WO2010150610A1 - 薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッド - Google Patents

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displacement
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stress
thin film
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松田　伸也
裕子 吉田
東野　楠
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コニカミノルタホールディングス株式会社
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    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
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    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Definitions

  • the present invention relates to a thin film actuator and an inkjet head.
  • a thin film actuator having a cantilever structure (single cantilever beam) in which a piezoelectric body, a shape memory alloy, a bimetal, etc. are formed in a thin film (displacement film) on the surface of a substrate is known.
  • the thin film actuator can efficiently convert the expansion / contraction deformation along the surface of the displacement film into the displacement in the direction perpendicular to the surface, so that a highly sensitive pressure sensor and various driving elements can be configured.
  • the thin-film actuator with a cantilever structure has a problem that it has a low rigidity because the tip of the beam (displacement film) is not fixed, and is easily deformed or twisted by an external force.
  • Patent Document 1 a method for increasing the rigidity of the displacement film by using a double beam structure in which both ends of the displacement film are fixed or a diaphragm structure in which the peripheral edge is fixed.
  • a thin film actuator with a diaphragm structure with a fixed beam structure and a peripheral edge as described in Patent Document 1 increases the rigidity of the displacement film, so that the generated pressure can be increased, and it can be stably deformed by an external force.
  • the central part of the displacement film can be moved in parallel with the substrate, and that it can be used for a pump for transferring gas or liquid by a sealed structure.
  • the thin film actuator having such a structure has both ends or peripheral edges of the displacement film fixed, even if the displacement film is deformed in the contraction direction along the film surface, almost no displacement in the direction perpendicular to the film surface is obtained. I can't.
  • the thin film actuator described in Patent Document 1 is configured such that a displacement in the vertical direction can be obtained by deforming the displacement film in the extending direction along the film surface.
  • the initial state of the displacement film is flat, there is a problem that it is not possible to determine in principle which direction the upper or lower side of the displacement film is displaced. With respect to this deformation direction, the thicknesses of the two electrode films provided on the upper surface and the lower surface of the displacement film are made different to provide a difference in rigidity of the displacement film, thereby determining the displacement direction.
  • the stress concentration state is likely to change with a slight imbalance due to dust or scratches, and it is difficult to stabilize the displacement direction of the displacement film in a desired direction.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a thin film actuator and an ink jet head capable of stably obtaining a desired displacement shape and displacement direction.
  • a displacement film that expands and contracts in the direction along the film surface by a drive signal; Two electrode films formed across the displacement film and to which the drive signal is applied; A thin film layer having a stress film formed along one of the two electrode films and having a stress in a direction along the film surface; A thin film actuator comprising: a substrate on which an opening is formed; The thin film layer covers an opening of the substrate, and a peripheral edge of the thin film layer is fixed to the substrate.
  • a region corresponding to the opening of the substrate of the displacement film has a convex shape in a direction perpendicular to the film surface due to at least the stress of the stress film when not driven.
  • the electrode film formed on the surface of the displacement film is formed inside the region corresponding to the opening of the substrate of the displacement film.
  • the electrode film formed on the surface of the displacement film is formed in a region including a region corresponding to the opening of the substrate of the displacement film.
  • the thin film actuator according to any one of 1 to 4, A nozzle substrate that is bonded to the back surface of the substrate and has nozzle holes that communicate with the openings of the substrate and discharge ink; An ink jet head comprising: a pressure chamber that accommodates the ink inside the opening and generates pressure by displacement of the displacement film.
  • the region corresponding to the opening of the substrate of the displacement film is configured to be convex in a direction perpendicular to the film surface due to at least the stress of the stress film when not driven. That is, the first initial deformation is applied to the displacement film.
  • the first initial deformation is applied to the displacement film.
  • FIGS. 1A to 1H are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of the thin film actuator 1 and a deformation mode (hereinafter also referred to as initial deformation) of the thin film actuator when not driven.
  • the substrate 101 is prepared (FIG. 1A).
  • silicon As the material of the substrate 101, silicon, glass, ceramics, or the like can be used. Crystalline silicon (Si) widely used for MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) is suitable, and in this embodiment, crystal silicon (Si) is used. An example using silicon will be described.
  • the substrate 101 is put in a heating furnace and heated at a temperature of about 1500 ° C. for a predetermined time to form a thermal oxide film (quartz: SiO 2 ) that becomes the stress film 102 on the surface of the substrate 101 (FIG. 1 (b1)). )).
