JP4935965B2 - 電気機械変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械変換素子に関し、特にダイアフラム構造の電気機械変換素子に関する。

圧電体を基板の上に薄膜状に形成したカンチレバー（片持ち梁）構造の電気機械変換素子が知られている。薄膜の面に沿う伸縮変形を、面に垂直な方向の変位に効率よく変換することができるため、感度の高いセンサやアクチュエータを構成することができる。一方、梁の先端が拘束されていないため、剛性が低く、外力による変形や捩れ等が生じやすいという課題がある。

この課題を解決するために、変位膜の両端を固定した両持ち梁構造や、変位膜の周縁を固定したダイアフラム（横隔膜）構造にすることにより、膜の剛性を高める工夫が提案されている。変位膜の剛性が高くなるため、発生圧力を大きくできる、外力に対してより安定して変形できる、変位膜の中心部を基板に平行に移動できる、密閉構造により気体や液体を輸送するポンプに活用できる、等の利点がある。

他方、液体インクを吐出する複数のチャネルを備え、紙や布等の記録メディアに対して相対的に移動しながら、インクの吐出を制御することにより、二次元の画像を出力するインクジェットプリンタが知られている。このようなプリンタで画像を高速に描画するには、チャネルを記録メディアの幅一杯に並べて、一方向に走査するラインヘッド方式が望ましい。

ラインヘッド方式で、ヘッドの低コスト化、高解像度化を図るには、チャネルをできるだけ小さくして、ヘッドに、小型のチャネルを二次元に高密度に配置することが望ましい。このように、チャネルを小型化して密度を高める方法として、特許文献１には、正方形のチャネルを千鳥配置する方法が提案されている。

また、特許文献２及び３には、細長い圧力室の上に、下部電極と上部電極に挟まれた圧電体を設けたインクジェット式記録ヘッドが開示されている。このインクジェット式記録ヘッドでは、圧力室の長手方向に圧電体と上部電極とを延長して、電気接続のための配線を引き出している。

特許第３１６８４７４号公報 特開平９−１１８０１１号公報 特開２００２−１２０３６９号公報

しかしながら、特許文献２および３に示された方法では、圧電体を駆動した場合に、圧力室の周縁部の位置で、圧電体および上部電極の引出部に応力が集中し、引出部が破壊する可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、圧電体等の駆動体および上部電極の引出部の破壊を防止することのできる電気機械変換素子を提供することを目的とする。

本発明の電気機械変換素子は、板状の基板と、前記基板に形成され、前記基板の面に平行な方向の断面の縦横比が略同一の断面形状を有する圧力室と、前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられた副室と、前記基板の一面に、前記基板よりも薄肉に形成され、前記圧力室及び前記副室の上部の壁面をなす従動膜と、前記従動膜の上に形成された下部電極と、前記下部電極の上に形成され、前記圧力室の上に位置し、前記圧力室の断面形状よりも小さく、前記基板の面に平行な方向の縦横比が略同一の面形状の作用部と、この作用部から前記副室の上に延長された引出部とを有する駆動体と、前記駆動体の上に形成された上部電極とを備え、前記副室は、前記第１の方向と直交し且つ前記基板の面に平行な第２の方向の幅が前記圧力室よりも小さく、前記駆動体の引出部は、前記第２の方向の幅が前記副室よりも小さいことを特徴としている。

また、本発明の電気機械変換素子は、板状の基板と、前記基板に形成され、前記基板の面に平行な方向の断面の縦横比が略同一の断面形状を有する圧力室と、前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられた第１の副室と、前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられ、前記圧力室を介して前記第１の副室に対向する位置に配置された第２の副室と、前記基板の一面に、前記基板より薄肉に形成され、前記圧力室、前記第１の副室及び前記第２の副室の上部の壁面をなす従動膜と、前記従動膜の上に形成された下部電極と、前記下部電極の上に形成された駆動体と、前記圧力室の上の前記駆動体の上に形成され、前記圧力室の断面形状よりも小さく、前記基板の面に平行な方向の縦横比が略同一の面形状を有する第１の電極作用部と、この第１の電極作用部から前記第１の副室の上の前記駆動体の上に延長された第１の電極引出部とを有する第１の上部電極と、前記圧力室の周縁に跨る前記駆動体の上に形成され、かつ前記第１の上部電極の周囲を取り囲むように形成された第２の電極作用部と、この第２の電極作用部から前記第２の副室の上の前記駆動体の上に延長された第２の電極引出部とを有する第２の上部電極と、前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とに逆極性の駆動信号を与える駆動回路とを備え、前記第１の副室及び第２の副室は、前記第１の方向と直交し且つ前記基板の面に平行な第２の方向の幅が前記圧力室よりも小さく、前記第１の上部電極の第１の電極引出部及び前記第２の上部電極の第２の電極引出部は、前記第２の方向の幅がそれぞれ前記第１の副室及び前記第２の副室よりも小さいことを特徴としている。

