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(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】P2024052272
(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 30/045 20230101ALI20240404BHJP
H10N 30/87 20230101ALI20240404BHJP
H10N 30/06 20230101ALI20240404BHJP
【ＦＩ】
H01L41/187
H01L41/257
H01L41/047
H01L41/29
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022158870
(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】小林 宏之
(72)【発明者】
【氏名】中村 誠吾
(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、自発分極の向きは同一であり、一方の圧電膜のヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、他方の圧電膜のヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｒとした場合に、ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２を満たす。
【選択図】図２
【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、自発分極の向きは同一であり、一方の圧電膜のヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、他方の圧電膜のヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｒとした場合に、ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２を満たす。
【選択図】図２
【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圧電膜と前記第２圧電膜のうちの一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜のうちの他方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｒとした場合に、
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
ここで、単位はいずれも［Ｖ］である、
を満たす、圧電素子。
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圧電膜と前記第２圧電膜のうちの一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜のうちの他方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｒとした場合に、
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
ここで、単位はいずれも［Ｖ］である、
を満たす、圧電素子。
【請求項2】
|Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－|≦ΔＶｃｒ
をさらに満たす、請求項１に記載の圧電素子。
をさらに満たす、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項3】
前記一方の圧電膜に、前記自発分極の向きと同じ向きの電界が印加され、前記他方の圧電膜に、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4】
前記第１電極と前記第３電極が接続されている、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圧電膜はいずれも、
一般式Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、
で表されるペロブスカイト型酸化物を含む、請求項１に記載の圧電素子。
一般式Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、
で表されるペロブスカイト型酸化物を含む、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項6】
前記金属元素ＭがＮｂであり、ｙが０．１より大きい、請求項５に記載の圧電素子。
【請求項7】
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜は同一組成である、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項8】
前記他方の圧電膜の膜厚が、前記一方の圧電膜の膜厚よりも薄い、請求項７に記載の圧電素子。
【請求項9】
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、前記一方の圧電膜に、前記自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、前記他方の圧電膜に、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。
前記駆動回路は、前記一方の圧電膜に、前記自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、前記他方の圧電膜に、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）Ｏ３、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電極に正電圧（＋Ｖ）、第３電極に負電圧（－Ｖ）を印加する第１の駆動方法、あるいは、第１電極を接地し、第２電極に負電圧（－Ｖ）、第３電極に第２電極よりも絶対値の大きな負電圧（－２Ｖ）を印加する第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圧電膜と第２圧電膜のうちの一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、
第１圧電膜と第２圧電膜のうちの他方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値うち大きい方をＶｃｒとした場合に、
