JP3987744B2 - ドメイン制御圧電単結晶素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電単結晶素子に関する。さらに詳しくは、単結晶材料からなる素子であって、分極方向に直交する方向、即ち横方向振動モードの電気機械結合係数と該方向のドメイン制御に着目した素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電単結晶素子については、亜鉛ニオブ酸−チタン酸鉛の固溶単結晶からなる圧電体を用いた超音波プローブが開示されている。(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
この技術は、このような圧電体が分極方向の電気機械結合係数(k33)が80〜85%と大きく、この単結晶を使用することにより、感度の良いプローブが得られることを示している。従来、圧電単結晶素子はこのように分極方向の電気機械結合係数について研究され、各種の用途も関発されているが、分極方向に直交する方向の特性については、未開拓の技術分野である。
【0004】
また、圧電単結晶素子の分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数(k 33 )が≧80%の値を持つことにより、多種の用途に供されているにもにも拘わらず、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数(k 31 )が例えば、49%〜62%と分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数(k 33 )に比較して低い値であり、且つ文献によりばらつきのある値を示している(例えば非特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平6−38963号公報
【非特許文献1】
IEEE Proc.MEDICAL IMAGING 3664(1999)
pp.239
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは上記実情に鑑み、鋭意研究した結果、k33が80%以上で同時にd33が800pC/N以上、且つk31が70%以上で同時に−d31、が1200pC/N(定義上d31は、負の値を持つ)以上にした場合は、k31を有効に利用した圧電単結晶素子の製造が可能であることを発見した。
【0007】
更に、分極方向(縦方向振動モード)で大きな電気機械結合係数(k33)を有しながら分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数(k31)が小さく、ばらつきを有する原因は、分極された圧電単結晶素子の分極方向と直交する方向に関する電気双極子により形成されるドメイン構造が単一ドメインでなく、複数個のドメイン(マルチドメイン)で形成されているためであること、そして、該ドメイン構造を制御することにより、次の圧電単結晶素子が得られることを見出した。
【0008】
すなわち、分極方向の縦方向振動モードの電気機械結合係数k33≧80.2%で且つ圧電歪定数d33≧960pC/Nを持つ圧電単結晶材料において、分極方向に直交する方向の横方向振動モードの電気機械結合係数k31≧74.7%で且つ、圧電歪定数−d31≧1263pC/Nを持ち、且つk31に関する分極方向に直交する方向の横方向振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31≦609Hz・mであるドメイン制御圧電単結晶素子である。
【0009】
また、ドメイン構造を制御する条件が該圧電単結晶素子の分極方向と直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31に関わる振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値により整理されることを発見した。
【0010】
本発明は、このようなドメイン制御された圧電単結晶素子を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、分極方向の縦方向振動モードの電気機械結合係数k33≧80.2%で且つ圧電歪定数d33≧960pC/Nを持ち、0.91PZN + 0.09PTから成る圧電単結晶材料において、分極方向に直交する方向の横方向振動モードの電気機械結合係数k31≧74.7%で且つ、圧電歪定数−d31≧1263pC/Nを持ち、(定義上d31は、負の値を持つ )且つk31に関する分極方向に直交する方向の横方向振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31≦609Hz・mであることを特徴とするドメイン制御圧電単結晶素子である。
ここでPZNは亜鉛ニオブ酸鉛Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 、PTはチタン酸鉛PbTiO 3 を指す。
【0012】
圧電単結晶素子は、例えば、細長比が3以上の棒状体について、その長手方向を分極方向とし、分極方向に電圧をかけた時の分極方向の振動(縦方向振動)及び歪の大きさの変換効率をそれぞれ縦方向振動モードの電気機械結合係数(k33)及び圧電歪定数(d33)で表わしており、これらの数値が大きいほど効率が良い。棒状体のほか、方形板や円板等の形状のものについてもそれそれが規定されている。本発明は分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数(k31)に着目したドメイン制御圧電体単結晶素子である。
【0014】
なお、亜鉛ニオブ酸鉛Pb(Zn1/3Nb2/3)O3やマグネシウムニオブ酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3)O3とチタン酸鉛PbTiO3の固溶体からなる圧電体単結晶材料は前者をPZN−PT又はPZNT、後者をPMN−PT又はPMNTと呼称している。
【0015】
以上のドメイン制御圧電単結晶素子を製造する方法として次に示す製造方法がある。
【0016】
その一つは、圧電単結晶素子の厚み方向の分極条件として、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか、又は電界を印加したまま冷却する(電界冷却)工程で、上記ドメイン制御圧電単結晶素子を製造する圧電単結晶素子の製造方法である。
【0017】
この製造方法は、ドメイン制御単結晶圧電素子の最終的な分極を行う工程であるが、この工程の前段に、分極方向と直交する方向に電界を印加し、分極方向と直交する方向の強誘電体ドメインの整列状態を制御する工程を加える製造方法も有効である。分極方向と直交する方向に印加する電界の種類としては、直流電界、パルス電界、交流電界、またこれらの定常電界のほか、減衰電界などがあり、電界の強さや印加時間、温度条件等は個々の圧電単結晶素子の特性及び分極方向に直交する方向の電気機械結合係数(k31)の所望の値に応じて適正条件がある。これらは、実験等によって定めることができる。また、前記のパルス電界としては、直角波のほか、交流三角波などユニポーラ及びバイポーラパルスを用いることができる。
【0018】
また、別の製造方法として、上記20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか、又は電界を印加したまま冷却するドメイン制御単結晶圧電素子の最終的な分極を行う工程の前段に、単結晶圧電素子を加熱・冷却する製造方法がある。例えば、圧電単結晶素子は、菱面晶、正方晶、立方晶となる温度領域が組成に応じて決まっている。従って、例えば単結晶圧電素子を該圧電単結晶材料の低温相である菱面晶と中温相である正方晶の転移温度を挟んで加熱冷却する工程(1)、又は該圧電単結晶材料の正方晶と強誘電性・圧電性の消失温度であるキュリー温度(この温度より高温では、該年電体単結晶材料は立方晶(高温相)となる)を挟んで加熱冷却する工程(2)、又は、高温相内で加熱冷却する工程(3)、又は、工程(1)、(2)、(3)を適宜組み合わせる工程(4)を行い、次いで20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を行うことにより、分極方向に直交する方向の強誘電体ドメインの整列状態を制御することができる。
【0019】
更に、上記20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程ドメイン制御単結晶圧電素子の最終的な分極を行う工程の前段に、単結晶圧電素子の分極方向に直交する方向に電界を印加する工程と、単結晶圧電素子を加熱冷却する工程とを併用する工程を行い、次いで20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を行うことにより、分極方向に直交する方向の強誘電体ドメイン整列状態を制御することができる。
【0020】
【発明の効果】
本発明のドメイン制御圧電体単結晶素子は、以上のように構成されているので、k33が80.2%以上で同時にd33が960pC/N以上、且っk31が74.7%以上で同時に−d31が1263pC/N(定義上d31は、負の値を持つ)以上にした場合は、k31を有効に利用した圧電単結晶素子の製造が可能となった。
【0021】
【発明の実施の形態】
例えば、亜鉛ニオブ酸−チタン酸鉛(PZN−PTまたはPZNT)の固溶体単結晶は、その単位格子が図1に模式的に示したようなペロブスカイト構造(ABO3)をなしている。図2にPZNとPTの組成比による相図を示した。この図はNomura et al.,J.Phys.(1969)及びJ.Kuwata et al.,Ferroelectrics(1981)より引用したものである。図2に見られるように、菱面晶PZNTでは、擬立方晶と見た時の結晶の〈111〉方位の8つの方向に電気双極子に相当する自発分極を有している。このような自発分極状態におげる〈100〉方向(結晶切り出し方向)に電界を印加すると、電気双極子は分極電界印加方向に回転し、自発分極方向が揃うようになる。
【0022】
しかし、この揃い方には、電界の印加の態様等により種々の状態が生じ、その結果、分極方向の電気機械結合係数(k33)が80%以上の値を持つにもかかわらず、分極方向に直交する方向の電気機械結合係数(k31)が、文献等によれば49〜62%にばらつきを持って分布すること、即ち、分極方向と直交する方向(横振動モード)に関して電気機械結合係数(k31)の制御がなされていないことがわかった。このようなk31の値では、積極的にk31を利用したデバイスを作製することが困難であったり、一方、積極的にk33を利用するデバイスでは分極方向の縦方向振動(k33)モード中にスプリアスが発生したりして、十分な特性を得られない状況が発生していた。この結果を与える要因は、以下のように説明される。即ち、育成後の圧電体単結晶から切り出された圧電単結晶素子の素材では、分極方向及び分極方向と直交する方向において同一方向の電気双極子の集合からなるドメインが種々の方向を向いており、圧電性を示さず、未分極の状態にある。
【0023】
一般的な分極処理温度と印加電圧を選択し、分極方向に電界を印加することにより初めて、多くのドメインが分極方向に揃っていくことができる。このことにより、分極方向の電気機械結合係数k33は80%以上の大きな値を示すようになる。しかし、分極方向と直交する方向におけるドメインの状態は、分極方向での分極条件、即ち、分極処理温度と印加電圧の適切な範囲内でのみ制御することが可能である。
【0024】
次に、分極の態様を制御する方法について、実施例をあげて説明する。表1は従来例(試料番号1,2,3)及び文献値(文献値1,2)及び本発明に関わる実施例(試料番号5〜7,9)並びに参考例(試料番号4,8)の圧電単結晶材料の分極条件等を変えた場合の誘電・圧電特性を示したものである。参考例(試料番号4)は分極不十分であった。表1中のd33値はd33メータ(中国科学院声学研究所製ZJ−3D型)で測定した。k33値の算出は、本発明者らの測定に基づく、図12に示すd33vsk33カーブから求めた。k31、d31、fc31はインピーダンスの周波数応答を測定し、計算により算出した。
【0025】
使用した0.91PZN+0.09PT(X=0.91とモル分率で表現)の圧電単結晶素子(素子形状:13mm長さ×4mm幅×0.36mm厚み)を、図3に示すように6面が(100)面で囲まれた結晶10の二つの対向する(001)面11に金電極をスパッタ法で作製し、40℃のシリコンオイル中に浸漬して、電極間に250V/mm(試料番号4)、500V/mm(試料番号5)、700V/mm(試料番号6)、1000V/mm(試料番号7)、1600V/mm(試料番号8)(参考例)の各電界を10分間印加した後での、k31モードのインピーダンスカーブを図4〜図8に示した。
【0026】
250V/mm(図4)では、分極不十分の状態であり、500V/mm(図5)、700V/mm(図6)では、3つのk31振動モードが見られるが、これは分極方向に直交する方向に複数のドメインがあるためである。1000V/mm(図7)では、インピーダンスカーブから明らかなように、分極方向に直交する方向でのドメインは単一ドメインとなっており、k31の値は>80%を満たすと同時に分極方向のk33も>95%を示す。1600V/mm(図8)では、再び、2つ以上のドメインに分離し、k33の値は>95%であったが、k31の値は61%である。
【0027】
又、それぞれの試料のk31に関する横方向振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31は、試料番号4で741Hz・m、試料番号5で601Hz・m、試料番号6で603Hz・m、試料番号7で522Hz・m、試料番号8で700Hz・mであった。250V/mm、500V/mm、1000V/mm、1600V/mm印加後の分極方向に直交する面内のドメインの状態を図9に示す。
【0028】
図9において、250V/mmでは分極不十分であり、500V/mmでは複数ドメイン(マルチドメイン)であるが、k31に関わる分極成分の相乗作用でk31が大きくなる。1000V/mmでは単一ドメインとなり、さらに1600V/mmでは複数ドメインとなり、k31に関わる分極成分の相殺作用でk31が小さくなる。本発明内で高k33(d33)、高k31(d31)が得られるドメイン配列は500V/mm、1000V/mmであった。一方、同様な設定の素子、試料番号9を200℃のシリコンオイル中で、400V/mmの直流電界を印加したまま、シリコンオイルの温度を室温まで降下させると、分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33は≧80%であり、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31は>70%であった。この時のfc31は609Hz・mであった。
【0029】
このように分極条件(印加電圧、温度等)を適切に設定することにより、分極時のドメイン状態及び、それに依存するk33,k31の値を制御することができる。又、ここに示した実施例に限らず、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程の温度範囲、分極電界値範囲、印加時間範囲と印加方法を用いることにより、上記案施例にと同様な誘電・圧電特性が得られることが確認されている。
【0030】
更に、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程に関しては、キュリー温度以上の200℃で1時間保持する脱分極の工程を挟んで、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程の工程を繰り返すことによっても本発明に示す特性が向上することが確認されている。これらの結果を、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31とk31モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値で整理すると図10に示すような高k33、高k31の領域と高k33、低k31の領域が周波数定数(fc31=fr・L)の値の範囲を横軸として得られることが解った。
【0031】
従来例及び文献値も同時に図10に記載したが、従来例及び文献値ではk31モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値が本発明から外れており、本発明で明らかにしたように分極方向と直交する方向のドメイン制御が不充分な領域にあり、そのため、k31の値がばらつくものと考えられる。
【0032】
次に、単結晶圧電素子の分極方向に直交する方向に電界を印加し、分極方向に直交する方向の強誘電体ドメインの方向を制御する工程、単結晶圧電素子を該圧電単結晶材料の低温相である菱面晶と中温相である正方晶の転移温度を挟んで加熱冷却する工程(1)、又は該圧電単結晶材料の正方晶と強誘電性・圧電性の消失温度であるキュリー温度を挟んで加熱冷却する工程(2)、又は、高温相内で加熱冷却する工程(3)、又は、前記工程(1)、(2)、(3)を適宜組み合わせた工程(4)を行い、次いで20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を行った実施例について表2に則して説明する。表2中のd33の測定、k33値の算出、k31、d31、fc31の測定及び計算は表1と同様である。
【0033】
試料番号10では、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程の工程の前に、上記の単結晶圧電体素子と同じ形状の素子に、図11に示すように図3の(001)面11と直交して対向する2つの(010)面13に金電極をスパッタ法で作製し、40℃のシリコンオイル中で1000V/mmの直流電界を10分間印加し分極した。素子を取り出したあと、エッチング液で該金電極を除去し、更に図3に示す二つの対向する(001)面11に金電極をスパッタ法で作製し、上記実施例で示した20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を実施し、誘電・圧電特性を測定した。
【0034】
その結果、表2の試料番号10に示すように、分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33で97.3%、圧電歪定数d33で2810pC/Nを得た。又、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31で85.5%、圧電歪定数d31で−2380pC/Nを得た。k31に関する横方向振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31は、483Hz・mであった。
【0035】
試料番号11、12、13では、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程の前に、上記の単結晶圧電体素子と同じ形状の素子を、それぞれシリコンオイル中に浸漬し、50〜90℃、150〜200℃の温度範囲を、更に温度槽内で200〜400℃の温度範囲を30分周期で3回温度上昇・下降を繰り返した。その後、図3に示す二つの対向する(001)面11に金電極をスパッタ法で作製し、上記実施例で示した20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を実施し、誘電・圧電特性を測定した。その結果、試料番号13では、分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33で97.5%、圧電歪定数d33で2840pC/Nを得た。
【0036】
又、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31で85.3%、圧電歪定数d31で−2360pC/Nを、試料番号12では分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33で97.8%、圧電歪定数d33で2880pC/Nを得た。
【0037】
又、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31で85.3%、圧電歪定数d31で−2350pC/Nを、試料番号13では、分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33で97.4%、圧電歪定数d33で2820pC/Nを得た。又、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31で85.6%、圧電歪定数d31で−2380pC/Nをそれぞれ得た。周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31は、試料番号11では、503Hz・m、試料番号12では、506Hz・m、試料番号13では、437Hz・mmであった。
【0038】
試料番号14では、図11に示すように図3の(001)面11と直交して対向する2つの(010)面13に金電極をスパッタ法で作製し、シリコンオイル中に浸漬し、150〜200℃の温度範囲を30分周期で3回温度上昇・下降を繰り返しながら、直流電界400V/mmを印加した。素子を取り出したあと、エッチング液で該金電極を除去し、更に図3に示す二つの対向する(001)面11に金電極をスパッタ法で作製し、上記実施例で示した20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を実施し、誘電・圧電特性を測定した。その結果、分極方向(縦方向振動モード)の電気機械結合係数k33で97.8%、圧電歪定数d33で2870pC/Nを得た。又、分極方向に直交する方向(横方向振動モード)の電気機械結合係数k31で86.0%、圧電歪定数d31で−2450pC/Nを得た。周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31は、415Hz・mであった。
【0039】
尚、図3の(001)面と直交して対向する別の面として、図11の(100)面間に直流電界を印加後、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程を実施しても、同じ効果が得られることを確認している。
【0040】
上記ドメイン制御圧電単結晶素子に際し、最終的な分極を行う工程、即ち、20℃〜200℃の温度範囲で400V/mm〜1500V/mmの直流電界を最大2時間印加するか又は電界を印加したまま冷却する工程の前段に、分極方向と直交する方向に電界を印加し、分極方向と直交する方向の強誘電体ドメインの整列状態を制御する方法、圧電単結晶材料の低温相である菱面晶と中温相である正方晶の転移温度を挟んで加熱冷却する工程(1)、又は圧電単結晶材料の正方晶と強誘電性・圧電性の消失温度であるキュリー温度(この温度より高温では、該圧電体単結晶材料は立方晶(高温相)となる)を挟んで加熱冷却する工程(2)、又は、高温相内で加熱冷却する工程(3)、又は、工程(1)、(2)、(3)を適宜組み合わせた工程(4)により分極方向と直交する方向の強誘電体ドメインの整列状態を制御する方法、単結晶圧電素子の分極方向に直交する方向に電界を印加する工程と、単結晶圧電素子を加熱冷却する工程とを併用する工程により分極方向と直交する方向の強誘電体ドメインの整列状態を制御する方法を実施することは、結晶育成時の徐冷過程で生成される結晶中の複数のドメインを、上記の各工程を実施することにより、より人的に制御されたものとし、上記ドメイン制御圧電単結晶素子を製造するドメイン制御単結晶圧電素子の最終的な分極を行う工程での分極方向に直交する方向のドメイン構造を、より容易に制御するために有効であること、又、本発明の誘電・圧電特性を向上させるために有効であることがわかった。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【図面の簡単な説明】
【図1】 結晶構造の模式的斜視図である。
【図2】 PZN−PT(PZNT)の相図である。
【図3】 電界印加の説明図である。
【図4】 k31振動モードのインピーダンスカーブの図である。
【図5】 k31振動モードのインピーダンスカーブの図である。
【図6】 k31振動モードのインピーダンスカーブの図である。
【図7】 k31振動モードのインピーダンスカーブの図である。
【図8】 k31振動モードのインピーダンスカーブの図である。
【図9】 電界印加後の分極方向(厚み方向)面内のドメインの状態の図である。
【図10】 電気機械結合係数k31とk31振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値のグラフである。
【図11】 電界印加の説明図である。
【図12】 k33対d33のグラフである。
【図13】 バイポーラ三角波パルスの波形図である。
【符号の説明】
10 圧電単結晶素子
11 電極面(001)
12 電界
13 電極面(010)
Claims (1)
- 分極方向の縦方向振動モードの電気機械結合係数k33≧80.2%で且つ圧電歪定数d33≧960pC/Nを持ち、0.91PZN + 0.09PTから成る圧電単結晶材料において、分極方向に直交する方向の横方向振動モードの電気機械結合係数k31≧74.7%で且つ、圧電歪定数−d31≧1263pC/Nを持ち、且つk31に関する分極方向に直交する方向の横方向振動モードの共振周波数(fr)と素子の振動方向の長さ(L)の積である周波数定数(fc31=fr・L)の値fc31≦609Hz・mであることを特徴とするドメイン制御圧電単結晶素子。
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