本発明によれば、圧電体等の駆動体および上部電極の引出部の破壊を防止しつつ、上部電極の配線を引き出すことのできる電気機械変換素子を提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 （ａ）は、上記電気機械変換素子の平面図であり、（ｂ）は、上記電気機械変換素子における位置と応力との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、上記電気機械変換素子における位置と変位との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、上記電気機械変換素子の製造工程の流れを示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程の流れを示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程の流れを示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、上記電気機械変換素子の製造工程の流れを示す断面図である。 （ａ）は、上記電気機械変換素子の応用例であるインクジェットプリンタ用ヘッドの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る電気機械変換素子の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図であり、（ｃ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。 （ａ）は、上記電気機械変換素子の平面図であり、（ｂ）は、上記電気機械変換素子における位置と応力との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、上記電気機械変換素子における位置と変位との関係を示すグラフである。 （ａ）は、上記電気機械変換素子の応用例であるインクジェットプリンタ用ヘッドの構成を示す平面図であり、（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 （ａ）は、参考例のダイアフラム型の電気機械変換素子の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。 （ａ）は、上記参考例の電気機械変換素子の平面図であり、（ｂ）は、上記電気機械変換素子における位置と応力との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、上記電気機械変換素子における位置と変位との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態を説明する前に、課題を明確にするための参考例を図１１及び図１２を用いて説明する。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略することがある。

図１１は、参考例のダイアフラム型の電気機械変換素子の構成を示す模式図で、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。また、図１２は、参考例のダイアフラム型の電気機械変換素子の特性を示す模式図で、図１２（ａ）は図１１（ａ）と同じ平面図、図１２（ｂ）は駆動時に働く応力のグラフ、図１２（ｃ）は駆動時の変位のグラフである。なお、平面図における位置Ａ１１〜Ａ１４と、断面図における位置Ａ１１〜Ａ１４とは、対応した位置関係にある。

図１１において、電気機械変換素子１は、板状の基板１１に形成された円筒形の圧力室２１と、基板１１の一方の面上に形成され、圧力室２１上部の壁面２１ａとなる従動膜１３と、従動膜１３上に形成された駆動膜３０とで構成されている。駆動膜３０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電体３１と、圧電体３１の上に設けられた上部電極３５と、従動膜１３と圧電体３１との間の全面にベタ状に設けられた下部電極３３とで構成される。圧力室２１の壁面２１ａに対向する側には、開口２１ｂが設けられている。

下部電極３３と上部電極３５との間に外部から電圧が印加され、圧電体３１が面方向に伸縮すると、従動膜１３との長さの違いにより曲率が生じ、駆動膜３０の面方向に垂直な方向（矢印ｚ方向）に変位が生じる。この変位を利用することで、電気機械変換素子１をアクチュエータとして機能させることができる。

逆に、従動膜１３と駆動膜３０とに外部から圧力が加わると、曲率が生じて駆動膜３０に圧力が働き、圧電効果により圧電体３１に電界が生じる。下部電極３３と上部電極３５とを介して、圧電体３１に生じた電界の振幅、周期、位相を検出することにより、電気機械変換素子１を圧力センサとして機能させることができる。

ダイアフラム型の電気機械変換素子１の変換効率を向上させるためには、圧電体３１を圧力室２１上部の壁面２１ａより小さくすることが望ましい。圧電体３１が壁面２１ａよりも大きく、周縁の基板１１の上まで延びていると、駆動膜３０の伸縮が阻害されるからである。

ところが、圧電体３１を壁面２１ａより小さくすると、上部電極３５の取り出しが課題となる。駆動膜３０は数μｍ程度と薄くて脆いため、ワイヤーボンディング等の配線時の加工圧力には耐えられないし、接続後の引張力に耐えられない。また、駆動膜３０は面に垂直な方向に変位するため、配線が変位の妨げとなる。つまり、駆動膜３０の上部に直接ワイヤを配線したり、電極端子を接合することは困難である。

この課題を解決するため、図１１においては、圧電体３１と上部電極３５との一部を細く延ばして、圧力室２１上部の壁面２１ａの上から外部へ引き出している。駆動膜３０の引出部３０ａとして、圧電体引出部３１ａと上部電極引出部３５ａとが壁面２１ａの上から図の左側へと引き出されている。

しかしながら、この構成を採用した場合、図１２（ｂ）に示すように、圧電体３１を駆動した場合に、圧力室２１上部の壁面２１ａの周縁部１１ａの位置で、引出部３０ａに応力が集中し、引出部３０ａが破壊する可能性がある。また、圧電体引出部３１ａが圧電体３１の変位を阻害するために、図１２（ｃ）に実線で示すように、圧力室２１の上の駆動膜３０の変位が、一点鎖線で示した引出部３０ａがない場合の理想的な変位に比べて、圧力室２１の中心に対して左右非対称となるとともに、変位量が減少してしまう。

