振動板結構以及壓電元件應用設備的製作方法

2023-10-19 17:35:52

本發明涉及振動板結構以及壓電元件應用設備。

背景技術：

壓電元件通常具有壓電體層以及夾持壓電體層的兩個電極，所述壓電體層具有機電轉換特性。使用這樣的壓電元件作為驅動源的設備(壓電元件應用設備)的開發近年尤為活躍。作為壓電元件應用設備之一，有以噴墨式記錄頭為代表的液體噴射頭、以壓電mems元件為代表的mems要素、以超聲波傳感器等為代表的超聲波測量裝置，還有壓電致動器裝置等。

在這樣的壓電元件應用設備中，作為設置於壓電元件與基板之間的振動板，例如公開了在厚度500nm的振動板(sio2)與壓電元件之間設置了膜厚110nm以上的鉭層的結構(參照專利文獻1)。

另外，在專利文獻2、專利文獻3中公開了例如在厚度800nm的sio2膜上設置了厚度1000nm的zro2層的結構。

專利文獻1：日本專利特開平08-112896號公報；

專利文獻2：日本專利特開2004-195994號公報；

專利文獻3：日本專利特開平09-254384號公報。

在如上述那樣的壓電元件應用設備中，需要實現提高由於壓電元件的驅動而產生的移位量。在上述的專利文獻中，在各個壓電元件的結構中僅例示出振動板結構，並沒有研究使移位量最大的振動板的結構。即，為了提高移位量，當然要實現構成壓電元件的壓電材料的壓電特性的提高，但是並未系統地研究包含壓電體層的壓電元件的厚度與振動板的厚度的關係、振動板和壓電元件的彎曲剛性等，也完全沒有提出過實際上應該如何設定的方案。

特別是在超聲波傳感器中，除了提高發送效率之外，還需要提高接收效率，需要同時實現收發特性的提高，沒有根據這樣的觀點來研究振動板結構。

技術實現要素：

本發明是鑑於這樣的情況而形成的，其目的在於提供能夠提高移位效率的振動板結構以及壓電元件應用設備。

實現上述目的的本發明第一方式提供一種振動板結構，其特徵在於，被設置於由壓電體層以及夾著該壓電體層的一對電極構成的壓電元件與基板之間的振動板具備：設置於上述基板側且由氧化矽膜構成的第一層、以及由楊氏模量比氧化矽大的陶瓷構成的第二層，

當在將上述第一層的楊氏模量設為ev1、厚度設為dv1、上述第二層的楊氏模量設為ev2、厚度設為dv2時，在下式(1)

ev1×dv12+ev2×dv22……(1)

的值為恆定的條件下，將下式(2)

ev1×dv13+ev2×dv23……(2)

的值為最小值+2％以內的範圍的dv1以及dv2的組合設為(dv1，dv2)，在此情況下，

上述第一層的厚度為dv1，上述第二層的厚度為dv2。

在這種方式中，將上式(1)的值保持為恆定，因此，形成在上述壓電元件被驅動的情況下的中立面位於上述壓電元件的與上述振動板的邊界或者上述壓電元件的上述振動板側的電極附近的狀態下，由具有上式(2)的值採用最小值附近的值的厚度的第一層以及第二層構成的振動板，因此，振動板的彎曲剛性變小，移位效率提高。

此處，優選上述第一層的厚度為200nm以上。據此，氧化矽膜的膜密度變得良好，且機械強度優異。

另外，優選構成上述第二層的陶瓷選自氧化鋯、氧化鋁、氮化矽以及碳化矽中的至少一種。據此，使振動板的上述壓電元件被驅動的情況下的中立面更可靠地位於上述壓電元件的與上述振動板的邊界或者上述壓電元件的上述振動板側的電極附近。

本發明的其他方式提供一種壓電元件應用設備，其具備上述振動板結構，在上述振動板上具備上述壓電元件。

在這種方式中，形成在上述中立面位於上述壓電元件的與上述振動板的邊界或者上述壓電元件的上述振動板側的電極附近的狀態下，由具有上式(2)的值採用最小值附近的值的厚度的第一層以及第二層的振動板，因此，振動板的彎曲剛性變小，移位效率提高。

附圖說明

圖1是示出超聲波設備的結構例的截面圖。

圖2是示出超聲波傳感器的結構例的分解立體圖。

圖3是示出超聲波傳感器的結構例的俯視圖。

圖4a是示出超聲波傳感器的結構例的截面圖。

圖4b是示出超聲波傳感器的結構例的截面圖。

圖5a是超聲波傳感器的通常時的示意圖。

圖5b是超聲波傳感器的發送時的示意圖。

圖5c是超聲波傳感器的接收時的示意圖。

圖6a是示出實施例1的結果的圖。

圖6b是示出實施例1的結果的圖。

圖6c是示出實施例1的結果的圖。

圖7a是示出實施例2的結果的圖。

圖7b是示出實施例2的結果的圖。

圖7c是示出實施例2的結果的圖。

圖8a是示出實施例3的結果的圖。

圖8b是示出實施例3的結果的圖。

圖8c是示出實施例3的結果的圖。

圖9a是示出實施例4的結果的圖。

圖9b是示出實施例4的結果的圖。

圖9c是示出實施例4的結果的圖。

圖10是記錄頭的分解立體圖。

圖11是記錄頭的俯視圖。

圖12是圖11的c-c』線截面圖。

圖13是圖12的d-d』線放大截面圖。

其中，附圖標記說明如下：

i：超聲波探針；1：超聲波傳感器；2：fpc基板；3：電纜；4：中繼基板；5：框體；6：耐水性樹脂；10：基板；11：間隔壁；12：空間；13：音響整合層；20：透鏡部件；40：包圍板；50：振動板；50a：第一面；50b：第二面；51：彈性膜；52：絕緣體層；60：第一電極；70：壓電體層；80：第二電極；300：壓電元件。

