JP2018129402A - 圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体層により初期撓み位置を上凸構造に制御して振動板の変位量を増加させ、素子全体の変位量の増加を図ることが可能な圧電素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】振動板５０と、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とを含む振動部を有する圧電素子３００であって、圧電体層７０を構成する圧電体の結晶の面方位が（１００）であり、且つ圧電体の結晶構造が正方晶であり、振動板５０と第１電極６０との合計厚みＴ１と、圧電体層７０と第２電極８０との合計厚みＴ２とが、Ｔ１≧Ｔ２の関係を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、圧電素子及びその製造方法に関する。

撓み変形型の圧電素子（撓み変位型圧電素子）は、振動部を構成する部材の内部応力により初期的な撓み位置（初期撓み位置）が変化する。撓み変位型圧電素子は、キャビティ（ＣＡＶ）構造が形成された基板上に、振動板、第１電極、圧電体層及び第２電極が順次積層されて、これらにより振動部が構成されている。

例えば、特許文献１において、初期的な撓み量（初期撓み量）が、撓み変位型圧電素子の特性に影響を及ぼすことが報告されている。特許文献１では、下部電極として白金を、上部電極として金を使用しており、白金の厚みを調整することで、初期撓み量の調整を行っている。その他、特許文献２において、上部電極にイリジウムを使用した超音波素子が報告され、特許文献３において、圧電膜をバイモルフ構造とし、１つ目の圧電膜と２つ目の圧電膜の厚みを調整することで、初期撓み量を調整する圧電素子が報告されている。

一方、圧電素子を構成する圧電体層は、特許文献４に示すように、従来、Ｚｒ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝０．５２に代表される相境界（ＭＰＢ：Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ）組成のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられてきた。この組成におけるＰＺＴの結晶構造は、単斜晶又は菱面体晶であることが知られている。

特開２００６−３１９９４５号公報 特開２０１３−１７５８７９号公報 特開２０１５−８８５２１号公報 特開２００１−２２３４０４号公報

しかしながら、圧電体層を構成する材料として、ＭＰＢ組成のＰＺＴが使われてきたため、圧電体層の圧縮応力により初期撓み位置を制御することができなかった。なお、このような問題は、撓み変位型圧電素子に限らず、圧電素子を搭載する全ての圧電素子応用デバイスに同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑み、圧電体層により初期撓み位置を上凸構造に制御して振動板の変位量を増加させ、素子全体の変位量の増加を図ることが可能な圧電素子及びそ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、振動板と、第１電極と、圧電体層と、第２電極とを含む振動部を有する圧電素子であって、前記圧電体層を構成する圧電体の結晶の面方位が（１００）であり、且つ前記圧電体の結晶構造が正方晶であり、前記振動板と前記第１電極との合計厚みＴ_１と、前記圧電体層と前記第２電極との合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を有することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様によれば、圧電体層により初期撓み位置を上凸構造に制御して振動板の変位量を増加させ、素子全体の変位量の増加を図ることが可能となる。

ここで、上記圧電素子は、前記圧電体の結晶構造の５０％以上が正方晶であることが好ましい。これによれば、圧電体層により初期撓み位置を上凸構造に更に制御することが可能となる。

上記課題を解決する本発明の他の態様は、振動板と、第１電極と、圧電体層と、第２電極とを含む振動部を有する圧電素子の製造方法であって、前記圧電体層を構成する圧電体の結晶の面方位が（１００）であり、且つ前記圧電体の結晶構造が正方晶となるように、前記圧電体層を液相法により形成し、前記振動板と前記第１電極との合計厚みＴ_１と、前記圧電体層と前記第２電極との合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を有するように前記振動部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。
かかる態様によれば、圧電体層により初期撓み位置を上凸構造に制御して振動板の変位量を増加させ、素子全体の変位量の増加を図ることが可能な圧電素子を提供することが可能となる。

インクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図。 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。 インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す平面図。 図３のＡ−Ａ′線断面図。 図４のＢ−Ｂ′線拡大断面図。 撓み変位型圧電素子の初期撓み位置を模式的に示す図。 撓み変位型圧電素子の初期撓み位置を模式的に示す図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図。 超音波プローブの構成例を示す断面図。 超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 撓み変位型圧電素子の初期撓み量を模式的に示す図。 撓み変位型圧電素子の初期撓み量を模式的に示す図。 実施例１の正圧電効果における変形効率を示す図。 実施例１の逆圧電効果における変形効率を示す図。 超音波画像装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す正面図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図面において同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、Ｘ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向を、それぞれ第１の方向Ｘ（Ｘ方向）、第２の方向Ｙ（Ｙ方向）及び第３の方向Ｚ（Ｚ方向）とし、各図の矢印の向かう方向を正（＋）方向、矢印の反対方向を負（−）方向として説明する。Ｘ方向及びＹ方向は、板、層及び膜の面内方向を表し、Ｚ方向は、板、層及び膜の厚み方向又は積層方向を表す。

また、各図面において示す構成要素、即ち、各部の形状や大きさ、板、層及び膜の厚み、相対的な位置関係、繰り返し単位等は、本発明を説明する上で誇張して示されている場合がある。更に、本明細書の「上」という用語は、構成要素の位置関係が「直上」であることを限定するものではない。例えば、「基板上の第１電極」や「第１電極上の圧電体層」という表現は、基板と第１電極との間や、第１電極と圧電体層との間に、他の構成要素を含むものを除外しない。

（実施形態１）
（液体噴射装置）
まず、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ついて、図面を参照して説明する。
図１は、インクジェット式記録装置の概略構成を示す斜視図である。図示するように、インクジェット式記録装置（記録装置）Ｉでは、インクジェット式記録ヘッドユニット（ヘッドユニット）ＩＩが、カートリッジ２Ａ，２Ｂに着脱可能に設けられている。カートリッジ２Ａ，２Ｂは、インク供給手段を構成している。ヘッドユニットＩＩは、後述する複数のインクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド）１（図２等参照）を有しており、キャリッジ３に搭載されている。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、軸方向に対して移動自在に設けられている。これらのヘッドユニットＩＩやキャリッジ３は、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出可能に構成されている。

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及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、ヘッドユニットＩＩを搭載したキャリッジ３が、キャリッジ軸５に沿って移動されるようになっている。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。

記録ヘッド１には、圧電アクチュエーター装置として、撓み変形型の圧電素子（撓み変位型圧電素子）である圧電素子３００（図２等参照）が用いられている。圧電素子３００を用いることによって、記録装置Ｉにおける各種特性（耐久性やインク噴射特性等）の低下を回避することができる。なお、本実施形態では、撓み変位型圧電素子を例示したが、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、他の圧電素子を適用してもよい。

（液体噴射ヘッド）
次に、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの一例である記録ヘッド１について、図面を参照して説明する。図２は、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る。図３は、インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ′線断面図である。なお、図２から図４は、それぞれ記録ヘッド１の構成の一部を示したものであり適宜省略されている。

図示するように、流路形成基板（基板）１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶基板からなる。なお、基板１０の材料はＳｉに限らず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）やガラス等であってもよい。

基板１０は、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。圧力発生室１２は、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が併設される方向（＋Ｘ方向）に沿って並設されている。

基板１０のうち、圧力発生室１２の一端部側（＋Ｙ方向側）には、インク供給路１３と連通路１４とが形成されている。インク供給路１３は、圧力発生室１２の一端部側の開口の面積が小さくなるように構成されている。また、連通路１４は、＋Ｘ方向において、圧力発生室１２と略同じ幅を有している。連通路１４の外側（＋Ｙ方向側）には、連通部１５が形成されている。連通部１５は、マニホールド１００の一部を構成する。マニホールド１００は、各圧力発生室１２の共通のインク室となる。このように、基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が形成されている。

基板１０の一方の面（−Ｚ方向側の面）上には、例えばＳＵＳ製のノズルプレート２０が接合されている。ノズルプレート２０には、＋Ｘ方向に沿ってノズル開口２１が並設されている。ノズル開口２１は、各圧力発生室１２に連通している。ノズルプレート２０は、接着剤や熱溶着フィルム等によって基板１０に接合することができる。

基板１０の他方の面（＋Ｚ方向側の面）上には、振動板５０が形成されている。振動板５０は、例えば、基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２とにより構成されている。弾性膜５１は、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、絶縁体膜５２は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる。弾性膜５１は、基板１０とは別部材でなくてもよい。基板１０の一部を薄く加工し、これを弾性膜５１として使用してもよい。

絶縁体膜５２上には、密着層５６を介して、第１電極６０とシード層７３と圧電体層７０と第２電極８０とを含む圧電素子３００が形成されている。密着層５６は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）、チタン（Ｔｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなり、圧電体層７０と振動板５０との密着性を向上させる機能を有する。なお、密着層５６は省略可能である。

後述する圧電体層７０の形成過程において、圧電体層７０を構成する圧電体にカリウム（Ｋ）やナトリウム（Ｎａ）といったアルカリ金属が含まれる場合には、第１電極６０中に拡散することがある。そこで、第１電極６０と基板１０との間に絶縁体膜５２を設けることで、絶縁体膜５２がストッパー機能を果たし、アルカリ金属の基板１０への到達を抑制することができる。

