JP3098831B2 - 水中送受波器用複合圧電材料 - Google Patents
水中送受波器用複合圧電材料Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、合成ゴム等の有機物質
中にＰｂＴｉＯ3粉末を均一に配合してなる圧電複合材
料に係り、特に水中に浸漬して水中を伝播する音波を受
波して電気信号に変換する受波器として、逆に水中に音
波を放射する送波器として機能する水中送受波器用複合
圧電材料に関する。
中にＰｂＴｉＯ3粉末を均一に配合してなる圧電複合材
料に係り、特に水中に浸漬して水中を伝播する音波を受
波して電気信号に変換する受波器として、逆に水中に音
波を放射する送波器として機能する水中送受波器用複合
圧電材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】平均粒径が数μｍのＰｂＴｉＯ3 粉末を
合成ゴム等の有機物質中に均一に分散してなる圧電複合
材料は公知である。このものは一般の焼結質圧電磁器よ
りも低密度で媒質中を伝搬する音波の音速が小さいた
め、水との間に良好な音響的整合が得られ、水中送受波
器用複合圧電材料として好適であることが知られてい
る。そしてこの材料を用いて送受波器を構成する場合に
あっては、水中圧電特性が大きいだけでなく、水圧によ
りこれらの特性が大きく変化しないものーすなわち圧力
依存性が小さな複合圧電材料が要求されている。ところ
で水中圧電特性を高めるにはＰｂＴｉＯ3 粉末の配合量
を多くすれば良いが逆に気孔の発生率も高くなり、高水
圧下で使用された場合、前記気孔が圧縮され、圧電特性
が大きく変化するという欠点が避けられなかった。
合成ゴム等の有機物質中に均一に分散してなる圧電複合
材料は公知である。このものは一般の焼結質圧電磁器よ
りも低密度で媒質中を伝搬する音波の音速が小さいた
め、水との間に良好な音響的整合が得られ、水中送受波
器用複合圧電材料として好適であることが知られてい
る。そしてこの材料を用いて送受波器を構成する場合に
あっては、水中圧電特性が大きいだけでなく、水圧によ
りこれらの特性が大きく変化しないものーすなわち圧力
依存性が小さな複合圧電材料が要求されている。ところ
で水中圧電特性を高めるにはＰｂＴｉＯ3 粉末の配合量
を多くすれば良いが逆に気孔の発生率も高くなり、高水
圧下で使用された場合、前記気孔が圧縮され、圧電特性
が大きく変化するという欠点が避けられなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者らは上
記欠点を解決するために、平均粒径の異なる二種類以上
のセラミック混合粉末を有機物質中に分散させた場合、
単一平均粒径のセラミック粉末を分散させたものに比
し、粒径の異なる粒子相互が複雑に混合しあって充填効
率が向上し、これにより平均粒径が等しい単一の粉末材
料に比して、気孔発生率が著減し、水圧の影響を抑制す
るようにした圧電複合材料（特願昭６３−２２３３４
２，特願平１−２８８４４２）を提案した。
記欠点を解決するために、平均粒径の異なる二種類以上
のセラミック混合粉末を有機物質中に分散させた場合、
単一平均粒径のセラミック粉末を分散させたものに比
し、粒径の異なる粒子相互が複雑に混合しあって充填効
率が向上し、これにより平均粒径が等しい単一の粉末材
料に比して、気孔発生率が著減し、水圧の影響を抑制す
るようにした圧電複合材料（特願昭６３−２２３３４
２，特願平１−２８８４４２）を提案した。
【０００４】本発明は、上述した先の出願に開示されて
いる発明に基づいて、さらに鋭意検討の結果、圧電特性
が高く、かつ圧力依存性の少ない圧電複合材料を見出し
たものである。
いる発明に基づいて、さらに鋭意検討の結果、圧電特性
が高く、かつ圧力依存性の少ない圧電複合材料を見出し
たものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、平均粒径を異
