JP2000232331A - ＫＮｂＯ３圧電素子 - Google Patents
ＫＮｂＯ３圧電素子Info
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- JP2000232331A JP2000232331A JP11032748A JP3274899A JP2000232331A JP 2000232331 A JP2000232331 A JP 2000232331A JP 11032748 A JP11032748 A JP 11032748A JP 3274899 A JP3274899 A JP 3274899A JP 2000232331 A JP2000232331 A JP 2000232331A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 大きな電気機械結合係数を有し、しかも結晶
が均一でかつ加工が容易である、圧電素子を提供する。 【解決手段】 各種振動モードに対して、最大の電気機
械結合係数が得られる切断方位を特定する。
が均一でかつ加工が容易である、圧電素子を提供する。 【解決手段】 各種振動モードに対して、最大の電気機
械結合係数が得られる切断方位を特定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、超音波トランス
デューサ、圧電振動子、圧電フィルタ、超音波センサお
よび圧電アクチュエータなどの各種圧電デバイスに用い
る圧電素子に関する。
デューサ、圧電振動子、圧電フィルタ、超音波センサお
よび圧電アクチュエータなどの各種圧電デバイスに用い
る圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超音波の発生や検出に使用する、
トランスデューサや各種の圧電デバイスの材料には、圧
電性の大きなＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系やＰｂＴｉＯ3
系の圧電セラミックスや、ＬｉＮｂＯ3 圧電単結晶など
が広く用いられてきた。このような圧電素子の性能を決
める重要な指標として電気機械結合係数があるが、従来
の材料の電気機械結合係数は必ずしも充分な値とは言え
ない。例えば、代表的な圧電セラミックスであるＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系のＰＺＴ−５Ａの厚み縦振動の電
気機械結合係数ｋt は５１％である。しかし、トランス
デューサなどの圧電素子のさらなる高性能化、例えば高
感度化および広帯域化を実現するためには、より高い電
気機械結合係数をもつ材料が求められている。
トランスデューサや各種の圧電デバイスの材料には、圧
電性の大きなＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系やＰｂＴｉＯ3
系の圧電セラミックスや、ＬｉＮｂＯ3 圧電単結晶など
が広く用いられてきた。このような圧電素子の性能を決
める重要な指標として電気機械結合係数があるが、従来
の材料の電気機械結合係数は必ずしも充分な値とは言え
ない。例えば、代表的な圧電セラミックスであるＰｂ
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 系のＰＺＴ−５Ａの厚み縦振動の電
気機械結合係数ｋt は５１％である。しかし、トランス
デューサなどの圧電素子のさらなる高性能化、例えば高
感度化および広帯域化を実現するためには、より高い電
気機械結合係数をもつ材料が求められている。
【０００３】最近、Ｐｂ（Ｚｎ1/3 ，Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 と
ＰｂＴｉＯ3 との固溶体である、ＰＺＮ−ＰＴを用いた
超音波トランスデューサの開発が進められている。この
材料は、厚み縦振動の電気機械結合係数ｋt が５５％
で、薄板の縦効果幅縦振動の電気機械結合係数ｋ'33 が
８４％と、従来の圧電材料に比べてかなり大きいことが
報告されているが、キュリー点が１８０℃と従来の材料
よりも低いことや、良質で大形の結晶の育成が容易でな
いために高コストであること、などの問題がある。
ＰｂＴｉＯ3 との固溶体である、ＰＺＮ−ＰＴを用いた
超音波トランスデューサの開発が進められている。この
材料は、厚み縦振動の電気機械結合係数ｋt が５５％
で、薄板の縦効果幅縦振動の電気機械結合係数ｋ'33 が
８４％と、従来の圧電材料に比べてかなり大きいことが
報告されているが、キュリー点が１８０℃と従来の材料
よりも低いことや、良質で大形の結晶の育成が容易でな
いために高コストであること、などの問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】すなわち、超音波トラ
ンスデューサや圧電振動子などの各種圧電素子の高感度
化、広帯域化および高性能化を実現するためには、高い
電気機械結合係数を持つ圧電材料が必要であるととも
に、材料の育成や加工のし易さ、結晶の均一性も要求さ
れている。
ンスデューサや圧電振動子などの各種圧電素子の高感度
化、広帯域化および高性能化を実現するためには、高い
電気機械結合係数を持つ圧電材料が必要であるととも
に、材料の育成や加工のし易さ、結晶の均一性も要求さ
れている。
【０００５】そこで、この発明の目的は、上記のＰＺＮ
−ＰＴよりも大きいか、少なくとも同程度の電気機械結
合係数を有し、しかもＰＺＮ−ＰＴに比べて結晶が均一
でかつ加工が容易である、圧電素子を提供することにあ
る。
−ＰＴよりも大きいか、少なくとも同程度の電気機械結
合係数を有し、しかもＰＺＮ−ＰＴに比べて結晶が均一
でかつ加工が容易である、圧電素子を提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】発明者らは、ＰＺＮ−Ｐ
Ｔに匹敵する電気機械結合係数を有する材料について鋭
意究明したところ、弾性表面波に対して５３％という大
きな電気機械結合係数を示すＫＮｂＯ3 結晶は、バルク
波に対しても大きな電気機械結合係数を示すこと、とり
わけ結晶からの素子の切り出しを適切に行うことによっ
て大きな電気機械結合係数が得られることを見出した。
