍａｘの中で実質的に異なる速度で移動する液滴を吐出することができる。
【００２０】
本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷用の液滴吐出器の操作に特に有益である。インクジェット印字ヘッドを操作するその他の方法により、量と速度が実質的に異なる液滴を吐出することができ、液滴の吐出のトリガリングが、印刷平面への到着時間が同期されるように遅延される。
【００２１】
本発明は、特定の好ましい実施形態を特に参照しながら詳細に説明するが、本発明の意図と範囲内において、変更、改変を加えることが可能であると理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に詳しく説明するように、本発明は、ドロップオンドマンド液滴吐出器を操作するための装置と方法を提供する。このような装置の最も一般的なものは、インクジェット印刷システムの印字ヘッドに使用される。インクジェット印字ヘッドと同様の装置を使用するが、厳密に計量され、高い位置精度で供給する必要のあるインク以外の液体を放出する多くのその他の用途も可能となる。インクジェットと液滴吐出器との用語は、ここでは同義で用いる。以下に説明する発明は、実質的に異なる量の液滴を有益に吐出するように、熱機械的アクチュエータに基づく液滴吐出器を操作するための装置と方法を提供する。
【００２３】
まず図１において、本発明による方法で製造された装置を使用することのできるインクジェット印刷システムの略図が示される。このシステムは、液滴印刷の命令としてコントローラ３００が受信する信号を供給する画像データ源４００を備える。コントローラ３００は電気パルス発生源２００に信号を出力する。するとパルス源２００は、インクジェット印字ヘッド１００の中にある個々の熱機械的アクチュエータ１５に関連する機械的抵抗手段に印加される電気エネルギーパルスで構成される電気電圧信号を発生する。電気エネルギーパルスにより、熱機械的アクチュエータ１５は急速にたわみ、ノズル３０にあるインク６０に圧力を加え、インク小滴５０を吐出し、これがレシーバまたは印刷平面５００の上に着滴する。
【００２４】
図２は、インクジェット印字ヘッド１００の平面図である。熱的に作動するインクジェットユニット１１０のアレイが示され、ユニット１１０はノズル３０を有し、ノズル３０は中央に整列され、上側インクチャンバ１１は外側がチャンバ構造３３によってその境界が定められ、２列に樹枝状となっている。インクジェットユニット１１０は、ここで説明するようなマイクロエレクトロニック製造方法を使って基板１０の上およびその内部に形成される。
【００２５】
各液滴吐出ユニット１１０は、Ｕ字型の電気抵抗ヒータ２７とともに形成される、あるいはヒータ２７に電気的に接続される電気リードコンタクト４２，４４を有し、これは図２において破線で示される。図の実施形態では、抵抗器２７は、熱機械的アクチュエータ１５の反らせ板層の中に形成され、熱機械的効果にかかわる。印字ヘッド１００の素子８０は、マイクロエレクトロニック基板１０と液体供給、電気信号、機械的インタフェース機能を接続するその他の手段のための設置面を提供する設置基板である。
【００２６】
図３（ａ）は、ひとつの液滴吐出ユニット１１０の平面図、図３（ｂ）は、上側インクチャンバ１１を囲み、ノズル３０を含む液体チャンバ構造３３を取り外した状態の第二の平面図である。上側インクチャンパ１１には、熱機械的アクチュエータ１５の弧状自由端２８をほぼ囲む弧状部３６がある。
【００２７】
図３（ａ）において破線で示される熱機械的アクチュエータ１５は、図３（ｂ）では実線で示されている。熱機械的アクチュエータ１５のカンチレバー式素子２０は、基板１０内に形成された下側インクチャンバ１２の端部１４から延びる。カンチレバー式素子１７は、基板１０に接着され、カンチレバーを固定する。
【００２８】
アクチュエータのカンチレバー式素子２０は、パドル形であり、長く延びる平坦なシャフトの終端は、シャフトの幅より大きい直径のディスクで終わっている。この形状は、使用可能なカンチレバー式アクチュエータの一例にすぎない。その他さまざまな形状を利用できる。このパドル形状がノズル３０と、カンチレバーの自由端２８を中心に位置合わせされている。下側液体チャンバ１２はアクチュエータの自由端２８の弧状部３４と一致し、アクチュエータが移動するためのギャップ１３を残すように間隔が空けられた湾曲壁部１６を有する。自由端２８の弧状部３４と上下の液体チャンバ１１，１２の弧状部は角量Θ（ただし、Θは１８０度またはそれ以上）だけ延びるように描かれている。熱機械的アクチュエータの反対側の自由端１９は、自由端２８とともに、熱機械的アクチュエータの可動部の外郭を画定する。
【００２９】
図３（ｂ）は、電気パルス源２００を相互接続端子４２，４４で電気抵抗ヒータ２７に取り付けた様子を図式的に示している。電圧差が電圧端子４２，４４に印加され、Ｕ字型抵抗器２７を通じた抵抗熱が発生する。これは、一般に、電流Ｉを表す矢印で示される。図３の平面図において、アクチュエータの自由端は、パルスが印加されたときに見ている者の方向に移動し、液滴は液体チャンバ構造２８内のノズル３０から見ている者の方向に吐出される。この作動と液滴と吐出の動作は、多くのインクジェットの開示において「ルーフシュータ」と呼ばれる。
【００３０】
図４は、本発明の好ましい実施形態によるカンチレバー式素子２０の側面図である。図４（ａ）において、カンチレバー式素子２０は第一の位置にあり、図４（ｂ）では上方に撓み、第二の位置にある。図４（ｃ）において、カンチレバー式素子２０が反動し、下方に撓んだ位置にある様子が示されている。カンチレバー式素子２０は、熱機械的アクチュエータ用のベース素子として機能する基板１０に固定されている。カンチレバー素子２０は、基板ベース素子１０の壁端部１４から延びている。
【００３１】
カンチレバー式素子２０は、複数の層で構成される。層２４は、カンチレバー式素子の他の層に関して熱膨張すると、上方に撓む反らせ板層である。反らせ板材料は、高い熱膨張率を持つものを選択する。さらに、図の構成では、反らせ板材料は電気抵抗があり、一部は、熱機械的アクチュエータを加熱するための電気パルスを受けるヒータ抵抗器のパターンとなっている。電気抵抗材料は一般に、コンポーネントや動作流体における不純物との化学的相互作用を受ける。
【００３２】
上層２６は、反らせ板層より有意に低い熱膨張率を有する上層材料で構成され、その層厚は反らせ板層の厚さと同等またはこれより大きい。図４の上層２４は、加熱されたときに反らせ板層ほど膨張せず、これが、反らせ板層が単独で延長するのを制約し、カンチレバー式素子２０全体が反らせ板層２４から離れて上方に撓むようにする。反らせ板材料が電気抵抗性を持ち、ヒータ抵抗器で形成される実施形態において、上層材料は誘電材料である。上層材料は、動作流体に対して化学的に不活性なものを選択してもよい。
【００３３】
