WO2024116761A1 - 圧電素子及びアクチュエータ - Google Patents

圧電素子及びアクチュエータ Download PDF

Info

Publication number
WO2024116761A1
WO2024116761A1 PCT/JP2023/040248 JP2023040248W WO2024116761A1 WO 2024116761 A1 WO2024116761 A1 WO 2024116761A1 JP 2023040248 W JP2023040248 W JP 2023040248W WO 2024116761 A1 WO2024116761 A1 WO 2024116761A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric film
piezoelectric
electrode
film
vcr
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/040248
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏之 小林
誠吾 中村
真也 杉本
勉 佐々木
Original Assignee
富士フイルム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
Publication of WO2024116761A1 publication Critical patent/WO2024116761A1/ja

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/06—Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Definitions

  • This disclosure relates to piezoelectric elements and actuators.
  • Perovskite oxides such as lead zirconate titanate (Pb(Zr,Ti) O3 , hereinafter referred to as PZT) are known as materials with excellent piezoelectric and ferroelectric properties.
  • Piezoelectrics made of perovskite oxides are used as piezoelectric films in piezoelectric elements that have a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode on a substrate. These piezoelectric elements are being deployed in a variety of devices, including memories, inkjet heads (actuators), micromirror devices, angular velocity sensors, gyro sensors, ultrasonic elements (PMUTs: Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers), and vibration power generation devices.
  • actuators inkjet heads
  • micromirror devices angular velocity sensors
  • gyro sensors ultrasonic elements
  • PMUTs Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers
  • JP 2013-80886 A proposes a piezoelectric element in which a first electrode, an Nb-added PZT film, a second electrode, an Nb-added PZT film, and a third electrode are stacked in this order. It is known that the spontaneous polarization of an Nb-added PZT film is aligned upward relative to the substrate when it is formed. In other words, both of the two Nb-added PZT films in JP 2013-80886 A have spontaneous polarization that is aligned upward. In general, for a piezoelectric film with aligned spontaneous polarization, applying an electric field in the same direction as the spontaneous polarization will provide better piezoelectric performance.
  • JP 2013-80887 A an electric field is applied to the two Nb-doped PZT films in the same direction as the spontaneous polarization, using a first driving method in which the second electrode is grounded and a positive voltage (+V) is applied to the first electrode and a negative voltage (-V) is applied to the third electrode, or a second driving method in which the first electrode is grounded and a negative voltage (-V) is applied to the second electrode and a negative voltage (-2V) with an absolute value greater than that of the second electrode is applied to the third electrode.
  • This achieves a displacement that is roughly twice as large as that of a piezoelectric element with only one layer.
  • JP 2013-80887 A proposes a piezoelectric element in which a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode are stacked in this order, in which the spontaneous polarization of the first piezoelectric film is aligned in a different direction from the spontaneous polarization of the second piezoelectric film.
  • the first piezoelectric film is an Nb-added PZT film
  • the second piezoelectric film is a PZT film without Nb addition (hereinafter referred to as non-doped PZT).
  • the spontaneous polarization of the Nb-added PZT film is aligned without poling treatment, but the spontaneous polarization of the non-doped PZT film is not aligned without poling treatment. Therefore, a poling process is performed on the non-doped PZT film so that the spontaneous polarization is aligned in the opposite direction to the spontaneous polarization of the Nb-doped PZT film, thereby making the spontaneous polarization of the first piezoelectric film different from the spontaneous polarization of the second piezoelectric film.
  • the first electrode and the third electrode of the piezoelectric element are at the same potential, and the second electrode is used as the driving electrode, so that an electric field is applied to the first piezoelectric film and the second piezoelectric film in the same direction as the spontaneous polarization of each film.
  • the piezoelectric performance of two layers can be obtained with a voltage large enough to drive one piezoelectric film, so high piezoelectric performance can be obtained at a low voltage.
  • the piezoelectric element of JP 2013-80887 A provides very good piezoelectric performance.
  • the first piezoelectric film and the second piezoelectric film must be made of piezoelectric films containing different materials, for example, the first piezoelectric film must be an Nb-doped PZT film and the second piezoelectric film must be a non-doped PZT film. Therefore, two different targets are required to form the first piezoelectric film and the second piezoelectric film, and at least one of the piezoelectric films must be subjected to a poling process, which makes it difficult to achieve sufficient cost reduction.
  • piezoelectric elements that can achieve high piezoelectric performance are expensive or require the application of high voltages, and it has not been possible to develop low-cost piezoelectric elements that can achieve high piezoelectric performance at low voltages.
  • the purpose of this disclosure is to provide piezoelectric elements and piezoelectric actuators that provide high piezoelectric performance at low voltages at low cost.
  • a piezoelectric element includes a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode, in this order, on a substrate; the first piezoelectric film and the second piezoelectric film each contain a perovskite-type oxide as a main component;
  • the perovskite oxide is a first perovskite oxide
  • a seed layer mainly composed of a second perovskite oxide that is lattice-matched to the first perovskite oxide is provided only between the first electrode and the first piezoelectric film or between the second electrode and the second piezoelectric film; one of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film, which is not provided on the seed layer, is polarized in a thickness direction due to a spontaneous internal electric field;
  • the other of the first and second piezoelectric films, which is the piezoelectric film provided on the seed layer has a coercive voltage on the positive side of
  • the positive coercive voltage Vcf + and the negative coercive voltage Vcf- may have the same sign.
  • the perovskite oxide that is the main component of the first piezoelectric film and the perovskite oxide that is the main component of the second piezoelectric film may be composed of the same constituent elements.
  • the first perovskite oxide is Pb a ⁇ (Zr x Ti 1-x ) 1-y M y ⁇ O 3 M is a metal element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Sb, Mo and W; 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0.9 ⁇ a ⁇ 1.2 It is preferable that:
  • the second perovskite oxide is preferably conductive.
  • the second perovskite oxide preferably has a lattice constant of 0.39 nm to 0.405 nm when considered as a pseudocubic crystal.
  • the second perovskite oxide is preferably SrRuO3 or BaRuO3 .
  • a seed layer is provided between the first electrode and the first piezoelectric film, and that the first piezoelectric film is the other piezoelectric film.
  • the metal element M in the first perovskite oxide is Nb, and that at least y in the composition ratio of the first perovskite oxide contained in the first piezoelectric film and the second piezoelectric film is the same.
  • an electric field having the same direction as the polarization direction of one piezoelectric film is applied to one piezoelectric film, and an electric field having the opposite direction to the electric field applied to one piezoelectric film is applied to the other piezoelectric film.
  • the second electrode may be maintained at ground potential, and the first electrode and the third electrode may be drive electrodes for applying a drive voltage to the first piezoelectric film and the second piezoelectric film.
  • the first electrode and the third electrode may be maintained at ground potential, and the second electrode may be a drive electrode for applying a drive voltage to the first piezoelectric film and the second piezoelectric film.
  • the first electrode and the third electrode may be connected.
  • the actuator of the present disclosure is an actuator including the piezoelectric element of the present disclosure and a drive circuit that applies a drive voltage to the piezoelectric element,
  • the drive circuit applies an electric field to one of the piezoelectric films in the same direction as the polarization direction of the one piezoelectric film, and applies an electric field to the other piezoelectric film in the opposite direction to the electric field applied to the one piezoelectric film.
  • the technology disclosed herein makes it possible to provide piezoelectric elements and actuators that provide high piezoelectric performance at low voltages at low cost.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a piezoelectric element according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a graph showing the polarization-voltage hysteresis curve of one piezoelectric film
  • FIG. 2B is a graph showing the polarization-voltage hysteresis curve of the other piezoelectric film.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a piezoelectric element according to a modified example.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an actuator.
  • 13A and 13B are diagrams illustrating a schematic configuration of an actuator according to a modified example.
  • 13A and 13B are diagrams showing a schematic configuration of an actuator including a piezoelectric element according to a modified example.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a piezoelectric element according to a modified example.
  • 1A to 1C are diagrams for explaining problems with a multi-layer piezoelectric element.
  • 9A is a hysteresis curve of the first piezoelectric film 114
  • FIG. 9B is a hysteresis curve of the second piezoelectric film 118
  • FIG. 9C is a diagram showing the amount of displacement of the piezoelectric element 101 relative to the voltage.
  • 5A to 5C are diagrams illustrating the effect of the piezoelectric element according to the present embodiment.
  • 13 is a diagram showing polarization-voltage hysteresis curves of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film of Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing polarization-voltage hysteresis curves of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film of Example 1.
  • FIG. 1 is a graph showing the voltage dependence of the piezoelectric constant d31 in the low voltage region for the piezoelectric elements of the examples and the comparative examples.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of a piezoelectric element 1 according to one embodiment.
  • the piezoelectric element 1 includes a first electrode 12, a first piezoelectric film 14, a second electrode 16, a second piezoelectric film 18, and a third electrode 20, arranged in this order on a substrate 10.
  • the substrate 10 is not particularly limited, and examples thereof include substrates such as silicon, glass, stainless steel, yttrium-stabilized zirconia, alumina, sapphire, and silicon carbide.
  • the substrate 10 may be a laminate substrate such as a silicon substrate with a thermally oxidized film in which a SiO2 oxide film is formed on the surface of a silicon substrate.
  • the substrate 10 may also be a resin substrate such as PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalata), and polyimide.
  • the first electrode 12 is formed on the substrate 10.
  • the main component of the first electrode 12 is not particularly limited, and examples thereof include metals or metal oxides such as Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Ru (ruthenium), Ti (titanium), Mo (molybdenum), Ta (tantalum), and Al (aluminum), as well as combinations of these.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the second electrode 16 is laminated on the first piezoelectric film 14, and the third electrode 20 is laminated on the second piezoelectric film 18.
  • the first electrode 12 and the second electrode 16 are paired to apply a voltage to the first piezoelectric film 14.
  • the second electrode 16 and the third electrode 20 are paired to apply a voltage to the second piezoelectric film 18.
  • the main components of the second electrode 16 and the third electrode 20 are not particularly limited, and may include the materials exemplified for the first electrode 12, as well as electrode materials commonly used in semiconductor processes, such as Cr, and combinations of these.
  • the thickness of the first electrode 12, the second electrode 16, and the third electrode 20 is not particularly limited, but is preferably about 50 nm to 300 nm, and more preferably 100 nm to 300 nm.
  • the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 each mainly comprise a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 .
  • the main component refers to a component that occupies 80 mol% or more. It is preferable that the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 each comprise a perovskite oxide that occupies 90 mol% or more, and it is more preferable that the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are made of a perovskite oxide (however, containing inevitable impurities).
  • the perovskite oxide that is the main component of the first piezoelectric film 14 and the perovskite oxide that is the main component of the second piezoelectric film 18 may be made of different constituent elements, or the constituent elements of each may be the same. Note that “the constituent elements are the same” means that the elements contained are the same, but the composition ratio may be different.
  • the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are preferably mainly composed of a perovskite oxide containing Pb (lead) at the A site, and Zr (zirconium), Ti (titanium) and a metal element M at the B site.
  • This perovskite oxide is represented by the following general formula. Pb a ⁇ (Zr x Ti 1-x ) 1-y M y ⁇ O 3
  • the metal element M is one or more elements selected from V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Sb (antimony), Mo (molybdenum) and W (tungsten).
  • Pb a ⁇ (Zr x Ti 1-x ) 1-y M y ⁇ O 3 is referred to as M-added PZT.
  • M-added PZT when the metal element M is Nb, it is referred to as Nb-added PZT.
  • the molar ratio a of Pb is 1 as a standard, but if it is in the range of 0.9 ⁇ a ⁇ 1.2, a perovskite structure can be obtained.
  • the metal element M may be a single element such as only V or only Nb, or it may be a combination of two or more elements such as a mixture of V and Nb, or a mixture of V, Nb and Ta. When the metal element M is one of these elements, it can be combined with the A-site element Pb to achieve an extremely high piezoelectric constant.
  • Pb a ⁇ (Zr x Ti 1-x ) 1-y M y O 3 , in which the metal element M is Nb, is optimal.
  • y>0.1 a higher piezoelectric constant can be obtained.
  • a piezoelectric film is formed by a vapor phase growth method such as sputtering using Nb-added PZT, in which M is Nb, a piezoelectric film with an extremely high piezoelectric constant can be obtained.
  • both the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 have Nb-added PZT as the main component.
  • the Nb composition ratios of the Nb-added PZT, which is the main component of the first piezoelectric film 14, and the Nb-added PZT, which is the main component of the second piezoelectric film 18, are the same.
  • the composition ratio being the same means that they are equal within the range of measurement error.
  • ICP Inductively Coupled Plasma
  • XRF X-ray Fluorescence
  • PZT-based perovskite oxides exhibit high piezoelectric properties at or near the morphotropic phase boundary (MPB).
  • the MPB composition is when Zr:Ti (molar ratio) is near 52:48, and in the above general formula, the MPB composition or its vicinity is preferable.
  • MPB or its vicinity refers to the region where a phase transition occurs when an electric field is applied to the piezoelectric film.
  • the thickness t1 of the first piezoelectric film 14 and the thickness t2 of the second piezoelectric film 18 are preferably 0.2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less, and more preferably 1 ⁇ m or more.
  • the thicknesses of the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 may be the same or different.
  • the thicknesses of the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are preferably 2 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric element 1 of this embodiment has a seed layer 13 that is mainly composed of a second perovskite oxide between the first electrode 12 and the first piezoelectric film 14.
  • the second perovskite oxide is lattice-matched with the first perovskite oxide.
  • the second perovskite oxide is a perovskite oxide with a different composition from the first perovskite oxide (the perovskite oxide that is the main component of the first piezoelectric film 14 and the perovskite oxide that is the main component of the second piezoelectric film 18).
  • the crystallinity of the piezoelectric film (here, the first piezoelectric film 14) formed on the upper layer can be improved.
  • the piezoelectric film formed on the seed layer 13 becomes an epitaxial film that has been epitaxially grown.
  • the second perovskite oxide preferably has a lattice constant of 0.39 nm to 0.405 nm when considered as a pseudocubic crystal.
  • the lattice constant is in this range, it is lattice-matched to the perovskite oxide made of M-doped PZT, so when the first perovskite oxide is M-doped PZT, the crystallinity of the piezoelectric film formed in the upper layer can be improved.
  • the second perovskite type oxide examples include SrRuO 3 , BaRuO 3 and PbTiO 3. These have electrical conductivity and, when considered as pseudocubic, have a lattice constant of 0.39 nm to 0.405 nm.
  • the second perovskite oxide which is the main component of the seed layer 13, is preferably conductive.
  • being conductive means that the electrical resistivity is sufficient to function as an electrode, and here, a material is considered to be conductive when its electrical resistivity at 20° C. is 10 ⁇ 5 ⁇ m or less. If the seed layer 13 is conductive, it can function as an electrode for applying a drive voltage to the piezoelectric film together with the electrode (the first electrode 12 in this example) below the seed layer 13.
  • Figure 2A is a schematic diagram of a P-V hysteresis curve obtained by grounding the second electrode 16, which is the lower electrode of the pair of electrodes 16, 20 sandwiching the second piezoelectric film 18, using the third electrode 20, which is the upper electrode, as the drive electrode, and applying a sweep voltage to the second piezoelectric film 18.
  • Figure 2B is a schematic diagram of a hysteresis curve obtained by grounding the first electrode 12, which is the lower electrode of the pair of electrodes 12, 16 sandwiching the first piezoelectric film 14, using the second electrode 16, which is the upper electrode, as the drive electrode, and applying a sweep voltage to the first piezoelectric film 14.
  • the second piezoelectric film 18 is one of the piezoelectric films, and in order to distinguish it from the second piezoelectric film 18 in the piezoelectric element 2 in FIG. 3 described later, the second piezoelectric film 18 in the piezoelectric element 1 is shown as the second piezoelectric film 18f.
  • the first piezoelectric film 14 is one of the piezoelectric films, and in order to distinguish it from the first piezoelectric film 14 in the piezoelectric element 2 in FIG. 3 described later, the first piezoelectric film 14 in the piezoelectric element 1 is shown as the first piezoelectric film 14r.
  • the second piezoelectric film 18 is a film in which spontaneous polarization is aligned upward in the film thickness direction when no external electric field is applied, and is polarized upward in the film thickness direction.
  • Arrow P2 in FIG. 1 indicates the direction of polarization, and will be referred to as polarization direction P2 below.
  • the substrate 10 is used as the reference, and the direction away from the substrate 10 is defined as up, and the direction toward the substrate 10 is defined as down.
  • Whether the spontaneous polarization in the piezoelectric film is aligned and the direction in which the spontaneous polarization is aligned can be confirmed by measuring the P-V hysteresis curve (or P-E hysteresis curve), which indicates the polarization-voltage characteristics (or polarization-electric field characteristics) of the piezoelectric film.
  • the second piezoelectric film 18 is a film in which the spontaneous polarization direction is aligned immediately after film formation without being subjected to poling, and is polarized in the film thickness direction.
  • the reason why the spontaneous polarization direction is aligned in the piezoelectric film without being subjected to poling and without an external electric field is thought to be because an electric field (hereinafter referred to as a spontaneous internal electric field) caused by distortion or defects in the crystal structure is generated in the piezoelectric film.
  • the second piezoelectric film 18 has spontaneous polarization aligned in the film thickness direction due to such spontaneous internal electric field.
  • the second piezoelectric film 18 is a piezoelectric film polarized in the film thickness direction when no external electric field is applied because the spontaneous polarization is aligned in the film thickness direction.
  • the piezoelectric film is composed of a large number of spontaneously polarized domains.
  • spontaneous polarization aligned in a specific direction means a state in which the spontaneous polarization components in a specific direction are relatively more than the spontaneous polarization components in other directions. If the spontaneous polarization component in a particular direction in a piezoelectric film is relatively greater than the spontaneous polarization components in other directions, the film is polarized in that particular direction.
  • the spontaneous polarization component in a particular direction is the largest component in the entire film (i.e., if the film is polarized in a particular direction), the spontaneous polarization is considered to be aligned in a particular direction even if spontaneous polarizations in various directions exist in the piezoelectric film.
  • the polarization direction P2 may be referred to as the direction P2 in which the spontaneous polarization is aligned.
  • the P-E hysteresis curve (or P-V hysteresis curve) is shaped so that its center coincides with the origin.
  • the direction of spontaneous polarization is aligned with the spontaneous internal electric field, so the center of the hysteresis curve deviates (shifts) from the origin.
  • the amount of shift of the center of the hysteresis curve from the origin is proportional to the degree of alignment of the spontaneous polarization, and the greater the shift, the stronger the spontaneous internal electric field. Furthermore, the direction in which the spontaneous polarization is aligned can be determined by the shift direction of the hysteresis curve from the origin. In the case of a P-V hysteresis curve, the center of the hysteresis curve is defined as the midpoint between two coercive voltages, which will be described later.
  • the coercive voltage is the voltage at which the polarization becomes zero in the hysteresis curve, and as shown in Figures 2A and 2B, one hysteresis curve has two coercive voltages.
  • the positive coercive voltage refers to the coercive voltage on the relatively positive voltage side (right side in the figure) of the two coercive voltages
  • the negative coercive voltage refers to the coercive voltage on the relatively negative voltage side (left side in the figure).
  • the positive coercive voltage is Vcf + and the negative coercive voltage is Vcf- .
  • the positive coercive voltage Vcf + and the negative coercive voltage V cf - are both positive (+) signs.
  • the positive coercive voltage and the negative coercive voltage having the same sign means that the P-V hysteresis does not include the origin in the inner region of the hysteresis curve, as shown in Fig. 2A.
  • the two coercive voltages have the same sign in the second piezoelectric film 18f, which is one of the piezoelectric films, but it is also possible that the positive coercive voltage is a positive value and the negative coercive voltage is a negative value.
  • the absolute value of the difference in coercive voltages Vcf + -Vcf - is the hysteresis width ⁇ Vcf, and half the sum of the coercive voltages (Vcf + +Vcf - )/2 indicates the center Hcf of the hysteresis.
  • the center Hcf of the hysteresis is shifted from the origin toward the positive voltage side, which indicates that the second piezoelectric film 18f has a spontaneous internal electric field.
  • the shift of the center Hcf of the hysteresis toward the positive voltage side indicates that a spontaneous internal electric field is generated in the opposite direction to the electric field when a positive voltage is applied.
  • the spontaneous internal electric field is in the upward direction from the substrate side in the film thickness direction, and the spontaneous polarization is aligned in the upward direction in the film thickness direction.
  • FIG. 2A shows the case where a positive potential is applied to the third electrode 20, which is the upper electrode of the second piezoelectric film 18f, as a positive voltage, and the case where a negative potential is applied as a negative voltage.
  • a positive voltage is a state in which an electric field is generated from the third electrode 20 toward the second electrode 16, i.e., a downward electric field toward the substrate 10 is generated in the second piezoelectric film 18f
  • a negative voltage is a state in which an electric field is generated from the second electrode 16 toward the third electrode 20, i.e., an upward electric field away from the substrate 10 is generated in the second piezoelectric film 18f.
  • a positive voltage is a state in which an electric field is generated from the second electrode 16 to the first electrode 12, i.e., a downward electric field is generated in the first piezoelectric film 14r toward the substrate 10
  • a negative voltage is a state in which an electric field is generated from the first electrode 12 to the second electrode 16, i.e., an upward electric field is generated in the first piezoelectric film 14r away from the substrate 10.
  • the first piezoelectric film 14r is provided on the seed layer 13.
  • Vcr + and the negative coercive voltage is Vcr ⁇
  • the unit of coercive voltage is [V].
  • the right side of the above equation is the absolute value of the difference in coercive voltage, and indicates the width ⁇ Vcr of the hysteresis curve.
  • the center of the hysteresis curve is expressed as (Vcr ++ Vcr - )/2. Therefore, the absolute value of (Vcr ++ Vcr - )/2 indicates the amount of shift of the hysteresis curve.
  • the first piezoelectric film 14r is polarized in the film thickness direction, and the direction of polarization P1 is opposite to the direction of polarization P2 of the second piezoelectric film 18f. That is, in the first piezoelectric film 14, the spontaneous polarization is aligned in the opposite direction to the direction of the spontaneous polarization of the second piezoelectric film 18f.
  • the first piezoelectric film 14 is a film whose spontaneous polarization is aligned by a poling process and is polarized in the opposite direction to the polarization direction P2 of the second piezoelectric film 18f.
  • the center Hcr of the hysteresis curve of the first piezoelectric film 14r is shifted from the origin toward the positive voltage side, indicating that it has a spontaneous internal electric field.
  • the first piezoelectric film 14r has an internal spontaneous electric field, similar to the second piezoelectric film 18f.
  • the width of the hysteresis curve of the first piezoelectric film 14 is larger than the width of the hysteresis curve of the second piezoelectric film 18 . That is, the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are
  • the hysteresis curve of the first piezoelectric film 14 includes the origin and has a large width, so it can be polarized by performing a poling process in which an electric field in the opposite direction to the internal spontaneous electric field is applied.
  • polarization residual polarization Pr
  • the first piezoelectric film 14, which is the other piezoelectric film formed on the seed layer 13, is a piezoelectric film that is polarized in the same direction as the polarization direction of the second piezoelectric film 18, which is the other piezoelectric film, due to a spontaneous internal electric field when it is provided directly on the first electrode 12 without going through the seed layer 13.
  • the first piezoelectric film 14 becomes a film that exhibits the hysteresis shown in FIG. 2B by being formed on the seed layer 13, but when it is formed on the seed layer 13 and formed on the first electrode 12, it is made of a piezoelectric material that becomes a film that exhibits the same or similar hysteresis as that shown in FIG. 2A.
  • the second piezoelectric film 18f and the first piezoelectric film 14r having the hysteresis characteristics shown in Figures 2A and 2B can be obtained by sputtering using the same target of Nb-doped PZT, for example. Even when the same target is used, piezoelectric films with different crystallinity can be obtained by depositing the first piezoelectric film 14r on the seed layer 13, depositing the second piezoelectric film 18f, and depositing them on the second electrode 16 without the seed layer 13.
  • the piezoelectric film deposited on the seed layer 13 has higher crystallinity than a piezoelectric film deposited on an electrode without the seed layer 13, has a perovskite structure with high orientation, and shows a hysteresis curve with a wide hysteresis width as shown in Figure 2B.
  • the piezoelectric element 1 is driven by applying a voltage to the second piezoelectric film 18f in the area surrounded by a two-dot chain line in FIG. 2A, and to the first piezoelectric film 14r in the area surrounded by a two-dot chain line in FIG. 2B.
  • an electric field is applied to both the second piezoelectric film 18f and the first piezoelectric film 14r in the same direction as the spontaneous polarization, so that good piezoelectric performance can be obtained in the low voltage region.
  • the piezoelectric element 1 is composed of two piezoelectric films, each of which is mainly composed of a perovskite oxide, stacked with an electrode between them, one of the two piezoelectric films (in this example, the second piezoelectric film 18) is formed on an electrode (in this example, the second electrode 16), and the other piezoelectric film (in this example, the first piezoelectric film 14) is formed on a seed layer 13 which is formed on an electrode (in this example, the first electrode 12).
  • One of the piezoelectric films has spontaneous polarization aligned in the film thickness direction due to a spontaneous internal electric field, and the other piezoelectric film has a hysteresis curve which includes the origin inside the loop and has a hysteresis width which is wider than the hysteresis width of the one of the piezoelectric films.
  • the piezoelectric element 1 when the piezoelectric element 1 is driven by applying an electric field in the same direction as the polarization to one piezoelectric film (second piezoelectric film 18 in this example) and an electric field in the opposite direction to the electric field applied to one piezoelectric film to the other piezoelectric film (first piezoelectric film 14 in this example), good piezoelectric performance can be obtained in the low voltage region.
  • the low voltage region is a voltage region suitable for incorporation into consumer devices, specifically a voltage region with an absolute value of 12 V or less. It is preferable to obtain high piezoelectric performance at a voltage of 7 V or less, and even 5 V or less.
  • the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are
  • the hysteresis width of one piezoelectric film (here, the second piezoelectric film 18f) formed on an electrode without a seed layer is 9 V or less, the shift amount is 3 V or less, and the hysteresis width is large and narrow
  • the hysteresis width of the other piezoelectric film (here, the first piezoelectric film 14r) formed on the seed layer is 1.4 times or more and 2.0 times or less than the hysteresis width of one piezoelectric film (see the examples below).
  • the hysteresis width of one piezoelectric film (here, the second piezoelectric film 18f) formed on an electrode without a seed layer is 9 V or less
  • the shift amount is large and the hysteresis width is narrow, such as 3 V or less
  • the effect of improving piezoelectric performance in the low voltage region is particularly high compared to the case where two piezoelectric films having the same hysteresis curve are provided.
  • the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 are both primarily composed of perovskite oxide made of M-doped PZT, so the first piezoelectric film 14 and the second piezoelectric film 18 can be formed using a single target.
  • costs can be reduced compared to using different targets.
  • the piezoelectric element 1 has a seed layer 13 between the first piezoelectric film 14 and the first electrode 12, but as in the piezoelectric element 2 shown in FIG. 3, the seed layer 13 may not be provided between the first piezoelectric film 14 and the first electrode 12, and a seed layer may be provided between the second piezoelectric film 18 and the second electrode 16.
  • the same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals.
  • the first piezoelectric film 14 formed on the first electrode 12 without the seed layer 13 is a piezoelectric film polarized in the direction indicated by the arrow P21 due to the spontaneous polarization being aligned in the film thickness direction due to the spontaneous internal electric field.
  • the first piezoelectric film 14 exhibits the hysteresis characteristic shown in FIG. 2A.
  • the second piezoelectric film 18 formed on the seed layer 13 is a piezoelectric film exhibiting the hysteresis characteristic shown in FIG. 2B.
  • the second piezoelectric film 18 is polarized in the direction P22 opposite to the polarization direction 21 of the first piezoelectric film 14.
  • the spontaneous polarization of the second piezoelectric film 18 is aligned in the opposite direction to the direction P21 in which the spontaneous electrodes of the first piezoelectric film 14 are aligned.
  • the first piezoelectric film 14 corresponds to one of the piezoelectric films in the claims
  • the second piezoelectric film 18 corresponds to the other piezoelectric film.
  • the first piezoelectric film 14, which is one of the piezoelectric films may be referred to as the first piezoelectric film 14f
  • the second piezoelectric film 18, which is the other piezoelectric film may be referred to as the second piezoelectric film 18r.
  • the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 it is more preferable to provide a seed layer 13 under the first piezoelectric film 14 arranged on the substrate 10 side.
  • the crystallinity of the first piezoelectric film 14 is improved, thereby suppressing surface roughness. If the surface roughness of the first piezoelectric film 14 arranged on the substrate side is small, the surface roughness of the second piezoelectric film 18 formed thereafter can also be suppressed. The smaller the surface roughness of the first piezoelectric film 14 and second piezoelectric film 18, the higher the piezoelectric characteristics tend to be.
  • FIG. 4 shows a schematic configuration of an actuator 5 equipped with a piezoelectric element 1.
  • the actuator 5 includes a piezoelectric element 1 and a drive circuit 30.
  • the drive circuit 30 is a means for supplying a drive voltage to the first piezoelectric film 14r and the second piezoelectric film 18f sandwiched between the electrodes in order to drive the piezoelectric element 1.
  • the second electrode 16 is connected to the ground terminal (GND) of the drive circuit 30, and the first electrode 12 and the third electrode 20 are connected to the drive voltage output terminal (-V) of the drive circuit 30.
  • the drive circuit 30 applies electric fields in opposite directions to the first piezoelectric film 14r and the second piezoelectric film 18f.
  • the drive circuit 30 applies an electric field Ef in the same direction as the direction (polarization direction) P2 in which the spontaneous polarization is aligned to the second piezoelectric film 18f, which is one of the piezoelectric films, and applies an electric field Er in the opposite direction to the electric field Ef applied to the second piezoelectric film 18f to the first piezoelectric film 14r, which is the other piezoelectric film.
  • the drive circuit 30 is a negative drive circuit that gives a negative potential to the drive electrode (here, the second electrode 16).
  • the second electrode 16 of the piezoelectric element 1 is at ground potential, and the first electrode 12 and the third electrode 20 are used as drive electrodes.
  • a negative potential (-V) is applied to the drive electrodes (here, the first electrode 12 and the third electrode 20).
  • an electric field Ef in the same direction as the aligned direction (polarization direction) P2 of the spontaneous polarization is applied to the second piezoelectric film 18, which is one of the piezoelectric films, and an electric field Er in the opposite direction to the electric field Ef applied to the second piezoelectric film 18 is applied to the first piezoelectric film 14, which is the other piezoelectric film.
  • first electrode 12 and the third electrode 20 of the piezoelectric element 1 are connected. If the first electrode 12 and the third electrode 20 are connected, drive control is easy.
  • the drive circuit 32 may include a positive drive circuit that applies a positive potential to the drive electrode.
  • the first electrode 12 and the third electrode 20 are connected to the ground terminal of the drive circuit 32, and the second electrode 16 is connected to the drive voltage output terminal of the drive circuit 32.
  • the first electrode 12 and the third electrode 20 are at ground potential, and the second electrode 16 functions as a drive electrode.
  • the drive circuit 32 can apply an electric field Ef to the second piezoelectric film 18f in the same direction as the direction (polarization direction) P2 in which the spontaneous polarization is aligned, and apply an electric field Er to the first piezoelectric film 14r in the opposite direction to the electric field Ef applied to the second piezoelectric film 18f.
  • the actuators 5 and 6 are equipped with only one polarity drive circuit as the drive circuits 30 and 32, and can be realized at low cost.
  • the actuators 5 and 6 are equipped with the above-mentioned piezoelectric element 1, so they can obtain high piezoelectric performance in the low voltage range.
  • the actuator 7 shown in FIG. 6 includes the piezoelectric element 2 shown in FIG. 3.
  • the piezoelectric element 2 includes a first piezoelectric film 14f, which is one of the piezoelectric films having the hysteresis curve shown in FIG. 2A, and a second piezoelectric film 18r, which is the other of the piezoelectric films having the hysteresis curve shown in FIG. 2B. In this case, as shown in FIG.
  • an electric field Ef in the same direction as the polarization direction P21 is applied to the first piezoelectric film 14f, which is one of the piezoelectric films, and an electric field Er in the opposite direction to the electric field Ef applied to the first piezoelectric film 14f is applied to the second piezoelectric film 18r, which is the other of the piezoelectric films, thereby making it possible to obtain good piezoelectric performance in the low voltage region using a drive circuit of one polarity.
  • the first electrode 12 and the third electrode 20 are connected to the ground terminal of the drive circuit 34, and the second electrode 16 is connected to the drive voltage output terminal of the drive circuit 34. That is, the first electrode 12 and the third electrode 20 are at ground potential, and the second electrode 16 functions as a drive electrode.
  • the drive circuit 34 is a negative drive circuit that applies a negative potential to the second electrode 16, which is a drive electrode, to perform negative drive.
  • the drive circuit 34 applies an electric field Ef in the same direction as the polarization direction P21 to the first piezoelectric film 14f, which is one of the piezoelectric films, and applies an electric field Er in the opposite direction to the electric field Ef applied to the first piezoelectric film 14f to the second piezoelectric film 18r, which is the other piezoelectric film.
  • the actuator may be configured to include a piezoelectric element 2 and a positive drive circuit, with the second electrode 16 connected to a ground terminal to provide a ground potential, and the first electrode 12 and the third electrode 20 connected to a drive power output terminal to function as drive electrodes.
  • the piezoelectric elements 1 and 2 described above are both two-layer laminated piezoelectric elements in which two layers of piezoelectric films are laminated, but the piezoelectric element of the present disclosure is not limited to two layers and may have three or more layers of piezoelectric films.
  • a first piezoelectric film 14 (14r) formed on the seed layer 13 and a second piezoelectric film 18 (18f) formed on the second electrode 16 may be alternately provided in multiple places, or a first piezoelectric film 14 (14f) formed on the first electrode 12 and a second piezoelectric film 18 (18r) formed on the seed layer 13 may be alternately provided in multiple places.
  • first electrode 7 has a first electrode 12, a seed layer 13, a first piezoelectric film 14r, a second electrode 16, a second piezoelectric film 18f, a third electrode 20, a seed layer 13, a first piezoelectric film 14r, a second electrode 16, a second piezoelectric film 18f, and a third electrode 20 laminated in this order on a substrate 10.
  • one piezoelectric film here, the second piezoelectric film 18
  • the other piezoelectric film here, the first piezoelectric film 14 having the hysteresis curve shown in FIG. 2B may be provided in multiple layers, alternately arranged with electrodes interposed between them.
  • the piezoelectric performance of a piezoelectric element 101 will be described, which has a laminated structure similar to that of the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1, but in which the first piezoelectric film 114 and the second piezoelectric film 118 are both piezoelectric films that exhibit the hysteresis curve shown in FIG. 2A.
  • the piezoelectric element 101 shown in FIG. 8 does not have a seed layer 13 under either the first piezoelectric film 114 or the second piezoelectric film 118, and both the first piezoelectric film 114 and the second piezoelectric film 118 have spontaneous polarization that is aligned upward in the film thickness direction due to a spontaneous internal electric field, and the polarization directions P31 and P32 are both upward in the film thickness direction.
  • the first piezoelectric film 114 and the second piezoelectric film 118 are piezoelectric films whose main component is a first perovskite oxide, for example, a Nb-added PZT film.
  • the drive circuit 30 which is a negative drive circuit, for example, as shown in FIG. 8
  • the second electrode 16 is set to ground potential
  • the first electrode 12 and the third electrode 20 are set to drive electrodes. This results in electric fields being applied to the first piezoelectric film 114 and the second piezoelectric film 118 in opposite directions.
  • the polarization gradually decreases as the driving potential changes from 0 to -V, and then, after the polarization is reversed by the coercive voltage, the polarization in the same direction as the electric field Er gradually increases. Therefore, as shown by the dashed line in FIG. 9C, the first piezoelectric film 114 is displaced in the opposite direction up to the coercive voltage at which the polarization value becomes zero.
  • the change in the displacement amount of the piezoelectric element 101 behaves as the sum of the displacement amounts of both the first piezoelectric film 114 and the second piezoelectric film 118.
  • the piezoelectric element 101 as a whole can obtain a very large displacement amount on the high voltage side, but the displacement amount in the low voltage region is smaller than the displacement amount obtained with only one piezoelectric film.
  • the piezoelectric element 101 there was a problem in that the piezoelectric characteristics in the low voltage region were low.
  • the piezoelectric element 1 having the configuration shown in FIG. 1 has a seed layer 13 below the first piezoelectric film 14.
  • the first piezoelectric film 14r is formed on the seed layer 13, which improves the crystallinity and increases the hysteresis width compared to the hysteresis curve obtained when the film is formed directly on the electrode.
  • the first piezoelectric film 14r has a larger hysteresis width compared to the second piezoelectric film 18f, as shown in FIG. 2B, and shows a hysteresis curve that includes the origin.
  • the first piezoelectric film 14r of the piezoelectric element 1 is in a poled state, and the spontaneous polarization is aligned in a direction P1 opposite to the direction P2 in which the spontaneous polarization of the second piezoelectric film 18f is aligned (see FIG. 1). Therefore, an electric field Er in the same direction as the direction P1 in which the spontaneous polarization is aligned is also applied to the first piezoelectric film 14r. Since there is no need to reverse the polarization direction P1 in the first piezoelectric film 14r, the piezoelectric element 1 can obtain higher piezoelectric characteristics than the piezoelectric element 101 in the low voltage region.
  • the dashed line shows the change in the amount of displacement when the piezoelectric element 101 in Figure 8 is driven by applying a driving potential of 0 to -V to the driving electrode
  • the solid line shows the change in the amount of displacement when the piezoelectric element 1 in Figure 3 is driven by applying a driving potential of 0 to -V to the driving electrode.
  • Figure 10 is an enlarged view of the low voltage region surrounded by the two-dot chain line in Figure 9C. As shown in Figure 10, the piezoelectric element 1 can obtain a larger displacement in the low voltage region compared to the piezoelectric element 101.
  • a piezoelectric element (see Figure 8) was fabricated that had a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode arranged in that order on a substrate.
  • a piezoelectric element (see Figure 1) was fabricated that had a first electrode, a seed layer, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode arranged in that order on a substrate.
  • piezoelectric elements (see FIG. 3) were fabricated that had a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a seed layer, a second piezoelectric film, and a third electrode in that order on a substrate, as shown in FIG. 3.
  • a sputtering device was used to deposit each layer.
  • the deposition conditions for each layer were as follows:
  • a silicon substrate with a thermal oxide film was used as the substrate 10.
  • a first electrode was formed on the substrate by sputtering. Specifically, as the first electrode, a 50 nm thick TiW layer and a 200 nm thick Ir layer were laminated in this order on the substrate.
  • the sputtering conditions for each layer were as follows:
  • Target-substrate distance 100 mm
  • Target input power 600W
  • Ar gas pressure 0.1 Pa
  • Substrate temperature setting 350° C.
  • a seed layer having a thickness of 30 nm was formed under the following sputtering conditions on the first electrode in Examples 1 to 4, and on the second electrode in Examples 5 to 8.
  • the seed layer in each example was as shown in Table 1.
  • SRO is SrRuO3
  • BRO is BaRuO3
  • PTO is PbTiO3 .
  • Target-substrate distance 100 mm
  • Target input power 500W Degree of vacuum: 0.3 Pa
  • Ar/ O2 mixed atmosphere O2 volume fraction 10%
  • Substrate temperature setting 600° C.
  • the film thickness of the first piezoelectric film was as shown in Table 1 for each example and comparative example. The film thickness was adjusted by changing the film formation time.
  • a Nb-doped PZT film with 12 at % Nb doping in the B site was formed as the second piezoelectric film on the second electrode in the comparative example and examples 1 to 4, and on the seed layer in the examples 5 to 8.
  • the target and sputtering conditions were the same as those for the first piezoelectric film.
  • the laminates for the comparative example and the example were produced using the above process.
  • evaluation sample 1- A rectangular piece measuring 2 mm ⁇ 25 mm was cut out from the laminate to prepare a cantilever as evaluation sample 1.
  • the polarization-voltage (P-V) hysteresis curve was measured using the evaluation sample 2.
  • a voltage was applied until the polarization was saturated under the condition of a frequency of 1 kHz, and measurements were performed.
  • the first electrode 12 was grounded, and a sweep voltage was applied to the first piezoelectric film 14 using the second electrode 16 as a driving electrode.
  • the second electrode 16 was grounded, and a sweep voltage was applied to the second piezoelectric film 18 using the third electrode 20 as a driving electrode.
