(57)【要約】【課題】圧電膜におけるクラックの発生を抑制可能な圧電素子、圧電アクチュエーター、超音波探触子、超音波装置、電子機器、液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】圧電素子は、第１電極層、第１電極層に設けられる圧電体層、及び圧電体層に設けられる第２電極層の積層体である圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備え、圧電体層は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層の積層方向から見た平面視において、圧電素子本体の外周縁と重なる第２電極層の外周縁の重畳部の少なくとも一部の内側から外側に延設され、金属層及び絶縁層は、平面視において、重畳部の少なくとも一部の内側から外側に延設され、第２電極層の外周縁よりも外側の圧電体層と重なる。【選択図】図４
2018056376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、
前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備え、
前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、
前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられる
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子において、
前記金属層は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷの少なくとも一つを用いて形成される
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に記載の圧電素子において、
前記絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯ２の少なくとも一つを用いて形成される
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、
前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、
前記圧電素子本体により駆動される駆動部と、を備え、
前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、
前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられる
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記駆動部は、振動膜であり、
前記圧電素子本体は、前記振動膜に設けられる
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記振動膜に閉塞される開口部を有し、前記振動膜を支持する基板をさらに備え、
前記圧電素子本体の少なくとも一部は、前記平面視において、前記開口部と重なり、
前記延設部は、前記平面視において、前記開口部の外側に位置する
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記金属層は、前記平面視において、前記開口部の外側に位置する
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項８】
第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、
前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、
前記圧電素子本体が設けられる振動膜と、を備え、
前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、
前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられる
ことを特徴とする超音波探触子。
【請求項９】
第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、
前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、
前記圧電素子本体が設けられる振動膜と、
前記圧電素子本体を制御する制御部と、を備え、
前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、
前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられる
ことを特徴とする超音波装置。
【請求項１０】
第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、
前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、
前記圧電素子本体により駆動される駆動部と、
前記圧電素子本体を制御する制御部と、を備え、
前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、
前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられる
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載の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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、超音波探触子、超音波装置、電子機器、液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動膜と、振動膜上に設けられる圧電素子と、を備える超音波トランスデューサーが知られている（例えば特許文献１）
特許文献１に記載されるような超音波トランスデューサーでは、圧電素子は、下電極、圧電膜、及び上電極が積層され構成される。積層方向において、これら下電極、圧電膜、及び上電極が重なる領域は、電極間への電圧の印加によって変形する領域である（以下、能動部とも称す）。例えば、上述の超音波トランスデューサーは、電極間への電圧の印加に応じた能動部の変形によって振動膜を振動させて、超音波を送信する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１９５４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載される圧電素子では、駆動時に、積層方向から見た平面視における、能動部と能動部以外の部分（非能動部）との境界位置に応力が集中する。この境界位置のうち、上電極に覆われている位置では、上電極の弾性によって、能動部と非能動部との間での応力が緩和される。
【０００５】
一方、境界位置のうち上電極の端縁と重なる位置を跨ぐように圧電膜が設けられる場合、圧電膜の非能動部に対応する位置は上電極に覆われていないので、上記応力の集中により、境界位置において圧電膜にクラックが生じるおそれがある。そして、圧電膜に生じたクラックに水が浸入した場合に、下電極と上電極との間での通電により、圧電膜が焼損し、圧電素子の性能が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、圧電膜におけるクラックの発生を抑制可能な適用例及び実施形態としての圧電素子、圧電アクチュエーター、超音波探触子、超音波装置、電子機器、液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一適用例に係る圧電素子は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備え、前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられることを特徴とする。
