JPH0316974A - 複合圧電セラミックス材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は複合圧電セラミックス材及びその製造方法に
関し、特に内部に例えば空孔や導体線等が所定のサイズ
と密度で分布するような微細構造を有する複合圧電セラ
ミックス材及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 最近になって超音波を利用する研究やその応用開発が著
るしく進展し、例えば超音波による生体観察や水中音を
利川する各種装置の検知を目的とずる送受波器にはそれ
それの目的に応した送波器及び受波センザとして優れた
特性を兼ね備えた圧電素子が使用されている。圧電素子
のうち、無機利料からなる圧電素子の一つとしてよく知
られているＰＺＴ系の圧電セラミックスがあり、例えば
超音波診断装置用超音波送受波器として広く利用されて
いる。

当初はこれらの圧電セラミックスは例えばＰＺＴ系セラ
ミックスの場合、その単体のＰｂ（Ｚｒ−Ｔｊ）０３か
らなる一様組成との圧電セラミックスが用いられてきた
。しかし、この一様組戊性の実現はかなり困難であり、
実際にはＺｒとＴｉなどの組成の分布が一様でなかった
り、あるいはたとえ上述の組戊分布が一様であったとし
てもセラミックスそれ自体か均質でなく内部に不揃いの
孔が多数不規則分布して存在するなどして所期の圧電性
能か得られなかったりするものそあった。このような圧
電セラミックスはそれ自イ本かカチカチにひいちのであ
って音響インピーダンスか高く、そのため生体や水との
音響インピーダンスとのマソチンクか困難であり、さら
に所望のε３３（応カ一定のときの相対誘電率を示す特
性値）の値を自由に制御して作製することかできないも
のであった。

そこで、上述のような丈川面での不都合に対しては従来
次のような技術で対策されていた。まず、王，ｔ＋４料
、３７（１．）（１．９８９年１月号）　Ｐ．Ｉ．０（
７）カレン１・１・ピック欄に開示されている技術を応
用して、光りソグラフィ技術によりパターニングしたア
クリル系樹脂を空孔成形剤として、例えば圧７・はセラ
ミソクスのグリーンンート間に揮人・積届したのち貼処
理を行うこどにょり空孔形成パターンの部分かそのまま
空／ｌ１】］化した空孔セラミックスを得るような方法
かある。この技法を応用して、意企した通りの空孔又は
微細空間を有する圧電セラミックスを作ることにより、
生体なととの音饗インピーダンスのマッチングかとれ、
しかもε３３の大きな圧電セラミックスを作る方沃か考
えられている。

上記の文献ではこの扱術をさらに発展させ、空孔或形注
入法によって空孔に金属を注入した金属・セラミックス
複合体の製逍に成功している。

３ また、本出願人と同一出願人による特願昭６３６７６７
１号に示されるように、誘電率の異なる利料からなる二
つ以上のグリーンシー１・を拍重ねて焼成した積層圧電
体を形成したり、内部に金属を埋め込んで電極４ｉｉ；
を設けた圧電セラミックスか同様の目的で開発されてそ
れそれの１ｊ的に応じた改良開発か実施されている。

また、他の従来例としては、例えば、ｍ９回超音波エレ
ク１・ロニクスの址礎と応用に関するンンボシウム講膚
予稿集、ｃ−８（昭和６３年１２月７目）Ｐ３　，「積
焔圧電体超音波ブローブ」に開示されたものがある。こ
の文献において、超音波の送・受信素子の圧電体を積層
構遣とすることで超音波プロープの感度向上を実現して
いる。その原理は積層圧電体によるブローブヘッド部の
低インピダンス化によりケーブルの静電容量や装置側の
入力インピーダンス分て生ずる受信信号の伝達損失を低
下させ効率を向上させている。

［発明か解決しようとする課題］ 上記のような従来の複合圧電セラミックス月及４ びその製遣方法では、特に製造方法において光リソクラ
フィなとを用いて抜け型の拐料からなる空孔形成パター
ンを形成するなど本質的に大変な手間かかかり煩雑であ
るばかりでなく、空孔形成パターンのスＪ法や密皮分４
ｒの形成制御が無かしいという課題がある。

この発明は上述のような課題を解決するためになされた
もので、テーパー（傾斜）密度を含めた所望のサイズと
密度分布を有する複合型の圧電セラミックス材をｉ！ｌ
るこど、さらにこの空孔に対して金属なとの導体を部分
埋め込み電極法によって埋め込み、奥行き方向にも電極
を分市させて形成したり、全体埋め込み電極法によって
埋め込み、見掛けのε３３を増大又は制御した複合圧電
セラミックス材とその製遣方法を提供することを目的と
するものである。

［練題を解決するための千段］ この発明に係る段合圧電セラミックス月は圧電セラミッ
クスの内部に一方向例えば厚さ方向に均一な又は傾斜す
る密度分布をもって配設された同一形状又は異なる形状
の空孔を有するものである。

