JP6258241B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明は、非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有する強誘電体を備えた圧電アクチュエータに関する。
圧電アクチュエータは、他の方式のアクチュエータに比べて低消費電力で駆動回路が単純であるというメリットがあり、広く普及している。圧電体の中でも、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＺｒＯ３（以下、ＰＺＴと略記する）に代表される強誘電体は、高い圧電変位を持つが、抗電界を超える電界を印加すると分極が反転し、変位方向が逆転する。駆動ＩＣ(Integrated Circuit)としては正の電圧を出力するものが設計的にスタンダード化しているため、強誘電体を正方向に分極処理（ポーリング）し、正のユニポーラ電圧波形を駆動ＩＣから出力して駆動することが一般的である。しかしながら、特に薄膜の形態を持つ圧電体の中には、分極方向によって圧電性能に優劣があるものが存在し、このような圧電体において優れた性能を引き出せる極性方向と駆動ＩＣの駆動極性とは必ずしも一致しない。
例えば、スパッタリング法にて成膜されたＮｂ添加ＰＺＴ薄膜は、成膜直後から分極方向が揃い、マイナス極性に優先配向しているという特徴があり、かつ無添加の場合に比べて約２倍の圧電定数を有することが知られている。
スパッタリング法にて成膜されたＮｂ添加ＰＺＴ薄膜のように、マイナス極性に優先配向している強誘電体膜は、バイポーラ分極―電界曲線（以後、Ｐ−Ｅヒステリシスと略記する）が正電界側に偏った、すなわちｙ軸に対して非対称であり、２つの抗電界Ｅｃー、Ｅｃ＋の絶対値が異なる（｜Ｅｃー｜≠｜Ｅｃ＋｜）ものとなる。このようなＰ−Ｅヒステリシス特性を示す強誘電体は分極処理が不要であり、低電圧で高い変位量を得ることができるため、ＭＥＭＳ（メムス、Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータデバイスに適している(T.Fujii et.al., Solid State Communications 149 (2009) 1799_1802)。しかしながら、このような強誘電体膜は、マイナス駆動においては僅かなマイナス電圧の印加により非常に大きな変位を生じるが、スタンダードな駆動ＩＣの極性であるプラス電圧では印加されたマイナス電圧と絶対値が等しいプラス電圧を印加しても大きな変位量は得られない。つまり、スタンダードな駆動ICではアクチュエータとしての性能を十分に引き出すことができない。
特許文献１には、成膜直後から分極がある一方向に揃っており、Ｐ−Ｅヒステリシスにおける２つの抗電界が、共に正または負側のどちらか一方に偏り率１／３以上の割合で偏った圧電体膜を備えた圧電素子が開示されている。特許文献１には、かかる圧電体膜の自発分極は、外部電界では反転し難く安定しており、ドメイン回転による変位量増加が発生しないために、変位量と電界強度との線形性が保たれ、且つ、低電界領域において充分な圧電特性を有することが記載されている。一方で、このような圧電体膜において、性能を十分に引き出すためには、Ｎｂ添加ＰＺＴ薄膜と同様、自発分極と同極性の電圧で駆動する必要がある。
特許文献２には、下部電極材料にパターニングが容易な材料を用いることにより、下部電極をアドレス電極、上部電極をグランド電極として、マイナス極性に優先配向してなるＰＺＴ系強誘電体膜を備えた圧電素子をプラス極性の駆動ＩＣにて駆動可能とすることが記載されている。通常、圧電素子は、下部電極と上部電極のうち、一方の電極を印加電圧が０Ｖに固定されるグランド電極とし、他方の電極を印加電圧が変動されるアドレス電極として駆動され、駆動しやすさ及び製造プロセスの容易性の観点において、通常は下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として、駆動が行われる。
また、特許文献３には、ＰＺＴ系強誘電体膜において、鉛量を制御することにより圧電体膜のＰ−Ｅヒステリシスのプラス側への偏りをマイナス側へ寄せてプラス極性の駆動ＩＣにて大きな圧電特性が得られることが開示されている。
特許文献２に記載の圧電素子の構成とすることで、非対称ヒステリシスを有する、すなわち分極がプラスまたはマイナス極性に優先配向している圧電体膜を、圧電特性の優れた極性方向で駆動させることが可能となるが、特許文献２に記載の圧電素子は、製造工程において下部電極のパターニング工程が必要となる点で製造プロセスが複雑である。
また、特許文献３では、ＰＺＴ系強誘電体膜における鉛量を制御することにより、マイナス極性からプラス方向へ極性を移動させて、プラス駆動における圧電特性を高くすることに成功している。しかしながら、このような技術を用いて作製された膜は、分極の不安定性が増すため、高い圧電特性を得るために抗電界に近い電圧を含む電圧波形で駆動しようとすると、徐々に圧電体膜の分極が反転する現象を生じる可能性がある。
特許文献４には、駆動に伴い徐々に圧電体膜の分極が反転する現象を抑制するために、抗電界に０．４を乗じた値の電圧以下で駆動することで、圧電素子における変位量の長期安定性を確保する可能であることが記載されている。しかしながら、かかる電圧範囲での駆動では、アクチュエータとして高い変位量を得ることが難しく、デバイスの要求性能を満たすことが出来ない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有し、且つ、駆動波形の極性と逆向きの分極を有する強誘電体を備えた圧電アクチュエータにおいて、分極反転現象を抑制しつつ大きな電圧で駆動することが可能であり、その結果高い変位量を得ることができる圧電アクチュエータを提供することを目的とするものである。
本発明の圧電アクチュエータは、２つの抗電界点を有し、２つの抗電界の絶対値が異なる非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有する強誘電体を備えた圧電部と、圧電部と電気的に直列接続されてなるコンデンサと、コンデンサと電気的に直列接続され、且つ強誘電体と電気的に並列に接続されてなる抵抗とを備えた圧電素子と、
圧電素子に強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形を入力して圧電素子を駆動する駆動部とを備えてなり、
２つの抗電界のうち、絶対値が大きい方の抗電界Ｅｃ１と、絶対値が小さい方の抗電界Ｅｃ２の各値が下記式Ｉを満足し、