下層２２は、たとえばインクジェット印刷用インク等、その装置で使用される動作流体に対して化学的に不活性な下層材料で形成される。これは、反らせ板材料の下側表面を化学的相互作用から保護する。さらに、下層材料は、熱機械的アクチュエータの下の基板材料を除去する、以下に説明する製造工程中のエッチングストッパとしても機能する。
【００３４】
「上」、「下」との用語は、基板に関する位置にある層を示すために選ばれる。これらの層はまた、反らせ板層がどの方向に熱機械的アクチュエータを撓ませるかを決定する上でも役割を果たす。どちらの層も同じ材料で形成され、厚さも同じであれば、アクチュエータはまったく撓まない。反らせ板層は、上下いずれかの層に向かって撓む。その厚さ、熱膨張率、ヤング率の結果として、より制約が強い。移動方向のバイアスは、所望の方向に向かう層を遠い層より有意に厚くすることで、容易に達成できる。
【００３５】
液滴吐出器のアクチュエータとして使用した場合、カンチレバー式素子２０の撓み応答は、ノズルにおける液体を十分に圧迫するのに十分な速度でなければならない。一般に、電気抵抗加熱装置は、パルス幅１０μ秒未満、好ましくは４μ秒未満の熱パルスと電気パルスを印加するよう構成されている。
【００３６】
図にあるカンチレバー式素子のタイプの吐出器の動作中、静止した第一の位置は、図４（ａ）と図１０（ｃ）に示された水平状態より、カンチレバー式素子２０が部分的に撓んだ状態である。アクチュエータは、ひとつまたは複数のマイクロエレクトロニック蒸着または硬化プロセスを行った後に残る内部応力により、室温で上下いずれかに撓む。装置は、熱管理デザインやインク特性制御等、各種の目的のために高い温度で動作される場合がある。その場合、第一の位置は実質的に撓んでいる。
【００３７】
この明細書における本発明の説明にあたり、カンチレバー式素子は、自由端が撓んだ位置で実質的に変化しない時、静止または第一の位置にあるとする。理解しやすくするために、第一の位置を図４ａと図１０ｃのように水平に描く。しかしながら、本発明の発明者は撓んだ第一の位置についての熱機械的アクチュエータの動作を知り、予想しており、これも本発明の範囲内にある。
【００３８】
図５から図１０（ｃ）は、図３、図４に示すようなカンチレバー式素子を含む熱機械的アクチュエータを備えるインクジェット装置またはその他の液滴吐出器に適用される製造方法を示す。図５は、製造プロセスの最初の段階にある単独のカンチレバー式素子の斜視図である。基底層２２は、基板１０の上に基底材料で形成される。基底材料は、基底層のパターンに合わせて除去され、基板が部分的に露出している状態となっている。このような基板の露出部はその後除去され、下側液体チャンバ１２と図３（ｂ）に示されるギャップ１３の一部を形成する。基板露出部の大きな長方形の領域は再充填領域３５であり、急速な液滴吐出中に十分な上側チャンバ再充填フローを提供できる大きさとし、ギャップ１３の確実なフィッティングが確保され、再充填を犠牲にすることなく、液滴吐出効率を改善することができる。基底層２２の可動部には向かい合った自由端１９がある。基板１０はまた、自由端の弧状端部３４に隣接する自由終端部１８においても露出している。
【００３９】
カンチレバー式素子による熱機械的アクチュエータの基底材料は、完成したアクチュエータの上方へのたわみのインピーダンスを最小限にするために、薄膜として蒸着される。基底層上に形成される反らせ板材料を化学的および電気的に保護するように、化学的に不活性なピンホールのない材料が好ましい。本発明の好ましい実施形態は、基板材料としてシリコンウェハを使用し、次に、湿式酸化プロセスにより、二酸化シリコンの薄膜を成長させる。あるいは、シリコン酸化物、窒化物または炭素薄膜の高温化学蒸着を使って、動作流体に対して化学的に不活性な特性を有する薄い、ピンホールのない誘電層を形成することもできる。
【００４０】
図６は、先に蒸着された基底層上に反らせ板層２４を追加する様子が示されている。反らせ板層は、反らせ板層のパターンに除去される。図の構成において、反らせ板層は電気抵抗反らせ板材料でなり、その一部はＵ字型ヒータ抵抗器２７にパターニングされ、これには入力リード４２，４４によってアドレスできる。反らせ板材料は、基底層材料と重ならないよう除去される。図６に示すデザインにおいて、反らせ板材料は基底層２２の端部１９から十分に後方まで除去されている。あるいは、反らせ板層と基底層を、基底層パターンを使って一緒にパターニングし、両方の層が自由端１９と一致するようにしてもよい。その後の反らせ板層のパターニングは、抵抗器およびアドレス用リード等、固有の機能を持たせるためにのみ必要となる。
【００４１】
反らせ板材料は、高い熱膨張率のもの、たとえば金属を選択する。さらに、ここで説明する例において、反らせ板材料は電気抵抗性を持ち、ヒータ抵抗器を形成するのに使用される。ニクロム（ＮｉＣｒ）は、反らせ板材料として使用できるよく知られた材料である。銅６０％、ニッケル４０％の合金である白銅および窒化チタンが、米国特許第６，２５４，７９３号および第６，２７４，０５６号においてＫ．シルバーブロックにより開示されている。
【００４２】
特に効率がよく、好ましい撓み材料は、本発明の譲受人に譲渡された「サーマルアクチュエータ」と題する２０００年１１月３０日出願の米国特許出願第０９／７２６，９４５号において開示されるチタンアルミニド（ＴｉＡｌ）金属間化合物である。好ましいＴｉＡｌ材料は、アルゴンガス中のＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリングで形成できる。好ましいＴｉＡｌ薄膜は、結晶構造の主に不規則化した面心立方構造（ｆｃｃ）で、化学量論的組成Ａｌ４−ｘＴｉｘ（ただし、０．６≦ｘ≦１．４）であることがわかっている。チタンアルミニドは、アルミニウムエッチングのマイクロエレクトロニック装置製造に一般的に使用される標準的な塩素系ドライエッチングシステムにより、パターンエッチングされる。
【００４３】
反らせ板材料の抵抗が適当な範囲にあると、反らせ板層の一部は抵抗器としてパターニングし、熱機械的アクチュエータに熱パルスを供給するために使用できる。あるいは、別の電気抵抗層を追加するか、熱エネルギーを光エネルギー等または誘導的に連結された電気エネルギー等の別の手段でアクチュエータに連結することができる。本発明において好まれるチタンアルミニド材料は約１６０μオーム−ｃｍの抵抗を持ち、これは、集積回路トランジスタによって駆動できるヒータ抵抗器にとって合理的な抵抗である。反らせ板層の一般的な厚さ、ｈdは、０．５μmから２μｍである。
【００４４】
図７は、反らせ板層２４、基底層２２、基板１０の上に形成された上層２６の追加を示す斜視図である。上層２６は、一般にカンチレバー式素子の可動領域における反らせ板材料をカバーするよう上層材料を残す上層パターンに除去される。図７に示す上層が果たす主な機能は２つで、反らせ板材料を動作流体との化学的相互作用から保護すること、カンチレバー式素子２０の上層方向への撓みをバイアスすることである。
【００４５】
