(57)【要約】【課題】大きな発電量を得ることが可能な圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】圧電素子１は、下部電極層５と、上部電極層８と、圧電機能層１０とを具備する。圧電素子１は、第１の圧電体層６１と、第２の圧電体層６２とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層５と上部電極層８とから電力を得るための発電素子として用いられる。上部電極層８は、下部電極層５に対向する。圧電機能層１０は、下部電極層５上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第１の圧電体層６１と、第１の圧電体層６１上に形成され金属材料からなる第１の中間層７１と、第１の中間層７１上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第２の圧電体層６２とを有し、下部電極層５と上部電極層８との間に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、
前記第１の電極層に対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第１の圧電体層と、前記第１の圧電体層上に形成され金属材料からなる第１の中間層と、前記第１の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第２の圧電体層とを有し、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置される圧電機能層と
を具備する圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子であって、
前記金属材料は、モリブデンである
圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電素子であって、
前記第１の電極層は、モリブデンで形成される
圧電素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子であって、
前記圧電素子は、固定部に固定されることが可能な第１の端部と、変位することが可能な第２の端部とを有し、前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記第１の電極層を支持する基材をさらに具備する
圧電素子。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電素子であって、
前記圧電素子は、前記基材と前記第１の電極層との間に配置され、窒化アルミニウムからなる下地層をさらに具備する
圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電素子であって、
前記圧電機能層は、３μｍ以上の厚みを有する
圧電素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電素子であって、
前記第１の中間層は、電気的に浮遊している
圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電素子であって、
前記圧電機能層は、
前記第２の圧電体層上に形成され、金属材料からなる第２の中間層と、
前記第２の中間層上に形成され、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第３の圧電体層とをさらに有する
圧電素子。
【請求項９】
基材上に第１の電極層を形成し、
前記第１の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第１の圧電体層を形成し、
前記第１の圧電体層上に、金属材料からなる第１の中間層を形成し、
前記第１の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第２の圧電体層を形成し、
前記第２の圧電体層上に、第２の電極層を形成する
圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化アルミニウムを用いた圧電素子及び圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、優れた圧電特性を有し、かつ鉛を含まず環境安全性も高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が圧電体として着目されている。ＡｌＮを含む圧電素子は、例えば振動センサ、圧電スピーカ等としての応用が研究されているが、小型の発電装置としての応用も検討されている。特許文献１には、ＡｌＮを含む圧電体薄膜を、例えばモリブデン（Ｍｏ）等の電極層で挟んだ圧電素子及びそれを備えた発電装置が記載されている。この圧電素子は、高分子化合物等の薄く歪みやすい基板を用いることで、小型でかつ多量の電荷を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１１０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、圧電素子における発電量を増加させるためには、特許文献１のように基板等を変位させやすい素子構造とすることに加えて、当該圧電体層の体積を大きく形成することが要求される。しかしながら、窒化アルミニウムからなる圧電体層は、スパッタ法等で形成される際に非常に大きな内部応力を有するため、例えば当該圧電体層を厚くするとクラックが発生し、形成できる膜厚に限界があった。このことから、窒化アルミニウムからなる圧電体層を有する圧電素子において、発電量を向上させることが困難であった。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大きな発電量を得ることが可能な圧電素子及び圧電素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電素子は、第１の電極層と、第２の電極層と、圧電機能層とを具備する。
上記第２の電極層は、上記第１の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第１の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第１の圧電体層と、上記第１の圧電体層上に形成され金属材料からなる第１の中間層と、上記第１の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第２の圧電体層とを有し、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に配置される。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電素子の製造方法は、基材上に第１の電極層を形成する工程を含む。
上記第１の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第１の圧電体層が形成される。
上記第１の圧電体層上に、金属材料からなる第１の中間層が形成される。
上記第１の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第２の圧電体層が形成される。
上記第２の圧電体層上に、第２の電極層が形成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子の要部の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子の構成を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る圧電体層と同様の膜質の窒化アルミニウムからなる圧電体層について、理論的に算出される圧電体層の厚みと発電量との関係を示すグラフであり、横軸は圧電体層の厚み、縦軸は発電量を示している。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る実施例と比較例とについて、それぞれ圧電体層の内部応力を測定した結果を示したグラフであり、縦軸は、圧電体層内の内部応力（引っ張り応力）を示す。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る実施例の第２の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真であり、（Ａ）は第２の圧電体層表面の中央部の結果を示し、（Ｂ）は周縁部の結果を示す。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る比較例の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真であり、（Ａ）は圧電体層表面の中央部の結果を示し、（Ｂ）は周縁部の結果を示す。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る圧電素子の要部の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態に係る圧電素子は、第１の電極層と、第２の電極層と、圧電機能層とを具備する。
上記第２の電極層は、上記第１の電極層に対向する。
上記圧電機能層は、上記第１の電極層上に窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第１の圧電体層と、上記第１の圧電体層上に形成され金属材料からなる第１の中間層と、上記第１の中間層上に形成され窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第２の圧電体層とを有し、上記第１の電極層と上記第２の電極層との間に配置される。
