CN106994829B - 振动板结构以及压电元件应用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供振动板结构以及压电元件应用设备。在由压电体层以及夹着该压电体层的一对电极构成的压电元件与基板之间设置的振动板具备设置于上述基板侧且由氧化硅膜构成的第一层、以及由杨氏模量比氧化硅的杨氏模量大的陶瓷构成的第二层，当在将上述第一层的杨氏模量设为Ev1、厚度设为dv1、上述第二层的杨氏模量设为Ev2，厚度设为dv2时的下式(1)Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2……(1)的值为恒定的条件下，将下式(2)Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3……(2)的值为最小值+2％以内的范围的dv1以及dv2的组合设为(Dv1，Dv2)的情况下，上述第一层的厚度为Dv1，上述第二层的厚度为Dv2。
Description
技术领域
本发明涉及振动板结构以及压电元件应用设备。
背景技术
压电元件通常具有压电体层以及夹持压电体层的两个电极，所述压电体层具有机电转换特性。使用这样的压电元件作为驱动源的设备(压电元件应用设备)的开发近年尤为活跃。作为压电元件应用设备之一，有以喷墨式记录头为代表的液体喷射头、以压电MEMS元件为代表的MEMS要素、以超声波传感器等为代表的超声波测量装置，还有压电致动器装置等。
在这样的压电元件应用设备中，作为设置于压电元件与基板之间的振动板，例如公开了在厚度500nm的振动板(SiO2)与压电元件之间设置了膜厚110nm以上的钽层的结构(参照专利文献1)。
另外，在专利文献2、专利文献3中公开了例如在厚度800nm的SiO2膜上设置了厚度1000nm的ZrO2层的结构。
专利文献1：日本专利特开平08-112896号公报；
专利文献2：日本专利特开2004-195994号公报；
专利文献3：日本专利特开平09-254384号公报。
在如上述那样的压电元件应用设备中，需要实现提高由于压电元件的驱动而产生的移位量。在上述的专利文献中，在各个压电元件的结构中仅例示出振动板结构，并没有研究使移位量最大的振动板的结构。即，为了提高移位量，当然要实现构成压电元件的压电材料的压电特性的提高，但是并未系统地研究包含压电体层的压电元件的厚度与振动板的厚度的关系、振动板和压电元件的弯曲刚性等，也完全没有提出过实际上应该如何设定的方案。
特别是在超声波传感器中，除了提高发送效率之外，还需要提高接收效率，需要同时实现收发特性的提高，没有根据这样的观点来研究振动板结构。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而形成的，其目的在于提供能够提高移位效率的振动板结构以及压电元件应用设备。
实现上述目的的本发明第一方式提供一种振动板结构，其特征在于，被设置于由压电体层以及夹着该压电体层的一对电极构成的压电元件与基板之间的振动板具备：设置于上述基板侧且由氧化硅膜构成的第一层、以及由杨氏模量比氧化硅大的陶瓷构成的第二层，
当在将上述第一层的杨氏模量设为Ev1、厚度设为dv1、上述第二层的杨氏模量设为Ev2、厚度设为dv2时，在下式(1)
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2……(1)
的值为恒定的条件下，将下式(2)
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3……(2)
的值为最小值+2％以内的范围的dv1以及dv2的组合设为(Dv1，Dv2)，在此情况下，
上述第一层的厚度为Dv1，上述第二层的厚度为Dv2。
在这种方式中，将上式(1)的值保持为恒定，因此，形成在上述压电元件被驱动的情况下的中立面位于上述压电元件的与上述振动板的边界或者上述压电元件的上述振动板侧的电极附近的状态下，由具有上式(2)的值采用最小值附近的值的厚度的第一层以及第二层构成的振动板，因此，振动板的弯曲刚性变小，移位效率提高。
此处，优选上述第一层的厚度为200nm以上。据此，氧化硅膜的膜密度变得良好，且机械强度优异。
另外，优选构成上述第二层的陶瓷选自氧化锆、氧化铝、氮化硅以及碳化硅中的至少一种。据此，使振动板的上述压电元件被驱动的情况下的中立面更可靠地位于上述压电元件的与上述振动板的边界或者上述压电元件的上述振动板侧的电极附近。
本发明的其他方式提供一种压电元件应用设备，其具备上述振动板结构，在上述振动板上具备上述压电元件。
在这种方式中，形成在上述中立面位于上述压电元件的与上述振动板的边界或者上述压电元件的上述振动板侧的电极附近的状态下，由具有上式(2)的值采用最小值附近的值的厚度的第一层以及第二层的振动板，因此，振动板的弯曲刚性变小，移位效率提高。
附图说明
图1是示出超声波设备的结构例的截面图。
图2是示出超声波传感器的结构例的分解立体图。
图3是示出超声波传感器的结构例的俯视图。
图4A是示出超声波传感器的结构例的截面图。
图4B是示出超声波传感器的结构例的截面图。
图5A是超声波传感器的通常时的示意图。
图5B是超声波传感器的发送时的示意图。
图5C是超声波传感器的接收时的示意图。
图6A是示出实施例1的结果的图。
图6B是示出实施例1的结果的图。
图6C是示出实施例1的结果的图。
图7A是示出实施例2的结果的图。
图7B是示出实施例2的结果的图。
