CN1574408A - 压电单晶元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种积极地利用与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数(k31)的压电单晶元件(器件)。具体而言，其特征是：极化方向(3)为赝立方晶的〔001〕轴时，压电元件端面的法线方向，相对于与畴结构直交的方向(n)，处在0～15°或40～50°的范围内，其中，该畴结构存在于包含与极化方向(3)直交的〔010〕及〔100〕轴的结晶平面内。

Description

压电单晶元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及压电单晶元件及其制造方法。具体涉及由压电单晶材料构成的元件，即，着眼于与极化方向(polarization direction)直交的方向，即横向的振动模式(lateral vibration mode)的机电耦合系数(electromechanical coupling factor)k31和该方向的畴结构(domainstructure)的压电单晶元件以及该压电单晶元件的制造方法。
即，本发明涉及对于着眼于与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31的畴结构(元件表面的纹路线的延伸方向)进行合理控制的压电体单晶元件以及该压电单晶元件的制造方法。
背景技术
例如，如图1所示，压电单晶元件，对于长宽比(纵横尺寸比(aspectratio)：L/a)在3以上的棒状体(L/a＞＝3，a＝b)，设其纵长方向为极化方向3，在极化方向3施加电压时，极化方向3的振动(纵向振动)的大小由相关的纵向振动模式(longitudinal vibration mode)的机电耦合系数k33来表示，它与电能和机械能的转换效率的平方根成比例，数值越大就意味着效率越好。还有，如2A所示，对于长宽比(纵横尺寸比：a/b)为2.5以上的板状体的压电单晶元件(a＞＞L，b＞＞L)，关于与其极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31，该数值越大就意味着效率越好。另外，压电单晶元件，除了前述的棒状体及板状体以外，方形板及圆板等形状也可以，对于这些形状同样能够求得机电耦合系数。
另外，作为最为公知的压电单晶材料，有由锌铌酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(lead zinc niobate)和钛酸铅PbTiO3(lead titanate)的固溶体(称为PZN-PT或PZNT)或镁铌酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(leadmagnesium niobate)和钛酸铅PbTiO3的固溶体(称为PMN-PT或PMNT)构成的压电体单晶材料。
例如，特开平6-38963号公报中公开了采用由锌铌酸铅—钛酸铅(lead zinc niobate-lead titanate)(PZN-PT)的固溶体单晶(solidsolution single crystal)构成的压电体(piezoelectric element)的超声波(ultrasonic)探针(probe)。该公报中指出，这种压电体在极化方向3，即所谓纵向3的振动模式(longitudinal vibration mode)的机电耦合系数k33为80％～85％之大，通过使用该单晶，就能够获得灵敏度良好的探针。以前，对于压电单晶元件在这种极化方向3的机电耦合系数k33进行了研究，也开发出了各种用途，但是，与极化方向3直交的方向的特性还是未开发的技术领域。
另外，作为对于与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31大到超过80％的压电元件进行开发的事例，小川等的文献J.Appl.Phys.41(2002)L55及文献Jpn.J.Appl.Phys.41(2002)pp.7108-7112中有记载。
然而，如上所述，这些文献都完全没有记载与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31与畴结构有关系的情况或关于k31超过80％的再现性，因此，与其他公知文献相同，可以认为它们是偶然获得的没有再现性的实验数据。
此处，畴结构是指，在把单晶切成适合元件的大小时，如图7B、图7C和9B所示，由肉眼或实体显微镜在其元件材料的表面上能观察到的纹路。该纹路为浓淡的条纹，其间隔从数微米至一百几十微米，不过，也曾观察到1mm以上的间隔。以下，本发明所谓“畴结构”，如果不预先说明，指“元件表面的纹路线的延伸方向”。
本发明目的是提供一种对这样的畴结构(元件表面的纹路线的延伸方向)的方向进行合理控制的压电单晶元件及其制造方法。
发明内容
为了达成上述目的，本发明的要旨如下。
(1)一种压电单晶元件，极化方向3为赝立方晶(pseudocubic system)的〔001〕轴时，具有良好的横向1的振动模式的机电耦合系数k31，其特征是：压电元件端面的法线方向1与极化方向3直交；压电元件端面的法线方向1相对于与畴结构直交的方向n，处在0～15°或40～50°的范围内—该畴结构存在于包含与极化方向3直交的〔010〕及〔100〕轴的结晶平面内。
(2)上述(1)的压电单晶元件是由下列所示的压电单晶材料构成的压电单晶元件：
由xPb(A1，A2，…，B1，B2，…)O3+(1-x)PbTiO3(此处，x是摩尔比，0＜x＜1。)构成的固溶体(solid solution)，其中，A1，A2，…由从Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc组成的群中选取的1种或多种元素构成，B1，B2，…由从Nb、Ta、Mo及W组成的群中选取的1种或多种元素构成，该固溶体具有复合钙钛矿结构(complex perovskite structure)。
3)上述(2)的压电单晶元件为在上述(2)的固溶体中还含有0.5ppm～5质量％的从Mn、Cr、Sb、Ca、W、Al、La、Li以及Ta组成的群中选取的1种或多种元素的压电单晶元件。
(4)制造上述(1)～(3)中的任意1项所记载的压电单晶元件的制造方法，其特征是具有：
从具有畴结构的单晶晶锭(ingot)沿规定方向切出规定形状的单晶元件材料的工序；
在该单晶元件材料的[001]方向，按规定的条件施加电场(electricfield)，对单晶元件材料进行极化的主极化工序。
(5)在上述(4)中，主极化工序是在切出的单晶元件材料的[001]方向、在20～200℃的温度范围、施加350～1500V/mm的直流电场的工序的压电单晶元件的制造方法。
(6)还有，在上述(4)中，主极化工序是在切出的单晶元件材料的[001]方向、在比该单晶元件材料的居里温度(Curie temperature)(Tc)高的温度、施加250～500V/mm的直流电场并在此状态下冷却到室温的工序的压电单晶元件的制造方法。
(7)在上述(4)～(6)中，还具有在上述主极化工序实施之前或之后一还含有沿与极化方向直交的方向施加电场而进行极化的辅助极化工序的压电单晶元件的制造方法。
