JPH03166778A - 水中音響変換器用圧電素子 - Google Patents
水中音響変換器用圧電素子Info
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- JPH03166778A JPH03166778A JP1306967A JP30696789A JPH03166778A JP H03166778 A JPH03166778 A JP H03166778A JP 1306967 A JP1306967 A JP 1306967A JP 30696789 A JP30696789 A JP 30696789A JP H03166778 A JPH03166778 A JP H03166778A
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
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。
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、合成ゴム等の有機基材に圧電磁器粉末を配合
してなる圧電複合材料を用いて形成され、水中に音波ま
たは超音波を送出したり、また逆に水中を伝播する音波
または超音波を受波する水中音響変換器に用いられる圧
電素子に関する。
してなる圧電複合材料を用いて形成され、水中に音波ま
たは超音波を送出したり、また逆に水中を伝播する音波
または超音波を受波する水中音響変換器に用いられる圧
電素子に関する。
[従来技術]
?タン酸鉛(PbTiO.)等の異方性のある圧電磁器
の粉末はベロブスカイト構造をもつ強誘電体材料であり
、このため種々の圧電材料や焦電材料として広く使用さ
れているが、特に最近では水中での圧電定数d h (
das+2d■)及びgh(=dh/t.lが大きいこ
とからハイドロフオンなどの水中音響変換器用圧電材料
として注目されている. このような水中音響変換器用圧電材料としては、音波又
は超音波を効率よく水中へ放射したり受波し得るように
水との音響整合性がよく、かつ水中深く浸漬してもその
水圧に充分耐え得る強度を有するように低密度,可撓性
に富んだ圧電材料が要求される. そしてかかる要望に応えるものとして、チタン酸鉛等の
粒子を作成し、これを合成ゴムなどの有機基材中に混合
した複合材料が提案されている。
の粉末はベロブスカイト構造をもつ強誘電体材料であり
、このため種々の圧電材料や焦電材料として広く使用さ
れているが、特に最近では水中での圧電定数d h (
das+2d■)及びgh(=dh/t.lが大きいこ
とからハイドロフオンなどの水中音響変換器用圧電材料
として注目されている. このような水中音響変換器用圧電材料としては、音波又
は超音波を効率よく水中へ放射したり受波し得るように
水との音響整合性がよく、かつ水中深く浸漬してもその
水圧に充分耐え得る強度を有するように低密度,可撓性
に富んだ圧電材料が要求される. そしてかかる要望に応えるものとして、チタン酸鉛等の
粒子を作成し、これを合成ゴムなどの有機基材中に混合
した複合材料が提案されている。
【発明が解決しようとする課題]
圧電定数dh,ghを高くするためには、有機基材中に
おける異方性のある圧電磁器、例えばpb?ies,
BiFeOa,BisTiNb■015(混合層状複合
ビスマス酸化物),チタン酸鉛・ビスマスフエライト固
溶体等の粉末の体積割合を増加させれば良いことは一般
的に知られている。
おける異方性のある圧電磁器、例えばpb?ies,
BiFeOa,BisTiNb■015(混合層状複合
ビスマス酸化物),チタン酸鉛・ビスマスフエライト固
溶体等の粉末の体積割合を増加させれば良いことは一般
的に知られている。
ここで圧電定数dhはd h =d ss+ 2 d
s+の関係があり、圧電定数da+は負の値をとるから
、上述の圧電定数dhの上昇は圧電定数dssの向上に
