(57)【要約】  【課題】  圧電体層及び内部電極層の積層体と、その側面に形成された絶縁膜とが剥離し難い積層型圧電素子を提供する。  【解決手段】  複数の圧電体層１０と複数の電極層１１ａ及び１１ｂとが交互に配置された積層体と、該積層体の第１の側面領域において、電極層１１ａの端面の少なくとも一部に圧電材料によって形成された絶縁膜１４ａと、上記積層体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において、電極層１１ａと交互に配置された第２の電極層１１ｂの端面の少なくとも一部に圧電材料によって形成された絶縁膜１４ｂと、第１の側面領域に形成された側面電極であって、絶縁膜１４ａによって電極層１１ａから絶縁されると共に、電極層１１ｂと電気的に接続された側面電極１５ａと、第２の側面領域に形成された側面電極であって、絶縁膜１４ｂによって電極層１１ｂから絶縁されると共に、電極層１１ａと電気的に接続された側面電極１５ｂとを含む。【選択図】  図１
2007059525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に配置された積層体と、
前記積層体の第１の側面領域において、前記複数の電極層の内の第１の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第１の絶縁膜と、
前記積層体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において、前記複数の電極層の内の前記第１の電極層と交互に配置された第２の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第２の絶縁膜と、
前記第１の側面領域に形成された側面電極であって、前記第１の絶縁膜によって前記第１の電極層から絶縁されると共に、前記第２の電極層と電気的に接続された第１の側面電極と、
前記第２の側面領域に形成された側面電極であって、前記第２の絶縁膜によって前記第２の電極層から絶縁されると共に、前記第１の電極層と電気的に接続された第２の側面電極と、
を具備する積層型圧電素子。
【請求項２】
前記第１の電極層を挟んで隣接している２つの圧電体層の分極が前記第１の電極層側を向いていると共に、前記第２の電極層を挟んで隣接している２つの圧電体層の分極が前記第２の電極層の反対側を向いており、
前記第１の電極層の端面に形成された前記第１の絶縁膜の分極が前記第１の電極層の反対側を向いていると共に、前記第２の電極層の端面に形成された前記第２の絶縁膜の分極が前記第２の電極層側を向いている、
請求項１記載の積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の積層型圧電素子と、
前記第１及び第２の絶縁膜に抗電界より小さい電界強度を与える電圧で前記積層型圧電素子をバイポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の積層型圧電素子と、
前記第１及び第２の絶縁膜に抗電界より小さい電界強度を与える電圧で前記積層型圧電素子をユニポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の積層型圧電素子と、
前記第１及び第２の絶縁膜に抗電界より大きい電界強度を与える電圧で、且つ、前記第１及び第２の絶縁膜の分極を反転させない極性で前記積層型圧電素子をユニポーラ駆動する駆動回路と、
を具備する装置。
【請求項６】
複数の圧電体層と複数の電極層とを交互に配置することにより積層体を形成する工程（ａ）と、
前記積層体の第１の側面領域において、前記複数の電極層の内の第１の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第１の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
前記積層体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において、前記複数の電極層の内の前記第１の電極層と交互に配置された第２の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、
前記第１の側面領域に、前記第１の絶縁膜によって前記第１の電極層から絶縁されると共に、前記第２の電極層と電気的に接続される第１の側面電極を形成する工程（ｄ）と、
前記第２の側面領域に、前記第２の絶縁膜によって前記第２の電極層から絶縁されると共に、前記第１の電極層と電気的に接続される第２の側面電極を形成する工程（ｅ）と、
を具備する積層型圧電素子の製造方法。
【請求項７】
工程（ｂ）及び（ｃ）が、圧電材料の粉体をガスに分散させたエアロゾルを前記積層体の側面に向けて噴射して、圧電材料を所定の領域に堆積させるエアロゾルデポジション法により、前記第１及び第２の絶縁膜をそれぞれ形成することを含む、請求項６記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項８】
