JP3048625B2 - Hydrophone and manufacturing method thereof - Google Patents
Hydrophone and manufacturing method thereofInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、魚群探知機等の水中音響センサー用のハイ
ドロホンおよびその製造方法に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrophone for an underwater acoustic sensor such as a fish finder and a method for producing the same.
（従来の技術） 従来、水中音響センサー用のハイドロホンの材料とし
ては、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（PZTセラ
ミックスと称されている）、PZTセラミックスとエポキ
シ樹脂等のプラスチックとの複合体、あるいはPZTセラ
ミックスと空気との複合体（すなわち、多孔質PZTセラ
ミックス）などの圧電性材料が用いられていた。そのハ
イドロホンの製造方法はこれらの圧電性材料を指定の形
状に加工し、表面に銀焼き付け等により電極を形成し、
樹脂封止等により耐水性構造としていた。(Prior Art) Conventionally, as materials for hydrophones for underwater acoustic sensors, lead zirconate titanate-based ceramics (called PZT ceramics), composites of PZT ceramics with plastics such as epoxy resin, or Piezoelectric materials such as composites of PZT ceramics and air (ie, porous PZT ceramics) have been used. The manufacturing method of the hydrophone processes these piezoelectric materials into a specified shape, forms electrodes on the surface by baking silver, etc.,
A water-resistant structure was formed by resin sealing or the like.
このようなPZTセラミックス及びPZTセラミックスの複
合体のハイドロホンへの応用に関して、従来、例えば、
「圧電セラミックスの応用」（学献社,P−199〜203）に
記載されるものがあった。For application of such PZT ceramics and composites of PZT ceramics to hydrophones, conventionally, for example,
There was one described in "Application of Piezoelectric Ceramics" (Gakudensha, P-199-203).
しかしながら、前記PZT自体から製作されたハイドロ
ホンはそのPZTセラミックスの密度が約7.5g/cm3であ
り、水の密度に比べて大きいので、音響インピーダンス
（密度×音速）も水に比べて極めて大きく、音の反射が
起き易いという問題があった。However, the hydrophone manufactured from the PZT itself has a PZT ceramic density of about 7.5 g / cm 3, which is higher than the density of water, so that the acoustic impedance (density x sound speed) is extremely higher than that of water. However, there is a problem that sound reflection easily occurs.
この音の反射の問題を解決する技術として、前記の多
孔質圧電セラミックスや複合圧電体の技術があった。こ
の多孔質圧電セラミックスは、セラミックスの内部に空
気を入れるため空孔を多くして形成した圧電セラミック
スであり、このようにすると密度の小さいものができる
ので音の反射を抑えることができるものである。また、
後者の複合圧電体は、ゴム等の高分子有機物と圧電セラ
ミックスとを複合させたものであり、全体として密度を
小さくして音の反射を抑えたものである。As a technique for solving the problem of sound reflection, there has been a technique of the above-described porous piezoelectric ceramics or composite piezoelectric body. This porous piezoelectric ceramic is a piezoelectric ceramic formed by increasing the number of pores in order to allow air to enter the inside of the ceramic. In this case, a low-density one can be formed, so that sound reflection can be suppressed. . Also,
The latter composite piezoelectric body is a composite of a polymer organic material such as rubber and a piezoelectric ceramic, and has a low density as a whole to suppress sound reflection.
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、ハイドロホンの密度を小さくするため
に、多孔質圧電セラミックスの空孔を多くしたり、複合
圧電体の有機物含有量を50％以上とすると、それらの圧
電体の誘電率が小さくなってしまうため、それらの圧電
体から作製されたハイドロホンの静電容量が小さくなっ
てしまう。そうすると、ハイドロホンの静電容量と該ハ
イドロホンから導かれているケーブルの静電容量とは近
い値となるためにケーブルが長いと電圧降下による損失
が大きく、結果的にハイドロホンに得られる感度が低下
し、かつ、ノイズの影響を受けやすいという問題があっ
た。(Problems to be Solved by the Invention) However, in order to reduce the density of the hydrophone, if the number of pores in the porous piezoelectric ceramics is increased or if the content of the organic substance in the composite piezoelectric body is set to 50% or more, the piezoelectric properties of those piezoelectric materials are reduced. Since the dielectric constant of the body becomes small, the capacitance of the hydrophone made from those piezoelectric bodies becomes small. Then, since the capacitance of the hydrophone and the capacitance of the cable led from the hydrophone are close to each other, if the cable is long, the loss due to the voltage drop is large, and as a result, the sensitivity obtained by the hydrophone is obtained. And the noise is easily affected by noise.
