(57)【要約】      （修正有）【課題】ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を用いた圧電素子のリーク電流を小さくし、圧電素子の信頼性を高めるとともに、耐電圧性を高める圧電素子を提供する。【解決手段】第一電極層８と、第二電極層１４と、第一および第二電極層で挟まれた圧電体層１０，１２とを備え、圧電体層は、Ｍｎを実質的に含まないニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第一の圧電体層１０、およびＭｎを含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第二の圧電体層１２を少なくともそれぞれ一層ずつ備える。【選択図】図１
2014107563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極層と、第二電極層と、前記第一および第二電極層に挟まれた圧電体層とを備え、前記圧電体層は、Ｍｎ（マンガン）を実質的に含まないニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第一の圧電体層、およびＭｎを含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第二の圧電体層を少なくともそれぞれ一層ずつ備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記第一の圧電体層、および前記第二の圧電体層の少なくとも一方にＬｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記第二の圧電体層に含まれるＭｎの含有量が０．１ａｔ％ 以上、５．０ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第一の圧電体層のＮａ（ナトリウム）／（Ｎａ＋Ｋ（カリウム））比が０．５５以上、０．７５以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記圧電体層が、二層以上の前記第二の圧電体層により前記第一の圧電体層が挟まれた構成であり、前記第二の圧電体層と前記第一電極層との間、および前記第二の圧電体層と前記第二電極層との間に前記第一の圧電体層を備えないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子を用いた圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子を用いた圧電センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。
【請求項９】
請求項６に記載の圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜圧電材料を用いた圧電素子、その圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、並びにその薄膜圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電材料の鉛フリー化の要望が高まっている中で、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３（以下、ＫＮＮともいう））の研究が盛んになってきている。ＫＮＮは鉛フリー圧電材料の中でも比較的高いキュリー温度、良好な圧電特性が得られるとされ、注目されている。
【０００３】
さらに、バルク圧電材料に代わって、薄膜圧電材料を用いた圧電素子の実用化が進んでいる。一例としては、圧電体層に加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用した圧電センサとして、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサや、マイクロフォンなど、あるいは圧電体層に電圧を印加した際に圧電体層が変形する逆圧電効果を利用した圧電アクチュエータとして、ハードディスクドライブヘッドアセンブリ、インクジェットプリントヘッド、あるいは同様に逆圧電効果を利用したスピーカー、ブザー、レゾネータなどが挙げられる。
【０００４】
圧電材料を薄膜化すると、素子の小型化が可能になり、応用できる分野が広がるとともに、基板上に多数の素子を一括して作製することができるため量産性が増す。またセンサにした場合の感度の向上など性能面での利点も多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４５８８８０７号公報
【特許文献２】特開２００９−１３０１８２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １１  （２０１１）  Ｓ２６６
【非特許文献２】Ｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．：  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９７，  ０７２９０２  （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＫＮＮ薄膜はそれを挟む両電極に電圧を印加した際に発生するリーク電流が大きく、実際の圧電素子としての機能が得られにくいという問題がある。これは、リーク電流が大きいと、両電極に高電圧を印加した際に素子が発熱しやすく、素子の信頼性が低くなってしまうからである。
【０００８】
またリーク電流が大きいと、電圧が効果的に圧電体層に印加されず、素子の圧電特性が低くなってしまうという課題もある。さらにリーク電流が大きいことで、耐電圧性も低下してしまい、高電圧を印加した際に素子が破壊されやすくなる、という課題もある。
【０００９】
圧電素子のリーク電流を小さくする手法として、異種の材料を積層してリーク電流特性を改善する技術がある（特許文献１参照）。しかしこの技術は、格子定数の異なる異種の材料の積層をする必要があり、圧電体層の結晶性が劣化し圧電特性が劣化してしまう問題がある。また、異種材料が混在するため熱による異種材料の相互拡散が起こりやすく、素子の圧電特性、信頼性が劣化しやすい。
【００１０】
一定以上の抵抗値を持つ高抵抗電流ブロック層を電極間に挿入することによりリーク電流特性を改善する技術もあるが（特許文献２参照）、このような構成だと、高抵抗な層が電極間にあるため電圧が圧電体層にかかりにくく、素子の圧電特性が劣化してしまう。
