(57)【要約】【課題】広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることができ、且つ小型化が可能な圧電素子及び該圧電素子を用いた圧電変換装置を提供する。【解決手段】圧電素子１０は、第１圧電材料から成り厚み方向の分極を有する第１圧電体層１１１と、第１圧電体層１１１に積層して設けられた、第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層１１２と、第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２を積層の方向に挟む1対の電極（第１電極１２１、第２電極１２２）とを備える。圧電変換装置２０は、圧電素子１０と、第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２に、第１圧電材料の分極反転電界値よりも小さく且つ第２圧電材料の分極反転電界値よりも大きい値の電界を生成するよう、前記1対の電極間に直流電圧である分極制御電圧を印加する分極制御電圧印加部（第１直流電源２１１、第２直流電源２１２）と、分極制御電圧の正負を切り替える分極制御電圧反転部（第１スイッチ２２１、第２スイッチ２２２）とを備える。【選択図】図１
2017224969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 第１圧電材料から成り厚み方向の分極を有する第１圧電体層と、
b) 前記第１圧電体層に積層して設けられた、前記第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層と、
c) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層を前記積層の方向に挟む1対の電極と
を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子であって、
前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層がエピタキシャル接合構造を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
a) 第１圧電材料から成り厚み方向の分極を有する第１圧電体層と、
b) 前記第１圧電体層に積層して設けられた、前記第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層と、
c) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層を前記積層の方向に挟む1対の電極と、
d) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層に、前記第１圧電材料の分極反転電界値よりも小さく且つ前記第２圧電材料の分極反転電界値よりも大きい値の電界を生成するよう、前記1対の電極間に直流電圧である分極制御電圧を印加する分極制御電圧印加部と、
e) 前記分極制御電圧の正負を切り替える分極制御電圧反転部と
を備えることを特徴とする圧電変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電変換装置であって、
前記第２圧電材料の分極反転電界値よりも小さい値の電界を生成するよう、前記1対の電極間に直流電圧である共振周波数制御電圧を印加する共振周波数制御電圧印加部を備えることを特徴とする圧電変換装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の圧電変換装置であって、
前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層がエピタキシャル接合構造を備えることを特徴とする圧電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信機器における周波数フィルタや、超音波を送信及び／又は受信する超音波素子等に用いられる圧電素子及び圧電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体は、交流の電気信号が入力されると機械振動が生じ、機械振動が入力されると交流の電気信号が生じる。圧電素子は、この圧電体の性質を利用して、圧電体薄膜によって電気信号と機械振動を相互に変換するものであり、無線通信で用いる周波数フィルタや超音波素子等として利用される。周波数フィルタでは、圧電体薄膜の共振周波数を中心とする所定の狭帯域周波数の信号のみを通過させる。通常、1台の無線通信機器には通過帯域周波数が異なる複数個の圧電素子が用いられている。