コンデンサのキャパシタンスＣｓと、強誘電体のキャパシタンスをＣｐｚと、抵抗と強誘電体の有する抵抗との合成抵抗Ｒｐと、駆動波形の基本角周波数ωとが、下記式II及びIIIを満足するものである。
本明細書において、「非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有する」とは、バイポーラ分極―電界ヒステリシスが、分極値を示すｙ軸に対して非対称であることを意味する。
圧電素子に強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形を入力して圧電素子を駆動する駆動部とを備えてなり、
２つの抗電界のうち、絶対値が大きい方の抗電界Ｅｃ１と、絶対値が小さい方の抗電界Ｅｃ２の各値が下記式Ｉを満足し、
コンデンサのキャパシタンスＣｓと、強誘電体のキャパシタンスをＣｐｚと、抵抗と強誘電体の有する抵抗との合成抵抗Ｒｐと、駆動波形の基本角周波数ωとが、下記式II及びIIIを満足するものである。
本発明の圧電アクチュエータは、強誘電体の２つの抗電界のうち、絶対値が大きい抗電界の極性が正である強誘電体である場合に好適である。
また、強誘電体が、基板上に成膜された薄膜である場合にも好適であり、強誘電体が、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜された薄膜である場合、更に、成膜直後の状態で自発的に分極している薄膜である場合に好適である。
成膜直後の状態で自発的に分極している薄膜とは、成膜直後にある電界１７ｋＶ／ｃｍで駆動した時の変位が、３４ｋＶ／ｃｍで駆動した後に再び１７ｋＶ／ｃｍで駆動したときの変位に対して７０％以上であるものを意味するものとする。
また、強誘電体が、基板上に成膜された薄膜である場合にも好適であり、強誘電体が、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜された薄膜である場合、更に、成膜直後の状態で自発的に分極している薄膜である場合に好適である。
成膜直後の状態で自発的に分極している薄膜とは、成膜直後にある電界１７ｋＶ／ｃｍで駆動した時の変位が、３４ｋＶ／ｃｍで駆動した後に再び１７ｋＶ／ｃｍで駆動したときの変位に対して７０％以上であるものを意味するものとする。
強誘電体は、下記一般式Ｐ１で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましく、下記一般式Ｐ２で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることがより好ましく、一般式Ｐ２においてＭはＮｂを含み、ＮｂのＢサイト元素中のモル比Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）が０．０６以上０．４０以下であることが更に好ましい。
ＡＢＯ３ ・・・一般式Ｐ１
（一般式Ｐ１において、ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＡサイト元素であり、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素である。）
（一般式Ｐ１において、ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＡサイト元素であり、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素である。）
Ａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍ１−ｘ−ｙ）Ｏ３・・・一般式Ｐ２
（一般式Ｐ２において、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素であり、Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素であり、０＜ｘ＜１、且つ、０＜ｙ＜１である。）
本明細書において、「主成分」とは、含量８０モル％以上の成分を意味するものとする。
（一般式Ｐ２において、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素であり、Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素であり、０＜ｘ＜１、且つ、０＜ｙ＜１である。）
本明細書において、「主成分」とは、含量８０モル％以上の成分を意味するものとする。
一般式Ｐ１及びＰ２において、Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素のモル比は１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内において、モル比は１：１：３からずれてもよい。
コンデンサは、強誘電体上に直接成膜された薄膜であることが好ましい。また、抵抗は、強誘電体上に成膜された薄膜であり、かつ半導体加工技術を用いて式II及び式IIIを満足する抵抗値になるようにパターニング形成されたものであることが好ましい。
強誘電体は、バイポーラ分極-電界ヒステリシスにおいて、抗電界Ｅｃ１における傾き∂P/∂EE=Ec1と０Ｖ／ｃｍにおける傾き∂P/∂EE=0が下記式IVを満足することが好ましい。Ｐはバイポーラ分極-電界ヒステリシスにおける分極値、EE=Ec1は、抗電界Ｅｃ１における電界強度、EE=0は電界強度０Ｖ／ｃｍにおける電界強度である。
本発明の圧電アクチュエータは、２つの抗電界点を有し、上記式Iを満足する２つの抗電界の絶対値が異なる非対称なバイポーラＰ−Ｅヒステリシス特性を有する強誘電体を備えた圧電部と、圧電部と直列接続されてなるコンデンサと、コンデンサと直列接続され、且つ、強誘電体と並列に接続されてなる抵抗とを備えてなる圧電素子と、圧電素子に強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形を入力して圧電素子を駆動する駆動部とを備えている。かかる構成によれば、強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形から、直流オフセット成分が除去されたバイポーラ電圧波形で圧電部を駆動することができるので、駆動波形の極性側の圧電特性と、強誘電体の分極極性側の優れた圧電特性とを合わせて利用して、高い変位量を得ることができる。また、強誘電体のインピーダンスは抗電界近傍において急激に減少するため、直列接続されたコンデンサにより、抗電界近傍では強誘電体にかかる駆動波形の分圧が自動的に減少する。従って、本発明の圧電アクチュエータは、抗電界近傍まで圧電体に電圧を印加しても、強誘電体の分極反転が抑制された状態で駆動することができる。本発明によれば、長期駆動時の脱分極による変位劣化が改善され、高い変位量と長期安定性とを両立した圧電アクチュエータを提供することができる。
