压电体层、压电元件、压电致动器、压电传感器、硬盘驱动器以及喷墨打印装置

摘要

本发明的目的在于提供一种能够进一步提高压电常数的铌酸钾钠压电体层。一种压电体层，其特征在于：在由通式ABO

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电体层、压电元件、使用了该压电元件的压电 致动器以及压电传感器、具备该压电致动器的硬盘驱动器以及喷墨打 印装置。

背景技术

近年来，在对压电材料的无铅化的要求不断提高的形势下，铌酸 钾钠[(K、Na)NbO₃(以下也称为KNN)]的研究逐渐兴起。KNN即使 在无铅压电材料中也能够获得比较高的居里温度和良好的压电特性， 备受关注。

关于压电材料的利用，替代块体压电材料而使用了薄膜压电材料 的压电元件的实用化在不断发展。作为一个例子可以列举利用了将施 加于压电体层的力转换成电压的压电效应的陀螺仪传感器(gyro sensor)和震动传感器(shocksensor)等、或者利用了在将电压施加于 压电体层时压电体层发生变形的逆压电效应的致动器(actuator)、喷墨 头、扬声器、蜂鸣器、共鸣器(resonator)等。

如果将压电材料薄膜化，则元件的小型化成为可能，能够应用的 领域变宽，并且由于能够在基板上一次性做多个元件所以量产性增加。 另外，做成传感器的情况下的灵敏度的提高等性能方面的优点也很多。

作为使用压电材料上的指标，可以列举作为压电常数的d₃₁或e31。 这些值的绝对值越大则说明显示越良好的压电效应、逆压电效应。

另外，现有的压电材料中正如以锆钛酸铅(PZT)为代表的一样， 含铅的情况较多。从环境问题的观点出发，要求开发不使用铅的压电 材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2009-295786号公报

专利文献2：日本专利特开2010-070394号公报

非专利文献

非专利文献1：M.A.Rafigetal.:AppliedPhisicsLetters 104(2014)011902

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，由KNN构成的压电体层比使用了含铅的材料的压电体层压 电常数低，存在在用于压电元件的时候难以获得大的位移的问题。

如果压电常数低，则为了获得大的位移需要高电压，并且还会产 生绝缘破坏或连续驱动时的可靠性降低的技术问题。

在专利文献1所记载的技术中，通过将KNN薄膜的面外方向晶格 常数c与面内方向晶格常数a之比控制在0.0980≤c/a≤1.0100的范围 内从而就能够改善压电常数。但是该技术由于是通过对薄膜应力的控 制来控制晶格常数，所以其值容易受到成膜条件或膜厚的影响，并且 再现性差。

在专利文献2所记载的技术中，对于具有将铅作为主成分的钙钛 矿型晶体结构的氧化膜进行显微拉曼光谱分析，测定施加电场情况下 与不施加电场情况下的拉曼光谱，通过将拉曼光谱的峰值漂移(peak shift)量控制在2.2cm^-1以下从而就能够缓和应力。可是，在不含铅的 KNN的情况下即便关注拉曼光谱的峰值漂移量也不能够获得充分的特 性。

在非专利文献1所记载的技术中，一边使单斜晶系的KNN单晶体 旋转一边进行偏振拉曼测定，偏振拉曼测定(yx)以及偏振拉曼测定 (yy)显示根据样品的旋转角度而具有周期性。但是，以薄膜制得的 KNN膜通常是多晶体，难以制造接近单晶体的KNN膜。另外，在从 单晶体制作元件的情况下，由于难以一次性制作多个元件，因此量产 性差。

本发明是鉴于上述现有技术所存在的技术问题而完成的发明，其 目的在于提供一种进一步提高了压电常数的压电体层。

由于所谓获得大的位移量就是指具有高的压电常数，所以在使用 压电效应的元件的情况下能够应用于灵敏度高的传感器等的用途，在 使用了逆压电效应的元件的情况下，能够应用于以低电压获得大振动 的高效的致动器等的用途。

解决技术问题的手段

为了达到上述目的，本发明所涉及的压电体层的特征为：在由通 式ABO₃所表示的钙钛矿型化合物的铌酸钾钠构成的压电体层中，在一 边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的上述压电体层的拉曼测定 中，在一边在面内方向旋转样品一边进行偏振拉曼测定(yx)所得到 的拉曼光谱中，上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度具有 大致每90°的周期性，其中，偏振拉曼测定(yx)是通过将拉曼散射 光在与入射光垂直的方向偏振而测定的。

压电体层的在拉曼测定中的晶格振动区域的测定强度具有大致每 90°的周期性的结果意味着晶格在面方向上进行了匹配，由此，压电 体层的压电常数提高，特别是向面内方向的位移变大。

在压电体层的膜厚方向上施加电压的情况下的面方向的伸缩举动 由于施加电场的方向与极化方向不平行，所以不仅有助于由压电效应 引起的晶格畸变，还有助于畴壁(domainwall)的活动。通过在面方 向对压电体层的晶体结构进行匹配从而能够使畴壁的朝向一致，与具 有面内非对称的晶体结构的压电体层相比，能够有效地增加位移量。

