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JP2018157125A - 圧電素子、超音波センサー、吐出ヘッド、超音波装置、液体吐出装置及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

圧電素子、超音波センサー、吐出ヘッド、超音波装置、液体吐出装置及び圧電素子の製造方法 Download PDF

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piezoelectric element
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Chikara Kojima
力 小島
幸司 大橋
Koji Ohashi
幸司 大橋
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Seiko Epson Corp
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Abstract

【課題】膜質の経時劣化及び振動特性の損失を回避できる圧電素子、超音波センサー、吐出ヘッド、超音波装置、液体吐出装置及び圧電素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基材５１の開口部５１Ａと壁部５１Ｂとに支持膜５２を設け、支持膜５２の開口部５１Ａに対応する第一領域５２１と壁部５１Ｂに対応する第二領域５２２とに圧電膜５４を設け、第二領域５２２の上に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ２を、第一領域５２１に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ１よりも小さくした。そのため、圧電膜５４のうち振動に供する領域での振動が大きく、振動に供さない領域での振動が小さくなり、圧電素子の振動特性の損失等の不都合が改善される。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧電素子、超音波センサー、吐出ヘッド、超音波装置、液体吐出装置及び圧電素子の製造方法に関する。
従来、複数の開口部が形成された第一の面と第一の面とは反対側の第二の面とを有する基材と、基材の第二の面に設けられた絶縁層、第一電極、圧電膜及び第二電極とを備えた超音波素子アレイが知られている（特許文献１）。
特許文献１の従来例において、第一電極及び第二電極の面積は、それぞれ開口部の開口面積より大きく形成されている。第一電極及び第二電極の端縁は、隣合う開口部の間に設けられる壁部の上に達している。圧電膜は、開口部と重なる領域から壁部に重なる領域に亘って、第一電極と第二電極との間で同じ膜厚とされている。
特開２００５−５１６８８号公報
圧電膜のうち開口部の第二の面側の上は振動に供する領域であるが、壁部の上は振動に供さない領域である。
特許文献１の従来例では、圧電膜は、第一電極と第二電極との間で同じ膜厚とされており、振動に供する領域だけでなく、振動に供さない領域まで同じ厚さの圧電膜が形成されている。そのため、圧電膜が振動に供する領域だけでなく、振動に供さない領域まで振動することになり、振動に供さない領域において、振動特性の損失を生じることになる。
さらに、第一電極及び第二電極は、開口部のうち第二の面側に相当する領域のみならず、隣合う開口部の間に設けられる壁部の上まで達しているので、振動に供さない領域の圧電膜にも第一電極及び第二電極から不要な電荷が回り込むことになる。このような不要な電荷は、非振動領域における圧電膜を振動させることにもなり、膜質の経時劣化等の不都合を生じさせる。
振動特性の損失及び膜厚の経時劣化という不都合は、圧電素子の構造の微細化及び振動出力の微弱化に伴い、影響が無視できないものとなっている。
本発明は、膜質の経時劣化及び振動特性の損失を回避できる圧電素子、超音波センサー、吐出ヘッド、超音波装置、液体吐出装置及び圧電素子の製造方法を提供することを１つの目的とする。
本発明の一適用例にかかる圧電素子は、貫通する複数の開口部と、複数の前記開口部の間に設けられる壁部と、を有する基材と、前記開口部を閉塞する第一領域と前記壁部上の第二領域に設けられた薄膜と、前記第一領域及び前記第二領域の薄膜上に設けられた圧電膜と、を備え、前記第二領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚は、前記第一領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする。
ここで、圧電膜のうち第一領域に対応する部分は振動に供する領域であり、第二領域に対応する部分は振動に供さない領域である。第二領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚は、第一領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚よりも小さいから、圧電膜のうち振動に供する領域での振動が大きく、振動に供さない領域での振動が小さい。振動に供する領域での振動が大きいから、第二領域を挟んで隣合う第一領域では、それぞれ独立して圧電素子が振動することになり、振動特性の損失を改善させることができる。
しかも、振動に供さない領域の圧電膜に電荷が回り込んでも、その領域の膜厚は、振動に供する領域の膜厚より小さいから、第二領域に対応する部分での振動が第一領域に対応する部分での振動より小さくなり、経時変化に伴う膜質の劣化という不都合が改善される。
本適用例の圧電素子において、前記第一領域から前記第二領域に亘って、前記圧電膜と前記薄膜との間に設けられる第一電極と、前記圧電膜の上に設けられた第二電極と、を備え、前記薄膜の厚み方向からの平面視において、前記第二電極のうち前記第二領域に位置する部分は、前記第一電極と重ならないことが好ましい。
