JP7150466B2 - 圧電素子、振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子、該圧電素子を用いた振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器に関する。

圧電素子とは圧電材料層と電極層を積層した構造を有しており、低い電圧で大きな変形歪みが得られる。圧電素子に振動を制御するための弾性体を取り付けると圧電振動子となり、圧電振動子は様々なアクチュエータに用いることができる。例えば、圧電振動子に移動体を取り付け、電圧によって移動体部分が運動するようにすると振動波モータが得られる。

圧電素子の圧電材料層には、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと呼ぶ）を用いることが一般的である。しかし、ＰＺＴは主成分として鉛を含有するため、廃棄された際に鉛成分が土壌に溶け出し、生態系に害を及ぼす可能性があるなど環境に対する影響が問題視されている。このため、鉛を含有しない、いわゆる非鉛圧電材料を圧電素子に用いることが検討されている。

しかし、特許文献１には、非鉛圧電材料は鉛系の圧電磁器に比べて圧電特性が低く、十分に大きな発生変位量を得ることができないという問題があると記載されている。そして、その解決策のひとつとして、ニオブ酸カリウム系材料を用いた圧電素子が開示されている。しかし焼成温度と酸素量が不足していることから圧電定数はまだ小さく、この素子を積層圧電振動子に用いた場合の振動速度は十分なものでは無かった。

他方、特許文献２には、非鉛圧電材料の焼成後の平均粒径を最大６０．９μｍまで大きくすることで、歪み率から換算した圧電定数を大きくする技術が開示されている。しかしながら、圧電素子の圧電材料層は、消費電力を抑制する目的で、例えば２０μｍ～７０μｍ程度と薄くすることが好ましく、加えて、圧電材料層の前駆体は電極形成用ペーストと一緒に積層形態として焼結することが一般的である。そのため、単純に焼結温度を高くして粒径を大きくした場合は、圧電材料層の平坦性が失われて電極層の形状や厚みが不均一になったり、素子全体の反りや層間剥がれが発生したりする、という問題があった。その結果、圧電素子の電気的損失が大きくなり、消費電力が過剰となる問題があった。

特開２００７－２５８２８０号公報 特開２００３－１２８４６０号公報

本発明は、前記の振動速度不足と過剰な消費電力の問題に対処するためになされたものであり、高効率で駆動可能な非鉛系圧電素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様としての圧電素子は、圧電材料層と電極層が交互に積層された圧電素子において、
前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有し、
前記圧電材料層の少なくとも１層が、
前記圧電材料層の積層方向の平均厚さをＴ_Ｐ、前記複数の結晶粒の平均円相当径をＤ_Ｇ、前記電極層と接しない前記複数の空隙部の積層方向の最大長さをＬ_Ｖ、少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをＴ_Ｅとしたとき、０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐ、かつ鉛の含有量が１０００ｐｐｍ未満であり、
前記圧電素子の断面観察視野を、前記圧電材料層の前記積層方向の長さを前記Ｔ _Ｅ ＋前記Ｔ _Ｐ ＋前記Ｔ _Ｅ とし、前記積層方向に交差する方向の長さを前記Ｔ _Ｅ ＋前記Ｔ _Ｐ ＋前記Ｔ _Ｅ よりも大きい長さとした場合、
前記断面観察視野において、前記空隙部の占める面積Ｓ _Ｖ が、前記圧電材料層の面積Ｓ _Ｐ に占める割合Ｐ _Ｖ が３面積％以上１０面積％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、高効率で駆動可能な非鉛系の圧電素子を提供できる。また、高効率で駆動可能な振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。

本発明の圧電素子の一実施形態を示す断面図および外観図である。 本発明の圧電素子の圧電材料層と電極層の実施形態の一例を示す断面模式図である。 本発明の振動子の一実施形態を示した概略構造の断面図である。 本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略構造の断面図である。 本発明の光学機器の一実施形態を示した概略構造の断面図である。 本発明の電子機器の一実施形態を示した概念図である。 本発明の実施例の圧電素子の断面構造を示す図である。 本発明の実施例および比較例の圧電素子の特徴を示す相関図である。 本発明の電子機器の実施例としての液体吐出ヘッドの構造を示す概略図である。

（本発明の圧電素子）
本発明の圧電素子は、交互に積層された圧電材料層と電極層とを有する圧電素子において、前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有している。その前記圧電材料層の少なくとも１層が、前記圧電材料層の積層方向の厚みをＴ_Ｐ、前記結晶粒の平均円相当径をＤ_Ｇ、前記電極層と接しない前記空隙部の積層方向の最大長さをＬ_Ｖ、前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをＴ_Ｅとする。その際に、０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐ、かつ鉛の含有量が１０００ｐｐｍ未満であることを特徴とする。

図１（ａ）は、本発明の圧電素子の一実施形態を示した断面概略図である。本発明に係る圧電素子は、１層以上の圧電材料層２と１層以上の電極層（図１（ａ）の場合は１および３）を少なくとも有し、圧電材料層と電極層が交互に積層されている。

図１（ｂ）は、１層以上の圧電材料層５４と１層以上の電極層５５が交互に積層され、その積層構造体を第一の金属電極５１と第二の金属電極５３で狭持した本発明の圧電素子の断面概略図である。本発明に係る圧電素子は、圧電材料層５４と、電極層５５を含む電極層とで構成されており、これらが交互に積層されている。電極層は、電極層５５以外に第一の金属電極５１や第二の金属電極５３といった外部電極を含んでいても良い。

図１（ｃ）のように圧電材料層と電極層の数を増やしてもよく、その層数に限定はないが、好ましい層数の範囲は圧電材料層として２層以上６０層以下である。圧電材料層が２層以上であることで、１層の場合と比較して低い電圧で大きな圧電歪みと高い振動速度を得る効果を期待できる。他方、圧電材料層が６０層以下であることで圧電素子の小型化と電極コストの低減という効果が期待できる。

図１（ｃ）に示した圧電素子の場合は、９層の圧電材料層５０４と８層の電極層５０５（５０５ａもしくは５０５ｂ）が交互に積層されている。その積層構造体は第一の電極５０１と第二の電極５０３で圧電材料層５０４を挟持した構成であり、交互に形成された電極層５０５を短絡するための外部短絡電極５０６ａおよび外部短絡電極５０６ｂを有する。電極層５０５を短絡するための電極の形状や配置は図１（ｃ）の例に限定されない。電極層を短絡するための電極は、外部短絡電極を用いる他に積層構造体を貫通する孔部（スルーホール）に設けた短絡電極であっても良い。短絡電極ではなく、導電ワイヤ等の配線によって電極層５０５を短絡しても良い。

電極層５５、５０５および外部短絡電極５０６ａ、５０６ｂ、第一の金属電極５１、５０１および第二の金属電極５３、５０３の大きさや形状は必ずしも圧電材料層５４、５０４と同一である必要はなく、また複数に分割されていてもよい。

