(57)【要約】【課題】振動板を再現性良く所望の厚さに加工する。また、振動板の膜圧のばらつきを抑制することにより、特性の安定した圧電素子を提供する。【解決手段】基板１に第１前駆体１１ａを塗布する第１前駆体塗布工程と、第１前駆体を結晶化し、第１結晶層１１Ａ形成する第１結晶層形成工程と、第１結晶層１１Ａ上に、第２前駆体１１ｂを塗布する第２前駆体塗布工程と、ウェットエッチングにより第２前駆体１１ｂの一部に凹部１４を形成する凹部形成工程と、第２前駆体１１ｂを結晶化し、第２結晶層１１Ｂを形成する第２結晶層形成工程と、凹部１４内に第１電極２０を形成する第１電極形成工程と、第１電極２０上に圧電体層３０を形成する圧電体層形成工程と、圧電体層３０上に第２電極４０を形成する第２電極形成工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に第１前駆体を塗布する第１前駆体塗布工程と、
前記第１前駆体を結晶化し、第１結晶層を形成する第１結晶層形成工程と、
前記第１結晶層上に、第２前駆体を塗布する第２前駆体塗布工程と、
ウェットエッチングにより第２前駆体の一部に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記第２前駆体を結晶化し、第２結晶層を形成する第２結晶層形成工程と、
前記凹部内に第１電極を形成する第１電極形成工程と、
前記第１電極上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
前記圧電体層上に第２電極を形成する第２電極形成工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
前記凹部形成工程では、第１結晶層が露出するまでウェットエッチングすることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２前駆体塗布工程では、スピンコート法で前記第２前駆体を塗布することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１結晶層と、前記第２結晶層との少なくとも一方は、酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１電極形成工程では、めっき法を用いて前記第１電極を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１電極形成工程では、前記第１電極が白金であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１電極形成工程では、パラジウム触媒を用いることにより前記第１電極を形成することを特徴とする請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の圧電素子の製造方法により製造されることを特徴とする圧電素子。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項１０】
請求項９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１１】
請求項８に記載の圧電素子を具備す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、圧電素子の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、及び超音波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動板と、下電極と、圧電体層と、上電極を備えた圧電素子において、振動板の一部に凹部が設けられ、当該凹部内に下電極が形成された構造が提案されている。この圧電素子では、振動板の一部を所望の深さになるまでエッチングして凹部を形成し、当該凹部内に下電極を形成している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５５８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の圧電素子では、振動板の凹部を再現性良く所望の深さに加工することは難しいため、凹部の深さ寸法がばらついてしまう。これにより、振動板の駆動部の厚み及び凹部内に形成される下電極の厚みも不均一となるため、圧電素子の圧電特性にばらつきが発生してしまう、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
本適用例に係る圧電素子の製造方法は、基板１に第１前駆体を塗布する第１前駆体塗布工程と、前記第１前駆体を結晶化し、第１結晶層を形成する第１結晶層形成工程と、前記第１結晶層上に、第２前駆体を塗布する第２前駆体塗布工程と、ウェットエッチングにより第２前駆体の一部に凹部を形成する、凹部形成工程と、前記第２前駆体を結晶化し、第２結晶層を形成する第２結晶層形成工程と、前記凹部内に第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に第２電極を形成する第２電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、第１前駆体が結晶化された第１結晶層上に第２前駆体が塗布される。そして、前駆体の状態である第２前駆体がウェットエッチングされる。すなわち、第２前駆体が結晶化される前の状態でウェットエッチングが施される。そうすると、第２前駆体は柔性のため容易にエッチングが進行するが、第１前駆体は硬いため、第１結晶層の表面においてウェットエッチングの進行が規制される。これにより、第２前駆体の厚み分の凹部が形成される。そして、凹部が形成された状態の第２前駆体が結晶化される。これにより、均一の深さを有する凹部が形成されるとともに、均一な駆動部の厚みを有する振動板が形成される。従って、振動板の凹部の深さ寸法が均一化され、これにより、振動板の駆動部の厚み及び凹部内に形成される第１電極の厚みも均一となるため、圧電素子の圧電特性のばらつきを低減させることができる。
【０００８】
［適用例２］
前記凹部形成工程では、前記第１結晶層が露出するまでウェットエッチングすることが好ましい。
【０００９】
