JP2002217465A - 圧電素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 極めて高い圧電特性を有するとともに、セラ
ミックス基体と圧電部間の振動伝達性に優れ、更には電
界に対する屈曲変位の直線性が高く、大きな屈曲変位で
の長期間に至る使用においても高い耐久性を有する圧電
素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 セラミックスからなる基体２と、例え
ば、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−
ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を主成分とする圧電磁
器組成物からなる圧電部１と、電極３（３ａ，３ｂ）と
を備え、電極３は、圧電部１に電気的に接続され、圧電
部１は、基体２に、直接又は電極３（３ａ，３ｂ）を介
して固着されている圧電素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、圧電素子に関す
る。更に詳しくは、極めて高い圧電特性を有し、アクチ
ュエータとしては、大きな電界を印加した場合の変位の
増加割合が大きく、センサーとしては、大きな力が加わ
った場合の分解能が高い圧電部及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】 近年、インクジェットプリンタヘッ
ド、スピーカー、マイクロフォン等に圧電素子が利用さ
れている。

【０００３】 圧電素子は、通常、セラミックスからな
る基体上に、圧電磁器組成物からなる圧電部と、この圧
電部に電気的に接続された電極とを備えているが、圧電
部を構成する圧電磁器組成物については種々改良された
ものが開示されている。

【０００４】 例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−
ＰｂＴｉＯ₃−ＰｂＺｒＯ ₃三成分固溶系組成物、又は当
該組成物中のＰｂの一部をＳｒ、Ｌａ等で置換した圧電
磁器組成物が開示されている（特公昭４４−１７１０３
号公報、特公昭４５−８１４５号公報）。これらは、圧
電素子の圧電特性を決定する最も重要な要素である圧電
部を構成する圧電磁器組成物自体の圧電特性（例えば、
圧電ｄ定数）を向上させたものであり、優れた圧電特性
を有する圧電素子が期待されるものである。

【０００５】 しかし、この圧電素子では、上述した圧
電磁器組成物からなる圧電材料をセラミックス基体上に
積層し、その後、熱処理して圧電素子を製造していたと
ころ、圧電部の緻密性が低く、屈曲変位が低い、又は電
圧を印加した際に緻密性が低い部分で絶縁破壊を起こし
てしまうという問題が指摘されていた。特に複数の圧電
部を、圧電部間に電極の負極と正極とを交互に挟んで配
設した積層構造の圧電素子の場合にはこの問題は顕著で
あり、その改良が強く要望されていた。

【０００６】 また、前述した圧電磁器組成物からなる
圧電部では、必ずしも充分な圧電特性が得られず、更に
は、屈曲変位を増加させるために電圧を大きくしていく
と、４ｋＶ／ｍｍ以上の高電界側では、得られる屈曲変
位の増加が、電圧の増加に対して非常に小さいという不
具合があった。更には、大きな屈曲変位を起こさせる条
件において長期間使用した場合には、圧電部が破壊した
り、圧電部とセラミックス基体、又は圧電部と電極とで
剥離が発生し、耐久性の点で必ずしも充分なものではな
かった。

【０００７】 これに対し、予め、上述した圧電磁器組
成物からなる圧電材料を熱処理して圧電部を作製し、こ
の圧電部を、セラミックス基体上に張り付けたものが提
案されている（特開平１１−２９３５７号公報）。

【０００８】 この圧電素子は、セラミックス基体の拘
束による圧電部の緻密化の阻害、という点に着目して、
圧電磁器組成物からなる圧電材料を予め加熱処理して圧
電部の緻密化を図ることにより圧電特性を向上させたも
のである。

【０００９】 しかしながら、この圧電素子では、圧電
部をセラミックス基体上に張付ける際に無機系又は有機
系の接着剤を用いる必要があるため、この接着剤が、セ
ラミックス基体と圧電部間の振動伝達を阻害したり、又
は接着剤成分が圧電部やセラミックス基体へ浸透してこ
れらの特性を劣化させてしまうという問題があった。

【００１０】 また、この圧電素子は、圧電部を構成す
る圧電磁器組成物自体については、何ら考慮するもので
はないため、前述した圧電素子同様に、充分な圧電特性
が得られない、高電圧領域で屈曲変位の増加が電圧の増
加に対して非常に小さい、更には、耐久性が不充分であ
るという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】 本発明は、上述の問
題に鑑みてなされたものであり、極めて高い圧電特性を
有するとともに、基体と圧電部間の振動伝達性に優れ、
更には、高電圧領域に至るまで、電圧に対する屈曲変位
の直線性が高く、大きな屈曲変位での長期間に至る使用
においても高い耐久性を有する圧電素子及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】 本発明者は、上述の課
題を解決するべく鋭意研究した結果、ＰｂＭｇ_1/3Ｎｂ
_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物
でＭｇの一部をＮｉで置換した特定の組成を有する圧電
磁器組成物からなる圧電材料を用いた場合では、基体上
に積層した後、熱処理しても、均一な分極構造を有し、
かつ緻密な圧電部が得られ、上述の種々の問題を解決し
得ることを見出し、本発明を完成させた。

【００１３】 即ち、本発明によれば、セラミックスか
らなる基体と、下記一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎ
ｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分
固溶系組成物を主成分とする圧電磁器組成物からなる圧
電部と、電極とを備え、電極は、圧電部に電気的に接続
され、圧電部は、基体に、直接又は電極を介して固着さ
れていることを特徴とする圧電素子が提供される。

【００１４】

【化６】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１）

【００１５】「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、
０．０５≦ｙ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であ
り、かつｂ，ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座
標中、（ｂ，ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，
０．０２５），（０．５５０，０．３２５，０．１２
５），（０．３７５，０．３２５，０．３００），
（０．１００，０．４２５，０．４７５），（０．１０
０，０．４７５，０．４２５），（０．３７５，０．４
２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但
し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝１．０００である。）。」

【００１６】 また、本発明によれば、セラミックスか
らなる基体と、上記一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎ
ｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分
固溶系組成物を主成分とする圧電磁器組組成物からなる
複数の圧電部と、複数の電極とを備え、複数の圧電部
が、各圧電部間に、電極の負極と正極とを交互に挟んで
積層され、最下部の圧電部については、該基体に直接又
は該電極を介して固着されていることを特徴とする圧電
素子が提供される。

【００１７】 本発明においては、いずれの圧電素子に
おいても、三成分固溶系組成物は、平均粒径が１〜１０
μｍで、最大粒径が平均粒径の５倍以下の粒子からなる
ことが好ましい。

【００１８】 また、本発明によれば、セラミックスか
らなる基体と、既述の一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、
Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ ₃三成
分固溶系組成物を主成分とする圧電磁器組成物からな
り、その表面及び／又は内部に、ＮｉＯを主成分とする
粒子が存在している圧電部と、電極とを備え、電極は、
圧電部に電気的に接続され、圧電部は、基体に、直接又
は電極を介して固着されていることを特徴とする圧電素
子が提供される。

【００１９】 このＮｉＯ粒子存在型の圧電素子におい
ても、三成分固溶系組成物は、平均粒径が１〜１０μｍ
で、最大粒径が、平均粒径の５倍以下の粒子からなるこ
とが好ましい。また、ＮｉＯを主成分とする粒子が、Ｎ
ｉＯのみからなるものでもよく、ＭｇＯを固溶してなる
ものでもよい。

【００２０】 本発明においては、いずれの圧電素子で
あっても、圧電磁器組成物中のＮｉが、圧電部における
セラミックス基体との固着面から厚さ方向に高濃度とな
る濃度勾配を有して分散していることが好ましい。

