JPH07231127A

JPH07231127A - 多孔質圧電体の電極設置法

Info

Publication number: JPH07231127A
Application number: JP4522494A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Ina; 克芳伊奈; Seiji Omura; 大村　　誠司
Original assignee: Kanebo Ltd
Current assignee: Kanebo Ltd
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】【構成】空隙率５０〜８５％、気孔径０．０１ｍｍ以上
の圧電性を有する多孔質セラミックス体に厚さ０．５ｍ
ｍ以下の金属箔を電極として設置することを特徴とする
多孔質圧電体素子の電極設置法。【効果】本発明により、高空隙率、高気孔径を有する多
孔質圧電体素子に対して、その性能を十分に引き出し、
断線などにによる事故の発生を著しく低減させる電極の
設置方法を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用診断装置や魚群
探知機或いはソナー等に用いる多孔質圧電体素子の電極
設置法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生体や水を対象とした医療用
診断装置や魚群探知機或いはソナー等の圧電性セラミッ
クス素子材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミッ
クスをはじめとする種々の圧電性セラミックス材料が使
用されている。しかし、これらの材料は音響インピーダ
ンスが約３０×１０⁶kg/m²S であり、生体や水の音響イ
ンピーダンス（約１．５×１０⁶kg/m²S ）に比べると著
しく高いため、水中を伝わる音波が素子界面で反射し、
送受信に支障をきたすという問題がある。そのため、圧
電性セラミックスを多孔質化することにより音響インピ
ーダンスを低減させ、生体や水との整合性をとることが
行われている。

【０００３】多孔質圧電体から電気信号を取り出す電極
として通常、金、銀、白金等のペーストを塗布してい
る。しかしながら、多孔質体表面が凹凸であるため電極
の設置が不完全であったりする。その結果、正確な圧電
性能を十分引き出せなかったり、断線などによる不良が
多発する。特に高空隙率、高気孔径の材料ではこのよう
な電極設置不良による劣化の現象が著しい。従って、多
孔質圧電体素子に電極を設置する方法の確立が望まれて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】本発明者は上記の問
題に鑑み、鋭意研究を続けた結果本発明を完成したもの
であって、その目的とするところは、高空隙率、高気孔
径を有する多孔質圧電体素子に対して、その性能を十分
に引き出し、断線などにによる事故の発生を著しく低減
させる電極の設置方法を提供することにある。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】上述の目的は、空隙率
５０〜８５％、気孔径０．０１ｍｍ以上の圧電性を有す
る多孔質セラミックス体に厚さ０．５ｍｍ以下の金属箔
を電極として設置することを特徴とする多孔質圧電体素
子の電極設置法により達成される。

【０００６】本発明において重要なことは、電極として
金属箔を使用することにより多孔質圧電体と電極を強固
に接触させ、設置したことにある。

【０００７】本発明の金属箔の厚さは０．５ｍｍ以下で
ある。金属箔が厚くなるに従い金属箔自身の弾性的性質
が素子に加わり、その結果、音響インピーダンスは増加
する。金属箔を薄く設置することに関して性能面からは
なんら制限はないが、金属の腐食、作業時あるいは使用
時の破損などが発生し易くなるため極端に薄くするのは
避けるのが好ましい。従って、金属箔の厚さは、好まし
くは０．０１〜０．１ｍｍの範囲内である。

【０００８】本発明において使用される金属箔の電極と
しては、金、銀、白金、パラジウム等の貴金属、アルミ
ニウム、銅等の卑金属、或いはそれらの合金のいずれを
使用してもよい。これらの内経済的な観点からアルミニ
ウム箔若しくは銅箔を使用するのが好ましい。

【０００９】金属箔電極は、多孔質圧電体の電極設置部
表面に装着する。装着方法としては種々の方法が考えら
れるが、導電性の接着剤を使用したり、或いは金属粉末
のペーストを媒体として焼き付ける等の種々の方法が考
えられるが、接着する多孔質圧電体の表面が凹凸面によ
り形成されていること，並びに８００℃程度の高温に曝
される点を考慮すると導電性接着剤を使用するのが好ま
しい。導電性接着剤としては、分極時に８０℃以上で処
理するため、耐熱温度がその温度以上であるのが好まし
い。具体的には、二液硬化タイプのエポキシ系若しくは
シリコン系の接着剤が好ましい。

【００１０】金属箔電極は、多孔質圧電体にしっかり貼
り付けられるよう、表面を荒らした状態で使用するのが
好ましい。表面の荒らし方は、例えば、サンドペーパー
若しくはエッチング等により容易に実施できる。これら
の中で、サンドペーパーによる方法は、簡便且つその後
の廃棄処理、有害ガスの発生などの問題がないため本発
明に対し有効である。

【００１１】本発明の多孔質圧電体の空隙率は、５０〜
８５％である。空隙率が５０％未満の場合、音響インピ
ーダンスの低減が不十分であり、又、その表面の凹凸が
本発明の電極を設置しなければならないほど激しくな
い。一方、空隙率が８５％を越えた場合、機械的強度は
低下し、実用に耐えない。

【００１２】本発明の多孔質圧電体の気孔径は、０．０
１ｍｍ以上である。気孔径が０．０１ｍｍ未満の場合、
表面の凹凸が本発明の電極を設置しなければならないほ
ど激しくない。又、製造上気孔径０．０１ｍｍ未満且つ
空隙率５０％以上の多孔質体の製造は困難である。気孔
径の上限については、圧電性能を損なわない範囲内であ
ればなんら制限はない。

【００１３】本発明の電極設置法に最も有効な気孔形状
は、球状気孔である。球状気孔の多孔体は、強度低下を
最も低く抑えることができる。又、空隙率５０％以上の
球状気孔の多孔体の断面は、不連続状態にあり、ペース
ト塗布などの通常の電極設置法では満足に電極内導通が
得られない。

【００１４】本発明の圧電性セラミックス材料として
は、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸
鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、ニオ
ブ酸コバルト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム
等が挙げられる。

【００１５】本発明の素子の多孔質圧電体の製造の一例
を示す。多孔質圧電体は、少なくとも圧電性セラミック
ス粉体及び気孔形成用の球状樹脂ビーズを用意し、それ
らを混合後（必要ならばバインダー、分散剤なども混合
し）、乾式プレス法、湿式プレス法、スラリー注型法、
射出成形法等の通常のセラミックスの成形法により前駆
体を成形し、次いで、樹脂ビーズを焼成とともに焼却除
去し（脱脂）、次いで本焼成することにより作製でき
る。この際焼却除去されたビーズの部分が空隙となる。

【００１６】気孔形成用の球状樹脂ビーズは、通常市販
されている如何なる樹脂を使用しても構わない。具体的
には、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、
アクリル等が挙げられる。又、気孔径を大きくするため
これらを発泡させたビーズを使用することもできる。

【００１７】多孔質圧電体の脱脂及び焼成は常法により
実施される。脱脂工程は比較的穏やかな昇温速度で５０
０〜６００℃迄昇温する事により、気孔形成用の樹脂ビ
ーズ（及びバインダ−等の有機物）を除去する。この
際、新鮮な空気を炉内に流し、これを促進することも出
来る。焼成において、鉛等の高温にて蒸発を伴う圧電性
セラミックスを使用する場合、これを補うため密閉した
容器中で、或いは、蒸発物質を発生する粉体中に埋め、
所定の温度（通常１２００〜１３５０℃）にて焼成す
る。

【００１８】次いで得られた圧電性セラミックス多孔体
に本発明の電極を設置する。そして分極処理を施す。分
極は、絶縁性の液体中、温度８０℃以上、１〜３ｋＶ／
ｍｍの印加電圧で実施されるが、分極に先立ち空隙内を
完全に絶縁性の液体で置換した後行うのが好ましい。
又、空隙内の絶縁性の液体が分極後容易に除去されるよ
うフロン系の液体を使用するのが好ましい。

【００１９】以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明
する。

【実施例】

実施例１先ず、多孔質圧電体を作製する。直径３．５ｍｍに分級
したポリスチレン球とチタン酸ジルコン酸鉛（PE-650,
富士チタン（株）製、以下ＰＺＴと表記する）のスプレ
ー顆粒を、体積比７：３で乾式混合し、次いで５０×５
０×１０ｍｍの成型金型でプレス成型し、多孔質圧電体
前駆体を得た。次いで１２００℃で２時間電気炉中で焼
成し、空隙率６１％、気孔径３．１ｍｍの球状気孔多孔
質圧電体を作製した。尚、空隙率及び気孔径の測定は以
下の方法に従って実施した。

【００２０】〔空隙率〕空隙率＝（１−ρ／ρt ）×１００（％） ρ：焼結体のかさ密度（ｋｇ／ｍ³） ρt ：用いたセラミックスの理論密度（ｋｇ／ｍ³）〔気孔径〕光学顕微鏡にて観察した。

【００２１】次いで、表１に示す厚さの銅箔（サンドペ
ーパーで接着面を荒らした）を電気伝導性を有する接着
剤（ドータイト、D-723S、藤倉化成（株）製）で貼り付
け、次いで、１２０℃のフロン系液体（フロリナート、
FC-40 、住友スリーエム（株）製）中で２ｋＶ／ｍｍで
１時間分極処理を行い多孔質圧電体素子を作製した。
尚、分極に先立ち空隙部にフロン系の液体が完全に浸透
するようフロン系液体内に作製した素子を入れ減圧化で
処理し、又、分極終了後完全にフロン系液体が蒸発する
よう減圧化で１０時間放置した。更に比較のため金属箔
を貼らず、銀ペーストのみの電極を設置した素子につい
ても作製した。

【００２２】得られた素子の共振及び反共振周波数を測
定し、以下の式に基づき、電気機械結合係数及び音響イ
ンピーダンスを測定した。結果を表１に示す。〔電気機械結合係数（ｋ33）〕ｋ33²＝( π/2) ×(fr/fa) ×tan(π/2×Δf/fa) 〔音響インピーダンス〕音響インピーダンス＝２×ｌ×ｆr ×ρ ｆｒ：共振周波数（Ｈｚ）ｆａ：反共振周波数（Ｈｚ） Δｆ：ｆａ−ｆｒｌ：振動の伝搬方向の長さ（ｍ） ρ：焼結体のかさ密度（ｋｇ／ｍ³）

【表１】 ※印は比較例Ｎｏ１は、金属箔により音響インピーダンスが増加し
た。。Ｎｏ６は、電極接触不良により電気機械結合係数
が低下した。表１の結果より、金属箔の厚さは、０．５
ｍｍ以下であり、好ましくは０．０１〜０．１ｍｍの範
囲内である。

【００２３】実施例２表２に示すように粒径３ｍｍのポリスチレン球と水、水
溶性エポキシ系樹脂及びＰＺＴ粉末を含むスラリーを混
合し、型枠内で樹脂を硬化させ、次いで乾燥、焼成を経
てＰＺＴ多孔質体を得た。次いで、厚さ０．１ｍｍの銅
箔を実施例１と同様に貼り付け多孔質圧電体を作製し
た。その空隙率、気孔径、電気機械結合係数及び音響イ
ンピーダンスを測定した。結果を表２に示す。

【表２】 ※印は比較例表２の結果より、空隙率の適正範囲は、５０〜８５％で
あることが判る。

【００２４】比較例１粒径０．０１ｍｍのアクリル樹脂ビーズを気孔形成剤と
して空隙率５０％の多孔質圧電体（ＰＺＴ）の作製を試
みたが、脱脂時に亀裂が発生し、満足いく焼成体が得ら
れなかった。尚、顕微鏡観察により気孔径は、０．００
８ｍｍであった。又、空隙率を４０％の多孔質圧電体の
作製を試みたところ、焼成体はできたものの金属箔の電
極を設置してもしなくてもその圧電性能にほとんど変化
はなかった。

【００２５】実施例３表３に示すように設置する金属箔の種類を変化させる以
外は実施例１のＮｏ３と同様に多孔質圧電体を作製し、
その電気機械結合係数及び音響インピーダンスを測定し
た。結果を表３に示す。

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明により、高空隙率、高気孔径を有
する多孔質圧電体素子に対して、その性能を十分に引き
出し、断線などにによる事故の発生を著しく低減させる
電極の設置方法を提供することができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ０４Ｂ 38/06 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空隙率５０〜８５％、気孔径０．０１ｍ
ｍ以上の圧電性を有する多孔質セラミックス体に厚さ
０．５ｍｍ以下の金属箔を電極として設置することを特
徴とする多孔質圧電体素子の電極設置法。