JP2018037552A - 圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンター - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体層への電極成分の拡散を十分に抑制するとともに、電気的特性を十分に向上させつつ、圧電素子の厚さを厚くすることができる圧電素子を提供すること、また、かかる圧電素子を備える圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンターを提供すること。【解決手段】基板と、前記基板上に配置されている第１電極と、前記第１電極上に配置され、圧電体材料を含んで構成されている複数層を有し、前記複数層の厚さの合計が１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある圧電体層と、前記圧電体層の層間に配置され、チタンを含んで構成されている中間層と、を備えることを特徴とする圧電素子。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンターに関するものである。

圧電素子は、一般に、２つの電極間に圧電体を介挿した構成を有する。例えば、特許文献１に係る圧電素子は、白金（Ｐｔ）で構成されている２つのＰｔ電極間に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されているＰＺＴ膜を介挿している。この特許文献１では、ＰＺＴ層を形成する際、第１のＰＺＴ膜および第２のＰＺＴ膜の２層に分けて行うことで、Ｐｔ電極から第２のＰＺＴ膜へのＰｔの拡散を抑制している。ここで、第１のＰＺＴ膜および第２のＰＺＴ膜の形成は、それぞれ、ゾルゲル法またはスパッタ法によりＰＺＴを堆積させた後に熱処理により結晶化させることにより行う。

特開２０００−１７４２２８号公報

近年、従来よりも厚さが厚く、かつ、ヒステリシス角形性や圧電特性等を向上させた圧電素子の実現が求められている。しかし、特許文献１に係る圧電素子のように単にＰＺＴ膜を２層に分けた構成では、Ｐｔ電極からＰＺＴ膜へのＰｔの拡散の抑制が十分とは言えず、また、厚さを厚くすると、所望の配向を有するＰＺＴ膜を得ることができず、電気的特性を十分に向上させることができない場合がある。

本発明の目的は、圧電体層への電極成分の拡散を十分に抑制するとともに、電気的特性を十分に向上させつつ、圧電素子の厚さを厚くすることができる圧電素子を提供すること、また、かかる圧電素子を備える圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンターを提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧電素子は、基板と、
前記基板上に配置されている第１電極と、
前記第１電極上に配置され、圧電体材料を含んで構成されている複数層を有し、前記複数層の厚さの合計が１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある圧電体層と、
前記圧電体層の層間に配置され、チタンを含んで構成されている中間層と、を備えることを特徴とする。

このような圧電素子によれば、圧電体層の層間にチタンを含んで構成されている中間層が配置されているため、単に圧電体層が複数層に分かれている場合に比べて、第１電極の電極成分が圧電体層内に拡散するのを低減することができ、しかも、圧電体層を構成する圧電体材料の配向率を高めることができる。また、圧電体層が有する複数層の厚さの合計を１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とすることで、圧電素子の厚さを厚くしつつ、前述したような中間層の作用を好適に発揮させることができる。このようなことから、圧電体層への電極成分の拡散を十分に抑制するとともに、電気的特性や圧電特性を十分に向上させつつ、圧電素子の厚さを厚くすることができる。

本発明の圧電素子では、前記中間層の厚さが２ｎｍ以上６ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、中間層は、第１電極の電極成分が圧電体層内に拡散するのを低減する機能、および、圧電体層を構成する圧電体材料の配向率を高める機能の双方の機能を好適に発揮させることができる。

本発明の圧電素子では、前記中間層は、前記圧電体層の前記複数層が有する層間のうち最も前記第１電極側に位置している層間に配置されていることが好ましい。

これにより、圧電体層が有する複数層のうち最も第１電極側に位置している層の厚さを薄くして、第１電極の電極成分が圧電体層内に拡散するのを中間層で効果的に低減することができる。また、最も第１電極側に位置している層の厚さに応じて、中間層と第１電極との間の距離を簡単かつ高精度に規定することができる。圧電体層が有する複数層のうち中間層に対して、圧電体層上に配置されている第２電極側に位置する層の数を増やすことで、圧電体層の厚さを容易に厚くすることができる。

本発明の圧電素子では、前記圧電体層の前記複数層のうち最も前記第１電極側に位置している層の厚さが６０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、第１電極の電極成分が圧電体層へ拡散するのを効果的に低減することができる。

本発明の圧電素子では、前記圧電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛であることが好ましい。

チタン酸ジルコン酸鉛は、ペロブスカイト型結晶構造を有するとともに、優れた圧電特性を有する。ここで、ペロブスカイト型結晶構造を有する圧電体材料は、中間層に含まれるチタンを結晶核として高い配向率で結晶化させることができる。そのため、圧電体層が有する複数層のうち、中間層に対して第２電極側に位置する層の配向率を高めることができる。

本発明の圧電アクチュエーターは、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。
このような圧電アクチュエーターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。

本発明の圧電モーターは、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。
このような圧電モーターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。

本発明のロボットは、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。
このようなロボットによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。

本発明の電子部品搬送装置は、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。
このような電子部品搬送装置によれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。

