JPS63111685A - 複合圧電材料の製作方法 - 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】 本発明は、無機圧電体と有機質材料との複合圧電材料の
製作方法に関し、詳しくは、電気機械結合係数、すなわ
ち電気と外力の変換効率および感圧感度の目安となる圧
ＳＳ圧定数が大きい複合圧電材料を簡便に効率よく製作
する方法に関する。

本発明の複合圧電材料は、圧電圧効果を利用する圧電素
子、特に超音波の受波および感圧センサーとして利用す
るのに適している。

〔技術の背景および従来技術の説明〕

チタン酸バリウムまたはＰＺＴ　（チタン酸ジルコン酸
鉛Ｐｂ　　（Ｚｒ、Ｔｉ　　　）　　Ｏ）などの無機セ
ラミ１−ｘ３ ックス圧電体は、電気機械結合係数は大きいが、圧電電
圧定数は有機高分子圧電体よりも小さい。

また有機高分子圧電体は、圧電性があっても、電気機械
結合係数が小さい。

圧電圧効果を利用する圧電材料、すなわち超音波の受信
素子または感圧センサーには、軟らかくて、電気機械結
合係数および圧電電圧定数の大きい圧電材料が望まれて
いて、チタン酸バリウムやＰＺＴなどの無機セラミック
ス圧電材料と高分子有機材料を複合させて、電気機械結
合係数および圧電電圧定数の大きい圧電材料を製造する
ことが試みられている。米国のニューハムらは、細いＰ
ＺＴのファイバーをつくり、これを有機物と複合化して
、分極処理を行なっている。〔ジャーナル・オブ・ジ・
アメリカン・セラミック・ソサイエテイ（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｅｒａｍｉｅ
　５ｏｃｉｅｔｙ）第６４巻第１号第５〜８頁〕しかし
ながら、この方法はＰＺＴと有機物の電気特性が異なる
ために、その複合材料に一様に高電圧を印加するのが難
かしい。そこで竹内らは、分極処理を施したＰＺＴの薄
板を切断加工して、同様な構造（］−３結３結造）の複
合圧電材料を製造した。（特開昭５８−２１．８８３号
公報）しかしながら１−３結合構造では、セラミックス
の体積分率が大きくなると、全体的に硬くなり、クラン
プ効果によって高圧電性を得ることができないから、セ
ラミックスの体積分率を小さくすることを必要とするが
、竹内らの方法によると、材料のセラミックスの体積の
５０〜８０％を切断によって捨ててしまわねばならず、
そのために、複合圧電材料の製造コストが上昇する。

本発明者は、体積分率の小さい無機圧電体と有機質材料
の複合圧電材料を、材料の損失を少なく製作することを
企図して研究を重ね、無機圧電体の板状体を基板に所定
の間隔を空け、平行に並べて接着すれば、その所定の間
隔の分の材料の損失を防ぐことを見出し、その知見に基
づいて本発明に到達した。

〔発明の目的および発明の要約〕

本発明の目的は、体積分率の小さい無機圧電体と有機質
材料の複合圧電材料を、材料の損失を少なくして製作す
る方法を提供することにあり、詳しくは、無機圧電体と
有機質材料の複合圧′ＩＩ８月料を１材料の損失および
労力を少なくして製作する方法を提供することにある。

本発明は、所定の幅の切込を入れた無機圧電体の板状体
が所定の間隔を空け、平行に並べて接着された基板を、
成形型に入れ、成形型に硬化性合成樹脂液を充填し、硬
化した後、基板、無機圧電体の基板に接着した連続部分
および周囲の合成樹脂部分を切断除去して、角柱状の無
機圧電体が合成樹脂のマトリックスに規則正しく配列し
た複合圧電材料を得ることを特徴とする複合圧電材料の
製作方法である。

本発明の複合圧電材料の製作において、無機圧電体の板
状体に入れた切込の部分および無機圧電体を基板に平行
に並べて接着する場合の間隔の部分は、複合圧電材料に
おける合成樹脂の占める部分であって、本発明の複合圧
電材料はその合成樹脂のマトリックス中に、角柱状の無
機圧電体が規則正しく配列している。

本発明の複合圧電材料の製作は、無機圧電体の板状体を
、基板の上に所定の間隔を空け、平行に並べて接着し、
その基板を成形型に入れ、硬化性の合成樹脂液を成形型
に充填し、硬化した移、成形体を成形型から取り出し、
無機圧電体が平行に並んだ方向と直角の方向に、所定の
間隔を空けて切込を入れ、この切込を入れた成形体を再
び成形型に入れ、前記と同じ硬化性の合成樹脂液を成形
型に充填し、硬化した後、成形体を取り出し、基板、基
板に接着した無機圧電体の連続部分および周囲の合成樹
脂部分を切断除去することによって行なうことができる
。

また本発明の交合圧電材料の製作は、無機圧電体の板状
体に、所定の間隔を空けて切込を入れ、この切込の入っ
た無機圧電体の板状体を、基板の上に所定の間隔を空け
、平行に並べて接着し、その基板を成形型に入れ、その
成形型に硬化性の合成樹脂液を充填し、硬化した後、成
形体を取り出し、前記と同様に基板、基板に接着した無
機圧電体の連続部分および周囲の合成樹脂部分を切断除
去することによって、行なうこともできる。

本発明の複合圧電材料の製作において、基板の上に無機
圧電体の板状体を、所定の間隔を空け、平行に並べて接
着する場合、基板の］二に、両側壁に所定の間隔を空け
て形成された誘導溝を何する整列型枠を置き、その誘導
溝に無機圧電体の板状体をはめ込み、無機圧電体を基板
に接着することができる。この整列型枠の使用によって
、無機圧電体の板状体の基板への接着が簡単に、かつ正
確に行なうことができる。

本発明の複合圧電材料の製作において、無機圧電体の板
状体は、基板に接着された面と直角の方向に分極処理さ
れたものを使用することができ、無機圧電体の板状体に
おける無機圧電体は、チタン酸バリウムを使用すること
ができ、硬化性合成ｗｌ！脂液における合成樹脂は、エ
ポキシ栃脂を使用することができ、また無機圧電体の板
状体を接着する基板は、エポキシ樹脂板を使用すること
ができる。

〔発明の詳細な説明〕

本発明の複合圧電材料は、第４図に示すとおり、合成樹
脂の硬化物のマトリックス２中に多数の角柱状の無機圧
電体１が規則正しく配列したものである。

本発明による複合圧電材料の製作では、無機圧電体の板
状体を材料として用意する。この無機圧電体の板状体は
、長方形であって、その長方形の部方向に直流電圧を印
加し、分極処理されていることを必要とし、その厚さは
、合成樹脂のマトリックス２中に規則正しく配列した角
柱状の無機圧電体ｌの一辺の長さに等しいことを必要と
し、さらに無機圧電体の板状体の分極処理の方向は、製
品の複合圧電材料の合成樹脂のマトリックス２中に規則
正しく配列した角柱状の無機圧電体の高さ方向に一致す
ることを必要とする。

長方形の幅方向に分極処理された無機圧電体の板状体４
は、第１図および第２図に示すとおり、成形型の底板６
の上に置かれた合成樹脂の基板３の上に、所定の間隔を
空け、平行に並べて接着する。これに成形型の側壁型枠
５をはめ込み、成形型を形成し、この成形型に硬化性の
合成樹脂液を流し込んで充填し、平行に並べて基板３に
接着された無機圧電体の板状体４の間の空間および無機
圧電体の板状体４と成形型の側壁型枠５の空間のすべて
に、硬化性の合成樹脂液を充填する。その充填後に、硬
化性の合成樹脂液を硬化し、その硬化後に成形体を成形
型から取り出す。この成形体を精密切断機のホルダーに
置き、その成形体に対して、成形体中に平行して並んで
いる無機圧電体の板状体４の長さ方向と直角の方向、す
なわち、第２図のＡ−Ａ線の方向に、所定の間隔をおい
て所定の数の切込を入れる。この切込の形成によって、
無機圧電体の板状体４は切り離されて角柱状になるが、
その下部は基板３に接着され、さらにその側面の相対す
る二面が硬化した合成樹脂によって固定されているから
、角柱状の無機圧電体の配列は変らない。

