JPH04149078A - 圧電振動子、超音波送受波器及び超音波送受波器用圧電材料の製造方法 - 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］ 本発明は、多孔質の圧電材料から形成される圧電振動子
、この圧電振動子を使用して構成する超音波送受波器、
及びこの圧電振動子の形成に適する超音波送受波器用圧
電材料の製造方法に関する。

［従来の技術］ 圧電振動子は、電界を印加供給することにょって音響的
振動を発生させ、逆に音波を受波して電気信号に変換す
る素子である。一般的に、平板状に形成された圧電セラ
ミック材料（例えばＰＺＴチタン酸ジルコン酸鉛）の表
裏に金属電極を被着形成し、さらにこれを背面負荷と呼
ばれる金属板に接着固定することによって、超音波送受
波器が構成される。この超音波送受波器には、超音波と
して送波すべき信号を供給する回路と、受波された信号
を処理する回路と、が付設される。これらの回路を含め
ても、圧電振動子による超音波送受波器は小型かつ安価
に構成でき、産業上の用途も広いものである。

超音波送受波器は、例えば水中を観察する用途にも使用
される。水中を広範囲に観察しようとする場合、一般的
には水中での減衰が少ない周波数帯域の超音波を使用す
るのが好ましい。例えば１５０ｋＨｚがこの周波数に該
当し、特に遠距離の観察においてこのような周波数選択
が有効である。

一方で、近距離を観察して分解能の良い画像情報を得よ
うとする場合には、周波数はこれよりも高く、例えばＩ
　Ｍ　Ｈｚに選択すれば良い。周波数の高い超音波は、
周波数の低い超音波よりも多くの情１１２ｍを伝搬する
ことかでき、この結果、分解能が良く細緻な画像を得る
ことかできる。

これら用途からくる使用周波数の要請は、圧電振動子の
寸法（厚み）を決定付ける性格を有している。圧電振動
子の寸法は、波長λに応じて決定される。波長λは、次
の式により音速Ｃ及び使用周波数ｆから決定される。

ｃ−ｆλ　　　　　　　　　　　（１）式（１）に基づ
き圧電振動子の寸法を決定しようとする場合、この圧電
振動子の寸法か大型化して分極電圧が著しく高くなると
いう問題か生ずる。

一般に、圧電振動子は数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚの帯域に属
する周波数で使用される。例えば遠距離観察に使用する
１　５０ｋＨｚ仕様の圧電振動子を得ようとする場合、
式（１）に基づいて設計すると厚さ１５ｍｍとなる。圧
電セラミック材料のグリーンシートを焼成して形成され
る圧電振動子は、電極形成後に電界を印加して分極処理
を行う必要があり、分極電界の一般的な値は２０ｋＶ／
ｃｍである。従って、厚さ１５ｍｍの圧電振動子を分極
するためには、２０ｋＶ／ｃｍＸ１５ｍｍ−３０ｋＶの
高電圧が必要となる。

また、分解能を向上させるためにチャーブ信号処理を用
いてＳ／Ｎ比を下げる手法が用いられているが、この手
法を用いるに当たって圧電振動子の電気的Ｑが高すぎる
という問題があった。

すなわち、チャーブ信号処理においては、パルス状の信
号を取り扱う必要から広帯域の周波数特性が必要とされ
る。従って、電気的Ｑは低く、好ましくは６程度に設定
すべきである。しかし、ＰＺＴによる従来の圧電振動子
では低Ｑのものでも２０〜３０程度である。このため、
平板形状の圧電振動子をそのまま用いたのではチャーブ
信号処理の利点を享有できず、形状を円筒形にしたり、
複数の圧電振動子を直列接続する必要がある。

しかし、円筒形の圧電振動子は加工が困難である。例え
ば焼成の際の歪み発生や、電極形成の際の作業の困難さ
が生ずる。また、直列接続の場合には合計寸法の大型化
が生じてしまう。このように、必要な電気的Ｑを実現す
るためには現在の圧電材料では不足である。

これらの欠点、すなわち寸法の大型化による分極電圧の
高電圧化、及び電気的Ｑの不適合を解決するために、従
来から種々の提案がなされている。

そのなかでも有効なものとして、多孔質圧電材料をもっ
て圧電振動子を形成する提案がある。

多孔質圧電材料は、内部に多数の空孔を有する圧電材料
である。この空孔は、音速Ｃを低くシミ気的Ｑを低くす
る作用を有している。従って、前述の問題点を解決する
ためには有効な材料である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の多孔質圧電材料は、空孔の径が１
００μｍという値であり、機械的強度が弱いという問題
点があった。

