(57)【要約】本発明に係る圧電素子（１００）は、第一電極膜（５）、第一電極膜（５）上に設けられた第一非金属導電性中間膜（４）、第一非金属導電性中間膜（４）上に設けられた圧電膜（３）、圧電膜（３）上に設けられた第二非金属導電性中間膜（２）、及び、第二非金属導電性中間膜（２）上に設けられた第二電極膜（１）を備える。第一非金属導電性中間膜（４）の線膨張率は、第一電極膜（５）及び圧電膜（３）の線膨張率よりも大きく、第二非金属導電性中間膜（２）の線膨張率は第二電極膜（１）及び圧電膜（３）の線膨張率よりも大きい。【選択図】図３
2015529963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極膜と、
前記第一電極膜上に設けられた第一非金属導電性中間膜と、
前記第一非金属導電性中間膜上に設けられた圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた第二非金属導電性中間膜と、
前記第二非金属導電性中間膜上に設けられた第二電極膜と、を備え、
前記第一非金属導電性中間膜の線膨張率は、前記第一電極膜の線膨張率及び前記圧電膜の線膨張率よりも大きく、
前記第二非金属導電性中間膜の線膨張率は、前記第二電極膜の線膨張率及び前記圧電膜の線膨張率よりも大きい圧電素子。
【請求項２】
前記第一及び前記第二非金属導電性中間膜が前記圧電膜に直接接する請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記第二電極膜の上面には１０μｍ以上の厚みの基板が設けられておらず、前記第一電極膜の下面にも１０μｍ以上の厚みの基板が設けられていない請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第一及び前記第二非金属導電性中間膜がそれぞれ無機酸化物膜である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記２つの無機酸化物膜は同じ組成を有する請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
請求項１に記載の圧電素子を備える圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１に記載の圧電素子を備えるハードディスクドライブ。
【請求項８】
請求項１に記載の圧電素子を備えるインクジェット装置。
【請求項９】
請求項１に記載の圧電素子を備える圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電材料を用いる圧電素子と、その圧電素子を有する圧電アクチュエータ、ハードディスクドライブ、インクジェットプリンタ装置、及び圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バルク圧電材料に代わって、薄膜圧電材料を用いる圧電素子の実用化が進んでいる。そのようなアプリケーションの例としては、圧電膜に加えられる力が電圧に変換される圧電効果を利用するジャイロセンサ、ショックセンサ、マイクなど、あるいは圧電膜に電圧を印加することで圧電膜が変形される逆圧電効果を利用するアクチュエータ、インクジェットヘッド、スピーカー、ブザー、レゾネータなどが挙げられる。
【０００３】
圧電材料の薄膜化は、圧電素子の小型化を可能にし、応用分野が広がる。また、基板上に多数の圧電素子を一括して作製することができるため、量産性が確実に増す。さらに、圧電膜をセンサに使用する場合に感度が向上するなど性能面での利点も多い。しかし、他の膜から圧電膜に導入される外部応力や圧電膜自身の内部応力は、圧電特性に与える影響がバルク材料に比べて大きくなるため、バルク材料とは異なる応力制御技術が圧電薄膜には必要となる。したがって圧電膜の界面に加わる熱応力の制御に重点を置いた圧電特性の制御方法が、圧電素子の設計において重要な要素となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７６１７６号公報
【特許文献２】特開２００６−１８８４１４号公報
【特許文献３】特開１９９９−０９７７５５号公報
【特許文献４】特許第４１４２１２８号
【特許文献５】特開２００９−０９４４４９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー  Ｖｏｌ．３４  Ｎｏ．１  ｐ．１９−２４  （１９９９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧電特性の中で重要な要素の一つとして、抗電界Ｅｃが挙げられる。抗電界Ｅｃとは、自発分極が反転する電界の値であり、この抗電界以上の電界が圧電材料に印加されると分極方向が反転を始める。図１に典型的な圧電素子の分極Ｐ−電界Ｅのヒステリシス曲線、および抗電界Ｅｃの位置を示す。逆圧電効果、すなわち電圧を印加することによる圧電膜の変形を利用する素子の場合、分極方向と同方向に高い変位が得られる。
【０００７】
