(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、２次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であり、
前記電気機械変換素子は、少なくとも２つの電極を有し、
個々の前記溝部が所定領域を囲む形状を成し、
前記基板の一方の面の、前記所定領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも１つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする電気機械変換機構。    
【請求項２】
平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、２次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であり、
前記溝部は、Ｃ字状、Ｕ字状、Ｏ字状または渦巻き状の何れか１つの形状であることを特徴とする電気機械変換機構。
【請求項３】
前記電気機械変換素子は、少なくとも２つの電極を有し、
個々の前記溝部が所定領域を囲む形状を成し、
前記基板の一方の面の、前記所定領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも１つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換機構。
【請求項４】
複数の前記溝部は、千鳥配列されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【請求項５】
前記変位層は、前記溝部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【請求項６】
前記電気機械変換素子は、前記溝部とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換機構。
【請求項７】
前記変位層は、前記短辺の所定の幅よりも狭くかつ前記長辺の長さよりも長く、前記溝部の上に、前記溝部に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【請求項８】
前記電気機械変換素子は、前記変位層とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換機構。
【請求項９】
請求項１から６の何れか１項に記載の電気機械変換機構と、
前記溝部にインクを供給するインク供給部と、
前記溝部に貯留されたインクを吐出させるノズルとを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１０】
被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、
前記被写体で反射または透過された超音波を受信するための、請求項１から８の何れか１項に記載の電気機械変換機構とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブに関し、特に高速で高解像度なアクチュエータあるいはセンサとして機能する電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子や形状記憶合金、バイメタル等を基板の上に薄い膜状に形成したカンチレバー構造（片もち梁）の素子が知られている。薄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ため、感度の高い圧力センサやアクチュエータを構成することができる。一方で、カンチレバー構造は、梁の先端が拘束されていないために剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという課題があった。
【０００３】
この課題を解決するために、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（横隔膜）構造にすることにより、変位膜の剛性を高める工夫が提案されている。この構造を用いることで変位膜の剛性が高くなるため、発生圧力を大きくできる、外部からの力に対して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輸送するポンプに活用できる、等々の利点がある。
【０００４】
これらの利点を活かして、ダイヤフラム構造の素子が、例えばインクジェットプリンタのインクジェットヘッドのアクチュエータに用いられている。
【０００５】
他方、インクジェットプリンタで、画像を高速に描画するには、チャネルを記録メディアの幅全体に並べて一方向に走査する、ラインヘッド方式が望ましい。このラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を計るには、個々のチャネルをできるだけ小さくして、ヘッド上に小型のチャネルを２次元で高密度に配置することが望ましい。
【０００６】
このようにチャネルを小型化して密度を高める方法として、例えば特許文献１には、円形や正方形等の等方的な形状のチャネルを千鳥配列に配置する方法が提案されている。
【０００７】
一方で、インクを吐出するためのアクチュエータには、