【００１０】
上記圧電素子は、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第１の圧電体層と、第２の圧電体層とを有する。一般に、スパッタ法等によって窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子を堆積することで形成された圧電体層は、所定の膜厚以上に形成した場合、クラックが発生しやすい。このことから、形成できる膜厚に制限があり、得られる発電量にも限界が生じる。
【００１１】
一方、上記圧電機能層は、第１の圧電体層と第２の圧電体層との間に、第１の中間層が形成された積層構造を有する。第１の中間層により圧電機能層の内部応力を緩和できるため、圧電体層の厚みに応じた圧電特性を安定に得ることができる。また、第１の中間層は金属材料で形成されるため、適度な弾性を有するとともに、第１の圧電体層と第２の圧電体層との間における電荷の移動を許容する。したがって上記圧電素子によれば、外力に応じた圧電機能層の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。
【００１２】
上記圧電素子は、発電素子として機能させることができる。この場合、第１の圧電体層と第２の圧電体層とをいずれもクラックが発生しない程度の所定の厚みで形成し、かつこれらの圧電体層を第１の中間層を挟んで積層することで、圧電機能層全体として大きな発電量を得ることができる。
【００１３】
上記金属材料は、例えば、モリブデンである。
このことによって、第２の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
【００１４】
上記第１の電極層は、例えば、モリブデンで形成される。
このことによって、第１の圧電体層に含まれる窒化アルミニウムの結晶配向性が良好となり、窒化アルミニウムの圧電特性を高めることができる。
【００１５】
上記圧電素子は、固定部に固定されることが可能な第１の端部と、変位することが可能な第２の端部とを有し、上記第１の端部と上記第２の端部との間で上記第１の電極層を支持する基材をさらに具備してもよい。
上記圧電素子は、いわゆる片持ち梁（カンチレバー）構造を有する。すなわち、上記基材は、第２の端部を容易に変位させることができるため、それに応じて、上記第１の電極層上に形成される第１の圧電体層及び第２の圧電体層を変位させることが可能となる。このことから、上記圧電素子をより効率よく発電させることが可能となる。
【００１６】
上記圧電素子は、上記基材と上記第１の電極層との間に配置され、窒化アルミニウムからなる下地層をさらに具備してもよい。
上記下地層によって、第１の電極層の結晶配向性がより良好となる。
【００１７】
上記圧電機能層は、３μｍ以上の厚みを有してもよい。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む圧電体層の発電量は、一般に、膜厚が大きいほど大きくなることが知られている。上述のように、圧電機能層は、第１の圧電体層と、第１の中間層と、第２の圧電体層との積層構造であるため、圧電機能層全体の発電量についても、膜厚が大きいほど大きくなると考えられる。このことから、例えば、上記圧電機能層が３μｍ以上の厚みであれば、圧電機能層全体として十分な発電量を得ることができる。
【００１８】
上記第１の中間層は、電気的に浮遊していてもよい。
このことによって、第１の電極層と第２の電極層とにのみ外部配線を接続するだけで圧電機能層全体で発生する発電量を得ることが可能となるので、外部回路の構成を簡素化することができる。
【００１９】
上記圧電機能層は、
上記第２の圧電体層上に形成され、金属材料からなる第２の中間層と、
上記第２の中間層上に形成され、窒化アルミニウム粒子が堆積することで形成される第３の圧電体層とをさらに有してもよい。
このことによって、圧電機能層は、圧電体層と中間層とが交互に積層された構造とすることができる。すなわち、１層の圧電体層を所定の厚みとし、中間層を挟んでそれらを複数層積層させることによって、圧電機能層全体の膜厚を大きくし、発電量をさらに向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明の一実施形態に係る圧電素子の製造方法は、基材上に第１の電極層を形成する工程を含む。
上記第１の電極層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第１の圧電体層が形成される。
上記第１の圧電体層上に、金属材料からなる第１の中間層が形成される。
上記第１の中間層上に、スパッタ法によって窒化アルミニウム粒子を堆積させることで第２の圧電体層が形成される。
上記第２の圧電体層上に、第２の電極層が形成される。
【００２１】
