JPH07115231A - 複合圧電材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電材の前面と背面に当接する材料の音響イ
ンピーダンスが異なる場合にも、整合層を用いることな
く、音響的整合をとることができる複合圧電材を提供す
ることにある。 【構成】 複合圧電材１は板状をなしている。この複合
圧電材１は、ＰＺＴからなる圧電セラミクス２と、シリ
コンゴム，ポリウレタン等の高分子樹脂材料３とから構
成されている。圧電セラミクス２は角錐状となってお
り、同圧電セラミクス２が縦横（マトリックス状）に多
数配置されている。そして、各圧電セラミクス２の間に
高分子樹脂材料３が充填されている。このように、圧電
セラミクス２を角錐状とすることにより、圧電セラミク
ス（ＰＺＴ）２の体積分率、つまりは音響インピーダン
スが複合圧電材１の厚み方向に連続的に変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波の発信または
受信を行う圧電材に係り、詳しくは、複数の材料から構
成される複合圧電材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電材料として代表的なものに、チタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミクスがあ
る。この圧電セラミクスは印加電界あたりの歪を示すｄ
定数が大きく、超音波の発信性能が優れている一方、単
位応力あたりの電圧を示すｇ定数は小さく、受信性能は
劣っている。これに対し、ＰＶＤＦなどの高分子圧電材
料は全くその逆である。こうした事情に対し、送信・受
信性能ともに優れる圧電材料として、圧電セラミクスと
高分子材料の複合材に代表される複合圧電材料がある。

【０００３】一般に２相複合圧電体は、複合体中の各相
の連結性を０、１、２、３次元的なものに分類し、その
組み合わせによって、０−０、１−０、２−０、３−
０、１−１、２−１、３−１、２−２、３−２、３−３
の１０種類の連結形態に分類される。特に、高分子材料
の中にファイバー状の圧電セラミクスを配列した１−３
連結体は、送受信性能ともに優れ、またフレキシブルで
あるという特徴も有している。

【０００４】さらに、この複合圧電体の特徴として、各
相の混合比率の調整によって、全体としての音響インピ
ーダンスを制御できるという点がある。一般に、音響イ
ンピーダンスの異なる材料の界面に超音波が入射する場
合、超音波の反射が生じ、伝播効率が低下する。複合圧
電体の前記の特徴を生かせば、例えば、水中に超音波を
送信する場合には、高分子材料の構成比率を大きくし、
逆に鋼材などに接触させて超音波を送受信する場合に
は、圧電セラミクスの比率を大きくさせて、いずれも音
響インピーダンスの整合を図り、界面での反射を抑制
し、超音波の送受信効率を高めることが可能である。

【０００５】図８に従来の１−３結合型複合圧電材の構
造を示す。構成要素であるＰＺＴの柱２１は加工技術上
の制約から一般に円柱、または角柱状である。個々のＰ
ＺＴの柱２１の間には、ＰＺＴより音響インピーダンス
の低い樹脂材料２２が一様に充填されている。従って、
ＰＺＴの体積分率、及び音響インピーダンスは、当然厚
み方向（図８でのＹ方向）に一定である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、複合圧電材の
前面に超音波を集束するための音響レンズを当接し、背
面に残響を抑制するための吸収材を当接する場合など、
複合圧電材の両面に音響インピーダンスの異なる材料が
当接される場合には、複合圧電材のインピーダンス調整
だけで両者との整合を取るのは不可能である。従って、
従来は、複合圧電材と音響レンズの間に音響整合層を挿
入するなどの手段が取られている。しかし、この音響整
合層には以下の問題点がある。第１に、整合層を設ける
こと自体、工程の増加につながる。第２に、整合条件を
完全に満足させる音響インピーダンスを有する整合層材
料が必ずしも存在するとは限らないこと。この場合に
は、近似的な音響インピーダンスを有する材料を用いる
ことはできるが、反射率を「０」にはできない。さら
に、整合層材料には、超音波の伝播損失が小さいこと、
耐環境性が優れることなどの特性も要求されるため、そ
の選択幅はますます小さくなる。第３に、整合条件を満
足させる整合層厚さは、超音波の周波数によって一義に
決まるため、複数の周波数成分を有するパルス超音波に
対しては、単一周波数の連続波ほど有効に作用しないこ
とである。

【０００７】そこで、この発明の目的は、圧電材の前面
と背面に当接する材料の音響インピーダンスが異なる場
合にも、整合層を用いることなく、音響的整合をとるこ
とができる複合圧電材を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、少なくとも
一種類以上の圧電材料を含む複数の材料から構成される
板状の複合圧電材において、各材料の構成比率を厚み方
向に連続的に変化させた複合圧電材をその要旨とする。

