(57)【要約】【課題】従来の単一分域化処理工程において、電界印加方向を判定する方法が非常に時間と手間がかかり、また、場合によっては非常に高精度な測定が要求され、作業工程が遅くなり、さらにクラックの発生などのリスクが多くなっており問題であった。本発明では、単一分域化処理工程を行う際、前工程である分極方向の判定作業を簡便且つ正確に行う方法を提案することを課題とする。【解決手段】平行でない複数の分極方向を有する強誘電体単結晶の単一分域化処理工程において、単一分域化処理する前の結晶の比誘電率をあらかじめ測定することにより電界印加方向を判定することを特徴とする強誘電体単結晶の単一分域化方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行でない複数の分極方向を有する強誘電体単結晶の単一分域化処理工程において、単一分域化処理する前の結晶の比誘電率をあらかじめ測定することにより電界印加方向を判定することを特徴とする強誘電体単結晶の単一分域化方法。
【請求項２】
前記比誘電率の測定工程において、単一分域化処理する前の結晶に金属板の電極を接触させることにより比誘電率を測定することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体単結晶の単一分域化方法。
【請求項３】
前記比誘電率の測定工程において、単一分域化処理する前の結晶に銀ペーストを接触させることにより比誘電率を測定することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体単結晶の単一分域化方法。
【請求項４】
前記強誘電体がニオブ酸カリウム結晶であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の単一分域化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学結晶の製造方法に関し、特に単一分域化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信用光源や可視光光源の需要拡大に伴い、強誘電体単結晶が注目されている。
【０００３】
その中で、ニオブ酸カリウムは特にハイパワーの光源用の第二次高調波発生用、および波長変換用の結晶として注目されている（非特許文献１：Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７４、ｐ．１２８７、１９９３、Ｍ．Ｚｇｏｎｉｋ，Ｒ．Ｓｃｈｌｅｓｓｅ，Ｉ．Ｂｉａｇｇｉｏ、Ｅ．Ｖｏｉｔ、Ｊ．Ｔｓｃｈｅｒｒｙ、Ｐ．Ｇｕｎｔｅｒ）。
【０００４】
また、超音波トランスデューサ等、圧電デバイスへの応用においても、ニオブ酸カリウムは高い電気機械結合定数を有することから、鉛系の単結晶やセラミクス（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やその固溶体（ＰＺＴ系結晶））とともに注目されている（非特許文献２：日本音響学会誌５８巻ｐｐ．５２４−５２９、中村僖良）。
【０００５】
ニオブ酸カリウムは斜方晶系に属し、常温においては異なる１２方向の分極方向を取り得る。また、ＰＺＴ系やチタン酸バリウムなども異なる６つ以上の分極方向を有する。そのため、これらの機能を発現させるためには、単結晶を育成後その分極方向をひとつの方向にそろえる操作（単一分域化処理）が必要となる
以下では、従来の単一分域化方法についてニオブ酸カリウムを例に取り説明する。
ニオブ酸カリウムは、例えばトップシード法で育成される。育成後の結晶（ａｓ‐ｇｒｏｗｎ結晶）は複数の分極方向を向いてことが知られている（非特許文献３：応用物理第４２巻、ｐ．１９２  福田承生、伊藤利晴、植松豊）。
【０００６】
以下では、分極方向をｃ、それと直行する単位格子の方向をａ，ｂとする。
【０００７】
１２方向の分極方向を取り得るが、図１に示すように、多くの場合は結晶ブロック１中で、ｂ軸はそろっており（ここではｂ軸方向をＹ方向とする）、分極方向２であるｃ軸が図１に示す±Ｘ、±Ｚの４方向のいずれかを向いている場合が多い。
【０００８】