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
ここで、単位はいずれも［Ｖ]である、
を満たす。
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圧電膜と第２圧電膜のうちの一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆ、２つの抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値のうち大きい方をＶｃｆとし、
第１圧電膜と第２圧電膜のうちの他方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒ、２つの抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及びＶｃｆ－の絶対値うち大きい方をＶｃｒとした場合に、
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
ここで、単位はいずれも［Ｖ]である、
を満たす。
【0012】
さらに、|Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－|≦ΔＶｃｒを満たすことが好ましい。
【0013】
一方の圧電膜に、自発分極の向きと同じ向きの電界が印加され、他方の圧電膜に、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。
【0014】
第１電極と第３電極が接続されていることが好ましい。
【0015】
第１圧電膜及び第２圧電膜はいずれも、
一般式Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、
で表されるペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。
一般式Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、
で表されるペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。
【0016】
金属元素ＭがＮｂであり、ｙが０．１より大きいことが好ましい。
【0017】
第１圧電膜と第２圧電膜は同一組成であってもよい。
【0018】
第１圧電膜と第２圧電膜は同一組成である場合、他方の圧電膜の膜厚が、一方の圧電膜の膜厚よりも薄いことが好ましい。
【0019】
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、一方の圧電膜に、自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜に、自発分極の向きと逆向きの電界を印加する。
駆動回路は、一方の圧電膜に、自発分極の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜に、自発分極の向きと逆向きの電界を印加する。
【発明の効果】
【0020】
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圧電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】
【0021】
【図1】一実施形態の圧電素子の断面図である。
【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】実施例及び比較例における第１圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。
【図12】比較例２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】実施例４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14】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。
【図15】実施例及び比較例の圧電素子についての低電圧領域における変位量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
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。
【0023】
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が順に積層されてなる。
【0024】
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ＳｉＯ２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。
【0025】
第１電極１２は基板１０の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）、ＬａＮｉＯ３、及びＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ３）等などを用いてもよい。
【0026】
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。
【0027】
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（ＳｒＲｕＯ３）の他、ＬａＮｉＯ３やドーピングを行ったＺｎＯが例示される。
【0028】
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。
【0029】
第１圧電膜１４及び第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、自発分極が揃う向きが同一である。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、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。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、圧電膜の分極－電圧特性（又は分極－電界特性）を示すＰ－Ｖヒステリシス曲線（又はＰ－Ｅ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。
【0030】
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。
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。
【0031】