  • FIG. 11 shows the P-V hysteresis curves for the first and second piezoelectric films of Comparative Example 1.
  • the hysteresis curve of the first piezoelectric film is shown by a dashed line
  • the hysteresis curve of the second piezoelectric film is shown by a solid line.
  • the positive coercive voltage Vc1 + is 7.9V
  • the negative coercive voltage Vc1- is -0.7V.
  • Comparative Example 1 is an example that does not include a seed layer, for convenience, in Table 2, the second piezoelectric film is one piezoelectric film and the first piezoelectric film is the other piezoelectric film.
  • Fig. 12 shows P-V hysteresis curves for the first and second piezoelectric films of Example 1.
  • the hysteresis curve for the first piezoelectric film is shown by a dashed line
  • the hysteresis curve for the second piezoelectric film is shown by a solid line.
  • the positive coercive voltage Vc1 + is 13V
  • the negative coercive voltage Vc1- is -4.2V
  • the positive coercive voltage Vc2 + is 7.3V
  • the negative coercive voltage Vc1- is -1.1V.
  • the first piezoelectric film corresponds to the other piezoelectric film
  • the second piezoelectric film corresponds to one of the piezoelectric films. That is, in Examples 1 to 4, the positive side coercive voltage Vc1 + of the first piezoelectric film corresponds to the positive side coercive voltage Vcr + of the other piezoelectric film, and the negative side coercive voltage Vc1- of the first piezoelectric film corresponds to the positive side coercive voltage Vcr- of the other piezoelectric film.
  • the positive side coercive voltage Vc2 + of the second piezoelectric film corresponds to the positive side coercive voltage Vcf + of one of the piezoelectric films
  • the negative side coercive voltage Vc2- of the second piezoelectric film corresponds to the positive side coercive voltage Vcf- of one of the piezoelectric films.
  • the first piezoelectric film corresponds to one of the piezoelectric films
  • the second piezoelectric film corresponds to the other piezoelectric film.
  • the coercive voltage Vc1 + of the positive side of the first piezoelectric film is the coercive voltage Vcf + of the positive side of one piezoelectric film
  • the coercive voltage Vc1- of the negative side of the first piezoelectric film is the coercive voltage Vcf- of the positive side of one piezoelectric film
  • the coercive voltage Vc2 + of the positive side of the second piezoelectric film is the coercive voltage Vcr + of the positive side of the other piezoelectric film
  • the coercive voltage Vc2- of the negative side of the second piezoelectric film is the coercive voltage Vcr- of the positive side of the other piezoelectric film.
  • Table 2 shows Vc1 + , Vc1 - , Vc2 + , and Vc2 - for each example.
  • Table 2 also shows the results of calculating
  • the piezoelectric constant d31 was measured. Measurement of the piezoelectric constant d 31 was carried out using Evaluation Sample 1. The piezoelectric constant d 31 was measured according to the method described in I. Kanno et al. Sensor and Actuator A 107(2003)68. For Comparative Example 1 and Examples 1 to 4, the second electrode 16 was grounded, and the first electrode 12 and the third electrode 20 were used as driving electrodes, and the piezoelectric constant d 31 was measured. For Examples 5 to 8, the first electrode 12 and the third electrode 20 were grounded, and the second electrode 16 was used as a driving electrode, and the piezoelectric constant d 31 was measured.
  • the piezoelectric constant d 31 was measured when the driving potential (applied potential) was -1, -3, -5, -7, -10, and -15 V.
  • the piezoelectric constant d 31 when the applied potential was -1 V was measured by applying a driving signal obtained by adding a sine wave with an amplitude of 0.5 V to a bias voltage of -0.5 V to the second electrode 16. The measurement results are shown in Table 3.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the driving potential and the piezoelectric constant d 31 for each piezoelectric element.
  • a piezoelectric constant significantly larger than the piezoelectric constant d 31 of the comparative example was obtained when driven in the applied potential range of 0 to -15 V.
  • the applied potential was 0 to -10 V
  • the difference in the piezoelectric constant between the examples and the comparative example was large, and in the range of 0 to -5 V, the difference between the two was particularly noticeable.
  • a first electrode, a first piezoelectric film, a second electrode, a second piezoelectric film, and a third electrode are provided on a substrate in this order;
  • the first piezoelectric film and the second piezoelectric film each contain a perovskite-type oxide as a main component;
  • a seed layer mainly composed of a second perovskite oxide that is lattice-matched to the first perovskite oxide is provided only between the first electrode and the first piezoelectric film or between the second electrode and the second piezoelectric film; one of the first piezoelectric film and the second piezoelectric film, which is not provided on the seed layer, is polarized in a thickness direction due to a spontaneous internal electric field;
  • the other of the first and second piezoelectric films, which is disposed on the seed layer has a polarization-voltage characteristic such that, when a positive coercive voltage is Vc
  • Appendix 2 2. The piezoelectric element according to claim 1, wherein a positive coercive voltage Vcf + and a negative coercive voltage Vcf- in a hysteresis curve showing the polarization-voltage characteristics of one of the piezoelectric films have the same sign.
  • the first perovskite oxide is Pb a ⁇ (Zr x Ti 1-x ) 1-y M y ⁇ O 3 M is a metal element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Sb, Mo and W; 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0.9 ⁇ a ⁇ 1.2 5.
  • the piezoelectric element according to claim 1, wherein the second perovskite oxide has a lattice constant of 0.39 nm to 0.405 nm when considered as a pseudocubic crystal.
  • An actuator comprising: a piezoelectric element according to any one of claims 1 to 14; and a drive circuit that applies a drive voltage to the piezoelectric element, An actuator in which a drive circuit applies an electric field to one piezoelectric film in the same direction as the polarization direction of the other piezoelectric film, and applies an electric field to the other piezoelectric film in the opposite direction to the electric field applied to the one piezoelectric film.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

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、互いに構成元素が同一の第１ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、第１電極と第１圧電膜との間、及び、第２電極と第２圧電膜との間のいずれか一方にのみシード層を備え、シード層上に備えられていない一方の圧電膜は、自発内部電界に起因して膜厚方向に分極しており、シード層上に備えられている他方の圧電膜は、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－とした場合に、｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜を満たし、一方の圧電膜の正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－とした場合に、｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜を満たす。

Description

圧電素子及びアクチュエータ
　本開示は、圧電素子及びアクチュエータに関する。
　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）Ｏ３、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。
　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。
　例えば、特開２０１３－８０８８６号公報には、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、特開２０１３－８０８８６号公報における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、特開２０１３－８０８８７号公報では、第２電極を接地し、第１電極に正電圧（＋Ｖ）、第３電極に負電圧（－Ｖ）を印加する第１の駆動方法、あるいは、第１電極を接地し、第２電極に負電圧（－Ｖ）、第３電極に第２電極よりも絶対値の大きな負電圧（－２Ｖ）を印加する第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。
　また、特開２０１３－８０８８７号公報には、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圧電膜の自発分極が揃う向きと第２圧電膜の自発分極が揃う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（以下においてノンドープ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、ノンドープ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、ノンドープ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。特開２０１３－８０８８７号公報においては、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。
　しかしながら、特開２０１３－８０８８６号公報において、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。
　また、特開２０１３－８０８８７号公報の圧電素子では、非常に良好な圧電性能が得られる。しかし、特開２０１３－８０８８７号公報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圧電膜がノンドープ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。
　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。
　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。
　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、
　ペロブスカイト型酸化物を第１ペロブスカイト型酸化物とした場合に、第１電極と第１圧電膜との間、及び、第２電極と第２圧電膜との間のいずれか一方にのみ、第１ペロブスカイト型酸化物と格子整合する第２ペロブスカイト型酸化物を主成分とするシード層を備え、
　第１圧電膜及び第２圧電膜のうちの一方の圧電膜であって、シード層上に備えられていない圧電膜は、自発内部電界に起因して膜厚方向に分極しており、
　第１圧電膜及び第２圧電膜のうちの他方の圧電膜であって、シード層上に備えられている圧電膜は、分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－とした場合に、
｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
を満たし、
　一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－とした場合に、
　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
を満たし、ここで、抗電圧の単位はいずれも[Ｖ］であり、
　他方の圧電膜は、第１電極上もしくは第２電極上に直接設けられた場合には、自発内部電界に起因して、一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きに分極する圧電膜である。
　一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧Ｖｃｆ＋と、負側の抗電圧Ｖｃｆ－とが同符号であってもよい。
　｜Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－｜／２≧３［Ｖ］
　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦９　[Ｖ］
　かつ、
　１．４≦｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦２．０
を満たすことがより好ましい。
　第１圧電膜の主成分であるペロブスカイト型酸化物と、第２圧電膜の主成分である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ものであってもよい。
　第１ペロブスカイト型酸化物は、
　Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
　ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり、
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．９≦ａ≦１．２
であることが好ましい。
　第２ペロブスカイト型酸化物は導電性を有することが好ましい。
　第２ペロブスカイト型酸化物は、擬立方晶と見做した場合の格子定数が０．３９ｎｍ～０．４０５ｎｍであることが好ましい。
　第２ペロブスカイト型酸化物は、ＳｒＲｕＯ３もしくはＢａＲｕＯ３であることが好ましい。
　シード層が、第１電極と第１圧電膜との間に備えられており、第１圧電膜が他方の圧電膜であることが好ましい。
　第１ペロブスカイト型酸化物における金属元素ＭがＮｂであり、第１圧電膜と第２圧電膜とは、それぞれに含まれる第１ペロブスカイト型酸化物の組成比のうち少なくともｙが同一であることが好ましい。
　駆動時おいて、一方の圧電膜に、その一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きの電界が印加され、他方の圧電膜に、一方の圧電膜に印加される電界と逆向きの電界が印加されることが好ましい。
　第２電極が接地電位に維持され、第１電極及び第３電極が、第１圧電膜及び第２圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極であってもよい。
　第１電極及び第３電極が接地電位に維持され、第２電極が、第１圧電膜及び第２圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極であってもよい。
　第１電極と第３電極が接続されていてもよい。
　本開示のアクチュエータは、本開示の圧電素子と、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、
　駆動回路は、一方の圧電膜に、一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜に、一方の圧電膜に印加される電界と逆向きの電界を印加する。
　本開示の技術によれば、低電圧で高い圧電性能が得られる圧電素子及びアクチュエータを低コストに提供することができる。
一実施形態の圧電素子の断面図である。 図２Ａは一方の圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図であり、図２Ｂは他方の圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。 変形例の圧電素子の断面図である。 アクチュエータの概略構成を示す図である。 変形例のアクチュエータの概略構成を示す図である。 変形例の圧電素子を備えたアクチュエータの概略構成を示す図である。 変形例の圧電素子の断面図である。 積層型圧電素子の問題点を説明するための図である。 図９Ａは第１圧電膜１１４のヒステリシス曲線であり、図９Ｂは第２圧電膜１１８のヒステリシス曲線であり、図９Ｃは、圧電素子１０１の電圧に対する変位量を示す図である。 本実施形態の圧電素子の効果の説明図である。 比較例１の第１圧電膜及び第２圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。 実施例１の第１圧電膜及び第２圧電膜の分極－電圧ヒステリシス曲線を示す図である。 実施例及び比較例の圧電素子についての低電圧領域における圧電定数ｄ３１の電圧依存性を示すグラフである。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面においては、視認容易のため、各層の層厚及びそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の層厚及び比率を反映したものではない。
　図１は、一実施形態の圧電素子１の層構成を示す断面模式図である。図１に示すように、圧電素子１は、基板１０上に、第１電極１２、第１圧電膜１４、第２電極１６、第２圧電膜１８及び第３電極２０をこの順に備えている。
　基板１０としては特に制限なく、シリコン、ガラス、ステンレス鋼、イットリウム安定化ジルコニア、アルミナ、サファイヤ、シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板１０としては、シリコン基板の表面にＳｉＯ２酸化膜が形成された熱酸化膜付きシリコン基板等の積層基板を用いてもよい。また、基板１０としては、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＥＮ（polyethylene naphthalata）、及びポリイミド等の樹脂基板を用いてもよい。
　第１電極１２は基板１０上に形成されている。第１電極１２の主成分としては特に制限なく、Ａｕ（金），Ｐｔ（プラチナ），Ｉｒ（イリジウム），Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）等の金属または金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。また、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などを用いてもよい。
　第２電極１６は第１圧電膜１４の上に積層されており、第３電極２０は第２圧電膜１８の上に積層されている。第１電極１２と第２電極１６は対になって第１圧電膜１４に電圧を印加する。また、第２電極１６と第３電極２０は対になって第２圧電膜１８に電圧を印加する。
　第２電極１６及び第３電極２０の主成分としては特に制限なく、第１電極１２で例示した材料の他、Ｃｒ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。
　第１電極１２、第２電極１６及び第３電極２０の厚みは特に制限なく、５０ｎｍ～３００ｎｍ程度であることが好ましく、１００ｎｍ～３００ｎｍがより好ましい。
　第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、それぞれ一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を主成分とする。本明細書において、主成分とは８０ｍｏｌ％以上を占める成分をいう。第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、それぞれ９０ｍｏｌ％以上をペロブスカイト型酸化物が占めることが好ましく、第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、ペロブスカイト型酸化物からなる（但し、不可避不純物を含む。）ことがより好ましい。第１圧電膜１４の主成分であるペロブスカイト型酸化物と、第２圧電膜１８の主成分であるペロブスカイト型酸化物は異なる構成元素から構成されるものあってもよいし、互いの構成元素が同一であってもよい。なお、「構成元素が同一である」とは、含有する元素が同一であることを意味するが、組成比は異なっていてもかまわない。
　第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、ＡサイトにＰｂ（鉛），ＢサイトにＺｒ（ジルコニウム），Ｔｉ（チタン）及び金属元素Ｍを含むペロブスカイト型酸化物を主成分とすることが好ましい。このペロブスカイト型酸化物は以下の一般式で表される。
　Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
　ここで、金属元素ＭはＶ（バナジウム），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｓｂ（アンチモン），Ｍｏ（モリブデン）及びＷ（タングステン）の中から選択される１以上の元素である。また、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．９≦ａ≦１．２である。以下において、Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３をＭ添加ＰＺＴという。なお、例えば、金属元素ＭがＮｂである場合、Ｎｂ添加ＰＺＴという。Ｐｂのモル比ａは１が基準であるが、０．９≦ａ≦１．２の範囲であれば、ペロブスカイト型構造を取りえる。
　金属元素Ｍは、Ｖのみ、あるいはＮｂのみ等の単一の元素であってもよいし、ＶとＮｂとの混合、あるいはＶとＮｂとＴａの混合等、２あるいは３以上の元素の組み合わせであってもよい。金属元素Ｍがこれらの元素である場合、Ａサイト元素のＰｂと組み合わせて非常に高い圧電定数を実現することができる。
　特には、金属元素ＭがＮｂであるＰｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙＯ３が最適である。このとき、ｙ＞０．１で、より高い圧電定数を得ることができる。ＭがＮｂであるＮｂ添加ＰＺＴを用いて、スパッタ等の気相成長法による圧電膜を成膜すると、非常に高い圧電定数を有する圧電膜を得ることができる。
　第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、いずれもが、Ｎｂ添加ＰＺＴを主成分とすることが好ましい。この場合、第１圧電膜１４の主成分であるＮｂ添加ＰＺＴと第２圧電膜１８の主成分であるＮｂ添加ＰＺＴとのＮｂ組成比同士が同一であることが好ましい。すなわち、第１圧電膜１４中のＰｂ組成比をａ１、Ｚｒ組成比をｘ１、Ｍ組成比をｙ１とし、第２圧電膜１８中のペロブスカイト型酸化物のＰｂ組成比をａ２、Ｚｒ組成比をｘ２、Ｍ組成比をｙ２とした場合、ｙ１＝ｙ２であることが好ましい。さらには、ｙ１＝ｙ２であると共に、ｘ１とｘ２が同一であることがより好ましい。ここで、組成比が同一であるとは、測定誤差の範囲で等しいことを意味する。組成の測定方法としては、ＩＣＰ（Inductively Couples Plasma）発光分光あるいはＸＲＦ（X-ray Fluorescence）など複数の分析方法がある。例えばＸＲＦで組成分析を行った場合、測定誤差は０．００５程度である。
　なお、ＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物においては、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）及びその近傍で高い圧電特性を示すといわれている。Ｚｒ：Ｔｉ（モル比）＝５２：４８近傍がＭＰＢ組成であり、上記一般式では、ＭＰＢ組成又はその近傍であることが好ましい。「ＭＰＢ又はその近傍」とは、圧電膜に電界を印加した際に相転移を生じる領域のことである。具体的には、Ｚｒ：Ｔｉ（モル比）は４５：５５～５５：４５の範囲内、すなわちｘ＝０．４５～０．５５の範囲内であることが好ましい。
　第１圧電膜１４の膜厚ｔ１及び第２圧電膜１８の膜厚ｔ２は０．２μｍ以上５μｍ以下が好ましく１μｍ以上がより好ましい。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８の膜厚は同一であってもよいし、異なっていてもよい。第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８は、２μｍ以下であることが好ましい。
　上記第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８の主成分であるペロブスカイト型酸化物を第１ペロブスカイト型酸化物とした場合において、本実施形態の圧電素子１は、第１電極１２と第１圧電膜１４との間に第２ペロブスカイト型酸化物を主成分とするシード層１３を備えている。第２ペロブスカイト型酸化物は、第１ペロブスカイト型酸化物と格子整合する。また、第２ペロブスカイト型酸化物は、第１ペロブスカイト型酸化物（第１圧電膜１４の主成分であるペロブスカイト型酸化物及び第２圧電膜１８の主成分であるペロブスカイト型酸化物）とは異なる組成のペロブスカイト型酸化物である。
　シード層１３を備えることによって、上層に形成される圧電膜（ここでは第１圧電膜１４）の結晶性を向上させることができる。シード層１３上に形成される圧電膜は、エピタキシャル成長したエピタキシャル膜となる。
　第２ペロブスカイト型酸化物は、擬立方晶と見做した場合の格子定数が０．３９ｎｍ～０．４０５ｎｍであることが好ましい。格子定数がこの範囲である場合、Ｍ添加ＰＺＴからなるペロブスカイト型酸化物に対して格子整合するため、第１ペロブスカイト型酸化物がＭ添加ＰＺＴである場合、上層に形成される圧電膜の結晶性を向上させることができる。
　第２ペロブスカイト型酸化物の具体例としては、ＳｒＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３及びＰｂＴｉＯ３等が挙げられる。これらは、導電性を有し、かつ擬立方晶と見做した場合の格子定数が０．３９ｎｍ～０．４０５ｎｍである。
　シード層１３の主成分である第２ペロブスカイト型酸化物は、導電性を有することが好ましい。なお、導電性を有するとは電極として機能する程度の電気抵抗率であることを意味し、ここでは、２０℃における電気抵抗率が１０－5Ω・ｍ以下である場合に導電性を
有すると見做す。シード層１３が導電性を有するものであれば、シード層１３の下層の電極（本例では第１電極１２）と共に圧電膜へ駆動電圧を印加する電極として機能させることができる。
　図２Ａは、第２圧電膜１８を挟む一対の電極１６、２０のうちの下部電極である第２電極１６を接地し、上部電極である第３電極２０を駆動電極とし、第２圧電膜１８に掃引電圧を印加して取得されるＰ－Ｖヒステリシス曲線の模式図である。そして、図２Ｂは、第１圧電膜１４を挟む一対の電極１２、１６のうちの下部電極である第１電極１２を接地し、上部電極である第２電極１６を駆動電極とし、第１圧電膜１４に掃引電圧を印加して取得されるヒステリシス曲線の模式図である。
　本例では、基板１０側の電極（第２電極１６）との間にシード層１３を備えていない第２圧電膜１８が特許請求の範囲における一方の圧電膜に相当する。そして、基板１０側の電極（第１電極１２）との間にシード層１３を備えている第１圧電膜１４が特許請求の範囲における他方の圧電膜に相当する。
　なお、図２Ａにおいて、第２圧電膜１８が一方の圧電膜であることを示し、後述する図３の圧電素子２における第２圧電膜１８と区別するため、圧電素子１における第２圧電膜１８を第２圧電膜１８ｆと示している。そして、第１圧電膜１４が一方の圧電膜であることを示し、後述する図３の圧電素子２における第１圧電膜１４と区別するため、圧電素子１における第１圧電膜１４を第１圧電膜１４ｒと示している。
　本例において、第２圧電膜１８は、外部電界が印加されていない状態で膜厚方向に自発分極が膜厚方向上向きに揃っており、膜厚方向上向きに分極している膜である。図１中の矢印Ｐ２は分極の向きを示しており、以下において分極の向きＰ２という。なお、本明細書において、基板１０を基準として、基板１０から離れる方向を上、基板１０に近づく方向を下と規定する。なお、圧電膜中の自発分極が揃っているかどうか、及びその自発分極が揃っている向きは、圧電膜の分極－電圧特性（又は分極－電界特性）を示すＰ－Ｖヒステリシス曲線（又はＰ－Ｅヒステリシス曲線）を測定することにより確認することができる。
　本例において、第２圧電膜１８は、ポーリング処理されることなく、成膜直後の状態で、自発分極の向きが揃っており、膜厚方向に分極している膜である。ポーリング処理を施されていない圧電膜であって、外部電界が印加されていない状態で自発分極の向きが揃うのは、圧電膜内に結晶構造の歪や欠陥などに起因した電界（以下において自発内部電界と称する。）が生じているためと考えられる。第２圧電膜１８は、このような自発内部電界に起因して膜厚方向に揃った自発分極を有する。第２圧電膜１８は、自発分極が膜厚方向に揃うことによって外部電界が印加されていない状態で膜厚方向に分極した圧電膜である。圧電膜は自発分極した多数の分域（ドメイン）から構成される。本明細書において、「自発分極が特定の向きに揃う」とは、特定の向きの自発分極成分が相対的に他の向きの自発分極成分よりも多い状態を意味する。圧電膜中において特定の向きの自発分極成分が相対的に他の向きの自発分極成分よりも多ければ、その特定の向きに分極した膜となる。なお、膜全体として特定の向きの自発分極成分が最大成分となっていれば（すなわち、膜が特定の向きに分極していれば）、圧電膜中に、さまざまな向きの自発分極が存在している状態であっても、自発分極が特定の向きに揃っている状態であると看做す。以下において、分極の向きＰ２を、自発分極の揃う向きＰ２という場合がある。
　自発内部電界が生じていない圧電膜の場合、Ｐ－Ｅヒステリシス曲線（又はＰ－Ｖヒステリシス曲線）はその中心が原点と一致するような形状を描く。一方、図２Ａに示すように、自発内部電界が生じている圧電膜、すなわち、外部電界が印加されていない状態で自発分極の向きが揃っている圧電膜の場合、その自発内部電界に自発分極の向きが揃うため、ヒステリシス曲線の中心が原点からずれる（シフトする）。Ｐ－Ｅヒステリシス曲線の場合、自発内部電界をＥｉ、外部から印加される外部電界ＥｏとするとＥｉ＋Ｅｏの電界が印加されることになるので、自発内部電界Ｅｉの分だけヒステリシス曲線の中心が原点からシフトする。なお、Ｐ－Ｖヒステリシス曲線の場合、自発内部電界Ｅｉと膜厚の積の分だけヒステリシス曲線の中心が原点からシフトすることになる。従って、測定されたヒステリシス曲線の中心が原点からシフトしている場合、自発内部電界が生じている、と見做すことができる。ヒステリシス曲線の中心の原点からのシフト量は自発分極の揃う度合いに比例しており、シフト量が大きいほど自発内部電界が大きいことを意味する。また、このヒステリシス曲線の原点からのシフト方向によって、自発分極が揃っている向きを特定することができる。なお、Ｐ－Ｖヒステリシス曲線の場合、ヒステリシス曲線の中心は、後述する２つの抗電圧間の中点と定義する。
　抗電圧とは、ヒステリシス曲線において、分極がゼロになる電圧であり、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、１つのヒステリシス曲線に２つの抗電圧がある。正側の抗電圧とは、２つの抗電圧のうち相対的に正電圧側（図中右側）の抗電圧を指し、負側とは相対的に負電圧側（図中左側）の抗電圧を指す。この一方の圧電膜である第２圧電膜１８ｆの分極－電圧特性を示すＰ－Ｖヒステリシス曲線において、正側の抗電圧をＶｃｆ＋とし、負側の抗電圧をＶｃｆ－とする。図２Ａで示す例では、正側の抗電圧Ｖｃｆ＋と負側の抗電圧Ｖ
ｃｆ－とはいずれも正（＋）の符号である。正側の抗電圧と負側の抗電圧とが同符号であるとは、図２Ａに示すように、Ｐ－Ｖヒステリシスが、そのヒステリシス曲線の内側の領域に原点を含まないことを意味する。本例は、一方の圧電膜で有る第２圧電膜１８ｆにおいて、２つの抗電圧が同符号であるが、正側の抗電圧が正の値であり、負側の抗電圧が負の値であってもかまわない。
　なお、図２Ａに示すヒステリシスにおいて、抗電圧の差Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－の絶対値はヒステリシスの幅ΔＶｃｆであり、抗電圧の和の半分（Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－）／２はヒステリシスの中心Ｈｃｆを示す。ヒステリシスの中心Ｈｃｆが原点から正電圧側にシフトしており、これは、第２圧電膜１８ｆが自発内部電界を有するものであることを示す。また、ヒステリシスの中心Ｈｃｆの正電圧側へシフトは、正電圧が印加された際の電界の向きと逆の向きに自発内部電界が生じていることを示す。すなわち、自発内部電界が基板側から膜厚方向上向きにあり、自発分極は膜厚方向上向きに揃っていることを示す。
　図２Ａは、第２圧電膜１８ｆの上部電極である第３電極２０に正の電位を与えた場合を正電圧、負の電位を与えた場合を負電圧として示している。従って、正電圧は、第３電極２０から第２電極１６に向かう電界、すなわち、第２圧電膜１８ｆに基板１０に向かう下向きの電界が生じている状態であり、負電圧は、第２電極１６から第３電極２０に向かう電界、すなわち第２圧電膜１８ｆに基板１０から離れる上向きの電界が生じている状態である。同様に、図２Ｂは、第１圧電膜１４ｒの上部電極である第２電極１６に正の電位を与えた場合を正電圧、負の電位を与えた場合を負電圧として示している。従って、正電圧は、第２電極１６から第１電極１２に向かう電界、すなわち、第１圧電膜１４ｒに基板１０に向かう下向きの電界が生じている状態であり、負電圧は、第１電極１２から第２電極１６に向かう電界、すなわち第１圧電膜１４ｒに基板１０から離れる上向きの電界が生じている状態である。
　一方、第１圧電膜１４ｒはシード層１３上に備えられており、図２Ｂに示す分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－とした場合に、
｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
を満たす。ここで、抗電圧の単位はいずれも[Ｖ］である。
　上記式の右辺は抗電圧の差の絶対値であり、ヒステリシス曲線の幅ΔＶｃｒを示す。また、既述の通り、ヒステリシス曲線の中心は、（Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－）／２で表される。従って、（Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－）／２の絶対値は、ヒステリシス曲線のシフト量を示す。上記式は、
｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜／２＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／２
と同義であり、ヒステリシス曲線のシフト量がヒステリシス幅の半分未満であること、すなわち、ヒステリシス曲線が原点を含んでいることを意味する。
　また、第１圧電膜１４ｒは、膜厚方向に分極しており、その分極の向きＰ１は、第２圧電膜１８ｆの分極の向きＰ２と逆向きである。すなわち、第１圧電膜１４においては、自発分極が第２圧電膜１８ｆの自発分極の揃う向きと逆向きに揃っている。第１圧電膜１４は、ポーリング処理によって自発分極が揃えられ、第２圧電膜１８ｆの分極の向きＰ２と逆向きに分極した膜である。
　なお、図２Ｂに示す通り、第１圧電膜１４ｒのヒステリシス曲線の中心Ｈｃｒは原点から正電圧側にシフトしており、自発内部電界を有するものであることを示す。すなわち、第１圧電膜１４ｒは第２圧電膜１８ｆと同様に内部自発電界を有する。
　一方、第１圧電膜１４のヒステリシス曲線の幅は、第２圧電膜１８のヒステリシス曲線の幅よりも大きい。
　すなわち、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは、
｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
の関係を満たす。
　第１圧電膜１４のヒステリシス曲線は原点を含み、かつ、ヒステリシス曲線の幅が大きいので、内部自発電界の向きとは逆向きの電界を印加するポーリング処理を行うことにより、分極させることができる。すなわち、正電圧の外部電圧を飽和分極に至るまで印加させた後に外部電圧を０とした場合に、正電圧の際の電界の向きの分極（残留分極Ｐｒ）が残る。
　なお、シード層１３上に形成される他方の圧電膜である第１圧電膜１４は、シード層１３を介することなく、直接、第１電極１２上に設けられた場合には自発内部電界に起因して、一方の圧電膜である第２圧電膜１８の分極の向きと同じ向きに分極する圧電膜である。すなわち、第１圧電膜１４は、シード層１３上に形成されることにより、図２Ｂに示すヒステリシスを示す膜となっているが、シード層１３上に形成、第１電極１２に形成された場合には、図２Ａに示すヒステリシスと同様あるいは類似したヒステリシスを示す膜となるような圧電材料から構成されている。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すヒステリシス特性を有する第２圧電膜１８ｆ及び第１圧電膜１４ｒは、例えば、Ｎｂ添加ＰＺＴの同一のターゲットを用いてスパッタ成膜することにより得ることができる。同一のターゲットを用いた場合であっても、第１圧電膜１４ｒをシード層１３上に成膜し、第２圧電膜１８ｆを成膜し、シード層１３のない第２電極１６上に成膜することで、結晶性の異なる圧電膜を得ることができる。シード層１３上に成膜された圧電膜は、シード層１３を備えず電極上に成膜された圧電膜と比較して結晶性が高く、配向性が高いペロブスカイト型構造となり、図２Ｂに示すようなヒステリシス幅の広いヒステリシス曲線を示す。
　本圧電素子１は、例えば、第２圧電膜１８ｆに対して、図２Ａにおいて二点鎖線で囲む範囲、第１圧電膜１４ｒに対して図２Ｂにおいて二点鎖線で囲む範囲の電圧が印加されて、駆動される。この場合、第２圧電膜１８ｆに対しても、第１圧電膜１４ｒに対してもそれぞれ自発分極が揃った向きと同じ向きの電界をかけることになるため、低電圧領域で良好な圧電性能を得ることができる。
　本圧電素子１は、既述の通り、それぞれペロブスカイト型酸化物を主成分とする２層の圧電膜が電極を挟んで積層されており、２層の圧電膜のうちの一方の圧電膜（本例では、第２圧電膜１８）は電極（本例では、第２電極１６）上に形成され、他方の圧電膜（本例では、第１圧電膜１４）は電極（本例では、第１電極１２）上に形成されたシード層１３上に形成されている。一方の圧電膜は、自発内部電界に起因して膜厚方向に揃った自発分極を有し、他方の圧電膜は、ヒステリシス曲線がそのループ内側に原点を含み、かつ、一方の圧電膜のヒステリシス幅よりも広いヒステリシス幅を有する。本構成により、圧電素子１を、一方の圧電膜（本例では第２圧電膜１８）に、分極の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜（本例では第１圧電膜１４）に、一方の圧電膜に印加される電界と逆向きの電界を印加して駆動した場合に、低電圧領域で良好な圧電性能を得ることができる。ここで、低電圧領域とは、民生用機器に組み込む場合を想定した場合に好適な電圧領域であり、具体的には、絶対値が１２Ｖ以下の電圧領域をいう。なお、７Ｖ以下、さらには５Ｖ以下の電圧で高い圧電性能が得られることが好ましい。
　なお、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは、
　｜Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－｜／２≧３［Ｖ］
　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦９　[Ｖ］
　かつ、
　１．４≦｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦２．０
を満たすことがより好ましい。
　１．４≦｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦１．９
がより好ましい。
　すなわち、シード層のない電極上に形成された一方の圧電膜（ここでは、第２圧電膜１８ｆ）のヒステリシス幅が９Ｖ以下、シフト量が３Ｖ以下のように、シフト量が大きく、ヒステリシス幅が狭い場合において、シード層上に形成された他方の圧電膜（ここでは、第１圧電膜１４ｒ）のヒステリシス幅が一方の圧電膜のヒステリシス幅の１．４倍以上、２．０倍以下であることが好ましい（後記、実施例参照。）。シード層のない電極上に形成された一方の圧電膜（ここでは、第２圧電膜１８ｆ）のヒステリシス幅が９Ｖ以下、シフト量が３Ｖ以下のように、シフト量が大きく、ヒステリシス幅が狭い場合に、同じヒステリシス曲線を有する圧電膜を２層備えた場合と比較して、低電圧領域における圧電性能向上の効果が特に高い。
　上述の通り、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８は、共にＭ添加ＰＺＴからなるペロブスカイト型酸化物を主成分とするので、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは１つのターゲットを用いて成膜することができる。１つのターゲットで第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８を成膜することにより、異なるターゲットを用いる場合と比較して低コスト化が図れる。
　なお、図１に示した圧電素子１においては、第１圧電膜１４と第１電極１２との間にシード層１３を備えているが、図３に示す圧電素子２のように、第１圧電膜１４と第１電極１２との間にはシード層１３を備えず、第２圧電膜１８と第２電極１６との間にシード層を備えてもよい。なお、図３以降の図面において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。図３に示す圧電素子２の場合には、第１電極１２上にシード層１３を介することなく形成された第１圧電膜１４が、自発内部電界に起因して膜厚方向に自発分極が揃うことにより矢印Ｐ２１で示す向きに分極した圧電膜である。第１圧電膜１４は、図２Ａに示すヒステリシス特性を示す。そして、シード層１３上に形成された第２圧電膜１８が、図２Ｂに示すヒステリシス特性を示す圧電膜である。第２圧電膜１８は、第１圧電膜１４の分極の向き２１と逆向きＰ２２に分極している。すなわち、第２圧電膜１８の自発分極は、第１圧電膜１４の自発電極の揃った向きＰ２１と逆向きに揃っている。図３の圧電素子２の場合には、第１圧電膜１４が特許請求の範囲における一方の圧電膜に相当し、第２圧電膜１８が他方の圧電膜に相当する。以下において、一方の圧電膜である第１圧電膜１４を第１圧電膜１４ｆ、他方の圧電膜である第２圧電膜１８を第２圧電膜１８ｒという場合がある。
　但し、図１に示す圧電素子１のように、基板１０側に配置される第１圧電膜１４の下層にシード層１３を備えることがより好ましい。シード層１３上に成膜することにより第１圧電膜１４の結晶性が向上することにより、表面のラフネスを抑制できる。基板側に配置される第１圧電膜１４の表面ラフネスが小さければ、その後に成膜される第２圧電膜１８の表面ラフネスも抑制することができる。第１圧電膜１４及び第２圧電膜１８の表面ラフネスは小さい方がより高い圧電特性が得られる傾向にある。
　図４に圧電素子１を備えたアクチュエータ５の概略構成を示す。アクチュエータ５は、圧電素子１と駆動回路３０とを備える。
　駆動回路３０は、圧電素子１を駆動するために電極間に挟まれた第１圧電膜１４ｒ及び第２圧電膜１８ｆに駆動電圧を供給する手段である。本例においては、第２電極１６が駆動回路３０のグランド端子（ＧＮＤ）に接続され、第１電極１２と第３電極２０が、駆動回路３０の駆動電圧出力端子（－Ｖ）に接続されている。これにより、駆動回路３０は、第１圧電膜１４ｒと第２圧電膜１８ｆに互いに逆向きの電界を印加する。本例において、駆動回路３０は、一方の圧電膜である第２圧電膜１８ｆに自発分極が揃った向き（分極の向き）Ｐ２と同じ向きの電界Ｅｆを印加し、他方の圧電膜である第１圧電膜１４ｒに第２圧電膜１８ｆに印加する電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒを印加する。駆動回路３０は、駆動電極（ここでは第２電極１６）に負の電位を与えるマイナス駆動回路である。
　図４に示すアクチュエータ５において、圧電素子１は、第２電極１６が接地電位とされ、第１電極１２と第３電極２０が駆動電極として用いられる。本例では、圧電素子１は、駆動時において、駆動電極（ここでは第１電極１２と第３電極２０）に負電位（－Ｖ）が与えられる。これにより、一方の圧電膜である第２圧電膜１８に、自発分極の揃った向き（分極の向き）Ｐ２と同じ向きの電界Ｅｆが印加され、他方の圧電膜である第１圧電膜１４に、第２圧電膜１８に印加する電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒが印加される。
　なお、圧電素子１は第１電極１２と第３電極２０とは接続されていることが好ましい。第１電極１２と第３電極２０が接続されていれば、駆動制御が容易である。
　これに対し、図５に示す変形例のアクチュエータ６のように、駆動回路３２として、駆動電極に正の電位を与えるプラス駆動回路を備えてもよい。図５に示す例では、第１電極１２と第３電極２０が、駆動回路３２のグランド端子に接続され、第２電極１６が、駆動回路３２の駆動電圧出力端子に接続されている。すなわち、第１電極１２と第３電極２０が接地電位とされ、第２電極１６が駆動電極として機能する。この場合も、駆動回路３２により、第２圧電膜１８ｆに自発分極が揃う向き（分極の向き）Ｐ２と同じ向きの電界Ｅｆを印加し、第１圧電膜１４ｒに第２圧電膜１８ｆに印加する電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒを印加することができる。
　アクチュエータ５、６は、駆動回路３０、３２として、１つの極性の駆動回路のみを備えており、低コストに実現できる。アクチュエータ５、６は、上記圧電素子１を備えるので、低電圧領域で大きな圧電性能が得られる。
　図６に示すアクチュエータ７においては、図３で示した圧電素子２を備えている。圧電素子２は、図２Ａに示すヒステリシス曲線を有する一方の圧電膜である第１圧電膜１４ｆと、図２Ｂに示すヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜である第２圧電膜１８ｒを備える。この場合、図６に示すように、一方の圧電膜である第１圧電膜１４ｆに分極の向きＰ２１の向きと同じ向きの電界Ｅｆを印加し、他方の圧電膜である第２圧電膜１８ｒに第１圧電膜１４ｆに印加する電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒを印加することで、１つの極性の駆動回路によって、低電圧領域で良好な圧電性能を得ることができる。
　図６に示すアクチュエータ７では、第１電極１２及び第３電極２０が駆動回路３４のグランド端子に接続され、第２電極１６が駆動回路３４の駆動電圧出力端子に接続されている。すなわち、第１電極１２及び第３電極２０が接地電位とされ、第２電極１６が駆動電極として機能する。駆動回路３４は駆動電極である第２電極１６に負の電位を与えマイナス駆動を実行するマイナス駆動回路である。駆動回路３４は、一方の圧電膜である第１圧電膜１４ｆに分極の向きＰ２１と同じ向きの電界Ｅｆを印加し、他方の圧電膜である第２圧電膜１８ｒに第１圧電膜１４ｆに印加する電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒを印加する。
　なお、アクチュエータとしては、圧電素子２とプラス駆動回路とを備え、第２電極１６をグランド端子に接続して、接地電位とし、第１電極１２及び第３電極２０を駆動電力出力端子に接続して、駆動電極として機能するように構成してもよい。
　上述の圧電素子１、２は、いずれも、２層の圧電膜が積層され２層積層型の圧電素子であるが、本開示の圧電素子としては、２層に限らず、３層以上の圧電膜を備えていてもよい。シード層１３上に形成された第１圧電膜１４（１４ｒ）と第２電極１６上に形成された第２圧電膜１８（１８ｆ）を交互に複数備えてもよいし、第１電極１２上に形成された第１圧電膜１４（１４ｆ）とシード層１３上に形成された第２圧電膜１８（１８ｒ）を交互に複数備えていてもよい。図７に示す圧電素子３は、基板１０上に、第１電極１２、シード層１３、第１圧電膜１４ｒ、第２電極１６、第２圧電膜１８ｆ、第３電極２０、シード層１３、第１圧電膜１４ｒ、第２電極１６、第２圧電膜１８ｆ及び第３電極２０が順に積層されている。このように、図２Ａに示すヒステリシス曲線を有する一方（ここでは、第２圧電膜１８）の圧電膜と、図２Ｂに示すヒステリシス曲線を有する他方の圧電膜（ここでは、第１圧電膜１４）とが、電極を介して交互に複数層備えられていてもよい。
　ここで、図２Ａのヒステリシス曲線を示す圧電膜を積層した場合の問題点及び圧電素子１が低電圧領域で大きな圧電性能を示す原理について説明する。
　比較例として、図８に示すように、図１に示した層構成の圧電素子１と同様の積層構造であるが、第１圧電膜１１４と第２圧電膜１１８が、いずれも図２Ａに示すヒステリシス曲線を示す圧電膜である圧電素子１０１の圧電性能について説明する。
　図８に示す圧電素子１０１は、第１圧電膜１１４及び第２圧電膜１１８のいずれの下層にもシード層１３を備えておらず、第１圧電膜１１４及び第２圧電膜１１８はいずれも、自発内部電界起因して膜厚方向上向きに揃った自発分極を有し、分極の向きＰ３１、Ｐ３２はいずれも膜厚方向上向きである。
　図９Ａ及び図９Ｂは、図８に示す圧電素子１０１の第１圧電膜１１４及び第２圧電膜１１８について、それぞれの下部電極を接地し、上部電極を駆動電極として取得されるヒステリシス曲線を示す。第１圧電膜１１４と第２圧電膜１１８は、例えば、Ｎｂ添加ＰＺＴ膜からなる第１ペロブスカイト型酸化物を主成分とする圧電膜である。
　圧電素子１０１をマイナス駆動回路である駆動回路３０により駆動させる場合、例えば、図８に示すように、第２電極１６を接地電位とし、第１電極１２及び第３電極２０を駆動電極とする。これにより、第１圧電膜１１４と第２圧電膜１１８には互いに逆向きの電界が印加されることになる。駆動電極である第１電極１２及び第３電極２０に負の駆動電位（－Ｖ）を印加すると、第２圧電膜１１８に対しては、自発分極の揃う向き（分極の向き）Ｐ３２と同じ向きの電界Ｅｆが印加され、第１圧電膜１１４に対しては、第２圧電膜１１８に印加される電界Ｅｆと逆向きの電界Ｅｒが印加される。
　図８における駆動電極に負の電位－Ｖを印加して圧電素子１０１を駆動する場合、第２圧電膜１１８については、図９Ｂにおいて破線で囲む第３象限の分極変化を利用することになり、第１圧電膜１１４については、図９Ａにおいて破線で囲む第４象限から第１象限に亘る分極変化を利用することになる。
　図８の第３電極２０に印加する駆動電位を、０から－Ｖまで変化させた場合、第２圧電膜１１８には分極の向きＰ３２と同じ向きの電界Ｅｆが印加されるので、図９Ｂのグラフの下方に分極の変化を矢印の大小で模式的に示すように、電圧が大きくなるにつれて分極が大きくなる。したがって、第２圧電膜１１８の変位量は図９Ｃ中に一点鎖線ＩＩで示すように、Ｖが大きくなるほど大きくなる。一方、図８の第１電極１２に印加する駆動電位を、０から－Ｖまで変化させた場合、第１圧電膜１１４には分極の向きＰ３１とは反対の向きの電界Ｅｒが印加される。そのため、図９Ａのヒステリシス曲線の下方に分極の変化を矢印の向き及び大小で示すように分極は、駆動電位が０から－Ｖへ変化するのに伴い、分極が徐々に小さくなり、その後、抗電圧で分極が反転した後、電界Ｅｒと同じ向きの分極が徐々に大きくなる。したがって、第１圧電膜１１４は図９Ｃ中に破線で示すように、分極の値が０になる抗電圧までは逆向きに変位する。圧電素子１０１としての変位量の変化は、第１圧電膜１１４と第２圧電膜１１８の両者の変位量を加算した振る舞いをする。そのため、図９Ｃに実線で示すように、圧電素子１０１全体としては、高電圧側では、非常に大きな変位量が得られるが、低電圧領域における変位量は、１層の圧電膜のみで得られる変位量よりも小さくなってしまう。このように、圧電素子１０１の場合には、低電圧領域における圧電特性が低い、という問題があった。
　図８に示した圧電素子１０１に対し、図１に示す構成の圧電素子１では、第１圧電膜１４の下層にシード層１３を備えている。第１圧電膜１４ｒは、シード層１３上に形成されることにより、結晶性が向上し、電極上に直接形成された場合に得られるヒステリシス曲線と比べてヒステリシス幅が大きくなっている。具体的には既に述べた通り、第１圧電膜１４ｒは、図２Ｂに示したように、第２圧電膜１８ｆと比較してヒステリシス幅が大きくなっており、原点を含むヒステリシス曲線を示す。
　圧電素子１０１の場合と同様に、圧電素子１に対して、第２圧電膜１８ｆに膜厚方向上向きの電界Ｅｆ、第１圧電膜１４ｒに膜厚方向下向きの電界Ｅｒを印加した場合（図４参照）、第２圧電膜１８ｆについては、図２Ａにおいて破線で囲む第３象限の分極変化を利用することになり、第１圧電膜１４ｒについては、図２Ｂにおいて破線で囲む第１象限の分極変化を利用することになる。
　圧電素子１０１の第１圧電膜１１４の場合と異なり、圧電素子１の第１圧電膜１４ｒはポーリングされた状態にあり、第２圧電膜１８ｆの自発分極の揃う向きＰ２と逆向きＰ１に自発分極が揃っている（図１参照）。そのため、第１圧電膜１４ｒに対しても、自発分極が揃っている向きＰ１と同じ向きの電界Ｅｒが印加される。第１圧電膜１４ｒにおいて、分極の向きＰ１を反転させる必要がないため、圧電素子１は、低電圧領域側で圧電素子１０１よりも高い圧電特性が得られる。
　図１０には、図８の圧電素子１０１の駆動電極に０から－Ｖの駆動電位を与えて駆動した場合の変位量の変化を破線で示し、図３の圧電素子１の駆動電極に０から－Ｖの駆動電位を与えて駆動した場合の変位量の変化を実線で示している。なお、図１０は、図９Ｃ中の二点鎖線で囲む低電圧領域を拡大して示した図である。図１０に示すように、圧電素子１は、圧電素子１０１と比較して、低電圧領域で大きな変位が得られる。
　以下、本開示の圧電素子の具体的な実施例及び比較例について説明する。最初に、各例の圧電素子の構成及び作製方法について説明する。
　比較例として、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電極を順に備えた圧電素子（図８参照）を作製した。
　実施例１～４として、基板上に、第１電極、シード層、第１圧電膜、第２電極、第２圧電膜、及び第３電極を順に備えた圧電素子（図１参照）を作製した。
　実施例５～８として、図３に示す、基板上に、第１電極、第１圧電膜、第２電極、シード層、第２圧電膜、及び第３電極を順に備えた圧電素子（図３参照）を作製した。
　比較例及び実施例１～８の層構成は後記の表１に纏めて示す。
　各層の成膜には、スパッタ装置を用いた。各層の成膜条件は以下の通りとした。
（第１電極）
　基板１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いた。基板上に第１電極をスパッタリングにて成膜した。具体的には、第１電極として、５０ｎｍ厚のＴｉＷ層及び２００ｎｍ厚のＩｒ層をこの順に基板上に積層した。各層のスパッタ条件は以下の通りとした。
－ＴｉＷ層スパッタ条件－
　ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
　ターゲット投入電力：６００Ｗ
　Ａｒガス圧：０．５Ｐａ
　基板設定温度：３５０℃
－Ｉｒ層スパッタ条件－
　ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
　ターゲット投入電力：６００Ｗ
　Ａｒガス圧：０．１Ｐａ
　基板設定温度：３５０℃
（シード層）
　実施例１～４場合は、第１電極上に、実施例５～８の場合は、第２電極上に３０ｎｍ厚みのシード層を下記スパッタ条件にて成膜した。各例の場合のシード層は表１に示す通りとした。表１においてＳＲＯはＳｒＲｕＯ３であり、ＢＲＯはＢａＲｕＯ３であり、ＰＴＯは、ＰｂＴｉＯ３である。
－シード層スパッタ条件－
　ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
　ターゲット投入電力：５００Ｗ
　真空度：０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率１０％）
　基板設定温度：６００℃
（第１圧電膜）
　比較例１及び実施例５～８の場合は、第１電極上に、実施例１～４については、シード層上に、第１圧電膜として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。Ｎｂ添加ＰＺＴをターゲットとして用い、スパッタ条件は、以下の通りとした。なお、Ｎｂ添加ＰＺＴターゲットは、Ｐｂ組成比ａ＝１．３とし、Ｚｒ／Ｔｉモル比はＭＰＢ組成（Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８）、すなわち、ｘ＝０．５２、Ｎｂ組成比ｙ＝０．１２とした。
－第１圧電膜のスパッタ条件－
　ターゲット－基板間距離：６０ｍｍ
　ターゲット投入電力：５００Ｗ
　真空度：０．３Ｐａ、Ａｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率１０％）
　基板設定温度：６００℃
　なお、第１圧電膜の膜厚は、各実施例、比較例について表１に示す通りとした。膜厚は成膜時間を変化させることにより調整した。
（第２電極）
　第１圧電膜上に、第２電極として５０ｎｍのＩｒＯｚ（ｚ≦２）と１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は以下の通りとした。
－ＩｒＯｚ、Ｉｒのスパッタ条件－
　ターゲット－基板間距離：１００ｍｍ
　ターゲット投入電力：２００Ｗ
　真空度：０．３Ｐａ、Ｉｒ成膜時はＡｒ雰囲気、ＩｒＯｚ成膜時はＡｒ／Ｏ２混合雰囲気（Ｏ２体積分率５％）
　基板設定温度：室温
（第２圧電膜）
　比較例及び実施例１～４の場合は、第２電極上に、実施例５～８の場合は、シード層上に、第２圧電膜として、ＢサイトへのＮｂ添加量を１２ａｔ％としたＮｂ添加ＰＺＴ膜を成膜した。ターゲット及びスパッタ条件は第１圧電膜と同一とした。
（第３電極）
　第２圧電膜上に、第３電極として５０ｎｍのＩｒＯｚと１００ｎｍのＩｒをこの順に積層した。スパッタ条件は第２電極と同一とした。
（評価用電極パターンの形成）
　第１電極、第２電極、及び第３電極に電圧印加用電極パッドを形成するために、第３電極、第２圧電膜、第２電極、第１圧電膜、及び、シード層を備える場合には、さらにシード層、に対して順にフォトリソグラフィー及びドライエッチングによるパターニングを行った。
　以上の工程により比較例及び実施例の積層体を作製した。
（評価用サンプルの準備）
－評価用サンプル１－
　積層体から、２ｍｍ×２５ｍｍの短冊状部分を切り出して、評価用サンプル１としてカンチレバーを作製した。
－評価用サンプル２－
　積層体から、第２圧電膜１８の表面中心に直径４００μｍの円形にパターニングされた第３電極２０を有する２５ｍｍ×２５ｍｍの部分を切り出して、評価用サンプル２とした。
＜分極－電圧特性の測定＞
　各実施例及び比較例の圧電素子について、評価用サンプル２を用いて、分極－電圧（Ｐ－Ｖ）ヒステリシス曲線を測定した。各実施例及び比較例の圧電素子の第１圧電膜１４、第２圧電膜１８のそれぞれについて、周波数１ｋＨｚの条件で飽和分極に至るまで電圧を印加して、測定を実施した。なお、第１圧電膜１４のＰ－Ｖ特性測定の場合には、第１電極１２を接地して、第２電極１６を駆動電極として第１圧電膜１４に掃引電圧を印加した。また、第２圧電膜１８のＰ－Ｖ特性測定の場合には、第２電極１６を接地して、第３電極２０を駆動電極として第２圧電膜１８に掃引電圧を印加した。
　図１１は、比較例１の第１圧電膜及び第２圧電膜についてのＰ－Ｖヒステリシス曲線である。図１１中においては、第１圧電膜のヒステリシス曲線を破線、第２圧電膜のヒステリシス曲線を実線で示している。第１圧電膜のヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃ１＋は７．９Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃ１－は、－０．７Ｖである。第２圧電膜のヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃ２＋は８．８Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃ１－は、－０．６Ｖである。なお、比較例１はシード層を備えない例であるが、便宜上、表２において、第２圧電膜を一方の圧電膜、第１圧電膜を他方の圧電膜としている。
　図１２は、実施例１の第１圧電膜及び第２圧電膜についてのＰ－Ｖヒステリシス曲線である。図１２中においては、第１圧電膜のヒステリシス曲線を破線、第２圧電膜のヒステリシス曲線を実線で示している。第１圧電膜のヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃ１＋は１３Ｖ、負側の抗電圧Ｖｃ１－は、－４．２Ｖである。第２圧電膜のヒステリシス曲線において、正側の抗電圧Ｖｃ２＋は７．３、負側の抗電圧Ｖｃ１－は、－１．１Ｖである。
　上記のようにして他の実施例についてもそれぞれ第１圧電膜及び第２圧電膜のヒステリシス曲線を測定して正側の抗電圧及び負側の抗電圧を求めた。それぞれの値は表３に示す。
　実施例１～４については、第１圧電膜が他方の圧電膜に相当し、第２圧電膜が一方の圧電膜に相当する。すなわち、実施例１～４においては、第１圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃ１＋が他方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｒ＋であり、第１圧電膜の負側の抗電圧Ｖｃ１－が他方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｒ－である。また、第２圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃ２＋が一方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｆ＋であり、第２圧電膜の負側の抗電圧Ｖｃ２－が一方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｆ－である。実施例５～８については、第１圧電膜が一方の圧電膜に相当し、第２圧電膜が他方の圧電膜に相当する。すなわち、実施例５～８においては、第１圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃ１＋が一方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｆ＋であり、第１圧電膜の負側の抗電圧Ｖｃ１－が一方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｆ－である。また、第２圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃ２＋が他方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｒ＋であり、第２圧電膜の負側の抗電圧Ｖｃ２－が他方の圧電膜の正側の抗電圧Ｖｃｒ－である。
　表２には、各例におけるＶｃ１＋、Ｖｃ１－、Ｖｃ２＋、Ｖｃ２－をまとめて示す。また、表２には、各例における他方の圧電膜のヒステリシスのシフトの２倍である｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜、ヒステリシス幅である｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜、及び一方の圧電膜のヒステリシスのシフトの２倍である｜Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－｜、ヒステリシス幅である｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜を算出した結果を示す。
＜圧電特性の測定＞
　各実施例及び比較例についての圧電特性の評価として、圧電定数ｄ３１を測定した。
　圧電定数ｄ３１の測定は、評価用サンプル１を用いて実施した。I.Kanno et. al. Sensor and Actuator A 107(2003)68.に記載の方法に従い、圧電定数ｄ３１を測定した。
　比較例１、実施例１～４については、第２電極１６を接地し、第１電極１２及び第３電極２０を駆動電極として、圧電定数ｄ３１を測定した。実施例５～８については、第１電極１２及び第３電極２０を接地し、第２電極１６を駆動電極として、圧電定数ｄ３１を測定した。各例について、駆動電位（印加電位）を－１、－３、－５、－７、－１０、及び－１５Ｖのそれぞれとした場合における圧電定数ｄ３１を測定した。例えば、印加電位が－１Ｖの場合の圧電定数ｄ３１は、－０．５Ｖのバイアス電圧に０．５Ｖの振幅の正弦波を加算した駆動信号を第２電極１６に印加して測定した。測定結果を表３に示す。
　図１３は、各圧電素子について、駆動電位と圧電定数ｄ３１との関係をグラフ化したものである。実施例１～８は、印加電位範囲０～－１５Ｖでの駆動時において、比較例の圧電定数ｄ３１よりも大幅に大きい圧電定数が得られている。特に印加電位が０～－１０Ｖである場合には実施例と比較例の圧電定数の差が大きく、０～－５Ｖの範囲では特に両者の差は顕著である。
　以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記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、
　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、
　ペロブスカイト型酸化物を第１ペロブスカイト型酸化物とした場合に、第１電極と第１圧電膜との間、及び、第２電極と第２圧電膜との間のいずれか一方にのみ、第１ペロブスカイト型酸化物と格子整合する第２ペロブスカイト型酸化物を主成分とするシード層を備え、
　第１圧電膜及び第２圧電膜のうちの一方の圧電膜であって、シード層上に備えられていない圧電膜は、自発内部電界に起因して膜厚方向に分極しており、
　第１圧電膜及び第２圧電膜のうちの他方の圧電膜であって、シード層上に備えられている圧電膜は、分極－電圧特性における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－とした場合に、
｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
を満たし、
　一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－とした場合に、
　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
を満たし、ここで、抗電圧の単位はいずれも[Ｖ］であり、
　他方の圧電膜は、第１電極上もしくは第２電極上に直接設けられた場合には、自発内部電界に起因して、一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きに分極する圧電膜である、圧電素子。
（付記２）
