JPS6347207B2 - - Google Patents

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JPS6347207B2
JPS6347207B2 JP57090600A JP9060082A JPS6347207B2 JP S6347207 B2 JPS6347207 B2 JP S6347207B2 JP 57090600 A JP57090600 A JP 57090600A JP 9060082 A JP9060082 A JP 9060082A JP S6347207 B2 JPS6347207 B2 JP S6347207B2
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JP
Japan
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mol
piezoelectric
ultrasonic transducer
vinylidene fluoride
copolymer
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Kenichi Nakamura
Teruo Sakagami
Kakichi Teramoto
Hiroshi Obara
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Kureha Corp
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Kureha Corp
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F214/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen
    • C08F214/18—Monomers containing fluorine
    • C08F214/22—Vinylidene fluoride
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高周波領域の周波数においても高い
圧電性能を有する高分子圧電物質に係り、特に高
性能の超音波トランスジユーサー用の高分子素子
材料に係る。 高い圧電性能を有する高分子圧電物質として
は、例えば特公昭45―83771号においてポリフツ
化ビニリデン、また特公昭50―29159号において
フツ化ビニリデン共重合体が報告されている。し
かもこれら樹脂は高周波領域の周波数においても
高い圧電性能を有することが特公昭51―23439号
或いは特開昭56―111281号において報告されてい
る。 このうちポリフツ化ビニリデンは、フイルム面
に垂直方向の電気機械結合係数ktが0.20であり、
成形性も良好であり、最も有用な超音波トランス
ジユーサー用の高分子素子材料と考えられてきた
が、超音波送・受波能のより一層の改善が望まれ
ている。 他方、前記特許公報記載の弗化ビニリデン共重
合体、特にフツ化ビニリデンと三フツ化エチレン
との共重合体はフツ化ビニリデン75モル％、三フ
ツ化エチレン25モル％の組成においてポリ弗化ビ
ニリデンを上廻るktが得られる。しかしながら超
音波トランスジユーサーの送受波感度を高めるべ
く凹面成形する際に亀裂が発生しやすく、素子の
製造収率が非常に悪い。さらに素子が亀裂の発生
をみることなく出来た場合でも、大きなktを有す
る程には超音波送・受波能の向上は見られなかつ
た。 かかる技術水準に鑑み、本発明は素子製造の収
率が高く且つ超音波送・受波能の高い高分子圧電
体を提供することを目的とする。 本発明者等は種々の三元共重合体に就いて検討
を重ねた処、フツ化ビニリデン、三フツ化エチレ
ン、フツ化ビニルの三元共重合体において目的と
するものが得られることを見出したのである。 以下、本発明を詳細に説明する。 本発明の配向分極体を構成する共重合体の構成
単量体は、フツ化ビニリデン、三フツ化エチレン
及びフツ化ビニルの三種であり、この共重合体中
フツ化ビニリデンは40〜87モル％、好ましくは65
〜80モル％であり、三フツ化エチレンは10〜40モ
ル％、好ましくは15〜30モル％であり、フツ化ビ
ニルは３〜20モル％、好ましくは５〜15モル％で
ある。 この共重合体は上記三元共重合体が望ましい
が、この他に少量の四フツ化エチレン、六フツ化
プロピレン、三フツ化塩化エチレン等のフツ素含
有単量体の１種または２種以上を構成単位として
