JPS5914910B2 - 圧電磁器構造物及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ０３）やチタン酸鉛
（ＰｂＴｉ０３）その他の圧電性磁器組成物を成形焼結
した圧電磁器の新規な構造物及びその’５ 製造方法に
関するもので、コンプライアンスが高く低誘電率化を実
現することによつて圧電出力定数を大巾に改善し、高出
力・高安定の超音波用圧電磁器構造物及びその有用な製
造方法の供給を目的とする。

■ｏ 従来超音波発振子やセンサ等超音波用の圧電磁器
は、セラミック振動子等に広く用いられる例えばチタン
酸バリウム（ＢａＴｉ０３）、チタン酸鉛（ＰｂＺｒ０
３）やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ０３−ＰｂＴｉ
０３）等を用いるのが一般的であつた。

し■５ かしこれらの圧電磁器は、その組成が 密であ
る為圧電出力定数（所謂、定数）が１０〜２５×ｌｏ−
３Ｖｍ／Ｎ ）またコンプライアンス（弾性定数）が−
ｑに−５〜２０×１０ｄ／Ｎという程度の値を示し、セ
ンサ等の超音波用の圧電磁器としては７定数がまだ不足
し出力感度が小さく、コンプライアンスも高くないので
外部の機械的応力の変化に影響を受けやすく、そのまま
超音波用圧電磁器として必ずしも適していなかつた。

本発明は、以上の欠点を改善し、従来の圧電磁器の組成
を用いても、構造上コンプライアンスが高く比誘電率が
低く、その為圧電出力定数が高い超音波用圧電磁器に好
適な新規構造を有する圧電磁器構造物及びその製造方法
を提供するもので、以下順次実施例を説明する。

第１図及び第２図はいずれも、圧電性磁器組成物を成形
焼結して成る圧電磁器の構造物１において、分極された
その圧電磁器中に多数の空孔３，９を形成したことを特
徴とする圧電磁器構造物を示している。

なお５は対向する励振電極を、７はその電極から延びる
リード線である。第１図は、空孔３が大きさ位置ともに
不規則に形成されたものであり、第２図は空孔９が上下
左右に規則的に整然と配列された本発明の実施例を示し
ている。本発明は、この様に圧電磁器構造物１中に多数
の空孔９を形成することによる比誘電率の低下・コンプ
ライアンスの増大に伴ない、前記ｙ定数が増加する点に
着目したものである。発明者は、圧電性磁器組成物とし
てＰｂＯ．３３ｓｒＯ．ｌ２（ＴｌＯ．４３ｚｒＯ．５
７）０３＋Ｃｒ２Ｏ３Ｏ・２ｗＴ％を用いて成形焼成し
、従来の様に空孔のない 密な構造の試料Ａと空孔９を
形成した試料Ｂを用いて実験比較した。

ここで試料Ｂの圧電磁器構造物は、第３図の様に細長い
角形のロッド１１Ａを平面的に並置したものと、同じく
ロッド１１Ｂを平面的に並置したものを各々直角方向に
異ならせて積み重ねて圧着後焼成したもので、空孔９は
圧電磁器構造物１中で上下左右斜めにわたつて交互に等
間隔で規則的に配列された構造となつて居り、５０％前
後の空孔率で実施した。なお第３図の断面は第２図の様
に示すことができる。また試料Ａ，Ｂともに縦方向振動
で測定した。その結果以下の第１表の測定結果を得た。

なお、試料Ｃは後述する実施例における測定結果である
。第１表かられかる様に本発明の実施例（試料Ｂ）では
、結合係数Ｋ３３が若干低下するが、実用上支障はない
と考えられる。しかし圧電磁器構造物１中に空孔９を多
数形成しているので、圧電磁器構造物１に変形・歪が生
じやすく、アン久ハＨ３Ｚが低下しコンプライアンスＳ
３３Ｚが大巾に増大している。また比誘電率ε３３Ｔ／
６０（以下，′で示す）も従来例よりも大きく低下し、
圧電出力定数ク．３はこれらコンブライアンスの増大と
比誘率の低下によつて従来例より２倍以上の大きな値を
示している。一般に圧電出力定数Ｖ３３は以下の（１）
式で示される。またＤ３３（圧電ひずみ定数）は次の（
２）式で表される。