本発明の実施の形態では、参考例で説明した駆動膜３０の引出部３０ａの破損や変位量の減少を解決している。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。

本発明の第１の実施の形態の電気機械変換素子について、図１および図２を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態の電気機械変換素子の構成を示す模式図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図である。また、図２は、第１の実施の形態の電気機械変換素子の特性を示す模式図で、図２（ａ）は図１（ａ）と同じ平面図、図２（ｂ）は駆動時に働く応力のグラフ、図２（ｃ）は駆動時の変位のグラフである。なお、平面図における位置Ａ１〜Ａ６と、断面図における位置Ａ１〜Ａ６とは、対応した位置関係にある。

なお、図１および図２では、１つのチャネルのみの電気機械変換素子を図示しているが、複数のチャネルを有する電気機械変換素子アレイを構成する際には、必要に応じて、複数の電気機械変換素子を１次元あるいは２次元に配列してもよい。

図１において、電気機械変換素子１は、基板１１、圧力室２１、副室２３、従動膜１３、駆動膜３０、駆動膜３０の引出部３０ａ等で構成されている。

圧力室２１は、図１１に示した参考例の圧力室２１と同様に、基板１１に設けられた円筒形の空間である。本実施の形態において、圧力室２１の基板１１の面に平行な面方向の断面形状は円形である。この断面形状を円形にすることで、駆動膜３０を最も効率よく変位させることができる。但し、圧力室２１の基板１１の面に平行な面方向の断面形状は、円形に限られず、面内の縦横比（図１（ａ）で上下方向と左右方向の比）が略同一であれば矩形であっても多角形であってもよい。

副室２３は、圧力室２１に連通して基板１１に形成された空間で、基板１１の面に平行な第１の方向（図中左右方向）に圧力室２１と並ぶように設けられている。副室２３の幅と長さとは、圧力室２１の断面径の半分程度である。すなわち、図１（ａ）に破線で示すように、副室２３の図中上下方向の幅は圧力室２１の直径の半分程度である。また、副室２３の図中左右方向（引出部３０ａが延びる方向）の長さも圧力室２１の直径の半分程度である。なお、副室２３の図中上下方向（第２の方向）の幅は、圧力室２１の直径よりも小さく、圧力室２１の直径の２５％〜７５％の範囲であることが好ましい。また、副室２３の図中左右方向（第１の方向）の長さは、必ずしも本実施形態のように圧力室２１の直径よりも小さくしなくてもよい。なお、本実施形態において、数値を範囲で示したときは、その範囲の上限および下限を含むものとする。

駆動膜３０は、図１１に示した参考例の駆動膜３０と同様に、例えばＰＺＴ等の圧電体３１と、圧電体３１の上下に設けられた下部電極３３および上部電極３５とを含む。下部電極３３は、従動膜１３の全面にベタ状に設けられている。圧電体３１は、圧力室２１上部の壁面２１ａの断面形状よりも小さく、基板１１の面に平行な方向の縦横比が略同一の面形状で作られた作用部３１ｐを有する。図１（ａ）に示すように、圧電体３１の作用部３１ｐの形状は、圧力室２１の断面である円と同心円であり、その径が圧力室２１の断面よりも小さいものとなっている。圧電体３１の作用部３１ｐの大きさ（直径）は、圧力室２１の断面の大きさに対して７０％〜９９％であることが好ましく、より望ましい範囲としては９０％〜９９％である。

上部電極３５は、圧電体３１の作用部３１ｐの形状よりも小さく作られた作用部３５ｐを有する。上部電極３５の作用部３５ｐの形状は、圧電体３１の作用部３１ｐの形状である円と同心円であり、その径が圧電体３１の作用部３１ｐよりも小さいものとなっている。上部電極３５が圧電体３１よりも小さくされているのは、上部電極３１が下部電極３３と接触することを確実に防止するためであり、必ずしも上部電極３５を圧電体３１よりも小さくする必要はなく、同じ大きさであっても構わない。

引出部３０ａは、圧電体３１および上部電極３５が、圧力室２１上部の壁面２１ａの上から副室２３の上を通って図の左側へと延長されたものである。引出部３０ａは、圧電体引出部３１ａと、この圧電体引出部３１ａの上に形成された上部電極引出部３５ａとを含む。図１（ａ）に示すように、図中上下方向について、圧電体引出部３１ａの幅は、副室２３の幅の半分程度であり、上部電極引出部３５ａの幅は、圧電体引出部３１ａの幅の１／３程度である。圧電体引出部３１ａの幅は、副室２３の幅に対して、５０％〜８０％であることが好ましいが、これに限らず副室２３の幅よりも狭ければよい。上部電極引出部３５ａの幅は、圧電体引出部３１ａの幅に対して２０％〜５０％（すなわち副室２３の幅に対して１０％〜４０％）であることが好ましいが、これに限らず圧電体引出部３１ａと同じ大きさであっても構わない。