また、他の発明による複合圧電セラミ・ソクス利は内部
に一方向に均一な密度分布をもって配設された同一形状
の空孔の一部又は全部が金属などの導体で埋めこまれて
形成されたものである。また、前記の同一形状の空孔を
有する複合圧電セラミックス利にあっては一部又は全部
の空孔の内壁が金属メッキ面を有するように形成された
ものである。

さらに、この発明に係る複合圧電セラミックス祠の製造
方法は所定の空孔形成予定パターンをもつように形成し
た炭素繊維を空孔成形剤（“抜け型”ともいう）として
有する圧電セラミッスクのグリーンシ一トや′スラリー
から形成した成形体を形成し、この成形体を焼戊する抜
け型の焼き飛ばし法により炭素繊維の部分を焼きとばし
所定の形状と密度分布をもつ空孔を有する複合圧電セラ
ミックスを形或するものである。そして、上記のような
金属などの導体を形成した空孔の一部又は全部に対して
圧人する空孔形成注入法によって金属セラミックス複合
体による複合圧電セラミックス伺を形成することも容易
である。

［作用］ この発明においては焼成時に圧電セラミックスの内部に
空孔を形成するための抜け型として炭素繊維又は布状の
成形物を用いるので、任意の太さ（径）のものや、任意
の形状のものとすることのできる炭素繊維の特長を利用
することにより空孔形成パターンの揃え方や方向を自在
に選定できる。

つまり抜け型を任意に造形した後で例えばセラミッスク
材のスラリーを浸入させて圧電セラミックスの成形体を
形或することが容易である。また薄いグリーンシ一トを
用いて積層する方式では任意の厚さ又はそれを積重ねた
グリーンシ一トの各層間に上記の炭素繊維を挿入して抜
け型を形或することも簡単に実行できる。

また炭素繊維は焼戊時に二酸化炭素となって気化し、気
化したあとの形を保存したままの形状で空孔が形或され
る。さらに焼上ったあとの空孔を溶融圧入法（空孔戊形
注入法）で導体を充填させるか否かも自在であるし、不
要な外壁の孔を塞ぐ７ ？とによって必要とする空孔にのみ導体を浸入（又は注
入）して充填させることも任意である。

また、形成された空孔や空孔の代りに導体が注入された
金属線を有する複合圧電セラミックス利は■、セラミッ
クス特性のうちの特にみかけの誘電率を変えるから上記
のようにして形成された圧電セラミックスは所望の誘電
率をもつように圧電特性を幅広く制御されたものとなる
。

さらに、空孔の径を変えたり、厚さ方向に対する空孔密
度分布を傾斜させたものとすることにより、一方向に対
する音響インピーダンスは均一ではなく任意のモードで
漸変ずるものとなる。

［実施例］ 以下この発明の実施例を添付図面によって説明する。

実施例１； 第８図はこの発明による複合圧電セラミックス材の製造
方法の一実施例を第８図の（ａ）　，（ｂ）　，　（ｃ
）の工程図順に示す模式説明図である。図において、第
１図の（ａ）　＝　（ｂ）　１（ｃ）はその側面図であ
り、（ａ２）８ （ｂ２）　．　（Ｃ２）は（ａ）で示したＡ−Ａ線に沿
う方向のそれぞれ（ａ）　；　（ｂ）　，（ｃ）の側断
面図である。

まず、第８図の（ａ）　，（ａ２＞に示したように、圧
電セラミックスの原料体又は粉体からなるグリーンシ一
ト１上に空孔形成パターン（抜け型）を形成するよう炭
素繊維２．を規則的に配列して載置し、この抜け型上に
同サイズのグリーンシー１・１を重ねる。

ついで、第８図の（ｔ））　．　（ｔ）２）において、
第８図の（ａ）の状態のグリーンシー．ト１をプＰスな
どで圧着させることにより、炭素繊維２かセラミツスク
の成形体１ａの中に抜け型の形状を保ったまま埋め込ま
れ・る。

さらに、第８曲の（ｅ）　，　（ｅ２）において、成形
体１ａをこの圧電セラミックスの焼成温度で焼成し、焼
成と同時に炭素繊維２を焼きとばすことにより、炭素繊
維２が占める空間が空洞化して、圧電セラミーツクス焼
成体３の中に層状の空孔４が形成される。このようにし
て空孔４を圧電セラミックス焼成体３の中に分布させた
複合圧電セラミックス材５か製造される。