另外，此处所谓“赝立方晶(pseudocubic system)”包括立方晶(cubicsystem)以外、结晶学上(crystallographically)的3轴的构成角度为90°±1°以内的菱面晶(rhombohedral system)、以及由于菱面晶和正方晶(tetragonal system)混合存在、结晶学上作为立方晶对待的结晶。还有，“钙钛矿型晶格结构”是指，固溶体单晶的单元晶格构成为，如3所示意表示的，R离子位于单元晶格的角上、氧离子位于单元晶格的面心、M离子位于单元晶格的体心的结构(RMO3)。还有，以本发明为对象的“钙钛矿型晶格结构”是指，在图3的体心位置的M离子，不是1种元素离子，而是由2种以上的多种元素离子(A1，A2，…，B1，B2，…)中的任意1种元素构成。
附图说明
图1表示利用纵向振动模式的机电耦合系数k33的压电单晶元件的方位和形状的一示例。
图2A表示利用与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31的压电单晶元件的方位和形状的一示例。
图2B是表示利用与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31的压电单晶元件的端面的形状的图。
图3是钙钛矿型结晶结构(RMO3)的示意的透视图。
图4是PZN-PT(PZNT)的相图(phase diagram)。
图5是6面为{100}面的立方体表面的畴结构的示意图。
图6A是在单晶上施加直流电场时的说明图。
图6B是表示单晶元件材料10的端面10c的法线方向1和与畴结构直交的方向n的角度为90°的图。
图6C是表示单晶元件材料11的端面11c的法线方向1和与畴结构直交的方向n的角度为0°的图。
图7A是把(001)面(纸面)作为与极化方向3直交的面的单晶元件材料10及11与畴结构的关系图。
图7B是表示单晶元件材料10的畴结构的表面照片(背景的方格纸的1格为1mm)。
图7C是表示单晶元件材料11的畴结构的表面照片(背景的方格纸的1格为1mm)。
图8A是表示压电单晶元件10`的k31振动模式的阻抗曲线和相位的图。
图8B是表示压电单晶元件11`的k31振动模式的阻抗曲线和相位的图。
图9A是用于说明从单晶晶片(wafer)12，相对于与畴结构直交的方向n，元件端面(11C，13C)的法线方向1在0～90°的范围，切出各种单晶元件材料的方向的图。
图9B是相对于与畴结构直交的方向n，元件端面的法线方向1为48°，切出的单晶元件的表面照片(背景的方格纸的1格为1mm)。
图10是双极三角波的波形图。
具体实施方式
本发明者们注意到，压电单晶元件的极化方向3(纵向振动模式)的机电耦合系数k33具有80％以上的值之后，尽管有多种的用途，但是，与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31，例如文献IEEE Proc.MEDICAL IMAGING 3664(1999)pp.239或其他文献所示，为49～62％，比极化方向3(纵向振动模式)的机电耦合系数k33的值低，且由文献给出的值是有偏差的。
而深刻研究的结果发现，该压电单晶元件在极化方向3(纵向振动模式)具有大的机电耦合系数k33的同时，与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31小，且其值还没有再现性，此外偏差也大，因此，不适于作为利用横向振动模式的压电单晶元件，其原因是，由有关与极化后的压电单晶元件的极化方向3直交的方向1的电偶极子(electric dipole)形成的畴结构(元件面的纹路线的延伸方向)，对于横向振动的振动方向1，属于不具有适当方向的情形。
反之，还发现，该压电单晶元件必须是：在与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31大，其值还具有再现性，为了使其成为适当的利用横向振动模式的压电单晶元件，由有关与极化后的压电单晶元件的极化方向3直交的方向1的电偶极子(electricdipole)形成的畴结构(元件面的纹路线的延伸方向)，对于横向振动的振动方向1，具有适当的方向。
以下，详细说明本发明。
例如，锌铌酸铅—钛酸铅(称为PZN-PT或PZNT)的固溶体单晶，其单元晶格构成为如图3示意性表示的复合钙钛矿结构(单元晶格的角的位置有Pb离子、单元晶格的体心位置有Zn、Nb、Ti中的某种元素离子的结构)。图4是表示锌铌酸铅(PZN)和钛酸铅(PT)的组成比的相图。另外，图4是Nomura et al.，J.Phys.(1969)等所引用的图。另外，图4中的●符号为实施例1～4所使用的0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)(以摩尔比表示为x＝0.91)的压电单晶元件(0.91PZN-0.09PT)的组成之一示例。另外，图4中的Tc表示居里温度，Trt表示从菱面晶(广义的概念称为赝立方晶)向正方晶的相变温度。
特别是，对于象0.91PZN-0.09PT这样的菱面晶PZN-PT，在看作赝立方晶时的结晶的<111>方位的8个方向具有相当于电偶极子的自发极化(spontaneous polarization)。
还有，这些自发极化在结晶中并非七零八碎地存在，而是构成为自发极化统一后的小区域互相连接、连续性地存在的结构(畴结构)。这种结构在把固溶体单晶看作赝立方晶时，作为平行于6个{110}面的一个面的面组而存在。此情况同前述，在把单晶切成适合元件的大小时，如图5的赝立方晶的表面所示，由肉眼或实体显微镜(参照图7B、图7C和9B)在该元件材料的面上能观察到的纹路。该纹路为浓淡的条纹，其间隔从数微米至一百几十微米，不过，也曾观察到1mm以上的间隔。
对于该单晶，把其赝立方晶的[100]、[010]、[001]轴作为独立的直交轴，切成由6个{100}面包围的立方体时，例如，如图5所示，在(001)、(00-1)、(100)、(-100)面上，条纹的方向与[010]轴是平行的，在(010)、(0-10)面上，条纹的方向与[10-1]轴是平行的，以这样决定的方向来表示。
即，在类似上述的立方体的试料中，与畴结构对应的表面的纹路线的延伸方向在4个{100}面(具体为(001)、(00-1)、(100)，(-100)面)上与<100>轴(具体为[100]、[010]、[001]轴)方向是平行的，在其余的2个{100}面(具体为(010)、(0-10)面)上与<110>轴(具体为[10-1]、[101]轴)是平行的。即，在立方体的各表面上，畴结构(纹路线的延伸方向)对<100>轴方位构成为平行或直交乃至45°的角度。
在这样的自发极化状态中，即使不考虑畴结构，而在<100>轴方向施加电场，电偶极子也会旋转到电场施加方向(极化方向3，即<100>轴方向)，使自发极化方向变成统一的。
可是，对于自发极化方向的统一，由于元件材料的畴结构和电场的施加的形态等而产生各种状态，其结果，例如，在锌铌酸铅—钛酸铅(PZN-PT)的情况下，尽管极化方向3的机电耦合系数k33具有80％以上的值，但是，与极化方向3直交的方向1的机电耦合系数k31，根据前述的文献等(IEEE Proc.MEDICAL IMAGING 3664(1999)pp.239)可知，分布在49～62％的范围，且有偏差。
