(57)【要約】【課題】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、高電圧領域に到るまで電圧に対する屈曲変位の直線性が高く、大きな屈曲変位で長期間使用した場合であっても高い耐久性を示す圧電素子を提供する。【解決手段】セラミックスからなる基体２と、その組成が所定の式により表される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磁器組成物からなる圧電部１と、圧電部１に電気的に接続される電極３とを備え、圧電部１が基体２上に直接又は電極３を介して固着されてなる圧電素子である。【選択図】図１（ａ）
2006202990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる基体と、その組成が下記式（１）により表される第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第一の圧電磁器組成物からなる圧電部と、前記圧電部に電気的に接続される電極とを備え、
前記圧電部が前記基体上に直接又は前記電極を介して固着されてなる圧電素子。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3)×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（１）
（上記式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．２０＜ｙ≦０．５０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，ｃ，ｄが、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【請求項２】
前記圧電部及び前記電極をそれぞれ複数備え、
複数の前記圧電部が、複数の前記電極により交互に挟持・積層されてなるとともに、前記圧電部のうちの最下層に位置する最下圧電部が、前記基体上に直接、又は前記電極のうちの最下層に位置する最下電極を介して固着されてなる請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記圧電部が、
その組成が下記式（２）により表される第二のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第二の圧電磁器組成物と、
その組成が下記式（３）により表されるＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としＮｉＯを０．１〜３．０質量％含有する第三の圧電磁器組成物と、を順次積層及び焼成してなるものである請求項１又は２に記載の圧電素子。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）1/3×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（２）
（上記式（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、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3    …（３）
（上記式（３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．９５≦ｙ≦１．０５であり、かつａ，ｂ，ｃが、前記ａ，ｂ，ｃ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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【請求項４】
前記第一の圧電磁器組成物は、平均粒径が１〜１０μｍ、最大粒径が平均粒径の５倍以下の結晶粒子である請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記結晶粒子の内部に、又は前記結晶粒子の表面及び内部に、ＮｉＯを主成分とする粒子（ＮｉＯ粒子）が存在する請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記ＮｉＯ粒子は、ＭｇＯが固溶されてなるものである請求項５に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子に関し、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用いた場合には、大きな電界を印加したときの変位の増加割合が大きく、センサーとして用いた場合は、大きな力が加わったときの分解能が高い圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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モノである。なお、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これまで開示されている。
【０００３】
例えば、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3−ＰｂＺｒＯ3三成分固溶系組成物、又はこの組成物中の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（例えば、特許文献１，２参照）。これらの文献によれば、圧電素子の圧電特性を決定する最も重要な部分である圧電体自体について、優れた圧電特性（例えば、圧電ｄ定数）を有する圧電素子が得られるものと期待されている。
【０００４】
これらの圧電磁器組成物を用いた圧電素子は、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、熱処理することにより製造されていた。しかし、形成される圧電部の緻密性が低いために屈曲変位が小さくなる場合がある。また、電圧を印加した際に緻密性の低い部分で絶縁破壊が起こり易くなるという問題が指摘されていた。特に、複数の圧電部を、電極の負極と正極とで交互に挟持・配設した積層構造を有する圧電素子についてこの問題は顕著であるため、その改良が強く要望されていた。
【０００５】
また、前述の特許文献１，２で開示された圧電磁器組成物からなる圧電部は、必ずしも十分な圧電特性が得ることができない場合がある。更には、屈曲変位を増大させるために電圧を高めると、４ｋＶ／ｍｍ以上の高電界側では屈曲変位の増大する割合が、高めた電圧に比べて非常に小さくなるという不具合があった。また、このような圧電部を、長期間、大きな変位を起こさせる条件下で屈曲させたような場合には、圧電部が破壊したり、圧電部とセラミックス基体との間、又は圧電部と電極との間で剥離を生じたりする場合もある。従って、耐久性の点で必ずしも十分とはいえなかった。
【０００６】