駆動膜３０の下部電極３３と上部電極３５との間に電圧が印加されると、圧力室２１の壁面２１ａの上にある圧電体３１が伸縮し、従動膜１３との長さの違いにより曲率が生じ、駆動膜３０が面方向に垂直な方向に変位する。この時、引出部３０ａの下部には副室２３が存在するため、引出部３０ａにかかる応力を分散でき、引出部３０ａの破壊を防ぐことができる。図２（ｂ）に、本実施の形態における駆動膜３０および引出部３０ａにかかる応力の様子を実線で示す。一方、図１２（ｂ）の参考例における応力の様子を破線で示す。両者の比較から、壁面２１ａの周縁部１１ａ（図１２参照）での応力集中が、圧力室２１および副室２３全体に分散され、大きく緩和されていることが分かる。

引出部３０ａにも上部電極引出部３５ａが存在するため、圧電体引出部３１ａは伸縮する。引出部３０ａの上部電極引出部３５ａの幅が広すぎると、圧電体引出部３１ａの伸縮が大きくなり、圧力室２１の上にある圧電体３１の伸縮を阻害する可能性がある。

このため、第１の実施の形態では、圧電体引出部３１ａに対して上部電極引出部３５ａの幅が１／３程度と狭くしている。これにより、圧電体引出部３１ａには上部電極３５への電圧印加によっても伸縮しない部分が生じており、また、駆動膜３０に比べて引出部３０ａの占める面積が小さいことにより、圧電体引出部３１ａの変位は無視できる程度のものとなる。

逆に、引出部３０ａは全体として、圧電体３１の作用部３１ｐの伸縮に引っ張られて伸縮する。これによって、圧力室２１の上にある圧電体３１の作用部３１ｐの伸縮が阻害されることはなく、圧電体３１本来の変位を確保することができる。

図２（ｃ）に、駆動膜３０および引出部３０ａの変位のグラフを実線で示す。圧力室２１の中心を軸としてほぼ回転対称に分布しており、破線で示した図１２（ｃ）の参考例の変位に比べて、非対称性が改善されるとともに、変位量が増加していることが分かる。

なお、上部電極引出部３５ａの幅をあまりに小さくすると、電気抵抗が大きくなり、耐電圧や駆動周波数に問題が生じる可能性があるため、ある程度の幅を確保することが望ましい。

また、副室２３の幅が大きいと、電気機械変換素子１の駆動時に、圧力室２１内で圧力を受けた気体や液体が副室２３内に逃げる容積が大きくなり、アクチュエータとしての感度が低下する傾向がある。一方、副室２３の幅が小さいと、駆動膜３０の伸縮の阻害や引出部３０ａへの応力の集中を緩和する効果が低下する傾向がある。よって、上部電極引出部３５ａの幅や副室２３の幅の大きさ等は、電気機械変換素子１に要求される仕様のバランスにより決定される。

次に、第１の実施の形態の電気機械変換素子の製造方法について、図３から図６を用いて説明する。図３から図６は、第１の実施の形態の電気機械変換素子の製造方法における製造工程を模式的に示す断面図である。図では、各層を分かりやすくするために、厚さ方向（図の上下方向）を誇張して示している部分がある。

図３（ａ）において、基板１１および従動膜１３の材料としては、微細加工技術（ＭＥＭＳ；Micro Electro Mechanical Systems）でよく利用される、酸化膜を介して２枚のＳｉが接合されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。Ｓｉの基板部１１１の厚さは１５０μｍ程度、酸化膜（ＳｉＯ_２）１１３の厚さは０．１μｍ程度、後に従動膜１３となるＳｉ膜１３１の厚さは２μｍ程度である。

基板１１および従動膜１３の材料としてＳＯＩ基板を用いるのは、後述する従動膜１３の形成において、エッチングされにくい酸化膜（ＳｉＯ_２）１１３をエッチングのストップ層として用いることで、従動膜１３の厚さを安定させるためである。

図３（ｂ）において、ＳＯＩ基板を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、上下のＳｉ層の表面に、酸化膜（ＳｉＯ_２）１３３および１１５を形成する。酸化膜（ＳｉＯ_２）１３３および１１５の厚さは０．１μｍ程度である。従動膜１３は、Ｓｉ膜１３１と酸化膜（ＳｉＯ_２）１３３とで構成される。

図３（ｃ）において、酸化膜（ＳｉＯ_２）１３３および１１５が形成されたＳＯＩ基板を常温まで冷却し、ＳＯＩ基板の全面に、下部電極３３として、厚さ０．０２μｍ程度のチタンＴｉの薄い層と、厚さ０．１μｍ程度の白金Ｐｔの層とをスパッタ法で成膜する。チタンＴｉの層は、酸化膜（ＳｉＯ_２）１３３と下部電極３３との密着性をよくするための密着層として機能する。

