低駆動容量のアクチュエータ
本発明によって、プリントヘッド構造などに用いられるマイクロ電気機械構造の圧電アクチュエータ(150)を活性化するために要求される電力量を削減するための技術が提供される。絶縁層(185)は、圧電層(165)の上に堆積される。絶縁層(185)は、その層の一部分を除去し、エッチングされたエリア内の圧電層(165)を露出するために、エッチングされる。電極層(170)は、圧電層(165)および絶縁層(185)の上に堆積される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ製造された電気機械デバイスにおけるデバイスアクチュエータ構造に関する。
【背景技術】
【0002】
インクジェットプリンタは、受容媒体の上に選択的にインクを堆積することによって、画像を形成する。従来のインクジェットプリンタシステムにおいて、インクは、インク受け(ink reservoir)またはカートリッジのようなインクストレージユニットに格納され、ストレージユニットから、図1に示されるプリントヘッド100のようなプリントヘッドの中へと導かれる。プリントヘッド100において、インクは、インクポンプチャンバ120の中へと流れ、インクが排出されるノズル130に流れる。典型的には、プリントヘッドは、インクがノズル130を介して、プリントヘッド100の外へと追い出すアクチュエータを備える。アクチュエータの2つの一般的なタイプには、抵抗加熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータが含まれる。圧電アクチュエータ150において、圧電材料層165は、インクポンプチャンバ120に近接して形成され得る。圧電材料165にわたって電圧を印加すると、圧電材料は、曲がるか、あるいは、変形する。圧電材料165が変形すると、圧力波がインクポンプチャンバ120を介して伝播し、インクをノズル130の外へ、受容媒体の上に押し出す。典型的に、電極160、170は、圧電層165の両側に形成され、この層165にわたって電圧を印加することが可能になる。
【0003】
いわゆる「ドロップオンデマンド」プリンタにおいて、それぞれが付属のポンプチャンバ120およびノズル130を備える、多数の個々の流路は、単一のプリントヘッド100を形成し得、各ノズル130は、個々に活性化され得る。このように、特定のノズルがオンになる(fire)のは、そのノズルからのインクの小滴が、望まれるときのみである。プリントヘッド上の特定のアクチュエータを活性化するためには、電気信号が、そのアクチュエータと、個々に通信され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
(概要)
一般的に、一局面において、本発明は、電極と、該電極に近接する圧電層とを有するアクチュエータを特徴とする。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。
【0005】
別の局面において、本発明は、基板とアクチュエータとを有するプリントヘッド構造を特徴とする。該基板は、ポンプチャンバおよびノズルを有し、該ポンプチャンバは、該基板の上部領域に形成され、該ノズルと流体連絡する。該アクチュエータは、電極と、該電極に近接する圧電層とを有する。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。該アクチュエータは、該基板の上部表面にボンディングされる。該電極の該第二の部分は、該ポンプチャンバと実質的に重なり得る。
【0006】
特定のインプリメンテーションは、以下の利点を1つ以上含み得る(または、1つも含まなくてもよい)。アクチュエータは、低い容量を有し得る。電力が提供されるアクチュエータ層の面積は、削減され得る。絶縁層の境界は、正確に規定され得、各アクチュエータの活性化エリアは、一つのアクチュエータから次のアクチュエータにわたって均一であり得る。駆動電力は、各アクチュエータの活性化部分に集中され得るので、効率的に、アクチュエータのゲインを高くする。アクチュエータの非活性化エリアの圧電層と電極との間の絶縁層を挟むことで、活性化エリアの圧電材料を活性化するために、アクチュエータに印加される必要のある電力量は、削減され得る。デバイスを駆動するために要求される電力は、削減され得るか、あるいは、デバイスは、同じ電力量を用いて、従来のデバイスよりも、より長い間、電力供給され得る。酸化物材料が、絶縁層に使用され得る。代替として、窒化物、酸窒化物またはポリイミドも絶縁層に使用され得る。酸化物材料は、非常に安定であり得、従来の半導体プロセス技術を用いて堆積され得る。酸化物、窒化物、酸窒化物およびポリイミドは、容易にパターニングされ、容易に規定され得る。
【0007】
本発明の1つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、また、請求の範囲から明らかになる。
【0008】
様々な図面における同様の参照記号は、同様のエレメントを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
(詳細な説明)
本発明は、圧電アクチュエータを駆動するのに要求される電力を削減する技術を提供する。本発明は、流体排出マイクロ電気機械デバイス(例えば、プリントヘッド構造)または圧電アクチュエータを使用する他のマイクロ電気機械デバイスに、適用され得る。
【0010】