图7C是示出实施例2的结果的图。
图8A是示出实施例3的结果的图。
图8B是示出实施例3的结果的图。
图8C是示出实施例3的结果的图。
图9A是示出实施例4的结果的图。
图9B是示出实施例4的结果的图。
图9C是示出实施例4的结果的图。
图10是记录头的分解立体图。
图11是记录头的俯视图。
图12是图11的C-C’线截面图。
图13是图12的D-D’线放大截面图。
其中，附图标记说明如下：
I：超声波探针；1：超声波传感器；2：FPC基板；3：电缆；4：中继基板；5：框体；6：耐水性树脂；10：基板；11：间隔壁；12：空间；13：音响整合层；20：透镜部件；40：包围板；50：振动板；50a：第一面；50b：第二面；51：弹性膜；52：绝缘体层；60：第一电极；70：压电体层；80：第二电极；300：压电元件。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下的说明示出本发明的一方式，能够在本发明的范围内任意地改变。在各图中，标识相同符号的部分表示相同的部件，并适当地省略说明。
(实施方式1)
(超声波设备)
图1是示出搭载了超声波传感器的超声波设备的结构例的截面图，超声波传感器以及超声波设备是压电元件应用设备的例子。如图示那样，超声波探针I具备CAV面型的超声波传感器1、与超声波传感器1连接的柔性印刷基板(FPC基板2)、从装置终端(未图示)引出的电缆3、中继FPC基板2与电缆3的中继基板4、保护超声波传感器1、FPC基板2以及中继基板4的框体5、以及填充在框体5与超声波传感器1之间的耐水性树脂6等来构成。
从超声波传感器1发送超声波。另外，从测量对象物反射的超声波被超声波传感器1接收。基于这些超声波的波形信号，在超声波探针I的装置终端检测与测量对象物有关的信息(位置、形状等)。
根据超声波传感器1，如后述那样能够抑制产生结构变形，并能够确保高可靠性。因此，通过搭载超声波传感器1而形成各种特性优异的超声波设备。本发明也能应用于对超声波的发送最佳的发送专用型、对超声波的接收最佳的接收专用型、对超声波的发送和接收最佳的收发一体型等任一种超声波传感器。能够搭载超声波传感器1的超声波设备不限定于超声波探针I。
(超声波传感器)
接着，对超声波传感器1的结构例进行说明。图2是超声波传感器的分解立体图。图3是超声波传感器的基板的俯视图。图4A是图3的A-A’线截面图。图4B是图3的B-B’线截面图。
当超声波传感器的基板沿着由X轴和Y轴形成的XY平面时，图4A的截面沿由X轴和Z轴形成的XZ平面，图4B的截面沿由Y轴和Z轴形成的YZ平面。之后，将X轴称作第一方向X，将Y轴称作第二方向Y，将Z轴称作第三方向Z。
超声波传感器1包含超声波传感器元件310、音响整合层13、透镜部件20以及包围板40来构成。超声波传感器元件310包含基板10、振动板50以及压电元件300来构成。在图2中，包围板40和支承部件41被分开示出，但实际上两者被一体地构成。
在基板10形成有多个间隔壁11。通过多个间隔壁11划分有多个空间12。基板10能够使用单晶Si基板。基板10不限定于上述的例子，也可以使用SOI基板、玻璃基板等。
空间12以在第三方向Z上贯通基板10的方式形成。空间12二维地、即在第一方向X形成有多个且在第二方向Y上形成有多个。当将第一方向X设为扫描方向、将第二方向Y设为薄层(slice)方向时，超声波传感器1一边在扫描方向上扫描，一边按照每个在薄层方向上延伸的列进行超声波的收发。由此，能够在扫描方向上连续地获取薄层方向的传感信息。空间12在从第三方向Z观察时是正方形状(第一方向X和第二方向Y的长度之比为1：1)。
空间12的排列、形状能够进行各种变形。例如，空间12可以一维地、即沿第一方向X和第二方向Y的任一个方向形成多个。另外，空间12可以是当从第三方向Z观察时是长方形状(第一方向X和第二方向Y的长度之比是1：1以外)。
振动板50以堵塞空间12的方式设置在基板10上。后文中，将振动板50的基板10侧的面称作第一面50a，将与该第一面50a对置的面称作第二面50b。振动板50通过形成在基板10上的弹性膜(第一层)51以及形成在弹性膜51上的绝缘体层(第二层)52构成。此处，将弹性膜51的空间12侧设为第一面50a，将绝缘体层52的与空间12相反侧设为第二面50b。
弹性膜51通过氧化硅(SiO2)构成，绝缘体层52通过具有比氧化硅的杨氏模量大的杨氏模量的陶瓷构成，选自氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)以及碳化硅(SiC)中的至少一种。弹性膜51优选地通过将基板10设为硅、并对其进行热氧化来形成的，但也可以设为与基板10不同的部件。
在振动板50的第二面50b侧中与空间12对应的部分设置有发送和/或接收超声波的压电元件300。后文中，将振动板50的第二面50b侧的与空间12对应的部分称作可动部。可动部是由于压电元件300的移位而产生振动的部分。根据在可动部产生的振动，从超声波传感器1接收和/或发送超声波。
压电元件300包含厚度约0.2μm的第一电极60、厚度约3.0μm以下优选厚度约0.5μm～1.5μm的压电体层70以及厚度约0.05μm的第二电极80而构成。