にする三種類のＰｂＴｉＯ3 粉末を各々等量づつ混合し
てなる圧電セラミック混合粉末を、有機物質中に７２〜
７８体積％の配合割合で均一に分散したことを特徴とす
るものである。
にする三種類のＰｂＴｉＯ3 粉末を各々等量づつ混合し
てなる圧電セラミック混合粉末を、有機物質中に７２〜
７８体積％の配合割合で均一に分散したことを特徴とす
るものである。
【０００６】
【作用】三種類のＰｂＴｉＯ3 粉末を各々等量づつ混合
し、かつ上述の配合割合で分散したものは、各種実験に
より確認したところ、極めて良好な特性を呈するもので
あることが解った。すなわち、特願昭６３−２２３３４
２で開示したように、平均粒径を異にする二種以上の粉
末材料を混合すると、平均粒径が等しい単一の粉末材料
に比して、粒径の異なる粒子相互が複雑に混合しあって
充填効率が向上し、これにより粒子間の空気層が減少す
るが、特に上述の三種類混合の場合で７２〜７８体積％
の配合割合としたものは著しく良好な特性を示すもので
あった。
し、かつ上述の配合割合で分散したものは、各種実験に
より確認したところ、極めて良好な特性を呈するもので
あることが解った。すなわち、特願昭６３−２２３３４
２で開示したように、平均粒径を異にする二種以上の粉
末材料を混合すると、平均粒径が等しい単一の粉末材料
に比して、粒径の異なる粒子相互が複雑に混合しあって
充填効率が向上し、これにより粒子間の空気層が減少す
るが、特に上述の三種類混合の場合で７２〜７８体積％
の配合割合としたものは著しく良好な特性を示すもので
あった。
【０００７】
【実施例】市販の純度99％以上のＰｂＯ（平均粒径３μ
ｍ以下）及び純度99.5％以上のＴｉＯ2 をＰｂＴｉＯ3
の組成式のもとで配合し、 2.5Kg秤量して振動ミルでア
ルミナ玉石（ 3.5Kg）にて３時間の乾式混合を行なっ
た。この際、振動ミルのポットの内面壁はウレタン樹脂
で内張りし、これにより不純物の混入を防ぐようにし
た。
ｍ以下）及び純度99.5％以上のＴｉＯ2 をＰｂＴｉＯ3
の組成式のもとで配合し、 2.5Kg秤量して振動ミルでア
ルミナ玉石（ 3.5Kg）にて３時間の乾式混合を行なっ
た。この際、振動ミルのポットの内面壁はウレタン樹脂
で内張りし、これにより不純物の混入を防ぐようにし
た。
【０００８】次に金型を用いて 350Kg/cm2の加圧により
外形47mm，厚み 5mm，プレス密度4.5g/cm3のタブレット
を作り、高アルミナ質るつぼで1050℃にて２時間、固相
反応を行なった。その後、この高温塊を冷却水槽に投入
することによって水中急冷を生ぜしめ微粒子を得た。さ
らに崩壊促進のためにプロペラ式撹拌機を用いて５時間
以上の撹拌を行なった。こうして形成されたチタン酸鉛
粉末を水を切って 100℃，24時間下で乾燥させた後に篩
に通して、三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，31.8μｍ）の
平均粒径群の圧電セラミック粉末を準備した。次に、こ
の三種類の粉末の割合が０〜 100（重量％）の範囲で、
図１で示すように１／６毎の三角図を充足するように調
合して、夫々均一に混合し、Ａ〜Ｎの複数の混合粉末試
料を製作した。
外形47mm，厚み 5mm，プレス密度4.5g/cm3のタブレット
を作り、高アルミナ質るつぼで1050℃にて２時間、固相
反応を行なった。その後、この高温塊を冷却水槽に投入
することによって水中急冷を生ぜしめ微粒子を得た。さ
らに崩壊促進のためにプロペラ式撹拌機を用いて５時間
以上の撹拌を行なった。こうして形成されたチタン酸鉛
粉末を水を切って 100℃，24時間下で乾燥させた後に篩
に通して、三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，31.8μｍ）の
平均粒径群の圧電セラミック粉末を準備した。次に、こ
