CN1954445A - 压电单晶元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供耐热性优良的压电单晶元件及其制造方法，该元件即使在有从室温到高温(具体为150℃)的温度变化的使用环境下，也可以使横向振动模式的机电耦合系数k31稳定而不降低，从而保持50％以上的高值。具体而言，其特征在于，当以将[001]轴为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[101]轴为极化方向3时，压电元件端面T的法线方向1处于包含与极化方向3大致正交方向的[－101]轴且相对该[－101]轴成±25°立体角的角度范围内，或者，当以上述正方晶格的[011]轴为极化方向3时，压电元件端面T的法线方向1处于包含与极化方向大致正交方向的[0－11]轴且相对该[0－11]轴成±25°立体角的角度范围内，无论何种情况，与极化方向3大致正交方向即横向的振动模式的机电耦合系数k31均在50％以上。

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(piezoelectric single crystal device)及其制造方法。更具体而言，涉及耐热性优良的压电单晶元件及其制造方法，该元件是由用Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3表示的铌镁酸铅Pb(Mg，Nb)O3(lead magnesium niobate)和钛酸铅PbTiO3(lead titanate)构成的固溶体(solid solution)(称为PMN-PT或PMNT)，并由正方晶格(tetragonalsystem)的复合钙钛矿结构(complex perovskite structure)的压电体单晶元件材料构成，该元件即使在高温(具体为150℃)使用环境下，也可以使与极化方向(polarization direction)大致正交的方向，即横向的振动模式(lateral vibration mode)的机电耦合系数k31(electromechanicalcoupling factor)稳定而不降低，从而保持50％以上的高值。
背景技术
例如，如图1所示，对于在长宽比(aspect ratio)a/b为2.5以上的长方形板(a/b≥2.5，a＞＞L，b＞＞L)，在极化方向3施加电压时，横向振动模式的机电耦合系数k31与和正交于极化方向3的方向1的振动(横向振动)大小相关的电能和机械能的转换效率的平方根成比例，该数值越大意味着效率越好。另外，除了上述的长方形板以外，压电单晶元件也可以是方形板、圆板、棒状体等形状，对于各种形状，都可以同样地求出机电耦合系数k31。
作为构成上述压电元件的材料，以往广泛使用如在T.Ogawa，M.Matsushita，Y.Tachi and K.Echizenya，”Program Summary andExtended Abstracts of the 10th US-Japan Seminar 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，在上述Ogawa等的文献中记载的锆钛酸铅(PZT)中，机电耦合系数k31为30％左右。
为了得到比上述PZT高的k31，例如，特开平11-171644号公报公开了以x(Pb2Me2O7)1/2·(1-x)[Pb(Zr1-yTiy)O3]为主成分且添加作为副成分的Cr和Si的压电陶瓷组合物(piezoelectric porcelain composition)。但是，特开平11-171644号公报公开的压电陶瓷组合物的机电耦合系数k31为40％以下。
而且，在Jpn.J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)中公开了以机电耦合系数k31为59％的高值的0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3单晶的[001]方向为极化方向，测定向[100]方向或[010]方向的横向振动模式k31的压电特性等。
但是，Jpn.J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)中记载的机电耦合系数k31是在室温测定的值，而在高温(具体为150℃)环境下使用时的机电耦合系数k31的值不确定。例如，当作为压电元件使用时，由于进行软钎焊、与树脂等粘接，故压电元件有时在有从室温到高温(具体为150℃)的温度变化的环境中使用，这时，压电元件劣化，机电耦合系数值k31有下降的趋势，关于这一点，在Jpn.J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)中没有暗示或公开。
发明内容
本发明的目的在于，提供耐热性优良的压电单晶元件及其制造方法，该元件是由用Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3表示的铌镁酸铅和钛酸铅构成的固溶体(称为PMN-PT或PMNT)，并由具有正方晶格的复合钙钛矿结构的压电体单晶元件材料构成，该元件即使在有从室温到高温(具体为150℃)的温度变化的使用环境下，也可以使机电耦合系数k31稳定而不降低，从而保持50％以上的高值。
为达到上述目的，本发明的主要内容如下。
(1)一种压电单晶元件，当以将[001]轴作为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[101]轴为极化方向时，压电单晶元件端面的法线方向处于包含与极化方向大致正交方向的[-101]轴且相对该[-101]轴成±25°立体角的角度范围内，与极化方向大致正交方向即横向的振动模式的机电耦合系数k31为50％以上。
(2)一种压电单晶元件，当以将[001]轴作为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[011]轴为极化方向时，压电单晶元件端面的法线方向处于包含与极化方向大致正交方向的[0-11]轴且相对该[0-11]轴成±25°立体角的角度范围内，与极化方向大致正交方向即横向的振动模式的机电耦合系数k31为50％以上。
(3)在上述(1)或(2)中，所述压电单晶元件是由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X为当Mg、Nb和Ti的摩尔比率总计为1时Ti的摩尔比率)构成的固溶体，上述X满足0.30＜X＜0.40，且该元件由具有复合钙钛矿结构的单晶元件材料构成。
另外，此处所说的“正方晶格”是指，具有长方体单位晶格，当以具有最大晶格常数的轴作为[001]轴(c轴)时，具有与其正交的长度相等的[100]轴(a轴)及[010]轴(b轴)的结晶结构，但在上述(3)所述的固溶体中，当钛酸铅(PT)的摩尔比率接近0.30时，包括在其结构中具有表示作为热力学低温相的假立方晶格的部分。
而且，所谓“钙钛矿结构”是指形成如下的结构(RMO3)，固溶体单晶的单位晶格如图2中模式地所示，R离子位于单位晶格的角上，氧离子位于单位晶格的面心，M离子位于单位晶格的体心。另外，作为本发明对象的“复合钙钛矿结构”是指，位于图2的体心位置的M离子不是1种元素离子，而是由2种以上的多个元素离子中的任意元素构成。