図２に典型的な圧電素子の歪み量ｘと電界Ｅの関係（バタフライカーブと呼ぶ）を示す。図２によると、抗電界Ｅｃを境に歪み方向が反転していることがわかる。つまり大きな歪み量ｘを得るために電界Ｅを大きくしても、抗電界Ｅｃを超えた途端に分極方向が反転してしまい所望の方向の歪み量ｘが得られなくなってしまう。したがって、大きな歪み量ｘを得るためには大きな抗電界Ｅｃを持つ圧電素子が望まれる。
【０００８】
抗電界を大きくする手法として、圧電膜の組成を変更する手法（特許文献１、特許文献２）があるが、同じ組成の圧電材料であっても、前述のとおりそれが薄膜化される場合、素子の膜構成に起因する外部応力、成膜条件に起因する内部応力、並びに圧電膜の結晶性及び配向性などの要因により、大きく抗電界は変化してしまい、その制御は困難である。また圧電膜自体の組成を変更して抗電界を大きくすると、圧電膜の圧電定数が低下してしまう傾向にあり、所望の変位量が得にくい。
【０００９】
抗電界の小さい圧電膜を効率的に駆動させる手法（特許文献３）もあるが、予め正確な抗電界の値を測定しておく必要があり、それは、駆動回路を複雑にし、素子のコストを増加させる。
【００１０】
また、特許文献４では、誘電体膜がシリコン基板に形成され、その誘電体膜上に自発分極の低下を防ぐために導電性中間膜が設けられている積層が開示されているが、誘電体膜の片方のみに中間膜を成膜するだけでは、圧電特性改善の効果は限定的である。
【００１１】
また、特許文献５には、本発明と目的は異なるものの、シリコン基板の上に形成された電極と圧電膜の間に圧電膜に圧縮方向の応力を生じさせる中間膜とを備えた構造の圧電素子が開示されている。しかしながら、中間膜に関しての線膨張率などの制約がなく、圧電膜の片方のみに中間膜を成膜する場合、圧電素子として十分な逆圧電特性を得られない圧電材料が多い。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子の抗電界を大きくし易い圧電素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る圧電素子は、第一電極膜と、第一電極膜上に設けられた第一非金属導電性中間膜と、第一非金属導電性中間膜上に設けられた圧電膜、圧電膜上に設けられた第二非金属導電性中間膜と、第二非金属導電性中間膜上に設けられた第二電極膜と、を備える。第一非金属導電性中間膜の線膨張率は、第一電極膜の線膨張率及び圧電膜の線膨張率よりも大きく、第二非金属導電性中間膜の線膨張率は、第二電極膜の線膨張率及び圧電膜の線膨張率よりも大きい。
【００１４】
本発明によれば、圧電素子は、圧電膜に圧縮応力を導入し易くする非金属導電性中間膜を備え、これにより抗電界の増加を図ることができる。各非金属導電性中間膜の比抵抗（抵抗率）は、０．１Ωｃｍ以下であることができる。
【００１５】
本発明に係る圧電素子では、第一及び第二非金属導電性中間膜が圧電膜に直接接することができる。
【００１６】
この構成は、さらに効果的に圧電膜に対して圧縮応力を導入しやすくし、圧電素子の抗電界をより増加させることが容易である。
【００１７】
本発明に係る圧電素子は、第二電極膜の上面には１０μｍ以上の厚みの基板が設けられておらず、且つ第一電極膜の下面にも１０μｍ以上の厚みの基板が設けないように構成することができる。
【００１８】
このような基板を備えないことで、基板からの圧電膜への拘束がなくなるため、圧電膜にさらに大きな圧縮応力を与えることができる。
【００１９】
第一及び第二非金属導電性中間膜がそれぞれ無機酸化物膜であることができる。無機酸化物膜は圧電膜より線膨張率が大きい材料で作り易く、高温で両方の無機酸化物を成膜した後に、それらを冷却することにより圧電膜に対して圧縮応力を与えやすい。また、導電性中間膜として無機酸化物膜を使用することで、導電性中間膜の圧電膜上への高温での成膜または導電性中間膜のアニールが可能になり、圧電膜により大きな圧縮応力を加えることができる。これは導電性中間膜の熱膨張だけでなく、導電性中間膜のアニール時の加温・冷却によって圧電膜へ圧縮応力の導入ができ、抗電界増加の効果が高まる。
【００２０】
また、２つの無機酸化物膜は同じ組成を有することができる。また、２つの導電性中間膜を互いに同程度の膜厚とすることができる。この構成では、圧電膜に両面側から均等な圧縮応力を加えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧電素子等では、従来の圧電素子より抗電界を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】典型的な圧電素子の分極Ｐ−電界Ｅのヒステリシス曲線、および抗電界Ｅｃの位置を示す図である。
【図２】典型的な圧電素子の歪み量ｘと電界Ｅの関係（バタフライカーブ）を示す図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る圧電素子の構成図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る圧電素子の構成図である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る圧電素子の構成図である。
【図６】比較例１の圧電素子の膜構成を示す図である。
【図７】圧電素子を用いるヘッドアセンブリの構成図である。
【図８】図７に示すヘッドアセンブリを搭載しているハードディスクドライブの構成図である。
【図９】圧電素子を用いるインクジェットプリンタヘッドの構成図である。
【図１０】図９に示すインクジェットプリンタヘッド８０を搭載しているインクジェットプリンタ装置の構成図である。
【図１１】図１１（ａ）は圧電素子を用いるジャイロセンサの構成図（平面図）、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図１２】圧電素子を用いる圧力センサの構成図である。
【図１３】圧電素子を用いる脈波センサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な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、垂直及び水平方向の位置関係は図面に示す通りである。また、説明の重複なしに、説明をする。
【００２４】
（第一実施形態）
図３に本発明の第一実施形態に係る圧電素子１００を示す。圧電素子１００は、基板７と、基板７上に設けられた第一電極膜５と、第一電極膜５上に設けられた第一導電性中間膜４と、第一導電性中間膜４の上に設けられた圧電膜３と、圧電膜３上に形成された第二導電性中間膜２と、第二導電性中間膜２の上に形成された第二電極膜１と、を備える。
【００２５】
（基板７）
基板７は、下地となる板である。本明細書で使用される基板７は、例えば（１００）面方位を有するシリコン基板であることができる。基板７は、一例として、１０μｍ〜１０００μｍの厚さを有することができる。また、本明細書で使用される基板７として、（１００）面とは異なる面方位を有するシリコン基板、シリコン・オン・インシュレータ（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、ステンレス等の金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板などを使用することもできる。基板７が導電性を有する材料の場合、基板７上に絶縁膜を備えていてもよい。本明細書では、絶縁膜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。絶縁膜の厚みは、０．００１μｍ〜１．０μｍとすることができる。
【００２６】
（第一電極膜５）
第一電極膜５は、導電性の膜である。第一電極膜５は、一例として、白金（Ｐｔ）から形成される。第一電極膜５は、０．０２μｍ〜１．０μｍの厚さを有することが好ましい。厚さが０．０２μｍ未満であれば電極としての機能が不十分となる場合があり、厚さが１．０μｍを超えると圧電材料の変位特性が阻害される場合がある。また、本明細書では、第一電極膜５として、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料を用いることもできる。
【００２７】
（第一導電性中間膜４）
第一導電性中間膜（第一非金属導電性中間膜）４は、非金属膜である。また、第一導電性中間膜４の線膨張率は、第一電極膜５及び圧電膜３の線膨張率よりも大きい。
本明細書における線膨張率とは、２０℃〜５００℃の範囲における単位長さあたりにおける、温度による長さの変化率の平均値である。また、一般に薄膜における線膨張率は、バルク材料の値と同等あるいはやや低くなることが知られており（非特許文献１等参照）、圧電素子を構成する各材料の種類が分かれば、それぞれの薄膜の線膨張率の大小関係は、十分想定できる。
【００２８】
第一導電性中間膜４の線膨張率は、第一電極膜５及び圧電膜３の線膨張率の内の大きい値よりも少なくとも０．１×１０−６（１／Ｋ）以上大きいことが好ましい。
【００２９】
第一導電性中間膜４の膜厚は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることが好ましい。膜厚が１０ｎｍ未満だと圧電膜３に十分に圧縮応力を与えることが出来ない場合があり、１００ｎｍを超えると圧電膜３の結晶性が悪くなる場合がある。
【００３０】
第一導電性中間膜４は、無機酸化物膜であることが好ましい。無機酸化物の例は導電性金属酸化物である。本実施形態の圧電素子１００では、第一電極膜５および第一導電性中間膜４を介して電圧を圧電膜３に印加する為、第一導電性中間膜の比抵抗が高すぎるものは好ましくない。したがって、第一導電性中間膜４の比抵抗は０．１Ωｃｍ以下とすることが好ましい。例えば、ＳｒＲｕＯ３膜は５０〜１００×１０−６Ωｃｍ程度の比抵抗を有しており、ＳｒＴｉＯ３膜は７０〜１００×１０−６Ωｃｍ程度の比抵抗を有しており、ＬａＮｉＯ３膜は３００〜４００×１０−６Ωｃｍ程度の比抵抗を有しているので、第一導電性中間膜４として好適である。その他、ＣａＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３、（ＬａｘＳｒ１−ｘ）ＣｏＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｌａ４ＢａＣｕ５Ｏ１３等の導電性金属酸化物膜も比抵抗は０．１Ωｃｍ以下であるので、第一導電性中間膜４として好適である。また、導電性を下げる目的で、第一導電性中間膜４にＬｉ、Ｋ、Ｎａ等のアルカリ金属元素を添加してもよい。また、圧電膜３の成膜には下記のように高温を伴うので低融点の金属材料は第一導電性中間膜４として不適である。
