KR20090128464A

KR20090128464A - 압전 단결정 소자

Info

Publication number: KR20090128464A
Application number: KR20097021038A
Authority: KR
Inventors: 미츠요시 마츠시타
Original assignee: 제이에프이미네라르 가부시키가이샤
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-12-15
Also published as: KR101285936B1; US20100109489A1; JP2008288453A; US8004164B2; WO2008142933A1; JP5065763B2

Abstract

분극 방향에 평행한 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자에 있어서, 소자면에 대하여 소정의 처리를 실시함으로써, 그 진동 방향의 전기 기계 결합 계수를 종래의 평판 형상 압전 소자에 있어서의 값 (약 60 ％) 을 초과하는 65 ％ 이상의 값이 얻어지는 단결정 소자를 제공한다.

구체적으로는, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 배설 피치로 형성하여, 빗 형상 구조의 압전부를 형성하고, 분극 방향과 평행한 전기 기계 결합 계수가 65 ％ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

압전 단결정 소자{PIEZOELECTRIC SINGLE CRYSTAL ELEMENT}

본 발명은, 압전 단결정 소자 (piezoelectric single crystal device) 에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 압전 단결정 재료로 이루어지는 소자로서, 분극 방향 (또는 PD 라고 칭한다) (polarization direction) 에 평행한 방향 (parallel direction) 의 진동 모드 (vibration mode) 를 이용하는 압전 소자에 있어서, 소자면 (device plane) 에 대하여 소정의 처리를 실시함으로써, 그 진동 방향의 전기 기계 결합 계수 (electromechanical coupling factor) 를 향상시키는 것에 주목한 압전 단결정 소자에 관한 것이다.

압전 단결정 소자는, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같은 c ＞＞ a, b 인 직육면체 (cuboid) 에 대해, 그 길이 방향 (c 에 평행한 방향) 을 분극 방향 (3) (또는 PD) 으로 하고, 분극 방향으로 전압을 가했을 때의 분극 방향 (3) 의 진동 (종방향 진동 (longitudinal vibration mode)) 크기에 관한 전기적 에너지와 기계적 에너지의 변환 효율은, 종방향 진동 모드의 전기 기계 결합 계수 (k₃₃) 의 평방근에 비례한다. 따라서, 전기 기계 결합 계수 (k₃₃) 가 클수록 효율이 양호한 것을 의미한다. 또한, 압전 단결정 소자는, 전술한 직육면체 외에 판 형상이나 원판 등의 형상이어도 되고, 각각의 형상에 대해서도 동일하게 전기 기계 결합 계수를 구할 수 있다.

또한, 잘 알려져 있는 압전 단결정 재료로는, 예를 들어 아연니오브산납 Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(zinc lead niobate) 과 티탄산납 PbTiO₃ (lead titanate) 의 고용체 (solid solution) (PZN-PT 또는 PZNT 로 약기한다) 나 마그네슘니오브산납 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ (magnesium lead niobate) 과 티탄산납 PbTiO₃ 의 고용체 (PMN-PT 또는 PMNT 로 약기한다) 로 이루어지는 압전 단결정 재료를 들 수 있다.

예를 들어, 초음파 TECHNO vol.11 No.9 (1999) pp.11 발행처 : 일본 공업 출판에는, 원하는 소자 면적과 두께를 갖는 폭 수십 ㎜ 의 평판 형상의 압전 단결정 소자 (이하 「평판 형상 압전 단결정 소자 (flat plane type piezoelectric single crystal device)」라고 한다) 가 개시되어 있다. 그러나, 그 소자는 제조가 용이하지만, 평판면의 법선 방향 (normal direction) 으로 분극되었을 때의 분극 방향에 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수 (k_t) 는, 최대이어도 60 ％ 정도로서, 종래부터 사용되고 있는 압전 재료인 지르콘티탄산납 Pb(Zr,Ti)O₃ (zircon lead titanate) (PZT) 소결체 다결정 압전 소자 (sintered poly crystal piezoelectric device) 에 비해, 동등하거나 또는 수 ％ 우수한 것에 불과하여, 충분한 압전 특성 (piezoelectric property) 이 얻어진다고는 할 수 없다.

본 발명은, 분극 방향에 평행한 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 단결정 소자에 있어서, 소자면에 대하여 소정의 처리를 실시함으로써, 종래의 평판 형상 압전 단결정 소자의 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수 (k_t) 보다 양호한 전기 기계 결합 계수를 간편하게 얻을 수 있는 압전 단결정 소자의 제공을 목적으로 한다. 또한, 여기서, k_t 는 평판 형상 압전 단결정 소자의 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수를 나타내는데 통상적으로 사용되고 있다.

발명의 개시

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.

(1) 분극 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 단결정 소자에 있어서, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈 (slit) 을 소정의 피치 (pitch) 로 형성한 빗 형상 구조 (comb-shaped structure) 를 가짐으로써, 분극 방향과 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수가 65 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 압전 단결정 소자.

(2) 상기 홈의 배설 (配設) 피치는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께의 1.0 배 이하이고, 또한 상기 홈의 깊이는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께의 0.25 ∼ 0.5 배인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 압전 단결정 소자.

(3) 상기 압전 단결정 소자가, xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)O₃ ＋ (1 － x)PbTiO₃ (단, x 는 몰분율 (㏖ fraction) 이고, 0 ＜ x ＜ 1 로 한다) 으로 이루어지는 고용체로서, A1, A2, … 는, Zn, Mg, Ni, Cd, In, Y 및 Sc 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소이고, B1, B2, … 는 Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소이고, 복합 페로브스카이트 구조 (complex perovskite structure) 를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 압전 단결정 소자.

