JPH0865792A - 超音波トランスデューサと複合圧電材の製造方法及び複合圧電材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 円筒型圧電振動子使用する超音波トランスデ
ューサの指向性改善、感度低下防止及び少量生産に適し
て安価で、大型機械加工設備を使わない方法で形成す
る。 【構成】 リング状複合圧電材１を複数個積層した円筒
型複合圧電振動子２を使用して超音波トランスデューサ
５を形成し、これにフランジ４により信号伝送のためケ
ーブル６を取り付けて構成する。また、リング状圧電セ
ラミック振動子をカーボン製治具に、熱可塑性ワックス
で固定して、通常使われる工作機械で、溝の加工を行
い、その後、溝に高分子材をモールドし、高分子材があ
る程度の硬度に至った時点でカーボン製治具のみをこわ
し、リング状複合圧電材１を取出すことで比較的安価に
形成できるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果を利用して電
気音響変換を行い音波の送波、受波及び送受波を行う超
音波トランスデューサのうち、リング状に焼成して径方
向に分極し、径方向の厚み振動を利用するリング状圧電
セラミック振動子の複合圧電材を使用した超音波トラン
スデューサと、リング状圧電セラミック振動子におい
て、放射状スリット溝を有し、かつ、溝部に高分子材を
充填したリング状複合圧電材、及びリング状圧電セラミ
ック振動子を積層した積層体において、放射状スリット
溝を有し、かつ、溝部に高分子材を充填した円筒型複合
圧電材の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、３６０度の指向幅を有す
る超音波トランスデューサを形成するためには、特開平
２−２７３０００号公報に記載のごとく、直方体の一対
の相対する面に傾斜を付けた楔形状を有し、互いに並行
な他の一対の面に駆動電極を付けることにより、これら
の４面と直角な面を放射面とした圧電セラミック振動子
を複数個配列して円筒を形成している。この様に、楔形
状の圧電セラミック振動子を使用すると、複数個を一定
間隔で円筒配列するのに都合がよく、振動動作をさせた
時の耐久性の問題及び製造過程で発生する構造歪の問題
を解決できる。

【０００３】また、圧電セラミック振動子自体を円筒状
に焼成し、径方向に分極した円筒型圧電セラミック振動
子は、特開平５−２４４６９１号公報、特開昭６０−１
１２３９７号公報、特開昭６０−１１２３９８号公報に
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
の様に、楔形圧電セラミック振動子を円筒状に配列する
場合、高周波数帯域において、その配列精度が指向性に
多大な影響を及ぼす。また、周波数が高くなると、これ
に反比例して圧電セラミック振動子が小さくなるので、
楔形状に加工するには高精度の機械加工設備が必要とな
るため、コスト高になってしまう。また、前記円筒型圧
電セラミック振動子においては、円周方向の結合振動に
より、周波数が高くなるにつれて感度が低下してしまう
という問題がある。

【０００５】一般に、円筒型圧電セラミック振動子を送
波器として使用する場合、径方向の伸縮モード（呼吸振
動）を利用する場合が多く、この送波周波数は円筒平均
径の位置の円周長さで決まるが、高周波数帯域になると
円筒平均径が小さくなって、円筒型圧電セラミック振動
子として製造不可能な範囲となる。また、音響放射面積
が小さくなってしまい、目的とする感度が達成できなく
なる。これに対し、円筒型圧電セラミック振動子の径方
向厚み振動を利用すると、その厚みで周波数が決まるた
め、円筒の円周長に依存しなくなる。しかし、円筒の周
方向に横効果による結合振動が生じ、感度を低下させ
る。この対策として、放射状に複数の溝を設けて機械的
に分離する方法が採られるが、加工が複雑となり少量生
産には向かないという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、上記の様な問題を解決
し、３６０度無指向性の超音波トランスデューサと共
に、大型の機械加工設備を必要とせず、少量生産に適し
て安価に複合圧電材を形成する方法を提供し、加えて円
筒状の配列精度を確保し、併せて円周方向の結合振動に
よる感度低下を防止することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、リング状圧
電セラミック振動子を分割して間に高分子材を充填した
リング状複合圧電材を使用することで達成される。ま
た、リング状複合圧電材においては、リング状に焼成し
た圧電セラミック振動子を、高硬度で非常に脆く、しか
も耐熱性に優れた材料で形成した治具に、熱可塑性ワッ
クスで固定し、通常使用される工作機械で溝の加工を行
い、その後、溝部に高分子材を流し込んでモールドし、
高分子材がある程度の硬度に至った時点で治具のみをこ
わし、複合圧電材を取出すことによって達成される。ま
た、リング状圧電セラミック振動子を積層した後溝の加
工を行い、溝部に高分子材を流し込んで複合圧電材を形
成することによっても達成される。

【０００８】

【作用】そこで、前項のような手段を用いることによっ
て、大型の機械加工設備を必要とせず、比較的安価に複
合圧電材を形成することができ、配列精度を確保し、併
せて結合振動による感度の低下を防止することができ
る。また、リング状圧電セラミック振動子を複数個重ね
て積層体を形成し、前項のような手段を用いて複合圧電
材の積層体を形成することで、周方向及び円筒中心軸方
向の配列精度を確保できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図１１によ
り説明する。図１は本発明の超音波トランスデューサの
概要を示す斜視図である。全体を符号５で示す超音波ト
ランスデューサは、円板状のフランジ４を有し、このフ
ランジ４に対して円筒型複合圧電素子２がとりつけられ
る。フランジ４の外周部には、筒状の音響送受波窓３を
配置する。この音響送受波窓３は、円筒型複合圧電振動
子２を固定、保護するとともに、円筒型複合圧電振動子
２と音響を送受波する媒質との間を電気的に絶縁する。

【００１０】円筒型複合圧電振動子２は、リング状複合
圧電材１を厚さ方向に積層した構成を有し、リング状複
合圧電材１は、リング状圧電セラミック振動子を径方向
に分割して高分子材を充填した構成を有する。さらに、
フランジ４には、超音波トランスデューサ５に外部接続
される信号送受信器等の機器との間で電気信号の伝送を
行うケーブル６が接続・固定される。

【００１１】超音波トランスデューサ５において、音波
を送波する場合には、ケーブル６より伝送された電気信
号を円筒型複合圧電振動子２で電気−音響変換し、音響
送受波窓３を介して水等の媒質中へ音波として放射す
る。これとは逆に音波を受波する場合、媒質中を伝播し
てきた音波を音響送受波窓３を介して円筒型複合圧電振
動子２で受波し、音響−電気変換してケーブル６にて外
部接続機器に伝送する。これらの場合、音波の送受波を
行う圧電振動子に円筒型複合圧電振動子２を使用してい
るので、３６０度全方向に同時に音波を送波可能であ
り、また、３６０度全方向より到来する音波の受波が可
能である。さらに、本発明による超音波トランスデュー
サの最も優れた点として、リング状圧電セラミック振動
子を分割して作ったリング状複合圧電材１を使用してい
るので、円周方向の横効果による結合振動を防止でき、
結果、３６０度円周方向（水平方向）無指向性及び感度
低下の防止が可能となっている。

【００１２】本発明においては、円筒型複合圧電振動子
２のリング状複合圧電材１全てに同時に電気信号を入力
し音波の送波を行う場合、リング状複合圧電材１の積層
数により円筒高さ方向（垂直方向）の指向幅を制御し、
また、リング状圧電セラミック振動子の分割数、リング
状複合圧電材１の積層数及び電気信号の制御により任意
の方向に指向性を持たせて捜査するビームスキャンも可
能となっている。次に、図２以下を用いて、リング状複
合圧電材の形成方法について説明する。

【００１３】図２において、リング状圧電セラミック振
動子７を保持する治具８は、例えば、高硬度で非常に脆
く、しかも耐熱性を有するカーボン材でつくられ、リン
グ状圧電セラミック振動子７を受け入れる環状の溝を有
する。そして、この環状の溝内に熱可塑性ワックス９が
充填される。まず、熱可塑性ワックス９に熱を加えて、
カーボン製治具８の環状溝に塗布し、ここにリング状圧
電セラミック振動子７を貼り合わせ固定する。この熱可
塑性ワックス９は約６０℃で流動するため、リング状圧
電セラミック振動子７を固定する際、振動子のキュリー
点より低い温度であるのでリング状圧電セラミック振動
子７の特性には影響しない。

【００１４】図３において、リング状圧電セラミック振
動子７を固定したカーボン製治具８を図示しない工作機
械のテーブル上にとりつけて、ダイヤモンドカッター１
０を矢印１２の方向に回転させながら矢印１３の方向に
進める。カッター１０のヘッド又は治具８をとりつけた
テーブルを一定角度で割り出して、矢印１４の方向に全
周加工を行うことにより、放射状の溝１１を形成する。
この溝加工により、リング状セラミック振動子７とこれ
を固定した治具８は、一体として溝１１が形成される。

【００１５】図４に示すように、図３の様に加工した治
具２を、高分子材１５で全体をモールドすることによっ
て溝１１に高分子材１５が充填される。高分子材１５
は、例えばエポキシ樹脂で、約３日間放置することで、
カッター等で切れる程度に固まる特性を有する。エポキ
シ樹脂等の高分子材１５は最終的に硬度９０程度になり
接着力も充分なものとなる。

【００１６】図５は、十分に硬化した高分子材１５を機
械加工する状態を示す。カーボン製治具８全体を包含し
た高分子材１５を適当な工作機械にとりつけて、高分子
材１５を切削し、図５に示すような状態まで加工する。
この加工により、カーボン製治具８のボス部１６も除去
される。この加工により、リング状複合圧電材１の内周
と外周の面にのみカーボン製治具８が残る。この状態
で、リング状複合圧電材１と同じ外形の円筒型治具で保
持し、熱を加えつつカーボン製治具８の一部分１７を離
脱させていき、リング状複合圧電材１を取り出す。この
方法により作成されたリング状複合圧電材１は、円周方
向の位置のずれがないので配列精度が良く、指向性が良
好となる。

【００１７】図６に示す工程においては、図５で取り出
したリング状複合圧電材１から電極を取出すため、導電
接着剤１８により、金属箔１９を貼付ける。次に、リン
グ状圧電セラミック振動子７を積層して円筒型複合圧電
材を形成する場合について説明する。

【００１８】図７はリング状圧電セラミック振動子７を
２個積層した場合の実施例である。図７において、リン
グ状圧電セラミック振動子７を２個重ねて積層体２０を
形成し、積層体２０を固定する分だけ環状溝を深くした
カーボン製治具２１に、熱可塑性ワックス９で固定した
後、図３、図４及び図５に示す加工を行い、円筒型複合
圧電材２２を形成する。

【００１９】図８に示す工程においては、取り出した円
筒型複合圧電材２２から電極を取出すため、導電接着剤
１２により、金属箔２３を貼付ける。別の方法として、
リング状圧電セラミック振動子７に金属箔を貼付けてか
ら円筒型複合圧電材を形成しても良く、この方法はビー
ムスキャンを行うものに適している。この方法より作成
された円筒型複合圧電材は、円周方向の配列精度に加え
て、円筒中心軸方向の配列精度も確保できる。

【００２０】また、リング状圧電セラミック振動子７の
積層数が多く図３と同様の加工を行うことが難しい場合
には、図９に示す様に音響放射面に治具２１の円筒中心
軸と平行にダイヤモンドカッター１０に回転１２を行わ
せながら２４の方向に進める。これを一定角度で割り出
して、２５の方向に全周加工を行うことにより、放射状
の溝１１を加工することもできる。以降、図４及び図５
同様の加工を行い、円筒型複合圧電材を形成する。さら
に、円筒型複合圧電材を形成する他の方法について説明
する。

【００２１】図１０において、リング状圧電セラミック
振動子７を複数個積層した後、高分子材１５でモールド
し、高分子材１５を充分硬化させた後、工作機械で保持
できるように保持部２６を設ける。次に、高分子材１５
でモールドした積層体に対し、図３同様ダイヤモンドカ
ッター１０に回転１２を行わせながら溝１１を加工す
る。もしリング状圧電セラミック振動子７の積層数が多
く、図３と同様の加工を行う上で問題となる場合には、
図９同様に音響放射面に円筒中心軸と平行にダイヤモン
ドカッター１０に回転１２を行わせながら矢印２４に示
す方向に進める。これを一定角度で割り出して、放射状
の溝１１を加工する。そして、溝１１に高分子材を注入
し円筒型複合圧電材を形成する。また、モールドの材料
としてアクリル等を用いると、音響整合層を同時に形成
することができる。

【００２２】すなわちこの加工方法にあっては、リング
状圧電セラミック振動子７を保持する治具を省略して、
高分子材１５を治具として利用するものである。この方
法にあっては、治具を用意する必要がなく、生産効率も
向上する。この様に本発明によれば、機械加工工程は通
常使用している平面研削盤で行い特殊な大型工作機械を
使用しないので、比較的安価に行え、少量生産に適して
円筒型複合圧電材を製造できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、大型の工作機械等の設
備を使用しないで、複合圧電材を比較的安価に形成する
ことができる。また、本発明による複合圧電材を用いた
超音波トランスデューサにおいては、円周方向及び積層
した場合の円筒中心軸方向の位置がそろっているので指
向性の精度が良いという効果があり、さらに、圧電振動
子が分割されているため円周方向の結合振動が起こりに
くく、感度低下を防止できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波トランスデューサの実施例
を示す説明図。

【図２】リング状圧電振セラミック動子をカーボン製治
具にワックスにより取付ける工程を示す説明図。

【図３】ダイヤモンドカッターによる機械加工で溝を作
る工程を示す説明図。

【図４】樹脂モールドを行った後の外観図。

【図５】治具の離脱工程を示す説明図。

【図６】電極用金属箔の取付け工程を示す説明図。

【図７】リング状圧電セラミック振動子積層体をカーボ
ン製治具に取付ける工程を示す説明図。

【図８】円筒型複合圧電材への電極用金属箔の取付け工
程を示す説明図。

【図９】本発明における溝加工工程の他の例を示す説明
図。

【図１０】リング状圧電セラミック振動子積層体に溝加
工を行うため高分子材で直接モールドした外観図。

【符号の説明】

１ リング状複合圧電材 ２ 円筒型複合圧電振動子 ３ 音響送受波窓 ４ フランジ ５ 超音波トランスデューサ ６ ケーブル ７ リング状圧電セラミック振動子 ８ カーボン治具 ９ 熱可塑性ワックス １０ ダイヤモンドカッター １５ 高分子材 １８ 導電接着剤 １９ 電極用金属箔 ２２ 円筒型複合圧電材

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状圧電セラミック振動子を環状溝
   を有する治具に収容保持する工程と、リング状圧電セラ
   ミック振動子を収容保持した治具に対して径方向に放射
   状の溝を機械加工する工程と、放射状の溝に高分子材を
   注入・硬化させる工程と、前記治具を除去することによ
   って放射状の溝に前記高分子材が充填されたリング状圧
   電セラミック振動子を取出す工程と、リング状圧電セラ
   ミック振動子に電極をとりつける工程と、を備えてなる
   リング状複合圧電材の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の製造方法により製造され
   るリング状複合圧電材。
3. 【請求項３】 リング状圧電セラミック振動子を複数個
   重ねてリング状圧電セラミック振動子の積層体を形成す
   る工程と、リング状セラミック圧電振動子の積層体を環
   状溝を有する治具に収容保持する工程と、リング状圧電
   セラミック振動子の積層体を収容保持した治具に対して
   径方向に放射状の溝を機械加工する工程と、放射状の溝
   に高分子材を注入・硬化させる工程と、前記治具を除去
   することによって放射状の溝に前記高分子材が充填され
   たリング状圧電セラミック振動子の積層体を取出す工程
   と、リング状圧電セラミック振動子の積層体に電極をと
   りつける工程と、を備えてなる円筒型複合圧電材の製造
   方法。
4. 【請求項４】 リング状圧電セラミック振動子を複数個
   重ねてリング状圧電セラミック振動子の積層体を形成す
   る工程と、リング状圧電セラミック振動子の積層体を高
   分子材でモールドする工程と、高分子材でモールドした
   リング状圧電セラミック振動子の積層体に対して径方向
   に放射状の溝を機械加工する工程と、放射状の溝に高分
   子材を注入・硬化させる工程と、前記治具を除去するこ
   とによって放射状の溝に前記高分子材が充填されたリン
   グ状圧電セラミック振動子の積層体を取出す工程と、リ
   ング状圧電セラミック振動子の積層体に電極をとりつけ
   る工程と、を備えてなる円筒型複合圧電材の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項３又は４記載の複合圧電材の製造
   方法により製造される円筒型複合圧電材。
6. 【請求項６】 請求項１又は３記載の複合圧電材の製造
   方法において、前記治具は高硬度で脆い耐熱性カーボン
   材でつくられることを特徴とする複合圧電材の製造方
   法。
7. 【請求項７】 請求項１又は３記載の複合圧電材の製造
   方法において、治具の環状溝内に熱可塑性ワックスを塗
   布することを特徴とする複合圧電材の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項１，３又は４記載の複合圧電材の
   製造方法において、前記高分子材はエポキシ樹脂である
   ことを特徴とする複合圧電材の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項１，３又は４記載の複合圧電材の
   製造方法において、前記高分子材はアクリル樹脂である
   ことを特徴とする複合圧電材の製造方法。
10. 【請求項１０】 複合圧電材と、複合圧電材をとりつけ
    るフランジと、複合圧電材外周部を覆う筒状の音響送受
    波窓と、一端がフランジに連結され、他端が外部の信号
    送受信器に連結されるケーブルを備えた超音波トランス
    デューサにおいて、 前記複合圧電材は、請求項２又は５記載の複合圧電材で
    あることを特徴とする超音波トランスデューサ。