【００３１】
（圧電膜３）
圧電膜３の材料は、圧電特性を示すものであれば特に限定されない。圧電膜３の材料の例は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）、ＫＮＮ（ニオブ酸カリウムナトリウム）、ＢＴ（チタン酸バリウム）、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）、ＢＮＴ（チタン酸ビスマスナトリウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）である。圧電膜３の厚みは特に限定されず、例えば、０．５〜５μｍ程度とすることができる。
【００３２】
（第二導電性中間膜（第二非金属導電性中間膜）２）
第二導電性中間膜２は、非金属膜である。第二導電性中間膜２の線膨張率は、第二電極膜１及び圧電膜３の線膨張率よりも大きい。第二導電性中間膜２の材料は、第一導電性中間膜４で挙げた材料の一つであることができる。また、第二導電性中間膜２の厚みも、第一導電性中間膜４で述べた範囲とすることができる。
【００３３】
第二導電性中間膜２の線膨張率は、第二電極膜１及び圧電膜３の線膨張率の大きいものの値よりも少なくとも０．１×１０−６（１／Ｋ）以上大きいことが好ましい。
【００３４】
第二導電性中間膜２と第一導電性中間膜４とは同じ組成を有することができる。また、第二導電性中間膜２の膜厚は、第一導電性中間膜４と同程度の厚みであることができる。この場合、圧電膜３が受ける応力を上下で同じ程度にすることが容易である。応力が上下で異なると、素子が反ることがある。
【００３５】
（第二電極膜１）
第二電極膜１は、導電性の膜であり、一例として、白金（Ｐｔ）から形成されることができる。第二電極膜１は、一例として、０．０２μｍ〜１．０μｍの厚さを有するころができる。本明細書で用いられる第二電極膜１はスパッタリング法により成膜され、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料であることもできる。第二電極膜１の厚みは、第一電極膜５の厚みと同じ範囲にすることができる。
【００３６】
（膜の応力）
圧電素子１００においては、第一及び第二導電性中間膜４、２により、各中間膜４、２と接触する圧電膜３の面に沿う方向に圧縮応力が与えられている。その結果、圧電素子１００の抗電界を大きくすることができる。圧電膜３が受けている圧縮応力の大きさは特に限定されないが、例えば、１０〜２００ＭＰａとすることができる。抗電界を大きくすることは、駆動電圧範囲を拡大し、それにより変位量も大きくなる。
【００３７】
（製造方法）
上述の圧電素子の製造方法の例について以下に説明する。
基板７上に、スパッタリング法などにより第一電極膜５を形成する。例えば、４００〜５００℃程度に加熱した（１００）面方位を有するシリコン基板７上にスパッタリング法によりＰｔ膜を形成すると、（１００）に配向した配向性の高い第一電極膜５が得られる。このＰｔ膜は、その後に形成する圧電膜３の配向性を高くできるので好ましい。これ以外の方法で第一電極膜５を形成しても良い。
【００３８】
次に、第一電極膜５上に、第一導電性中間膜４を形成する。第一導電性中間膜４はスパッタリング法などの方法で成膜できる。第一導電性中間膜４は、圧電膜３の結晶性に影響するため圧電膜３のキューリー点以上の温度で成膜することが好ましい。
【００３９】
続いて、第一導電性中間膜４上に、圧電膜３を成膜する。圧電膜３はスパッタリング法などの方法を用い、基板７を４００℃〜６００℃程度に加熱した状態下で成膜する。
【００４０】
続いて、圧電膜３上に、第二導電性中間膜２を形成する。第二導電性中間膜２は、スパッタリング法などの方法を用い、基板７を４００℃〜６００℃程度に加熱した状態下で成膜する。
【００４１】
このようにして、室温よりも高温下で、圧電膜３及び第二導電性中間膜２を、第一導電性中間膜４の上に成膜した後に、圧電デバイスを室温に戻す過程で、線膨張率の差に応じて、第一及び第二導電性中間膜２、４が、圧電膜３に比べて大きく収縮し、圧電膜３に対して大きな圧縮応力を与える。
【００４２】
その後、第二導電性中間膜２上に、第二電極膜１をスパッタリング法等により形成すればよい。これにより、圧電素子１００が完成する。
【００４３】
さらに、その後、必用に応じて、基板７上に積層された圧電素子１００をフォトリソグラフィー法によりパターンニングし、更に基板７を切断することで、例えば、可動部分寸法が１ｍｍ×２ｍｍである圧電素子１００を得ることができる。
【００４４】
（第二実施形態）