(4) 상기 압전 단결정 소자가, 추가로 상기 고용체에 Cr, Mn, Fe, Co, Al, Li, Ca, Sr, Ba 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소를 0.5 질량ppm ∼ 5 질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 에 기재된 압전 단결정 소자.

본 발명에 의하면, 분극 방향에 평행한 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자에 있어서, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료 (insulating material) 로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 배설 피치로 형성함으로써, 종래의 평판 형상 압전 단결정 소자의 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수 (k_t) 보다 양호한 전기 기계 결합 계수를 간편하게 얻을 수 있는 압전 단결정 소자를 제공할 수 있게 되었다. 전기 기계 결합 계수가 65 ％ 이상인 것은, 종래의 평판 형상 압전 단결정 소자나 지르콘티탄산납 (PZT) 소결체 다결정 압전 소자의 전기 기계 결합 계수가, 최대이어도 60 ％ 정도인 것에 비교하여, 전기 기계 결합 계수의 2 승 (乘) 에 비례하는 변환 효율 (conversion efficiency) 에 있어서는, 1.2 배 이상의 효율을 갖는 것을 의미한다. 이 효과는 본 발명에 의한 압전 단결정 소자의 유효성을 나타내는 것이다.

도 1 : 분극 방향과 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수 (k₃₃) 를 이용하는 일반적인 압전 소자의 방위와 형상을 나타내는 도면이다.

도 2 : 도 2a 는 본 발명에 따른 압전 단결정 소자 재료의 방위와 형상을 나타내는 사시도이고, 도 2b 는 도 2a 의 Ⅰ-Ⅰ 선 상의 단면도로서, 압전 단결정 소자 재료의 양 소자면에 전극을 배치한 상태로 나타낸다.

도 3 : 페로브스카이트 구조 (RMO₃) 의 모식적 사시도이다.

도 4 : 종래의 방법에 의해 얻어진 평판 형상 압전 단결정 소자의 방위와 형상을 나타내는 사시도이다.

도 5 : PMN-PT (PMNT) 의 상 (相) 도면이다.

부호의 설명

10 : 압전 (단결정) 소자 재료, 10A : 본 발명의 압전 단결정 소자, 10B : 평판 형상 압전 (단결정) 소자, 11 : 홈, 12 : 전극, 13 : 절연 재료, L : 홈의 배설 피치, D : 홈의 폭, t : 홈의 깊이, T : 소자의 분극 방향 두께, PD : 분극 방향

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

평판 형상 압전 단결정 소자는 제조는 용이하지만, 평판면의 법선 방향으로 분극된 압전 소자의 분극 방향에 평행한, 소자 두께 방향의 전기 기계 결합 계수 (k_t) 는, 최대이어도 60 ％ 정도로서, 종래부터 사용되고 있는 압전 재료인 지르콘티탄산납 (PZT) 소결체 다결정 압전 소자에 비해, 동등하거나 또는 수 ％ 우수한 것에 불과하다. 이 원인은, 평판 형상 압전 단결정 소자에서는 소자 평면으로서 선택된 단결정 재료 고유의 결정면에 수직인 방향으로 분극되어 있음에도 불구하고, 실현되는 두께 방향의 전기 기계 결합 계수 (k_t) 가 단결정 압전 재료의 그 결정 방향 고유의 것이 아니라, 많은 진동 모드가 혼합된 복합 진동 모드의 것이 되고, 그 때문에, 단결정 재료의 그 결정 방향으로 고유의 우수한 두께 방향의 전기 기계 결합 계수를 나타내지 않기 때문인 것으로 생각된다. 이 상황에 관하여, 본 발명자가 예의 검토를 실시한 결과, 그 소자면에 대하여 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 배설 피치로 형성함으로써, 그 단결정 압전 재료에 고유의 우수한 전기 기계 결합 계수에 보다 가까운 값의 전기 기계 결합 계수를 가져, 종래의 평판 형상 압전 단결정 소자에 비해 양호한 전기 기계 결합 계수를 간편하게 얻을 수 있는 압전 단결정 소자의 제공이 가능한 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.

이하, 본 발명의 압전 단결정 소자의 한정 이유에 대해 설명한다. 본 발명은, 분극 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 단결정 소자에 있어서, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 피치로 형성하여, 빗 형상 구조를 형성하는 것이 필요하다. 도 2a 및 도 2b 에 나 타내는 바와 같이 빗 형상 구조를 형성함으로써, 절연 재료로 충전된 홈에 의해 분리된 소자 구조 (device structure) 를 갖는 전기 기계 결합 계수는, 그 단결정 재료의 그 결정 방향으로 고유의 우수한 두께 방향의 전기 기계 결합 계수에 가까운 것이 되기 때문에, 소자 전체의 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수는, 종래의 평판 형상 압전 단결정 소자의 것에 비해 양호한 값을 간편하게 얻을 수 있다. 또한, 상기 홈의 방향은, 가공 후의 빗 형상 구조의 진동시, 빗 형상 구조의 진동 방향의 두께를 확보하여 그 강도를 확보하기 위해, 소자면에 대하여 실질상 수직 방향일 필요가 있다.

