压电单晶元件及其制造方法技术

提供一种能够稳定地得到横向振动模式的机电偶合系数ｋ↓［３１］为６０％以上的压电单晶元件及其制造方法。具体而言，在以极化方向（３）为假立方晶系的［１１０］轴时，压电元件端面１０ｃ的法线方向（１）在包含与极化方向大致正交的方向即［００１］轴且在该［００１］轴±３５°的角度范围内，与极化方向（３）正交的方向即横向振动模式的机电偶合系数ｋ↓［３１］为６０％以上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种压电单晶元件(piezoelectric single crystal device)及其制造方法。进一步说，涉及压电单晶元件及该压电单晶元件的制造方法，其中压电单晶元件包括压电体单晶材料，其为由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3表示的镁铌酸铅Pb(Mg，Nb)O3(lead magnesiumniobate)和钛酸铅PbTiO3(lead titanate)组成的固溶体(solid solution)(称作PMN-PT或PMNT)，具有假立方晶系(pseudocubic system)的复合钙钛矿结构，与极化方向(polarization direction)正交的方向即横向的振动模式的机电偶合系数k31为60％以上。
技术介绍
横向的振动模式的机电偶合系数k31，例如，如图1所示，对于长宽比(aspect ratio)a/b为2.5以上的矩形板(a/b≥2.5、a＞＞L、b＞＞L)来说，与在极化方向3施加电压时的极化方向3正交的方向1的振动(横向振动)大小有关的电能和机械能的转换效率的平方根成比例，该数值越大表明效率越好。压电单晶元件除所述矩形板之外，还可以是方形板、圆形板、棒状体等形状，无论何种形状都可以同样地求出机电偶合系数k31。作为构成所述压电单晶元件的材料，现在广泛使用的是如T.Ogawa，M.Matsushita，Y.Tachi and K.Echizenya，”Program Summaryand Extended Abstracts of the 10thUS-Japan Se分ar on Dielectric andPiezoelectric Ceramics”(Sept.26-29，(2001)pp245-248)中记载的锆钛酸铅(lead zircon titanate，Pb(Zr，Ti)O3)(PZT)。但是，所述Ogawa等的文献中记载的锆钛酸铅(PZT)，其机电偶合系数k31为约30％。为得到比上已述及的PZT高的k31，例如，特开平11-171644号公报上公开了以x(Pb2Me2O7)1/2·(1-x)[Pb(Zr1-yTiy)O3]为主成分，添加有作为副成分的Cr和Si的压电陶瓷组合物(piezoelectric porcelaincomposition)，但是特开平11-171644号公报上公开的压电陶瓷组合物的机电偶合系数k31为40％以下。再者，在Jpn.J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)中公开了以0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3单晶的方向为极化方向，测定[100]方向或方向的横向振动模式k31的压电特性等，其机电偶合系数k31为59％。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种通过恰当地控制极化方向3和压电元件端面T的法线方向1，能够稳定地得到机电偶合系数k31为60％以上的。为实现所述目的，本专利技术的要旨如下1.一种压电单晶元件，其中，在以极化方向作为假立方晶系的[110]轴时，压电元件端面的法线方向包含与极化方向大致正交的方向即轴且在该轴±35°的立体角的角度范围内，与极化方向正交的方向即横向的振动模式的机电偶合系数k31为60％以上。2.上述1所述的压电单晶元件，其中，所述压电单晶元件包括压电单晶材料，其为由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X是指设Mg、Nb及Ti的总摩尔分数为1时Ti的摩尔分数)组成的固溶体，所述X满足式0.1＜X＜0.35，且具有复合钙钛矿结构。这里所谓的“假立方晶系”是指立方晶系(cubic system)及另外的3个结晶学上(crystallographically)的轴构成的角度在90°±1°以内的菱形晶系或是菱形晶系(rhombohedral system)与正方晶系(tetragonalsystem)混合的晶体。所谓“钙钛矿结构”是指，固溶体单晶的单元晶格如图2示意表示，R离子位于单元晶格的顶点，氧离子位于单元晶格的面心，M离子位于单元晶格的体心这样的结构(RMO3)。而本专利技术中作为对象的所谓的“复合钙钛矿结构”，是指位于图2的体心位置的M离子不是一种元素离子，而是包括2种以上的多个元素离子。本专利技术的轴可以取该钙钛矿结构的单元晶格的一边的任意方向。3.如上述2所述的压电单晶元件，其中，所述固溶体内进一步含有0.05mol％～30mol％的In。