図２Ａは、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８のうちの一方の圧電膜のヒステリシス曲線を示す。この一方の圧電膜の正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜をΔＶｆとする。また正側の抗電圧Ｖｃｆ＋の絶対値及び負側の抗電圧Ｖｃｆ－の絶対値のうち大きい方を抗電圧Ｖｃｆとする。図２Ａの場合であればＶｃｆは正側の抗電圧Ｖｃｆ＋である。
【0032】
図２Ｂは、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８のうちの他方の圧電膜のヒステリシス曲線を示す。この他方の圧電膜の正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－、両者の差の絶対値｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜をΔＶｃｒとする。また、正側の抗電圧Ｖｃｒ＋の絶対値及び負側の抗電圧Ｖｃｒ－の絶対値のうちの大きい方を抗電圧Ｖｃｒとする。図２Ｂの場合であればＶｃｒは正側の抗電圧Ｖｃｒ＋である。
【0033】
圧電素子１は、
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２ （１）
を満たす。
なお、ΔＶｃｆ×０．５＜ΔＶｃｒであることが好ましい。
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２ （１）
を満たす。
なお、ΔＶｃｆ×０．５＜ΔＶｃｒであることが好ましい。
【0034】
第１圧電膜１４が図２Ａに示すヒステリシス曲線を示す一方の圧電膜であり、第２圧電膜１８が図２Ｂで示すヒステリシス曲線を示す他方の圧電膜であってもよいし、逆に、第２圧電膜１８が図２Ａに示すヒステリシス曲線を示す一方の圧電膜であり、第１圧電膜１４が図２Ｂで示すヒステリシス曲線を示す他方の圧電膜であってもよい。
【0035】
抗電圧は、ヒステリシス曲線において、分極がゼロになる電圧であり、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、１つのヒステリシス曲線に２つの抗電圧がある。正側の抗電圧とは、２つの抗電圧のうち相対的に正電圧側（図中右側）の抗電圧を指し、負側とは相対的に負電圧側（図中左側）の抗電圧を指す。正側の抗電圧と負側の抗電圧が共に正の値であってもかまわないし、正側の抗電圧が正の値であり、負側の抗電圧が負の値であってもかまわない。
【0036】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれの圧電膜１４、１８の下側の電極１２、１６を接地、上側の電極１６、２０を駆動電極とし、圧電膜１４、１８に掃引電圧を印加して取得される一方及び他方の圧電膜のヒステリシス曲線である。この場合、第１圧電膜１４のヒステリシス曲線と第２圧電膜１８のヒステリシス曲線は、いずれもヒステリシス曲線の原点から同じ電界方向（図２Ａ、図２Ｂでは正の電界方向）にシフトしている。なお、圧電膜１４、１８の上側の電極１６、２０を接地し、下側の電極１２、１６を駆動電極とし、圧電膜１４、１８に掃引電圧を印加して取得される一方及び他方の圧電膜のヒステリシス曲線は、図２Ａ及び図２Ｂに示したヒステリシス曲線を原点中心に１８０°回転したものとなる。第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８のＰ－Ｖ特性の測定に際しては、上側の電極、下側の電極のどちらを駆動電極として測定してもかまわない。
【0037】
図２Ａに示すようにΔＶｃｆは一方の圧電膜のヒステリシス曲線の幅に相当し、ΔＶｃｒは他方の圧電膜のヒステリシス曲線の幅に相当する。なお、抗電圧は図２Ａ，図２Ｂに示すように、各圧電膜について測定されたヒステリシスから特定されるが、測定値には、測定誤差±０．２Ｖ程度を含む。そのため、ΔＶｃｆ±０．２［Ｖ］の範囲はΔＶｃｆと同等と見做す。ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２を満たすということは、他方の圧電膜のヒステリシス曲線の幅が一方の圧電膜のヒステリシス曲線の幅よりも小さいことを意味し、右辺の「－０．２」は、測定誤差を考慮したものである。
【0038】
Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２は、他方の圧電膜の抗電圧Ｖｃｒが一方の圧電膜の抗電圧Ｖｃｆよりも小さいことを示す。これは、他方の圧電膜が自発分極の向きに逆向きに電界が印加された場合に分極反転する電圧が、一方の圧電膜に自発分極の向きに逆向きの電界が印加された場合に分極反転するまでの電圧よりも小さいことを意味する。ここでも右辺の「－０．２」は、測定誤差を考慮したものである。Ｖｃｆ±０．２［Ｖ］の範囲はＶｃｆと同等であると見做す。
【0039】
抗電圧Ｖｃは抗電界Ｅｃと膜厚ｔの積で表される、したがって、一方の圧電膜の抗電界の差をΔＥｃｆ、膜厚をｔｆとし、他方の圧電膜の抗電界の差をΔＥｃｒ、膜厚をｔｒとした場合、
ΔＶｃｆ＝ΔＥｃｆ×ｔｆ
ΔＶｃｒ＝ΔＥｃｒ×ｔｒ
である。
ΔＶｃｆ＝ΔＥｃｆ×ｔｆ
ΔＶｃｒ＝ΔＥｃｒ×ｔｒ
である。
【0040】
例えば、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とが全く同じ組成の圧電体から構成されている場合、他方の圧電膜の膜厚ｔｒを一方の圧電膜の膜厚ｔｆよりも薄くする（ｔｒ＜ｔｆとする）ことで上記（１）式を満たす構成とすることができる。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８と同一組成である場合、一方の圧電膜の膜厚ｔｆに対して、他方の圧電膜の膜厚ｔｒが０．４倍から０．９倍であることが好ましい。
【0041】
図１に示す例では、第１圧電膜１４の膜厚ｔ１がｔｆであり、第２圧電膜１８の膜厚ｔ２がｔｒとしている。すなわち、図１は、第１圧電膜１４が図２Ａのヒステリシス曲線を有する上述の一方の圧電膜であり、第２圧電膜１８が図２Ｂのヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜である例を示している。
【0042】
なお、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とが異なる圧電体から構成されており、一方の圧電膜の抗電界の差ΔＥｃｆが他方の圧電膜の抗電界の差ΔＥｃｒよりも大きい場合には、一方の圧電膜の膜厚ｔｆと他方の圧電膜の膜厚ｔｒがｔｆ≦ｔｒの関係にあったとしても、（１）式を満たすことができる。但し、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８は同一組成の圧電体から構成されていれば、材料を共通とすることができ、製造コストを抑制することができ、好ましい。
