特許 6948763 圧電素子応用デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6948763

(24)【登録日】2021年9月24日

(45)【発行日】2021年10月13日

(54)【発明の名称】圧電素子応用デバイス

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/00 20060101AFI20210930BHJP

   B41J 2/14 20060101ALI20210930BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20210930BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20210930BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20210930BHJP

   H04R 7/00 20060101ALI20210930BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20210930BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/00

   B41J2/14 305

   B41J2/14 613

   H01L41/09

   H01L41/113

   H01L41/187

   H04R7/00 330

   H04R17/00 332Z

【請求項の数】2

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-249097(P2015-249097)

(22)【出願日】2015年12月21日

(65)【公開番号】特開2017-118611(P2017-118611A)

(43)【公開日】2017年6月29日

【審査請求日】2018年10月26日

【審判番号】不服2020-6616(P2020-6616/J1)

【審判請求日】2020年5月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】角 浩二

(72)【発明者】

【氏名】大澤 栄治

【合議体】

【審判長】 窪田 治彦

【審判官】 関口 哲生

【審判官】 田合 弘幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２６０３４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７２２９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H02N 2/00

B41J 2/14

H01L41/09

H01L41/113

H01L41/187

H04R 7/00

H04R17/00

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、圧電体層及びこれを挟む一対の電極からなる圧電素子と、前記圧電素子と前記基板との間に設けられた振動板と、を具備し、
前記振動板は、前記基板側に設けられた酸化ケイ素膜からなる第１層と、酸化ケイ素よりヤング率が大きいセラミックスで構成される第２層とを具備し、
前記圧電体層のヤング率をＥ_ｐ、厚さをｄｐ、前記第１層のヤング率をＥ_ｖ１、厚さをｄ_ｖ１、前記第２層のヤング率をＥ_ｖ２、厚さをｄ_ｖ２としたときの下記式（１）
Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^２＝Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^２＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^２ ・・・（１）
を満たし、下記式（２）
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^３＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^３ ・・・（２）
の値が、極小値＋２％以内の範囲となるｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２の組を（Ｄ_ｖ１，Ｄ_ｖ２）とする場合、
前記第１層の厚さがＤ_ｖ１であり且つ２００ｎｍ以上であり、前記第２層の厚さがＤ_ｖ２であることを特徴とする圧電素子応用デバイス。

【請求項2】

前記第２層を構成するセラミックスが、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子応用デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子応用デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

圧電素子は、一般に、電気機械変換特性を有する圧電体層と、圧電体層を挟持する２つの電極と、を有している。このような圧電素子を駆動源として用いたデバイス（圧電素子応用デバイス）の開発が、近年、盛んに行われている。圧電素子応用デバイスの一つとして、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッド、圧電ＭＥＭＳ素子に代表されるＭＥＭＳ要素、超音波センサー等に代表される超音波測定装置、更には、圧電アクチュエーター装置等がある。

【0003】

このような圧電素子応用デバイスにおいて、圧電素子と基板との間に設けられる振動板としては、例えば、厚さ５００ｎｍの振動板（ＳｉＯ_２）と、圧電素子との間に膜厚１１０ｎｍ以上のタンタル層を設けた構造が開示されている（特許文献１参照）。

【0004】

また、特許文献２や特許文献３には、例えば、厚さ８００ｎｍのＳｉＯ_２膜の上に厚さ１０００ｎｍのＺｒＯ_２層を設けた構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平０８−１１２８９６号公報

【特許文献2】特開２００４−１９５９９４号公報

【特許文献3】特開平０９−２５４３８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したような圧電素子応用デバイスでは、圧電素子の駆動による変位量の向上を図る必要がある。上述した特許文献では、各々の圧電素子の構成において振動板構成が例示されているだけであり、変位量を最大とするような振動板の構成を検討するものではない。すなわち、変位量を向上するためには、圧電素子を構成する圧電材料の圧電特性の向上を図ることは勿論であるが、圧電体層を含む圧電素子の厚さと振動板の厚さの関係、振動板及び圧電素子の曲げ剛性などを系統的に検討し、実際にどのように設定すべきかの提案は全くなされていない。

【0007】

特に、超音波センサーでは、送信効率の向上の他、受信効率を高める必要があり、送受信特性の向上の両立を図る必要があり、このような観点から、振動板構造は検討されていない。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑み、変位効率を向上させることができる圧電素子応用デバイス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】

【0009】

前記目的を達成する本発明第１の態様は、基板と、圧電体層及びこれを挟む一対の電極からなる圧電素子と、前記圧電素子と前記基板との間に設けられた振動板と、を具備し、前記振動板は、前記基板側に設けられた酸化ケイ素膜からなる第１層と、酸化ケイ素よりヤング率が大きいセラミックスで構成される第２層とを具備し、前記圧電体層のヤング率をＥ_ｐ、厚さをｄｐ、前記第１層のヤング率をＥ_ｖ１、厚さをｄ_ｖ１、前記第２層のヤング率をＥ_ｖ２、厚さをｄ_ｖ２としたときの下記式（１）
Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^２＝Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^２＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^２ ・・・（１）
を満たし、下記式（２）
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^３＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^３ ・・・（２）
の値が、極小値＋２％以内の範囲となるｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２の組を（Ｄ_ｖ１，Ｄ_ｖ２）とする場合、前記第１層の厚さがＤ_ｖ１であり且つ２００ｎｍ以上であり、前記第２層の厚さがＤ_ｖ２であることを特徴とする圧電素子応用デバイスにある。
かかる態様では、前記式（１）を満たすので、前記圧電素子が駆動された場合の中立面が前記圧電体層と前記振動板との境界に位置したまま、前記式（２）の値が極小値近傍の値を採る厚さの第１層及び第２層からなる振動板となるので、振動板の曲げ剛性が小さくなり、変位効率が向上する。また、酸化ケイ素膜の膜密度が良好になり、且つ機械的強度に優れたものとなる。
また、前記第２層を構成するセラミックスが、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これによれば、振動板の前記圧電素子が駆動された場合の中立面が、より確実に前記圧電素子の前記振動板との境界又は前記圧電素子の前記振動板側の電極近傍に位置するようになる。
本発明の別の態様は、圧電体層及びこれを挟む一対の電極からなる圧電素子と基板との間に設けられた振動板が、前記基板側に設けられた酸化ケイ素膜からなる第１層と、酸化ケイ素よりヤング率が大きいセラミックスで構成される第２層とを具備し、
前記第１層のヤング率をＥ_ｖ１、厚さをｄ_ｖ１、前記第２層のヤング率をＥ_ｖ２、厚さをｄ_ｖ２としたときの下記式（１）
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^２＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^２ ・・・（１）
の値が一定となる条件下で、下記式（２）
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^３＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^３ ・・・（２）
の値が、極小値＋２％以内の範囲となるｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２の組を（Ｄ_ｖ１，Ｄ_ｖ２）とする場合、
前記第１層の厚さがＤ_ｖ１であり、前記第２層の厚さがＤ_ｖ２であることを特徴とする振動板構造にある。

