JPH04149078A - Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiver - Google Patents
Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiverInfo
- Publication number
- JPH04149078A JPH04149078A JP27172290A JP27172290A JPH04149078A JP H04149078 A JPH04149078 A JP H04149078A JP 27172290 A JP27172290 A JP 27172290A JP 27172290 A JP27172290 A JP 27172290A JP H04149078 A JPH04149078 A JP H04149078A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric vibrator
- piezoelectric material
- resin
- ultrasonic transducer
- 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.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 10
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 239000000113 methacrylic resin Substances 0.000 claims abstract description 9
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims description 12
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、多孔質の圧電材料から形成される圧電振動子
、この圧電振動子を使用して構成する超音波送受波器、
及びこの圧電振動子の形成に適する超音波送受波器用圧
電材料の製造方法に関する。Detailed Description of the Invention [Industrial Application Field] The present invention relates to a piezoelectric vibrator formed from a porous piezoelectric material, an ultrasonic transducer constructed using the piezoelectric vibrator,
The present invention also relates to a method of manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer suitable for forming this piezoelectric vibrator.
［従来の技術］
圧電振動子は、電界を印加供給することにょって音響的
振動を発生させ、逆に音波を受波して電気信号に変換す
る素子である。一般的に、平板状に形成された圧電セラ
ミック材料（例えばＰＺＴチタン酸ジルコン酸鉛）の表
裏に金属電極を被着形成し、さらにこれを背面負荷と呼
ばれる金属板に接着固定することによって、超音波送受
波器が構成される。この超音波送受波器には、超音波と
して送波すべき信号を供給する回路と、受波された信号
を処理する回路と、が付設される。これらの回路を含め
ても、圧電振動子による超音波送受波器は小型かつ安価
に構成でき、産業上の用途も広いものである。[Prior Art] A piezoelectric vibrator is an element that generates acoustic vibrations by applying and supplying an electric field, and conversely receives sound waves and converts them into electric signals. Generally, metal electrodes are formed on the front and back sides of a piezoelectric ceramic material (for example, PZT lead zirconate titanate) formed into a flat plate, and these are then adhesively fixed to a metal plate called a back load. A sound wave transducer is configured. This ultrasonic transducer is provided with a circuit that supplies a signal to be transmitted as an ultrasonic wave and a circuit that processes the received signal. Even when these circuits are included, an ultrasonic transducer using a piezoelectric vibrator can be constructed in a small size and at low cost, and has a wide range of industrial applications.
超音波送受波器は、例えば水中を観察する用途にも使用
される。水中を広範囲に観察しようとする場合、一般的
には水中での減衰が少ない周波数帯域の超音波を使用す
るのが好ましい。例えば１５０ｋＨｚがこの周波数に該
当し、特に遠距離の観察においてこのような周波数選択
が有効である。Ultrasonic transducers are also used, for example, to observe underwater. When attempting to observe underwater over a wide range, it is generally preferable to use ultrasonic waves in a frequency band that is less attenuated underwater. For example, 150 kHz corresponds to this frequency, and such frequency selection is particularly effective for long-distance observation.
一方で、近距離を観察して分解能の良い画像情報を得よ
うとする場合には、周波数はこれよりも高く、例えばＩ
Ｍ Ｈｚに選択すれば良い。周波数の高い超音波は、
周波数の低い超音波よりも多くの情１１２ｍを伝搬する
ことかでき、この結果、分解能が良く細緻な画像を得る
ことかできる。On the other hand, when observing a short distance and trying to obtain image information with good resolution, the frequency is higher than this, for example, I
It is sufficient to select MHz. High-frequency ultrasound waves are
It can propagate more information 112 m than low-frequency ultrasound, and as a result, it is possible to obtain detailed images with good resolution.
これら用途からくる使用周波数の要請は、圧電振動子の
寸法（厚み）を決定付ける性格を有している。圧電振動
子の寸法は、波長λに応じて決定される。波長λは、次
の式により音速Ｃ及び使用周波数ｆから決定される。The requirements for the frequency of use resulting from these uses have the characteristic of determining the dimensions (thickness) of the piezoelectric vibrator. The dimensions of the piezoelectric vibrator are determined according to the wavelength λ. The wavelength λ is determined from the speed of sound C and the frequency used f using the following equation.
ｃ−ｆλ （１）式（１）に基づ
き圧電振動子の寸法を決定しようとする場合、この圧電
振動子の寸法か大型化して分極電圧が著しく高くなると
いう問題か生ずる。c-fλ (1) When attempting to determine the dimensions of a piezoelectric vibrator based on equation (1), a problem arises in that the size of the piezoelectric vibrator increases and the polarization voltage becomes significantly high.
