(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁耐圧を向上することが可能な圧電素子及びその製造方法並びに圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電素子は、基板３１と、基板上に形成された下部電極３２と、下部電極上に形成された圧電膜３３と、圧電膜上に形成された上部電極３４と、を有し、上部電極３４は、平坦化処理が施された面に形成されている。凹凸のある圧電膜の表面上に上部電極を形成して、凹凸の隙間に電極材料が入り込めず、微細な凹みや空孔が形成されてしまわないように、圧電膜の上面に平坦化処理を施し、圧電膜の絶縁耐圧を向上させる。【選択図】図３
2017063080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成された圧電膜と、
前記圧電膜上に形成された上部電極と、を有し、
前記上部電極は、平坦化処理が施された面に形成されている圧電素子。
【請求項２】
前記平坦化処理が施された面は、前記圧電膜の上面である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記平坦化処理が施された面は、
前記圧電膜と前記上部電極との間に形成された保護膜が形成された面である請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電素子を備えた圧電アクチュエータ。
【請求項５】
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜に平坦化処理を施す工程と、
前記平坦化処理を施す工程によって形成された面に上部電極を形成する工程と、を有する圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記圧電膜に平坦化処理を施す工程では、前記圧電膜の上面にエッチング加工を施し、前記圧電膜の上面を前記平坦化処理が施された面とする請求項５に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項７】
前記エッチング加工は、ガスクラスターイオンビームにより行う請求項６に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項８】
前記圧電膜に平坦化処理を施す工程では、前記圧電膜の上面に保護膜を形成する請求項５に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項９】
前記圧電膜に平坦化を施す工程では、前記圧電膜の上面にエッチング加工を施した後、前記圧電膜の上面に保護膜を形成する請求項５に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
前記保護膜は、原子層堆積法により形成する請求項８又は９に記載の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、圧電素子及びその製造方法、圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電膜に電圧を印加すると変形する現象を利用した圧電素子が知られている。圧電素子は、例えば、圧電膜と、圧電膜を挟むように設けられた一対の電極を備えており、一対の電極に駆動電圧を印加することで圧電膜を変位させる。このような圧電素子に関し、圧電性の良好な圧電膜を作製する方法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７３６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧電素子においては、圧電性の良好な圧電膜を作製することも重要であるが、十分な絶縁耐圧を確保することも重要である。しかしながら、上記の文献には絶縁耐圧については言及されていない。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、絶縁耐圧を向上することが可能な圧電素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本圧電素子は、基板（３１）と、前記基板（３１）上に形成された下部電極（３２）と、前記下部電極（３２）上に形成された圧電膜（３３）と、前記圧電膜（３３）上に形成された上部電極（３４）と、を有し、前記上部電極（３４）は、平坦化処理が施された面に形成されていることを要件とする。
【０００７】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、絶縁耐圧を向上することが可能な圧電素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。
【図２】光走査制御装置を構成する光走査装置を例示する平面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る圧電素子を例示する断面図である。
【図４】第１の実施の形態に係る圧電素子の製造工程を例示する図（その１）である。
【図５】第１の実施の形態に係る圧電素子の製造工程を例示する図（その２）である。
【図６】凹み部の先端の応力について説明する図である。
【図７】破壊電界のワイブル分布の測定結果を示す図（その１）である。
【図８】第２の実施の形態に係る圧電素子を例示する断面図である。
【図９】保護膜の膜厚及び比誘電率と圧電膜の変位との関係を例示する図である。
【図１０】保護膜を成膜した圧電膜の断面像である。
【図１１】破壊電界のワイブル分布の測定結果を示す図（その２）である。
