JP6578866B2

JP6578866B2 - 圧電薄膜、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、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ヘッド

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Publication number: JP6578866B2
Application number: JP2015196364A
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Inventors: 維子廣瀬; 大槻　史朗; 史朗大槻
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Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2019-09-25
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Description

本発明は、圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子、その圧電薄膜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ヘッドに関する。

近年、圧電材料の非鉛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）ＮｂＯ_３：ＫＮＮ）系材料を用いた高品質薄膜の作製および素子応用に関する研究開発が活発に行われている。ＫＮＮ系材料は非鉛圧電材料の中でも、高いキュリー温度を有し、かつ良好な圧電特性が得られるため、圧電薄膜素子への応用が期待されている。

圧電薄膜素子への応用として例えば、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圧電センサがあり、具体的には、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、ショックセンサ、マイクロフォンなどが挙げられる。一方、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、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ことで、素子の微細化が可能になり、応用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ある。

良好な圧電特性を得るためには、高品質な圧電薄膜が必須である。しかし、基板と圧電薄膜の熱膨張係数差から、加熱成膜時に圧電薄膜に反りが発生する場合があり、このような反りがある圧電薄膜を用いた素子は、連続駆動時に圧電特性が低下する恐れがある。

前記課題に対して、特許文献１に記載の技術では、ＫＮＮ系材料からなる圧電薄膜と基板の熱膨張係数差を考慮し、室温における反りが１０ｍ以上の曲率半径を有することで、連続駆動時の圧電特性の低下を抑制している。

特開２００９−１１７７８５号公報

それでもなお、特許文献１において、ＫＮＮ系材料からなる圧電薄膜を用いた素子作製プロセス時において、例えばマイクロクラックの発生などが潜在的なダメージとなり、素子を連続駆動する際、信頼性低下につながることが懸念される。

本発明は、前記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、加工プロセス時のダメージを抑制できる圧電薄膜、および、前記圧電薄膜を備えた高い信頼性有する圧電薄膜素子を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３を主成分とする圧電薄膜において、前記圧電薄膜の表面を所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記圧電薄膜の表面には、当該表面に沿って第１方向に向けて細長い形状を持つ複数の第１結晶と、前記表面に沿って前記第１方向に交差する第２方向に向けて細長い形状を持つ複数の第２結晶と、が配列してあることを特徴とする。

これにより、加工プロセス時のマイクロクラックの伸展などを含めたダメージが抑制できる。また、このような圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子は前記ダメージに起因する連続駆動時の疲労劣化を抑えることができ、結果的に高い信頼性を得ることができる。

本発明によれば、加工プロセス時のダメージを抑制できる圧電薄膜、および、前記圧電薄膜を用いた高い信頼性を備えた圧電薄膜素子、例えば、圧電アクチュエータ、圧電センサ、それを備えたハードディスクドライブ、インクジェットプリンタヘッドを提供することができる。

本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜素子の構成図である。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜表面の模式図である。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜表面の模式図である。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜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に搭載されたヘッドアセンブリの構成図である。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜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。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜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）である。図４ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜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。本発明の一実施形態に係わる圧電薄膜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。本発明の一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。本発明の一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。

（圧電薄膜素子）
図１に本実施形態に係る圧電薄膜素子の層構成の一例を示す。圧電薄膜素子１００は、基板１と、下部電極層２と、下部電極層２上に形成された圧電薄膜３と、圧電薄膜３上に形成された上部電極層４とを備える。すなわち、圧電薄膜素子１００は、圧電薄膜３を挟む一対の電極層を含んだ構造となっている。

基板１に用いる材料としては、例えば、単結晶シリコン基板、ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板、石英ガラス基板、ＧａＡｓ等からなる化合物半導体基板、ステンレス等からなる金属基板、あるいはＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ_３基板等の酸化物単結晶基板が挙げられる。基板１の厚さは通常１０〜１０００μｍである。

基板１上に０．０５μｍ〜１．０μｍの膜厚を有する下部電極層２を形成する。下部電極層２の材料として、Ｐｔ（白金）、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）、Ｎｉ（ニッケル）等の金属材料、あるいはＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３等の導電性金属酸化物などが挙げられる。下部電極層２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。