上層材料に使用される一般的な誘電材料は、二酸化シリコンまたは窒化シリコンである。その他多くの誘電材料を使用できる。図７の構成において、上層は比較的厚く、低温ＣＶＤプロセスによって蒸着される酸化物と窒化物が、反らせ板層を化学相互作用から実質的に保護する。上層パターンは、上層材料が反らせ板層の自由端をカバーし、化学的、電気的パシベーションを提供する。さらに、上層材料の自由端は、下層自由端１９と上下いずれかがはみ出して重複しても、あるいは一致してもよい。下がはみ出して重複している状態が図７に示されている。上層材料が下層材料と重なって基板１０上の自由端領域１８になる場合、自由端領域１８を完全にカバーすることはできない。カンチレバー式素子２０の自由端２８の弧状自由端３４に隣接する自由端１８の一部を残し、自由端領域１８の下の基板を除去するその後のステップが、カンチレバー式素子２０の可動部が基板と接着しないようにする上で有効となるようにする。
【００４６】
上層２６のパターニングにより、説明中の液滴吐出器１１０のためのカンチレバー式素子２０の構成が完了する。その他の層を他の目的で追加することも可能で、たとえば、反らせ板材料を使う代わりに別の層および絶縁層によって抵抗ヒータを形成できる。また、上層、反らせ板層、下層は、下位層または材料特性の異なる層で構成してもよい。発明者はこのような追加の層と機能を知っており、本発明の製造方法の範囲内に入ると理解する。
【００４７】
図８は、犠牲材料で形成され、犠牲層パターンに除去される犠牲層（sacrificial layer）２９の追加を示す。犠牲層パターンは、犠牲材料が液滴吐出器の上側液体チャンバ１１の内側の形に形成されるものである。一般的な液体制御装置のコンセプトにおいて、このチャンバ空間は、熱機械的アクチュエータの移動容量と理解できる。移動容量とは、熱機械的アクチュカータの可動部が、構造素子に邪魔されずに自由に移動できる空間を意味する。
【００４８】
犠牲材料は、その外側表面の形状が次に追加されるべき構造層の内側表面の形状となる一時的形態とされる。さらに、犠牲材料は、基板１０上の自由端領域１８とよく接着させる等のために、カンチレバー式素子の下の層構造と十分に一致することができなければならない。
【００４９】
隣接する材料に関して選択的に除去できる材料は、自由端領域１８までの基礎トポグラフィーと十分に一致し、犠牲層２９を構成するためにパターニングおよび硬化が行われた後にも円滑で平坦なまま保たれる。
【００５０】
図９は、犠牲層および基板上のその他の露出層上に蒸着される構造材料によって形成されるパターニングされた構造層３３を示す。構造材料は次に、構造層パターンに従って除去され、図９に示されるように、壁を有する液滴吐出器の液体チャンバ３３、カバーとノズル３０および壁の弧状部３６が出来上がる。包括的な液体制御装置という用語において、パターニングされた構造層３３は移動容量１１を含み、依然として移動容量空間を占拠する犠牲材料と通じる構造開口部３０を提供する。電気リード４２，４４が露出され、電気パルス源と電気的に接続される。
【００５１】
適当な構造材料には、プラズマ蒸着された酸化シリコンまたは窒化物が含まれる。構造材料は、完成した犠牲層２９のかなり深いトポグラフィー一致しなければならない。犠牲層の基板からの高さは、電気リード４２，４４周辺領域の約１μｍから移動容量１１の上側基板３１の５μｍ〜１５μｍの範囲である（図８参照）。構造材料はまた、動作流体に対して化学的に不活性で、液滴吐出圧力パルスと印字ヘッドのメンテナンスのためのある程度の機械的掃引に耐えるのに十分な機械的強度と耐性を持たなければならない。
【００５２】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図９のＡ−Ａで示す断面から見た装置の側面図である。図１０（ａ）において、犠牲層２９は、ノズルの開口部３０を除き、液滴吐出器のチャンバ壁３３内に囲まれている。また、図１０（ａ）には、基板１０がそのまま残っている様子が示される。基板は、カンチレバー式素子の自由端に隣接する自由端領域１８のすぐ上のギャップ領域１３において、犠牲材料によってカバーされる。図１０に示す構造の場合、カンチレバー式素子の可動部の最も外側の端部は、図５〜図７に示されるように、下層２２の自由端１９（弧状端縁３４）と整列する。
【００５３】
図１０（ｂ）において、基板１０は、カンチレバー式素子２０の下、カンチレバー式素子２０の周辺および側方の液体チャンバ領域および自由端領域１８で除去されている。この除去は、使用された基板が単結晶シリコンであれば、反応イオンエッチング等の異方性エッチングプロセスによって行われる。熱機械的アクチュエータだけを構成する場合、犠牲構造と液体チャンバのステップは不要となり、基板１０からエッチングするこのステップを使って、カンチレバー式素子２０を基板１０と接着されないよう解放することが可能である。
【００５４】
基板材料の除去と熱機械的アクチュエータの可動部の解放により、液体が基板から液体吐出装置に入るための経路が開通する。図１０（ｂ）に示す製造段階において、下側液体チャンバ容量１２から入る液体は、カンチレバー素子を避け、カンチレバー素子２０の下層２２、ギャップ領域１３の犠牲材料、大きな再充填領域３５内の犠牲材料に接触する可能性があるが（図５〜図７参照）、カンチレバー式素子から長さ方向のこのＡ−Ａ断面図では見えない。再充填領域は、液滴吐出装置のための液滴吐出が行われた後に上側液体チャンバ１１を急速に再充填できるサイズとする。
【００５５】
図１０（ｃ）において、犠牲材料層２９は、酸素およびフッ素供給源を使ったドライエッチング等の貫通プロセスによって除去されている。エッチングガスはノズル３０を通じて、すでに基板１０の裏側からエッチングされ、新たに開けられた液体供給チャンバ領域１２から入る。このステップは、装置の移動容量から犠牲材料を除去し、カンチレバー素子２０が自由に移動できるようにし、液滴吐出構造の製造が修了する。
【００５６】
基板材料を除去し、犠牲材料を除去する図１０に示されたプロセスステップは、いずれの順序でも実行できる。基板材料を除去し、次に個々の装置を区別し、犠牲材料を残して熱機械的アクチュエータの可動部を保護し、粒子が移動用領内に入るのを防止することが有利である。液滴吐出装置は、全体的な製造の流れにおいて、後の最終ステップまで犠牲材料が装置内に残される場合、よりクリーン度が低い環境において、機械的に設置し、電気的、流体的に保護フィルタと相互接続してもよい。しかしながら、基板が全体として存在するときに、最初に犠牲材料を除去することも可能である。後者の順番によるプロセスは、個々にではなく、一連の装置についてウェハレベルで犠牲材料のエッチングを実行するという製造上の利点を有する。
【００５７】