前記積層体に第１の極性の第１の電界を印加することにより、少なくとも前記複数の圧電体層の分極を所定の向きに揃えるための第１の分極処理を施す工程（ｆ）と、
その後に、前記積層体に第１の極性と逆の第２の極性で第１の電界よりも小さい第２の電界を印加することにより、前記第１及び第２の絶縁膜の分極のみを反転させるための第２の分極処理を施す工程（ｇ）と、
をさらに具備する請求項６又は７記載の積層型圧電素子の製造方法。
【請求項９】
工程（ｆ）が、前記第１の電極層を挟んで隣接している２つの圧電体層の分極が前記第１の電極層側を向くと共に、前記第２の電極層を挟んで隣接している２つの圧電体層の分極が前記第２の電極層の反対側を向くように第１の分極処理を施すことを含み、
工程（ｇ）が、前記複数の圧電体層の分極を反転させずに、前記第１の電極層の端面に形成された前記第１の絶縁膜の分極が前記第１の電極層の反対側を向くと共に、前記第２の電極層の端面に形成された前記第２の絶縁膜の分極が前記第２の電極層側を向くように第２の分極処理を施すことを含む、
請求項８記載の積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層構造を有する圧電素子（積層型圧電素子）、及び、その製造方法に関する。さらに、本発明は、そのような積層型圧電素子を用いるインクジェットヘッド、超音波撮像装置等の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛系ペロブスカイト構造を有する材料に代表される圧電体は、電界を印加することにより伸縮する圧電効果を生じる。このような性質を利用する圧電素子は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。圧電素子の構造は、１つの圧電体の両側に電極が形成された単層構造が基本であるが、近年のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）関連の機器の開発に伴う圧電素子の微細化及び集積化により、複数の圧電体と複数の電極とが交互に積層された積層型の圧電素子も用いられるようになっている。
【０００３】
図１０は、積層型圧電素子の構造を示す断面図である。この圧電素子は、交互に積層された圧電体層１００及び内部電極層１０１ａ及び１０１ｂと、下部電極１０２及び上部電極１０３と、内部電極層１０1ａ及び１０１ｂの端面に交互に形成された絶縁膜１０４ａ及び１０４ｂと、側面電極１０５ａ及び１０５ｂとを含んでいる。
【０００４】
側面電極１０５ａは、絶縁膜１０４ａによって内部電極層１０１ａから絶縁されていると共に、内部電極層１０１ｂに接続されている。一方、側面電極１０５ｂは、絶縁膜１０４ｂによって内部電極層１０１ｂから絶縁されていると共に、内部電極層１０１ａに接続されている。また、下部電極層１０２は側面電極１０５ａに接続され、上部電極層１０３は側面電極１０５ｂに接続されている。
【０００５】
圧電素子の電極をこのように形成することにより、複数の圧電体層１００の各々に電界を印加するための電極が並列に接続される。それにより、積層構造体全体として電極間容量が大きくなるので、圧電素子のサイズを小さくしても、電気インピーダンスの上昇を抑えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図１０に示す絶縁膜１０４ａ及び１０４ｂは、例えば、電気泳動法によりガラス粉末を内部電極層１０１ａ及び１０１ｂの端面に付着させたり、スクリーン印刷法によりガラス粉末を含有するペーストを所望の領域に配置することによって形成されている。そのため、圧電体層１００が伸縮した場合に、圧電体層１００の変位に絶縁膜１０４ａ及び１０４ｂが追随できずに、それらの界面において歪みが生じてしまう。それにより、絶縁膜１０４ａ及び１０４ｂが積層体（圧電体層１００並びに内部電極層１０１ａ及び１０１ｂ）から剥離し易くなるので、圧電素子の動作時における信頼性が低く、また、素子の寿命が短いという問題が生じている。
【０００７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、積層体の側面に形成された絶縁膜が、積層体から剥離し難い積層型圧電素子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ため、本発明の１つの観点に係る積層型圧電素子は、複数の圧電体層と複数の電極層とが交互に配置された積層体と、該積層体の第１の側面領域において、上記複数の電極層の内の第１の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第１の絶縁膜と、上記積層体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において、上記複数の電極層の内の上記第１の電極層と交互に配置された第２の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって形成された第２の絶縁膜と、第１の側面領域に形成された側面電極であって、第１の絶縁膜によって第１の電極層から絶縁されると共に、第２の電極層と電気的に接続された第１の側面電極と、第２の側面領域に形成された側面電極であって、第２の絶縁膜によって第２の電極層から絶縁されると共に、第１の電極層と電気的に接続された第２の側面電極とを具備する。
