JP2023164037A - 圧電アクチュエーターおよびその製造方法、液滴吐出ヘッド、超音波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】良好な結晶性を有する圧電体を備える圧電アクチュエーターを提供する。【解決手段】基板と、基板上に形成される第１圧電素子および第２圧電素子と、を備える圧電アクチュエーター。第１圧電素子は、第１下部電極と、第１圧電体と、第１上部電極と、を有する。第２圧電素子は、第２下部電極と、第２圧電体と、第２上部電極と、を有する。第１下部電極の側面は第１圧電体に覆われておらず、第２下部電極の側面は第２圧電体に覆われていない。圧電アクチュエーターは、基板上に形成され、第１上部電極および第２上部電極に接続される共通電極と、共通電極と第１下部電極との間、および共通電極と第２下部電極との間に位置する絶縁層と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電アクチュエーターおよびその製造方法、液滴吐出ヘッド、超音波デバイスに関する。

従来から、例えば特許文献１に記載のように、個別にパターニングされた第１の導電体層（下部電極）上に、第１の導電体層を覆う圧電体層と、圧電体層を覆う第２の導電層とを有する液滴吐出ヘッドが知られる。

特開２０１０－２０８１３７号公報

特許文献１では、振動板上に金属膜を形成した後、エッチングすることにより、個々にパターニングされた下部電極を形成し、その後下部電極を覆う圧電体層を形成していた。このような製造方法では、下部電極をパターニングする工程で下部電極上にエッチング溶液またはレジストの成分が残留すると、下部電極上に形成される圧電体層に欠陥が生じ、歩留まり低下を引き起こすおそれがあった。また、振動板の表面から結晶成長する圧電体と下部電極表面から結晶成長する圧電体との間で配向性が異なってしまい、下部電極の端縁部周辺の圧電体層にクラックが発生したり、結晶配向が乱れた部位が形成されたりするおそれがあった。

本発明の１つの態様によれば、基板と、前記基板上に形成される第１圧電素子および第２圧電素子と、を備える圧電アクチュエーターが提供される。前記第１圧電素子は、前記基板上に形成される第１下部電極と、前記第１下部電極上に形成される第１圧電体と、前記第１圧電体上に形成される第１上部電極と、を有する。前記第２圧電素子は、前記基板上の前記第１下部電極と異なる領域に形成される第２下部電極と、前記第２下部電極上に形成される第２圧電体と、前記第２圧電体上に形成される第２上部電極と、を有する。前記第１下部電極の側面は前記第１圧電体に覆われておらず、前記第２下部電極の側面は前記第２圧電体に覆われていない。前記圧電アクチュエーターは、前記基板上に形成され、前記第１上部電極および前記第２上部電極に接続される共通電極と、前記共通電極と前記第１下部電極との間、および前記共通電極と前記第２下部電極との間に位置する絶縁層と、を有する。

本発明の１つの態様によれば、基板を準備する工程と、前記基板上に下部電極を成膜する工程と、前記下部電極上に圧電体を成膜する工程と、前記下部電極および前記圧電体をエッチングすることで、前記基板上に、第１下部電極と第１圧電体との積層膜、および第２下部電極と第２圧電体との積層膜を互いに異なる位置に形成するエッチング工程と、前記第１下部電極の側面の少なくとも一部、および前記第２下部電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁層を形成する工程と、前記第１圧電体、前記第２圧電体および前記絶縁層上に共通電極を形成する工程と、を有する、圧電アクチュエーターの製造方法が提供される。

図１は、実施形態の液滴吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図である。 図２は、実施形態の液滴吐出ヘッドに備えられる圧電アクチュエーターを模式的に示す部分平面図である。 図３は、図２のIII-III線断面図である。 図４は、図２のIV-IV線断面図である。 図５は、共通電極の他の構成例を示す図である。 図６は、下部電極およびリード電極の他の構成例を示す図である。 図７は、実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。 図８は、実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。 図９は、実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。 図１０は、実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。 図１１は、実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。 図１２は、実施形態に係るプリンターを模式的に示す斜視図である。 図１３は、上記実施形態の圧電素子を超音波トランスデューサーとして搭載する超音波デバイスの平面図である。 図１４は、図１３のXIV-XIV線に沿う部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、以下の説明は、本発明の一態様を示し、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において同じ符号を付した部材は、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、各図において、Ｘ，Ｙ，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Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，及びＺ軸方向として説明する。Ｚ軸方向は、板、層、及び膜の厚さ方向あるいは積層方向を表す。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、板、層、及膜の面内方向を表す。

（液滴吐出ヘッド）
本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッドを模式的に示す分解斜視図である。図２は、本実施形態の液滴吐出ヘッドに備えられる圧電アクチュエーターを模式的に示す部分平面図である。図３は、図２のIII-III線断面図である。図４は、図２のIV-IV線断面図である。

