特開 2024-52270 圧電素子及びアクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024052270

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】圧電素子及びアクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H10N 30/853 20230101AFI20240404BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20240404BHJP

   H10N 30/045 20230101ALI20240404BHJP

   H10N 30/87 20230101ALI20240404BHJP

   H10N 30/06 20230101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

H01L41/187

H01L41/09

H01L41/257

H01L41/047

H01L41/29

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022158868

(22)【出願日】2022-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】306037311

【氏名又は名称】富士フイルム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 誠吾

(72)【発明者】

【氏名】小林 宏之

(72)【発明者】

【氏名】杉本 真也

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 勉

(57)【要約】

【課題】低電圧で高い圧電性能が得られる圧電素子及び圧電アクチュエータを低コストに提供する。
【解決手段】圧電素子は、基板上に、第１電極、第１圧電膜、第２電極、第２圧電膜、及び、第３電極をこの順に備え、第１圧電膜及び第２圧電膜はいずれも、ＡサイトにＰｂを含み、ＢサイトにＺｒ、Ｔｉ及びＭを含む、ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷから選択される金属元素であり、第１圧電膜と第２圧電膜に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比が異なり、第１圧電膜に対して、第１電極を接地し、第２電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスと、第２圧電膜に対して、第２電極を接地し、第３電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスとが、それぞれの原点に対し同じ電界方向にシフトしている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、第１電極、第１圧電膜、第２電極、第２圧電膜、及び、第３電極をこの順に備え、
前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜はいずれも、
ＡサイトにＰｂを含み、ＢサイトにＺｒ、Ｔｉ及びＭを含む、ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷから選択される金属元素であり、
前記ペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比を、元素記号はそれぞれのモル比を表すものとして、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で規定した場合に、前記第１圧電膜における前記Ｐｂ組成比と前記第２圧電膜における前記Ｐｂ組成比とが異なり、
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜はいずれも膜厚方向に自発分極が揃っており、かつ、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜の前記自発分極の向きは同一であり、
前記第１圧電膜に対して、前記第１電極を接地し、前記第２電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスと、前記第２圧電膜に対して、前記第２電極を接地し、前記第３電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスとが、それぞれの原点に対し同じ電界方向にシフトしている、圧電素子。

【請求項2】

前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜の各々に含まれる前記ペロブスカイト型酸化物の前記Ｂサイト中のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＺｒ組成比同士、Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＴｉ組成比同士、及び、前記ＢサイトにおけるＭ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で表されるＭ組成比同士が、同一である、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項3】

前記金属元素ＭがＮｂであり、前記Ｂサイトにおける前記Ｍ組成比をｙとした場合、
０．０８≦ｙ≦０．１５である、請求項２に記載の圧電素子。

【請求項4】

前記第１圧電膜に含まれる前記ペロブスカイト型酸化物における前記Ｐｂ組成比と、前記第２圧電膜に含まれる前記ペロブスカイト型酸化物における前記Ｐｂ組成比とが、０．０１以上異なっている、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項5】

前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうち、前記Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が、前記Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚よりも１００ｎｍ以上薄い、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項6】

前記Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が１．５μｍ以下である、請求項５に記載の圧電素子。

【請求項7】

前記Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚が２μｍ以下である、請求項５に記載の圧電素子。

【請求項8】

前記第１電極と前記第３電極とが接続されている、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項9】

前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうち、前記Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜に、前記自発分極の向きと同じ向きの電界が印加され、前記Ｐｂ組成比が相対的に小さい電膜に、前記自発分極の向きと逆向きの電界が印加される、請求項１に記載の圧電素子。

【請求項10】

請求項１に記載の圧電素子と、前記圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備えたアクチュエータであって、
前記駆動回路は、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうち、前記Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜に、前記自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、前記Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜に、前記自発分極の向きと逆向きの電界を印加する、アクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧電素子及びアクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

優れた圧電特性及び強誘電性を有する材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、以下においてＰＺＴという。）などのペロブスカイト型酸化物が知られている。ペロブスカイト型酸化物からなる圧電体は、基板上に、下部電極、圧電膜、及び上部電極を備えた圧電素子における圧電膜として適用される。この圧電素子は、メモリ、インクジェットヘッド(アクチュエータ)、マイクロミラーデバイス、角速度センサ、ジャイロセンサ、超音波素子（PMUT：Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）及び振動発電デバイスなど様々なデバイスへと展開されている。

【0003】

圧電素子として、高い圧電特性を得るために、電極層を介して複数の圧電膜を積層した積層型の圧電素子が提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１には、第１電極、Ｎｂ添加ＰＺＴ膜、第２電極、Ｎｂ添加ＰＺＴ膜、第３電極が順に積層された圧電素子が提案されている。Ｎｂ添加ＰＺＴ膜は成膜時において、基板に対して上向きに自発分極の向きが揃うことが知られている。すなわち、特許文献１における２層のＮｂ添加ＰＺＴ膜はいずれも上向きに向きが揃った自発分極を有する。一般に、向きが揃った自発分極を有する圧電膜に対しては、その自発分極の向きと同じ向きの電界をかけた方が高い圧電性能が得られる。そのため、特許文献２では、第２電極を接地し、第１電極に正電位（＋Ｖ）、第３電極に負電位（－Ｖ）を与えて駆動する第１の駆動方法、あるいは、第１電極を接地し、第２電極に負電位（－Ｖ）、第３電極に第２電極よりも絶対値の大きな負電位（－２Ｖ）を与えて駆動する第２の駆動方法などにより、２つのＮｂ添加ＰＺＴ膜にそれぞれ自発分極の向きと同じ向きの電界を印加している。これにより、１層のみの圧電素子と比較して略２倍の変位量を実現している。