【図１２】第２の実施の形態の変形例に係る圧電素子を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、以下の実施の形態では、本発明に係る圧電素子を備えた圧電アクチュエータを光走査制御装置に用いる例を示すが、これには限定されない。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る光走査制御装置を例示するブロック図である。図２は、光走査制御装置を構成する光走査装置を例示する平面図である。
【００１２】
（光走査制御装置の概略構成）
まず、図１及び図２を参照して、光走査制御装置１の概略構成について説明する。光走査制御装置１は、主要な構成要素として、回路部１０と、光源部２０と、光走査装置３０と、光学部４０と、スクリーン５０と、光量検出センサ６０とを有する。光走査制御装置１は、例えば、レーザ走査型プロジェクタである。
【００１３】
回路部１０は、光源部２０や光走査装置３０を制御する部分であり、例えば、システムコントローラ１１やＣＰＵ（Central  Processing  Unit）１２、各種駆動回路等により構成することができる。
【００１４】
光源部２０は、ＬＤモジュール２１と、温度制御部２２と、温度センサ２３と、減光フィルタ２４とを有する。
【００１５】
ＬＤモジュール２１は、電流値に応じて出射する光量が変化するレーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂや、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の直近の光量をモニタする光量検出センサ２１５等を備えている。レーザ２１１Ｒは、例えば、赤色半導体レーザであり、波長λＲ（例えば、６４０ｎｍ）の光を出射することができる。レーザ２１１Ｇは、例えば、緑色半導体レーザであり、波長λＧ（例えば、５３０ｎｍ）の光を出射することができる。レーザ２１１Ｂは、例えば、青色半導体レーザであり、波長λＢ（例えば、４４５ｎｍ）の光を出射することができる。光量検出センサ２１５としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。光量検出センサ２１５は、減光フィルタ２４を通過前の光量を検出できる任意の位置に配置することができる。
【００１６】
温度制御部２２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを所定の温度に制御することができる。温度センサ２３は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の温度を検出することができる。温度制御部２２としては、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。温度センサ２３としては、例えば、サーミスタを用いることができる。
【００１７】
減光フィルタ２４は、ミラー３１０の前段に配置され、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂから出射された光（合成後の光）が入射する。減光フィルタ２４は、スクリーン５０上の輝度を調整する機能を有する。減光フィルタ２４としては、ＮＤ（Neutral  Density）フィルタや液晶素子、偏光フィルタ等を用いることができる。減光フィルタ２４は、例えば、入射光の光軸に対して傾けて挿入され、透過しない光（減光される光）は、減光フィルタ２４によって吸収若しくは反射される。
【００１８】
光走査装置３０は、例えば、圧電素子によりミラー３１０を駆動させるＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  System）である。ミラー３１０は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂから出射された光（合成後の光）を反射させ、映像信号に応じて入射光を水平方向及び垂直方向の２次元に走査してスクリーン５０に結像させる走査手段として機能する。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、光走査装置３０は、ミラー３１０と、ミラー支持部３２０と、捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂと、連結梁３４０Ａ及び３４０Ｂと、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂと、可動枠３６０と、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂと、固定枠３８０とを有する。又、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂは、それぞれ駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂを有する。又、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、それぞれ駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌを有する。駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂ、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、ミラー３１０を上下又は左右に揺動してレーザ光を走査するアクチュエータとして機能する。
【００２０】
