横向的振动模式的机电偶合系数k31，例如，如图1所示，对于长 宽比(aspect ratio)a/b为2.5以上的矩形板(a/b≥2.5、a＞＞L、b＞＞L) 来说，与在极化方向3施加电压时的极化方向3正交的方向1的振动 (横向振动)大小有关的电能和机械能的转换效率的平方根成比例， 该数值越大表明效率越好。压电单晶元件除所述矩形板之外，还可以 是方形板、圆形板、棒状体等形状，无论何种形状都可以同样地求出 机电偶合系数k31。
作为构成所述压电单晶元件的材料，现在广泛使用的是如 T.Ogawa，M.Matsushita，Y.Tachi and K.Echizenya，”Program Summary and Extended Abstracts of the 10th US-Japan Se分ar on Dielectric and Piezoelectric 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，所述 Ogawa等的文献中记载的锆钛酸铅(PZT)，其机电偶合系数k31为约 30％。
为得到比上已述及的PZT高的k31，例如，特开平11-171644号公 报上公开了以x(Pb2Me2O7)1/2·(1-x)[Pb(Zr1-yTiy)O3]为主成分， 添加有作为副成分的Cr和Si的压电陶瓷组合物(piezoelectric porcelain composition)，但是特开平11-171644号公报上公开的压电陶瓷组合物 的机电偶合系数k31为40％以下。
再者，在Jpn.J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)中公开了以 0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3单晶的[001]方向为极化方向，测定 [100]方向或[010]方向的横向振动模式k31的压电特性等，其机电偶合系 数k31为59％。

本发明的目的在于，提供一种通过恰当地控制极化方向3和压电 元件端面T的法线方向1，能够稳定地得到机电偶合系数k31为60％以 上的压电单晶元件及其制造方法。
为实现所述目的，本发明的要旨如下：
1.一种压电单晶元件，其中，在以极化方向作为假立方晶系的[110] 轴时，压电元件端面的法线方向包含与极化方向大致正交的方向即[001] 轴且在该[001]轴±35°的立体角的角度范围内，与极化方向正交的方向 即横向的振动模式的机电偶合系数k31为60％以上。
2.上述1所述的压电单晶元件，其中，所述压电单晶元件包括压 电单晶材料，其为由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X是指设Mg、Nb 及Ti的总摩尔分数为1时Ti的摩尔分数)组成的固溶体，所述X满 足式0.1＜X＜0.35，且具有复合钙钛矿结构。
这里所谓的“假立方晶系”是指立方晶系(cubic system)及另外 的3个结晶学上(crystallographically)的轴构成的角度在90°±1°以内 的菱形晶系或是菱形晶系(rhombohedral system)与正方晶系(tetragonal system)混合的晶体。
所谓“钙钛矿结构”是指，固溶体单晶的单元晶格如图2示意表 示，R离子位于单元晶格的顶点，氧离子位于单元晶格的面心，M离 子位于单元晶格的体心这样的结构(RMO3)。而本发明中作为对象的 所谓的“复合钙钛矿结构”，是指位于图2的体心位置的M离子不是 一种元素离子，而是包括2种以上的多个元素离子。本发明的[001]轴 可以取该钙钛矿结构的单元晶格的一边的任意方向。
3.如上述2所述的压电单晶元件，其中，所述固溶体内进一步含 有0.05mol％～30mol％的In。
4.一种制造如上述1～3中任一项所述的压电单晶元件的方法， 其具有主极化处理：
在从单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元件的处理前 后，在单晶锭、切出的单晶块或者切出的单晶元件的应该极化的方向 即[110]方向上在预定的条件下施加电场进行极化。
5.如上述4所述的压电单晶元件的制造方法中，具有
主极化处理，在所述单晶锭或所述单晶块的[110]方向上在预定的 条件下施加电场进行极化，和
