JP4161197B2 - Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same - Google Patents
Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP4161197B2 JP4161197B2 JP2003079113A JP2003079113A JP4161197B2 JP 4161197 B2 JP4161197 B2 JP 4161197B2 JP 2003079113 A JP2003079113 A JP 2003079113A JP 2003079113 A JP2003079113 A JP 2003079113A JP 4161197 B2 JP4161197 B2 JP 4161197B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- constant
- piezoelectric plate
- plate
- porcelain
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 claims description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 29
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 11
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 9
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 3
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002003 electrode paste Substances 0.000 description 3
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 1
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012508 resin bead Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
- G01N29/245—Ceramic probes, e.g. lead zirconate titanate [PZT] probes
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波変換器などに使用されるセラミック圧電板、並びに該圧電板を使用した超音波変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック圧電材料を用いた超音波変換器は、医用診断装置や非破壊検査装置、魚群探知機など各種超音波計測機器に広く使用されている。
これらの機器は、主として超音波変換器に電気的パルスを入力して超音波を発生させ、この超音波を媒体中に伝搬させて、媒体中に存在する音響インピーダンスの異なった部分からの反射波を検出して計測を行う超音波エコー法を用いるものである。２つの媒体間の音響インピーダンスが同程度であれば音波は良く透過し、反射波は非常に少ないが、音響インピーダンスが異なる媒体間では、その境界で音波の反射がおこり、その差が大きいと透過波は少なく、反射波が多くなる。これを利用したのが超音波エコー法である。
【０００３】
超音波計測機器には高い分解能と、広い周波数帯にわたって計測可能であることが要求されるため、超音波変換器から発生する超音波パルスの時間波形を可能な限り短くすること、および広帯域な周波数特性を持つ超音波パルスを発生させることが望まれている。
【０００４】
超音波変換器の主要部は、一般に、厚さ方向に分極された圧電性磁器板（以下、圧電板という）の両面に金属電極膜が形成され、該圧電板の片面には、バッキング材として同材質のセラミック板が、電極膜を介して貼り付けられ、さらにその後ろに吸音材が形成された構造となっている。超音波パルスは、前記圧電板にインパルス電圧を印加して励振される。
【０００５】
圧電板として、厚さ方向に関して圧電h定数が一様に分布した磁器板を使用した場合、超音波変換器を電圧パルスで駆動すると、圧電板の表面から外部に放射される超音波パルスの時間波形は、単一パルスではなく長いパルス列を形成し、時間波形が長くなる。また、周波数帯域が狭いという問題もあった。
【０００６】
これに対して、厚み方向で圧電h定数が直線的ないし単調に傾斜した圧電板を使用することにより、広い周波数帯域幅を持つ短パルスの超音波が得られることが知られている（例えば特許文献１参照。）。この違いは、圧電h定数が一様に分布した圧電板を使用した場合には、圧電板の両面から超音波パルスが発生するのに対し、圧電h定数の傾斜した傾斜圧電板を使用した場合には、超音波が圧電定数の大きな一面からのみ放射されるために生ずるものである。本発明者らも、先に、成分金属元素の構成比率を空間的に傾斜させることによって圧電h定数を単調にかつ滑らかに傾斜させた傾斜圧電板と、この傾斜圧電板を使用した超音波変換器について提案を行っている（特願２００２−３７８５４０号）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１５４８９７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
超音波計測機器においては、放射される超音波パルスの時間波形が短いことに加えて、超音波変換器の送波感度を向上させるため、パルスの振幅が大きいことが要求される。しかし、本発明者らの研究によれば、圧電h定数を空間的に傾斜させることによって広い周波数帯域幅を有する短パルスが得られても、傾斜のさせ方によって超音波パルスの振幅が異なり、圧電h定数を直線的ないし単調に傾斜させるだけでは、図１２や図１４にも示されるように、振幅の大きい超音波パルスが必ずしも得られないことが判った。このため感度の高い超音波変換器を再現性よく得ることが困難であった。
【０００９】
本発明は、超音波エコー法で使用される超音波変換器において、圧電性磁器の圧電h定数の空間的傾斜の度合いを制御し、最適化することにより、時間波形が短くかつ幅広い周波数特性を有するとともに、振幅の大きい超音波パルスを再現性よく得ること、これにより更に高分解能で高感度な計測が可能な超音波変換器を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明の他の目的は、圧電性磁器の圧電h定数の空間的傾斜が最適化され、かつ構造上の音響的な不連続性のない、実用性の高い超音波変換器を容易に製造する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
１．１枚の多成分系圧電性磁器からなる圧電板であって、圧電h定数が一方の面でゼロ、他方の面で最大であり、かつ以下の条件を満たすように厚さ方向で傾斜していることを特徴とする圧電板。
（1）
【数２】
（3）0≦x＜tの範囲において、0≦dh(x)／dx≦2×1013 (V／m2)
（4）少なくとも0.8t≦x＜tの範囲において、h(x)＞（h(t)／t）・x
但し、xは圧電h定数がゼロである面からの厚さ方向の距離(m)、tは圧電板の厚さ(m)、h(x)は距離xにおける圧電h定数（V／m）、h(t)は距離tにおける圧電h定数（V／m）である。
２．0＜x＜tの範囲において、h(x)＞（h(t)／t）・x、かつd2h(x)／dx2≦0である、前記１に記載の圧電板。
３．成分金属元素の構成比率を厚さ方向で傾斜させることによって圧電h定数を傾斜させた、前記１または２に記載の圧電板。
【００１２】
４．圧電h定数が異なる２種以上の磁器粉末を準備し、それぞれの磁器粉末を用いてグリーンシートを作製し、該グリーンシートを積層し、圧着した後、焼結することにより圧電h定数を傾斜させた、前記１ないし３のいずれかに記載の圧電板の製造方法。
５．前記２種以上の磁器粉末が、同一の成分を含み、かつその成分金属元素の比率を変えることによって圧電h定数を変えたものである、前記４に記載の圧電板の製造方法。