一般に、圧電振動子は数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚの帯域に属
する周波数で使用される。例えば遠距離観察に使用する
１ ５０ｋＨｚ仕様の圧電振動子を得ようとする場合、
式（１）に基づいて設計すると厚さ１５ｍｍとなる。圧
電セラミック材料のグリーンシートを焼成して形成され
る圧電振動子は、電極形成後に電界を印加して分極処理
を行う必要があり、分極電界の一般的な値は２０ｋＶ／
ｃｍである。従って、厚さ１５ｍｍの圧電振動子を分極
するためには、２０ｋＶ／ｃｍＸ１５ｍｍ−３０ｋＶの
高電圧が必要となる。Generally, piezoelectric vibrators are used at frequencies in the band of several tens of kHz to several MHz. For example, when trying to obtain a piezoelectric vibrator with a 150kHz specification for use in long-distance observation,
When designed based on formula (1), the thickness is 15 mm. Piezoelectric vibrators formed by firing green sheets of piezoelectric ceramic material require polarization treatment by applying an electric field after electrode formation, and the typical value of the polarization electric field is 20 kV/
cm. Therefore, in order to polarize a piezoelectric vibrator with a thickness of 15 mm, a high voltage of 20 kV/cm x 15 mm - 30 kV is required.
また、分解能を向上させるためにチャーブ信号処理を用
いてＳ／Ｎ比を下げる手法が用いられているが、この手
法を用いるに当たって圧電振動子の電気的Ｑが高すぎる
という問題があった。Furthermore, in order to improve the resolution, a technique has been used to lower the S/N ratio using Chirb signal processing, but there is a problem in using this technique that the electrical Q of the piezoelectric vibrator is too high.
すなわち、チャーブ信号処理においては、パルス状の信
号を取り扱う必要から広帯域の周波数特性が必要とされ
る。従って、電気的Ｑは低く、好ましくは６程度に設定
すべきである。しかし、ＰＺＴによる従来の圧電振動子
では低Ｑのものでも２０〜３０程度である。このため、
平板形状の圧電振動子をそのまま用いたのではチャーブ
信号処理の利点を享有できず、形状を円筒形にしたり、
複数の圧電振動子を直列接続する必要がある。That is, in chirb signal processing, wideband frequency characteristics are required because it is necessary to handle pulsed signals. Therefore, the electrical Q should be set low, preferably around 6. However, in the conventional piezoelectric vibrator made of PZT, even a low Q value is about 20 to 30. For this reason,
If a flat plate-shaped piezoelectric vibrator is used as it is, it will not be possible to enjoy the advantages of Chirb signal processing, so it is necessary to change the shape to a cylindrical shape,
It is necessary to connect multiple piezoelectric vibrators in series.
しかし、円筒形の圧電振動子は加工が困難である。例え
ば焼成の際の歪み発生や、電極形成の際の作業の困難さ
が生ずる。また、直列接続の場合には合計寸法の大型化
が生じてしまう。このように、必要な電気的Ｑを実現す
るためには現在の圧電材料では不足である。However, cylindrical piezoelectric vibrators are difficult to process. For example, distortion may occur during firing, and work may be difficult during electrode formation. Moreover, in the case of series connection, the total size increases. Thus, current piezoelectric materials are insufficient to achieve the required electrical Q.
これらの欠点、すなわち寸法の大型化による分極電圧の
高電圧化、及び電気的Ｑの不適合を解決するために、従
来から種々の提案がなされている。Various proposals have been made in the past in order to solve these drawbacks, namely, the increase in polarization voltage due to the increase in size and the incompatibility of electrical Q.
そのなかでも有効なものとして、多孔質圧電材料をもっ
て圧電振動子を形成する提案がある。Among these, one effective proposal is to form a piezoelectric vibrator using a porous piezoelectric material.
多孔質圧電材料は、内部に多数の空孔を有する圧電材料
である。この空孔は、音速Ｃを低くシミ気的Ｑを低くす
る作用を有している。従って、前述の問題点を解決する
ためには有効な材料である。A porous piezoelectric material is a piezoelectric material that has a large number of pores inside. These holes have the effect of lowering the sound velocity C and the stain Q. Therefore, it is an effective material for solving the above-mentioned problems.
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、従来の多孔質圧電材料は、空孔の径が１
００μｍという値であり、機械的強度が弱いという問題
点があった。[Problem to be solved by the invention] However, in conventional porous piezoelectric materials, the diameter of the pores is 1.
The value was 0.00 μm, and there was a problem that the mechanical strength was weak.
この機械的強度の弱さは、例えば高周波仕様の圧電振動
子を得ようとする際に、周波数の要請から寸法（厚さ）
を薄くすると、加工時に破損するという問題及び大電力
で駆動すると破損するという問題を引き起こす。本願発
明者が実験したところでは、２０Ｗ／ｃｍ２という電力
密度が最大注入電力密度であった。This weak mechanical strength is due to the fact that, for example, when trying to obtain a piezoelectric vibrator with high frequency specifications, the dimensions (thickness)
If it is made thinner, it causes the problem of breakage during processing and the problem of breakage when driven with high power. According to experiments conducted by the present inventor, a power density of 20 W/cm2 was the maximum injection power density.