圧電薄膜３は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物を主成分とし、例えば、スパッタリング法により形成することができる。膜厚は一例として、１μｍ〜１０μｍ程度とする。圧電薄膜３についての詳細は別途説明する。

最後に圧電薄膜３上に０．０５μｍ〜１．０μｍの膜厚を有する上部電極層４を形成する。上部電極層４の材料として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ等の金属材料、あるいはＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３等の導電性金属酸化物などが挙げられる。上部電極層４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。

圧電薄膜素子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。

圧電薄膜素子１００では下部電極層２、および上部電極層４のいずれか一方、あるいは両方と圧電薄膜３との間に中間層を備えてもよい。

フォトリソグラフィおよびドライエッチング法、ウェットエッチング法によりサイズは特に限定されないが、例えば２５ｍｍ×５ｍｍのサイズにパターニングした後、基板１を切断加工することで個片化した圧電薄膜素子１００を得ることができる。

ここで圧電薄膜３について説明をする。本実施形態の圧電薄膜は（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３を主成分とする。なお、主成分とは圧電薄膜３を構成する成分全体の７０ｗｔ％以上を指し、構成する元素の比率は任意とするが、Ｎａ／（Ｋ＋Ｎａ）≧０．５であることが望ましい。さらに、本実施形態の圧電薄膜は主成分の他にＴａ，Ｚｒ，Ｍｎのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。これら元素の添加効果として例えば、母組成のそれと比べて耐圧特性を向上させることができる。

本実施形態の圧電薄膜の表面模式図を図２Ａに示す。圧電薄膜表面１０は細長い形状を有した複数の結晶１０ａ、１０ｂが第１方向Ｄ１に配列しており、一方、同様に細長い形状を有した複数の結晶１０ｃ、１０ｄが第２方向Ｄ２に配列している。ここで第１方向Ｄ１を向いて細長い形状を持つ結晶を第１結晶、ならびに第２方向Ｄ２を向いて細長い形状を持つ結晶を第２結晶とする。なお、第１結晶と第２結晶は共に同種の結晶である。一方、第１方向Ｄ１とは薄膜表面方向に沿った任意の方向であり、第２方向Ｄ２は第１方向Ｄ１に「交差」の関係にある任意の方向を示すものとする。

ここで、本実施形態でいう「交差」について図２Ｂを用いて説明する。本実施形態では図２Ｂ（ａ）のように、第１方向Ｄ１に細長い形状を持つ複数の第１結晶と、第２方向Ｄ２に細長い形状を持つ複数の第２結晶とが略垂直に交わることを「交差」とする。略垂直とは第１方向と第２方向の成す角度が７５度以上１０５度以下の範囲を示す。結晶の交差または隣接した点において、例えば、加工プロセス時のマイクロクラックの伸展などのダメージを抑制できる。

本実施形態では、図２Ｂ（ｂ）のように複数存在する第２結晶が各々異なる角度で略垂直に第１結晶と交わっている場合、図２Ｂ（ｃ）のように第１結晶と第２結晶が略垂直に接する場合、図２Ｂ（ｄ）のように第１結晶と第２結晶が接していないが一方の結晶の長辺の延長線が他方の結晶に略垂直に交わる場合も全て「交差」とみなす。図２Ｂ（ｄ）の場合、第１結晶と第２結晶間は第１結晶の長辺の長さＹ１の平均値、もしくは第２結晶の長辺の長さＹ２の平均値以下の距離が好ましい。

この表面は、例えば走査型電子顕微鏡などのプローブ顕微鏡などを使って観察することができる。具体的には１０μｍ×１０μｍの視野で原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）を用いて圧電薄膜表面を観察する。

本実施形態において、圧電薄膜加工時のダメージが抑制できる理由として必ずしも明らかではないが、以下の通りに推測される。
一般に結晶と結晶の粒界においては、結晶格子のミスフィットなどで、その機械的強度が結晶粒内よりも低いため、クラックは粒界に沿って伸展しやすいことが知られている。従って、前記配列を有していることで、例えば、加工プロセスの際に圧電薄膜面内におけるマイクロクラックの伸展が制限され、潜在的なダメージが抑制できる。また、このような圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子は前記ダメージに起因する連続駆動時の疲労劣化を抑えることができ、結果的に高い信頼性を得ることができる。ただし、メカニズムはこれに限定されるものではない。

