JP2017118611A - 振動板構造及び圧電素子応用デバイス - Google Patents
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【解決手段】圧電体層70及びこれを挟む一対の電極60,80からなる圧電素子300と基板との間に設けられた振動板50が、前記基板側に設けられた酸化ケイ素膜からなる第1層と、酸化ケイ素よりヤング率が大きいセラミックスで構成される第2層とを具備し、前記第1層のヤング率をEv1、厚さをdv1、前記第2層のヤング率をEv2、厚さをdv2としたときの下記式(1)Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2・・・(1)の値が一定となる条件下で、下記式(2)Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3・・・(2)の値が、極小値+2%以内の範囲となるdv1及びdv2の組を(Dv1,Dv2)とする場合、前記第1層の厚さがDv1であり、前記第2層の厚さがDv2である。
【選択図】図5A
Description
前記第1層のヤング率をEv1、厚さをdv1、前記第2層のヤング率をEv2、厚さをdv2としたときの下記式(1)
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2 ・・・(1)
の値が一定となる条件下で、下記式(2)
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3 ・・・(2)
の値が、極小値+2%以内の範囲となるdv1及びdv2の組を(Dv1,Dv2)とする場合、
前記第1層の厚さがDv1であり、前記第2層の厚さがDv2である
ことを特徴とする振動板構造にある。
かかる態様では、前記圧電素子の前記振動板との境界又は前記圧電素子の前記振動板側の電極近傍に位置したまま、前記式(2)の値が極小値近傍の値を採る厚さの第1層及び第2層からなる振動板となるので、振動板の曲げ剛性が小さくなり、変位効率が向上する。
(超音波デバイス)
図1は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図であり、超音波センサー及び超音波デバイスは、圧電素子応用デバイスの例である。図示するように、超音波プローブIは、CAV面型の超音波センサー1と、超音波センサー1に接続されたフレキシブルプリント基板(FPC基板2)と、装置端末(図示せず)から引き出されたケーブル3と、FPC基板2及びケーブル3を中継ぎする中継基板4と、超音波センサー1、FPC基板2及び中継基板4を保護する筐体5と、筐体5及び超音波センサー1の間に充填された耐水性樹脂6と、等を具備して構成されている。
次に、超音波センサー1の構成例について説明する。図2は、超音波センサーの分解斜視図である。図3は、超音波センサーの基板の平面図である。図4Aは、図3のA−A´線断面図である。図4Bは、図3のB−B´線断面図である。
変位効率η=D1/D0 ・・・(a)
変位効率(代替値)η’=(Sp−Sv)/Sp ・・・(b)
Sp:圧電体層の曲げ剛性、 Sv:振動板の曲げ剛性
Ep:圧電体層のヤング率、 Ip:圧電体層の断面二次モーメント
Ev:振動板のヤング率、 Iv:振動板の断面二次モーメント
Iv=w×dv 3/12 ・・・(d-2)
w:キャビティ(空間)長
dp:圧電体層の膜厚、 dv:振動板の膜厚
式(d-1)、式(d-2)を式(c)に適用すると、次の式(e)のようになり、断面二次モーメントは膜厚の3乗に比例することとなる。
式(e)に表されるとおり、振動板の曲げ剛性は、膜厚の3乗に比例する。
Ep:圧電体層のヤング率、dp:圧電体層の膜厚
Ev:振動板のヤング率、 dv:振動板の膜厚
Ep:圧電体層のヤング率、 dp:圧電体層の膜厚
Ev1:振動板(第1層)のヤング率、 dv1:振動板(第1層)の膜厚
Ev2:振動板(第2層)のヤング率、 dv2:振動板(第2層)の膜厚
Si3N4 ヤング率=290GPa
Al2O3 ヤング率=370GPa
SiC ヤング率=430GPa
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2 ・・・(1)
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3 ・・・(2)
図6A、図6Bは、圧電体層をPZTによって構成し、また、振動板をSiO2とZrO2によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式(1)の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚dpを500nmから1500nmまで変化させ、振動板の第1層及び第2層の厚さdv1及びdv2を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するZrO2の曲げ剛性の比(以下、「剛性比」と称する)と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をSiO2以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を1とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値+2%以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が0.63〜0.77である。