本適用例では、第一電極と第二電極との間にある圧電膜に電圧が印加されると、この圧電膜が振動する。本適用例では、薄膜の厚み方向からの平面視において、第二電極のうち第二領域に位置する部分が第一電極と重ならないため、圧電膜のうち第二領域に対応する部分では、電荷が回り込むことが少ない。
そのため、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化等の不都合が改善される。
本適用例の圧電素子において、前記薄膜の厚み方向からの平面視において、前記第二領域における前記圧電膜は前記第一電極と重なる領域が底部となる凹部を備え、前記底部の面積は、前記第二領域における前記第一電極の面積よりも大きいことが好ましい。
本適用例では、第二電極は、圧電膜のうち凹部の先端開口の近傍には設けられているものの、凹部に対応する部分には設けられていない。しかも、凹部の底部の面積が第二領域における第一電極の面積より大きい。そのため、第二領域における第二電極と第一電極との間の圧電膜に電圧が印加されても、凹部の周辺には電荷が回り込みにくい。
そのため、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化等の不都合が改善される。
本適用例の圧電素子において、前記第一領域における前記圧電膜は、電圧が印加されると、前記第一領域の薄膜を振動させ、前記第二領域における前記圧電膜は、電圧が印加されると、前記第一領域の薄膜の振動を抑制することが好ましい。
本適用例では、圧電膜の第一領域に対応する部分と第二領域に対応する部分とを一体に形成することで、薄膜の第一領域が振動するが、第二領域が振動することなく、第一領域の振動が抑制される構成にできる。
そのため、圧電膜に電圧が印加されると、薄膜の第一領域の振動が第二領域に伝達されにくくなり、経時変化に伴う膜質の劣化等の不都合が改善される。
本発明の一適用例にかかる超音波センサーは、圧電素子と、前記圧電素子を保護する保護ケースと、を備えることを特徴とする。
本適用例では、圧電素子が保護ケースで保護されている。そのため、圧電膜が外部に直接晒されることがない。
ここで、本適用例では、前記圧電素子にかかる適用例と同様に、圧電膜のうち振動に供さない領域に電荷が回り込んでも、その領域の膜厚は、振動に供する領域の膜厚より小さいから、第二領域に対応する部分での振動が第一領域に対応する部分での振動より小さくなる。そのため、超音波センサーにおいて、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
本発明の一適用例にかかる吐出ヘッドは、圧電素子と、前記圧電素子の薄膜に面して設けられ、内部に液体が貯留され、一部に前記圧電素子の駆動により前記液体を吐出させる吐出口を有するタンクと、を備えることを特徴とする。
本適用例では、吐出ヘッドが圧電素子とタンクとを備えて構成されているから、圧電素子の駆動によりタンクに貯留されている液体が吐出口から吐出される。
ここで、本適用例では、前記圧電素子にかかる適用例と同様に、圧電膜のうち振動に供さない領域に電荷が回り込んでも、その領域の膜厚は、振動に供する領域の膜厚より小さいから、第二領域に対応する部分での振動が第一領域に対応する部分での振動より小さくなる。そのため、吐出ヘッドにおいて、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
本発明の一適用例にかかる超音波装置は、超音波センサーと、前記超音波センサーを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、超音波装置が超音波センサーと制御部とを備えて構成されるから、制御部によって超音波センサーが制御される。
ここで、本適用例では、前記圧電素子にかかる適用例と同様に、圧電膜のうち振動に供さない領域に電荷が回り込んでも、その領域の膜厚は、振動に供する領域の膜厚より小さいから、第二領域に対応する部分での振動が第一領域に対応する部分での振動より小さくなる。そのため、超音波装置において、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
本発明に一適用例にかかる液体吐出装置は、吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、液体吐出装置が吐出ヘッドと制御部とを備えて構成されるから、制御部によって吐出ヘッドが制御され、正確な液体吐出を実現できる。
ここで、本適用例では、前記圧電素子にかかる適用例と同様に、圧電膜のうち振動に供さない領域に電荷が回り込んでも、その領域の膜厚は、振動に供する領域の膜厚より小さいから、第二領域に対応する部分での振動が第一領域に対応する部分での振動より小さくなる。そのため、液体吐出装置において、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
本発明の一適用例にかかる圧電素子の製造方法は、圧電素子の製造方法であって、基材に第一領域と第二領域とを有する薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記第一領域から前記第二領域に亘って、前記薄膜の前記基材が設けられた側とは反対側に設けられる第一電極を形成する第一電極形成工程と、前記第一電極上に圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、前記圧電膜上に設けられる第二電極を形成する第二電極形成工程と、前記第二領域の圧電膜の膜厚を、前記第一領域の圧電膜の膜厚よりも小さくする圧電膜加工工程と、前記基材のうち前記第一領域に対応する部分に開口部を形成し前記第二領域に相当する部分に壁部を形成する開口部形成工程と、を実施することを特徴とする。