第１電極６０は、圧力発生室１２毎に設けられている。つまり、第１電極６０は、圧力発生室１２毎に独立する個別電極として構成されている。第１電極６０は、±Ｘ方向において、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。また、第１電極６０は、±Ｙ方向において、圧力発生室１２よりも広い幅で形成されている。即ち、±Ｙ方向において、第１電極６０の両端部は、振動板５０上の圧力発生室１２に対向する領域より外側まで形成されている。第１電極６０の一端部側（連通路１４とは反対側）には、リード電極９０が接続されている。

第１電極６０と圧電体層７０との間であって、例えば密着層５６上には、シード層７３（配向制御層ともいう）が設けられている。シード層７３は、圧電体層７０を構成する圧電体の結晶の配向性を制御する機能を有する。即ち、シード層７３を設けることで、圧電体層７０を構成する圧電体の結晶を、所定の面方位に優先配向させることができる。なお、シード層７３は省略可能である。

圧電体層７０は、第１電極６０と第２電極８０との間に設けられている。圧電体層７０は、±Ｘ方向において、第１電極６０の幅よりも広い幅で形成されている。また、圧電体層７０は、±Ｙ方向において、圧力発生室１２の±Ｙ方向の長さよりも広い幅で形成されている。圧電体層７０のインク供給路１３側（＋Ｙ方向側）の端部は、第１電極６０の＋Ｙ方向側の端部よりも外側まで形成されている。つまり、第１電極６０の＋Ｙ方向側の端部は、圧電体層７０によって覆われている。一方、圧電体層７０のリード電極９０側（−Ｙ方向側）の端部は、第１電極６０の−Ｙ方向側の端部よりも内側（＋Ｙ方向側）にある。つまり、第１電極６０の−Ｙ方向側の端部は、圧電体層７０によって覆われていない。圧電体層７０は、後述する所定の厚みを有する薄膜の圧電体である。

第２電極８０は、＋Ｘ方向に亘って、圧電体層７０及び振動板５０上に連続して設けられている。つまり、第２電極８０は、複数の圧電体層７０に共通する共通電極として構成されている。本実施形態では、第１電極６０が圧力発生室１２に対応して独立して設けられた個別電極を構成し、第２電極８０が圧力発生室１２の並設方向に亘って連続的に設けられた共通電極を構成しているが、第１電極６０が共通電極を構成し、第２電極８０が個別電極を構成してもよい。

本実施形態では、電気機械変換特性を有する圧電体層７０の変位によって、振動板５０及び第１電極６０が変位する。即ち、振動板５０及び第１電極６０が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、実際には、圧電体層７０の変位によって第２電極８０も変位しているので、振動板５０、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０が順次積層された領域が、圧電素子３００の振動部として機能する。なお、詳細は後述するが、シード層７３は、一般に圧電材料により構成されているため、電気機械変換特性を有している。このため、シード層７３が形成された場合には、シード層７３及び圧電体層７０が変位する。

なお、弾性膜５１及び絶縁体膜５２を省略して、第１電極６０のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０にインクが接触しないように、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。

圧電素子３００が形成された基板１０（振動板５０）上には、保護基板３０が接着剤３５により接合されている。保護基板３０は、マニホールド部３２を有している。マニホールド部３２により、マニホールド１００の少なくとも一部が構成されている。本実施形態のマニホールド部３２は、保護基板３０を厚み方向（Ｚ方向）に貫通しており、更に圧力発生室１２の幅方向（＋Ｘ方向）に亘って形成されている。そして、マニホールド部３２は、基板１０の連通部１５と連通している。これらの構成により、各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００が構成されている。

保護基板３０には、圧電素子３００を含む領域に、圧電素子保持部３１が形成されている。圧電素子保持部３１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る。この空間は、密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板３０には、保護基板３０を厚み方向（Ｚ方向）に貫通する貫通孔３３が設けられている。貫通孔３３内には、リード電極９０の端部が露出している。

保護基板３０の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳＯＩ、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましい。本実施形態では、基板１０と同一材料のＳｉを用いて形成した。

保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０は、例えば回路基板や半導体集積回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を用いることができる。駆動回路１２０及びリード電極９０は、貫通孔３３を挿通させたボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。駆動回路１２０は、プリンターコントローラー２００（図１参照）に電気的に接続可能である。このような駆動回路１２０が、圧電アクチュエーター装置（圧電素子３００）の制御手段として機能する。

また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低い材料からなり、固定板４２は、金属等の硬質の材料で構成することができる。固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚み方向（Ｚ方向）に完全に除去された開口部４３となっている。マニホールド１００の一方の面（＋Ｚ方向側の面）は、可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような記録ヘッド１は、次のような動作で、インク滴を吐出する。まず、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口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す。その後、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、圧電素子３００を撓み変形させる。これにより、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される。

次に、記録ヘッド１の圧電アクチュエーター装置として用いられる圧電素子３００の構成について、図面を参照して説明する。
図５は、図４のＢ−Ｂ′線拡大断面図である。図示するように、圧電素子３００は、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成された基板１０上に、弾性膜５１と絶縁体膜５２とにより構成された振動板５０が形成され、その上に、密着層５６、第１電極６０、シード層７３、圧電体層７０及び第２電極８０が順次積層され、これらにより振動部が形成されている。

振動板５０は、圧力発生室１２に対応する領域（振動部（可動部ともいう））が、圧電素子３００に電圧を印加していない状態で、圧力発生室１２とは反対側に凸（即ち上凸）となる撓み（初期撓み）を有している。かかる初期撓みを有する振動板５０となるように、圧電素子３００が構成されている。本明細書において、圧力発生室１２とは反対側（＋Ｚ方向側）に凸であることは「上凸」で表される。また、圧力発生室１２側（−Ｚ方向側）に凸であることは「下凸」で表される。記録ヘッド１の種別によって圧電素子３００近傍の構成が異なるが、振動板５０の圧力発生室１２に対向する側に圧電素子３００が設けられている記録ヘッド１であれば、何れの種別でも、上記のように「上凸」及び「下凸」と解釈される。

図６及び図７は、撓み変位型圧電素子の初期撓み位置を模式的に示す図である。図示するように、撓み変位型圧電素子（以下、圧電素子３００ａ，３００ｂという）は、キャビティ（ＣＡＶ）構造（以下、空間１２ａ，１２ｂという）が形成された基板１０ａ，１０ｂ上に、振動板、第１電極、圧電体層及び第２電極が順次積層されて、これらにより振動部が構成されている。なお、図中の圧電素子３００ａ，３００ｂは、図５の圧電素子３００の構造を簡略化したものである。

一般に、圧電素子３００ａ，３００ｂは、振動部を構成する部材（特に振動板及び圧電体層）の内部応力により、初期撓み位置が変化する。圧電素子３００ａ，３００ｂの振動部に曲げ応力が生じる場合、応力のかかり方に２つのパターンが存在する。

図６に示したパターンでは、圧電素子３００ａの中立面３０１ａの下層３０２ａが伸びる方向（矢印Ｆ_１，Ｆ_２の方向）の内部応力（引張応力）を有し、中立面３０１ａの上層３０３ａが縮む方向（矢印Ｆ_３，Ｆ_４の方向）の内部応力（圧縮応力）を有している。そのため、圧電素子３００ａ全体が空間１２ａ側に撓んだ構造となる。即ち、このときの圧電素子３００ａの初期撓み位置は下凸となる。

一方、図７に示したパターンでは、中立面３０１ｂの下層３０２ｂが縮む方向（矢印Ｆ_５，Ｆ_６の方向）の内部応力（圧縮応力）を有し、中立面３０１ｂの上層３０３ｂが伸びる方向（矢印Ｆ_７，Ｆ_８の方向）の内部応力（引張応力）を有している。そのため、圧電素子３００ｂ全体が空間１２ｂの反対側に撓んだ構造となる。即ち、このときの圧電素子３００ｂの初期撓み位置は上凸となる。

本発明は、圧電素子３００の初期撓み位置が上凸となることを目的とするものである。この場合、圧電素子３００の中立面３０１ｂの上層３０３ｂ側は、引張応力を受けることになり、中立面３０１ｂの下層３０２ｂ側は、圧縮応力を受けることになる。よって、本発明では、圧電体層７０の内部応力を引張応力とし、また、この引張応力を初期撓みに有効に作用させるために、圧電体層７０を中立面３０１ｂの上層３０３ｂ側に位置するようにしている。即ち、以下のように調整している。

ここで、図５に示すように、圧電素子３００の振動部では、振動板５０から第１電極６０までの合計厚みＴ_１と、圧電体層７０から第２電極８０までの合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を有している。シード層７３が形成された場合には、シード層７３から第２電極８０までの合計厚みをＴ_２とする。

