JPH10209517A - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
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- JPH10209517A JPH10209517A JP9006801A JP680197A JPH10209517A JP H10209517 A JPH10209517 A JP H10209517A JP 9006801 A JP9006801 A JP 9006801A JP 680197 A JP680197 A JP 680197A JP H10209517 A JPH10209517 A JP H10209517A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型で、良好な圧電特性を示す圧電素子を提
供する。 【解決手段】 厚さが０．０５〜１００μｍの箔状で、
主として鉛、チタンおよびジルコニウムを含み、ペロブ
スカイト構造を有する酸化物からなる圧電体と、圧電体
の対向する両面にそれぞれ形成された一対の電極と、一
対の電極のうちの一方の電極の表面に形成された厚さが
０．０５〜５００μｍの圧電性を示さない被覆層を具備
する。
供する。 【解決手段】 厚さが０．０５〜１００μｍの箔状で、
主として鉛、チタンおよびジルコニウムを含み、ペロブ
スカイト構造を有する酸化物からなる圧電体と、圧電体
の対向する両面にそれぞれ形成された一対の電極と、一
対の電極のうちの一方の電極の表面に形成された厚さが
０．０５〜５００μｍの圧電性を示さない被覆層を具備
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タ、圧電センサ等に用いられる圧電素子に関するもので
ある。
タ、圧電センサ等に用いられる圧電素子に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】一般に、圧電体は、種々の目的に応じて
様々な素子に加工されて用いられている。特に、電圧を
加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の
変形から電圧を発生させるセンサとして、広く利用され
ている。これらに利用される圧電体としては、優れた圧
電特性を有する鉛系の誘電体、特にＰＺＴと称されるＰ
ｂＺｒ1-xＴｉxＯ3のペロブスカイト型強誘電体が広く
用いられている。一般にこれらの圧電体は、熱処理より
得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形
状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一
対の電極を形成して圧電素子が製造される。
様々な素子に加工されて用いられている。特に、電圧を
加えて変形を生じさせるアクチュエータや、逆に素子の
変形から電圧を発生させるセンサとして、広く利用され
ている。これらに利用される圧電体としては、優れた圧
電特性を有する鉛系の誘電体、特にＰＺＴと称されるＰ
ｂＺｒ1-xＴｉxＯ3のペロブスカイト型強誘電体が広く
用いられている。一般にこれらの圧電体は、熱処理より
得られた焼結体を切削、研磨などの工程により種々の形
状に加工された後、得られた圧電体の対向する表面に一
対の電極を形成して圧電素子が製造される。
【０００３】近年、これらの圧電素子をより小型化、高
機能化することによって、マイクロマシンやマイクロセ
ンサなどへの利用が検討されており、これにより、これ
まで不可能とされていた様々な分野において、微少かつ
精密な制御等が可能になると期待されている。従来、こ
のような小型の圧電素子は、焼結により得られた圧電体
を上記のように切削、研磨等の技術によって微細成形し
て製造されていたが、これとは別に、圧電体を薄膜とし
て形成し、半導体で用いられてきた微細加工技術を駆使
してより高精度な超小型圧電素子を開発する研究がなさ
れている。しかし、圧電素子を小型化するに当たり、そ
の微少な変位を制御よく発生させ、また微少変位を効率
的に検知できる構成が必要であり、その構造および材料
の開発、さらにはその加工技術について、なお検討する
課題が多く残されている。
機能化することによって、マイクロマシンやマイクロセ
ンサなどへの利用が検討されており、これにより、これ
まで不可能とされていた様々な分野において、微少かつ
精密な制御等が可能になると期待されている。従来、こ
のような小型の圧電素子は、焼結により得られた圧電体
を上記のように切削、研磨等の技術によって微細成形し
て製造されていたが、これとは別に、圧電体を薄膜とし
て形成し、半導体で用いられてきた微細加工技術を駆使
してより高精度な超小型圧電素子を開発する研究がなさ
れている。しかし、圧電素子を小型化するに当たり、そ
の微少な変位を制御よく発生させ、また微少変位を効率
的に検知できる構成が必要であり、その構造および材料
の開発、さらにはその加工技術について、なお検討する
課題が多く残されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】微細性および精密性に