図４を参照して、第二実施形態に係る圧電素子２００について説明する。本実施形態の圧電素子２００が、圧電素子１００と異なる点は、第一電極膜５の下地としての基板７が除去されている点である。この構成により、第二電極膜１の上面と、第一電極膜５の下面が外部に露出している。圧電素子２００では、基板７による膨張及び圧縮に対する拘束がないため、圧電膜３がさらに大きな圧縮応力を有することが容易である。これにより、抗電界増加の効果が高まる。また、基板７の重さだけ、素子が軽量化するため、変位量を大きくすることができる。圧電膜３が受けている圧縮応力の大きさは特に限定されないが、例えば、２０〜４００ＭＰａとすることができる。
【００４５】
この構成の圧電素子２００は、例えば以下のようにして得ることができる。まず、第一実施態様と同様にして基板７上に、膜５〜１を成膜する。次に、予め金属膜１２が設けられたサポート基板７’を、樹脂膜１１を介して、第二電極膜１と接着する。次に、基板７をエッチングにより除去する。次に、サポート基板７’上に積層された膜５〜１、１１、１２をフォトリソグラフィーのなどにより所望の形状にパターンニングする。最後に、サポート基板７’、樹脂膜１１、および金属膜１２をエッチングにて除去する。
【００４６】
（第三実施形態）
図５を参照して、第三実施形態に係る圧電素子３００について説明する。本実施形態の圧電素子３００が、圧電素子１００と異なる点は、第一電極膜５の下地として基板７が除去されており、第二電極膜１の上に、第二電極膜１に接して樹脂膜１１が設けられている点である。剛性の強い基板７に代えて、剛性の低い樹脂膜１１に膜１〜５が支持されることにより、基板７から膜１〜５に与えられる応力が低減され、圧電膜３に、第一及び第二導電性中間膜２、４からさらに大きな圧縮応力を導入することができ、抗電界増加の効果が高まる。また、圧電膜３が基板７から変位を阻害されにくくなり、より十分な変位が得られる。圧電膜３が受けている圧縮応力の大きさは特に限定されないが、例えば、２０〜４００ＭＰａとすることができる。
【００４７】
樹脂膜１１は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂などから作られる。樹脂膜の塗布厚は５〜１５μｍ程度とすることができる。
【００４８】
さらに図５に示すように、素子は、樹脂膜１１の上に、金属膜１２を有することができる。金属膜１２の材料は、第二電極膜１の材料と同様とすることができ、例えば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ａｕ等の金属材料とすることができる。金属膜１２の厚さは、０．０２μｍ〜１．０μｍとすることができる。
【００４９】
この構成の圧電素子３００は、以下のようにして得ることができる。まず、第一実施態様と同様にして基板７上に、膜５〜１を成膜する。次に、予め金属膜１２が設けられたサポート基板７’を、樹脂膜１１を介して、第二電極膜１と接着する。次に、基板７をエッチングにより除去する。次に、サポート基板７’上に積層された膜５〜１、１１、１２をフォトリソグラフィーのなどにより所望の形状にパターンニングする。最後に、サポート基板７’をエッチングにて除去する。金属膜１２は除去しないで残すこともできる。
【００５０】
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、マイクなどの圧電効果を利用するもの、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するものに好適であり、逆圧電効果を利用する圧電素子に特に好適である。
【００５１】
（圧電アクチュエータとしてのヘッドアセンブリ）
図７は、圧電素子２００を用いる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６５は、その主なる構成要素として、ベースプレート２９、ロードビーム２１、フレクシャ２７、駆動素子である第１及び第２の圧電素子２００、及びヘッド素子２９ａを備えるスライダ２９を備えている。
【００５２】
そして、ロードビーム２１は、ベースプレート２９に例えばビーム溶接などにより固着されている基端部２１ｂと、この基端部２１ｂから先細り状に延在する第１及び第２の板バネ部２１ｃ及び２１ｄと、第１及び第２の板バネ部２１ｃ及び２１ｄの間に形成されている開口部２１ｅと、第１及び第２の板バネ部２１ｃ及び２１ｄから直線的かつ先細り状に延在するビーム主部２１ｆと、を備えている。
【００５３】
第１及び第２の圧電素子２００は、第１と第２の圧電素子との間に所定の間隔をもって、フレクシャ２７の一部である配線用フレキシブル基板２５上に配置されている。スライダ２９はフレクシャ２７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電素子２００の伸縮に伴って回転運動する。圧電素子の第１及び第２の電極層はそれぞれ外部電源に電気的に接続されている。フレクシャ２７の先端部を移動させるように圧電素子２００の第１及び第２の電極層間に電圧を供給することでスライダ２９を移動することができる。圧電素子２００は圧電素子１００または３００で置き換えることができる。
【００５４】
（ハードディスクドライブ）
