(57)【要約】  【課題】本発明は、切断工程において、ドメインが発生しにくい切断方法を提供し、これを用いた機能を十分に発揮することのできる超音波振動子、および超音波プローブを提供することにある。  【解決手段】  本発明は、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単結晶から切り出した板状の基板に対して、前記基板を棒状または格子状にダイシングする工程において、そのダイシング方向が前記Y軸と平行でないことを特徴とするKNｂO3単結晶基板の切断方法である。また、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 単結晶で厚み縦振動モードを利用する超音波振動子において、前記振動子の単結晶部分の端面が前記Y軸と平行でないことを特徴とする超音波振動子である。  【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【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ＫＮｂＯ3単結晶から切り出した板状の基板に対して、前記基板を棒状または格子状にダイシングする工程において、そのダイシング方向が前記Y軸と平行でないことを特徴とするKNｂO3単結晶基板の切断方法。
【請求項２】
ダイシング方向が前記基板に対して発生しうるドメインと平行であることを特徴とする請求項１に記載のKNｂO3単結晶基板の切断方法。
【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ＫＮｂＯ3 単結晶で厚み縦振動モードを利用する超音波振動子において、前記振動子の単結晶部分の端面が前記Y軸と平行でないことを特徴とする超音波振動子。
【請求項４】
前記振動子の単結晶部分の端面が発生しうるドメインと平行であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子。
【請求項５】
請求項３または４に記載の超音波振動子を備えた超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、超音波振動子、超音波プローブ、およびそれらの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【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。
【０００４】
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。
【０００５】
これらの問題を解決する材料として、KNｂO3単結晶が注目されている（特許文献１）。      
【０００６】
特許文献１によれば、
(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ＫＮｂＯ3 圧電素子、
(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ＫＮｂＯ3 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、
(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ＫＮｂＯ3 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ＫＮｂＯ3 圧電素子、
(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ＫＮｂＯ3 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４通りの切断方位、振動モードにおいて、従来の圧電素子と匹敵、あるいは超越した特性が得られることが報告されている。
【０００７】
実際にこれらの圧電素子を利用する形態として、図1に示す超音波振動子や超音波プローブなどがある(非特許文献１)。パッキング材４の上に電極１が形成された単結晶基板４が置かれ、音響レンズ５が形成されている。
【０００８】
超音波振動子や超音波プローブとしてKNｂO3単結晶を利用するためには、KNｂO3単結晶から板状の基板を作製し、これらを棒状、または格子状に切断する必要がある。
【０００９】
一方で、KNｂO3は複数の分極方向をとりうることができ、応力、温度変化、電界印加などの外力により、単一分域化された領域の一部に異なる分極領域が発生してしまうことがある(非特許文献２)。
【００１０】
この異なる分極領域を以下ではドメインと呼ぶ。
【００１１】
ドメインは結晶軸が異なるため、構成した圧電素子中にドメインがあると理論計算上の圧電特性を得ることができなくなる。そのため、加工工程において、これらを発生させないようにしなければ、文献1に示されるすばらしい特性を実現することは難しい(非特許文献３)。
【特許文献１】特開２０００-２３２３３１
【非特許文献１】山下洋八  「圧電単結晶の応用と研究動向」  2000年記念先端技術シンポジウム「圧電材料と男性波デバイスpp.1-8 2002年2月
【非特許文献２】TFT株式会社ホームページ
【非特許文献３】日本音響学会誌５８巻ｐｐ.524-529、中村僖良
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のようにKNｂO3単結晶は、その非常に優れた圧電特性から新しい圧電素子、超音波振動子、超音波プローブとして注目されているが、加工工程上で特に切断工程においてドメイン発生を抑えることが必要であった。
本発明は、切断工程において、ドメインが発生しにくい切断方法を提供し、これを用いた機能を十分に発揮することのできる超音波振動子、および超音波プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
ダイシング装置により複数の方向にKNｂＯ3単結晶基板を切断し、その時のドメインの発生状況を確かめた。その結果、ドメインの発生しやすい切断方向を見出すことができ、この発生しやすい方向を避ける切断方法を選択することにより、本発明に至った。
【００１４】
すなわち本発明は、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単結晶から切り出した板状の基板に対して、前記基板を棒状または格子状にダイシングする工程において、そのダイシング方向が前記Y軸と平行でないことを特徴とするKNｂO3単結晶基板の切断方法である。
【００１５】
ダイシング方向が前記基板に対して発生しうるドメインと平行であることが好ましい。
【００１６】
さらに本発明は、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 単結晶で厚み縦振動モードを利用する超音波振動子において、前記振動子の単結晶部分の端面が前記Y軸と平行でないことを特徴とする超音波振動子である。
【００１７】
本発明において、前記振動子の単結晶部分の端面が発生しうるドメインと平行であることがこのましい。さらには前記振動子の単結晶部分の端面がY軸と垂直であることが好ましい。
【００１８】
さらに本発明は以上のいずれかの超音波振動子を備えた超音波プローブである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、Y軸と平行に切断しないことにより、ドメインの発生、および基板の欠けを抑えることができ、特性を失うことのないKNｂO3単結晶の圧電素子、さらにはこれらを用いた超音波振動子、超音波プローブを構成できる。