上述のように、スパッタ法によってＡｌＮ粒子を堆積させる場合には、大きな内部応力が発生し、所定の厚み以上に形成されるとクラックが発生する。一方、上記圧電素子の製造方法によれば、第１の圧電体層をクラックが発生しない所定の厚みで形成し、その上に第１の中間層を挟んで、さらに第２の圧電体層を所定の厚みで積層することができる。これによって、各圧電体層にクラックを発生させずに、圧電素子における発電量を容易に向上させることが可能となる。
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
＜第１の実施形態＞
［圧電素子の構成］
図１、図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電素子の構成を示す概略断面図であり、図１では、特に本実施形態に係る圧電素子の要部の構成を示している。圧電素子１は、基材３と、下部電極層（第１の電極層）５と、第１の圧電体層６１と、第１の中間層７１と、第２の圧電体層６２と、上部電極層（第２の電極層）８とを具備し、これらが積層された構造を有する。圧電素子１は、第１の圧電体層６１と、第２の圧電体層６２とが外力等によって変位し、分極することで、下部電極層５と上部電極層８とから電力を得ることが可能な発電素子として用いられる。
【００２４】
基材３は、図２を参照し、第１の端部３１と、第１の端部３１とは反対側に形成される第２の端部３２とを有し、第１の端部３１と第２の端部３２との間で下部電極層５及びその上に形成される積層構造を支持することが可能に構成される。基材３としては、例えば円形状または矩形状等のシリコン基板等が採用される。第１の端部３１は、圧電素子１とは別部材で構成される固定部Ｆに固定される固定端として構成され、一方、第２の端部３２は固定されず、変位することが可能な自由端として構成される。すなわち、本実施形態において、圧電素子１は、カンチレバー（片持ち梁）構造を有する。
【００２５】
下地層４は、基材３の上に形成される。下地層４は、本実施形態において窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、厚みは例えば約１０〜５０ｎｍである。下地層４は、基材３と後述する下部電極層５との間に配置され、下部電極層５のモリブデン（Ｍｏ）の結晶配向性を高めるために形成される。
【００２６】
下部電極層５は、下地層４上に形成される。下部電極層５は、本実施形態においてＭｏで形成され、厚みは例えば約５０ｎｍである。Ｍｏを下部電極層５として用いることによって、下部電極層５上に積層される第１の圧電体層６１の結晶配向性が良好となる。
【００２７】
圧電機能層１０は、第１の圧電体層６１と、第１の中間層７１と、第２の圧電体層６２とを有する。第１の中間層７１は、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２とからなる圧電体層６を分割するように、これらの間に配置される。また、圧電機能層１０の厚みは、３μｍ以上である。
【００２８】
第１の圧電体層６１は、下部電極層５上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が堆積することで形成される。第１の圧電体層６１を形成するＡｌＮは、六方晶系のウルツ鉱型の結晶構造を有し、加えられる圧力に応じて分極することが可能な圧電特性を有する。本実施形態において、第１の圧電体層６１は、下部電極層５を構成するＭｏによって良好な結晶配向性を有し、優れた圧電特性を有する。第１の圧電体層６１の厚みは、例えば約１．５μｍである。
【００２９】
第１の中間層７１は、第１の圧電体層６１上に形成される。第１の中間層７１は、金属材料を用いることができ、本実施形態においてＭｏで形成される。第１の中間層７１を金属材料で形成することによって、圧電機能層１０が適度な弾性を有するとともに、圧電機能層１０の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。第１の中間層７１をＭｏで形成することによって、上述のように、積層される第２の圧電体層６２の結晶配向性を高めることができる。厚みは特に制限されず、例えば約５０ｎｍである。
【００３０】
また、第１の中間層７１は、下部電極層５と同様のＭｏから形成されるが、本実施形態において電気的に浮遊しており、電極等としては機能しない。このことによって、下部電極層５と上部電極層８とにのみ外部配線を接続するだけで圧電機能層１０全体で発生する発電量を得ることが可能となり、外部回路の構成を簡素化することができる。
【００３１】
第２の圧電体層６２は、第１の圧電体層６１と同様の構成を有する。すなわち、第１の中間層７１上にＡｌＮが堆積することで形成され、厚みは例えば約１．５μｍである。また本実施形態において、第２の圧電体層６２は、第１の中間層７１を構成するＭｏによって良好な結晶配向性を有し、第１の圧電体層６１と同様に優れた圧電特性を有する。