　一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧Ｖｃｆ＋と、負側の抗電圧Ｖｃｆ－とが同符号である、付記１に記載の圧電素子。
（付記３）
　｜Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－｜／２≧３［Ｖ］
　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦９　[Ｖ］
　かつ、
１．４≦｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦２．０
を満たす、付記１又は付記２に記載の圧電素子。
（付記４）
　第１圧電膜の主成分であるペロブスカイト型酸化物と、第２圧電膜の主成分である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、付記１から付記３のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記５）
　第１ペロブスカイト型酸化物は、
　Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
　ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり、
０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．９≦ａ≦１．２
である、付記１から付記４のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記６）
　第２ペロブスカイト型酸化物は導電性を有する、付記１から付記５のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記７）
　第２ペロブスカイト型酸化物は、擬立方晶と見做した場合の格子定数が０．３９ｎｍ～０．４０５ｎｍである、付記１から付記６のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記８）
　第２ペロブスカイト型酸化物は、ＳｒＲｕＯ３もしくはＢａＲｕＯ３である、付記１から７のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記９）
　シード層が、第１電極と第１圧電膜との間に備えられており、
　第１圧電膜が他方の圧電膜である、付記１から付記８のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記１０）
　第１ペロブスカイト型酸化物における金属元素ＭがＮｂであり、
　第１圧電膜と第２圧電膜とは、それぞれに含まれる第１ペロブスカイト型酸化物の組成比のうち少なくともｙが同一である、付記５に記載の圧電素子。
（付記１１）
　駆動時おいて、一方の圧電膜に、一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きの電界が印加され、他方の圧電膜に、一方の圧電膜に印加される電界と逆向きの電界が印加される、請求項１から付記１０のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記１２）
　第２電極が接地電位に維持され、第１電極及び第３電極が、第１圧電膜及び第２圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極である、付記１から付記１１のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記１３）
　第１電極及び第３電極が接地電位に維持され、第２電極が、第１圧電膜及び第２圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極である、付記１から付記１１のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記１４）
　第１電極と第３電極が接続されている、付記１から付記１３のいずれか一つに記載の圧電素子。
（付記１５）
　付記１から付記１４のいずれか一つに記載の圧電素子と、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、
　駆動回路は、一方の圧電膜に、一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きの電界を印加し、他方の圧電膜に、一方の圧電膜に印加される電界と逆向きの電界を印加する、アクチュエータ。
　なお、２０２２年１１月２８日に出願された日本国特許出願２０２２－１８９５８４の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願及び技術規格は、個々の文献、特許出願及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
　１、２、３、１０１　圧電素子
　５、６、７　　アクチュエータ
　１０　　基板
　１２　　第１電極
　１３　　シード層
　１４、１１４　　第１圧電膜
　１４ｆ　　一方の圧電膜である第１圧電膜
　１４ｒ　　他方の圧電膜である第１圧電膜
　１６　　第２電極
　１８、１１８　　第２圧電膜
　１８ｆ　一方の圧電膜である第２圧電膜
　１８ｒ　他方の圧電膜である第２圧電膜
　２０　　第３電極
　３０、３２、３４　　駆動回路

Claims (15)

  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、
    　前記ペロブスカイト型酸化物を第１ペロブスカイト型酸化物とした場合に、前記第１電極と前記第１圧電膜との間、及び、前記第２電極と前記第２圧電膜との間のいずれか一方にのみ、前記第１ペロブスカイト型酸化物と格子整合する第２ペロブスカイト型酸化物を主成分とするシード層を備え、
    　前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうちの一方の圧電膜であって、前記シード層上に備えられていない圧電膜は、自発内部電界に起因して膜厚方向に分極しており、
    　前記第１圧電膜及び前記第２圧電膜のうちの他方の圧電膜であって、前記シード層上に備えられている圧電膜は、分極－電圧特性における、正側の抗電圧をＶｃｒ＋、負側の抗電圧をＶｃｒ－とした場合に、
    ｜Ｖｃｒ＋＋Ｖｃｒ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
    を満たし、
    　前記一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における正側の抗電圧をＶｃｆ＋、負側の抗電圧をＶｃｆ－とした場合に、
    　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜＜｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜
    を満たし、ここで、前記抗電圧の単位はいずれも[Ｖ］であり、
    　前記他方の圧電膜は、前記第１電極上もしくは前記第２電極上に直接設けられた場合には、自発内部電界に起因して、前記一方の圧電膜の分極の向きと同じ向きに分極する圧電膜である、圧電素子。
  2. 　前記一方の圧電膜の分極－電圧特性を示すヒステリシス曲線における前記正側の抗電圧Ｖｃｆ＋と、負側の抗電圧Ｖｃｆ－とが同符号である、請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　｜Ｖｃｆ＋＋Ｖｃｆ－｜／２≧３［Ｖ］
    　｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦９　[Ｖ］
    　かつ、
    １．４≦｜Ｖｃｒ＋－Ｖｃｒ－｜／｜Ｖｃｆ＋－Ｖｃｆ－｜≦２．０
    を満たす、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  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。
  5. 　前記第１ペロブスカイト型酸化物は、
    　Ｐｂａ｛（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）１－ｙＭｙ｝Ｏ３
    　ＭはＶ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｍｏ及びＷからなる群より選ばれる金属元素であり、
    ０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０．９≦ａ≦１．２
    である、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  6. 　前記第２ペロブスカイト型酸化物は導電性を有する、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  7. 　前記第２ペロブスカイト型酸化物は、擬立方晶と見做した場合の格子定数が０．３９ｎｍ～０．４０５ｎｍである、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  8. 　前記第２ペロブスカイト型酸化物は、ＳｒＲｕＯ３もしくはＢａＲｕＯ３である、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  9. 　前記シード層が、前記第１電極と前記第１圧電膜との間に備えられており、
    　前記第１圧電膜が前記他方の圧電膜である、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  10. 　前記第１ペロブスカイト型酸化物における前記金属元素ＭがＮｂ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第１ペロブスカイト型酸化物の組成比のうち少なくともｙが同一である、請求項５に記載の圧電素子。
  11. 　駆動時おいて、前記一方の圧電膜に、前記一方の圧電膜の前記分極の向きと同じ向きの電界が印加され、前記他方の圧電膜に、前記一方の圧電膜に印加される前記電界と逆向きの電界が印加される、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  12. 　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圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極である、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  13. 　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圧電膜に駆動電圧を印加するための駆動電極である、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  14. 　前記第１電極と前記第３電極が接続されている、請求項１又は２に記載の圧電素子。
  15. 　請求項１又は２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、前記一方の圧電膜に、前記一方の圧電膜の前記分極の向きと同じ向きの電界を印加し、前記他方の圧電膜に、前記一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。
PCT/JP2023/040248 2022-11-28 2023-11-08 圧電素子及びアクチュエータ WO2024116761A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022189584 2022-11-28
JP2022-189584 2022-11-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024116761A1 true WO2024116761A1 (ja) 2024-06-06

Family

ID=91323403

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/040248 WO2024116761A1 (ja) 2022-11-28 2023-11-08 圧電素子及びアクチュエータ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024116761A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007059525A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Fujifilm Corp 積層型圧電素子及びそれを用いる装置、並びに、積層型圧電素子の製造方法
JP2010084180A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Fujifilm Corp 鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置
JP2016143806A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 三菱マテリアル株式会社 ＭｎドープのＰＺＴ系圧電体膜
WO2016175013A1 (ja) * 2015-04-30 2016-11-03 株式会社村田製作所 圧電デバイス、圧電トランスおよび圧電デバイスの製造方法
WO2016190110A1 (ja) * 2015-05-25 2016-12-01 コニカミノルタ株式会社 圧電薄膜、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電アクチュエータの製造方法
WO2022168800A1 (ja) * 2021-02-03 2022-08-11 国立大学法人 東京大学 積層構造体及びその製造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007059525A (ja) * 2005-08-23 2007-03-08 Fujifilm Corp 積層型圧電素子及びそれを用いる装置、並びに、積層型圧電素子の製造方法
JP2010084180A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Fujifilm Corp 鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜およびその作製方法、鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を用いる圧電素子、ならびにこれを用いる液体吐出装置
JP2016143806A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 三菱マテリアル株式会社 ＭｎドープのＰＺＴ系圧電体膜
WO2016175013A1 (ja) * 2015-04-30 2016-11-03 株式会社村田製作所 圧電デバイス、圧電トランスおよび圧電デバイスの製造方法
WO2016190110A1 (ja) * 2015-05-25 2016-12-01 コニカミノルタ株式会社 圧電薄膜、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよび圧電アクチュエータの製造方法
WO2022168800A1 (ja) * 2021-02-03 2022-08-11 国立大学法人 東京大学 積層構造体及びその製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5836755B2 (ja) 圧電体素子及び液体吐出ヘッド
JP6154729B2 (ja) 圧電体素子の製造方法
US6972510B2 (en) Array of ultrasound transducers
US7902730B2 (en) Piezoelectric thin film device
US7965021B2 (en) Piezoelectric thin film and method of manufacturing the same, ink jet head, method of forming image with the ink jet head, angular velocity sensor, method of measuring angular velocity with the angular velocity sensor, piezoelectric generating element, and method of generating electric power with the piezoelectric generating element
WO2013164955A1 (ja) 圧電素子
US20130099627A1 (en) Piezoelectric device and method of manufacturing piezoelectric device
JP6346693B2 (ja) 圧電体素子の製造方法
JP6478023B2 (ja) 圧電素子、圧電アクチュエーター装置、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び超音波測定装置
WO2012165110A1 (ja) 強誘電体膜およびそれを備えた圧電素子
WO2024116761A1 (ja) 圧電素子及びアクチュエータ
JP6934746B2 (ja) 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有する素子および圧電膜を有する積層基板の製造方法
JP2024052273A (ja) 圧電素子及びアクチュエータ
JP2024052272A (ja) 圧電素子及びアクチュエータ
JP2016134404A (ja) 振動発電素子及びそれを用いた振動発電デバイス
JP2024052270A (ja) 圧電素子及びアクチュエータ
JP2024052271A (ja) 圧電素子及びアクチュエータ
WO2022202381A1 (ja) 圧電膜、圧電素子及び圧電膜の製造方法
WO2021132602A1 (ja) 強誘電性薄膜、それを用いた電子素子および強誘電性薄膜の製造方法
WO2023195413A1 (ja) 窒化物、圧電体、圧電素子、強誘電体、及び強誘電素子
WO2022255035A1 (ja) 圧電薄膜素子、微小電気機械システム、及び超音波トランスデューサ
JPH08306865A (ja) ビスマス系層状強誘電体を用いたキャパシタとその製造方法
JP2024010990A (ja) 圧電積層体及び圧電素子
CN116235650A (zh) 带压电膜基板及压电元件
JP2011044579A (ja) 圧電薄膜素子及びその製造方法