本発明は、多孔質圧電材料を改良し、音速、電気的Ｑ及
び機械的強度の全ての点で、超音波送受波器として使用
される際の要請を満たすことを目的とする。すなわち、
機械的強度か強い多孔質圧電材料から形成される圧電振
動子、この圧電振動子を用いた超音波送受波器、及びこ
の圧電振動子に適する超音波送受波器用圧電材料の製造
方法を提供することを目的とする。The present invention aims to improve a porous piezoelectric material so that it satisfies the requirements when used as an ultrasonic transducer in terms of sound velocity, electrical Q, and mechanical strength. That is,
Provided is a piezoelectric vibrator formed from a porous piezoelectric material with high mechanical strength, an ultrasonic transducer using this piezoelectric vibrator, and a method for manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer suitable for this piezoelectric vibrator. The purpose is to
［課題を解決するための手段］
このような目的を達成するために、本願出願人は、以下
のような構成の圧電振動子を提案する。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the applicant of the present application proposes a piezoelectric vibrator having the following configuration.
まず、請求項（１）は、平均約３０μｍの孔径の複数の
空孔を存し、全体積に占める空孔体積比率が３０〜５２
％の範囲に属する多孔質の圧電材料から形成されること
を特徴とする。First, claim (1) includes a plurality of pores having an average pore diameter of about 30 μm, and the pore volume ratio to the total volume is 30 to 52 μm.
% of porous piezoelectric material.
また、本願出願人は、請求項（２）として、請求項（１
）記載の圧電振動子と、圧電振動子が取り付けられる背
面負荷と、圧電振動子に電気信号を供給する電極と、を
備えることを特徴とする超音波送受波器を提案する。In addition, the applicant has filed claim (1) as claim (2).
We propose an ultrasonic transducer characterized by comprising the piezoelectric vibrator described in ), a back load to which the piezoelectric vibrator is attached, and an electrode that supplies an electrical signal to the piezoelectric vibrator.
さらに、本願出願人は、以下のような構成を有する超音
波送受波器用圧電材料の製造方法を提案する。Furthermore, the applicant of the present application proposes a method of manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer having the following configuration.
まず請求項（３）は、平均約３０μｍの径を有する樹脂
をセラミック材料に混合し、少なくとも樹脂が焼失する
温度で焼成することにより、圧電材料を形成することを
特徴とする。First, claim (3) is characterized in that a piezoelectric material is formed by mixing a resin having an average diameter of about 30 μm with a ceramic material and firing at a temperature at which at least the resin is burned out.
次に、請求項（４）は、樹脂がメタクリル樹脂であるこ
とを特徴とする。Next, claim (4) is characterized in that the resin is a methacrylic resin.
さらに、請求項（５）は、平均約３０μｍの径を有する
カーボン粉末をセラミック材料に混合し、少なくともカ
ーボン粉末が焼失する温度で焼成することにより、圧電
材料を形成することを特徴とする。Furthermore, claim (5) is characterized in that the piezoelectric material is formed by mixing carbon powder having an average diameter of about 30 μm with a ceramic material and firing at a temperature at which at least the carbon powder is burned out.
そして、請求項（６）は、セラミ・ツク材料がＰＺＴで
あることを特徴とする。A sixth aspect of the present invention is characterized in that the ceramic material is PZT.
［作用］
まず、本発明の圧電振動子に使用され、本発明の超音波
送受波器用圧電材料の製造方法により製造される圧電材
料について、発明者の実験結果に基づき説明する。[Function] First, the piezoelectric material used in the piezoelectric vibrator of the present invention and manufactured by the method of manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer of the present invention will be described based on the inventor's experimental results.
この圧電材料は、請求項（１）に記載されてる通り、平
均約３０μｍの孔径の複数の空孔を有している多孔質の
圧電材料である。このような径の空孔を有する本発明の
圧電材料は、従来の１００μｍ径の空孔を有する圧電材
料に比べ、より強い機械的強度を呈する。As described in claim (1), this piezoelectric material is a porous piezoelectric material having a plurality of pores having an average pore diameter of about 30 μm. The piezoelectric material of the present invention having pores with such a diameter exhibits stronger mechanical strength than the conventional piezoelectric material having pores with a diameter of 100 μm.
第１図には、発明者の実験により得られた平均約３０μ
ｍの孔径の複数の空孔を有する圧電材料の空孔率−引っ
張り強度特性が示されている。発明者の実験は、ＰＺＴ
にメタクリル樹脂を混合し焼成して得た圧電振動子につ
いて行われたため、以下、この欄で示す特性図はこの圧
電振動子の特性を示す。なお、本発明の構成は、前記実
験におけるこのような条件・材料設定に左右される性質
のものではない。Figure 1 shows an average of approximately 30μ obtained through the inventor's experiments.
The porosity-tensile strength characteristics of a piezoelectric material having a plurality of pores with a pore diameter of m are shown. The inventor's experiment was conducted using PZT.
Since this study was carried out on a piezoelectric vibrator obtained by mixing and firing a methacrylic resin, the characteristic diagram shown in this column below shows the characteristics of this piezoelectric vibrator. Note that the structure of the present invention is not dependent on such conditions and material settings in the above experiment.