この切込を入れた成形体を再び成形型に入れ、その切込
の部分に前記と同じ硬化性の合成樹脂液を充填し、硬化
した後、成形体を成形型から取り出すと、第３図の平面
図に示すとおりの合成樹脂のマトリックス２に角柱状の
無機圧電体が規則正しく配列した複合圧電材料の成形体
が得られる。

この成形体を成形型から再び取り出し、その下部の基板
３および周囲の合成樹脂の部分を切断除去すると、第４
図に示すとおりの合成樹脂のマトリックス２中に角柱状
の無機圧電体が規則正しく配列した本発明の複合圧電材
料が得られる。

この本発明の複合圧電材料の製作において、無機圧電体
の板状体４が合成樹脂のマトリックス２中に平行に並ん
でいる成形体に、切込を入れる場合、その切込の深さを
基板３までとせずに止めておき、無機圧電体の板状体４
の基板３との接着部分に連続部分４１を残し、無機圧電
体の板状体４の個々のものが、第５図に示すとおりの連
続部分４１および角柱部分１１からなる形状のものとす
ることができる。この場合、合成樹脂のマトリックス２
に角柱状の無機圧電体ｌが規則正しく配列した成形体の
下部の基板３を切断除去するときに、基板３に接着する
無機圧電体の連続部分４１を基板３とともに切断除去す
れば、第４図に示すとおりの角柱状の無機圧電体１が合
成樹脂のマトリックス２に規則正しく配列した本発明の
複合圧電材料を製作することができる。

本発明の複合圧電材料は、無機圧電体の板状体に切込を
入れて、角柱状の無機圧電体を予め形成し、成形型内で
は角柱状の無機圧電体を形成しない以下に示す方法によ
って製作することができる。

この方法では、無機圧電体の板状体を精密切断機のホル
ダーに固定し、その−側面に所定の間隔をおいて切込を
入れて、第５図に示すとおりの連続部分４１および角柱
部分１１からなる櫛状の無機圧電体を製作する。この櫛
状の無機圧電体４を第１図に示すとおりの成形型の底板
６の上に置いた合成樹脂の基板３の上に、所定の間隔を
空け、平行に並べて接着する。これに成形型の側壁型枠
５をはめ込み、この成形型に硬化性の合成樹脂液を充填
し、硬化した後、成形体を成形型から取り出して、角柱
状の無機圧電体ｌが合成樹脂のマトリックス２に規則正
しく配列した成形体を製作する。

この成形体はその上部は、第３図に示すとおりに、角柱
状の無機圧電体１が合成樹脂マトリックス２の中に規則
正しく配列しているが、その下部の基板３の上は、櫛状
の無機圧電体の連続部分によって角柱状の無機圧電体１
が繋っている。この成形体の下部の基板３およびその上
に接着された無機圧電体の連続部分をいっしょに切断除
去し、さらに周囲の合成ｍ指部分を切断除去して、第４
図に示すとおりの合成樹脂のマトリックス２に角柱状の
無機圧電体１が規則正しく配列した本発明の複合圧電材
料が得られる。

本発明の複合圧電材料の製作において、合成樹脂の基板
３の上に、無機圧電体の板状体４または櫛状の無機圧電
体４を、所定の間隔を空け、平行に並べて接着する場合
、第６図に示すとおりの両側壁の内側に誘導溝８．８．
８．８、・・・・を有する整列型枠７を置き、その誘導
溝８．８に無機圧電体の板状体４．４．４・・・・をは
め込み、この無機圧電体の板状体４．４、・・・・を合
成樹脂の基板３に接着することができる。