図2を参照すると、プリントヘッド100は、多数の流路が形成される基板105を備える。単一の流路108は、インク入口142、アセンダ135、ポンプチャンバ120、デセンダ138およびノズル130を備え得る。圧電アクチュエータ150は、基板105によって支持される。アクチュエータ150は、シリコン膜のような膜140を備え得、この膜は、ポンプチャンバ120の一側面を密封する。アクチュエータ150は、下部電極160、圧電層165および上部電極アイテム170を備える。電極160、170は、約2マイクロメートル以下(例えば、約0.5マイクロメートル)の厚さであり得る。圧電層165は、約1〜25マイクロメートルの厚さ(例えば、約8〜約18マイクロメートルの厚さ)であり得る。電極160、170は、金属のような導電性材料から形成される。電極分離部172は、2つの電極を電気的に分離するように形成され得る。信号は、フレキシブル回路180によって提供され得る。この回路180は、電極160、170と電気的に接続し、アクチュエータ150を電気的に活性化する。金属190、192のような導電性材料は、フレキシブル回路と電極160、170との間の電気的ブリッジを形成し得る。
【0011】
切溝(kerf)174、176、178は、個々のアクチュエータを分離する。第一の切溝178は、下部電極160が、圧電層165の上部側に電気的に接続し得るように金属ラップアラウンド(metal wrap around)123の形成を可能とする。第二の切溝(図示せず)は、一つの流路の上のアクチュエータを、隣接する流路の上のアクチュエータから分離し得る。アクチュエータ150の第三の切溝176は、隣接するアクチュエータを分離し得る。さらに、第三の切溝176は、そのアクチュエータが、対応するそれぞれの流路の部分の上のみとなるようにすることで、アクチュエータのサイズを小さくし得る。第一の3つの切溝は、アクチュエータ間のクロストークを低減し得る。
【0012】
図3を参照すると、流路形態が内部に形成された基板105が提供され、アクチュエータ150の第一の層は、基板105の裏側に形成される。一つのインプリメンテーションにおいて、圧電層165は、金属でメタライズされ、この金属は、後に、下部電極160を形成する。圧電層165は、セラミックのグリーンシート(green sheet)または前焼成された(prefired)圧電材料から形成され得る。金属は、スパッタリングによって堆積され得る。堆積用の金属には、銅、金、タングステン、スズ、インジウム−スズ−酸化物(ITO)、チタン、白金、ニッケル、ニッケルクロム合金、または、これら金属の2つ以上の組み合わせを含み得る。次いで、圧電層165は、例えば、接着剤で、あるいは、2つの金属間の共晶ボンディングで、基板の上にボンディングされる。別のインプリメンテーションにおいて、基板105は、メタライズされ、圧電層165は、金属層の上に形成される。これは、例えば、物理蒸着法(PVD)、ゾルゲル塗布、セラミックのグリーンシートのボンディング、あるいは、他の適切な堆積プロセスによってである。
【0013】
図4を参照すると、切溝178は、圧電層165内に形成される。切溝178は、圧電層165の中へと切断、ダイシング、鋸による切断、または、エッチングされ得る。切溝178は、下部電極160および圧電層165の中まで拡がり得る。代替的に、この切溝178は、絶縁層が堆積された後に形成され得る。
【0014】
図5A、図5Bおよび図5Cを参照すると、絶縁層185は、例えば、プラズマ強化化学蒸着法(PECVD)技術を用いて、アクチュエータ150の圧電層165上に形成される。絶縁層は、酸化物(例えば、シリコン酸化物)、あるいは、絶縁性を有する他の材料(例えば、窒化物、酸窒化物、ポリイミド、または、他のパターニング可能な材料)を含み得る。絶縁層185は、約0.1〜10マイクロメートルの間、約0.2〜5マイクロメートルの間、あるいは、約0.5〜2マイクロメートルの間(例えば、約1.0マイクロメートル)の厚さで形成され得る。フォトパターニング可能な材料またはフォトレジストが、絶縁層185の表面に塗布され得る。マスクは、フォトレジストの上にわたって提供される。マスクパターンは、フォトレジストが、ポジであるか、ネガであるかに基づいて選択され、このパターンは、絶縁層185の所望のカバーエリアに対応する。以下により詳細に記載されるように、マスクは、絶縁層185の範囲(extent)を決定する。フォトレジストは、露光および現像され、次いで、絶縁層185は、もはやフォトレジストによって覆われていないエリアで、乾式エッチングプロセスなどによってエッチングされる。誘導結合プラズマリアクティブイオンエッチングは、絶縁層185をエッチングするために使用され得るエッチングプロセスの一例である。他のエッチングプロセスには、フッ化水素酸エッチングまたはバッファードオキサイドエッチングなどの湿式エッチングを含み得る。次いで、残留したフォトレジストは、圧電層165から除去される。
【0015】
ポンプチャンバ120を作動するアクチュエータ150の部分は、あるいは、電極と圧電材料との間に絶縁材料の全くない電極と圧電材料とを有するアクチュエータ150の部分は、アクチュエータ150の活性化領域194を規定する。電極を含まないアクチュエータ150の部分か、あるいは、電極と圧電材料層165との間に絶縁体を有するアクチュエータ150の部分かのいずれかは、アクチュエータ150の非活性化領域196を規定する。絶縁層185は、アクチュエータ150の非活性化領域196内に形成され、その結果、絶縁層が、圧電層165を活性化して、プリントヘッドからインクを排出する必要のないエリア内で、圧電層165と上部電極との間に挟まれる。絶縁層185は、上部電極と下部電極との間で、抵抗および容量のインピーダンスとして機能する。こうして、絶縁層185に近接して位置する圧電層165の部分にわたって印加される電圧を低下できる。絶縁層185は、プリントヘッドの任意のパーツ(例えば、ポンプチャンバ120またはアセンダ135)の境界にぴったりと沿って終わる必要はない。