この図においては、空孔率（圧電材料の全体積に占める
空孔の体積比率）が増大すると、引っ張り強度が低下す
る様子が示されている。多孔質圧電材料の機械的強度を
確保し、特に最大注入電力密度を向上させるためには、
引っ張り強度としても従来より大きな値を確保するのが
好ましい。最大注入電力密度の改良目標として５０Ｗ／
Ｃｍ２を設定すると、これに相当する引っ張り強度が１
００ｋｇ／ｃｒｎ２であることから、第１図に破線で示
されるように、空孔率５２％以下が最大注入電力密度の
要請を満たすことになる。This figure shows that as the porosity (volume ratio of pores to the total volume of the piezoelectric material) increases, the tensile strength decreases. In order to ensure the mechanical strength of porous piezoelectric materials and especially improve the maximum injected power density,
It is also preferable to secure a larger value for tensile strength than before. The maximum injection power density improvement target is 50W/
When Cm2 is set, the corresponding tensile strength is 1
00 kg/crn2, a porosity of 52% or less satisfies the requirement for maximum implanted power density, as shown by the broken line in FIG.
このように、発明者の実験では機械的強度の要請が空孔
率５２％以下という条件設定で満たされることが判明し
た。このような条件設定により、従来の多孔質圧電材料
で生じていた問題、すなわち大電力駆動時及び加工時の
破損発生が解消される。As described above, the inventor's experiments revealed that the requirement for mechanical strength was met under the condition that the porosity was 52% or less. By setting these conditions, the problem that occurred with conventional porous piezoelectric materials, that is, the occurrence of breakage during high power driving and processing can be solved.
また、本発明の圧電振動子を形成する圧電材料は、従来
の多孔質圧電材料において得られていた利点をも維持す
るものである。すなわち、空孔の径を変更したにもかか
わらず、音速を低く従って寸法を小さくでき、電気低Ｑ
を低くできる。Furthermore, the piezoelectric material forming the piezoelectric vibrator of the present invention maintains the advantages obtained with conventional porous piezoelectric materials. In other words, even though the diameter of the hole is changed, the sound velocity can be lowered, the dimensions can be reduced, and the electrical QQ can be reduced.
can be lowered.
この作用の根拠となるのは、発明者が前掲の試料により
行った実験の結果である。第２図には、空孔率−音速特
性の測定結果が、第３図には、空孔率−電気的Ｑ特性の
測定結果が、それぞれ示されている。This effect is based on the results of experiments conducted by the inventor using the above-mentioned sample. FIG. 2 shows the measurement results of porosity-sonic velocity characteristics, and FIG. 3 shows the measurement results of porosity-electrical Q characteristics.
これらの図に示されるように、空孔率の増加に伴い音速
が低下し、電気的Ｑが低下する。As shown in these figures, as the porosity increases, the sound velocity decreases and the electrical Q decreases.
一般的に、装置の小型化のためには圧電振動子の寸法が
小さいのが好ましく、音速が小さいとこの寸法が小さく
なることから、空孔率が出来るだけ高い領域に属する圧
電材料が好ましい。具体的には、前述の引っ張り強度に
係る制限値−５２％近傍に近い空孔率の圧電材料により
、音速の低下による小型化が実現される。Generally, in order to miniaturize the device, it is preferable for the dimensions of the piezoelectric vibrator to be small, and since this dimension becomes smaller when the speed of sound is low, it is preferable to use a piezoelectric material that belongs to a region with as high a porosity as possible. Specifically, by using a piezoelectric material with a porosity close to -52%, the above-mentioned limit value related to tensile strength, miniaturization is realized by reducing the speed of sound.
また、チャーブ信号処理のように広帯域の信号を取り扱
うためには、電気的Ｑが小さいのか好ましい。この点か
らも、空孔率が大きいほうが好ましいことがわかる。具
体的には、空孔率が３０％以上の領域において好適な電
気的Ｑ（６程度）が得られる。Furthermore, in order to handle wideband signals such as in Chilb signal processing, it is preferable that the electrical Q be small. From this point as well, it can be seen that a larger porosity is preferable. Specifically, a suitable electrical Q (about 6) can be obtained in a region where the porosity is 30% or more.
以上の実験結果を総合すると、機械的強度、寸法の小型
化及び電気的Ｑの低下のためには、３０〜５２％の領域
に属する空孔率となるよう、組成・混合比を選択すれば
良いことがわかる。このような選択を行えば、第４図と
して示されている実験結果（空孔率−圧電歪定数特性）
に示される如く、従来の多孔質圧電材料に比べて圧電歪
定数の大きな実用的圧電振動子が得られる。Combining the above experimental results, in order to reduce mechanical strength, size reduction, and electrical Q, the composition and mixing ratio should be selected so that the porosity falls within the range of 30 to 52%. I know it's good. If such a selection is made, the experimental results (porosity-piezoelectric strain constant characteristics) shown in Figure 4 will be obtained.
As shown in FIG. 2, a practical piezoelectric vibrator having a larger piezoelectric strain constant than conventional porous piezoelectric materials can be obtained.