（１）装置の解像度から求められるインクの吐出量を達成するための大きな変位量（変位体積）
（２）必要な粘度のインクを吐出するための大きな発生力
（３）高速な吐出動作に対応するための高い剛性
等の要件が求められる。
【０００８】
また、両もち梁構造やダイヤフラム構造のセンサへの応用として、例えば超音波診断装置に用いられる超音波プローブの２次元超音波センサとしても適用が可能である。例えば特許文献２には、医療診断用途の２次元超音波探触子の製造方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許３１６８４７４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２３９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、例えば特許文献１に示された円形のアクチュエータの場合、（１）の変位量を大きくするためには、面積を大きく、厚さを小さくする必要があり、（２）の発生力を大きくするためには、面積を大きく、厚さを大きくする必要があり、（３）の剛性を高めるためには、面積を小さく、厚さを大きくする必要があり、面積即ち直径と、厚さとが相反する関係にある。
【００１１】
圧電素子を用いた円形のアクチュエータで、印加する電界が一定の場合、その発生力は面積と厚さの一乗に比例し、剛性は厚さの三乗に比例し面積に反比例するため、変位は面積の二乗に比例し厚さの二乗に反比例する。このように、特許文献１に示された円形や正方形等の等方的な形状のアクチュエータで、上述した３要件を同時に満足することは難しい。
【００１２】
また、特許文献２では、超音波探触子、即ち超音波センサを、バルクで焼成したチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと言う）などの無機の圧電材料を縦横に切断加工して作製している。バルク材のため剛性、発生力は大きいが、変位量即ちセンサ感度が小さいという課題がある。また、センサを高密度化するために、配線を圧電材料と積層して取り出しているが、配線の層を積層することで、超音波振動を減衰、変調してしまうという課題もある。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供し、さらに、それを用いた高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブ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】
【００１４】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１５】
１．平板状の基板と、
前記基板の両面を貫き、２次元マトリクス状に形成された複数の溝部と、
前記基板の一方の面の、複数の前記溝部の上に形成された変位層と、
複数の前記溝部の各々に対応して、前記変位層の上に形成された複数の電気機械変換素子とを備えた電気機械変換機構において、
前記溝部および前記電気機械変換素子は、所定の幅の短辺と、前記短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状であることを特徴とする電気機械変換機構。
【００１６】
２．前記電気機械変換素子は、少なくとも２つの電極を有し、
前記基板の一方の面の、前記溝部で囲まれた領域に、前記電気機械変換素子の少なくとも１つの電極に接続された配線接続部が形成されていることを特徴とする前記１に記載の電気機械変換機構。
【００１７】
３．前記溝部は、Ｃ字状、Ｕ字状、Ｏ字状または渦巻き状の何れか１つの形状であることを特徴とする前記１または２に記載の電気機械変換機構。
【００１８】
４．複数の前記溝部は、千鳥配列されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【００１９】
５．前記変位層は、前記溝部を覆うように形成されていることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【００２０】
６．前記電気機械変換素子は、前記溝部とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする前記５に記載の電気機械変換機構。
【００２１】
７．前記変位層は、前記短辺の所定の幅よりも狭くかつ前記長辺の長さよりも長く、前記溝部の上に、前記溝部に沿って形成されていることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の電気機械変換機構。
【００２２】
８．前記電気機械変換素子は、前記変位層とほぼ同一の幅、長さおよび形状を有することを特徴とする前記７に記載の電気機械変換機構。
【００２３】
９．前記１から６の何れか１項に記載の電気機械変換機構と、
前記溝部にインクを供給するインク供給部と、
前記溝部に貯留されたインクを吐出させるノズルとを備えたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【００２４】
１０．被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、
