JP3999156B2 - 圧電／電歪膜型素子及び圧電／電歪磁器組成物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電／電歪膜型素子、及びこれを構成する圧電／電歪磁器組成物に関し、更に詳しくは、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた、アクチュエータ、センサー等に好適な小型・高特性な圧電／電歪膜型素子、及びこれを構成する圧電／電歪磁器組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サブミクロンのオーダーで微小変位を制御できる素子として、圧電／電歪膜型素子が知られている。特に、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部と、電圧が印加される電極部とを積層した圧電／電歪膜型素子は、微小変位の制御に好適である他、高電気／機械変換効率、高速応答性、高耐久性、及び少消費電力等の優れた特性を有するものであるため、圧電型圧力センサ、走査型トンネル顕微鏡のプローブ移動機構、超精密加工装置における直進案内機構、油圧制御用サーボ弁、ＶＴＲ装置のヘッド、フラットパネル型の画像表示装置を構成する画素、又はインクジェットプリンタのヘッド等、様々な用途に用いられている。
【０００３】
また、圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物についても、種々検討がなされており、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物、又はこれらの組成物中のＰｂの一部をＳｒ、Ｌａ等で置換した圧電／電歪磁器組成物が開示されており（例えば、特許文献１，２参照）、圧電／電歪素子の圧電特性を決定する最も重要な要素である圧電／電歪部自体について、優れた圧電特性（例えば、圧電ｄ定数）を有する圧電／電歪素子が得られるものと期待されている。
【０００４】
しかしながら、従来の圧電／電歪素子では、これら圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪材料を基体上に形成した後に熱処理して圧電／電歪素子を製造していたことから、圧電／電歪磁器組成物が熱処理により収縮し緻密化しようとしても、基体が収縮しにくいために、圧電／電歪部の緻密性が低くなってしまい、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あった。特に、多層型圧電／電歪素子の場合には、この問題は顕著であり、その改良が強く要望されていた。
【０００５】
このような状況下、従来の圧電／電歪素子としては、上述した圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪材料を予め熱処理した圧電／電歪部を基体に貼り付けて、圧電／電歪部の緻密化を図ったものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、この圧電／電歪素子では、圧電／電歪部を基体に貼り付ける際に無機・有機系の接着剤を用いる必要があるため、この接着剤が、基体と圧電／電歪部間の振動伝達を阻害したり、又は接着剤成分が圧電／電歪部や基体の特性を劣化させてしまう場合があった。また、従来の圧電／電歪素子では、多層型とする際に、個々の圧電／電歪部毎に圧電／電歪磁器組成物の組成を変えるといった点については全く考慮されておらず、必ずしも十分な圧電／電歪特性が得られるものではなかった。
【０００７】
一方、バルク体の圧電／電歪材料は、従来、所定の圧電／電歪磁器組成物を所定の温度条件下で焼成することにより製造しているが、所望とする優れた圧電特性を有する圧電／電歪材料を製造するには、十分に高い温度（例えば、１２００℃以上）で焼成する必要があるために、設備、コスト面等における問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭４４−１７１０３号公報
【特許文献２】
特公昭４５−８１４５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２９３５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた、アクチュエータ、センサー等に好適な小型・高特性な圧電／電歪膜型素子、及び低温での熱処理によっても緻密であるとともに高い圧電特性を有する圧電／電歪部を構成し得る圧電／電歪磁器組成物を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極とを備える圧電／電歪膜型素子において、前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、前記圧電／電歪部が、前記基体に直接又は前記正極若しくは前記負極を介して固着されていることを特徴とする圧電／電歪膜型素子（第一の発明）が提供される。
【００１４】
本発明（第一の発明）においては、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（８）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが好ましい。
【００１５】
【化８】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（８）
「式（８）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００１６】
本発明（第一の発明）においては、圧電／電歪部を複数、及び電極を複数対備え、複数の圧電／電歪部が、複数対の電極の正極及び負極により交互に挟持・積層されてなることが好ましく、一の圧電／電歪部の厚みが、１〜１０μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる複数の圧電／電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる複数対の電極とを備え、複数の前記圧電／電歪部が、複数対の前記電極の前記正極及び前記負極により交互に挟持・積層されてなる圧電／電歪膜型素子において、少なくとも一の前記圧電／電歪部（第一圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、少なくとも一の前記圧電／電歪部（第二圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪膜型素子（第二の発明）が提供される。
【００１８】
本発明（第二の発明）においては、第二圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（９）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなり、第一圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１０）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなることが好ましい。
【００１９】
【化９】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（９）
「式（９）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００２０】
【化１０】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１０）
「式（１０）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００２１】
本発明（第二の発明）においては、複数の圧電／電歪部の厚みが、各々１〜１０μｍであることが好ましく、最下層の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、最下層の圧電／電歪部以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪磁器組成物（第三の発明）が提供される。
【００２６】
本発明（第三の発明）においては、下記一般式（１２）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなることが好ましい。
【００２７】
【化１２】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１２）
「式（１２）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００２９】
圧電／電歪膜型素子は、図１に示すように、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部２と、この圧電／電歪部２に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極４，５とを備えている。
【００３０】
圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するものである。即ち、所定割合のＮｉＯを添加したＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物により圧電／電歪部２が構成されているため、この圧電／電歪部２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。なお、圧電／電歪部２における異相の形成をより抑制する観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＮｉＯを０．１０〜２．５質量％含有することが好ましく、０．１５〜２．０質量％含有することが更に好ましい。
【００３１】
また、圧電／電歪膜型素子は、Ｓｉを含有する圧電／電歪磁器組成物により圧電／電歪部２が構成されている。この圧電／電歪部２は、所定の組成を有する圧電／電歪磁器組成物となるように混合された原材料混合物（圧電材料）を、更にシリカ（ＳｉＯ２）を添加した状態で焼結することにより形成される。ＳｉＯ２は圧電材料中のＰｂと反応して低融点ガラス層を形成し、得られる圧電／電歪磁器組成物を緻密化させる役割を担うものと考えられる。
【００３２】
また、ＳｉＯ２は圧電材料中のＮｉ、Ｍｇ等と反応してＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物を形成する。従って、圧電／電歪膜型素子は、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されて、化学量論組成からのずれが小さいため、圧電／電歪部２が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。
【００３３】
特に、圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有している。Ｓｉ含有割合が２２．０モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、圧電／電歪部２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が２．０モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。なお、より緻密、かつ圧電／電歪部２の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＭｇとＮｉの合計モル数に対して３．０〜２１．０モル％のＳｉを含有することが好ましく、３．９〜１９．８モル％のＳｉを含有することが更に好ましい。
【００３４】
また、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１３）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００３５】
【化１３】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１３）
「式（１３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００３６】
次に、本発明（第一の発明）の実施形態について説明する。第一の発明の実施形態である圧電／電歪膜型素子は、図１に示すような、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部２と、この圧電／電歪部２に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極４，５とを備えてなるものである。
【００３７】
本実施形態の圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とするものである。このＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物中のＭｇの一部をＮｉで置換したものである。Ｍｇの一部をＮｉで置換したものであるため、圧電／電歪部２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きくなるため、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。
【００３８】
また、本実施形態の圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有している。Ｓｉ含有割合が３２．８モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、圧電／電歪部２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が６．６モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。
【００３９】
また、本実施形態においては、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１４）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００４０】
【化１４】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１４）
「式（１４）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００４１】
また、本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図１参照）は、これを構成する圧電／電歪部２が基体１に直接、又は次に述べる正極若しくは負極（電極４）を介して固着されているものであり、接着剤等の介在による基体１と圧電／電歪部２間との振動伝達性の低下、及び接着剤成分等の影響による圧電／電歪部２又は基体１の特性劣化が回避され得るものである。なお、「固着」とは、有機系、無機系の一切の接着剤を用いることなく、圧電／電歪部２と、基体１又は電極４との固相反応により両者が緊密一体化することを意味する。
