JPH0793465B2 - 多孔質圧電振動子 - Google Patents
多孔質圧電振動子Info
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- JPH0793465B2 JPH0793465B2 JP62329350A JP32935087A JPH0793465B2 JP H0793465 B2 JPH0793465 B2 JP H0793465B2 JP 62329350 A JP62329350 A JP 62329350A JP 32935087 A JP32935087 A JP 32935087A JP H0793465 B2 JPH0793465 B2 JP H0793465B2
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- porous
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Description
本発明は、多孔質圧電振動子で特に電極の構成に特徴を
有するものに関する。
有するものに関する。
圧電振動子を構成する圧電材料として、例えばチタン酸
バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
等の強誘電体セラミックスが広く用いられている。また
強誘電体セラミック微粒子と高分子物質を混合成形した
複合圧電材料の研究も行われている。通常の緻密なPZT
系セラミックスの圧電振動子であって、従来のものと比
較し電圧出力係数ｇ値が３〜５倍、径方向の電気機械結
合係数Ｋが20％〜30％と約半分に抑圧された特性を有
し、且つ音速が800〜2000m/Secと水中の音速に近づいた
性能の圧電振動子が報告されている。その圧電振動子
は、セラミックス内部に多数の空孔を有する多孔質圧電
材料からなる。多孔質圧電材料の製造時に空孔を形成す
る方法は、例えば材料を成形する際に生じる粒子同士の
空隙を利用する方法、燒結の際材料の異常膨張を利用す
る方法、有機系樹脂と圧電材料を混合して有機系樹脂を
焼却させ空孔を形成する方法等がある。 この種の多孔質圧電材料に電極を付したものの断面構造
が第３図に示してある。同図で１は多孔質圧電材料、11
は多孔質圧電材料１中で三次元的に連結しているセラミ
ックスの断面部分、12は多孔質圧電材料１の内部で三次
元的に連結している空孔を示す。３及び４は圧電振動子
として使用するために設けた各々独立した電極である。
この多孔質圧電振動子は、多孔質圧電材料１を前記した
公知の方法等で焼成させた後、電極３及び４を形成す
る。多孔質圧電材料１の表面に銀粉を主成分としたペー
ストを、例えば筆塗り法、スプレイ法、スクリーン印刷
法等で塗布し、この銀ペーストを乾燥させてから、銀ペ
ースト材に適した温度で焼付ける。このようにして多孔
質圧電材料１に銀電極３及び４が形成され、多孔質圧電
振動子が得られる。
バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）
等の強誘電体セラミックスが広く用いられている。また
強誘電体セラミック微粒子と高分子物質を混合成形した
複合圧電材料の研究も行われている。通常の緻密なPZT
系セラミックスの圧電振動子であって、従来のものと比
較し電圧出力係数ｇ値が３〜５倍、径方向の電気機械結
合係数Ｋが20％〜30％と約半分に抑圧された特性を有
し、且つ音速が800〜2000m/Secと水中の音速に近づいた
性能の圧電振動子が報告されている。その圧電振動子
は、セラミックス内部に多数の空孔を有する多孔質圧電
材料からなる。多孔質圧電材料の製造時に空孔を形成す
る方法は、例えば材料を成形する際に生じる粒子同士の
空隙を利用する方法、燒結の際材料の異常膨張を利用す
る方法、有機系樹脂と圧電材料を混合して有機系樹脂を
焼却させ空孔を形成する方法等がある。 この種の多孔質圧電材料に電極を付したものの断面構造
が第３図に示してある。同図で１は多孔質圧電材料、11
は多孔質圧電材料１中で三次元的に連結しているセラミ
ックスの断面部分、12は多孔質圧電材料１の内部で三次
元的に連結している空孔を示す。３及び４は圧電振動子
として使用するために設けた各々独立した電極である。
この多孔質圧電振動子は、多孔質圧電材料１を前記した
公知の方法等で焼成させた後、電極３及び４を形成す