図３（ｄ）において、下部電極３３が形成されたＳＯＩ基板を６００℃程度に再加熱し、スパッタ法等により、ＳＯＩ基板の全面に、後に圧電体３１となるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料の膜３１１を成膜する。圧電材料の膜３１１の厚さは、５μｍ程度である。

スパッタ法により成膜された圧電材料の膜３１１は、成膜時に分極の整列が起こるので、特段の分極工程は不要であるが、他の方法で圧電材料の膜３１１を成膜する場合、あるいは以降の工程で分極が消失するような高温あるいは高電界を用いる場合には、分極工程を別途設ける必要がある。

図４（ａ）において、圧電材料の膜３１１が形成されたＳＯＩ基板を常温まで冷却し、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィ法により、マスクを介して露光し、エッチングで不要な部分を除去することにより、上部電極３５および上部電極引出部３５ａの形状を転写した上部電極マスク９１を形成する。

図４（ｂ）において、ＳＯＩ基板の全面に、後に上部電極３５となる電極層３５１をスパッタ法で成膜する。この電極層３５１は、厚さ０．０２μｍ程度のチタンＴｉの薄い層と、厚さ０．２μｍ程度の白金Ｐｔの層とからなる。チタンＴｉの層は、圧電材料の膜３１１と上部電極３５および上部電極引出部３５ａとの密着性をよくするための密着層として機能する。

図４（ｃ）において、上部電極マスク９１をエッチングで除去するとともに、不要な部分の電極層３５１を共に除去して、上部電極３５の作用部３５ｐおよび上部電極引出部３５ａを形成する。

図５（ａ）において、感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィ法により、マスクを介して露光し、エッチングで不要な部分を除去することにより、圧電体３１の作用部３１ｐおよび圧電体引出部３１ａの形状を転写した圧電素子マスク９３を形成する。

図５（ｂ）において、圧電素子マスク９３をレジストとして、反応性イオンエッチング法を用いて圧電材料の膜３１１の形状を加工して、圧電体３１の作用部３１ｐおよび圧電体引出部３１ａを形成する。図５（ｃ）において、圧電素子マスク９３を除去する。

図６（ａ）において、ＳＯＩ基板の裏面に感光性樹脂材料をスピンコート法で塗布し、フォトリソグラフィ法により、マスクを介して露光し、エッチングで不要な部分を除去することにより、圧力室２１および副室２３の形状を転写した圧力室マスク９５を形成する。

図６（ｂ）において、圧力室マスク９５をレジストとして、反応性イオンエッチング法を用いて、酸化膜（ＳｉＯ_２）１１５、Ｓｉの基板部１１１および酸化膜（ＳｉＯ_２）１１３を除去する。この際に、エッチングされにくい酸化膜（ＳｉＯ_２）１１３がエッチングのストップ層として機能することで、従動膜１３の厚さを安定させることができる。

図６（ｃ）において、圧力室マスク９５を除去することで、電気機械変換素子１が完成する。

上述したように、第１の実施の形態によれば、圧電体および上部電極の引出部の破壊を防止し、圧力室の上の駆動膜の変位を保ちながら、上部電極の配線を引き出すことのできる電気機械変換素子を提供することができる。

ここで、上述した第１の実施の形態の電気機械変換素子の第１の応用例について説明する。第１の応用例は、医療診断用の超音波プローブの送受信素子である。

従来の超音波プローブの送受信素子は、バルクで焼成したＰＺＴ等の無機の圧電材料を、縦横に切断加工して用いている。しかし、バルク材のため、剛性、発生力は大きいが、変位即ちセンサ感度が低いという課題がある。また、センサ部を高密度化するために、圧電材料に積層する形態で配線を行っているが、配線の剛性によって超音波振動が減衰、変調される課題がある。

そこで、図１に示した電気機械変換素子１を基板上に複数個２次元に配列したものを、超音波プローブの送受信素子として用いる。

超音波の送信時は、上部電極３５と下部電極３３との間に送信する超音波の周波数に相当する周波数の交流電圧を印加することで行える。

受信時は、被検体で反射された超音波は、電気機械変換素子１の圧力室２１に入射し、圧力室２１上部の壁面２１ａの上の従動膜１３と駆動膜３０とを振動させ、振動による圧電効果によって、圧電体３１の作用部３１ｐに電界が生じる。

２次元に配列された全ての圧電体３１の作用部３１ｐに生じた電界の振幅、周期、位相を、下部電極３３と上部電極３５とを介して検出することにより、２次元の超音波画像を得ることができ、電気機械変換素子１を超音波プローブの受信素子として機能させることができる。

