(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＺＴと電極を備えた圧電素子であって、
前記電極は、（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向しており、
前記ＰＺＴは、そこに含まれるＺｒとＴｉが室温において菱面体晶となる組成比のペロブスカイト構造であって、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が前記電極面にほぼ垂直となるように結晶配向していることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記ＰＺＴに、Ｂａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｂｉ，Ｍｇ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｎのうち少なくとも一つが添加されてい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】
単結晶基板の表面に（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向した中間金属層を成膜し、次いで、前記中間金属層とは異なる金属を用いて、前記中間金属層の前記単結晶基板に接していない側の表面に（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向した下地金属層を成膜し、次いで、前記下地金属層の前記中間金属層に接していない側の表面に菱面体晶組成のＰＺＴ膜を形成した後、このＰＺＴ膜を焼結させることにより、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が下地金属層の表面とほぼ垂直となるように結晶配向させることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電素子を用いた振動センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電素子を用いた圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の圧電素子を用いた光スキャナ。
【請求項７】
請求項１に記載の圧電素子を用いた歪みセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載の圧電素子を用いた圧電式振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電材料としてＰＺＴを用いた歪みセンサや圧電アクチュエータ、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）等の圧電素子に関する。また、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電材料は、歪みを与えると電荷が生じ、電圧を加えると歪みが生じる物質であって、この性質（圧電性）を用いて歪みセンサや圧電アクチュエータ等が作製されている。また、最近では、この電圧−歪み特性をＤＲＡＭ等へ応用する研究・開発も多数なされている。この圧電材料の性質を利用する場合には、低い電圧で大きな歪みが得られ、また小さな歪みで大きな発生電荷が得られることが必要であり、しかも、この性質が顕著なことが望ましい。そのためには、圧電定数の大きな材料を用いる必要がある。
【０００３】
ＰＺＴ［＝Ｐｂ（ＺｒXＴｉ1-X）Ｏ3；チタン酸ジルコン酸鉛］は、圧電材料のうちでも比較的研究・開発が活発で、よく知られた圧電材料であって、大きな圧電定数を有している。ＰＺＴは、Ｐｂ、Ｚｒ、ＴｉとＯ（酸素）から構成される物質で、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である。
【０００４】