また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、コンデンサのキャパシタンスＣｓと強誘電体のキャパシタンスＣｐｚと、並列抵抗と強誘電体の有する抵抗との合成抵抗Ｒｐと、駆動波形の基本角周波数ωとが、上記式II及びIIIを満足する。かかる構成によれば、強誘電体にかかる電圧として駆動波形の電圧の６割以上を維持し、且つ、直流オフセット成分の除去を実用性の高い時間内で実施することができる。従って、本発明の圧電アクチュエータは、実用性の高い駆動電圧及び駆動に要する時間にて、上記した高い変位量と長期安定性とを両立することができる。
「圧電アクチュエータ」
図面を参照して本発明にかかる一実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。図１は、圧電アクチュエータの構成を示す等価回路図である。
図面を参照して本発明にかかる一実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。図１は、圧電アクチュエータの構成を示す等価回路図である。
図示されるように、圧電アクチュエータ１は、２つの抗電界点を有し、２つの抗電界の絶対値が異なる、下記式Iを満足する非対称なバイポーラＰ−Ｅヒステリシス特性を有する強誘電体１１を備えた圧電部１０と、圧電部１０と電気的に直列接続されてなるコンデンサ２０と、コンデンサ２０と電気的に直列接続され、且つ強誘電体１１と電気的に並列に接続されてなる抵抗３０とを備えた圧電素子２と、
圧電素子２に強誘電体１１の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形Ｖｄを入力して圧電素子２を駆動する駆動部３とを備えてなる。
式Iにおいて、Ｅｃ１は絶対値が大きい方の抗電界値、Ｅｃ２は絶対値が小さい方の抗電界値である。
圧電素子２に強誘電体１１の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形Ｖｄを入力して圧電素子２を駆動する駆動部３とを備えてなる。
また、圧電アクチュエータ１において、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓと、強誘電体１１のキャパシタンスＣｐｚと、抵抗３０と強誘電体１１の有する抵抗との合成抵抗値Ｒｐと、駆動波形の基本角周波数ωとは、下記式II及びIIIを満足している。
図１において、圧電部１０（強誘電体１１）は、等価回路であるキャパシタンスＣｐｚと抵抗値Ｒｐｚとが並列接続された回路で示してあり、Ｒｐｚと抵抗３０の抵抗値Ｒｅｘとの合成抵抗（Ｒｐｚ・Ｒｅｘ）／（Ｒｐｚ＋Ｒｅｘ）が合成抵抗Ｒｐである。
本発明者は、式Iを満足する非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有し、且つ、駆動波形の極性と逆向きの分極を有する強誘電体を備えた圧電アクチュエータにおいて、抗電界付近の電圧まで分極反転現象を抑制して駆動することが可能であり、高い変位量を得るという課題を解決しうる構成について鋭意検討を行った。その結果、コンデンサの直流成分の電荷を溜め交流成分は流すという性質と、強誘電体の誘電率、すなわち、インピーダンスがＰ−Ｅヒステリシスの傾きに応じて変化するという性質を利用することにより、上記課題を解決しうることを見出し本発明を完成した。
式Ｉは、強誘電体１１が、バイポーラＰ−Ｅヒステリシスにおける２つの抗電界が、共に正または負側のどちらか一方に偏り率１／３以上の割合で偏っているものであることを表している。圧電アクチュエータ１は、このように非対称なバイポーラＰ―Ｅヒステリシスを有する強誘電体を備えた圧電素子を、強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形Ｖｄにより駆動するものである。
図１に示される構成において、駆動波形Ｖｄが入力されると、まず、コンデンサ２０に入力された駆動波形Ｖｄのうち直流成分は一旦抵抗３０へ流れるが、その後コンデンサ２０に電荷がチャージされ充電され、一定時間経過後に電位差を生じる。
一方、交流成分はコンデンサ２０を充電しないため、充電時間ｔｓを経過後は、直流成分が除去された、すなわち、図１に示されるように、駆動波形の極性側のバイアス成分が除去されたバイポーラ駆動波形が、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓと、強誘電体１１と並列抵抗３０との合成インピーダンスとの比に応じた分圧で、コンデンサ２０と強誘電体１１（圧電部１０）に印加される。
従って、圧電アクチュエータ１によれば、強誘電体１１の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形Ｖｄから、直流オフセット成分が除去されたバイポーラ電圧波形で圧電部１０を駆動することができるので、駆動波形の極性側の圧電特性と、強誘電体１１の分極極性側の優れた圧電特性とを合わせて利用して、高い変位量を得ることができる。
図２は、後記実施例１で用いた強誘電体膜のバイポーラ変位―電圧ヒステリシスにおいて、圧電アクチュエータ１の駆動電圧範囲と得られる変位の一例を示したものである。図２には、コンデンサ２０と抵抗３０とを備えていない、すなわち後記比較例の図５に示される従来の圧電アクチュエータでは、プラス極性の駆動波形にて駆動した場合、プラスの抗電界Ｖｃぎりぎりまでの駆動をしても、印加電圧の範囲は０〜＋Ｖｃであり、得られる変位量Ｄは、−Ｄ（ｖｃ）となる。一方、圧電アクチュエータ１によれば、プラス極性の駆動波形を入力しても、強誘電体にかかる電圧波形は図１に示されるオフセットゼロのバイポーラ波形となるため、入力できる駆動電圧の範囲は０〜＋２Ｖｃの範囲であり、得られる変位量ＤはＤ（−ｖｃ）−Ｄ（ｖｃ）となり、従来の約２倍の変位が得られることが示されている。
また、既に述べたように、圧電アクチュエータ１では、駆動波形Ｖｄの極性側のバイアス成分が除去されたバイポーラ駆動波形が、コンデンサ２０のインピーダンスと強誘電体１１のインピーダンスとの比に応じた分圧で、コンデンサ２０と強誘電体１１（圧電部１０）に印加される。通常のコンデンサのインピーダンスは、電圧依存性を有さず電圧に対して略一定であるのに対し、強誘電体のインピーダンスは、強誘電体の誘電率に逆比例し、バイポーラＰ―Ｅヒステリシスの傾き∂P/∂Eが大きいほど小さくなる。図３は、後記実施例１で用いた強誘電体膜のバイポーラ分極―電界ヒステリシスを示したものであるが、抗電界Ｅｃ近傍においてＰ―Ｅヒステリシスの傾き∂P/∂Eは急激に増加することが示されている。従って、抗電界近傍においては、強誘電体のインピーダンスの減少は急激に大きくなるとともに、コンデンサ２０の電圧降下が大きくなり、強誘電体１１にかかる駆動波形の分圧が自動的に減少することになる。従って、圧電アクチュエータ１は、駆動時に抗電界近傍まで電圧を印加しても、強誘電体にかかる電圧が自動的に減少されるので、抗電界近傍において生じる強誘電体の分極反転が抑制された状態で駆動することができ、長期駆動時の脱分極による変位劣化が改善され、高い変位量と長期安定性とを両立する。
上記の脱分極による変位劣化の抑制効果は、バイポーラＰ−Ｅヒステリシスにおいて、抗電界Ｅｃ１における∂P/∂EE=Ec1と０Ｖ／ｃｍにおける傾き∂P/∂EE=0が下記式IVを満足するような、Ｐ−Ｅヒステリシスの角形性の高い強誘電体である場合には、抗電界から離れた電圧でのキャパシタンスが小さく、かつ抗電界付近でのキャパシタンスのみが大きくなるので、抗電界付近での脱分極抑制効果を大きくすることができる（後記実施例を参照）。
上記式IVを満足するような角形性の高い強誘電体は、後記するような、ＰＺＴ系ペロブスカイト型酸化物膜において、Ｎｂドープ量の高い組成とし、スパッタリング法により成膜することにより実現することができるが、その他にも、結晶構造を正方晶とし、さらにc軸を膜厚方向に配向させるように成膜することによっても、実現することができる（Sensors and Actuators A 163 (2010) 220-225）。また、ＭｇＯ等を基板として単結晶のＰＺＴ薄膜をエピタキシャル成長させることによっても実現することができる（JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 98, 094106 _2005_）。
また、圧電アクチュエータ１において、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓと、強誘電体１１のキャパシタンスをＣｐｚと、抵抗３０と強誘電体１１の有する抵抗との合成抵抗値Ｒｐと、駆動波形の基本角周波数ωとは、上記式II及びIIIを満足している。
式II及び式IIIは、実用性の高い駆動電圧及び駆動に要する時間にて、上記した高い変位量と長期安定性との両立するコンデンサ２０のキャパシタンスＣｓと抵抗３０の抵抗値Ｒｅｘの範囲を規定したものである。
コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓは、大きいほどコンデンサ２０のインピーダンスが小さくなるため、強誘電体１１にかかる分圧を大きくすることができる。高効率な駆動の観点において、また、実用性の高い駆動波形を考慮すると、駆動波形の電圧に対する強誘電体にかかる電圧の割合は高い方が好ましく、従って、キャパシタンスＣｓは大きい方が好ましい。一方、キャパシタンスＣｓが大きすぎると、コンデンサ２０への電荷のチャージに時間がかかる、すなわち直流成分の除去に時間がかかることになる。
駆動波形Ｖｄの電圧に対する、強誘電体１１にかかる電圧の割合をα、コンデンサ２０にかかる電圧の割合を1−αとした時、強誘電体１１にかかる電圧の割合をα以上とする場合の強誘電体１１とコンデンサ２０のインピーダンスの関係は、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓと、強誘電体１１のキャパシタンスＣｐｚと、抵抗３０と強誘電体１１の有する抵抗との合成抵抗値Ｒｐと、角周波数ωとにより下記式II-0で表すことができる。
また、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓのうち半分の容量を充電するために要する時間をｔｓ以下とする場合は、コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓ及び強誘電体１１のキャパシタンスＣｐｚと、抵抗３０と強誘電体１１の有する抵抗との合成抵抗値Ｒｐとの関係は、下記式III-0で表すことができる。
本発明者らは、式II-0においてαを０．６、すなわち、駆動波形の電圧の６０％以上が強誘電体１１にかかり、また、ｔｓを１５秒、すなわち、コンデンサ２０の充電時間を３０秒以内とすることにより、実用性の高い駆動を維持しつつ上記した高い変位量と長期安定性とを両立しうるものと考えている。
上記式II-0においてα＝０．６とした場合が式IIであり、式III-0においてｔｓ＝１５とした場合が式IIIである。
上記式II-0においてα＝０．６とした場合が式IIであり、式III-0においてｔｓ＝１５とした場合が式IIIである。
以上述べたように、圧電アクチュエータ１は、強誘電体１１にかかる電圧として駆動波形の電圧の６割以上を維持し、且つ、直流オフセット成分の除去を実用的な時間内で実施することができる。従って、圧電アクチュエータ１は、実用性の高い駆動電圧及び駆動に要する時間にて、長期駆動時の脱分極による変位劣化が改善され、高い変位量と長期安定性とを両立することができる。
圧電アクチュエータ１の強誘電体１１は、下記一般式Ｐ１で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましく、下記一般式Ｐ２で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることがより好ましく、一般式Ｐ２においてＭはＮｂを含み、ＮｂのＢサイト元素中のモル比Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）が０．０６以上０．４０以下であることが更に好ましい。
また、強誘電体１１は、基板上に成膜されてなる薄膜、好ましくはプラズマを用いたスパッタリング法により成膜されてなる薄膜であることが好ましい。
下記一般式Ｐ２で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物、特に一般式Ｐ２においてＭはＮｂを含み、ＮｂのＢサイト元素中のモル比Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）が０．０６以上０．４０以下であるペロブスカイト型酸化物であり、且つ、基板上に成膜されてなる薄膜、好ましくはプラズマを用いたスパッタリング法により成膜されてなる薄膜である強誘電体は、Ｐ−Ｅヒステリシスが正側に大きく偏っており、成膜直後において自発分極軸がマイナス極性を有して良好に配向してなるものとなるため、圧電アクチュエータ１の強誘電体として好適である（後記実施例を参照）。