【００３２】
上部電極層８は、第２の圧電体層６２上に形成され、下部電極層５及び第１の中間層７１と同様にＭｏで形成される。上部電極層８の厚みは特に制限されず、例えば約５０ｎｍである。また、本実施形態において上部電極層８は厚みが均一な層で形成され、パターン加工されることも可能である。
【００３３】
次に、以上のような構成の圧電素子１の製造方法について説明する。
【００３４】
［圧電素子の製造方法］
【００３５】
圧電素子１の製造方法は、以下の工程を有する。すなわち、（１）下部電極層の形成工程、（２）第１の圧電体層の形成工程、（３）第１の中間層の形成工程、（４）第２の圧電体層の形成工程、（５）上部電極層の形成工程、である。以下、各工程について説明する。
【００３６】
（下部電極層の形成工程）
まず、基材３上に、下地層４が、例えば約１０〜５０ｎｍの厚みで形成される。下地層４は、後述する第１の圧電体層６１及び第２の圧電体層６２と同様のスパッタ法等を用いて形成することができる。
【００３７】
下地層４上には、Ｍｏからなる下部電極層５が、例えば真空蒸着法、スパッタ法等を用いて形成される。下部電極層５の成膜条件等は特に限られない。下部電極層５の厚みも特に限定されず、本実施形態においては約５０ｎｍに形成される。なお、下部電極層５は、所期の形状にパターン加工されてもよい。
【００３８】
次に、下地層４上に第１の圧電体層６１を形成する。
【００３９】
（第１の圧電体層の形成工程）
第１の圧電体層６１は、例えば、スパッタ法によって形成することが可能である。本実施形態においては、反応性スパッタ法を採用し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）ターゲットが配置された真空チャンバ内で、ＡｒとＮ２の混合ガスを導入することにより行われる。成膜条件は特に限定されず、例えば圧力は０．２０Ｐａ、ターゲットに印加されるpulse-DCのパワーは６ｋＷ、基板に印加されるRF電源のバイアスパワーは３０−５０Ｗ、基材３を加熱する温度は３００℃とすることができる。
【００４０】
上記条件の下、所定時間成膜を行うことにより、約１．５μｍの厚みの第１の圧電体層６１が形成される。そして、第１の圧電体層６１上に第１の中間層７１が形成される。
【００４１】
（第１の中間層の形成工程）
第１の中間層７１は、下部電極層５と同様の方法で形成することができる。すなわち、真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、約５０ｎｍの厚みで形成される。さらに、第１の中間層７１の上に第２の圧電体層６２が形成される。
【００４２】
（第２の圧電体層の形成工程）
第２の圧電体層６２は、第１の圧電体層６１と同様の方法で形成することができる。すなわち、本実施形態において反応性スパッタ法を採用し、約１．５μｍの厚みに形成される。
【００４３】
そして、第２の圧電体層６２上に上部電極層８を形成する。
【００４４】
（上部電極層の形成工程）
上部電極層８は、例えばＭｏからなり、例えば真空蒸着法、スパッタ法等を用いて、第２の圧電体層６２上に約５０ｎｍの厚みで形成される。上部電極層８の成膜条件等は特に限られず、例えば下部電極層５と同様の成膜方法及び条件で形成することができる。
【００４５】
以上の各工程によって、圧電素子１が作製される。なお、比較的大型の円形状または矩形状の基材３を用いた場合には、上記各工程の後、個々の素子領域に分離する工程を行うことも可能である。
【００４６】
さらに、圧電素子１は、別部材からなる固定部Ｆに基材３の第１の端部３１を取り付けることにより、カンチレバー構造の圧電素子とすることができる。すなわち、基材３の第１の端部３１は固定部Ｆに固定され、一方の第２の端部３２は固定されず、変位することが可能に構成される。例えば、基材３に図２の矢印方向からの外力を加えることによって、第２の端部３２が変位し、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２とに歪み等を生じさせる。このことによって、圧電体層６を分極させ、電力を発生させることが可能となる。
【００４７】
ところで、カンチレバー構造の圧電素子における発電量については、一般に、以下の計算式が用いられている。
Ｐｍａｘ＝（ｍＹδ２ＷＳ３Ｑ）／｛４（１＋１／Ｋ４Ｑ２）｝・・・（１）
【００４８】
上記（１）式において、Ｐｍａｘは最大発電量、ｍは圧電体の質量、Ｙδは入力変位、ＷＳは固有角振動数（ＡｌＮでは７ｋＨｚ）、Ｋは電気機械結合係数（（|ｅ３１|）２／εｒ（１０．５））、ＱはＱ値（１／ｔａｎδ）、である。このうち、ＷＳ及びＱの値は圧電体層の材料によって定まり、Ｋの値は圧電体層の圧電特性、電気特性等の膜質によって定まる。また、ｍは、圧電体層の密度と体積とを乗じた値となるため、圧電体層を均一な厚みを持つとした場合には、その厚みに比例する。したがって、（１）式より、カンチレバー型の圧電素子において、同種の材料でかつ同様の膜質からなる圧電体層を有する場合に、一定の変位を加えて得られる最大発電量は、当該圧電体層の厚みにほぼ比例する。