【００１１】
Ｍｎ（マンガン）をＫＮＮ薄膜に添加することにより、ホール密度および酸素空孔の低減を図ることによりリーク電流特性を改善する技術がある（非特許文献１、２参照）。しかしＭｎ添加による、誘電損失の増大、圧電特性の低下という課題がある。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、ＫＮＮ薄膜を用いた圧電素子のリーク電流を小さくすることで、圧電素子の信頼性を高めるとともに、耐電圧性を高め、駆動可能電圧の範囲を拡大し、より大きな変位量を得ることのできる圧電素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
大きな変位量を得られるということは高い圧電定数を持つということなので、圧電効果を用いた素子の場合、感度の高いセンサ等の用途に応用でき、逆圧電効果を用いた素子の場合小さい電圧で大きな振動が得られる効率的なアクチュエータ等の用途に応用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子は、第一電極層と、第二電極層と、前記第一および第二電極層に挟まれた圧電体層とを備え、この圧電体層は、Ｍｎを実質的に含まないニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第一の圧電体層、およびＭｎを含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第二の圧電体層を少なくとも一層ずつ備える。ここで、実質的に含まない、とは、不可避な不純物を除けば含まない、という意味である。
【００１５】
Ｍｎを実質的に含まないＫＮＮ薄膜である第一の圧電体層とＭｎを含むＫＮＮ薄膜である第二の圧電体層とを少なくとも一層ずつ備えることで、素子のリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性の劣化を抑制することができる。
【００１６】
圧電体層において、リーク電流の小さいＭｎを含むＫＮＮ薄膜を第一および第二電極層の少なくとも一方の電極層に直接接する構成とすることで、電流の障壁を形成し、リーク電流を低減することができたと考えられる。それに加えて、圧電特性の大きいＭｎを実質的に含まないＫＮＮ薄膜を備えることにより圧電特性の劣化を抑制することができたものと思われる。
【００１７】
本発明に係る圧電素子は、第一の圧電体層および第二の圧電体層の少なくとも一方にＬｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことが好ましい。これにより、素子の圧電特性をさらに高めることができる。
【００１８】
本発明に係る圧電素子は、第二の圧電体層に含まれるＭｎの含有量が０．１ａｔ％以上、５．０ａｔ％以下であることが好ましい。Ｍｎの含有量を０．１ａｔ％以上とすることでリーク電流特性を改善することができ、５．０ａｔ％以下とすることで、圧電特性の劣化を抑えることができる。
【００１９】
本発明に係る圧電素子は、第一の圧電体層のＮａ（ナトリウム）／（Ｎａ＋Ｋ（カリウム））比が０．５５以上、０．７５以下であることが好ましい。Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ）比を０．５５以上とすることで、素子の圧電特性を高めることができ、０．７５以下とすることで、リーク電流の増加を防止することができる。
【００２０】
本発明に係る圧電素子は、二層以上の第二の圧電体層により第一の圧電体層が挟まれた構成であり、第二の圧電体層と第一電極層との間、および第二の圧電体層と第二電極層との間に第一の圧電体層を備えない構成とすることが好ましい。この構成とすることで、素子のリーク電流をさらに低減することができる。
【００２１】
本発明に係る圧電アクチュエータは、上記の構成で表される圧電素子を有しており、この圧電素子は複数のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を備えている。圧電アクチュエータとして具体的には、ハードディスクドライブのヘッドアセンブリ、インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータなどが挙げられる。
【００２２】
また、本発明に係る圧電センサは、上記の構成で表される圧電素子を有しており、この圧電素子は複数のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を備えている。薄膜圧電センサとして具体的には、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサなどが挙げられる。
【００２３】
そして、本発明に係るハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置には上記の圧電アクチュエータが用いられている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係わる圧電素子によれば、従来のＫＮＮ薄膜を用いた圧電素子よりもリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性を向上させることができる。また、本発明に係る圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、においてもリーク電流の低減、圧電特性の向上を図ることができ、高性能なハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施態様に係わる圧電素子の構成図である。
【図２】本発明の他の実施態様に係わる圧電素子の構成図である。
【図３】本発明に係わる圧電アクチュエータの一例の構造図である。
【図４】本発明に係わる圧電アクチュエータの他の例の構造図である。
【図５】本発明に係わる圧電センサの一例の構造図である。
【図６】本発明に係わる圧電センサの第二の例の構造図である。
【図７】本発明に係わる圧電センサの第三の例の構造図である。
【図８】本発明に係わるハードディスクドライブの構造図である。
【図９】本発明に係わるインクジェットプリンタ装置の構造図である。
【図１０】本発明の他の実施態様に係わる一実施例におけるオージェ電子分光法プロファイルである。
【図１１】本発明の他の実施態様に係わる他の実施例におけるオージェ電子分光法プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素については同一の符号を付す。また、上下左右の位置関係は図面に示す通りである。また、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００２７】