切出处理，从所述单晶锭或所述单晶块在预定的方向上切出预定 形状的单晶元件。
6.如上述4或5所述的压电单晶元件的制造方法，其中，所述主 极化处理是如下的处理：
在所述单晶锭或所述单晶块的[110]方向上，在20～200℃的温度 范围下施加350～1500V/mm的直流电场的处理，或者
在比所述单晶锭的居里温度(Tc)高的温度下施加250～500V/mm 的直流电场，然后在施加该电场的同时冷却到室温的处理。
7.如上述4所述的压电单晶元件的制造方法，具有
切出处理，从所述单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元 件，和
主极化处理，在所述单晶元件的[110]方向上在预定的条件下施加 电场进行极化。
8.如上述4或7中任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其中， 所述主极化处理具有
在所述单晶元件的[110]方向上，在20～200℃的温度范围下施加 350～1500V/mm的直流电场的处理；或者
在比所述单晶元件的居里温度(Tc)高的温度下施加250～ 500V/mm的直流电场，然后在施加该电场的同时冷却到室温的处理。
9.如上述4～8中任一项所述的压电单晶元件的制造方法，其中， 在所述主极化处理的前或后，还具有在与极化方向正交的方向上施加 电场进行极化的辅助极化处理。
在与极化方向3正交的方向1施加的电场的种类有直流电场、脉 冲电场、交流电场，以及它们的定常电场，还有衰减电场，电场的强 与极化方向3正交的方向1的机电偶合系数k31的期望值都有适当条件。 这些条件可通过实验等确定。所述的脉冲电场除方形波之外，还可以 使用交流三角形波等单极或双极脉冲。
依照本发明，积极地与极化方向3正交的方向1(横向振动模式) 的机电偶合系数k31，可以制造出例如用于磁头(magnetic head)的精 确定位用激励器(accurate positioning actuator)、压电陀螺仪元件 (piezoelectric gyro device)、数码相机(digital still camera)的防抖传 感器(image stabilizer)、心脏起搏器用传感器(cardiac pacemaker sensor) 等用途的压电单晶元件。
附图说明
图1是表示按照本发明的压电单晶元件的方位和形状的立体图， 用极化时的状态表示。
图2是表示钙钛矿结构(RMO3)的示意立体图。
图3是表示利用按照本发明的压电单晶元件的横向振动模式的各 种端面形状的图。
图4是PMN-PT(PMNT)的相图。
图5是双极三角形波脉冲的波形图。
图6是对单晶施加直流电场时的说明图。
图7A是表示利用与极化方向3的[110]方向大致正交的[001]方向 (横向振动模式)的机电偶合系数k31的压电单晶元件的适合端面T的 法线方向1的图。
图7B是用于说明压电元件端面10c(或T)的法线方向在0～90° 的范围内从单晶晶片切出各种单晶元件的方向的图。
符号说明
10     压电单晶
10a    压电单晶元件的顶面(或电极面)
10b    压电单晶元件的底面(或电极面)
T或10c 利用压电单晶元件的横向振动模式的端面
11     单晶晶片
a      单晶元件的横向(横向振动的方向1)尺寸
b      单晶元件的端面(深度(方向2))尺寸
b’    单晶元件的凸状端面
b”    单晶元件的凹状端面
L      单晶元件的纵向(极化方向3)尺寸
V      直流电压
E      电场
1    元件端面的法线方向(横向振动方向)
3    极化方向(纵振动方向)

下面，对本发明的压电单晶元件的限定理由进行说明。
(1)极化方向3与压电单晶元件端面T的法线方向1的关系：
如图7所示，在以极化方向3为假立方晶系的[110]轴时，压电元 件端面T的法线方向1位于包含与极化方向3大致正交的方向即[001] 轴并在该[110]轴±35°的圆锥状的立体角内。在此，这些压电单晶元件 的最宽面的法线方向n，如图7A所示，位于包含极化方向的[110]轴的 在该[110]轴±35°的圆锥状的立体角内。