ＡＦＭに付随する画像ソフトを用いて、観察視野に含まれる第１結晶の短辺の長さＸ１と長辺の長さＹ１、および第２結晶の短辺の長さＸ２と長辺の長さＹ２を求め、第１結晶の短辺の長さＸ１を１としたときの長辺の長さＹ１の比率、および第２結晶の短辺の長さＸ２を１としたときの長辺の長さＹ２の比率を求める。すなわち第１結晶と第２結晶のアスペクト比Ｙ１／Ｘ１（第１アスペクト比）及びＹ２／Ｘ２（第２アスペクト比）の値を各々計算し、観察視野における第１結晶のアスペクト比Ｙ１／Ｘ１の平均値、及び第２結晶のアスペクト比Ｙ２／Ｘ２の平均値を算出するこのときアスペクト比Ｙ１／Ｘ１の平均値とＹ２／Ｘ２の平均値は共に２以上が好ましく、より好ましくは２以上１５以下の範囲である。これにより、加工プロセス時のダメージが抑制でき、圧電薄膜素子においても高い信頼性を得ることができる。

観察視野における第１結晶の短辺の長さＸ１、長辺の長さＹ１の平均値と第２結晶の短辺の長さＸ２、長辺の長さＹ２の平均値を各々算出する。なお、結晶の一部が観察視野に収まっていない結晶は平均値の計算に含まない。このとき長辺Ｙ１、Ｙ２の長さの平均値は共に２μｍ以下が好ましい。これにより、加工プロセス時のダメージが抑制でき、圧電薄膜素子においても高い信頼性を得ることができる。

さらに、圧電薄膜表面における第１結晶と第２結晶が観察視野に占める面積の合計を求め、合計面積割合Ｓを算出する。合計面積割合Ｓとは第１結晶と第２結晶の面積の合計を観察視野に収まるすべての結晶の面積の合計で割った値を百分率で表す。このとき合計面積割合Ｓは７０％以上が好ましい。これにより、加工プロセス時のダメージが抑制でき、圧電薄膜素子においても高い信頼性を得ることができる。

観察視野に含まれる圧電薄膜表面の第１結晶の数αと第２結晶の数βを求め、α／（α＋β）を算出する。なお、結晶の一部が観察視野に収まっていない結晶はαおよびβに含まない。このときα／（α＋β）は０．３以上０．７以下であることが好ましい。これにより例えば、加工プロセス時のダメージが抑制でき、圧電薄膜素子においても高い信頼性を得ることができる。

次に、本実施形態の圧電薄膜素子１００の製造方法について説明する。
まず、基板１として単結晶シリコン基板を準備する。次に、下部電極層２を基板１上にＰｔをスパッタリング法にて成膜する。続いて、圧電薄膜３には（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３で表される組成のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法によって成膜する。本実施形態の構造を形成するための方法の一例として、例えば、成膜途中での酸素濃度や基板温度を変更することによって達成することができる。。酸素濃度は０％〜２５％の範囲で、一方、基板温度は最高９００℃まで設定可能である。ただし、本発明は以上の実施形態の製造条件に限定されるものではない。このようにして得られた圧電薄膜３上に上部電極層４としてＰｔをスパッタリング法にて成膜する。以上のプロセスを経て、圧電薄膜素子１００が作製される。

（圧電薄膜の表面形状の観察）
ＡＦＭを用いて圧電薄膜３を１０μｍ×１０μｍの視野にて表面観察を行い、第１結晶と第２結晶を決定する。なお、角度の測定は画像編集ソフトで代表となる第１結晶と第２結晶のそれぞれの長辺Ｙに補助線を引き、その角度より求められる。

