(57)【要約】      （修正有）【課題】発信部及び受信部の両方の感度を共に向上させることができる圧電素子モジュール、超音波トランスデューサー、超音波デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】第１の圧電体層３７１を有する第１の圧電素子３０１と、第１の圧電体層３７１とは異なる第２の圧電体層３７２を有する第２の圧電素子３０２とを同一基板３１０上に具備し、第１の圧電体層３７１のｄ定数が第２の圧電体層３７２のｄ定数より大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧電体層を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電体層とは異なる第２の圧電体層を有する第２の圧電素子とを同一基板上に具備し、
前記第１の圧電体層のｄ定数が前記第２の圧電体層のｄ定数より大きいことを特徴とする圧電素子モジュール。
【請求項２】
前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とが同一平面上に並設されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電素子モジュールを備え、前記第１の圧電体層のｇ定数が前記第２の圧電体層のｇ定数より小さく、前記第１の圧電素子を発信部とし、前記第２の圧電素子を受信部とすることを特徴とする超音波トランスデューサー。
【請求項４】
開口を有する基板と、
前記基板上に設けられた請求項３に記載の超音波トランスデューサーと、
を具備することを特徴とする超音波デバイス。
【請求項５】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
該流路形成基板上に設けられた請求項１又は２に記載の圧電素子モジュールと、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
第１の圧電体層を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電体層とは異なる第２の圧電体層を有する第２の圧電素子とを同一基板上に具備し、
前記第１の圧電体層のｄ定数が前記第２の圧電体層のｄ定数より大きい圧電素子モジュールの製造方法であって、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の第１電極を個別電極としてパターニングする工程と、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の圧電体層を塗布すると共にパターニングする工程と、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の第２電極を共通電極として設ける工程と、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の第１電極を個別電極としてパターニングする工程と、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の圧電体層を塗布すると共にパターニングする工程と、
前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の第２電極を共通電極として設ける工程と、
を具備することを特徴とする圧電素子モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子モジュール、超音波トランスデューサー、液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッド及び圧電素子モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いた超音波トランスデューサを具備する超音波デバイスの一例としての超音波センサーにおいて、送受信一体型と送受信分離型の二種があげられる。圧電素子の選択指針として、超音波の発信時においては電圧印加時の振幅振動が大きい、すなわち圧電歪定数ｄ３３が大きいことが重要であるのに対し、受信時においては圧力印加時の発生電圧が大きい、すなわち圧電電圧定数ｇ３３が大きいことが望ましい。
【０００３】
しかしながら、従来はｄ３３の大きな相境界（ＭＰＢ）組成のＰＺＴが素子として用いられており、発信性能には優れているものの、ＰＺＴは比誘電率が大きいためｇ３３が低く、受信性能は劣ってしまう問題があった。
【０００４】
そこで、例えば、送受信分離型の構造で、各ユニットの配置パターンの最適化により、性能向上を狙っているものがある（特許文献１参照）。また、送受信分離型の構造で、各ユニット間に空隙部を設けることにより、音の回り込みや残留振動を抑えているものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８３４３７号公報
【特許文献２】特開２０１１−８２６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や２に記載の超音波センサーは、未だ感度が十分であるとは言えず、さらに良好なものが求められていた。
なお、特許文献１、２においては、何れも発信部及び受信部の圧電素子は同一であり、製造方法の困難さからか、発信部と受信部で圧電素子を変えることは行われていない。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、発信部及び受信部の両方の感度を共に向上させることができる圧電素子モジュール、超音波トランスデューサー、超音波デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子モジュールの製造方法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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の態様は、第１の圧電体層を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電体層とは異なる第２の圧電体層を有する第２の圧電素子とを同一基板上に具備し、前記第１の圧電体層のｄ定数が前記第２の圧電体層のｄ定数より大きいことを特徴とする圧電素子モジュールにある。
かかる態様では、前記第１の圧電体層のｄ定数が前記第２の圧電体層のｄ定数より大きい、特性の異なる圧電素子を同一基板上に備え、超音波トランスデューサーでは、発信部、受信部の両方の感度を向上させることができ、また、液体噴射ヘッドでは、駆動波形が同一でも大小の液滴を打ち分けることができる。
【０００９】
ここで、前記第１の圧電素子と、前記第２の圧電素子とが同一平面上に並設されていることが好ましい。これによれば、２種の圧電素子が同一平面上に並設され、種々の用途に適用可能である。
【００１０】
また他の態様は、前記態様の圧電素子モジュールを備え、前記第１の圧電体層のｇ定数が前記第２の圧電体層のｇ定数より小さく、前記第１の圧電素子を発信部とし、前記第２の圧電素子を受信部とすることを特徴とする超音波トランスデューサーにある。
かかる態様では、発信部及び受信部の両者の感度が向上した超音波トランスデューサーが実現できる。
【００１１】
また、他の態様は、開口を有する基板と、前記基板上に設けられた前記態様の超音波トランスデューサーと、を具備することを特徴とする超音波デバイスにある。
かかる態様では、発信部及び受信部の両者の感度が向上した超音波デバイスが実現できる。
【００１２】
また、他の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられた前記態様の圧電素子モジュールと、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、駆動波形が同一でも大小の液滴を打ち分けることができる液体噴射ヘッドが実現される。
【００１３】
また、他の態様は、前記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、駆動波形が同一でも大小の液滴を打ち分けることができる液体噴射ヘッドが実現される。
【００１４】
また、他の態様は、第１の圧電体層を有する第１の圧電素子と、前記第１の圧電体層とは異なる第２の圧電体層を有する第２の圧電素子とを同一基板上に具備し、前記第１の圧電体層のｄ定数が前記第２の圧電体層のｄ定数より大きい圧電素子モジュールの製造方法であって、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の第１電極を個別電極としてパターニングする工程と、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の圧電体層を塗布すると共にパターニングする工程と、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の何れか一方の第２電極を共通電極として設ける工程と、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の第１電極を個別電極としてパターニングする工程と、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の圧電体層を塗布すると共にパターニングする工程と前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子の他方の第２電極を共通電極として設ける工程と、を具備することを特徴とする圧電素子モジュールの製造方法にある。
かかる態様では、種類の異なる圧電素子を同一基板上に並設して設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態の超音波デバイスの概略構成を示す平面図及びＡ−Ａ′線断面図。
【図２】圧電素子モジュールの製造プロセスを示す図である。
【図３】圧電素子モジュールの製造プロセスを示す図である。
【図４】圧電素子モジュールの製造プロセスを示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る記録装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサーを搭載する超音波デバイスの平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、超音波デバイス２００は、複数の発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とが基板３１０上の基板開口部３１２の領域にアレイ状に設けられ、アレイセンサーを構成している。複数の発信用超音波トランスデューサー３０１及び複数の受信用超音波トランスデューサー３０２を列ごとに交互に配置し、トランスデューサーの列ごとに通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてラインスキャンやセクタースキャンは実現される。また、通電するトランスデューサーの個数と列数とに応じて超音波の出力と入力とのレベルが決定される。図中では省略されて６行×６列が描かれる。配列の行数と列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定される。
【００１８】
なお、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とをトランスデューサーごとに交互に配置することも可能である。この場合は、発信側と受信側の中心軸を合わせた超音波発信・受信源とすることで発信・受信の指向角を合わせ易いものとする。
【００１９】
また、本実施例は、デバイスの小型化のため、一枚の基板３１０上に発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２との両方を配置した圧電素子モジュールを用いており、詳細は後述するように、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２のそれぞれには、それぞれに最適な圧電素子が用いられている。
【００２０】
図１（ｂ）において、超音波変換器として使用可能な実施例としては、例えば、基板３１０は（１００）、（１１０）或いは（１１１）配向を有する単結晶シリコンによって構成される。または、シリコン材料以外にもＺｒＯ２あるいはＡｌ２Ｏ３を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３のような酸化物基板材料、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、多結晶シリコン、Ｓｉ３Ｎ４のような無機材料も使用できる。または、これらの材料の組合せによる積層材料でもよい。
【００２１】
基板３１０の上方に振動板５０が形成されている。振動板５０は、基板３１０上に形成された酸化物、例えば、二酸化シリコンからなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる酸化ジルコニウム層５２と、を具備する。なお、振動板５０の膜厚は、共振周波数に基づき決定する。
振動板５０上には、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２が配置されている。
【００２２】
発信用超音波トランスデューサー３０１は、各発信用超音波トランスデューサー３０１毎にパターニングされた個別電極となる第１電極３６１と、圧電体層３７１と、共通電極となる第２電極３８０とから構成される。
【００２３】
一方、受信用超音波トランスデューサー３０２は、各受信用超音波トランスデューサー３０２毎にパターニングされた個別電極となる第１電極３６２と、圧電体層３７２と、共通電極となる第２電極３８０とから構成される。
【００２４】
ここで、圧電体層３７１は、ｄ定数が圧電体層３７２より大きく、且つ比誘電率が圧電体層３７２より大きい圧電材料からなる。このような材料としては、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むペロブスカイト構造の酸化物が好適であり、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８組成）で、圧電体層３７１を形成している。
【００２５】
一方、圧電体層３７２は、ｄ定数が圧電体層３７１より小さいが比誘電率が圧電体層３７１より小さい圧電材料からなる。このような圧電材料としては、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）を含むペロブスカイト構造の酸化物、ビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）を含むペロブスカイト構造の酸化物、ビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の酸化物、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）を含むペロブスカイト構造の酸化物、又はこれらの元素に加えてさらにＭｎなどの元素を含むペロブスカイト構造の酸化物が好適であり、具体的には、ＢｉＦｅＯ３系材料、例えばＢｉＬａＦｅＭｎＯ３やＢｉＦｅＭｎ−ＢａＴｉＯ３、「ＫＮａＮｂＯ３系材料」などが好適である。また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０組成）などを用いることもできる。本実施形態では、ＢｉＦｅＭｎ−ＢａＴｉＯ３を用いた。
【００２６】
このような構成により、電圧印加時の振幅振動が大きい超音波の発信時に動作する発信用超音波トランスデューサー３０１は圧電体層３７１の圧電歪定数ｄ３３が大きいので、感度が良好である。また、圧力印加時の発生電圧が大きい受信時において動作する受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２は、圧電体層３７１より圧電歪定数ｄ３３が小さいが、比誘電率がかなり小さいので、圧電電圧定数ｇ３３が圧電体層３７１より大きくなり、感度が良好となる。このような観点からは、受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２としては比誘電率ができるだけ小さい材料を用いるのが好ましく、この結果、圧電電圧定数ｇ３３が圧電体層３７１より大きい材料を用いる必要がある。
【００２７】
第１電極３６１及び３６２の材料は、圧電体層３７１及び３７２を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料であることが必要であり、例えば、白金（Ｐｔ）等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）などに代表される導電性酸化物が好適に用いられる。本実施形態では、特に図示していないがジルコニウム、チタン、酸化チタンなどの密着層を第１電極３６１の下地として設けてもよい。
【００２８】
圧電体層３７１及び圧電体層３７２は、上述した材料からなるが、本実施形態では、何れも液相法により形成しており、圧電体層３７１を形成した後、パターニングし、その後、圧電体層３７２を設けている。圧電体層３７１のパターニングの際には、圧電体層３７１の劣化を防止するために、白金などの導電体層を薄く設けてパターニングするのが好ましい。また、本実施形態では、その後に圧電体層３７２を設ける際に圧電体層３７１を保護するために、圧電体層３７１を覆うように白金などの導電体層を設けてパターニングした後、圧電体層３７２を設けてもよい。ここで設けた導電体層は、第１電極３６１と共通化してもよい。
【００２９】
このようなパターニング法によると、圧電体層３７２を焼成する際には、圧電体層３７１も再度焼成されてしまうので、圧電体層３７１の焼成温度が圧電体層３７２より高い方が好ましい。よって用いる材料により、圧電体層３７１及び３７２の何れを先に形成するかを検討するのが好ましい。
【００３０】
なお、圧電体層３７１及び圧電体層３７２は、液相法ではなく、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）などで形成することができる。
【００３１】
また、圧電体層３７１及び３７２は、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２の感度を向上させるためには、所定の面に配向、特に、（１００）面に配向しているのが好ましく、圧電体層３７１及び３７２の下地にシード層や配向制御膜などを設けるのが好ましい。本実施形態ではＰＺＴからなる圧電体層３７１の配向制御のためには種チタンやＬＮＯ（ＬａＮｉＯ３）からなる配向制御膜を設けるのが好ましい。また、本実施形態ではＢｉＦｅＭｎ−ＢａＴｉＯ３からなる圧電体層３７２の下地には、ＬＮＯや、ＢｉＭｎＯ３などのＢｉ及びＭｎを含む酸化物、ＢｉＦｅＴｉＯ３などのＢｉ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造の酸化物からなるシード層や配向制御層を設けるのが好ましい。
【００３２】
また、圧電体層３７１及び３７２は、上述したパターニング法により順次設ける他、精度的にはパターニングより劣るが、圧電体層３７１及び３７２をインクジェット法による印刷で塗り分けて設けてもよい。
【００３３】
第２電極３８０は、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２の共通電極であり、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２の両者を共通化しているが、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２のそれぞれ別の共通電極としてもよい。第２電極３８０は、圧電体層３７１及び３７２との界面を良好に形成できること、絶縁性及び圧電特性を発揮できる材料が望ましく、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物（ＬＮＯ）に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第２電極３８０は、複数材料の積層であってもよい。そして、第２電極３８０は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法（気相法）、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、メッキ法などの液相法により形成することができる。
【００３４】
本実施形態では、基板３１０には、基板開口部３１２が形成されている。基板開口部３１２は、基板材料に応じてエッチング、研磨、レーザー加工などの加工方法を用いて形成することができ、シリコン基板を用いた場合には異方性ウェットエッチングによるのが好ましい。
【００３５】
以上説明した超音波デバイス２００は、発信部と受信部にそれぞれに適した圧電素子３００を配置した圧電素子モジュールを具備しているので、最大限の性能を発揮することができる。また、簡便なプロセスで同一ウエハーに圧電素子モジュールを形成することが可能であるため、発信部と受信部の隣接配置も容易であり、被検出物の検出精度も良好となる。
【００３６】
具体的には、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２が、基板３１０上の同一平面上に隣接して並設されている。このように、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とをトランスデューサーごとに交互に配置することで、発信側と受信側の中心軸を合わせた超音波発信・受信源とすることで発信・受信の指向角を合わせ易いものとすることができる。
【００３７】
このように、本願の超音波デバイスでは、バルク型圧電体セラミックスなどを利用したセンサーに比べてＭＥＭＳの技術を用いて作成した圧電素子を狭いピッチ（高分解能）で配置でき、且つ駆動電圧が低いため、デバイスと該デバイスを搭載する装置の小型化、薄型化と省エネルギー化に効果がある。また、圧電素子間の製造ばらつきが少ないため、認識精度が高くなる効果もある。
さらに、圧電体層３７１、３７２の膜厚を薄くすることによって変位特性を向上させ、超音波の発信と受信の効率を向上できる効果が得られる。
【００３８】
次に、以上説明した超音波デバイス２００に用いられる圧電素子モジュールの製造方法の一例を図２〜図４に基づいて説明する。
図２（ａ）に示すように、基板３１０上に酸化シリコンからなる酸化層５１及び酸化ジルコニウム層５２を設けた後、白金などの導電体層を設けてパターニングして第１電極３６１を設ける。
【００３９】
次に、図２（ｂ）に示すように、必要に応じて、種チタンなどを設けた後、圧電体前駆体層を液相法により塗布し、乾燥、脱脂、焼成することにより、圧電体層３７１Ａを形成し、さらに、白金などの第１導電体層３８１Ａを薄く設けた後、圧電体層３７１Ａ及び第１導電体層３８１Ａをパターニングし、圧電体層３７１及び第１導電体層３８１とする。
【００４０】
ここで、圧電体前駆体層は、例えば、ＭＯＤ法、ゾル−ゲル法等の液相法や、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法などの気相法を用いて形成することができる。圧電体層３７１Ａ及び第１導電体層３８１Ａのパターニングは、ドライエッチングなどで行うことができる。
【００４１】
なお、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返すことにより、複数層の圧電体膜からなる圧電体層を形成してもよい。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示すように、全体に第２導電体層３８２Ａを設けた後、パターニングし、圧電体層３７１を覆う第２導電体層３８２と、第１電極３６２とする。ここで、第２電極３８０は、受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２を設ける際に、圧電体層３７１を保護するためのものであり、また、第１導電体層３８１と共に、発信用超音波トランスデューサー３０１の第２電極３８０を兼ねるものである。さらに、この例では、第２導電体層３８２と共に、受信用超音波トランスデューサー３０２の第１電極３６２を設けるようにしたが、第１電極３６２は、別途設けるようにしてもよい。なお、このような観点から、第２導電体層３８２Ａは、圧電体層３７２の焼成の温度に耐久性を具備する必要があり、例えば、白金とするのが好ましい。
【００４３】
次に、図３（ａ）に示すように、必要に応じて、配向制御層を設けた後、圧電体前駆体層を液相法により塗布し、乾燥、脱脂、焼成することにより、圧電体層３７２Ａを形成し、さらに、その上に、第３導電体層３８３Ａを形成し、パターニングにより、受信用超音波トランスデューサー３０２に対応する位置に第３導電体層３８３を設ける。この第３導電体層３８３は、受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２の表面を保護するためのものであるが、省略してもよい。
【００４４】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト層３９１を設け、パターニングして、受信用超音波トランスデューサー３０２をウェットエッチングによりパターニングするためのマスク３９２とする。
次いで、図３（ｃ）に示すように、マスク３９２により、圧電体層３７２Ａをパターニングし、圧電体層３７２とする。
【００４５】
その後、図４（ａ）に示すように、第２電極３８０の主要部を構成する第４導電体層３８４を設け、図４（ｂ）に示すように、基板３１０に異方性ウェットエッチングにより基板開口部３１２を設ける。
【００４６】
このように、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２のうち、後から形成する受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２のパターニングをウェットエッチングとすることにより、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２を基板３１０上に並設することができる。なお、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２の何れを先に成膜するかは特に限定されず、材料、プロセスを考慮して決定すればよい。しかしながら、先に形成した方、この場合には、発信用超音波トランスデューサー３０１の圧電体層３７１は第２導電体層３８２により覆われていることになる。
【００４７】
以上説明した例では、発信用超音波トランスデューサー３０１は、第１導電体層３８１、第２導電体層３８２と第４導電体層３８４により第２電極３８０を構成しており、受信用超音波トランスデューサー３０２は、第３導電体層３８３及び第４導電体層３８４により第２電極３８０を構成しているが、第１導電体層３８１や第４導電体層３８４は省略してもよい。
【００４８】
また、発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２のうち、後から形成する受信用超音波トランスデューサー３０２の圧電体層３７２のパターニングをウェットエッチングする場合、第２導電体層３８２が露出するまでドライエッチングにより行い、その後、ウェットエッチングにより行ってもよい。なお、先に形成する圧電体層３７１については、上述した製造例ではドライエッチングとしたが、ウェットエッチングによってパターニングしてもよいことは言うまでもない。
【００４９】
以上説明した超音波デバイスを例示して説明した圧電素子モジュール、すなわち、特性の異なる圧電体層を具備する圧電素子を適宜配置した圧電素子モジュールは、液体噴射ヘッドに応用することができる。すなわち、従来の液体噴射ヘッドでは、駆動波形を変更することにより、同一の圧電素子で大きさの異なる液滴を打ち分けていたが、駆動波形の変更では対応できない場合の大小ドットの打ち分けや駆動波形を同一にして大小ドットを打ち分けることができる液体噴射ヘッドを、上述した圧電体素子モジュールを用いることにより実現することができる。
【００５０】
特性の異なる圧電体層を具備する圧電素子は、一つの圧電素子の列に、交互に若しくはブロック毎に配置してもよいし、一つの基板に２列の圧電素子列を具備するようにして、列ごとに異なる圧電素子を設けるようにしてもよい。
このような液体噴射ヘッドの一例を以下に説明するが、異なる圧電素子をどのように配置するかは上述した通りであるので、この点の説明は省略する。
【００５１】
図５は、本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの斜視図であり、図６は、インクジェット式記録ヘッドの平面図及びＢ−Ｂ′線断面図であり、図７は、第１の方向Ｘの要部を拡大した断面図である。
【００５２】
図示するように、本実施形態の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドＩが備える流路形成基板１０には、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称する。また、流路形成基板１０には、圧力発生室１２が第１の方向Ｘに並設された列が複数列、本実施形態では、２列設けられている。この圧力発生室１２が第１の方向Ｘに沿って形成された圧力発生室１２の列が複数列設された列設方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。
【００５３】
また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわち第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。
【００５４】
流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。すなわち、ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。
【００５５】
流路形成基板１０の他方面側には、振動板５０が形成されている。本実施形態に係る振動板５０は、図６に示すように、流路形成基板１０上に形成された酸化物からなる酸化層５１と、酸化層５１上に液相法によって形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる酸化ジルコニウム層５２とを具備する。
【００５６】
振動板５０上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが形成されている。本実施形態では、振動板５０、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０で圧電素子３００Ａが構成されている。この基板（流路形成基板１０）上に変形可能に設けられた圧電素子３００Ａが本実施形態の圧電アクチュエーターとなる。
【００５７】
ここで、圧電素子３００Ａを構成する第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられ、後述する能動部毎に電気的に独立する個別電極を構成する。そして第１電極６０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいては、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域の内側に位置している。また、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで延設されている。
【００５８】
圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側（本実施形態では、インク供給路側）における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置している。すなわち、第１電極６０の端部は圧電体層７０によって覆われている。圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における圧電体層７０の端部は、第１電極６０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。
【００５９】
なお、圧電体層７０の外側まで延設された第１電極６０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。図示は省略するが、このリード電極９０は、駆動回路等に繋がる接続配線が接続される端子部を構成する。
【００６０】
ここで、圧電素子３００Ａの圧電体層７０には、上述した圧電体層３７１及び圧電体層３７２と同等な圧電材料が用いられ、大きさの異なる液滴が打ち分けられるようになっている。なお、圧電体層３７１は、一方、圧電体層３７２は、ｄ定数が圧電体層３７１より小さいが比誘電率が圧電体層３７１より小さい圧電材料からなる点は、上述した通りである。
【００６１】
このような構成の圧電素子３００は、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極６０，８０の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。そして、両電極６０，８０に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部と称する。これに対して、圧電体層７０に圧電歪みが生じない部分を非能動部と称する。また、圧電体層７０に圧電歪みが生じる能動部において、圧力発生室１２に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室１２の外側の部分を非可撓部と称する。
【００６２】
本実施形態では、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の全てが圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部が圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部のうち圧電素子３００の圧力発生室１２に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。
このような圧電素子３００Ａが形成された流路形成基板１０上には、図６に示すように、圧電素子３００Ａを保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。
【００６３】
保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。また保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２は、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５と連通している。また保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。各能動部の第１電極６０に接続されたリード電極９０は、この貫通孔３３内に露出しており、図示しない駆動回路に接続される接続配線の一端が、この貫通孔３３内でリード電極９０に接続されている。
【００６４】
保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００６５】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力発生室１２内の圧力が高まり、各ノズル開口２１からインク滴が噴射される。
【００６６】
また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩは、例えば、図８に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩに搭載される。インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ２が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１を搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
【００６７】
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００６８】
そして本発明では、上述のようにインクジェット式記録ヘッドＩを構成する圧電素子３００が特性の異なる複数種備えられているので、駆動波形を変更しなくても、大きさの異なる液滴を打ち分けることができる。結果として、印刷品質を向上し耐久性を高めたインクジェット式記録装置ＩＩを実現することができる。
【００６９】
なお、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩとして、インクジェット式記録ヘッドＩがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置ＩＩは、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩを固定し、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。
【００７０】
また、上述した例では、インクジェット式記録装置ＩＩは、液体貯留手段であるインクカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体４に固定して、貯留手段とインクジェット式記録ヘッドＩとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
【００７１】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７２】
本発明は、超音波デバイスや液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置ないし圧電素子を利用した各種センサー類等にも適用することができる。
【００７３】
また、上述の実施形態では、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本発明を説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものである。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の他、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挙げられる。
【符号の説明】
【００７４】
Ｉ  インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、  ＩＩ  インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、  １０  流路形成基板（基板）、  １１  隔壁、  １２  圧力発生室（基板開口部）、  １３  インク供給路、  １４  連通路、  １５  連通部、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  マニホールド部、  ３３  貫通孔、  ３５  接着剤、  ４０  コンプライアンス基板、  ４１  封止膜、  ４２  固定板、  ４３  開口部、  ５０  振動板、  ５１  酸化層、  ５２  酸化ジルコニウム層、  ６０  第１電極、  ７０  圧電体層、  ８０  第２電極、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  ２００  超音波デバイス、  ３００，３００Ａ  圧電素子、  ３０１  発信用超音波トランスデューサー、  ３０２  受信用超音波トランスデューサー、  ３６１、３６２  第１電極、  ３７１、３７２  圧電体層、  ３８０  第２電極
【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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