对于这样的横向振动模式的机电耦合系数k31的值，制造积极地利用该机电耦合系数k31的压电单晶元件(器件)，例如精密机械的位置控制所使用的执行机装和转换器所使用的压电单晶元件，是很困难的。
下面对前述的畴结构加以研究，说明造成这种结果的主要原因。即，在从育成后的单晶晶锭切出的单晶的状态下，在极化方向3及与其直交的方向，由同一方向的电偶极子的集合而构成的畴内的电偶极子的方向，朝向各畴的各种方向，因而不呈现压电性，属于未极化的状态。
选择通常采用的属于一般极化条件的极化处理温度和施加电场，在极化方向3施加电场来进行极化，就能够把起初朝向各畴的各种方向的多数畴内的电偶极子的方向统一到极化方向3(一方向)。这样，极化方向3的机电耦合系数k33，例如，在锌铌酸铅—钛酸铅(PZN-PT)的情况下，就会呈现80％以上的大的值。
可是，与极化方向3直交的方向的畴的排列，在上述极化处理中不能控制。原来，只有恰当选择与被切出的元件材料的极化方向3直交的面内的畴结构，使极化方向3的极化条件，即极化处理温度和施加电场处在恰当的范围内，才能进行控制。
以下，对本发明的压电单晶元件的限定理由进行说明。
(1)压电单晶元件的结晶结构(赝立方晶的复合钙钛矿结构)：
本发明中，作为对象的“赝立方晶”包括立方晶以外的、结晶学上的3轴的构成角度为90°±1°以内的菱面晶、以及由于菱面晶和正方晶混合存在、结晶学上作为立方晶对待的结晶。而且，固溶体单晶的单元晶格必须为钙钛矿型晶格结构(RMO3)，如3所示意表示的，Pb离子位于单元晶格的角上，氧离子位于单元晶格的面心，M离子位于单元晶格的体心，并且，在图3的体心位置的M离子，不是一种元素离子，而是由2种以上的多种元素离子(A1，A2，…，B1，B2，…)中的任意1种元素构成。
(2)单晶元件的形状
本发明中，作为对象的“压电单晶元件”的形状，优选的是如2A所示的板状体，因为它在利用与极化方向3直交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31的场合，可以最大地发挥其效果。特别是，优选的元件的形状是，长宽比(纵横尺寸比：a/b)为2.5以上的板状体(a/b＞2.5，a＞＞L，b＞＞L)，更优选的是，长宽比(纵横尺寸比：a/b)为3以上的板状体。另外，本发明的板状体两端部(短边b)的形状，按照用途，如2B所示，可以做成凸状弯曲b‘(虚线)，或凹状弯曲b“(单点锁线)。还也可以是a＝b的方形板。另外，本发明所说的元件端面是指与图2B的长边a成直角的短边b。因此，元件端面(b)的法线方向1与元件的长边a平行。
(3)压电元件端面的法线方向1处在相对于与畴结构直交的方向n成0～15°或40～50°的范围内，该畴结构存在于包含与极化方向3直交的〔010〕及〔100〕轴的结晶平面内：
可以认为，利用横向振动的元件的端面的法线方向1受限于这样的角度范围的机理如下。即，在该范围以外的角度θ的范围，即在相对于与畴结构直交的方向n，成15°＜θ＜40°及50°＜θ＜75°的范围内，该畴结构存在于包含与极化方向3直交的〔010〕及〔100〕轴的结晶平面内在与极化方向<100>轴直交的平面内的<100>方向和<110>方向之间，有<310>、<210>、<320>等低指数的结晶轴方位存在，在这些方向，横振动模式分散产生，因此，横振动模式的阻抗曲线(impedance curve)上就会有乱真(spurious)(曲线的混乱)发生，或是横振动模式的频率范围(更具体的是谐振频率fR与反谐振频率fA的差)变窄。其结果，可以认为，横振动模式的机电耦合系数k31就会降低。另外，如下列(4)中所述，根据立方晶的对称性，0～-15°或-40～-50°的角度范围也属于本发明的范围。
(4)单晶元件的组成和结构：
本发明的压电单晶元件的组成，在采用由xPb(A1，A2，…，B1，B2，…)O3+(1-x)PbTiO3(此处，x是摩尔比，0＜x＜1。)构成的组成的固溶体，即A1，A2，…由从Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc组成的群中选取的1种或多种元素构成、B1，B2，…由从Nb、Ta、Mo及W组成的群中选取的1种或多种元素构成的复合钙钛矿结构的单晶的情况下，成为适合于横向振动模式的元件。即，固溶体单晶的单元晶格为钙钛矿型晶格结构(RMO3)，如3所示意表示的，Pb离子位于单元晶格的角上，氧离子位于单元晶格的面心，M离子位于单元晶格的体心，并且，在图3的体心位置的M离子，不是一种元素离子，而必须由从Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc组成的群中选取的1种或多种元素和从Nb、Ta、Mo及W组成的群中选取的1种或多种元素构成。
特别是，作为固溶体单晶，在采用锌铌酸铅—钛酸铅(PZN-PT)的情况下，优选的是，上述摩尔比x为0.80～0.98，更优选的是0.89～0.95的范围。还有，作为固溶体单晶，在采用镁·铌酸铅—钛酸铅(PMN-PT)的情况下，优选的是，上述摩尔比x为0.60～0.98，更优选的是0.60～0.80的范围。还有，作为固溶体单晶，在采用铟·镁酸铅—钛酸铅(PIMN-PT)的情况下，优选的是，上述摩尔比x为0.60～0.80，更优选的是0.64～0.76的范围。
再有，在需要增大介电常数εr(Specific Inductive Capacity)或机械品质因数Qm(mechanical quality factor)的情况下，可以再在上述压电单晶元件的组成中，分别按0.5ppm～5质量％添加Mn、Cr、Sb、Ca、W、Al、La、Li、Ta中的1种或多种元素。添加量合计超过5质量％就难以做成单晶，可能会成为多晶。添加这些元素的效果在于，例如，通过添加Mn、Cr，就能够提高机械品质因数Qm，或抑制经时劣化。还有，添加Sb、La、W、Ta就能够提高介电常数εr。
其次，对本发明的压电单晶元件的优选的制造方法进行说明。
本发明的压电单晶元件的制造方法，其特征是具有：制造具有畴结构的单晶的晶锭的工序；从该单晶的晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件材料的工序；在该单晶元件材料的[001]方向，按规定的条件施加电场，对单晶元件材料进行极化的主极化工序，或是，在该主极化工序前后具有辅助极化工序。
以下，对各工序中本发明的制造方法的限定理由进行说明。
(5)具有畴结构的单晶晶锭的制造：
由xPb(A1，A2，…，B1，B2，…)O3+(1-x)PbTiO3(此处，x是摩尔比，0＜x＜1。)构成的固溶体，即A1，A2，…由从Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc组成的群中选取的1种或多种元素构成、B1，B2，…由从Nb、Ta、Mo及W组成的群中选取的1种或多种元素构成的复合钙钛矿结构的单晶，或是再在上述组成中分别按0.5ppm～5质量％添加Mn、Cr、Sb、Ca、W、Al、La、Li、Ta中的1种或多种元素后的单晶的晶锭的制造方法有：在使调制成上述组成的原料溶解在助溶剂中之后，使之降温并凝固的方法；或者，加热至熔点以上使之融解之后，在一方向使之凝固而获得单晶的方法。作为前者的方法有：助溶剂法，溶液布里奇曼法，还有TSSG法(Top Seeded Solution Growth)等；作为后者有：水平融解布里奇曼法，CZ法(切克劳斯基法)等，不过，本发明未特别规定。
(6)单晶晶锭的结晶方位的决定：
根据劳厄法(Laue method)来大致决定单晶晶锭的[001]轴方位，同时大致决定与[001]轴方位直交的[010]轴方位及[100]轴方位，或根据需要，大致决定[110]、[101]、[011]轴方位等结晶方位。
再有，对与[001]轴、[010]轴及[100]轴等任一结晶轴直交的结晶面{100}面进行研磨，用X线方位测量机(X-ray direction finder)等来决定正确的方位，对上述研磨面的偏差进行修正。
(7)粗切割(切割为适当厚度的晶片)：
采用线锯(wire saw)或内周刃切割机(inner diamond saw)等切割机，与上述单晶晶锭的研磨面{100}面平行或直交，切割单晶晶锭，获得适当厚度的片材(晶片(wafer))。另外，也可以包含切割后按照需要使用腐蚀液进行化学蚀刻的工序。
(8)研磨(切割为规定厚度的晶片)：
由磨光机(lapping machine)、抛光机(polishing machine)等研削机或研磨机(grinding machine)对上述晶片进行研削或研磨，获得希望的厚度的晶片。另外，也可以包含研削、研磨后按照需要使用腐蚀液进行化学蚀刻的工序。
(9)单晶元件材料的制造：
上述晶片在晶片面(最广的面)上具有{100}面。该晶片的畴结构(纹路线的延伸方向)，如图5所示，对[100]轴方位，呈平行或直交乃至45°的角度。对与存在于{100}面内的畴结构(纹路线的延伸方向)直交的方向n，使元件端面的法线方向1呈0～15°或40～50°，这样，从该晶片用划片机(dicing saw)或切割机(cutting saw)等精密切割机切出规定形状的单晶元件材料并进行制作。
(10)电极的作成：
在主极化处理或者辅助极化处理时，要引入外加电场，因此需要事先制成必要的电极。
在主极化处理前，在作为制成的单晶元件材料的相对的{100}面的上下两面上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第1层为Cr层：厚度约50，第2层为Au层：厚度约100-200)，或用等离子体蒸镀形成金被膜，或是用丝网印刷形成银被膜之后，进行烧制来制作电极。
还有，在辅助极化处理前，在与辅助极化方向垂直的相对的2个面上，以与上述相同的方法形成电极。
另外，在辅助极化处理后进行主极化处理或是主极化处理后进行辅助极化处理的情况下，如果有最初的极化处理中使用的电极残存的话，就会使后边的极化处理不稳定，因此，需要预先用适当的化学腐蚀液及酸完全除去电极。
(11)主极化处理工序：
在从育成后的单晶晶锭切出的单晶的状态下，在极化方向3及与其直交的方向，由同一方向的电偶极子的集合而构成的畴内的电偶极子的方向，朝向各畴的各种方向，因而不呈现压电性，属于未极化的状态。
选择通常采用的属于一般极化条件的极化处理温度和外加电场，在极化方向3施加电场来进行极化，就能够把起初朝向各畴的各种方向的多数的畴内的电偶极子的方向统一到极化方向3(一方向)。这样，极化方向3的机电耦合系数k33，例如，在锌铌酸铅—钛酸铅的情况下，就会呈现80％以上的大的值。
可是，与极化方向3直交的方向的畴的排列，在上述的极化处理中不能控制。原来，只有恰当选择与被切出的元件材料的极化方向3直交的面内的畴结构，使极化方向3的极化条件，即极化处理温度和外加电场及极化处理时间处在恰当的范围内，才能进行控制。
本发明的主极化工序，优选，在切出的单晶元件材料的极化方向3，在20～200℃的温度范围，施加350～1500V/mm的直流电场。即，在不到上述优选的温度范围的下限值的20℃或不到外加电场范围的下限值350V/mm的情况下，极化不充分。在超过上述优选的温度范围的上限值200℃或超过外加电场范围的上限值1500V/mm的情况下，就会发生过极化(over pole)，使压电单晶元件的压电特性劣化。还有，由于过强的电场，结晶中的变形就会增加，有发生断裂的可能性，从而在压电单晶元件上产生裂纹。
另外，极化时间优选的是，根据在上述优选范围内选取的极化处理温度和外加电场来进行调整。极化时间最大为180分钟。
或是，主极化工序，更优选，在切出的单晶元件材料的极化方向3，在比该单晶元件材料的居里温度(Curie temperature)(Tc)高的温度—优选180～300℃的温度范围，施加250～500V/mm的直流电场，在此状态下冷却到室温(电场冷却(electric field cooling))。由于在比居里温度(Tc)高的温度下进行，因而电偶极子会暂时消失，此后，再冷却到居里温度以下，电偶极子的方向就会更好地统一。在比居里温度低的温度的情况下，有一部分电偶极子残存，因而极化不充分。还有，在不到上述优选的外加电场范围的下限值250V/mm的情况下，极化不充分。在超过上述优选的施加电场范围的上限值500V/mm的情况下，就会发生过极化(over pole)，使压电单晶元件的压电特性劣化。还有，由于过强的电场，结晶中的变形就会增加，有发生断裂的可能性，从而在压电单晶元件上产生裂纹。另外，冷却速度优选的是，在冷却过程中元件上不产生裂纹的冷却速度。
另外，居里温度是指，在该温度以上电偶极子各自朝向无秩序的方向，变得不整齐，不呈现压电性或铁电性的转变温度。它由组成及物质的结构决定。
(12)辅助极化处理工序：
上述主极化工序，是进行压电单晶元件的主要的极化的工序，不过，在该主极化工序实施前或实施后，在与上述极化方向3直交的方向，优选的是，在横振动方向1施加电场，对与上述极化方向3直交的方向的铁电畴(ferroelectric domain)的排列状态进行控制，这种制造方法也是有效的。
作为在与上述极化方向3直交的方向施加电场的种类，有直流电场(direct current electric field)、脉冲电场(pulse electric field)、交流电场(alternating current electric field)，除这些恒定电场(steady state)之外，还有衰减电场(attenuation electric field)等，电场的强度及施加时间、温度条件等有与各个压电单晶元件的特性以及与极化方向直交的方向的机电耦合系数k31的希望值对应的合理条件。这些可以根据实验等来决定。为获得辅助极化的效果，优选的是，辅助极化处理温度为25℃～相变温度(例如图4所示的Trt线)以下，外加电场范围优选的是350～1500V/mm。另外，极化时间按照在上述的优选范围内选取的极化处理温度和外加电场进行调整，不过，优选的特别是10分～2小时。
还有，作为上述脉冲电场，除方波以外，也可以采用如10所示交流三角波等单极及双极脉冲。
实施例
作为利用与极化方向直交的方向(横向振动模式)的压电单晶元件，为得到具有优选的高的机电耦合系数k31的压电单晶元件，要选择畴结构(结晶平面上的平行的浓淡的纹路)并对极化条件进行控制，以下以实施例对该方法进行说明。
实施例1：
所使用的0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)(以摩尔比表示为x＝0.91)的压电单晶元件(居里温度Tc＝175℃，元件形状：13mm长×mm宽×0.36mm厚)的形状等如6A所示。
另外，压电单晶元件的制造遵从前述的制造方法，调制成0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅象成为(PT)(以摩尔比表示为x＝0.91)的组成之后，根据前述的溶液布里奇曼法，获得单晶晶锭。其次，决定该单晶晶锭的正确的结晶方位，进行研磨，直交于该研磨面{100}面，用线锯切割单晶晶锭，获得0.5mm厚度的片材。由抛光机对该片材进行研磨，获得0.36mm厚度的晶片。用划片机从该晶片切出元件形状：13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料而制成。
在制成的6面被{100}面包围的单晶元件材料10、11中，上面10a或11a和下面10b或11b之间的[00-1]轴方向(图6A的上下方向)作为极化方向。
另外，单晶元件材料10是用划片机从如7A所示的大的单晶晶片12切出的材料，并使得与其上面10a的畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n与元件端面10c的法线方向1直交(图6B及图7B)；单晶元件材料11是用划片机从如7A所示的大的单晶晶片12切出的材料，并使得与其上面11a的畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n与元件端面11c的法线方向1平行(图6C及图7C)。
在制成的各单晶元件材料10、11的相对的{100}面即上下面10a及10b或11a及11b上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第1层为Cr层：厚度约50，第2层为Au层：厚度约100～200)，制成金电极，在25℃的大气中施加60分钟700V/mm的直流电场来进行极化，制成压电单晶元件10`及11`。
对于制成的2种极化处理后的压电单晶元件10`及11`，采用阻抗相位增益分析仪(impedance phase gain analyser)(HP公司制，装置型号：HP4912)测得的k31模式的阻抗曲线和相位，分别表示在图8A如8B中。另外，在这些图8A及8B中表明，相位为0°时的2个频率，即，谐振频率fR和反谐振频率fA之差越大，机电耦合系数k31就越大。另外，k31是根据既知的计算式(参照电子材料工业会标准规格：EMAS-6008，6100)来计算的。表1表示其测量结果。
在8A所示的压电单晶元件10`(与其上面10a的畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n与元件端面10c的法线方向1所成的角度为90°)中，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31为50.7％和55％以下，作为横向振动模式用的元件的特性是不充分的(图8A)。
另一方面，在8B所示的压电单晶元件11`(与其上面11a的畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n与元件端面11c的法线方向1所成的角度为0°)中，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31为86.2％和80％以上，作为横向振动模式用的元件的特性是充分的(图8B)。
还有，对于在0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)(以摩尔比表示为x＝0.91)的固溶体中、再按0.5ppm～5质量％添加从Mn、Cr、Sb、Ca、W、Al、La、Li及Ta组成的群中选取的1种或多种元素后的组成，也以与0.91PZN-0.09PT相同的制造方法制成元件，以与0.91PZN-0.09PT相同的试验条件来考察机电耦合系数k31，如表1所示，对于压电单晶元件材料11(与其上面11a的畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n与元件端面11c的法线方向1成0°)，都能够获得高的机电耦合系数k31。特别是，在添加Mn和Cr之后，机械品质因数Qm从65.0显著提高至120.0～150.0，通过添加Sb、W、La、Ta，介电常数εr从3500大幅度提高至4300～4700。另外，机械品质因数Qm及介电常数εr依据电子材料工业会标准规格(参照EMAS-6008，6100)，用阻抗分析仪(HP公司制，装置型号：HP4192A)来求得。
实施例2
本发明者为了进一步详细研究利用横向振动模式的元件的端面方位1(更严格地讲，是端面的法线方向)与畴结构的关系，如图9A所示，相对于与畴结构(表面上的纹路线的延伸方向)直交的方向n，使利用横向模式的元件的端面11c等法线方向从0°(图9A所示的[100]方向)每次5°改变到90°(图9A所示的[010]方向)，制成用划片机切出的各种单晶元件材料11、13等，采用在25℃的大气中施加60分钟700V/mm的直流电场来进行极化的方法，沿与图9A纸面垂直的方向进行极化，制成压电单晶元件11`、13`之后，对与其横向振动模式有关的机电耦合系数k31进行了测量。其测量结果如表2所示。另外，压电单晶元件的制造方法和元件尺寸及试验条件，与实施例1相同。
此处，相对于在与极化方向直交的面内(图9中为纸面，更严格地讲，是包含与极化方向3直交的[010]、[100]轴的结晶平面内)的[100]轴方向，选择从0°到90°的范围，这是因为，根据立方晶的对称性，它是为获得与极化方向直交的{100}面内涉及所有方向的信息的充分必要的角度范围。
由表2所示的结果表明，相对于与极化方向3直交的面内的[100]轴方向，处在0～15°或40～50°时，0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，其与横向振动模式有关的机电耦合系数k31为70％以上，作为横向利用的元件是优选的。另外，图9B是用划片机切出的单晶元件的表面照片，其中，切割时使得元件端面的法线方向1相对于与畴结构直交的方向n为-48°。
并且，在角度在0～15°的范围和角度40～50°的范围中，不是以5°的间隔，而是在其中间的角度再对k31详细地进行测量，结果表明，在该范围中，横向振动模式的机电耦合系数k31总在70％以上。
还有，对于x锌铌酸铅(PZN)+(1-x)钛酸铅(PT)(PZN-PT)的锌铌酸铅(PZN)的摩尔比x为0.80和0.95的2种情况(0.80PIMN-0.20PT和0.95PZN-0.05PT)，以及锌铌酸铅以外的材料镁·铌酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)及铟·镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)，以与0.91PZN-0.09PT相同的制造方法制成元件，以与0.91PZN-0.09PT相同的试验条件来考察机电耦合系数k31，如表2所示，全都在角度0～15°的范围或角度40～50°的范围中获得了高的机电耦合系数k31。另外，此处，0.70PMN-0.30PT是指镁·铌酸铅(PMN)的摩尔比x为0.70，0.70PIMN-0.30PT是指铟·镁酸铅(PIMN)的摩尔比x为0.70。