【０００９】ここで、柱状構造体を有し、その柱状構造
体の断面積が厚み方向に連続的に変化しているものとし
てもよい。

【００１０】

【作用】圧電材料の体積分率が厚み方向に連続的に変化
しており、複合圧電材の音響インピーダンスが圧電材料
の体積分率の関数であることから、板状の複合圧電材の
前面での音響インピーダンスと、板状の複合圧電材の背
面での音響インピーダンスが異なる構造となる。よっ
て、板状の複合圧電材において、音響インピーダンスの
大きい材料と接する側はＰＺＴ等の圧電材料の体積分率
を増加させて、音響インピーダンスを大きくする。一
方、音響インピーダンスの小さい材料と接する側はＰＺ
Ｔ等の圧電材料の体積分率を小さくする。この結果、板
状の複合圧電材の前面と背面との両界面での音響インピ
ーダンスの不連続は無くなる。よって、複合圧電材の両
面とも音響的整合がとられるため、整合層を別途挿入す
る必要は無くなる。又、整合層による整合ではないた
め、任意の周波数の超音波に対して音響的整合が達せら
れ、複数の周波数成分を有するパルス状の超音波に対し
ても、完全に整合を取ることが可能となる。

【００１１】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明を具体化した第１実施例
を図面に従って説明する。

【００１２】図１は本実施例における１−３結合型複合
圧電材の構成を示し、図２にはその断面形状を示す。複
合圧電材１は板状をなしている。この複合圧電材１は、
ＰＺＴからなる圧電セラミクス２と、シリコンゴム，ポ
リウレタン等の高分子樹脂材料３とから構成されてい
る。圧電セラミクス２は角錐状となっており、同圧電セ
ラミクス２が縦横（マトリックス状）に多数配置されて
いる。より詳しくは、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２は高
さ方向での断面が正方形をなす角錐である。そして、各
圧電セラミクス２の間に高分子樹脂材料３が充填されて
いる。

【００１３】このように、圧電セラミクス２を角錐状と
することにより、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の体積分
率、つまりは音響インピーダンスが複合圧電材１の厚み
方向に連続的に変化する。

【００１４】図３に、この複合圧電材１を超音波トラン
スデューサとして用いた場合のデバイス構成、および音
響インピーダンスのプロフィールを示す。複合圧電材１
は、音響レンズ４と超音波吸収材（バッキング材）５と
に挟み込まれた構造となっている。音響レンズ４は、例
えば、溶融石英ガラスよりなる。又、超音波吸収材（バ
ッキング材）５は、例えば、ブチルゴムよりなる。

【００１５】ここで、溶融石英ガラスの音響インピーダ
ンスは、約１３．１×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓである。こ
れに対し、ＰＺＴ、シリコンゴムの音響インピーダンス
はそれぞれ３４．８×１０⁶ 、１．４４×１０⁶ ｋｇ／
ｍ² ・ｓ程度である。

【００１６】従って、音響レンズ４との音響的整合を取
るためには、つまり、音響インピーダンスを一致させる
ためには、 ３４．８・ｘ＋１．４４（１−ｘ）＝１３．１ ｘ≒０．３５ から、ＰＺＴの体積分率を約３５％とすればよい。

【００１７】一方、ブチルゴムの音響インピーダンスは
約１．５６×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓである。従って、バ
ッキング材との整合を取るためには、ＰＺＴの体積分率
をほぼ０％とすればよい。

【００１８】こうした体積分率の傾斜を得るための、Ｐ
ＺＴ角錐柱の間隔と太さと傾斜角度を選択すればよい。
この結果、音響インピーダンスのプロフィールは図３に
示す通り、界面においても連続的となり、音響インピー
ダンスの不連続に起因する反射現象は解消される。

【００１９】次に、こうした角錐状の圧電セラミクス
（ＰＺＴ）２の柱を形成する方法を説明する。図４はレ
ーザ光による圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の加工装置を
示す。被加工物であるＰＺＴ６を純水７雰囲気中に設置
する。この被加工物上において波長１μｍ程度の赤外レ
ーザ光８をレンズ９により集束し、被加工物に照射す
る。レーザ光照射による局部的温度上昇の結果、純水と
の化学反応が進み、ＰＺＴ６が侵食される。この時、レ
ーザ光の照射強度分布がガウス分布となっているため、
加工された溝形状は垂直でなく、楔型つまり台形形状と
なる。従って、このレーザ光８をＰＺＴ６に対して、２
次元に走査することによって、図１に示すような台形の
柱の集合体を形成することができる。ただし、この時、
材料となるＰＺＴの板を貫通加工するのではなく、この
後の工程上必要となる厚さ、つまり台座となる厚さは残
しておく。このレーザ加工による台形溝の傾斜はレーザ
パワー、照射時間によらずほぼ一定である。従って、任
意の体積分率傾斜を得るためには、柱の間隔と個々の柱
の太さを各々別々に調整する必要がある。例えば、図５
に示すように、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の上面での
一辺の長さをａとし、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２のピ
ッチをＰとし、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の厚みをｄ
とし、傾斜角（垂直溝の場合を０度とする）をθとした
とき、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の上面での体積分率
αは、 α＝（ａ／Ｐ）² となり、又、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の底面での体
積分率βは、 β＝（（ａ＋２ｄｔａｎθ）／Ｐ）² となる。よって、ａ，Ｐは次のように表せる。

【００２０】

【数１】

【００２１】そして、複合圧電材の厚さｄを３０μｍ、
台形柱の傾斜角θを１０度として、上記の体積分率分布
（α＝０，β＝０．３５）を得るためには、前記（１）
式から圧電セラミクス（ＰＺＴ）２のピッチＰを１８μ
ｍ、圧電セラミクス（ＰＺＴ）２の底面の一辺（＝ａ＋
２ｄｔａｎθ）を１１μｍとすればよい。

【００２２】この後、流動化した高分子樹脂材を充填す
る。さらにその後、はみ出した高分子樹脂材の除去、及
び台座部分の除去を目的として、所定の厚さまで片面あ
るいは両面を研磨することによって複合圧電材を得る。

【００２３】さらに、このレーザ加工法においては、レ
ーザ光の入射角度、焦点位置の調整によって、角錐の傾
斜を制御することも可能である。この場合には、必要な
音響インピーダンス傾斜から一義に角錐柱の間隔、太さ
が決まることはなくなり、加工技術に対する要求は緩和
されることとなる。

【００２４】このように本実施例においては、圧電セラ
ミクス（圧電材料）２を含む複数の材料から構成される
板状の複合圧電材１において、各材料の構成比率を厚み
方向に連続的に変化させた。即ち、柱状構造体を有し、
その柱状構造体の断面積が厚み方向に連続的に変化させ
た。

【００２５】その結果、圧電セラミクス２の体積分率が
板状の複合圧電材１の厚み方向に連続的に変化してお
り、複合圧電材１の音響インピーダンスが圧電セラミク
ス２の体積分率の関数であることから、板状の複合圧電
材１の前面での音響インピーダンスと、板状の複合圧電
材１の背面での音響インピーダンスが異なる構造とな
る。よって、板状の複合圧電材１において、音響インピ
ーダンスの大きい材料と接する側はＰＺＴ等の圧電セラ
ミクス２の体積分率を増加させて、音響インピーダンス
を大きくする。一方、音響インピーダンスの小さい材料
と接する側はＰＺＴ等の圧電セラミクス２の体積分率を
小さくする。この結果、板状の複合圧電材１の前面と背
面との両界面での音響インピーダンスの不連続は無くな
る。よって、複合圧電材１の両面とも音響的整合がとら
れるため、整合層を別途挿入する必要は無くなる。又、
整合層による整合ではないため、任意の周波数の超音波
に対して音響的整合が達せられ、複数の周波数成分を有
するパルス状の超音波に対しても、完全に整合を取るこ
とが可能となる。 （第２実施例）次に、第２実施例を第１実施例との相違
点を中心に説明する。

【００２６】図６は本実施例における３−１結合型複合
圧電材の構成を示し、図７にはその断面形状を示す。複
合圧電材１０は板状をなしている。この複合圧電材１０
は、例えばＰＺＴ等の圧電セラミクス１１と、シリコン
ゴム等の高分子樹脂材料１２とから構成されている。本
実施例では、各相の連結形態が、第１実施例と全く逆に
なったものである。この場合にも全く同様に、高分子樹
脂材料（シリコンゴム）１２の柱の間隔と太さによっ
て、任意のＰＺＴ体積分率を得ることができる。

【００２７】又、こうした構成の形成方法は、まず前述
のレーザ加工法によって、圧電セラミクス（ＰＺＴ）１
１の板に所定の間隔と大きさの穴加工を行う。この時、
前述のレーザ加工の特性により、加工された穴の端面
は、垂直にならずテーパが生じる。つまり、台形形状の
穴が形成される。その後、この穴に流動化した高分子樹
脂材料１２を充填する。しかる後、余分な高分子樹脂材
料の除去を目的として、所定の厚さまで研磨する。

【００２８】本実施例の複合圧電材の構成では、第１実
施例に比べて、複合圧電材全体としての柔軟性は失われ
るが、逆に全体としての剛性が保たれるため、高分子樹
脂材料の充填後の研磨が容易になるといった利点が生ず
る。

【００２９】尚、この発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、例えば、柱状構造体として前記実施例で
は角錐形状としたが、円錐形状にしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
圧電材の前面と背面に当接する材料の音響インピーダン
スが異なる場合にも、整合層を用いることなく、音響的
整合をとることができる優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例における複合圧電材の斜視図であ
る。

【図２】第１実施例における複合圧電材の断面図であ
る。

【図３】複合圧電材を超音波トランスデューサとして用
いた場合のデバイス構成および音響インピーダンスのプ
ロフィールを示す説明図である。

【図４】複合圧電材の製造工程を説明するための断面図
である。

【図５】複合圧電材の平面及び側面を示す図である。

【図６】第２実施例における複合圧電材の斜視図であ
る。

【図７】第２実施例における複合圧電材の断面図であ
る。

【図８】従来の複合圧電材の斜視図である。

【符号の説明】

１ 複合圧電材 ２ 圧電セラミクス ３ 高分子樹脂材料

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一種類以上の圧電材料を含む
   複数の材料から構成される板状の複合圧電材において、 各材料の構成比率を厚み方向に連続的に変化させたこと
   を特徴とする複合圧電材。
2. 【請求項２】 柱状構造体を有し、その柱状構造体の断
   面積が厚み方向に連続的に変化している請求項１に記載
   の複合圧電材。