(57)【要約】【課題】−３０℃〜５０℃の温度範囲内において安定して高い圧電定数と小さな誘電損失を有する薄膜型の圧電素子を提供する。【解決手段】基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が設けられた圧電素子であって、前記圧電膜はＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＦｅおよびＭｎを含む酸化物であり、前記圧電膜におけるＢａおよびＢｉの和に対するＢｉのモル比を示すｙ値が０．００１≦ｙ≦０．０１５であり、Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＺｒのモル比を示すｘ値が０．０１０≦ｘ≦０．０６０であり、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＦｅのモル比を示すｚ値が０．００１≦ｚ≦０．０１５であり、前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＭｎのモル比を示すｍ値が０．００２０≦ｍ≦０．０１５０であり、かつ、ｙとｚの関係が０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０であることを特徴とする圧電素子。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、第一の電極、圧電膜、および第二の電極が設けられた圧電素子であって、前記圧電膜はＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含む酸化物であり、前記圧電膜におけるＢａおよびＢｉの和に対するＢｉのモル比を示すｙ値が０．００１≦ｙ≦０．０１５であり、
Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＺｒのモル比を示すｘ値、が０．０１０≦ｘ≦０．０６０であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＦｅのモル比を示すｚ値が０．００１≦ｚ≦０．０１５であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＭｎのモル比を示すｍ値が０．００２０≦ｍ≦０．０１５０であり、
かつ、ｙとｚの関係が０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電膜の前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた箇所における最大膜厚ＴＰが１０μｍ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３】
前記圧電膜の前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた箇所における最大膜厚ＴＰに対し、前記第一の電極および前記第二の電極は、それぞれ、その最大膜厚ＴＥ１と最小膜厚ＴＥ２の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２が、０．００２×ＴＰ≦ （ＴＥ１＋ＴＥ２）／２≦５００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記第一の電極と、前記基板との間に、第４族元素および／または第５族元素の金属を含む密着成分が介在していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記圧電膜が柱状構造の結晶粒で構成された集合組織を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記圧電膜が、基板の表面に対して平行な方向に残留応力を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項７】
前記圧電膜のキュリー温度が１２１℃以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記圧電膜のペロブスカイト構造を構成する結晶が、前記基板の表面に対して垂直方向に選択的に配向していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧電素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電素子と、該圧電素子が設けられた振動板とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか一項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１１】
被転写体の載置部と、請求項１０に記載の液体吐出ヘッドとを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の圧電アクチュエータを２つ以上有しており、かつ電圧印加時の前記圧電アクチュエータの伸縮方向が２方向以上となるように前記圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする振動補正機構。
【請求項１３】
請求項９に記載の圧電アクチュエータと該圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、前記圧電アクチュエータの変形によって前記光学部材の形状が変化する機構を備えたことを特徴とする可変光学部材。
【請求項１４】
請求項９に記載の圧電アクチュエータと該圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、前記圧電アクチュエータの変形によって前記光学部材が移動および／または回転する機構を備えたことを特徴とする可動光学部材。
【請求項１５】
請求項１２に記載の振動補正機構および該振動補正機構に保持された光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
【請求項１６】
請求項１３に記載の可変光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
【請求項１７】
請求項１４に記載の可動光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
【請求項１８】
請求項１２に記載の振動補正機構および前記振動補正機構に保持された撮像素子ユニットとを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１９】
請求項１３の可変光学部材を備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２０】
請求項１４の可動光学部材を備えたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２１】
複数のマイクロミラーと各マイクロミラーに力学的に接続された複数の圧電アクチュエータを有するマイクロミラーデバイスにおいて、該複数の圧電アクチュエータが請求項９に記載の圧電アクチュエータであることを特徴とするマイクロミラーデバイス。
【請求項２２】
超音波の発振機能と反射波の受信機能を有する超音波プローブであって、請求項９に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の超音波プローブと、信号処理手段と、画像生成手段とを備えたことを特徴とする超音波検査装置。
【請求項２４】
請求項９に記載の圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって音を発信または受信することを特徴とする音響部品。
【請求項２５】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電素子を備え、該圧電素子の形状変化を角速度情報に変換することを特徴とする角速度センサー。
【請求項２６】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電素子を備え、該圧電素子によって振動エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする振動発電装置。
【請求項２７】
基板、圧電膜、複数の櫛型電極が設けられた圧電素子であって、
前記圧電膜はＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、を含む酸化物であり、
前記圧電膜におけるＢａおよびＢｉの和に対するＢｉのモル比を示すｙ値が０．００１≦ｙ≦０．０１５であり、
Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＺｒのモル比を示すｘ値が０．０１０≦ｘ≦０．０６０であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＦｅのモル比を示すｚ値が０．００１≦ｚ≦０．０１５であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＭｎのモル比を示すｍ値が０．００２０≦ｍ≦０．０１５０であり、
かつ、ｙとｚの関係が０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０であることを特徴とする圧電素子。
【請求項２８】
請求項２７に記載の圧電素子を備え、該圧電素子によって表面弾性波を発生する表面弾性波発生装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の表面弾性波発生装置および遮光部品を有する圧電シャッターであって、前記表面弾性波発生装置の駆動によって前記遮光部品を移動させる機能を有することを特徴とする圧電シャッター。
【請求項３０】
電子部品と、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電素子を備えた電子機器。
【請求項３１】
電子部品と、請求項２７に記載の圧電素子を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的に鉛を含有しない薄膜型の圧電素子に関する。また、本発明は前記圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置、圧電シャッター、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜型の圧電素子は、通常、下部及び上部電極と、これらの電極によって挟持された圧電膜により構成されている。圧電膜は、強誘電性の金属酸化物による多結晶体によって形成されている。圧電膜の主成分としては、チタン酸ジルコン酸鉛（以下「ＰＺＴ」という）のようなＡＢＯ３型のペロブスカイト型金属酸化物が一般的である。しかしながら、ＰＺＴはＡサイト元素として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（非鉛）圧電膜が求められている。
【０００３】
非鉛圧電膜として、チタン酸ジルコン酸バリウム膜が知られている。特許文献１では、チタン酸ジルコン酸バリウムのチタンおよびジルコニウムの和に対して、２ｍｏｌ％以上４ｍｏｌ％以下のマンガン酸化物を加えることで圧電膜のクラックを抑制したことが示されている。しかし、この開示組成は、室温付近に圧電性能のピークを有するため、例えば−３０℃〜５０℃程度の使用温度が想定される用途では、低温や高温での圧電定数が不足するという問題があった。また、いずれの使用温度においても誘電損失が大きいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４３７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述の課題に対処するためになされたものであり、圧電膜部分が高いキュリー温度を有し、−３０℃〜５０℃の温度範囲内において安定して高い圧電定数と小さな誘電損失を有する薄膜型の圧電素子を提供するものである。