優れた圧電体薄膜を形成する技術は、これまで行われて
きた焼結体の微細成形技術とは全く異なるプロセスであ
る。したがって、その薄膜化プロセスに適合した圧電体
および圧電素子の構成を実現させる必要がある。圧電体
の薄膜形成技術としては、ゾルゲル法、スパッタ法、Ｃ
ＶＤ法などが一般的であるが、これらの方法で形成でき
る薄膜の厚さは通常１μｍ程度であり、その生産性を考
えると厚さが１００μｍ以上の薄膜を短時間に形成する
ことは困難である。
優れた圧電体薄膜を形成する技術は、これまで行われて
きた焼結体の微細成形技術とは全く異なるプロセスであ
る。したがって、その薄膜化プロセスに適合した圧電体
および圧電素子の構成を実現させる必要がある。圧電体
の薄膜形成技術としては、ゾルゲル法、スパッタ法、Ｃ
ＶＤ法などが一般的であるが、これらの方法で形成でき
る薄膜の厚さは通常１μｍ程度であり、その生産性を考
えると厚さが１００μｍ以上の薄膜を短時間に形成する
ことは困難である。
【０００５】実際に微細化された圧電素子をアクチュエ
ータや圧電センサに用いる場合には、当然、十分なアク
チュエータ特性またはセンサ特性が要求される。そのた
め、圧電体薄膜を用いた圧電素子を開発するにあたっ
て、圧電体薄膜の厚さを１００μｍ以下、特に１〜１０
μｍ程度とした上で、十分な圧電特性を有する素子の構
成を明確化し、さらに素子の薄さに起因する圧電特性の
低下を阻止する必要があった。本発明は、これらの問題
点を解決するもので、小型でかつ十分な圧電特性を示す
圧電素子を提供することを目的とする。
ータや圧電センサに用いる場合には、当然、十分なアク
チュエータ特性またはセンサ特性が要求される。そのた
め、圧電体薄膜を用いた圧電素子を開発するにあたっ
て、圧電体薄膜の厚さを１００μｍ以下、特に１〜１０
μｍ程度とした上で、十分な圧電特性を有する素子の構
成を明確化し、さらに素子の薄さに起因する圧電特性の
低下を阻止する必要があった。本発明は、これらの問題
点を解決するもので、小型でかつ十分な圧電特性を示す
圧電素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子は、厚
さが０．０５〜１００μｍの薄膜状で、主として鉛、チ
タンおよびジルコニウムを含み、ペロブスカイト構造を
有する酸化物からなる圧電体と、圧電体の対向する両面
にそれぞれ形成された一対の電極と、一対の電極の電極
のうちの一方の表面に形成された厚さが０．０５〜５０
０μｍの圧電性を示さない被覆層を具備するものであ
る。
さが０．０５〜１００μｍの薄膜状で、主として鉛、チ
タンおよびジルコニウムを含み、ペロブスカイト構造を
有する酸化物からなる圧電体と、圧電体の対向する両面
にそれぞれ形成された一対の電極と、一対の電極の電極
のうちの一方の表面に形成された厚さが０．０５〜５０
０μｍの圧電性を示さない被覆層を具備するものであ
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の圧電素子は、厚さが０．
０５〜１００μｍの薄膜状の圧電体と、圧電体の対向す
る両面にそれぞれ形成された一対の電極と、一方の電極
の表面に形成された厚さが０．０５〜５００μｍの圧電
性を示さない被覆層を具備するものである。本発明の圧
電素子の好ましい態様は、圧電体が、主として鉛、チタ
ンおよびジルコニウムを含むペロブスカイト型酸化物か
らなる。さらに、圧電体の結晶が、結晶軸を電極の表面
の法線方向に偏向していること、特に圧電体の結晶系が
正方晶系で、そのｃ軸方向が電極に対して垂直方向に偏
向していることが好ましい。
０５〜１００μｍの薄膜状の圧電体と、圧電体の対向す
る両面にそれぞれ形成された一対の電極と、一方の電極
の表面に形成された厚さが０．０５〜５００μｍの圧電
性を示さない被覆層を具備するものである。本発明の圧
電素子の好ましい態様は、圧電体が、主として鉛、チタ
ンおよびジルコニウムを含むペロブスカイト型酸化物か
らなる。さらに、圧電体の結晶が、結晶軸を電極の表面
の法線方向に偏向していること、特に圧電体の結晶系が
正方晶系で、そのｃ軸方向が電極に対して垂直方向に偏
向していることが好ましい。
【０００８】また、圧電体が、ジルコニウムの組成が異
なるいくつかの層からなる多層構造、もしくはジルコニ
ウムの組成が連続して変化する傾斜組成構造であること
が好ましい。さらに、一対の電極のうち少なくとも一方
の電極が、白金、パラジウム、イリジウムまたはルテニ
ウムを含有する金属またはその酸化物からなることが好
ましい。また、被覆層が、絶縁物からなることが好まし
い。さらに、絶縁物が、有機物、特にポリイミドである
ことが好ましい。
なるいくつかの層からなる多層構造、もしくはジルコニ
ウムの組成が連続して変化する傾斜組成構造であること
が好ましい。さらに、一対の電極のうち少なくとも一方
の電極が、白金、パラジウム、イリジウムまたはルテニ
ウムを含有する金属またはその酸化物からなることが好
ましい。また、被覆層が、絶縁物からなることが好まし
い。さらに、絶縁物が、有機物、特にポリイミドである
ことが好ましい。