【0010】

かかる態様では、前記式（１）の値が一定に保たれるので、前記圧電素子が駆動された場合の中立面が前記圧電素子の前記振動板との境界又は前記圧電素子の前記振動板側の電極近傍に位置したまま、前記式（２）の値が極小値近傍の値を採る厚さの第１層及び第２層からなる振動板となるので、振動板の曲げ剛性が小さくなり、変位効率が向上する。

【0011】

ここで、前記第１層の厚さが２００ｎｍ以上であることが好ましい。これによれば、酸化ケイ素膜の膜密度が良好になり、且つ機械的強度に優れたものとなる。

【0012】

また、前記第２層を構成するセラミックスが、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これによれば、振動板の前記圧電素子が駆動された場合の中立面が、より確実に前記圧電素子の前記振動板との境界又は前記圧電素子の前記振動板側の電極近傍に位置するようになる。

【0013】

本発明の他の態様は、前記振動板構造を具備し、前記振動板の上に圧電素子を具備することを特徴とする圧電素子応用デバイスにある。
かかる態様では、前記圧電素子の前記振動板との境界又は前記圧電素子の前記振動板側の電極近傍に位置したまま、前記式（２）の値が極小値近傍の値を採る厚さの第１層及び第２層からなる振動板となるので、振動板の曲げ剛性が小さくなり、変位効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】超音波デバイスの構成例を示す断面図。

【図2】超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。

【図3】超音波センサーの構成例を示す平面図。

【図4A】超音波センサーの構成例を示す断面図。

【図4B】超音波センサーの構成例を示す断面図。

【図5A】超音波センサーの通常時の模式図。

【図5B】超音波センサーの送信時の模式図。

【図5C】超音波センサーの受信時の模式図。

【図6A】実施例１の結果を示す図。

【図6B】実施例１の結果を示す図。

【図6C】実施例１の結果を示す図。

【図7A】実施例２の結果を示す図。

【図7B】実施例２の結果を示す図。

【図7C】実施例２の結果を示す図。

【図8A】実施例３の結果を示す図。

【図8B】実施例３の結果を示す図。

【図8C】実施例３の結果を示す図。

【図9A】実施例４の結果を示す図。

【図9B】実施例４の結果を示す図。

【図9C】実施例４の結果を示す図。

【図10】記録ヘッドの分解斜視図。

【図11】記録ヘッドの平面図。

【図12】図１１のＣ−Ｃ´線断面図。

【図13】図１２のＤ−Ｄ´線拡大断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

【0016】

（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図であり、超音波センサー及び超音波デバイスは、圧電素子応用デバイスの例である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）と、装置端末（図示せず）から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６と、等を具備して構成されている。

【0017】

超音波センサー１からは、超音波が送信される。また、測定対象物から反射された超音波が、超音波センサー１によって受信される。これらの超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

【0018】

超音波センサー１によれば、後述のように、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型と、超音波の受信に最適化された受信専用型と、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型と、等の何れの超音波センサーにも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは超音波プローブＩに限定されない。

【0019】

（超音波センサー）
次に、超音波センサー１の構成例について説明する。図２は、超音波センサーの分解斜視図である。図３は、超音波センサーの基板の平面図である。図４Ａは、図３のＡ−Ａ´線断面図である。図４Ｂは、図３のＢ−Ｂ´線断面図である。

【0020】

超音波センサーの基板がＸ軸及びＹ軸によって形成されるＸＹ平面に沿っているとき、図４Ａの切断面は、Ｘ軸及びＺ軸によって形成されるＸＺ平面に沿っており、図４Ｂの切断面は、Ｙ軸及びＺ軸によって形成されるＹＺ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘ、Ｙ軸を第２の方向Ｙ、Ｚ軸を第３の方向Ｚと称する。

【0021】

超音波センサー１は、超音波センサー素子３１０と、音響整合層１３と、レンズ部材２０と、包囲板４０と、を含んで構成されている。超音波センサー素子３１０は、基板１０と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とが別体に示されているが、実際には両者は一体的に構成されている。

【0022】

基板１０には、複数の隔壁１１が形成されている。複数の隔壁１１によって、複数の空間１２が区画されている。基板１０は、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。基板１０は、前記の例に限定されず、ＳＯＩ基板やガラス基板等を用いてもよい。

【0023】

空間１２は、第３の方向Ｚに基板１０を貫通するように形成されている。空間１２は、二次元状、すなわち、第１の方向Ｘに複数かつ第２の方向Ｙに複数形成されている。第１の方向Ｘをスキャン方向とし、第２の方向Ｙをスライス方向としたとき、超音波センサー１は、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に超音波の送受信を行う。これにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに正方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１）である。