【０００９】
また、本発明の１つの観点に係る積層型圧電素子の製造方法は、複数の圧電体層と複数の電極層とを交互に配置することにより積層体を形成する工程（ａ）と、上記積層体の第１の側面領域において、上記複数の電極層の内の第１の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第１の絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、上記積層体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において、上記複数の電極層の内の上記第１の電極層と交互に配置された第２の電極層の端面の少なくとも一部に、圧電材料によって第２の絶縁膜を形成する工程（ｃ）と、第１の側面領域に、第１の絶縁膜によって第１の電極層から絶縁されると共に、第２の電極層と電気的に接続される第１の側面電極を形成する工程（ｄ）と、第２の側面領域に、第２の絶縁膜によって第２の電極層から絶縁されると共に、第１の電極層と電気的に接続される第２の側面電極を形成する工程（ｅ）とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、絶縁膜を圧電材料によって形成することにより、絶縁膜が圧電体層の変位に追随して伸縮するようになるので、絶縁膜と積層体との剥離を抑制することができる。それにより、圧電素子の動作の信頼性を向上させると共に、圧電素子及びそれを含む機器の寿命を伸ばすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す一部断面斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る積層型圧電素子は、例えば、底面の一辺が２００μｍ〜１．０ｍｍ程度で高さが３００μｍ〜１．０ｍｍ程度の柱状の構造体である。また、この積層型圧電素子は、複数の圧電体層１０と、複数の内部電極層１１ａ及び１１ｂと、下部電極層１２と、上部電極層１３と、絶縁膜１４ａ及び１４ｂと、側面電極１５ａ及び１５ｂとを含んでいる。圧電体層１０と内部電極層１１ａ及び１１ｂとは交互に配置されており、下部電極層１２及び上部電極層１３と共に、積層体を形成している。
【００１２】
圧電体層１０は、例えば、１００μｍ程度の厚さを有しており、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛系ペロブスカイト構造を有する複合酸化物によって形成されている。なお、図１には、３層の圧電体層１０が表されているが、圧電体層は、少なくとも２層あれば良く、４層以上あっても良い。
【００１３】
内部電極層１１ａ及び１１ｂは、例えば、３μｍ程度の厚さを有しており、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）等の金属材料や、合金（例えば、銀パラジウム）や、それらの金属の内の少なくとも１つを含む金属酸化物によって形成されている。また、内部電極層１１ａ及び１１ｂは、１種類の材料によって形成されていても良いし、異なる複数の材料によって形成された複数層構造を有していても良い。後者の例として、圧電体層１０上に、密着層として５０ｎｍ程度の酸化チタン（ＴｉＯ２）層を形成し、その上に、導電層として３μｍ程度の白金（Ｐｔ）層を形成することにより、導電層と圧電体層１０との密着性を高めることができる。
また、圧電体層１０が４層以上配置される場合には、内部電極層１１ａと内部電極層１１ｂとは、圧電体層１０を挟んで交互に配置される。
【００１４】
下部電極層１２及び上部電極層１３は、内部電極層１１ａ及び１１ｂと同様に、１層構造であっても良いし、密着層及び導電層を含む複数層構造を有していても良い。
絶縁膜１４ａは、ＰＺＴ等の圧電材料により、積層体の１つの側面に露出した内部電極層１１ａの端面を覆うように形成されている。また、絶縁膜１４ｂは、ＰＺＴ等の圧電材料によって、積層体の反対側の側面に露出した内部電極層１１ｂの端面を覆うように形成されている。絶縁膜１４ａ及び１４ｂによる絶縁機能を高めるためには、内部電極層１１ａ及び１１ｂの端面だけでなく、隣接する圧電体層１０の一部の領域にも絶縁膜１４ａ及び１４ｂを形成することが望ましい。そのため、本実施形態において、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、厚さが約３μｍの内部電極層に対して、その上下の圧電体層１０側に約３μｍずつはみ出るように形成されている。また、絶縁膜１４ａ及び１４ｂが薄すぎる場合には、絶縁破壊や分極反転が生じるおそれがあるので、本実施形態においては、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの厚さを約１０μｍとしている。