ミラー支持部３２０には、ミラー３１０の円周に沿うようにスリット３２２が形成されている。スリット３２２により、ミラー支持部３２０を軽量化しつつ捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂによる捻れをミラー３１０へ伝達する際に発生する応力を緩和することができる。
【００２１】
光走査装置３０において、ミラー支持部３２０の表面にミラー３１０が支持され、ミラー支持部３２０は、両側にある捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂの端部に連結されている。捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂは、揺動軸を構成し、軸方向に延在してミラー支持部３２０を軸方向両側から支持している。捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂが捻れることにより、ミラー支持部３２０に支持されたミラー３１０が揺動し、ミラー３１０に照射された光の反射光を走査させる動作を行う。捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂは、それぞれが連結梁３４０Ａ及び３４０Ｂに連結支持され、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂに連結されている。
【００２２】
駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂ、連結梁３４０Ａ及び３４０Ｂ、捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂ、ミラー支持部３２０及びミラー３１０は、可動枠３６０に取り囲まれている。駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂは、可動枠３６０にそれぞれの一方の側が支持されている。駆動梁３５０Ａの他方の側は内周側に延びて連結梁３４０Ａ及び３４０Ｂと連結している。駆動梁３５０Ｂの他方の側も同様に、内周側に延びて連結梁３４０Ａ及び３４０Ｂと連結している。
【００２３】
駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂは、捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂと直交する方向に、ミラー３１０及びミラー支持部３２０を挟むように、対をなして設けられている。駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂの表面には、駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂがそれぞれ形成されている。駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂは、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂの表面上に下部電極、圧電膜（ＰＺＴ膜等）、及び上部電極が順次積層された構造の圧電素子である。駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂは、上部電極と下部電極に印加する駆動電圧の極性に応じて伸長したり縮小したりする。
【００２４】
このため、駆動梁３５０Ａと駆動梁３５０Ｂとで異なる位相の駆動電圧を交互に印加すれば、ミラー３１０の左側と右側で駆動梁３５０Ａと駆動梁３５０Ｂとが上下反対側に交互に振動する。これにより、捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂを揺動軸又は回転軸として、ミラー３１０を軸周りに揺動させることができる。ミラー３１０が捻れ梁３３０Ａ及び３３０Ｂの軸周りに揺動する方向を、以後、水平方向と呼ぶ。例えば駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂによる水平駆動には、共振振動が用いられ、高速にミラー３１０を揺動駆動することができる。
【００２５】
このように、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂは、ミラー３１０を水平方向に揺動する水平駆動源である駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂを備えた水平駆動梁である。
【００２６】
又、可動枠３６０の外部には、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂの一端が連結されている。駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、ミラー３１０を中心として点対称な位置で可動枠３６０と連結され、可動枠３６０を左右両側から挟むように、対をなして設けられている。駆動梁３７０Ａは、駆動梁３５０Ａと平行に延在する梁が、隣接する梁と端部で連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。そして、駆動梁３７０Ａの他端は、固定枠３８０の内側に連結されている。駆動梁３７０Ｂも同様に、駆動梁３５０Ｂと平行に延在する梁が、隣接する梁と端部で連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。そして駆動梁３７０Ｂの他端は、固定枠３８０の内側に連結されている。
【００２７】
駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂの表面には、それぞれ曲線部を含まない矩形単位毎に駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌが形成されている。駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌは、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂの表面上に下部電極、圧電膜、及び上部電極が順次積層された構造の圧電素子である。
【００２８】
駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、矩形単位毎に隣接している駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌ同士で、異なる極性の駆動電圧を印加することにより、隣接する矩形梁を上下反対方向に反らせ、各矩形梁の上下動の蓄積を可動枠３６０に伝達する。駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、この動作により、平行方向と直交する方向である垂直方向にミラー３１０を揺動させる。例えば駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂによる垂直駆動には、非共振振動を用いることができる。
【００２９】
例えば、駆動源３７１Ｒは、可動枠３６０側から右側に向かって並ぶ駆動源３７１ＡＲ、３７１ＢＲ、３７１ＣＲ、３７１ＤＲ、３７１ＥＲ及び３７１ＦＲを含む。又、駆動源３７１Ｌは、可動枠３６０側から左側に向かって並ぶ駆動源３７１ＡＬ、３７１ＢＬ、３７１ＣＬ、３７１ＤＬ、３７１ＥＬ及び３７１ＦＬを含む。この場合、駆動源３７１ＡＲ、３７１ＢＬ、３７１ＣＲ、３７１ＤＬ、３７１ＥＲ、３７１ＦＬを同波形、駆動源３７１ＢＲ、３７１ＡＬ、３７１ＤＲ、３７１ＣＬ、３７１ＦＲ、３７１ＥＬを前者と位相の異なる同波形で駆動することで垂直方向へ揺動することができる。
【００３０】
このように、駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂは、ミラー３１０を垂直方向に揺動する垂直駆動源である駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌを備えた垂直駆動梁である。
【００３１】
駆動源３５１Ａの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠３８０に設けられた端子群ＴＡに含まれる所定の端子と接続されている。又、駆動源３５１Ｂの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠３８０に設けられた端子群ＴＢに含まれる所定の端子と接続されている。又、駆動源３７１Ｒの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠３８０に設けられた端子群ＴＡに含まれる所定の端子と接続されている。又、駆動源３７１Ｌの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠３８０に設けられた端子群ＴＢに含まれる所定の端子と接続されている。
【００３２】
光走査装置３０は、駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー３１０が水平方向に揺動している状態におけるミラー３１０の水平方向の傾き具合（水平方向の振角）を検出する水平変位センサ３９１を備えている。
【００３３】
光走査装置３０は、駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌに駆動電圧が印加されてミラー３１０が垂直方向に揺動している状態におけるミラー３１０の垂直方向の傾き具合（垂直方向の振角）を検出する垂直変位センサ３９５及び３９６を備えている。
【００３４】
図１に戻り、光学部４０は、光走査装置３０に走査された光をスクリーン５０に投射するための光学系である。光走査装置３０から光学部４０に入射した光は、スクリーン５０に結像し、スクリーン５０に映像信号に応じた画像が描画される。
【００３５】
スクリーン５０は、スペックルと呼ばれる粒状に見える画像のノイズを除去するため、例えば、マイクロレンズアレイを備えている。この場合、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、ディスプレイの画素に相当し、照射されるレーザビームはマイクロレンズのサイズに比べて等しいか、より小さいことが望ましい。
【００３６】
光量検出センサ６０は、減光フィルタ２４を通過後の光量を検出できる任意の位置に配置することができる。光量検出センサ６０は、減光フィルタ２４を通過後のレーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の光量を独立に検出可能である。光量検出センサ６０としては、例えば、１つ又は複数のフォトダイオード等を用いることができる。
【００３７】
（光走査制御装置の概略動作）
次に、光走査制御装置１の概略動作について説明する。システムコントローラ１１は、例えば、ミラー３１０の振れ角制御を行うことができる。システムコントローラ１１は、例えば、水平変位センサ３９１、垂直変位センサ３９５及び３９６で得られるミラー３１０の水平方向及び垂直方向の傾きをバッファ回路１３を介してモニタし、ミラー駆動回路１４に角度制御信号を供給することができる。そして、ミラー駆動回路１４は、システムコントローラ１１からの角度制御信号に基づいて、駆動梁３５１及び３５２、駆動梁３７１及び３７２に所定の駆動信号を供給し、ミラー３１０を所定角度に駆動（走査）することができる。