この機械的強度の弱さは、例えば高周波仕様の圧電振動
子を得ようとする際に、周波数の要請から寸法（厚さ）
を薄くすると、加工時に破損するという問題及び大電力
で駆動すると破損するという問題を引き起こす。本願発
明者が実験したところでは、２０Ｗ／ｃｍ２という電力
密度が最大注入電力密度であった。

本発明は、多孔質圧電材料を改良し、音速、電気的Ｑ及
び機械的強度の全ての点で、超音波送受波器として使用
される際の要請を満たすことを目的とする。すなわち、
機械的強度か強い多孔質圧電材料から形成される圧電振
動子、この圧電振動子を用いた超音波送受波器、及びこ
の圧電振動子に適する超音波送受波器用圧電材料の製造
方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本願出願人は、以下
のような構成の圧電振動子を提案する。

まず、請求項（１）は、平均約３０μｍの孔径の複数の
空孔を存し、全体積に占める空孔体積比率が３０〜５２
％の範囲に属する多孔質の圧電材料から形成されること
を特徴とする。

また、本願出願人は、請求項（２）として、請求項（１
）記載の圧電振動子と、圧電振動子が取り付けられる背
面負荷と、圧電振動子に電気信号を供給する電極と、を
備えることを特徴とする超音波送受波器を提案する。

さらに、本願出願人は、以下のような構成を有する超音
波送受波器用圧電材料の製造方法を提案する。

まず請求項（３）は、平均約３０μｍの径を有する樹脂
をセラミック材料に混合し、少なくとも樹脂が焼失する
温度で焼成することにより、圧電材料を形成することを
特徴とする。

次に、請求項（４）は、樹脂がメタクリル樹脂であるこ
とを特徴とする。

さらに、請求項（５）は、平均約３０μｍの径を有する
カーボン粉末をセラミック材料に混合し、少なくともカ
ーボン粉末が焼失する温度で焼成することにより、圧電
材料を形成することを特徴とする。

そして、請求項（６）は、セラミ・ツク材料がＰＺＴで
あることを特徴とする。

［作用］ まず、本発明の圧電振動子に使用され、本発明の超音波
送受波器用圧電材料の製造方法により製造される圧電材
料について、発明者の実験結果に基づき説明する。

この圧電材料は、請求項（１）に記載されてる通り、平
均約３０μｍの孔径の複数の空孔を有している多孔質の
圧電材料である。このような径の空孔を有する本発明の
圧電材料は、従来の１００μｍ径の空孔を有する圧電材
料に比べ、より強い機械的強度を呈する。

第１図には、発明者の実験により得られた平均約３０μ
ｍの孔径の複数の空孔を有する圧電材料の空孔率−引っ
張り強度特性が示されている。発明者の実験は、ＰＺＴ
にメタクリル樹脂を混合し焼成して得た圧電振動子につ
いて行われたため、以下、この欄で示す特性図はこの圧
電振動子の特性を示す。なお、本発明の構成は、前記実
験におけるこのような条件・材料設定に左右される性質
のものではない。

この図においては、空孔率（圧電材料の全体積に占める
空孔の体積比率）が増大すると、引っ張り強度が低下す
る様子が示されている。多孔質圧電材料の機械的強度を
確保し、特に最大注入電力密度を向上させるためには、
引っ張り強度としても従来より大きな値を確保するのが
好ましい。最大注入電力密度の改良目標として５０Ｗ／
Ｃｍ２を設定すると、これに相当する引っ張り強度が１
００ｋｇ／ｃｒｎ２であることから、第１図に破線で示
されるように、空孔率５２％以下が最大注入電力密度の
要請を満たすことになる。

このように、発明者の実験では機械的強度の要請が空孔
率５２％以下という条件設定で満たされることが判明し
た。このような条件設定により、従来の多孔質圧電材料
で生じていた問題、すなわち大電力駆動時及び加工時の
破損発生が解消される。

また、本発明の圧電振動子を形成する圧電材料は、従来
の多孔質圧電材料において得られていた利点をも維持す
るものである。すなわち、空孔の径を変更したにもかか
わらず、音速を低く従って寸法を小さくでき、電気低Ｑ
を低くできる。

この作用の根拠となるのは、発明者が前掲の試料により
行った実験の結果である。第２図には、空孔率−音速特
性の測定結果が、第３図には、空孔率−電気的Ｑ特性の
測定結果が、それぞれ示されている。

