JP2004500995A - 耐座屈性サーマルベンドアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
【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
Claims (6)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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