電極層５５、５０５および外部短絡電極５０６ａ、５０６ｂ、第一の金属電極５１、５０１および第二の金属電極５３、５０３の厚さは、５ｎｍ～１０μｍ程度である。

電極層５５、５０５および外部短絡電極５０６ａ、５０６ｂ、第一の金属電極５１、５０１および第二の金属電極５３、５０３の材質は、導電性金属であれば特に限定されないが、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属単体および合金、積層体が挙げられる。また、各電極が別の材質であっても良い。

電極層５５、５０５の材質は、ＡｇとＰｄを含み、これらが主成分であると、例えばＡｇとＰｄの合計で電極層の９０重量％以上１００重量％以下を占めると、製造時の加工性、電極層としての導電性、形状均一性、コストの面で好ましい。前記Ａｇの含有重量Ｍ１と前記Ｐｄの含有重量Ｍ２との重量比Ｍ１／Ｍ２が０．２５≦Ｍ１／Ｍ２≦４．０であることが好ましい。より好ましくは０．３≦Ｍ１／Ｍ２≦３．０である。前記重量比Ｍ１／Ｍ２が０．２５未満であると電極層の焼結温度が高くなるので望ましくない。一方で、前記重量比Ｍ１／Ｍ２が４．０よりも大きくなると、電極層が島状になるために面内で不均一になるので望ましくない。より好ましくは０．３≦Ｍ１／Ｍ２≦３．０である。

本発明の圧電素子に含まれる鉛成分は、１０００ｐｐｍ未満である。より好ましくは５００ｐｐｍ以下である。圧電素子に含まれる鉛成分を定量する方法は特に限定されないが、例えば、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析、原子吸光分析などが挙げられる。この中で、微量の鉛成分の定量に適しているのはＩＣＰ発光分光分析である。

圧電素子における鉛の含有量が１０００ｐｐｍ未満であれば、本発明の圧電素子を用いた製品が廃棄され、種々の過酷な環境にさらされたとしても、製品中の鉛が自然環境や生体に及ぼす影響が低減される。本発明の圧電素子を構成する部材の中でも、リサイクル時に特に鉛成分を分離しにくい圧電材料層に含まれる鉛成分が、１０００ｐｐｍ未満であると、なお好ましい。また、本発明の圧電素子を用いた積層圧電振動子、振動波モータ、光学機器、電子機器においても構成部材全体における鉛成分は、１０００ｐｐｍ未満であると、なお好ましい。積層圧電振動子、振動波モータ、光学機器、電子機器における鉛成分の定量方法については、圧電素子と同様である。

図２（ａ）は、本発明の圧電素子の圧電材料層と電極層の実施形態の一例を示す断面模式図である。図にあるように、圧電材料層５０４と５０５ａ、５０５ｂとは、交互に積層している。図２（ａ）は、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）の圧電素子の一部を拡大した観察視野をイメージしたものであり、図の上下に続く圧電材料層５０４の表記や、図の左右に続く圧電材料層５０４、電極層５０５ａ、５０５ｂの表記を省略している。

圧電材料層５０４は、複数の結晶粒の集合体５０４１（図中の白塗り部、各結晶粒の粒界を省略している）と複数の空隙部５０４２の集合体よりなる。空隙部には、電極層５０５ａ、５０５ｂと接する空隙部（以下、電極隣接空隙部）と、電極層５０５ａ、５０５ｂと接しない空隙部（以下、電極独立空隙部）がある。いずれの空隙部も、圧電材料層が電極層と接する界面部を平坦化して、圧電素子の誘電正接を小さくする効果を生み出すが、電極隣接空隙部は圧電材料層と電極層の電気的接触を妨げるものであるため少ない方が好ましい。例えば、圧電素子の断面観察視野における電極隣接空隙部の個数Ｎ_Ｖ１と電極独立空隙部の個数Ｎ_Ｖ２の比は、Ｎ_Ｖ２／Ｎ_Ｖ１≧３の関係であることが好ましい。

また、圧電素子の断面観察視野における空隙部の占める面積Ｓ_Ｖが、圧電材料層の面積Ｓ_Ｐに占める割合Ｐ_Ｖは、３面積％以上１０面積％以下であることが好ましい。前記Ｐ_Ｖが３面積％以上１０面積％以下であることで、本発明の圧電素子の振動を妨げることなく、誘電正接を抑制することができる。前記Ｐ_Ｖが３面積％より小さいと、圧電材料層と電極層の界面平坦性が損なわれて、圧電素子の誘電正接が大きくなるおそれがある。他方、前記Ｐ_Ｖが１０面積％より大きいと、空隙部が圧電材料層の変形を一部吸収してしまい、圧電素子や該圧電素子を用いた積層圧電振動子が所望の振動速度やトルクを発揮できなくなるおそれがある。

前記、Ｎ_Ｖ１、Ｎ_Ｖ２、Ｓ_Ｖ、Ｓ_Ｐ、Ｐ_Ｖの算出にあたり、実際には、圧電素子の全箇所を高倍率で一度に観測することが困難である。そこで、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で圧電素子の断面を１００～５００倍程度の倍率で観察し、各圧電材料層について５箇所程度の代表的な観察像を得ることで前記パラメータの算出および大小関係の判断を行うことができる。

観察対象となる圧電材料層５０４の積層方向の厚みをＴ_Ｐとする。Ｔ_Ｐは、１つの圧電材料層５０４における平均厚さであり、圧電材料層ごとに異なる厚さであっても良い。任意の圧電材料層のＴ_Ｐは、ＳＥＭによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。圧電素子において、同一の圧電材料層における厚みは箇所によって、殆ど変化しないのが一般的である。したがって代表的な１箇所のＳＥＭ像からＴ_Ｐ値を求めても良いが、同一の圧電材料層について５箇所以上のＳＥＭ像を得て、平均的なＴ_Ｐ値を用いることがより望ましい。

Ｔ_Ｐの大きさは特に限定されないが、圧電素子の設計および製造の観点において２０μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましい。Ｔ_Ｐが２０μｍ未満であると、圧電素子のアドミタンスを大きくするために、層数を多くする必要があり、その結果、電極層が増え、電極層のコストが増大するおそれがある。一方で、７０μｍより厚いと、圧電素子が大きな変位を得るために必要な電圧が大きくなり、その結果、電源のコストが増大するおそれがある。

空隙部５０４２のうち電極層と接しない、すなわち結晶粒に囲まれた部位に存在する空隙部（電極独立空隙部）の積層方向の最大長さをＬ_Ｖとする。図２（ａ）の場合、もっとも積層方向に長い空隙部は空隙部５０４２１であるので、この空隙部５０４２１の積層方向の長さをＬ_Ｖとする。一つの狭い観察視野だけで最大長さを判断するのは困難なので、同一の圧電材料層について電極層に挟まれ、平均厚さＴ_Ｐを決定するために観察した領域の全域を観察して最大長さＬ_Ｖを決定することが望ましい。空隙部の積層方向の長さは、ＳＥＭによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。図２（ｂ）は、空隙部５０２４１の拡大図である。空隙部の断面外周に対して、電極層と垂直な方向に内接する線分の最大長さがＬ_Ｖである。

