JP6547418B2 - 圧電素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、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、圧電素子、その圧電素子を備え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し、特に圧電素子は圧電体層を用いた圧電素子に関する。

圧電材料の利用について、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ジャイロセンサ、ショックセンサなど、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。

圧電材料を使用するうえでの指標として、圧電定数であるｄ３１や、ｅ３１が挙げられる。これらの値の絶対値が大きいほど、良好な圧電効果、逆圧電効果を示すといわれている。

圧電材料は絶縁性が高いほど、信頼性が高まる傾向にある。絶縁性を示す指標として、リーク電流密度が挙げられる。リーク電流密度が低いほど、絶縁性は高いと言える。

また、既存の圧電材料にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に代表されるように、鉛を含んでいる場合が多い。環境問題の観点より、鉛を使用しない圧電材料の開発が求められている。

特開２０１１−１０９０３７号公報 特開２００９−２００４６８号公報

Ｓ．Ｈ．Ｂａｅｋ ｅｔ ａｌ．： Ｓｃｉｅｎｃｅ ３３４（２０１１）９５８ Ｘ．Ｗｕ ｅｔ ａｌ． ： Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ３６７（２００８）６１

非特許文献１では、ＳｒＲｕＯ_３薄膜上に鉛系圧電材料Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３ （ＰＭＮ−ＰＴ）を薄膜化し、良好な圧電性が得られるという報告がある。しかし、環境への配慮から、鉛を含まない材料を利用することが実用上好ましい。

特許文献１では、非鉛系圧電材料ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ_３（以下、ＫＮＮともいう））薄膜のリーク電流密度を抑え、良好な圧電特性を得たという報告がある。しかしながら、電極界面との結晶性の乱れにより、生産性、歩留りの低下が懸念される。

特許文献２では、ＫＮＮ薄膜で良好な圧電特性をえるため、（００１）面方位の配向率を８０％以上することで、印加電界３０ｋＶ／ｃｍでの圧電定数｜ｄ３１｜≧８０ｐｍ／Ｖが得られると報告がある。しかし、ＫＮＮが本来もっている単位格子の自発分極の向きと、印加電圧方向とが平行でないため、ドメインの動きによる信頼性の低下やリーク電流の増加が懸念される。

非特許文献２では、（１１１）方位に配向したＰｔ膜上に、ＭＯＤ法を用いて（１１０）配向強度の強いＫＮＮ薄膜を成膜した報告がある。しかし、（００１）面の回折強度が大きいため、結晶の乱れによるリーク電流の増加が懸念される。

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であって、生産性が高く、リーク電流密度を小さい圧電素子を提供することを目的とするものである。

圧電素子のリーク電流密度が小さいということは、信頼性が高まるということなので、圧電効果を用いた圧電素子の場合には、故障が起きにくいセンサ等の用途に応用でき、逆圧電効果を用いた圧電素子の場合でも、耐久性の高い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、下部電極と、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層と、上部電極とを有する圧電素子であって、前記圧電体層は前記下部電極と前記上部電極との間に存在し、前記圧電体層は、Ｘ線回折パターン（２θ／θ）における回折ピークの２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある回折ピークの強度で割った値が０以上０．０４以下であることを特徴とする圧電素子である。
圧電素子は、基板と、基板上に設けられた酸化物層と、酸化物層上に設けられた下部電極と、下部電極上に形成された圧電体層、とを備えてよい。
酸化物層は、ＺｒＯ _２ 、Ｙ _２ Ｏ _３ 、ＭｇＯ、ＳｉＯ _２ 、ＬａＮｉＯ _３ 、ＳｒＲｕＯ _３ 、ＢａＴｉＯ _３ 及びＳｒＴｉＯ _３ からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。
圧電素子は、基板と、基板上に設けられた下部電極と、下部電極上に形成された圧電体層、とを備えてもよい。
基板は、（１００）面方位又は（１１０）面方位を有してよい。
基板は、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ _３ 基板又はＬａＡｌＯ _３ 基板であってよい。

ニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層のＸ線回折パターン（２θ／θ）における回折ピークは、２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にあるピークを疑似立方晶における{００１}面による回折ピーク、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にあるピークを疑似立方晶における{１１０}面による回折ピークとした。ピークの同定には以下の式で表わされるブラックの回折条件を参考にした。
２ｄｓｉｎθ＝ｎλ
ここで、ｄ：格子面間隔、θ：入射Ｘ線と格子面のなす角度、λ：入射Ｘ線の波長(０．１５４１８ｎｍ)、ｎ：整数 である。

ここで、｛００１｝面とは、（００１）面、（０１０）面、（１００）面の何れかを指す。同様に｛１１０｝面は、(１１０)面、（１０１）面、（０１１）面の何れかを指す。

本発明に係る圧電素子の圧電体層において、｛００１｝面による回折強度が小さいほど、下部電極の格子による拘束により起こる圧電体層のリーク電流が低減されて、信頼性の高い良好な圧電特性を得ることができる。

また、｛１１０｝優先配向になると、圧電体層の単位格子の自発分極の向きである｛１１０｝方向と平行に電界を印加することができる。それにより、電圧印加によるドメインや結晶粒の動きが低減され、リーク電流低下が起き、信頼性の高い良好な圧電特性を得ることができる。

圧電体層において、Ｘ線回折パターン（２θ／θ）における回折ピークの２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある｛００１｝面による回折ピークの強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある｛１１０｝面による回折ピークの強度で割った値が０．０４を超えると、下部電極の格子定数と圧電体層の格子とのミスフィット増大により、圧電体層の応力が増大し、圧電体層にクラックが入るおそれがある。また、圧電体層の単位格子の自発分極の向きと印加される電界の向きとが平行でないため、ドメインや結晶粒の動きが増大し、リーク電流の増大につながり、信頼性の低下を招く。

なお、本発明に係る圧電素子の圧電体層において、Ｘ線回折パターン（２θ／θ）における回折ピークの２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある｛１１０｝面による回折ピークの強度で割った値には下限はなく、０に近い、即ち圧電体層が｛１１０｝面による回折ピークを示す格子のみからなることが好ましい。

また、本発明に係る圧電素子では、前記下部電極は、｛００１｝面配向している導電性物質からなり、前記圧電体層に接していることができる。この構成とすることにより、圧電体層と下部電極との界面に起こるストレスが軽減され、圧電素子の信頼性向上につながる。ここで、導電性物質とはＰｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｉｒ（イリジウム）、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｐｔ_０．８Ｉｒ_０．２が挙げられる。

その中でも、下部電極は導電性物質として白金を用いることが望ましい。このことにより、圧電体層に効率よく電界を印加することができる。

また、この圧電体層は、種々の目的に応じてＬｉ（リチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）、から選ばれる少なくとも１種類以上の添加物を含んでも良い。

一般に、配向性の高い圧電体層を形成するには、圧電体層の形成に先だって、配向制御層を形成しておくことが有効であるとされているが、本発明に係る圧電素子における圧電体層の形成においては、圧電体層の配向を制御するための配向制御層を用いなくても配向性が高く、優れた圧電特性を示す圧電体層が得られるため、工程の簡略化、材料費の削減をすることができる。

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、圧電特性や信頼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圧電特性や信頼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素子における圧電体層と下部電極とに対するＸ線回折パターン（２θ／θ）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。 本発明に係わる圧電センサの構造図である。 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。

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上に設けられた酸化物層６と下部電極８と、下部電極８上に形成された圧電体層１０と上部電極１４とを備える。

基板４には、シリコン基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板など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。

酸化物層６にはＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＹＳＺ（７ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３等を用いることができる。酸化物層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。酸化物層６は、一例として、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有する。基板４にＭｇＯ基板やＳｒＴｉＯ_３基板などの酸化物基板を用いた場合、酸化物層６は用いなくてもよい場合もある。

下部電極８として可能な材料としては、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｉｒ（イリジウム）、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｐｔ_０．８Ｉｒ_０．２等から選ばれる１つもしくは複数の組み合わせが挙げられる。下部電極８は、スパッタリング法、真空蒸着法などにより形成することができる。例えばＰｔを用いる場合、{００1}面方位に配向されたＰｔ電極を得ることができる。下部電極８は、一例として、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。

下部電極８には、酸素プラズマを用いたアッシングや、アルゴンプラズマを用いたエッチング等の表面処理を加えることができる。これにより、下部電極８の表面状態が変化し、良好な圧電体層１０を形成することができる。

圧電体層１０は一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウムからなり、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。

この圧電体層１０は、Ｌｉ（リチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）、から選ばれる少なくとも１種類以上の添加物を含んでも良い。これにより、素子の圧電特性をさらに高めることができる。

圧電体層１０の膜厚は、特に限定されず、例えば、０．５〜１０μｍ程度とすることができる。

この圧電体層１０についてＸ線回折パターン（２θ／θ）測定を行うと、２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある疑似立方晶における（００１）面による回折ピークの強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある疑似立方晶における｛１１０｝面による回折ピークの強度で割った値が０．０４以下であり、これは、圧電体層１０が｛１１０｝面方位に優先配向していることを示している。その結果の一例として、本発明に係わる圧電素子１００における圧電体層１０と下部電極８とに対するＸ線回折パターン（２θ／θ）を図２に示す。図２において、２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある（１１０）面による回折ピークの強度で割った値は０．００６４であった。

図２において、４６．１°≦２θ≦４６．７°の範囲にあるピークはＰｔ（白金）の（００２）面によるものである。これは、白金は｛００１｝面に配向していることを示している。

圧電体層１０の配向性を確認する他の方法としては、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）やＥＢＳＤ（電子線後方散乱回折法）を用いて、サンプルの電子線回折像を見る方法などが挙げられる。

上部電極１４は、一例として、Ｐｔから形成される。上部電極１４は、一例として、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。また、上部電極１４として、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）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。上部電極１４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。

上部電極１４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、基板４を切断加工することで、例えば可動部分寸法が５ｍｍ×１５ｍｍである圧電素子１００を得ることができる。

なお、圧電素子１００から基板４及び／又は酸化物層６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、信頼性をより高めることができる。

（圧電アクチュエータ）
図３Ａ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、下部電極と、上部電極と、この下部電極および上部電極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素子として、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、信頼性が高めることができる。

図３B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２４、圧電体層２５および上部電極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２４と上部電極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２４と上部電極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素子として、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで信頼性が高めることができる。

（圧電センサ）
図４Ａ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４Ｂは図４Ａ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３１、及び下部電極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振動方向に垂直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素子として、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、安定した検出感度を得ることができる。

図４Ｃ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素子として、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、安定した検出感度を得ることができる。

図４Ｄ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。

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、基材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の基材裏面（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素子として、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、高い信頼性と安定した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５は、図３Ａ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に対向するようにヘッドスライダ１９が取り付けられている（図３Ａ参照）。

ヘッドアセンブリ６５は、ヘッド素子１９ａ（図３Ａ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に用いられる圧電素子において、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、高い信頼性と安定した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３Ｂ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。

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圧電素子において、リーク電流密度が小さい圧電素子を用いることで、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。

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アプリケーション、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アプリケーションに用いることができるが、逆圧電効果を利用したアプリケーションに特に好適である。

以上、本発明の圧電素子などの好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。圧電性の下位概念である強誘電性を用いて使用したアプリケーションも、本発明の圧電素子に含まれる。

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。

（圧電素子の作製と配向性測定）
（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。

（１００）面方位を有する直径３インチのシリコンウエハ（基板４）を真空蒸着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、酸化物層６として、ＹＳＺ（７ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）、下部電極８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度はＹＳＺのときは９００℃、Ｐｔのときは７００℃とした。酸化物層６の厚さは１０ｎｍ、下部電極８の厚さは２００ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：Ｘ線回折）測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定は、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、Ｐｔが{００１}面方位に配向していることを確認した。

続いて、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、１回目は２０Ｗ、２回目は１００Ｗ、３回目は２０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。そして、酸素プラズマで下部電極８の表面に６０秒間アッシングを施した。

続いて、基体を複数の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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとしてはＭｎ（マンガン）を１ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。

圧電体層１０を成膜後、圧電体層１０の面直方向の配向性を確認するためにＸＲＤ測定を行った。結果は図２に示したようなＸＲＤパターンとなり、本実施例では、２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°の範囲にある{００１}面による回折ピークの強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある{１１０}面による回折ピークの強度で割った値が０．００６４であり、０．０４以下であることが示された。なお、図２において、４６．１°≦２θ≦４６．７°の範囲にあるピークはＰｔ（白金）の（００２）面によるものである。これは、白金は｛００１｝面に配向していることを示している。

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、上部電極１４としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は２００℃、上部電極１４の厚さは２００ｎｍとした。

上部電極１４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×１５ｍｍである圧電素子１００を得た。

（実施例２）
実施例１において、下部電極を成膜後、アッシングやエッチングを施さずに、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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとしてはＭｎを０．８ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層の配向性の確認、圧電素子の作製は、実施例１と同様に行った。

（実施例３）
（１００）面方位を有する、サイズ１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍのＭｇＯ基板（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、下部電極８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は７００℃で成膜をした。下部電極８の厚さは２００ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定とは、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、Ｐｔが（００２）面方位に配向していることを確認した。これは、白金が{００１}面に配向していることを示している。

続いて、基体表面に酸素プラズマで６０秒間アッシングを施した。その後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は２０Ｗ、２回目は５０Ｗ、３回目は２０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。そして、再度酸素プラズマで６０秒間アッシングを施した。

続いて、基体を複数の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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを１ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層１０の配向性の確認、圧電素子１００の作製は、実施例１と同様に行った。

（実施例４）
（１１０）面方位を有する、サイズ１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍのＭｇＯ基板（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、下部電極８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は７００℃で成膜をした。下部電極８の厚さは２００ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定とは、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、Ｐｔが｛１１０｝面方位に配向していることを確認した。

その後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は５０Ｗ、２回目は５５Ｗ、３回目は５０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。

続いて、基体を複数の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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを１ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層１０の配向性の確認、圧電素子１００の作製は、実施例１と同様に行った。

（実施例５）
（１００）面方位を有する、サイズ１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍのＬａＡｌＯ_３基板（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、下部電極８としてＬａＮｉＯ_３を成膜した。成膜時の基体温度は７００℃で成膜をした。下部電極８の厚さは１２０ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定は、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、下部電極８は{００１}面に配向していることを確認した。

続いて、基体表面に酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した。その後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は１００Ｗ、２回目は４０Ｗ、３回目は１０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。そして、再度酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した。

圧電体層１０として、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．５ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は７５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層１０の配向性の確認、圧電素子１００の作製は、実施例１と同様に行った。

（実施例６）
熱酸化膜（ＳｉＯ_２：酸化物層６）付きの直径３インチのシリコンウエハ（基板４）を真空蒸着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、下部電極８としてＮｉを成膜した。成膜時の基体温度は５００℃とした。下部電極８の厚さは１００ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定は、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、Ｎｉは配向性を有しないことを確認した。

続いて、基体表面に酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した。その後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は２０Ｗ、２回目は１０Ｗ、３回目は２５Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。そして、再度酸素プラズマで６０秒間アッシングを施した。

続いて、基体を複数の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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを１ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層１０の配向性の確認、圧電素子１００の作製は、実施例１と同様に行った。

（実施例７）
熱酸化膜（ＳｉＯ_２：酸化物層６）付きの直径３インチのシリコンウエハ（基板４）を真空蒸着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、下部電極８としてＰｔを成膜した。成膜時の基体温度は７００℃とした。下部電極８の厚さは２００ｎｍとした。

下部電極８を成膜後、下部電極８の面直方向の配向性を確認するためにｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定を行った。ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ＸＲＤ測定は、試料表面に対して平行な格子面を測定する対称反射測定（２θ／θ測定）と、表面に斜交する格子面を測定する非対称反射測定に分けられる。本実施例においては、２θ／θ測定を行った。２θ／θ測定の結果より、下部電極８は（１１１）面に配向をしていることが確認された。

続いて、基体表面に酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した。その後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極８の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は１０Ｗ、２回目は７５Ｗ、３回は９０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。そして、再度酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した。

続いて、基体を複数の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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．７ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層１０の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層１０の配向性の確認、圧電素子１００の作製は、実施例１と同様に行った。

（比較例１）
実施例４において、下部電極を成膜後、酸素プラズマによるアッシングを６０秒間施した後、アルゴンイオンを用いたエッチングを行わなかった。

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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとしては、Ｍｎを０．１ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層の配向性の確認、圧電素子の作製は、実施例１と同様に行った。

（比較例２）
実施例６において、下部電極を成膜後、アッシングを施さずに、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極の表面を３回エッチングした。このときのアルゴンガスを電離させるための電力は、１回目５０Ｗ、２回目１０Ｗ、３回目５０Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。その後も、酸素プラズマによる下部電極の表面にアッシングは施さなかった。

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、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとしては、添加物を含まないニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層の配向性の確認、圧電素子の作製は、実施例１と同様に行った。

（比較例３）
実施例７において、基体表面に酸素プラズマでアッシングを６０秒間施した後、基体をエッチングチャンバーに移し、アルゴンイオンで下部電極の表面を３回エッチングした。このときアルゴンガスを電離させるための電力は、1回目は５０Ｗ、２回目は５５Ｗ、３回は４５Ｗとした。エッチング時間は、１回目、２回目、３回目とも、２５秒とした。

続いて、基体を複数の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、圧電体層として、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．７ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層の配向性の確認、圧電素子の作製は、実施例１と同様に行った。

（比較例４）
実施例７において、基体表面に酸素プラズマでのアッシングや、アルゴンイオンによるエッチングは行わずに、基体を複数の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、圧電体層として、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットとして、Ｍｎを０．７ｍｏｌ％含むニオブ酸カリウムナトリウム焼結体を用いた。成膜時の基体温度は９５０℃、圧電体層の厚さは３２００ｎｍとした。圧電体層の配向性の確認、圧電素子の作製は、実施例１と同様に行った。

（圧電素子の評価）
実施例１〜７、および比較例１〜４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１５Vとし、測定で得られたリーク電流密度を表１に示す。ここで、実施例３における（１００）面方位を有するＭｇＯ基板はＡ−ＭｇＯと表記し、実施例４における（１１０）面方位を有するＭｇＯ基板はＢ−ＭｇＯと表記している。

比較例１〜４に比べ、実施例１〜７の圧電体層結晶方位比率｛００１｝／｛１１０｝の値が小さく、それに伴い、リーク電流密度が低減したことが確認できた。

実施例１〜３、５と実施例４、６、７との比較より、下部電極８が｛００１｝面方位になると、リーク電流密度がより小さくなることが確認できた。

また、実施例１〜３と実施例５との比較により、｛００１｝面方位に配向している下部電極がＰｔになると、よりリーク電流密度が小さくなることが確認できた。

１００ 圧電素子
４ 基板
６ 酸化物層
８ 下部電極
１０ 圧電体層１０
１４ 上部電極
２００ ヘッドアセンブリ
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 (14)

1. 下部電極と、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型化合物であるニオブ酸カリウムナトリウムからなる圧電体層と、上部電極とを有する圧電素子であって、
   前記圧電体層は前記下部電極と前記上部電極との間に存在し、
   前記圧電体層は、Ｘ線回折パターン（２θ／θ）における回折ピークの２θの角度が２１．１°≦２θ≦２３．４°範囲にある強度の最大値を、３０．１°≦２θ≦３３．３°の範囲にある回折ピークの強度で割った値が０以上０．０４以下であることを特徴とする圧電素子。
2. 基板と、前記基板上に設けられた酸化物層と、前記酸化物層上に設けられた前記下部電極と、前記下部電極上に形成された前記圧電体層、とを備える、
   請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記酸化物層は、ＺｒＯ _２ 、Ｙ _２ Ｏ _３ 、ＭｇＯ、ＳｉＯ _２ 、ＬａＮｉＯ _３ 、ＳｒＲｕＯ _３ 、ＢａＴｉＯ _３ 及びＳｒＴｉＯ _３ からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、
   請求項２に記載の圧電素子。
4. 基板と、前記基板上に設けられた前記下部電極と、前記下部電極上に形成された前記圧電体層、とを備える、
   請求項１に記載の圧電素子。
5. 前記基板は、（１００）面方位又は（１１０）面方位を有する、
   請求項２〜４のいずれか一項に記載の圧電素子。
6. 前記基板は、Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ _３ 基板又はＬａＡｌＯ _３ 基板である、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
7. 前記圧電体層は、Ｌｉ、Ｔａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｓｂ及びＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種類の添加物を含む、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電素子。
8. 前記下部電極は｛００１｝面方位に配向した導電性物質からなり、前記圧電体層と接していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電素子。
9. 前記下部電極が、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ _３ 及びＬａＮｉＯ _３ からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性物質からなる、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電素子。
10. 前記導電性物質が、Ｐｔであることを特徴とする請求項８に記載の圧電素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧電素子を用いた圧電アクチュエータ。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧電素子を用いた圧電センサ。
13. 請求項１１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。
14. 請求項１１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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