JPH01245796A - 圧電振動子用セラミックスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電振動子用セラミックスとその製造方法に
関するものであり、例えば超音波センサーに用いる圧電
セラミックスとして特に適するものである。

［従来の技術］ 従来、圧電セラミックスを利用した超音波センサーが広
く利用されている。超音波センサーは、圧電セラミック
スにより振動板を振動させて超音波を発信し、その反射
波を受信して物体の存在を検知したり、或いは、反射波
が受信されるまての時間を測定して、物体まての距離を
測定するものである。このようなセンサーは、小形て且
っ非接触で動作するので、自動ドアや玄関ヂャイムなど
を作動させるための人体検知センサーや、駐車場におい
て車の有無を確認したり、ロボットの目として障害物を
検出するだめのセンサーなど、幅広い応用がある。また
、近年、特に自動車関係への応用のニーズが高まってき
ており、その一つが車周辺の障害物を検知するセンサー
である。また、路面の凹凸を超音波センサーて検知し、
車輪のザスペンションを調整して乗り心地を良くすると
いった応用例も提案されている。このような用途に用い
られる超音波センサーに要求される性能のうち、最も重
要度の高いものはＳ／Ｎ比が良好なことである。つまり
、強い超音波を空中に発信し、対象物に当たって反射し
て帰ってきた超音波を高感度に受信できることが要求さ
れる。

第８図は従来の圧電振動子の断面構造を示ず図である。

保護ケースを兼ねる振動板２は、一端か開放された円錐
台形状となっており、その内底面には、ＰＺＴ系の圧電
セラミックス１か、例えはエポキシ系の接着剤を用いて
貼り付（つられている。

圧電セラミックス１は円盤状の形状を有しており、上下
両面に電極３，４か付加されている。また、自発分極の
方向は厚み方向である。振動板２はアルミニウム製であ
り、圧電セラミックス１の一方の電極３は、この振動板
２とり一１〜線５を介して送受波回路７に接続されてい
る。圧電セラミックス１の他方の電極４は、リート線６
を介して送受波回路７に直接接続されている。この圧電
セラミックス］に給電されると、圧電セラミックス１は
拡がり振動モードで振動し、振動板２を叩くのて、振動
板２の表面から超音波が発生ずる。一方、発生した超音
波が対象物に当たり、反射して帰って来て、振動板２に
当たると、その振動の強さに応した起電力が圧電セラミ
ックス１から発生ずる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のように、従来例にあっては、圧電セラミックス１
の自発分極の方向が厚み方向に配向されている。これは
、厚み方向に分極させるのが容易たからである。ところ
が、第８図に示すような構造の超音波センザー用の振動
板２に接合された圧電セラミックス１は拡かり振動モー
ドて振動するものであるから、自発分極の方向と振動モ
ードの方向が一致していない。この場合、電気−機械変
換係数としては、圧電定数９３１が使用されることにな
る。この圧電定数ｇ３ｊは、拡かり方向の振動を厚み方
向の電界に変換する変換係数である。一般的な圧電セラ
ミックス１においては、圧電定数ｇ３゜に比べて圧電定
数ｓ３３は２〜３倍も大きいことか知られている。この
圧電定数Ｆ１３ｓは拡がり方向の振動を拡がり方向の電
界に変換する変換係数である。したがって、自発分極の
方向が厚み方向に配向されている従来の圧電セラミック
スては、圧電定数Ｆ１３３を利用できないという問題が
あった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、拡がり振動モードで振動させた
ときに、高い送波力を持ち、且つ、反射波に対しても高
い受渡感度を得ることができる圧電振動子用セラミック
スとその製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にイ系る圧電振動子用セラミックスにあっでは、
上記の課題を解決するために、第１図に示すように、圧
電振動子の振動板２に接合されて、拡がり振動モードて
使用される圧電セラミックス１において、圧電セラミッ
クス１の自発分極の方向が圧電セラミックス１の拡かり
方向に配向されていることを特徴とするものである。

ここで、圧電セラミックス１の自発分極の方向を圧電セ
ラミックス１の拡がり方向に配向させるための具体的な
手段としては、第２図（、）〜（Ｃ）に示すように、円
盤状の圧電セラミックス１の外周部にリング状の第１の
電極３を設け、中心部に第２の電極４を設け、画電極３
．４間に直流電圧を印加するか、又は、第６図（ａ）〜
（ｅ）に示すように、円柱状の圧電セラミックス１の外
壁面に第１の電ｊ＃１３を設け、前記圧電セラミックス
１の中央部に設けた穴の内壁面に第２の電［４を設け、
画電極３．４間に直流電圧を印加することにより、圧電
セラミックス１に放射状に自発分極を形成した後、円柱
状の圧電セラミックス１を円盤状に切断するものである
。