【0005】

また、特許文献２には、第１電極、第１圧電膜、第２電極、第２圧電膜、第３電極が順に積層された圧電素子であって、第１圧電膜の自発分極が揃う向きと第２圧電膜の自発分極が揃う向きとが異なる圧電素子が提案されている。そして、具体例として、第１圧電膜がＮｂ添加ＰＺＴ膜であり、第２圧電膜がＮｂ添加なしのＰＺＴ膜（以下において真性ＰＺＴという。）である場合が挙げられている。Ｎｂ添加ＰＺＴ膜はポーリング処理をしない状態で自発分極の向きが揃っているが、真性ＰＺＴ膜はポーリング処理をしない状態では自発分極の向きが揃っていない。そこで、真性ＰＺＴ膜に、Ｎｂ添加ＰＺＴ膜の自発分極の向きと逆向きに自発分極が揃うようにポーリング処理を施すことで、第１圧電膜の自発分極の向きと第２圧電膜の自発分極の向きを異なるものとしている。特許文献２においては、圧電素子の第１電極と第３電極を同電位とし、第２電極を駆動電極とすることで、第１圧電膜と第２圧電膜にそれぞれの自発分極の向きと同じ向きの電界を印加している。これにより、１層の圧電膜を駆動する大きさの電圧で、２層分の圧電性能が得られるため、低電圧で高い圧電性能を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３－８０８８６号公報

【特許文献2】特開２０１３－８０８８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１において、第３電極に第２電極よりも絶対値の大きな電圧を印加する第２の駆動方法で、第１の駆動方法と同等の圧電性能を得るためには、第３電極に非常に大きな電圧を印加する必要が生じ、低電圧では十分な圧電性能が得られない。上記の第１電極と第３電極に異なる符号の電圧を印加する第１の駆動方法を実施するためには、プラスの駆動回路とマイナスの駆動回路を備える必要があるため、高コストになる。

【0008】

また、特許文献２の圧電素子では、非常に良好な圧電性能が得られる。しかし、特許文献２の圧電素子を作製するためには、例えば、第１圧電膜をＮｂ添加ＰＺＴ膜であり、第２圧電膜が真性ＰＺＴ膜とするように、第１圧電膜と第２圧電膜とは異なる材料を含む圧電膜から構成する必要がある。そのため、第１圧電膜と第２圧電膜を形成するためには、二種の異なるターゲットが必要であり、また、少なくとも一方の圧電膜にはポーリング処理を施す必要があり、十分な低コスト化が図れない。

【0009】

このように、高い圧電性能を得られる圧電素子は高コストあるいは、高電圧を印加する必要があり、低コストであり、かつ、低電圧で高い圧電性能を得られる圧電素子は実現できていなかった。

【0010】

本開示は、低電圧で高い圧電性能が得られる圧電素子及び圧電アクチュエータを低コストに提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示の圧電素子は、基板上に、第１電極、第１圧電膜、第２電極、第２圧電膜、及び、第３電極をこの順に備え、
第１圧電膜及び第２圧電膜はいずれも、
ＡサイトにＰｂを含み、ＢサイトにＺｒ、Ｔｉ及びＭを含む、ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷから選択される金属元素であり、
ペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比を、元素記号はそれぞれのモル比を表すものとして、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で規定した場合に、第１圧電膜におけるＰｂ組成比と第２圧電膜におけるＰｂ組成比とが異なり、
第１圧電膜と第２圧電膜はいずれも膜厚方向に自発分極が揃っており、かつ、第１圧電膜と第２圧電膜の自発分極の向きは同一であり、第１圧電膜に対して、第１電極を接地し、第２電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスと、第２圧電膜に対して、第２電極を接地し、第３電極を駆動電極として測定される分極－電界ヒステリシスとが、それぞれの原点に対し同じ電界方向にシフトしている。

【0012】

第１圧電膜及び第２圧電膜の各々に含まれるペロブスカイト型酸化物のＢサイト中のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＺｒ組成比同士、Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＴｉ組成比同士、及び、ＢサイトにおけるＭ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で表されるＭ組成比同士が、同一であることが好ましい。

【0013】

金属元素ＭがＮｂであり、ＢサイトにおけるＭ組成比をｙとした場合、０．０８≦ｙ≦０．１５であることが好ましい。

【0014】

第１圧電膜に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比と、第２圧電膜に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比とが、０．０１以上異なっていることが好ましい。

【0015】

第１圧電膜及び第２圧電膜のうち、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚よりも１００ｎｍ以上薄いことが好ましい。

【0016】

Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が１．５μｍ以下であることが好ましい。

【0017】

Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚が２μｍ以下であることが好ましい。

【0018】

第１電極と第３電極とが接続されていることが好ましい。

【0019】

第１圧電膜及び第２圧電膜のうち、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜に、自発分極の向きと同じ向きの電界が印加され、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜に、自発分極の向きと逆向きの電界が印加されることが好ましい。

【0020】

本開示のアクチュエータは、本開示の圧電素子と、圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備えたアクチュエータであって、
駆動回路は、第１圧電膜及び第２圧電膜のうち、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜に、自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜に、自発分極の向きと逆向きの電界を印加する。

【発明の効果】

【0021】

本開示の技術によれば、低電圧で高い圧電性能が得られる圧電素子及びアクチュエータを低コストに提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】一実施形態の圧電素子の断面図である。

【図2】図２ＡはＰｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図であり、図２ＢはＰｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。

【図3】アクチュエータの概略構成を示す図である。

【図4】変形例のアクチュエータの概略構成を示す図である。

【図5】変形例の圧電素子及びアクチュエータの概略構成を示す図である。

【図6】変形例の圧電素子の断面図である。

【図7】積層型圧電素子の問題点を説明するための図である。

【図8】図８Ａは第１圧電膜１４ｆのヒステリシス曲線であり、図８Ｂは第２圧電膜１８ｆのヒステリシス曲線であり、図８Ｃは、圧電素子１０１の電圧に対する変位量を示す図である。