耐久性を向上させるべく、上述した圧電磁器組成物からなる圧電材料を熱処理することにより予め作製した圧電部をセラミックス基体上に張り付けた圧電素子が開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この圧電素子は、圧電部をセラミックス基体上に張り付ける際に、無機系又は有機系の接着剤を用いる必要がある。従って、接着剤がセラミックス基体と圧電部との間の振動伝達を阻害したり、接着剤の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場合がある。また、この圧電素子は、圧電部を構成する圧電磁器組成物の組成自体については、何らの考慮もされてはいない。従って、前述した圧電素子と同様に、十分な圧電特性を得ることができず、特に高電圧領域における屈曲変位の増大する割合が、電圧の増大に比べて非常に小さいという問題がある。更には、耐久性が不十分であるという問題がある。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、その課題とするところは、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、高電圧領域に到るまで電圧に対する屈曲変位の直線性が高く、大きな屈曲変位で長期間使用した場合であっても高い耐久性を示す圧電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物の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には、基体上に積層した後に熱処理を施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ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明によれば、以下に示す圧電素子が提供される。
【００１０】
［１］セラミックスからなる基体と、その組成が下記式（１）により表される第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第一の圧電磁器組成物からなる圧電部と、前記圧電部に電気的に接続される電極とを備え、前記圧電部が前記基体上に直接又は前記電極を介して固着されてなる圧電素子。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3)×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（１）
（上記式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．２０＜ｙ≦０．５０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，ｃ，ｄが、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【００１１】
［２］前記圧電部及び前記電極をそれぞれ複数備え、複数の前記圧電部が、複数の前記電極により交互に挟持・積層されてなるとともに、前記圧電部のうちの最下層に位置する最下圧電部が、前記基体上に直接、又は前記電極のうちの最下層に位置する最下電極を介して固着されてなる前記［１］に記載の圧電素子。
【００１２】
［３］前記圧電部が、その組成が下記式（２）により表される第二のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第二の圧電磁器組成物と、その組成が下記式（３）により表されるＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としＮｉＯを０．１〜３．０質量％含有する第三の圧電磁器組成物と、を順次積層及び焼成してなるものである前記［１］又は［２］に記載の圧電素子。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）1/3×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（２）
（上記式（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、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3    …（３）
（上記式（３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．９５≦ｙ≦１．０５であり、かつａ，ｂ，ｃが、前記ａ，ｂ，ｃ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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【００１３】
［４］前記第一の圧電磁器組成物は、平均粒径が１〜１０μｍ、最大粒径が平均粒径の５倍以下である結晶粒子である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電素子。
【００１４】
［５］前記結晶粒子の内部に、又は前記結晶粒子の表面及び内部に、ＮｉＯを主成分とする粒子（ＮｉＯ粒子）が存在する前記［４］に記載の圧電素子。
【００１５】
［６］前記ＮｉＯ粒子は、ＭｇＯが固溶されてなるものである前記［５］に記載の圧電素子。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の圧電素子は、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、高電圧領域に到るまで電圧に対する屈曲変位の直線性が高く、大きな屈曲変位で長期間使用した場合であっても高い耐久性を示すという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の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、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００１８】
図１（ａ）は、本発明の圧電素子の一実施形態を模式的に示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施形態の圧電素子は、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、この圧電部１に電気的に接続される電極３（上部電極３ａ、下部電極３ｂ）とを備え、圧電部１が基体２上に直接、又は電極３（下部電極３ｂ）を介して固着されてなるものである。以下、各構成要素毎に具体的に説明する。
【００１９】
本実施形態の圧電素子を構成する基体２はセラミックスからなるもである。このセラミックスは、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種を含むものであることが好ましい。中でも、機械的強度が大きく、靭性に優れる等の観点から、安定化された酸化ジルコニウムを含むものであることが好ましい。
【００２０】
本実施形態の圧電素子を構成する基体２の厚みは、３μｍ〜１ｍｍであることが好ましく、５〜５００μｍであることが更に好ましく、７〜２００μｍであることが特に好ましい。基体の厚みが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る。一方、１ｍｍ超であると、圧電部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過ぎてしまい、圧電素子の屈曲変位が小さくなってしまうことがある。但し、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、基体２の形状を、圧電部１、又は電極３（下部電極３ｂ）との固着面２ａに略対応する領域の厚みを前述の厚みとした薄肉部２ｃと、固着面２ａ以外に略対応する領域の厚みを薄肉部２ｃよりも厚くした厚肉部２ｂとを備えた形状とすることもできる。基体２の形状をこのようにすることにより、圧電素子の屈曲変位を更に大きくすることができるとともに、機械的強度をも高めることができる。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、圧電部１及び電極３を含む複数の構成単位を、共用化した一の基体２上に設ける構造とすることも可能である。
