JP6141080B2

JP6141080B2 - 薄膜圧電素子およびその製造方法、マイクロアクチュエータ、ヘッドジンバルアセンブリおよびそれを備えたディスク駆動装置

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Publication number: JP6141080B2
Application number: JP2013084961A
Authority: JP
Inventors: 偉熊; ロクラクソンパンジャラック; 秦　健次郎; 健次郎秦; 一志西山; 大助飯塚; 飯島　淳; 淳飯島
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-04-15
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Description

本発明は、圧電素子、より詳しくは薄膜圧電素子およびその製造方法、マイクロアクチュエータ、ヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）およびそれを備えたディスク駆動装置に関する。

圧電材料は種々の目的にしたがって様々な圧電素子に加工される。とりわけ、圧電材料は、電圧を加えることによって変形を生じるアクチュエータのような機能的な電子部品、または逆に素子の変形から電圧を生成するセンサなどに広く用いられている。

ディスク駆動装置において、そのスライダを微細な動作で作動させるためのアクチュエータに用いられる圧電材料としては、巨大な圧電特性を有する鉛（Ｐｂ）ベースの誘電材料、とりわけ、ペロブスカイト型の強誘電体をベースとした“ＰＺＴ”と呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ(Ｚｒ_１−ｘＴｉ_ｘ)Ｏ_３が広く用いられている。そして、圧電材料は、一般に個々の要素からなる焼結酸化物によって形成されている。例えば、ＰＺＴのような圧電材料が用いられているマイクロアクチュエータは、特許文献１（ＪＰ２０１１−１４２１５４）、特許文献２（ＪＰ２００６−２１７７１９）等に開示されている。

ＰＺＴを形成するこのような圧電材料の結晶構造はチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ_３と、ジルコン酸鉛ＰｂＺｒＯ_３との比ＰｂＴｉＯ_３/ＰｂＺｒＯ_３によって変化する。ここで、図１はＰＺＴの状態図を示している。キュリー温度Ｔ_Ｃは、高温の立方常誘電体相（Ｐｃ）と、低温の強誘電体相との境界である。そして、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）によって、強誘電体相領域が正方晶相領域（Ｆ_Ｔ）を含む領域と、菱面体晶相領域（Ｆ_Ｒ）を含む領域との２つの領域に分割されている。結晶構造がモルフォトロピック相境界ＭＰＢにあるときは、自発分極の自由エネルギーが極めて高いことが知られており、このことから、このＰＺＴは、最も高い電気機械変換特性と最も高い圧電特性とを備え、その結果、卓越した圧電定数ｄ３１またはｄ３３が得られている。

しかしながら、結晶構造がＭＰＢにあるときは、組成を正確にコントロールすることがかなり困難である。したがって、従来の薄膜圧電素子には、Ｐｂ(Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８)Ｏ_３またはＰｂ(Ｚｒ_０．５８Ｔｉ_０．４２)Ｏ_３といったＭＰＢの近傍にある組成が用いられることが多い。図２に示すように、従来の薄膜圧電素子１００は、基板１０１と、基板１０１の上に形成された２つの電極層１０２，１０３と、２つの電極層１０２，１０３の間に挟まれた圧電層１０４とを有している。電極層１０２，１０３、圧電層１０４は、一般に、スパッタリング、レーザアブレーション、ゾル-ゲルコーティングおよび様々な化学気相成長法（ＣＶＤ）や、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって堆積されている。具体的には、基板１０１は、シリコンＳｉまたは酸化マグネシウムＭｇｏのような別の材料によって形成されている。電極層１０２，１０３はプラチナＰｔや、導電酸化物の酸化ストロンチウムルテニウムＳｒＲｕＯまたはそれらの化合物、そのほかの導電材料によって形成されている。従来、圧電層１０４は、ＭＰＢ近傍の組成を有し、その結晶構造が正方晶相構造または菱面体晶相構造である。そして、単相の圧電層１０４は、２μｍ程度の厚さを有している。

