CN117812990A - 压电元件及致动器 - Google Patents

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Abstract

提供压电元件及致动器。压电元件在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极将一个压电膜的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为Vcf+、负侧的矫顽电压设为Vcf‑、两者之差的绝对值|Vcf+‑Vcf‑|设为ΔVcf、2个矫顽电压Vcf+的绝对值及Vcf‑的绝对值中较大的一方设为Vcf，将另一个压电膜的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为Vcr+、负侧的矫顽电压设为Vcr‑、两者之差的绝对值|Vcr+‑Vcr‑|设为ΔVcr、矫顽电压Vcr+的绝对值及矫顽电压Vcr‑的绝对值中较大的一方设为Vcr时，满足ΔVcr＜ΔVcf‑0.2且Vcr＜Vcf‑0.2。

Description

压电元件及致动器
技术领域
本发明涉及一种压电元件及致动器。
背景技术
作为具有优异的压电特性及铁电性的材料，已知有锆钛酸铅(Pb(Zr、Ti)O3、以下称为PZT。)等钙钛矿型氧化物。由钙钛矿型氧化物构成的压电体被用作在基板上具备下部电极、压电膜及上部电极的压电元件中的压电膜。该压电元件应用于存储器、喷墨头(致动器)、微镜装置、角速度传感器、陀螺仪传感器、超声波元件(PMUT：PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducer)及振动发电装置等各种装置中。
作为压电元件，为了获得高的压电特性，提出了隔着电极层层叠多个压电膜的层叠型压电元件。
例如，在专利文献1中，提出了依次层叠有第1电极、添加Nb的PZT膜、第2电极、添加Nb的PZT膜、第3电极的压电元件。已知添加Nb的PZT膜在成膜时，自发极化的朝向相对于基板向上一致。即，专利文献1中的2层添加Nb的PZT膜均具有向上朝向一致的自发极化。通常，对于具有朝向一致的自发极化的压电膜，施加与其自发极化的朝向相同的朝向的电场可获得高的压电性能。因此，在专利文献1中，通过使第2电极接地且对第1电极施加正电压(+V)、对第3电极施加负电压(-V)的第1驱动方法、或者使第1电极接地且对第2电极施加负电压(-V)、对第3电极施加绝对值比第2电极大的负电压(-2V)的第2驱动方法等，对2个添加Nb的PZT膜分别施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场。由此，与只有1层的压电元件相比，实现了大致2倍的位移量。
并且，在专利文献2中，提出了一种压电元件，其中依次层叠有第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜、第3电极，且第1压电膜的自发极化一致的朝向与第2压电膜的自发极化一致的朝向不同。而且，作为具体例，可以举出第1压电膜为添加Nb的PZT膜，第2压电膜为未添加Nb的PZT膜(以下称为本征PZT。)的情况。添加Nb的PZT膜在未经轮询处理的状态下自发极化的朝向一致，但本征PZT膜在未经轮询处理的状态下自发极化的朝向不一致。因此，通过对本征PZT膜实施轮询处理以使自发极化在与添加Nb的PZT膜的自发极化的朝向相反的朝向上一致，从而使第1压电膜的自发极化的朝向与第2压电膜的自发极化的朝向不同。在专利文献2中，通过将压电元件的第1电极和第3电极设为相同电位，并将第2电极设为驱动电极，从而对第1压电膜和第2压电膜施加与各自的自发极化的朝向相同的朝向的电场。由此，能够以驱动1层压电膜的大小的电压获得2层的压电性能，因此能够以低电压获得高的压电性能。
专利文献1：日本特开2013-80886号公报
专利文献2：日本特开2013-80887号公报
然而，在专利文献1中，在对第3电极施加绝对值比第2电极大的电压的第2驱动方法中，为了获得与第1驱动方法同等的压电性能，需要对第3电极施加非常大的电压。在低电压下无法获得充分的压电性能。为了实施上述对第1电极和第3电极施加不同符号的电压的第1驱动方法，需要具备正驱动电路和负驱动电路，因此成本提高。
并且，在专利文献2的压电元件中，可获得非常良好的压电性能。但是，为了制作专利文献2的压电元件，例如如将第1压电膜设为添加Nb的PZT膜，将第2压电膜设为本征PZT膜那样，需要由包含与第1压电膜和第2压电膜不同材料的压电膜构成。因此，为了形成第1压电膜和第2压电膜，需要两种不同的靶，并且，需要对至少一个压电膜实施轮询处理，无法实现充分的低成本化。
这样，可获得高的压电性能的压电元件需要高成本或施加高电压，无法实现低成本且以低电压获得高的压电性能的压电元件。
发明内容
本发明的目的在于，以低成本提供在低电压下可获得高的压电性能的压电元件及压电致动器。