【００２０】
本発明により、従来ドメイン発生により特性を失う可能性のあったＫＮｂＯ3単結晶の圧電素子を、切断方向を選択することにより、ドメイン発生および基板の欠けを抑え、特性を失うことのないKNｂO3単結晶を圧電素子、超音波振動子、および超音波プローブを構成することが可能となった。これにより、従来にはない電気機械結合定数の大きいKNｂO3単結晶を用いた圧電素子を有効に利用することができるようになり、低消費電力化に寄与し、環境問題においては、非鉛の圧電素子を構成できその効果は非常に甚大でかつ画期的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここでは、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たＫＮｂＯ3基板を例に取り上げて説明する。
【００２２】
KNｂO3単結晶をX,Y,Z軸に垂直にブロック上に切り出し、Z軸方向に電界を印加して単一分域化処理をした後、前記X'YZ'面に板を切り出した。
【００２３】
次に、切り出した基板を鏡面研磨し、その後ダイサーにより、前記基板を格子状に切断した。切断した結晶を透過顕微鏡で観測した結果、ドメインの発生しやすい切断方向を見出すことができた。
【００２４】
具体的には、単結晶基板２のY軸と平行方向に切断した場合は、図2（ａ）に示すように、所望でないドメイン6が切断面3から多数発生することが確認され、さらに、これを起因とした欠けが発生しやすいことが確認された。
【００２５】
一方、Y軸と垂直方向に切断した場合は、図2（ｂ）に示すように切断面3からのドメイン6の発生は少なく、素子として使用できる単一分域領域が確保できることがわかった。
【００２６】
また、Y軸方向と平行に切断した場合に発生するドメイン6の方向は、図2（ａ）に示すように、特定の方向を向いていることわかった。この際、発生するドメイン6は60°ドメインであることが透過顕微鏡により確認でき、発生する方向は理論的に示されている方向とも一致することが確認できた。
【００２７】
このことから、この発生しやすいドメイン6と平行に切断することにより、前記ドメイン6の影響を抑えることができることが分かる。
【００２８】
以上のように、ＫＮｂＯ3単結晶基板を切断する場合において、Y軸と平行に切断しないことが、ドメイン6の発生においては非常に有効であることが明らかである。
【００２９】
また、以上の結果から望ましくはY軸と±5°以上をなす角度方向に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±10°以上をなす角度方向に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±20°以上をなす角度方向に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±30°以上をなす角度方向に切断することが有効である。
【００３０】
また、以上の結果から望ましくはY軸と±30°をなす角度方向と垂直に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±20°以内をなす方向と垂直に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±10°以内をなす方向と垂直に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±5°以内をなす方向と垂直に切断することが有効である。
さらに望ましくはY軸と±1°以内をなす方向と垂直に切断することが有効である。
さらに、Y軸と垂直に切断することが好ましい。
【００３１】
以上の例では、X'YZ'板で切り出した単結晶基板2に対して示したが、文献1に示されるその他のカット面の単結晶基板２に対しても、切断の際に発生する応力、熱等の要因が同等であることから、Y軸と平行に切断しないことが有効であることは明らかである。
【００３２】
また、これらのドメイン発生の影響を考慮すると、KNｂO3単結晶を利用した素子である超音波振動子や超音波プローブにおいて、それを構成するKNｂO3単結晶の端面がY軸と平行でないことが有効であることは明らかである。特に、これらの素子を作製する際に切断工程を経る場合には、その効果はさらに顕著になることは明らかである。
（実験例）
【００３３】
KNｂO3単結晶をX,Y,Z軸に垂直にブロック上に切り出し、Z軸方向に電界を印加して単一分域化処理をした後、Y軸を中心に45°回転させた面と平行に厚さ2mmの単結晶基板2を切り出した。(図3)
X'YZ'軸は図3に示すとおりである。
【００３４】
図３の単結晶基板２をダイサーにより、X'軸およびY軸と平行に切断した。その結果、図4、図５の写真に示す。
【００３５】
図４は切断したサンプルを透過顕微鏡により撮影した写真の例である。図4(a) に示すように、Y軸と平行に切断した場合の切断面３からドメイン6が多く発生していることが確認できた。一方図4(b) に示すように、Y軸と垂直（すなわちX'軸と平行）な切断面3からはドメイン6があまり発生していないことが確認できた。
【００３６】
図５は切断したサンプルを反射顕微鏡により撮影した写真の例である。図５(a) に示すように、Y軸と平行に切断した場合の切断面３からは黒く見える結晶の欠け7が多く発生していることが確認できた。一方図５(b) に示すように、Y軸と垂直（すなわちX'軸と平行）な切断面3からはドメイン6があまり発生していないことが確認できた。
【００３７】
以上のことから、Y軸と平行に切断しないことが有効であることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
ＫＮｂＯ3単結晶を用いた超音波振動子、およびこれを用いた超音波プローブを提供    できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】超音波振動子、および超音波プローブの概観図の一例を示した図である。（ａ）は格子状に切断した超音波振動子の例であり、（ｂ）は棒状に作製した超音波プローブの例である。
【図２】X'YZ'面に切り出した結晶のダイシング特性の模式図である。（ａ）はY軸と平行に切断した場合の例であり、（ｂ）はY軸と垂直に切断した場合の例である。
【図３】実験例においてX'YZ'軸と元の結晶の座標軸を示した図である。
【図４】実験例において切断したKNｂO3の切断特性を示した透過顕微鏡像の写真の一例である。（ａ）はY軸と平行に切断した場合、（ｂ）はY軸と垂直に切断した場合を示す。
【図５】実験例において切断したKNｂO3の切断特性を示した反射顕微鏡像の写真の一例である。（ａ）はY軸と平行に切断した場合、（ｂ）はY軸と垂直に切断した場合を示す。
【符号の説明】
【００４０】
1：  電極          2：  単結晶基板
3：  切断面        4：  バッキング材
5：  音響レンズ    6：  ドメイン      7：  結晶の欠け
【図１】
2005033660.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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