JP2015041650A - 圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法及び超音波トランスデューサーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体層のダメージを抑制して表面に凹凸を形成することができる圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法及び超音波トランスデューサーの製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子の製造方法であって、前記圧電体層７０の一方面に酸化可能な金属層２０１を形成し、該金属層２０１を熱酸化により凝集させ、前記圧電体層７０の一方面側を凝集した前記金属層２０１側から等方性ドライエッチングを行うことで、当該圧電体層７０の一方面側に凹凸を形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子の製造方法であって、前記圧電体層７０の一方面に酸化可能な金属層２０１を形成し、該金属層２０１を熱酸化により凝集させ、前記圧電体層７０の一方面側を凝集した前記金属層２０１側から等方性ドライエッチングを行うことで、当該圧電体層７０の一方面側に凹凸を形成する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法及び超音波トランスデューサーの製造方法に関する。
圧電素子（圧電アクチュエーター）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開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドが知られている。この液体噴射ヘッドの代表例としては、液滴としてインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドがある。
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、圧電素子の駆動によって振動板を変形させることで、圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を噴射させる。
このようなインクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電体層の表面に凹凸を形成するには、例えば、ウェットエッチングすることで行う方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、圧電体層の表面に凹凸を形成するためにウェットエッチングを行うと、エッチャントが圧電体層にダメージを与えてしまうという問題がある。
なお、このような問題は液体噴射ヘッドや超音波トランスデューサーに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層のダメージを抑制して表面に凹凸を形成することができる圧電素子の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法及び超音波トランスデューサーの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子の製造方法であって、前記圧電体層の一方面に酸化可能な金属層を形成し、該金属層を熱酸化により凝集させ、前記圧電体層の一方面側を凝集した前記金属層側から等方性ドライエッチングを行うことで、当該圧電体層の一方面側に凹凸を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
ここで、前記第２電極が前記圧電体層の一方面に形成されるものであり、前記金属層は、前記第２電極の少なくとも一部であることが好ましい。これによれば、金属層を第２電極の一部で構成することができるため、製造工程を簡略化することができる。
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子の製造方法を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
また、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子の製造方法を具備することを特徴とする超音波トランスデューサーの製造方法にある。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
かかる態様では、等方性ドライエッチングによって圧電体層に凹凸を形成することで、ウェットエッチングを行う場合に比べて、圧電体層がエッチング液によるダメージを抑制することができる。また、ウェットエッチングを行う場合に比べて、所定の領域にピンポイントで凹凸を容易に形成することができる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の断面図である。
図１に示すように、圧電素子３００は、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを具備する。本実施形態では、圧電体層７０の両側の面にそれぞれ第１電極６０と第２電極８０とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、圧電体層７０の一方面に第１電極６０と第２電極８０とを分離した状態で形成してもよい。また、第１電極６０及び第２電極８０は、圧電体層７０の表面の全面に亘って形成されていても、一部が除去されていてもよい。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る圧電素子の断面図である。
図１に示すように、圧電素子３００は、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを具備する。本実施形態では、圧電体層７０の両側の面にそれぞれ第１電極６０と第２電極８０とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、圧電体層７０の一方面に第１電極６０と第２電極８０とを分離した状態で形成してもよい。また、第１電極６０及び第２電極８０は、圧電体層７０の表面の全面に亘って形成されていても、一部が除去されていてもよい。