【0016】
絶縁層185は、(図5Aに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120の一部(例えば、アセンダ135に接続されるポンプチャンバの一部)を覆うようにか、(図5Bに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120の端部で終わるようにか、あるいは、最後のケースとして、(図5Cに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120と重ならない領域内のみに位置するようにかのいずれかで形成され得る。上記のインプリメンテーションのいずれにおいても、絶縁層185によって覆われる圧電層165の部分は、プリントヘッドの一つの流路から他の流路にかけて実質的に均一であり得る。
【0017】
図6に示すように、圧電層165および絶縁層185は、真空堆積(例えば、スパッタリング)などによってメタライズされ得、上部電極170、下部電極コンタクト領域162、および、切溝178の壁にラップアラウンド(wrap−around)コネクタ123を形成する。ラップアラウンドコネクタ123は、プロセスのこの段階において、下部電極160および上部電極170の双方と電気的に接続される。
【0018】
図7に示すように、追加の切溝176は、上部電極170および圧電層165の中に形成される。切溝176は、下部電極160を切り開かれ得るか、あるいは、下部電極160が除去されないように切られ得る。電極分離部172は、上部電極と下部電極とが互いに電気的に連絡しないように、パターニングされ得る。
【0019】
図8に示すように、圧電層165の平面図は、切溝174、176、178および絶縁層185を示す。
【0020】
図9に示すように、下部電極コンタクトエリア162および上部電極170は、次いで、電極をフレキシブル回路180にボンディングすること(例えば、上部電極をフレキシブル回路180に、金属190、192でハンダ付けすること)によって、あるいは、異方性導電性フィルムのような導電性接着剤を用いることなどによって、集積回路に電気的に接続され得る。
【0021】
ポンプチャンバの上にない圧電層の部分は、活性化される必要はない。なぜなら、その部分は、プリントヘッドからインクが排出されることに寄与しないからである。それゆえ、電力は、圧電層の非活性化部分から離れて導かれ得る。絶縁層は、絶縁層が位置する領域内の2つの電極にわたって印加される駆動電力を削減する。その結果、絶縁層は、電極に印加される電力が、圧電アクチュエータの活性化エリアに集中され、効率的にアクチュエータのゲインを高くする。なぜなら、電力は、活性化される必要のある圧電層の部分に、優先的に向けられるからであり、この圧電層を活性化するために要求される全電力量は、より少なくなる。このように、絶縁層のないアクチュエータに比べ、同じ圧電層の変位を達成するために、印加を必要とされる電力は、より少ない。
【0022】
各アクチュエータを活性化するために要する電力を削減すると、プリントヘッド上の多数の流路に対応するグループアクチュエータでの要求される全電力を削減できる。デバイスを稼動するための電力がより少ない場合、プリントヘッドは、同じ電力量を使用する従来のプリントヘッドよりも、長い時間にわたって、電力供給され得る。より少ない電力入力を必要とするプリントヘッドは、プリントヘッドのオペレータにとって、より安全になり得る。より少ない電力を必要とするプリントヘッドは、電気的機能停止およびそれに引き続く交換をより少なくする傾向がある。
【0023】
アクチュエータグループの各アクチュエータの上に絶縁層を形成すると、電力が提供されるアクチュエータの面積を減らすことができる。各アクチュエータの面積が、アクチュエータグループにわたって均一に減らされると、アクチュエータの均一性は、維持され得る。
【0024】
本発明の多数の実施形態が、記載されてきた。それでも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改変が行われ得ることは、理解される。例えば、圧電アクチュエータは、プリントヘッドのポンプチャンバの側壁を形成し得る。一つのインプリメンテーションにおいて、1つの電極のみが、アクチュエータを駆動するために存在する。アクチュエータ構造は、プリントヘッド以外にも、トランスデューサまたはセンサのようなマイクロ製造電気機械デバイスにも、使用され得る。したがって、他の実施形態も、上記の特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】図1は、圧電アクチュエータを有するプリントヘッドにおける単一の流路の側面図である。
【図2】図2は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図3】図3は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図4】図4は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図5】図5A、図5Bおよび図5Cは、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図であり、このアクチュエータは、絶縁層を有する。
【図6】図6は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図7】図7は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図8】図8は、絶縁層が形成された後のアクチュエータの平面図である。
【図9】図9は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ製造された電気機械デバイスにおけるデバイスアクチュエータ構造に関する。
【背景技術】
【0002】
インクジェットプリンタは、受容媒体の上に選択的にインクを堆積することによって、画像を形成する。従来のインクジェットプリンタシステムにおいて、インクは、インク受け(ink reservoir)またはカートリッジのようなインクストレージユニットに格納され、ストレージユニットから、図1に示されるプリントヘッド100のようなプリントヘッドの中へと導かれる。プリントヘッド100において、インクは、インクポンプチャンバ120の中へと流れ、インクが排出されるノズル130に流れる。典型的には、プリントヘッドは、インクがノズル130を介して、プリントヘッド100の外へと追い出すアクチュエータを備える。アクチュエータの2つの一般的なタイプには、抵抗加熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータが含まれる。圧電アクチュエータ150において、圧電材料層165は、インクポンプチャンバ120に近接して形成され得る。圧電材料165にわたって電圧を印加すると、圧電材料は、曲がるか、あるいは、変形する。圧電材料165が変形すると、圧力波がインクポンプチャンバ120を介して伝播し、インクをノズル130の外へ、受容媒体の上に押し出す。典型的に、電極160、170は、圧電層165の両側に形成され、この層165にわたって電圧を印加することが可能になる。
【0003】
いわゆる「ドロップオンデマンド」プリンタにおいて、それぞれが付属のポンプチャンバ120およびノズル130を備える、多数の個々の流路は、単一のプリントヘッド100を形成し得、各ノズル130は、個々に活性化され得る。このように、特定のノズルがオンになる(fire)のは、そのノズルからのインクの小滴が、望まれるときのみである。プリントヘッド上の特定のアクチュエータを活性化するためには、電気信号が、そのアクチュエータと、個々に通信され得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
(概要)
一般的に、一局面において、本発明は、電極と、該電極に近接する圧電層とを有するアクチュエータを特徴とする。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。
【0005】
別の局面において、本発明は、基板とアクチュエータとを有するプリントヘッド構造を特徴とする。該基板は、ポンプチャンバおよびノズルを有し、該ポンプチャンバは、該基板の上部領域に形成され、該ノズルと流体連絡する。該アクチュエータは、電極と、該電極に近接する圧電層とを有する。該電極は、第一の部分および第二の部分を有する。絶縁層は、該圧電層と該電極との間に配置される。該電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する。該アクチュエータは、該基板の上部表面にボンディングされる。該電極の該第二の部分は、該ポンプチャンバと実質的に重なり得る。
【0006】
特定のインプリメンテーションは、以下の利点を1つ以上含み得る(または、1つも含まなくてもよい)。アクチュエータは、低い容量を有し得る。電力が提供されるアクチュエータ層の面積は、削減され得る。絶縁層の境界は、正確に規定され得、各アクチュエータの活性化エリアは、一つのアクチュエータから次のアクチュエータにわたって均一であり得る。駆動電力は、各アクチュエータの活性化部分に集中され得るので、効率的に、アクチュエータのゲインを高くする。アクチュエータの非活性化エリアの圧電層と電極との間の絶縁層を挟むことで、活性化エリアの圧電材料を活性化するために、アクチュエータに印加される必要のある電力量は、削減され得る。デバイスを駆動するために要求される電力は、削減され得るか、あるいは、デバイスは、同じ電力量を用いて、従来のデバイスよりも、より長い間、電力供給され得る。酸化物材料が、絶縁層に使用され得る。代替として、窒化物、酸窒化物またはポリイミドも絶縁層に使用され得る。酸化物材料は、非常に安定であり得、従来の半導体プロセス技術を用いて堆積され得る。酸化物、窒化物、酸窒化物およびポリイミドは、容易にパターニングされ、容易に規定され得る。
【0007】
本発明の1つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、また、請求の範囲から明らかになる。
【0008】
様々な図面における同様の参照記号は、同様のエレメントを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
(詳細な説明)
本発明は、圧電アクチュエータを駆動するのに要求される電力を削減する技術を提供する。本発明は、流体排出マイクロ電気機械デバイス(例えば、プリントヘッド構造)または圧電アクチュエータを使用する他のマイクロ電気機械デバイスに、適用され得る。
【0010】