液滴吐出ヘッド１は、図１～図４に示すように、複数の圧電素子３００と、流路基板１０と、ノズルプレート２０と、振動板５０と、保護基板３０と、回路基板１２０と、コンプライアンス基板４０と、を含む。図２では、振動板５０の上面を示している。本実施形態において、複数の圧電素子３００は、Ｘ軸方向に沿って並ぶ。詳細は後述するが、振動板５０と、複数の圧電素子３００が、本実施形態の圧電アクチュエーター２を構成する。

流路基板１０は、例えば、シリコン基板である。流路基板１０には、複数の圧力室１２が設けられている。複数の圧力室１２はＸ軸方向に沿って並ぶ。圧力室１２は、複数の隔壁１１によって区画されている。圧力室１２は、圧電素子３００の運動により容積が変化する。

流路基板１０において、圧力室１２の＋Ｙ軸方向の端には、第１連通路１３および第２連通路１４が設けられている。第１連通路１３は、圧力室１２の＋Ｙ方向の端をＸ軸方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。第２連通路１４のＸ軸方向の幅は、例えば、圧力室１２のＸ軸方向の幅と同じである。第２連通路１４の＋Ｙ方向には、複数の第２連通路１４と連通する第３連通路１５が設けられている。第３連通路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、各圧力室１２の共通の液室となる。このように、流路基板１０には、第１連通路１３、第２連通路１４、および第３連通路１５からなる供給流路１７と、圧力室１２とが設けられている。供給流路１７は、圧力室１２に連通し、圧力室１２に液体を供給する。

ノズルプレート２０は、流路基板１０の一方側の面に取り付けられている。ノズルプレート２０の材質は、例えば、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）である。ノズルプレート２０は、例えば接着剤や熱溶着フィルムなどによって、流路基板１０に接合されている。ノズルプレート２０には、Ｘ軸方向に沿って並ぶ複数のノズル２１が設けられている。ノズル２１は、圧力室１２の内部に通じており、液体を吐出する。

振動板５０は、流路基板１０の他方側の面に設けられている。振動板５０は、例えば、流路基板１０上に設けられた酸化シリコン層５１と、酸化シリコン層５１上に設けられた酸化ジルコニウム層５２と、により構成されている。振動板５０は、単層の酸化シリコン層、または単層の酸化ジルコニウム層であってもよい。振動板５０の厚さは、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下である。

圧電素子３００は、振動板５０上に設けられている。圧電素子３００は、複数設けられている。圧電素子３００の数は、特に限定されない。圧電素子３００は、図３に示すように、下部電極６０と、圧電体７０と、上部電極８０と、を含む。

下部電極６０は、振動板５０上に設けられている。下部電極６０は、振動板５０と圧電体７０との間に設けられている。下部電極６０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。下部電極６０は、例えば、白金層、イリジウム層、チタン層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ランタンニッケル酸化物（ＬａＮｉＯ_３：ＬＮＯ）層、ストロンチウムルテニウム酸化物（ＳｒＲｕＯ_３：ＳＲＯ）層などである。下部電極６０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。

液滴吐出ヘッド１において、下部電極６０は、圧力室１２ごとに独立する個別電極として構成されている。図４に示すように、下部電極６０のＸ軸方向の幅は、圧力室１２のＸ軸方向の幅よりも狭い。図３に示すように、下部電極６０のＹ軸方向の長さは、圧力室１２のＹ軸方向の長さよりも長い。Ｙ軸方向において、下部電極６０の両端は、圧力室１２の両端を挟んで位置する。下部電極６０の－Ｙ方向の端には、リード電極５５が接続されている。

圧電体７０は、下部電極６０上に設けられている。圧電体７０は、下部電極６０と上部電極８０との間に設けられている。本実施形態において、圧電体７０は、下部電極６０上および振動板５０上に設けられている。圧電体７０の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３μｍ以下である。圧電体７０は、下部電極６０と上部電極８０との間に電圧が印加されることにより、変形することができる。

圧電体７０のＸ軸方向の幅は、下部電極６０のＸ軸方向の幅よりも狭い。圧電体７０のＹ軸方向の長さは、圧力室１２のＹ軸方向の長さよりも長く、下部電極６０のＹ軸方向の長さよりも短い。圧電体７０は、下部電極６０の上面にのみ形成されている。すなわち、圧電体７０は、下部電極６０の側面を覆わない。

圧電体７０は、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電材料を用いて構成される。本実施形態では、圧電材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）を用いる。ＰＺＴを圧電材料に用いることで、圧電定数ｄ３１が比較的大きな圧電体７０が得られる。

一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物では、Ａサイトには酸素が１２配位しており、Ｂサイトには酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくる。本実施形態では、Ａサイトに鉛（Ｐｂ）が位置し、Ｂサイトにジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）が位置する。

圧電材料は、上記のＰＺＴに限定されない。ＡサイトやＢサイトに他の元素が含まれていてもよい。例えば、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）、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）Ｏ_３）等のペロブスカイト材料であってもよい。