【００４９】
図３は、本実施形態に係る圧電体層と同様の膜質のＡｌＮからなる圧電体層について、（１）式から算出される圧電体層の厚みと発電量との関係を示すグラフであり、横軸は圧電体層の厚みを示し、縦軸は発電量を示している。図３からも、圧電体層における発電量が、圧電体層の厚みに比例することが確認される。また、本実施形態において、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２との膜厚は、それぞれ約１．５μｍであるから、各々約６０μＷの発電量を有する。
【００５０】
一方、圧電機能層１０は、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２との間に、第１の中間層７１が形成される。第１の中間層７１は、第１の圧電体層と第２の圧電体層とにおける分極の妨げとはならないため、圧電機能層１０は、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２との合計の厚み分の発電量を得られる。このことから、図３より、本実施形態に係る圧電機能層１０は、約３μｍの厚みに対応する約１２０μＷの発電量を得ることができる。
【００５１】
一方、スパッタ法等によって約３μｍの厚みに形成したＡｌＮからなる圧電体層は、成膜時にクラック等が生じやすい。そこで、本実施形態の実施例に係る圧電素子と、３μｍの厚みのＡｌＮからなる圧電体層を有する圧電素子（以下、比較例とする）とを作製し、それぞれの圧電体層の成膜時における内部応力の測定と、圧電体層表面の観察とを行った。
【００５２】
まず、実施例及び比較例の構成について説明する。いずれも、５０ｎｍの厚みのＡｌＮからなる下地層と、５０ｎｍの厚みのＭｏからなる下部電極層とが形成された８インチ径のシリコン基板（半径約１００ｍｍ）（基材）を用意し、その上にＡｌＮからなる圧電体層を形成した。
【００５３】
圧電体層の形成には、反応性スパッタ法を用い、さらに具体的には３０ｋＨｚの直流電源を用いた平板マグネトロンスパッタ法を採用した。成膜条件については、ターゲットはアルミニウム（Ａｌ）、ターゲットに印加されるpulse-DCのパワーは６ｋＷ、基板に印加されるＲＦ電源のバイアスパワーは３０〜５０Ｗ、導入ガスはＡｒとＮ２の混合ガス、圧力は０．２０Ｐａ、基材を加熱する温度は３００℃とした。
【００５４】
実施例に係る圧電体層は、それぞれ約１．５μｍの厚みを有する第１の圧電体層と第２の圧電体層とを有しており、これらの間には、約５０ｎｍの厚みのＭｏからなる第１の中間層が形成されている。一方、比較例に係る圧電体層は、約３μｍの厚みを有する。すなわち、圧電体層の合計の厚みは、実施例及び比較例のいずれも３μｍとなる。
【００５５】
図４は、本実施形態に係る実施例と、比較例とについて、それぞれ圧電体層の内部応力を測定した結果を示したグラフであり、縦軸は、圧電体層内の内部応力（引っ張り応力）を示す。内部応力の測定には、薄膜表面をスキャニングして反り量を検出し、間接的に薄膜の内部応力を測定することが可能な、薄膜応力測定装置を用いた。
【００５６】
図４より、実施例に係る圧電体層の内部応力は面内引張り方向へ４９ＭＰａなのに対し、比較例では面内引張り方向へ４３１ＭＰａであり、比較例は実施例のおよそ１０倍の内部応力を有することが確認された。
【００５７】
図５は、実施例の第２の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真であり、図６は、比較例の圧電体層の表面を光学顕微鏡によって観察した結果を示した写真である。また、図５、図６のいずれにおいても、（Ａ）は圧電体層表面の中央部の結果を示し、（Ｂ）は周縁部の結果を示す。なお、図５、図６における顕微鏡写真の拡大倍率は、いずれも３００倍である。
【００５８】
図５より、実施例に係る圧電体層の表面には、中央部にも周縁部にもクラック等の発生はなかった。一方、図６より、比較例に係る圧電体層には、中央部にも、周縁部にもクラックの発生が見られ、特に、図６（Ａ）に示す中央部には、図６（Ｂ）に示す周縁部よりも多くのクラックが発生する様子が示された。
【００５９】
図４及び図６の結果から、比較例に係る圧電体層は、内部に非常に大きな引っ張り応力を有し、それによって、圧電体層の中央部を中心にクラックが発生した。このことは、ＡｌＮの結晶構造内における分子間力等により、膜の厚みが厚くなるにしたがって内部に大きな引っ張り応力が発生したためと考えられる。つまり、比較例においては、クラックの発生による応力緩和が生じていることを鑑みると、実質的に実施例の１０倍以上の応力が発生していることが考えられる。
【００６０】
一方、図４及び図５の結果から、本実施形態の実施例に係る第１の圧電体層及び第２の圧電体層は、内部応力は小さく、クラックは発生しないことが示された。
【００６１】
以上の結果から、本実施形態に係る圧電素子１の製造方法においては、クラックを発生させることなく、圧電機能層１０を３μｍ以上に形成できることが確認された。さらに、本実施形態に係る圧電素子１は、圧電体層を３μｍ以上の厚みで形成した場合と同等の発電量を得ることが可能である。このことから、圧電素子１によれば、スパッタ法を用いてＡｌＮからなる圧電体層６を形成する場合であっても、膜厚の制限を受けることなく所望の発電量を得ることが可能となる。
【００６２】
また、第１の中間層７１は金属材料で形成されるため、適度な弾性を有するとともに、第１の圧電体層６１と第２の圧電体層６２との間における電荷の移動を許容する。したがって圧電素子１によれば、外力に応じた圧電機能層１０の変形特性を損なうことなく、所期の圧電特性を確保することができる。
【００６３】
さらに、圧電素子１は、カンチレバー型の構造を有するため、基材３等に加えられた外力が圧電機能層１０へ効率よく伝播される。このことから、圧電素子１の発電効率をより高めることができる。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係る圧電素子２の要部の構成を示す概略断面図である。なお、図において第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００６５】
本実施形態に係る圧電素子２において圧電素子１と異なる点は、圧電機能層２０が、第２の圧電体層６２上に形成される第２の中間層７２と、第２の中間層７２上に形成される第３の圧電体層６３とをさらに具備する点である。
【００６６】
第２の中間層７２は、金属材料で形成され、本実施形態においてＭｏからなる。また、第１の中間層７１と同様のスパッタ法等を用いて、約５０ｎｍの厚みで形成される。
【００６７】
第３の圧電体層６３は、第１の圧電体層６１、第２の圧電体層６２と同様の方法で形成される。例えば、反応性スパッタ法を採用し、窒化アルミニウム粒子が堆積することで、約１．５μｍの厚みに形成される。すなわち、第１〜第３の圧電体層６１〜６３における厚みはそれぞれ約１．５μｍである。
【００６８】
以上のような構成の圧電素子２は、クラックを発生させることなく、圧電機能層２０全体として発電量を向上させることが可能である。具体的には、圧電機能層２０は、約４．５μｍの厚みの圧電体層と同等の発電量を発生させる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００７０】
以上の実施形態において、圧電機能層が、圧電体層と中間層とを交互に３層または５層積層された構造であると説明したが、これに限られない。例えば、さらに中間層、圧電体層を交互に積層させ、圧電機能層を７層以上の積層構造とすることも可能である。このような構造の圧電素子であっても、クラックを発生させることなく、より大きな発電量を得ることが可能となる。
【００７１】
以上の実施形態において、各電極層５及び中間層とがＭｏで形成されると説明したが、これに限らない。例えば、それぞれ白金（Ｐｔ）で形成することも、その他の金属材料で形成することも可能である。
【００７２】
以上の実施形態では、圧電素子１は、基材３の一方の面のみに積層構造を有する、いわゆるモノモルフ構造として説明したが、これに限られない。例えば、基材３の両面に積層構造を有する、いわゆるバイモルフ構造とすることも可能である。
【００７３】
以上の実施形態では、圧電素子１が片持ち梁構造の圧電素子であると説明したが、これに限られない。例えば、基材における第１の端部と第２の端部とがともに固定され、基材の中央部を変位させる構造とすることも可能である。
【００７４】
以上の実施形態に係る圧電素子１は、小型でかつ発電効率の高い発電装置としての応用が可能である。圧電素子１を用いた発電装置は、例えば、発電床や、小型化が要求されるモバイル機器等の電力供給源等として応用することができる。なお、発電床は、建物の床等に敷設され、人がその上を歩行すること等により歪みが生じて電荷を発生する装置であり、人通りの多い駅や商業施設等における新たな電力供給源として期待される。
【符号の説明】
【００７５】
１，２・・・圧電素子
３・・・基材
４・・・下地層
５・・・下部電極層（第１の電極層）
６，６０・・・圧電体層
６１・・・第１の圧電体層
６２・・・第２の圧電体層
６３・・・第３の圧電体層
７１・・・第１の中間層
７２・・・第２の中間層
１０，２０・・・圧電機能層
８・・・上部電極層（第２の電極層）
Ｆ・・・固定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
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【図６】
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