(57)【要約】本発明は、固定基板（２）に固定するための第１アンカ部分（９）と、近端を前記第１アンカ部分（９）に固定され、可動遠端まで伸長する第１熱伝導性アクティブビーム部材（１０）と、前記第１アクティブビーム部材（１０）と平行に伸長するように近端を前記第１アンカ部分（９）に同様に繋止された第２ビーム部材（１２）とを含み、前記第１および第２ビーム部材の各々が前記第１アンカ部分（９）から離れたそれらのそれぞれの近端で直接または間接的に相互接続されているサーマルベンドアクチュエータ（７）であって、前記第１熱伝導性アクティブビーム部材（１０）が、前記固定近端と前記可動遠端との間に伸長する方向に、それらの間の実効直接直線路の２倍を超える複合実効長を有する迷路状の導電性経路（１４）を画定するように構成されているサーマルベンドアクチュエータ（７）に関する。【選択図】図３
2004500995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーマルベンドアクチュエータであって、前記サーマルベンドアクチュエータは：
固定基板に固定するための第１アンカ部分と；
近端を前記第１アンカ部分に固定され、可動遠端まで伸長する第１熱伝導性アクティブビーム部材と；
前記第１アクティブビーム部材と平行に伸長するように近端を前記第１アンカ部分に同様に繋止された第２ビーム部材と；
を含み；
前記第１および第２ビーム部材の各々が前記第１アンカ部分から離れたそれらのそれぞれの遠端で直接または間接的に相互接続されていて；
前記第１熱伝導性アクティブビーム部材が、前記固定近端と前記可動遠端との間に伸長する方向に、それらの間の実効直接直線路の２倍を超える複合実効長を有する迷路状の導電性経路を画定するように構成されている、
サーマルベンドアクチュエータ。
【請求項２】
前記迷路状部分が、前記それぞれの近端と遠端との間の方向と平行な方向に伸長するように配向された複数の平行な条片を画定するように構成され、前記条片が直列に相互接続されて単一経路を画定する、請求項１に記載のサーマルベンドアクチュエータ。
【請求項３】
電力を機構の固定部分に供給するだけですむように、前記迷路状経路が前記アンカ部分に隣接するアクティブビームの近端で始まりかつ終わる、請求項１または２に記載のサーマルベンドアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１アクティブビーム部材がその近端に形成された第１アンカ要素およびその遠端に形成された第２アンカ要素を有する、請求項２または３に記載のサーマルベンドアクチュエータ。
【請求項５】
各アンカタブが１個または２個の条片を固定し、前記アクティブビームの各側のタブが加動電流用の電気接点表面を提供するようにも構成される、請求項４に記載のサーマルベンドアクチュエータ。
【請求項６】
前記第２ビーム部材が、前記第１アクティブビーム部材の作動部分と平行に伸長する部分に沿って実質的に同一の物理的構成を有する第１ビーム部材の材料と同一材料から形成され、前記アンカ部分から離れた前記ビームの端がそれらの間に伸長する中間の非導電性材料によって間隔を置いた関係に保持される、過渡サーマルベンドアクチュエータとして働くように構成された、前記請求項のいずれか一項に記載のサーマルベンドアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、サーマルベンドアクチュエータに関し、さらに詳しくは、先行技術を使用すると動作中に座屈する傾向があった、一般的に矩形の低電力機構の設計用に適したベンドアクチュエータ構造に関する。
【０００２】
本発明は、主として過渡サーマルベンドアクチュエータ用に、すなわち、主として温度差に敏感になり、それによって周囲条件にはあまり敏感にならないように、同一材料の平行な導体ビームを利用するアクチュエータ用に開発されたものであり、以下ではこの好適な用途に関連して説明する。しかし、発明の概念が、電気機械式サーマルスイッチを含む例えばバイメタルアクチュエータをはじめ、非過渡サーマルベンドアクチュエータにも同等に適用可能であることを、当業者には理解されるであろう。
【０００３】
【発明の背景】
本発明は、集積回路ＣＭＯＳ技術を使用して様々な材料の薄膜層を連続的に堆積しエッチングする多段プロセスを介して生産される、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造および設計中に一般的に遭遇する問題を克服する手段として開発された。
【０００４】
一般的に、ＭＥＭＳで使用される過渡サーマルベンドアクチュエータは、シリコンなど非導電性構造材料の周囲層内に、導電性材料の相互接続され平行な間隔を置いて配置され熱的に分離された層またはビームを堆積することによって形成される。ビームは一端がアンカに固定され、他端が機構の可動部に接続される。次いでアクチュエータは、アクティブビーム部材として知られるこれらの層の一方における加熱電流の通過によって制御される。
【０００５】