本実施の形態の電気機械変換素子１によれば、超音波の送受信時に、駆動膜３０の振動が阻害されず、高い送受信性能が得られる。

以上に述べたように、第１の実施の形態の電気機械変換素子１を基板上に２次元に配列したものを、超音波プローブの送受信素子として用いることで、高い送受信性能を達成することができる。

また、超音波プローブの送受信素子として用いる場合、圧電体３１の代わりに柔軟な高分子ポリマー層を設け、下部電極３３と上部電極３５との間の静電力を駆動膜３０の駆動力として用いることも可能である。この場合には高分子ポリマー層が駆動体となる。

次に、上述した第１の実施の形態の電気機械変換素子の第２の応用例について、図７を用いて説明する。図７は、第１の実施の形態の電気機械変換素子の第２の応用例を示す模式図で、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。第２の応用例は、インクジェットプリンタ用ヘッドである。また、同様の方法で、インクジェットプリンタ以外のマイクロポンプとしても応用できる。

図７において、インクジェットプリンタ用ヘッド１００は、図１に示した電気機械変換素子１の従動膜１３に対向する面に連通プレート４１とノズルプレート５１とを設けた構成である。

連通プレート４１およびノズルプレート５１としては、例えばＳｉや感光性樹脂、ステンレス板等を用いることができる。その厚さは、一般的には、５０μｍから５００μｍ程度である。

連通プレート４１の副室２３の端部に対向する位置にはインク流入口４３が設けられ、圧力室２１の端部に対向する位置にはノズル連通口４５が設けられている。インク流入口４３には、ノズルプレート５１に設けられたインク流路５３を介して、図示しないインクタンクからインクが供給され、供給されたインクは、図の矢印Ｃのように流れて、ノズル連通口４５を介して、ノズルプレート５１に設けられたインク吐出ノズル５５から吐出する。インク流入口４３およびインク吐出ノズル５５の穴径は、一般的には、１０μｍから１００μｍ程度である。

このような構造にすることで、駆動膜３０によって圧力室２１に加えられた圧力が効率よく圧力室２１内のインクに加えられて、インク吐出ノズル５５からインクが吐出する。一方、インク流入口４３を副室２３側に設けることで、圧力室２１の圧力を集中して受けることがないため、インクの供給がスムーズになる。

また、インク流入口４３およびインク吐出ノズル５５を、それぞれ副室２３の端部および圧力室２１の端部に対向する位置に配置することで、インクの初期充填時に、副室２３および圧力室２１の角の部分に気泡溜まりができてしまうことを防止して、インクをスムーズに充填することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態の電気機械変換素子について、図８および図９を用いて説明する。図８は、第２の実施の形態の電気機械変換素子の構成を示す模式図で、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。また、図９は、第２の実施の形態の電気機械変換素子の特性を示す模式図で、図９（ａ）は図８（ａ）と同じ平面図、図９（ｂ）は駆動時に働く応力のグラフ、図９（ｃ）は駆動時の変位のグラフである。なお、平面図における位置Ａ７〜Ａ８と、断面図における位置Ａ７〜Ａ８とは、対応した位置関係にある。

図８において、第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なり、圧電体３１が、従動膜１３および下部電極３３と同様に、基板１１の上の全面に設けられている。また、圧力室２１を挟んで副室２３（第１の副室）に対向する位置に、副室２３と同一形状（圧力室２１を間に挟んで対称な形状）の第２副室２５（第２の副室）が設けられている。この第２副室２５の幅や長さの好適な範囲は、上述した副室２３の場合と同様である。

また、上部電極３５は、第１の実施の形態と同様であり、圧力室２１の上の作用部３５ｐと、上部電極引出部３５ａとを有している。この上部電極３５の作用部３５ｐ及び上部電極引出部３５ａの形状や大きさの好適な範囲もまた、上述した第１の実施の形態の場合と同様である。したがって、上部電極引出部３５ａの幅は、副室２３の幅に対して、１０％〜４０％であることが好ましい。但し、上部電極３５の作用部３５ｐの形状に関しては、第１の実施の形態において説明した圧電体３１の作用部３１ｐの形状を適用することができる。

さらに、上部電極３５の作用部３５ｐを取り囲み、圧力室２１の周縁にかかるように圧電体３１の上に形成されたＣ字型の作用部３７ｐを有する第２上部電極３７が形成されている。第２上部電極３７は、Ｃ字型の作用部３７ｐ部から第２副室２５の上の圧電体３１上に延長された第２上部電極引出部３７ａを有し、この第２上部電極引出部３７ａによって基板１１上に引き出されている。第２上部電極引出部３７ａの幅は、第２副室２５の幅よりも小さく、その好適な範囲は上部電極引出部３５ａの場合と同様である。すなわち、第２上部電極引出部３７ａの幅は、第２副室２５の幅に対して、１０％〜４０％であることが好ましい。その他の部分および製造方法については、第１の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。