これらの図に示されるように、空孔率の増加に伴い音速
が低下し、電気的Ｑが低下する。

一般的に、装置の小型化のためには圧電振動子の寸法が
小さいのが好ましく、音速が小さいとこの寸法が小さく
なることから、空孔率が出来るだけ高い領域に属する圧
電材料が好ましい。具体的には、前述の引っ張り強度に
係る制限値−５２％近傍に近い空孔率の圧電材料により
、音速の低下による小型化が実現される。

また、チャーブ信号処理のように広帯域の信号を取り扱
うためには、電気的Ｑが小さいのか好ましい。この点か
らも、空孔率が大きいほうが好ましいことがわかる。具
体的には、空孔率が３０％以上の領域において好適な電
気的Ｑ（６程度）が得られる。

以上の実験結果を総合すると、機械的強度、寸法の小型
化及び電気的Ｑの低下のためには、３０〜５２％の領域
に属する空孔率となるよう、組成・混合比を選択すれば
良いことがわかる。このような選択を行えば、第４図と
して示されている実験結果（空孔率−圧電歪定数特性）
に示される如く、従来の多孔質圧電材料に比べて圧電歪
定数の大きな実用的圧電振動子が得られる。

このような実験結果に基づき、本発明の圧電振動子は、
空孔の径が約３０μｍ１全体積に占める空孔体積比率（
空孔率）が３０〜５２％の範囲に属する圧電材料から形
成される。このように形成された圧電振動子においては
、例えば５０Ｗ／ｃｍ２の注入電力密度が実現され、加
工時の機械的破損が防止される。また、音速が小さくな
り、寸法が小型化する。電気的Ｑがチャーブ信号処理に
的する値となり、また圧電歪定数も実用的値となる。

また、本発明の請求項（２）記載の超音波送受波器にお
いては、以上のべた性質を有する圧電振動子が背面負荷
に取り付けられ、さらに電極によって電気信号が供給さ
れる。すなわち、圧電振動子の構成を除き、従来と同様
の装置構成により、従来より破損しにくく大電力で駆動
される超音波送受波器が得られる。

さらに、本発明の請求項（３）乃至（６）は、請求項（
１）に記載した圧電材料を形成する方法、すなわち超音
波送受波器用圧電材料の製造方法に関するものである。

本発明の圧電材料は、例えば請求項（３）に記載される
ように、セラミック材料に樹脂を混合し、焼成すること
によって得られる。混合に係る樹脂は、平均的３０μｍ
の径を有する樹脂である。焼成温度は少なくとも樹脂が
焼失する温度である。

このようにすると、焼成の際に樹脂が焼失し、樹脂の寸
法に相当する径の空孔が形成される。この空孔は、前述
のように作用し、請求項（１）記載の圧電振動子に適す
る圧電材料が得られる。

なお、この請求項（３）に記載される樹脂としては、請
求項（４）に示されるようにメタクリル樹脂が挙げられ
る。

また、請求項（５）においては、請求項（３）における
樹脂に代え、カーボン粉末かセラミック材料に混合され
る。このようにしても、同様の径の空孔が実現される。

そして、請求項（３）又は（５）におけるセラミック材
料としては、請求項（６）に示される如（ＰＺＴを用い
ればよい。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例について図面に基づき説明
する。

第５図には、本発明の一実施例に係る圧電振動子の構成
が示されている。

この図に示される圧電振動子１０は、ＰＺＴにメタクリ
ル樹脂の粉体を混合焼成して形成される。

メタクリル樹脂の粒径は約３０μｍ近傍であり、混合率
は焼成後の空孔率が４０％となるよう設定されている。

また、この圧電振動子１０を発明者が電子顕微鏡で精査
した結果は、図示しないが、空孔寸法かメタクリル樹脂
の粒径とほぼ等しい値であることを示している。

また、圧電振動子１０は、１５０ｋＨｚ仕様で設計され
ている。空孔率が４０％の場合、第２図に示されるよう
に音速は１８００ｍ／ｓとなる。

従って、ｃ−１８００ｍ／ｓＳ　ｆ−１５０ｋＨｚの圧
電振動子１０は、式（１）に従い厚みが６ｍｍとなるよ
う設計されている。

この厚みは、従来の圧電材料のうち多孔質でないＰＺＴ
と比較して約４０％の厚みである。従って、本実施例に
よれば寸法の小型化か実現される。

また、これによって分極電圧は２０ｋＶ／ｅｍＸ６ｍｒ
ｎ＝１２ｋＶと著しく低下する。

また、引っ張り強度は第１図に示されるように１５０　
ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２となり、最大注入電力密度は７
５Ｗ／　ｃ　ｍ　２程度まで向上する。また、加工時の
破損率も小さくなる。