従来においては、ＰＺＴの電圧−歪み特性を最大限に引き出すためには、組成が正方晶と菱面体晶の相境界（Morphotropic Phase Boundary；以下、ＭＰＢと記す）付近となる状態でＰＺＴを焼結させ、ペロブスカイト構造の［１１１］方向に結晶配向させることが必要であるとされていた。すなわち、ＰＺＴは、図１に示すＰｂ（ＺｒXＴｉ1-X）Ｏ3系の相図から分かるように、室温では、ＺｒとＴｉの組成比によって正方晶と菱面体晶に結晶構造が分かれており、大きな圧電定数を得るためには、この正方晶と菱面体晶の相境界（ＭＰＢ）でＰＺＴを焼結させていた。また、ＰＺＴは［１１１］方向（以下においては、この方向をＺ軸方向ということがある）に自発分極しており、大きな圧電定数を得るためには自発分極の方向が電極面と垂直になるように［１１１］方向に結晶配向させる必要があると考えられていたので、［１１１］配向を得るため、ＰＺＴの結晶配向性を支配する下地金属層（下地電極）の表面を（１１１）面とし、その下地金属層上に形成されるＰＺＴの組成比が正方晶と菱面体晶の相境界付近になるように制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＺＴの応用分野が広がり、ＰＺＴ薄膜を利用した歪みセンサ、圧電アクチュエータ、ＤＲＡＭ等が広く使用されるにつれ、より圧電定数の大きなＰＺＴの開発が求められている。
【０００６】
また、従来のＰＺＴは、その組成が正方晶と菱面体晶の相境界付近になるように形成されていたので、実際にできあがったＰＺＴ薄膜の構造は、正方晶に歪んだペロブスカイト構造か、菱面体晶に歪んだペロブスカイト構造かのどちらかで、その構造のばらつきによって圧電定数もばらつくという問題があった。
【０００７】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＰＺＴを用いた圧電素子において、ＰＺＴの圧電定数を従来よりさらに大きな値にし、また相境界付近における結晶構造のばらつきに由来する圧電定数のばらつきをなくすことにより、圧電素子の特性を安定かつ良好にすることにある。
【０００８】
【発明の開示】
請求項１に記載の圧電素子は、ＰＺＴと電極を備えた圧電素子であって、前記電極は、（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向しており、前記ＰＺＴは、そこに含まれるＺｒとＴｉが室温において菱面体晶となる組成比のペロブスカイト構造であって、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が前記電極面にほぼ垂直となるように結晶配向していることを特徴としている。
【０００９】
室温において菱面体晶となる組成からなるＰＺＴは、ペロブスカイト構造の［１００］、［０１０］又は［００１］方向のいずれかの方向の付近で非常に大きな圧電定数を持つことが分かった。よって、当該配向方向のいずれかが電極面とほぼ垂直となるように結晶配向させれば、［１１１］配向方向を電極面と垂直に向けていた従来の圧電素子と比較して、電界方向（つまり、電極面に垂直な方向）で非常に大きな圧電定数を持つことになる。このようなＰＺＴを用いることにより、歪みセンサや圧電アクチュエータ、ＤＲＡＭ等の圧電素子の特性をより高くすることができる。
【００１０】
しかも、菱面体晶とすれば、正方晶と菱面体晶の境界組成を用いた従来のＰＺＴのように組成の片寄りが発生しにくく、組成の片寄りに起因する特性ばらつきを抑制し、その特性を安定させることができる。
【００１３】
さらに、請求項２に記載の実施態様は、請求項１記載の圧電素子において、前記ＰＺＴに、Ｂａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｂｉ，Ｍｇ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｎのうち少なくとも一つが添加されていることを特徴としている。
【００１４】
この実施態様のように、ＰＺＴに、Ｂａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｂｉ，Ｍｇ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｎのいずれかの添加物を加えることにより、温度によるＰＺＴの特性ばらつきを抑制することができる。
【００１５】
請求項３に記載した圧電素子の製造方法は、単結晶基板の表面に（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向した下地金属層を成膜し、次いで、前記中間金属層とは異なる金属を用いて、前記中間金属層の前記単結晶基板に接していない側の表面に（１００）面、（０１０）面又は（００１）面配向した下地金属層を成膜し、次いで、前記下地金属層の前記中間金属層に接していない側の表面に菱面体晶組成のＰＺＴ膜を形成した後、このＰＺＴ膜を焼結させることにより、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が下地金属層の表面とほぼ垂直となるように結晶配向させることを特徴としている。