后文中，将由第一电极60和第二电极80夹着的部分称作有源部(active potion)。另外，在本实施方式中，通过压电体层70的移位而至少振动板50与第一电极60发生移位。即，在本实施方式中，至少振动板50和第一电极60具有实质作为振动板的功能。不过也能够不设置弹性膜51与绝缘体层52中的任一个或者这两者，仅第一电极60作为振动板发挥功能。当在基板10上直接设置第一电极60的情况下，优选通过绝缘性的保护膜等保护第一电极60。但是，在该情况下，与本申请的振动板构成相比移位效率和接收效率降低。
虽然未图示，但可以在压电元件300和振动板50之间设置其他的层。例如，可以在压电元件300与振动板50之间设置用于提高紧贴性的紧贴层。这样的紧贴层例如能够由氧化钛(TiOX)层、钛(Ti)层或者氮化硅(SiN)层等构成。
在从第三方向Z观察时，压电元件300处于空间12的内侧的区域。即，压电元件300的第一方向X以及第二方向Y均比空间12短。不过，压电元件300的第一方向X比空间12长的情况和压电元件300的第二方向Y比空间12长的情况也包含在本发明中。
在振动板50的第二面50b侧设置有包围板40。在包围板40的中央形成凹部(压电元件保持部32)，该压电元件保持部32的周围形成为包围板40的缘部40a(参照图1等)。通过压电元件保持部32而覆盖压电元件300的周围的区域(包含压电元件300的上表面以及侧面的区域)。因此，压电元件保持部32的与底面相当的面成为包围板40的压电元件300侧的面40b。
包围板40在缘部40a与超声波传感器元件310侧接合。包围板40的接合能够使用粘接剂(未图示)，但不限定于上述的例子。压电元件保持部32的深度、即第三方向的长度约为80μm，但不限定于上述的值。压电元件保持部32的深度只要是能确保不阻碍压电元件300的驱动的程度的空间的值即可。另外，压电元件保持部32可以由空气充满，也可以由树脂充满。包围板40的厚度约400μm，但不限定于上述的值。
在超声波传感器1中，在包围板40的压电元件300侧的面40b与振动板50的第二面50b之间、且不与压电元件300重合的位置设置有支承部件41。据此，能够通过支承部件41支承振动板50。因此，例如在安装透镜部件20时、或在透镜部件20安装后确保该透镜部件20的紧贴性时，即使从音响整合层13侧向振动板50施加预定的压力，也能够防止振动板50在压电元件保持部32内产生大的挠曲。由此，能够抑制产生结构变形，并能够确保高可靠性。
支承部件41被设置在不与压电元件300重合的位置。因此，避免了压电元件300被支承部件41过度地拘束的情况。由此，与不设置支承部材41的情况相比，也防止超声波的发送效率和接收效率过度地降低。
所谓不与压电元件300重合的位置是指当从第三方向Z观察时不与上述的有源部(被第一电极60和第二电极80夹着的部分)重合的位置。特别是，在超声波传感器1中，具有比间隔壁11窄的宽度的支承部件41被设置在相邻的空间12之间。即，在超声波传感器1中，当从第三方向Z观察时，支承部件41甚至不与上述的可动部(振动板50的第二面50b侧中与空间12对应的部分)重合。因此，与不设置支承部件41的情况相比，能够可靠地防止超声波的发送效率、接收效率过度地降低。支承部件41通过粘接剂(未图示)与超声波传感器元件310侧接合，但接合的方法不限定于上述的例子。
支承部件41具有沿第二方向Y延伸的梁形状。据此，能够在遍布第二方向Y的大范围支承振动板50。梁形状的支承部件41可以不是沿第二方向Y而是沿第一方向X延伸。梁形状的支承部件41延伸的一侧端部可以从包围板40的缘部40a分离。如果延伸方向的至少一个端部与包围板40的缘部40a相接，则被包含在梁形状的支承部件41中。
梁形状的支承部件41是通过对包围板40进行湿蚀刻而制作的。如此，支承部件41有效地利用包围板40的结构材料而制作，具有与包围板40相同的结构。湿蚀刻与例如干蚀刻相比，虽然加工精度差，但是由于能够以短时间削去较多的区域，因此对制作梁形状的支承部件41是优选的方法。
压电元件保持部32的中心部分距离包围板40的缘部40a比较远。因此，在振动板50中，当在与压电元件保持部32的中心部分对应的中心位置C(参照图2等)没有支承部件41的情况下，刚性容易变低。因此，支承部件41被设置为支承如上述那样的振动板50的中心位置C。由此，能够确保更高的可靠性。
在本发明中，支承部件的数量、配置、形状等能够进行各种选择。例如，支承部件可以是多个。该情况下，支承部件优选在压电元件保持部32内等间隔地设置。据此，能够均匀地支承振动板50。因此，振动板的数量优选是三个以上的奇数。这是因为：当在压电元件保持部32内等间隔地设置支承部件时，其正中央的支承部件能够位于振动板50的中心位置C的附近。例如，支承部件的数量是三个时平衡性好。
支承部件可以仅设置于从振动板50的中心位置C错开的部分。支承部件可以不具有梁形状。支承部件可以在延伸方向上不是直线状。根据支承部件的制作方法，虽然存在支承部件的XY平面的截面积根据第三方向Z而不同的方式的情况，但该方式只要能够支承振动板，就包含在本发明的支承部件中。
在压电元件300中，任一个电极被设为共用电极，另一个电极被设为个别电极。此处，以遍及第一方向X的方式设置第一电极60来构成个别电极，以遍及第二方向Y的方式设置第二电极80来构成共用电极。不过，考虑驱动电路和布线的情况，可以将第一电极构成为共用电极，将第二电极构成为个别电极。
第一电极60、第二电极80的材料只要具有导电性的材料即可，不被限制。作为第1电极60、第二电极80的材料列举金属材料、氧化锡系导电材料、氧化锌系导电材料、氧化物导电材料等。金属材料是铂(Pt)、铱(Ir)、金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、不锈钢等。氧化锡系导电材料是氧化铟锡(ITO)、氟掺杂氧化锡(FTO)等。氧化物导电材料是氧化锌系导电材料、钌酸锶(SrRuO3)、镍酸镧(LaNiO3)、元素掺杂钛酸锶等。第一电极60、第二电极80的材料可以是导电性聚合物等。