その後、画像解析ソフトを用いて観察視野に含まれる第１結晶の短辺Ｘ１の長さと長辺Ｙ１の長さ、および第２結晶の短辺Ｘ２の長さと長辺Ｙ２の長さを求め、第１結晶の短辺Ｘ１を１としたときの長辺Ｙ１の比率と第２結晶の短辺Ｘ２を１としたときの長辺Ｙ２の比率、すなわち第１結晶と第２結晶のアスペクト比Ｙ１／Ｘ１及びＹ２／Ｘ２の値を各々計算し、観察視野における結晶のアスペクト比のＹ１／Ｘ１平均値及びＹ２／Ｘ２の平均値を算出する。各々の平均値は観察視野含まれる任意の、かつ交差している第１結晶および第２結晶において５つのペアを対象とした。

観察視野における第１結晶の長辺Ｙ１の平均値と第２結晶の長辺Ｙ２の平均値を各々算出する。

さらに、圧電薄膜表面における第１結晶と第２結晶が観察視野に占める面積の合計を求め、合計面積割合を算出する。

観察視野に含まれる圧電薄膜表面の第１結晶の数αと第２結晶の数βを求め、α／（α＋β）を算出する。

上部電極層の形成以降にＫＮＮが最表面にでている領域を対象にしてＡＦＭによる表面観察を行っても良い。さらに、ＡＦＭ以外の装置を用いて表面観察を行っても良く、観察領域の面積は３μｍ×３μｍ以上であれば１０μｍ×１０μｍでなくても良いが、少なくとも１０以上の結晶が観察できる領域で行うとする。

以上のようにして得られた圧電薄膜素子１００は、加工プロセス時のダメージが少ない圧電薄膜を用いているため、特に駆動による負荷の大きい圧電アクチュエータ素子に適用しても高い信頼性のデバイスが得られる。以下、本実施形態の圧電薄膜素子を用いるのに適したデバイスについて例を挙げて説明する。

（圧電アクチュエータ）
図３Ａは、本実施形態に係わる圧電薄膜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の圧電薄膜素子１００、及びヘッド素子１９ａを備えたヘッドスライダ１９を備えている。

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の圧電薄膜素子１００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。ヘッドスライダ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の圧電薄膜素子１００の伸縮に伴って回転運動する。

第１及び第２の圧電薄膜素子１００は、下部電極層と、上部電極層と、この上部および下部電極層に挟まれた圧電薄膜とから構成されており、本実施形態に係わる圧電アクチュエータにおいては、この圧電薄膜素子の加工時に特性低下が起こらないため、より高い信頼性と十分な変位量を得ることができる。

図３Ｂは、圧電薄膜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り、圧電薄膜素子１００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２０上に、絶縁膜２３、下部電極層２４、圧電薄膜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圧電薄膜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、圧電薄膜２５に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電薄膜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。

本実施形態の圧電アクチュエータの圧電薄膜素子は作製時のダメージが抑制されるため、より高い信頼性と十分な変位量を得ることができる。

（圧電センサ）
図４Ａは、前記の圧電薄膜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、上述の圧電薄膜素子を構成する圧電薄膜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、圧電薄膜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）に全面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。

本実施形態の圧電センサに用いる圧電薄膜素子として、大きな変位量を持つ圧電薄膜素子を用いることで、消費電力を抑えることができ、高い信頼性と十分な検出感度を得ることができる。

図４Ｃは、前記の圧電薄膜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、圧電薄膜素子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。圧電薄膜素子４０は共通電極層４１と圧電薄膜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薄膜素子４０がたわみ、電圧測定器４７で電圧が検出される。

本実施形態の圧電センサに用いる圧電薄膜素子として、大きな変位量を持つ圧電素子を用いることで、高い耐電圧性と十分な検出感度を得ることができる。

図４Ｄは、前記の圧電薄膜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、圧力を受けたときに対応するための圧電薄膜素子５０を支える支持体５４と、電圧測定器５５とから構成されている。圧電薄膜素子５０は共通電極層５１と圧電薄膜５２と個別電極層５３とからなり、この順に支持体５４に積層されている。生体の脈を検出するには、脈波センサ６００の支持体５４の裏面（圧電薄膜素子が搭載されていない面）を生体の動脈上に当接させる。これにより生体の脈による圧力で支持体５４と圧電薄膜素子５０がたわみ、電圧測定器５５で電圧が検出される。