【0024】

空間１２の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間１２は、一次元状、すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、空間１２は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）であってもよい。

【0025】

振動板５０は、空間１２を塞ぐように基板１０上に設けられている。以降、振動板５０の基板１０側の面を第１面５０ａと称し、該第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１０上に形成された弾性膜（第１層）５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体層（第２層）５２と、によって構成されている。ここで、弾性膜５１の空間１２側を第１面５０ａ、絶縁体層５２の空間１２とは反対側を第２面５０ｂとする。

【0026】

弾性膜５１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、絶縁体層５２は、二酸化シリコンのヤング率よりも大きなヤング率を有するセラミックスからなり、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる群から選択される少なくとも１種であるからなる。弾性膜５１は、好適には、基板１０をシリコンとし、これを熱酸化することにより形成するのが好ましいが、基板１０と別部材としてもよい。

【0027】

振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分には、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子３００が設けられている。以降、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分を、可動部と称する。可動部は、圧電素子３００の変位によって振動が生じる部分である。可動部に生じる振動に応じて、超音波センサー１から超音波が送信及び／又は受信される。

【0028】

圧電素子３００は、厚さが約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが約３．０μｍ以下、好ましくは厚さが約０．５μｍ〜１．５μｍの圧電体層７０と、厚さが約０．０５μｍの第２電極８０と、を含んで構成されている。

【0029】

以降、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれた部分を能動部と称する。また、本実施形態では、圧電体層７０の変位によって、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が変位する。すなわち、本実施形態では、少なくとも振動板５０及び第１電極６０が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、弾性膜５１及び絶縁体層５２の何れか一方、又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として機能するようにすることも可能である。基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。しかしこの場合は、本願の振動板構成に比べて変位効率及び受信効率は低下する。

【0030】

図示しないものの、圧電素子３００と振動板５０との間に他の層が設けられてもよい。例えば、圧電素子３００と振動板５０との間に、密着性を向上させるための密着層が設けられてもよい。このような密着層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）層、チタン（Ｔｉ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮ）層等から構成できる。

【0031】

圧電素子３００は、第３の方向Ｚから見たとき、空間１２の内側の領域にある。すなわち、圧電素子３００の第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙは、何れも空間１２より短い。ただし、圧電素子３００の第１の方向Ｘが空間１２より長い場合や、圧電素子３００の第２の方向Ｙが空間１２より長い場合も、本発明に含まれる。

【0032】

振動板５０の第２面５０ｂ側には、包囲板４０が設けられている。包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ（図１等参照）とされている。圧電素子保持部３２によって、圧電素子３００の周囲の領域（圧電素子３００の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、圧電素子保持部３２の底面に相当する面が、包囲板４０の圧電素子３００側の面４０ｂとなる。

【0033】

包囲板４０は、縁部４０ａにおいて超音波センサー素子３１０側に接合されている。包囲板４０の接合は、接着剤（図示せず）を用いることができるが、前記の例に限定されない。圧電素子保持部３２の深さ、すなわち第３の方向の長さは、約８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２の深さは、圧電素子３００の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、空気で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。包囲板４０の厚さは、約４００μｍであるが、前記の値に限定されない。

【0034】

超音波センサー１には、包囲板４０の圧電素子３００側の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間、かつ、圧電素子３００と重ならない位置に、支持部材４１が設けられている。これによれば、支持部材４１により振動板５０を支持できる。このため、例えば、レンズ部材２０を実装する際や、レンズ部材２０の実装後に該レンズ部材２０の密着性を確保する際、音響整合層１３側から所定の圧力が振動板５０に加わったとしても、振動板５０が圧電素子保持部３２内に大きく撓むことが防止される。よって、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

【0035】

支持部材４１は、圧電素子３００と重ならない位置に設けられている。このため、圧電素子３００が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。

【0036】

圧電素子３００と重ならない位置とは、第３の方向Ｚから見たとき、上記の能動部（第１電極６０と第２電極８０とで挟まれた部分）に重ならない位置である。特に、超音波センサー１では、隔壁１１よりも狭い幅を有している支持部材４１が、隣り合う空間１２の間に設けられている。つまり、超音波センサー１では、第３の方向Ｚから見たとき、支持部材４１が、上記の可動部（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分）にすら重なっていない。このため、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することが確実に防止される。支持部材４１は、接着剤（図示せず）により超音波センサー素子３１０側に接合されているが、接合の手法は前記の例に限定されない。

【0037】

支持部材４１は、第２の方向Ｙに沿って延びる梁形状を有している。これによれば、第２の方向Ｙに亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、第１の方向Ｘではなく、第１の方向Ｘに沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は、延在する片方の端部が、包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少なくとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、梁形状の支持部材４１に含まれる。

【0038】

梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウエットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウエットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。

【0039】

圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃ（図２等参照）では、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。

【0040】

本発明において、支持部材の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材は複数であってもよい。その場合、支持部材は、圧電素子保持部３２内に等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０をまんべんなく支持できる。従って、振動板の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材を等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材の数は、３つ程度であるとバランスがよい。

【0041】

支持部材は、振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。支持部材は、梁形状を有していなくてもよい。支持部材は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材の作製手法によっては、支持部材のＸＹ平面の断面積が第３の方向Ｚに応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板を支持できる限り、本発明の支持部材に含まれる。

【0042】

圧電素子３００では、何れか一方の電極が共通電極とされ、他方の電極が個別電極とされる。ここでは、第１電極６０を第１の方向Ｘに亘るように設けて個別電極が構成され、第２電極８０を第２の方向Ｙに亘るように設けて共通電極が構成されている。ただし、駆動回路や配線の都合を考慮し、第１電極を共通電極として構成し、第２電極を個別電極として構成してもよい。