本適用例によれば、第１結晶層の表面まで凹部が形成される。従って、確実に所望の深さの凹部を得られ、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００１０】
［適用例３］
前記第２前駆体塗布工程は、スピンコート法で前記第２前駆体を塗布することが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、第２前駆体の膜厚のばらつきを抑えられる。従って、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００１２】
［適用例４］
前記第１結晶層と、前記第２結晶層との少なくとも一方は、酸化ジルコニウムを含むことが好ましい。
【００１３】
本適用例によれば、結晶化工程時に起こる元素の拡散を防止することができるため、剛性、バリア性に優れた圧電素子となる。従って、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００１４】
［適用例５］
前記第１電極形成工程では、めっき法を用いて前記第１電極を形成することが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、第１電極を形成する工程がめっき法であるため、選択的に第１電極を形成することができる。従って、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００１６】
［適用例６］
前記第１電極形成工程では、前記第１電極が白金であることが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、第１電極が白金を含むため、剛性、バリア性に優れた圧電素子となる。従って、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００１８】
［適用例７］
前記第１電極形成工程では、パラジウム触媒を用いることにより前記第１電極を形成することが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、前記第１電極を形成する工程は、パラジウム触媒を用いるため、選択的に第１電極を形成することができる。従って、圧電素子の圧電特性を更に向上することができる。
【００２０】
［適用例８］
本適用例に係る圧電素子は、上記圧電素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００２１】
本適用例によれば、振動板は均一な凹部の深さを有することができる。また、第１結晶層の表面が物理的、または化学的にエッチングされないため、その上に形成される第１電極及び圧電体の配向性が向上する。従って、圧電素子の圧電特性を向上することができる。
【００２２】
［適用例９］
本適用例に係る液体噴射ヘッドでは、上記圧電素子を含むことを特徴とする。
【００２３】
本適用例によれば、吐出特性に優れた液体噴射ヘッドを提供することができる。
【００２４】
［適用例１０］
本適用例に係る液体噴射装置では、上記液体噴射ヘッドを含むことを特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、高品質な液体噴射装置を提供することができる。
【００２６】
［適用例１１］
本適用例に係る超音波デバイスでは、上記圧電素子を含むことを特徴とする。
【００２７】
本適用例によれば、高精度な超音波デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に係る圧電素子の構成を示す概略図。
【図２】実施形態１に係る圧電素子の製造方法を示す工程図。
【図３】実施形態２に係る圧電素子の製造方法を示す工程図。
【図４】液体噴射ヘッドの構成を示す模式図。
【図５】液体噴射ヘッドの製造方法を示す工程図。
【図６】液体噴射装置の構成を示す模式図。
【図７】超音波デバイスの構成を示す模式図。
【図８】超音波トランスデューサーの構成を示す一部断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各部材等を認識可能な程度の大きさにするため、各部材等の尺度を実際とは異ならせて示している。
【００３０】
（実施形態１）
「圧電素子」
まず、圧電素子の構造について説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子の構成を示し、図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態に係る圧電素子１００は、振動板１０、第１電極２０、圧電体層３０、及び第２電極４０を含む。
【００３２】
なお、本発明において、「圧電素子」という文言は、「圧電アクチュエーター」という文言に置換可能な文言とする。従って、圧電アクチュエーター１００は、振動板１０、第１電極２０、圧電体層３０、及び第２電極４０を含んでいてもよい。
【００３３】
図１（Ａ）に示すように、圧電素子１００は、振動板１０、振動板１０上の第１電極２０、第１電極２０上の圧電体層３０、及び圧電体層３０上の第２電極４０にて形成される。本実施形態では、振動板１０は第１結晶層１１Ａと第２結晶層１１Ｂとを有する。ここで、圧電素子１００の長手方向を第１の方向１１０とする。また、図１に示すように、第１の方向と交差する方向を第２の方向１２０とする。なお、本実施形態では第１の方向１１０と第２の方向１２０とは直交関係に位置している。
【００３４】
図１に示すように、振動板１０は第１の面１６（上面）を有する。第１の面１６は、後述される圧電体層３０、及び第２電極４０が設けられる面である。振動板１０は、図１（Ｂ）に示すように、複数の層の積層体であってもよい。振動板１０の材質としては、例えば、窒化シリコンなどの無機窒化物、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、酸化チタンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を用いることができる。例えば、振動板１０には、酸化ジルコニウムを用いてもよい。振動板１０の厚みは、用いる材質の弾性率などに従って最適に選ばれる。振動板１０が圧電素子１００を含む圧電アクチュエーターの振動板１０である場合は、振動板１０の厚みは、例えば、２００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができる。振動板１０の厚みが２００ｎｍよりも薄いと、振動等の機械的出力を取り出しにくくなることがあり、５０００ｎｍよりも厚いと、振動等が生じなくなる場合がある。振動板１０は、圧電体層３０の動作により、たわんだり振動したりすることができる。
【００３５】
振動板１０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、第１の面１６において凹部１４を有する。凹部１４は、第１の面１６において、上方に後述される圧電体層３０が設けられる位置に形成される。図示はされないが、振動板１０には、複数の凹部１４が隣り合うように配置されていてもよい。凹部１４の形状は、振動板１０の第１の面１６において、窪みを形成することができる限り、特に限定されない。凹部１４の内面は、第１の面１６における開口部に連続したテーパー状側面及び底面から構成されていてもよい。図１（Ａ）に示すように、凹部１４は、底面が、第１の方向１１０において延びるように形成されていてもよい。つまりは、凹部１４は、溝状凹部であってもよい。図示はされないが、凹部１４の側面は、テーパー状ではなく、第１の面１６から鉛直方向に延びる面であってもよい。また、図示はされないが、凹部１４の内面は、例えば略円弧状の連続した曲面から形成されていてもよい。
【００３６】
凹部１４は、図１（Ｂ）に示すように、振動板１０を貫通せずに形成されている。これによれば、振動板１０が、バリア層としても機能することになる。例えば、第１電極２０及び圧電体層３０等に含まれる金属元素の拡散を防止することができるため、圧電素子１００の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
第１電極２０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、振動板１０の凹部１４内に形成され、凹部１４を充填する。ここで、図１（Ｂ）に示すように、第１電極２０は、第１の面１６と連続した平面を構成する面２１（上面２１）を有する。従って、第１電極２０が形成される領域は、振動板１０に形成された凹部１４の形状によって制限される。図１（Ａ）に示すように、凹部１４は、第１の方向１１０において延びるように形成されているため、第１電極２０も第１の方向１１０において延びるように形成される。第１電極２０は、第２電極４０と対になり、圧電体層３０を挟む一方の電極として機能する。第１電極２０は、例えば、圧電素子１００の下部電極であってもよい。図示はされないが、第１電極２０は、駆動回路と電気的に接続しているリード配線と電気的に接続されている。第１電極２０とリード配線との電気的接続方法は、特に限定されない。
【００３８】
第１電極２０の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第１電極２０の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｇ，Ｐｄ、Ｃｕなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば、酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第１電極２０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００３９】
圧電体層３０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示されるように、第１電極２０と第２電極４０との間に配置されている。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０は、振動板１０（第１の面１６）及び第１電極２０（上面２１）が構成する連続した平面の上に形成される。図１（Ａ）に示すように、圧電体層３０は、第１の方向１１０に延びるように形成されていてもよい。図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０は、後述される第２電極４０が形成される上面３１（第１電極２０側の面とは反対側の面）と、テーパー状の側面とを有する。圧電体層３０の厚みは、電圧が印加される際に、実質的に伸縮変形できる限り、特に限定されない。
【００４０】
圧電体層３０の材質としては、圧電特性を有する圧電材料であれば特に限定されないが、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ3）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ3）などの系が挙げられる。また、圧電体層３０の材質は、上記ペロブスカイト型酸化物材料の混晶系であってもよい。
【００４１】
第２電極４０は、圧電体層３０の上において、第１電極２０と対向するように配置される。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、第２電極４０は、第２の方向１２０において、圧電体層３０を覆うように形成されていてもよい。第２電極４０の形成される領域は、図１（Ｂ）に示すように、圧電体層３０の上で、第１電極２０の少なくとも一部とオーバーラップし、駆動領域３５（第１電極２０と第２電極４０との間に挟まれた圧電体層３０の領域で、実質的に変形する領域）を形成する限り、特に限定されない。従って、第２電極４０の詳細な形状は、駆動領域を決定する際の設計事項であり、所望の駆動領域に応じて適宜決定されることができる。図示はされないが、第２電極４０は、複数の隣り合う圧電体層３０を連続して覆っていてもよい。
【００４２】
第２電極４０は、第１電極２０と対になり、圧電体層３０を挟む一方の電極として機能する。第１電極２０が下部電極である場合は、第２電極４０は上部電極であってもよい。第２電極４０は、図示しない駆動回路と電気的に接続されている。第２電極４０と駆動回路との電気的接続方法は、特に限定されない。第２電極４０と駆動回路とは、図示されないリード配線を介して電気的に接続されていてもよい。また、図示はされないが、第２電極４０の一部の表面には絶縁性の保護層が形成されていてもよい。
【００４３】
第２電極４０の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第２電極４０の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄ，Ｃｕなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第２電極４０は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
【００４４】
以上の何れかの構成により、本実施形態に係る圧電素子１００を構成することができる。本実施形態に係る圧電素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００４５】
本実施形態に係る圧電素子１００によれば、第１電極２０が振動板１０の凹部１４内に形成され、かつ、その上面２１は、振動板１０の第１の面１６と連続した平面を構成する。これによれば、第１電極２０が、振動板１０の第１の面１６から圧電体層３０側へ突出した部分を有しないため、駆動時における圧電体層３０内での電界集中を緩和することができる。従って、圧電体層３０に印加される電界がより均一化され、構成部材にかかる応力の集中も緩和されるため、クラックが発生しにくくなる。従って、信頼性が向上した圧電素子１００を提供することができる。
【００４６】
また、本実施形態に係る圧電素子１００によれば、振動板１０（第１の面１６）及び第１電極２０（上面２１）が構成する連続した平面の上に形成された圧電体層３０を有する。これによれば、本実施形態に係る圧電素子１００の圧電体層３０の膜厚は均一で、上面２１は平坦な面であることができる。また、圧電体層３０は、結晶成長の界面が平面であるため、結晶成長が安定し、結晶構造がより均一となった圧電体層３０であることができる。
【００４７】
「圧電素子の製造方法」
【００４８】
次に、圧電素子の製造方法について説明する。図２は、本実施形態の圧電素子１００の製造方法を模式的に示す工程図である。
【００４９】
まず、第１前駆体塗布工程では、図２（Ａ）に示すように、基板１に第１前駆体１１ａを塗布する。必要によって、溶媒を除去するための脱脂ベークを行っても良い。基板１はＳｉなどで形成され、必要によってＳｉＯ2などの保護層がすでに形成されていても良い。例えば、液相酸化ジルコニウムの前駆体を７５ｎｍの厚さでスピンコートにより塗布し、ホットプレートで４００℃、１ｍｉｎの脱脂を行うことができる。
【００５０】
次に、第１結晶層形成工程では、図２（Ｂ）に示すように、第１前駆体１１ａを結晶化し、第１結晶層１１Ａを形成する。例えば、ランプアニール炉で、酸素雰囲気、８５０℃、１０ｍｉｎの熱処理を行うことができる。これにより、液相酸化ジルコニウムの前駆体は、酸化ジルコニウムの第１結晶層１１Ａとなる。
【００５１】
次に、第２前駆体塗布工程では、図２（Ｃ）に示すように、第１結晶層上に第２前駆体１１ｂを塗布する。必要に応じて脱脂を行ってもよい。塗布方法は、第１前駆体１１ａと同じでよい。第２前駆体は第１前駆体１１ａと同じ材料でも良いし、異なっていても良い。例えば、第１前駆体１１ａと全く同じ方法とすることができる。第２前駆体の膜厚が第１電極２０の膜厚を決定するが、例えばスピンコートで第２前駆体を形成すれば、±２％以内のばらつきに抑えられる。
【００５２】
次に、凹部形成工程では、図２（Ｄ）に示すように、ウェットエッチングにより第２前駆体１１ｂの一部に凹部１４を形成する。例えば、フォトリソグラフィー技術及び／またはエッチング技術などで行うことができる。なお、本実施形態では第１結晶層１１Ａが露出するまでウェットエッチングを行う。ウェットエッチングとして、フッ酸と塩酸の混合溶液で行うことができる。このとき、第１結晶層１１Ａの酸化ジルコニウムは、この薬液に対して安定であり、ウェットエッチングによりエッチングされないが、第２前駆体１１ｂは容易に除去される。よって、第１結晶層１１Ａの表面には、化学的、物理的なダメージがほとんど入らない。従って、確実に第２前駆体１１ｂの厚み分の凹部１４を形成することができる。
【００５３】
次に、第２結晶層形成工程では、図２（Ｅ）に示すように、第２前駆体１１ｂを結晶化し、第２結晶層１１Ｂを形成する。例えば、第１結晶層１１Ａと全く同じ熱処理を行うことができる。第２前駆体１１ｂにも第１前駆体１１ａと同じ材料を用いれば、酸化ジルコニウムの第２結晶層１１Ｂとなり、第１結晶層１１Ａと同じ材料となる。これにより、凹部１４を有する振動板１０が形成される。
【００５４】
次に、第１電極形成工程では、図２（Ｆ）に示すように、凹部１４内に第１電極２０を形成する。例えば、スパッタでＴｉ２０ｎｍ、その上に同じくスパッタで白金１００ｎｍを成膜し、必要に応じて表面を研磨することで、第１の面１６及び第１電極２０の上面が連続した平面を形成できる。その他の形成方法は、ＭＯＤ法、めっき法、スピンコート法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などでも可能である。
【００５５】
次に、圧電体形成工程では、図２（Ｇ）に示すように、第１電極２０上に圧電体層３０を形成する。形成方法は特に限定されず、公知の成膜方法及び焼成方法を用いることができる。例えば、ゾルゲル法などによる前駆体溶液からなる圧電材料を塗布し、熱処理することで圧電体層３０を形成することができる。また、圧電体層３０は、スピンコート法、ＣＶＤ法、ＭＯＤ法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などを用いて形成されてもよい。熱処理の条件は、用いられるプロセス、圧電材料によって適宜決定される。熱処理の条件は、用いられる圧電材料膜が結晶化できる温度であれば、特に限定されない。熱処理は、例えば、酸素雰囲気中において、５００度以上、９００度以下で行われることができる。また、熱処理は、脱脂などを目的とした仮焼成を含んでいてもよい。
【００５６】
このとき、第１の面１６と上面２１とが構成する平面の上に、配向制御膜を形成してもよい。配向制御膜とは、圧電体層３０が焼成時に結晶化する際の配向を制御する層である。配向制御膜には、例えば、チタン膜、ランタンニッケル酸化物膜などを用いることができる。また、配向制御膜の他に、窒化チタン膜などの導電膜の酸化防止膜を形成してもよい。
【００５７】
ここで、圧電体層３０は、第１の面１６と上面２１とが構成する平面の上に成膜された後に熱処理されて形成される。これによれば、得られる圧電体層３０の膜厚は均一であり、かつ、上面は平坦な面であることができる。
【００５８】
次に、第２電極形成工程では、図２（Ｈ）に示すように、圧電体層３０上に第２電極４０を形成する。
【００５９】
以上の工程を経ることにより、圧電素子１００が形成される。以上、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６０】
振動板１０は、第１結晶層１１Ａと第２前駆体１１ｂとを積層した状態でウェットエッチングを行う工程を経るため、再現性良く所望の厚さに加工することが容易となり、振動板１０の凹部１４の深さのばらつきを抑制することができる。また、埋め込まれる第１電極２０の厚さが変化し、圧電素子１００の特性にばらつきが発生することを抑制することができる。更に、振動板１０はバリア層としても機能するため、加工精度によっての膜剥がれを抑制することができる。更に、振動板１０の表面が物理的、または化学的にエッチングされないため、その上に形成する第１電極２０及び圧電体層３０の結晶配向性が上がり、圧電素子の特性が向上する。
【００６１】
（実施形態２）
次に、実施形態２について説明する。図３は、実施形態２に係る圧電素子の製造方法を示す工程図である。本実施形態に係る圧電素子について、これらの図を参照して説明する。なお、実施形態１と同一である凹部形成工程までの構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。実施形態２では第１電極形成工程以降について説明する。
【００６２】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）までの工程と同様の工程により、第２前駆体１１ｂを塗布する。次に、図３（Ａ）に示すように、第２前駆体１１ｂをウェットエッチングでパターニングする。このときのレジストＲを除去しない。
【００６３】
次に、図３（Ｂ）に示すように、レジストＲ表面及び凹部１４にパラジウム触媒Ｃを塗布する。例えば、パラジウム触媒Ｃの溶液にディップすることで塗布できる。
【００６４】
次に、図３（Ｃ）に示すように、レジストＲを除去し、レジストＲ上のパラジウム触媒Ｃをリフトオフする。アセトンなどの薬液でレジストＲを除去すると好適にリフトオフができる。これにより凹部１４の表面にのみパラジウムを塗布することができる。
【００６５】
次に、図３（Ｄ）に示すように、第２前駆体を熱処理し、第２結晶層１１Ｂを形成する。
【００６６】
次に、図３（Ｅ）に示すように、白金をめっきする。このとき、パラジウム触媒Ｃのある部分のみに成膜される。すなわち、第２結晶層１１Ｂの凹部１４のみに第１電極２０が形成される。その後は実施形態１と同様に、第１電極２０上に圧電体層３０を形成し、圧電体層３０上に第２電極４０を形成する。これにより、圧電素子１００ａが形成される。
【００６７】
以上、上記実施形態によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
【００６８】
パラジウム触媒Ｃのある部分に白金をめっきすることができる。つまり、選択的に第１電極２０を形成可能となるため、圧電素子の加工を更に容易にすることができる。
【００６９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、基板１上に第１結晶層１１Ａが設けられているが、これに限らず、基板１と第１結晶層１１Ａとの間には更に保護層を含んでいてもよい。たとえば酸化シリコンなどを用いることができる。この場合では、基板１の第１結晶層側とは反対側からのエッチングの際、保護層がエッチングストッパーとして機能するため、圧電素子１００がエッチャントの影響を受けない。従って、より圧電特性の安定した圧電素子を提供することができる。
【００７０】
「液体噴射ヘッド」
【００７１】
次に、液体噴射ヘッド６００の構成について説明する。図４は、液体噴射ヘッド６００の構成を示し、図４（Ａ）は断面図であり、図４（Ｂ）は、組み立て図である。
【００７２】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、液体噴射ヘッド６００は、上述の圧電素子（圧電アクチュエーター、１００、（１００ａ）を有する。以下、圧電素子１００及び圧電素子１００ａを圧電素子１００と記載する。更に、圧電素子と圧電アクチュエーターとをあわせて圧電素子１００と記載する。また、液体噴射ヘッド６００は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、振動板１０の圧電体層側とは反対側において、圧力室６２２を形成するための圧力室基板６２０と、圧力室基板６２０の圧電体層側とは反対側において、ノズル孔６１２を有するノズル板６１０と、を含む。
【００７３】
圧電素子１００の数は特に限定されず、複数形成されていてよい。なお、圧電素子１００が複数形成される場合は、振動板１０は共通の基板となり、複数の凹部１４が形成され、かつ、第２電極４０が共通電極となる。更に、液体噴射ヘッド６００は、図４（Ｂ）に示すように、筐体６３０を有することができる。
【００７４】
ノズル板６１０は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、ノズル孔６１２を有する。ノズル孔６１２からは、インクなどの液体等（液体のみならず、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したもの、又は、メタルフレーク等を含むものなどを含む。以下同じ。）を液体として吐出されることができる。ノズル板６１０には、例えば、多数のノズル孔６１２が一列に設けられている。ノズル板６１０の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを挙げることができる。
【００７５】
