JP6398734B2 - 圧電デバイス、圧電アクチュエータ、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

Description

本発明は、圧電体層を含む圧電素子と、その圧電体層に印加する駆動電界を制御する駆動回路とを備えた圧電デバイス、その圧電デバイスを用いた圧電アクチュエータ、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、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界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。

また、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。

特開平５−１１４７６０号公報

圧電体に電界を印加すると、圧電体に分極が発生し、分極方向の変化にともなう履歴としてヒステリシスが観察される。印加する電界に対して分極の変化が小さい、角形比の大きいヒステリシスを示す圧電体では、印加する電界の値を変化させても得られる圧電特性に大きな変化はないが、角形比の小さいヒステリシスを示す圧電体では、印加電界の条件によっては十分な圧電特性が得られない、圧電素子の連続駆動によって分極劣化や耐久性の劣化が生じる可能性が高いなどの問題が生じる。一般にバルクの圧電体に比べ、薄膜化した圧電体層では角形比が小さくなり、またこの傾向は鉛を含有しない圧電体層において特に顕著である。

図１には、角形比が比較的小さいヒステリシスを示す圧電体層において、分極が飽和するまで正負極側に電界を印加した場合のＰ−Ｅ（分極−電界）ヒステリシスを示す。分極が０となる電界がそれぞれ正負の抗電界Ｅｃ＋、Ｅｃ−である。

上記の課題に対して、特許文献１に記載の技術では、圧電アクチュエータの駆動時に圧電体に常時正の電界を印加する方法により、高い温度や高い圧力下においても圧電アクチュエータの連続駆動時の分極量の低下を抑えられるとしている。しかし、この方法は圧電体としてバルクの圧電体を想定したものであり、この方法を薄膜化した圧電体層に適応した場合、圧電体層が分極劣化しない電界を印加した場合であっても膜の破壊が起こりやすく、また抗電界よりも小さい電界を印加した場合では分極劣化の低減に寄与できるが十分な変位量が得られない。

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、用いる圧電体層の誘電特性に基づいて、圧電デバイスが備える駆動回路によって圧電体層に印加する駆動電界を制御することにより、圧電デバイスにおいて良好な出力を得ることを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る圧電デバイスは、圧電体層と該圧電体層を挟んで構成される電極層とを含む圧電素子と、前記電極層を介して前記圧電体層に交流の駆動電界を印加する駆動回路とを有する圧電デバイスであって、前記圧電体層は、分極が飽和するまで電界を印加した場合の分極率γが １×１０^−９ （Ｃ／（Ｖ・ｍ）） よりも小さく、前記駆動回路は、前記駆動電界の最小値が前記圧電体層の正の抗電界よりも大きくなるように設定する手段と、前記駆動電界の最大値が （Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極））／（１×１０^−９ ） よりも小さくなるように駆動電界を設定する手段とを有する。ここで、分極率：γ＝（Ｐｍ（飽和分極）−Ｐｒ（残留分極））／Ｅｄ（印加電界の最大値） であり、分極の単位は（Ｃ／ｍ^２）、電界の単位は（Ｖ／ｍ）である。

上記したように、飽和時の分極率γが０に近い、角形比の大きいヒステリシスを示す圧電体では、印加する電界の値を変化させても得られる圧電特性に大きな変化はない。

圧電デバイスにおいて、圧電体層に印加する駆動電界の最小値を正の抗電界よりも大きくなるように設定することで、圧電体層を構成する結晶粒子の分極方向がそろうため圧電素子の変位量が大きくなる。さらに、駆動電界の最大値が （Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極））／（１×１０^−９ ） よりも小さくなるように設定することで、圧電体層を構成する結晶粒子のドメイン内の電気双極子の回転に起因した変位が得られるため、さらに大きな変位量が得られる。

図２に、角形比が比較的小さいヒステリシスを示す圧電体層に対して、分極が飽和に至らない電界を印加した場合の圧電体層のＰ−Ｅヒステリシスを示す。ここで、分極の最大値Ｐｍ’とは、圧電体層にある印加電界の最大値Ｅｄを印加した場合の圧電体層の分極量を表し、準残留分極Ｐｒ’とはその印加電界の最大値Ｅｄまで印加した場合のＰ−Ｅヒステリシスが印加電界＝０の軸と交わるときの分極量を表す。また、１×１０^−９ は圧電体層の分極率γに相当し、（Ｐｍ’−Ｐｒ’）／Ｅｄが １×１０^−９ よりも大きい電界を圧電体層に印加すると、電歪効果によって圧電体層の破壊を起こすことがあるため、駆動電界の最大値は印加電界が（Ｐｍ’−Ｐｒ’）／（１×１０^−９ ） となる値よりも小さくなるように設定する。

本発明に係る圧電デバイスの圧電体層は正の電界側と負の電界側とにそれぞれ抗電界を有しており、圧電デバイスの駆動回路は、抗電界の絶対値の小さい値を取る方向に正の電界を、抗電界の絶対値の大きい値を取る方向に負の電界を印加する手段を有することが好ましい。これにより圧電体層の圧電特性が更に大きい電界範囲で駆動させることができるため、圧電体層の変位量をさらに大きくすることができる。

本発明に係る圧電デバイスが備える駆動回路は、前記駆動電界の最小値を前記圧電体層の正の抗電界の５倍以上とし、且つ前記駆動電界の最大値を前記圧電体層の正の抗電界の５０倍以下とする手段を有することが好ましい。これにより、圧電体層を構成する結晶粒子のドメイン内の電気双極子の回転に起因した変位がより多く得られるため、圧電体層の変位量をさらに大きくすることができる。

本発明に係る圧電デバイスの圧電体層はニオブ酸カリウムナトリウムからなることが好ましい。ニオブ酸カリウムナトリウムは抗電界が他の材料に比べて小さく、結晶粒子内のドメインが小さいため、駆動電界設定による変位量の増加の効果が顕著に現れる。また、ニオブ酸カリウムナトリウムには添加物としてＭｎ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｒを含んでもよい。

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デバイスを有している。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。

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デバイスによれば圧電アクチュエータにおいて出力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。

本実施形態に係わる圧電体層の飽和状態でのＰ−Ｅヒステリシスである。 本実施形態に係わる圧電体層の未飽和状態でのＰ−Ｅヒステリシスである。 本実施形態に係わる圧電デバイスの電力線回路構成図である。 本実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成図である。 本実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成図である。 本実施形態に係わるハードディスクドライブの構成図である。 本実施形態に係わるインクジェットプリンタ装置の構成図である。

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３に本実施形態に係る圧電デバイス１の電力線回路構成の一例を示す。圧電デバイス１は圧電素子８０と、圧電素子８０の駆動電界を制御する駆動回路２０と、圧電素子８０に流れる電流値を監視する電流監視回路３０とスイッチ手段４０とを備え、圧電素子８０は、第一電極層８１と、第一電極層８１上に形成された圧電体層８２と、圧電体層８２上に形成された第二電極層８３とを備える。なお、図３では圧電素子８０を上下逆にして示している。

第一電極層８１は、一例として、Ｐｔ（白金）から形成される。第一電極層８１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８１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８２を形成できる。また、第一電極層８１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ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３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８１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８２に用いる材料としては、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト化合物が挙げられる。特に（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウムナトリウム）からなることが好ましい。圧電体層８２は飽和時の分極率γが １×１０^−９ （Ｃ／（Ｖ・ｍ）） よりも小さいが、比較的角形比の小さいヒステリシスを示す。ここで、分極率：γ＝（Ｐｍ（飽和分極）−Ｐｒ（残留分極））／Ｅｄ（印加電界の最大値）である（図１参照）。

圧電体層８２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。厚さは一例として、１μｍ以上、５μｍ以下程度とする。

第二電極層８３は、一例として、Ｐｔから形成される。第二電極層８３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８３として、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属材料、又はＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３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８３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。

また、圧電素子８０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８０では第一電極層８１、および第二電極層８３のいずれか一方、あるいは両方と圧電体層８２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ＳｒＲｕＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、ＣａＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、（Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘ）ＣｏＯ_３、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７、Ｌａ_４ＢａＣｕ_５Ｏ_１３ などは導電性が高く耐熱性もあり好ましい。