本適用例では、薄膜形成工程を実施して、基材に第一領域と第二領域とを有する薄膜を形成する。後述する通り、第一領域とは基材の開口部に対応する位置であり、第二領域とは開口部を仕切る壁部に対応する位置であり、第一領域と第二領域とは交互に形成される。薄膜形成工程では、製造される圧電素子の開口部と壁部との寸法に応じて、第一領域と第二領域とを予め設定しておく。
そして、第一電極形成工程を実施して、薄膜に第一電極を形成し、圧電膜形成工程を実施して、第一電極の上に圧電膜を形成し、第二電極形成工程を実施して、圧電膜の上に第二電極を形成する。本適用例では、さらに、圧電膜加工工程を実施して、第二領域の圧電膜の膜厚を、第一領域の圧電膜の膜厚よりも小さくする。圧電膜加工工程では、適宜な手段を用いることができるが、例えば、第二電極の上からエッチングすることで、圧電膜の厚さを変えることができる。そして、開口部形成工程を実施して、基材の薄膜が形成された部分とは反対側の部分に開口部と壁部とを形成する。開口部は第一領域に対応する部分に形成され、壁部は第二領域に対応する部分に形成されるので、第一領域は振動に供する領域となり、第二領域は振動に供さない領域となる。
したがって、第二領域の圧電膜の膜厚を、第一領域の圧電膜の膜厚よりも小さくする圧電膜加工工程により、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善された圧電素子を製造することができる。
第１実施形態の超音波装置の概略構成を示す斜視図。 第１実施形態の超音波プローブの概略構成を示す断面図。 第１実施形態の超音波デバイスにおける素子基板を示す平面図。 素子基板の一部を拡大した平面図。 図４のＡ−Ａ線断面図。 図４のＢ−Ｂ線断面図。 図４のＣ−Ｃ線断面図。 圧電素子の製造方法を説明する概略図。 送信感度とピエゾ残膜の厚さとの関係を示すグラフ。 受信感度とピエゾ残膜の厚さとの関係を示すグラフ。 第２実施形態のプリンターの概略構成を示す図。 前記プリンターが備える記録ヘッドを模式的に示す分解斜視図。 本発明の変形例を示すもので、図５に相当する図。 前記変形例を示すもので、図６に相当する図。
［第１実施形態］
以下、第１実施形態に係る超音波装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、超音波装置１の概略構成を示す斜視図である。
図１において、超音波装置１は、超音波プローブ２と、超音波プローブ２にケーブル３を介して電気的に接続された制御装置１０と、を備えている。
超音波装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に接触させ、超音波プローブ２から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ２にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
［制御装置の構成］
制御装置１０は、制御部に相当し、ボタンやタッチパネル等を含む操作部１１と、表示部１２と、を備える。また、制御装置１０は、図示は省略するが、メモリー等により構成された記憶部と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部と、を備える。制御装置１０は、記憶部に記憶された各種プログラムを、演算部に実行させることにより、超音波装置１を制御する。例えば、制御装置１０は、超音波プローブ２の駆動を制御するための指令を出力したり、超音波プローブ２から入力された受信信号に基づいて、生体の内部構造の画像を形成して表示部１２に表示させたり、血流等の生体情報を測定して表示部１２に表示させたりする。このような制御装置１０としては、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いることができ、超音波プローブ２を操作するための専用端末装置を用いてもよい。
［超音波プローブの構成］
図２は、超音波プローブ２の概略構成を示す断面図である。
図２において、超音波プローブ２は、筐体２１と、筐体２１の内部に収納される超音波デバイス２２と、超音波デバイス２２を制御するためのドライバー回路等が設けられた回路基板２３と、を備えている。なお、超音波デバイス２２と、回路基板２３とにより超音波センサー２４が構成される。
［筐体の構成］
図１に示される通り、筐体２１は、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面２１Ａ）には、センサー窓２１Ｂが設けられており、超音波デバイス２２の一部が露出している。また、筐体２１の一部（図１に示す例では側面）には、ケーブル３の通過孔２１Ｃが設けられ、ケーブル３は、通過孔２１Ｃから筐体２１の内部の回路基板２３に接続されている。また、ケーブル３と通過孔２１Ｃとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
なお、本実施形態では、ケーブル３を用いて、超音波プローブ２と制御装置１０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ２と制御装置１０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ２内に制御装置１０の各種構成が設けられていてもよい。
［回路基板の構成］
回路基板２３は、後述する超音波デバイス２２の信号端子及び共通端子と電気的に接続され、制御装置１０の制御に基づいて超音波デバイス２２を制御する。
具体的には、回路基板２３は、送信回路や受信回路等を備えている。送信回路は、超音波デバイス２２に超音波送信させる駆動信号を出力する。受信回路は、超音波を受信した超音波デバイス２２から出力された受信信号を取得し、当該受信信号の増幅処理、Ａ−Ｄ変換処理、整相加算処理等を実施して制御装置１０に出力する。
［超音波デバイスの構成］
図２に示される通り、超音波デバイス２２は、素子基板４１と、保護ケースとしての封止板４２と、音響層（図示せず）と、音響レンズ４４と、を含み構成される。