【００２１】 また、圧電磁器組成物中Ｐｂの２〜１０
ｍｏｌ％は、Ｓｒ、Ｃａ、及びＢａからなる群から選ば
れる少なくとも１種で置換していることが好ましく、圧
電磁器組成物中Ｐｂの０．２〜１．０ｍｏｌ％は、Ｌａ
で置換していることが好ましい。

【００２２】 また、セラミックス基体の厚さは、３μ
ｍ〜１ｍｍであることが好ましく、圧電部の厚さは、１
〜３００μｍであることが好ましい。また、圧電部の厚
さに対するセラミックス基体の厚さの比（セラミックス
基体／圧電部）は、０．１〜３０であることが好まし
い。更に、セラミックス基体の厚さ方向における断面形
状が、三つの変曲点を有するＷ形状であることが好まし
い。

【００２３】 また、本発明によれば、下記一般式
（１）に示す、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−Ｐ
ｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を主成分と
する圧電材料を、セラミックスからなる基体上に、又は
該基体に形成された電極上に積層し、圧電材料と同じ組
成の雰囲気調整材料を、容器内空間単位体積当たりのＮ
ｉＯ換算量で、０．０３〜０．５ｍｇ／ｃｍ³共存させ
た雰囲気内で、当該積層された圧電材料を熱処理するこ
とを特徴とする圧電素子製造方法が提供される。

【００２４】

【化７】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１）

【００２５】「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、
０．０５≦ｙ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であ
り、かつｂ，ｃ，ｄが、当該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする
座標中、（ｂ，ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，
０．０２５），（０．５５０，０．３２５，０．１２
５），（０．３７５，０．３２５，０．３００），
（０．１００，０．４２５，０．４７５），（０．１０
０，０．４７５，０．４２５），（０．３７５，０．４
２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但
し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝１．０００である。）。」

【００２６】 また、本発明によれば、上記一般式
（１）に示す、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−Ｐ
ｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を主成分と
する圧電材料を、セラミックスからなる基体上に、又は
基体に形成された電極上に積層し、積層された圧電材料
を、雰囲気内で熱処理する圧電素子製造方法であって、
当該熱処理の際に、圧電材料が積層されたものを収納、
載置する容器及び棚板として、圧電材料と同じ組成の雰
囲気調整材料を、容器内空間単位体積当たりのＮｉＯ換
算量で０．０３〜０．５ｍｇ／ｃｍ³共存させて、予め
雰囲気内で熱処理した容器及び棚板を用いることを特徴
とする圧電素子製造方法が提供される。

【００２７】 なお、本発明による圧電素子は、緻密で
小型の誘電素子、焦電素子として、コンデンサや各種セ
ンサーに用いることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態を、
図面を参照しつつ具体的に説明する。

【００２９】 図１に示すように、本発明の圧電素子
は、セラミックスからなる基体２と、特定の圧電磁器組
成物からなる圧電部１と、電極３（３ａ、３ｂ）とを備
え、電極３（３ａ、３ｂ）は、圧電部１に電気的に接続
され、圧電部１は、基体２に、直接又は電極３を介して
固着されているものである。以下、各構成要素毎に具体
的に説明する。

【００３０】 本発明における基体２は、セラミックス
からなるもであるが、耐熱性、化学的安定性、及び絶縁
性の点から、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アル
ミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニ
ウム、窒化珪素、及びガラスよりなる群から選ばれる少
なくとも１種を含むものが好ましい。中でも、機械的強
度が大きく、靭性に優れる点から安定化された酸化ジル
コニウムを含むものが好ましい。

【００３１】 本発明において基体２の厚さは、３μｍ
〜１ｍｍが好ましく、５〜５００μｍがより好ましく、
７〜２００μｍが特に好ましい。

【００３２】 基体２の厚さが３μｍ未満であると、圧
電素子の機械的強度が弱くなることがあり、１ｍｍを超
えると圧電素子に電圧を印加した場合に圧電部の収縮応
力に対する基体の剛性が大きくなり、圧電素子の屈曲変
位が小さくなってしまうことがある。

【００３３】 但し、図２に示すように、基体２は、圧
電部１又は電極３（３ｂ）との固着面２ａに略対応する
領域を上記の厚さとした薄肉部２ｃと、固着面２ａ以外
に略対応する領域を薄肉部２ｃより厚くした厚肉部２ｂ
とを設けることもできる。

【００３４】 これにより、圧電素子の屈曲変位を大き
くし、かつ機械的強度を大きくすることができる。

【００３５】 また、図３に示すように、このような構
造単位を、共用化した一の基体２に複数設けた構造とす
ることもできる。

【００３６】 本発明における基体２は、その表面の形
状について特に制限はなく、例えば、長方形、正方形、
三角形、楕円形、真円形、Ｒ付正方形、Ｒ付長方形、カ
プセル型、又はこれらを組合わせた複合形等を挙げるこ
とができる。

【００３７】 また、基体２の厚さ方向における断面形
状としては、電界に対する屈曲変位の直線性が高い点
で、三つの変曲点を有するＷ形状であることが好まし
い。

【００３８】 次に、本発明における圧電部１は、Ｐｂ
（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_{2 /3}Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉ
Ｏ₃三成分固溶系組成物であって、下記一般式（１）に
示す圧電磁器組成物からなるものである。

【００３９】

【化８】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１）

【００４０】「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、
０．０５≦ｙ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であ
り、かつｂ，ｃ，ｄが、当該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする
座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，
０．０２５），（０．５５０，０．３２５，０．１２
５），（０．３７５，０．３２５，０．３００），
（０．１００，０．４２５，０．４７５），（０．１０
０，０．４７５，０．４２５），（０．３７５，０．４
２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但
し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」

【００４１】 これにより、均一な分極構造を有し、か
つ緻密な圧電部とすることができるため、圧電素子の屈
曲変位の増大、電界に対する屈曲変位の直線性の向上、
更には大きな屈曲変位を起こさせる条件下での耐久性向
上が可能となる。

【００４２】 ここで、上記一般式（１）中、ａ，ｂ，
ｃを、上述した特定の範囲とするのは、この範囲外であ
ると、圧電素子の屈曲変位の低下、電界に対する屈曲変
位の直線性の低下、及び耐久性の低下を生じるためであ
る。また、上記一般式（１）中のｙ（Ｍｇに対するＮｉ
の置換割合を示す。）の範囲を、０．０５〜０．２０と
するのは、ｙが０．０５未満であると緻密化が不充分と
なるため、圧電素子の屈曲変位の低下、並びに短絡及び
絶縁破壊の発生割合の増大を生じるからであり、ｙが
０．２０を超えると電界に対する屈曲変位の直線性の低
下、及び圧電部１の耐久性の低下を生じるからである。

【００４３】 従って、本発明においては、上記一般式
（１）中のｙは、０．０８〜０．１８であることが好ま
しく、０．１０〜０．１５であることがより好ましい。

【００４４】 また、本発明においては、圧電磁器組成
物中のＮｉが、この圧電磁器組成物により構成される圧
電部１に均一に分散していることが好ましく、圧電部の
セラミックス基体との固着面から厚さ方向に、高濃度と
なる濃度勾配を有して分散していることがより好まし
い。

【００４５】 これにより、圧電部１をセラミックス基
体２に直接又は電極を介して固着した場合であっても、
より緻密化した圧電部１とすることができる。

【００４６】 また、本発明においては、この圧電磁器
組成物中のＮｉは、少なくとも一部がＮｉＯを主成分と
する粒子として存在していることが好ましい。

【００４７】 このようなＮｉＯ粒子の存在は、電界に
対する屈曲変位の直線性を高電界領域まで確保すること
ができ、従来の圧電素子より、同一の電力で大きな屈曲
変位が得られる。