の三種類の粉末の割合が０〜 100（重量％）の範囲で、
図１で示すように１／６毎の三角図を充足するように調
合して、夫々均一に混合し、Ａ〜Ｎの複数の混合粉末試
料を製作した。
【０００９】そしてこの各混合粉末に、ネオプレンゴム
からなる合成ゴムを、種々の配合割合で混合した。この
チタン酸鉛混合粉末（圧電セラミック混合粉末）／合成
ゴムの配合比は、５０〜７５体積％の範囲で夫々調合し
た。さらに加硫剤として、Ｐｂ3 Ｏ4 ，ＺｎＯ及びジベ
ンゾチアジルジスルフィド（商品名；ノクセラーＤＭ）
を混入した。前記加硫剤の配合割合は、合成ゴム１００
重量部に対して、Ｐｂ3 Ｏ4 ：ＺｎＯ：ノクセラーＤＭ
＝２０重量部：５重量部：０．５重量部とした。
からなる合成ゴムを、種々の配合割合で混合した。この
チタン酸鉛混合粉末（圧電セラミック混合粉末）／合成
ゴムの配合比は、５０〜７５体積％の範囲で夫々調合し
た。さらに加硫剤として、Ｐｂ3 Ｏ4 ，ＺｎＯ及びジベ
ンゾチアジルジスルフィド（商品名；ノクセラーＤＭ）
を混入した。前記加硫剤の配合割合は、合成ゴム１００
重量部に対して、Ｐｂ3 Ｏ4 ：ＺｎＯ：ノクセラーＤＭ
＝２０重量部：５重量部：０．５重量部とした。
【００１０】そしてこれを小型ロール機でロール成型
し、温度 170℃，圧力 140Kg/cm2，時間15分の条件のも
とで、加硫プレス機により架橋して、厚み1mmtのシート
状に成形し、その表裏面に銀ペーストの塗布により、方
形状電極を形成し、このシートを、20℃の絶縁液中に浸
漬し、該液中で70KV/cm の直流電圧の印加を１時間に渡
り継続し、分極処理し、水中送受波器用圧電ゴムシート
（圧電複合材料）を得た。
し、温度 170℃，圧力 140Kg/cm2，時間15分の条件のも
とで、加硫プレス機により架橋して、厚み1mmtのシート
状に成形し、その表裏面に銀ペーストの塗布により、方
形状電極を形成し、このシートを、20℃の絶縁液中に浸
漬し、該液中で70KV/cm の直流電圧の印加を１時間に渡
り継続し、分極処理し、水中送受波器用圧電ゴムシート
（圧電複合材料）を得た。
【００１１】このようにして得た各圧電ゴムシートの、
所定静水圧力下における圧電定数ｄｈを測定した。この
測定は、フロリーナート液を使用した受波感度測定水槽
を使用した。また静水圧力依存性は0.5 MPa から15MPa
に変化させた場合の圧電定数ｄｈの減少値を測定した。
所定静水圧力下における圧電定数ｄｈを測定した。この
測定は、フロリーナート液を使用した受波感度測定水槽
を使用した。また静水圧力依存性は0.5 MPa から15MPa
に変化させた場合の圧電定数ｄｈの減少値を測定した。
【００１２】
【実験結果】図２の（ａ）〜（ｄ）は、各試料Ａ〜Ｎの
所定配合割合と圧電定数との関係を示すグラフである。
ここで、実線は静水圧0.5 MPa の場合の圧電定数の推移
を示し、破線は静水圧15MPa の場合の圧電定数の推移を
示す。従って、この各線分が上下に乖離しているほど圧
力依存性が大きいこととなる。
所定配合割合と圧電定数との関係を示すグラフである。
ここで、実線は静水圧0.5 MPa の場合の圧電定数の推移
を示し、破線は静水圧15MPa の場合の圧電定数の推移を
示す。従って、この各線分が上下に乖離しているほど圧
力依存性が大きいこととなる。
【００１３】この図から明らかなように、配合比７５％
のものが最も圧電定数が高かった。特に図２の（ｂ）で
表示する三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，31.8μｍ）の平
均粒径群を各三分の一づつ均等に混合した試料Ａ−７５
（等量配合の試料Ａを用いて７５体積％としたもの）
は、その圧電定数が40×10-12 C/N であって最も高かっ
た。またその静水圧0.5 MPa の場合と、静水圧15MPa と
の圧電定数ｄｈの差は、5×10-12 C/N であって、適正
