通过在镁铌酸铅－钛酸铅（ＰＭＮ－ＰＴ）单晶或锌铌酸－钛酸铅（ＰＺＮ－ＰＴ或ＰＺＮＴ）单晶中添加特定的添加物，提供一种压电特性优良且价格低廉的复合钙钛矿结构的压电单晶元件等。具体而言，压电单晶具有复合钙钛矿结构，是一种含有３５～９８ｍｏｌ％的镁铌酸铅［Ｐｂ（Ｍｇ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）Ｏ↓［３］］或锌铌酸铅［Ｐｂ（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）Ｏ↓［３］］、０．１～６４．９ｍｏｌ％的钛酸铅［ＰｂＴｉＯ↓［３］］以及０．０５～３０ｍｏｌ％的铟铌酸铅［Ｐｂ（Ｉｎ↓［１／２］Ｎｂ↓［１／２］）Ｏ↓［３］］的组成物，其特征在于：该组成物中的０．０５～１０ｍｏｌ％的铅被置换为钙。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及和图1所示的1-3复合型压电元件。尤其是，该技术与机电耦合系数(K31、K33)以及压电应变常数(piezoelectric constant)(d31、d33)等压电特性大大优于现有的烧结压电元件(sintered piezoelectric device)(例如锆钛酸铅(lead zircontitanate(pb(Zr，Ti)O3)(PZT)的压电单晶元件(例如镁铌酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(lead magnesium niobate)-钛酸铅PbTiO3(leadtitanate)(PMN-PT)单晶及锌铌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(leadzincniobate)-钛酸铅PbTiO3(lead titanate)(PZN-PT或PZNT)单晶中制作而成的成品率的提高有关。
技术介绍
压电单晶元件，例如当形成图2所示的长方体元件时，将其长度方向作为极化方向(polarization direction)3(下文将极化方向称为PD)，可以用与向极化方向PD施加电压时的极化方向PD的振动(纵向振动)大小有关的、与电能和机械能的转换效率的平方根成比例的纵向振动模式(longitudinal vibration mode)的机电耦合系数k33表示，该数值越大说明转换效率越高。此外，当形成图3所示的板状体的压电单晶元件时，与该极化方向PD正交的方向1(横向振动模式(lateral vibrationmode))的机电耦合系数k31越大，转换效率越高。而压电单晶元件除上述的长方体和板状体之外，也可以是棒状体、方形板及圆形板等形状，对于各种形状可以相同地求出机电耦合系数。关于压电单晶元件，例如特开平6-38963号公报中公开了采用由锌铌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)的固溶体单晶体结构成的压电元件的超声波探针(ultrasonic wave probe)。由于此种单晶压电元件在极化方向上的机电耦合系数(K33)高达80～85％，因而可获得高灵敏度的探针。然而，由锌铌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)构成的压电单晶锭(ingot)以及晶片(wafer)(基板)，与现有的压电元件材料的锆钛酸铅Pb(Zn，Ti)O3(PZT)相比，价格昂贵。由采用镁铌酸铅(PMN)代替锌铌酸铅(PZN)的镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)构成的压电单晶及具有其它类似组成的压电单晶，也同样价格昂贵。造成此种压电单晶锭以及晶片价格昂贵的原因有以下三点。原因之一是培养单晶时的氧化铅(PbO)的蒸发。在使用压电单晶的成分原料的粉末、煅烧体或烧结体，将它们熔融并朝一个方向凝固，采用所谓熔融液布里奇曼法(Melt Bridgman Method)，或在使用了助熔剂(flux)的溶液中使它们溶解后并使它们朝一个方向凝固，采用所谓溶液布里奇曼法(Solution Bridgman Method)等培养单晶的情况下，由于作为成分或助熔剂存在的氧化铅(PbO)的蒸气压力在单晶培养温度下很高，因而氧化铅急剧蒸发，其结果是，由于在之后的凝固过程中析出偏离理想组成比的压电特性低的烧绿石相(pyrochlorephase)，或在该烧绿石相的上部析出许多晶体取向不一致的小晶体，使结晶收率及晶片收率显著下降。这里所说的“结晶收率”是指无烧绿石相或热裂化的完好单晶部分的质量相对于所投入原料质量的百分率(％)。此外，“晶片收率”是指无烧绿石相及热裂化的完好晶片的片数相对于用钢丝锯等切断工具在所需取向上以所需厚度切断而得到的晶片总片数的百分率(％)。第2个原因是在培养单晶时产生裂化(クラツク)。当用熔融液布里奇曼法或溶液布里奇曼法等培养上述单晶时，在培养单晶期间以及培养后冷却至常温的过程中，由于坩锅中的晶体成长方向上产生的温差以及与坩锅内壁接触的单晶外表面和单晶中心部位之间产生的温差造成的热应变，在该培养工序及该冷却工序中，易产生单晶开裂(热裂化)，使单晶收率及晶片收率显著下降。越是结晶性良好的单晶，产生越多的该裂化。第3个原因是在加工压电单晶元件时产生的碎屑(chipping)。在采用熔融液布里奇曼法或溶液布里奇曼法等培养单晶的情况下，从取得的压电单晶锭切割出晶片、切割出所需的压电元件形状的单晶板(single crystal plate)时，在单晶板切割面的端面周边的部位上产生细小的开裂(碎屑)，使压电单晶元件的单晶板收率显著下降。而此处所说的“单晶板收率”是指用划片机(dicing saw)等切割工具，无碎屑的完好单晶板的片数相对于按所需规格切割而成的晶片总片数的百分率(％)。如上所述，使用该压单晶的成分原料的粉末、焙烧体或烧结体培养该压电单晶，制作压电单晶板以及压电单晶元件时，压电单晶元件的结晶收率、晶片收率及单晶板收率的降低不可避免，存在因产品成本上升导致应用领域受限等弊端。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于通过在镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)单晶或锌铌酸铅一钛酸铅(PZN-PT或PZNT)单晶中添加特定的添加物，来制造机电耦合系数(k31、k33)以及压电应变常数(d31、d33)等压电特性优良且价格低廉的压电单晶元件的压电单晶，使用了上述压电单晶的压电单晶元件以及压电单晶元件的制造方法。本专利技术的另一目的在于提供一种采用多个上述压电单晶元件形成的1-3型复合压电元件。本专利技术的压电单晶是一种复合钙钛矿结构的压电单晶，是含有35～98mol％的镁铌酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]或锌铌酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]、0.1～64.9mol％的钛酸铅[PbTiO3]以及0.05～30mol％的铟铌酸铅[Pb(In1/2Nb1/2)O3]的组成物，该组成物中的0.05～10mol％的铅被置换为钙。本专利技术的压电单晶，在上述组成中还含有总计5mol％以下的、从Mn、Cr、Sb、W、Al、La、Li以及Ta中选出的至少一种元素。本专利技术的压电单晶元件，将上述压电单晶锭的方向作为极化方向，(001)面是包含与该极化方向基本正交的[100]方向和方向的面，利用以垂直截断(001)面的面作为端面的横向振动模式的机电耦合系数(K31)，其中，当将[100]方向或方向设定为0°时，该端面的法线方向在0°±15°以内(换言之，在[100]轴±15°的立体角以内或轴±15°的立体角以内)或45°±5°以内(换言之，在[110]轴±5°的立体角以内)。本专利技术的压电单晶元件，将上述压电单晶锭的方向作为极化方向，利用与该极化方向平行方向上的振动模式、即以(001)面为端面的纵向振动模式的机电耦合系数(K33)，其中，将与极化方向正交的元件端面的最小边长度或直径设为a，将与极化方向平行方向上的元件长度设为b时，a和b满足b/a≥2.5的关系式。本专利技术的压电单晶元件，将上述压电单晶锭的[110]方向作为极化方向，利用与该极化方向平行方向上的振动模式、即以(110)面为端面的纵向振动模式的机电耦合系数(K33)，其中将与极化方向正交的元件端面的最小边长度或直径设为a，将与极化方向平行方向上的元件长度设为b时，a和b满足b/a≥2.5的关系式。本专利技术是一种1-3型复合压电元件，是使与极化方向正交的元件端面位于同一平面内地排列上述多个本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合钙钛矿结构的压电单晶，是含有３５～９８ｍｏｌ％的镁铌酸铅［Ｐｂ（Ｍｇ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）Ｏ↓［３］］或锌铌酸铅［Ｐｂ（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）Ｏ↓［３］］、０．１～６４．９ｍｏｌ％的钛酸铅［ＰｂＴｉＯ↓［３］］以及０．０５～３０ｍｏｌ％的铟铌酸铅［Ｐｂ（Ｉｎ↓［１／２］Ｎｂ↓［１／２］）Ｏ↓［３］］的组成物，该组成物中的０．０５～１０ｍｏｌ％的铅被置换为钙。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-10-14 353687/20031.一种复合钙钛矿结构的压电单晶，是含有35～98mol％的镁铌酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]或锌铌酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]、0.1～64.9mol％的钛酸铅[PbTiO3]以及0.05～30mol％的铟铌酸铅[Pb(In1/2Nb1/2)O3]的组成物，该组成物中的0.05～10mol％的铅被置换为钙。2.一种复合钙钛矿结构的压电单晶，含有35～98mol％的镁铌酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]或锌铌酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]、0.1～64.9mol％的钛酸铅[PbTiO3]以及0.05～30mol％的铟铌酸铅[Pb(In1/2Nb1/2)O3]的组成物，该组成物中的0.05～10mol％的铅被置换为钙，还含有总计5mol％以下的、从Mn、Cr、Sb、W、Al、La、Li以及Ta中选出的至少一种元素。3.一种压电单晶元件，将权利要求1或2所述的压电单晶锭的方向作为极化方向，(001)面是包含与该极化方向基本正交的[100]方向和方向的面，利用以垂直截断(001)面的面作为端面的横向振动模式的机电耦合系数(K31)，其中，当将[100]方向或方向设定为0°时，该端面的法线方向在0°±15°以内或45°±5°以内。4.一种压电单晶元件，将权利要求1或2所述的压电单晶锭的方向作为极化方向，利用以与该极化方向基本正交的[100]方向、方向或[110]方向作为所述单晶元件端面的法线方向的横向振动模式的机电耦合系数(K31)，其中，该单晶元件端面的法线方向在[100]轴±15°的立体角以内，或轴±15°的立体角以内，或[110]轴±5°的立体角以内。5.一种压电单晶元件，将权利要求1或2所述的压电单晶锭的方向作为极化方向，利用与该极化方向平行方向上的振动模式、即以(001)面为端面的纵向振动模式的机电耦合系数(K33)，其中，将与极化方向正交的元件端面的最小边长度或直径设为a，将与极化方向平行方向上的元件长度设为b时，a和b满足b/a≥2.5的关系式。6.一种压电单晶元件，将权利要求1或2所述的压电单晶锭的[110]方向作为极化方向，利用与该极化方向平行方向上的振动模式、即以(110)面为端面的纵向振动模式的机电耦合系数(K33)，其中将与极化方向正交的元件端面的最小边长度或直径设为a，将与极化方向平行方向上的元件长度设为b时，a和b满足b/a≥2...
【专利技术属性】
技术研发人员：松下三芳，岩崎洋介，
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]
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