(57)【要約】【課題】圧電素子のアクチュエータとしての変位量またはセンサとしての感度を大きくするとともに、消費電力を低減させる。【解決手段】一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、前記圧電体層では、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位は、前記圧電体層の厚さ方向を第１の回転対称軸として圧電体層全体として面内４回対称になっていることを特徴とする圧電素子。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、前記圧電体層では、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位は、前記圧電体層の厚さ方向を第１の回転対称軸として圧電体層全体として面内４回対称になっていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電体層には、前記第１の回転対称軸に加えて、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位が４回対称性をもつ第２の回転対称軸が前記厚さ方向から傾斜して存在することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電体層において、前記ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は少なくとも正方晶を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
請求項１〜３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５】
請求項１〜３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６】
請求項４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７】
請求項４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の、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スライダ、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】特開２００９−２９５７８６号公報
【特許文献２】特開２００８−１９２８６８号公報
【特許文献３】国際公開第２００３／０７０６４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＫＮＮからなる圧電体層は鉛を含む材料を用いた圧電体層と比べて圧電定数が低く、圧電素子に用いた際に大きな変位が得られにくいという問題がある。
【０００７】
圧電定数が低いと、大きな変位を得るためには高い電圧が必要となり、絶縁破壊や、連続駆動時の信頼性が低下してしまう、という課題も生じる。
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、ＫＮＮ薄膜の面外方向格子定数ｃと面内方向格子定数ａの比を所定の範囲にすることにより圧電定数を改善できるとしている。しかしこの技術は、薄膜の応力の制御によって格子定数を制御するため、その値は成膜条件や膜厚によって影響を受けやすく、再現性が低い。
【０００９】
特許文献２に記載の技術では、ＫＮＮを含む、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物において、Ａサイトの元素として、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を用い、Ｂサイトの元素として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を用いており、これにより良好な電気的特性（リーク特性、圧電特性）が得られる、としている。しかし、Aサイトの主成分としてＫ、ＮａおよびBサイトの主成分としてＮｂを用いるＫＮＮ薄膜を圧電素子として用いる場合、添加物として、前記元素を前記サイトに配置しても十分な電気特性が得られない。
【００１０】
特許文献３に記載の技術では、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する圧電体において、Ａサイトの主成分としてＰｂを用い、Ｂサイトの主成分としてＺｒ、Ｔｉ及びＰｂを用い、さらにＢサイトにおいて全原子に対するＰｂ原子の占める割合を３％以上３０％以下とすることにより、良好な圧電特性およびリーク電流特性が得られる、としている。しかし主成分であるＰｂをＡ、Ｂ両サイトに配置するための成膜条件が大きく制限されており、再現性、量産性に欠ける。またＰｂは有害であるため、使用できる環境に制限があり好ましくない。
【００１１】
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、より圧電定数の向上した圧電素子を提供することを目的とするものである。
【００１２】
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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子は一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、前記圧電体層では、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位は、前記圧電体層の厚さ方向を第１の回転対称軸として圧電体層全体として面内４回対称になっている。
【００１４】
圧電体層の結晶組織の方位に面内４回対称性を持たせることにより、圧電体層の圧電定数が向上し、とくに面方向（ｄ３１方向）への変位が大きくなる。
【００１５】
圧電体層の厚さ方向に電圧を印加した場合の面方向の伸縮挙動は、印加電界の向きと分極方向とが平行ではないため、圧電効果による格子歪みに加えて、ドメイン壁の動きも寄与する。圧電体層の結晶組織の方位を面内４回対称にすることで、ドメイン壁の向きを揃えることができ、面内非対称の結晶構造を持つ圧電体層を備える圧電素子に比べて、効果的に変位量を増やすことができる。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の圧電体層には、前記第１の回転対称軸に加えて、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位が４回対称性をもつ第２の回転対称軸が前記厚さ方向から傾斜して存在することが好ましい。これにより、圧電特性をさらに高めることができる。
【００１７】
圧電体層の厚さ方向を第１の回転対称軸とした結晶組織の方位に加えて、前記厚さ方向から傾斜して存在する第２の回転対称軸の結晶組織の方位が存在することにより、より高い電圧領域での圧電特性が高まる。これは傾斜した１８０°ドメインが存在することにより、高い電圧を印加した際にも回転可能なドメインが残り、その領域が変位に寄与するためであると考えられる。
【００１８】
本発明に係る圧電素子の圧電体層には、少なくとも正方晶を含むことが好ましい。これにより圧電特性の温度依存性を小さくすることができる。
【００１９】
圧電体層に斜方晶がある場合、加熱していくとキュリー点（立方晶相転移温度）の前に、正方晶に転移するため、大きな温度依存性をもってしまうが、はじめから正方晶である部分は、その影響がなくなると考えられる。
【００２０】
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。
【００２１】
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いる。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。
【００２２】
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】
【００２３】
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、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】
【００２４】
【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】本発明に係わる圧電アクチュエータの構造図である。
【図３】本発明に係わる圧電センサの構造図である。
【図４】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５】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６】従来の圧電素子における圧電体層に対するＸＲＤ測定により得られた面内配向性を表す回折パターンの図である。
【図７】本発明に係わる圧電素子における圧電体層に対するＸＲＤ測定により得られた面内配向性を表す回折パターンの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（圧電素子）
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上に形成された圧電体層１０と、圧電体層１０上に形成された第二電極層１２とを備える。
【００２７】
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、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ 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。
【００２８】
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。
【００２９】
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圧電体層１０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。
【００３０】
第一電極層８は、（１００）面またはそれと平行な配向面、例えば（２００）面、（４００）面などが厚さ方向に対して面内４回対称になっていることが好ましい。厚さ方向に対して面内４回対称になっている第一電極層８は、例えば真空蒸着法により形成することができる。
【００３１】
このときの基板温度は８００℃以上、１０００℃以下とすることが好ましい。これにより、さらに高い配向性を有する第一電極層８を形成することができる。
【００３２】
圧電体層１０に用いる材料としては、例えば（００１）面が厚さ方向を回転対称軸として結晶組織の方位が面内４回対称になっているペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜が用いられる。
【００３３】
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成膜することにより形成する。
【００３４】
圧電体層１０の結晶組織の方位に面内４回対称性を持たせることにより、圧電体層１０の圧電定数が向上し、とくに面方向（ｄ３１方向）への変位量を向上させることができる。
【００３５】
圧電体層１０においては、上記の厚さ方向の第１の回転対称軸に加えて、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位が４回対称性をもつ第２の回転対称軸が前記厚さ方向から傾斜して存在することが好ましい。これにより、圧電特性をさらに高めることができる傾向にある。
【００３６】
圧電体層１０は、少なくとも正方晶を含むことが好ましい。これにより圧電特性の温度依存性を小さくすることができる傾向にある。
【００３７】
圧電体層１０の成膜前には、第一電極層８に対し逆スパッタリングを行うことが好ましい。これにより、例えば（００１）面が厚さ方向に対して結晶組織の方位が面内４回対称になっているペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の形成を促進することができる傾向にあり、圧電素子の圧電特性をさらに高めることができる傾向にある。
【００３８】
圧電体層１０は二段階で形成することが好ましい。一段階目を二段階目に比べ低温で形成することにより、圧電体層１０において、厚さ方向の第１の回転対称軸に加えて、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位が４回対称性をもつ第２の回転対称軸を前記厚さ方向から傾斜して存在させることができ、圧電素子の圧電特性をさらに高めることができる傾向にある。圧電体層１０はさらに多段階で形成しても構わない。
【００３９】
前記二段階による圧電体層１０の形成方法において、一段階目は２００℃から５００℃の範囲で形成することが好ましい。また一段階目の膜厚は１０ｎｍから１００ｎｍの範囲で形成することが好ましい。この温度範囲、膜厚範囲で一段階目の工程を行うことで、圧電素子の圧電特性をさらに高めることができる傾向にある。
【００４０】
本発明に係る圧電素子１００は、圧電体層１０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）、Ｍｎ（マンガン）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。これにより、素子の圧電特性をさらに高めることができる傾向にある。
【００４１】
第二電極層１２は、一例として、Ｐｔから形成される。第二電極層１２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１２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。
【００４２】
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、圧電素子の変位量や感度を高めることができる。
【００４３】
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、信頼性を高めることができる。
【００４４】
圧電素子１００では第一電極層８と圧電体層１０との間、または圧電体層１０と第二電極層１２との間のどちらか一方、もしくは両方に中間層を備えてもよい。
【００４５】
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。
【００４６】
（圧電アクチュエータ）
図２Ａ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（以下ＨＤＤとも呼ぶ）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。
【００４７】
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。
【００４８】
第１及び第２の圧電素子１３は、所定の間隔をもってフレクシャ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。
【００４９】
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、本発明の圧電アクチュエータに用いる圧電素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を低くすることができるため信頼性が高まり、また大きな変位量も得ることができる。
【００５０】
図２B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。
【００５１】