【0043】

第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性を有する材料であれば制限されない。第１電極６０や第２電極８０の材料としては、金属材料、酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、酸化物導電材料等が挙げられる。金属材料は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等である。酸化スズ系導電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等である。酸化物導電材料は、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等である。第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性ポリマー等でもよい。

【0044】

圧電体層７０は、空間１２毎にパターニングして構成され、上記の第１電極６０及び第２電極８０に挟持されている。圧電体層７０は、例えばＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含んで構成されている。かかる複合酸化物として、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）系の複合酸化物が上げられる。これによれば、圧電素子３００の変位向上を図りやすくなる。勿論、ＰＺＴ系の複合酸化物にも、他の元素が含まれていてもよい。他の元素の例は、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるリチウム（Ｌｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、圧電体層７０のＢサイトの一部と置換されるマンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等が挙げられる。

【0045】

また、鉛の含有量を抑えた非鉛系材料を用いれば、環境負荷を低減できる。非鉛系材料としては、例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びニオブ（Ｎｂ）を含むＫＮＮ系の複合酸化物等が挙げられる。ＫＮＮ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＫ、Ｎａ、ＢサイトにＮｂが位置しており、その組成式は、例えば（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３と表される。

【0046】

ＫＮＮ系の複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素としては、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるリチウム（Ｌｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）や、圧電体層７０のＢサイトの一部と置換されるマンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等が挙げられる。

【0047】

ＫＮＮ系の複合酸化物は、鉛を含まないことが好ましいが、他の元素として、Ａサイトの一部と置換されるＰｂ（鉛）を含んでいてもよい。他の元素の例は、上記に限定されず、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）等も挙げられる。これらの他の元素は、２種以上含まれていてもよい。一般的に、他の元素の量は、主成分となる元素の総量に対して１５％以下、好ましくは１０％以下である。他の元素を利用することで、各種特性の向上や構成及び機能等の多様化を図ることができる場合がある。他の元素を利用した複合酸化物である場合も、ＡＢＯ_３ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

【0048】

非鉛系材料としては、上記のＫＮＮ系の複合酸化物の他、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物や、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物が挙げられる。ＢＦＯ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えばＢｉＦｅＯ_３と表される。ＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物を用いた例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置しており、その組成式は、例えば（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ_３と表される。

【0049】

ＢＦＯ系の複合酸化物やＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素の例は、上記の通りである。また、ＢＦＯ系の複合酸化物やＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物に、ＫＮＮ系の複合酸化物を構成する元素が含まれていてもよい。

【0050】

これらのＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。

【0051】

基板１０に形成された空間１２と、振動板５０と、圧電素子３００と、を含んで超音波センサー素子３１０が構成されている。超音波センサー素子３１０に、上記の包囲板４０に加え、音響整合層１３及びレンズ部材２０が設けられることで、超音波センサー１となる。

【0052】

音響整合層１３は、空間１２内に設けられている。音響整合層１３が設けられることで、圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層１３は、例えばシリコーン樹脂から構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサーの用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

【0053】

レンズ部材２０は、基板１０の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材２０は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を収束させる必要がない場合等、レンズ部材２０は省略可能である。ここでは、上記の音響整合層１３が、レンズ部材２０と基板１０との接着機能も有している。レンズ部材２０と基板１０（隔壁１１）との間に音響整合層１３を介在させ、超音波センサー１が構成されている。

【0054】

レンズ部材２０を超音波センサー素子３１０に実装する際や、レンズ部材２０の実装後に該レンズ部材２０の密着性を確保する際に、レンズ部材２０を音響整合層１３側に押圧することがある。レンズ部材２０を具備していない場合や、レンズ部材の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部の密着性を確保するため、音響整合層１３側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

【0055】

超音波センサー１では、振動板５０の圧電素子３００とは反対側が超音波の通過領域となるＣＡＶ面型に構成されている。これによれば、外部からの水分が圧電素子３００に極めて到達し難い構成を実現できるため、使用時の電気的安全性に優れる超音波センサー１となる。しかも、圧電素子３００と振動板５０が薄膜である場合、振動板５０よりも十分厚みのある包囲板４０の縁部４０ａと支持部材４１が、圧電素子３００を囲むように、振動板５０と接合又は接着される。そのため、製造時のハンドリング性も向上させることができ、超音波センサー１の取り扱いが容易となる。

【0056】

このような超音波センサー１の要部の模式図を図５Ａ〜図５Ｃに示す。図５Ａは通常状態、図５Ｂは、圧電素子３００が駆動している状態（送信状態）であり、図５Ｃは、圧電素子３００が超音波を受信して変形している状態（受信状態）を示す。

【0057】

圧電素子３００を駆動した場合、図５Ｂでは振動板５０の下面には引張応力Ｆｔが作用し、第２電極８０上面には圧縮応力Ｆｃが作用している。図５Ｃでは、振動板５０の下面には圧縮応力Ｆｃが作用し、第２電極８０上面には引張応力Ｆｔが作用している。よって圧電素子と振動板とを合わせた膜全体では、第２電極の表面から振動板下面に向かって圧縮応力から引張応力へ変化（図５Ｂ）する、または引張応力から圧縮応力へ変化（図５Ｃ）する応力分布が存在する。即ち圧電素子と振動板とを合わせた膜内には応力が作用していない面であるＸ−Ｘ面が存在することになり、これが応力の中立面と呼ばれる。

【0058】

振動板５０は電圧が印加された圧電体層７０の変形によって撓む。横効果アクチュエーターに電圧が印加された時、圧電体層７０は面内方向(電界とは直交する方向)に縮む。圧電体層７０の変形の力を最大限に活用するためには、応力の中立面が圧電体層７０の内部に存在しないこと、例えば第１電極６０の内部に存在することが好ましい。例えば、図５Ｂにおいて、中立面（Ｘ−Ｘ面）が圧電体層７０の内部に存在すると、中立面（Ｘ−Ｘ面）よりも下側（引張り側）の部分は変形に寄与しないばかりか、変形を妨げるように作用するためである。理想的には、第１電極６０が圧電体層７０と同じ幅で設けられている場合には、中立面は第１電極６０と振動板５０との境界に存在するのが好ましいが、第１電極６０の内部に存在してもよい。また、第１電極６０が振動板５０と同様に延設されている場合には、第１電極６０と圧電体層７０との境界に中立面が存在するのが好ましいが、第１電極６０内に存在してもよい。