図８は、図７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。ハードディスクドライブ７０は、筐体６７内に、記録媒体としてのハードディスク６１と、ハードディスク６１上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とを備える。ハードディスク６１は、モータ（図示せず）によって回転させられる。
【００５５】
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ている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に接続されているヘッドアセンブリ６５とから構成される複数の組立て体が、図の奥行き方向に積層されるように構成されている。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２９が取り付けられている（図７参照）。
【００５６】
ヘッドアセンブリ６５は、ヘッド素子２９ａ（図７参照）を２段階で移動させる形式を採用している。ヘッド素子２９ａの比較的大きな移動はボイスコイルモータ６３を使用してヘッドアセンブリ６５及びアクチュエータアーム６４の全体を駆動することにより制御し、その微小な移動は第１及び／または第２の圧電素子２００を使用してヘッドスライダ２９を駆動することにより制御する。
【００５７】
（圧電アクチュエータとしてのインクジェットプリンタヘッド）
図９は、圧電素子１００を用いる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構成図である。
【００５８】
圧電アクチュエータ８０は、基材８１上に圧電素子１００を積層して構成されている。基材８１はノズル８４を有する圧力室８３を構成する。
【００５９】
所定の吐出信号が供給されず、第一電極膜５と第二電極膜１との間に電圧が印加されていない場合、圧電膜３には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電膜３が設けられている圧力室８３には、圧力変化が生じない。更に、そのノズル８４からインク滴は吐出されない。
【００６０】
一方、所定の吐出信号が供給され、第一電極膜５と第二電極膜１との間に一定電圧が印加される場合、圧電膜３に変形が生じる。吐出信号が供給される圧電膜３が設けられている圧力室８３ではその絶縁膜（基板）７が大きくたわむ。このため圧力室８３内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル８４からインク滴が吐出される。ここで、圧電素子１００は圧電素子２００または３００で置き換えることができる。
【００６１】
（インクジェットプリンタ装置）
図１０は、図９に示すインクジェットプリンタヘッド８０を搭載するインクジェットプリンタ装置９０の構成図である。
【００６２】
インクジェットプリンタ装置９０は、主にインクジェットプリンタヘッド８０、本体９１、トレイ９２及びヘッド駆動機構９３を備えて構成されている。
【００６３】
インクジェットプリンタ装置９０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Ｉｓ，Ｉｃ，Ｉｍ及びＩｙを備えており、インクジェットプリンタヘッド８０で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９０は、内部に専用のコントローラボード９７等を備えており、インクジェットプリンタヘッド８０のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構９３の走査を制御する。また、本体９１はその背面にトレイ９２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）９６も備える。本体９１は記録用紙９５を自動的に送り出し、本体９１の正面の排出口９４から記録用紙９５を排紙する。
【００６４】
（圧電センサとしてのジャイロセンサ）
図１１（ａ）は、圧電素子２００を用いる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１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【００６５】
ジャイロセンサ３５は、基部３２と、基部３２の一面に接続する二つのアーム３３及び３４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３５は、第一電極膜５、第一導電性中間膜４、圧電膜３、第二導電性中間膜２及び第二電極膜１を含む圧電素子２００を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られる。
【００６６】
一方のアーム３３の第一の主面には、駆動電極膜１ａ及び１ｂと検出電極膜１ｄが形成されている。同様に、他方のアーム３４の第一の主面には、駆動電極膜１ａ及び１ｂと検出電極膜１ｃが形成されている。これらの各電極膜１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、第二電極膜１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。