加えてもよい。上記いずれにおいてもフツ化ビニ
リデン、三フツ化エチレン及びフツ化ビニルが上
記範囲外になると、ktが小さくなり、超音波送・
受波能が小さくなつたり、柔軟性を失なう為に、
上記構成単量体は上記組成範囲内とするものであ
る。 本発明に係る共重合体は、ポリフツ化ビニリデ
ンにおいて知られている重合方法、成形方法、配
向分極処理方法により、配向分極体を形成するこ
とができる。 本発明の配向分極体は、機械結合係数ktを高め
るべく、熱処理することが望ましく、この熱処理
は公知の方法によりなされ、例えば特開昭56―
111281号に開示されている様に結晶転移温度−５
（℃）と融点の間でなされ、また配向分極処理と
ともになされても良いし、配向分極処理に先立つ
てなされても良い。それによりktが0.21以上、よ
り好ましくは0.22以上、更に好ましく0.23以上の
ものが得られる。 本発明の配向分極体のktはフツ化ビニリデンと
三フツ化エチレンとの二元共重合体からなる配向
分極体のktに比して大きいものが得られる。しか
もその超音波送・受波能はktの向上以上に顕著に
大きいものが得られるのである。この相違は二元
共重合体の方が熱処理あるいは高温での成極によ
り、より大きな密度となる点にある。その結果、
音響インピーダンスが大きくなり、水の音響イン
ピーダンスとの差が大きくなつて、音波の送受波
の効率が低くなるためであろうと考えられる。更
に、本発明に係る共重合体の方が柔軟であり、送
受波性能を高めるために裏打ちされる基板との密
着性が優れていることにも起因していると考えら
れる。 本発明の配向分極体は、かかる長所を有する
故、特に超音波トランスジユーサーとして有用で
ある。また、この配向分極体は伸び、圧電性、焦
電性等ポリフツ化ビニリデンの配向分極体におい
て知られる諸特性を有し、ポリフツ化ビニリデン
の配向分極体と同様な用途に用いられる。 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明す
るが、これらは単なる説明資料であつて本発明の
範囲をそれのみに限定する趣旨のものではない。 実施例 １ 撹拌器付ステンレスオートクレーブ内にメチル
セルロースを懸濁剤とする水溶液を入れ、５℃に
冷却後に、重合開始剤としてｎ―プロピルパーオ
キシジカーボネートその他の重合助剤を添加し、
N2置換後よく撹拌した。この後、オートクレー
ブをメタノール―ドライアイス系で外部より冷却
し、オートクレーブ内にフツ化ビニリデン、三フ
ツ化エチレン、フツ化ビニルをそれぞれモル比で
70％、20％、10％になる様にボンベより圧入し
た。次いで、オートクレーブ内温度を上昇させ、
重合を開始させた後、オートクレーブ外温を約25
℃に保つて重合を継続させた。重合初期圧は36
Kg／cm2で経時的に圧力低下が認められ、最終的に
約８Kg／cm2の段階で残圧をパージし、重合を終了
させ、重合物を分離後、よく水洗し、乾燥して白
色の三元共重合体パウダーを得た。収率は90％以
上であり、ほぼ仕込組成の三元共重合体が得られ
た（結晶転移温度が125℃、融点が150℃）。この
三元共重合体のインヒヤレントビスコシテイηinh
は濃度を0.4ｇ／dl、温度を25℃、溶媒をジメチ
ルホルムアミドとする条件下で0.92dl／ｇであつ
た。このパウダーをジメチルホルムアミドを溶媒
としてキヤステイングし厚さ30μ程度のキヤスト
フイルムを得た。 この未延伸フイルムを132℃で空気中で１時間
乾燥しつつ熱処理した後にアルミニウム蒸着によ
つて電極を形成し、85℃で電界強度650KV／cm
の直流電圧を30分間印加し、電圧印加のまま室温
迄冷却し、分極処理を施した。このフイルムの圧
電定数d31を東洋精機製レオログラフを用い10Hz
で測定した結果、d31＝11.2pC／Ｎであつた。な
お、ここで用いている試料は未延伸の高分子を分
極処理しているので、d31＝d32である。なお圧電
定数d31，d32は次のように定義する。即ち圧電性
を示す高分子の場合は一般に延伸方向にｘ軸、そ
れに直角にｙ軸、フイルム面に垂直にｚ軸をと
り、ｘ，ｙ，ｚ軸を決定し、ｘ軸方向に応力を印
加したときのｚ軸方向の分極を示す圧電定数を
d31，ｙ軸方向及びｚ軸方向に応力を加したとき
のｚ軸方向の分極を示す圧電定数を夫々、d32，
d33とする。 電気機械結合係数kt（ｚ−ｚ軸方向）は圧電体
フイルムの自由共振点付近の電気アドミツタンス
と位相角の周波数依存性を解析することによつて
求めた結果kt＝0.235であつた。この圧電体フイ
ルムの180度折り曲げ試験の結果、往復10回以上