【０００６】
また、本発明は前記圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置、圧電シャッター、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】
【０００７】
本発明に係る圧電素子は、
基板、第一の電極、圧電膜、および第二の電極が設けられた圧電素子であって、前記圧電膜はＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含む酸化物であり、前記圧電膜におけるＢａおよびＢｉの和に対するＢｉのモル比を示すｙ値が０．００１≦ｙ≦０．０１５であり、
Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＺｒのモル比を示すｘ値、が０．０１０≦ｘ≦０．０６０であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＦｅのモル比を示すｚ値が０．００１≦ｚ≦０．０１５であり、
前記Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＭｎのモル比を示すｍ値が０．００２０≦ｍ≦０．０１５０であり、
かつ、ｙとｚの関係が０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る圧電アクチュエータは、上記の圧電素子と、該圧電素子が設けられた振動板とを有することを特徴とする。
【０００９】
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有することを特徴とする。
【００１０】
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たことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る振動補正機構は、上記の圧電アクチュエータを２つ以上有しており、かつ電圧印加時の圧電アクチュエータの伸縮方向が２方向以上となるように圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る可変光学部材は、上記の圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材の形状が変化する機構を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る可動光学部材は、上記の圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材が移動および／または回転する機構を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る光学機器は、上記の振動補正機構およびその振動補正機構に保持された光学部材を備えたこと、または、上記の可変光学部材または上記の可動光学部材を備えた事を特徴とする。
【００１５】
本発明に係る撮像装置は、上記の振動補正機構およびその振動補正機構に保持された撮像素子ユニットとを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る光スイッチは、上記の可変光学部材または可動光学部材を備えた事を特徴とする。
【００１７】
本発明に係るマイクロミラーデバイスは、複数のマイクロミラーと各マイクロミラーに力学的に接続された複数の上記の圧電アクチュエータを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る超音波プローブは、上記の圧電アクチュエータを備えており、かつ、超音波プローブが超音波の発振機能と反射波の受信機能を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る超音波検査装置は、上記の超音波プローブと、信号処理手段と、画像生成手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る音響部品は、上記の圧電アクチュエータを備え、圧電アクチュエータの駆動によって音を発信または受信することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る角速度センサーは、上記の圧電素子を備えた角速度センサーであって、該圧電素子の形状変化を角速度情報に変換することを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る振動発電装置は、上記の圧電素子を備えた振動発電装置であって、該圧電素子により振動エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る表面弾性波発生装置は、上記の圧電素子を備えた表面弾性波発生装置であって、該圧電素子により表面弾性波を発生することを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る圧電シャッターは、上記の表面弾性波発生装置および遮光部材を有する圧電シャッターであって、該表面弾性波発生装置の駆動によって該遮光部材を移動させる機能を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明に係る電子機器は、部材と、前記部材に設けられた上記の圧電素子を備える。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、圧電膜部分が高いキュリー温度を有し、−３０℃〜５０℃の温度範囲内において安定して高い圧電定数と小さな誘電損失を有する薄膜型の圧電素子を提供することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、前記圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置、圧電シャッター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】
【００２８】
【図１】本発明の圧電素子の第一の形態の構成の一例を示す断面概略図である。
【図２】本発明の圧電素子の第一の形態の構成の一例を示す断面概略図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの構成の一例を示す断面および裏面概略図である。
【図４】本発明の液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置の構成の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の振動補正機構の構成の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の可変光学部材および可動光学部材の構成の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の光学機器の構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の撮像装置の構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の光スイッチの構成の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明のマイクロミラーデバイスの構成の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明の超音波プローブおよび超音波検査装置の構成の一例を示す概略図である。
【図１２】本発明の音響部品の構成の一例を示す概略図である。
【図１３】本発明の角速度センサーの構成の一例を示す概略図である。
【図１４】本発明の振動発電装置の構成の一例を示す概略図である。
【図１５】本発明の圧電素子の第二の形態の構成の一例、並びに本発明の表面弾性波発生装置および圧電シャッターの構成の一例を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施例の圧電素子における圧電膜部分に含まれる各成分の存在量比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明に係る圧電素子は、基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が設けられた（第一の形態の）圧電素子、または、基板、圧電膜、複数の櫛型電極が設けられた（第二の形態の）圧電素子である。
【００３０】
その圧電膜の主成分は
前記圧電膜はＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含む酸化物であり、前記圧電膜におけるＢａおよびＢｉの和に対するＢｉのモル比を示すｙ値が０．００１≦ｙ≦０．０１５であり、
Ｔｉ、ＺｒおよびＦｅの和に対するＺｒのモル比を示すｘ値、が０．０１０≦ｘ≦０．０６０であり、
前記和に対するＦｅのモル比を示すｚ値が０．００１≦ｚ≦０．０１５であり、
前記和に対するＭｎのモル比を示すｍ値が０．００２０≦ｍ≦０．０１５０であり、
かつ、ｙとｚの関係が０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０であることを特徴とする。
【００３１】
圧電膜の主成分はペロブスカイト型金属酸化物の化学式で表現すると、下記一般式（１）のように表記できる。
（Ｂａ１−ｙＢｉｙ）（Ｔｉ１−ｘ−ｚ−ｍＺｒｘＦｅｚＭｎｍ）Ｏ３        （１）
（式中、０．０１０≦ｘ≦０．０６０、０．００１≦ｙ≦０．０１５、０．００１≦ｚ≦０．０１５、０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０、０．００２０≦ｍ≦０．０１５０）
【００３２】
（圧電素子の構成）
図１の（ａ）−（ｃ）は、いずれも本発明の圧電素子の第一の形態の構成の一例を示す断面模式図である。本発明の圧電素子の第一の形態は、基板１０１、第一の電極１０２、圧電膜１０３、第二の電極１０４が設けられた構成を有する。図１（ａ）は、第一の電極１０２、圧電膜１０３、第二の電極１０４が互いに同じ面積で、各々の端部が基板１０１に対して垂直方向に揃っている形態を示しているが、本発明の圧電素子の第一の形態の構成は図面に示されたものに限定されない。図１（ｂ）や図１（ｃ）に例示されるように、圧電素子の用途に応じて各部材の面積や形状は自由に変更できる。また、圧電素子としての機能を損ねない範囲で、各部材の間に別の部材を設けても良い。そのような部材としては、例えば、図２（ａ）や図２（ｂ）に示される各部材の密着性を高めるための密着成分１０６や結晶性や配向性を高めるためのバッファ成分からなる部材がある。
【００３３】
図１５（ａ）は、本発明の圧電素子の第二の形態の構成の一例を示す断面模式図である。本発明の圧電素子の第二の形態は、基板１０１、圧電膜１０３、複数の櫛型電極１０５が設けられた構成を有する。櫛型電極１０５の数は２つ以上であれば図の例示に限定されないが、図に示すように２つの櫛型電極が対を成して互いに櫛部を噛み合わせている形状が好ましい。櫛型電極１０５の数は２の倍数であると好ましい。基板１０１や圧電膜１０３はパターニングされていても良い。
【００３４】
（基板）
基板１０１の材質は限定されないが、第一の電極１０２、圧電膜１０３、第二の電極１０４を設ける際の加熱工程において変形、溶融しない材質が好ましい。加熱工程の最高温度は通常８００℃以下である。例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ３）などからなる単結晶基板や、ジルコニア（ＺｒＯ２）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）などからなるセラミック基板や、シリコン（Ｓｉ）やタングステン（Ｗ）などからなる半導体基板や、耐熱ステンレス（ＳＵＳ）からなる基板が好ましく用いられる。これらの材料を複数種類組み合わせてもよいし、積層して多層構成として用いても良い。
【００３５】
圧電膜１０３を基板１０１の表面に対して垂直方向に選択的に配向させる場合には、基板１０１や第一の電極１０２といった下地層も同様に配向していることが好ましい。その場合、基板１０１には、単結晶基板を用いることが好ましい。
【００３６】
（電極）
本発明の圧電素子は、一対の電極を有することで、圧電膜１０３に電圧を印加して圧電歪みを生じさせたり、圧電膜１０３の歪みに応じた電気信号を取り出すことが可能となる。電極の材質は特に限定されず、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、Ｒｕなどの金属およびこれらの化合物を挙げることができる。特に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｕによる金属電極を用いることが好ましい。
【００３７】
第一の電極１０２、第二の電極１０４、および櫛型電極１０５は、これらの材料のうちの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１０２と第二の電極１０４が、それぞれ異なる材料からなるものであってもよい。
【００３８】
第一の電極１０２、第二の電極１０４、および櫛型電極１０５の製造方法は限定されないが、スパッタ、蒸着法、ＣＳＤ（化学溶液堆積）法から選択される手段によると高密度で導電率に優れた電極薄膜を得ることができる。また電極を所望の形状にパターニングしてもよい。
【００３９】
櫛型電極１０５の電極幅および電極ピッチは、特に限定されず、励振させる表面弾性波の性状に合わせて選択されるが、例えば、電極幅、電極ピッチともに１０μｍ以上５００μｍ以下であると表面弾性波の励振に適している。
【００４０】
（圧電膜）
本発明において、圧電膜とは、正圧電効果または逆圧電効果を示す薄膜状の結晶集合体を指す。薄膜とは、平板状の基材（基板）の片面または両面を覆うように密着して設けられた集合組織である。図１（ａ）に示すように、基板１０１と圧電膜１０３の間に第一の電極１０２のような電極層や調整層を有していても良い。図１５（ａ）に示すように、基板１０１の表面を圧電膜１０３が直接覆っていても良い。薄膜をその設置面に対して垂直方向に計測した厚さ、すなわち膜厚は１０μｍ未満であり、該垂直方向における結晶粒の積み上げ数が２０個以内であるものを本発明では薄膜と呼ぶことにする。金属酸化物を独立した成形体として焼成した、いわゆる圧電セラミックスは本発明の圧電素子における圧電膜には含まない。
【００４１】
基板と独立した圧電セラミックスと異なり、圧電膜は基板と密着していることにより、基板に拘束されている。基板に拘束された圧電膜の内部には、膜面方向に圧縮応力または引張応力が発生する。すなわち、本発明の圧電素子における圧電膜は、基板の表面に対して平行な方向に残留応力を有する。この残留応力は、外部環境温度の変化に対する圧電膜の結晶構造の変化を抑制する。その結果として、圧電膜のキュリー温度は同組成の圧電セラミックスより高くなり、実用温度領域が高温側に広くなる。
【００４２】
なお、圧電膜の内部残留応力は基板との密着面で発生しているものなので、膜厚が大きくなるにつれて内部残留応力は小さくなる。例えば、圧電膜の厚さが１０μｍより大きいと、内部残留応力によるキュリー温度の向上効果を期待できなくなる。
【００４３】
また、圧電膜の圧電セラミックスに対する別のメリットとして、微細加工性がある。膜厚が１０μｍ未満の圧電膜であれば、成膜時のパターニングや成膜後のエッチングによって所望の微細パターンに加工が容易である。
【００４４】
（ペロブスカイト型金属酸化物）
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物とは、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）を持つ金属酸化物を指す。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。ペロブスカイト型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。
【００４５】
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Ｂｉ、Ｂサイトに位置する金属元素がＴｉ、ＺｒとＦｅであることを意味する。ただし、一部のＢａとＢｉがＢサイトに位置してもよい。同様に、一部のＴｉ、ＺｒとＦｅがＡサイトに位置してもよい。
【００４６】
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、例えば１％以内でずれた場合でも、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。
【００４７】
前記一般式（１）における、Ａサイトの元素とＢサイトの元素のモル比は１対１であるが、Ａサイト元素が−５％〜２０％の範囲で過剰または不足していても、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。
【００４８】
前記金属酸化物がペロブスカイト構造であることは、例えば、圧電膜に対するＸ線回折や電子線回折から判断することができる。ペロブスカイト構造が主たる結晶相であれば、圧電膜がその他の結晶相を副次的に含んでいても良い。
【００４９】
（圧電膜の組成比）
本発明の圧電素子を構成する圧電膜が、前記一般式（１）の範囲のＢｉとＦｅを含有すると、−３０℃〜５０℃の温度範囲内において、特に２０℃以下の低温域において、圧電定数が向上し、誘電損失（誘電正接あるいはｔａｎδとも言う）が低下する。３価のＢｉの大部分はペロブスカイト骨格のＡサイト、３価のＦｅの大部分はＢサイトに位置する。元来、Ｂｉ３＋イオンはＡサイトにもＢサイトにも位置することができるが、相対的にイオン半径の小さいＦｅ３＋イオンが優先的にＢサイトを位置取り、かつ、本発明においてはＦｅ３＋がＢｉ３＋とほぼ同量存在するため、Ｂｉ３＋はＡサイトに位置することになる。
【００５０】
ＢｉがＡサイトに位置すると、Ｂｉ３＋イオンの有する孤立電子対の影響で正方晶格子が安定化する。その結果、圧電膜の主成分の結晶構造における正方晶から斜方晶（直方晶）への相転移温度Ｔｔｏが低温側へ移動する。このことにより、−３０℃から５０℃（圧電装置の駆動温度範囲内）における圧電定数が向上し、誘電損失が低下する。特に２０℃以下の低温域では、ＢｉとＦｅが無いと斜方晶相であったものが、ＢｉとＦｅの含有で正方晶となるため効果が大きい。
【００５１】
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ｘは、０．０１０≦ｘ≦０．０６０の範囲である。より好ましくは、０．０３０≦ｘ≦０．０６０の範囲である。ｘが０．０６０より大きいとキュリー温度が低くなり、圧電装置の適用に対して高温耐久性が十分でなくなったり、５０℃等の高温での誘電損失が大きくなったりする。他方、ｘが０．０１０より小さいと−３０℃から５０℃の範囲において圧電装置への適用に十分な圧電定数が得られない。
【００５２】
前記一般式（１）において、ＡサイトにおけるＢｉのモル比を示すｙとＢサイトにおけるＦｅのモル比を示すｚは、０．００１≦ｙ≦０．０１５、０．００１≦ｚ≦０．０１５の範囲である。
【００５３】
ＢｉとＦｅのいずれか一方の含有量が０．００１より小さくなると、−３０℃から５０℃の範囲、特に２０℃以下の低温域において圧電装置への適用に十分な圧電定数が得られない。一方で、ＢｉとＦｅのいずれか一方の含有量が０．０１５より大きくなると、−３０℃から５０℃の範囲における誘電損失が大きくなってしまう。より好ましい圧電定数と誘電損失を得るという観点において、ＢｉとＦｅの含有量（ｙおよびｚ）は０．００１以上０．０１０以下であることがより好ましい。さらに好ましいＢｉとＦｅの含有量（ｙおよびｚ）は０．００２以上０．００８以下である。
【００５４】
前記一般式（１）において、ＡサイトにおけるＢｉのモル比を示すｙとＢサイトにおけるＦｅのモル比を示すｚは、０．９０≦ｙ／ｚ≦１．１０の範囲であり、理想的にはｙ／ｚ＝１である。ｙ／ｚが０．９０より小さいとＦｅが粒界に析出したり他の元素と非ペロブスカイト型の副次相を形成するため、圧電定数が低下する。他方、ｙ／ｚが１．１０より大きいとＢｉ酸化物が粒界に析出することから、誘電損失が増大してしまう。
【００５５】
本発明に係る圧電膜の組成を測定する手段は特に限定されない。手段としては、Ｘ線蛍光分析（ＸＲＦ）、ＩＣＰ発光分光分析（ＩＣＰ−ＡＥＳ）、原子吸光分析（ＡＡＳ）などが挙げられる。いずれの手段においても、前記圧電膜に含まれる各元素の重量比および組成比を算出できる。特に好ましい組成の測定手段はＸＲＦである。
【００５６】
前記一般式（１）において、ＢサイトにおけるＭｎのモル比を示すｍは、０．００２０以上０．０１５０以下である。
【００５７】
ｍは、ＸＲＦ、ＩＣＰ−ＡＥＳ、ＡＡＳなどにより測定することができる。特に好ましい測定手段は、ＸＲＦである。
【００５８】
圧電膜が前記範囲のＭｎを含有すると、−３０℃から５０℃の範囲において本発明の圧電素子の圧電定数が向上し、誘電損失が抑制される。Ｍｎの含有量ｍが０．００２０未満であると、Ｍｎを含有しない場合の物性との差が小さく、前記の効果が十分得られない。他方、Ｍｎの含有量ｍが０．０１５０より大きくなると、圧電素子の誘電損失が急激に増加する。圧電素子の誘電損失が、例えば、−３０℃から５０℃の範囲において１．５％（測定周波数、１ｋＨｚ）を上回ると圧電素子の使用時に発熱が起こったり、消費電力が大きくなるという問題がある。
【００５９】
Ｍｎは金属Ｍｎに限らず、Ｍｎ成分として圧電膜に含まれていれば良く、その含有の形態は問わない。例えば、Ｂサイトに固溶していても良いし、粒界に含まれていてもかまわない。または、金属、イオン、酸化物、金属塩、錯体などの形態でＭｎ成分が圧電膜に含まれていても良い。Ｍｎの価数は一般に４＋、２＋、３＋を取ることができる。
【００６０】
（圧電膜のその他の副成分）
前記圧電膜は、Ｂａの市販原料に不可避成分として含まれる程度のＣａやＳｒと、Ｔｉの市販原料に不可避成分として含まれる程度のＮｂと、Ｚｒの市販原料に不可避成分として含まれる程度のＨｆを含んでいてもよい。
【００６１】
本発明において、圧電膜の主成分がＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｏであるということは、圧電膜の組成を分析した際に、モル量としての存在比の上位７元素がＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｏであることを意味する。前記圧電膜は、Ｂａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｏ（一般式（１）で表わされるペロブスカイト型金属酸化物）を総和で９８．５モル％以上含むことが好ましい。
【００６２】
（圧電膜の厚み）
圧電膜１０３の第一の電極１０２と第二の電極１０４に挟まれた箇所における最大膜厚ＴＰは１０μｍ以下であることが好ましい。膜が平坦では無い場合、基板１０１の表面を基点に垂直方向に膜厚を計測する。最大膜厚ＴＰの好ましい上限値は５０００ｎｍであり、下限値は、５００ｎｍである。圧電膜１０３の最大膜厚ＴＰを５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることで、圧電素子としての機能を得られるとともに、素子化のための圧電膜の加工性を担保できる。
【００６３】
より好ましい圧電膜１０３の最大膜厚ＴＰは、７００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下、より好ましくは１０００ｎｍ以上３５００ｎｍ以下である。