単一分域化処理を行なう際には、±Ｘ方向または±Ｚ方向のうち、いずれかのｃ軸成分が多い方向に分極処理をすることで単一分域化しやすいことが知られている（非特許文献３）。しかし、図２に示すようなａｓ‐ｇｒｏｗｎ結晶のインゴット３では、ｂ軸方向は偏光板により用意に見出すことができるのに対して、分極方向２であるｃ軸が±Ｘ，または±Ｚ方向のいずれを向いた成分が多く含まれているかは見た目には簡単判定できない。
【０００９】
そのため、この分極方向２を判定する方法として、ａ軸とｃ軸の熱膨張率の違いの測定を利用した方法が知られている（非特許文献３）。しかし、この方法ではａ軸とｃ軸の熱膨張率の違いが顕著に現れる温度が約１５０℃以上であり、またその差が非常に小さいことから高精度な測定技術を必要とする。
【００１０】
さらに、ニオブ酸カリウムなどの強誘電体は温度変化を与えると焦電気の発生により、クラックが入る危険性があり、これらの熱膨張係数の測定を行う工程により、必然的に結晶にダメージを与えるリスクが増える。
【００１１】
また、ａｓ‐ｇｒｏｗｎ結晶の表面を研磨し、研磨レートの違いを利用して判定する方法が知られている。しかし、この方法では±Ｘと±Ｚの４つの面を鏡面研磨しなければならず、研磨作業に非常に時間を要し、かつ治具への接着など非常に手間を要し、丸１日以上は必要とし簡便な方法とはいえない。
【００１２】
さらに、ニオブ酸カリウムなどの強誘電体は温度変化を与えると焦電気の発生によりクラックが入る危険性があり、研磨時の貼り付け工程における温度上昇により、必然的に結晶にダメージを与えるリスクが増える。
【００１３】
さらに、応力によってもクラックが発生する危険性を有していることから、研磨工程を経る際に加わる応力により、必然的に結晶にダメージを与えるリスクが増える。
【００１４】
そのため、従来の方法では、分極方向の判定に時間と手間を要し、加工工程を早く出来ない要因になっており、さらに、熱プロセスまたは応力印加プロセスを伴うために、必然的に結晶クラックを発生させるリスクが増えていた。
【００１５】
また、分極方向を判定せずに、単一分域化処理をした場合、処理後に結晶が白濁するなど、単一分域化がきれいにできず、歩留まりを下げる要因となっていた。
【００１６】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，７４，ｐ．１２８７，（１９９３）  Ｍ．  Ｚｇｏｎｉｋ，  Ｒ．  Ｓｃｈｌｅｓｓｅ，  Ｉ．  Ｂｉａｇｇｉｏ、Ｅ．  Ｖｏｉｔ、Ｊ．  Ｔｓｃｈｅｒｒｙ、Ｐ．  Ｇｕｎｔｅｒ）
【００１７】
【非特許文献２】日本音響学会誌５８巻ｐｐ．５２４−５２９、中村僖良
【００１８】
【非特許文献３】応用物理第４２巻、ｐ．１９２  福田承生、伊藤利晴、植松豊
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の単一分域化処理工程において、電界印加方向を判定する方法が非常に時間と手間がかかり、また、場合によっては非常に高精度な測定が要求され、作業工程が遅くなり、さらにクラックの発生などのリスクが多くなっており問題であった。
【００２０】
本発明では、単一分域化処理工程を行う際、前工程である分極方向の判定作業を簡便且つ正確に行う方法を提案することを課題とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
熱が加わったり、応力が加わる工程の少ない加工方法を検討するため、材料の物性値について調べ、容易に判定し得る材料定数を検討した。
【００２２】
その結果、結晶の比誘電率の差に着目し、さらに、比誘電率を電気的に容易に測定する方法、冶具を検討し、非常に短時間で簡便に且つ正確に単一分域化処理工程における電界印加方向を判定する方法を見出し、本発明に至った。
【００２３】
すなわち本発明は、平行でない複数の分極方向を有する強誘電体単結晶の単一分域化処理工程において、単一分域化処理する前の結晶の比誘電率をあらかじめ測定することにより電界印加方向を判定することを特徴とする強誘電体単結晶の単一分域化方法である。
【００２４】
