JP2974815B2

JP2974815B2 - 超音波振動子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2974815B2
Application number: JP3111884A
Authority: JP
Inventors: 進熊本; 光一水村; 清則奥野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1991-05-16
Filing date: 1991-05-16
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH04340900A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子及びその
製造方法に関し、特に多孔質圧電材料から形成される超
音波振動子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、超音波振動子は魚群探知機等
の機器において用いられている。魚群探知機は、水中に
存在する魚群等の物体を超音波の反射により検知しその
規模、距離等を検出する装置である。従って、このよう
な装置においては超音波振動子を用いることが必須であ
る。また、超音波振動子は、医療の分野においても用い
られている。この分野においては、体内に存在する骨、
癌細胞等の探触を行う必要から、超音波を体内に送波し
反射波を受波する。

【０００３】このような用途に用いられる超音波振動子
としては、いわゆる緻密質圧電材料から形成されるもの
と、多孔質圧電材料から形成されるものと、が知られて
いる。ここに、緻密質とは、ＰＺＴ等の圧電材料を内部
に空孔を形成することなく焼成した状態をいい、多孔質
とは空孔を形成して焼成した状態をいう。緻密質を用い
た場合、超音波振動子は、送信電力を大きくとることが
でき、また機械的強度も強いという利点を有する。一
方、多孔質を用いた場合、超音波振動子は、受信感度が
高く音響的整合性に優れるという利点を有する。

【０００４】図４には、一従来例に係る超音波振動子の
構成が示されている。この図に示される超音波振動子
は、特開平１−１７２２８１号に開示されるような多孔
質圧電材料を用いて形成した超音波振動子である。図４
（ａ）に示されるように、この従来例に係る超音波振動
子は、多孔質ＰＺＴセラミクス層１０から形成されてお
り、その上下表面には銀等から形成される電極１２を有
している。この振動子は矢印１００により示される方向
に分極されており、振動方向は矢印１１０に示される方
向である。多孔質ＰＺＴセラミクス層１０内において
は、図４（ｂ）に示されるように、空孔率はほぼ一定の
値を有している。

【０００５】図５には、図４に示される超音波振動子を
製造する工程の流れが示されている。この図に示される
ように、多孔質ＰＺＴセラミックス層１０を形成するた
めにまずＰＺＴ粉末、ＰＭＭＡ、その他の材料が秤量さ
れ（２００）、湿式混合される（２０２）。ＰＺＴ粉末
は、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０₃）
の粉末であり焼成により圧電性を得る材質である。ま
た、ＰＭＭＡ（メタクリル）は、平均粒径３５μｍの球
状粉体であり、後述する工程により空孔を形成させるも
のである。その他の材料としては、例えば有機バイン
ダ、分散剤等がある。

【０００６】これらの材料が秤量され湿式混合される結
果、ＰＭＭＡがＰＺＴ粉末に所定比率で混合した状態と
なる。これを、従来公知の方法によりグリーンシートと
して形成し（２０４）、円形、矩形等の所定形状に型抜
きし（２０６）、積層成形する（２０８）。すなわち、
超音波振動子として必要な厚みを得るために、複数枚の
グリーンシートが積層される。

【０００７】この後、ＰＭＭＡを焼失させるため仮焼成
２１０が実行される。ＰＭＭＡが焼失すると、ＰＭＭＡ
が存在していた部分が空孔として形成されることにな
る。従って、ＰＭＭＡの混合比は、多孔質ＰＺＴセラミ
クス層１０における空孔率を決定するといえる。仮焼成
２１０が実行された後本焼成２１２を実行すると、図４
（ａ）に示されるような空孔が均一に分布した多孔質Ｐ
ＺＴセラミクス層１０が得られることとなる。これを更
に研磨加工し（２１４）、電極１２を被着形成し（２１
６）、矢印１００に示される方向で分極処理を施すと
（２１８）、矢印１１０の方向に超音波を輻射し得る振
動子が得られることとなる。

【０００８】このような超音波振動子を製造するにあた
っては、図６乃至図８に示されるような特性を考慮する
必要がある。図６に示されるのは、ＰＭＭＡの混合比と
音響インピーダンスとの関係を示すグラフである。この
グラフに示されるように、ＰＭＭＡの混合比を低く設定
するほど音響インピーダンスは低くなる。緻密質ＰＺＴ
の音響インピーダンスは、例えば２０乃至４０ｋｇ／ｍ
²ｓ程度であり、ＰＭＭＡをより多く混合すればより低
い音響インピーダンスが得られることとなる。また、図
７にはＰＭＭＡの混合比と空孔率との関係が示されてお
り、ＰＭＭＡの混合比と空孔率とはほぼ比例する。従っ
て、ＰＭＭＡをより多く混合すればするほど空孔率は高
くなる。

【０００９】そして、図８には、ＰＭＭＡの混合比と焼
成時の収縮率との関係が示されている。図において、Ｃ
_stは厚み方向の収縮率を、Ｃ_srは径方向の収縮率を、そ
れぞれ示している。実際に超音波振動子を製造するにあ
たっては、この収縮率を考慮して、クラック等が生じな
いように設計を行う必要がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来にお
いては、均一な空孔率を有する多孔質圧電セラミクス材
料に係る超音波振動子が製造されていた。このような超
音波振動子は、ｇ定数（加わる力１Ｎあたりに発生する
電荷量）が大きいため受信感度が高いという利点を有し
ており、さらに、ＰＭＭＡの混合比に応じて音響インピ
ーダンスが低下する結果、緻密質ＰＺＴに比べ水等の超
音波伝搬媒体との音響的整合性が良好であるという利点
を有している。後者に関していえば、水の音響インピー
ダンスは１．５×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓであるので、ＰＭ
ＭＡの混合比を増加させることによってこのような超音
波伝搬媒体との音響的整合を加工し得る。

【００１１】しかし、一方で、多孔質圧電セラミクス材
料から形成される超音波振動子は機械的強度が弱いとい
う問題点を有している。すなわち、内部に空孔を有して
いるため、機械的な歪みにより破壊が生ずる可能性があ
るという問題点がある。このような問題を緩和するため
には、ＰＭＭＡの混合比をより小さい値に設定し、空孔
率を低くすればよい。しかし、このようにすると、水等
の超音波伝搬媒体との音響的整合性を確保しにくくな
る。

【００１２】このような問題点は、例えば当該超音波振
動子を海底に設置されるビーコン用送受波器、船底装備
の送受波器等において顕著となる。これらの装置では、
小型化、省電力化等の要請により、振動子の送信感度を
高くしなければならない。このため、従来から、これら
の装置に用いられる超音波振動子としては注入電力をキ
ャビテーション限界までとれる緻密質ＰＺＴ等から形成
される振動子が用いられ、水との音響的整合性はλ／４
整合技術により確保されていた。

【００１３】λ／４整合技術により音響的整合性を確保
しようとする場合、既存の材料、例えばガラス、ポキシ
等から、必要な音響インピーダンスを有する材料を選択
しなければならない。すなわち、理想値に近いものを選
択することとなる。かかる選択範囲は狭く、設計上、不
都合である。また、音響的整合性を向上させるため、あ
るいは製造の都合上、複数の整合層を接着して用いるこ
とがあるが、この場合、整合層間の接着剤により音響特
性が劣化することがある。さらには、振動子を大電力で
駆動した場合には、振動子の誘電体損失及び弾性体損失
によって振動子の表面温度が上昇する。この温度上昇
は、膨脹係数の差により、整合層と振動子の接着剥離を
促すものである。

【００１４】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、空孔率を全体にわたって低く
設定することなく多孔質圧電セラミクス材料から形成さ
れる超音波振動子の機械的強度を向上させ、かつ水等の
超音波伝搬媒体との音響的整合性を確保することを目的
とする。

【００１５】

【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、本発明は、多孔質圧電セラミクス材料中の空
孔が、輻射される超音波を伝搬させる水等の超音波伝搬
媒体の音響インピーダンスと、超音波の超音波輻射面近
傍における音響インピーダンスと、を整合させるよう、
超音波輻射方向に沿い分布することを特徴とする。

【００１６】更に、請求項２は、空孔の分布が、超音波
振動子中央部における空孔率が低く、表面近傍における
空孔率が高い分布であることを特徴とする。

【００１７】そして、請求項３は、ＰＭＭＡ等から形成
される球体の混合比が異なる複数のグリーンシートを積
層し、加圧形成した後に仮焼成を行い、空孔が階段的に
分布した超音波振動子を製造することを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明の請求項１においては、空孔が超音波振
動子の輻射方向において分布する。すなわち、超音波振
動子中の空孔率が均一でなく、少なくとも超音波輻射に
係る一方の表面の近傍において音響インピーダンスが超
音波伝搬媒体との音響的整合性が保たれるよう設定され
る。この結果、超音波振動子全幅にわたって空孔率を高
く設定することなく、音響的整合性が確保されることと
なる。

【００１９】請求項２においては、空孔率が超音波振動
子中央部において低く設定される。空孔率が低いと、機
械的歪みに対し比較的強くなり、送信時に注入する電力
を比較的大きく保つことができる。一方で、表面近傍に
おける空孔率を高く設定すれば、水等の音響インピーダ
ンスが低い超音波伝搬媒体との間での音響的整合が確保
される。

