JP3551141B2 - 圧電体の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、図11に示すような様々な構造の圧電体が、超音波探触子などの電気音響変換素子として用いられてきた。例えば、図11(a)、(b)に示すような1次元または2次元のアレイ型超音波探触子に用いられる圧電体や、図11(c)に示す圧電複合材料などである。
【0003】
図11において、101は圧電セラミック、102は充填材、103は基盤である。図11に示すように、いずれの圧電体も微小な板状、あるいは柱状の圧電セラミックが多数、配列した構造となっているものであり、圧電セラミック以外の空隙部は強度を高めるために、(c)のように充填材として樹脂などが充填されていることが一般的である。
【0004】
図11(a)、(b)の圧電体を用いたアレイ型超音波探触子では、個々の圧電セラミックから独立に超音波を送受信する必要があるため、分割された圧電セラミックは、それぞれリード線を通して駆動回路と接続されている(リード線と駆動回路は図示せず)。一方、図11(c)の圧電複合材料は、その上下面に電極が一面に形成されている(図示せず)。
【0005】
このように、一般的な圧電体は、多数の微細な圧電セラミックが配列された構造となっているものが多い。このような構造の圧電体は、例えば以下に示すような工法により製作されてきた。
【0006】
まず、図11(a)のような1次元アレイ型の圧電体は、次のようにして作製する。はじめに、超音波探触子の使用周波数に合わせた厚さ(通常は使用する超音波の波長の約1/2の厚さとする)の圧電セラミック平板を用意し、基盤103などの上に接合する。そして、予め設計した幅となるよう、ダイシングソーなどの切断機を用いて、図11(a)に示すように1次元的に一方向に圧電セラミック平板を切断することで、圧電セラミック101が多数配列した図11(a)のような1次元アレイ型の圧電体を作製することができる。
【0007】
さらに、図11(b)のような2次元アレイ型の圧電体を作製する場合は、上記図11(a)の1次元アレイ型の圧電体を、先に切断した方向と垂直方向に、予め設計された幅となるよう、ダイシングソーなどの切断機を用いて、図11(b)に示すような2次元的な構造となるように圧電セラミック101を切断することで、多数の柱状の圧電セラミック101の柱が配列した図11(b)のような2次元アレイ型の圧電体を作製することができる。
【0008】
このように、図11(a)、(b)に示す構造の圧電体を用いて、1次元または2次元のアレイ型超音波探触子を作製することが可能であった。
【0009】
また、図11(b)の構造の圧電体において、切断してできた溝に充填材2を充填すれば、図11(c)に示すような圧電複合材料を作製することも可能であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような、超音波探触子等に用いられる従来の圧電体の製造方法は、破損しやすい圧電セラミックにダイシングによる微細な機械加工をおこなっていたため、圧電セラミックに欠けや割れなどが発生し、圧電特性の劣化が生じたり、アレイ型の圧電体においては各素子ごとの特性がばらついてしまったり、圧電複合材料を構成した場合には、部分的に特性が劣化したり、特性が不均一になってしまうといった問題があった。
【0011】
また、音響上やエネルギー変換効率の点からの要求によって、圧電セラミックの間の寸法を極端に狭くして配列したり、アスペクト比の高い圧電セラミックを配列させた圧電体が必要な場合にも、このような形状の圧電体を製造することは非常に困難であった。また更に、複雑な形状の圧電体、例えば曲面を有するような形状の圧電体を形成することも非常に困難であった。
【0012】
また、圧電セラミックは、微細なあるいは複雑な加工が困難であり、加工がそれほど容易ではないため、歩留まりが悪いという問題があった。特に、図11(b)、(c)のような溝部分の多い構造を形成する場合には、圧電セラミックに多数の加工をする必要があるため、加工時間が長くかかることや、ダイシングソーなどの加工治具の磨耗の問題などがあった。
【0013】
本発明は、上記課題に鑑み、特性が均一で、高く、微細な圧電セラミックが配列した圧電体、特にアスペクト比の高い圧電セラミックが配列した圧電体や、例えば曲面を有するような従来の機械加工では製造することが非常に困難であった圧電体を、歩留まり高く製造することを可能とする方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために本発明は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去する圧電体の製造方法である。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、微細な圧電セラミックが配列した構造や、曲面などを有する複雑な構造を含む圧電体で、圧電特性が高く、圧電体の内部が均一な特性である圧電体の製造方法であって、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去するものであって、破損し易い焼結した圧電セラミックに機械加工などによる加工を必要とせずに、所望の形状の圧電体を形成することができるため、微細構造を有する圧電体や、複雑形状の圧電体を、高精度に歩留まり良く形成できるものである。
【0016】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【0017】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材を、厚さ方向に複数重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【0018】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、平板状の圧電前駆材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【0019】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【0020】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定のパターンとなるように、塗り重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【0021】
上記実施形態において、好ましくは空隙形成材が除去された空隙部に、充填材を充填するものである圧電体の製造方法である。
【0022】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0023】
(実施の形態1)
図1は本実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図であり、例えば図11(a)に示した1次元のアレイ型超音波探触子に用いられる圧電体を製造する場合に用いられる工程である。図11(a)に示した圧電体は、板状の圧電セラミックがその厚さ方向に所定の間隔で配列した構造となっているものである。図1において1は圧電前駆材であり、2は空隙形成材である。
【0024】
図1に示す各工程は、(a)圧電前駆材1と空隙形成材2が交互に積み重った構造の複合体3を形成する工程、(b)形成した複合体3から空隙形成材2を除去する工程、(c)残った圧電前駆材1を焼結させて圧電体4を形成する工程、である。次に、それぞれの工程について詳細に説明する。
【0025】
図1に示す複合体3は、例えば次のような工程で形成される。圧電前駆材1および空隙形成材2をシート状に形成し、これを図2(a)に示すように所定の順序で積層して複合体3を形成するものである。このとき、空隙形成材2の一方の端面は圧電前駆材シートより短く形成し、異なる層の圧電前駆材シート同士が接合して、複合体3の一方の端面がすべて圧電前駆材1で形成されるようにすることが必要である。積層時には必要ならば、圧力および熱を加える。
【0026】
圧電前駆材1のシートは圧電セラミック粉末と結合材、必要ならば可塑材などを混合して溶媒に溶かしたものをドクターブレード法などによりシート状に成形したり、ブロック状に形成した圧電前駆材1をスライスしてシート状に成形してもよい。
【0027】
空隙形成材2はその用いる材料によってシート状に形成する手法が異なるが、例えば空隙形成材2として樹脂系の材料を用いる場合には、圧電前駆材1と同様の手法を用いることができる。一方、金属などを空隙形成材2として用いる場合には、市販されている金属プレートの中から、圧電前駆材1と反応しないなどの条件を満たす所望の厚さのものを選択して用いる。なお空隙形成材2は圧電セラミックや結合材などと反応しない物質であれば良く、上記以外の材料についても採用することができる。
【0028】
また別の複合体3の形成方法として、溶媒などに溶かして液体状にした圧電前駆材1および空隙形成材2を、所定の順序で塗布、乾燥を繰り返して形成することもできる。このとき圧電前駆材1と空隙形成材2を分散、または溶解している溶媒は、一方を親水性、他方を疎水性としておくことが好ましい。こうすることによって、塗布の間にも圧電前駆材1と空隙形成材2が相溶することないため、精度良く所望の形状の複合体3を形成することができるものである。
【0029】
上記のいずれの場合の複合体3の製造方法においても、図1に示したように、複合体3の少なくとも片側の端面は圧電前駆材1のみで構成されていることが必要である。これは空隙形成材2を除去した後にも、複合体3が一体の形状を保持して、精度良く圧電体4を形成することを可能とするものである。
【0030】
次に、このような工程を経て形成した複合体3から空隙形成材2を除去する。空隙形成材2が樹脂などで構成されている場合には、これを高温中で燃焼させて気体として除去することが可能である。このとき空隙形成材2が気体化する圧力によって圧電前駆材1にヒビや割れなどが生じないように、燃焼条件を適当にコントロールする必要がある。
【0031】
また空隙形成材2が燃焼した後にカーボンなどの残差が残らないよう空隙形成材2に用いる材料の選定や燃焼条件の最適化を行う必要がある。
【0032】
一方、金属などの材料を空隙形成材2として用いる場合には、燃焼によって除去することが困難なため、圧電前駆材1を焼結させる前に、引き抜いたり、化学的なエッチングなどにより除去することが必要である。
【0033】
ところで、圧電前駆材1と空隙形成材2をシート化した後に、積層することによって複合体3を形成する場合には、圧電前駆材1のシートに空隙形成材2のシートの厚さを吸収できるだけの、大きな圧縮変形率を持たせることによって、剥離などの欠陥を生じさせること無く複合体3を形成することができる。
【0034】
ところが空隙形成材2が厚い場合には、積層時に圧縮される割合が、空隙形成材2のシートがある部分とない部分で大きく異なるために、複合体3の中の圧電前駆材1の密度が異なり、このため焼結時の収縮率が部分によって異なることになる。
【0035】
このため所望の形状に圧電前駆材1を含む複合体3を形成できても、焼結の過程で変形してしまうことになり、所望の形状の圧電体4を高精度に製造することが困難となる。
【0036】
このような場合には、図2(b)に示すように、空隙形成材2のシートを配置する層について、空隙形成材2のシートが欠けている部分に、空隙形成材2のシートと同じ厚さの圧電前駆材1のシートを配置して積層することが好ましい。このようにすることによって、図2(a)の場合と異なり、厚い空隙形成材2のシートを積層して幅の広い空隙となる部分を確保しながら、複合体3の中における焼成時における圧電セラミックの収縮率の違いを無くすことができるため好適である。
【0037】
また幅の広い空隙をもつ圧電体4を、焼成時の歪みを少なく形成する方法としては、図3に示す方法も有効である。図3は圧電前駆材1と空隙形成材2からなる複合シート5と空隙形成材のシートを所定の順序で積層して複合体3を形成する場合の模式図である。