上記の説明はこの発明の址本的な複合圧電セラミックス
祠の製造方法の場合であり、最も簡ｒｌｉな構造の製造
方法を示したものである。実際にはこの方法を応用して
炭素繊維２の部分を上記のような柵状に並べたものの代
りに、スヶスヶの布すなわちガーセ又はメッシュ状のも
のとしたり格子状のものとしたり、炭素繊維の太さを変
えたりしたものを用いることにより丈施例２以下に示す
ような複雑な構成の空孔形成パターンを有する複合圧電
セラミックス月を形成する。また、上記のようにグリー
ンシ一トを用いる代りに空孔形成パタンを形成した炭素
繊維を圧電セラミックスのスラリ一等で埋め込み乾燥さ
せて上記のような成形体を形成してもよい。また、この
方法では圧電セラミックスの材質は何でもよく、例えば
ＰＺＴ系に限定されることなく同様の製造方法が適用で
きる。

さらに、上記のようにして形威した空孔４にはその全部
又は一部に金属等の導体を充項して電極として用いたり
、みかけの誘′ｉハ率を変えたり全体の音響インピーダ
ンスを調整したりすることか行われる。これは前赴のよ
うに空孔成形注入法と呼ばれているか、この場合は、空
孔４を形成したのち空孔４のうちの不所聖の空孔の外側
の端部をマスクしておき、真空中で溶融した金属の中に
上記のような空孔形成圧電セラミックスを浸漬させた後
アルゴンカスを導入し常圧もしくは加圧することによっ
て行われる。すなわち圧力差によって溶融金属か穴孔に
ｄ人し、引き揚げた後冷却すると金属・セラミックス複
合体か行られて金属と圧電セラミックスとの複合圧電セ
ラミックスか形威される。この方法以外では所定の空孔
にのみ選択的に微小なノズルから溶融金属を注入して充
填する方法であってもよい。

実施例２ 第１図はこの発明の一実施例を模式的に示す複合圧電セ
ラミックス刊（一般には以下すべてシー］・状のもの）
の側面図である。実施例１の製造方法により、同一形状
の空孔（筒状の空洞）４か」二下面から等間隔をもって
圧電セラミックスの焼成］　］ 体３の内部に飛び飛びの層状に配設されたものである。

したかって、厚さ方向には空孔４か均一の分布をもって
形成されている。

第１図の実施例構成は例えば三層圧電体なとの原型とし
て用いることかできる。すなわち、後述の実施例５にみ
られるようにして、例えばこれらの空孔４全部に金属な
どの導体を充｛ｊ’ｊ　Ｌて内部に二層電極を形成し、
外部すなわち」二下面にあとから一層づつの図示しない
電極を形成した四層の電極を有するいわゆる三層圧電体
は第１図の実施例の構成をもとに形成されるものである
。

実施例３・ 第２図はこの発明の他の実施例を示す側面図である。図
にみられるように焼成体３の中に所定の規則性をもって
同一形状の空孔４を実施例２と同様に形成した複合圧電
セラミックス材の空孔４の所定の一部を金属などの導体
を圧人して充項した金属線６による電極を封入した構遣
としたものである。この構成においては、金属線６によ
る電極を一つ一つ、あるいは隣り合うもの何本かづつを
］　２ 束ねてアレイ状圧電素子として利用できるようになって
いる特長を有している。

実施例４： 第３図はこの発明の他の実施例を示す複合圧電セラミッ
クス材の側面図である。この場合も実施例１に示した製
逍方法を応用して第１図の実施例と同様に形成される。

図にみられるように、同一形状の空孔４の分布密度を上
げて一様に空孔４を形成したものである。このように空
孔４の占積率すなイつち体枯密没をーＬげてゆくと、全
体として音響インピーダンスか単体の一様かつ緻密な例
えばＰＺＴなとよりはるかに小さなものとすることかで
きる。空孔４はたとえば交互に一方向に整然と形威され
ている方が望ましいが、多少雑然と不揃いであったり、
また一部の層の壁がくずれたとしても、大過なく同様な
性能をもって使用することかできる。さらに、この状態
のものをダイシングしてアレイ状に組立ててアレイ状圧
電素子を提供することもてきる。

上記の構成からなる複合圧？ｌｉセラミックス利は通常
のように図の上下あるいは左右の方向すなわち応力が孔
と垂直な方向に分極して使用してもよいが、いわゆる１
−３結合の柱ないし壁のアレイを形成したもののように
したり、空孔４の密度を上げて互に接近した空孔を形成
して“ハチの巣状”のものとすることにより図の紙面の
方向つまり厚み方向に（応力と孔が平行の状態）分極し
て使用することも容易である。

実施例５； 第４図はこの発明の他の実施例を示す側面図である。第
３図の実施例４の構或の複合圧電セラミックス材に実施
例１の製造方法を適用してすべての空孔４に金属等の導
体６を圧大した別の複合圧電セラミックス材を形成した
ものである。このように、空孔４に導体６を置換して導
体６の占積率を一様に増大したものは、圧電素子として
使用した場合電気変位（電東密度ともいう）は導体６の
中には入らず、まわりの圧電セラミッス３の方に集中す
るので、結局は見掛けのε３３（誘電率）が大きくなり
圧電特性が向上する。ただしその分すなわち占積率に応
じて音響インピーダンスが金属に近づいて大きくなると
いう現象はさけられない。