本发明的压电元件，其在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极，
第1压电膜和第2压电膜均在膜厚方向上自发极化一致，并且，第1压电膜与第2压电膜的自发极化的朝向相同，
将表示第1压电膜和第2压电膜中的一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为Vcf+、负侧的矫顽电压设为Vcf-、两者之差的绝对值|Vcf+-Vcf-|设为ΔVcf、2个矫顽电压Vcf+的绝对值及Vcf-的绝对值中较大的一方设为Vcf，
将表示第1压电膜和第2压电膜中的另一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为Vcr+、负侧的矫顽电压设为Vcr-、两者之差的绝对值|Vcr+-Vcr-|设为ΔVcr、2个矫顽电压Vcr+的绝对值及Vcr-的绝对值中较大的一方设为Vcr时，满足ΔVcr＜ΔVcf-0.2且Vcr＜Vcf-0.2，其中，单位均为[V]。
优选还满足|Vcr++Vcr-|≤ΔVcr。
优选对一个压电膜施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场，对另一个压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场。
优选第1电极与第3电极连接。
优选第1压电膜及第2压电膜均包含由如下通式表示的钙钛矿型氧化物：
Pb{(ZrxTi1-x)1-yMy}O3
M为选自包括V、Nb、Ta、Sb、Mo及W的组中的金属元素，且0＜x＜1、0＜y＜1。
优选金属元素M为Nb，y大于0.1。
第1压电膜和第2压电膜可以为相同组分。
当第1压电膜和第2压电膜为相同组分时，另一个压电膜的膜厚优选比一个压电膜的膜厚薄。
本发明的致动器具备本发明的压电元件及对压电元件施加驱动电压的驱动电路，其中，驱动电路对一个压电膜施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场，对另一个压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场。
发明效果
根据本发明的技术，能够以低成本提供在低电压下可获得高的压电性能的压电元件及压电致动器。
附图说明
图1是一实施方式的压电元件的剖视图。
图2A是表示一个压电膜的极化-电压滞后曲线的图，图2B是表示另一压电膜的极化-电压滞后曲线的图。
图3是表示致动器的概略结构的图。
图4是表示变形例的致动器的概略结构的图。
图5是表示变形例的压电元件及致动器的概略结构的图。
图6是变形例的压电元件的剖视图。
图7是用于说明层叠型压电元件的问题点的图。
图8A是第1压电膜14f的滞后曲线，图8B是第2压电膜18f的滞后曲线，图8C是表示压电元件101相对于电压的位移量的图。
图9是本实施方式的压电元件的效果的说明图。
图10是本实施方式的压电元件的效果的说明图。
图11是表示实施例1的第1压电膜的极化-电压滞后曲线的图。
图12是表示比较例2的第2压电膜的极化-电压滞后曲线的图。
图13是表示实施例4的第2压电膜的极化-电压滞后曲线的图。
图14是表示实施例6的第2压电膜的极化-电压滞后曲线的图。
图15是表示对于实施例及比较例的压电元件的低电压区域中的位移量的曲线图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下附图中，为了容易视觉辨认，各层的层厚及它们的比率被适当地变更而描绘，未必一定反映实际的层厚及比率。
图1是表示一实施方式的压电元件1的层结构的示意剖视图。如图1所示，压电元件1在基板10上依次具备第1电极12、第1压电膜14、第2电极16、第2压电膜18及第3电极20。
作为基板10并无特别限制，可以举出硅、玻璃、不锈钢、钇稳定化氧化锆、氧化铝、蓝宝石、碳化硅等基板。作为基板10，可以使用在硅基板的表面形成有SiO2氧化膜的带热氧化膜的硅基板等层叠基板。并且，作为基板10，可以使用PET(polyethyleneterephthalate：聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(polyethylene naphthalate：聚萘二甲酸乙二醇酯)及聚酰亚胺等树脂基板。
第1电极12形成于基板10上。作为第1电极12的主成分并无特别限制，可以举出Au(金)、Pt(铂)、Ir(铱)、Ru(钌)、Ti(钛)、Mo(钼)、Ta(钽)、Al(铝)等金属或金属氧化物及它们的组合。并且，可以使用ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)、LaNiO3、及SRO(SrRuO3)等。
第2电极16层叠于第1压电膜14上，第3电极20层叠于第2压电膜18上。第1电极12和第2电极16成对并向第1压电膜14施加电场。并且，第2电极16与第3电极20成对并对第2压电膜18施加电场。
