JP2014179609A - 圧電素子、圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、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

圧電素子、圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、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 Download PDF

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Abstract

【課題】 ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を用いた圧電素子のリーク電流を小さくし、耐電圧性を高めるとともに、圧電特性を向上させる。
【解決手段】 一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であって、Ｓｒ（ストロンチウム）がＡサイトおよびＢサイト双方に配置され、Ｍｎ（マンガン）がＡサイトのみに配置されているニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える。圧電体層においては、ＳｒのBサイト分配率が５％以上５０％以下であることが好ましく、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜圧電材料を用いた圧電素子、その圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、及び圧電センサ、並びにその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、圧電材料の鉛フリー化の要望が高まっている中で、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３（以下、ＫＮＮともいう））の研究が盛んになってきている。ＫＮＮは鉛フリー圧電材料の中でも比較的高いキュリー温度、良好な圧電特性が得られるとされ、注目されている。
さらに、バルク圧電材料に代わって、薄膜圧電材料を用いた圧電素子の実用化が進んでいる。一例としては、圧電体層に加えられた力を電圧に変換する圧電効果を利用した圧電センサとしての、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサ、やマイクロフォンなど、あるいは圧電体層に電圧を印加した際に圧電体層が変形する逆圧電効果を利用した圧電アクチュエータとして、ハードディスクドライブヘッドスライダ、インクジェットプリントヘッド、あるいは同様に逆圧電効果を利用したスピーカー、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。
特許４５８８８０７号公報 特開２００９−１３０１８２号公報 特開２００８−１９２８６８号公報 国際公開第２００３／０７０６４１号公報
Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．： Ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １１ （２０１１） Ｓ２６６ Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．： Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９７， ０７２９０２ （２０１０） Ａｂａｚａｒｉ ｅｔ ａｌ．： Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９２， ２１２９０３ （２００８）
しかしながら、ＫＮＮ薄膜はそれを挟む両電極に電圧を印加した際に発生するリーク電流が大きく、実際の圧電素子としての機能が得られにくいという問題がある。これは、リーク電流が大きいと、両電極に高電圧を印加した際に素子が発熱しやすく、素子の信頼性が低くなってしまうからである。
またリーク電流が大きいと、電圧が効果的に圧電体層に印加されず、素子の圧電特性が低くなってしまうという課題もある。さらにリーク電流が大きいことで、耐電圧性も低下してしまい、高電圧を印加した際に素子が破壊されやすくなる、という課題もある。
圧電素子のリーク電流を小さくする手法として、異種の材料を積層してリーク電流特性を改善する技術がある（特許文献１参照）。しかしこの技術は、格子定数の異なる異種の材料の積層をする必要があり、圧電体層の結晶性が劣化し圧電特性が劣化してしまう問題がある。また異種材料が混在するため熱による異種材料の相互拡散が起こりやすく、素子の圧電特性、信頼性が劣化しやすい。
一定以上の抵抗値を持つ高抵抗電流ブロック層を電極間に挿入することによりリーク電流特性を改善する技術もあるが（特許文献２参照）、このような構成だと、高抵抗な層が電極間にあるため電圧が圧電体層にかかりにくく、素子の圧電特性が劣化してしまう。
特許文献３に記載の技術では、ＫＮＮを含む、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物において、Ａサイトの元素として、Ｐｂ、Ｂａ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を用い、Ｂサイトの元素として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を用いており、これにより良好な電気特性（リーク特性、圧電特性）が得られる、としている。しかし、Aサイトの主成分としてＫ、ＮａおよびＢサイトの主成分としてＮｂを用いるＫＮＮ薄膜を圧電素子として用いる場合、上記３元素以外の元素を前記サイトに配置しても十分な電気的特性が得られない。
特許文献４に記載の技術では、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する圧電体において、Ａサイトの主成分としてＰｂを用い、Ｂサイトの主成分としてＺｒ、Ｔｉ及びＰｂを用い、さらにＢサイトにおいて全原子に対するＰｂ原子の占める割合を３％以上３０％以下とすることにより、良好な圧電特性およびリーク電流特性が得られる、としている。しかし主成分であるＰｂをＡ、Ｂ両サイトに配置するための成膜条件が大きく制限されており、再現性、量産性に欠ける。またＰｂは有害であるため、使用できる環境に制限があり好ましくない。
Ｍｎ（マンガン）をＫＮＮ薄膜に添加し、ホール密度および酸素空孔の低減を図ることによりリーク電流特性を改善する技術がある（非特許文献１、２、３参照）。しかしＭｎ添加による、誘電損失の増大、圧電特性の低下という課題がある。
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、ＫＮＮ薄膜を用いた圧電素子のリーク電流が小さく、より圧電定数の向上した圧電素子を提供することを目的とするものである。
大きな変位量を得られるということは高い圧電定数を持つということなので、圧電効果を用いた素子の場合、感度の高いセンサ等の用途に応用でき、逆圧電効果を用いた素子の場合小さい電圧で大きな振動が得られる効率的なアクチュエータ等の用途に応用することができる。
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子は、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、圧電体層はＳｒ（ストロンチウム）およびＭｎ（マンガン）を添加物として含有し、ＳｒがAサイトおよびBサイト双方に配置されており、ＭｎがAサイトのみに配置されている。
Ｓｒ（ストロンチウム）がAサイトおよびBサイト双方に配置され、Ｍｎ（マンガン）がAサイトのみに配置されているニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）薄膜を圧電体層として備えることで、圧電素子のリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性を向上させることができる。
圧電体層において、ＳｒをＡサイトだけではなくＢサイトにも配置することでより多くのＳｒを結晶格子内に安定的に保持できるようになり、結晶粒界等に入るＳｒの量を減少させることができる。よって、Ｓｒを結晶格子内に安定的に保持できるようになることにより、圧電特性が向上する。
Ｍｎについては、Aサイトだけに配置することによりホール密度および酸素空孔の低減が促進され、リーク電流を低減する効果がある。これは、Aサイトの主成分であるＫとＮａ、およびBサイトの主成分であるＮｂのイオン半径の違いによるものである。Ｋ＋のイオン半径は０．１６４ｎｍ、 Ｎａ＋のイオン半径は０．１３９ｎｍである。一方、Ｎｂ５＋のイオン半径は０．０６４ｎｍである。Ｍｎ２＋のイオン半径は０．０９６ｎｍである。BサイトにＭｎを配置する場合、イオン半径の小さいＮｂと置換することになり、置換効率が小さく、リーク電流低減の効果が小さい。さらに過剰なＭｎは粒界に析出してしまい、誘電損失および圧電特性の劣化を引き起こす。Aサイトに配置することで前記の問題を回避することができ、効果的にＭｎの添加および主成分であるＫ、Ｎｂとの置換を行うことができ、誘電損失および圧電特性を劣化させることなくリーク電流を低減できる。なお、ＭｎがAサイトだけに配置されている、とは、後述する現状のＡＬＣＨＥＭＩ法による分析結果おいて、Ａサイト分配率が０．０％と判定されることをいう。
本発明に係る圧電素子の圧電体層は、ＳｒのBサイト分配率が５％以上５０％以下であることが好ましい。これにより、圧電特性をさらに高めることができる。
本発明に係る圧電素子は、圧電体層にさらに、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことが好ましい。これにより、圧電素子の圧電特性をさらに高めることができる。
本発明に係る圧電アクチュエータは、上記の構成で表される圧電素子を有している。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、本発明に係る圧電センサは、上記の構成で表される圧電素子を有している。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圧電アクチュエータが用いられている。
本発明に係わる圧電素子によれば、従来のＫＮＮ薄膜を用いた圧電素子よりもリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性を向上させることができる。また、本発明に係る圧電アクチュエータ、及び圧電センサにおいてもリーク電流の低減、圧電特性の向上を図ることができ、高性能な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を提供することができる。
本発明の一実施態様に係わる圧電素子の構成図である。 本発明に係わる圧電アクチュエータの構造図である。 本発明に係わる圧電センサの構造図である。 本発明に係わるハードディスクドライブの構造図である。 本発明に係わるインクジェットプリンタ装置の構造図である。 本発明の一実施態様に係わる一実施例におけるＡＬＣＨＥＭＩ法によるサイト分配率算出に用いたＳｒに関するエネルギー分散X線スペクトルの測定結果である。 本発明の一実施態様に係わる一実施例におけるＡＬＣＨＥＭＩ法によるサイト分配率算出に用いたＭｎに関するエネルギー分散X線スペクトルの測定結果である。
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。
（圧電素子）
図１に本実施形態に係る圧電素子１００を示す。圧電素子１００は、基板４と、基板４上に設けられた絶縁層６および第一電極層８と、第一電極層８上に形成された圧電体層１０と、圧電体層１０上に形成された第二電極層１２とを備える。
基板４には、（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４は、一例として、５０μｍ以上、１０００μｍ以下の厚さを有する。また、基板４として、（１００）面とは異なる面方位を有するシリコン基板、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ 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。
絶縁層６は、基板４が導電性である場合に用いられる。絶縁層６にはシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３等を用いることができる。基板４が導電性を持たない場合、絶縁層６は備えなくてもよい。絶縁層６は、スパッタリング法、真空蒸着法、熱酸化法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
第一電極層８は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第一電極層８は、一例として、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下の厚さを有する。第一電極層８をＰｔから形成することにより、高い配向性を有する圧電体層１０を形成できる。また、第一電極層８として、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３等の導電性金属酸化物を用いることもできる。第一電極層８は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
圧電体層１０に用いる材料としては、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であって、Ｓｒ（ストロンチウム）およびＭｎ（マンガン）を添加物として含有し、ＳｒがAサイトおよびBサイト双方に配置され、ＭｎがAサイトのみに配置されている（Ｋａ、Ｎａ）ＮｂＯ３（ニオブ酸カリウムナトリウム）が用いられる。
圧電体層１０は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより成膜した後に、窒素・酸素混合ガスを供給しながら熱処理することにより形成する。
熱処理温度は６００℃以上７００℃以下が好ましい。６００℃以上で熱処理することにより、圧電体層１０が含むＭｎをAサイトに配置することができ、誘電損失および圧電特性を劣化させることなく圧電素子１００のリーク電流を低減できる。熱処理温度を７００℃以下とすることで、圧電体層１０と接する他層との反応を防止することができ、圧電素子１００の圧電特性の劣化を防止できる。
熱処理時の酸素分圧は１．５％以上３０％以下が好ましい。１．５％以上とすることで、ＳｒをA、Bサイト双方に配置することができ、圧電特性を向上させることができる。３０％以下とすることで、ＳｒがBサイトに過剰に配置されることを防ぎ、圧電特性の劣化を抑えられる。
Ｓｒ（ストロンチウム）がAサイトおよびBサイト双方に配置され、Ｍｎ（マンガン）がAサイトのみに配置されているニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）薄膜を備えることで、圧電素子１００のリーク電流を低減することができるとともに、圧電特性を向上させることができる。
圧電体層１０のＳｒおよびＭｎの含有量はそれぞれ０．１ａｔ％以上、５．０ａｔ％以下であることが好ましい。
Ｓｒの含有量を０．１ａｔ％以上とすることにより、圧電素子１００の圧電特性をさらに高めることができ、５．０ａｔ％以下とすることで圧電特性の劣化をより一層抑えることができる。
Ｍｎの含有量を０．１ａｔ％以上とすることにより、圧電素子１００のリーク電流特性をさらに向上することができ、５．０at％以下とすることで、誘電損失の増加、圧電特性の劣化をより一層抑えることができる。
また、圧電体層１０が含有するＳｒのBサイト分配率が５％以上５０％以下であることが好ましい。
ＳｒのBサイト分配率を５％以上とすることにより、圧電素子１００の圧電特性をさらに高めることができ、５０％以下とすることで、圧電特性の劣化をより一層抑えることができる。
圧電体層１０にはさらに、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことが好ましい。これらの各元素の含有量は０．１ａｔ％以上、５．０ａｔ％以下であることがより好ましい。これにより、圧電素子１００の圧電特性をさらに高めることができる。
なお、Ｓｒ、Ｍｎをはじめとする前記各元素の含有量は、各元素を含むＫＮＮ薄膜全体で１００ａｔ％となるように含有させる。
さらに、圧電体層１０では、下式（１）で表されるＳｒの含有量とＳｒのBサイト分配率から計算される値が５．０以上５０以下であることがより好ましい。これにより、圧電素子１００の圧電特性をさらに高めることができる。

ＳｒのBサイト分配率（％）／Ｓｒの含有量（ａｔ％） ・・・式（１）
前記式（１）により求められる値は、Ｓｒの含有量とBサイトの分配率の相関を表す数値である。Ｓｒの含有量が低い場合と高い場合では適切なBサイト分配率が異なることを表している。
第二電極層１２は、一例として、Ｐｔから形成される。第二電極層１２は、一例として、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以下の厚さを有する。また、第二電極層１２として、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３等の導電性金属酸化物を用いることもできる。第二電極層１２は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
なお、圧電素子１００から基板４を除去してもよい。これにより、圧電素子の変位量や感度を高めることができる。
また、圧電素子１００を保護膜によりコーティングしてもよい。これにより、信頼性を高めることができる。
圧電素子１００では第一電極層８、第二電極層１２のいずれか一方または両方と圧電体層１０との間に中間層を備えてもよい。
この中間層としては導電性酸化物が用いられる。とくにＳｒＲｕＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３、（ＬａｘＳｒ１−ｘ）ＣｏＯ３、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７、Ｌａ４ＢａＣｕ５Ｏ１３ などは導電性が高く耐熱性もあり好ましい。
（圧電アクチュエータ）
図２（ａ）は、これらの圧電素子を用いた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（以下ＨＤＤとも呼ぶ）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９、ロードビーム１１、フレクシャ１７、駆動素子である第１及び第２の圧電素子１３、及びヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を備えている。
そして、ロードビーム１１は、ベースプレート９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の圧電素子１３は、所定の間隔をもってフレクシャ１７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１９はフレクシャ１７の先端部に固定されており、第１及び第２の圧電素子１３の伸縮に伴って回転運動する。
第１及び第２の圧電素子１３は、第一電極層と、第二電極層と、この第一および第二電極層に挟まれた圧電体層から構成されており、本発明の圧電アクチュエータに用いる圧電体層として、リーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
図２（ｂ）は、上記の圧電素子を用いた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、下部電極層２４、圧電体層２５および上部電極層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層２４と上部電極層２６との間に電圧が印加されていない場合、圧電体層２５には変形を生じない。吐出信号が供給されていない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、下部電極層２４と上部電極層２６との間に一定電圧が印加された場合、圧電体層２５に変形を生じる。吐出信号が供給された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、本発明の圧電アクチュエータに用いる圧電体層として、リーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
（圧電センサ）
図３（ａ）は、上記の圧電素子を用いた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３（ｂ）は図３（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、上述の圧電体素子を構成する圧電体層３０、上部電極層３１、及び下部電極層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、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、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層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、駆動電極層３１ａ、３１ｂ、及び検出電極層３１ｃがそれぞれ形成されている。これらの各電極層３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、上部電極層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層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。
駆動電極層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体層３０によって電気信号（検出信号）に変換し、これを検出電極層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。
本発明の圧電センサに用いる圧電体層として、リーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
図３（ｃ）は、上記の圧電素子を用いた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、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。圧電素子４０は共通電極層４１と圧電体層４２と個別電極層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、外力がかかると圧電素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。
本発明の圧電センサに用いる圧電体層として、リーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。
図３（ｄ）は、上記の圧電素子を用いた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体層５２の厚み方向の両面には電極層５４ａ、５５ａが形成されており、受信用圧電素子では受信用圧電体層５３の厚み方向の両面にも電極層５４ｂ、５５ｂが形成されている。また、基板５１には、電極５６、上面用電極５７が形成されており、電極層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層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層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、両電極層５４ｂ、５５ｂから出力する。
本発明の圧電センサに用いる圧電体層として、リーク電流が小さく、を用いることで、高い耐電圧性と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４は、図２（ａ）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（２００）とから構成される組立て体を、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に対向するようにスライダ１９が取り付けられている（図２（ａ）参照）。
ヘッドアセンブリ６５は、ヘッド素子１９ａ（図２（ａ）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１９ａ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の先端部によるスライダ１９の駆動により制御する。
このヘッドアセンブリ６５に用いられる圧電素子において、圧電体層としてリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分なアクセス性を得ることができる。
（インクジェットプリンタ装置）
図５は、図２（ｂ）に示したインクジェットプリンタヘッド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いる。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内に備えられている。
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圧電素子において、圧電体層としてリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と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。
例えば、本発明の圧電素子は、ジャイロセンサ、ショックセンサ、マイクロフォンなどの圧電効果を利用したもの、あるいはアクチュエータ、インクジェットヘッド、スピーカー、ブザー、レゾネータなどの逆圧電効果を利用したものに用いることができるが、逆圧電効果を利用した圧電素子に特に好適である。
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。
（圧電素子の作製）
（実施例１）
本実施例において、「基体」とは、各工程における被成膜体を意味する。
熱酸化膜（ＳｉＯ２：絶縁層６）付きの直径３インチのシリコンウエハ（基板４）をＲＦスパッタリング装置の真空チャンバ内に設置し、真空排気を行ったのちに、第一電極層８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は４００℃、第一電極層８の厚さは２００ｎｍとした。
続いて、基体をスパッタリングターゲットを装着したＲＦスパッタリング装置のチャンバに移し、真空排気を行ったのちに、圧電体層１０として、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層１０の厚さは２０００ｎｍとした。
圧電体層１０を成膜後、基体を熱処理装置に移し、熱処理を行った。熱処理温度は６００℃とし、窒素・酸素混合ガスを供給しながら１時間熱処理を行った。また、酸素分圧は１．５％とした。
圧電体層１０を成膜後、添加物であるＳｒとＭｎが結晶構造中に配置されているサイトおよびそのＡサイト、Ｂサイトへの分配率を算出するため、Ａｔｏｍ−Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ法（以下ＡＬＣＨＥＭＩ法という）による分析を行った。
ＡＬＣＨＥＭＩ法とは、入射電子が特定の原子位置を通過する現象（電子チャンネリング）を利用し、結晶中の不純物原子の位置を決定する手法である。透過電子顕微鏡で電子回折パターンを見ながら電子ビームをブラッグ条件のプラス側およびマイナス側に順次傾斜してエネルギー分散型Ｘ線分析法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下ＥＤＳという）、もしくはエネルギー損失分光法（Ｅｎｅｒｇｙ ＬｏｓｓＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下ＥＥＬＳという)で得た強度の違いを観察することから、不純物原子の占有位置（サイト）が区別できる。本実施例においてはＥＤＳを用いた。
圧電体層１０はニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とする一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物である。そこで、ＳｒおよびＭｎのサイト分配率算出に当たり、主成分であるＫ（カリウム）およびＮａ（ナトリウム）はＡサイト、Ｎｂ（ニオブ）はＢサイトに１００％配置されていると仮定した。
前記ALCHEMI分析により算出された、圧電体層１０におけるＳｒのAサイト分配率は９７．０％、Bサイト分配率は３．０％であった。またＭｎのAサイト分配率は１００．０％、Bサイト分配率は０．０％であった。６００℃未満の熱処理では、ＭｎのAサイト分配率はより小さくなる。また酸素分圧が１．５％未満の熱処理では、ＳｒのＢサイト分配率はより小さくなる。
その後、基体を再びＲＦスパッタリング装置の別チャンバに移し、真空排気を行った後に、第二電極層１２としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は２００℃、第二電極層１２の厚さは２００ｎｍとした。
第二電極層１２を形成後、フォトリソグラフィおよびドライエッチング、ウエットエッチングにより圧電体層１０を含む積層体をパターニングし、ウエハを切断加工することで、可動部分寸法が５ｍｍ×２０ｍｍである圧電素子１００を得た。
表１に本実施例における圧電体層１０の主成分、並びに添加物とその含有量、熱処理温度および熱処理時の酸素分圧を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
Figure 2014179609
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（比較例１）
実施例１の圧電素子１００の作製工程において、第一電極層を形成した後に、基体をＲＦスパッタリング装置の別チャンバに移し、真空排気を行ったのちに、圧電体層として、（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、添加物を含まない（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。圧電体層成膜後の熱処理は行わなかった。
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例１の圧電素子を作製した。
表１に比較例１における圧電体層の主成分を示す。
（比較例２）
圧電体層として、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。
圧電体層成膜後に実施例１で行った熱処理は行わなかった。
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例２の圧電素子を作製した。
表１に比較例２における圧電体層の主成分、並びに添加物とその含有量を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
（比較例３）
圧電体層として、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。
圧電体層成膜後、基体を熱処理装置に移し、熱処理を行った。熱処理温度は５００℃とし、窒素・酸素混合ガスを供給しながら１時間処理熱処理を行った。また、酸素分圧は１．０％とした。
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例３の圧電素子を作製した。
表１に比較例３における圧電体層の主成分、並びに添加物とその含有量、熱処理温度および熱処理時の酸素分圧を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
（比較例４）
圧電体層として、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。
圧電体層成膜後、基体を熱処理装置に移し、熱処理を行った。熱処理温度は５００℃とし、窒素・酸素混合ガスを供給しながら１時間処理熱処理を行った。また、酸素分圧は１．５％とした。
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例４の圧電素子を作製した。
（比較例５）
圧電体層として、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｓｒを１．０ａｔ％、Ｍｎを１．０ａｔ％含む（Ｋ０．５Ｎａ０．５）ＮｂＯ３焼結体を用いた。成膜時の基体温度は５５０℃、圧電体層の厚さは２０００ｎｍとした。
圧電体層成膜後、基体を熱処理装置に移し、熱処理を行った。熱処理温度は６００℃とし、窒素・酸素混合ガスを供給しながら１時間処理熱処理を行った。また、酸素分圧は１．０％とした。
圧電体層以外の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、比較例５の圧電素子を作製した。
表１に比較例４、５における圧電体層の主成分、並びに添加物とその含有量、熱処理温度および熱処理時の酸素分圧を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
（実施例２〜７）
圧電体層１０成膜後の熱処理条件を表１に示す条件で行ったこと以外は実施例１と同様にして、実施例２〜７の圧電素子１００を作製した。
表１に実施例２〜７における圧電体層１０の主成分、並びに添加物とその含有量、熱処理温度および熱処理時の酸素分圧を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
図６および図７に、実施例４に用いた圧電体層１０のALCHEMI分析に用いたＥＤＳスペクトルを示す。図６はＳｒに関する信号であり、図７はＭｎに関する信号である。ＩＡｓｉｔｅ（Ａサイト強度の理論値）／ＩＢｓｉｔｅ（Ｂサイト強度の理論値） なる 強度比の分配率依存性を理論計算し、 図６、７で示す実験で得た強度比と照合することで、ＳｒおよびＭｎのサイト分配率を導き出したこれらの信号からALCHEMI分析によりＳｒおよびＭｎのサイト分配率を算出した。
(実施例８〜１７)
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、圧電体層１０を形成した。また圧電体層１０の成膜後、表１に示す条件にて熱処理を行った。その他の素子構成、作製工程は実施例１と同様にして、実施例８〜１７の圧電素子１００を作製した。
表１に実施例８〜１７における圧電体層１０の主成分、並びに添加物とその含有量、熱処理温度および熱処理時の酸素分圧を示す。さらに、ＡＬＣＨＥＭＩ分析から算出したＳｒとＭｎのA、Bサイト分配率と、ＳｒのＢサイト分配率／Ｓｒ含有量 の値を示す。
（圧電素子の評価）
実施例１〜１７、および比較例１〜５の各圧電素子のリーク電流密度を強誘電体評価システムＴＦ−１０００（ａｉｘＡＣＣＴ社製）を用いて評価した。印加電圧は±２０Vとし、２Vステップで２秒間ずつ測定を行った。測定で得られた最大リーク電流密度の絶対値を表２に示す。さらに各圧電素子に電圧を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。第一電極層を正極、第二電極層を負極に接続し、周波数１ｋＨｚの正弦波（±３Ｖまたは±２０V）の電圧を印加して測定した変位量の値を表２に示す。
