JP2018093145A - 圧電薄膜積層体、圧電薄膜基板、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置 - Google Patents
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図1の(a)に示すように、本実施形態に係る圧電薄膜積層体100は、第一電極層3と、第一電極層3の表面に積層された第一中間層4と、第一中間層4の表面に積層された第二中間層5と、第二中間層5の表面に積層された圧電薄膜6と、を備える。つまり、第一中間層4の一部又は全体は、第一電極層3の表面に重なり、第二中間層5の一部又は全体は、第一中間層4の表面に重なり、圧電薄膜6の一部又は全体は、第二中間層5の表面に重なっている。第一中間層4は、K、Na及びNbを含む。第二中間層5は、圧電薄膜6に圧縮方向の応力を生じさせる層である。ここで、圧縮方向とは、圧電薄膜6の表面に平行な方向(X方向)と言い換えてよい。また、圧縮方向とは、圧電薄膜6の厚さ方向(積層方向、Z方向)に垂直な方向と言い換えてもよい。圧電薄膜6は、(K,Na)NbO3を含む。
α={(LH−LL)/LL}×{1/(TH−TL)} (A)
(K1−xNax)NbO3 (1)
[上記化学式1中、0<x<1である。]
図2は、ハードディスクドライブ(HDD)に搭載されるヘッドアセンブリ200を示す。ヘッドアセンブリ200は、ベースプレート9、ロードビーム11、フレクシャ17、第1及び第2の圧電薄膜素子13、及びスライダ19を備えている。第1及び第2の圧電薄膜素子13は、スライダ19用の駆動素子である。スライダ19は、ヘッド素子19aを有する。
図4及び図5は、圧電センサの一種であるジャイロセンサ400を示す。ジャイロセンサ400は、基部110と、基部110の一面に接続する一対のアーム120及び130と、を備える。一対のアーム120及び130は、音叉振動子である。つまり、ジャイロセンサ400は、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、上述の圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜30、上部電極層31(第二電極層)、下部電極層32(第一電極層)、第一中間層33、及び第二中間層34を、音叉型振動子の形状に加工して得られたものである。基部110とアーム120及び130は、圧電薄膜素子と一体化されている。下部電極層とは、上記の第一電極層と言い換えてよい。上部電極層とは、上記の第二電極層と言い換えてよい。
図8は、図2に示すヘッドアセンブリが搭載されたハードディスクドライブ700を示す。図8のヘッドアセンブリ65は、図2のヘッドアセンブリ200と同じである。
図9は、インクジェットプリンタ装置800を示す。インクジェットプリンタ装置800は、プリンタヘッド70と、本体71と、トレイ72と、ヘッド駆動機構73と、を備えている。図9のプリンタヘッド70は、図3の圧電アクチュエータ300を有している。
真空チャンバー内で、シリコン基板(切断加工前の基板1)の表面に、Ptからなる第一電極層3を形成した。第一電極層3が形成されたシリコン基板の表面の面方位は、(100)であった。シリコン基板の厚さは、400μmであった。第一電極層3は、スパッタリング法により形成した。第一電極層3の形成過程におけるシリコン基板の温度は、400℃に維持した。第一電極層3の厚さは、200nmに調整した。
以下の方法により、線膨張率測定用の各試料を作製し、実施例1の第一電極層3、第二中間層5、及び圧電薄膜6それぞれの線膨張率を個別に測定した。
上記と同様の方法により、第一電極層3をシリコン基板の表面に直接形成した。上記と同様の方法により、第一電極層3のパターニングを行った。シリコン基板を切断して、試料を得た。試料のサイズは15mm×3mmであった。この試料を用いて、第一電極層3の線膨張率をX線反射率法により測定した。実施例1の第一電極層3の線膨張率は、8.8×10−6(1/K)であった。
上記と同様の方法により、第二中間層5をシリコン基板の表面に直接形成した。上記と同様の方法により、第二中間層5のパターニングを行った。シリコン基板を切断して、試料を得た。試料のサイズは15mm×3mmであった。この試料を用いて、第二中間層5の線膨張率をX線反射率法により測定した。実施例1の第二中間層5の線膨張率を表1に示す。
上記と同様の方法により、圧電薄膜6をシリコン基板の表面に直接形成した。上記と同様の方法により、圧電薄膜6のパターニングを行った。シリコン基板を切断して、試料を得た。試料のサイズは15mm×3mmであった。この試料を用いて、圧電薄膜6の線膨張率をX線反射率法により測定した。実施例1の圧電薄膜6の線膨張率は、8.0×10−6(1/K)であった。