4.一种制造如上述1～3中任一项所述的压电单晶元件的方法，其具有主极化处理在从单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元件的处理前后，在单晶锭、切出的单晶块或者切出的单晶元件的应该极化的方向即[110]方向上在预定的条件下施加电场进行极化。5.如上述4所述的压电单晶元件的制造方法中，具有主极化处理，在所述单晶锭或所述单晶块的[110]方向上在预定的条件下施加电场进行极化，和切出处理，从所述单晶锭或所述单晶块在预定的方向上切出预定形状的单晶元件。6.如上述4或5所述的压电单晶元件的制造方法，其中，所述主极化处理是如下的处理在所述单晶锭或所述单晶块的[110]方向上，在20～200℃的温度范围下施加350～1500V/mm的直流电场的处理，或者在比所述单晶锭的居里温度(Tc)高的温度下施加250～500V/mm的直流电场，然后在施加该电场的同时冷却到室温的处理。7.如上述4所述的压电单晶元件的制造方法，具有切出处理，从所述单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元件，和主极化处理，在所述单晶元件的[110]方向上在预定的条件下施加电场进行极化。8.如上述4或7中任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其中，所述主极化处理具有在所述单晶元件的[110]方向上，在20～200℃的温度范围下施加350～1500V/mm的直流电场的处理；或者在比所述单晶元件的居里温度(Tc)高的温度下施加250～500V/mm的直流电场，然后在施加该电场的同时冷却到室温的处理。9.如上述4～8中任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其中，在所述主极化处理的前或后，还具有在与极化方向正交的方向上施加电场进行极化的辅助极化处理。在与极化方向3正交的方向1施加的电场的种类有直流电场、脉冲电场、交流电场，以及它们的定常电场，还有衰减电场，电场的强与极化方向3正交的方向1的机电偶合系数k31的期望值都有适当条件。这些条件可通过实验等确定。所述的脉冲电场除方形波之外，还可以使用交流三角形波等单极或双极脉冲。依照本专利技术，积极地与极化方向3正交的方向1(横向振动模式)的机电偶合系数k31，可以制造出例如用于磁头(magnetic head)的精确定位用激励器(accurate positioning actuator)、压电陀螺仪元件(piezoelectric gyro device)、数码相机(digital still camera)的防抖传感器(image stabilizer)、心脏起搏器用传感器(cardiac pacemaker sensor)等用途的压电单晶元件。附图说明图1是表示按照本专利技术的压电单晶元件的方位和形状的立体图，用极化时的状态表示。图2是表示钙钛矿结构(RMO3)的示意立体图。图3是表示利用按照本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电单晶元件，其中，在以极化方向作为假立方晶系的［１１０］轴时，压电元件端面的法线方向包含与极化方向大致正交的方向即［００１］轴且在该［００１］轴±３５°的立体角的角度范围内，与极化方向正交的方向即横向的振动模式的机电偶合系数ｋ↓［３１］为６０％以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-4-30 135313/20041.一种压电单晶元件，其中，在以极化方向作为假立方晶系的[110]轴时，压电元件端面的法线方向包含与极化方向大致正交的方向即轴且在该轴±35°的立体角的角度范围内，与极化方向正交的方向即横向的振动模式的机电偶合系数k31为60％以上。2.权利要求1所述的压电单晶元件，其中，所述压电单晶元件包括压电单晶材料，其为由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X是指设Mg、Nb及Ti的总摩尔分数为1时Ti的摩尔分数)组成的固溶体，所述X满足式0.1＜X＜0.35，且具有复合钙钛矿结构。3.如权利要求2所述的压电单晶元件，其中，所述固溶体内进一步含有0.05mol％～30mol％的In。4.一种制造如权利要求1～3中任一项所述的压电单晶元件的方法，其具有主极化处理在从单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元件的处理前后，在单晶锭、切出的单晶块或者切出的单晶元件的应该极化的方向即[110]方向上在预定的条件下施加电场进行极化。5.如权利要求4所述的压电单晶元件的制造方法中，具有主极化处理，在所述单晶锭或所述单晶块的[110]方向上在预定的条件下施加电场进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：松下三芳，
申请(专利权)人：杰富意矿物股份有限公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]