【0059】

図５Ａ〜図５Ｃのモデルにおいて変位効率を検討する。無負荷状態での変位量を無負荷変位Ｄ_０とし、この無負荷変位Ｄ_０の状態の圧電体層７０を元の状態に戻すのに要する力を発生力Ｆ_０とし、実際の変位量を実変位Ｄ_１とし、この状態を元の状態に戻すのに要する力を実発生力Ｆ_１とすると、変位効率ηは、以下の式（ａ）で表され、通常５０％前後と言われている。
変位効率η＝Ｄ_１／Ｄ_０ ・・・（ａ）

【0060】

ここで、振動板５０は、圧電体層７０が屈曲することによって変位する。また、変位の大きさは、圧電体層７０の曲げ剛性に比例する。さらに、振動板５０自体の曲げ剛性は、圧電体層７０の屈曲の妨げとなるため、変位を阻害する要因となり、上述した負荷に相当する。以上の点を考慮して、変位効率ηの式の「実変位Ｄ_１」を「圧電体層７０の曲げ剛性Ｓ_ｐ−振動板５０の曲げ剛性Ｓ_ｖ」に、「無負荷変位Ｄ_０」を「圧電体層７０の曲げ剛性Ｓ_ｐ」に置き換えると、次の式（ｂ）のようになる。
変位効率（代替値）η’＝（Ｓｐ−Ｓｖ）／Ｓｐ ・・・（ｂ）
Ｓｐ：圧電体層の曲げ剛性、 Ｓｖ：振動板の曲げ剛性

【0061】

曲げ剛性は、ヤング率と断面二次モーメントとの積で表される。式（ｂ）をこの積に置き換えると、次のようになる。

【0062】

変位効率（代替値）η’＝（Ｅ_ｐ×Ｉ_ｐ−Ｅ_ｖ×Ｉ_ｖ）／Ｅ_ｐ×Ｉ_ｐ ・・・（ｃ）
Ｅ_ｐ：圧電体層のヤング率、 Ｉ_ｐ：圧電体層の断面二次モーメント
Ｅ_ｖ：振動板のヤング率、 Ｉ_ｖ：振動板の断面二次モーメント

【0063】

さらに、超音波センサー素子について、断面二次モーメントは、次の式（d-1）、式（d-2）で表される。

【0064】

Ｉ_ｐ＝ｗ×ｄ_ｐ^３／１２ ・・・（d-1）
Ｉ_ｖ＝ｗ×ｄ_ｖ^３／１２ ・・・（d-2）
ｗ：キャビティ（空間）長
ｄ_ｐ：圧電体層の膜厚、 ｄ_ｖ：振動板の膜厚
式（d-1）、式（d-2）を式（ｃ）に適用すると、次の式（ｅ）のようになり、断面二次モーメントは膜厚の３乗に比例することとなる。

【0065】

変位効率（代替値）η’＝（Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^３−Ｅ_ｖ×ｄ_ｖ^３）／Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^３ ・・・（ｅ）
式（ｅ）に表されるとおり、振動板の曲げ剛性は、膜厚の３乗に比例する。

【0066】

ここで、上述した応力の中立面（Ｘ−Ｘ面）では、引張りと圧縮のモーメントがつり合っている。応力の中立面を、圧電体層と振動板との境界部分（例えば第１電極のあたり）に設定すると、モーメントのつり合いから、以下の式（ｆ）の関係式が成立する。

【0067】

Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^２＝Ｅ_ｖ×ｄ_ｖ^２ ・・・（ｆ）
Ｅ_ｐ：圧電体層のヤング率、ｄ_ｐ：圧電体層の膜厚
Ｅ_ｖ：振動板のヤング率、 ｄ_ｖ：振動板の膜厚

【0068】

本発明のように、振動板を異なる材料からなる第１層及び第２層とからなる２つの層の積層体で構成すると、振動板全体のモーメントは、各層のモーメントの和となり、式（ｇ）の関係式が成り立つ。

【0069】

Ｅ_ｐ×ｄ_ｐ^２＝Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^２＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^２ ・・・（ｇ）
Ｅ_ｐ：圧電体層のヤング率、 ｄｐ：圧電体層の膜厚
Ｅ_ｖ１：振動板（第１層）のヤング率、 ｄ_ｖ１：振動板（第１層）の膜厚
Ｅ_ｖ２：振動板（第２層）のヤング率、 ｄ_ｖ２：振動板（第２層）の膜厚

【0070】

ここで、圧電体層７０を厚くすると、変位量を大きくできる可能性があるが、中立面の位置がずれてしまうと、変位を阻害する要因が増加する可能性がある。よって、少なくとも中立面の位置を維持する（変化させない）必要がある。また、このためには、振動板の厚さが大きくなると、振動板の曲げ剛性が大きくなり、変位が阻害される可能性があるので、振動板の曲げ剛性を小さく設定する必要がある。

【0071】

このように、送信特性を向上させるためには、駆動時の中立面を維持した状態で、振動板の曲げ剛性を最小にすることが必要となる。これは液体噴射ヘッドにおいて変位効率を向上させるための条件でもある。