【図9】本実施形態の圧電素子の効果の説明図である。

【図10】本実施形態の圧電素子の効果の説明図である。

【図11】比較例６、実施例１及び実施例６についての低電圧領域における圧電定数ｄ_３１の電圧依存性を示すグラフである。

【図12】比較例６及び実施例１の第２圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。

【図13】比較例６、実施例１及び実施例６の第２圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面においては、視認容易のため、各層の層厚及びそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の層厚及び比率を反映したものではない。

【0024】

図１は、一実施形態の圧電素子１の層構成を示す断面模式図である。図１に示すように、圧電素子１は、基板１０上に、第１電極１２、第１圧電膜１４、第２電極１６、第２圧電膜１８及び第３電極２０をこの順に備えている。

【0025】

基板１０としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板１０としては、シリコン基板の表面にＳｉＯ_２酸化膜が形成された熱酸化膜付きシリコン基板等の積層基板を用いてもよい。また、基板１０としては、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＥＮ（polyethylene naphthalata）、及びポリイミド等の樹脂基板を用いてもよい。

【0026】

第１電極１２は基板１０上に形成されている。第１電極１２の主成分としては特に制限なく、Ａｕ（金），Ｐｔ（プラチナ），Ｉｒ（イリジウム），Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）等の金属または金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。また、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＬａＮｉＯ_３、及びＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ_３）等などを用いてもよい。

【0027】

第２電極１６は第１圧電膜１４の上に積層されており、第３電極２０は第２圧電膜１８の上に積層されている。第１電極１２と第２電極１６は対になって第１圧電膜１４に電界を印加する。また、第２電極１６と第３電極２０は対になって第２圧電膜１８に電界を印加する。

【0028】

第２電極１６及び第３電極２０の主成分としては特に制限なく、第１電極１２で例示した材料の他、Ｃｒ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。ただし、第１圧電膜１４あるいは第２圧電膜１８と接する層には酸化物導電体を使用することが好ましい。酸化物導電体層としては、具体的にはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ｉｒ酸化物、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ_３）の他、ＬａＮｉＯ_３やドーピングを行ったＺｎＯが例示される。

【0029】

第１電極１２、第２電極１６及び第３電極２０の厚みは特に制限なく、５０ｎｍ～３００ｎｍ程度であることが好ましく、１００ｎｍ～３００ｎｍがより好ましい。

【0030】

第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、成膜直後において膜厚方向に自発分極の向きが揃った圧電膜であり、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物であって、ＡサイトにＰｂ（鉛），ＢサイトにＺｒ（ジルコニウム），Ｔｉ（チタン）及び金属元素Ｍを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とする。このペロブスカイト型酸化物は以下の一般式で表される。
Ｐｂ_ａ｛（Ｚｒ_ｘＴｉ_1－ｘ）_1-ｙＭ_ｙ｝Ｏ_３
ここで、金属元素ＭはＶ（バナジウム），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｓｂ（アンチモン），Ｍｏ（モリブデン）及びＷ（タングステン）の中から選択される１以上の元素であることが好ましい。以下において、Ｐｂ_ａ｛（Ｚｒ_ｘＴｉ_1－ｘ）_1-ｙＭ_ｙ｝Ｏ_３をＭ添加ＰＺＴという。なお、例えば、金属元素ＭがＮｂである場合、Ｎｂ添加ＰＺＴという。

【0031】

金属元素Ｍは、Ｖのみ、あるいはＮｂのみ等の単一の元素であってもよいし、ＶとＮｂとの混合、あるいはＶとＮｂとＴａの混合等、２あるいは３以上の元素の組み合わせであってもよい。金属元素Ｍがこれらの元素である場合、Ａサイト元素のＰｂと組み合わせて非常に高い圧電定数を実現することができる。

【0032】

特には、金属元素ＭがＮｂであるＰｂ_ａ｛（Ｚｒ_ｘＴｉ_1－ｘ）_1-ｙＮｂ_ｙ｝Ｏ_３、すなわち、Ｎｂ添加ＰＺＴが最適である。このとき、０．０８≦ｙ≦０．１５であることが好ましい。０．０８≦ｙで、より高い圧電定数を得ることができる。ＭがＮｂであるＮｂ添加ＰＺＴを用いて、スパッタ等の気相成長法による圧電膜を成膜すると、基板１０から上向きに、より揃った自発分極を有する非常に高い圧電定数を有する圧電膜を得ることができる。なお、本明細書において、基板１０を基準として、基板１０から離れる方向を上、基板側を下と規定する。

【0033】

ここで、主成分とは８０ｍｏｌ%以上を占める成分をいう。第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、それぞれ９０ｍｏｌ％以上をペロブスカイト型酸化物が占めることが好ましく、第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、ペロブスカイト型酸化物からなる（但し、不可避不純物を含む。）ことがより好ましい。

【0034】

ペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比ａは、元素記号がそれぞれのモル比を表すものとして、ａ＝Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で規定される。

【0035】

同様に、ペロブスカイト型酸化物のＢサイト中のＺｒ組成比ｘは、ｘ＝Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）であり、Ｔｉ組成比１－ｘ＝Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）であり、Ｂサイトにおける金属元素Ｍの組成比であるＭ組成比ｙは、ｙ＝Ｍ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）、である。ここでも、式中に元素記号はそれぞれのモル比を表している。

【0036】

本圧電素子１においては、第１圧電膜１４中のペロブスカイト型酸化物のＰｂ組成比をａ１、第２圧電膜１８中のペロブスカイト型酸化物のＰｂ組成比をａ２とした場合、ａ１とａ２は異なる。ａ１とａ２とが異なるとは、測定誤差以上の差があることを意味する。組成の測定方法としては、ＩＣＰ（Inductively Couples Plasma）発光分光あるいはＸＲＦ（X-ray Fluorescence）など複数の分析方法がある。例えばＸＲＦで組成分析を行った場合、測定誤差は０．００５程度である。なお、ａ１とａ２は０．０１以上異なること、すなわち｜ａ１－ａ２｜≧０．０１であることが好ましい。