図2を参照すると、プリントヘッド100は、多数の流路が形成される基板105を備える。単一の流路108は、インク入口142、アセンダ135、ポンプチャンバ120、デセンダ138およびノズル130を備え得る。圧電アクチュエータ150は、基板105によって支持される。アクチュエータ150は、シリコン膜のような膜140を備え得、この膜は、ポンプチャンバ120の一側面を密封する。アクチュエータ150は、下部電極160、圧電層165および上部電極アイテム170を備える。電極160、170は、約2マイクロメートル以下(例えば、約0.5マイクロメートル)の厚さであり得る。圧電層165は、約1〜25マイクロメートルの厚さ(例えば、約8〜約18マイクロメートルの厚さ)であり得る。電極160、170は、金属のような導電性材料から形成される。電極分離部172は、2つの電極を電気的に分離するように形成され得る。信号は、フレキシブル回路180によって提供され得る。この回路180は、電極160、170と電気的に接続し、アクチュエータ150を電気的に活性化する。金属190、192のような導電性材料は、フレキシブル回路と電極160、170との間の電気的ブリッジを形成し得る。
【0011】
切溝(kerf)174、176、178は、個々のアクチュエータを分離する。第一の切溝178は、下部電極160が、圧電層165の上部側に電気的に接続し得るように金属ラップアラウンド(metal wrap around)123の形成を可能とする。第二の切溝(図示せず)は、一つの流路の上のアクチュエータを、隣接する流路の上のアクチュエータから分離し得る。アクチュエータ150の第三の切溝176は、隣接するアクチュエータを分離し得る。さらに、第三の切溝176は、そのアクチュエータが、対応するそれぞれの流路の部分の上のみとなるようにすることで、アクチュエータのサイズを小さくし得る。第一の3つの切溝は、アクチュエータ間のクロストークを低減し得る。
【0012】
図3を参照すると、流路形態が内部に形成された基板105が提供され、アクチュエータ150の第一の層は、基板105の裏側に形成される。一つのインプリメンテーションにおいて、圧電層165は、金属でメタライズされ、この金属は、後に、下部電極160を形成する。圧電層165は、セラミックのグリーンシート(green sheet)または前焼成された(prefired)圧電材料から形成され得る。金属は、スパッタリングによって堆積され得る。堆積用の金属には、銅、金、タングステン、スズ、インジウム−スズ−酸化物(ITO)、チタン、白金、ニッケル、ニッケルクロム合金、または、これら金属の2つ以上の組み合わせを含み得る。次いで、圧電層165は、例えば、接着剤で、あるいは、2つの金属間の共晶ボンディングで、基板の上にボンディングされる。別のインプリメンテーションにおいて、基板105は、メタライズされ、圧電層165は、金属層の上に形成される。これは、例えば、物理蒸着法(PVD)、ゾルゲル塗布、セラミックのグリーンシートのボンディング、あるいは、他の適切な堆積プロセスによってである。
【0013】
図4を参照すると、切溝178は、圧電層165内に形成される。切溝178は、圧電層165の中へと切断、ダイシング、鋸による切断、または、エッチングされ得る。切溝178は、下部電極160および圧電層165の中まで拡がり得る。代替的に、この切溝178は、絶縁層が堆積された後に形成され得る。
【0014】
図5A、図5Bおよび図5Cを参照すると、絶縁層185は、例えば、プラズマ強化化学蒸着法(PECVD)技術を用いて、アクチュエータ150の圧電層165上に形成される。絶縁層は、酸化物(例えば、シリコン酸化物)、あるいは、絶縁性を有する他の材料(例えば、窒化物、酸窒化物、ポリイミド、または、他のパターニング可能な材料)を含み得る。絶縁層185は、約0.1〜10マイクロメートルの間、約0.2〜5マイクロメートルの間、あるいは、約0.5〜2マイクロメートルの間(例えば、約1.0マイクロメートル)の厚さで形成され得る。フォトパターニング可能な材料またはフォトレジストが、絶縁層185の表面に塗布され得る。マスクは、フォトレジストの上にわたって提供される。マスクパターンは、フォトレジストが、ポジであるか、ネガであるかに基づいて選択され、このパターンは、絶縁層185の所望のカバーエリアに対応する。以下により詳細に記載されるように、マスクは、絶縁層185の範囲(extent)を決定する。フォトレジストは、露光および現像され、次いで、絶縁層185は、もはやフォトレジストによって覆われていないエリアで、乾式エッチングプロセスなどによってエッチングされる。誘導結合プラズマリアクティブイオンエッチングは、絶縁層185をエッチングするために使用され得るエッチングプロセスの一例である。他のエッチングプロセスには、フッ化水素酸エッチングまたはバッファードオキサイドエッチングなどの湿式エッチングを含み得る。次いで、残留したフォトレジストは、圧電層165から除去される。
【0015】
ポンプチャンバ120を作動するアクチュエータ150の部分は、あるいは、電極と圧電材料との間に絶縁材料の全くない電極と圧電材料とを有するアクチュエータ150の部分は、アクチュエータ150の活性化領域194を規定する。電極を含まないアクチュエータ150の部分か、あるいは、電極と圧電材料層165との間に絶縁体を有するアクチュエータ150の部分かのいずれかは、アクチュエータ150の非活性化領域196を規定する。絶縁層185は、アクチュエータ150の非活性化領域196内に形成され、その結果、絶縁層が、圧電層165を活性化して、プリントヘッドからインクを排出する必要のないエリア内で、圧電層165と上部電極との間に挟まれる。絶縁層185は、上部電極と下部電極との間で、抵抗および容量のインピーダンスとして機能する。こうして、絶縁層185に近接して位置する圧電層165の部分にわたって印加される電圧を低下できる。絶縁層185は、プリントヘッドの任意のパーツ(例えば、ポンプチャンバ120またはアセンダ135)の境界にぴったりと沿って終わる必要はない。
【0016】