【００４２】
本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子においては、図３に示すように圧電／電歪部２，３を複数、及び電極４，５，６を複数対備え、複数の圧電／電歪部２，３が、複数対の電極４，５，６の正極及び負極により交互に挟持・積層してなる構成としてもよい。
【００４３】
また、本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図１参照）においては、一の圧電・電歪部（圧電／電歪部２）の厚みが１〜１０μｍであることが好ましく、２〜９μｍであることが更に好ましく、３〜８μｍであることが特に好ましい。圧電／電歪部２の厚みが１μｍ未満であると、前述した所定の圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部であっても緻密化が不十分となり易い。一方、圧電／電歪部２の厚みが１０μｍを超えると、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。
【００４４】
次に、本発明（第二の発明）の実施形態について説明する。第二の発明の実施形態である圧電／電歪膜型素子は、図３に示すように、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる複数の圧電／電歪部２，３と、圧電／電歪部２，３に電気的に接続される、複数対の電極４，５，６とを備え、圧電／電歪部２，３が、電極４，５，６の正極及び負極により交互に挟持・積層されてなるものである。
【００４５】
本実施形態の圧電／電歪膜型素子は、複数の圧電／電歪部２，３のうちの少なくとも一の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２）を構成する圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とするものである。従って、第一の発明の場合と同様に、第一圧電／電歪部１２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。
【００４６】
また、第一圧電／電歪部１２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなるものである。従って、本実施形態圧電／電歪膜型素子は、第一の発明の場合と同様に、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されているため、第一圧電／電歪部１２が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。Ｓｉ含有割合が３２．８モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、第一圧電／電歪部１２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が６．６モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。
【００４７】
また、第一圧電／電歪部１２とは別の、少なくとも一の圧電／電歪部（第二圧電／電歪部１３）を構成する圧電／電歪磁器組成物が、ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなるものである。
【００４８】
従って、本実施形態圧電／電歪膜型素子は、第一の発明の場合と同様に、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されているため、第二圧電／電歪部１３が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。Ｓｉ含有割合が２２．０モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ2ＳｉＯ4等の化合物が過剰に生成するため、第二圧電／電歪部１３の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が２．０モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。なお、より緻密、かつ第二圧電／電歪部１３の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＭｇとＮｉの合計モル数に対して３．０〜２１．０モル％のＳｉを含有することが好ましく、３．９〜１９．８モル％のＳｉを含有することが更に好ましい。
【００４９】
なお、図３においては、下層側（基板１側）を第一圧電／電歪部１２、上層側を第二圧電／電歪部１３として示しているが、本発明においてはこのような形成順に限定されるものではない。即ち、より基板１に近い下層側を第二圧電／電歪部、上層側を第一圧電／電歪部としてもよいが、図３に示すように、下層側を第一圧電／電歪部１２、上層側を第二圧電／電歪部１３とすることが、より高い圧電特性を有する点で好ましい。更に、異なる圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部を三層以上形成して構成することも同様に好ましい。
【００５０】
また、本実施形態においては、第二圧電／電歪部１３を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１５）に示すＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなり、第一圧電／電歪部１２を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１６）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００５１】
【化１５】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１５）
「式（１５）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００５２】
【化１６】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１６）
「式（１６）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００５３】
なお、本発明（第二の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図３参照）においては、複数の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２、第二圧電／電歪部１３）の厚みが、各々１〜１０μｍであることが好ましく、２〜９μｍであることが更に好ましく、３〜８μｍであることが特に好ましい。１μｍ未満であると、前述した所定の圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部であっても緻密化が不十分となり易い。一方、１０μｍを超えると、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。
【００５４】
また、本発明（第二の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図３参照）においては、最下層の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２）を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、第一圧電／電歪部１３以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さいことが好ましい。これにより、第一圧電／電歪部１２では、異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きくなるため、組成物自体の特性から圧電特性を向上させることができる。しかも、Ｎｉをより多く含有する第二圧電／電歪部１３以降の圧電／電歪部は、焼結収縮に関する基体１の拘束が小さく、Ｎｉを含有させた効果が顕著に現れる。従って、第二圧電／電歪部１３以降の圧電／電歪部は、製造工程の熱処理により非常に緻密化され、その影響により、隣接する第一圧電／電歪部１２も緻密化される。この結果、磁器組成物自体の特性と相俟って、より高い圧電特性を有する圧電／電歪膜型素子とすることができる。
【００５５】
本発明において、第二圧電／電歪部１３は、より緻密であるとともに異相の形成をより抑制する点から、圧電／電歪磁器組成物がＮｉＯを０．１０〜２．５質量％含有することが好ましく、０．１５〜２．０質量％含有することが更に好ましい。また、本発明においては、第一圧電／電歪部１２のＮｉ含有率と第二圧電／電歪部１３のＮｉＯ含有率との比（第一／第二）の値が、０．０７〜０．３５であることが好ましく、０．１０〜０．３３であることが更に好ましく、０．１２〜０．３０であることが特に好ましい。（第一／第二）の値が０．０７未満であると、第二圧電／電歪部１３における異相が大きくなり易いため、全体の圧電特性が小さくなり易い。一方、０．３５を超えると、第二圧電／電歪部１３における緻密化の程度が小さくなるため、第一圧電／電歪部１２も緻密化されなくなり、やはり全体の圧電特性が小さくなり易い。なお、三層以上の圧電／電歪部を設ける場合でも、第二圧電／電歪部が、第一圧電／電歪部との関係で、上記のＮｉＯ含有率であることが好ましい。また、各圧電／電歪部の緻密化をより一層促進させるためには、第三以降の圧電／電歪部が、第二圧電部と同一又はより大きなＮｉＯ含有率であることが好ましい。
【００５６】
本発明（第一及び第二の発明）の圧電／電歪膜型素子においては、基体はセラミックスからなり、このセラミックスの種類に特に制限はない。もっとも、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、及びガラスからなる群より選択される少なくとも一種を含むセラミックスからなることが好ましく、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からなることが更に好ましい。なお、本発明にいう「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加により結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。
【００５７】
安定化された酸化ジルコニウムとしては、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム又は希土類金属の酸化物等の安定化剤を、１〜３０モル％含有するものを挙げることができる。中でも、振動部の機械的強度が特に高くなる点で、酸化イットリウムを安定化剤として含有させたものが好ましく、この際、酸化イットリウムは、１．５〜６モル％含有させることが好ましく、２〜４モル％含有させることが更に好ましい。また、更に酸化アルミニウムを０．１〜５モル％含有させたものが好ましい。安定化された酸化ジルコニウムの結晶相は、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相などであってもよいが、主たる結晶相が、正方晶、又は正方晶＋立方晶の混合相であるものが、強度、靭性、及び耐久性の観点から好ましい。
【００５８】
なお、基体の厚みは、１μｍ〜１ｍｍが好ましく、１．５〜５００μｍが更に好ましく、２〜２００μｍが特に好ましい。基体の厚みが１μｍ未満であると、圧電／電歪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／電歪素子に電圧を印加した場合に圧電／電歪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。
【００５９】
但し、図２に示すように、基体１は、圧電／電歪部２（図２においては電極４が基体１に固着した例を示す）又は電極４との固着面１ａに略対応する領域で設けられ、上記の厚みを有する薄肉部１ｃと、固着面１ａ以外に略対応する領域で設けられ、薄肉部１ｃより肉厚である厚肉部１ｂとを有するものでもよい。これにより、圧電／電歪膜型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。また、図４に示すように、このような構造単位を、一の基体１に設け、複数の圧電／電歪素子単位１０で基体１を共用化させることもできる。
【００６０】
本発明における基体の表面形状（図１における、電極４が固着される面形状）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、又はこれらを組合わせた複合形等の表面形状を挙げることができる。また、基体自体の形状についても特に制限はなく、適当な内部空間を有するカプセル型等の形状であってもよい。
【００６１】
また、基体の薄肉部の形状としては、電界に対する屈曲変位の直線性が高い点で、図７に示すように中央部が圧電／電歪部２，３を有する面と反対側に屈曲した形状、或いは図８に示すように厚さ方向における断面形状が３つの変曲点を有するＷ形状となるものが好ましい。なお、図７に示す屈曲形状は、各圧電／電歪部２，３の熱処理工程における収縮を利用して形成することができ、図８に示すＷ形状は、圧電／電歪部２と圧電／電歪部３との焼成収縮開始タイミングや焼成収縮量、さらには薄肉部１ｃの形状を調整することにより形成することができる。
【００６２】
本発明において、電極は圧電／電歪部に電気的に接続されるものであり、二以上の圧電／電歪部を備える場合には、各圧電／電歪部との間に配設される。このように配設されることにより、特に、最下層の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、最下層の圧電／電歪部以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さい場合においては、配設された電極がＮｉ移動障壁としても機能し、より低Ｎｉ含有率とした圧電／電歪部に、より高Ｎｉ含有率とした圧電／電歪部からＮｉが移行して異相を形成することが有効に防止される。
【００６３】
従って、本発明においては、圧電／電歪部の実質上屈曲変位等に寄与する領域を含んだ状態で電極が配設されることが好ましく、例えば、図３に示すように第一圧電／電歪部１２と第二圧電／電歪部１３との形成面のうちの、その中央部分付近を含む８０面積％以上の領域において電極４，５，６が配設されていることが好ましい。
【００６４】