図５から図１０（ｃ）は、好ましい製造シーケンスを示す。しかしながら、周知のマイクロエレクトロニック製造プロセスと材料を使ったその他の構成方法を用いてもよい。本発明の目的のためには、反らせ板層２４と上層２６を含むカンチレバー式素子が得られれば、どのような製造方法でも使用できる。さらに、図５から図１０（ｃ）に示すシーケンスにおいて、液滴吐出器の液体チャンバ３３とノズル３０が基板１０の上の本来の場所に形成された。しかしながら、熱機械的アクチュエータを別個に構成し、液体チャンバコンポーネントに接合して液滴吐出器を形成することも可能である。
【００５８】
本発明の発明者は、熱機械的に動作する液滴吐出器によって吐出される液滴の量または大きさは、アクチュエータに印加される熱パルスのパラメータを変えることによって変更できることを発見した。図３、図４に戻ると、適当な速度の熱パルスがカンチレバー式素子２０に印加されると、自由端２８はノズル３０に向かって急速に移動し、一般に、自由端２８の面積に自由端の移動量ｙ（Ｌ）を乗じた液量を加速させるとされている。吐出される液量はおおむね、移動するカンチレバー式素子によって移動される液体の量に比例する。
【００５９】
カンチレバー式素子２０の自由端２８は、ひとつまたは複数の層の温度が室温からΔＴだけ上昇することによって生じる各種の層における熱機械的膨張効果によって量ｙ（Ｌ）だけ撓む。つまり、単純な一次方程式解析は次のとおりとなる。
【数１】
2004209981.tif 000003
ただし、ｃは、加熱されるカンチレバー式素子の層の各々のヤング率、熱膨張率、厚さ、ポワソン比に依存する熱機械的構造係数である。本発明を理解する上で、複雑そうな熱機械的構造係数の詳細を詳しく見る必要はない。等式（１）の量（ｃΔＴ）は、多層構造の熱モーメントと呼ばれる。
【００６０】
熱機械的アクチュエータの温度は、パルス期間τｐの間、パワーレベルＰで印加されるエネルギーＥの熱パルスによって上昇される。
【数２】
2004209981.tif 000004
すると、温度上昇ΔＴは次のとおりとなる。
【数３】
2004209981.tif 000005
ただし、ｍｅｆｆは熱機械的アクチュエータの加熱部分の有効質量、Ｃｅｆｆは有効熱容量である。
【００６１】
このように、吐出される液滴量を決定する大きな要因であるカンチレバー式素子の自由端２８の撓みの関係の一次方程式解析により、次式が得られる。
【数４】
2004209981.tif 000006
方程式（４）から、吐出される液滴量は、印加されるエネルギーＥの増加に比例して増大すると予想される。一定の入力パワーＰ０を使った場合、方程式（４）はまた、液滴量が入力期間τｐの増加に比例して増大することも示唆している。
【００６２】
図１１は、一定のパルス期間τｐ＝２μ秒を使って印加された入力エネルギーの関数としての吐出される液滴量に関する実験データ２５０を示す。図１１でプロットされたデータは、水を満たした、図３、図４に記載の構成による代表的な液滴吐出器について収集したものである。カンチレバー式素子２０の長さＬは９０μｍであり、カンチレバーの長方形部分の幅と半円形の自由端２８の直径はいずれも３０μｍである。ノズル３０の直径は１４μｍである。反らせ板層２４内に形成されたヒータ抵抗器２７の抵抗は２６オームである。個々のデータポイントは、プロット２５０に沿った点でマークされている。個々のデータポイントには、各液滴量について観察された液滴速度も記入されている。
【００６３】
図１１から、特定の入力エネルギー範囲、約３．６μＪから４．３μＪについて、吐出される液滴量は入力エネルギーとほぼ等しいことがわかる。液滴速度もまた、この実験においては、約１．３メートル／秒から８．９ｍ／秒まで変化した。液滴吐出は、特定のしきい値に到達するまで、液滴が吐出されないというしきい値硬化を示している。これは、図１１において示される実験条件下では、約３．６μＪである。液滴吐出構造におけるコンプライアンスの影響を克服し、表面張力と液体粘度から生じ、ノズルでの液体噴射の形成に抵抗する流体の機械的な力を克服するためには、大量のしきい値エネルギーが必要となる。
【００６４】
有益に印加される入力エネルギーの量の上限は、特定の高温故障モードによって設定される。図１１においてプロットされる４．６μＪポイントより大きな入力エネルギーについて、はるかに大量の液滴が吐出されたが、液滴速度は不規則であった。これらの大きな入力エネルギーパルス、Ｅ＞４．６μＪについて、熱機械的アクチュエータ上の最も高温の場所の付近で気泡形成が見られた。気泡形成と破裂は、それが予測不能な圧力インパルスを発生させる、あるいは熱機械的アクチュエータへのキャビテーションによる損傷またはインク材料のkogateの原因となりうるため、好ましくない。
【００６５】
たとえばインクジェット印刷等の液滴吐出器の多くの用途、キャップの距離Ｇｐを越えて所定のレシーバ位置、つまりラスタ画像の画素位置に到達するよう液滴を発射する。さらに、これらの用途の多くにおいて、液滴吐出器とレシーバは、キャリッジメカニズムにより、相対的速度ｖｃで移動され、液滴が時間効率のよい方法で着滴するようになっている。予想可能な液滴速度ｖｄ０は、したがって、液滴を所望の位置に向けるために必要となる。液滴速度が変化すると、ノズルからレシーバ平面までの飛行時間Ｇｐ／ｖｄ０が変化する。飛行時間が変化すると、相対的運動の方向に移動する距離ｄｃもまたこれに応じて変化し、以下のように表すことができる。
【数５】
2004209981.tif 000007
液滴速度の変化による距離ｄｃの変化量の一部、つまり画像画素ラスタ等の所定の位置に関する幾分かの液滴位置誤差は、液滴吐出器の具体的なシステムアプリケーションに応じて許容可能となるかもしれない。インクジェット印刷の場合、このような液滴位置誤差は画像エッジ部の知覚鮮明度に影響を与える、あるいは不要なストリークまたは画像密度アーチファクトの原因となる可能性がある。より大きなレベルの液滴位置誤差は、テキストおよび線画だけ等、特定の画像を印刷する場合、グレイスケールを含む画像を印刷する場合に容認可能なレベルより許容される。異なる速度で液滴を吐出する液滴吐出器の操作方法について、以下にさらに詳しく説明する。
【００６６】
液滴速度の変化によって量が異なる液滴について、液滴位置エラーは、実質的に均等な液滴速度を実現できる液滴吐出器の操作方法を使用することによって回避できるかもしれない。本発明の発明者は、量の異なる吐出された液滴の液滴速度は、熱パルス期間τｐと印加されるパワーＰの両方を調整し、異なるパルスエネルギー入力量Ｅを達成することによって実質的に一定にできることを発見した。
【００６７】
図１２は、８ｍ／秒の実質的に一定の液滴速度を達成するようパルス期間τｐと入力パワーＰを使用して印加された入力エネルギーの関数としての、吐出された液滴量に関する実験データ２５２を示す。図１２においてプロットされているデータは、水を満たした、図３、図４に示す代表的な液滴吐出について収集されたものである。使用された液滴吐出器は、図１１において報告されたデータについて使用されたものと同様である。カンチレバー式素子２０の長さＬは９０μｍ、カンチレバーの長方形部分の幅と半円形の自由端２８の直径はどちらも３０μｍ、ノズル３０の直径は１４μｍ、反らせ板層２４の中に形成されたヒータ抵抗器２７の抵抗は２６オームであった。個々のデータポイントはプロット２５２に沿う点でマークされる。個々のデータポイントにはまた、印加された熱パルス期間τｐがマイクロ秒（μｓ）で、印加されたパワーＰがワット（Ｗ）でそれぞれ記入されている。