下記一般式Ｐ２で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物、特に一般式Ｐ２においてＭはＮｂを含み、ＮｂのＢサイト元素中のモル比Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｍ）が０．０６以上０．４０以下であるペロブスカイト型酸化物であり、且つ、基板上に成膜されてなる薄膜、好ましくはプラズマを用いたスパッタリング法により成膜されてなる薄膜である強誘電体は、Ｐ−Ｅヒステリシスが正側に大きく偏っており、成膜直後において自発分極軸がマイナス極性を有して良好に配向してなるものとなるため、圧電アクチュエータ１の強誘電体として好適である（後記実施例を参照）。
ＡＢＯ３ ・・・一般式Ｐ１
（一般式Ｐ１において、ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＡサイト元素であり、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素である。）
（一般式Ｐ１において、ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＡサイト元素であり、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素である。）
Ａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍ１−ｘ−ｙ）Ｏ３・・・一般式Ｐ２
（一般式Ｐ２において、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素であり、Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素であり、０＜ｘ＜１、且つ、０＜ｙ＜１である。）
（一般式Ｐ２において、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素であり、Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素であり、０＜ｘ＜１、且つ、０＜ｙ＜１である。）
一般式Ｐ１及びＰ２において、Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素のモル比は１：１：３が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内において、モル比は１：１：３からずれてもよい。
上記一般式Ｐ１やＰ２で表されるようなペロブスカイト型酸化物は絶縁体であるため、結晶性にもよるが、一般的にＲｐｚは１０ＧΩ以上と高い。そのため、多くの場合は合成抵抗ＲｐはほぼＲｅｘと等しくなる。
圧電アクチュエータ１では、上記したように、駆動波形の直流成分が除去されて強誘電体に電圧が印加されるため、強誘電体１１に、直流バイアス電圧を印加できず分極処理が難しくなる。従って、上記のように、成膜直後から自発的に分極が揃っている強誘電体膜を用いることは、分極処理が必要ない点においても好適である。
強誘電体１１が基板上に成膜されてなる強誘電体膜である場合は、コンデンサ２０も、強誘電体上に直接成膜された薄膜であることが好ましい。また、抵抗は、強誘電体上に成膜された薄膜であり、かつ半導体加工技術を用いて式II及び式IIIを満足する抵抗値になるようにパターニング形成されたものであることが好ましい。かかる態様とすることにより、圧電アクチュエータ１の圧電素子２は、薄膜形成およびリソグラフィ技術により一括形成することができる。一括形成技術を用いることにより、外部電子部品を使う必要がなくなるため、大幅なサイズダウンを実現できる。以下に、薄膜形成およびリソグラフィ技術により一括形成されてなる圧電素子２について図面を参照して構成及び製造プロセスを説明する。
図４Ａは、薄膜形成およびリソグラフィ技術により一括形成されてなる圧電素子２の上面図、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ断面概略構成図である。また、図５Ａ〜Ｇは、図４Ａ及びＢに示される圧電素子２の製造工程の主な工程を示した断面図である（図４ＡにおけるＡ−Ａ断面図）。図４Ａ，Ｂ及び図５Ａ〜Ｇにおいて、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、圧電素子２は、基板Ｂ上に、下部電極４０と、強誘電体膜１１と、誘電体膜からなるコンデンサ２０と上部電極５０と、ミアンダ状にパターン形成されてなる抵抗３０とを備えている。基板Ｂにおいて、強誘電体膜１１の形成されてなる圧電部は、抵抗３０が形成されてなる部分に固定された片持ち梁構造を有している。また、図４Ａにおいて、下部電極４０と上部電極５０の、抵抗３０が形成されてなる基板上に示される部分は、各電極のパッドである。
基板Ｂとしては特に制限されないが、シリコン，酸化シリコン，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），アルミナ，サファイヤ，ＳｉＣ，及びＳｒＴｉＯ３等の基板が挙げられる。基板Ｂとしては、シリコン基板上にＳｉＯ２膜とＳｉ活性層とが順次積層されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。また、図４Ａの構成の場合、基板Ｂは絶縁体であるか、表面が絶縁膜で覆われている必要がある。これにより、配線３０がショートせずに薄膜抵抗として機能する。
下部電極４０の組成は特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極５０の組成は特に制限なく、下部電極２０で例示した材料，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ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。下部電極４０と上部電極５０の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。下部電極４０と上部電極５０の成膜方法としては特に制限されないが、スパッタリング法等の気相成膜法が好ましい。
強誘電体膜１１としては、図３に示されるような、２つの抗電界点を有し、かつ２つの抗電界の絶対値が異なる非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有するものであれば特に制限されず、好適な組成や好適な成膜方法については既に述べた通りである。
コンデンサ２０を構成する誘電体膜としては特に制限されないが、駆動電圧領域においてなるべく一定の誘電率を保つものが好ましい。かかる誘電体膜としては、ＳｉＯ２膜、ＨｆＯ２膜、ＺｎＯ２膜、ＢａＴｉＯ３膜等が好ましく例示される。誘電体膜の成膜法としては、特に制限されないが、スパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの気相成膜でもよいし、前駆体をスピンコート成膜後に焼成する方法でもよい。例えば、ＳｉＯ２膜をＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate、テオス）ＣＶＤなどの方法で３００℃程度の温度で成膜する方法が実用的である。
コンデンサ２０のキャパシタンスＣｓは誘電体の誘電率、厚み、面積で決定されるので、所望のキャパシタンスを得るために材料種、面積および厚みを調整すればよい。
抵抗３０としては、特に制限されず、抵抗３０の抵抗値に応じて適宜選択することができる。抵抗３０としては、Ｐｔ，Ｃｕなどの金属が好ましいが、グラファイトなどの非金属を用いてもよい。
抵抗３０は、図示したミアンダ状等に、金属等の薄膜を折りたたんだ構造となるようにパターン形成することで実現できる。抵抗値は、材料の抵抗率および断面積と長さで理論的に決定されるため、所望の抵抗値が得られるようにパターンの幅、長さ、厚みの寸法を調整すればよい。
次に、圧電素子２の製造プロセスについて説明する。まず、図５Ａに示されるように、基板Ｂ上に下部電極４０及び強誘電体膜１１を成膜し、その後、図５Ｂに示されるように強誘電体膜１１をパターニングし、続けて、図５Ｃに示されるように下部電極４０をパターニングする。これらのパターニング方法は特に制限されないが、ウェットエッチングもしくはドライエッチングが好ましい。
次いで、誘電体膜２０を図５Ｄに示されるように成膜し、続けて図５Ｅに示されるように誘電体膜２０をパターニングする。誘電体薄膜をウェットエッチもしくはドライエッチングによってパターンエッチングする。パターニング方法については、上記の方法と同様の方法が例示される。
その後、図５Ｆに示されるように上部電極５０及び抵抗３０のパターンを形成する。これらのパターニング法としては、リフトオフ法やウェットエッチングが好ましく例示される。上部電極５０と抵抗３０とは同じ材料により形成してもよいし、異なる材料により別々にパターン形成してもよい。最後に、図５Ｇに示されるように、基板Ｂの裏面からウェットエッチングまたはボッシュプロセスなどの異方性ドライエッチングにより、アクチュエータ部を変位可能な状態にリリースし、圧電素子２を一括形成することができる。
（設計変更）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。例えば、上記実施形態では、コンデンサ２０を駆動部３と圧電部１０との間に接続した態様について説明したが、接地電位と圧電部１０との間に挿入しても同じ効果を奏する。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。例えば、上記実施形態では、コンデンサ２０を駆動部３と圧電部１０との間に接続した態様について説明したが、接地電位と圧電部１０との間に挿入しても同じ効果を奏する。
（実施例１、比較例１）
厚み３５０μｍのＳｉ基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にてＴｉを３０ｎｍ、Ｉｒ電極を１５０ｎｍの膜厚にて形成した。次に、Ｉｒ電極上に、ＲＦスパッタ装置において、真空度０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率７％）、成膜温度５５０℃、投入電力３ｋＷ、の条件下で、ＮｂドープＰＺＴ膜（Ｎｂ−ＰＺＴ膜）を３μｍの厚みで成膜を実施した。このとき、Ｂサイト中にＮｂを１２モル％ドープしたモルフォトロピック相境界（Morphotropic phase boundary、ＭＰＢ）組成（すなわち、Ｚｒ／Ｔｉモル比率が５２／４８にほぼ等しい）のＰＺＴターゲットを使用した。
厚み３５０μｍのＳｉ基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にてＴｉを３０ｎｍ、Ｉｒ電極を１５０ｎｍの膜厚にて形成した。次に、Ｉｒ電極上に、ＲＦスパッタ装置において、真空度０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率７％）、成膜温度５５０℃、投入電力３ｋＷ、の条件下で、ＮｂドープＰＺＴ膜（Ｎｂ−ＰＺＴ膜）を３μｍの厚みで成膜を実施した。このとき、Ｂサイト中にＮｂを１２モル％ドープしたモルフォトロピック相境界（Morphotropic phase boundary、ＭＰＢ）組成（すなわち、Ｚｒ／Ｔｉモル比率が５２／４８にほぼ等しい）のＰＺＴターゲットを使用した。
次に、上記Ｎｂ−ＰＺＴ膜上にＩｒ上部電極を、スパッタリング法にて形成した後、リフトオフによりパターニングし、ダイシングプロセスによって図６に示される構成の片持ち梁構造の圧電部を作成した。片持ち梁の幅は２ｍｍ、長さは約２５ｍｍとした。
次に、圧電部に対してキャパシタンスＣｓのコンデンサを直列接続し、抵抗値Ｒｅｘの抵抗を、コンデンサと直列接続され、且つ、圧電部と並列接続されるように挿入して本発明の圧電アクチュエータを作製した。圧電部のキャパシタンスＣpzを測定したところ、１４０ｎＦであった。また、同様に圧電部の抵抗値を測定したところ、２０ＧΩ〜５０ＧΩ程度であった。この値は外部挿入抵抗Ｒｅｘに比べて１０００倍以上大きいため、本実施例においては、合成抵抗Ｒｐ＝Ｒｅｘと近似できる。本発明の圧電アクチュエータでは、キャパシタンスＣｓと合成抵抗Ｒｐは、図７の式Ｉを満足する曲線と式IIを満足する直線との間の値を選択する必要がある。図７は、強誘電体のキャパシタンスが１４０ｎＦ，駆動周波数が１００Ｈｚの時の式Ｉ及び式IIを満足する合成抵抗Ｒｐとコンデンサのキャパシタンスの範囲を示す図である。実施例１では、Ｃｓ=１．０μＦ、Ｒｐ＝９．０ＭΩとなるようにコンデンサと抵抗を選択した。この片持ち梁構造の圧電アクチュエータは、強誘電体（圧電体）の上-下部電極間に電圧を印加することによって上下に撓み変形する圧電薄膜ユニモルフアクチュエータとして機能する。また、コンデンサと抵抗を挿入せずに、等価回路を図８に示される態様とした圧電アクチュエータも同様に作製して比較例１とした。
このようにして作製した実施例１及び比較例１の圧電アクチュエータに、駆動周波数１００Ｈｚのプラス極性ユニポーラ正弦波を入力し、片持ち梁先端（図６点Ｍ１，Ｍ２）の変位速度をレーザードップラー振動計(以下、ＬＤＶと略記する)で測定した。変位速度と駆動周波数から、片持ち梁先端の変位量Ｄの最大値を算出した。
