JPS61160983A - 圧電合成物およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電合成物、とくに強化された圧電合成物に関
するものである。

（従来の技術） 強化された圧電合成物は公知であり、その構造は、マト
リックス材料に埋込まれた圧電セラミックの並列の空間
をおいたロッドのアレイからなり、その圧電ロッドは全
て同じ方向に向くように並べられているものである。ガ
ラスロッドの形になっている強化部材はまたマトリック
ス材料に埋込まれており、ガラスロッドは、各々が平行
な圧電セラミックロッドのアレイとかみ合い、それに垂
直な２つの相互に垂直なアレイに配列されている。

このような構造は、３−１−１接続をもった三相合成物
として知られており、それは、マトリックス材料は三次
元接続面であり、圧電セラミックロッドは各々−次元接
続面であり、強化ロッドは各各−次元接続面である。

上記構造はセラミックロッドの並列アレイをまず組立て
、次に、強化ガラスロッドを１つづつ適所に組立てるこ
とによって組立てられることは公知である。これは、ガ
ラスロッドの中には０．２５關と小さい直径をもつもの
もあり、また、組立てを要するような数百ものロッドが
存在することもあるので極めて時間のかかる方法である
。

（発明の概要） 本発明の１つの目的は三相合成物の製造時間を減少する
ことである。

本発明によれば、材料中に一緒に埋め込まれた、圧電素
子のアレイおよび強化構造からなる圧電合成物を製造す
る方法が提供される。この方法は、圧電素子と組立てる
前に強化構造を形成する工程を含み、その強化構造は圧
電素子を受け入れるために穴のアレイを画定する。

本発明の一実施例では、強化構造は網目状であり、望ま
しくは織網目状になっているのがよい。

多数の網目状強化構造は次々と積重ねられ、整列した穴
をもつ網目層を画定し、圧電素子を受け入れる穴のアレ
イを画定する強化部かご状構造を形成する。

本発明の他の実施例では、各強化構造は、重合体材料の
事前含浸があってもなくても材料シートの形になってお
り、その材料シートはパンチされて圧電素子を受け入れ
る穴の二次元アレイを与える。本実施例の一形式では、
上記材料の多数シートは次々と積重ねられ、圧電素子を
受け入れる穴のアレイを画定する強化部かご状形状を形
成する。

本発明の別の実施例では強化材料は複数シートを積重ね
ることによって形成され、その際穴のアレイが、組立て
の際シートの積重ねを貫通して形成され、圧電素子を受
け入れる穴のアレイを有する強化構造を画定する。

上記実施例の全てにおいて、１つまたは複数の強化構造
が組立てられ、圧電素子が穴に配置された後、全体構造
は適当なマトリックス材料中に型どられ、調整される。

形成された最終構造は３−１−２接続を有する三相合成
物で、これは、マトリックス材料が三次元接続相で、圧
電素子は各々−次元接続相で、各強化構造は二次元接続
相である。

しかし、−次元接続強化相を用いることによって、３−
１−１接続を有する３相会成物を作ることも本発明の範
囲内である。これは、たとえば、強化部材から強化構造
を強化繊維材料の束（これは圧電素子を組立てる前に多
層鳥かご状構造に織られる）の形において達成できる。

本発明の別の実施例では、製造方法は、強化構造の穴の
間のぎツチに対応する間隔を有する平行の整列圧電素子
のアレイを最初に製造する工程を含み、強化構造は圧電
素子のアレイ上に置かれる。

本発明の一態様は、上記本発明による方法のいずれか１
つくよって、製造された圧電合成物を提供することであ
る。

本発明の一実施例では、共通材料中に一緒に埋め込まれ
た圧電素子のアレイと強化構造を含む圧電合酸物（強化
構造の少なくともいくつかの部分は圧電素子の配列の方
向にほぼ直角な２つの方向に延び３−１−２接続を有す
る圧電合成物を形成する）が提供される。

本発明の一好適実施例では、各強化構造は、圧電素子の
アレイとかみ合いかつそれとほぼ直角に配置された強化
素子のアレイを画定する。

（実施例） 本発明を添付図面を参照しながら実施例により更に説明
する。

°公知の強化された圧電合成物の１ゾロツクのコーナ部
１の内部図が第１図に示されている。この合成物の構造
は、圧電セラミックの平行な間隔をおいたロッド２のア
レイからなり、この圧電ロッド２は全て同じ方向に向く
ように配列されている。

マトリックス材料４はエポキシ樹脂からなり、２個の相
互に直角のアレイ状に配列されたガラスロッドの形にな
っており、各アレイは平行圧電ロッド２のアレイとかみ
合い、かつ直角である。

第１図に示された強化圧電合成物の製造においでは、ま
ず、間隔をおいた圧電ロッド２の並列アレイを適所に組
立て、次に１圧電ロツド２のアレイ内で各ロッド６をそ
れぞれの位置に組立て、最後に、マトリックス材料４内
に１組立てられた圧電ロッド２およびガラスロッド６を
組入れる。この製造方法は、各ガラスロッｒがそれぞれ
の位置に個々に配置されるので極めて時間がかかる。

製造時間を減少するために、強化部材と圧電ロッド２は
本発明の種々の実施例による多数の方法によって組立て
ることができる。１グループの方法は、第２％’Ｆ”％
を図を参照して説明されるように、強化部材で構成され
た事前組立ての鳥かごを用いる。

第２図では、事前に織られたガラス網目、または他の網
目状材料が同じ寸法の部分部分に切断され複数の強化構
造（これらはお互いの上に慎重に積重ねられ整列された
穴を有する網目層を形成する）ｔ−形成する。このよう
にして、圧電ロツｖ２を受入れる平行な穴のアレイをも
つ強化かとが組立てられる。

第３図では、ガラス繊維マット１４または他の強化繊維
から作られたマット（重合樹脂のような他の重合材料の
前含浸にかかわらない）をパンチして穴の二次元アレイ
を形成する。マットのシート１４は等しいサイズの片に
切断して、積上げて第３図に示された圧電ロッド２を受
入れるかごを形成する。

第２図および第３図によるかご組立ての方法の間に金属
またはセラミック支持釘１２ｆ：少なくとも２つの角穴
に挿入して、組立ての間にかごを固定するのを補助する
。

ガラス繊維または他の補強繊維のかごは、第４図に示さ
れたような支持釘配列を用いて織ることができる。第４
図の釘配列は、釘２００２つの平行行および２つの平行
列からなり、各列、各行に５つの釘２０が存在する。糸
２２を釘２００２つの列の回りと間に巻いて糸の第１の
層を形成する。

糸２２ｆ：次に２つの行を画定する釘２０の回りおよび
間に巻いて糸の第２の層２６が形成される。

その後、糸２２を釘の２つの行の間に再び巻いて、第３
層等を形成する。このようにして織りかごの形になって
おり、圧電ロッドを受け入れる平行穴３０の配列を有す
る強化構造が形成される。

パンチされていないガラス繊維または他の繊維強化材料
のかご構造層の別の実施例では、適当なマトリックス材
料で事前含浸されたマットは等しいサイズの片に切断さ
れ、お互いの上に積重ねられる。この積層体は所望の形
状に調整され、平行穴の二次元配列が積層体に穴あげさ
れる。このようにして、マトリックス材料内にプリコー
ティングされた強化かご構造が製造される。

上記の強化かとが組立てられ、圧電ロッドが全て同じ方
向に向くようにして大向に配置されると、全体構造はマ
）　ＩＪラックス料に入れられ、形状トリミングされる
。マトリックス材料と強化材料との良好な接着性は強化
部材を接着剤プロモータで前処理することＫよって得ら
れる。１つのこのような接着剤製品はダウコーニング社
の接着剤プロそ一タ２６０４０である。良好な接着性を
確保する別の方法は、ガラス強化ロッドを適当な第２の
マトリックス材料で前処理することによって、強化部材
の表面エッチ、たとえば、ガラス強化ロッドのクロム酸
エツチングをして、強化部材と主たるマトリックス材料
との間に置かれた中間層を形成することを含む。

本発明の実施例によって強化圧電合成物を製造する別の
組立ての（し形方法を含む。組立ての方法は最初に平行
整列圧電ロッドの二次元アレイを製造することを含む。

これは、金属ペースプレートの穴の適当なアレイ内に、
前カットロッドを置くか（大向にプラスティシンまたは
ワックスのような軟らかな材料を前もって大向に置いて
ロッドを固定する）−、ロッドを軟ワックスのペラｒ内
に入れてそれが規則アレイで直立するようにするか、圧
電材料の固体ゾロツクから二次元くしまたはアレイをの
こぎリカットすることＫよって達成できる。

ロッド間隔と同じぎツチのメツシュのまたはパンチされ
たプリカットの等寸法の片は上記くしの上に置いて強化
かとを作ることができるか、または、マトリックス材料
のパンチされない層の積層に穴をあけることによって上
記のようにして組立てかごはロッド上に置くことができ
る。組立体は次に、適当な合成マトリックス材料に入れ
られ、形状トリミングされる。

圧電合成物は主に圧電変換器として用いられ、水中聴音
器のような圧電変換器のいくつかの応用例では、泡が捕
えられることは望ましくない。それが形成されるのを防
ぐために、マトリックス材料は真空抜きして液化空気お
よび水蒸気を除去し、マトリックス材料は真空下で組立
て構造体に注いで大量の空気が捕えられるのを防ぐ。た
とえば、エフコブル（ＥＣＣＯｇｅｌ）　（登録商標）
１３６５−８０エポキシ樹脂のガス抜きは７４０酊Ｈｇ
の真空で約１時間かかることが判った。しかし、これは
、エポキシ樹脂の型、年令および温度で変わる。

圧電材料の性質を議論するとき、それらが参照できる軸
系を画定するのが便利である。本明細書の目的では、性
質は、軸およびそれに関連した３つのサブスクリプト＠
１”、１２”、＠３”によって区別される。軸ｘ３は材
料の極性方向（または、圧電セラミックのポーリング方
向）である。軸ｘ１および軸ｘ２は互いに垂直であって
、ｘ３軸に垂直である。ガラスロッド強化材を含む！＋
−１−１圧電合成物の場合は、ｘｌおよびｘ２軸は、そ
れらがお互いに、かつｘ３軸に垂直で、ガラスロッドが
置かれる方向に平行であるように規定される。

圧電材料においては、磁極面を横切って発生された電荷
は圧電電荷係数ｄ１ｊＫ依存する。ここで、Ｊ　、Ｆ、
Ｎｙｅの著書１結晶の物理的性質”（Ｃ１ａｒｅｎｄｏ
ｎ　。

Ｐｒ６５ｇ　、　Ｏ：ｃｆｏｒｄ）１章に規定される圧
電係数の減少されたサシスクリプト表示が用いられる。

流体静水力学的システムでは、６つの相互に直角の各方
向における応力σは同じで、 ここで、ｄＨは静水力学的電荷係数（ｄＨ＝、ｄ３□＋
ｄ３２＋ｄ３．３）、Ｑは磁極面に発生した電荷、Ａは
捧支え面の面積である。

ＰＺＴ　（ＰＺＴファミリにおいて、主要素はセラミッ
ク固溶体（ＰｂＺｒＯ３）工・（ＰｂＴｉ０３）１−エ
ここでＩ：＝　０．５２　’）として一般的に知られた
圧電材料の均質立法体では、ｄ３１　”　ｄｓｚ　ニー
ｄ３３　／　２で、したがってｄＨはゼロに近く、静水
力学的応力下で小さな電荷を与える。３−１接続をもっ
た２相合成物構造（これは、第３相の強化材なしに１連
続マトリツクスに埋め込まれた平行整列圧電ロッドの二
次元アレイからなる）は、下に（＃！；１　表参照）Ｐ
Ｚ’Ｉ’材料に関して増大した値のｄＨを有するように
示された。これは、ロツｒ方向に相互に直角な２つの方
向（ｘｌおよびｘ２軸）において応力除去をもたらすマ
トリックスに基因し、圧電ロッドが受ける長手方向応力
σ、およびＣ２が小さくなる。

したがって、合成物の流体静力学電荷係数は全体として
圧電材料だけのものより大きく、任意の特定圧力変化に
対して増大した電荷出力を与える。

小さな体積割合の圧電材料によって合成物の平均誘電常
数６（これは、ｄＨの増加とともに、圧電材料に関する
圧電電圧係数ｇＨ（ここでｇＨ＝　ａＨ／１　）　１増
加させる。これによって、圧電１良さの係数”ｄＨ’　
ｇＨ（これは、単位体積当り、二乗された単位圧力変化
当りの装置のエネルヤ出力を表わす）の値が大いに増大
する。適当なセラミック材料の例はＰＺＴ　−５Ｈおよ
びＰＺ’ｌ”　−４である。

適当な重合体材料の例はＥｃｃｏｇｅｌ　１３６５−８
０゜８ｔｙｃａｓｔ　１２６４　（登録商標）（両方の
エポキシ樹脂ともＥｍｅｒａｏｎ　ａｎｄ　Ｃｕｍｉｎ
ｇ社製である）、Ａｒａｌｄｉｔｅ　ＭＹ　７６５　（
登録商標）　（Ｃ１ｂａ−Ｇｉｅｇｙ社製）＆成マトリ
ックスに第３の強化相を加えることによって、応力逃げ
が改良され、したがって、匂、　ｇＨさらにｄＨｇＨが
増大する。第２（ａ）表は、０．２５ｍ直径のホウ珪酸
塩ガラスロッド強化材をもったＦｉｃｃｏｇｅｌ　１３
６５−８０エポキシ樹脂に埋、込まれた０、６　ｗｍ平
方のＰＺ’ｌ’　−５１Ｈセラミツクロンドで作られた
三相合成物の２つの例の特性を示している。第２（ｂ）
表は、Ｅｃｃｏｇｅｌより堅いエポキシポツティングの
混合物に入れた場合を除いて、第２（ａ）表のものと類
似した構成の三相合成物の２つの例の特性を示す。

第３表は、０．６１０１１平方のＰＺＴ−ｓＨセラミｙ
ｐロロッ、および０．０６３のセラミック体積割合で作
られた三相合成物のｄＨ＋ｇ］（およびｄＨｇＨの値を
示す。このサンプルはＥｃｃｏｇｅｌ　１３６５−８０
エポキシ樹脂のマトリックスを有し、シリカガラス繊維
で強化された。このサンプルは約２４關平方で、１４ｍ
厚で、４６　ｐＦの容量である。結果は、３つのサンプ
ルとも、従来のセラミックゾロツク（第１表参照）に比
較した時高出力が可能であったことを示し、かつ、第２
安の３相会成物と性能比較ができる。

第４表は、本発明の１実施例によって、Ａｕｔｏｍｅｓ
ｈ　（登録商標）およびｌｌｉ；ｃｃｏｇｅｌ　１３６
５−８０エポキシ樹脂のような前織りガラス繊維を用い
て作られた２つの３相合成物のｄＨｏｇＨおよびｄＨｇ
Ｈの値を示している。２つのサンプルとも、約０．０８
のセラミック体積割合の１謔平方のＰＺ’Ｌ’−５Ｈセ
ラミツクロツドを有し、結果は組立て方法が良好な再現
性を有することを示す。２つのサンプルとも約３５ｗ平
方で、１５ｍ厚で、約８０ｐＦの容量である。

第１表　２相圧電合成物に比較された固体圧電セラミッ
ク 特　性　　ＰＺＴ−５Ｈ２相合成物　　　　単　位置体
セラミツｐｚｒ−５Ｈ２４％ クツクック　　（体積上 アツ〃ダイトＭＹ７６３ ７６チ　（体積上 ｇＨ＝１．４８　　　１９．０　　１０−３１０−３Ｖ
第２表　３相合成物の特性 （ａｌ　　Ｅｃｃｏｇｅｌ　１３６５　８０エポキシレ
ジンマトリツクス セラミック　　ガラス　　ａＨｇＨｄＨｇＨ体積割合　
　体積割合　　　　　１０”　　　　１０−１５０．１
５　　　　０．１１　　　１４８　　　４６．３　　　
６８５００．２０　　　　０．１３　　　１９９　　　
５４．１　　１０７６０（ｂ）　　Ｋｃｃｏｇｅｌより
堅いエポキシポツティングの混合物マトリックス ０．２５　　０．１５　　１２２　２２．５　２７１０
０．３０　　０．１６　　１２５　１６．１　２０３０
第３表　ガラス糸強化で作られた３相合成物に対して得
られた結果 匂　＝　５０．５　ｐＣＮ−１ ｇＨ＝　４５．５　（ｘ　１０’）　ＶｒｍＴ−１ｄＨ
ｇＨ＝２３００　（ｘｌｏ−１５）ｐａ−’第４表　＠
Ａｕｔｏｍｅａｈ”ガラスファイバメツシュ強化で作ら
れた２つの３相合成物に対して得られた結果 特　性　　サンプル１　　サンプル２　　単　位ｄＨ＝
　　７１．８　　　７１．２　　０Ｎ−１ｇＨ”　　７
６．０　　　７０．０　１０−３１０−３Ｖ代替実施例
における強化部材には、たとえば、切断された束ガラス
繊維マットを始めとして、ガラスロッド、ガラス繊維、
ガラス糸、Ｋｅｖｌａｒ　（登録商標）、または他の堅
い繊維材料またはそれらの組合せが含まれる。

上述した圧電セラミック材料の種類は例示的に示された
にすぎないことに注意すべきである。というのは、本発
明の目的のために、チタン酸バリウムセラミックおよび
硫化ヨウ化アンチモンのような他の種類の圧電材料を用
いることができるからである。

４、発明の詳細な説明 第１図は公知の強化圧電合成物構造を示す図、第２図は
本発明の一実施例による圧電合成物構造の製造において
用いられた強化かご構造を示す図、第３図は本発明の他
の実施例による圧電合成物構造の製造において用いられ
る強化かご構造を示す図、第４図は本発明の他の実施例
による圧電合成物構造の製造において用いられる強化か
ご構造を示す図である。

参照符号の説明 ２・・・平行な、間隔をおいたロッド、４・・・マ）Ｉ
Ｊラックス料、６・・・強化部材（ガラスロッド）、８
・・・メツシュ層、１０．３０・・・受入れ穴、１２゜
２０・・・支持釘、１４・・・マット、２２・・・糸、
２４・・・第１糸層、２６・・・第２糸層。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）材料中に埋め込まれた圧電・素子のアレイと強化
   構造から成る圧電合成物を製造する方法であつて、圧電
   ・素子を組立てる前に強化構造を形成する工程を含み、
   その強化構造は圧電・素子を受入れる穴のアレイを画定
   することを特徴する前記方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記強化構造は
   メッシュ形状を有する方法。
3. （３）特許請求の範囲第２項において、前記強化構造は
   、織網目状になつている方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記強化構造は
   、穴のアレイをその中に有する材料シートの形状になつ
   ている方法。
5. （５）特許請求の範囲第２項乃至第４項のいずれか１つ
   の記載において、多数の強化構造は積層に組立てられそ
   の積層内に一列になつた穴を有する多数の強化構造を画
   定し、その積層は圧電・素子を受入れるための穴のアレ
   イを有する鳥かご状構造を形成する、方法。
6. （６）特許請求の範囲第１項の記載において、前記強化
   構造は、強化材料の複数シートを積重ね、シートの組立
   て積層を介して圧電・素子を受け入れる穴のアレイを形
   成することによつて形成される、方法。
7. （７）特許請求の範囲第１項において、前記強化構造は
   、強化繊維材束の束を多層鳥かご状構造に織ることによ
   つて形成される、方法。
8. （８）特許請求の範囲第２項乃至第６項において、強化
   構造の穴の間のピッチに対応するスペーシングを有する
   並列配列の圧電・素子のアレイを最初に形成する工程を
   含み、前記強化構造は圧電・素子の上に置かれる、方法
   。
9. （９）同じ材料内に一緒に埋込まれた圧電素子のアレイ
   と強化構造からなり、その強化構造の少なくともいくつ
   かの部分は圧電素子の配列の方向とほぼ直角の２つの方
   向に延び、３−１−２の接続を有する圧電合成物を形成
   する圧電合成物。
10. （１０）特許請求の範囲第９項において、各強化要素は
    、圧電素子のアレイとかみ合い、かつそれとほぼ直角に
    整列する、圧電合成物。