(4)在上述(1)～(3)中，所述压电单晶元件在所述固溶体中还含有0.05mol％～30mol％的In。
(5)上述(1)～(3)中任意一项记载的压电单晶元件的制造方法，在从单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理的前后，具有在单晶锭、切出的单晶块或者切出的单晶元件的需要极化的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场进行极化的主极化处理。
(6)上述(5)中的压电单晶元件的制造方法，具有在所述单晶锭或者所述单晶块的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场进行极化的主极化处理，和从所述单晶锭或者所述单晶块沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理。
(7)上述(5)或(6)中的压电单晶元件的制造方法，所述主极化处理是，在所述单晶锭或者所述单晶块的[101]或[011]方向，在20～200℃的温度范围内，施加350～1500V/mm直流电场的处理，或者，在比所述单晶锭或所述单晶块的居里温度(Tc)更高的温度施加250～500V/mm直流电场的状态下，冷却到室温的处理。
(8)上述(5)中的压电单晶元件的制造方法，具有从所述单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理，和在所述单晶元件的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场进行极化的主极化处理。
(9)上述(5)或(8)中的压电单晶元件的制造方法，所述主极化工序具有：在所述切出的单晶元件的[101]或[011]方向，在20～200℃的温度范围内，施加350～1500V/mm直流电场的处理；或者在比所述单晶元件的居里温度(Tc)更高的温度施加250～500V/mm直流电场的状态下，冷却到室温的处理。
(10)上述(5)～(9)中的压电单晶元件的制造方法，在所述主极化处理之前或之后，还具有在与极化方向正交的方向施加电场进行极化的辅助极化处理。
作为在与极化方向3正交的方向1施加的电场的种类，除直流电场、脉冲电场、交流电场等恒定电场外，也包括衰减电场等，电场强度、施加时间、温度条件等根据各个压电单晶元件的特性及与极化方向3正交的方向1的机电耦合系数k31的期望值，有相应的适当条件。这些能通过实验等确定。而且，作为上述脉冲电场，除直角波外，可以使用交流三角波等单极和双极脉冲。
按照本发明，积极地利用与极化方向3正交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31，例如，可以制造在磁头(magnetic head)的精密定位调节器(accurate positioning actuator)、压电陀螺仪(piezoelectricgyro device)、数码照相机(digital still camera)的防手颤传感器(imagestabilizer)、心脏起搏用传感器(cardiac pacemaker sensor)等方面使用的压电单晶元件(装置)。特别是本发明的压电单晶元件即使在有从室温到高温(具体为150℃)的温度变化的使用环境下，也可以使横向振动模式的机电耦合系数k31稳定而不降低，从而保持50％以上的高值。
附图说明
图1是表示本发明压电单晶元件的方位和形状的斜视图，表示极化时的状态。
图2是钙钛矿结晶结构(RMO3)的模式斜视图。
图3是表示本发明压电单晶元件利用横向振动模式的端面的各种形状的图。
图4是PMN-PT(PMNT)的相图。
图5是用3轴正交坐标系表示切出以(101)面为晶片面(最大的面)的压电单晶元件10A状态时的斜视图。
图6是用3轴正交坐标系表示切出以(011)面为晶片面(最大的面)的压电单晶元件10B状态时的斜视图。
图7是双极三角波脉冲的波形图。
图8A是对压电单晶元件10A施加直流电场时的说明图。
图8B是对压电单晶元件10B施加直流电场时的说明图。
图9A是用于说明当压电元件端面10c(或T)的法线方向1在0～90°范围时从单晶片切出压电单晶元件10A的方向的图。
图9B是用于说明当压电元件端面10c(或T)的法线方向1在0～90°范围时从单晶片切出压电单晶元件10B的方向的图。
图10是描绘Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40的本发明的压电单晶元件10A和10B的介电常数相对于温度的变化的图。
图11是描绘Ti摩尔比率X为0.30以下的各种压电单晶元件10A和10B的介电常数相对于温度的变化的图。
图12A是描绘当对Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40的本发明的压电单晶元件10A重复进行热循环试验时机电耦合系数k31数值变化的图。
图12B是描绘当对Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40的本发明的压电单晶元件10B重复进行热循环试验时机电耦合系数k31数值变化的图。
图13是描绘当对Ti摩尔比率X为0.30以下的压电单晶元件10A和10B重复进行热循环试验时机电耦合系数k31数值变化的图。
标号说明
10：压电单晶元件
10a：压电单晶元件的上面(或电极面)
10b：压电单晶元件的下面(或电极面)
10c或者T：压电单晶元件利用横向振动模式的端面
11：单晶片
10A：极化方向为[101]方向的压电单晶元件
10B：极化方向为[011]方向的压电单晶元件
a：压电单晶元件横向(横向振动方向1)尺寸
b：压电单晶元件端面(纵深(方向2))尺寸
b’：压电单晶元件的凸端面
b”：压电单晶元件的凹端面
L：压电单晶元件纵向(极化方向3)尺寸
V：直流电压
l：压电单晶元件端面的法线方向(横向振动方向)
3：极化方向(纵向振动方向)
具体实施方式
以下说明本发明的压电单晶元件的限定理由。
(1)极化方向和压电元件端面的法线方向的关系
如图5所示，当以将[001]轴作为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[101]轴为极化方向时，压电单晶元件10A的端面T的法线方向1优选处于包含与极化方向大致正交方向的[-101]轴且相对该[-101]轴成±25°圆锥形立体角的角度范围内，或如图6所示，当以上述正方晶格的[011]轴为极化方向时，压电单晶元件10A的端面T的法线方向1优选处于包含与极化方向[011]大致正交方向的[0-11]轴且相对该[0-11]轴成±25°圆锥形立体角的角度范围内。在此，如图5和图6所示，当以极化方向[101]方向或[011]方向为0°时，这些压电单晶元件的最大面的法线方向n在0°±25°以内的圆锥形立体角的角度范围内。
将利用横向振动的压电单晶元件的端面T的法线方向1限定在如上所述的角度范围内的理由如下。在上述规定的立体角角度范围内，[-101]轴方向的横向振动或[0-11]轴方向的横向振动没有分散在这些轴方向以外，因此能保持该轴方向的横向振动模式的能量不减少，得到50％以上的高机电耦合系数k31。但是，压电单晶元件的端面T的法线方向1在上述规定的立体角角度范围外时，在前者压电单晶元件10A时，受到相对于[-101]轴方向形成约35°角的[-111]轴或[-1-11]轴的影响，横向振动分散。或者，在后者压电单晶元件10B时，受到相对于[0-11]轴方向形成约35°角的[1-11]轴或[-1-11]轴的影响，横向振动分散。这意味着，该[-101]方向或[0-11]方向的横向振动模式的能量减少。认为其结果是，不能得到50％以上的横向振动模式的机电耦合系数k31。另外，根据正方晶格的对称性，图5的压电单晶元件10A和图6的压电单晶元件10B是等价的。
(2)压电单晶元件的晶体结构(正方晶格的复合钙钛矿结构)
本发明的晶体结构是正方晶格。所谓“正方晶格”是指，具有长方体单位晶格，当以具有最大晶格常数的轴作为[001]轴(c轴)时，具有与其正交的长度相等的[100]轴(a轴)及[010]轴(b轴)的结晶结构，但在上述(3)所述的Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3固溶体中，当钛酸铅(PT)的摩尔比率接近0.30时，包括在其结构中具有表示作为热力学低温相的假立方晶格的部分。
而且，本发明的晶体结构是如下的复合钙钛矿结构(RMO3)，在图2的单位晶格中，Pb离子位于单位晶格的角上，氧离子位于单位晶格的面心，Mg、Nb、In、Ti等M离子位于单位晶格的体心。
(3)单晶元件的组成
本发明压电单晶元件的组成，例如，该元件是由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X为当Mg、Nb和Ti的摩尔比率总计为1时Ti的摩尔比率)构成的固溶体，且具有复合钙钛矿结构，上述X满足0.30＜X＜0.40。更优选为0.34＜X＜0.38。当上述摩尔比率X为0.3以下时，如图4所示，假立方晶格几乎占固溶体元件的大部分，而且，由于相转变温度Trt处于室温以上的较低温度，当在从室温到高温(如150℃)的温度范围内使用时，在正方晶格和假正方晶格之间容易发生相转变，其结果是，正方晶格压电元件的性能变差，机电耦合系数k31有可能降低；当上述摩尔比率X为0.40以上时，假正方晶格和正方晶格的相转变温度在室温以下，在从室温到150℃的范围内不发生相转变，但由于钛酸铅的摩尔比率过大，固溶体的压电特性有变差的趋势，其结果是，有可能得不到50％以上的横向振动模式的机电耦合系数k31。
另外，如果铌镁酸铅Pb(Mg，Nb)O3中的Mg和Nb的比率Mg/Nb的摩尔比在0.45～0.54的范围内，则能保持复合钙钛矿结构，因此属于本发明的范围。
而且，作为本发明的其它压电元件，也可以使用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)中含铟In的铟铌镁酸铅-钛酸铅(PIMN-PT)，优选含有0.05～30mol％。由于铟(In)的离子半径比镁(Mg)大、比铌(Nb)小，故可以缓和配置在钙钛矿结构的单位晶格的体心位置的铌(Nb)和镁(Mg)的离子半径差所引起的晶格畸变，具有阻碍单晶生长时裂纹产生和压电元件加工时碎片产生的作用。因此，在本发明中，为了发挥上述作用，添加0.05mol％以上的铟是必要的，但当添加超过30mol％时，单晶生长时原料的熔点上升，制造时的处理管理变得困难，因此不优选。
而且，当相对介电常数∈r必须较大时，在上述压电单晶元件的组成中，也可以再分别添加0.5molppm～5mol％的Sb、La、W、Ta中的一种或多种元素。而且，当机械品质因数Qm必须较大时，在上述压电单晶元件的组成中，也可以再分别添加0.5ppm～5mol％的Mn、Cr中的一种或多种元素。
而且，Al、Li有助于单晶生长时的稳定化。为了得到该效果，优选添加一种以上的Al、Li，合计在0.05mol％以上。
这些原子(Sb、La、W、Ta、Mn、Cr、Al、Li)配置在单位晶格的体心位置或晶格间位置上。合计添加超过5mol％时，难以得到单晶，有可能得到多晶。
而且，当原料中添加了氧化钙时，在单晶的生长过程中，氧化钙中的钙(Ca)作为置换型原子，配置在由铅类钙钛矿结构化合物(铌镁酸铅、钛酸铅和铌铟酸铅)的固溶体构成的晶体晶格的一部分铅(Pb)位置(图2的R离子)上，有抑制高温时氧化铅挥发的作用。通过上述Ca的作用，能抑制烧绿石相的生成，其结果是，容易生成所希望的复合钙钛矿相的单晶。在本发明中，为了发挥上述Ca的作用，钙必须置换0.05mol％以上，但当置换超过10mol％时，单晶的生长变得困难。因此，优选将晶体晶格中0.05mol％～10mol％的铅置换成钙。更优选将0.05mol％～5mol％置换成钙。
为了使单晶锭的组合物中(晶体晶格中)0.05～10mol％的铅置换成钙，考虑单晶生长过程中钙的蒸发量，必须添加钙。添加钙的方法没有特别规定。例如，可以使用钙置换铌镁酸铅、钙置换铌锌酸铅或钙置换钛酸铅。或者，也可以用将氧化钙或碳酸钙添加在原料中的方法。
而且，在压电单晶的制造过程中，Fe、Pt、Au、Pd、Rh等杂质可能从原料或坩锅等混入，由于这些杂质会妨碍单晶的生成，故优选抑制到合计0.5mol％以下。
(4)压电单晶元件的形状
在有效地增大与极化方向3大致正交的方向1(横向振动模式)的机电耦合系数k31这一点上，作为本发明对象的“压电单晶元件”的形状优选是如图1所示的长方形板。特别是优选元件的形状是长宽比a/b为2.5以上的长方形板(a/b≥2.5，a＞＞L，b＞＞L)，更优选是长宽比a/b为3以上的长方形板。另外，如图3所示，本发明的长方形板的两端部(短边b)的形状也可以根据用途，相应地制成凸状的弯曲b’(虚线)或凹状的弯曲b”(点划线)。而且，也可以是a＝b的方形板。另外，在图3的平面视图中，本发明所谓的压电元件端面用垂直于长边a的短边b表示。因此，压电元件端面的法线方向1与压电元件的长边a平行。
下面说明本发明压电单晶元件的优选制造方法。
本发明的压电单晶元件的制造方法，包括在具有正方晶格的单晶锭或者单晶块的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场来极化单晶锭的主极化处理，和从上述单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理。
另外，本发明的压电单晶元件的另一种制造方法，包括从具有正方晶格的单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理，和在上述单晶元件的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场来极化单晶元件的主极化处理。
另外，此处，单晶块是指用线锯从单晶锭切出的块状物。当由单晶锭的形状进行极化处理困难时，通过切成容易极化处理的单晶块进行极化处理。
以下说明本发明的制造方法关于各处理的限定理由。
(1)单晶锭的制造
本发明中，单晶锭是指，由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X为当Mg、Nb和Ti的摩尔比率总计为1时Ti的摩尔比率)构成的固溶体，且上述X满足0.30＜X＜0.40；或者，在上述组成中再添加0.05～30mol％的In、0.5molppm～5mol％的Mn、Cr、Sb、W、Al、La、Li、Ta中的一种或多种元素；或者再将上述组合物中的0.05～10mol％的铅置换成钙。对于形成上述单晶锭，本发明具有使调整成上述组成的原料在容器中熔化后、降温凝固的方法，和将原料加热到熔点以上使之熔化后、单向凝固的方法。作为前一种方法，有溶液布里奇曼法，或者TSSG法(TopSeeded solution Growth)等；作为后一种方法，有熔融布里奇曼法，CZ法(切克劳斯基法)等，但在本发明中没有特别的限定。