圧電膜１０３の最大膜厚ＴＰは接触式段差計や断面の顕微鏡観察により計測可能である。
【００６４】
図１（ｃ）は、パターニングされた圧電膜１０３を有する本発明の圧電素子について、最大膜厚ＴＰを特定した例である。
【００６５】
（電極の厚み）
第一の電極１０２および第二の電極１０４の最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］は、０．００２×ＴＰ［ｎｍ］≦ （ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］≦５００ｎｍの範囲であることが好ましい。最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］は、圧電膜を挟んで第一の電極１０２と第二の電極１０４が対向している領域内で決定する。すなわち、圧電素子としての機能に関与しないダミー部分の電極が存在する場合は、その膜厚は勘案しない。ＴＥ１［ｎｍ］は、第一の電極１０２の最大膜厚と第二の電極１０４の最大膜厚を比較して大きい方を選択することで特定する。ＴＥ２［ｎｍ］は、第一の電極１０２の最小膜厚と第二の電極１０４の最小膜厚を比較して小さい方を選択することで特定する。各電極の最大および最小膜厚は断面の顕微鏡観察により計測可能である。
【００６６】
図１（ｃ）は、パターニングされた第二の電極１０４を有する本発明の圧電素子について、最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］を特定した例である。この場合、第一の電極１０２は平坦な膜状であり、その膜厚はいずれも、ＴＥ１［ｎｍ］とＴＥ２［ｎｍ］の中間の値である。
【００６７】
平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］の下限は、０．００２×ＴＰ［ｎｍ］、すなわち圧電膜１０３の最大膜厚ＴＰの０．２％である。例えば、ＴＰ＝５０００ｎｍであれば、（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］の下限は１０［ｎｍ］である。この条件を満たすと電極の抵抗値が箇所によらずより均一となりよって大きくなり、圧電素子への電圧印加がさらに均一になりより好ましい。
【００６８】
平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］の上限は、５００ｎｍである。この条件を満たすと、電極部が圧電素子の歪みの発生や検知を阻害する可能性を低減できるためより好ましい。
【００６９】
圧電素子の第二の形態の場合、櫛型電極１０５の最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］は、０．００２×ＴＰ［ｎｍ］≦（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］≦５００ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００７０】
（密着成分）
前記第一の電極と、前記基板との間には、第４族元素および／または第５族元素の金属を含む密着成分が介在していることが好ましい。図２（ａ）および（ｂ）は、基板１０１と第一の電極１０２の間に密着成分１０６が存在する場合の本発明の圧電素子の断面模式図である。密着成分は、図２（ａ）の密着成分１０６のように第一の電極に埋め込まれるように点状に分散して存在していても良いし、図２（ｂ）の層状の密着成分１０６のように厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の層状であっても良い。密着成分１０６の材質としては、密着性の観点から第４族元素では、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの金属単体や酸化物、窒化物、第５族元素では、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの金属単体や酸化物、窒化物が好ましい。密着成分１０６の一部または全部が、基板１０１や第一の電極１０２と化学的に結合して合金や複合酸化物を形成していても良い。
【００７１】
（圧電膜の結晶構造）
本発明において、圧電膜１０３とは、薄膜状の結晶集合体であるが、その結晶集合体は柱状構造の結晶粒で構成された集合組織を有していることが好ましい。図２（ｃ）は、圧電膜１０３の内部に柱状構造の結晶粒よりなる集合組織を有している圧電素子の断面模式図である。図中、圧電膜１０３の斜線で影を付けた領域と影を付けてない領域はいずれも柱状構造の結晶粒を示している。結晶粒が柱状結晶である事は、圧電素子の圧電膜部分の断面を顕微鏡観察することで確認することができる。一つの柱状構造の結晶粒と、該結晶粒に隣接する別の結晶粒とは、殆どの場合で結晶方位が異なるため、顕微鏡像の濃淡から粒の境界を判別することができる。集合組織とは、少なくとも２つ以上の結晶粒が隣接している状態であるが、好ましくは、圧電膜１０３の断面の略全領域が柱状結晶の集合体よりなることがより好ましい。柱状構造の結晶粒とは、理想的には第一の電極１０２と第二の電極１０４のいずれとも接触する単一粒であることが好ましい。圧電素子の第二の形態の場合は、基板１０１と櫛型電極１０５のいずれとも接触する単一粒であることが好ましい。
【００７２】
圧電膜１０３の膜表面における結晶粒径は、平均円相当径として３００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。このような条件を満たすと、−３０℃から５０℃の範囲において圧電素子の圧電定数がより十分となり好ましい。他方、結晶粒径が５０００ｎｍ以下であると、薄膜型の圧電素子としての加工性がよく、より好ましい。「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。例えば圧電材料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。材料の表面ではなく研磨面や断面の画像から円相当径を求めても良い。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。
【００７３】
（キュリー温度）
本発明の圧電素子における圧電膜のキュリー温度は、１２１℃以上であることが好ましい。圧電膜のキュリー温度が１２１℃以上であると、圧電装置の駆動温度範囲（−３０℃〜５０℃）から十分離れていると言える。そうすると、キュリー温度近傍での圧電素子の圧電定数と誘電損失の急激な温度変化の影響を、圧電装置の駆動温度範囲において無視することができるようになる。
【００７４】
より好ましい、圧電膜のキュリー温度の範囲は、１３０℃以上１９５℃以下である。
キュリー温度とは、その温度以上で圧電材料の圧電性が消失する温度である。本明細書においては、強誘電相（正方晶相）と常誘電相（立方晶相）の相転移温度近傍で静電容量が極大となる温度をキュリー温度とする。静電容量は、例えばインピーダンスアナライザを用いて周波数が１ｋＨｚの微小交流電界を印加して測定される。
【００７５】
（配向）
本発明の圧電素子における圧電膜のペロブスカイト構造を構成する結晶は、前記基板の表面に対して垂直方向に選択的に配向していることが好ましい。配向面としては、ペロブススカイト構造の単位格子を擬立方晶とみなした格子面で、（１００）面、（１１０）面、または（１１１）面に選択的に配向していることが好ましい。
【００７６】
本明細書において、「（ｈｋｌ）面に選択的に配向」とは（ｈｋｌ）面への配向度が他の面への配向度より高い状態を表す。「（ｈｋｌ）面に優先的に配向」と言い換えることもできる。また、単結晶のように（ｈｋｌ）面に完全に配向している状態も含む。
【００７７】
圧電膜が（１００）面、（１１０）面、または（１１１）面に配向していると、分極モーメントの方向が圧電膜の歪み方向に揃うので、各温度での圧電定数が大きくなる。
【００７８】
圧電膜の配向状態は、結晶薄膜について一般に用いられるＸ線回折測定（例えば２θ／θ法）における回折ピークの検出角度と強度から容易に確認できる。例えば、いずれかの面に配向した圧電膜から得られる回折チャートでは、該当面に相当する角度に検出された回折ピークの強度が、その他の面に相当する角度の検出されたピークの強度の合計よりも極めて大きくなる。
【００７９】
（圧電膜の製造方法）
圧電膜１０３の製造方法は特に限定されない。例えば、ＣＳＤ法、スパッタ法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化合物化学的気相堆積）法などが挙げられる。このうち、好ましい製造方法は、ＣＳＤ法またはスパッタ法であり、圧電膜の組成制御に優れている。
【００８０】
ＣＳＤ法により圧電膜１０３を形成する場合の例は以下のとおりである。第一工程は、少なくともＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する前駆体コート液を調製する工程である。溶剤には、アルコール系などの有機溶剤が多く用いられる。金属成分の溶解または分散を補助するために金属成分をアルコキシドや硝酸塩などの形態でコート液に含有させる。第二工程では、基板１０１または第一の電極１０２の表面に前記コート液をスピンコート法やディップコート法により成膜し、熱処理を行う。この第二工程を必要に応じて複数回繰り返すことで、圧電膜１０３が得られる。最終的に結晶化を促進する焼成処理を実施しても良い。
【００８１】
スパッタ法により圧電膜１０３を形成する場合の例は以下のとおりである。第一工程は、少なくともＢａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含有するターゲット材を作成する工程である。金属成分は、焼結体として一つのターゲットに含まれていても良いし、単独または混合された状態で複数のターゲットに分かれていても良い。第二工程は、減圧環境のチャンバー内に前記ターゲットと基板１０１または第一の電極１０２を表面に設けた基板１０１を設置し、該ターゲットの表面に高エネルギー粒子（イオン化した希ガス粒子など）を衝突させ、目的とする圧電膜１０３を基板１０１または第一の電極１０２の表面に形成する工程である。結晶化を促進する目的で、前記チャンバー内で基板１０１を加熱しても良いし、圧電膜の形成後にチャンバー外で熱処理を行っても良い。
【００８２】
（圧電アクチュエータ）
本発明の圧電アクチュエータは、本発明の圧電素子と、該圧電素子に設けられた振動板とを有することを特徴とする。
【００８３】
図３（ａ）および（ｂ）は、本発明の圧電アクチュエータの構成の一例を示す断面および裏面の概略図である。図中、振動板１０７は、本発明の圧電素子の第一の電極１０２および基板１０１と接して設けられている。
【００８４】
振動板１０７の厚みは、１．０μｍ以上１５μｍ以下であり、より好ましくは１．５μｍ以上８μｍ以下である。
【００８５】
振動板１０７を形成する材質は特に限定されず、金属材料や金属酸化物材料、ガラス系材料などが用いられる。より好ましい振動板１０７の材質としては、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）が挙げられる。
【００８６】
振動板１０７の製造方法は特に限定されない。例えば、基板１０１を酸化処理して表面改質しても良いし、基板１０１に振動板１０７を形成する材料を貼り付けて設けても良い。振動板１０７をＣＳＤ法、スパッタ法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法、ＭＯＣＶＤ法等により設けても良いし、基板１０１の表層部が振動板１０７を兼ねていても良い。
【００８７】