これらのアクチュエータを組み込んだ機構を作動させるために必要な電力を最小にするために、レバー機構の自由遠端における最大変位を拡大することと、所要の力を加えることと、アクチュエータを効果的に作動させるために必要な電圧および電流の量を制御することとの間の均衡を達成するように、比較的長い加動アームを使用することが望ましい。
【０００６】
そうした装置をモデル化した時に、予想通り、アクチュエータの平行なビーム部材の非支持距離が長ければ長いほど、ある程度の座屈が発生する可能性が高くなり、モデルが多数の因子によって決定されることが明らかになった。座屈モードを予測し、そうした座屈を考慮に入れた申し分無く作動する設計を提案することが可能であるが、これは結果的に効率が低くかつ／またはあまり予測できない動作モードの装置を生じやすい。
【０００７】
したがって、座屈を最小限に抑えるために、アクチュエータの実効ビーム部分を補剛しようと務めることが望ましい先行技術の慣行であった。これは、２つのアクチュエータビームの間およびしばしばそれを超えたところで横切る方向に伸長する補剛支柱および他の補強構造の形成をはじめ、多数の方法で行なうことができる。しかし、これは２つの欠点を持つことがあり得る。第一に、追加構造材料およびレバーの一般的補剛は結果的に、所要動作電力を高くするかもしれない。さらに、アクティブビーム部材と接触する構造の追加質量はヒートシンクとして働き、加熱中の熱損失を増大し、それによって装置を作動させるために必要な電力を再び増大するかもしれない。
【０００８】
本発明の目的は、先行技術の上述の欠点の１つまたはそれ以上を克服するか少なくとも軽減し、あるいは有用な代案を少なくとも提示するサーマルベンドアクチュエータ構造を提供することである。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の第一態様では、サーマルベンドアクチュエータであって、前記サーマルベンドアクチュエータは：
固定基板に固定するための第１アンカ部分と；
近端を前記第１アンカ部分に固定され、可動遠端まで伸長する第１熱伝導性アクティブビーム部材と；
前記第１アクティブビーム部材と平行に伸長するように近端を前記第１アンカ部分に同様に繋止された第２ビーム部材と；
を含み；
前記第１および第２ビーム部材の各々が前記第１アンカ部分から離れたそれらのそれぞれの遠端で直接または間接的に相互接続されていて；
前記第１熱伝導性アクティブビーム部材が、前記固定近端と前記可動遠端との間に伸長する方向に、それらの間の実効直接直線路を超える複合実効長を有する迷路状の導電性経路を画定するように構成されている、サーマルベンドアクチュエータを提供する。
【００１０】
用語「実効長」は、ベンド誘発熱膨張が発生する導電性経路の加熱部分を指すために使用される。
【００１１】
第１の好適な形態では、迷路状の経路は、前記それぞれの近端と遠端との間の方向に平行な方向に伸長するように配向された複数の平行な条片を画定するように構成され、前記条片は直列に相互接続されて単一経路を画定する。好適な実施形態ではこの経路は薄膜層上に形成されるので、これは結果的に、アクティブビーム部材を横切って伸長する方形波型パターンを生じる。
【００１２】
電力が機構の固定部分からアクティブビーム部材に供給するだけですむように、迷路状の経路は、アンカ部分に隣接するアクティブビームの近端で始まり、かつ終わることが好ましい。第１の好適な形態では、これは結果的に偶数個の直列に相互接続された平行な条片を有する構造を生じる。
【００１３】
第１アクティブビーム部材および／または第２ビーム部材は各々、その近端に１つまたはそれ以上のタブとして形成された第１アンカ要素、および同様に好ましくは、アンカがそこに接続される装置の可動レバーに固定するための１つまたはそれ以上のタブとして形成された第２アンカ要素を持つことが望ましい。
【００１４】
サーマルベンドアクチュエータは、第２ビーム部材が第１ビーム部材の材料と同一材料から形成され、かつ第１アクティブビーム部材の動作部分と平行に伸長する部分に沿って実質的に同一の物理的構成を有する、過渡サーマルベンドアクチュエータであり、アンカ部分から離れたビームの端は、それらの間に伸長する中間の非導電性材料によって間隔を置いた関係に維持されることが好ましい。
【００１５】
本発明の好適な実施形態を、単なる例として添付の図面に関連して説明する。
【００１６】
【好適およびその他の実施形態の説明】
添付の図面に示す好適な実施形態は、集積回路ＣＭＯＳプロセスを用いて様々な材料の薄膜層を連続的に堆積しかつエッチングする多段プロセスを介して構造物が作成される、ＭＥＭＳ技術を用いて生産されるインクジェットパドルエジェクタ機構１である。
【００１７】
機構１は、システム全体を制御するために使用されるマイクロエレクトロニクスを含む部分であるＣＭＯＳ基板２の上に形成される。インクジェットエジェクタ機構１は、出口孔４を有するインクチャンバ３を含む。チャンバ３内には、レバーアーム６によって基板２に向かう方向、またはそこから離れる方向に移動するエジェクタパドル５が配設される。アームは、一般的に７で示す中間サーマルベンドアクチュエータ機構を介して基板２に取り付けられる。
【００１８】
アクチュエータ機構７は、使用中には基板２に固定された、一般的に９で示される第１アンカ部分を含む。アンカ部分９に接続され、そこから伸長するのは第１熱伝導性アクティブビーム部材１０である。アクティブビーム部材の上に間隔を置いて伸長するのは、同様にその近端を第１アンカ部分９に繋止された、第２の、この場合は非アクティブのビーム部材１２である。
【００１９】
下部アクティブビーム１０の構成は図３および５に最もよく示されている。ビームの動作部分は、様々な平面図で示す点線の対の間の領域として識別されるアクティブ領域１３と呼ばれる、アンカ部分９とレバーアーム６の最近端との間の間隙をまたぐ部分である。
【００２０】
電流路１４は図面に示された矢印付き陰線によって示され、迷路状部分１５はアクティブ領域１３内で伸長する。この部分内に、近端に複数のタブ１８として形成された第１アンカ要素１７と、インクジェットエジェクタ機構１の可動レバーアーム６に固定するために複数のタブ２０として同様に好適に形成された第２アンカ要素１９との間に伸長する、多数の平行な条片１６があることが見て取れる。近端タブ１８のうちの２つは電気接点２１および２２を形成するように伸長する。
【００２１】
図示した例では、サーマルベンドアクチュエータは過渡サーマルベンドアクチュエータであり、第２の非アクティブなビーム部材１２はアクティブ部材の材料と同一材料から形成され、第１アクティブビーム部材の動作部分と平行に、すなわちアクティブ領域１３に直接平行に伸長する装置の部分と平行に伸長する迷路状部分に沿って、実質的に同一の物理的構成を有する。したがって、アクティブおよび非アクティブビーム１０および１２を形成する堆積層の全体のサイズ、形状、および構成は全く異なるが、それらは関連場所すなわちアクティブ領域１３と重なる場所では同等である。アクティブおよび非アクティブビームのどちら側の端でもタブの相対サイズは装置の動作には重要ではなく、純粋に他の関連の無い製造上の考慮事項の結果生じるものである。
【００２２】
使用中、電気接点２１に電流が印加される。電流がアクティブ領域１３内の縮小断面の迷路状部分１５に流れると、増大した抵抗が近端と遠端の間の方向に条片１６の相対熱膨張を引き起こし、それによって異なる応力１６がアクチュエータ７の下側に加えられ、レバーを基板２から離れる上方向に湾曲させる。次いでこれはレバーアーム６の枢動を引き起こしてエジェクタパドル５を出口孔４に向かって上方に持ち上げ、それによって１滴のインクを図２に示すようにチャンバ３から外に押し出す。電流の印加が止むと、アクティブビーム１０は冷却して、図１に示すようにホームポジションに戻り、同時にインク滴は孔４から離れる。
【００２３】
この方法で、先行技術の相当物よりずっと短いが潜在的により幅広い加動装置を介して同じ実効熱式加動力が達成され、それによって動作中に発生する座屈の見込みおよび／または程度は著しく低減される。
【００２４】
本発明をある特定の好適な例に関連して説明したが、本発明が多くの他の形で具現できることが、当業者には理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
復帰位置つまりホームポジションを示す、本発明に係る第１実施形態の過渡サーマルベンドアクチュエータを利用するインクジェットパドルエジェクタ機構の斜視断面図である。
【図２】
動作中の位置を示す、図１の装置の斜視断面図である。
【図３】
前図に示した装置の側面断面図および下方の熱伝導性アクティブビーム部材の平面図である。
【図４】
前図の装置の側面断面図および第２パッシブビーム部材を形成する層の平面図である。
【図５】
図３のアクティブ層を示す斜視図である。
【図６】
図４のパッシブ層を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　インクジェットパドルエジェクタ機構
２　　ＣＭＯＳ基板
３　　インクチャンバ
４　　出口孔
５　　エジェクタパドル
６　　レバーアーム
７　　アクチュエータ機構
９　　アンカ部
１０　熱伝導性アクティブビーム部材
１２　イナクティブ部材
１４　電流経路
１５　迷路部
１７　第１アンカ要素
１８　タブ
１９　第２アンカ要素
２１　電気接点
２２　電気接点
【国際公開パンフレット】
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2004500995.tif 000004
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2004500995.tif 000006
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2004500995.tif 000014
2004500995.tif 000015
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【国際調査報告】
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