しかも、ＫＮｂＯ3 単結晶は、室温で斜方晶系の点群ｍ
ｍ２に属し、２２０℃以上で正方晶に相移転し、この温
度がＰＺＮ−ＰＴのキュリー点１８０℃と比べて高いた
めに、比較的加工が容易であり、室温における諸特性の
温度依存性も小さく、またＰＺＮ−ＰＴに比べて、より
均質な単結晶が育成しやすい利点があると考えられる。
この発明は、これらの知見に基づいて成されたものであ
る。
Ｔに匹敵する電気機械結合係数を有する材料について鋭
意究明したところ、弾性表面波に対して５３％という大
きな電気機械結合係数を示すＫＮｂＯ3 結晶は、バルク
波に対しても大きな電気機械結合係数を示すこと、とり
わけ結晶からの素子の切り出しを適切に行うことによっ
て大きな電気機械結合係数が得られることを見出した。
しかも、ＫＮｂＯ3 単結晶は、室温で斜方晶系の点群ｍ
ｍ２に属し、２２０℃以上で正方晶に相移転し、この温
度がＰＺＮ−ＰＴのキュリー点１８０℃と比べて高いた
めに、比較的加工が容易であり、室温における諸特性の
温度依存性も小さく、またＰＺＮ−ＰＴに比べて、より
均質な単結晶が育成しやすい利点があると考えられる。
この発明は、これらの知見に基づいて成されたものであ
る。
【０００７】すなわち、この発明の要旨構成は、次のと
おりである。 (1) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の軸をＹ軸と
した結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮｂＯ3 結晶
から、上記Ｙ軸を中心として１６〜５６°回転させた座
標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸の方向またはＺ’軸ま
わりの傾きが３０°以下の方向に長い細棒を切り出し、
該細棒の長さ方向に垂直な両側面に電極を設けて成るこ
とを特徴とする横効果長さ伸び振動モード動作のＫＮｂ
Ｏ3 圧電素子。
おりである。 (1) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の軸をＹ軸と
した結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮｂＯ3 結晶
から、上記Ｙ軸を中心として１６〜５６°回転させた座
標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸の方向またはＺ’軸ま
わりの傾きが３０°以下の方向に長い細棒を切り出し、
該細棒の長さ方向に垂直な両側面に電極を設けて成るこ
とを特徴とする横効果長さ伸び振動モード動作のＫＮｂ
Ｏ3 圧電素子。
【０００８】(2) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として３０〜７０°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて
成ることを特徴とする厚み縦振動モード動作のＫＮｂＯ
3 圧電素子。
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として３０〜７０°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて
成ることを特徴とする厚み縦振動モード動作のＫＮｂＯ
3 圧電素子。
【０００９】(3) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｚ軸を中心として６０〜１２０
°回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて
成ることを特徴とする厚みすべり振動モード動作のＫＮ
ｂＯ3 圧電素子。
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｚ軸を中心として６０〜１２０
°回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて
成ることを特徴とする厚みすべり振動モード動作のＫＮ
ｂＯ3 圧電素子。
【００１０】(4) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として２４〜６４°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる薄板を切り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を
設けて成ることを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作
のＫＮｂＯ3 圧電素子。
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として２４〜６４°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる薄板を切り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を
設けて成ることを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作
のＫＮｂＯ3 圧電素子。
【００１１】
【発明の実施の形態】ＫＮｂＯ3 単結晶を用いて電気機
械結合係数の大きな圧電素子を得るには、その振動モー
ドに応じて結晶からの切断方位を選択することが肝要で
ある。すなわち、圧電素子は、その形状、電界方向、変
位または振動の方向によって、いくつかの種類が考えら
れ、以下に各種類毎の切断方位について行った解析結果
を詳しく述べる。
械結合係数の大きな圧電素子を得るには、その振動モー
ドに応じて結晶からの切断方位を選択することが肝要で
ある。すなわち、圧電素子は、その形状、電界方向、変
位または振動の方向によって、いくつかの種類が考えら
れ、以下に各種類毎の切断方位について行った解析結果
を詳しく述べる。
【００１２】なお、この発明では、結晶からの切断方位
を特定するため、ＫＮｂＯ3 単結晶における自発分極を
Ｚ軸、格子定数が最小の軸をＹ軸とした結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を採用する。