また、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、複数の圧電素子単位１０ａ〜１０ｃで基体１を共用化する場合には、各圧電素子単位１０ａ〜１０ｃにおける最下層の電極１４と最上層の電極１６は各圧電素子単位１０ａ〜１０ｃ間で共用化され、各圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応する領域に配設される一体型の電極１４としてもよい。このような一体型の電極１４とすれば、個々の圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応した形状とする必要がなく、電極を形成する際の位置合わせが容易となる。
【００６５】
本発明においては、電極の材質としては、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を挙げることができる。中でも、圧電／電歪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が好ましい。また、電極の寸法について特に制限はないが、例えば、図６及び図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、各電極４，５，６を同寸法とし、各電極４，５，６が厚さ方向で同範囲で対応する位置に設けられているものでもよい。また、図９に示すように、各電極４，５，６が、最下層に位置する電極４から、順次、下層に位置する電極に対応する範囲を含んでより広い範囲で設けられているものも好ましい。このような構成とすることにより、上層に位置する圧電／電歪部を下層に位置する圧電／電歪部より大きく歪ませることができるため、曲げ効率を高め、屈曲変位をより有効に発現することができる。
【００６６】
但し、本発明において多層型圧電素子の駆動電圧を高めることにより大きな屈曲変位を得る場合には、図１０に示すように、中間に位置する電極５が、その下層又は上層に位置する電極４，６より広い範囲で設けられているもの、或いは図１１に示すように、中間に位置する電極５が、電極４，６より狭い範囲で設けられているものが好ましい。このような構成とすることにより、圧電部２，３の層厚が薄くなり易い（短手方向）端部近傍で電界が殆ど加わらず、圧電／電歪部２，３の絶縁破壊を回避することができる。なお、電極を設ける範囲に広狭の差を設ける場合におけるその広狭差は、電界分布を考慮して最適化することが好ましい。例えば、圧電／電歪部２（又は３）を挟んで隣接する電極４，５（又は５，６）間で、電極を設ける面積（形成面の面積）の比の値が０．５〜２であることが好ましく、０．６７〜１．５であることが更に好ましく、０．８３〜１．２であることが特に好ましい。
【００６７】
本発明においては、電極の厚みは１５μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。１５μｍを超えると電極が緩和層として作用し、屈曲変位が小さくなることがある。
【００６８】
次に、圧電／電歪磁器組成物の一例について説明する。圧電／電歪磁器組成物は、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなることを特徴とするものである。
【００６９】
圧電／電歪磁器組成物は、所定割合のＮｉＯを含有するものであるため、これを焼成して形成される圧電／電歪部における異相の形成を抑制することができ、電界誘起歪に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、これまで述べてきたような、小型・高特性な圧電／電歪膜型素子を構成する、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる。また、所定割合のＳｉを含有するものであるため、Ｓｉを含有しない従来の圧電／電歪磁器組成物よりも、より低い温度で焼成することにより、高い圧電特性を有する緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。更に、より低い焼成温度で圧電／電歪材料（バルク体）を製造できるため、設備、コスト面等においても優れている。
【００７０】
なお、焼成することによる異相の形成をより抑制する観点からは、ＮｉＯ含有割合が０．１０〜２．５質量％であることが好ましく、０．１５〜２．０質量％であることが更に好ましい。また、より緻密、かつ得られる圧電／電歪部の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、ＭｇとＮｉの合計モル数に対するＳｉの含有割合が３．０〜２１．０モル％であることが好ましく、３．９〜１９．８モル％であることが更に好ましい。
【００７１】
また、圧電／電歪磁気組成物は、下記一般式（１７）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、より高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる点で好ましい。
【００７２】
【化１７】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１７）
「式（１７）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００７３】
次に、本発明（第三の発明）の実施形態について説明する。第三の発明の実施形態である圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなることを特徴とするものである。
【００７４】
本実施形態の圧電／電歪磁器組成物は、Ｍｇの一部をＮｉで置換したものであるため、これを焼成して形成される圧電／電歪部における異相の形成を抑制することができ、電界誘起歪に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、これまで述べてきたような、小型・高特性な圧電／電歪膜型素子を構成する、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる。また、本実施形態の圧電／電歪磁器組成物は、所定割合のＳｉを含有するものであるため、Ｓｉを含有しない従来の圧電／電歪磁器組成物よりも、より低い温度で焼成することにより、高い圧電特性を有する緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。更に、より低い焼成温度で圧電／電歪材料（バルク体）を製造できるため、設備、コスト面等においても優れている。
【００７６】
また、本発明（第三の発明）の圧電／電歪磁気組成物は、下記一般式（１８）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、より高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる点で好ましい。
【００７７】
【化１８】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１８）
「式（１８）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００７８】
次に、本発明の圧電／電歪膜型素子（第一及び第二の発明）、及び本発明の圧電／電歪磁器組成物（第三の発明）の製造方法について説明する。まず、セラミックスからなる基体上に、又は基体表面に形成された電極上に、圧電／電歪磁器組成物を形成する。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、ＰＶＤ、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の方法を挙げることができる。中でも、基体及び圧電／電歪部との接合性の点でスパッタリング法、スクリーン印刷法が好ましい。形成された電極は、１０００〜１４００℃程度の熱処理により、基体及び／又は圧電／電歪部と一体化することができる。この熱処理は、圧電材料を形成する前に、電極を形成した時点で行ってもよいが、所望の形成体を作製した後に行う熱処理によって一括して行ってもよい。
【００７９】
圧電／電歪磁器組成物はその組成に対応させて各種原料を混合してなる混合原料を仮焼、粉砕して調製するか、或いは混合原料を仮焼後、ＮｉＯ、ＳｉＯ2を添加し、更に仮焼後、粉砕して調製することができる。以下、代表例としてＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物の調製方法について具体的に述べる。
【００８０】
まず、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｒ、若しくはＴｉの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ3Ｏ4、ＭｇＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、又はＺｒＯ2等）、炭酸塩（ＭｇＣＯ3等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＭｇＮｂ2Ｏ等）等を、各元素の含有率が所望の圧電／電歪磁器組成物の組成割合になるように混合して、圧電／電歪磁器組成物の主成分となる混合原料を調製する。
【００８１】
次に、この混合原料を７５０〜１３００℃で仮焼した後、ＮｉＯ、ＳｉＯ2を所望量添加した後に混合し、再度７５０〜１３００℃で仮焼することにより、圧電／電歪磁器組成物を得ることができる。得られた圧電／電歪磁器組成物は、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と、ペロブスカイト相の最強回折線の強度との比が５％以下であることが好ましく、２％以下であることが更に好ましい。
【００８２】
得られた圧電／電歪磁器組成物は、ボールミル、アトライタ、ビーズミルなどの一般的な粉砕装置を用いることにより粉砕して、所望の粒径の粉末とする。この際、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であることが更に好ましい。
【００８３】
なお、粉末粒径の調整は、粉砕して得られた粉末を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／電歪部とすることができるため好ましい。また、圧電／電歪磁器組成物は、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。
【００８４】
一方、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、若しくはＴｉの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ3Ｏ4、ＭｇＯ、ＮｉＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、又はＺｒＯ2等）、炭酸塩（ＭｇＣＯ3等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＭｇＮｂ2Ｏ等）等を、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、及びＴｉの各元素の含有率が、所望の圧電／電歪磁器組成物の組成割合になるように混合してなる混合原料を一度で仮焼することの他は、前述したＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物の場合と同様である。
【００８５】
得られた圧電／電歪磁器組成物を基体表面上に形成する方法としては、例えば、スクリーン印刷、スプレー、又はディッピング等の方法を挙げることができる。中でも、簡単に精度の高い形状、厚さで連続して形成することができる点でスクリーン印刷法が好ましい。次に、基板表面上に形成した圧電／電歪磁器組成物からなる層の上に、前述の方法と同様に方法により電極を形成する。なお、必要に応じて更にこの電極上に圧電／電歪磁器組成物及び電極を順次形成すればよい。
【００８６】
その後、得られた形成体を一体的に熱処理する。この熱処理により、圧電／電歪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。なお、この熱処理は必ずしも一体的に実施する必要はなく、一層形成させる毎に順次実施してもよいが、生産効率の観点からは電極も含めた状態で一体的に熱処理することが好ましい。
【００８７】
熱処理温度は１０００〜１４００℃が好ましく、１１００〜１３５０℃が更に好ましい。１０００℃未満では、基体又は電極と、圧電／電歪部との固着が不完全であったり、圧電／電歪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／電歪磁器組成物中のＰｂ、Ｎｉの揮発量が多くなるため、所望の組成の圧電／電歪部を形成することが困難となる。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、２０分以上４時間以下が更に好ましい。最高温度保持時間が１０分未満では、圧電／電歪部の緻密化が不十分となり易く、所望の特性が得られない場合があり、最高温度保持時間が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、圧電特性が低下したり、絶縁破壊が増えるという不具合が発生する。
【００８８】
Ｎｉ含有率を所望量に制御した状態の圧電／電歪部を形成するには、形成した圧電材料のＮｉ含有率と略同一であるＮｉ含有率である雰囲気制御用材料を共存させて熱処理を行うことが好ましい。なお、雰囲気制御用材料は、更に、他の成分の揮発をも防止し、所望の組成の圧電／電歪部を確実に得るという点からは、他の成分の含有率についても形成した圧電／電歪磁器組成物と略同一とすることが好ましい。
【００８９】
その後、適当な条件下で分極処理を実施するが、その際には公知の通り素子を加熱して分極処理することが好ましい。加熱温度は、圧電／電歪体のキュリー点にもよるが、４０〜２００℃とすることが好適である。
【００９０】
【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限定されるものではない。なお、製造した圧電／電歪膜型素子、バルク体である圧電／電歪材料について以下のようにして各々屈曲変位比率、電界誘起歪を測定して評価した。
【００９１】
（屈曲変位比率）
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（μｍ）をレーザー変位測定機により測定し、後述する比較例１の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位を１００％とした場合における、各試料の屈曲変位を、屈曲変位比率（％）として測定・算出した。
【００９２】
（電界誘起歪）
バルク体である圧電／電歪材料を１２×３×１ｍｍの寸法形状の試料として切り出し、この試料の両面に１２×３ｍｍのＡｇからなる電極を形成する。これらの電極上に歪ゲージを貼付し、電極間に４ｋＶ／ｍｍの電圧を印加した場合における、電界と垂直な方向の歪量を電界誘起歪（ｐｐｍ）として測定した。
【００９３】