【００２０】請求項３においては、請求項１又は２に係
る超音波振動子が、グリーンシートの積層成形により製
造される。積層されるグリーンシートは、それぞれＰＭ
ＭＡ等の球体の混合比が異なっている。例えば、中央部
に積層されるグリーンシートは球体の混合比が高く、周
辺部に積層されるグリーンシートは混合比が低く設定さ
れる。このように設定されることにより、超音波振動子
の超音波輻射方向において空孔率が分布することにな
り、かつ、かかる分布が簡易な手段により得られること
となる。

【００２１】

【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。なお、図４乃至図８に示される従来例
と同様の構成には同一の符号を付し説明を省略する。

【００２２】図１には、本発明の一実施例に係る超音波
振動子の構成が示されている。この図に示されるよう
に、本実施例に係る超音波振動子の多孔質ＰＺＴセラミ
クス層１０は、内部において図１（ｂ）に示されるよう
に空孔率が変化する層である。すなわち、多孔質ＰＺＴ
セラミクス層１０の中央部近傍においては空孔率が１９
％と低く、電極１２近傍においては空孔率が５１％と高
い。空孔率が１９％の部分では、図６及び図７に示され
るように、音響インピーダンスが１４ｋｇ／ｍ²ｓとな
り、比較的高い値となる。また、空孔率５１％の部分で
は、音響インピーダンスは、４．５ｋｇ／ｍ²ｓと比較
的水に近い値となる。

【００２３】このように中央における空孔率が低いと、
機械的歪みに強い振動子が得られることとなる。すなわ
ち、多孔質ＰＺＴセラミクス層１０にある電力が注入さ
れこの電力により機械的歪みが発生した場合、この歪み
に係る応力は中央部において顕著になる。従って、中央
部における機械的強度を確保しておけば、かかる機械的
歪みに対しても強くなり、破壊等の支障が生じないこと
となる。

【００２４】また、表面に近い部分の空孔率が高いこと
は、水との音響的整合性をよくする。すなわち、空孔率
が高まることにより音響インピーダンスが低下し、より
水の音響インピーダンスに近くなる。この結果、λ／４
整合層を用いることなく水との音響的整合性が確保され
る。従って、比較的注入電力を大きくとることができる
と共に、水との音響的整合性がよく受信感度の高い超音
波振動子が得られる。

【００２５】なお、空孔径は５〜１５０μｍの範囲で任
意に選択でき、空孔率は５〜７０％の範囲内に設定する
のが好ましいが、これらの範囲に属さずとも、ある程度
の効果は期待できる。

【００２６】図２には、このような構成を有する超音波
振動子を製造する工程の流れが示されている。この図に
示されるように、本実施例の製造工程は、図５に示され
る従来例の製造工程と空孔率分散化工程２２０の部分が
異なる。すなわち、従来例におけるグリーン成形〜積層
成形２０８の工程が、空孔率分散化工程２２０により置
き換えられている。

【００２７】図３には、この空孔率分散化工程２２０の
流れが示されている。この図に示されるように、本実施
例の空孔率分散化工程２２０においては、まず空孔率の
異なるグリーンシートの形成２２２が実行される。この
実施例においては、具体的には、図１（ｂ）に示される
ように空孔率５１％、３８％、２２％、１９％の４通り
の空孔率を実現する必要から、ＰＭＭＡ混合比がそれぞ
れ２０、１５、１０、６．５ｗｔ％となる例えば０．５
〜１．５ｍｍ厚のグリーンシートが準備される。

【００２８】このようなグリーンシート形成２２２が実
行された後、所定形状（例えば円形、矩形等）に型抜き
が実行され（２０６）、図１（ｂ）に示される空孔率傾
斜度に応じてグリーンシートが積層される（２２４）。
この実施例においては、図１（ｂ）に示されるように空
孔率傾斜度が階段的でありかつ中央部から見て面対称で
ある。具体的には、中央部にＰＭＭＡ混合比が６．５ｗ
ｔ％のグリーンシートを、その両側に１０ｗｔ％のグリ
ーンシートを、更に１５ｗｔ％のグリーンシートを、そ
して最外表部には２０ｗｔ％のグリーンシートを、それ
ぞれ積層する。同じ空孔率に係る部分の厚みが空孔率ご
とに異なる場合、この厚みの相違は、グリーンシートの
積層枚数により調整する。このとき、図８に示されるＰ
ＭＭＡの混合比と厚み方向の収縮率Ｃ_stの関係を考慮す
る。

【００２９】この後、積層されたグリーンシートを加圧
加熱成形する（２２６）。この加圧加熱成形により、Ｐ
ＭＭＡ混合比が異なり焼成後に空孔率が異なることとな
るグリーン体が得られる。この後に、従来例と同様に仮
焼成、焼成等を行うと、図１（ａ）に示されるように空
孔率が分布した例えば厚み１０ｍｍの多孔質ＰＺＴセラ
ミクス層１０が得られる。