压电体层70按照每个空间12刻画图案形成来构成，被上述的第一电极60与第2电极80夹持。压电体层70例如包含具有ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物而构成。作为该复合氧化物，例如列举出锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3；PZT)系的复合氧化物。据此，容易实现提高压电元件300的移位。当然，在PZT系的复合氧化物中可以包含其他的元素。其他的元素的例子列举有与压电体层70的A位的一部分置换的锂(Li)、铋(Bi)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、钐(Sm)、铈(Ce)，或者与压电体层70的B位的一部分置换的锰(Mn)、锌(Zn)、锆(Zr)、镁(Mg)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钛(Ti)、锆(Zr)等。
另外，只要使用抑制铅的含有量的非铅系材料，就能够降低环境负荷。作为非铅系材料例如列举有包含钾(K)、钠(Na)以及铌(Nb)的KNN系的复合氧化物等。在使用了KNN系的复合氧化物的例子中，K、Na位于A位，Nb位于B位，其组成式例如表现为(K，Na)NbO3。
在KNN系的复合氧化物中可以包含其他的元素。作为其他的元素列举有与压电体层70的A位的一部分置换的锂(Li)、铋(Bi)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、钐(Sm)、铈(Ce)，或者与压电体层70的B位的一部分置换的锰(Mn)、锌(Zn)、锆(Zr)、镁(Mg)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钛(Ti)、锆(Zr)等。
KNN系的复合氧化物优选不包含铅，但作为其他的元素可以包含与A位的一部分置换的Pb(铅)。其他的元素的例子不限定于上述情况，也列举有钽(Ta)、锑(Sb)、银(Ag)等。这些其他的元素可以包含两种以上。通常，其他的元素的量相对于成为主要成分的元素的总量是15％以下，优选是10％以下。存在能够通过使用其他的元素实现各种特性的提高、结构以及功能等的多样化的情况。作为使用了其他的元素的复合氧化物的情况也优选构成为具有ABO3钙钛矿结构。
作为非铅系材料，除了上述的KNN系的复合氧化物的之外，列举包含铋(Bi)和铁(Fe)的BFO系复合氧化物，包含铋(Bi)、钡(Ba)、铁(Fe)以及钛(Ti)的BF-BT系复合氧化物。在使用BFO系复合氧化物的例子中，Bi位于A位，Fe、Ti位于B位，其组成式例如被表现为BiFeO3。在使用了BF-BT系复合氧化物的例子中，Bi、Ba位于A位，Fe、Ti位于B位，其组成式例如被表现为(Bi，Ba)(Fe，Ti)O3。
在BFO系复合氧化物、BF-BT系复合氧化物中可以包含其他的元素。其他的元素的例子如上述那样。另外，在BFO系复合氧化物、BF-BT系复合氧化物中可以包含构成KNN系复合氧化物的元素。
在具有这些的ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物中也包含由于缺损、过剩导致化学计量的组成产生偏差的部分、元素的一部分被置换成其他的元素的部分。即，在限于能够获取钙钛矿结构中，不仅由于晶格失配、氧缺位等导致的不可避免的组成的偏差，元素的一部分置换等也被允许。
将形成于基板10的空间12、振动板50、压电元件300涵盖在一起构成超声波传感器元件310。在超声波传感器元件310中除了上述的包围板40还设置有音响整合层13以及透镜部件20，由此形成超声波传感器1。
音响整合层13被设置于空间12内。通过设置音响整合层13，能够防止在压电元件300与测量对象物之间音响阻抗急剧地变化，其结果是，能够防止超声波的传播效率降低。音响整合层13例如能够由硅树脂构成，但不限定于上述的例子，能够适当地选择并使用与超声波传感器的用途等相应的材料。
透镜部件20被设置于基板10的与振动板50相反的一侧。透镜部件20具有使超声波收敛的作用。在不需要使超声波收敛的情况下等，能够省略透镜部件20。此处，上述的音响整合层13也具有将透镜部件20与基板10粘结的粘结功能。使音响整合层13介于透镜部件20与基板10(间隔壁11)之间来构成超声波传感器1。
在将透镜部件20安装到超声波传感器元件310时，或在透镜部件20的安装后确保该透镜部件20的紧贴性时，存在将透镜部件20按压到音响整合层13侧的情况。在不具备透镜部件20的情况或代替透镜部件转而设置其他的部件的情况下，为了确保各部分的紧贴性，也存在从音响整合层13侧对振动板50施加按压力的情况。在超声波传感器1中，由于构成为具备支承部件41，因此如上述那样，即使预定的外部压力施加到振动板50，也能够抑制结构变形的产生，并能够确保高的可靠性。