起因するものである.ところで、圧電定数d。を高める
と通常圧電定数d■の絶対値も高くなる.そしてこのよ
うに圧電定数d 3 Hの絶対値が高くなると、圧電定
数dゎの向上を阻害するだけでなく、圧電変換器に付与
される径方向の振動はノイズの原因となるが、この径方
向振動に対する応答出力が増大して該ノイズが大きくな
り受波特性が低下する. 本発明は、圧電定数dhが高く、しかも圧電定数d3+
の絶対値の低い特性の優れた、水中音響変換器に用いる
圧電素子の提供を目的とするものである. [課題を解決するための手段] 本発明は、有機基材中に圧電磁器粉末を体積割合で65
%以上含有し、相対密度(理論密度ρe1に対する実測
密度ρ...1の百分率)が93.00〜97. 00
%となるように気孔を形成した圧電複合材料を、圧力を
厚み方向に印加して平板状に加硫成形した後、該圧力の
印加方向に分極し、その表裏面に電極を配設して構成し
たことを特徴とする水中音響変換器用圧電素子である. 【作用] 圧電複合材料において、その実測密度ρ,...と、各
構成成分から割り出した理論密度ρCa+ とは相違す
る.これは圧電複合材料中に気孔が介在するためである
と考えられ,従って相対密度により気孔の含有量を特定
することができる.そこで相対密度が93. 00〜9
7. 00%である圧電複合材料を用いる.この相対密
度により特定される気孔を内在した圧電複合材料にあっ
ては、後述の各試験により示される様に、これを平板状
に加圧すると,その加圧方向では各磁器粉末は密に充填
され、径方向では前記圧電複合材料中に含有された気孔
が径方向へ分散して疎の状態となる.換言すれば厚み方
向では各粉末は密に連続するが径方向では前記厚み方向
の連続粉末相互に空気層が介在するという状態となる.
このため、厚み方向の振動に対しては変換効率が良好と
なり,圧電定数d ssの値が向上する.一方径方向で
は各空気層が緩衝層となって、該径方向振動が緩和され
、このため圧電定数d.の絶対値が小さくなる。
s+の関係があり、圧電定数da+は負の値をとるから
、上述の圧電定数dhの上昇は圧電定数dssの向上に
起因するものである.ところで、圧電定数d。を高める
と通常圧電定数d■の絶対値も高くなる.そしてこのよ
うに圧電定数d 3 Hの絶対値が高くなると、圧電定
数dゎの向上を阻害するだけでなく、圧電変換器に付与
される径方向の振動はノイズの原因となるが、この径方
向振動に対する応答出力が増大して該ノイズが大きくな
り受波特性が低下する. 本発明は、圧電定数dhが高く、しかも圧電定数d3+
の絶対値の低い特性の優れた、水中音響変換器に用いる
圧電素子の提供を目的とするものである. [課題を解決するための手段] 本発明は、有機基材中に圧電磁器粉末を体積割合で65
%以上含有し、相対密度(理論密度ρe1に対する実測
密度ρ...1の百分率)が93.00〜97. 00
%となるように気孔を形成した圧電複合材料を、圧力を
厚み方向に印加して平板状に加硫成形した後、該圧力の
印加方向に分極し、その表裏面に電極を配設して構成し
たことを特徴とする水中音響変換器用圧電素子である. 【作用] 圧電複合材料において、その実測密度ρ,...と、各
構成成分から割り出した理論密度ρCa+ とは相違す
る.これは圧電複合材料中に気孔が介在するためである
と考えられ,従って相対密度により気孔の含有量を特定
することができる.そこで相対密度が93. 00〜9
7. 00%である圧電複合材料を用いる.この相対密
度により特定される気孔を内在した圧電複合材料にあっ
ては、後述の各試験により示される様に、これを平板状
に加圧すると,その加圧方向では各磁器粉末は密に充填
され、径方向では前記圧電複合材料中に含有された気孔
が径方向へ分散して疎の状態となる.換言すれば厚み方
向では各粉末は密に連続するが径方向では前記厚み方向
の連続粉末相互に空気層が介在するという状態となる.