将压电元件端面T的法线方向1限制在这个角度范围内的理由如 下考虑。压电元件端面T的法线方向1包含与极化方向3大致正交的 方向即[001]轴且在该[001]轴±35°的角度范围内，由于[001]轴方向即横 向的振动不会分散到[001]轴方向之外，所以该[001]方向的横向振动模 式的能量不减少而是维持，可以得到60％以上的机电偶合系数k31。但 是，压电元件端面T的法线方向1在[001]轴±35°的角度范围外时， (011)面的法线方向的[011]轴或(101)面的法线方向的[101]轴与该 压电元件的主面(宽面)即(110)面的法线方向形成60°的角度而存 在，于是，[001]轴方向的横向的振动就分散到[001]轴方向和[011]轴方 向2个方向、或分散到[001]轴方向和[101]轴方向2个方向。这意味着 该[001]方向的横向振动模式的能量减少。其结果是不能得到60％以上 的机电偶合系数k31。
(2)单晶元件的组成和结构：
本发明的压电单结晶元件例如是由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X 是指设Mg、Nb及Ti的总摩尔分数为1时Ti的摩尔分数)组成的固溶 体，所述X满足式0.1＜X＜0.35，且具有复合钙钛矿结构。更优选的是 0.2＜X＜0.33。如果所述摩尔分数X为0.1以下，则该固溶体的构成成分 之一的钛酸铅(PT)的组成比过低，从而致使作为固溶体的压电特性 劣化。其结果是横向振动模式的机电偶合系数k31可能达不到60％以上， 而如果所述摩尔分数X为0.35以上，则晶体构造从假立方晶系相变到 正方晶系。其结果是，由于在晶体中存在的自行极化的方向发生变化， 所以得不到本发明的结构，无法得到高的k31。
镁铌酸铅Pb(Mg，Nb)O3中Mg和Nb的比Mg/Nb的摩尔比如果在 0.45～0.54范围，则可维持复合钙钛矿结构，因此在本发明的范围内。
本发明的晶体结构如图2所示，为Pb离子位于单元晶格的顶点上， 氧离子位于单元晶格的面心，Mg、Nb及Ti等M离子位于单元晶格体 心的复合钙钛矿结构(MRO3)。
作为本发明的另外的压电元件，在镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT) 内优选含有0.05～30mol％的铟In，也可以使用铟镁铌酸铅-钛酸铅 (PIMN-PT)。由于铟(In)的离子半径比镁(Mg)大而比铌(Nb) 小，所以缓和处于钙钛矿结构的单元晶格的体心位置的铌(Nb)与镁 (Mg)的离子半径的差异引起的晶格应变，从而具有单晶生长时不易 产生破裂及压电元件加工时不易产生碎屑的作用。因此，在本发明中， 为了发挥所述作用，必须添加0.05mol％以上的铟，但添加超过30mol％ 时，则会提高结晶生长时的熔点，使制造时的工序管理变得困难，因 而是不优选的。
另外，在必须增加相对介电常数ετ的情况下，在所述压电单晶元 件的组成中也可以进一步以各自的含量0.5molppm至5mol％添加Sb、 La、W、Ta之中的一种或多种元素。另外，在必须增加机械品质因数 Qm的情况下，也可以在所述压电单晶元件的组成中进一步以各自的含 量0.5molppm-5mol％添加Mn和Cr中的一种或两种。
另外，Al、Li有助于单晶的稳定生长。为了得到所述效果，优选 添加Al、Li的一种以上，合计0.05mol％以上。
这些原子(Sb、La、W、Ta、Mn、Cr、Al、Li)配置于单元晶格 的体心位置或晶格间的位置。以合计计算，超过5mol％的添加，难以 得到单晶，有可能形成多晶。(2)晶格中0.05-10mol％的铅与钙置换：
在原料中添加了氧化钙时，在单晶生长过程中，氧化钙当中的钙 (Ca)作为一种置换原子，配置在由铅类钙钛矿结构化合物(镁铌酸 铅和钛酸铅、铟铌酸铅)的固溶体构成的晶格中的铅(Pb)的位置(图 2的R离子)的一部分上，具有抑制高温下氧化铅蒸发的作用。由于这 种Ca的作用，能够抑制烧绿石相的生成，其结果是容易生成所期望的 复合钙钛矿结构的单晶。在本发明中，为了发挥所述Ca的作用，钙必 须置换0.05mol％以上，但超过10mol％的置换又对单晶的生长造成困 难。因此，优选的是，晶格中0.05-10mol％的铅与钙置换。更优选 0.05-5mol％的铅与钙置换。
为了使单晶锭的组合物中(晶格中)0.05-10mol％的铅与钙置换， 必须考虑单晶生长中钙的蒸发量，而添加钙。添加钙的方法无特别规 定。例如，可以使用钙置换的镁铌酸铅及钙置换的锌铌酸铅或者钙置 换的钛酸铅，或者也可以用将氧化钙及碳酸钙添加到原料的方法。
(3)其他杂质
另外，在压电单晶的制造过程中，Fe、Pt、Au、Pd、Rh等杂质有 可能从原料及坩埚混入，由于这些杂质妨碍单晶的生成，所以优选的 是将这些杂质总量控制在0.5mol％以下。
(4)压电单晶元件的形状
本发明中作为对象的“压电单晶元件”的形状优选如图1所示的 长方形板，以有效提高与极化方向3大致正交的方向1(横向振动模式) 的机电偶合系数k31。特别是，优选的元件形状是长宽比：a/b为2.5以 上的长方形板，进一步优选长宽比：a/b为3以上的长方形板。本发明 的长方形板的两端部(短边b)的形状根据用途，如图3所示可以凸状 弯曲b’(虚线)或凹状弯曲b”(点划线)。还可以是a＝b的方形板。 本发明提到的压电元件端面T，在如图3所示的平面视图上用与长边a 成直角的短边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。
其次，对本发明的压电单晶元件的适当制造方法进行说明。
本发明的压电单晶元件的制造方法是具有主极化处理和切出处理 的制造方法，其中，主极化处理是在所述单晶锭或单晶锭的[110]方向 上在预定的条件下对单晶元件施加电场进行极化的处理，切出处理是 从所述单晶锭在预定的方向上切出预定形状的单晶元件的处理。
另外，本发明的压电单晶元件的其他的制造方法具有切出处理和 主极化处理，其中切出处理是从所述单晶锭在预定方向上切出预定形 状的单晶元件的处理，主极化处理是在所述单晶元件的[110]方向上在 预定的条件下对单晶元件施加电场进行极化的处理。
另外，此处的单晶块指的是用钢锯丝等从单晶锭切成块状所得的 材料。在难以从单晶锭的形状进行极化处理时，切成容易进行极化处 理的单晶块形状进行极化处理。
下面，对在各个工序中限定本发明的制造方法的理由进行说明。
(1)单晶锭的制造：
一种作为由Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3组成的固溶体，其中，所述X满 足式0.1＜X＜0.35的单晶，或者在所述组成中进一步添加0.05～30mol％ 的In、添加0.5molppm～5mol％的Mn、Cr、Sb、W、Al、La、Li、Ta 中的一种或多种元素的组成，或者在所述组合物中进一步将铅的0.05～ 10mol％与钙置换的组成的单晶锭，一种方法是将调整为所述组成的原 料溶解在助溶剂中之后，使其降温凝固的方法，另一个方法是加热到 熔点以上熔解之后，通过在一个方向上凝固得到单晶的方法。前一种 方法有溶液布里奇曼(Bridgman)法，或TSSG法(Top Seeded solution Growth)等，后一种方法有熔融布里奇曼法、CZ法(Czochralski法) 等，在本发明中不作特别限定。
(2)单晶锭的结晶学方位的确定：
利用劳厄X射线衍射法大致确定单晶锭的[110]轴方位，同时大致 确定与[110]轴方位正交的[001]轴方位及[1-10]轴方位，在于，本发明的 [001]轴也可以取该钙钛矿结构的单元晶格1边的任一方向。
另外，对与[110]轴、[1-10]轴及[001]轴等任一结晶轴正交的结晶 学面{110}面及{100}面进行抛光，使用X射线方位测定仪(X-ray direction finder)等确定准确的方位，对所述的抛光面的偏移进行修正。
(3)粗切割(适当厚度的晶片及锭的制作)：
与所述的单晶锭的抛光面{110}面或{100}面平行或正交，用钢锯 丝(wire saw)或内圆刀片切割机(inner diamond saw)等切割机对单 晶锭进行切割，得到适当厚度的板材(晶片)及锭，还有，在切割之 后，根据需要也可以包含用腐蚀液进行化学腐蚀的工序。
(4)抛光(预定厚度的晶片制作)：
用精研机(lapping machine)、抛光机(polishing machine)等研 削机或抛光机对所述的晶片进行研削或抛光，得到预定厚度的晶片。 另外，在抛光之后，根据需要也可以包含用腐蚀液进行化学腐蚀的工 序。
(5)单晶元件的制作：
所述的晶片在晶片面(最宽的面)具有[110]面。从该晶片使用切 块机(dicing saw)及切削机(cutting saw)等精密切割机进行切削制 作预定形状的单晶元件，使得元件端面T的法线方向1包含[001]轴且 在该[001]轴±35°的立体角的角度范围内。另外，也有使用切块机及切 削机等精密切割机切割，按元件的尺寸直接切出和制作所述块的情况。