在超声波传感器1中，振动板50的与压电元件300的相反侧构成成为超声波的通过区域的CAV面型。据此，由于能够实现来自外部的水分极难到达压电元件300的结构，因此成为使用时的电安全性优异的超声波传感器1。并且，在压电元件300和振动板50为薄膜的情况下，与振动板50相比具有足够厚度的包围板40的缘部40a和支承部件41以围绕压电元件300的方式与振动板50接合或者粘结。因此，制造时的操纵性也能够提高，超声波传感器1的处理变得容易。
在图5A～图5C中示出这样的超声波传感器1的主要部分的示意图。图5A示出通常状态，图5B示出压电元件300正在驱动的状态(发送状态)，图5C示出压电元件300接收超声波而发生变形的状态(接收状态)。
在驱动了压电元件300的情况下，在图5B中对振动板50的下表面作用拉伸应力Ft，在第二电极80的上表面作用压缩应力Fc。在图5C中，在振动板50的下表面作用压缩应力Fc，在第二电极80的上表面作用拉伸应力Ft。因此，在将压电元件与振动板配合在一起的膜整体中，从第二电极的表面朝向振动板的下表面存在从压缩应力向拉伸应力变化(图5B)、或者从拉伸应力向压缩应力变化(图5C)的应力分布。即，在将压电元件和振动板配合在一起的膜内存在没有作用应力的面亦即X-X面，这个被称作应力的中立面。
振动板50由于被施加电压的压电体层70的变形而发生挠曲。当向横向效应致动器施加了电压时，压电体层70向面内方向(与电场正交的方向)收缩。为了最大限度地有效利用压电体层70的变形的力，优选应力的中立面不存在于压电体层70的内部，例如存在于第一电极60的内部。这是因为，例如在图5B中，如果中立面(X-X面)存在于压电体层70的内部，相比中立面(X-X面)靠下侧(拉伸侧)的部分不仅无助于变形，反而产生妨碍变形的作用。理想的是，在第一电极60以与压电体层70相同的宽度设置的情况下，优选中立面存在于第一电极60与振动板50的边界，不过也可以存在于第一电极60的内部。另外，在第一电极60与振动板50同样地延伸设置的情况下，优选中立面存在于第一电极60与压电体层70的边界，不过也可以存在于第一电极60内。
在图5A～图5C的模型中研究移位效率。当将无负载状态下的移位量设为无负载移位D0、将该无负载移位D0的状态的压电体层70返回到原来的状态所需要的力设为产生力F0、将实际的移位量设为实际移位D1、将该状态恢复为原来的状态所需要的力设为实际产生力F1时，移位效率η由下式(a)表示，通常可以认为是50％左右。
移位效率η＝D1/D0……(a)
此处，振动板50通过压电体层70弯曲而移位。另外，移位的大小与压电体层70的弯曲刚性成比例。进而，由于振动板50自身的弯曲刚性妨碍压电体层70的弯曲，因此成为阻碍移位的主要原因，相当于上述的负载。考虑以上的点，当将移位效率η的式子的“实际移位D1”置换成“压电体层70的弯曲刚性Sp-振动板50的弯曲刚性Sv”、将“无负载移位D0”置换成“压电体层70的弯曲刚性Sp”时，如下式(b)。
移位效率(代替值)η’＝(Sp-Sv)/Sp……(b)
Sp：压电体层的弯曲刚性，Sv：振动板的弯曲刚性
弯曲刚性由杨氏模量与截面惯性矩的积表示。当将式(b)置换成该积时，如以下那样。
移位效率(代替值)η’＝(Ep×Ip-Ev×Iv)/Ep×Ip……(c)
Ep：压电体层的杨氏模量，Ip：压电体层的截面惯性矩
Ev：振动板的杨氏模量，Iv：振动板的截面惯性矩
进而，关于超声波传感器元件，截面惯性矩由下式(d-1)、式(d-2)表示。
Ip＝w×dp 3/12……(d-1)
Iv＝w×dv 3/12……(d-2)
W：腔(空间)长
dp：压电体层的膜厚，dv：振动板的膜厚
当将式(d-1)、式(d-2)应用于式(c)时，如下式(e)那样，截面惯性矩与膜厚的3次方成比例。
移位效率(代替值)η’＝(Ep×dp 3-Ev×dv3)/Ep×dp 3……(e)
如式(e)所表示的那样，振动板的弯曲刚性与膜厚的3次方成比例。
此处，在上述的应力的中立面(X-X面)中，拉伸和压缩的力矩平衡。当将应力的中立面设定在压电体层与振动板的边界部分(例如第一电极附近)时，根据力矩的平衡，下式(f)的关系式成立。
Ep×dp 2＝Ev×dv 2……(f)
Ep：压电体层的杨氏模量，dp：压电体层的膜厚
Ev：振动板的杨氏模量，dv：振动板的膜厚
如本发明那样，当将振动板通过以不同的材料构成的第一层和第二层形成的两层的层叠体构成时，振动板整体的力矩为各层的力矩之和，式(g)的关系式成立。
Ep×dp 2＝Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2……(g)
Ep：压电体层的杨氏模量，dp：压电体层的膜厚
Ev1：振动板(第一层)的杨氏模量，dv1：振动板(第一层)的膜厚
Ev2：振动板(第二层)的杨氏模量，dv2：振动板(第二层)的膜厚
此处，当增厚压电体层70时，存在能够使移位量增大的可能性，不过如果中立面的位置错开，则存在阻碍移位的主要原因增加的可能性。因此，至少需要维持中立面的位置(不使其变化)。另外，为此，当振动板的厚度变大时，振动板的弯曲刚性变大，存在阻碍移位的可能性，因此需要将振动板的弯曲刚性较小地设定。
如此，为了提高发送特性，需要在维持了驱动时的中立面的状态下将振动板的弯曲刚性设为最小。这也是在液体喷射头中用于使移位效率提高的条件。
另一方面，在超声波传感器中存在接收特性不充分的倾向。接收特性依赖于由于在从外部施加应力的情况下在压电体层产生的变形而产生的电动势或者产生电荷，但是为了提高接收特性，如果压电材料是相同的，则只要增大压电体层的膜厚即可。不过，为了针对同一水平的外部应力有效地使压电体层产生应力，需要使应力的中立面位于压电体层的外侧、即位于第一电极侧。因此，为了提高接收效率，需要使应力的中立面的位置不变动。
