JP2001172077A - 電界誘起歪み材料 - Google Patents
電界誘起歪み材料Info
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- JP2001172077A JP2001172077A JP2000172573A JP2000172573A JP2001172077A JP 2001172077 A JP2001172077 A JP 2001172077A JP 2000172573 A JP2000172573 A JP 2000172573A JP 2000172573 A JP2000172573 A JP 2000172573A JP 2001172077 A JP2001172077 A JP 2001172077A
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Abstract
(57)【要約】
【解決手段】 磁器に焼成される材料が、ＢａＴｉＯ３
を主成分とし、これにＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた
少なくとも１種を、金属換算で0.05から２ｗｔ％添加し
ており、磁器中の結晶相がペロブスカイト単相であり、
電界強度2000Ｖ／ｍｍにおける横方向電界誘起歪みの値
が300×10−６以上である電界誘起歪み材料である。 【効果】 回転する９０°ドメインの量が多くなり、こ
れに起因する電界誘起歪みが増大すると推定され、圧電
材料として十分な変位量が得られる。
を主成分とし、これにＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた
少なくとも１種を、金属換算で0.05から２ｗｔ％添加し
ており、磁器中の結晶相がペロブスカイト単相であり、
電界強度2000Ｖ／ｍｍにおける横方向電界誘起歪みの値
が300×10−６以上である電界誘起歪み材料である。 【効果】 回転する９０°ドメインの量が多くなり、こ
れに起因する電界誘起歪みが増大すると推定され、圧電
材料として十分な変位量が得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁器に焼成される
電界誘起歪み材料に関し、精密工作機械における位置決
め、光学装置の光路長制御、流量制御用バルブ、超音波
モータ又は自動車のブレーキ装置等に電気−機械変換要
素として組み込まれるアクチュエータ及びセンサの圧電
素子に焼成される電界誘起歪み材料に関する。更には、
液体の特性測定用素子や、微少重量の測定素子に用いら
れる微小なセンサ、高集積された微小なアクチュエータ
に好適に用いられる電界誘起歪み材料に関する。
電界誘起歪み材料に関し、精密工作機械における位置決
め、光学装置の光路長制御、流量制御用バルブ、超音波
モータ又は自動車のブレーキ装置等に電気−機械変換要
素として組み込まれるアクチュエータ及びセンサの圧電
素子に焼成される電界誘起歪み材料に関する。更には、
液体の特性測定用素子や、微少重量の測定素子に用いら
れる微小なセンサ、高集積された微小なアクチュエータ
に好適に用いられる電界誘起歪み材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】アクチュエータ、フィルタ及び各種セン
サに利用される圧電材料として、従来よりＰｂ（Ｚr、
Ｔｉ）Ｏ３（以下、ＰＺＴという。）、ＢａＴｉＯ３等
が知られ、これらのうちＰＺＴ系は、総合的な圧電特性
が良好なため主に利用されていた。ただし、ＰＺＴに含
まれているＰｂは、安定化していて本来分解等による問
題はないが、用途によってはＰｂを含まない材料を要望
される場合がある。更には、一般にＰＺＴ、ＰＬＺＴ等
のＰｂ含有化合物は高温焼成時にわずかながらＰｂが蒸
発するため、特に薄膜・厚膜形態を必要とされる用途で
は、焼成時の組成変化により特性が安定化しにくいとい
う問題があった。これに対し、ＢａＴｉＯ ３はＰｂを含
まずこのような用途に対する候補材料となるが、圧電材
料として利用するには、その圧電特性がＰＺＴ系と比較
して劣っており、これまでアクチュエータやセンサとし
て用いられることは少なかった。そこで、ＢａＴｉＯ３
をアクチュエータとして用いる圧電磁器組成物として、
例えば特開平１１−６０３３４号公報では、組成を調整
して圧電歪み定数を高めて圧電特性を向上させるもので
あった。
サに利用される圧電材料として、従来よりＰｂ（Ｚr、
Ｔｉ）Ｏ３（以下、ＰＺＴという。）、ＢａＴｉＯ３等
が知られ、これらのうちＰＺＴ系は、総合的な圧電特性
が良好なため主に利用されていた。ただし、ＰＺＴに含
まれているＰｂは、安定化していて本来分解等による問
題はないが、用途によってはＰｂを含まない材料を要望
される場合がある。更には、一般にＰＺＴ、ＰＬＺＴ等
のＰｂ含有化合物は高温焼成時にわずかながらＰｂが蒸
発するため、特に薄膜・厚膜形態を必要とされる用途で
は、焼成時の組成変化により特性が安定化しにくいとい