【０００３】
一方、圧電体薄膜に直流バイアス電圧を印加すると、その大きさにより圧電体薄膜の電気機械結合係数が変化し、それによって圧電体薄膜の共振周波数も変化することが知られている。ここで電気機械結合係数は、電気のエネルギーと機械振動のエネルギーの変換効率の目安を表す係数である。非特許文献１には、BiFeO3とBaTiO3の混晶系である0.67BiFeO3-0.33BaTiO3において、直流バイアス電圧を変化させることによって共振周波数が約4.4％変化することが記載されている。このように圧電体薄膜の共振周波数を可変にすることにより、1個の圧電素子で使用可能な周波数帯を広くすることができる。
【０００４】
しかしながら、今後、さらに無線通信機器の数が増加すると予想されることから、各無線通信機器にもより広帯域化が求められる。しかし、非特許文献１の圧電素子のように直流バイアス電圧を変化させることにより共振周波数を変化させる場合、その共振周波数の変化の範囲は限られており、広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることは困難である。
【０００５】
非特許文献２には、同じ材料から成る2つの圧電体層を積層したものであってそれら2層の分極が同じ向きである部分（分極非反転部）と該2層の分極が互いに逆向きである部分（分極反転部）を有する積層体を備える圧電素子が記載されている。この圧電素子では、分極非反転部を挟む第１電極対と、分極反転部を挟む第２電極対が独立に設けられている（なお、それら2つの電極対における一方の電極は共通のものを用いることができる）。第１電極対に交流電圧を印加すると、2つの圧電体層が同じ向きに振動し、積層体全体で厚みの2倍の共振波長を有する共振が生じるのに対して、第２電極対に交流電圧を印加すると、2つの圧電体層が逆向きに振動し、積層体全体で厚みと同じ長さの共振波長を有する共振が生じる。このように、1個の圧電素子において交流電圧を印加する電極を切り替えることにより、2つの共振周波数を使用することができる。そして、第１電極対と第２電極対にそれぞれ直流バイアス電圧を印加し、それら直流バイアス電圧の値を変化させることで、特許文献１の構成よりも広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A. Vorobiev 他4名、"Intrinsically tunable 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3 thin film bulk acoustic wave resonators"、APPLIED PHYSICS LETTERS、（米国）、American Institute of Physics（米国物理学協会）発行、2012年12月4日、第101巻第232903-1〜232903-5頁
【非特許文献２】片田克吉、柳谷隆彦 他2名、「PbTiO3エピタキシャル薄膜を用いた二次モード分極反転共振子」、電子情報通信学会技術研究報告、一般社団法人電子情報通信学会発行、2014年10月15日、第114巻第263号第29〜34頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献２に記載の圧電素子は、1つの共振周波数を使用する際には分極非反転部と分極反転部のいずれか一方しか動作しない。そのため、素子の大きさを従来の2倍にしなければならず、携帯電話等の小型の通信機器等に組み込む際に不利となる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることができ、且つ小型化が可能な圧電素子及び該圧電素子を用いた圧電変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係る圧電素子は、
a) 第１圧電材料から成り厚み方向の分極を有する第１圧電体層と、
b) 前記第１圧電体層に積層して設けられた、前記第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層と、
c) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層を前記積層の方向に挟む1対の電極と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る圧電変換装置は、