(2)单晶锭的晶体学取向的规定
通过劳厄法大概确定单晶锭的[101]轴方向或[011]轴方向，同时，大概确定与[101]轴方向大致正交的[-101]轴方向和[010]轴方向，或与[011]轴方向大致正交的[0-11]轴方向和[100]轴方向。另外，根据正方晶格的对称性，如图5和图6所示，[101]轴和[011]轴是等价的。
而且，研磨与上述方向轴等中任一个结晶轴正交的晶体学面{110}面和{100}面，用X射线定向仪(X-ray direction finder)等确定正确的方向，修正上述研磨面的偏差。
(3)粗切割(制作适当厚度的晶片或块)
使用线锯(wire saw)或内圆切割机(inner diamond saw)等切割机沿与上述单晶锭的研磨面{110}面和{100}面平行或大致正交的方向切割单晶锭，得到适当厚度的板材(晶片(wafe))或块。而且，也可以包括切割后在必要时用腐蚀液进行化学腐蚀的处理。
(4)研磨(制作规定厚度的晶片)
用磨光机(lapping machine)、抛光机(polishing machine)等磨削机或研磨机(grinding machine)磨削或研磨上述晶片，得到规定厚度的晶片。而且，也可以包括切割后在必要时用腐蚀液进行化学腐蚀的处理。
(5)单晶元件的制作
本发明的晶片在晶片面(最大的面)上具有(101)面或(011)面。另外，根据正方晶格的对称性，如图5和图6所示，[101]轴和[011]轴是等价的。使用切割机(dicing saw)或切断机(cutting saw)等精密切割机由各个晶片切割制作规定形状的单晶元件材料，以使得当晶片面为(101)面时，压电元件10A的端面T的法线方向1处于包含[-101]轴且相对该[-101]轴成±25°立体角的角度范围内，或者，使得当晶片面为[011]面时，压电单晶元件10B的端面T的法线方向1处于包含[0-11]轴且相对该[0-11]轴成±25°立体角的角度范围内。
图5用3轴正交座标系表示出以(101)面为晶片面(最大的面)、使利用横向振动模式的压电元件10A的端面T法线方向1为[-101]方向而切出单晶的状态，图6用3轴正交座标系表示出以(011)面为晶片面(最大的面)、使利用横向振动模式的压电元件10B的端面T法线方向1为[0-11]方向而切出单晶的状态。而且，也可以直接使用切割机或切断机等精密切割机将上述单晶块切割制作成压电元件的尺寸。
(6)电极的制作
在主极化处理或进一步的辅助极化处理中，为了施加电场必须事先制作必要的电极。
在主极化处理之前，在制作的单晶元件材料的上下面(在图5中为(101)面和(-10-1)面，在图6中为(011)面和(0-1-1)面)上，用溅射法形成Cr-Au覆膜(第1层是Cr层，厚约50，第2层是Au层，厚约100～200)、用等离子蒸镀法形成金覆膜、或者用丝网印刷形成银覆膜，然后烧结制成电极。
而且，在辅助极化处理之前，在与辅助极化方向正交的2个相对的面上用上述同样的方法形成电极。
另外，在辅助极化处理后进行主极化处理时，或者在主极化处理后进行辅助极化处理时，若在最初的极化处理中使用的电极有剩余，则会使之后的极化处理不稳定，因此必须使用适当的化学腐蚀液和/或酸完全除去电极。
(7)主极化处理
因为在极化方向3及与其正交的方向，由同一方向的电偶极子(electric dipole)的集合构成的晶畴(domain)内的电偶极子的方向朝向每个晶畴的各个方向，所以从生长后的单晶锭切出的单晶状态不呈现压电性，属于未极化的状态。
因此，必须进行极化，优选在单晶锭状态且切割成块状的单晶或者切出的单晶元件的极化方向3，对本发明组成的压电元件在20～200℃的温度范围内施加350～1500V/mm的直流电场。即，当极化处理温度低于20℃、电场低于350V/mm时，有极化不充分的情况；而且，当电场的温度超过200℃、电场超过1500V/mm时，会引起过极化(overpole)，使压电单晶元件的压电特性变差。而且，由于电场过强，结晶中的畸变增加，也有可能在压电单晶元件上产生裂纹。
另外，极化时间根据在上述优选范围内选择的极化处理温度和施加电场来调整，其上限优选为180分钟。
或者，也可以在极化方向3，在比该单晶元件的居里温度(Curietemperature)Tc(例如，图4的Tc线)高的的温度，优选190～220℃的温度范围内，施加250～500V/mm的直流电场，并在此状态下冷却到室温(电场冷却(electric field cooling))。这是因为，设定在比居里温度Tc高的温度，电偶极子会暂时消失，此后，在施加电场下冷却到居里温度以下，电偶极子的方向会更一致。在比居里温度低的温度时，由于有一部分电偶极子残留，存在极化不充分的情况。而且，当电场低于250V/mm时，存在极化不充分的可能。而且，当电场超过500V/mm时，容易产生过极化(over pole)。另外，优选冷却过程中在元件上不产生裂纹的冷却速度。
另外，居里温度Tc是指转变温度，在该温度以上时，电偶极子各自朝向无序的方向而变得没有排列，不呈现出压电性或者强介电性。其由组成及物质的结构决定(参照图4的Tc线)。
(8)辅助极化处理
上述主极化处理是压电单晶元件的主要极化处理，但在该主极化处理实施前或实施后进行如下的辅助极化处理也很有效，在与上述极化方向3正交的方向，优选在横向振动方向1施加电场，从而控制与上述极化方向3正交的方向的强介电体畴(铁电畴(ferroelectric domain))的排列状态。
作为在与上述极化方向3正交的方向施加的电场的种类，除了直流电场(direct current electric field)、脉冲电场(pulse electric field)、交流电场(alternating current electric field)等恒定电场(steady state)之外，还有衰减电场(attenuation electric field)等，电场强度、施加时间、温度条件等根据各个压电单晶元件的特性及与极化方向正交的方向的机电耦合系数k31的期望值，有相应的适当条件。这些可以通过实验等确定。为了得到辅助极化效果，优选辅助极化处理温度在25℃至相转变温度(例如，图4所示的Trt线)以下，施加电场范围为350～1500V/mm。另外，极化时间优选根据在上述优选范围内选择的极化处理温度和施加电场来调整，但是特别优选为10分钟到2小时。
而且，作为上述的脉冲电场，除直角波外，可以使用如图7所示的交流三角波等单极和双极脉冲。
实施例1
实施例中使用的单晶元件由铌镁酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)(组成式：Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X＝0.36))的单晶元件10A和10B组成。极化方向为[101]方向的压电单晶元件10A和极化方向为[011]方向的压电单晶元件10B(居里温度Tc＝186℃，元件形状：13mm长×4mm宽×0.36mm厚)的形状等分别如图8A和图8B所示。
如下制造该压电单晶元件10A和10B。将原料调整成如Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X＝0.36)的组成后，通过上述熔融液布里奇曼法，得到单晶锭。接着，确定该单晶锭的正确的晶体学取向，进行研磨，分别与该研磨面(101)面和(011)面平行地用线锯切割单晶锭，得到0.5mm厚的板材。用抛光机研磨该板材，得以0.36mm厚的晶片。用切割机从该晶片切出元件形状：13mm长×4mm宽×0.36mm厚，从而制得压电单晶元件。
此时，在上述研磨面为(101)面的压电单晶元件10A的情况下，以极化方向3为正方晶格的[101]轴，在上述研磨面为(011)面的压电单晶元件10B的情况下，以极化方向3为正方晶格的[011]轴，使压电单晶元件的端面T的方向(更严格地说是端面T的法线方向1)变化。为了研究具体的机电耦合系数k31的大小，在压电单晶元件10A的情况下，如图9A所示，使压电单晶元件的端面T的法线方向1从0°([-101]方向)每次5°地变化到90°([010]方向)，在压电单晶元件10B的情况下，如图9B所示，使压电单晶元件的端面T(10c)的法线方向1从0°([0-11]方向)每次5°地变化到90°([100]方向)，使用切割机进行切割。在制作的单晶元件的相对的上下面10a和10b上，用溅射法形成Cr-Au覆膜(第1层是Cr层，厚约50，第2层是Au层，厚约100～200)，制作金电极。而且，在25℃大气中施加60分钟700V/mm直流电场进行上述极化。其后，利用在25℃大气中施加60分钟700V/mm直流电场的极化方法，在分别垂直于图9A和图9B的纸面的方向(分别为[101]方向和[011]方向)进行极化。通过已知的计算式(参照电子材料工业协会标准规格：EMAS-6008，6100)计算出压电单晶元件10A和10B的机电耦合系数k31。其测定结果如表1和表2所示。
在此，要相对于与极化方向大致正交的面内的[-101]轴方向(图9A)或[0-11]轴方向(图9B)选择0°到90°的范围，这是因为，从正方晶格的对称性出发，要得到与极化方向正交的上述晶体平面内的全部方向的信息，这是十分必要的角度范围。另外，作为参考，将作为现有例的用锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)烧结体(PZT)制作的压电元件的机电耦合系数k31一并记录于表1和表2中。PZT是烧结体，由于不象在此所示的压电单晶那样随着晶体取向不同而具有各向异性，所以其横向振动模式的机电耦合系数k31与端面T(10c)的法线方向1无关，在全部晶体取向上都是相同的值。
根据表1所示结果，对于压电单晶元件10A，只有处于包含与极化方向3正交的面内的[-101]轴且相对该轴成0～25°(根据晶体(正方晶格)的对称性，等同于-25°～+25°的范围)的角度范围内时，机电耦合系数k31呈现为50％以上，可见其适合作为利用横向振动的压电元件。
而且，根据表2所示结果，对于压电单晶元件10B，只有处于包含与极化方向3正交的面内的[0-11]轴且相对该轴成±25°的角度范围内时，机电耦合系数k31呈现为50％以上，可见其适合作为利用横向振动的元件。
并且，在上述角度范围内，不是以5°刻度而是进一步对其中间的角度也进一步详细地测定k31，其结果表明，在该范围内，机电耦合系数k31总是在50％以上。
而且，在上述实施例中，虽然明确了以单晶元件板的[101]方向为极化方向、使13mm×4mm×0.36mm的压电单晶元件的最大面积的面在与[101]方向正交的(101)面内是优选的方位，或者，以单晶板的[011]方向为极化方向、使13mm×4mm×0.36mm的压电单晶元件的最大面积的面在与[011]方向正交的(011)面内是优选的方位，但是，当图5所示端面T的法线方向1是在相对[-101]轴成±25°立体角的角度范围内的与正交于(101)面的(010)面上的[-101]轴成+15°时，得到k31为54.3％的高值。而且，当图6所示端面T的法线方向1是在相对[0-11]轴成±25°立体角的角度范围内的与正交于(011)面的(100)面上的[0-11]轴成+15°时，得到k31为55.2％的高值。
而且，对于铟铌镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(65PIMN-35PT)，用和上述相同的制造方法制作压电单晶元件，在和上述相同的试验条件下研究机电耦合系数k31，如表1和表2所示，能得到和64PMN-36PT大致一样高的机电耦合系数k31。另外，铟含量为20mol％。
实施例2
接着，作为极化方向为[101]方向的压电单晶元件10A和极化方向为[011]方向的压电单晶元件10B，用和实施例1相同的方法制作分别如表3和表4所示的Ti摩尔比率不同的Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3的各单晶元件No.1-11，通过和实施例1相同的方法计算出机电耦合系数k31。其结果如表3及表4所示。另外，表3和表4所示机电耦合系数k31的数值是各单晶元件的试样数n＝5时的平均值。而且，对于压电单晶元件10A和10B的组成，使用和实施例1相同组成的元件。另外，用切割机切割制得元件形状为13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料，以使压电单晶元件10A和10B的方位如实施例1那样，压电元件端面T，10c的法线方向1分别相对于[-101]轴或[0-11]轴成0°。
根据表3和表4的结果，压电单晶元件10A和10B的任何一个Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40的发明例，都稳定地得到了机电耦合系数k31为50％以上的高值。
实施例3
接着，说明制造优选的利用横向振动模式的压电单晶元件的优选极化处理方法。测定在各种极化处理条件下制造的极化方向为[101]方向的压电单晶元件10A和极化方向为[011]方向的压电单晶元件10B的机电耦合系数k31，结果如表5所示。另外，压电单晶元件的制造方法、元件尺寸以及试验条件与实施例1相同。而且，对于压电单晶元件10A和10B的组成，使用与实施例1相同组成的元件。另外，用切割机切割制得元件形状为13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料，以使压电单晶元件10A和10B的方位如实施例1那样，压电元件端面10c的法线方向1分别相对于[-101]轴或[0-11]轴成15°。
表5的(1)～(7)是，以在25～60℃的温度范围内施加30分钟至180分钟的350～1500V/mm直流电场的极化处理条件，制作压电单晶元件。此时，使用铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：36mol％)时，与适合利用横向振动模式的晶体的极化方向正交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31都在50％以上，压电单晶元件10A为51.6～61.0％，压电单晶元件10B为52.0～61.2％。
而且，对于铟铌镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)，用与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的制造方法制作压电单晶元件，在与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的试验条件下研究机电耦合系数k31，如表5所示，在25～60℃的温度范围内，350～1500V/mm的直流电场中，能得到机电耦合系数k31为50％以上的高的压电单晶元件。这样，在组成为铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：45mol％)中含有适当范围内的In(20mol％)的压电单晶元件中，任何一个都得到与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：36mol％)相同的结果。
另外，主极化处理条件的温度范围和电场范围在上述优选范围之外时也是本发明的范围，但是，当单晶元件的极化处理温度为25℃、施加电场为在本发明优选范围下限值以下的320V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31有低于50％的情形。
而且，当单晶元件的温度为40℃、施加电场为超过本发明优选范围上限值的1700V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31有低于50％的情形，并且，在通电过程中或通电结束后，也有例子在压电单晶元件中产生裂纹。
而且，将单晶元件置于比图4所示的居里温度Tc高的温度210℃的硅油中，施加400V/mm的直流电场，在该状态下保持120分钟，当使硅油的温度降低到室温(25℃)时，如表5的(8)所示，使用铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：36mol％)时，对于与极化方向正交的方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，压电单晶元件10A为58.6％，压电单晶元件10B为58.4％。而且，对于组成为铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：45mol％)中含有适当范围内的In(30mol％)的压电单晶元件，在与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的试验条件下研究机电耦合系数k31，如表5中(8)所示，其与铟铌镁酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)一样，也提高了，压电单晶元件10A为57.3％，压电单晶元件10B为58.1％。
这表明保持施加电场的状态进行冷却的方法(电场冷却)是有效的。
另外，当施加电场低于250V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31有低于50％的情形。认为这是由于施加电场低于200V/mm时极化不充分的缘故。另一方面，当施加电场超过500V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31也有低于50％的情形。另外，在施加电场为600V/mm的施加过程中或施加结束后，还有在压电单晶元件中产生裂纹的情形。
如上所述，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B都在本发明优选的极化条件范围内稳定地得到了良好的机电耦合系数k31值。
实施例4
接着，说明制造适合利用横向振动模式的压电单晶元件的优选辅助极化处理方法。在各种辅助极化处理条件下制造压电单晶元件，测定该压电单晶元件的横向振动模式的机电耦合系数k31，结果如表5所示。另外，压电单晶元件的制造方法和元件尺寸以及试验条件和实施例1相同。而且，对于压电单晶元件10A和10B的组成，使用与实施例1相同组成的元件。另外，用切割机切割制得元件形状为13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料，以使压电单晶元件10A和10B的方位如实施例1那样，压电元件端面10c(T)的法线方向1分别相对于[-101]轴或[0-11]轴成15°。
用与实施例1相同的方法制作适合利用横向振动模式的晶体，在所述晶体的两端面10c(T)上，用溅射法形成Cr-Au覆膜(第1层是Cr层，厚约50，第2层是Au层，厚约100～200)，制作电极，并以25～40℃的辅助极化处理温度、320～1700V/mm的直流施加电场、10分钟～150分钟的施加时间为条件，进行辅助极化处理。然后，在用化学腐蚀液和/或酸完全溶解除去上述电极之后，在单晶元件材料10的相对的上下面10a和10b上，用溅射法形成Cr-Au覆膜(第1层是Cr层，厚约50，第2层是Au层，厚约100～200)，制作电极，进行在25℃的大气中施加60分钟700V/mm直流电场的主极化处理。机电耦合系数k31如表6所示。
表6的(1)～(5)是，在25～40℃温度范围内施加120分钟350～1500V/mm直流电场的辅助极化处理条件下，制作压电单晶元件。
在这种情况下，使用铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：36mol％)时，与未进行辅助极化处理的表6中(9)所示的未处理时的k31相反，机电耦合系数k31都为60％以上，而未处理时的k31在压电单晶元件10A中为59.8％、在压电单晶元件10B中为59.1％。通过该辅助极化处理，能得到更高的机电耦合系数k31。而且，在主极化处理后，在用与上述(2)相同的条件进行辅助极化处理的(6)中，也得到了高的机电耦合系数k31，在压电单晶元件10A中为62.4％、在压电单晶元件10B中为62.8％。
而且，当在主极化处理的前后施加10分钟如图7所示的双极三角波脉冲电场时，如(7)和(8)所示，能得到高的机电耦合系数k31。
而且，对于组成为铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti摩尔比率X：45mol％)中含有适当范围内的In(30mol％)的压电单晶元件(PIMN-PT)，用与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的制造方法制作压电单晶元件，并在与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的试验条件下研究机电耦合系数k31，如表6中(1)～(8)所示，对于适合利用横向振动模式的晶体，在主极化处理前后进行辅助极化处理，条件是在25～40℃温度范围内施加350～1500V/mm范围内的直流电场或双极三角波脉冲电场，在该施加电场处理中，机电耦合系数k31与铌镁酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)一样提高了。
另一方面，当压电单晶元件的辅助极化处理温度为25℃、施加电场为在本发明优选范围下限值以下的320V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31有低于50％的情形。
而且，当用与实施例1相同的方法制造的压电单晶材料的温度为40℃、施加电场为超过本发明优选范围上限值的1700V/mm时，在发明例的64PMN-36PT元件和65PIMN-35PT元件中，压电单晶元件10A和压电单晶元件10B的机电耦合系数k31有低于50％的情形。而且，也有在压电单晶元件中产生裂纹的情形。
实施例5
接着，制作由本发明制造的铌镁酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)(组成式：Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3)的单晶元件10A和10B组成、且Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40(大于30mol％，小于40mol％)的各种压电单晶元件10A和10B，测定介电常数相对于温度的变化，求出居里温度Tc和相转变温度Trt。另外，用切割机切割制得元件形状为13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件，以使压电单晶元件10A和10B的方位如实施例1那样，压电元件端面10c的法线方向1分别相对于[-101]轴或[0-11]轴成0°。
其结果如图10所示。另外，作为参考，也同样地制作了Ti摩尔比率X为0.3以下(30mol％以下)的各种压电单晶元件，测定介电常数相对于温度的变化，求出居里温度Tc和相转变温度Trt。其结果如图11所示。
如图10所示，Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40(大于30mol％，小于40mol％)的本发明的各种压电单晶元件10A和10B中任何一个的居里温度Tc都高达160℃以上，而且，由于正方晶格结构优于假正方晶格结构而存在，故相转温度Trt在室温以下。这就意味着，即使在从室温到高温(例如，150℃)的温度范围内使用时，由于没有相转变，也总能在室温和高温中保持相同的晶体结构(正方晶格)，所以即使在高温中，压电单晶元件10A和10B的压电特性也不容易恶化。
另一方面，如图1所示，Ti摩尔比率X为0.3以下(30mol％以下)的压电单晶元件，居里温度Tc降到130～155℃，而且，相转变温度Trt为90℃以下的低温。这就意味着，在从室温到高温(例如，150℃)的温度范围内使用时，在室温时菱形晶格是优势结构，但在高温时相转变成正方晶格是优势结构，从而不能在室温和高温中保持相同的晶体结构，所以在高温中，压电单晶元件10A和10B的压电特性变差。
而且，图12A描绘在室温和高温(100℃、120℃、140℃)之间重复对Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40(大于30mol％，小于40mol％)的本发明的压电单晶元件10A进行热循环试验时，机电耦合系数k31的数值变化；图12B描绘在室温和高温(100℃、120℃、140℃)之间重复对Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40(大于30mol％，小于40mol％)的本发明的压电单晶元件10B进行热循环试验时，横向振动模式的机电耦合系数k31的数值变化。另外，热循环试验按以下条件进行：从室温分别升温到100℃(保温时间：60分钟)、120℃(保温时间：30分钟)、140℃(保温时间：15分钟)并保温后，冷却到室温进行测定，然后，再以相同的条件进行热处理。作为参考，对Ti摩尔比率X为0.3以下(30mol％以下)的压电单晶元件也同样地进行热循环试验，横向振动模式的机电耦合系数k31的数值变化如图13所示。
可见，即使对任何一个Ti摩尔比率X满足0.30＜X＜0.40(大于30mol％，小于40mol％)的本发明的压电单晶元件10A、10B重复进行热循环试验，横向振动模式的机电耦合系数k31的数值都几乎没有降低。
另一方面，通过对Ti摩尔比率X为0.3以下(30mol％以下)的压电单晶元件重复进行热循环试验，如图13所示，横向振动模式的机电耦合系数k31的数值明显降低。
工业实用性
按照本发明，积极地利用与极化方向正交方向(横向振动模式)的机电耦合系数k31，例如，可以制造在磁头的精密定位调节器、压电陀螺仪、数码照相机的防手颤传感器、心脏起搏用传感器等方面使用的压电单晶元件(装置)。特别是本发明的压电单晶元件即使在高温(具体为150℃)使用环境下，也可以使横向振动模式的机电耦合系数k31稳定而不降低，从而保持50％以上的高值。
表1
  晶体取向   角度       压电单晶元件10A的机电耦合系数k31(％)
  (°) 64PMN-36PT(Ti：36mol％) 65PIMN-35PT(Ti：36mol％)(In：20mol％)   Pb(Zr，Ti)O3
  [-101]   0   62.0   61.5   30
  5   62.1   62.3
  10   61.8   61.3
  15   59.8   58.2
  20   54.3   55.4
  25   51.3   52.0
  30   41.2   39.8
  35   30.0   30.1
  40   28.3   27.6
  45   27.3   27.0
  50   27.1   26.7
  55   25.1   24.3
  60   26.8   24.2
  65   24.8   23.0
  70   24.9   24.9
  75   25.0   25.1
  80   23.7   23.3
  85   23.5   23.6
  [010]   90   23.8   23.7
表2
  晶体取向   角度     压电单晶元件10B的机电耦合系数k31(％)
  (°) 64PMN-36PT(Ti：36mol％) 65PIMN-35PT(Ti：36mol％)(In：20mol％)   Pb(Zr，Ti)O3
  [0-11]   0     62.1     61.8   30
  5     62.0     61.9
  10     61.3     60.3
  15     59.1     60.2
  20     54.2     53.6
  25     51.4     51.2
  30     42.6     41.6
  35     31.0     31.3
  40     29.6     29.5
  45     26.1     25.8
  50     26.3     26.0
  55     25.2     25.0
  60     26.0     24.6
  65     24.2     24.1
  70     24.8     24.2
  75     23.7     23.0
  80     23.6     23.2
  85     23.5     23.1
  [100]   90     23.8     23.5
表3
试样No.           压电单晶元件10A   评价结果   备注
  PMNmol％   PTmol％   Timol％ 机电耦合系数k31(％)
  1   72.0   28.0   28.0   47.3   比较例
  2   69.9   30.1   30.1   53.0   发明例
  3   67.9   32.1   32.1   57.0   发明例
  4   66.7   33.3   33.3   59.8   发明例
  5   64.3   35.6   35.6   60.3   发明例
  6   63.7   36.3   36.3   61.8   发明例
  7   62.6   37.4   37.4   62.0   发明例
  8   61.5   38.5   38.5   57.0   发明例
  9   60.1   39.9   39.9   53.0   发明例
  10   59.5   40.5   40.5   46.8   比较例
  11   56.0   44.0   44.0   40.2   比较例
表4
  试样No.          压电单晶元件10B   评价结果   备注
  PMNmol％   PTmol％   Timol％ 机电耦合系数k31(％)
  1   71.9   28.1   28.1   47.6   比较例
  2   69.7   30.3   30.3   53.2   发明例
  3   67.4   32.6   32.6   57.3   发明例
  4   66.5   33.5   33.5   59.7   发明例
  5   64.3   35.7   35.7   60.5   发明例
  6   63.7   36.3   36.3   61.8   发明例
  7   62.5   37.5   37.5   62.1   发明例
  8   61.4   38.6   38.6   57.3   发明例
  9   59.9   39.9   39.9   53.2   发明例
  10   59.7   40.3   40.3   46.3   比较例
  11   56.0   44.0   44.0   39.8   比较例
表5
            极化条件            机电耦合常数k31(％) 备注
温度 电场  时间     64PMN-36PT(Ti：36mol％)   65PIMN-35PT(Ti：36mol％)(In：20mol％)
℃ V/mm  min  压电单晶元件10A  压电单晶元件10B  压电单晶元件10A  压电单晶元件10B
(1) 25  350  180  51.6  52.0  51.5  50.8 发明例
(2) 60  400  180  56.8  56.5  56.4  56.9 发明例
(3) 25  700  100  60.6  61.2  60.4  60.8 发明例
(4) 25  700  60  59.8  59.1  59.2  59.3 发明例
(5) 40  900  70  61.0  60.3  60.4  60.4 发明例
(6) 30  1200  60  60.9  60.8  61.0  60.4 发明例
(7) 40  1500  30  59.6  57.8  58.3  58.4 发明例
(8) 210→25电场冷却  400  120  58.6  58.4  57.3  58.1 发明例
表6
          辅助极化条件              机电耦合系数k31 备注
温度 电场的种类 电场  时间 辅助极化处理的时期     64PMN-36PT(Ti：36mol％)    65PIMN-35PT(Ti：36mol％)(In：20mol％)
℃ V/mm  min 压电单晶元件10A  压电单晶元件10B  压电单晶元件10A  压电单晶元件10B
(1) 40 直流 350  120 前处理 60.4  60.3  60.2  60.4 发明例
(2) 25 直流 700  100 前处理 62.5  63.0  62.7  62.1 发明例
(3) 40 直流 900  70 前处理 62.4  62.5  62.3  62.5 发明例
(4) 30 直流 1200  60 前处理 61.8  61.8  61.3  61.5 发明例
(5) 40 直流 1500  10 前处理 61.4  60.8  60.4  61.3 发明例
(6) 25 直流 700  100 前处理 62.4  62.8  62.3  62.4 发明例
(7) 25 角波脉冲 峰值500V/mm，间隔80msec，10分 前处理 61.2  60.8  60.4  61.0 发明例
(8) 25 后处理 61.4  60.9  60.5  60.6 发明例
(9) 未处理 59.8  59.1  59.2  59.3 发明例

Claims (10)

1.一种压电单晶元件，当以将[001]轴作为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[101]轴为极化方向时，压电单晶元件端面的法线方向处于包含与极化方向大致正交方向的[-101]轴且相对该[-101]轴成±25°立体角的角度范围内，与极化方向大致正交方向即横向的振动模式的机电耦合系数k31为50％以上。
2.一种压电单晶元件，当以将[001]轴作为C轴(晶格常数最大的轴)的正方晶格的[011]轴为极化方向时，压电单晶元件端面的法线方向处于包含与极化方向大致正交方向的[0-11]轴且相对该[0-11]轴成±25°立体角的角度范围内，与极化方向大致正交方向即横向的振动模式的机电耦合系数k31为50％以上。
3.如权利要求1或2所述的压电单晶元件，所述压电单晶元件是由Pb[(Mg，Nb)1-xTix]O3(其中，X为当Mg、Nb和Ti的摩尔比率总计为1时Ti的摩尔比率)构成的固溶体，所述X满足0.30＜X＜0.40，且该元件具有复合钙钛矿结构。
4.如权利要求1～3中任一项所述的压电单晶元件，所述压电单晶元件在所述固溶体中还含有0.05mol％～30mol％的In。
5.一种压电单晶元件的制造方法，是制造权利要求1～3中任意一项所述的压电单晶元件的制造方法，在从单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理的前后，具有在单晶锭、切出的单晶块或者切出的单晶元件的需要极化的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场进行极化的主极化处理。
6.如权利要求5所述的压电单晶元件的制造方法，具有在所述单晶锭或者所述单晶块的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场进行极化的主极化处理；和
从所述单晶锭或者所述单晶块沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理。
7.如权利要求5或6所述的压电单晶元件的制造方法，所述主极化处理是，在所述单晶锭或者所述单晶块的[101]或[011]方向，在20～200℃的温度范围内，施加350～1500V/mm直流电场的处理；或者在比所述单晶锭的居里温度(Tc)更高的温度施加250～500V/mm直流电场的状态下，冷却到室温的处理。
8.如权利要求5所述的压电单晶元件的制造方法，具有从所述单晶锭沿规定方向切出规定形状的单晶元件的处理；和
在所述单晶元件的[101]或[011]方向，按规定条件施加电场从而极化单晶元件的主极化处理。
9.如权利要求5或8所述的压电单晶元件的制造方法，所述主极化处理具有：在所述单晶元件的[101]或[011]方向，在20～200℃的温度范围内，施加350～1500V/mm直流电场的处理；或者在比所述单晶元件的居里温度(Tc)更高的温度施加250～500V/mm直流电场的状态下，冷却到室温的处理。
10.如权利要求5～9所述的压电单晶元件的制造方法，在所述主极化处理之前或之后，还具有在与极化方向正交的方向施加电场进行极化的辅助极化处理。
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