（圧電素子）
（実施形態１）
図１に本実施形態に係る圧電素子１００を示す。圧電素子１００は、基板４と、基板４上に設けられた絶縁層６および第一電極層８と、第一電極層８上に形成された第一の圧電体層１０と、第一の圧電体層１０上に形成された第二の圧電体層１２と、第二の圧電体層１２上に形成された第二電極層１４とを備える。
【００２８】
基板４には、（１００）面方位を有するシリコン基板を用いることができる。基板４は、一例として、５０μｍ以上、１０００μｍ以下の厚さを有する。また、基板４として、（１００）面とは異なる面方位を有するシリコン基板、Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、サファイア基板、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板等を用いることもできる。
【００２９】
絶縁層６は、基板４が導電性である場合に用いられる。絶縁層６にはシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。基板４が導電性を持たない場合、絶縁層６は備えなくてもよい。絶縁層６は、スパッタリング法、真空蒸着法、熱酸化法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００３０】
第一電極層８は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第一電極層８は、一例として、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下の厚さを有する。第一電極層８をＰｔから形成することにより、高い配向性を有する第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２を形成できる。また、第一電極層８として、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３等の導電性金属酸化物を用いることもできる。第一電極層８は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００３１】
第一の圧電体層１０に用いる材料としては、Ｍｎを実質的に含まない（ＫａｘＮａ1-x）ＮｂＯ３（ニオブ酸カリウムナトリウム）が用いられる。第一の圧電体層１０は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００３２】
第二の圧電体層１２にはＭｎを含む（ＫａｙＮａ1-ｙ）ＮｂＯ３（ニオブ酸カリウムナトリウム）が用いられる。第二の圧電体層１２は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００３３】
Ｍｎを実質的に含まないＫＮＮ薄膜からなる第一の圧電体層１０とＭｎを含むＫＮＮ薄膜からなる第二の圧電体層１２を少なくとも一層ずつ備えることで、素子のリーク電流を低減することができるともに、圧電特性の劣化を防止することができる。
【００３４】
第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２の少なくとも一方にＬｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことができる。これらの各元素の含有量は０．１ａｔ％以上、５．０ａｔ％以下であることが好ましい。これにより、素子の圧電特性をさらに高めることができる。
【００３５】
第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が０．１ａｔ％以上、５．０ａｔ％以下であることが好ましい。第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量を０．１ａｔ％以上とすることで素子のリーク電流特性を改善することができ、５．０ａｔ％以下とすることで、圧電特性の劣化を抑えることができる。
【００３６】
第一の圧電体層１０のＮａ／（Ｎａ＋Ｋ）比が０．５５以上、０．７５以下であることが好ましい。Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ）比を０．５５以上とすることで、素子の圧電特性を高めることができ、０．７５以下とすることで、リーク電流の増加を防止することができる。
【００３７】
第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２との膜厚の合計は、特に限定されず、例えば、０．５〜１０μｍ程度とすることができる。
【００３８】
下記の式（１）で表される第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２の各々の膜厚の比率（複数備える場合はそれぞれの合計の比率）は１．０以上、１０．０以下とすることが好ましい。
膜厚比率  ＝  第一の圧電体層の膜厚（複数層の場合はその合計）／第二の圧電体層の膜厚（複数層の場合はその合計）  ・・・  式（１）
この膜厚比率を１．０以上とすることで、素子の圧電特性を高めることができるとともに、リーク電流の増加を抑制できる。また、この膜厚比率を１０．０以下とすることで、素子のリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性の劣化を抑制できる。
【００３９】
第二電極層１４は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第二電極層１４は、一例として、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下の厚さを有する。また、第二電極層１４として、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３等の導電性金属酸化物を用いることもできる。第二電極層１４は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００４０】
なお、圧電素子１００から基板４を除去してもよい。これにより、圧電素子１００の変位量や感度を高めることができる。
【００４１】
また、圧電素子１００を保護膜によりコーティングしてもよい。これにより、圧電素子１００の信頼性を高めることができる。