a) 第１圧電材料から成り厚み方向の分極を有する第１圧電体層と、
b) 前記第１圧電体層に積層して設けられた、前記第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層と、
c) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層を前記積層の方向に挟む1対の電極と、
d) 前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層に、前記第１圧電材料の分極反転電界値よりも小さく且つ前記第２圧電材料の分極反転電界値よりも大きい値の電界を生成するよう、前記1対の電極間に直流電圧である分極制御電圧を印加する分極制御電圧印加部と、
e) 前記分極制御電圧の正負を切り替える分極制御電圧反転部と
を備えることを特徴とする。
【００１１】
分極反転電界値とは、圧電材料に対して分極とは逆方向の電界を印加した際に、分極の反転が生じる電界の強度の最小値をいう。すなわち、圧電材料に対して分極反転電界値よりも強い電界を分極とは逆方向に印加すれば、分極の反転が生じる。なお、分極が正から負へ反転するときの分極反転電界値の絶対値と、分極が負から正へ反転するときの分極反転電界値の絶対値の和を抗電界値という。圧電体の特性を示す指標としては抗電界値の方が一般的に用いられているが、本発明では、分極制御電圧印加部が印加する電圧を規定するために、上記分極反転電界値を定義して用いる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子は、第１圧電材料から成る第１圧電体層と、第１圧電材料よりも分極反転電界値が小さい第２圧電材料から成る第２圧電体層を積層した構成を有するため、第１圧電材料の分極反転電界値よりも小さく且つ前記第２圧電材料の分極反転電界値よりも大きい値の電界を生成するように前記1対の電極間に電圧を印加することにより、第１圧電体層の分極の方向はそのままで第２圧電体層の分極の方向のみを制御することができる。すなわち、第１圧電体層の分極と第２圧電体層の分極が同方向である状態と、第１圧電体層の分極と第２圧電体層の分極が逆方向の状態という、2つの状態の間で切り替えを行うことができる。この切り替えにより、本発明に係る圧電素子は、異なる2つの共振周波数を使用することができる。このような切り替えを行うために、本発明に係る圧電変換装置は、前記分極制御電圧印加部及び前記分極制御電圧反転部を有している。
【００１３】
圧電材料には、(1)電界が印加されていないときにも分極が維持され、分極とは逆方向に分極反転電界値よりも強い電界を印加すれば分極が反転するもの、(2)電界が印加されていないときにも分極が維持され、分極とは逆方向の電界を印加しても分極が反転しない（分極反転電界値が非常に大きい）もの、(3)電界が印加されている間のみ分極が維持され、電界の方向を変化させれば分極も該方向に変化するもの（分極反転電界値が0。「電歪材料」ともいう。）がある。本発明では、第１圧電材料には(1)又は(2)を、第２圧電材料には(1)又は(3)を、それぞれ用いることができる。(1)の例として、PbTiO3（チタン酸鉛）、PbTiO3におけるTi（チタン）の一部がZr（ジルコニウム）に置換されたPbZrxTi1-xO3（チタン酸ジルコン酸鉛）等が挙げられる。(2)の例として、ZnO（酸化亜鉛）、AlN（窒化アルミニウム）、AlNにおけるAlの一部がSc（スカンジウム）に置換されたScxAl1-xN等が挙げられる。(3)の例として、SrTiO3（チタン酸ストロンチウム）におけるSr（ストロンチウム）の一部がBa（バリウム）に置換されたBaxSr1-xTiO3等が挙げられる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置では、前記2つの状態のいずれにおいても第１圧電体層及び第２圧電体層の全体を動作させることができるため、非特許文献２に記載の圧電素子よりも小型化することができる。
【００１５】