【００６７】
なお、基部３２とアーム３３及び３４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第一電極膜５は、ジャイロセンサ３５のグランド電極として機能する。
【００６８】
ここで、それぞれのアーム３３、３４の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム３３及び３４の主面を含む平面をＸＺ平面とするＸＹＺ直交座標系を定義する。
【００６９】
駆動電極膜１ａ及び１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム３３及び３４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３３及び３４の主面に平行な向きに二つのアーム３３及び３４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３３が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム３４は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。
【００７０】
この状態でジャイロセンサ３５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３３及び３４のそれぞれに対して振動方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、二つのアーム３３及び３４が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３３及び３４の主面に直交する向きに二つのアーム３３及び３４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３３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３４に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。
【００７１】
コリオリ力Ｆ１及びＦ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１及びＦ２によるアーム３３及び３４の機械的な歪みを圧電膜３によって電気信号（検出信号）に変換し、電気信号を検出電極膜１ｃ及び１ｄから取り出して、角速度ωを求めることができる。圧電素子２００は圧電素子１００または３００で置き換えることができる。
【００７２】
（圧電センサとしての圧力センサ）
図１２は、上記の圧電素子２００を用いる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。
【００７３】
圧力センサ４０は、圧電素子２００を支え、圧力を受ける空洞４５を有する支持体４４を有する。圧力センサ４０の電極膜１及び５は電流増幅器４６及び電圧測定器４７に接続されている。ここで、外力が支持体４４にかかると圧電素子２００がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。圧電素子２００は圧電素子１００または３００で置き換えることができる。
【００７４】
（圧電センサとしての脈波センサ）
図１３は、圧電素子２００を用いる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。脈波センサ５０は、基板５１上に送信用圧電素子Ｔｒ及び受信用圧電素子Ｒｅが搭載されている構成となっている。この例では、送信用Ｔｒ及び受信用圧電素子Ｒｅとして圧電素子２００が用いられている。基板５１上に、電極５６及び上面用電極５７が形成されている。電極膜１と上面用電極５７の各々は互いに配線５８で電気的に接続されている。電極５と電極５６の各々は互いに電気的に接続されている。
【００７５】
生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ５０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Ｔｒの両電極膜１及び５に特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用圧電素子Ｔｒは両電極膜１及び５に入力される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Ｒｅにより受信される。受信用圧電素子Ｔｒは、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極膜１及び５から出力する。圧電素子２００は圧電素子１００または３００で置き換えることができる。
【００７６】
本発明の圧電アクチュエータ、ハードディスクドライブ、インクジェットプリンタ装置及び圧電センサは変位特性を改善することができる。
【実施例】
【００７７】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではないことに留意されたい。