具體實施方式

下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。以下的說明示出本發明的一方式，能夠在本發明的範圍內任意地改變。在各圖中，標識相同符號的部分表示相同的部件，並適當地省略說明。

(實施方式1)

(超聲波設備)

圖1是示出搭載了超聲波傳感器的超聲波設備的結構例的截面圖，超聲波傳感器以及超聲波設備是壓電元件應用設備的例子。如圖示那樣，超聲波探針i具備cav面型的超聲波傳感器1、與超聲波傳感器1連接的柔性印刷基板(fpc基板2)、從裝置終端(未圖示)引出的電纜3、中繼fpc基板2與電纜3的中繼基板4、保護超聲波傳感器1、fpc基板2以及中繼基板4的框體5、以及填充在框體5與超聲波傳感器1之間的耐水性樹脂6等來構成。

從超聲波傳感器1發送超聲波。另外，從測量對象物反射的超聲波被超聲波傳感器1接收。基於這些超聲波的波形信號，在超聲波探針i的裝置終端檢測與測量對象物有關的信息(位置、形狀等)。

根據超聲波傳感器1，如後述那樣能夠抑制產生結構變形，並能夠確保高可靠性。因此，通過搭載超聲波傳感器1而形成各種特性優異的超聲波設備。本發明也能應用於對超聲波的發送最佳的發送專用型、對超聲波的接收最佳的接收專用型、對超聲波的發送和接收最佳的收發一體型等任一種超聲波傳感器。能夠搭載超聲波傳感器1的超聲波設備不限定於超聲波探針i。

(超聲波傳感器)

接著，對超聲波傳感器1的結構例進行說明。圖2是超聲波傳感器的分解立體圖。圖3是超聲波傳感器的基板的俯視圖。圖4a是圖3的a-a』線截面圖。圖4b是圖3的b-b』線截面圖。

當超聲波傳感器的基板沿著由x軸和y軸形成的xy平面時，圖4a的截面沿由x軸和z軸形成的xz平面，圖4b的截面沿由y軸和z軸形成的yz平面。之後，將x軸稱作第一方向x，將y軸稱作第二方向y，將z軸稱作第三方向z。

超聲波傳感器1包含超聲波傳感器元件310、音響整合層13、透鏡部件20以及包圍板40來構成。超聲波傳感器元件310包含基板10、振動板50以及壓電元件300來構成。在圖2中，包圍板40和支承部件41被分開示出，但實際上兩者被一體地構成。

在基板10形成有多個間隔壁11。通過多個間隔壁11劃分有多個空間12。基板10能夠使用單晶si基板。基板10不限定於上述的例子，也可以使用soi基板、玻璃基板等。

空間12以在第三方向z上貫通基板10的方式形成。空間12二維地、即在第一方向x形成有多個且在第二方向y上形成有多個。當將第一方向x設為掃描方向、將第二方向y設為薄層(slice)方向時，超聲波傳感器1一邊在掃描方向上掃描，一邊按照每個在薄層方向上延伸的列進行超聲波的收發。由此，能夠在掃描方向上連續地獲取薄層方向的傳感信息。空間12在從第三方向z觀察時是正方形狀(第一方向x和第二方向y的長度之比為1：1)。

空間12的排列、形狀能夠進行各種變形。例如，空間12可以一維地、即沿第一方向x和第二方向y的任一個方向形成多個。另外，空間12可以是當從第三方向z觀察時是長方形狀(第一方向x和第二方向y的長度之比是1：1以外)。

振動板50以堵塞空間12的方式設置在基板10上。後文中，將振動板50的基板10側的面稱作第一面50a，將與該第一面50a對置的面稱作第二面50b。振動板50通過形成在基板10上的彈性膜(第一層)51以及形成在彈性膜51上的絕緣體層(第二層)52構成。此處，將彈性膜51的空間12側設為第一面50a，將絕緣體層52的與空間12相反側設為第二面50b。

彈性膜51通過氧化矽(sio2)構成，絕緣體層52通過具有比氧化矽的楊氏模量大的楊氏模量的陶瓷構成，選自氧化鋯(zro2)、氧化鋁(al2o3)、氮化矽(si3n4)以及碳化矽(sic)中的至少一種。彈性膜51優選地通過將基板10設為矽、並對其進行熱氧化來形成的，但也可以設為與基板10不同的部件。

在振動板50的第二面50b側中與空間12對應的部分設置有發送和/或接收超聲波的壓電元件300。後文中，將振動板50的第二面50b側的與空間12對應的部分稱作可動部。可動部是由於壓電元件300的移位而產生振動的部分。根據在可動部產生的振動，從超聲波傳感器1接收和/或發送超聲波。

壓電元件300包含厚度約0.2μm的第一電極60、厚度約3.0μm以下優選厚度約0.5μm～1.5μm的壓電體層70以及厚度約0.05μm的第二電極80而構成。

後文中，將由第一電極60和第二電極80夾著的部分稱作有源部(activepotion)。另外，在本實施方式中，通過壓電體層70的移位而至少振動板50與第一電極60發生移位。即，在本實施方式中，至少振動板50和第一電極60具有實質作為振動板的功能。不過也能夠不設置彈性膜51與絕緣體層52中的任一個或者這兩者，僅第一電極60作為振動板發揮功能。當在基板10上直接設置第一電極60的情況下，優選通過絕緣性的保護膜等保護第一電極60。但是，在該情況下，與本申請的振動板構成相比移位效率和接收效率降低。

雖然未圖示，但可以在壓電元件300和振動板50之間設置其他的層。例如，可以在壓電元件300與振動板50之間設置用於提高緊貼性的緊貼層。這樣的緊貼層例如能夠由氧化鈦(tiox)層、鈦(ti)層或者氮化矽(sin)層等構成。