実施例６： 第５図は第４図の実施例で音響インピーダンスか金属に
近づいて大きくなる現象を避けたい場合のための実施例
を示す側面図である。すなわち導体６の代りに空孔４の
内壁面を金属メッキ７としたものである。つまり、この
場合はすべての空孔を空孔としたまま無電解メッキで金
属メッキ７を形成したものである。この構戊においては
、音響インピーダンスは実施例４の場合の値を維持した
まま、実施例５で説明した効果を保有したものとなり見
掛けのε３３のみを増大することができ、この発明によ
る複合圧電セラミックス材の材質的な見地からは理想的
に近い効果かえられる。

実施例７ 第６図及び第７図はこの発明による他の実施例を示す側
面図である。第６図は抜け型を形成する炭素繊維の太さ
が同一な場合の空孔形成パターンの層の間隔を厚さ方向
に順次大きくして、同様に１　５ ］　６ 空孔４を′形成したものである。また、第７図は炭素繊
維の太さを変えて厚さ方向に等間隔に径の大きさの順に
配列して例えば空孔４，４ａ，４ｂ（この場合径は４ａ
＜４＜４ｂ）を形威したものである。なお、第６図、第
７図の実“施例ともに空孔の層は３層に限定されない。

第６図、第７図の実施例にみられるように空孔の密度や
大きさを変えて厚み方向に対する音響インピーダンスの
分布（厚さ方向へのテーバー）を形成したものとするこ
ともこの発明による製造方法では極めて容易である。

この構成においては、上述のように厚さ方向に音響イン
ピーダンスが漸変するものとなる。これを例えば超音波
診断装置の圧電送受波器に応用しタ場合は生体（正面）
側へのマッチングや、吸音材（背面）側へあマッチング
がより易しくなる効果が得られる。　　　　　゛ なお、上記実施例７の複合圧電セラミックス材は実施例
６の場合のよう゛に空孔内壁に金属メッキを施して使用
すれば見掛゛けの゛ε３３をより増大したものとするこ
ともできる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、抜け型として炭素繊維
を用いて圧電セラミックス素材の焼成を行い、焼きとば
し法により制御された連続ダクト状に形成した空孔を有
する複合圧電セラミックス制を形成する製造方法を確立
じたので、空孔の密度や径やそれらの分布差をもつ複合
圧電セラミックス祠が容易に得られる。したがって、こ
の製造方法により得られる複合圧電セラミックス材は、
例えば空孔の部分を導体でおき換えたり空孔内壁に金属
・メッキを施すことも容易であり、所望する誘電率や音
響インピーダンスを制御した特性のものが得られる。こ
のようにして内部構造がバラエティに富んだ複合圧電セ
ラミックス材は製造面の融通性がもたらす用途の多様性
と有益性に寄与する効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図はこの発明による複合圧電セラミックス
材の実施例を説明する模式側面図、第８図はこの発明に
よる複合圧電セラミックス４，１の製逍方法を工程順に
示ずス（本的な製造フロー図である。 図において、１はグリーンシー１・、１ａは成形体、２
は炭素ｊ弘維（抜け型）、３は圧電セラミックス焼成体
、４．４ａ，４ｂは空孔、５は複合圧電セラミックス材
、６は金属線、７は金属メッキである。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電セラミックスの内部に一方向に均一な密度分
   布をもって配設された同一形状の空孔を有することを特
   徴とする複合圧電セラミックス材。
2. （２）圧電セラミックスの内部に一方向に傾斜する密度
   分布をもって配設された同一形状の空孔を有することを
   特徴とする複合圧電セラミックス材。
3. （３）同一形状の空孔の代りに異なる形状の空孔を有す
   ることを特徴とする請求項２記載の複合圧電セラミック
   ス材。
4. （４）圧電セラミックスの内部に一方向に均一な密度分
   布をもって配設された同一形状の空孔の一部又は全部が
   前記圧電セラミックスとは異なる金属体で埋め込まれた
   ことを特徴とする複合圧電セラミックス材。
5. （５）同一形状の空孔の内壁が金属メッキ面を有するこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の複合圧電セラミッ
   クス材。
6. （６）所定の空孔形成予定パターンで形成した炭素繊維
   を空孔成形剤として有する圧電セラミックス材料の成形
   体を形成し、 この成形体を焼成して前記炭素繊維を焼きとばすことに
   より前記空孔成形剤が形成する所定の形状と密度分布を
   もつ空孔を有する複合圧電セラミックスを形成すること
   を特徴とする複合圧電セラミックス材の製造方法。