このような実験結果に基づき、本発明の圧電振動子は、
空孔の径が約３０μｍ１全体積に占める空孔体積比率（
空孔率）が３０〜５２％の範囲に属する圧電材料から形
成される。このように形成された圧電振動子においては
、例えば５０Ｗ／ｃｍ２の注入電力密度が実現され、加
工時の機械的破損が防止される。また、音速が小さくな
り、寸法が小型化する。電気的Ｑがチャーブ信号処理に
的する値となり、また圧電歪定数も実用的値となる。Based on such experimental results, the piezoelectric vibrator of the present invention has the following characteristics:
The diameter of the pores is approximately 30 μm1 The pore volume ratio to the total volume (
It is formed from a piezoelectric material having a porosity in the range of 30 to 52%. In the piezoelectric vibrator formed in this manner, an injection power density of, for example, 50 W/cm2 is achieved, and mechanical damage during processing is prevented. Also, the speed of sound is reduced and the dimensions are reduced. The electrical Q becomes a value suitable for Chirb signal processing, and the piezoelectric distortion constant also becomes a practical value.
また、本発明の請求項（２）記載の超音波送受波器にお
いては、以上のべた性質を有する圧電振動子が背面負荷
に取り付けられ、さらに電極によって電気信号が供給さ
れる。すなわち、圧電振動子の構成を除き、従来と同様
の装置構成により、従来より破損しにくく大電力で駆動
される超音波送受波器が得られる。Further, in the ultrasonic transducer according to claim (2) of the present invention, a piezoelectric vibrator having the above-mentioned properties is attached to a back load, and an electric signal is further supplied by an electrode. That is, with the same device configuration as the conventional one except for the configuration of the piezoelectric vibrator, it is possible to obtain an ultrasonic transducer that is less likely to be damaged than the conventional one and can be driven with high power.
さらに、本発明の請求項（３）乃至（６）は、請求項（
１）に記載した圧電材料を形成する方法、すなわち超音
波送受波器用圧電材料の製造方法に関するものである。Furthermore, claims (3) to (6) of the present invention are defined by claims (
The present invention relates to a method of forming the piezoelectric material described in 1), that is, a method of manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer.
本発明の圧電材料は、例えば請求項（３）に記載される
ように、セラミック材料に樹脂を混合し、焼成すること
によって得られる。混合に係る樹脂は、平均的３０μｍ
の径を有する樹脂である。焼成温度は少なくとも樹脂が
焼失する温度である。The piezoelectric material of the present invention can be obtained, for example, by mixing a resin with a ceramic material and firing the mixture. The resin involved in mixing has an average thickness of 30 μm.
The resin has a diameter of . The firing temperature is a temperature at which at least the resin is burned out.
このようにすると、焼成の際に樹脂が焼失し、樹脂の寸
法に相当する径の空孔が形成される。この空孔は、前述
のように作用し、請求項（１）記載の圧電振動子に適す
る圧電材料が得られる。In this way, the resin is burned away during firing, and pores with a diameter corresponding to the size of the resin are formed. These holes function as described above, and a piezoelectric material suitable for the piezoelectric vibrator according to claim (1) is obtained.
なお、この請求項（３）に記載される樹脂としては、請
求項（４）に示されるようにメタクリル樹脂が挙げられ
る。Note that the resin described in claim (3) includes methacrylic resin as shown in claim (4).
また、請求項（５）においては、請求項（３）における
樹脂に代え、カーボン粉末かセラミック材料に混合され
る。このようにしても、同様の径の空孔が実現される。Furthermore, in claim (5), instead of the resin in claim (3), carbon powder is mixed with the ceramic material. Even in this case, pores with similar diameters can be realized.
そして、請求項（３）又は（５）におけるセラミック材
料としては、請求項（６）に示される如（ＰＺＴを用い
ればよい。As the ceramic material in claim (3) or (5), PZT may be used as shown in claim (6).
［実施例］
以下、本発明の好適な実施例について図面に基づき説明
する。[Examples] Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
第５図には、本発明の一実施例に係る圧電振動子の構成
が示されている。FIG. 5 shows the configuration of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
この図に示される圧電振動子１０は、ＰＺＴにメタクリ
ル樹脂の粉体を混合焼成して形成される。The piezoelectric vibrator 10 shown in this figure is formed by mixing and firing methacrylic resin powder with PZT.
メタクリル樹脂の粒径は約３０μｍ近傍であり、混合率
は焼成後の空孔率が４０％となるよう設定されている。The particle size of the methacrylic resin is around 30 μm, and the mixing ratio is set so that the porosity after firing is 40%.
また、この圧電振動子１０を発明者が電子顕微鏡で精査
した結果は、図示しないが、空孔寸法かメタクリル樹脂
の粒径とほぼ等しい値であることを示している。Further, the inventor examined this piezoelectric vibrator 10 using an electron microscope, and although not shown, the result shows that the pore size is approximately equal to the particle size of the methacrylic resin.
また、圧電振動子１０は、１５０ｋＨｚ仕様で設計され
ている。空孔率が４０％の場合、第２図に示されるよう
に音速は１８００ｍ／ｓとなる。Furthermore, the piezoelectric vibrator 10 is designed with a 150 kHz specification. When the porosity is 40%, the sound velocity is 1800 m/s as shown in FIG.
従って、ｃ−１８００ｍ／ｓＳ ｆ−１５０ｋＨｚの圧
電振動子１０は、式（１）に従い厚みが６ｍｍとなるよ
う設計されている。Therefore, the piezoelectric vibrator 10 of c-1800 m/sS f-150 kHz is designed to have a thickness of 6 mm according to equation (1).