在從第三方向z觀察時，壓電元件300處於空間12的內側的區域。即，壓電元件300的第一方向x以及第二方向y均比空間12短。不過，壓電元件300的第一方向x比空間12長的情況和壓電元件300的第二方向y比空間12長的情況也包含在本發明中。

在振動板50的第二面50b側設置有包圍板40。在包圍板40的中央形成凹部(壓電元件保持部32)，該壓電元件保持部32的周圍形成為包圍板40的緣部40a(參照圖1等)。通過壓電元件保持部32而覆蓋壓電元件300的周圍的區域(包含壓電元件300的上表面以及側面的區域)。因此，壓電元件保持部32的與底面相當的面成為包圍板40的壓電元件300側的面40b。

包圍板40在緣部40a與超聲波傳感器元件310側接合。包圍板40的接合能夠使用粘接劑(未圖示)，但不限定於上述的例子。壓電元件保持部32的深度、即第三方向的長度約為80μm，但不限定於上述的值。壓電元件保持部32的深度只要是能確保不阻礙壓電元件300的驅動的程度的空間的值即可。另外，壓電元件保持部32可以由空氣充滿，也可以由樹脂充滿。包圍板40的厚度約400μm，但不限定於上述的值。

在超聲波傳感器1中，在包圍板40的壓電元件300側的面40b與振動板50的第二面50b之間、且不與壓電元件300重合的位置設置有支承部件41。據此，能夠通過支承部件41支承振動板50。因此，例如在安裝透鏡部件20時、或在透鏡部件20安裝後確保該透鏡部件20的緊貼性時，即使從音響整合層13側向振動板50施加預定的壓力，也能夠防止振動板50在壓電元件保持部32內產生大的撓曲。由此，能夠抑制產生結構變形，並能夠確保高可靠性。

支承部件41被設置在不與壓電元件300重合的位置。因此，避免了壓電元件300被支承部件41過度地拘束的情況。由此，與不設置支承部材41的情況相比，也防止超聲波的發送效率和接收效率過度地降低。

所謂不與壓電元件300重合的位置是指當從第三方向z觀察時不與上述的有源部(被第一電極60和第二電極80夾著的部分)重合的位置。特別是，在超聲波傳感器1中，具有比間隔壁11窄的寬度的支承部件41被設置在相鄰的空間12之間。即，在超聲波傳感器1中，當從第三方向z觀察時，支承部件41甚至不與上述的可動部(振動板50的第二面50b側中與空間12對應的部分)重合。因此，與不設置支承部件41的情況相比，能夠可靠地防止超聲波的發送效率、接收效率過度地降低。支承部件41通過粘接劑(未圖示)與超聲波傳感器元件310側接合，但接合的方法不限定於上述的例子。

支承部件41具有沿第二方向y延伸的梁形狀。據此，能夠在遍布第二方向y的大範圍支承振動板50。梁形狀的支承部件41可以不是沿第二方向y而是沿第一方向x延伸。梁形狀的支承部件41延伸的一側端部可以從包圍板40的緣部40a分離。如果延伸方向的至少一個端部與包圍板40的緣部40a相接，則被包含在梁形狀的支承部件41中。

梁形狀的支承部件41是通過對包圍板40進行溼蝕刻而製作的。如此，支承部件41有效地利用包圍板40的結構材料而製作，具有與包圍板40相同的結構。溼蝕刻與例如幹蝕刻相比，雖然加工精度差，但是由於能夠以短時間削去較多的區域，因此對製作梁形狀的支承部件41是優選的方法。

壓電元件保持部32的中心部分距離包圍板40的緣部40a比較遠。因此，在振動板50中，當在與壓電元件保持部32的中心部分對應的中心位置c(參照圖2等)沒有支承部件41的情況下，剛性容易變低。因此，支承部件41被設置為支承如上述那樣的振動板50的中心位置c。由此，能夠確保更高的可靠性。

在本發明中，支承部件的數量、配置、形狀等能夠進行各種選擇。例如，支承部件可以是多個。該情況下，支承部件優選在壓電元件保持部32內等間隔地設置。據此，能夠均勻地支承振動板50。因此，振動板的數量優選是三個以上的奇數。這是因為：當在壓電元件保持部32內等間隔地設置支承部件時，其正中央的支承部件能夠位于振動板50的中心位置c的附近。例如，支承部件的數量是三個時平衡性好。

支承部件可以僅設置於從振動板50的中心位置c錯開的部分。支承部件可以不具有梁形狀。支承部件可以在延伸方向上不是直線狀。根據支承部件的製作方法，雖然存在支承部件的xy平面的截面積根據第三方向z而不同的方式的情況，但該方式只要能夠支承振動板，就包含在本發明的支承部件中。

在壓電元件300中，任一個電極被設為共用電極，另一個電極被設為個別電極。此處，以遍及第一方向x的方式設置第一電極60來構成個別電極，以遍及第二方向y的方式設置第二電極80來構成共用電極。不過，考慮驅動電路和布線的情況，可以將第一電極構成為共用電極，將第二電極構成為個別電極。

第一電極60、第二電極80的材料只要具有導電性的材料即可，不被限制。作為第1電極60、第二電極80的材料列舉金屬材料、氧化錫系導電材料、氧化鋅系導電材料、氧化物導電材料等。金屬材料是鉑(pt)、銥(ir)、金(au)、鋁(al)、銅(cu)、鈦(ti)、不鏽鋼等。氧化錫系導電材料是氧化銦錫(ito)、氟摻雜氧化錫(fto)等。氧化物導電材料是氧化鋅系導電材料、釕酸鍶(srruo3)、鎳酸鑭(lanio3)、元素摻雜鈦酸鍶等。第一電極60、第二電極80的材料可以是導電性聚合物等。