第２の実施の形態のように圧電体３１が基板１１上の全面に設けられている場合には、圧力室２１の上部の圧電体３１だけを伸縮させるように、上部電極３５と下部電極３３との間に電圧を印加しても、周囲の圧電体３１に引っ張られて、圧力室２１の上部の圧電体３１の伸縮が阻害される可能性がある。

そこで、第２の実施の形態では、上部電極３５及び第２上部電極３７が接続された駆動回路３９から、第２上部電極３７に、上部電極３５とは逆極性の駆動信号が与えられる。つまり、上部電極３５の下の圧電体３１が伸びる時には、第２上部電極３７の下の圧電体３１が縮み、上部電極３５の下の圧電体３１が縮む時には第２上部電極３７の下の圧電体３１が伸びるように駆動される。これによって、圧力室２１の上の圧電体３１の作用部３１ｐだけを伸縮させることができるため、圧力室２１の上の圧電体３１の作用部３１ｐの変位を大きくすることができる。

図９（ｂ）に、副室２３の上から圧力室２１の上および第２副室２５の上の圧電体３１にかかる応力の様子を実線で示す。一方、図１２（ｂ）の参考例における応力の様子を破線で示す。第１の実施の形態と同様に、参考例での応力集中が、副室２３から圧力室２１および第２副室２５全体に分散され、大きく緩和されていることが分かる。

さらに、図９（ｃ）に、圧力室２１の上の圧電体３１の変位のグラフを実線で示す。破線で示した図１２（ｃ）の参考例の電気機械変換素子１の変位に比べて、変位量が増加していることが分かる。

この第２の実施の形態によれば、圧電体および上部電極の引出部の破壊を防止し、圧力室の上の駆動膜の変位を保ちながら、上部電極の配線を引き出すことのできる電気機械変換素子を提供することができる。

ここで、上述した第２の実施の形態の電気機械変換素子の第１の応用例について説明する。第１の応用例は、第１の実施の形態と同じく、医療診断用の超音波プローブの送受信素子である。

ここでは、第１の実施の形態と同様に、図８に示した電気機械変換素子１を基板上に複数個２次元に配列したものを、超音波プローブの送受信素子として用いる。

超音波の送信時は、上部電極３５と下部電極３３との間に送信する超音波の周波数に相当する周波数の交流電圧を印加し、第２上部電極３７と下部電極３３との間には、これとは逆極性の交流電圧を印加することで行える。

受信時は、被検体で反射された超音波は、電気機械変換素子１の圧力室２１に入射し、圧力室２１上部の壁面２１ａの上の従動膜１３と駆動膜３０とを振動させる。この時、従動膜１３と駆動膜３０とは、Ｓ字状に湾曲するので、圧力室２１の上の圧電体３１の中心部と周辺部とでは湾曲方向が逆になる、つまり一方が伸びて一方が縮むので、圧電効果によって、逆極性の電圧が生じる。この逆極性の電圧を上部電極３５と第２上部電極３７とで検出して、その差分をとることで、上部電極３５だけで検出するよりも出力電圧を大きくすることができ、結果としてＳ／Ｎ比が改善され、高性能化が達成できる。

続いて、第２の実施の形態の電気機械変換素子の第２の応用例について、図１０を用いて説明する。図１０は、第２の実施の形態の電気機械変換素子の第２の応用例を示す模式図である。第２の応用例も、第１の実施の形態と同じく、インクジェットプリンタ用ヘッドである。

図１０の例が図７の例と異なる点は、ノズル連通口４５とインク吐出ノズル５５とを、圧力室２１の下部ではなく、第２副室２５の端部の下部に設けた点である。これによって、インク流入口４３と同様に、インク吐出ノズル５５も、圧力室２１から離れたところに配置できるために、圧力室２１の圧力を集中して受けることがなく、インクの流れがスムーズになる。その他の点は、図７に示した第１の実施の形態の第２の応用例と同じであるので、説明は省略する。

なお、本実施形態で説明した電気機械変換素子の細部の構成および動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明の電気機械変換素子は、例えば超音波プローブの送受信素子やインクジェットプリンタ用ヘッドに利用可能である。

１ 電気機械変換素子
１１ 基板
１３ 従動膜
２１ 圧力室
２１ａ 壁面
２３ 副室（第１の副室）
２５ 第２副室（第２の副室）
３０ 駆動膜
３０ａ 引出部
３１ 圧電体（駆動体）
３１ａ 圧電体引出部
３１ｐ 作用部
３３ 下部電極
３５ 上部電極（第１の上部電極）
３５ａ 上部電極引出部（第１の電極引出部）
３５ｐ 作用部（第１の電極作用部）
３７ 第２の上部電極
３７ａ 第２上部電極引出部（第２の電極引出部）
３７ｐ 作用部（第２の電極作用部）
３９ 駆動回路
４１ 連通プレート
４３ インク流入口
４５ ノズル連通口
５１ ノズルプレート
５３ インク流路
５５ インク吐出ノズル
１００ インクジェットプリンタ用ヘッド