図３は、超音波デバイス２２を構成する素子基板４１を封止板４２側から見た場合について模式的に示す図である。また、図４は、図３を拡大した図である。図５は図４のＡ−Ａ線で切断した超音波デバイス２２の断面を模式的に示す断面図であり、図６は図４のＢ−Ｂ線で切断した超音波デバイス２２の断面を模式的に示す断面図であり、図７は図４のＣ−Ｃ線で切断した超音波デバイス２２の断面を模式的に示す断面図である。
（素子基板の構成）
図３において、素子基板４１を基板厚み方向（Ｚ方向）から見た平面視（以下、単に平面視とも称す）において、素子基板４１の中央のアレイ領域Ａｒ１には、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサー４５を含む超音波トランスデューサーアレイ４６が設けられている。この超音波トランスデューサーアレイ４６は、複数の超音波トランスデューサー４５がマトリクス状に配置された１次元アレイとして構成される。すなわち、超音波トランスデューサーアレイ４６は、１ＣＨの送受信チャンネルとして機能する送受信列を複数有する。これら複数の送受信列のそれぞれは、Ｙ方向（スライス方向）に沿って配置された複数の超音波トランスデューサー４５により構成され、Ｘ方向（スキャン方向）に複数配置される。なお、図３では、説明の便宜上、超音波トランスデューサー４５の配置数を減らしているが、実際には、より多くの超音波トランスデューサー４５が配置される。
素子基板４１には、複数の圧電素子５がＸ方向とＹ方向とに沿って格子状に配置されている。
（圧電素子の構成）
圧電素子５の具体的な構成が図４から図７に示されている。
図４から図７において、圧電素子５は、基材５１と、基材５１に設けられた支持膜５２と、支持膜５２の上に設けられた第一電極としての下部電極５３１と、下部電極５３１の上に設けられた圧電膜５４と、圧電膜５４の上に設けられた第二電極としての上部電極５３２とを備えて構成されている。
基材５１は、支持膜５２を支持する基板であり、貫通する複数の開口部５１Ａと、これらの開口部５１Ａの間に設けられる壁部５１Ｂとを有する。基材５１は、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。開口部５１Ａは、各々の超音波トランスデューサー４５に対応している（図３参照）。開口部５１Ａの正面側は、図５から図７では図示しない音響レンズが配置され、開口部５１Ａの内部は音響層となっている。
支持膜５２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基材５１の背面の全面に設けられている。支持膜５２の厚み寸法は、基材５１に対して十分小さい厚み寸法となる。
支持膜５２は、開口部５１Ａの背面側を閉塞する第一領域５２１と、壁部５１Ｂの上に設けられた第二領域５２２とを有する。これらの第一領域５２１と第二領域５２２は、開口部５１Ａと壁部５１Ｂの配列に対応して連続して形成されている。
圧電膜５４は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、具体的には、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成される。
圧電膜５４はＸ方向に沿って複数列が配置されている。
図７において、圧電膜５４は、支持膜５２のうちＸ方向に延びる第一領域５２１と第二領域５２２との上に設けられたものである。ここで、圧電膜５４のうち第一領域５２１に対応する部分５４１が振動に供する領域であり、第二領域５２２に対応する部分５４２が振動に供さない領域である。
圧電膜５４のうち第一領域５２１に対応する部分５４１と第二領域５２２に対応する部分５４２とは一体に形成されており、圧電膜５４の第一領域５２１に対応する部分５４１は、電圧が印加されると、第一領域５２１を振動させ、第二領域５２２に対応する部分５４２は、電圧が印加されると、第一領域５２１の振動を抑制することになる。
圧電膜５４は、Ｘ方向で隣合った第一領域５２１に対応する部分５４１と第二領域５２２に対応する部分５４２とで膜厚が相違する。圧電膜５４の第一領域５２１に対応する部分５４１の膜厚はｔ１であり、第二領域５２２に対応する部分５４２の膜厚はｔ２であり、膜厚ｔ２は膜厚ｔ１より小さい。なお、膜厚ｔ１，ｔ２は、適宜設定されるが、例えば、膜厚ｔ１は１０５０ｎｍであり、膜厚ｔ２は１０５０ｎｍ未満２００ｎｍ以上である。
下部電極５３１及び上部電極５３２の材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料を用いることができる。
下部電極５３１は、圧電膜５４と支持膜５２との間であって圧電膜５４に沿って設けられている。
上部電極５３２は、圧電膜５４が配置される部分では一部を除いて圧電膜５４を覆うように配置され、圧電膜５４が配置されていない部分では支持膜５２のうち第二領域５２２の上に配置されている。（図５から図７参照）。
図４、図５及び図７に示される通り、支持膜５２の厚み方向からの平面視において、第二領域５２２に対応する圧電膜５４は、下部電極５３１と重なる領域が底部となり平面矩形状の凹部５４０を備えている。凹部５４０には上部電極５３２が設けられていない。つまり、支持膜５２の厚み方向からの平面視において、上部電極５３２のうち第二領域５２２に位置する部分は、下部電極５３１とは重ならない（図５及び図７参照）。
凹部５４０の底部のＹ方向に沿った寸法ｍ１は、下部電極５３１のＹ方向に沿った寸法ｍ２より大きく（図４及び図５参照）、凹部５４０の底部のＸ方向に沿った寸法と、平面視で凹部５４０の底部に重なる下部電極５３１の寸法とは同じである。そのため、上部電極５３２が設けられていない凹部５４０の底部の面積は、第二領域５２２における下部電極５３１の面積よりも大きい。