しかしながら、こうした単相の圧電素子１００の圧電定数は、ますます高くなるストロークを得るための製品の要件としてなお不十分である。さらに、保磁力の強さ（Ｅｃ）よりも電界の強さが大きいところで復極が起こる単相構造のために適用される電界の強さが制限されている。従来、より大きな電界の強さが適用されることを可能にするための１つの方法は、圧電素子に対して大きな応力をかけることに関連した保磁力のすり込みによって保磁力の強さを増加させることである。しかしながら、これは、圧電素子が薄片に避けてしまうおそれと、圧電素子の信頼性を損なうおそれとが高くなる事態をもたらしてしまう。より大きな電界の強さが適用されることを可能にするための別の方法は、ＰＺＴの厚さを大きくすることである。しかし、これはコストの上昇を引き起こしてしまう。圧電定数と保磁力の強さとに制限があることがベースとなって、アクチュエータやセンサに応用される圧電素子のストロークは不十分であり、これは製造業者の要求を満たすものではなかった。

したがって、以上のような欠点を克服するため、改良された薄膜圧電素子が必要とされていた。

本発明の１つの側面は、高い圧電定数、高められた保磁力の強さおよび良好な熱安定性を獲得することとして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るものであり、さらにそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成する薄膜圧電素子を提供することである。

本発明の他の側面は、高い圧電定数、高められた保磁力の強さおよび良好な熱安定性を獲得することとして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るものであり、さらにそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成する薄膜圧電素子の製造方法を提供することである。

また、本発明の側面は、高い圧電定数、高められた保磁力の強さおよび良好な熱安定性を獲得することとして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るものであり、さらにそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成する薄膜圧電素子を備えたマイクロアクチュエータを提供することである。

さらに、本発明の側面は、薄膜圧電素子と良好な熱安定性を備え、それによって、高い圧電定数、高められた保磁力の強さを獲得することとして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るものであり、さらにそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成するヘッドジンバルアセンブリを提供することである。

本発明のさらにもう一つの側面は、薄膜圧電素子を備え、それによって、高い圧電定数、高められた適用される電界の強さ、良好な熱安定性およびそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成するディスク駆動装置を提供することである。

本発明のさらにもう一つの側面は、薄膜圧電素子を備え、それによって、高い圧電定数、高められた適用される電界の強さ、良好な熱安定性および大きなストロークを達成する微小電気機械システムを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明の薄膜圧電素子は、基板と、その基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有している。圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、その圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、底部電極層が基板上に直に形成され、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成され、第１の圧電層および第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている。

また、薄膜圧電素子は、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するようにすることができる。

好ましくは、第１の圧電層および第２の圧電層は、異なったＴｉの濃度を有している。

好ましくは、第１の圧電層および第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有している。

選択的な実施の形態として、圧電層は、ＫＮａＮｂＯ_３, ＬｉＮｂＯ_３, ＬｉＴａＯ_３, ＢａＴｉＯ_３, ＰｂＴｉＯ_３またはＢａＳｒＴｉＯ_３からなっている。

選択的な実施の形態として、圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２つ以上の層を有していてもよい。

本発明の薄膜圧電素子の製造方法は、基板の供給と、その基板上への底部電極層の堆積と、そして、第１の圧電層および第２の圧電層からなる圧電層の底部電極層上への堆積と、圧電層上への上部電極層の堆積とを有し、第１の圧電層および第２の圧電層は、異なった相構造を有し、圧電層の底部電極層上への堆積において、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、かつ第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、圧電層上への上部電極層の堆積において、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成される点を特徴としている。

また、薄膜圧電素子の製造方法は、圧電層の底部電極層上への堆積において、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するように、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、かつ第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成されるようにすることができる。

好ましくは、第１の圧電層および第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有している。

上記製造方法の場合、圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなるようにすることもできる。

そして、本発明は、薄膜圧電素子を有するマイクロアクチュエータであって、その薄膜圧電素子は、基板と、その基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有している。その圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、その圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、底部電極層が基板上に直に形成され、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成され、第１の圧電層および第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されているマイクロアクチュエータを提供する。