本実施形態の圧電センサに用いる圧電薄膜素子として、作製時のダメージが抑制されるため、より高い信頼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に用いられる圧電薄膜素子は圧電薄膜素子作製時のダメージが抑制されるため、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。

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薄膜素子作製時のダメージが抑制されるため、より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、前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。

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何ら限定されるものではない。

（実施例１）
まず、単結晶Ｓｉ基板上に下部電極層として、Ｐｔ電極層をスパッタリング法にて形成した。その時の成膜条件は、基板温度は４００℃、かつ膜厚は０．２μｍとした。

次に（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）ＮｂＯ_３のターゲットを用いＰｔ電極層上にスパッタリング法にて同組成の圧電薄膜を形成した。成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度Ｔ１を７２０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度７２０℃のまま１時間保持し、その後基板温度Ｔ２を８００℃に変更したのち膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。なお、成膜にはアルゴンと酸素の混合ガスを用い、このときの酸素濃度は１０％に固定した。

続いて、ＡＦＭ（日立ハイテクサイエンス社製）を用い、圧電薄膜表面上の任意場所において１０μｍ×１０μｍの観察視野で表面形状の観察を行った。

次にＡＦＭに付随する画像解析ソフトを用いて観察視野に含まれる第１結晶の短辺Ｘ１の長さと長辺Ｙ１の長さ、および第２結晶の短辺Ｘ２の長さと長辺Ｙ２の長さを求め、第１結晶の短辺Ｘ１を１としたときの長辺Ｙ１の比率と第２結晶の短辺Ｘ２を１としたときの長辺Ｙ２の比率、すなわち第１結晶と第２結晶のアスペクト比Ｙ１／Ｘ１及びＹ２／Ｘ２の値を各々計算し、観察視野における結晶のアスペクト比のＹ１／Ｘ１平均値及びＹ２／Ｘ２の平均値を算出する。各々の平均値は観察視野含まれる任意の、かつ交差している第１結晶および第２結晶において５つのペアを対象とした。

その後、圧電薄膜（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）ＮｂＯ_３上に上部電極層としてＰｔ電極層をスパッタリング法にて成膜した。その時の成膜条件は基板温度が５００℃、かつ膜厚は０．２μｍとした。

さらに、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、ダイシングにより切断し、可動部分寸法が２０ｍｍ×１．０ｍｍである圧電薄膜素子を作製した。

素子作製後、連続駆動試験として、製品となった場合に想定される駆動電圧の最大値５Ｖの正弦波を圧電薄膜素子の電極層に６ｋＨｚで１０億回印加した。電圧の印加にはファンクションジェネレータ（エヌエフ回路設計ブロック社製）を用いた。なお、連続駆動試験前にはＬＣＲメータ（ＧＷＩｎｓｔｅｋ社製）を用いてキャパシタンスを測定した。

連続駆動試験を行った後、再び圧電薄膜素子のキャパシタンス値を測定しキャパシタンスの変化率ΔＣを算出した。なお、キャパシタンスの変化率ΔＣは連続駆動試験前のキャパシタンス値をＣ１、連続駆動試験後のキャパシタンス値をＣ２としたときにΔＣ＝｛１−（Ｃ２／Ｃ１）｝×１００％より求めた。

比較例１、２及び実施例１〜１５の圧電薄膜素子の構成、作製プロセス及び評価方法は実施例１と同様とした。しかし、実施例２〜１１と比較例１，２は圧電薄膜の成膜時の基板加熱条件、実施例１２〜１５では更に成膜に用いたターゲットの組成が異なっている。よって以下、圧電薄膜の成膜条件の変更点のみ記載する。

（比較例１）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を８００℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め基板温度８００℃のまま１時間保持し、成膜温度を７００℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（比較例２）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を４８０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め基板温度４８０℃のまま１時間保持し、成膜温度を７００℃に変更した後再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例２）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を７００℃にて成膜を行った後、成膜を一度止めそのまま１時間保持し、その後成膜温度を７００℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例３）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を５２０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度５２０℃のまま１時間保持し、その後成膜温度を７００℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例４）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を５６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度５６０℃のまま１時間保持し、その後成膜温度を７００℃にしたのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例５）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を５６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度５６０℃のまま１時間保持し、成膜温度を６５０℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例６）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を５６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度５６０℃のまま１時間保持し、成膜温度を６００℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例７）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を７２０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度７２０℃のまま１時間保持し、成膜温度を５８０℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例８）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を６６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度６６０℃のまま１時間保持し、成膜温度を６２０℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例９）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を６６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度６６０℃のまま１時間保持し、成膜温度を６００℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例１０）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を６６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度６６０℃のまま１時間保持し、再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例１１）
成膜開始から膜厚０．３μｍまで基板温度を６６０℃にて成膜を行った後、成膜を一度止め、基板温度６６０℃のまま１時間保持し、成膜温度を６８０℃に変更したのち再び膜厚が２μｍに達するまで成膜を行った。

（実施例１２）
（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）（Ｎｂ_０．９Ｔａ_０．１）Ｏ_３のターゲットを用いて、実施例１と同様の成膜を行った。

（実施例１３）
（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）（Ｎｂ_０．９５Ｚｒ_０．０５）Ｏ_３のターゲットを用いて、実施例１と同様の成膜を行った。

（実施例１４）
主成分（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）ＮｂＯ_３に対して、ＭｎをＭｎＯ換算で０．３１質量％含有したターゲットを用いて、実施例１と同様の成膜を行った。

（実施例１５）
（主成分（Ｋ_０．４５Ｎａ_０．５５）（Ｎｂ_０．８５Ｔａ_０．１Ｚｒ_０．０５）Ｏ_３に対して、ＭｎをＭｎＯ換算で０．３１質量％含有したターゲットを用いてに仕込み時にＭｎＣＯ_３を０．５重量％添加したターゲットを用いて、実施例１と同様の成膜を行った。

実施例１〜１４及び比較例１、２の各々の連続駆動試験前後のキャパシタンスの変化率ΔＣと表面観察によって算出した第１結晶のアスペクト比Ｙ１／Ｘ１の平均値、および第２結晶のアスペクト比Ｙ２／Ｘ２の平均値を表１〜５に示す。

表１より、第１結晶と第２結晶が交差している圧電薄膜を圧電薄膜素子としたものは、キャパシタンスの変化率ΔＣの絶対値が２０％よりも小さい。また、この時、平均アスペクト比が２以上でキャパシタンスの変化率ΔＣが減少傾向に転じ、平均アスペクト比１５程度まで同程度に推移することを確認したが、平均アスペクト比が共に１６となった実施例３ではキャパシタンスの変化率ΔＣが増加したため、平均アスペクト比１５以下がより望ましいと考えられる。比較例１においては圧電薄膜表面が第１結晶と第２結晶が互いに略平行となっており、比較例２においても、微小なナノオーダーのグレインで構成されており、第１結晶と第２結晶を確認することはできなかった。比較例１，２において共に変化率ΔＣが大きかったことから、第１結晶と第２結晶が交差している圧電薄膜を用いた圧電薄膜素子において疲労劣化抑制、つまり高い信頼性につながる効果があったものと推測される。

表２より、第１結晶と第２結晶が交差している圧電薄膜において平均アスペクト比が同程度でも、第１結晶と第２結晶の長辺の長さの平均値が短いほど、変化率ΔＣが減少する傾向を確認し、最大５％台まで抑えることができた。長辺の長さの短いほうがより潜在的なクラックなどの伸展を抑える効果がより高く、結果、高い信頼性につながったものと推測される。

表３より、第１結晶と第２結晶が交差している圧電薄膜において平均アスペクト比が同等のものでも、観察視野内に第１結晶と第２結晶の合計面積割合Ｓが大きいほど、変化率ΔＣが減少した。この原因として本発明に該当しない異形状結晶の割合の増加は、異相の共存状態を示唆しており、これら異相により薄膜の機械的強度が落ちることが示唆される。従って、圧電薄膜素子としての疲労劣化がより進みやすかったと推測される。

表４より、第１結晶と第２結晶が交差している圧電薄膜において平均アスペクト比が近いものでも、第１結晶の数αと第２結晶の数βが１：１に近い程、キャパシタンスの変化率ΔＣが減少する傾向を示した。薄膜表面内において交差する第1結晶と第２結晶が均一にあるほどダメージの低減に寄与するものと推測される。

ターゲットの組成を変更した実施例１２〜１５では実施例１よりも、連続駆動試験によるキャパシタンスの変化率ΔＣが小さいことが確認された。これらの結果から成膜に使用したターゲットの組成をＫＮＮ主成分の範囲内で変更しても同様の効果が得られたことを確認した。

以上のように、圧電薄膜の表面状態を適正な状態に制御することにより圧電薄膜素子の高い信頼性に寄与できる。

１００圧電薄膜素子
１基板
２下部電極層
３圧電薄膜
４上部電極層
１０圧電薄膜表面
１０ａ〜１０ｄ結晶
Ｄ１第１方向
Ｄ２第２方向
２００ヘッドアセンブリ
９ベースプレート
１１ロードビーム
１１ｂ基端部
１１ｃ第１板バネ部分
１１ｄ第２板バネ部分
１１ｅ開口部
１１ｆビーム主部
１５フレキシブル基板
１７フレクシャ
１９ヘッドスライダ
１９ａヘッド素子
３００圧電アクチュエータ
２０基板
２１圧力室
２３絶縁膜
２４下部電極層
２５圧電薄膜
２６上部電極層
２７ノズル
４００ジャイロセンサ
１１０基板
１２０，１３０アーム
３０圧電薄膜
３１上部電極層
３１ａ，３１ｂ駆動電極層
３１ｃ，３１ｄ検出電極層
３２下部電極層
５００圧力センサ
４０圧電薄膜素子
４１共通電極層
４２圧電薄膜
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
６００脈波センサ
５０圧電薄膜素子
５１共通電極層
５２圧電薄膜
５３個別電極層
５４支持体
５５電圧測定器
７００ハードディスクドライブ
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ヘッドアセンブリ
８００インクジェットプリンタ装置
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
７４排出口
７５記録用紙
７６オートシートフィーダ（自動連続給紙機構）

Claims

（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３を主成分とする圧電薄膜において、前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記圧電薄膜の表面には、当該表面に沿って第１方向に向けて細長い形状を持つ複数の第１結晶と、前記表面に沿って前記第１方向に交差する第２方向に向けて細長い形状を持つ複数の第２結晶と、が配列してあり、前記第１結晶の長辺の長さ平均と前記第２結晶の長辺の長さ平均が共に２μｍ以下であることを特徴とする圧電薄膜。
前記第１結晶の短辺の長さに対する長辺の長さの比を示す第１アスペクト比の平均が２以上であり、前記第２結晶の短辺の長さに対する長辺の長さを示す第２アスペクト比の平均が２以上である請求項１に記載の圧電薄膜。
前記第１アスペクト比の平均と第２アスペクト比の平均が、共に２以上１５以下である請求項２に記載の圧電薄膜。
前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記第１結晶および第２結晶の占める合計面積割合が７０％以上である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電薄膜。
前記圧電薄膜の表面を、所定範囲の観察視野内で観察した場合に、前記第１結晶の数（α）と第２結晶の数（β）のうちのαの割合（α／（α＋β））が、０．３以上０．７以下である請求項１〜４のいずれかに記載の圧電薄膜。
前記圧電薄膜にさらにＴａ、Ｍｎ、Ｚｒのうち少なくとも１つを含む請求項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜。
請求項１〜６のいずれかに記載の圧電薄膜と該圧電薄膜を挟む一対の電極層を含む圧電薄膜素子。
請求項７の圧電薄膜素子を用いた圧電アクチュエータ。
請求項７の圧電薄膜素子を用いた圧電センサ。
請求項８の圧電アクチュエータを備えるインクジェットプリンタヘッド。
請求項８の圧電アクチュエータを備えるハードディスクドライブ。