６．前記１ないし３のいずれかに記載の圧電板を用いた超音波変換器。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電板は、例えばＰＺＴなど、多種類の金属元素から構成されたペロブスカイト構造の多成分系圧電磁器材料からなっており、一方の面で圧電h定数がゼロ、対向する他方の面で圧電h定数が最大となるように、圧電h定数を傾斜させ、かつこの圧電h定数の傾斜を最適化したことを特徴とするものである。なお本発明において、圧電h定数は、圧電h33定数を意味している。
【００１４】
本発明の圧電板の圧電h定数の傾斜の仕方は、圧電h定数がゼロである面からの厚さ方向の距離x を横軸に、その点での圧電h定数h(x)を縦軸にとり、x とh(x)の関係を直線または曲線（以下「h(x)曲線」という。）で表わしたグラフにおいて、少なくとも以下の(1)〜(4)の条件をすべて満たすものである。
【００１５】
（1）
【数３】
（2）0≦x＜tの範囲では、h(x)の値がh(t)より小さいこと、
（3）0≦x＜tの範囲で、傾きdh(x)／dxが０または正の値をとり、かつ2×1013 V／m2以下であること、
（4）少なくとも0.8t≦x＜tの範囲においては、h(x)＞（h(t)／t）・xであること、即ちh(x)が常にh(x)＝（h(t) ／t）・xで表わされる直線より上にあること。
このような傾斜とすることにより、短パルスでかつ幅広い周波数特性を有するとともに、振幅の大きい超音波パルスを得ることができる。
【００１６】
図１のＡ〜Ｄは、例として、このようなh(x)曲線の、0.8t≦x＜tの範囲におけるいくつかのパターンを表わしたものである。上記の条件をすべて満たしていれば、0.8t≦x＜tの範囲では、h(x)曲線は、図１のＡのような直線であっても、Ｂのように上に凸の曲線であっても、Ｃのように下に凸の曲線であっても、またＤのように波状に変化する曲線であってもよい。これらのh(x)曲線のうち、0.8t≦x＜tの範囲において、h(x)曲線より下の部分の面積が大きいほうがより効果的であり、特に、h(x)が図１における直線Ａ上にあるか、またはこの直線より上にあることが望ましい。
【００１７】
少なくとも(1)、(2)および(3)の条件を満たしていれば、0＜x＜0.8tの範囲では、h(x)曲線は直線であっても、上に凸の曲線であっても、下に凸の曲線であっても、また波状に増減を繰り返して変化する曲線であってもかまわない。
【００１８】
最も好ましい傾斜の例は、前記(1)〜(4)の条件に加えて、0.8t≦x＜tの範囲だけでなく0＜x＜tの全範囲において、h(x)＞（h(t)／t）・xであって、かつxの増加に伴って、h(x)が減少することなく、最大値h(t)となるまで単調に増加するものである。特に、図７に示されるように、h(x)がゼロから最大値h(t)となるまでの間は、d2h(x)／dx2≦0となっていること、即ちh(x)曲線の傾きdh(x)／dxがx＝０近傍で大きく、xが増大するにつれて漸次減少していくような傾斜とするのが理想的であり、パルスの振幅が大きくなる。
【００１９】
なお、どのような傾斜の仕方をするにしても、傾きdh(x)／dxが 2×1013Ｖ／m2を超えると、このxの位置で大きな超音波励振力が発生し、超音波パルスが生じるために、得られる超音波の時間波形が短パルスにならない。
【００２０】
前記のような圧電h定数の傾斜は、圧電磁器材料の組成、即ち成分金属元素（以下「構成元素」という。）の比率を厚さ方向で傾斜させることによって得ることができる。即ち本発明の圧電板は、構成元素の比率の変化に伴って、圧電h定数が単調に変化するような多成分系磁器材料粉末を原料として使用し、例えば次のようにして製造される。
【００２１】
圧電h定数が異なる複数種の磁器粉末を、目的の傾斜が得られるように層状に重ね、層状プレス成型体を作製し、これを焼結する。あるいは圧電h定数が異なる複数種の磁器粉末を用いて複数のグリーンシートを作製し、該複数のグリーンシートを目的の傾斜が得られるように所定の順に積層して圧着し、高温で焼結する。いずれにおいても圧電h定数の異なる層の境界部では、焼結時に構成元素が相互に熱拡散して濃度が変化し、組成が連続的に変化するようになるために、圧電h定数が厚さ方向で連続的にかつ任意に傾斜した１枚の圧電板が得られる。
【００２２】
この方法によれば、圧電h定数の傾斜が滑らかな圧電板を簡単に製造でき、しかも圧電h定数の異なる多種類の磁器粉末を用いることや、層厚あるいはグリーンシート厚および積重ねの順序を変えることで、従来困難であった、圧電h定数の傾斜の度合いを目的に合わせて自在に制御することが可能である。従来の傾斜圧電板の製造方法としては、例えば圧電板の厚み方向に温度勾配を与えて部分的に減極させる方法や、圧電定数の異なる複数の磁器板を接着剤で張り合わせる方法があるが、前者では板厚方向の温度勾配は両端面の設定温度により自動的に決定されるものであることから、h定数の傾斜を目的に合わせて制御することは極めて困難で、工業的な価値は低く、また後者では音響的連続体が得られない。本法はこれらの問題点を解決することができる、優れた方法である。
【００２３】
本発明の圧電板は、有利には同一の成分を含み、構成元素の比率の異なる複数の多成分系圧電磁器材料を原料として用いて製造される。一般にこのような圧電磁器材料では、特定の構成元素の比率と圧電h定数とが、比例関係を含めた特定の関数で表わされる場合が多い。従って、目的の傾斜を得るためには、実際には、まず該構成元素の比率と圧電h定数の関係を調べてプロットし、その関係から両者の間に成り立つ関数を特定し、目的とする圧電h定数の傾斜の仕方に応じて、使用する磁器粉末の組成を選択する。
【００２４】
本発明の超音波変換器は、前記の圧電h定数の傾斜を最適化した圧電板を主要構成要素として用いたものである。具体的には、例えばこの圧電板の両面に電極膜を設け、一方の面にバッキング材として音響インピーダンスが圧電板と類似した磁器板、および所望によりさらに吸音材を設けたものを主要構成要素とする。
【００２５】
図２は、本発明の超音波変換器の主要部の構造の一例を示す側断面図である。これは、１枚の分極処理された圧電板と、前記圧電板の一方の面に形成された電極膜と、他方の面に電極膜を介して接合された音響インピーダンスが前記圧電板と類似する磁器板とを主要構成要素とする構造のものである。
【００２６】
図２において、１は厚さ方向に構成元素の比率と圧電h定数が前記のように傾斜分布した圧電板（以下「傾斜圧電板」という）である。傾斜圧電板１は、矢印Ｐの方向に分極処理されている。２、３は傾斜圧電板１の両面に形成された電極膜であり、６、６’は電極膜２、３からそれぞれ取り出されたリードと端子である。４は傾斜圧電板１と音響インピーダンスが類似した磁器板であり、電極膜３を介して傾斜圧電板１と接合されている。傾斜圧電板１の圧電h定数は、表面の電極膜２に接する部分で最大、電極膜３に接する部分で０となっている。この傾斜の方向は、逆であってもよい。また分極Ｐの方向は、図示の方向でも、これとは逆の方向であっても良い。
【００２７】
バッキング材である磁器板４は、傾斜圧電板１と音響インピーダンスが類似していれば、どのような材質のものを用いてもよい。傾斜圧電板と同質の圧電性を示す磁器を使用してもよい。磁器板４は、電極膜３と接着剤で接合してもよいが、音響インピーダンスの異なる接着剤層が存在するとその部分で超音波の反射がおこり易いので、接着剤を用いずに接合することが望ましい。接着剤を使用せずに接合する方法としては、例えばグリーンシート法で傾斜圧電板と同時に焼成する方法がある。また磁器板４は、電極膜３との接合面の反対側の端部が、超音波が乱反射するように荒い仕上げ面となっているか、多孔質構造となっていることが好ましい。また、図示していないが、磁器板４に更に吸音材を付設してもよい。
【００２８】
電極膜３は、超音波を反射しない程度に薄い金属膜であることが望ましく、また傾斜圧電板１と音響インピーダンスの不整合を生じないよう、接着剤を用いないで接合される。例えば、スパッタリング、蒸着、めっき、あるいは金属ペースト膜を傾斜圧電板と同時焼成する方法等によって形成される。電極膜２は、どのような方法で形成されたものでもよい。金属ペーストの焼付、スパッタリング、蒸着、めっきの他、金属箔や金属板等を接着剤を用いて傾斜圧電板1に接合してもよい。また傾斜圧電板との同時焼成により形成してもよい。
【００２９】