な圧力依存性を示すことも解った。
のものが最も圧電定数が高かった。特に図２の（ｂ）で
表示する三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，31.8μｍ）の平
均粒径群を各三分の一づつ均等に混合した試料Ａ−７５
（等量配合の試料Ａを用いて７５体積％としたもの）
は、その圧電定数が40×10-12 C/N であって最も高かっ
た。またその静水圧0.5 MPa の場合と、静水圧15MPa と
の圧電定数ｄｈの差は、5×10-12 C/N であって、適正
な圧力依存性を示すことも解った。
【００１４】この静水圧の変化による圧電定数ｄｈの減
少率を計測すると、図３で示すように、Ａ−７５は減少
率約６％であり、同じくＡ−７０（試料Ａを用いて７０
体積％としたもの）は減少率約２４％であった。さらに
二種類（ 7.3μｍ，31.8μｍ）の平均粒径群を混合した
図１で示す試料Ｊを用いて７０体積％としたものは減少
率約３０％であった。同じくＪ−６５（試料Ｊを用いて
６５体積％としたもの）は減少率約３６％であった。
少率を計測すると、図３で示すように、Ａ−７５は減少
率約６％であり、同じくＡ−７０（試料Ａを用いて７０
体積％としたもの）は減少率約２４％であった。さらに
二種類（ 7.3μｍ，31.8μｍ）の平均粒径群を混合した
図１で示す試料Ｊを用いて７０体積％としたものは減少
率約３０％であった。同じくＪ−６５（試料Ｊを用いて
６５体積％としたもの）は減少率約３６％であった。
【００１５】尚、図２の（ｄ）で示すように、 7.3μ
ｍ，31.8μｍの平均粒径群を使用した二種類混合の試料
Ｊ〜Ｎの７５体積％としたものは、夫々高い圧電定数を
示すが、静水圧0.5 MPa の場合（実線）の線分と、静水
圧15MPa の場合（破線）の線分が上下に乖離しており、
その減少率も図４のＪ−７５，Ｍ−７５，Ｎ−７５，Ｊ
−７５（夫々上述の表示と同様に、前部が圧電セラミッ
ク混合粉末の種類を示し、後部がその体積％を示す。以
下同じ）のプロットで示されるようにＡ−７５よりも高
い。
ｍ，31.8μｍの平均粒径群を使用した二種類混合の試料
Ｊ〜Ｎの７５体積％としたものは、夫々高い圧電定数を
示すが、静水圧0.5 MPa の場合（実線）の線分と、静水
圧15MPa の場合（破線）の線分が上下に乖離しており、
その減少率も図４のＪ−７５，Ｍ−７５，Ｎ−７５，Ｊ
−７５（夫々上述の表示と同様に、前部が圧電セラミッ
ク混合粉末の種類を示し、後部がその体積％を示す。以
下同じ）のプロットで示されるようにＡ−７５よりも高
い。
【００１６】さらにまた静水圧が15MPa の場合のｄｈ・
ｇｈ（性能指標）を計測した結果、図４で示すようにＡ
−７５は、2,500 ×10-15m2/N と、各試料Ｂ〜Ｎに比し
て高水準であった。ちなみに各試料のｄｈ・ｇｈ（性能
指標）を計測した結果、2,000 ×10-15m2/N 以上の数値
を示すものは、単一平均粒径群のものにあっては、Ｙ−
７５及びＺ−７２．５（夫々上述の表示と同様に、前部
が圧電セラミック混合粉末の種類を示し、後部がその体
積％を示す。以下同じ）、二種類の粒子群を混合してな
るものにあっては、Ｊ−７５，Ｍ−７５，Ｍ−７２．
５，Ｎ−７２．５，Ｎ−７５が夫々該当した。尚、三種
類の粒子群を混合してなるものにあって該当するもの
は、Ａ−７５のみであった。
ｇｈ（性能指標）を計測した結果、図４で示すようにＡ
−７５は、2,500 ×10-15m2/N と、各試料Ｂ〜Ｎに比し
て高水準であった。ちなみに各試料のｄｈ・ｇｈ（性能
指標）を計測した結果、2,000 ×10-15m2/N 以上の数値
を示すものは、単一平均粒径群のものにあっては、Ｙ−
７５及びＺ−７２．５（夫々上述の表示と同様に、前部
が圧電セラミック混合粉末の種類を示し、後部がその体
積％を示す。以下同じ）、二種類の粒子群を混合してな