［作用］ 本発明にあっては、このように、圧電セラミックス１の
自発分極の方向が圧電セラミックス１の拡がり方向に配
向されているのて、電気−機械変換係数としては、拡か
り方向の振動を拡がり方向の電界に変換する圧電定数ｆ
１３３が使用されることになり、この圧電定数ｆｌｚ３
は、拡がり方向の振動を厚み方向の電界に変換する圧電
定数Ｆｌｓｌに比Ｉ＼て２〜３倍も大きいので、従来例
に比へて送波力か大きくなり、受渡感度も向上するもの
である。

また、第２図（ａ）〜（ｃ）に示すように、円盤状の圧
電セラミックス１の外周部（こリング状の第１の電１ｆ
１３を設け、中心部に第２の電極４を設け、画電極３，
４間に直流電圧を印加すれば、拡かり方向に自発分極さ
れた圧電セラミックス１を容易に製造することができ、
且つ、分極処理用の電極３゜４を、送受波回路との接続
用の電極として利用できるものである。

さらに、第６図（ａ）〜（ｅ）に示すように、円柱状の
圧電セラミックス１の外壁面に第１の電極３を設け、前
記圧電セラミックス１の中央部に設けた穴の内壁面に第
２の電極４を設け、画電極３．４間に直流電圧を印加す
ることにより、圧電セラミックス１に放射状に自発分極
を形成した後、円柱状の圧電セラミックス１を円盤状に
切断すれば、拡がり方向に自発分極された圧電セラミッ
クス］を多数枚−度に製造することがてきるものである
。

［実施例１］ 第１図は本発明の一実施例としての圧電振動子の断面Ｗ
Ｉ造と配線状態を示す説明図である。保護ケースを兼ね
るアルミニウム製の振動板２は、−端か開放された円錐
台形状となっており、その内底面には、ＰＺＴ系の圧電
セラミックス１が、エポキシ系の接着剤を用いて鮎りイ
；ｊりられている。

圧電セラミックス１は円盤状の形状を有しており、その
上面は振動板２と接合され、下面の外周部にはリング状
の電［３が、中央部には円形の電極４かそれぞれ付加さ
れている。また、自発分極の方向は圧電セラミックス１
の拡がり方向である。圧電セラミックス１の一方の電極
３は、リード線５を介して送受波回路７に接続されてい
る。圧電セラミックス１の他方の電極４は、ツー１〜線
６を介して送受波回路７に接続されている。この圧電セ
ラミックス１に給電されると、圧電セラミックス１は拡
かり振動モードて振動し、振動板２を叩くのて、振動板
２の表面から超音波が発生ずる。−方、発生した超音波
か対象物に当なり、反射して帰って来て、振動板２に当
たると、その振動の強さに応じた起電力か圧電セラミッ
クス１がら発生する。この起電力は、電極３，４から取
り出される。この際、電気−機械変換係数としては、拡
がり方向の振動を拡がり方向の電界に変換する圧電定数
ｇ３Ｊが使用されることになり、この圧電定数１７３３
は、拡がり方向の振動を厚み方向の電界に変換する圧電
定数Ｆｌａｘに比へて２〜３倍も大きいので、従来例に
比へて送波力が大きくなり、受渡感度も向上するもので
ある。

以下、この圧電振動子の製造方法について説明する。ま
ず、富士セラミックス社製Ｃ−６材組成の圧電セラミッ
クス１を、第２図（ａ）に示すように、直径８　、４　
ｍｍ、Ｊｌ：み０．２Ｉｎｍの円盤状に成形した。この
円盤状の圧電セラミックス１の外周部と中心部に、第２
図（１））に示ずように、銀ベース１〜を焼き付けて、
電極３．４を形成した。その断面構造を第３図に示ず。

外周部の電極３は、外径８４ｍｍ、内径６．４ｍｍのリ
ング状とし、中心部の電極４は外径２＋ｎｍの円形形状
とした。電極３，４は圧電セラミックス１の上下両面に
形成した。この電極３，４に、第２図（ｃ）に示すよう
に、外周部の電極３が負極、中心部の電極４が正極とな
るように直流電圧を印加し、４　Ｋ　Ｖ　／　１１１１
１１の電界て分極させた。この圧電セラミックス１の片
面の電極３゜４をサンドブラストで除去した。次に、ア
ルミニウム製の振動板２の内底面を脱脂洗浄した後、圧
電セラミックス１の電極３，４が除去された面を、エポ
キシ樹脂を用いて振動板２の内底面に接着した。そして
、圧電セラミ・ンクス１の電極３，４に、銀を含有した
導電性エポキシ樹脂を用いて、リード線５，６を夫々ボ
ンディングして、第１図に示ず構造の圧電振動子を得な
。