この整列型枠７の使用によって、無機圧電体の板状体４
または（２）状の無機圧電体の合成樹脂の基板３の上に
おける配列を簡便かつ正確に行なうことができる。

本発明の複合圧電材料の製作における無機圧電体は、チ
タン酸バリウム、チタン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ　）を使用することができ、また硬化性合成
樹脂は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、
ポリエステル樹脂またはフェノール樹腸等の熱硬化性１
脂、あるいはアクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ナイロ
ン樹脂、ポリエチレン樹脂またはポリプロピレン樹脂等
の熱可塑性樹脂を使用することができる。

次に実施例により本発明をさらに詳しく説明する。

実施例１ （チタン酸バリウム板−エポキシ樹脂複合成形体の製作
） ポリエチレン型〔３０朋（内径）×３０ＩＩＩＩ（深さ
）〕の底板（径：３（１ｍ）の上にエポキシ樹脂基板〔
３０朋（径）Ｘ５朋（厚さ）〕を置き、この上に幅方向
に分極処理を施したチタン酸バリウム圧電体板（２０ｍ
ｍ（長さ）Ｘ８朋（幅）×１．５順（厚さ）〕を、幅方
向を上下方向とし、分極方向をそろえて、３００ｐｍの
間隔を空け、接着剤（商品名ニアロンアルファ、東亜合
成化学社製品）を用いて、１０枚並行に接着した。ポリ
エチレン型の側壁型枠をこの底板にはめ込んで、ポリエ
チレン型を形成した後、このポリエチレン型に、エポキ
シ樹脂〔商品名：エビコート８０７／エボメートＢ−０
０２Ｗ（硬化剤）、油化シェル社製品〕を流し込んで、
チタン酸バリウム圧電体板の間および型枠との間の空間
にエポキシ樹脂を充填し、硬化して、エポキシ樹脂の硬
化物の中にチタン酸バリウム圧電体板１０枚が３００μ
ｍの間隔をおいて並行に埋め込まれたチタン酸バリウム
板−エポキシ樹脂複合成形体を製作した。

（チタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体の製作） チタン酸バリウム板−エポキシ樹脂複合成形体（３０鰭
（外径）Ｘ２５朋（高さ）〕をポリエチレン型から取り
出し、これを精密切断機のホルダーに固定し、３００μ
ｍの厚さのダイヤモンド刃を使用しで、１．５＋ａ＋ｘ
の間隔をおいて、３００μｍ幅の溝（深さ：８＋＋Ｉ）
をチタン酸バリウム圧電体板の並んでいる方向と直角の
方向の上下方向に、１０本形成した。この溝付きのチタ
ン酸バリウム板−エポキシ樹脂複合成形体を前記のポリ
エチレン型に再び入れ、前記のエポキシ樹脂を溝に流し
込み、硬化して、エポキシ樹脂成形体の中にチタン酸バ
リウム圧電体の角柱〔１，５ｍｍ（タテ）×１・５朋（
ヨコ）Ｘ８鰭（長さ）　：］　１００本が３００１１ｒ
ｒＬの間隔で規則正、シく配列して埋め込まれたチタン
酸バリウム−エポキシ樹脂複合成形体を製作した。

このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合成形体をポリ
エチレン型から取り出し、その周縁部のエポキシ樹脂だ
けの部分を切断除去して、チタン酸バリウム−エポキシ
樹脂複合圧電体〔１８朋（タテ）ｘ＋ａｍ（ヨコ）Ｘ８
朋（高さ）〕を製作した。

このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体は、エ
ポキシ樹脂マトリックスの中に角柱状のチタン酸バリウ
ム圧電体〔１，５１１１＋（タテ）Ｘｌ、５１１ｊＩ（
ヨコ）Ｘ８朋（長さ）　）　　１００本が、３００ｐｙ
ｘの間隔をおいて、規則正しく配列しており、そのチタ
ン酸バリウムの体積分率は５５％であり、また全体の密
度は３．８７１９／ｃ１１であった。