【０００９】本発明の他の圧電素子は、厚さが０．０５
〜１００μｍの薄膜状の圧電体と、圧電体の対向する両
面にそれぞれ形成された一対の電極を備え、一対の電極
のうちの一方の電極の厚さが、他方の電極の厚さの１０
倍以上であり、かつ圧電体の厚さの１／１０以上とする
ものである。本発明の圧電素子の好ましい態様は、一方
の電極が、白金、パラジウム、イリジウムおよびルテニ
ウムからなる群より選択される金属またはその酸化物で
あり、圧電体が、主として鉛およびチタンを含む酸化物
である。さらに、一方の電極の厚さが０．０１μｍ以上
かつ１００μｍ以下であることが好ましい。
〜１００μｍの薄膜状の圧電体と、圧電体の対向する両
面にそれぞれ形成された一対の電極を備え、一対の電極
のうちの一方の電極の厚さが、他方の電極の厚さの１０
倍以上であり、かつ圧電体の厚さの１／１０以上とする
ものである。本発明の圧電素子の好ましい態様は、一方
の電極が、白金、パラジウム、イリジウムおよびルテニ
ウムからなる群より選択される金属またはその酸化物で
あり、圧電体が、主として鉛およびチタンを含む酸化物
である。さらに、一方の電極の厚さが０．０１μｍ以上
かつ１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例の圧電素子を、図面を
参照して詳細に説明する。
参照して詳細に説明する。
【００１１】《実施例１》図１に本実施例の圧電素子を
示す。この圧電素子は、長さが０．５ｍｍ、幅が５０μ
ｍの平板状で、その一端が支持基板５に固定された片持
ち梁である。厚さ３μｍの圧電体１の上下に、ともに厚
さが０．１μｍの下部電極２および上部電極３が接合さ
れており、さらに上部電極３の上には、厚さが０．５μ
ｍの圧電性を示さない被覆層４が形成されている。この
被覆層４は、ポリイミドからなり、微細な形状で脆い圧
電体１を保護する目的を有する。この構造では、上部電
極３と下部電極２の間に電圧を印加すると、圧電体１が
図中、ｘ方向に伸びる。その伸びｄｘは、電圧をｖ
（Ｖ）、圧電体の厚さをｔ（ｍ）、圧電体の長さをＬ
（ｍ）、および圧電体の圧電定数をｄ31とすると、下式
で表される。 ｄｘ＝ｄ31×Ｌ×ｖ／ｔ
示す。この圧電素子は、長さが０．５ｍｍ、幅が５０μ
ｍの平板状で、その一端が支持基板５に固定された片持
ち梁である。厚さ３μｍの圧電体１の上下に、ともに厚
さが０．１μｍの下部電極２および上部電極３が接合さ
れており、さらに上部電極３の上には、厚さが０．５μ
ｍの圧電性を示さない被覆層４が形成されている。この
被覆層４は、ポリイミドからなり、微細な形状で脆い圧
電体１を保護する目的を有する。この構造では、上部電
極３と下部電極２の間に電圧を印加すると、圧電体１が
図中、ｘ方向に伸びる。その伸びｄｘは、電圧をｖ
（Ｖ）、圧電体の厚さをｔ（ｍ）、圧電体の長さをＬ
（ｍ）、および圧電体の圧電定数をｄ31とすると、下式
で表される。 ｄｘ＝ｄ31×Ｌ×ｖ／ｔ
【００１２】この圧電素子では、電圧を印加すると、圧
電体１のうち下側の部分はｘ方向へ伸長するが、上側の
部分は上部電極３の上面に圧電性を示さない被覆層４が
存在することから変位が抑制されるため、素子の先端が
ｚ方向に上下運動する。このような片持ち梁の圧電素子
の先端を上下運動させる方法としては、２層の圧電体を
貼り合わせたバイモルフ構造が一般的である。バイモル
フ構造の圧電素子では、原理的に本実施例の圧電素子の
約４倍の大きな変位を得ることができると予想される
が、このような微細な圧電素子においては、そのような
構造を採用することは非常に困難である。一方、本実施
例の圧電素子では、構造が簡単なため、微細な素子であ
ってもその作製が容易である。
電体１のうち下側の部分はｘ方向へ伸長するが、上側の
部分は上部電極３の上面に圧電性を示さない被覆層４が
存在することから変位が抑制されるため、素子の先端が
ｚ方向に上下運動する。このような片持ち梁の圧電素子
の先端を上下運動させる方法としては、２層の圧電体を
貼り合わせたバイモルフ構造が一般的である。バイモル
フ構造の圧電素子では、原理的に本実施例の圧電素子の
約４倍の大きな変位を得ることができると予想される
が、このような微細な圧電素子においては、そのような
構造を採用することは非常に困難である。一方、本実施
例の圧電素子では、構造が簡単なため、微細な素子であ
ってもその作製が容易である。
【００１３】圧電素子を構成する圧電体の厚さが０．０
５μｍより小さいと、十分な圧電特性を示す素子は得ら
れない。また、圧電体の形成方法として、薄膜をさらに
微細に加工していく必要を考慮すると、膜厚が１００μ
ｍより厚いものは、良好な素子形状に加工することが困
難である。同様に、被覆層に関しては、その厚さが０．
０５μｍ以上かつ５００μｍ以下のものが、圧電特性お
よび加工性の点から実用的である。
５μｍより小さいと、十分な圧電特性を示す素子は得ら
れない。また、圧電体の形成方法として、薄膜をさらに
微細に加工していく必要を考慮すると、膜厚が１００μ
ｍより厚いものは、良好な素子形状に加工することが困
難である。同様に、被覆層に関しては、その厚さが０．
０５μｍ以上かつ５００μｍ以下のものが、圧電特性お