【0038】
複合シート5は、図3(a)のようにPET(ポリエチレンテレフタレート)などのキャリアフィルム6上に形成した空隙形成材2の、少なくとも一方の端面を除去した後、図3(b)のように、空隙形成材2の上に圧電前駆材1のシートをドクターブレード法などにより形成するものである。
【0039】
この方法によると焼結した圧電セラミックに微細な機械加工をする必要が無く、図11(a)に示したような板状の圧電セラミックが多数配列した構造の圧電体4を容易に、精度良く形成することができるものである。
【0040】
この製造方法によると圧電セラミックに欠けや割れなどが生じることが無いため、圧電特性を高く、均一とすることができるものである。またダイシングする場合のダイシングブレードの幅などの加工工具の寸法に、圧電体4の形状が制約を受けることが無いため、微細な構造の圧電体4を形成でき、高周波に対応した微細構造の圧電体4を提供することができるものである。
【0041】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2について、図4を参照しながら説明する。例として図11(b)および(c)に示した2次元のアレイ型超音波探触子用の圧電体および、圧電複合材料のような柱状の圧電セラミックが配列した構造である圧電体およびその製造方法について説明する。
【0042】
図4(a)に示すように、圧電前駆材1が柱状に配列し、その空隙部に空隙形成材2が充填された構造の複合体3を形成し、図4(b)のように形成した複合体3から空隙形成材2を除去する工程と、図4(c)のように、残った圧電前駆材1を焼結する工程を経て図11(b)および(c)に示した2次元のアレイ型超音波探触子および、圧電複合材料に用いる圧電体4が得られるものである。次に、それぞれの工程について詳細に説明する。
【0043】
図4に示す複合体3は、例えば次のような工程で形成される。図1(a)に示した複合体3を積み重ねた方向と垂直の、紙面の奥行き方向に薄くスライスして、図5(a)のように一枚のシートに圧電前駆材と空隙形成材が所定のパターンで配列した複合シート5を形成する。こうして形成した複合シート5と空隙形成材2のシートを図5(b)のように所定の順序で積層、必要ならば圧力、熱を加えることによって図4(a)に示したす複合体3を得ることができる。
【0044】
また別の複合体3の製造方法としては、PETなどのキャリアフィルム上に、図6(a)に示すような圧電前駆材1と空隙形成材2が交互に櫛歯状のパターンとなるように形成した複合シートと、空隙形成シートの一方の端面を圧電前駆材1とした複合シートを交互に積層することによって、図6(b)に示すような複合体3を形成することができるものである。
【0045】
また別の複合体3の製造方法としては、実施の形態1で述べたのと同様に、圧電前駆材1および空隙形成材2を溶媒に分散・溶解して液体状にし、これを所定のパターンで塗布、乾燥することによって複合体3を形成するものである。
【0046】
この場合に、空隙形成材2のみで構成される層については、全面を一様に塗布することができるが、圧電前駆材1を含む層については、例えば図7に示すように所定のパターンに応じた圧電前駆材1および空隙形成材2の供給部7(例えば、細管など)から所定量を供給することによって、所望のパターンの圧電前駆材1と空隙形成材2の層を形成することができるものである。このとき前述の場合と同様に、圧電前駆材1と空隙形成材2を溶解している溶媒は、一方を親水性、他方を疎水性とするなどの極性を異ならせることが好ましい。
【0047】
以上では、圧電前駆材1と空隙形成材2がパターン化された層と、空隙形成材2の層を重ねて複合体3を形成したが、図8(a)に示すように、圧電前駆材1と空隙形成材2がパターン化された層を繰り返し重ねたり、図8(b)に示すように、圧電前駆材1と空隙形成材2がパターン化された層と、圧電前駆材1の層を重ねて複合体3を形成したりすることによって、通常の機械加工では形成することが不可能な、様々な形状の圧電体4も形成することができるものである。
【0048】
また別の複合体3の製造方法としては、空隙形成材2で形成した型に、圧電前駆材1を充填する事によって形成するものである。この製造方法について図9を参照しながら説明する。
【0049】
図9では2次元のアレイ型超音波探触子および、圧電複合材料のような柱状の圧電セラミックが配列した構造の圧電体3の製造方法を例に示している。図9(a)に示したように目的の圧電体4の形状の逆パターンとなるように空隙形成材2の型を形成する。空隙形成材2の型は例えば次のような方法で製作される。
【0050】
空隙形成材2の型を製作するため、はじめに圧電体3と相似の形状である元型を製作する。元型は圧電前駆材1の焼結時の収縮率を考慮して寸法が決定される。空隙形成材2の型を形成する元型は、金属やセラミックに放電加工やダインシグソーなどで加工することによって形成される。元型は空隙形成材2の型を形成するためだけのものであるため、多数の圧電体4を製造する場合にも少数を製造するだけで良いものである。
【0051】
図9(b)のように形成した元型の空隙部分に、空隙形成材2を充填する。元型の周囲をテープなどで覆って充填する際の壁を形成した後、空隙形成材2を充填するものである。空隙形成材2は流動性があり、元型の空隙を隙間なく埋めることができるものが好ましい。この製造法の場合に用いられる空隙形成材2は樹脂系の材料が好ましく、これを溶媒に分散・溶解させたり、未硬化の状態で流動性の良いものが好ましい。
【0052】
元型に充填した空隙形成材2は、元型から分離させて圧電前駆材1をその空隙部分に充填させるため、元型の表面には充填した空隙形成材2を容易に剥離しうるように、表面層を設けることが好ましい。表面層としてはフッ素系などの材料が良く、テフロンなどを用いることが出来る。
【0053】