圧力室基板６２０は、ノズル板６１０上に設けられている。圧力室基板６２０の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板６２０がノズル板６１０と振動板１０との間の空間を区画することにより、図４（Ｂ）に示すように、リザーバー（液体貯留部）６２４と、リザーバー６２４と連通する供給口６２６と、供給口６２６と連通する圧力室６２２と、が設けられている。この例では、リザーバー６２４と、供給口６２６と、圧力室６２２とを区別して説明するが、これらはいずれも液体等の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口６２６は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計に従って任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー６２４、供給口６２６及び圧力室６２２は、ノズル板６１０と圧力室基板６２０と振動板１０とによって区画されている。リザーバー６２４は、外部（例えばインクカートリッジ）から、振動板１０に設けられた貫通孔６２８を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー６２４内のインクは、供給口６２６を介して、圧力室６２２に供給されることができる。圧力室６２２は、振動板１０の変形により容積が変化する。圧力室６２２はノズル孔６１２と連通しており、圧力室６２２の容積が変化することによって、ノズル孔６１２から液体等が吐出される。
【００７６】
圧電素子１００は、圧力室基板６２０上に設けられている。圧電素子１００は、圧電素子駆動回路（図示せず）に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作（振動、変形）することができる。振動板１０は、積層構造（圧電体層３０）の動作によって変形し、圧力室６２２の内部圧力を適宜変化させることができる。
【００７７】
筐体６３０は、図４（Ｂ）に示すように、ノズル板６１０、圧力室基板６２０及び圧電素子１００を収納することができる。筐体６３０の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
【００７８】
液体噴射ヘッド６００は、信頼性が向上した圧電素子１００を含んでいる。従って、信頼性の向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
【００７９】
「液体噴射ヘッドの製造方法」
【００８０】
次に、液体噴射ヘッドの製造方法について説明する。図５は、本実施形態の液体噴射ヘッド６００の製造工程を示す工程図である。なお、本実施形態では、上述の圧電素子１００、（１００ａ）を備えた液体噴射ヘッド６００の製造方法について説明する。
【００８１】
まず、図５（Ａ）に示すように、図２で示した圧電素子１００を用意する。
【００８２】
次に、図５（Ｂ）に示すように、圧電素子１００の基板１を加工することにより圧力室６２２を形成する。例えば、フォトリソグラフィー技術及び／またはエッチング技術などで行うことができる。
【００８３】
次に、図５（Ｃ）に示すように、圧力室基板６２０の圧電体層側とは反対側において、ノズル板６１０を形成する。ノズル板６１０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して基板に固着されている。なお、ノズル板６１０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］である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などからなる。
【００８４】
なお、ここでは、液体噴射ヘッド６００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッド６００は、例えば、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（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【００８５】
「液体噴射装置」
【００８６】
次に、本実施形態に係る液体噴射装置７００について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る液体噴射装置７００を模式的に示す斜視図である。液体噴射装置７００は、上述の液体噴射ヘッド６００を有する。以下では、液体噴射装置７００が上述の液体噴射ヘッド６００を有するインクジェットプリンターである場合について説明する。
【００８７】
液体噴射装置７００は、図６に示すように、ヘッドユニット７３０と、駆動部７１０と、制御部７６０と、を含む。更に、液体噴射装置７００は、装置本体７２０と、給紙部７５０と、記録用紙Ｐを設置するトレイ７２１と、記録用紙Ｐを排出する排出口７２２と、装置本体７２０の上面に配置された操作パネル７７０と、を含むことができる。
【００８８】
ヘッドユニット７３０は、上述した液体噴射ヘッド６００から構成されるインクジェット式記録ヘッド（以下単に「ヘッド」ともいう）を有する。ヘッドユニット７３０は、更に、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７３１と、ヘッド及びインクカートリッジ７３１を搭載した運搬部（キャリッジ）７３２と、を備える。
【００８９】
駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０を往復動させることができる。駆動部７１０は、ヘッドユニット７３０の駆動源となるキャリッジモーター７４１と、キャリッジモーター７４１の回転を受けて、ヘッドユニット７３０を往復動させる往復動機構７４２と、を有する。
【００９０】