この厚みは、従来の圧電材料のうち多孔質でないＰＺＴ
と比較して約４０％の厚みである。従って、本実施例に
よれば寸法の小型化か実現される。This thickness is similar to that of PZT, which is non-porous among conventional piezoelectric materials.
The thickness is approximately 40% compared to that of the original. Therefore, according to this embodiment, the size can be reduced.
また、これによって分極電圧は２０ｋＶ／ｅｍＸ６ｍｒ
ｎ＝１２ｋＶと著しく低下する。In addition, due to this, the polarization voltage is 20kV/emX6mr
The voltage decreases significantly to n=12kV.
また、引っ張り強度は第１図に示されるように１５０
ｋ ｇ ／ ｃ ｍ ２となり、最大注入電力密度は７
５Ｗ／ ｃ ｍ ２程度まで向上する。また、加工時の
破損率も小さくなる。In addition, the tensile strength is 150 as shown in Figure 1.
kg/cm2, and the maximum injected power density is 7
It improves to about 5W/cm2. Furthermore, the breakage rate during processing is also reduced.
第５図においては、圧電振動子１０の表裏に電極１２が
被着形成されている。電極１２は、従来公知の方法で被
着形成されている。また、電極１２にはこれも従来公知
の方法でリード線１４か接続されている。In FIG. 5, electrodes 12 are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric vibrator 10. The electrode 12 is formed by a conventionally known method. A lead wire 14 is also connected to the electrode 12 by a conventionally known method.
この圧電振動子１０を、当該圧電振動子の音響的負荷と
して機能する背面負荷１５上にマトリクス配置すると、
第６図に示されるような構成の超音波送受波器が得られ
る。この送受波器を実際に作成し、電気的Ｑを測定した
ところ、その値として４か得られた。When this piezoelectric vibrator 10 is arranged in a matrix on a back load 15 that functions as an acoustic load of the piezoelectric vibrator,
An ultrasonic transducer having the configuration shown in FIG. 6 is obtained. When this transducer was actually constructed and the electrical Q was measured, a value of 4 was obtained.
また、電力密度５０Ｗ／ｃｍ−でチャープ信号で駆動し
たところ、Ｓ／Ｎ比及び分解能として十分な値が得られ
た。具体的には、中心周波数ｆ。Further, when driven with a chirp signal at a power density of 50 W/cm-, sufficient values were obtained for the S/N ratio and resolution. Specifically, the center frequency f.
＝２００ｋＨｚのチャープ信号で駆動すると、Ｑ−６の
ときΔｆ＝３４ｋＨｚであるので、分解能は、音速／（
２・Δｆ）＝２．２ｃｍとなる。また、Ｓ／Ｎ比は次の
ようになる。すなわち、チャープをかけられる時間をＴ
とすると感度は（Ｔ・（Ｔ・Δｆ））１／２−（Δｆ
／ΔｆＨ）１／２
ＨＬ
となる。ここで、ΔｆＬを低ＱのときのΔｆとし、Δｆ
Ｈが高Ｑの時のΔｆであるときのΔｆとすると、Δｆ
＝３４ｋＨｚであり、ΔｆＨ−７ｋＨ２であるので、
感度比は前述した式より２，２倍となる。従って、感度
は２，２倍向上するか、Δｆか広がった分だけ受信機ノ
イズか大きくなるためＳ／Ｎ比について数値で表すこと
は困難であるものの改善されることはあきらかである。When driven by a chirp signal of =200kHz, Δf=34kHz for Q-6, so the resolution is the speed of sound/(
2・Δf)=2.2cm. Further, the S/N ratio is as follows. In other words, the time during which chirp is applied is T
Then, the sensitivity is (T・(T・Δf))1/2−(Δf
/ΔfH) 1/2 HL. Here, ΔfL is Δf at low Q, and Δf
If Δf is Δf when H is high Q, then Δf
= 34kHz and ΔfH - 7kHz, so
The sensitivity ratio is 2.2 times higher than the above equation. Therefore, it is clear that the sensitivity is improved by a factor of 2 or 2, or that the signal-to-noise ratio is improved, although it is difficult to express it numerically because the receiver noise increases by the amount of Δf spread.
なお、以上の実施例では、ＰＺＴに混入される空孔形成
用材料としてメタクリル樹脂が用いられているが、これ
は同様寸法のカーボン粉末でも良い。In the above embodiments, methacrylic resin is used as the pore-forming material mixed into PZT, but carbon powder having similar dimensions may also be used.
［発明の効果コ
以上説明したように、本発明によれば、圧電材料の空孔
の径及び空孔体積比率の設定により、従来の多孔質圧電
材料に比べ機械的強度か向上し、加工時の破損が少なく
最大注入電力が大きな圧電振動子を得ることができる。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, by setting the diameter of the pores and the pore volume ratio of the piezoelectric material, the mechanical strength is improved compared to the conventional porous piezoelectric material, and the mechanical strength is improved during processing. It is possible to obtain a piezoelectric vibrator with less damage and a large maximum injected power.
また、音速を低くすることにより小型化が可能となり、
チャープ信号処理等の広帯域信号処理に適した電気的Ｑ
を得ることができる。In addition, by lowering the speed of sound, it becomes possible to downsize.