  • the substrate 101 on which the stress film 102 is formed is cooled to room temperature.
  • the stress film 102 due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate (Si) 101 and the stress film (quartz: SiO 2 ) 102, the stress film 102 generates a stress in the extension direction along the film surface (FIG. 1 (b2)). Arrow X1).
  • the lower electrode film 103 is formed on the surface of the stress film 102 (FIG. 1C).
  • a material of the lower electrode film 101 for example, titanium, platinum or the like can be used.
  • a method for forming the lower electrode film 101 for example, a sputtering method can be used.
  • the substrate 101 on which the lower electrode film 103 is formed is again put in a heating furnace, and is heated at a temperature of about 600 ° C. for a predetermined time to form a displacement film 104 on the surface of the lower electrode film 103 (FIG. 1 ( d1)).
  • a material of the displacement film 104 for example, lead zirconate titanate (PZT) which is a piezoelectric material can be used.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a method of forming the displacement film 104 for example, a sputtering method can be used.
  • the substrate 101 on which the displacement film 104 is formed is cooled to room temperature.
  • the displacement film 104 due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate (Si) 101 and the displacement film (PZT) 104, the displacement film 104 generates stress in the contraction direction along the film surface (FIG. 1 (d2); arrow X2). .
  • the substrate 101 is warped.
  • the thickness of the substrate 101 is sufficiently larger than the thickness of each of the films formed, the amount of warpage is negligible.
  • the thermal expansion coefficient of Si which is the material of the substrate 101, is 3 ppm / K
  • the thermal expansion coefficient of SiO 2 that is the stress film 102 is 0.5 ppm / K
  • the thermal expansion coefficient of PZT which is the material of the displacement film 104, is 8 ppm. / K.
  • the upper electrode film 105 is formed on the surface of the displacement film 104 (FIG. 1E).
  • a material of the upper electrode film 105 for example, chromium, gold, or the like can be used.
  • a method for forming the upper electrode film 105 for example, a sputtering method can be used. In this way, a thin film layer composed of the stress film 102, the lower electrode film 103, the displacement film 104, the upper electrode film 105, and the like is formed.
  • a photosensitive resin is applied to the back surface of the substrate 101 by using a spin coating method to form a resist film 80 (FIG. 1F). Subsequently, the resist film 80 is patterned by exposure through a photomask (FIG. 1G).
  • the substrate 101 is etched using a reactive ion etching method to form an opening 101a (FIG. 1 (h1)), and the thin film actuator 1 is completed.
  • the periphery of the stress film 102 is fixed to the substrate 101, and the entire film (the stress film 102 and the displacement film 104) has a diaphragm structure.
  • the stress in the expansion direction (arrow X1) is applied to the stress film 102
  • the stress in the contraction direction (arrow X2) is applied to the displacement film 104
  • the entire film is perpendicular to the film surface. It becomes a convex shape in the direction (FIG. 1 (h2)). That is, the entire film undergoes a primary initial deformation.
  • the magnitude of the stress described above is determined by the temperature at which the film (stress film 102, displacement film 104) is formed, the difference in thermal expansion coefficient between the material of the film and the material of the substrate 101, and the like. Further, the amount of deformation of the film is determined by the thickness, area, rigidity, etc. of the film in addition to the stress described above. In the case of a diaphragm structure having a circular membrane shape, the center and the periphery of the membrane stress increase. The above variables are adjusted and the stress value is controlled so that the internal stress value is within the range of the fracture stress of the material, including deformation during driving described later.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a deformation mode when the thin film actuator 1 is not driven
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing a deformation mode when the thin film actuator 1 is driven.
  • the displacement film 104 made of PZT is dielectrically polarized in the direction perpendicular to the film surface (FIG. 2A; arrow P).
  • the displacement film 104 expands and contracts in a direction perpendicular to the film surface and a direction along the film surface. It expands and contracts in the opposite phase to (Fig. 2 (b); arrow X).
  • the expansion and contraction of the displacement film 104 in the direction along the film surface is equivalent to the increase or decrease of the internal stress described above, and the displacement film 104 is perpendicular to the film surface around the non-driven position (initial deformation position). (Fig. 2 (b); arrow Y).