【００３０】従って、本実施例においては、超音波輻射
方向（振動子の厚み方向）に空孔率分布を有する振動子
を、比較的簡易な手段で実現することができる。また、
グリーンシートの厚みを薄くしていけば、図１（ｂ）に
示されるような階段状の分布だけではなく、連続的な空
孔率分布に係る振動子をも得ることができる。

【００３１】なお、このように厚み方向に空孔率を変化
させた場合であっても、クラック等の不良発生は防止し
得る。すなわち、図８に示されるように、径方向の収縮
率Ｃ_srはＰＭＭＡの混合比にはほとんど依存しない。も
し、径方向の収縮率Ｃ_srが積層されるグリーンシート間
で顕著に相違しているならば、焼成によりクラックが発
生するが、本実施例において積層されるグリーンシート
間で径方向の収縮率Ｃ_srはほとんど異ならず（１％以
内）、従って、クラックの発生はおおむね生じない。

【００３２】また、以上の説明においては、空孔分布を
面対称としている。しかし、本発明は、かかる分布態様
に限定されるものではない。例えば、水に面する超音波
輻射面のみ空孔率が高く、この面から離れるに従って空
孔率が低下するような単調分布であってもよい。このよ
うにしても、音響的整合性や機械的歪に関する利点は享
受できる。

【００３３】さらに、多孔質ＰＺＴセラミクス層１０の
製造方法は他の方法であってもよい。すなわち、空孔率
を超音波輻射面において高くすることができれば、ＰＭ
ＭＡ混合比の異なるグリーンシートの積層という手段に
よらずともよい。また、混合されるのはＰＭＭＡ粉体に
限られず、他の手段で空孔を形成してもよい。

【００３４】また、ＰＺＴ以外の圧電セラミクス材料、
例えばＢａＴｉＯ₃：チタン酸バリウムやＰｂＴｉ
Ｏ₃：チタン酸鉛を用いてもよいことはいうまでもな
い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超音波輻射方向に空孔率を分布させるようにしたため、
超音波振動子全幅にわたっての空孔率を低くすることな
く、かつλ／４整合層を用いることなく、水等の超音波
伝搬媒体との音響的整合性を確保することができる。

【００３６】更に、請求項２によれば、中央部における
空孔率を低く、超音波輻射面近傍における空孔率を高
く、それぞれ設定するようにしたため、機械的歪みに対
する強度を保ちつつ水等の超音波伝搬媒体との音響イン
ピーダンス的整合を確保することができる。

【００３７】そして、請求項３によれば、空孔率が異な
ることとなる複数のグリーンシートを積層成形するよう
にしたため、超音波輻射方向に空孔率が分布した超音波
振動子を比較的簡易な手段で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超音波振動子の構成を
示す図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は空孔
率分布を示す図である。

【図２】この実施例に係る超音波振動子を製造する工程
の流れを示す図である。

【図３】この流れにおける空孔率分散化工程の内容を示
す図である。

【図４】一従来例に係る超音波振動子の構成を示す図で
あり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は空孔率分布を
示す図である。

【図５】この従来例の製造工程の流れを示す図である。

【図６】ＰＭＭＡの混合比と音響インピーダンスの関係
を示す図である。

【図７】ＰＭＭＡの混合比と空孔率の関係を示す図であ
る。

【図８】ＰＭＭＡの混合比と収縮率の関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０多孔質ＰＺＴセラミクス層１２電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−13098（ＪＰ，Ａ) 特開平１−107584（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04R 31/00 330 H01L 41/193 H04R 17/00 330

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多孔質圧電セラミクス材料から形成され所
定方向に超音波を輻射する超音波振動子において、当該
多孔質圧電セラミクス材料中の空孔が、輻射される超音
波を伝搬させる水等の超音波伝搬媒体の音響インピーダ
ンスと、超音波振動子の超音波輻射面近傍における音響
インピーダンスと、を整合させるよう、超音波輻射方向
に沿い分布することを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】請求項１記載の超音波振動子において、空
孔の分布が、超音波振動子中央部における空孔率が低
く、超音波輻射面近傍における空孔率が高い分布である
ことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】樹脂等から形成される所定形状の球体を圧
電セラミクス材料に混合成形し、成形により得られるグ
リーンシートを仮焼成して球体を焼失させ空孔を形成
し、さらに焼成して多孔質圧電セラミクスから形成され
る超音波振動子を製造する超音波振動子の製造方法にお
いて、球体の混合比が異なる複数のグリーンシートを積
層し、加圧成形したのちに仮焼成を行い、空孔が階段的
に分布した超音波振動子を製造することを特徴とする超
音波振動子の製造方法。