进一步，在上述压电体层的拉曼测定中，一边在面内方向旋转样 品一边进行偏振拉曼测定(yy)以及偏振拉曼测定(yx)所获得的拉 曼光谱中，上述钙钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度中，上述 偏振拉曼测定(yy)和上述偏振拉曼测定(yx)都具有大致每90°的 周期性，并且能够使得上述偏振拉曼测定(yy)与上述偏振拉曼测定 (yx)的上述测定强度的周期错开大约45°，其中，上述偏振拉曼测 定(yy)通过将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的；上 述偏振拉曼测定(yx)是通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏 振而测定的。这样通过不仅在通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方 向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)上，而且在将拉曼散射光在与入 射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy)上都具有周期性， 从而可以进一步提高晶格的匹配性，并且能够进一步提高压电特性。

拉曼测定中能够获得多个颗粒的晶格的短程序的信息，与获得晶 格的长周期性信息的X线衍射测定有所不同。压电体的极化轴与压电 特性中有着密切的关系，拉曼光谱的周期性与压电体层的压电特性有 着密切的关系。

本发明所涉及的压电体层由上述压电体层的上述偏振拉曼测定 (yx)获得的拉曼光谱在550cm^-1附近以及610cm^-1附近分别具有(1 个以上的)峰，以(550cm^-1附近的峰的测定强度)/(610cm^-1附近的 峰的测定强度)表示的强度比具有大致90°的周期性，也能够将上述 强度比的最大值与最小值之差控制在0.3以上且3.0以下。550cm^-1附 近的峰和610cm^-1附近的峰都相当于钙钛矿型化合物的伸缩振动，特别 是610cm^-1附近的峰相当于全对称伸缩振动。这些伸缩振动的峰强度比 具有角度依存性，并且通过在强度比上有差值，从而能够提高晶格的 匹配性，并且通过使极化轴一致从而能够进一步提高压电特性。另外， 在此“550cm^-1附近”等中的“附近”是表示±20cm^-1的范围。

发明效果

通过使用本发明所涉及的压电体层，从而能够比使用了现有KNN 薄膜的压电元件提高压电特性。另外，在本发明所涉及的压电致动器 以及压电传感器中也能够谋求压电特性的提高，并且能够提供高性能 的硬盘驱动器以及喷墨打印装置。

本发明所涉及的压电致动器具有以上述结构表示的压电元件。作 为压电致动器具体地来说可以列举硬盘驱动器的磁头组件(head assembly)、喷墨打印头的压电致动器等。

另外，本发明所涉及的压电传感器具有以上述结构表示的压电元 件。作为压电传感器具体来说可以列举陀螺仪传感器(gyrosensor)、 压力传感器、脉搏传感器等。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的压电元件的结构图。

图2A是表示本实施方式所涉及的压电致动器的结构图。

图2B是作为本实施方式所涉及的压电致动器的其他例子的喷墨 打印头的压电致动器的结构图。

图3A是作为本实施方式所涉及的压电传感器的一个例子的陀螺 仪传感器的结构图(平面图)。

图3B是图3A的A-A线箭头方向截面图。

图3C是作为本实施方式所涉及的压电传感器的第二个例子的压 力传感器的结构图。

图3D是作为本实施方式所涉及的压电传感器的第三个例子的脉 搏传感器的结构图。

图4是本实施方式所涉及的硬盘驱动器的结构图。

图5是本实施方式所涉及的喷墨打印装置的结构图。

图6是示意性地表示本发明所涉及的拉曼测定装置的拉曼测定部 的图。

图7是以每个角度都对一边在面内方向旋转实施例1中的样品一 边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yy)以及偏振拉曼测定(yx) 的相当于KNN的F_2g形变振动(deformationvibration)的220cm^-1的标 准化峰强度进行作图的图。

图8是以每个角度都对一边在面内方向旋转比较例1中的样品一 边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yy)以及偏振拉曼散射测定(yx) 的相当于KNN的F_2g形变振动的220cm^-1的标准化峰强度进行作图的 图。

图9是以每个角度都对一边在面内方向旋转实施例1中的样品一 边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yx)的(550cm^-1附近的峰的测 定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)进行作图的图。

图10是以每个角度都对一边在面内方向旋转比较例1中的样品一 边进行拉曼测定的偏振拉曼散射测定(yx)的(550cm^-1附近的峰的测 定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)进行作图的图。

符号说明

4.基板6.氧化物层8.下部电极10.压电体层

12.上部电极100.压电元件

200.磁头组件9.底盘11.荷载梁11b.基端部

11c、11d.板弹簧部11e.开口部11f.梁主要部分

17.弯曲部13.压电元件19a.磁头元件

19.磁头滑块15.挠性基板

300.压电致动器20.基材23.绝缘膜24.下部电极

25.压电体层26.上部电极21.压力室27.喷嘴

400.陀螺仪传感器110.基部120、130.悬臂

30.压电元件31a、31b.驱动电极层

31c、31d.检测电极层31.上部电极32.下部电极

500.压力传感器45.空洞44.支撑体

46.电流放大器47.电流测定器41.共同电极层

42.压电体层43.个别电极层40.压电元件

600.脉搏传感器51.基板52.信号发送用压电体层

54a、54b、55a、55b.电极层53.信号接收用压电体层

56.电极57.上面用电极58.配线

700.硬盘驱动器60.框体61.硬盘62.磁头组件

63.音圈马达64.致动器悬臂65.磁头组件

具体实施方式

以下是参照附图并针对本发明优选的一个实施方式进行详细的说 明。另外，在附图中对相同或者同等要素附以相同的符号。另外，上 下左右的位置关系如同图所示。另外，在说明重复的情况下省略该说 明。