如此，为了使接收特性提高，只要在维持应力的中立面的状态下尽量使压电体层的厚度增大即可。此外，只要是接收专用的组成，便可以是这样的条件，不过为了同时实现收发特性，需要使振动板的弯曲刚性较小。
此处，所谓“维持应力的中立面的位置”是指“在式(f)和式(g)中将左边的值和右边的值保持相等”。例如，当为了使移位量提高而增大压电体层的膜厚时，左边的值变大。左边、右边的值相当于对各膜的横截面(应力作用的面)作用的力(应力的总和)。因此，当左边的值增大时，为了使右边的值与左边的值相等，需要执行使构成振动板膜的杨氏模量增大、或者使膜厚增加、或者同时执行这两者。
当为了提高移位量而增大压电体层的膜厚时，式(f)、(g)的左边的值变大。为了维持应力的中立面的位置，当然右边的值也必须变大。并且右边的值与压电体层的膜厚以1：1对应，被唯一地确定。为了使右边的值(力)增大，需要执行使构成振动板的膜的杨氏模量增大、或者使膜厚增加、或者同时执行这两者。这意味着振动板的弯曲刚性、即针对压电功能的电阻变大。但是，可以根据杨氏模量与膜厚的选择方式，不改变式(f)、(g)的值地将振动板的弯曲刚性Sv设为最小的值。换言之，当使压电体层的膜厚变化时，能够不改变应力的中立面的位置地使作为移位的阻害主要原因的振动板的弯曲刚性最小。
能够不改变式(f)或者式(g)的值而使振动板的刚性最小的机理如以下那样。式(g)、(f)是将杨氏模量与膜厚的平方相乘而得的值。因此，不改变式的值的杨氏模量与膜厚的组合存在任意组合。如果使杨氏模量的大小增大，则能够较小地设定膜厚。此时，对杨氏模量与膜厚的3次方相乘而求出的刚性变小。这是因为，对于膜厚的3次方的刚性而言，膜厚的贡献大于杨氏模量的贡献。
此处，当将超声波传感器元件设为在硅基板上设置了振动板和压电元件的结构时，根据绝缘性的确保、制造上的要求，作为振动板，SiO2层实质上是必要的结构。将SiO2层置换成杨氏模量大的层并不是优选的。因此，在本发明中，使振动板通过SiO2(第一层)以及杨氏模量比SiO2大的陶瓷(第二层)的层叠体构成，由此使振动板整体的杨氏模量较大，抑制由于伴随着膜厚的增大而振动板的弯曲刚性增加造成的影响。
根据这种结构，能够兼顾接收特性的提高和发送特性的提高，得到收发特性高的超声波传感器。
SiO2的杨氏模量是72GPa～74GPa。作为杨氏模量比SiO2大的陶瓷，例如能够列举如下那样的材料。
ZrO2杨氏模量＝150GPa
Si3N4杨氏模量＝290GPa
Al2O3杨氏模量＝370GPa
SiC杨氏模量＝430GPa
此外，已知由SiO2和ZrO2的层叠体构成的振动板。ZrO2的杨氏模量是150GPa左右，仅是SiO2的2倍左右。根据上式(g)，在压电体层的膜厚增加的情况下，由于式(f)的左侧的值增加膜厚差的平方，因此为了确保与该差之间的平衡，需要在某种程度上使ZrO2的膜厚增大。为了使收发特性同时提高，需要使振动板的弯曲刚性较小。因此，当采用由SiO2和ZrO2的层叠体构成的振动板时，如后所述，与以往已知的由SiO2与ZrO2的层叠体构成的振动板不同，在ZrO2的厚度的比率高的范围内满足上述的条件。
另一方面，这样的振动板的第二层如上述那样，在压电体层的膜厚增加的情况下，式(f)的左侧的值增加膜厚差的平方，由于需要确保与该差值的平衡，所以优选采用杨氏模量足够高的材料。因此，根据该点，优选作为第二层不是采用ZrO2，而是采用杨氏模量是290GPa以上的其他的材料。
此处，当总结本发明的振动板结构的构成时，如下所述。
(1)首先，将振动板通过SiO2(第一层)与杨氏模量比SiO2大的陶瓷(第二层)的层叠体构成。由此，使振动板整体的杨氏模量较大，抑制由于伴随着膜厚的增大而振动板的弯曲刚性的增加造成的影响。
(2)接着，“维持应力的中立面”、即当改变压电体层的膜厚时，使式(g)的左边的值与右边的值相同，换言之，将式(g)的右边的下式(1)恒定设为与压电体层的膜厚对应的值。
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2……(1)
(3)再者，在这样的条件下使振动板的弯曲刚性最小。
此处，振动板的弯曲刚性如上述那样，由杨氏模量与截面惯性矩的积表示，由于截面惯性矩由上式(d-1)、上式(d-2)表示，因此层叠体的振动板的弯曲刚性由下式(2)表示。
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3……(2)
因此，本发明的振动板结构优选为满足上述的条件(1)和条件(2)，并且上式(2)为最小值的结构。
此处，在上式(1)为固定的条件下，由于上式(2)的值为最小值的dv1以及dv2的组合唯一地确定，因此在将最小值+2％以内的范围内的dv1以及dv2的组合设为(Dv1，Dv2)的情况下，只要将第一层的厚度设为Dv1、将第二层的厚度设为Dv2即可。
移位量的变化与发送特性、接收特性的变动直接相关。特别在是与发送特性相同的液体喷射头的情况下，移位量的变动幅度与液体粒子或者墨滴的喷出体积的变动幅度相同。移位量、换言之移位效率的变动幅度至少需要满足液体喷射头要求的规格。从液体喷射头喷出的、例如墨滴的体积变动优选在±2％的区域内。即，移位效率的变动幅度优选在最大值-2％以内。由于设定使振动板的刚性为最小，因此实际应当管理的振动板的刚性相对值的范围为最小值+2％以内。