絶縁層185は、(図5Aに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120の一部(例えば、アセンダ135に接続されるポンプチャンバの一部)を覆うようにか、(図5Bに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120の端部で終わるようにか、あるいは、最後のケースとして、(図5Cに示されるように)絶縁層185が、ポンプチャンバ120と重ならない領域内のみに位置するようにかのいずれかで形成され得る。上記のインプリメンテーションのいずれにおいても、絶縁層185によって覆われる圧電層165の部分は、プリントヘッドの一つの流路から他の流路にかけて実質的に均一であり得る。
【0017】
図6に示すように、圧電層165および絶縁層185は、真空堆積(例えば、スパッタリング)などによってメタライズされ得、上部電極170、下部電極コンタクト領域162、および、切溝178の壁にラップアラウンド(wrap−around)コネクタ123を形成する。ラップアラウンドコネクタ123は、プロセスのこの段階において、下部電極160および上部電極170の双方と電気的に接続される。
【0018】
図7に示すように、追加の切溝176は、上部電極170および圧電層165の中に形成される。切溝176は、下部電極160を切り開かれ得るか、あるいは、下部電極160が除去されないように切られ得る。電極分離部172は、上部電極と下部電極とが互いに電気的に連絡しないように、パターニングされ得る。
【0019】
図8に示すように、圧電層165の平面図は、切溝174、176、178および絶縁層185を示す。
【0020】
図9に示すように、下部電極コンタクトエリア162および上部電極170は、次いで、電極をフレキシブル回路180にボンディングすること(例えば、上部電極をフレキシブル回路180に、金属190、192でハンダ付けすること)によって、あるいは、異方性導電性フィルムのような導電性接着剤を用いることなどによって、集積回路に電気的に接続され得る。
【0021】
ポンプチャンバの上にない圧電層の部分は、活性化される必要はない。なぜなら、その部分は、プリントヘッドからインクが排出されることに寄与しないからである。それゆえ、電力は、圧電層の非活性化部分から離れて導かれ得る。絶縁層は、絶縁層が位置する領域内の2つの電極にわたって印加される駆動電力を削減する。その結果、絶縁層は、電極に印加される電力が、圧電アクチュエータの活性化エリアに集中され、効率的にアクチュエータのゲインを高くする。なぜなら、電力は、活性化される必要のある圧電層の部分に、優先的に向けられるからであり、この圧電層を活性化するために要求される全電力量は、より少なくなる。このように、絶縁層のないアクチュエータに比べ、同じ圧電層の変位を達成するために、印加を必要とされる電力は、より少ない。
【0022】
各アクチュエータを活性化するために要する電力を削減すると、プリントヘッド上の多数の流路に対応するグループアクチュエータでの要求される全電力を削減できる。デバイスを稼動するための電力がより少ない場合、プリントヘッドは、同じ電力量を使用する従来のプリントヘッドよりも、長い時間にわたって、電力供給され得る。より少ない電力入力を必要とするプリントヘッドは、プリントヘッドのオペレータにとって、より安全になり得る。より少ない電力を必要とするプリントヘッドは、電気的機能停止およびそれに引き続く交換をより少なくする傾向がある。
【0023】
アクチュエータグループの各アクチュエータの上に絶縁層を形成すると、電力が提供されるアクチュエータの面積を減らすことができる。各アクチュエータの面積が、アクチュエータグループにわたって均一に減らされると、アクチュエータの均一性は、維持され得る。
【0024】
本発明の多数の実施形態が、記載されてきた。それでも、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改変が行われ得ることは、理解される。例えば、圧電アクチュエータは、プリントヘッドのポンプチャンバの側壁を形成し得る。一つのインプリメンテーションにおいて、1つの電極のみが、アクチュエータを駆動するために存在する。アクチュエータ構造は、プリントヘッド以外にも、トランスデューサまたはセンサのようなマイクロ製造電気機械デバイスにも、使用され得る。したがって、他の実施形態も、上記の特許請求の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】図1は、圧電アクチュエータを有するプリントヘッドにおける単一の流路の側面図である。
【図2】図2は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図3】図3は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図4】図4は、部分的に形成された圧電アクチュエータの断面図である。
【図5】図5A、図5Bおよび図5Cは、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図であり、このアクチュエータは、絶縁層を有する。
【図6】図6は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図7】図7は、部分的に完成したプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【図8】図8は、絶縁層が形成された後のアクチュエータの平面図である。
【図9】図9は、自身にボンディングされたフレキシブル回路を有するプリントヘッドアクチュエータの断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータ。
【請求項2】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項3】