(6)电极的制作：
在主极化处理或进而在辅助极化处理中，需要预先制作为施加电 场而需要的电极。
主极化处理之前，在与制作出的单晶元件相对的(110)面以及 (-1-10)面即上下面上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第一层Cr层：厚 约50nm、第二层Au层：厚约100～200nm)，用等离子蒸镀法形成金 被膜、或者用丝网印刷法形成银被膜之后，进行烧结，制作电极。
另外，在辅助极化处理之前，在垂直于辅助极化方向的相对的2 个的面上，使用与所述相同的方法形成电极。
在辅助极化处理之后进行主极化处理的情况下，或者在主极化处 理之后进行辅助极化处理的情况下，由于如果残留先前极化处理使用 过的电极，则会使后续的极化处理不稳定，所以必须用合适的化学腐 蚀液或用酸彻底地清除电极。
(7)主极化处理：
从生长后的单晶锭切出的单晶在未改变状态下，在极化方向3以 及与之正交的方向上，由于由相同方向的电偶极(electric dipole)的集 合组成的域内的电偶极的方向在每个域内指向各种方向，所以其不显 示压电性，处于未极化状态。
因此，必须进行极化，在本发明的组成的压电元件中，优选在单 晶锭原样或切割成块状的单晶，或者切出的单晶元件的极化方向3上， 在20～200℃的温度范围下施加350～1500V/mm的直流电场。即，当 极化温度不足20℃及电场不足350V/mm时，出现极化不充分的情况， 但极化温度超过200℃及电场超过1500V/mm时，引起过度极化，出 现压电单晶元件的压电特性劣化的情况。另外，由于过度的电场，晶 体中的应变增大，可能在压电元件内发生破裂。
极化时间根据所述的合适范围内选择的极化处理温度和施加电场 进行调整，优选其上限为180分钟。
另外，在极化方向3上，比该单晶元件的居里温度(Curie temperature)Tc(如图4的Tc线)高的温度，优选在170～200℃的温 度范围下施加250～500V/mm的直流电场，然后在施加该电场的同时 冷却至到温(电场冷却(electric ield cooling))。通过设定高于居里 温度的温度，从而电偶极的存在一次消除，然后，通过在施加电场的 情况下冷却到居里温度以下，使电偶极的方向更规则地排列。在居里 温度以下的低温时，由于一部分中残留电偶极，因此极化不充分。另 外，电场不满250V/mm时，造成极化不充分，当电场超过500V/mm 时，容易造成过极化(过极化(over pole)。另外，优选的冷却速度是 冷却过程中元件不产生破裂。
居里温度Tc是，如果升到在其之上的温度，则电偶极不是各自朝 无秩序的方向排列，且不是表示压电性或铁电性的转变温度。这取决 于组成及物质的结构(参考图4的Tc线)。
(8)辅助极化处理：
所述的主极化处理是进行压电单晶元件的主要极化的处理，但在 该主极化处理的实施前或实施后，在与所述的极化方向3正交的方向 优选横向振动方向1上施加电场，控制与所述极化方向3正交的方向 的铁电域的排列状态的辅助极化处理也是有效的。
在与所述的极化方向3正交的方向上施加的电场的种类有，直流 电场(direct current electric field)、脉冲电场(pulse electric field)、 交流电场(alternating current electric field)，它们的定常电场，另外还 有衰减电场(attenuation electric field)等，电场的强度及施加时间和温 度条件等，根据每个压电单晶元件的特性及其与极化方向3正交的方 向的机电偶合系数k31的所期望的值有恰当的条件，这些都可以通过实 验确定。为了得到辅助极化的效果，优选：辅助极化处理温度为25℃～ 相转变温度(如图4所示的Trt线)以下，施加电场范围为350～ 1500V/mm。极化时间根据从所述范围内选出的极化处理温度和施加电 场进行调整，特别优选10分钟～2小时之间。
另外，作为所述的脉冲电场，除方形波以外，还可以使用如图5 所示的交流三角形波等单极和双极脉冲。
实施例1
使用的由镁铌酸铅(PMN)+钛酸铅(PT)(PMN-PT)(组成式： Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X＝0.26))的压电单晶材料10制成的压 电单晶元件10(居里温度Tc＝138℃，元件形状：13mm长×4mm宽× 0.36mm厚)的形状等如图6所示。
该压电单晶元件10的制造是按下述方法进行的。在调整到 Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3(其中，X＝0.26)的组成后，通过所述的熔融布里 奇曼法，得到了单晶锭。然后，确定该单晶锭的准确的结晶学方位， 进行抛光，与该抛光面即(110)面平行地用钢锯丝切断单晶锭，得到 了0.5mm厚的板材。将该板材用抛光机抛光，得到0.36mm厚的晶片。 使用切块机将该晶片切削制作成元件形状：13mm长×4mm宽× 0.36mm厚的形状。
此时，以极化方向3为假立方晶系的[110]轴，变化压电元件的端 面10c(或T)的方位(更严格说是端面的法线方向1)，为了调查此 时横向振动模式的机电偶合系数k31，如图7B所示，横向振动模式利 用的压电元件的端面方向的法线方向1从0°([001]方向)到90°每5° 进行变化，使用切块机进行了切削。在制作出的单晶元件的相对的上 下面10a以及10b上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第一层Cr层：厚约 50nm、第二层Au层：厚约100～200nm)制作出了金电极。然后在25℃ 的大气环境下使用施加700V/mm的直流电场60分钟的极化法在与图 7B的纸面垂直的方向([110]方向)上进行极化，做成压电单晶元件， 然后，通过现有的计算公式(参照电子材料工业会标准规格： EMAS-6008，6100)计算出了与该横向振动模式相关的机电偶合系数 k31。该测定结果如表1所示。
此处，选择相对于与极化方向正交的面内(在图7B上，纸面，严 格讲是包含与极化方向3正交的[001]轴及[1-10]轴的晶体平面内)的 [001]轴方向为0°至90°的范围，由于立方晶系的对称性，因此是为了得 到与极化方向3正交的所述晶体平面内的所有的方向相关的信息的所 必需且充分的角度范围。为了参考，把用作为现有例的锆酸钛酸铅 (Pb(Zr，Ti)O3)烧结体制作出的压电元件的机电偶合系数k31一并记入 表1。PZT是烧结体，不象此处所示的压电单晶那样具有与结晶方位相 伴的各向异性，所以与横向振动模式相关的机电偶合系数k31与端面10c (或T)的法线方向1无关，在全结晶方位都是相同的值。
从表1所示的结果得知，当在包含与极化方向3正交的面内的[001] 轴(0°)且在0～35°(与由于晶体(假立方晶系)的对称性的-35°～ 35°的范围同等)的角度范围内时，机电耦合系数k31显示60％以上， 其作为横向利用的元件是合适的。
再者，在所述[001]轴(0°)±35°的角度范围内，不以5°分割 角度，进而对于其间的角度也测定k31，其结果表明，在该范围内，机 电耦合系数k31也总是达到60％以上。在所述实施例中，以单晶板的[110] 方向作为极化方向3，在与13mm×4mm×0.36mm的压电单晶元件的 最大面积的面的[110]方向正交的(110)面内确认了合适的方位，与如 图7所示的端面T的法线方向1在[001]轴±35°的立体角度范围内的 (110)面正交的(1-10)面上的[001]轴±15°的压电单晶元件中，k31 达到65％。
另外，对于铟镁铌酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)， 也用与所述同样的方法制作压电单晶元件，在所述同样的实验条件下 测定了其机电耦合系数k31，如表1所示，也可以确认，得到了几乎与 74PMN-26PT同样高的机电耦合系数k31。其中铟的含量是20mol％。
实施例2
其次，作为压电单晶材料，用与实施例1同样的方法制作如表2 所示的Ti摩尔分数不同的Pb[(Mg，Nb)1-XTiX]O3的各压电单晶材料 No.1～9，并用与实施例1同样的方法计算出了机电耦合系数k31。其结 果如表2所示。表2所示的机电耦合系数k31的数值是对各压电单晶材 料来说其样品数n＝5的情况下的平均值。用钢丝锯切出制作了元件形 状：13mm长×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料，使得压电单晶元 件的方位，与实施例1同样，压电元件端面T的法线方向1相对于[001] 轴为0°。