构成振动板的膜通常使用溅射装置制造，这在抑制成本方面较为有效。通过溅射装置成膜的膜的膜厚根据成膜条件而发生变动，不过能够将膜厚变动管理在±2％以内。在膜厚变动被管理在±2％以内的情况下，能够将振动板的弯曲刚性的变动控制在±10％以内。根据这样的制造条件，能够将振动板的刚性相对值管理在最小值+2％以内、即将移位效率管理在最大值-2％以内。
【实施例】
(实施例1)
图6A、图6B示出当由PZT构成压电体层、由SiO2和ZrO2构成振动板，恒定保持依据压电体的膜厚被唯一确定的式(1)的值，并且使压电体层的膜厚dp从500nm变化至1500nm、使振动板的第一层以及第二层的厚度dv1和dv2变化时的、ZrO2的弯曲刚性相对于振动板整体的弯曲刚性之比(以下称作“刚性比”)与振动板的弯曲刚性的相对值之间的关系。此处，所谓弯曲刚性的相对值是指将振动板整体通过SiO2以外的陶瓷构成时的弯曲刚性设为1的情况下的相对值。弯曲刚性相对值成为最小值+2％以内的范围是本发明的范围，以图中箭头进行图示。具体而言，刚性比为0.63～0.77。
另外，在图6C中示出移位效率η(此处是实际移位，由η示出)与刚性比之间的关系。在图6C中用虚线箭头图示出看作现有技术的、SiO2和ZrO2的层叠板的振动板的刚性比亦即0.11～0.51的范围，而本发明的范围如上所述为0.63～0.77，可见与现有技术不同。另外，作为本发明的结构，与现有技术相比移位效率提高也是明显的。
(实施例2)
图7A、图7B示出当由PZT构成压电体层、由SiO2和Si3N4构成振动板，恒定保持依据压电体的膜厚被唯一确定的式(1)的值，并且使压电体层的膜厚dp从500nm变化至1500nm、使振动板的第一层和第二层的厚度dv1和dv2变化时的、Si3N4的弯曲刚性相对于振动板整体的弯曲刚性之比(以下，称作“刚性比”)与振动板的弯曲刚性的相对值之间的关系。此处，所谓弯曲刚性的相对值是指将振动板整体通过SiO2以外的陶瓷构成时的弯曲刚性设为1的情况下的相对值。弯曲刚性相对值为最小值+2％以内的范围是本发明的范围，以图中箭头进行图示。具体而言，刚性比为0.73～0.89。
另外，在图7C中示出移位效率η(此处是实际移位，由η示出)与刚性比之间的关系。
(实施例3)
图8A、图8B示出当由PZT构成压电体层、由SiO2和Al2O3构成振动板、恒定保持依据压电体的膜厚被唯一地确定的式(1)的值，并且使压电体层的膜厚dp从500nm变化至1500nm，使振动板的第一层以及第二层的厚度dv1以及dv2变化时的、Al2O3的弯曲刚性相对于振动板整体的弯曲刚性之比(以下，称作“刚性比”)与振动板的弯曲刚性的相对值之间的关系。此处，所谓弯曲刚性的相对值是指将振动板整体通过SiO2以外的陶瓷构成时的弯曲刚性设为1的情况下的相对值。弯曲刚性相对值为最小值+2％以内的范围是本发明的范围，以图中箭头进行图示。具体而言，刚性比为0.75～0.91。
另外，在图8C中示出移位效率η(此处是实际移位，由η示出)与刚性比之间的关系。
(实施例4)
图9A、图9B示出当由PZT构成压电体层、由SiO2与SiC构成振动板、恒定保持依据压电体的膜厚被唯一地确定的式(1)的值，并且使压电体层的膜厚dp从500nm变化至1500nm，使振动板的第一层以及第二层的厚度dv1以及dv2变化时的、SiC的弯曲刚性相对于振动板整体的弯曲刚性之比(以下，称作“刚性比”)与振动板的弯曲刚性的相对值之间的关系。此处，所谓弯曲刚性的相对值是指将振动板整体通过SiO2以外的陶瓷构成时的弯曲刚性设为1的情况下的相对值。弯曲刚性相对值为最小值+2％以内的范围是本发明的范围，以图中箭头进行图示。具体而言，刚性比为0.76～0.92。
另外，在图9C中示出移位效率η(此处是实际移位，由η示出)与刚性比之间的关系。
(实施方式2)
在图10～13中示出搭载于喷墨式记录装置等的液体喷射装置的喷墨式记录头(以下称作记录头)的一例。图10是作为本实施方式所涉及的液体喷射头的一例的记录头的分解立体图。图11是流路形成基板的压电元件侧的俯视图，图12是以图11的C-C’线为基准的截面图，图13是将压电元件的主要部分放大后的截面图。
流路形成基板1010例如由单晶硅基板构成，形成有压力产生室1012。并且，通过多个间隔壁1011划分出的压力产生室1012沿喷出相同颜色墨水的喷嘴开口1021并列设置的方向并列设置。后文中，将在流路形成基板1010中的压力产生室1012的并列设置方向称作宽度方向或者第一方向X，将与第一方向X正交的方向称作第二方向Y。另外，在本实施方式中，将与第一方向X以及第二方向Y的两者交叉的方向称作第三方向Z。此外，在本实施方式中，将各方向(X、Y、Z)的关系设为正交，但各结构的配置关系并不是一定要限定为正交。
在流路形成基板1010的压力产生室1012的第二方向Y的一端部侧，通过多个间隔壁1011划分出墨水供给路1013以及连通路1014，所述墨水供给路1013通过使压力产生室1012的一侧沿第一方向X收缩来减小开口面积而成，所述连通路1014在第一方向X上具有与压力产生室1012大致相同的宽度。在连通路1014的外侧(在第二方向Y上与压力产生室1012相反侧)形成有连通部1015，所述连通部1015构成成为各压力产生室1012的共用的墨水室的歧管的一部分。即，在流路形成基板1010形成有由压力产生室1012、墨水供给路1013、连通路1014以及连通部1015构成的液体流路。