第2电极16及第3电极20的主成分并无特别限制，除了在第1电极12中例示的材料以外，还可以举出Cr等一般在半导体工艺中使用的电极材料及它们的组合。但是，与第1压电膜14或第2压电膜18接触的层优选使用氧化物导电体。作为氧化物导电体层，具体而言，除了ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)、Ir氧化物、SRO(SrRuO3)以外，还例示LaNiO3和进行了掺杂的ZnO。
第1电极12、第2电极16及第3电极20的厚度并无特别限制，优选为50nm～300nm左右，更优选为100nm～300nm。
第1压电膜14及第2压电膜18均在膜厚方向上自发极化一致，自发极化一致的朝向相同。在图1所示的例中，第1压电膜14的自发极化P1的朝向及第2压电膜18的自发极化P2的朝向均在膜厚方向上朝上。另外，在本说明书中，以基板10为基准，将远离基板10的方向规定为上，将基板侧规定为下。另外，压电膜中的自发极化是否一致及其自发极化一致的朝向能够通过测定表示压电膜的极化-电压特性(或极化-电场特性)的P-V滞后曲线(或P-E滞后曲线)来确认。
在未实施轮询处理的压电膜中，在未施加外部电场的状态下自发极化的朝向一致认为是由于在压电膜内产生了由晶体结构的变性或缺陷等引起的电场(以下称为自发内部电场。)。在未施加外部电场的状态下未产生自发内部电场的压电膜的情况下，P-E滞后曲线(或P-V滞后曲线)绘制其中心与原点一致的形状。另一方面，在产生自发内部电场的压电膜，即，在未施加外部电场的状态下自发极化的朝向一致的压电膜的情况下，由于自发极化的朝向相对于其自发内部电场一致，所以滞后曲线的中心偏离原点(偏移)。在P-E滞后曲线的情况下，若将自发内部电场设为Ei且将从外部施加的外部电场设为Eo，则存在施加Ei+Eo的电场，因此滞后曲线的中心从原点偏移与自发内部电场Ei相应的量。另外，在P-V滞后曲线的情况下，滞后曲线的中心从原点偏移与Ei和膜厚之积相应的量。因此，当所测定的滞后曲线的中心从原点偏移时，可认为产生了自发内部电场且自发极化一致。滞后曲线的中心自原点的偏移量与自发极化的一致程度成比例，偏移量越大，意味着自发极化的一致程度越高(自发内部电场越大)。并且，根据该滞后曲线从原点的偏移方向，能够确定一致的自发极化的朝向。另外，在P-V滞后曲线的情况下，滞后曲线的中心定义为后述2个矫顽电压之间的中点。
以下，在“自发极化的朝向”的情况下，是指通过自发内部电场一致的自发极化的朝向。
图2A表示第1压电膜14和第2压电膜18中的一个压电膜的滞后曲线。将一个压电膜的正侧的矫顽电压设为Vcf+、将负侧的矫顽电压设为Vcf-、将两者之差的绝对值|Vcf+-Vcf-|设为ΔVcf。并且，将正侧的矫顽电压Vcf+的绝对值及负侧的矫顽电压Vcf-的绝对值中大的一方设为矫顽电压Vcf。在图2A的情况下，Vcf为正侧的矫顽电压Vcf+。
图2B表示第1压电膜14和第2压电膜18中的另一个压电膜的滞后曲线。将另一个压电膜的正侧的矫顽电压设为Vcr+、将负侧的矫顽电压设为Vcr-、将两者之差的绝对值|Vcr+-Vcr-|设为ΔVcr。并且，将正侧的矫顽电压Vcr+的绝对值及负侧的矫顽电压Vcr-的绝对值中大的一方设为矫顽电压Vcr。在图2B的情况下，Vcr为正侧的矫顽电压Vcr+。
压电元件1满足ΔVcr＜ΔVcf-0.2且Vcr＜Vcf-0.2(1)。
另外，优选为ΔVcf×0.5＜ΔVcr。
第1压电膜14可以是表示图2A所示的滞后曲线的一个压电膜，第2压电膜18可以是表示图2B所示的滞后曲线的另一个压电膜，相反，第2压电膜18可以是表示图2A所示的滞后曲线的一个压电膜，第1压电膜14可以是表示图2B所示的滞后曲线的另一个压电膜。
矫顽电压是在滞后曲线中极化变为零的电压，如图2A及图2B所示，1个滞后曲线中存在2个矫顽电压。正侧的矫顽电压是指2个矫顽电压中相对正电压侧(图中右侧)的矫顽电压，负侧的矫顽电压是指相对负电压侧(图中左侧)的矫顽电压。正侧的矫顽电压和负侧的矫顽电压均可以为正值，正侧的矫顽电压可以是正值，负侧的矫顽电压可以是负值。
图2A及图2B是使各自的压电膜14、18的下侧的电极12、16接地，将上侧的电极16、20设为驱动电极，对压电膜14、18施加扫描电压而获取的一个及另一个压电膜的滞后曲线。此时，第1压电膜14的滞后曲线和第2压电膜18的滞后曲线均从滞后曲线的原点向相同的电场方向(图2A、图2B中为正的电场方向)偏移。另外，使压电膜14、18的上侧的电极16、20接地，将下侧的电极12、16设为驱动电极，对压电膜14、18施加扫描电压而获取的一个及另一个压电膜的滞后曲线以图2A及图2B所示的滞后曲线为原点中心旋转180°。在测定第1压电膜14及第2压电膜18的P-V特性时，可以将上侧的电极、下侧的电极中的任一个作为驱动电极进行测定。
如图2A所示，ΔVcf相当于一个压电膜的滞后曲线的宽度，ΔVcr相当于另一个压电膜的滞后曲线的宽度。另外，如图2A，图2B所示，矫顽电压根据对各压电膜测定的滞后来确定，但在测定值中包括测定误差±0.2V左右。因此，ΔVcf±0.2[V]的范围视为与ΔVcf相同。满足ΔVcr＜ΔVcf-0.2意味着另一个压电膜的滞后曲线的宽度小于一个压电膜的滞后曲线的宽度，右边的“-0.2”考虑了测定误差。
Vcr＜Vcf-0.2表示另一个压电膜的矫顽电压Vcr小于一个压电膜的矫顽电压Vcf。这意味着，对另一个压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场时极化反转的电压小于对一个压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场时直到极化反转为止的电压。在此，右边的“-0.2”也考虑了测定误差。Vcf±0.2[V]的范围视为与Vcf相同。
矫顽电压Vc由抗电场Ec与膜厚t之积来表示，因此，将一个压电膜的抗电场的差设为ΔEcf、将膜厚设为tf、将另一个压电膜的抗电场的差设为ΔEcr、将膜厚设为tr时，为ΔVcf＝ΔEcf×tf、ΔVcr＝ΔEcr×tr。
例如，在第1压电膜14和第2压电膜18由完全相同组分的压电体构成时，通过使另一个压电膜的膜厚tr比一个压电膜的膜厚tf薄(设为tr＜tf)，能够形成满足上述(1)式的结构。当第1压电膜14和第2压电膜18为相同组分时，相对于一个压电膜的膜厚tf，另一个压电膜的膜厚tr优选为0.4倍至0.9倍。
在图1所示的例子中，第1压电膜14的膜厚t1为tf，第2压电膜18的膜厚t2设为tr。即，图1表示第1压电膜14为具有图2A的滞后曲线的上述一个压电膜，第2压电膜18为具有图2B的滞后曲线的另一个压电膜的例子。
另外，第1压电膜14和第2压电膜18由不同的压电体构成，一个压电膜的抗电场的差ΔEcf大于另一个压电膜的抗电场的差ΔEcr时，即使一个压电膜的膜厚tf和另一个压电膜的膜厚tr处于tf≤tr的关系，也能够满足(1)式。但是，若第1压电膜14和第2压电膜18由相同组分的压电体构成，则能够共用材料，并能够抑制制造成本，因此优选。
此外，压电元件1优选进一步满足|Vcr++Vcr-|≤ΔVcr。另一个压电膜的滞后曲线的中心由(Vcr++Vcr-)/2表示。因此，|Vcr++Vcr-|≤ΔVcr是指滞后曲线的中心与原点的距离为滞后宽度的一半以下，即，滞后曲线包括原点。若另一个压电膜的滞后曲线的偏移量小，则能够将矫顽电压Vcr抑制得较小。
作为构成第1压电膜14及第2压电膜18的压电体，只要是可获得在刚成膜后在膜厚方向上自发极化的朝向一致的膜，并且满足上述式(1)，则并无特别限制。第1压电膜14及第2压电膜18优选将钙钛矿型氧化物作为主成分。在此，主成分是指占80mol％以上的成分。第1压电膜14及第2压电膜18优选钙钛矿型氧化物分别占90mol％以上，更优选第1压电膜14及第2压电膜18由钙钛矿型氧化物构成(其中，包含不可避免的杂质。)。
作为钙钛矿型氧化物，优选为包含Pb(铅)，Zr(锆)、Ti(钛)及O(氧)的锆钛酸铅(PZT：lead zirconate titanate)系。
尤其，钙钛矿型氧化物优选为在PZT的B位作为添加物包含金属元素M的、由下述通式(2)表示的化合物。
Pb{(ZrxTi1-x)1-yMy}O3(2)
在此，金属元素M优选为选自V(钒)，Nb(铌)，Ta(钽)，Sb(锑)，Mo(钼)及W(钨)中的1种以上的元素。在此，为0＜x＜1、0＜y＜1。另外，在通式(2)中，Pb：{(ZrxTi1+x)1-yMy}：O以1：1：3为基准，单在可获得钙钛矿结构的范围内偏离。以下，将Pba{(ZrxTi1-x)1-yMy}O3称为添加M的PZT。另外，例如，当金属元素M为Nb时，称为添加Nb的PZT。
金属元素M可以是仅V或仅Nb等单独的元素，也可以是V与Nb的混合或者V与Nb与Ta的混合等、2种或3种以上的元素的组合。当金属元素M为这些元素时，与A位元素的Pb组合而能够实现非常高的压电常数。
尤其，金属元素M为Nb的Pb{(ZrxTi1-x)1-yNby}O3最适合。此时，y＞0.1，能够获得更高的压电常数。若使用M为Nb的添加Nb的PZT，对使用溅射等气相生长法的压电膜进行成膜，则能够获得具有自发极化从基板朝向膜厚方向上方更一致的非常高的压电常数的压电膜。
第1压电膜14的钙钛矿型氧化物和第2压电膜18的钙钛矿型氧化物优选为相同组分。在此，在各元素符号表示各自的摩尔比的情况下，设为钙钛矿型氧化物中的Pb组分比Pb/(Zr+Ti+M)、B位中的Zr组分比Zr/(Zr+Ti)、Ti组分比Ti/(Zr+Ti)及金属元素M的组分比即M组分比M/(Zr+Ti+M)。第1压电膜14的钙钛矿型氧化物和第2压电膜18的钙钛矿型氧化物为相同组分是指Pb组分比彼此、Zr组分比彼此、Ti组分比彼此及M组分比彼此在测定误差的范围内相等。
第1压电膜14及第2压电膜18的膜厚t1、t2优选为0.2μm以上且5μm以下，更优选为1μm以上。如上所述，在第1压电膜14与第2压电膜18由相同组分的钙钛矿型氧化物构成的情况下，将第1压电膜14设为一个压电膜时，使第1压电膜14的膜厚t1比第2压电膜18的膜厚t2厚即可。相反，在将第2压电膜18设为一个压电膜的情况下，使第2压电膜18的膜厚t2比第1压电膜14的膜厚t1厚即可。
本压电元件1中，如上所述，在沿着膜厚方向的相同方向上自发极化一致的2层压电膜隔着电极而层叠，另一个压电膜的滞后宽度小于一个压电膜的滞后宽度，并且矫顽电压小。根据本结构，与具备2层滞后曲线相同的压电膜的压电元件相比，在进行对一个压电膜施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场，对另一个压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场的驱动的情况下，能够在低电压区域获得高的压电性能。在此，低电压区域是在设想组装到民用设备的情况下适合的电压区域，具体而言，是指绝对值为12V以下的电压区域。另外，优选在7V以下、进而在5V以下的电压下获得高的压电性能。
第1压电膜14和第2压电膜18具有在相同的朝向上一致的自发极化P1、P2，在对第1压电膜14施加与自发极化P1的朝向相同的朝向的电场，对第2压电膜18施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场的情况下，将第1电极12和第3电极20作为同极，将第2电极16作为与第1电极12及第3电极20不同的电极施加电场即可。因此，由于能够通过1个极性的驱动电路进行驱动，因此与具备不同极性的2个驱动电路的情况相比，能够实现低成本化。
另外，压电元件1优选连接第1电极12和第3电极20。若第1电极12与第3电极20连接，则容易驱动控制。
第1压电膜14和第2压电膜18具有在相同的朝向上一致的自发极化，不需要轮询处理。第1压电膜14和第2压电膜18能够使用相同的材料及成膜方法来成膜，从而实现低成本化。
图3中示出具备压电元件1A的致动器5的概略结构。另外，在图3以后的附图中，对与图1相同的构成要素标注相同的符号。致动器5具备压电元件1A和驱动电路30。在图3所示的压电元件1A中，第1压电膜14f是具有图2A的滞后曲线的一个压电膜，第2压电膜18r是具有图2B的滞后曲线的另一个压电膜。在此，第1压电膜14f和第2压电膜18r由相同组分的钙钛矿型氧化物，第2压电膜18r的膜厚t2比第1压电膜14f的膜厚t1薄。
驱动电路30是向夹在电极之间的压电膜供给驱动电压的机构。在本例中，第1电极12和第3电极20连接于驱动电路30的接地端子并且被设为接地电位。第2电极16连接于驱动电路30的驱动电压输出端子且作为驱动电极发挥作用。由此，驱动电路30对第1压电膜14f和第2压电膜18r施加驱动电压。在本例中，驱动电路30对第1压电膜14f施加与自发极化P1的朝向相同的朝向的电场Ef，对第2压电膜18r施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场Er。即，驱动电路30是执行对驱动电极赋予负电位的负驱动的负驱动电路。
相对于此，如图4所示的变形例的致动器6那样，也可以具备执行对驱动电极赋予正电位的正驱动的驱动电路32。在图4所示的例中，第2电极16连接于驱动电路32的接地端子并且被设为接地电位。第1电极12和第3电极20连接于驱动电路32的驱动电压输出端子且作为驱动电极发挥作用。此时，由于驱动电路32是正驱动电路，因此能够对第1压电膜14f施加与自发极化P1的朝向相同的朝向的电场Ef，对第2压电膜18r施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场Er。
具备压电元件1A的致动器5、6只需具备1个极性的驱动电路即可，能够以低成本实现。由于具备上述压电元件1A，因此在低电压区域中可获得大的压电性能。
另外，如上所述，图1所示的压电元件1中的第2压电膜18可以为具有图2A所示的滞后曲线的一个压电膜，第1压电膜14可以为具有图2B所示的滞后曲线的另一个压电膜。在此，第2压电膜18为具有图2A所示的滞后曲线的一个压电膜时，标记为第2压电膜18f，第1压电膜14为具有图2B所示的滞后曲线的另一个压电膜时，标记为第1压电膜14r。
图5所示的压电元件1B中，例如，第1压电膜14r和第2压电膜18f由相同组分的钙钛矿型氧化物构成，第1压电膜14r的膜厚t1比第2压电膜18f的膜厚t2薄。
此时，通过对第2压电膜18f施加与自发极化P2的朝向相同的朝向的电场Ef，对第1压电膜14r施加与自发极化P1的朝向相反的朝向的电场Er，从而通过1个极性的驱动电路能够在低电压区域获得良好的压电性能。
在图5所示的致动器7中，第1电极12及第3电极20连接于驱动电路34的接地端子并且被设为接地电位。而且，第2电极16连接于驱动电路34的驱动电压输出端子并且作为驱动电极发挥作用。该驱动电路34是正驱动电路。
另外，在使用压电元件1B的情况下，也可以构成为具备负驱动电路，将第2电极16连接于接地端子而作为接地电位，将第1电极12及第3电极20连接于驱动电压输出端子而作为驱动电极发挥作用。
并且，图1所示的压电元件1是将各具备第1压电膜14和第2压电膜18的2层压电膜层叠而成的2层层叠型压电元件，但作为本发明的压电元件不限于2层，也可以具备3层以上的压电膜。如图6所示的压电元件3那样，也可以交替地具备多个第1压电膜14和第2压电膜18。压电元件3在基板10上依次层叠有第1电极12、第1压电膜14、第2电极16、第2压电膜18、第3电极20、第1压电膜14、第2电极16、第2压电膜18及第3电极20。这样，具有图2A所示的滞后曲线的压电膜和具有图2B所示的滞后曲线的压电膜可以隔着电极交替地设置有多层。
在此，对压电元件1在低电压区域显示大的压电性能的原理进行说明。
图7所示的压电元件101是用于比较说明的层叠型压电元件。压电元件101是第1压电膜14f和第2压电膜18f均表示图2A所示的滞后曲线的压电膜。首先，对压电元件101的压电性能进行说明(参考后述比较例2)。
如图7所示，使第1电极12和第3电极20接地，将第2电极16作为驱动电极时的第1压电膜14f、第2压电膜18f的P-V滞后曲线分别示于图8A及图8B。由于第1压电膜14f和第2压电膜18f的组分及膜厚相同，因此在分别使下侧电极接地而将上侧的电极作为驱动电极的情况下，两者都成为图8A的滞后曲线，但在此，相对于第2压电膜18f，使作为上侧的电极的第3电极20接地，将作为下侧的电极的第2电极16设为驱动电极，因此图8B的滞后曲线成为以图8A所示的滞后曲线为原点中心旋转180°的滞后曲线。
对第2电极16赋予0至-V的电位，以对第1压电膜14f施加与自发极化P1的朝向相同的朝向的电场Ef且对第2压电膜18f施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场Er。此时，第1压电膜14f及第2压电膜18f随着电压的施加而通过d31模式向面内方向伸缩，并且基板10随着这些压电膜的伸缩而挠曲。图8C示意性地表示此时的基板10的一点的位移量的电压依赖性。
在使赋予图7的第2电极16的电位从0变化为-V的情况下，相对于第1压电膜14f施加与自发极化P1的朝向相同的朝向的电场。因此，如图8A的滞后曲线的下方箭头所示，随着电位从0向-V变化，极化在与自发极化P1的朝向相同的朝向上大小逐渐增加。因此，仅对第1压电膜14f施加了0至-V的电压时的位移量如图8C中单点划线I所示，随着V增大而增大。在使施加到图7的第2电极16的电位从0变化为-V的情况下，相对于第2压电膜18f施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场Er。因此，如图8B的滞后曲线的下方箭头所示，极化随着施加电位从0向-V变化，自发极化P2的朝向的极化逐渐变小，在矫顽电压Va下极化反转后，与电场相同的朝向的极化逐渐增大。因此，仅对第2压电膜18f施加0至-V的电压时的位移量如图8C中虚线II所示，在极化的值成为0的矫顽电压之前向相反朝向位移。当同时驱动第1压电膜14f和第2压电膜18f时，如图8C中实线所示，进行两者的位移量相加的动作。因此，当同时驱动第1压电膜14f及第2压电膜18时，在高电压侧，获得非常大的位移量，但低电压区域中的位移量比仅由1层压电膜获得的位移量小。
相对于此，例如，在图3所示的压电元件1A中，第2压电膜18r的滞后宽度小于第1压电膜14f的滞后宽度，并且矫顽电压小。相对于第2压电膜18r，将以第2电极16作为驱动电极而获得的滞后曲线和上述图8B所示的滞后曲线重叠示于图9。在图9中，由虚线表示的滞后曲线是图8B所示的滞后曲线，由实线表示的滞后曲线是压电元件1A的第2压电膜18r的滞后曲线。实线的滞后曲线的矫顽电压Vb位于比虚线的滞后曲线的矫顽电压Va更靠近原点侧的位置。即，如图9的滞后的下方示意地所示，对压电元件1A的第2压电膜18r施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场的驱动电压时，在比对示出虚线的滞后曲线的压电膜，即，压电元件101的第2压电膜18f施加与自发极化P2的朝向相反的朝向的电场的驱动电压的情况低的电压侧产生极化反转。
图10是位移量的电压依赖性的示意图，将图7的压电元件101以0至-V的驱动电压进行驱动时的位移量的变化用虚线表示，将图3的压电元件1A以0至-V的驱动电压进行驱动时的位移量的变化用实线表示。如图10所示，当施加0至-V的驱动电压时，压电元件1A与图7的压电元件101相比，在低电压区域中获得大的位移。
实施例
以下，对本发明的压电元件的具体实施例及比较例进行说明。首先，对各例的压电元件的制作方法进行说明。各层的成膜使用了RF(Radio frequency：射频)溅射装置。在制造方法的说明中，参考图1所示的压电元件1的各层的符号进行说明。
(第1电极成膜)
作为基板10，使用了带热氧化膜的硅基板。通过RF(radio-frequency：射频)溅射在基板10上成膜形成了第1电极12。具体而言，作为第1电极12，依次在基板10上层叠了TiW层及Ir层。各层的溅射条件如下。
-TiW层溅射条件-
靶-基板间距离：100mm
靶投入功率：600W
Ar气体压力：0.5Pa
基板设定温度：350℃
-Ir层溅射条件-
靶-基板间距离：100mm
靶投入功率：600W
Ar气体压力：0.1Pa
基板设定温度：350℃
(第1压电膜)
在RF溅射装置内载置上述带第1电极12的基板10，作为第1压电膜14，将对B位的Nb添加量设为12at％的添加Nb的PZT膜进行了成膜。使用添加Nb的PZT作为靶，溅射条件如下。靶中的Pb量设定为比化学计量组分多，Ti/Zr摩尔比设为MPB组分(Ti/Zr＝52/48)。
-第1压电膜溅射条件-
靶-基板间距离：60mm
靶投入功率：500W
真空度：0.3Pa、Ar/O2混合气氛(O2体积分数10％)
基板设定温度：700℃
另外，对于各实施例、比较例，第1压电膜14的膜厚t1如表1所示。通过改变成膜时间来调整膜厚t1。
(第2电极)
在第1压电膜14上作为第2电极16依次层叠了50nm的IrOz(Z≤2)和100nm的Ir。溅射条件如下。
-IrOz、Ir的溅射条件-
靶-基板间距离：100mm
靶投入功率：200W
真空度：0.3Pa，Ir成膜时为Ar气氛、IrOz成膜时为Ar/O2混合气氛(O2体积分数5％)
基板设定温度：室温
(第2压电膜)
在第2电极16上，作为第2压电膜18成膜了将B位中的Nb添加量设为12at％的添加Nb的PZT膜。第1压电膜14和第2压电膜18的成膜使用相同的靶，成膜条件也相同。另外，对于各实施例及比较例，第2压电膜18的膜厚t2如表1所示。通过改变成膜时间来调整膜厚t2。另外，比较例1设为不具备第2压电膜18及第3电极20的第1压电膜14单层的压电元件。
(第3电极)
在第2压电膜18上作为第3电极20依次层叠了50nm的IrOz和100nm的Ir。溅射条件与第2电极16相同。
(评价用电极图案的形成)
对于比较例1，为了在第1电极12及第2电极16上形成电压施加用电极焊盘，对第2电极16、第1压电膜14依次进行了基于光刻及干蚀刻的图案化。
对于比较例2及实施例，为了在第1电极12及第2电极16、第3电极20上形成电压施加用电极焊盘，对第3电极20、第2压电膜18、第2电极16、第1压电膜14依次进行了基于光刻及干蚀刻的图案化。
通过以上的工序，制作了将电极和压电体层层叠而成的层叠体。
(评价用样品的准备)
-评价用样品1-
从层叠体切出2mm×25mm的长条状部分，从而作为评价用样品1制作了悬臂。
-评价用样品2-
从层叠体切出具有在压电膜的表面中心以直径400μm的圆形图案化的第3电极的25mm×25mm的部分，作为评价用样品2。
＜压电特性的测定＞
作为对于各实施例及比较例的压电特性的评价，测定了压电常数d31。
压电常数d31的测定使用评价用样品1来实施。根据I.Kanno et.al.Sensor andActuator A 107(2003)68.中所记载的方法，使第1电极12及第3电极20接地，对第2电极16赋予驱动信号，测定了压电常数d31。对于各例，测定了分别将施加电压设为-1、-3、-5、-7、-10、及-15V时的压电常数d31。例如，施加电压为-1V时的压电常数d31通过对第2电极16施加在-0.5V的偏置电压上加上0.5V的振幅的正弦波而得的驱动信号来进行了测定。将测定结果示于表2。
＜极化-电压特性的测定＞
对于各实施例及比较例的压电元件，使用评价用样品2测定了极化-电压(P-V)滞后曲线。对于各实施例及比较例的压电元件的第1压电膜14、第2压电膜18的每一个，以频率1kHz的条件施加电压以达到饱和极化为止，并实施了测定。另外，当测定第1压电膜14的滞后时，使第1电极12接地，将第2电极16作为驱动电极而对第1压电膜14施加了扫描电压。并且，当测定第2压电膜18的滞后时，使第2电极16接地，将第3电极20作为驱动电极而对第2压电膜18施加了扫描电压。
图11是对于实施例1的压电元件的第1压电膜获得的P-V滞后曲线。另外，比较例1、2及实施例2～8的压电元件的第1压电膜均为与实施例1的第1压电膜相同的膜厚，均具有由图11所示的滞后曲线表示的特性。在图11所示的滞后曲线中，正侧的矫顽电压Vcf+为7.7V，负侧的矫顽电压Vcf-为-0.6V。因此，ΔVcf为8.3V。
图12是对于比较例2的压电元件的第2压电膜获得的P-V滞后曲线。在图12所示的滞后曲线中，正侧的矫顽电压Vcr+为7.6V，负侧的矫顽电压Vcr-为-0.5V。因此，ΔVcr为8.1V。另外，由于测定值包含±0.2V左右的误差，因此图12所示的滞后曲线的宽度视为与图11所示的滞后曲线大致相同。
图13是对于实施例4的压电元件的第2压电膜获得的P-V滞后曲线。在图13所示的滞后曲线中，正侧的矫顽电压Vcr+为4.4V，负侧的矫顽电压Vcr-为-0.3V。因此，ΔVcr为4.7V。
图14是对于实施例6的压电元件的第2压电膜获得的P-V滞后曲线。在图14所示的滞后曲线中，正侧的矫顽电压Vcr+为3.1V，负侧的矫顽电压Vcr-为-0V。因此，ΔVcr为3.1V。
将如上所述获得的各实施例及比较例的压电元件的第1压电膜的滞后曲线中的Vcf-、Vcf+、ΔVcf及第2压电膜的滞后曲线中的Vcr-、Vcr+、ΔVcr示于表1。
[表1]
/>
[表2]
图15是对于各压电元件将施加电压与压电常数d31的关系曲线化的图。实施例1～10中，当以-7V驱动时，可获得大于比较例1、2的压电常数d31的压电常数，具体而言为1.3倍以上的压电常数。具备2层相同的压电膜的比较例2中，-7V中的压电常数d31略高于比较例1的压电常数d31，低于7V的电压区域中的压电常数d31显著低于比较例1的压电常数d31。
实施例1～实施例10均满足ΔVcr＜ΔVcf-0.2且Vcr＜Vcf-0.2。
尤其，实施例1～6及实施例9～10在7V下显示出大于比较例1、2的压电常数，并且获得了在-15V下不产生元件的破坏的良好的结果。
可以认为，实施例7在施加电压-5V下显示出最大的压电常数d31，然后，若电压进一步变高，则压电常数降低，根据数值的降低情况，在施加电压-15V下，产生元件破坏。并且，实施例8在施加电压-5V下显示最大的压电常数d31，在-10V下元件被破坏，无法测定压电常数d31。由于实施例7及实施例8的第2压电膜薄，因此认为耐电压低。但是，可知在施加电压-3V～-5V下，与比较例1相比获得非常高的压电常数d31，在低电压区域获得高的压电性能。
符号说明
1、2、3、101-压电元件，5、6、7-致动器，10-基板，12-第1电极，14-第1压电膜，14f-一个压电膜即第1压电膜，14r-另一个压电膜即第1压电膜，16-第2电极，18-第2压电膜，18f-一个压电膜即第2压电膜，18r-另一个压电膜即第2压电膜，20-第3电极，30、32、34-驱动电路。

Claims (9)

1.一种压电元件，其在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极，
所述第1压电膜的自发极化和所述第2压电膜的自发极化在膜厚方向上均一致，并且，所述第1压电膜和所述第2压电膜的所述自发极化的朝向相同，
在表示所述第1压电膜和所述第2压电膜中的一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中，将正侧的矫顽电压设为Vcf+，将负侧的矫顽电压设为Vcf-，将两者之差的绝对值|Vcf+-Vcf-|设为ΔVcf，将矫顽电压Vcf+的绝对值和矫顽电压Vcf-的绝对值中较大的一方设为Vcf，
在表示所述第1压电膜和所述第2压电膜中的另一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中，将正侧的矫顽电压设为Vcr+,将负侧的矫顽电压设为Vcr-,将两者之差的绝对值|Vcr+-Vcr-|设为ΔVcr,将矫顽电压Vcr+的绝对值和矫顽电压Vcr-的绝对值中较大的一方设为Vcr时，
满足ΔVcr＜ΔVcf-0.2且Vcr＜Vcf-0.2，
其中，单位均为[V]。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，
还满足|Vcr++Vcr-|≤ΔVcr。
3.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，
对所述一个压电膜施加与所述自发极化的朝向相同的朝向的电场，对所述另一个压电膜施加与所述自发极化的朝向相反的朝向的电场。
4.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，
所述第1电极与所述第3电极连接。
5.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，
所述第1压电膜及所述第2压电膜均包含由如下通式表示的钙钛矿型氧化物：
Pb{(ZrxTi1-x)1-yMy}O3
M为选自包括V、Nb、Ta、Sb、Mo及W的组中的金属元素，
且0＜x＜1、0＜y＜1。
6.根据权利要求5所述的压电元件，其中，
所述金属元素M为Nb，y大于0.1。
7.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，
所述第1压电膜和所述第2压电膜为相同组分。
8.根据权利要求7所述的压电元件，其中，
所述另一个压电膜的膜厚比所述一个压电膜的膜厚薄。
9.一种致动器，其具备权利要求1至8中的任意一项所述的压电元件及对所述压电元件施加驱动电压的驱动电路，其中，
所述驱动电路对所述一个压电膜施加与所述自发极化的朝向相同的朝向的电场，对所述另一个压电膜施加与所述自发极化的朝向相反的朝向的电场。
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