観察対象となる少なくとも一つの圧電材料層５０４に接する電極層の平均厚さをＴ_Ｅとする。具体的には、電極層５０５ａの平均厚さをＴ_Ｅ１、電極層５０５ｂの平均厚さをＴ_Ｅ２とした時に、Ｔ_Ｅ＝（Ｔ_Ｅ１＋Ｔ_Ｅ２）／２である。電極層の積層方向の長さは、ＳＥＭによる断面観察像を画像処理することで容易に算出できる。

Ｔ_Ｅの大きさは特に限定されないが、Ｔ_Ｅが３．５μｍ以上１０μｍ以下であると好ましい。電極層のＴ_Ｅが３．５μｍ以上であることで、電極層の導電性が高まって圧電材料層５４、５０４に所望の電圧を効率良く印加できるようになる。他方、電極層のＴ_Ｅが１０μｍ以下であることで、圧電素子の振動性能を十分に維持しながら、圧電素子の小型化、低コスト化を達成できる。

図２（ｃ）は、本発明の圧電素子の圧電材料層５０４と電極層５０５ａ，５０５ｂの実施形態の一例を示す断面模式図である。圧電材料層５０４を構成する結晶粒（図番無し、図中の白塗り部）の集合体と空隙部（図番無し、図中の黒塗り部）の集合体を模式的に表記している。

同一の圧電材料層に結晶粒がＮ個あった場合に、ｎ番目の金属酸化物の円相当径をＤ_Ｇｎとする。本発明における「円相当径」とは、顕微鏡観察法において一般に言われる「投影面積円相当径」を表し、結晶粒の投影面積と同面積を有する真円の直径を表す。本発明において、この円相当径の測定方法は特に制限されないが、圧電素子の断面をＳＥＭで撮影して得られる写真画像を画像処理して求めることができる。同一の圧電材料層におけるＮ個の結晶粒の円相当径の平均値を、平均円相当径Ｄ_Ｇとする。

一つの圧電材料層における全ての結晶粒の円相当径を算出するのは困難である。圧電材料層の内部において、図２（ｃ）の上下方向に相当する積層方向での円相当径にはバラツキがあるが、左右方向に相当する層の面方向にはバラツキが少ない。よって、図２（ｃ）のごとく、一つの圧電材料層５０４の積層方向の厚さＴ_Ｐが全て視野に収まるようなＳＥＭ像を取得して、視野内にある結晶粒の円相当径を平均すれば、十分信用に足るＤ_Ｇの値が得られる。例えば、１００個以上、かつ、圧電材料層の積層方向を網羅した結晶粒の平均円相当径Ｄ_Ｇを算出すれば十分である。

平均円相当径Ｄ_Ｇの大きさは特に限定されないが、Ｄ_Ｇが５μｍ以上かつ１５μｍ以下であると好ましい。圧電材料層を構成する結晶粒の平均円相当径Ｄ_Ｇをこの範囲にすることで、前記圧電材料層は、大きな圧電定数を有することになる。Ｄ_Ｇは５μｍ未満であると、Ｄ_Ｇが５μｍ以上かつ１５μｍ以下であるであるときと比べて圧電定数が十分でなくなり、結果として圧電素子の振動速度が不足する場合がある。

圧電材料層の圧電定数ｄ_３３は、例えば、圧電素子の全体のみかけの圧電定数ｄ_３３ ^＊ｓｕｍを計測して、ｄ_３３ ^＊ｓｕｍを圧電材料層の層数で割ることでｄ_３３を近似的に求めることができる。圧電素子の全体のみかけの圧電定数ｄ_３３ ^＊ｓｕｍについては、例えば、市販のｄ_３３メーターを用いて計測可能である。なお、ｄ_３３メーターを用いると圧電素子の誘電正接も同時に計測できる。圧電素子の誘電正接と圧電材料層の誘電正接は同値とみなして構わない。通常、室温、例えば２５℃、で圧電定数ｄ_３３ ^＊ｓｕｍや誘電正接を計測し、圧電材料層のｄ_３３や誘電正接を算出すると良い。

一方で、Ｄ_Ｇが１５μｍを超えると、Ｄ_Ｇが５μｍ以上１５μｍ以下であるであるときと比べて厚さＴ_Ｐ、例えば２０～７０μｍ程度の圧電材料層を結晶粒が稠密に埋めることが困難となることがある。そして、空隙部の割合が、例えば断面像の圧電材料層の領域に対して２０面積％以上と大きくなる場合がある。その結果、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる場合がある。いずれにせよ、本発明の圧電素子の利用者は用途に応じて任意に平均円相当径Ｄ_Ｇの大きさを決めてよい。

また、各結晶粒の円相当径Ｄ_Ｇｎは、Ｄ_Ｇｎ≦２０μｍであると好ましい。円相当径Ｄ_Ｇｎが２０μｍを超える結晶粒が存在すると、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる場合がある。

本発明の圧電素子は、０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、かつ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐとなる圧電材料層を少なくとも１層以上有する。より好ましくは、圧電素子の圧電振動に寄与する全ての圧電材料層において、０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、かつ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐの関係を満たす。

本発明の圧電素子においては、結晶粒の平均円相当径Ｄ_Ｇが、圧電材料層の積層方向厚みＴ_Ｐの０．０７倍以上であることで、圧電材料層の圧電定数は大きくなる。例えば、圧電材料層にチタン酸バリウム系を用いた場合には、圧電定数ｄ_３３≧１６０ｐｍ／Ｖと大きくなる。他方、Ｄ_Ｇが０．０７Ｔ_Ｐより小さいと圧電材料層の圧電定数は、小さくなり、十分な振動速度が得られなくなる。例えば、圧電材料層にチタン酸バリウム系を用いた場合には、圧電定数ｄ_３３≦１００ｐｍ／Ｖと小さくなる。

また、Ｄ_Ｇが、Ｔ_Ｐの０．３３倍以下であることで、圧電材料層の積層方向に３つ以上の結晶粒が積み重なることが期待でき、圧電材料層の機械的強度や十分に得られ、圧電材料層の誘電正接が十分小さくなる。他方、Ｄ_Ｇが０．３３Ｔ_Ｐより大きいと、結晶粒界、すなわち空隙部の割合が増えて、その結果、圧電材料層の機械的強度や誘電正接が損なわれる。

空隙部の積層方向の最大長さＬ_Ｖが、該圧電材料層に接する電極層の平均厚さＴ_Ｅより大きい事で、圧電材料層部における結晶粒の充填性の不完全な箇所を、複数の空隙部が緩衝する。その結果として電極層と圧電材料層の界面の平坦性が向上する。そのため、金属電極から圧電材料への電界印加が均一となり、圧電素子としての誘電正接が小さくなる。

結晶粒の成長や移動によって結晶粒が電極層を押して、電極層が層厚以上に変形してしまうと電極層が断裂するおそれがある。Ｌ_ＶがＴ_Ｅより大きいと言う事は、電極層の層厚に相当する変形を空隙部が緩衝できると言う事である。Ｌ_Ｖは空隙部の積層方向の最大長さであるので、圧電材料層の内部には、より小さな空隙部が多数ある。これらの小さな空隙部は、電極層の変形を抑制するために大きな空隙部が結晶粒の成長や移動を受け入れた痕跡である。