圧電アクチュエータ３００は、基材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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ここで、本発明の圧電アクチュエータに用いる圧電素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を低くすることができるため信頼性が高まり、また大きな変位量も得ることができる。
【００５５】
（圧電センサ）
図３Ａ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３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００５６】
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、上述の圧電体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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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振動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。
【００６２】
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。
【００６３】
本発明の圧電センサに用いる圧電素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分な検出感度を得ることができる。
【００６４】
図３Ｃ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。
【００６５】
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とからなり、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。
【００６６】
本発明の圧電センサに用いる圧電素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
【００６７】
図３Ｄ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。
【００６８】
脈波センサ６００は、基材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、基材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。
【００６９】
生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ６００の基材裏面（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。
【００７０】
本発明の圧電センサに用いる圧電素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分な検出感度を得ることができる。
【００７１】
（ハードディスクドライブ）
図４は、図２Ａ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。
【００７２】
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。
【００７３】
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２Ａ参照）。
【００７４】
ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａ（図２Ａ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。
【００７５】
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、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分なアクセス性を得ることができる。
【００７６】
（インクジェットプリンタ装置）
図５は、図２Ｂに示したインクジェットプリンタヘッド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。
【００７７】
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いる。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に備えられている。
【００７８】
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。
【００７９】
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、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼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。
【００８０】
例えば、本発明の圧電素子は、ジャイロセンサ、ショックセンサ、マイクロフォンなどの圧電効果を利用したアプリケーション、あるいはアクチュエータ、インクジェットヘッド、スピーカー、ブザー、レゾネータなどの逆圧電効果を利用したアプリケーションに用いることができるが、逆圧電効果を利用したアプリケーションに特に好適である。
【実施例１】
【００８１】
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。
【００８２】
（圧電素子の作製）
（実施例１）
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。
【００８３】
基体として熱酸化膜（ＳｉＯ２：絶縁層６）付きの直径３インチ、厚さ４００μｍ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。
【００８４】
第一電極層８を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。面内方向の配向性を確認する他の方法としては、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で平面（面内）方向に切り出したサンプルに対して電子線回折を行う方法などが挙げられる。
【００８５】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定とは、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。
【００８６】
ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定とは、薄膜試料の表面すれすれにＸ線を入射し、薄膜内の表面に直交する格子面からの回折を測定する手法である。本実施例においては事前に行ったｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定してツイスト測定と呼ばれる測定を行った。ツイスト測定とは特定の面における基板面内の対称性を評価する手法である。
【００８７】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＰｔ（１１１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果明瞭なピークは得られず、Ｐｔ（１１１）面が面内非対称になっていることが確認された。
【００８８】
続いて、基体をスパッタリングターゲットが装着された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、逆スパッタリングを基体に対して行った。逆スパッタリング時の雰囲気ガスとしてＡｒ（アルゴン）を５０ｓｃｃｍチャンバ内に供給し、１Ｐａの圧力下で５００Wの電力を投入し３０秒間処理を行った。