【００３８】
又、システムコントローラ１１は、例えば、ディジタルの映像信号をレーザ駆動回路１５に供給することができる。そして、レーザ駆動回路１５は、システムコントローラ１１からの映像信号に基づいて、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂに所定の電流を供給する。これにより、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂが映像信号に応じて変調された赤色、緑色、及び青色の光を発し、これらを合成することでカラーの画像を形成することができる。
【００３９】
ＣＰＵ１２は、例えば、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの根元の出射光量を光量検出センサ２１５の出力によりモニタし、ＬＤモジュール２１に光量制御信号を供給することができる。レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂは、ＣＰＵ１２からの光量制御信号に基づいて、所定の出力（光量）になるように電流制御される。
【００４０】
なお、光量検出センサ２１５は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの出射光量を独立に検出する３つのセンサを含む構成とすることができる。或いは、光量検出センサ２１５は、１つのセンサのみから構成してもよい。この場合には、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂを順次発光させて、１つのセンサで順次検出することで、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの出射光量の制御が可能となる。
【００４１】
又、ＣＰＵ１２は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの温度を温度センサ２３の出力によりモニタし、温度制御回路１６に温度制御信号を供給することができる。そして、温度制御回路１６は、ＣＰＵ１２から温度制御信号に基づいて、温度制御部２２に所定の電流を供給する。これにより、温度制御部２２が加熱又は冷却され、各レーザが所定の温度になるように制御することができる。
【００４２】
光量検出センサ６０は、減光フィルタ２４を通過後の光量を検出する。前述のように、各レーザの光量調整を実施するための光量検出センサ２１５はＬＤモジュール２１の中に実装されており、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの根元の（減光フィルタ２４を通過前の）出射光量を検出している。しかしながら、光走査制御装置１で実際に表示される画像はスクリーン５０に結像した光によるので、根元のレーザ光量による調整では正しい調整ができない場合がある。
【００４３】
例えば、光路上に減光フィルタ２４を設けているので、減光フィルタ２４の特性によっては、期待通りの減光比が得られないことから、減光フィルタ２４を通過後の光量が期待通りにならない場合がある。又、減光フィルタ２４のＲ／Ｇ／Ｂ夫々の減光比にばらつきがある場合に至っては、減光フィルタ２４を通過後のホワイトバランスが崩れてしまうおそれがある。又、温度や経年劣化により、光走査装置３０の特性が変動する場合もある。このような問題は、光量検出センサ２１５により、光走査装置３０を通過前の光量を如何に精密に制御しても解決することはできない。
【００４４】
そこで、光走査制御装置１では、減光フィルタ２４を通過後の光量を検出する光量検出手段として、光量検出センサ６０を設けている。光量検出センサ６０の検出結果はＣＰＵ１２に入力され、ＣＰＵ１２は光量検出センサ６０で検出した光量に基づいて、各レーザの電流値を制御する光量制御信号をＬＤモジュール２１に供給することができる。
【００４５】
これにより、減光フィルタ２４の特性の変動を含めたレーザ光の光量を検出できるため、スクリーン５０に実際に表示される画像に対応した正確な光量制御を行うことが可能となる。なお、光量検出センサ６０は、レーザ２１１Ｒ、２１１Ｇ、及び２１１Ｂの夫々の光量を独立に検出可能であり、ＣＰＵ１２は、光量検出センサ６０で検出した夫々の光量に基づいて、夫々のレーザの電流値を制御すことができる。
【００４６】
（圧電素子の構造）
ここで、駆動源３５１Ａ及び３５１Ｂや駆動源３７１Ｒ及び３７１Ｌを構成する圧電素子の構造について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る圧電素子を例示する断面図である。
【００４７】
図３に示すように、第１の実施の形態に係る圧電素子は、駆動梁３５０Ａ及び３５０Ｂや駆動梁３７０Ａ及び３７０Ｂを構成するダイヤフラム構造の基板３１上に下部電極３２、圧電膜３３、及び上部電極３４が順次積層された構造とすることができる。
【００４８】
基板３１の材料としては、例えば、ＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）を用いることができる。この場合、例えば、シリコン活性層でダイヤフラム部を形成し、埋め込み酸化膜及び裏面のシリコン基板でダイヤフラム部を支持する支持部を形成することができる。ＳＯＩ以外の基板３１の材料としては、例えば、シリコン、アルミナ、サファイア、イットリア安定化ジルコニア、ステンレス等を用いることができる。
【００４９】