このため、厚み方向の振動に対しては変換効率が良好と
なり,圧電定数d ssの値が向上する.一方径方向で
は各空気層が緩衝層となって、該径方向振動が緩和され
、このため圧電定数d.の絶対値が小さくなる。
そしてかかる構成からなる圧電素子はその表裏面に電極
を形成して水中音響変換器に用いられ得る。
を形成して水中音響変換器に用いられ得る。
[実施例]
〈相対密度の調製〉
有機基材中の圧電磁器粉末の量を増大した場合にあって
、大きな平均粒径のものによって該粉末を構成したもの
は、その密度の上昇と共に各粒子が密接しあって,その
間に比較的大容積の間隙を生じる。このため有機基材と
、圧電磁器粉末との混合過程で、材料中に混入した空気
が該間隙中に閉じ込められて大きな気孔を生じ易い.一
方、小さな粒径のものあっては、圧電磁器粉末の表面積
が著しく増大するから,圧電磁器粉末と有機基材との粒
界に形成された小さな気孔が空気層となって増大するこ
とが考えられる. すなわち,両者の間隙の形成メカニズムは夫々異なると
しても、粒径が過大であっても過小であってもその配合
量が増大することにより気孔含有量が増加することが予
想されるのである.そこでかかる知見に基づき、大粒径
のものと,小粒径のものとを所定の割合で混合すれば、
大粒径のものの間に小粒径のものが介在することにより
、粒子間に密閉状の間隙が生じることがないため粒子間
に有機基材が均一状に混入され、また粒子の単位重量あ
たりの表面積も減少して、粒界に生じる気孔の発生を抑
制することができると考えた. 従って、相対密度の調製は大粒径と小粒径のものの混合
比を換えることにより達成できることとなる. そこで平均粒径7.3μm及び31.8μmのチタン?
鉛粒子群( PT)を用意し、夫々単独のものと、両者
をl:5,l:2,1:1,2:l及び5:1の割合で
配合したものを、クロロブレンゴムと混合し、その配合
比がチタン酸鉛粒子の体積割合を50%,55%,60
%, 62.5%,65%,70%, 72.5%,7
5%, 77.5%とする50種類の混合試料を作成し
て、相対密度(理論密度ρ。1に対する実測密度ρ■■
の百分率)を測定した.第1図はこの結果をプロットし
たものである.この結果から体積割合が高いものはその
粒子の配合比を変えることにより相対密度を変化させる
ことができることが理解される. 〈試験条件〉 上述のように相対密度を変化させるために、平均粒径7
.3μm及び31.8μmのチタン酸鉛粒子群(PT)
の配合比を変え、かつクロロブレンゴムに対する粒子の
体積割合を変化させた圧電複合材料を多数用意し、これ
に加硫剤を加え、混線後、乎面方向に100〜150K
g/am” (7;)圧力を印加しながら80問各(厚
み0.5一一)の平板状に加硫成形し、さらに銀ゴム電
極付け,分極の各工程を順次行ない、こうして形成され
た圧電素子1a,Ibを第2図の様にφ30の円板に切
り出し、二枚を中心が陽極に,外側面が負極になるよう
に貼り合せ、各電極にケーブル2a,2bを各極に接続
し、さらにこれをダンピング材3に貼り付けて、ポリウ
レタン樹脂4でモールドして圧電ゴムからなる水中音響
変換器を構成した.そして各特性を測定した.この結果
、次表及びこれをプロットした第3図の関係を得ること
ができた. 尚、表中本願の発明の範囲内の試料には*記号を付して
示す. 以下余白 上記の表にあって圧電定数d.は圧電定数dh=d a
s + 2 d 3 +の関係から圧電定数dh,ds
sによって計算により求めた。ここで圧電定数d33は
高く、負の値である圧電定数d s+の絶対値は低いこ
とが望ましい.そこで圧電定数比d sr/ d ss