【００６８】
図１２の実験データおよび本発明の発明者が収集したその他のデータは、実質的に量の異なる液滴を発生する場合、特定の目標液滴速度ｖｄ０を達成するためには、入力パワーと全体的入力エネルギーを調整する必要があることを示している。実験により、所望の液滴量の増加を達成するためには、パワーＰを減少させながら、熱パルス期間τｐを長くしなければならず、これを行わないと液滴速度も上昇してしまうことがわかった。さらに、最小の液滴の吐出について、しきい値エネルギーが観察されている。図１２の実験で８ｍ／秒で吐出させることのできる最小量の液滴は、３．３μＪのエネルギーを印加することで吐出される２．６ｐＬの液滴であった。
【００６９】
本発明による熱機械的アクチュエータを備える液滴吐出器の好ましい操作方法は、実質的に異なる量の液滴を実質的に同じ速度で吐出させる。本明細書で使用される「実質的に異なる量」とは、吐出される液滴量の範囲が少なくとも２０％である、つまり、吐出される最大の液滴が吐出される最小の液滴より量が少なくとも２０％大きいことを意味する。本明細書で使用される「実質的に同じ速度」とは、液滴速度の範囲が２０％未満である、つまり、吐出される最高速の液滴が、吐出される最低速の液滴より最大２０％速いことを意味する。これらの好ましい操作方法は、吐出されることになる各液滴量について、全体的エネルギー、パワー、パルス期間を含めた適正な熱パルスパラメータを選択することによって実現される。より大きな液滴を吐出しようとすると、より大きな数値の全体的入力熱エネルギーＥが選択される。実質的に同じ速度でより大きな液滴を吐出しようとすると、低い数値のパワーＰと長いパルス期間τｐが選択される。
【００７０】
本発明による液滴吐出器の操作方法の実線は、液滴吐出装置の特定の機能と好ましく組み合わされる。まず、エネルギー、パワー、パルス期間の数値を変更することによって得られる液滴量の範囲は、熱機械的アクチュエータが、弧状の液体チャンバ部分に近接させて取り囲んで移動する弧状自由端を有するカンチレバー式素子として構成することにより、改善されると考えられている。この好ましい構成は一般に、図３（ａ）、図３（ｂ）の平面図によって表される。このような構成について、自由端２８の移動は効率よくノズル背後の液体の移動に変換される。
【００７１】
自由端２８周辺の、ギャップ１３を通じた液体の漏れは、自由短のたわみ量とノズルに向かって移動され、噴射を形成する液体の量との直接的比例関係を弱め、エネルギー効率の損失となる。弧状形状により、自由端の縁辺対面積比が小さくなり、その結果、自由端周辺の液体が漏れる経路の長さが短くなる。本発明の発明者は、１８０度またはそれ以上の弧が、エネルギー損失を最小限にする上で望ましいことを発見した。一般に、上下の液体チャンバの定常弧状部を自由端の弧状形状に一致させ、その間の空隙距離を小さくすることにより、さらに漏れる経路を減らすことができる。本発明の発明者は、空隙距離を、信頼性を保てる最小限、好ましくは３μｍ未満に形成することが好ましいことを発見した。
【００７２】
第二に、カンチレバー式素子を有する熱機械的アクチュエータは、最初の熱励起パルスの後、減衰された共鳴振動を呈する。図４（ａ）〜図４（ｃ）において、熱が動作流体と基板１０に伝えられ、機械的復元力が素子２４，２６の中に発生するため、カンチレバー式素子２０は素子２４と２６の温度が等しい時の図４（ｂ）に示すたわみ位置から急速に弛緩する。弛緩したカンチレバー式素子２０は、図４（ａ）の静止状態を通り越し、図４（ｃ）に示すように下方に撓む。カンチレバー式素子２０は、内部摩擦や動作流体の抵抗等、減衰メカニズムが残留する機械的エネルギーのすべてを消耗させ、熱に変換するまで、共鳴振動動作で「鳴り」続ける。
【００７３】
予想可能な液滴量と速度がその用途にとって重要である場合、上記の減衰された共鳴振動効果を考慮して操作方法を設計しなければならない。共鳴振動中の任意の時点で液滴の吐出を指示することにより、意図された液滴量および意図された液滴速度が容認不可能な範囲で変化するかもしれない。本願による液滴吐出器の新規な操作方法は好ましいことに、カンチレバー式素子の本来的な減衰共鳴振動から発生する複雑な要素を避けながら実行することができる。これは、すべてのパルス期間の数値を、基本的共鳴モードの期間τＲの期間の４分の１サイクル未満にすることにより実現する。
【００７４】
図１３、図１４は、基本的モードで移動するカンチレバー式素子２０の自由端２８の減衰した共鳴振動を示す。図１３は、図３（ａ）〜図４（ｃ）に示す一般的な熱機械的アクチュエータの構成について、パラメータをいくつか変更した場合の実験データを示す。図１３の表は、カンチレバー式素子の長さＬ、幅Ｗおよび自由端の直径Ｄの異なるいくつかの構成について、観察された基本的共鳴周波数Ｆ、基本的共鳴期間τＲ、および減衰時間定数τＤを示す。開示されている減衰共鳴挙動は、水を動作流体として測定した。
【００７５】
自由端の移動ｙ（Ｌ，ｔ）は、図１４において、以下の方程式（６）に従って、時間ｔの関数としてプロットされている。
【数６】
2004209981.tif 000008
ただし、τＲは、基本的共鳴振動モードの期間、τＤは減衰要素の時間定数である。最大の移動量は１．０に正規化される。図１４の時間軸は、単位τＲに分けられる。曲線２２０，２２２，２２４は、すべて同じ共鳴期間τＲを有するが、それぞれ減衰時間定数τＤ＝０．７５τＲ，１．０τＲ，１．２５τＲの減衰共鳴振動である。曲線２２６は、曲線２２４の場合についての方程式（６）の指数関数減衰部を示す。曲線２２８は、初期の熱機械的アクティベータをアクティベートした電気的パルスを示す。カンチレバー式素子の自然のばね復原と入力熱エネルギーパルスによって誘導される熱機械力との間の競合状態を避けるために、アクティベーションパルス期間τｐは、共鳴期間τＲの４分の１未満、つまりτｐ＜１／４τＲであるべきである。
【００７６】
図１３の表に示されるカンチレバー式素子に関する幾何学パラメータは、約１０ｐＬまたはそれ未満の液滴量を利用した、高品質インクジェット印刷その他の液滴吐出器の用途に適当な代表的液体吐出装置のものである。これらの実験的装置の最高共鳴周波数は７４ｋＨｚ、その期間は１３．５μ秒であることがわかった。その結果、すべての入力熱パルスの期間が約３μ秒またはそれ以下であるようにすることにより、本発明による液滴吐出器を操作することが好ましい。
【００７７】
本発明による液滴吐出器の別の操作方法は、実質的に異なる量で実質的に異なる速度の液滴を利用することで実現される。用途によっては、所定のレシーバ位置における液滴の設置において発生するエラーは、特定の限度内で容認できる。たとえば、インクジェット印刷の用途において、「ドラフト」品質の画像を印刷することは、すべての液滴が実質的に所定のラスタ位置において印刷されるとは限らない場合でも容認できる。マイクロドシオメータ(microdosiometer)の用途では、計量された液滴が、液滴軌道中のある程度の位置誤差を許容するのに十分大きなサンプルキャッチ領域内に着滴することが必要となる。