第５図においては、圧電振動子１０の表裏に電極１２が
被着形成されている。電極１２は、従来公知の方法で被
着形成されている。また、電極１２にはこれも従来公知
の方法でリード線１４か接続されている。

この圧電振動子１０を、当該圧電振動子の音響的負荷と
して機能する背面負荷１５上にマトリクス配置すると、
第６図に示されるような構成の超音波送受波器が得られ
る。この送受波器を実際に作成し、電気的Ｑを測定した
ところ、その値として４か得られた。

また、電力密度５０Ｗ／ｃｍ−でチャープ信号で駆動し
たところ、Ｓ／Ｎ比及び分解能として十分な値が得られ
た。具体的には、中心周波数ｆ。

＝２００ｋＨｚのチャープ信号で駆動すると、Ｑ−６の
ときΔｆ＝３４ｋＨｚであるので、分解能は、音速／（
２・Δｆ）＝２．２ｃｍとなる。また、Ｓ／Ｎ比は次の
ようになる。すなわち、チャープをかけられる時間をＴ
とすると感度は（Ｔ・（Ｔ・Δｆ））１／２−（Δｆ　
／ΔｆＨ）１／２ ＨＬ となる。ここで、ΔｆＬを低ＱのときのΔｆとし、Δｆ
Ｈが高Ｑの時のΔｆであるときのΔｆとすると、Δｆ　
　＝３４ｋＨｚであり、ΔｆＨ−７ｋＨ２であるので、
感度比は前述した式より２，２倍となる。従って、感度
は２，２倍向上するか、Δｆか広がった分だけ受信機ノ
イズか大きくなるためＳ／Ｎ比について数値で表すこと
は困難であるものの改善されることはあきらかである。

なお、以上の実施例では、ＰＺＴに混入される空孔形成
用材料としてメタクリル樹脂が用いられているが、これ
は同様寸法のカーボン粉末でも良い。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、圧電材料の空孔
の径及び空孔体積比率の設定により、従来の多孔質圧電
材料に比べ機械的強度か向上し、加工時の破損が少なく
最大注入電力が大きな圧電振動子を得ることができる。

また、音速を低くすることにより小型化が可能となり、
チャープ信号処理等の広帯域信号処理に適した電気的Ｑ
を得ることができる。

請求項（２）によれば、請求項（１）記載の圧電振動子
を用いて小型、大電力でチャープ信号処理に適した超音
波送受波器を得ることができる。

さらに、請求項（３）乃至（６）によれば、請求項（１
）記載の圧電振動子の形成に適する圧電材料を簡易な手
段で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は、本発明をなすにあたって発明者か
行った実験の結果を示す図であり、第１図は空孔率−引
っ張り強度特性を、第２図は空孔率−音速特性を、第３
図は空孔率−電気的Ｑ特性を、第４図は空孔率−圧電歪
定数特性を、それぞれ示す図、 第５図は、本発明の一実施例に係る圧電振動子の構成を
示す図、 第６図は、第５図の圧電振動子を用いて構成した超音波
送受波器の構成を示す図である。 １０　・・・　圧電振動子 １２　・・　電極 １４　・・・　リード線 背面負荷

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　平均約３０μｍの孔径の複数の空孔を有し、全
   体積に占める空孔体積比率が３０〜５２％の範囲に属す
   る多孔質の圧電材料から形成されることを特徴とする圧
   電振動子。
2. （２）　請求項（１）記載の圧電振動子と、圧電振動子
   が取り付けられる背面負荷と、圧電振動子に電気信号を
   供給する電極と、を備えることを特徴とする超音波送受
   波器。
3. （３）　請求項（１）記載の圧電振動子において、平均
   約３０μｍの径を有する樹脂をセラミック材料に混合し
   、少なくとも樹脂が焼失する温度で焼成することにより
   、圧電材料を形成することを特徴とする超音波送受波器
   用圧電材料の製造方法。
4. （４）　請求項（３）記載の超音波送受波器用圧電材料
   の製造方法において、樹脂がメタクリル樹脂であること
   を特徴とする超音波送受波器用圧電材料の製造方法。
5. （５）　請求項（１）記載の圧電振動子において、平均
   約３０μｍの径を有するカーボン粉末をセラミック材料
   に混合し、少なくともカーボン粉末が焼失する温度で焼
   成することにより、圧電材料を形成することを特徴とす
   る超音波送受波器用圧電材料の製造方法。
6. （６）　請求項（３）又は（５）記載の超音波送受波器
   用圧電材料の製造方法において、セラミック材料がチタ
   ン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする超音波送受波
   器用圧電材料の製造方法。