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JP2003046160A - 圧電素子,アクチュエータ及びインクジェットヘッド - Google Patents

圧電素子,アクチュエータ及びインクジェットヘッド

Info

Publication number
JP2003046160A
JP2003046160A JP2002117671A JP2002117671A JP2003046160A JP 2003046160 A JP2003046160 A JP 2003046160A JP 2002117671 A JP2002117671 A JP 2002117671A JP 2002117671 A JP2002117671 A JP 2002117671A JP 2003046160 A JP2003046160 A JP 2003046160A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
piezoelectric
piezoelectric element
base film
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2002117671A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasusuke Irie
庸介 入江
Kazuo Yokoyama
和夫 横山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2002117671A priority Critical patent/JP2003046160A/ja
Publication of JP2003046160A publication Critical patent/JP2003046160A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Moving Of Heads (AREA)
  • Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶基板以外の基板の上にも、圧電特性の
よい圧電素子を形成するための構造及びそれを利用した
デバイスを提供する。 【解決手段】 圧電素子1は、PZTからなる圧電体膜
2と、圧電体膜2を挟む一対の電極である下部電極3お
よび上部電極4と、圧電体膜2と下部電極3との間に介
在する厚みが約50nm〜200nmのPLTからなる
下地膜5とを有している。そして、圧電素子1全体は、
多結晶体であるステンレス基板や、非晶質体である耐熱
性ガラス基板や、単結晶体であるシリコン基板などであ
る基板6の上に設けられている。単結晶体以外の基板上
にも、圧電特性の良好な圧電素子を設けることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体層を有する
圧電素子、並びに、圧電素子を利用したアクチュエータ
及びインクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、圧電体は、目的に応じて様々
なデバイスに利用されている。かかるデバイスの例とし
て、圧電体に電圧を加えてその電圧に応じた変形を生じ
させるように構成されたアクチュエータや、逆に、圧電
体の変形から電圧を発生させる加速度センサ,角速度セ
ンサなどがある。
【0003】圧電体材料としては、優れた圧電特性を有
する鉛系の誘電体、特に、Pb(Zr1-x Tix )O3
で表される組成を有する,PZTと略称されるペロブス
カイト型強誘電体が広く用いられている。従来、圧電素
子は、熱処理により得られた圧電材料の焼結体を切削,
研磨などの工程により目的に応じた形状を有する圧電体
層を形成した後、圧電体層の相対向する2つの面にそれ
ぞれ一対の電極を設けることにより、形成されている。
【0004】近年、これらの圧電素子を利用した各種デ
バイスをより小型化,高機能化,低消費電力化(低電圧
駆動)することによって、各種デバイスをマイクロマシ
ンやマイクロセンサなどに適用することが検討されてお
り、これまで不可能とさてていた様々な分野において、
微少かつ精密な制御などが可能になると期待されてい
る。
【0005】そこで、従来の焼結,切削,研磨などを利
用した製造方法とは別に、圧電体薄膜を基板上に形成
し、半導体プロセスなどで用いられてきた微細加工技術
を駆使して、より高精度な超小型圧電素子を開発する研
究がなされている。しかし、圧電素子を小型化するにあ
たり、圧電体膜に微少な変位を高精度かつ高効率で発生
させたり、微少変位を高精度かつ高効率で検知できる構
成が必要であり、なお検討する課題が多く残されてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、基板上に圧
電体膜を形成する技術(薄膜化プロセス)は、微細性,
精密性,機能性及び加工性に優れた技術であるが、従来
行われてきた焼結体を用いた微細成形技術とは全く異な
るプロセスで行なわれる。従って、その薄膜化プロセス
に適合した圧電体および圧電素子の構造を実現する必要
がある。良好な圧電特性を有する薄膜圧電体を作成する
方法として一般的に用いられるのは、CVD法,スパッ
タ法,ゾルゲル法である。これらの方法を用いた場合で
も、さらにMgO単結晶基板や、SrTiO3 単結晶基
板などの単結晶基板を使用してPZT薄膜をエピタキシ
ャル成長をさせてやらなければ良好な特性を得ることは
困難であった。また、圧電特性を安定に得るためには、
単結晶基板の上に、(Pb,La)TiO3 ,PbTi
2 などの圧電体膜を成膜する必要があった。単結晶基
板としては、MgO単結晶基板やSrTiO3 単結晶基
板などが用いられている。
【0007】しかし、MgO単結晶基板やSrTiO3
単結晶基板などは、非常に価格が高い上に、基板の大き
さも30mm×30mm程度であるので、あまり大面積
の基板が得られない。一方、単結晶基板以外の基板上に
圧電特性の良好な圧電体膜を形成する技術はまだ確立さ
れていない。
【0008】本発明の目的は、単結晶基板を用いなくて
も圧電特性の良好な圧電体膜を形成する技術を実現する
ことにより、安価で高性能の圧電素子及びこれを利用し
た各種デバイスを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子は、基
板上に設けられる圧電素子であって、厚みが50nm以
上で200nm以下の範囲にある下地膜と、上記下地膜
を挟んで上記基板に対向して設けられた圧電体膜と備え
ている。
【0010】これにより、下地膜が形成される基板の材
質に拘わらず、良好な圧電特性を有する圧電体膜が得ら
れることが確認されている。
【0011】上記下地膜と上記基板との間に介設された
第1の電極をさらに備えていることにより、基板が絶縁
体である場合には、圧電体への電圧の印加を第1の電極
により行なうことができ、基板が導体である場合にも、
下地膜と基板との反応を抑制する機能等を第1の電極に
もたせることができる。
【0012】上記圧電体膜を挟んで上記下地膜に対向し
て設けられた第2の電極をさらに備えていることによ
り、圧電体への電圧の印加を第2の電極によって行なう
ことができる。
【0013】上記基板は、多結晶体又は非晶質体により
構成されていることにより、単結晶体のような高価な材
料を用いることがなく、かつ、可撓性のある基板の上に
圧電素子を直接形成することも可能となる。よって、こ
の圧電素子をアクチュエータに応用することで、小型
化,高機能化,低消費電力化されたアクチュエータが得
られる。
【0014】上記下地膜は、立方晶あるいは正方晶の結
晶構造を有する酸化物により構成されていることが好ま
しい。
【0015】上記下地膜は、構成要素にZrを含まない
ペロブスカイト酸化物により構成されていることがより
好ましく、特に、(Pb,La)TiO3 で表される組
成を有するペロブスカイト酸化物であるPLTにより構
成されていることにより、著効を発揮することができ
る。
【0016】上記圧電体膜は、Pb,Zr,Tiを含む
ペロブスカイト酸化物により構成されていることが好ま
しい。
【0017】本発明のアクチュエータは、固定部材と、
上記固定部材に対して移動可能な移動部材と、上記固定
部材及び移動部材に接続された圧電素子とを備え、上記
圧電素子は、厚みが50nm以上で200nm以下の範
囲にある下地膜と、上記下地膜に接触して形成された圧
電体膜とを有している。
【0018】これにより、下地膜が形成される基板の材
質に拘わらず、良好な圧電特性を有する圧電体膜が得ら
れるので、この圧電素子を利用した高精度かつ高機能の
アクチュエータが得られる。そして、このアクチュエー