本発明は、前記した欠点を除去するために、水の音響
インピーダンスとの整合を良くし、しかも、静電容量が
小さくならないハイドロホンおよびその製造方法を提供
することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a hydrophone that improves the matching with the acoustic impedance of water and does not reduce the capacitance, and a method of manufacturing the hydrophone, in order to eliminate the above-mentioned disadvantages.
（課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するために、ハイドロホン
において、単一積層体からなるとともに、空孔率に傾斜
を有する圧電セラミックスを有し、この圧電セラミック
スの前記空孔の多い面で音を受けるようにしたものであ
る。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides a hydrophone having a piezoelectric ceramic which has a single porosity and has a porosity gradient. The sound is received on the surface having many holes.
また、本発明は、セラミックス材料を成形し、焼成し
て得た圧電セラミックスからハイドロホンを製造するハ
イドロホンの製造方法において、空孔形成材を含有して
いないグリーンシート上に、空孔形成材の含有量の異な
る複数のグリーンシートを漸次、空孔形成材の含有量が
増加するように積層し、積層体を成形したことを特徴と
するハイドロホンの製造方法としたものである。The present invention also relates to a method for producing a hydrophone from a piezoelectric ceramic obtained by molding and firing a ceramic material, wherein the pore-forming material is formed on a green sheet containing no pore-forming material. Are laminated so that the content of the pore-forming material is gradually increased to form a laminate, and a method for producing a hydrophone is provided.
（作用） 本発明によれば、以上のように、ハイドロホンの圧電
セラミックスを空孔率に傾斜を持たせた空孔傾斜圧電セ
ラミックスとしたので、ハイドロホンの受波面において
は空孔率が大きく、したがって密度が小さく、音の反射
が起こらない。また、受波面より徐々に内部に入るにつ
れて密度を高くし、受波面より遠い位置においてはPZT
セラミック自体の密度としたので、ハイドロホン全体と
しては、その誘電率は小さくならず、感度の優れたもの
となる。(Function) According to the present invention, as described above, the piezoelectric ceramics of the hydrophone are formed as the porosity-graded piezoelectric ceramics having the porosity inclined, so that the porosity is large on the receiving surface of the hydrophone. Therefore, the density is low and no sound reflection occurs. In addition, the density gradually increases as it enters the interior gradually from the receiving surface, and PZT
Since the density of the ceramic itself is set, the dielectric constant of the hydrophone as a whole does not become small, and the sensitivity becomes excellent.
（実施例） 次の（１）〜（５）の５種類のPZTの仮焼物を作成し
た。(Examples) The following five types of calcined PZTs (1) to (5) were prepared.
（１）先ず、高純度の一酸化鉛（PbO,純度99.9％）、二
酸化チタン（TiO2,同）、酸化ジルコニウム（ZrO2,同）
及びその他の添加材をそれぞれを所定量秤量し、ポット
ミルを用いて純水とともに約20時間混合した。その混合
物を脱水、乾燥し、800℃〜900℃で２〜10時間仮焼し、
仮焼物を粉砕し、チタン酸ジルコン酸鉛（即ちPZT）の
仮焼粉を得た。(1) First, high-purity lead monoxide (PbO, purity 99.9%), titanium dioxide (TiO 2 , same), zirconium oxide (ZrO 2 , same)
And other additives were weighed in predetermined amounts, and mixed with pure water using a pot mill for about 20 hours. The mixture is dehydrated, dried and calcined at 800-900 ° C for 2-10 hours,
The calcined product was pulverized to obtain a calcined powder of lead zirconate titanate (that is, PZT).
