(57)【要約】【課題】  高い電気機械結合定数を有し、消費電力が小さい鉛を含まない圧電素子を提供する。【解決手段】  そのために圧電材料部は、チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物とＭｎとを含有する、残留分極を有する圧電セラミックスからなり、前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面を被測定面とした際に、前記被測定面の表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面の表面を研磨した後における、室温の前記被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０以上であり、室温の前記圧電セラミックスのｃ軸の格子定数ｃとａ軸の格子定数ａとの比ｃ／ａが１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０であり、室温の前記（００２）回折ピークの半値幅が１．２°以下である圧電素子を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極、圧電材料部および第二の電極を少なくとも有する圧電素子であって、前記圧電材料部は、チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物とＭｎとを含有する、残留分極を有する圧電セラミックスからなり、前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面を被測定面とした際に、前記被測定面の表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面の表面を研磨した後における、室温の前記被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０以上であり、室温の前記圧電セラミックスのｃ軸の格子定数ｃとａ軸の格子定数ａとの比ｃ／ａが１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０であり、室温の前記（００２）回折ピークの半値幅が１．２°以下であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記ペロブスカイト型金属酸化物が、下記一般式（１）で表わされることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
（Ｂａ１−ｘＣａｘ）α（Ｔｉ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３        （１）（式中、０．１２５≦ｘ≦０．３００、０．０４１≦ｙ≦０．０８０、０．９８６≦α≦１．０２０である。）
【請求項３】
前記Ｍｎの含有量が、前記ペロブスカイト型金属酸化物１００重量部に対して金属換算で０．０４重量部以上０．５０重量部以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電セラミックスが、さらにＢｉを含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記Ｂｉの含有量が、前記ペロブスカイト型金属酸化物１００重量部に対して金属換算で０．０４重量部以上０．８０重量部以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記圧電セラミックスの室温における電気機械結合定数ｋ３１が０．２００以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項７】
前記圧電セラミックスの室温における機械的品質係数Ｑｍが４００以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記圧電セラミックスの室温における比誘電率εｒが２５００以下であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかの１項に記載の圧電素子の製造方法であって、少なくとも、原料粉からなる成形体を作る工程と、前記成形体を焼結して圧電セラミックスを得る工程と、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程と、前記圧電セラミックスを分極処理する工程とを順に有しており、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程において、前記圧電セラミックス、前記第一の電極、前記第二の電極を、熱処理時の最高温度が７００℃から９００℃の範囲で熱処理し、毎時１００℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
前記圧電セラミックスを分極処理する工程において、前記圧電セラミックスを加熱し、直流電圧を印加した後に電圧印加を継続しながら毎時１００℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１２】
被転写体の載置部と、請求項１１に記載の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項１４】
駆動部に請求項１３に記載の超音波モータを備えることを特徴とする光学機器。
【請求項１５】
請求項１に記載の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする振動装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の振動装置を振動部に備えることを特徴とする塵埃除去装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の圧電素子を備えた圧電音響部品を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉛を含まない圧電素子およびその製造方法に関する。また、本発明は前記圧電素子を用いた液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子に用いられている圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛（以下「ＰＺＴ」という）のようなペロブスカイト構造の金属酸化物が一般的である。しかしながら、ＰＺＴは鉛を含有するために、環境に対する影響が問題視されている。このため、鉛を含有しない圧電セラミックスの開発が求められている。
【０００３】
鉛を含有しない圧電セラミックスとして、チタン酸バリウムが知られている。また、その特性を改良する目的で、チタン酸バリウムをベースとした材料開発が行われている。
【０００４】
特許文献１には、チタン酸バリウムの圧電特性を向上させるために、チタン酸バリウムのＡサイトの一部をＣａに、Ｂサイトの一部をＺｒで置換した材料系が開示されている。この材料系は、相転移温度を室温付近に有し、比誘電率の増大により、室温付近の圧電定数が向上したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１５１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら従来技術では、圧電特性の向上の要因が比誘電率の増大によるものであったため、圧電セラミックスを圧電素子にした際に圧電素子の消費電力が増大するという課題があった。
【０００７】
本発明はこの様な課題を解決するためになされたものであり、高い電気機械結合定数を有し、消費電力が小さい鉛を含まない圧電素子およびその製造方法を提供するものである。また、本発明は前記圧電素子を用いた、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧電素子は、第一の電極、圧電材料部および第二の電極を少なくとも有する圧電素子である。前記圧電材料部は、チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物とＭｎとを含有する、残留分極を有する圧電セラミックスからなる。前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面を被測定面とした際に、前記被測定面の表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面の表面を研磨した後における、室温の前記被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比に注目する。その回折強度比が１．０以上であり、室温の前記圧電セラミックスのｃ軸の格子定数ｃとａ軸の格子定数ａとの比ｃ／ａが１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０であり、室温の前記（００２）回折ピークの半値幅が１．２°以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明にかかる圧電素子の製造方法は、上記圧電素子の製造方法であって、原料粉よりなる成形体を作る工程と、前記成形体を焼結して圧電セラミックスを得る工程と、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程と、前記圧電セラミックスを分極処理する工程とを順に有しており、前記圧電セラミックスに第一の電極と第二の電極を設ける工程において、前記圧電セラミックス、前記第一の電極、前記第二の電極を、熱処理時の最高温度が７００℃から９００℃の範囲で熱処理し、毎時１００℃以上の速度で降温する工程を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る液体吐出ヘッドは、上記の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る液体吐出装置は、被転写体の載置部と、上記の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る超音波モータは、上記の圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る光学機器は、駆動部に上記の超音波モータを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る振動装置は、上記の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る塵埃除去装置は、上記の振動装置を振動部に備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る撮像装置は、上記の塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けたことを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る電子機器は、上記の圧電素子を備えた圧電音響部品を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高い電気機械結合定数を有し、消費電力が小さい、鉛やアルカリ金属を含まない圧電素子およびその製造方法を提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、上記の圧電素子を用いた、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の圧電素子の構成の一実施形態における縦断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の残留分極の方向の特定方法を示す概略図である。