分極制御電圧は、前記2つの状態の間で切り替えを行う時点で印加すればよく、第２圧電体層の分極が反転した後はその印加を停止しても第２圧電体層の分極はその状態（反転した状態）が維持される。従って、この切り替えの時点以外には、第１圧電材料及び第２圧電材料に、それらの分極反転電界値よりも小さい値の直流電界を生成する直流バイアス電圧を印加し、該直流バイアス電圧の大きさを変化させることにより、共振周波数を制御することができる。そのために、前記圧電変換装置は、前記第２圧電材料の分極反転電界値よりも小さい電界を生成するよう、前記1対の電極間に直流電圧である共振周波数制御電圧を印加する共振周波数制御電圧印加部を備えることが望ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置は、最低限、前記第１圧電体層及び前記第２圧電体層を有していればよいが、前記分極制御電圧の印加により分極が反転しない分極反転電界値を有する圧電材料から成る圧電体層（第１圧電体層を含む）と、該分極制御電圧の印加により分極が反転する分極反転電界値を有する圧電材料から成る圧電体層（第２圧電体層を含む）を交互に、合計3層以上有していてもよい。この場合、2つの共振周波数の一方は他方よりも、圧電体層の数と同じ数の倍数で大きくなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置により、広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることができ、且つ小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】本実施形態の圧電素子の製造方法を示す概略図。
【図３】本実施形態の圧電素子及び圧電変換装置の動作を示す概略図。
【図４】本実施形態の圧電素子における共振波長を示す概略図。
【図５】予備実験として、本実施形態の圧電素子で用いた第１圧電体層のみを１対の電極で挟んだ圧電素子と、第２圧電体層のみを１対の電極で挟んだ圧電素子についてそれぞれ、印加直流電圧を変化させながら１次モードの共振の変換損失を測定した結果を示すグラフ。
【図６】本実施形態の圧電素子において、印加直流電圧を変化させながら１次モード及び２次モードの共振の変換損失を測定した結果を示すグラフ。
【図７】本実施形態の圧電素子において、外部から入力する交流電圧の周波数を変化させながら挿入損失を測定した結果を示すグラフ。
【図８】本発明に係る圧電素子の他の実施形態である、圧電体層を4層有する例を示す概略構成図。
【図９】本発明に係る圧電素子の他の実施形態を示す、圧電体層を3層有する例を示す概略構成図。
【図１０】本発明に係る圧電素子の他の実施形態であるFBARを示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１〜図１０を用いて、本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の圧電素子１０及び圧電変換装置２０の概略構成図である。圧電素子１０では、PbTiO3から成る第１圧電体層１１１と、PbTiO3におけるTiの一部がZrに置換されたPbZrxTi1-xO3から成る第２圧電体層１１２が積層している。ここでxは、0よりも大きく1以下の範囲内の任意の値を取り得るが、本実施形態では0.53とした。抗電界値2Ecは、第１圧電体層１１１（PbTiO3）では470kV/cm、第２圧電体層１１２（PbZrxTi1-xO3）では220kV/cmであり、それらの分極反転電界値は抗電界値2Ecの1/2であるEcで近似される。第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２の厚みは、本実施形態では前者を580nm、後者を1070nmとしたが、本発明ではこれらの厚みには限定されない。
【００２０】
本実施形態の圧電素子１０はさらに、第１電極１２１及び第２電極１２２を有する。これら第１電極１２１及び第２電極１２２は、第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２をそれらの積層方向に挟むように設けられている。第１電極１２１は第１圧電体層１１１側に、第２圧電体層１１２は第２圧電体層１１２側に、それぞれ配置されている。第１電極１２１には、SrTiO3にLaを少量（3.73質量％）ドープした単結晶を、表面が(001)面となるように研磨したものを用いた。ここで、LaはSrTiO3に導電性を付与するためにドープしている。一方、第２電極１２２には金から成る電極を用いた。なお、第１電極１２１の材料と第２電極１２２の材料を入れ替えてもよいし、第１電極１２１及び／又は第２電極１２２に他の材料を用いてもよい。第２電極１２２は接地されている。
【００２１】
第１圧電体層１１１は、予め第１電極１２１側を正とし該第１圧電体層１１１の分極反転電界値よりも高い値の電界を印加することにより、第１電極１２１側を正とする向きの分極が形成されている。第２圧電体層１１２の分極の向きは、後述のように分極制御電圧印加部２１及び分極制御電圧反転部２２によって制御され、一定ではない。
