(57)【要約】  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。
2010150610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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）。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１１４４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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））。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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））。
【００３６】
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））。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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））。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
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
【図１】
2010150610.tif 000003
【図２】
2010150610.tif 000004
【図３】
2010150610.tif 000005
【図４】
2010150610.tif 000006
【図５】
2010150610.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月29日(2012.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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て不動であり、
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初期変形した凸形状であり、
前記薄膜層の周縁が固定され不動である状態で前記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、前記薄膜層の基板の開口に対応する領域が、前記初期変形の方向へさらに変位することを特徴とする薄膜アクチュエータ。
【請求項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。
【請求項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を含み、該領域より広い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。
【請求項４】
前記変位膜は、非駆動時、膜面に沿った方向の応力を有していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。
【請求項５】
前記変位膜の前記応力の方向は、該変位膜の膜面に沿って収縮方向であることを特徴とする請求項４に記載の薄膜アクチュエータ。
【請求項６】
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。
【請求項７】
前記変位膜は、非駆動時、膜面に沿った方向の応力を有していることを特徴とする請求項６に記載の薄膜アクチュエータ。
【請求項８】
前記変位膜の前記応力の方向は、該変位膜の膜面に沿って収縮方向であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から８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。
【国際調査報告】
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2010150610.tif 000010
2010150610.tif 000011
2010150610.tif 000012
2010150610.tif 000013
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