【００４２】
圧電素子１００では電極層８、１４と圧電体層との間に中間層を備えてもよい。この中間層としては導電性酸化物が用いられる。とくにＳｒＲｕＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３、（ＬａｘＳｒ１−ｘ）ＣｏＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｌａ４ＢａＣｕ５Ｏ１３  などは導電性が高く耐熱性もあり好ましい。
【００４３】
また、圧電素子１００の第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が、第一の圧電体層１０に向かって減少していることが好ましい。この構成にすることで、圧電素子１００のリーク電流をさらに低減することができる。
【００４４】
更に、圧電素子１００は、第二の圧電体層１２と接する電極層８、１４または中間層にＭｎを含むことが好ましい。この構成にすることで、圧電素子１００のリーク電流をさらに低減することができる。
【００４５】
（実施形態２）
図２に本実施形態に係る圧電素子１０１を示す。第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２以外の部分については、実施形態１と同様である。圧電素子１０１は、圧電体層が、二層の第二の圧電体層１２により第一の圧電体層１０が挟まれた構成である。
【００４６】
第二の圧電体層１２および第一の圧電体層１０はともに二層以上にしてもよいが、その場合、第二の圧電体層１２と第一電極層８との間、および第二の圧電体層１２と第二電極層１４との間に第一の圧電体層１０を備えない構成にすることが好ましい。この構成にすることにより、圧電素子１０１のリーク電流を低減することができる。
【００４７】
以上、本発明の圧電素子の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
（圧電アクチュエータ）
図３は、これらの圧電素子を用いた圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブに搭載されたヘッドアセンブリの構成図である。この図に示すように、ヘッドアセンブリ２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、駆動素子である第１及び第２の圧電素子１３、及びヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を備えている。
【００４９】
そして、ロードビーム１１は、ベースプレート９に例えばビーム溶接などにより固着されている基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから先細り状に延在された第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的かつ先細り状に延在するビーム主部１１ｆと、を備えている。
【００５０】
第１及び第２の圧電素子１３は、所定の間隔を保ってフレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上にそれぞれ配置されている。スライダ１９はフレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電素子１３の伸縮に伴って回転運動する。
【００５１】
第１及び第２の圧電素子１３は、第一電極層と、第二電極層と、この第一および第二電極層に挟まれた圧電体層から構成されており、この圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
【００５２】
図４は、上記の圧電素子を用いた圧電アクチュエータの他の例としてのインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成図である。
【００５３】
圧電アクチュエータ３００は、基体２０上に、絶縁膜２３、下部電極層２４、圧電体層２５および上部電極層２６を積層して構成されている。
【００５４】
所定の吐出信号が供給されず下部電極層２４と上部電極層２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電体層２５には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電素子が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。
【００５５】
一方、所定の吐出信号が供給され、下部電極層２４と上部電極層２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電体層２５に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電素子が設けられている圧力室２１ではその絶縁膜２３が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。
【００５６】
ここで、圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
【００５７】
（圧電センサ）
図５（ａ）は、上記の圧電素子を用いた圧電センサの一例としてのジャイロセンサの構成図（平面図）であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００５８】
ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０、１３０を備える音叉振動子型の角速度検出素子である。このジャイロセンサ４００は、上述の圧電素子を構成する圧電体層３０、上部電極層３１、及び下部電極層３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０、１３０）は、圧電素子によって一体的に形成されている。
【００５９】
一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極層３１を所定の電極形状にエッチングすることにより得られる。
【００６０】
なお、基部１１０、及びアーム１２０、１３０のそれぞれの第二の主面（第一の主面の裏側の主面）にべた状に形成されている下部電極層３２は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。
【００６１】