よび加工性の点から実用的である。
【００１４】電圧印加に対する圧電素子の変位量を増大
させるためには、圧電定数d31の大きな圧電体を用いる
必要がある。圧電定数の大きな圧電体として、鉛を含む
ペロブスカイト構造の強誘電体が一般的であり、そのう
ちＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3の組成で表されるＰＺＴが優れ
た圧電特性を有することで知られている。このＰＺＴの
圧電性は、その結晶構造が揃った単結晶のものがよく、
特に電圧をその分極軸であるｃ軸方向に印加すると効果
が増大する。
させるためには、圧電定数d31の大きな圧電体を用いる
必要がある。圧電定数の大きな圧電体として、鉛を含む
ペロブスカイト構造の強誘電体が一般的であり、そのう
ちＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3の組成で表されるＰＺＴが優れ
た圧電特性を有することで知られている。このＰＺＴの
圧電性は、その結晶構造が揃った単結晶のものがよく、
特に電圧をその分極軸であるｃ軸方向に印加すると効果
が増大する。
【００１５】本実施例の圧電素子では、下部電極２には
（１００）面を表面と平行になるように配向させた白金
を用いた。この白金は、酸化マグネシウムの単結晶基板
の表面にスパッタ法により形成したものである。つい
で、このようにあらかじめ結晶軸を特定方向に配向させ
た下部電極２の上面に、スパッタ法によりそのｃ軸方向
が表面の法線方向に配向したＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47Ｏ3
で表されるＰＺＴ薄膜からなる圧電体１を形成した。こ
の方法によると、結晶性の高い単結晶のＰＺＴ薄膜を得
ることができる。下部電極２としては、白金の他、パラ
ジウム、イリジウムおよびルテニウム、さらにはこれら
の酸化物を用いた場合にも、良質のＰＺＴ薄膜を得るこ
とができる。また、圧電体１の上面に下部電極２と同じ
く白金からなる上部電極３を形成した。圧電体１を形成
する際に基板として使用した酸化マグネシウムの単結晶
基板を加工して支持基板５とし、これに圧電素子の一端
を固定して片持ち梁とした。
（１００）面を表面と平行になるように配向させた白金
を用いた。この白金は、酸化マグネシウムの単結晶基板
の表面にスパッタ法により形成したものである。つい
で、このようにあらかじめ結晶軸を特定方向に配向させ
た下部電極２の上面に、スパッタ法によりそのｃ軸方向
が表面の法線方向に配向したＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47Ｏ3
で表されるＰＺＴ薄膜からなる圧電体１を形成した。こ
の方法によると、結晶性の高い単結晶のＰＺＴ薄膜を得
ることができる。下部電極２としては、白金の他、パラ
ジウム、イリジウムおよびルテニウム、さらにはこれら
の酸化物を用いた場合にも、良質のＰＺＴ薄膜を得るこ
とができる。また、圧電体１の上面に下部電極２と同じ
く白金からなる上部電極３を形成した。圧電体１を形成
する際に基板として使用した酸化マグネシウムの単結晶
基板を加工して支持基板５とし、これに圧電素子の一端
を固定して片持ち梁とした。
【００１６】被覆層４には、有機物等の絶縁体を用いる
ことが好ましい。本実施例では、加工性に優れたポリイ
ミドを用いたが、このような微細な圧電素子は微細な形
状に加工することが必要とされることから、特に感光性
ポリイミドを用いることにより、上部電極３との密着性
も良く、容易に微細な形状に加工することが可能にな
る。
ことが好ましい。本実施例では、加工性に優れたポリイ
ミドを用いたが、このような微細な圧電素子は微細な形
状に加工することが必要とされることから、特に感光性
ポリイミドを用いることにより、上部電極３との密着性
も良く、容易に微細な形状に加工することが可能にな
る。
【００１７】上部電極３および下部電極２の間に±２０
Ｖの三角波を印加し、それによる素子先端の図１中、ｚ
方向の変位量を観測した。周波数１０Ｈｚで電圧を加え
た場合の入力電圧信号および圧電素子の変位量の関係を
図２に示す。電圧の印加にともない、素子の先端が最大
±２５μｍの振幅で振動することが確認された。逆に、
この素子に衝撃を加えることにより変位を発生させ、素
子に生じる電圧を調べた。その結果、１Ｎの力を素子に
加えたところ、約５０ｐＣの電荷の発生が確認された。
発生した電荷は、チャージアンプ等の回路を介すること
により、容易に電圧出力に変換できる。このように本実
施例の圧電素子は、センサとしても優れた機能を有して
いることが確認された。
Ｖの三角波を印加し、それによる素子先端の図１中、ｚ
方向の変位量を観測した。周波数１０Ｈｚで電圧を加え
た場合の入力電圧信号および圧電素子の変位量の関係を
図２に示す。電圧の印加にともない、素子の先端が最大
±２５μｍの振幅で振動することが確認された。逆に、
この素子に衝撃を加えることにより変位を発生させ、素
子に生じる電圧を調べた。その結果、１Ｎの力を素子に
加えたところ、約５０ｐＣの電荷の発生が確認された。