る。多孔質圧電材料１の表面に銀粉を主成分としたペー
ストを、例えば筆塗り法、スプレイ法、スクリーン印刷
法等で塗布し、この銀ペーストを乾燥させてから、銀ペ
ースト材に適した温度で焼付ける。このようにして多孔
質圧電材料１に銀電極３及び４が形成され、多孔質圧電
振動子が得られる。
しかしながら、上記のようにして形成された電極は、多
孔質圧電材料の表面に比較的低粘度な銀ペーストを塗布
するため、表面に開口した空孔から銀ペーストの一部が
内部に浸透してしまう。この状態で銀ペーストが乾燥焼
成されると、第３図に示すように電極３及び４が多孔質
圧電材料１の内部に入り込んだ状態で形成される。 近年、圧電振動子は解像度向上のため高周波領域で使用
されることが試みられているが、上記のように多孔質圧
電材料に電極が侵入した状態では以下のような不具合が
ある。多孔質圧電材料からなる圧電振動子の共振点が医
療用等で使用される5MHzの場合、圧電材料の音速が2000
m/Secとすると、厚さは200μｍとなる。厚さをこのよう
に設定しても表面から空孔に浸入した電極の先端が接近
し、極端な場合は導通をして本来の機能を失うことにな
る。導通しないまでも実質的厚みが変化し、所望の共振
周波数を得られない。また電極間の距離が不均一になる
ため不要な振動モードが加わってくる場合もある。上記
以外にも電極３及び４の形成後、一般的に行われる両電
極３及び４の間に20kv/cm程度の直流電界を印加する工
程、いわゆる分極工程で電極間短絡を生ずる等の問題点
がある。このような導通や短絡が初期的に生ずることな
く所定の耐圧を有していても、電圧印加の繰り返しに伴
い空孔12に浸入している銀が伸長し、マイグレーション
現象が長期間にわたって進行し、ついには電極３と４の
間が耐圧不良ないしは導通する危険を含んでいる。また
空孔12の径が大きくなるとピンホール等が形成され均一
な電極面を得ることができない場合もある。 これらの欠点は、多孔質圧電材料そのものの物質的欠点
ではなく、電極の形状、構造に起因するものである。こ
れらの欠点を克服する手段としてシリコンゴム等を空孔
12に浸透させて電極３及び４を形成する方法があるが、
この場合には銀ペーストとして硝子質を混入させた高温
焼成型の電極材料を使用することは不可能である。また
エポキシ樹脂と銀とを組合せた低温硬化型の電極材料を
使用した場合は、多孔質圧電材料１との間に十分な接着
強度を有することができないといった欠点が問題とな
る。通常用いられているスパッタリング法、真空蒸着法
等による電極形成は、多孔質圧電材料の表面の凹凸が大
きいため付着物が島状になり、また電極の強度が弱く信
頼性の高い電極は形成できなかった。 本発明はこれらの欠点を解決するため、多孔質圧電材料
に均一な電極を形成し、信頼性の高い多孔質圧電振動子
を提供するものである。
孔質圧電材料の表面に比較的低粘度な銀ペーストを塗布
するため、表面に開口した空孔から銀ペーストの一部が
内部に浸透してしまう。この状態で銀ペーストが乾燥焼
成されると、第３図に示すように電極３及び４が多孔質
圧電材料１の内部に入り込んだ状態で形成される。 近年、圧電振動子は解像度向上のため高周波領域で使用
されることが試みられているが、上記のように多孔質圧
電材料に電極が侵入した状態では以下のような不具合が
ある。多孔質圧電材料からなる圧電振動子の共振点が医
療用等で使用される5MHzの場合、圧電材料の音速が2000
m/Secとすると、厚さは200μｍとなる。厚さをこのよう
に設定しても表面から空孔に浸入した電極の先端が接近
し、極端な場合は導通をして本来の機能を失うことにな
る。導通しないまでも実質的厚みが変化し、所望の共振
周波数を得られない。また電極間の距離が不均一になる
ため不要な振動モードが加わってくる場合もある。上記
以外にも電極３及び４の形成後、一般的に行われる両電
極３及び４の間に20kv/cm程度の直流電界を印加する工
程、いわゆる分極工程で電極間短絡を生ずる等の問題点
がある。このような導通や短絡が初期的に生ずることな
く所定の耐圧を有していても、電圧印加の繰り返しに伴
い空孔12に浸入している銀が伸長し、マイグレーション
現象が長期間にわたって進行し、ついには電極３と４の
間が耐圧不良ないしは導通する危険を含んでいる。また
空孔12の径が大きくなるとピンホール等が形成され均一
な電極面を得ることができない場合もある。 これらの欠点は、多孔質圧電材料そのものの物質的欠点
ではなく、電極の形状、構造に起因するものである。こ
れらの欠点を克服する手段としてシリコンゴム等を空孔
12に浸透させて電極３及び４を形成する方法があるが、
この場合には銀ペーストとして硝子質を混入させた高温
焼成型の電極材料を使用することは不可能である。また
エポキシ樹脂と銀とを組合せた低温硬化型の電極材料を
使用した場合は、多孔質圧電材料１との間に十分な接着
強度を有することができないといった欠点が問題とな
る。通常用いられているスパッタリング法、真空蒸着法
等による電極形成は、多孔質圧電材料の表面の凹凸が大
きいため付着物が島状になり、また電極の強度が弱く信
頼性の高い電極は形成できなかった。 本発明はこれらの欠点を解決するため、多孔質圧電材料
に均一な電極を形成し、信頼性の高い多孔質圧電振動子
を提供するものである。
上記課題を解決するための本願発明の多孔質圧電振動子
は、第１図に示すように、板状に形成された多孔質圧電
材料１の両表面の全体がほぼ均一な厚さでガラス層５・
６で覆われ、ガラス層５・６は多孔質圧電材料１の空孔
12に表面近傍でのみ浸透してほぼ全域に空孔12が残存
し、ガラス層５・６の外側両表面に電極７・８が形成さ
れている。
は、第１図に示すように、板状に形成された多孔質圧電
材料１の両表面の全体がほぼ均一な厚さでガラス層５・
６で覆われ、ガラス層５・６は多孔質圧電材料１の空孔
12に表面近傍でのみ浸透してほぼ全域に空孔12が残存
し、ガラス層５・６の外側両表面に電極７・８が形成さ
れている。
このように多孔質圧電材料１の表面が全体に渡って均一
なガラス層５・６で覆われているため、厚み方向の電気
機械係数Ktと広がり方向の電気機械係数Kpとの比Kt/Kp
が大きくなり、KtとKpのオーバートーンによるスプリア
ス発生を抑えることができるようになった。また多孔質
圧電材料１が均一なガラス層５・６で覆われているので
誘電率を低く抑えることができ、そのため高周波領域の
インピーダンスを高く保つことができる。
なガラス層５・６で覆われているため、厚み方向の電気
機械係数Ktと広がり方向の電気機械係数Kpとの比Kt/Kp
が大きくなり、KtとKpのオーバートーンによるスプリア
ス発生を抑えることができるようになった。また多孔質
圧電材料１が均一なガラス層５・６で覆われているので
誘電率を低く抑えることができ、そのため高周波領域の
インピーダンスを高く保つことができる。
以下に本発明を適用する実施例を図面により詳細に説明
する。 第１図に示すように、多孔質圧電振動子は三次元的に連
結しているセラミックス部分11および三次元的に連結し
ている空孔12からなる多孔質圧電材料１で構成される。
多孔質圧電材料１の材質は、例えばPZT系セラミックス
である。多孔質圧電材料１の両面はガラス質５及び６で
覆われさらに空孔12の口元にも充填されている。そして
ガラス質５及び６の表面には各々独立した電極７及び８
が形成されている。 上記例の多孔質圧電振動子は、以下の順により製造され
る。PZT系セラミックスを公知の手法により多孔質に成
形し、所定厚さ（例えば250μｍ程度）に仕上げ多孔質
圧電材料１が得られる。この多孔質圧電材料１にガラス
ペーストをスクリーン印刷で厚さ約20μｍで塗布する。
塗布面をスキージ等でふきとりガラス層を平坦にする
と、第２図に示すように多孔質圧電材料１の表面に均一
に10μｍ程度の厚さでガラス層５及び６が形成され、ガ
ラス層５及び６の一部は空孔12の表面近傍に浸入する。
次にガラス層５及び６の表面にスクリーン印刷により銀
ペーストを塗布した後、乾燥させる。これを800℃に過
熱すると、ガラス層５及び６と銀電極７及び８が同時に
焼成される。なお焼成条件は、絶縁性物質と電極の材質
で定まる。この後、公知の方法で分極を行い、第１図に
示す多孔質圧電振動子が得られる。 電極７及び８の表面は、平坦であり通常の圧電振動子の
電極表面と比較するとほぼ同程度の結果が得られた。空
孔12へ電極７及び８の材質が浸透していないため、分極
操作が容易になる。20Kv/cmの直流電界を長時間印加し
たが、電極７及び８の間の導通は起らず、電極７及び８
のマイグレーションが改善された。 上記例では多孔質圧電材料の形状として平面状のものを
説明したが、ガラスペースト及び銀ペーストの塗装方法
を組合せることにより曲面状であっても実施できる。
する。 第１図に示すように、多孔質圧電振動子は三次元的に連
結しているセラミックス部分11および三次元的に連結し
ている空孔12からなる多孔質圧電材料１で構成される。
多孔質圧電材料１の材質は、例えばPZT系セラミックス
である。多孔質圧電材料１の両面はガラス質５及び６で
覆われさらに空孔12の口元にも充填されている。そして
ガラス質５及び６の表面には各々独立した電極７及び８
が形成されている。 上記例の多孔質圧電振動子は、以下の順により製造され
る。PZT系セラミックスを公知の手法により多孔質に成
形し、所定厚さ（例えば250μｍ程度）に仕上げ多孔質
圧電材料１が得られる。この多孔質圧電材料１にガラス
ペーストをスクリーン印刷で厚さ約20μｍで塗布する。
塗布面をスキージ等でふきとりガラス層を平坦にする
と、第２図に示すように多孔質圧電材料１の表面に均一
に10μｍ程度の厚さでガラス層５及び６が形成され、ガ
ラス層５及び６の一部は空孔12の表面近傍に浸入する。
次にガラス層５及び６の表面にスクリーン印刷により銀
ペーストを塗布した後、乾燥させる。これを800℃に過
熱すると、ガラス層５及び６と銀電極７及び８が同時に
焼成される。なお焼成条件は、絶縁性物質と電極の材質
で定まる。この後、公知の方法で分極を行い、第１図に
示す多孔質圧電振動子が得られる。 電極７及び８の表面は、平坦であり通常の圧電振動子の
電極表面と比較するとほぼ同程度の結果が得られた。空
孔12へ電極７及び８の材質が浸透していないため、分極
操作が容易になる。20Kv/cmの直流電界を長時間印加し
たが、電極７及び８の間の導通は起らず、電極７及び８
のマイグレーションが改善された。 上記例では多孔質圧電材料の形状として平面状のものを
説明したが、ガラスペースト及び銀ペーストの塗装方法
を組合せることにより曲面状であっても実施できる。
本発明のガラス層を持った多孔質圧振動子は、厚み方向
の電気機械結合係数Ktと広がり方向の電気機械結合係数
Kpとの比が改善された。従来の圧電振動子はKt/Kpは約
２であったが、本発明の多孔質圧電振動子ではKt/Kp比
が約５〜６と大きな値を示した。これは従来単一モード
で駆動するといわれているチタン酸鉛振動子と同等の値
である。高周波領域における応用において、KtとKpのオ
ーバートーンによるスプリアス発生を押える意味でKt/K
p比はできるだけ大きなものが望まれており、この点で
も改善された特性を確認できた。一方、表面の空孔にガ
ラス層を形成したため、多孔圧電振動子の機械的強度が
向上し、同時に誘電率が従来の圧電振動子に比べて約半
分の値を得ることができた。そのため高周波領域のイン
ピーダンスを高く保つことができ、圧電振動子の電気的
駆動が容易になる。 以上説明したように、本発明を適用する多孔質圧電振動
子は、均一な電極表面であり、多孔質圧電材料内部への
電極材料が浸透していないため、電極材料のマイグレー
ションが防止でき、均一な電極間の距離が保てる。その
結果、不要な振動モードを抑制することが出来ると共
に、機械的強度が向上し、誘電率の制御も可能となる
等、多くの利点を有する。また多孔質圧電材料に充填さ
れる絶縁性物質は無機質であるため、高温焼成型の電極
材料が使用できる。これらの改善を施した多孔質圧電振
動子は、きわめて有効に超音波用途に使用出来る。
の電気機械結合係数Ktと広がり方向の電気機械結合係数
Kpとの比が改善された。従来の圧電振動子はKt/Kpは約
２であったが、本発明の多孔質圧電振動子ではKt/Kp比
が約５〜６と大きな値を示した。これは従来単一モード
で駆動するといわれているチタン酸鉛振動子と同等の値
である。高周波領域における応用において、KtとKpのオ
ーバートーンによるスプリアス発生を押える意味でKt/K
p比はできるだけ大きなものが望まれており、この点で
も改善された特性を確認できた。一方、表面の空孔にガ
ラス層を形成したため、多孔圧電振動子の機械的強度が
向上し、同時に誘電率が従来の圧電振動子に比べて約半
分の値を得ることができた。そのため高周波領域のイン
ピーダンスを高く保つことができ、圧電振動子の電気的
駆動が容易になる。 以上説明したように、本発明を適用する多孔質圧電振動
子は、均一な電極表面であり、多孔質圧電材料内部への
電極材料が浸透していないため、電極材料のマイグレー
ションが防止でき、均一な電極間の距離が保てる。その
結果、不要な振動モードを抑制することが出来ると共
に、機械的強度が向上し、誘電率の制御も可能となる
等、多くの利点を有する。また多孔質圧電材料に充填さ
れる絶縁性物質は無機質であるため、高温焼成型の電極
材料が使用できる。これらの改善を施した多孔質圧電振
動子は、きわめて有効に超音波用途に使用出来る。
第１図は本発明を適用する多孔質圧電振動子の実施例の
概略構造を示す断面図、第２図はガラス層が塗布された
多孔質圧電材料の構造を示す断面図、第３図は従来の多
孔質圧電材料の概略構造を示す断面図である。 １……多孔質圧電材料、３・４・７・８……電極 ５・６……絶縁性物質 11……セラミックスの断面部分、12……空孔
概略構造を示す断面図、第２図はガラス層が塗布された
多孔質圧電材料の構造を示す断面図、第３図は従来の多
孔質圧電材料の概略構造を示す断面図である。 １……多孔質圧電材料、３・４・７・８……電極 ５・６……絶縁性物質 11……セラミックスの断面部分、12……空孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊本 進 東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号 日本 無線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−52184（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】板状に形成された多孔質圧電材料の両表面
の全体がほぼ均一な厚さでガラス層で覆われ、前記ガラ
ス層は該多孔質圧電材料の空孔に両表面近傍でのみ浸透
してほぼ全域に空孔が残存しており、前記ガラス層の外
側両表面に電極が形成されていることを特徴とする多孔
質圧電振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62329350A JPH0793465B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | 多孔質圧電振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62329350A JPH0793465B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | 多孔質圧電振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01171287A JPH01171287A (ja) | 1989-07-06 |
| JPH0793465B2 true JPH0793465B2 (ja) | 1995-10-09 |
Family
ID=18220475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62329350A Expired - Fee Related JPH0793465B2 (ja) | 1987-12-25 | 1987-12-25 | 多孔質圧電振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0793465B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4602574B2 (ja) * | 2001-02-23 | 2010-12-22 | オリンパス株式会社 | 超音波トランスデューサとこれを用いた超音波トランスデューサシステム |
| JP4940389B2 (ja) * | 2007-01-19 | 2012-05-30 | 国立大学法人 名古屋工業大学 | 無鉛圧電磁器複合体及びこれを用いた圧電素子 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5752184A (en) * | 1980-09-16 | 1982-03-27 | Kiyoshi Okazaki | High sensitivity ceramic piezoelectric element |
-
1987
- 1987-12-25 JP JP62329350A patent/JPH0793465B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01171287A (ja) | 1989-07-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |