(57)【要約】【課題】本発明は、検出信号の増大ならびにノイズ低減した小型の圧電デバイスならびに圧電素子を提供することを目的とするものである。【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明の圧電素子は、Ｓｉを主成分とした基板１１と、前記基板１１上に形成され２つの電極膜に挟持された圧電膜１３を有し、前記圧電膜１３の圧電出力定数ｇ31の絶対値が１０［１０-3Ｖｍ／Ｎ］以上、かつ、比誘電率εrが６００以下である構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを主成分とした基板と、
前記基板上に形成され２つの電極膜に挟持された圧電膜を有し、
前記圧電膜の圧電出力定数ｇ31の絶対値が１０［１０-3Ｖｍ／Ｎ］以上、かつ、比誘電率εrが６００以下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電素子の圧電定数ｄ31の絶対値が７０［ｐｍ／Ｖ］以上あることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電膜が下記（１）式を満たすチタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ1+x（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3+yからなることを特徴とする請求項１および２に記載の圧電素子。
０＜Ｘ＜０．５、０＜Ｙ＜０．５、Ｚｒ／Ｔｉ＝４０／６０〜６０／４０  ・・・（１）
【請求項４】
請求項１〜３に記載の圧電素子を用い、
前記圧電素子から得られる電気信号を電気回路で増幅する圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電センサや圧電アクチュエータ等の圧電デバイスに用いられる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電センサや圧電アクチュエータといった圧電デバイスは、圧電材料を電極に挟持させて圧電素子を形成し、その逆圧電効果／圧電効果を利用して素子駆動／変位検出を行うことで実現している。このような圧電デバイスの精度向上には検出信号の増大ならびに検出信号のノイズ低減が必要不可欠である。この圧電デバイスのＳ／Ｎ向上には圧電素子構造の改善や電気回路ならびにソフトウェアによる処理等、種々の手法が挙げられるが、圧電デバイスは圧電効果によって圧電材料に発生した電荷を電気回路で増幅させて検出信号としているため、圧電材料自身のＳ／Ｎ向上も重要である。圧電材料の感度指標は圧電出力定数ｇ31（＝ｄ31／εr・ε0、ｄ31：圧電定数、εr：比誘電率、ε0：真空誘電率）で表され、圧電出力定数ｇ31が高い材料の圧電デバイスへの適用が求められる。このような圧電材料を微細加工可能なＳｉを主成分とするような基板上に形成することで、微小な圧電デバイスを実現することができる。
【０００３】
なお、この出願に関する圧電デバイスを開示するものとして、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０５０３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記圧電デバイスのＳ／Ｎ向上を目的としたとき、圧電センサは圧電効果によって圧電材料に発生した電荷を電気回路で増幅させて検出信号として検出するため、圧電材料に起因するノイズはセンサの検出精度を低下させる要因となる。また、アクチュエータに圧電材料を適用する場合でも、例えば、モニタを備えたアクチュエータにおいて、圧電膜によりアクチュエータの変位を検出してアクチュエータの駆動を制御する場合には、圧電材料に起因するノイズにより変位の検出制度が低下し、所望の駆動をすることが出来なくなる。
【０００６】
また、圧電デバイスの消費電流低減を考慮すると低電界においてｄ31が高くεrの低い材料の適用が好ましい。
【０００７】
しかしながら、センサやアクチュエータといった圧電デバイスのＳ／Ｎ向上に対する取り組みとして、これまでにもＳ／Ｎ向上に対するｄ31の向上による取り組みはされてきたが、圧電デバイスの精度向上や消費電流低減に対して、低電界でのｄ31が高くεrが低い材料を適用するような取り組みはなされていない。
【０００８】
以上のような事情を鑑み、本発明の目的は検出信号の増大ならびにノイズ低減した小型の圧電デバイスならびに圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の圧電素子は、Ｓｉを主成分とした基板と、前記基板上に形成され電極膜に挟持された圧電膜を有し、前記圧電膜の圧電出力定数ｇ31の絶対値が１０［１０-3Ｖｍ／Ｎ］以上、かつ、比誘電率εrが６００以下である構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成としたことにより本発明は、検出信号が高く、電気回路による信号増幅後のノイズの低減ができる圧電素子を提供でき、さらに変位検出精度や位置制御精度に優れた圧電デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る圧電素子の断面図
【図２】角速度センサ動作原理模式図
【図３】ペロブスカイト型ＰＺＴの結晶格子を示す図
【図４】圧電定数ｄ31測定概略図
【図５】音叉型角速度センサ斜視概略図
【図６】実施例および比較例のノイズ比較を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明する。
【００１３】
図１は本実施例に係る圧電素子の積層構成を示す断面図である。この圧電素子１５は基板１１上に第１電極膜１２、圧電膜１３、第２電極膜１４を積層してなる。この圧電素子１５をセンサやアクチュエータといった圧電デバイスの駆動部として用いる場合には、圧電膜１３に第１、第２電極膜１２、１４から電界を印加し、圧電膜１３の逆圧電効果によって発生した歪を利用して駆動する。また、圧電デバイスの変位検出部として用いる場合には、圧電素子１５に歪が発生した際の圧電膜１３の圧電効果によって発生した電荷を第１、第２電極膜１２、１４で取り出すことで変位検出をする。このように圧電素子を駆動、検出に用いる圧電デバイスの中には例えば角速度センサに代表されるようなセンサデバイスや光走査装置に代表されるようなアクチュエータデバイスが挙げられる。
【００１４】
例えば、その一例として図２に角速度センサの駆動および検出原理を示している。駆動素子１６に交流電界を印加することによって一方向に振動させた音叉形状の角速度センサ１８に図２中のＺ軸周りに角速度（回転運動）が生じると、駆動振動と垂直な方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって生じた変位振動を検出素子１７によって検出する。検出素子１７によって検出された電気信号はセンサに接続された電気回路によって増幅、処理され、角速度信号として検知される。ここで、電気回路で増幅された後の角速度信号のノイズＶｎｏｕｔは電気回路のノイズＶｎ、素子感度に依存するゲインＺ、素子で電極容量インピーダンスＺｃによってＶｎｏｕｔ＝（Ｚ／Ｚｃ＋１）×Ｖｎで表される。Ｖｎｏｕｔを小さくするためには（Ｚ／Ｚｃ）を小さくする必要があるが、Ｚは素子感度Ｓと、Ｚｃは素子電極容量Ｃｓとそれぞれ反比例の関係にあるため、Ｚ／Ｚｃ∝Ｃｓ／Ｓとなり、すなわちノイズ低減には圧電膜の低電界でのｄ31を大きくし、εrを小さくすることが有効である。
【００１５】
ここで圧電膜１３には図３に示すような組成式：ＡＢＯ3で表されるようなペロブスカイト型酸化物であり、圧電定数の高いチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）を用いることがよい。単純にｄ31向上やεr低減を実現するには、例えばＰＺＴへの添加物導入やリラクサ系材料、低εr圧電材料の使用、圧電膜の積層構造化が考えられる。
【００１６】
しかし、圧電デバイスには検出精度のみならず温度特性の安定性や信頼性、特性ばらつきの低減が求められるため、圧電膜には温度特性、信頼性ならびに組成、結晶性、特性の安定制御性が求められる。また、ＰＺＴと低εr圧電材料の積層構造によるｄ31向上やεr低減には、ＰＺＴ単層で圧電膜を形成するよりも工程が多くなることによる工程の複雑化、高コスト化や組成ばらつき、プロセス制御性の低下といった課題がある。そのため、これら要求を満足するには圧電膜にはＰＺＴ（不可避不純物を含む）を用いるのが良い。
【００１７】
ＰＺＴの結晶は格子頂点であるＡサイトにＰｂイオン、体心の位置であるＢサイトにＺｒイオンもしくはＴｉイオン、面心の位置にＯイオンが配置している。バルクＰＺＴの圧電定数はモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ組成、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７）付近にて極大を示すことから、Ｚｒ／Ｔｉ比は４０／６０〜６０／４０の範囲であればよい。また、Ｐｂ量は化学量論組成から欠損が生じた場合、特性劣化を引き起こすため、その量をＢサイト元素（Ｚｒ、Ｔｉ）との比：Ｐｂ／Ｚｒ＋Ｔｉで表した場合、１．０〜１．５程度がよい。その時、酸素の量は過剰Ｐｂが金属として存在しないよう、合わせてＯ／Ｚｒ＋Ｔｉ＝３．０〜３．５であることが好ましいが、必ずしもＰｂ過剰量と同一でなくてもよい。
【００１８】
なお、ＰＺＴの結晶を正方晶系で表現した場合、ＰＺＴはｃ軸がａ軸より長いことに起因して、（００１）に高い圧電歪に起因したｄ31および低いεrを示す。そのため、基板上に形成したＰＺＴ膜の（００１）を基板面に配向させることで、他方面に配向したＰＺＴ膜と比べて高い特性を有する圧電素子を実現できる。しかし、最稠密面は（１１１）であることから、通常ＰＺＴ膜を形成するとこの方向に優先配向する。そこで、まず下地の結晶状態や成膜条件を最適化することにより｛１００｝に配向させる。加えてＳｉを主体とした基板の熱膨張係数はＰＺＴの熱膨張係数と比べて小さいため、ＰＺＴをペロブスカイト構造にするために必要な６００℃程度の温度で成膜を行い、室温へ冷却すると、Ｓｉ基板厚みがＰＺＴ膜の膜厚より充分に厚い場合にはＰＺＴ膜には面内方向に引張応力が働く。この応力によってＳｉ基板面に対して揃えたＰＺＴ膜の面外方向の面間隔が低減し、すなわち低電界での圧電歪に起因したｄ31が低減し、εrが上昇してしまう。そのため、ＰＺＴ膜の形成には配向制御ならびに膜に働く引張応力の低減が必要である。
【００１９】
次に、圧電デバイスに用いられる圧電素子の製造方法について説明する。
【００２０】
まず基板１１にはデバイスの低コスト化・小型化を鑑みて、加工性に優れてかつ安価なＳｉ基板を用いる。なお、基板表面に熱酸化膜が形成されたＳｉ基板やＳＯＩ基板を用いてもよい。基板厚みは５００μｍのものを用いたが、ＰＺＴ形成時に割れないようにＰＺＴ膜厚より厚ければよい。
【００２１】
このＳｉ基板上にスパッタリング法により、例えば密着層としてＴｉが１０〜５０ｎｍ形成され、その上に電極層としてＰｔが１００〜５００ｎｍ形成されることで、第１電極膜１２が形成される。なお、形成方法はスパッタリング法に限られず、真空蒸着法や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、化学溶液堆積法（ＣＳＤ）といったその他の成膜方法が用いられてもよい。また、第１電極膜１２に用いられる材料はＴｉとＰｔに限られず、例えば密着層としてＴｉ、Ｃｒ、電極層としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕやこれらの合金、酸化物の単層／積層形成としてもよい。さらにはＬａＳｃＯ3やＬａＮｉＯ3、ＳｒＲｕＯ3といったペロブスカイト構造を有する酸化物電極でもよい。
【００２２】
この第１電極膜１２上にスパッタリング法により配向制御膜が５〜１００ｎｍ形成され、その上にＰＺＴ膜が２〜５μｍ形成されることで、圧電膜１３が形成され、この圧電膜１３は｛１００｝優先配向した多結晶膜となっている。スパッタリングターゲット組成は例えばＰｂ（Ｚｒ53Ｔｉ47）Ｏ3にＰｂＯを０〜５０ａｔ％添加したものを用いる。これにより形成されたＰＺＴ膜の組成をＰｂ過剰にすることができる。なお、スパッタリングターゲットにはＰＺＴ構成元素であるＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏ以外の元素を添加物として含まず（不可避不純物は含む）、ターゲット上に別元素物質を配することによるＰＺＴ膜への添加物の導入や、ＰＺＴ以外のターゲットを用いた多元同時スパッタリングや積層膜形成によるＰＺＴ膜への添加物の導入は行わない。そのため複雑な組成制御は必要でなく、ＰＺＴ膜の高い組成制御ならびに均一性確保を実現できる。また、バルクＰＺＴの圧電定数はモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ組成、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７）付近にて極大を示すことから、ＰＺＴスパッタリングターゲット組成のＺｒ／Ｔｉ比は４０／６０〜６０／４０の範囲であればよい。なお、配向制御層は無くてもよい。
【００２３】
ＰＺＴ膜の成膜には並行平板型のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いる。その際の温度は５００〜７００℃、スパッタガスとして用いるＡｒとＯ2の比は１０〜１００、ガス圧は０．１〜１．０Ｐａ、ターゲットに印加するＲＦ電力は２〜５Ｗ／ｃｍ2とすればよい。また、チャンバーや基板ホルダの電位を制御することで、なおよい特性のＰＺＴ膜を得ることができる。なお、スパッタ装置は並行平板型に限られず、対向ターゲット型やカルーセル型でもよい。
【００２４】
このようにして形成した圧電膜１３上にスパッタリング法により、例えば密着層としてＴｉが１０〜５０ｎｍ形成され、その上に電極層としてＡｕが１００〜５００ｎｍ形成されることで、第２電極膜１４が形成される。なお、形成方法はスパッタリング法に限られず、真空蒸着法や化学的気相成長法（ＣＶＤ）、化学溶液堆積法（ＣＳＤ）といったその他の成膜方法が用いられてもよい。また、第２電極膜１４に用いられる材料はＴｉとＡｕに限られず、例えば密着層としてＴｉ、Ｃｒ、Ｗあるいは電極層としてＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕやこれらの合金、酸化物の単層／積層形成としてもよい。さらにはランタンスカンデート（ＬａＳｃＯ3）や酸化ニッケルランタン（ＬａＮｉＯ3）、ストロンチウムルテニウムオキサイド（ＳｒＲｕＯ3）といったペロブスカイト構造を有する酸化物電極でもよい。
【００２５】
このようにして形成した圧電素子１５はフォトリソグラフィーやドライエッチング、ウェットエッチングによって所望の形状に加工され、分極処理や実装工程を経て、例えば角速度センサのようなセンサデバイスや光走査装置のようなアクチュエータデバイスが製造される。なお、分極処理は成膜直後、素子加工途中段階、素子加工後のいずれに実施してもよい。
【００２６】
次に圧電素子のｄ31とεrの評価方法について説明する。
【００２７】
ｄ31は図４のようにレーザードップラー振動計２０を用いて評価した。まず短冊状の試料２１の下部電極２２露出部を、アルミホイル２４を巻き付けた絶縁体の治具２５で固定し、このアルミホイル２４を通じて下部電極２２をグラウンドに接続する。次に短冊先端にレーザー２６を照射した状態で上部電極２３に電圧を印加して短冊を振動させる。上部電極２３で反射したレーザー２６の短冊振幅による周波数変化から短冊の変位を求めることでｄ31を算出する。なお印加電界の周波数は短冊の共振周波数と異なる周波数を選択して非共振で測定を行い、電界強度は±２００ｋＶ／ｃｍ、分極処理後の残留分極と同方向で電界強度±２０ｋＶ／ｃｍ以下でのｄ31をｄ31とした。
【００２８】
静電容量評価にはＬＣＲメータを用いた。測定は第１および第２電極間に１ｋＨｚ、１Ｖの交流電圧を印加して行い、測定された静電容量からεrを算出した。
【００２９】
次に、本実施例と比較例の圧電素子を用いて音叉型の角速度センサ３０（図５）を作製し、電気回路に接続して検出信号のノイズ評価を行った結果を図６に示す。図６の横軸は作製した角速度センサ３０の駆動周波数と検出周波数の差である離調周波数Δｆと角速度センサの不要信号Ｑ−の積（ΔｆとＱ−は反比例の関係にあるため）、縦軸は比較例の角速度センサノイズで規格化したノイズである。また、本実施例と比較例の圧電素子のｄ31とεrは（表１）に示す通り、それぞれｄ31／εr：７０／６００、１００／１０００である。角速度センサとして圧電素子に求められる性能を考えた場合、圧電出力定数ｇ31は比較例で示した１０［１０-3Ｖｍ／Ｎ］あれば、角速度センサとして十分な性能を発揮することができ、本実施例はこれよりもさらに角速度センサとしての性能が向上している。
【００３０】
ここで、図６より本実施例の角速度センサ３０のノイズは比較例と比べて約１５％程度低減していることがわかる。本実施例は比較例よりもｄ31が低減しているが、εrが低減していることによりｇ31は向上している。これにより、圧電素子としての特性である圧電出力定数を向上させることができており、図６に示される通り、角速度センサのノイズを低減することができている。このように、本実施例の圧電素子を角速度センサに適用することにより、角速度センサに特に要求される検出精度を向上させることが出来る。
【００３１】
これらの測定を通じて、角速度センサといった圧電デバイスにεrを低減した圧電素子を適用することで、ｄ31を向上させることなく圧電デバイスの性能を向上させることができることが明らかになった。また、圧電素子のεrを低減することが圧電デバイスに及ぼす影響が大きいため、角速度センサといった圧電デバイスのノイズの要因には、素子形状や電気回路等のノイズ以外に材料に起因するノイズがあるが、特に、材料起因ノイズが圧電デバイスのノイズとして支配的である場合には、本発明の圧電デバイスへの適用が効果的である。
【００３２】
本実施例では、ｄ31／εr：７０／６００の圧電素子を用いて角速度センサへの効果の検証を行ったが、ｄ31は絶対値が７０［ｐｍ／Ｖ］あれば角速度センサへの適用を考えた場合に圧電素子の十分な変位量があるため、角速度センサの性能を満足することができ、ｄ31をさらに向上することができれば角速度センサの性能をより向上させることができる。また、本実施例においてεrは６００として検証したが、εrが６００であればｄ31の絶対値が７０［ｐｍ／Ｖ］程度の圧電素子でも角速度センサとして十分な性能を発揮することができ、εrをさらに低減した圧電素子を角速度センサに適用すれば角速度センサの更なる性能向上を図ることができる。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
なお、本実施例は角速度センサを用いて説明したが、加速度センサ等の圧電素子を用いたセンサデバイスや、小型プロジェクタ用の光学反射素子等の圧電素子を用いたアクチュエータに適用すれば本発明の効果を角速度センサと同様に得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の圧電素子はこれを駆動素子および検出素子として用いることで、例えば角速度センサのようなセンサデバイスや光走査装置のようなアクチュエータデバイスといった圧電デバイスの検出信号増大およびノイズ低減が実現でき、ひいては変位検出精度や位置制御精度に優れた圧電デバイスを実現することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１  Ｓｉ基板
１２  第１電極膜
１３  圧電膜
１４  第２電極膜
１５  圧電素子
１６  駆動素子
１７  検出素子
１８  角速度センサ
２０  レーザードップラー振動計
２１  試料
２２  下部電極
２３  上部電極
２４  アルミホイル
２５  治具
２６  レーザー
３０  角速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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