しかしながら、空隙部は圧電効果による素子の振動に貢献しない部分であるので、大きさには上限がある。本発明においてＬ_Ｖの上限は圧電材料層の積層方向厚みＴ_Ｐの０．３倍、すなわちＬ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐである。Ｌ_Ｖが０．３Ｔ_Ｐより大きいと、圧電素子に電界を印加した際の圧電効果による素子の振動を空隙部が阻害してしまう。

前記の０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、かつ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐとなる圧電材料層において、該圧電材料層と隣接する電極層の界面を断面方向から観察した時の線平均粗さＲａは１μｍ以下であることが好ましい。本明細における線平均粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に記載の輪郭曲線の算術平均粗さＲａに相当する。例えば、ＳＥＭによる断面観察像を画像処理して、図２（ａ）のように電極層と圧電材料層の界面部の輪郭線を明らかにし、その積層方向（図面縦方向）の変動値を線分方向に積分し線分長さで平均することで算出することができる。当該部のＲａが１μｍ以下であると、圧電材料層を挟む２つの電極層の平行性が高くなり、圧電材料層に対して垂直に電界を印加できるようになるため、圧電素子の振動効率が高まり、消費電力が低減する。Ｒａが０．６μｍ以下であると、圧電素子の消費電力は、より一層低減する。理想的なＲａは０（ゼロ）であるが、実際に製造可能なＲａの最小値は０．０５μｍ程度である。

前記圧電材料層を構成する金属酸化物は、チタン酸バリウム系の金属酸化物であることが好ましい。チタン酸バリウム系材料は、鉛成分を使用せずに高い圧電定数を示し、かつ微量の添加物によって誘電正接を小さくできるという利点がある。

ここでチタン酸バリウム系材料とは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウムカルシウム（（Ｂａ、Ｃａ）ＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ_３）、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム（（Ｂａ、Ｃａ）（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ_３）、ニオブ酸ナトリウム－チタン酸バリウム（ＮａＮｂＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム－チタン酸バリウム（（Ｂｉ、Ｎａ）ＴｉＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム－チタン酸バリウム（（Ｂｉ、Ｋ）ＴｉＯ_３－ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸バリウム－鉄酸ビスマス（ＢａＴｉＯ_３－ＢｉＦｅＯ_３）などの組成や、これらの組成を主成分とした材料のことを指す。

これら例示材料の中でも、圧電材料層の圧電定数と温度安定性を両立できるという観点において、前記チタン酸バリウム系材料が、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物であることが好ましい。圧電材料層の圧電定数が大きくなると、圧電素子のアドミタンスが大きくなり、大きな変位を得ることができる。また、圧電材料層の圧電定数の温度安定性が高いと、使用温度による圧電素子の振動速度や消費電力が安定する。

また、前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物において、ＢａおよびＣａの和に対するＣａのモル比であるｘの値は、０．０２≦ｘ≦０．３０であることが好ましい。

より好ましくは０．１０≦ｘ≦０．２０である。

ｘが０．１０以上であることで、チタン酸バリウム系材料の正方晶構造と菱面体晶構造の相転移温度を低温にシフトするので、圧電素子の実用温度範囲、例えば０℃～５０℃における振動速度および消費電力が特に安定する。他方、ｘが０．２０以下であることで、圧電材料層の圧電定数を特に高く保つことができ、圧電素子に求められる振動速度およびトルクを得ることができる。

また、前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物において、ＴｉおよびＺｒの和に対するＺｒのモル比であるｙの値は、０．０１≦ｙ≦０．０９であることが好ましい。

より好ましくは０．０２≦ｙ≦０．０７である。

ｙが０．０２以上であることで、圧電材料層の圧電定数が特に高くなり、圧電素子に求められる振動速度およびトルクを得ることができる。他方、ｙが０．０７以下であることで、圧電材料層のキュリー温度を１００℃以上に特に保つことができる。

また前記圧電材料層は、前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物とともに、Ｍｎ成分を含有しており、Ｍｎの含有量は、前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下であることが好ましい。

より好ましくは、０．０４重量部以上０．４０重量部以下であり、さらに好ましくはＭｎの含有量の範囲は、０．０８重量部以上０．３０重量部以下である。

「金属換算」でのＭｎの含有量は、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析、原子吸光分析などにより前記圧電材料を測定した際の各金属の含有量から、金属酸化物を構成する元素を酸化物換算することによって得られる。その総重量を１００としたときに、その総重量とＭｎ金属の重量との比で表される。酸化物換算する際には、あらかじめＸ線回折実験などを通じて結晶構造を特定し（例えばペロブスカイト型構造）、特定された結晶構造および金属の含有量の分析結果に基づいて酸素数を算出する。ペロブスカイト型構造酸化物の場合は一般に組成式ＡＢＯ_３と表現されるが、チャージバランス等の観点から、算出した酸素数に数％のずれがあってもかまわない。

前記Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒを含む酸化物が前記範囲のＭｎを含有すると、本発明の圧電素子の電気絶縁性が向上し、誘電正接が小さくなる。その結果として圧電素子の消費電力が小さくなるため前記範囲のＭｎ含有量が好ましい。Ｍｎの含有量が０．０４重量部未満であると、Ｍｎを含有しない酸化物と比べて誘電正接の改善効果を見込めない場合がある。一方、Ｍｎの含有量が０．４０重量部より大きくなると、Ｍｎを含有しない酸化物と比べて圧電定数が低下する場合がある。本願発明の利用者は用途に応じて所望の含有量を採用することができる。

本発明の圧電素子を構成する圧電材料層の室温の圧電定数ｄ_３３は、ｄ_３３≧１６０ｐｍ／Ｖであると、圧電素子を振動子や振動波モータに応用した際に十分な振動速度、トルクを得られる。

本発明の圧電素子および該圧電素子を構成する圧電材料層の室温での誘電正接が、１００～１０００Ｈｚの範囲で０．８％以下であると、圧電素子の消費電力への悪影響が無視できるレベルとなる。

（圧電素子の製造方法）
本発明にかかる圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下に圧電材料層を構成する金属酸化物にチタン酸バリウム系材料を用いた場合の製造方法を例示する。

まず、粉末状のチタン酸バリウム系材料に溶媒を加えてスラリーを得る。

粉末状のチタン酸バリウム系材料には、後の焼成工程時における積層素子の反りやクラックの発生を防止するために、予めＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒ成分を含む酸化物を８００℃から１１００℃程度の温度で仮焼した、いわゆる仮焼粉を用いることが好ましい。前記酸化物にＭｎ酸化物を加えて仮焼して仮焼粉を得ても良い。仮焼粉に含まれるＢａ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎ成分の混合比は、目的とする金属酸化物と同様にする。

この仮焼粉に対し、焼成後の空隙部の形成を目的として、助剤を添加する。助剤が粒子状のＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３を含むと、焼成時の粒成長に伴う収縮の開始温度が低下して、圧電材料層の内部に空隙部が生成するので、好ましい。粒子状のＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３の好ましい平均粒子径は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下である。

また、圧電材料層の内部の空隙部の生成を促進するために、助剤に中空粒子を含有させても良い。粒子の素材としては、焼成後の圧電特性に影響しない素材が好ましく、例えばＳｉＯ_２や有機高分子ポリマーを使用できる。

仮焼粉に対する助剤の添加割合は、０．０５重量部以上１．０重量部以下が好ましい。助剤の添加割合を前記範囲にすることで、圧電素子の振動速度を損ねることなく、圧電材料層の内部に空隙部を形成することができる。

粉末状のチタン酸バリウム系材料に加える溶媒としては、例えば、トルエン、エタノール、または、トルエンとエタノールの混合溶媒、酢酸ｎ－ブチル、水を用いることができる。溶媒の量は、例えば、金属化合物粉体の１．０～２．０倍の重量とする。前記金属化合物粉体に溶媒を加えボールミルで２４時間混合した後に、バインダーと可塑剤を加える。バインダーは例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル系樹脂などを用いることができる。バインダーにＰＶＢを用いる場合、溶媒とＰＶＢの重量比を、例えば、８８：１２となるようにＰＶＢを秤量する。可塑剤としては例えば、ジオクチルセバケート、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレートを用いることができる。可塑剤にジブチルフタレートを用いる場合、バインダーと等重量のジブチルフタレートを加える。

バインダーと可塑剤を加えた後は、再度、ボールミルでの混合を一晩行う。スラリーの目標粘度は３００～５００ｍＰａ・ｓであり、粘度の調整のために溶媒やバインダーの量を増減させても良い。

次に前記スラリーを基材上に設置し、圧電材料層の前駆体であるグリーンシートを得る。

グリーンシートは例えば、ドクターブレードを用いて前記スラリーを前記基材上に塗布し、乾燥させることで得られる。基材としては例えば、フッ素コートＰＥＴフィルムを用いることができる。前記グリーンシートの厚みは特に制限されることはなく、目的とする圧電材料層の厚さに合わせて調整することができる。グリーンシートの厚みは例えばスラリーの粘度を高くすると厚くすることができる。

次に前記グリーンシートに電極層を形成する。

グリーンシートに、必要に応じてスルーホールとなる小さな孔を形成する。更に、グリーンシートに形成した孔の中に、短絡電極となる導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で充填する。更に、グリーンシートの表面に、電極層を形成する導電粉末材料からなるペーストをスクリーン印刷法で印刷する。

複数枚のグリーンシートを図１のごとく下から順に重ねて、加熱・加圧装置により加熱しながら加圧し、積層化し、焼成前の積層体を形成する。

そして、積層体を１１５０℃～１３５０℃の大気雰囲気下で焼成を行う。次に、焼成を行った後の焼成体に対して、分極処理を行う。分極処理の条件は、圧電材料層の組成や構造によって変えるが、例えば、６０～１５０℃に加熱して、１ｋＶ／ｍｍ～２ｋＶ／ｍｍ程度の電界を、１０～６０分間程度印加すると良い。

（本発明の振動子）
本発明の振動子は、圧電素子と、前記圧電素子を挟持する第一の弾性体と第二の弾性体と、前記圧電素子と前記第一の弾性体と前記第二の弾性体を貫通するシャフトと、前記シャフトに設けられたナットとを有する振動子である。

図３は、本発明の振動子の一実施形態を示した概略構造の断面図である。

図３に示すように、圧電素子１０は、圧電素子１０の積層方向に第一の弾性体２１と第二の弾性体２２によって挟持されている。更に圧電素子１０は、シャフト２４と第一のナット２５を有する。

第一の弾性体２１と第二の弾性体２２は、シャフト２４を通すための孔部を有する。

シャフト２４は圧電素子１０、第一の弾性体２１および第２の弾性体２２を貫通する。

さらに、第一のナット２５が前記シャフト２４に取り付けられている。第一の弾性体２１、第二の弾性体２２、シャフト２４および第一のナット２５の素材は限定されないが、弾性率の観点から金属製であることが好ましく、例えばＳＵＳ材や真鍮が例示される。

圧電素子１０は、第一の電極および第二の電極の箇所において接着剤等を用いて第一の弾性体２１と第二の弾性体２２とに接合されている。接合に際しては１ＭＰａから１０ＭＰａ程度の圧力を加圧しながら行うことが好ましい。また、圧電素子１０はシャフト２４及び第一のナット２５によって締め付けられて、所定の圧縮力が付与されている。圧電素子１０に圧縮力が付与されていることで、積層圧電振動子が大きな変位で振動した際の圧電素子１０の破壊を防止できる。

（本発明の振動波モータ）
本発明の振動波モータは、前記振動子と、該振動子の第一の弾性体２１に接する移動体とを有することを特徴とする。

図４は本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略構造の断面図である。

本発明の振動波モータ４０は、振動子２０を構成する、圧電素子１０、第一の弾性体２１、第二の弾性体２２、シャフト２４、第一のナット２５に加えて、移動体３０を有する。更に振動波モータ４０は必要に応じて、振動波モータ４０を機器に取り付けるためのフランジ３５、移動体３０を振動子２０に押し付けるための第二のナット３６を有していても良い。フランジ３５は、振動波モータ４０が搭載される機器のフレーム等の不図示の外部部材に振動波モータ４０を取り付けるための部材であり、第二のナット３６により所定位置に固定されている。

移動体３０の構成は制限されないが、図４に示した一般的な構成では、主材として圧電素子の振動を回転運動に変換するためのローター３１を有する。更に必要に応じて、移動体３０は、振動時の異音を抑制するための摺動部材３２、第一の弾性体２１と移動体３０の接触面に摩擦力を付与するための加圧バネ３３、動力伝達のためのギア３４を図のごとく有していても良い。

摺動部材３２の素材は、天然ゴムや合成ゴム等の樹脂が好ましい。ローター３１、加圧バネ３３、ギア３４、フランジ３５、第二のナット３６の素材は金属製が好ましく、例えばＳＵＳ材や真鍮などが用いられる。

振動波モータ４０において、構成部材である振動子２０の第一の弾性体２１は、移動体２７（図においては摺動部材３２）と接している。第一の弾性体２１と移動体２７が接していると、振動子２０に電圧を印加して発生する振動を移動体２７に効率的に伝えることができる。

摺動部材３２の下端は、第一の弾性体２１の上面に接触している。ローター３１は、摺動部材３２に固定されている。ギア３４はローター３１の上側に配置されており、ローター３１の上側に設けられた凹部とギア３４の下側に設けられた凸部とが係合している。加圧バネ３３は、ローター３１とギア３４との間に配置されている。加圧バネ３３のバネ力によって、ギア３４は位置が定まると共に、ローター３１を下側へ加圧する。これにより、ローター３１に固定された摺動部材３２の下側端面が、第一の弾性体２１の上側表面に押し付けられて加圧接触するので、その接触面に所定の摩擦力が生じる。

圧電素子１０に電圧を印加すると、振動子２０に曲げ振動が発生し、移動体３０を構成する、摺動部材３２、ローター３１、ギア３４及び加圧バネ３３が一体となってシャフト２４の軸回りに回転する。回転出力は、摺動部材３２、ローター３１及びギア３４のいずれかから取り出すことができる。

（本発明の光学機器）
本発明の光学機器は、前記振動波モータ４０と、該振動波モータ４０と力学的に接続された光学部材を有することを特徴とする。

図５は本発明の光学機器の一例であるデジタルカメラ（撮像装置）２００の概略構造を示す斜視図である。

デジタルカメラ２００の前面には、レンズ鏡筒２０２が取り付けられており、レンズ鏡筒２０２の内部には、レンズと、手ぶれ補正光学系２０３が配置されている。

デジタルカメラ２００の本体側には撮像素子２０８が配置されており、撮像素子２０８に、レンズ鏡筒２０２を通過した光が光学像として結像する。撮像素子２０８は、ＣＭＯＳセンサ或いはＣＣＤセンサ等の光電変換デバイスであり、光学像をアナログ電気信号に変換する。撮像素子２０８から出力されるアナログ電気信号は、不図示のＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後、不図示の画像処理回路による所定の画像処理を経て、画像データ（映像データ）として不図示の半導体メモリ等の記憶媒体に記憶される。

レンズ鏡筒２０２には、光軸方向に移動可能な不図示のレンズ群が配置されている。振動波モータ１００は、不図示のギア列等を介してレンズ鏡筒等の光学部材に力学的に接続され、レンズ鏡筒２０２に配置されたレンズ群を駆動する。振動波モータ１００はデジタルカメラ２００において、ズームレンズの駆動、フォーカスレンズの駆動等に用いることができる。

ここで本発明の光学機器として、デジタルカメラについて説明した。それ以外にも一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒、コンパクトカメラ、電子スチルカメラ、カメラ付き携帯情報端末等、カメラの種類を問わず、駆動部に振動波モータを有する光学機器に本発明を適用することができる。

（本発明の電子機器）
本発明の電子機器は、電子部品と前記圧電素子１０を駆動源として備えることを特徴とする。

図６は本発明の電子機器の一実施形態を示した概略図である。

本発明の積層圧電振動子は、液体吐出ヘッド、振動装置、圧電集音装置、圧電発音装置、圧電アクチュエータ、圧電センサ、圧電トランス、強誘電メモリ、発電装置等の電子機器に用いることができる。

本発明の電子機器は、図６に示すように、本発明の積層圧電振動子を備えており、前記積層圧電振動子への電圧印加手段および電力取出手段の少なくとも一方を有している。「電力取出」とは、電気エネルギーを採取する行為、および、電気信号を受信する行為のいずれであっても良い。電圧印加手段により発生する振動子振動を電子機器がその機能のために利用する。あるいは、外部作用によって振動した積層振動子に発生した電力を電力取り出し手段で検知して電子機器がその機能のために利用する。

以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
まず、圧電材料層の出発原料となる粉末状のチタン酸バリウム系材料を準備した。

具体的には、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）および四酸化三マンガン（Ｍｎ_３Ｏ_４）を、ＢａおよびＣａの和に対するＢａのモル比であるｘの値が０．１３に、ＴｉおよびＺｒの和に対するＺｒのモル比であるｙの値が０．０３に、Ｍｎの含有量がＢａ、Ｃａ、ＴｉおよびＺｒを含む酸化物１００重量部に対して金属換算で０．３０重量部となるように秤量して混合した。この混合粉を９００℃で４時間仮焼し、チタン酸バリウム系材料よりなる仮焼粉を得た。

この仮焼粉１００重量部に対し、０．１重量部の助剤を添加した。助剤には平均粒子径が１．０μｍの粒子状であるＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３の混合物を用いた。助剤に含まれるＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３の重量比は、無水物として５対２対２対１とした。

次に、溶媒である水に対し、助剤混合済みの仮焼粉と、仮焼粉１００重量部に対して３重量部のバインダ（ＰＶＢ）を加えて混合し、スラリーを得た。

得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により６０μｍ厚のグリーンシートを得た。

上記グリーンシートに内部金属電極用の導電ペーストを印刷した。導電ペーストには、Ａｇ６０％－Ｐｄ４０％合金（Ａｇ／Ｐｄ＝１．５０）ペーストを用いた。導電ペーストを塗布したグリーンシートを３６枚積層して、その積層体を最高温度１２５０℃で５時間保持するように焼成を実施して焼結体を得た。

このようにして得られた焼結体の圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価した。その結果、（Ｂａ_０．８７Ｃａ_０．１３）（Ｔｉ_０．９７Ｚｒ_０．０３）Ｏ_３の化学式で表わすことができる酸化物を主成分としており、前記主成分１００重量部に対してＭｎが０．３０重量部含有されていることが分かった。Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の圧電材料としての組成が一致していた。

前記焼結体の積層方向の厚さは、２．０ｍｍであった。

前記焼結体を外径６ｍｍの円柱状に削り出し、円形面の中心部に内径２ｍｍの貫通孔を切削プロセスによって形成した。この円柱状素子の外側面に内部電極層を交互に短絡させる一対の金属電極（第一の電極と第二の電極）をＡｕスパッタ法により形成し、図１（ｃ）のような圧電素子を作製した。次に積層焼結体に分極処理を施して、本発明の圧電素子を得た。具体的には、試料をホットプレート上で１３５℃に加熱し、第一の電極と第二の電極間に１４ｋＶ／ｃｍの電界を３０分間印加し、電界を印加したままで室温まで冷却した。

圧電素子に含まれる鉛成分をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、圧電素子に対して約２ｐｐｍの鉛成分が含まれていることが分かった。圧電材料層部分に含まれる鉛成分も約２ｐｐｍであった。

圧電素子の側断面を２５倍の顕微鏡で観察したところ、３６層の圧電材料層と３５層の電極層とが交互に積層されていた。圧電材料層の層厚Ｔ_Ｐは、いずれの圧電材料層においても５５μｍであった。電極層の層厚Ｔ_Ｅは、いずれの電極層においても６μｍであった。

更に走査型電子顕微鏡を用いて、圧電素子の側断面を４００倍の高倍率で観察した。図７に実施例１の圧電素子の側断面の反射電子像を示す。図７において、輝度の高い白色部分は電極層であり、複数の電極層に挟まれた輝度の低い着色部が圧電材料層である。圧電材料層の内部にある黒色部は空隙部であり、中間色の箇所は結晶粒の集合体である。金属酸化物は粒ごとに反射電子の輝度が異なっている。図の下部の黒色の帯部は、スケールバーを示すための人為的な着色部であり、圧電素子の構造とは関係が無い。

図７に見られる３層の圧電材料層は、いずれも複数の結晶粒と、複数の空隙部の集合体で形成されていた。

ここで、図７の下から２番目の圧電材料層に着目する。該圧電材料層について、観察箇所を変えた同倍率の反射電子像を５つ取得して、これらの観察像から圧電材料層の積層方向の平均厚みＴ_Ｐと該圧電材料層に接する電極層の平均厚さＴ_Ｅを算出したところ、Ｔ_Ｐは５５μｍであり、Ｔ_Ｅは６．０μｍであった。次に、該圧電材料層について同じ観察像から、結晶粒の平均円相当径Ｄ_Ｇを算出したところ、Ｔ_Ｐの０．０７倍より大きく０．３３倍より小さな８．５μｍであった。

更に、該圧電材料層の断面全域を観察して、電極層と接せずに結晶粒に囲まれた部位に存在する空隙部の積層方向の最大長さＬ_Ｖを求めたところ、Ｌ_Ｖは、Ｔ_Ｅより大きくＴ_Ｐの０．３倍より小さい１０μｍであった。

同じ観察像から、着目する圧電材料層と隣接する電極層との界面の線平均粗さＲａを算出したところ、２つの界面の平均値としてＲａは０．４２μｍであった。

同じ観察像から空隙部の合計断面積が圧電材料層の断面積に占める割合Ｐ_Ｖは、６．２面積％であった。

本実施例で得た圧電素子の全体のみかけの圧電定数ｄ_３３ ^＊ｓｕｍをｄ_３３メーターで室温測定して、測定値ｄ_３３ ^＊ｓｕｍを層数である３６で割ったところ、圧電定数ｄ_３３は２００ｐｍ／Ｖであった。同時に、ｄ_３３メーターで得られた誘電正接は１６０Ｈｚにおいて０．５％であった。

続いて、得られた圧電素子を用いて積層圧電振動子を作製した。

まず、圧電素子をプライマー処理して、ＳＵＳ製の第一の弾性体に加圧接着した。続いて、前記圧電素子の第一の弾性体が接着していない面に対し、フレキシブルプリント基板からなる電気配線をＳＵＳ製の第二の弾性体によって挟み込んだ。最後に、ＳＵＳ製のシャフトを圧電素子、第一の弾性体および第二の弾性体に貫通させた後に、ＳＵＳ製の第一のナットで加圧締込を行い、本発明の積層圧電振動子を得た。

（実施例２から７）
原料の混合比、グリーンシートの厚さ、導電ペーストのＡｇ／Ｐｄ比、積層体の焼成最高温度を変化させた他は、実施例１と同様にして本発明の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、いずれの圧電素子においても、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子および圧電材料層に含まれる鉛成分は、いずれの圧電素子も１０ｐｐｍ未満であった。圧電素子の製造条件を表１に示す。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、３～１０面積％の範囲内であった。

次に、実施例１と同様にして、実施例２から７の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

（実施例８）
仮焼粉に対する助剤として、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３の混合物に加えて、仮焼粉１００重量部に対して固形分で０．１重量部の中空シリカ微粒子をＩＰＡ分散液の形態で添加した他は、実施例１と同様にして本発明の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子および圧電材料層に含まれる鉛成分は、約３ｐｐｍであった。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、９．０面積％であった。

次に、実施例１と同様にして、実施例８の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

（比較例１）
導電ペーストのＡｇ／Ｐｄ比を６：４から４：６に変更し、積層体の焼成最高温度を１２５０℃から１４００℃に変更した他は、実施例１と同様にして比較用の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表１に示す。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。その結果、Ｔ_Ｐは５５μｍ、Ｄ_Ｇは２０．１μｍ、Ｌ_Ｖは１９．０μｍ、Ｔ_Ｅは６．０μｍであった。すなわち、Ｄ_ＧはＴ_Ｐの０．３６倍であり、Ｌ_ＶはＴ_Ｅより大きくＴ_Ｐの０．３５倍であった。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、１３．７面積％であった。

次に、実施例１と同様にして、比較例１の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

（比較例２）
グリーンシートの厚さ、導電ペーストのＡｇ／Ｐｄ比、積層体の焼成最高温度を変化させ、助剤の添加量を仮焼粉１００重量部に対して１．０重量部の助剤となるように増量した他は、実施例１と同様にして比較用の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表１に示す。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。その結果、Ｔ_Ｐは３０μｍ、Ｄ_Ｇは１２．３μｍ、Ｌ_Ｖは１０μｍ、Ｔ_Ｅは６μｍであった。すなわち、Ｄ_ＧはＴ_Ｐの０．４０倍であり、Ｌ_ＶはＴ_Ｅより大きくＴ_Ｐの０．３３倍であった。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、１０．４面積％であった。

次に、実施例１と同様にして、比較例２の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

（比較例３）
グリーンシートの厚さ、導電ペーストのＡｇ／Ｐｄ比、積層体の焼成最高温度を変化させた他は、実施例１と同様にして比較用の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表１に示す。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。その結果、Ｔ_Ｐは４５μｍ、Ｄ_Ｇは１．９μｍ、Ｌ_Ｖは１．２μｍ、Ｔ_Ｅは６．０μｍであった。すなわち、Ｄ_ＧはＴ_Ｐの０．０４倍であり、Ｌ_ＶはＴ_Ｅより小さかった。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、２．８面積％であった。

次に、実施例１と同様にして、比較例３の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

（比較例４）
導電ペーストのＡｇ／Ｐｄ比、積層体の焼成最高温度を変化させ、助剤の成分比をＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３の重量比で７対３対０対０とした他は、実施例１と同様にして比較用の圧電素子を得た。

圧電材料部分の組成をＩＣＰ発光分光分析により評価したところ、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎの各成分は、秤量した組成と焼結後の組成が一致していた。圧電素子の製造条件を表１に示す。

実施例１と同様にして、圧電素子のＴ_Ｐ、Ｔ_Ｅ、Ｄ_Ｇ、Ｌ_Ｖ、Ｒａ、ｄ_３３、誘電正接を計測、測定した。その結果、Ｔ_Ｐは５５μｍ、Ｄ_Ｇは１０．０μｍ、Ｌ_Ｖは０．８μｍ、Ｔ_Ｅは６．０μｍであった。すなわち、Ｄ_ＧはＴ_Ｐの０．１８倍であり、Ｌ_ＶはＴ_Ｅより小さかった。各パラメータの計測結果を表２に示す。実施例１と同様にして求めたＰ_Ｖは、１．１面積％であった。

次に、実施例１と同様にして、比較例４の圧電素子を用いた積層圧電振動子を作製した。

図８に、実施例１～８の圧電素子および比較例１～４の圧電素子のＴ_ＰとＤ_Ｇ及びＴ_ＰとＬ_Ｖの値の関係を示す。◆印は実施例、○印は比較例の値をプロットしたものである。図８（ａ）の横軸はＴ_Ｐ、縦軸はＤ_Ｇを表しており、実線は０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐの範囲、点線は５μｍ≦Ｄ_Ｇ≦１５μｍの範囲を補助的に示すものである。

他方、図８（ｂ）の横軸はＴ_Ｐ、縦軸はＬ_Ｖを表しており、実線はＬ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐの範囲を補助的に示すものである。