【００７８】
図１５は、液滴速度を変化させることに伴う液滴位置誤差を示す。図１５において、熱機械的に作動される液滴吐出器１１０の切開部分が、断面図の“Ｊ”と“Ｋ”で示される２つの位置に示されている。液滴吐出器１１０の切開部分は図４（ｂ）に従って描かれ、液滴吐出のモーメントを示している。位置Ｊでは、第一の量Ｖ１ｄと吐出速度ｖ１ｄ０を有する第一の液滴５２が吐出される。位置Ｋでは、第二の量Ｖ２ｄと吐出速度ｖ２ｄ０を有する第二の液滴５４が吐出される。図の例において、第一の液滴５２は、少量液滴として選択され、低速で移動する。第二の液滴５４は、実質的により大きな量の液滴は、Ｖ２ｄ＞Ｖ１ｄとして選択され、実質的により高速のｖ２ｄ０＞ｖ１ｄ０で移動する。
【００７９】
第一と第二の液滴５２，５４は、レシーバまたは印刷平面５００上の所定の位置５０２に着滴するものとされている。たとえば、所定の位置５０２を（ｉ−２），（ｉ−１），（ｉ），．．，（ｉ＋７）で示し、小さな正符号を表示する。インクジェット印刷の場合、所定の位置５０２は、単独の走査線に沿った個々の画素ラスタの位置である。図１５の例について、第一の液滴５２は、所定の位置（ｉ）、第二の液滴５４は、所定の位置（ｉ＋６）に着滴するものと意図される。レシーバまたは印刷平面５００は、液滴吐出器１１０のノズル平面から発射距離Ｇｐに位置する。液滴吐出器１１０は、たとえば印字ヘッドキャリッジ等の手段により、印刷平面５００に平行な方向に、速度ｖｃで移動しているように描かれている。
【００８０】
液滴吐出器１１０は、印刷平面５００上の所定の位置５０２について、
2004209981.tif 000009
で移動するため、吐出された液滴の軌道は、
2004209981.tif 000010
と、液滴吐出器が静止しているときの速度の
2004209981.tif 000011
の
2004209981.tif 000012
の方向に従う。図１５の直線軌道５０６は、
2004209981.tif 000013
に沿った第一の液滴５２の飛行経路を示す。図１５の直線軌道５１０は、
2004209981.tif 000014
に沿った第二の液滴５４の飛行経路を示す。図１５の破線５０４，５０８は、それぞれ第一の液滴５２と第二の液滴５４の吐出の瞬間における所定の印刷平面位置５０２に関する液滴吐出器１１０の位置を示す。
【００８１】
第一の液滴５２は、液滴吐出器１１０のノズルが所定の位置（ｉ−１）を少し過ぎた印刷面上の位置に対向するときに吐出される。第二の液滴５４も同様に、液滴吐出器１１０のノズルが所定の位置（ｉ＋５）を少し過ぎた印刷面上の位置に対向するときに吐出される。第一の液滴５２の吐出は、所定の位置（ｉ−１）を少し過ぎたときに発生し、所定の印刷平面上の位置（ｉ）の上に着滴するようなタイミングとなっている。第二の液滴５４の吐出も同様に、所定の位置（ｉ＋５）を少し過ぎたときに発生するようなタイミングとされ、所定の位置（ｉ＋６）上に着滴するよう意図されているが、速く移動しすぎるため、その位置に着滴しない。第二の液滴５４は、レシーバ５００上の、所定の位置（ｉ＋５）と（ｉ＋６）との間、所定の位置（ｉ＋６）から誤差距離δ２だけ離れた地点に着滴する。
【００８２】
誤差距離δ２は、液滴吐出器の性能品質に対し、具体的な用途に応じた方法で不利な影響を与える。たとえば、インクジェット印刷の場合、印刷液滴のいくつかが所期の画素ラスタ位置から距離δ２だけずれることにより、認識可能な画像の異常、つまり欠陥が発生する。マイクロドシオメータの場合、液滴は所期の化学的分析サイトの外側に着滴し、化学的測定結果が不正確となることがある。
【００８３】
本発明のいくつかの好ましい実施形態として、実質的に異なる液滴量と実質的に異なる速度を有する液滴を吐出する液滴吐出器の操作方法があり、この方法によれば、液滴速度に関連する液滴の位置誤差に限界を設けるために許容速度範囲が予め定められている。許容速度の範囲は、異なる用途または使用モードについて異なる。たとえば、インクジェット印刷において、異なる画像品質レベルにより、許容される液滴位置誤差のレベルも異なり、したがって、液滴速度の許容範囲も異なる。
【００８４】
ｖｄｍａｘとｖｄｍｉｎを印刷平面上の液滴位置のばらつきを所定の最大誤差量δｍａｘ以下に限定するための、最大および最小の所定の、許容された液滴速度とする。許容液滴速度は次の関係によって規制される。
【数７】
2004209981.tif 000015
一般的に、許容最小速度ｖｄｍｉｎは、他の液滴位置誤差の原因、特にノズル出口の加湿異常やごみから生じる液体噴射上のオフアクシスタギング(off-axis tugging)を認識した上で選択される。たとえば、このようなノズル前面における影響の大きさが、これらの原因による液滴位置誤差を限定するのに３〜５ｍ／秒の最低液滴速度が必要となるような程度の場合である。このとき、最大許容速度ｖｄｍａｘは上記の方程式（７）を満足するように選択される。
【００８５】
インクジェット印刷の代表的な例では、液滴位置の許容最大変化δｍａｘ＝３０μｍ、発射距離ＧＰ＝１０００μｍ、印字ヘッドキャリッジ速度ｖｃ＝０．２５ｍ／秒、ｖｄｍｉｎ＝４ｍ／秒である。すると、方程式（７）から、許容されるｖｄｍａｘは次のように求められる。
【数８】
2004209981.tif 000016
この例のパラメータと図１１に示す実験条件による液滴吐出器の性能を用いた場合、約３０μｍを超える液滴速度に誘発される位置誤差を発生させることなく使用するために、約３．１ｐＬから４．１ｐＬの範囲以上の量と約４ｍ／秒から７．７ｍ／秒の速度を有する液滴が選択される。
【００８６】
実質的に異なる量の液滴を吐出する液滴吐出器の操作方法であって、入力パワーと印加される熱パルスのパルス期間の両方を正しく選択することによって液滴速度が実質的に等しくなるように調整される方法を開示した。広い範囲の液滴速度が許容され、この範囲が所定の許容される最大液滴位置誤差によって限定される、その他の操作方法も開示した。本発明の発明者はまた、これらの操作方法の原理を組み合わせ、幅広い液量範囲を利用可能にすることもできると理解している。つまり、作動用の入力熱パルスのパワーと期間の調整を用い、狭い速度範囲で広い吐出液量範囲を提供し、上記の方程式（７）を満足するために、狭い速度範囲を選択することができる。
【００８７】