前記被写体で反射または透過された超音波を受信するための、前記１から８の何れか１項に記載の電気機械変換機構とを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、平板状の基板と、基板に２次元マトリクス状に形成された溝部と、溝部の上に形成された変位層と、溝部に１対１に対応して、変位層の上に形成された電気機械変換素子とを備え、溝部および電気機械変換素子を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状とすることで、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供することができる。さらに、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッドの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【図２】第１の実施の形態のチャネルの配列の１例を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す工程図である。
【図４】図３の各工程を示す図１（ａ）のＡ−Ｃ−Ａ’断面図（１／３）である。
【図５】図３の各工程を示す図１（ａ）のＡ−Ｃ−Ａ’断面図（２／３）である。
【図６】図３の各工程を示す図１（ａ）のＡ−Ｃ−Ａ’断面図（３／３）である。
【図７】本発明の第２から第４の実施の形態を示す平面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態である超音波プローブの２次元超音波センサの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態である超音波プローブの２次元超音波センサの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【図１０】従来のダイヤフラム構造の円形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【図１１】従来のダイヤフラム構造の細長い矩形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略する。
【００２８】
最初に、上述した従来のダイヤフラム構造のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドについて、図１０を用いて説明する。図１０は、従来のダイヤフラム構造の円形のアクチュエータを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の１例を示す模式図で、図１０（ａ）は、１つのチャネル９０の概略の構成を示す模式図、図１０（ｂ）は複数のチャネル９０が千鳥配列されたインクジェットヘッド９の概略の構成を示す模式図である。
【００２９】
図１０（ａ）において、チャネル９０は、ノズル９１、インク室９３、圧電素子９５、配線接続部９７、振動膜９９等で構成されている。圧電素子９５と振動膜９９とでアクチュエータを構成する。圧電素子９５は、円形のインク室９３の上に振動膜９９を介して積層され、円形の圧電体９５１の両面に上面電極９５５と下面電極９５３とが設けられた構成である。下面電極９５３は、他のチャネルの下面電極９５３と接続され、共通電極となっている。配線接続部９７は、圧電素子９５と同じ構成で、最上層が圧電素子９５の上面電極９５５に接続されている。
【００３０】
配線接続部９７と共通電極、即ち圧電素子９５の上面電極９５５と下面電極９５３との間に電圧が印加されることで、圧電素子９５が振動膜９９を介してインク室９３に圧力を加え、この圧力でインク室９３の圧電素子９５とは反対の面に設けられたノズル９１からインク滴が吐出される。
【００３１】
図１０（ｂ）において、インク室９３および圧電素子９５の半径をｒ、クロストーク防止に必要なチャネル９０間の間隔をｒ、配線接続部９７の直径および配線接続部９７と圧電体９５との絶縁間隔を０．５ｒとすると、インク室９３および圧電素子９５の面積Ｓａ＝πｒ２であり、１つのチャネル９０を配置するために必要な面積Ｓは、図中に破線の平行四辺形で示したように、概略、
【００３２】
【数１】
0005458767.tif 000002
【００３３】
となる。よって、チャネル９０の占有率（＝Ｓａ／Ｓ）は約４０％となる。
【００３４】
一方、ダイアフラム構造の大面積のチャネルで、剛性を高めるために、アクチュエータを細長い形状とする方法が考えられる。アクチュエータの短辺（短径）が小さいため、剛性を高めることができ、長辺（長径）が大きいため、変位量と発生力を大きくすることができる利点がある。
【００３５】
図１１は、ダイヤフラム構造の細長い矩形のチャネルを用いたインクジェットヘッドのチャネルの構成の１例を示す模式図である。
【００３６】