（参考例１〜３、比較例１〜３）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が、表１に示す割合（モル％）である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（参考例１〜３、比較例１〜３）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表１に示す。
【００９４】
【表１】
【００９５】
表１に示すように、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が小さいと（比較例１，２）、焼き締まり難いために屈曲変位が小さくなることが明らかである。一方、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が大き過ぎても（比較例３）、屈曲変位が小さくなることが判明した。これは、ＳｉがＰｂと異相を形成し、屈曲変位が低下したためと考えられる。
【００９６】
（参考例４〜６）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が６．５モル％である、表２に示す組成の圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして、圧電／電歪膜型素子（参考例４〜６）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】
【００９８】
表２に示すように、参考例４，６に比して参考例５の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪磁器組成物を構成する三成分（ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３、ＰｂＺｒＯ３、及びＰｂＴｉＯ３）の組成比率に最適な数値範囲があることが分かる。
【００９９】
（実施例１〜３、比較例４，５）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が、表３に示す割合（モル％）である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして、圧電／電歪膜型素子（実施例１〜３、比較例４，５）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表３に示す。
【０１００】
【表３】
【０１０１】
表３に示すように、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が小さいと（比較例４）、焼き締まり難いために屈曲変位が小さくなることが明らかである。一方、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が大き過ぎても（比較例５）、屈曲変位が小さくなることが判明した。これは、ＳｉがＰｂと異相を形成し、屈曲変位が低下したためと考えられる。
【０１０２】
（実施例４〜６）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．４モル％である、表４に示す組成の圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の実施例１〜３、比較例４，５と同様にして、圧電／電歪膜型素子（実施例４〜６）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表４に示す。
【０１０３】
【表４】
【０１０４】
表４に示すように、実施例４，６に比して実施例５の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪磁器組成物を構成する三成分（ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３、ＰｂＺｒＯ３、及びＰｂＴｉＯ３）の組成比率に最適な数値範囲があることが分かる。
【０１０５】
（参考例７）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。次いで、その上に、Ｐｔからなる中間部電極をスクリーン印刷法により形成し、その上に前述の一層目と同一の圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（参考例７）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１０６】
参考例７の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１８８％と極めて高い数値を示した。
【０１０７】
（実施例７）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例７と同様にして圧電／電歪膜型素子（実施例７）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１０８】
実施例７の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１９１％と極めて高い数値を示した。
【０１０９】
（参考例８〜１０）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと、及び圧電／電歪部の厚みが表５に示す値となるように圧電／電歪磁器組成物を形成したこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして圧電／電歪膜型素子（参考例８〜１０）を製造した。屈曲変位比率の測定結果を表５に示す。
【０１１０】
【表５】
【０１１１】
表５に示すように、参考例８，１０に比して参考例９の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪部の厚みに、屈曲変位が極大となる最適な数値範囲があることが分かる。
【０１１２】
（実施例８）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。次いで、その上に、Ｐｔからなる中間部電極をスクリーン印刷法により形成し、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（実施例８）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１１３】
実施例８の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１９３％と極めて高い数値を示した。
【０１１４】
（参考例１１）
Ｐｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物（参考例１１）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１５】
（実施例９）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物（実施例９）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１６】
（比較例６）
Ｐｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3をからなる圧電／電歪磁器組成物（比較例６）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１７】
【表６】
【０１１８】
表６に示すように、ＳｉとＮｉを含有しない場合（比較例６）には、低温（１１５０℃以下）の焼成温度では電界誘起歪を測定することができず、より高い焼成温度（１２００℃以上）でなければ緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造できないことが明らかである。これに対して、参考例１１及び実施例９の圧電／電歪磁器組成物は、比較的低温で焼成することによっても十分に緻密化した圧電／電歪材料（バルク体）を製造できることが明らかである。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電／電歪膜型素子は、これを構成する圧電／電歪磁器組成物が、所定の三成分固溶系組成物に所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなり、圧電／電歪部が、基体上に直接又は正極若しくは負極を介して固着されているものであるため、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた圧電／電歪膜型素子である。
【０１２０】
また、本発明の圧電／電歪膜型素子は、第一及び第二圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、所定の三成分固溶系組成物に所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなるものであるため、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた圧電／電歪膜型素子である。また、本発明の圧電／電歪膜型素子は、その特性を生かし、アクチュエータ、センサー等として好適である。
【０１２１】
また、本発明の圧電／電歪磁器組成物は、所定の三成分固溶系組成物を主成分とし、所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなるものであるため、上述した特性を有する圧電／電歪膜型素子を構成するための圧電／電歪磁器組成物として好適であり、かつ、より低い焼成温度で緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電／電歪膜型素子の一の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】 本発明の圧電／電歪膜型素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図３】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図４】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図５】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す図面であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は断面図である。
【図６】 図３に示す実施形態のより具体的な一例を示す断面図である。
【図７】 図３に示す実施形態のより具体的な他の例を示す断面図である。
【図８】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図９】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１０】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１１】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１２】 図１２（ａ）は図６のＸ−Ｘ’断面図であり、図１２（ｂ）は図６の上面図である。
【符号の説明】
１…基体、１ａ…固着面、１ｂ…厚肉部、１ｃ…薄肉部、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ…圧電／電歪部、４，５，６，１４，１６…電極、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…圧電／電歪素子単位、１２…第一圧電／電歪部、１３…第二圧電／電歪部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電／電歪膜型素子、及びこれを構成する圧電／電歪磁器組成物に関し、更に詳しくは、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた、アクチュエータ、センサー等に好適な小型・高特性な圧電／電歪膜型素子、及びこれを構成する圧電／電歪磁器組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サブミクロンのオーダーで微小変位を制御できる素子として、圧電／電歪膜型素子が知られている。特に、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部と、電圧が印加される電極部とを積層した圧電／電歪膜型素子は、微小変位の制御に好適である他、高電気／機械変換効率、高速応答性、高耐久性、及び少消費電力等の優れた特性を有するものであるため、圧電型圧力センサ、走査型トンネル顕微鏡のプローブ移動機構、超精密加工装置における直進案内機構、油圧制御用サーボ弁、ＶＴＲ装置のヘッド、フラットパネル型の画像表示装置を構成する画素、又はインクジェットプリンタのヘッド等、様々な用途に用いられている。
【０００３】
また、圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物についても、種々検討がなされており、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物、又はこれらの組成物中のＰｂの一部をＳｒ、Ｌａ等で置換した圧電／電歪磁器組成物が開示されており（例えば、特許文献１，２参照）、圧電／電歪素子の圧電特性を決定する最も重要な要素である圧電／電歪部自体について、優れた圧電特性（例えば、圧電ｄ定数）を有する圧電／電歪素子が得られるものと期待されている。
【０００４】
しかしながら、従来の圧電／電歪素子では、これら圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪材料を基体上に形成した後に熱処理して圧電／電歪素子を製造していたことから、圧電／電歪磁器組成物が熱処理により収縮し緻密化しようとしても、基体が収縮しにくいために、圧電／電歪部の緻密性が低くなってしまい、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あった。特に、多層型圧電／電歪素子の場合には、この問題は顕著であり、その改良が強く要望されていた。
【０００５】
このような状況下、従来の圧電／電歪素子としては、上述した圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪材料を予め熱処理した圧電／電歪部を基体に貼り付けて、圧電／電歪部の緻密化を図ったものが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、この圧電／電歪素子では、圧電／電歪部を基体に貼り付ける際に無機・有機系の接着剤を用いる必要があるため、この接着剤が、基体と圧電／電歪部間の振動伝達を阻害したり、又は接着剤成分が圧電／電歪部や基体の特性を劣化させてしまう場合があった。また、従来の圧電／電歪素子では、多層型とする際に、個々の圧電／電歪部毎に圧電／電歪磁器組成物の組成を変えるといった点については全く考慮されておらず、必ずしも十分な圧電／電歪特性が得られるものではなかった。