  • FIG. 3 shows the shape change during the initial deformation due to the balance of the bending force between the central part and the peripheral part of the thin film actuator 1.
  • the entire film protrudes in a direction perpendicular to the film surface. It becomes a shape.
  • the entire film In the configuration of the free end where the periphery of the entire film is not fixed, the entire film has a dish shape that is convexly curved in a direction perpendicular to the film surface, but the periphery is fixed to the substrate 101 as in this embodiment.
  • the diaphragm configuration there is a possibility that the bending force of the peripheral part of the entire film and the bending force of the central part are antagonized (FIG. 3A).
  • the central part When the bending force of the peripheral part is weaker than the bending force of the central part, the central part is large and has a convex shape in the direction perpendicular to the film surface (FIG. 3B). The portion becomes convex in a direction perpendicular to the film surface, and the peripheral portion is raised (FIG. 3C). When the peripheral force is even stronger, the entire film may have a convex shape in the opposite direction perpendicular to the film surface (FIG. 3D).
  • the shape of the initial deformation of the entire film is the shape shown in FIG. 3B or 3D.
  • FIG. 4 shows how the shape changes during initial deformation depending on the size of the upper electrode film 105 of the thin film actuator 1.
  • the shape at the time of initial deformation cannot be controlled to the shape shown in FIG. 3B or 3D.
  • the desired shape can be obtained by adjusting the shape of the upper electrode film 105.
  • the region of the displacement film 104 corresponding to the opening 101a of the substrate 101 is the opening 101a perpendicular to the film surface due to at least the stress of the stress film 102 when not driven.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the inkjet head 1A.
  • the inkjet head 1A includes a nozzle substrate 2, a body substrate (substrate) 101, a stress film 102, a common electrode film (lower electrode film) 103, a displacement film 104, and a drive electrode film (upper electrode film).
  • the above-described thin film actuator 1 having 105 or the like.
  • the nozzle substrate 2 has a plurality of nozzle holes 2a for discharging ink.
  • a material for the nozzle substrate 2 silicon, glass, a ceramic material, or the like can be used, but silicon is preferable.
  • the body substrate 101 of the thin film actuator 1 is bonded to the upper surface side of the nozzle substrate 2. Inside the body substrate 101, a pressure chamber (opening) 101 a configured by bonding the nozzle substrate 2, an ink supply path (not shown), and the like are formed.
  • the pressure chamber 101a is formed corresponding to each of the plurality of nozzle holes 2a and stores ink.
  • the displacement film 104 vibrates, and this vibration is formed on the body substrate 101 to store the ink.
  • the pressure in the chamber 101 a is changed, and ink droplets are ejected from the nozzle holes 2 a formed in the nozzle substrate 2.
  • the present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be changed or improved as appropriate.
  • the SiO 2 film is used as the stress film 102 in the above-described embodiment, a SiN film obtained by nitriding Si, another metal film, an insulating film, or the like may be used.
  • PZT is used as the displacement film 103
  • a piezoelectric film such as barium titanate, a shape memory alloy film such as titanium nickel alloy, a bimetal such as iron nickel alloy, or the like may be used.
  • the film has a diaphragm structure, but may have a double beam structure in which both ends of the film are fixed. In this case, the same effect as that of the diaphragm structure can be obtained.
  • the stress film 102, the lower electrode film 103, the displacement film 104, and the upper electrode film 105 are formed in this order on the substrate 101.