从表2的结果得知，Ti的摩尔分数X满足式：0.1＜X＜0.35的本发 明例，其机电耦合系数k31在63.0～87.7％。因此本发明的各元件材料 都可以稳定实现60％以上的高值。
另一方面，Ti的摩尔分数X是0.1以下的比较例No.1，其机电耦 合系数k31是54.8％，而Ti的摩尔分数X是0.35以上的比较例No.9， 其晶体结构不是假立方晶系而是正方晶系，k31小到不足20％。
实施例3
然后，对制造适合横向振动模式利用的压电单晶元件的适当极化 处理方法进行说明。对在各种极化处理条件下制造出的压电单晶元件 10的横向振动模式的机电耦合系数k31进行了测定，结果如表3所示。 另外，压电单晶元件的制造方法与元件的尺寸以及试验条件都与实施 例1相同。压电元件的组成使用了与实施例1相同组成的元件。其测 定结果如表3所示。另外，用钢丝锯切出制作出了元件形状：13mm长 ×4mm宽×0.36mm厚的单晶元件材料，使得压电单晶元件的方位，与 实施例1相同，压电元件端面T的法线方向1相对于[001]轴为0°。
表3的(1)～(7)是以在30分钟到180分钟的范围在温度范围 25～60°下施加350～1500V/mm的直流电场的极化处理条件下制作出 压电单晶元件的情况。在该情况下，对于镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT) (Ti的摩尔分数X：26mol％)来说，适合横向振动模式利用的晶体的 机电耦合系数k31是68.2～87.7％，都在60％以上。
另外，对于铟镁铌酸铅(PIMN)+钛酸铅(PT)(PIMN-PT)， 也用与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)同样的制造方法制作压电单晶 元件，在与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)同样的试验条件下，测定 机电耦合系数k31，如表3的(1)～(7)所示，在25～60°的温度范 围、350～1500V/mm的直流电场这一条件下，得到了机电耦合系数k31 高的压电单晶元件。这样一来，在镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT) (Ti的摩尔分数X：28mol％)中在适当的范围内含有In(20mol％)组 成的压电单晶元件中，都能够得到与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT) (Ti的摩尔分数X：26mol％)同样的结果。
另外，极化的温度范围和电场范围在所述的最佳范围之外的情况 下也在本发明的范围内，但是设压电单晶的极化处理温度为25°，设 外加电场为低于本发明范围的最佳范围下限值的320V/mm的情况下的 k31，对于发明例的74PMN-26PT和72PIMN-28PT元件来说，k31有时 不到60％。
再者，设压电单晶元件的温度为40°，设外加电场为超过本发明 范围的最佳范围上限值的1700V/mm的情况下，对于发明例的 74PMN-26PT和72PIMN-28PT元件来说，k31有时不到60％。而且，施 加过程中或施加刚刚结束时也存在压电单晶元件中产生破裂的例子。
另外，将适合发明例的74PMN-26PT元件和72PIMN-28PT元件的 横向振动模式利用的晶体在图4所示的居里温度Tc以上的200°(本 发明范围)的硅油中，施加400V/mm的直流电场，根据施加电场调整 极化时间的结果如表3的No.8所示。在发明例的74PMN-26PT元件和 72PIMN-28PT元件都在本发明的极化条件的合适范围内得到了高的 k31。这表明，在施加电场的同时进行冷却的方法是行之有效的。
另外，如果施加电场不足250V/mm，则存在发明例的74PMN-26PT 元件和72PIMN-28PT元件的机电耦合系数k31低于60％的情况。另一 方面，如果施加电场超过500V/mm，则也存在机电耦合系数k31不足 60％的情况。另外，在施加电场600V/mm条件下，还存在施加过程中 或施加刚刚结束时压电单晶元件中产生破裂的情况。
如上所述，发明例的74PMN-26PT元件和72PIMN-28PT元件在本 发明的极化条件的合适范围内，都稳定地得到了良好的机电耦合系数 k31值。
实施例4
下面，对制造在横向振动模式的利用中适合的压电单晶元件的适 当辅助极化条件进行说明。在各种辅助极化处理条件下制造出了压电 单晶元件，对其横向振动模式的机电耦合系数k31进行了测定，结果如 表4所示。另外，压电单晶元件的制造方法与元件的尺寸以及试验条 件都与实施例1相同。另外，压电元件的组成使用了与实施例1相同 组成的元件。用钢丝锯进行切削制作出了元件形状：13mm长×4mm 宽×0.36mm厚的单晶元件材料，使得压电元件端面10c的法线方向1 相对于[001]轴为15°。
利用与实施例1相同的方法制造出来的适合横向振动模式利用的 晶体，在其两端面10c上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第一层Cr层： 厚约50nm、第二层Au层：厚约100～200nm)制作电极，将辅助极化 处理温度定在25～40°，施加320～1700V/mm的直流电场的时间为 10分钟～150分钟，进行了辅助极化处理。然后，将所述电极用化学 腐蚀液或/和酸进行彻底溶解去除之后，在单晶元件材料10的相对上下 面10a以及10b上，用溅射法形成Cr-Au被膜(第一层Cr层：厚约 50nm、第二层Au层：厚约100～200nm)制作电极，然后，作为主极 化处理，在25℃的大气环境下施加700V/mm的直流电场60分钟。测 定的机电耦合系数k31的结果如表4所示。表4的(1)～(5)，是在 25～40°的温度范围下施加350～1500V/mm的直流电场10分钟到120 分钟的范围这一辅助极化处理条件下制作出单晶元件的情况。
在该情况下，镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti的摩尔分数X： 26mol％)的机电耦合系数k31与表4的(9)所示的未进行辅助极化处 理的情况相比较，得到了更高的机电耦合系数k31。另外，在主极化工 序之后，在与所述(2)相同条件下进行辅助处理的(6)的情况也达 到87.3％，得到了高机电耦合系数k31。
另外，在主极化工序前后施加了图5所示的双极三角形脉冲电场 10分钟的情况也如表4的(7)和(8)所示，得到了高机电耦合系数 k31。
另外，对于在镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)(Ti的摩尔分数X： 28mol％)中在适当的范围内含有In(20mol％)组成的压电单晶元件来 说，用与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的制造方法制造压电单 晶元件，在与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT)相同的试验条件下测定 机电耦合系数k31，如表4的(1)～(8)所示，在适合横向振动模式 的利用的晶体中，在主极化处理的前后进行的辅助极化处理条件为 25～40℃的温度范围下、用350～1500V/mm的直流电场或双极三角形 波脉冲电场进行的施加电场处理中，与镁铌酸铅(PMN)-钛酸铅(PT) 一样，提高了机电耦合系数k31。
另一方面，在将压电单晶元件的辅助极化处理温度设为25°、将 施加电场设为低于本发明的适当范围的下限值的320V/mm时，在本发 明例的74PMN-26PT元件和72PIMN-28PT元件中，机电耦合系数k31 有时达不到60％。另外，设用与实施例1相同的方法制造的压电单晶 材料的温度为40°，设施加电场为超过本发明的适当范围的上限值的 1700V/mm时，在本发明例的74PMN-26PT元件和72PIMN-28PT元件 中，机电耦合系数k31有时达不到60％。再者，也存在压电单晶元件中 产生破裂的情况。
产业实用性
根据本发明可知，可以制造积极地利用与极化方向正交的方向(横 向振动模式)的机电耦合系数k31的例如用于磁头的精确定位用促动器、 压电陀螺仪元件、数码相机的防抖传感器、心脏起搏器用传感器等用 途的压电单晶元件(器件)。
表1

表2

表3

表4

(注)实施例1(表1)的角度：15°，Ti：26mol％的试样的数值。