(57)【要約】【課題】  環境負荷を低減し、圧電特性に優れた圧電セラミックス及び圧電素子を提供する。【解決手段】  チタン酸亜鉛酸ビスマスナトリウムバリウムを含む複合酸化物からなり、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が、０．３５ｍｏｌ％以上１．２５ｍｏｌ％である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸亜鉛酸ビスマスナトリウムバリウムを含む複合酸化物からなり、
チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．３５ｍｏｌ％以上１．２５ｍｏｌ％であることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】
前記複合酸化物は、前記チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．９０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス。
【請求項３】
前記複合酸化物は、前記チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．４０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする請求項１又は２に圧電セラミックス。
【請求項４】
前記複合酸化物は、さらにリチウムを含み、前記ナトリウム及び前記リチウムの総量に対する前記リチウムの割合が５ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１〜３何れか一項に記載の圧電セラミックス。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と、前記圧電セラミックス層に設けられた電極層と、を有することを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックス及び圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、液体噴射ヘッドに用いられる圧電アクチュエーターや、圧電トランス、超音波振動子、センサー等に用いられる圧電セラミックスの代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなるものが挙げられる。
【０００３】
しかしながら、近年、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電セラミックスが求められている。そこで、鉛を含有しない圧電材料として、例えば、チタン酸ビスマスや、チタン酸バリウム等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３５５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、鉛を含有しない圧電セラミックスでは、鉛系圧電材料と比較すると良好な圧電特性が得られず、例えば、液体噴射ヘッドの圧電アクチュエーターに用いた場合には、所望の歪み量が得られない。このため、さらに圧電特性に優れたものが求められている。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷を低減し、圧電特性に優れた圧電セラミックス及び圧電セラミックスを有する圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の態様は、チタン酸亜鉛酸ビスマスナトリウムバリウムを含む複合酸化物からなり、チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．３５ｍｏｌ％以上１．２５ｍｏｌ％であることを特徴とする圧電セラミックスにある。
かかる態様では、環境負荷を低減し、圧電特性に優れたものとすることができる。例えば、歪み量を大きくすることができる。
【０００８】
また、前記複合酸化物は、前記チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．９０ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。これによれば、歪み量が大きく、ｔａｎδ（誘電損失）が小さいものとすることができ、圧電特性に優れたものとすることができる。
【０００９】
また、前記複合酸化物は、前記チタン及び亜鉛の総量に対する前記亜鉛の割合が、０．４０ｍｏｌ％以上であるのが好ましい。これによれば、歪み量が大きく、εｒ（比誘電率）が高いものとすることができ、圧電特性に優れたものとすることができる。
【００１０】