  • the lower electrode film 103, the displacement film 104, the upper electrode film 105, and the stress film 102 may be formed in this order. In this case, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
  • Inkjet head 1 Thin film actuator 101 Substrate (body substrate) 101a Opening (pressure chamber) 102 Stress film 103 Lower electrode film (common electrode film) 104 Displacement film 105 Upper electrode film (drive electrode film) 2 Nozzle substrate 2a Nozzle hole

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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Abstract

　駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する変位膜と、変位膜を挟んで形成され、駆動信号が印加される２つの電極膜と、２つの電極膜の一方の電極膜に沿って形成され、膜面に沿った方向の応力を有する応力膜と、を有する薄膜層と、開口が形成された基板と、を備えた薄膜アクチュエータであって、薄膜層は、基板の開口を覆い、該薄膜層の周縁は、基板に固定され、変位膜の基板の開口に対応する領域は、非駆動時、少なくとも応力膜の応力により、膜面に垂直な方向に凸形状である。

Description

薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッド
　本発明は、薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドに関する。
　従来、微小変位を発生させる為のマイクロアクチュエータとして、圧電体や形状記憶合金、バイメタル等を基板の表面に薄い膜状（変位膜）に形成したカンチレバー構造（片もち梁）の薄膜アクチュエータが知られている。薄膜アクチュエータは、変位膜の面に沿う伸縮変形を面に垂直な方向の変位に効率よく変換することができる為、感度の高い圧力センサや各種駆動素子を構成することができる。
　一方、カンチレバー構造（片もち梁）の薄膜アクチュエータは、梁（変位膜）の先端が固定されていない自由端の為、剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという問題があった。
　そこで、このような問題に対応する為、変位膜の両端を固定した両もち梁構造や周縁を固定したダイヤフラム構造にすることにより、変位膜の剛性を高める方法が提案されている（特許文献１参照）。
　特許文献１に記載されているような両もち梁構造や周縁を固定したダイヤフラム構造の薄膜アクチュエータは、変位膜の剛性が高くなる為、発生圧力を大きくできる、外部からの力により安定して変形できる、変位膜の中心部を基板に平行に移動できる、密閉構造により気体や液体を移送するポンプに活用できる等の利点がある。
　一方、このような構造の薄膜アクチュエータは、変位膜の両端、または周縁が固定されている為、変位膜を膜面に沿って収縮方向に変形させても膜面に垂直方向の変位はほとんど得られない。
　そこで、特許文献１に記載の薄膜アクチュエータは、変位膜を膜面に沿って伸長方向に変形させることにより垂直方向の変位が得られるような構成としている。
特開平８－１１４４０８号公報
　しかしながら、変位膜が平坦な初期状態（非駆動時）から伸長し変形すると、変位膜の強度の低い部位に応力が集中して、その部位が座屈し、程度の大きい場合には皺のような高次の変形が生じるという問題がある。
　さらに、変位膜の初期状態が平坦な為、原理的に変位膜の上側、下側の何れの方向に変位するかが定まらないという問題がある。この変形方向については、変位膜の上面、及び下面に設けた２つの電極膜の厚みを異ならせ、変位膜の剛性に差異を設けることにより、変位方向を決定する構成としている。しかしながら、応力の集中状態は、ゴミやキズ等による僅かなアンバランスで変化しやすく、変位膜の変位方向を所望の方向に安定させることは困難である。
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、所望の変位形状と変位方向を安定して得ることができる薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
　上記目的は、下記の１から５の何れか１項に記載の発明によって達成される。
　１．駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する変位膜と、
　前記変位膜を挟んで形成され、前記駆動信号が印加される２つの電極膜と、
　前記２つの電極膜の一方の電極膜に沿って形成され、膜面に沿った方向の応力を有する応力膜と、を有する薄膜層と、