壓電體層70按照每個空間12刻畫圖案形成來構成，被上述的第一電極60與第2電極80夾持。壓電體層70例如包含具有abo3型鈣鈦礦結構的複合氧化物而構成。作為該複合氧化物，例如列舉出鋯鈦酸鉛(pb(zr，ti)o3；pzt)系的複合氧化物。據此，容易實現提高壓電元件300的移位。當然，在pzt系的複合氧化物中可以包含其他的元素。其他的元素的例子列舉有與壓電體層70的a位的一部分置換的鋰(li)、鉍(bi)、鋇(ba)、鈣(ca)、鍶(sr)、釤(sm)、鈰(ce)，或者與壓電體層70的b位的一部分置換的錳(mn)、鋅(zn)、鋯(zr)、鎂(mg)、銅(cu)、鋁(al)、鎳(ni)、鈷(co)、鉻(cr)、鈦(ti)、鋯(zr)等。

另外，只要使用抑制鉛的含有量的非鉛系材料，就能夠降低環境負荷。作為非鉛系材料例如列舉有包含鉀(k)、鈉(na)以及鈮(nb)的knn系的複合氧化物等。在使用了knn系的複合氧化物的例子中，k、na位於a位，nb位於b位，其組成式例如表現為(k，na)nbo3。

在knn系的複合氧化物中可以包含其他的元素。作為其他的元素列舉有與壓電體層70的a位的一部分置換的鋰(li)、鉍(bi)、鋇(ba)、鈣(ca)、鍶(sr)、釤(sm)、鈰(ce)，或者與壓電體層70的b位的一部分置換的錳(mn)、鋅(zn)、鋯(zr)、鎂(mg)、銅(cu)、鋁(al)、鎳(ni)、鈷(co)、鉻(cr)、鈦(ti)、鋯(zr)等。

knn系的複合氧化物優選不包含鉛，但作為其他的元素可以包含與a位的一部分置換的pb(鉛)。其他的元素的例子不限定於上述情況，也列舉有鉭(ta)、銻(sb)、銀(ag)等。這些其他的元素可以包含兩種以上。通常，其他的元素的量相對於成為主要成分的元素的總量是15％以下，優選是10％以下。存在能夠通過使用其他的元素實現各種特性的提高、結構以及功能等的多樣化的情況。作為使用了其他的元素的複合氧化物的情況也優選構成為具有abo3鈣鈦礦結構。

作為非鉛系材料，除了上述的knn系的複合氧化物的之外，列舉包含鉍(bi)和鐵(fe)的bfo系複合氧化物，包含鉍(bi)、鋇(ba)、鐵(fe)以及鈦(ti)的bf-bt系複合氧化物。在使用bfo系複合氧化物的例子中，bi位於a位，fe、ti位於b位，其組成式例如被表現為bifeo3。在使用了bf-bt系複合氧化物的例子中，bi、ba位於a位，fe、ti位於b位，其組成式例如被表現為(bi，ba)(fe，ti)o3。

在bfo系複合氧化物、bf-bt系複合氧化物中可以包含其他的元素。其他的元素的例子如上述那樣。另外，在bfo系複合氧化物、bf-bt系複合氧化物中可以包含構成knn系複合氧化物的元素。

在具有這些的abo3型鈣鈦礦結構的複合氧化物中也包含由於缺損、過剩導致化學計量的組成產生偏差的部分、元素的一部分被置換成其他的元素的部分。即，在限於能夠獲取鈣鈦礦結構中，不僅由於晶格失配、氧缺位等導致的不可避免的組成的偏差，元素的一部分置換等也被允許。

將形成於基板10的空間12、振動板50、壓電元件300涵蓋在一起構成超聲波傳感器元件310。在超聲波傳感器元件310中除了上述的包圍板40還設置有音響整合層13以及透鏡部件20，由此形成超聲波傳感器1。

音響整合層13被設置於空間12內。通過設置音響整合層13，能夠防止在壓電元件300與測量對象物之間音響阻抗急劇地變化，其結果是，能夠防止超聲波的傳播效率降低。音響整合層13例如能夠由矽樹脂構成，但不限定於上述的例子，能夠適當地選擇並使用與超聲波傳感器的用途等相應的材料。

透鏡部件20被設置於基板10的與振動板50相反的一側。透鏡部件20具有使超聲波收斂的作用。在不需要使超聲波收斂的情況下等，能夠省略透鏡部件20。此處，上述的音響整合層13也具有將透鏡部件20與基板10粘結的粘結功能。使音響整合層13介於透鏡部件20與基板10(間隔壁11)之間來構成超聲波傳感器1。

在將透鏡部件20安裝到超聲波傳感器元件310時，或在透鏡部件20的安裝後確保該透鏡部件20的緊貼性時，存在將透鏡部件20按壓到音響整合層13側的情況。在不具備透鏡部件20的情況或代替透鏡部件轉而設置其他的部件的情況下，為了確保各部分的緊貼性，也存在從音響整合層13側對振動板50施加按壓力的情況。在超聲波傳感器1中，由於構成為具備支承部件41，因此如上述那樣，即使預定的外部壓力施加到振動板50，也能夠抑制結構變形的產生，並能夠確保高的可靠性。

在超聲波傳感器1中，振動板50的與壓電元件300的相反側構成成為超聲波的通過區域的cav面型。據此，由於能夠實現來自外部的水分極難到達壓電元件300的結構，因此成為使用時的電安全性優異的超聲波傳感器1。並且，在壓電元件300和振動板50為薄膜的情況下，與振動板50相比具有足夠厚度的包圍板40的緣部40a和支承部件41以圍繞壓電元件300的方式與振動板50接合或者粘結。因此，製造時的操縱性也能夠提高，超聲波傳感器1的處理變得容易。