上記の圧電素子８０を含む積層体は所定の基板上で形成されるが、圧電素子８０はその基板を備えていなくてもよい。基板上に第一電極層８１、圧電体層８２、および第二電極層８３積層後にフォトリソグラフィで圧電素子８０をパターニングした後、基板はドライエッチング法などで除去することができる。基板を有する圧電素子８０とする場合は、パターニングした後に基板を切断すればよい。

圧電素子８０の積層方向に垂直な方向の大きさは、特に限定されないが、例えば１．０ｍｍ×０．３ｍｍ程度とすることができる。

駆動回路２０は圧電素子８０に所定の電界を印加する機能を有する。一例として、駆動回路２０にはチャージポンプを含み、図３に示したように外部電源５１と接続することで、外部電源５１から出力される電圧を増幅して圧電素子８０に所定の電界を出力することができる。

図３に示したように、圧電デバイス１には、駆動回路２０に加えて、電流監視回路３０を有していても良い。電流監視回路３０は圧電素子８０に電界を印加し、そのときの分極Ｐを監視する機能と、所定の電界値を信号として駆動回路２０に出力する機能とを有する。

また、圧電デバイス１には、スイッチ手段４０を有していても良い。スイッチ手段４０は駆動回路２０と電流監視回路３０とを電気的に接続を切り替える機能を有する。通常は圧電デバイス１の起動時にスイッチ手段４０を電流監視回路３０に接続し、電流監視回路３０から得られた後述のＥｕｌ、Ｅｌｌ信号を駆動回路２０にフィードバックした後に回路切り替え動作を行うが、一定時間後にスイッチ手段４０を切り替え、後述の電流監視動作を行っても良い。

駆動回路２０、電流監視回路３０及びスイッチ手段４０の動作制御は、１つの集積回路にて一括して行っても良い。また、圧電システムにおいて複数の圧電デバイスを用いる際には、各圧電デバイス１の駆動回路２０、電流監視回路３０及びスイッチ手段４０を１つの集積回路にまとめても良い。

（駆動電界の設定方法）
本発明に係わる圧電デバイス１が備える駆動回路２０は、駆動電界の最小値Ｅｍｉｎを圧電体層８２の正の抗電界Ｅｃ＋よりも大きくなるように設定する手段と、駆動電界の最大値Ｅｍａｘを （Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極））／１×１０^−９ （Ｃ／（Ｖ・ｍ）） よりも小さくなるように設定する手段とを有する。

ここで、分極率γに相当する数値として １×１０^−９ （Ｃ／（Ｖ・ｍ）） を示したが、これは分極の単位が（Ｃ／ｍ^２）、電界の単位が（Ｖ／ｍ）の場合である。しかし、以後の記載においては、分極の単位として（μＣ／ｃｍ^２）、電界の単位として（ｋＶ／ｍｍ）を用いるので、これにより分極率γの臨界値は０．１となる。

まず、電流監視回路３０と圧電素子８０とをスイッチ手段４０により接続し、圧電素子８０に電界を印加して分極量を測定する。この際印加する電界は外部の電源５２から得、圧電素子８０への印加電界は０ｋＶ／ｍｍから圧電体層８２が飽和する電界（図１における印加電界の最大値Ｅｄ）まで増加させ、その後０ｋＶ／ｍｍに戻したのち、−Ｅｄまで印加し、その後Ｅｄまで戻すという一往復の操作を行う。この操作によって、正の抗電界Ｅｃ＋が得られ、この情報から印加電界の下限値Ｅｌｌを求め、この電界を駆動回路２０に出力する。

次に、電流監視回路３０から圧電素子８０に、０．１ｋＶ／ｍｍ刻みに印加電界の最大値Ｅｄを徐々に増加させながら上記の一往復の操作を行い、その都度Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極）および印加電界の最大値Ｅｄより分極率γを求める（図２参照）。そして、分極率γが０．１を超えない最大の印加電界を求めて、これを印加電界の上限値Ｅｕｌとし、この電界を駆動回路２０に出力する。