（電気特性の測定） チタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体のチタン酸
バリウム圧電体の断面が規則正しく配列している面の両
面に、エポキシ導電性樹脂（商品名：エポキシ−３３８
０、スリーボンド社製品）を塗布して電極を形成し、比
誘導率（ε　／ε　）、電気機械結合係数ｋｔ　　（％
）および圧電定数（Ｆ　　）を測定した。

その結果は第１表に示すとおりであった。

実施例２ （チタン酸バリウム圧電体板の加工） 幅方向に分極処理を施したチタン酸バリウム圧電体板〔
２０市（長さ）Ｘ８朋（幅）×１・５朋（厚さ）〕５枚
を、その分極方向をそろえて結束し、その結束体を精密
切断機のホルダーに固定し、３００μｍの厚さのダイヤ
モンド刃を使用して、１．８４のピッチにおいて、板の
長さ方向に直角で、板の並ぶ方向に対して直角の方向に
、１０本の溝（３００μｍ（幅）Ｘ７朋（深す）〕ヲ形
成シタ後、結束を解いて、１．５＋＊ｍ角の角柱がクシ
の刃状に並んで形成したクシ形のチタン酸バリウム圧電
体板を製作した。

（チタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体の製作） ポリエチレン型〔３０朋（内径）×３ｏ闘（深さ）〕の
底板（径：３０ｓｕ＋）の上にエポキシ樹脂板（径＝３
０關）を置き、その上に、クシ形のチタン酸バリウム圧
電体板を、クシ形の基体部分を下にして、接着剤（商品
名ニアロンアルファ、東亜合成化学社製品）を使用して
、２朋の間隔をおいて、並行に５並接着した。これにポ
リエチレン型の側壁型枠〔３０ＩＩＩＩ＋（内径）Ｘ３
０問（深さ）〕をはめ込み、その中にエポキシ樹脂〔商
品８：エビコート８０７／エボメートＢ−００２Ｗ（硬
化剤）、油化シェル社製品〕を流し込み、その空間を充
填し、硬化して、チタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合
成形体を製作した。

このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合成形体をポリ
エチレン型から取り出し、その下部の下から６藺の部分
を切断して、クシ形のチタン酸バリウム圧電体の基体部
分およびエポキシ樹脂板を切断除去し、さらにその周縁
のエポキシ樹脂の部分を切断除去して、チタン酸バリウ
ム−エポキシ樹脂複合圧電体〔１８朋（タテ）　Ｘ　１
５．５闘（ヨコ）×７闘（厚さ）〕を製作した。

このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体は、エ
ポキシ樹脂のマトリックス中に、チタン酸バリウム圧電
体の角柱〔１，５間（タテ）Ｘｌ、５朋（ヨコ）×７闘
（高さ）〕が５５１１０本０．３ｍｍ　（タテ）Ｘ２ｍ
ｌＩ（ヨコ）の間隔をおいて規則正しく配列して埋め込
まれており、そのチタン酸バリウム圧電体の体積分率は
２９％であり、また全体の密度は３．３９ｊＪ／ｃａで
あった。

（電気特性の測定） このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体の電気
特性を実施例１と同様にして測定した。

その結果は第１表に示すとおりであった。

第１表　チタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合実施例３ ポリエチレン型の底板の上に置かれたエポキシ樹脂板の
上に、左右の両側壁に幅が１．６間の誘導溝を０．２市
の間隔をおいて形成された整列型枠を置き、この誘導溝
に、幅方向に分極処理を施したチタン酸バリウム圧電体
板をはめ込んで、接着剤（実施例１と同じ）を使用して
、チタン酸バリウム圧電体板をエポキシ樹脂板に接着し
た後、整列型枠を取り去って、チタン酸バリウム圧電体
板を並行して、エポキシ樹脂板上に接着したこと以外は
、実施例１と同様にして、チタン酸バリウム−エポキシ
樹脂複合圧電体を製作した。

