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电极施加正电压(+v)、对第3电极施加负电压(-v)的第1驱动方法、或者使第1电极接地且对第2电极施加负电压(-v)、对第3电极施加绝对值比第2电极大的负电压(-2v)的第2驱动方法等，对2个添加nb的pzt膜分别施加与自发极化的朝向相同的朝向的电场。由此，与只有1层的压电元件相比，实现了大致2倍的位移量。

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压电膜以由如下表示的钙钛矿型氧化物作为主成分：

4、pba{(zrxti1-x)1-ymy}o3

5、m是选自包括v、nb、ta、sb、mo及w的组中的金属元素，且0＜x＜1、0＜y＜1、0.9≤a≤1.2，

6、在第1压电膜和第2压电膜中，至少x、y相同，

7、第1压电膜和第2压电膜中的一个压电膜具有在膜厚方向上一致的自发极化，

8、将表示所述一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中的正侧的矫顽电压设为vcf+、负侧的矫顽电压设为vcf-，

9、将表示第1压电膜和第2压电膜中的另一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为vcr+、负侧的矫顽电压设为vcr-时，满足|vcr++vcr-|＜|vcf++vcf-|-0.2，其中，单位均为[v]。

10、优选还满足|vcr++vcr-|≤|vcr+-vcr-|。

11、另一个压电膜也可以具有沿膜厚方向一致的自发极化，此时，优选一个压电膜和另一个压电膜的自发极化的朝向相同。

12、优选对一个压电膜施加与其自发极化的朝向相同的朝向的电场，对另一个压电膜施加与对一个压电膜施加的所述电场相反的朝向的电场。

13、优选表示一个压电膜的极化-电压特性的滞后曲线中的以2个矫顽电压的间隔规定的滞后宽度与另一个压电膜的滞后宽度相等。

14、将一个压电膜的(001)面取向度设为α时，另一个压电膜的(001)面取向度优选为0.95α以下。

15、将一个压电膜的(001)面取向度设为α时，另一个压电膜的(001)面取向度更优选为0.80α以下。

16、优选第1电极与第3电极连接。

17、优选金属元素m为nb，y大于0.1。

18、本发明的致动器具备本发明的压电元件及对压电元件施加驱动电压的驱动电路，其中，驱动电路对一个压电膜施加与其自发极化的朝向相同的朝向的电场，对另一个压电膜施加与对一个压电膜施加的电场相反的朝向的电场。

19、发明效果

20、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1或2所述的压电元件，其中，

4.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，

5.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，

6.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，

7.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，

8.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，

9.根据权利要求1或2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中的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
本发明的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压电膜均以添加了金属元素M的PZT作为主成分，第1压电膜和第2压电膜中的一个压电膜具有在膜厚方向上一致的自发极化，将表示其中一个压电膜的极化‑电压特性的滞后曲线中的、正侧的矫顽电压设为Vcf<supgt;+</supgt;、负侧的矫顽电压设为Vcf<supgt;‑</supgt;，将另一个压电膜的极化‑电压特性中的、正侧的矫顽电压设为Vcr<supgt;+</supgt;、负侧的矫顽电压设为Vcr<supgt;‑</supgt;时，满足|Vcr<supgt;+</supgt;+Vcr<supgt;‑</supgt;|＜|Vcf<supgt;+</supgt;+Vcf<supgt;‑</supgt;|‑0.2。

技术研发人员：小林宏之,中村诚吾,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