ここで圧電体層７０は、分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト方結晶）からなることができ、Ａは、鉛を含み、Ｂは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Ｂは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮＳ）などを用いることができる。
また、圧電体層７０は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。
このような圧電体層７０の一方の表面、本実施形態では、第２電極８０側には、第１電極６０とは反対側に突出する複数の凸部２００が設けられている。すなわち、圧電体層７０の一方面には、複数の凸部２００によって凹凸が形成されている。なお、本実施形態の第２電極８０は、圧電体層７０の凸部２００が形成された面の形状を踏襲して形成されている。したがって、第２電極８０の表面（圧電体層７０）とは反対面側は凹凸が形成されている。
ここで、このような圧電素子３００の製造方法について図２を参照して説明する。なお、図２は、本実施形態の圧電素子の製造方法を示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、圧電体層７０の一方面に金属層２０１を形成する。金属層２０１としては、熱酸化する金属材料であれば特に限定されず、例えば、チタン、ジルコニウムから選択される少なくとも１種の材料を含むものを用いることができる。また、金属層２０１は、イリジウムを含むようにするのが好適である。金属層２０１にイリジウムを含ませることで、例えば、圧電体層７０及び金属層２０１を熱処理した際に圧電体層７０を構成する成分が金属層２０１中に拡散し過ぎるのを抑制すると共に金属層２０１の成分が圧電体層７０中に拡散するのを抑制するための拡散防止層として機能するからである。
また、第２電極８０を構成する第２層８２は、導電性を有する材料、例えば、イリジウム又はチタンとイリジウムとを積層したものを用いることができる。なお、第２層８２は、電気抵抗を下げるために第１層８１に比べて厚く形成している。そして、イリジウムは内部応力が圧縮応力となっており、チタンは内部応力が略０となっているため、第２電極８０は、内部応力が圧縮応力となっている。
次に、図２（ｂ）に示すように、金属層２０１を熱酸化させる。これにより、金属層２０１が熱酸化により凝集して圧電体層７０の表面には、酸化金属による複数の凸部２０２が形成される。
本実施形態では、金属層２０１を熱処理することで熱酸化により凝集させて圧電体層７０の表面に不連続となる複数の凸部２０２を形成するようにした。なお、凸部２０２は、特にこれに限定されず、例えば、圧電体層７０の表面に連続した複数の凸部２０２が形成されていてもよい。すなわち、圧電体層７０の表面には、金属層２０１が形成され、金属層２０１の一部又は全てが熱処理により酸化することで、金属層２０１の表面（圧電体層７０とは反対側の面）に複数の凸部２０２が形成されてもよい。ちなみに、圧電体層７０の表面に形成する複数の凸部２０２が連続するか不連続となるかは、金属層２０１の材料や厚さ、熱処理の温度や熱処理時間等を適宜設定することで変更することができる。
ちなみに、凸部２０２（詳しくは後述する凸部２００）の大きさは、金属層２０１を熱酸化する際の加熱温度、加熱時間などの条件によって変化するものであり、加熱温度が高いほど大きくなる傾向がある。
次に、図２（ｃ）に示すように、熱酸化した複数の凸部２０２が形成された面側から等方性ドライエッチング、すなわち、エッチング液を用いないエッチングを行うことにより、圧電体層７０の表面側に複数の凸部２００を形成する。つまり、酸化金属により形成された複数の凸部２０２と、この凸部２０２が形成されていない圧電体層７０の表面とが等しく削られることにより、複数の凸部２０２とこれら凸部２０２が形成されていない圧電体層７０とからなる表面と略同じ形状を圧電体層７０の表面に転写して複数の凸部２００を形成することができる。
このように、圧電体層７０の表面に複数の凸部２００を形成する際に、等方性ドライエッチングを用いることで、圧電体層７０のダメージを抑制して、圧電体層７０の圧電特性が変化するのを抑制することができる。ちなみに、圧電体層７０の表面に複数の凸部２００を形成するために、圧電体層７０をウェットエッチングすると、エッチング液によって圧電体層７０にダメージ（組成変化や異物の注入）が生じ、圧電体層７０の圧電特性が変化してしまう。また、ウェットエッチングをピンポイントで行うのは困難であるが、本実施形態のように等方性ドライエッチングで行うことで、圧電体層７０の特定の場所にピンポイントで凸部２００を容易に形成することができる。
なお、等方性ドライエッチングでは、圧電体層７０上に金属層２０１の一部を残留させてもよく、また完全に除去させてもよい。
そして、このように複数の凸部２００が形成された圧電体層７０の表面に第２電極８０を形成することで、図１に示す圧電素子３００が形成される。すなわち、第２電極８０は、圧電体層７０の凸部２００が形成された表面に沿って略均一な厚さで形成されることで、第２電極８０には複数の凸部８５が形成される。もちろん、第２電極８０の形成方法や、形成する厚さによっては、凸部８５が形成されずに、第２電極８０の表面を平坦面で形成してもよい。
このように圧電体層７０と第２電極８０とは、圧電体層７０の表面に設けられた複数の凸部２００によるアンカー効果によって密着力を高めることができる。また、第２電極８０を形成しない場合には、例えば、圧電体層７０上に形成される配線や接着剤等によって接着される他の部材との密着力を向上することができる。
なお、本実施形態では、金属層２０１と第２電極８０とを別部材としたが、特にこれに限定されず、例えば、第２電極８０の一部を金属層２０１としてもよい。すなわち、第２電極８０を複数層で形成して、第２電極８０の圧電体層７０側の層を金属層２０１として用いてもよい。この場合には、金属層２０１の少なくとも一部（凝集した凸部２０２の一部も含む）を圧電体層７０の表面に残留させればよい。
さらに、金属層２０１を熱酸化させる熱処理では、金属層２０１に含まれる金属、本実施形態では、チタンが熱酸化される温度よりも高い温度であればよいが、例えば、金属層２０１を熱酸化させるのと同時に、圧電体層７０をポストアニール（再加熱処理）するようにしてもよい。すなわち、金属層２０１を熱酸化させる熱処理と、圧電体層７０のポストアニールとを同時に行なってもよい。このように圧電体層７０をポストアニールすることで、圧電体層７０の第２電極８０側に金属層２０１を形成した際のダメージが発生しても、ポストアニールを行うことによって圧電体層７０のダメージを回復して、圧電体層７０の圧電特性を向上することができる。もちろん、金属層２０１を熱酸化させる熱処理と圧電体層７０のポストアニールとを別工程で行なってもよい。
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図５は、図４の要部を拡大した図である。
図３は、本発明の実施形態２に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図５は、図４の要部を拡大した図である。
図示するように、本実施形態の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドＩは、ヘッド本体９、ケース部材４０等の複数の部材を備え、これら複数の部材が接着剤等によって接合されている。本実施形態では、ヘッド本体９は、流路形成基板１０と、連通板１５と、ノズルプレート２０と、保護基板３０と、コンプライアンス基板４５と、を具備する。
ヘッド本体９を構成する流路形成基板１０には、一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力発生室１２が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には、圧力発生室１２が第１の方向Ｘに並設された列が複数列、本実施形態では、２列設けられている。この圧力発生室１２が第１の方向Ｘに沿って形成された圧力発生室１２の列が複数列設された列設方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。
また、このような流路形成基板１０の一方面側には、振動板５０が設けられており、圧力発生室１２等の流路は、振動板５０によって封止されている。
また、流路形成基板１０の他方面側（振動板５０とは反対側）には、連通板１５が接合されている。また、連通板１５には、各圧力発生室１２に連通する複数のノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接合されている。
連通板１５には、圧力発生室１２とノズル開口２１とを繋ぐノズル連通路１６が設けられている。連通板１５は、流路形成基板１０よりも大きな面積を有し、ノズルプレート２０は流路形成基板１０よりも小さい面積を有する。このようにノズルプレート２０の面積を比較的小さくすることでコストの削減を図ることができる。
また、連通板１５には、マニホールド１００の一部を構成する第１マニホールド部１７と、第２マニホールド部１８とが設けられている。
さらに、連通板１５には、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部に連通する供給連通路１９が、各圧力発生室１２毎に独立して設けられている。この供給連通路１９は、第２マニホールド部１８と圧力発生室１２とを連通する。
また、ノズルプレート２０には、各圧力発生室１２とノズル連通路１６を介して連通するノズル開口２１が形成されている。すなわち、ノズル開口２１は、第１の方向Ｘに並設された列が、第２の方向Ｙに複数列、本実施形態では、２列形成されている。
一方、流路形成基板１０の連通板１５とは反対面側には、振動板５０が形成されている。また、振動板５０上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが積層されて、本実施形態の圧電素子である圧電アクチュエーター３００が形成されている。
図６に示すように、圧電アクチュエーター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、圧電アクチュエーター３００毎に独立する個別電極を構成する。
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。このため、圧力発生室１２の第２の方向Ｙでは、圧電体層７０は圧力発生室１２の外側まで設けられている。
なお、圧電体層７０の外側まで延設された第１電極６０には、例えば、金（Ａｕ）等からなる個別リード電極９１が接続されている。図示は省略するが、この個別リード電極９１には、駆動回路１２０等が実装された配線基板１２１が接続される。
第２電極８０は、図６に示すように、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、後述する複数の能動部３１０に共通する共通電極を構成する。また、第２電極８０の圧電体層７０上の一部は、除去部８３（図５参照）によって電気的に切断されている。すなわち、第１電極６０上の第２電極８０と圧電体層７０上の第２電極８０とは不連続となることで、第１電極６０（個別電極）と第２電極８０（共通電極）とが短絡しないようになっている。ここで、除去部８３は、圧電体層７０上のノズル開口２１側に設けられており、第２電極８０を厚さ方向に貫通して電気的に切断するものである。このような除去部８３は、第１の方向Ｘに亘って連続して第２電極８０を厚さ方向に貫通して設けられている。
また、このような第２電極８０には、圧電体層７０とは反対側に突出する複数の凸部８５が設けられている。
また、圧電体層７０の第２電極８０側の表面には、複数の凸部２００が形成されている。つまり、圧電体層７０の第２電極８０が形成された領域と除去部８３によって露出された領域とに複数の凸部２００が形成されている。このような第２電極８０の凸部８５及び圧電体層７０の凸部２００については、上述した実施形態１と同様であり、且つ上述した実施形態１と同様の製造方法によって形成することができるため重複する説明は省略する。
このような構成の圧電アクチュエーター３００は、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変位が生じる。すなわち両電極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。そして、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３１０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３１０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。
本実施形態では、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０の全てが圧力発生室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ている。すなわち能動部３１０が圧力発生室１２の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部３１０のうち圧電アクチュエーター３００の圧力発生室１２に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室１２の外側の部分が非可撓部となっている。
ここで本実施形態では、図４に示すように、能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、第２電極８０によって規定されており、且つ能動部３１０の第２の方向Ｙの端部は、圧力発生室１２に相対向する領域の外側、すなわち、非可撓部に設けられている。
また、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部は、第１電極６０によって規定されている。そして、第１電極６０の第１の方向Ｘの端部は、圧力発生室１２に相対向する領域内に設けられている。したがって、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部は、可撓部に設けられていることになり、第１の方向Ｘにおいて、能動部３１０と非能動部との境界における応力が振動板の変形によって開放される。このため、能動部３１０の第１の方向Ｘの端部における応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。
このような圧電アクチュエーター３００では、第２電極８０が、圧電体層７０を覆っているため、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なく、圧電アクチュエーター３００の破壊を抑制することができる。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが近接した状態で露出されていると、圧電体層７０の表面を電流がリークし、圧電体層７０が破壊されてしまう。ちなみに、第１電極６０と第２電極８０とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生し難い。
このような圧電アクチュエーター３００の第１電極６０と、第２電極８０とには、本実施形態の配線層であるリード電極９０（個別リード電極９１及び共通リード電極９２）が接続されている。
ここで、個別リード電極９１は、圧電体層７０の外側まで延設された各第１電極６０上から振動板５０上にまで引き出されている。
共通リード電極９２は、特に図示していないが、第１の方向Ｘの両端部において、第２電極８０上（圧電体層７０上の第２電極８０上）から振動板５０上にまで第２の方向Ｙに引き出されている。
また、共通リード電極９２は、第２の方向Ｙにおいて、圧力発生室１２の両側の壁面上に、すなわち、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられた延設部９３を有する。延設部９３は、複数の能動部３１０の第１の方向Ｘに亘って連続して設けられており、第１の方向Ｘの両端部で共通リード電極９２に連続する。すなわち、延設部９３を有する共通リード電極９２は、保護基板３０側から平面視した際に、能動部３１０の周囲を囲むように連続して配置されている。本実施形態では、第２電極８０上に形成された共通リード電極９２と延設部９３とが配線となる。つまり、流路形成基板１０上に配線が設けられているとは、その流路形成基板１０の直上も、間に他の部材が介在した状態（上方）も含むものである。
このように、延設部９３を設けることで、可撓部と非可撓部との境界の剛性を向上して、可撓部と非可撓部との境界の応力集中における圧電体層７０の破壊を抑制することができる。また、共通リード電極９２が可撓部上には実質的に形成されていないため、能動部３１０の変位低下を抑えることができる。
このような圧電アクチュエーター３００が形成された流路形成基板１０の一方面側には、保護基板３０が接合されている。本実施形態では、保護基板３０は、圧電アクチュエーター３００上に接着剤３５を介して接着されている。ここで、保護基板３０は、圧電アクチュエーター３００の第１の方向Ｘの個別リード電極９１側の一端部において、個別リード電極９１上、除去部８３によって露出された圧電体層７０上及び延設部９３上に跨って接着されている。また、保護基板３０は、圧電アクチュエーター３００の第１の方向Ｘの個別リード電極９１とは反対側の他端部において、延設部９３上に接着されている。そして、保護基板３０が接着される圧電体層７０の除去部８３によって露出された表面には、複数の凸部２００によって凹凸が形成されているため、接着剤３５はアンカー効果によって接着強度が向上する。すなわち、延設部９３は、可撓部と非可撓部との境界に設けられており、可撓部と非可撓部との境界に近接する除去部８３には、圧電アクチュエーター３００が駆動した際の応力が印加される。このため、除去部８３によって露出された圧電体層７０と接着剤３５との密着力が低いと、他の領域に比べて圧電体層７０から接着剤３５が比較的容易に剥離してしまう。本実施形態では、圧電アクチュエーター３００の駆動によって応力が印加されて剥離し易い領域、すなわち、圧電体層７０の除去部８３によって露出された表面に複数の凸部２００を設けることで、アンカー効果によって接着強度を向上することができるため、保護基板３０を接着する接着剤３５の剥離を抑制することができる。
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３２が設けられている。各能動部３１０の第１電極６０に接続された個別リード電極９１や第２電極８０に接続された共通リード電極９２は、この貫通孔３２内に露出している。貫通孔３２内に露出された個別リード電極９１及び共通リード電極９２には、図示しない駆動回路１２０が実装された配線基板１２１の端子（図示なし）が接続されている。
また、このような構成のヘッド本体９には、複数の圧力発生室１２に連通するマニホールド１００をヘッド本体９と共に画成するケース部材４０が固定されている。ケース部材４０は、保護基板３０側に流路形成基板１０及び保護基板３０が収容される深さの凹部４１を有する。そして、凹部４１に流路形成基板１０等が収容された状態で凹部４１のノズルプレート２０側の開口面が連通板１５によって封止されている。これにより、流路形成基板１０の外周部には、ケース部材４０とヘッド本体９とによって第３マニホールド部４２が画成されている。そして、連通板１５に設けられた第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８と、ケース部材４０と流路形成基板１０とによって画成された第３マニホールド部４２とによって本実施形態のマニホールド１００が構成されている。
また、連通板１５の第１マニホールド部１７及び第２マニホールド部１８が開口する面には、コンプライアンス基板４５が設けられている。このコンプライアンス基板４５が、第１マニホールド部１７と第２マニホールド部１８の開口を封止している。
なお、ケース部材４０には、マニホールド１００に連通して各マニホールド１００にインクを供給するための導入路４４が設けられている。また、ケース部材４０には、保護基板３０の貫通孔３２に連通して配線基板１２１が挿通される接続口４３が設けられている。
このような構成のインクジェット式記録ヘッドＩでは、インクを噴射する際に、カートリッジ等のインク貯留手段から導入路４４を介してインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路１２０からの信号に従い、圧力発生室１２に対応する各圧電アクチュエーター３００に電圧を印加することにより、圧電アクチュエーター３００と共に弾性膜５１及び絶縁体膜５２をたわみ変形させる。これにより、圧力発生室１２内の圧力が高まり所定のノズル開口２１からインク滴が噴射される。
（実施形態３）
以下、本発明の一実施形態である超音波センサーについて説明する。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。
以下、本発明の一実施形態である超音波センサーについて説明する。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。
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スデューサーである。
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する。従ってこの場合は、圧電素子は受信用超音波トランスデューサーである。
なお、本実施形態においては、圧電素子（超音波トランスデューサー）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。なお、第１電極を振動板として使用することも可能である。
図６は、本発明の実施形態３に係る超音波トランス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Ｅ−Ｅ′線断面図である。
図６（ａ）に示すように、複数の発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とが基板開口部１２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スデューサー３０１及び複数の受信用超音波トランスデューサー３０２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。また、通電するトランスデューサーの個数と列数と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。
なお、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２とをトランスデューサーごとに交互に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。
また、本実施例は、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スデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー３０２との両方を配置したが、超音波トランスデューサーの機能に応じて発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー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スデューサーに発信と受信との機能を両方備えることも可能である。
図６（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１０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。
基板１０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１０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てもよい。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させることによってトランスデューサーの発信と受信特性が向上にも繋がる。
基板１０には、開口である基板開口部１２が形成されている。基板開口部１２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。
第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０については上述した実施形態１及び２と同様のため、構成の説明は省略する。なお、実施形態２に対して、超音波デバイスは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。また、圧電体層７０の第２電極８０側には複数の凸部２００が形成されていると共に、第２電極８０の圧電体層７０とは反対側には複数の凸部８５が形成されている構成も上述した実施形態１及び２と同様である。そして、このような発信用超音波トランスデューサー３０１及び受信用超音波トランスデューサー３０２である圧電素子の製造方法についても上述した実施形態１及び２と同様のため重複する説明は省略する。
さらに、発信用超音波トランスデューサー３０１と受信用超音波トランスデューサー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スデューサー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スデューサー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。
このように、本願の超音波デバイス４００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を狭いピッチ（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３００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。
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。
さらに、本実施形態では、圧電体層７０の表面にエッチング液を用いることなく、複数の凸部２００を形成したため、圧電体層７０がエッチング液によるダメージを受けるのを抑制することができ、優れた圧電特性の超音波デバイス４００を実現できる。また、凸部２００が形成された圧電体層７０上又は第２電極８０の凸部８５上に他の部材を接着すれば、アンカー効果によって接着強度を向上することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の各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。
以上、本発明の各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。
例えば、上述した実施形態２では、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを連通板１５を介して接合するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを直接接合するようにしてもよい。また、ノズルプレート２０と流路形成基板１０との間には連通板１５以外の他の基板を介在させてもよい。
なお、上記実施形態２においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッドの製造方法全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その他の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、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。
また、本発明は、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や超音波センサーに搭載される圧電素子に限られず、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の装置に搭載される圧電素子の製造方法にも適用することができる。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子の製造方法にも同様に適用することができる。
Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、基板、 １２ 圧力発生室、基板開口部、 １５ 連通板、 １６ ノズル連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３５ 接着剤、 ４０ ケース部材、 ４５ コンプライアンス基板、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ８５ 凸部、 ９１ 個別リード電極、 ９２ 共通リード電極、 ９３ 延設部、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 １２１ 配線基板、 ２００ 凸部、 ２０２ 凸部、 ３００ 圧電素子（圧電アクチュエーター）、 ３１０ 能動部、 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、 ４００ 超音波デバイス
Claims (4)
- 第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子の製造方法であって、
前記圧電体層の一方面に酸化可能な金属層を形成し、
該金属層を熱酸化により凝集させ、
前記圧電体層の一方面側を凝集した前記金属層側から等方性エッチングを行うことで、当該圧電体層の一方面側に凹凸を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 前記第２電極が前記圧電体層の一方面に形成されるものであり、
前記金属層は、前記第２電極の少なくとも一部であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子の製造方法。 - 請求項１又は２に記載の圧電素子の製造方法を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項１又は２に記載の圧電素子の製造方法を具備することを特徴とする超音波トランスデューサーの製造方法。
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