JP2017157691A - 圧電デバイス、ｍｅｍｓデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体層の保護を行うと共に変位低下を抑制した圧電デバイス、ＭＥＭＳデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】圧電体層７０と、第１耐湿層２０１と、第２耐湿層２０２とがこの順に積層された圧電デバイスであって、前記第１耐湿層２０１は、前記第２耐湿層２０２よりも柔軟性が高く、前記第２耐湿層２０２は、前記第１耐湿層２０１よりも透湿性が低い材料である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、圧電体層を有する圧電デバイス、圧電デバイスを有するＭＥＭＳデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

圧電デバイスに用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。

また、インクジェット式記録ヘッド等に用いられる圧電デバイスとしては、圧電材料で形成された圧電体層と、圧電体層を覆う保護膜とを具備するものが提案されている（例えば、特許文献１及び２等参照）。

特開２００８−１７３９２４号公報 特開２０１５−２０８８８２号公報

しかしながら、圧電体層を保護膜で覆うと、保護膜が圧電体層の変位を阻害し、所望の変位特性を得ることができないという問題がある。

また、保護膜による圧電体層の変位の阻害を抑制するために、保護膜の膜厚を薄くすると、保護膜によって圧電体層を大気中の水分などの環境から確実に保護することができないという問題がある。

なお、このような問題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に用いられる圧電デバイスに限定されず、他の圧電デバイス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、圧電体層の保護を行うと共に変位低下を抑制した圧電デバイス、ＭＥＭＳデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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、圧電体層と、第１耐湿層と、第２耐湿層とがこの順に積層された圧電デバイスであって、前記第１耐湿層は、前記第２耐湿層よりも柔軟性が高く、前記第２耐湿層は、前記第１耐湿層よりも透湿性が低い材料であることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、第２耐湿層を設けることで、圧電体層の水分に起因する破壊を抑制することができる。また、第１耐湿層を設けることで、耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

ここで、前記第１耐湿層が、前記第２耐湿層よりもヤング率が低いことが好ましい。これによれば、第１耐湿層及び第２耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、前記第２耐湿層が、前記第１耐湿層よりも膜厚が薄いことが好ましい。これによれば、水蒸気が拡散し難い材料は一般的に硬い材料が多いため、比較的硬い材料で形成された第２透湿層を薄くすることで、第１耐湿層及び第２耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、前記第２耐湿層が金属であることが好ましい。これによれば、金属は水分が拡散し難く、圧電体層の水分に起因する破壊を抑制することができる。

また、前記第１耐湿層が、有機化合物であることが好ましい。これによれば、比較的軟らかい材料を用いることで、第１耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、前記第１耐湿層がポリイミドであることが好ましい。これによれば、比較的軟らかい材料を用いることで、第１耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、前記第２耐湿層がクロムであることが好ましい。これによれば、第２耐湿層によって圧電体層の水分に起因する破壊を抑制することができる。

さらに、本発明の他の態様は、圧電体層と第１耐湿層と第２耐湿層とがこの順に積層された圧電デバイスであって、前記第１耐湿層は、前記第２耐湿層よりも柔軟性が高く、前記第２耐湿層が水蒸気により酸化する材料であることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、第２耐湿層を設けることで、第２耐湿層が水分をトラップして、第２耐湿層の内側に水分が透過するのを抑制することができ、圧電体層の水分に起因する破壊を抑制することができる。また、第１耐湿層を設けることで、耐湿層が圧電体層の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、本発明の他の態様は、上記態様に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とするＭＥＭＳデバイスにある。
かかる態様では、圧電体層を保護することができると共に、圧電体層の変形の阻害を抑制したＭＥＭＳデバイスを実現できる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電体層を保護することができると共に、液体の吐出特性の低下を抑制した液体噴射ヘッドを実現できる。

また、本発明の他の態様は、上記態様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にある。
かかる態様では、圧電体層を保護することができると共に、液体の吐出特性の低下を抑制した液体噴射装置を実現できる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。 図２のＡ−Ａ′線断面図である。 図３のＢ−Ｂ′線断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す要部断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態２に係る超音波デバイスの平面図である。 図７のＣ−Ｃ′線断面図である。

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の概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′線断面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ′線断面図である。

図示するように、インクジェット式記録ヘッドＩを構成する流路形成基板１０は、ステンレス鋼やＮｉなどの金属、ＺｒＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３のような酸化物などを用いることができる。本実施形態では、流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなる。この流路形成基板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。本実施形態では、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、ノズル開口２１が開口する液体噴射面の面内において、第１の方向Ｘに直交する方向を第２の方向Ｙと称する。さらに、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの双方に交差する方向を本実施形態では、第３の方向Ｚと称する。なお、本実施形態では、各方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の関係を直交とするが、各構成の配置関係が必ずしも直交するものに限定されるものではない。