【０００７】
一方、バルク体の圧電／電歪材料は、従来、所定の圧電／電歪磁器組成物を所定の温度条件下で焼成することにより製造しているが、所望とする優れた圧電特性を有する圧電／電歪材料を製造するには、十分に高い温度（例えば、１２００℃以上）で焼成する必要があるために、設備、コスト面等における問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特公昭４４−１７１０３号公報
【特許文献２】
特公昭４５−８１４５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２９３５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた、アクチュエータ、センサー等に好適な小型・高特性な圧電／電歪膜型素子、及び低温での熱処理によっても緻密であるとともに高い圧電特性を有する圧電／電歪部を構成し得る圧電／電歪磁器組成物を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極とを備える圧電／電歪膜型素子において、前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、前記圧電／電歪部が、前記基体に直接又は前記正極若しくは前記負極を介して固着されていることを特徴とする圧電／電歪膜型素子（第一の発明）が提供される。
【００１４】
本発明（第一の発明）においては、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（８）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが好ましい。
【００１５】
【化８】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（８）
「式（８）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００１６】
本発明（第一の発明）においては、圧電／電歪部を複数、及び電極を複数対備え、複数の圧電／電歪部が、複数対の電極の正極及び負極により交互に挟持・積層されてなることが好ましく、一の圧電／電歪部の厚みが、１〜１０μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる複数の圧電／電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる複数対の電極とを備え、複数の前記圧電／電歪部が、複数対の前記電極の前記正極及び前記負極により交互に挟持・積層されてなる圧電／電歪膜型素子において、少なくとも一の前記圧電／電歪部（第一圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、少なくとも一の前記圧電／電歪部（第二圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪膜型素子（第二の発明）が提供される。
【００１８】
本発明（第二の発明）においては、第二圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（９）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなり、第一圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１０）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなることが好ましい。
【００１９】
【化９】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（９）
「式（９）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００２０】
【化１０】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１０）
「式（１０）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００２１】
本発明（第二の発明）においては、複数の圧電／電歪部の厚みが、各々１〜１０μｍであることが好ましく、最下層の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、最下層の圧電／電歪部以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪磁器組成物（第三の発明）が提供される。
【００２６】
本発明（第三の発明）においては、下記一般式（１２）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなることが好ましい。
【００２７】
【化１２】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１２）
「式（１２）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【００２９】
圧電／電歪膜型素子は、図１に示すように、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部２と、この圧電／電歪部２に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極４，５とを備えている。
【００３０】
圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するものである。即ち、所定割合のＮｉＯを添加したＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物により圧電／電歪部２が構成されているため、この圧電／電歪部２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。なお、圧電／電歪部２における異相の形成をより抑制する観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＮｉＯを０．１０〜２．５質量％含有することが好ましく、０．１５〜２．０質量％含有することが更に好ましい。
【００３１】
また、圧電／電歪膜型素子は、Ｓｉを含有する圧電／電歪磁器組成物により圧電／電歪部２が構成されている。この圧電／電歪部２は、所定の組成を有する圧電／電歪磁器組成物となるように混合された原材料混合物（圧電材料）を、更にシリカ（ＳｉＯ２）を添加した状態で焼結することにより形成される。ＳｉＯ２は圧電材料中のＰｂと反応して低融点ガラス層を形成し、得られる圧電／電歪磁器組成物を緻密化させる役割を担うものと考えられる。
【００３２】
また、ＳｉＯ２は圧電材料中のＮｉ、Ｍｇ等と反応してＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物を形成する。従って、圧電／電歪膜型素子は、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されて、化学量論組成からのずれが小さいため、圧電／電歪部２が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。
【００３３】
特に、圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有している。Ｓｉ含有割合が２２．０モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、圧電／電歪部２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が２．０モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。なお、より緻密、かつ圧電／電歪部２の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＭｇとＮｉの合計モル数に対して３．０〜２１．０モル％のＳｉを含有することが好ましく、３．９〜１９．８モル％のＳｉを含有することが更に好ましい。
【００３４】
また、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１３）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００３５】
【化１３】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１３）
「式（１３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００３６】
次に、本発明（第一の発明）の実施形態について説明する。第一の発明の実施形態である圧電／電歪膜型素子は、図１に示すような、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電／電歪部２と、この圧電／電歪部２に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極４，５とを備えてなるものである。
【００３７】
本実施形態の圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とするものである。このＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物中のＭｇの一部をＮｉで置換したものである。Ｍｇの一部をＮｉで置換したものであるため、圧電／電歪部２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きくなるため、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。
【００３８】
また、本実施形態の圧電／電歪膜型素子の圧電／電歪部２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有している。Ｓｉ含有割合が３２．８モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、圧電／電歪部２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が６．６モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。
【００３９】
また、本実施形態においては、圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１４）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００４０】
【化１４】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１４）
「式（１４）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００４１】
また、本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図１参照）は、これを構成する圧電／電歪部２が基体１に直接、又は次に述べる正極若しくは負極（電極４）を介して固着されているものであり、接着剤等の介在による基体１と圧電／電歪部２間との振動伝達性の低下、及び接着剤成分等の影響による圧電／電歪部２又は基体１の特性劣化が回避され得るものである。なお、「固着」とは、有機系、無機系の一切の接着剤を用いることなく、圧電／電歪部２と、基体１又は電極４との固相反応により両者が緊密一体化することを意味する。
【００４２】
本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子においては、図３に示すように圧電／電歪部２，３を複数、及び電極４，５，６を複数対備え、複数の圧電／電歪部２，３が、複数対の電極４，５，６の正極及び負極により交互に挟持・積層してなる構成としてもよい。
【００４３】
また、本発明（第一の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図１参照）においては、一の圧電・電歪部（圧電／電歪部２）の厚みが１〜１０μｍであることが好ましく、２〜９μｍであることが更に好ましく、３〜８μｍであることが特に好ましい。圧電／電歪部２の厚みが１μｍ未満であると、前述した所定の圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部であっても緻密化が不十分となり易い。一方、圧電／電歪部２の厚みが１０μｍを超えると、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。
【００４４】
次に、本発明（第二の発明）の実施形態について説明する。第二の発明の実施形態である圧電／電歪膜型素子は、図３に示すように、セラミックスからなる基体１上に、圧電／電歪磁器組成物からなる複数の圧電／電歪部２，３と、圧電／電歪部２，３に電気的に接続される、複数対の電極４，５，６とを備え、圧電／電歪部２，３が、電極４，５，６の正極及び負極により交互に挟持・積層されてなるものである。
【００４５】
本実施形態の圧電／電歪膜型素子は、複数の圧電／電歪部２，３のうちの少なくとも一の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２）を構成する圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とするものである。従って、第一の発明の場合と同様に、第一圧電／電歪部１２においては異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、組成物自体の特性に起因する圧電特性の向上がなされている。
【００４６】
また、第一圧電／電歪部１２を構成する圧電／電歪磁器組成物は、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなるものである。従って、本実施形態圧電／電歪膜型素子は、第一の発明の場合と同様に、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されているため、第一圧電／電歪部１２が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。Ｓｉ含有割合が３２．８モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ２ＳｉＯ４等の化合物が過剰に生成するため、第一圧電／電歪部１２の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が６．６モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。