図１６（ａ）、図１６（ｂ）は、図１５に示す第一と第二の液滴を発生するのに使用される入力熱パルスのパラメータを示す。図１６（ａ）において、第一のパワーＰ１、第一のパルス期間τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ１τｐ１を有する第一の熱パルス２６０が印加され、小さな液滴５２を吐出させる。第二のパワーＰ２、第二のパルス期間τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ２τｐ２を有する第一の熱パルス２６２が印加され、大きな液滴５４を吐出させる。図１６（ａ）の例において、パワーとパルス期間のパラメータが、大きな液滴と小さな液滴を発生させる両方のエネルギーレベルＥ２＞Ｅ１を提供するよう調整され、パルスパワーとパルス期間の調整は、実質的に一定の液滴速度を保つために必要である。つまり、τｐ２＞τｐ１，Ｐ２＜Ｐ１，ｖ１＝ｖ２である。
【００８８】
図１６（ａ）、図１６（ｂ）の時間軸は熱機械的アクチュエータの基本的共鳴期間τＲの単位で引かれている。これは、使用される熱パルス期間が（１／４）τより小さいことが好ましいことをさらに強調するためである。第一と第二の液滴発射パルス２６０，２６２は、クロック信号２６４によって発せられ、これは図中、τＣ＝４τＲの周期を有するように描かれている。インクジェット印刷において、クロック信号２６４は、何らかの空間エンコーディング手段によって、印刷平面の所定の画素位置、つまりラスタに相対した印字ヘッドの移動と同期されることが好ましい。図１６（ａ）、図１６（ｂ）の例では、液滴発射パルスはクロック信号２６４の立上り後、約（１／４）τＲの時点で発生される。クロック信号２６４の立上りは、クロック周期内のイベントを時間参照するのに使用されるクロック周期の開始点である。液滴速度が実質的に等しい図１６（ａ）の例の場合、第一と第二の液滴は、印刷平面の所定の画素位置までの軌道に従う。
【００８９】
図１６（ｂ）において、パワーＰ０、第一のパルス期間τｐ１、第一のエネルギーＥ１＝Ｐ０τｐ１を有する第一の熱パルス２６６が印加され、小さな液滴５２が吐出される。同じくパワーＰ０、第二のパルス期間τｐ２、第二のエネルギーＥ２＝Ｐ０τｐ２を有する第二の熱パルス２６８が印加され、大きな液滴５４が吐出される。図１６（ｂ）の例では、パルス期間パラメータは、大きな液滴と小さな液滴を発生するためのエネルギーレベルＥ２＞Ｅ１を供給するよう調整される。しかしながら、同じパワーレベルＰ０が使用されるため、大きな液滴５４は小さな液滴５２より高い速度で、つまりｖ２＞ｖ１で吐出される。したがって、大きな液滴５４は、より素早く印刷平面に到着し、図１５に示すような位置誤差距離だけ位置ずれが発生する。
【００９０】
実質的に異なる量の液滴を実質的に異なる速度で吐出する液滴吐出器の別の好ましい操作方法は、１つのクロック信号周期中の作動用熱パルスの印加時間を調整することによって実現できる。つまり、より高速の液滴が印刷平面までより速く移動するのを補償するために、熱パルスの印加をより低速の液滴のそれより遅らせる。特に高品質のインクジェット印刷について、各印刷液滴が印刷平面上の所定の位置に到達することが重要である。印字ヘッドレシーバの動きと同期されたクロック信号を使い、印加される熱パルスのタイミングを管理し、異なる速度液滴がレシーバ上の意図した所定の位置に到着するのを同期させるのに適当な時間遅延量を導入することができる。
【００９１】
適当な時間遅延量は、時間遅延係数ｔｄを、選択された液滴量を発生させるために使用される他の熱パルスパラメータであるパワーとパルス期間と関連付けることにより、レシーバ上の所定の位置への液滴の到着を同期させるために導入することができる。たとえば、一定のパルスパワーと異なるパルス期間を使って異なる液滴量が発生される、図１６（ｂ）に示す方法において、時間遅延量は各パルス期間と関連付けられる。熱パルス期間が長くなると、より大きく、より高速の液滴が発生され、より大きい時間遅延係数と関連付けられる。
【００９２】
時間遅延係数を利用した好ましい操作方法が図１７に示される。図１７の方法は図１６（ｂ）の方法とほぼ同様であるが、固有の時間遅延係数が各印加熱パルスと関連している点が異なる。図１７の熱パルス２７０は、小さな第一の液滴５２を発生する。熱パルス２７０は、クロック信号２６４の立上り、つまりクロック周期開始の後、遅延時間ｔ１：約０．２５τＲが経過してから発生する。時間遅延ｔ１は、第一の小さな液滴５２がレシーバ上の第一の所期のラスタ位置に到達するように選択される。
【００９３】
図１７の熱パルス２７２は、前述のように、第一の小さな液滴５２より実質的に高速で移動する大きな第二の液滴５４を発生する。熱パルス２７２は、次のクロック周期の開始から、より長い時間遅延ｔ２：約１．１５τＲが経過してから始まる。より長い時間遅延ｔ２は、第一の小さな液滴５２に相対した第二の大きな液滴５４の液滴吐出器からレシーバまでの短い移動時間を補償するように計算される。大きな第二の液滴５４は、図１７の例において第一の位置と隣接する第二のラスタ位置に到達する。図１６（ｂ）に示す操作方法の例では、第二の液滴の位置誤差は、図１７による方法に、より大きな時間遅延ｔ２を使用することによって除去される。
【００９４】
印刷平面内の所定の位置への異なる速度の液滴の到着を同期させるための、時間遅延補償を行う、別の好ましい方法が図１８に示される。これらの好ましい方法について、クロック信号２９４は、１クロック周期内で多数の液滴吐出トリガエッジを提供する多数のサブクロック２９６に分割される。図１８に示す例では、サブクロック信号２９６は１クロック周期あたり８回の立下りを提供し、これらは８つのトリガ時間ｔｒ１からｔｒ８として使用することができる。下位のトリガエッジは時としてクロック信号の「位相」と呼ばれる。図１８では均等に間隔を空けて描かれているが、いくつかのトリガエッジは、そのクロック周期内で不均一な間隔で提供されてもよい。
【００９５】
図１８に示され液滴吐出器の別の好ましい操作方法において、吐出される各液滴量は、利用可能なトリガエッジのひとつと関連している。図１８では、第一の液滴熱パルス２９０はトリガエッジｔｒ１と関連し、第二の液滴熱パルス２９２はトリガエッジｔｒ３と関連する。図１８の例において、全クロック周期τＣは、サブクロック２９６によって８つの均等な部分に分割され、トリガエッジは、クロック周期の開始に使用されるような立ち上がりエッジではなく、立下りとなるよう選択される。各液滴量の選択は、各液滴速度による液滴位置誤差がもっとも小さくなるトリガエッジと関連する。
【００９６】
図１７に示される操作方法と図１８の方法を比較すると、両者はほとんど同じように見える。第二の液滴は、図１８の方法において第二のクロック周期の開始から１．２５τＲの遅延後に吐出され、図１７の方法では、１．１５τＲの時間遅延後に吐出される。図１７の方法は、特定の時間遅延が各液滴量と関連しているが、「もっとも近い適正な」トリガエッジを選択することに限定される図１８の方法より、液滴位置誤差を小さくすることができる。しかしながら、トリガエッジをより精密な構造に作れば、限界のある遅延時間セットから選択しなければならないということにおいて、さらにエラーを削減することができる。
【００９７】