【００４８】 また、本発明において当該ＮｉＯを主成
分とする粒子は、電界に対する屈曲変位の直線性をより
高電界領域まで確保することができる点で、圧電磁器組
成物の表面及び／又は内部に存在していることが好まし
く、圧電磁器組成物の表面に偏在していることがより好
ましい。

【００４９】 なお、ここでいう「偏在」とは、文字通
り、圧電磁器組成物の一部に偏って存在するという意味
であり、圧電磁器組成物の表面及び内部に存在している
が表面に偏って存在するもの、表面又は内部にのみ存在
するもの両方を含む意味である。

【００５０】 本発明において、ＮｉＯを主成分とする
粒子の粒径については特に制限はないが、０．１〜２μ
mが好ましい。また、ＮｉＯを主成分とする粒子は、Ｎ
ｉＯのみからなるものでも、ＭｇＯを固溶してなるもの
でもよいが、屈曲変位の直線性が大きい点でＭｇＯを固
溶してなるものが好ましい。

【００５１】 次に、本発明における圧電磁器組成物
は、圧電特性の向上、及び電界量に対する屈曲変位量の
直線性向上のために、圧電磁器組成物中のＰｂを、Ｓ
ｒ、Ｃａ、Ｂａ、及びＬａよりなる群から選ばれる少な
くとも１種で置換することが好ましい。

【００５２】 もっとも、圧電磁器組成物中のＰｂを高
率で置換すると、反って、屈曲変位の低下、温度変化に
対する屈曲変位の影響増大、及び電界量に対する屈曲変
位量の直線性低下を生じることとなるので、置換元素毎
に好適な範囲とすることが好ましい。

【００５３】 具体的には、圧電磁器組成物中のＰｂ
を、Ｓｒ、Ｃａ、及びＢａからなる群から選ばれる少な
くとも１種で置換する場合は、圧電磁器組成物中のＰｂ
の２〜１０ｍｏｌ％を置換することが好ましく、４〜８
ｍｏｌ％を置換することがより好ましい。また、圧電磁
器組成物中のＰｂをＬａで置換する場合は、圧電磁器組
成物中のＰｂの０．２〜１．０ｍｏｌ％を置換すること
が好ましく、０．４〜０．９ｍｏｌ％置換することがよ
り好ましい。

【００５４】 本発明における圧電磁器組成物は、平均
粒径が１〜１０μｍで、最大粒径が当該平均粒径の５倍
以下であることが好ましく、平均粒径が２〜５μｍで、
最大粒径が当該平均粒径の４倍以下であることがより好
ましく、平均粒径２〜５μｍで、最大粒径が当該平均粒
径の３倍以下であることが更に好ましい。

【００５５】 平均粒径が１μｍ未満であると、圧電部
中の分域が充分発達しないため、屈曲変位の低下、及び
高電界領域における電界に対する屈曲変位の直線性の低
下が生じ易い。一方、平均粒径が１０μｍを超えても、
圧電部中の分域が大きいものの、分域が動きにくくなる
ため、結局屈曲変位が小さくなり易い。

【００５６】 また、最大粒径が平均粒径の５倍を超え
ると、やはり分極が動きにくくなる粗大な粒子が多くな
るため、電界に対する屈曲変位の直線性は低くなり易
く、屈曲変位自体も小さくなり易い。

【００５７】 また、圧電磁器組成物は、圧電素子の屈
曲変位を向上させるためには、ペロブスカイト相以外の
相を、２０容積％以下とすることが好ましく、１０容積
％以下とすることがより好ましい。

【００５８】 また、圧電磁器組成物は、所望の屈曲変
位及び機械的強度を確保するため、並びに高電界領域に
おける電界に対する屈曲変位の直線性を高めるために
は、気孔率が１０容積％以下であることが好ましく、５
容積％以下であることがより好ましい。

【００５９】 また、本発明における圧電部１は、厚さ
が１〜３００μｍであることが好ましく、厚さが３〜１
００μｍであることがより好ましく、厚さが５〜３０μ
ｍであることが特に好ましい。

【００６０】 圧電部１の厚さが１μｍ未満であると、
前述した特定の圧電磁器組成物からなる圧電部であって
も緻密化が不十分となり易い。一方、圧電部の厚さが３
００μｍを超えると相対的に基体への応力が過大となる
ため、基体破壊を防止するためにより厚いセラミックス
基体が必要となり、結局、小型化への対応が困難にな
る。

【００６１】 また、本発明においては、圧電素子の機
械的強度、及び所望の屈曲変位の確保という点から、圧
電部１の厚さに対するセラミックス基体２の厚さの比
（セラミックス基体／圧電部）が、０．１〜３０である
ことが好ましく、０．３〜１０であることがより好まし
く、０．５〜５であることが特に好ましい。

【００６２】 次に、本発明における電極３は、圧電部
１に電気的に接続されるものであればよい。

【００６３】 本発明における電極３としては、例え
ば、図４に示すように、基体２に固着してなる圧電部１
上に、一対の櫛形電極３ａ、３ｂを形成したもの、逆
に、図５に示すように、基体２に固着してなる一対の櫛
形電極３ｃ、３ｄ上に圧電部１を固着してなるものを挙
げることができる。

【００６４】 また、図６に示すように、基体２に固着
してなる一対の櫛形電極３ｃ、３ｄ上に圧電部１を固着
してなるとともに、櫛形電極３ｃ、３ｄが固着している
圧電部の面と反対の面に共通電極３ｅを形成してなるも
のでもよく、逆に、図７に示すように、基体２に固着し
てなる共通電極３ｅ上に圧電部１を固着してなるととも
に、共通電極３ｅを固着している圧電部１の面と反対の
面に一対の櫛形電極３ｃ、３ｄを形成してなるものでも
よい。

【００６５】 更には、図８に示すように、複数の圧電
部（１ａ〜１ｋ）を階層的に設けられる積層型の圧電素
子では、各圧電部（１ａ〜１ｋ）間に、電極の負極３ｆ
と正極３ｇとを交互に挟持させる構造が好ましい。

【００６６】 この際、電極幅は、圧電部幅の６０〜９
０％が好ましく、７０〜８０％がより好ましい。電極幅
が圧電部幅の６０％未満であると、電界が加わる圧電部
面積が小さいため屈曲変位が小さくなり、電極幅が圧電
部幅の９０％を超えると電極の位置合わせに精度が必要
となり、位置合わせの精度が悪いと、電極間の短絡や絶
縁破壊の原因となる。

【００６７】 本発明における電極３では、材質につい
て特に制限はないが、例えば、白金、パラジウム、ロジ
ウム、金、銀、及びこれらの合金よりなる群から選ばれ
る少なくとも１種からなるものを挙げることができる。
また、熱処理の際の膜形成を容易とするために、ガラス
成分を加えてもよい。中でも、圧電部を熱処理する際の
耐熱性が高い点で、白金、又は白金を主成分とする合金
からなるものが好ましい。また、前述した積層型の圧電
素子とする場合には、各電極の材質は、総ての電極で同
一であってもよく、一部又は総ての電極で異なってもよ
い。

【００６８】 本発明における電極３は、過剰に厚いと
電極３が緩和層として作用し、屈曲変位が小さくなり易
いため、厚さが１５μｍ以下のものが好ましく、５μｍ
以下のものがより好ましい。

【００６９】 次に、本発明の圧電素子おいては、以上
説明した各構成要素が特定の状態、即ち、電極３は、圧
電部１に電気的に接続され、圧電部１は、基体２に、直
接又は電極を介して固着されているものである。

【００７０】 これにより、接着剤等の介在によるセラ
ミックス基体２と圧電部１間の振動伝達性の低下、及び
接着剤成分等の浸透による圧電部１やセラミックス基体
２の特性劣化による、圧電特性の低下を回避することが
できる。

【００７１】 ここで「固着」とは、有機、無機の一切
の接着剤を用いることなく、セラミックス基体と圧電部
又は電極との固相反応により、セラミックス基体に圧電
部を直接又は電極を介して緊密一体化することを意味す
る。

【００７２】 なお、図８に示す積層型の圧電素子で
は、最下部の圧電部１ａを、基体２に、直接又は電極３
ｇを介して固着すればよい。

【００７３】 また、本発明の圧電素子においては、分
極前の容量に対する分極後の容量の比は、動き易い分極
構造であるという点で１２０％以上が好ましく、１２５
％以上であることがより好ましい。

【００７４】 次に、本発明の圧電素子の製造方法につ
いて説明する。本発明の製造方法では、まず、特定の三
成分固溶系組成物を主成分とする圧電材料を、セラミッ
クスからなる基体上、又は当該基体に形成された電極上
に積層する。

【００７５】 本発明で用いられる基体は、本発明の圧
電素子のところで述べたセラミックスに対応する原料を
用いて、プレス加工、押し出し加工等の常法により所望
の形状の成形体を作製後、通常行われる条件により、焼
成して作製することができる。

【００７６】 また、本発明で用いられる圧電材料は、
本発明の圧電素子で述べた三成分固溶系組成物を主成分
とするものであり、以下のようにして調製することがで
きる。

【００７７】 即ち、まず、Ｐｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、
Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素からなる
単体、これら各元素の酸化物（例えば、ＰｂＯ、Ｐｂ₃
Ｏ₄、Ｌａ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＮｉＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、
ＺｒＯ₂）、これら各元素の炭酸塩（例えば、ＢａＣ
Ｏ₃、ＳｒＣＯ₃、ＭｇＣＯ₃、ＣａＣＯ₃）、又はこれら
各元素を複数含有する化合物（例えば、ＭｇＮｂ₂Ｏ）
等を、Ｐｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎ
ｂ、Ｚｒ、及びＴｉの各元素の含有率が、既に述べた一
般式（１）に示す所望の割合になるように混合して、混
合物を調製する。この際、得られた混合物は、均一な混
合がなされ易い点で、平均粒径を、好ましくは１μｍ以
下、より好ましくは０．５μｍ以下とする。

【００７８】 次いで、この混合物を、７５０〜１３０
０℃で仮焼して圧電磁器組成物とする。この際、仮焼後
の圧電磁器組成物は、Ｘ線回折装置による回折強度にお
いて、パイロクロア相の最強回折線の強度に対するペロ
ブスカイト相の最強回折線の強度の比が、５％以下であ
ることが好ましく、２％以下であることがより好まし
い。

【００７９】 次いで、得られた圧電磁器組成物を、例
えば、ボールミル、アトライタ、ビーズミル等の粉砕装
置で粉砕して、所望の粒径の圧電材料粉末とする。この
際、圧電材料粉末の平均粒径は、０．１〜１．０μｍで
あることが好ましく、０．３〜０．７μｍであることが
より好ましい。また、圧電材料粉末の最大粒径は３．０
μ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であるこ
とがより好ましい。このような粒径としておくことで、
後述する熱処理によって、平均粒径が１〜１０μｍで、
最大粒径が平均粒径の５倍以下である所望の三成分固溶
系組成物とすることができる。

【００８０】 なお、当該粉末粒径の調整は、粉砕して
得られた圧電材料粉末を、４００〜７５０℃で熱処理す
ることにより行ってもよい。この際には、微細な粒子ほ
ど他の粒子と一体化して粒径の揃った粉末となり、粒径
が揃った圧電部とすることができるため好ましい。ま
た、圧電材料は、例えば、アルコキシド法や共沈法等に
よって調製してもよい。

【００８１】 本発明において、得られた圧電材料を積
層する方法としては、例えば、スクリーン印刷、スプレ
ー、又はディッピング等を挙げることができる。中で
も、簡単に精度の高い形状、厚さで連続して積層するこ
とができる点でスクリーン印刷法が好ましい。

【００８２】 また、基体上に直接圧電部を固着する場
合には、基体上に直接圧電材料を積層すればよく、基体
上に電極を介して圧電部を固着する場合には、先に、基
体上に電極を形成し、その電極上に圧電材料を積層すれ
ばよい。

【００８３】 また、電極を形成する方法としては、例
えば、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、ＰＶ
Ｄ、イオンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ、スクリー
ン印刷、スプレー、又はディッピング等を挙げることが
できる。中でも、セラミックス基体及び圧電部との接合
性の点でスパッタリング法、又はスクリーン印刷法が好
ましい。

【００８４】 また、形成された電極は、１０００〜１
４００℃程度の熱処理により、基体及び／又は圧電部と
一体化することができる。この際、当該熱処理は、圧電
材料を積層する前に、電極を形成した時点で行ってもよ
いが、次に述べる圧電材料を積層後に行う熱処理によっ
て一括して行ってもよい。

【００８５】 次に、本発明の製造方法では基体上又は
電極上に積層した圧電材料を、当該圧電材料と同組成の
雰囲気制御材料を共存させて、密封雰囲気内で熱処理す
る。

【００８６】 これにより、Ｐｂ、Ｎｉ等の各圧電材料
成分の揮発を防いで、各成分が所望の比率で含有する圧
電部とすることができる。また、この熱処理により、圧
電部を基体に直接又は電極を介して固着させることがで
きる。

【００８７】 本発明においては、当該雰囲気調整材料
を、雰囲気における容器内空間単位体積当たりのＮｉＯ
換算量で、０．０３〜０．５０ｍｇ／ｃｍ³共存させる
ことが好ましく、０．０７〜０．４０ｍｇ／ｃｍ³共存
させることがより好ましく、０．１０〜０．３０ｍｇ／
ｃｍ³共存させることが更に好ましい。

【００８８】 雰囲気における容器内空間単位体積当た
りのＮｉＯ換算量が、０．０３ｍｇ／ｃｍ³未満である
と、所望量のＮｉを含有する圧電部を得難いため、高電
界を付与した際の電界に対する屈曲変位の直線性が低い
圧電素子となり易い。一方、容器内空間単位体積当たり
のＮｉＯ量が、０．５０ｍｇ／ｃｍ³を超えると、Ｎｉ
Ｏを主成分とする粒子が過剰に存在する圧電部となるた
め、絶縁破壊を起こし易くなる。

【００８９】 なお、共存させる雰囲気制御材料のＮｉ
Ｏ含有率を、圧電材料を構成する圧電磁器組成物と同一
とすることにより、ＮｉＯを圧電部中に均一に分散させ
ることができ、圧電材料を構成する圧電磁器組成物より
高濃度とすることにより、ＮｉＯを圧電部中にセラミッ
クス基体との接触面から厚さ方向に高濃度となる濃度勾
配をもたせて分散させることができる。また、共存させ
る組成物のＮｉＯ含有率を調整することにより濃度勾配
の大きさを調整することもできる。

【００９０】 本発明においては、当該熱処理の際に、
圧電材料が積層されたものを収納、載置する容器、棚板
として、圧電材料と同じ組成の雰囲気調整材料を共存さ
せた雰囲気内で熱処理（以下、単に「予備処理」という
ことがある。）した容器、棚板を用いることが好まし
い。