を特定するため、ＫＮｂＯ3 単結晶における自発分極を
Ｚ軸、格子定数が最小の軸をＹ軸とした結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を採用する。
【００１３】さて、ＫＮｂＯ3 単結晶から任意の方位で
かつ種々の形状で切り出された試料を使用して、様々な
形状および切断方位について、様々な振動方向における
電気機械結合係数を調査した。そのうち、比較的大きな
電気機械結合係数を示した形状、切断方位および振動方
向の組み合わせを抽出して整理し、形状および振動方向
を特定した際の、適切な切断方位について調査した結果
を、次に示す。
かつ種々の形状で切り出された試料を使用して、様々な
形状および切断方位について、様々な振動方向における
電気機械結合係数を調査した。そのうち、比較的大きな
電気機械結合係数を示した形状、切断方位および振動方
向の組み合わせを抽出して整理し、形状および振動方向
を特定した際の、適切な切断方位について調査した結果
を、次に示す。
【００１４】まず、細棒の長さ方向に垂直な両側面に電
極を設けた圧電素子において、その横効果長さ伸び振動
に対する電気機械結合係数を大きくする、切断方位につ
いて調査した。すなわち、細棒をＫＮｂＯ3 単結晶から
切断する際の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する細棒の
配置を、図１(a) 、図２(a) および図３(a) に示すよう
に変化し、さらに各配置において特定の軸に対して細棒
の軸方向（長手方向）を角度θで回転させた場合につい
て、電気機械結合係数を調査した。なお、振動変位の方
向は図中の圧電素子に書き込んだ矢印のとおりである。
その結果を、それぞれ図１(b) 、図２(b) および図３
(b) に示すように、図２(a) および図３(a) の配置は電
気機械結合係数が最大４０％程度｛図２(b) および図３
(b) 参照｝であるのに対して、図１の配置は電気機械結
合係数が最大６０％近く｛図１(b)参照｝まで増加する
ことがわかる。すなわち、細棒の軸方向を、上記結晶座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：１６〜
５６°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸
と平行にした場合に、４０％以上の大きな電気機械結合
係数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：３６
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸と平
行にした場合に、５８．８％の極めて大きな電気機械結
合係数が得られる。
極を設けた圧電素子において、その横効果長さ伸び振動
に対する電気機械結合係数を大きくする、切断方位につ
いて調査した。すなわち、細棒をＫＮｂＯ3 単結晶から
切断する際の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する細棒の
配置を、図１(a) 、図２(a) および図３(a) に示すよう
に変化し、さらに各配置において特定の軸に対して細棒
の軸方向（長手方向）を角度θで回転させた場合につい
て、電気機械結合係数を調査した。なお、振動変位の方
向は図中の圧電素子に書き込んだ矢印のとおりである。
その結果を、それぞれ図１(b) 、図２(b) および図３
(b) に示すように、図２(a) および図３(a) の配置は電
気機械結合係数が最大４０％程度｛図２(b) および図３
(b) 参照｝であるのに対して、図１の配置は電気機械結
合係数が最大６０％近く｛図１(b)参照｝まで増加する
ことがわかる。すなわち、細棒の軸方向を、上記結晶座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：１６〜
５６°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸
と平行にした場合に、４０％以上の大きな電気機械結合
係数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：３６
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸と平
行にした場合に、５８．８％の極めて大きな電気機械結
合係数が得られる。
【００１５】なお、細棒の軸方向は、必ずしも上記Ｚ’
軸と平行にする必要はなく、細棒の軸方向がＺ’軸まわ
りで３０°以下の傾きに収まっていれば、上記で所期し
た電気機械結合係数に近い値が得られる。
軸と平行にする必要はなく、細棒の軸方向がＺ’軸まわ
りで３０°以下の傾きに収まっていれば、上記で所期し
た電気機械結合係数に近い値が得られる。
【００１６】以上のように、細棒の長さ方向に垂直な両
側面に電極を設けた圧電素子は、細棒の軸が上記した範
囲、すなわち図４に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、ＰＺＮ−ＰＴにせまる横効果
長さ伸び振動に対する電気機械結合係数が得られるか
ら、横効果長さ伸び振動を利用したトランスデューサや
振動子として応用することができる。
側面に電極を設けた圧電素子は、細棒の軸が上記した範
囲、すなわち図４に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、ＰＺＮ−ＰＴにせまる横効果
長さ伸び振動に対する電気機械結合係数が得られるか
ら、横効果長さ伸び振動を利用したトランスデューサや
振動子として応用することができる。
【００１７】次に、平板の両主平面に電極を設けた圧電
素子において、その厚み縦振動に対する電気機械結合係
数を大きくする、切断方位について調査した。すなわ
ち、平板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際の結晶座標
系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する平板の配置および振動変位方
向（矢印）を、図５(a) および図６(a) に示すように変
化し、さらに各配置において特定の軸に対して平板の主
平面に垂直の軸を角度θで回転させた場合について、電
気機械結合係数を調査した。その結果を、それぞれ図５
(b) および図６(b) に示すように、図６(a) の配置は電
気機械結合係数が６０％に満たない｛図６(b) 参照｝の
に対して、図５(a) の配置は電気機械結合係数が最大７
０％近く｛図５(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、平板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：３０〜７０
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に、
平板の主平面に垂直の軸を一致させた場合に、６０％以
上の大きな電気機械結合係数が得られるのである。とり
わけ、上記角度θ：４９．５°で回転させた座標系
（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に一致させた場合に、６９
％の極めて大きな電気機械結合係数が得られる。その
際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｘ’軸のまわりで３０
°以下の傾きに収まっていればよいことは、上記したと
ころと同様である。
素子において、その厚み縦振動に対する電気機械結合係
数を大きくする、切断方位について調査した。すなわ
ち、平板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際の結晶座標
系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する平板の配置および振動変位方
向（矢印）を、図５(a) および図６(a) に示すように変
化し、さらに各配置において特定の軸に対して平板の主
平面に垂直の軸を角度θで回転させた場合について、電
気機械結合係数を調査した。その結果を、それぞれ図５
(b) および図６(b) に示すように、図６(a) の配置は電
気機械結合係数が６０％に満たない｛図６(b) 参照｝の
に対して、図５(a) の配置は電気機械結合係数が最大７
０％近く｛図５(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、平板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：３０〜７０
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に、
平板の主平面に垂直の軸を一致させた場合に、６０％以
上の大きな電気機械結合係数が得られるのである。とり
わけ、上記角度θ：４９．５°で回転させた座標系
（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に一致させた場合に、６９
％の極めて大きな電気機械結合係数が得られる。その
際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｘ’軸のまわりで３０
°以下の傾きに収まっていればよいことは、上記したと
ころと同様である。
【００１８】以上のように、平板の両主平面に電極を設
けた圧電素子は、平板の主平面に垂直の軸が上記した範
囲、すなわち図７に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、ＰＺＴ−ＰＴをこえる厚み縦
振動に対する電気機械結合係数が得られるから、通常の
平板型の高周波用超音波トランスデューサや厚み縦振動
共振子として応用することができる。
けた圧電素子は、平板の主平面に垂直の軸が上記した範
囲、すなわち図７に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、ＰＺＴ−ＰＴをこえる厚み縦
振動に対する電気機械結合係数が得られるから、通常の
平板型の高周波用超音波トランスデューサや厚み縦振動
共振子として応用することができる。
【００１９】また、平板の両主平面に電極を設けた圧電
素子において、その厚みすべり振動に対する電気機械結
合係数を大きくする、切断方位について調査した。すな
わち、平板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際の結晶座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する平板の配置および振動変位
方向（矢印）を、図８(a) および図９(a) に示すように
変化し、さらに各配置において特定の軸に対して平板の
主平面に垂直の軸を角度θで回転させた場合について、
電気機械結合係数を調査した。その結果を、それぞれ図
８(b) および図９(b) に示すように、図９(a) の配置は
電気機械結合係数が５０％に満たない｛図９(b) 参照｝
のに対して、図８(a) の配置は電気機械結合係数が９０
％近く｛図８(b) 参照｝まで増加することがわかる。す
なわち、平板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸を中心として角度θ：６０〜１２
０°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に
一致させた場合に、６０％以上の大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：９０°
の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に、平板の主平面
に垂直の軸を一致させた場合に、８８％の極めて大きな
電気機械結合係数が得られる。その際、平板の主平面に
垂直の軸が、Ｙ’軸のまわりで３０°以下の傾きに収ま
っていればよいことは、上記したところと同様である。
素子において、その厚みすべり振動に対する電気機械結
合係数を大きくする、切断方位について調査した。すな
わち、平板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際の結晶座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する平板の配置および振動変位
方向（矢印）を、図８(a) および図９(a) に示すように
変化し、さらに各配置において特定の軸に対して平板の
主平面に垂直の軸を角度θで回転させた場合について、
電気機械結合係数を調査した。その結果を、それぞれ図
８(b) および図９(b) に示すように、図９(a) の配置は
電気機械結合係数が５０％に満たない｛図９(b) 参照｝
のに対して、図８(a) の配置は電気機械結合係数が９０
％近く｛図８(b) 参照｝まで増加することがわかる。す
なわち、平板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺ軸を中心として角度θ：６０〜１２
０°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に
一致させた場合に、６０％以上の大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：９０°
の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に、平板の主平面
に垂直の軸を一致させた場合に、８８％の極めて大きな
電気機械結合係数が得られる。その際、平板の主平面に
垂直の軸が、Ｙ’軸のまわりで３０°以下の傾きに収ま
っていればよいことは、上記したところと同様である。
【００２０】以上のように、平板の両主平面に電極を設
けた圧電素子は、平板の主平面に垂直の軸が上記した範
囲、すなわち図10に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、極めて大きな厚みすべり振動
に対する電気機械結合係数が得られるから、固体中への
横波励振用トランスデューサや厚みすべり振動子として
応用することができる。
けた圧電素子は、平板の主平面に垂直の軸が上記した範
囲、すなわち図10に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、極めて大きな厚みすべり振動
に対する電気機械結合係数が得られるから、固体中への
横波励振用トランスデューサや厚みすべり振動子として
応用することができる。
【００２１】さらに、薄板の幅方向の両端面に電極を設
けた圧電素子において、その縦効果幅縦振動に対する電
気機械結合係数を大きくする、切断方位について調査し
た。すなわち、薄板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際
の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する薄板の配置および
振動変位方向（矢印）を、図11(a) 、図12(a) および図
13(a) に示すように変化し、さらに各配置において特定
の軸に対して薄板の主平面に垂直の軸を角度θで回転さ
せた場合について、電気機械結合係数を調査した。その
結果を、それぞれ図11(b) 、図12(b) および図13(b) に
示すように、図12(a) および図13(a) の配置は電気機械
結合係数が６０％超｛図12(b) および図13(b) 参照｝で
あるのに対して、図11(a) の配置は電気機械結合係数が
８０％超｛図11(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、薄板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：２４〜６４
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一
致させた場合に、８０％をこえる大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：４３．
５°の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一致させた
場合に、８２．４％の極めて大きな電気機械結合係数が
得られる。その際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｚ’軸
のまわりで３０°以下の傾きに収まっていればよいこと
は、上記したところと同様である。
けた圧電素子において、その縦効果幅縦振動に対する電
気機械結合係数を大きくする、切断方位について調査し
た。すなわち、薄板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際
の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する薄板の配置および
振動変位方向（矢印）を、図11(a) 、図12(a) および図
13(a) に示すように変化し、さらに各配置において特定
の軸に対して薄板の主平面に垂直の軸を角度θで回転さ
せた場合について、電気機械結合係数を調査した。その
結果を、それぞれ図11(b) 、図12(b) および図13(b) に
示すように、図12(a) および図13(a) の配置は電気機械
結合係数が６０％超｛図12(b) および図13(b) 参照｝で
あるのに対して、図11(a) の配置は電気機械結合係数が
８０％超｛図11(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、薄板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：２４〜６４
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一
致させた場合に、８０％をこえる大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：４３．
５°の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一致させた
場合に、８２．４％の極めて大きな電気機械結合係数が
得られる。その際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｚ’軸
のまわりで３０°以下の傾きに収まっていればよいこと
は、上記したところと同様である。
【００２２】以上のように、薄板の幅方向の両端面に電
極を設けた圧電素子は、薄板の主平面に垂直の軸が上記
した範囲、すなわち図14に示す円錐の範囲にある、切断
方位で製品化することによって、縦効果幅縦振動に対す
る電気機械結合係数がＰＺＮ−ＰＴ（８４％）にせまる
大きな値となるから、アレイ型トランスデューサの素子
や圧電振動子などとして応用することができる。
極を設けた圧電素子は、薄板の主平面に垂直の軸が上記
した範囲、すなわち図14に示す円錐の範囲にある、切断
方位で製品化することによって、縦効果幅縦振動に対す
る電気機械結合係数がＰＺＮ−ＰＴ（８４％）にせまる
大きな値となるから、アレイ型トランスデューサの素子
や圧電振動子などとして応用することができる。
【００２３】
【発明の効果】この発明に従って、ＫＮｂＯ3 単結晶か
ら切り出された圧電素子は、その用途に応じた振動モー
ドに対して、極めて大きな電気機械結合係数をそなえ、
しかも結晶が均一で切り出し加工も容易であるため、高
性能かつ安定した性能の様々な圧電デバイスを低コスト
で提供することができる。
ら切り出された圧電素子は、その用途に応じた振動モー
ドに対して、極めて大きな電気機械結合係数をそなえ、
しかも結晶が均一で切り出し加工も容易であるため、高
性能かつ安定した性能の様々な圧電デバイスを低コスト
で提供することができる。
【図１】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図２】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図３】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図４】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模式
図である。
図である。
【図５】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図６】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図７】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模式
図である。
図である。
【図８】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図９】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図１０】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模
式図である。
式図である。
【図１１】 圧電素子の切断方位と各方位における電気
機械結合係数とを示す図である。
機械結合係数とを示す図である。
【図１２】 圧電素子の切断方位と各方位における電気
機械結合係数とを示す図である。
機械結合係数とを示す図である。
【図１３】 圧電素子の切断方位と各方位における電気
機械結合係数とを示す図である。
機械結合係数とを示す図である。
【図１４】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模
式図である。
式図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１２月３日（１９９９．１２．
３）
３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】(3) 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として２４〜６４°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる薄板を切り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を
設けて成ることを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作
のＫＮｂＯ3 圧電素子。
の軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫ
ＮｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として２４〜６４°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる薄板を切り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を
設けて成ることを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作
のＫＮｂＯ3 圧電素子。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】さらに、薄板の幅方向の両端面に電極を設
けた圧電素子において、その縦効果幅縦振動に対する電
気機械結合係数を大きくする、切断方位について調査し
た。すなわち、薄板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際
の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する薄板の配置および
振動変位方向（矢印）を、図８(a) 、図９(a) および図
10(a) に示すように変化し、さらに各配置において特定
の軸に対して薄板の主平面に垂直の軸を角度θで回転さ
せた場合について、電気機械結合係数を調査した。その
結果を、それぞれ図８(b) 、図９(b) および図10(b) に
示すように、図９(a) および図10(a) の配置は電気機械
結合係数が６０％超｛図９(b) および図10(b) 参照｝で
あるのに対して、図８(a) の配置は電気機械結合係数が
８０％超｛図８(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、薄板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：２４〜６４
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一
致させた場合に、８０％をこえる大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：４３．
５°の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一致させた
場合に、８２．４％の極めて大きな電気機械結合係数が
得られる。その際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｚ’軸
のまわりで３０°以下の傾きに収まっていればよいこと
は、上記したところと同様である。
けた圧電素子において、その縦効果幅縦振動に対する電
気機械結合係数を大きくする、切断方位について調査し
た。すなわち、薄板をＫＮｂＯ3 単結晶から切断する際
の結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対する薄板の配置および
振動変位方向（矢印）を、図８(a) 、図９(a) および図
10(a) に示すように変化し、さらに各配置において特定
の軸に対して薄板の主平面に垂直の軸を角度θで回転さ
せた場合について、電気機械結合係数を調査した。その
結果を、それぞれ図８(b) 、図９(b) および図10(b) に
示すように、図９(a) および図10(a) の配置は電気機械
結合係数が６０％超｛図９(b) および図10(b) 参照｝で
あるのに対して、図８(a) の配置は電気機械結合係数が
８０％超｛図８(b) 参照｝まで増加することがわかる。
すなわち、薄板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＹ軸を中心として角度θ：２４〜６４
°で回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一
致させた場合に、８０％をこえる大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ：４３．
５°の座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＺ’軸に一致させた
場合に、８２．４％の極めて大きな電気機械結合係数が
得られる。その際、平板の主平面に垂直の軸が、Ｚ’軸
のまわりで３０°以下の傾きに収まっていればよいこと
は、上記したところと同様である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２２】以上のように、薄板の幅方向の両端面に電
極を設けた圧電素子は、薄板の主平面に垂直の軸が上記
した範囲、すなわち図11に示す円錐の範囲にある、切断
方位で製品化することによって、縦効果幅縦振動に対す
る電気機械結合係数がＰＺＮ−ＰＴ（８４％）にせまる
大きな値となるから、アレイ型トランスデューサの素子
や圧電振動子などとして応用することができる。
極を設けた圧電素子は、薄板の主平面に垂直の軸が上記
した範囲、すなわち図11に示す円錐の範囲にある、切断
方位で製品化することによって、縦効果幅縦振動に対す
る電気機械結合係数がＰＺＮ−ＰＴ（８４％）にせまる
大きな値となるから、アレイ型トランスデューサの素子
や圧電振動子などとして応用することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図２】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図３】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図４】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模式
図である。
図である。
【図５】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図６】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図７】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模式
図である。
図である。
【図８】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図９】 圧電素子の切断方位と各方位における電気機
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
【図１０】 圧電素子の切断方位と各方位における電気
機械結合係数とを示す図である。
機械結合係数とを示す図である。
【図１１】 圧電素子の適切な切断方位の範囲を示す模
式図である。
式図である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図１１】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
Claims (4)
- 【請求項１】 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の
軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮ
ｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として１６〜５６°回
転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸の方向また
はＺ’軸まわりの傾きが３０°以下の方向に長い細棒を
切り出し、該細棒の長さ方向に垂直な両側面に電極を設
けて成ることを特徴とする横効果長さ伸び振動モード動
作のＫＮｂＯ3 圧電素子。 - 【請求項２】 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の
軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮ
ｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として３０〜７０°回
転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＸ’軸に対して、
主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きとなる
平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて成る
ことを特徴とする厚み縦振動モード動作のＫＮｂＯ3 圧
電素子。 - 【請求項３】 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の
軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮ
ｂＯ3 結晶から、上記Ｚ軸を中心として６０〜１２０°
回転させた座標系（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ）のＹ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または３０°以下の傾きと
なる平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて
成ることを特徴とする厚みすべり振動モード動作のＫＮ
ｂＯ3 圧電素子。 - 【請求項４】 自発分極方向をＺ軸、格子定数が最小の
軸をＹ軸とした結晶座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有するＫＮ
ｂＯ3 結晶から、上記Ｙ軸を中心として２４〜６４°回
転させた座標系（Ｘ’，Ｙ，Ｚ’）のＺ’軸に対して主
平面の軸が平行または３０°以下の傾きとなる薄板を切
り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を設けて成るこ
とを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作のＫＮｂＯ3
圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03274899A JP3198300B2 (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ＫＮｂＯ３圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03274899A JP3198300B2 (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ＫＮｂＯ３圧電素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000232331A true JP2000232331A (ja) | 2000-08-22 |
| JP3198300B2 JP3198300B2 (ja) | 2001-08-13 |
Family
ID=12367482
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03274899A Expired - Lifetime JP3198300B2 (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | ＫＮｂＯ３圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3198300B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005005698A (ja) * | 2003-05-21 | 2005-01-06 | Jfe Mineral Co Ltd | 圧電単結晶素子とその製造方法 |
| WO2013084727A1 (ja) * | 2011-12-08 | 2013-06-13 | オリンパス株式会社 | 超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 |
| WO2013105507A1 (ja) * | 2012-01-13 | 2013-07-18 | パナソニック株式会社 | アクチュエータおよびその駆動方法 |
| CN115430598A (zh) * | 2022-08-18 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 基于面剪切模式的宽频带单晶换能器 |
-
1999
- 1999-02-10 JP JP03274899A patent/JP3198300B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005005698A (ja) * | 2003-05-21 | 2005-01-06 | Jfe Mineral Co Ltd | 圧電単結晶素子とその製造方法 |
| JP4508725B2 (ja) * | 2003-05-21 | 2010-07-21 | Ｊｆｅミネラル株式会社 | 圧電単結晶素子とその製造方法 |
| WO2013084727A1 (ja) * | 2011-12-08 | 2013-06-13 | オリンパス株式会社 | 超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 |
| WO2013105507A1 (ja) * | 2012-01-13 | 2013-07-18 | パナソニック株式会社 | アクチュエータおよびその駆動方法 |
| US9391260B2 (en) | 2012-01-13 | 2016-07-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Actuator and method for driving the same |
| CN115430598A (zh) * | 2022-08-18 | 2022-12-06 | 西北工业大学 | 基于面剪切模式的宽频带单晶换能器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3198300B2 (ja) | 2001-08-13 |
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