【００４７】
また、第一圧電／電歪部１２とは別の、少なくとも一の圧電／電歪部（第二圧電／電歪部１３）を構成する圧電／電歪磁器組成物が、ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなるものである。
【００４８】
従って、本実施形態圧電／電歪膜型素子は、第一の発明の場合と同様に、ペロブスカイト構造からのＰｂの減少が抑制されているため、第二圧電／電歪部１３が緻密化されているとともに極めて屈曲変位の大きいものである。Ｓｉ含有割合が２２．０モル％超であると、緻密化される一方で圧電特性を示さないＮｉ2ＳｉＯ4等の化合物が過剰に生成するため、第二圧電／電歪部１３の圧電特性が低下するために好ましくない。Ｓｉ含有割合が２．０モル％未満であると、Ｓｉを含有することによる緻密化効果が発揮され難いために好ましくない。なお、より緻密、かつ第二圧電／電歪部１３の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、圧電／電歪磁器組成物がＭｇとＮｉの合計モル数に対して３．０〜２１．０モル％のＳｉを含有することが好ましく、３．９〜１９．８モル％のＳｉを含有することが更に好ましい。
【００４９】
なお、図３においては、下層側（基板１側）を第一圧電／電歪部１２、上層側を第二圧電／電歪部１３として示しているが、本発明においてはこのような形成順に限定されるものではない。即ち、より基板１に近い下層側を第二圧電／電歪部、上層側を第一圧電／電歪部としてもよいが、図３に示すように、下層側を第一圧電／電歪部１２、上層側を第二圧電／電歪部１３とすることが、より高い圧電特性を有する点で好ましい。更に、異なる圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部を三層以上形成して構成することも同様に好ましい。
【００５０】
また、本実施形態においては、第二圧電／電歪部１３を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１５）に示すＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなり、第一圧電／電歪部１２を構成する圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（１６）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、高い圧電特性を有する点で好ましい。
【００５１】
【化１５】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１５）
「式（１５）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００５２】
【化１６】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１６）
「式（１６）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００５３】
なお、本発明（第二の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図３参照）においては、複数の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２、第二圧電／電歪部１３）の厚みが、各々１〜１０μｍであることが好ましく、２〜９μｍであることが更に好ましく、３〜８μｍであることが特に好ましい。１μｍ未満であると、前述した所定の圧電／電歪磁器組成物からなる圧電／電歪部であっても緻密化が不十分となり易い。一方、１０μｍを超えると、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。
【００５４】
また、本発明（第二の発明）の実施形態である圧電／電歪膜型素子（図３参照）においては、最下層の圧電／電歪部（第一圧電／電歪部１２）を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、第一圧電／電歪部１３以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さいことが好ましい。これにより、第一圧電／電歪部１２では、異相の形成が抑制され、屈曲変位に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きくなるため、組成物自体の特性から圧電特性を向上させることができる。しかも、Ｎｉをより多く含有する第二圧電／電歪部１３以降の圧電／電歪部は、焼結収縮に関する基体１の拘束が小さく、Ｎｉを含有させた効果が顕著に現れる。従って、第二圧電／電歪部１３以降の圧電／電歪部は、製造工程の熱処理により非常に緻密化され、その影響により、隣接する第一圧電／電歪部１２も緻密化される。この結果、磁器組成物自体の特性と相俟って、より高い圧電特性を有する圧電／電歪膜型素子とすることができる。
【００５５】
本発明において、第二圧電／電歪部１３は、より緻密であるとともに異相の形成をより抑制する点から、圧電／電歪磁器組成物がＮｉＯを０．１０〜２．５質量％含有することが好ましく、０．１５〜２．０質量％含有することが更に好ましい。また、本発明においては、第一圧電／電歪部１２のＮｉ含有率と第二圧電／電歪部１３のＮｉＯ含有率との比（第一／第二）の値が、０．０７〜０．３５であることが好ましく、０．１０〜０．３３であることが更に好ましく、０．１２〜０．３０であることが特に好ましい。（第一／第二）の値が０．０７未満であると、第二圧電／電歪部１３における異相が大きくなり易いため、全体の圧電特性が小さくなり易い。一方、０．３５を超えると、第二圧電／電歪部１３における緻密化の程度が小さくなるため、第一圧電／電歪部１２も緻密化されなくなり、やはり全体の圧電特性が小さくなり易い。なお、三層以上の圧電／電歪部を設ける場合でも、第二圧電／電歪部が、第一圧電／電歪部との関係で、上記のＮｉＯ含有率であることが好ましい。また、各圧電／電歪部の緻密化をより一層促進させるためには、第三以降の圧電／電歪部が、第二圧電部と同一又はより大きなＮｉＯ含有率であることが好ましい。
【００５６】
本発明（第一及び第二の発明）の圧電／電歪膜型素子においては、基体はセラミックスからなり、このセラミックスの種類に特に制限はない。もっとも、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、及びガラスからなる群より選択される少なくとも一種を含むセラミックスからなることが好ましく、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からなることが更に好ましい。なお、本発明にいう「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加により結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。
【００５７】
安定化された酸化ジルコニウムとしては、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム又は希土類金属の酸化物等の安定化剤を、１〜３０モル％含有するものを挙げることができる。中でも、振動部の機械的強度が特に高くなる点で、酸化イットリウムを安定化剤として含有させたものが好ましく、この際、酸化イットリウムは、１．５〜６モル％含有させることが好ましく、２〜４モル％含有させることが更に好ましい。また、更に酸化アルミニウムを０．１〜５モル％含有させたものが好ましい。安定化された酸化ジルコニウムの結晶相は、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相などであってもよいが、主たる結晶相が、正方晶、又は正方晶＋立方晶の混合相であるものが、強度、靭性、及び耐久性の観点から好ましい。
【００５８】
なお、基体の厚みは、１μｍ〜１ｍｍが好ましく、１．５〜５００μｍが更に好ましく、２〜２００μｍが特に好ましい。基体の厚みが１μｍ未満であると、圧電／電歪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／電歪素子に電圧を印加した場合に圧電／電歪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。
【００５９】
但し、図２に示すように、基体１は、圧電／電歪部２（図２においては電極４が基体１に固着した例を示す）又は電極４との固着面１ａに略対応する領域で設けられ、上記の厚みを有する薄肉部１ｃと、固着面１ａ以外に略対応する領域で設けられ、薄肉部１ｃより肉厚である厚肉部１ｂとを有するものでもよい。これにより、圧電／電歪膜型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。また、図４に示すように、このような構造単位を、一の基体１に設け、複数の圧電／電歪素子単位１０で基体１を共用化させることもできる。
【００６０】
本発明における基体の表面形状（図１における、電極４が固着される面形状）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、又はこれらを組合わせた複合形等の表面形状を挙げることができる。また、基体自体の形状についても特に制限はなく、適当な内部空間を有するカプセル型等の形状であってもよい。
【００６１】
また、基体の薄肉部の形状としては、電界に対する屈曲変位の直線性が高い点で、図７に示すように中央部が圧電／電歪部２，３を有する面と反対側に屈曲した形状、或いは図８に示すように厚さ方向における断面形状が３つの変曲点を有するＷ形状となるものが好ましい。なお、図７に示す屈曲形状は、各圧電／電歪部２，３の熱処理工程における収縮を利用して形成することができ、図８に示すＷ形状は、圧電／電歪部２と圧電／電歪部３との焼成収縮開始タイミングや焼成収縮量、さらには薄肉部１ｃの形状を調整することにより形成することができる。
【００６２】
本発明において、電極は圧電／電歪部に電気的に接続されるものであり、二以上の圧電／電歪部を備える場合には、各圧電／電歪部との間に配設される。このように配設されることにより、特に、最下層の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、最下層の圧電／電歪部以外の圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さい場合においては、配設された電極がＮｉ移動障壁としても機能し、より低Ｎｉ含有率とした圧電／電歪部に、より高Ｎｉ含有率とした圧電／電歪部からＮｉが移行して異相を形成することが有効に防止される。
【００６３】
従って、本発明においては、圧電／電歪部の実質上屈曲変位等に寄与する領域を含んだ状態で電極が配設されることが好ましく、例えば、図３に示すように第一圧電／電歪部１２と第二圧電／電歪部１３との形成面のうちの、その中央部分付近を含む８０面積％以上の領域において電極４，５，６が配設されていることが好ましい。
【００６４】
また、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、複数の圧電素子単位１０ａ〜１０ｃで基体１を共用化する場合には、各圧電素子単位１０ａ〜１０ｃにおける最下層の電極１４と最上層の電極１６は各圧電素子単位１０ａ〜１０ｃ間で共用化され、各圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応する領域に配設される一体型の電極１４としてもよい。このような一体型の電極１４とすれば、個々の圧電／電歪部２ａ〜２ｃ，３ａ〜３ｃに対応した形状とする必要がなく、電極を形成する際の位置合わせが容易となる。
【００６５】
本発明においては、電極の材質としては、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも一種の金属を挙げることができる。中でも、圧電／電歪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が好ましい。また、電極の寸法について特に制限はないが、例えば、図６及び図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、各電極４，５，６を同寸法とし、各電極４，５，６が厚さ方向で同範囲で対応する位置に設けられているものでもよい。また、図９に示すように、各電極４，５，６が、最下層に位置する電極４から、順次、下層に位置する電極に対応する範囲を含んでより広い範囲で設けられているものも好ましい。このような構成とすることにより、上層に位置する圧電／電歪部を下層に位置する圧電／電歪部より大きく歪ませることができるため、曲げ効率を高め、屈曲変位をより有効に発現することができる。
【００６６】
但し、本発明において多層型圧電素子の駆動電圧を高めることにより大きな屈曲変位を得る場合には、図１０に示すように、中間に位置する電極５が、その下層又は上層に位置する電極４，６より広い範囲で設けられているもの、或いは図１１に示すように、中間に位置する電極５が、電極４，６より狭い範囲で設けられているものが好ましい。このような構成とすることにより、圧電部２，３の層厚が薄くなり易い（短手方向）端部近傍で電界が殆ど加わらず、圧電／電歪部２，３の絶縁破壊を回避することができる。なお、電極を設ける範囲に広狭の差を設ける場合におけるその広狭差は、電界分布を考慮して最適化することが好ましい。例えば、圧電／電歪部２（又は３）を挟んで隣接する電極４，５（又は５，６）間で、電極を設ける面積（形成面の面積）の比の値が０．５〜２であることが好ましく、０．６７〜１．５であることが更に好ましく、０．８３〜１．２であることが特に好ましい。
【００６７】
本発明においては、電極の厚みは１５μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。１５μｍを超えると電極が緩和層として作用し、屈曲変位が小さくなることがある。
【００６８】
次に、圧電／電歪磁器組成物の一例について説明する。圧電／電歪磁器組成物は、ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなることを特徴とするものである。
【００６９】
圧電／電歪磁器組成物は、所定割合のＮｉＯを含有するものであるため、これを焼成して形成される圧電／電歪部における異相の形成を抑制することができ、電界誘起歪に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、これまで述べてきたような、小型・高特性な圧電／電歪膜型素子を構成する、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる。また、所定割合のＳｉを含有するものであるため、Ｓｉを含有しない従来の圧電／電歪磁器組成物よりも、より低い温度で焼成することにより、高い圧電特性を有する緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。更に、より低い焼成温度で圧電／電歪材料（バルク体）を製造できるため、設備、コスト面等においても優れている。