また、流路形成基板１０には、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。

インク供給路１４は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、マニホールド１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向である第１の方向Ｘに絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の第１の方向Ｘの幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向である第３の方向Ｚから絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。

すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。ノズルプレート２０としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、ポリイミド樹脂のような有機物、ガラスセラミックス、又はシリコン単結晶基板等を用いることができる。なお、ノズルプレート２０として流路形成基板１０と同じシリコン単結晶基板を用いることで、ノズルプレート２０と流路形成基板１０との線膨張係数を同等として、加熱や冷却されることによる反りや熱によるクラック、剥離等の発生を抑制することができる。

一方、流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側には、振動板５０が形成されている。本実施形態では、振動板５０として、流路形成基板１０側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５２と、を設けるようにした。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０をノズルプレート２０が接合された面側から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、弾性膜５１によって画成されている。

また、振動板５０の絶縁体膜５２上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが、本実施形態では、成膜及びリソグラフィー法によって積層形成されて圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を活性部３２０という。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。なお、上述した例では、第１電極６０が、複数の圧力発生室１２に亘って連続して設けられているため、第１電極６０が振動板の一部として機能するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、上述の弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。

このような圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。

このような圧電体層７０は、第２電極８０と共に圧力発生室１２毎に切り分けられて形成されている。すなわち、第１電極６０は、複数の圧力発生室１２に亘って連続して設けられており、複数の活性部３２０の共通電極として機能する。また、圧電体層７０及び第２電極８０は、圧力発生室１２毎に切り分けられており、第２電極８０が各活性部３２０の個別電極として機能する。つまり、各圧電素子３００は、第２電極８０が圧電体層７０の第３の方向Ｚにおける流路形成基板１０とは反対側の面のみに設けられており、圧電体層７０の側面、すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに交差する方向の面は第２電極８０によって覆われていない。

このような圧電素子３００は、耐湿層２００によって覆われている。耐湿層２００は、本実施形態では、圧電体層７０側に設けられた第１耐湿層２０１と、第１耐湿層２０１の圧電体層７０とは反対面側に設けられた第２耐湿層２０２とを有する。すなわち、圧電体層７０と、第１耐湿層２０１と、第２耐湿層２０２とがこの順で積層されている。

このような耐湿層２００は、少なくとも活性部３２０において、圧電体層７０の第２電極８０によって覆われていない側面のみを覆っていればよい。本実施形態では、第１耐湿層２０１は、流路形成基板１０の圧電素子３００側の全面に設けるようにした。つまり、第１耐湿層２０１は、圧電体層７０及び第２電極８０の側面と、第２電極８０の上面とを覆い、且つ複数の圧電素子３００に亘って連続して設けるようにした。これにより、本実施形態では、第１の方向Ｘで互いに隣り合う２つの圧電素子３００の間の第１電極６０上にも第１耐湿層２０１が形成されている。

また、第２耐湿層２０２は、圧電素子３００のリード電極９０が接続される第２の方向Ｙの一端部以外の領域、すなわち、活性部３２０を含む領域に設けるようにした。なお、リード電極９０は、詳しくは後述するが、活性部３２０の外側で第２電極８０に接続されているため、この部分に第２耐湿層２０２を設けないようにしても、第２耐湿層２０２は、活性部３２０を含む領域に設けることが可能である。

このように圧電素子３００を耐湿層２００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を抑制することができる。

ここで、第１耐湿層２０１は、絶縁性を有し、且つ第２耐湿層２０２よりも柔軟性が高い材料からなる。特に、第１耐湿層２０１は、第２耐湿層２０２に比べてヤング率が低い材料が好ましい。これにより、第１耐湿層２０１による圧電素子３００の変形の阻害を低減することができる。また、第１耐湿層２０１として絶縁性を有する材料を用いることで、第１電極６０と第２電極８０とに亘って連続して第１耐湿層２０１を形成することができ、第１耐湿層２０１によって圧電体層７０の側面を確実に覆うことができる。さらに、第１耐湿層２０１は、有機化合物であるのが好ましい。第１耐湿層２０１に用いられる有機化合物としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂、フッ素系樹脂及びポリウレタン樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、有機絶縁材料からなる第１耐湿層２０１は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法等により形成することができる。このように第１耐湿層２０１として有機化合物を用いることで、第１耐湿層２０１として比較的ヤング率が低く、高い柔軟性及び絶縁性を有する材料を用いることができる。ちなみに、第１耐湿層２０１として用いられるポリイミドとポリウレタン樹脂の物性について下記表１に示す。

