JPH0518783B2 - - Google Patents

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の材料として使用するのに
適した誘電体材料の構造に関するものである。

〔従来の技術〕

超音波が物体中を伝搬するとき、音響インピー
ダンスの異なつた部分で反射が生じる。この性質
を利用し物質の破壊を伴わず異物を検知すること
ができる。超音波を発生させるための圧電振動子
の材料としては、例えばチタン酸バリウム
BaTiO₃、チタン酸鉛PbTiO₃、ジルコン酸
PbZrO₃とチタン酸鉛PbTiO₃の二成分系であるジ
ルコン酸チタン酸鉛（PZT）がある。この他に
も多くの圧電性を持つ材料があり、多岐にわたる
目的に応じて使いわけられている。

超音波は人体に無害であるため、医療用に使用
される。また使用周波数領域が広いため、例えば
漁業用、建築構造物の非破壊検査等の広い範囲に
応用されている。医療分野では人体の構造、胎児
の観察、癌細胞や腫瘍の検査等に用いられてお
り、被検体である生体内の深さ方向の広い範囲に
おける高い分解能が必要である。漁業分野では海
中状態、すなわち魚群海底地形、障害物を検知す
ることを目的とするために、感度が高く、投入電
力密度が高くとれ、電気的Ｑ値が高い圧電振動子
が一般的に必要であり、特別な目的のとき電気的
Ｑ値が低い圧電振動子も使用される。

これらの要求に対してジルコン酸チタン酸鉛か
らなる圧電振動子は、上記のように二成分系で構
成されているため、電気的特性の制御性が良く、
高感度であり、広く用いられている。チタン酸鉛
からなる圧電振動子は、一成分系であるが単一モ
ード、すなわち縦振動だけで駆動し、医療用、建
築構造物等の非破壊検査等、分解能を要する微小
構造の観察等の目的に用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ジルコン酸チタン酸鉛の圧電振動子は、特性の
多様性が期待できる反面、その変化範囲は十分で
なく、著しく異つた特性の制御はできない。超音
波伝搬媒質が水系、例えば生体、海水のとき水の
音響インピーダンスは1.5X10⁶Kg／m²ｓに対し、
ジルコン酸チタン酸鉛の圧電振動子の音響インピ
ーダンスは35X10⁶Kg／m²ｓ程度である。このた
めジルコン酸チタン酸鉛と水との間に二層または
それ以上の整合層が必要となり、圧電振動子の製
造が困難であるという欠点を持つていた。一方、
チタン酸鉛は単一成分のため特性制御が困難でか
つ異方性が高いため焼結が困難である。

近年、これらの圧電振動子の欠点を克服するた
めに種々の試みがなされている。その一例にジル
コン酸チタン酸鉛等の強誘電体材料と樹脂とを組
み合せた複合材料がある。複合材料は一般に音響
インピーダンスが低いため、水と整合性が良くイ
ンパルスで駆動するとき出力波形が短く分解能が
高いという特徴を持ついてる。しかし樹脂中に強
誘電体微粉末を分散させた複合材料は感度が低
い。また、樹脂中に棒状の強誘電体を形成した複
合材料は感度が高い反面、製造が困難である。い
ずれも樹脂で構成されているため熱に弱く、大電
力で駆動する圧電振動子用材料には適していない
という欠点をもつていた。

誘電体材料中に空孔を形成した多孔質誘電体材
料からなる圧電振動子は、一般に音響インピーダ
ンスが低いため水との整合性がよい。しかも電気
的Ｑ値が低いため、周波数帯域が広く、バースト
波で使用する時に使用周波数を前記帯域内で変化
させることができる等の利点を有している。その
反面従来の多孔質誘電体材料は、空孔の大きさが
100μm程度と大きいので、機械的強度が弱い。こ
のため多孔質誘電体材料の圧電振動子は、高い電
力密度で動作させると破壊が生じてしまう。本発
明者らが実験したところ、20W／cm²程度の最大投
入電力密度しか得られなかつた。また圧電振動子
を薄くして高周波化を計る際に機械的強度の弱さ
の故に、加工時に破損が生じてしまう。このよう
に従来の多孔質誘電体材料は、圧電振動子用材料
として使用するには、機械的強度に限界があり、
単一の圧電振動子で実用的な機械的強度、音響特
性、圧電特性を実現することは困難であつた。

本発明は前記の欠点を解決するためになされた
もので、その目的は機械的性質および音響的性質
及び圧電的性質のいずれにおいても優れた圧電振
動子用の誘電体材料を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

前記問題点を克服するために本発明者らは、空
孔の大きさ及び空孔率が種々な多孔質誘電体材料
について圧電振動子としての性能を研究した結
果、機械的強度、音響特性、圧電特性のいずれに
おいても極めて望ましい特性の圧電振動子を得る
ことができた。

このような知見の下になされた本発明の圧電振
動子用誘電体材料は、多孔質に成形された誘電体
材料であつて、全体積に占める空孔の比率が23〜
45％で、かつ主たる空孔の大きさが20〜44μmの
範囲にある。

〔実施例〕

多孔質誘電体材料は、メツシユにより粒径を分
級したメタクリル樹脂と平均粒径1.2μmのジルコ
ン酸チタン酸鉛仮焼粉体とを混合比を変えて混合
し成形、焼成をして、種々の空孔の大きさ及び空
孔率のものが得られた。メタクリル樹脂の粒径
は、20〜32μm（分級巾12μm）、38〜44μm（分級巾
6μm）、56〜63μm（分級巾7μm）、88〜105μm（分
級巾17μm）分級され、夫々により得られる多孔
質誘電体材料の空孔を電子顕微鏡にて精査したと
ころ、各空孔径はメタクリル樹脂の分級した粒径
と略同じになつた。得られた多孔質誘電体材料を
公知の手法により分極すると、種々の圧電振動子
となる。これらの圧電振動子について、圧電歪定
数、引張り強度、音響インピーダンスを測定し
た。

第１図に各空孔径による空孔率と圧電歪定数の
関係を示す。いずれのときも空孔のない時に比較
し高い圧電歪定数が得られ、また圧電歪定数は空
孔率に大きく依存している。

第２図は各空孔径による空孔率と引張り強度の
関係を示す図である。空孔率の増加に伴い引張り
強度は低下するが同じ空孔率の多孔質誘電体材料
でも空孔径が小さいほど強度が大きい。これは空
孔径が小さいものほどセラミツク粒子相互間の接
触面積が相対的に大きくなつているためと思われ
る。例えば単一の圧電振動子を多様な目的で使用
するためには圧電振動子の最大投入電力は50W／
cm²以上が必要となり、これに相当する引張り強度
は100Kg／cm²以上である。これを第２図の縦軸に
合せると、空孔径が44μm以下であれば空孔率45
％以下の広い範囲で実用性のある多孔質誘電体材
料が得られる。

第３図は各空孔径により空孔率と音響インピー
ダンスの関係を示す図である。前記のように圧電
振動子の用途によつては、媒体との整合のために
音響インピーダンスは、小さい方が望ましい。整
合層は一層であれば簡易であり、音響インピーダ
ンスが17X10⁶Kg／m²ｓ以下であれば一層で済む
ことになる。第３図にこの値をあてはめると、空
孔径が38〜44μmの範囲であれば空孔率23％以上、
空孔径20〜32μmの範囲であれば空孔率20％以上
の時に所望の音響インピーダンスが得られる。

これらの実験結果から誘電体材料の引張り強
度、音響インピーダンスの点から空孔径が44μm
以下であれば空孔率23％から45％の広範囲にわた
つて実用性のある誘電体材料が得られる。空孔径
が44μm以上では引張り強度、音響インピーダン
スの点から所望の性能の誘電体材料が得られな
い。目的とする特性の実現は実用上不可能とな
る。

上記実施例ではメタクリル樹脂とジルコン酸チ
タン酸鉛とを混合、焼成した多孔質誘電体材料を
例示したが、この他にも例えばカーボン粉末を混
合し焼成した多孔質誘電体材料、あらかじめ強誘
電体仮焼粉末を任意の形状、大きさに成形して成
形後生じた空隙を有する多孔質誘電体材料、強誘
電体焼結の際の異常膨張による空隙を有する多孔
質誘電体材料についても特性的に同等のものが得
られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明を適用した圧電振動
子用誘電体材料は、機械的強度、音響特性が改善
でき、単一の誘電体材料で漁業、医療分野等の広
範囲な応用分野に適合する材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空孔率と圧電歪定数の関係図、第２図
は空孔率と引張り強度の関係図、第３図は空孔率
と音響インピーダンスの関係図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多孔質に成形された誘電体材料であつて、全
   体積に占める空孔の比率が23〜45％で、かつ主た
   る空孔の大きさが20〜44μmの範囲にあることを
   特徴とする圧電振動子用誘電体材料。