Claims (13)

1. 板状の基板と、
   前記基板に形成され、前記基板の面に平行な方向の断面の縦横比が略同一の断面形状を有する圧力室と、
   前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられた副室と、
   前記基板の一面に、前記基板よりも薄肉に形成され、前記圧力室及び前記副室の上部の壁面をなす従動膜と、
   前記従動膜の上に形成された下部電極と、
   前記下部電極の上に形成され、前記圧力室の上に位置し、前記圧力室の断面形状よりも小さく、前記基板の面に平行な方向の縦横比が略同一の面形状の作用部と、この作用部から前記副室の上に延長された引出部とを有する駆動体と、
   前記駆動体の上に形成された上部電極とを備え、
   前記圧力室の前記断面形状は、円形、矩形または多角形であり、
   前記副室は、前記基板に形成される空間のうち、前記断面形状を持つ前記圧力室の空間を除いた空間であり、
   前記副室は、前記第１の方向と直交し且つ前記基板の面に平行な第２の方向の幅が前記圧力室よりも小さく、
   前記駆動体の引出部は、前記第２の方向の幅が前記副室よりも小さいことを特徴とする電気機械変換素子。
2. 前記駆動体の引出部の上に形成された前記上部電極の前記第２の方向の幅は、前記駆動体の引出部の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
3. 前記副室の前記第２の方向の幅が、前記圧力室の前記第２の方向の幅の２５％〜７５％の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械変換素子。
4. 前記駆動体の引出部の前記第２の方向の幅が、前記副室の前記第２の方向の幅の５０％〜８０％の範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
5. 前記駆動体の作用部の形状が円であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
6. 前記駆動体は、圧電体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
7. 板状の基板と、
   前記基板に形成され、前記基板の面に平行な方向の断面の縦横比が略同一の断面形状を有する圧力室と、
   前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられた第１の副室と、
   前記基板に形成され、前記圧力室に連通し、前記基板の面に平行な第１の方向に前記圧力室と並ぶように設けられ、前記圧力室を介して前記第１の副室に対向する位置に配置された第２の副室と、
   前記基板の一面に、前記基板より薄肉に形成され、前記圧力室、前記第１の副室及び前記第２の副室の上部の壁面をなす従動膜と、
   前記従動膜の上に形成された下部電極と、
   前記下部電極の上に形成された駆動体と、
   前記圧力室の上の前記駆動体の上に形成され、前記圧力室の断面形状よりも小さく、前記基板の面に平行な方向の縦横比が略同一の面形状を有する第１の電極作用部と、この第１の電極作用部から前記第１の副室の上の前記駆動体の上に延長された第１の電極引出部とを有する第１の上部電極と、
   前記圧力室の周縁に跨る前記駆動体の上に形成され、かつ前記第１の上部電極の周囲を取り囲むように形成された第２の電極作用部と、この第２の電極作用部から前記第２の副室の上の前記駆動体の上に延長された第２の電極引出部とを有する第２の上部電極と、
   前記第１の上部電極と前記第２の上部電極とに逆極性の駆動信号を与える駆動回路とを備え、
   前記第１の副室及び第２の副室は、前記第１の方向と直交し且つ前記基板の面に平行な第２の方向の幅が前記圧力室よりも小さく、
   前記第１の上部電極の第１の電極引出部及び前記第２の上部電極の第２の電極引出部は、前記第２の方向の幅がそれぞれ前記第１の副室及び前記第２の副室よりも小さいことを特徴とする電気機械変換素子。
8. 前記第１の副室及び前記第２の副室の前記第２の方向の幅が、前記圧力室の前記第２の方向の幅の２５％〜７５％の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換素子。
9. 前記第１の上部電極の第１の電極引出部の前記第２の方向の幅が、前記第１の副室の前記第２の方向の幅の１０％〜４０％の範囲にあり、
   前記第２の上部電極の第２の電極引出部の前記第２の方向の幅が、前記第２の副室の前記第２の方向の幅の１０％〜４０％の範囲にあることを特徴とする請求項７または８に記載の電気機械変換素子。
10. 前記駆動体の作用部の形状が円であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
11. 前記駆動体は、圧電体であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
12. 前記圧力室の前記断面形状は、円形、矩形または多角形であり、
    前記第１の副室及び前記第２の副室は、前記基板に形成される空間のうち、前記断面形状を持つ前記圧力室の空間を除いた空間であって、前記圧力室を介して互いに対向する位置の各空間であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の電気機械変換素子。
13. 前記圧力室の前記断面形状は、円形であり、
    前記圧力室の空間は、円筒形であることを特徴とする請求項１または１２に記載の電気機械変換素子。

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