【図３】本発明の圧電素子のＸ線回折測定方法を示す概略図である。
【図４】本発明の圧電素子を構成する圧電セラミックスを構成する結晶粒に存在するａドメインとｃドメインの概念図である。
【図５】本発明の液体吐出ヘッドの構成の一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の液体吐出装置の一実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の液体吐出装置の一実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明の超音波モータの構成の一実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明の光学機器の一実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明の光学機器の一実施形態を示す概略図である。
【図１１】本発明の振動装置を塵埃除去装置とした場合の一実施形態を示す概略図である。
【図１２】本発明の塵埃除去装置における圧電素子の構成を示す概略図である。
【図１３】本発明の塵埃除去装置の振動原理を示す模式図である。
【図１４】本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略図である。
【図１５】本発明の撮像装置の一実施形態を示す概略図である。
【図１６】本発明の電子機器の一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２２】
本発明に係る圧電素子は、第一の電極、圧電材料部および第二の電極を少なくとも有する圧電素子である。前記圧電材料部は、チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物とＭｎとを含有する、残留分極を有する圧電セラミックスからる。前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面を被測定面とした際に、前記被測定面の表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面の表面を研磨した後の被測定面に注目する。その面の、室温の前記被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０以上であり、室温の前記圧電セラミックスのｃ軸の格子定数ｃとａ軸の格子定数ａとの比ｃ／ａが１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０である。さらに、室温の前記（００２）回折ピークの半値幅が１．２°以下であることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、チタン酸バリウム系セラミックスの微構造を制御することにより、電気機械結合定数を向上させ、前記チタン酸バリウム系セラミックスを圧電素子として用いた際に、消費電力が小さい圧電素子を提供するものである。
【００２４】
本発明に係る圧電素子は、第一の電極１、圧電材料部２および第二の電極３を少なくとも有する。図１は本発明の圧電素子の構成の一実施形態における縦断面図であり、直方体形状の圧電材料部２に直方体形状の第一の電極１および第二の電極３を付した構成を一例として示している。
【００２５】
ここで、矢印Ａは残留分極の方向を表わしている。また、第一の電極１および第二の電極３は、圧電材料部２の対向する面に設けられている。すなわち図１は、圧電素子における直方体形状の圧電材料部２を第一及び第二の電極とともに残留分極の方向に沿って切った断面を図示している。圧電材料部２の形状は直方体形状に限定されず、円柱や多面体であっても構わない。さらに、第一の電極１および第二の電極３の配置および形状もこれらに限定されるものではなく、対抗する面に設けられていれば、所望の形状にパターニングされていても構わない。
【００２６】
前記第一の電極および第二の電極は、厚み５ｎｍから２０μｍ程度の導電層よりなる。その材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属およびこれらの金属の化合物を挙げることができる。前記第一の電極および第二の電極は、これらのうちの１種からなるものであっても、あるいはこれらの２種以上を積層してなるものであってもよい。また、第一の電極と第二の電極が、それぞれ異なる材料であっても良い。ただし、量産性及びコストの観点においては、電極はＡｇであることが好ましい。電極がＡｇであるとき、その厚みは１μｍから１０μｍであることが好ましい。
【００２７】
前記圧電材料部２を構成する圧電セラミックスは、チタン酸バリウムを含有するペロブスカイト型金属酸化物と、Ｍｎとを含有する。
【００２８】
本発明において、ペロブスカイト型構造とは、岩波理化学辞典第５版（岩波書店、１９９８年２月２０日発行）に記載されているような、理想的には立方晶構造であるペロブスカイト構造（ペロフスカイト構造とも言う）を指す。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物は一般にＡＢＯ３の化学式で表現される。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物において、元素Ａ、Ｂは各々イオンの形でＡサイト、Ｂサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、Ａ元素は立方体の頂点、Ｂ元素は体心に位置する。Ｏ元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。すなわち、ペロブスカイト構造のチタン酸バリウムはＢａＴｉＯ３の化学式で表現される。上述のＡＢＯ３の化学式で表現されるペロブスカイト構造金属酸化物における酸素原子Ｏは、単位格子あたり３つ配位していることをしめしているが、化合物が圧電性を発揮する限り数％の範囲の過不足があってもかまわない。
【００２９】
前記圧電セラミックスがペロブスカイト構造であることは、例えば、Ｘ線回折や電子線回折による構造解析から判断することができる。Ａ元素、Ｂ元素、Ｏ元素がそれぞれ単位格子の対象位置から僅かに座標シフトすると、ペロブスカイト構造の単位格子が歪み、正方晶、菱面体晶、斜方晶といった結晶系となる。圧電セラミックスが良好な電気機械結合定数を得られるという観点において、前記ペロブスカイト型金属酸化物の結晶系は室温で正方晶構造であることが好ましい。
【００３０】
前記圧電セラミックスは、Ｍｎを含むことにより、室温の機械的品質係数Ｑｍが向上する。ここで、機械的品質係数Ｑｍとは圧電セラミックスを圧電振動子として評価した際の振動による弾性損失を表す係数であり、機械的品質係数Ｑｍの大きさはインピーダンス測定における共振曲線の鋭さとして観察される。つまり圧電振動子の共振の鋭さを表す定数である。前記圧電セラミックスを圧電素子として共振周波数付近で駆動させた際に、機械的品質係数Ｑｍの大きさに比例した変位を得ることができる。
【００３１】
Ｍｎは、前記主成分１００重量部に対して金属換算で０．０４重量部以上０．５０重量部以下、好ましくは０．１０重量部以上０．３６重量部以下であることが望ましい。ここで、副成分の「金属換算」での含有量は、前記圧電セラミックスの組成を蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析、原子吸光分析などにより測定した際の各金属の含有量を計測する。その含有量から、前記主成分で表わされる金属酸化物を構成する元素を酸化物換算し、その総重量を１００としたときに、その総重量に対する前記副成分の重量で表す。
【００３２】
この範囲のＭｎを有すると、十分な変位を得ることができる。Ｍｎの含有量が０．０４重量部未満であると、室温の機械的品質係数Ｑｍが４００未満と小さくなるおそれがある。室温の機械的品質係数Ｑｍが４００未満の圧電素子は、共振周波数付近においても十分な変位を得ることができず、結果、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増し、駆動電力が大きくなるおそれがある。Ｍｎの含有量が適正であれば、室温における機械的品質係数Ｑｍが４００以上となる。
【００３３】
一方、Ｍｎの含有量が０．５０重量部より多いと、圧電セラミックスの電気機械結合定数ｋ３１が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、消費電力（後述する駆動電力）が大きくなるおそれがある。好ましい機械的品質係数Ｑｍは８００以上であり、８００以上あれば消費電力は大きくならない。より好ましい機械的品質係数Ｑｍは１２００以上である。
【００３４】
本明細書における消費電力とは、圧電素子が消費する電力のことであり、圧電素子が駆動することで消費する電力と圧電素子の静電容量に比例して消費する電力の和である。以降、圧電素子が駆動することで消費する電力を駆動電力、圧電素子の静電容量に比例して消費する電力をキャパシタンス電力とよぶ。駆動電力は、圧電セラミックスの電気機械結合定数ｋ３１や機械的品質係数Ｑｍが大きいと、小さくなる傾向がある。一方、キャパシタンス電力は、圧電セラミックスの比誘電率εｒが小さく、電気機械結合定数ｋ３１が大きくなると小さくなる傾向がある。
【００３５】
前記圧電素子の消費電力は、電力計によって測定することができる。キャパシタンス電力（ＣＷ）は、圧電素子の静電容量（Ｃ）、駆動周波数（ｆ）、印加電圧（Ｖ）に２πを乗じた値に比例する。駆動電力は電力計の測定値より、キャパシタンス電力を引いた差から求めることができる。
【００３６】
前記圧電素子の比誘電率εｒは、インピーダンスアナライザやＬＣＲメーターから静電容量を測定することから、計算によって求めることができる。
【００３７】
前記圧電素子の電気機械結合定数ｋ３１および機械的品質係数Ｑｍは、インピーダンスアナライザを用いて得られる共振周波数及び反共振周波数を測定する。その測定結果から、電子情報技術産業協会規格（ＪＥＩＴＡ  ＥＭ−４５０１）に基づいて、計算により求めることができる。以下、この方法を共振−反共振法と呼ぶ。
【００３８】
本発明の圧電素子において、前記圧電セラミックスは残留分極を有する。
【００３９】
残留分極とは、前記圧電セラミックスに外部電場を印加していない時に前記圧電セラミックス中に残留している分極のことを指す。圧電セラミックスを分極処理すると、圧電セラミックスの内部で自発分極の方向が一定方向に揃い、残留分極が発生する。前記圧電セラミックスが残留分極を有しているか否かは、前記圧電セラミックスに電圧を印加し、印加電界Ｅと分極量Ｐの関係（Ｐ−Ｅヒステリシス曲線）を測定することにより、特定することができる。
【００４０】
本発明の圧電素子においては、前記圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面を被測定面とした際に、前記被測定面の表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面の表面を研磨する。その状態でその面に対し、室温の前記被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比を計測すると１．０以上である。好ましくは１．０３以上であり、より好ましくは１．０８以上である。