（振動子発生変位量）
実施例１～８および比較例１～４の積層圧電振動子に、３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して、レーザ変位計により歪み率を計測した。ここでの歪み率とは、計測した歪み量を積層部の厚さで割った値に１００をかけたパーセンテージである。

実施例１～８の振動子歪み率は、いずれも０．１０％以上０．１５％以下の範囲にあったのに対し、比較例１、２、４の振動子歪み率は０．０８％程度と小さかった。特に比較例３の振動子歪み率は、０．０４％程度と小さかった。

（振動波モータの作製）
実施例１～８および比較例１～４の積層圧電振動子に、ゴム製の摺動部材、ＳＵＳ製のローター、ＳＵＳ製の加圧バネ、ＳＵＳ製のギアよりなる移動体と、ＳＵＳ製のフランジ、ＳＵＳ製の第二のナットを取り付けて、図４に示す構造の振動波モータを作製した。

作製した振動波モータに、１５Ｖｒｍｓの交番電圧を印加して、振動波モータを回転駆動させた。印加電圧の周波数を共振周波数に近づけて、回転速度が７００ｒｐｍに達した振動波モータについて、モータ部分の消費電力を電力計で測定した。測定結果を表３に示す。

表３に示すように、実施例の振動波モータの７００ｒｐｍ時のモータの消費電力は、いずれも１．７Ｗ以下であったのに対し、比較例１、２、４の同条件の消費電力は２．３Ｗ以上となった。また、比較例３の振動波モータは、電圧印加時の最高回転速度が７００ｒｐｍに達しなかった。

図８（ａ）からわかるように、平均円相当径Ｄ_Ｇは、圧電材料層の積層方向の厚みＴ_Ｐに対して、適切な範囲に収まることで優れた効能を発揮する。加えて図８（ｂ）からわかるように、空隙部の積層方向の最大長さをＬ_Ｖは、同じくＴ_Ｐに対して、適切な範囲に収まることで優れた効能を発揮する。表２に記載の各実施例、各比較例によると上記の条件を満たす実施例は圧電定数ｄ_３３の値が１７０ｐＣ／Ｎ以上と、比較例とくらべて１０％以上も高い良好な値を示した。また表３からわかるように各実施例の消費電力は１．７Ｗ以下と比較例とくらべて２０％以上も低い良好な値を示した。

（圧電材料層の層数）
実施例１～８の圧電素子、積層圧電振動子および振動波モータにおける圧電材料層の層数は３６層であるが、２層から６０層の範囲で層数を変化させても、同様に作製することができた。特に層数が２５層以上５５層以下の振動波モータは、表３に近いモータの消費電力で７００ｒｐｍの駆動が可能であった。

（光学機器）
実施例１～８および比較例１、２、４の振動波モータと光学部材であるレンズ鏡筒とを力学的に接続し、図５のような光学機器を作製した。いずれの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例の光学機器のフォーカス動作は比較例の光学機器のフォーカス動作に比べて、消費電力が２０％以上小さかった。

（電子機器）
実施例１～８の圧電素子を用いて、図９に示される液体吐出ヘッドを作製した。図９に示す液体吐出ヘッドは、実施例の圧電素子１０１（電極１０１１、積層部１０１２、電極１０１３よりなる）を有する。さらに吐出口１０５、個別液室１０２、個別液室１０２と吐出口１０５をつなぐ連通孔１０６、液室隔壁１０４、共通液室１０７、振動板１０３、圧電素子１０１を有する。液室内には液状のインクを貯留し得る。

液体吐出ヘッドに電気信号を入力すると、信号パターンに追随したインクの吐出が確認された。この液体吐出ヘッドをインクジェット式プリンタに組込み、記録紙へのインク吐出を確認した。

本発明によれば高効率な駆動特性を有する圧電素子を提供できる。また、本発明によれば、高効率な駆動特性を有する振動子、振動波モータ、光学機器および電子機器を提供できる。さらに、本発明の積層素子は積層素子を用いた圧電デバイス全般に適用可能である。

１ 電極層
２ 圧電材料層
３ 電極層

Claims (12)

1. 圧電材料層と電極層が交互に積層された圧電素子において、
   前記圧電材料層は複数の結晶粒と複数の空隙部を有し、
   前記圧電材料層の少なくとも１層が、
   前記圧電材料層の積層方向の平均厚さをＴ_Ｐ、前記複数の結晶粒の平均円相当径をＤ_Ｇ、前記電極層と接しない前記複数の空隙部の積層方向の最大長さをＬ_Ｖ、少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さをＴ_Ｅとしたとき、０．０７Ｔ_Ｐ≦Ｄ_Ｇ≦０．３３Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｅ≦Ｌ_Ｖ≦０．３Ｔ_Ｐ、かつ鉛の含有量が１０００ｐｐｍ未満であり、
   前記圧電素子の断面観察視野を、前記圧電材料層の前記積層方向の長さを前記Ｔ _Ｅ ＋前記Ｔ _Ｐ ＋前記Ｔ _Ｅ とし、前記積層方向に交差する方向の長さを前記Ｔ _Ｅ ＋前記Ｔ _Ｐ ＋前記Ｔ _Ｅ よりも大きい長さとした場合、
   前記断面観察視野において、前記空隙部の占める面積Ｓ _Ｖ が、前記圧電材料層の面積Ｓ _Ｐ に占める割合Ｐ _Ｖ が３面積％以上１０面積％以下である圧電素子。
2. 前記平均円相当径Ｄ_Ｇが５μｍ以上１５μｍ以下である請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記積層方向の断面から観察した際、前記圧電材料層に接する前記電極層の界面の線平均粗さＲａが１μｍ以下である請求項１または２に記載の圧電素子。
4. 前記圧電材料層の積層方向の平均厚さＴ_Ｐが２０μｍ以上７０μｍ以下である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電素子。
5. 前記少なくとも一つの前記圧電材料層に接する電極層の平均厚さＴ_Ｅが３．５μｍ以上１０μｍ以下である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電素子。
6. 前記圧電材料層は、チタンとバリウムの酸化物を含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電素子。
7. 前記チタンとバリウムの酸化物はＢａ、Ｃａ、Ｔｉ、およびＺｒを含む請求項６に記載の圧電素子。
8. 前記圧電材料層は、前記Ｂａおよび前記Ｃａの和に対する前記Ｃａのモル比であるｘが０．０２≦ｘ≦０．３０であり、前記Ｔｉおよび前記Ｚｒの和に対する前記Ｚｒのモル比であるｙが０．０１≦ｙ≦０．０９であり、前記酸化物１００重量部に対して金属換算で０．０２重量部以上０．４０重量部以下のＭｎを含有している請求項６に記載の圧電素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載された圧電素子と、前記圧電素子を挟持する第一の弾性体と第二の弾性体を有する振動子。
10. 請求項９記載の振動子と、前記振動子と接する移動体を有する振動波モータ。
11. 請求項１０記載の振動波モータと、前記振動波モータによって移動可能に保持された光学部材を有する光学機器。
12. 電子部品と請求項１乃至８のいずれか一項に記載された圧電素子を有する電子機器。

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