元型に充填した空隙形成材2を剥離させる際には、空隙形成材2が切れたり、欠けたりして破損しないように端面から順に剥離させる事が好ましい。このため空隙形成材2で形成した型の底面部の厚さは、構造体として保持しうる範囲で薄くすることが好ましい。底面部を厚く形成した場合には底面部が変形しにくく、空隙形成材2で形成した型の柱の付け根に応力が集中し折損しやすくなるためである。このように元型から形成した空隙形成材2の型に、上記と同様の操作で圧電前駆材1を充填して複合体3を形成する。
【0054】
この方法によると焼結した圧電セラミックに微細な機械加工をする必要が無く、図11に示したような微細な構造の圧電セラミックが多数配列した形態の圧電体4を、精度高く、歩留まり良く形成することができるものである。この製造方法によると圧電セラミックに欠けや割れなどが生じることが無いため、圧電特性を高く、均一とすることができるものである。
【0055】
またダイシングする場合のダイシングソーの幅のように、加工工具の寸法に、圧電体4の形状がその影響を受けることが無いため、微細な構造の圧電体4を形成でき、たとえば高周波にも対応することが可能であるような、微細構造の圧電体4も提供することができるものである。
【0056】
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3について、図10を参照しながら説明する。図10(a)に示すような、少なくとも一層の圧電前駆材1と空隙形成材2が重なった複合体3を、図10(b)に示すように更に巻回して複合体3を形成するものである。
【0057】
このようにして形成した複合体3から図10(c)に示すように空隙形成材2を除去し、圧電前駆材1を焼結する工程を経て、圧電体4を形成するものである。
【0058】
図10(c)のように従来の機械加工では製造することが極めて困難な、圧電体4を製造することを可能とするものである。図10(c)に示した圧電体4は、その厚さ方向に電極を設けることで低い電圧で大きな変形を得ることのできる圧電体となるものである。
【0059】
なお図10においては、圧電前駆材1と空隙形成材2が重なった複合体を、更に巻回して複合体を形成したが、例えば単純に圧電前駆材1と空隙形成材2を重ねた複合体3を、更に蛇腹状に折りたたんで複合体3を形成したり、スパイラル状にしたりして複合体3を形成しても良く、様々な形態の圧電体4を形成することができるものである。
【0060】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、微細な圧電セラミックが配列した圧電体や、複雑な曲面を有する圧電体などの、従来機械加工で形成することがきわめて困難であった圧電体を、形状の精度良く、歩留まり良く、一度に複数、安価に製造することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図2】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図3】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図4】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図5】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図6】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図7】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図8】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図
【図9】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図
【図10】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図11】従来の圧電体の一例を示す概念図
【符号の説明】
1 圧電前駆材
2 空隙形成材
3 複合体
4 圧電体
5 複合シート
6 キャリアフィルム
101 圧電セラミック
102 充填材
103 基盤
Claims (7)
- 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
- 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材を、厚さ方向に複数重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
- 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の圧電前駆材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。 - 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。 - 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に櫛歯状のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。 - 圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定のパターンとなるように、塗り重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
- 空隙形成材が除去された空隙部に、充填材を充填する請求項1から6のいずれかに記載の圧電体の製造方法。
Priority Applications (3)
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---|---|---|---|
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