を求めて、これと相対密度との関係を第3図でプロット
した. この値によって示されるように、相対密度が97.00
%を越えると、圧電定数比d s+/ d saは−0
.1以下となり、一方97. 00%以下となると急激
にその絶対値が零に近付き、ノイズが少なくしかも出力
が高くなり、受波特性の改善が見られた.この理由は,
適性量の気孔を内在した圧電複合材料を用いて,これを
平板状に加圧すると、その加圧方向では各磁器粉末は密
に充填され,径方向では前記圧電複合材料中に含有され
た気孔が径方向へ分散して疎の状態となり、このため径
方向では各空気層が緩衝層となって、該径方向振動が緩
和されることによるものと考えることができる.尚、9
3. 00%未満となると気孔過剰となり,こ?ため安
定した分極処理を施すことができなくなったり、圧電定
数d ssが低下する.従って相対密度の有効範囲は9
3. 00〜97. 00%とすることができる。
、大きな平均粒径のものによって該粉末を構成したもの
は、その密度の上昇と共に各粒子が密接しあって,その
間に比較的大容積の間隙を生じる。このため有機基材と
、圧電磁器粉末との混合過程で、材料中に混入した空気
が該間隙中に閉じ込められて大きな気孔を生じ易い.一
方、小さな粒径のものあっては、圧電磁器粉末の表面積
が著しく増大するから,圧電磁器粉末と有機基材との粒
界に形成された小さな気孔が空気層となって増大するこ
とが考えられる. すなわち,両者の間隙の形成メカニズムは夫々異なると
しても、粒径が過大であっても過小であってもその配合
量が増大することにより気孔含有量が増加することが予
想されるのである.そこでかかる知見に基づき、大粒径
のものと,小粒径のものとを所定の割合で混合すれば、
大粒径のものの間に小粒径のものが介在することにより
、粒子間に密閉状の間隙が生じることがないため粒子間
に有機基材が均一状に混入され、また粒子の単位重量あ
たりの表面積も減少して、粒界に生じる気孔の発生を抑
制することができると考えた. 従って、相対密度の調製は大粒径と小粒径のものの混合
比を換えることにより達成できることとなる. そこで平均粒径7.3μm及び31.8μmのチタン?
鉛粒子群( PT)を用意し、夫々単独のものと、両者
をl:5,l:2,1:1,2:l及び5:1の割合で
配合したものを、クロロブレンゴムと混合し、その配合
比がチタン酸鉛粒子の体積割合を50%,55%,60
%, 62.5%,65%,70%, 72.5%,7
5%, 77.5%とする50種類の混合試料を作成し
て、相対密度(理論密度ρ。1に対する実測密度ρ■■
の百分率)を測定した.第1図はこの結果をプロットし
たものである.この結果から体積割合が高いものはその
粒子の配合比を変えることにより相対密度を変化させる
ことができることが理解される. 〈試験条件〉 上述のように相対密度を変化させるために、平均粒径7
.3μm及び31.8μmのチタン酸鉛粒子群(PT)
の配合比を変え、かつクロロブレンゴムに対する粒子の
体積割合を変化させた圧電複合材料を多数用意し、これ
に加硫剤を加え、混線後、乎面方向に100〜150K
g/am” (7;)圧力を印加しながら80問各(厚
み0.5一一)の平板状に加硫成形し、さらに銀ゴム電
極付け,分極の各工程を順次行ない、こうして形成され
た圧電素子1a,Ibを第2図の様にφ30の円板に切
り出し、二枚を中心が陽極に,外側面が負極になるよう
に貼り合せ、各電極にケーブル2a,2bを各極に接続
し、さらにこれをダンピング材3に貼り付けて、ポリウ
レタン樹脂4でモールドして圧電ゴムからなる水中音響