本発明の圧電アクチュエータにおいて、第一の電極１０２と第二の電極１０４の間に電圧を印加すると、圧電膜１０３が変形する。この変形は圧電素子に密着した振動板１０７の効果により増幅される。この結果、図３に示す形態の圧電アクチュエータは、基板１０１の空孔部で大きく変動する。この変動量（変位）の制御は、電圧や周波数によって容易に制御可能である。
【００８８】
（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。
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有することを特徴とする。
【００８９】
図４（ａ）は、本発明の液体吐出ヘッドの構成の一例を示す概略図である。但し、各部材の形状や配置は図４（ａ）の例に限定されない。圧電素子２０１は、第一の電極２０１１、圧電膜２０１２、第二の電極２０１３を少なくとも有する。本発明の圧電素子を構成する部材の一つである基板は、図４（ａ）の例においては、液室隔壁２０４と兼ねている。圧電膜２０１２および第二の電極２０１３は、液体吐出ヘッドの吐出力を高める目的でパターニングされている。液体吐出ヘッドは、吐出口２０５、個別液室２０３、個別液室２０３と吐出口２０５をつなぐ連通孔２０６、液室隔壁２０４、共通液室２０７、振動板２０２、圧電素子２０１を有する。振動板２０２と第一の電極２０１１の間に密着成分が存在しても良い。振動板２０２に好適な材質や厚みは、圧電アクチュエータにおける振動板１０７と同様である。
【００９０】
本発明の液体吐出ヘッドにおいては、振動板２０２が圧電素子２０１の変形によって上下に振動し、個別液室２０３に格納された液体に圧力が加わる。その結果、吐出口２０５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ことができる。
【００９１】
（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たものである。
【００９２】
本発明の液体吐出装置の一例として、図４（ｂ）に示すインクジェット記録装置を挙げることができる。インクジェット記録装置（液体吐出装置）は外装部３０１の内部に各機構が組み込まれている。自動給送部３０５は被転写体としての記録紙を装置本体内へ自動給送する機能を有する。自動給送部３０５から送られた記録紙は、搬送部３０７によって所定の記録位置（図番無し）へ導かれ、記録動作の後に、再度搬送部３０７によって記録位置から排出部３０６へ導かれる。搬送部３０７が、被転写体の載置部である。前記インクジェット記録装置は、加えて、記録位置に搬送された記録紙に記録を行う記録部３０３と、記録部３０３に対する回復処理を行う回復部３０２を有する。記録部３０３には、前記液体吐出ヘッドを収納し、レール上を往復移送させるキャリッジ３０４が備えられている。
【００９３】
このようなインクジェット記録装置において、外部コンピュータからの指示に従って、キャリッジ３０４が前記液体吐出ヘッドを移送し、圧電膜に対する電圧印加に応じてインクが液体吐出ヘッドの吐出口より放出されることで、印字が行われる。
【００９４】
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等のプリンティング装置の他、産業用液体吐出装置、対象物に対する描画装置として使用することができる。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。
【００９５】
（振動補正機構）
次に、本発明の振動補正機構について説明する。本発明の振動補正機構は、搬送対象物を外部振動に対して逆位相となるように搬送することで外部振動の影響を軽減する振動補正機構であり、前記振動補正機構は、前記圧電アクチュエータを２つ以上有しており、かつ電圧印加時の前記圧電アクチュエータの伸縮方向が２方向以上となるように前記圧電アクチュエータが配置されている。
【００９６】
このような構成を備えているため搬送対象物を搬送することで外部振動の影響を軽減することができる。
【００９７】
図５に本発明の振動補正機構の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の形状や配置は図５の例に限定されない。本発明の振動補正機構は少なくとも２つ以上の圧電アクチュエータ４０１と搬送対象物４０２を有している。圧電アクチュエータ４０１は、基板を兼ねた振動板４０１１、第一の電極（図では圧電膜に隠れて見えていない）、圧電膜４０１２、第二の電極４０１３が順に積層された構造を有する。図５では、十字形の共通基板上に複数の圧電素子が設けられているが、本明細書においては圧電素子の個数を基準として、振動補正機構が４つの圧電アクチュエータ４０１を有しているという。図５に記載の４つの圧電アクチュエータ４０１に外部電圧から交番電圧を印加すると、各圧電アクチュエータ４０１は圧電膜４０１２の長手方向に伸縮する。すなわち、各圧電アクチュエータ４０１は直交する２方向に伸縮して、振動板４０１１と接触する搬送対象物４０２に振動を伝達する。この２方向の振動を組み合わせることで搬送対象物４０２に回転運動を発生させることができる。この回転運動を、外部振動の逆位相となるように発生させることで、外部振動に起因する悪影響を軽減できる。
【００９８】
搬送対象物４０２は、外部振動により悪影響を受ける機能部材、例えば、レンズやミラー等の光学部材、であってもよいし、前記機能部材に振動を伝達する接続部材であっても良い。
【００９９】
（可変光学部材）
次に、本発明の可変光学部材について説明する。本発明の可変光学部材は、前記圧電アクチュエータと圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材の形状が変化する機構を備える。
【０１００】
本発明の可変光学部材の一例として、図６（ａ）に可変光学部材の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の形状や配置は図６（ａ）の例に限定されない。本発明の可変光学部材は、圧電アクチュエータ５０１と圧電アクチュエータ５０１の変形の影響を受けて形状が変化する光学部材５０２を有している。図６（ａ）では、圧電アクチュエータ５０１と光学部材５０２が接触することで、力学的な接続がなされているが、圧電アクチュエータ５０１の変形を伝達する機能を持った中間部材を圧電アクチュエータ５０１と光学部材５０２の間に介していても良い。図６（ａ）においては、２つの圧電アクチュエータ５０１が各１箇所で光学部材５０２と力学的に接続しているが、圧電アクチュエータ５０１および光学部材５０２の個数、または接続箇所は限定されない。図６（ａ）における矢印は、圧電アクチュエータ５０１の伸縮を示すための記号であり、部材では無い。光学部材５０２とは、レンズ、フィルタ、ミラーといった光路や光束の特性に作用する機能を持った部材のことである。例えば、光学部材５０２に空気より大きな屈折率を有するレンズを用いると、圧電アクチュエータ５０１の変形に応じて、光学部材５０２の形状が変形して、レンズを通過する光の屈折角を制御することができる。
【０１０１】
（可動光学部材）
次に、本発明の可動光学部材について説明する。本発明の可動光学部材は、上記の圧電アクチュエータと圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材が移動および／または回転する機構を備える。
【０１０２】
図６（ｂ）に本発明の可動光学部材の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の形状や配置は図６（ｂ）の例に限定されない。本発明の可動光学部材は、圧電アクチュエータ５０１、圧電アクチュエータ５０１の変形の影響を受けて移動または回転する光学部材５０２、および圧電アクチュエータ５０１の変形に応じて光学部材５０２を移動または回転させる圧電歪み伝達部５０３を有している。
【０１０３】
図６（ｂ）では、圧電アクチュエータ５０１と圧電歪み伝達部５０３が接触し、かつ、圧電歪み伝達部５０３と光学部材５０２が接触することで、圧電アクチュエータ５０１と光学部材５０２は力学的に接続されているが、その他の中間部材を各部材の間に介していても良い。図６（ｂ）における矢印は、光学部材５０２の移動または回転を示すための記号であり、部材では無い。光学部材５０２とは、レンズ、フィルタ、ミラーといった光路や光束の特性に作用する機能を持った部材のことである。例えば、光学部材５０２にミラーを用いると、圧電アクチュエータ５０１の変形に応じて、光学部材５０２の座標や角度が変化して、ミラーからの反射光の方向を制御することができる。
【０１０４】
（光学機器）
次に、本発明の光学機器について説明する。
本発明の光学機器の第一の形態は、前記振動補正機構および該振動補正機構に保持された光学部材を備える。図７（ａ）に本発明の光学機器の第一の形態の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数や配置は図７（ａ）の例に限定されない。本発明の光学機器は６０１、振動補正機構６０１１および振動補正機構６０１１の搬送対象物としての光学部材６０１２を有する。光学機器の例として、撮像装置に接続して用いるレンズ鏡筒が挙げられる。この場合、光学部材６０１２はレンズである。レンズ鏡筒として使用される光学機器に手振れなどの外部振動が加わると、出射光の光路が撮像装置の露光時間中に変動するという問題がある。この問題は、振動補正機構６０１１が光学部材６０１２の座標変動を抑制することで解決できる。図７（ａ）にあるように、振動補正機構６０１１は、光学部材６０１２を通過する光路を妨害しない箇所に設置されていることが好ましい。
【０１０５】
本発明の光学機器の第二の形態は、前記可変光学部材を備える。図７（ｂ）に本発明の光学機器の第二の形態の構成の一例を概略図として示す。本発明の光学機器６０１は、可変光学部材６０１３を少なくとも有する。可変光学部材６０１３の個数や配置は図７（ｂ）の例に限定されない。光学機器の例として、撮像装置に接続して用いるレンズ鏡筒が挙げられる。この場合、可変光学部材６０１３は可変レンズである。圧電アクチュエータによって光路を制御できる可変レンズを用いると、レンズ鏡筒に用いるレンズ枚数を削減できる効果がある。図７（ｂ）にあるように、可変光学部材６０１３は光学機器への入射光および出射光の光路上に設置されていることが好ましい。
【０１０６】
本発明の光学機器の第三の形態は、前記可動光学部材を備える。
図７（ｃ）に本発明の光学機器の第三の形態の構成の一例を概略図として示す。本発明の光学機器６０１は、可動光学部材６０１４を少なくとも有する。可動光学部材６０１４の個数や配置は図７（ｃ）の例に限定されない。光学機器の例として、撮像装置に接続して用いるレンズ鏡筒が挙げられる。この場合、可動光学部材６０１４は可動レンズまたは可動ミラーである。圧電アクチュエータによって光路を制御できる可動レンズまたは可動ミラーを用いると、レンズ鏡筒に用いるレンズ枚数を削減できる効果がある。図７（ｃ）にあるように、可動光学部材６０１４は光学機器への入射光および出射光の光路上に設置されていることが好ましい。
【０１０７】
（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、前記振動補正機構および前記振動補正機構に保持された撮像素子ユニットとを備える。
【０１０８】
図８に本発明の撮像装置の構成の一例を概略図として示す。本発明の撮像装置７０１は、振動補正機構７０１１および振動補正機構７０１１の搬送対象物としての撮像素子ユニット７０１２を有する。撮像素子ユニット７０１２とは、例えば電子基板上に撮像素子と電子素子を実装したものを指す。撮像素子の例としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）が挙げられる。
【０１０９】
撮像素子ユニット７０１２に手振れなどの外部振動が加わると、撮像データが露光時間中に変動するという問題がある。この問題は、振動補正機構７０１１が撮像素子ユニット７０１２の座標変動を抑制することで解決できる。図８にあるように、振動補正機構７０１１は、撮像素子ユニット７０１２の受光面に至る光路を妨害しない箇所に設置されていることが好ましい。
【０１１０】
（光スイッチ）
次に、本発明の光スイッチについて説明する。
本発明の光スイッチの第一の形態は、前記可変光学部材を備える。
【０１１１】
図９（ａ）に本発明の光スイッチの第一の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数、形状や配置は図９（ａ）の例に限定されない。本発明の光スイッチ８０１は、可変光学部材８０１１の変形の影響を受けて光信号入力端子８０１２から光信号出力端子８０１３までの光路が変化する機構を有している。図９（ａ）では、光信号出力端子８０１３が２個設置された例を示しているが、可変光学部材８０１１によって光の到達する光信号出力端子８０１３を切り替えることでスイッチとしてのオン／オフ操作が可能となる。図９（ａ）においては、可変光学部材８０１１は、光ファイバのような光伝送性の材料と圧電アクチュエータを有している。
【０１１２】
本発明の光スイッチの第二の形態は、前記可動光学部材を備える。
図９（ｂ）に本発明の光スイッチの第二の形態の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数、形状や配置は図９（ｂ）の例に限定されない。図９（ｂ）では、移動部８０１４１と反射部８０１４２を備えた可動光学部材８０１４そのものが光スイッチであるが、光スイッチが可動光学部材８０１４以外の部材、例えば入射光の照射位置を制限するスリット等を有していても良い。移動部８０１４１は、外部コンピュータからの指示によって紙面の左右方向に移動する構造体であり、その入射光側の面に反射部８０１４２が設けられている。反射部８０１４２と移動部８０１４１は結合しているので、一緒に移動する。反射部８０１４２は、例えば鏡面になっていて、入射光に応じた反射光を生じさせる機能を有している。例えば、可動光学部材８０１４が左右に移動すると、入射光が照射される反射部８０１４２の座標が変化して、反射光の方向を変化させることができる。この反射光の方向の変化を利用して、スイッチとしてのオン／オフ操作が可能となる。
【０１１３】
（マイクロミラーデバイス）
次に、本発明のマイクロミラーデバイスについて説明する。
本発明のマイクロミラーデバイスは、複数のマイクロミラーと各マイクロミラーにそれぞれ力学的に接続された前記圧電アクチュエータを有する。図１０に本発明のマイクロミラーデバイスの構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数、形状や配置は図１０の例に限定されない。図１０に示す本発明のマイクロミラーデバイスは、制御部９０４からの指示に従って、各々の圧電アクチュエータ９０２が圧電効果によって変形し、その変形の方向や大きさを圧電歪み伝達部９０３が調整して、これらの動作の結果としてマイクロミラー９０１が移動したり回転したりする。以上の機能により、マイクロミラーに入射した光を任意の方向に反射させることができる。
【０１１４】
（超音波プローブ）
次に本発明の超音波プローブについて説明する。
本発明の超音波プローブは、前記圧電アクチュエータを備えており、超音波の発振機能と反射波の受信機能を有する。
【０１１５】
図１１（ａ）に本発明の超音波プローブの構成の一例を概略図として示す。ただし、部材の個数、形状や配置は図１１（ａ）の例に限定されない。図１１（ａ）に示す本発明の超音波プローブは１００１は圧電アクチュエータ１００１１を内包しており、圧電アクチュエータ１００１１の逆圧電効果に起因して発生した超音波を被検体に向かって発振（発信）する。図１１（ａ）における波線の矢印は、超音波の伝播を模式的に示したものであり、超音波プローブ１００１の部材では無い。この超音波は被検体の内部組織によって反射され、超音波エコーとして超音波プローブに向かって返ってくる。この超音波エコーに起因する振動を圧電アクチュエータ１００１１が電気信号に変換することで被検体の内部構造に応じた情報が得られる。
【０１１６】
超音波の発振と受信を担う圧電アクチュエータ１００１１は単一のもので無くても良いし、一方を圧電アクチュエータ以外のユニットで代用しても良い。
【０１１７】
（超音波検査装置）
次に本発明の超音波検査装置について説明する。
本発明の超音波検査装置は、前記超音波プローブと、信号処理手段と、画像生成手段とを備える。図１１（ｂ）に本発明の超音波検査装置の構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の接続順は図１１（ｂ）の例に限定されない。図１１（ｂ）に示す本発明の超音波検査装置では、超音波プローブ１００１で受信した反射波に起因する電気信号を、信号処理手段１００２においてデータ変換およびデータ蓄積し、画像形成手段１００３において画像情報に変換する。この画像情報を外部の画像表示手段（ディスプレイ）に送信する機能も有する。
【０１１８】
（音響部品）
次に本発明の音響部品について説明する。
本発明の音響部品は、前記圧電アクチュエータを備え、その駆動によって音を発信または受信する。図１２に本発明の音響部品の構成の一例を概略図として示す。ただし、部材の個数、形状や配置は図１２の例に限定されない。図１２に示す本発明の音響部品１１０１は圧電アクチュエータ１１０１１を内包しており、圧電アクチュエータ１１０１１の逆圧電効果に起因して発生した音波を発信したり、外部からの音波を正圧電効果により受信する機能を有する。音響部品１１０１は音波を増幅するための振動板を有していても良い。図１２における波線の矢印は、音波の伝播を模式的に示したものであり、音響部品１１０１の部材では無い。音響部品の例として、マイクロフォン、スピーカー、ブザーが挙げられる。
【０１１９】
（角速度センサ）
次に本発明の角速度センサについて説明する。
本発明の角速度センサは、前記圧電素子を備えており、該圧電素子の形状変化を角速度情報に変換する。図１３に本発明の角速度センサの構成の一例を概略図として示す。ただし、部材の個数、形状や配置は図１３の例に限定されない。図１３に示す角速度センサ１２０１は、圧電素子１２０１１を内包しており、この圧電素子１２０１１が角速度センサ１２０１の本体の３軸における回転に応じて発生したコリオリの力によって形状変化する。この圧電素子１２０１１の形状変化は正の圧電効果によって電気信号となり、角速度センサの内部または外部に設けられた信号処理部１２０２によって角速度の情報に変換される。角速度センサ１２０１は、圧電素子１２０１１以外の部材を有していても良く、その構成は振動式の角速度センサ（ジャイロセンサ）として知られているものを適用できる。図１３における矢印線およびそれに付随する点線分は３軸の回転方向を模式的に示す記号であり、角速度センサ１２０１の部材では無い。
【０１２０】
（振動発電装置）
次に本発明の振動発電装置について説明する。
本発明の振動発電装置は、前記圧電素子を備えており、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。図１４に本発明の振動発電装置の構成の一例を概略図として示す。ただし、部材の個数、形状や配置は図１４の例に限定されない。図１４に示す本発明の振動発電装置１３０１は圧電素子１３０１１を内包しており、外部からの振動エネルギーを圧電素子１３０１１における正の圧電効果を利用して電気エネルギーに変換する発電機能を有する。振動発電装置１３０１は、外部からの振動の方向や周波数を整えるための振動受信部を有していても良い。
【０１２１】
（表面弾性波発生装置）
次に本発明の表面弾性波発生装置について説明する。
本発明の表面弾性波発生装置は、図１５（ａ）に示すような、基板１０１、圧電膜１０３および一対の櫛型電極を有する本発明の第二の形態の圧電素子を備える。
【０１２２】
図１５（ｂ）に本発明の表面弾性波発生装置の構成の一例を概略図として示す。ただし、部材の個数、形状や配置は図１５（ｂ）の例に限定されない。図１５（ｂ）に示す本発明の表面弾性波発生装置１４０１は圧電素子１４０１１を内包しており、電源１４０１２による交番電圧印加によって入力側櫛型インターデジタル電極（ＩＤＴ；Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と出力側櫛型インターデジタル電極の間に表面弾性波が発生（励振）する。この時、表面弾性波の波長が、ＩＤＴの配置周期の倍数であると各電極部で発生した表面弾性波が同相となり、伝播状態が良くなる。
【０１２３】
（圧電シャッター）
次に本発明の圧電シャッターについて説明する。
本発明の圧電シャッターは、前記表面弾性波発生装置および遮光部品を有し、該表面弾性波発生装置の駆動によって遮光部品を移動させる機能を有する。
【０１２４】
図１５（ｃ）および（ｄ）に本発明の圧電シャッターの構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数、形状や配置は図１５（ｃ）、１５（ｄ）の例に限定されない。図１５（ｃ）に示す本発明の圧電シャッターは、両面に圧電膜とＩＤＴを有する表面弾性波発生装置１４０１と、表面弾性波発生装置１４０１の両面に摩擦接触する突起部である可動突起部１４０２１と筺体（部番無し）に取り付けられて移動はできないものの回転可能となっている回転軸部１４０２２を有する不透明な遮光部品１４０２を有する。圧電シャッターを通過する光を検知する受光部１４０３は紙面の奥側に設けられた外部部材であって、圧電シャッターには含まれない。図１５（ｃ）のように受光部１４０３が遮光部品１４０２によって覆われていない状態（開放位置）で、表面弾性波発生装置１４０１に交番電圧を印加して、可動突起部１４０２１を紙面上方に移動させる表面弾性波を発生させると、遮光部品１４０２が回転軸部１４０２２を中心とする回転運動を始めて、やがて図１５（ｄ）に示すような状態（閉鎖位置）となる。閉鎖位置から開放位置への変化も同様に可動突起部１４０２１を下方へ移動させることで可能である。
【０１２５】
（その他の用途）
本発明の圧電素子および圧電アクチュエータは、上記の用途以外にも圧電機能を用いる圧電装置全般に適用可能である。例えば、各種圧電センサ、強誘電メモリ、周波数フィルタ、圧電発振器が用途として挙げられる。本発明の圧電素子は上述の例に限らず、さまざまな電子機器に搭載可能である。
【０１２６】
本発明の電子機器は電子部品と、前記圧電素子を備えているため、優れた性能を有する電子機器を提供できる。
【０１２７】
[実施例]
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。
【０１２８】
以下のように本発明の圧電素子を作製した。
（圧電素子）
（実施例１）
市販のシリコン基板上にＤＣスパッタ法によって第一の電極として厚さ４００ｎｍの白金電極を形成した。第一の電極とシリコン基板の間には、密着層として厚さ３０ｎｍのチタン酸化物を成膜した。
【０１２９】
次に、第一の電極上に、Ｂａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する圧電膜をＣＳＤ法により設けた。
【０１３０】
具体的には、（Ｂａ１−ｙＢｉｙ）（Ｔｉ１−ｘ−ｚＺｒｘＦｅｚ）Ｏ３の一般式（１）において、ｘ＝０．０２０、ｙ＝０．００５、ｚ＝０．００５で表わされる（Ｂａ０．９９５Ｂｉ０．００５）（Ｔｉ０．９７５Ｚｒ０．０２０Ｆｅ０．００５）Ｏ３および一般式（１）の金属酸化物１モルに対して０．００５モルのＭｎを含有する圧電膜を製造した。
【０１３１】
ＣＳＤ法の塗布に用いる前駆体原料液には、各金属のアルコキシドを混合して有機溶媒に分散したものを使用した。Ｂａ原料にはＢａ（ＯＣ２Ｈ５）２を用いた。Ｔｉ原料にはＴｉ（ＯＣ２Ｈ５）４を用いた。Ｚｒ原料にはＺｒ（Ｏ−ｎ−Ｃ４Ｈ９）４を用いた。Ｂｉ原料にはＢｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）３を用いた。Ｍｎ原料にはＭｎ（Ｏ−ｉ−Ｃ３Ｈ７）２を用いた。有機溶媒として１−メトキシ−２−プロパノールを用いたが、原料液の安定性を高めたり、粘度を調整する目的で、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、アセチルアセトン、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、酢酸−ｎ−ブチル、キシレン、トルエン、オクタン、等の一般的な有機溶媒を用いても同様の結果が得られた。安定化剤には、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］−７−ウンデセンを用いた。前駆体原料液における金属成分の濃度は金属酸化物換算で２０から２５質量％となるようにした。
【０１３２】
前記の前駆体原料液を第一の電極上に室温でスピン塗布（２０００ｒｐｍ）し、ホットプレートで塗布膜を乾燥（２５０〜４００℃）させた後、基板を７００℃の電気炉に１５分間設置することで塗布膜を仮焼成した。この塗布、乾燥、仮焼成工程を８回繰り返した後に基板を７３０℃の電気炉に６０分間設置することで、結晶化した圧電膜を得た。
【０１３３】
次に、圧電膜上にＤＣスパッタ法によって第二の電極として厚さ４００ｎｍの白金電極を形成した。第二の電極と圧電膜の間には、密着層として厚さ３０ｎｍのチタン酸化物を成膜した。
【０１３４】
以上のようにして、本発明の圧電素子を得た。
圧電素子を割断して、断面を顕微鏡で観察したところ、シリコン基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が順に積層されていることが確認された。また、第一の電極と第二の電極に挟まれた部分の圧電膜は、ほぼ平坦であり、複数の箇所で膜厚を測長したところ最大膜厚ＴＰは、２１００ｎｍであった。第一および第二の電極の最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］は、４００ｎｍであった。第一の電極と基板の界面部分について、透過型電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法を組み合わせて組成分析を実施したところ、Ｔｉ金属成分よりなる密着成分が存在していることが確認できた。透過型電子顕微鏡により圧電膜部分の断面を観察したところ、電子線の回折の濃淡により断面のほぼ全領域が柱状構造の結晶粒の集合組織となっていることが確認された。膜表面における結晶粒径は、平均円相当径として１５００ｎｍであった。
【０１３５】
圧電素子の圧電膜部分に対して、Ｘ線回折測定を実施したところ、−３０℃〜５０℃の全温度域で無配向で正方晶のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観測された。該ピークから換算した正方晶構造の格子定数を、同組成のバルクセラミックスの既知の格子定数と比較したところ、実施例の圧電素子における圧電膜は、基板拘束に起因した引っ張り方向の内部残留応力を有していることが分かった。
【０１３６】
圧電素子の第二の電極を研磨処理で除去して、ＸＲＦ測定により圧電膜部分の組成を分析したところ、（Ｂａ０．９９５Ｂｉ０．００５）（Ｔｉ０．９７５Ｚｒ０．０２０Ｆｅ０．００５）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物を主成分としていることが分かった。さらには、金属酸化物１モルに対してＭｎ元素を０．００５モル（ｍ＝０．００５）含んでいることも分かった。
【０１３７】
圧電素子を−３０℃〜２００℃に制御された環境試験箱の内部に設置し、圧電素子の第一の電極と第二の電極を試験箱外部のインピーダンスアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ社製  ４１９４Ａ）に接続し、各温度での静電容量と誘電損失を測定した。印加電圧は０．０５Ｖとし、周波数が１ｋＨｚでの値を計測した。その結果、実施例１の圧電素子の誘電損失は、−３０℃から５０℃の範囲で最大で０．６０％（０．００６０）であることが分かった。また、実施例１の圧電素子に含まれる圧電膜のキュリー温度は、１５５℃であった。
【０１３８】
次に、圧電定数ｄ３１を測定するために、本発明の圧電素子を長さ１５ｍｍ、幅２．５ｍｍの短冊形状に切断加工して、カンチレバーとした。このカンチレバーの長手方向の端部を固定し、圧電素子に交番電圧を印加すると、固定端と反対側の圧電素子の端部が上下に往復運動する。この変位量をレーザドップラー変位計で測定し、カンチレバーの形状やヤング率の情報を用いると圧電定数ｄ３１に換算することができる。
【０１３９】
カンチレバーを−３０℃〜５０℃に制御された環境試験箱の内部に設置し、試験箱の透光窓からレーザを照射することで、各温度のｄ３１定数を計測した。最大のｄ３１定数は−３０℃での計測で得られ、絶対値｜ｄ３１｜の大きさは１２０ｐｍ／Ｖであった。最小のｄ３１定数は５０℃での計測で得られ、｜ｄ３１｜は７０ｐｍ／Ｖであった。室温２５℃での｜ｄ３１｜は１００ｐｍ／Ｖであった。
【０１４０】
（実施例２）
圧電膜の製造方法をＣＳＤ法からＲＦスパッタ法に変更した以外は、実施例１と同様にして本発明の圧電素子を製造した。
【０１４１】
スパッタ法のターゲットとして用いる目的で、圧電膜の目的組成に対応した焼結体を製造した。ただし、スパッタ成膜中の蒸発速度の差を考慮して、Ｂａ、ＢｉといったＡサイト元素がターゲット焼結体中で過剰となるようにした。
【０１４２】
具体的には、（Ｂａ０．９９５Ｂｉ０．００５）１．０５（Ｔｉ０．９７５Ｚｒ０．０２０Ｆｅ０．００５）Ｏ３に相当するターゲット用の原料を以下で述べる要領で秤量した。
【０１４３】
いずれも純度９９．５％以上であり、商業的に入手可能な炭酸バリウム、酸化ビスマス、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、二酸化マンガンの粉末状試薬を混合した。その際、Ｂａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎが組成（Ｂａ０．９９５Ｂｉ０．００５）１．０５（Ｔｉ０．９７５Ｚｒ０．０２０Ｆｅ０．００５）Ｏ３＋０．００５ＭｎＯ２の比率になるように秤量した。これらの混合粉は、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。混合粉の総重量を１００重量部とし、その混合粉に対して３重量部となるＰＶＡバインダーを、スプレードライヤー装置を用いて、混合粉表面に付着させ、造粒した。次に、得られた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。得られた成形体を電気炉に入れ、最高温度１３５０℃の条件で４時間保持し、合計２４時間かけて大気雰囲気で焼結し、ターゲット焼結体を得た。
【０１４４】
このターゲット焼結体を用いて、実施例１で用いたのと同じ基板の第一の電極上にＲＦスパッタ法で圧電膜を成膜した。最大膜厚は実施例１と同じになるように成膜時間で調整した。スパッタ装置内の雰囲気はアルゴンおよび酸素を１０対１から２０対１の割合で混合して、０．５Ｐａ程度の真空度に保った。また、基板の裏面（第一の電極を設けている面の反対面）から６５０℃に加熱し続けた状態で成膜を実施した。
【０１４５】
得られた圧電素子は、シリコン基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が順に積層されている構造であった。最大膜厚ＴＰは、２１００ｎｍであった。第一および第二の電極の最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２［ｎｍ］は、４００ｎｍであった。第一の電極と基板の界面部分には、Ｔｉ金属成分よりなる密着成分が存在していた。圧電膜の断面のほぼ全領域が柱状構造の結晶粒の集合組織となっていた。膜表面における結晶粒径は、平均円相当径として１４００ｎｍであった。圧電膜は引っ張り応力を内部に有していた。Ｘ線回折測定からは、−３０℃〜５０℃の全温度域で無配向で正方晶のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観測された。圧電膜部分の組成は実施例１の圧電素子と同等であった。
【０１４６】
各温度の誘電損失および圧電定数ｄ３１は実施例１の圧電素子とほぼ同じであった。圧電素子に含まれる圧電膜のキュリー温度は、１６５℃であった。詳細な測定結果を表４に示す。
【０１４７】
（実施例３〜２５）
実施例１および実施例２と同様の製造方法で、組成の異なる本発明の圧電素子を得た。圧電膜の組成を示すｘ、ｙ、ｚ、ｙ／ｚ、ｍ値を表１に示す。また、ｘ値とｙ値の関係、ｘ値とｚ値の関係、ｘ値とｍ値の関係を図１６に示す。図１６におけるシンボルは、各実施例の組成パラメータの値を示しており、点線は本願の請求項１の範囲を示している。線上は請求項１の範囲に含まれる。
【０１４８】
圧電素子に含まれる基板、密着層、第一の電極の種類、圧電膜を成膜する手法、成膜プロセスにおける最高温度、第二の電極の種類を表２に示す。
【０１４９】
表２における実施例２３の「１００配向単結晶」とは、成膜面が（１００）面となるように切り出したＭｇＯ単結晶基板を意味する。同等に実施例２４では成膜面が（１１０）面であるＭｇＯ単結晶基板を、実施例２５では成膜面が（１１１）面であるＭｇＯ単結晶基板を用いた。
【０１５０】
また、表２における圧電膜の成膜法が、「ＣＳＤ」とあるものは実施例１の製造方法と同様にして、ＣＳＤ法で圧電膜を成膜している。他方、表２における圧電膜の成膜法が、「スパッタ」とあるものは実施例２の製造方法と同様にして、ＲＦスパッタ法で圧電膜を成膜している。
【０１５１】
実施例１と同様にして、圧電膜の最大膜厚ＴＰ、第一および第二の電極の最大膜厚ＴＥ１［ｎｍ］と最小膜厚ＴＥ２［ｎｍ］の平均値（ＴＥ１＋ＴＥ２）／２を測定した結果を表３に示す。
【０１５２】
第一の電極と基板の界面部分には、Ｔｉ金属成分よりなる密着成分が存在していた。圧電膜の断面のほぼ全領域が柱状構造の結晶粒の集合組織となっていた。Ｘ線回折測定からは、−３０℃〜５０℃の全温度域で無配向で正方晶のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観測された。圧電膜部分は、内部に引っ張り応力を有していた。圧電膜部分の組成は表１に示す通りであった。
【０１５３】
各圧電素子の膜表面における結晶粒径は、表３に示す通りであり、最小で７００ｎｍ、最大で３５００ｎｍであった。
【０１５４】
各実施例の圧電素子におけるキュリー温度、各温度の誘電損失および圧電定数ｄ３１の計測結果は表４に示す通りであった。キュリー温度は、最小で１３０℃、最大で１９５℃であった。−３０℃から５０℃の範囲における誘電損失の最大値は、０．００３５から０．０１２０の範囲にあった。
【０１５５】
（比較例１）
特許文献１の００８７段落を参照し、圧電膜の組成を、Ｂａ（Ｔｉ０．９Ｚｒ０．１）Ｏ３の化学式で表わすことができる金属酸化物および、その金属酸化物１モルに対して０．０２０モルの割合で添加されたＭｎ酸化物となるようにした他は、実施例１と同様にして比較用の圧電素子を製造した。
【０１５６】
圧電膜の断面は非柱状構造の結晶粒の集合組織となっていた。比較用の圧電素子の圧電膜部分に対して、２５℃においてＸ線回折測定を実施したところ、無配向で斜方晶のペロブスカイト構造に相当するピークのみが観測された。
【０１５７】
その他の物性は表３および表４に示す通りであった。比較用の圧電素子の誘電損失は、−３０℃から５０℃の範囲で最大で０．０２１（５０℃）、最小で０．０１１（−３０℃）であり、実施例の圧電素子の誘電損失を全ての測定温度範囲で上回った。
【０１５８】
比較用の圧電素子の最大のｄ３１定数は室温２５℃での計測で得られ、絶対値｜ｄ３１｜の大きさは９５ｐｍ／Ｖであった。最小のｄ３１定数は−３０℃での計測で得られ、｜ｄ３１｜は４０ｐｍ／Ｖであった。５０℃での｜ｄ３１｜は６０ｐｍ／Ｖであった。いずれの温度における｜ｄ３１｜も実施例１の圧電素子の同一温度での｜ｄ３１｜を下回った。