下部電極３２及び上部電極３４としては、例えば、ＬａＮｉＯ３／Ｐｔ／ＬａＮｉＯ３をこの順番で積層した積層膜を用いることができる。この場合、各ＬａＮｉＯ３の厚さは、例えば、１０〜１００ｎｍ程度とすることができる。又、Ｐｔの厚さは、例えば、５０〜２００ｎｍ程度とすることができる。これ以外の下部電極３２及び上部電極３４の構成としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ等の金属、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＩｒＯ３等の金属酸化物、これらの組み合わせを挙げることができる。
【００５０】
圧電膜３３としては、例えば、鉛系材料であるＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛：所謂ＰＺＴ）を用いることができる。この場合、ＰＺＴに、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３等の添加物を添加してもよい。又、圧電膜３３として、例えば、非鉛系材料であるＢａＴｉＯ３系、ＫＮｂＯ３−ＮａＮｂＯ３−ＬｉＮｂＯ３系、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３系非鉛圧電セラミックス等を用いてもよい。なお、圧電膜３３の上面（上部電極３４と接する面）には平坦化処理が施されている。
【００５１】
（圧電素子の製造方法）
ここでは、基板３１としてＳＯＩ、下部電極３２及び上部電極３４としてＬａＮｉＯ３／Ｐｔ／ＬａＮｉＯ３、圧電膜３３としてＰＺＴを用いる場合を例として、圧電素子の製造方法について説明する。
【００５２】
まず、図４（ａ）に示す工程では、厚さ５００μｍ程度のＳＯＩを準備し、ＳＯＩの上面（シリコン活性層側）に絶縁膜として５００ｎｍ程度のＳｉＯ２（図示せず）を熱酸化等により形成する。その後、ＳＯＩの裏面側を異方性エッチング等により加工して基板３１を作製する。
【００５３】
次に、図４（ｂ）に示す工程では、基板３１の上面に、例えば、ＰＶＤ（Physical  Vapor  Deposition）法等によりＬａＮｉＯ３／Ｐｔ／ＬａＮｉＯ３をこの順番で積層し、下部電極３２を形成する。
【００５４】
次に、図５（ａ）に示す工程では、下部電極３２の上面に、例えば、ＣＳＤ（Chemical  Solution  Deposition）法等により、膜厚２μｍ程度のＰＺＴの薄膜を形成する。そして、ＰＺＴの薄膜を所定の温度で焼成して結晶化された圧電膜３３を作製する。
【００５５】
その後、圧電膜３３の上面に平坦化処理を施す。具体的には、圧電膜３３の上面を５０ｎｍ程度エッチング加工して、圧電膜３３の上面を平坦化（粗さを低減）する。エッチング加工後の圧電膜３３の上面の算術平均粗さＲａ（測定領域１０μｍ□）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定で、１．３ｎｍ以下であることが望ましく、１．０ｎｍ以下であることが更に望ましい。
【００５６】
平坦化処理は、例えば、ＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）、ＩＢＥ（Ion  Beam  Etching）、ＧＣＩＢ（Gas  Cluster  Ion  Beam：ガスクラスターイオンビーム）等により行うことができる。ここで、平坦化処理の方法として最も望ましいのはＧＣＩＢである。圧電膜３３へのダメージが少なく、かつ、圧電膜３３の上面の粗さをより低減できるからである。ＧＣＩＢで使用するガス種は被エッチング物と化学反応するものが望ましく、圧電膜３３がＰＺＴの場合にはＳＦ６やＣ４Ｆ８等を用いることができる。
【００５７】
次に、図５（ｂ）に示す工程では、平坦化処理を施した圧電膜３３の上面に、例えば、ＰＶＤ法等によりＬａＮｉＯ３／Ｐｔ／ＬａＮｉＯ３をこの順番で積層し、上部電極３４を形成する。以上の工程により、図３に示す圧電素子が作製される。
【００５８】
このように、本実施の形態では圧電膜３３の上面に平坦化処理を施すが、これは圧電膜３３の絶縁耐圧を向上させるためである。これについて、図６を参照しながら説明する。
【００５９】
圧電膜は一般的にスパッタ法やゾルゲル法等の成膜法により作製するが、高い圧電特性を得るためには結晶化する必要があり、最表面は結晶粒が集合した状態となっている。そのため、結晶粒間に必ず凹凸が発生する。凹凸のある表面上に上部電極を形成しても、凹凸の隙間に電極材料が入り込めず、微細な凹みや空孔が形成されてしまう。この場合、圧電膜の変形（電圧印加）時の応力が凹み部の先端に集中し、凹み部の先端にクラックが発生し、それが拡大して破壊に至る。
【００６０】
図６に示すように、長さＣ、曲率半径ρの凹み部の先端の応力は、σｔｉｐ＝２σ（Ｃ／ρ）１／２で表わされる。ここで、３３ａは圧電膜の上面であり、σは圧電膜の変形時の応力である。例えば、Ｃ＝１０ｎｍ、ρ＝０．４ｎｍのとき、σｔｉｐ＝１０σとなる。つまり、凹み部の先端の応力σｔｉｐは圧電膜の変形時の応力σの１０倍となる。このように、圧電膜の変形時の応力は、凹み部の曲率半径が最も小さい先端の部分に集中するため、微細な凹みであっても、破壊（絶縁耐圧低下）の原因となる。そこで、本実施の形態では、圧電膜３３の上面に平坦化処理を施して凹み部を更に微細化している。
【００６１】
（絶縁耐圧の検討）
図４及び図５に示した圧電素子の製造方法に従って図３の構造の複数のサンプルを作製し、絶縁耐圧の検討を行った。サンプルの内容は表１に示す通りであり、実施例１及び比較例１については異なるガス種でＧＣＩＢによる平坦化処理を施し、比較例２〜４については平坦化処理を施していない。なお、各サンプルの圧電膜３３（ＰＺＴ）の膜厚は２．０μｍとし、下部電極３２及び上部電極３４は夫々１ｍｍφの電極径とした。