その他、圧電材料は、Ｐｂの含有量を抑えた材料、いわゆる低鉛系材料、又はＰｂを使用しない材料、いわゆる非鉛系材料であってもよい。圧電材料として低鉛系材料を使用すればＰｂの使用量を低減できる。また、圧電材料として非鉛系材料を使用すれば、Ｐｂを使用せずに済む。よって、圧電材料として低鉛系材料や非鉛系材料の使用により、環境負荷を低減できる。

非鉛系圧電材料として、例えば、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ；ＢｉＦｅＯ_３）を含むＢＦＯ系材料が挙げられる。ＢＦＯでは、ＡサイトにＢｉが位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。ＢＦＯに、他の元素が添加されていてもよい。例えば、ＫＮＮに、鉄酸マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ランタン（Ｌａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、セリウム（Ｃｅ）、サマリウム（Ｓｍ）、クロム（Ｃｒ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、ユウロピウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。

また、非鉛系圧電材料の他の例として、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ；ＫＮａＮｂＯ_３）を含むＫＮＮ系材料が挙げられる。ＫＮＮに、他の元素が添加されていてもよい。たとえば、ＫＮＮに、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユウロピウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種の元素が添加されていてもよい。

圧電材料には、元素の一部欠損した組成を有する材料、元素の一部が過剰である組成を有する材料、及び元素の一部が他の元素に置換された組成を有する材料も含まれる。圧電体７０の基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれた材料や、元素の一部が他の元素に置換された材料も、本実施形態に係る圧電材料に含まれる。もちろん、本実施形態で使用可能な圧電材料は、上述したようなＰｂ、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ等を含む材料に限定されない。

上部電極８０は、圧電体７０上に設けられている。本実施形態において、上部電極８０は、圧電体７０の上面にのみ形成される。すなわち、上部電極８０は、圧電体７０の側面および下部電極６０の側面を覆わない。上部電極８０は、圧電素子３００ごとに独立の個別電極として設けられる。上部電極８０の厚さは、例えば、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。上部電極８０は、例えば、イリジウム層、白金層、チタン層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ランタンニッケル酸化物層、ストロンチウムルテニウム酸化物層などである。上部電極８０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。

圧電素子３００は、上部電極８０を備えない構成とすることもできる。すなわち、圧電体７０と、後述する共通電極９０とが直接接続される構成とすることもできる。この場合には、共通電極９０の構成材料として、圧電体７０との密着性に優れる導電材料を選択することが好ましい。
本実施形態のように上部電極８０を備える構成とすることで、上部電極８０を圧電体７０と共通電極９０との密着層としても機能させることができる。共通電極９０の構成材料に制限が少なくなり、低抵抗の導電材料も使用しやすくなる。

図３および図４に示すように、振動板５０上には、下部電極６０と圧電体７０と上部電極８０の積層体を部分的に覆う絶縁層１５０が形成される。絶縁層１５０は、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ジルコニウム等からなる層である。絶縁層１５０は、上記に例示した層を複数積層した構造であってもよい。

本実施形態の場合、絶縁層１５０は、下部電極６０、圧電体７０および上部電極８０の側面を覆う。絶縁層１５０は、圧電素子３００上の複数の位置に、絶縁層１５０を厚さ方向に貫通する開口部を有する。具体的に、絶縁層１５０は、コンタクトホール１５１と、コンタクトホール１５２と、開口部１５３とを有する。

コンタクトホール１５１は、圧電体７０の下端から－Ｙ軸方向に突出する下部電極６０上に絶縁層１５０に開口する。コンタクトホール１５２は、上部電極８０の＋Ｙ軸方向の端部上に位置する絶縁層１５０に開口する。開口部１５３は、平面視（Ｚ軸方向視）において上部電極８０と圧力室１２とが重なる領域に位置する絶縁層１５０に開口する。

各々の圧電素子３００の－Ｙ方向の端部には、平面視で下部電極６０と部分的に重なるリード電極５５が形成される。リード電極５５と下部電極６０とは、コンタクトホール１５１を介して電気的に接続される。

複数の圧電素子３００の＋Ｙ方向の端部には、複数の圧電素子３００に跨がってＸ軸方向に延びる共通電極９０が形成される。共通電極９０は、平面視において、各々の圧電素子３００のコンタクトホール１５２を含む領域と重なる。共通電極９０は、コンタクトホール１５２を介して上部電極８０と電気的に接続される。

開口部１５３は、絶縁層１５０のうち、圧力室１２上に位置する部位に設けられる。圧電素子３００の構成層と比較して硬質な絶縁層１５０を部分的に除去することで、圧電素子３００の変形性を高めることができる。絶縁層１５０は、開口部１５３を備えない構成とすることもできる。

本実施形態では、開口部１５３は、上部電極８０の平面領域内にあり、上部電極８０の周縁部は絶縁層１５０に覆われる。絶縁層１５０は、上部電極８０の周縁部から圧電素子３００の側面に連続して形成される。この構成によれば、圧電体７０の表面が外気に露出しないため、圧電体７０への水分等の侵入を抑制でき、水分等による圧電素子３００の劣化を抑制できる。