なお、第１耐湿層２０１は、有機化合物に限定されず、無機絶縁材料を用いるようにしてもよい。なお、無機絶縁材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_Ｘ）及び酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）から選択される少なくとも一種が挙げられる。ただし、無機絶縁材料は、一般的に有機化合物に比べてヤング率が高いため、有機化合物に比べて圧電素子３００の変位を阻害してしまう。したがって、第１耐湿層２０１の材料としては、有機化合物を用いるのが好ましい。本実施形態では、第１耐湿層２０１としてポリイミドを用いた。

第２耐湿層２０２は、第１耐湿層２０１よりも透湿性が低い材料からなる。ここで、第２耐湿層２０２は、第１耐湿層２０１よりも透湿性が低い材料とは、第２耐湿層２０２を通過する水蒸気の量が、第１耐湿層２０１を通過する水蒸気の量よりも少ないことを言う。ちなみに、膜を透過する気体の量は、膜の厚さに反比例し、気体の拡散係数に比例する。したがって、第２耐湿層２０２として、第１耐湿層２０１以下の厚さ（第２耐湿層２０２の厚さ≦第１耐湿層２０１の厚さ）を用いた場合には、第２耐湿層２０２は、第１耐湿層２０１よりも水蒸気の拡散がしづらい材料、すなわち、水蒸気の拡散係数の小さい（第２耐湿層２０２の拡散係数＜第１耐湿層２０１の拡散係数）とする必要がある。また、第２耐湿層２０２として、第１耐湿層２０１よりも厚い（第２耐湿層２０２の厚さ＞第１耐湿層２０１の厚さ）ものを用いた場合には、第２耐湿層２０２は、第１耐湿層２０１よりも水蒸気が拡散しやすい材料（第２耐湿層２０２の拡散係数＞第１耐湿層２０１の拡散係数）を用いることも可能であるが、第１耐湿層２０１として第２耐湿層２０２よりもヤング率が低い材料を用いる場合には、第２耐湿層２０２の厚さが増すことで耐湿層２０１全体のヤング率が高くなり、圧電素子３００の変位を阻害してしまうため好ましくない。したがって、第２耐湿層２０２は、第１耐湿層２０１よりも水蒸気が拡散しづらい材料を用いるのが好ましい。また、第１耐湿層２０１として、第２耐湿層２０２よりもヤング率が低い材料を用いた場合には、第２耐湿層２０２の厚さｔ_２は、第１耐湿層２０１の厚さｔ_１よりも薄くするのが好ましい（第２耐湿層２０２の厚さｔ_２＜第１耐湿層２０１の厚さｔ_１）。これにより、耐湿層２００全体のヤング率が高くなるのを抑制して、耐湿層２００が圧電素子３００の変位を阻害するのを抑制することができる。

このような第２耐湿層２０２としては、有機化合物や無機材料を用いることができる。有機化合物としては、例えば、上述した第１耐湿層２０１と同様の材料を用いることができる。また、無機材料としては、例えば、金属又は金属を含む化合物や、第１耐湿層２０１で例示したものと同様の無機絶縁材料を用いることができる。すなわち、第２耐湿層２０２に用いられる無機材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_Ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_Ｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_Ｘ）及び酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）から選択される少なくとも一種が挙げられる。

すなわち、第２耐湿層２０２は、圧電素子３００のリード電極９０が接続される第２の方向Ｙの端部に設けられていないため、導電性を有する材料及び絶縁性を有する材料のどちらも用いることができる。ちなみに、第２耐湿層２０２として絶縁性を有する材料を用いた場合には、第２耐湿層２０２を第１耐湿層２０１の表面の全面に亘って形成することも可能である。

また、第２耐湿層２０２としては、水蒸気により酸化する材料を用いることができる。水蒸気により酸化する材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等が挙げられる。このように第２耐湿層２０２として、水蒸気により酸化する材料を用いることで、第２耐湿層２０２が水分をトラップして、第２耐湿層２０２の内側に水分が透過するのを抑制することができる。本実施形態では、第２耐湿層２０２として、クロム（Ｃｒ）を用いた。

ここで、第２耐湿層２０２として用いられるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の物性について下記表２に示す。

このように、圧電体層７０を保護する耐湿層２００として、柔軟性が高い第１耐湿層２０１を設けることで、耐湿層２００が圧電素子３００の変位を阻害するのを抑制することができ、圧電素子３００の所望の変位特性を得て、所望のインク（液体）の噴射特性を得ることができる。