図7A、図7Bは、圧電体層をPZTによって構成し、また、振動板をSiO2とSi3N4によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式(1)の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚dpを500nmから1500nmまで変化させ、振動板の第1層及び第2層の厚さdv1及びdv2を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するSi3N4の曲げ剛性の比(以下、「剛性比」と称する)と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をSiO2以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を1とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値+2%以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が0.73〜0.89である。
図8A、図8Bは、圧電体層をPZTによって構成し、また、振動板をSiO2とAl2O3によって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式(1)の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚dpを500nmから1500nmまで変化させ、振動板の第1層及び第2層の厚さdv1及びdv2を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するAl2O3の曲げ剛性の比(以下、「剛性比」と称する)と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をSiO2以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を1とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値+2%以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が0.75〜0.91である。
図9A、図9Bは、圧電体層をPZTによって構成し、また、振動板をSiO2とSiCによって構成し、圧電体の膜厚に依存して一意的に決まる、式(1)の値を一定に保ちながら、圧電体層の膜厚dpを500nmから1500nmまで変化させ、振動板の第1層及び第2層の厚さdv1及びdv2を変化させたときの、振動板全体の曲げ剛性に対するSiCの曲げ剛性の比(以下、「剛性比」と称する)と、振動板の曲げ剛性の相対値との関係を示したものである。ここで、曲げ剛性の相対値とは、振動板全体をSiO2以外のセラミックスで構成したときの曲げ剛性を1とした場合の相対値である。曲げ剛性相対値が極小値+2%以内となった範囲が本発明の範囲であり、図中矢印で図示する。具体的には、剛性比が0.76〜0.92である。
図10〜13には、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に搭載されるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッドという)の一例を示す。図10は、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例である記録ヘッドの分解斜視図である。図11は、流路形成基板の圧電素子側の平面図であり、図12は、図11のC−C′線に準ずる断面図、図13は、圧電素子の要部を拡大した断面図である。
以上、本発明の圧電素子応用デバイスは、超音波センサーや液体噴射ヘッドを例示して説明したが、本発明の基本的構成は上記のものに限定されるものではない。例えば、上記の実施形態1、2では、基板としてシリコン単結晶基板を例示したが、これに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
Claims (4)
- 圧電体層及びこれを挟む一対の電極からなる圧電素子と基板との間に設けられた振動板が、前記基板側に設けられた酸化ケイ素膜からなる第1層と、酸化ケイ素よりヤング率が大きいセラミックスで構成される第2層とを具備し、
前記第1層のヤング率をEv1、厚さをdv1、前記第2層のヤング率をEv2、厚さをdv2としたときの下記式(1)
Ev1×dv1 2+Ev2×dv2 2 ・・・(1)
の値が一定となる条件下で、下記式(2)
Ev1×dv1 3+Ev2×dv2 3 ・・・(2)
の値が、極小値+2%以内の範囲となるdv1及びdv2の組を(Dv1,Dv2)とする場合、
前記第1層の厚さがDv1であり、前記第2層の厚さがDv2である
ことを特徴とする振動板構造。 - 前記第1層の厚さが200nm以上であることを特徴とする請求項1記載の振動板構造。
- 前記第2層を構成するセラミックスが、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の振動板構造。
- 請求項1〜3の何れか一項に記載の振動板構造を具備し、前記振動板の上に圧電素子を具備することを特徴とする圧電素子応用デバイス。
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C23 | Notice of termination of proceedings |
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C03 | Trial/appeal decision taken |
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C30A | Notification sent |
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