JP2014112675A - 薄膜圧電素子、薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄膜圧電素子を構成する非鉛圧電材料からなる圧電薄膜の誘電損失を低減しつつ、より大きな変位量を得ることのできる薄膜圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電薄膜３と、圧電薄膜３を挟んで配置される一対の電極膜１，５と、を有する薄膜圧電素子１００において、圧電薄膜３は、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘＮａｗＳｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向させる。ここで、０．９５≦ｍ＜１．０５、０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８とする。
【選択図】図２
【解決手段】圧電薄膜３と、圧電薄膜３を挟んで配置される一対の電極膜１，５と、を有する薄膜圧電素子１００において、圧電薄膜３は、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘＮａｗＳｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向させる。ここで、０．９５≦ｍ＜１．０５、０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、薄膜圧電材料を用いた薄膜圧電素子、その薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにその薄膜圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置に関する。
近年、バルク圧電材料に代わって、薄膜圧電材料を用いた薄膜圧電素子の実用化が進んでいる。一例としては、圧電薄膜に加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用したジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサ、マイクロホンなど、あるいは圧電薄膜に電圧を印加した際に圧電薄膜が変形する逆圧電効果を利用したアクチュエータ、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。
圧電材料を薄膜化すると、素子の小型化が可能になり、応用できる分野が広がるとともに、基板上に多数の素子を一括して作製することができるため量産性が増す。またセンサにした場合の感度の向上など性能面での利点も多い。
圧電素子においては、圧電材料の誘電損失が大きいと動作中に発熱などを起こして信頼性上問題になることが多いが、薄膜圧電材料ではバルク圧電材料ほど誘電損失の低い材料が見つかっていない。したがって、誘電損失を低く抑えた圧電薄膜の設計が重要な課題となる。
また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が優れた圧電材料としては良く知られているが、鉛が含有されているので環境や人体への配慮から代替（非鉛）材料への検討が行われている。しかし、ＰＺＴと同等の圧電特性を有する代替材料は現れていない。
圧電特性の中で重要な要素のひとつとして、誘電損失が挙げられる。誘電損失の存在により、圧電材料に電界を印加した際の一部が熱エネルギーとして消費される。一般には圧電材料でＤ＝ε・ε0・Ｅ（Ｄは電束密度、Ｅは電界、εは比誘電率、ε0は真空の比誘電率）が成立する。電界Ｅが交流のとき、誘電率εは、誘電損失がない場合には実数であるが、誘電損失があると複素数（＝ ε′−j・ε″）となる。ここで、実数部ε′は通常、誘電率と呼ばれ、虚数部ε″が誘電損失に対応する。Ｔａｎδ＝ε″／ε′を誘電正接と呼び、δは損失角といわれる。誘電損失は、誘電体の電束密度Dが電界Eにただちには追従できずに、Ｄの位相がＥの位相よりδだけ遅れることによっておこる。誘電材料の誘電損失は小さいほど望ましい。
誘電損失を小さくする手法として、圧電材料の中に炭素や水素を混ぜる手法（特許文献１）もあるが、成膜温度などの条件を細かく管理する必要があり成膜装置をメンテナンスしたような際には条件を見直す必要がある場合が多い。
また、圧電特性Ｄ３１を良くする手法として圧電材料を化学量論組成からずれた組成にする手法（特許文献２）もあるが、この材料は誘電損失が大きく、使用する周波数によっては、圧電性能を十分に発揮することができない。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、薄膜圧電素子を構成する非鉛圧電材料からなる圧電薄膜の誘電損失を低減しつつ、より大きな変位量を得ることのできる薄膜圧電素子を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明に係る薄膜圧電素子は、 圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで配置される一対の電極膜と、を有する薄膜圧電素子であって、前記圧電薄膜は、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘＮａｗ Ｓｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙ Ｚｒｙ）Ｏ３ で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向していることを特徴とする薄膜圧電素子であり、ここで、０．９５≦ｍ＜１．０５、 ０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８ である。
ｍが０．９５未満である場合には、誘電損失を低減させることができない。また、ｍが１．０５以上の場合には、誘電損失が大きくなることを防止することができない。
一方、ｍ・ｘ／yが０．６未満である場合には、ｍが１に近い化学量論組成近傍において誘電損失を十分低減させることができない。また、ｍ・ｘ／yが０．８を超える場合には、化学量論組成近傍において誘電損失が大きくなることを防止することができない。そして、これらの２つの組成領域を満たす場合において、十分小さい誘電損失が実現される。
薄膜圧電素子に用いる圧電薄膜を化学量論組成近傍の組成とすることで、ペロブスカイト構造に格子欠陥ができにくく、より安定した圧電、誘電特性が得られる。
そして、圧電薄膜がペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向していることで薄膜圧電素子の誘電損失を低く抑えた上に圧電特性を大きくすることができる。圧電薄膜が（００１）以外の方位に優先配向している場合は、誘電損失を低減させることができず、また十分な圧電特性を得ることができない。
ここで、優先配向とは、Ｘ線回折測定で得られる主配向つまり最も強度の強い信号の強度が全ピーク強度に占める割合が５割以上であることを指す。また、（００１）配向度とは、(００１)のピーク強度/全ピーク強度のことを指し（％）で表す。
また、圧電薄膜の組成はＮａ（ナトリウム）／（Ｎａ＋Ｋ（カリウム）)比が０．５以上、０．７５以下であることが好ましい。Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比を０．５以上とすることで電極膜に電圧を印加した際のリーク電流密度がより小さくなる。また、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比を０．７５以下とすることで圧電特性がより向上する。
圧電素子のリーク電流密度は、１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下であれば実用に耐えるが、１×１０−７Ａ／ｃｍ２以下であることがより好ましい。
本発明に係る薄膜圧電素子では、圧電薄膜と、一対の電極膜のうちの少なくともいずれか一方の電極膜との間にルテニウム酸ストロンチウム薄膜を有することが好ましい。ルテニウム酸ストロンチウム薄膜を中間膜として用い、圧電薄膜形成前に形成することで、圧電薄膜が（００１）に優先配向しやすくなる。
本発明に係る薄膜圧電アクチュエータは、上記の組成式で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向している薄膜圧電素子を有している。薄膜圧電アクチュエータとして具体的には、ハードディスクドライブのヘッドアセンブリ、インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータなどが挙げられる。
また、本発明に係る薄膜圧電センサは、上記の組成式で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向している薄膜圧電素子を備えている。薄膜圧電センサとして具体的には、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサなどが挙げられる。
そして、本発明に係るハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置には上記の薄膜圧電アクチュエータが用いられている。
本発明に係る薄膜圧電素子は従来の薄膜圧電素子よりも誘電損失を小さくすることができるため、本発明に係る薄膜圧電素子、薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置は動作中に発熱による動作異常が発生しなくなり信頼性を向上させることができる。
また本発明に係る薄膜圧電素子は、高周波帯域での誘電損失が低く抑えられるので、高周波用素子への適用も可能になる。
本発明に関わる圧電薄膜は、非鉛圧電材料であるため、環境や人体に対しての影響が低く抑えられている。したがって、本発明に係る薄膜圧電素子、薄膜圧電アクチュエータ、及び薄膜圧電センサ、並びにハードディスクドライブ、及びインクジェットプリンタ装置は従来使用が困難だった用途への適用も可能になる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一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、上下左右の位置関係は図面に示す通りである。また、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
（薄膜圧電素子）
図１に従来の非鉛圧電薄膜の誘電正接Ｔａｎδ−測定周波数の相関グラフを示す。周波数の増加とともにＴａｎδが増大しているのが分かる。
図１に従来の非鉛圧電薄膜の誘電正接Ｔａｎδ−測定周波数の相関グラフを示す。周波数の増加とともにＴａｎδが増大しているのが分かる。
図２に本実施形態に係る薄膜圧電素子１００を示す。薄膜圧電素子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の上に形成された中間膜４と中間膜４上に形成された圧電薄膜３と、圧電薄膜３上に形成された第二電極膜１と、を備える。
基板７には、例えば（１００）面方位を有するシリコン基板を用いることができる。基板７は、一例として、1００μｍ以上、１０００μｍ以下の厚さを有する。また、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のほかに、Ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ 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、ステンレス等からなる金属基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ３基板等を用いることもできる。
第一電極膜５は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第一電極膜５は、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下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り、１．０μｍを超えると圧電材料の変位特性阻害という問題がある。４００〜５００℃程度に加熱した（１００）面方位を有するシリコン基板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膜となり、その後に形成する圧電薄膜３も高い配向性を有する圧電薄膜３とすることができる。
圧電薄膜３は、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘ ＮａｗＳｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙ Ｚｒｙ）Ｏ３ で表されるニオブ酸カリウムナトリウム化物であるニオブ酸カリウムナトリウム（以下ＫＮＮとも呼ぶ）を用いる。このときのｍは式（１）の範囲であり、Ｓｒ／Ｚｒ組成比に対応する ｍ・ｘ／ｙ は式（２）の範囲である。
０．９５≦ｍ＜１．０５ ・・・ 式（１）
０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８ ・・・ 式（２）
これらの２つの組成領域を満たす場合において、十分小さい誘電損失が実現される。また、キューリー点の向上、リーク電流密度の低減等のためＴａ（タンタル）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｍｎ（マンガン）などの元素を添加することもできる。圧電薄膜３の厚さは特に限定されず、例えば、０．５〜５μｍ程度とすることができる。
０．９５≦ｍ＜１．０５ ・・・ 式（１）
０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８ ・・・ 式（２）
これらの２つの組成領域を満たす場合において、十分小さい誘電損失が実現される。また、キューリー点の向上、リーク電流密度の低減等のためＴａ（タンタル）、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｍｎ（マンガン）などの元素を添加することもできる。圧電薄膜３の厚さは特に限定されず、例えば、０．５〜５μｍ程度とすることができる。
圧電薄膜３は、第一電極膜５が形成された基板７を４００〜６００℃程度に加熱し、スパッタリング法や蒸着法により形成する。
この圧電薄膜３において、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比は０．５以上、０．７５以下であることができる。０．５以上とすることでリーク電流密度が小さくなる。０．７５以下とすることで圧電特性が良くなる。
圧電薄膜３にはその構造や特性に大きな影響を与えない範囲で上記の組成以外の少量の元素、化合物が含有されても構わない。
この圧電薄膜３は、測定周波数１００Ｈｚでの誘電正接Ｔａｎδ１００が０．０５以下であることが好ましい。このことにより、圧電薄膜３が動作中に発熱などの問題が発生しなくなる。
誘電正接Ｔａｎδ１００は小さい方が好ましいことは言うまでもないが、実際に実現可能な下限値は０．０１程度である。
また、この圧電薄膜３は、測定周波数１００Ｈｚでの誘電正接Ｔａｎδ１００と測定周波数１０ＫＨｚでの誘電正接Ｔａｎδ１００００との比Ｔａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００が１．５以下であることが好ましい。このことにより、高周波数域においても薄膜圧電素子の使用が可能になる。
誘電正接は一般に測定周波数が高いほど大きくなるので、Ｔａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００の値は、通常１．０以上となる。
第二電極膜１は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第二電極膜１は、一例として、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下の厚さを有する。第二電極膜１は、第一電極膜５と同様にスパッタリング法により形成される。
図２に示したように、第一電極膜５と圧電薄膜３との間に、中間膜４を設けることができる。中間膜４の材料は導電性酸化物であるルテニウム酸ストロンチウム：ＳｒＲｕＯ３が好適である。これにより、圧電薄膜３が（００１）に優先配向しやすくなり、その結果圧電特性、誘電損失を改善できる。
中間膜４は０．０１μｍ以上、０．１μm以下の厚さにすることが好ましい。厚さを０．０１μｍ以上、１μm以下とすることで、中間膜４の結晶性を高めることができ、圧電薄膜３の結晶性もそれに伴い高めることができる。その結果、圧電特性の向上、誘電損失の低減の効果が大きくなる。
なお、薄膜圧電素子１００において、基板７を除去した構成としても構わない。素子の変位量が必要なデバイスの場合、基板７を除去することで、変位量を高めることができる。また、薄膜圧電素子１００には種々の保護膜を形成してもよい。
（薄膜圧電アクチュエータ）
図３は、これらの薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブに搭載された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２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート１０、ロードビーム１１、フレクシャ１２、駆動素子である第１及び第２の薄膜圧電素子１３、及びヘッド素子１４ａを備えたスライダ１４を備えている。
図３は、これらの薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータの一例としてのハードディスクドライブに搭載された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２００は、その主なる構成要素として、ベースプレート１０、ロードビーム１１、フレクシャ１２、駆動素子である第１及び第２の薄膜圧電素子１３、及びヘッド素子１４ａを備えたスライダ１４を備えている。
そして、ロードビーム１１は、ベースプレート１０に例えばビーム溶接などにより固着されている基端部１１ｂと、この基端部１１ｂから先細り状に延在された第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄの間に形成された開口部１１ｅと、第１及び第２の板バネ部１１ｃ及び１１ｄに連続して直線的かつ先細り状に延在するビーム主部１１ｆと、を備えている。
第１及び第２の薄膜圧電素子１３は、所定の間隔を保ってフレクシャ１２の一部である配線用フレキシブル基板１５上にそれぞれ配置されている。スライダ１４はフレクシャ１２の先端部に固定されており、第１及び第２の薄膜圧電素子１３の伸縮に伴って回転運動する。
第１及び第２の薄膜圧電素子１３は、圧電薄膜とそれを挟む一対の電極膜とから構成されており、この圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な変位量を得ることができる。
図４は、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜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圧電アクチュエータの構成図である。
圧電アクチュエータ３００は、基材２０上に、絶縁膜２３、下部電極膜２４、圧電薄膜２５および上部電極膜２６を積層して構成されている。
所定の吐出信号が供給されず下部電極膜２４と上部電極膜２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電薄膜２５には変形を生じない。吐出信号が供給されていない薄膜圧電素子が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル２７からインク滴は吐出されない。
一方、所定の吐出信号が供給され、下部電極膜２４と上部電極膜２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電薄膜２５に変形を生じる。吐出信号が供給された薄膜圧電素子が設けられている圧力室２１ではその絶縁膜２３が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル２７からインク滴が吐出される。
ここで、圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な変位量を得ることができる。
（薄膜圧電センサ）
図５（ａ）は、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜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５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
図５（ａ）は、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜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５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
ジャイロセンサ４００は、基部１１０と、基部１１０の一面に接続する二つのアーム１２０、１３０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４００は、上述の薄膜圧電素子を構成する圧電薄膜３０、上部電極膜３１、及び下部電極膜３２を音叉型振動子の形状に則して微細加工して得られたものであり、各部（基部１１０、及びアーム１２０、１３０）は、薄膜圧電素子によって一体的に形成されている。
一方のアーム１２０の第一の主面には、駆動電極膜３１ａ、３１ｂ、及び検出電極膜３１ｄがそれぞれ形成されている。同様に、他方のアーム１３０の第一の主面には、駆動電極膜３１ａ、３１ｂ、及び検出電極膜３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極膜３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極膜３１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。
なお、基部１１０、及びアーム１２０、１３０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下部電極膜３２は、ジャイロセンサ４００のグランド電極として機能する。
ここで、それぞれのアーム１２０、１３０の長手方向をＺ方向とし、二つのアーム１２０、１３０の主面を含む平面をＸＺ平面とした上で、ＸＹＺ直交座標系を定義する。
駆動電極膜３１ａ、３１ｂに駆動信号を供給すると、二つのアーム１２０、１３０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１２０、１３０の主面に平行な向きに二つのアーム１２０、１３０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１２０が−Ｘ方向に速度Ｖ１で励振しているとき、他方のアーム１３０は＋Ｘ方向に速度Ｖ２で励振する。
この状態でジャイロセンサ４００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１２０、１３０のそれぞれについて速度方向に直交する向きにコリオリ力が作用し、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１２０、１３０の主面に直交する向きに二つのアーム１２０、１３０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１２０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１３０に作用するコリオリ力Ｆ２は＋Ｙ方向である。
コリオリ力Ｆ１、Ｆ２の大きさは、角速度ωに比例するため、コリオリ力Ｆ１、Ｆ２によるアーム１２０、１３０の機械的な歪みを圧電薄膜３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極膜３１ｃ、３１ｄから取り出すことにより角速度ωを求めることができる。
この圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な検出感度を得ることができる。
図６は、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜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。
圧力センサ５００は、圧力を受けたときに対応するための空洞４５を有するとともに、薄膜圧電素子４０を支える支持体４４と、電流増幅器４６と、電圧測定器４７とから構成されている。薄膜圧電素子４０は共通電極膜４１と圧電薄膜４２と個別電極膜４３とからなり、この順に支持体４４に積層されている。ここで、外力がかかると薄膜圧電素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
この圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な検出感度を得ることができる。
図７は、上記の薄膜圧電素子を用いた薄膜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６００は、基材５１上に送信用圧電素子、及び受信用圧電素子を搭載した構成となっており。ここで、送信用圧電素子では送信用圧電薄膜５２の厚み方向の両面には電極膜５４ａ、５５ａが形成されており、受信用圧電素子では受信用圧電薄膜５３の厚み方向の両面にも電極膜５４ｂ、５５ｂが形成されている。また、基材５１には、電極５６、上面用電極５７が形成されており、電極膜５４ａ、５４ｂと上面用電極５７とはそれぞれ配線５８で電気的に接続されている。
生体の脈を検出するには、先ず脈波センサ６００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、送信用圧電素子の両電極膜５４ａ、５５ａに特定の駆動用電圧信号を出力させる。送信用圧電素子は両電極膜５４ａ、５５ａに入力された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、受信用圧電素子により受信される。受信用圧電素子は、受信した超音波を電圧信号に変換して、両電極膜５４ｂ、５５ｂから出力する。
この両圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な検出感度を得ることができる。
（ハードディスクドライブ）
図８は、図３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。
図８は、図３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７００は、筐体６０内に、記録媒体としてのハードディスク６１と、これ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とを備えている。ハードディスク６１は、図示を省略したモータによって回転させられる。
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た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に接続されたヘッドアセンブリ６５とから構成される組立体を、図の奥行き方向に複数個積層したものである。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１４が取り付けられている（図３Ａ参照）。
ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１４ａ（図３参照）を２段階で変動させる形式を採用している。ヘッド素子１４ａの比較的大きな移動はボイスコイルモータ６３によるヘッドアセンブリ６５、及びアクチュエータアーム６４の全体の駆動で制御し、微小な移動はヘッドアセンブリ６５の先端部によるヘッドスライダ１４の駆動により制御する。
このヘッドアセンブリ６５に用いられる薄膜圧電素子において、圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、動作時の発熱を抑えるとともに、十分な変位量を得ることができる。
（インクジェットプリンタ装置）
図９は、図４に示したインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ３００を搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
図９は、図４に示したインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ３００を搭載したインクジェットプリンタ装置の構成図である。
インクジェットプリンタ装置８００は、主にインクジェットプリンタヘッド７０、本体７１、トレイ７２、ヘッド駆動機構７３を備えて構成されており、図４における圧電アクチュエータ３００はインクジェットプリンタヘッド７０に搭載されている。
インクジェットプリンタ装置８００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を備えており、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８００は、内部に専用のコントローラボード等を備えており、インクジェットプリンタヘッド７０のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構７３の走査を制御する。また、本体７１は背面にトレイ７２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）７６を備え、記録用紙７５を自動的に送り出し、正面の排出口７４から記録用紙７５を排紙する。
このインクジェットプリンタヘッド７０の圧電アクチュエータに用いられる薄膜圧電素子において、圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失の小さいアルカリニオブ酸系の圧電薄膜を用いることで、安全性が高く、動作時の発熱の小さいインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
（薄膜圧電素子）
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
以下のようにして実施例１の薄膜圧電素子１００を作製した。
以下のようにして実施例１の薄膜圧電素子１００を作製した。
（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の面方位にエピタキシャル成長させながら第一電極膜５としてＰｔを２００ｎｍスパッタリング法によりシリコン基板７上に成膜した。このときの成膜レートは０．２ｎｍ／ｓｅｃである。
次に、シリコン基板７を５５０℃に加熱して圧電薄膜３を２０００ｎｍスパッタリング法によりエピタキシャル成長させて成膜した。この時の圧電薄膜３のスパッタリングターゲットとして、(Ｋ０．１７Ｎａ０．７６Ｓｒ０．０７)０．９６(Ｎｂ０．９Ｚｒ０．１)Ｏ ３ の組成を有する焼結体を用いた。圧電薄膜３の膜組成はこのターゲット組成とほぼ同様となる。
次に常温において第二電極膜１としてＰｔ：２００ｎｍをスパッタリング法により成膜した。
その後、フォトリソグラフィを用いて圧電薄膜３を含む積層体のパターンニングを行い、ＲＩＥでエッチングを行い、シリコン基板７をダイシングすることで、２ｍｍ×２０ｍｍ形状の薄膜圧電素子１００を作製した。
（実施例２〜９、比較例１〜５）
圧電薄膜３のスパッタリングターゲットとして、表１に示す材料をスパッタリングターゲットとして用いて圧電薄膜３を形成した以外は実施例１と同様に薄膜圧電素子１００を作製した。
圧電薄膜３のスパッタリングターゲットとして、表１に示す材料をスパッタリングターゲットとして用いて圧電薄膜３を形成した以外は実施例１と同様に薄膜圧電素子１００を作製した。
（実施例１０〜１２）
実施例１と同様にシリコン基板７を４００℃に加熱し、シリコン基板７の面方位にエピタキシャル成長させながら第一電極膜５としてＰｔを２００ｎｍスパッタリング法によりシリコン基板７上に成膜した。この第一電極膜５の上に中間膜４としてルテニウム酸ストロンチウム：ＳｒＲｕＯ３を３５ｎｍスパッタリング法により成膜した。
実施例１と同様にシリコン基板７を４００℃に加熱し、シリコン基板７の面方位にエピタキシャル成長させながら第一電極膜５としてＰｔを２００ｎｍスパッタリング法によりシリコン基板７上に成膜した。この第一電極膜５の上に中間膜４としてルテニウム酸ストロンチウム：ＳｒＲｕＯ３を３５ｎｍスパッタリング法により成膜した。
圧電薄膜３のスパッタリングターゲットとして、実施例１０では表１に示す材料を用いた。実施例１１では、表１に示すように、更にＢａを０．１１ａｔ％、Ｔａを６．５ａｔ％加えたものを用いた。実施例１２では、表１に示すように、更にＢａを０．１１ａｔ％、Ｔａを６．５ａｔ％、Ｍｎを０．３５ａｔ％加えたものを用いた。このとき各元素は、各元素を含む圧電薄膜全体で１００ａｔ％となるように含有させた。以下、実施例１と同様に薄膜圧電素子１００を作製した。
（薄膜圧電素子の評価）
実施例１〜１２、および比較例１〜６の各薄膜圧電素子１００について、電圧を２０Ｖ印加した際の変位量をレーザドップラー振動計（グラフテック社製）を用いて測定した。さらに各薄膜圧電素子１００について、インピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー社製）４２９４Ａにて、測定電圧：０．５ｍＶ、測定周波数：１００〜１００００Ｈｚで誘電正接を測定した。次に強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いて測定電圧：±２０Ｖ、測定周波数：１００Ｈｚにてリーク電流密度を評価した。各測定値を表１に示す。
実施例１〜１２、および比較例１〜６の各薄膜圧電素子１００について、電圧を２０Ｖ印加した際の変位量をレーザドップラー振動計（グラフテック社製）を用いて測定した。さらに各薄膜圧電素子１００について、インピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー社製）４２９４Ａにて、測定電圧：０．５ｍＶ、測定周波数：１００〜１００００Ｈｚで誘電正接を測定した。次に強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いて測定電圧：±２０Ｖ、測定周波数：１００Ｈｚにてリーク電流密度を評価した。各測定値を表１に示す。
測定周波数１００ＨｚでのＴａｎδ１００の値及び測定周波数１００ＨｚでのＴａｎδ１００と測定周波数１０ＫＨｚでのＴａｎδ１００００との比（Ｔａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００）を表１に示した。比較例１〜６のＴａｎδ１００は０．０７１以上と高い値であったが、実施例1〜１２のＴａｎδ１００の値は０．０５９ 以下の値であった。また多くの実施例では０．０５ 以下の値を示した。同様に、Ｔａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００は比較例１〜６では１．６４以上と高い値であったが、実施例1〜１２の値は１．４以下の値であった。
このように、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘ ＮａｗＳｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙ Ｚｒｙ）Ｏ３ で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し（０．９５≦ｍ＜１．０５、０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８）、（００１）に優先配向している圧電薄膜を用いた薄膜圧電素子においては、十分に小さなＴａｎδ１００およびＴａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００を実現することができる。
Ｔａｎδ１００が０．０５以下になっている場合には圧電薄膜素子が動作中に発熱することがなくなり、またＴａｎδ１００００／Ｔａｎδ１００が１．５以下になっているときには高周波領域においても圧電薄膜素子が動作中に発熱することはない。
図１０に実施例１２における非鉛圧電薄膜のＴａｎδ−測定周波数の相関グラフを示す。測定を行った全周波数領域において、従来の非鉛圧電薄膜のＴａｎδ−測定周波数である図１と比べて本発明の非鉛圧電薄膜のＴａｎδが小さくなっているのが分かる。
図１１に、上記の実施例２、３、１１、１２ 及び比較例１、３、５、６ を含む種々の圧電薄膜組成にて作製した圧電薄膜３の（００１）配向度と測定周波数１００ＨｚでのＴａｎδ：Ｔａｎδ１００との関係を示す。この図から、圧電薄膜３が(００１)に優先配向即ち、ＸＲＤピーク強度比が５０％を超えると、Ｔａｎδ１００が０．０５以下と、小さくなるのが分かる。
上記の組成範囲即ち、０．９５≦ｍ＜１．０５、０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８を満たすアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有する圧電薄膜の中でも、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比が０．５以上、０．７５以下である場合には、リーク電流および圧電特性が特に良好であった。
リーク電流密度については、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比が０．５未満である実施例５においてはリーク電流密度が１０−６ Ａ／ｃｍ２ 台以上の値を示したのに対して、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比が０．５以上、０．７５以下の実施例６〜８においてはリーク電流密度が１０−７ Ａ／ｃｍ２台の値が得られた。また、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比が０．７５を超える実施例１〜４、９においては変位量がやや小さい値となったが、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｋ)比が０．５以上、０．７５以下の実施例６〜８においては１０μｍを超える変位量を示した。
表１に示すように、比較例１〜６の薄膜圧電素子の変位量は４．２〜６．６μｍであったのに対して、実施例１〜１２の変位量は６．５〜１１．２μｍの値が得られた。薄膜圧電素子の圧電特性は、本実施例の素子形状においては、５μｍ以上であれば実用に耐えるが、１０μｍ以上であることがより好ましい。
比較例４〜６では変位量として５μｍ以上が得られたが、リーク電流密度が高くなった。これは、ｍの値が好適な範囲を外れていた、あるいは（Ｓｒ／Ｚｒ）が外れたことで圧電薄膜３の格子欠陥が増えたためであると考えられる。また、圧電薄膜３が（００１）以外の方位に優先配向している比較例３では、リーク電流密度は良好な値であったが、上述のとおり、誘電損失を低減させることができず、また十分な圧電特性を得ることができなかった。
上記のように、第一電極膜５と圧電薄膜３との間に中間層４有し、また圧電薄膜用のスパッタリングターゲットにＢａ、Ｔａ、Ｍｎを添加して作製した実施例１０〜１２の薄膜圧電素子１００は変位量が１１．０〜１１．２μｍで測定周波数１００HzでのＴａｎδ：Ｔａｎδ１００が０．０１８〜０．０２４と良好な結果が得られた。また、リーク電流密度も１０−８ Ａ／ｃｍ２台の値が得られた。このことから、中間層４を挿入することで圧電薄膜３の配向性が向上し、圧電特性が改善されたことで変位量が増加し、また、アルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有する圧電薄膜にＢａ、Ｔａ、Ｍｎを添加することによっても、リーク電流密度が低減された圧電薄膜素子が得られることが明らかである。
本発明に係わる薄膜圧電素子は、所定の組成範囲にあり、（００１）に優先配向しているペロブスカイト構造を有するアルカリニオブ酸化物系の圧電薄膜と、この圧電薄膜を挟んで配置される一対の電極膜とから構成されており、圧電アクチュエータの圧電薄膜としてこの誘電損失が小さく、大きな変位量の圧電薄膜を用いることで、駆動時に発熱することなく、十分な変位量を得ることができる。
また、圧電センサの圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失が小さく、大きな変位量の圧電薄膜を用いることで、動作時に発熱することなく十分な検出感度を得ることができる。
ハードディスクドライブのヘッドアセンブリに用いられる薄膜圧電素子において、圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失が小さく、大きな変位量の圧電薄膜を用いることで、駆動時に発熱することなく、十分なアクセス性を得ることができる。
そして、インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータに用いられる薄膜圧電素子において、圧電薄膜として本発明に係わる誘電損失が小さく、大きな変位量の圧電薄膜を用いることで、印刷時に発熱することのない高い安全性を有するインクジェットプリンタ装置を提供することができる。
１ 第二電極膜
３， ２５， ３０， ４２ 圧電薄膜
４ 中間膜
５ 第一電極膜
７ 基板
１０ ベースプレート
１１ ロードビーム
１２ フレクシャ
１３， ４０， １００ 薄膜圧電素子
１４ スライダ
１４ａ ヘッド素子
１５ 配線用フレキシブル基板
２０， ５１ 基材
２１ 圧力室
２３ 絶縁膜
２４， ３２ 下部電極膜
２６， ３１ 上部電極膜
２７ ノズル
４１ 共通電極膜
４３ 個別電極膜
４４ 支持体
４５ 空洞
４６ 電流増幅器
４７ 電圧測定器
５２ 送信用圧電体膜
５３ 受信用圧電体膜
５４ａ， ５４ｂ， ５５ａ， ５５ｂ 電極膜
５６ 電極
５７ 上面用電極
５８ 配線
６０ 筐体
６１ ハードディスク
６２ ヘッドスタックアセンブリ
６３ ボイスコイルモータ
６４ アクチュエータアーム
６５， ２００ ヘッドアセンブリ
７０ インクジェットプリンタヘッド
７１ 本体
７２ トレイ
７３ ヘッド駆動機構
１１０ 基部
１２０， １３０ アーム
３００ 圧電アクチュエータ
４００ ジャイロセンサ
５００ 圧力センサ
６００ 脈波センサ
７００ ハードディスクドライブ
８００ インクジェットプリンタ装置
３， ２５， ３０， ４２ 圧電薄膜
４ 中間膜
５ 第一電極膜
７ 基板
１０ ベースプレート
１１ ロードビーム
１２ フレクシャ
１３， ４０， １００ 薄膜圧電素子
１４ スライダ
１４ａ ヘッド素子
１５ 配線用フレキシブル基板
２０， ５１ 基材
２１ 圧力室
２３ 絶縁膜
２４， ３２ 下部電極膜
２６， ３１ 上部電極膜
２７ ノズル
４１ 共通電極膜
４３ 個別電極膜
４４ 支持体
４５ 空洞
４６ 電流増幅器
４７ 電圧測定器
５２ 送信用圧電体膜
５３ 受信用圧電体膜
５４ａ， ５４ｂ， ５５ａ， ５５ｂ 電極膜
５６ 電極
５７ 上面用電極
５８ 配線
６０ 筐体
６１ ハードディスク
６２ ヘッドスタックアセンブリ
６３ ボイスコイルモータ
６４ アクチュエータアーム
６５， ２００ ヘッドアセンブリ
７０ インクジェットプリンタヘッド
７１ 本体
７２ トレイ
７３ ヘッド駆動機構
１１０ 基部
１２０， １３０ アーム
３００ 圧電アクチュエータ
４００ ジャイロセンサ
５００ 圧力センサ
６００ 脈波センサ
７００ ハードディスクドライブ
８００ インクジェットプリンタ装置
Claims (7)
- 圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで配置される一対の電極膜と、を有する薄膜圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、組成式（Ｋ１−ｗ−ｘ ＮａｗＳｒｘ）ｍ（Ｎｂ１−ｙ Ｚｒｙ）Ｏ３ で表されるアルカリニオブ酸化物系のペロブスカイト構造を有し、（００１）に優先配向している
ことを特徴とする薄膜圧電素子。
ここで、
０．９５≦ｍ＜１．０５、 ０．６≦（ｍ・ｘ／y）≦０．８ - 前記圧電薄膜において、Ｎａ（ナトリウム）／（Ｎａ＋Ｋ（カリウム）)比が０．５以上、０．７５以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電素子。
- 前記圧電薄膜と前記一対の電極膜のうちの少なくともいずれか一方の電極膜との間にルテニウム酸ストロンチウム薄膜を有する請求項１又は２に記載の薄膜圧電素子。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電アクチュエータ。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜圧電素子を用いた薄膜圧電センサ。
- 請求項４に記載の薄膜圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。
- 請求項４に記載の薄膜圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタ装置。
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Citations (6)
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