このような超音波トランスデューサー４５では、下部電極５３１及び上部電極５３２の間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることにより、開口部５１Ａに対応する支持膜５２の第一領域５２１を振動させて、超音波を送信する。また、対象物から反射された超音波により支持膜５２の第一領域５２１が振動されると、圧電膜５４の上下で電圧が発生する。したがって、下部電極５３１及び上部電極５３２間に発生する電圧を検出することにより、超音波を検出、つまり受信する。
（封止板の構成）
封止板４２は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板４１と同形状に形成され、Ｓｉ等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。なお、封止板４２の材質や厚みは、超音波トランスデューサー４５の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー４５にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
また、封止板４２は、素子基板４１の端子領域Ａｒ２に対向する位置に、各端子を回路基板２３に接続する接続部が設けられる。接続部としては、例えば、素子基板４１に設けられた開口と、当該開口を介して各端子と回路基板２３とを接続するＦＰＣ（Flexible printed circuits）やケーブル線、ワイヤー等の配線部材と、を含む構成が例示される。
封止板４２は、上部電極５３２を覆う板部４２１と、板部４２１に設けられ隣合う圧電素子５と接合する封止板足部４２２とを有する（図５及び図６参照）。封止板４２は、圧電素子５を保護するための保護ケースとしての効果の他に、封止板足部４２２を圧電素子５の間に接合させることにより、隣接する圧電素子５への振動漏れを抑制する効果を提供する。
（音響レンズの構成）
図１及び図２において、音響レンズ４４は、素子基板４１の前面側に配置される。音響レンズ４４は、生体表面に密着され、超音波トランスデューサー４５から送信された超音波を生体内で収束させる。また、音響レンズ４４は、生体内で反射した超音波を、音響層を介して超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。
［圧電素子の製造方法］
次に、複数の圧電素子５を有する超音波トランスデューサー４５の製造方法を図８に基づいて説明する。図８は、超音波トランスデューサー４５の製造方法における各工程を模式的に示す図である。
まず、図８の上から１番目に示される通り、基材に支持膜５２を形成する薄膜形成工程を実施する。
そのため、シリコンウェハからなる基板５１０の一面に対して熱酸化処理を施して、Ｓｉｏ２の膜を形成し、さらに、鉛拡散防止のためのＺｒＯ２の膜をスパッタリングにより形成して支持膜５２を形成する。支持膜５２には、製造される圧電素子５の開口部５１Ａと壁部５１Ｂとの寸法に応じて、第一領域５２１と第二領域５２２とを設定しておく。
次に、図８の２番目に示される通り、第一電極形成工程を実施する。
そのため、支持膜５２の上にスパッタリングにより電極材料を形成し、電極材料をエッチング処理することで、第一電極として下部電極５３１をＸ方向に沿って形成する。
そして、図８の３番目に示される通り、下部電極５３１の上に圧電膜５４を形成する圧電膜形成工程を実施する。
そのため、例えば、溶解法により、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を下部電極５３１及び支持膜５２の上に形成する。溶液法を用いたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の形成では、支持膜５２及び下部電極５３１にＰＺＴ溶液を塗布する（塗布工程）。この後、塗布されたＰＺＴ溶液を焼成する（焼成工程）。焼成工程では、例えばプレベーク４００℃、ＲＴＡ焼成７００℃の条件にて実施する。なお、塗布工程及び焼成工程は、複数回繰り返して実施され、これにより、所望厚み寸法の圧電膜５４が形成される。
図８の４番目に示される通り、圧電膜５４の上に第二電極としての上部電極５３２を形成する第二電極形成工程を実施する。
そのため、圧電膜５４の上に上部電極５３２をスパッタにより形成する。
図８の５番目に示される通り、圧電膜加工工程を実施する。
そのため、圧電膜５４及び上部電極５３２のうち支持膜５２の第二領域５２２に対応する箇所にエッチング処理をして凹部５４０を形成し、第二領域５２２に対応する圧電膜５４の部分５４２の膜厚ｔ２を、第一領域５２１に対応する圧電膜５４の部分５４１の膜厚ｔ２よりも小さくする。エッチング処理は上部電極５３２を含んで実施される。
そして、図８の６番目に示される通り、開口部形成工程を実施する。
そのため、基板５１０のうち支持膜５２が形成された面とは反対側の面に対してエッチング処理をして、第一領域５２１に対応する部分に開口部５１Ａを形成する。基板５１０のうち第二領域５２２に対応する部分はエッチング処理がされていないため、壁部５１Ｂとして残る。
以上により、超音波トランスデューサー４５が製造される。
［送信感度とピエゾ残膜との関係］
送信感度とピエゾ残膜との関係を図９に基づいて説明する。
図９のグラフにおいて、ピエゾ残膜とは、圧電膜５４のうち第二領域５２２に対応する部分５４２の膜厚ｔ２をいう（図７参照）。送信感度とは、下部電極５３１と上部電極５３２との間に所定の電圧をかけた場合の出力値を示すものであり、図９では、膜厚ｔ２が第一領域５２１に対応する部分５４１の膜厚ｔ１と同じ１０５０ｎｍの場合の送信感度Ｐｂを１００％とした場合、上部電極５３２の有無において、それぞれピエゾ残膜（膜厚ｔ２）を変更した場合の出力値の比率を示す。