変換器を構成した.そして各特性を測定した.この結果
、次表及びこれをプロットした第3図の関係を得ること
ができた. 尚、表中本願の発明の範囲内の試料には*記号を付して
示す. 以下余白 上記の表にあって圧電定数d.は圧電定数dh=d a
s + 2 d 3 +の関係から圧電定数dh,ds
sによって計算により求めた。ここで圧電定数d33は
高く、負の値である圧電定数d s+の絶対値は低いこ
とが望ましい.そこで圧電定数比d sr/ d ss
を求めて、これと相対密度との関係を第3図でプロット
した. この値によって示されるように、相対密度が97.00
%を越えると、圧電定数比d s+/ d saは−0
.1以下となり、一方97. 00%以下となると急激
にその絶対値が零に近付き、ノイズが少なくしかも出力
が高くなり、受波特性の改善が見られた.この理由は,
適性量の気孔を内在した圧電複合材料を用いて,これを
平板状に加圧すると、その加圧方向では各磁器粉末は密
に充填され,径方向では前記圧電複合材料中に含有され
た気孔が径方向へ分散して疎の状態となり、このため径
方向では各空気層が緩衝層となって、該径方向振動が緩
和されることによるものと考えることができる.尚、9
3. 00%未満となると気孔過剰となり,こ?ため安
定した分極処理を施すことができなくなったり、圧電定
数d ssが低下する.従って相対密度の有効範囲は9
3. 00〜97. 00%とすることができる。
一方,有機基材中の圧電磁器粉末の混合量が体積割合で
65%以下であると、各粒子が有機基材に囲まれて、粒
子間に気孔を所定の形態で形成することができない.こ
のため、相対密度が高くなる(気孔が減少する)と共に
,気孔自体の振る舞いが径方向における粒子相互の緩衝
作用を果たすという所要の役割を達成することができず
、圧電定数比d x+/ d 33の絶対値が大きくな
り、しかも磁器粉末の量が少ないために圧電定数dhの
値が小さくなる. 従って所期の効果を達成するためには有機基材中に圧電
磁器粉末を体積割合で65%以上含有したものに限定さ
れる. この圧電定数d■が零近くなると、圧電素子に付与され
る径方向の振動は、ノイズの原因となるがこの方向によ
る出力の発生が抑制され、受渡特性が向上することとな
る. またPZT磁器粉末を用いた従来の圧電複合材料は、チ
タン酸鉛粒子に比して圧電定数dssが高いという良好
な特性を持っているが、反面において圧電定数d sr
の絶対値も高く、その有用性を減殺されていた.ところ
が、上述の様に相対密度が93.00〜97.00%で
ある本発明のPZT系圧電素子は圧電定数ds+を小さ
く,このためPZT系材料にあって、その有用性をさら
に引き出し得ることとなる. 尚、各実施例にあっては、チタン酸鉛粒子での試験値を
示したが、本発明は気孔の物理的振る舞いに依存するも
のであるから、上述のPZTの他、種々の圧電磁器粉末
を用いたものにあっても同様の作用効果を奏し得るもの
である. また相対密度の調製手段は上述の二種の異なった粒径の
ものを混合するほかに、他の調製手段も採用され、一種
の粒径群からなる圧電磁器粉末を使用しても良い. [発明の効果] 本発明の圧電素子は相対密度を93. 00〜97.0
0%となるように気孔を形成した圧電複合材料を分極方
向と同じ方向に圧力を印加して平板状に形成したもので
あって、該面方向において有機基材中に分散される磁器
粉末間に気孔が形成され、その緩衝作用により面方向の
圧電定数d s+が減少し,このため径方向振動による
ノイズの発生を除去でき、水中音響変換器の特性を向上
し得る等の優れた効果がある.