在圖5a～圖5c中示出這樣的超聲波傳感器1的主要部分的示意圖。圖5a示出通常狀態，圖5b示出壓電元件300正在驅動的狀態(發送狀態)，圖5c示出壓電元件300接收超聲波而發生變形的狀態(接收狀態)。

在驅動了壓電元件300的情況下，在圖5b中對振動板50的下表面作用拉伸應力ft，在第二電極80的上表面作用壓縮應力fc。在圖5c中，在振動板50的下表面作用壓縮應力fc，在第二電極80的上表面作用拉伸應力ft。因此，在將壓電元件與振動板配合在一起的膜整體中，從第二電極的表面朝向振動板的下表面存在從壓縮應力向拉伸應力變化(圖5b)、或者從拉伸應力向壓縮應力變化(圖5c)的應力分布。即，在將壓電元件和振動板配合在一起的膜內存在沒有作用應力的面亦即x-x面，這個被稱作應力的中立面。

振動板50由於被施加電壓的壓電體層70的變形而發生撓曲。當向橫向效應致動器施加了電壓時，壓電體層70向面內方向(與電場正交的方向)收縮。為了最大限度地有效利用壓電體層70的變形的力，優選應力的中立面不存在於壓電體層70的內部，例如存在於第一電極60的內部。這是因為，例如在圖5b中，如果中立面(x-x面)存在於壓電體層70的內部，相比中立面(x-x面)靠下側(拉伸側)的部分不僅無助於變形，反而產生妨礙變形的作用。理想的是，在第一電極60以與壓電體層70相同的寬度設置的情況下，優選中立面存在於第一電極60與振動板50的邊界，不過也可以存在於第一電極60的內部。另外，在第一電極60與振動板50同樣地延伸設置的情況下，優選中立面存在於第一電極60與壓電體層70的邊界，不過也可以存在於第一電極60內。

在圖5a～圖5c的模型中研究移位效率。當將無負載狀態下的移位量設為無負載移位d0、將該無負載移位d0的狀態的壓電體層70返回到原來的狀態所需要的力設為產生力f0、將實際的移位量設為實際移位d1、將該狀態恢復為原來的狀態所需要的力設為實際產生力f1時，移位效率η由下式(a)表示，通常可以認為是50％左右。

移位效率η＝d1/d0……(a)

此處，振動板50通過壓電體層70彎曲而移位。另外，移位的大小與壓電體層70的彎曲剛性成比例。進而，由于振動板50自身的彎曲剛性妨礙壓電體層70的彎曲，因此成為阻礙移位的主要原因，相當於上述的負載。考慮以上的點，當將移位效率η的式子的「實際移位d1」置換成「壓電體層70的彎曲剛性sp-振動板50的彎曲剛性sv」、將「無負載移位d0」置換成「壓電體層70的彎曲剛性sp」時，如下式(b)。

移位效率(代替值)η』＝(sp-sv)/sp……(b)

sp：壓電體層的彎曲剛性，sv：振動板的彎曲剛性

彎曲剛性由楊氏模量與截面慣性矩的積表示。當將式(b)置換成該積時，如以下那樣。

移位效率(代替值)η』＝(ep×ip-ev×iv)/ep×ip……(c)

ep：壓電體層的楊氏模量，ip：壓電體層的截面慣性矩

ev：振動板的楊氏模量，iv：振動板的截面慣性矩

進而，關於超聲波傳感器元件，截面慣性矩由下式(d-1)、式(d-2)表示。

ip＝w×dp3/12……(d-1)

iv＝w×dv3/12……(d-2)

w：腔(空間)長

dp：壓電體層的膜厚，dv：振動板的膜厚

當將式(d-1)、式(d-2)應用於式(c)時，如下式(e)那樣，截面慣性矩與膜厚的3次方成比例。

移位效率(代替值)η』＝(ep×dp3-ev×dv3)/ep×dp3……(e)

如式(e)所表示的那樣，振動板的彎曲剛性與膜厚的3次方成比例。

此處，在上述的應力的中立面(x-x面)中，拉伸和壓縮的力矩平衡。當將應力的中立面設定在壓電體層與振動板的邊界部分(例如第一電極附近)時，根據力矩的平衡，下式(f)的關係式成立。

ep×dp2＝ev×dv2……(f)

ep：壓電體層的楊氏模量，dp：壓電體層的膜厚

ev：振動板的楊氏模量，dv：振動板的膜厚

如本發明那樣，當將振動板通過以不同的材料構成的第一層和第二層形成的兩層的層疊體構成時，振動板整體的力矩為各層的力矩之和，式(g)的關係式成立。

ep×dp2＝ev1×dv12+ev2×dv22……(g)

ep：壓電體層的楊氏模量，dp：壓電體層的膜厚

ev1：振動板(第一層)的楊氏模量，dv1：振動板(第一層)的膜厚

ev2：振動板(第二層)的楊氏模量，dv2：振動板(第二層)的膜厚

此處，當增厚壓電體層70時，存在能夠使移位量增大的可能性，不過如果中立面的位置錯開，則存在阻礙移位的主要原因增加的可能性。因此，至少需要維持中立面的位置(不使其變化)。另外，為此，當振動板的厚度變大時，振動板的彎曲剛性變大，存在阻礙移位的可能性，因此需要將振動板的彎曲剛性較小地設定。