【００６２】
【表１】
2017063080.tif 000003
【００６３】
次に、作製した各サンプルの下部電極３２と上部電極３４との間に直流電圧を印加し、絶縁耐圧を測定した。破壊電界のワイブル分布を図７に示す。又、絶縁耐圧の平均値Ａｖｅ、最大値ＭＡＸ、最小値ＭＩＮ、ばらつきＭＡＸ−ＭＩＮを表２に示す。
【００６４】
【表２】
2017063080.tif 000004
【００６５】
図７に示すように、実施例１が最も右側にシフトし、絶縁耐圧が最も向上している。設計上の駆動電圧は２０Ｖ程度であるが、図７のワイブル分布が右側にシフトしているほど絶縁耐圧に対するマージンが大きくとれるため好適である。
【００６６】
又、表２に示すように、実施例１の絶縁耐圧の平均値Ａｖｅは５１．３５（Ｖ／μｍ）で、比較例１〜４よりも大きくなっている。又、最大値ＭＡＸは５８．４２（Ｖ／μｍ）、最小値ＭＩＮは４３．４８（Ｖ／μｍ）で、ばらつきＭＡＸ−ＭＩＮは１４．９５（Ｖ／μｍ）で２番目に小さい。
【００６７】
比較例１は、ＧＣＩＢのガス種がＡｒであり、ＰＺＴのエッチング残渣が全面に一様に残るため、絶縁耐圧の平均値が低くなり、ばらつきが極端に小さくなったと考えられる。比較例２〜４は、圧電膜３３の上面に平坦化処理を施していないため、前述の応力集中（図６参照）により絶縁耐圧の平均値が低くなったと考えられる。
【００６８】
このように、第１の実施の形態では、圧電膜３３の上面に平坦化処理を施し、上部電極３４と接する圧電膜３３の上面の表面粗さを低減する。これにより、圧電膜３３が変位する際に応力が集中する起点をなくすことが可能となり、圧電膜３３の絶縁耐圧を向上させることができる。又、平坦化処理はＧＣＩＢにより行うことが望ましく、この際、適切なガス種を選定することが重要である。
【００６９】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、保護膜を備えた圧電素子の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００７０】
図８は、第２の実施の形態に係る圧電素子を例示する断面図である。図８に示すように、第２の実施の形態に係る圧電素子は、圧電膜３３と上部電極３４との間に保護膜３７が設けられている点が、第１の実施の形態に係る圧電素子（図３参照）と相違する。
【００７１】
保護膜３７の材料としては、例えば、ＴｉＯＸ、ＳｒＴｉＯＸ、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３、ＢａＯ−Ｒ２Ｏ３−ＴｉＯ２、Ｂａ−ＰｂＯ−Ｎｄ２Ｏ３−ＴｉＯ２、ＣａＴｉＯ３、（Ｃａ、Ｌｉ、Ｓｍ）ＴｉＯ３、Ａｇ（Ｎｂ、Ｔａ）Ｏ３等を用いることができる。保護膜３７の成膜方法としては、表面凹凸の埋め込み性が高い原子層堆積法（ＡＬＤ法）を用いることが好ましい。
【００７２】
圧電膜３３の変位の観点から、保護膜３７の膜厚と比誘電率との関係が重要となる。この関係の検討結果を図９に示す。図９において、縦軸は、保護膜３７が無い場合の圧電膜３３の変位を１とした場合における、圧電膜３３の変位の相対値を示している。圧電膜３３の変位の相対値は０．８以上であることが望ましい。言い換えれば、図９の０．８のラインよりも上にプロットされた膜厚と比誘電率を有する保護膜３７を選定することが望ましい。保護膜３７としては、例えば、膜厚５０ｎｍ、比誘電率８５のＴｉＯ２を用いることができる。
【００７３】
このように、本実施の形態では圧電膜３３の上面に保護膜３７を形成するが、これは圧電膜３３の絶縁耐圧を向上させるためである。すなわち、第１の実施の形態で説明したように、圧電膜３３の上面に凹凸があると、凹凸の隙間に上部電極３４を構成する電極材料が入り込めず、微細な凹みや空孔が形成されてしまう。この場合、圧電膜の変形（電圧印加）時の応力が凹み部の先端に集中し、凹み部の先端にクラックが発生し、それが拡大して破壊に至る。
【００７４】
そこで、本実施の形態では、圧電膜３３の上面に、上部電極３４よりも表面凹凸の埋め込み性が高い保護膜３７を形成する。これにより、圧電膜３３の上面の凹凸に保護膜３７が埋め込まれ、保護膜３７の上面は圧電膜３３の上面よりも平坦な面となる。つまり、第１の実施の形態では、エッチング加工により圧電膜３３の上面に平坦化処理を施したが、本実施の形態では、保護膜３７を形成することにより平坦化処理を施しており、保護膜３７の上面が平坦化処理が施された面である。
【００７５】
図１０は、保護膜を成膜した圧電膜の断面像であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ部を拡大したものである。なお、ここでは、圧電膜３３としてＰＺＴを用い、保護膜３７として膜厚５０ｎｍ、比誘電率８５のＴｉＯ２を用いた。図１０に示すように、圧電膜３３の上面の凹凸に保護膜３７が隙間なく埋め込まれ、保護膜３７の上面は圧電膜３３の上面よりも平坦な面となっていることが確認できる。
【００７６】
【表３】
2017063080.tif 000005
【００７７】
表３は、図１０の画像から表面粗さＲａを算出したものである。表３より、圧電膜３３の上面の表面粗さ（Ｒａ＝４．１９）に比べて、保護膜３７の上面の表面粗さ（Ｒａ＝２．２０）は約半分になっていることがわかる。
【００７８】
【表４】
2017063080.tif 000006
【００７９】
表４は、比較のため、ＧＣＩＢで平坦化処理を施した場合の表面粗さＲａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定したものである。表４より、平坦化処理無の場合の圧電膜３３の上面の表面粗さ（Ｒａ＝２．３２）に比べて、平坦化処理有の場合の圧電膜３３の上面の表面粗さ（Ｒａ＝１．１３）は約半分になっていることがわかる。