【００２２】
本実施形態の圧電変換装置２０は、上記圧電素子１０に加えて、分極制御電圧印加部２１及び分極制御電圧反転部２２を有する。分極制御電圧印加部２１は第１直流電源２１１及び第２直流電源２１２から成り、分極制御電圧反転部２２は第１スイッチ２２１及び第２スイッチ２２２から成る。第１直流電源２１１は、負極が第１電極１２１に、正極が第２電極１２２に、それぞれ接続されており、該負極と第１電極１２１の間に第１スイッチ２２１が設けられている。第２直流電源２１２は、正極が第１電極１２１に、負極が第２電極１２２に、それぞれ接続されており、該正極と第１電極１２１の間に第２スイッチ２２２が設けられている。第１直流電源２１１及び第２直流電源２１２が第１電極１２１と第２電極１２２の間に印加する分極制御電圧の大きさはいずれも30Vである。この分極制御電圧の大きさは、実際に第１電極１２１と第２電極１２２の間に直流電圧を印加して該電圧の値を変化させてゆく実験を行い（後述の図６参照）、第１圧電体層１１１の分極は反転せず且つ第２圧電体層１１２の分極が反転した電圧の範囲内で定めた。
【００２３】
圧電変換装置２０には更に、共振周波数制御電圧印加部２３が設けられている。共振周波数制御電圧印加部２３は、可変直流電圧電源２３１と第３スイッチ２３２から成る。可変直流電圧電源２３１は直流電圧を出力し、その出力電圧を変化させることができる電源である。可変直流電圧電源２３１により出力電圧を変化させる範囲は、第２圧電体層１１２の分極が反転しないように定める。
【００２４】
図２を用いて、本実施形態の圧電素子１０の製造方法を説明する。
まず、SrTiO3にLaをドープした(Sr, La)TiO3の単結晶を用意し、表面が(001)面となるように研磨することにより、第１電極１２１を作製する。次に、第１電極１２１の上に、RFマグネトロンスパッタ法によりPbTiO3を成膜する（図２(a)）ことにより、第１圧電体層１１１を作製する（同(b)）。ここで(Sr, La)TiO3とPbTiO3は格子定数の差が小さいため、第１圧電体層１１１のPbTiO3は第１電極１２１上にエピタキシャル成長する。続いて、第１圧電体層１１１の上に、RFマグネトロンスパッタ法によりPbZrxTi1-xO3を成膜する（同(c)）ことにより、第２圧電体層１１２を作製する（同(d)）。ここで第２圧電体層１１２のPbZrxTi1-xO3もまた、第１圧電体層１１１のPbTiO3上にエピタキシャル成長する。このように、第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２には、両者が強固に接合されたエピタキシャル接合構造が形成される。ここでエピタキシャル接合構造は、２つの層の一方における面内方向の結晶方位と、他方における結晶方位が一致するように接合している構造をいう。例えば、c軸方向に成長した2つの層が接合されている（c軸が層に垂直な場合）では、それら2つの層に平行な軸（例えばa軸）が同じ方向を向いている場合に、エピタキシャル接合構造であるといえる。
【００２５】
続いて、第２圧電体層１１２の上に金を蒸着する（同(e)）ことで第２電極１２２を作製する（同(f)）ことにより、圧電素子１０を構成する各層が完成する。
【００２６】
その後、第１電極１２１側が負であって、第１圧電体層１１１内に該第１圧電体層１１１の分極反転電界値よりも大きい電界を生成するように、第１電極１２１と第２電極１２２の間に電圧を印加する（図２(g)）ことにより、第２電極１２２から第１電極１２１に向かう電界Eを生成し、それにより第１電極１２１側が正である分極を第１圧電体層１１１及び第２圧電体層１１２に形成する（同(h)）。こうして圧電素子１０が完成する。
【００２７】
図３及び図４を用いて、本実施形態の圧電素子１０及び圧電変換装置２０の動作を説明する。
【００２８】
まず、図３(a)に示すように、共振周波数制御電圧印加部２３の第３スイッチ２３２をOFFとしたうえで、分極制御電圧反転部２２の第１スイッチ２２１をON、第２スイッチ２２２をOFFにした場合について説明する。この場合、第２圧電体層１１２内に、第２電極１２２から第１電極１２１に向かう電界Eが生成され、第２圧電体層１１２の分極Pが第１電極１２１側を正とする向きになる。なお、この際には第１圧電体層１１１内にも第２圧電体層１１２内と同じ大きさの電界が生成されるが、この電界の値が第１圧電体層１１１のPbTiO3の分極反転電界値よりも小さいため、第１圧電体層１１１内の分極Pの向きには影響が及ばない。この段階において第１圧電体層１１１内の分極Pと第２圧電体層１１２内の分極Pが同じ向きになることから、外部から電気的又は機械的振動が付与されると、図４(a)中の右側の図に示すように、第１圧電体層１１１の厚みd1と第２圧電体層１１２の厚みd2を合わせた厚みdを1/2波長とする共振が生成される。以下では、この共振を「１次モード」の共振と呼ぶ。
