压电元件及致动器的制作方法

本发明涉及一种压电元件及致动器。

背景技术：

1、作为具有优异的压电特性及铁电性的材料，已知有锆钛酸铅(pb(zr、ti)o3、以下称为pzt。)等钙钛矿型氧化物。由钙钛矿型氧化物构成的压电体被用作在基板上具备下部电极、压电膜及上部电极的压电元件中的压电膜。该压电元件应用于存储器、喷墨头(致动器)、微镜装置、角速度传感器、陀螺仪传感器、超声波元件(pmut：piezoelectricmicromachined ultrasonic transducer)及振动发电装置等各种装置中。

2、作为压电元件，为了获得高的压电特性，提出了隔着电极层层叠多个压电膜的层叠型压电元件。

3、例如，在专利文献1中，提出了依次层叠有第1电极、添加nb的pzt膜、第2电极、添加nb的pzt膜、第3电极的压电元件。已知添加nb的pzt膜在成膜时，自发极化的朝向相对于基板向上一致。即，专利文献1中的2层添加nb的pzt膜均具有向上朝向一致的自发极化。通常，对于具有朝向一致的自发极化的压电膜，施加与其自发极化的朝向相同的朝向的电场可获得高的压电性能。因此，在专利文献1中，通过使第2电极接地且对第1电极赋予正电位(+v)、对第3电极赋予负电位(-v)而进行驱动的第1驱动方法、或者使第1电极接地且对第2电极赋予负电位(-v)、对第3电极赋予绝对值比第2电极大的负电位(-2v)而进行驱动的第2驱动方法等，对2个添加nb的pzt膜分别施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场。由此，与只有1层的压电元件相比，实现了大致2倍的位移量。

4、并且，在专利文献2中，提出了一种压电元件，其中依次层叠有第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜、第3电极，且第1压电膜的自发极化一致的朝向与第2压电膜的自发极化一致的朝向不同。而且，作为具体例，可以举出第1压电膜为添加nb的pzt膜，第2压电膜为未添加nb的pzt膜(以下称为本征pzt。)的情况。添加nb的pzt膜在未经轮询处理的状态下自发极化的朝向一致，但本征pzt膜在未经轮询处理的状态下自发极化的朝向不一致。因此，通过对本征pzt膜实施轮询处理以使自发极化在与添加nb的pzt膜的自发极化的朝向相反的朝向上一致，从而使第1压电膜的自发极化的朝向与第2压电膜的自发极化的朝向不同。在专利文献2中，通过将压电元件的第1电极和第3电极设为相同电位，并将第2电极设为驱动电极，从而对第1压电膜和第2压电膜施加与各自的自发极化的朝向相同的朝向的电场。由此，能够以驱动1层压电膜的大小的电压获得2层的压电性能，因此能够以低电压获得高的压电性能。

5、专利文献1：日本特开2013-80886号公报

6、专利文献2：日本特开2013-80887号公报

7、然而，在专利文献1中，在对第3电极施加绝对值比第2电极大的电压的第2驱动方法中，为了获得与第1驱动方法同等的压电性能，需要对第3电极施加非常大的电压。在低电压下无法获得充分的压电性能。为了实施上述对第1电极和第3电极施加不同符号的电压的第1驱动方法，需要具备正驱动电路和负驱动电路，因此成本提高。

8、并且，在专利文献2的压电元件中，可获得非常良好的压电性能。但是，为了制作专利文献2的压电元件，例如如将第1压电膜设为添加nb的pzt膜，将第2压电膜设为本征pzt膜那样，需要由包含与第1压电膜和第2压电膜不同材料的压电膜构成。因此，为了形成第1压电膜和第2压电膜，需要两种不同的靶，并且，需要对至少一个压电膜实施轮询处理，无法实现充分的低成本化。

9、这样，可获得高的压电性能的压电元件需要高成本或施加高电压，无法实现低成本且以低电压获得高的压电性能的压电元件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，以低成本提供在低电压下可获得高的压电性能的压电元件及压电致动器。

2、本发明的压电元件在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极，

3、第1压电膜及第2压电膜均以在a位包含pb且在b位包含zr、ti及m的钙钛矿型氧化物作为主成分，m为选自v、nb、ta、sb、mo及w中的金属元素，

4、元素符号表示各自的摩尔比，并以pb/(zr+ti+m)规定钙钛矿型氧化物中的pb组成比时，第1压电膜中的pb组成比与第2压电膜中的pb组成比不同，

5、第1压电膜和第2压电膜均一致地沿膜厚方向自发极化，并且第1压电膜和第2压电膜的自发极化的朝向相同，

6、使第1电极接地、将第2电极作为驱动电极对第1压电膜测定的极化-电场滞后和使第2电极接地、将第3电极作为驱动电极对第2压电膜测定的极化-电场滞后相对于各自的原点向相同的电场方向偏移。

7、优选为，第1压电膜及第2压电膜各自所包含的钙钛矿型氧化物的b位中的由zr/(zr+ti)表示的zr组成比彼此相同，由ti/(zr+ti)表示的ti组成比彼此及b位中的由m/(zr+ti+m)表示的m组成比彼此相同。

8、优选为，当金属元素m为nb，且将b位中的m组成比设为y时，0.08≤y≤0.15。

9、优选为，第1压电膜所包含的钙钛矿型氧化物中的pb组成比与第2压电膜所包含的钙钛矿型氧化物中的pb组成比相差0.01以上。

10、优选为，第1压电膜及第2压电膜之中，pb组成比相对小的压电膜的膜厚比pb组成比相对大的压电膜的膜厚薄100nm以上。

11、优选为，pb组成比相对小的压电膜的膜厚为1.5μm以下。

12、优选为，pb组成比相对大的压电膜的膜厚为2μm以下。

13、优选为，第1电极与第3电极连接。

14、优选为，第1压电膜及第2压电膜之中，对pb组成比相对大的压电膜施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场，对pb组成比相对小的压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场。

15、本发明的致动器具备本发明的压电元件及对压电元件施加驱动电压的驱动电路，其中，第1压电膜及第2压电膜之中，驱动电路对pb组成比相对大的压电膜施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场，对pb组成比相对小的压电膜施加与自发极化的朝向相反的朝向的电场。

16、发明效果

17、根据本发明的技术，能够以低成本提供在低电压下可获得高的压电性能的压电元件及致动器。

技术特征：

1.一种压电元件，其在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极，

2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，

3.根据权利要求2所述的压电元件，其中，

4.根据权利要求1至3任一项所述的压电元件，其中，

5.根据权利要求1至3任一项所述的压电元件，其中，

6.根据权利要求5所述的压电元件，其中，

7.根据权利要求5所述的压电元件，其中，

8.根据权利要求1至3任一项所述的压电元件，其中，

9.根据权利要求1至3任一项所述的压电元件，其中，

10.一种致动器，其具备权利要求1至9任一项所述的压电元件及对所述压电元件施加驱动电压的驱动电路，其中，

技术总结
本发明涉及压电元件及致动器，课题为以低成本提供在低电压下获得高的压电性能的压电元件及压电致动器。压电元件在基板上依次具备第1电极、第1压电膜、第2电极、第2压电膜及第3电极，第1压电膜及第2压电膜均以在A位包含Pb且在B位包含Zr、Ti及M的钙钛矿型氧化物作为主成分，M为选自V、Nb、Ta、Sb、Mo及W中的金属元素，第1压电膜和第2压电膜所包含的钙钛矿型氧化物中的Pb组成比不同，使第1电极接地、将第2电极作为驱动电极对第1压电膜测定的极化‑电场滞后和使第2电极接地、将第3电极作为驱动电极对第2压电膜测定的极化‑电场滞后相对于各自的原点向相同的电场方向偏移。

技术研发人员：中村诚吾,小林宏之,杉本真也,佐佐木勉
受保护的技术使用者：富士胶片株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7