圧電素子３００において、下部電極６０と、上部電極８０との間に電圧を印加することにより、圧電体７０に電圧を印加し、変形させることができる。本実施形態において、圧電素子３００と振動板５０とが、圧力室１２の容積を変化させる圧電アクチュエーター２を構成する。振動板５０は、圧電アクチュエーター２における基板を構成する。

液滴吐出ヘッド１では、電気機械変換特性を有する圧電体７０の変形によって、振動板５０および下部電極６０が変位する。すなわち、液滴吐出ヘッド１では、振動板５０および下部電極６０が、実質的に振動板としての機能を有している。

本実施形態の圧電アクチュエーター２では、図２から図４に示すように、複数の圧電素子３００は、振動板５０上に、各々独立した個別の素子として形成される。以下、図示の第１圧電素子３００Ａと第２圧電素子３００Ｂにより、具体的に説明する。第１圧電素子
３００Ａおよび第２圧電素子３００Ｂは、共通の構成を有する２つの圧電素子３００であり、説明の便宜のために区別して表示する。

第１圧電素子３００Ａは、振動板５０（基板）上に形成される第１下部電極６０Ａと、第１下部電極６０Ａ上に形成される第１圧電体７０Ａと、第１圧電体７０Ａ上に形成される第１上部電極８０Ａと、を有する。
前記第２圧電素子３００Ｂは、振動板５０（基板）上の第１下部電極６０Ａと異なる領域に形成される第２下部電極６０Ｂと、第２下部電極６０Ｂ上に形成される第２圧電体７０Ｂと、第２圧電体７０Ｂ上に形成される第２上部電極８０Ｂと、を有する。

第１圧電素子３００Ａの第１下部電極６０Ａの側面は第１圧電体７０Ａに覆われていない。第２圧電素子３００Ｂの第２下部電極６０Ｂの側面は第２圧電体７０Ｂに覆われていない。そして、圧電アクチュエーター２は、振動板５０上に形成され、第１上部電極８０Ａおよび第２上部電極８０Ｂに接続される共通電極９０を有する。圧電アクチュエーター２は、共通電極９０と第１下部電極６０Ａとの間、および共通電極９０と第２下部電極６０Ｂとの間に位置する絶縁層１５０を有する。

この構成によれば、第１圧電体７０Ａは第１下部電極６０Ａ上にのみ形成され、第２圧電体７０Ｂは第２下部電極６０Ｂ上にのみ形成される。したがって、第１圧電体７０Ａおよび第２圧電体７０Ｂに、第１下部電極６０Ａおよび第２下部電極６０Ｂの端縁上で発生しやすいクラックおよび配向乱れが含まれるのを抑制できる。この構成では、第１圧電体７０Ａと振動板５０との間に第１下部電極６０Ａの側面が露出し、第２圧電体７０Ｂと振動板５０との間に第２下部電極６０Ｂの側面が露出する。そこで、第１下部電極６０Ａの側面および第２下部電極６０Ｂの側面を覆う絶縁層１５０を形成することで、振動板５０上に形成される共通電極９０を、第１下部電極６０Ａ、第２下部電極６０Ｂに短絡させることなく、第１上部電極８０Ａおよび第２上部電極８０Ｂと電気的に接続できる。

本実施形態では、絶縁層１５０が圧電体７０の側面全体を覆う構成であるが、この構成に限られない。絶縁層１５０は、少なくとも下部電極６０の側面と共通電極９０との間に形成されていれば、共通電極９０と下部電極６０との短絡を防止できる。したがって絶縁層１５０は、下部電極６０の側面の一部にのみ形成されていてもよい。絶縁層１５０は、下部電極６０の側面を覆うが、圧電体７０の側面を覆わない構成であってもよい。

絶縁層１５０が圧電体７０の側面を覆わない構成である場合には、圧電アクチュエーター２は、圧電体７０（第１圧電体７０Ａ、第２圧電体７０Ｂ）の側面を覆う保護膜を有する構成であってもよい。保護膜としては、例えば、窒化チタン、窒化シリコン、窒化アルミニウム、ＴｉＡｌＮなどの窒化物、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化クロム、酸化イリジウム、酸化ハフニウムなどの酸化物、パリレン、接着剤、感光性レジストなどの樹脂系材料、ダイヤモンドライクカーボンなどの炭素系材料を用いることができる。圧電体７０を覆う保護膜を設けることで、圧電体７０への水分侵入を効果的に抑制できる。