　開口が形成された基板と、を備えた薄膜アクチュエータであって、
　前記薄膜層は、前記基板の開口を覆い、該薄膜層の周縁は、前記基板に固定され、
　前記変位膜の前記基板の開口に対応する領域は、非駆動時、少なくとも前記応力膜の前記応力により、前記膜面に垂直な方向に凸形状であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
　２．前記応力膜の前記応力の方向は、該応力膜の膜面に沿って伸長方向であることを特徴とする前記１に記載の薄膜アクチュエータ。
　３．前記２つの電極膜の内、前記変位膜の表面に形成された電極膜は、該変位膜の前記基板の開口に対応する領域より内側に形成されていることを特徴とする前記１または２に記載の薄膜アクチュエータ。
　４．前記２つの電極膜の内、前記変位膜の表面に形成された電極膜は、該変位膜の前記基板の開口に対応する領域を含む領域に形成されていることを特徴とする前記１または２に記載の薄膜アクチュエータ。
　５．前記１から４の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータと、
　前記基板の裏面に接合され、該基板の開口に連通しインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、
　前記開口の内部に、前記インクを収容し、前記変位膜の変位により圧力を発生する圧力室と、を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
　本発明によれば、変位膜の基板の開口に対応する領域は、非駆動時、少なくとも応力膜の応力により、膜面に垂直な方向に凸形状となる構成とした。すなわち、変位膜に一次の初期変形を与える構成とした。これにより、不要な部位へ応力が集中することによる、座屈や皺のような高次の変形の発生を防止することができる。その結果、所望の変位形状と変位方向とを安定して得ることができる。
本発明の実施形態に係わる薄膜アクチュエータの製造工程、及び薄膜アクチュエータの初期変形の態様を示す断面模式図である。 薄膜アクチュエータの駆動変形の態様を示す断面模式図である。 薄膜アクチュエータの中心部と周辺部の曲げ力のバランスによる初期変形時の形状変化の様子を示す断面模式図である。 薄膜アクチュエータの上電極膜の大きさによる初期変形時の形状変化の様子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係わるインクジェットヘッドの概略構成を示す断面模式図である。
　以下図面に基づいて、本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドを説明する。尚、本発明は該実施の形態に限られない。
　最初に、本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータの構成、及びその製造方法を、図１を用いて説明する。図１（ａ）～図１（ｈ）は、薄膜アクチュエータ１の製造工程、及び薄膜アクチュエータの非駆動時の変形（以下、初期変形とも記する）態様を示す断面模式図である。
　最初に、基板１０１を準備する（図１（ａ））。基板１０１の材料としては、シリコンやガラス、セラミックス等を用いることができるが、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）等に広く用いられている結晶シリコン（Ｓｉ）が好適であり、本実施形態においては結晶シリコンを用いた例を説明する。
　次に、基板１０１を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して加熱し、基板１０１の表面に応力膜１０２となる熱酸化膜（石英：ＳｉＯ２）を形成する（図１（ｂ１））。続いて、応力膜１０２が形成された基板１０１を常温まで冷却する。この時、基板（Ｓｉ）１０１と応力膜（石英：ＳｉＯ２）１０２の熱膨張係数の差により、応力膜１０２は、膜面に沿って伸長方向の応力が発生する（図１（ｂ２）；矢印Ｘ１）。
　次に、応力膜１０２の表面に下電極膜１０３を形成する（図１（ｃ））。下電極膜１０１の材料としては、例えばチタン、白金等を用いることができる。下電極膜１０１の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。
　次に、下電極膜１０３が形成された基板１０１を再度加熱炉に入れ、６００℃程度に所定時間保持して加熱し、下電極膜１０３の表面に、変位膜１０４を形成する（図１（ｄ１））。変位膜１０４の材料としては、例えば圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることができる。変位膜１０４の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。続いて、変位膜１０４が形成された基板１０１を常温まで冷却する。この時、基板（Ｓｉ）１０１と変位膜（ＰＺＴ）１０４の熱膨張係数の差により、変位膜１０４は、膜面に沿って収縮方向の応力が発生する（図１（ｄ２）；矢印Ｘ２）。また、この時、基板１０１に反りが生じるが、基板１０１の厚みが形成された上記各膜の厚みに比べて十分に大きい場合には、その反り量は無視できるものである。