【００９１】 これにより、確実に所望量のＮｉＯを含
有する圧電部を得ることができ、高電界領域に至るまで
電界に対する屈曲変位の直線性が高い圧電素子とするこ
とができる。

【００９２】 また、本発明においては、前述の特定量
の雰囲気調整材料を共存させることに加え、当該予備処
理を行った容器及び棚板を用いて圧電材料の熱処理を行
うことが特に好ましい。

【００９３】 このような熱処理で、磁器組成の表面及
び／内部にＮｉＯを主成分とする粒子が存在する圧電部
が得られ、高電界領域に至るまで電界に対する屈曲変位
の直線性がより高い圧電素子とすることができる。

【００９４】 なお、ＮｉＯを主成分とする粒子を偏在
させるには、当該粒子を形成することができる条件の
下、前述したＮｉＯを圧電部中に濃度勾配を設けて存在
させる場合と同様にして熱処理を行えばよい。

【００９５】 本発明において容器及び棚板の材質とし
ては、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ジル
コニウム、ムライト、又はスピネルを主成分とするもの
が好ましい。

【００９６】 また、予備処理は、予備処理による効果
を充分に発揮させるためには、基体等の上に積層した圧
電部材料を熱処理する際の温度に対して±１００℃の温
度で行うことが好ましい。

【００９７】 また、磁器組成の表面及び／内部にＮｉ
Ｏを主成分とする粒子を確実に存在させるためには、当
該予備処理を、複数回行うことが好ましく、少なくとも
３回以上行うことがより好ましい。

【００９８】 もっとも、当該予備処理を一度行った
後、圧電材料の熱処理を複数回行うことも好ましく、逆
に当該予備処理を複数回行った後、圧電材料の熱処理を
１回行うことも好ましい。また、当該予備処理を複数回
行った後、圧電材料の熱処理を複数回行うことも好まし
い。

【００９９】 本発明において圧電材料の熱処理温度
は、１０００〜１４００℃が好ましく、１１００〜１３
５０℃がより好ましい。１０００℃未満の温度では、セ
ラミックス基体と圧電部との固着が不完全であったり、
圧電部の緻密性が不十分となることがあり、１４００℃
を超えると、圧電材料中のＰｂ、Ｎｉの揮発量が多くな
るため、所望の組成の圧電部を得ることが困難となる。

【０１００】 また、熱処理時の最高温度保持時間は、
１０分以上１０時間以下が好ましく、１時間以上４時間
以下がより好ましい。１０分未満では、圧電磁器組成物
の緻密化や粒成長が不充分となり易く、所望の特性が得
られない場合があり、１０時間を超えると、たとえ雰囲
気制御を行っていても、ＰｂやＮｉの揮発総量が多くな
り、特性が低下したり、絶縁破壊が増えるという不具合
が発生する。

【０１０１】 本発明において、当該熱処理は、電極を
形成する前に行ってもよいが、電極を形成した後に一括
して行ってもよい。同様に、積層型の圧電素子では、各
電極と各圧電部は、それぞれを形成するたびに熱処理し
てもよいし、全てを形成した後に熱処理してもよいし、
いくつかを形成した後に熱処理することを繰り返しても
よい。

【０１０２】 また、本発明においては、当該熱処理後
に、圧電素子に圧電部の抗電界以上の電界を印加し、分
極方向を揃える分極処理を行うことが好ましい。この
際、分極処理後の容量は、当該処理前の容量に対して、
１２０％以上であることが好ましく、１２５％以上であ
ることがより好ましい。

【０１０３】

【実施例】 以下、本発明を実施例により具体的に説明
するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定される
ものではない。なお、各実施例及び比較例の圧電素子に
ついての評価は以下のようにして行った。

【０１０４】（評価方法） （１）屈曲変位 上下電極間に電界が３ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印
加した際に生じた屈曲変位をレーザー変位測定機により
測定した。

【０１０５】（２）電界に対する屈曲変位の直線性 上下電極間に電界が４ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印
加した際に生じた屈曲変位と、２ｋＶ／ｍｍとなるよう
に電圧を印加した際に生じた変位を測定し、その比を求
めて評価した。なお、直線性が高いほど２００％に近似
した値となる。

【０１０６】（３）平均粒径及び最大粒径 圧電部を構成する三成分固溶系組成物の表面を、走査型
電子顕微鏡で鏡検して測定した。具体的には、任意の観
察像に直線を引き、その直線を横切った粒界距離を粒径
とし、三成分固溶系組成物１００個分の粒径を測定し、
平均粒径と最大粒径を求めた。

【０１０７】（４）気孔率 各実施例、及び各比較例で得られた圧電素子の圧電部の
表面、縦横５０μｍの範囲を走査型電子顕微鏡で鏡検
し、３視野での圧電部中の気孔の占める面積の割合をそ
れぞれ求め、その平均値を気孔率とした。

【０１０８】（５）耐久性 電極間に、電界が４ｋＶ／ｍｍとなるような電圧のｏｎ
／ｏｆｆを、１ｋＨｚの周波数で１×１０⁸回連続で印
加した時の、連続印加前の屈曲変位に対する連続印加後
の屈曲変位の割合で評価した。即ち、連続印加前後で屈
曲変位が変化していなければ耐久性１００％であり、連
続印加後の屈曲変位が０となった場合耐久性は０％とな
る。

【０１０９】（６）絶縁破壊率 電極間に、電界が４ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印加
した場合に、全圧電素子数に対する絶縁破壊した圧電素
子数の割合を、絶縁破壊率として評価した。

【０１１０】（実施例１）Ｙ₂Ｏ₃で安定化されたＺｒＯ
₂基体（薄肉部の寸法：１．６×１．１ｍｍ、厚さ：１
０μｍ、厚さ方向における断面形状が、長方形（圧電部
又は電極を固着する面が平坦））上に白金からなる下部
電極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：３μｍ）をス
クリーン印刷法により形成し、１３００℃、２時間の熱
処理により基体と一体化させた。

【０１１１】 その上に平均粒径０．４５μｍで、最大
粒径１．８μｍであるＰｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.87Ｎｉ_0.13）
_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電材
料（寸法：１．３×０．９ｍｍ、厚さ：１３μｍ）をス
クリーン印刷法により積層した。

【０１１２】 次いで、圧電材料と同一組成の雰囲気制
御材料を、容器内空間単位体積当たりのＮｉＯ換算量で
０．１５ｍｇ／ｃｍ³容器内に共存させ、基体上に圧電
材料を積層したものを、１２７５℃、２時間熱処理し
た。熱処理後の圧電部の厚さは、１０μｍであった。

【０１１３】 熱処理の際には、予め、圧電材料と同じ
組成の雰囲気調整材料を、容器内空間単位体積当たりの
ＮｉＯ量で０．１５ｍｇ／ｃｍ³容器内に共存させて、
用いる容器及び棚板について熱処理（以下、「予備処
理」ということがある。）を１回行って雰囲気に馴染ま
せておき、当該容器及び棚板に、収納及び載置して行っ
た。

【０１１４】 次いで、圧電部の上に金からなる上部電
極（寸法：１．２×０．８ｍｍ、厚さ：０．５μｍ）を
スクリーン印刷法により形成した後、熱処理して圧電素
子を製造した。

【０１１５】（実施例２）平均粒径が０．５１μｍで、
最大粒径が５．３μｍである、Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ _0.87Ｎ
ｉ_0.13）_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からな
る圧電材料を使用したこと以外は、実施例１と同様にし
て圧電素子を製造した。

【０１１６】（評価）実施例１の圧電素子は、平均粒径
は２．２μｍ、最大粒径は５．９μｍであった。そし
て、電界２ｋＶ／ｍｍの屈曲変位に対する４ｋＶ／ｍｍ
の屈曲変位の比率（以下、「４／２屈曲変位比率」とい
うことがある。）は、１６５％と、電界に対する屈曲変
位の直線性は高かった。また、屈曲変位自体も、２．１
８μｍと大きかった。

【０１１７】 一方、実施例２の圧電素子では、平均粒
径は２．３μｍであるが、最大粒径は１５．５μと平均
粒径の５倍を超えていた。そして、この圧電素子では、
４／２屈曲変位比率は１５１％であり、電界に対する屈
曲変位の直線性は実施例１の圧電素子より低かった。ま
た、屈曲変位自体も、１．８１μｍと実施例１の圧電素
子より小さかった。結果をまとめて表１に示す。

【０１１８】

【表１】

【０１１９】（参考例１〜３）実施例１において、Ｐｂ
_1.00｛（Ｍｇ_0.87Ｎｉ_0.13）_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_{0. 43}
Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電磁器組成物を調製し、それぞ
れ得られた圧電磁器組成物９７容量％、９３容量％、８
５容量％に対して、粒径８〜１２μｍのラテックスをそ
れぞれ３容量％、７容量％、１５容量％混合したものを
圧電材料として用いたこと以外は実施例１と同様にして
圧電素子を製造した。

【０１２０】（評価）参考例３の圧電素子（圧電材料中
にラテックスを１５容量％混合）では、気孔率が１９％
であったが、その際の４／２屈曲変位比率は１３９％
で、屈曲変位は１．６５μｍであった。同様に、参考例
２の圧電素子（圧電材料中にラテックスを７容量％混
合）では、気孔率が１０％で、その際の４／２屈曲変位
比率は１５１％で、屈曲変位は１．９３μｍであり、参
考例１の圧電素子（圧電材料中にラテックスを３容量％
混合）では、気孔率が５％で、その際の４／２屈曲変位
比率は１６１％で、屈曲変位は２．０２μｍであった。
以上から、気孔率が小さくなるにしたがって電界に対す
る屈曲変位の直線性が高く、屈曲変位が大きくなること
が確認された。結果をまとめて表２に示す。

【０１２１】

【表２】

【０１２２】（比較例１、２）表３に示すＮｉ割合
（ｙ）の異なる３成分固溶系組成物からなる圧電材料を
用いたこと以外は実施例１と同様にして圧電素子を製造
した。

【０１２３】（評価）組成物中のＮｉ割合（ｙ）が０．
１３の実施例１の圧電素子では、気孔率が３％と小さ
く、連続印加前の屈曲変位に対する連続印加後の屈曲変
位の割合は９４％と、極めて耐久性に優れることが認め
られた。また、屈曲変位は、２．１８μｍと大きかっ
た。

【０１２４】 これに対して、組成物中のＮｉ割合
（ｙ）が０．０３と小さな比較例１の圧電素子では、気
孔率が１３％と大きく、連続印加前の屈曲変位に対する
連続印加後の屈曲変位の割合は８９％と、耐久性が実施
例１の圧電素子より劣る結果となった。また、屈曲変位
も、１．９６μｍと実施例の圧電素子より小さかった。
他方、組成物中のＮｉ割合（ｙ）が０．２５と大きな比
較例２の圧電素子では、気孔率が４％と小さいものの、
連続印加前の屈曲変位に対する連続印加後の屈曲変位の
割合は７３％と、耐久性が最も劣る結果となった。ま
た、屈曲変位も、１．８３μｍと最も小さかった。結果
をまとめて表３に示す。

【０１２５】

【表３】

【０１２６】（実施例３）Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.84Ｎｉ
_0.16）_0.97/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からな
る圧電材料を積層したこと以外は実施例１と同様にして
圧電素子を製造した。

【０１２７】（実施例４）ＺｒＯ₂基体と一体化された
電極上に、Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.95Ｎｉ_0.05）_{0.97/ 3}Ｎｂ
_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電材料を積層
し、更にその上に、Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.80Ｎｉ_0.20）
_0.97/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電
材料を積層したこと以外は実施例１と同様にして圧電素
子を製造した。

【０１２８】（実施例５）ＺｒＯ₂基体と一体化された
電極上に、Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.95Ｎｉ_0.05）_{0.97/ 3}Ｎｂ
_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電材料を積層
し、更にその上に、Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.80Ｎｉ_0.20）
_0.97/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電
材料を積層したこと、並びに熱処理の際に、予め、予備
処理を３回行った容器及び棚板を用いたこと以外は実施
例１と同様にして圧電素子を製造した。

【０１２９】（評価）実施例３の圧電素子では、４／２
屈曲変位比率は１６８％と、電界に対する屈曲変位の直
線性が比較的高く、屈曲変位も２．２２μｍと大きかっ
た。また、圧電部におけるＮｉの分散状態をＥＰＭＡ分
析により確認したところ、いずれでも、ＮｉＯを主成分
とする粒子の存在は認められなかった。

【０１３０】 一方、実施例４の圧電素子では、４／２
屈曲変位比率が、１７２％と実施例３の圧電素子より電
界に対する屈曲変位の直線性が高く、屈曲変位は略同程
度であった。また、圧電部におけるＮｉの分散状態をＥ
ＰＭＡ分析により確認したところ、圧電部表面にはＮｉ
Ｏを主成分とする粒子の存在は認められなかったもの
の、圧電部内部にはＮｉＯを主成分とする粒子の存在が
認められた。また、Ｎｉは、圧電部とセラミックス基体
との固着面から厚さ方向に高濃度となる濃度勾配を有し
て分散していることが認められた。

【０１３１】 また、実施例５の圧電素子では、４／２
屈曲変位比率が、１７７％と最も高い電界に対する屈曲
変位の直線性が認められ、屈曲変位については略同程度
であった。また、圧電部におけるＮｉの分散状態をＥＰ
ＭＡ分析により確認したところ、圧電部表面及び圧電部
内部の両方で、ＮｉＯを主成分とする粒子が存在してい
ることが認められた。また、圧電部表面及び圧電部内部
のＮｉＯを主成分とする粒子からは、Ｍｇが検出され
た。結果をまとめて表４に示す。

【０１３２】

【表４】

【０１３３】（実施例６及び比較例３、４）実施例１に
おいて、表５に示す組成の圧電材料を用いたこと以外は
実施例１と同様にして圧電素子を製造した。

【０１３４】（評価）圧電材料中のＭｇとＮｉの合計割
合が本発明の範囲内（ａ＝０．９７）である実施例６の
圧電素子では、４／２屈曲変位比率が１７０％と、電界
に対する屈曲変位の直線性が高く、屈曲変位自体も２．
２５μｍと大きかった。

【０１３５】 これに対して、圧電磁器組成物中のＭｇ
とＮｉの合計割合が小さな（ａ＝０．８５）比較例３の
圧電素子では、４／２屈曲変位比率が１４３％と電界に
対する屈曲変位の直線性が低く、屈曲変位自体も１．７
６μｍと小さかった。また、圧電磁器組成物中のＭｇと
Ｎｉの合計割合が大きな（ａ＝１．１５）比較例４で
は、４／２屈曲変位比率が１３７％と、電界に対する屈
曲変位の直線性が最も低く、屈曲変位自体も１．５９μ
ｍと最も小さかった。結果をまとめて表５に示す。

【表５】

【０１３６】（実施例７及び比較例５）実施例１におい
て、表６に示す組成の圧電材料を用いたこと以外は実施
例１と同様にして圧電素子を製造した。

【０１３７】（評価）圧電材料中のＰｂの含有率が本発
明の範囲内（ｘ＝０．９８）である実施例７の圧電素子
では４／２屈曲変位比率が１６２％と、電界に対する屈
曲変位の直線性が高く、屈曲変位自体も２．０５μｍと
大きかった。