図３は、本発明の超音波変換器の、他の例を示す側断面図である。これは、図２の圧電板に代えて、圧電h定数が厚さ方向で傾斜した２枚の傾斜圧電板を、圧電h定数が両者の接合部で最も大きくなるように内部電極膜５を介して接合したものを用いる。即ち、圧電h定数が内部電極膜５との接合部で最大となるように内部電極膜を介して接合している２枚の分極処理された圧電板１'、１"と、一方の圧電板１"の内部電極膜と接合していない面に形成された電極膜３と、他方の圧電板１'の内部電極膜５と接合していない面に電極膜を介して接合された、音響インピーダンスが圧電板と類似する磁器板４とを主要構成要素とする構造のものである。内部電極膜５は電極膜３と同様、磁器との接合面で超音波を反射しない薄い金属膜であることが望ましく、接着剤を用いないで接合される。このような構造にすることにより、より感度の高い超音波変換器が得られる。
【００３０】
本発明の超音波変換器では、前記のような傾斜圧電板を使用するので、リードと端子６、６’の間に電圧パルスを印加して超音波を発生させると、図２の場合は、超音波は傾斜圧電板１の圧電定数の大きな一面からのみ、双方向に向けて放射される。超音波変換器内部に向かう超音波は磁器板４の内部で散乱され、減衰し消滅する。図３の場合は、超音波は傾斜圧電板1'、1”の境界面から双方向に放射される。超音波変換器内部に向かう超音波は図２の場合と同様に散乱され減衰し消滅する。これとは反対方向に向かう超音波は超音波変換器の表面から外部に向けて放射される。このとき、一部の超音波は表面で反射されて内部に向かうことになるが、これは最初から内部に向かった超音波と同様にして減衰し消滅する。従っていずれの形態においても、広い周波数帯域幅を持つ短パルスの超音波が得られる。
【００３１】
次に、本発明の超音波変換器の好ましい製造例として、グリーンシート積層法を用いて図２の超音波変換器を製造する方法を説明する。
【００３２】
構成元素の比率の変化により圧電h定数が単調に変化するＰＺＴ系磁器材料からなる、３種の磁器粉末a、b、cを準備する。なお、磁器粉末aは圧電性を示さない材料、磁器粉末b、cは圧電性を示す材料であって、磁器粉末b、cの圧電h定数をそれぞれhb、hcとしたとき、hb＝2／3・hcである。これら磁器粉末a、b、cを各々樹脂、溶剤と適宜混合して磁器粉末スラリーとし、ＰＥＴフィルム上にキャスティングした後、乾燥してそれぞれグリーンシート11、12、13を得る。また磁器粉末aを用いた一枚のグリーンシート11上に、白金粉末、樹脂、溶剤からなる電極形成用の白金ペーストを、焼成後の電極膜厚みが5μmとなるよう所定の形状に印刷して、電極ペースト膜14を形成する。
【００３３】
これらグリーンシートを図４に示すように積み重ね、圧着した後、磁器粉末の焼結温度で焼成し、図２に示されるような、傾斜圧電板１と、電極膜３と、バッキング材となる磁器板４とが一体化された焼成体を得る。次に焼成体の傾斜圧電板１の電極膜３と反対側の面上に、電極用ペーストとして、例えば銀粉末、ガラス粉末、樹脂および溶剤からなる銀ペーストを塗布、焼成することにより電極膜２を形成する。そして電極膜２、３の間に直流電圧を印加することにより、傾斜圧電板１を分極させる。
【００３４】
磁器板４の端部を多孔質とする場合は、焼成後に多孔質になるようなグリーンシートを所定の部分に使用すればよい。このようなグリーンシートとしては、任意の位置に多数の貫通孔を有するものや、樹脂ビーズ等を混入させて焼成後に空洞を生じるようにしたものなどがある。また表面の電極膜２は、予め最外層のグリーンシート13上に金属ペーストを印刷しておき、積層体と同時焼成して形成することもできる。
【００３５】
このようなグリーンシート法で圧電板、電極、バッキング材を同時に焼結する場合、工程が簡略化され、また音響的に連続になるため超音波の反射が少なく、より短パルス化が可能になる利点がある。しかしながら本発明は、以下の実施例のように音響的連続性を損なわない程度に薄い接着剤層を用いてバッキング材を貼り合わせたり、電極をスパツタリング法等他の方法で形成することを妨げるものではない。
【００３６】
【実施例】
実施例１
磁器粉末として(1−α)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−αPb(Zr0.3Ti0.7)O3系で、αが0.450mol、0.440mol、0.420mol、0.390mol、0.350mol、0.300molの６種類の粉末を準備した。これらの磁器粉末の圧電h定数(Ｖ／m)と、Ｘ線マイクロアナライザを用いて測定したTi濃度Ｎ(重量％)をαに対してプロットし、図５に示した。この結果から得られた圧電h定数とTi濃度Ｎの関係を、図６に示した。図６から明らかなように、圧電h定数とTi濃度は比例関係にある。従って磁器のTi濃度を測定すれば、圧電h定数の傾斜がわかることになる。
【００３７】
それぞれの磁器粉末100重量部に対して、アクリル樹脂5重量部、テルピオネールを主成分とする有機溶剤20重量部を混合してスラリーとし、テープキャスティング法を用いて厚さ約160μmの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これら６種類のグリーンシートを圧電h定数の大きい順に積層し、120℃に加熱した状態でプレス圧着した。次いでこの積層体を400℃で20時間かけて脱脂し、その後1120℃の温度で４時間かけて焼結して、圧電板を得た。この焼結体を直径15mm、厚さ0.7mmの円板に加工し、上下面を鏡面となるように研磨仕上げをし、上下面全面にスパッター法で金電極膜を形成した。この後、電極膜間に３kVの直流電圧を30分間印加して分極処理を行った。得られた圧電板の側面を、Ｘ線マイクロアナライザで走査することにより、圧電h定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるTiの濃度Ｎを、約15μm間隔で測定した。Ｘ線マイクロアナライザは、日立製作所製S−4500型走査電子顕微鏡と堀場製作所製エネルギー分散型Ｘ線分析装置EMAX−7000とを組み合わせたものである。図７はその結果をプロットしたもので、距離ｘに対するTiの濃度Ｎの変化は、近似的に図のような曲線で表わされる。前述の圧電h定数とTi濃度との関係から、この圧電板では、圧電h定数が厚み方向で曲線Ｅのような傾斜をもって分布していることがわかる。
【００３８】
一方の面が鏡面仕上げされ、反対の面が超音波を乱反射するように荒い仕上げ面となっている、厚さ20mmのα＝0.300molの組成の磁器板（バッキング材）の鏡面側に、前記圧電板を接着剤で貼り合わせ、試験用超音波変換器を製造した。なお、ここでは圧電板とバッキング材との間で音響的な連続性が保たれるよう、接着剤は、約0.1μm以下の厚さとなるようにした。電極膜間に20Ｖのスパイク状負性電圧パルスを印加して超音波を発生させ、これを水中に放射させた。そしてこの水中に放射させた超音波をハイドロフォンプローブで検出した。図８は放射された超音波の時間波形を示すもので、本実施例の試験用超音波変換器では、振幅の大きい正負一対の短い超音波パルスが得られた。縦軸はハイドロフォンの出力電圧であり、超音波の振幅に比例する量である。
【００３９】
実施例２
(1−α)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−αPb(Zr0.3Ti0.7)O3系で、αが0.450mol、0.440mol、0.400mol、0.365mol、0.330mol、0.300molの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約160μmの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電h定数の大きい順に積層し、120℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた圧電板の、圧電h定数が０の面からの距離ｘにおけるTiの濃度Ｎを、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図９にプロットした。この結果から、圧電h定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＦのような曲線で表わされる。
実施例１の傾斜圧電板に代えてこの傾斜圧電板を使用し、同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１０に示した。
【００４０】
比較例１