本発明のプリンターは、本発明の圧電素子を備えることを特徴とする。
このようなプリンターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図２に示す圧電素子の部分拡大断面図である。 中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第１電極成分（Ｉｒ）の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。 中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第１電極成分（Ｐｔ）の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。 図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さと配向率との関係を示すグラフである。 中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電素子に印加した電圧と電流との関係を示すグラフである。 図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と誘電分極との関係（ヒステリシス角形性）を示すグラフである。 図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と圧電応力定数（ｅ３１）との関係を示すグラフである。 図３に示す層構成の圧電素子の製造方法を説明するフローチャートである。 図１０に示す基板準備工程を説明する図である。 図１０に示す第１電極形成工程を説明する図である。 図１０に示す第１圧電体層形成工程を説明する図である。 図１０に示す中間層形成工程を説明する図である。 図１０に示す第２圧電体層形成工程を説明する図である。 図１０に示す第２電極形成工程を説明する図である。 図１０に示すパターニング工程を説明する図である。 本発明の圧電モーターの実施形態を示す概略図である。 本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。 本発明の電子部品搬送装置の実施形態を示す斜視図である。 図２０に示す電子部品搬送装置が有する電子部品保持部の斜視図である。 本発明のプリンターの実施形態を示す図である。

以下、本発明の圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンターを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．圧電アクチュエーター
まず、本発明の圧電アクチュエーターの実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図２中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

図１に示す圧電アクチュエーター１は、図２に示すように、２つの圧電素子ユニット１１と、２つの圧電素子ユニット１１を互いに接合している接着層１２と、２つの圧電素子ユニット１１に跨って設けられている凸部材１３と、を有している。ここで、２つの圧電素子ユニット１１は、接着層１２に対して対称（図２中の上下対称）に構成され、互いに同様の構成を有する。

各圧電素子ユニット１１は、基板１４と、基板１４上に設けられている複数の圧電素子１５と、複数の圧電素子１５を覆っている保護層１６と、を有する。

基板１４は、図１に示すように、駆動部１４１と、固定部１４２と、これらを接続している１対の接続部１４３と、を有する。本実施形態では、駆動部１４１は、基板１４の厚さ方向から見た平面視（以下、単に「平面視」ともいう）で、長方形をなしている。また、固定部１４２は、平面視で駆動部１４１の長手方向での一端側の部分の外周に沿って、駆動部１４１に対して離間して設けられている。また、１対の接続部１４３は、駆動部１４１の幅方向（長手方向に対して直交する方向）での両側に配置されている。そして、１対の接続部１４３は、駆動部１４１の長手方向での中央部と固定部１４２とを接続している。なお、駆動部１４１の所望の変形または振動が可能であれば、駆動部１４１、固定部１４２および１対の接続部１４３の形状や配置等は、前述したものに限定されない。例えば、固定部１４２が接続部１４３ごとに分離して設けられていてもよい。また、接続部１４３の数、形状および配置等も任意である。

基板１４は、例えば、シリコン基板である。また、図示しないが、基板１４の圧電素子１５側の面には、絶縁層が設けられている。この絶縁層は、特に限定されないが、例えば、基板１４がシリコン基板である場合、当該シリコン基板の表面を熱酸化することにより形成された厚さ１μｍ程度の熱酸化膜（二酸化ケイ素膜）である。また、この熱酸化膜上には、ＺｒＯ_２膜が設けられていてもよい。このＺｒＯ_２膜は、例えば、スパッタ法または真空蒸着法により成膜したＺｒ膜を酸素雰囲気下で熱処理することで形成することができる。

このような基板１４の駆動部１４１上には、複数の圧電素子１５が配置されている。本実施形態では、複数の圧電素子１５は、５つの駆動用の圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｆおよび１つの検出用の圧電素子１５ｅからなる。

圧電素子１５ｆは、駆動部１４１の幅方向での中央部において、駆動部１４１の長手方向に沿って配置されている。この圧電素子１５ｆに対して駆動部１４１の幅方向での一方側には、圧電素子１５ａ、１５ｂが配置され、他方側には、圧電素子１５ｃ、１５ｄが配置されている。圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、駆動部１４１の長手方向および幅方向に沿って分割した４つの領域に対応して配置されている。また、圧電素子１５ｅは、駆動部１４１の幅方向での一方側において、圧電素子１５ａに対して圧電素子１５ｂとは反対側に配置されている。なお、圧電素子１５ｅは、図示の配置に限定されず、また、省略することもできる。

このように配置された圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆは、それぞれ、基板１４上に設けられている第１電極１５１と、第１電極１５１上に設けられている圧電体層１５２と、圧電体層１５２上に設けられている第２電極１５３と、を有している。ここで、第１電極１５１および第２電極１５３は、圧電体層１５２をその厚さ方向で挟むようにして設けられている。また、圧電体層１５２は、その厚さ方向に沿った方向の電界が印加されることにより駆動部１４１の長手方向に沿った方向に伸縮するように構成されている。なお、各圧電素子１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）の層構成については、後に詳述する。

第１電極１５１は、圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆに共通して設けられている共通電極である。一方、第２電極１５３は、圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆごとに個別に設けられている個別電極である。本実施形態では、圧電体層１５２は、圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｆごとに個別に設けられているが、圧電素子１５ａ、１５ｅに共通して設けられている。なお、圧電体層１５２は、圧電素子１５ａ、１５ｅごとに個別に設けられていてもよいし、圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆに共通して一体的に設けられていてもよい。