図１１において、チャネル９０のインク室９３および圧電素子９５は、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状をしている。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。インク室９３および圧電素子９５の面積Ｓａを図１０の例（Ｓａ＝πｒ２）と揃えるため、幅を０．５ｒ、長さを６．３ｒとする、その他の間隔も図１０の例と等しくする。これによって、図の左右方向のノズル９１の間隔は、図１０の例の３ｒに対して、１．５ｒと半分に縮まる。この場合、１つのチャネル９０を配置するために必要な面積Ｓは、図中に破線の平行四辺形で示したように、概略、
【００３７】
【数２】
0005458767.tif 000003
【００３８】
となり、チャネル９０の占有率（＝Ｓａ／Ｓ）は約２７％と低下する。
【００３９】
このように、細長い形状のアクチュエータを２次元に配置すると、短辺方向のピッチは狭くできるが、長辺方向のピッチは広くなり、チャネル９０の占有率も低くなる。また、アクチュエータ部分は肉厚が薄く、それ以外の基板部分との厚みに差があるため、ヘッドの強度に分布ができ、ヘッドに歪が生じる。さらに、アクチュエータ部分には加工時の熱膨張や接着剤の収縮等による残留応力が存在し、これによってもヘッドの歪が生じる。このようなヘッドの歪みは、記録メディアとの距離や傾きのズレを引き起こし、画像のムラを発生させる。
【００４０】
チャネルを２次元、高密度に配置するインクジェットヘッドでは、図１０の例のように、等方性の高いアクチュエータを、縦横のピッチが均等になるように配置することが望ましいが、図１１に示したような細長い形状のアクチュエータでは、このような要件を満たすことができない。
【００４１】
このように、図１０の円形のチャネル９０は、占有率は高いが、変位量（変位体積）、発生力および剛性を同時に満足することはできない。逆に、図１１の細長い矩形のチャネルは、変位量（変位体積）、発生力および剛性を同時に満足することはできるが、円形に比べて占有率およびチャネル間の間隔の等方性が低い。
【００４２】
次に、本発明の第１の実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッドの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図で、図１（ａ）は、１つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ｃ−Ａ’断面図である。
【００４３】
図１（ａ）において、インクジェットヘッド１の１つのチャネル１０は、ノズル１１、インク室１３、圧電素子１５、配線接続部１７、振動膜１９、インレット２３および図示しないインク供給路２１等で構成されている。圧電素子１５と振動膜１９とでアクチュエータを構成する。インク室１３の一端の圧電素子１５と反対側には、インクを吐出させるためのノズル１１が、他端にはインク室にインクを供給するためのインレット２３が形成されている。インクジェットヘッド１では、図２で後述するように、チャネル１０を２次元マトリクス状に千鳥配列する。
【００４４】
インク室１３および圧電素子１５は、図１１に示した、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状のインク室９３および圧電素子９５を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたＣ型形状としたもので、これによって、細長いチャネルの変位量（変位体積）、発生力および剛性を同時に満足する特性と、円形のチャネルの占有率の高さとを両立させる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。
【００４５】
圧電素子１５は、インクを吐出させるための駆動源であり、インク室１３の上に、振動膜１９を介して積層され、圧電体１５１の両面に上面電極１５５と下面電極１５３とが設けられた構成である。下面電極１５３は、他のチャネルの下面電極１５３と接続され、共通電極となっている。
【００４６】
Ｃ型形状の圧電素子１５の内側中央には、配線接続部１７が設けられている。配線接続部１７は、圧電素子１５と同じ構成で、最上層が圧電素子１５の上面電極１５５に接続されている。配線接続部１７の下部には基板１０１があるため、圧電素子１５が駆動されて振動しても、配線接続部１７には影響がない。
【００４７】
インク室１３および圧電素子１５は、幅が０．５ｒで、Ｃ型の外径が２．５ｒ、内径が１．５ｒである。配線接続部１７の直径は０．５ｒである。圧電素子１５と配線接続部１７との距離は０．５ｒである。
【００４８】
図１（ｂ）において、チャネル１０は、上部ボディ１００と下部ボディ２００とで構成される。
【００４９】
上部ボディ１００は、基板１０１、変位層１１１、圧電素子１５および配線接続部１７等で構成されている。基板１０１は、例えば結晶シリコンでできており、基板１０１には、基板１０１の両面を貫いてインク室１３が形成されている。変位層１１１は、例えば基板１０１の表面を酸化して得られる酸化膜で、変位層１１１のインク室１３に接する部分が振動膜１９である。ここに、インク室１３は本発明における溝部として、圧電素子１５は本発明における電気機械変換素子として、上部ボディ１００は本発明における電気機械変換機構として機能する。
【００５０】
下部ボディ２００は、例えば感光性の樹脂により形成され、ノズルプレート２３１、インク供給プレート２５１およびインレットプレート２７１の３層が、この順に積層されて構成されている。ノズルプレート２３１には、インクを吐出させるためのノズル１１が形成されている。インク供給プレート２５１には、外部のインクタンクと連通して、インク室１３にインクを供給するインク供給路２１と、上部ボディ１００のインク室１３に連通するインク室１３とが形成されている。上部ボディ１００および下部ボディ２００の製造工程については、図３以降で詳述する。
【００５１】
インレットプレート２７１には、インク供給プレート２５１のインク供給路２１と上部ボディ１００のインク室１３とを連通させ、インク室１３にインクを供給するインレット２３と、上部ボディ１００のインク室１３とインク供給プレート２５１に形成されたインク室１３とを連通させるためのインク室１３とが形成されている。
【００５２】
上部ボディ１００の上には回路基板４０１が設けられ、回路基板４０１上の配線パターン４０３と配線接続部１７、即ち圧電素子１５の上面電極１５５との間は、例えば導電性の接着剤や半田ボール等の接続部材４０５で接続されている。回路基板４０１上の配線パターンと圧電素子１５の下面電極１５３が束ねられた共通電極とは、チャネル１０に影響のない部分、例えばインクジェットヘッド１の端部等で接続されている。
【００５３】
配線接続部１７と共通電極との間、即ち圧電素子１５の上面電極１５５と下面電極１５３との間に電圧が印加されることで、圧電素子１５が振動膜１９を介してインク室１３に圧力を加え、この圧力でインク室１３の圧電素子１５とは反対の面に設けられたノズル１１からインク滴が吐出される。
【００５４】
なお、第１の実施の形態では、圧電素子１５をインクを吐出させるための駆動源としたが、これに限るものではなく、例えば形状記憶合金の膜やバイメタル等を駆動源としてもよい。この場合、電極形状および電極の取り出し方は、使用する駆動源にふさわしいものを用いればよい。
【００５５】
図２は、第１の実施の形態のチャネル１０の配列の１例を示す平面図である。
【００５６】
図２において、チャネル１０は、２次元マトリクス状に、千鳥配列されている。チャネル１０のインク室１３および圧電素子１５の面積Ｓａは、円環形状の欠けた部分を無視すると、Ｓａ＝πｒ２である。クロストーク防止に必要なチャネル１０間の間隔を、図１０と同様にｒとすると、一つのアクチュエータを配置するために必要な面積Ｓは、
【００５７】
【数３】
0005458767.tif 000004
【００５８】
となり、チャネル１０の占有率（＝Ｓａ／Ｓ）は約３０％となる。
【００５９】
インク室１３および圧電素子１５の幅は０．５ｒ、面積Ｓａ＝πｒ２であるため、変位、力、剛性の三要件は、図１１に示した細長い矩形のチャネルと同じであり、占有率は、図１０の円形のチャネルと図１１の細長い矩形のチャネルとの中間である。
【００６０】
次に、本発明の第１の実施の形態の製造工程を、図３から図６を用いて説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す工程図である。図４から図６は、図３の各工程を示す図１（ａ）のＡ−Ｃ−Ａ’断面図である。図４から図６では１つのチャネル１０の製造工程のみを図示しているが、実際にはチャネル１０が２次元マトリクス状に千鳥配列されて製造される。なお、図４から図６においては、図を見やすくするために、Ａ、Ｃ、Ａ’の記載を適宜省略する。
【００６１】
図３において、インクジェットヘッド１は、上部ボディ１００と下部ボディ２００とを別に形成してから結合することで製造される。
【００６２】
（上部ボディ形成工程）
上述したように、上部ボディ１００の基板１０１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の微細加工技術によく利用される結晶シリコン（Ｓｉ）製の基板である。基板１０１の厚さは、例えば３００μｍ程度である。この状態を図４（ａ）に示す。
【００６３】
変位層形成工程（工程Ｓ１１）
基板１０１を加熱炉に入れ、１５００℃程度の温度で所定時間保持して、基板１０１の表面に変位層１１１となる熱酸化膜（石英：ＳｉＯ２）を形成する。変位層１１１の厚さは、例えば２μｍ程度である。この状態を図４（ｂ）に示す。
【００６４】
圧電素子層形成工程（工程Ｓ１３）
表面に変位層１１１が形成された基板１０１を常温まで冷却し、チタン、白金等をスパッタ法で成膜して、下面電極１５３を形成する。下面電極１５３が形成された基板１０１を６００℃程度に再加熱し、ＰＺＴを成膜して、圧電体１５１の層を形成する。圧電体１５１の層が形成された基板１０１を常温まで冷却し、クロム、金等をスパッタ法で成膜して、上面電極１５５を形成する。圧電体１５１の厚さは例えば５μｍ程度、下面電極１５３および上面電極１５５の厚さは例えば１００ｎｍ程度である。この状態を図４（ｃ）に示す。
【００６５】
パターニング工程（工程Ｓ１５）
圧電素子１５の各層が形成された基板１０１の上に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光することで圧電素子１５、配線接続部１７および両者の連結部の形状を転写し、ＰＺＴと電極とを反応性イオンエッチング法で除去することにより、圧電素子１５、配線接続部１７および両者の連結部を形成する。この状態を図４（ｄ）に示す。
【００６６】
インク室形成工程（工程Ｓ１７）