(1−α)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−αPb(Zr0.3Ti0.7)O3系で、αが0.450mol、0.425mol、0.396mol、0.364mol、0.334mol、0.300molの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約160μmの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電h定数の大きい順に積層し、120℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた圧電板の圧電h定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるTiの濃度Ｎを、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図１１にプロットした。この結果から、圧電h定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＧのような直線で表わされる。
実施例１の傾斜圧電板に代えて、この傾斜圧電板を使用し、同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１２に示した。
【００４１】
比較例２
(1−α)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−αPb(Zr0.3Ti0.7)O3系で、αが0.450mol、0.395mol、0.356mol、0.327mol、0.310mol、0.300molの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約160μmの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電h定数の大きい順に積層し、120℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた傾斜圧電板の圧電h定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるTiの濃度を、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図１３にプロットした。この結果から圧電h定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＨのような曲線で表わされる。
実施例の傾斜圧電板に代えて、この傾斜圧電板を使用し、実施例１と同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１４に示した。
【００４２】
図８、１０、１２、１４から、本発明の傾斜圧電板を用いたものでは、放射される超音波の振幅が極めて大きいことが明らかである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の圧電板は、圧電h定数の傾斜を最適化することによって、周波数帯域幅が極めて広く、振幅の大きい短パルスの超音波を再現性よく発生させることができるものである。また、本発明によれば、最適な圧電h定数の傾斜を有する圧電板を、工業的に適した方法で容易に製造することが可能である。
また本発明の超音波変換器を使用すれば、超音波エコー法を利用した各種の超音波計測機器の高分解能化と使用周波数帯域の広帯域化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電板の、xの特定の範囲におけるh(x)曲線の例を示す図である。
【図２】本発明の超音波変換器の主要部の構造の一例を示す側断面図である。
【図３】本発明の超音波変換器の主要部の構造の他の例を示す側断面図である。
【図４】本発明の超音波変換器のグリーンシート法による製造方法を示した説明図である。
【図５】実施例で用いた磁器粉末の圧電h定数と、Ti濃度Ｎをαに対してプロットした図である。
【図６】実施例で用いた磁器粉末の圧電h定数とTi濃度Ｎの関係を示した図である。
【図７】実施例１の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるTi濃度Ｎおよび圧電h定数をプロットした図である。
【図８】実施例１の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図９】実施例２の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるTi濃度Ｎおよび圧電h定数をプロットした図である。
【図１０】実施例２の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図１１】比較例１の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるTi濃度Ｎおよび圧電h定数をプロットした図である。
【図１２】比較例１の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図１３】比較例２の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるTi濃度Ｎおよび圧電h定数をプロットした図である。
【図１４】比較例２の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【符号の説明】
Ｐ 分極の方向
１，１’，１” 傾斜圧電板
２，３ 電極膜
４ 傾斜圧電板と音響インピーダンスが類似した磁器板
５ 内部電極膜
６，６’ リードと端子
１１ 圧電性を示さない磁器粉末のグリーンシート
１２ 圧電性を示す磁器粉末のグリーンシート
１３ 圧電性を示す他の磁器粉末のグリーンシート
１４ 電極ペースト膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic piezoelectric plate used for an ultrasonic transducer and the like, and an ultrasonic transducer using the piezoelectric plate.
[0002]
[Prior art]
Ultrasonic transducers using ceramic piezoelectric materials are widely used in various ultrasonic measuring devices such as medical diagnostic devices, non-destructive inspection devices, and fish detectors.
These devices mainly generate an ultrasonic wave by inputting an electric pulse to an ultrasonic transducer, propagate the ultrasonic wave into the medium, and reflect waves from different parts of the acoustic impedance existing in the medium. The ultrasonic echo method is used in which measurement is performed by detecting the above. If the acoustic impedance between the two media is similar, the sound wave is transmitted well and the reflected wave is very small. However, between the media with different acoustic impedance, the sound wave is reflected at the boundary, and if the difference is large, the sound wave is transmitted. There are few waves and there are many reflected waves. This is the ultrasonic echo method.