Figure 2014179609
一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であって、Ｓｒ（ストロンチウム）およびＭｎ（マンガン）を添加物として含有し、ＳｒがAサイトおよびBサイト双方に配置され、ＭｎがAサイトのみに配置されている（Ｋａ、Ｎａ）ＮｂＯ３（ニオブ酸カリウムナトリウム）薄膜を圧電体層として備える実施例１〜１７の圧電素子は、この要件を備えない比較例１〜５の圧電素子より±２０V印加時の最大リーク電流密度の絶対値が小さく、変位量が大きいことが確認された。
ＳｒのBサイト分配率が５％以上５０％以下であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える実施例２〜６および実施例８〜１７の圧電素子は、ＳｒのBサイトの分配率が前記範囲外である実施例１および実施例７の圧電素子より最大リーク電流密度の絶対値が小さく、±２０V印加時の変位量が大きいことが確認された。
Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える実施例８〜１７の圧電素子は、前記元素を含まない実施例１〜７の圧電素子より最大リーク電流密度の絶対値が小さく、±２０V印加時の変位量が大きいことが確認された。
下式（１）で表されるＳｒの含有量とＳｒのBサイト分配率から計算される値が５．０以上５０以下であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える実施例１４〜１６の圧電素子は、この値が前記範囲外であること以外は同様の構成を備える実施例１３および実施例１７の圧電素子より、最大リーク電流密度の絶対値が小さく、±２０V印加時の変位量が大きいことが確認された。

ＳｒのＢサイト分配率（％）／Ｓｒの含有量（ａｔ％） ・・・式（１）
以上の実施例においては、Ａサイトの主成分であるＫとＮａとの比率は１、即ち、Ｋ１−ＸＮａＸにおけるxは０．５としたが、ｘが０．５以外である組成においても、本発明の効果は変わるものではない。また、以上の実施例において、添加物であるＺｒ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｔａ、はそれぞれ１ａｔ％添加した場合の例のみを挙げたが、既述の好適な含有量の範囲でそれぞれの含有量を増加させた場合には、変位量はやや減少する傾向にあり、誘電率の変化率は大きくなる傾向にあるが、好適な範囲が維持される。
また、圧電体層と他の層とが接している場合に、圧電体層の界面近傍において、圧電体層中のＭｎのごく一部がBサイトに配置されていることがあっても本発明の効果は変わらない。
本発明に係わる圧電素子は、所定の組成を有する圧電体層を備えており、圧電アクチュエータの圧電体層として、このリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と十分な変位量を得ることができる。
また、圧電センサの圧電体層として、このリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と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圧電素子において、圧電体層としてリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と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圧電素子において、圧電体層としてリーク電流が小さく、大きな変位量の圧電体層を用いることで、高い耐電圧性と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。
４ 基板
６ 絶縁層
８ 第一電極層
９ ベースプレート
１０， ２５， ３０， ４２ 圧電体層
１１ ロードビーム
１２ 第二電極層
１３， ４０， １００ 圧電素子
１５ 配線用フレキシブル基板
１７ フレクシャ
１９ スライダ
１９ａ ヘッド素子
２０， ５１ 基材
２１ 圧力室
２３ 絶縁膜
２４， ３２ 下部電極層
２６， ３１ 上部電極層
２７ ノズル
４１ 共通電極層
４３ 個別電極層
４４ 支持体
４５ 空洞
４６ 電流増幅器
４７ 電圧測定器
５２ 送信用圧電体層
５３ 受信用圧電体層
５４ａ， ５４ｂ， ５５ａ， ５５ｂ 電極層
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)

  1. 一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト化合物であるニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電体層として備える圧電素子であって、前記圧電体層はＳｒ（ストロンチウム）およびＭｎ（マンガン）を添加物として含有し、ＳｒがAサイトおよびBサイト双方に配置されており、ＭｎがAサイトのみに配置されていることを特徴とする圧電素子。
  2. 前記圧電体層において、ＳｒのBサイト分配率が５％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
  3. 前記圧電体層に、Ｌｉ（リチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
  4. 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。
  5. 請求項１に記載の圧電素子を用いた圧電センサ。
  6. 請求項４項に記載の圧電アクチュエータを備えたハードディスクドライブ。
  7. 請求項４項に記載の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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