【0043】
さらに、圧電素子１は、さらに、|Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－|≦ΔＶｃｒを満たすことが好ましい。他方の圧電膜のヒステリシス曲線の中心は、（Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－）／２で表される。したがって、|Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－|≦ΔＶｃｒは、ヒステリシス曲線の中心と原点との距離がヒステリシス幅の半分以下であること、すなわち、ヒステリシス曲線が原点を含んでいることを意味する。他方の圧電膜のヒステリシス曲線のシフト量が小さければ、抗電圧Ｖｃｒを比較的小さく押さえることができる。
【0044】
第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８を構成する圧電体としては、成膜直後において膜厚方向に自発分極の向きが揃った膜が得られ、かつ上記式（１）を満たすものであれば特に制限はない。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を主成分とすることが好ましい。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。
【0045】
ペロブスカイト型酸化物としては、Ｐｂ（鉛），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｔｉ（チタン）及びＯ（酸素）を含む、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：lead zirconate titanate）系であることが好ましい。
【0046】
特に、ペロブスカイト型酸化物が、ＰＺＴのＢサイトに添加物として金属元素Ｍを含む、下記一般式（２）で表される化合物であることが好ましい。
Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ1－ｘ）1-ｙＭｙ｝Ｏ３ （２）
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。ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１である。なお、一般式（２）において、Ｐｂ：｛（ＺｒｘＴｉ1+ｘ）1-ｙＭｙ｝：Ｏは、１：１：３が基準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲でずれていてもよい。以下において、Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ1－ｘ）1-ｙＭｙ｝Ｏ３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。
Ｐｂ｛（ＺｒｘＴｉ1－ｘ）1-ｙＭｙ｝Ｏ３ （２）
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。ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１である。なお、一般式（２）において、Ｐｂ：｛（ＺｒｘＴｉ1+ｘ）1-ｙＭｙ｝：Ｏは、１：１：３が基準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲でずれていてもよい。以下において、Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ1－ｘ）1-ｙＭｙ｝Ｏ３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。
【0047】
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。
【0048】
特には、金属元素ＭがＮｂであるＰｂ｛（ＺｒｘＴｉ1－ｘ）1-ｙＮｂｙ｝Ｏ３が最適である。このとき、ｙ＞０．１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、自発分極が基板から膜厚方向上向きに、より揃った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。
【0049】
第１圧電膜１４のペロブスカイト型酸化物と第２圧電膜１８のペロブスカイト型酸化物は同一組成であることが好ましい。ここで、各元素記号がそれぞれのモル比を示すとした場合に、ペロスカイト型酸化物におけるＰｂ組成比Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）、Ｂサイト中のＺｒ組成比Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）、Ｔｉ組成比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）、及び金属元素Ｍの組成比であるＭ組成比Ｍ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）とする。第１圧電膜１４のペロブスカイト型酸化物と第２圧電膜１８のペロブスカイト型酸化物が同一組成であるとは、Ｐｂ組成比同士、Ｚｒ組成比同士、Ｔｉ組成比同士及びＭ組成比同士が測定誤差の範囲内で等しいことをいう。
【0050】
第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８の膜厚ｔ１、ｔ２は０．２μｍ以上５μｍ以下が好ましく１μｍ以上がより好ましい。既述の通り、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とが同一の組成のペロブスカイト型酸化物からなる場合、第１圧電膜１４を一方の圧電膜とする場合には、第１圧電膜１４の膜厚ｔ１を第２圧電膜１８の膜厚ｔ２よりも厚くすればよい。逆に、第２圧電膜１８を一方の圧電膜にする場合には、第２圧電膜１８の膜厚ｔ２を第１圧電膜１４の膜厚ｔ１よりも厚くすればよい。
【0051】
本圧電素子１は、既述の通り、膜厚方向に沿った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、他方の圧電膜のヒステリシス幅が一方の圧電膜のヒステリシス幅より小さく、かつ抗電圧が小さい。本構成により、ヒステリシス曲線が同一の圧電膜を２層備えた圧電素子と比較して、一方の圧電膜に自発分極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の向きと逆向きの電界を印加する駆動をした場合において、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。