[0003]
Ultrasonic measurement equipment is required to have high resolution and measurement over a wide frequency band, so the time waveform of the ultrasonic pulse generated from the ultrasonic transducer must be as short as possible, and a wide frequency range It is desired to generate ultrasonic pulses having characteristics.
[0004]
The main part of the ultrasonic transducer is generally formed by forming a metal electrode film on both sides of a piezoelectric porcelain plate (hereinafter referred to as a piezoelectric plate) polarized in the thickness direction, and a backing material on one side of the piezoelectric plate. A ceramic plate made of the same material is attached via an electrode film, and a sound absorbing material is formed behind the ceramic plate. The ultrasonic pulse is excited by applying an impulse voltage to the piezoelectric plate.
[0005]
When a ceramic plate with a uniform distribution of piezoelectric h constants in the thickness direction is used as the piezoelectric plate, when the ultrasonic transducer is driven with a voltage pulse, the time of the ultrasonic pulse radiated to the outside from the surface of the piezoelectric plate The waveform forms a long pulse train rather than a single pulse, and the time waveform becomes long. There is also a problem that the frequency band is narrow.
[0006]
On the other hand, it is known that a short pulse ultrasonic wave having a wide frequency bandwidth can be obtained by using a piezoelectric plate whose piezoelectric h constant is linearly or monotonically inclined in the thickness direction (for example, patents). Reference 1). The difference is that when a piezoelectric plate with a uniformly distributed piezoelectric h constant is used, an ultrasonic pulse is generated from both sides of the piezoelectric plate, whereas an inclined piezoelectric plate with an inclined piezoelectric h constant is used. This is because ultrasonic waves are emitted only from one surface having a large piezoelectric constant. The present inventors also firstly made an inclined piezoelectric plate in which the piezoelectric h constant is monotonously and smoothly inclined by spatially inclining the constituent ratio of the component metal elements, and ultrasonic conversion using this inclined piezoelectric plate. A proposal has been made on a vessel (Japanese Patent Application No. 2002-378540).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-154897
[Problems to be solved by the invention]
In the ultrasonic measuring instrument, in addition to the short time waveform of the emitted ultrasonic pulse, the pulse amplitude is required to be large in order to improve the transmission sensitivity of the ultrasonic transducer. However, according to the study by the present inventors, even when a short pulse having a wide frequency bandwidth is obtained by spatially tilting the piezoelectric h constant, the amplitude of the ultrasonic pulse differs depending on the tilting method, It has been found that an ultrasonic pulse having a large amplitude cannot always be obtained only by inclining the piezoelectric h constant linearly or monotonously, as shown in FIGS. For this reason, it has been difficult to obtain a highly sensitive ultrasonic transducer with good reproducibility.
[0009]
In the ultrasonic transducer used in the ultrasonic echo method, the degree of spatial inclination of the piezoelectric h constant of the piezoelectric porcelain is controlled and optimized, so that the time waveform is short and a wide frequency characteristic is obtained. An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of obtaining an ultrasonic pulse having a large amplitude with high reproducibility and capable of measuring with higher resolution and higher sensitivity.
[0010]
Another object of the present invention is to easily manufacture a highly practical ultrasonic transducer in which the spatial inclination of the piezoelectric h constant of a piezoelectric porcelain is optimized and there is no acoustic discontinuity in structure. It is to provide a way to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is as follows.
1.1 Piezoelectric plate made of multi-component piezoelectric porcelain, whose piezoelectric h constant is zero on one side, maximum on the other side, and tilted in the thickness direction so as to satisfy the following conditions A piezoelectric plate characterized in that
(1)
[Expression 2]
(3) In the range of 0 ≦ x <t, 0 ≦ dh (x) / dx ≦ 2 × 10 13 (V / m 2 )
(4) h (x)> (h (t) / t) · x at least in the range of 0.8t ≦ x <t
Where x is the distance (m) in the thickness direction from the surface where the piezoelectric h constant is zero, t is the thickness (m) of the piezoelectric plate, and h (x) is the piezoelectric h constant (V / m) at the distance x , H (t) is the piezoelectric h constant (V / m) at the distance t.
In 2.0 <x <range of t, h (x)> ( h (t) / t) · x, and a d 2 h (x) / dx 2 ≦ 0, the piezoelectric plate according to the 1.
3. 3. The piezoelectric plate according to 1 or 2, wherein the piezoelectric h constant is tilted by tilting the constituent ratio of the component metal elements in the thickness direction.
[0012]
4). Prepare two or more kinds of porcelain powders with different piezoelectric h constants, produce green sheets using the respective porcelain powders, laminate the green sheets, press and sinter them, and then incline the piezoelectric h constants. The method for manufacturing a piezoelectric plate according to any one of 1 to 3 above.
5. 5. The method for manufacturing a piezoelectric plate according to 4 above, wherein the two or more types of porcelain powder contain the same component and the piezoelectric h constant is changed by changing the ratio of the component metal elements.
6). An ultrasonic transducer using the piezoelectric plate according to any one of 1 to 3 above.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The piezoelectric plate of the present invention is made of a multi-component piezoelectric ceramic material having a perovskite structure composed of various kinds of metal elements such as PZT, for example. The piezoelectric h constant is zero on one surface and the other surface facing the piezoelectric plate. The piezoelectric h constant is inclined so that the piezoelectric h constant is maximized, and the inclination of the piezoelectric h constant is optimized. In the present invention, the piezoelectric h constant means the piezoelectric h 33 constant.
[0014]
The method of inclining the piezoelectric h constant of the piezoelectric plate of the present invention is such that the distance x in the thickness direction from the surface where the piezoelectric h constant is zero is the horizontal axis, and the piezoelectric h constant h (x) at that point is the vertical axis. In a graph that expresses the relationship between x and h (x) as a straight line or a curve (hereinafter referred to as “h (x) curve”), it satisfies at least all of the following conditions (1) to (4): .
[0015]
(1)
[Equation 3]
(2) In the range of 0 ≦ x <t, the value of h (x) is smaller than h (t),
(3) In the range of 0 ≦ x <t, the slope dh (x) / dx is 0 or a positive value and 2 × 10 13 V / m 2 or less,
(4) At least in the range of 0.8t ≦ x <t, h (x)> (h (t) / t) · x, that is, h (x) is always h (x) = (h (t ) / T) ・ It must be above the straight line represented by x.