【００２９】
このように第１圧電体層１１１と第２圧電体層１１２の分極Pを同じ向きに設定した後、第１スイッチ２２１をOFFにし、第３スイッチ２３２をONにする（図３(b)）。この状態で、可変直流電圧電源２３１から印加する直流電圧の大きさを調整することにより、厚みdを1/2波長とする共振波長に対応する共振周波数を、数％の範囲で変化させることができる。
【００３０】
次に、図３(c)に示すように、共振周波数制御電圧印加部２３の第３スイッチ２３２をOFFとしたうえで、分極制御電圧反転部２２の第１スイッチ２２１をOF、第２スイッチ２２２をONにした場合について説明する。この場合、第２圧電体層１１２内に、第１電極１２１から第２電極１２２に向かう電界Eが生成され、第２圧電体層１１２の分極Pが第１電極１２１側を負とする向きになる。一方、この電界Eの値は第１圧電体層１１１のPbTiO3の分極反転電界値よりも小さいため、第１圧電体層１１１内の分極Pは第１電極１２１側を正とする向きのままである。従って、第１圧電体層１１１内の分極Pと第２圧電体層１１２内の分極Pが逆向きとなることから、外部から電気的又は機械的振動が付与されると、図４(b)中の右側の図に示すように、厚みdを1波長とする共振が生成される。以下では、この共振を「２次モード」の共振と呼ぶ。２次モードの共振は、前述の１次モードの共振と比較して、共振波長が1/2であって共振周波数が2倍である。
【００３１】
このように第１圧電体層１１１と第２圧電体層１１２の分極Pを逆向きに設定した後、第２スイッチ２２２をOFFにし、第３スイッチ２３２をONにする（図３(d)）。この状態で、可変直流電圧電源２３１から印加する直流電圧の大きさを調整することにより、厚みdを1波長とする共振波長に対応する共振周波数を、数％の範囲で変化させることができる。
【００３２】
以上のように、厚みdを1/2波長とする共振波長に対応する共振周波数と、厚みdを1波長とする共振波長に対応する共振周波数のそれぞれについて、数％の範囲で変化させることができるため、従来よりも広い周波数範囲で共振周波数を切り替えることができる。
【００３３】
以下、本実施形態の圧電素子１０についての実験結果を示す。まず、予備実験として、第１圧電体層１１１のみを１対の電極で挟んだ圧電素子と、第２圧電体層１１２のみを１対の電極で挟んだ圧電素子についてそれぞれ、１次モードの共振の変換損失を測定した。その結果を図５に示す。同図中の「PT単独」は第１圧電体層１１１のみを１対の電極で挟んだ圧電素子を指し、「PZT単独」は第２圧電体層１１２のみを１対の電極で挟んだ圧電素子を指す。また、同図中の細矢印は、電極間に印加する単位長さ当たりの直流電圧を変化させながら変換損失を測定した際の、該直流電圧の変化の方向を示している。「PT単独」では、単位長さ当たりの直流電圧が-160kV/cm付近と+310kV/cm付近という2つの電圧において変換損失がピークになっている。これは、それら2つの電圧において、分極の方向が揃っておらず、分極が反転する過程にあることを意味している。「PT単独」の抗電界値2Ecは470kV/cmである。同様に、「PZT単独」では、単位長さ当たりの直流電圧が-100kV/cm付近と+120kV/cm付近という2つの電圧において変換損失がピークになっており、抗電界値2Ecは220kV/cmである。これら「PZT単独」における変換損失の2つのピークの外側であって、且つ「PT単独」における変換損失の2つのピークの内側の領域の直流電圧では、第１圧電体層１１１の分極は反転せず且つ第２圧電体層１１２の分極は反転すると考えられる。
【００３４】