【００１５】
側面電極１５ａは、絶縁膜１４ａの表面を通るように積層体の側面に形成されることにより、内部電極１１ａから絶縁されると共に、内部電極１１ｂに接続されている。また、側面電極１５ｂは、絶縁膜１４ｂの表面を通るように積層体の別の側面に形成されることにより、内部電極１１ｂから絶縁されると共に、内部電極１１ａに接続されている。さらに、側面電極１５ａは下部電極層１２に接続されており、側面電極層１５ｂは上部電極層１３に接続されている。
【００１６】
このような積層型圧電素子に、下部電極層１２及び上部電極層１３を介して電圧が供給された場合に、下部電極層１２及び内部電極層１１ｂを含む第１群の電極と、上部電極層１３及び内部電極層１１ａを含む第２群の電極とにより、各圧電体層１０に電界が印加される。その結果、各圧電体層１０における圧電効果により、積層型圧電素子が全体として伸縮する。
【００１７】
次に、絶縁膜１４ａ及び１４ｂを圧電材料によって形成する理由を、図２を参照しながら説明する。図２に示す矢印は、図１に示す圧電体層１０並びに絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きを示している。
ここで、分極の向きとは、絶縁体（又は、誘電体、本実施形態においては、圧電体層及び絶縁膜を含む）内の多数の電子双極子が所定の方向に揃っている（分極している）場合に、絶縁体全体に生じている電荷の偏りにおいて、負電荷側から正電荷側に向かう方向をいう。この方向は、絶縁体中の全電気双極子モーメントのベクトル和によって定まる。従って、絶縁体内に、絶縁体全体とは異なる方向を向いている電気双極子が一部に存在している場合においても、絶縁体全体における電荷の偏りに基づく方向が、その絶縁体の分極の向きとなる。
【００１８】
本実施形態において、圧電材料によって形成された絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極は、圧電体層１０の分極の向きに応じて決定されている。即ち、図２に示すように、１つの内部電極層を挟む２つの圧電体層の分極がその内部電極層側を向いている場合に（図２においては、内部電極層１１ａ）、その内部電極層の端面に形成された絶縁膜は、その内部電極層の反対側を向くように分極処理されている（図２においては、絶縁膜１４ａ）。一方、１つの内部電極層を挟む２つの圧電体層の分極がその内部電極層の反対側を向いている場合に（図２においては、内部電極層１１ｂ）、その内部電極層の端面に形成された絶縁膜は、その内部電極層側を向くように分極処理されている（図２においては、絶縁膜１４ｂ）。
【００１９】
このように絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きを決めることの利点は、次の通りである。積層型圧電素子に所定の極性の電界を印加することにより、例えば、内部電極層１１ａを挟む２つの圧電体層１０が収縮した場合に、絶縁膜１４ａは、内部電極層１１ａと側面電極１５ａとによって形成される電界により圧電効果を生じて、図の左右方向に伸張し、上下方向に収縮する。反対に、積層型圧電素子に逆極性の電界を印加することにより、２つの圧電体層１０が伸張した場合に、絶縁膜１４ａは、図の左右方向に収縮し、図の上下方向に伸張する。即ち、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きと圧電体層１０の分極の向きとが、図２に示す関係にある場合には、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、圧電体層１０の伸縮に追随して伸縮する。それにより、絶縁膜１４ａ及び１４ｂと積層体との界面における歪みが抑制されるので、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの剥離を防止することができる。
【００２０】
次に、本実施形態に係る積層型圧電素子の製造方法について、図３及び図４を参照しながら説明する。
まず、図３の（ａ）に示すように、圧電体層２０と、内部電極層２１ａ及び２１ｂを積層することによりシート状の積層体を作製する。積層体シートの作製方法としては、電極層が形成された圧電材料のバルク材を重ね合わせる方法や、グリーンシート法や、成膜により基板上に圧電体層と電極層とを順次形成する方法等の内のいずれの方法を用いても良い。成膜方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法、スクリーン印刷法等の公知の方法を用いることができる。ここで、ＡＤ法とは、原料の粉体（原料粉）をガスに分散させることによりエアロゾルを生成し、それをノズルから基板に向けて噴射して下層に衝突させることにより、原料を基板上に堆積させる成膜方法であり、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。なお、ＡＤ法によって圧電体層２０を形成した場合には、圧電材料の結晶性を向上させるために、所定の温度（例えば、５００℃〜１０００℃程度）の酸素雰囲気又は空気中で熱処理（ポストアニール）しても良い。
さらに、図３の（ａ）の破線に示すように、積層体シートから所定の大きさのワークピースを切り出す。
【００２１】
次に、図３の（ｂ）に示すように、ワークピースの向かい合う２つの側面に露出した内部電極層２１ａ及び２１ｂの端面を互い違いに覆うように、絶縁膜２２ａ及び２２ｂを形成する。絶縁膜２２ａ及び２２ｂの形成方法は特に限定されないが、圧電材料の粉体を原料粉として用いたＡＤ法を行うことが望ましい。ＡＤ法によれば、所定の大きさ及び形状の開口を有するノズルを用いることにより、所望の領域に所望の厚さの圧電膜を形成することが可能である。
【００２２】
次に、図３の（ｃ）に示すように、側面電極２３ａ及び２３ｂ、下部電極層２４、並びに、上部電極層２５を形成する。これらの電極の形成方法としては、スクリーン印刷法や、側面電極２３ａと上部電極層２５との絶縁部分、及び、側面電極２３ｂと下部電極層２４との絶縁部分に予めレジストマスクを形成してメッキを施す方法等を用いることができる。
なお、下部電極層２４及び上部電極層２５については、図３の（ａ）に示す積層体シートを作製する工程において、先に形成しても良い。
【００２３】
次に、図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、側面電極が形成されたワークピースに、第１及び第２の分極処理を施す。
分極処理は、ワークピースの下部電極層２４及び上部電極層２５に分極処理用の電極を配置して、ワークピースを分極処理用電極ごとシリコンオイル中に浸し、ヒータによりシリコンオイルを所定の温度まで加熱して、所定時間、電源装置によりワークピースに電界を印加することにより行われる。それにより、各圧電体層２０において、下部電極層２４、内部電極２１ａ及び２１ｂ、並びに、上部電極層２５の極性に応じて、電気双極子が所定の向きに揃えられる。また、各絶縁膜２２ａ及び２２ｂにおいても、内部電極２１ａ及び２１ｂと、側面電極２３ａ及び２３ｂとの極性に応じて、電気双極子が所定の向きに揃えられる。さらに、所定時間経過後に、ワークピースに電界を印加した状態でシリコンオイル中において除冷する。ここで、シリコンオイル中においてワークピースに電界を印加するのは、圧電体層２０及び絶縁膜２２ａ及び２２ｂの温度を高くして分極し易くすると共に、側面電極が形成されていない領域における絶縁破壊を防止するためである。また、電界を印加しながらワークピースを徐冷するのは、ワークピースが冷却する前に電圧を下げると、一旦揃えられた電気双極子の向きが、再び元の状態に戻ってしまう可能性があるからである。
【００２４】
図４の（ａ）に示すように、第１の分極処理は、各圧電体層２０の分極方向を揃えるために、例えば、２００℃のシリコンオイル中において、ワークピースの電極に４００Ｖ程度の電圧を印加することにより行われる。ここで、一般に、ＰＺＴの分極処理は、１ｃｍ当たり４０ｋＶ（ａｔ  ２００℃）の電圧で行われるので、本実施形態におけるように、各圧電体層２０の厚さが１００μｍ程度である場合には、印加電圧は４００Ｖ（ａｔ  ２００℃）程度となる。なお、この分極処理により、絶縁膜２２ａ及び２２ｂも所定の向きに分極される。
【００２５】
図４の（ｂ）に示すように、第２の分極処理は、絶縁膜２２ａ及び２２ｂの分極のみを反転させるために、例えば、各電極の極性を第１の分極処理から反転させ、室温のシリコンオイル中において、ワークピースの電極に６０Ｖ程度の電圧を印加することにより行われる。ここで、厚さが１０μｍ程度の絶縁膜２２ａ及び２２ｂを分極するためには、２００℃のシリコンオイル中において、４０Ｖ程度の電圧で足りるが、本実施形態においては、室温のシリコンオイル中において分極を反転させるために、電圧を高めに設定している。
さらに、第１及び第２の分極処理が施されたワークピースをシリコンオイルから取り出し、洗浄することにより、本実施形態に係る積層型圧電素子が完成する。
【００２６】
図５は、本実施形態に係る積層型圧電素子の変形例を示す斜視図である。
ここで、図１に示す積層型圧電素子においては、側面電極１５ａ及び１５ｂは、積層体の側面の奥行き方向全体に形成されているが、内部電極１１ａ及び１１ｂ、下部電極１２、並びに、上部電極１３を接続する所定の配線が形成できれば、必ずしも全体に形成する必要はない。
【００２７】
図５に示すように、この変形例においては、内部電極層１１ａ及び１１ｂの端面の一部に絶縁膜３０ａ及び３０ｂがそれぞれ形成されており、側面電極３１ａ及び３１ｂは、それらの絶縁膜３０ａ及び３０ｂの表面を通るように配置されることにより、内部電極層１１ａ及び１１ｂからそれぞれ絶縁されている。
【００２８】
この変形例のように、絶縁膜及び側面電極を積層体の側面の一部に形成する場合には、２つの側面電極が互いに接触するおそれがなければ、それらが配置される領域は必ずしも向かい合う２つの側面になくても良い。例えば、絶縁膜３０ａ及び側面電極３１ａと、絶縁膜３０ｂ及び側面電極３１ｂとを、隣り合う２つの側面にそれぞれ形成しても良いし、１つの側面に形成しても良い。
【００２９】