By using such an inclination, it is possible to obtain an ultrasonic pulse having a short pulse and a wide frequency characteristic and a large amplitude.
[0016]
1A to 1D show, as an example, some patterns of such an h (x) curve in a range of 0.8t ≦ x <t. If all the above conditions are satisfied, in the range of 0.8t ≦ x <t, even if the h (x) curve is a straight line like A in FIG. Even if it is, it may be a downwardly convex curve such as C, or it may be a wavy curve like D. Among these h (x) curves, it is more effective that the area under the h (x) curve is larger in the range of 0.8t ≦ x <t. In particular, h (x) is as shown in FIG. It is desirable to be on or above the straight line A.
[0017]
If at least the conditions of (1), (2), and (3) are satisfied, the h (x) curve is a straight convex curve in the range of 0 <x <0.8t. Alternatively, it may be a downwardly convex curve, or a curve that changes by repeatedly increasing and decreasing in a wavy manner.
[0018]
Examples of the most preferable inclination include h (x)> (h () in the entire range of 0 <x <t, not only in the range of 0.8t ≦ x <t, in addition to the above conditions (1) to (4). t) / t) · x, and as x increases, h (x) does not decrease, but increases monotonically until it reaches the maximum value h (t). In particular, as shown in FIG. 7, d 2 h (x) / dx 2 ≦ 0 holds until h (x) reaches the maximum value h (t) from zero, that is, h ( x) It is ideal that the slope dh (x) / dx of the curve is large near x = 0 and gradually decreases as x increases, and the amplitude of the pulse increases.
[0019]
Regardless of the inclination method, if the inclination dh (x) / dx exceeds 2 × 10 13 V / m 2 , a large ultrasonic excitation force is generated at the position of this x, and the ultrasonic wave Since a pulse is generated, the time waveform of the obtained ultrasonic wave does not become a short pulse.
[0020]
The inclination of the piezoelectric h constant as described above can be obtained by inclining the composition of the piezoelectric ceramic material, that is, the ratio of component metal elements (hereinafter referred to as “constituent elements”) in the thickness direction. That is, the piezoelectric plate of the present invention is manufactured as follows using, for example, a multi-component ceramic material powder whose piezoelectric h constant changes monotonously as the ratio of constituent elements changes.
[0021]
A plurality of types of porcelain powders having different piezoelectric h constants are stacked in layers so as to obtain the desired inclination, to produce a layered press-molded body, which is sintered. Alternatively, a plurality of green sheets are produced using a plurality of types of porcelain powders having different piezoelectric h constants, and the plurality of green sheets are laminated and pressure-bonded in a predetermined order so as to obtain a desired inclination, and sintered at a high temperature. . In any case, at the boundary between layers having different piezoelectric h constants, the constituent elements are thermally diffused to each other during sintering, the concentration changes, and the composition changes continuously. One piezoelectric plate that is continuously and arbitrarily inclined in the direction is obtained.
[0022]
According to this method, a piezoelectric plate with a smooth slope of the piezoelectric h constant can be easily manufactured, and various kinds of porcelain powders having different piezoelectric h constants can be used, and the layer thickness or green sheet thickness and the stacking order can be changed. Thus, it is possible to freely control the degree of inclination of the piezoelectric h constant, which has been difficult in the past, in accordance with the purpose. As a conventional method of manufacturing a tilted piezoelectric plate, for example, there is a method in which a temperature gradient is given in the thickness direction of the piezoelectric plate to partially depolarize, or a method in which a plurality of porcelain plates having different piezoelectric constants are bonded together with an adhesive. In the former, since the temperature gradient in the plate thickness direction is automatically determined by the set temperature of both end faces, it is extremely difficult to control the slope of the h constant according to the purpose, and the industrial value is Low, and the latter does not provide an acoustic continuum. This method is an excellent method that can solve these problems.
[0023]
The piezoelectric plate of the present invention is preferably manufactured using a plurality of multicomponent piezoelectric ceramic materials containing the same components and different constituent element ratios as raw materials. In general, in such a piezoelectric ceramic material, the ratio of a specific constituent element and the piezoelectric h constant are often expressed by a specific function including a proportional relationship. Therefore, in order to obtain the target slope, in practice, the relationship between the ratio of the constituent elements and the piezoelectric h constant is first investigated and plotted, and the function that holds between the two is specified from the relationship, and the target piezoelectricity is determined. The composition of the porcelain powder to be used is selected according to how the h constant is inclined.
[0024]
The ultrasonic transducer of the present invention uses the piezoelectric plate optimized for the inclination of the piezoelectric h constant as a main component. Specifically, for example, an electrode film is provided on both sides of the piezoelectric plate, a ceramic plate having acoustic impedance similar to that of the piezoelectric plate as a backing material on one side, and a material further provided with a sound-absorbing material as the main component. To do.
[0025]
FIG. 2 is a side sectional view showing an example of the structure of the main part of the ultrasonic transducer of the present invention. This is similar to the piezoelectric plate in that one piezoelectric plate subjected to polarization treatment, an electrode film formed on one surface of the piezoelectric plate, and an acoustic impedance bonded to the other surface via the electrode film The main component is a porcelain plate.
[0026]
In FIG. 2,
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
FIG. 3 is a side sectional view showing another example of the ultrasonic transducer of the present invention. This is because, instead of the piezoelectric plate of FIG. 2, two inclined piezoelectric plates whose piezoelectric h constants are inclined in the thickness direction are passed through the
[0030]
In the ultrasonic transducer of the present invention, since the inclined piezoelectric plate as described above is used, when a voltage pulse is applied between the lead and the terminals 6 and 6 ′ to generate an ultrasonic wave, in the case of FIG. Ultrasonic waves are radiated in both directions only from one surface of the inclined
[0031]
Next, as a preferred production example of the ultrasonic transducer of the present invention, a method for producing the ultrasonic transducer of FIG. 2 using a green sheet lamination method will be described.
[0032]
Three types of porcelain powders a, b, and c made of a PZT-based porcelain material whose piezoelectric h constant changes monotonously with the change in the ratio of constituent elements are prepared. Incidentally, porcelain powder a material which does not exhibit piezoelectric, ceramic powder b, c is a material exhibiting piezoelectricity, ceramic powder b, respectively piezoelectric h constant of c h b, when the h c, h b = 2/3 · h c . These porcelain powders a, b, and c are each appropriately mixed with a resin and a solvent to form a porcelain powder slurry, cast on a PET film, and then dried to obtain
[0033]
These green sheets are stacked and pressed as shown in FIG. 4, and then fired at the sintering temperature of the porcelain powder. As shown in FIG. 2, the tilted
[0034]
When the end of the
[0035]
When a piezoelectric plate, an electrode, and a backing material are simultaneously sintered by such a green sheet method, the process is simplified, and since the acoustic is continuous, there is less reflection of ultrasonic waves and a shorter pulse is possible. There are advantages. However, the present invention prevents the backing material from being bonded using an adhesive layer that is thin enough not to impair the acoustic continuity as in the following examples, or the electrode to be formed by other methods such as a sputtering method. is not.