前記第一の電極は、集積回路と電気的に接続される、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項4】
前記圧電層と近接して位置する膜をさらに備える、請求項3に記載のアクチュエータ。
【請求項5】
前記絶縁層は、約0.1〜約5マイクロメートルの厚さである、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項6】
前記絶縁層は、約0.5〜約2マイクロメートルの厚さである、請求項5に記載のアクチュエータ。
【請求項7】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項8】
ポンプチャンバおよびノズルを有する基板であって、該ポンプチャンバは、該基板の上部表面に近接して形成され、該ノズルと流体連絡する、基板と、
アクチュエータであって、
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータと
を備え、
該アクチュエータは、該基板の上部表面に接続される、プリントヘッド構造。
【請求項9】
前記第一の電極の第二の部分は、前記ポンプチャンバと実質的に重なる、請求項8に記載のプリントヘッド構造。
【請求項10】
前記第一の電極と、電気的に結合された集積回路をさらに備える、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項11】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項12】
前記第一の電極は、約2マイクロメートル以下の厚さを有し、
前記絶縁層は、約0.1〜5マイクロメートルの厚さを有する、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項13】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項14】
膜をさらに備え、該膜は、前記基板と前記アクチュエータとの間に配置される、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項15】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該圧電層の第一の部分の上に位置するように、該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと
を包含する、アクチュエータを形成する、方法。
【請求項16】
前記絶縁材料の層を堆積することは、第二の表面上に第二の電極を有する圧電層上に、絶縁材料の層を堆積することを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記絶縁材料の層を堆積することは、前記第一の電極を形成する前に起こる、請求項15に記載の方法。
【請求項18】
前記絶縁材料の層を堆積することは、酸化物材料の層を堆積することを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項19】
前記圧電層をシリコン膜にボンディングすることをさらに包含する、請求項15に記載の方法。
【請求項20】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該絶縁材料が、該圧電層の第一の部分の上に位置するように該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと、
該圧電層を基板にボンディングすることと
を包含する、プリントヘッドを形成する方法。
【請求項21】
前記基板は、インク流路を備える、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
前記基板は、ポンプチャンバを備え、
前記絶縁層をパターニングすることは、該ポンプチャンバの少なくとも一部の上に位置する該絶縁層の一部を除去する、請求項20に記載の方法。
【請求項23】
絶縁材料の層を堆積することは、約0.5〜約2マイクロメートルの厚さである酸化物の層を堆積することを含む、請求項22に記載の方法。
【請求項24】
集積回路を前記第一の電極に、電気的に接続することをさらに包含する、請求項23に記載の方法。
【請求項25】
前記圧電層を基板にボンディングすることは、第二の電極が該圧電層と該基板との間になるように該圧電層を基板にボンディングすることを包含する、請求項20に記載の方法。
【請求項1】
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータ。
【請求項2】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項3】
前記第一の電極は、集積回路と電気的に接続される、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項4】
前記圧電層と近接して位置する膜をさらに備える、請求項3に記載のアクチュエータ。
【請求項5】
前記絶縁層は、約0.1〜約5マイクロメートルの厚さである、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項6】
前記絶縁層は、約0.5〜約2マイクロメートルの厚さである、請求項5に記載のアクチュエータ。
【請求項7】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項1に記載のアクチュエータ。
【請求項8】