図９において、圧電膜５４の第二領域５２２に対応する部分５４２での上部電極５３２の有無にかかわらず、ピエゾ残膜（膜厚ｔ２）が小さくなると、換言すれば、凹部５４０の深さが深くなると、送信感度が高くなる。さらに、第一領域５２１と第二領域５２２とで圧電膜５４の膜厚が同じ膜厚であっても、上部電極５３２がない場合の送信感度Ｐａは、上部電極５３２がある場合の送信感度Ｐｂよりも送信感度が高い。また、ピエゾ残膜、つまり、圧電膜５４の第二領域５２２に対応する部分５４２の膜厚ｔ２の大きさにかかわらず、第二領域５２２に対応する部分５４２に上部電極５３２がなければ送信感度が高くなる。
［受信感度とピエゾ残膜との関係］
受信感度とピエゾ残膜との関係を図１０に基づいて説明する。
図１０のグラフにおいて、受信感度とは、超音波を受信した際に下部電極５３１及び上部電極５３２の間にかかる電圧を示すもので、図１０では、膜厚ｔ２が第一領域５２１に対応する部分５４１の膜厚ｔ１と同じ１０５０ｎｍの場合の受信感度Ｑｂを１００％とした場合、上部電極５３２の有無において、それぞれピエゾ残膜（膜厚ｔ２）を変更した場合の出力値の比率を示す。
図１０において、第一領域５２１と第二領域５２２とで圧電膜５４の膜厚が同じ膜厚であっても、上部電極５３２がない場合の受信感度Ｑａは上部電極５３２がある場合の受信感度Ｑｂよりも高い。また、ピエゾ残膜の大きさにかかわらず、第二領域５２２に対応する部分５４２に上部電極５３２がなければ受信感度が高くなる。さらに、圧電膜５４の第二領域５２２に対応する部分５４２に上部電極５３２がない場合では、ピエゾ残膜（膜厚ｔ２）が小さくなると、受信感度が高くなる。
［第１実施形態の作用効果］
第１実施形態では、基材５１の開口部５１Ａと壁部５１Ｂとに支持膜５２を設け、支持膜５２の開口部５１Ａに対応する第一領域５２１と壁部５１Ｂに対応する第二領域５２２とに圧電膜５４を設け、第二領域５２２の上に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ１を、第一領域５２１に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ２よりも小さくした。そのため、圧電膜５４のうち振動に供する領域での振動が大きく、振動に供さない領域での振動が小さくなり、圧電素子５の振動特性の損失等の不都合が改善される。つまり、図９及び図１０のグラフからも分かる通り、第二領域５２２の上に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ１を、第一領域５２１に設けられた圧電膜５４の膜厚ｔ２よりも小さくすることで送信感度及び受信感度が良好となる。さらに、振動に供さない領域での振動が小さいから、経時変化による膜質の劣化という不都合を回避できる。
上部電極５３２のうち第二領域５２２に位置する部分が下部電極５３１と重ならない。つまり、圧電膜５４のうち第二領域５２２に対応する部分５４２に上部電極５３２がないと、圧電膜５４のうち振動に供さない領域での振動が少なくなって、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。つまり、図９及び図１０のグラフからわかる通り、送信感度及び受信感度が良好となる。
第二領域５２２における圧電膜５４は下部電極５３１と重なる領域が底部となる凹部５４０を備え、底部の面積を、第二領域５２２における下部電極５３１の面積よりも大きくした。そのため、第二領域５２２における上部電極５３２と下部電極５３１との間の圧電膜５４に電圧が印加されても、凹部５４０の周辺には電荷が回り込みにくくなり、圧電膜５４のうち振動に供さない領域での振動が少なくなって、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
圧電膜５４の第一領域５２１に対応する部分５４１と第二領域５２２に対応する部分５４２とを一体に形成することで、第一領域５２１における支持膜５２が振動するが、第二領域５２２における支持膜５２が振動することなく、第一領域の振動が抑制される。そのため、圧電膜５４のうち支持膜５２の第一領域５２１の振動が第二領域５２２に伝達されにくくなることで、この点からも、圧電膜のうち振動に供さない領域での振動が少なくなり、経時変化に伴う膜質の劣化や振動特性の損失等の不都合が改善される。
超音波センサー２４を、圧電素子５と保護ケースとしての封止板４２とを備えて構成したから、圧電膜５４が外部に直接晒されることがない。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態を図面の図１１及び図１２に基づいて説明する。第２実施形態は、圧電素子を備えたプリンター１００である。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同一構成部分は同一符号を付して説明を省略する。
図１１には、プリンター１００の外観の構成例が示され、図１２には、プリンター１００の記録ヘッド７０が模式的に示されている。
図１１において、プリンター１００は、液体吐出装置に相当し、メディアを供給する供給ユニット１１０と、メディアを搬送する搬送ユニット１２０と、記録ヘッド７０が取り付けられるキャリッジ１３０と、キャリッジ１３０を移動させるキャリッジ移動ユニット１４０と、プリンター１００を制御する制御部１５０とを備える。このプリンター１００は、例えばパーソナルコンピューター等の外部機器から入力された印刷データに基づいて、各ユニット１１０，１２０，１４０及びキャリッジ１３０を制御し、メディアＭに画像を印刷する。
供給ユニット１１０は、メディアＭを画像形成位置に供給する。例えば、供給ユニット１１０は、メディアＭが巻装されたロール体１１１、ロール駆動モーター（図示略）、及びロール駆動輪列（図示略）等を備える。そして、制御部１５０からの指令に基づいて、ロール駆動モーターが回転駆動され、ロール駆動モーターの回転力がロール駆動輪列を介してロール体１１１に伝達される。これにより、ロール体１１１が回転し、ロール体１１１に巻装された紙面がβ方向（副走査方向）における下流側（＋β側）に供給される。
