JP4344822B2

JP4344822B2 - 水中マイクロホン及びその製造に用いる装置

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Publication number: JP4344822B2
Application number: JP2003405266A
Authority: JP
Inventors: 真一竹内; 崇洋鈴木; 尚樹桂; 敏夫佐藤; 徳道川島; 睦生石河; 実黒澤; 悦三大平
Original assignee: Gakko Hojin Toin Gakuen
Current assignee: Gakko Hojin Toin Gakuen
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005167743A

Description

本発明は、導電性接着剤の使用を省くことにより圧電素子と表裏面に設けた電極との間の短絡事故がなく、微小化した場合にも安定した特性を示す水中マイクロホン及び圧電素子を備えたその製造に用いる装置に関するものである。

超音波診断装置、超音波治療器などの医療用機器や超音波探傷装置、魚群探知機、ソナー、超音波洗浄装置、音響化学反応装置などの各種産業分野においては、超音波プローブにより音響媒質中に形成される音場（音圧や音響強度の空間分布）や送信感度、受波感度のような周波数特性を測定するために、水中マイクロホンが広く用いられている。

そして、この水中マイクロホンとしては、楕円シェル内にプリストレスを与えた状態の駆動体を収容し、この駆動体を振動させ、この振動を楕円シェルに伝達して水中に音波を発するもの（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）や、対向配置されたピストン型送波器の間に屈曲部を有するシェルを結合し、駆動素子とピストン型送波器との基本共振周波数を利用して広帯域の水中に音波を出力させるもの（特許文献４参照）や、圧電振動子の両面に電極を付設し、両電極間に電圧を印加して振動を発生させるもの（特許文献５参照）や、複数の圧電振動子を組み合わせて出力周波数帯域を広くしたもの（特許文献６参照）などが知られている。

ところで、この水中マイクロホンは、高感度で、広帯域の点で優れたものが得られるが、一方において、測定するために媒質中に配置したとき、水中マイクロホン自体により音場を乱すというトラブルを伴う。そして、このようなトラブルをできるだけ避けるために、水中マイクロホンについては、極力小型化する傾向にあり、実用上は直径１ｍｍ以下の微小サイズの圧電セラミック振動子が求められている。

しかしながら、微小面積の圧電素子を導電性接着剤で金属ワイヤの端面に接着して水中マイクロホンを形成させると、その厚さの制御が困難なため水中マイクロホンの受信感度の周波数特性が変動するのを免れない。

したがって、水中マイクロホンの製造に際しては、製品を個々に校正する作業を行うことが必要であり、作業が非能率的である上に、接着工程で圧電素子と電極との間の短絡事故が多く、歩留りが低下するという欠点があった。

特開平９−１８９８７号公報（特許請求の範囲その他）特開平９−１８９８８号公報（特許請求の範囲その他）特開平９−２４７７８６号公報（特許請求の範囲その他）特開２００３−２３６８７号公報（特許請求の範囲その他）特開平７−３１２７９４号公報（特許請求の範囲その他）特開平９−２７１０９３号公報（特許請求の範囲その他）

本発明は、このような事情のもとで、圧電素子と、リード線及び背板兼用の金属ワイヤとの接合における導電性接着剤を省き、表裏面に設けた電極間での短絡事故がなく、特性の安定した極微小の水中マイクロホンを提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、導電性接着剤を用いない水中マイクロホンを実現するために鋭意研究を重ねた結果、金属ワイヤのような線条体の端部に水熱反応により圧電素子膜を直接形成させることにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づき本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、少なくとも一方の端部が露出したチタンで構成された信号側電極用線条体の周側面を絶縁材でコーティングするとともに、上記端部に圧電素子膜を介して接地側電極（以下ＧＮＤ側電極という）を、かつ上記絶縁材コーティングの表面に接地側外部導体を設けた構造を有する水中マイクロホンにおいて、上記圧電素子膜が高温、高圧下、上記のチタンが露出した端部をＰｂ ²⁺ イオン、Ｚｒ ⁴⁺ イオン及びＴｉ ⁴⁺ イオンを含む強アルカリ水溶液と接触させ、水熱反応させることによりチタンの露出端部に直接形成されたことを特徴とする水中マイクロホン、及び複数の撹拌羽根からなる撹拌手段を備えたオートクレーブ型反応容器において、少なくとも撹拌羽根の外側露出面及び反応容器内側面を耐アルカリ性材料で構成するとともに、上記撹拌羽根に取り付け溝を穿設し、その取り付け溝に、線条体の端部のみを露出させ、それ以外の部分を液密的に隔離して収納した保持機構を着脱自在に嵌合したことを特徴とする上記水中マイクロホンを形成するための水中マイクロホン用圧電膜形成装置を提供するものである。