前記複合酸化物は、さらにリチウムを含み、前記ナトリウム及び前記リチウムの総量に対する前記リチウムの割合が５ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。これによれば、歪み量をさらに大きくすることができ、さらに圧電特性に優れたものとすることができる。
【００１１】
本発明の他の態様は、上記態様の圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層と、前記圧電セラミックス層に設けられた電極層と、を有することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、環境負荷を低減し、圧電特性に優れた圧電素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る圧電素子の断面図である。
【図２】試験例１の結果を示す図である。
【図３】試験例１の結果を示す図である。
【図４】試験例１の結果を示す図である。
【図５】実施例２のＰ−Ｅ曲線を表す図である。
【図６】参考例１のＰ−Ｅ曲線を表す図である。
【図７】試験例３の結果を示す図である。
【図８】記録ヘッドの分解斜視図である。
【図９】記録ヘッドの断面図である。
【図１０】記録装置の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を示す断面図である。
図１に示すように、圧電素子４０は、圧電セラミックス層４４と、電極層４３、４５と、を具備する。
【００１４】
このような圧電素子４０では、一対の電極層４３、４５に電圧を印加することで圧電セラミックス層４４に電界を発生させて、圧電セラミックス層４４を伸張・収縮させる。
【００１５】
ここで、本実施形態における圧電セラミックス層４４は、圧電セラミックスからなる。かかる圧電セラミックスは、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型構造の複合酸化物からなり、この複合酸化物は、チタン酸亜鉛酸ビスマスバリウムナトリウムを含み、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である。このように、複合酸化物を所定量の亜鉛を含むチタン酸亜鉛酸ビスマスバリウムナトリウムとすることにより、圧電セラミックス層４４を圧電特性に優れたものとすることができる。例えば、歪み量を大きくすることができる。具体的には、後述する実施例に示すが、亜鉛を含まないチタン酸ビスマスナトリウムバリウムの複合酸化物からなる圧電材料層と比較して、圧電定数（ｄ３３）を高くすることができる。また、ｔａｎδが大幅に上昇することなく、歪み量を大きくすることができる。言い換えれば、上述した範囲の亜鉛を含むことにより、圧電セラミックス層４４は、ｔａｎδを大幅に上昇させることなく歪み量を大きくすることができる。なお、亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％未満の場合や、亜鉛の割合が１．２５ｍｏｌ％より多い場合には、チタン酸ビスマスナトリウムバリウム（（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３）の複合酸化物からなる圧電材料層と比較して歪み量が低下してしまう。
【００１６】
また、複合酸化物は、ビスマス、ナトリウム、バリウムの割合は特に限定されないが、例えば、ビスマス、ナトリウム、バリウムの総量に対するナトリウムの割合が４１．０ｍｏｌ％以上４９．０ｍｏｌ％以下であるのが好ましく、ビスマス、ナトリウム、バリウムの総量に対するバリウムの割合が１．０ｍｏｌ％以上１５．０ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。
【００１７】
ここで、本実施形態にかかる複合酸化物は、ペロブスカイト構造のＡサイトにビスマス、ナトリウム、及びバリウムを含み、Ｂサイトにチタン及び亜鉛を含むものである。具体的には、ビスマス、ナトリウム、及びバリウムの総モル量と、チタン及び亜鉛の総モル量との比が１：１のものが挙げられるが、これに限定されず、例えば、（ビスマス、ナトリウム、及びバリウムの総モル量）／（チタン及び亜鉛の総モル量）＝０．８〜１．５であってもよい。ビスマス、ナトリウム、及びバリウムの総モル量と、チタン及び亜鉛の総モル量との比を変化させ、最適化することで、ペロブスカイト構造内の酸素欠陥量を制御し、結晶性を向上させることにより圧電特性を向上させることができる。
【００１８】
また、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．９０ｍｏｌ％以下が好ましい。圧電セラミックス層４４のｔａｎδを小さくすることができるためであり、例えば、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３と比較してｔａｎδを小さくすることができる。なお、ｔａｎδが小さくなると、発熱量が小さくなり、発熱するエネルギーが少なくなることにより消費エネルギーを少なくすることができ、低い駆動電力で高い圧電変位を得ることができる。
【００１９】
また、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．４０ｍｏｌ％以上であるのが好ましい。圧電セラミックス層４４の比誘電率を高くすることができるためであり、例えば、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｂａ）ＴｉＯ３と比較して比誘電率を向上させることができる。
【００２０】
チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．４０ｍｏｌ％以上０．９０ｍｏｌ％以下が特に好ましい。歪み量を大きくすることができると共にｔａｎδの値が小さく且つ比誘電率の高いものとすることができるためである。
【００２１】
また、圧電セラミックス層４４は、さらに他の金属を含有していてもよく、ナトリウムの一部に相当する量の他の金属をナトリウムに代わって含むようにするのが好ましい。すなわち、他の金属を含有する場合は、例えば、ビスマス、ナトリウム、バリウム、及び他の金属の総量に対するナトリウム及び他の金属の割合が４１．０ｍｏｌ％以上４９．０ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。他の金属としては、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等を挙げることができる。複合酸化物がリチウムを含む場合は、ナトリウム及びリチウムの総量に対するリチウムの割合が５ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下であるのが好ましい。これによれば、歪み量をさらに大きくすることができ、圧電特性が優れたものとすることができる。
【００２２】
本実施形態にかかる圧電セラミックス層４４は、上述した複合酸化物からなるものとすることにより、歪み量が大きく、優れた圧電特性を有するものとなる。すなわち、このような圧電セラミックス層４４を用いた圧電素子４０は、低い駆動電力で高い圧電変位を得ることができる、いわゆる圧電特性に優れた圧電素子４０とすることができる。さらに圧電セラミックス層４４が、上記のような非鉛系の圧電材料で形成されることで、環境への悪影響も防止することができる。
【００２３】
また、圧電セラミックス層４４に用いられる亜鉛は安価で取り扱いが容易であるため、低コスト且つ容易に圧電特性に優れた圧電セラミックス層４４を実現することができる。
【００２４】
ここで、このような圧電素子４０の製造方法の一例について、説明する。
まず、圧電セラミックス層４４を得るための出発原料として、ビスマス、ナトリウム、バリウム、チタン、亜鉛の金属の粉末やこれらを含有する金属化合物の粉末を、目的とする組成比となるように秤量する。ここで、化合物の配合量は、結果物がチタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％となるように調整する。ビスマスを含有する金属、金属化合物としては、例えば、ビスマス、ビスマス酸化物、水酸化ビスマスを挙げることができ、ナトリウムを含有する金属化合物としては、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム等を挙げることができ、バリウムを含有する金属、金属化合物としては、バリウム、バリウム酸化物、炭酸バリウム等を挙げることができ、チタンを含有する金属、金属化合物としては、チタン、チタン酸化物等を挙げることができ、亜鉛を含有する金属、金属化合物としては、亜鉛、酸化亜鉛等を挙げることができる。また、例えば、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマス、ビスマス酸ナトリウム、チタン酸バリウム、亜鉛酸ナトリウムといったビスマス、ナトリウム、バリウム、チタン、亜鉛などが複合して含まれる金属化合物を使用してもよい。
【００２５】
そして、秤量したこれらの粉末に、純水、又はアルコールなど揮発性が純水より高い液体を添加して混合し、ボールミル等の粉砕装置により、粉砕・混合した後、乾燥させて混合粉末を得る。なお、粉砕・混合する時間は、特に限定されないが、例えば、ボールミルを用いて毎分１００回転、２４時間混合する。
【００２６】
そして、混合粉末を電気炉で７５０〜９５０℃で１〜１０時間反応させて、仮焼成粉末を得る（仮焼成工程）。
【００２７】
次に、乳鉢において仮焼成粉末を粉砕した後、粉砕した仮焼成粉末と純水又はアルコールなど揮発性が純水より高い液体を混合した後、ボールミル等の粉砕装置により、例えば、１時間粉砕・混合する。