搬送ユニット１２０は、供給ユニット１１０から供給されたメディアＭを、β方向に沿って搬送する。例えば、搬送ユニット１２０は、搬送ローラー１２１と、搬送ローラー１２１とメディアＭを挟んで配置され、搬送ローラー１２１に従動する従動ローラー（図示略）と、搬送ローラー１２１のβ方向の下流側に設けられたプラテン１２２と、を備える。搬送ローラー１２１は、図示略の搬送モーターからの駆動力が伝達され、制御部１５０の制御により搬送モーターが駆動されると、その回転力により回転駆動されて、従動ローラーとの間にメディアＭを挟み込んだ状態でβ方向に沿って搬送する。
キャリッジ１３０は、メディアＭに対して画像を印刷する記録ヘッド７０等が取り付けられる。記録ヘッド７０等は、ケーブル１３１を介して制御部１５０に接続される。記録ヘッド７０については後述する。キャリッジ１３０は、キャリッジ移動ユニット１４０によって、β方向に交差するα方向（主走査方向）に沿って移動可能に設けられている。
キャリッジ移動ユニット１４０は、キャリッジ１３０をα方向に沿って往復移動させる。例えば、キャリッジ移動ユニット１４０は、キャリッジガイド軸１４１と、キャリッジモーター１４２と、タイミングベルト１４３と、等を備える。キャリッジガイド軸１４１は、α方向に沿って配置され、両端部がプリンター１００の筐体に固定される。キャリッジモーター１４２は、タイミングベルト１４３を駆動させる。タイミングベルト１４３は、キャリッジガイド軸１４１と略平行に支持され、キャリッジ１３０の一部が固定される。制御部１５０の指令に基づいてキャリッジモーター１４２が駆動されると、タイミングベルト１４３が正逆走行され、タイミングベルト１４３に固定されたキャリッジ１３０が、キャリッジガイド軸１４１にガイドされて往復移動する。
記録ヘッド７０は、インクタンク（図示略）から供給されたインクを、α方向及びβ方向に交差するγ方向に噴射してメディアＭに画像を形成する。
図１２には、記録ヘッド７０が示されている。
図１２において、記録ヘッド７０は、吐出ヘッドに相当するものであり、圧力室形成基板７１と、ノズルプレート７２と、アクチュエーターユニット７３と、保護ケースとしての封止板７４と等を備える。
圧力室形成基板７１は、例えば、シリコン単結晶基板等からなる板材である。この圧力室形成基板７１には、複数の圧力室７１１と、これら圧力室７１１にインクを供給するインク供給路７１２と、インク供給路７１２を介して各圧力室７１１に連通する連通部７１３と、が形成されている。ここで、圧力室７１１は第２実施形態における開口部に相当するものであり、圧力室７１１は壁部７１４で仕切られている。
複数の圧力室７１１は、後述するようにノズルプレート７２に形成されたノズル列を構成する各ノズル７２１に、一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室７１１は、ノズル列方向に沿って、ノズル７２１の形成ピッチと同じピッチで形成されている。
連通部７１３は、複数の圧力室７１１に沿って形成されている。この連通部７１３は、後述する支持膜５２の連通開口部７３４及び封止板７４の液室空部７４２と連通し、インクタンク（図示略）から供給されたインクが充填されるタンクである。連通部７１３に充填されたインクは、インク供給路７１２を介して圧力室７１１に供給される。
なお、インク供給路７１２は、圧力室７１１よりも狭い幅で形成されており、連通部７１３から圧力室７１１に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。
ノズルプレート７２は、インクを吐出させる吐出口を構成するものであって、複数のノズル７２１からなるノズル列が形成され、圧力室形成基板７１の一方の面（アクチュエーターユニット７３とは反対側の面）に接合される。複数のノズル７２１は、ドット形成密度（例えば、３００ｄｐｉ）に相当するピッチで形成されている。なお、ノズルプレート７２は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、又はステンレス鋼等からなる。
アクチュエーターユニット７３は、圧力室形成基板７１のノズルプレート７２とは反対側に設けられた支持膜５２と、支持膜５２に積層された下部電極５３１、圧電膜５４及び上部電極５３２とを備え、図１２では図示しない第二領域に対応する部分には凹部５４０が形成されている。第２実施形態では、圧力室形成基板７１が開口部及び壁部を構成する基材に相当し、圧力室形成基板７１、支持膜５２、下部電極５３１、圧電膜５４及び上部電極５３２を備えて圧電素子８が構成されている。
なお、支持膜５２としては、例えば、厚さが３００〜２０００ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が好適に用いられる。支持膜５２の上に形成される図示しない絶縁体膜としては、例えば、厚さが３０〜６００ｎｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）が好適に用いられる。
封止板７４は、アクチュエーターユニット７３の圧力室形成基板７１とは反対側の面に接合されている。封止板７４のアクチュエーターユニット７３側の面には、圧電素子８を収容可能な収容空部７４１が形成されている。
封止板７４の連通開口部７３４及び連通部７１３に対応する領域には、液室空部７４２が設けられている。液室空部７４２は、連通開口部７３４及び連通部７１３と連通し、各圧力室７１１に共通のインク室となるリザーバーを構成する。なお、図示しないが、封止板７４には、アクチュエーターユニット７３の端子領域に対応する位置に、厚さ方向に貫通する配線開口部が設けられている。この配線開口部内に、前記端子領域の電極端子が露出される。これら電極端子は、プリンター本体に接続された図示しない配線部材に接続される。