このチタン酸バリウム−エポキシ樹脂複合圧電体は、実
施例１のものと同じものであった。

〔発明の効果〕

本発明において、無機圧電体の板状体を、基板の上に、
所定の間隔を空け、平行に並べて接着することにより、
合成初霜のマトリックス中に角柱状の無機圧電体が規則
正しく配列した本発明の複合圧電材料の製作における無
機圧電体の切削による損失を少なくすることができる。

さらに切削の工程が少なくなることによって労力を節約
することもできる。

本発明の複合圧電イ才んの製作において、無機圧電体の
板状体を基板の上に、所定の間隔を空け、平行に並べて
接着する場合、両側壁の内側にＢ４溝を設けた整列型枠
の使用により、無機圧電体の基板の上に対する接着操作
が簡単になり、またその配列を正確にすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の複合圧電材料の製作工程において、
無機圧電体の板状体を基板の上に接着した状態を示す側
面図、そして第２図はこれに成形型の側壁型枠をはめ込
んだ状態を示す平面図、そして第３図は、本発明の複合
圧電材料の製作工程における成形物の平面図である。第
４図は本発明により製作された複合圧電材料の斜視図、
第５図は、本発明の複合圧電材料の製作において、無機
圧電体の板状体に切込を入れ柵状にした中間製品の斜視
図、そして第６図は、本発明の複合圧電材料の製作にお
いて使用する整列型枠の斜視図である。 〔図面符号〕 １：角柱状の無機圧電体 ２：合成Ｉ！ｌ脂マトリックス ３：合成樹脂の基板 ４：無機圧電体の板状体 ５：成形型の側壁型枠 ６：成形型の底板 ７：整列型枠 ８：誘４溝

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の幅の切込を入れた無機圧電体の板状体が所
   定の間隔を空け、平行に並べて接着された基板を、成形
   型に入れ、成形型に硬化性合成樹脂液を充填し、硬化し
   た後、基板、無機圧電体の基板に接着した連続部分およ
   び周囲の合成樹脂部分を切断除去して、角柱状の無機圧
   電体が合成樹脂マトリックスに規則正しく配列した複合
   圧電材料を得ることを特徴とする複合圧電材料の製作方
   法。
2. （２）所定の幅の切込を入れた無機圧電体の板状体が所
   定の間隔を空け、平行に並べて接着された基板が、無機
   圧電体の板状体を、基板の上に所定の間隔を空け、平行
   に並べて接着すること、この基板を成形型に入れ、成形
   型に硬化性合成樹脂液を充填し、硬化すること、その成
   形体を成形型から取り出し、無機圧電体の板状体が平行
   に並んだ方向と直角の方向に所定の間隔を空けて切込を
   入れることによって製作されたものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の複合圧電材料の製作
   方法。
3. （３）所定の幅の切込を入れた無機圧電体の板状体が所
   定の間隔を空け、平行に並べて接着された基板が、無機
   圧電体の板状体に所定の間隔を空けて切込を入れること
   、およびこの無機圧電体を、基板の上に所定の間隔を空
   け、平行に並べて接着することによって製作されたもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   複合圧電材料の製作方法。
4. （４）無機圧電体の板状体を、基板の上に所定の間隔を
   空け、平行に並べて接着することが、基板の上に両側壁
   に所定の間隔を空けて形成された誘導溝を有する整列型
   枠を置き、この誘導溝に無機圧電体の板状体をはめ込み
   、無機圧電体の板状体を基板に接着することによって行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第２項または
   第３項に記載の複合圧電材料の製作方法。
5. （５）無機圧電体の板状体が、基板に接着された面と直
   角の方向に分極処理されたものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
   複合圧電材料の製作方法。
6. （６）無機圧電体の板状体が、チタン酸バリウムの板状
   体であり、そして硬化性合成樹脂液における合成樹脂が
   、エポキシ樹脂であり、そして基板がエポキシ樹脂の基
   板であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第５項のいずれかに記載の複合圧電材料の製作方法。