次に、スイッチ手段４０を電流監視回路３０から駆動回路２０に切り替えることで駆動回路２０と圧電素子８０とを接続し、駆動回路２０は入力されたＥｌｌ〜Ｅｕｌの範囲内で、圧電デバイス１を搭載した圧電システムからの信号や圧電システムの必要特性に応じて駆動回路２０に設定される条件などに基づいてＥｍｉｎとＥｍａｘを調整し、圧電素子８０への駆動電界範囲を確定させる。

そして、そのＥｍｉｎとＥｍａｘとの範囲内で、外部の電源５１を用いて圧電素子８０を動作させる。

このとき、正負の抗電界Ｅｃ＋、Ｅｃ−のうち、絶対値の小さい電界側の向きを正とし、正の方向におけるＰ＝０の電界をＥｃ＋、負の方向におけるＰ＝０の電界をＥｃ−とすることが好ましい。そして、正の抗電界Ｅｃ＋を駆動電界の下限値Ｅｌｌとし、γ＝０．１となる電界を駆動電界の上限値Ｅｕｌとして、圧電素子８０を動作させることがより好ましい。これにより、圧電デバイス１の圧電素子８０の変位を更に高めることができる。

また、駆動電界の最小値Ｅｍｉｎを前記圧電体層８２の正の抗電界Ｅｃ＋の５倍以上とし、且つ前記駆動電界の最大値Ｅｍａｘを前記圧電体層８２の正の抗電界Ｅｃ＋の５０倍以下として、圧電素子８０を動作させることがより好ましい。これにより、圧電デバイス１の圧電素子８０の変位を更に高めることができる。

（圧電定数の測定方法）
圧電デバイス１を構成する圧電素子８０の圧電定数は以下の方法により測定する。

第一電極層８１、および第二電極層８３に電源５１より１ｋＨｚ所定の電界を印加し、レーザー変位計（小野測器社製）を用いて圧電素子８０の変位を測定した。そして以下の式（１）から計算することで圧電定数（−ｄ３１）を得る。
ここで、ｈ_ｓ：基板の厚さ，Ｓ_１１、ｐ： 圧電体層の弾性率，Ｓ_１１、ｓ：基板の弾性率，Ｌ：圧電体層の駆動部の長さ，δ：変位量，Ｖ：印加電圧 である。

（圧電アクチュエータ）
図４Ａは、本発明に係わる圧電デバイス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１３ａ（８０）と素子回路１３ｂとを備えた圧電デバイス１３（１）、及びヘッド素子１９ａを備えたスライダ１９を備えている。

素子回路１３ｂには駆動回路、電流監視回路、スイッチ手段を含む集積回路を備えている。また、複数の圧電素子を制御する複数の素子回路を１つの集積回路にまとめてもよい。素子回路１３ｂはフレクシャ１７の一部である配線用フレキシブル基板１５上に配置されているが、ＨＤＤの基盤上のボイスコイルモータコントローラに駆動回路、電流監視回路、スイッチ手段を含む集積回路の機能のみを追加してもよい。

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１３ａ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１３ａの伸縮に伴って回転運動する。

第１及び第２の圧電素子１３ａ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とから構成されており、本発明に係わる圧電アクチュエータにおいては、この圧電デバイスにおいて、個々の圧電素子が有する最適な圧電特性を発揮できる印加電界を確認して駆動電界を設定するので、高い信頼性と十分な変位量を得ることができる。

図４Ｂは、上記の圧電デバイス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り、圧電デバイス１における圧電素子８０の適用例を示すものである。

圧電アクチュエータ３００は、基板２２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との間に電界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との間に一定電界が印加された場合、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の圧電デバイスとして、個々の圧電素子が有する最適な圧電特性を発揮できる電界を調整し印加する圧電デバイスを用いることで、高い信頼性と十分な変位量を得ることができる。

（ハードディスクドライブ）
図５は、図４Ａ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に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている（図４Ａ参照）。

ヘッドアセンブリ６５（２００）は、ヘッド素子１９ａ（図４Ａ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の先端部によるヘッドスライダ１９の駆動により制御する。

このヘッドアセンブリ６５に用いられる圧電デバイスにおいて、個々の圧電素子が有する最適な圧電特性を発揮できる電界を調整し印加する圧電デバイスを用いることで、高い信頼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６は、図４Ｂ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デバイスにおいて、個々の圧電素子が有する最適な圧電特性を発揮できる電界を調整し印加することで、高い信頼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。

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）
まず単結晶Ｓｉである３インチの基板上に圧電体層８２の下地膜となる第一電極層８１を結晶成長させて得た。この第一電極層８１はＰｔ膜であり、膜厚は０．２μｍとした。形成方法はスパッタリング法であり、基板を５００℃に加熱しながら成膜した。

続いて（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３（ニオブ酸カリウムナトリウム）組成のスパッタリングターゲットを用い、第一電極層８１上に圧電体層８２を成膜した。形成方法はスパッタリング法であり、第一電極層８１と同様に基板を７５０℃にした条件下で成膜し、膜厚は２．０μｍとした（ＫＮＮ１）。

次に圧電体層８２上に第二電極層８３としてＰｔを成膜した。第一電極層８１と同様に形成方法はスパッタリング法であるが、基板温度は２００℃とした。膜厚は０．２μｍである。

その後、フォトリソグラフィにより基板上の積層構造をパターニングし、ＲＩＥでドライエッチングすることで基板を除去し、可動部分寸法が０．３ｍｍ×１．０ｍｍである圧電素子８０を作製した。

次に、１つの圧電素子８０を備え、図３のような回路構成とした圧電デバイス１を構成した。駆動回路２０、電流監視回路３０、スイッチ手段４０を含むＩＣとして小型化、省電力化のためＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）を用いた。

まず、圧電素子８０へ圧電体層８２が飽和する電界を印加することで、正負の抗電界Ｅｃ−、Ｅｃ＋として、それぞれ０．４４、１．０２ｋＶ／ｍｍを得た。したがって、この状態での印加電界の下限値Ｅｌｌは約１ｋＶ／ｍｍとなる。また、このときの分極率γ＝０．０８６であった。

次に、電流監視回路３０から圧電素子８０に、０．１ｋＶ／ｍｍ刻みに印加電界の最大値Ｅｄを徐々に増加させながら、その都度Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極）および印加電界の最大値Ｅｄより分極率γを求めた（図２参照）。このとき、分極率γが０．１を下回らない最大の印加電界の最大値Ｅｄ、即ち印加電界の上限値Ｅｕｌとして６４ｋＶ／ｍｍを得た。

以上より得られた印加電界の下限値Ｅｌｌと上限値Ｅｕｌを信号として電流監視回路３０から駆動回路２０に入力し、スイッチ手段４０を電流監視回路３０から駆動回路２０に切り替えた。その後、圧電システムの制約等を想定してＥｍｉｎを５ｋＶ／ｍｍ、Ｅｍａｘを５２ｋＶ／ｍｍと設定した後、ＥｍｉｎとＥｍａｘとの範囲内の正弦波によって圧電素子８０を動作させた。

また、圧電素子８０の圧電特性は上記のとおりレーザー変位計（小野測器社製）を用いて評価した。周波数１ｋＨｚの正弦波を上記の条件のＥｍｉｎ、Ｅｍａｘで印加し変位を測定し、圧電定数−ｄ３１を求めた。実施例１の圧電素子８０の圧電定数−ｄ３１は３７ｐｍ／Ｖであった。

（比較例１−１、１−２、１−３）
比較例１−１、１−２、１−３の圧電デバイスの圧電素子の構成、作製工程は実施例１と同様とした。しかし、電流監視回路から得られたＥｌｌ、ＥｕｌよりＥｍｉｎ、Ｅｍａｘを決定する駆動回路内の設定が異なっている。

即ち、駆動電界については、それぞれ、比較例１−１では駆動電界の最小値Ｅｍｉｎが０ｋＶ／ｍｍより小さい（勿論、圧電体の抗電界Ｅｃ＋よりも小さい）条件、比較例１−２では駆動電界の最小値Ｅｍｉｎが、０ｋＶ／ｍｍよりも大きく、圧電体の抗電界Ｅｃ＋よりも小さい条件、比較例１−３では駆動電界の最大値Ｅｍａｘが、分極率γ＝０．１となる上限値Ｅｕｌよりも大きい条件とし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例２）
実施例１と同様の特性を持つ圧電素子８０を用いて、実施例２の圧電デバイス１を構成した。このとき、圧電デバイス１内の電流監視回路３０がＰ−Ｅヒステリシスを測定した際に得られた２つの抗電界の大小を確認し、実施例１とは逆に、２つのうち絶対値の小さい抗電界をＥｃ＋とし、Ｅｃ＋の印加方向を正の電界方向とする設定とし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例３）
実施例２と同様の圧電デバイス１において、電流監視回路３０より得られた上下限値Ｅｌｌ、Ｅｕｌに基づいて、Ｅｍｉｎ、ＥｍａｘをそれぞれＥｃ＋の５倍以上、Ｅｃ＋の５０倍以下に制限する設定とし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例４）
圧電体層８２の成膜温度を８００℃とした以外は、実施例１と同様に実施例４の圧電デバイス１を構成し、実施例１と同様に圧電定数を求めた。この圧電体層８２（ＫＮＮ２）のＥｃ−、Ｅｃ＋、γ、Ｅｕｌはそれぞれ０．６７ｋＶ／ｍｍ、１．２６ｋＶ／ｍｍ、０．０８５、６５ｋＶ／ｍｍであった。

（実施例５）
実施例４と同様の圧電素子８０を用いて、実施例５の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の電流監視回路３０の設定は実施例２と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例６）
実施例４と同様の圧電素子８０を用いて、実施例６の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の駆動回路２０の設定は実施例３と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（比較例２）
実施例４と同様の圧電素子８０を用いて、比較例２の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の電流監視回路３０の設定は比較例１−３と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例７）
圧電体層８２の材料を（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３とした以外は、実施例１と同様に実施例７の圧電デバイス１を構成し、実施例１と同様に圧電定数を求めた。この圧電体層８２（ＢＮＴ）のＥｃ−、Ｅｃ＋、γ、Ｅｕｌはそれぞれ０．２５ｋＶ／ｍｍ、０．５３ｋＶ／ｍｍ、０．０８１、６０ｋＶ／ｍｍであった。

（実施例８）
実施例７と同様の圧電素子８０を用いて、実施例８の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の電流監視回路３０の設定は実施例２と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例９）
実施例７と同様の圧電素子８０を用いて、実施例９の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の駆動回路２０の設定は実施例３と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（比較例３）
実施例７と同様の圧電素子８０を用いて、比較例３の圧電デバイス１を構成した。このときの圧電デバイス１内の駆動回路２０の設定は比較例１−３と同様にし、実施例１と同様に圧電定数を求めた。

（実施例１０〜１７）
圧電体層８２の材料を（Ｋ_０．５Ｎａ_０．５）ＮｂＯ_３、成膜温度を７００℃で成膜を行い、膜厚を変更した。このときの圧電体層８２（ＫＮＮ３）の膜厚はそれぞれ１．０μｍ、１．４μｍ、１．６μｍ、２．１μｍ、２．５μｍ、２．９μｍ、３．１μｍ、３．５μｍであった。圧電体層８２以外は、実施例３と同様に実施例１０〜１７の圧電デバイス１を構成し、実施例１と同様に圧電定数を求めた。この圧電体層８２のＥｃ−、Ｅｃ＋、γ、Ｅｕｌはそれぞれ約０．８ｋＶ／ｍｍ、０．４ｋＶ／ｍｍ、０．０８８、１００ｋＶ／ｍｍであった。

比較例１−１〜１−３、２、３及び実施例１〜１７に用いた圧電素子のＰｍ’、Ｐｒ’、（Ｐｍ’−Ｐｒ’）／０．１、Ｅｃ−、Ｅｃ＋、５Ｅｃ＋、５０Ｅｃ＋圧電体層の膜厚ｔと圧電素子の電流監視回路から得られたＥｌｌ、Ｅｕｌ、駆動回路から得られたＥｍｉｎ、Ｅｍａｘおよび圧電定数−ｄ３１の測定結果を表１に示す。

駆動回路２０にて駆動電界を所定の値に制御した実施例１〜１７の圧電デバイス１は、この要件を備えない比較例１−１〜１−３、２、３の圧電デバイスよりも大きい圧電定数が得られた。これにより、本発明に係わる圧電デバイス１は、変位が電界に対してより効率良く得られる範囲で駆動していることが確認された。

抗電界の絶対値の小さい値を取る方向に正の電界を、抗電界の絶対値の大きい値を取る方向に負の電界を印加する手段を有する実施例２、３、５、６、８、９〜１７の圧電デバイス１は、実施例１、４、７の圧電デバイス１よりも大きい圧電定数が得られた。これにより、これらの圧電デバイスは圧電素子の変位量がさらに大きい電界範囲で駆動していることが確認され、これは、結晶粒子のドメイン内の電気双極子の回転に起因した変位がより多く得られるためであると思われる。

Ｅｃ＋の５倍以上の駆動電界の最小値Ｅｍｉｎと、Ｅｃ＋の５０倍以下の駆動電界の最大値Ｅｍａｘとを設定した実施例３、６、９〜１７の圧電デバイス１は、さらに大きい圧電定数が得られた。これにより、結晶粒子のドメイン内の電気双極子の回転に起因した変位によって、圧電素子の変位量がさらに大きい電界範囲で圧電デバイスが駆動していることが確認された。

実施例１０〜１７において圧電体層８２の膜厚を１．０μｍから増やしていくと圧電定数が大きくなり、２．５μｍを境に圧電定数が小さくなる傾向が見られた。これは、圧電体層８２の膜厚が増えるにつれて結晶性が向上し圧電定数は増加するが、２．５μｍ付近を境に第一電極層８１の結晶性が引き継げなくなり、異なる配向の結晶が増えていくためであろうと考えられる。

以上のように、駆動電界を適正な範囲に制御する回路を用いた圧電デバイスでは十分に大きな圧電定数を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施態様について説明したが、本発明は、上記の実施態様に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明に含まれることは言うまでもない。

例えば、上記の実施態様においては、駆動回路２０に加えて電流監視回路３０を設けたが、電流監視回路３０は必須ではない。即ち、圧電素子８０の好適な駆動電界範囲がプローブ測定等で確認できれば、電流監視回路３０がない構成でも、本発明の効果が奏される。その場合は、当然にスイッチ手段４０は不要となる。

また、上記の実施態様においては、駆動回路２０、外部電源５１を用いて圧電素子８０を動作させたが、圧電デバイスが有する他の電源を用いて圧電素子８０を動作させることも可能である。

１ 圧電デバイス
２００ ヘッドアセンブリ
３００ 圧電アクチュエータ
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. 圧電体層と該圧電体層を挟んで構成される電極層とを含む圧電素子と、
   前記電極層を介して前記圧電体層に交流の駆動電界を印加する駆動回路とを有する圧電デバイスであって、
   前記圧電体層は、分極が飽和するまで電界を印加した場合の分極率γが
   １×１０^−９ （Ｃ／（Ｖ・ｍ）） よりも小さく、
   前記駆動回路は、前記駆動電界の最小値が前記圧電体層の正の抗電界よりも大きくなるように設定する手段と、前記駆動電界の最大値が
   （Ｐｍ’（分極の最大値）−Ｐｒ’（準残留分極））／（１×１０^−９）
   よりも小さくなるように設定する手段と
   を有することを特徴とする圧電デバイス。
   ここで、分極率γ＝（Ｐｍ（飽和分極）−Ｐｒ（残留分極））／Ｅｄ（印加電界の最大値）
2. 前記圧電体層は正の電界側と負の電界側とにそれぞれ抗電界を有しており、前記駆動回路は、抗電界の絶対値の小さい値を取る方向に正の電界を、抗電界の絶対値の大きい値を取る方向に負の電界を印加する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記駆動回路は、前記駆動電界の最小値を前記圧電体層の正の抗電界の５倍以上とし、且つ前記駆動電界の最大値を前記圧電体層の正の抗電界の５０倍以下とする手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電デバイス。
4. 前記圧電素子の前記圧電体層がニオブ酸カリウムナトリウムからなることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の圧電デバイス。
5. 請求項１〜４いずれか一項に記載の圧電デバイスを用いた圧電アクチュエータ。
6. 請求項５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５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。