図１８の方法はまた、限界のある吐出液滴のセットを伴う限界のあるサブクロックトリガエッジのセットを発生することによっても実現できる。たとえば、３種類の個別の液滴量を吐出するようシステムを構成し、各液滴の大きさが関連する具体的な速度と最適な遅延時間を持つようにすることができる。次に、サブクロックを、最適な遅延時間で発生する３つのトリガエッジを提供するよう構成する。このようなシステムは、信号クロックが各液滴サイズについてひとつずつ、計３つの位相を有するかのように動作する。ある画素位置に向かう画像データは、３つの液滴サイズのひとつで印刷されるべきであるか、あるいはそのいずれも使用されず、あるいは、３つの二値液滴コマンドファイル、つまり液滴あり、または液滴なしのファイルに組み込まれ、タイムインタリーブ方式で実行される。
【００９８】
異なる速度の液滴を利用する本発明の好ましい方法の利点として考えられるものは、可変液滴量システムを構成し、各種のタイミング手段によって管理される一定のパワー入力源とその他のパラメータを使用して操作することができる点である。このような方式により、液滴速度を等しくするために液滴ごとに入力パワーを厳密に調整しなければならない方法と比較して、より低コストでより高信頼性のハードウェアが提供される。
【００９９】
本発明の上記の説明は、主として、反らせ板層と上層で構成される積層構造、つまり二層装置を有する熱機械的アクチュエータについて行われた。しかしながら、本発明の発明者は、液滴吐出器において有益な熱機械的アクチュエータのいかなる構造構成でも本発明の実践に利用できると考えている。特に、複数の反らせ板層を有する熱機械的アクチュエータを、詳細に説明した単独の反らせ板層構造と同様に、本発明による方法に従って操作することができる。
【０１００】
上記の説明の多くが単独の熱機械的アクチュエータまたは液滴吐出器の構成と操作に関するものであったが、本発明は複数の液滴吐出ユニットのアレイやアセンブリの構成にも適用できると理解すべきである。また、本発明による熱機械的アクチュエータ装置は他の電子的コンポーネントまたは回路と同時に製造することも、あるいは電子コンポーネントおよび回路の製造前または製造後に同一基板上に形成することも可能であると理解すべきである。
【０１０１】
以上のことから、本発明はすべての目標、目的を達成するために十分に適用できるものであることがわかる。本発明の好ましい実施形態に関する上記の説明は、例と説明のために提示されたものであり、これがすべてではなく、本発明が開示されたものだけに限定されることはない。変更、改変が可能であり、当業者は上記の教示から変更、改変を認識できる。このようなその他の実施形態は、添付の特許請求範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明によるインクジェットシステムの略図である。
【図２】本発明によるインクジェットユニットまたは液滴吐出ユニットのアレイの平面図である。
【図３】図２に示す個々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図４】図３（ａ）に示す個々のインクジェットユニットの側面図であり、液滴を吐出する時の熱機械的アクチュエータの動きを示す。
【図５】本発明による製造方法において下層が形成されるステップの斜視図である。
【図６】本発明による製造方法において反らせ板層が形成されるステップの斜視図である。
【図７】本発明による製造方法において上層が形成されるステップの斜視図である。
【図８】本発明による製造方法において犠牲層が形成されるステップの斜視図である。
【図９】本発明の製造方法において構造層が形成されるステップの斜視図である。
【図１０】本発明による製造方法において、犠牲材料を除去することにより液体チャンバが形成され、移動可能な自由端領域の下の基板材料を除去することにより、熱機械的アクチュエータがリリースされ、液体の経路が完成する最終ステップの側面図である。
【図１１】一定の熱パルス幅についての液滴量、液滴速度、入力熱エネルギーの関係を示す実験データである。
【図１２】実質的に同じ速度を有する液滴についての液滴量、入力熱エネルギー、熱パルス幅の関係を示す実験データである。
【図１３】カンチレバー式熱機械的アクチュエータの共鳴振動挙動にとって重要な幾何学的パラメータと、複数の実験的熱機械的アクチュエータ構成についての基本的共鳴期間と減衰時間定数に関する実験結果を示す図である。
【図１４】本発明による熱機械的アクチュエータの減衰共鳴振動を示す図である。
【図１５】液滴速度の変化が印刷平面への液滴の着滴に与える影響を示す図である。
【図１６】本発明による別の２つの操作方法に関する熱パルスのパラメータを示す図である。
【図１７】本発明によるインクジェット印字ヘッドの別のいくつかの操作方法に関する熱パルスのパラメータを示す図である。
【図１８】本発明によるインクジェット印字ヘッドの他の好ましい操作方法に関する熱パルスパラメータを示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  マイクロエレクトロニック基板、１１  上側液体チャンバ、１２  下側液体チャンバ、１３  ギャップ、１４  端縁、１５  熱機械的アクチュエータ、１６  弧状壁部、１７  固定部、１８，３５  開口部、１９  側面端縁、２０  カンチレバー式素子、２２  下側パシベーション層、２４  反らせ板層、２６  上層、２８  自由端、２９  犠牲層材料、３０  ノズル、３１  上側表面、３３  上側液体チャンバ構造、３４  弧状端縁、３６  弧状壁部、３８  平坦な表面、４２，４４  電気入力パッド、５０  液滴、５２  小さな液滴、５４  大きな液滴、６０  動作流体、８０  支持構造、１００  インクジェット印字ヘッド、１１０  液滴吐出ユニット、２００  電気パルス源、３００  コントローラ、４００  画像データ源、５００  レシーバ（印刷平面）、５０２  印刷ラスタ位置。
【図１】
2004209981.tif 000017
【図２】
2004209981.tif 000018
【図３】
2004209981.tif 000019
【図４】
2004209981.tif 000020
【図５】
2004209981.tif 000021
【図６】
2004209981.tif 000022
【図７】
2004209981.tif 000023
【図８】
2004209981.tif 000024
【図９】
2004209981.tif 000025
【図１０】
2004209981.tif 000026
【図１１】
2004209981.tif 000027
【図１２】
2004209981.tif 000028
【図１３】
2004209981.tif 000029
【図１４】
2004209981.tif 000030
【図１５】
2004209981.tif 000031
【図１６】
2004209981.tif 000032
【図１７】
2004209981.tif 000033
【図１８】
2004209981.tif 000034