次に、図６及び図７を参照しながら、本実施形態に係る積層型圧電素子の駆動方法について説明する。以下の説明においては、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの抗電界（分極が反転する大きさの電界）を発生させる電圧より小さい電圧を低電圧といい、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの抗電界を発生させる電圧より大きい電圧を高電圧という。
【００３０】
（１）低電圧で駆動する場合
図６の（ａ）に示すように、各圧電体層１０に形成される電界の向きが、圧電体層１０の分極の向きと反対になっている場合に、各圧電体層１０は収縮する。そのとき、絶縁膜１４ａ及び１４ｂに形成される電界の向きは、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きと揃うので、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、図の左右方向に伸張して上下方向に収縮する。一方、図６の（ｂ）に示すように、各圧電体層１０に形成される電界の向きが、各圧電体層１０の分極の向きと揃っている場合に、各圧電体層１０は伸張する。そのとき、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、図の左右方向に収縮して上下方向に伸張する。このように、積層型圧電素子を低電圧で駆動する場合には、印加される電界がいずれの極性であっても、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、各圧電体層１０の変位に追随することができる。従って、この場合には、積層型圧電素子をバイポーラ駆動することが可能であるし、いずれかの極性でユニポーラ駆動することも可能である。
【００３１】
（２）高電圧で駆動する場合
図７の（ａ）に示すように、各圧電体層１０に形成される電界の向きが、圧電体層１０の分極の向きと反対であり、絶縁膜１４ａ及び１４ｂに形成される電界の向きが、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きと揃っている場合には、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、各圧電体層１０の収縮に追随することができる。しかし、図７の（ｂ）に示すように、絶縁膜１４ａ及び１４ｂに形成される電界の向きが、絶縁膜１４ａ及び１４ｂの分極の向きと反対になった場合に、絶縁膜１４ａ及び１４ｂに高い電界を印加することにより分極が反転してしまう。すると、各圧電体層１０が伸張するときに、絶縁膜１４ａ及び１４ｂは、図の上下方向に収縮することになり、各圧電体層１０の変位に追随できない。従って、高電圧で駆動する場合には、積層型圧電素子を、図７の（ａ）に示す極性でユニポーラ駆動することのみが可能である。
【００３２】
以上説明した本実施形態に係る積層型圧電素子は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサ等として用いられる。その際には、積層型圧電素子を単体で使用することも可能であるし、積層型圧電素子を１次元又は２次元に配列することにより、圧電素子アレイとして利用することも可能である。
【００３３】
図８は、本実施形態に係る積層型圧電素子を、インクジェットヘッドの駆動用アクチュエータとして用いる例を示す断面図である。図８に示すインクジェットヘッドは、２次元状に配置された複数の積層型圧電素子４０と、共通配線４１と、振動板４２と、隔壁４３と、ノズルプレート４４とを含んでいる。また、このインクジェットヘッドは、駆動回路４７に接続されている。
【００３４】
隔壁４３は、振動板４２とノズルプレート４４との間の空間を複数の領域に仕切っている。それにより、積層型圧電素子４０に対応する位置に、インクが充填される複数の圧力室４５が形成されている。また、ノズルプレート４４には、複数の圧力室４５に対応して、複数の吐出口（ノズル部）４６が形成されている。
【００３５】
このようなインクジェットヘッドにおいて印字を行う場合には、駆動回路４７において駆動信号を生成して、所定の積層型圧電素子４０に供給する。それにより、積層型圧電素子４０が伸縮するので、振動板４２が変形し、積層型圧電素子４０に対応する圧力室４５の容積が変化する。その結果、圧力室４５の内部に充填されているインクが加圧されて吐出口４６から滴下する。
【００３６】
図９は、本実施形態に係る積層型圧電素子を、超音波トランスデューサとして利用する例を示す図である。図９に示す超音波撮像装置は、被検体に当接して用いられる超音波用探触子と、超音波撮像装置本体とを含んでいる。超音波用探触子は、超音波トランスデューサアレイ５０と、音響整合層５１と、音響レンズ５２と、バッキング層５３とを含んでいる。これらの各部は、筐体５４に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ５０から引き出された配線は、ケーブル５５を介して超音波撮像装置本体６０に接続されている。超音波撮像装置本体６０は、制御部６１と、駆動回路６２と、送受信切換回路６３と、受信回路６４と、表示部６５とを含んでいる。