【０１５９】
【表１】
2017112362.tif 000003
【０１６０】
【表２】
2017112362.tif 000004
【０１６１】
【表３】
2017112362.tif 000005
【０１６２】
【表４】
2017112362.tif 000006
【０１６３】
（実施例２６）
図１５（ａ）に図示された構成の本発明の第二の形態の圧電素子を製造した。具体的には、第一の電極を設けなかった事と、第二の電極を櫛型形状にしたことを除いては、実施例１と同様の製法で圧電素子を製造した。櫛型電極ピッチは２５μｍとし、電極線幅１０μｍ、空隙１５μｍの内訳とした。
【０１６４】
更に、図１５（ｂ）に図示されているように対向する櫛型電極のそれぞれに外部電源を接続し、本発明の表面弾性波発生装置とした。入力された交番電圧に応じた表面弾性波の励振を確認した。
【０１６５】
（製造方法の影響）
表２に示した実施例１と実施例２に見られるように本発明の圧電素子の製造方法はＣＳＤ法であってもスパッタ法であっても同等の特性が得られることが分かった。その他の実施例３〜２５についても、成膜法によらず本発明の効果が得られることを確認した。
【０１６６】
（Ｂｉ、Ｆｅ量の影響）
Ｂｉのモル比を示すｙおよびｚを０．００５から大きくすると、各温度の圧電定数が大きくなった。実施例１とＭｎの量が同等である実施例１６にみられるようにｙ＝ｚ＝０．０１５では、実施例１より約３％程度大きな圧電定数を示した。しかし、ｙ＝ｚ＝０．０２とすると、−３０℃から５０℃の範囲での誘電損失は最小でも２％以上となってしまった。
【０１６７】
他方、Ｂｉのモル比を示すｙおよびｚを、実施例１の値である０．００５から小さくすると、ｙ＝ｚ＝０．００２までは実施例１と類似の圧電特性が得られた。ｙ＝ｚ＝０．００１であっても、各温度において実施例１の９５％程度の圧電定数が得られた。しかし、比較例１にみられるようにｙ＝ｚ＝０とすると、−３０℃での圧電定数が実施例１の５５％未満となってしまった。
【０１６８】
ＢｉとＦｅのモル比であるｙ／ｚを、０．９０から１．１０の範囲で変化させても、圧電素子の各温度における圧電定数および誘電損失に変化はほとんど無かった。しかし、ｙ／ｚが０．９０未満になると、圧電定数が急激に（１０％以上）低下した。他方、ｙ／ｚが１．１０より大きくなると、誘電損失が急激に（１０％以上）上昇した。
【０１６９】
（Ｍｎ量の影響）
Ｍｎの含有量を主成分の金属酸化物１モルに対して、０．００５モルから多くすると、０．０１５モルまでは実施例１と類似の圧電特性が得られた。しかし、Ｍｎの量を０．０２モルとすると、−３０℃から５０℃の範囲での誘電損失は最小でも１．５％以上となってしまった。
【０１７０】
他方、Ｍｎの含有量を０．００５モルから小さくしても、０．００２モルまでは実施例１と類似の圧電特性が得られた。しかし、Ｍｎの添加を無くすと圧電定数が急激に（２０％以上）低下し、誘電損失が急激に（３０％以上）上昇した。
【０１７１】
（Ｚｒ量の影響）
Ｚｒのモル比を示すｘを０．０２０から大きくすると、−３０℃から５０℃の範囲で圧電定数が大きくなった。ｘ＝０．０６０とすると、全温度域で圧電定数が実施例１の圧電素子より１５〜３０％大きくなった。しかし、ｘ＝０．０７０とするとキュリー温度が低下した影響で、５０℃における測定の誘電損失が１％を超えてしまった。
【０１７２】
他方、Ｚｒのモル比を示すｘを０．０２０から小さくすると、ｘ＝０．０１０では、各温度での圧電定数の低下は１０％未満であったが、ｘ＝０．００８とすると圧電定数が２５％以上低下した。
【０１７３】
（圧電アクチュエータ）
実施例の圧電素子を用いて、図３（ａ）（ｂ）に示される構造の圧電アクチュエータを作製したところ、交番電圧の印加に応じて圧電アクチュエータの薄片部の変位が確認された。なお、振動板には５μｍ厚のＳｉＯ２膜を用いた。実施例の圧電素子を用いた圧電アクチュエータの薄片部における変位量は、比較例の圧電素子によるものの２倍以上であった。
【０１７４】
（液体吐出ヘッド）
実施例の圧電素子を用いて、図４（ａ）に示す構造の液体吐出ヘッドを作成した。
【０１７５】
得られた圧液体吐出ヘッドについて、印加電圧２０Ｖ、１０ｋＨｚ時の液体吐出ヘッドの液滴の吐出性能を評価したところ、実施例の液体吐出ヘッドの吐出性能は良好であった。
【０１７６】
（液体吐出装置）
実施例の液体吐出ヘッドを用いて、図４（ｂ）に示される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確認された。
【０１７７】
（振動補正機構）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図５に示される振動補正機構を作製した。搬送対象物にはガラス製のレンズおよびＣＭＯＳ素子を用いた。入力した電気信号に追随した搬送対象物の回転運動が確認された。
【０１７８】
（可変光学部材）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図６（ａ）に示される可変光学部材を作製した。光学部材にはポリアクリル酸系のプラスチックレンズを用いた。入力した電気信号に追随した光学部材の変形が確認された。
【０１７９】
（可動光学部材）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図６（ｂ）に示される可動光学部材を作製した。圧電歪み伝達部にはアルミ製の金属棒を用い、光学部材にはガラス板にアルミを蒸着したミラーを用いた。入力した電気信号に追随した光学部材の可動が確認された。
【０１８０】
（光学機器）
実施例の振動補正機構を用いて、図７（ａ）に示される光学機器を作製した。外部からの振動による出射光の光路の変化を振動補正機構の機能によって抑制できていることが確認された。
【０１８１】
実施例の可変光学部材、あるいは実施例の可動光学部材を用いて、図７（ｂ）および（ｃ）に示される光学機器をそれぞれ作製した。交番電圧の印加に応じた光路の変化が確認された。
【０１８２】
（撮像装置）
実施例の振動補正機構を用いて、図８に示される撮像装置を作製した。外部からの振動に起因する撮像画像の変化が振動補正機構の機能によって抑制できていることが確認された。
【０１８３】
（光スイッチ）
実施例の圧電アクチュエータと光ファイバーを力学的に接続した可変光学部材を用いて、図９（ａ）に示される光スイッチを作製した。入力した電気信号に追随した光スイッチの切り替え動作を確認した。
【０１８４】
実施例の圧電アクチュエータと図９（ｂ）に示される部材を力学的に接続して、光スイッチを作製した。入力した電気信号に追随した光スイッチの切り替え動作を確認した。
【０１８５】
（マイクロミラーデバイス）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図１０に示されるマイクロミラーデバイスを作製した。圧電歪み伝達部にはアルミ製の金属棒を用いた。入力した電気信号に追随したマイクロミラーデバイスの移動および回転動作を確認した。
【０１８６】
（超音波プローブ）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図１１（ａ）に示される超音波プローブを作製した。入力した電気信号に追随した超音波の発信動作と被検体から反射した超音波の受信動作を確認した。
【０１８７】
（超音波検査装置）
実施例の超音波プローブを用いて、図１１（ｂ）に示される超音波検査装置を作製した。出入力した超音波の振動データからノイズの軽減された超音波画像の生成を確認した。
【０１８８】
（音響部品）
実施例の圧電アクチュエータを用いて、図１２に示される音響部品を作製した。入力した電気信号に追随した音波の発信または外部からの音波の受信を確認した。
【０１８９】
（角速度センサー）
実施例の圧電素子を用いて、図１３に示される信号処理部を有する角速度センサーを作製した。センサー本体の移動や回転等の形状変化を処理部で角速度情報に変換していることを確認した。
【０１９０】
（振動発電装置）
実施例の圧電素子を用いて、図１４に示される振動発電装置を作製した。メカニカルポンプ上に設置し、メカニカルポンプを作動させたところ、振動エネルギーが電気エネルギーに変換される発電動作が行われていることを確認した。
【０１９１】
（圧電シャッター）
実施例３の表面弾性波発生装置を用いて、図１５（ｃ）に示される圧電シャッターを作製した。ただし、圧電膜および櫛型電極は基板の両面に設けた。入力した電気信号に追随した圧電シャッターの開閉動作を確認した。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明の圧電素子は、−３０℃〜５０℃の温度範囲内において安定して高い圧電定数と小さな誘電損失を有する。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、圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置および圧電シャッターをはじめ、上記の用途以外にも圧電機能を用いる電子機器全般に適用可能である。
【符号の説明】
【０１９３】
１０１  基板
１０２  第一の電極
１０３  圧電膜
１０４  第二の電極
１０５  櫛型電極
１０６  密着成分
１０７  振動板
２０１  圧電素子
２０１１  第一の電極
２０１２  圧電膜
２０１３  第二の電極
２０２  振動板
２０３  個別液室
２０４  液室隔壁
２０５  吐出口
２０６  連通孔
２０７  共通液室
３０１  外装部
３０２  回復部
３０３  記録部
３０４  キャリッジ
３０５  自動給送部
３０６  排出部
３０７  搬送部
４０１  圧電アクチュエータ
４０１１  振動板
４０１２  圧電膜
４０１３  第二の電極
４０２  搬送対象物
５０１  圧電アクチュエータ 
５０２  光学部材 
５０３  圧電歪み伝達部 
６０１  光学機器 
６０１１  振動補正機構 
６０１２  光学部材 
６０１３  可変光学部材 
６０１４  可動光学部材 
７０１  撮像装置 
７０１１  振動補正機構 
７０１２  撮像素子ユニット 
８０１  光スイッチ 
８０１１  可変光学部材 
８０１２  光信号入力端子 
８０１３  光信号出力端子 
８０１４  可動光学部材 
８０１４１  移動部 
８０１４２  反射部 
９０１  マイクロミラー 
９０２  圧電アクチュエータ 
９０３  圧電歪み伝達部 
９０４  制御部 
１００１  超音波プローブ 
１００１１圧電アクチュエータ 
１００２  信号処理手段 
１００３  画像形成手段 
１１０１  音響部品 
１１０１１圧電アクチュエータ 
１２０１  角速度センサ 
１２０１１圧電素子 
１２０２  信号処理部 
１３０１  振動発電装置
１３０１１  圧電素子 
１４０１  表面弾性波発生装置
１４０１１  圧電素子 
１４０１２  電源 
１４０２  遮光部品 
１４０２１  可動突起部 
１４０２２  回転軸部 
１４０３  受光部
【図１】
2017112362.tif 000007
【図２】
2017112362.tif 000008
【図３】
2017112362.tif 000009
【図４】
2017112362.tif 000010
【図５】
2017112362.tif 000011
【図６】
2017112362.tif 000012
【図７】
2017112362.tif 000013
【図８】
2017112362.tif 000014
【図９】
2017112362.tif 000015
【図１０】
2017112362.tif 000016
【図１１】
2017112362.tif 000017
【図１２】
2017112362.tif 000018
【図１３】
2017112362.tif 000019
【図１４】
2017112362.tif 000020
【図１５】
2017112362.tif 000021
【図１６】
2017112362.tif 000022