(压电元件)

图1中示出本实施方式所涉及的压电元件100。压电元件100具备 基板4、设置于基板4上的绝缘层6以及下部电极8、形成于下部电极 8上的压电体层10、形成于压电体层10上的上部电极12。

基板4中，可以使用具有(100)晶面取向的硅基板。基板4作为 一个例子具有50μm以上且1000μm以下的厚度。另外，作为基板4还 可以使用具有不同于(100)晶面的晶面取向的硅基板、绝缘层上覆硅 (SilicononInsulator，SOI)基板、石英玻璃基板、由GaAs等构成的 化合物半导体基板、蓝宝石基板、由不锈钢等构成的金属基板、MgO 基板、SrTiO₃基板等。

绝缘层6是在基板4为导电性的情况下被使用。绝缘层6中能够 使用硅的热氧化膜(SiO₂)、Si₃N₄、ZrO₂、Y₂O₃、ZnO、Al₂O₃等。在 基板4不具有导电性的情况下可以不具备绝缘层6。绝缘层6能够由溅 射法、真空蒸镀法、热氧化法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等 来形成。

下部电极8作为一个例子可以由Pt(铂)形成。下部电极8作为 一个例子具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。通过由Pt来形成下 部电极8，从而能够形成具有高取向性的压电体层10。另外，作为下 部电极8也可以使用Pd(钯)、Rh(铑)、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、 Mo(钼)、Ti(钛)、Ta(钽)等金属材料、或者SrRuO₃以及LaNiO₃等导电性金属氧化物。下部电极8能够由溅射法、真空蒸镀法、印刷 法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等来形成。

下部电极8也可以其(001)面相对于成膜方向轴成面内四重对称。 相对于成膜方向轴成面内四重对称的下部电极8可以通过真空蒸镀法 来形成。

此时的基板温度可以控制在600℃以上且1000℃以下。由此，就 能够形成具有更高取向性的下部电极8。

作为压电体层10中使用的材料可以使用由通式ABO₃所表示，且 为钙钛矿型化合物的铌酸钾钠薄膜。作为添加元素可以含有选自Li (锂)、Ti(钛)、Mn(锰)、Sr(锶)、Sb(锑)、Ba(钡)、Ta(钽)、 Zr(锆)、Bi(铋)中的至少1种以上的元素。这些的各元素的含量能 够控制在0.1at％以上且5.0at％以下。

压电体层10可以通过由溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋转涂覆 法、溶胶-凝胶法等进行成膜来形成。压电体层10优选为薄膜，具体而 言具有0.5μm以上且10μm以下的厚度。

上部电极12作为一个例子可以由Pt形成。上部电极12作为一个 例子具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。另外，作为上部电极12 可以使用Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta等金属材料、或者SrRuO₃、 LaNiO₃等导电性金属氧化物。上部电极12可以通过溅射法、真空蒸镀 法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等形成。

在成膜上部电极12后，也可以施加压电元件100的下部电极8和 上部电极12的电极间的电场。在压电元件100的下部电极8和上部电 极12的电极之间施加的电场既可以是直流电场或交流电场的任一种， 不过优选为直流电场。另外，作为电极间的电场的施加方式，开始以 成为1kV/mm的方式施加直流电压1分钟之后，以电极间的电场成为 3kV/mm的方式施加直流电场1分钟，进一步以电极间的电场成为 1kV/mm的方式施加直流电压1分钟等，优选阶段性地改变所施加的电 场。

压电体层10的拉曼测定是通过下述方式进行的。即，在通过由蚀 刻除去上部电极12的一部分从而露出压电体层10之后，在如图6所 示的拉曼测定装置中将测定样品82设置于旋转台83上之后，通过分 束器80和物镜81将激光聚光于测定样品82，在通过物镜81和分束器 80用偏振光镜84使所发生的拉曼散射光偏振为0°或者90°之后进行 检测。此时，将拉曼散射光的以0°进行偏振的偏振拉曼测定标记为偏 振拉曼测定(yy)，将以90°进行偏振的偏振拉曼测定标记为偏振拉曼 测定(yx)。通过使用旋转台83在0°～180°范围内每5°旋转一次样 品并实行这些偏振拉曼测定，从而可以调查样品的晶格振动区域的测 定强度的面方向的依存性。

压电体层10的拉曼测定中的晶格振动区域的测定强度具有大致每 90°的周期性，这意味着晶格在面方向上进行了匹配，由此，压电体 层的压电常数提高，特别是向面内方向的位移变大。

压电体层10在其拉曼测定中，由使拉曼散射光在与入射光垂直的 方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)所获得的拉曼光谱中的上述钙 钛矿型化合物的晶格振动区域的测定强度可以具有大致每90°的周期 性。由此，可以进一步提高压电特性。

另外，通过在压电体层10的拉曼测定中，不仅在使拉曼散射光在 与入射光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)中，而且在使 拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yy) 的任一测定中都具有大致每90°的周期性，并且偏振拉曼测定(yy) 和偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期错开大致45°，从而能够进 一步提高晶格的匹配性，并且能够进一步提高压电特性。

进一步，在压电体层10的拉曼测定中，由使拉曼散射光在与入射 光垂直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)获得的拉曼光谱在 550cm^-1附近以及在610cm^-1附近分别具有峰，以(550cm^-1附近的峰的 测定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)表示的强度比具有大致 90°的周期性，通过将所述强度比的最大值与最小值之差控制在成为 0.3以上且3.0以下，从而能够提高晶格的匹配性并且能够使极化轴方 位一致，并能够进一步提高压电特性。

上部电极12作为一个例子由Pt形成。上部电极12作为一个例子 具有0.02μm以上且1.0μm以下的厚度。另外，作为上部电极12，能 够使用Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta等金属材料、或者SrRuO₃以及LaNiO₃等导电性金属氧化物。上部电极12可以由溅射法、真空 蒸镀法、印刷法、旋转涂覆法、溶胶-凝胶法等来形成。

另外，也可以从压电元件100除去基板4。这样，就能够提高压电 元件的位移量。

另外，也可以用保护膜来涂覆压电元件100。这样，就能够提高可 靠性。

在压电元件100中，也可以在下部电极8与压电体层10之间或者 在压电体层10与上部电极12之间的任一者中或者双者中具备中间层。

作为该中间层可以使用导电性氧化物。特别是SrRuO₃、SrTiO₃、 LaNiO₃、CaRuO₃、BaRuO₃、(La_xSr_1-x)CoO₃、YBa₂Cu₃O₇、La₄BaCu₅O₁₃等导电性高并且还具有高耐热性，因而优选。

(压电致动器)

图2A是作为使用了这些压电元件的压电致动器的1个例子的搭载 在硬盘驱动器(以下也称为HDD)上的磁头组件(headassembly)的 结构图。如该图所示，磁头组件200作为其主要构成要素具备底盘(base plate)9、荷载梁(loadbeam)11、弯曲部17、作为驱动元件的第1 以及第2压电元件13、以及具备磁头元件19a的滑块19。

于是，荷载梁11具备由例如束焊接等而被粘着于底盘9的基端部 11b、从该基端部11b以前端变细的形状延伸的第1以及第2板弹簧部 11c以及11d、在第1以及第2板弹簧部11c与11d之间形成的开口部 11e、连续于第1以及第2钢板部11c以及11d并以直线且前端变细的 形状延伸的梁主要部分11f。

第1以及第2压电元件13以规定的间隔配置于作为弯曲部17的 一部分的配线用挠性基板15上。滑块19被固定于弯曲部17的前端部， 并且伴随于第1以及第2压电元件13的伸缩作旋转运动。

第1以及第2压电元件13由下部电极、上部电极、夹在该上部电 极与下部电极之间的压电体层构成，作为用于本发明的压电致动器的 压电体层通过使用漏电流小、大位移量的压电体层可以获得高耐电压 性和充分的位移量。

图2B是作为使用了上述压电元件的压电致动器的其他例子的喷 墨打印头的压电致动器的结构图。

压电致动器300是通过将绝缘膜23、下部电极层24、压电体层25 以及上部电极层26层叠于基板20上构成的。

在没有提供规定的吐出信号的没有在下部电极层24与上部电极层 26之间施加电压的情况下，在压电体层25上不会发生变形。在设置有 没有提供吐出信号的压电元件的压力室21中，不会发生压力变化并且 不会从其喷嘴27吐出墨滴。

另一方面，在提供了规定的吐出信号并且在下部电极层24与上部 电层26之间施加了恒定电压的情况下，在压电体层25上发生变形。 在设置有提供了吐出信号的压电元件的压力室21中，其绝缘膜23大 幅度弯曲。因此，压力室21内的压力会瞬间升高，并且会从喷嘴27 吐出墨滴。

在此，作为用于本发明的压电致动器的压电体层，通过使用漏电 流小、大位移量的压电体层从而能够获得高的耐电压性和充分的位移 量。

(压电传感器)

图3A是作为使用了上述压电元件的压电传感器的一个例子的陀 螺仪传感器的结构图(平面图)，图3B是图3A的A-A线箭头截面图。

陀螺仪传感器400是一种具备基部110、连接于基部110的一面的 2支悬臂120、130的音叉振荡器型的角速度检测元件。该陀螺仪传感 器400是按照音叉振荡器的形状精密加工构成上述压电体元件的压电 体层30、上部电极层31以及下部电极层32而获得的，各个部分(基 部110以及悬臂120、130)由压电元件一体地形成。

在一支悬臂120的第一主面上分别形成驱动电极层31a、31b以及 检测电极层31d。同样，在另一支悬臂130的第一主面上分别形成驱动 电极层31a、31b以及检测电极层31c。这些电极层31a、31b、31c、31d 是通过将上部电极层31蚀刻成规定的电极形状而获得的。

另外，在基部110以及悬臂120、130的各第二主面(第一主面的 背侧的主面)上以固体状形成的下部电极层32作为陀螺仪传感器400 的接地电极起作用。

在此，在将各悬臂120、130的长边方向作为Z方向并将包含2支 悬臂120、130的主面的平面作为XZ平面的基础上定义XYZ直角坐 标系。

如果对驱动电极层31a、31b提供驱动信号，则2支悬臂120、130 以面内振动模式激励振动。所谓面内振动模式是指在平行于2支悬臂 120、130的主面的方向上2支悬臂120、130激励振动的振动模式。例 如，一支悬臂120在-X方向上以速度V1激励振动的时候，另一支悬 臂130在+X方向上以速度V2激励振动。

如果在该状态下以Z轴作为旋转轴对陀螺仪传感器400施加角速 度ω的旋转，则科里奥利力(Coriolisforce)分别对2支悬臂120、130 作用于垂直于速度方向的方向，并且以面外振动模式开始激励振动。 所谓面外振动模式是指2支悬臂120、130在垂直于2支悬臂120、130 的主面的方向上激励振动的振动模式。例如，在作用于一支悬臂120 的科里奥利力F1为-Y方向时，作用于另一支悬臂130的科里奥利力 F2为+Y方向。

科里奥利力F1、F2的大小与角速度ω成比例，因此将由科里奥利 力F1、F2引起的悬臂120、130的机械性变形通过压电体层30转换成 电信号(检测信号)，并且通过将其从检测电极层31c、31d取出从而 能够求得角速度ω。

作为用于本发明的压电传感器的压电体层，通过使用漏电流小、 大位移量的压电体层，从而能够获得高耐电压性和充分的检测灵敏度。

图3C是作为使用了上述压电元件的压电传感器的第二个例子的 压力传感器的结构图。

压力传感器500具有用于应对受到压力时的空洞45，并且由支撑 压电元件40的支撑体44、电流放大器46、电压测定器47所构成。压 电元件40由共同电极层41和压电体层42以及个别电极层43构成， 并且按该顺序层叠于支撑体44上。在此，如果施加外力，则压电元件 40会弯曲，可以由电压测定器47检测电压。

作为本发明的压电传感器中使用的压电体层，通过使用漏电流小、 大位移量的压电体层从而能够获得高耐电压性和充分的检测灵敏度。

图3D是作为使用了上述压电元件的压电传感器的第三个例子的 脉搏传感器的结构图。

脉搏传感器600成为在基板51上搭载了信号发送用压电元件以及 信号接收用压电元件的结构，在此，在信号发送用压电元件中，在信 号发送用压电体层52的厚度方向的两面上形成电极层54a、55a；在信 号接收用压电元件中，在信号接收用压电体层53的厚度方向的两面上 也形成电极层54b、55b。另外，在基板51上，形成有电极56、上面 用电极57，电极层54a、54b和上面用电极57分别由配线58电连接的。

在检测生物体脉搏时，首先将脉搏传感器600的基板背面(没有 搭载压电元件的面)接触于生物体。于是，在检测脉搏时对信号发送 用压电元件的两个电极层54a、55a输出特定的驱动用电压信号。信号 发送用压电元件对应被输入到两个电极层54a、55a的驱动用电压信号 激励振动并产生超声波，将该超声波信号发送至生物体内。被发送到 生物体内的超声波被血流反射，通过信号接收用压电元件接收信号。 信号接收用压电元件将接受信号的超声波转换成电压信号，从而从两 个电极层54b、55b输出。

作为用于本发明的压电传感器的压电体层，通过使用漏电流小的 压电体层，可以得到高耐电压性和充分的检测灵敏度。

(硬盘驱动器)

图4是搭载了图2A所示的磁头组件的硬盘驱动器的结构图。

硬盘驱动器700在框体60内具备作为记录介质的硬盘61、将磁信 息记录于该硬盘61并且播放的磁头臂组件(headstackassembly)62。 硬盘61是由省略了图示的电动机来使之旋转的。

磁头臂组件62是在图的纵深方向上层叠了多个组装体的组件，该 组装体由致动器悬臂64、接续于该致动器悬臂64的磁头组件65构成， 其中，致动器悬臂64以通过音圈马达63而围绕支撑轴旋转自如的方 式被支撑。在磁头组件65的前端部，以相对于硬盘61的形式安装有 滑块19(参照图2A)。

磁头组件65(200)采用了以2个阶段变动磁头元件19a(参照图 2A)的形式。磁头元件19a的比较大的移动是通过由音圈马达63引起 的磁头组件65以及致动器悬臂64的整体的驱动进行控制的，微小的 移动通过由磁头组件65的前端部引起的滑块19的驱动进行控制的。

在被用于该磁头组件65的压电元件中，作为压电体层通过使用漏 电流小、大位移量的压电体层，从而能够获得高耐电压性和充分的存 取性。

(喷墨打印装置)

图5是搭载了图2B所示的喷墨打印头的喷墨打印装置的结构图。

喷墨打印装置800主要具备喷墨打印头70、主体71、托盘72、磁 头驱动机构73而构成。压电致动器300被配备于喷墨打印头70内。

喷墨打印装置800具备黄色、品红色(洋红色，magenta)、青色 以及黑色共4种颜色的墨盒并且以能够全彩打印的形式构成。另外， 该喷墨打印装置800在内部配备专用的控制板等，并且控制喷墨打印 头70的吐墨时机以及磁头驱动机构73的扫描。另外，主体71在背面 具备托盘72，并且在其内部具备续纸器(自动连续供纸机构)76，自 动送出记录用纸75并且能够从正面的排出口74将记录用纸75进行排 纸。

在该喷墨打印头70的压电致动器中使用的压电元件中，作为压电 体层通过使用漏电流小、大位移量的压电体层，从而能够提供具有高 耐电压性和高安全性的喷墨打印装置。

例如，本发明的具备压电体层的压电元件能够用于陀螺仪传感器、 震动传感器以及麦克风等的利用了压电效应的装置，或者致动器、喷 墨头、扬声器、蜂鸣器、共鸣器等的利用了逆压电效应的装置，但是 对于利用了逆压电效应的压电元件来说特别优选。

实施例

以下基于实施例以及比较例来进一步具体说明本发明，但是本发 明并不限定于以下实施例。

(具备压电体层的压电元件的制作和拉曼测定)

(实施例1)

在本实施例中，“基体”是指各个工序中的被成膜体。

将具有(100)晶面取向的直径为3英寸的硅片(siliconwafer)(基 板4)设置于真空蒸镀装置的真空腔内，在进行了真空排气之后，作为 绝缘层6成膜了YSZ(7mol％Y₂O₃-ZrO₂)，作为下部电极8成膜了Pt。 成膜时的基体温度在成膜YSZ(7mol％Y₂O₃-ZrO₂)时为900℃，在成 膜Pt时为700℃。由此，绝缘层6的厚度为10nm，下部电极8的厚度 为200nm。

在成膜下部电极8之后，进行了用于确认下部电极8的垂直于表 面的方向的取向性而进行了面外(out-of-plane)XRD(X-Ray Diffraction：X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品 表面平行的晶格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的 晶格面的非对称反射测定。在本实施例中，实行了2θ/θ测定。根据2θ/θ 测定的结果，确认了Pt取向于(002)晶面取向。

接着，将基体移到安装有多个溅射靶材的RF溅射装置的腔室中， 在进行了真空排气之后，作为压电体层10，成膜了铌酸钾钠薄膜。作 为溅射靶材，使用了含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta 的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为800℃，压电体层10的厚度 为2700nm。

之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空 排气之后，作为上部电极12成膜了Pt。成膜时的基体温度为200℃， 上部电极12的厚度为200nm。

在形成上部电极12之后，通过光刻以及干式蚀刻、湿式蚀刻来对 包含压电体层10的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得了可 动部分尺寸为5mm×15mm的压电元件100。

接着，在以压电元件100的下部电极8与上部电极12的电极间的 电场成为1kV/mm的方式施加1分钟直流电压之后，以电极之间的电 场成为3kV/mm的方式施加1分钟直流电压，进一步以电极之间的电 场成为1kV/mm的方式施加1分钟直流电压。

之后，在通过由蚀刻来除去压电元件100的上部电极12的一部分 从而使压电体层10露出之后，为了确认压电体层10的晶格的短周期 规律而进行了拉曼测定。拉曼测定是一边在面内方向旋转上述压电体 层一边进行的，并且进行了在将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏 振而测定的偏振拉曼测定(yy)和在通过将拉曼散射光在与入射光垂 直的方向偏振而测定的偏振拉曼测定(yx)两次。压电体层10的旋转 角度为0°～180°，以每5°一个刻度进行测定。

(实施例2)

将具有(100)晶面取向的尺寸为15mm×15mm×0.5mm的MgO 基板(基板4)设置于RF溅射装置的真空腔内，作为下部电极8成膜 了Pt。以成膜时的基体温度700℃进行成膜。下部电极8的厚度做成 200nm。

在成膜了下部电极8之后，为了确认下部电极8的垂直于表面的 方向的取向性而进行了面外(out-of-plane)XRD(X-RayDiffraction： X射线衍射)测定。面外XRD测定分为测定相对于样品表面平行的晶 格面的对称反射测定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对 称反射测定。在本实施例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果 确认了Pt取向于(002)晶面取向。

接着，将基体移到安装有多个溅射靶材的RF溅射装置的腔室中， 在进行了真空排气之后，作为压电体层10，成膜了铌酸钾钠薄膜；作 为溅射靶材使用了含有0.25mol％的Li、0.25mol％的Mn以及0.5mol％ 的Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为750℃，压电体层10的 厚度为2700nm。压电体层10的拉曼测定、压电元件100的制作中包 括电场处理在内都以与实施例1相同的方法进行。

(实施例3)

在实施例1中，在确认了下部电极8的垂直于表面的方向的取向 性之后，将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之 后对成膜SrRuO₃作为中间层，之后成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层 10。作为溅射靶材是使用含有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％ 的Ta的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层10的 厚度为2700nm。压电体层10的拉曼测定和压电元件100的制作中包 括电场处理在内都以与实施例1相同的方法进行。

(实施例4)

在实施例1中，在确认了下部电极8的垂直于表面的方向的取向 性之后，将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空排气之 后，成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层10。作为溅射靶材，使用了含 有0.25mol％Li、0.25mol％Mn和0.5mol％的Ta的铌酸钾钠烧结体。成 膜时的基体温度为620℃，压电体层10的厚度做成2700nm。

之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空 排气之后，成膜了Pt作为上部电极12。成膜时的基体温度为200℃， 上部电极12的厚度做成200nm。

在形成了上部电极12之后，通过光刻、干式蚀刻以及湿式蚀刻来 来对包含压电体层10的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得 了可动部分尺寸为5mm×15mm的压电元件100。压电体层10的拉曼 测定以与实施例1相同的方法进行。

(实施例5)

将附有热氧化膜(SiO₂：氧化物层6)的直径3英寸的硅片(基板 4)设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜 了Pt作为下部电极8。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极8的 厚度为200nm。

成膜下部电极8之后，为了确认下部电极8的垂直于表面的方向 的取向性而进行了面外XRD(X-RayDiffraction：X射线衍射)测定。 面外XRD测定分为测定相对于样品表面为平行的晶格面的对称反射测 定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本 实施例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111) 晶面优先取向。

作为压电体层10成膜了铌酸钾钠薄膜。作为溅射靶材，使用了含 有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta的铌酸钾钠烧结体。成 膜时的基体温度为700℃，压电体层10的厚度做成2700nm。压电体层 10的拉曼测定和压电元件100的制作中，包括电场处理在内都以与实 施例1相同的方法进行。

(比较例1)

将附有热氧化膜(SiO₂：氧化物层)的直径3英寸的硅片(基板4) 设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜了 Pt作为下部电极。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极的厚度做 成200nm。

在成膜了下部电极之后，为了确认下部电极的垂直于表面的方向 的取向性而进行了面外XRD(X-RayDiffraction：X射线衍射)测定。 面外XRD测定分为测定相对于样品表面为平行的晶格面的对称反射测 定(2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本 比较例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111) 晶面优先取向。

作为压电体层，成膜了铌酸钾钠薄膜。作为溅射靶材，使用了含 有0.25mol％Li、0.25mol％Mn以及0.5mol％Ta的铌酸钾钠烧结体。成 膜时的基体温度为700℃，压电体层的厚度做成了2700nm。

之后，再次将基体移到RF溅射装置的其它腔室中，在进行了真空 排气之后，成膜了Pt作为上部电极。成膜时的基体温度为200℃，上 部电极12的厚度做成了200nm。

在形成了上部电极之后，通过光刻、干式蚀刻以及湿式蚀刻来对 包含压电体层的层叠体形成图形，通过切割加工晶片从而获得了可动 部分尺寸为5mm×15mm的压电元件。

之后，在通过由蚀刻来除去压电元件的上部电极的一部分从而露 出压电体层之后，为了确认压电体层的晶格的短周期规律而进行了拉 曼测定。拉曼测定是一边在面内方向旋转上述压电体层一边进行的， 并且进行了在将拉曼散射光在与入射光平行的方向偏振而测定的偏振 拉曼测定(yy)和在通过将拉曼散射光在与入射光垂直的方向偏振而 测定的偏振拉曼测定(yx)两次。压电体层的旋转角度为0°～180°， 以每10°一个刻度进行测定。

(比较例2)

将附有热氧化膜(SiO₂：氧化物层)的直径3英寸的硅片(基板4) 设置于真空溅射装置的真空腔室内，在进行了真空排气之后，成膜了 Pt作为下部电极。Pt成膜时的基体温度为300℃，下部电极的厚度为 200nm。

在成膜下部电极之后，为了确认下部电极的垂直于表面的方向的 取向性而进行了面外XRD(X-RayDiffraction：X射线衍射)测定。面 外XRD测定分为测定相对于样品表面平行的晶格面的对称反射测定 (2θ/θ测定)和测定斜交于表面的晶格面的非对称反射测定。在本比 较例中，进行了2θ/θ测定。根据2θ/θ测定的结果，确认了Pt在(111) 晶面优先取向。

成膜了铌酸钾钠薄膜作为压电体层。作为溅射靶材使用了不含添 加物的铌酸钾钠烧结体。成膜时的基体温度为700℃，压电体层的厚度 做成了2700nm。压电体层的取向性的确认和压电元件的制作与比较例 1相同的方法进行。

以每个测定角度都对实施例1以及比较例1的相当于偏振拉曼测 定(yy)以及偏振拉曼测定(yx)的KNN的F_2g形变振动(deformation vibration)的220cm^-1的标准化峰强度进行作图的图分别示于图7以及 图8中。

对于实施例2～5以及比较例2也同样地作图，根据各图求得具有 偏振拉曼测定(yx)的第一极大值的角度、具有第一极小值的角度、 具有第二极大值的角度、(具有第二极大值的角度-具有第一极大值的角 度)、偏振拉曼测定(yy)的极大值的角度、[具有偏振拉曼测定(yy) 的极大值的角度-具有偏振拉曼测定(yx)的极大值的角度]，并示于表 1中。

[表1]

对于表1来说，在实施例1～5中偏振拉曼测定(yx)的(具有第 二极大值的角度-具有第一极大值的角度)为90°±5°，并且具有大 致每90°的周期性，但在比较例1～2中由于不具有极大值或极小值因 此不具有周期性。

另外，在表1中，在实施例1～4中[具有偏振拉曼测定(yy)的极 大值的角度-具有偏振拉曼测定(yx)的极大值的角度]为45°±5°并 且显示偏振拉曼测定(yx)与偏振拉曼测定(yy)的周期错开大致45 °，但是在实施例5和比较例1～2中因为不具有极大值或极小值所以 没有周期性。

以每个测定角度将实施例1以及比较例1的偏振拉曼测定(yx) 的[(550cm^-1附近的峰的测定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)] 进行作图并分别示于图9以及图10中。

对于实施例2～5以及比较例2都以同样的方法作图，根据各图将 偏振拉曼测定(yx)的[(550cm^-1附近的峰的测定强度)/(610cm^-1附 近的峰的测定强度)]的最大值、最小值、(最大值-最小值)以及周期 性的有无示于表2中。

[表2]

在表2中，在实施例1～5中偏振拉曼测定(yx)的[(550cm^-1附近 的峰的测定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)]具有每90°的周 期性，但是在比较例1～2中没有周期性。

另外，在表2中，在实施例1～4中偏振拉曼测定(yx)的[(550cm^-1附近的峰的测定强度)/(610cm^-1附近的峰的测定强度)的最大值-最 小值]为0.3以上且1.0以下，但是实施例5以及比较例1～2小于0.3。

(压电元件的评价)

压电常数-d₃₁的测定是在长方块状样品的上下部电极之间施加 700Hz3Vp-p，并且使用激光多普勒测试仪和示波器来测定长方块状样 品的前端部上的位移。测定电压是考虑不受漏电流的影响而选择的， 但是由于在压电元件上需要更大的位移量，所以需要更高的电压。然 后通过以下的计算式(1)进行计算得到。

$d_{31}\cong -\frac{h_s^2}{3L^2}\frac{s_{11.p}}{s_{11,s}}\frac{\delta }{V}$式(1)

式中h_s：基板的厚度；S_11,p：KNN薄膜的弹性率；S_11,s：基板的弹 性率；L：驱动部的长度；δ：位移量；V：施加电压。

将在测定中获得的-d₃₁的值与各实施例以及比较例的构成等一起 示于表3中。

[表3]

电极、基板构成 压电体层用靶材添加物 中间层 电场处理 压电常数d31 实施例1 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -89 实施例2 Pt/MgO Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -83 实施例3 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ SrRuO₃有 -72 实施例4 Pt/YSZ/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 无 -78 实施例5 Pt/SiO₂/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 有 -65 比较例1 Pt/SiO₂/Si Ta 0.5mol％，Li 0.25mol％，Mn 0.25mol％ 无 无 -34 比较例2 Pt/SiO₂/Si 无添加物 无 无 -31

可以确认实施例1～5的压电常数-d₃₁与比较例1～2相比变大。

根据实施例1与实施例2的比较，可以确认相比于在将Pt成膜于 MgO基板上之后成膜压电体层的压电元件，将YSZ和Pt成膜于硅片 上之后成膜压电体层的压电元件压电常数-d₃₁变得更大。

根据实施例1与实施例3的比较，可以确认不成膜中间层而成膜 了压电体层的压电元件的压电常数-d₃₁变得更大。

根据实施例1与实施例4的比较，可以确认在制作压电元件之后 施加了电场的压电元件比不施加电场的压电元件压电常数-d₃₁变得更 大。

根据实施例1与实施例5的比较，可以确认偏振拉曼测定(yy) 与偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期错开大致45°的压电元件比 偏振拉曼测定(yy)与偏振拉曼测定(yx)的测定强度的周期性不相 关的压电元件压电常数-d₃₁变得更大。

根据实施例1～4与实施例5以及比较例1～2的比较，可以确认偏 振拉曼测定(yx)的[(550cm^-1附近的峰的测定强度)/(610cm^-1附近 的峰的测定强度)的最大值-最小值]为0.3以上的压电元件比小于0.3 的压电元件压电常数-d₃₁变得更大。

产业上的利用可能性

通过具备本发明所涉及的压电体层的压电元件，可以比使用了现 有KNN薄膜的压电元件提高压电特性。另外，在本发明所涉及的压电 致动器以及压电传感器中都可以谋求到压电特性的提高，并且能够提 供高性能的硬盘驱动器以及喷墨打印装置。