【００１６】
この製造方法によれば、請求項１に記載した圧電素子を製造することができ、しかも、結晶配向性の良好なＰＺＴ膜を得ることができる。
【００１７】
また、本願発明の圧電素子は、請求項４〜８に記載したように振動センサ、圧電アクチュエータ、光スキャナ、歪みセンサ及び圧電式振動ジャイロなどに組み込んで用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（発明の要旨）
ＰＺＴ［＝Ｐｂ（ＺｒXＴｉ1-X）Ｏ3］の２つの結晶系（正方晶、菱面体晶）でそれぞれの圧電定数を３次元的に計算した結果、高い圧電定数を得るためには、従来の定説のように正方晶と菱面体晶の相境界（ＭＰＢ）付近の組成で［１１１］配向とするよりも、菱面体晶の組成でペロブスカイト構造の［１００］配向、［０１０］配向または［００１］配向にする方が最も大きな圧電定数を得られることがわかった。また、正方晶の組成でペロブスカイト構造の［００１］配向にしても、従来より大きな圧電定数を得られることがわかった。
【００２０】
すなわち、ＰＺＴの組成のうちでＺｒとＴｉの組成比を、常温で菱面体晶となる組成領域（図１参照）に調製し、焼結により菱面体晶に歪んだペロブスカイト構造のＰＺＴを焼成すれば、ＰＺＴは［１１１］方向で自発分極するが、圧電定数は［１００］、［０１０］又は［００１］方向で最大となることが分かった。
【００２１】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであって、その第１の実施形態による圧電素子１は、図２に示すように、菱面体晶組成のペロブスカイト構造を有するＰＺＴ２を、その立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が電極３ａ，３ｂの表面に対してほぼ垂直となるように結晶配向させたものである。
【００２２】
また、ＰＺＴの組成のうちＺｒとＴｉの組成比を、常温で正方晶となる組成領域（図１参照）に調製し、焼結により正方晶に歪んだペロブスカイト構造のＰＺＴを焼成すると、［１１１］方向で自発分極するが、圧電定数は［００１］方向で最大となることが分かった。
【００２３】
本発明の第２の実施形態による圧電素子４は、上記知見に基づいてなされたものであって、図３に示すように、正方晶組成のペロブスカイト構造を有するＰＺＴ５を、その［００１］方向が電極３ａ，３ｂの表面に対してほぼ垂直となるように結晶配向させたものである。
【００２４】
本発明の圧電素子によれば、特別な圧電材料を用いることなく、従来例と比較して非常に大きな圧電定数を利用することができ、特性の良好な各種圧電素子を製作することができる。具体的には、［１１１］方向の圧電定数を利用する従来の圧電素子と比較すると、菱面体晶組成のＰＺＴにおいて立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向の圧電定数を利用する本発明の圧電素子では、従来例と比較して圧電定数は２.７倍となり、正方晶組成のＰＺＴにおいて［００１］方向の圧電定数を利用する本発明の圧電素子では、従来例と比較して２.２７倍となる。
【００２５】
（理論的説明）
つぎに、本発明の理論的根拠について説明する。図１に示したようなＰＺＴの相図はよく知られており［例えば、B.Jaffe, W.J.Cook and J.Jaffe: Piezoelectric Ceramics（Academic Press, London, 1971）］、ＰＺＴは、高温では立方晶系常誘電相を示すが、温度が下がって常温になると、ＺｒとＴｉの組成比によって菱面体晶系強誘電相となったり、正方晶系強誘電体相になったりする。例えばＴｉリッチ側の、例えばＰＴ［＝ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛］が６０％（ｘ＝０.４）のＰＺＴは正方晶ＰＺＴが圧電性を示し、Ｚｒリッチ側の、例えばＰＴが４０％（ｘ＝０.６）のＰＺＴは菱面体晶ＰＺＴが圧電性を示す。
【００２６】
ここで、菱面体晶ＰＺＴのペロブスカイト構造とは、図４に示すような結晶構造であって、斜線を施した球がＰｂ原子を、網掛けした球がＺｒ又はＴｉの原子を、白色の球がＯ（酸素）原子を示している。また、菱面体晶系のペロブスカイト構造では、立方晶系を対角方向（つまり、立方晶系の［１１１］方向など）に引き伸ばすか、縮めたような形態を有しているため、［１００］方向、［０１０］方向および［００１］方向では等価な構造となっている。なお、この明細書においては、菱面体晶系でも正方晶系でも、［１００］方向、［０１０］方向などの結晶軸方向は、図４などからも分るように、立方結晶系の結晶軸方向を示している。
【００２７】
また、正方晶ＰＺＴのペロブスカイト構造とは、図５に示すような結晶構造であって、格子が［００１］方向に少し延びていて、［００１］方向の格子定数ｃが［１００］方向および［０１０］方向の格子定数ａ，ｂ（ａ＝ｂ）と異なっている。
【００２８】
以下での議論の目的は、上記のような菱面体晶系ペロブスカイト構造のＰＺＴと正方晶系ペロブスカイト構造のＰＺＴについて、それぞれ圧電定数が最大となる結晶方位を求めることである。
【００２９】
まず、ＰＺＴの結晶に電界（ベクトル）Ｅ*＝（Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3）を印加したときに生じるＰＺＴの歪み（ベクトル）をε*＝（ε1，ε2，ε3）とすると、この歪みε*は、圧電定数の行列ｄ*＝｛ｄij｝を用いて、つぎの（１）式のように表わされる。ここで、電界成分Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3、歪み成分ε1，ε2，ε3、圧電定数のマトリクス成分ｄij（ｉ，ｊ＝１，２，３）は、任意の直交座標系における座標軸Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3の方向における成分である。
【００３０】
【数１】
0003755283.tif 000002
【００３１】
圧電定数が最大となる方向とは、ＰＺＴに印加した電界Ｅ*と平行な方向における歪み成分ε//とその電界の強さＥとの比［（ε//）／Ｅ］が最大となる方向である。いま、座標軸Ｘ3と平行な方向に強さＥの電界が印加されているとすると、当該電界に平行な方向の歪み成分とはε3であるから、電界の印加方向における歪み成分と電界の強さの比（すなわち、電界印加方向における圧電定数の大きさ）はｄ33である。
【００３２】
ここで、任意方向の電界Ｅ*を考えるとともに、座標軸Ｘ3´が電界Ｅ*の方向と一致し、元の直交座標軸［座標系］（Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3）と原点を共有する新たな直交座標軸［座標系］（Ｘ1´，Ｘ2´，Ｘ3´）を考えると、新たな座標系では、歪みε*、圧電定数｛ｄij｝及び電界Ｅ*の関係は、新たな座標系においては、つぎの（２）式のように表わされる。
【００３３】
【数２】
0003755283.tif 000003
【００３４】
ここで、ダッシュ（´）は、新たな座標系における成分であることを示している。（２）式より、この座標系では、電界Ｅ*の印加方向における歪み成分と電界の強さの比（すなわち、圧電定数の大きさ）は、新たな座標系における圧電定数の対角成分ｄ33´であることが分かる。よって、圧電定数が最大となる方向を求めるためには、座標系を回転させたときの、圧電定数の対角成分ｄ33の座標変換を考えて最大の対角成分ｄ33´を求めればよいことになる。
【００３５】
新しい座標系における圧電定数ｄ＝｛ｄij´｝は、変換行列Ａ＝｛Ａij｝及びＮ＝｛Ｎij｝を用いて元の座標系における圧電定数ｄ＝｛ｄij｝を一次変換することにより求まる。すなわち、その変換式は、つぎの（３）式で表わされる。ここで、右肩の添字ｔは転置行列を意味する。
【００３６】
【数３】
0003755283.tif 000004
【００３７】
また、変換行列Ａ＝｛Ａij｝およびＮ＝｛Ｎij｝は、次の行列（４）、（５）で定義される。ここで、｛ｅ1，ｅ2，ｅ3｝は元の座標系（Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3）における基底ベクトル、｛ｅ1´，ｅ2´，ｅ3´｝は新しい座標系（Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3）における基底ベクトルであって、例えば、ｅ1・ｅ2´は座標軸Ｘ1と座標軸Ｘ2´のなす角度の方向余弦を表している。また、行列（５）で用いられている記号ａijはスティフネス定数を表している。
【００３８】
【数４】
0003755283.tif 000005
【００３９】
【数５】
0003755283.tif 000006
【００４０】