また、耐湿層２００として、第１耐湿層２０１よりも水蒸気の拡散しづらい材料からなる第２耐湿層２０２を設けることで、耐湿層２００によって圧電体層７０の大気中の水分等の外部環境から保護して、圧電体層７０の表面に水分に起因するリーク電流の発生を抑制することができる。

ちなみに、圧電素子３００上に第１耐湿層２０１のみを設けた場合、圧電素子３００の変形の阻害をより低減できるものの、第１耐湿層２０１のみでは、圧電体層７０を水分から十分に保護することができなくなってしまう。また、圧電素子３００上に第２耐湿層２０２のみを設けた場合、圧電体層７０を水分から保護することはできるものの、圧電素子３００の変形が阻害されて、所望の変位特性を得ることができなくなってしまう。また、第２耐湿層２０２のみを設ける場合には、第２耐湿層２０２が第１電極６０と第２電極８０とを短絡しないように絶縁材料を用いる必要があり、材料が制限されてしまう。本実施形態では、耐湿層２００として、柔軟性が高い第１耐湿層２０１と、水蒸気の拡散しづらい材料からなる第２耐湿層２０２とを積層することで、圧電体層７０を水分から確実に保護することができると共に、耐湿層２００全体の剛性が高くなるのを抑制して、耐湿層２００が圧電素子３００の変形を阻害するのを抑制することができる。また、第１耐湿層２０１として絶縁材料を用いることで、第２耐湿層２０２として導電材料を用いることができ、第２耐湿層２０２として水蒸気がより拡散しづらい材料を用いることが可能となる。

このような耐湿層２００を構成する第１耐湿層２０１上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、第１耐湿層２０１に設けられたコンタクトホール２０５を介して一端部が第２電極８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０のインク供給路１４側まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子３００を駆動する駆動回路１２０と接続配線１２１を介して接続されている。なお、第２耐湿層２０２は、上述したように、リード電極９０が形成された領域には形成されていない。このため、リード電極９０と第１電極６０とが第２耐湿層２０２によって短絡するのを抑制することができる。

さらに、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、連通部１３に対向する領域にマニホールド部３１が設けられた保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通の液体室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、振動板５０）にマニホールドと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。なお、圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３２とマニホールド部３１との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に第１電極６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。

また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料、酸化物等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同じシリコン単結晶基板を用いた。

また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、振動板５０、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

なお、本実施形態では、耐湿層２００として、第１耐湿層２０１と第２耐湿層２０２とを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、耐湿層２００は、３層以上が積層されたものであってもよい。

また、本実施形態では、耐湿層２００を第２電極８０の上面、すなわち、第３の方向Ｚにおいて流路形成基板１０とは反対側の表面の略中心領域である主要部に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、耐湿層２００は、少なくとも活性部３２０において、圧電体層７０の第２電極８０によって覆われていない側面のみを覆っていればよい。ここで、耐湿層２００の変形例を図５に示す。なお、図５は、本発明の実施形態１に係る耐湿層の変形例を示す記録ヘッドの要部断面図である。

図５に示すように、圧電素子３００の第２電極８０の上面、すなわち、第３の方向Ｚにおいて流路形成基板１０とは反対側の表面の略中心領域である主要部は、耐湿層２００が設けられておらず、耐湿層２００には、第２電極８０の上面の主要部を開口する開口部２０６が設けられている。開口部２０６は、耐湿層２００を第３の方向Ｚに貫通して、圧電素子３００の第２の方向Ｙに沿って矩形状に開口して設けられている。すなわち、本実施形態の耐湿層２００は、圧電体層７０の側面と、第２電極８０の側面及び上面の周縁部を覆って設けられている。

このように、耐湿層２００に開口部２０６を設けたとしても、圧電体層７０の側面を耐湿層２００で覆うことにより、圧電体層７０の水分に起因する破壊を抑制することができると共に耐湿層２００が圧電素子３００の変形を阻害するのを抑制することができる。

また、開口部２０６を設けることで、さらに耐湿層２００が圧電素子３００（活性部３２０）の変形を阻害するのを抑制して、変位特性を向上することができる。

なお、図５に示す例では、耐湿層２００は第１耐湿層２０１と第２耐湿層２０２とを積層したものであるが、特にこれに限定されず、耐湿層２００は、３層以上が積層されたものであってもよい。