65%以下であると、各粒子が有機基材に囲まれて、粒
子間に気孔を所定の形態で形成することができない.こ
のため、相対密度が高くなる(気孔が減少する)と共に
,気孔自体の振る舞いが径方向における粒子相互の緩衝
作用を果たすという所要の役割を達成することができず
、圧電定数比d x+/ d 33の絶対値が大きくな
り、しかも磁器粉末の量が少ないために圧電定数dhの
値が小さくなる. 従って所期の効果を達成するためには有機基材中に圧電
磁器粉末を体積割合で65%以上含有したものに限定さ
れる. この圧電定数d■が零近くなると、圧電素子に付与され
る径方向の振動は、ノイズの原因となるがこの方向によ
る出力の発生が抑制され、受渡特性が向上することとな
る. またPZT磁器粉末を用いた従来の圧電複合材料は、チ
タン酸鉛粒子に比して圧電定数dssが高いという良好
な特性を持っているが、反面において圧電定数d sr
の絶対値も高く、その有用性を減殺されていた.ところ
が、上述の様に相対密度が93.00〜97.00%で
ある本発明のPZT系圧電素子は圧電定数ds+を小さ
く,このためPZT系材料にあって、その有用性をさら
に引き出し得ることとなる. 尚、各実施例にあっては、チタン酸鉛粒子での試験値を
示したが、本発明は気孔の物理的振る舞いに依存するも
のであるから、上述のPZTの他、種々の圧電磁器粉末
を用いたものにあっても同様の作用効果を奏し得るもの
である. また相対密度の調製手段は上述の二種の異なった粒径の
ものを混合するほかに、他の調製手段も採用され、一種
の粒径群からなる圧電磁器粉末を使用しても良い. [発明の効果] 本発明の圧電素子は相対密度を93. 00〜97.0
0%となるように気孔を形成した圧電複合材料を分極方
向と同じ方向に圧力を印加して平板状に形成したもので
あって、該面方向において有機基材中に分散される磁器
粉末間に気孔が形成され、その緩衝作用により面方向の
圧電定数d s+が減少し,このため径方向振動による
ノイズの発生を除去でき、水中音響変換器の特性を向上
し得る等の優れた効果がある.
第1図は混合粒子の混合比と相対密度との関係を示すグ
ラフ、第2図は本発明の試料として用いる水中音響変換
器の構成を示す縦断側面図、第3図は相対密度と圧電定
数比d ../ d saの関係を示すグラフである. 箆1 品 FT (31.8,czml / PT (7.3lJ
m)第 2 図
ラフ、第2図は本発明の試料として用いる水中音響変換
器の構成を示す縦断側面図、第3図は相対密度と圧電定
数比d ../ d saの関係を示すグラフである. 箆1 品 FT (31.8,czml / PT (7.3lJ
m)第 2 図
Claims (1)
- 有機基材中に圧電磁器粉末を体積割合で65%以上含
有し、相対密度(理論密度P_c_a_lに対する実測
密度P_m_e_a_sの百分率)が93.00〜97
.00%となるように気孔を形成した圧電複合材料を、
圧力を厚み方向に印加して平板状に加硫成形した後、該
圧力の印加方向に分極し、その表裏面に電極を配設して
構成したことを特徴とする水中音響変換器用圧電素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30696789A JP2981901B2 (ja) | 1989-11-27 | 1989-11-27 | 水中音響変換器用圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30696789A JP2981901B2 (ja) | 1989-11-27 | 1989-11-27 | 水中音響変換器用圧電素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03166778A true JPH03166778A (ja) | 1991-07-18 |
JP2981901B2 JP2981901B2 (ja) | 1999-11-22 |
Family
ID=17963424
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP30696789A Expired - Fee Related JP2981901B2 (ja) | 1989-11-27 | 1989-11-27 | 水中音響変換器用圧電素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2981901B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5545208B2 (ja) * | 2008-03-14 | 2014-07-09 | コニカミノルタ株式会社 | 有機圧電材料、それを用いた超音波振動子、その製造方法、超音波探触子及び超音波医用画像診断装置 |
KR20220007153A (ko) | 2019-06-28 | 2022-01-18 | 후지필름 가부시키가이샤 | 고분자 복합 압전체 및 압전 필름 |
-
1989
- 1989-11-27 JP JP30696789A patent/JP2981901B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5545208B2 (ja) * | 2008-03-14 | 2014-07-09 | コニカミノルタ株式会社 | 有機圧電材料、それを用いた超音波振動子、その製造方法、超音波探触子及び超音波医用画像診断装置 |
KR20220007153A (ko) | 2019-06-28 | 2022-01-18 | 후지필름 가부시키가이샤 | 고분자 복합 압전체 및 압전 필름 |
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP2981901B2 (ja) | 1999-11-22 |
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