ここで、それぞれのアーム１２０、１３０の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム１２０、１３０の主面を含む平面をＸＺ平面とした上で、ＸＹＺ直交座標系を定義する。
【００６２】
駆動電極層３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０は、面内振動モードで励振する。面内振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。
【００６３】
この状態でジャイロセンサ４００にＺ軸を回転軸として角速度ωの回転が加わると、二つのアーム１２０、１３０のそれぞれについて速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、面外振動モードで励振し始める。面外振動モードとは、二つのアーム１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０が励振する振動モードのことを称する。例えば、一方のアーム１２０に作用するコリオリ力Ｆ１が−Ｙ方向であるとき、他方のアーム１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。
【００６４】
コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電体層３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極層３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。
【００６５】
この圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
【００６６】
図６は、上記の圧電素子を用いた圧電センサの第二の例としての圧力センサの構成図である。
【００６７】
圧力センサ５００は、圧力を受けたときに対応するための空洞４５を有するとともに、圧電素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。圧電素子４０は共通電極層４１と圧電体層４２と個別電極層４３とを含み、この順に支持体４４に積層されている。ここで、外力がかかると圧電素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
【００６８】
この圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
【００６９】
図７は、上記の圧電素子を用いた圧電センサの第三の例としての脈波センサの構成図である。
【００７０】
脈波センサ６００は、基体５１上に送信用圧電素子、及び受信用圧電素子を搭載した構成となっており。ここで、送信用圧電素子では送信用圧電体層５２の厚み方向の両面には電極層５４ａ、５５ａが形成されており、受信用圧電素子では受信用圧電体層５３の厚み方向の両面にも電極層５４ｂ、５５ｂが形成されている。また、基体５１には、電極５６、上面用電極５７が形成されており、電極層５４ａ、５４ｂと上面用電極５７とはそれぞれ配線５８で電気的に接続されている。
【００７１】
生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ６００の基板裏面（圧電素子が搭載されていない面）を生体に当接させる。そして、脈の検出時に、送信用圧電素子の両電極層５４ａ、５５ａに特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用圧電素子は両電極層５４ａ、５５ａに入力された駆動用電圧信号に応じて励振して超音波を発生し、該超音波を生体内に送信する。生体内に送信された超音波は血流により反射され、受信用圧電素子により受信される。受信用圧電素子は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極層５４ｂ、５５ｂから出力する。
【００７２】
この両圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
【００７３】
（ハードディスクドライブ）
図８は、図３に示したヘッドアセンブリを搭載したハードディスクドライブの構成図である。
【００７４】
ハードディスクドライブ７００は、筐体６０内に、記録媒体としてのハードディスク６１と、これに磁気情報を記録及び再生するヘッドスタックアセンブリ６２とを備えている。ハードディスク６１は、図示を省略したモータによって回転させられる。
【００７５】
ヘッドスタックアセンブリ６２は、ボイスコイルモータ６３により支軸周りに回転自在に支持されたアクチュエータアーム６４と、このアクチュエータアーム６４に接続されたヘッドアセンブリ６５とから構成される組立て体を、図の奥行き方向に複数個積層したものである。ヘッドアセンブリ６５の先端部には、ハードディスク６１に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている（図３参照）。
【００７６】
ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａ（図３参照）を２段階で変動させる形式を採用している。ヘッド素子１９ａの比較的大きな移動はボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５、及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動で制御し、微小な移動はヘッドアセンブリ６５の先端部によるヘッドスライダ１９の駆動により制御する。
【００７７】
このヘッドアセンブリ６５に用いられる圧電素子において、圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分なアクセス性を得ることができる。
【００７８】
（インクジェットプリンタ装置）
図９は、図４に示したインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータを搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
【００７９】
インクジェットプリンタ装置８００は、主にインクジェットプリンタヘッド７０、本体７１、トレイ７２、ヘッド駆動機構７３を備えて構成されており、図４における圧電アクチュエータ３００はインクジェットプリンタヘッド７０に搭載されている。
【００８０】