【０００８】
本適用例では、圧電素子は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備える。これらのうち、圧電体層は、積層方向の平面視にて、圧電素子本体から第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有する。つまり、第２電極の外周縁は、圧電素子本体と重なる重畳部を有する。そして、圧電体層は、当該重畳部を跨ぐように設けられている。
ここで、延設部は、第２電極層が設けられていない。このため、圧電素子本体が駆動された際に、平面視において、圧電体層の重畳部と重なる位置に、上述のように応力が集中し易い。これに対して、本適用例では、金属層及び絶縁層は、平面視において、圧電素子本体の第２電極層から延設部に亘って設けられる。すなわち、金属層は、平面視にて、重畳部を跨ぐように配置される。このような構成では、金属層の弾性によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。
また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【０００９】
本適用例の圧電素子において、前記金属層は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷの少なくとも一つを用いて形成されることが好ましい。
本適用例では、圧電体層の変形を許容しつつ、圧電体層のクラックの発生を抑制可能な程度の弾性を、金属層に付与することができる。これにより、圧電体層へのクラックの発生をより適切に抑制することができる。
【００１０】
本適用例の圧電素子において、前記絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯ２の少なくとも一つを用いて形成されることが好ましい。
本適用例では、圧電体層、第２電極層、及び金属層に対する密着性を向上させることができ、金属層によってより確実に圧電体層の応力を緩和させることができる。また、本適用例では、例えば、樹脂等を用いて絶縁層を形成する場合と比べて、絶縁層の耐水性を向上させることができる。したがって、上述の圧電体層の焼損を好適に抑制できる。
【００１１】
本発明の一適用例に係る圧電アクチュエーターは、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、前記圧電素子本体により駆動される駆動部と、を備え、前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられることを特徴とする。
【００１２】
本適用例では、圧電アクチュエーターは、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備える。これらのうち、圧電体層は、積層方向の平面視にて、圧電素子本体から第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有する。また、金属層及び絶縁層は、平面視において、圧電素子本体の第２電極層から延設部に亘って設けられる。
このように構成された本適用例の圧電アクチュエーターでは、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。
また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【００１３】
本適用例の圧電アクチュエーターにおいて、前記駆動部は、振動膜であり、前記圧電素子本体は、前記振動膜に設けられることが好ましい。
本適用例では、圧電素子本体は、振動膜に設けられ、当該振動膜を振動させる。このような構成では、圧電素子本体の駆動に応じて、振動膜が積層方向に振動される。したがって、圧電体層の少なくとも一部も積層方向に変形し、圧電体層に応力が作用する。本適用例では、上述のように、金属層は、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置されている。このため、積層方向に圧電体層が変形した場合でも、圧電体層の重畳部における応力の集中を抑制できる。
【００１４】
本適用例の圧電アクチュエーターにおいて、前記振動膜に閉塞される開口部を有し、前記振動膜を支持する基板をさらに備え、前記圧電素子本体の少なくとも一部は、前記平面視において、前記開口部と重なり、前記延設部は、前記平面視において、前記開口部の外側に位置することが好ましい。
本適用例では、基板は、振動膜を支持し、当該振動膜によって閉塞される開口部を有する。すなわち、振動膜における開口部と重なる位置は、変形可能な可撓部となる。そして、圧電素子本体の少なくとも一部は、当該可撓部に設けられる。また、延設部は、開口部の外側、つまり振動膜の可撓部以外の領域（固定部）に設けられる。すなわち、重畳部は、開口部の外側に位置する。このような構成では、重畳部において、圧電体層は、振動膜の固定部上に設けられ、積層方向に変形しない。このため、重畳部における、圧電体層の応力の集中をより一層抑制できる。
【００１５】
本適用例の圧電アクチュエーターにおいて、前記金属層は、前記平面視において、前記開口部の外側に位置することが好ましい。
本適用例では、金属層は、平面視において、開口部の外側に位置する。ここで、振動膜の可撓部上に金属層が設けられる場合、当該金属層によって、積層方向における圧電素子本体及び振動膜の変形が阻害されるおそれがある。例えば、圧電素子本体を駆動させた際の、積層方向における振幅が低下するおそれがある。これに対して、本適用例では、金属層は開口部の外側に位置するため、積層方向における圧電素子本体及び振動膜の変形が金属層によって阻害されることを抑制できる。
【００１６】
本発明の一適用例に係る超音波探触子は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、前記圧電素子本体が設けられる振動膜と、を備え、前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられることを特徴とする。
【００１７】
本適用例では、超音波探触子は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備える。これらのうち、圧電体層は、積層方向の平面視にて、圧電素子本体から第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有する。また、金属層及び絶縁層は、平面視において、圧電素子本体の第２電極層から延設部に亘って設けられる。
このように構成された本適用例の超音波探触子では、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。
また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【００１８】
本発明の一適用例に係る超音波装置は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、前記圧電素子本体が設けられる振動膜と、前記圧電素子本体を制御する制御部と、を備え、前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられることを特徴とする。
【００１９】
本適用例では、超音波装置は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備える。これらのうち、圧電体層は、積層方向の平面視にて、圧電素子本体から第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有する。また、金属層及び絶縁層は、平面視において、圧電素子本体の第２電極層から延設部に亘って設けられる。
このように構成された本適用例の超音波装置では、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。
また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【００２０】
本発明の一適用例に係る電子機器は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、前記第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、前記圧電素子本体により駆動される駆動部と、前記圧電素子本体を制御する制御部と、を備え、前記圧電体層は、前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の積層方向から見た平面視において、前記圧電素子本体から前記第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有し、前記金属層及び前記絶縁層は、前記平面視において、前記圧電素子本体の前記第２電極層から前記延設部に亘って設けられることを特徴とする。
【００２１】
本適用例では、電子機器は、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層が順に積層された圧電素子本体と、第２電極層に絶縁層を介して設けられる金属層と、を備える。これらのうち、圧電体層は、積層方向の平面視にて、圧電素子本体から第２電極層の外周縁よりも外側に延設される延設部を有する。また、金属層及び絶縁層は、平面視において、圧電素子本体の第２電極層から延設部に亘って設けられる。
このように構成された本適用例の電子機器では、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。
また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【００２２】
本発明の一適用例に係る液体噴射ヘッドは、上記適用例に係る圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする。
本適用例では、液体噴射ヘッドは、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【００２３】
本発明の一適用例に係る液体噴射装置は、上記適用例に係る液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする。
本適用例では、液体噴射装置は、上記適用例と同様に、平面視にて、重畳部を跨いで圧電体層と重なるように配置される金属層によって、圧電体層における応力を緩和でき、上記クラックの発生を抑制できる。また、重畳部と重なる位置に金属層を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部において、第２電極層の外周縁と第１電極層との通電による圧電体層の焼損が生じることを抑制でき、圧電素子本体の性能低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態の超音波測定装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】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。
【図３】第１実施形態の超音波デバイスにおける素子基板を模式的に示す平面図。
【図４】第１実施形態の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図。
【図５】第１実施形態の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図。
【図６】第１実施形態の変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図。
【図７】第１実施形態の変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図。
【図８】第１実施形態の変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図。
【図９】第１実施形態の変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図。
【図１０】第２実施形態の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図。
【図１１】第２実施形態の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図。
【図１２】第２実施形態の変形例の超音波デバイスを模式的に示す平面図。
【図１３】第３実施形態のプリンターの概略構成を示す図。
【図１４】第３実施形態の記録ヘッドを模式的に示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［第１実施形態］
以下、第１実施形態に係る超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
図１は、超音波測定装置１の概略構成を示す斜視図である。
超音波測定装置１は、図１に示すように、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。
この超音波測定装置１は、超音波プローブ２を生体（例えば人体）の表面に当接させ、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。
【００２６】
［制御装置の構成］
制御装置１０は、制御部に相当し、図１に示すように、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、超音波測定装置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。
【００２７】
［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。
超音波プローブ２は、超音波探触子に相当し、図２に示すように、筐体２１と、筐体２１内部に収納する超音波デバイス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、当該超音波センサー２４は、超音波モジュールを構成する。
【００２８】
［筐体の構成］
筐体２１は、図１に示すように、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。
【００２９】
［回路基板の構成］
回路基板２３は、超音波デバイス２２の信号端子４１３及び共通端子４１５（図３参照）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。
【００３０】
［超音波デバイスの構成］
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、超音波トランスデューサー４５の断面図であり、図５は、素子基板４１に設けられる超音波トランスデューサー４５を模式的に示す平面図である。
超音波デバイス２２は、図２に示すように、素子基板４１と、封止板４２と、音響層４３（図４参照）と、音響レンズ４４と、を含み構成される。
【００３１】
（素子基板の構成）
図３に示すように、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４５Ａを複数有する。これら複数の送受信列４５Ａ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。
【００３２】
素子基板４１は、図４に示すように、基板本体部４１１と、基板本体部４１１の封止板４２側（−Ｚ側）に設けられる振動膜４１２と、振動膜４１２に設けられた圧電素子５と、を備える。
ここで、以降の説明にあたり、基板本体部４１１の音響レンズ４４側の面を前面４１１Ａと称し、封止板４２側の面を背面４１１Ｂと称する。また、振動膜４１２の封止板４２とは反対側の面を超音波送受面４１２Ａと称し、封止板４２側の面を作動面４１２Ｂと称する。
【００３３】
基板本体部４１１は、振動膜４１２を支持する基板であり、例えばＳｉ等の半導体基板で構成される。基板本体部４１１には、各々の超音波トランスデューサー４５に対応した開口部４１１Ｃが設けられる。
【００３４】
振動膜４１２は、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、基板本体部４１１の背面４１１Ｂに設けられる。振動膜４１２の厚み寸法は、基板本体部４１１に対して十分小さい厚み寸法となる。この振動膜４１２は、開口部４１１Ｃを構成する壁部４１１Ｄにより支持され、開口部４１１Ｃの背面４１１Ｂ側を閉塞する可撓部４１２Ｃを有する。つまり、開口部４１１Ｃは、振動膜４１２の振動領域である可撓部４１２Ｃの外縁を規定する。
【００３５】
また、各開口部４１１Ｃを閉塞する振動膜４１２の作動面４１２Ｂには、圧電素子５を構成する圧電素子本体５０が設けられている。なお、後に詳述するが、圧電素子５は、圧電素子本体５０と、絶縁層５４と、金属層５５と、を備える。また、圧電素子本体５０は、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３が順に積層された積層体として構成される。これら振動膜４１２の可撓部４１２Ｃと、圧電素子５とにより、１つの超音波トランスデューサー４５が構成される。
【００３６】
このような超音波トランスデューサー４５では、下部電極５１及び上部電極５３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４１１Ｃの開口領域内の振動膜４１２の可撓部４１２Ｃを振動させて、超音波送受面４１２Ａ側から超音波を送信する。また、対象物から反射され、超音波送受面４１２Ａに入射する超音波により振動膜４１２の可撓部４１２Ｃが振動されると、圧電膜５２の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極５１及び上部電極５３間に発生する前記電位差を検出することにより、超音波を検出、つまり受信する。
【００３７】
ここで、下部電極５１は、図３に示すように、１ＣＨの送受信列４５Ａのそれぞれについて、Ｙ方向に沿って直線状に形成される。この下部電極５１の両端部（±Ｙ側端部）は、端子領域Ａｒ２において信号端子４１３に接続される。この信号端子４１３は、回路基板２３に電気接続される。
【００３８】
また、上部電極５３は、Ｘ方向に沿って直線状に形成されており、Ｘ方向に並ぶ送受信列４５Ａを接続する。そして、上部電極５３の±Ｘ側端部は共通電極線４１４に接続される。この共通電極線４１４は、Ｙ方向に沿って複数配置された上部電極５３同士を結線する。また、共通電極線４１４の両端部（±Ｙ側端部）は、端子領域Ａｒ２において共通端子４１５に接続される。この共通端子４１５は、例えば、回路基板２３の基準電位回路（図示省略）に接続され、基準電位に設定される。
【００３９】
（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。
【００４０】
封止板４２は、素子基板４１のアレイ領域Ａｒ１に対向する領域には、開口部４１１Ｃに対応した複数の凹溝４２１を有する（図４参照）。これにより、振動膜４１２のうち可撓部４１２Ｃが形成される領域（開口部４１１Ｃ内）では、素子基板４１との間に所定寸法のギャップが設けられることになり、振動膜４１２の振動が阻害されない。また、１つの超音波トランスデューサー４５からの背面波が、他の隣接する超音波トランスデューサー４５に入射される不都合（クロストーク）の発生を抑制できる。
【００４１】
また、振動膜４１２が振動すると、開口部４１１Ｃ側（超音波送受面４１２Ａ側）の他、封止板４２側（背面４１１Ｂ側）にも背面波として超音波が放出される。この背面波は、封止板４２により反射され、再びギャップを介して振動膜４１２側に放出される。この際、反射背面波と、振動膜４１２から超音波送受面４１２Ａ側に放出される超音波との位相がずれると、超音波が減衰する。したがって、本実施形態では、素子基板４１と封止板４２との間のギャップにおける音響的な距離が、超音波の波長をλとしてλ／４の奇数倍となるように、各凹溝４２１の溝深さが設定されている。言い換えれば、超音波トランスデューサー４５から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板４１や封止板４２の各部の厚み寸法が設定される。
【００４２】
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４１３，４１５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に設けられた開口部と、当該開口部を介して各端子４１３，４１５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。
【００４３】
（音響層及び音響レンズの構成）
音響層４３は、超音波送受面４１２Ａ側に配置される。すなわち、音響層４３は、開口部４１１Ｃ内に充填されている。
音響レンズ４４は、素子基板４１の前面４１１Ａ側、すなわち素子基板４１及び音響層４３の＋Ｚ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４３を介して超音波トランスデューサー４５に伝搬させる。
【００４４】
これら音響層４３及び音響レンズ４４の音響インピーダンスは、生体の音響インピーダンスに近い値に設定されている。これにより、音響層４３及び音響レンズ４４は、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に効率良く伝搬させることができ、また、生体内で反射した超音波を効率良く超音波トランスデューサー４５に伝搬させることができる。
【００４５】
（圧電素子の構成）
圧電素子５は、図４及び図５に示すように、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３が順に積層された圧電素子本体５０と、絶縁層５４と、金属層５５と、を備える。
圧電素子本体５０は、駆動部に相当する可撓部４１２Ｃに設けられ、後述するように、Ｚ方向（積層方向）において互いに重なる、下部電極本体部５１１と、圧電膜本体部５２１と、上部電極本体部５３１と、を含み構成される。すなわち、圧電素子本体５０は、下部電極５１及び上部電極５３の間への電圧印加によって変形する能動部である。
【００４６】
下部電極５１は、第１電極層に相当し、下部電極本体部５１１と、下部電極接続部５１２と、下部電極被覆部５１３と、を備える。
下部電極本体部５１１は、平面視において、圧電膜５２及び上部電極５３と重なり、振動膜４１２のうちの可撓部４１２Ｃに設けられる。つまり、下部電極本体部５１１は、複数の圧電素子５のそれぞれに設けられる。
下部電極接続部５１２は、下部電極本体部５１１の±Ｙ側のそれぞれからＹ方向に沿って延出し、送受信列４５Ａに含まれる複数の下部電極本体部５１１のうちの隣り合う下部電極本体部５１１を接続する。
【００４７】
下部電極被覆部５１３は、Ｙ方向に沿って少なくとも下部電極接続部５１２上に設けられる。また、下部電極被覆部５１３のＹ方向における端部は、圧電膜５２上に設けられる。この下部電極被覆部５１３は、下部電極接続部５１２の保護膜として機能する。例えば、エッチングにより上部電極５３のパターニングを実施する場合等において、オーバーエッチによる下部電極接続部５１２の劣化を抑制できる。なお、この場合、下部電極被覆部５１３は、上部電極５３と同時に形成される。
【００４８】
上部電極５３は、第２電極層に相当し、各超音波トランスデューサー４５に対する共通の電極である。上部電極５３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。
この上部電極５３は、少なくとも一部が圧電膜５２上に設けられ、上部電極本体部５３１と、上部電極接続部５３２と、を有する。
【００４９】
上部電極本体部５３１は、平面視において、下部電極５１及び圧電膜５２と重なる。つまり、上部電極本体部５３１は、各圧電素子５にそれぞれに設けられる。
ここで、上部電極５３の外周縁５３３のうちの上部電極本体部５３１に対応する部分（以下、重畳部５３４とも称す）は、平面視において圧電素子本体５０の外周縁５０１と重なる。
【００５０】
上部電極接続部５３２は、上部電極本体部５３１の±Ｘ側のそれぞれからＸ方向に沿って延出し、Ｘ方向において隣り合う上部電極本体部５３１を接続する。また、上部電極接続部５３２は、Ｘ方向において設けられた複数の圧電素子５のうちの±Ｘ側の圧電素子５の下部電極本体部５１１と、共通電極線４１４とを接続する。
【００５１】
圧電膜５２は、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物、より具体的には、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒを含むチタン酸ジルコン酸鉛を用いて形成される。
この圧電膜５２は、圧電体層に相当し、圧電膜本体部５２１と、延設部５２２と、を有し、開口部４１１Ｃと重なる位置に、下部電極５１の一部を覆うように設けられる。
【００５２】
圧電膜本体部５２１は、圧電膜５２のうち、平面視にて下部電極本体部５１１及び上部電極本体部５３１と重なる部分である。すなわち、下部電極本体部５１１、圧電膜本体部５２１、及び上部電極本体部５３１の積層体として圧電素子本体５０が構成される。
延設部５２２は、平面視において、圧電素子本体５０から上部電極５３の外周縁５３３よりも外側に延設される。つまり、圧電膜５２は、平面視において、重畳部５３４を跨いで、圧電素子本体５０の内側から外側に亘って設けられる。
【００５３】
絶縁層５４は、上部電極５３と金属層５５との間に配置され、これらを絶縁する。この絶縁層５４は、上部電極５３の重畳部５３４と、延設部５２２と、を覆うように設けられる。すなわち、絶縁層５４は、重畳部５３４を跨いで、圧電素子本体５０の内側から外側に亘って設けられる。
【００５４】
絶縁層５４としては、絶縁性を有しかつ耐水性を有する材料、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯ２の少なくとも一つを用いて形成される。これにより。圧電膜５２の延設部５２２における耐水性を向上させることができる。なお、絶縁層５４としては、上記以外にも、永久レジストや接着剤等の有機保護膜を用いてもよい。
【００５５】
金属層５５は、絶縁層５４を介して上部電極５３に設けられ、上部電極５３と絶縁される。また、金属層５５は、平面視において少なくとも重畳部５３４を覆う。換言すると、金属層５５は、Ｙ方向に沿って重畳部５３４を跨いで、圧電素子本体５０の内側から外側に亘って設けられる。
金属層５５は、例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷ等の各種金属材料を用いて、厚み寸法が例えば１００ｎｍとなるように形成される。
【００５６】
図５に示すように、金属層５５のＸ方向における幅寸法は、少なくとも重畳部５３４（つまり下部電極本体部５１１）の幅寸法よりも大きい。
また、図４に示すように、金属層５５のＹ方向における端縁（以下、Ｙ側端縁５５１とも称する）は、Ｙ方向において、重畳部５３４と下部電極被覆部５１３との間に位置する。つまり、金属層５５は、Ｙ方向に沿って、下部電極被覆部５１３と重ならない位置まで延設される。
【００５７】
ここで、Ｙ方向において、重畳部５３４に対する金属層５５の突出量Ｌｙは、例えば１００ｎｍ以上３μｍ以下である。
突出量を１００ｎｍ以上とすることにより、金属層５５の形成位置にずれが生じたとしても、より確実に金属層５５を重畳部５３４と重なる位置に設けることができる。
また、突出量を３μｍ以下とすることにより、金属層５５の面積が増大することによる可撓部４１２Ｃの変形の阻害を抑制でき、超音波トランスデューサー４５の送受信感度が低下することを抑制できる。
ここで、平面視において、上部電極５３の外周縁５３３（重畳部５３４）と下部電極被覆部５１３との距離寸法は、例えば５μｍである。したがって、突出量を３μｍ以下とすることにより、金属層５５の形成位置にずれが生じたとしても、Ｚ方向において金属層５５が下部電極被覆部５１３と重なることを抑制できる。
【００５８】
［第１実施形態の作用効果］
上述のように構成される第１実施形態では、以下の効果を得ることができる。
圧電膜５２は、圧電膜本体部５２１から外周縁５３３を跨いで延設される延設部５２２を有する。この延設部５２２は、上部電極５３によって覆われていない。
ここで、圧電素子本体５０が駆動された際に、圧電膜５２のうちの圧電膜本体部５２１が変形するため、圧電素子本体５０の外周縁５０１と重なる位置に応力が集中し易い。この圧電膜５２のうちの延設部５２２以外は、上部電極５３によって覆われているため、上部電極５３の弾性力によって応力が緩和される。したがって、外周縁５０１のうちの±Ｘ側の縁部において、圧電膜５２にクラックが生じることが抑制される。一方、この圧電膜５２のうちの延設部５２２は、上部電極５３によって覆われていないため、圧電膜５２の重畳部５３４と重なる位置に応力が集中し、クラックが生じるおそれがある。また、このクラックに水が浸入すると、重畳部５３４と重なる位置において、下部電極５１と上部電極５３とが通電することにより、圧電膜５２が焼損するおそれがある。
【００５９】
これに対して、本実施形態では、絶縁層５４及び金属層５５は、平面視にて、重畳部５３４を跨ぎ、上部電極本体部５３１から延設部５２２に亘って延設される。このような構成では、金属層５５の弾性によって、圧電膜５２の重畳部５３４と重なる位置への応力集中を緩和できる。したがって、圧電膜５２にクラックや焼損が生じることを抑制でき、圧電素子５の性能低下を抑制できる。
また、重畳部５３４と重なる位置に金属層５５を設けることにより、耐水性を向上させることができる。これにより、重畳部５３４における圧電膜５２の焼損をより好適に抑制できる。
【００６０】
金属層５５は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷの少なくとも一つを用いて形成される。このような構成では、圧電膜５２の変形を許容しつつ、圧電膜５２のクラックの発生を抑制可能な弾性を、金属層５５に付与することができる。
【００６１】
絶縁層５４は、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ、ＳｉＯ２の少なくとも一つを用いて形成される。このような構成では、圧電膜５２、上部電極５３、及び金属層５５に対し、絶縁層５４の密着性を向上させることができる。したがって、絶縁層５４を介していても、金属層５５の弾性力を圧電膜５２に作用させることができ、圧電膜５２の応力を緩和させることができる。また、例えば、接着剤等の樹脂材料を用いて絶縁層５４を形成する場合と比べて、絶縁層５４の耐水性を向上させることができる。したがって、上述の圧電膜５２の焼損をより好適に抑制できる。
【００６２】
金属層５５のＹ側端縁５５１は、Ｙ方向において、可撓部４１２Ｃ上であり、かつ、重畳部５３４と下部電極被覆部５１３との間に位置する。つまり、金属層５５は、Ｙ方向に沿って、下部電極被覆部５１３と重ならない位置まで延設される。ここで、可撓部４１２Ｃと重なる領域において、圧電膜５２が下部電極被覆部５１３と金属層５５とが重なる場合と比べて、可撓部４１２Ｃの変形を阻害する方向に作用する力を小さくすることができる。したがって、可撓部４１２Ｃの変形が阻害され、ひいては超音波トランスデューサー４５の送受信感度が低下することを抑制できる。
【００６３】
［第１実施形態の変形例］
第１実施形態では、絶縁層５４は、重畳部５３４と圧電膜５２の延設部５２２と覆うように形成されていた。また、金属層５５は、上部電極本体部５３１から重畳部５３４の外側に向かって延設されており、重畳部５３４を囲む位置に設けられていた。しかしながら、金属層５５は、重畳部５３４を覆うように設けられていればよい。また、絶縁層５４は、下部電極５１や上部電極５３に対して金属層５５を絶縁できる位置に設けられていればよい。
【００６４】
（変形例１）
図６は、第１実施形態の一変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図である。
図６に示すように、絶縁層５４は、Ｚ方向の平面視において、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３を覆うように設けられていてもよい。上述のように、絶縁層５４は、耐水性を有するため、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３の水分による劣化を抑制できる。
【００６５】
（変形例２）
図７は、第１実施形態の一変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す平面図であり、図８は、同変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図である。
図７に示すように、金属層５５は、Ｚ方向の平面視において圧電膜５２の全面を覆うように設けられてもよい。この場合、図８に示すように、Ｙ方向において、金属層５５のＹ側端縁５５１は、圧電膜５２の外周縁よりも外側に位置する。すなわち、変形例２では、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３は、絶縁層５４に加え、耐水性を有する金属層５５により覆われているため、水分による劣化がより一層抑制される。
【００６６】
（変形例３）
図９は、第１実施形態の一変形例の超音波トランスデューサーを模式的に示す断面図である。
第１実施形態では、金属層５５のＹ側端縁５５１は、Ｙ方向において、上部電極本体部５３１（重畳部５３４）と下部電極被覆部５１３との間に位置する構成を例示したが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、Ｙ方向において、金属層５５は、下部電極被覆部５１３と重なる位置まで延設されてもよい。つまり、Ｙ側端縁５５１は、下部電極被覆部５１３の−Ｚ側に位置する。このような構成では、変形例２と同様に、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３は、絶縁層５４及び金属層５５により覆われており、水分による劣化がより一層抑制される。また、変形例３では、変形例２と比べて、金属層５５の面積を小さくでき、金属層５５によって圧電素子５の変形が阻害されるという不具合が生じることをより確実に回避できる。
【００６７】
［第２実施形態］
以下、第２実施形態について説明する。
第１実施形態の超音波トランスデューサーでは、圧電素子本体５０は可撓部４１２Ｃに設けられている。すなわち、Ｚ方向の平面視において、圧電素子本体５０は、開口部４１１Ｃの外周縁よりも内側に位置する。これに対して、第２実施形態は、圧電素子本体５０の少なくとも一部が可撓部４１２Ｃに設けられ、重畳部５３４が開口部４１１Ｃの外周縁よりも外側に位置する点で、第１実施形態と相違する。
なお、以降の説明にあたり、第１実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
【００６８】
図１０は、第２実施形態の超音波トランスデューサー４７を模式的に示す平面図である。また、図１１は、第２実施形態の超音波トランスデューサー４７の断面図である。
超音波トランスデューサー４７は、図１０に示すように、圧電素子５Ａと可撓部４１２Ｃを含み構成される。この圧電素子５Ａでは、延設部５２２は、平面視において、開口部４１１Ｃの外側に位置する。すなわち、重畳部５３４は、平面視において、開口部４１１Ｃの外側に位置し、壁部４１１Ｄと重なる。
具体的に、第２実施形態の上部電極５３は、図１０及び図１１に示すように、Ｙ方向における幅寸法が、開口部４１１Ｃよりも大きい。上部電極５３の外周縁５３３、つまり上部電極本体部５３１の外周縁である重畳部５３４は、壁部４１１Ｄと重なる。
【００６９】
また、圧電膜５２は、同様に、Ｙ方向における幅寸法が開口部４１１Ｃよりも大きい。すなわち、本実施形態では、圧電膜本体部５２１は、Ｙ方向における幅寸法が大きい。また、圧電膜５２は、壁部４１１Ｄ上において、重畳部５３４を跨いでＹ方向に延出する。
【００７０】
なお、下部電極５１及び圧電膜５２は、第１実施形態と同様に、Ｘ方向における幅寸法が開口部４１１Ｃよりも小さい。すなわち、圧電素子本体５０は、Ｘ方向における幅寸法が開口部４１１Ｃよりも小さく、Ｙ方向における幅寸法が開口部４１１Ｃよりも大きい。
【００７１】
絶縁層５４は、第１実施形態と同様に、上部電極５３の重畳部５３４と、延設部５２２と、を覆うように設けられる。
金属層５５は、重畳部５３４を覆うように設けられる。
本実施形態では、絶縁層５４及び金属層５５は、Ｚ方向において壁部４１１Ｄと重なる位置に設けられ、開口部４１１Ｃよりも外側に位置する。
【００７２】
［第２実施形態の作用効果］
第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。
素子基板４１は、振動膜４１２を支持し、当該振動膜４１２によって閉塞される開口部４１１Ｃを有する。そして、圧電素子本体５０の一部は、振動膜４１２の開口部４１１Ｃと重なる可撓部４１２Ｃに設けられる。また、重畳部５３４は、振動膜４１２の可撓部４１２Ｃ以外の領域、つまり、平面視において、壁部４１１Ｄと重なる位置に設けられる。これにより、重畳部５３４と重なる位置において、圧電膜５２の変形を抑制でき、応力の集中をより一層抑制できる。
【００７３】
ここで、平面視において、可撓部４１２Ｃと重なる位置に絶縁層５４及び金属層５５が設けられる場合、当該絶縁層５４及び金属層５５によって、積層方向における圧電素子本体５０及び振動膜４１２の変形が阻害され、超音波トランスデューサーの送受信感度が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、絶縁層５４及び金属層５５は、平面視において、開口部４１１Ｃの外側に位置する。したがって、積層方向における圧電素子本体５０及び振動膜４１２の変形が阻害されることを抑制でき、超音波トランスデューサー４７の送受信感度の低下を抑制できる。
【００７４】
また、圧電素子本体５０は、Ｘ方向における寸法が、開口部４１１Ｃよりも小さい。すなわち、圧電素子本体５０の外周縁５０１の一部が、開口部４１１Ｃの内部に位置する。このような構成では、圧電素子本体５０の外周縁５０１の全てが、開口部４１１Ｃの外側に位置する場合よりも、圧電素子本体５０が積層方向に変形可能な面積を増大させることができ、超音波トランスデューサー４７の出力を増大させることができる。
【００７５】
［第２実施形態の変形例］
図１２は、第２実施形態の一変形例の超音波デバイス２２Ａにおける素子基板４１を模式的に示す平面図である。
第２実施形態では、絶縁層５４及び金属層５５は、各超音波トランスデューサー４７に対して個別に設けられていたが、これに限定されず、複数の超音波トランスデューサー４７に亘って形成されていてもよい。
【００７６】
図１２に示すように、超音波デバイス２２Ａの絶縁層５４及び金属層５５は、Ｘ方向に沿って上部電極５３の外周縁５３３を覆う位置に形成される。すなわち、絶縁層５４及び金属層５５は、Ｘ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４７に跨って形成される。
【００７７】
このような構成では、絶縁層５４及び金属層５５を各超音波トランスデューサー４７に対して個別に設ける必要がなく、絶縁層５４及び金属層５５の形状を簡略化できる。例えば、絶縁層５４及び金属層５５のパターニングが容易であり、絶縁層５４及び金属層５５の形成が容易である。
また、絶縁層５４及び金属層５５は、上部電極５３の外周縁５３３を覆うため、上部電極５３の剥離を好適に抑制できる。
【００７８】
なお、絶縁層５４及び金属層５５は、開口部４１１Ｃと重なる位置を除く略全面に形成されてもよい。このような構成では、下部電極５１及び上部電極５３の劣化を抑制できる。また、このような構成でも、絶縁層５４及び金属層５５は、開口部４１１Ｃと重なる位置に設けられないため、可撓部４１２Ｃの変形が阻害されることを抑制できる。
【００７９】
また、上記第２実施形態では、Ｘ方向における圧電素子本体５０の寸法が、開口部４１１Ｃよりも小さい構成を例示したが、これに限定されない。例えば、Ｘ方向における圧電素子本体５０の寸法が、開口部４１１Ｃよりも大きくてもよい。すなわち、平面視において、圧電素子本体５０の外周縁５０１の全てが、開口部４１１Ｃの外側に位置する構成としてもよい。
【００８０】
また、上記第２実施形態では、絶縁層５４は、平面視において、開口部４１１Ｃの外側に位置するとしたが、一部が開口部４１１Ｃと重なってもよい。また、同様に、金属層５５は、平面視において、開口部４１１Ｃの外側に位置するとしたが、一部が開口部４１１Ｃと重なってもよい。
【００８１】
［第３実施形態］
以下、第３実施形態について説明する。
第１実施形態では、圧電素子５を備える超音波測定装置１について例示した。これに対して、第３実施形態では、圧電素子５を備える液体噴射ヘッド及び液体噴射装置について説明する。
【００８２】
図１３は、本実施形態のプリンター１００の外観の構成例を示す図である。
プリンター１００は、液体噴射装置に相当し、図１３に示すように、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６０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を制御する制御ユニット（図示略）と等を備える。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。
【００８３】
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、制御ユニット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。
【００８４】
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、制御ユニット（図示略）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。
【００８５】
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６０等が取り付けられる。記録ヘッド６０等は、ケーブル１３１を介して制御ユニットに接続される。記録ヘッド６０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。
【００８６】
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。制御ユニット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。
【００８７】
図１４は、記録ヘッド６０を模式的に示す分解斜視図である。
記録ヘッド６０は、液体噴射ヘッドに相当し、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。記録ヘッド６０は、図１４に示すように、圧力室形成基板６１と、ノズルプレート６２と、アクチュエーターユニット６３と、封止板６４と等を備える。
【００８８】
圧力室形成基板６１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６１には、複数の圧力室６１１と、これら圧力室６１１にインクを供給するインク供給路６１２と、インク供給路６１２を介して各圧力室６１１に連通する連通部６１３と、が形成されている。
複数の圧力室６１１は、後述するようにノズルプレート６２に形成されたノズル列を構成する各ノズル６２１に、一対一に対応して設けられている。すなわち、各圧力室６１１は、ノズル列方向に沿って、ノズル６２１の形成ピッチと同じピッチで形成されている。
連通部６１３は、複数の圧力室６１１に沿って形成されている。この連通部６１３は、後述する振動板６３１の連通開口部６３４及び封止板６４の液室空部６４２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。連通部６１３に充填されたインクは、インク供給路６１２を介して圧力室６１１に供給される。すなわち、連通部６１３は、各圧力室６１１に共通なインク室であるリザーバー（共通液室）を構成する。
なお、インク供給路６１２は、圧力室６１１よりも狭い幅で形成されており、連通部６１３から圧力室６１１に流入するインクに対して流路抵抗となる部分である。
【００８９】
ノズルプレート６２は、複数のノズル６２１からなるノズル列が形成され、圧力室形成基板６１の一方の面（アクチュエーターユニット６３とは反対側の面）に接合される。複数のノズル６２１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６２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。
【００９０】
アクチュエーターユニット６３は、圧力室形成基板６１のノズルプレート６２とは反対側に設けられた振動板６３１と、振動板６３１に積層された圧電素子５と等を含み構成される。
振動板６３１は、圧力室形成基板６１の上に形成された弾性膜６３２と、この弾性膜６３２上に形成された絶縁体膜６３３と、を含む。なお、弾性膜６３２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。また、絶縁体膜６３３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。この振動板６３１の圧力室６１１を閉塞する領域は、圧電素子５の駆動によってノズル６２１に対して接離する方向に撓み変形が許容される領域（可撓部）である。なお、振動板６３１における圧力室形成基板６１の連通部６１３に対応する部分には、当該連通部６１３と連通する連通開口部６３４が設けられている。
【００９１】
圧電素子５は、上述のように、圧電素子本体５０と、絶縁層５４と、金属層５５と、を備え、圧電素子本体５０は、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３が順に積層された積層体として構成される。圧電素子５は、圧力室６１１に対応する位置に設けられ、振動板６３１の圧力室６１１を閉塞する領域である可撓部とともに圧電アクチュエーターを構成する。なお、図示を省略するが、下部電極５１及び上部電極５３は、リード電極６３５によって端子領域に形成された電極端子に接続される。
【００９２】
ここで、図１４では、圧電素子５の構成を簡略化して図示しているが、本実施形態においても、振動板６３１の厚み方向から見た平面視にて重畳部５３４と重なる位置に、金属層５５が設けられる。なお、図１１に示す第２実施形態の圧電素子５と同様に、平面視にて圧力室６１１の外側に、重畳部５３４が位置し、金属層５５が設けられることが好ましいが、これに限定されない。すなわち、第１実施形態と同様に、平面視において、圧力室６１１と重なる位置に重畳部５３４及び金属層５５が位置してもよい。
【００９３】
封止板６４は、アクチュエーターユニット６３の圧力室形成基板６１とは反対側の面に接合されている。この封止板６４のアクチュエーターユニット６３側の面には、圧電素子５を収容可能な収容空部６４１が形成されている。また、封止板６４の連通開口部６３４及び連通部６１３に対応する領域には、液室空部６４２が設けられている。液室空部６４２は、連通開口部６３４及び連通部６１３と連通し、各圧力室６１１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６４には、アクチュエーターユニット６３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、上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。
【００９４】
このような構成の記録ヘッド６０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６１２、圧力室６１１、及びノズル６２１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６１１に対応するそれぞれの圧電素子５が駆動されると、振動板６３１の圧力室６１１に対応する領域（可撓部）が変位し、圧力室６１１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６２１からインクが噴射される。
【００９５】
［第３実施形態の作用効果］
上述のように構成される第３実施形態では、第１実施形態と同様に、圧電素子５は、平面視にて、重畳部５３４を跨ぎ、上部電極本体部５３１から延設部５２２に亘って延設される絶縁層５４及び金属層５５を備える。このような構成では、金属層５５の弾性によって、圧電膜５２の重畳部５３４と重なる位置への応力集中を緩和できる。したがって、圧電膜５２にクラックや焼損が生じることを抑制でき、圧電素子５の性能低下を抑制でき、ひいては、記録ヘッド６０の性能低下を抑制できる。
【００９６】
［他の変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態及び変形例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。
上記各実施形態において、圧電膜５２は、重畳部５３４の全範囲に重なるように設けられていたが、これに限定されない。例えば、圧電膜５２は、重畳部５３４の少なくとも一部の内側から外側に向かって延設されていてもよい。このような構成でも、重畳部５３４の少なくとも一部を覆う位置に金属層５５を形成することにより、圧電膜５２にクラックや焼損が生じることを抑制できる。
【００９７】
上記各実施形態では、下部電極本体部５１１及び上部電極本体部５３１は、それぞれ金属材料で形成された一層の導電層により構成されているが、これに限定されず、二層以上の導電層を有する構成としてもよいし、金属以外の導電性材料で形成されてもよい。また、圧電膜５２も同様に、二層以上の圧電体層で形成されてもよい。また、金属層５５も同様に二層以上の金属層で構成されてもよい。
【００９８】
上記各実施形態では、振動膜４１２の基板本体部４１１（開口部４１１Ｃ）とは反対側に圧電素子５及び封止板４２が設けられ、基板本体部４１１に音響層４３及び音響レンズ４４が設けられ、基板本体部４１１側の面から超音波の送受信が行われる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、振動膜４１２の基板本体部４１１とは反対側に圧電素子５、音響層４３及び音響レンズ４４が設けられ、基板本体部４１１に封止板４２（補強板）が設けられ、基板本体部４１１とは反対側の面から超音波の送受信が行われる構成としてもよい。
【００９９】
上記各実施形態では、圧電アクチュエーターの一例として、駆動部に相当する可撓部４１２Ｃと、可撓部４１２Ｃを振動させる圧電素子５と、を備える超音波トランスデューサー４５を例示したが、これに限定されない。例えば、圧電アクチュエーターは、振動膜以外の駆動部を備えていてもよい。例えば、駆動部として反射膜を備え、圧電素子を駆動させることにより、反射膜の向きや曲率を変化させるミラーデバイス等にも、本発明の圧電素子を好適に適用することができる。
【０１００】
上記各実施形態では、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や液体噴射装置を例示したが、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、上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。
【０１０１】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１…超音波測定装置、２…超音波プローブ、５，５Ａ…圧電素子、１０…制御装置、２２，２２Ａ…超音波デバイス、４１…素子基板、４２…封止板、４３…音響層、４４…音響レンズ、４５，４７…超音波トランスデューサー、５０…圧電素子本体、５１…下部電極、５２…圧電膜、５３…上部電極、５４…絶縁層、５５…金属層、６０…記録ヘッド、１００…プリンター、４１１…基板本体部、４１１Ａ…前面、４１１Ｂ…背面、４１１Ｃ…開口部、４１１Ｄ…壁部、４１２…振動膜、４１２Ａ…超音波送受面、４１２Ｂ…作動面、４１２Ｃ…可撓部、４２１…凹溝、５１１…下部電極本体部、５１２…下部電極接続部、５１３…下部電極被覆部、５２１…圧電膜本体部、５２２…延設部、５３１…上部電極本体部、５３２…上部電極接続部、５３３…外周縁、５３４…重畳部、５５１…Ｙ側端縁、Ｌｙ…突出量。
【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】
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【図１０】
2018056376.tif 000012
【図１１】
2018056376.tif 000013
【図１２】
2018056376.tif 000014
【図１３】
2018056376.tif 000015
【図１４】
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