図７に示したパターンを実現するためには、合計厚みＴ_１，Ｔ_２の関係がＴ_１≧Ｔ_２を満たすように圧電素子３００の振動部を構成すればよい。これらの合計厚みＴ_１，Ｔ_２の関係がＴ_１≧Ｔ_２を満たす場合には、圧電体層７０が中立面より上層に位置し、その引張応力を振動板５０に効率的に印加することができる。即ち、中立面の上層に圧電体層７０が配置され、圧電体層７０の引張応力を振動板５０に効率的に印加することができ、圧電素子３００の初期撓み位置を上凸とすることができる。圧電素子３００の振動部の初期撓み位置を上凸構造に制御することにより、振動板５０の変位量を増加させることが可能となる。

一方、合計厚みＴ_１，Ｔ_２の関係がＴ_１＜Ｔ_２を満たすように圧電素子３００の振動部を構成すると、図６に示したパターンとなり、圧電体層７０の一部が中立面の下層に配置され、圧電体層７０が引張応力となっても下層から圧縮応力がかかる。そのため、圧電体層７０を引張応力としても、その応力を振動板５０に有効に印加することができず、圧電素子３００の振動部の初期撓み位置が下凸構造となり、上凸構造に制御することが困難となる。

圧電素子３００において、弾性膜５１の厚みを０．１μｍ以上２．０μｍ以下とし、絶縁体膜５２の厚みを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とし、密着層５６の厚みを０．００５μｍ以上０．１μｍ以下とし、第１電極６０の厚みを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とし、振動板５０から第１電極６０までの合計厚みＴ_１を０．１２μｍ以上４．０μｍ以下とすることが好ましい。また、圧電体層７０の厚みを０．１μｍ以上３．０μｍ以下とし、第２電極８０の厚みを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とし、圧電体層７０から第２電極８０までの合計厚みＴ_２を０．１１μｍ以上４．０μｍ以下とすることが好ましい。なお、シード層７３を形成する場合には、その厚みを０．０８μｍ以下とし、好ましくは０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下とする。なお、ここに挙げた各要素の厚みは何れも一例であり、上述の合計厚みＴ_１，Ｔ_２の関係がＴ_１≧Ｔ_２を満たすように圧電素子３００の振動部を構成することができれば、本発明の要旨を変更しない範囲内で変更可能である。

第１電極６０及び第２電極８０の材料は、圧電素子３００を形成する際に酸化せず、導電性を維持できる電極材料であればよい。そのような材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、Ｔｉ、銀（Ａｇ）、ステンレス鋼等の金属材料；酸化イリジウム（ＩｒＯ_Ｘ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）等の酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料；導電性ポリマー等が挙げられる。これらの中では、ＰｔやＩｒ等の貴金属が好適である。電極材料として、上記材料の何れかを単独で用いてもよく、複数の材料を積層させた積層体を用いてもよい。第１電極６０の電極材料と第２電極８０の電極材料は、同一であってもよく、異なっていてもよい。なお、本実施形態では、第１電極６０の電極材料としてＰｔを用い、第２電極８０の電極材料としてＰｔとＩｒとを積層させたものを用いた。

圧電体層７０は、電気機械変換能力を有していればよく、必要に応じて圧電材料を適宜選定することができる。圧電体層７０は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ペロブスカイト型複合酸化物）を用いることができる。ペロブスカイト型複合酸化物は、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示される。この場合、Ａサイトは酸素（Ｏ）原子が１２配位しており、ＢサイトはＯ原子が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。なお、複合酸化物がペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損・過剰等による不可避な化学量論の組成のずれは勿論のこと、元素の一部置換等も許容され、これらは本実施形態のペロブスカイト型複合酸化物に含まれる。

代表的なペロブスカイト型複合酸化物としては、例えば、鉛（Ｐｂ）、Ｚｒ（ジルコニウム）及びＴｉを含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子３００の変位量を確保しやすくなる。また、この他に、Ｐｂ、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）及びＴｉを含むマグネシウムニオブ酸−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）系やマグネシウムニオブ酸−チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＺＴ）系の多成分系の複合酸化物等も適用することができる。

また、圧電体層７０は、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いてもよい。例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含む鉄酸ビスマス（ＢＦＯ）系の複合酸化物、Ｂｉ、バリウム（Ｂａ）、Ｆｅ及びＴｉを含む鉄酸ビスマス−チタン酸バリウム（ＢＦ−ＢＴ）系の複合酸化物、Ｂｉ、Ｆｅ、マンガン（Ｍｎ）、Ｂａ及びＴｉを含む鉄酸マンガン酸ビスマス−チタン酸バリウム（ＢＦＭ−ＢＴ）系の複合酸化物、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含むニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）系の複合酸化物、Ｂｉ、Ｆｅ、タンタル（Ｔａ）を含む鉄酸タンタル酸ビスマス（ＢＦＴ）等のペロブスカイト型複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて圧電素子３００を実現できる。

なお、圧電体層７０は、前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよく、例えば、Ｍｎを更に含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系材料として信頼性の高い圧電素子３００を実現できる。この他、リチウム（Ｌｉ）、Ｂａ、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｔａ、アンチモン（Ｓｂ）、Ｆｅ、コバルト（Ｃｏ）、Ａｇ、Ｍｇ、亜鉛（Ｚｎ）及びＣｕ等の元素を含んで構成してもよい。このような他の元素を含む圧電体層７０である場合も、複合酸化物がペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

これらの元素は、１つ以上含んでいてもよい。一般的に、元素の添加量は、主成分となる元素の総量に対して２０％以下、１５％以下、又は１０％以下である。元素を利用することにより、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

圧電材料において、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物の代表的な組成としては、マグネシウムニオブ酸とチタン酸鉛との混晶として表される。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、マグネシウムニオブ酸やチタン酸鉛が単独では検出できないものをいう。ただし、特に断りが無い限り、ＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物は、混晶の組成から外れる組成も含むものである。

また、圧電材料において、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物は、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ及びＴｉを含むペロブスカイト型複合酸化物のみに限定されない。即ち、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ及びＴｉを含むペロブスカイト型複合酸化物と、他のペロブスカイト型複合酸化物とを含む混晶として表される圧電材料を含む。

シード層７３の材料は、圧電体層７０の配向制御層として機能すれば特に限定されず、必要に応じて適宜選択することができる。例えば、圧電体層７０の結晶性及び圧電特性を維持する観点から、圧電材料を用いることが好ましい。圧電体層７０と同様の圧電材料を用いてもよいし、異なっていてもよい。本実施形態では、圧電体層７０としてＰＭＮ−ＰＴやＰＺＴを用い、シード層７３としてＢＦＴを用いたが、圧電体層７０及びシード層７３が電気機械変換能力を有しているため、実質的にはこれらが圧電素子３００の圧電体層として機能する。なお、シード層７３の材料は、必ずしも電気機械変換能力を有していなくてもよい。

圧電体層７０及びシード層７３は、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型複合酸化物からなる圧電材料を用いて構成されている。このような圧電材料を用いて、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の液相法によって圧電体層７０及びシード層７３を形成する場合には、一般的に有機物の脱離による体積収縮等の理由により、圧縮の応力が発生するため、下凸構造になりやすい。このため、一般的には応力制御層を導入することで上凸構造としている。この時、上部電極（第２電極）が応力制御層の役割を兼ねる場合がある。一方、本実施形態では、圧電体の結晶の面方位を（１００）方向に制御し、且つ結晶構造を正方晶に制御して、圧電体層７０及びシード層７３の応力制御（この場合は引張応力）を行うことができる。これにより、圧電素子３００の振動部の初期撓み位置を上凸構造に制御することが可能となる。

本実施形態では、ペロブスカイト型複合酸化物からなる圧電体層７０は、圧電体層７０の配向を制御するシード層７３を設けると共に、液相法を適用したことにより、結晶の面方位が（１００）方向に優先配向し、且つ結晶構造が正方晶となっている。圧電体層７０は、必要に応じて設けられたシード層の圧電材料や製法等によっては、例えば、（１１０）面や（１１１）面に優先配向したり、正方晶以外の結晶構造をとったりする場合もある。（１００）面に優先配向し、且つ結晶構造が正方晶である圧電体層７０は、ランダム配向又は他の結晶面に優先配向したり、正方晶以外の結晶構造をとったりした圧電体層に比べて、各種の特性の向上を図りやすい。

本明細書において、優先配向とは、５０％以上、好ましくは８０％以上の結晶が、所定の結晶面に配向していることを示すものとする。例えば「（１００）面に優先配向している」とは、圧電体層７０の全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、半分以上の結晶（６０％以上、好ましくは７５％以上、より好ましくは８０％以上）が（１００）面に配向している場合を含む。

また、本明細書において、圧電体層７０を構成する圧電体の結晶構造が正方晶となっているとは、当該結晶構造の５０％以上、好ましくは７０％以上が正方晶であることを意味するが、できるだけ正方晶の割合が多い方が好ましい。これにより、圧電体層７０の内部応力を引張応力とすることができる。圧電体の結晶構造の５０％未満が正方晶である場合、即ち、５０％以上が正方晶以外の結晶構造であったり、或いはアモルファス（非結晶）構造であったりする場合には、初期撓み位置の制御が困難となる。

一般に、圧電体の結晶構造の制御は、材料組成や製法等により行うことができる。本実施形態では、液相法以外の要因についての条件を適宜設計してもよい。例えば、上述の圧電材料を用いる場合には、結晶構造の５０％以上が正方晶となり得る材料組成を用いる必要がある。また、成膜後の結晶化のための加熱条件（温度、時間、昇温及び降温速度、装置、雰囲気等）、外部応力、外部圧力、及び基板材料等を適宜選択して、結晶構造の５０％以上が正方晶となるようにする必要がある。

本実施形態では、圧電体層７０を構成する圧電体の結晶の面方位を（１００）方向に優先配向させ、且つ結晶構造を正方晶とすることにより、内部応力を引張応力としている。これにより、上述の合計厚みＴ_１，Ｔ_２の関係がＴ_１≧Ｔ_２を満たすように圧電素子３００の振動部を構成することで、圧電素子３００の初期撓み位置を上凸としている。また、圧電体層７０の内部応力を引張応力とするためには、圧電体層７０を液相法で成膜することが好ましい。液相法で成膜し、圧電体の結晶の面方位を（１００）配向とし、且つ結晶構造を正方晶とすることで、より引張応力の内部応力となりやすい。

次に、圧電素子３００の製造方法の一例について、記録ヘッド１の製造方法とあわせて、図面を参照して説明する。図８から図１４は、インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する断面図である。

まず、図８に示すように、基板１０としてＳｉ単結晶基板を準備する。次に、基板１０を熱酸化することによって、その表面にＳｉＯ_２からなる弾性膜５１を形成する。更に、弾性膜５１上にスパッタリング法や蒸着法等でジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することによって、ＺｒＯ_２からなる絶縁体膜５２を得る。このようにして、基板１０上に、弾性膜５１と絶縁体膜５２とからなる振動板５０を形成する。次いで、絶縁体膜５２上に、ＴｉＯ_Ｘからなる密着層５６を形成する。密着層５６は、スパッタリング法やＴｉ膜の熱酸化等により形成することができる。次いで、密着層５６上に、Ｐｔからなる第１電極６０を形成する。第１電極６０は、電極材料に応じて適宜選択することができ、例えばスパッタリング法、真空蒸着法（ＰＶＤ法）、レーザーアブレーション法等の気相成膜、スピンコート法等の液相成膜等により形成することができる。

次に、図９に示すように、第１電極６０上に所定形状のレジスト（図示なし）をマスクとして形成し、密着層５６及び第１電極６０を、同時にパターニングする。密着層５６及び第１電極６０のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングにより行うことができる。なお、密着層５６及び第１電極６０のパターニングにおける形状は、特に限定されない。

次に、図１０に示すように、第１電極６０上に、シード層７３を形成した後に圧電体膜７４を複数層形成する。圧電体層７０は、シード層７３及び複数層の圧電体膜７４によって構成される。圧電体層７０は、例えば、金属錯体を含む溶液（前駆体溶液）を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物を得る化学溶液法（湿式法）により形成することができる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、エアロゾル・デポジション法等によっても形成することができる。本実施形態では、圧電体層７０の面方位を（１００）方向に配向させ、且つ結晶構造を正方晶とする観点から、湿式法（液相法）を用いた。

ここで、湿式法（液相法）とは、ＭＯＤ法やゾル−ゲル法等の化学溶液法等により成膜する方法であり、スパッタリング法等の気相法と区別される概念である。一般に、スパッタリング法を用いて成膜した場合、膜の面方位を（１００）方向に配向させるため、当該膜の内部応力は引張応力にはならないが、面方位を（１００）方向に配向させ、且つ結晶構造を正方晶とすることができ、内部応力が引張応力の圧電体層７０を形成できるものであれば、気相法を用いてもよい。

例えば、湿式法（液相法）によって形成された圧電体層７０は、詳細は後述するが、前駆体溶液を塗布して前駆体膜を形成する工程（塗布工程）、前駆体膜を乾燥する工程（乾燥工程）、乾燥した前駆体膜を加熱して脱脂する工程（脱脂工程）、及び、脱脂した前駆体膜を焼成する工程（焼成工程）までの一連の工程によって形成されたシード層７３及び複数層の圧電体膜７４を有する。即ち、圧電体層７０は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。なお、上述した一連の工程において、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。

湿式法によって形成された層や膜は、界面を有する。湿式法によって形成された層や膜には、塗布又は焼成の形跡が残り、このような形跡は、その断面を観察したり、層内（又は膜内）における元素の濃度分布を解析したりすることによって確認可能な界面となる。界面とは、厳密には層間又は膜間の境界を意味するが、ここでは、層又は膜の境界付近を意味するものとする。湿式法によって形成された層や膜の断面を電子顕微鏡等により観察した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも色が濃い部分、又は他よりも色が薄い部分として確認される。また、元素の濃度分布を解析した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも元素の濃度が高い部分、又は他よりも元素の濃度が低い部分として確認される。圧電体層７０は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数繰り返して、或いは、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に焼成工程を実施して形成される（シード層７３及び複数層の圧電体膜７４によって構成される）ため、シード層７３及び各圧電体膜７４に対応して、複数の界面を有することとなる。

圧電体層７０を湿式法で形成する場合の具体的な手順の例は、次の通りである。まず、金属錯体を含むＭＯＤ溶液やゾルからなり、圧電体層７０を形成するための前駆体溶液をそれぞれ調整する（調整工程）。そして、圧電体層７０の前駆体溶液を、パターニングした第１電極６０上に、スピンコート法等を用いて塗布して前駆体膜を形成する（塗布工程）。次に、この前駆体膜を所定温度、例えば１３０℃から２５０℃程度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、更に乾燥した前駆体膜を所定温度、例えば３００℃から４５０℃程度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。更に、脱脂した前駆体膜をより高い温度、例えば５００℃から８００℃程度に加熱し、この温度で一定時間保持することによって結晶化させ、シード層７３を形成する（焼成工程）。シード層７３を形成した後に、上記の塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回繰り返すことにより、シード層７３及び複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。

なお、上述の各前駆体溶液は、焼成により、上述したペロブスカイト型複合酸化物を形成し得る金属錯体を、それぞれ有機溶媒に溶解又は分散させたものである。つまり、圧電体層７０の前駆体溶液は、金属錯体の中心金属として所定の元素を含むものである。このとき、圧電体層７０の前駆体溶液中に、上記元素以外の元素を含む金属錯体を更に混合してもよい。本実施形態では、シード層７３を構成する元素としてＢｉ、Ｆｅ及びＴａをそれぞれ含む金属錯体を用いた。また、圧電体膜７４を構成する元素としてＰｂ、Ｍｇ、Ｎｂ及びＴｉをそれぞれ含む金属錯体、又はＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉをそれぞれ含む金属錯体を用いた。

上記各元素を含む金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体等を用いることができる。上述の各前駆体溶液において、これらの金属錯体の混合割合は、ペロブスカイト型複合酸化物に含まれる所定の各元素が所望のモル比となるように混合すればよい。

Ｂｉを含む金属錯体としては、２−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマス等が挙げられる。Ｆｅを含む金属錯体としては、２−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス（アセチルアセトナート）鉄等が挙げられる。Ｔａを含む金属錯体としては、ペンタエトキシタンタル等が挙げられる。Ｐｂを含む金属錯体としては、酢酸鉛等が挙げられる。Ｍｇを含む金属錯体としては、例えば２−エチルヘキサン酸マグネシウム等が挙げられる。Ｎｂを含む金属錯体としては、例えば、２−エチルヘキサン酸ニオブ、ペンタエトキシニオブ等が挙げられる。Ｔｉを含む金属錯体としては、チタニウムイソプロポキシド等のチタニウムアルコキシド、２−エチルヘキサン酸チタン、酢酸チタン等が挙げられる。Ｚｒを含む金属錯体としては、ジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。このとき、２種以上の金属錯体を併用してもよい。

前駆体溶液の作製に用いられる有機溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２−ｎ−ブトキシエタノール、ｎ−オクタン等、又はこれらの混合溶媒等が挙げられる。
前駆体溶液は、各金属錯体の分散を安定化する添加剤を含んでもよい。このような添加剤としては、２−エチルヘキサン酸やジエタノールアミン等が挙げられる。

乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。

次に、図１１に示すように、シード層７３及び複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０をパターニングする。パターニングは、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングによって行うことができる。なお、圧電体層７０のパターニングにおける形状は、特に限定されない。その後、パターニングした圧電体層７０上に、Ｐｔ及びＩｒを積層させてなる第２電極８０を形成する。第２電極８０は、第１電極６０と同様の方法により形成することができる。

本実施形態では、振動板５０から第１電極６０までの合計厚みＴ_１と、シード層７３から第２電極８０までの合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を満たすように、各要素の厚みを決定している（図５参照）。

なお、圧電体層７０上に第２電極８０を形成する前後で、必要に応じて６００℃から８００℃程度の温度域で再加熱処理（ポストアニール）を行ってもよい。このように、ポストアニールを行うことで、密着層５６と第１電極６０、第１電極６０と圧電体層７０、圧電体層７０と第２電極８０との良好な界面を、それぞれ形成することができ、且つ圧電体層７０の結晶性を改善することができる。

次に、図１２に示すように、基板１０の圧電素子３００側の面に、接着剤３５（図４参照）を介して保護基板用ウェハーとして保護基板３０を接合する。その後、保護基板３０の表面を削って薄くする。また、保護基板３０に、マニホールド部３２や貫通孔３３（図４参照）を形成する。

次いで、図１３に示すように、基板１０の圧電素子３００とは反対側の面に、マスク膜５３を形成し、これを所定形状にパターニングする。そして、図１４に示すように、マスク膜５３を介して、基板１０に対してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）を実施して、基板１０を複数の隔壁１１によって区画して、圧力発生室１２を形成する。更に、個々の圧電素子３００に対応する圧力発生室１２の他、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５（図４参照）を形成する。

次に、基板１０及び保護基板３０の外周縁部の不要部分をダイシング等により切断・除去する。更に、基板１０の圧電素子３００とは反対側の面に、ノズルプレート２０を接合する。また、保護基板３０に、コンプライアンス基板４０を接合する。ここまでの工程によって、記録ヘッド１のチップの集合体が完成する。この集合体を個々のチップに分割することによって、記録ヘッド１を得る。

（実施形態２）
（超音波デバイス）
次に、本発明の実施形態２にかかる超音波センサーを搭載した超音波デバイスの一例である超音波プローブについて、図面を参照して説明する。
図１５は、超音波プローブの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブ（プローブ）Ｉｃは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１ｃと、超音波センサー１ｃに接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２ｃ）と、図示しない装置端末から引き出されたケーブル３ｃと、ＦＰＣ基板２ｃ及びケーブル３ｃを中継ぎする中継基板４ｃと、超音波センサー１ｃ、ＦＰＣ基板２ｃ及び中継基板４ｃを保護する筐体５ｃと、筐体５ｃ及び超音波センサー１ｃの間に充填された耐水性樹脂６ｃとを具備して構成されている。また、詳細は後述するが、超音波センサー１ｃは、超音波素子１０ｃの駆動によって発生する超音波を伝播させる音響整合層３０ｃ、超音波を屈折させる屈折部材であるレンズ部材３１ｃ及び包囲板４０ｃを含んで構成されている。なお、プローブＩｃは、上記の構成に限定されず、必要に応じて他の要素を含んで構成されてもよい。

プローブＩｃに搭載された超音波センサー１ｃは、送受信一体型に構成されている。この超音波センサー１ｃでは、超音波センサー１ｃの繰り返し発信周期に応じ、送信超音波が、音響整合層３０ｃ及びレンズ部材３１ｃを通じて送信される。送信超音波が所定の間隔で送信されるなかで、測定対象物から反射された反射超音波が、音響整合層３０ｃ及びレンズ部材３１ｃを通って受信される。これらの送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、プローブＩｃの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

このような超音波センサー１ｃによれば、送受信感度のばらつきを抑制し、受信感度の向上化を図ることができる。従って、プローブＩｃに超音波センサー１ｃを搭載することで、検出感度に優れたプローブＩｃとなる。超音波センサー１ｃは、送受信一体型に限定されず、送信専用型や受信専用型等にも適用できる。超音波センサー１ｃを搭載可能なプローブＩｃは、その構成に限定されない。

また、超音波センサー１ｃは、振動板５０ｃの圧電素子１７ｃとは反対側が超音波の通過領域となる型（ＣＡＶ面型）に限定されず、振動板５０ｃの圧電素子１７ｃ側が超音波の通過領域となる型（ＡＣＴ面型）にも適用できる。ＣＡＶ面型の超音波センサー１ｃは、ＡＣＴ面側の超音波センサーと比べて、測定対象物に対して超音波素子１０ｃを構成する圧電素子１７ｃが離れた位置にある。従って、外部からの水分が圧電素子１７ｃに極めて到達し難い構成となり、使用時の電気的安全性に優れる超音波センサー１ｃとなる。しかも、圧電素子１７ｃが薄膜である場合、製造時のハンドリング性も向上させることができるので、超音波センサー１ｃの取り扱いが容易となる。

（超音波センサー）
図１６は、超音波センサーの分解斜視図である。図１５及び図１６に示すように、超音波センサー１ｃは、超音波素子１０ｃ、音響整合層３０ｃ、レンズ部材３１ｃ及び包囲板４０ｃを含んで構成されている。図１６において、包囲板４０ｃと支持部材４１ｃとは別体に示されているが、実際には、図１５に示すように、両者は一体的に構成されている。なお、超音波センサー１ｃは、上記の構成に限定されず、他の要素を含んで構成されてもよい。

超音波センサー１ｃがＣＡＶ面型に構成されていることから、音響整合層３０ｃは、空間２０ｃ内に設けられている。音響整合能を有する樹脂等が基板１１ｃの空間２０ｃ内等に充填されて音響整合層３０ｃを構成することで、超音波素子１０ｃ及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率の低下を防止することができる。そのような音響整合層３０ｃに適用可能な材料としては、例えば、シリコーンオイル、シリコーン樹脂、シリコーンゴム等のシリコーン系材料等の流動性を有する材料（流動材）が挙げられる。ただし、音響整合層３０ｃに適用可能な材料は、前記の例に限定されず、超音波センサー１ｃの用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

レンズ部材３１ｃは、基板１１ｃ上の振動板５０ｃとは反対側に設けられている。レンズ部材３１ｃは、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等には、レンズ部材３１ｃは省略可能である。また、レンズ部材３１ｃは、超音波の収束機能を有しない保護板等に代替させることも可能である。本実施形態では、上記の音響整合層３０ｃが、レンズ部材３１ｃと基板１１ｃとの接合機能又は接着機能も有している。レンズ部材３１ｃと基板１１ｃとの間に音響整合層３０ｃを介在させ、超音波センサー１ｃが構成されている。レンズ部材３１ｃは、上述した音響整合層３０ｃのシリコーン系材料等と同様のものから構成できる。ただし、レンズ部材３１ｃに適用可能な材料は、前記の例に限定されず、超音波センサー１ｃの用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。音響整合層３０ｃと同様の材料を用いることにより、音響整合層３０ｃとレンズ部材３１ｃとの接合又は接着を容易に行うことができる。

包囲板４０ｃは、振動板５０ｃの絶縁体膜１３ｃ側に設けられている。包囲板４０ｃの中央には凹部（圧電素子保持部３２ｃ）が形成され、この圧電素子保持部３２ｃの周囲は、包囲板４０ｃの縁部４０ａｃ及び面４０ｂｃで囲われている。圧電素子保持部３２ｃによって、超音波素子１０ｃの周囲の領域（超音波素子１０ｃの上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、超音波素子１０ｃの上面は包囲板４０ｃの面４０ｂｃで覆われ、側面は縁部４０ａｃで覆われることになる。

圧電素子保持部３２ｃのＺ方向の厚さは８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２ｃのＺ方向の厚さは、超音波素子１０ｃの駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２ｃは、大気や空気（乾燥空気）で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。或いは、圧電素子保持部３２ｃは、窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）等の封入ガス種で満たされていてもよく、封入ガス種や圧力は任意に選択することができる。

包囲板４０ｃは、縁部４０ａｃ及び後述する支持部材４１ｃを介して、振動板５０ｃと接着又は接合されている。包囲板４０ｃの接着又は接合には、接着剤等を用いることができるが、前記の例に限定されない。包囲板４０ｃのＺ方向の厚さは４００μｍであるが、前記の値に限定されない。

超音波センサー１ｃには、包囲板４０ｃの面４０ｂｃと振動板５０ｃの絶縁体膜１３ｃとの間、且つ、超音波素子１０ｃと重ならない位置に、支持部材４１ｃが設けられており、この支持部材４１ｃにより振動板５０ｃを支持できる。このため、例えば、レンズ部材３１ｃを超音波素子１０ｃに実装する際や、超音波素子１０ｃとレンズ部材３１ｃの密着性を確保する際に、レンズ部材３１ｃを音響整合層３０ｃ側に押圧することがある。レンズ部材３１ｃを具備していない場合や、レンズ部材３１ｃの代わりに他の部材を設けた場合にも、各部材の密着性を確保するため、音響整合層３０ｃ側から振動板５０ｃに押圧力を付すこともある。超音波センサー１ｃでは、支持部材４１ｃを具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０ｃに加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

また、支持部材４１ｃが圧電素子１７ｃと重ならないように圧電素子１７ｃ間に設けられているため、圧電素子１７ｃが支持部材４１ｃによって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１ｃを設けていない場合と比べて、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。支持部材４１ｃは、接着剤等により超音波素子１０ｃ側に接着又は接合されているが、この手法は前の例に限定されない。