【００２８】
次に、得られた仮焼成粉末に、例えば、所定量のバインダー、溶剤、分散剤、可塑剤を添加して混合し、成形することで仮焼成体を得る。この仮焼成体の両端に、電極材料をスクリーン印刷法等により形成し、乾燥を行うことにより、圧電セラミックス層４４の材料と電極層４３，４５の材料とからなる積層体を作製する。
【００２９】
そして、この積層体を電気炉で、６５０℃まで２０時間で昇温して２時間保持し、脱脂（脱脂工程）を行った後、１００℃／時間で１０００〜１２００℃まで昇温し、２〜５０時間焼成（焼成工程）を行うことで、圧電セラミックス層４４と電極層４３，４５が作製される。一般的に、チタン酸ビスマス酸ナトリウム系の圧電材料の焼成温度は、比較的高いが、亜鉛を配合することにより、焼成温度を低下させることができる。具体的には、圧電セラミックス層４４に亜鉛が含有されている場合、焼結温度を５０〜１２０℃程度低下させることができる。このように焼成温度を低下させることで、電極層４３，４５の材料の選択肢が広がり、例えば、ニッケル、銀、パラジウムを主成分とする電極材料を用いることができる。また、焼成に使用するエネルギー量を従来よりも小さくすることが可能となるため製造コストの削減を図ることができる。
【００３０】
最後に、圧電素子４０に対して一方向に電界を印加して、分極モーメントの方向を揃える分極処理を行う。本実施形態では、圧電素子４０に、例えば、３ｋＶ／ｍｍの電界を５分間かけることにより、十分な分極処理を行うことができる。
【００３１】
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
まず、圧電セラミックス層を得るための出発原料として、三酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を所定の組成比となるように秤量した後、エタノールを添加して混合し、遊星ボールミルにより２０分粉砕・混合した後、乾燥させて、混合粉末を得た。そして、この混合粉末を電気炉により空気雰囲気において８５０℃で２時間焼成して、仮焼成粉末を得た。次に、得られた仮焼成粉末を乳鉢で粉砕後、エタノールを添加して混合し、遊星ボールミルにより４０分間粉砕後、乾燥させ、得られた粉末にポリビニルアルコールを加えて、乳鉢で混合した。その粉末を押し型成形機により、直径１ｃｍで厚さ１ｍｍのペレット状とした。得られたペレット状の仮焼成体を、６５０℃まで３時間で昇温して２時間保持することにより脱脂を行った後、１０８０℃で２時間焼成して、下記一般式（１）で表されるＡＢＯ３型の複合酸化物からなり、ｘ＝０．４６５０、ｙ＝０．０６３０、ｚ＝０．００３５である圧電セラミックス層を形成した。
（Ｂｉ１−ｘ−ｙ，Ｎａｘ，Ｂａｙ）（Ｔｉ１−ｚ，Ｚｎｚ）Ｏ３    （１）
【００３３】
このように形成した圧電セラミックス層の表面を研磨し、その研磨面に銀ペーストを印刷により塗布して７００℃で２０分間焼成することで、圧電セラミックス層の厚さ方向の両側に一対の電極層を形成して圧電素子を形成した。
【００３４】
そして形成した圧電素子を２５℃のシリコンオイルに浸漬した状態で、３ｋＶ／ｍｍの電界を５分間印加することで、圧電素子の分極処理を行い、実施例１の圧電素子を得た。
【００３５】
（実施例２〜９及び比較例1〜２）
三酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、二酸化チタン、炭酸バリウム、酸化亜鉛の組成比を変更して、上記一般式（１）で表されるＡＢＯ３型の複合酸化物からなり且つｘ、ｙ、ｚが表１に示す値となるようにした以外は、実施例１と同様にして圧電素子を得た。
【００３６】
（参考例１）
酸化亜鉛を用いず、三酸化ビスマス、炭酸ナトリウム、二酸化チタン、炭酸バリウムの組成比を変更して、ｘ、ｙが表１に示す値となるように作製し、１２００℃で焼成を行った以外は、実施例１と同様にして圧電素子を得た。
【００３７】
（試験例１）
分極処理を行った各実施例、各比較例及び参考例１の圧電素子の圧電定数（ｄ３３）、比誘電率（εｒ）、及びｔａｎδをｄ３３メーター（Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社製）で測定した。この結果を表１及び図２〜４に示す。
【００３８】
【表１】
2011184268.tif 000002
【００３９】
表１及び図２に示すように、０．００３５≦ｚ≦０．０１２５である、すなわち、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である実施例１〜９の圧電素子は、圧電定数（ｄ３３）が１７３〜２２１（ｐＣ／Ｎ）であり、亜鉛を含まない参考例１の圧電素子よりも圧電定数が高くなった。
【００４０】
ここで、圧電定数（圧電歪み定数）ｄは、歪み量Ｓ、電界Ｅとした場合、Ｓｉ＝ｄｉｊ×Ｅｉで表される。なお、前式中のｉは歪方向であり、ｊは電圧印加方向である。この圧電定数ｄの値が大きいほど圧電体膜の歪みが大きい。なお、ｄ３３は、電界Ｅ３を印加し、その平行方向にＳ３歪む場合の圧電歪み定数であり、例えば、ｄ３１は、電界Ｅ３を印加し、その垂直方向にＳ１歪む場合の圧電歪み定数である。「１、２、３」は、それぞれｘ、ｙ、ｚ軸方向を意味する。
【００４１】
実施例１〜９の圧電素子は、圧電定数（ｄ３３）が高いことより、圧電定数（ｄ３１）も高いと推定される。
【００４２】
これに対し、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３０ｍｏｌ％である比較例１の圧電素子は、参考例１の圧電素子よりも圧電定数が低下していた。また、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が１．５０ｍｏｌ％である比較例２の圧電素子も同様に、参考例１の圧電素子よりも圧電定数が低下していた。
【００４３】
これより、圧電セラミックス層がチタン酸亜鉛酸ビスマスナトリウムバリウムを含む複合酸化物からなり、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である圧電素子は、歪み量が大きく圧電特性に優れるものとなることがわかった。
【００４４】
また、図３に示すように、０．００３５≦ｚ≦０．００９０である、すなわち、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜０．９０ｍｏｌ％である実施例１〜７の圧電素子は、亜鉛を含まない参考例１の圧電素子よりもｔａｎδが小さかった。これより、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜０．９０ｍｏｌ％である圧電素子は、歪み量が大きく且つｔａｎδが小さいものとなることがわかった。
【００４５】
図４に示すように、０．００４０≦ｚ≦０．０１２５である、すなわち、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．４０ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である実施例２〜９の圧電素子は、亜鉛を含まない参考例１の圧電素子よりも比誘電率が高くなっていた。これより、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．４０ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である圧電素子は、歪み量が大きく且つ比誘電率が大きいものとなることがわかった。
【００４６】
これより、０．００４０≦ｚ≦０．００９０である圧電体を有する圧電素子は、圧電定数が高く、ｔａｎδが小さく且つ比誘電率が高く、特に圧電特性に優れるものであることがわかった。
【００４７】
（試験例２）
実施例２及び参考例１の圧電素子について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で２５℃において周波数１０Ｈｚの三角波を印加して、Ｐ（分極量）−Ｅ（電界）の関係を求めた。結果をそれぞれ図５及び図６に示す。
【００４８】
図５及び図６に示すように、実施例２及び参考例１の圧電素子は、強誘電体に特徴的なヒステリシスループ形状が観測された。すなわち、実施例２及び参考例１の圧電素子は、強誘電体であることが確認された。
【００４９】
また、電界が６０ｋＶ／ｃｍのとき、実施例２の圧電素子は、抗電界がＥｃ＝３７ｋＶ／ｃｍで、残留分極値がＰｒ＝３０μＣ／ｃｍ２であり、参考例１の圧電素子は、抗電界がＥｃ＝３３ｋＶ／ｃｍであり且つ残留分極値がＰｒ＝２１μＣ／ｃｍ２であった。これより、実施例２の圧電素子は、参考例１の圧電素子よりも残留分極値が大きく、強誘電性が優れたものであり、圧電素子の小型化に適したものであることがわかった。また、圧電特性が優れていることがわかった。
【００５０】
（実施例１０）
圧電材料層を得るための出発原料として、三酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を所定の組成比となるように秤量して、下記一般式（１）で表されるＡＢＯ３型の複合酸化物からなり、ｘ＝０．４６００、ｙ＝０．０６８０、ｚ＝０．００６０を満たし、Ｎａの５ｍｏｌ％をリチウムで置換した圧電材料層を形成した以外は、実施例１と同様にして圧電素子を得た。
（Ｂｉ１−ｘ−ｙ，Ｎａｘ，Ｂａｙ）（Ｔｉ１−ｚ，Ｚｎｚ）Ｏ３    （１）
【００５１】
（実施例１１〜１３及び比較例３〜４）
炭酸ナトリウム、炭酸リチウムの組成比を変更して、上記一般式（１）で表されるＡＢＯ３型の複合酸化物からなり、ｘ＝０．４６００、ｙ＝０．０６８０、ｚ＝０．００６０を満たし、ナトリウム及びリチウムの総量に対するリチウムの割合（ｍｏｌ％）が表２に示す値となるようにした以外は、実施例１０と同様にして圧電素子を得た。
【００５２】
（試験例３）
分極処理を行った各実施例、各比較例及び参考例１の圧電素子の圧電定数（ｄ３３）、比誘電率（εｒ）、及びｔａｎδをｄ３３メーター（Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社製）で測定した。この結果を表２及び図７に示す。
【００５３】
【表２】
2011184268.tif 000003
【００５４】
表２及び図７に示すように、ナトリウム及びリチウムの総量に対するリチウムの割合が５ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下である実施例１０〜１３の圧電素子は、リチウムを含まない実施例４の圧電素子よりも、さらに圧電定数（ｄ３３）が高くなった。
【００５５】
これに対し、リチウムの割合が１０ｍｏｌ％、３０ｍｏｌ％の比較例３、比較例４の圧電素子は、圧電定数が著しく低くなり、圧電素子として使用できるものではなかった。
【００５６】
以上より、チタン酸亜鉛酸ビスマスナトリウムバリウムを含み、チタン及び亜鉛の総量に対する亜鉛の割合が０．３５ｍｏｌ％〜１．２５ｍｏｌ％である複合酸化物において、さらに、リチウムを含み、前記ナトリウム及び前記リチウムの総量に対する前記リチウムの割合が５ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下であることにより、圧電定数ｄ３３をより高くすることができることがわかった。
【００５７】
本実施形態の圧電素子４０は、良好な圧電特性を示すため、例えば、液体噴射ヘッドの圧電素子として用いることができる。図８は、その液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図９はインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【００５８】
図示するように、インクジェット式記録ヘッド１０は、アクチュエーターユニット２０と、アクチュエーターユニット２０が固定される１つの流路ユニット３０と、アクチュエーターユニット２０に接続される配線基板５０とで構成されている。
【００５９】
アクチュエーターユニット２０は、圧電素子４０を具備するアクチュエーター装置であり、圧力発生室２１が形成された流路形成基板２２と、流路形成基板２２の一方面側に設けられた振動板２３と、流路形成基板２２の他方面側に設けられた圧力発生室底板２４とを有する。
【００６０】
流路形成基板２２は、例えば、１５０μｍ程度の厚みを有するアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や、ジルコニア（ＺｒＯ2）などのセラミックス板からなり、本実施形態では、複数の圧力発生室２１がその幅方向に沿って並設された列が２列形成されている。そして、この流路形成基板２２の一方面に、例えば、厚さ１０μｍのジルコニアの薄板からなる振動板２３が固定され、圧力発生室２１の一方面はこの振動板２３により封止されている。
【００６１】
圧力発生室底板２４は、流路形成基板２２の他方面側に固定されて圧力発生室２１の他方面を封止すると共に、圧力発生室２１の長手方向一方の端部近傍に設けられて圧力発生室２１と後述するリザーバーとを連通する供給連通孔２５と、圧力発生室２１の長手方向他方の端部近傍に設けられて後述するノズル開口３４に連通するノズル連通孔２６とを有する。
【００６２】
そして、圧電素子４０は、振動板２３上の各圧力発生室２１に対向する領域のそれぞれに設けられ、例えば、本実施形態では、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、圧電素子４０の列も２列設けられている。
【００６３】
ここで、各圧電素子４０は、振動板２３上に設けられた電極層４３と、各圧力発生室２１毎に独立して設けられた圧電セラミックス層４４と、各圧電セラミックス層４４上に設けられた電極層４５とで構成されている。また、電極層４３は、並設された圧電セラミックス層４４に亘って設けられて各圧電素子４０の共通電極となっており、振動板の一部として機能する。勿論、電極層４３を各圧電セラミックス層４４毎に設けるようにしてもよい。
【００６４】
なお、アクチュエーターユニット２０の各層である流路形成基板２２、振動板２３及び圧力発生室底板２４は、粘土状のセラミックス材料、いわゆるグリーンシートを所定の厚さに成形して、例えば、圧力発生室２１等を穿設後、積層して焼成することにより接着剤を必要とすることなく一体化される。そして、その後、振動板２３上に圧電素子４０が形成される。
【００６５】
一方、流路ユニット３０は、アクチュエーターユニット２０の圧力発生室底板２４に接合されるインク供給口形成基板３１と、複数の圧力発生室２１の共通インク室となるリザーバー３２が形成されるリザーバー形成基板３３と、ノズル開口３４が形成されたノズルプレート３５とからなる。
【００６６】
インク供給口形成基板３１は、厚さ１５０μｍのジルコニアの薄板からなり、ノズル開口３４と圧力発生室２１とを接続するノズル連通孔３６と、前述の供給連通孔２５と共にリザーバー３２と圧力発生室２１とを接続するインク供給口３７を穿設して構成され、また、各リザーバー３２と連通し、外部のインクタンクからのインクを供給するインク導入口３８が設けられている。
【００６７】
リザーバー形成基板３３は、インク流路を構成するに適した、例えば、１５０μｍのステンレス鋼などの耐食性を備えた板材に、外部のインクタンク（図示なし）からインクの供給を受けて圧力発生室２１にインクを供給するリザーバー３２と、圧力発生室２１とノズル開口３４とを連通するノズル連通孔３９とを有する。
【００６８】
ノズルプレート３５は、例えば、ステンレス鋼からなる薄板に、圧力発生室２１と同一の配列ピッチでノズル開口３４が穿設されて形成されている。例えば、本実施形態では、流路ユニット３０には、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、ノズルプレート３５にも、ノズル開口３４の列が２列形成されている。また、このノズルプレート３５は、リザーバー形成基板３３の流路形成基板２２の反対面に接合されてリザーバー３２の一方面を封止している。
【００６９】
このような流路ユニット３０は、これらインク供給口形成基板３１、リザーバー形成基板３３及びノズルプレート３５を、接着剤や熱溶着フィルム等によって固定することで形成される。なお、本実施形態では、リザーバー形成基板３３及びノズルプレート３５をステンレス鋼によって形成しているが、例えば、セラミックスを用いて形成し、アクチュエーターユニット２０と同様に流路ユニット３０を一体的に形成することもできる。
【００７０】
そして、このような流路ユニット３０とアクチュエーターユニット２０とは、接着剤や熱溶着フィルムを介して接合されて固定されている。
【００７１】
また、図９に示すように、各圧電素子４０の長手方向一端部の圧力発生室２１の周壁に相対向する領域には、圧電素子４０に導通する端子部４６が設けられている。端子部４６は、圧電素子４０毎に設けられて圧電素子４０の電極層４５に導通する端子部４６と、圧電素子の並設方向両端部側に引き出された電極層４３に導通する端子部４６とが、圧電素子４０の並設方向に並設されている。本実施形態では、並設された圧電素子４０の列と列の間に並設された端子部４６の列を２列設けるようにした。
【００７２】
このような端子部４６は、流路形成基板２２（振動板２３）からの高さ、すなわち上端面が、圧電素子４０の流路形成基板２２（振動板２３）からの高さよりも高く形成されている。これは、端子部４６と配線基板５０の配線層５１とを接続した際に、配線基板５０が圧電素子４０に当接して、圧電素子４０の変位が低下するのを防止するためである。本実施形態では、端子部４６の流路形成基板２２（振動板２３）からの高さを２０μｍで形成した。
【００７３】
なお、このような端子部４６は、例えば、銀（Ａｇ）等の導電性の高い金属材料を用いて、スクリーン印刷によって形成することができる。
【００７４】
そして、圧電素子４０の各電極層４５及び電極層４３に導通する端子部４６には、配線基板５０に設けられた配線層５１が電気的に接続されており、この配線基板５０を介して図示しない駆動回路からの駆動信号が各圧電素子４０に供給される。なお、駆動回路は、特に図示していないが、配線基板５０上に実装されていても、また、配線基板５０以外に実装されていてもよい。
【００７５】
配線基板５０は、２列の圧電素子４０に亘って１つ設けられた、例えば、フレキシブルプリンティングサーキット（ＦＰＣ）や、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）などからなる。詳しくは、配線基板５０は、例えば、ポリイミド等のベースフィルム５２の表面に銅薄をベースとして錫メッキ等を施した所定パターンの配線層５１を形成し、配線層５１の端子部４６と接続される端部以外の領域をレジスト等の絶縁材料５３で覆ったものである。
【００７６】
また、配線基板５０には、並設された圧電素子４０の列と列の間に対向する領域に貫通孔５４が設けられており、配線層５１は、貫通孔５４側の端部で端子部４６と接続されている。なお、配線基板５０の貫通孔５４は、貫通孔５４が設けられていないベースフィルム５２の表面に、一方の列の圧電素子４０に接続される配線層５１と、他方の列の圧電素子４０に接続される配線層５１とが連続するように形成後、２列の圧電素子４０に接続される導通された配線層５１を切断するようにベースフィルム５２に設けることで形成される。
【００７７】
そして、配線基板５０の配線層５１と圧電素子４０に導通する端子部４６とは、異方性導電材からなる接着層５５を介して電気的及び機械的に接続されている。
【００７８】
このような構成のインクジェット式記録ヘッド１０では、インクカートリッジ（貯留手段）からインク導入口３８を介してリザーバー３２内にインクを取り込み、リザーバー３２からノズル開口３４に至るまでの液体流路内をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号を配線基板５０を介して圧電素子４０に供給することで、各圧力発生室２１に対応する各圧電素子４０に電圧を印加して圧電素子４０と共に振動板２３をたわみ変形させることにより、各圧力発生室２１内の圧力が高まり各ノズル開口３４からインク滴が噴射される。
【００７９】
また、これらのインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００８０】
図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インクジェット式記録ヘッドにインクを供給する供給手段を構成するインクカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００８１】
また、キャリッジ軸５の一端部近傍には、駆動モーター６が設けられており、駆動モーター６の軸の先端部には外周に溝を有する第１のプーリー６ａが設けられている。さらに、キャリッジ軸５の他端部近傍には、駆動モーター６の第１のプーリー６ａに対応する第２のプーリー６ｂが回転自在に設けられており、これら第１のプーリー６ａと第２のプーリー６ｂとの間には環状でゴム等の弾性部材からなるタイミングベルト７が掛けられている。
【００８２】
そして、駆動モーター６の駆動力がタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００８３】
なお、図１０に示す例では、インクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂは、それぞれ１つのインクジェット式記録ヘッド１０を有するものとしたが、特にこれに限定されず、例えば、１つのインクジェット式記録ヘッドユニット１Ａ又は１Ｂが２以上のインクジェット式記録ヘッド１０を有するようにしてもよい。
【００８４】
（他の実施形態）
上述した実施形態では、圧電素子として、電極層４３と、圧電セラミックス層４４と、電極層４５とを順次積層したものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電セラミックス層の片面のみに電極層を設けたものであってもよく、また、圧電セラミックス層と電極層とを交互に積層させたものであってもよい。
【００８５】
また、圧電セラミックス層は、例えば、スパッタ法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法等公知の薄膜法を用いて作成したものであってもよい。
【００８６】
本発明の圧電セラミックスは、良好な圧電特性を示すため、上述したように、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドの圧電素子に適用することができるものであるが、これに限定されるものではない。例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、赤外センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー等の各種センサー、圧電トランス等の圧電素子に適用することができる。また、本発明は、強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ，１Ｂ  インクジェット式記録ヘッドユニット（液体噴射ヘッドユニット）、  ２Ａ，２Ｂ  インクカートリッジ、  １０  インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、  ２１  圧力発生室、  ２２  流路形成基板、  ２３  振動板、  ２４  圧力発生室底板、  ３０  流路ユニット、  ３１  インク供給口形成基板、  ３２  リザーバー、  ３３  リザーバー形成基板、  ３４  ノズル開口、  ３５  ノズルプレート、  ３６，３９  ノズル連通孔、  ４０  圧電素子、  ４４  圧電セラミックス層、  ４３，４５  電極層、  ５０  配線基板、  ５１  配線層、  ５２  ベースフィルム、  ５３  絶縁材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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