ポンプチャンバおよびノズルを有する基板であって、該ポンプチャンバは、該基板の上部表面に近接して形成され、該ノズルと流体連絡する、基板と、
アクチュエータであって、
第一の部分および第二の部分を有する第一の電極と、
該第一の電極に近接する圧電層と、
該圧電層と該第一の電極との間に配置された絶縁層と
を備え、
該第一の電極の該第一の部分は、該絶縁層と接触し、該第一の電極の該第二の部分は、該圧電層と接触する、アクチュエータと
を備え、
該アクチュエータは、該基板の上部表面に接続される、プリントヘッド構造。
【請求項9】
前記第一の電極の第二の部分は、前記ポンプチャンバと実質的に重なる、請求項8に記載のプリントヘッド構造。
【請求項10】
前記第一の電極と、電気的に結合された集積回路をさらに備える、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項11】
前記絶縁層は、酸化物材料を含む、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項12】
前記第一の電極は、約2マイクロメートル以下の厚さを有し、
前記絶縁層は、約0.1〜5マイクロメートルの厚さを有する、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項13】
第二の電極をさらに備え、前記圧電層は、前記第一の電極と該第二の電極との間に配置される、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項14】
膜をさらに備え、該膜は、前記基板と前記アクチュエータとの間に配置される、請求項9に記載のプリントヘッド構造。
【請求項15】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該圧電層の第一の部分の上に位置するように、該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと
を包含する、アクチュエータを形成する、方法。
【請求項16】
前記絶縁材料の層を堆積することは、第二の表面上に第二の電極を有する圧電層上に、絶縁材料の層を堆積することを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記絶縁材料の層を堆積することは、前記第一の電極を形成する前に起こる、請求項15に記載の方法。
【請求項18】
前記絶縁材料の層を堆積することは、酸化物材料の層を堆積することを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項19】
前記圧電層をシリコン膜にボンディングすることをさらに包含する、請求項15に記載の方法。
【請求項20】
圧電層の第一の表面上に、絶縁材料の層を堆積することと、
該絶縁材料が、該圧電層の第一の部分の上に位置するように該絶縁材料の層をパターニングすることと、
該絶縁材料および該圧電層の第二の部分に上にある該圧電層の該第一の表面と接触するように第一の電極を形成することと、
該圧電層を基板にボンディングすることと
を包含する、プリントヘッドを形成する方法。
【請求項21】
前記基板は、インク流路を備える、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
前記基板は、ポンプチャンバを備え、
前記絶縁層をパターニングすることは、該ポンプチャンバの少なくとも一部の上に位置する該絶縁層の一部を除去する、請求項20に記載の方法。
【請求項23】
絶縁材料の層を堆積することは、約0.5〜約2マイクロメートルの厚さである酸化物の層を堆積することを含む、請求項22に記載の方法。
【請求項24】
集積回路を前記第一の電極に、電気的に接続することをさらに包含する、請求項23に記載の方法。
【請求項25】
前記圧電層を基板にボンディングすることは、第二の電極が該圧電層と該基板との間になるように該圧電層を基板にボンディングすることを包含する、請求項20に記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5a】
【図5b】
【図5c】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5a】
【図5b】
【図5c】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【公表番号】特表2008−508850(P2008−508850A)
【公表日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−524993(P2007−524993)
【出願日】平成17年8月1日(2005.8.1)
【国際出願番号】PCT/US2005/027752
【国際公開番号】WO2006/015378
【国際公開日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【出願人】(505456458)フジフィルム ディマティックス,インコーポレイテッド (33)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年8月1日(2005.8.1)
【国際出願番号】PCT/US2005/027752
【国際公開番号】WO2006/015378
【国際公開日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【出願人】(505456458)フジフィルム ディマティックス,インコーポレイテッド (33)
【Fターム(参考)】
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