　尚、基板１０１の材料であるＳｉの熱膨張係数は３ｐｐｍ／Ｋ、応力膜１０２となるＳｉＯ２の熱膨張係数は０．５ｐｐｍ／Ｋ、変位膜１０４の材料であるＰＺＴの熱膨張係数は８ｐｐｍ／Ｋである。
　次に、変位膜１０４の表面に上電極膜１０５を形成する（図１（ｅ））。上電極膜１０５の材料としては、例えばクロム、金等を用いることができる。上電極膜１０５の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。このようにして、応力膜１０２、下電極膜１０３、変位膜１０４、上電極膜１０５等から構成される薄膜層が形成される。
　次に、基板１０１の裏面に感光性樹脂をスピンコート法を用いて塗布し、レジスト膜８０を成膜する（図１（ｆ））。続いて、フォトマスクを介して露光しレジスト膜８０をパターン化する（図１（ｇ））。
　次に、反応性イオンエッチング法を用いて基板１０１をエッチングし、開口１０１ａを形成し（図１（ｈ１））、薄膜アクチュエータ１を完成させる。この時、応力膜１０２の周縁が基板１０１に固定された状態となり、膜全体（応力膜１０２、変位膜１０４）がダイヤフラム構造となる。そして、前述のように、応力膜１０２には伸長方向（矢印Ｘ１）の応力が、変位膜１０４には収縮方向（矢印Ｘ２）の応力が作用している為、膜全体が膜面に垂直な方向に凸形状となる（図１（ｈ２））。すなわち、膜全体は一次の初期変形がなされる。
　尚、前述の応力の大きさは、膜（応力膜１０２、変位膜１０４）を形成するときの温度、膜の材料と基板１０１の材料の熱膨張係数の差異等で決まる。また、膜の変形量は、前述の応力に加えて、膜の厚み、面積、剛性等で決まる。膜の形状が円形のダイヤフラム構造の場合、膜の応力はその中心と周縁が大きくなる。後述の駆動時の変形を含めて、内部応力の値が材料の破壊応力の範囲内に収まるように、上記変数を調整し、応力の値を制御する。
　次に、薄膜アクチュエータ１の駆動時の変形について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、薄膜アクチュエータ１の非駆動時の変形の態様を示す断面模式図、図２（ｂ）は、薄膜アクチュエータ１の駆動時の変形の態様を示す断面模式図である。
　ＰＺＴからなる変位膜１０４は、膜面に垂直な方向に誘電分極している（図２（ａ）；矢印Ｐ）。上電極膜１０５と下電極膜１０３の間にＡＣ電圧を印加すると（図２（ｂ）；矢印Ｅ）、変位膜１０４は、膜面に垂直な方向に伸縮するとともに、膜面に沿った方向に反対の位相で伸縮する（図２（ｂ）；矢印Ｘ）。変位膜１０４が膜面に沿った方向に伸縮することは、前述の内部応力が増減することに等しく、変位膜１０４は、非駆動時の位置（初期変形位置）を中心として、膜面に垂直な方向に変位する（図２（ｂ）；矢印Ｙ）。
　次に、薄膜アクチュエータ１の中心部と周辺部の曲げ力のバランスによる初期変形時の形状変化の様子を図３に示す。
　前述のように、非駆動時、薄膜アクチュエータ１には、応力膜１０２の伸長方向の応力と変位膜１０４の収縮方向の応力が作用している為、膜全体が膜面に垂直な方向に凸形状となる。
　膜全体の周縁が固定されていない自由端の構成では、膜全体が膜面に垂直な方向に凸状に湾曲した皿状となるが、本実施形態のように、周縁が基板１０１に固定されたたダイヤフラム構成では、膜全体の周辺部の曲げの力と中心部の曲げの力が拮抗する可能性がある（図３（ａ））。
　周辺部の曲げの力が中心部の曲げの力よりも弱い場合には、中心部が大きく膜面に垂直な方向に凸形状となるが（図３（ｂ））、強い場合には、中心部が膜面に垂直な方向に凸形状となるとともに周辺部が隆起する（図３（ｃ））。周辺部の力がさらに強い場合には、膜全体が膜面に垂直な反対の方向に凸形状となる場合もある（図３（ｄ））。
　薄膜アクチュエータ１の駆動時の変位量を大きくする為には、膜全体の初期変形の形状を、図３（ｂ）または図３（ｄ）に示した形状にすることが好ましい。
　図４に、薄膜アクチュエータ１の上電極膜１０５の大きさによる初期変形時の形状変化の様子を示す。
　上電極膜１０５を膜全体の中心部のみに形成した場合（図４（ａ１））、中心部の剛性が上昇し変形し難くなる為、前述の図３（ｄ）に示した形状に近づけることができる（図４（ａ２））。一方、上電極膜１０５を開口１０１ａの幅Ｗより広く形成した場合（図４（ｂ１））、周辺部の剛性が上昇し変形し難くなる為、図３（ｂ）に示した形状に近づけることができる（図４（ｂ２））。
　このように、膜全体の内部応力や直径、厚み、剛性等のパラメータを調整しても、初期変形時の形状を、図３（ｂ）や図３（ｄ）に示した形状に制御できない場合、上電極膜１０５の形状を調整することで所望の形状にすることができる。
　このように本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータ１においては、変位膜１０４の基板１０１の開口１０１ａに対応する領域は、非駆動時、少なくとも応力膜１０２の応力により、膜面に垂直な開口１０１ａの方向またはその反対の方向に凸形状となる構成とした。すなわち、変位膜１０４に一次の初期変形を与える構成とした。これにより、不要な部位へ応力が集中することによる、座屈や皺のような高次の変形の発生を防止することができる。その結果、所望の変位形状と変位方向を安定して得ることができる。
　次に、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を、図５を用いて説明する。図５は、インクジェットヘッド１Ａの概略構成を示す断面模式図である。