【００３７】
超音波トランスデューサアレイ５０は、２次元マトリクス状に配置された複数の積層型圧電素子（超音波トランスデューサ）５０ａと、それらの間に配置されたエポキシ樹脂等の充填材５０ｂとを含んでいる。また、音響整合層５１は、超音波を伝えやすいガラスや、セラミックや、金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されており、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消させる。さらに、音響レンズ５２は、例えば、シリコンゴムによって形成されており、超音波を所定の深度において集束させる。バッキング層５３は、例えば、エポキシ樹脂やゴムにフェライト又は金属の粉体やＰＺＴの粉体を混入した材料のように、音響減衰の大きい材料によって形成されており、超音波トランスデューサアレイ５０から発生した不要な超音波を早く減衰させる。
【００３８】
超音波撮像を行う場合には、まず、制御部６１の制御の下で、送受信切換回路６３が送信側に切り換えられる。そして、駆動回路６２において生成された駆動信号が、ケーブル５５を介して各超音波トランスデューサ５０ａに供給される。それにより、各超音波トランスデューサ５０ａが伸縮し、被検体に向けて超音波が送信される。また、被検体から反射された超音波エコーが超音波用探触子に伝播すると、各超音波トランスデューサ５０ａは伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、ケーブル５５を介して超音波撮像装置本体に伝送され、制御部６１の制御の下で送受信切換回路６３が受信側に切り換えられることにより、超音波受信信号として受信回路６４に取り込まれる。さらに、受信信号は、受信回路６４において、ＴＧＣ（タイム・ゲイン・コンペンセーション）増幅や遅延加算等の所定の信号処理を受け、表示部６５に出力される。表示部６５においては、入力された受信信号に基づいて、超音波画像がＣＲＴ等の画面に表示される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等として利用される積層型圧電素子及びその製造方法において利用することが可能である。さらに、本発明は、そのような積層型圧電素子を用いるインクジェットヘッド、超音波用探触子等の装置において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の構造を示す一部断面斜視図である。
【図２】図１に示す積層型圧電素子における圧電体層及び絶縁膜の分極方向を示す図である。
【図３】図１に示す積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】図１に示す積層型圧電素子の製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子の変形例を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子を低電圧で駆動する場合における駆動方法を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子を高電圧で駆動する場合における駆動方法を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子をアクチュエータとしてインクジェットヘッドに適用する例を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る積層型圧電素子を超音波トランスデューサとして超音波撮像装置に適用する例を示す図である。
【図１０】従来の積層型圧電素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、２０  圧電体層
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ  内部電極層
１２、２４  下部電極層
１３、２５  上部電極層
１４ａ、１４ｂ、２２ａ、２２ｂ、３０ａ、３０ｂ  絶縁膜
１５ａ、１５ｂ、２３ａ、２３ｂ、３１ａ、３１ｂ  側面電極
４０  積層型圧電素子
４１  共通配線
４２  振動板
４３  隔壁
４４  ノズルプレート
４５  圧力室
４６  吐出口（ノズル部）
４７  駆動回路
５０  超音波トランスデューサアレイ
５０ａ  積層型圧電素子（超音波トランスデューサ）
５０ｂ  充填材
５１  音響整合層
５２  音響レンズ
５３  バッキング層
５４  筐体
５５  ケーブル
６０  超音波撮像装置本体
６１  制御部
６２  駆動回路
６３  送受信切換回路
６４  受信回路
６５  表示部
【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】
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