【００７０】
なお、焼成することによる異相の形成をより抑制する観点からは、ＮｉＯ含有割合が０．１０〜２．５質量％であることが好ましく、０．１５〜２．０質量％であることが更に好ましい。また、より緻密、かつ得られる圧電／電歪部の圧電特性の低下を起こさせないといった観点からは、ＭｇとＮｉの合計モル数に対するＳｉの含有割合が３．０〜２１．０モル％であることが好ましく、３．９〜１９．８モル％であることが更に好ましい。
【００７１】
また、圧電／電歪磁気組成物は、下記一般式（１７）に示すＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、より高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる点で好ましい。
【００７２】
【化１７】
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3 …（１７）
「式（１７）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数である（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
【００７３】
次に、本発明（第三の発明）の実施形態について説明する。第三の発明の実施形態である圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなることを特徴とするものである。
【００７４】
本実施形態の圧電／電歪磁器組成物は、Ｍｇの一部をＮｉで置換したものであるため、これを焼成して形成される圧電／電歪部における異相の形成を抑制することができ、電界誘起歪に寄与するペロブスカイト相の占める割合が大きく、これまで述べてきたような、小型・高特性な圧電／電歪膜型素子を構成する、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる。また、本実施形態の圧電／電歪磁器組成物は、所定割合のＳｉを含有するものであるため、Ｓｉを含有しない従来の圧電／電歪磁器組成物よりも、より低い温度で焼成することにより、高い圧電特性を有する緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。更に、より低い焼成温度で圧電／電歪材料（バルク体）を製造できるため、設備、コスト面等においても優れている。
【００７６】
また、本発明（第三の発明）の圧電／電歪磁気組成物は、下記一般式（１８）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものであることが、より高い圧電特性を有する圧電／電歪部を形成することができる点で好ましい。
【００７７】
【化１８】
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3) × aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3 …（１８）
「式（１８）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
【００７８】
次に、本発明の圧電／電歪膜型素子（第一及び第二の発明）、及び本発明の圧電／電歪磁器組成物（第三の発明）の製造方法について説明する。まず、セラミックスからなる基体上に、又は基体表面に形成された電極上に、圧電／電歪磁器組成物を形成する。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、ＰＶＤ、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の方法を挙げることができる。中でも、基体及び圧電／電歪部との接合性の点でスパッタリング法、スクリーン印刷法が好ましい。形成された電極は、１０００〜１４００℃程度の熱処理により、基体及び／又は圧電／電歪部と一体化することができる。この熱処理は、圧電材料を形成する前に、電極を形成した時点で行ってもよいが、所望の形成体を作製した後に行う熱処理によって一括して行ってもよい。
【００７９】
圧電／電歪磁器組成物はその組成に対応させて各種原料を混合してなる混合原料を仮焼、粉砕して調製するか、或いは混合原料を仮焼後、ＮｉＯ、ＳｉＯ2を添加し、更に仮焼後、粉砕して調製することができる。以下、代表例としてＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物の調製方法について具体的に述べる。
【００８０】
まず、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｚｒ、若しくはＴｉの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ3Ｏ4、ＭｇＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、又はＺｒＯ2等）、炭酸塩（ＭｇＣＯ3等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＭｇＮｂ2Ｏ等）等を、各元素の含有率が所望の圧電／電歪磁器組成物の組成割合になるように混合して、圧電／電歪磁器組成物の主成分となる混合原料を調製する。
【００８１】
次に、この混合原料を７５０〜１３００℃で仮焼した後、ＮｉＯ、ＳｉＯ2を所望量添加した後に混合し、再度７５０〜１３００℃で仮焼することにより、圧電／電歪磁器組成物を得ることができる。得られた圧電／電歪磁器組成物は、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と、ペロブスカイト相の最強回折線の強度との比が５％以下であることが好ましく、２％以下であることが更に好ましい。
【００８２】
得られた圧電／電歪磁器組成物は、ボールミル、アトライタ、ビーズミルなどの一般的な粉砕装置を用いることにより粉砕して、所望の粒径の粉末とする。この際、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であることが更に好ましい。
【００８３】
なお、粉末粒径の調整は、粉砕して得られた粉末を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／電歪部とすることができるため好ましい。また、圧電／電歪磁器組成物は、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。
【００８４】
一方、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物は、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、若しくはＴｉの各元素単体、これら各元素の酸化物（ＰｂＯ、Ｐｂ3Ｏ4、ＭｇＯ、ＮｉＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、又はＺｒＯ2等）、炭酸塩（ＭｇＣＯ3等）、又はこれら各元素を複数種含有する化合物（ＭｇＮｂ2Ｏ等）等を、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、及びＴｉの各元素の含有率が、所望の圧電／電歪磁器組成物の組成割合になるように混合してなる混合原料を一度で仮焼することの他は、前述したＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする圧電／電歪磁器組成物の場合と同様である。
【００８５】
得られた圧電／電歪磁器組成物を基体表面上に形成する方法としては、例えば、スクリーン印刷、スプレー、又はディッピング等の方法を挙げることができる。中でも、簡単に精度の高い形状、厚さで連続して形成することができる点でスクリーン印刷法が好ましい。次に、基板表面上に形成した圧電／電歪磁器組成物からなる層の上に、前述の方法と同様に方法により電極を形成する。なお、必要に応じて更にこの電極上に圧電／電歪磁器組成物及び電極を順次形成すればよい。
【００８６】
その後、得られた形成体を一体的に熱処理する。この熱処理により、圧電／電歪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。なお、この熱処理は必ずしも一体的に実施する必要はなく、一層形成させる毎に順次実施してもよいが、生産効率の観点からは電極も含めた状態で一体的に熱処理することが好ましい。
【００８７】
熱処理温度は１０００〜１４００℃が好ましく、１１００〜１３５０℃が更に好ましい。１０００℃未満では、基体又は電極と、圧電／電歪部との固着が不完全であったり、圧電／電歪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／電歪磁器組成物中のＰｂ、Ｎｉの揮発量が多くなるため、所望の組成の圧電／電歪部を形成することが困難となる。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、２０分以上４時間以下が更に好ましい。最高温度保持時間が１０分未満では、圧電／電歪部の緻密化が不十分となり易く、所望の特性が得られない場合があり、最高温度保持時間が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、圧電特性が低下したり、絶縁破壊が増えるという不具合が発生する。
【００８８】
Ｎｉ含有率を所望量に制御した状態の圧電／電歪部を形成するには、形成した圧電材料のＮｉ含有率と略同一であるＮｉ含有率である雰囲気制御用材料を共存させて熱処理を行うことが好ましい。なお、雰囲気制御用材料は、更に、他の成分の揮発をも防止し、所望の組成の圧電／電歪部を確実に得るという点からは、他の成分の含有率についても形成した圧電／電歪磁器組成物と略同一とすることが好ましい。
【００８９】
その後、適当な条件下で分極処理を実施するが、その際には公知の通り素子を加熱して分極処理することが好ましい。加熱温度は、圧電／電歪体のキュリー点にもよるが、４０〜２００℃とすることが好適である。
【００９０】
【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限定されるものではない。なお、製造した圧電／電歪膜型素子、バルク体である圧電／電歪材料について以下のようにして各々屈曲変位比率、電界誘起歪を測定して評価した。
【００９１】
（屈曲変位比率）
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（μｍ）をレーザー変位測定機により測定し、後述する比較例１の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位を１００％とした場合における、各試料の屈曲変位を、屈曲変位比率（％）として測定・算出した。
【００９２】
（電界誘起歪）
バルク体である圧電／電歪材料を１２×３×１ｍｍの寸法形状の試料として切り出し、この試料の両面に１２×３ｍｍのＡｇからなる電極を形成する。これらの電極上に歪ゲージを貼付し、電極間に４ｋＶ／ｍｍの電圧を印加した場合における、電界と垂直な方向の歪量を電界誘起歪（ｐｐｍ）として測定した。
【００９３】
（参考例１〜３、比較例１〜３）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が、表１に示す割合（モル％）である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（参考例１〜３、比較例１〜３）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表１に示す。
【００９４】
【表１】
表１に示すように、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が小さいと（比較例１，２）、焼き締まり難いために屈曲変位が小さくなることが明らかである。一方、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が大き過ぎても（比較例３）、屈曲変位が小さくなることが判明した。これは、ＳｉがＰｂと異相を形成し、屈曲変位が低下したためと考えられる。
【００９６】
（参考例４〜６）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が６．５モル％である、表２に示す組成の圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして、圧電／電歪膜型素子（参考例４〜６）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】
表２に示すように、参考例４，６に比して参考例５の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪磁器組成物を構成する三成分（ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３、ＰｂＺｒＯ３、及びＰｂＴｉＯ３）の組成比率に最適な数値範囲があることが分かる。
【００９９】
（実施例１〜３、比較例４，５）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が、表３に示す割合（モル％）である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして、圧電／電歪膜型素子（実施例１〜３、比較例４，５）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表３に示す。
【０１００】
【表３】
表３に示すように、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が小さいと（比較例４）、焼き締まり難いために屈曲変位が小さくなることが明らかである。一方、Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ）（モル％）の値が大き過ぎても（比較例５）、屈曲変位が小さくなることが判明した。これは、ＳｉがＰｂと異相を形成し、屈曲変位が低下したためと考えられる。
【０１０２】
（実施例４〜６）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．４モル％である、表４に示す組成の圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の実施例１〜３、比較例４，５と同様にして、圧電／電歪膜型素子（実施例４〜６）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは全て５μｍであった。屈曲変位比率の測定結果を表４に示す。