発生した電荷は、チャージアンプ等の回路を介すること
により、容易に電圧出力に変換できる。このように本実
施例の圧電素子は、センサとしても優れた機能を有して
いることが確認された。
【００１８】《実施例２》実施例１で用いた片持ち梁の
圧電素子に代えて、図３に示す両持ち梁の圧電素子を作
製した。この圧電素子は、両端が支持基板１５に固定さ
れたものである。この圧電素子は、前述の片持ち梁の時
と同じく上部電極１３、下部電極１２、圧電体１１およ
び被覆層１４より構成され、その長さを５００μｍとし
た。この圧電素子の上部電極１３および下部電極１２の
間に±２０Ｖの電圧を印加したところ、圧電体１１の伸
縮により、梁の中央部が最大±７μｍ変位することが観
測された。
圧電素子に代えて、図３に示す両持ち梁の圧電素子を作
製した。この圧電素子は、両端が支持基板１５に固定さ
れたものである。この圧電素子は、前述の片持ち梁の時
と同じく上部電極１３、下部電極１２、圧電体１１およ
び被覆層１４より構成され、その長さを５００μｍとし
た。この圧電素子の上部電極１３および下部電極１２の
間に±２０Ｖの電圧を印加したところ、圧電体１１の伸
縮により、梁の中央部が最大±７μｍ変位することが観
測された。
【００１９】《実施例３》次に、圧電体の結晶性をさら
に向上させ、その圧電性を高めるため、圧電体２１の断
面構造をＺｒ／Ｔｉの組成の異なる複数の層からなる多
層構造とした。図４にその断面構造を示す。圧電体２１
は、Ｚｒの存在しない膜厚が０．１μｍのＰｂＴｉＯ3
層２６および膜厚が２．５μｍでＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47
Ｏ3からなるＰＺＴ層２７の２層構造を有する。圧電体
２１の両面には、それぞれ下部電極２２および上部電極
２３が接合されている。このようして得られた圧電体２
１のＸ線解析を行ったところ、図５に示す様に表面の法
線方向にｃ軸が高度に配向しており、高い結晶性を示す
ことが確認された。これは、この構造によれば、Ｚｒの
酸化物からなる結晶性の低い層が下部電極２２と圧電体
２１との界面に形成されることがないためと考えられ
る。圧電体２１として、ＰｂＴｉＯ3のほか、これにＬ
ａを添加した（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3やＳｒＴｉＯ3を用
いた場合も同様の効果が得られた。また、図４に示す多
層構造のほか、圧電体のＺｒ／Ｔｉ組成を、厚さ方向に
連続的に変化させた構造においても同様に結晶性の高い
圧電体を得ることができる。
に向上させ、その圧電性を高めるため、圧電体２１の断
面構造をＺｒ／Ｔｉの組成の異なる複数の層からなる多
層構造とした。図４にその断面構造を示す。圧電体２１
は、Ｚｒの存在しない膜厚が０．１μｍのＰｂＴｉＯ3
層２６および膜厚が２．５μｍでＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47
Ｏ3からなるＰＺＴ層２７の２層構造を有する。圧電体
２１の両面には、それぞれ下部電極２２および上部電極
２３が接合されている。このようして得られた圧電体２
１のＸ線解析を行ったところ、図５に示す様に表面の法
線方向にｃ軸が高度に配向しており、高い結晶性を示す
ことが確認された。これは、この構造によれば、Ｚｒの
酸化物からなる結晶性の低い層が下部電極２２と圧電体
２１との界面に形成されることがないためと考えられ
る。圧電体２１として、ＰｂＴｉＯ3のほか、これにＬ
ａを添加した（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3やＳｒＴｉＯ3を用
いた場合も同様の効果が得られた。また、図４に示す多
層構造のほか、圧電体のＺｒ／Ｔｉ組成を、厚さ方向に
連続的に変化させた構造においても同様に結晶性の高い
圧電体を得ることができる。
【００２０】圧電体の上面に形成する被覆層は、図１お
よび図３に示すような圧電体とは異なる形状、例えば被
覆層の幅が圧電体よりも十分に広い膜状の構造でもよ
い。この場合でも、圧電体の上下の電極間に電圧を印加
したときに、圧電体が片持ち梁ではその先端部、両持ち
梁ではその中央部に当たるところを中心に被覆層の変形
が確認された。この様に、圧電体および被覆層の形状を
任意の形に加工することにより、多様な変位を発生させ
ることが可能である。
よび図３に示すような圧電体とは異なる形状、例えば被
覆層の幅が圧電体よりも十分に広い膜状の構造でもよ
い。この場合でも、圧電体の上下の電極間に電圧を印加
したときに、圧電体が片持ち梁ではその先端部、両持ち
梁ではその中央部に当たるところを中心に被覆層の変形
が確認された。この様に、圧電体および被覆層の形状を
任意の形に加工することにより、多様な変位を発生させ
ることが可能である。
【００２１】《実施例４》本実施例の圧電素子を図６に
示す。この圧電素子は、長さが０．５ｍｍ、幅が５０μ
ｍ、厚さが４．１μｍの平板状で、その一端が支持基板
３５に固定された片持ち梁である。この圧電素子は、圧
電体３１が、厚さが２．５μｍでＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47
Ｏ3で表されるＰＺＴを主成分とする酸化物強誘電体か
らなり、実施例１と同様の手法により厚さ方向にｃ軸を
配向させた単結晶のＰＺＴ薄膜を加工したものである。
圧電体３１の両面には、下部電極３２および上部電極３
３がそれぞれ接合されている。下部電極３３には、厚さ
が０．１μｍで、実施例１と同様に酸化マグネシウム単
結晶基板上に形成された白金を用いた。圧電体３１は上
記実施例と同様に下部電極３２の上面に形成したもので
ある。また、アルミニウム製の上部電極３３は、圧電体
３１の上に厚さが１．５μｍとなるように形成したもの
である。
示す。この圧電素子は、長さが０．５ｍｍ、幅が５０μ
ｍ、厚さが４．１μｍの平板状で、その一端が支持基板
３５に固定された片持ち梁である。この圧電素子は、圧
電体３１が、厚さが２．５μｍでＰｂＺｒ0.53Ｔｉ0.47
Ｏ3で表されるＰＺＴを主成分とする酸化物強誘電体か
らなり、実施例１と同様の手法により厚さ方向にｃ軸を
配向させた単結晶のＰＺＴ薄膜を加工したものである。
圧電体３１の両面には、下部電極３２および上部電極３
３がそれぞれ接合されている。下部電極３３には、厚さ
が０．１μｍで、実施例１と同様に酸化マグネシウム単
結晶基板上に形成された白金を用いた。圧電体３１は上
記実施例と同様に下部電極３２の上面に形成したもので
ある。また、アルミニウム製の上部電極３３は、圧電体
３１の上に厚さが１．５μｍとなるように形成したもの
である。
【００２２】この上部電極３３と下部電極３２の間に±
２０Ｖの電圧を印加することにより、片持ち梁の先端が
最大１５μｍ変位することが確認された。この変位は、
実施例１と同様の原理に基づくものであり、電圧の印加
により圧電体３１が長さ方向（図中ｘ方向）に伸縮し、
その動作を上部電極３３が拘束することによって上下運
動が生じるものである。この構成によると、実施例１の
圧電素子ほど大きな変位は発生しなかったが、被覆層を
形成せず、それに代えて電極の一方を厚くするだけで変
位を発生させることができ、素子の構成が簡略化でき
る。この素子の圧電体３１の厚さは、実施例１と同様の
理由により、０．０５μｍ以上かつ１００μｍ以下であ
ることが好ましい。また、厚い方の電極である上部電極
３３は、その材質によらず、０．０１μｍ以上であるこ
とが、断線等の不良が起こりにくくなるため、好まし
い。また、１００μｍ以下であることが圧電特性および
加工性の点で実用的である。
２０Ｖの電圧を印加することにより、片持ち梁の先端が
最大１５μｍ変位することが確認された。この変位は、
実施例１と同様の原理に基づくものであり、電圧の印加
により圧電体３１が長さ方向（図中ｘ方向）に伸縮し、
その動作を上部電極３３が拘束することによって上下運
動が生じるものである。この構成によると、実施例１の
圧電素子ほど大きな変位は発生しなかったが、被覆層を
形成せず、それに代えて電極の一方を厚くするだけで変
位を発生させることができ、素子の構成が簡略化でき
る。この素子の圧電体３１の厚さは、実施例１と同様の
理由により、０．０５μｍ以上かつ１００μｍ以下であ
ることが好ましい。また、厚い方の電極である上部電極
３３は、その材質によらず、０．０１μｍ以上であるこ
とが、断線等の不良が起こりにくくなるため、好まし
い。また、１００μｍ以下であることが圧電特性および
加工性の点で実用的である。
【００２３】なお、実施例４と同様の構造の圧電素子
を、両持ち梁として用いた場合においても、電圧印加に
より変位を発生させることができ、±２０Ｖの印加に対
して梁の中央部で最大４μｍの変位が確認された。
を、両持ち梁として用いた場合においても、電圧印加に
より変位を発生させることができ、±２０Ｖの印加に対
して梁の中央部で最大４μｍの変位が確認された。
【００２４】
【発明の効果】本発明によると、十分な圧電特性を有
し、小型かつ微細な圧電素子を安定して製造することが
できる。また、圧電性薄膜の微細加工に適した構成であ
るため、良好な動作を行う微細な圧電素子を提供するこ
とができる。
し、小型かつ微細な圧電素子を安定して製造することが
できる。また、圧電性薄膜の微細加工に適した構成であ
るため、良好な動作を行う微細な圧電素子を提供するこ
とができる。
【図１】本発明の一実施例における圧電素子の構成を示
す斜視図である。
す斜視図である。
【図２】同圧電素子の印加電圧に対する変位を示す特性
図である。
図である。
【図３】本発明の他の実施例の圧電素子の構成を示す斜
視図である。
視図である。
【図４】同他の実施例の圧電素子の要部の縦断面図であ
る。
る。
【図５】同圧電素子に用いた圧電体のＸ線回折パターン
を示す図である。
を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例の圧電素子の構成を示す斜
視図である。
視図である。
１ 圧電体 ２ 下部電極 ３ 上部電極 ４ 被覆層 ５ 支持基板 １１ 圧電体 １２ 下部電極 １３ 上部電極 １４ 被覆層 １５ 支持基板 ２１ 圧電体 ２２ 下部電極 ２３ 上部電極 ２４ 被覆層 ２５ 支持基板 ２６ ＰｂＴｉＯ3層 ２７ ＰＺＴ層 ３１ 圧電体 ３２ 下部電極 ３３ 上部電極 ３５ 支持基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (12)
- 【請求項１】 厚さが０．０５〜１００μｍの薄膜状の
圧電体と、前記圧電体の対向する両面にそれぞれ形成さ
れた一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の表面
に形成された厚さが０．０５〜５００μｍの圧電性を示
さない被覆層を具備する圧電素子。 - 【請求項２】 前記圧電体が、主として鉛、チタンおよ
びジルコニウムを含み、ペロブスカイト構造を有する酸
化物からなる請求項１記載の圧電素子。 - 【請求項３】 前記圧電体が、分極軸を前記電極に対し
て垂直となる方向に偏向して配された請求項２記載の圧
電素子。 - 【請求項４】 前記圧電体が、正方晶系の結晶系を有
し、ｃ軸を前記電極に対して垂直となる方向に偏向して
配された請求項２記載の圧電素子。 - 【請求項５】 前記圧電体中のジルコニウムの比を、厚
さ方向に連続的または段階的に変化させた請求項２記載
の圧電素子。 - 【請求項６】 前記一対の電極のうちの少なくとも一方
が、白金、パラジウム、イリジウムおよびルテニウムか
らなる群より選択される金属またはその酸化物からなる
請求項１記載の圧電素子。 - 【請求項７】 前記被覆層が、絶縁物からなる請求項１
記載の圧電素子。 - 【請求項８】 前記絶縁物が、有機物である請求項７記
載の圧電素子。 - 【請求項９】 前記有機物が、ポリイミドである請求項
８記載の圧電素子。 - 【請求項１０】 厚さ０．０５〜１００μｍの薄膜状の
圧電体と、前記圧電体の対向する両面にそれぞれ形成さ
れた一対の電極を備え、前記一対の電極のうちの一方の
電極の厚さが、他方の電極の厚さの１０倍以上であり、
かつ前記圧電体の厚さの１／１０以上である圧電素子。 - 【請求項１１】 前記一方の電極が、白金、パラジウ
ム、イリジウムおよびルテニウムからなる群より選択さ
れる金属またはその酸化物からなり、前記圧電体の組成
が、主として鉛およびチタンを含む酸化物からなる請求
項１０記載の圧電素子。 - 【請求項１２】 前記一方の電極の厚さが、０．０１μ
ｍ以上かつ１００μｍ以下である請求項１０記載の圧電
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9006801A JPH10209517A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9006801A JPH10209517A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 圧電素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10209517A true JPH10209517A (ja) | 1998-08-07 |
Family
ID=11648299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9006801A Withdrawn JPH10209517A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10209517A (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6350019B1 (en) | 1999-07-15 | 2002-02-26 | Fujitsu Limited | Ink jet head and ink jet printer |
| US6943990B1 (en) | 1998-09-16 | 2005-09-13 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Head support mechanism, information recording/reproducing apparatus, and method of manufacturing head support mechanism |
| US6969157B2 (en) | 2002-05-31 | 2005-11-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
| US7001014B2 (en) | 2000-10-03 | 2006-02-21 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric thin film and method for preparation theof, and piezoelectric element having the piezoelectric thin film, ink-jet head using the piezoelectric element, and ink-jet recording device having the ink-jet head |