第４図は本実施例に用いたアルミニウム製の振動板２の
断面形状を示している。この振動板２は、外径がφ１＝
１７．５ｍｍ、内底面の径がφ２＝１０゜５ｍ＋ｎ、板
厚がｔ＝　０　、７　＋ｎｍ、高さかｈ＝５．０ｍｍ、
側面の傾斜角がθ−３４°てあった。

この振動板２の内底面に、圧電セラミックス１を接合し
、第５図に示すように、振動板２の開口部を硬質シリコ
ンゴム成形体８て覆い、送波出力と受波感度を測定して
性能評価を行った。その結果を第１表に示す。

［実施例２］ 上述の実施例１において、第２図（ｂ）に示すように、
電極３，４を形成する際に、片面にのみ電極３．４を形
成し、片面からのみ分極処理を行った。その池の条件は
実施例１と同じとして、実施例１と同し条件て送波出力
と受波感度を測定して性＜（ヒ評価を行った。その結果
を第１表に示す。

［実施例３］ 富士セラミックス社製Ｃ−６材組成の圧電セラミ７クス
１を、第６図（ａ）に示すように、外径１０＋ｎｍの円
柱状に成形し、その中心部に内径１ｍ＋ｎの穴を設けた
。この円柱状の圧電セラミックス１に、無電解ニッケル
メッキを施して、全面にニッケルメッキ層を形成した。

そして、第６図（１〕）に示すように、上下両面のニッ
ケルメッキ層を研磨除去することにより、円柱状の圧電
セラミックス１の外壁面に第１のニッケル電極３を、中
心部の穴の内壁面に第２のニッケル電極４を形成した。

次に、第６図（ｃ）に示すように、外周部のニッケル電
極３が負極、中心部のニッケル電極４が正極となるよう
に直流電圧を印加し、４　Ｋ　Ｖ　／　＋ｎｍの電界で
分極さぜな。この圧電セラミックス１を厚みＱ２＋ｎ＋
ｎの円盤状に切断することにより、第６図（，４）に示
すように、外径ＩＱ＋ｎｍ、内径１ｎｏ３厚み０．２ｍ
ｍの圧電セラミックス１を得た。この圧電セラミックス
１をＡタイプの圧電セラミックスとする。

このＡタイプの圧電セラミックスの振動板２と接合され
る面のニッケル電極３．４をサンドペーパーで２０〜５
０μｍｎ削り落としな。次に、アルミニウム製の振動板
２の内底面を脱脂洗浄した後、Ａタイプの圧電セラミッ
クスにおけるニッケル電極３．４が一部削り落とされた
面を、エポキシ樹脂を用いて振動板２の内底面に接着し
な。そして、Ａタイプの圧電セラミックスのニッケル電
極３．４に、銀を含有した導電性エポキシ樹脂を用いて
、リード線５，６を夫々ホンディングして、第７図に示
すような構造の圧電振動子を得た。振動板２としては、
第４図に示すように、実施例１と同じものを用いた。こ
うして得られた圧電振動子について、実施例１と同じ条
件て送波出力と受波感度を測定して性能評価を行った。

その結果を第１表に示す。

［実施例１Ｉ］ 次に、上）ホのＡタイプの圧電セラミックスのニッケル
電極３，４を研磨及びザントプラストにより除去し、さ
らに、第６図（ｅ）に示すように、圧電セラミックス１
の外周部と中心部に、圧電セラミックス１のキュリー温
度以下て銀ペーストを焼き付けて、電極３，４を形成し
た。銀ペーストとしては、１３０″Ｃて硬化する銀含有
エポキシ樹脂を用いた。外周部の電極３は、外径ＩＱｍ
ｍ、内径８ｍ＋ｎのリング状とし、中心部の電極４は外
径２ｍ【ｏ、内径１ｍｍのリング状とした。電極３，４
は圧電セラミックス１の片面にのみ形成した。

次に、アルミニウム製の振動板２の内底面を脱脂洗浄し
た後、上述のＢタイプの圧電セラミックスの電極３，４
が形成されていない面を、エポキシ樹脂を用いて振動板
２の内底面に接着した。そして、圧電セラミックス１の
電極３，４に、銀を含有した導電性エポキシ樹脂を用い
て、リード線５．６を夫々ボンデインクして、第１図に
示す構造の圧電振動子を得た。ただし、圧電セラミック
ス１の中央部には穴が明いている。振動板２としては、
第４図に示ずように、実施例１と同しものを用いた。こ
うして得られた圧電振動子について、実施例１と同し条
件で送波出力と受渡感度を測定して性能評価を行った。

