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公開番号2024052271
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-11
出願番号2022158869
出願日2022-09-30
発明の名称圧電素子及びアクチュエータ
出願人富士フイルム株式会社
代理人弁理士法人太陽国際特許事務所
主分類H10N 30/853 20230101AFI20240404BHJP()
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圧電膜におけるM組成比と第2圧電膜におけるM組成比とが異なり、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の前記ＢサイトにおけるＭ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、Ｍ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で規定した場合に、前記第１圧電膜における前記Ｍ組成比と前記第２圧電膜における前記Ｍ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。
続きを表示（約 950 文字）【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Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）で表されるＰｂ組成比同士、前記Ｂサイト中のＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＺｒ組成比同士及びＴｉ（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＴｉ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１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Ｍ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Ｍ組成比とが、０．０２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Ｍ組成比が相対的に小さい圧電膜の膜厚が、前記Ｍ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Ｍ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Ｍ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Ｍ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Ｍ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Ｍ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Ｍ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。
続きを表示（約 2,100 文字）【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圧電膜の揃っている自発分極の向きと第２圧電膜の揃っている自発分極の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】
特開２０１３－８０８８６号公報
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】以降は省略されています）

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