う問題があった。これに対し、ＢａＴｉＯ ３はＰｂを含
まずこのような用途に対する候補材料となるが、圧電材
料として利用するには、その圧電特性がＰＺＴ系と比較
して劣っており、これまでアクチュエータやセンサとし
て用いられることは少なかった。そこで、ＢａＴｉＯ３
をアクチュエータとして用いる圧電磁器組成物として、
例えば特開平１１−６０３３４号公報では、組成を調整
して圧電歪み定数を高めて圧電特性を向上させるもので
あった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平１
１−６０３３４号公報に開示された圧電磁器組成物で
は、ＢａＴｉＯ３のＴｉをＺｒで一部置換し、Ｃｕの含
有率をＣｕＯ換算で主成分100重量部に対し0.05〜2.0重
量部含有するように調整した電界誘起歪み材料であって
もアクチュエータとしての所望の変位量が得られない。
また、得られる圧電磁器組成物は、Ｂａｘ（Ｔｉ１−ｙ
Ｚｒｙ）Ｏ３で表されるペロブスカイト結晶相にＣｕの
大部分が固溶してなる結晶相を主結晶相を形成し、その
圧電歪み定数がピークとなる組成物であっても、圧電材
料として変位量は十分な値が得られなかった。
１−６０３３４号公報に開示された圧電磁器組成物で
は、ＢａＴｉＯ３のＴｉをＺｒで一部置換し、Ｃｕの含
有率をＣｕＯ換算で主成分100重量部に対し0.05〜2.0重
量部含有するように調整した電界誘起歪み材料であって
もアクチュエータとしての所望の変位量が得られない。
また、得られる圧電磁器組成物は、Ｂａｘ（Ｔｉ１−ｙ
Ｚｒｙ）Ｏ３で表されるペロブスカイト結晶相にＣｕの
大部分が固溶してなる結晶相を主結晶相を形成し、その
圧電歪み定数がピークとなる組成物であっても、圧電材
料として変位量は十分な値が得られなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、圧
電材料における変位特性は、圧電定数ではなく電界誘起
歪みが寄与していることに着目し、ＢａＴｉＯ３におい
てＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏを含有せしめ、磁器中の結晶相をペ
ロブスカイト単相とすることで電界誘起歪みが増大する
ことを見出し本発明に至った。すなわち、請求項１に係
る本発明では、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、これにＭ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた少なくとも１種を、金属換
算で0.05から２ｗｔ％添加した磁器に焼成される材料で
あって、磁器中の結晶相がペロブスカイト単相であり、
電界強度2000Ｖ／ｍｍにおける横方向電界誘起歪みの値
が300×10−６以上である電界誘起歪み材料である。こ
れにより、回転する９０°ドメインの量が多くなり、こ
れに起因する電界誘起歪みが増大すると推定され、圧電
材料として十分な変位量が得られる。
電材料における変位特性は、圧電定数ではなく電界誘起
歪みが寄与していることに着目し、ＢａＴｉＯ３におい
てＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏを含有せしめ、磁器中の結晶相をペ
ロブスカイト単相とすることで電界誘起歪みが増大する
ことを見出し本発明に至った。すなわち、請求項１に係
る本発明では、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、これにＭ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた少なくとも１種を、金属換
算で0.05から２ｗｔ％添加した磁器に焼成される材料で
あって、磁器中の結晶相がペロブスカイト単相であり、
電界強度2000Ｖ／ｍｍにおける横方向電界誘起歪みの値
が300×10−６以上である電界誘起歪み材料である。こ
れにより、回転する９０°ドメインの量が多くなり、こ
れに起因する電界誘起歪みが増大すると推定され、圧電
材料として十分な変位量が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電界誘起歪み
材料を実施する形態を詳細に説明する。本発明の電界誘
起歪み材料は、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、これにＭ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた少なくとも１種を、金属換
算で0.05から２ｗｔ％添加し、さらに焼成した磁器中の
結晶相がペロブスカイト単相とすることにより、圧電定
数が低いにも関わらず電界誘起歪みを大きくすることが
可能である。これは、電界印加に伴い回転する９０゜ド
メインの相対的比率が増加したことに起因すると推定さ
れる。また、0.05％未満では焼成した磁器が緻密化せ
ず、2％を超える量では異相の生成が顕著になり電界誘
起歪みの低下が顕著になる。より高い電界誘起歪みを得
るためにより好ましくは、0.1から1ｗｔ％の添加が適切
である。ペロブスカイト単一相にするためには、焼成前
の混合を十分に行い各原料の一次粒子径を１μｍ以下に
するとともに、添加物の種類及び量により、ＢａＴｉＯ
３のＢａ／Ｔｉ比を調整することが必要となる。また、
このＢａ／Ｔｉ比は、添加物の添加形態、例えば、塩で
あるか、金属であるかといった状態や、焼成温度等に応
じて単相が得られるように適宜調整が必要である。そし
て、磁器中の結晶相は、Ｘ線回折を用いて確認すること
ができる。また、主成分であるＢａＴｉＯ３は、Ｂａが
Ｓrで置換されていてもよい。また、本発明の磁器にあ
っては、0．5ｗｔ％以下のＺr、Ｓi等が不可避的に含有
されうる。Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｏの添加形態は、通常それぞ
れの酸化物や炭酸塩、硫酸塩でなされる。
材料を実施する形態を詳細に説明する。本発明の電界誘
起歪み材料は、ＢａＴｉＯ３を主成分とし、これにＭ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた少なくとも１種を、金属換
算で0.05から２ｗｔ％添加し、さらに焼成した磁器中の
結晶相がペロブスカイト単相とすることにより、圧電定
数が低いにも関わらず電界誘起歪みを大きくすることが
可能である。これは、電界印加に伴い回転する９０゜ド
メインの相対的比率が増加したことに起因すると推定さ
れる。また、0.05％未満では焼成した磁器が緻密化せ
ず、2％を超える量では異相の生成が顕著になり電界誘
起歪みの低下が顕著になる。より高い電界誘起歪みを得
るためにより好ましくは、0.1から1ｗｔ％の添加が適切
である。ペロブスカイト単一相にするためには、焼成前
の混合を十分に行い各原料の一次粒子径を１μｍ以下に
するとともに、添加物の種類及び量により、ＢａＴｉＯ
３のＢａ／Ｔｉ比を調整することが必要となる。また、
このＢａ／Ｔｉ比は、添加物の添加形態、例えば、塩で
あるか、金属であるかといった状態や、焼成温度等に応
じて単相が得られるように適宜調整が必要である。そし
て、磁器中の結晶相は、Ｘ線回折を用いて確認すること
ができる。また、主成分であるＢａＴｉＯ３は、Ｂａが
Ｓrで置換されていてもよい。また、本発明の磁器にあ
っては、0．5ｗｔ％以下のＺr、Ｓi等が不可避的に含有
されうる。Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃｏの添加形態は、通常それぞ
れの酸化物や炭酸塩、硫酸塩でなされる。
【０００６】なお、本発明に係る電界誘起歪み材料は、
変位特性が優れているため、一般的な電気−機械変換要
素として有用であり、アクチュエータ、センサ等に好適
に利用される。例えば、まず、厚さ３〜５０μｍ、好ま
しくは５〜１５μｍの薄肉部を有するダイヤフラム基板
を、ジルコニア又はアルミナ焼結体、好ましくは部分安
定化ジルコニアを用いて用意する。この基板として好ま
しくは、特開平８−５１２３８号公報に記載する、セラ
ミック基体の窓部を覆蓋するように一体に積層された薄
肉ダイヤフラム部を、その窓部とは反対方向となる外方
に凸になるよう調製された基板、又は特開平８−１３０
３３４号公報に記載する、ダイヤフラム部における凸形
状の頂部部分に又はそれを含む部分に、平坦部または所
定の曲率半径の曲面部を形成するように調製された基板
が好適である。この基板上の薄肉部表面に、下部電極と
して厚さ１〜１０μｍのＰｔ、Ｐｔ−Ｐｄ合金等の耐熱
性金属膜を形成する。この下部電極上に本発明に係る電
界誘起歪み材料を厚膜手法により形成し、１０００℃〜
１３００℃の温度で焼成する。厚膜形成法としてはディ
ッピング法、スクリーン印刷法、スピンコータ法等を用
いることができ、好ましくはスクリーン印刷法が用いら
れる。焼成後の電界誘起歪み材料の厚みとしては１〜４
０μｍが好ましく、より好ましくは５〜２５μｍが用い
られる。形成された圧電膜上にＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ
等、好ましくはＡｕ又はＡｇを、上部電極として膜厚２
μｍ以下になるように形成する。このように形成された
電界誘起歪み材料は、特開平８−２０１２６５号公報に
開示されている液体の特性測定用素子や、微少重量の測
定素子に用いられる微細なセンサや、高集積された微小
なアクチュエータ等に好適に利用される。また、本発明
に係る電界誘起歪み材料は、他部材上に載置する等他部
材との共存下で焼成した場合、他部材との反応性が低い
という特性があり、上記ダイヤフラム形状基板との融着
を抑制することができ、電界誘起歪み材料本来の特性を
低下させることが無い。加えて、他部材への影響度が低
いことから、他部材にクラックを生起させる等の障害を
与えることも無い。
変位特性が優れているため、一般的な電気−機械変換要
素として有用であり、アクチュエータ、センサ等に好適
に利用される。例えば、まず、厚さ３〜５０μｍ、好ま
しくは５〜１５μｍの薄肉部を有するダイヤフラム基板
を、ジルコニア又はアルミナ焼結体、好ましくは部分安
定化ジルコニアを用いて用意する。この基板として好ま
しくは、特開平８−５１２３８号公報に記載する、セラ
ミック基体の窓部を覆蓋するように一体に積層された薄
肉ダイヤフラム部を、その窓部とは反対方向となる外方
に凸になるよう調製された基板、又は特開平８−１３０
３３４号公報に記載する、ダイヤフラム部における凸形
状の頂部部分に又はそれを含む部分に、平坦部または所
定の曲率半径の曲面部を形成するように調製された基板
が好適である。この基板上の薄肉部表面に、下部電極と
して厚さ１〜１０μｍのＰｔ、Ｐｔ−Ｐｄ合金等の耐熱
性金属膜を形成する。この下部電極上に本発明に係る電
界誘起歪み材料を厚膜手法により形成し、１０００℃〜
１３００℃の温度で焼成する。厚膜形成法としてはディ
ッピング法、スクリーン印刷法、スピンコータ法等を用
いることができ、好ましくはスクリーン印刷法が用いら
れる。焼成後の電界誘起歪み材料の厚みとしては１〜４
０μｍが好ましく、より好ましくは５〜２５μｍが用い
られる。形成された圧電膜上にＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ
等、好ましくはＡｕ又はＡｇを、上部電極として膜厚２
μｍ以下になるように形成する。このように形成された
電界誘起歪み材料は、特開平８−２０１２６５号公報に
開示されている液体の特性測定用素子や、微少重量の測
定素子に用いられる微細なセンサや、高集積された微小
なアクチュエータ等に好適に利用される。また、本発明
に係る電界誘起歪み材料は、他部材上に載置する等他部
材との共存下で焼成した場合、他部材との反応性が低い
という特性があり、上記ダイヤフラム形状基板との融着
を抑制することができ、電界誘起歪み材料本来の特性を
低下させることが無い。加えて、他部材への影響度が低
いことから、他部材にクラックを生起させる等の障害を
与えることも無い。
【０００７】
【実施例】出発原料としてＢａＣｏ３、ＴｉＯ２、Ｚr
Ｏ２、ＭｎＯ２、ＣｕＯ、ＣｏＯを用い、磁器中の組成
がＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏをそれぞれ含有する成分比になるよ
うに秤量し、これを２ｍｍφのジルコニアポールを用い
６０時間湿式混合した。混合物を乾燥後、大気中、1000
℃で２時間仮焼し、ボールミルで粉砕処理を施した。粉
砕後の粉末を２０φ×１５ｔに成形し、大気中１３００
℃で３時間焼成した。焼結して得られた磁器を長さ12×
幅3×厚み1ｍｍの寸法に加工後、シリコンオイル中、６
５℃、3ｋＶ／ｍｍ、10分の条件で厚さ方向に分極処理
した。分極処理した試料の12×3の面に歪みゲージを張
り付け、厚さ方向に2kＶ／ｍｍの電界をかけたときの誘
起歪みを測定した。磁器中の生成相を、Ｃｕをターゲッ
トとしたＸ線回折により調へた。これらの結果を表１〜
３に明示するとともに、各表に各添加物における添加量
と電界誘起歪みの関係をグラフで示した。
Ｏ２、ＭｎＯ２、ＣｕＯ、ＣｏＯを用い、磁器中の組成
がＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏをそれぞれ含有する成分比になるよ
うに秤量し、これを２ｍｍφのジルコニアポールを用い
６０時間湿式混合した。混合物を乾燥後、大気中、1000
℃で２時間仮焼し、ボールミルで粉砕処理を施した。粉
砕後の粉末を２０φ×１５ｔに成形し、大気中１３００
℃で３時間焼成した。焼結して得られた磁器を長さ12×
幅3×厚み1ｍｍの寸法に加工後、シリコンオイル中、６
５℃、3ｋＶ／ｍｍ、10分の条件で厚さ方向に分極処理
した。分極処理した試料の12×3の面に歪みゲージを張
り付け、厚さ方向に2kＶ／ｍｍの電界をかけたときの誘
起歪みを測定した。磁器中の生成相を、Ｃｕをターゲッ
トとしたＸ線回折により調へた。これらの結果を表１〜
３に明示するとともに、各表に各添加物における添加量
と電界誘起歪みの関係をグラフで示した。
【０００８】
【表１】
【０００９】この表１から、Ｍｎの添加量が0.05ｗｔ％
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
【００１０】
【表２】
【００１１】この表２から、Ｃｕの添加量が0.05ｗｔ％
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
【００１２】
【表３】
【００１３】この表３から、Ｃｏの添加量が0.05ｗｔ％
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
未満の場合、焼成しても緻密化せず、一方、2.0ｗｔ％
を越える場合、電界誘起歪み値が300×10−６以下とな
り、異相を形成してしまう。
【００１４】
【発明の効果】以上説明した通り、請求項１に係る本発
明によれば、ＢａＴｉＯ３においてＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏを
含有せしめ、磁器中の結晶相をペロブスカイト単相とす
ることにより、回転する９０°ドメインの量が多くな
り、これに起因する電界誘起歪みが増大すると推定さ
れ、圧電材料として十分な変位量が得られる。そして、
Ｐｂを含まない材料が要請される用途に用いられるアク
チュエータやセンサに利用することが出来る。特に、液
体の特性測定用素子や、微少重量の測定素子に用いられ
る微細なセンサ、高集積されたインクジェットヘッドに
用いられる微小なアクチュエータに好適に利用される。
明によれば、ＢａＴｉＯ３においてＭｎ、Ｃｕ、Ｃｏを
含有せしめ、磁器中の結晶相をペロブスカイト単相とす
ることにより、回転する９０°ドメインの量が多くな
り、これに起因する電界誘起歪みが増大すると推定さ
れ、圧電材料として十分な変位量が得られる。そして、
Ｐｂを含まない材料が要請される用途に用いられるアク
チュエータやセンサに利用することが出来る。特に、液
体の特性測定用素子や、微少重量の測定素子に用いられ
る微細なセンサ、高集積されたインクジェットヘッドに
用いられる微小なアクチュエータに好適に利用される。
Claims (1)
- 【請求項１】 ＢａＴｉＯ３を主成分とし、これにＭ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏから選ばれた少なくとも１種を、金属換
算で0.05から２ｗｔ％添加した磁器に焼成される材料で
あって、磁器中の結晶相がペロブスカイト単相であり、
電界強度2000Ｖ／ｍｍにおける横方向電界誘起歪みの値
が300×10−６以上であることを特徴とする電界誘起歪
み材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000172573A JP3804752B2 (ja) | 1999-06-14 | 2000-06-08 | 電界誘起歪み材料及び圧電／電歪膜型素子 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16741799 | 1999-06-14 | ||
| JP28772599 | 1999-10-08 | ||
| JP11-167417 | 1999-10-08 | ||
| JP11-287725 | 1999-10-08 | ||
| JP2000172573A JP3804752B2 (ja) | 1999-06-14 | 2000-06-08 | 電界誘起歪み材料及び圧電／電歪膜型素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001172077A true JP2001172077A (ja) | 2001-06-26 |
| JP3804752B2 JP3804752B2 (ja) | 2006-08-02 |
Family
ID=27322855
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000172573A Expired - Fee Related JP3804752B2 (ja) | 1999-06-14 | 2000-06-08 | 電界誘起歪み材料及び圧電／電歪膜型素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3804752B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001135871A (ja) * | 1999-11-02 | 2001-05-18 | Tdk Corp | 積層型圧電体の製造方法 |
| JP2003095737A (ja) * | 2001-09-17 | 2003-04-03 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 圧電磁器組成物 |
| WO2006132086A1 (ja) * | 2005-06-10 | 2006-12-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 誘電体セラミック、及び積層セラミックコンデンサ |
| JP2007031219A (ja) * | 2005-07-28 | 2007-02-08 | Toyota Motor Corp | チタン酸ビスマスナトリウム−ジルコニウムチタン酸バリウム系無鉛圧電セラミック及びその製造方法 |
| JP2010120835A (ja) * | 2008-10-20 | 2010-06-03 | Tdk Corp | 圧電磁器、振動子及び超音波モータ |
| JP2011132121A (ja) * | 2009-11-30 | 2011-07-07 | Canon Inc | 圧電セラミックス、その製造方法、圧電素子、液体吐出ヘッドおよび超音波モータ |
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