穿设有与各压力产生室1012连通的喷嘴开口1021的喷嘴板1020通过粘接剂、热熔敷膜等与流路形成基板1010的一面侧、即压力产生室1012等的液体流路开口的面接合。在喷嘴板1020上在第一方向X上并列设置有喷嘴开口1021。与此相对，在与流路形成基板1010的一面侧对置的另一面侧设置有振动板1050，所述振动板1050包括由SiO2(二氧化硅)等构成的弹性膜1051以及由ZrO2(氧化锆)等构成的绝缘体膜1052。作为该振动板1050，只要以与上述的实施方式同样的厚度构成即可。另外，与实施方式1同样地，能够代替作为第二层的ZrO2，转而采用杨氏模量比SiO2大的陶瓷。
在绝缘体膜1052上经由紧贴层1056形成包括第一电极1060、压电体层1070以及第二电极1080的压电元件1300。这种压电元件1300与上述的压电元件300同样，因此省略详细的说明。
在以上说明的形成有压电元件1300的流路形成基板1010上通过粘接剂1035接合保护基板1030。保护基板1030具有歧管部1031。通过歧管部1031构成歧管1100的至少一部分。本实施方式所涉及的歧管部1031沿作为厚度方向的第三方向Z贯通保护基板1030，进而遍布作为压力产生室1012的宽度方向的第一方向X而形成。并且，歧管部1031如上述那样与流路形成基板1010的连通部1015连通。通过这些结构，构成成为各压力产生室1012的共用的墨水室的歧管1100。
在保护基板1030上，在包含压电元件1300的区域中形成有压电元件保持部1032。压电元件保持部1032具有不阻碍压电元件1300的运动的程度的空间。该空间可以被密封，也可以不被密封。在保护基板1030上设置有沿作为厚度方向的第三方向Z贯通保护基板1030的贯通孔1033。引线电极(lead electrode)1090的端部在贯通孔1033内露出。
在保护基板1030上固定有作为信号处理部发挥功能的驱动电路1120。驱动电路1120例如能够使用电路基板、半导体集成电路(IC)。驱动电路1120与引线电极1090经由连接布线1121而被电连接。驱动电路1120能够与打印机控制器1200电连接。这样的驱动电路1120作为本实施方式所涉及的控制单元发挥功能。
在保护基板1030上接合由密封膜1041和固定板1042构成的柔性基板1040。固定板1042的与歧管1100对置的区域为在作为厚度方向的第三方向Z上被完全除去而形成的开口部1043。歧管1100的一个面(+Z方向侧的面)仅由具有挠性的密封膜1041密封。
即使在这样的液体喷射头中，为了提高移位效率也能够采用本发明的振动板结构。
(其他的实施方式)
至此，对于本发明的压电元件应用设备，以超声波传感器、液体喷射头为例进行了说明，但本发明的基本的结构并不限定于此。例如，在上述的实施方式1、2中，作为基板例示了单晶硅基板，但并不限定于此，例如可以使用SOI基板、玻璃等的材料。
在上述的实施方式2中，作为液体喷射头的一例而举出喷墨式记录头进行了说明，但能够广泛地应用于液体喷射头整体，当然也能够应用于喷射墨水以外的液体的液体喷射头。作为其他的液体喷射头，例如存在用于打印机等的图像记录装置的各种记录头、用于液晶显示器等的彩色滤光片的制造的色材喷射头、用于有机EL显示器、FED(场发射显示器)等的电极形成的电极材料喷射头、用于生物芯片制造的生物体有机物喷射头等。
另外，本发明不限定于超声波传感器、液体喷射头，也能够应用与搭载在其他的压电元件应用设备上的压电元件。作为压电元件应用设备的一例列举出超声波设备、马达、压力传感器、热电元件、铁电体元件等。另外，利用了这些压电元件应用设备的完成体、例如利用了上述液体等喷射头的液体等喷射装置、利用了上述超声波设备的超声波传感器、利用上述马达作为驱动源的机器人、利用了上述热电元件的IR传感器、利用了铁电体元件的铁电体存储器等也包含在压电元件应用设备。
在附图中示出的结构要素、即层等的厚度、宽度、相对位置关系等在对本发明进行说明的基础上有时夸张地示出。另外，本说明书中的“上”的用语并不限定为结构要素的位置关系是“正上方”的情况。例如，“基板上的第一电极”、“第一电极上的压电体层”的描述不排除在基板与第一电极之间、在第一电极与压电体层之间包含其他的结构要素的情况。
Claims (4)
1.一种振动板结构，其特征在于，
被设置于由压电体层以及夹着该压电体层的一对电极构成的压电元件与基板之间的振动板具备：设置于所述基板侧且由氧化硅膜构成的第一层、以及由杨氏模量比氧化硅大的陶瓷构成的第二层，
当将所述第一层的杨氏模量设为Ev1、厚度设为dv1、所述第二层的杨氏模量设为Ev2、厚度设为dv2时，在下式(1)
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2……(1)
的值为恒定的条件下，将下式(2)
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3……(2)
的值为最小值+2％以内的范围的dv1以及dv2的组合设为(Dv1，Dv2)，在此情况下，所述第一层的厚度为Dv1，所述第二层的厚度为Dv2。
2.根据权利要求1所述的振动板结构，其特征在于，
所述第一层的厚度为200nm以上。
3.根据权利要求1所述的振动板结构，其特征在于，
构成所述第二层的陶瓷选自氧化锆、氧化铝、氮化硅以及碳化硅中的至少一种。
4.一种压电元件应用设备，其特征在于，
具备权利要求1至3中任一项所述的振动板结构，
在所述振动板上具备所述压电元件。
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