次に、添付図面に従って、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の水中マイクロホンの１例の縦断面図であって、この水中マイクロホンの本体は、信号側電極（以下ＨＯＴ側電極という）としての役割を果す導電性線条体１とその上に設けられた絶縁材コーティング２と、その絶縁材コーティング２の表面を被覆している接地側外部導体３から構成されている。そして、この本体の線条体１は、その少なくとも一方の端部がチタンで構成され、チタン面として露出している。

このチタンの露出面には圧電素子膜４が設けられ、さらにその圧電素子膜４の表面は全体にわたって金属膜からなるＧＮＤ側電極５で覆われ、この電極５は導電性樹脂６によって接地側外部導体３と接続している。

上記の線条体１は、金属又は光ファイバで構成することができるが、金属の場合、全体をチタンで構成してもよいし、他の金属例えば銅、銀、アルミニウム、鉄やそれらの合金などで構成してもよい。また光ファイバで構成する場合は、サファイア、アルミナ、プラスチックのような耐アルカリ性材料を用いることが必要であり、かつ導電性を与えるために、その側面に金属被覆を設ける。この金属被覆は、全体をチタンで形成するのが好ましいが、所望により端部以外を他の金属、例えば銅、銀、アルミニウム、鉄などに形成してもよい。

本発明の水中マイクロホンにおいては、圧電素子膜を線条体のチタンが露出した端部に水熱反応により接着剤なしに直接形成させることが必要である。

この水熱反応は、Ｐｂ²⁺イオン、Ｚｒ⁴⁺イオン、Ｔｉ⁴⁺イオンを含む水酸化アルカリ水溶液中に、線条体のチタンが露出した端部を浸漬し、かきまぜながら高温高圧下で反応させることによって行うことができる。

上記のＰｂ²⁺イオン供給源としては、ＰｂＩ₂、ＰｂＯ、ＰｂＣｌ₂・ＰｂＯ、Ｐｂ（ＳＯ₄）₂、Ｐｂ（ＮＯ₃）₂、ＰｂＨＰＯ₄、ＰｂＣＯ_3、Ｐｂ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・３Ｈ₂Ｏのようなアルカリ可溶性鉛化合物が、Ｚｒ⁴⁺イオン供給源としては、ＺｒＣｌ₄，ＺｒＯＣｌ₂、ＺｒＣｌ₂Ｏ・８Ｈ₂Ｏ、Ｚｒ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₄などのアルカリ可溶性ジルコニウム化合物が、またＴｉ⁴⁺イオン供給源としては、ＴｉＣｌ₄、ＴｉＢｒ₄・６Ｈ₂Ｏ、ＴｉＯ₂、ＴｉＯ₂・２Ｈ₂Ｏ、ＴｉＳ₂、Ｔｉ（ＳＯ₄）₂、Ｋ₂［ＴｉＯ（Ｃ₂Ｏ₄）₂］・２Ｈ₂Ｏのようなアルカリ可溶性チタン化合物や金属チタンがそれぞれ用いられる。また、水酸化アルカリ水溶液としては、ＮａＯＨ又はＫＯＨの水溶液が用いられる。

これらの化合物は、０．１〜８．０ｍｏｌ／リットル濃度のアルカリ水溶液中に、鉛化合物を５０〜５００ｍｍｏｌ／リットル濃度で、ジルコニウム化合物を１０〜５００ｍｍｏｌ／リットル濃度で、チタン化合物を１０〜５００ｍｍｏｌ／リットル濃度で混合して用いられる。

これらの化合物を水熱反応させるには、例えばオートクレーブ中、０．１〜１．０ＭＰａ、好ましくは０．３〜０．５ＭＰａの圧力下、８０〜２００℃、好ましくは１２０〜１６０℃の温度に加熱する。この水熱反応による成膜は、通常２段階に分かれ、第１段階で先ず圧電体の結晶核が生成し、第２段階で生成した結晶が成長する。そして、この第１段階と第２段階の繰り返しによって厚膜化が進行する。

本発明における圧電素子膜材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ₃系のいわゆるＰＺＴが好ましい。