【０１３８】 これに対して、圧電材料中のＰｂの含有
率が小さな（ｘ＝０．９３）比較例５の圧電素子では、
４／２屈曲変位比率が１４６％と、電界に対する屈曲変
位の直線性が低く、屈曲変位自体も１．７２μｍと小さ
かった。結果をまとめて表６に示す。

【０１３９】

【表６】

【０１４０】（実施例８〜１１）表７に示す組成の圧電
材料を積層したこと以外は実施例１と同様にして圧電素
子を製造した。

【０１４１】（評価）実施例８〜１１のいずれの圧電素
子も、４／２屈曲変位比率が１６０％以上と比較的高い
電界に対する屈曲変位の直線性が認められ、屈曲変位も
２．１９μｍ以上と大きかった。

【０１４２】 但し、Ｐｂの５．０ｍｏｌ％をＳｒで置
換した圧電材料を用いた実施例９の圧電素子、及びＰｂ
の１０．０ｍｏｌ％をＢａで置換した圧電材料を用いた
実施例１０の圧電素子では、４／２屈曲変位比率が、そ
れぞれ１６９％、１６６％と、Ｐｂを全く置換しない組
成からなる圧電材料を用いた実施例８の圧電素子に比べ
て、電界に対する屈曲変位の直線性がより高くなった。

【０１４３】 一方、Ｐｂの７．５ｍｏｌ％をＳｒ、
７．５ｍｏｌ％をＣａ（全体で１５ｍｏｌ％）で置換し
た圧電材料を用いた実施例１１の圧電素子では、４／２
屈曲変位比率が１６０％と、Ｐｂを全く置換しない組成
からなる圧電材料を用いた実施例８の圧電素子に比べ
て、電界に対する屈曲変位の直線性がより低くなった。
結果をまとめて表７に示す。

【０１４４】

【表７】

【０１４５】（実施例１２、１３）表８に示す組成の圧
電材料を用いたこと以外は実施例１と同様にして圧電素
子を製造した。

【０１４６】（評価）実施例１２、１３のいずれの圧電
素子も、４／２屈曲変位比率が１６１％以上と、比較的
高い電界に対する屈曲変位の直線性が認められた。

【０１４７】 但し、Ｐｂの０．８ｍｏｌ％をＬａで置
換した圧電材料を用いた実施例１２の圧電素子では、４
／２屈曲変位比率が１６７％と、Ｐｂの一部をＬａで置
換していない圧電材料を用いた実施例８の圧電素子に比
べ、電界に対する屈曲変位の直線性がより高く、屈曲変
位自体も２．３０μｍ以上とより大きくなった。

【０１４８】 一方、Ｐｂの１．５ｍｏｌ％をＬａで置
換した圧電材料を用いた実施例１３の圧電素子では、４
／２屈曲変位比率が１６１％と、実施例８の圧電素子に
比べ、電界に対する屈曲変位の直線性がより低く、屈曲
変位自体も２．１８μｍとより小さくなった。結果をま
とめて表８に示す。

【０１４９】

【表８】

【０１５０】（実施例１４、比較例６、７）Ｐｂ
_1.00｛（Ｍｇ_0.90Ｎｉ_0.10）_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43
Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電材料を積層したこと、及び表
９に示すように、雰囲気制御材料を、容器内空間単位体
積当たりのＮｉＯ換算量で、それぞれ０．１５ｍｇ／ｃ
ｍ³、０．７５０ｍｇ／ｃｍ³、０．０１５ｍｇ／ｃｍ³
雰囲気内に共存させて熱処理を行ったこと、及び予備処
理を行わない容器及び棚板を用いたこと以外は実施例１
と同様にして圧電素子を製造した。

【０１５１】（評価）雰囲気制御材料を、容器内空間単
位体積当たりのＮｉＯ量で０．１５ｍｇ／ｃｍ³共存さ
せて熱処理を行った実施例１４の圧電素子では、４／２
屈曲変位比率が１６７％と、高い電界に対する屈曲変位
の直線性が認められた。

【０１５２】 これに対して、雰囲気制御材料を、容器
内空間単位体積当たりのＮｉＯ換算量で、０．７５０ｍ
ｇ／ｃｍ³共存させて熱処理を行った比較例６の圧電素
子では、４／２屈曲変位比率が１６４％と、電界に対す
る屈曲変位の直線性が比較的高く、屈曲変位自体も２．
０１μｍと、比較的大きかったものの、圧電素子の絶縁
破壊率が１５％と大きかった。また、雰囲気制御材料
を、容器内空間単位体積当たりのＮｉＯ量換算で、０．
０１５ｍｇ／ｃｍ³共存させて熱処理を行った比較例７
の圧電素子では、４／２屈曲変位比率が１４４％と小さ
く、電界に対する屈曲変位の直線性が最も低くなった。
また、屈曲変位自体も、１．５８μｍと最も小さくなっ
た。結果をまとめて表９に示す。

【０１５３】

【表９】

【０１５４】（実施例１５）基体として、その厚さ方向
における断面形状が、Ｗ形状のものを用いたこと、及び
Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.90Ｎｉ_0.10）_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ
_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる圧電材料を用いたこと以外
は、以外は実施例１と同様にして圧電素子を製造した。

【０１５５】（実施例１６）Ｐｂ_1.00｛（Ｍｇ_0.90Ｎｉ
_0.10）_1/3Ｎｂ_2/3｝_0.20Ｔｉ_0.43Ｚｒ_0.37Ｏ₃からなる
圧電材料を用いたこと以外は、以外は実施例１と同様に
して圧電素子を製造した。なお、基体の厚さ方向におけ
る断面形状は、実施例１と同様に長方形（圧電部又は電
極を固着する面が平坦）である。

【０１５６】（評価）厚さ方向における断面形状がＷ型
の基体を用いた実施例１５では、４／２屈曲変位比率が
１７３％と、厚さ方向における断面形状が長方形（圧電
部又は電極を固着する面が平坦）の基体を用いた実施例
１６に比べ、電界に対する屈曲電位の直線性が高く、屈
曲変位自体も２．４９μｍと実施例１６の圧電素子より
大きかった。

【０１５７】

【表１０】

【０１５８】（実施例１７）基体上に負電極、圧電材
料、正電極、圧電材料、負極電極の順で積層し、２つの
圧電部間に、負電極と正電極とが交互に挟んで積層さ
れ、最下部の圧電部については、基体に電極を介して固
着されている積層型の圧電素子としたこと、及び、圧電
材料を積層した際の厚さを実施例１の半分にして、各圧
電部の厚さを５μｍ（全体では実施例１と同様に１０μ
ｍ）としたこと以外は実施例１と同様にして圧電素子を
製造した。

【０１５９】（評価）圧電部の層数が１である実施例１
の圧電素子では、４／２屈曲変位比率が１６５％と大き
く、電界に対する屈曲電位の直線性が高かった。一方、
各圧電部の厚さが半分で層数が２である実施例１７の圧
電素子では、４／２屈曲変位比率は１６１％と実施例１
の圧電素子より電界に対する屈曲電位の直線性が低くな
った。但し、屈曲変位自体は２．３０μｍと、実施例１
の圧電素子より大きかった。結果をまとめて表１１に示
す。

【０１６０】

【表１１】

【０１６１】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれ
ば、極めて高い圧電特性を有するとともに、セラミック
ス基体と圧電部間の振動伝達性に優れ、更には電界に対
する屈曲変位の直線性が高く、大きな屈曲変位での長期
間に至る使用においても高い耐久性を有する圧電素子及
びその製造方法を提供することができる。本発明の圧電
素子は、アクチュエータ、センサー等に好適に使用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の圧電素子の一の実施の形態を模式的
に示す説明図で、（イ）は、平面図、（ロ）は、Ｘ−
Ｘ’断面図である。

【図２】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す説明図で、（イ）は、平面図、（ロ）は、Ｘ−
Ｘ’断面図である。

【図３】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す説明図で、（イ）は、平面図、（ロ）は、Ｘ−
Ｘ’断面図である。

【図４】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す説明図で、（イ）は、平面図、（ロ）は、Ｘ−
Ｘ’断面図である。

【図５】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す説明図で、（イ）は、平面図、（ロ）は、Ｘ−
Ｘ’断面図である。

【図６】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す断面図である。

【図７】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す断面図である。

【図８】 本発明の圧電素子の他の実施の形態を模式的
に示す断面図である。

【符号の説明】

１（１ａ〜１ｋ）…圧電部、２…基体（２ａ…固着面、
２ｂ…厚肉部、２ｃ…薄肉部）、３…電極（３ａ…上部
電極、３ｂ…下部電極、３ｃ、３ｄ…櫛型電極、共通電
極…３ｅ、３ｆ…負極、３ｇ…正極）。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスからなる基体と、 下記一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3
   Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を
   主成分とする圧電磁器組成物からなる圧電部と、 電極とを備え、 該電極は、該圧電部に電気的に接続され、 該圧電部は、該基体に、直接又は該電極を介して固着さ
   れていることを特徴とする圧電素子。 【化１】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１） 「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ
   ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，
   ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，
   ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），
   （０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７
   ５，０．３２５，０．３００），（０．１００，０．４
   ２５，０．４７５），（０．１００，０．４７５，０．
   ４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で
   囲まれる範囲の小数である（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝
   １．０００である。）。」
2. 【請求項２】 セラミックスからなる基体と、 下記一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3
   Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を
   主成分とする圧電磁器組成物からなる複数の圧電部と、 複数の電極とを備え、 該複数の圧電部が、各圧電部間に、該電極の負極と正極
   とを交互に挟んで積層され、最下部の圧電部について
   は、該基体に直接又は該電極を介して固着されているこ
   とを特徴とする圧電素子。 【化２】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１） 「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ
   ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，
   ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，
   ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），
   （０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７
   ５，０．３２５，０．３００），（０．１００，０．４
   ２５，０．４７５），（０．１００，０．４７５，０．
   ４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で
   囲まれる範囲の小数である（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝
   １．０００である。）。」
3. 【請求項３】 前記三成分固溶系組成物は、平均粒径が
   １〜１０μｍで、最大粒径が、該平均粒径の５倍以下で
   ある請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 【請求項４】 セラミックスからなる基体と、 下記一般式（１）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3
   Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃三成分固溶系組成物を
   主成分とする圧電磁器組成物からなり、その表面及び／
   又は内部に、該ＮｉＯを主成分とする粒子が存在してい
   る圧電部と、 電極とを備え、 該電極は、該圧電部に電気的に接続され、 該圧電部は、該基体に、直接又は該電極を介して固着さ
   れていることを特徴とする圧電素子。 【化３】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１） 「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ
   ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，
   ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，
   ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），
   （０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７
   ５，０．３２５，０．３００），（０．１００，０．４
   ２５，０．４７５），（０．１００，０．４７５，０．
   ４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で
   囲まれる範囲の小数である（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝
   １．０００である。）。」
5. 【請求項５】 前記三成分固溶系組成物は、平均粒径が
   １〜１０μｍで、最大粒径が、該平均粒径の５倍以下で
   ある請求項４に記載の圧電素子。
6. 【請求項６】 前記ＮｉＯを主成分とする粒子が、Ｍｇ
   Ｏを固溶してなる請求項４又は５に記載の圧電素子。
7. 【請求項７】 前記圧電磁器組成物中の前記Ｎｉが、前
   記圧電部における前記基体との固着面から厚さ方向に高
   濃度となる濃度勾配を有して分散している請求項１〜６
   のいずれか一項に記載の圧電素子。
8. 【請求項８】 前記圧電磁器組成物中のＰｂが、全Ｐｂ
   中２〜１０ｍｏｌ％を、Ｓｒ、Ｃａ、及びＢａからなる
   群から選ばれる少なくとも１種で置換されてなる請求項
   １〜７のいずれか一項に記載の圧電素子。
9. 【請求項９】 前記圧電磁器組成物中のＰｂが、全Ｐｂ
   中０．２〜１．０ｍｏｌ％を、Ｌａで置換されてなる請
   求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電素子。
10. 【請求項１０】 前記圧電部の厚さが、１〜３００μｍ
    である請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧電素子。
11. 【請求項１１】 前記基体の厚さが、３μｍ〜１ｍｍで
    ある請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧電素子。
12. 【請求項１２】 前記圧電部の厚さに対する前記基体の
    厚さの比（基体の厚さ／圧電部の厚さ）が、０．１〜３
    ０である請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧電素
    子。
13. 【請求項１３】 前記基体の厚さ方向における断面形状
    が、三つの変曲点を有するＷ形状である請求項１〜１２
    のいずれか一項に記載の圧電素子。
14. 【請求項１４】 下記一般式（１）に示す、Ｐｂ（Ｍ
    ｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃
    三成分固溶系組成物を主成分とする圧電材料を、セラミ
    ックスからなる基体上に、又は該基体に形成された電極
    上に積層し、 該圧電材料と同組成の雰囲気調整材料を、容器内空間単
    位体積当たりのＮｉＯ量に換算して、０．０３〜０．５
    ｍｇ／ｃｍ³共存させた雰囲気内で、該積層された圧電
    材料を熱処理することを特徴とする圧電素子製造方法。 【化４】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１） 「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ
    ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，
    ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，
    ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），
    （０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７
    ５，０．３２５，０．３００），（０．１００，０．４
    ２５，０．４７５），（０．１００，０．４７５，０．
    ４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で
    囲まれる範囲の小数である（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝
    １．０００である。）。」
15. 【請求項１５】 下記一般式（１）に示す、Ｐｂ（Ｍ
    ｇ、Ｎｉ）_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₃−ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃
    三成分固溶系組成物を主成分とする圧電材料を、セラミ
    ックスからなる基体上に、又は該基体に形成された電極
    上に積層し、該積層された圧電材料を、雰囲気内で熱処
    理する圧電素子製造方法であって、 前記熱処理の際に、該圧電材料が積層されたものを収
    納、載置する容器及び棚板として、該圧電材料と同じ組
    成の雰囲気調整材料を、容器内空間単位体積当たりのＮ
    ｉＯ量で０．０３〜０．５ｍｇ／ｃｍ³共存させて、予
    め雰囲気内で熱処理した容器及び棚板を用いることを特
    徴とする圧電素子製造方法。 【化５】 Ｐｂ_x｛（Ｍｇ_1-yＮｉ_y）_1/3×aＮｂ_2/3｝_bＴｉ_cＺｒ_dＯ₃ …（１） 「式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ
    ≦０．２０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，
    ｃ，ｄが、該ｂ，ｃ，ｄを座標軸とする座標中、（ｂ，
    ｃ，ｄ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５），
    （０．５５０，０．３２５，０．１２５），（０．３７
    ５，０．３２５，０．３００），（０．１００，０．４
    ２５，０．４７５），（０．１００，０．４７５，０．
    ４２５），（０．３７５，０．４２５，０．２００）で
    囲まれる範囲の小数である（但し、（ｂ＋ｃ＋ｄ）＝
    １．０００である。）。」