前記比誘電率の測定工程において、単一分域化処理する前の結晶に金属板の電極を接触させることにより比誘電率を測定することが好ましく、また単一分域化処理する前の結晶に銀ペーストを接触させることにより比誘電率を測定することも好ましい。
また前記強誘電体がニオブ酸カリウム結晶であることが好ましい。
【００２５】
【発明の実施形態】
強誘電体材料として、ニオブ酸カリウムを取り上げて説明する。
図２に示すように、ａｓ‐ｇｒｏｗｎのニオブ酸カリウム結晶インゴット３は結晶の３つの成長面としてｂ軸方向が一面、分極方向２であるｃ軸からａ軸に向けて４５度の方向の面が２面出ている。ｂ軸がいずれの面であるか判定するには、２枚の直行した偏向板で挟んだ時に、いずれの方向で暗くなるかで判断できる。たとえば、図５（ａ）のように、成長面２１に対して、４５度方向に暗くなった場合には、現在観測している面がｂ面となる。一方図５（ｂ）のように、成長面２１と直行または平行な方向で暗くなる場合にはその方向２２はｂ面にはならない。図２中では、Ｙ方向をｂ軸と説明する。このインゴット３から、図１に示すように、分極方向２である可能性の有する二つの軸に垂直な面を有する直方体の結晶ブロック１を切出す。
【００２６】
図１に示すように、ブロックには±Ｘ、±Ｚ方向のいずれかにｃ軸方向を向いているものがほとんどである。この分極方向２を判定するために、比誘電率に着目した。ニオブ酸カリウムの常温での比誘電率はａ軸方向は１５０、ｃ軸方向は４４である。（非特許文献２）
これらの比誘電率εｒを測定する場合、まず、図３に示すようにインピーダンスアナライザ１１を用いて、結晶１を挟んだ電極１２間に交流電界をかけ、そのときのコンデンサ容量Ｃを測定する。次に、コンデンサ容量Ｃ測定時の電極面積Ｓ、結晶厚さｄ、真空中の誘電率ε０を用いて、次式より容易に比誘電率を求めることができる。
【００２７】
εｒ＝（Ｃ×ｄ）／（ε０×Ｓ  ）
比誘電率の測定において、分極方向の正負の違いは測定には反映されない。すなわち、例えば、（ａ）＋Ｘ方向と−Ｘ方向に＋ｃ方向が存在する場合と、（ｂ）＋Ｘ方向に＋ｃ方向がそろっている場合とでは、比誘電率の測定値にはほとんど違いが出ない。
ゆえに、図１に示すような単一分域化処理前の結晶ブロック１に対しても、Ｘ方向かＺ方向のいずれの方向に分極方向２であるｃ軸方向がそろっているかを判定することが可能である。
【００２８】
そこで、まずはじめに、測定の信憑性を確かめるべく、単一分域化処理を行った結晶に対して、インピーダンスアナライザ１１により比誘電率の測定の可能性について、さまざまな方法で確かめた。
【００２９】
まずはじめに、確実に電極接触が得られるように、結晶ブロック１の表面に銀ペーストで電極１２をつけ、比誘電率の測定を行った。
【００３０】
その結果、表１に示すように、交流の周波数２０Ｈｚで、文献値に近い比誘電率が測定でき、ａ軸とｃ軸との違いを明確に判断できた。
【００３１】
【表１】
2005029420.tif 000002
【００３２】
次に、この測定をより簡易にするために、表面を研磨した単一分域化した結晶ブロック１を平らな金属板を電極１２としてはさむことにより比誘電率を測定した。
【００３３】
その結果、表面を研磨した結晶ブロック１を金属板電極１２で挟むだけで、文献値に近い比誘電率が測定でき、ａ軸とｃ軸との違いを明確に判断できた。
【００３４】
さらに、簡易にするために研磨等をしないでブロック１３を切断した直後の表面状態（６００番であれている状態）の単一分域化した結晶を平らな金属板電極１２ではさみ比誘電率を測定した。
【００３５】
その結果、表面があれている結晶ブロック１についても金属板電極１２で挟むだけで、文献値に近い比誘電率が測定でき、ａ軸とｃ軸との違いを明確に判断できた。
【００３６】
以上のように、単一分域化処理をした結晶ブロック１に対して、金属板電極１２ではさむだけで常温で簡易にかつ正確に文献値に近い比誘電率が測定でき、ａ軸とｃ軸との違いを明確に判断できることがわかった。
【００３７】
次に、同様のテストを、単一分域化処理されていない結晶ブロック１に対して測定した。
【００３８】
測定には、上記テストで最も簡便であった方法、すなわち、表面があれている結晶ブロック１を金属板電極１２ではさむ方法を採用した。