또한, 상기 절연 재료로는, 비저항 : 그 압전 재료와 동등하거나 그 이상이고, 비유전율 : 그 압전 재료의 1/10 이하가 바람직하다. 예를 들어, 왁스 (wax), 에폭시 재료 등 (epoxy material) 을 들 수 있다. 본 특허의 목적은, 직사각 형상 시료와 유사한 특성을 얻는 것이다. 홈에 충전되는 물질 (왁스 등) 이, 잘리지 않고 남은 압전체의 의사 (擬似) 직사각 부분보다 비저항이 작으면, 「전극과 (충전 물질과 압전체 직사각부)」사이의 전압 강하가 작아져, 직사각부는 충전 물질을 전극으로 하는 여러 방향으로부터의 전계를 받아, 분극 방향이 직사각의 각 부분에서 상이해진다. 이것은 목적으로 하는 방향의 분극이 불가능하다는 것이다. 그 때문에, 홈에 충전되는 물질의 비저항은 압전체와 동등하거나 또는 압전체보다 클 필요가 있다. 또한, 홈에 충전되는 물질 (왁스 등) 이, 잘리지 않고 남은 압전체의 의사 직사각 부분과 동등하거나, 또는 그 이상의 비유전율을 갖고 있으면, 진동자의 기능으로서 「판 형상 진동자」와 동일해져 버 릴 가능성이 있다. 따라서, 홈에 충전되는 물질의 비유전율은, 그 압전 재료의 1/10 이하가 바람직하다. 왁스나 에폭시 재료는 이 조건을 만족시키고 있다. 또한, 왁스나 에폭시는 압전체가 아니라, 단순한 상유전체 (paraelectrics) 로서, 진동에 기여하지 않는다.

또한, 본 발명에서는 소자면에 형성되는 홈의 배설 피치 (L) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 1.0 배 이하로 하는 것이 바람직하다. 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 본 발명이 대상으로 하는 소자면에 형성되는 배설 피치 (L) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 1.0 배 이하 (L/T

1.0) 인 것이 바람직하다. L/T ＞ 1.0 이면, 홈에 의해 나뉘어진 부분의 소자 구조 (10) 의 폭 (L-D) 이 커지기 때문에, 복수 개의 진동 모드가 혼합된 것이 되고, 그들 진동 모드가 간섭하는 결과, 압전 단결정 소자 전체의 분극 방향과 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수의 값이 작아지기 때문이다.

또한, 본 발명에서는, 소자면에 형성되는 홈의 깊이 (t) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 0.25 ∼ 0.50 배인 것이 바람직하다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 본 발명이 대상으로 하는 소자면에 형성되는 홈의 깊이 (t) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 0.25 ∼ 0.50 배 (0.25

t/T

0.50) 인 것이 바람직하다. t/T ＜ 0.25 이면, 홈의 깊이가 지나치게 얕기 때문에, 복수 개의 진동 모드의 혼합이 되고, 그들 진동 모드가 간섭하는 결과, 압전 단결정 소자 전체의 분극 방향과 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수의 값이 작아지기 때문이다. 또한, t/T ＞ 0.50 이면, 홈 가공 후의 소자 진동에 대한 강도 가 열화되어, 진동시에 파단될 우려가 있기 때문이다.

또한, 홈은, 후술하는 바와 같이 다이싱 소 등의 정밀 절단기로 가공된다. 이 때문에, 홈의 폭은 정밀 절단기인 소의 두께에 따라 상이하다. 홈의 폭은, 충전 물질을 홈 내의 구석 구석까지 충전할 수 있으면 특별히 규정되지 않지만, 통상적으로 사용되는 다이싱 소의 두께는 50 ∼ 100 ㎛ 이므로, 홈 폭도 약 50 ∼ 100 ㎛ 이다.

또한, 본 발명이 대상으로 하는 결정 구조는, 고용체 단결정의 단위 격자를 도 3 에 모식적으로 나타내는 바와 같이, Pb 이온이 단위 격자의 모서리에 위치하고, 산소 이온이 단위 격자의 면심 (面心) 에 위치하고, M 이온이 단위 격자의 체심 (體心) 에 위치하는 페로브스카이트 구조 (RMO₃) 이고, 또한 도 3 의 체심 위치에 있는 M 이온이 1 종류의 원소 이온이 아니라, 2 개 이상의 복수의 원소 이온 (A1, A2, …, B1, B2, …) 중 어느 것으로 이루어지는 복합 페로브스카이트 구조인 것이 바람직하다.

추가로 또한, 본 발명의 단결정 소자는, 이하에 나타내는 조성 및 구조인 것이 바람직하다. 본 발명의 압전 소자는, xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)O₃ ＋ (1 － x)PbTiO₃ (단, x 는 몰분율이고, 0 ＜ x ＜ 1 로 한다) 으로 이루어지는 고용체로서, A1, A2, … 는, Zn, Mg, Ni, Cd, In, Y 및 Sc 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소이고, B1, B2, … 는 Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소로 이루어지는 조성을 갖고, 복합 페로브스카이트 구조를 갖는 경우에, 종방향 진동 모드에 적합한 소자가 된다. 즉, 고용체 단결정의 단위 격자를 도 3 에 모식적으로 나타낸 바와 같이, Pb 이온이 단위 격자의 모서리에 위치하고, 산소 이온이 단위 격자의 면심에 위치하고, M 이온이 단위 격자의 체심에 위치하는 페로브스카이트 구조 (RMO₃) 이고, 또한 도 3 의 체심 위치에 있는 M 이온이 1 종류의 원소 이온이 아니라, Zn, Mg, Ni, Cd, In, Y 및 Sc 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소 및 Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소로 이루어지는 복합 페로브스카이트 구조인 것이 바람직하다. 특히, 고용체 단결정으로서 아연니오브산납 Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ 과 티탄산납 PbTiO₃ 의 고용체 (PZN-PT 또는 PZNT 로 약기한다) 를 사용하는 경우에는, 상기 몰분율 x 를 0.80 ∼ 0.98 로 하는 것이 바람직하고, 0.89 ∼ 0.95 의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 고용체 단결정으로서, 마그네슘니오브산납 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ 과 티탄산납 PbTiO₃ 의 고용체 (PMN-PT 또는 PMNT 로 약기한다) 를 사용하는 경우에는, 상기 몰분율 x 를 0.60 ∼ 0.80 으로 하는 것이 바람직하고, 0.64 ∼ 0.78 의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 비유전율 (relative dielectric constant; εr) 이나 기계적 품질 계수 (mechanical quality factor; Qm) 을 크게 하거나 할 필요가 있는 경우에는, 상기 단결정의 조성에 Cr, Mn, Fe, Co, Al, Li, Ca, Sr, Ba 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소를 0.5 질량ppm ∼ 5 질량％ 첨가해도 된다. 0.5 질량ppm 미만이면 첨가에 의한 효과가 현저하지 않고, 5 질량％ 를 초과하는 첨가는 단 결정을 얻는 것이 어려워, 다결정이 될 우려가 있기 때문이다. 이들 원소를 첨가하는 효과는, 예를 들어, Mn, Cr, Fe, Co 를 첨가함으로써 기계적 품질 계수 Qm 의 향상이나 시간 경과적 열화의 억제를 도모할 수 있다. 또한, Sr, Ba 의 첨가에 의해 비유전율 (εr) 이 향상된다. 또한, Al, Li 는 단결정 성장시의 다결정 영역의 발생 억제에 기여한다. 또한, Ca 의 첨가에 의해 단결정 성장시의 파이로클로어상 (pyrochlore phase) 발생을 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 압전 단결정 소자의 바람직한 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 압전 단결정 소자의 제조 방법은, 단결정 잉곳 (single crystal ingot) 을 제조하는 공정과, 그 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정 소자 재료 (예를 들어 웨이퍼 (wafer)) 를 소정 방향으로 잘라내는 공정과, 그 단결정 소재로부터 평판 형상 단결정 소자 소재를 잘라내는 공정과, 그 평판 단결정 소자 소재의 표면에 그 표면에 대하여 실질상 수직으로 연장되는 복수 개의 홈을 소정의 배설 피치로 형성하는 공정과, 이들 홈에 절연 재료를 충전하는 공정과, 그 평판 형상 단결정 소자 재료의 분극 방향으로 소정의 조건에서 전계를 인가하여 단결정 소자 재료를 분극시키는 주 (主) 분극 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하, 각 공정에 있어서의 본 발명의 한정 이유를 설명한다.

(1) 단결정 잉곳의 제조

xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)O₃ ＋ (1 － x)PbTiO₃ (단, x 는 몰분율이고, 0 ＜ x ＜ 1 로 한다) 으로 이루어지는 고용체로서, A1, A2, … 는, Zn, Mg, Ni, Cd, In, Y 및 Sc 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소로, B1, B2, … 는, Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소로 이루어지는 단결정, 또는 상기 조성에 추가로 Cr, Mn, Fe, Co, Al, Li, Ca, Sr, Ba 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소를 0.5 질량ppm ∼ 5 질량％ 첨가한 단결정 잉곳의 제조 방법은, 상기 조성에 적합하도록 조정된 원료를 플럭스 (flux) 중에 용해시킨 후, 강온시켜 응고시키는 방법이나, 융점 이상으로 가열하여 융해시킨 후, 일 방향으로 응고시키는 방법이 있다. 전자의 방법으로는, 플럭스법, 키로풀로스법 또는 TSSG 법 (top seeded solution growth) 등이 있고, 후자로는, 융액 브릿지맨법, CZ 법 (초크랄스키법) 등이 있는데, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

(2) 단결정 잉곳의 결정학적 방위 (crystallographic direction) 의 결정

얻어진 단결정 잉곳의 필요한 결정학적 방위를 결정한다. 예를 들어, 상기 단결정 잉곳 [001] 방향을 분극 방향 (PD) 으로 하는 경우, 단결정 잉곳의 [001] 축 방위를 라우에법 (Laue method) 에 의해 개략적으로 결정하고, 필요에 따라 [001] 축 방위와 거의 직교하는 [010] 축 방위 및 [100] 축 방위 등의 결정학적 방위를 개략적으로 결정한다. 또한, 웨이퍼면 (가장 넓은 면) (001) 면을 연마하고, X 선 방위 측정기 (x-ray direction finder) 등을 사용하여 정확한 방위를 결정하고, 상기 연마면 (polished surface) 의 어긋남을 수정한다.

(3) 조절단 (rough cutting) (적당한 두께의 웨이퍼 제조)

절단기를 사용하여 단결정의 조절단을 실시한다. 예를 들어, [001] 방향을 분극 방향 (PD) 으로 하는 경우, 연마면 (001) 면에 평행하게 단결정 잉곳을 와이어 소 (wire saw) 또는 내주 날 절단기 (inner diamond saw) 등의 절단기를 사용하여 절단하여, 적절한 두께의 판재 (웨이퍼) 를 얻는다. 또한, 절단 후에 필요에 따라 에칭액 (etchant) 을 사용하여 화학 에칭 (chemical etching) 하는 공정을 포함할 수도 있다.

(4) 연마 (소정 두께의 웨이퍼 제조)

조절단에 의해 얻어진 웨이퍼를 래핑기 (lapping machine), 폴리싱기 (polishing machine) 등의 연삭기 또는 연마기 (grinding machine) 에 의해 연삭 또는 연마하여, 원하는 두께의 웨이퍼를 얻는다. 또한, 연삭·연마 후에 필요에 따라 에칭액을 사용하여 화학 에칭하는 공정을 포함할 수도 있다.

(5) 단결정판 (평판 형상 압전 단결정 소자 재료) 의 제작

정밀 절단기를 사용하여, 웨이퍼로부터 도 4 에 나타내는 바와 같은 평판 형상 압전 단결정 소자 재료를 잘라낸다. 예를 들어 [001] 방향을 분극 방향 (PD) 으로 하는 경우, (001) 면을 웨이퍼면에 갖기 때문에, 이 (001) 면에 거의 직교하는 예를 들어 (010) 면 및 (100) 면이 단면 (端面) 이 되도록, 다이싱 소나 컷팅 소 등의 정밀 절단기를 사용하여 제작한다.

(6) 홈의 형성

얻어진 평판 형상 압전 단결정 소자 재료의 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖는 홈을 복수 개 형성한다. 예를 들어, [001] 방향을 분극 방향 (PD) 으로 하는 경우, 도 2a 에 나타내는 바와 같이, 홈은 소자 단면 (端面) 에 평행한 예를 들어, [100] 방향 (A 방향) 또는 [010] 방향과 평행하게 소자면과 수직이 되도록, 다이싱 소 등의 정밀 절단기에 의해 소정의 배설 피치 (L) 및 깊이 (t) 로 슬릿을 넣음으로써 형성한다.

또한, 전술한 바와 같이, 소자면에 형성되는 홈의 배설 피치 (L) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 1.0 배 이하인 것이 바람직하고, 소자면에 형성되는 홈의 깊이 (t) 는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께 (T) 의 0.25 ∼ 0.5 배인 것이 바람직하다. 또한, 홈의 폭은 특별히 규정되지 않지만, 전술한 바와 같이 정밀 절단기의 소의 두께에 따라 상이하다. 홈의 폭은, 충전 물질을 홈 내의 구석 구석까지 충전할 수 있으면 특별히 규정되지 않지만, 통상적으로 사용되는 다이싱 소의 두께는 50 ∼ 100 ㎛ 이므로, 홈 폭도 약 50 ∼ 100 ㎛ 이다.

(7) 절연 재료의 충전 (filling)

압전 단결정 재료에 형성된 홈에 절연 재료를 충전한다. 절연 재료로는, 예를 들어 왁스, 에폭시 재료 등을 들 수 있다. 절연 재료의 충전 방법은, 예를 들어 왁스 융해 온도 (melting temperature) 이상으로 설정된 핫 플레이트 (hot plate) 상에 압전 단결정 재료를 정치 (靜置) 하고, 융해된 왁스를 도포 (coating)·침투 (penetration) 시킴으로써 실시하면 된다.

(8) 전극의 제작

분극 처리 전에, 제조된 압전 단결정 소자 재료의 상하면에 대하여, 예를 들 어 스퍼터법 (sputtering) 으로 Cr-Au 피막 (1 층째에 Cr 층 : 두께 약 50 ㎚, 2 층째에 Au 층 : 두께 약 200 ∼ 400 ㎚) 을 형성하거나, 플라스마 증착 (plasma-deposition) 으로 200 ㎚ ∼ 400 ㎚ 두께의 금 피막을 형성하거나, 또는 스크린 인쇄 (screen printing) 로 3 ㎛ ∼ 20 ㎛ 의 은 피막을 형성한 후, 소성하여 전극을 제조한다.

(9) 분극 처리 (polarization treatment)

육성 후의 단결정인 상태에서는, 전기 쌍극자 (electric dipole) 의 방향이 도메인 (domain) 마다 다양한 방향을 향하고 있기 때문에, 압전성 (piezoelectricity) 을 나타내지 않고 미분극 상태에 있다. 압전성을 부여하기 위해서는, 도메인마다의 전기 쌍극자의 방향을 정렬시키는 분극 처리가 필요하다. 본 발명의 분극 공정은, 잘라낸 압전 단결정 소자의 분극 방향 (3) 에, 20 ∼ 200 ℃ 의 온도 범위에서 350 ∼ 1500 V/㎜ 의 직류 전계를 인가하는 것이 바람직하다. 즉, 상기의 바람직한 온도 범위의 하한값, 20 ℃ 미만인 경우나, 인가 전계 범위의 하한값, 350 V/㎜ 미만인 경우에는 분극이 불충분하다. 상기의 바람직한 온도 범위의 상한값, 200 ℃ 를 초과하는 경우나 인가 전계 범위의 상한값 1500 V/㎜ 를 초과한 경우에는 과분극 (오버 폴 (over pole)) 이 일어나, 압전 단결정 소자의 압전 특성을 열화시킨다. 또한, 과도한 전계에 의해 결정 중의 변형이 증대되어, 압전 단결정 소자에 크랙이 발생하거나 파단이 발생할 우려가 있다.

또한, 분극 시간은 상기의 바람직한 범위 내에서 선택된 분극 처리 온도와 인가 전계에 따라 조정하고, 그 상한을 180 분으로 하는 것이 바람직하다.

또는, 분극 공정은 잘라낸 압전 단결정 소자 재료의 분극 방향 (3) 에, 그 압전 단결정 소자 재료의 퀴리 온도 (Curie temperature; Tc) 보다 높은 온도, 바람직하게는 190 ∼ 220 ℃ 의 온도 범위에서 250 ∼ 500 V/㎜ 의 직류 전계를 인가한 상태에서 실온까지 냉각 (전계 냉각 (electric field cooling)) 시켜도 된다. 퀴리 온도 (Tc) 보다 높은 온도로 함으로써, 전기 쌍극자의 방향을 일단 무질서로 되돌리고, 그 후, 직류 전계를 인가한 상태에서 퀴리 온도 이하로 냉각시킴으로써, 전기 쌍극자의 방향을 가지런히 하기 위해서다. 또한, 상기의 바람직한 인가 전계 범위의 하한값 250 V/㎜ 미만인 경우에는 분극이 불충분하다. 상기의 바람직한 인가 전계 범위의 상한값 500 V/㎜ 를 초과한 경우에는, 과분극 (오버 폴) 이 일어나 압전 단결정 소자의 특성을 열화시킨다. 또한, 과도한 전계에 의해 결정 중의 변형이 증대되어, 압전 단결정 소자에 크랙이 발생하거나 파단이 발생할 우려가 있다. 또한, 냉각 속도는 냉각 중에 소자에 크랙이 발생하지 않는 냉각 속도가 바람직하다.

퀴리 온도 (Tc) 는, 그 이상의 온도가 되면 전기 쌍극자가 각각 무질서한 방향을 향하여 정렬되지 않게 되거나, 그 압전 단결정 소자가 압전성 또는 유전성을 나타내지 않게 되는 전이 온도로, 물질의 구조나 조성에 따라 결정된 값이 된다 (도 5 의 Tc 선을 참조).

또한, 상기 서술한 바는 이 발명의 실시형태의 일례를 나타내는 것에 불과하고, 청구 범위에 있어서 다양한 변경을 부가할 수 있다.

실시예

다음으로, 본 발명에 따른 압전 단결정 소자를 시작 (試作) 하고, 특성을 평가하였으므로 이하에 설명한다.

(실시예 1 및 비교예 1)

실시예 1 은, 73 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 27 ㏖％ 티탄산납 (PT) (조성식 : Pb[(Mg,Nb)_0.73Ti_0.27]O₃, PMN-PT 또는 PMNT) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용하였다. 제조된 압전 단결정 소자 (10A) 의 형상 등을 도 2a 에 나타낸다.

본 발명의 압전 단결정 소자의 제조는, 전술한 제조 방법에 따라 실시하였다. 즉, Pb[(Mg,Nb)_xTi₁ _-x]O₃ (단, x ＝ 0.73) 의 조성이 되도록 조정한 후, 융액 브릿지맨에 의해 단결정 잉곳을 얻었다. 다음으로, 이 단결정 잉곳의 정확한 결정 방위를 전술한 X 선 라우에법 및 X 선 방위 측정기에 의해 결정한 후, 와이어 소로 절단하여, (001) 면을 웨이퍼면으로 하는 두께 1.20 ㎜ 및 0.550 ㎜ 의 2 종류 두께의 원반 형상 웨이퍼를 얻었다. 다음으로, 각각의 원반 형상 웨이퍼로부터 다이싱 소를 사용하여 (001) 면에 거의 직교하는 (010) 면 및 (100) 면을 단면 (端面) 으로 하는 평판 형상 웨이퍼를 잘라낸 후, 래핑 장치 및 폴리싱 장치를 사용하여, 각각의 평판 형상 웨이퍼의 두께가 1.000 ㎜ 및 0.470 ㎜ 가 될 때까지 연삭·연마하였다. 그리고 그 평판 형상 웨이퍼의 (001) 면에, 두께 50 ㎛ 의 블레이드를 장착한 다이싱 소를 사용하여 (010) 면과 평행 (도 2a 중의 화살표 A 방향) 한 홈을 형성하고, 형성된 홈에 왁스 (닛카 세이코 (주) ALKCOWAX819) 를 충전함으로써, 도 2a 에 나타내는 바와 같은 압전 단결정 소자 재료 (10A) 를 제조하였다. 그 후, 제조된 압전 단결정 소자 재료 (10A) 의 상하면에 스퍼터법으로 Cr-Au 피막 (1 층째에 Cr 층 : 두께 약 50 ㎚, 2 층째에 Au 층 : 두께 약 200 ㎚) 을 형성하고, 40 ℃ 의 항온조 (constant-temperature bath) 중에 설치된 분극 장치로 [001] 방향으로 700 V/㎜ 의 전계를 30 분간 인가함으로써 분극시켜, 압전 단결정 소자를 제조하였다. 또한, 본 실시예에서, 압전 단결정 소자는 두께 (T), 홈의 깊이 (t), 홈의 피치 (L) 를 다양하게 변경한 양태로 제조하고, 본 발명의 바람직한 범위 내 (L/T

1.0 및 0.25

t/T

0.5) 인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 그리고 비교예 1 로서 본 발명의 범위 외인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 2 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 2 장의 합계 10 장 제조하였다.

또한, 제조된 압전 단결정 소자의 특성을 평가하는 지표로서, 분극 방향과 평행 방향의 전기 기계 결합 계수에 대해 측정하였다. 실시예 1 에 대한 각 측정값 (홈의 배설 피치 (L), 홈의 폭 (D), 빗부의 폭 (L-D), 홈의 깊이 (t), 홈의 배설 피치와 두께의 비 (L/T), 홈의 깊이와 두께의 비 (t/T), 공진 주파수 (resonant frequency) (fr), 반공진 주파수 (antiresonant frequency) (fa) 및 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수) 을 표 1 에 나타낸다. 또한, 전기 기계 결합 계수는 임피던스·게인·페이즈·애널라이저 (HP 사 제조, 장치 번호 : HP4194A) 를 사용하여 얻어진 분극 방향의 진동 모드의 임피던스 커브와 위상으로부터 이미 알려진 계산식 (전자 재료 공업회 표준 규격 : EMAS-6008, 6100 참조) 에 의해 산출하였다.

(비교예 2)

비교예 2 로서, 도 4 에 나타내는 바와 같이 평판 형상 압전 단결정 소자를 제조하고, 특성에 대해 조사하였다. 상기 방법에 의해 제조된 도 4 에 나타내는 평판 형상 압전 단결정 소자 재료 (10B) 에 대해, 소자면에 홈을 형성하는 공정 및 홈에 절연 재료를 충전하는 공정을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 평판 형상 압전 단결정 소자는 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장의 합계 6 장 제조하고, 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 특성을 측정하였다. 비교예 2 에 대한 각 측정값 (공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa), 전기 기계 결합 계수 (k_t)) 을 표 2 에 나타낸다.

표 1 및 표 2 로부터 이하의 것을 알 수 있다.

표 1 에 나타내는 실시예 1 (No.1 ∼ 6) 의 압전 소자는 모두 전기 기계 결합 계수가 67.1 ∼ 73.0 ％ 로 65 ％ 이상이다. 한편, 표 1 의 비교예 1 (No.7 ∼ 10) 의 압전 단결정 소자 및 표 2 의 비교예 2 의 평판 형상 압전 단결정 소자는, 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수가 55.2 ％ ∼ 58.6 ％ 로 60 ％ 이하로서, 그 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자의 특성으로는 불충분하다는 것을 알 수 있다.

(실시예 2 및 비교예 3)

실시예 2 는, 60 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 40 ㏖％ 티탄산납 (PT) (조성식 : Pb[(Mg,Nb)_0.60Ti_0.40]O₃, PMN-PT 또는 PMNT) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 본 실시예에서, 압전 단결정 소자는 두께 (T), 홈의 깊이 (t), 홈의 피치 (L) 를 다양하게 변경한 양태로 제조하고, 본 발명의 바람직한 범위 내 (L/T

1.0 및 0.25

t/T

0.5) 인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 그리고 비교예 3 으로서 본 발명의 범위 외인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 2 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 2 장의 합계 10 장 제조하였다. 실시예 2 에 대한 각 측정값 (홈의 배설 피치 (L), 홈의 폭 (D), 빗부의 폭 (L-D), 홈의 깊이 (t), 홈의 배설 피치와 두께의 비 (L/T), 홈의 깊이와 두께의 비 (t/T), 공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa) 및 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수) 을 표 3 에 나타낸다.

(비교예 4)

비교예 4 는, 60 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 40 ㏖％ 티탄산납 (PT) (조성식 : Pb[(Mg,Nb)_0.60Ti_0.40]O₃, PMN-PT 또는 PMNT) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용하고, 제조된 평판 형상 압전 단결정 소자 재료에 대해, 소자면에 홈을 형성하는 공정 및 홈에 절연 재료를 충전하는 공정을 실시하지 않은 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 평판 형상 압전 단결정 소자는 1.000㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장의 합계 6 장 제조하고, 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 특성을 측정하였다. 비교예 4 에 대한 각 측정값 (공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa), 전기 기계 결합 계수 (k_t)) 을 표 4 에 나타낸다.

표 3 및 표 4 로부터 이하의 것을 알 수 있다. 표 3 에 나타내는 실시예 3 (No.1 ∼ 6) 의 압전 소자는 모두 전기 기계 결합 계수가 65.7 ∼ 73.2 ％ 로 65 ％ 이상이다. 한편, 표 3 의 비교예 3 (No.7 ∼ 10) 의 압전 단결정 소자 및 표 4 의 비교예 4 의 평판 형상 압전 단결정 소자는, 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수가 55.1 ％ ∼ 57.8 ％ 로 60 ％ 이하로서, 그 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자의 특성으로는 불충분하다는 것을 알 수 있다.

(실시예 3 및 비교예 5)

실시예 3 은, 76 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 24 ㏖％ 티탄산납 (PT) 에 Ca 를 0.5 질량％ 가 되도록 첨가한 (조성식 : Pb(Ca)[(Mg,Nb)_0.76Ti_0.24]O₃) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 본 실시예에서, 압전 단결정 소자는 두께 (T), 홈의 깊이 (t), 홈의 피치 (L) 를 다양하게 변경한 양태로 제조하고, 본 발명의 바람직한 범위 내 (L/T

1.0 및 0.25

t/T

0.5) 인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 그리고 비교예 5 로서 본 발명의 범위 외인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 2 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 2 장의 합계 10 장 제조하였다. 실시예 3 에 대한 각 측정값 (홈의 배설 피치 (L), 홈의 폭 (D), 빗부의 폭 (L-D), 홈의 깊이 (t), 홈의 배설 피치와 두께의 비 (L/T), 홈의 깊이와 두께의 비 (t/T), 공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa) 및 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수) 을 표 5 에 나타낸다. 또한, 그 압전 단결정 잉곳에는 이상 (異相) 인 파이로클로어상의 발생은 관찰되지 않았다.

(비교예 6)

비교예 6 은, 76 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 24 ㏖％ 티탄산납 (PT) 에 Ca 를 0.5 질량％ 가 되도록 첨가한 (조성식 : Pb(Ca)[(Mg,Nb)_0.76Ti_0.24]O₃) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용하고, 제조된 평판 형상 압전 단결정 소자 재료에 대해, 소자면에 홈을 형성하는 공정 및 홈에 절연 재료를 충전하는 공정을 실시하지 않은 것 이외에는, 실시예 3 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 평판 형상 압전 단결정 소자는 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장의 합계 6 장 제조하고, 실시예 3 과 동일한 방법에 의해 특성을 측정하였다. 비교예 6 에 대한 각 측정값 (공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa), 전기 기계 결합 계수 (k_t)) 을 표 6 에 나타낸다. 또한, 그 압전 단결정 잉곳에는 이상인 파이로클로어상의 발생은 관찰되지 않았다.

표 5 및 표 6 으로부터 이하의 것을 알 수 있다. 표 5 에 나타내는 실시예 3 (No.1 ∼ 6) 의 압전 소자는 모두 전기 기계 결합 계수가 68.3 ∼ 73.8 ％ 로 65 ％ 이상이다. 한편, 표 5 의 비교예 5 (No, 7 ∼ 10) 의 압전 단결정 소자 및 표 6 의 비교예 6 의 평판 형상 압전 단결정 소자는, 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수가 56.1 ％ ∼ 59.3 ％ 로 60 ％ 이하로서, 그 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자의 특성으로는 불충분하다는 것을 알 수 있다.

(실시예 4 및 비교예 7)

실시예 4 는, 66 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 66 ㏖％ 인듐니오브산납 (PIN) ＋ 34 ㏖％ 티탄산납 (PT) 에 Ca 를 0.5 질량％ 가 되도록 첨가한 (조성식 : Pb(Ca)[(Mg,Nb,In)_0.66Ti_0.34」O₃) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 본 실시예에서, 압전 단결정 소자는 두께 (T), 홈의 깊이 (t), 홈의 배설 피치 (L) 를 다양하게 변경한 양태로 제조하고, 본 발명의 바람직한 범위 내 (L/T

1.0 및 0.25

t/T

0.5) 인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 그리고 비교예 7 로서 본 발명의 범위 외인 1.000 ㎜ 두께의 샘플 2 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 2 장의 합계 10 장 제조하였다. 실시예 4 에 대한 각 측정값 (홈의 배설 피치 (L), 홈의 폭 (D), 빗부의 폭 (L-D), 홈의 깊이 (t), 홈의 배설 피치와 두께의 비 (L/T), 홈의 깊이와 두께의 비 (t/T), 공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa) 및 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수) 을 표 7 에 나타낸다. 또한, 그 압전 단결정 잉곳에는 이상인 파이로클로어상의 발생은 관찰되지 않았다.

(비교예 8)

비교예 8 은, 66 ㏖％ 마그네슘니오브산납 (PMN) ＋ 66 ㏖％ 인듐니오브산납 (PIN) ＋ 34 ㏖％ 티탄산납 (PT) 에 Ca 를 0.5 질량％ 가 되도록 첨가한 (조성식 : Pb(Ca)[(Mg,Nb)_0.66Ti_0.34]O₃) 의 고용체 단결정을 압전 단결정 소자의 재료로서 사용 하고, 제조된 평판 형상 압전 단결정 소자 재료에 대해, 소자면에 홈을 형성하는 공정 및 홈에 절연 재료를 충전하는 공정을 실시하지 않은 것 이외에는, 실시예 4 와 동일한 방법에 의해 제조하였다. 또한, 평판 형상 압전 단결정 소자는 1.000 ㎜ 두께의 샘플 3 장, 0.470 ㎜ 두께의 샘플 3 장의 합계 6 장 제조하고, 실시예 3 과 동일한 방법에 의해 특성을 측정하였다. 비교예 8 에 대한 각 측정값 (공진 주파수 (fr), 반공진 주파수 (fa), 전기 기계 결합 계수 (k_t)) 을 표 8 에 나타낸다. 또한, 그 압전 단결정 잉곳에는 이상인 파이로클로어상의 발생은 관찰되지 않았다.

표 7 및 표 8 로부터 이하의 것을 알 수 있다. 표 7 에 나타내는 실시예 5 (No.1 ∼ 6) 의 압전 소자는 모두 전기 기계 결합 계수가 66.3 ∼ 73.5 ％ 로 65 ％ 이상이다. 한편, 표 7 의 비교예 7 (No.7 ∼ 10) 의 압전 단결정 소자 및 표 8 의 비교예 8 의 평판 형상 압전 단결정 소자는, 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수가 55.7 ％ ∼ 58.6 ％ 로 60 ％ 이하로서, 그 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 소자의 특성으로는 불충분하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 분극 방향에 평행한 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 단결정에 있어서, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 배설 피치로 형성함으로써, 종래의 평판 형상 압전 단결 정 소자의 분극 방향에 평행한 전기 기계 결합 계수 (k_t) 에 비해 양호한 전기 기계 결합 계수를 간편하게 얻을 수 있는 압전 단결정 소자의 제공이 가능한 것을 알아냈다.

Claims

분극 방향의 진동 모드를 이용하는 압전 단결정 소자에 있어서, 분극 방향을 법선 방향으로 하는 소자면의 어느 일방에, 그 소자면에 대하여 실질상 수직 방향으로 연장되는 깊이를 갖고, 또한 절연 재료로 충전된 복수 개의 홈을 소정의 피치로 형성한 빗 형상 구조를 가짐으로써, 분극 방향과 평행한 방향의 전기 기계 결합 계수가 65 ％ 이상인 압전 단결정 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 홈의 배설 피치는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께의 1.0 배 이하이고, 또한 상기 홈의 깊이는, 압전 단결정 소자의 분극 방향 두께의 0.25 ∼ 0.5 배인 압전 단결정 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 압전 단결정 소자가, xPb(A1, A2, …, B1, B2, …)O₃ ＋ (1 － x)PbTiO₃ (단, x 는 몰분율이고, 0 ＜ x ＜ 1 로 한다) 으로 이루어지는 고용체로서, A1, A2, … 는, Zn, Mg, Ni, Cd, In, Y 및 Sc 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소이고, B1, B2, … 는, Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소이고, 복합 페로브스카이트 구조를 갖는 압전 단결정 소 자.
제 3 항에 있어서,

상기 압전 단결정 소자가, 추가로 상기 고용체에 Cr, Mn, Fe, Co, Al, Li, Ca, Sr, Ba 로 이루어지는 군에서 선택된 1 또는 복수의 원소를 0.5 질량ppm ∼ 5 질량％ 함유하는 압전 단결정 소자.