【００２１】
本実施形態の圧電素子を構成する圧電部及び電極の数に制限はない。このため、圧電部及び電極のそれぞれを複数ずつ備えていてもよい。従って、本実施形態の圧電素子を図９及び図１０に示すように、例えば２つの圧電部１（１ａ，１ｂ）と、複数の電極３（上部電極３ａ、下部電極３ｂ、中間電極３ｈ）を備え、２つの圧電部１（１ａ，１ｂ）が、複数の電極３（上部電極３ａ、下部電極３ｂ、中間電極３ｈ）により交互に挟持・積層されている、いわゆる積層型の構造とすることも好ましい。このような積層型の構造とすることにより、低電界の印加であってもより大きな屈曲変位を得ることができる。
【００２２】
本実施形態の圧電素子における基体の表面形状（図１における、下部電極３ｂが固着される面の形状）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、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、基体全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形状であってもよい。
【００２３】
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、その中央部が、圧電部が配設される面と反対側に屈曲した形状、或いは厚さ方向における断面形状が、基体の長手方向における中心線より見て、基体の両端部が底部側に対して垂直方向に突き出ており、そして、その中央部が上部に突き出た、いわゆるＷ形状であることが好ましい。
【００２４】
本実施形態の圧電素子を構成する圧電部１（図１参照）は、その組成が下記式（１）により表される第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第一の圧電磁器組成物からなるものである。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）(1/3)×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（１）
（上記式（１）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．２０＜ｙ≦０．５０、０．９０≦ａ≦１．１０であり、かつｂ，ｃ，ｄが、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【００２５】
圧電部１を構成する第一の圧電磁器組成物の主成分を、前記式（１）で表される組成の三成分固溶系組成物とすることにより、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。従って、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。
【００２６】
前記式（１）中、ａ，ｂ，ｃ，ｄを上述した特定の範囲外とすると、得られる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ずる傾向にある。また、前記式（１）中のｙ（ＭｇのＮｉへの置換割合）が０．２０以下であると、屈曲変位のばらつきが大きくなる傾向にある。一方、ｙが０．５０超であると、低電界における屈曲変位の低下を生ずる傾向にある。なお、本実施形態の圧電素子において、より屈曲変位のばらつきを小さくするとともに低電界における屈曲変位の低下を抑制するといった観点からは、前記式（１）中、０．２５＜ｙ≦０．４５であることが好ましく、０．２７≦ｙ≦０．４０であることが更に好ましい。
【００２７】
また、本実施形態の圧電素子においては、第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物に由来するＮｉが、圧電部１中に均一に分散していることが好ましい。また、第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物に由来するＮｉ（ＮｉＯ）が、圧電部１中に、基体２に接する側から反対側（基体２とは接しない側）へと向かって高濃度となる濃度勾配を有して分散していることが更に好ましい。圧電部１中におけるＮｉＯの分散状態をこのようにすることにより、圧電部１を、基体２に直接又は電極３を介して固着した場合であってもより緻密化することができる。
【００２８】
本実施形態の圧電素子においては、圧電特性の向上を図ることができる点、及び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、第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物中のＰｂを、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、及びＬａからなる群より選択される少なくとも一種の元素で置換することが好ましい。もっとも、Ｐｂを高い割合で置換すると、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場合があるので、置換元素毎に好適な置換割合の範囲とすることが好ましい。
【００２９】
具体的には、第一のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物中のＰｂを、Ｓｒ、Ｃａ、及びＢａからなる群より選択される少なくとも一種の元素で置換する場合は、Ｐｂの２〜１０ｍｏｌ％を置換することが好ましく、４〜８ｍｏｌ％を置換することが更に好ましい。また、ＰｂをＬａで置換する場合は、Ｐｂの０．２〜１．０ｍｏｌ％を置換することが好ましく、０．４〜０．９ｍｏｌ％を置換することが更に好ましい。
【００３０】
また、本実施形態の圧電素子において、圧電部を構成する第一の圧電磁器組成物は、平均粒径が１〜１０μｍ、最大粒径が平均粒径の５倍以下の結晶粒子であることが好ましく、平均粒径が２〜５μｍ、最大粒径が平均粒径の４倍以下であることが更に好ましく、平均粒径２〜５μｍ、最大粒径が平均粒径の３倍以下であることが特に好ましい。結晶粒子（第一の圧電磁器組成物）の平均粒径が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くなる。一方、平均粒径が１０μｍ超であっても、圧電部中の分域が大きいものの分域が動き難くなるために、やはり屈曲変位が小さくなり易い。また、最大粒径が平均粒径の５倍超であると、やはり分極が動き難くなる粗大な粒子が多くなるため、屈曲変位が小さくなり易い。
【００３１】
本実施形態の圧電素子においては、第一の圧電磁器組成物中のＮｉが、少なくともその一部がＮｉＯを主成分とする粒子（以下、「ＮｉＯ粒子」ともいう）として存在していることが好ましい。このようなＮｉＯ粒子が存在することにより、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る。また、従来の圧電素子に比べて、同一の電力で大きな屈曲変位を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態の圧電素子において、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、結晶粒子（第一の圧電磁器組成物）の内部に、又は結晶粒子（第一の圧電磁器組成物）の表面及び内部に、ＮｉＯ粒子が存在していることが好ましい。
【００３３】
ＮｉＯ粒子の粒径について特に制限はないが、０．１〜２μｍであることが好ましい。また、ＮｉＯ粒子は、ＮｉＯのみからなるものでも、ＭｇＯを固溶してなるものでもよい。但し、屈曲変位の直線性が大きい点で、ＮｉＯ粒子はＭｇＯが固溶されてなるものであることが好ましい。
【００３４】