よつて（１），（２）式によれば所謂９定数（９３３）
を増大させる為に、Ｄ３３を増大させるか若しくは５′
を低下させればよい訳である。

ここで本発明は、圧電磁器構造物１中に多数の空孔９を
形成すると比誘電率５″ が低下する現象を利用するも
のである。もつとも（２）式から明らかな様に５ が低
下するとＤ３３も低下する。しかし同時にコンプライア
２′Ｓ３３Ｚが増大しているので、Ｄ３３は実質低下す
ることなく７定数が増大する訳である。この様に本発明
においては、比誘電率ε８′ の減少とコンプライアン
スＳ３３Ｅの値の増大が重要な役割をはたす。そして比
誘電率ε８″ は、第４図の様に、空孔率によつて変化
し空孔率の増大に伴つて低下することが判つた。図にお
いてイは従来の圧電磁器における測定値であり、口は本
発明の実施例における測定値を示す。この第４図から圧
電磁器の比誘電率５′ と圧電磁器構造物中の空孔の割
合（空孔率）との関係が読みとれる。また図中曲線ハは
理論的解析による計算値を示すものである。すなわち、
曲線ハは、空孔を有する圧電磁器構造物１において空孔
による反分極場の増加と双極子能率の減少を仮定して理
論的に誘電率と空孔率の関係から次式（３）を求め、そ
れにより比誘電率ε８″ を算出した計算値である。た
だし、 Ｎｉ≠１×１０−３Ｐ ε８″はみかけの比誘電率で （一ε３３Ｔ／εｏ） ５は圧電磁器固有の真の 比誘電率 Ｐは空孔率（小数値） Ｎｉは反分極係数である。

そして図中曲線ハの附近に比誘電率５ の測定値が分布
し、比誘電率と空孔率との関係で理論値と測定値が略一
致して居り、空孔率の増大によつて比誘率が低下する相
関関係が示されている。

そして本発明は、空孔９の形成による比誘電率の低下に
伴なつて圧電出力定数７３３が増大し、出力感度が増加
して大きな出力が得られる。またコンブライアンスＳ３
３Ｚの上昇も生じて圧電磁器自体振動に関し構造体が弾
力性を増加するため、外部の機械的応力を吸収して影響
を受けにくくなり、安定した出力が得られる利点を有す
る。また圧電磁器構造物１のＱが低いことも、構造上比
表面積が大きいこともあいまつて、発熱等の損失が小さ
く出力を高める要因ともなつている。

これらのことから本発明の圧電磁器構造物は、超音波用
の材料として好適であると言える。第５図及び第６図は
本発明の他の実施例を示すもので、第６図は圧電性磁器
組成物を成形焼結して或る圧電磁器構造物１において、
一方向に並ぶ細長いロッド１５を並列的に連結し焼成分
極した圧電磁器の構造物を示している。

ここで空孔１３は、細長い並列なロッド１５によつてそ
の空隙が同様に細長く並列的に連続した多数の規則的な
配列の空孔となつている。また第６図は第５図の断面図
で、１７は多数のロッド１５の両端を連結する共通の連
結部である。そして出願人は、第２図の実施例と同様の
圧電磁器組成物を用い第６図の構造の圧電磁器構造物を
試料Ｃとして、その特性の測定結果を第１表に示した。
これによれば、さらに空孔率も高くでき、圧電磁器構造
物中のロッド１５には横の結合が小さく自由な縦方向の
振動が生じるので結合係数の劣化はみられない反面、比
誘電率５″ の低下及びコンブライアン３Ｓ３３Ｚの増
加は、前記第２図の実施例より大きく、その結果従来例
に比べ圧電出力定数７３３は約４倍近くにも達し、本発
明の圧電磁器構造物が超音波用材料として非常に優れて
いることがわかる。

所で本発明における圧電磁器組成物としては、前述の材
料に限らずＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３−Ｐｂ（Ｍｇｖ
３Ｎｂ２／３）０２，ＰｂＺｒ０３やＰｂｚｒＯ３Ｐｂ
ＴｉＯ３その他公知のものがそのまま使用でき、高周波
用であるか否かを問わない。

また圧電磁器構造物１中の空孔９，１３の形状・寸法・
数及び配置等は、実施に際し任意に決定できる。しかし
比較的小さな空孔を多数規則的に配置した方が本発明の
効果は大きく、しかも細長い空孔１３とすることによつ
て著しい効果が得られるのは前述した通りである。また
、図示を省略するが、本発明においては、圧電磁器構造
物１中の空孔９，１３中へエポキシ樹脂等の比較的硬い
材料やシリコンゴム・スチロール樹脂等の弾性材を充填
することにより、圧電磁器構造物１において基本振動以
外の不要振動を吸収抑圧し、スプリアスの少ない出力を
得ることができる。

要は、目的に応じてその圧電磁器よりも誘電率の低い有
機物を充填して形成すればよい。さて多数の空孔９，１
３を有する圧電磁器構造物１は、以下に示す製造方法に
よつて簡単かつ能率的に製造できる。第８図及び第９図
はその実施例を説明する分解斜視図である。第８図の実
施例は特に第２図第３図に示す圧電磁器構造物に関し、
圧電性磁器組成物を成形した薄いグリーンシート１９Ａ
，１９Ｂを複数作り、それら複数のグリーンシート１９
Ａ，１９Ｂを打ち抜いて多数の細長いすだれ状のロッド
１１Ａ．１１Ｂを並列に形成した後、グリーンシート１
９Ａのロッド１１Ａの方向に対し、グリーンシート１９
Ｂのロッド１１Ｂを直角方向に交互に異ならせてグリー
ンシート１９Ａ，１９Ｂを積み重ね圧着することによつ
て圧電磁器構造物を作り、それを１２００℃〜１３００
℃の高温の炉に２〜３時間通して焼成し圧電磁器を造り
、さらに対向する電極を設けて約３ＫＶ／Ｗｒｍの高電
界を加え分極を施すことによつて圧電磁器構造物１を製
造するものである。また第９図は、第５図及び第６図に
示す圧電磁器構造物の製造に好適で、前記第８図と同様
に薄いグリーンシート１９Ａ，２１を複数作り、そのう
ち一部複数のグリ″−ンシート１９Ａを打ち抜いて多数
の細長いすだれ状のロッド１１Ａを形成した後、それら
ロッド１１Ａを有するグリーンシート１９Ａの各シート
のロツド方向を合せてそれらグリーンシート１９Ａを、
前記成形した薄いグリーンシート２１でその主表面に貫
通部２３を打ち抜いた枠型のスペーサ２１を介して積み
重ねて圧着することにより圧電磁器構造物を作り、その
構造物を前述の如く焼成分極を施こすことによつて圧電
磁器を製造する方法を示している。

この様な第８図及び第９図に係る実施例いずれにおいて
も、グリーンシート１９Ａ，１９Ｂを用い、打ち抜きに
よつて多数のすだれ状のロッド１１Ａ，１１Ｂを形成し
、それらグリーンシー口９Ａ，１９Ｂを重ねて圧着し、
焼成するだけで、圧電磁器構造物１中に多数の形の整つ
た空孔を規則的に形成することが極めて容易となる。

しかも打ち抜きと積み重ねや圧着によつて製造されるの
で作業が簡単で、かつ量産に適した圧電磁器構造物の製
造方法を提供できる。なお第８図第９図における１２，
１０は、打ち抜きによつてグリーンシート１９Ａ，１９
Ｂに生じた空隙である。また第７図は、第９図の製造方
法によつて作つた第５図、第６図の圧電磁器構造物１が
示す周波数特性図であり、出願人は縦横４０ｗ０ｎ厚さ
０．５Ｔｒｍのグリーンシート１９Ａ１スペーサ２１を
用いて約０．５７ｍ巾のロッド１１Ａをグリーンシート
１９Ａに多数形成し、スペーサ２１と１４枚のグリーン
シー口９Ａを交互に積み重ねて圧着することにより構造
物を作つて実験した。もつともこれらの製造方法におい
て、グリーンシート１９Ａ，１９Ｂ及びスペーサ２１の
形状、寸法・厚み若しくは枚数等は任意に決定すればよ
く、焼成や分極も従来公知の技術で実施する。また前述
の圧電磁器構造物１中の空孔９，１３に弾性材を充填す
るには、グリーンシート１９Ａ，１９Ｂやスペーサ２１
を積み重ね圧着して作つた構造物を焼成後、溶けたシリ
コンゴムその他有機物中に漬浸すればよい。以上説明し
た様に、本発明は圧電性磁器組成物を成形焼成して成る
圧電磁器構造物において、その圧電磁器構造物中に多数
の空孔を形成することによつて、比誘電率が低く他方コ
ンプライアンスが高くなり、従つて圧電出力定数が高く
なつて高出力かつ、外部機械的応力にも安定した超音波
用材料たる圧電磁器構造物及び製造能率の高い量産に適
したその圧電磁器構造部の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空孔が不規則に形成された圧電磁器構造物の一
例を示す断面図、第２図は本発明の圧電磁器構造物の実
施例を示す断面図、第３図は第２図に示す圧電磁器構造
物の部分斜視図、第４図は比誘電率と空孔率の関係を示
す特性図、第５図は本発明の圧電磁器構造物の他の実施
例を示す断面図、第６図は第５図の圧電磁器構造物の部
分断面を示す斜視図、第７図は第６図の圧電磁器構造物
の示す周波数特性図、第８図は本発明の圧電磁器構造物
の製造方法を説明する分解斜視図、第９図は本発明の圧
電磁器構造物の他の製造方法を説明する分解斜視図。 １・・・・・・圧電磁器構造物、９．１３・・・・・・
空孔、１１Ａ１１Ｂ．１５・・・・・・ロッド、１７・
・・・・・連結部、１９Ａ，１９Ｂ・・・・・・グリー
ンシート、２１・・・・・・スペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電性磁器組成物を成形焼結して成る圧電磁器構造
   物において、その圧電磁器中に多数の空孔を規則的に配
   列して形成したことを特徴とする圧電磁器構造物。 ２ 特許請求の範囲１において、その空孔を均一に配列
   したことを特徴とする圧電磁器構造物。 ３ 特許請求の範囲１において、空孔を交互に規則的に
   配列したことを特徴とする圧電磁器構造物。 ４ 特許請求の範囲１において、一方向に細長い並列的
   に連続した空孔を多数規則的に配列したことを特徴とす
   る圧電磁器構造物。 ５ 特許請求の範囲１、２、３又は４において、その空
   孔にその圧電磁器より誘電率の低い有機物を充填して成
   ることを特徴とする圧電磁器構造物。 ６ 圧電性磁器組成物を成形して複数の薄いグリーンシ
   ートを作り、その複数のグリーンシートを打ち抜いて多
   数の細長いすだれ状のロッドを並列に形成した後、それ
   らグリーンシートを各シートのロッド方向を交互に異な
   らせて積み重ねて圧着することにより圧電磁器構造物を
   作り、その構造物を焼成した後分極を施こして成る内部
   に多数の空孔を交互に規則的に形成した圧電磁器構造物
   の製造方法。 ７ 圧電性磁器組成物を成形して複数の薄いグリーンシ
   ートを作り、複数のグリーンシートを打ち抜いて多数の
   細長いすだれ状のロッドを並列に形成した後、ロッドを
   有する薄いグリーンシートのロッド方向を合せてそれら
   グリーンシートを、薄いグリーンシートで作つた枠型の
   スペーサを介して積み重ねて圧着することにより圧電磁
   器構造物を作り、その構造物を焼成した後分極を施こし
   て成る内部に一方向の細長い並列的に連続した空孔を多
   数規則的に形成した圧電磁器構造物の製造方法。