【００４１】
残留分極の方向は以下の方法で特定できる。図２はその特定方法の説明図であり、図中の矢印Ａの方向が残留分極の方向である。まず、分極処理後の圧電セラミックスを任意の角度β（βは０°≦β＜３６０°かつ１０の倍数）で切り出し、前記切り出し面５のいずれにも電極を形成し、圧電定数を測定する。この測定を繰り返し、圧電定数のβ依存性を観察した際に、前記圧電定数が最大となる角度βに９０°を足した角度（β＋９０°）に沿った方向が残留分極の方向となる。ただし、最大となるβは切り出しの誤差や測定誤差を鑑みると、±１０°は誤差を含んでいてもよい。この際の圧電定数の測定はｄ３３メーターを用いると簡便に行うことができる。
【００４２】
また、電極が設けられた圧電素子における残留分極の方向を特定するには、まず圧電素子の圧電定数を測定した後、表面処理等を施して異なる方向における圧電定数を計測する。そして複数の異なる方向で圧電定数の低下がみられる場合には、電極が設けられた面の法線方向が残留分極の方向であるとみなしてもよい。この場合にも上述のように切り出しの誤差や測定誤差を鑑みると、±１０°は誤差を含んでいてもよい。
【００４３】
したがって、圧電セラミックスの残留分極の方向と交差する面は、上記方法によって残留分極の方向を特定することにより決定できる。すなわち、図１に示した直方体形状の圧電素子においては、圧電材料部２の第１の電極１もしくは第２の電極３に接している面のことを指す。以下、この面を被測定面４とよぶ。
【００４４】
本発明の圧電素子を構成する圧電セラミックスはペロブスカイト構造のチタン酸バリウムを主成分とするため、ＰＺＴと比較してヤング率が高い。そのため、研磨、研削、切削、切断等の加工を行う際に、圧電セラミックスの表面近傍に加工歪（転位とも呼ばれる）が生じ易い。本明細書において、この加工歪を含む層を表面層と定義する。表面層の厚みは圧電セラミックスの組成によって異なるが、１μｍから１０μｍ程度である。一方、圧電セラミックスの結晶構造を解析する際に使用する一般的なＸ線回折装置では、測定面の１０μｍ前後しかＸ線が浸入できないため、被測定面から得られる情報は表面層の情報が支配的になる。圧電セラミックスは加工による歩留まりの観点において、電界印加方向の厚さが１００μｍ以下で使用することはない。また、分極に必要な電圧が高くなり過ぎるという観点において、電界印加方向の厚さが１０ｍｍ以上で使用することはない。そのため、表面層が圧電セラミックスを占める割合は０．１％から２０％であり、圧電セラミックスの特性は表面層以外の領域が支配的である。すなわち、ペロブスカイト構造のチタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックスの結晶構造を正確に評価するためには、圧電セラミックスの特性を支配する表面層以外の領域を評価する必要があり、そのためには被測定面の前記表面層を研磨する必要がある。具体的には表面粗さが２００ｎｍ以下になるように前記被測定面を研磨する必要がある。ここで、研磨の方法は特に限定されないが、研磨の仕上げ工程を、コロイダルシリカを用いたバフ研磨で行うことが好ましい。バフ研磨を行うことにより、表面粗さが２００ｎｍ以下の平滑な表面が得られる。この際、前記表面層を１０μｍ以上除去することが好ましい。表面粗さは触針式表面粗さ測定器を用いて評価することが可能である（ＪＩＳ  Ｂ  ０６５１：２００１）。また、本明細書における表面粗さとは、中心線平均粗さＲａを指す。
【００４５】
本発明の圧電素子において、前記圧電セラミックスは、室温の被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０以上、好ましくは１．０３以上、より好ましくは１．０８以上であることで、室温の電気機械結合定数ｋ３１が優れる。そのため、前記圧電セラミックスを用いた圧電素子は、駆動電力を低減できる。ここで（００２）／（２００）回折強度比とは、２θ−θ法によって得られる擬立方晶表記による結晶の００２面に起因する回折ピークの最大強度と２００面に起因する回折ピークの最大強度との比を表わしたものである。前記００２面と２００面に起因する回折ピークの位置は、前記圧電セラミックスのＸ線回折測定結果とチタン酸バリウムに関する既知の文献によるデータ（例えば、ＩＣＤＤ＝Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｅｎｔｒｅ  ｆｏｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ＤａｔａのＰＤＦ−２のＮｏ．０５−０６２６）とを比較することによって特定できる。Ｘ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０以上であるということは、圧電セラミックスを構成する結晶粒において、被測定面方向から観察した時にｃドメインがａドメインより多く存在していることを意味する。このとき、前記圧電セラミックスは電界印加方向に対して垂直な方向に優れた電気機械結合定数ｋ３１を有する。一方、被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比が１．０未満のとき、すなわち被測定面方向から観察した時にａドメインがｃドメインより多く存在すると、電界印加方向に対して垂直な方向の電気機械結合定数ｋ３１は低下してしまう。ここでドメインとは自発分極の方向が揃っている領域を指す。また、本明細書において、室温とは２５℃のことを指す。しかし、本発明の特徴および効果が室温と変わらない２０℃から３０℃の温度範囲も本発明の室温に含まれる。
【００４６】
図４は結晶系が正方晶の圧電セラミックスのａドメイン７とｃドメイン６の概念図を示したものであり、矢印Ｂ、Ｃの方向は自発分極の方向を表わしている。ａドメインとは、正方晶において［ｈ００］方向および［０ｋ０］方向とその逆方向の自発分極からなるドメインのことを指す。ｃドメインとは［００ｌ］方向とその逆方向の自発分極からなるドメインのことを指す。正方晶のチタン酸バリウムの自発分極軸はｃ軸であるため、被測定面方向から観察した時にｃドメインがａドメインより多く存在すると優れた電気機械結合定数ｋ３１が得られる。
【００４７】
前記Ｘ線回折測定の条件は特に限定されず、平行ビーム法を用いた２θ−θ法など一般的な手法を用いることができる。以下に代表的な測定条件を示す。
【００４８】
管球の線源にはＣｕ−Ｋα線を用いて、管電圧は４５ｋＶ、管電流は４０ｍＡとする。２θの測定範囲を２０°から５０°までとすることにより、前記００２面および２００面の情報が得られるようにする。好ましい入射光のスポット径は、前記被測定面の面積に依存するが、被測定面の全域に入射光が当たる大きさであることが好ましい。また、十分な強度を得るためにスキャン速度を０．１０度／分から１．００度／分に、サンプリング間隔を０．００１度から０．０２０度の範囲にすることで再現性のあるデータを得ることができる。図３は本発明の圧電素子のＸ線回折測定方法を示す概略図であり、θと２θの関係を示している。なお、多軸Ｘ線回折測定器を用いる際には、被測定面と入射光の法線のなす角度ψ（プサイ）を０°にして測定する必要がある。
【００４９】
本発明の圧電素子において、室温の前記圧電セラミックスのｃ軸の格子定数ｃとａ軸の格子定数ａとの比ｃ／ａは１．００４≦ｃ／ａ≦１．０１０である。
【００５０】
室温のｃ／ａが前記範囲にある時、前記圧電セラミックスは優れた電気機械結合定数ｋ３１を有する。そのため、前記圧電セラミックスを用いた圧電素子は、駆動電力を低減できる。ｃ／ａが１．００４未満であると圧電セラミックスの結晶構造が立方晶に近づくため、室温の電気機械結合定数ｋ３１が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増し、駆動電力が大きくなる。また、ｃ／ａが１．０１０より大きいと、分極処理に必要な電圧が高くなってしまう。
【００５１】
圧電セラミックスの格子定数ａおよびｃは、２θ−θ法によって得られる回折ピークから得られる面間隔より、求めることができる。Ｘ線の波長をλ、２００面の面間隔をｄ（２００）、２００面の回折ピークの最大強度を取る角度をθ２００、００２面の面間隔をｄ（００２）、００２面の回折ピークの最大強度を取る角度をθ００２とする。そうすると、格子定数ａおよびｃは以下の式で表わすことができる。なお、これらの結晶面は、いずれも擬立方晶表記によるものである。
【００５２】
【数１】
2015164182.tif 000003
【００５３】
ここで、圧電セラミックスが良好な電気機械結合定数ｋ３１を得られるという観点において、前記圧電セラミックスの室温における結晶系は、正方晶構造であることが好ましい。
【００５４】
室温の前記圧電セラミックスの（００２）回折ピークの半値幅は、１．２°以下である。
【００５５】
半値幅とは、回折ピークの最大強度をＰとして、Ｐ／２を取る角度をθ１、θ２とした（θ２＞θ１）ときに、θ２とθ１の差で表わされる幅のことである。半値幅は半値全幅とも呼ばれる。なお、最大強度の大きさはバックグラウンドの値を除去して求める必要がある。
【００５６】
室温の前記圧電セラミックスの（００２）回折ピークの半値幅が１．２°以下であれば、十分な電気機械結合定数ｋ３１が得られる。（００２）回折ピークの半値幅１．２°より大きいと、結晶性が不十分となり十分な電気機械結合定数ｋ３１が得られない。
【００５７】
本発明の圧電素子において、前記圧電セラミックスは、さらにＢｉを含有することが好ましい。
【００５８】
前記圧電セラミックスはＢｉを含有することによって、相対密度が向上する。前記Ｂｉの含有量は、前記ペロブスカイト型金属酸化物１００重量部に対して金属換算で０．０４重量部以上０．８０重量部以下であることが望ましい。Ｂｉの含有量が０．０４重量部未満であると、Ｂｉを含まないセラミックスと比べて相対密度は向上しない。一方、Ｂｉの含有量が０．８０重量部より多くなると、室温の電気機械結合定数ｋ３１が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。
【００５９】
本発明の圧電素子において、前記ペロブスカイト型金属酸化物が下記一般式（１）で表わされることが好ましい。
（Ｂａ１−ｘＣａｘ）α（Ｔｉ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３        （１）（式中、０．１２５≦ｘ≦０．３００、０．０４１≦ｙ≦０．０８０、０．９８６≦α≦１．０２０である。）
【００６０】
上記範囲のｘ、ｙおよびαの値を満たすことにより、前記圧電セラミックスは、室温においてより高い電気機械結合定数ｋ３１を有することができる。
【００６１】
前記一般式（１）で表わされる金属酸化物は、Ａサイトに位置する金属元素がＢａとＣａ、Ｂサイトに位置する金属元素がＴｉとＺｒであることを意味する。ただし、一部のＢａとＣａがＢサイトに位置してもよい。同様に、一部のＴｉとＺｒがＡサイトに位置してもよい。前記一般式（１）における、Ｂサイトの元素とＯ元素のモル比は１対３であるが、元素量の比が若干ずれた場合でも、前記金属酸化物がペロブスカイト構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。
【００６２】