[0036]
【Example】
Example 1
As porcelain powder, (1-α) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -αPb (Zr 0.3 Ti 0.7 ) O 3 system, α is 0.450 mol, 0.440 mol, 0.420 mol, 0.390 mol, 0.350 mol , 0.300 mol of 6 kinds of powders were prepared. The piezoelectric h constant (V / m) of these porcelain powders and Ti concentration N (% by weight) measured using an X-ray microanalyzer were plotted against α and are shown in FIG. The relationship between the piezoelectric h constant and Ti concentration N obtained from this result is shown in FIG. As is apparent from FIG. 6, the piezoelectric h constant and the Ti concentration are in a proportional relationship. Therefore, if the Ti concentration of the porcelain is measured, the slope of the piezoelectric h constant can be found.
[0037]
For each 100 parts by weight of porcelain powder, 5 parts by weight of an acrylic resin and 20 parts by weight of an organic solvent mainly composed of terpionol are mixed to form a slurry, and six types having a thickness of about 160 μm using a tape casting method. A porcelain green sheet was prepared. These six types of green sheets were laminated in order of increasing piezoelectric h constant, and press-bonded in a state heated to 120 ° C. Next, the laminate was degreased at 400 ° C. for 20 hours, and then sintered at 1120 ° C. for 4 hours to obtain a piezoelectric plate. This sintered body was processed into a disk having a diameter of 15 mm and a thickness of 0.7 mm, polished so that the upper and lower surfaces were mirror surfaces, and a gold electrode film was formed on the entire upper and lower surfaces by a sputtering method. Thereafter, a 3 kV DC voltage was applied between the electrode films for 30 minutes for polarization treatment. By scanning the side surface of the obtained piezoelectric plate with an X-ray microanalyzer, the Ti concentration N at a distance x in the thickness direction from the surface having a piezoelectric h constant of 0 was measured at intervals of about 15 μm. The X-ray microanalyzer is a combination of an S-4500 scanning electron microscope manufactured by Hitachi, Ltd. and an energy dispersive X-ray analyzer EMAX-7000 manufactured by Horiba. FIG. 7 is a plot of the results. The change in the Ti concentration N with respect to the distance x is approximately represented by a curve as shown in the figure. From the above-described relationship between the piezoelectric h constant and the Ti concentration, it can be seen that in this piezoelectric plate, the piezoelectric h constant is distributed with an inclination like a curve E in the thickness direction.
[0038]
On the mirror surface side of the porcelain plate (backing material) with a composition of α = 0.300 mol with a thickness of 20 mm, one surface is mirror-finished and the other surface is a rough finish surface so as to diffusely reflect ultrasonic waves, The piezoelectric plate was bonded with an adhesive to produce a test ultrasonic transducer. Here, the adhesive was made to have a thickness of about 0.1 μm or less so as to maintain acoustic continuity between the piezoelectric plate and the backing material. An ultrasonic wave was generated by applying a spike-like negative voltage pulse of 20 V between the electrode films, and this was radiated into water. And the ultrasonic wave radiated | emitted in the water was detected with the hydrophone probe. FIG. 8 shows the time waveform of the emitted ultrasonic waves. In the ultrasonic transducer for testing of this example, a pair of positive and negative short ultrasonic pulses having a large amplitude was obtained. The vertical axis represents the output voltage of the hydrophone, which is an amount proportional to the amplitude of the ultrasonic wave.
[0039]
Example 2
(1-α) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -αPb (Zr 0.3 Ti 0.7 ) O 3 system, α is 0.450 mol, 0.440 mol, 0.400 mol, 0.365 mol, 0.330 mol, 0.300 mol The six types of porcelain green sheets having a thickness of about 160 μm were prepared in the same manner as in Example 1. These green sheets were laminated in descending order of the piezoelectric h constant, and press-bonded at 120 ° C. Next, degreasing and sintering were performed in the same manner as in Example 1, and the obtained inclined piezoelectric plate was processed into a circular plate to form a gold electrode film, and then a polarization treatment was performed. The Ti concentration N of the obtained piezoelectric plate at a distance x from the surface where the piezoelectric h constant was 0 was measured with an X-ray microanalyzer and plotted in FIG. From this result, the inclination of the piezoelectric h constant in the thickness direction is approximately represented by a curve like F.
Using this inclined piezoelectric plate in place of the inclined piezoelectric plate of Example 1, an ultrasonic transducer was manufactured in the same manner, its ultrasonic characteristics were measured, and the time waveform is shown in FIG.
[0040]
Comparative Example 1
(1-α) Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -αPb (Zr 0.3 Ti 0.7 ) O 3 system, α is 0.450 mol, 0.425 mol, 0.396 mol, 0.364 mol, 0.334 mol, 0.300 mol The six types of porcelain green sheets having a thickness of about 160 μm were prepared in the same manner as in Example 1. These green sheets were laminated in descending order of the piezoelectric h constant, and press-bonded at 120 ° C. Next, degreasing and sintering were performed in the same manner as in Example 1, and the obtained inclined piezoelectric plate was processed into a circular plate to form a gold electrode film, and then a polarization treatment was performed. The Ti concentration N at a distance x in the thickness direction from the surface where the piezoelectric h constant of the obtained piezoelectric plate was 0 was measured with an X-ray microanalyzer and plotted in FIG. From this result, the inclination of the piezoelectric h constant in the thickness direction is approximately represented by a straight line such as G.
In place of the tilted piezoelectric plate of Example 1, this tilted piezoelectric plate was used to manufacture an ultrasonic transducer in the same manner, the ultrasonic characteristics were measured, and the time waveform is shown in FIG.
[0041]
Comparative Example 2
(1-alpha) with Pb (Ni 1/3 Nb 2/3) O 3 -αPb (Zr 0.3 Ti 0.7)
Instead of the tilted piezoelectric plate of the example, this tilted piezoelectric plate was used, an ultrasonic transducer was manufactured in the same manner as in Example 1, the ultrasonic characteristics were measured, and the time waveform is shown in FIG.
[0042]
8, 10, 12, and 14, it is clear that the one using the inclined piezoelectric plate of the present invention has an extremely large amplitude of the emitted ultrasonic wave.