【００３９】
異なる複数の結晶ブロック１に対して測定した結果を表２に示す。単一分域化が終了していないため、部分的に複数の分極構造が混ざっていることから、表１に示したように単一分域化処理が終わった結晶ほどＸ方向とＺ方向とで大きな差は見られない。しかし、文献値にあるように、もともと比誘電率が３倍以上異なることから、単一分域化前の結晶に対しても、いずれの分域が多く存在しているか容易に違いを判定することができることがわかった。
【００４０】
本説明では、いずれもＸ方向を分極方向２と予測される方向としている。
さらに、表２で判定した結晶ブロック１に対して、ｃ軸方向と予測される方向に単一分域化処理を行った。その結果、もともと残っていた異なる分極方向の成分が消えていることが偏光板により観測でき、表２に示すように比誘電率の測定においてもその差が明確となり、きれいに単一分域化できたことが確認できた。
【００４１】
【表２】
2005029420.tif 000003
【００４２】
上記説明では、ニオブ酸カリウムを例にして説明をしたが、正方晶であるチタン酸バリウムや斜方晶や単斜晶であるＰＺＴ系の単結晶など、複数の分極方向を有し得る材料に対しても適用できることは言うまでもない。
【００４３】
【作用】
以上のように、単一分域化処理をする前の結晶に対して、電極となる金属板ではさむだけで常温で簡易にかつ正確にａ軸とｃ軸との比誘電率の違いを明確に判断でき、その後、この結果を元にｃ軸が多い成分の方向に電界を印加することにより、きれいに単一分域化処理することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、従来高温での熱膨張率の違いの高精度な測定や、結晶ブロックの研磨など非常に手間と時間のかかる工程を必要としていた単一分域化処理工程前の分極方向の判定工程が、５分足らずと非常に短時間で且つ正確に、さらに簡便にさらに結晶の形態を変化させること無くでき、さらに、熱が加わる工程を避けることができるため、余分なクラック等の発声するリスクを回避することが出来、産業上の効率化を図る上でその効果は非常に甚大である。
（実施例）
図２に示すａｓ‐ｇｒｏｗｎのニオブ酸カリウム結晶インゴット３から、図１に示すようにｂ軸および分極方向２が存在し得る軸と垂直な面に直方体の結晶ブロック１を一辺を約１６ｍｍ程度にして切出した。
【００４５】
切出した結晶ブロック１のＸ方向、Ｚ方向の比誘電率を図３に示す回路により測定し、その違いを比較した。
【００４６】
測定時具は図４に示すように、Ｐｔ金属板電極１２により結晶ブロック１をはさんだ。
インピーダンスアナライザ１１によるコンデンサ容量Ｃの測定は周波数を２０ｋＨｚにして行った。
【００４７】
その結果、表２のように、±Ｘ方向の比誘電率が小さく、分極方向２であるｃ軸方向の比誘電率に近い値が得られた。
【００４８】
次に、＋Ｘ方向に単一分域化処理を行った。その結果、もともと残っていた異なる分極方向２の成分が消えていることが偏光板により観測でき、表２に示すように比誘電率の測定値にもその差が明確となり、きれいに単一分域化できたことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一分域化前の結晶ブロックの座標軸を示した模式図
【図２】育成したままの結晶の結晶方位の一例を示した模式図
【図３】誘電率の測定方法を示した概略図
【図４】電極と結晶ブロックの模式図
【図５】平行な偏向板を用いてｂ軸方向を判定する際の模式図
【符号の説明】
１：      結晶ブロック              ２：    分極方向
３：    結晶インゴット            ４：シード軸
１１：  インピーダンスアナライザ  １２：    電極
２１：成長面                    ２２：  暗くなる方向
【図１】
2005029420.tif 000004
【図２】
2005029420.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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