前記圧電セラミックスは、前記一般式（１）において、ＡサイトにおけるＣａのモル比を示すｘが、０．１２５≦ｘ≦０．３００の範囲であることが好ましい。ｘが０．１２５未満であると前記圧電セラミックスの室温の比誘電率εｒが高くなり、圧電素子として、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。一方、ｘが０．３００より大きいと前記圧電セラミックスの電気機械結合定数ｋ３１が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。より好ましくは、０．１２５≦ｘ≦０．１９０である。
【００６３】
前記一般式（１）において、ＢサイトにおけるＺｒのモル比を示すｙが、０．０４１≦ｙ≦０．０８０の範囲であることが好ましい。ｙが０．０８０より大きいと前記圧電セラミックスの室温の比誘電率εｒが高くなり、圧電素子として、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。一方、ｙが０．０４１より小さいと前記圧電セラミックスの室温の電気機械結合定数ｋ３１が低下し、圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。より好ましくは、０．０５０≦ｙ≦０．０８０である。
【００６４】
前記一般式（１）において、ＡサイトにおけるＢａとＣａのモル量と、ＢサイトにおけるＴｉとＺｒのモル量との比を示すαが、０．９８６≦α≦１．０２０の範囲であることが好ましい。αが０．９８６より小さいと圧電セラミックスを構成する結晶粒に異常粒成長が生じ易くなり、材料の機械的強度が低下するおそれがある。一方で、αが１．０２０より大きくなると粒成長に必要な温度が高くなり過ぎ、一般的な焼成炉で焼結ができなくなるおそれがある。ここで、「焼結ができない」とは密度が充分な値にならないことや、前記圧電セラミックス内にポアや欠陥が多数存在している状態を指す。好ましいαの範囲は１．００１≦α≦１．０１６である。
【００６５】
また、ＢａとＣａのモル量の和をＡ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎのモル量の和をＢとしたときのそれぞれの比をＡ／Ｂとしたときに、Ａ／Ｂの範囲が０．９９３≦Ａ／Ｂ≦０．９９８であることが好ましい。Ａ／Ｂがこの範囲のとき、前記圧電セラミックスは、電気機械結合定数ｋ３１と機械的品質係数Ｑｍが特に優れるため、本発明の圧電素子は低消費電力での駆動が可能となる。
【００６６】
本発明の圧電素子において前記第一の電極および前記第二の電極を用いて計測した前記圧電セラミックスの室温における電気機械結合定数ｋ３１は０．２００以上であることが好ましい。
【００６７】
室温の電気機械結合定数ｋ３１が０．２００以上であることにより、圧電素子の駆動に必要な入力電圧を低減させることが可能となり、駆動電力を低減できる。一方、室温の電気機械結合定数ｋ３１が０．２００未満であると圧電素子の駆動に必要な入力電圧が増した結果、駆動電力が大きくなるおそれがある。
【００６８】
本発明の圧電素子において前記第一の電極および前記第二の電極を用いて計測した前記圧電セラミックスの室温における比誘電率εｒは２５００以下であることが好ましい。
【００６９】
室温の比誘電率が２５００を超えると圧電素子として、キャパシタンス電力が大きくなるおそれがある。
【００７０】
前記圧電セラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径は、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。平均円相当径とは、複数の結晶粒の円相当径の平均値を示す。結晶粒の平均円相当径をこの範囲にすることで、前記圧電セラミックスは、良好な電気機械結合定数ｋ３１と機械的強度を有することが可能となる。平均円相当径が０．５μｍ未満であると、圧電特性が充分でなくなるおそれがある。一方で、１０μｍより大きくなると機械的強度が低下するおそれがある。より好ましい範囲は２．５μｍ以上９．０μｍ以下である。
【００７１】
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。例えば圧電セラミックスの表面を偏光顕微鏡や走査型電子顕微鏡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。対象となる粒径により最適倍率が異なるため、光学顕微鏡と電子顕微鏡を使い分けても構わない。
【００７２】
前記圧電セラミックスは、相対密度が９３％以上１００％以下であることが好ましい。相対密度は、前記圧電セラミックスの格子定数と構成元素の原子量から理論密度を算出し、その理論密度と実測した密度との割合である。格子定数は、例えば、Ｘ線回折分析により測定することができる。密度は、例えば、アルキメデス法により測定することができる。
【００７３】
相対密度が９３％より小さくなると、電気機械結合定数ｋ３１や機械的品質係数Ｑｍが充分でなかったり、機械的強度が低下したりするおそれがある。
【００７４】
前記圧電セラミックスのより好ましい相対密度は９５％以上１００％以下の範囲であり、さらに好ましい相対密度は９７％以上１００％以下の範囲である。
【００７５】
本発明の圧電素子の製造方法は特に限定されないが、以下に製造方法の一例を説明する。
【００７６】
まず、圧電材料部２を構成する圧電セラミックスを製造する。圧電セラミックスの製造工程は、少なくとも、原料粉から成形体を作る工程と、前記成形体を焼結する工程とを有する。
【００７７】
前記原料粉から成形体を作る工程は特に限定されず、構成元素を含んだ酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩などの固体粉末から成形体を作り、その成形体を常圧下で焼結する一般的な手法を採用することができる。原料としては、Ｂａ化合物、Ｃａ化合物、Ｔｉ化合物、Ｚｒ化合物、Ｍｎ化合物、Ｂｉ化合物等の金属化合物から構成される。
【００７８】
使用可能なＢａ化合物としては、酸化バリウム、炭酸バリウム、蓚酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸バリウム、チタン酸バリウム、ジルコン酸バリウム、スズ酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウムなどが挙げられる。
【００７９】
使用可能なＣａ化合物としては、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、蓚酸カルシウム、酢酸カルシウム、チタン酸カルシウム、ジルコン酸カルシウム、スズ酸カルシウムなどが挙げられる。
【００８０】
使用可能なＴｉ化合物としては、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、チタン酸カルシウムなどが挙げられる。
【００８１】
使用可能なＺｒ化合物としては、酸化ジルコニウム、ジルコン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ジルコン酸カルシウムなどが挙げられる。
【００８２】
使用可能なＭｎ化合物としては、炭酸マンガン、酸化マンガン、二酸化マンガン、酢酸マンガン、四酸化三マンガンなどが挙げられる。
【００８３】
使用可能なＢｉ化合物としては、酸化ビスマス、ビスマス酸リチウムなどが挙げられる。
【００８４】
また、前記圧電セラミックスのＡサイトにおけるＢａとＣａのモル量とＢサイトにおけるＴｉとＺｒのモル量との比を示すαを調整するための原料は特に限定されない。Ｂａ化合物、Ｃａ化合物、Ｔｉ化合物、Ｚｒ化合物のいずれでも効果は同じである。
【００８５】
前記成形体とは、前記固体粉末を成形した固形物である。成形方法としては、一軸加圧加工、冷間静水圧加工、温間静水圧加工、鋳込成形と押し出し成形を挙げることができる。成形体を作製する際には、造粒粉を用いることが好ましい。造粒粉を用いた成形体を焼結すると、焼結体の結晶粒の大きさの分布が均一になり易いという利点がある。
【００８６】
圧電セラミックスの原料粉を造粒する方法は特に限定されないが、造粒粉の粒子径をより均一にできるという観点において、最も好ましい造粒方法はスプレードライ法である。
【００８７】
造粒する際に使用可能なバインダの例としては、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル系樹脂が挙げられる。添加するバインダの量は、前記圧電材料の原料粉１００重量部に対して１重量部から１０重量部が好ましく、成形体の密度が上がるという観点において２重量部から５重量部がより好ましい。
【００８８】
前記成形体を焼結する工程は特に限定されない。
【００８９】
焼結方法の例としては、電気炉による焼結、ガス炉による焼結、通電加熱法、マイクロ波焼結法、ミリ波焼結法、ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）などが挙げられる。電気炉およびガス炉による焼結は、連続炉であってもバッチ炉であっても構わない。
【００９０】
前記焼結方法における焼結温度は特に限定されないが、各化合物が反応し、充分に結晶成長する温度であることが好ましい。好ましい焼結温度としては、粒径を１．５μｍから１０μｍの範囲にするという観点で、１１００℃以上１４００℃以下であり、より好ましくは１１００℃以上１３５０℃以下である。焼結処理により得られる圧電材料の特性を再現よく安定させるためには、焼結温度を上記範囲内で一定にして２時間以上４８時間以下の焼結処理を行うとよい。また、二段階焼結法などの焼結方法を用いてもよいが、生産性を考慮すると急激な温度変化のない方法が好ましい。
【００９１】
また、前記圧電セラミックスは焼結後に、熱処理時の最高温度が７００℃から９００℃の温度となるように熱処理されることが好ましい。熱処理されることにより、０．８ｋＶ／ｍｍ以下の電界でも分極処理することが可能となる。
【００９２】
次に、第一の電極１と第二の電極３を設ける。前記第一の電極１と第二の電極３を設ける方法は特に限定されない。第一の電極１および第二の電極３は、圧電材料部２の対向する面に設けられる。前記電極は、金属ペーストの塗布、焼き付けにより形成しても良いし、スパッタ、蒸着法などにより形成してもよい。また第一の電極と第二の電極とも所望の形状にパターニングして用いても良い。ただし、Ａｇを用いる際には電極原料としてのＡｇペーストの塗布、焼き付けにより電極を形成することが好ましい。より好ましくは、圧電材料部２を形成する圧電セラミックスの表面にＡｇペーストを塗布して、熱処理時の最高温度が７００℃から９００℃となるように圧電セラミックスとＡｇペーストを一体的に熱処理し、Ａｇペーストを５分程度の時間で焼きつけるとよい。さらに好ましくは、焼き付け後に毎時１００℃／以上の速度で降温するとよい。前記条件で焼き付けることにより、Ａｇ電極は十分な導電性を安定して得られる。また、前記圧電材料部を構成する圧電セラミックスに熱処理を加えることにもなるため、被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比を１．０以上にすることが容易となる。１０００℃以上で熱処理を行うと、前記圧電セラミックスの組成が熱処理の前後で変化してしまうおそれがあるので好ましくない。また降温する際には、毎時１００℃以上１０００℃以下の速度で降温することが好ましい。あまりに急速な降温はセラミックスにクラックを生じさせるなど悪影響を及ぼすおそれがあるためである。
【００９３】
最後に、第一の電極１と第二の電極３の電極間に直流電圧を印加する分極処理工程を行う。前記分極処理の工程は特に限定されず、大気中で行ってもよいし、シリコーンオイル中で行ってもよいが、量産性の観点より大気中であることが好ましい。好ましい分極処理の条件としては、９０℃から１５０℃の最高温度で、５ｋＶ／ｃｍから１４ｋＶ／ｃｍの電界を１０分から３０分程度印加することが好ましい。また、前記最高温度から降温する際に電圧を印加し続けることが好ましい。降温過程まで電圧を印加し続けることによって、被測定面のＸ線回折による（００２）／（２００）回折強度比を１．０以上にすることが容易となる。電気機械結合定数ｋ３１が大きくなるという観点においては、圧電セラミクスを加熱し、直流電圧を印加した後に電圧印加を継続しながら降温する。前記降温過程において毎時１００℃／以上の速度で降温することがより好ましい。また降温する際には、毎時１０００℃以下で降温することが好ましい。あまりに急速な降温はセラミックスにクラックを生じさせるなど悪影響を及ぼすおそれがあるためである。
【００９４】
（液体吐出ヘッド）
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
【００９５】
本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする。
【００９６】
図５は、本発明の液体吐出ヘッドの構成の一実施態様を示す概略図である。図５（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の液体吐出ヘッドは、本発明の圧電素子１０１を有する液体吐出ヘッドである。圧電素子１０１は、第一の電極１０１１、圧電セラミックス１０１２、第二の電極１０１３を少なくとも有する圧電素子である。圧電セラミックス１０１２は、図５（ｂ）の如く、必要に応じてパターニングされている。
【００９７】
図５（ｂ）は液体吐出ヘッドの模式図である。液体吐出ヘッドは、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。図において圧電素子１０１は矩形状だが、その形状は、楕円形、円形、平行四辺形等の矩形以外でも良い。一般に、圧電セラミックス１０１２は個別液室１０２の形状に沿った形状となる。
【００９８】
本発明の液体吐出ヘッドに含まれる圧電素子１０１の近傍を図５（ａ）で詳細に説明する。図５（ａ）は、図５（ｂ）に示された圧電素子の幅方向での断面図である。圧電素子１０１の断面形状は矩形で表示されているが、台形や逆台形でもよい。
【００９９】
図中では、第一の電極１０１１が下部電極、第二の電極１０１３が上部電極として使用されている。しかし、第一の電極１０１１と、第二の電極１０１３の配置はこの限りではない。例えば、第一の電極１０１１を下部電極として使用しても良いし、上部電極として使用しても良い。同じく、第二の電極１０１３を上部電極として使用しても良いし、下部電極として使用しても良い。また、振動板１０３と下部電極の間にバッファ層１０８が存在しても良い。なお、これらの名称の違いはデバイスの製造方法によるものであり、いずれの場合でも本発明の効果は得られる。
【０１００】
前記液体吐出ヘッドにおいては、振動板１０３が圧電セラミックス１０１２の伸縮によって上下に変動し、個別液室１０２の液体に圧力を加える。その結果、吐出口１０５より液体が吐出される。本発明の液体吐出ヘッドは、プリンタ用途や電子デバイスの製造に用いる事ができる。
【０１０１】
振動板１０３の厚みは、１．０μｍ以上１５μｍ以下であり、好ましくは１．５μｍ以上８μｍ以下である。振動板の材料は限定されないが、好ましくはＳｉである。振動板のＳｉにホウ素やリンがドープされていても良い。また、振動板上のバッファ層、電極層が振動板の一部となっても良い。バッファ層１０８の厚みは、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。吐出口１０５の大きさは、円相当径で５μｍ以上４０μｍ以下である。吐出口１０５の形状は、円形であっても良いし、星型や角型状、三角形状でも良い。
【０１０２】
（液体吐出装置）
次に、本発明の液体吐出装置について説明する。本発明の液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする。
【０１０３】
本発明の液体吐出装置の一例として、図６および図７に示すインクジェット記録装置を挙げることができる。図６に示すインクジェット記録装置（液体吐出装置）８８１の外装８８２から８８５及び８８７を外した状態を図７に示す。インクジェット記録装置８８１は、被転写体としての記録紙を装置本体８９６内へ自動給送する自動給送部８９７を有する。更に、自動給送部８９７から送られる記録紙を所定の記録位置へ導き、記録位置から排出口８９８へ導く３つの部位を備えている。すなわち、被転写体の載置部である搬送部８９９と、記録位置に搬送された記録紙に記録を行う記録部８９１と、記録部８９１に対する回復処理を行う回復部８９０とインクジェット記録装置８８１を有する。記録部８９１には、本発明の液体吐出ヘッドを収納し、レール上を往復移送されるキャリッジ８９２が備えられる。
【０１０４】
このようなインクジェット記録装置において、コンピューターから送出される電気信号によりキャリッジ８９２がレール上を移送され、圧電セラミックスを挟持する電極に駆動電圧が印加されると圧電セラミックスが変位する。この圧電セラミックスの変位により、図５（ｂ）に示す振動板１０３を介して個別液室１０２を加圧し、インクを吐出口１０５から吐出させて、印字を行う。
【０１０５】
本発明の液体吐出装置においては、均一に高速度で液体を吐出させることができ、装置の小型化を図ることができる。
【０１０６】
上記例は、プリンタとして例示したが、本発明の液体吐出装置は、ファクシミリや複合機、複写機などのインクジェット記録装置の他、産業用液体吐出装置として使用することができる。
【０１０７】
加えてユーザーは用途に応じて所望の被転写体を選択することができる。なお載置部としてのステージに載置された被転写体に対して液体吐出ヘッドが相対的に移動する構成をとっても良い。
【０１０８】
（超音波モータ）
次に、本発明の超音波モータについて説明する。本発明に係る超音波モータは、前記圧電素子を配した振動体と、前記振動体と接触する移動体とを少なくとも有することを特徴とする。
【０１０９】
図８は、本発明の超音波モータの構成の一実施態様を示す概略図である。本発明の圧電素子の圧電材料部が単板の圧電セラミックスからなる超音波モータを示す。超音波モータは、振動子２０１、振動子２０１の摺動面に不図示の加圧バネによる加圧力で接触しているロータ２０２、ロータ２０２と一体的に設けられた出力軸２０３を有する。前記振動子２０１は、金属の弾性体リング２０１１、本発明の圧電素子２０１２、圧電素子２０１２を弾性体リング２０１１に接着する有機系接着剤２０１３（エポキシ系、シアノアクリレート系など）で構成される。本発明の圧電素子２０１２は、不図示の第一の電極と第二の電極によって挟まれた圧電セラミックスで構成される。
【０１１０】
本発明の圧電素子に位相がπ／２の奇数倍異なる二相の交番電圧を印加すると、振動子２０１に屈曲進行波が発生し、振動子２０１の摺動面上の各点は楕円運動をする。この振動子２０１の摺動面にロータ２０２が圧接されていると、ロータ２０２は振動子２０１から摩擦力を受け、屈曲進行波とは逆の方向へ回転する。不図示の被駆動体は、出力軸２０３と接合されており、ロータ２０２の回転力で駆動される。
【０１１１】
圧電セラミックスに電圧を印加すると、圧電横効果によって圧電セラミックスは伸縮する。金属などの弾性体が圧電素子に接合している場合、弾性体は圧電セラミックスの伸縮によって曲げられる。ここで説明された種類の超音波モータは、この原理を利用したものである。
【０１１２】
（光学機器）
次に、本発明の光学機器について説明する。本発明の光学機器は、駆動部に前記超音波モータを備えることを特徴とする。
【０１１３】
図９は、本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の主要断面図である。また、図１０は本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の分解斜視図である。カメラとの着脱マウント７１１には、固定筒７１２と、直進案内筒７１３、前群鏡筒７１４が固定されている。これらは交換レンズ鏡筒の固定部材である。
【０１１４】
直進案内筒７１３には、フォーカスレンズ７０２用の光軸方向の直進案内溝７１３ａが形成されている。フォーカスレンズ７０２を保持した後群鏡筒７１６には、径方向外方に突出するカムローラ７１７ａ、７１７ｂが軸ビス７１８により固定されており、このカムローラ７１７ａがこの直進案内溝７１３ａに嵌まっている。
【０１１５】
直進案内筒７１３の内周には、カム環７１５が回動自在に嵌まっている。直進案内筒７１３とカム環７１５とは、カム環７１５に固定されたローラ７１９が、直進案内筒７１３の周溝７１３ｂに嵌まることで、光軸方向への相対移動が規制されている。このカム環７１５には、フォーカスレンズ７０２用のカム溝７１５ａが形成されていて、カム溝７１５ａには、前述のカムローラ７１７ｂが同時に嵌まっている。
【０１１６】
固定筒７１２の外周側にはボールレース７２７により固定筒７１２に対して定位置回転可能に保持された回転伝達環７２０が配置されている。回転伝達環７２０には、回転伝達環７２０から放射状に延びた軸７２０ｆにコロ７２２が回転自由に保持されており、このコロ７２２の径大部７２２ａがマニュアルフォーカス環７２４のマウント側端面７２４ｂと接触している。またコロ７２２の径小部７２２ｂは接合部材７２９と接触している。コロ７２２は回転伝達環７２０の外周に等間隔に６つ配置されており、それぞれのコロが上記の関係で構成されている。
【０１１７】
マニュアルフォーカス環７２４の内径部には低摩擦シート（ワッシャ部材）７３３が配置され、この低摩擦シートが固定筒７１２のマウント側端面７１２ａとマニュアルフォーカス環７２４の前側端面７２４ａとの間に挟持されている。また、低摩擦シート７３３の外径面はリング状とされマニュアルフォーカス環７２４の内径７２４ｃと径嵌合しており、更にマニュアルフォーカス環７２４の内径７２４ｃは固定筒７１２の外径部７１２ｂと径嵌合している。低摩擦シート７３３は、マニュアルフォーカス環７２４が固定筒７１２に対して光軸周りに相対回転する構成の回転環機構における摩擦を軽減する役割を果たす。
【０１１８】
なお、コロ７２２の径大部７２２ａとマニュアルフォーカス環のマウント側端面７２４ｂとは、波ワッシャ７２６が超音波モータ７２５をレンズ前方に押圧する力により、加圧力が付与された状態で接触している。また同じく、波ワッシャ７２６が超音波モータ７２５をレンズ前方に押圧する力により、コロ７２２の径小部７２２ｂと接合部材７２９の間も適度な加圧力が付与された状態で接触している。波ワッシャ７２６は、固定筒７１２に対してバヨネット結合したワッシャ７３２によりマウント方向への移動を規制されており、波ワッシャ７２６が発生するバネ力（付勢力）は、超音波モータ７２５、更にはコロ７２２に伝わり、マニュアルフォーカス環７２４が固定筒７１２のマウント側端面７１２ａを押し付け力ともなる。つまり、マニュアルフォーカス環７２４は、低摩擦シート７３３を介して固定筒７１２のマウント側端面７１２ａに押し付けられた状態で組み込まれている。
【０１１９】
従って、不図示の制御部により超音波モータ７２５が固定筒７１２に対して回転駆動されると、接合部材７２９がコロ７２２の径小部７２２ｂと摩擦接触しているため、コロ７２２が軸７２０ｆ中心周りに回転する。コロ７２２が軸７２０ｆ回りに回転すると、結果として回転伝達環７２０が光軸周りに回転する（オートフォーカス動作）。
【０１２０】
また、不図示のマニュアル操作入力部からマニュアルフォーカス環７２４に光軸周りの回転力が与えられると以下のように作用する。すなわち、マニュアルフォーカス環７２４のマウント側端面７２４ｂがコロ７２２の径大部７２２ａと加圧接触しているため、摩擦力によりコロ７２２が軸７２０ｆ周りに回転する。コロ７２２の径大部７２２ａが軸７２０ｆ周りに回転すると、回転伝達環７２０が光軸周りに回転する。このとき超音波モータ７２５は、ロータ７２５ｃとステータ７２５ｂの摩擦保持力により回転しないようになっている（マニュアルフォーカス動作）。
【０１２１】
回転伝達環７２０には、フォーカスキー７２８が２つ互いに対向する位置に取り付けられており、フォーカスキー７２８がカム環７１５の先端に設けられた切り欠き部７１５ｂと嵌合している。従って、オートフォーカス動作或いはマニュアルフォーカス動作が行われて、回転伝達環７２０が光軸周りに回転させられると、その回転力がフォーカスキー７２８を介してカム環７１５に伝達される。カム環が光軸周りに回転させられると、カムローラ７１７ａと直進案内溝７１３ａにより回転規制された後群鏡筒７１６が、カムローラ７１７ｂによってカム環７１５のカム溝７１５ａに沿って進退する。これにより、フォーカスレンズ７０２が駆動され、フォーカス動作が行われる。
【０１２２】
ここで本発明の光学機器として、一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒について説明したが、コンパクトカメラ、電子スチルカメラ等、カメラの種類を問わず、駆動部に超音波モータを有する光学機器に適用することができる。
【０１２３】
（振動装置および塵埃除去装置）
粒子、粉体、液体の搬送、除去等で利用される振動装置は、電子機器等で広く使用されている。以下、本発明の振動装置の一つの例として、本発明の圧電素子を用いた塵埃除去装置について説明する。
【０１２４】
本発明に係る振動装置は、上記の圧電素子を振動板に配した振動体を有することを特徴とし、振動板の表面に付着した塵埃を除去する機能を有する。また、本発明に係る塵埃除去装置は、上記の振動装置を振動部に備えたことを特徴とする。
【０１２５】
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は本発明の塵埃除去装置の一実施態様を示す概略図である。塵埃除去装置３１０は板状の圧電素子３３０と振動板３２０より構成される。振動板３２０の材質は限定されないが、塵埃除去装置３１０を光学デバイスに用いる場合には透光性材料や光反射性材料を振動板３２０として用いることができ、振動板の透光部や光反射部が塵埃の除去の対象となる。
【０１２６】
図１２は図１１における圧電素子３３０の構成を示す概略図である。図１２（ａ）と（ｃ）は圧電素子３３０の表裏面の構成、図１２（ｂ）は側面の構成を示している。圧電素子３３０は図１１に示すように圧電セラミックス３３１と第１の電極３３２と第２の電極３３３より構成され、第１の電極３３２と第２の電極３３３は圧電セラミックス３３１の板面に対向して配置されている。図１２（ｃ）において圧電素子３３０の手前に出ている第１の電極３３２が設置された面を第１の電極面３３６、図１２（ａ）において圧電素子３３０の手前に出ている第２の電極３３３が設置された面を第２の電極面３３７とする。
【０１２７】
電極面とは電極が設置されている圧電素子の面であり、例えば図１２に示すように第１の電極３３２が第２の電極面３３７に回りこんでいても良い。
【０１２８】
圧電素子３３０と振動板３２０は、図１１（ａ）（ｂ）に示すように圧電素子３３０の第１の電極面３３６で振動板３２０の板面に固着される。そして圧電素子３３０の駆動により圧電素子３３０と振動板３２０との間に応力が発生し、振動板に面外振動を発生させる。本発明の塵埃除去装置３１０は、この振動板３２０の面外振動により振動板３２０の表面に付着した塵埃等の異物を除去する装置である。面外振動とは、振動板を光軸方向つまり振動板の厚さ方向に変位させる弾性振動を意味する。
【０１２９】
図１３は本発明の塵埃除去装置３１０の振動原理を示す模式図である。図１３（ａ）は左右一対の圧電素子３３０に同位相の交番電圧を印加して、振動板３２０に面外振動を発生させた状態を表している。左右一対の圧電素子３３０を構成する圧電セラミックスの分極方向は圧電素子３３０の厚さ方向と同一であり、塵埃除去装置３１０は７次の振動モードで駆動している。図１３（ｂ）は左右一対の圧電素子３３０に位相が１８０°反対である逆位相の交番電圧を印加して、振動板３２０に面外振動を発生させた状態を表している。塵埃除去装置３１０は６次の振動モードで駆動している。本発明の塵埃除去装置３１０は少なくとも２つの振動モードを使い分けることで振動板の表面に付着した塵埃を効果的に除去できる装置である。
【０１３０】
（撮像装置）
次に、本発明の撮像装置について説明する。本発明の撮像装置は、前記塵埃除去装置と撮像素子ユニットとを少なくとも有する撮像装置であって、前記塵埃除去装置の振動板を前記撮像素子ユニットの受光面側に設けた事を特徴とする。図１４および図１５は本発明の撮像装置の好適な実施形態の一例であるデジタル一眼レフカメラを示す図である。
【０１３１】
図１４は、カメラ本体６０１を被写体側より見た正面側斜視図であって、撮影レンズユニットを外した状態を示す。図１５は、本発明の塵埃除去装置と撮像ユニット４００の周辺構造について説明するためのカメラ内部の概略構成を示す分解斜視図である。
【０１３２】
図１４に示すカメラ本体６０１内には、撮影レンズを通過した撮影光束が導かれるミラーボックス６０５が設けられており、ミラーボックス６０５内にメインミラー（クイックリターンミラー）６０６が配設されている。メインミラー６０６は、撮影光束をペンタダハミラー（不図示）の方向へ導くために撮影光軸に対して４５°の角度に保持される状態と、撮像素子（不図示）の方向へ導くために撮影光束から退避した位置に保持される状態とを取り得る。
【０１３３】
図１５において、カメラ本体の骨格となる本体シャーシ３００の被写体側には、被写体側から順にミラーボックス６０５、シャッタユニット２００が配設される。また、本体シャーシ３００の撮影者側には、撮像ユニット４００が配設される。前記撮像ユニット４００は、塵埃除去装置の振動板と撮像素子ユニットで構成される。また、塵埃除去装置の振動板は前記撮像素子ユニットの受光面と同一軸上に順に設けてある。撮像ユニット４００は、撮影レンズユニットが取り付けられる基準となるマウント部６０２（図１４）の取付面に設置され、撮像素子ユニットの撮像面が撮像レンズユニットと所定の距離を空けて、且つ平行になるように調整されている。
【０１３４】
ここで、本発明の撮像装置として、デジタル一眼レフカメラについて説明したが、例えばミラーボックス６０５を備えていないミラーレス型のデジタル一眼カメラのような撮影レンズユニット交換式カメラであってもよい。また、撮影レンズユニット交換式のビデオカメラや、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の各種の撮像装置もしくは撮像装置を備える電子電気機器のうち、特に光学部品の表面に付着する塵埃の除去が必要な機器にも適用することができる。
【０１３５】
（電子機器）
次に、本発明の電子機器について説明する。本発明の電子機器は、前記圧電素子を備えた圧電音響部品を有することを特徴とする。圧電音響部品にはスピーカ、ブザー、マイク、表面弾性波（ＳＡＷ）素子が含まれる。
【０１３６】
図１６は本発明の電子機器の好適な実施形態の一例であるデジタルカメラの本体９３１の前方から見た全体斜視図である。本体９３１の前面には光学装置９０１、マイク９１４、ストロボ発光部９０９、補助光部９１６が配置されている。マイク９１４は本体内部に組み込まれているため、破線で示している。マイク９１４の前方には外部からの音を拾うための穴が設けられている。
【０１３７】
本体９３１上面には電源ボタン９３３、スピーカ９１２、ズームレバー９３２、合焦動作を実行するためのレリーズボタン９０８が配置される。スピーカ９１２は本体９３１内部に組み込まれており、破線で示してある。スピーカ９１２の前方には音声を外部へ伝えるための穴が設けられている。
【０１３８】
本発明の圧電音響部品は、マイク９１４、スピーカ９１２、また表面弾性波素子の少なくとも一つに用いられる。
【０１３９】
ここで、本発明の電子機器としてデジタルカメラについて説明したが、本発明の電子機器は、音声再生機器、音声録音機器、携帯電話、情報端末等各種の圧電音響部品を有する電子機器にも適用することができる。
【０１４０】
前述したように本発明の圧電素子は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、超音波モータ、光学機器、振動装置、塵埃除去装置、撮像装置および電子機器に好適に用いられる。
【０１４１】
本発明の圧電素子を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、ノズル密度および吐出速度を有する液体吐出ヘッドを提供することができる。
【０１４２】
本発明の液体吐出ヘッドを用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、吐出速度および吐出精度を有する液体吐出装置を提供することができる。
【０１４３】
本発明の圧電素子を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、駆動力および耐久性を有する超音波モータを提供することができる。
【０１４４】
本発明の超音波モータを用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、耐久性および動作精度を有する光学機器を提供することができる。
【０１４５】
本発明の圧電素子を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、振動能力および耐久性を有する振動装置を提供することができる。
【０１４６】
本発明の振動装置を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力、塵埃除去効率および耐久性を有する塵埃除去装置を提供することができる。
【０１４７】
本発明の塵埃除去装置を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力および塵埃除去機能を有する撮像装置を提供することができる。
【０１４８】
本発明の圧電素子を備えた圧電音響部品を用いることで、鉛を含む圧電素子を用いた場合と同等以上の消費電力および発音性を有する電子機器を提供することができる。
【０１４９】
本発明の圧電素子は、液体吐出ヘッド、モータなどに加え、超音波振動子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、強誘電メモリ等のデバイスに用いることができる。
【実施例】
【０１５０】
以下に実施例を挙げて本発明の圧電素子をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【０１５１】
（圧電素子の作製と評価）
（実施例１）
（圧電セラミックスの作製と評価）
（Ｂａ１−ｘＣａｘ）α（Ｔｉ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３        （１）
（式中、０．１２５≦ｘ≦０．３００、０．０４１≦ｙ≦０．０８０、０．９８６≦α≦１．０２０である。）
（Ｂａ１−ｘＣａｘ）α（Ｔｉ１−ｙＺｒｙ）Ｏ３の一般式（１）において、ｘ＝０．１６、ｙ＝０．０６、α＝１．００６の組成に相当する（Ｂａ０．８４Ｃａ０．１６）１．００６（Ｔｉ０．９４Ｚｒ０．０６）Ｏ３の原料粉を以下のように秤量した。
【０１５２】
固相法によって作製された粒子径３００ｎｍのペロブスカイト構造のチタン酸バリウム粉、チタン酸カルシウム粉およびジルコン酸カルシウム粉と炭酸バリウム粉を上記化学式の比率になるように秤量した。
【０１５３】
上記組成（Ｂａ０．８４Ｃａ０．１６）１．００６（Ｔｉ０．９４Ｚｒ０．０６）Ｏ３の金属酸化物１００重量部に対して、Ｍｎが０．２４重量部となるように四酸化三マンガンを秤量した。これらの秤量粉を、ボールミルを用いて２４時間の乾式混合によって混合した。混合粉に対して３重量部となるＰＶＡバインダを、スプレードライヤ装置を用いて、混合粉表面に付着させ造粒した。
【０１５４】
次に、前記造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて２００ＭＰａの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。
【０１５５】
前記成形体を電気炉に入れ、最高温度が１３４０℃の条件で５時間保持し、合計２４時間かけて大気雰囲気で焼結し、圧電セラミックスを得た。
【０１５６】
圧電セラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果、平均円相当径は６．８μｍ、相対密度は９４．３％であった。なお、結晶粒の観察には、偏光顕微鏡を用いた。偏光顕微鏡で撮影して得られた写真画像を画像処理して、平均円相当径を算出した。また、相対密度はアルキメデス法を用いて評価した。
【０１５７】
次に蛍光Ｘ線分析およびＩＣＰ発光分光分析により組成を評価した。その結果、（Ｂａ０．８４Ｃａ０．１６）１．００６（Ｔｉ０．９４Ｚｒ０．０６）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物１００重量部に対してＭｎが０．２４重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎ以外の元素は検出限界以下の量であり、０．００１重量部未満であった。
【０１５８】
（電極の作製）
得られた圧電セラミックスを厚さ０．５ｍｍになるように研磨した後に、セラミックスの表裏両面にＡｇペーストを焼き付けて、厚み３μｍの電極を形成した。焼き付け条件は、まず、８００℃まで５℃／分の速度で昇温させた後、８００℃で５分保持した。その後、毎時３５０℃の速度で降温させ、４０℃まで温度が下がってから電極付きのセラミックスを電気炉から取り出した。
【０１５９】
（分極処理）
電極付きのセラミックスを、１４０℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に０．６ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加した。その後、ホットプレートを毎時２００℃の速度で降温させ、４０℃まで温度が下がってから電圧の印加を止め、本発明の圧電素子を得た。
【０１６０】
（Ｘ線回折評価）
圧電素子を切断加工し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍの角型状の圧電素子を作製した。
【０１６１】
残留分極を有する圧電セラミックスの結晶構造を評価するに先立って、圧電素子の研磨を行った。まずＡｇ電極を除去するために粒度＃２０００番の研磨紙を用いて研磨を行い、その後、圧電セラミックスの表面層を除去するために、コロイダルシリカを用いたバフ研磨を行った。バフ研磨を行った後、表面粗さＲａを接触式表面形状測定器（アルバック社製：ＤｅｋｔａｋＸＴ）で評価したところ１８８ｎｍであった。
【０１６２】
続いて、研磨された圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は２５℃であった。評価にはＸＲＤ（パナリティカル社製：Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＲＤ）を用いて、２θ−θ法により測定を行った。管球の線源にはＣｕ−Ｋα線を用いて、管電圧は４５ｋＶ、管電流は４０ｍＡとした。２θの測定範囲を２０°から５０°までとし、スキャン速度は０．１０度／分を、サンプリング間隔は０．０１度とした。また、入射光のスポット径は１０ｍｍとした。その結果、被測定面の（００２）／（２００）回折強度比は１．２１、ｃ／ａは１．００７、被測定面の（００２）回折ピークの半価幅は０．４０°であった。
【０１６３】
（電気特性評価）
圧電素子を切断加工し、１０ｍｍ×２．５ｍｍ×０．５ｍｍの短冊状の圧電素子を作製した。
【０１６４】
短冊状の圧電素子の比誘電率εｒ、電気機械結合定数ｋ３１および機械的品質係数Ｑｍをインピーダンスアナライザによって評価した。このとき室温は２５℃であった。インピーダンスアナライザの印加電圧は０．０５Ｖｐｐとした。結果、比誘電率εｒ＝１７４０、電気機械結合定数ｋ３１＝０．２２１、Ｑｍ＝１６５０であった。なお、電気機械結合定数ｋ３１と機械的品質係数Ｑｍは共振−反共振法により評価した。
【０１６５】
次に短冊状の圧電素子の消費電力を評価した。１０Ｖｐｐの交番電圧を印加し、変位量が１．０μｍになるように周波数を変化させたときの、消費電力の値を電力計で測定した。変位量はレーザ―ドップラ振動計で測定した。このときの消費電力は１６ｍＷであった。
【０１６６】
（実施例２から９）
原料粉に酸化ビスマス粉を用いた点以外は実施例１と同様の工程で、実施例２から９の圧電セラミックスを作製した。ただし、各成分の秤量比率を表１に示す比率にした。表１のＡ／ＢとはＢａとＣａのモル量の和ＡとＴｉ、ＺｒおよびＭｎのモル量の和Ｂとの比である。次に、実施例１と同様に平均円相当径と相対密度を評価した。その結果を表２に示す。実施例１と同様に組成分析を行った結果、いずれのサンプルにおいても表１に示した秤量組成と焼結後の組成は表記した有効桁数において一致していることが分かった。
【０１６７】
続いて、実施例１と同様の工程で、実施例２から９の圧電素子を作製し、圧電セラミックスの結晶構造、圧電素子の比誘電率εｒ、電気機械結合定数ｋ３１、機械的品質係数Ｑｍおよび消費電力を評価した。このとき室温は２５℃であった。その結果を表３および表４に示す。また、実施例１と同様の工程で実施例２から９の圧電素子の研磨を行った。表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１６０ｎｍから１９２ｎｍの範囲であった。
【０１６８】
（比較例１）
（圧電セラミックスの作製と評価）
水熱合成法によって得られた粒子径１００ｎｍのペロブスカイト構造のチタン酸バリウム粉に対して、３重量部となるＰＶＡバインダを、スプレードライヤ装置を用いて、チタン酸バリウム粉表面に付着させ造粒した。
【０１６９】
次に、前記造粒粉を金型に充填し、プレス成型機を用いて２００ＭＰａの成形圧をかけて円盤状の成形体を作製した。
【０１７０】
前記成形体を電気炉に入れ、まず１３９０℃まで１５℃／分の速度で昇温し、１３９０℃で１分キープした後に、３０℃／分の速度で１１９０℃まで降温する。その後、１１９０℃で４時間キープし、その後５℃／分の速度で室温まで冷却する焼結プロファイルで焼結し、圧電セラミックスを得た。
【０１７１】
圧電セラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果、平均円相当径は８．１μｍ、相対密度は９４．９％であった。なお、結晶粒の観察には、偏光顕微鏡を用いた。偏光顕微鏡で撮影して得られた写真画像を画像処理して、平均円相当径を算出した。また、相対密度はアルキメデス法を用いて評価した。
【０１７２】
次に蛍光Ｘ線分析およびＩＣＰ発光分光分析により組成を評価した。その結果、Ｂａ１．０００ＴｉＯ３の化学式で表わすことができることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、ＢａおよびＴｉ以外の元素は検出限界以下の量であり、０．００１重量部未満であった。
【０１７３】
（電極の作製）
得られた圧電セラミックスを厚さ０．５ｍｍになるように研磨した後に、セラミックスの表裏両面にＡｇペーストを焼き付けて、厚み３μｍの電極を形成した。焼き付けは、まず、６００℃まで毎分５℃の速度で昇温させた後、６００℃で２時間保持した後に加熱を止めた。その後、毎時５０℃の速度で降温させ、４０℃まで温度が下がってからセラミックスを電気炉から取り出した。
【０１７４】
（分極処理）
電極付きのセラミックスを、８０℃に加熱したシリコーンオイル中に入れ、表裏面の電極間に１．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加した。その後、毎時５０℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例１の圧電素子を得た。
【０１７５】
（Ｘ線回折評価）
圧電素子を切断加工し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍの角型状の圧電素子を作製した。
【０１７６】
続いて、圧電セラミックスの結晶構造を評価するに先立って、圧電素子の研磨を行った。まずＡｇ電極を除去するために粒度＃２０００番の研磨紙を用いて研磨を行い、その後、圧電セラミックスの表面層を除去するために、コロイダルシリカを用いたバフ研磨を行った。バフ研磨を行った後、表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１６４ｎｍであった。
【０１７７】
続いて、研磨された圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は２５℃であった。評価にはＸＲＤを用いて、２θ−θ法により測定を行った。管球の線源にはＣｕ−Ｋα線を用いて、管電圧は４５ｋＶ、管電流は４０ｍＡとした。２θの測定範囲を２０°から５０°までとし、スキャン速度は０．１０度／分を、サンプリング間隔は０．０１度とした。また、入射光のスポット径は１０ｍｍとした。その結果、被測定面の（００２）／（２００）回折強度比は０．９７、ｃ／ａは１．００９、被測定面の（００２）回折ピークの半価幅は０．１３°であった。
【０１７８】
（電気特性評価）
圧電素子を切断加工し、１０ｍｍ×２．５ｍｍ×０．５ｍｍの短冊状の圧電素子を作製した。
【０１７９】
短冊状の圧電素子の比誘電率εｒ、電気機械結合定数ｋ３１および機械的品質係数Ｑｍをインピーダンスアナライザによって評価した。このとき室温は２５℃であった。インピーダンスアナライザの印加電圧は０．０５Ｖｐｐとした。結果、比誘電率εｒ＝３６５０、電気機械結合定数ｋ３１＝０．１８８、機械的品質係数Ｑｍ＝２８０であった。なお、電気機械結合定数ｋ３１と機械的品質係数Ｑｍは共振−反共振法により評価した。
【０１８０】
次に短冊状の圧電素子の消費電力を評価した。１０Ｖｐｐの交番電圧を印加し、変位量が１．０μｍになるように周波数を変化させたときの、消費電力の値を電力計で測定した。変位量はレーザ―ドップラ振動計で測定した。このときの消費電力は７２ｍＷであった。
【０１８１】
（比較例２）
（圧電セラミックスの作製と評価）
実施例２から９と同様の工程で、比較例２の圧電セラミックスを作製するために成形体を作製した。ただし各成分の秤量比率を表１に示す比率にした。
【０１８２】
前記成形体を電気炉に入れ、最高温度が１３４０℃の条件で５時間保持し、合計２４時間かけて大気雰囲気で焼結し、圧電セラミックスを得た。
【０１８３】
比較例１と同様の工程で、比較例２の圧電セラミックスを構成する結晶粒の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果を表２に示す。また、表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１７０ｎｍであった。
【０１８４】
次に蛍光Ｘ線分析およびＩＣＰ発光分光分析により組成を評価した。その結果、（Ｂａ０．８４Ｃａ０．１６）１．００７（Ｔｉ０．９４Ｚｒ０．０６）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物１００重量部に対してＭｎが０．２４重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎ以外の元素は検出限界以下の量であり、０．００１重量部未満であった。
【０１８５】
（電極の作製）
得られた圧電セラミックスを厚さ０．５ｍｍになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にＤＣスパッタリング法により厚さ４００ｎｍの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として３０ｎｍのチタンを成膜した。成膜は加熱をしないで行った。また、金電極形成後に熱処理は行わなかった。
【０１８６】
（分極処理）
電極付きのセラミックスを、１００℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に１．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加した。その後、毎時５０℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例２の圧電素子を得た。
【０１８７】
（Ｘ線回折評価）
続いて、比較例１と同様の工程で比較例２の圧電素子の研磨を行った。表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１９４ｎｍであった。
【０１８８】
次に、比較例１と同様の工程で比較例２の圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は２５℃であった。その結果、被測定面の（００２）／（２００）回折強度比は０．９１、ｃ／ａは１．００６、被測定面の（００２）回折ピークの半価幅は０．３８°であった。
【０１８９】
（電気特性評価）
続いて、比較例１と同様の工程で比誘電率、電気機械結合定数ｋ３１、機械的品質係数Ｑｍおよび消費電力を評価した。このとき室温は２５℃であった。結果、比誘電率εｒ＝１７６０、電気機械結合定数ｋ３１＝０．１９１、機械的品質係数Ｑｍ＝１６００、消費電力は２９ｍＷであった。
【０１９０】
（比較例３）
比較例２と同様の工程で、比較例３の圧電セラミックスを作製するために成形体を作製した。ただし各成分の秤量比率を表１に示す比率にした。
【０１９１】
前記成形体を電気炉に入れ、最高温度が１４４０℃の条件で５時間保持し、合計２４時間かけて大気雰囲気で焼結し、圧電セラミックスを得た。
【０１９２】
比較例２と同様の工程で、比較例３の平均円相当径と相対密度を評価した。その結果を表２に示す。また、表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１７９ｎｍであった。
【０１９３】
次に蛍光Ｘ線分析およびＩＣＰ発光分光分析により組成を評価した。その結果、（Ｂａ０．８４Ｃａ０．１６）１．０１６（Ｔｉ０．９０Ｚｒ０．１０）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物１００重量部に対してＭｎが０．２４重量部含有されていることが分かった。これは秤量した組成と焼結後の組成が一致していることを意味する。また、Ｂａ、Ｃａ、Ｔｉ、ＺｒおよびＭｎ以外の元素は検出限界以下の量であり、０．００１重量部未満であった。
【０１９４】
（電極の作製）
得られた圧電セラミックスを厚さ０．５ｍｍになるように研磨した後に、前記セラミックスの表裏両面にＤＣスパッタリング法により厚さ４００ｎｍの金電極を形成した。なお、電極とセラミックスの間には、密着層として３０ｎｍのチタンを成膜した。成膜は加熱をしないで行った。また金電極形成後に熱処理は行わなかった。
【０１９５】
（分極処理）
電極付きのセラミックスを、１００℃に加熱したホットプレートに載せ、表裏面の電極間に１．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０分間印加した。その後、毎時５０℃の速度で降温させ、電界の印加を止め、比較例３の圧電素子を得た。
【０１９６】
（Ｘ線回折評価）
続いて、比較例２と同様の工程で比較例３の圧電素子の研磨を行った。表面粗さＲａを接触式表面形状測定器で評価したところ１５３ｎｍであった。
【０１９７】
次に、比較例２と同様の工程で比較例３の圧電セラミックスの結晶構造を評価した。このとき室温は２５℃であった。その結果、被測定面の（００２）／（２００）回折強度比は１．０９、ｃ／ａは１．００１、被測定面の（００２）回折ピークの半価幅は０．５０°であった。
【０１９８】
（電気特性評価）
続いて、比較例２と同様の工程で比誘電率、電気機械結合定数ｋ３１、機械的品質係数Ｑｍおよび消費電力を評価した。このとき室温は２５℃であった。
【０１９９】
結果、比誘電率εｒ＝２５２０、電気機械結合定数ｋ３１＝０．１８８、機械的品質係数Ｑｍ＝１９００、消費電力は３１ｍＷであった。
【０２００】
【表１】
2015164182.tif 000004
【０２０１】
【表２】
2015164182.tif 000005
【０２０２】
【表３】
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【０２０３】
【表４】
2015164182.tif 000007
【０２０４】
表１から表４を考察する。まず実施例１から９と比較例１から３の電気機械結合定数ｋ３１を比較すると、実施例の電気機械結合定数ｋ３１は０．２０２以上となっていた。そのため、消費電力が２５ｍＷ以下と比較例に比べて小さくなっていた。実施例の中でも１、２、４、７および８は、消費電力が２０ｍＷ以下であった。これらの圧電素子は、電気機械結合定数ｋ３１が高いことに加え、比誘電率εｒが２０５０以下と小さく、かつＱｍが１３００以上と高かった。
【０２０５】
比較例１は（００２）／（２００）回折強度比が１．０未満となっているために電気機械結合定数ｋ３１が０．２００未満になっていた。また、比較例１は消費電力が７２ｍＷと大きくなっていた。これは比誘電率が高いためにキャパシタンス電力が増加したことと、機械的品質係数Ｑｍが小さいために駆動電力が増加したことに起因していると考えられる。
【０２０６】
比較例２も（００２）／（２００）回折強度比が１．０未満となっているために電気機械結合定数ｋ３１が０．２００未満になっていた。また、比較例２は消費電力が２９ｍＷと比較例１よりは小さくなっていた。これは比較例１より比誘電率εｒが小さいためにキャパシタンス電力が小さかったことと、機械的品質係数Ｑｍが大きいために駆動電力が小さかったことに起因していると考えられる。
【０２０７】
比較例３はｃ／ａが１．００４未満であった。また、比較例３は消費電力が３１ｍＷと比較例２より大きくなっていた。これは比較例２より比誘電率が高いためにキャパシタンス電力が増加したことに起因していると考えられる。
【０２０８】
（液体吐出ヘッドの作製と評価）
（実施例１０）
実施例１の圧電素子を用いて、図５（ｂ）に示される構造の液体吐出ヘッドを作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２０９】
（液体吐出装置の作製と評価）
（実施例１１）
実施例１０の液体吐出ヘッドを用いて、図６に示される構造の液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が記録媒体上に確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２１０】
（超音波モータの作製と評価）
（実施例１２）
実施例１の圧電素子を用いて、図８に示される構造の超音波モータを作製した。交流電圧の印加に応じたモータの回転が確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２１１】
（光学機器の作製と評価）
（実施例１３）
実施例１２の超音波モータを用いて、図９に示される構造の光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作が確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２１２】
（塵埃除去装置の作製と評価）
（実施例１４）
実施例１の圧電素子を用いて、図１１に示される構造の塵埃除去装置を作製した。プラスチック製ビーズを散布し、交番電圧を印加したところ、良好な塵埃除去率が確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２１３】
（撮像装置の作製と評価）
（実施例１５）
実施例１４の塵埃除去装置を用いて、図１４に示される構造の撮像装置を作製した。作成した装置を動作させたところ、撮像ユニットの表面の塵を良好に除去し、塵欠陥の無い画像が得られた。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【０２１４】
（電子機器の作製と評価）
（実施例１６）
実施例１の圧電素子を用いて、図１６に示される構造の電子機器を作製した。交番電圧の印加に応じたスピーカ動作が確認された。このとき、消費電力の増大は確認されなかった。
【産業上の利用可能性】
【０２１５】
本発明の圧電素子は、高い電気機械結合定数を有し、消費電力が小さいため、良好な効率で駆動する。また、鉛を含まないために、環境に対する負荷が少ない。よって、本発明の圧電素子は、液体吐出ヘッド、超音波モータ、塵埃除去装置などの圧電素子を多く用いる機器にも効率良く利用することができる。
【符号の説明】
【０２１６】
１  第一の電極
２  圧電材料部
３  第二の電極
４  被測定面
５  切り出し面
６  ｃドメイン
７  ａドメイン
１０１  圧電素子
【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】
2015164182.tif 000012
【図６】
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【図７】
2015164182.tif 000014
【図８】
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【図９】
2015164182.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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