るものにあっては、Ｊ−７５，Ｍ−７５，Ｍ−７２．
５，Ｎ−７２．５，Ｎ−７５が夫々該当した。尚、三種
類の粒子群を混合してなるものにあって該当するもの
は、Ａ−７５のみであった。
【００１７】一方、Ａ−７０，Ｊ−６５，Ｊ−７０は、
圧電定数ｄｈが35×10-12 C/N であって比較的高水準で
あるが、これらはいずれも、静水圧の変化による圧電定
数ｄｈの減少率が高く、このため前記ｄｈ・ｇｈ（性能
指標）は、1,500 ×10-15m2/N 以下と低水準であった。
圧電定数ｄｈが35×10-12 C/N であって比較的高水準で
あるが、これらはいずれも、静水圧の変化による圧電定
数ｄｈの減少率が高く、このため前記ｄｈ・ｇｈ（性能
指標）は、1,500 ×10-15m2/N 以下と低水準であった。
【００１８】このように三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，
31.8μｍ）の平均粒径群を各三分の一づつ均等に混合し
た圧電セラミック混合粉末を用いて７５体積％としたも
のは、他の各試料に比して静水圧の変化による減少率
（圧力依存性）が小さく、しかも圧電定数の高い材料で
あり、そのｄｈ・ｇｈ（性能指標）からも明らかなよう
にバランスのとれた最適な材料であり、水中送受波器用
複合圧電材料として優れた特性を備えるものであった。
これは異なった三種類の圧電セラミック混合粉末の粒径
を混ぜることにより充填効果が高まり、空気層の量が著
減することによる結果であると考えられる。
31.8μｍ）の平均粒径群を各三分の一づつ均等に混合し
た圧電セラミック混合粉末を用いて７５体積％としたも
のは、他の各試料に比して静水圧の変化による減少率
（圧力依存性）が小さく、しかも圧電定数の高い材料で
あり、そのｄｈ・ｇｈ（性能指標）からも明らかなよう
にバランスのとれた最適な材料であり、水中送受波器用
複合圧電材料として優れた特性を備えるものであった。
これは異なった三種類の圧電セラミック混合粉末の粒径
を混ぜることにより充填効果が高まり、空気層の量が著
減することによる結果であると考えられる。
【００１９】この結果を踏まえて、７５体積％前後の配
合割合における特性をさらに検討したところ、７２体積
％では、圧電定数が37×10-12 C/N であり、静水圧の変
化による圧電定数ｄｈの減少率は12％であった。また７
８体積％では、圧電定数が38×10-12 C/N であり、静水
圧の変化による圧電定数ｄｈの減少率は10％であった。
このことから、平均粒径を異にする三種類のＰｂＴｉＯ
3 粉末を各々等量づつ混合してなる圧電セラミック混合
粉末を７２〜７８体積％の配合割合で有機物質中に均一
に分散させたものは、従来のものに比して圧電特性に優
れ、かつ圧力依存性が小さく、水中送受波器用複合圧電
材料として最適なものである。
合割合における特性をさらに検討したところ、７２体積
％では、圧電定数が37×10-12 C/N であり、静水圧の変
化による圧電定数ｄｈの減少率は12％であった。また７
８体積％では、圧電定数が38×10-12 C/N であり、静水
圧の変化による圧電定数ｄｈの減少率は10％であった。
このことから、平均粒径を異にする三種類のＰｂＴｉＯ
3 粉末を各々等量づつ混合してなる圧電セラミック混合
粉末を７２〜７８体積％の配合割合で有機物質中に均一
に分散させたものは、従来のものに比して圧電特性に優
れ、かつ圧力依存性が小さく、水中送受波器用複合圧電
材料として最適なものである。
【００２０】
【発明の効果】本発明は、平均粒径を異にする三種類の
ＰｂＴｉＯ3 粉末を各々等量づつ有機物質中に混合して
７２〜７８体積％としたものであり、圧力依存性が低
く、しかも圧電特性に優れたものであり、このため静水
圧力に変化があっても安定した高出力を得ることがで
き、このため水中送受波器として最適に応用される得る
優れた効果がある。
ＰｂＴｉＯ3 粉末を各々等量づつ有機物質中に混合して