基板１０１の圧電素子１５、配線接続部１７および両者の連結部が形成された面と反対面に、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光することでインク室１３の形状を転写する。感光性樹脂材料をレジストとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板１０１のＳｉを除去し、インク室１３を形成する。インク室１３が形成されることで、変位層１１１のインク室１３に接する部分が振動膜１９となる。この状態を図４（ｅ）に示す。以上で上部ボディ１００が形成されたことになる。
【００６７】
（下部ボディ形成工程）
下部ボディ２００は、感光性の樹脂フィルムをダミー基板２０１の上で積層、加工して形成される。ダミー基板２０１は、上部ボディ１００の基板１０１と同様に、結晶シリコン（Ｓｉ）を用いる。ダミー基板２０１の厚さは、例えば４００〜５００μｍ程度である。この状態を図５（ａ）に示す。
【００６８】
犠牲層形成工程（工程Ｓ２１）
ダミー基板２０１上に樹脂製のレジスト等をスピンコート法等で塗布し、犠牲層２１１を形成する。犠牲層２１１の厚さは、例えば１００ｎｍ程度である。この状態を図５（ｂ）に示す。
【００６９】
ノズルプレート形成工程（工程Ｓ２３）
犠牲層２１１の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、ノズルプレート２３１を形成する。ノズルプレート２３１にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることでノズル１１を形成する。ノズルプレート２３１の厚さは、例えば２０μｍ程度である。この状態を図５（ｃ）に示す。
【００７０】
インク供給プレート形成工程（工程Ｓ２５）
ノズルプレート２３１の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、インク供給プレート２５１を形成する。インク供給プレート２５１にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることで、インク供給路２１と、ノズル１１に連通するインク室１３とを形成する。インク供給プレート２５１の厚さは、例えば１００μｍ程度である。この状態を図５（ｄ）に示す。
【００７１】
インレットプレート形成工程（工程Ｓ２７）
インク供給プレート２５１の上に感光性樹脂フィルムを貼り付け、インレットプレート２７１を形成する。インレットプレート２７１にマスクを介して露光して感光させ、エッチング溶液に浸けることで、インレット１５と、インク供給プレート２５１のインク室１３と上部ボディ１００のインク室１３との両方に連通するインク室１３とを形成する。インレットプレート２７１の厚さは、例えば２０μｍ程度である。この状態を図５（ｅ）に示す。以上で下部ボディ２００が形成されたことになる。
【００７２】
続いて、上部ボディ１００と下部ボディ２００とを結合して、インクジェットヘッド１を完成させる。
【００７３】
ボディ結合工程（工程Ｓ３１）
上部ボディ１００の基板１０１のインク室１３が形成された側の端面に接着剤１２１を塗布し、上部ボディ１００のインク室１３と下部ボディ２００のインク室１３とが連通するように位置あわせして接合する。この状態を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。
【００７４】
ダミー基板剥離工程（工程Ｓ３３）
溶剤で犠牲層２１１を除去することで、ダミー基板２０１をインクジェットヘッド１から剥離して、インクジェットヘッド１を完成させる。この状態を図６（ｃ）に示す。
【００７５】
上述したように、第１の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の一部が欠けたＣ型形状のインク室および圧電素子を２次元マトリクス状に形成した上部ボディを備え、インク室、ノズル、インレットおよびインク供給路が形成された下部ボディと上述した上部ボディとを結合することで、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッドを提供することができる。
【００７６】
次に、本発明の第２から第４の実施の形態を、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２から第４の実施の形態を示す平面図である。第２から第４の実施の形態は、第１の実施の形態の変形例で、製造工程は第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態では、インク室１３および圧電素子１５の形状を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたＣ型形状としたが、それに限るものではなく、その他の形状も考えられる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。
【００７７】
図７（ａ）において、第２の実施の形態のインク室１３および圧電素子１５はＵ字型である。Ｕ字型の中央には、第１の実施の形態と同様に、圧電素子１５の延長である配線接続部１７が配置される。インク室１３および圧電素子１５の幅（＝０．５ｒ）、長さ（＝６．３ｒ）、配線接続部１７の直径（＝０．５ｒ）および絶縁距離（＝１．５ｒ）を第１の実施の形態と同じとすると、Ｕ字型の直線部の長さは約１．５７ｒとなる。ノズル１１とインレット２３とは、Ｕ字型の両端に配置されるのが好ましい。
【００７８】
図７（ｂ）において、第３の実施の形態のインク室１３および圧電素子１５は円環形状である。円環形状の中央には、第１の実施の形態と同様に、圧電素子１５の延長である配線接続部１７が配置される。この例の場合は、各部の寸法は、第１の実施の形態とほぼ同じである。ノズル１１とインレット２３とは、円環形状の対角位置に配置されるのが好ましい。
【００７９】
図７（ｃ）において、第４の実施の形態のインク室１３および圧電素子１５は渦巻き状である。渦巻き状の中央には、第１の実施の形態と同様に、圧電素子１５の延長である配線接続部１７が配置される。渦巻き状の形状とするために、例えば、インク室１３および圧電素子１５の幅を第１の実施の形態の半分（＝０．２５ｒ）とし、長さを２倍（＝１２．６ｒ）とする。ノズル１１とインレット２３とは、渦巻き状の両端に配置されるのが好ましい。
【００８０】
第４の実施の形態のように、インク室１３および圧電素子１５の幅を狭くして渦巻き状にすることで、第１の実施の形態よりも細長い形状とすることができるので、第１の実施の形態の効果に加えて、変位量（変位体積）の増大を実現できる。
【００８１】
次に、本発明の第５の実施の形態について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第５の実施の形態である超音波プローブの２次元超音波センサの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図で、図８（ａ）は、１つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。
【００８２】
図８の例では、第１の実施の形態に示したインクジェットヘッド１の上部ボディ１００を、２次元超音波センサ５として用いる。２次元超音波センサ５の製造工程は、第１の実施の形態の上部ボディ１００の製造工程と同じである。ここに、２次元超音波センサ５は、本発明における電気機械変換機構として機能する。
【００８３】
図８（ａ）において、チャネル５０は、超音波導入部５３、圧電素子１５、配線接続部１７および振動膜１９等で構成されている。２次元超音波センサ５では、図２に示したと同様に、チャネル５０を２次元マトリクス状に千鳥配列する。
【００８４】
超音波導入部５３および圧電素子１５は、図１１に示した、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い矩形の形状のインク室９３および圧電素子９５を丸く折り曲げて、円環形状の一部が欠けたＣ型形状としたもので、これによって、細長いチャネルの変位量（センサ感度）、発生力および剛性を同時に満足する特性と、円形のチャネルの占有率の高さとを両立させる。ただし、矩形は必須ではなく、例えば両端部が丸くなっていても差し支えない。
【００８５】
圧電素子１５は、超音波ＵＳを電気信号に変換するセンサであり、超音波導入部５３の上に、振動膜１９を介して積層され、圧電体１５１の両面に上面電極１５５と下面電極１５３とが設けられた構成である。下面電極１５３は、他のチャネルの下面電極１５３と接続され、共通電極となっている。Ｃ型形状の圧電素子１５の内側中央には、配線接続部１７が設けられている。配線接続部１７は、圧電素子１５と同じ構成で、最上層が圧電素子１５の上面電極１５５に接続されている。
【００８６】
超音波導入部５３および圧電素子１５は、幅が０．５ｒで、Ｃ型の外径が２．５ｒ、内径が１．５ｒである。配線接続部１７の直径は０．５ｒである。圧電素子１５と配線接続部１７との距離は０．５ｒである。
【００８７】
図８（ｂ）において、上部ボディ１００は、基板１０１、変位層１１１、圧電素子１５および配線接続部１７等で構成されている。基板１０１は、例えば結晶シリコンでできており、基板１０１には、基板１０１の両面を貫いて超音波導入部５３が形成されている。変位層１１１は、例えば基板１０１の表面を酸化して得られる酸化膜で、変位層１１１の超音波導入部５３に接する部分が振動膜１９である。ここに、超音波導入部５３は本発明における溝部として、圧電素子１５は本発明における電気機械変換素子として、上部ボディ１００は本発明における電気機械変換機構として機能する。
【００８８】
上部ボディ１００の上には回路基板４０１が設けられ、回路基板４０１上の配線パターン４０３と配線接続部１７、即ち圧電素子１５の上面電極１５５との間は、例えば導電性の接着剤や半田ボール等の接続部材４０５で接続されている。回路基板４０１上の配線パターンと圧電素子１５の下面電極１５３が束ねられた共通電極とは、チャネル１０に影響のない部分、例えば２次元超音波センサ５の端部等で接続されている。
【００８９】
圧電素子１５は、超音波ＵＳが超音波導入部５３に入射すると、振動膜１９を介して超音波ＵＳの振動によって圧電素子１５が振動する。圧電素子１５が振動することによって、圧電素子１５の上面電極１５５と下面電極１５３との間に電圧が生じ、超音波ＵＳが電気信号に変換される。変換された電気信号は、配線接続部１７から接続部材４０５を介して回路基板４０１上の配線パターン４０３に伝達され、図示しない超音波検出回路で検出される。
【００９０】
上述したように、第５の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の一部が欠けたＣ型形状の超音波導入部および圧電素子を２次元マトリクス状に形成することで、変位量（センサ感度）、発生力および剛性を同時に満足でき、高解像度で低コストの２次元超音波センサを提供することができる。また、配線接続部をＣ型形状の圧電素子の内側に設けることで、超音波の受信による振動に影響を与えることなく、チャネルを高密度に配置した２次元超音波センサを提供することができる。
【００９１】
次に、本発明の第６の実施の形態について、図９を用いて説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態である超音波プローブの２次元超音波センサの１つのチャネルの構成の１例を示す模式図で、図９（ａ）は、１つのチャネルの概略の構成を示す平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＥ−Ｅ’断面図である。
【００９２】
図８の例では図１に示したインクジェットヘッド１の上部ボディ１００を、そのまま２次元超音波センサ５のチャネル５０として用いたが、２次元超音波センサではインクジェットヘッドのように液体を加圧する必要がないため、センサの周縁を保持する必要はなく、両端を保持するだけでもよい。製造工程は、第５の実施の形態と同じである。
【００９３】
図９（ａ）において、チャネル５０は、第５の実施の形態と同様に、超音波導入部５３、圧電素子１５、配線接続部１７および振動膜１９等で構成されている。圧電素子１５と振動膜１９とは同一の幅の円環形状をしており、超音波導入部５３は、圧電素子１５および振動膜１９よりも幅広の円環形状の一部が欠けたＣ型形状をしている。
【００９４】
つまり、圧電素子１５と振動膜１９とは、基板１０１の超音波導入部５３が形成されていない部分１０１ａで支持されており、超音波導入部５３の上に形成された部分は宙に浮いている。これによって、超音波ＵＳが超音波導入部５３に入射した時に、第５の実施の形態よりもさらに大きな変位量が得られ、高いセンサ感度を実現することができる。その他は第５の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【００９５】
上述したように、第６の実施の形態によれば、平板状の基板の上に、円環形状の圧電素子および振動膜と、それよりも幅広で円環形状の一部が欠けたＣ型形状の超音波導入部を２次元マトリクス状に形成することで、第５の実施の形態よりもさらに高いセンサ感度を有する２次元超音波センサを提供することができる。また、配線接続部をＣ型形状の超音波導入部の内側に設けることで、超音波の受信による振動に影響を与えることなく、チャネルを高密度に配置した２次元超音波センサを提供することができる。
【００９６】
そして、被写体に向けて超音波を送出する超音波送出部と、第５および第６の実施の形態に示した２次元超音波センサとを備えることで、高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。
【００９７】
以上に述べたように、本発明によれば、平板状の基板と、基板に２次元マトリクス状に形成された溝部と、溝部の上に形成された変位層と、溝部に１対１に対応して、変位層の上に形成された電気機械変換素子とを備え、溝部および電気機械変換素子を、所定の幅の短辺と、短辺よりも長い長辺とを有する細長い形状を、曲線または曲線と直線とを接合した形状に折り曲げた形状とすることで、大きな変位量と大きな発生力と高い剛性とを実現することができる電気機械変換機構を提供することができる。さらに、高速、高解像度で低コストのインクジェットヘッド、および高感度、高解像度で低コストの超音波プローブを提供することができる。
【００９８】
なお、本発明に係る電気機械変換機構、インクジェットヘッドおよび超音波プローブを構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１  インクジェットヘッド
１０  （インクジェットヘッドの）チャネル
１１  ノズル
１３  インク室
１５  圧電素子
１５１  圧電体
１５３  下面電極
１５５  上面電極
１７  配線接続部
１９  振動膜
２１  インク供給路
２３  インレット
１００  上部ボディ
１０１  基板
１１１  変位層
２００  下部ボディ
２０１  ダミー基板
２１１  犠牲層
２３１  ノズルプレート
２５１  インク供給プレート
２７１  インレットプレート
４０１  回路基板
４０３  （回路基板上の）配線パターン
４０５  接続部材
５  ２次元超音波センサ
５０  （２次元超音波センサの）チャネル
５３  超音波導入部
ＵＳ  超音波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005458767.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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