図６に、本実施形態の圧電素子１０について、第１電極１２１と第２電極１２２の間に印加する直流電圧の大きさ及び向きを変化させながら変換損失を測定した結果を示す。この測定では、第１電極１２１と第２電極１２２の間の直流電圧の大きさは、単位長さ当たりの直流電圧が、上記のように第１圧電体層１１１の分極は反転せず且つ第２圧電体層１１２の分極は反転する範囲内で変化させた。図６中の○印のデータは１次モードの共振の変換損失を示し、△印のデータは２次モードの変換損失を示している。この図によれば、単位長さあたりの印加電圧を徐々に変化させながら約+100kV/cm及び約-100kV/cmに達したときに、変換効率の急変が生じる。そして、単位長さあたりの印加電圧が約-100kV/cmよりも小さい（絶対値では大きい）ときには、１次モードの振動の損失が２次モードよりも小さくなり、単位長さあたりの印加電圧が約+100kV/cmよりも大きいときには、２次モードの振動の損失が１次モードより小さくなる。これらの結果は、単位長さあたりの印加電圧が約-100kV/cmよりも小さい（絶対値では大きい）電圧を印加すれば２次モードから１次モードへの変換が生じ、単位長さあたりの印加電圧が約+100kV/cmよりも大きい電圧を印加すれば１次モードから２次モードへの変換が生じることを意味している。
【００３５】
図７に、本実施形態の圧電素子１０について、分極制御電圧として-30V（１次モードの場合）又は+30V（２次モードの場合）の直流電圧を第１電極１２１と第２電極１２２の間に印加しつつ、外部から入力する交流電圧の周波数を変化させながら挿入損失を測定した結果を示す。ここで挿入損失とは、高周波回路に挿入された素子において1つの端子からもう1つの端子に高周波電力が伝播する際に生じる高周波電力の損失をいう。挿入損失が小さい（その絶対値が小さい）ところは、２次モードでは１次モードよりも周波数が2倍程度になっている。この結果は、本実施形態の圧電素子１０は、共振周波数が2倍程度異なる１次モードと２次モードの双方で使用することができることを意味している。
【００３６】
図８に、本発明に係る圧電素子の他の実施形態を示す。同図に示した圧電素子１０Ａは、PbTiO3から成る第１圧電体層１１１Ａ、PbZrxTi1-xO3から成る第２圧電体層１１２Ａ、PbTiO3から成る第３圧電体層１１３Ａ、及びPbZrxTi1-xO3から成る第４圧電体層１１４Ａの4層をこの順に積層し、それら4層を積層方向に第１電極１２１Ａ及び第２電極１２２Ａで挟んだ構成を有する。この圧電素子１０Ａでは、第１圧電体層１１１Ａ及び第３圧電体層１１３Ａの分極反転電界値よりも小さく、且つ第２圧電体層１１２Ａ及び第４圧電体層１１４Ａの分極反転電界値よりも大きい電界が生成されるように第１電極１２１Ａと第２電極１２２Ａの間に分極制御電圧を印加することにより、2つの振動状態の間で切り替えを行う。第１振動状態では、第１圧電体層１１１Ａから第４圧電体層１１４Ａまでを合わせた厚みdを1/2波長とする１次モードの振動が生じ（図８(a)）、第２振動状態では、厚みdを2波長とする４次モードの振動が生じる（同(b)）。
【００３７】
また、図９に示すように、圧電体層の数は奇数個であってもよい。同図の圧電素子１０Ｂは、PbTiO3から成る第１圧電体層１１１Ｂ、PbZrxTi1-xO3から成る第２圧電体層１１２Ｂ、及びPbTiO3から成る第３圧電体層１１３Ｂをこの順に積層し、それら3層を積層方向に第１電極１２１Ｂ及び第２電極１２２Ｂで挟んだ構成を有する。圧電素子１０Ｂにおいても他の例と同様に第１電極１２１Ｂと第２電極１２２Ｂの間に分極制御電圧を印加することにより、2つの振動状態の間で切り替えを行う。第１振動状態では、第１圧電体層１１１Ｂから第３圧電体層１１３Ｂまでを合わせた厚みdを1/2波長とする１次モードの振動が生じ（図９(a)）、第２振動状態では、厚みdを3/2波長とする３次モードの振動が生じる（同(b)）。
【００３８】
本発明に係る圧電素子は、図１０に示すように、圧電体層及び電極が支持部１３で支持された構成を取ることができる。図１０に示した圧電素子は、FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれる薄膜共振子フィルタである。このFBAR１０Ｃの支持部１３は、板状部材に、その中央を刳り抜いて空洞１３１が設けられたものである。第１電極１２１Ｃ、第１圧電体層１１１Ｃ、第２圧電体層１１２Ｃ、及び第２電極１２２Ｃの積層体は、その一部のみが支持部１３の板状部材に支えられ、残りの部分は支持部１３の空洞１３１上にある。この空洞１３１上にある部分は、支持部１３の制約を受けずに振動することができる。
【００３９】
本発明に係る圧電変換装置は、通信機器で用いる周波数フィルタや、超音波トランスデューサ、ダイヤフラム型空中超音波素子（pMUT）、圧電トランス、エネルギーハーベスタ、圧電アクチュエータ、圧電モータ、医療機器や超音波顕微鏡等の測定装置における超音波プロープ等に用いることができる。
【００４０】