[0043]
【The invention's effect】
The piezoelectric plate of the present invention can generate ultrasonic waves of a short pulse having a very wide frequency bandwidth and a large amplitude by optimizing the inclination of the piezoelectric h constant. Further, according to the present invention, it is possible to easily manufacture a piezoelectric plate having an optimum piezoelectric h constant inclination by an industrially suitable method.
In addition, by using the ultrasonic transducer of the present invention, it is possible to increase the resolution of various ultrasonic measuring instruments using the ultrasonic echo method and widen the use frequency band.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of an h (x) curve in a specific range of x of a piezoelectric plate of the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view showing an example of the structure of the main part of the ultrasonic transducer of the present invention.
FIG. 3 is a side sectional view showing another example of the structure of the main part of the ultrasonic transducer of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing a method for manufacturing the ultrasonic transducer of the present invention by the green sheet method.
FIG. 5 is a diagram in which the piezoelectric h constant and Ti concentration N of the porcelain powder used in the examples are plotted against α.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the piezoelectric h constant of ceramic powder used in Examples and the Ti concentration N.
7 is a graph plotting Ti concentration N and piezoelectric h constant at a distance x in the thickness direction of the piezoelectric plate of Example 1. FIG.
8 is a graph showing a time waveform of an ultrasonic pulse radiated from the ultrasonic transducer of Example 1. FIG.
9 is a graph plotting Ti concentration N and piezoelectric h constant at distance x in the thickness direction of the piezoelectric plate of Example 2. FIG.
10 is a graph showing a time waveform of an ultrasonic pulse radiated from the ultrasonic transducer of Example 2. FIG.
11 is a graph plotting Ti concentration N and piezoelectric h constant at distance x in the thickness direction of the piezoelectric plate of Comparative Example 1. FIG.
12 is a graph showing time waveforms of ultrasonic pulses emitted from the ultrasonic transducer of Comparative Example 1. FIG.
13 is a graph plotting Ti concentration N and piezoelectric h constant at distance x in the thickness direction of the piezoelectric plate of Comparative Example 2. FIG.
14 is a graph showing a time waveform of an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transducer of Comparative Example 2. FIG.
[Explanation of symbols]
P direction of
Claims (6)
（1）
（3）0≦x＜tの範囲において、0≦dh(x)／dx≦2×1013 (V／m2)
（4）少なくとも0.8t≦x＜tの範囲において、h(x)＞（h(t)／t）・x
但し、xは圧電h定数がゼロである面からの厚さ方向の距離(m)、tは圧電板の厚さ(m)、h(x)は距離xにおける圧電h定数（V／m）、h(t)は距離tにおける圧電h定数（V／m）である。A piezoelectric plate composed of a single multi-component piezoelectric porcelain, wherein the piezoelectric h constant is zero on one surface, maximum on the other surface, and tilted in the thickness direction so as to satisfy the following conditions: A piezoelectric plate characterized by comprising:
(1)
(3) In the range of 0 ≦ x <t, 0 ≦ dh (x) / dx ≦ 2 × 10 13 (V / m 2 )
(4) h (x)> (h (t) / t) · x at least in the range of 0.8t ≦ x <t
Where x is the distance (m) in the thickness direction from the surface where the piezoelectric h constant is zero, t is the thickness (m) of the piezoelectric plate, and h (x) is the piezoelectric h constant (V / m) at the distance x , H (t) is the piezoelectric h constant (V / m) at the distance t.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003079113A JP4161197B2 (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003079113A JP4161197B2 (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004289493A JP2004289493A (en) | 2004-10-14 |
| JP4161197B2 true JP4161197B2 (en) | 2008-10-08 |
Family
ID=33293328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003079113A Expired - Fee Related JP4161197B2 (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4161197B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6255319B2 (en) * | 2014-08-01 | 2017-12-27 | 株式会社日立製作所 | Ultrasonic probe and ultrasonic flaw detection system |
-
2003
- 2003-03-20 JP JP2003079113A patent/JP4161197B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004289493A (en) | 2004-10-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2745147B2 (en) | Piezoelectric transducer | |
| Wong et al. | Development of a 20-MHz wide-bandwidth PMN-PT single crystal phased-array ultrasound transducer | |
| Saitoh et al. | A dual frequency ultrasonic probe for medical applications | |
| JP5983437B2 (en) | Ultrasonic probe, ultrasonic diagnostic imaging apparatus, and method of manufacturing ultrasonic probe | |
| JPH04211600A (en) | Ultrasonic probe system | |
| Lukacs et al. | Single element high frequency (< 50 MHz) PZT sol gel composite ultrasound transducers | |
| Zhou et al. | Micro-machined high-frequency (80 MHz) PZT thick film linear arrays | |
| US20130062998A1 (en) | Piezopolymer transducer with matching layer | |
| Kuscer et al. | Acoustic properties of porous lead zirconate titanate backing for ultrasonic transducers | |
| Ke et al. | Broadband ultrasonic array transducer from multilayer piezoelectric ceramic with lowered co-firing temperature | |
| Zhou et al. | Fabrication and characterization of micromachined high-frequency tonpilz transducers derived by PZT thick films | |
| JP4161197B2 (en) | Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same | |
| Guo et al. | Design and fabrication of broadband graded ultrasonic transducers with rectangular kerfs | |
| US8410664B2 (en) | Method for changing ultrasound wave frequency by using the acoustic matching layer | |
| JP4161187B2 (en) | Piezoelectric plate, manufacturing method thereof, and ultrasonic transducer using the same | |
| Tressler et al. | A comparison of the underwater acoustic performance of single crystal versus piezoelectric ceramic-based “cymbal” projectors | |
| JPH03133300A (en) | Composite piezoelectric ultrasonic wave probe | |
| Abellard et al. | Lead zirconate titanate-based thick films for high-frequency focused ultrasound transducers prepared by electrophoretic deposition | |
| JP3280677B2 (en) | Ultrasonic probe and manufacturing method thereof | |
| JP2021012942A (en) | Ultrasonic transducer and manufacturing method thereof | |
| JP2000143335A (en) | Ceramic material, ultrasonic probe, piezoelectric oscillator and their production | |
| Takahashi et al. | Functionally gradient piezoelectric ceramics for ultrasonic transducers | |
| JP2009194226A (en) | Multilayer piezoelectric device and manufacturing method for the same | |
| Gwirc et al. | Dual frequency transducer for images using thick film | |
| JP4404622B2 (en) | Defect evaluation method of multilayer ceramic element and manufacturing method of multilayer ceramic electronic component |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051021 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071009 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071120 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20080118 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080701 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080708 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110801 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130801 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130801 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140801 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |