(57)【要約】【課題】保護膜を形成する際のダメージを低減することで圧電特性が向上した圧電素子、該圧電素子を備えて液体の吐出特性に優れた液体噴射ヘッド、液体噴射装置、性能が向上した超音波トランデューサー及び超音波デバイスを提供する。【解決手段】第１電極６０と、第１電極６０上に設けられた圧電体層７０と、圧電体層７０上に設けられた第２電極８０と、液相ジルコニア層２０１及びトリメトキシシランを用いて形成された酸化シリコン層２０２からなる保護膜２００とを備え、保護膜２００は、第１電極６０及び第２電極８０上からこれらの電極と圧電体層７０との境界部６５、境界部８５に亘って形成されている。【選択図】図３
2014175577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第２電極と、
液相ジルコニア層を含む保護膜とを備え、
前記保護膜は、前記第１電極及び前記第２電極の何れか一方の電極上から該電極及び前記圧電体層の境界に亘って形成されている
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載する圧電素子において、
前記保護膜は、前記第１電極及び前記圧電体層の境界並びに前記第２電極及び前記圧電体層の境界を覆い、前記第１電極から前記第２電極に亘って形成されている
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する圧電素子において、
前記保護膜は、前記液相ジルコニア層上にトリメトキシシランを用いて形成された酸化シリコン層を含む
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する圧電素子を備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載する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６】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する圧電素子を備えることを特徴とする超音波トランデューサー。
【請求項７】
開口を有する基板と、
前記基板上に設けられた請求項６に記載する超音波トランデューサーとを備える
ことを特徴とする超音波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、超音波トランデューサー及び超音波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。その代表例としては、液滴としてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
インクジェット式記録ヘッドは、例えば、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の一方面側に圧電素子を備え、この圧電素子の駆動によって振動板を変形させて圧力発生室に圧力変化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射させる。
【０００４】
このような圧電素子は、例えば、インクや水分（湿気）等の外部環境に起因して破壊されるおそれがある。そこで、圧電素子の外周面を絶縁体からなる保護膜で覆うことで圧電素子の破壊を防止したものがある（例えば、特許文献１参照）。保護膜は、例えば酸化アルミニウムなどの材料からなり、ＣＶＤ法やスパッタリング法により形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７８２９３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、スパッタリング法で圧電素子に保護膜を形成すると、スパッタリング時のプラズマにより圧電素子に結晶欠陥などのダメージが生じる場合がある。このように圧電素子にダメージが生じると圧電素子の圧電特性が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
なお、圧電素子を用いた超音波トランデューサーや該超音波トランデューサーを用いた超音波デバイスにおいても結晶欠陥などによりその性能が低下するという問題がある。また、該圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドにおいても結晶欠陥などによりインクの吐出性能が低下するという問題がある。また、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、保護膜を形成する際のダメージを低減することで圧電特性が向上した圧電素子、該圧電素子を備えて液体の吐出特性に優れた液体噴射ヘッド、液体噴射装置、性能が向上した超音波トランデューサー及び超音波デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極と、液相ジルコニア層を含む保護膜とを備え、前記保護膜は、前記第１電極及び前記第２電極の何れか一方の電極上から該電極及び前記圧電体層の境界に亘って形成されていることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、保護膜として液相により形成した液相ジルコニア層を含ませることで、ダメージが低減して圧電特性が向上した圧電素子を得ることができる。また、保護膜を上記境界に亘り形成することで、圧電体層の表面において第１電極から第２電極へのリーク電流を防止することができる。
【００１０】
ここで、前記保護膜は、前記第１電極及び前記圧電体層の境界並びに前記第２電極及び前記圧電体層の境界を覆い、前記第１電極から前記第２電極に亘って形成されていることが好ましい。これによれば、第１電極から圧電体層の側面全体を含み第２電極まで保護膜が形成されるため、圧電体層をより確実に保護することができる。
【００１１】
また、前記保護膜は、前記液相ジルコニア層上にトリメトキシシランを用いて形成された酸化シリコン層を含むことが好ましい。酸化シリコン層は圧電素子を水分から保護し、液相ジルコニア層は圧電素子に確実に密着させる作用を奏する。すなわち、圧電素子をより確実に水分から保護するとともに、保護膜の剥離が防止された圧電素子が得られる。
【００１２】
さらに、本発明の他の態様は、上記態様に記載する圧電素子を備え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、高い液体吐出特性を有する液体噴射ヘッドが提供される。
【００１３】
本発明の他の態様は、上記態様に記載する液体噴射ヘッドを備え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、高い液体吐出特性を有する液体噴射装置が提供される。
【００１４】
また、本発明の他の態様は、上記態様に記載する圧電素子を備えることを特徴とする超音波トランデューサーにある。
かかる態様では、結晶欠陥が低減された圧電素子を備えることにより性能が向上した超音波トランデューサーが提供される。
【００１５】
さらに、本発明の他の態様は、開口を有する基板と、上記態様に記載に記載する超音波トランデューサー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、結晶欠陥が低減された圧電素子を備えた超音波トランデューサーにより性能が向上した超音波デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの斜視図である。
【図２】実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】実施形態１に係る圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【図４】変形例に係る圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【図５】変形例に係る圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【図６】変形例に係る圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【図７】実施形態２に係る圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【図８】実施形態３に係る超音波トランデューサーの平面図及びその断面図である。
【図９】インクジェット式記録装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、インクジェット式記録ヘッドは、液体噴射ヘッドの一例であり、単にヘッドとも称する。
【００１８】
〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係るヘッドの斜視図であり、図２は、ヘッドの平面図及び断面図である。なお、図２のヘッドの平面図は、保護基板３０の図示を省略している。
【００１９】
図示するように、ヘッドＩは流路形成基板１０を備え、流路形成基板１０には圧力発生室１２が形成されている。圧力発生室１２は、複数の隔壁１１によって区画され、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平面内において、第１の方向Ｘに直交する方向を第２の方向Ｙとする。さらに、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに直交する方向を第３の方向Ｚとする。図には、第１の方向Ｘに並設された圧力発生室１２の列は１列分示されているが、圧力発生室１２の列を第２の方向Ｙに複数並設してもよい。
【００２０】
流路形成基板１０には、各圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側に、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。
【００２１】
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、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。ノズルプレート２０には、各圧力発生室１２に連通するノズル開口２１が穿設されている。
【００２２】
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、流路形成基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２とで構成されている。また、流路形成基板１０の一部を薄く加工して振動板の弾性膜として使うことも可能である。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、振動板５０（弾性膜５１）で構成されている。
【００２３】
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、保護膜２００とで構成される圧電素子３００が形成されている。この流路形成基板１０に設けられた圧電素子３００は、本実施形態ではアクチュエーター装置として機能する。圧電素子３００についての詳細な説明は後述する。
【００２４】
圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００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。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。
【００２５】
各圧電素子３００は、第２電極８０にリード電極９０が接続されている。詳言すると、圧電素子３００の保護膜２００は厚さ方向に貫通した貫通部２１１が形成され、貫通部２１１から第２電極８０の一部が露出している。リード電極９０は、保護膜２００上に形成されるとともに、貫通部２１１を介して第２電極８０に接続されている。そしてリード電極９０の一旦は、貫通孔３３内に露出している。貫通孔３３内では、駆動回路１２０に接続される接続配線１２１の一端がリード電極９０に接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
このような本実施形態に係るヘッド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に至るまで液体流路の内部をインクで満たした後、駆動回路１２０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。
【００２８】
ここで、アクチュエーター装置を構成する圧電素子３００について詳細に説明する。図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ’線断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の要部を拡大した断面図である。
【００２９】
図２及び図３に示すように、第１電極６０は、各圧力発生室１２に対向するように振動板５０上に連続して形成され、複数の圧電素子３００に共通する共通電極を構成している。本実施形態では、第１電極６０は、図２（ａ）の平面視に示すように、各圧力発生室１２の略全体を覆うように形成されている。
【００３０】
第１電極６０の材料は、金属材料、導電性酸化物又はこれらの積層材料であれば特に限定されない。例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属、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、これらの材料の１種のみ、又はこれらの２種以上を混合又は積層したものを第１電極６０としてもよい。
【００３１】
圧電体層７０は、圧力発生室１２ごとに個別に形成されている。本実施形態に係る圧電体層７０の断面形状は側面が傾斜した略台形であり（図３（ａ））、第１の方向Ｘの幅は圧力発生室１２の幅よりも若干狭くなっている。また、圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は圧力発生室１２よりも広くなっている（図２（ｂ））。
【００３２】
圧電体層７０としては、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）が挙げられる。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層７０として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。
【００３３】
また、圧電体層７０の材料としては、鉛を含む鉛系の圧電材料に限定されず、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いることもできる。非鉛系の圧電材料としては、例えば、鉄酸ビスマス（（ＢｉＦｅＯ３）、略「ＢＦＯ」）、チタン酸バリウム（（ＢａＴｉＯ３）、略「ＢＴ」）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）（ＮｂＯ3）、略「ＫＮＮ」）、ニオブ酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（ＮｂＯ3））、ニオブ酸タンタル酸カリウムナトリウムリチウム（（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ)Ｏ3）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ1/2Ｋ1/2）ＴｉＯ3、略「ＢＫＴ」）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ1/2Ｎａ1/2）ＴｉＯ3、略「ＢＮＴ」）、マンガン酸ビスマス（ＢｉＭｎＯ3、略「ＢＭ」）、ビスマス、カリウム、チタン及び鉄を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ｘ［（ＢｉｘＫ１−ｘ）ＴｉＯ3］−（１−ｘ）［ＢｉＦｅＯ3］、略「ＢＫＴ−ＢＦ」）、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]、略「ＢＦＯ−ＢＴ」）や、これにマンガン、コバルト、クロムなどの金属を添加したもの（（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ１−ｙＭｙ）Ｏ３]−ｘ[ＢａＴｉＯ３]（Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒ））等が挙げられる。
【００３４】
第２電極８０は、各圧電体層７０の上面に設けられ、複数の圧電素子３００ごとの個別電極を構成する。本実施形態に係る第２電極８０の第１の方向Ｘの幅は圧力発生室１２の幅よりも狭く（図３（ａ））、第２の方向Ｙの幅は圧力発生室１２よりも広くなっている（図２（ｂ））。第２電極８０の材料は、金属材料であれば特に限定されず、例えば、第１電極６０と同様の材料を用いることができる。
【００３５】
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、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。このような圧電体層７０の変形により、振動板５０が変形し、圧力発生室１２に圧力変動が生じる。
【００３６】
このように積層された第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０には、保護膜２００が形成されている。
【００３７】
保護膜２００は、液相ジルコニア層２０１を含み、第１電極６０及び第２電極８０の何れか一方の電極上から当該電極及び圧電体層７０の境界に亘って形成されるものである。本実施形態では、保護膜２００は、液相ジルコニア層２０１と、液相ジルコニア層２０１上に積層された酸化シリコン層２０２とから構成されている。
【００３８】
圧電体層７０と第１電極６０との接合面の周縁部を、第１電極６０及び圧電体層７０の境界部６５とする。また、圧電体層７０と第２電極８０との接合面の周縁部を、第２電極８０及び圧電体層７０の境界部８５とする。
【００３９】
保護膜２００は、第１電極６０上から第１電極６０及び圧電体層７０の境界部６５に亘って形成されている。すなわち、保護膜２００は、第１電極６０上から境界部６５を覆うように形成されている。また、保護膜２００は、第２電極８０上から第２電極８０及び圧電体層７０の境界部８５に亘って形成されている。すなわち、保護膜２００は、第２電極８０上から境界部８５を覆うように形成されている。
【００４０】
本実施形態に係る保護膜２００は、これらの境界部６５及び境界部８５を含み、圧電体層７０の側面、第１電極６０（リード電極９０が接合される領域を除く）、及び第２電極８０の全体に亘って形成されている。なお、保護膜２００には、第２電極８０上の一部が除去された開口部２１０が形成されている。このように保護膜２００を一部除去することで、圧電素子３００の変位が過度に保護膜２００により妨げられないようにしている。
【００４１】
このように保護膜２００は、第１電極６０、第２電極８０及び圧電体層７０の略全体を覆うように形成されているので、圧電体層７０が水分を吸収することを防止している。すなわち、保護膜２００により圧電体層７０が水分に起因する絶縁破壊を起こすことを防止することができる。
【００４２】
また、保護膜２００は、圧電体層７０の側面全体、特に、第１電極６０から境界部６５、及び第２電極８０から境界部８５に亘って設けられている。このため、圧電体層７０の側面において第１電極６０と第２電極８０との間で電流がリークすることが防止されている。すなわち、保護膜２００を設けることで、圧電素子３００がその側面を流れるリーク電流により破壊されることを防止することができる。
【００４３】
また、保護膜２００を構成する液相ジルコニア層２０１は、液相法により形成されたジルコニアからなる。液相ジルコニア層２０１は、例えば、ジルコニウムを含む金属アルコキシド又は金属カルボン酸塩を含む前駆体溶液を第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む流路形成基板１０上に塗布し、その後、乾燥工程、脱脂工程、仮焼成工程及び本焼成工程を経て形成される。
【００４４】
液相ジルコニア層２０１は、上述したような液相法により形成される。このため、スパッタリング法などのドライプロセスにより保護膜を形成する場合に比較して、液相ジルコニア層２０１の形成により第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０に与えられるダメージは少ない。したがって、圧電素子３００は、保護膜２００の形成時のダメージが低減されているので、圧電特性の低下が防止されたものとなる。
【００４５】
また、液相ジルコニア層２０１は、圧電体層７０の形成時に生じたダメージを回復しうるものである。
【００４６】
詳言すると、第１電極６０の形成後、圧電体層７０がドライエッチングにより圧力発生室１２ごとにパターニングされる際に、ドライエッチングによるダメージを受けうる。一般には、圧電体層７０を形成後に、圧電体層７０をアニール処理することでそのダメージを回復する。
【００４７】
しかしながら、そのようなアニール処理を実施しなくても、液相ジルコニア層２０１の形成時の焼成工程により、圧電体層７０のダメージを回復することができる。このように、液相ジルコニア層２０１の形成により圧電体層７０のダメージが回復するので、より一層優れた圧電特性を有する圧電素子３００が得られる。
【００４８】
さらに、液相ジルコニア層２０１は、液相ジルコニア層２０１に積層される他の層との密着性に優れている。本実施形態では、液相ジルコニア層２０１は、第１電極６０、圧電体層７０、第２電極８０及び酸化シリコン層２０２との密着性に優れている。
【００４９】
したがって、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を水分（水素）から保護する性能に優れた材料からなる層を液相ジルコニア層２０１上に形成して保護膜２００とし、この保護膜２００を第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０に良好に密着させることができる。
【００５０】
本実施形態では、液相ジルコニア層２０１上に酸化シリコン層２０２が設けられている。酸化シリコン層２０２は、本実施形態では、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）を用いて形成された酸化シリコンからなる。酸化シリコン層２０２は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成される。
【００５１】
酸化シリコン層２０２は、従来用いられるアルミナやＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）からなる保護膜と同程度に、水分からの保護性能に優れている。さらに、これらの従来の保護膜に比較してヤング率が小さいため、圧電素子３００の変位を妨げにくい。すなわち、従来の保護膜を用いるよりも、圧電素子３００の変位量が向上する。ただし、酸化シリコン層２０２は、第１電極６０などの金属に対して密着性が低いという性質を有する。
【００５２】
しかしながら、酸化シリコン層２０２は、液相ジルコニア層２０１を介して第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０に確実に密着される。このように、保護膜２００全体としては、酸化シリコン層２０２が圧電素子３００を水分から保護し、液相ジルコニア層２０１が圧電素子３００に確実に密着させる作用を奏する。
【００５３】
このように保護膜２００が設けられた圧電素子３００は、保護膜２００の剥離が防止され、水分から確実に保護されるとともに、従来の保護膜を用いた圧電素子よりも変位量が増大したものとなる。
【００５４】
そして、本実施形態に係る圧電素子３００を備えるヘッドＩは、圧電特性が向上した圧電素子３００を用いることでインクの吐出特性に優れたものとなる。
【００５５】
ここで、圧電素子３００の保護膜２００について他の態様を示す。図４〜図６は、圧電素子の要部を拡大した断面図である。
【００５６】
図４に示すように、保護膜２００は、第２電極８０上から境界部８５に亘って設けられ、第１電極６０上から境界部６５に亘っては設けられていなくてもよい。このような態様の保護膜２００であっても、保護膜２００の形成、すなわち液相ジルコニア層２０１は液相により形成されるので、圧電体層７０にダメージが与えられることを防止できる。また、保護膜２００は境界部８５を覆っているので、圧電体層７０の表面において第１電極６０と第２電極８０との間にリーク電流が生じることを防止することができる。
【００５７】
図５に示すように、保護膜２００は、第１電極６０上から境界部６５に亘って設けられ、第２電極８０上から境界部８５に亘っては設けられていなくてもよい。このような態様の保護膜２００であっても、保護膜２００の形成、すなわち液相ジルコニア層２０１は液相により形成されるので、圧電体層７０にダメージが与えられることを防止できる。また、保護膜２００は境界部６５を覆っているので、圧電体層７０の表面において第１電極６０と第２電極８０との間にリーク電流が生じることを防止することができる。
【００５８】
図６に示すように、保護膜２００は、少なくとも第１電極６０上から境界部６５に亘って設けられ、第２電極８０上から境界部８５に亘って設けられていてもよい。すなわち、圧電体層７０の側面の一部が露出していてもよい。
【００５９】
このような態様の保護膜２００であっても、保護膜２００の形成、すなわち液相ジルコニア層２０１は液相により形成されるので、圧電体層７０にダメージが与えられることを防止できる。また、保護膜２００は境界部６５及び境界部８５を覆っているので、圧電体層７０の表面において第１電極６０と第２電極８０との間にリーク電流が生じることを防止することができる。
【００６０】
また、特に図示しないが、保護膜２００は、液相ジルコニア層２０１のみを備える構成であってもよい。この場合、液相ジルコニア層２０１が圧電素子３００を水分から保護する。さらに、上述した実施形態では、液相ジルコニア層２０１上に、ＴＭＳを用いて形成された酸化シリコン層２０２を形成したが、これに限らず、圧電素子３００を水分から保護できる材料からなるものであればよい。例えば、液相ジルコニア層２０１上に、アルミナやＤＬＣを積層してもよい。また、液相ジルコニア層２０１上に形成する層は１層に限らず、２層以上であってもよい。
【００６１】
〈実施形態２〉
実施形態１では、第１電極６０が共通電極、第２電極８０が個別電極である圧電素子３００に保護膜２００を形成した場合について説明した。本実施形態では、第１電極６０が個別電極、第２電極８０が共通電極である圧電素子３００に保護膜２００Ａを形成する場合について説明する。
【００６２】
図７は、本実施形態に係るヘッドの断面図及び要部を拡大した断面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
圧電素子３００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、圧電素子３００毎に独立する個別電極を構成する。特に図示しないが、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。また、図７（ｂ）に示すように、第１電極６０は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいては、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。
【００６４】
圧電体層７０は、第２の方向Ｙが所定の幅となるように第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広い。また、特に図示しないが、圧電体層７０の各隔壁１１に対向する領域は一部が除去されて凹部が形成されている。
【００６５】
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１３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。
【００６６】
第２電極８０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、圧電体層７０上に連続して設けられ、複数の圧電素子３００に共通する共通電極を構成する。
【００６７】
圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも外側に位置している。つまり圧電体層７０の端部は第２電極８０によって覆われている。また、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの他端側における第２電極８０の端部は、圧電体層７０の端部よりも内側（圧力発生室１２側）に位置している。
【００６８】
また、圧電素子３００ごとに、圧電体層７０には、一部が除去された貫通部２１２が形成されている。貫通部２１２には各圧電素子３００の第１電極６０が露出しており、該貫通部２１２を介してリード電極９０が第１電極６０に接続されている。
【００６９】
本実施形態に係る圧電素子３００は、実施形態１に係る圧電素子３００と同様に、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、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。両電極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３２０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３２０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。
【００７０】
本実施形態では、第１電極６０及び圧電体層７０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、第２電極８０が圧力発生室１２の内側まで設けられている。すなわち能動部３２０は、圧力発生室１２の内側に設けられている。このため、能動部３２０の端部、すなわち、第２電極８０と圧電体層７０との境界部８５には、圧電素子３００の変形に伴う応力が集中する。
【００７１】
本実施形態に係る保護膜２００Ａは、第２電極８０上から境界部８５に亘って設けられ、さらにリード電極９０に至るまで圧電体層７０の表面を覆っている。保護膜２００Ａは、液相ジルコニアからなり、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
【００７２】
さらに、液相ジルコニアは密着性に優れているため、応力が集中する境界部８５を補強することができる。境界部８５においては、応力が集中することで第２電極８０が圧電体層７０から剥離して破壊されるおそれがある。しかしながら、密着性の高い保護膜２００Ａが境界部８５を補強することで、第２電極８０が圧電体層７０から剥離することを防止することができる。
【００７３】
このように保護膜２００Ａを備える圧電素子３００は、変形に伴う応力による破壊が防止された信頼性の高いものとなる。
【００７４】
〈実施形態３〉
本発明の一実施形態である超音波トランデューサー及び該超音波トランデューサーを搭載する超音波デバイスについて説明する。なお、以下の説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であることとは限らない。また、上述した実施形態１と同一の部材には同一の符号をつけて重複する説明は省略する。
【００７５】
本実施形態においては、超音波の発信と受信は圧電効果を利用する電気音響変換器を用いて行われる。係る電気音響変換器は、圧電素子であり、超音波発信時には電気エネルギーを機械エネルギーに変換（逆圧電効果）を利用し、圧電体層の収縮と伸長による変化は、振動板を振動させるように励起させることによって超音波を発信する。従ってこの場合は、圧電素子は発信用超音波トランデューサーである。
【００７６】
更に被検出体から反射された超音波を受信するには機械エネルギーを電気エネルギーに変換（正圧電効果）を利用し、圧電体層の変形によって電気エネルギーが生成され、電気エネルギーの信号を検出して画像を形成する。従ってこの場合は、圧電素子は受信用超音波トランデューサーである。
【００７７】
なお、本実施形態においては、圧電素子とは、振動板と、振動板上に設けられた第１電極と、第１電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第２電極と、を具備するものである。
【００７８】
図８は、本実施形態に係る超音波トラン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Ｂ−Ｂ′線断面図である。
【００７９】
図８（ａ）に示すように、複数の発信用超音波トランデューサー３０１と受信用超音波トランデューサー３０２とが開口部１２Ａを有する基板１０上にアレイ状に設けられ、超音波デバイス４００（アレイセンサー）を成している。複数の発信用超音波トランデューサー３０１及び複数の受信用超音波トランデューサー３０２を列ごとに交互に配置し、超音波トランデューサーの列ごとに通電が切り替えられる。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、通電する超音波トランデューサーの個数と列数に応じて超音波の出力と入力のレベルが決定される。同図には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することができる。
【００８０】
なお、発信用超音波トランデューサー３０１と受信用超音波トランデューサー３０２を列単位ではなく超音波トランデューサーごとに交互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。
【００８１】
なお、本実施形態は、超音波デバイスの小型化のため、一枚の基板１０上に発信用超音波トランデューサー３０１と受信用超音波トランデューサー３０２を両方配置したが、超音波トランデューサーの機能に応じて発信用超音波トランデューサー３０１と受信用超音波トランデューサー３０２とはそれぞれ独立の基板上に配置するか、或いは用途に応じて複数枚の基板を用いることも可能である。更に発信と受信の時間差を利用して一つの超音波トランデューサーに発信と受信の機能を両方備えることも可能である。
【００８２】
図８（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１０Ａ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。
【００８３】
基板１０Ａの上方（圧電体層７０側）に振動板５０が形成されている。振動板５０は基板１０Ａの一部を薄化して用いることは可能であるが、圧電体層７０或いは第１電極６０を用いてもよい。更に別の材料を用いて製膜することも可能である。この場合は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４のようなシリコン化合物、多結晶シリコン、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３のようなセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３、ＴｉＯ２のような酸化物にしでもよい。膜厚と材料の選定は、共振周波数に基づき決定する。なお、圧電体層７０側の振動板５０の表面層は、圧電体層材料の拡散を防止できる材料、例えばＺｒＯ２などを用いることが好ましい。この場合は、圧電体層の圧電特性が向上し、超音波トランデューサーの発信と受信特性の向上に繋がる。
【００８４】
基板１０Ａには、開口部１２Ａが形成されている。開口部１２Ａ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る。
【００８５】
圧電素子３００の構成、すなわち第１電極６０、圧電体層７０、第２電極８０、及び保護膜２００については上述した実施形態１と同様のため、構成の説明は省略する。なお、超音波デバイスは、実施形態１などのインクジェット式記録ヘッドＩに代表される液体噴射ヘッドに比べてより高周波数領域で駆動する必要が有るため、圧電体層７０、振動板５０と各電極材料の厚み及びヤング率などの物性値を調整してもよい。
【００８６】
さらに、発信用超音波トランデューサー３０１と受信用超音波トランデューサー３０２とにそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線はフレキシブルプリント基板（図示略）を介して制御基板（図示略）の端子部（図示略）に接続されている。制御基板には演算部、記憶部などからなる制御部（図示略）が設けられている。制御部は、発信用超音波トランデューサー３０１に入力する入力信号を制御すると共に、受信用超音波トランデューサー３０２から出力された出力信号を処理するように構成されている。
【００８７】
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３００を狭ピッチ（高分解能）で配置でき、且つ駆動電圧が低いため、超音波デバイス及び該超音波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３００間の製造バラつきが少ないため、認識精度が高くなる効果もある。
【００８８】
また、圧電体層７０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。
【００８９】
なお、本実施形態の超音波デバイスを構成する超音波トランデューサー３００は、上述した実施形態１〜実施形態２の何れの構成も適用することが可能である。したがって、何れの実施形態に係る圧電素子３００を適用しても、ダメージを低減して圧電特性が向上した超音波トランデューサーが提供される。また、保護膜２００は、圧電体層の表面において第１電極６０から第２電極８０へのリーク電流を防止するので、信頼性が向上した超音波トランデューサーが提供される。
【００９０】
〈他の実施形態〉
以上、本発明の一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。
【００９１】
ヘッドＩは、例えば、図９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装置ＩＩは、装置本体４を備え、装置本体４にキャリッジ軸５が取り付けられている。キャリッジ軸５には、キャリッジ３が軸方向移動可能に設けられている。キャリッジ３には、インク供給手段を構成するカートリッジ２が着脱可能に設けられるとともに、ヘッドＩが取り付けられている。
【００９２】
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、ヘッドＩ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。
【００９３】
そして本発明では、上述のように圧電特性に優れた圧電素子３００を備えるヘッドＩを用いて吐出特性に優れたインクの吐出を行わせる。この結果、印刷品質を向上し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。
【００９４】
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、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、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。
【００９５】
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。
【００９６】
さらに本発明に係る圧電素子は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）や超音波デバイスだけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置や圧電素子を利用した各種センサー類にも適用することができる。
【符号の説明】
【００９７】
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、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  振動板、  ６０  第１電極、  ６５、８５  境界部、  ７０  圧電体層、  ８０  第２電極、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  ２００、２００Ａ  保護膜、  ２０１  液相ジルコニア層、  ２０２  酸化シリコン層、  ３００  圧電素子、超音波トランデューサー、  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、  ３２０  能動部、  ４００  超音波デバイス
【図１】
2014175577.tif 000003
【図２】
2014175577.tif 000004
【図３】
2014175577.tif 000005
【図４】
2014175577.tif 000006
【図５】
2014175577.tif 000007
【図６】
2014175577.tif 000008
【図７】
2014175577.tif 000009
【図８】
2014175577.tif 000010
【図９】
2014175577.tif 000011