Electrical Q suitable for wideband signal processing such as chirp signal processing
can be obtained.
請求項（２）によれば、請求項（１）記載の圧電振動子
を用いて小型、大電力でチャープ信号処理に適した超音
波送受波器を得ることができる。According to claim (2), by using the piezoelectric vibrator according to claim (1), it is possible to obtain an ultrasonic transducer that is small in size, uses high power, and is suitable for chirp signal processing.
さらに、請求項（３）乃至（６）によれば、請求項（１
）記載の圧電振動子の形成に適する圧電材料を簡易な手
段で得ることができる。Furthermore, according to claims (3) to (6), claim (1)
A piezoelectric material suitable for forming the piezoelectric vibrator described in ) can be obtained by a simple means.
第１図乃至第４図は、本発明をなすにあたって発明者か
行った実験の結果を示す図であり、第１図は空孔率−引
っ張り強度特性を、第２図は空孔率−音速特性を、第３
図は空孔率−電気的Ｑ特性を、第４図は空孔率−圧電歪
定数特性を、それぞれ示す図、
第５図は、本発明の一実施例に係る圧電振動子の構成を
示す図、
第６図は、第５図の圧電振動子を用いて構成した超音波
送受波器の構成を示す図である。
１０ ・・・ 圧電振動子
１２ ・・ 電極
１４ ・・・ リード線
背面負荷Figures 1 to 4 are diagrams showing the results of experiments conducted by the inventor in making the present invention. Figure 1 shows the porosity-tensile strength characteristics, and Figure 2 shows the porosity-sound velocity characteristics. Characteristics, 3rd
Figure 4 shows the porosity-electrical Q characteristic, and Figure 4 shows the porosity-piezoelectric strain constant characteristic. Figure 5 shows the configuration of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer constructed using the piezoelectric vibrator shown in FIG. 5. 10... Piezoelectric vibrator 12... Electrode 14... Lead wire back load
Claims (6)
体積に占める空孔体積比率が３０〜５２％の範囲に属す
る多孔質の圧電材料から形成されることを特徴とする圧
電振動子。(1) A piezoelectric vibration characterized by being formed from a porous piezoelectric material having a plurality of pores with an average pore diameter of about 30 μm and having a pore volume ratio in the range of 30 to 52% of the total volume. Child.
が取り付けられる背面負荷と、圧電振動子に電気信号を
供給する電極と、を備えることを特徴とする超音波送受
波器。(2) An ultrasonic transducer comprising the piezoelectric vibrator according to claim (1), a back load to which the piezoelectric vibrator is attached, and an electrode for supplying an electrical signal to the piezoelectric vibrator.
約３０μｍの径を有する樹脂をセラミック材料に混合し
、少なくとも樹脂が焼失する温度で焼成することにより
、圧電材料を形成することを特徴とする超音波送受波器
用圧電材料の製造方法。(3) The piezoelectric vibrator according to claim (1), characterized in that the piezoelectric material is formed by mixing a resin having an average diameter of about 30 μm with a ceramic material and firing at a temperature at which at least the resin is burned out. A method for manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer.
の製造方法において、樹脂がメタクリル樹脂であること
を特徴とする超音波送受波器用圧電材料の製造方法。(4) The method for producing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer according to claim (3), wherein the resin is a methacrylic resin.
約３０μｍの径を有するカーボン粉末をセラミック材料
に混合し、少なくともカーボン粉末が焼失する温度で焼
成することにより、圧電材料を形成することを特徴とす
る超音波送受波器用圧電材料の製造方法。(5) In the piezoelectric vibrator according to claim (1), the piezoelectric material is formed by mixing carbon powder having an average diameter of about 30 μm with a ceramic material and firing at a temperature at which at least the carbon powder is burned out. A method for producing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer, characterized by:
用圧電材料の製造方法において、セラミック材料がチタ
ン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする超音波送受波
器用圧電材料の製造方法。(6) In the method for manufacturing a piezoelectric material for an ultrasonic transducer according to claim (3) or (5), the ceramic material is lead zirconate titanate. Method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27172290A JPH04149078A (en) | 1990-10-08 | 1990-10-08 | Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27172290A JPH04149078A (en) | 1990-10-08 | 1990-10-08 | Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiver |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04149078A true JPH04149078A (en) | 1992-05-22 |
Family
ID=17503931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27172290A Pending JPH04149078A (en) | 1990-10-08 | 1990-10-08 | Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiver |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04149078A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0526728A2 (en) * | 1991-07-05 | 1993-02-10 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric element |
| EP0928033A3 (en) * | 1995-09-19 | 1999-08-04 | Seiko Epson Corporation | Thin piezoelectric film element and ink jet recording head using thin piezoelectric film element |
| JP2016138882A (en) * | 2010-06-03 | 2016-08-04 | シェブロン ユー．エス．エー．インコーポレイテッドＣｈｅｖｒｏｎ Ｕ．Ｓ．Ａ．Ｉｎｃ． | Device and method for generating beam of acoustic energy in borehole, and applications thereof |
| US10458957B2 (en) | 2016-08-24 | 2019-10-29 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device, ultrasonic module, and ultrasonic measuring device |
| US11529126B2 (en) | 2016-04-28 | 2022-12-20 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device, ultrasonic module, and ultrasonic measuring apparatus |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61136973A (en) * | 1984-12-06 | 1986-06-24 | 株式会社ブリヂストン | Porous ceramic body for piezoelectric ceramic element |
| JPH01172281A (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-07 | Japan Radio Co Ltd | Dielectric material for piezoelectric vibrator |
| JPH01208879A (en) * | 1988-02-17 | 1989-08-22 | Oki Electric Ind Co Ltd | Manufacture of composite piezoelectric element |
| JPH0290579A (en) * | 1988-09-28 | 1990-03-30 | Toshiba Corp | Manufacture of porous piezoelectric ceramic material |
-
1990
- 1990-10-08 JP JP27172290A patent/JPH04149078A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61136973A (en) * | 1984-12-06 | 1986-06-24 | 株式会社ブリヂストン | Porous ceramic body for piezoelectric ceramic element |
| JPH01172281A (en) * | 1987-12-25 | 1989-07-07 | Japan Radio Co Ltd | Dielectric material for piezoelectric vibrator |
| JPH01208879A (en) * | 1988-02-17 | 1989-08-22 | Oki Electric Ind Co Ltd | Manufacture of composite piezoelectric element |
| JPH0290579A (en) * | 1988-09-28 | 1990-03-30 | Toshiba Corp | Manufacture of porous piezoelectric ceramic material |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0526728A2 (en) * | 1991-07-05 | 1993-02-10 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric element |
| EP0526728A3 (en) * | 1991-07-05 | 1994-05-18 | Murata Manufacturing Co | Piezoelectric element |
| EP0928033A3 (en) * | 1995-09-19 | 1999-08-04 | Seiko Epson Corporation | Thin piezoelectric film element and ink jet recording head using thin piezoelectric film element |
| US6097133A (en) * | 1995-09-19 | 2000-08-01 | Seiko Epson Corporation | Thin piezoelectric film element, process for the preparation thereof and ink jet recording head using thin piezoelectric film element |
| US6294860B1 (en) | 1995-09-19 | 2001-09-25 | Seiko Epson Corporation | Thin piezoelectric film element, process for the preparation thereof and ink jet recording head using thin piezoelectric film element |
| JP2016138882A (en) * | 2010-06-03 | 2016-08-04 | シェブロン ユー．エス．エー．インコーポレイテッドＣｈｅｖｒｏｎ Ｕ．Ｓ．Ａ．Ｉｎｃ． | Device and method for generating beam of acoustic energy in borehole, and applications thereof |
| US11529126B2 (en) | 2016-04-28 | 2022-12-20 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device, ultrasonic module, and ultrasonic measuring apparatus |
| US10458957B2 (en) | 2016-08-24 | 2019-10-29 | Seiko Epson Corporation | Ultrasonic device, ultrasonic module, and ultrasonic measuring device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2745147B2 (en) | Piezoelectric transducer | |
| Gallego-Juarez | Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers | |
| CN101524682B (en) | High-frequency ultrasonic transducer made of piezoelectric monocrystalline composite material as well as manufacturing method and application thereof | |
| Meyer Jr et al. | Lead zirconate titanate hollow‐sphere transducers | |
| Kuscer et al. | Acoustic properties of porous lead zirconate titanate backing for ultrasonic transducers | |
| JPH04149078A (en) | Piezoelectric vibrator ultrasonic wave transmitter-receiver and production of piezoelectric material for the transmitter-receiver | |
| US8410664B2 (en) | Method for changing ultrasound wave frequency by using the acoustic matching layer | |
| RU2713835C1 (en) | Composite piezoelectric material producing method | |
| Guo et al. | Design and fabrication of broadband graded ultrasonic transducers with rectangular kerfs | |
| Guillaussier et al. | Porous lead zirconate titanate ceramics for hydrophones | |
| JPS60113599A (en) | Ultrasonic wave probe | |
| JPS5929816B2 (en) | ultrasonic probe | |
| JPS5857707B2 (en) | On-patanshiyokushi | |
| Feuillard et al. | Comparative performances of new KNN lead-free piezoelectric materials and classical lead-based ceramics for ultrasonic transducer applications | |
| JPH01172281A (en) | Dielectric material for piezoelectric vibrator | |
| Eiras et al. | Vibration modes in ultrasonic Bessel transducer | |
| Snook et al. | Design of a high frequency annular array for medical ultrasound | |
| JP2007288396A (en) | Ultrasonic probe | |
| Allin et al. | Design and construction of a low frequency wide band non-resonant transducer | |
| JPH0237175B2 (en) | ||
| Herzog et al. | High-performance ultrasonic transducers based on PMN-PT single crystals fabricated in 1-3 Piezo-Composite Technology | |
| JPH11295281A (en) | Ultrasonic transducer for measurement | |
| JPS6378700A (en) | Composite piezoelectric ultrasonic probe | |
| Kwok et al. | Lead zirconate titanate/poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) 1-3 composites for ultrasonic transducer applications | |
| WO2023095450A1 (en) | Ultrasonic transducer and method for manufacturing same |