往復動機構７４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸７４４と、キャリッジガイド軸７４４と平行に延在するタイミングベルト７４３と、を備える。キャリッジガイド軸７４４は、キャリッジ７３２が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ７３２を支持している。更に、キャリッジ７３２は、タイミングベルト７４３の一部に固定されている。キャリッジモーター７４１の作動により、タイミングベルト７４３を走行させると、キャリッジガイド軸７４４に導かれて、ヘッドユニット７３０が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
【００９１】
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド６００及び記録用紙Ｐがいずれも移動しながら印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置７００は、液体噴射ヘッド６００及び記録用紙Ｐが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Ｐに印刷される機構であってもよい。また、本実施形態では、記録用紙Ｐに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置７００によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
【００９２】
制御部７６０は、ヘッドユニット７３０、駆動部７１０及び給紙部７５０を制御することができる。
【００９３】
給紙部７５０は、記録用紙Ｐをトレイ７２１からヘッドユニット７３０側へ送り込むことができる。給紙部７５０は、その駆動源となる給紙モーター７５１と、給紙モーター７５１の作動により回転する給紙ローラー７５２と、を備える。給紙ローラー７５２は、記録用紙Ｐの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー７５２ａ及び駆動ローラー７５２ｂを備える。駆動ローラー７５２ｂは、給紙モーター７５１に連結されている。制御部７６０によって給紙部７５０が駆動されると、記録用紙Ｐは、ヘッドユニット７３０の下方を通過するように送られる。
【００９４】
ヘッドユニット７３０、駆動部７１０、制御部７６０及び給紙部７５０は、装置本体７２０の内部に設けられている。 
【００９５】
液体噴射装置７００は、信頼性が向上した圧電素子１００を含んでいる。従って、信頼性の向上した液体噴射装置を実現できる。
【００９６】
なお、上記例示した液体噴射装置７００は、１つの液体噴射ヘッド６００を有し、この液体噴射ヘッド６００によって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液体噴射ヘッド６００を有してもよい。液体噴射装置７００が複数の液体噴射ヘッド６００を有する場合には、複数の液体噴射ヘッド６００は、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体噴射ヘッド６００が互いに連結されて、１つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔６１２が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
【００９７】
以上、本発明に係る液体噴射装置７００の一例として、インクジェットプリンターとしての液体噴射装置７００を説明したが、本発明に係る液体噴射装置は、コンシューマー向け以外の記録装置にも利用することができる。この場合に吐出される液体等（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液体噴射装置７００は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、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装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
【００９８】
なお、上述した実施形態及び各種の変形は、それぞれ一例であって、本発明は、これらに限定されるわけではない。例えば実施形態及び各変形は、複数を適宜組み合わせることが可能である。
【００９９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、更に種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【０１００】
「超音波デバイス」
【０１０１】
次に、超音波デバイス８００の構成について説明する。図７は、本発明の実施形態に係る超音波デバイス８００の構成を示す模式図である。なお、本実施形態では、上述の圧電素子１００、（１００ａ）を有する超音波トランスデューサー９００を備えた超音波デバイス８００の構成について説明する。ここで、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。
【０１０２】
図７に示すように、超音波デバイス８００は複数の超音波トランスデューサー９００を含む。また、超音波トランスデューサー９００は発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２とを有する。そして、発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２とが基板１上にアレイ状に設けられ、超音波デバイス８００（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スデューサー９０１及び受信用超音波トランスデューサー９０２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。
【０１０３】
また、通電するトランス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。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ことができる。
【０１０４】
なお、発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２をトランスデューサーごとに交互配置することも可能である。