以下の方法により、実施例1の圧電薄膜素子112の25℃における変位量Dis25℃(単位:nm)を測定した。図10に示すように、変位量とは、圧電薄膜素子112の一端をクランプ80により固定し、第一電極層3と第二電極層7との間に電圧を印加したとき、圧電薄膜素子112の固定されていない側の先端部が、圧電薄膜素子112の変形に伴って、圧電薄膜素子112の厚さ方向(積層方向、Z方向)に移動した距離(変位量Dis)を意味する。第一電極層3と第二電極層7との間に印加した交流電圧の周波数は、10Hzであった。交流電圧は、1.5V±1.5Vのサイン波形であった。交流電圧を印加している間、圧電薄膜素子112の温度は、25℃に維持した。レーザードップラー振動計とオシロスコープとを用いて、実施例1のDis25℃を測定した。実施例1のDis25℃を表1に示す。
A:Dis25℃が、550nm以上である。
B:Dis25℃が、450nm以上550nm未満である。
C:Dis25℃が、350nm以上450nm未満である。
以下の方法により、実施例1の変位量の変化率ΔDis(単位:%)を算出した。実施例1の圧電薄膜素子112の温度を25〜120℃の範囲内で変化させ、実施例1のDis25℃の測定方法と同様の方法により、各温度における圧電薄膜素子112の変位量を測定した。25〜120℃における圧電薄膜素子112の変位量の最大値DisMax(単位:nm)を測定した。下記の数式(B)に基づいて、実施例1のΔDisを求めた。実施例1のΔDisを表1に示す。
ΔDis=(DisMax−Dis25℃)/Dis25℃×100 (B)
A:ΔDisが、20%以下である。
B:ΔDisが、20%を超える。
実施例2〜12の第二中間層5の形成過程では、実施例1の第二中間層5の形成過程で用いたスパッタリングターゲットの代わりに、それぞれ表1に示す組成を有するスパッタリングターゲットを用いた。その結果、実施例2〜12では、それぞれ表1に示すスパッタリングターゲットと同じ組成を有する第二中間層84が形成された。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、実施例2〜12の圧電薄膜素子112をそれぞれ作製した。
比較例1では、第一中間層4及び第二中間層5を形成しなかった。つまり、比較例1では、第一電極層3の表面に圧電薄膜6を直接形成した。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、比較例1の圧電薄膜素子を作製した。
比較例2では、第一中間層4を形成しなかった。つまり、比較例2では、第一電極層3の表面に第二中間層5を直接形成した。以上の点を除いては、実施例1と同様の方法により、比較例2の圧電薄膜素子を作製した。
Claims (13)
- 第一電極層と、
前記第一電極層に積層された第一中間層と、
前記第一中間層に積層された第二中間層と、
前記第二中間層に積層された圧電薄膜と、
を備え、
前記第一中間層が、K、Na及びNbを含み、
前記第二中間層が、前記圧電薄膜に圧縮方向の応力を生じさせる層であり、
前記圧電薄膜が、(K,Na)NbO3を含む、
圧電薄膜積層体。 - 前記第二中間層が、無機酸化物を含む、
請求項1に記載の圧電薄膜積層体。 - 前記第二中間層が、ペロブスカイト型の無機酸化物を含む、
請求項1に記載の圧電薄膜積層体。 - 前記第二中間層が、SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3及びLaNiO3からなる群より選ばれる少なくとも一種のペロブスカイト型の無機酸化物を含む、
請求項1に記載の圧電薄膜積層体。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電薄膜積層体と、
基板と、
を含み、
前記第一電極層が、前記基板と前記第一中間層との間に位置している、
圧電薄膜基板。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電薄膜積層体と、
第二電極層と、
を含み、
前記第一中間層、前記第二中間層及び前記圧電薄膜が、前記第一電極層と前記第二電極層との間に位置している、
圧電薄膜素子。 - 請求項6に記載の圧電薄膜素子を備える、
圧電アクチュエータ。 - 請求項6に記載の圧電薄膜素子を備える、
圧電センサ。 - 請求項7に記載の圧電アクチュエータを備える、
ヘッドアセンブリ。 - 請求項9に記載のヘッドアセンブリを備える、
ヘッドスタックアセンブリ。 - 請求項10に記載のヘッドスタックアセンブリを備える、
ハードディスクドライブ。 - 請求項7に記載の圧電アクチュエータを備える、
プリンタヘッド。 - 請求項12に記載のプリンタヘッドを備える、
インクジェットプリンタ装置。
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