【００８９】
逆スパッタリングに続き、圧電体層１０として、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を基体上に成膜した。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６００℃、圧電体層１０の厚さは２０００ｎｍとした。
【００９０】
圧電体層１０を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【００９１】
本実施例においては、圧電体層１０に対しさらに極点測定を行った。極点測定から得られる極点図とは、ある結晶面が試料の中でどのような配向を持っているかを表した図であり、極ステレオ投影図に、注目すべき方位（これを極と呼ぶ）がどのような強度で分布しているかをプロットしたものである。つまり極点図を見れば、サンプル表面に対して、注目する結晶面がどう配向しているかの情報が得ることができる。
【００９２】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＫＮＮ（００１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果、ＫＮＮ（００１）面が、明瞭なピークがほぼ９０°おきに現れ、面内４回対称になっていることが確認された。   
【００９３】
ＫＮＮ（００１）面に対する極点測定により得られた極点図から、回転対称軸は圧電体膜の厚さ方向から傾斜していないことが確認された。
【００９４】
前記ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定およびｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた圧電体層１０の格子定数から、圧電体層１０は斜方晶であることが確認された。
【００９５】
前記ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定の結果から、本実施例における圧電体層１０では、面内に平行なｃ軸が９０°ずれた２種類の結晶組織が存在しているものと思われる。 
【００９６】
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１２としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は２００℃、第二電極層１２の厚さは２００ｎｍとした。
【００９７】
第二電極層１２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１０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。
【００９８】
（比較例１）
実施例１の圧電素子の作製工程において、圧電体層１０成膜前の逆スパッタリングは行わなかった。それ以外の素子構成、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。
【００９９】
圧電体層１０を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【０１００】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＫＮＮ（００１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果明瞭なピークは得られず、ＫＮＮ（００１）面が面内非対称になっていることが確認された。図６にツイスト測定の結果を示す。
【０１０１】
ＫＮＮ（００１）面に対する極点測定により得られた極点図から、回転対称軸は圧電体膜の厚さ方向から傾斜していないことが確認された。
【０１０２】
前記ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定およびｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた圧電体層１０の格子定数から、圧電体層１０は斜方晶であることが確認された。
【０１０３】
（実施例２）
実施例１における逆スパッタリングに続く、圧電体層１０成膜工程を２段階に分けて行った。１段階目の成膜時の基体温度は４５０℃、厚さは５０ｎｍとした。引き続き同じチャンバにて、２段階目として、基体温度を６００℃、厚さを１９５０ｎｍとした。前記２段階の成膜により、圧電体層１０として、厚さ合計２０００ｎｍの（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を形成した。前記以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、実施例２の圧電素子を作製した。
【０１０４】
圧電体層１０を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【０１０５】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＫＮＮ（００１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果、ＫＮＮ（００１）面が、明瞭なピークがほぼ９０°おきに現れ、面内４回対称になっていることが確認された。
【０１０６】
ＫＮＮ（００１）面に対する極点測定により得られた極点図から、圧電体膜の厚さ方向の回転対称軸に加え、圧電体膜の厚さ方向から傾斜している回転対称軸が存在することが確認された。
【０１０７】
前記ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定およびｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた圧電体層１０の格子定数から、圧電体層１０は斜方晶と正方晶とが混在していることが確認された。
【０１０８】
前記ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定の結果から、本実施例における圧電体層１０も、面内に平行なｃ軸が９０°ずれた２種類の結晶組織が存在しているものと思われる。
【０１０９】
（実施例３）
実施例１における逆スパッタリングに続く、圧電体層１０成膜工程を２段階に分けて行った。１段階目の成膜時の基体温度は４５０℃、厚さは５０ｎｍとした。引き続き同じチャンバにて、逆スパッタリングを基体に対して行った。逆スパッタリング時の雰囲気ガスとしてＡｒ（アルゴン）を５０ｓｃｃｍチャンバ内に供給し、１Ｐａの圧力下で１０００Wの電力を投入し１５秒間処理を行った。その後２段階目の成膜を行った。２段階目の成膜時の基体温度を６００℃、厚さは１９５０ｎｍとした。前記逆スパッタリング工程を挟んだ２段階の成膜により、圧電体層１０として、厚さ合計２０００ｎｍの（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を形成した。前記以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、実施例３の圧電素子を作製した。
【０１１０】
圧電体層１０を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【０１１１】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＫＮＮ（００１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果、ＫＮＮ（００１）面が、明瞭なピークが９０°おきに現れ、面内４回対称になっていることが確認された。
【０１１２】
ＫＮＮ（００１）面に対する極点測定により得られた極点図から、圧電体膜の厚さ方向の回転対称軸に加え、圧電体膜の厚さ方向から傾斜している回転対称軸が存在することが確認された。
【０１１３】