【００７８】
（実施例１）
図３に示す本発明の第一実施態様に係る実施例１の圧電素子１００を以下の工程を経て作製した。
【００７９】
（１００）面方位を有するシリコン基板７を４００℃に加熱し、シリコン基板７上に第一電極膜５として２００ｎｍのＰｔ膜をスパッタリング法により形成した。そして、シリコン基板７を５５０℃に加熱し、Ｐｔ膜上に導電性中間膜４として１５ｎｍのＳｒＲｕＯ３膜をスパッタリング法により形成した。次に、シリコン基板７を５５０℃に加熱したまま、ＳｒＲｕＯ３膜上に圧電膜３として２０００ｎｍのニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）膜をスパッタリング法により形成した。続いて、ニオブ酸カリウムナトリウム膜上に、導電性中間膜２として１５ｎｍのＢａＲｕＯ３膜をスパッタリング法により形成した。次に、常温においてＢａＲｕＯ３膜上に第二電極膜１として２００ｎｍのＰｔ膜をスパッタリング法により形成した。
その後、フォトリソグラフィー法によりシリコン基板７上の積層膜をパターニングし、さらに個片化することで、可動部分寸法が１ｍｍ×２ｍｍである圧電素子１００を作製した。
【００８０】
上記とは別に、シリコン基板７に上述と同じ条件でニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）、ＳｒＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３及び、Ｐｔ膜を個別に形成し、各膜の線膨張率をＸ線反射率法により測定した。また各導電性中間膜の抵抗率（比抵抗）も併せて測定した。測定結果を以下に示す。
ＫＮＮ：８．０×１０−６  １／Ｋ
ＳｒＲｕＯ３：１０．３×１０−６  １／Ｋ、５．０×１０−５Ωｃｍ
ＢａＲｕＯ３：９．８×１０−６  １／Ｋ、８．０×１０−５Ωｃｍ
Ｐｔ：８．８×１０−６  １／Ｋ
また、シリコン基板７の線膨張率は以下の値である。
Ｓｉ：２．６×１０−６  １／Ｋ
【００８１】
（実施例２〜１４）
実施例２〜１４の圧電素子１００は、表２及び３に与えられている材料で作られた圧電膜３及び導電性中間膜２、４を使用して作製されたこと以外は実施例１と同様に得られた。各材料の線膨張率及び抵抗率を測定した結果も表１〜表３に示す。
【００８２】
（実施例１５、１６）
図４に示す本発明の第二実施態様に係る実施例１５及び１６の圧電素子２００を以下の工程を経て作製した。
【００８３】
実施例１と同様に、スパッタリング法によりシリコン基板７上に膜５〜１を成膜した。その後、第二電極膜１に、エポキシ樹脂からなる樹脂膜１１を介して金属膜１２を有するサポート基板７’を接着した。その後、シリコン基板７をＲＩＥというエッチング処理により除去した。サポート基板７’上の積層膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、可動部分の寸法が１ｍｍ×２ｍｍである圧電素子部を得、サポート基板７’、樹脂膜１１および金属膜１２を除去して矩形の圧電素子２００を得た。
【００８４】
（比較例１）
導電性中間膜２及び導電性中間膜４を成膜しない以外は、実施例１と同様にして比較例１の圧電素子４００を得た（図６参照）。
【００８５】
（評価）
抗電界は、Ａｉｘａｃｃｔ社製の強誘電評価システムＴＦ−１０００を用いて、Ｐ−Ｅヒステリシスカーブを測定することにより求めた。また各圧電素子に電圧を印加した際の変位量および抗電界を、レーザドップラー振動計（グラフテック社製：ＧＲＡＰＨＴＥＣ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を用いて測定した。
【００８６】
抗電界ＥｃおよびＶｃは、第一電極膜を正極、第二電極膜を負極に接続し、周波数１２０Ｈｚ、±２７ｋＶ／ｃｍの三角波を印加して測定したＰ−Ｅヒステリシス曲線から求めた。変位量は、同様に、第一電極膜を正極、第二電極膜を負極に接続し、周波数１２０Ｈｚの正弦波（±１０Ｖ）の電圧を印加して測定した。これらの結果を表４に示す。
【００８７】
線膨張率が第一電極膜および圧電膜より大きい第一非金属導電性中間膜と、線膨張率が第二電極膜および圧電膜より大きい第二非金属導電性中間膜を備える実施例１〜１６の圧電素子の抗電界Ｅｃ＋、Ｖｃ＋及び抗電界Ｅｃ−、Ｖｃ−は第一および第二非金属導電性中間膜を備えない比較例１の抗電界Ｅｃ＋、Ｖｃ＋及び抗電界Ｅｃ−、Ｖｃ−より大きいことが確認された。
【００８８】
【表１】
2015529963.tif 000003
【００８９】
【表２】
2015529963.tif 000004
【００９０】
【表３】
2015529963.tif 000005
【００９１】
【表４】
2015529963.tif 000006
【図１】
2015529963.tif 000007
【図２】
2015529963.tif 000008
【図３】
2015529963.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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