如此，為了提高發送特性，需要在維持了驅動時的中立面的狀態下將振動板的彎曲剛性設為最小。這也是在液體噴射頭中用於使移位效率提高的條件。

另一方面，在超聲波傳感器中存在接收特性不充分的傾向。接收特性依賴於由於在從外部施加應力的情況下在壓電體層產生的變形而產生的電動勢或者產生電荷，但是為了提高接收特性，如果壓電材料是相同的，則只要增大壓電體層的膜厚即可。不過，為了針對同一水平的外部應力有效地使壓電體層產生應力，需要使應力的中立面位於壓電體層的外側、即位於第一電極側。因此，為了提高接收效率，需要使應力的中立面的位置不變動。

如此，為了使接收特性提高，只要在維持應力的中立面的狀態下儘量使壓電體層的厚度增大即可。此外，只要是接收專用的組成，便可以是這樣的條件，不過為了同時實現收發特性，需要使振動板的彎曲剛性較小。

此處，所謂「維持應力的中立面的位置」是指「在式(f)和式(g)中將左邊的值和右邊的值保持相等」。例如，當為了使移位量提高而增大壓電體層的膜厚時，左邊的值變大。左邊、右邊的值相當於對各膜的橫截面(應力作用的面)作用的力(應力的總和)。因此，當左邊的值增大時，為了使右邊的值與左邊的值相等，需要執行使構成振動板膜的楊氏模量增大、或者使膜厚增加、或者同時執行這兩者。

當為了提高移位量而增大壓電體層的膜厚時，式(f)、(g)的左邊的值變大。為了維持應力的中立面的位置，當然右邊的值也必須變大。並且右邊的值與壓電體層的膜厚以1：1對應，被唯一地確定。為了使右邊的值(力)增大，需要執行使構成振動板的膜的楊氏模量增大、或者使膜厚增加、或者同時執行這兩者。這意味著振動板的彎曲剛性、即針對壓電功能的電阻變大。但是，可以根據楊氏模量與膜厚的選擇方式，不改變式(f)、(g)的值地將振動板的彎曲剛性sv設為最小的值。換言之，當使壓電體層的膜厚變化時，能夠不改變應力的中立面的位置地使作為移位的阻害主要原因的振動板的彎曲剛性最小。

能夠不改變式(f)或者式(g)的值而使振動板的剛性最小的機理如以下那樣。式(g)、(f)是將楊氏模量與膜厚的平方相乘而得的值。因此，不改變式的值的楊氏模量與膜厚的組合存在任意組合。如果使楊氏模量的大小增大，則能夠較小地設定膜厚。此時，對楊氏模量與膜厚的3次方相乘而求出的剛性變小。這是因為，對於膜厚的3次方的剛性而言，膜厚的貢獻大於楊氏模量的貢獻。

此處，當將超聲波傳感器元件設為在矽基板上設置了振動板和壓電元件的結構時，根據絕緣性的確保、製造上的要求，作為振動板，sio2層實質上是必要的結構。將sio2層置換成楊氏模量大的層並不是優選的。因此，在本發明中，使振動板通過sio2(第一層)以及楊氏模量比sio2大的陶瓷(第二層)的層疊體構成，由此使振動板整體的楊氏模量較大，抑制由於伴隨著膜厚的增大而振動板的彎曲剛性增加造成的影響。

根據這種結構，能夠兼顧接收特性的提高和發送特性的提高，得到收發特性高的超聲波傳感器。

sio2的楊氏模量是72gpa～74gpa。作為楊氏模量比sio2大的陶瓷，例如能夠列舉如下那樣的材料。

zro2楊氏模量＝150gpa

si3n4楊氏模量＝290gpa

al2o3楊氏模量＝370gpa

sic楊氏模量＝430gpa

此外，已知由sio2和zro2的層疊體構成的振動板。zro2的楊氏模量是150gpa左右，僅是sio2的2倍左右。根據上式(g)，在壓電體層的膜厚增加的情況下，由於式(f)的左側的值增加膜厚差的平方，因此為了確保與該差之間的平衡，需要在某種程度上使zro2的膜厚增大。為了使收發特性同時提高，需要使振動板的彎曲剛性較小。因此，當採用由sio2和zro2的層疊體構成的振動板時，如後所述，與以往已知的由sio2與zro2的層疊體構成的振動板不同，在zro2的厚度的比率高的範圍內滿足上述的條件。

另一方面，這樣的振動板的第二層如上述那樣，在壓電體層的膜厚增加的情況下，式(f)的左側的值增加膜厚差的平方，由於需要確保與該差值的平衡，所以優選採用楊氏模量足夠高的材料。因此，根據該點，優選作為第二層不是採用zro2，而是採用楊氏模量是290gpa以上的其他的材料。

此處，當總結本發明的振動板結構的構成時，如下所述。

(1)首先，將振動板通過sio2(第一層)與楊氏模量比sio2大的陶瓷(第二層)的層疊體構成。由此，使振動板整體的楊氏模量較大，抑制由於伴隨著膜厚的增大而振動板的彎曲剛性的增加造成的影響。

(2)接著，「維持應力的中立面」、即當改變壓電體層的膜厚時，使式(g)的左邊的值與右邊的值相同，換言之，將式(g)的右邊的下式(1)恆定設為與壓電體層的膜厚對應的值。

ev1×dv12+ev2×dv22……(1)

(3)再者，在這樣的條件下使振動板的彎曲剛性最小。

此處，振動板的彎曲剛性如上述那樣，由楊氏模量與截面慣性矩的積表示，由於截面慣性矩由上式(d-1)、上式(d-2)表示，因此層疊體的振動板的彎曲剛性由下式(2)表示。

ev1×dv13+ev2×dv23……(2)

因此，本發明的振動板結構優選為滿足上述的條件(1)和條件(2)，並且上式(2)為最小值的結構。

此處，在上式(1)為固定的條件下，由於上式(2)的值為最小值的dv1以及dv2的組合唯一地確定，因此在將最小值+2％以內的範圍內的dv1以及dv2的組合設為(dv1，dv2)的情況下，只要將第一層的厚度設為dv1、將第二層的厚度設為dv2即可。

移位量的變化與發送特性、接收特性的變動直接相關。特別在是與發送特性相同的液體噴射頭的情況下，移位量的變動幅度與液體粒子或者墨滴的噴出體積的變動幅度相同。移位量、換言之移位效率的變動幅度至少需要滿足液體噴射頭要求的規格。從液體噴射頭噴出的、例如墨滴的體積變動優選在±2％的區域內。即，移位效率的變動幅度優選在最大值-2％以內。由於設定使振動板的剛性為最小，因此實際應當管理的振動板的剛性相對值的範圍為最小值+2％以內。

構成振動板的膜通常使用濺射裝置製造，這在抑制成本方面較為有效。通過濺射裝置成膜的膜的膜厚根據成膜條件而發生變動，不過能夠將膜厚變動管理在±2％以內。在膜厚變動被管理在±2％以內的情況下，能夠將振動板的彎曲剛性的變動控制在±10％以內。根據這樣的製造條件，能夠將振動板的剛性相對值管理在最小值+2％以內、即將移位效率管理在最大值-2％以內。

【實施例】

(實施例1)

圖6a、圖6b示出當由pzt構成壓電體層、由sio2和zro2構成振動板，恆定保持依據壓電體的膜厚被唯一確定的式(1)的值，並且使壓電體層的膜厚dp從500nm變化至1500nm、使振動板的第一層以及第二層的厚度dv1和dv2變化時的、zro2的彎曲剛性相對于振動板整體的彎曲剛性之比(以下稱作「剛性比」)與振動板的彎曲剛性的相對值之間的關係。此處，所謂彎曲剛性的相對值是指將振動板整體通過sio2以外的陶瓷構成時的彎曲剛性設為1的情況下的相對值。彎曲剛性相對值成為最小值+2％以內的範圍是本發明的範圍，以圖中箭頭進行圖示。具體而言，剛性比為0.63～0.77。

另外，在圖6c中示出移位效率η(此處是實際移位，由η示出)與剛性比之間的關係。在圖6c中用虛線箭頭圖示出看作現有技術的、sio2和zro2的層疊板的振動板的剛性比亦即0.11～0.51的範圍，而本發明的範圍如上所述為0.63～0.77，可見與現有技術不同。另外，作為本發明的結構，與現有技術相比移位效率提高也是明顯的。

(實施例2)

圖7a、圖7b示出當由pzt構成壓電體層、由sio2和si3n4構成振動板，恆定保持依據壓電體的膜厚被唯一確定的式(1)的值，並且使壓電體層的膜厚dp從500nm變化至1500nm、使振動板的第一層和第二層的厚度dv1和dv2變化時的、si3n4的彎曲剛性相對于振動板整體的彎曲剛性之比(以下，稱作「剛性比」)與振動板的彎曲剛性的相對值之間的關係。此處，所謂彎曲剛性的相對值是指將振動板整體通過sio2以外的陶瓷構成時的彎曲剛性設為1的情況下的相對值。彎曲剛性相對值為最小值+2％以內的範圍是本發明的範圍，以圖中箭頭進行圖示。具體而言，剛性比為0.73～0.89。

另外，在圖7c中示出移位效率η(此處是實際移位，由η示出)與剛性比之間的關係。

(實施例3)

圖8a、圖8b示出當由pzt構成壓電體層、由sio2和al2o3構成振動板、恆定保持依據壓電體的膜厚被唯一地確定的式(1)的值，並且使壓電體層的膜厚dp從500nm變化至1500nm，使振動板的第一層以及第二層的厚度dv1以及dv2變化時的、al2o3的彎曲剛性相對于振動板整體的彎曲剛性之比(以下，稱作「剛性比」)與振動板的彎曲剛性的相對值之間的關係。此處，所謂彎曲剛性的相對值是指將振動板整體通過sio2以外的陶瓷構成時的彎曲剛性設為1的情況下的相對值。彎曲剛性相對值為最小值+2％以內的範圍是本發明的範圍，以圖中箭頭進行圖示。具體而言，剛性比為0.75～0.91。

另外，在圖8c中示出移位效率η(此處是實際移位，由η示出)與剛性比之間的關係。

(實施例4)

圖9a、圖9b示出當由pzt構成壓電體層、由sio2與sic構成振動板、恆定保持依據壓電體的膜厚被唯一地確定的式(1)的值，並且使壓電體層的膜厚dp從500nm變化至1500nm，使振動板的第一層以及第二層的厚度dv1以及dv2變化時的、sic的彎曲剛性相對于振動板整體的彎曲剛性之比(以下，稱作「剛性比」)與振動板的彎曲剛性的相對值之間的關係。此處，所謂彎曲剛性的相對值是指將振動板整體通過sio2以外的陶瓷構成時的彎曲剛性設為1的情況下的相對值。彎曲剛性相對值為最小值+2％以內的範圍是本發明的範圍，以圖中箭頭進行圖示。具體而言，剛性比為0.76～0.92。

另外，在圖9c中示出移位效率η(此處是實際移位，由η示出)與剛性比之間的關係。

(實施方式2)

在圖10～13中示出搭載於噴墨式記錄裝置等的液體噴射裝置的噴墨式記錄頭(以下稱作記錄頭)的一例。圖10是作為本實施方式所涉及的液體噴射頭的一例的記錄頭的分解立體圖。圖11是流路形成基板的壓電元件側的俯視圖，圖12是以圖11的c-c』線為基準的截面圖，圖13是將壓電元件的主要部分放大後的截面圖。