インクジェットプリンタ装置８００は、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジを備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。また、このインクジェットプリンタ装置８００は、内部に専用のコントローラボード等を備えており、インクジェットプリンタヘッド７０のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。また、本体７１は背面にトレイ７２を備えるとともに、その内部にオートシートフィーダ（自動連続給紙機構）７６を備え、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。
【００８１】
このインクジェットプリンタヘッド７０の圧電アクチュエータに用いられる圧電素子において、圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【実施例】
【００８２】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８３】
（圧電素子の作製）
（実施例１）
本実施例において、「基体」とは、各工程における被成膜体を意味する。
【００８４】
熱酸化膜（ＳｉＯ２：絶縁層６）付きの直径３インチのシリコンウエハ（基板４）をＲＦスパッタリング装置の真空チャンバ内に設置し、真空排気を行ったのちに、第一電極層８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は４００℃、第一電極層８の厚さは２００ｎｍとした。
【００８５】
続いて、基体を複数のスパッタリングターゲットを装着したＲＦスパッタリング装置のチャンバに移し、真空排気を行ったのちに、第一の圧電体層１０として、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、第一の圧電体層１０の厚さは１５００ｎｍとした。
【００８６】
引き続き同じチャンバにおいて、スパッタリングターゲットを切り替え、第二の圧電体層１２として、Ｍｎを２．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを２．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。Ｍｎは、焼結体全体が１００ａｔ％となるように加えられる。以下の他の添加物も同様である。成膜時の基体温度は５５０℃、第二の圧電体層１２の厚さは５００ｎｍとした。圧電体層の組成は、それぞれのスパッタリングターゲットの組成とほぼ同様となる。
【００８７】
その後、基体を再びＲＦスパッタリング装置の別チャンバに移し、真空排気を行った後に、第二電極層１４としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は２００℃、第二電極層１４の厚さは２００ｎｍとした。
【００８８】
第二電極層１４を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウエットエッチングにより圧電体層を含む積層体をパターニングし、ウエハを切断加工することで、可動部分寸法が５ｍｍ×２０ｍｍである圧電素子１００を得た。  
【００８９】
表１に本実施例における、第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２それぞれの主成分、並びに添加物とその含有量、膜厚を示す。併せて、圧電素子１００の積層構造と、前記の式（１）から求めた第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２との膜厚比率を表１に示す。
【００９０】
【表１】
2014107563.tif 000003
2014107563.tif 000004
2014107563.tif 000005
2014107563.tif 000006
2014107563.tif 000007
2014107563.tif 000008
2014107563.tif 000009
【００９１】
（比較例１）
実施例１において、第一電極層８を形成した後に、基体をＲＦスパッタリング装置の別チャンバに移し、真空排気を行ったのちに、単層の圧電体層として、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。
【００９２】
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例１の圧電素子を作製した。
【００９３】
（比較例２）
圧電体層として、Ｍｎを２．０ａｔ％含む単層の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を用いた。圧電体層以外の素子構成、作製工程は比較例１と同様にして、比較例２の圧電素子を作製した。
【００９４】
（比較例３）
圧電体層として、Ｌｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔａ、Zrをそれぞれ１．０ａｔ％含む単層の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を用いた。圧電体層以外の素子構成、作製工程は比較例１と同様にして、比較例３の圧電素子を作製した。
【００９５】
（比較例４）
圧電体層として、Ｍｎを２．０ａｔ％、Ｌｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔａ、Zrをそれぞれ１．０ａｔ％含む単層の（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を用いた。圧電体層以外の素子構成、作製工程は比較例１と同様にして、比較例４の圧電素子を作製した。
【００９６】
（実施例２〜１０）
表１に示す材料をスパッタリングターゲットとして用い、第一の圧電体層１０、第二の圧電体層１２を形成した。その他の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、実施例２〜１０の圧電素子１００を作製した。
【００９７】
（実施例１１〜２２）
第二の圧電体層１２に添加されるＭｎ含有量が、表１に示す値になるようにスパッタリングターゲットの組成を調整した。その他の素子構成、作製工程は実施例１０と同様にして、実施例１１〜２２の圧電素子１００を作製した。
【００９８】
（実施例２３〜２９）