【0052】
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、第１圧電膜１４に、自発分極Ｐ１の向きと同じ向きの電界を印加し、第２圧電膜１８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。
【0053】
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。
【0054】
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、及び成膜方法でも成膜可能であり、低コスト化が図れる。
【0055】
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１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、第１圧電膜１４ｆが図２Ａのヒステリシス曲線を有する一方の圧電膜であり、第２圧電膜１８が図２Ｂのヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜である。ここでは、第１圧電膜１４ｆと第２圧電膜１８ｒとが同一組成のペロブスカイト型酸化物からなり、第２圧電膜１８ｒの膜厚ｔ２が第１圧電膜１４ｆの膜厚ｔ１よりも薄い。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
圧電素子１Ａを備えたアクチュエータ５、６は、１つ極性の駆動回路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１Ａを備えるので、低電圧領域で大きな圧電性能が得られる。
【0059】
なお、既に述べた通り、図１に示す圧電素子１における第２圧電膜１８が図２Ａに示すヒステリシス曲線を有する一方の圧電膜であり、第１圧電膜１４が図２Ｂに示すヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜であってもよい。ここで、第２圧電膜１８が図２Ａに示すヒステリシス曲線を有する一方の圧電膜である場合、第２圧電膜１８ｆと表記し、第１圧電膜１４が図２Ｂに示すヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜である場合、第１圧電膜１４ｒと表記する。
【0060】
図５に示す圧電素子１Ｂは、例えば、第１圧電膜１４ｒと第２圧電膜１８ｆとが同一組成のペロブスカイト型酸化物からなり、第１圧電膜１４ｒの膜厚ｔ１が第２圧電膜１８ｆの膜厚ｔ１よりも薄い。
【0061】
この場合、第２圧電膜１８ｆに自発分極Ｐ２の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加し、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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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た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、図２Ａに示すヒステリシス曲線を有する圧電膜と、図２Ｂに示すヒステリシス曲線を有する圧電膜とが、電極を介して交互に複数層備えられていてもよい。
【0065】
ここで、圧電素子１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。
【0066】
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、いずれも図２Ａに示すヒステリシス曲線を示す圧電膜である。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２参照）。
【0067】
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。
【0068】
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ｄ３１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。
【0069】
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１８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。
【0070】
これに対し、例えば、図３に示す圧電素子１Ａでは、第２圧電膜１８ｒのヒステリシス幅が第１圧電膜１４ｆのヒステリシス幅よりも小さく、抗電圧が小さい。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を、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１の向きの第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。
【0071】
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0072】
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。最初に、各例の圧電素子の作製方法について説明する。各層の成膜には、ＲＦ（Radio frequency）スパッタ装置を用いた。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。
【0073】
（第１電極成膜）
基板１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いた。基板１０上に第１電極１２をＲＦ（radio-frequency）スパッタリングにて成膜形成した。具体的には、第１電極１２として、ＴｉＷ層及び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。
基板１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いた。基板１０上に第１電極１２をＲＦ（radio-frequency）スパッタリングにて成膜形成した。具体的には、第１電極１２として、ＴｉＷ層及び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】
－ＴｉＷ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℃
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℃
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）
ＲＦスパッタリング装置内に上記第１電極１２付きの基板１０を載置し、第１圧電膜１４として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。Ｎｂ添加ＰＺＴをターゲットとして用い、スパッタ条件は、以下の通りとした。ターゲット中のＰｂ量は化学量論組成よりも多く設定し、Ｔｉ／Ｚｒモル比はＭＰＢ組成（Ｔｉ／Ｚｒ＝５２／４８）とした。
ＲＦスパッタリング装置内に上記第１電極１２付きの基板１０を載置し、第１圧電膜１４として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。Ｎｂ添加ＰＺＴをターゲットとして用い、スパッタ条件は、以下の通りとした。ターゲット中のＰｂ量は化学量論組成よりも多く設定し、Ｔｉ／Ｚｒモル比はＭＰＢ組成（Ｔｉ／Ｚｒ＝５２／４８）とした。
【0077】
－第１圧電膜スパッタ条件－
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／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率１０％）
基板設定温度：７００℃
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／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率１０％）
基板設定温度：７００℃
【0078】
なお、第１圧電膜１４の膜厚ｔ１は、各実施例、比較例について表１に示す通りとした。膜厚ｔ１は成膜時間を変化させることにより調整した。
【0079】
（第２電極）
第１圧電膜１４上に、第２電極１６として５０ｎｍのＩｒＯｚ（Ｚ≦２）と１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は以下の通りとした。
第１圧電膜１４上に、第２電極１６として５０ｎｍのＩｒＯｚ（Ｚ≦２）と１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は以下の通りとした。
【0080】
－ＩｒＯｚ、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、ＩｒＯｚ成膜時はＡｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率５％）
基板設定温度：室温
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、ＩｒＯｚ成膜時はＡｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率５％）
基板設定温度：室温
【0081】
（第２圧電膜）
第２電極１６上に、第２圧電膜１８として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８の成膜には同一のターゲットを用い、成膜条件も同一とした。なお、第２圧電膜１８の膜厚ｔ２は、各実施例及び比較例について表１に示す通りとした。膜厚ｔ２は成膜時間を変化させることにより調整した。なお、比較例１は第２圧電膜１８及び第３電極２０を備えない第１圧電膜１４単層の圧電素子とした。
第２電極１６上に、第２圧電膜１８として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８の成膜には同一のターゲットを用い、成膜条件も同一とした。なお、第２圧電膜１８の膜厚ｔ２は、各実施例及び比較例について表１に示す通りとした。膜厚ｔ２は成膜時間を変化させることにより調整した。なお、比較例１は第２圧電膜１８及び第３電極２０を備えない第１圧電膜１４単層の圧電素子とした。
【0082】
（第３電極）
第２圧電膜１８上に、第３電極２０として５０ｎｍのＩｒＯｚと１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は第２電極１６と同一とした。
第２圧電膜１８上に、第３電極２０として５０ｎｍのＩｒＯｚと１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は第２電極１６と同一とした。
【0083】
（評価用電極パターンの形成）
比較例１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２及び実施例についても、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。
比較例１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２及び実施例についても、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】
以上の工程により電極と圧電体層を積層してなる積層体を作製した。
【0085】
（評価用サンプルの準備）
－評価用サンプル１－
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１としてカンチレバーを作製した。
－評価用サンプル１－
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１としてカンチレバーを作製した。
【0086】
－評価用サンプル２－
積層体から、圧電膜の表面中心に直径４００μｍの円形にパターニングされた第３電極を有する２５ｍｍ×２５ｍｍの部分を切り出して、評価用サンプル２とした。
積層体から、圧電膜の表面中心に直径４００μｍの円形にパターニングされた第３電極を有する２５ｍｍ×２５ｍｍの部分を切り出して、評価用サンプル２とした。
【0087】
＜圧電特性の測定＞
各実施例及び比較例についての圧電特性の評価として、圧電定数ｄ３１を測定した。
圧電定数ｄ３１の測定は、評価用サンプル１を用いて実施した。I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い、第１電極１２及び第３電極２０を接地し、第２電極１６に駆動信号を与えて、圧電定数ｄ３１を測定した。各例について、印加電圧を－１、－３、－５、－７、－１０、及び－１５Ｖのそれぞれとした場合における圧電定数ｄ３１を測定した。例えば、印加電圧が－１Ｖの場合の圧電定数ｄ３１は、－０．５Ｖのバイアス電圧に０．５Ｖの振幅の正弦波を加算した駆動信号を第２電極１６に印加して測定した。測定結果を表２に示す。
各実施例及び比較例についての圧電特性の評価として、圧電定数ｄ３１を測定した。
圧電定数ｄ３１の測定は、評価用サンプル１を用いて実施した。I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い、第１電極１２及び第３電極２０を接地し、第２電極１６に駆動信号を与えて、圧電定数ｄ３１を測定した。各例について、印加電圧を－１、－３、－５、－７、－１０、及び－１５Ｖのそれぞれとした場合における圧電定数ｄ３１を測定した。例えば、印加電圧が－１Ｖの場合の圧電定数ｄ３１は、－０．５Ｖのバイアス電圧に０．５Ｖの振幅の正弦波を加算した駆動信号を第２電極１６に印加して測定した。測定結果を表２に示す。
【0088】
＜分極－電圧特性の測定＞
各実施例及び比較例の圧電素子について、評価用サンプル２を用いて、分極－電圧（Ｐ－Ｖ）ヒステリシス曲線を測定した。各実施例及び比較例の圧電素子の第１圧電膜１４、第２圧電膜１８のそれぞれについて、周波数１ｋＨｚの条件で飽和分極に至るまで電圧を印加して、測定を実施した。なお、第１圧電膜１４のヒステリシス測定の場合には、第１電極１２を接地して、第２電極１６を駆動電極として第１圧電膜１４に掃引電圧を印加した。また、第２圧電膜１８のヒステリシス測定の場合には、第２電極１６を接地して、第３電極２０を駆動電極として第２圧電膜１８に掃引電圧を印加した。
各実施例及び比較例の圧電素子について、評価用サンプル２を用いて、分極－電圧（Ｐ－Ｖ）ヒステリシス曲線を測定した。各実施例及び比較例の圧電素子の第１圧電膜１４、第２圧電膜１８のそれぞれについて、周波数１ｋＨｚの条件で飽和分極に至るまで電圧を印加して、測定を実施した。なお、第１圧電膜１４のヒステリシス測定の場合には、第１電極１２を接地して、第２電極１６を駆動電極として第１圧電膜１４に掃引電圧を印加した。また、第２圧電膜１８のヒステリシス測定の場合には、第２電極１６を接地して、第３電極２０を駆動電極として第２圧電膜１８に掃引電圧を印加した。
【0089】
図１１は、実施例１の圧電素子の第１圧電膜について得られたＰ－Ｖヒステリシス曲線である。なお、比較例１、２及び実施例２~８の圧電素子の第１圧電膜はいずれも実施例１の第１圧電膜と同じ膜厚であるため、いずれも図１１に示すヒステリシス曲線で表される特性を有する。図１１に示すヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃｆ＋は７．７Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃｆ－は－０．６Ｖである。したがって、ΔＶｃｆは８．３Ｖである。
【0090】
図１２は、比較例２の圧電素子の第２圧電膜について得られたＰ－Ｖヒステリシス曲線である。図１２に示すヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃｒ＋は７．６Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃｒ－は－０．５Ｖである。したがって、ΔＶｃｒは８．１Ｖである。なお、測定値には±０．２Ｖ程度の誤差を含むため、図１２に示すヒステリシス曲線の幅は図１１に示すヒステリシス曲線と略同等と見做せる。
【0091】
図１３は、実施例４の圧電素子の第２圧電膜について得られたＰ－Ｖヒステリシス曲線である。図１３に示すヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃｒ＋は４．４Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃｒ－は－０．３Ｖである。したがって、ΔＶｃｒは４．７Ｖである。
【0092】
図１４は、実施例６の圧電素子の第２圧電膜について得られたＰ－Ｖヒステリシス曲線である。図１４に示すヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃｒ＋は３．１Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃｒ－は－０Ｖである。したがって、ΔＶｃｒは３．１Ｖである。
【0093】
上記のようにして得られた各実施例及び比較例の圧電素子の第１圧電膜のヒステリシス曲線におけるＶｃｆ－、Ｖｃｆ＋、ΔＶｃｆ、及び第２圧電膜のヒステリシス曲線におけるＶｃｒ－、Ｖｃｒ＋、ΔＶｃｒを表１に示す。
【0094】
【表1】
【表2】
【0095】
図１５は、各圧電素子について、印加電圧と圧電定数ｄ３１との関係をグラフ化したものである。実施例１~１０は、－７Ｖでの駆動時において、比較例１、２の圧電定数ｄ３１よりも大きい圧電定数、具体的には１．３倍以上の圧電定数が得られている。同等の圧電膜を２層備えた比較例２は、－７Ｖにおける圧電定数ｄ３１は比較例１の圧電定数ｄ３１をやや上回るが、７Ｖよりも低い電圧域における圧電定数ｄ３１は、比較例１の圧電定数ｄ３１よりも大幅に低かった。
【0096】
実施例１～実施例１０は、いずれも
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
を満たす。
ΔＶｃｒ＜ΔＶｃｆ－０．２、かつ、Ｖｃｒ＜Ｖｃｆ－０．２
を満たす。
【0097】
特に、実施例１～６及び実施例９～１０は７Ｖで比較例１、２よりも大きい圧電定数を示し、かつ、－１５Ｖで素子の破壊を生じていないという良好な結果が得られた。
【0098】
実施例７は印加電圧－５Ｖで最大の圧電定数ｄ３１を示し、その後、さらに電圧が高くなると圧電定数が低下し、数値の低下具合から印加電圧－１５Ｖでは、素子破壊が生じていると考えられる。また、実施例８は印加電圧－５Ｖで最大の圧電定数ｄ３１を示し、－１０Ｖでは素子が破壊されており、圧電定数ｄ３１は測定できなかった。実施例７及び実施例８の第２圧電膜は薄いために、耐電圧が低いと考えられる。しかし、印加電圧－３Ｖ～－５Ｖでは、比較例１に対し非常に高い圧電定数ｄ３１が得られ、低電圧領域において、高い圧電性能が得られることが明らかである。
【符号の説明】
【0099】
１、２、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 一方の圧電膜である第１圧電膜
１４ｒ 他方の圧電膜である第１圧電膜
１６ 第２電極
１８ 第２圧電膜
１８ｆ 一方の圧電膜である第２圧電膜
１８ｒ 他方の圧電膜である第２圧電膜
２０ 第３電極
３０、３２、３４ 駆動回路
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 一方の圧電膜である第１圧電膜
１４ｒ 他方の圧電膜である第１圧電膜
１６ 第２電極
１８ 第２圧電膜
１８ｆ 一方の圧電膜である第２圧電膜
１８ｒ 他方の圧電膜である第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】
【図14】
【図15】