その結果を第１表に示す。

［比較例１コ 富士セラミックス社製Ｃ−６材組成の圧電セラミックス
１を直径８．４　ｍｍ、　厚み０．２ｍｍの円盤状に成
形した。この円盤状の圧電セラミックス］の上下両面に
銀ペース［・を焼き付けて電極を形成した。電極間に直
流電圧を印加して、４．　Ｋ　Ｖ　／　＋ｎｍの電界で
厚み方向に自発分極させた。この圧電セラミックス１の
一方の電極を、第４図に示す柘造の振動板２の内底面に
導電性接着剤を用いて接着し、第８図の従来例に示すよ
うに、リード線５，６を付加し、実施例りと同じ条件て
送波出力と受波感度を測定して性能評価を行った。その
結果を第１表に示す。

第１表 第１表から明らかなように、自発分極の方向を拡がり方
向に配向させた実施例１〜４においては、自発分極の方
向を厚み方向に配向さぜた比較例１に比べて、送波出力
も受渡感度も大きくなっている。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、圧電振動子の振動板に接合され
て、拡がり振動モードて使用される圧電セラミックスに
おいて、圧電セラミックスの自発分極の方向か圧電セラ
ミックスの拡がり方向に配向されているので、電気−機
械変換係数としては、拡かり方向の振動を拡かり方向の
電界に変換する圧電定数２３３が使用されることになり
、この圧電定数’ｊｓｓは、拡がり方向の振動を厚み方
向の電界に変換する圧電定数ｇＪ１に比ｌ＼て２〜３倍
も大きいのて、従来例に比へて送波力が大きくなり、受
渡感度も向上するという効果かある。

また、円盤状の圧電セラミックスの外周部にリング状の
第１の電極を設け、中心部に第２の電極を設り、両電極
間に直流電圧を印加すれば、拡がり方向に自発分極され
た圧電セラミックスを容易に製造することかできるとい
う効果があり、且つ、分極処理用の電極を、送受波回路
との接続用の電極として利用てきるという利点がある。

さらに、円柱状の圧電セラミックスの外壁面に第１の電
極を設け、前記圧電セラミックスの中央部に設けた穴の
内壁面に第２の電極を設け、両電極間に直流電圧を印加
することにより、圧電セラミックスに放射状に自発分極
を形成した後、円柱状の圧電セラミックスを円盤状に切
断すれば、拡かり方向に自発分極された圧電セラミック
スを多数枚−度に製造することができるものてあり、製
造コス）へを低減させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動子用セラミックスの使用状態
を示す説明図、第２図（ａ）乃至（ｃ）は同上の圧電振
動子用セラミックスの製造工程を示す斜視図、第３図は
第２図（ｂ）のｌ−Ａ’線についての断面図、第４図は
同上の圧電振動子用セラミックスを接合される振動板の
断面図、第５図は本発明の性能試験に用いた＃４造を示
す断面図、第６図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の圧電振動
子用セラミックスの他の製造工程を示す斜視図、第７図
は同上の製造工程により得られた圧電振動子用セラミッ
クスの使用状態を示す説明図、第８図は従来例の圧電振
動子用セラミックスの使用状態を示す説明図である。 １は圧電セラミックス、２は振動板、３は第１の電極、
４は第２の電極である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電振動子の振動板に接合されて、拡がり振動モ
   ードで使用される圧電セラミックスにおいて、圧電セラ
   ミックスの自発分極の方向が圧電セラミックスの拡がり
   方向に配向されていることを特徴とする圧電振動子用セ
   ラミックス。
2. （２）圧電セラミックスの外周部と中心部にそれぞれ第
   １及び第２の電極を備えることを特徴とする請求項１記
   載の圧電振動子用セラミックス。
3. （３）円盤状の圧電セラミックスの外周部にリング状の
   第１の電極を設け、中心部に第２の電極を設け、両電極
   間に直流電圧を印加することにより、圧電セラミックス
   の拡がり方向に放射状に自発分極を形成することを特徴
   とする圧電振動子用セラミックスの製造方法。
4. （４）円柱状の圧電セラミックスの外壁面に第１の電極
   を設け、前記圧電セラミックスの中央部に設けた穴の内
   壁面に第２の電極を設け、両電極間に直流電圧を印加す
   ることにより、圧電セラミックスに放射状に自発分極を
   形成した後、円柱状の圧電セラミックスを円盤状に切断
   することを特徴とする圧電振動子用セラミックスの製造
   方法。