次いで、圧電アクチュエータのバイポーラＰ−Ｅヒステリシスを測定し、抗電界Ｅｃ１における傾きＰ(Ｅｃ１)＝∂P/∂EE=Ec1と電界０Ｖ／ｋｍ時の傾きＰ(０)＝∂P/∂EE=0の比Ｐ(Ｅｃ１)／Ｐ(０)を算出した。
得られた最大変位量と最大変位時の駆動電圧、変位量が安定するまでにかかった時間ｔｓ、上記傾きの比、長期駆動時の変位劣化率をそれぞれ表１に示す。なお、実施例及び比較例において、「最大変位量」は、強誘電体中における反転分極ドメインの量がある一定量に達したときの変位量とし、以下の方法で決定した値とした。分極反転による出力速度波形の歪みを、基本波に対する高調波成分の量をモニタすることで決定し、圧電アクチュエータの出力速度波形の２次高調波成分(本実施例では２００Ｈｚ成分)が、基本波(１００Ｈｚ成分)の７％以下である範囲内での最大変位量を、圧電アクチュエータの最大変位量とした。
また、変位量が安定するまでにかかった時間ｔｓは、ＬＤＶの速度出力波形の強度Iと、t=∞経過した際の強度Is（=安定速度量）との差が、Isの１０％以下の量となったときの経過時間とした。デバイスの種類にもよるが、一般的に変位量が安定化するまでの時間は１５秒以内であることが望ましく、より好ましくは、１０秒以内に安定することが望ましい。
長期駆動時の変位劣化率は、圧電アクチュエータの最大変位量が得られる電圧で１０時間駆動した後の変位劣化率で評価した。一般的に、アクチュエータデバイスの変位量は変位センサによって常時モニタリングされており、オートゲインコントーロール（ＡＧＣ）回路等によって変位が一定に保たれるように駆動電圧が調整される。しかしながら、変位の劣化量が一定以上大きくなると、回路側で補正可能な範囲を超え、変位を一定に保つことが難しくなったり、よりコストの高い補正回路が必要となり、好ましくない。このような観点で考えた時、長期駆動時の変位劣化率が１０％より小さいことが好ましく、より好ましくは、５％よりも小さいことが望ましい。
プラス極性のユニポーラ正弦波で圧電アクチュエータを駆動した際の電圧と変位量の関係を図９に示す。図９に示されるように、比較例１では、印加電圧が８Ｖを超えた地点で急激に速度出力波形が歪み、変位量の低下が確認された。波形歪みおよび変位量の低下は、圧電体の分極反転が起こったことを意味する。一方で、Ｃｓ=１μＦ、Ｒｐ＝９ＭΩとした実施例１では、電圧２０．２Ｖ以下の振幅領域において分極反転による変位速度波形の歪みおよび変位量の低下は確認されなかったが、２０．２Ｖを超える電圧で駆動すると、電圧が上昇するに従ってゆるやかに速度波形に歪みが増加し、変位量の伸びが鈍化した。
図９に示されるように、圧電部に対して直列にコンデンサを、また並列に抵抗を接続することにより、ＮｂドープＰＺＴの分極方向とは逆極性のユニポーラ電圧波形で駆動しても、比較例１に比して２倍以上の電圧振幅まで分極反転を防ぐことができ、大きなアクチュエータ変位を取り出すことができる。直列接続されてなるコンデンサに駆動波形の直流成分を充電可能とした本発明の圧電アクチュエータによれば、ＮｂドープＰＺＴ膜にかかる電圧をオフセット電圧０のバイポーラ波形に変換し、駆動波形の極性と逆極性の分極を有する強誘電体を備えた圧電アクチュエータにおいて高い変位と長期安定性を両立することができることが確認できた。
（比較例２）
駆動波形として図１０に示されるオフセットゼロのバイポーラ正弦波を入力した以外は比較例１と同様にして圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。その結果を表1に示す。バイポーラ正弦波による駆動という点では実施例１と同様であるので、最大変位量は実施例１と同等の変位が得られたが、長期駆動時の変位劣化率は、実施例１に比して１０倍以上大きい２２％であった。これは、比較例２では、圧電部と直列接続されてなるインピーダンス（実施例１ではコンデンサ）が存在しないため最大変位量を得るには、抗電界近傍の駆動電圧が印加されるために、抗電界近傍において分極反転が徐々に引き起こされたためと考えられる。比較例２の構成において、実施例１と同様にコンデンサと抵抗とを接続して本発明の圧電アクチュエータとすることにより、抗電界近傍において強誘電体にかかる電圧が抑制され脱分極抑制効果を得て長期駆動安定性を得ることができる。
駆動波形として図１０に示されるオフセットゼロのバイポーラ正弦波を入力した以外は比較例１と同様にして圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。その結果を表1に示す。バイポーラ正弦波による駆動という点では実施例１と同様であるので、最大変位量は実施例１と同等の変位が得られたが、長期駆動時の変位劣化率は、実施例１に比して１０倍以上大きい２２％であった。これは、比較例２では、圧電部と直列接続されてなるインピーダンス（実施例１ではコンデンサ）が存在しないため最大変位量を得るには、抗電界近傍の駆動電圧が印加されるために、抗電界近傍において分極反転が徐々に引き起こされたためと考えられる。比較例２の構成において、実施例１と同様にコンデンサと抵抗とを接続して本発明の圧電アクチュエータとすることにより、抗電界近傍において強誘電体にかかる電圧が抑制され脱分極抑制効果を得て長期駆動安定性を得ることができる。
（実施例２〜９、比較例３〜７)
コンデンサのキャパシタンスと合成抵抗の値を、図７に示される組み合わせとした以外は実施例１と同様にして実施例２〜９及び比較例３〜７の圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。各例の評価結果を表１に示す。
コンデンサのキャパシタンスと合成抵抗の値を、図７に示される組み合わせとした以外は実施例１と同様にして実施例２〜９及び比較例３〜７の圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。各例の評価結果を表１に示す。
比較例３，５，７は式IIを満足しないキャパシタンスと合成抵抗値の組み合わせとなる。得られた結果からも、変位安定化までの時間が１５秒より大きく、デバイス適性に劣るものであることが確認された。比較例４，６は式Iを満足しないキャパシタンスと合成抵抗値の組み合わせとなる。得られた結果からも、最大変位量を得るための駆動電圧が３０Ｖを超える高い電圧を要することが確認された。
（実施例１０，１１、比較例８）
強誘電体膜の成膜に用いるターゲットの組成を変更した以外は実施例１と同様にして実施例１０，１１、比較例８の圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。具体的には、実施例１０では、Ｂサイト中にＮｂを２５モル％ドープしたＭＰＢ組成のＰＺＴターゲット、実施例１１ではＢサイト中にＮｂを６モル％ドープしたＭＰＢ組成のＰＺＴターゲット、比較例８ではＮｂをドープしていないＭＰＢ組成のＰＺＴターゲットを使用した。各例の評価結果を表１に示す。
強誘電体膜の成膜に用いるターゲットの組成を変更した以外は実施例１と同様にして実施例１０，１１、比較例８の圧電アクチュエータの作製及びその評価を行った。具体的には、実施例１０では、Ｂサイト中にＮｂを２５モル％ドープしたＭＰＢ組成のＰＺＴターゲット、実施例１１ではＢサイト中にＮｂを６モル％ドープしたＭＰＢ組成のＰＺＴターゲット、比較例８ではＮｂをドープしていないＭＰＢ組成のＰＺＴターゲットを使用した。各例の評価結果を表１に示す。
実施例１０，１１，比較例８より、Ｎｂドープ量に応じてＰ−Ｅヒステリシスの抗電界における傾きと電界０Ｖ／ｋｍにおける傾きとの比が変化することが確認された。かかる傾きが６．５である実施例１０では、長期駆動時の変位劣化率が３．１と優れた安定性を示したが、傾きが２．２である比較例８では、最大変位量は７．５μｍと小さく、長期駆動時変位劣化率も１０％と比較的高いものであった。これらの結果から、角形性の高いＰ−Ｅヒステリシスを有する場合に、抗電界付近でのキャパシタンスが顕著に大きくなるので、抗電界付近での脱分極抑制効果を大きくすることができることが確認された。
以上より、本発明の圧電アクチュエータは、最大変位を得るための電圧が１８〜２０Ｖ程度と小さく、かつ変位量が安定するまでの時間も１５秒以下と短いので、デバイス応用に対して好適な領域であることが確認された。
本発明の圧電アクチュエータは、インクジェット式記録ヘッド、磁気記録再生ヘッド、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）デバイス、マイクロポンプ、超音波探触子、及び超音波モータ等に搭載される圧電素子／圧電型超音波振動子／圧電型発電素子等、あるいは強誘電体メモリ等の強誘電体素子に好ましく適用することができる。
１ 圧電アクチュエータ
２ 圧電素子
１０ 圧電部
１１ 強誘電体
２０ コンデンサ
３０ 抵抗
４０ 下部電極
５０ 上部電極
Ｂ 基板
３ 駆動部
Ｖｄ 駆動波形
２ 圧電素子
１０ 圧電部
１１ 強誘電体
２０ コンデンサ
３０ 抵抗
４０ 下部電極
５０ 上部電極
Ｂ 基板
３ 駆動部
Ｖｄ 駆動波形
Claims (11)
- ２つの抗電界点を有し、前記２つの抗電界の絶対値が異なる非対称なバイポーラ分極-電界ヒステリシス特性を有する強誘電体を備えた圧電部と、該圧電部と電気的に直列接続されてなるコンデンサと、該コンデンサと電気的に直列接続され、且つ、前記強誘電体と電気的に並列に接続されてなる抵抗とを備えた圧電素子と、
該圧電素子に前記強誘電体の分極と逆極性の直流オフセット成分を含む駆動波形を入力して前記圧電素子を駆動する駆動部とを備えてなり、
前記２つの抗電界のうち、絶対値が大きい方の抗電界Ｅｃ１と、絶対値が小さい方の抗電界Ｅｃ２の各値が下記式Ｉを満足し、
前記コンデンサのキャパシタンスＣｓと、前記強誘電体のキャパシタンスをＣｐｚと、前記抵抗と前記強誘電体の有する抵抗との合成抵抗Ｒｐと、前記駆動波形の基本角周波数ωとが、下記式II及びIIIを満足する圧電アクチュエータ。
- 前記絶対値が大きい抗電界の極性が正であることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
- 前記強誘電体が、基板上に成膜された薄膜である請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記強誘電体が、プラズマを用いるスパッタリング法により前記基板上に成膜された薄膜である請求項３記載の圧電アクチュエータ。
- 前記強誘電体が、成膜直後の状態で自発的に分極している請求項１〜４いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
- 前記強誘電体は、下記一般式Ｐ１で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であり、前記一般式Ｐ１において、ＡはＰｂ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＡサイト元素であり、ＢはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素である請求項１〜５いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
ＡＢＯ３・・・一般式Ｐ１ - 前記強誘電体は、下記一般式Ｐ２で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であり、前記一般式Ｐ２において、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素であり、Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ, Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｈｆ，及びＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素を含むＢサイトの元素であり、０＜ｘ＜１、且つ、０＜ｙ＜１である請求項６記載の圧電アクチュエータ。
Ａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍ１−ｘ−ｙ）Ｏ３・・・一般式Ｐ２ - 前記一般式Ｐ２において、前記ＭはＮｂを含み、ＮｂのＢサイト元素中のモル比が０．０６以上０．４０以下である請求項７記載の圧電アクチュエータ。
- 前記コンデンサは、前記強誘電体上に成膜された薄膜である請求項１〜８いずか１項記載の圧電アクチュエータ。
- 前記抵抗は、前記強誘電体上に成膜された薄膜であり、かつ半導体加工技術を用いて式II及び式IIIを満足する抵抗値になるようにパターニング形成されたものであることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
- 前記強誘電体の前記バイポーラ分極-電界ヒステリシスにおいて、前記抗電界Ｅｃ１における傾き∂P/∂EE=Ec1と０Ｖ／ｃｍにおける傾き∂P/∂EE=0が下記式IVを満足する請求項１〜１０いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
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