上記マイクロアクチュエータは、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するようにすることができる。

また、第１の圧電層および第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有するようにすることもできる。さらに、圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなるようにすることもできる。第１の圧電層および第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有するようにすることもできる。圧電層は、ＫＮａＮｂＯ _３ ,ＬｉＮｂＯ _３ ,ＬｉＴａＯ _３ ,ＢａＴｉＯ _３ ,ＰｂＴｉＯ _３またはＢａＳｒＴｉＯ _３からなるようにすることもできる。

本発明のヘッドジンバルアセンブリは、サスペンションと、そのサスペンションによって支持されているスライダと、スライダを作動させるためのサスペンション上に形成された薄膜圧電素子とを有している。そして、薄膜圧電素子は、基板と、その基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、その圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、その圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、その第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、底部電極層が基板上に直に形成され、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成され、第１の圧電層および第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている。
また、上記ヘッドジンバルアセンブリは、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するようにすることができる。

本発明のディスク駆動装置は、ヘッドジンバルアセンブリと、ヘッドジンバルアセンブリに接続される駆動アームと、ディスクと、そのディスクを回転させるスピンドルモータとを有している。そのヘッドジンバルアセンブリは、サスペンションと、そのサスペンションによって支持されているスライダと、スライダを作動させるためのサスペンション上に形成された薄膜圧電素子とを有している。そして、薄膜圧電素子は、基板と、その基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有している。圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、その圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、その第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、底部電極層が基板上に直に形成され、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成され、第１の圧電層および第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている。
また、上記ディスク駆動装置は、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するようにすることもできる。

本発明の微小電気機械システムは、基板と、その基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有する膜圧電素子を有している。圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、その圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、底部電極層が基板上に直に形成され、第１の圧電層が底部電極層上に直に形成され、第２の圧電層が第１の圧電層上に直に形成され、上部電極層が第２の圧電層上に直に形成され、第１の圧電層および第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている。
上記微小電気機械システムは、第１の圧電層および第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ第２の圧電層が正方晶相構造を有するようにすることもできる。
また、第１の圧電層および第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有するようにすることができる。圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなるようにすることができる。第１の圧電層および第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有するようにすることができる。圧電層は、ＫＮａＮｂＯ _３ , ＬｉＮｂＯ _３ , ＬｉＴａＯ _３ , ＢａＴｉＯ _３ , ＰｂＴｉＯ _３またはＢａＳｒＴｉＯ _３からなるようにすることができる。

従来技術との比較において、本発明は、第１、第２の圧電層の組成において異なった相構造を有する薄膜圧電素子を提供する。その薄膜圧電素子は、ＡＣ電圧が薄膜圧電素子に適用されたときに電荷が２つの圧電層に蓄積され、それにより、薄膜圧電素子の保磁力の強さが高められ、そして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るものであり、したがって、圧電定数ｄ３１およびｄ３３を高めることができる。さらに、本発明の薄膜圧電素子における復極電圧が従来の薄膜圧電素子よりも著しく大きくなり、これによって、より大きなストロークを得ることができ、より大きなストロークを必要とするより大きなデバイスに応用することができる。さらにまた、高温または低温条件下における本発明の復極電圧が従来の薄膜圧電素子の復極電圧よりもより安定し、復極電圧曲線において顕著な降下が現れないため、薄膜圧電素子の動作電圧をより大きくすることが可能となり、これにより、より大きなストロークが達成されている。一方、本発明は、高温条件下において良好な熱安定性を達成することができる。