前記ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定およびｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた圧電体層１０の格子定数から、圧電体層１０は正方晶であることが確認された。
【０１１４】
本実施例における圧電体層１０は、ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定の結果から、正方晶のａ軸あるいはｂ軸が圧電体膜の膜厚方向に平行であり、面内に平行なｃ軸が９０°ずれた２種類の結晶組織が存在しているものと思われる。  
【０１１５】
（実施例４）
基体として熱酸化膜（ＳｉＯ２：絶縁層６）付きの直径３インチ、厚さ４００μｍのシリコンウエハ（基板４）を電子ビーム蒸着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、電子ビーム蒸着法により第一電極層８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は８００℃、第一電極層８の厚さは２００ｎｍとした。前記以外の素子構成、作製工程は実施例３と同様にして、実施例４の圧電素子を作製した。
【０１１６】
第一電極層８を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【０１１７】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＰｔ（２００）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果明瞭なピークが９０°おきに現れ、Ｐｔ（２００）面が面内４回対称になっていることが確認された。
【０１１８】
圧電体層１０を成膜後、面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定、面内方向の配向性を確認するためｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定をそれぞれ行った。
【０１１９】
ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られたＫＮＮ（００１）面にｉｎ−ｐｌａｎｅ軸を固定し、ツイスト測定を行った結果、明瞭なピークが９０°おきに現れ、ＫＮＮ（００１）面が面内４回対称になっていることが確認された。図７にツイスト測定の結果を示す。
【０１２０】
ＫＮＮ（００１）面に対する極点測定により得られた極点図から、圧電体膜の厚さ方向の回転対称軸に加え、圧電体膜の厚さ方向から傾斜している回転対称軸が存在することが確認された。
【０１２１】
前記ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定およびｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定により得られた圧電体層１０の格子定数から、圧電体層１０は正方晶であることが確認された。
【０１２２】
本実施例における圧電体層１０は、ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ＸＲＤ測定の結果から、正方晶のｃ軸が圧電体膜の厚さ方向に平行である結晶組織からなるものと思われる。  
【０１２３】
各実施例、比較例における素子構成、作製工程および圧電体層の結晶系を表１に示す。
【０１２４】
（圧電素子の評価）
実施例１〜４、および比較例１の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（±２０V）の電圧を印加して測定した変位量の値を表１に示す。
【０１２５】
【表１】
2015082658.tif 000003
【０１２６】
一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、前記圧電体層では、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位は、前記圧電体層の厚さ方向を第１の回転対称軸として圧電体層全体として面内４回対称になっている実施例１〜４の圧電素子は、この要件を備えない比較例１の圧電素子より変位量が大きいことが確認された。
【０１２７】
前記第１の回転対称軸に加えて、ニオブ酸カリウムナトリウムの結晶組織の方位が４回対称性をもつ第２の回転対称軸が前記厚さ方向から傾斜して存在すると共に、少なくとも正方晶を含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える実施例２〜４の圧電素子は、この要件を備えない比較例１および実施例１の圧電素子より変位量が大きいことが確認された。
【０１２８】
さらに、正方晶であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える実施例３〜４の圧電素子は、この要件を備えない比較例１および実施例１〜２の圧電素子より変位量が大きいことが確認された。
【０１２９】
第一電極層８のＰｔ（２００）面が厚さ方向軸に対して面内４回対称になっている実施例４の圧電素子は、この要件を備えない比較例１および実施例１〜３の圧電素子より変位量が大きいことが確認された。
【０１３０】
以上の実施例においては、Ａサイトの主成分であるＫとＮａとの比率は１、即ち、Ｋ１−ＸＮａＸにおけるxは０．５としたが、ｘが０．５以外である組成においても、本発明の効果は変わるものではない。また、以上の実施例において、添加物は加えなかったが、Ｓｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｔａを添加しても本発明の効果は変わらない。
【０１３１】
本発明に係わる圧電素子は、所定の結晶構造を有する圧電体層を備えており、圧電アクチュエータの圧電体層として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を低くすることができるため信頼性が高まり、また大きな変位量も得ることができる。
【０１３２】
また、圧電センサの圧電体層として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分な検出感度を得ることができる。
【０１３３】
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、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分なアクセス性を得ることができる。
【０１３４】
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、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼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】
【０１３５】
４      基板
６      絶縁層
８      第一電極層
９      ベースプレート
１０，  ２５，  ３０，  ４２      圧電体層
１１      ロードビーム
１２      第二電極層
１３，  ４０，  １００    圧電素子
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      基材
２１      圧力室
２３      絶縁膜
２４，  ３２      下部電極層
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】
2015082658.tif 000004
【図２】
2015082658.tif 000005
【図３】
2015082658.tif 000006
【図４】
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【図５】
2015082658.tif 000008
【図６】
2015082658.tif 000009
【図７】
2015082658.tif 000010