この計算を実行して任意の方向における圧電定数ｄ33´を具体的に求めるためには、圧電定数ｄのマトリクス成分ｄijの値が必要となる。表１は、定電界下における菱面体晶ＰＺＴ６０／４０［つまり、Ｐｂ（Ｚｒ0.6Ｔｉ0.4）］の圧電定数ｄ33，ｄ22，ｄ31，ｄ15の値を示す（圧電定数の他のマトリクス成分は０であるとする）。表２は、定電界下における正方晶ＰＺＴ４０／６０［つまり、Ｐｂ（Ｚｒ0.4Ｔｉ0.6）Ｏ3］の圧電定数ｄ33，ｄ31，ｄ15の値を示す（圧電定数の他のマトリクス成分は０であるとする）。表１、表２は、M.J.Haun, E.Furman, S.J.Jang and L.E.Cross: Ferroelectrics, 99(1989)63に掲載されているデータを用いて計算したものである。
【００４１】
【表１】
0003755283.tif 000007
【００４２】
【表２】
0003755283.tif 000008
【００４３】
座標系が３次元空間で回転すると、回転した新たな座標系（Ｘ1´，Ｘ2´，Ｘ3´）における圧電定数ｄの対角成分ｄ33´（以下、変換前の座標系と変換後の座標系を区別するためのダッシュ記号は省略する）は、上記（３）式と表１又は表２から計算される。
【００４４】
菱面体晶ＰＺＴ６０／４０に対する結果を図６（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）は圧電定数ｄ33の結晶方向依存性を３次元表示したもの、図６（ｂ）は図６（ａ）の３次元表示をＹＺ平面でカットした断面である。なお、Ｚ軸は自発分極の方向である［１１１］方向、Ｘ軸はＰＺＴの鏡面と垂直な方向、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸に垂直な方向であって、座標原点と表示図形上の１点との間の距離は、対応する方向における圧電定数ｄ33の値を表わしている。従来の［１１１］方向（図６のＺ軸）での圧電定数ｄ33は、図６（ａ）の３次元表示とＺ軸との交点にあたり、ちょうど３次元表示の凹みになっている。これに対し、図６（ｂ）によれば、Ｚ軸から５６.７゜傾いた方向で圧電定数ｄ33が最大値［＝１８９×１０-12Ｃ／Ｎ］となっている。この圧電定数ｄ33が最大になる方向は、厳密には菱面体晶ＰＺＴの立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］方向、［０１０］方向、［００１］方向から２゜ずれているが、実用上はそれぞれ立方晶系の結晶軸方向を基準とした［１００］配向、［０１０］配向、［００１］配向と考えて問題ない。
【００４５】
正方晶ＰＺＴ４０／６０に対して得られた結果を図７に示す。図７（ａ）は正方晶ＰＺＴ４０／６０の圧電定数ｄ33の結晶方向依存性を３次元表示したものであり、図７（ｂ）は図７（ａ）の３次元表示を（０１０）面でカットした断面を示す。正方晶ＰＺＴでは、Ｚ軸から５１.３゜傾いた［００１］方向で圧電定数ｄ33が最大値［＝１６２×１０-12Ｃ／Ｎ］となっており、菱面体晶の場合の最大値よりも若干小さいものの、やはり［１１１］方向での圧電定数ｄ33よりも大きな値となっている。
【００４６】
従って、大きな圧電定数を有するＰＺＴを得るためには、菱面体晶の組成比を有するペロブスカイト構造のＰＺＴを、（立方晶ペロブスカイト構造の等価な方向の）［１００］方向、［０１０］方向または［００１］方向が電極面とほぼ垂直となるように配向させれば、従来の３倍近い圧電定数を有する圧電素子が得られ、この圧電素子を各種センサ等に適用することにより、その特性を大きく向上させることができる。また、正方晶の組成比を有するペロブスカイト構造のＰＺＴを、（立方晶ペロブスカイト構造の等価な方向の）［００１］方向が電極面とほぼ垂直となるように配向させれば、従来の２倍以上の圧電定数を有する圧電素子が得られ、この圧電素子を各種センサ等に適用することにより、その特性を大きく向上させることができる。よって、従来にない大きな力のとれる圧電アクチュエータや感度の高い歪みセンサ等を実現でき、また、歪みを大きくとれるため、マイクロマシンを用いた超小型センサやアクチュエータ等に適用できる。
【００４７】
（圧電素子の製造方法）
次に、上記のようなＰＺＴ薄膜を用いた圧電素子の製造方法を図８（ａ）〜（ｄ）により説明する。まずは、菱面体晶組成のＰＺＴ薄膜２を用いた圧電素子１を製造する場合について述べる。図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板のような単結晶基板（単結晶基板の表面には、ＳｉＯ2のような酸化膜が形成されていてもよい）６の上に中間金属層としてＴｉ膜７を形成する。ここで、単結晶基板６として（１００）基板、（０１０）基板又は（００１）基板を用いることにより、［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が単結晶基板６の表面と垂直な方向を向くようにＴｉ膜７がエピタキシャル成長される。
【００４８】
ついで、図８（ｂ）に示すように、このＴｉ膜７の上に下地金属層としてＰｔ膜８を成膜する。このとき、Ｔｉ膜７は［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が膜厚方向を向くように結晶配向しているので、その上にエピタキシャル成長させられたＰｔ膜８も、［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が膜厚方向を向くように結晶配向する。こうして、単結晶基板６の上に形成されたＴｉ膜７とＰｔ膜８とによって下面側の電極３ａが形成される。また、Ｐｔ膜８を直接単結晶基板６の上に形成せず、中間にＴｉ膜７を形成しているのは、Ｐｔ膜８と単結晶基板６との密着性を高めて電極３ａの剥離を防止するためである。
【００４９】
さらに、このＰｔ膜８の上には、図８（ｃ）に示すように、菱面体晶組成となるようにＺｒとＴｉの成分組成を制御しながらＰＺＴ薄膜２を形成する。
【００５０】
このとき、上記圧電素子中のＰＺＴ薄膜２には、Ｂａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｂｉ，Ｍｇ，Ｗ，Ｎｂ，Ｚｎ等の添加物のうち少なくとも一種を微量添加することにより、ＰＺＴの温度による特性ばらつきを抑えることができ、圧電素子１の温度特性を安定させることができる。また、このＰＺＴ薄膜２の膜厚は、２μｍ以下とするのが好ましい。膜厚を２μｍ以下にすれば、マイクロマシニング技術で作製される微小なセンサやアクチュエータなどにも用いることができるからである。
【００５１】
こうしてＰｔ膜８の上に形成された菱面体晶組成の未焼成ＰＺＴ薄膜２はアモルファス構造であるので、ついで、焼結（アニール）によってＰＺＴ薄膜２の結晶化を行なう。このとき、焼結方法によってペロブスカイト構造と呼ばれる圧電性を示す結晶構造のＰＺＴ膜２が得られるが、このペロブスカイト構造のＰＺＴ薄膜２は、ＺｒとＴｉの組成比によって決まる結晶の歪みを受ける。すなわち、ＺｒとＴｉの組成比が菱面体晶組成であると、菱面体晶に歪んだぺロブスカイト構造のＰＺＴ薄膜２が得られる。
【００５２】
しかも、この焼結時には、ＰＺＴ薄膜２は下地金属層であるＰｔ膜８の格子によって結晶配向を支配されるので、Ｐｔ膜８の結晶方位に従って［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向が電極３ａとほぼ垂直な方向を向くように結晶配向する。
【００５３】
従って、ＰＺＴ薄膜２の形成にあたっては、ＰＺＴ薄膜２の結晶配向性を支配する下地金属層の結晶配向を［１００］方向、［０１０］方向又は［００１］方向にしておくことと、その下地金属層上に形成するＰＺＴ薄膜２の組成が菱面体晶となるように組成比を制御することが重要である。
【００５４】
こうして菱面体晶のＰＺＴ薄膜２を得た後、図８（ｄ）に示すように、ＰＺＴ薄膜２の上にＰｔ膜などによって上側の電極３ｂを形成し、圧電素子１の製造を完了する。
【００５５】
なお、ここでは、菱面体晶組成のＰＺＴ薄膜の場合について説明したが、正方晶組成のＰＺＴ薄膜を必要とする場合には、中間金属層であるＴｉ膜と下地金属層であるＰｔ膜の［００１］方向を膜厚方向と垂直な方向を向くように形成し、Ｐｔ膜の上に形成する未焼成のＰＺＴ薄膜を正方晶組成となるように制御すればよい。
【００５６】
上記圧電素子の製造方法では、従来の圧電素子の製造工程におけるプロセス条件を変更するだけでよいので、従来のプロセスをそのまま使用でき、新たな設備を必要とせず、製造プロセスの変更に対するコストが掛からない。従って、圧電アクチュエータや歪みセンサ等を製造する場合にも、コストパフォーマンスの良いものを製造することができる。
【００５７】
また、上記製造方法では、焼結によりＰＺＴを結晶配向させる方法について説明したが、これ以外の製造方法によって本発明の圧電素子を製造することもできる。例えば、ペロブスカイト構造を有する菱面体晶組成〔あるいは、正方晶組成〕のＰＺＴのバルク結晶を製作した後、このバルク結晶を（１００）面、（０１０）面又は（００１）面〔あるいは、正方晶組成の場合には、（００１）面〕で切り出し、その切り出した面に電極を形成するようにしてもよい。あるいは、ＰＺＴ薄膜を下地結晶又は下地金属層の上にエピタキシャル成長させるようにしてもよい。
【００５８】
（応用例）
以下においては、上記圧電素子を応用した装置を説明する。そこでは［１００］方向を電極面と垂直な方向に向けた菱面体晶ＰＺＴを用いた場合を例にとっているが、［０１０］方向や［００１］方向を電極面と垂直な方向に向けた菱面体晶ＰＺＴや［００１］方向を電極面と垂直な方向に向けた正方晶ＰＺＴであってもよい。
【００５９】
（振動センサ）
図９は本発明にかかる圧電素子を利用した振動センサ１１を示す斜視図である。これは、シリコン基板（ウエハ）を加工することにより形成されたものであって、ウエイト部１２がビーム１３によりフレーム１４に片持ち状に支持されている。また、ビーム１３からウエイト部１２にわたる領域の上面には圧電素子１が一体に設けられている。
【００６０】
しかして、この振動センサ１１に振動や加速度が加わると、ウエイト部１２が上下に振動ないし変位するので、ビーム１３が弾性的に屈曲する。ビーム１３が弾性的に屈曲すると、それに応じて圧電素子１も機械的に屈曲させられて圧電素子１の電極３ａ，３ｂ間には電荷が発生する。従って、この発生した電荷による電圧を計測することによってビーム１３の屈曲程度、ひいては振動や加速度を計測することができる。ここで、本発明の圧電素子１を用いると同じ振動や加速度でも、大きな電圧を発生させることが可能になり、検出感度を向上させることができる。
【００６１】
この振動センサ１１の製造プロセスを図１０（ａ）〜（ｊ）に示す。まず、Ｓｉ基板（ウエハ）１５を準備し〔図１０（ａ）〕、Ｓｉ基板１５の表裏両面を熱酸化により酸化させて酸化膜（ＳｉＯ2）１６を形成する〔図１０（ｂ）〕。ついで、Ｓｉ基板１５の下面において、酸化膜１６をふっ酸でエッチングしてウエイト部１２及びビーム１３となるＳｉ基板領域を部分的に露出させ〔図１０（ｃ）〕、酸化膜１６をエッチング用マスクとしてＳｉ基板１５をエッチングし、ウエイト部１２及びビーム１３となる領域でＳｉ基板１５の厚みを薄くする〔図１０（ｄ）〕。
【００６２】
ついで、Ｓｉ基板１５の厚みを薄くした薄肉領域１７において、酸化膜１６の上にＴｉ膜（中間金属層）７を形成し〔図１０（ｅ）〕、さらにＴｉ膜７の上にＰｔ膜（下地金属層）８を形成して〔図１０（ｆ）〕下側の電極３ａを作った後、Ｐｔ膜８の上に菱面体晶組成のＰＺＴ薄膜２を成膜する〔図１０（ｇ）〕。この後、ＰＺＴ薄膜２を焼結（アニール）することによって、ＰＺＴ薄膜２の［１００］方向を電極３ａの表面と垂直な方向に結晶配向させる〔図１０（ｈ）〕。ついで、ＰＺＴ薄膜２の上にＰｔ膜等によって上側の電極３ｂを形成してＳｉ基板１５の上に高性能の圧電素子１を形成する〔図１０（ｉ）〕。その後、Ｓｉ基板１５及び酸化膜１６をエッチングすることによってＳｉ基板１５のフレーム１４となる部分とウエイト部１２及びビーム１３となる部分を切り離す開口１８を形成して振動センサ１１を完成する〔図１０（ｊ）〕。
【００６３】
（積層型圧電アクチュエータ）
図１１は本発明にかかる圧電素子を利用した積層型の圧電アクチュエータ２１を示す側面図である。この積層型圧電アクチュエータは、ＰＺＴ薄膜２と電極３とを交互に積層したものであり、菱面体晶組成のＰＺＴ薄膜２の［１００］方向が電極３と垂直な方向を向くようにＰＺＴ薄膜２が結晶配向されている。また、各ＰＺＴ薄膜２の自発分極Ｐの方向は電極３と垂直な方向から傾いているが、さらにＰＺＴ薄膜２の分極方向は積層方向に沿って交互に反転している。電極３は、一層おき毎に＋側端子２２と−側端子２３に接続されている。
【００６４】
このような圧電アクチュエータ２１によれば、電圧を印加したときの伸縮量は各ＰＺＴ薄膜２の伸縮量の合計となり、しかも、各ＰＺＴ薄膜２の伸縮量が従来例に比べて大きいので、大きな伸縮量もしくは駆動力を得ることができる。
【００６５】
（光スキャナ）
図１２は本発明にかかる圧電素子を利用した光スキャナ２４を示す斜視図である。この光スキャナ２４は、図１１に示したような構造の積層型圧電アクチュエータ２１の先端（駆動端）に弾性板２５を取り付けたものである。弾性板２５は、Ｓｉ基板を加工することにより形成されており、駆動部２６から延出されたトーションバー２７の先に非対称な形状をしたミラー部２８を設けたものであって、駆動部２６が圧電アクチュエータ２１に固定されている。
【００６６】