　インクジェットヘッド１Ａは、図１に示すように、ノズル基板２、及びボディ基板（基板）１０１、応力膜１０２、共通電極膜（下電極膜）１０３、変位膜１０４、駆動電極膜（上電極膜）１０５等を有する前述の薄膜アクチュエータ１等から構成される。
　ノズル基板２には、インクを吐出する複数のノズル孔２ａが形成されている。ノズル基板２の材料としては、シリコンやガラス、セラミックス材料等を用いることができるがシリコンが好適である。ノズル基板２の上面側には、薄膜アクチュエータ１のボディ基板１０１が接合されている。ボディ基板１０１の内側には、ノズル基板２を接合することにより構成される圧力室（開口）１０１ａや図示しないインク供給路等が形成されている。圧力室１０１ａは、複数のノズル孔２ａに対応してそれぞれ形成されインクを収容する。
　駆動電極膜１０５と共通電極膜１０３との間に、外部の図示しない駆動回路から駆動信号が印加されると、変位膜１０４は振動し、この振動がボディ基板１０１に形成されインクを収容する圧力室１０１ａの圧力を変化させ、ノズル基板２に形成されたノズル孔２ａからインク滴を吐出させる。
　インクジェットヘッド１Ａの駆動素子として、所望の変位形状と変位方向とを安定して得ることができる前述の薄膜アクチュエータ１を用いることにより、インク液滴を高精度、且つ効率よく吐出することができる。
　以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施形態においては、応力膜１０２としてＳｉＯ２膜を用いたが、Ｓｉを窒化したＳｉＮ膜や他の金属膜、絶縁膜等を用いてもよい。また、変位膜１０３としてＰＺＴを用いたが、チタン酸バリウム等の圧電膜、チタンニッケル合金等の形状記憶合金膜、鉄ニッケル合金等のバイメタル等を用いてもよい。膜の材料により、剛性、破壊応力、熱膨張係数、形成時の加熱温度等に差異がある為、組み合わせることにより要求仕様に最適な初期変形形状、初期変形量、駆動変形量等を得ることができる。
　また、前述の実施形態においては、膜はダイヤフラム構造としたが、膜の両端を固定した両もち梁構造であってもよい。この場合もダイヤフラム構造の場合と同様の効果を得ることができる。
　また、前述の実施形態においては、基板１０１の上に、応力膜１０２、下電極膜１０３、変位膜１０４、上電極膜１０５の順に各膜を形成する構成としたが、基板１０１の上に、下電極膜１０３、変位膜１０４、上電極膜１０５、応力膜１０２の順に各膜を形成する構成としてもよい。この場合も前述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
　１Ａ　インクジェットヘッド
　１　薄膜アクチュエータ
　１０１　基板（ボディ基板）
　１０１ａ　開口（圧力室）
　１０２　応力膜
　１０３　下電極膜（共通電極膜）
　１０４　変位膜
　１０５　上電極膜（駆動電極膜）
　２　ノズル基板
　２ａ　ノズル孔

Claims (5)

  1. 　駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する変位膜と、
    　前記変位膜を挟んで形成され、前記駆動信号が印加される２つの電極膜と、
    　前記２つの電極膜の一方の電極膜に沿って形成され、膜面に沿った方向の応力を有する応力膜と、を有する薄膜層と、
    　開口が形成された基板と、を備えた薄膜アクチュエータであって、
    　前記薄膜層は、前記基板の開口を覆い、該薄膜層の周縁は、前記基板に固定され、
    　前記変位膜の前記基板の開口に対応する領域は、非駆動時、少なくとも前記応力膜の前記応力により、前記膜面に垂直な方向に凸形状であることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
  2. 　前記応力膜の前記応力の方向は、該応力膜の膜面に沿って伸長方向であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜アクチュエータ。
  3. 　前記２つの電極膜の内、前記変位膜の表面に形成された電極膜は、該変位膜の前記基板の開口に対応する領域より内側に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜アクチュエータ。
  4. 　前記２つの電極膜の内、前記変位膜の表面に形成された電極膜は、該変位膜の前記基板の開口に対応する領域を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜アクチュエータ。
  5. 　請求項１から４の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータと、
    　前記基板の裏面に接合され、該基板の開口に連通しインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、
    　前記開口の内部に、前記インクを収容し、前記変位膜の変位により圧力を発生する圧力室と、を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
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