保護基板３０は、図示しない接着剤によって振動板５０に接合される。保護基板３０は、保護基板３０を厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通する貫通孔３２を有する。貫通孔３２は、振動板５０に設けられる貫通孔を介して第３連通路１５と連通する。貫通孔３２および第３連通路１５は、各圧力室１２の共通の液室となるマニホールド１００を構成する。保護基板３０は、保護基板３０をＺ軸方向に貫通する他の貫通孔３３を有する。貫通孔３３には、リード電極５５の端が配置される。保護基板３０は、振動板５０に向かって開口する開口部３１を有する。開口部３１は、圧電素子３００の駆動を阻害しないための空間である。開口部３１は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。回路基板１２０は、保護基板３０上に設けられる。回路基板１２０は、圧電素子３００を駆動させるための半導体集積回路（Integrated Circuit：ＩＣ）を含む。回路基板１２０とリード電極５５は、図示しない接続配線を介して電気的に接続される。コンプライアンス基板４０は、保護基板３０上に設けられる。コンプライアンス基板４０は、保護基板３０上に設けられた封止層４１と、封止層４１上に設けられた固定板４２と、を有する。封止層４１は、貫通孔３２の上側の開口を封止する。封止層４１は、マニホールド１００を封止する。封止層４１は、例えば、可撓性を有する。固定板４２は、固定板４２をＺ軸方向に貫通する貫通孔４３を有する。貫通孔４３は、Ｚ軸方向からみて、マニホールド１００と重なる。

本実施形態の液滴吐出ヘッド１では、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２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力室１２に対応するそれぞれの下部電極６０と上部電極８０との間に電圧を印加する。これにより圧電素子３００と共に振動板５０がたわみ変形して各圧力室１２内の圧力が高まり、各ノズル２１からインク滴が噴射される。

本実施形態では、共通電極９０が、圧電素子３００の端部にのみ重なる配置とした。すなわち、共通電極９０は、平面視において圧力室１２と重ならない領域に配置される。このような構成とすることで、圧電素子３００により振動板５０を変位させる領域に共通電極９０が配置されないので、圧電素子３００の変形が共通電極９０に阻害されず、大きな変位量を得ることができる。

共通電極９０の構成は、本実施形態の構成に限られない。図５に示すように、共通電極９０は、圧電体７０を覆う構成であってもよい。図５に示す構成では、共通電極９０は、絶縁層１５０の開口部１５３上にも形成される。この例では、共通電極９０と上部電極８０とは、コンタクトホール１５２と開口部１５３の２箇所において電気的に接続される。コンタクトホール１５２と開口部１５３のいずれか一方を備えない構成とすることもできる。

図５に示すように、共通電極９０が圧電体７０を覆う構成とすることで、圧電体７０への水分等の浸入をさらに抑制できる。特に、圧電体７０の側面が絶縁層１５０に覆われない構成では、共通電極９０を保護膜としても機能させることができ、圧電アクチュエーター２の信頼性を高めることができる。

図５に示す構成は、圧電素子３００が上部電極８０を備えない場合に好適な構成である。上部電極８０を備えない構成において、圧電体７０を覆う共通電極９０を形成することで、共通電極９０が、それぞれの圧電素子３００の上部電極として機能する。

なお、リード電極５５と共通電極９０との間は絶縁される必要がある。そのため、リード電極５５の近傍では、共通電極９０が圧電体７０を覆わない構成としてもよい。図５に示す例では、圧電体７０の側面のうち、リード電極５５側（－Ｙ方向）を向く側面が共通電極９０に覆われていない。しかし、圧電体７０のうち、リード電極５５近傍に位置する端部は、平面視において圧力室１２と重ならない部分であるため、振動板５０の振動動作にはほとんど寄与しない。したがって、リード電極５５近傍の圧電体７０に多少の水分が侵入したとしても、圧電素子３００の性能には影響しない。すなわち、共通電極９０は、圧電体７０のうち、平面視において圧力室１２と重なる部分を少なくとも覆っていればよい。

また本実施形態では、リード電極５５と下部電極６０とがコンタクトホール１５１を介して接続される構成としたが、この構成に限られない。例えば、図６に示す構成とすることもできる。図６に示す例では、下部電極６０が、圧電体７０に対して－Ｙ方向に大きく突出して延びる配線部６０ａを有する。下部電極６０の配線部６０ａは、絶縁層１５０に覆われていない。リード電極５５は、下部電極６０の配線部６０ａの上面に接触して形成される。このような構成とすることで、下部電極６０とリード電極５５との接触面積を大きくできる。これにより、リード電極５５と下部電極６０との電気的接続の信頼性を向上させ、また圧電素子３００に接続する配線の電気抵抗を減少させることができる。

（製造方法）
図７から図１１は、上記実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を示す断面図である。各図に示す断面は、図２に示すXI-XI線に沿う位置における断面である。

まず、図７に示すシリコン基板Ｗ１を準備する。
次に、シリコン基板Ｗ１の表面に振動板５０を形成する。振動板５０を形成する工程では、まず、シリコン基板Ｗ１を熱酸化することによって、二酸化シリコンからなる酸化シリコン層５１を形成する。