支持部材４１ｃは、Ｙ方向に沿って延びる梁形状を有している。これによれば、Ｙ方向に亘る広い範囲で振動板５０ｃを支持できる。梁形状の支持部材４１ｃは、Ｙ方向ではなく、Ｘ方向に沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１ｃは、延在する片方の端部が包囲板４０ｃの縁部４０ａｃから離れていてもよい。延在方向の少なくとも片方の端部が包囲板４０ｃの縁部４０ａｃに接していれば、本発明の梁形状の支持部材４１ｃに含まれる。

勿論、支持部材４１ｃは、梁形状を有していなくてもよい。支持部材４１ｃは、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１ｃの作製手法によっては、支持部材４１ｃのＸＹ平面の断面積がＺ方向に応じて異なる態様となる場合があるものの、かかる態様も、振動板５０ｃを支持できる限り、本発明の支持部材４１ｃに含まれる。

圧電素子保持部３２ｃの中心部分は、包囲板４０ｃの縁部４０ａｃから比較的離れている。従って、振動板５０ｃにおいて、圧電素子保持部３２ｃの中心部分に対応する中心箇所Ｃでは、支持部材４１ｃがない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１ｃは、そのような振動板５０ｃの中心箇所Ｃを支持するように、圧電素子保持部３２ｃの中心部分に設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。

超音波センサー１ｃにおいて、支持部材４１ｃの数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１ｃは複数であってもよい。その場合、支持部材４１ｃは、圧電素子保持部３２ｃ内に、等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０ｃを万遍なく支持できる。従って、振動板５０ｃの数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２ｃ内に支持部材４１ｃを等間隔に設けたとき、その真ん中の支持部材４１ｃが、振動板５０ｃの中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１ｃの数は、３つ程度であるとバランスがよい。勿論、支持部材４１ｃは、振動板５０ｃの中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。

梁形状の支持部材４１ｃは、包囲板４０ｃをウェットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１ｃは、包囲板４０ｃの構成材料を活かして作製されており、包囲板４０ｃと同一の構成を有している。ウェットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１ｃを作製するのには好適な手法である。

基板１１ｃには、複数の隔壁１９ｃが形成されている。この複数の隔壁１９ｃにより、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、複数のキャビティ（ＣＡＶ）（以下、空間２０ｃという）が区画されている。空間２０ｃは、厚さ方向（Ｚ方向）に基板１１ｃを貫通するように形成されている。つまり、基板１１ｃには、その振動板５０ｃ側に開口した開口部１８ｃが形成されている。開口部１８ｃは、二次元状、即ち、Ｘ方向且つＹ方向に複数形成されている。開口部１８ｃの配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、開口部１８ｃは、一次元状、即ち、Ｘ方向及びＹ方向の何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、開口部１８ｃは、圧電素子１７ｃを鉛直方向（Ｚ方向）から見たときに、正方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１）に形成されてもよいし、長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１以外）に形成されてもよい。

撓み変位型圧電素子としての超音波素子１０ｃは、実施形態１の圧電素子３００と同様に構成することができるが、必要に応じて他の要素を含んで構成されてもよい。なお、超音波素子の説明は、圧電素子３００の説明と重複するものについて適宜省略する。

通常、超音波センサーでは、超音波素子をＸ方向及びこれに直交するＹ方向に、二次元的に並設しており、Ｘ方向をスキャン方向、Ｙ方向をスライス方向とする。本実施形態の構成例では、スライス方向であるＹ方向に、１６個の超音波素子１０ｃが並設され、スキャン方向であるＸ方向に、６４個の超音波素子１０ｃが並設されているが、図１６には、それぞれその一部のみを示している。このような超音波センサー１ｃでは、スキャン方向（Ｘ方向）にスキャンしながら、スライス方向（Ｙ方向）に延びる列毎に駆動、即ち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。

なお、包囲板４０ｃ、支持部材４１ｃ及び超音波素子１０ｃの各構成の材料は、例えば、実施形態１の保護基板３０や圧電素子３００の各構成と同様の材料を適用することができる。

以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
まず、６インチの（１００）面のＳｉ単結晶基板（基板１１ｃ）を熱酸化することで、当該Ｓｉ単結晶基板の表面にＳｉＯ_２膜（弾性膜１２ｃ）を形成した。ＳｉＯ_２膜上にジルコニウム膜をスパッタリング法によって成膜し、ジルコニウム膜を熱酸化することで、ＺｎＯ_２膜（絶縁体膜１３ｃ）を形成した。次いで、ＺｎＯ_２膜上に、ＲＦマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ層を形成し、当該Ｔｉ層を熱酸化することで、ＴｉＯ_Ｘ層（密着層）を形成した。次いで、ＴｉＯ_Ｘ層上に、ＲＦマグネトロンスパッター法により、Ｐｔ電極膜を形成した。次いで、Ｐｔ電極膜上に所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりＰｔ電極膜及びＴｉＯ_Ｘ層を所定形状にパターニングすることで、Ｐｔ電極パターン（第１電極１４ｃパターン）を形成した。

次いで、以下の手順でＰｔ電極パターン上にＢＦＴ層（シード層）を形成した。まず、プロピオン酸、酢酸ビスマス、酢酸鉄及びチタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドを容器に量り取り、これらを１４０℃で２時間加熱撹拌することで、ＢＦＴ前駆体溶液を作製した。

次いで、このＢＦＴ前駆体溶液を、スピンコート法により、Ｐｔ電極パターンが形成されたＳｉ単結晶基板上に塗布した（塗布工程）。次に、ホットプレート上に上記Ｓｉ単結晶基板を載せ、３５０℃で乾燥及び脱脂した（乾燥工程及び脱脂工程）。そして、ＲＴＡ装置により、６５０℃で焼成を行い（焼成工程）、１層のＢＦＴ層を形成した。実施例１では、ＢＦＴ層の厚みを４０ｎｍとした。

次いで、以下の手順でＢＦＴ層上にＰＭＮ−ＰＴ層（圧電体層１５ｃ）を形成した。まず、２−ブトキシエタノール及びジメチルアミノエタノールを容器に量り取り、混合溶液Ｘを作製した。次いで、乾燥窒素を充填したグローブボックス中で、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド及びニオブペンタ−ｎ−ブトキシドを容器に量り取り、混合溶液Ｘに混合して混合溶液Ｙとした。次いで、混合溶液Ｙを室温にて十分撹拌した後に、大気下で酢酸マグネシウム及び酢酸鉛を容器に量り取り、混合溶液Ｙに混合して撹拌を行うことで、ＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液を作製した。なお、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド、ニオブペンタ−ｎ−ブトキシド、酢酸マグネシウム及び酢酸鉛を、一般式（ｘＰｂ_１＋α（Ｍｇ_０．３３，Ｎｂ_０．６７）Ｏ_３−（１−ｘ）Ｐｂ_１＋αＴｉＯ_３）で表される組成に従い、当該一般式中のｘ及びαを下記表１に示すＰＭＮのモル比の割合（組成）となるように調製した。

次いで、このＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液を、スピンコート法により、ＢＦＴ層が形成されたＳｉ単結晶基板上に塗布した（塗布工程）。次に、ホットプレート上に上記Ｓｉ単結晶基板を載せ、１８０℃で乾燥した（乾燥工程）。次いで、ホットプレート上に上記Ｓｉ単結晶基板に対して３８０℃で脱脂を行った（脱脂工程）。そして、ＲＴＡ装置により、７５０℃で焼成を行い（焼成工程）、１層のＰＭＮ−ＰＴ膜（圧電体膜）を形成した。その後、上記の塗布工程から焼成工程を１６回繰り返すことで、合計１７層のＰＭＮ−ＰＴ膜を形成し、ＰＭＮ−ＰＴ層を形成した。実施例１では、ＰＭＮ−ＰＴ層の厚みを１．０μｍとした。

次いで、ＰＭＮ−ＰＴ層上に、スパッタリング法により厚みが２０ｎｍであるＰｔ電極膜を形成し、ＲＴＡ装置により、６５０℃で焼付け処理を行った。次いで、Ｐｔ電極膜上に所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりＰｔ電極膜、ＰＭＮ−ＰＴ層及びＢＦＴ層を所定形状にパターニングした。次いで、この上に、スパッタリング法により厚みが４０ｎｍであるＩｒ電極膜を形成し、このＩｒ電極膜上に所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりＩｒ電極膜を所定形状にパターニングすることにより、Ｉｒ／Ｐｔ電極パターン（第２電極１６ｃパターン）を形成した。

次いで、Ｓｉ単結晶基板のＩｒ／Ｐｔ電極パターン等を形成した面の反対側の面（裏面）を研磨処理により削ることで、当該Ｓｉ単結晶基板の厚みを１５０μｍにした。次いで、その研磨面上に所定のフォトレジストパターンを作製し、誘導結合プラズマ（ＩｃＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチングにより、空洞（ＣＡＶ）構造（空間２０ｃ）を作製し、撓み振動型圧電素子（圧電素子１７ｃ）を得た。