しかして、圧電アクチュエータ２１に交流電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２１が伸縮して弾性板２５の駆動部２６を振動させる。駆動部２６が微小振動すると、ミラー部２８が非対称で、その重心がトーションバー２７の軸心から偏心しているために、ミラー部２８はトーションバー２７を捩らせることによって一定の周期で回転する。従って、光源から出射されたレーザー光をミラー部２８に照射すると、ミラー部２８で反射された光は往復走査されることになる。
【００６７】
このような光スキャナ２４において、本発明にかかる圧電アクチュエータ２１を用いれば弾性板２５を大きな振幅で振動させることができるので、光の走査幅を大きくすることができる。
【００６８】
（歪みセンサ）
図１３（ａ）は本発明にかかる圧電素子を利用した歪みセンサ３１を示す断面図である。歪みセンサ３１は、ＰＺＴ薄膜２の両面に電極３ａ，３ｂを形成した圧電素子１を歪み検出対象物３２の上に取り付けたものであり、両電極３ａ，３ｂ間の電圧をチャージアンプ等の検出器３３で検出できるようにしている。
【００６９】
しかして、図１３（ｂ）に示すように、歪み検出対象物３２が変形して歪むと、歪み検出対象物３２とともに圧電素子１が歪み、両電極３ａ，３ｂ間には歪み量に応じた電荷が発生するので、この電荷量を電極３ａ，３ｂ間の電圧として検出器３３により計測する。このような歪みセンサ３１に本発明の圧電素子を利用することにより、感度の高い歪みセンサを製作することができる。
【００７０】
（圧電式振動ジャイロ）
図１４は本発明にかかる圧電素子を利用した圧電式振動ジャイロ３４を示す斜視図である。この振動ジャイロ３４は、熱膨張の少ないエリンヴァー合金などで作った音叉３５に発振駆動用の圧電素子１ａを貼り付け、それと直角な面に検出用の圧電振動子１ｂを貼り付けたものである。このような振動ジャイロ３４における両圧電素子１ａ，１ｂとしても本発明の圧電素子を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＺＴの組成のうちＺｒ，Ｔｉの２成分における、ＰＺＴの相図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による圧電素子を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による圧電素子を示す概略断面図である。
【図４】菱面体晶系のペロブスカイト構造を有するＰＺＴの結晶構造を示す図である。
【図５】正方晶系のペロブスカイト構造を有するＰＺＴの結晶構造を示す図である。
【図６】（ａ）は菱面体晶ＰＺＴ６０／４０の圧電定数ｄ33の結晶方向依存性を３次元表示したもの、（ｂ）は（ａ）の３次元表示をＹＺ平面でカットした断面である。
【図７】（ａ）は正方晶ＰＺＴ４０／６０の圧電定数ｄ33の結晶方向依存性を３次元表示したもの、（ｂ）は（ａ）の３次元表示を（０１０）面でカットした断面である。
【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明にかかる圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明にかかる圧電素子を利用した振動センサを示す斜視図である。
【図１０】（ａ）〜（ｊ）同上の振動センサの製造プロセスを示す断面図である。
【図１１】本発明にかかる圧電素子を利用した積層型の圧電アクチュエータを示す側面図である。
【図１２】本発明にかかる圧電素子を利用した光スキャナを示す斜視図である。
【図１３】（ａ）は本発明にかかる圧電素子を利用した歪みセンサを示す断面図、（ｂ）は歪みセンサに歪みが加わった状態を示す断面図である。
【図１４】本発明にかかる圧電素子を利用した圧電式振動ジャイロを示す斜視図である。
【符号の説明】
１  圧電素子
２  菱面体晶組成のＰＺＴ
３ａ，３ｂ  電極
４  圧電素子
５  正方晶組成のＰＺＴ
【図１】
0003755283.tif 000009
【図２】
0003755283.tif 000010
【図３】
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【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】
0003755283.tif 000016
【図９】
0003755283.tif 000017
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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