さらに、本実施形態では、耐湿層２００は、第１の方向Ｘで隣り合う圧電素子３００の間に連続して設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、耐湿層２００は、第１の方向Ｘで隣り合う圧電素子３００の間で不連続となるように設けられていてもよい。このような構成としても、圧電体層７０の側面を耐湿層２００で覆うことにより、圧電体層７０の水分に起因する破壊を抑制することができると共に耐湿層２００が圧電素子３００の変形を阻害するのを抑制することができる。なお、開口部２０６が設けられていない上述した実施形態１の耐湿層２００においても、第１の方向Ｘで隣り合う圧電素子３００の間で不連続となるように設けられていてもよい。

また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットの一部を構成して、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置に搭載される。図６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図６に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドＩを有するインクジェット式記録ヘッドユニット１（以下、ヘッドユニット１とも言う）は、インク供給手段を構成するインクカートリッジ２が着脱可能に設けられ、このヘッドユニット１を搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。

そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、ヘッドユニット１を搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。

（実施形態２）
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、以下に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。

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更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７は、本発明の実施形態２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であり、図８は、図７のＣ−Ｃ′線断面図である。

図７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、本実施形態は、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８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ＺｒＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３のような酸化物基板材料、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、多結晶シリコン、Ｓｉ_３Ｎ_４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、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４のようなシリコン化合物、多結晶シリコン、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のようなセラミック材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ_３、ＴｉＯ_２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ＺｒＯ_２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の向上にも繋がる。

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と同様のため、構成の説明は省略する。なお、実施形態１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。

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）等を介して制御基板（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、圧電素子３００上には、耐湿層２００が設けられている。耐湿層２００は、上述した実施形態１と同様に第１耐湿層２０１と第２耐湿層２０２とを有する。耐湿層２００の材料は、上述した実施形態１と同様であるため重複する説明は省略する。なお、耐湿層２００は、上述した実施形態１と同様に、少なくとも圧電体層７０の側面上のみに形成されていればよく、耐湿層２００に開口部２０６を設けるようにしてもよい。

このように耐湿層２００を設けることで、耐湿層２００が超音波トランスデューサー３０１、３０２の高周波駆動を阻害するのを抑制すると共に水分に起因する破壊を抑制することができる。

（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、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述した実施形態１及び２では、耐湿層２００として、第１耐湿層２０１、第２耐湿層２０２を有するものを例示したが、特にこれに限定されず、耐湿層２００は、３層以上が積層されたものであってもよい。

なお、上述した実施形態１では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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、広くＭＥＭＳデバイスを対象としたものであり、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以外のＭＥＭＳデバイスに用いられる圧電デバイスにも適用することができる。ＭＥＭＳデバイスの一例としては、超音波モーター、圧電トランス、赤外線センサー、圧力センサー、焦電センサー、感熱センサーなどが挙げられる。なお、本願発明の圧電デバイスとは、圧電体層７０と第１耐湿層２０１と第２耐湿層２０２とがこの順で積層されたものを言う。

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）、１３…連通部、１４…インク供給路、１５…連通路、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３１…マニホールド部、３２…圧電素子保持部、４０…コンプライアンス基板、５０…振動板、６０…第１電極、７０…圧電体層、８０…第２電極、９０…リード電極、１００…マニホールド、１２０…駆動回路、１２１…接続配線、２００…耐湿層、２０１…第１耐湿層、２０２…第２耐湿層、２０５…コンタクトホール、２０６…開口部、３００…圧電素子、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、３２０…活性部

Claims (11)

1. 圧電体層と、第１耐湿層と、第２耐湿層とがこの順に積層された圧電デバイスであって、
   前記第１耐湿層は、前記第２耐湿層よりも柔軟性が高く、
   前記第２耐湿層は、前記第１耐湿層よりも透湿性が低い材料であることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記第１耐湿層が、前記第２耐湿層よりもヤング率が低いことを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 前記第２耐湿層が、前記第１耐湿層よりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
4. 前記第２耐湿層が金属であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電デバイス。
5. 前記第１耐湿層が、有機化合物であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電デバイス。
6. 前記第１耐湿層がポリイミドであることを特徴とする請求項５に記載の圧電デバイス。
7. 前記第２耐湿層がクロムであることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の圧電デバイス。
8. 圧電体層と第１耐湿層と第２耐湿層とがこの順に積層された圧電デバイスであって、
   前記第１耐湿層は、前記第２耐湿層よりも柔軟性が高く、
   前記第２耐湿層が水蒸気により酸化する材料であることを特徴とする圧電デバイス。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
10. 請求項１〜８の何れか一項に記載の圧電デバイスを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
11. 請求項１０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。

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