第一の圧電体層１０、および第二の圧電体層１２に用いる（ＫｘＮａ１−ｘ）ＮｂＯ３、（ＫｙＮａ１−ｙ）ＮｂＯ３のｘ、ｙの値が表１に示す値になるようスパッタリングターゲットの組成を調整した。その他の素子構成、作製工程は実施例１０と同様にして、実施例２３〜２９の圧電素子１００を作製した。
【００９９】
（実施例３０）
実施例１において、第一電極層８の形成に続いて、基体を複数のスパッタリングターゲットを装着したＲＦスパッタリング装置のチャンバに移し、真空排気を行ったのちに、第二の圧電体層１２として、Ｍｎを含む（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを２．０ａｔ％含む（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、第二の圧電体層１２の厚さは２５０ｎｍとした。
【０１００】
引き続き同じチャンバにおいて、スパッタリングターゲットを切り替え、第一の圧電体層１０として、（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、第一の圧電体層１０の厚さは１５００ｎｍとした。
【０１０１】
その後引き続き同じチャンバにおいて、スパッタリングターゲットを切り替え、第二の圧電体層１２として、Ｍｎを含む（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを２．０ａｔ％含む（Ｋ０．４４Ｎａ０．５６）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、第二の圧電体層１２の厚さは２５０ｎｍとした。
【０１０２】
その後、基体を再びＲＦスパッタリング装置の別チャンバに移し、真空排気を行った後に、第二電極層１４としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は２００℃、第二電極層１４の厚さは２００ｎｍとした。
【０１０３】
その他の素子構成、作製工程は実施例１０と同様にして、実施例３０の圧電素子１０１を作製した。
【０１０４】
（実施例３１〜３９）
第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２との膜厚比率が表１に示す値になるよう膜厚を設定したこと以外は実施例３０と同様にして、実施例３１〜３９の圧電素子１０１を作製した。
【０１０５】
（実施例４０）
実施例３０の圧電素子１０１と同様の圧電素子１０１を作製する際に、第二電極層１４を形成した後に、積層体を大気中において熱処理をした。熱処理は３００℃、１時間行った。熱処理以外の工程は実施例３０と同様にして、実施例４０の圧電素子１０１を作製した。熱処理後、積層体の一部を切断し第一電極層８、第一の圧電体層１０、第二の圧電体層１２、第二電極層１４からなる圧電素子１０１に含まれるＭｎ含有量の膜厚方向のプロファイルをオージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により分析した。図７にＭｎおよび他の主要構成金属元素の深さ方向の含有量プロファイルを示す。第二の圧電体層１２には所定量のＭｎが含まれており、第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２との界面近傍において、第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が、第一の圧電体層１０に向かって減少していることが確認された。また、第一の圧電体層１０ではＭｎが検出されておらず、第一の圧電体層１０には実質的にＭｎが含まれていないことが確認された。
【０１０６】
（実施例４１）
実施例３０の圧電素子１０１と同様の圧電素子１０１を作製する際に、第二電極層１４を形成した後に、積層体を大気中において熱処理をした。熱処理は７００℃、１時間行った。熱処理以外の工程は実施例３０と同様にして、実施例４１の圧電素子１０１を作製した。熱処理後、積層体の一部を切断し、第一電極層８、第一の圧電体層１０、第二の圧電体層１２、および第二電極層１４を含む圧電素子１０１に含まれるＭｎ含有量の膜厚方向のプロファイルをオージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により分析した。図８にＭｎおよび他の主要構成金属元素の深さ方向の含有量プロファイルを示す。第二の圧電体層１２には所定量のＭｎが含まれており、第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２との界面近傍において、第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が、第一の圧電体層１０に向かって減少していることが確認された。また、第一電極層８、および第二電極層１４の第二の圧電体層１２との界面近傍において、Ｍｎが含まれていることが確認された。さらに、図７と同様に、第一の圧電体層１０ではＭｎが検出されておらず、第一の圧電体層１０には実質的にＭｎが含まれていないことが確認された。
【０１０７】
（圧電素子の評価）
実施例１〜４１、および比較例１〜４の各圧電素子のリーク電流密度を強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いて評価した。印加電圧は±２０Vとし、２Vステップで２秒間ずつ測定を行った。測定で得られた最大リーク電流密度の絶対値を表２に示す。さらに各圧電素子に電圧を印加した際の変位量をレーザドップラー振動計（グラフテック社製）を用いて測定した。第一電極層を正極、第二電極層を負極に接続し、周波数１ｋＨｚの正弦波（±３Ｖまたは±２０V）の電圧を印加して測定した変位量の値を表２に示す。
【０１０８】
【表２】
2014107563.tif 000010
【０１０９】
第一電極層８と、第二電極層１４と、前記第一および第二電極層に挟まれた圧電体層とを備え、この圧電体層は、Ｍｎを実質的に含まないニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第一の圧電体層１０、およびＭｎを含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜である第二の圧電体層１２を少なくともそれぞれ一層ずつ備える実施例１〜４１の圧電素子は、この要件を備えない比較例１〜４の圧電素子より±２０V印加時の変位量が大きいことが確認された。
【０１１０】
比較例２の圧電素子のリーク電流は、一部実施例の圧電素子より低いものの、変位量は小さく実用的でないことが確認された。
【０１１１】