次に、前記PZT仮焼粉100g、水50g、解こう剤としてセ
ラモＤ−134（商品名，第一工業製薬（株）製）8g、及
び空孔形成材として粒径0.2〜0.4mmのカーボン粒子40g
をボールミルにて４〜５時間混合した。その後、バイン
ダーとしてセラモTB−13（商品名，第一工業製薬（株）
製）100g、可塑剤としてセラモＰ−17（商品名，第一工
業製薬（株）製）12g、消泡剤としてアンチフロスＦ−1
02（商品名，第一工業製薬（株）製）1gを加え、ボール
ミル中にて20時間混合し、第１スラリーを作製した。こ
の第１スラリーを用いてドクターブレード法により成形
して第１グリーンシートを得た。このグリーンシートの
厚さは、約0.6mmであった。Next, 100 g of the calcined PZT powder, 50 g of water, 8 g of Ceramo D-134 (trade name, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) as a peptizer, and carbon having a particle size of 0.2 to 0.4 mm as a pore-forming material. 40g particles
Was mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Then, as a binder, Ceramo TB-13 (trade name, Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.)
100 g), 12 g of Ceramo P-17 (trade name, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) as a plasticizer, and Antifloss F-1 as a defoamer
02 (trade name, manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) was added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare a first slurry. Using this first slurry, the first green sheet was obtained by molding by a doctor blade method. The thickness of this green sheet was about 0.6 mm.
（２）前記（１）とそれぞれ同じ種類のPZT仮焼粉100
g、水45g、解こう剤8g、及び空孔形成材としてカーボン
粒子30gをボールミル中にて４〜５時間混合した。その
後、前記（１）とそれぞれ同じ種類のバインダー90g、
可塑剤11g、消泡剤1gを加え、ボールミル中にて20時間
混合し、第２スラリーを作製した。この第２スラリーを
用いてドクターブレード法により成形して第２グリーン
シートを得た。(2) PZT calcined powder 100 of the same type as (1) above
g, 45 g of water, 8 g of a deflocculant, and 30 g of carbon particles as a pore-forming material were mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Thereafter, 90 g of the same type of binder as in (1) above,
11 g of a plasticizer and 1 g of an antifoaming agent were added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare a second slurry. The second slurry was formed by using the second slurry by a doctor blade method.
（３）前記（１）とそれぞれ同じ種類のPZT仮焼粉100
g、水40g、解こう剤7g、及び空孔形成材としてカーボン
粒子20gをボールミル中にて４〜５時間混合した。その
後、前記（１）とそれぞれ同じ種類のバインダー80g、
可塑剤10g、消泡剤1gを加え、ボールミル中にて20時間
混合し、第３スラリーを作製した。この第３スラリーを
用いてドクターブレード法により成形して第３グリーン
シートを得た。(3) PZT calcined powder 100 of the same type as (1) above
g, 40 g of water, 7 g of a peptizer, and 20 g of carbon particles as a pore-forming material were mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Thereafter, 80 g of the same type of binder as in (1) above,
10 g of a plasticizer and 1 g of an antifoaming agent were added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare a third slurry. Using this third slurry, a third green sheet was obtained by molding using a doctor blade method.
（４）前記（１）とそれぞれ同じ種類のPZT仮焼粉100
g、水35g、解こう剤6g、及び空孔形成材としてカーボン
粒子10gをボールミル中にて４〜５時間混合した。その
後、前記（１）とそれぞれ同じ種類のバインダー70g、
可塑剤9g、消泡剤1gを加え、ボールミル中にて20時間混
合し、第４スラリーを作製した。この第４スラリーを用
いてドクターブレード法により成形して第４グリーンシ
ートを得た。(4) PZT calcined powder 100 of the same type as (1) above
g, water 35 g, peptizer 6 g, and carbon particles 10 g as a pore-forming material were mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Then, 70 g of the same type of binder as in (1) above,
9 g of a plasticizer and 1 g of an antifoaming agent were added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare a fourth slurry. The fourth slurry was molded by a doctor blade method using the fourth slurry to obtain a fourth green sheet.
（５）前記（１）とそれぞれ同じ種類のPZT仮焼粉100
g、水34g、解こう剤6gをボールミル中にて４〜５時間混
合した。その後、前記（１）とそれぞれ同じ種類のバイ
ンダー60g、可塑剤8g、消泡剤1gを加え、ボールミル中
にて20時間混合し、第５スラリーを作製した。この第５
スラリーを用いてドクターブレード法により成形して第
５グリーンシートを得た。(5) PZT calcined powder 100 of the same type as (1) above
g, water 34 g, and peptizer 6 g were mixed in a ball mill for 4 to 5 hours. Thereafter, 60 g of a binder, 8 g of a plasticizer, and 1 g of an antifoaming agent of the same type as in (1) were added and mixed in a ball mill for 20 hours to prepare a fifth slurry. This fifth
The slurry was used to form a fifth green sheet by a doctor blade method.