次に、酸化シリコン層５１上に液相法によって酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）からなる酸化ジルコニウム層５２を形成する。酸化ジルコニウム層５２を形成するには、まず、カルボン酸に、金属アルコキシド又は金属カルボン酸塩と増粘剤を加え、その後、水（Ｈ_２Ｏ）を加えて、約７０℃で約２時間の加熱攪拌を行い、均一で透明な前駆体溶液を得る。この前駆体溶液をスピンコート法によりシリコン基板Ｗ１に塗布する（塗布工程）。次に、シリコン基板Ｗ１に塗布された溶液を１６０℃～２００℃に加熱して、約５分間乾燥し、乾燥膜を得る（乾燥工程）。そして、この乾燥膜を３７５℃～４１５℃に加熱して、約５分間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。より厚い酸化ジルコニウム層５２を得たい場合は、脱脂工程後に、最初の塗布工程に戻り、次いで乾燥工程及び脱脂工程を繰り返し行ってもよい。この脱脂工程の後、乾燥膜を７５０℃～８５０℃に加熱して約１０秒間～３分間保持することによって結晶化させる（仮焼成工程）。さらに厚い酸化ジルコニウム層５２を得たい場合は、この仮焼成工程の後に、最初の塗布工程に戻り、次いで乾燥工程、脱脂工程及び仮焼成工程を繰り返し行ってもよい。そして、仮焼成工程の後、８００℃～９５０℃に加熱して約１時間保持することによって、酸化ジルコニウム層５２を形成する（本焼成工程）。乾燥工程、脱脂工程、仮焼成工程及び本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８に示すように、振動板５０上の全面に下部電極６０を形成する。下部電極６０の材料は特に限定されないが、圧電体７０を形成する際の熱処理（一般に５００℃以上）時の酸化または圧電体７０に含まれる材料の拡散などによって導電性を消失しない材料であることが必須である。このため、下部電極６０の材料としては高温でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。また、下部電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。また、前述の導電材料と、振動板５０との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。密着層の成膜方法は、電極材料と同様である。また、電極表面（圧電体７０の成膜側）に圧電体７０の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、圧電体７０（ＰＺＴ）の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体７０の成膜時に圧電体７０内に取り込まれるため、圧電体７０形成後には膜として存在していない。結晶制御層としては、ランタンニッケル酸化物などのペロブスカイト型結晶構造の導電性酸化物などを使用してもよい。結晶制御層の成膜方法は、電極材料と同様である。なお、絶縁性の結晶制御層は、圧電体７０形成後、圧電体７０と下部電極６０との間に存在しないことが望ましい。これは、結晶制御層と圧電体７０のコンデンサーの直列接続になるため、圧電体７０に印加される電界が低下するためである。本実施形態のように、配向制御層としてチタンを用いることで、本来であれば酸化物（絶縁体）になる熱処理を受けるが、圧電体７０中に取り込まれるため膜として存在しない。

次に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体７０を形成する。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体７０を得る、いわゆるゾル‐ゲル法を用いて圧電体７０を形成している。なお、圧電体７０の製造方法は、ゾル‐ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。すなわち、圧電体７０は液相法、気相法の何れで形成してもよい。また、複数層の薄い圧電体膜を積層することで圧電体７０を形成してもよい。

圧電体７０は、パターニングされていない下部電極６０上に形成される。仮に、下部電極６０をパターニングしてから圧電体７０を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして下部電極６０をパターニングするため、下部電極６０の表面や、表面に設けた図示しないチタン等の結晶種層などが変質してしまう。そうすると変質した面上に圧電体７０を形成しても、結晶性が良好な圧電体７０は得られにくくなる。それに比べ、下部電極６０をパターニングすることなく圧電体７０を形成すれば、下部電極６０の表面が変質していないため、全面にわたって良好な結晶性を有する圧電体７０を形成できる。また、圧電体７０と振動板５０とが接触しないため、圧電体７０に含まれる成分、例えば、鉛（Ｐｂ）やビスマス（Ｂｉ）が振動板５０に拡散するのも抑制される。

次に、圧電体７０上に、上部電極８０を形成する。上部電極８０の材料としては高温でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。上部電極８０の成膜方法としては、下部電極６０と同様の成膜方法を用いることができる。

上部電極８０は、パターニングされていない圧電体７０上に形成される。パターニング工程を経ることによる圧電体７０表面の変質が生じないため、全面にわたって良好な結晶性を有する上部電極８０を圧電体７０上に形成できる。
以上の工程により、振動板５０上に、下部電極６０と圧電体７０と上部電極８０とがこの順に積層された積層膜ＬＦが形成される。

次に、図９に示すように、下部電極６０と圧電体７０と上部電極８０からなる積層膜ＬＦを、一括してパターニングする。積層膜ＬＦのパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。積層膜ＬＦのパターニングは、可能な場合には、フォトリソグラフィー法を用いてもよく、エッチング液を用いたウェットエッチングを用いてもよい。図２および図３に示した、下部電極６０が圧電体７０のよりも－Ｙ方向に突出する部分については、下部電極６０上の圧電体７０および上部電極８０を、エッチングまたはイオンミリングにより選択的に除去する。このパターニング工程により、振動板５０上に、互いに離間して配置される複数の圧電素子３００が形成される。

本実施形態の製造方法により形成される圧電素子３００は、積層膜ＬＦを一括してパターニングして作製される。そのため、下部電極６０、圧電体７０、および上部電極８０の各側面が、圧電素子３００の側面に露出する。すなわち、下部電極６０の側面は圧電体７０によって覆われていない。また、圧電体７０の側面は上部電極８０によって覆われていない。