流路形成基板1010例如由單晶矽基板構成，形成有壓力產生室1012。並且，通過多個間隔壁1011劃分出的壓力產生室1012沿噴出相同顏色墨水的噴嘴開口1021並列設置的方向並列設置。後文中，將在流路形成基板1010中的壓力產生室1012的並列設置方向稱作寬度方向或者第一方向x，將與第一方向x正交的方向稱作第二方向y。另外，在本實施方式中，將與第一方向x以及第二方向y的兩者交叉的方向稱作第三方向z。此外，在本實施方式中，將各方向(x、y、z)的關係設為正交，但各結構的配置關係並不是一定要限定為正交。

在流路形成基板1010的壓力產生室1012的第二方向y的一端部側，通過多個間隔壁1011劃分出墨水供給路1013以及連通路1014，所述墨水供給路1013通過使壓力產生室1012的一側沿第一方向x收縮來減小開口面積而成，所述連通路1014在第一方向x上具有與壓力產生室1012大致相同的寬度。在連通路1014的外側(在第二方向y上與壓力產生室1012相反側)形成有連通部1015，所述連通部1015構成成為各壓力產生室1012的共用的墨水室的歧管的一部分。即，在流路形成基板1010形成有由壓力產生室1012、墨水供給路1013、連通路1014以及連通部1015構成的液體流路。

穿設有與各壓力產生室1012連通的噴嘴開口1021的噴嘴板1020通過粘接劑、熱熔敷膜等與流路形成基板1010的一面側、即壓力產生室1012等的液體流路開口的面接合。在噴嘴板1020上在第一方向x上並列設置有噴嘴開口1021。與此相對，在與流路形成基板1010的一面側對置的另一面側設置有振動板1050，所述振動板1050包括由sio2(二氧化矽)等構成的彈性膜1051以及由zro2(氧化鋯)等構成的絕緣體膜1052。作為該振動板1050，只要以與上述的實施方式同樣的厚度構成即可。另外，與實施方式1同樣地，能夠代替作為第二層的zro2，轉而採用楊氏模量比sio2大的陶瓷。

在絕緣體膜1052上經由緊貼層1056形成包括第一電極1060、壓電體層1070以及第二電極1080的壓電元件1300。這種壓電元件1300與上述的壓電元件300同樣，因此省略詳細的說明。

在以上說明的形成有壓電元件1300的流路形成基板1010上通過粘接劑1035接合保護基板1030。保護基板1030具有歧管部1031。通過歧管部1031構成歧管1100的至少一部分。本實施方式所涉及的歧管部1031沿作為厚度方向的第三方向z貫通保護基板1030，進而遍布作為壓力產生室1012的寬度方向的第一方向x而形成。並且，歧管部1031如上述那樣與流路形成基板1010的連通部1015連通。通過這些結構，構成成為各壓力產生室1012的共用的墨水室的歧管1100。

在保護基板1030上，在包含壓電元件1300的區域中形成有壓電元件保持部1032。壓電元件保持部1032具有不阻礙壓電元件1300的運動的程度的空間。該空間可以被密封，也可以不被密封。在保護基板1030上設置有沿作為厚度方向的第三方向z貫通保護基板1030的貫通孔1033。引線電極(leadelectrode)1090的端部在貫通孔1033內露出。

在保護基板1030上固定有作為信號處理部發揮功能的驅動電路1120。驅動電路1120例如能夠使用電路基板、半導體集成電路(ic)。驅動電路1120與引線電極1090經由連接布線1121而被電連接。驅動電路1120能夠與印表機控制器1200電連接。這樣的驅動電路1120作為本實施方式所涉及的控制單元發揮功能。

在保護基板1030上接合由密封膜1041和固定板1042構成的柔性基板1040。固定板1042的與歧管1100對置的區域為在作為厚度方向的第三方向z上被完全除去而形成的開口部1043。歧管1100的一個面(+z方向側的面)僅由具有撓性的密封膜1041密封。

即使在這樣的液體噴射頭中，為了提高移位效率也能夠採用本發明的振動板結構。

(其他的實施方式)

至此，對於本發明的壓電元件應用設備，以超聲波傳感器、液體噴射頭為例進行了說明，但本發明的基本的結構並不限定於此。例如，在上述的實施方式1、2中，作為基板例示了單晶矽基板，但並不限定於此，例如可以使用soi基板、玻璃等的材料。

在上述的實施方式2中，作為液體噴射頭的一例而舉出噴墨式記錄頭進行了說明，但能夠廣泛地應用於液體噴射頭整體，當然也能夠應用於噴射墨水以外的液體的液體噴射頭。作為其他的液體噴射頭，例如存在用於印表機等的圖像記錄裝置的各種記錄頭、用於液晶顯示器等的彩色濾光片的製造的色材噴射頭、用於有機el顯示器、fed(場發射顯示器)等的電極形成的電極材料噴射頭、用於生物晶片製造的生物體有機物噴射頭等。

另外，本發明不限定於超聲波傳感器、液體噴射頭，也能夠應用與搭載在其他的壓電元件應用設備上的壓電元件。作為壓電元件應用設備的一例列舉出超聲波設備、馬達、壓力傳感器、熱電元件、鐵電體元件等。另外，利用了這些壓電元件應用設備的完成體、例如利用了上述液體等噴射頭的液體等噴射裝置、利用了上述超聲波設備的超聲波傳感器、利用上述馬達作為驅動源的機器人、利用了上述熱電元件的ir傳感器、利用了鐵電體元件的鐵電體存儲器等也包含在壓電元件應用設備。

在附圖中示出的結構要素、即層等的厚度、寬度、相對位置關係等在對本發明進行說明的基礎上有時誇張地示出。另外，本說明書中的「上」的用語並不限定為結構要素的位置關係是「正上方」的情況。例如，「基板上的第一電極」、「第一電極上的壓電體層」的描述不排除在基板與第一電極之間、在第一電極與壓電體層之間包含其他的結構要素的情況。