【0072】

一方、超音波センサーでは、受信特性が十分でない傾向がある。受信特性は、外部から応力が付与された場合の圧電体層に発生する歪みによって発生する起電圧又は発生電荷に依存するが、受信特性を向上させるためには、圧電材料が同じであれは、圧電体層の膜厚を増大すればよい。ただし、同一水準の外部応力に対して効率よく圧電体層に応力を発生させるためには、応力の中立面を圧電体層の外側、すなわち、第１電極側に位置するようにする必要がある。よって、受信効率を向上させるためには、応力の中立面の位置を変動させないようにする必要がある。

【0073】

このように、受信特性を向上させるためには、応力の中立面を維持したまま、圧電体層の厚さをできるだけ大きくすればよい。なお、受信専用の組成であれば、このような条件でよいが、送受信特性の両立を図るためには、振動板の曲げ剛性を小さくすることが必要となる。

【0074】

ここで、「応力の中立面の位置を維持する」とは、「式（ｆ）及び式（ｇ）において左辺の値と右辺の値とを等しく保つ」ということである。例えば、変位量を向上させるために圧電体層の膜厚を大きくしたとき、左辺の値は大きくなる。左辺、右辺の値は各膜の横断面（応力が作用する面のこと）に働く力（応力の総和）に相当する。従って左辺の値が増大したときに、右辺の値を左辺の値に等しくするためには、振動板を構成する膜のヤング率を大きくするか、膜厚を増すか、あるいはその両者を実行する必要がある。

【0075】

変位量を向上させるために圧電体層の膜厚を大きくしたとき、式（ｆ）、（ｇ）の左辺の値は大きくなる。応力の中立面の位置を維持するためには、当然右辺の値も大きくしなければならない。且つ右辺の値は圧電体の膜厚とは１：１に対応し、一意的に決定される。右辺の値（力）を増大させるためには、振動板を構成する膜のヤング率を大きくするか、膜厚を増すか、あるいはその両者を実行する必要がある。これは、振動板の曲げ剛性即ち圧電機能に対する抵抗が大きくなることを意味する。しかしヤング率と膜厚の選択の仕方如何で、式（ｆ）、（ｇ）の値を変えることなく、振動板の曲げ剛性Ｓｖを最小の値にすることが出来る。換言すれば圧電体の膜厚を変化させたとき、応力の中立面の位置を変えずに、変位の阻害要因である振動板の曲げ剛性を最小にすることが出来る。

【0076】

式（ｆ）または式（ｇ）の値を変えないで、振動板の剛性を最小にできるメカニズムは以下である。式（ｇ）、（ｆ）はヤング率に膜厚の２剰を乗じた値である。従って式の値を変えないヤング率と膜厚の組み合わせは、任意に存在する。ヤング率の大きさを増せば膜厚は小さく設定できる。このときヤング率に膜厚の３剰を乗じて求まる剛性は小さくなる。何故なら、膜厚の３剰に起因する剛性は膜厚の寄与の方が、ヤング率の寄与を上回るからである。

【0077】

ここで、超音波センサー素子を、シリコン基板上に振動板と圧電素子とを設けた構成とすると、絶縁性の確保や、製造上の要請から、ＳｉＯ_２層は、振動板として実質的に必須の構成である。ＳｉＯ_２層を、ヤング率の大きい層に置き換えることは好ましくない。そこで、本発明では、振動板をＳｉＯ_２（第１層）と、ＳｉＯ_２よりもヤング率が大きいセラミックス（第２層）との積層体で構成することによって、振動板全体のヤング率を比較的大きくして、膜厚の増大に伴う振動板の曲げ剛性の増加による影響を抑制している。

【0078】

かかる構成によって、受信特性の向上と送信特性の向上を両立させ、送受信特性の高い超音波センサーを得ることが可能となる。

【0079】

ＳｉＯ_２のヤング率は、７２ＧＰａ〜７４ＧＰａである。ＳｉＯ_２よりもヤング率が大きくセラミックスとしては、たとえば、以下のような材料を挙げることができる。

【0080】

ＺｒＯ_２ ヤング率＝１５０ＧＰａ
Ｓｉ_３Ｎ_４ ヤング率＝２９０ＧＰａ
Ａｌ_２Ｏ_３ ヤング率＝３７０ＧＰａ
ＳｉＣ ヤング率＝４３０ＧＰａ

【0081】

なお、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２との積層体からなる振動板が知られている。ＺｒＯ_２のヤング率は１５０ＧＰａ程度と、ＳｉＯ_２の２倍程度しかない。上記式（ｇ）から、圧電体層の膜厚が増えた場合、式（ｆ）の左側の値は膜厚差の二乗分増加するので、その差分とのバランスを担保するために、ＺｒＯ_２の膜厚をある程度大きくする必要がある。送受信特性を両立させて向上させるためには、振動板の曲げ剛性を小さくする必要がある。よって、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２との積層体からなる振動板を採用すると、後述するように、従来から知られているＳｉＯ_２とＺｒＯ_２との積層体からなる振動板とは異なり、ＺｒＯ_２の厚さの比率が高い範囲で上述した条件を満足するものとなる。

【0082】

一方、このような振動板の第２層は、上述したとおり、圧電体層の膜厚が増えた場合、式（ｆ）の左側の値は膜厚差の二乗分増加するので、その差分とのバランスを担保する必要があるため、ヤング率が十分に高い材料を採用するのが好ましい。よって、この点からすると、第２層としてはＺｒＯ_２ではなく、ヤング率が２９０ＧＰａ以上の他の材料を採用するのが好ましい。

【0083】

ここで、本発明の振動板構造の構成をまとめると、以下のようになる。

【0084】

（１）まず、振動板をＳｉＯ_２（第１層）と、ＳｉＯ_２よりもヤング率が大きいセラミックス（第２層）との積層体で構成することである。これによって、振動板全体のヤング率を比較的大きくして、膜厚の増大に伴う振動板の曲げ剛性の増加による影響を抑制している。