７２〜７８体積％としたものであり、圧力依存性が低
く、しかも圧電特性に優れたものであり、このため静水
圧力に変化があっても安定した高出力を得ることがで
き、このため水中送受波器として最適に応用される得る
優れた効果がある。
【図１】三種類（ 3.3μｍ， 7.3μｍ，31.8μｍ）の平
均粒径群の圧電セラミック混合粉末の配合割合を示す三
角図である。
均粒径群の圧電セラミック混合粉末の配合割合を示す三
角図である。
【図２】試料Ａ〜Ｎの所定配合割合と圧電定数との関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図３】圧電定数ｄｈと静水圧の変化による圧電定数ｄ
ｈの減少率との関係を示すグラフである。
ｈの減少率との関係を示すグラフである。
【図４】静水圧が15MPa の場合のｄｈ・ｇｈ（性能指
標）と体積率（％）との関係を示すグラフである。
標）と体積率（％）との関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/18 H01L 41/08
Claims (1)
- 【請求項１】 平均粒径を異にする三種類のＰｂＴｉＯ
3 粉末を各々等量づつ混合してなる圧電セラミック混合
粉末を、有機物質中に７２〜７８体積％の配合割合で均
一に分散したことを特徴とする水中送受波器用複合圧電
材料。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03350015A JP3098831B2 (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 水中送受波器用複合圧電材料 |
| US07/986,865 US5320910A (en) | 1991-12-09 | 1992-12-04 | Piezoelectric composite material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03350015A JP3098831B2 (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 水中送受波器用複合圧電材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05160461A JPH05160461A (ja) | 1993-06-25 |
| JP3098831B2 true JP3098831B2 (ja) | 2000-10-16 |
Family
ID=18407662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03350015A Expired - Fee Related JP3098831B2 (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 水中送受波器用複合圧電材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3098831B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5912583B2 (ja) * | 2012-01-30 | 2016-04-27 | 日本化学工業株式会社 | 誘電体セラミック材料及びそれに用いるペロブスカイト型複合酸化物粗粒子の製造方法 |
-
1991
- 1991-12-09 JP JP03350015A patent/JP3098831B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05160461A (ja) | 1993-06-25 |
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