第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２の少なくとも一方にＬｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む実施例２〜４１の圧電素子の±２０V印加時の変位量は、この要件を備えない実施例１の圧電素子１００の変位量より大きいことが確認された。
【０１１２】
第一の圧電体層１０および第二の圧電体層１２の両方にＬｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含む実施例１０の圧電素子１００の±２０V印加時の変位量は、前記の元素を第一の圧電体層１０にしか含まないことを除いて同様に作製した実施例２〜９の圧電素子１００の変位量より大きいことが確認された。
【０１１３】
第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が０．１ａｔ％ 以上、５．０ａｔ％以下である実施例１２〜２０の圧電素子１００の±２０V印加時の変位量は、この要件を備えない他は同様に作製した実施例１１、２１、２２の圧電素子１００の変位量より大きいことが確認された。
【０１１４】
第一の圧電体層１０のＮａ／（Ｎａ＋Ｋ）比が０．５５以上、０．７５以下である実施例２５〜２８の圧電素子１００の±２０V印加時の変位量は、この要件を備えない他は同様に作製した実施例２３、２４、２９の圧電素子１００の変位量より大きいことが確認された。
【０１１５】
圧電体層が、二層以上の第二の圧電体層１２により第一の圧電体層１０が挟まれた構成であり、第二の圧電体層１２と第一電極層８との間、および第二の圧電体層１２と第二電極層１４との間に第一の圧電体層１０を備えない構成とした実施例３０の圧電素子１０１の±２０V印加時の変位量は、この要件を備えない他は同様に作製した実施例１〜２９の圧電素子１００の変位量より大きいことが確認された。
【０１１６】
第一の圧電体層１０と第二の圧電体層１２の各々の膜厚の合計の比率を1以上、１０以下とした実施例３０、実施例３３〜３７の圧電素子１０１の±２０V印加時の変位量は、この要件を満たさないこと以外は同様に作製した実施例３１、３２、３８、３９の圧電素子１０１の変位量より大きいことが確認された。
【０１１７】
第二の圧電体層１２に含まれるＭｎの含有量が、第一の圧電体層１０に向かって減少している実施例４０の圧電素子１０１の±２０V印加時の変位量は、この要件を満たさないこと以外は同様に作製した実施例３０の圧電素子１０１の変位量より大きいことが確認された。
【０１１８】
第一電極層８、第二電極層１４にＭｎが含まれている実施例４１の圧電素子１０１の±２０V印加時の変位量は、この要件を満たさないこと以外は同様に作製した実施例４０の圧電素子１０１の変位量より大きいことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明に係わる圧電素子は、第一電極層と、第二電極層と、この第一および第二電極層に挟まれた圧電体層から構成されており、圧電アクチュエータの圧電体層としてこのリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いた場合、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
【０１２０】
また、圧電センサの圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
【０１２１】
ハードディスクドライブのヘッドアセンブリに用いられる圧電素子において、圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分なアクセス性を得ることができる。
【０１２２】
そして、インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータに用いられる圧電素子において、圧電体層として本発明に係わるリーク電流が小さく、大きな変位量の複数層からなる圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
４      基板
６      絶縁層
８      第一電極層
９      ベースプレート
１０      第一の圧電体層
１１      ロードビーム
１２      第二の圧電体層
１３，  ４０，  １００，  １０１    圧電素子
１４      第二電極層
１５      配線用フレキシブル基板
１７      フレクシャ
１９      スライダ
１９ａ      ヘッド素子
２０，  ５１      基体
２１      圧力室
２３      絶縁膜
２４，  ３２      下部電極層
２５，  ３０，  ４２      圧電体層
２６，  ３１      上部電極層
２７      ノズル
４１      共通電極層
４３      個別電極層
４４      支持体
４５      空洞
４６      電流増幅器
４７      電圧測定器
５２      送信用圧電体層
５３      受信用圧電体層
５４ａ，  ５４ｂ，  ５５ａ，  ５５ｂ      電極層
５６      電極
５７      上面用電極
５８      配線
６０      筐体
６１      ハードディスク
６２      ヘッドスタックアセンブリ
６３      ボイスコイルモータ
６４      アクチュエータアーム
６５，  ２００      ヘッドアセンブリ
７０      インクジェットプリンタヘッド
７１      本体
７２      トレイ
７３      ヘッド駆動機構
１１０      基部
１２０，  １３０      アーム
３００      圧電アクチュエータ
４００      ジャイロセンサ
５００      圧力センサ
６００      脈波センサ
７００      ハードディスクドライブ
８００      インクジェットプリンタ装置
【図１】
2014107563.tif 000011
【図２】
2014107563.tif 000012
【図３】
2014107563.tif 000013
【図４】
2014107563.tif 000014
【図５】
2014107563.tif 000015
【図６】
2014107563.tif 000016
【図７】
2014107563.tif 000017
【図８】
2014107563.tif 000018
【図９】
2014107563.tif 000019
【図１０】
2014107563.tif 000020
【図１１】
2014107563.tif 000021