【0085】

（２）次に、「応力の中立面を維持する」こと、すなわち、圧電体の膜厚を変えたとき、式（ｇ）の左辺の値と右辺の値を同一にすることであり、これは言い換えると、式（ｇ）の右辺である下記式（１）を、圧電体の膜厚に対応した値で一定とすることである。
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^２＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^２ ・・・（１）

【0086】

（３）さらに、このような条件下で、振動板の曲げ剛性を最小にすることである。

【0087】

ここで、振動板の曲げ剛性は、上述したとおり、ヤング率と断面二次モーメントとの積で表され、断面二次モーメントは、上述した式（d-1）、式（d-2）で表されるから、積層体の振動板の曲げ剛性は、下記式（２）で表される。
Ｅ_ｖ１×ｄ_ｖ１^３＋Ｅ_ｖ２×ｄ_ｖ２^３ ・・・（２）

【0088】

よって、本発明の振動板構造は上述した条件（１）及び条件（２）を満足し、且つ上記式（２）が極小値となる構成が好ましい。

【0089】

ここで、上記式（１）が一定となる条件下で、上記式（２）の値が極小値となるｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２の組は一義的に定まるので、極小値＋２％以内の範囲となるｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２の組を（Ｄ_ｖ１，Ｄ_ｖ２）とする場合、第１層の厚さをＤ_ｖ１とし、第２層の厚さをＤ_ｖ２とすればよい。

【0090】

変位量の変動は送信特性、受信特性の変動に直接繋がる。特に送信特性と同一である液体噴射ヘッドの場合は、変位量の変動幅はすなわち液体粒子またはインク滴の吐出体積の変動幅と同一になる。変位量、換言すれば変位効率の変動幅は、少なくも液体噴射ヘッドが要求する仕様を満足する必要がある。液体噴射ヘッドから吐出される例えばインク滴の体積変動は±２％の領域に収めることが望ましい。すなわち変位効率の変動幅は最大値−２％に収めることが望ましい。振動板の剛性は最小になる様に設定するから、実際に管理されるべき振動板の剛性相対値の範囲は、最小値＋２％以内となる。

【0091】

振動板を構成する膜は通常スパッタ装置を用いて製造するのがコストを抑える点で有効である。スパッタ装置で成膜された膜の膜厚は成膜条件によって変動するが、膜厚変動を±２％以内に管理することは可能である。膜厚変動が±２％以内に管理された場合、振動板の曲げ剛性の変動を±１０％以内に制御することができる。この製造条件であれば、振動板の剛性相対値を、最小値＋２％以内、すなわち変位効率を最大値−２％以内に管理することができる。

【実施例】

【0092】

（実施例１）
図６Ａ、図６Ｂは、圧電体層をＰＺＴによって構成し、また、振動板をＳｉＯ_２とＺｒＯ_２によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式（１）の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚ｄｐを５００ｎｍから１５００ｎｍまで変化させ、振動板の第１層及び第２層の厚さｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するＺｒＯ_２の曲げ剛性の比（以下、「剛性比」と称する）と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をＳｉＯ_２以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を１とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値＋２％以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が０．６３〜０．７７である。

【0093】

また、図６Ｃには、変位効率η（ここでは、実変位であるが、ηで示した）と剛性比との関係を示す。図６Ｃには従来技術として見られるＳｉＯ_２とＺｒＯ_２との積層板の振動板の剛性比である０．１１〜０．５１の範囲を点線矢印で図示しているが、本発明の範囲は、上述した通り、０．６３〜０．７７となり、従来技術とは異なることがわかる。また、本発明の構成とした方が、従来技術と比較して変位効率が向上することも明らかである。

【0094】

（実施例２）
図７Ａ、図７Ｂは、圧電体層をＰＺＴによって構成し、また、振動板をＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式（１）の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚ｄ_ｐを５００ｎｍから１５００ｎｍまで変化させ、振動板の第１層及び第２層の厚さｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するＳｉ_３Ｎ_４の曲げ剛性の比（以下、「剛性比」と称する）と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をＳｉＯ_２以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を１とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値＋２％以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が０．７３〜０．８９である。

【0095】

また、図７Ｃには、変位効率η（ここでは、実変位であるが、ηで示した）と剛性比との関係を示す。

【0096】

（実施例３）
図８Ａ、図８Ｂは、圧電体層をＰＺＴによって構成し、また、振動板をＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式（１）の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚ｄ_ｐを５００ｎｍから１５００ｎｍまで変化させ、振動板の第１層及び第２層の厚さｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するＡｌ_２Ｏ_３の曲げ剛性の比（以下、「剛性比」と称する）と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をＳｉＯ_２以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を１とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値＋２％以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が０．７５〜０．９１である。

【0097】

また、図８Ｃには、変位効率η（ここでは、実変位であるが、ηで示した）と剛性比との関係を示す。

【0098】

（実施例４）
図９Ａ、図９Ｂは、圧電体層をＰＺＴによって構成し、また、振動板をＳｉＯ_２とＳｉＣによって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式（１）の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚ｄ_ｐを５００ｎｍから１５００ｎｍまで変化させ、振動板の第１層及び第２層の厚さｄ_ｖ１及びｄ_ｖ２を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するＳｉＣの曲げ剛性の比（以下、「剛性比」と称する）と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をＳｉＯ_２以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を１とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値＋２％以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が０．７６〜０．９２である。

【0099】

また、図９Ｃには、変位効率η（ここでは、実変位であるが、ηで示した）と剛性比との関係を示す。

【0100】

（実施形態２）
図１０〜１３には、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）の一例を示す。図１０は、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例である記録ヘッドの分解斜視図である。図１１は、流路形成基板の圧電素子側の平面図であり、図１２は、図１１のＣ−Ｃ′線に準ずる断面図、図１３は、圧電素子の要部を拡大した断面図である。

