CN105591023B - 压电体层、压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷墨打印装置 - Google Patents

压电体层、压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷墨打印装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够进一步提高压电常数的铌酸钾钠压电体层。一种压电体层，其特征在于：在由通式ABO3所表示的钙钛矿型化合物的铌酸钾钠构成的压电体层上，一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的偏振拉曼测定(yx)所得到的拉曼光谱中上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度具有大致每90°的周期性，其中，该偏振拉曼测定(yx)是一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的，并且在上述压电体层的拉曼测定中，使拉曼散射光在与入射光垂直的方向上偏振来进行测定。

Description

压电体层、压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以 及喷墨打印装置
技术领域
本发明涉及一种压电体层、压电元件、使用了该压电元件的压电致动器以及压电传感器、具备该压电致动器的硬盘驱动器以及喷墨打印装置。
背景技术
近年来，在对压电材料的无铅化的要求不断提高的形势下，铌酸钾钠[(K、Na)NbO3(以下也称为KNN)]的研究逐渐兴起。KNN即使在无铅压电材料中也能够获得比较高的居里温度和良好的压电特性，备受关注。
关于压电材料的利用，替代块体压电材料而使用了薄膜压电材料的压电元件的实用化在不断发展。作为一个例子可以列举利用了将施加于压电体层的力转换成电压的压电效应的陀螺仪传感器(gyro sensor)和震动传感器(shock sensor)等、或者利用了在将电压施加于压电体层时压电体层发生变形的逆压电效应的致动器(actuator)、喷墨头、扬声器、蜂鸣器、共鸣器(resonator)等。
如果将压电材料薄膜化，则元件的小型化成为可能，能够应用的领域变宽，并且由于能够在基板上一次性做多个元件所以量产性增加。另外，做成传感器的情况下的灵敏度的提高等性能方面的优点也很多。
作为使用压电材料上的指标，可以列举作为压电常数的d31或e31。这些值的绝对值越大则说明显示越良好的压电效应、逆压电效应。
另外，现有的压电材料中正如以锆钛酸铅(PZT)为代表的一样，含铅的情况较多。从环境问题的观点出发，要求开发不使用铅的压电材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009-295786号公报
专利文献2：日本专利特开2010-070394号公报
非专利文献
非专利文献1：M.A.Rafig et al.:Applied Phisics Letters104(2014)011902
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，由KNN构成的压电体层比使用了含铅的材料的压电体层压电常数低，存在在用于压电元件的时候难以获得大的位移的问题。
如果压电常数低，则为了获得大的位移需要高电压，并且还会产生绝缘破坏或连续驱动时的可靠性降低的技术问题。
在专利文献1所记载的技术中，通过将KNN薄膜的面外方向晶格常数c与面内方向晶格常数a之比控制在0.0980≤c/a≤1.0100的范围内从而就能够改善压电常数。但是该技术由于是通过对薄膜应力的控制来控制晶格常数，所以其值容易受到成膜条件或膜厚的影响，并且再现性差。
在专利文献2所记载的技术中，对于具有将铅作为主成分的钙钛矿型晶体结构的氧化膜进行显微拉曼光谱分析，测定施加电场情况下与不施加电场情况下的拉曼光谱，通过将拉曼光谱的峰值漂移(peak shift)量控制在2.2cm-1以下从而就能够缓和应力。可是，在不含铅的KNN的情况下即便关注拉曼光谱的峰值漂移量也不能够获得充分的特性。
在非专利文献1所记载的技术中，一边使单斜晶系的KNN单晶体旋转一边进行偏振拉曼测定，偏振拉曼测定(yx)以及偏振拉曼测定(yy)显示根据样品的旋转角度而具有周期性。但是，以薄膜制得的KNN膜通常是多晶体，难以制造接近单晶体的KNN膜。另外，在从单晶体制作元件的情况下，由于难以一次性制作多个元件，因此量产性差。
本发明是鉴于上述现有技术所存在的技术问题而完成的发明，其目的在于提供一种进一步提高了压电常数的压电体层。
由于所谓获得大的位移量就是指具有高的压电常数，所以在使用压电效应的元件的情况下能够应用于灵敏度高的传感器等的用途，在使用了逆压电效应的元件的情况下，能够应用于以低电压获得大振动的高效的致动器等的用途。
解决技术问题的手段
为了达到上述目的，本发明所涉及的压电体层的特征为：在由通式ABO3所表示的钙钛矿型化合物的铌酸钾钠构成的压电体层中，在一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的上述压电体层的拉曼测定中，在一边在面内方向旋转样品一边进行偏振拉曼测定(yx)所得到的拉曼光谱中，上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度具有大致每90°的周期性，其中，偏振拉曼测定(yx)是通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的。
压电体层的在拉曼测定中的晶格振动区域的测定强度具有大致每90°的周期性的结果意味着晶格在面方向上进行了匹配，由此，压电体层的压电常数提高，特别是向面内方向的位移变大。
在压电体层的膜厚方向上施加电压的情况下的面方向的伸缩举动由于施加电场的方向与极化方向不平行，所以不仅有助于由压电效应引起的晶格畸变，还有助于畴壁(domain wall)的活动。通过在面方向对压电体层的晶体结构进行匹配从而能够使畴壁的朝向一致，与具有面内非对称的晶体结构的压电体层相比，能够有效地增加位移量。
进一步，在上述压电体层的拉曼测定中，一边在面内方向旋转样品一边进行偏振拉曼测定(yy)以及偏振拉曼测定(yx)所获得的拉曼光谱中，上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度中，上述偏振拉曼测定(yy)和上述偏振拉曼测定(yx)都具有大致每90°的周期性，并且能够使得上述偏振拉曼测定(yy)与上述偏振拉曼测定(yx)的上述测定强度的周期错开大约45°，其中，上述偏振拉曼测定(yy)通过将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的；上述偏振拉曼测定(yx)是通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的。这样通过不仅在通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)上，而且在将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy)上都具有周期性，从而可以进一步提高晶格的匹配性，并且能够进一步提高压电特性。
拉曼测定中能够获得多个颗粒的晶格的短程序的信息，与获得晶格的长周期性信息的X线衍射测定有所不同。压电体的极化轴与压电特性中有着密切的关系，拉曼光谱的周期性与压电体层的压电特性有着密切的关系。
本发明所涉及的压电体层由上述压电体层的上述偏振拉曼测定(yx)获得的拉曼光谱在550cm-1附近以及610cm-1附近分别具有(1个以上的)峰，以(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)表示的强度比具有大致90°的周期性，也能够将上述强度比的最大值与最小值之差控制在0.3以上且3.0以下。550cm-1附近的峰和610cm-1附近的峰都相当于钙钛矿型化合物的伸缩振动，特别是610cm-1附近的峰相当于全对称伸缩振动。这些伸缩振动的峰强度比具有角度依存性，并且通过在强度比上有差值，从而能够提高晶格的匹配性，并且通过使极化轴一致从而能够进一步提高压电特性。另外，在此“550cm-1附近”等中的“附近”是表示±20cm-1的范围。
发明效果
通过使用本发明所涉及的压电体层，从而能够比使用了现有KNN薄膜的压电元件提高压电特性。另外，在本发明所涉及的压电致动器以及压电传感器中也能够谋求压电特性的提高，并且能够提供高性能的硬盘驱动器以及喷墨打印装置。
本发明所涉及的压电致动器具有以上述结构表示的压电元件。作为压电致动器具体地来说可以列举硬盘驱动器的磁头组件(head assembly)、喷墨打印头的压电致动器等。
另外，本发明所涉及的压电传感器具有以上述结构表示的压电元件。作为压电传感器具体来说可以列举陀螺仪传感器(gyro sensor)、压力传感器、脉搏传感器等。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的压电元件的结构图。
图2A是表示本实施方式所涉及的压电致动器的结构图。
图2B是作为本实施方式所涉及的压电致动器的其他例子的喷墨打印头的压电致动器的结构图。
图3A是作为本实施方式所涉及的压电传感器的一个例子的陀螺仪传感器的结构图(平面图)。
图3B是图3A的A-A线箭头方向截面图。
图3C是作为本实施方式所涉及的压电传感器的第二个例子的压力传感器的结构图。
图3D是作为本实施方式所涉及的压电传感器的第三个例子的脉搏传感器的结构图。
图4是本实施方式所涉及的硬盘驱动器的结构图。
图5是本实施方式所涉及的喷墨打印装置的结构图。
图6是示意性地表示本发明所涉及的拉曼测定装置的拉曼测定部的图。
图7是以每个角度都对一边在面内方向旋转实施例1中的样品一边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yy)以及偏振拉曼测定(yx)的相当于KNN的F2g形变振动(deformationvibration)的220cm-1的标准化峰强度进行作图的图。
图8是以每个角度都对一边在面内方向旋转比较例1中的样品一边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yy)以及偏振拉曼散射测定(yx)的相当于KNN的F2g形变振动的220cm-1的标准化峰强度进行作图的图。
图9是以每个角度都对一边在面内方向旋转实施例1中的样品一边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yx)的(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)进行作图的图。
图10是以每个角度都对一边在面内方向旋转比较例1中的样品一边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yx)的(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)进行作图的图。
符号说明
4.基板 6.氧化物层 8.下部电极 10.压电体层
12.上部电极 100.压电元件
200.磁头组件 9.底盘 11.荷载梁 11b.基端部
11c、11d.板弹簧部 11e.开口部 11f.梁主要部分
17.弯曲部 13.压电元件 19a.磁头元件
19.磁头滑块 15.挠性基板
300.压电致动器 20.基材 23.绝缘膜 24.下部电极
25.压电体层 26.上部电极 21.压力室 27.喷嘴
400.陀螺仪传感器 110.基部 120、130.悬臂
30.压电元件 31a、31b.驱动电极层
31c、31d.检测电极层 31.上部电极 32.下部电极
500.压力传感器 45.空洞 44.支撑体
46.电流放大器 47.电流测定器 41.共同电极层
42.压电体层 43.个别电极层 40.压电元件
600.脉搏传感器 51.基板 52.信号发送用压电体层
54a、54b、55a、55b.电极层 53.信号接收用压电体层
56.电极 57.上面用电极 58.配线
700.硬盘驱动器 60.框体 61.硬盘 62.磁头组件
63.音圈马达 64.致动器悬臂 65.磁头组件
具体实施方式
以下是参照附图并针对本发明优选的一个实施方式进行详细的说明。另外，在附图中对相同或者同等要素附以相同的符号。另外，上下左右的位置关系如同图所示。另外，在说明重复的情况下省略该说明。
(压电元件)
图1中示出本实施方式所涉及的压电元件100。压电元件100具备基板4、设置于基板4上的绝缘层6以及下部电极8、形成于下部电极8上的压电体层10、形成于压电体层10上的上部电极12。
基板4中，可以使用具有(100)晶面取向的硅基板。基板4作为一个例子具有50μm以上且1000μm以下的厚度。另外，作为基板4还可以使用具有不同于(100)晶面的晶面取向的硅基板、绝缘层上覆硅(Silicon on Insulator，SOI)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成的化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO基板、SrTiO3基板等。
绝缘层6是在基板4为导电性的情况下被使用。绝缘层6中能够使用硅的热氧化膜(SiO2)、Si3N4、ZrO2、Y2O3、ZnO、Al2O3等。在基板4不具有导电性的情况下可以不具备绝缘层6。绝缘层6能够由溅射法、真空蒸镀法、热氧化法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等来形成。
下部电极8作为一个例子可以由Pt(铂)形成。下部电极8作为一个例子具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。通过由Pt来形成下部电极8，从而能够形成具有高取向性的压电体层10。另外，作为下部电极8也可以使用Pd(钯)、Rh(铑)、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、Mo(钼)、Ti(钛)、Ta(钽)等金属材料、或者SrRuO3以及LaNiO3等导电性金属氧化物。下部电极8能够由溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等来形成。
下部电极8也可以其(001)面相对于成膜方向轴成面内四重对称。相对于成膜方向轴成面内四重对称的下部电极8可以通过真空蒸镀法来形成。
此时的基板温度可以控制在600℃以上且1000℃以下。由此，就能够形成具有更高取向性的下部电极8。
作为压电体层10中使用的材料可以使用由通式ABO3所表示，且为钙钛矿型化合物的铌酸钾钠薄膜。作为添加元素可以含有选自Li(锂)、Ti(钛)、Mn(锰)、Sr(锶)、Sb(锑)、Ba(钡)、Ta(钽)、Zr(锆)、Bi(铋)中的至少1种以上的元素。这些的各元素的含量能够控制在0.1at％以上且5.0at％以下。
压电体层10可以通过由溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等进行成膜来形成。压电体层10优选为薄膜，具体而言具有0.5μm以上且10μm以下的厚度。
上部电极12作为一个例子可以由Pt形成。上部电极12作为一个例子具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。另外，作为上部电极12可以使用Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta等金属材料、或者SrRuO3、LaNiO3等导电性金属氧化物。上部电极12可以通过溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等形成。
在成膜上部电极12后，也可以施加压电元件100的下部电极8和上部电极12的电极间的电场。在压电元件100的下部电极8和上部电极12的电极之间施加的电场既可以是直流电场或交流电场的任一种，不过优选为直流电场。另外，作为电极间的电场的施加方式，开始以成为1kV/mm的方式施加直流电压1分钟之后，以电极间的电场成为3kV/mm的方式施加直流电场1分钟，进一步以电极间的电场成为1kV/mm的方式施加直流电压1分钟等，优选阶段性地改变所施加的电场。
压电体层10的拉曼测定是通过下述方式进行的。即，在通过由蚀刻除去上部电极12的一部分从而露出压电体层10之后，在如图6所示的拉曼测定装置中将测定样品82设置于旋转台83上之后，通过分束器80和物镜81将激光聚光于测定样品82，在通过物镜81和分束器80用偏振光镜84使所发生的拉曼散射光偏振为0°或者90°之后进行检测。此时，将拉曼散射光的以0°进行偏振的偏振拉曼测定标记为偏振拉曼测定(yy)，将以90°进行偏振的偏振拉曼测定标记为偏振拉曼测定(yx)。通过使用旋转台83在0°～180°范围内每5°旋转一次样品并实行这些偏振拉曼测定，从而可以调查样品的晶格振动区域的测定强度的面方向的依存性。
压电体层10的拉曼测定中的晶格振动区域的测定强度具有大致每90°的周期性，这意味着晶格在面方向上进行了匹配，由此，压电体层的压电常数提高，特别是向面内方向的位移变大。
压电体层10在其拉曼测定中，由使拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)所获得的拉曼光谱中的上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度可以具有大致每90°的周期性。由此，可以进一步提高压电特性。
另外，通过在压电体层10的拉曼测定中，不仅在使拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)中，而且在使拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy)的任一测定中都具有大致每90°的周期性，并且偏振拉曼测定(yy)和偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期错开大致45°，从而能够进一步提高晶格的匹配性，并且能够进一步提高压电特性。
进一步，在压电体层10的拉曼测定中，由使拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)获得的拉曼光谱在550cm-1附近以及在610cm-1附近分别具有峰，以(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)表示的强度比具有大致90°的周期性，通过将所述强度比的最大值与最小值之差控制在成为0.3以上且3.0以下，从而能够提高晶格的匹配性并且能够使极化轴方位一致，并能够进一步提高压电特性。
上部电极12作为一个例子由Pt形成。上部电极12作为一个例子具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。另外，作为上部电极12，能够使用Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta等金属材料、或者SrRuO3以及LaNiO3等导电性金属氧化物。上部电极12可以由溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等来形成。
另外，也可以从压电元件100除去基板4。这样，就能够提高压电元件的位移量。
另外，也可以用保护膜来涂覆压电元件100。这样，就能够提高可靠性。
在压电元件100中，也可以在下部电极8与压电体层10之间或者在压电体层10与上部电极12之间的任一者中或者双者中具备中间层。
作为该中间层可以使用导电性氧化物。特别是SrRuO3、SrTiO3、LaNiO3、CaRuO3、BaRuO3、(LaxSr1-x)CoO3、YBa2Cu3O7、La4BaCu5O13等导电性高并且还具有高耐热性，因而优选。
(压电致动器)
图2A是作为使用了这些压电元件的压电致动器的1个例子的搭载在硬盘驱动器(以下也称为HDD)上的磁头组件(head assembly)的结构图。如该图所示，磁头组件200作为其主要构成要素具备底盘(base plate)9、荷载梁(load beam)11、弯曲部17、作为驱动元件的第1以及第2压电元件13、以及具备磁头元件19a的滑块19。
于是，荷载梁11具备由例如束焊接等而被粘着于底盘9的基端部11b、从该基端部11b以前端变细的形状延伸的第1以及第2板弹簧部11c以及11d、在第1以及第2板弹簧部11c与11d之间形成的开口部11e、连续于第1以及第2钢板部11c以及11d并以直线且前端变细的形状延伸的梁主要部分11f。
第1以及第2压电元件13以规定的间隔配置于作为弯曲部17的一部分的配线用挠性基板15上。滑块19被固定于弯曲部17的前端部，并且伴随于第1以及第2压电元件13的伸缩作旋转运动。
第1以及第2压电元件13由下部电极、上部电极、夹在该上部电极与下部电极之间的压电体层构成，作为用于本发明的压电致动器的压电体层通过使用漏电流小、大位移量的压电体层可以获得高耐电压性和充分的位移量。
图2B是作为使用了上述压电元件的压电致动器的其他例子的喷墨打印头的压电致动器的结构图。
压电致动器300是通过将绝缘膜23、下部电极层24、压电体层25以及上部电极层26层叠于基板20上构成的。
在没有提供规定的吐出信号的没有在下部电极层24与上部电极层26之间施加电压的情况下，在压电体层25上不会发生变形。在设置有没有提供吐出信号的压电元件的压力室21中，不会发生压力变化并且不会从其喷嘴27吐出墨滴。
另一方面，在提供了规定的吐出信号并且在下部电极层24与上部电层26之间施加了恒定电压的情况下，在压电体层25上发生变形。在设置有提供了吐出信号的压电元件的压力室21中，其绝缘膜23大幅度弯曲。因此，压力室21内的压力会瞬间升高，并且会从喷嘴27吐出墨滴。
在此，作为用于本发明的压电致动器的压电体层，通过使用漏电流小、大位移量的压电体层从而能够获得高的耐电压性和充分的位移量。
(压电传感器)
图3A是作为使用了上述压电元件的压电传感器的一个例子的陀螺仪传感器的结构图(平面图)，图3B是图3A的A-A线箭头截面图。
陀螺仪传感器400是一种具备基部110、连接于基部110的一面的2支悬臂120、130的音叉振荡器型的角速度检测元件。该陀螺仪传感器400是按照音叉振荡器的形状精密加工构成上述压电体元件的压电体层30、上部电极层31以及下部电极层32而获得的，各个部分(基部110以及悬臂120、130)由压电元件一体地形成。
在一支悬臂120的第一主面上分别形成驱动电极层31a、31b以及检测电极层31d。同样，在另一支悬臂130的第一主面上分别形成驱动电极层31a、31b以及检测电极层31c。这些电极层31a、31b、31c、31d是通过将上部电极层31蚀刻成规定的电极形状而获得的。
另外，在基部110以及悬臂120、130的各第二主面(第一主面的背侧的主面)上以固体状形成的下部电极层32作为陀螺仪传感器400的接地电极起作用。
在此，在将各悬臂120、130的长边方向作为Z方向并将包含2支悬臂120、130的主面的平面作为XZ平面的基础上定义XYZ直角坐标系。
如果对驱动电极层31a、31b提供驱动信号，则2支悬臂120、130以面内振动模式激励振动。所谓面内振动模式是指在平行于2支悬臂120、130的主面的方向上2支悬臂120、130激励振动的振动模式。例如，一支悬臂120在-X方向上以速度V1激励振动的时候，另一支悬臂130在+X方向上以速度V2激励振动。
如果在该状态下以Z轴作为旋转轴对陀螺仪传感器400施加角速度ω的旋转，则科里奥利力(Coriolis force)分别对2支悬臂120、130作用于垂直于速度方向的方向，并且以面外振动模式开始激励振动。所谓面外振动模式是指2支悬臂120、130在垂直于2支悬臂120、130的主面的方向上激励振动的振动模式。例如，在作用于一支悬臂120的科里奥利力F1为-Y方向时，作用于另一支悬臂130的科里奥利力F2为+Y方向。
科里奥利力F1、F2的大小与角速度ω成比例，因此将由科里奥利力F1、F2引起的悬臂120、130的机械性变形通过压电体层30转换成电信号(检测信号)，并且通过将其从检测电极层31c、31d取出从而能够求得角速度ω。
作为用于本发明的压电传感器的压电体层，通过使用漏电流小、大位移量的压电体层，从而能够获得高耐电压性和充分的检测灵敏度。
图3C是作为使用了上述压电元件的压电传感器的第二个例子的压力传感器的结构图。
压力传感器500具有用于应对受到压力时的空洞45，并且由支撑压电元件40的支撑体44、电流放大器46、电压测定器47所构成。压电元件40由共同电极层41和压电体层42以及个别电极层43构成，并且按该顺序层叠于支撑体44上。在此，如果施加外力，则压电元件40会弯曲，可以由电压测定器47检测电压。
作为本发明的压电传感器中使用的压电体层，通过使用漏电流小、大位移量的压电体层从而能够获得高耐电压性和充分的检测灵敏度。
图3D是作为使用了上述压电元件的压电传感器的第三个例子的脉搏传感器的结构图。
脉搏传感器600成为在基板51上搭载了信号发送用压电元件以及信号接收用压电元件的结构，在此，在信号发送用压电元件中，在信号发送用压电体层52的厚度方向的两面上形成电极层54a、55a；在信号接收用压电元件中，在信号接收用压电体层53的厚度方向的两面上也形成电极层54b、55b。另外，在基板51上，形成有电极56、上面用电极57，电极层54a、54b和上面用电极57分别由配线58电连接的。
在检测生物体脉搏时，首先将脉搏传感器600的基板背面(没有搭载压电元件的面)接触于生物体。于是，在检测脉搏时对信号发送用压电元件的两个电极层54a、55a输出特定的驱动用电压信号。信号发送用压电元件对应被输入到两个电极层54a、55a的驱动用电压信号激励振动并产生超声波，将该超声波信号发送至生物体内。被发送到生物体内的超声波被血流反射，通过信号接收用压电元件接收信号。信号接收用压电元件将接受信号的超声波转换成电压信号，从而从两个电极层54b、55b输出。
作为用于本发明的压电传感器的压电体层，通过使用漏电流小的压电体层，可以得到高耐电压性和充分的检测灵敏度。
(硬盘驱动器)
图4是搭载了图2A所示的磁头组件的硬盘驱动器的结构图。
硬盘驱动器700在框体60内具备作为记录介质的硬盘61、将磁信息记录于该硬盘61并且播放的磁头臂组件(head stack assembly)62。硬盘61是由省略了图示的电动机来使之旋转的。
磁头臂组件62是在图的纵深方向上层叠了多个组装体的组件，该组装体由致动器悬臂64、接续于该致动器悬臂64的磁头组件65构成，其中，致动器悬臂64以通过音圈马达63而围绕支撑轴旋转自如的方式被支撑。在磁头组件65的前端部，以相对于硬盘61的形式安装有滑块19(参照图2A)。
磁头组件65(200)采用了以2个阶段变动磁头元件19a(参照图2A)的形式。磁头元件19a的比较大的移动是通过由音圈马达63引起的磁头组件65以及致动器悬臂64的整体的驱动进行控制的，微小的移动通过由磁头组件65的前端部引起的滑块19的驱动进行控制的。
在被用于该磁头组件65的压电元件中，作为压电体层通过使用漏电流小、大位移量的压电体层，从而能够获得高耐电压性和充分的存取性。
(喷墨打印装置)
图5是搭载了图2B所示的喷墨打印头的喷墨打印装置的结构图。
喷墨打印装置800主要具备喷墨打印头70、主体71、托盘72、磁头驱动机构73而构成。压电致动器300被配备于喷墨打印头70内。
喷墨打印装置800具备黄色、品红色(洋红色，magenta)、青色以及黑色共4种颜色的墨盒并且以能够全彩打印的形式构成。另外，该喷墨打印装置800在内部配备专用的控制板等，并且控制喷墨打印头70的吐墨时机以及磁头驱动机构73的扫描。另外，主体71在背面具备托盘72，并且在其内部具备续纸器(自动连续供纸机构)76，自动送出记录用纸75并且能够从正面的排出口74将记录用纸75进行排纸。
在该喷墨打印头70的压电致动器中使用的压电元件中，作为压电体层通过使用漏电流小、大位移量的压电体层，从而能够提供具有高耐电压性和高安全性的喷墨打印装置。
例如，本发明的具备压电体层的压电元件能够用于陀螺仪传感器、震动传感器以及麦克风等的利用了压电效应的装置，或者致动器、喷墨头、扬声器、蜂鸣器、共鸣器等的利用了逆压电效应的装置，但是对于利用了逆压电效应的压电元件来说特别优选。
实施例
以下基于实施例以及比较例来进一步具体说明本发明，但是本发明并不限定于以下实施例。
(具备压电体层的压电元件的制作和拉曼测定)
(实施例1)
在本实施例中，“基体”是指各个工序中的被成膜体。
将具有(100)晶面取向的直径为3英寸的硅片(silicon wafer)(基板4)设置于真空蒸镀装置的真空腔内，在进行了真空排气之后，作为绝缘层6成膜了YSZ(7mol％Y2O3-ZrO2)，作为下部电极8成膜了Pt。成膜时的基体温度在成膜YSZ(7mol％Y2O3-ZrO2)时为900℃，在成膜Pt时为700℃。由此，绝缘层6的厚度为10nm，下部电极8的厚度为200nm。
在成膜下部电极8之后，进行了用于确认下部电极8的垂直于表面的方向的取向性而进行了面外(out-of-plane)XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本实施例中，实行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt取向于(002)晶面取向。
接着，将基体移到安装有多个溅射靶材的RF溅射装置的腔室中，在进行了真空排气之后，作为压电体层10，成膜了铌酸钾钠薄膜。作为溅射靶材，使用了含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为800℃，压电体层10的厚度为2700nm。
之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之后，作为上部电极12成膜了Pt。成膜时的基体温度为200℃，上部电极12的厚度为200nm。
在形成上部电极12之后，通过光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对包含压电体层10的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得了可动部分尺寸为5mm×15mm的压电元件100。
接着，在以压电元件100的下部电极8与上部电极12的电极间的电场成为1kV/mm的方式施加1分钟直流电压之后，以电极之间的电场成为3kV/mm的方式施加1分钟直流电压，进一步以电极之间的电场成为1kV/mm的方式施加1分钟直流电压。
之后，在通过由蚀刻来除去压电元件100的上部电极12的一部分从而使压电体层10露出之后，为了确认压电体层10的晶格的短周期规律而进行了拉曼测定。拉曼测定是一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的，并且进行了在将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy)和在通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)两次。压电体层10的旋转角度为0°～180°，以每5°一个刻度进行测定。
(实施例2)
将具有(100)晶面取向的尺寸为15mm×15mm×0.5mm的MgO基板(基板4)设置于RF溅射装置的真空腔内，作为下部电极8成膜了Pt。以成膜时的基体温度700℃进行成膜。下部电极8的厚度做成200nm。
在成膜了下部电极8之后，为了确认下部电极8的垂直于表面的方向的取向性而进行了面外(out-of-plane)XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本实施例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果确认了Pt取向于(002)晶面取向。
接着，将基体移到安装有多个溅射靶材的RF溅射装置的腔室中，在进行了真空排气之后，作为压电体层10，成膜了铌酸钾钠薄膜；作为溅射靶材使用了含有0.25mol％的Li、0.25mol％的Mn以及0.5mol％的Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为750℃，压电体层10的厚度为2700nm。压电体层10的拉曼测定、压电元件100的制作中包括电场处理在内都以与实施例1相同的方法进行。
(实施例3)
在实施例1中，在确认了下部电极8的垂直于表面的方向的取向性之后，将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之后对成膜SrRuO3作为中间层，之后成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层10。作为溅射靶材是使用含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％的Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层10的厚度为2700nm。压电体层10的拉曼测定和压电元件100的制作中包括电场处理在内都以与实施例1相同的方法进行。
(实施例4)
在实施例1中，在确认了下部电极8的垂直于表面的方向的取向性之后，将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之后，成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层10。作为溅射靶材，使用了含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn和0.5mol％的Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为620℃，压电体层10的厚度做成2700nm。
之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之后，成膜了Pt作为上部电极12。成膜时的基体温度为200℃，上部电极12的厚度做成200nm。
在形成了上部电极12之后，通过光刻、干式蚀刻以及湿式蚀刻来来对包含压电体层10的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得了可动部分尺寸为5mm×15mm的压电元件100。压电体层10的拉曼测定以与实施例1相同的方法进行。
(实施例5)
将附有热氧化膜(SiO2：氧化物层6)的直径3英寸的硅片(基板4)设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜了Pt作为下部电极8。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极8的厚度为200nm。
成膜下部电极8之后，为了确认下部电极8的垂直于表面的方向的取向性而进行了面外XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面为平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本实施例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111)晶面优先取向。
作为压电体层10成膜了铌酸钾钠薄膜。作为溅射靶材，使用了含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层10的厚度做成2700nm。压电体层10的拉曼测定和压电元件100的制作中，包括电场处理在内都以与实施例1相同的方法进行。
(比较例1)
将附有热氧化膜(SiO2：氧化物层)的直径3英寸的硅片(基板4)设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜了Pt作为下部电极。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极的厚度做成200nm。
在成膜了下部电极之后，为了确认下部电极的垂直于表面的方向的取向性而进行了面外XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面为平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本比较例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111)晶面优先取向。
作为压电体层，成膜了铌酸钾钠薄膜。作为溅射靶材，使用了含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层的厚度做成了2700nm。
之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之后，成膜了Pt作为上部电极。成膜时的基体温度为200℃，上部电极12的厚度做成了200nm。
在形成了上部电极之后，通过光刻、干式蚀刻以及湿式蚀刻来对包含压电体层的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得了可动部分尺寸为5mm×15mm的压电元件。
之后，在通过由蚀刻来除去压电元件的上部电极的一部分从而露出压电体层之后，为了确认压电体层的晶格的短周期规律而进行了拉曼测定。拉曼测定是一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的，并且进行了在将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy)和在通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)两次。压电体层的旋转角度为0°～180°，以每10°一个刻度进行测定。
(比较例2)
将附有热氧化膜(SiO2：氧化物层)的直径3英寸的硅片(基板4)设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜了Pt作为下部电极。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极的厚度为200nm。
在成膜下部电极之后，为了确认下部电极的垂直于表面的方向的取向性而进行了面外XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本比较例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111)晶面优先取向。
成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层。作为溅射靶材使用了不含添加物的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层的厚度做成了2700nm。压电体层的取向性的确认和压电元件的制作与比较例1相同的方法进行。
以每个测定角度都对实施例1以及比较例1的相当于偏振拉曼测定(yy)以及偏振拉曼测定(yx)的KNN的F2g形变振动(deformation vibration)的220cm-1的标准化峰强度进行作图的图分别示于图7以及图8中。
对于实施例2～5以及比较例2也同样地作图，根据各图求得具有偏振拉曼测定(yx)的第一极大值的角度、具有第一极小值的角度、具有第二极大值的角度、(具有第二极大值的角度-具有第一极大值的角度)、偏振拉曼测定(yy)的极大值的角度、[具有偏振拉曼测定(yy)的极大值的角度-具有偏振拉曼测定(yx)的极大值的角度]，并示于表1中。
[表1]
对于表1来说，在实施例1～5中偏振拉曼测定(yx)的(具有第二极大值的角度-具有第一极大值的角度)为90°±5°，并且具有大致每90°的周期性，但在比较例1～2中由于不具有极大值或极小值因此不具有周期性。
另外，在表1中，在实施例1～4中[具有偏振拉曼测定(yy)的极大值的角度-具有偏振拉曼测定(yx)的极大值的角度]为45°±5°并且显示偏振拉曼测定(yx)与偏振拉曼测定(yy)的周期错开大致45°，但是在实施例5和比较例1～2中因为不具有极大值或极小值所以没有周期性。
以每个测定角度将实施例1以及比较例1的偏振拉曼测定(yx)的[(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)]进行作图并分别示于图9以及图10中。
对于实施例2～5以及比较例2都以同样的方法作图，根据各图将偏振拉曼测定(yx)的[(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)]的最大值、最小值、(最大值-最小值)以及周期性的有无示于表2中。
[表2]
在表2中，在实施例1～5中偏振拉曼测定(yx)的[(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)]具有每90°的周期性，但是在比较例1～2中没有周期性。
另外，在表2中，在实施例1～4中偏振拉曼测定(yx)的[(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)的最大值-最小值]为0.3以上且1.0以下，但是实施例5以及比较例1～2小于0.3。
(压电元件的评价)
压电常数-d31的测定是在长方块状样品的上下部电极之间施加700Hz 3Vp-p，并且使用激光多普勒测试仪和示波器来测定长方块状样品的前端部上的位移。测定电压是考虑不受漏电流的影响而选择的，但是由于在压电元件上需要更大的位移量，所以需要更高的电压。然后通过以下的计算式(1)进行计算得到。
式(1)
式中hs：基板的厚度；S11,p：KNN薄膜的弹性率；S11,s：基板的弹性率；L：驱动部的长度；δ：位移量；V：施加电压。
将在测定中获得的-d31的值与各实施例以及比较例的构成等一起示于表3中。
[表3]
电极、基板构成 压电体层用靶材添加物 中间层 电场处理 压电常数d31
实施例1 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -89
实施例2 Pt/MgO Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -83
实施例3 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ SrRuO3 有 -72
实施例4 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 无 -78
实施例5 Pt/SiO2/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -65
比较例1 Pt/SiO2/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 无 -34
比较例2 Pt/SiO2/Si 无添加物 无 无 -31
可以确认实施例1～5的压电常数-d31与比较例1～2相比变大。
根据实施例1与实施例2的比较，可以确认相比于在将Pt成膜于MgO基板上之后成膜压电体层的压电元件，将YSZ和Pt成膜于硅片上之后成膜压电体层的压电元件压电常数-d31变得更大。
根据实施例1与实施例3的比较，可以确认不成膜中间层而成膜了压电体层的压电元件的压电常数-d31变得更大。
根据实施例1与实施例4的比较，可以确认在制作压电元件之后施加了电场的压电元件比不施加电场的压电元件压电常数-d31变得更大。
根据实施例1与实施例5的比较，可以确认偏振拉曼测定(yy)与偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期错开大致45°的压电元件比偏振拉曼测定(yy)与偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期性不相关的压电元件压电常数-d31变得更大。
根据实施例1～4与实施例5以及比较例1～2的比较，可以确认偏振拉曼测定(yx)的[(550cm-1附近的峰的测定强度)/(610cm-1附近的峰的测定强度)的最大值-最小值]为0.3以上的压电元件比小于0.3的压电元件压电常数-d31变得更大。
产业上的利用可能性
通过具备本发明所涉及的压电体层的压电元件，可以比使用了现有KNN薄膜的压电元件提高压电特性。另外，在本发明所涉及的压电致动器以及压电传感器中都可以谋求到压电特性的提高，并且能够提供高性能的硬盘驱动器以及喷墨打印装置。

Claims (8)

1.一种压电体层，其特征在于：
是由通式ABO3所表示的钙钛矿型化合物的铌酸钾钠构成的压电体层，其中，在一边在面内方向旋转所述压电体层一边进行的所述压电体层的拉曼测定中，由偏振拉曼测定yx所得到的拉曼光谱中所述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度具有大致每90°的周期性，意味着晶格在面方向上进行了匹配，
其中，该偏振拉曼测定yx是一边在面内方向旋转所述压电体层一边进行的，并且使拉曼散射光在与入射光垂直的方向上偏振来进行测定。
2.如权利要求1所述的压电体层，其特征在于：
在所述压电体层的拉曼测定中，一边在面内方向上旋转所述压电体层一边进行的偏振拉曼测定yy和偏振拉曼测定yx所得到的拉曼光谱中的所述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度中，所述偏振拉曼测定yy和所述偏振拉曼测定yx都具有大致每90°的周期性，且所述偏振拉曼测定yy与所述偏振拉曼测定yx的所述测定强度的周期错开大约45°，
其中，所述偏振拉曼测定yy通过将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定；所述偏振拉曼测定yx通过将所述拉曼散射光在与所述入射光垂直的方向偏振而测定。
3.如权利要求1所述的压电体层，其特征在于：
由所述压电体层的所述偏振拉曼测定yx得到的拉曼光谱分别在550cm-1附近以及610cm-1附近具有1个以上的峰，以550cm-1附近的峰的测定强度/610cm-1附近的峰的测定强度表示的强度比具有大致90°的周期性，所述强度比的最大值与最小值之差为0.3以上且1.0以下。
4.一种压电元件，其特征在于：
在权利要求1～3的任一项所述的压电体层上具备上部电极以及下部电极。
5.一种压电致动器，其特征在于：
使用了权利要求4所述的压电元件。
6.一种压电传感器，其特征在于：
使用了权利要求4所述的压电元件。
7.一种硬盘驱动器，其特征在于：
具备权利要求5所述的压电致动器。
8.一种喷墨打印装置，其特征在于：
具备权利要求5所述的压电致动器。
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