の折り曲げをしても切断が生ぜず、又、室温での
テンシロンによる伸度測定を行つたところ240％
の伸びを示した。この圧電体フイルムの超音波送
受波能を調べるために縦断面図が第１図の如き超
音波トランスジユーサー４を用いた。即ち一端が
曲率半径75mmの凹面形状を有するベークライト棒
３の凹面部に音響反射板となる1/4波長厚みの銅
板２を介して該圧電体フイルム１を圧着して超音
波トランスデユーサー４を構成した。なお、超音
波トランスデユーサーの両面には径10mmの電極を
有する。また、ベークライト棒３と銅板２との間
および銅板２とフイルム１との間の接着剤にエポ
キシ系接着剤を用いた。 次に第２図の如く該超音波トランスデユーサー
４をパルサーレシーバー８（KB―Ａ
EROTECH社製UTA―３）に接続し、パルスエ
コー法により超音波送受波能を測定した。６は
水、５は水中におかれたアクリル板、７はマツチ
ング回路、９はオシロスコープである。レシーバ
ーのゲインを40dBにセツトしパルスエコーの電
圧を読んだところピーク・トウ・ピークで38Vの
値が得られた。 比較例 １ 実施例１に準じた方法で得たフツ化ビニリデン
75モル％、三フツ化エチレン25モル％からなる二
元共重合体（結晶転移温度が108℃、融点が148
℃）の溶液から得た30μｍ程度の厚さのキヤスト
フイルムを、実施例１と全く同一条件で熱処理、
分極処理を施したもののd31定数は10.2pC／Ｎで
あり、ktは0.217であつた。この圧電体フイルム
の180度折り曲げ試験の結果、往復１回の折り曲
げで切断し、又、テンシロンによる室温に於ける
伸度はゼロであり、非常に脆弱な圧電体フイルム
であつた。この圧電体フイルムを実施例１と同様
に超音波トランスデユーサを製作し、出力電圧を
測定したところ28Vp.p.であつた。なお超音波ト
ランスデユーサ製作にあたつて圧電体と銅板の接
着は実施例１と同じ条件で製作したが、圧電体が
脆弱のために製作過程でしばしば亀裂が発生し多
大の損失が生じた。尚、ここで用いた共重合体の
ηinhは実施例１と同一条件下で1.29dl／ｇであつ
た。 実施例 ２ 実施例１に準じた方法で得たフツ化ビニリデン
75モル％、三フツ化エチレン20モル％及びフツ化
ビニル５モル％からなる三元共重合体（ηinhは実
施例１と同一条件下で0.85dl／ｇであつた）の溶
液からの30μｍ程度の厚さのキヤストフイルムを
実施例１と全く同一条件で熱処理、分極処理を施
したもののd31定数は10.5pC／Ｎであり、ktは
0.228であつた。この圧電体フイルムを実施例１
と同様に超音波トランスデユーサを製作し、出力
電圧を測定したところ35Vp.p.であつた。この圧
電体フイルムの180度折り曲げ試験の結果、往復
５回の折りげで切断したが、超音波トランスデユ
ーサの製作過程での破損は全く生じなかつた。 比較例 ２ 実施例２に準じた方法で得たフツ化ビニリデン
70モル％、三フツ化エチレン20モル％、三フツ化
―塩化エチレン10モル％からなる三元共重合体
（実施例１と同条件下でのηinhは0.98dl／ｇ）の
溶液から得た30μｍ程度の厚さのキヤストフイル
ムを実施例１と全く同一条件で熱処理、分極処理
を施したもののd31定数は9.8pC／Ｎであり、ktは
0.11であつた。この圧電体フイルムを実施例１と
同様に超音波トランスデユーサを製作し、出力電
圧を測定したところ8.2Vp.p.であつた。
【図面の簡単な説明】
第１図は超音波送受波能を調べるための超音波
トランスデユーサの縦断面図、第２図はパルスエ
コー法による超音波送受波能の測定のブロツク線
図である。 １…圧電体フイルム、２…銅板、３…ベークラ
イト棒、４…超音波トランスデユーサ、５…アク
リル板、６…水、７…マツチング回路、８…パル
サーレシーバー、９…オシロスコープ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ フツ化ビニリデン40〜87モル％、三フツ化エ
    チレン10〜40モル％及びフツ化ビニル３〜20モル
    ％からなる共重合体成形物の配向分極体。 ２ 電気機械結合係数ktが0.21以上であることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の配向分
    極体。
JP57090600A 1982-05-28 1982-05-28 フツ化ビニリデン共重合体成形物の配向分極体 Granted JPS58209007A (ja)

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