【0101】

流路形成基板１０１０は例えばシリコン単結晶基板からなり、圧力発生室１０１２が形成されている。そして、複数の隔壁１０１１によって区画された圧力発生室１０１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口１０２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、流路形成基板１０１０での圧力発生室１０１２の並設方向を幅方向又は第１の方向Ｘと称し、第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙと称する。また、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの双方に交差する方向を本実施形態では、第３の方向Ｚと称する。なお、本実施形態では、各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。

【0102】

流路形成基板１０１０の圧力発生室１０１２の第２の方向Ｙの一端部側には、圧力発生室１０１２の片側を第１の方向Ｘから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路１０１３と、第１の方向Ｘにおいて圧力発生室１０１２と略同じ幅を有する連通路１０１４と、が複数の隔壁１０１１によって区画されている。連通路１０１４の外側（第２の方向Ｙの圧力発生室１０１２とは反対側）には、各圧力発生室１０１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する連通部１０１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０１０には、圧力発生室１０１２、インク供給路１０１３、連通路１０１４及び連通部１０１５からなる液体流路が形成されている。

【0103】

流路形成基板１０１０の一方面側、すなわち圧力発生室１０１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１０１２に連通するノズル開口１０２１が穿設されたノズルプレート１０２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。ノズルプレート１０２０には、第１の方向Ｘにノズル開口１０２１が並設されている。これに対し、流路形成基板１０１０の一方面側に対向する他方面側には、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）等からなる弾性膜１０５１と、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）等からなる絶縁体膜１０５２と、からなる振動板１０５０が設けられている。かかる振動板１０５０としては、上述した実施形態と同様な厚さで構成すればよい。また、実施形態１と同様に、第２層であるＺｒＯ_２の代わりに、ＳｉＯ_２よりヤング率が大きなセラミックスを採用することができる。

【0104】

絶縁体膜１０５２上には、密着層１０５６を介して、第１電極１０６０と、圧電体層１０７０と、第２電極１０８０と、を含む圧電素子１３００が形成されている。かかる圧電素子１３００は、上述した圧電素子３００と同様であり、詳細な説明は省略する。

【0105】

以上説明した圧電素子１３００が形成された流路形成基板１０１０上には、保護基板１０３０が接着剤１０３５により接合されている。保護基板３０は、マニホールド部１０３２を有している。マニホールド部１０３２により、マニホールド１１００の少なくとも一部が構成されている。本実施形態に係るマニホールド部１０３２は、保護基板１０３０を厚さ方向である第３の方向Ｚに貫通しており、更に圧力発生室１０１２の幅方向である第１の方向Ｘに亘って形成されている。そして、マニホールド部１０３２は、上記のように、流路形成基板１０１０の連通部１０１５と連通している。これらの構成により、各圧力発生室１０１２の共通のインク室となるマニホールド１１００が構成されている。

【0106】

保護基板１０３０には、圧電素子１３００を含む領域に、圧電素子保持部１０３１が形成されている。圧電素子保持部１０３１は、圧電素子１３００の運動を阻害しない程度の空間を有している。この空間は、密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板１０３０には、保護基板１０３０を厚さ方向である第３の方向Ｚに貫通する貫通孔３３が設けられている。貫通孔１０３３内には、リード電極１０９０の端部が露出している。

【0107】

保護基板１０３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１１２０が固定されている。駆動回路１１２０は、例えば回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）を用いることができる。駆動回路１１２０及びリード電極１０９０は、接続配線１１２１を介して電気的に接続されている。駆動回路１１２０は、プリンターコントローラー１２００に電気的に接続可能である。このような駆動回路１１２０が、本実施形態に係る制御手段として機能する。

【0108】

保護基板１０３０上には、封止膜１０４１及び固定板１０４２からなるコンプライアンス基板１０４０が接合されている。固定板１０４２のマニホールド１１００に対向する領域は、厚さ方向である第３の方向Ｚに完全に除去された開口部１０４３となっている。マニホールド１１００の一方の面（＋Ｚ方向側の面）は、可撓性を有する封止膜１０４１のみで封止されている。

【0109】

このような液体噴射ヘッドにおいても、変位効率を向上させるために、本発明の振動板構造を採用することができる。

【0110】

（他の実施形態）
以上、本発明の圧電素子応用デバイスは、超音波センサーや液体噴射ヘッドを例示して説明したが、本発明の基本的構成は上記のものに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態１、２では、基板としてシリコン単結晶基板を例示したが、これに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

【0111】

上記の実施形態２では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般に適用可能であり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等がある。

【0112】

また、本発明は、超音波センサーや液体噴射ヘッドに限られず、他の圧電素子応用デバイスに搭載される圧電素子にも適用することができる。圧電素子応用デバイスの一例としては、超音波デバイス、モーター、圧力センサー、焦電素子、強誘電体素子などが挙げられる。また、これらの圧電素子応用デバイスを利用した完成体、たとえば、上記液体等噴射ヘッドを利用した液体等噴射装置、上記超音波デバイスを利用した超音波センサー、上記モーターを駆動源として利用したロボット、上記焦電素子を利用したＩＲセンサー、強誘電体素子を利用した強誘電体メモリーなども、圧電素子応用デバイスに含まれる。

【0113】

図面において示す構成要素、すなわち層等の厚さ、幅、相対的な位置関係等は、本発明を説明する上で、誇張して示されている場合がある。また、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「基板上の第１電極」や「第１電極上の圧電体層」という表現は、基板と第１電極との間や、第１電極と圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。

【符号の説明】

【0114】

Ｉ…超音波プローブ、１…超音波センサー、２…ＦＰＣ基板、３…ケーブル、４…中継基板、５…筐体、６…耐水性樹脂、１０…基板、１１…隔壁、１２…空間、１３…音響整合層、２０…レンズ部材、４０…包囲板、５０…振動板、５０ａ…第１面、５０ｂ…第２面、５１…弾性膜、５２…絶縁体層、６０…第１電極、７０…圧電体層、８０…第２電極、３００…圧電素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】