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公開番号2025056522
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-08
出願番号2023166050
出願日2023-09-27
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 30/50 20230101AFI20250401BHJP()
要約【課題】大きな駆動力が得られ、応答性が良好であり、かつ長期信頼性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】圧電素子及びアクチュエータにおいて、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、それぞれペロブスカイト型酸化物を主成分とし、第1圧電膜及び第2圧電膜のうちの一方がエピタキシャル膜であり、他方が一軸配向膜である。
【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、それぞれペロブスカイト型酸化物を主成分とし、
前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうちの一方がエピタキシャル膜であり、他方が一軸配向膜である、圧電素子。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第１圧電膜が前記エピタキシャル膜であり、前記第２圧電膜が前記一軸配向膜である、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記第１電極の前記第１圧電膜と接する面がエピタキシャル膜である、請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第１圧電膜の主成分である前記ペロブスカイト型酸化物と、前記第２圧電膜の主成分である前記ペロブスカイト型酸化物とは、互いに同一の構成元素からなる、請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記ペロブスカイト型酸化物は、チタン酸ジルコン酸鉛、又は金属元素Ｍが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛であり、
前記金属元素Ｍはバナジウム、ニオブ、タンタル、アンチモン、モリブデン及びタングステンのうちの少なくとも一つである、請求項３に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記ペロブスカイト型酸化物における前記金属元素Ｍがニオブであり、
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜とは、それぞれに含まれる前記ペロブスカイト型酸化物の組成比のうち少なくとも前記金属元素Ｍの添加量が同一である、請求項５に記載の圧電素子。
【請求項７】
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極は、それぞれイリジウム、白金、ルテニウム酸ストロンチウム、ルテニウム酸バリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化白金、及び酸化レニウムのうちの少なくとも一つ含む、請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記第１電極及び前記第３電極が接地電位に維持され、前記第２電極が、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜にプラス駆動電圧を印加するための駆動電極である、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項９】
前記第２電極が接地電位に維持され、前記第１電極及び前記第３電極が、前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜にマイナス駆動電圧を印加するための駆動電極である、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、前記一軸配向膜である前記他方の圧電膜に、成膜直後から前記他方の圧電膜が自発的に持つ分極であるセルフポーリングの向きと同じ向きの電界を印加し、前記エピタキシャル膜である前記一方の圧電膜に、前記他方の圧電膜に印加される前記電界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 1,400 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（特許文献１、２等）。
【０００４】
特許文献１には、一軸配向したＰＺＴ膜が電極を介して複数層積層された圧電素子が開示されている。特許文献２には、（Ｐｂ
ａ
Ｌａ
ｂ
）（Ｚｒ
ｃ
Ｔｉ
ｄ
Ｎｂ
ｅ
）Ｏ
３－δ
のエピタキシャル膜が、電極を介して複数層積層された圧電素子が開示されている。いずれの場合も、複数の電極は、一層おきにプラス端子とマイナス端子が接続され、複数層積層された圧電膜に対して印加する電界の向きが交互に反転した向きとなることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開平１１－２３３８４４号公報
国際公報第２０１７／０１８２２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２のように、複数層の圧電膜を備えた圧電素子によれば、単層の圧電膜を備えた圧電素子と比較して大きな駆動力を得ることができる。
【０００７】
しかし、特許文献１及び特許文献２に記載の圧電素子には、以下のような問題がある。一軸配向したＰＺＴ膜を複数層積層した積層型の圧電素子では、複数層の圧電膜の少なくとも一部の圧電膜には、セルフポーリングと逆向きの電界が印加されることから、非線形応答成分が発生し、リニアリティが低く、デバイスとして想定する変位挙動が実現できない。エピタキシャル膜からなる圧電膜を積層した積層型の圧電素子は、長期信頼性が低くなる場合がある。
【０００８】
本開示は、上記事情を鑑み、大きな駆動力が得られ、応答性が良好であり、かつ長期信頼性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】
【０００９】
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、それぞれペロブスカイト型酸化物を主成分とし、
第１圧電膜及び第２圧電膜のうちの一方がエピタキシャル膜であり、他方が一軸配向膜である。
【００１０】
第１圧電膜がエピタキシャル膜であり、第２圧電膜が一軸配向膜であることが好ましい。
（【００１１】以降は省略されています）

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