【０１０３】
【表４】
表４に示すように、実施例４，６に比して実施例５の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪磁器組成物を構成する三成分（ＰｂＭｇ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３、ＰｂＺｒＯ３、及びＰｂＴｉＯ３）の組成比率に最適な数値範囲があることが分かる。
【０１０５】
（参考例７）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。次いで、その上に、Ｐｔからなる中間部電極をスクリーン印刷法により形成し、その上に前述の一層目と同一の圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（参考例７）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１０６】
参考例７の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１８８％と極めて高い数値を示した。
【０１０７】
（実施例７）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと以外は、前述の参考例７と同様にして圧電／電歪膜型素子（実施例７）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１０８】
実施例７の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１９１％と極めて高い数値を示した。
【０１０９】
（参考例８〜１０）
ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物を用いたこと、及び圧電／電歪部の厚みが表５に示す値となるように圧電／電歪磁器組成物を形成したこと以外は、前述の参考例１〜３、比較例１〜３と同様にして圧電／電歪膜型素子（参考例８〜１０）を製造した。屈曲変位比率の測定結果を表５に示す。
【０１１０】
【表５】
表５に示すように、参考例８，１０に比して参考例９の方がより屈曲変位が高いものであることが明らかである。従って、圧電／電歪部の厚みに、屈曲変位が極大となる最適な数値範囲があることが分かる。
【０１１２】
（実施例８）
Ｙ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２基板上に、このＺｒＯ２基板と同一寸法形状で厚み３μｍのＰｔからなる下部電極をスクリーン印刷法により形成し、熱処理して基体と一体化させた。次いで、その上にＰｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。次いで、その上に、Ｐｔからなる中間部電極をスクリーン印刷法により形成し、その上にＰｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物圧電／電歪磁器組成物をスクリーン印刷法により、厚さ７μｍとなるように形成した。更にその上に、Ａｕからなる上部電極をスクリーン印刷法により形成した後に熱処理して、圧電／電歪膜型素子（実施例８）を製造した。なお、熱処理後の圧電／電歪部の厚みは各々５μｍであった。
【０１１３】
実施例８の圧電／電歪膜型素子の屈曲変位比率を測定したところ、１９３％と極めて高い数値を示した。
【０１１４】
（参考例１１）
Ｐｂ１．００（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉＯを１．０質量％含有するとともに、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が９．９モル％である圧電／電歪磁器組成物（参考例１１）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１５】
（実施例９）
Ｐｂ１．００｛（Ｍｇ０．８７Ｎｉ０．１３）１／３Ｎｂ２／３｝０．２０Ｔｉ０．４３Ｚｒ０．３７Ｏ３を主成分とし、ＮｉとＭｇの合計モル数に対するＳｉの含有割合（Ｓｉ／（Ｎｉ＋Ｍｇ））が１６．４モル％である圧電／電歪磁器組成物（実施例９）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１６】
（比較例６）
Ｐｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3をからなる圧電／電歪磁器組成物（比較例６）を、表６に示す各焼成温度で焼成（熱処理）することにより、圧電／電歪材料（バルク体）を製造した。電界誘起歪の測定結果を表６に示す。
【０１１７】
【表６】
表６に示すように、ＳｉとＮｉを含有しない場合（比較例６）には、低温（１１５０℃以下）の焼成温度では電界誘起歪を測定することができず、より高い焼成温度（１２００℃以上）でなければ緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造できないことが明らかである。これに対して、参考例１１及び実施例９の圧電／電歪磁器組成物は、比較的低温で焼成することによっても十分に緻密化した圧電／電歪材料（バルク体）を製造できることが明らかである。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電／電歪膜型素子は、これを構成する圧電／電歪磁器組成物が、所定の三成分固溶系組成物に所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなり、圧電／電歪部が、基体上に直接又は正極若しくは負極を介して固着されているものであるため、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた圧電／電歪膜型素子である。
【０１２０】
また、本発明の圧電／電歪膜型素子は、第一及び第二圧電／電歪部を構成する圧電／電歪磁器組成物が、所定の三成分固溶系組成物に所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなるものであるため、緻密であるとともに極めて高い圧電特性を有する圧電／電歪部を備え、かつ、基体と圧電／電歪部間の振動伝達性に優れた圧電／電歪膜型素子である。また、本発明の圧電／電歪膜型素子は、その特性を生かし、アクチュエータ、センサー等として好適である。
【０１２１】
また、本発明の圧電／電歪磁器組成物は、所定の三成分固溶系組成物を主成分とし、所定割合のＮｉＯとＳｉとを含有してなるものであるため、上述した特性を有する圧電／電歪膜型素子を構成するための圧電／電歪磁器組成物として好適であり、かつ、より低い焼成温度で緻密な圧電／電歪材料（バルク体）を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電／電歪膜型素子の一の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】 本発明の圧電／電歪膜型素子の他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図３】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図４】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図５】 本発明の圧電／電歪膜型素子の、更に他の実施形態を模式的に示す図面であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は断面図である。
【図６】 図３に示す実施形態のより具体的な一例を示す断面図である。
【図７】 図３に示す実施形態のより具体的な他の例を示す断面図である。
【図８】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図９】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１０】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１１】 図３に示す実施形態のより具体的な更に他の例を示す断面図である。
【図１２】 図１２（ａ）は図６のＸ−Ｘ’断面図であり、図１２（ｂ）は図６の上面図である。
【符号の説明】
１…基体、１ａ…固着面、１ｂ…厚肉部、１ｃ…薄肉部、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ…圧電／電歪部、４，５，６，１４，１６…電極、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…圧電／電歪素子単位、１２…第一圧電／電歪部、１３…第二圧電／電歪部。
Claims (10)
- セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる少なくとも一の圧電電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる少なくとも一対の電極とを備える圧電／電歪膜型素子において、
前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、
前記圧電／電歪部が、前記基体上に直接又は前記正極若しくは前記負極を介して固着されていることを特徴とする圧電／電歪膜型素子。 - 前記圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（２）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３三成分固溶系組成物を主成分としてなるものである請求項１に記載の圧電／電歪膜型素子。
Ｐｂ ｘ ｛（Ｍｇ １−ｙ Ｎｉ ｙ ） （１／３）×ａ Ｎｂ ２／３ ｝ ｂ Ｔｉ ｃ Ｚｒ ｄ Ｏ ３ …（２）
「式（２）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」 - 前記圧電／電歪部を複数、及び前記電極を複数対備え、複数の前記圧電／電歪部が、複数対の前記電極の前記正極及び前記負極により交互に挟持・積層されてなる請求項１又は２に記載の圧電／電歪膜型素子。
- 一の前記圧電／電歪部の厚みが、１〜１０μｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電／電歪膜型素子。
- セラミックスからなる基体上に、圧電／電歪磁器組成物からなる複数の圧電／電歪部と、前記圧電／電歪部に電気的に接続される、正極及び負極からなる複数対の電極とを備え、複数の前記圧電／電歪部が、複数対の前記電極の前記正極及び前記負極により交互に挟持・積層されてなる圧電／電歪膜型素子において、
少なくとも一の前記圧電／電歪部（第一圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなり、
少なくとも一の前記圧電／電歪部（第二圧電／電歪部）を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、ＰｂＭｇ １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分とし、ＮｉＯを０．０５〜３．０質量％含有するとともに、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して２．０〜２２．０モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪膜型素子。 - 前記第二圧電／電歪部を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（３）に示すＰｂＭｇ １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分としてなり、
前記第一圧電／電歪部を構成する前記圧電／電歪磁器組成物が、下記一般式（４）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分としてなる請求項５に記載の圧電／電歪膜型素子。
Ｐｂ ｘ （Ｍｇ ｙ／３ Ｎｂ ２／３ ） ａ Ｔｉ ｂ Ｚｒ ｃ Ｏ ３ …（３）
「式（３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．８≦ｙ≦１．０であり、かつａ，ｂ，ｃが、該ａ，ｂ，ｃの３つを座標軸とする座標中、（ａ，ｂ，ｃ）＝（０．５５０，０．４２５，０．０２５）、（０．５５０，０．３２５，０．１２５）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（０．３７５，０．４２５，０．２００）で囲まれる範囲の小数であ る（但し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００である。）。」
Ｐｂ ｘ ｛（Ｍｇ １−ｙ Ｎｉ ｙ ） （１／３）×ａ Ｎｂ ２／３ ｝ ｂ Ｔｉ ｃ Ｚｒ ｄ Ｏ ３ …（４）
「式（４）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」 - 前記複数の圧電／電歪部の厚みが、各々１〜１０μｍである請求項５又は６に記載の圧電／電歪膜型素子。
- 最下層の前記圧電／電歪部を構成する前記圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率が、前記最下層の前記圧電／電歪部以外の前記圧電／電歪部を構成する前記圧電／電歪磁器組成物のＮｉ含有率よりも小さい請求項５〜７のいずれか一項に記載の圧電／電歪膜型素子。
- Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分とし、かつ、ＭｇとＮｉの合計モル数に対して６．６〜３２．８モル％のＳｉを含有してなることを特徴とする圧電／電歪磁器組成物。
- 下記一般式（６）に示すＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ） １／３ Ｎｂ ２／３ Ｏ ３ −ＰｂＺｒＯ ３ −ＰｂＴｉＯ ３ 三成分固溶系組成物を主成分としてなる請求項９に記載の圧電／電歪磁器組成物。
Ｐｂ ｘ ｛（Ｍｇ １−ｙ Ｎｉ ｙ ） （１／３）×ａ Ｎｂ ２／３ ｝ ｂ Ｔｉ ｃ Ｚｒ ｄ Ｏ ３ …（６）
「式（６）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）、（０．３７５，０．３２５，０．３００）、（０．１００，０．４２５，０．４７５）、（０．１００，０．５２５，０．３７５）、（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。）。」
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