【0037】

また、第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８の各々に含まれるペロブスカイト型酸化物のＺｒ組成比同士、Ｔｉ組成比同士、及び、Ｍ組成比同士が、同一であることが好ましい。すなわち、第１圧電膜１４中のペロブスカイト型酸化物のＢサイト中のＺｒ組成比をｘ１とし、ＢサイトにおけるＭ組成比をｙ１、第２圧電膜１８中のペロブスカイト型酸化物のＢサイト中のＺｒ組成比をｘ２とし、ＢサイトにおけるＭ組成比をｙ２とした場合、ｘ１とｘ２が同一であり、かつ、ｙ１とｙ２が同一であることが好ましい。ここで、同一とは、測定誤差の範囲内で等しいことを意味する。

【0038】

なお、ＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物においては、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）及びその近傍で高い圧電特性を示すといわれている。Ｚｒ／Ｔｉモル比＝５５／４５近傍がＭＰＢ組成であり、上記一般式では、ＭＰＢ組成又はその近傍であることが好ましい。「ＭＰＢ又はその近傍」とは、圧電膜に電界を印加した際に相転移を生じる領域のことである。具体的には、Ｚｒ：Ｔｉ（モル比）は４５：５５～５５：４５の範囲内、すなわちｘ＝０．４５～０．５５の範囲内であることが好ましい。

【0039】

第１圧電膜１４の膜厚ｔ１及び第２圧電膜１８の膜厚ｔ２は０．２μｍ以上５μｍ以下が好ましく、１μｍ以上がより好ましい。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８の膜厚は同一であってもよいし、異なっていてもよい。但し、第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８のうち、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚よりも１００ｎｍ以上薄いことが好ましい。この際、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚は１．５μｍ以下であることが好ましい。また、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜の膜厚が２μｍ以下であることが好ましい。

【0040】

第１圧電膜１４と第２圧電膜１８はいずれも膜厚方向に自発分極が揃っており、かつ、第１圧電膜１４の自発分極Ｐ１の向きと第２圧電膜１８の自発分極Ｐ２の向きは同一である。図１に示す例においては、第１圧電膜１４の自発分極Ｐ１の向き及び第２圧電膜１８の自発分極Ｐ２の向きは、いずれも膜厚方向上向きである。なお、圧電膜中の自発分極が揃っているかどうか、及びその自発分極が揃っている向きは、きは圧電膜の分極－電界特性（又は分極－電圧特性）を示すＰ－Ｅヒステリシス（又はＰ－Ｖヒステリシス）曲線を測定することにより確認することができる。

【0041】

ポーリング処理が施されていない圧電膜において、外部電界が印加されていない状態で自発分極の向きが揃うのは、圧電膜内に結晶構造の歪や欠陥などに起因した電界（以下において自発内部電界と称する。）が生じているためと考えられる。外部電界が印加されていない状態で自発内部電界が生じていない圧電膜の場合、Ｐ－Ｅヒステリシス曲線（又はＰ－Ｖヒステリシス曲線）はその中心が原点と一致するような形状を描く。一方、自発内部電界が生じている圧電膜、すなわち、外部電界が印加されていない状態で自発分極の向きが揃っている圧電膜の場合、その自発内部電界に対して自発分極の向きが揃っているために、ヒステリシス曲線の中心が原点からずれる（シフトする）。Ｐ－Ｅヒステリシス曲線の場合、自発内部電界をＥｉ、外部から印加される外部電界ＥｏとするとＥｉ＋Ｅｏの電界が印加されることにあるので、自発内部電界Ｅｉの分だけヒステリシス曲線の中心が原点からシフトする。なお、Ｐ－Ｖヒステリシス曲線の場合、Ｅｉと膜厚の積の分だけヒステリシス曲線の中心が原点からシフトすることになる。したがって、測定されたヒステリシス曲線の中心が原点からシフトしている場合、自発内部電界が生じており自発分極が揃っている、と見做すことができる。ヒステリシス曲線の中心の原点からのシフト量は自発分極の揃う度合いに比例しており、シフト量が大きいほど自発分極の揃う度合いが高い（自発内部電界が大きい）ことを意味する。また、このヒステリシス曲線の原点からのシフト方向によって、揃っている自発分極の向きを特定することができる。なお、Ｐ－Ｖヒステリシス曲線の場合、ヒステリシスの中心は、後述する２つの抗電圧間の中点と定義する。
以下において、「自発分極の向き」という場合には、自発内部電界によって揃っている自発分極の向きを意味する。

【0042】

本発明者らは、Ｍ添加ＰＺＴ膜において、Ｐｂ組成比を変化させることによって、自発分極の揃う度合いを変化させることができることを見出した。Ｐｂ組成比を大きくすることにより、自発分極の揃う度合いが大きくなる傾向がある。Ｐｂ組成比によって自発分極の揃う度合いが変化するメカニズムは明らかではないが、ペロブスカイト型構造のＡサイトであるＰｂの欠陥が自発分極の揃う度合いに関連していると推定される。Ｐｂ組成比がＰｂ欠陥量と相関があり、Ｐｂ組成比によって自発分極の揃う度合いが変化し、その結果として抗電界が変化すると考えられる。

【0043】

図２Ａに、第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８のうちＰｂ組成比が相対的に大きい圧電膜についての分極－電界（Ｐ－Ｅ）特性を示すＰ－Ｅヒステリシス曲線を示し、図２Ｂに、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜についてのＰ－Ｅヒステリシス曲線を示す。なお、図２Ａ及び図２Ｂは、測定対象の圧電膜の基板側の電極を接地し、上側の電極を駆動電極とし、圧電膜に掃引電圧を印加して測定された場合のヒステリシスを示している。

【0044】

図２Ａ及び図２Ｂに示すヒステリシスはいずれも中心が原点から正電界側にシフトしている。図２Ｂに示すヒステリシスの正側の抗電界Ｅｃｒが、図２Ａに示すヒステリシスの正側の抗電界Ｅｃｆよりも小さい。抗電界は分極が０となる電界であり、分極が反転する電圧である。これは、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜に、自発分極の向きと逆向きの電界を印加した場合に、分極を反転させるために必要な電界強度が、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜よりも小さいことを意味する。

【0045】

本圧電素子１は、Ｍ添加ＰＺＴを含む２層の圧電膜であって、膜厚方向の同じ向きに自発分極が揃っている２層の圧電膜が電極を挟んで積層されており、２層の圧電膜のＰｂ組成比が異なる。本構成により、Ｐｂ組成比が同一の２層の圧電膜を備えた圧電素子と比較して、低電圧領域で高い圧電性能を得ることができる。ここで、低電圧領域とは、民生用機器に組み込む場合を想定した場合に好適な電圧領域であり、具体的には、絶対値が１２Ｖ以下の電圧領域をいう。なお、７Ｖ以下、さらには５Ｖ以下の電圧で高い圧電性能が得られることが好ましい。

【0046】

既述のようにＰｂ組成比を変化させることによって、自発分極の向きと逆向きの電界が印加される圧電膜の抗電界を自発分極の向きと同じ向きの電界が印加される圧電膜の抗電界よりも小さくすることができ、詳細は後述するが、結果として、低電圧領域において高い圧電性能を得ることができる。

【0047】

第１圧電膜１４と第２圧電膜１８は同じ向きに揃った自発分極Ｐ１、Ｐ２を有しており、一方の圧電膜に自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜に自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界を印加する場合、第１電極１２と第３電極２０を同極とし、第２電極１６を第１電極１２及び第３電極２０と異極として電界を印加すればよい。したがって、１つの極性の駆動回路で駆動できるため、異なる極性の２つの駆動回路を備える場合と比較して低コスト化を図ることができる。

【0048】

なお、圧電素子１は第１電極１２と第３電極２０とは接続されていることが好ましい。第１電極１２と第３電極２０が接続されていれば、駆動制御が容易である。

【0049】

第１圧電膜１４と第２圧電膜１８は同じ向きに揃った自発分極を有するものであり、ポーリング処理は不要である。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは同一の材料、及び成膜方法で成膜することが可能であり、低コスト化が図れる。

【0050】

図３に圧電素子１Ａを備えたアクチュエータ５の概略構成を示す。なお、図３以降の図面において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。アクチュエータ５は、圧電素子１Ａと駆動回路３０とを備える。図３に示す圧電素子１Ａにおいては、第１圧電膜１４ｆに含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比が、第２圧電膜１８に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比よりも大きい。すなわち、第１圧電膜１４ｆが、Ｐｂ組成比が相対的に大きい圧電膜であり、第２圧電膜１８ｒが、Ｐｂ組成比が相対的に小さい圧電膜である。

【0051】

駆動回路３０は、電極間に挟まれた圧電膜に駆動電圧を供給する手段である。本例においては、第１電極１２と第３電極２０が駆動回路３０のグランド端子に接続され、接地電位とされる。第２電極１６は、駆動回路３０の駆動電圧出力端子に接続され駆動電極として機能する。これにより、駆動回路３０は、第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｒに駆動電圧を印加する。本例において、駆動回路３０は、第１圧電膜１４ｆに自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加し、第２圧電膜１８ｒに自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界Ｅｒを印加する。すなわち、駆動回路３０は、駆動電極に負の電位を与えるマイナス駆動を実行するマイナス駆動回路である。

【0052】

これに対し、図４に示す変形例のアクチュエータ６のように、駆動電極に正の電位を与えるプラス駆動を実行する駆動回路３２を備えてもよい。図４に示す例では、第２電極１６が、駆動回路３２のグランド端子に接続され、接地電位とされる。第１電極１２と第３電極２０が、駆動回路３２の駆動電圧出力端子に接続されて駆動電極として機能する。この場合、駆動回路３２がプラス駆動回路であるので、第１圧電膜１４ｆに自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加し、第２圧電膜１８ｒに自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界Ｅｒを印加することができる。

【0053】

圧電素子１Ａを備えたアクチュエータ５、６は、１つ極性の駆動ドライバのみを備えればよく、低コストに実現できる。上記圧電素子１を備えるので、低電圧領域で大きな圧電性能が得られる。

【0054】

なお、既に述べた通り、図１に示す圧電素子１における第１圧電膜１４が、相対的に小さいＰｂ組成比のペロブスカイト型酸化物を含む圧電膜であり、第２圧電膜１８が相対的に大きいＰｂ組成比のペロブスカイト型酸化物を含む圧電膜であってもよい。相対的に小さいＰｂ組成比のペロブスカイト型酸化物を含む第１圧電膜１４を第１圧電膜１４ｒとし、相対的に大きいＰｂ組成比のペロブスカイト型酸化物を含む第２圧電膜１８を第２圧電膜１８ｆとする。

【0055】

図５に示す圧電素子１Ｂは、第１圧電膜１４ｒ及び第２圧電膜１８ｆを備える。この場合、図５に示すように、第１圧電膜１４ｒに自発分極Ｐ１の向きと逆向きの電界Ｅｒを印加し、第２圧電膜１８ｆに自発分極Ｐ２の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加することで、１つの極性の駆動回路によって、低電圧領域で良好な圧電性能を得ることができる。

【0056】

図５に示すアクチュエータ７では、第１電極１２及び第３電極２０が駆動回路３４のグランド端子に接続され、接地電位とされる。そして、第２電極１６が駆動回路３４の駆動電圧出力端子に接続されて駆動電極として機能する。この駆動回路３４はプラス駆動回路である。

【0057】

なお、圧電素子１Ｂを用いる場合、マイナス駆動回路を備え、第２電極１６をグランド端子に接続して接地電位とし、第１電極１２及び第３電極２０を駆動電圧出力端子に接続して駆動電極として機能するように構成してもよい。

【0058】

また、図１に示す圧電素子１は、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とを１層ずつ備えた２層の圧電膜が積層され２層積層型の圧電素子であるが、本開示の圧電素子としては、２層に限らず、３層以上の圧電膜を備えていてもよい。図６に示す圧電素子３のように、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８を交互に複数備えてもよい。圧電素子３は、基板１０上に、第１電極１２、第１圧電膜１４、第２電極１６、第２圧電膜１８、第３電極２０、第１圧電膜１４、第２電極１６、第２圧電膜１８及び第３電極２０が順に積層されている。このように、Ｍ添加ＰＺＴであって、Ｐｂ組成比が異なる第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とが、電極を介して交互に複数層備えられていてもよい。

【0059】

ここで、本開示の圧電素子が低電圧領域で大きな圧電性能を示す原理について説明する。

【0060】

図７に示す圧電素子１０１は、比較説明のための積層型圧電素子である。圧電素子１０１は、第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｆが、同一の組成及び膜厚のＮｂ添加ＰＺＴ膜から構成されている。まず、圧電素子１０１の圧電性能について説明する（後記比較例４～６参照）。

【0061】

第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｆとが同一の組成及び膜厚であるので、両者は同一の圧電特性を有し、分極－電圧特性を示すＰ－Ｖヒステリシス曲線は略同一となる。なお、一般に圧電膜の特性は、分極－電界（Ｐ－Ｅ）特性を示すＰ－Ｅヒステリシス曲線で議論するが、圧電素子中における圧電膜の振る舞いはその膜厚を考慮する必要がある。そのため、以下においては、各圧電膜の特性をＰ－Ｖヒステリシス曲線を用いて説明する。

【0062】

図７に示すように、第１電極１２と第３電極２０とを接地し、第２電極１６を駆動電極とした場合の第１圧電膜１４ｆ、第２圧電膜１８ｆのＰ－Ｖヒステリシス曲線をそれぞれ図８Ａ及び図８Ｂに示す。第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｆは組成及び膜厚が同一であるので、それぞれ下側の電極を接地して上側の電極を駆動電極とした場合は、両者ともに図８Ａのヒステリシス曲線となるが、ここでは、第２圧電膜１８ｆに対して、上側の電極である第３電極２０を接地し、下側の電極である第２電極１６を駆動電極としているので、図８Ｂのヒステリシス曲線は、図８Ａに示すヒステリシス曲線を原点中心に１８０°回転したヒステリシス曲線となっている。

【0063】

第１圧電膜１４ｆに自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加し、かつ、第２圧電膜１８ｆに自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界Ｅｒを印加するように０から－Ｖの電位を第２電極１６に与える。この際、第１圧電膜１４ｆ及び第２圧電膜１８ｆは電圧の印加に伴いｄ_３１モードにより面内方向に伸縮し、これらの圧電膜の伸縮に伴い基板１０が撓む。図８Ｃは、この際の基板１０の一点の変位量の電圧依存性を模式的に示している。

【0064】

図７の第２電極１６に与える電位を、０から－Ｖまで変化させた場合、第１圧電膜１４ｆに対しては、自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界が印加される。そのため、図８Ａのヒステリシス曲線の下方に矢印で示すように分極は、電位が０から－Ｖへ変化するのに伴い、自発分極Ｐ１の向きと同じ向きで大きさが徐々に大きくなる。したがって、第１圧電膜１４ｆにのみ０から－Ｖの電圧を印加した場合の変位量は図８Ｃ中に一点鎖線Ｉで示すように、Ｖが大きくなるほど大きくなる。図７の第２電極１６に印加する駆動電位を、０から－Ｖまで変化させた場合、第２圧電膜１８ｆに対しては、自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界Ｅｒが印加される。そのため、図８Ｂのヒステリシス曲線の下方に矢印で示すように分極は、印加電位が０から－Ｖへ変化するのに伴い、自発分極Ｐ２の向きの分極が徐々に小さくなり、抗電圧Ｖａで分極が反転した後、電界と同じ向きの分極が徐々に大きくなる。したがって、第２圧電膜１８ｆにのみ０から－Ｖの電圧を印加した場合の変位量は図８Ｃ中に破線ＩＩで示すように、分極の値が０になる抗電圧までは逆向きに変位する。第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｆを同時に駆動した場合、図８Ｃ中に実線で示すように、両者の変位量を加算した振る舞いをする。そのため、第１圧電膜１４ｆ及び第２圧電膜１８ｆを同時に駆動した場合、高電圧側では、非常に大きな変位量が得られるが、低電圧領域における変位量は、１層の圧電膜のみで得られる変位量よりも小さくなってしまう。

【0065】

これに対し、例えば図３に示す圧電素子１Ａでは、自発分極Ｐ２の向きと逆向きに電界が印加される第２圧電膜１８ｒの抗電圧が自発分極Ｐ１の向きと同じ向きに電界が印加される第１圧電膜１４ｆの抗電圧よりも小さい。ここで、第２圧電膜１８ｒに対して第２電極１６を駆動電極として得られるヒステリシス曲線と、上記の図８Ｂに示したヒステリシス曲線を図９に重ねて示す。図９において、破線で示すヒステリシス曲線が、図８Ｂに示すヒステリシス曲線であり、実線で示すヒステリシス曲線が、圧電素子１Ａの第２圧電膜１８ｒのものである。実線のヒステリシス曲線の抗電圧Ｖｂは破線のヒステリシス曲線の抗電圧Ｖａよりも原点側に位置する。すなわち、図９のヒステリシスの下方に模式的に示す通り、圧電素子１Ａの第２圧電膜１８ｒに自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界が印加する駆動電圧を加えた場合、破線のヒステリシス曲線を示す圧電膜、すなわち、圧電素子１０１の第２圧電膜１８ｆに自発分極Ｐ２の向きと逆向きの電界を印加する駆動電圧を加えた場合よりも低電圧側で分極反転が生じる。

【0066】

図１０は、変位量の電圧依存性の模式図であり、図７の圧電素子１０１を０から－Ｖの駆動電圧で駆動した場合の変位量の変化を破線で示し、図３の圧電素子１Ａを０から－Ｖの駆動電圧で駆動した場合の変位量の変化を実線で示している。図１０に示すように、０から－Ｖの駆動電圧を印加した場合において、圧電素子１Ａは、図７の圧電素子１０１と比較して、低電圧領域で大きな変位が得られる。

【実施例0067】

以下、本開示の圧電素子の具体的な実施例及び比較例について説明する。

【0068】

最初に、各例の圧電素子の作製方法について説明する。製造方法の説明においては、図１に示した圧電素子１の各層の符号を参照して説明する。

【0069】

比較例１～３については、基板１０上に第１電極１２、第１圧電膜１４及び第２電極１６をこの順にスパッタ成膜して積層体を作製した。すなわち、比較例１～３は単層の圧電膜を備えた圧電素子である。

【0070】

比較例４～６及び実施例については、基板１０上に、第１電極１２、第１圧電膜１４、第２電極１６、第２圧電膜１８、及び第３電極２０をこの順にスパッタ成膜して積層体を作製した。すなわち、比較例４～６及び実施例は２層の圧電膜を備えた積層型の圧電素子である。

【0071】

各層の成膜には、ＲＦ（Radio frequency）スパッタ装置を用いた。各層の材料及び成膜条件（スパッタ条件）は以下の通りとした。

【0072】

（基板）
基板１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いた。

【0073】

（第１電極成膜）
第１電極１２として、２０ｎｍ厚のＴｉ層及び１５０ｎｍ厚のＩｒ層をこの順に基板１０上に積層した。各層のスパッタ条件は以下の通りとした。

【0074】

－Ｔｉ層スパッタ条件－
ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
ターゲット投入電力：６００Ｗ
Ａｒガス圧：０．５Ｐａ
基板設定温度：３５０℃

【0075】

－Ｉｒ層スパッタ条件－
ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
ターゲット投入電力：６００Ｗ
Ａｒガス圧：０．１Ｐａ
基板設定温度：３５０℃

【0076】

（第１圧電膜及び第２圧電膜）
ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴをターゲットして用い、以下のスパッタ条件にて成膜した。ターゲット中のＰｂ量は化学量論組成よりも大きいａ＝１．３に設定し、Ｔｉ／Ｚｒモル比はＭＰＢ組成（Ｔｉ／Ｚｒ＝５２／４８）とした。

【0077】

－スパッタ条件－
ターゲット－基板間距離：６０ｍｍ
ターゲット投入電力：５００Ｗ
真空度：０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ_２混合雰囲気（Ｏ_２体積分率１０％）
基板設定温度：５５０℃～６００℃

【0078】

基板設定温度は、成膜後の圧電膜中のＰｂ組成比を制御するために各例の各圧電膜に適切に設定した。圧電膜中のＰｂ組成比（表１参照）と基板設定温度との関係は以下の通りである。
Ｐｂ組成比１．１：６００℃
Ｐｂ組成比１．１１：５７５℃
Ｐｂ組成比１．１２：５５０℃
例えば、成膜後のＰｂ組成比ａ＝Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）が１．１である比較例１に記載の第１圧電膜は設定基板温度６００℃で成膜したものであり、Ｐｂ組成比ａが１．１１である比較例２の第１圧電膜は設定温度５７５℃で成膜したものである。

【0079】

各例における第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８の膜厚は、それぞれ表１に示す通りとした。膜厚は成膜時間を変化させることにより調整した。なお、各例について、所望の膜厚となっていることを光学式の干渉膜厚計にて確認した。

【0080】

また、各圧電膜の組成はＸＲＦ（X-ray Fluorescence）分析により確認した。各例についてのＰｂ組成比は表１に示す通りであり、上記Ｐｂ組成比と基板設定温度との関係を確認した。なお、Ｐｂ以外の組成比ｘ、ｙは各例について誤差の範囲（ここでは、±０．００５の範囲）で一致していることを確認した。

【0081】

（第２電極及び第３電極）
第２電極１６及び第３電極２０として、それぞれ５０ｎｍのＩｒＯ_ｚ（ｚ≦２）と１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。

【0082】

－ＩｒＯ_ｚ、Ｉｒのスパッタ条件－
ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
ターゲット投入電力：２００Ｗ
真空度：０．３Ｐａ、Ｉｒ成膜時はＡｒ雰囲気、ＩｒＯ_ｚ成膜時はＡｒ／Ｏ_２混合雰囲気（Ｏ_２体積分率５％）
基板設定温度：室温

【0083】

（評価用電極パターンの形成）
比較例１～３については、第１電極１２および第２電極１６に電圧印加用電極パッドを形成するために、第２電極１６、第１圧電膜１４に対して順にフォトリソグラフィー及びドライエッチングによるパターニングを行った。
比較例４～６及び実施例については、第１電極１２および第２電極１６、第３電極２０に電圧印加用電極パッドを形成するために、第３電極２０、第２圧電膜１８、第２電極１６、第１圧電膜１４、に対して順にフォトリソグラフィー及びドライエッチングによるパターニングを行った。

【0084】

＜評価用サンプル＞
各例の積層体から２ｍｍ×２５ｍｍの短冊状部分を切り出して、評価用サンプルとしてのカンチレバーを作製した。

【0085】

＜圧電定数の測定＞
各実施例及び比較例について、上記のようにして作製したカンチレバーを用いて圧電定数ｄ_３１を測定した。I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い、－α±αＶ（すなわち、Ｖｐｐ＝－２α）の正弦波の印加電圧で行った。－α±αＶの正弦波とは、－αＶのバイアス電圧にαＶの振幅の正弦波を加算した駆動信号である。例えば、Ｖｐｐ＝－１０とは、－５Ｖのバイアス電圧に振幅５Ｖの正弦波を加算した駆動信号を用いることを意味する。なお、本例では、第１電極１２及び第３電極２０を接地し、第２電極１６を駆動電極とし、第２電極１６に駆動信号を与えて測定を行った。結果は表１に示す。表１に示す圧電定数ｄ_３１は、Ｖｐｐ＝－１０の駆動信号で測定した値である。

【0086】

本例では、第１電極１２及び第３電極２０を接地し、第２電極１６を駆動電極としたので、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８を備えた２層構造の圧電素子においては、第１圧電膜１４に自発分極の向きと同じ向きの電界が印加され、第２圧電膜１８には自発分極の向きと逆向きの電界が印加された。

【表1】

【0087】

比較例１～３に示すように圧電膜が単層である圧電素子において、Ｐｂ組成比が１．１０から１．１２に上昇するにつれ、より高い圧電定数ｄ_３１が得られた。これに対し、同じ組成同士を２層積層した比較例４～６においては、単層で高い圧電定数が得られていたものほど、２層にした場合の圧電定数ｄ_３１の増加率が低い、という結果であった。

【0088】

実施例１～１０では、いずれも比較例４～６よりも高い圧電定数が得られた。実施例１～１０は、第１圧電膜１４のＰｂ組成比と第２圧電膜１８のＰｂ組成比が異なる。実施例１～１０においては、少なくとも両者の差は０．０１以上である。実施例１と実施例２に示す通り、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８のＰｂ組成比の差が大きい方が、高い圧電定数が得られた。また、実施例２と実施例３に示す通り、Ｐｂ組成比が小さい第２圧電膜１８の膜厚が第１圧電膜１４の膜厚よりも小さい方が、高い圧電定数が得られた。

【0089】

実施例１及び実施例４～６に示す通り、Ｐｂ組成比が小さい第２圧電膜１８の膜厚が薄いほど高い圧電定数が得られた。実施例４～６のように第２圧電膜１８の膜厚が第１圧電膜１４の膜厚よりも１００ｎｍ以上薄い場合に、両者の膜厚が同一である場合と比較して１．１倍以上の圧電定数が得られた。

【0090】

実施例６～１０に示す通り、Ｐｂ組成比が小さい第２圧電膜１８の膜厚を固定した場合、第１圧電膜１４の膜厚が第２圧電膜１８の膜厚に対して１．５倍から２．５倍である場合に、両者の膜厚が同等である場合と比較して高い圧電定数得られた。

【0091】

比較例１、実施例１及び実施例６については、圧電定数ｄ_３１の電圧依存性を測定した。その結果を図１１に示す。図１１に示すように、実施例１、６は、より低電圧の領域である－７Ｖｐｐにおいても、比較例６に比べて大きな圧電定数ｄ_３１が得られている。特に、実施例６は、－３Ｖｐｐと非常に低い電圧で比較例６の３倍に近い圧電定数が得られており、－５Ｖｐｐで３５０ｐｍ／Ｖを超える圧電定数ｄ_３１が得られた。
このように、本実施例１～１０は、１０Ｖ以下の低電圧領域において、単に同じ組成の圧電膜を２層積層した構成よりも高い圧電性能を有することが明らかである

【0092】

また、比較例６、実施例１及び実施例６の第２圧電膜の分極－電圧特性を示す分極－電圧ヒステリシス曲線を測定した結果を図１２及び図１３に示す。

【0093】

図１２に示すように、実施例１の第２圧電膜のヒステリシス曲線（図１２中実線で示す）における正側の抗電圧（８Ｖ）は、比較例６の第２圧電膜のヒステリシス曲線（図１２中破線で示す）の正側の抗電圧（１０Ｖ）よりも小さい。駆動時において、第２圧電膜には、自発分極の向きと逆向きの電界が印加される。この際、分極反転が生じる正側の抗電圧でまでの低電圧側では圧電性能が低くなる。実施例１の第２圧電膜の正側の抗電圧が比較例６の第２圧電膜の正側の抗電圧よりも小さい、すなわち、実施例１の第２圧電膜は比較例６の第２圧電膜よりも自発分極が反転する電圧が小さいので、より低電圧側において実施例１は比較例６よりも大きな圧電定数ｄ_３１が得られていると考えられる。

【0094】

さらに、図１３に示すように、実施例６の第２圧電膜のヒステリシス曲線（図１３中一点鎖線で示す）の正側の抗電圧は４Ｖ程度と実施例１の半分程度の大きさになっている。なお、図１３中には図１２に示した比較例６、実施例１についてのヒステリシスを併せて示している。圧電膜の抗電界は圧電膜の材料に依存するが、抗電圧は抗電界と膜厚の積であるため、同一の材料であっても膜厚が半分になれば抗電圧は半分になる。この効果により、実施例６では、図１１に示したように、３Ｖ～５Ｖの非常に低い電圧領域においても大きな圧電定数ｄ_３１が得られていると考えられる。

【符号の説明】

【0095】

１、１Ａ、１Ｂ、３、１０１ 圧電素子
５、６、７ アクチュエータ
１０ 基板
１２ 第１電極
１４ 第１圧電膜
１４ｆ Ｐｂ組成比が大きい第１圧電膜
１４ｒ Ｐｂ組成比が小さい第１圧電膜
１６ 第２電極
１８ 第２圧電膜
１８ｆ Ｐｂ組成比が大きい第２圧電膜
１８ｒ Ｐｂ組成比が小さい第２圧電膜
２０ 第３電極
３０、３２、３４ 駆動回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】