以上、カーボン粒子の配合量を変化させた前記第１〜
第５までの５種類のグリーンシートを積層体の成形に用
いた。先ず、空孔形成材を含有していない第５グリーン
シートを５枚積層し、次いで空孔形成材の含有量の異な
る第１グリーンシートから第４グリーンシートまでを各
２枚づつ重ねて漸次空孔形成材の含有量が増加するよう
に積層し、加熱・加圧して積層体を得た。この積層体を
空気中において昇温速度100℃／時間で、1200℃〜1300
℃の温度で２時間焼成し、空孔傾斜圧電セラミックスを
作製した。第１図は多孔質圧電セラミックスの作成概要
を示した図である。第１図ａは焼成前のグリーンシート
中のカーボン粒子の分布状態を示したものである。第１
図ｂは焼成後の多孔質圧電セラミックスの空孔の分布状
態を示したものである。As described above, the first to fourth compounds in which the blending amount of the carbon particles is changed
The fifth to fifth types of green sheets were used for forming a laminate. First, five fifth green sheets containing no pore-forming material are laminated, and then two sheets of the first green sheet to the fourth green sheet having different content of the pore-forming material are stacked two by two to gradually empty. Lamination was performed so that the content of the pore-forming material was increased, and heating and pressing were performed to obtain a laminate. This laminate is heated in air at a rate of 100 ° C./hour from 1200 ° C. to 1300 ° C.
The resultant was fired at a temperature of 2 ° C. for 2 hours to produce a hole-graded piezoelectric ceramic. FIG. 1 is a diagram showing an outline of the preparation of a porous piezoelectric ceramic. FIG. 1a shows the distribution of carbon particles in the green sheet before firing. First
FIG. B shows the distribution of pores in the porous piezoelectric ceramic after firing.
このように、グリーンシート11から成形された積層体
を焼成することによりカーボン粒子12は、PZT圧電セラ
ミックス21中で空孔22を形成する。得られた圧電セラミ
ックスは、空孔22が表面よりその対面にかけて漸次空孔
分布率の低くなった、すなわち空孔22が傾斜した、PZT
圧電セラミックス21が得られる。この空孔傾斜圧電セラ
ミックスを30φ×6t（mm）に加工し、両面に銀を焼き付
けて電極を作製し、100℃〜130℃の加熱シリコンオイル
中で２〜3kV/mmの電圧を印加して分極を行い、圧電子を
作製した。この圧電子をウレタン樹脂でモールドし、ハ
イドロホンを作製し、その静電容量を測定した。As described above, by firing the laminate formed from the green sheet 11, the carbon particles 12 form the pores 22 in the PZT piezoelectric ceramics 21. In the obtained piezoelectric ceramic, the pore distribution ratio gradually decreased from the surface to the opposite surface of the pores 22, that is, the pores 22 were inclined,
A piezoelectric ceramic 21 is obtained. This hole-graded piezoelectric ceramic is processed into 30φ × 6t (mm), silver is burned on both sides to produce electrodes, and a voltage of 2-3 kV / mm is applied in heated silicon oil at 100 ° C. to 130 ° C. Polarization was performed to produce a piezoelectric electron. This piezoelectric element was molded with a urethane resin to produce a hydrophone, and its capacitance was measured.
次に、水中に送波器とハイドロホンを入れ、ハイドロ
ホンの空孔の多い面で音を受けるようにし、受波感度を
測定した。Next, the transmitter and the hydrophone were placed in water, and sound was received on the surface of the hydrophone with many holes, and the receiving sensitivity was measured.
本発明によるハイドロホンの受波感度は、−105dBと
なり、PZT自体から作製したハイドロホンの受波感度−1
16dBに比べて約10dBの向上が認められた。また、本発明
によるハイドロホンの静電容量は、1500pFとなり、従来
の、ハイドロホン全体が均一な密度である、多孔質圧電
体あるいは複合電体で作製したハイドロホンの静電容量
の500〜700pFと比べると約３倍と大きくなった。The receiving sensitivity of the hydrophone according to the present invention is -105 dB, and the receiving sensitivity of the hydrophone manufactured from PZT itself is -1.
An improvement of about 10 dB was recognized as compared with 16 dB. In addition, the capacitance of the hydrophone according to the present invention is 1500 pF, which is a conventional, uniform density of the entire hydrophone, and the capacitance of the hydrophone made of a porous piezoelectric material or a composite electric conductor is 500 to 700 pF. It was about three times larger than.
本発明は、以上説明した実施例に限定されず、本発明
の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本
発明の範囲から排除するものではない。例えば、本実施
例では、空孔形成材としてカーボン粒子を用いている
が、その材質はカーボン粒子に限定されずスラリー中に
PZT粉末と均一に分散して、焼成時に消失するものであ
ればプラスチック性のものでも何でも良い。The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, carbon particles are used as the pore-forming material, but the material is not limited to carbon particles and may be used in the slurry.
Any plastic material may be used as long as it is uniformly dispersed with the PZT powder and disappears during firing.
（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、ハイドロホンの圧電
セラミックスを空孔率に傾斜を持たせた空孔傾斜圧電セ
ラミックスとしたので、ハイドロホンの受波面において
は空孔率が大きく、したがって密度が小さく、音の反射
が起こらない。また、受波面より徐々に内部に入るにつ
れて密度を高くし、受波面より遠い位置においてはPZT
セラミックス自体の密度としたので、ハイドロホン全体
としては、その誘電率は小さくならず、したがってケー
ブルによる電圧降下の影響の少ない感度の優れたハイド
ロホンとなる。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, since the piezoelectric ceramic of the hydrophone is formed as a porosity-graded piezoelectric ceramic having a porosity with an inclination, the porosity on the wave receiving surface of the hydrophone is improved. Is large, and therefore has a low density, so that sound reflection does not occur. In addition, the density gradually increases as it enters the interior gradually from the receiving surface, and PZT
Since the density of the ceramics itself is used, the dielectric constant of the hydrophone as a whole does not decrease, and therefore the hydrophone has excellent sensitivity with little influence of the voltage drop due to the cable.
第１図は多孔質圧電セラミックスの作製の概要を示した
図である。 11……グリーンシート、12……カーボン粒子、21……PZ
T圧電セラミックス、22……空孔。FIG. 1 is a diagram showing an outline of the production of a porous piezoelectric ceramic. 11… Green sheet, 12… Carbon particles, 21… PZ
T Piezoelectric ceramics, 22: voids.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−123299（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−288075（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−82796（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04R 1/44,17/00 H01L 41/00 - 41/08 G01S 7/52 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-123299 (JP, A) JP-A-63-288075 (JP, A) Full-fledged Sho-57-82796 (JP, U) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H04R 1 / 44,17 / 00 H01L 41/00-41/08 G01S 7/52
Claims (2)
斜を有する圧電セラミックスを有し、該圧電セラミック
スの前記空孔の多い面で音を受けるようにしたことを特
徴とするハイドロホン。1. A hydrophone comprising a single laminated body, having piezoelectric ceramics having a porosity gradient, wherein sound is received on a surface of the piezoelectric ceramics having a large number of holes. .
圧電セラミックスからハイドロホンを製造するハイドロ
ホンの製造方法において、空孔形成材を含有していない
グリーンシート上に、空孔形成材の含有量の異なる複数
のグリーンシートを漸次、空孔形成材の含有量が増加す
るように積層し、積層体を成形したことを特徴とするハ
イドロホンの製造方法。2. A hydrophone manufacturing method for manufacturing a hydrophone from a piezoelectric ceramic obtained by molding and firing a ceramic material, the method comprising the steps of: forming a pore-forming material on a green sheet containing no pore-forming material; A method for producing a hydrophone, comprising laminating a plurality of green sheets having different contents gradually so as to increase the content of a pore-forming material, and forming a laminate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2305955A JP3048625B2 (en) | 1990-11-14 | 1990-11-14 | Hydrophone and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH04179398A JPH04179398A (en) | 1992-06-26 |
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