なお、得られた撓み振動型圧電素子は、ＺｎＯ_２膜及びＳｉＯ_２膜からなる振動板、ＴｉＯ_Ｘ層及びＰｔ電極膜との合計厚みＴ_１が１．７μｍであり、ＢＦＴ層、ＰＭＮ−ＰＴ層、Ｐｔ電極膜及びＩｒ電極膜との合計厚みＴ_２が１．１μｍであった。即ち、実施例１では、振動部における各膜及び各層がＴ_１≧Ｔ_２の関係を有する撓み振動型圧電素子が得られた。

（実施例２、比較例１及び比較例２）
チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド、ニオブペンタ−ｎ−ブトキシド、酢酸マグネシウム及び酢酸鉛を、一般式（ｘＰｂ_１＋α（Ｍｇ_０．３３，Ｎｂ_０．６７）Ｏ_３−（１−ｘ）Ｐｂ_１＋αＴｉＯ_３）で表される組成に従い、当該一般式中のｘ及びαを下記表１に示すＰＭＮのモル比の割合（組成）となるようにそれぞれ調製したこと以外は実施例１と同様にして撓み振動型圧電素子（圧電素子１７ｃ）を得た。

（実施例３、実施例４及び比較例３から比較例５）
まず、実施例１と同様にして、Ｓｉ単結晶基板上にＳｉＯ_２膜、ＺｎＯ_２膜、ＴｉＯ_Ｘ層及びＰｔ電極膜を順次形成した。次いで、Ｐｔ電極膜上に、スパッタリング法によりＩｒ電極膜を形成し、更に、Ｉｒ電極膜上に、ＲＦマグネトロンスパッター法により、Ｔｉ層を形成し、当該Ｔｉ層を熱酸化することで、ＴｉＯ_Ｘ層を形成した。次いで、ＴｉＯ_Ｘ層上に、所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりＴｉＯ_Ｘ層、Ｉｒ電極膜、Ｐｔ電極膜及びＴｉＯ_Ｘ層を所定形状にパターニングすることで、Ｉｒ／Ｐｔ電極パターン（第１電極１４ｃパターン）を形成した。

次いで、以下の手順でＩｒ／Ｐｔ電極パターン上にＰＺＴ層（圧電体層１５ｃ）を形成した。まず、酢酸及び水を容器に量り取り、次いで、酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド及びポリエチレングリコールを他の容器に量り取り、これらを９０℃で加熱撹拌することで、ＰＺＴ前駆体溶液を作製した。次いで、このＰＺＴ前駆体溶液を用いて、乾燥温度を１４０℃、脱脂温度を３７０℃及び焼成温度を７３７℃にしたこと以外は実施例１と同様にして、ＰＺＴ層を形成した。なお、実施例３、実施例４及び比較例３から比較例５では、ＰＺＴ層の厚みを０．７μｍとした。また、酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド及びチタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドを、一般式（Ｐｂ_１＋α（Ｚｒ_１−Ｘ，Ｔｉ_Ｘ）Ｏ_３）で表される組成に従い、当該一般式中のｘ及びαを下記表１に示すＰＺＴのモル比の割合（組成）となるようにそれぞれ調製した。

次いで、ＰＺＴ層上に、ＲＦマグネトロンスパッター法により、厚みが３ｎｍであるＴｉ層を形成し、当該Ｔｉ層を熱酸化することで、ＴｉＯ_Ｘ層を形成した。次いで、ＴｉＯ_Ｘ層上に、スパッタリング法により厚みが４ｎｍであるＩｒ電極膜を形成し、このＩｒ電極膜上に所定のフォトレジストパターンを作製し、イオンミリングによりＩｒ電極膜及びＴｉＯ_Ｘ層を所定形状にパターニングすることにより、Ｉｒ電極パターン（第２電極１６ｃパターン）を形成した。次いで、実施例１と同様にしてＣＡＶ構造を作製し、撓み振動型圧電素子（圧電素子１７ｃ）を得た。

なお、得られた撓み振動型圧電素子は、ＺｎＯ_２膜及びＳｉＯ_２膜からなる振動板、ＴｉＯ_Ｘ層、Ｐｔ電極膜及びＩｒ電極膜との合計厚みＴ_１が８００μｍであり、ＴｉＯ_Ｘ層、ＰＺＴ層、ＴｉＯ_Ｘ層及びＩｒ電極膜との合計厚みＴ_２が７５０μｍであった。即ち、実施例３、実施例４及び比較例３から比較例５では、振動部における各膜及び各層がＴ_１≧Ｔ_２の関係を有する撓み振動型圧電素子が得られた。

＜構造解析＞
実施例１から実施例４及び比較例１から比較例５の撓み振動型圧電素子の配向性及び結晶構造を調べた。具体的には、ブルカー・エイエックスエス（Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ）社製「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、線源はＣｕＫα、検出器は２次元検出器（ＧＡＤＤＳ）を使用して、２次元マッピング画像及び回折パターンを測定した。なお、結晶構造については、圧電体層の（２００）面に由来するピークの分裂の有無と一般的なバルクの相図から判断し、その結果を表１に示した。

その結果、実施例１から実施例４において、（１００）面に配向していることが確認された。なお、本明細書における（１００）面に配向しているとは、配向方位の表現として、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を擬似的に立方晶とみなした時の面指数で表記したものであり、実際の結晶構造における面指数とは異なる。例えば、表１に示した通りの実施例１から４に示す結晶構造では、（１００）面と（００１）面の片方又は両方がＳｉ単結晶基板に垂直な向きに揃っていることを意味する。一方、比較例１から比較例５では、結晶構造が正方晶以外の構造をとり、（１００）面に配向していないことを意味する。

＜形状観察＞
実施例１から実施例４の撓み振動型圧電素子の加工形状について、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用い測定した。その結果、全ての撓み振動型圧電素子において所定の形状となっており、特性に影響を及ぼす特異な異常は観測されなかった。従って、以後の測定結果について、素子構造要因を考慮する必要がないことが明らかとなった。

＜初期撓み測定＞
実施例１から実施例４及び比較例１から比較例５の撓み振動型圧電素子のＣＡＶ構造における電圧無印加状態での撓み（初期撓み量ｄ）を、Ｖｅｅｃｏ社製「光干渉型表面形状粗さ測定システム ＮＴ９３００ＤＭＥＭＳ」を用いて測定した。図１７及び図１８は、撓み変位型圧電素子の初期撓み量を模式的に示す図である。撓み振動型圧電素子に撓みがない場合をゼロとし、図１７に示した通り、撓み振動型圧電素子がＣＡＶ面に対して反対側に撓んだ場合（上凸の場合）の初期撓み量ｄをプラスとし、図１８に示した通り、撓み振動型圧電素子がＣＡＶ面側に撓んだ場合（下凸の場合）の初期撓み量ｄをマイナスとした。そして、測定した初期撓み量ｄを表１に示した。

表１に示した通り、実施例１から実施例４の撓み振動型圧電素子では、結晶構造は正方晶となり、初期撓み量ｄはプラスとなった。即ち、これらの撓み振動型圧電素子の初期撓み位置は、上凸となることが明らかとなった。一方、比較例１から比較例５の撓み振動型圧電素子では、結晶構造は正方晶以外の擬立方晶、菱面体晶又は単斜晶となり、初期撓み量ｄはマイナスとなった。即ち、これらの撓み振動型圧電素子の初期撓み位置は、下凸となることが明らかとなった。

＜変位測定＞
実施例１及び比較例５の撓み振動型圧電素子について、Ｐｏｌｙｔｅｃ社製「ＮＬＶ−２５００」を用い、振幅２０Ｖ、オフセット電圧１０Ｖ、周波数１ｋＨｚのサイン（Ｓｉｎ）波を印加した時の変位量を、室温（２５℃）にて測定した。その結果、一般的な圧電素子に使用される（１００）面に配向したＭＰＢ（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ）組成のＰＺＴである比較例５における変位量が１３９ｎｍであった。これに対し、同一構造で測定した実施例１における変位量は１５４ｎｍであった。実施例１と比較例５の変位量を比較すると、実施例１において、１０％の変位量向上が確認された。

＜初期撓みと変形効率＞
実施例１の撓み振動型圧電素子について、有限要素法（特開２０１３−１６３３６１号公報参照）を用いて初期撓み量ｄ′［ｎｍ］を算出し、この初期撓み量ｄ′に対する正圧電効果における変形効率［％］及び逆圧電効果における変形効率［％］を、それぞれ比較した。図１９は、実施例１の正圧電効果における変形効率を示す図であり、図２０は、実施例１の逆圧電効果における変形効率を示す図である。なお、図１９に示した結果は、実施例１の撓み振動型圧電素子のセンサー特性に相関し、図２０に示した結果は、当該撓み振動型圧電素子のアクチュエーター特性に相関する。

図１９に示した通り、正圧電効果では、撓み振動型圧電素子の初期撓み量ｄ′がプラス（上凸構造）の場合、特に、水平（０ｎｍ）から＋２００ｎｍにおいては、変形効率はほぼ一定であった。これに対し、初期撓み量ｄ′がマイナス（下凸構造）の場合、特に、−２００ｎｍでは３％、−４００ｎｍでは７％の変形効率の低下が確認された。即ち、マイナス（下凸構造）の場合、感度低下が生じた。

図２０に示した通り、逆圧電効果では、撓み振動型圧電素子の初期撓み量ｄ′がプラス（上凸構造）の場合はほぼ一定であった。これに対し、初期撓み量ｄ′がマイナス（下凸構造）の場合、特に、水平で１％、−２００ｎｍで２％、−４００ｎｍで５％の変形効率の低下が確認された。

ただし、図１９及び図２０に示した結果は、実施例１の撓み振動型圧電素子の形状における結果であり、値の大小は圧電体層やＣＡＶの形状やサイズに依存する。実施例１とは異なる種々の形状で検討した結果、撓み振動型圧電素子の初期撓み位置が上凸構造となるとき、正圧電効果及び逆圧電効果の両者で効率がよいことが明らかとなった。

従って、結晶の面方位が（１００）であり、且つ結晶構造が正方晶であるペロブスカイト型複合酸化物（圧電体材料）を圧電体層に用い、振動部における各膜及び各層がＴ_１≧Ｔ_２の関係を有する撓み変位型圧電素子（実施例１から実施例４）では、初期撓み位置が上凸構造とすることができる。このため、結晶の面方位が（１００）以外であり、且つ結晶構造が正方晶以外であるペロブスカイト型複合酸化物を用いた撓み変位型圧電素子（比較例１から比較例５）と比較して、センサー特性及びアクチュエーター特性を向上させることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、本発明の圧電素子を適用した圧電素子応用デバイスの一例として、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドを挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、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、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。インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドとしては、例えば、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、バイオチップの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。

本発明の圧電素子を適用した圧電素子応用デバイスは、高い圧電特性を有することから、圧電アクチュエーターに好適である。具体的な圧電アクチュエーターとしては、例えば、超音波モーター、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、圧電スピーカー、圧電ポンプ、温度−電気変換器、圧力−電気変換器等が挙げられる。

上記実施形態では、本発明の圧電素子の一例として、撓み変形型の超音波素子（撓み変位型圧電素子）を挙げて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。本発明の圧電素子は、高い圧電性能を有することから、圧電方式のセンサー素子に好適に用いることができる。具体的なセンサー素子としては、例えば、超音波検出器（超音波センサー）、角速度センサー、加速度センサー（ジャイロセンサー）、振動センサー、傾きセンサー、圧力センサー、衝突センサー、人感センサー、赤外線センサー、テラヘルツセンサー、熱検知センサー（感熱センサー）、焦電センサー、圧電センサー等が挙げられる。その他、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター等に適用されてもよい。

超音波センサーが搭載された超音波測定装置にあっては、例えば、本発明の圧電素子と、本発明の圧電素子により発信される超音波及び本発明の圧電素子により受信される超音波の少なくとも一方に基づく信号を利用して検出対象を測定する制御手段とを具備することで超音波測定装置を構成することもできる。このような超音波測定装置は、超音波を発信した時点から、その発信した超音波が測定対象物に反射されて戻ってくるエコー信号を受信する時点までの時間に基づいて、測定対象物の位置、形状及び速度等に関する情報を得るものであり、超音波を発生するための素子や、エコー信号を検知するための素子として圧電素子が用いられることがある。このような超音波発生素子やエコー信号検知素子として、優れた変位特性を有する超音波測定装置を提供することができる。

本発明の圧電素子を適用した圧電素子応用デバイスは、高い強誘電性を有することから、強誘電体素子に好適に用いることができる。具体的な強誘電体素子としては、例えば、強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシター等が挙げられる。

本発明の圧電素子を適用した圧電素子応用デバイスは、電圧によりドメイン分域を制御することができるため、電圧制御型の光学素子に好適に用いることができる。具体的な光学素子としては、例えば、波長変換器、光導波路、光路変調器、屈折率制御素子、電子シャッター機構等が挙げられる。

本発明の圧電素子を適用した圧電素子応用デバイスは、良好な焦電特性を示すことから、焦電素子に好適に用いることができ、また、上述した各種モーターを駆動源として利用したロボット等にも適用することができる。

上記実施形態では省略したが、例えば、振動板の圧電素子とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板の圧電素子とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置（超音波画像装置）、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。

また、圧電素子を含む領域を封止する封止板を基板に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子を物理的に保護でき、また超音波センサーの強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子が薄膜として構成される場合には、その圧電素子を含む超音波センサーのハンドリング性も向上させることができる。

上記実施形態では、開口部は、圧電素子毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子に対応して開口部を形成してもよい。例えば、スキャン方向（Ｘ方向）に亘って並設される圧電素子の列に共通する開口部を設けてもよく、又は全体に１つの開口部としてもよい。なお、このような複数の圧電素子に対して共通する開口部を設けた場合には、圧電素子の振動状態が異なるようになるが、振動板の基板とは反対側から、各圧電素子の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。

上記実施形態では、一例としてＩＣＰエッチングにより形成したＣＡＶ構造からなる撓み変形アクチュエーターを例示したが、撓み変形を用いた圧電素子であればよく、例示した構造である必要はない。例えば、ＣＡＶ構造をウェットエッチングで作製した構造、フォトレジストによりＣＡＶパターンを作製した構造、振動板とＣＡＶパターンを別個に作成して張り合わせた構造、振動板を片持ち梁とした構造等が挙げられる。

ここで、上述した超音波センサーを用いた電子機器の一例について説明する。本実施形態では、電子機器として超音波画像装置を例示して説明し、超音波デバイスとして超音波プローブを例示して説明する。図２１は超音波画像装置の一例の概略構成を示す斜視図である。図２２は超音波プローブを示す平面図である。

図２１に示すように、超音波画像装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２とプローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２とプローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやり取りする。装置端末１０２には表示装置（ディスプレイパネル）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、プローブ１０３の超音波センサー１ｃ（図２２参照）から送信され、検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。

図２２に示すように、プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０ｃ（図１６等参照）がＸ方向及びＹ方向の二次元に配列された超音波センサー１ｃが収納される。超音波センサー１ｃは、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１ｃは、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１ｃは、プローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込むことができる。

Ｉ…記録装置、ＩＩ…ヘッドユニット、Ｉｃ，１０３…プローブ、Ｓ…記録シート、１…記録ヘッド、１ｃ…超音波センサー、２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、２ｃ…ＦＰＣ基板、３…キャリッジ、３ｃ，１０４…ケーブル、４…装置本体、４ｃ…中継基板、５…キャリッジ軸、５ｃ，１０６…筐体、６…駆動モーター、６ｃ…耐水性樹脂、７…タイミングベルト、８…搬送ローラー、１０，１０ａ，１０ｂ，１１ｃ…基板、１０ｃ…超音波素子、１１，１９ｃ…隔壁、１２…圧力発生室、１２ｃ，５１…弾性膜、１２ａ，１２ｂ，２０ｃ…空間、１３…インク供給路、１３ｃ，５２…絶縁体膜、１４…連通路、１４ｃ，６０…第１電極、１５…連通部、１５ｃ，７０…圧電体層、１６ｃ，８０…第２電極、１７ｃ，３００，３００ａ，３００ｂ…圧電素子、１８ｃ，４３…開口部、２０…ノズルプレート、２１…ノズル開口、３０…保護基板、３０ｃ…音響整合層、３１，３２ｃ…圧電素子保持部、３１ｃ…レンズ部材、３２…マニホールド部、３３…貫通孔、３５…接着剤、４０…コンプライアンス基板、４０ｃ…包囲板、４０ａｃ…縁部、４０ｂｃ…面、４１…封止膜、４１ｃ…支持部材、４２…固定板、５０，５０ｃ…振動板、５３…マスク膜、５６…密着層、７３…シード層、７４…圧電体膜、９０…リード電極、１００…マニホールド、１０１…超音波画像装置、１０２…装置端末、１０３ａ…プローブ本体、１０３ｂ…プローブヘッド、１０５…ディスプレイパネル、１２０…駆動回路、１２１…接続配線、２００…プリンターコントローラー、３０１ａ，３０１ｂ…中立面、３０２ａ，３０２ｂ…下層、３０３ａ，３０３ｂ…上層

Claims (3)

1. 振動板と、第１電極と、圧電体層と、第２電極とを含む振動部を有する圧電素子であって、
   前記圧電体層を構成する圧電体の結晶の面方位が（１００）であり、且つ前記圧電体の結晶構造が正方晶であり、
   前記振動板と前記第１電極との合計厚みＴ_１と、前記圧電体層と前記第２電極との合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を有することを特徴とする圧電素子。
2. 前記圧電体の結晶構造の５０％以上が正方晶であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 振動板と、第１電極と、圧電体層と、第２電極とを含む振動部を有する圧電素子の製造方法であって、
   前記圧電体層を構成する圧電体の結晶の面方位が（１００）であり、且つ前記圧電体の結晶構造が正方晶となるように、前記圧電体層を液相法により形成し、
   前記振動板と前記第１電極との合計厚みＴ_１と、前記圧電体層と前記第２電極との合計厚みＴ_２とが、Ｔ_１≧Ｔ_２の関係を有するように前記振動部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。

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