| US7033001B2 (en) | 2001-12-18 | 2006-04-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and ink jet type recording apparatus |
| US7083270B2 (en) | 2002-06-20 | 2006-08-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
| US7193756B2 (en) | 2003-11-26 | 2007-03-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, method for fabricating the same, inkjet head, method for fabricating the same, and inkjet recording apparatus |
| JP2007163230A (ja) * | 2005-12-12 | 2007-06-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | タイヤ空気圧センサおよびタイヤ空気圧監視装置 |
| US7312558B2 (en) | 2004-04-02 | 2007-12-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, and ink jet recording apparatus |
| US7475461B2 (en) | 2001-09-28 | 2009-01-13 | Seiko Epson Corporation | Method and manufacturing a piezoelectric thin film element |
| US7530676B2 (en) | 2004-03-05 | 2009-05-12 | Panasonic Corporation | Piezoelectric element, inkjet head, angular velocity sensor, methods for manufacturing them and inkjet recording device |
| US7728703B2 (en) | 2005-11-21 | 2010-06-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | RF MEMS switch and method for fabricating the same |
| KR101536973B1 (ko) * | 2014-01-28 | 2015-07-22 | 한국기계연구원 | 단결정 압전 섬유 포함 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 복합재료 적층체 |
| CN107342357A (zh) * | 2016-04-28 | 2017-11-10 | 新科实业有限公司 | 薄膜压电元件及其制造方法 |
-
1997
- 1997-01-17 JP JP9006801A patent/JPH10209517A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7033001B2 (en) | 2001-12-18 | 2006-04-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and ink jet type recording apparatus |
| US6969157B2 (en) | 2002-05-31 | 2005-11-29 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
| US7083270B2 (en) | 2002-06-20 | 2006-08-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
| US7185540B2 (en) | 2002-06-20 | 2007-03-06 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
| EP2019322A1 (en) | 2002-06-20 | 2009-01-28 | Panasonic Corporation | Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus |
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| CN107342357A (zh) * | 2016-04-28 | 2017-11-10 | 新科实业有限公司 | 薄膜压电元件及其制造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040825 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060816 |