次に、図１０に示すように、シリコン基板Ｗ１の一方面側（積層膜ＬＦが形成された面側）に亘って、絶縁層１５０を形成する。絶縁層１５０は、複数の圧電素子３００の表面と、圧電素子３００が形成されていない振動板５０の表面を覆う。絶縁層１５０の成膜方法は、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ法、およびＣＶＤ法等の気相成膜法、あるいは、ゾルゲル法等の液相成膜法を用いることができる。

次に、図１１に示すように、絶縁層１５０を部分的に除去することにより、図２に示したコンタクトホール１５１、１５２、および開口部１５３を形成する。絶縁層１５０のパターニングは、フォトリソグラフィー法により行うことができる。
次に、コンタクトホール１５２を介して上部電極８０に接続される共通電極９０、およびコンタクトホール１５１を介して下部電極６０に接続されるリード電極５５（図２参照）を、振動板５０上にパターン形成する。

次に、図１１に示すように、シリコン基板Ｗ１をパターニングする。具体的には、シリコン基板Ｗ１の振動板５０と反対側の面に図示しないマスク膜を形成した後、マスク膜を介して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）することにより、圧電素子３００に対応する圧力室１２を形成し、流路基板１０とする。以上の工程により、本実施形態の圧電アクチュエーター２が製造される。

その後、流路基板１０の振動板５０とは反対側の面にノズル２１を有するノズルプレート２０を接合する。また、別途作製した保護基板３０およびコンプライアンス基板４０を接合することによって、本実施形態の液滴吐出ヘッドとする。

以上に説明した本実施形態の製造方法によれば、パターニングされていない下部電極６０上に圧電体７０を成膜するので、パターニング工程で下部電極６０の表面が変質してしまうことがなく、全面にわたって良好な結晶性を有する圧電体７０を形成できる。そして、下部電極６０と圧電体７０と上部電極８０とを一括してパターニングすることで、複数の圧電素子３００の圧電体７０は、いずれも良好な結晶性を有する圧電体となる。変位特性に優れる圧電素子３００を有する圧電アクチュエーター２を製造できる。

また、パターニングされた下部電極６０上に圧電体７０を形成すると、下部電極６０上と、振動板５０上とで形成される圧電体７０の結晶性が異なってしまい、下部電極６０の端縁上で圧電体７０にクラックが発生したり、結晶性が乱れた領域が形成されたりする場合がある。本実施形態の製造方法によれば、これらの圧電体７０のクラックや結晶性の乱れも抑制できる。

本実施形態の液滴吐出ヘッド１を、上部電極８０を備えない構成とする場合には、上記に説明した製造方法において、上部電極８０の成膜工程を省略する。パターニング工程では、下部電極６０と圧電体７０からなる積層膜ＬＦをパターニングし、その後、圧電体７０上に共通電極９０を成膜する。上部電極８０を備えない構成では、図５に示したように、圧電体７０を覆う共通電極９０を形成することが好ましい。

（プリンター）
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係るプリンター２００を模式的に示す斜視図である。
プリンター２００は、インクジェット式のプリンターである。プリンター２００は、図１２に示すように、ヘッドユニット２１０を含む。ヘッドユニット２１０は、例えば、液滴吐出ヘッド１を有している。液滴吐出ヘッド１の数は、特に限定されない。ヘッドユニット２１０は、供給手段を構成するカートリッジ２１２，２１４が着脱可能に設けられている。ヘッドユニット２１０を搭載したキャリッジ２１６は、装置本体２２０に取り付けられたキャリッジ軸２２２に軸方向移動自在に設けられており、液体供給手段から供給された液体を吐出する。

ここで、液体とは、物質が液相であるときの状態の材料であればよく、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合された組成物なども液体に含まれる。液体の代表的な例としては、インクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは、一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含する。

プリンター２００では、駆動モーター２３０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２３２を介してキャリッジ２１６に伝達されることで、ヘッドユニット２１０を搭載したキャリッジ２１６は、キャリッジ軸２２２に沿って移動される。一方、装置本体２２０には、液滴吐出ヘッド１に対して、紙などの被記録媒体であるシートＳを相対移動させる搬送機構としての搬送ローラー２４０が設けられている。シートＳを搬送する搬送機構は、搬送ローラーに限られず、ベルトやドラムなどであってもよい。

プリンター２００は、液滴吐出ヘッド１および搬送ローラー２４０を制御する制御部としてのプリンターコントローラー２５０を含む。プリンターコントローラー２５０は、液滴吐出ヘッド１の回路基板１２０と電気的に接続されている。プリンターコントローラー２５０は、例えば、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および液滴吐出ヘッド１へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路などを備えている。

（超音波デバイス）
図１３は、上記実施形態の圧電素子を超音波トランスデューサーとして搭載する超音波デバイスの平面図である。図１４は、図１３のXIV-XIV線に沿う部分断面図である。
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。この電気音響変換器は、圧電素子３００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３００は発信用超音波トランスデューサー３０１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３００は受信用超音波トランスデューサー３０２である。