本実施形態の圧電素子の圧電部を構成する圧電磁器組成物は、圧電素子の屈曲変位を向上させるため、ペロブスカイト相以外の相の含有割合が２０容積％以下であることが好ましく、１０容積％以下であることが更に好ましい。また、圧電磁器組成物は、所望の屈曲変位と機械的強度を確保し、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、その気孔率が１０容積％以下であることが好ましく、５容積％以下であることが更に好ましい。
【００３５】
本実施形態の圧電素子の圧電部１（図１参照）の厚みは、１〜３００μｍであることが好ましく、３〜１００μｍであることが更に好ましく、５〜３０μｍであることが特に好ましい。圧電部１の厚みが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、圧電部の厚みが３００μｍ超であると、基体に負荷される応力が相対的に過大となるため、破壊防止の観点から基体に十分な厚みをもたせる必要が生ずる。このため、圧電素子自体を小型化することが困難になる場合がある。
【００３６】
また、本実施形態の圧電素子においては、機械的強度及び所望とする屈曲変位確保という観点から、圧電部１の厚みに対する、基体２の厚みの比（基体の厚み／圧電部の厚み）の値が、０．１〜３０であることが好ましく、０．３〜１０であることが更に好ましく、０．５〜５であることが特に好ましい。
【００３７】
本実施形態の圧電素子を構成する電極３（上部電極３ａ、下部電極３ｂ）は、圧電部１に電気的に接続されるものであればよい。電極３の形態としては、例えば図４に示すように、基体２上に固着された圧電部１の上に櫛形に一対固着された櫛形電極３ｃ，３ｄを挙げることができる。また、図５に示すように、一対の櫛形電極３ｃ，３ｄは、基体２と圧電部１との間に固着してもよい。
【００３８】
なお、図６に示すように、基体２上に固着された一対の櫛形電極３ｃ，３ｄ上に圧電部１が固着され、櫛形電極３ｃ，３ｄが固着されている側の面と反対側の面に、共通電極３ｅが形成されてもよい。一方、図７に示すように、基体２に固着された共通電極３ｅ上に圧電部１が固着され、共通電極３ｅが固着されている側の面と反対側の面に、一対の櫛形電極３ｃ，３ｄが形成されてもよい。
【００３９】
また、図８に示すように、本実施形態の圧電素子は、圧電部１ａ〜１ｋ、及び負極３ｆ、正極３ｇ（電極３）をそれぞれ複数備え、複数の圧電部１ａ〜１ｋが、複数の負極３ｆ及び正極３ｇにより交互に挟持・積層されてなるとともに、圧電部１ａ〜１ｋのうちの最下層に位置する圧電部１ａ（最下圧電部）が、基体２上に直接、又は電極３のうちの最下層に位置する最下電極（正極３ｇ）を介して固着されてなる積層型の構造を有するものであることが好ましい。積層型の構造とすることにより、低電界の印加であってもより大きな屈曲変位を得ることができる。
【００４０】
電極の幅は、圧電部の幅の６０〜９０％であることが好ましく、７０〜８０％であることが更に好ましい。電極の幅が圧電部の幅の６０％未満であると、電界が加わる圧電部の面積が小さくなるために得られる屈曲変位が小さくなる場合がある。一方、電極の幅が圧電部の幅の９０％超であると、電極の位置合わせに高精度の調整が必要となる。位置合わせの精度が低いと、電極間の短絡や絶縁破壊を生ずる原因となる場合がある。
【００４１】
電極３の材質については特に制限はない。具体的には、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からなるものを好適例として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、電極にガラス成分を添加してもよい。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を用いることが好ましい。また、前述した積層型の圧電素子（図８参照）とする場合には、電極３の材質は、総ての電極３で同一であってもよく、一部について、又は総ての電極３毎に異なっていてもよい。
【００４２】
電極３（図１（ａ）参照）が過剰に厚いと、電極３が緩和層として作用し、屈曲変位が小さくなり易くなる。このため、電極３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。
【００４３】
本実施形態の圧電素子の電極３は、圧電部１に電気的に接続されている。また、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。即ち、接着剤を使用していないために、接着剤等の介在による基体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。なお、本明細書にいう「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、基体２と、圧電部１又は電極３との固相反応により、両者が緊密一体化した状態のことをいう。なお、積層型の圧電素子においては、図８に示すように、最下部に位置する圧電部１ａを、基体２上に電極（正極３ｇ）を介して固着するか、又は電極を介在させることなく直接固着すればよい。
【００４４】
また、本実施形態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が、動きやすい分極構造であるという点で１２０％以上であることが好ましく、１２５％以上であることが更に好ましい。
【００４５】
次に、本実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。本実施形態の圧電素子を製造するに際しては、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（圧電磁器組成物）を、セラミックスからなる基体上、又はこの基体に形成された電極上に積層する。なお、基体は、セラミックス原料を用いてプレス加工、押出加工等の加工方法により所望の形状の成形体を得、得られた成形体を、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。
【００４６】
圧電材料（第一の圧電磁器組成物）は、その組成が所定の式で表される第一の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り、以下のようにして調製することができる。
【００４７】
まず、Ｐｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、又は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、Ｐｂ3Ｏ4、Ｌａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＮｉＯ、Ｎｂ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2）、これら各元素の炭酸塩（例えば、ＢａＣＯ3、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、Ｎｂ、Ｚｒ、及びＴｉの各元素の含有率が前述の式（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。混合物の平均粒径は、１μｍ以下とすることが、均一な混合が可能となるために好ましく、０．５μｍ以下とすることが更に好ましい。調製した混合物を７５０〜１３００℃で仮焼すれば、第一の圧電磁器組成物を得ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態の圧電素子を製造するに当っては、その組成が下記式（２）により表される第二のＰｂ（Ｍｇ、Ｎｉ）1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分とする第二の圧電磁器組成物と、その組成が下記式（３）により表されるＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3Ｏ3−ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3三成分固溶系組成物を主成分としＮｉＯを０．１〜３．０質量％含有する第三の圧電磁器組成物と、を順次積層及び焼成することによって、圧電部を形成することが好ましい。このことにより、ずれを生ずることなく所望とする組成の圧電部を形成することが可能となる。
Ｐｂx｛（Ｍｇ1-yＮｉy）1/3×aＮｂ2/3｝bＴｉcＺｒdＯ3    …（２）
（上記式（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、前記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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
Ｐｂx（Ｍｇy/3Ｎｂ2/3）aＴｉbＺｒcＯ3    …（３）
（上記式（３）中、０．９５≦ｘ≦１．０５、０．９５≦ｙ≦１．０５であり、かつａ，ｂ，ｃが、前記ａ，ｂ，ｃ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）、（０．０５０，０．４２５，０．５２５）、（０．０５０，０．５２５，０．４２５）、（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））
【００４９】
圧電磁器組成物の、Ｘ線回折装置による回折強度における、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は、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。
【００５０】
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することにより、所望の粒径の圧電材料粉末を得ることができる。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であることが更に好ましい。また、圧電材料粉末の最大粒径は３．０μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることが更に好ましい。圧電材料粉末の粒径をこのようにしておくことで、後述する熱処理によって、平均粒径が１〜１０μｍ、最大粒径が平均粒径の５倍以下である圧電磁器組成物を得ることができる。
【００５１】
なお、圧電材料粉末の粒径の調整は、粉砕物を４００〜７５０℃で熱処理することにより行ってもよい。これにより、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。
【００５２】
圧電材料を基体等の上に積層する方法としては、例えば、スクリーン印刷法、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、厚み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。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い。一方、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、この電極上に圧電材料を積層すればよい。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、基体や圧電部との接合性の点でスパッタリング、又はスクリーン印刷が好ましい。
【００５３】
形成された電極は、１０００〜１４００℃程度の熱処理により、基体及び／又は圧電部と一体化することができる。この熱処理は、圧電材料を積層する前、即ち電極を形成した時点で行ってもよいが、圧電材料を積層後に行う後述の熱処理と一括して行ってもよい。
【００５４】
次に、基体上又は電極上に積層した圧電材料を、この圧電材料と同組成の雰囲気制御材料を共存させ、密封雰囲気内で熱処理する。これにより、Ｐｂ、Ｎｉ等の各元素成分の揮発を防止し、各元素成分が所望の比率で含有する圧電部を形成することができる。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。
【００５５】
熱処理に際しては、雰囲気制御材料を、雰囲気における容器内空間単位体積当りの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共存させることが更に好ましく、０．１０〜０．３０ｍｇ／ｃｍ3共存させることが特に好ましい。共存させる雰囲気制御材料の、雰囲気における容器内空間単位体積当りの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形成し難くなるため、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る場合がある。一方、共存させる雰囲気制御材料の、雰囲気における容器内空間単位体積当りのＮｉＯ換算量が０．５０ｍｇ／ｃｍ3超であると、ＮｉＯ粒子が過剰に存在する圧電部が形成される場合があり、絶縁破壊が生じ易くなる傾向にある。
【００５６】
なお、共存させる雰囲気制御材料の、雰囲気における容器内空間単位体積当りのＮｉＯ換算量を、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が、圧電部中に、基体に接する側から反対側（基体とは接しない側）へと向かって高濃度となる濃度勾配を有して分散させた状態とすることができる。また、共存させる雰囲気制御材料のＮｉＯ含有率を調整することにより、濃度勾配を調整することもできる。
【００５７】
熱処理に際しては、圧電材料が積層された基体を収納・載置する容器や棚板として、圧電材料と同一組成の雰囲気制御材料を共存させた雰囲気内で熱処理（以下、単に「予備処理」ともいう）した容器や棚板を用いることが好ましい。このような容器や棚板を使用することにより、所望量のＮｉＯを確実に含有する圧電部を形成することができ、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を製造することができる。
【００５８】
また、熱処理に際しては、所定量の雰囲気制御材料を共存させることに加え、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更に好ましい。このことにより、結晶粒子（第一の圧電磁器組成物）の表面や内部にＮｉＯ粒子が存在する圧電部を形成することができ、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より高い圧電素子を製造することができる。なお、ＮｉＯ粒子を偏在させるには、ＮｉＯ粒子を形成することができる条件の下、前述した「ＮｉＯが、圧電部中に、基体に接する側から反対側（基体とは接しない側）へと向かって高濃度となる濃度勾配を有して分散させた状態とする」場合と同様にして熱処理を行えばよい。
【００５９】
前述の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。また、予備処理による効果を十分に発揮させるためには、基体等の上に積層した圧電材料を熱処理する際の温度の±１００℃の温度で予備処理を行うことが好ましい。また、結晶粒子の表面や内部にＮｉＯ粒子を確実に存在させるためには、予備処理を複数回行うことが好ましく、３回以上行うことが更に好ましい。もっとも、予備処理を一度行った後に、圧電材料の熱処理を複数回行うことも好ましい。また、予備処理を複数回行った後に、圧電材料の熱処理を１回行うことも好ましい。更には、予備処理を複数回行った後に、圧電材料の熱処理を複数回行うことも好ましい。
【００６０】
圧電材料の熱処理温度は、１０００〜１４００℃とすることが好ましく、１１００〜１３５０℃とすることが更に好ましい。１０００℃未満であると、基体と圧電部との固着が不不十分となったり、圧電部の緻密性が不十分となることがある。一方、１４００℃超であると、圧電材料中のＰｂ、Ｎｉの揮発量が多くなり、所望の組成の圧電部とすることが困難となる場合がある。
【００６１】
また、熱処理の最高温度保持時間は、１０分〜１０時間とすることが好ましく、１４時間とすることが更に好ましい。１０分未満でであると、圧電部の緻密化や粒成長が不十分となり易く、所望の特性が得られない場合がある。一方、１０時間超であると、雰囲気制御を行った場合であっても、Ｐｂ、Ｎｉの揮発量が多くなり、特性が低下したり、絶縁破壊生じ易くなる場合がある。
【００６２】
圧電材料の熱処理は、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、電極の熱処理と一括して行ってもよい。同様に、積層型の圧電素子（図８参照）については、各電極及び各圧電材料からなる層は、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。また、いくつかの電極と圧電材料からなる層を形成した後に熱処理を行う、といったサイクルを繰り返してもよい。
【００６３】
また、熱処理後に、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。分極処理後の容量は、分極処理前の容量の１２０％以上であることが好ましく、１２５％以上であることが更に好ましい。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、各種物性値及び特性の測定・評価方法を以下に示す。
【００６５】
［屈曲変位］：上下電極間に電界が１．５ｋＶ／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。実施例及び比較例の圧電素子の１００個についてそれぞれ屈曲変位を測定し、その平均値を屈曲変位（μｍ）とした。
【００６６】
［４／２屈曲変位比率］：上下電極間に電界が２ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印加した際に生じた屈曲変位に対する、４ｋＶ／ｍｍとなるように電圧を印加した際に生じた屈曲変位の比（４／２屈曲変位比率（％））を測定・算出した。なお、電界に体する屈曲変位の直線性が高いほど、４／２屈曲変位比率は２００％に近似した値となる。
【００６７】
［屈曲変位ばらつき］：実施例及び比較例の圧電素子の１００個についてそれぞれ屈曲変位を測定し、その３σを平均値で除して得た値を「屈曲変位ばらつき（％）」として算出した。
【００６８】
［平均粒径及び最大粒径］：圧電部を構成する結晶粒子の表面を走査型電子顕微鏡で鏡検することにより測定した。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、結晶粒子１００個分の粒径を測定して平均粒径と最大粒径を算出した。
【００６９】
［気孔率］：圧電素子の圧電部の表面における、縦５０μｍ×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割合をそれぞれ求め、これらの面積割合の平均値を「気孔率（％）」として算出した。
【００７０】
（実施例１）
Ｙ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2基体（薄肉部の寸法：１．６×１．１ｍｍ、厚み：１０μｍ、厚み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、厚み：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。この電極上に、平均粒径０．４５μｍ、最大粒径１．８μｍの、その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.87Ｎｉ0.13）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）からなる圧電材料をスクリーン印刷法により、寸法：１．３×０．９ｍｍ、厚さ：１１μｍとなるように積層した。更にその上に、白金からなる電極（寸法：１．０×０．６ｍｍ、厚み：３μｍ）と、平均粒径が０．５２μｍ、最大粒径が２．０μｍの、その組成がＰｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物９８．５質量％及びＮｉＯ１．５質量％を含有する圧電磁器組成物からなる圧電材料とをスクリーン印刷法により、寸法：１．３×０．９ｍｍ、厚み：１１μｍとなるように順次積層した。
【００７１】
次いで、基体上に圧電材料及び電極を積層したものを、上層の圧電材料と同一組成の雰囲気制御材料を０．１５ｍｇ／ｃｍ3（容器内空間単位容積当りに含まれる、圧電材料と同一組成の雰囲気制御材料中のＮｉＯ量）共存させた容器内で１２７５℃、２時間熱処理した。熱処理後の圧電部の厚みは１０μｍであった。
【００７２】
なお、熱処理に際しては、予め、上層の圧電材料と同一組成の雰囲気制御材料を０．１５ｍｇ／ｃｍ3（容器内空間単位体積当りに含まれる、圧電材料と同一組成の雰囲気制御材料中のＮｉＯ量）共存させた容器内で一回の予備処理を行って雰囲気に馴染ませた容器及び棚板を使用した。次いで、上層の圧電部の上に、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。
【００７３】
（実施例２）
平均粒径が０．５１μｍ、最大粒径が５．３μｍの、その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.870Ｎｉ0.130）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）からなる圧電材料と、平均粒径が０．４９μｍ、最大粒径が４．７μｍの、その組成がＰｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物９８．５質量％及びＮｉＯ１．５質量％を含有する圧電磁器組成物からなる圧電材料とを使用したこと以外は、前述の実施例１と同様にして圧電素子を製造した。
【００７４】
（評価）
実施例１の圧電素子の圧電部を構成する結晶粒子の平均粒径は、２．８μｍ、最大粒径は６．９μｍであった。また、４／２屈曲変位比率は１６７％であり、電界に対する屈曲変位の直線性が高いことが判明した。また、屈曲変位自体も、１．４３μｍと大きかった。なお、実施例１の圧電素子の圧電部の組成を調べるために、圧電部を研磨してＥＰＭＡによる分析を行った。その結果、下層の圧電部と上層の圧電部の組成は、いずれも「Ｐｂ0.99｛（Ｍｇ0.70Ｎｉ0.30）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.42Ｚｒ0.38Ｏ3」と同等であった。
【００７５】
一方、実施例２の圧電素子の圧電部を構成する結晶粒子の平均粒径は２．９μｍであったが、最大粒径は平均粒径の５倍超（１４．８μｍ）であった。そして、この圧電素子の４／２屈曲変位比率は１５０％であり、電界に対する屈曲変位の直線性は、実施例１の圧電素子よりも低いことが判明した。また、屈曲変位自体も１．８１μｍであり、実施例１の圧電素子よりも小さかった。なお、下層の圧電部と上層の圧電部の組成は、いずれも「Ｐｂ0.99｛（Ｍｇ0.70Ｎｉ0.30）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.42Ｚｒ0.38Ｏ3」であった。結果をまとめて表１に示す。
【００７６】
【表１】
2006202990.tif 000003
【００７７】
（参考例１〜３）
その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.70Ｎｉ0.30）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）及びその組成がＰｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物９８．５質量％と、ＮｉＯ１．５質量％と、を含有する圧電磁器組成物を調製し、この圧電磁器組成物の９７体積％、９３体積％、及び８５体積％に対して、粒径８〜１２μｍのラテックスをそれぞれ３体積％、７体積％、及び１５体積％混合したものを圧電材料として用いたこと以外は前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。
【００７８】
（評価）
参考例３の圧電素子（圧電材料中にラテックスを１５体積％含有）の圧電部の気孔率は１７％、４／２屈曲変位比率は１４０％、屈曲変位は１．０８μｍであった。参考例２の圧電素子（圧電材料中にラテックスを７体積％含有）の圧電部の気孔率は９％、４／２屈曲変位比率は１５１％、屈曲変位は１．２７μｍであった。また、参考例１の圧電素子（圧電材料中にラテックスを３体積％含有）の圧電部の気孔率は５％、４／２屈曲変位比率は１６５％、屈曲変位は１．３３μｍであった。以上から、圧電部の気孔率が小さくなるに従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。
【００７９】
【表２】
2006202990.tif 000004
【００８０】
（比較例１，２）
形成される圧電部の組成が表３に示す組成となるように、異なる三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前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。
【００８１】
（評価）
実施例１の圧電素子の圧電部（ＭｇのＮｉへの置換割合が０．３０）の気孔率は２％と小さかった。また、屈曲変位は１．４３μｍと大きかったが、屈曲変位ばらつきは２．２％と小さかった。これに対して、比較例１の圧電素子の圧電部（ＭｇのＮｉへの置換割合が０．１８）の気孔率は３％であった。また、屈曲変位は１．２９μｍと大きかったものの、屈曲変位ばらつきが３．３％と大きく、実施例１の圧電素子よりも劣る結果となった。
【００８２】
他方、比較例２の圧電素子の圧電部（ＭｇのＮｉへの置換割合が０．５５）の気孔率は４％と小さく、屈曲変位ばらつきも２．９％と比較的小さかった。しかし、屈曲変位は１．１９μｍと最も小さかった。結果をまとめて表３に示す。
【００８３】
【表３】
2006202990.tif 000005
【００８４】
（実施例３）
その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.84Ｎｉ0.16）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）からなる圧電材料と、白金電極と、その組成がＰｂ1.00（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物９９．４質量％及びＮｉＯ０．６質量％を含有する圧電磁器組成物からなる圧電材料と、を順次積層したこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。得られた圧電素子の圧電部の組成は、Ｐｂ1.00｛（Ｍｇ0.77Ｎｉ0.23）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3と均一であった。
【００８５】
（実施例４）
ＺｒＯ2基体と一体化された電極上に、その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.84Ｎｉ0.16）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）からなる圧電材料と、白金電極と、その組成がＰｂ1.00｛（Ｍｇ0.84Ｎｉ0.16）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3で表される三成分固溶系組成物９９．０質量％及びＮｉＯ１．０質量％を含有する圧電磁器組成物からなる圧電材料と、を順次積層したこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。得られた圧電素子の圧電部の組成は、Ｐｂ1.00｛（Ｍｇ0.67Ｎｉ0.33）0.98/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3と均一であった。
【００８６】
（実施例５）
ＺｒＯ2基体と一体化された電極上に、Ｐｂ1.00｛（Ｍｇ0.84Ｎｉ0.16）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3三成分固溶系組成物（圧電磁器組成物）からなる圧電材料と、白金電極と、Ｐｂ1.00｛（Ｍｇ0.84Ｎｉ0.16）0.97/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3三成分固溶系組成物９９．０質量％及びＮｉＯ１．０質量％を含有する圧電磁器組成物からなる圧電材料と、を順次積層したこと、及び、熱処理の際に、予め、予備処理を３回行った容器と棚板を用いたこと以外は、前述の実施例１と同様にして圧電素子を製造した。得られた圧電素子の圧電部の組成は、Ｐｂ1.00｛（Ｍｇ0.61Ｎｉ0.39）1/3Ｎｂ2/3｝0.20Ｔｉ0.43Ｚｒ0.37Ｏ3と均一であった。
【００８７】
（評価）
実施例３の圧電素子の４／２屈曲変位比率は１６４％であり、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１．４５μｍ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、ＮｉＯ粒子の存在は認められなかった。
【００８８】
一方、実施例４の圧電素子の４／２屈曲変位比率は１７０％であり、実施例３の圧電素子と比べて屈曲変位は同程度であるが、電界に対する屈曲変位の直線性が高いことが判明した。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、圧電部の表面にはＮｉＯ粒子の存在は認められなかったものの、圧電部の内部にはＮｉＯ粒子の存在が認められた。また、Ｎｉは、圧電部中に、基体に接する側から反対側へと向かって高濃度となる濃度勾配を有して分散していることが判明した。
【００８９】
また、実施例５の圧電素子の４／２屈曲変位比率は１７７％であり、実施例３の圧電素子と比べて屈曲変位は同程度であるが、電界に対する屈曲変位の直線性は最も高かった。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、圧電部の表面と圧電部の内部の両方で、ＮｉＯ粒子が存在していることが認められた。更に、このＮｉＯ粒子からはＭｇが検出された。結果をまとめて表４に示す。
【００９０】
【表４】
2006202990.tif 000006
【００９１】
（実施例６、比較例３，４）
形成される圧電部の組成が表５に示す組成となるような圧電材料を用いたこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。なお、形成された圧電部の組成は均一であった。
【００９２】
（評価）
圧電部中のＭｇとＮｉの合計含有割合が本発明の範囲内（ａ＝０．９７）である実施例６の圧電素子は、屈曲変位が１．４８μｍと大きく、屈曲変位ばらつきは２．２％と小さかった。これに対して、圧電部中のＭｇとＮｉの合計含有割合が小さな（ｙ＝０．８６）比較例３の圧電素子は、屈曲変位が１．１５μｍと小さく、屈曲変位ばらつきも３．４％と大きかった。また、圧電部中のＭｇとＮｉの合計含有割合が大きな（ｙ＝１．１３）比較例４の圧電素子は、屈曲変位が１．０４μｍと最も小さく、屈曲変位ばらつきも４．０％と大きかった。結果をまとめて表５に示す。
【００９３】
【表５】
2006202990.tif 000007
【００９４】
（実施例７、比較例５）
形成される圧電部の組成が表６に示す組成となるような圧電材料を用いたこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。なお、形成された圧電部の組成は均一であった。
【００９５】
（評価）
圧電部中のＰｂの含有割合が本発明の範囲内（ｘ＝１．０１）である実施例７の圧電素子は、屈曲変位が１．３４μｍと大きく、屈曲変位ばらつきは２．６％と小さかった。これに対して、圧電部中のＰｂの含有割合が小さな（ｘ＝０．９３）比較例５の圧電素子は、屈曲変位が１．１３μｍと小さかった。結果をまとめて表６に示す。
【００９６】
【表６】
2006202990.tif 000008
【００９７】
（実施例８〜１１）
形成される圧電部の組成が表７に示す組成となるような圧電材料を用いたこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。なお、形成された圧電部の組成は均一であった。
【００９８】
（評価）
実施例８〜１１のいずれの圧電素子も、屈曲変位ばらつきが０．０３６μｍ以下と比較的小さく、屈曲変位も１．４４μｍ以上と大きかった。但し、Ｐｂの５．０ｍｏｌ％をＳｒで置換した圧電部を備えた実施例９の圧電素子、及びＰｂの１０．０ｍｏｌ％をＢａで置換した圧電部を備えた実施例１０の圧電素子では、屈曲変位がそれぞれ１．５３μｍ、１．５１μｍと、Ｐｂを全く置換しない圧電部を備えた実施例８の圧電素子に比べて、屈曲変位がより大きくなった。
【００９９】
一方、Ｐｂの７．５ｍｏｌ％をＢａ、７．５ｍｏｌ％をＣａ（全体で１５ｍｏｌ％）で置換した圧電部を備えた実施例１１の圧電素子では、屈曲変位が１．４４μｍと、Ｐｂを全く置換しない圧電部を備えた実施例８の圧電素子に比べて、屈曲変位がより小さくなった。結果をまとめて表７に示す。
【０１００】
【表７】
2006202990.tif 000009
【０１０１】
（実施例１２，１３）
形成される圧電部の組成が表８に示す組成となるような圧電材料を用いたこと以外は、前述の実施例１と同様にして、圧電素子を製造した。なお、形成された圧電部の組成は均一であった。
【０１０２】
実施例１２，１３のいずれの圧電素子も、屈曲変位ばらつきが２．５％以下と、比較的小さかった。但し、Ｐｂの０．８ｍｏｌ％をＬａで置換した圧電部を備えた実施例１２の圧電素子では、屈曲変位が１．５１μｍと、Ｐｂの一部をＬａで置換していない圧電部を備えた実施例８の圧電素子に比べて、屈曲変位がより大きくなった。一方、Ｐｂの１．５ｍｏｌ％をＬａで置換した圧電を備えた実施例１３の圧電素子では、屈曲変位が１．４３μｍと、実施例８の圧電素子に比べて、屈曲変位がより小さくなった。結果をまとめて表８に示す。
【０１０３】
【表８】
2006202990.tif 000010
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
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、セラミックスからなる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、アクチュエータや、緻密で小型な誘電素子、焦電素子としてコンデンサー、センサー等として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１（ａ）】本発明の圧電素子の一実施形態を模式的に示す平面図である。
【図１（ｂ）】図１（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。
【図２（ａ）】本発明の圧電素子の他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図２（ｂ）】図２（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。
【図３（ａ）】本発明の圧電素子の更に他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図３（ｂ）】図３（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。
【図４（ａ）】本発明の圧電素子の更に他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図４（ｂ）】図４（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。
【図５（ａ）】本発明の圧電素子の更に他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。
【図６】本発明の圧電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７】本発明の圧電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８】本発明の圧電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９】本発明の圧電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１０】本発明の圧電素子の更に他の実施形態をより具体的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ａ〜１ｋ，１…圧電部、２ａ…固着面、２ｂ…厚肉部、２ｃ…薄肉部、２…基体、３ａ…上部電極、３ｂ…下部電極、３ｃ，３ｄ…櫛形電極、３ｅ…共通電極、３ｆ…負極、３ｇ…正極、３ｈ…中間電極、３…電極。
【図１（ａ）】
2006202990.tif 000011
【図１（ｂ）】
2006202990.tif 000012
【図２（ａ）】
2006202990.tif 000013
【図２（ｂ）】
2006202990.tif 000014
【図３（ａ）】
2006202990.tif 000015
【図３（ｂ）】
2006202990.tif 000016
【図４（ａ）】
2006202990.tif 000017
【図４（ｂ）】
2006202990.tif 000018
【図５（ａ）】
2006202990.tif 000019
【図５（ｂ）】
2006202990.tif 000020
【図６】
2006202990.tif 000021
【図７】
2006202990.tif 000022
【図８】
2006202990.tif 000023
【図９】
2006202990.tif 000024
【図１０】
2006202990.tif 000025