【００８０】
本来であれば、表３の保護膜無と表４の平坦化処理無とは同程度の表面粗さＲａとなるはずであるが、実際には測定値が２倍程度異なっている。これは、測定方法の差であると考えられ、表３の値は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定すれば約半分になる（約半分の値に換算できる）はずである。
【００８１】
そこで、本願では、圧電素子において、上部電極３４と接する面の表面粗さを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した値で規定する（画像から算出した値は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した値に換算する）。
【００８２】
つまり、圧電膜３３の絶縁耐圧を向上させるためには、保護膜３７の有無にかかわらず、圧電素子の上部電極３４と接する面の表面粗さ（測定領域１０μｍ□）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定で、１．３ｎｍ以下であることが望ましく、１．０ｎｍ以下であることが更に望ましい。
【００８３】
（絶縁耐圧の検討）
保護膜３７有無のサンプルを作製し、絶縁耐圧の検討を行った。なお、圧電膜３３として膜厚２．０μｍのＰＺＴを用い、保護膜３７として膜厚５０ｎｍ、比誘電率８５のＴｉＯ２を用いた。又、下部電極３２及び上部電極３４は夫々１ｍｍφの電極径とした。
【００８４】
次に、作製した各サンプルの下部電極３２と上部電極３４との間に直流電圧を印加し、絶縁耐圧を測定した。破壊電界のワイブル分布を図１１に示す。
【００８５】
図１１に示すように、保護膜有の方が右側にシフトし、絶縁耐圧が向上している。設計上の駆動電圧は２０Ｖ程度であるが、図１１のワイブル分布が右側にシフトしている方が絶縁耐圧に対するマージンが大きくとれるため好適である。なお、保護膜有の破壊電界の平均値は４８．７２Ｖ／μｍ、保護膜無の破壊電界の平均値は４６．４７Ｖ／μｍであった。
【００８６】
このように、第２の実施の形態では、圧電膜３３の上面に保護膜３７を形成し、上部電極３４と接する面の表面粗さを低減する。これにより、圧電膜３３が変位する際に応力が集中する起点をなくすことが可能となり、圧電膜３３の絶縁耐圧を向上させることができる。
【００８７】
なお、図１２に示す保護膜３７Ａのように、圧電膜３３の上面及び側面を覆うように保護膜を形成してもよい。この場合も、図８の構造と同様の効果を奏する。
【００８８】
又、圧電膜３３の上面を第１の実施の形態で述べたようなエッチング加工により平坦化処理した後、更に保護膜３７を形成してもよい。
【００８９】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００９０】
例えば、上記の実施の形態では、本発明に係る圧電素子を備えた圧電アクチュエータを光走査制御装置に用いる例を示し、光走査制御装置としてレーザ走査型プロジェクタを例示した。しかし、光走査制御装置は、例えば、車載用のヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、レーザプリンタ、レーザ走査型脱毛器、レーザヘッドランプ、レーザーレーダ等であってもよい。
【００９１】
又、本発明に係る圧電素子を備えた圧電アクチュエータは、光スキャナ、インクジェット式記録ヘッド、ジャイロセンサ、静電気センサ、エネルギーハーベスタ、超音波センサ、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ、無線センサ端末起動スイッチ等に用いてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１  光走査制御装置
１０  回路部
１１  システムコントローラ
１２  ＣＰＵ
１３  バッファ回路
１４  ミラー駆動回路
１５  レーザ駆動回路
１６  温度制御回路
２０  光源部
２１  ＬＤモジュール
２２  温度制御部
２３  温度センサ
２４  減光フィルタ
３０  光走査装置
３１  基板
３２  下部電極
３３  圧電膜
３４  上部電極
３７、３７Ａ  保護膜
４０  光学部
５０  スクリーン
６０  光量検出センサ
２１１Ｒ、２１１Ｇ、２１１Ｂ  レーザ
２１５  光量検出センサ
３１０  ミラー
３２０  ミラー支持部
３２２  スリット
３３０Ａ、３３０Ｂ  捻れ梁
３４０Ａ、３４０Ｂ  連結梁
３５０Ａ、３５０Ｂ、３７０Ａ、３７０Ｂ  駆動梁
３５１Ａ、３５１Ｂ、３７１Ｒ、３７１Ｌ  駆動源
３６０  可動枠
３８０  固定枠
３９１  水平変位センサ
３９２、３９３、３９４  ダミーセンサ
３９５、３９６  垂直変位センサ
【図１】
2017063080.tif 000007
【図２】
2017063080.tif 000008
【図３】
2017063080.tif 000009
【図４】
2017063080.tif 000010
【図５】
2017063080.tif 000011
【図６】
2017063080.tif 000012
【図８】
2017063080.tif 000013
【図９】
2017063080.tif 000014
【図１２】
2017063080.tif 000015
【図７】
2017063080.tif 000016
【図１０】
2017063080.tif 000017
【図１１】
2017063080.tif 000018