図１３および図１４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とが複数の開口４１２を有する開口基板４１０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）を構成している。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され、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と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。

図１４において、開口基板４１０の上面（圧電体７０側）に振動板５０が形成されている。開口基板４１０には、複数の開口４１２が形成されている。開口４１２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。下部電極６０、圧電体７０及び上部電極８０については上述した実施形態と同様のため、構成の説明は省略する。図示は省略するが、上部電極８０には、左記の実施形態と同様に、共通電極９０が接続される。共通電極９０は、平面視において開口４１２と重ならない領域に配置されることが好ましい。この構成により、圧電素子３００の変形が阻害されず、変形特性に優れる超音波トランスデューサーを備える超音波デバイスとなる。
なお、先の実施形態に対して、超音波デバイスは液滴吐出ヘッド１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７０、振動板５０と各電極材料と開口基板４１０の構成、厚さ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）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、本実施形態の超音波デバイス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の技術を用いて作製した圧電素子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。さらに、圧電体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。

１…液滴吐出ヘッド、２…圧電アクチュエーター、１０…流路基板、１２…圧力室、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、６０…下部電極、６０Ａ…第１下部電極、６０Ｂ…第２下部電極、７０…圧電体、７０Ａ…第１圧電体、７０Ｂ…第２圧電体、８０…上部電極、８０Ａ…第１上部電極、８０Ｂ…第２上部電極、９０…共通電極、１５０…絶縁層、３００…圧電素子、３００Ａ…第１圧電素子、３００Ｂ…第２圧電素子、４００…超音波デバイス、４１０…開口基板、４１２…開口、ＬＦ…積層膜

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に形成される第１圧電素子および第２圧電素子と、を備える圧電アクチュエーターであって、
   前記第１圧電素子は、
   前記基板上に形成される第１下部電極と、
   前記第１下部電極上に形成される第１圧電体と、
   前記第１圧電体上に形成される第１上部電極と、
   を有し、
   前記第２圧電素子は、
   前記基板上の前記第１下部電極と異なる領域に形成される第２下部電極と、
   前記第２下部電極上に形成される第２圧電体と、
   前記第２圧電体上に形成される第２上部電極と、
   を有し、
   前記第１下部電極の側面は前記第１圧電体に覆われておらず、
   前記第２下部電極の側面は前記第２圧電体に覆われておらず、
   前記基板上に形成され、前記第１上部電極および前記第２上部電極に接続される共通電極と、
   前記共通電極と前記第１下部電極との間、および前記共通電極と前記第２下部電極との間に位置する絶縁層と、
   を有する、
   圧電アクチュエーター。
2. 前記共通電極は、前記第１圧電体および前記第２圧電体をそれぞれ覆う、
   請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
3. 前記第１圧電体および前記第２圧電体をそれぞれ覆う保護膜を有する、
   請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
4. 基板を準備する工程と、
   前記基板上に下部電極を成膜する工程と、
   前記下部電極上に圧電体を成膜する工程と、
   前記下部電極および前記圧電体をエッチングすることで、前記基板上に、第１下部電極と第１圧電体との積層膜、および第２下部電極と第２圧電体との積層膜を互いに異なる位置に形成するエッチング工程と、
   前記第１下部電極の側面の少なくとも一部、および前記第２下部電極の側面の少なくとも一部を覆う絶縁層を形成する工程と、
   前記第１圧電体、前記第２圧電体および前記絶縁層上に共通電極を形成する工程と、
   を有する、
   圧電アクチュエーターの製造方法。
5. 前記圧電体を成膜する工程と、前記エッチング工程との間に、前記圧電体上に上部電極を成膜する工程をさらに有し、
   前記エッチング工程では、前記下部電極、前記圧電体および前記上部電極をエッチングすることで、前記基板上に、第１下部電極と第１圧電体と第１上部電極との積層膜からなる第１圧電素子、および、第２下部電極と第２圧電体と第２上部電極との積層膜からなる第２圧電素子を形成し、
   前記共通電極を形成する工程では、前記第１上部電極および前記第２上部電極に接続される前記共通電極を形成する、
   請求項４に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
6. 液体を吐出するノズルを有するノズルプレートと、
   前記ノズルプレート上に設けられ、前記ノズルに繋がる圧力室を有する流路基板と、
   前記流路基板上に設けられる請求項１に記載の圧電アクチュエーターと、
   を備える液滴吐出ヘッド。
7. 前記流路基板と前記圧電アクチュエーターとの積層方向から見て、
   前記圧電アクチュエーターの前記共通電極は、前記圧力室と重ならない位置に配置される、
   請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
8. 開口を有する開口基板と、
   前記開口基板上に設けられる請求項１に記載の圧電アクチュエーターと、
   を備える超音波デバイス。
9. 前記開口基板と前記圧電アクチュエーターとの積層方向から見て、
   前記圧電アクチュエーターの前記共通電極は、前記開口と重ならない位置に配置される、
   請求項８に記載の超音波デバイス。

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