超音波顕微鏡における超音波プロープでは、一般に、圧電素子で生成される超音波を超音波レンズで収束して測定対象に照射し、測定対象からの応答である超音波を該超音波レンズで収集して該圧電素子で検出する。このような超音波レンズを用いることから、圧電素子の圧電体層の面積が大きいほど、超音波レンズで収束される超音波の音圧が大きくなるため、超音波顕微鏡のS/N比を高くすることができる。しかしながら、圧電体層の面積を大きくするだけでは圧電素子のインピーダンスが小さくなり、それによって測定システムのインピーダンス（通常は50Ω）との間にインピーダンス不整合が生じ、その結果、圧電素子に入力される高周波電圧や、検出した超音波が圧電素子で変換されて測定システムに出力される高周波電圧が小さくなってしまう。圧電体層の面積を大きくするのに合わせて圧電体層を厚くすれば、圧電素子のインピーダンスの値を測定システムのインピーダンスに合わせることが可能であるが、その場合には共振周波数が小さく（共振波長が長く）なってしまう。それに対して本発明に係る圧電素子では、分極制御電圧で切り替えられる2つの状態のうち高次モードの振動状態のときに、圧電体層の面積及び厚みが等しい従来の圧電素子よりも共振周波数を大きく（共振波長を短く）することができる。そのため、本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置を超音波顕微鏡に適用すれば、該圧電素子のインピーダンスを測定システムのインピーダンスに合わせつつ、圧電体層の面積（及び厚み）を大きくすることができ、それによって超音波顕微鏡のS/N比を高くすることができる。
【００４１】
また、本発明に係る圧電素子及び圧電変換装置を備える超音波顕微鏡では、高次モードから１次モードに切り替えることにより、異なる2つの共振周波数で測定を行うことが可能になる。例えば、例えば試料の傷を探索する際に、超音波を照射すると傷から高調波が生じることがある。その場合には、圧電素子から１次モードで試料に超音波を照射し、それによって試料に生じる高調波が圧電素子に到達する前に圧電素子の振動状態を高次モードに切り替え、該高調波を該圧電素子で検出することができる。
【００４２】
本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態ではPbTiO3から成る圧電体層とPbZrxTi1-xO3から成る圧電体層を交互に積層したが、圧電体層の材料はこれらには限られず、分極反転電界値が異なり且つ隣接する圧電体層を接合することが可能であれば、任意の圧電体を組み合わせることができる。また、圧電体層を3層以上用いる場合に、上記実施形態では材料が異なる2種類の圧電体層を交互に積層したが、分極反転電界値が所定の電界の値（分極制御電圧により生成される電界の値）よりも高いものと低いものを交互に積層しさえすれば、材料が異なる3種類以上の圧電体層を用いることもできる。さらには、上記実施形態では圧電体層が2〜4層の場合について説明したが、圧電体層が5層以上であってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ…圧電素子
１０Ｃ…FBAR
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ…第１圧電体層
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ…第２圧電体層
１１３Ａ、１１３Ｂ…第３圧電体層
１１４Ａ…第４圧電体層
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ…第１電極
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ…第２電極
１３…支持部
１３１…空洞
２０…圧電変換装置
２１…分極制御電圧印加部
２１１…第１直流電源
２１２…第２直流電源
２２…分極制御電圧反転部
２２１…第１スイッチ
２２２…第２スイッチ
２３…共振周波数制御電圧印加部
２３１…可変直流電圧電源
２３２…第３スイッチ
【図１】
2017224969.tif 000003
【図２】
2017224969.tif 000004
【図３】
2017224969.tif 000005
【図４】
2017224969.tif 000006
【図５】
2017224969.tif 000007
【図６】
2017224969.tif 000008
【図７】
2017224969.tif 000009
【図８】
2017224969.tif 000010
【図９】
2017224969.tif 000011
【図１０】
2017224969.tif 000012