ここで、複数の第２電極１５３は、圧電素子１５ａに対応して設けられている第２電極１５３ａ、圧電素子１５ｂに対応して設けられている第２電極１５３ｂ、圧電素子１５ｃに対応して設けられている第２電極１５３ｃ、圧電素子１５ｄに対応して設けられている第２電極１５３ｄ、圧電素子１５ｅに対応して設けられている第２電極１５３ｅ、および、圧電素子１５ｆに対応して設けられている第２電極１５３ｆからなる。

第２電極１５３ａと第２電極１５３ｄは、図示しない配線を介して電気的に接続されている。同様に、第２電極１５３ｂと第２電極１５３ｃは、図示しない配線を介して電気的に接続されている。また、第２電極１５３上や上記２つの配線間等には、図示しないＳｉＯ_２膜等の絶縁膜が適宜設けられている。また、第１電極１５１は、図示しない配線を介して接地（グランド電位に接続）されている。また、２つの圧電素子ユニット１１の第１電極１５１同士、第２電極１５３ａ同士または第２電極１５３ｄ同士、第２電極１５３ｂ同士または第２電極１５３ｃ同士、および、第２電極１５３ｆ同士は、それぞれ、図示しない配線を介して電気的に接続されている。

このような配線により、圧電アクチュエーター１が有する２つの圧電素子ユニット１１の圧電素子１５ａ、１５ｄ同士が電気的に並列に接続されている。同様に、圧電アクチュエーター１が有する２つの圧電素子ユニット１１の圧電素子１５ｂ、１５ｃ同士が電気的に並列に接続されている。また、圧電アクチュエーター１が有する２つの圧電素子ユニット１１の圧電素子１５ｆ同士が電気的に並列に接続されている。

以上のような構成の複数の圧電素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ上には、これらを一括して覆うように保護層１６が設けられている。この保護層１６の構成材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。また、保護層１６は、例えば、スピンコート法を用いて形成することができる。

また、前述したような第１電極１５１、圧電体層１５２、第２電極１５３および保護層１６からなる積層体は、基板１４の固定部１４２上にも配置されている。これにより、接着層１２を介して２つの圧電素子ユニット１１を安定的に接合することができる。

以上説明したような構成の２つの圧電素子ユニット１１の保護層１６同士は、接着層１２を介して接合されている。接着層１２としては、例えば、エポキシ樹脂等が挙げられる。

また、２つの圧電素子ユニット１１の駆動部１４１の固定部１４２とは反対側の端部には、凸部材１３が例えば接着剤により固定されている。本実施形態では、凸部材１３は、円筒状をなし、その円筒面の一部が駆動部１４１から突出して設けられている。凸部材１３の構成材料としては、耐摩耗性に優れた材料が好ましく、例えば、セラミックス等が挙げられる。なお、凸部材１３の形状は、駆動力を被駆動部に伝達可能であれば、円筒状に限定されない。

以上説明したように構成されている圧電アクチュエーター１では、図示しない駆動回路により、周期的に電圧値が変化する駆動信号が第２電極１５３ｂに入力される。すると、圧電素子１５ｂ、１５ｃのそれぞれが駆動部１４１の長手方向に伸張と収縮を繰り返す。これにより、駆動部１４１の屈曲振動を伴って、駆動部１４１の長手方向での一端部に設けられた凸部材１３が駆動部１４１の幅方向に往復移動（振動）する。このように振動する凸部材１３の駆動力を、図示しない被駆動部（例えばローター）に伝達する。このとき、圧電素子１５ｂ、１５ｃに同期した駆動信号を圧電素子１５ｆに入力することにより、凸部材１３から被駆動部に与える駆動力を大きくしたり、凸部材１３の軌道を制御したりすることができる。なお、周期的に電圧値が変化する駆動信号を第２電極１５３ｄに入力しても、同様に、圧電素子１５ａ、１５ｄの駆動により、凸部材１３を駆動部１４１の幅方向に往復移動（振動）させることができる。この場合、第２電極１５３ｂにも駆動信号を入力してもよく、その際、例えば、その駆動信号の位相を、第２電極１５３ｄに入力する駆動信号の位相に対して１８０度ずらせばよい。

（圧電素子の層構成）
以下、圧電素子１５の層構成について詳述する。

図３は、図２に示す圧電素子の部分拡大断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図３中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

図３に示すように、圧電素子１５は、基板１４上に、チタン層２、イリジウム層３、白金層４、チタン層５、第１圧電体層６、中間層７、第２圧電体層８、イリジウム層９がこの順で積層されて構成されている。ここで、チタン層２、イリジウム層３、白金層４およびチタン層５からなる積層体が、前述した第１電極１５１を構成している。また、第１圧電体層６、中間層７および第２圧電体層８からなる積層体が、前述した圧電体層１５２を構成している。また、イリジウム層９が、前述した第２電極１５３を構成している。

すなわち、前述したように、圧電素子１５は、基板１４と、基板１４上に配置されている第１電極１５１と、第１電極１５１上に配置されている圧電体層１５２と、圧電体層１５２上に配置されている第２電極１５３と、を備えている。そして、第１電極１５１は、基板１４側から、チタン層２、イリジウム層３、白金層４、チタン層５がこの順に積層されて構成されている。また、圧電体層１５２は、第１電極１５１側から第２電極１５３側へ、第１圧電体層６、中間層７、第２圧電体層８がこの順で積層されて構成されている。また、第２電極１５３がイリジウム層９で構成されている。ここで、後に詳述するが、圧電体層１５２は、圧電体材料を含んで構成されている「複数層」として、第１圧電体層６および第２圧電体層８（後述する層８１〜８３）を有し、これらの層の合計厚さが１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある。また、圧電素子１５が備える中間層７は、圧電体層１５２の層間に配置され、チタンを含んで構成されている。なお、「複数層」とは、複数の層の集合体または積層体を意味する。

以下、圧電素子１５を構成する各層を順次詳細に説明する。
（第１、２電極）
前述したように、第１電極１５１は、基板１４側から、チタン層２、イリジウム層３、白金層４、チタン層５がこの順に積層されて構成されている。

チタン層２は、チタン（Ｔｉ）で構成されている。このチタン層２は、基板１４に対する第１電極１５１の密着性を向上させる密着層として機能を有する。ここで、チタン層２の厚さは、特に限定されないが、例えば、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度とされる。なお、チタン層２に代えて、密着層として、クロムで構成されているクロム層を用いてもよい。

イリジウム層３は、イリジウム（Ｉｒ）で構成され、また、白金層４は、白金（Ｐｔ）で構成されている。イリジウムおよび白金は、ともに導電性に優れた電極材料であり、かつ、互いに化学的性質が近い。このようなイリジウム層３および白金層４を設けることにより、第１電極１５１の電極としての特性を優れたものとすることができる。ここで、イリジウム層３の厚さは、特に限定されないが、例えば、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度とされる。また、白金層４の厚さは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度とされる。

なお、イリジウム層３または白金層４のいずれかを省略してもよいし、白金層４に対してイリジウム層３とは反対側に、さらにイリジウムで構成された層を設けてもよい。また、イリジウム層３および白金層４に代えて、または、イリジウム層３および白金層４に加えて、イリジウムおよび白金以外の電極材料で構成された層を用いてもよい。イリジウムおよび白金以外の電極材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。

チタン層５は、チタン（Ｔｉ）で構成されている。このチタン層５は、第１圧電体層６を形成する際に、島状のＴｉが結晶核となって第１圧電体層６の配向を制御して、第１圧電体層６の結晶性（配向性）を向上させる機能を有する。ここで、チタン層５の厚さは、特に限定されないが、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度とされる。

一方、前述したように、第２電極１５３がイリジウム層９で構成されている。このイリジウム層９は、イリジウム（Ｉｒ）で構成されている。ここで、イリジウム層９の厚さは、特に限定されないが、例えば、１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下程度とされる。なお、第２電極１５３は、イリジウム層９に代えて、または、イリジウム層９に加えて、白金で構成された層を用いてもよい。また、第２電極１５３は、イリジウムおよび白金以外の電極材料で構成された層を用いてもよい。

（圧電体層）
前述したように、圧電体層１５２は、前述した第１電極１５１と第２電極１５３との間に介挿されている。そして、圧電体層１５２は、第１電極１５１側から第２電極１５３側へ、第１圧電体層６、中間層７、第２圧電体層８がこの順で積層されて構成されている。

［第１、第２圧電体層］
第１、第２圧電体層６、８は、圧電体層１５２を複数回の成膜および熱処理に分けて形成することにより得られる層である。このように、圧電体層１５２を複数回の成膜および熱処理に分けて形成することで、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散するのを低減することができる。本実施形態では、第２圧電体層８は、３つの層８１、８２、８３が積層されて構成されている。これにより、第２圧電体層８の厚膜化が容易となる。また、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散するのを低減することにも効果的に寄与する。なお、第２圧電体層８を構成する層の数は、図示のものに限定されず、２層または４層以上であってもよい。また、第１圧電体層６も複数層で構成されていてもよい。

第１、第２圧電体層６、８は、それぞれ、一般組成式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する圧電セラミックス材料で構成されている。具体的には、第１、第２圧電体層６、８の構成材料としては、それぞれ、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等が挙げられる。特に、第１、第２圧電体層６、８を構成する圧電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛であることが好ましい。

ここで、第１圧電体層６および第２圧電体層８の合計厚さは、１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある。これにより、厚さが厚い圧電素子１５が得られる。なお、後述する中間層７の厚さは、第１圧電体層６または第２圧電体層８の厚さに比べて大幅に薄いため、概略的には、圧電体層１５２全体の厚さを第１圧電体層６および第２圧電体層８の合計厚さとみなすことができる。

また、第１圧電体層６の厚さは、第２圧電体層８の厚さよりも薄く、より好ましくは、第２圧電体層８の厚さの０．０１倍以上０．７倍以下の範囲内にある。これにより、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散するのを効果的に低減しつつ、圧電素子１５の厚さを厚くすることができる。

圧電体層１５２が有する複数層のうち最も第１電極１５１側に位置している層の厚さ、すなわち、第１圧電体層６の具体的な厚さは、６０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、８０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散するのを効果的に低減することができる。これに対し、かかる厚さが薄すぎると、圧電体層１５２を厚くしたときに、第１電極１５１からの電極成分を第１圧電体層６内に閉じ込めることが難しく、当該電極成分が第２圧電体層８に及んでしまい、その結果、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散する範囲が拡がる傾向を示す。一方、かかる厚さが薄すぎても、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散する範囲が拡がる傾向を示す。

［中間層］
中間層７は、前述した第１圧電体層６と第２圧電体層８との層間に介挿されている。中間層７は、チタン（Ｔｉ）を含んで構成されている。この中間層７は、前述したように圧電体層１５２を第１圧電体層６および第２圧電体層８の２層に分けることと相まって、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２へ拡散するのを低減する機能、より具体的には、第１電極１５１の電極成分が第１圧電体層６から第２圧電体層８へ移動するのを阻止する機能（「拡散防止層」としての機能）を有する。

ここで、中間層７は、圧電体層１５２を構成する「複数層」である第１圧電体層６および第２圧電体層８（層８１〜８３）が有する層間のうち最も第１電極１５１側に位置している層間、すなわち、第１圧電体層６と第２圧電体層８との層間に配置されている。これにより、圧電体層１５２が有する複数層のうち最も第１電極１５１側に位置している層（第１圧電体層６）の厚さを薄くして、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２内に拡散するのを中間層７で効果的に低減することができる。また、最も第１電極１５１側に位置している層（第１圧電体層６）の厚さに応じて、中間層７と第１電極１５１との間の距離を簡単かつ高精度に規定することができる。そのため、圧電素子１５の所望の特性を得やすいという利点がある。また、圧電体層１５２が有する複数層のうち中間層７に対して第２電極１５３側に位置する層（層８１〜８３）の数を増やすことで、圧電体層１５２の厚さを容易に厚くすることができる。

また、中間層７の厚さは、２ｎｍ以上６ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、３ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。これにより、前述した中間層７の機能、すなわち、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２内に拡散するのを低減する機能（厚すぎると、低誘電率層の挿入による電圧降下が起こりうる）を好適に発揮させることができる。これに対し、かかる厚さが小さすぎると、前述した結晶核としての作用が少なくなる傾向を示す。一方、かかる厚さが大きすぎると、第１圧電体層６と第２圧電体層８とが中間層７を境に完全に分断されてしまい、第１圧電体層６と第２圧電体層８との間において結晶が不連続となったり層間剥離が生じやすくなったりする傾向を示す。

以下、中間層７の作用・効果について詳述する。なお、以下では、第１圧電体層６および第２圧電体層８の構成材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合について説明する。

（電極成分の拡散低減）
図４は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第１電極成分（Ｉｒ）の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。図５は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第１電極成分（Ｐｔ）の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。

中間層７（厚さ４ｎｍ）がある場合（図４中実線で示す）、中間層７が無い場合（図４中破線で示す）に比べて、第１電極１５１の電極成分であるイリジウム（Ｉｒ）が圧電体層１５２へ拡散するのが低減されている。同様に、図５中実線で示す中間層７（厚さ４ｎｍ）がある場合、図５中破線で示す中間層７が無い場合に比べて、第１電極１５１の電極成分であるは金（Ｐｔ）が圧電体層１５２へ拡散するのが低減されている。

なお、図４および図５中の横軸（Times）は、圧電素子１５の厚さ方向での位置に対応し、縦軸（Intensity）は、電極成分の量に対応している。また、図４および図５中、「下部電極」は第１電極１５１を示し、「ＰＺＴ層」は圧電体層１５２を示している。また、図４および図５中の一点鎖線に関し、「ＰＺＴ１層」は、第１圧電体層６と第２圧電体層８との境界部（中間層７の位置）を示し、「ＰＺＴ２層」は、第２圧電体層８の層８１と層８２との境界部を示し、「ＰＺＴ３層」は、第２圧電体層８の層８２と層８３との境界部を示している。

（圧電体層の配向率の向上）
図６は、図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さと配向率との関係を示すグラフである。

中間層７を有する圧電素子１５では、図６に示すように、圧電体層１５２を構成する圧電体の配向率を高くすることができる。また、圧電体層１５２の厚さが厚くなるほど、圧電体層１５２を構成する圧電体の配向率を高くすることができる。

なお、図６に示す結果は、第２圧電体層８の厚さの異なる複数の圧電素子１５のそれぞれについて、圧電体層１５２を構成する圧電体の配向率（１００面配向度）をＸ線解析広角法により測定した結果である。また、図６中の横軸は、圧電体層１５２中において圧電体で構成された層の数であり、縦軸は、圧電体層１５２を構成する圧電体の配向率である。ここで、「圧電体層１５２中において圧電体で構成された層の数」は、第１圧電体層６を構成する層数と、第２圧電体層８を構成する層数との合計（例えば図３に示す場合、４層）である。また、図６中の横軸には、圧電体層１５２中において圧電体で構成された層の数に対応する圧電体層１５２の厚さを付記してある。

（電流電圧特性）
図７は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電素子に印加した電圧と電流との関係を示すグラフである。

中間層７（厚さ４ｎｍ）がある場合（図７中実線で示す）、中間層７が無い場合（図７中破線で示す）に比べて、リーク電流を１桁以上低減するとともに、耐電圧性を向上させることができる。なお、図７に示す結果は、圧電素子１５に印加する電圧を変化させたときに圧電素子１５に流れる電流を測定した結果である。

（ヒステリシス角形性）
図８は、図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と誘電分極との関係（ヒステリシス角形性）を示すグラフである。

中間層７を有する圧電素子１５では、図８に示すように、圧電体層１５２の厚さが厚くなるほど、圧電体層１５２のヒステリシス角形性を向上させることができる。また、圧電体層１５２の厚さが厚くなるほど、圧電体層１５２への実効的な電圧低下を低減することができる。なお、図８に示す結果は、圧電体層１５２の厚さが１．３μｍ、２．１μｍ、３．１μｍの３つの圧電素子１５のそれぞれについて測定を行った結果である。ここで、圧電体層１５２中において圧電体で構成された層の数は、圧電体層１５２の厚さが１．３
μｍの場合６層、２．１μｍの場合１０層、３．１μｍの場合１４層である。

（圧電特性）
図９は、図３に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と圧電応力定数（ｅ３１）との関係を示すグラフである。

中間層７を有する圧電素子１５では、図９に示すように、圧電体層１５２の厚さが厚くなるほど、圧電体層１５２への実効的な電圧低下を低減することができ、圧電特性を向上させることができる。なお、図８に示す結果は、圧電体層１５２の厚さが０．７μｍ、１．３μｍ、３．１μｍ、５．０μｍの４つの圧電素子１５のそれぞれについて、カンチレバー式のサンプルを作成し、レーザー変位計を用いて電界に対する変位量を測定し、その測定結果、圧電素子１５の形状および寸法、基板１４の物性値等に基づいて算出した結果である。ここで、圧電体層１５２中において圧電体で構成された層の数は、圧電体層１５２の厚さが０．７μｍの場合４層、１．３μｍの場合６層、３．１μｍの場合１４層、５．０μｍの場合２２層である。

以上説明したような圧電素子１５によれば、圧電体層１５２の層間にチタンを含んで構成されている中間層７が配置されているため、単に圧電体層１５２が複数層に分かれている場合に比べて、第１電極１５１の電極成分が圧電体層１５２内に拡散するのを低減することができ、しかも、圧電体層１５２を構成する圧電体材料の配向率を高めることができる。また、圧電体層１５２が有する複数層の合計厚さを１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とすることで、圧電素子１５の厚さを厚くしつつ、前述したような中間層７の作用を好適に発揮させることができる。このようなことから、圧電体層１５２への電極成分の拡散を十分に抑制するとともに、電気的特性を十分に向上させつつ、圧電素子１５の厚さを厚くすることができる。

また、圧電アクチュエーター１は、前述したような効果を奏する圧電素子１５を備えるため、圧電素子１５の駆動力を大きくすることができる。

（圧電アクチュエーターの製造方法）
以下、圧電アクチュエーター１の製造方法について説明する。

図１０は、図３に示す層構成の圧電素子の製造方法を説明するフローチャートである。
圧電アクチュエーター１の製造方法は、図１０に示すように、［１］基板準備工程Ｓ１０と、［２］第１電極形成工程Ｓ２０と、［３］第１圧電体層形成工程Ｓ３０と、［４］中間層形成工程Ｓ４０と、［５］第２圧電体層形成工程Ｓ５０と、［６］第２電極形成工程Ｓ６０と、［７］パターニング工程Ｓ７０と、を有する。以下、各工程を順次簡単に説明する。

［１］基板準備工程Ｓ１０
図１１は、図１０に示す基板準備工程を説明する図である。

まず、図１１に示すように、基板１４を用意する。この基板１４は、例えば、シリコン基板を用意し、そのシリコン基板の一方の面に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成することで得られる。なお、シリコン酸化膜上に、スパッタ法または真空蒸着法によりＺｒＯ_２膜を形成してもよい。

［２］第１電極形成工程Ｓ２０
図１２は、図１０に示す第１電極形成工程を説明する図である。

次に、図１２に示すように、基板１４の一方の面上に、チタン層２、イリジウム層３、白金層４、チタン層５をこの順で成膜して、第１電極１５１を形成する。ここで、チタン層２、イリジウム層３、白金層４、チタン層５の形成は、それぞれ、例えば、スパッタ法等により行う。

［３］第１圧電体層形成工程Ｓ３０
図１３は、図１０に示す第１圧電体層形成工程を説明する図である。

次に、図１３に示すように、第１電極１５１上に、第１圧電体層６を形成する。ここで、第１圧電体層６の形成は、例えば、ゾルゲル法により圧電体の前駆体層を形成し、その前駆体層を焼成して結晶化することにより行う。なお、前駆体層の形成を繰り返し、その後に複数層の前駆体層を一括して焼成してもよい。

［４］中間層形成工程Ｓ４０
図１４は、図１０に示す中間層形成工程を説明する図である。

次に、図１４に示すように、第１圧電体層６上に、中間層７を形成する。ここで、中間層７の形成は、例えば、スパッタ法等により行う。

［５］第２圧電体層形成工程Ｓ５０
図１５は、図１０に示す第２圧電体層形成工程を説明する図である。

次に、図１５に示すように、中間層７上に、第２圧電体層８を形成する。ここで、第２圧電体層８の形成は、第１圧電体層６の形成と同様、例えば、ゾルゲル法により圧電体の前駆体層を形成し、その前駆体層を焼成して結晶化することにより行うが、本工程では、前駆体層の形成および焼成を複数回繰り返すことで、所望厚さの第２圧電体層８を形成する。すなわち、層８１〜８３のそれぞれの形成について、前駆体層の形成および焼成を行う。

［６］第２電極形成工程Ｓ６０
図１６は、図１０に示す第２電極形成工程を説明する図である。

次に、図１６に示すように、第２圧電体層８上に、イリジウム層９を形成する。ここで、イリジウム層９の形成は、例えば、スパッタ法等により行う。

［７］パターニング工程Ｓ７０
図１７は、図１０に示すパターニング工程を説明する図である。

最後に、図１７に示すように、第１圧電体層６、中間層７、第２圧電体層８およびイリジウム層９を一括してパターニングすることで、圧電体層１５２および第２電極１５３を形成する。ここで、かかるパターニングは、例えば、フォトレジスト法を用いてマスクを形成し、そのマスクを介してドライエッチングすることにより行う。
以上により、圧電素子１５を得ることができる。

２．圧電モーター
次に、本発明の圧電モーターの実施形態について説明する。

図１８は、本発明の圧電モーターの実施形態を示す概略図である。
図１８に示す圧電モーター１００は、回動軸Ｏまわりに回転可能な被駆動部であるローター５０と、ローター５０の外周面に沿って並んで配置されている複数の圧電アクチュエーター１と、を有する。

このような圧電モーター１００では、複数の圧電アクチュエーター１のそれぞれを駆動（振動）させることにより、ローター５０を回動軸Ｏまわりに図１８中の矢印Ｃで示す方向に回転させる。

以上説明したような圧電モーター１００は、前述したような効果を奏する圧電素子１５を備えるため、圧電素子１５の駆動力を大きくすることができる。

３．ロボット
図１９は、本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。
図１９に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御する制御部１０８０と、を有している。また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着される。また、各関節部のうちの全部または一部には圧電モーター１００（圧電アクチュエーター１）が搭載されており、この圧電モーター１００の駆動によって各アーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０が回動する。なお、各圧電モーター１００の駆動は、制御部１０８０によって制御される。

以上説明したようなロボット１０００は、前述したような効果を奏する圧電素子１５を備えるため、圧電素子１５の駆動力を大きくすることができる。

４．電子部品搬送装置
図２０は、本発明の電子部品搬送装置の実施形態を示す斜視図である。図２１は、図２０に示す電子部品搬送装置が有する電子部品保持部の斜視図である。

図２０に示す電子部品搬送装置２０００は、電子部品検査装置に適用されており、基台２１００と、基台２１００の側方に配置された支持台２２００と、を有している。また、基台２１００には、検査対象の電子部品Ｑが載置されてＹ軸方向に搬送される上流側ステージ２１１０と、検査済みの電子部品Ｑが載置されてＹ軸方向に搬送される下流側ステージ２１２０と、上流側ステージ２１１０と下流側ステージ２１２０との間に位置し、電子部品Ｑの電気的特性を検査する検査台２１３０と、が設けられている。なお、電子部品Ｑの例として、例えば、半導体、半導体ウェハー、ＣＬＤやＯＬＥＤ等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサー、インクジェットヘッド、各種ＭＥＭＳデバイス等が挙げられる。

また、支持台２２００には、支持台２２００に対してＹ軸方向に移動可能なＹステージ２２１０が設けられており、Ｙステージ２２１０には、Ｙステージ２２１０に対してＸ軸方向に移動可能なＸステージ２２２０が設けられており、Ｘステージ２２２０には、Ｘステージ２２２０に対してＺ軸方向に移動可能な電子部品保持部２２３０が設けられている。また、図２１に示すように、電子部品保持部２２３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能な微調整プレート２２３１と、微調整プレート２２３１に対してＺ軸まわりに回動可能な回動部２２３２と、回動部２２３２に設けられ、電子部品Ｑを保持する保持部２２３３と、を有している。また、電子部品保持部２２３０には、微調整プレート２２３１をＸ軸方向に移動させるための圧電アクチュエーター１と、微調整プレート２２３１をＹ軸方向に移動させるための圧電アクチュエーター１と、回動部２２３２をＺ軸まわりに回動させるための圧電アクチュエーター１と、が内蔵されている。

以上説明したような電子部品搬送装置２０００は、前述したような効果を奏する圧電素子１５を備えるため、圧電素子１５の駆動力を大きくすることができる。

５．プリンター
図２２は、本発明のプリンターの実施形態を示す図である。
図２２に示すプリンター３０００は、インクジェット記録方式のプリンターである。このプリンター３０００は、装置本体３０１０と、装置本体３０１０の内部に設けられている印刷機構３０２０、給紙機構３０３０および制御部３０４０と、を備えている。

装置本体３０１０には、記録用紙Ｐを設置するトレイ３０１１と、記録用紙Ｐを排出する排紙口３０１２と、液晶ディスプレイ等の操作パネル３０１３とが設けられている。

印刷機構３０２０は、ヘッドユニット３０２１と、キャリッジモーター３０２２と、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりヘッドユニット３０２１を往復動させる往復動機構３０２３と、を備えている。ヘッドユニット３０２１は、インクジェット式記録ヘッドであるヘッド３０２１ａと、ヘッド３０２１ａにインクを供給するインクカートリッジ３０２１ｂと、ヘッド３０２１ａおよびインクカートリッジ３０２１ｂを搭載したキャリッジ３０２１ｃと、を有している。往復動機構３０２３は、キャリッジ３０２１ｃを往復移動可能に支持しているキャリッジガイド軸３０２３ａと、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりキャリッジ３０２１ｃをキャリッジガイド軸３０２３ａ上で移動させるタイミングベルト３０２３ｂと、を有している。

給紙機構３０３０は、互いに圧接している従動ローラー３０３１および駆動ローラー３０３２と、駆動ローラー３０３２を駆動する給紙モーターである圧電モーター１００（圧電アクチュエーター１）と、を有している。

制御部３０４０は、例えばパーソナルコンピュータ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷機構３０２０や給紙機構３０３０等を制御する。

このようなプリンター３０００では、給紙機構３０３０が記録用紙Ｐを一枚ずつヘッドユニット３０２１の下部近傍へ間欠送りする。このとき、ヘッドユニット３０２１が記録用紙Ｐの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Ｐへの印刷が行なわれる。

以上説明したようなプリンター３０００は、前述したような効果を奏する圧電素子１５を備えるため、圧電素子１５の駆動力を大きくすることができる。

以上、本発明の圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンターを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１…圧電アクチュエーター、２…チタン層、３…イリジウム層、４…白金層、５…チタン層、６…第１圧電体層、７…中間層、８…第２圧電体層、９…イリジウム層、１１…圧電素子ユニット、１２…接着層、１３…凸部材、１４…基板、１５…圧電素子、１５ａ…圧電素子、１５ｂ…圧電素子、１５ｃ…圧電素子、１５ｄ…圧電素子、１５ｅ…圧電素子、１５ｆ…圧電素子、１６…保護層、５０…ローター、８１…層、８２…層、８３…層、１００…圧電モーター、１４１…駆動部、１４２…固定部、１４３…接続部、１５１…第１電極、１５２…圧電体層、１５３…第２電極、１５３ａ…第２電極、１５３ｂ…第２電極、１５３ｃ…第２電極、１５３ｄ…第２電極、１５３ｅ…第２電極、１５３ｆ…第２電極、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０…アーム、１０３０…アーム、１０４０…アーム、１０５０…アーム、１０６０…アーム、１０７０…アーム、１０８０…制御部、１０９０…エンドエフェクター、２０００…電子部品搬送装置、２１００…基台、２１１０…上流側ステージ、２１２０…下流側ステージ、２１３０…検査台、２２００…支持台、２２１０…Ｙステージ、２２２０…Ｘステージ、２２３０…電子部品保持部、２２３１…微調整プレート、２２３２…回動部、２２３３…保持部、３０００…プリンター、３０１０…装置本体、３０１１…トレイ、３０１２…排紙口、３０１３…操作パネル、３０２０…印刷機構、３０２１…ヘッドユニット、３０２１ａ…ヘッド、３０２１ｂ…インクカートリッジ、３０２１ｃ…キャリッジ、３０２２…キャリッジモーター、３０２３…往復動機構、３０２３ａ…キャリッジガイド軸、３０２３ｂ…タイミングベルト、３０３０…給紙機構、３０３１…従動ローラー、３０３２…駆動ローラー、３０４０…制御部、Ｃ…矢印、Ｏ…回動軸、Ｐ…記録用紙、Ｑ…電子部品、Ｓ１０…基板準備工程、Ｓ２０…第１電極形成工程、Ｓ３０…第１圧電体層形成工程、Ｓ４０…中間層形成工程、Ｓ５０…第２圧電体層形成工程、Ｓ６０…第２電極形成工程、Ｓ７０…パターニング工程

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されている第１電極と、
   前記第１電極上に配置され、圧電体材料を含んで構成されている複数層を有し、前記複数層の厚さの合計が１．６μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にある圧電体層と、
   前記圧電体層の層間に配置され、チタンを含んで構成されている中間層と、を備えることを特徴とする圧電素子。
2. 前記中間層の厚さが２ｎｍ以上６ｎｍ以下の範囲内にある請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記中間層は、前記圧電体層の前記複数層が有する層間のうち最も前記第１電極側に位置している層間に配置されている請求項１または２に記載の圧電素子。
4. 前記圧電体層の前記複数層のうち最も前記第１電極側に位置している層の厚さが６０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲内にある請求項３に記載の圧電素子。
5. 前記圧電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電アクチュエーター。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電モーター。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子を備えることを特徴とするロボット。
9. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする電子部品搬送装置。
10. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子を備えることを特徴とするプリンター。

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