本発明におけるその他の側面、特徴および有利な効果は、この開示事項の一部であって本発明の原理を一例として図示している添付図面に関連している以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の様々な実施の形態は、添付されている図面によって、容易に理解することができる。そのような図面において、
従来のＰＺＴ材料の状態図である。従来の薄膜圧電素子の断面図である。本発明の一実施の形態にかかる薄膜圧電素子を示している。本発明の薄膜圧電素子と、従来の薄膜圧電素子とにおけるＸ線回折の結果を対比した図である。本発明の薄膜圧電素子と、従来の薄膜圧電素子とにおけるＡＣ電圧を加えているときの分極オフセットを対比した図である。本発明の薄膜圧電素子と、従来の薄膜圧電素子とにおけるＡＣ電圧を加えているときのストロークを対比した図である。本発明の薄膜圧電素子と、従来の薄膜圧電素子とにおける特定の温度範囲での復極電圧の変化を対比した図である。本発明の薄膜圧電素子と、従来の薄膜圧電素子とにおける特定の温度範囲での分極の変化を対比した図である。本発明の一実施形態にかかる薄膜圧電素子の製造方法のフローチャートである。本発明の一実施形態にかかる薄膜圧電素子を有するヘッドジンバルアセンブリを示している。本発明の一実施形態にかかる薄膜圧電素子を有するディスク駆動装置を示している。

本発明の様々な好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。同じ参照符号はそれぞれの図面を通して同様の部材を指している。上述したように、本発明は、薄膜圧電素子にかかるものであり、その薄膜圧電素子は、高い圧電定数と、高められた保磁力の強さと、良好な熱的安定性とを獲得し、そして、より大きい電界の強さが復極無しに適用され得るようになり、さらにそれが応用されるデバイスに適した大きなストロークを達成することができるというものである。

図３を参照して、本発明の一実施形態にかかる薄膜圧電素子２００は、基板２０１と、基板２０１上に形成された圧電薄膜積層部２１０とを有している。具体的には、圧電薄膜積層部２１０は、基板２０１上に形成された底部電極層２１１と、底部電極層２１１上に順に形成された第１の圧電層２１２および第２の圧電層２１３と、その上をカバーする上部電極層２１４とを有している。具体的には、基板２０１は、シリコンＳｉまたは酸化マグネシウムＭｇｏ等の他の材料によって形成されている。そして、底部電極層２１１と上部電極層２１４は、プラチナＰｔや、酸化ストロンチウムルテニウムＳｒＲｕＯまたはそれらの化合物、そのほかの導電材料といった導電酸化物から形成されている。そして、２つの圧電層２１２、２１３の厚さは、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲にあり、これは、本実施の形態では、１μｍが好ましい。

本実施の形態では、第１の圧電層２１２および第２の圧電層２１３は、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３から形成されている。改良点として、第１の圧電層２１２および第２の圧電層２１３は異なった相構造を有している。好ましい実施の形態として、第１の圧電層２１２は、菱面体晶相構造を有し、例えばその組成は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．６１Ｔｉ_０．３９）Ｏ_３とすることができ、その場合のＰｂＴｉＯ_３と、ＰｂＺｒＯ_３との比は、０．４２３となる（ＰｂＴｉＯ_３の中身が４２．３ｍｏｌ％であることと同等）。そして、第２の圧電層２１３は、正方晶相構造を有し、例えばその組成は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５８Ｔｉ_０．４２）Ｏ_３である。その場合のＰｂＴｉＯ_３と、ＰｂＺｒＯ_３との比は、０．４６９である。本実施の形態において、比の組成勾配は０．０４６である。好ましくは、２つの圧電層２１２、２１３における組成勾配は、０．０１から０．９０の範囲にある。ここで、本発明の薄膜圧電素子２００と、従来の薄膜圧電素子１００とにおけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示す曲線が図４に示されている。図４に示すように、本発明の薄膜圧電素子２００の曲線には２つの重複ピーク（直線の矢印で示されている）が現れている。言い換えると、薄膜圧電素子２００には、２つの相構造が存在している。これに対して、従来の薄膜圧電素子１００の曲線には１つのピーク（破線の矢印で示されている）が現れている。これは、単相構造を示している。

上記の代わりに、第１の圧電層２１２の組成がＭＰＢにおける相構造を有し、第２の圧電層２１３の組成が菱面体晶相構造または正方晶相構造を有している。本発明において、第１および第２の圧電層２１２，２１３の組成は、薄膜圧電素子２００が異方性２相構造を確実に保有するようにするためには、双方の相構造が異なるだけではあっても、上記に限定されるものではない。

薄膜圧電素子２００が２つの圧電層２１２，２１３の組成においての２つの異なった相構造を有することから、ＡＣ電圧が薄膜圧電素子２００に適用されるときに、電荷が２つの圧電層２１２，２１３上に蓄積される。このような電荷の蓄積がドメイン分極の強化に役立ち、圧電定数ｄ３１およびｄ３３を高めることにも役立つ。仮に、２つの圧電層２１２，２１３における組成勾配が製造途中で増加するとすれば、電荷蓄積の効果はより著しいものとなる。

選択的な実施の形態として、圧電薄膜積層部２１０は、第３の圧電層またはそれより多くの圧電層を有していてもよい。その場合、異なった圧電層がＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３材料に適した異なったチタンＴｉの組成のような異なった組成を有するだけでもよい。

図５は、本発明の薄膜圧電素子２００と、従来の薄膜圧電素子１００とにおけるＡＣ電圧を加えているときの分極オフセットを対比した図である。図５に示すように、ＡＣ電圧が増加するにつれて、本発明の薄膜圧電素子２００の分極オフセットは増加している。そして、ＡＣ電圧が５０ｖを越えたときに、その分極オフセットは従来の薄膜圧電素子１００の分極オフセットよりも著しく大きなものとなる。したがって、薄膜圧電素子２００の圧電定数ｄ３１およびｄ３３が増加している。

また、図６は、本発明の薄膜圧電素子２００と、従来の薄膜圧電素子１００とにおけるＡＣ電圧を加えているときのストロークを対比した図である。ＡＣ電圧が増加するにつれて、２つの薄膜圧電素子１００、２００の分極電圧点Ａ，Ｂが生成される。本発明の薄膜圧電素子２００の分極電圧が従来の薄膜圧電素子１００の分極電圧よりも著しく大きいということがわかる。その結果として、本発明の薄膜圧電素子２００について、より大きな動作電圧や、より大きい電界の強さを適用することが可能となり、その結果、より大きなストロークを獲得することができる。薄膜圧電素子２００のストロークが増加するため、薄膜圧電素子２００は、大きなストロークを必要とするより大きなデバイスに応用することができる。

さらにまた、図７は、本発明の薄膜圧電素子２００と、従来の薄膜圧電素子１００とにおけるマイナス４０℃から約１２５℃までの範囲での復極電圧の変化を対比した図である。温度が増加するにつれて、従来の曲線では、復極電圧の著しい降下が現れる。このことは、従来の薄膜圧電素子１００では、高温になると、復極電圧のおそれがより高く出てくる、ということを意味している。そのより高いおそれがあることにより、従来の薄膜圧電素子１００では、高温動作を可能にする余地を確実に残すため、動作電圧を復極電圧よりもより大きく下げなければならない。このことが、最大ストロークが制限されること、そして減少することを引き起こす。これに対し、本発明では、復極電圧の曲線に、マイナス４０℃から約１２５℃までの範囲において著しい降下がまったく現れない。したがって、薄膜圧電素子２００では、従来の薄膜圧電素子１００よりも動作電圧をより大きなものとすることができ、これによって、従来の薄膜圧電素子と比べて大きなよりストロークを達成することができる。

図８は、本発明の薄膜圧電素子２００と、従来の薄膜圧電素子１００とにおけるマイナス４０℃から約１２５℃までの範囲にある温度での分極の変化を対比した図である。図８に示すように、従来の薄膜圧電素子１００における分極の変化は著しいものであり、とりわけ従来の薄膜圧電素子１００の分極は低温および高温の両端で鋭く降下する。これに対し、本発明の薄膜圧電素子２００では、変わり得る温度条件下においても、分極がより安定している。このことは、本発明の薄膜圧電素子２００が良好な熱性能を保有し、熱雑音を減少させることを意味している。

本発明の別の実施の形態として、第１の圧電層２１２および第２の圧電層２１３は、ＫＮａＮｂＯ_３,ＬｉＮｂＯ_３,ＬｉＴａＯ_３,ＢａＴｉＯ_３,ＰｂＴｉＯ_３またはＢａＳｒＴｉＯ_３の材料で形成することができる。第１の圧電層２１２および第２の圧電層２１３は、たとえ２つの圧電層２１２、２１３の組成が異なる相構造を有しているだけであっても、これらの材料に限られるものではない。

次に、薄膜圧電素子２００の製造方法について説明する。図９は、本発明の一実施形態にかかる薄膜圧電素子２００の製造方法のフローチャートである。図９に示すように、その製造方法には、以下のステップ５０１，５０２、および５０３が含まれている。すなわち、まず、ステップ５０１で基板の供給が行われる。次に、基板上への底部電極層の堆積がステップ５０２で行われる。さらに、ステップ５０３で次の工程が行われる。すなわち、第１の圧電層および第２の圧電層を含む圧電層の底部電極層上への堆積と、その圧電層上への上部電極層の堆積とが行われる。この場合、第１の圧電層と、第２の圧電層は異なった相構造を有している。

具体的には、ステップ５０３において、第１の圧電層および第２の圧電層は、２つの異なったスパッタリングターゲットによって堆積される。ひとつの実施形態として、一方のターゲットがＰｂ(Ｚｒ_０．６１Ｔｉ_０．３９)Ｏ_３の組成を有し、もう一方のターゲットがＰｂ(Ｚｒ_０．５８Ｔｉ_０．４２)Ｏ_３の組成を有し、その結果として、２つの圧電層が異なった相構造を有している。具体的には、第１の圧電層および第２の圧電層は、特殊なデポジション（堆積）の配列または事後アニール処理によって形成することができる。

上述した本発明の薄膜圧電素子２００は、マイクロアクチュエータ、センサなど、またはその他のデバイスに用いることができる。以下、幾つかの応用例について説明する。

実施の形態として、本発明にかかる薄膜圧電素子２００を備えたマイクロアクチュエータは、ディスク駆動装置の分野において、そのディスク駆動装置に搭載されているスライダを作動させるために用いることができる。図１０は、薄膜圧電素子２００を有するマイクロアクチュエータを備えたヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ）３００を示している。図１０を参照すると、本発明の実施の形態にかかるＨＧＡ３００は、サスペンション３９０と、サスペンション３９０上に搭載されたスライダ３０３とを有している。サスペンション３９０は、ロードビーム３０６と、ベースプレート３０８と、ヒンジ３０７と、フレクシャ３０５とを有し、これらのすべてが一つに組み立てられている。ヒンジ３０７は、ベースプレート３０８に組み付けるためのマウンティングホール（図示せず）が形成されている。そして、スライダ３０３はフレクシャ３０５上に搭載されている。スライダ３０３は、記録素子および再生素子に接続されている端子を有し、それらの端子が記録および再生端子に接続されていることが知られている。記録素子は、例えば標準的な誘導型の磁性変換器である。再生素子は、高い読み取り感度を有するＭＲ素子、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子である。

実際の実施に従えば、薄膜圧電素子２００（本図面には図示せず）を備えたマイクロアクチュエータは、スライダ３０３を微細な動きで作動させて良好な再生および記録を達成するため、スライダ３０３の両側に取り付けられるか、スライダ３０３近傍のフレクシャ３０５の上に搭載される。例えば、圧電素子部（図示せず）は、上述したマイクロアクチュエータのように、薄膜圧電素子２００と、薄膜圧電素子２００の上側および下側にそれぞれ形成された絶縁層（図示せず）とから形成されている。この場合、例えば各圧電素子部は、矩形状に形成されている。各圧電素子部が伸長および収縮することによって、スライダ３０３の位置がわずかに動く。薄膜圧電素子２００は、上述したものと同じ構成を有するから、ここでは、薄膜圧電素子２００についての説明は省略する。

また、図１１は、本発明の実施の形態に係る薄膜圧電素子２００を備えたディスク駆動装置４００を示している。ディスク駆動装置４００は、ＨＧＡ３００と、ＨＧＡ３００に接続された駆動アーム４０４と、連続した回転ディスク４０１と、ディスク４０１を回転させるスピンドルモータ４０２と、これらの部材すべてが搭載されているハウジング４０９とを有している。ＨＧＡ３００は、フレクシャ３０５を有するサスペンション３９０と、スライダ３０３と、上述した薄膜圧電素子２００を有するマイクロアクチュエータとを有している。本発明のディスク駆動装置における構造および／または組み立て工程は、当業者にとって周知であるから、その構造および組み立て工程の詳しい説明はここでは省略する。

上述したように、薄膜圧電素子２００は、２つの圧電層２１２，２１３の組成において２つの異なった相構造を有するため、ＡＣ電圧が薄膜圧電素子２００に加えられたときに、２つの圧電層２１２，２１３に電荷が蓄積される。これにより、薄膜圧電素子２００の保磁力の強さを高めることができ、そして、薄膜圧電素子２００について、より大きな電界の強さが復極無しに適用され得ることとなり、したがって、圧電定数ｄ３１およびｄ３３を高めることができる。さらに、本発明の薄膜圧電素子２００における復極電圧が著しく大きなものであり、それによって、より大きなストロークを得ることができ、それ故、薄膜圧電素子２００はスライダ３０３の動作を制御するうえで有益である。その結果、ディスク駆動装置４００の性能が改善される。

本発明にかかる薄膜圧電素子２００は、その最大ストロークがより大きなものであることおよび熱性能が良好であることから、アクチュエータ、センサ、ジャイロスコープ、加速器、無線周波数（ＲＦ）共振器、その他のＭＥＭＳデバイス等の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ、図示せず）に用いることができる。薄膜圧電素子２００を備えたＭＥＭＳデバイスにおいて、最大ストロークがより大きいことによって、より大きな信号出力を得ることができて電力消費をより小さくすることができる。また、熱性能が良好であることによって、熱雑音、バイアスオフセット、他のドリフトを減少させることができる。

現時点で最も実践的で好ましいと考え得る実施の形態に関連して、本発明を詳述したが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるものではなく、それどころか発明の精神および開示の範囲内で様々な変形例および均等配置を包含するものである。

Claims

基板と、該基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、該圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、該上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、
該圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、該第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、
前記底部電極層が前記基板上に直に形成され、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成され、
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている薄膜圧電素子。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有する請求項１記載の薄膜圧電素子。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有する請求項２記載の薄膜圧電素子。
前記圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなる請求項２記載の薄膜圧電素子。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有する請求項１〜４のいずれか一項記載の薄膜圧電素子。
前記圧電層は、ＫＮａＮｂＯ_３, ＬｉＮｂＯ_３, ＬｉＴａＯ_３, ＢａＴｉＯ_３, ＰｂＴｉＯ_３またはＢａＳｒＴｉＯ_３からなる請求項１記載の薄膜圧電素子。
薄膜圧電素子の製造方法であって、
基板の供給と、
該基板上への底部電極層の堆積と、第１の圧電層および第２の圧電層からなる圧電層の該底部電極層上への堆積と、該圧電層上への上部電極層の堆積とを有し、
前記第１の圧電層および第２の圧電層は、異なった相構造を有し、
前記圧電層の前記底部電極層上への堆積において、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、かつ前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、
前記圧電層上への上部電極層の堆積において、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成される薄膜圧電素子の製造方法。
前記圧電層の前記底部電極層上への堆積において、前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有するように、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、かつ前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成される請求項７記載の薄膜圧電素子の製造方法。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有する請求項８記載の薄膜圧電素子の製造方法。
前記圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなる請求項８記載の薄膜圧電素子の製造方法。
薄膜圧電素子を有するマイクロアクチュエータであって、
該薄膜圧電素子は、基板と、該基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、該圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、該上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、
該圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、該第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、
前記底部電極層が前記基板上に直に形成され、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成され、
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されているマイクロアクチュエータ。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有する請求項１１記載のマイクロアクチュエータ。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有する請求項１２記載のマイクロアクチュエータ。
前記圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなる請求項１２記載のマイクロアクチュエータ。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有する請求項１１〜１４のいずれか一項記載のマイクロアクチュエータ。
前記圧電層は、ＫＮａＮｂＯ_３, ＬｉＮｂＯ_３, ＬｉＴａＯ_３, ＢａＴｉＯ_３, ＰｂＴｉＯ_３またはＢａＳｒＴｉＯ_３からなる請求項１１記載のマイクロアクチュエータ。
サスペンションと、該サスペンションによって支持されているスライダと、該スライダを作動させるための、該サスペンション上に形成された薄膜圧電素子とを有するヘッドジンバルアセンブリであって、
該薄膜圧電素子は、
基板と、
該基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、該圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、該上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、
該圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、該第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、
前記底部電極層が前記基板上に直に形成され、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成され、
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されているヘッドジンバルアセンブリ。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有する請求項１７記載のヘッドジンバルアセンブリ。
ヘッドジンバルアセンブリと、該ヘッドジンバルアセンブリに接続される駆動アームと、ディスクと、該ディスクを回転させるスピンドルモータとを有し、
該ヘッドジンバルアセンブリは、サスペンションと、該サスペンションによって支持されているスライダと、該スライダを作動させるための、該サスペンション上に形成された薄膜圧電素子とを有するディスク駆動装置であって、
該薄膜圧電素子は、
基板と、
該基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、該圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、該上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、
該圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、該第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、
前記底部電極層が前記基板上に直に形成され、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成され、
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されているディスク駆動装置。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有する請求項１９記載のディスク駆動装置。
薄膜圧電素子を有する微小電気機械システムであって、
該薄膜圧電素子は、
基板と、
該基板上に形成された圧電薄膜積層部とを有し、該圧電薄膜積層部は、上部電極層と、底部電極層と、該上部電極層および底部電極層の間に挟まれた圧電層とを有し、
該圧電層は、第１の圧電層および第２の圧電層からなり、該第１の圧電層および第２の圧電層の組成が異なった相構造を有し、
前記底部電極層が前記基板上に直に形成され、前記第１の圧電層が前記底部電極層上に直に形成され、前記第２の圧電層が前記第１の圧電層上に直に形成され、前記上部電極層が前記第２の圧電層上に直に形成され、
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、マイナス４０℃から１２５℃までの温度範囲において、前記圧電層における復極電圧および分極の変化の割合がともに１０％を越えない範囲に収まる相構造および組成を有するように形成されている微小電気機械システム。
前記第１の圧電層および前記第２の圧電層がＰｂ（Ｚｒ _ｘＴｉ _１−ｘ）Ｏ _３から形成され、かつＺｒの組成比がＴｉの組成比よりも大きく、さらに前記第１の圧電層が菱面体晶相構造を有し、かつ前記第２の圧電層が正方晶相構造を有する請求項２１記載の微小電気機械システム。
前記第１の圧電層および第２の圧電層は、異なったＴｉの組成を有する請求項２２記載の微小電気機械システム。
前記圧電層は、それぞれ異なったＴｉの組成を有する２以上の層からなる請求項２２記載の微小電気機械システム。
前記第１の圧電層および第２の圧電層は、０．１μｍ〜１．５μｍの範囲の厚さを有する請求項２１〜２４のいずれか一項記載の微小電気機械システム
前記圧電層は、ＫＮａＮｂＯ_３, ＬｉＮｂＯ_３, ＬｉＴａＯ_３, ＢａＴｉＯ_３, ＰｂＴｉＯ_３またはＢａＳｒＴｉＯ_３からなる請求項２１記載の微小電気機械システム。