另一方面，可以认为，在由相对于与极化方向3直交的面内的[100]轴方向成0～15°的范围及40～50°的范围构成的合理范围中，由于使横振动模式分散发生的前述<310>、<210>、<320>等低指数的结晶轴方位不存在，因而能够获得高的横振动模式的机电耦合系数k31。还可以认为，上述角度θ的范围在75°≤θ≤90°的范围，畴结构与利用横向振动的元件端面的法线方向的关系就成为与0°≤θ≤15°相反的关系，因此，只能获得低的横振动模式的机电耦合系数k31。
实施例3
其次，对于制造优选利用横向振动模式的压电单晶元件的优选的极化处理方法，用实施例3进行说明。对以各种极化处理条件制造的压电单晶元件10`、11`的横向振动模式的机电耦合系数k31进行测量的结果如表3所示。另外，压电单晶元件的制造方法和元件尺寸及试验条件，与实施例1相同。还有，采用压电单晶元件的组成使用与实施例2相同组成的元件。其测量结果如表3所示。
用与实施例1相同的方法制造的优选利用横向模式的结晶11的极化处理温度取为25℃，外加电场取为低于本发明范围的下限值的320V/mm，施加时间取为从30分钟至180分钟之间的数点，在这种情况下，如表3的(1)所示，以施加时间最长的180分钟的情况为代表，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，为58％和60％以下，作为横向振动模式用的元件的特性是不充分的。如果是比180分钟还短的施加时间，只能获得更低的机电耦合系数k31。可以认为，这是由于在该条件下极化不充分。
另一方面，对于用与实施例1相同的方法制造的不优选利用横向模式的结晶10，不论哪种情况，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)而言，都在55％以下，在极化处理条件下不能得到改善。
还有，用与实施例1相同的方法制造的优选利用横向模式的结晶11的极化处理温度取为40℃，外加电场取为超过本发明范围的上限值的1700V/mm，施加时间取为从30分钟至180分钟之间的数点，在这种情况下，如表3的(9)所示，以施加时间最小的30分钟的情况为代表，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，为53％。而且，如果施加时间超过30分钟，则发现施加过程中或施加终了之后在压电单晶元件中发生裂纹的例子有很多。
可以认为，这是由于在该条件下发生过极化(over polarization)，使压电单晶元件的压电特性劣化而造成的。还可以认为，压电单晶元件发生裂纹是由于过强的电场使结晶11中的变形增加、发生断裂而造成的。
对于结晶10，不论哪种情况，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)而言，都在55％以下，在极化处理条件下不能得到改善。
再有，对于优选利用横向振动模式的结晶11，在如图4所示的居里温度Tc以上的200℃的硅油中，保持施加着400V/mm的直流电场的状态下，经过120分钟，使硅油的温度下降到室温(25℃)后，如表3的(10)所示，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，为80％和70％以上。这表明在施加着电场的状态下进行冷却的方法(电场冷却(electric fieldcooling))是有效的。可是，对于结晶10，在该条件下，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31为55％以下，在电场冷却的极化处理条件下不能得到改善。
表3的(2)～(8)是在25～60℃的温度范围、在30分钟至180分钟的范围、施加350～1500V/mm的直流电场的极化处理条件下制成的压电单晶元件。在这种情况下，优选利用横向振动模式的结晶11的与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，为78～86％，全都在70％以上。可是，对于结晶10，在该条件下，与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)而言，为55％以下，在极化处理条件下不能得到改善。
还有，对于x锌铌酸铅(PZN)+(1-x)钛酸铅(PT)(PZN-PT)的锌铌酸铅(PZN)的摩尔比x为0.80和0.95的2种情况(0.80PIMN-0.20PT和0.95PZN-0.05PT)，以及锌铌酸铅以外的材料镁·铌酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)及铟·镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)，以与0.91PZN-0.09PT相同的制造方法制成元件，以与0.91 PZN-0.09PT相同的试验条件来考察机电耦合系数k31，如表3所示，优选利用横向振动模式的结晶11一方的机电耦合系数k31比结晶10的高，还有，在25～60℃的温度范围、在350～1500V/mm的直流电场下，能够获得机电耦合系数k31高的元件。这样，在0.91PZN-0.09PT以外的组成的元件中，全都获得了与0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)相同的结果。另外，此处，0.70PMN-0.30PT是指镁·铌酸铅(PMN)的摩尔比x为0.70，0.70PIMN-0.30PT是指铟·镁酸铅(PIMN)的摩尔比x为0.70。
实施例4
其次，对于制造优选利用横向振动模式的压电单晶元件的优选的辅助极化处理方法，用实施例4进行说明。对以各种辅助极化处理条件制造的压电单晶元件11`的横向振动模式的机电耦合系数k31进行测量的结果如表4所示。另外，压电单晶元件11`的制造方法和元件尺寸及试验条件，与实施例1相同。还有，采用压电单晶元件的组成利用与实施例2相同组成的元件。另外，相对于与{100}面内存在的畴结构(纹路线的延伸方向)直交的方向n，使元件端面11c的法线方向1为15°，在这种状态下，用划片机(dicing saw)切出元件形状：13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料而制成。
在以与实施例1相同的方法制造的优选利用横向模式的结晶11的两端面11c上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第1层为Cr层：厚度约50，第2层为Au层：厚度约100～200)，制成电极，辅助极化处理温度为25～40℃、直流的外加电场为320～1700V/mm、施加时间为10分钟～150分钟，进行辅助极化处理。此后，用化学腐蚀液及酸完全溶解、除去上述电极之后，在单晶元件材料11的相对的{100}面即上下面11a及11b上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第1层为Cr层：厚度约50，第2层为Au层：厚度约100～200)，制成电极，在25℃的大气中施加60分钟700V/mm的直流电场来进行主极化处理。与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31如表4所示。表4的(2)～(6)是在25～60℃的温度范围、在10分钟至120分钟的范围、施加350～1500V/mm的直流电场的辅助极化处理条件下制成压电单晶元件情况。在这种情况下，优选利用横向振动模式的结晶11的与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，对于0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)，相对于不进行辅助极化处理的未处理的(11)的74％的k31，全都在78％以上。由于该辅助极化处理，获得了更高的机电耦合系数k31。还有，在主极化工序之后，以与上述(3)相同的条件进行辅助极化处理(8)后，也可获得83％的高的机电耦合系数k31。
还有，在主极化工序前后施加10分种图10所示的双极三角波脉冲电场后，如图(9)及图10所示，也可获得高的机电耦合系数k31。
还有，对于x锌铌酸铅(PZN)+(1-x)钛酸铅(PT)(PZN-PT)的锌铌酸铅(PZN)的摩尔比x为0.80和0.95的2种情况(0.80PIMN-0.20PT和0.95PZN-0.05PT)，以及锌铌酸铅以外的材料镁·铌酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)及铟·镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)，也以与0.91PZN-0.09PT相同的制造方法制成元件，以与0.91PZN-0.09PT相同的试验条件来考察机电耦合系数k31，如表4所示，对于优选利用横向振动模式的结晶11，在主极化处理前后进行的辅助极化处理条件-25～40℃的温度范围，350～1500V/mm的直流电场范围或双极三角波脉冲电场—的外加电场处理后，机电耦合系数k31就可提高。这样，在0.91PZN-0.09PT以外的组成的元件中，全都获得了与0.91锌铌酸铅(PZN)+0.09钛酸铅(PT)相同的结果。另外，此处，0.70PMN-0.30PT是指镁·铌酸铅(PMN)的摩尔比x为0.70，0.70PIMN-0.30PT是指铟·镁酸铅(PIMN)的摩尔比x为0.70。
根据本发明，就能够制造积极地利用与极化方向直交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31的压电单晶元件(器件)，用于各种用途，例如，用于精密机械的位置控制所使用的执行机构和转换器。
                                        表1
          K31(％)   机械品质因数Qm   介电常数εr   备注
    与畴结构直交的方向n和元件端面的法线方向1构成的角度(deg.) 90° 0° 0° 0°
    0.91PZN-0.09PT 追加元素：0mass％   50.7％   86.2％   65.0   3500   本发明
Mn：0.5ppm   50.1％   79.0％   120.0   3200   本发明
Mn：5mass％   49.0％   76.0％   150.0   3100   本发明
Cr：2mass％   48.3％   79.6％   120.0   3210   本发明
Sb：2mass％   50.1％   81.0％   75.0   4500   本发明
Ca：2mass％   50.0％   80.2％   73.5   3500   本发明
W：2mass％   49.8％   78.3％   68.4   4300   本发明
Al：2mass％   49.3％   78.6％   69.1   3800   本发明
La：2mass％   45.0％   76.5％   67.0   4600   本发明
Li：2mass％   50.2％   79.6％   66.0   3700   本发明
Ta：2mass％   50.6％   78.9％   67.4   4700   本发明
Mn+Cr：2mass％   50.2％   80.0％   170.0   3200   本发明
                                          表2
                               K31(％) 备注
  与畴结构直交的方向n和元件端面的法线方向1构成的角度(deg.) 0.91PZN-0.09PT 0.80PZN-0.20PT 0.95PZN-0.05PT 0.70PMN-0.30PT 0.70PIMN-0.30PT
  0     86.2     80.1     81.6    62.7     68.1     本发明
  5     82.1     79.3     76.4    60.3     62.3     本发明
  10     82.1     76.5     75.3    58.3     57.6     本发明
  15     74.2     71.3     72.1    53.0     54.6     本发明
  20     61.4     61.5     61.0    49.3     50.3     比较例
  25     48.7     47.6     45.3    44.5     45.3     比较例
  30     51.5     50.3     47.8    42.6     42.7     比较例
  35     53.6     53.4     50.3    46.8     45.3     比较例
  40     78.4     76.3     65.3    53.7     56.8     本发明
  45     86.3     80.4     79.6    61.8     66.8     本发明
  50     77.1     76.2     78.3    59.6     58.3     本发明
  55     63.7     61.4     60.7    57.1     54.1     比较例
  60     60.3     59.3     56.3    51.7     51.6     比较例
  65     57.5     55.6     52.1    47.5     46.2     比较例
  70     55.2     51.3     49.6    46.2     45.3     比较例
  75     56.7     50.3     47.3    44.3     43.1     比较例
  80     53.7     49.6     46.2    42.7     43.1     比较例
  85     51.2     48.3     46.3    41.8     42.6     比较例
  90     50.7     47.1     45.3    41.3     42.4     比较例
                                                         表3
              极化条件                    压电单晶元件10’                         压电单晶元件11’ 备注
    温度     电场     时间                            K31(％)                            K31(％)
    ℃     V/mm     min    0.91PZN-0.09PT    0.8PZN-0.20PT    0.95PZN-0.05PT    0.70PMN-0.30PT    0.70PIMN-    0.91PZN-0.09PT    0.80PZN-0.20PT    0.95PZN-0.05PT    0.70PMN-0.30PT    0.70PIMN-
(1)     25     320     180    46    43    42    40    45     58    51    43    35    35 比较例
(2)     25     350     180    49    42    40    39    43     79    78    79    63    61 发明例
(3)     60     400     180    53    48    43    36    41     78    76    78    61    63 发明例
(4)     25     700     100    55    51    46    33    43     84    82    82    62    61 发明例
(5)     25     700     60    51    49    42    37    40     86    81    80    61    62 发明例
(6)     40     900     70    52    46    45    35    41     82    80    79    60    61 发明例
(7)     30     1200     60    54    53    48    37    43     84    83    80    62    62 发明例
(8)     40     1500     30    48    50    46    40    46     78    76    75    63    61 发明例
(9)     40     1700     30    45    43    40    38    42     53    49    48    40    42 比较例
(10)     200→25 400 120 50 51 49 41 40 80 79 78 61 60 发明例
                                                                表4
                  辅助极化条件                       压电单晶元件11 备注
    温度   电场的种类   电场   时间 辅助极化处理的时段                          K31(％)
℃ V/mm min    0.91PZN-0.09PT    0.80PZN-0.20PT    0.95PZN-0.05PT    0.70PMN-0.30PT    0.70PIMN-
(1)     25   直流   320   150 前处理    73    65    68    43    46 比较例
(2)     40   直流   350   120 前处理    78    79    78    65    66 发明例
(3)     25   直流   700   100 前处理    83    78    76    73    75 发明例
(4)     40   直流   900   70 前处理    85    81    79    76    76 发明例
(5)     30   直流   1200   60 前处理    83    80    81    74    75 发明例
(6)     40   直流   1500   10 前处理    80    81    80    76    78 发明例
(7)     40   直流   1700   30 前处理    71    61    63    43    46 比较例
(8)     25   直流   700   100 后处理    83    83    82    79    78 发明例
(9)     25 双极三角波脉冲 峰值500V/mm，间隔800msec，10分 前处理    81    80    81    69    72 发明例
(10)     25 后处理    79    79    79    68    70 发明例
(11)                            未处理    74    71    72    53    52 发明例

Claims (7)

1.一种压电单晶元件，极化方向为赝立方晶的〔001〕轴时，具有良好的横向的振动模式的机电耦合系数k31，
压电元件端面的法线方向与极化方向直交；
压电元件端面的法线方向相对于与畴结构直交的方向，处在0～15°或40～50°的范围内，该畴结构存在于包含与极化方向直交的〔010〕及〔100〕轴的结晶平面内。
2.根据权利要求1所述的压电单晶元件，其中，所述压电单晶元件是由下列所示的压电单晶材料构成的：
由xPb(A1，A2，…，B1，B2，…)O3+(1-x)PbTiO3(此处，x是摩尔比，0＜x＜1。)构成的固溶体，其中，A1，A2，…由从Zn、Mg、Ni、Lu、In及Sc组成的群中选取的1种或多种元素构成，B1，B2，…由从Nb、Ta、Mo及W组成的群中选取的1种或多种元素构成，该固溶体具有复合钙钛矿结构。
3.根据权利要求2所述的压电单晶元件，其中，压电单晶元件在上述固溶体中还含有0.5ppm～5质量％的从Mn、Cr、Sb、Ca、W、Al、La、Li以及Ta组成的群中选取的1种或多种元素。
4.权利要求1～3中的任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其特征是具有：
从具有畴结构的单晶晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件材料的工序；
在该单晶元件材料的[001]方向，按规定的条件施加电场，对单晶元件材料进行极化的主极化工序。
5.根据权利要求4所述的压电单晶元件的制造方法，其中，主极化工序是在切出的单晶元件材料的[001]方向、在20～200℃的温度范围、施加350～1500V/mm的直流电场的工序。
6.根据权利要求4所述的压电单晶元件的制造方法，其中，主极化工序是在切出的单晶元件材料的[001]方向、在比该单晶元件材料的居里温度(Tc)高的温度、施加250～500V/mm的直流电场并在此状态下冷却到室温的工序。
7.根据权利要求4～6中任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其中，还具有在上述主极化工序实施之前或之后还含有沿与极化方向直交的方向施加电场而进行极化的辅助极化工序。
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