この水熱反応によりチタンが露出した端面に圧電素子膜を形成させる場合、所望に応じ、水熱反応を行うに先立って上記端面を粗面化処理しておくこともできる。このように粗面化処理後、水熱反応を行わせて圧電素子膜を生成させると、結晶生成用混合水溶液が粗面化処理により形成された凹部に容易に侵入するため、凹部に優先的に結晶核が生成され、結晶核の成長段階を経て、基板の凹凸にかかわらず、ほぼ一様に圧電素子膜が積層する。

ところで、圧電縦効果による圧電素子膜の固有振動数は、膜厚に反比例することから、粗面化処理により水平方向に膜厚の異なる圧電素子膜が形成されると、膜厚差に基づく周波数帯域での超音波送信が可能になり、また同じ帯域での超音波受信も可能になるという利点を生じる。この粗面化処理は、旋盤、ドリル、プレス、フライス盤などによる機械加工、レーザ処理、サンドブラスト処理などの物理的加工、プラズマ処理、エッチング処理などの化学的加工によって行うことができる。

本発明においては、このようにして形成される圧電素子膜の膜厚として、１０〜２００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍの範囲内が選ばれる。

本発明において用いる端面に圧電素子膜を有する線条体は、複数の撹拌羽根からなる撹拌手段を備えたオートクレーブ型反応容器において、少なくとも撹拌羽根の外側露出面及び反応容器内側面を耐アルカリ性材料で構成するとともに、上記撹拌羽根に取り付け溝を穿設し、その取り付け溝に、線条体の端部のみを露出させ、それ以外の部分を液密的に隔離して着脱自在に嵌合した圧電膜形成装置を用いることによって容易に作製することができる。

図２は、このような装置の１例を示す側方断面図、図３はその中の撹拌羽根部分の側面図、図４はそのワイヤ取り付け部分の構造を示す断面図である。この装置は、オートクレーブ型反応容器１１の内部にモーター１２で回転する撹拌羽根１３が配設された構造を有している。この反応容器１１は、熱電対１４、圧力計１５及び減圧バルブ１６を備え、かつ電熱線１７により加熱しうるようになっている。

上記の撹拌羽根１３には、その上面に複数の取り付け溝１８，…が穿設され、その各取り付け溝に線条体、例えばチタンワイヤ１が抑え板１９、２０及びネジ２１、２２により着脱自在に嵌合されている。

この取り付け溝１８，…は図４に示す断面をもつ構造を有しており、線条体すなわちチタンワイヤの端部１´が撹拌羽根の回転方向に向けて外に突出し、他の部分は液密的に外部から隔離された状態で取り付けられている。

この装置を用いてチタンワイヤの端部に圧電素子膜を形成させるには、反応容器１１内に所要の金属イオン供給源を含むアルカリ水溶液を満たして水熱反応を行わせる必要があるので、反応容器内面１１´及び撹拌羽根１３はいずれも耐アルカリ性材料により形成されている。

この耐アルカリ性材料としては、通常、フッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレンが用いられる。このようにして構成された反応装置の取り付け溝１８，…にチタンワイヤを取り付け、チタンが露出した端面を撹拌羽根の回転方向と一致させ、アルカリ性水溶液中で回転させる。

この際の回転数としては、結晶核生成段階すなわち第１段階では１０〜５０ｒｐｍ、結晶核成長段階すなわち第２段階では１０〜１５００ｒｐｍ、好ましくは１５〜３００ｒｐｍの範囲内で選ぶのが好ましい。このようにして、０．１〜１．０ＭＰａ及び８０〜２００℃の条件下で１０〜３０時間水熱反応させると、第２段階の繰り返し回数に応じて、繰り返し回数１回当り約１０μｍとした場合、チタン端面に１０〜３００μｍの厚さの圧電素子膜が形成される。

このようにして得たチタンワイヤを用い、図１に示す構造に組み立てると、導電性接着剤を用いない、安定した特性をもつ、極微小の水中マイクロホンを製造することができる。

本発明によると、これまでの水中マイクロホンにおいて必要とされていた導電性接着剤層を省くことができるため、表裏面に設けた電極間での短絡事故がなく、かつ特性の安定した極微小の水中マイクロホンの実現を可能にするという効果が奏される。

次に実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明する。

ポリ（テトラフルオロエチレン）で内張した図２に示す反応容器中に四塩化チタン１ｇ、１モル濃度の塩化酸化ジルコニウム八水和物水溶液６０ｍｌ及び１モル濃度の硝酸鉛水溶液２００ｍｌと、４モル濃度の水酸化カリウム水溶液２００ｍｌとを装入し、図３に示すようにして直径０．５ｍｍ、長さ１０ｍｍのチタンワイヤを撹拌羽根に取り付け、内部温度１６０℃、圧力４００ｋＰａに保ち、１５ｒｐｍで３０分間かきまぜたのち、内部温度を１４０℃に降下させ、２４時間、２４５ｒｐｍでかきまぜながら水熱反応を行わせた。

反応終了後、チタンワイヤを取り出し、水洗した。この際、減圧時に内部温度が８０℃を経て常温まで冷却すると、８０℃通過時に赤茶色の酸化鉛の膜が生成し、特性が劣化するので、反応温度のまま減圧バルブを開放し、内部のガスを大気圧まで減圧して、できるだけ速くチタンワイヤを取り出した。
このようにして、チタンワイヤの端部にのみＰＺＴ膜を付着させることができた。このようにして得たチタンワイヤの端面の拡大ＳＥＭ像を図５に示す。

実施例１におけるチタンワイヤの代りに、直径０．０９ｍｍのサファイヤ製光ファイバの端部及び側面にスパッタリングによりチタンを付着させたものを用い、実施例１と同様に処理して、端部のみにＰＺＴ膜を有する光ファイバを得た。

実施例１で得た端面にＰＺＴを付着したチタンワイヤを用い、図１に示す構造の水中マイクロホンを作製した。
この際、絶縁材コーティング２としては、ポリ（テトラフルオロエチレン）を、ＧＮＤ側電極を構成する金属膜５及び接地側外部導体３としては、銀の蒸着膜を用い、両者を市販の導電性樹脂接着剤で接続した。このようにして得た水中マイクロホンは従来の水中マイクロホンと同様の性能を示すことが確認された。

小型の水中マイクロホンとして、超音波診断装置、超音波治療器、超音波探傷装置、魚群探知機、超音波洗浄装置の部品に用いることができる。

本発明の水中マイクロホンの１例の縦断面図。本発明の圧電素子膜を形成するための装置。図２中の撹拌羽根部分の側面図。図２の取り付け部分を示す断面図。実施例１において得られたチタンワイヤの端面の拡大ＳＥＭ像。

符号の説明

１導電性線条体（ＨＯＴ側電極）
１´１の端部
２絶縁材コーティング
３接地側外部導体
４圧電素子膜
５ＧＮＤ側電極
６導電性樹脂
１１オートクレーブ型反応容器
１１´１１の内面
１２モーター
１３撹拌羽根
１４熱電対
１５圧力計
１６減圧バルブ
１７電熱線
１８取り付け溝
１９，２０抑え板
２１，２２ネジ

Claims

少なくとも一方の端部がチタンで構成された信号側電極用線条体の周側面を絶縁材でコーティングするとともに、上記端部に圧電素子膜を介して接地側電極を、かつ上記絶縁材コーティングの表面に接地側外部導体を設けた構造を有する水中マイクロホンにおいて、上記圧電素子膜が高温、高圧下、上記のチタンが露出した端部をＰｂ ²⁺ イオン、Ｚｒ ⁴⁺ イオン及びＴｉ ⁴⁺ イオンを含む強アルカリ水溶液と接触させ、水熱反応させることによりチタンの露出端部に直接形成されたことを特徴とする水中マイクロホン。
線条体全体が、チタンからなる請求項１記載の水中マイクロホン。
線条体が、端部にチタン膜を有するチタン以外の金属からなる請求項１記載の水中マイクロホン。
線条体が、端部にチタン膜を有する耐アルカリ性光ファイバからなる請求項１記載の水中マイクロホン。
光ファイバが金属被覆サファイア製光ファイバである請求項４記載の水中マイクロホン。
光ファイバが金属被覆アルミナ製光ファイバである請求項４記載の水中マイクロホン。
光ファイバが金属被覆プラスティック製光ファイバである請求項４記載の水中マイクロホン。
圧電素子膜がジルコン酸チタン酸鉛からなる請求項１ないし７のいずれかに記載の水中マイクロホン。
複数の撹拌羽根からなる撹拌手段を備えたオートクレーブ型反応容器において、少なくとも撹拌羽根の外側露出面及び反応容器内側面を耐アルカリ性材料で構成するとともに、上記撹拌羽根に取り付け溝を穿設し、その取り付け溝に、線条体の端部のみを露出させ、それ以外の部分を液密的に隔離して収納した保持機構を着脱自在に嵌合したことを特徴とする請求項１の水中マイクロホンを形成するための水中マイクロホン用圧電膜形成装置。