タを小型化,高機能化,低消費電力化することで、マイ
クロマシンやマイクロセンサに応用することが可能とな
った。
【0019】上記固定部材は、上記移動部材に取り付け
られており、上記圧電素子は、上記移動部材のみに接触
しており、上記下地膜は、上記圧電体膜と上記移動部材
との間に介在していて、上記圧電素子は、上記圧電体膜
の上に設けられた上部電極をさらに有している構造を採
ることができる。
【0020】その場合、上記圧電素子は、上記下地膜と
上記移動部材との間に介設された下部電極をさらに有し
ていることにより、移動部材が絶縁体である場合には、
圧電体への電圧の印加を第1の電極により行なうことが
でき、移動部材が導体である場合にも、下地膜と移動部
材との反応を抑制する機能等を第1の電極にもたせるこ
とができる。
【0021】上記圧電素子は、上記移動部材及び固定部
材に接触しており、上記下地膜は、上記移動部材又は上
記固定部材のうちの一方の部材と、上記圧電体膜との間
に介在している構造を採ることもできる。
【0022】その場合、上記圧電素子は、上記下地膜と
上記一方の部材との間に介設された第1の電極をさらに
有していることにより、上述の作用効果を発揮すること
ができる。
【0023】上記圧電素子は、上記下地膜と、上記移動
部材又は固定部材のうちの他方の部材との間に介設され
た第2の電極をさらに有していることが好ましい。
【0024】上記移動部材及び上記固定部材のうち少な
くともいずれか一方は、可撓性のある多結晶体又は非晶
質体により構成されていることにより、アクチュエータ
の機能性を高めることができる。
【0025】上記下地膜は、構成要素にZrを含まない
ペロブスカイト酸化物により構成されていることが好ま
しい。
【0026】本発明のインクジェットヘッドは、インク
を供給するための供給口とインクを吐出するための吐出
口とを有する圧力室用凹部が形成されたヘッド本体と、
上記ヘッド本体の凹部を塞いで凹部と共に圧力室を構成
するように設けられた振動板と、上記振動板の上記圧力
室に接する面とは対向する面に設けられた圧電素子とを
備えているインクジェットヘッドにおいて、上記圧電素
子は、上記振動板に対向する上部電極と、上記振動板と
上記上部電極との間に設けられた圧電体膜と上記振動板
と上記圧電体膜との間に設けられた厚みが50nm以上
で200nm以下の範囲にある下地膜とを有している。
【0027】これにより、例えば、振動板の材質に拘わ
らず、振動板上に圧電特性の良好な圧電体膜を有する圧
電素子を設けることが可能になる。したがって、インク
ジェットヘッドのヘッド本体の小型化や、インクジェッ
トヘッドの製造コストの低減等を図ることができる。
【0028】上記振動板と上記下地膜との間に設けられ
た下部電極をさらに備えていることが好ましい。
【0029】また、上記振動板は、多結晶体又は非晶質
体により構成されていることにより、振動板として可撓
性のあるものを用いて、その上に直接圧電素子を形成す
ることが可能になる。
【0030】上記下部電極と上記振動板との間に設けら
れた多結晶膜又は非晶質膜をさらに備えていることもで
きる。
【0031】上記振動板は、金属により構成されている
ことが好ましい。
【0032】上記下地膜は、立方晶あるいは正方晶の結
晶構造を有する酸化物により構成されていることが好ま
しい。上記下地膜は、構成要素にZrを含まないペロブ
スカイト酸化物により構成されていることがより好まし
い。
【0033】
【発明の実施の形態】(第1の実施形態)図1は、本発
明の第1の実施形態である圧電素子の構成を示す断面図
である。本実施形態の圧電素子1は、厚さが0.1μm
〜50μmの圧電体膜2と、圧電体膜2を挟む一対の電
極である下部電極3および上部電極4と、圧電体膜2と
下部電極3との間に介在する厚みが約50nm〜200
nmの下地膜5とを有している。そして、圧電素子1全
体は、多結晶体であるステンレス基板や、非晶質体であ
る耐熱性ガラス基板や、単結晶体であるシリコン基板な
どである基板6の上に設けられている。
【0034】図2(a)〜(e)は、本実施形態におけ
る半導体薄膜素子の製造工程を示す断面図である。
【0035】まず、図2(a)に示す工程で、基板6の
上に、スパッタ法、または蒸着法を用いて、厚み50n
m〜200nmの下部電極用のPt膜3xを形成する。
【0036】次に、図2(b)に示す工程で、Pt膜3
xの上に、基板温度500℃〜700℃の条件で、スパ
ッタリング,CVDまたはゾル・ゲル法を用いて、厚み
50nm〜200nmの下地膜用PLT膜5xを形成す
る。
【0037】次に、図2(c)に示す工程で、PLT膜
5xの上に、スパッタリング、CVDまたはゾル・ゲル
法を用いて、厚み0.1μm〜50μmの圧電体膜用の
PZT膜2xを形成する。さらに、PZT膜2xの上
に、スパッタリング、または蒸着により、厚み50nm
〜300nmの上部電極用の白金(Pt)又は金(A
u)等の貴金属膜4xを形成する。
【0038】次に、図2(d)に示す工程で、リソグラ
フィー工程を行なって、貴金属膜4xの上にレジスト膜
9を形成する。
【0039】そして、図2(e)に示す工程で、レジス
ト膜9をエッチングマスクとして、貴金属膜4x,PZ
T膜2x,PLT膜5x及びPt膜3xをパターニング
して、下部電極3,下地膜5,圧電体膜2及び上部電極
4からなる圧電素子1を形成する。この工程は、以下の
手順で行なわれる。
【0040】まず、貴金属膜4xをエッチングして上部
電極4を形成する。エッチング方法としてはドライエッ
チング法、ウエットエッチング法などがあるが、ドライ
エッチング法の場合には、アルゴンガス(Ar)を用い
てエッチングする。一方、ウエットエッチングの場合に
は、金(Au)に対してはヨウ化カリウム(KI)、ヨ
ウ素(I2 )、水(H2 O)の混合液などを用いてエッ
チングを行う。
【0041】上部電極4が形成されると、いったんレジ
スト膜9を除去して、再度、PZT膜2xのエッチング
マスクとなるレジスト膜を形成する。このとき、上部電
極4がPZT膜と同形状で、上部電極4用のレジスト膜
9が耐ウェットエッチング性にも優れているものなら
ば、上部電極4用のレジスト膜9をそのままPZT膜2
xパターニング時のエッチングマスクとして用いても良
い。
【0042】そして、PZT膜2x及びPLT膜5xを
エッチングして、圧電体膜2及び下地膜5を形成する。
その際、PZT膜2x等の膜厚が薄い場合にはドライエ
ッチング法を用い、厚みが厚い場合にはウエットエッチ
ング法を用いる。ドライエッチング法の場合には、金
(Au)、白金(Pt)の場合と同様にアルゴンガス
(Ar)を用いてエッチングする。ウエットエッチング
の場合には、弗化アンモニウム溶液及び弗酸を用いてエ
ッチングを行う。エッチング方法は、ビーカに入れたバ
ファードフッ酸を約60℃に温め、その中に基板6ごと
浸漬する。バッファードフッ酸は濃度が一定になるよう
に常時かき混ぜられる。エッチングが終了すると、純水
で洗浄した後、乾燥させる。
【0043】その後、PZT膜2x等のエッチングに用
いたレジスト膜を除去し、再度、下部電極形成用のエッ
チングマスクとなるレジスト膜を形成し、Pt膜3xを
エッチングして、下部電極3を形成する。その際、ドラ
イエッチング法の場合には、アルゴンガス(Ar)を用
いてエッチングする。一方、ウエットエッチングの場合
には、エッチング液としてシアン化カリウム、ペルオキ
ソ硫酸アンモニウム、水の混合液を用いる。
【0044】本実施形態によると、以下の効果を発揮す
ることができる。
【0045】従来、(Pb,La)TiO3 (PL
T),PbTiO2 などの下地膜を形成する場合、Mg
O単結晶基板や、SrTiO3 単結晶基板などの単結晶
基板を使用して、厚み5nm〜30nmのPLT膜など
の下地膜を形成する必要があり、その下地膜の上にPZ
T膜などの圧電体膜をエピタキシャル成長をさせてい
た。ところが、MgO単結晶基板やSrTiO3 単結晶
基板などは、非常に価格が高いので、圧電素子のコスト
ダウンが困難である。また、基板の大きさも30mm×
30mm程度であるので、あまり大面積の基板が得られ
ない。
【0046】それに対し、本実施形態の圧電素子及びそ
の製造方法では、ステンレス,ガラス,Siなどの比較
的安価な基板を使用しつつ、後述するように優れた圧電
特性を有する圧電体膜を形成することができるので、特
性の良好な圧電素子を低コストで得ることができる。
【0047】また、多結晶体や非晶質体の中には、単結
晶体とは異なり可撓性のあるものが多く存在するので、
種々のアクチュエータの部品となるステンレス板などに
圧電素子を直接形成することにより、小型化,高機能
化,低消費電力化され微小な動作を行なう圧電式アクチ
ュエータも実現することができる。
【0048】−実施例− 本実施形態の効果を確認するために、以下の具体的なサ
ンプルに対する圧電定数の測定を行なった。図1に示す
構造を有するサンプルを基板6の材質を変え、PLTか
らなる下地膜5の厚みを25nm,50nm,75n
m,100nm,125nm,150nm,175n
m,200nmの8種類に変えて、下地膜の厚みの変化
に対する圧電定数d31の変化状態を調べた。
【0049】基板6としては、MgO単結晶基板,シリ
コン単結晶基板,ステンレス基板(多結晶体),ポリシ
リコン基板,耐熱ガラス基板(非晶質体),チタン基板
(多結晶体),鉄板(多結晶体),銅板(多結晶体),
ニッケル板(多結晶体)を用いた。
【0050】なお、下部電極3は厚み100nmのPt
膜であり、下地膜5は組成がPb0. 85La0.15Ti
0.9625x で表されるPLT膜であり、圧電体膜2は組
成がPbZr0.5 Ti0.53 で表される厚み3μmの
PZT膜である。下地膜5及び圧電体膜2は、基板温度
600℃でスパッタリングにより形成されている。上部
電極4は蒸着により形成された厚み200nmのAu膜
である。
【0051】図3は、本実験においてレーザー変位計を
用いて圧電定数を測定する方法を概略的に示す斜視図で
ある。圧電素子1及び基板6は、3mm×15mmの短
冊状に切り出され、長さ方向の一端部が固定台7に固定
されている。つまり、圧電素子1及び基板6が片持梁の
状態で支持されている状態で、上部電極−下部電極間に
電圧を印加してレーザー変位計(図示せず)を用いて変
位を測定した。ここで、レーザー変位計としては、グラ
フテック社製のレーザドップラー変位計を用いた。
【0052】ここで、図3に示す座標系において、圧電
素子1がX方向に伸びるとき、電圧をv(V)、圧電体
膜2の厚さをt1 (m)、基板6の厚さをt2 (m)、
圧電体膜2の長さをl(m)、圧電体膜2の機械結合係
数S1 、基板6の機械結合係数をS2 、圧電体膜2の圧
電定数をd31とすると、圧電素子1のX方向における伸
びdxは、下記式(1) dx=−3d31・S1・S2・t1(t1+t2)・l/(S1 2・t2 4 +4S1・S2・t1・t2 3+6S1・S2・t1 2・t2 2 +4S1・S2・t2・t1 3+S2・2t1 4) (1) で表される。そこで、各定数の数値を式(1)に代入し
て、圧電定数d31を計算した。
【0053】図4は、各種基板を用い、下地膜の厚みを
8種類に変化させたときの圧電定数d31のデータを示す
図である。図4に示すように、MgO単結晶基板だけで
なく、多結晶体基板や非晶質体基板を用いた場合でも、
下地膜5の厚みが50nm以上で200nm以下の範囲
で、比較的良好な圧電定数d31が得られることがわかっ
た。特に、下地膜5の厚みが100nm以上で150n
m以下の範囲では、圧電定数d31が極めて高く、MgO
基板を用いたときの値(約80×10-12m/V)に対
する圧電定数d31の低下量がわずかであることがわかっ
た。
【0054】すなわち、本実施形態の圧電素子及びその
製造方法により、ステンレス,ガラス,Siなどの比較
的安価な基板を使用しつつ、特性の良好な圧電素子を形
成しうることがわかる。
【0055】ここで、従来、単結晶基板以外の基板(多
結晶基板又は非晶質基板)を用いて圧電体膜を形成して
も、良好な圧電特性が得られていなかったのは、単結晶
基板への圧電体膜の形成と同様に、下地膜の厚みが高々
30nm程度にすぎなかったためと考えられる。それに
対し、本発明では、下地膜の厚みを50nm以上200
nm以下にすることにより、配向性及び圧電特性の良好
な圧電体膜を多結晶基板又は非晶質基板上に形成するこ
とを見いだした。
【0056】そして、単結晶基板以外の基板上に圧電体
膜を形成しうるので、アクチュエータや各種デバイスに
圧電素子を設ける場合、アクチュエータや各種デバイス
の部材に直接圧電素子を設けることが可能になった。例
えば、アクチュエータのステンレス製バネなどの上に、
下部電極,下地膜,圧電体膜,上部電極などを形成しう
ることは、図2(a)〜(d)の製造工程からみて明ら
かである。したがって、従来の転写法を利用する場合の
ごとく、高価な単結晶基板(MgO基板)を消耗品とし
て用いる方法に比べると、単結晶基板の不要化によるコ
ストの削減と、工程の簡素化によるコストの削減とを図
ることができる。
【0057】ただし、本発明においても、転写法を利用
することは可能である。例えば、安価なポリシリコン基
板上に、圧電素子を形成しておいて、その後、ポリシリ
コン基板を除去してもよい。その場合にも、ポリシリコ
ン基板はMgO基板に比べると格段に安価であるので、
製造コストの削減を図ることができる。
【0058】その場合、単結晶のシリコンウエハを用い
ることもできる。単結晶基板であっても、ペロブスカイ
ト構造を有する圧電体膜とは格子整合性がよくないもの
があり、かかる基板の場合には、ペロブスカイト構造を
有する圧電体膜に対する格子整合性のよいもの(例えば
MgO基板)のごとく薄い下地膜(例えば厚み3nm〜
30nm)を用い、薄い下地膜の上に圧電体膜を形成し
ても、あまり良好な特性が得られないが、本発明のよう
に、50nm以上で200nm以下の範囲の厚みの下地
膜の上に、圧電体膜を形成することによって、圧電特性
の良好な圧電素子を得ることができる。
【0059】ここで、本発明において、圧電体膜2は、
ペロブスカイト構造を有する圧電体材料によって構成さ
れていることが好ましく、特に、鉛(Pb),チタン
(Ti)及びジルコニウム(Zr)を含むペロブスカイ
ト型酸化物、バリウム(Ba),チタン(Ti)を含む
ペロブスカイト酸化物によって構成されていることがよ
り好ましい。
【0060】本発明において、下部電極3は、ペロブス
カイト等の酸化物を形成する際の酸化性雰囲気に耐える
金属材料であることが好ましく、特に、白金(Pt),
パラジウム(Pd),イリジウム(Ir)及びルテニウ
ム(Ru)から選択される金属あるいはそれらの酸化物
によって構成されていることがより好ましい。
【0061】本発明において、下地膜5は、ペロブスカ
イト膜を成長させるのに適した正方晶又は立方晶の結晶
構造を有する酸化物材料であること好ましく、特に、Z
rを含まないペロブスカイト構造を有する酸化物材料か
らなることが好ましい。具体的に、好ましい材料として
は、チタン酸鉛(PbTiO3 )や、PbTiO3 にラ
ンタンを添加した(Pb,La)TiO3 (以下、単に
PLTと略す)がある。また、酸化マグネシウム(Mg
O),チタン酸ストロンチウム(SrTiO3),チタ
ン酸バリウム(BaTiO3 ),ルテニウム酸ストロン
チウム(SrRuO3 ),ニッケルオキサイド(Ni
O),コバルトオキサイト(CoO),酸化チタン(T
iO2 ),ジンクオキサイド(ZnO),酸化ジルコニ
ウム(ZrO2 )などの立方晶または正方晶の結晶構造
を有する酸化物も、下地膜を構成する材料として用いる
ことができる。
【0062】また、下地膜5の厚みは、50nm以上で
200nm以下であることが好ましい。図4に示される
ように、下地膜5の厚みが50nm未満の場合には、配
向性がよくないためと思われるが、下地膜5の上に形成
される圧電体膜2において十分大きい圧電係数が得られ
ないからである。また、下地膜5の厚みが200nmを
越えると、下地膜5の剛性が高くなりすぎることによる
ものと思われるが、圧電体膜2の圧電係数が悪化するこ
とがわかっている。また、図4に示されるように、もっ
ともよい圧電特性を発揮するためには、下地膜5の厚み
は、100nm以上で150nm以下であることがより
好ましい。
【0063】本発明において、上部電極4は、酸化性雰
囲気に耐える金属材料であることが好ましく、特に、白
金(Pt),パラジウム(Pd),イリジウム(I
r),ルテニウム(Ru)及び金(Au)から選択され
る金属あるいはそれらの酸化物によって構成されている
ことがより好ましい。
【0064】本発明において、基板6として、単結晶基
板以外のものを用いることが好ましい。例えば、材料全
般を、単結晶体,多結晶体,非晶質体の3つのカテゴリ
ーに分類した場合、本発明の基板は、多結晶体又は非晶
質体であることが好ましい。基板6を構成するのに好ま
しい具体的な材料としては、以下のものがある。第1
に、鉄(Fe),銅(Cu),コバルト(Co),ニッ
ケル(Ni),タンタル(Ta),チタン(Ti),ク
ロム(Cr)などの金属,これらの金属の1又は2以上
を含む合金,あるいは、これらの金属又は合金の酸化物
である。これらの合金又は酸化物の例としては、ステン
レス,チタン合金,耐熱性ガラスなどがある。また、基
板6を構成するのに好ましい別の材料として、カーボン
(C)、シリコン(Si)を主成分とする半導体または
それらの酸化物がある。
【0065】ただし、圧電体膜と格子整合性のよくない
単結晶基板であっても、本発明を適用することにより、
良好な圧電特性を有する圧電素子を得ることができる。
【0066】−その他の実施例− 図5は、各種基板を用い、基板の上にアモルファスシリ
コン膜を形成してから下地膜を形成し、下地膜の厚みを
8種類に変化させたときの圧電定数d31の実験データを
示す図である。アモルファスシリコン膜の厚みは、約3
00nmであり、CVD法によって形成されている。こ
こで、PLTからなる下地膜5の厚みを25nm,50
nm,75nm,100nm,125nm,150n
m,175nm,200nmの8種類に変化させてい
る。
【0067】基板6としては、MgO単結晶基板,ステ
ンレス基板(多結晶体),シリコン基板(単結晶体と多
結晶体),耐熱ガラス基板(非晶質体),チタン基板
(多結晶体),鉄板(多結晶体),銅板(多結晶体),
ニッケル板(多結晶体)を用いた。
【0068】下部電極3は厚み100nmのPt膜であ
り、下地膜5は組成がPb0.85La 0.15Ti0.9625x
で表されるPLT膜であり、圧電体膜2は組成がPbZ
0. 5 Ti0.53 で表される厚み3μmのPZT膜で
ある。下地膜5及び圧電体膜2は、基板温度600℃で
スパッタリングにより形成されている。上部電極4は蒸
着により形成された厚み200nmのAu膜である。
【0069】圧電素子1及び基板6は、3mm×15m
mの短冊状に切り出され、図3に示すごとく片持梁の状
態で支持されている状態で、上部電極−下部電極間に電
圧を印加してレーザー変位計(図示せず)を用いて変位
を測定した。
【0070】図5に示すように、この例の場合にも、M
gO単結晶基板だけでなく、多結晶体基板や非晶質体基
板を用いた場合でも、下地膜5の厚みが50nm以上で
200nm以下の範囲で、比較的良好な圧電定数d31
得られることがわかった。特に、下地膜5の厚みが10
0nm以上で150nm以下の範囲では、圧電定数d 31
が極めて高く、MgO基板を用いたときの値(約80×
10-12m/V)に対する圧電定数d31の低下量がわず
かである。
【0071】すなわち、本発明の圧電素子及びその製造
方法により、ステンレス,ガラス,Siなどの比較的安
価な基板を使用しつつ、その上にアモルファスシリコン
膜などを設けた場合にも、圧電特性の良好な圧電素子を
形成しうることがわかる。
【0072】図6は、各種基板を用い、基板の上に多結
晶シリコン膜を形成してから下地膜を形成し、下地膜の
厚みを8種類に変化させたときの圧電定数d31の実験デ
ータを示す図である。多結晶シリコン膜の厚みは、約3
00nmであり、CVD法によって形成されている。こ
こで、PLTからなる下地膜5の厚みを、25nm,5
0nm,75nm,100nm,125nm,150n
m,175nm,200nmの8種類に変化させてい
る。
【0073】基板6としては、MgO単結晶基板,ステ
ンレス基板(多結晶体),シリコン基板(多結晶体),
耐熱ガラス基板(非晶質体),チタン基板(多結晶
体),鉄板(多結晶体),銅板(多結晶体),ニッケル
板(多結晶体)を用いた。
【0074】下部電極3は厚み100nm〜120nm
のPt膜であり、下地膜5は組成がPb0.85La0.15
0.9625x で表されるPLT膜であり、圧電体膜2は
組成がPbZr0.5 Ti0.53 で表される厚み3μm
のPZT膜である。下地膜5及び圧電体膜2は、基板温
度600℃でスパッタリングにより形成されている。上
部電極4は蒸着により形成された厚み200nmのAu
膜である。
【0075】圧電素子1及び基板6は、3mm×15m
mの短冊状に切り出され、図3に示すごとく片持梁の状
態で支持されている状態で、上部電極−下部電極間に電
圧を印加してレーザー変位計(図示せず)を用いて変位
を測定した。
【0076】図6に示すように、この例の場合にも、M
gO単結晶基板だけでなく、多結晶体基板や非晶質体基
板を用いた場合でも、下地膜5の厚みが50nm以上で
200nm以下の範囲で、比較的良好な圧電定数d31
得られることがわかった。特に、下地膜5の厚みが10
0nm以上で150nm以下の範囲では、圧電定数d 31
が極めて高く、MgO基板を用いたときの値(約80×
10-12m/V)に対する圧電定数d31の低下量がわず
かであることがわかった。
【0077】すなわち、本発明の圧電素子及びその製造
方法により、ステンレス,ガラス,Siなどの比較的安
価な基板を使用しつつ、圧電特性の良好な圧電素子を形
成しうることがわかる。
【0078】図7は、ステンレス基板を用い、ステンレ
ス基板の上に下地膜を形成し、その上に形成される圧電
体膜であるPZT膜中のZr組成比を変化させたときの
圧電定数d31の実験データを示す図である。
【0079】ここでは、PZT(PbZrx Ti1-x
3 )のZr組成比xを、0.40〜0.60の間で7種
類に変化させている。圧電体膜(PZT膜)の厚みは約
3μmである。基板6としては、ステンレス基板(多結
晶体)と、MgO単結晶基板とを用いた。
【0080】下部電極3は厚み100nmのPt膜であ
り、下地膜5は組成がPb0.85La 0.15Ti0.9625x
で表される,厚み約100nm〜120nmのPLT膜
であり、下地膜5及び圧電体膜2は、基板温度600℃
でスパッタリングにより形成されている。上部電極4は
蒸着により形成された厚み200nmのAu膜である。
【0081】圧電素子1及び基板6は、3mm×15m
mの短冊状に切り出され、図3に示すごとく片持梁の状
態で支持されている状態で、上部電極−下部電極間に電
圧を印加してレーザー変位計(図示せず)を用いて変位
を測定した。
【0082】図7に示すように、ステンレス基板を用い
た場合、PZTの組成比xが0.40〜0.60の間で
変化しても、ほぼ一定で、かつMgO単結晶基板を用い
た場合とほぼ同等の良好な圧電定数d31が得られること
がわかった。
【0083】すなわち、本発明の圧電素子及びその製造
方法により、ステンレス,ガラス,Siなどの比較的安
価な基板を使用しつつ、圧電特性の良好な圧電素子を形
成しうることがわかる。
【0084】図8は、ステンレス基板を用い、ステンレ
ス基板の上に形成される下地膜の材質を、10種類に変
化させたときの圧電定数d31の実験データを示す図であ
る。
【0085】ここでは、下地膜5の組成を、Pb0.85
0.15Ti0.9625x で表されるPLT、酸化マグネシ
ウム(MgO),チタン酸ストロンチウム(SrTiO
3 ),チタン酸バリウム(BaTiO3 ),SrRuO
3 (ルテニウム酸ストロンチウム),ニッケルオキサイ
ド(NiO),コバルトオキサイト(CoO),酸化チ
タン(TiO2 ),ジンクオキサイド(ZnO),酸化
ジルコニウム(ZrO 2 )の10種類に変化させてい
る。また、下地膜5の厚みを25nm,50nm,75
nm,100nm,125nm,150nm,175n
m,200nmの8種類に変化させている。
【0086】圧電体膜2は、スパッタリングによって形
成された厚み3μmのPZT膜(PbZr0.5 Ti0.5
3 膜)である。
【0087】下部電極3はスパッタリングにより形成さ
れた厚み100nm〜120nmのPt膜であり、下地
膜5は組成がPb0.85La0.15Ti0.9625x で表され
る,厚み約100nm〜120nmのPLT膜であり、
下地膜5及び圧電体膜2は、基板温度600℃でスパッ
タリングにより形成されている。上部電極4は蒸着によ
り形成された厚み200nmのAu膜である。
【0088】圧電素子1及び基板6は、3mm×15m
mの短冊状に切り出され、図3に示すごとく片持梁の状
態で支持されている状態で、上部電極−下部電極間に電
圧を印加してレーザー変位計(図示せず)を用いて変位
を測定した。
【0089】図8に示すように、下地膜が立方晶又は正
方晶であれば、下地膜5の厚みが50nm以上で200
nm以下の範囲で、比較的良好な圧電定数d31が得られ
ることがわかった。特に、下地膜5の厚みが100nm
以上で150nm以下の範囲では、圧電定数d31が極め
て高いことがわかった。
【0090】すなわち、本発明の圧電素子及びその製造
方法により、圧電特性の良好な圧電素子を形成しうるこ
とがわかる。
【0091】(第2の実施形態)図9(a)〜(d)
は、本発明の第2の実施形態における圧電式アクチュエ
ータの各種構造を示す断面図である。
【0092】本実施形態のアクチュエータは、基本的要
素として、圧電素子1と、圧電素子を保持するように設
けられた合成樹脂からなる補強部材14と、補強部材1
4を支持する固定部15と、補強部材14に形成された
スルーホール17を埋めて圧電素子1の上部電極4に接
続される上部電極引き出し電極16と、圧電素子1によ
って駆動される対象物18とを備えている。また、補強
部材14は、固定部15と対象物18と圧電素子1とを
互いに連結させており、移動部材として機能する部分と
固定部材として機能する部分とを有していることにな
る。
【0093】圧電素子1は、第1の実施形態で説明した
通りの構造を有しており、下部電極3と、下部電極3の
上に形成された下地膜5と、下地膜5の上に形成された
圧電体膜2と、圧電体膜2の上に形成された上部電極4
とを備えている。圧電素子1を構成する各要素2〜5の
材質や厚み寸法は、第1の実施形態で説明した範囲内で
適宜選択することができる。代表的な例としては、下部
電極3は厚み100nmのPt膜であり、下地膜5は組
成がPb0.85La0.15Ti0.9625x で表される厚み1
50nmのPLT膜であり、圧電体膜2は組成がPbZ
0.5 Ti0.53 で表される厚み3μmのPZT膜で
あり、上部電極4は厚み200nmのAu膜である。
【0094】そして、圧電素子1の一方の端は下部電極
3を介して固定部15に固定されている。下部電極3は
固定部15が導電体の場合、固定部15を介して電圧供
給部に接続され、固定部15が絶縁体の場合、固定部1
5上に引き出し線を設けることにより電圧供給部に接続
される。上部電極4は補強部材14が絶縁層であるの
で、スルーホール17を通って上部電極引き出し線16
に接続される。圧電素子1の固定部15に接する端部と
反対側の端部には、圧電素子1が動作させる対象物18
が取り付けられている。
【0095】そして、図9(a)に示す構造では、圧電
素子1を形成するために用いられた基板がエッチング等
の方法により除去されている。そして、補強部材14の
みが形状保持機能を有している。
【0096】図9(b)に示す構造では、圧電素子1を
形成するために用いられた基板がエッチング等の方法に
より除去されて、基板が除去された領域には、圧電素子
1の下部電極3を覆う保護層19が設けられている。そ
して、保護層19と補強部材14とが形状保持機能を有
している。
【0097】図9(c)に示す構造では、圧電素子1を
形成するために用いられた基板がエッチング等の方法に
より一部15aだけ薄く加工されている。そして、補強
部材14と基板の一部15aとが形状保持機能を有して
いる。
【0098】図9(d)に示す構造では、圧電素子1を
形成するために用いられた基板がエッチング等の方法に
より除去されて、補強部材14が圧電素子1全体を覆
い、かつ、固定部15の上まで延びている。この構造
は、固定部15が絶縁体、または固定部15が導電体で
あっても、下部電極3に直接電圧を印可したい場合の構
造の一例である。図9(d)は、固定部15が導電体で
ある場合を示し、この場合には、補強部材14の固定部
15上に位置する部分の上に、下部電極引き出し線20
を形成する。固定部15が絶縁体である場合、補強部材
14のうち固定部15の上に位置する部分は形成せず
に、固定部15上に下部電極引き出し線20を形成する
ことができる。
【0099】図10(a)〜(e)は、本実施形態のア
クチュエータの製造工程の一部を示す断面図である。
【0100】まず、図10(a)に示す工程で、固定部
15や対象物18となりうる基板10の上に、第1の実
施形態で説明した方法により、下部電極3となるPt膜
3xと、下地膜5となるPLT膜5xと、圧電体膜2と
なるPZT膜2xと、上部電極4となる貴金属膜4xと
を形成する。
【0101】次に、図10(b)に示す工程で、リソグ
ラフィー工程を行なって、貴金属膜4xの上にレジスト
マスク11を形成する。
【0102】次に、図10(c)に示す工程で、貴金属
膜4x,PZT膜2x,PLT膜5x及びPt膜3xを
パターニングすることにより、下部電極3,下地膜5,
圧電体膜2及び上部電極4を有する圧電素子1を形成す
る。このときの、パターニング方法は、第1の実施形態
で説明したとおりである。
【0103】次に、図10(d)に示す工程で、スピン
ナー法、ロール法、浸漬法、スプレイ法、インクジェッ
ト法などを用いて合成樹脂からなる補強部材14を基板
10及び上部電極4の上に塗布する。そして、リソグラ
フィー工程及びエッチング工程を行なって、補強部材1
4に上部電極4を引き出すためのスルーホール17を開
口する。
【0104】次に、図10(e)に示す工程で、メッキ
により、スルーホール17を埋め、かつ、補強部材14
を覆うアルミニウム合金等の金属膜を形成した後、金属
膜をパターニングして、上部電極引き出し配線16を形
成する。
【0105】図10(a)〜(e)に示す工程は、図9
(a)〜(c)に示されるいずれかの構造を実現するた
めの方法である。
【0106】すなわち、図10(e)に示す構造におい
て、基板10のうち圧電体素子1の下方に位置する部分
を、その両端部のみを残して除去すると、図9(a)に
示される構造が得られる。すなわち、基板10が固定部
15と対象物18とに分離されることになる。
【0107】また、図10(e)に示す構造において、
基板10のうち圧電体素子1の下方に位置する部分を、
その両端部のみを残して除去した後、保護層19を形成
すると、図9(b)に示される構造が得られる。
【0108】さらに、図10(e)に示す構造におい
て、基板10のうち圧電体素子1の下方に位置する部分
を、その両端部を除きハーフエッチングすることによ
り、図9(c)に示される構造が得られる。
【0109】なお、本発明者達の発明に係る特開200
1−309673号に開示されている方法を採用するこ
とにより、図9(d)に示される構造も容易に得られ
る。
【0110】図11は、本発明の第2の実施形態のアク
チュエータの一例である情報記録再生装置用2段式アク
チュエータの基本的な構成を示す斜視図である。図12
(a),(b)は、それぞれ順に、この2段式アクチュ
エータの正面図及び平面図である。
【0111】図11及び図12(a)に示すように、ヘ
ッド支持機構は、ヘッド素子23を搭載し回転または走
行する記録媒体上を飛行または滑走するスライダー24
と、それを支持するサスペンション25と、サスペンシ
ョン25を固定するベースプレート26と、スライダー
24に荷重を加えるロードビーム(図示せず)およびヘ
ッド素子23と、情報記録装置の記録再生回路を電気的
に接合する信号系(図示なし)とを備えている。そし
て、この2段式アクチュエータは、信号系リード線やサ
スペンションに直接または間接的にプリント回路に接続
される。
【0112】微小駆動するアクチュエータは、サスペン
ション25と一体型で、ヘッド素子23を付設している
スライダー24とベースプレート26の間に配置され
る。
【0113】このアクチュエータは、母材となる約10
〜30μmのステンレスと微小駆動素子28を構成する
圧電体膜からなる。圧電素子を含む微小駆動素子28は
ディスク面29に対して垂直になるように折り曲げ構造
をとる。
【0114】さらに、図12(b)に示すように、微小
駆動素子28はディスク面29に垂直かつサスペンショ
ン25の長手方向の中心線Lceに沿った面とそれぞれ1
5度以上の角度を成して構成される。
【0115】図13(a),(b)は、微小駆動素子に
よるサスペンション等の移動を説明するための平面図で
ある。それぞれの微小駆動素子28には、90度逆位相
の駆動電圧が与えられ伸縮が繰り返される。伸縮によっ
てサスペンション25およびサスペンション25に固定
されたスライダー24,ヘッド素子23は、図13
(a)に示すように回転する。さらに、駆動電圧を逆位
相にすると、サスペンション25およびサスペンション
25に固定されたスライダー24及びヘッド素子23
は、図13(b)に示すように、反対方向に回転する。
【0116】微小駆動素子28は、ディスク面に垂直な
面(図12(a)に示す中心線Lce)に対して約15以
上の角度を取るように配置されている。これは、角度が
小さい(約0度〜15度未満)場合、ディスクの回転が
スライダー24に及ぼす影響(空気粘性摩擦力)を受け
やすいことから、この影響を軽減するためである。以上
の構成により、高精度なトラック位置決めが可能にな
る。
【0117】なお、アクチュエータを構成する母材とし
ては、この構造においてはステンレスを使用したが、バ
ネ性,耐熱性を所有し、厚みが薄くともある程度の剛性
が確保できる材料であればどんな材料でも良い。
【0118】ここで、本実施形態のアクチュエータの場
合、従来の構造においては、圧電素子1をMgO等の単
結晶基板上に形成した後、フォトリソグラフィーを用い
て加工し、転写プロセスを用いて固定部位に転写してい
た。その転写の際、接着剤又は金属接合を用いて、圧電
素子1と支持部材との固定を行なっていた。ところが、
接着剤や金属接合を用いた固定には、工程上の手間が煩
雑になる。しかも、圧電素子1の固定の際の位置誤差
や、取り付け面との傾きなどが生じるおそれがある。
【0119】それに対し、本実施形態においては、第1
の実施形態において説明した方法により、圧電素子1を
直接ステンレス板などの可撓性のある金属板や絶縁板
(多結晶体又は非晶質体)の上に形成することが可能に
なるので、接着又は金属接合による転写行なう必要がな
くなる。したがって、別途高価なMgO基板等の単結晶
基板が不要となることによる製造コストの削減と、工程
の簡略化による製造コストの削減と、機構的精度や機能
の向上とを図ることができる。特に、小型化,高機能
化,低消費電力化されたアクチュエータを実現すること
ができ、マイクロマシンやマイクロセンサに適したアク
チュエータの提供を図ることができる。
【0120】本発明のアクチュエータは、例えば下記の
ような各種デバイスに搭載することができる。
【0121】アクチュエータが光学的デバイスとして機
能するものとして、以下のもの (1)光を偏向させるデバイスを用いたもの、例えば、
プリンタ、投写型ディスプレイ、バーコードリーダー、
スキャナーなど (2)薄膜アクチュエーテッドミラーアレイ (3)マイクロ光学素子:光学スイッチング素子、焦点
調整装置、焦点可変ミラーなど (4)絞り装置:カメラ、ビデオムービー、内視鏡など
の光学機器 (5)可変できるミラー がある。
【0122】アクチュエータがポンプとして機能するも
のとして、以下のもの (6)インクジェットプリンター (7)イオン発生器:空気清浄機、加湿器、集塵機 がある。
【0123】アクチュエータがモータとして機能するも
のとして、以下のもの (8)圧電リニアモータに用いる光ピックアップ、超音
波モータ がある。
【0124】アクチュエータが圧電共振子として機能す
るものとして、以下のもの (9)発振素子 (10)ディスクリミネータ (11)フィルタ がある。
【0125】アクチュエータがセンサとして機能するも
のとして、以下のもの (12)圧力センサー (13)加速度センサー (14)衝撃センサー (15)AEセンサー(Acoustic Emission) (16)超音波センサー (17)角速度センサー (18)重力センサー がある。
【0126】アクチュエータが機構の一部を構成するも
のとして、以下のもの (19)マイクロリレー (20)超薄膜キーボード (21)流体制御用バルブ (22)ハードディスクドライブ(HDD)用アクチュエ
ータ がある。
【0127】(第3の実施形態)本実施形態において
は、第2の実施形態におけるアクチュエータの応用例と
して、HDDに用いられる圧電式アクチュエータの一例
について説明する。
【0128】図14(a),(b)は、それぞれ順に、
本実施形態に係る第1世代ピギーバックアクチュエータ
の全体構造を示す斜視図、第2世代ピギーバックアクチ
ュエータのヘッド部の部分構造を示す斜視図である。
【0129】図14(a)に示すように、第1世代ピギ
ーバックアクチュエータは、VCM(ボイスコイルモー
タ)30を駆動手段とする主要アクチュエータと、圧電
素子1を補助駆動手段とする補助アクチュエータとを備
えており、この主要アクチュエータ及び補助アクチュエ
ータによって磁気ヘッド34を位置決め制御する第1世
代ピギーバックアクチュエータである。そして、圧電素
子1は、ステンレス板により構成されるサスペンション
35の一方の上面上に複数個取り付けられており、アク
チュエータ機構のほぼ重心位置に配置されている。各圧
電素子1の上面上には、圧電素子1と同数の分岐端31
aを有する支持アーム31が取り付けられており、支持
アーム31の先端部はサスペンション32に連結されて
いる。また、サスペンション32の先端部に磁気ヘッド
34を付設したスライダー33が取り付けられている。
そして、圧電素子1により、複数の分岐端31aが微小
駆動される。すなわち、圧電素子1によって支持アーム
31の各分岐端31aが同時に微小駆動されることで、
磁気ヘッド34の微小移動調整が行なわれる。
【0130】また、図14(b)に示すように、第2世
代ピギーバックアクチュエータは、図14(a)に示す
VCM30を駆動手段とする主要アクチュエータ(図1
4(b)には図示せず)を備えるとともに、主要アクチ
ュエータに支持アーム(図示せず)を介して連結されて
いるサスペンョン32と、先端部に磁気ヘッド34が取
り付けられているスライダー33とを備え、サスペンシ
ョン32と、スライダー33との間にスライダー33を
微小制御するための圧電素子1が介設されている。
【0131】圧電素子1は、第1の実施形態で説明した
通りの構造を有しており、下部電極と、下部電極の上に
形成された下地膜と、下地膜の上に形成された圧電体膜
と、圧電体膜の上に形成された上部電極とを備えてい
る。圧電素子1を構成する各要素の材質や厚み寸法は、
第1の実施形態で説明した範囲内で適宜選択することが
できる。代表的な例としては、下部電極は厚み100n
mのPt膜であり、下地膜は組成がPb0.85La0.15
0.9625x で表される厚み150nmのPLT膜であ
り、圧電体膜は組成がPbZr0.5 Ti0.53 で表さ
れる厚み3μmのPZT膜であり、上部電極は厚み20
0nmのAu膜である。
【0132】従来、図14(a)、(b)に示すような
圧電式のアクチュエータの場合、従来の構造において
は、圧電素子1をMgO等の単結晶基板上に形成した
後、フォトリソグラフィーを用いて加工し、転写プロセ
スを用いて固定部位に転写していた。その転写の際、接
着剤又は金属接合を用いて、圧電素子1と支持アーム3
1との固定、圧電素子1とサスペンション32との固
定、あるいは圧電素子1とスライダー33との固定を行
なっていた。ところが、図14(b)に示す構造の場合
には、スライダー33の大きさが数mm以下と小さいた
め、固定面積も非常に小さく、接着剤を用いる場合に
は、接着する部分と接着しない部分とを分けることは非
常に困難である。さらに、金属接合を用いる場合には、
工程上の手間が煩雑になる。しかも、圧電素子1の固定
の際の位置誤差や、取り付け面との傾きなどが生じるお
それがある。
【0133】それに対し、本実施形態においては、第1
の実施形態において説明した方法により、圧電素子1を
直接ステンレス板上に形成することが可能になるので、
一方の面における接着又は金属接合を行なう必要がなく
なる。したがって、別途高価なMgO基板等の単結晶基
板が不要となることによる製造コストの削減と、工程の
簡略化による製造コストの削減と、機構的精度や機能の
向上による検知又は記録精度の向上とを図ることができ
る。
【0134】(第4の実施形態)本実施形態において
は、本発明の圧電素子1をインクジェットヘッドに適用
した例について説明する。
【0135】図15(a),(b)は、本発明の第4の
実施形態に係るインクジェットヘッドの図17に示すXV
−XV線における断面図及びその部分拡大図である。図1
6は、本発明の第4の実施形態に係るインクジェットヘ
ッドの図17に示すXVI-XVI線における断面図である。
図17は、本発明の第4の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの平面図である。
【0136】図15〜図17に示すように、本実施形態
のインクジェットヘッドは、インクを供給するための供
給口52aとインクを吐出するための吐出口52bとを
有する複数の圧力室用凹部52が形成されたヘッド本体
51を備えている。このヘッド本体51の各凹部52
は、ヘッド本体51の一外側面(上面)に略矩形状に開
口されていて、一方向に所定間隔をあけて並べられてい
る。なお、図17には、各凹部52(後述のノズル孔6
4、振動板72、圧電素子73、上部電極4等)は、煩
雑となるのを避けるために3つしか記載していないが、
実際には、多数設けられている。
【0137】ヘッド本体51の各凹部52の側壁部は、
約200μm厚の感光性ガラス製の圧力室部品55で構
成され、各凹部52の底壁部は、この圧力室部品55に
固着されかつ複数のステンレス鋼薄板を貼り合せてなる
インク流路部品56で構成されている。このインク流路
部品56内には、各凹部52の供給口52aにそれぞれ
接続された供給用インク流路57と、各吐出口52bに
それぞれ接続された吐出用インク流路58とが形成され
ている。各供給用インク流路57は、各凹部52が並ぶ
方向に延びるインク供給室60に接続され、このインク
供給室60は、圧力室部品55及びインク流路部品56
に形成されかつ図外のインクタンクと接続されるインク
供給孔61に接続されている。インク流路部品56の圧
力室部品55に接する面とは対向する面(下面)には、
ポリイミド等の高分子樹脂からなる約20μm厚のノズ
ル板63が設けられ、このノズル板63には、各吐出用
インク流路58とそれぞれ接続された直径約20μmの
ノズル孔64が形成されている。この各ノズル孔64
は、各凹部52の配列方向に延びる一直線上に配置され
ている。
【0138】そして、ヘッド本体51の圧力室部品55
におけるインク流路部品56に接する面とは対向する面
(上面)には、圧電アクチュエータ71が設けられてい
る。この圧電アクチュエータ71は、ヘッド本体51の
各凹部52を塞いで凹部52と共に圧力室53を構成す
るように1つの圧力室53毎に分割された状態で設けら
れた1〜3μm厚のステンレス,Cr,Ni等の金属板
である振動板72を有している。この各振動板72は、
平面視で圧力室53と略同じ略矩形状に形成されている
と共に、配線(図示せず)により互いに電気的に接続さ
れて、後述の全圧電素子1に共通の共通電極としての役
割をも有している。
【0139】また、圧電アクチュエータ71は、各振動
板72の圧力室53に接する面とは対向する面(上面)
において圧力室53に対応する部分にそれぞれ設けられ
かつチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる2〜5μ
m厚の圧電素子1と、この各圧電素子1の上記振動板7
2に接する面とは対向する面(上面)にそれぞれ設けら
れ、振動板72と共に各圧電素子1に電圧をそれぞれ印
加するための0.1μm厚のPt製上部電極4とを有し
ている。
【0140】圧電素子1は、第1の実施形態で説明した
通りの構造を有しており、下部電極3と、下部電極3の
上に形成された下地膜5と、下地膜5の上に形成された
圧電体膜2と、圧電体膜2の上に形成された上部電極4
とを備えている。圧電素子1を構成する各要素の材質や
厚み寸法は、第1の実施形態で説明した範囲内で適宜選
択することができる。代表的な例としては、下部電極3
は厚み100nmのPt膜であり、下地膜5は組成がP
0.85La0.15Ti0.9625x で表される厚み150n
mのPLT膜であり、圧電体膜2は組成がPbZr0.5
Ti0.53 で表される厚み3μmのPZT膜であり、
上部電極4は厚み200nmのAu膜である。製造工程
においては、平板状態の金属板上に下部電極3,下地膜
5,圧電体膜2及び上部電極4を形成した後、曲げ加工
やパターニングを行なって、図15(b)に示す構造を
作成することができる。
【0141】各振動板72の圧力室53に対応する部分
は、圧力室53が配置されている側とは反対側(上側)
へ凸状に湾曲している。つまり、各振動板72の圧力室
53に対応する部分は、振動板72の幅方向に沿って切
断した断面及び長さ方向に沿って切断した断面のいずれ
においても、略円弧状をなして圧力室53と反対側へ突
出している。この各振動板72の湾曲に伴って各圧電素
子1及び各上部電極4も上側へ湾曲している。各振動板
72の圧力室53に対応する部分における圧力室53と
反対側への最大突出量(各振動板72の略中央部の突出
量)は、0.05〜10μmに設定することが望まし
い。これは、この最大突出量が0.05μmよりも小さ
いと、後述の如くインクジェットヘッドの製造時及び使
用時において振動板72や圧電素子1の不良抑制効果が
十分に得られない一方、10μmよりも大きいと、却っ
て製造時に振動板72や圧電素子1にクラック等が生じ
易くなるからである。なお、最大凸量のより好ましい範
囲は、0.05〜5μmである。
【0142】次に、インクジェットヘッドの動作につい
て説明すると、振動板72と上部電極4との間への電圧
の印加により、振動板72の圧力室53に対応する部分
を圧力室53の容積が減少するように変形させること
で、圧力室53内のインクを吐出口52bから吐出させ
る。すなわち、振動板72と上部電極4とを介して圧電
素子1にパルス状の電圧を印加すると、このパルス電圧
の立ち上がりにより圧電素子1がその厚み方向と垂直な
幅方向に収縮するのに対し、振動板72は収縮しないの
で、振動板72の圧力室53に対応する部分が圧力室5
3側へ(凸量が小さくなる側へ)変位するように変形す
る。この変形により圧力室53内に圧力が生じ、この圧
力で圧力室53内のインクのうちの所定量が吐出口52
b及び吐出用インク流路58を経由してノズル孔64よ
り外部(印刷する紙面上)へ吐出されて、紙面にドット
状に付着することとなる。そして、パルス電圧の立ち下
がりにより圧電素子1が幅方向に伸長して振動板72は
元の状態に復帰し、このとき、圧力室53内にはインク
供給室60より供給用インク流路57及び供給口52a
を介してインクが充填される。なお、1色のインクだけ
でなく、例えばブラック、シアン、マゼンタ及びイエロ
ーの各インクを互いに異なるノズル孔64からそれぞれ
吐出させるようにして、カラー印刷を行うようにするこ
ともできる。
【0143】従来の製造方法では、MgO基板等の上に
圧電素子を形成した後、圧電素子を振動板72の上に転
写していた。また、転写法ではなく圧電素子を直接振動
板72の上にスパッタリング等によって形成することも
可能であったが、その場合には、圧電素子の圧電特性が
あまりよくなかった。
【0144】それに対し、本実施形態では、第1の実施
形態で説明した方法により、圧電素子1を直接ステンレ
ス,Cr,Ni等の金属板上に形成することが可能にな
るので、別途高価なMgO基板等の単結晶基板が不要と
なることによる製造コストの削減と、工程の簡略化によ
る製造コストの削減と、機構的精度の向上による印字精
度の向上とを図ることができる。
【0145】(その他の実施形態)なお、上記第1〜第
4の実施形態において、圧電素子1が形成される基板が
導電性のある材料,例えばステンレス,Cu,Ni,C
r等の金属板である場合、圧電素子1が下部電極3を備
えている必要はない。基板が下部電極として機能しうる
からである。ただし、現実に下地膜がPLT膜等のペロ
ブスカイト膜である場合には、下地膜と基板を構成する
材料との相互拡散による反応が生じるおそれを防止する
意味で、何らかのバリア層が必要である。そこで、上述
の実施形態においては、現実には、Pt膜が下部電極と
して用いられている。
【0146】同様に、圧電素子1の上方に導電性部材が
取り付けられる場合には、導電性部材を上部電極として
機能させることができる。
【0147】さらに、上記第1〜第4の実施形態におい
て、下部電極3と基板(第2の実施形態における基板1
0や第4の実施形態における振動板72)との間に、多
結晶シリコン膜など、多結晶膜又は非晶質膜を介在させ
てもよい。
【0148】
【発明の効果】本発によると、厚みが50nm以上で2
00nm以下の下地膜と、下地膜上に設けられた圧電体
膜とを備える構造としてので、多結晶体あるいは非晶質
体である基板の上にも、圧電特性の良好な圧電素子を設
けることができ、製造コストの低減や、圧電素子を利用
した各種デバイスの提供が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態である圧電素子の構成
を示す断面図である。
【図2】(a)〜(e)は、本実施形態における半導体
薄膜素子の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実験においてレーザー変位計を用いて
圧電定数を測定する方法を概略的に示す斜視図である。
【図4】本発明の第1の実施形態おいて、各種基板を用
い、下地膜の厚みを8種類に変化させたときの圧電定数
31のデータを示す図である。
【図5】本発明の第1の実施形態の実施例において、各
種基板を用い、基板の上にアモルファスシリコン膜を形
成してから下地膜を形成し、下地膜の厚みを8種類に変
化させたときの圧電定数d31の実験データを示す図であ
る。
【図6】本発明の第1の実施形態の実施例において、各
種基板を用い、基板の上に多結晶シリコン膜を形成して
から下地膜を形成し、下地膜の厚みを8種類に変化させ
たときの圧電定数d31の実験データを示す図である。
【図7】本発明の第1の実施形態の実施例において、ス
テンレス基板を用い、ステンレス基板の上に下地膜を形
成し、その上に形成される圧電体膜であるPZT膜中の
Zr組成比を変化させたときの圧電定数d31の実験デー
タを示す図である。
【図8】本発明の第1の実施形態の実施例において、ス
テンレス基板を用い、ステンレス基板の上に形成される
下地膜の材質を、10種類に変化させたときの圧電定数
31の実験データを示す図である。
【図9】(a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態に
おける圧電式アクチュエータの各種構造を示す断面図で
ある。
【図10】(a)〜(e)は、本発明の第2の実施形態
のアクチュエータの製造工程の一部を示す断面図であ
る。
【図11】本発明の第2の実施形態のアクチュエータの
一例である2段式アクチュエータの基本的な構成を示す
斜視図である。
【図12】(a),(b)は、それぞれ順に、情報記録
再生装置用2段式アクチュエータの正面図及び平面図で
ある。
【図13】(a),(b)は、2段式アクチュエータに
おける微小駆動素子によるサスペンション等の移動を説
明するための平面図である。
【図14】(a),(b)は、それぞれ順に、本発明の
第3の実施形態に係る第1世代ピギーバックアクチュエ
ータの全体構造を示す斜視図、第2世代ピギーバックア
クチュエータのヘッド部の部分構造を示す斜視図であ
る。
【図15】(a),(b)は、本発明の第4の実施形態
に係るインクジェットヘッドの図17に示すXV−XV線に
おける断面図及びその部分拡大図である。
【図16】本発明の第4の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの図17に示すXVI-XVI線における断面図であ
る。
【図17】本発明の第4の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの平面図である。
【符号の説明】
1 圧電素子 2 圧電体膜 3 下部電極 4 上部電極 5 下地膜 6 基板 7 固定台
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/08 H01L 41/18 101D 41/18 101Z 41/187 41/08 D H02N 2/00 B41J 3/04 103A Fターム(参考) 2C057 AF93 AG39 AG44 AG55 BA03 BA14 5D068 AA02 CC11 EE19 GG24 5D096 AA02 NN03 NN07

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に設けられる圧電素子であって、 厚みが50nm以上で200nm以下の範囲にある下地
    膜と、 上記下地膜を挟んで上記基板に対向して設けられた圧電
    体膜とを備えていることを特徴とする圧電素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の圧電素子において、 上記下地膜と上記基板との間に介設された第1の電極を
    さらに備えていることを特徴とする圧電素子。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2記載の圧電素子におい
    て、 上記圧電体膜を挟んで上記下地膜に対向して設けられた
    第2の電極をさらに備えていることを特徴とする圧電素
    子。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載
    の圧電素子において、 上記基板は、多結晶体又は非晶質体により構成されてい
    ることを特徴とする圧電素子。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載
    の圧電素子において、 上記下地膜は、立方晶あるいは正方晶の結晶構造を有す
    る酸化物により構成されていることを特徴とする圧電素
    子。
  6. 【請求項6】 請求項5記載の圧電素子において、 上記下地膜は、構成要素にZrを含まないペロブスカイ
    ト酸化物により構成されていることを特徴とする圧電素
    子。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の圧電素子において、 上記下地膜は、(Pb,La)TiO3 で表される組成
    を有するペロブスカイト酸化物であるPLTにより構成
    されていることを特徴とする圧電素子。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のうちいずれか1つに記載
    の圧電素子において、 上記圧電体膜は、Pb,Zr,Tiを含むペロブスカイ
    ト酸化物により構成されていることを特徴とする圧電素
    子。
  9. 【請求項9】 固定部材と、 上記固定部材に対して移動可能な移動部材と、 上記固定部材及び移動部材に接続された圧電素子とを備
    え、 上記圧電素子は、 厚みが50nm以上で200nm以下の範囲にある下地
    膜と、 上記下地膜に接触して形成された圧電体膜とを有してい
    ることを特徴とするアクチュエータ。
  10. 【請求項10】 請求項9記載のアクチュエータにおい
    て、 上記固定部材は、上記移動部材に取り付けられており、 上記圧電素子は、上記移動部材のみに接触しており、 上記下地膜は、上記圧電体膜と上記移動部材との間に介
    在していて、 上記圧電素子は、上記圧電体膜の上に設けられた上部電
    極をさらに有していることを特徴とするアクチュエー
    タ。
  11. 【請求項11】 請求項10記載のアクチュエータにお
    いて、 上記圧電素子は、上記下地膜と上記移動部材との間に介
    設された下部電極をさらに有していることを特徴とする
    アクチュエータ。
  12. 【請求項12】 請求項9記載のアクチュエータにおい
    て、 上記圧電素子は、上記移動部材及び固定部材に接触して
    おり、 上記下地膜は、上記移動部材又は上記固定部材のうちの
    一方の部材と、上記圧電体膜との間に介在していること
    を特徴とするアクチュエータ。
  13. 【請求項13】 請求項12記載のアクチュエータにお
    いて、 上記圧電素子は、上記下地膜と上記一方の部材との間に
    介設された第1の電極をさらに有していることを特徴と
    するアクチュエータ。
  14. 【請求項14】 請求項12又は13記載のアクチュエ
    ータにおいて、 上記圧電素子は、上記下地膜と、上記移動部材又は固定
    部材のうちの他方の部材との間に介設された第2の電極
    をさらに有していることを特徴とするアクチュエータ。
  15. 【請求項15】 請求項9〜14のうちいずれか1つに
    記載のアクチュエータにおいて、 上記移動部材及び上記固定部材のうち少なくともいずれ
    か一方は、可撓性のある多結晶体又は非晶質体により構
    成されていることを特徴とするアクチュエータ。
  16. 【請求項16】 請求項9〜15のうちいずれか1つに
    記載のアクチュエータにおいて、 上記下地膜は、構成要素にZrを含まないペロブスカイ
    ト酸化物により構成されていることを特徴とするアクチ
    ュエータ。
  17. 【請求項17】 インクを供給するための供給口とイン
    クを吐出するための吐出口とを有する圧力室用凹部が形
    成されたヘッド本体と、上記ヘッド本体の凹部を塞いで
    凹部と共に圧力室を構成するように設けられた振動板
    と、上記振動板の上記圧力室に接する面とは対向する面
    に設けられた圧電素子とを備えているインクジェットヘ
    ッドにおいて、 上記圧電素子は、 上記振動板に対向する上部電極と、 上記振動板と上記上部電極との間に設けられた圧電体膜
    と、 上記振動板と上記圧電体膜との間に設けられた厚みが5
    0nm以上で200nm以下の範囲にある下地膜とを有
    していることを特徴とするインクジェットヘッド。
  18. 【請求項18】 請求項17記載のインクジェットヘッ
    ドにおいて、 上記振動板と上記下地膜との間に設けられた下部電極を
    さらに備えていることを特徴とするインクジェットヘッ
    ド。
  19. 【請求項19】 請求項18記載のインクジェットヘッ
    ドにおいて、 上記振動板は、多結晶体又は非晶質体により構成されて
    いることを特徴とするインクジェットヘッド。
  20. 【請求項20】 請求項18又は19記載のインクジェ
    ットヘッドにおいて、 上記下部電極と上記振動板との間に設けられた多結晶膜
    又は非晶質膜をさらに備えていることを特徴とするイン
    クジェットヘッド。
  21. 【請求項21】 請求項19又は20記載のインクジェ
    ットヘッドにおいて、 上記振動板は、金属により構成されていることを特徴と
    する圧電素子。
  22. 【請求項22】 請求項17〜21のうちいずれか1つ
    に記載のインクジェットヘッドにおいて、 上記下地膜は、立方晶あるいは正方晶の結晶構造を有す
    る酸化物により構成されていることを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
  23. 【請求項23】 請求項22記載のインクジェットヘッ
    ドにおいて、 上記下地膜は、構成要素にZrを含まないペロブスカイ
    ト酸化物により構成されていることを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
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