【０１０５】
なお、本実施形態は、デバイスの小型化のため、一枚の基板１上に発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２を両方配置したが、超音波トランスデューサー９００の機能に応じて発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２とはそれぞれ独立の基板１上に配置するか、或いは用途に応じて複数枚の基板１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スデューサー９００に発信と受信の機能を両方備えることも可能である。
【０１０６】
次に、超音波トランスデューサーの構成について説明する。図８は、超音波トランスデューサーの構成を示す一部断面図である。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１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１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。
【０１０７】
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する逆圧電効果を利用する。つまり、圧電体層３０の収縮と伸長による変化によって超音波を発信する。この場合は、圧電素子が発信用超音波トランスデューサー９０１である。
【０１０８】
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する正圧電効果を利用する。つまり、圧電体層３０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する。この場合は、圧電素子が受信用超音波トランスデューサー９０２である。
【０１０９】
なお、本実施形態においては、圧電素子とは、振動板１０と、振動板１０上に設けられた第１電極２０と、第１電極２０上に設けられた圧電体層３０と、圧電体層３０上に設けられた第２電極４０と、を具備するものである。
【０１１０】
基板１の上方（圧電体層３０側）に振動板１０が形成されている。振動板１０は、上述した実施形態と同様に、基板１上に形成された第１結晶層１１Ａと、第１結晶層上に設けられた第２結晶層１１Ｂとを具備する。
【０１１１】
なお、振動板１０の膜厚は、共振周波数に基づき決定する。本実施形態では、第１結晶層１１Ａを所望の厚みで形成することで、目標とする膜厚を備えた振動板１０を容易に厚膜化することができる。従って、高周波数による駆動が可能である。
【０１１２】
基板１には、開口部９２２が形成されている。開口部９２２は、基板１の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。
【０１１３】
第１電極２０、圧電体層３０及び第２電極４０については上述した実施形態と同様のため、構成の説明は省略する。なお、実施形態に対して、超音波デバイス８００はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッド６００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３０、振動板１０、各電極材料と基板１の構成、厚み及びヤング率などの物性値を調整してもよい。
【０１１４】
更に、発信用超音波トランスデューサー９０１と受信用超音波トランスデューサー９０２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スデューサー９０１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スデューサー９０２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。
【０１１５】
このように、本実施形態の超音波デバイス８００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１００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、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１００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。
【０１１６】
更に、圧電体層３０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。
なお、本実施形態の超音波トランスデューサー９００及び超音波デバイス８００は、上述した実施形態の何れの構成も適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１１７】
１…基板、１０…振動板、第１前駆体１１ａ、第２前駆体１１ｂ、１１Ａ…第１結晶層、１１Ｂ…第２結晶層、１４…凹部、２０…第１電極、３０…圧電体層，４０…第２電極、１００，１００ａ…圧電素子、６００…液体噴射ヘッド、６１０…ノズル板、６１２…ノズル孔、６２０…圧力室基板１、６２２…圧力室、６２４…リザーバー、６２６…供給口、６２８…貫通孔、６３０…筐体、７００…液体噴射装置、７１０…駆動部、７２０…装置本体、７２１…トレイ、７２２…排出口、７３０…ヘッドユニット、７３１…インクカートリッジ、７３２…キャリッジ、７４１…キャリッジモーター、７４２…往復動機構、７４３…タイミングベルト、７４４…キャリッジガイド軸、７５０…給紙部、７５１…給紙モーター、７５２…給紙ローラー、７５２ａ…従動ローラー、７５２ｂ…駆動ローラー、７６０…制御部、７７０…操作パネル、８００…超音波デバイス、９００…超音波トランスデューサー、９０１…発信用超音波トランスデューサー、９０２…受信用超音波トランスデューサー、９２２…開口部。
【図１】
2015035516.tif 000003
【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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