このような構成の記録ヘッド７０では、インクカートリッジからインクを取り込み、リザーバー、インク供給路７１２、圧力室７１１、及びノズル７２１に至るまでの流路内がインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室７１１に対応するそれぞれの圧電素子８が駆動されると、支持膜５２の圧力室７１１に対応する第一領域が変位し、圧力室７１１内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル７２１からインクが噴射される。
第２実施形態の圧電素子８では、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
第１実施形態では、封止板４２を、板部４２１と封止板足部４２２とを備えて構成したが、本発明では、図１３及び図１４に示される通り、封止板４２を、封止板足部４２２を省略して構成してもよい。
第１実施形態では、凹部５４０の平面形状が矩形状とされたが、本発明では、丸や三角形等の他の形状であってもよい。
前記各実施形態では、下部電極５３１及び上部電極５３２が金属材料で形成されていたが、これに限定されない。例えば、下部電極５３１及び上部電極５３２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いて形成されてもよい。
第１実施形態では、電子機器として、生体内の器官を測定対象とする超音波装置を例示したが、これに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う測定機に、前記実施形態及び各変形例の構成を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する測定機についても同様である。
１…超音波装置、１０…制御装置（制御部）、１００…プリンター（液体吐出装置）、２…超音波プローブ、２４…超音波センサー、４１…素子基板、４２，７４…封止板（保護ケース）、５，８…圧電素子、５１…基材、５１Ａ…開口部、５１Ｂ…壁部、５２…支持膜（薄膜）、５２１…第一領域、５２２…第二領域、５３１…下部電極（第一電極）、５３２…上部電極（第二電極）、５４…圧電膜、１５０…制御部、５４０…凹部、５４１…第一領域に対応する部分、５４２…第二領域に対応する部分、７０…記録ヘッド(吐出ヘッド)、７１…圧力室形成基板、７１１…圧力室（開口部）、７１２…インク供給路、７１３…連通部(タンク)、７１４…壁部、７２…ノズルプレート、７２１…ノズル（吐出口）、７３…アクチュエーターユニット、ｔ１，ｔ２…膜厚。

Claims (9)

  1. 貫通する複数の開口部と、複数の前記開口部の間に設けられる壁部と、を有する基材と、
    前記開口部を閉塞する第一領域と前記壁部上の第二領域に設けられた薄膜と、
    前記第一領域及び前記第二領域の薄膜上に設けられた圧電膜と、を備え、
    前記第二領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚は、前記第一領域の薄膜上に設けられた圧電膜の膜厚よりも小さい
    ことを特徴とする圧電素子。
  2. 請求項１に記載の圧電素子において、
    前記第一領域から前記第二領域に亘って、前記圧電膜と前記薄膜との間に設けられる第一電極と、
    前記圧電膜の上に設けられた第二電極と、を備え、
    前記薄膜の厚み方向からの平面視において、前記第二電極のうち前記第二領域に位置する部分は、前記第一電極と重ならない
    ことを特徴とする圧電素子。
  3. 請求項２に記載の圧電素子において、
    前記薄膜の厚み方向からの平面視において、前記第二領域における前記圧電膜は前記第一電極と重なる領域が底部となる凹部を備え、
    前記底部の面積は、前記第二領域における前記第一電極の面積よりも大きい
    ことを特徴とする圧電素子。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子において、
    前記第一領域における前記圧電膜は、電圧が印加されると、前記第一領域の薄膜を振動させ、
    前記第二領域における前記圧電膜は、電圧が印加されると、前記第一領域の薄膜の振動を抑制する
    ことを特徴とする圧電素子。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子と、
    前記圧電素子を保護する保護ケースと、を備える
    ことを特徴とする超音波センサー。
  6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子と、
    前記圧電素子の薄膜に面して設けられ、内部に液体が貯留され、一部に前記圧電素子の駆動により前記液体を吐出させる吐出口を有するタンクと、を備える
    ことを特徴とする吐出ヘッド。
  7. 請求項５に記載の超音波センサーと、
    前記超音波センサーを制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする超音波装置。
  8. 請求項６に記載の吐出ヘッドと、
    前記吐出ヘッドを制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする液体吐出装置。
  9. 圧電素子の製造方法であって、
    基材に第一領域と第二領域とを有する薄膜を形成する薄膜形成工程と、
    前記第一領域から前記第二領域に亘って、前記薄膜の前記基材が設けられた側とは反対側に設けられる第一電極を形成する第一電極形成工程と、
    前記第一電極上に圧電膜を形成する圧電膜形成工程と、
    前記圧電膜上に設けられる第二電極を形成する第二電極形成工程と、
    前記第二領域の圧電膜の膜厚を、前記第一領域の圧電膜の膜厚よりも小さくする圧電膜加工工程と、
    前記基材のうち前記第一領域に対応する部分に開口部を形成し前記第二領域に相当する部分に壁部を形成する開口部形成工程と、
    を実施することを特徴とする圧電素子の製造方法。
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