KR20220140007A - 초음파 계측 기기용의 압전 소자 - Google Patents
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Abstract
납을 포함하지 않는(lead-free) 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자를 사용한 경우이더라도, 송수 감도를 PZT를 사용하는 경우와 동등 이상으로 높게 할 수 있으며, 또한 PZT를 사용하는 경우에 비해 주파수 대역을 넓힐 수 있는 초음파 계측 기기용의 압전 소자의 제공을 과제로 한다. 본 발명의 초음파 계측 기기용의 압전 소자(10)는, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 다공질 판상체(11)를 주체로 한다. 압전 소자(10)는, 기공률이 15% 이상 31% 이하이고, 고유 음향 임피던스의 평균치가 20 MN·s/㎥ 이하이다.
Description
본 발명은, 초음파 센서나 초음파 진동자 등에 사용되는 초음파 계측 기기용의 압전 소자에 관한 것이다.
종래, 초음파 센서나 초음파 진동자 등에 사용되는 압전 소자가 알려져 있다. 현재, 압전 특성이 우수한 압전 소자로서는, 타이타늄산 지르콘산 납(PZT) 등과 같이 납(鉛) 화합물을 포함한 것이 실용화되어 있지만, 납 화합물을 포함하는 압전 소자는 환경에의 악영향이 염려되고 있다. 이 때문에, 근년에, 납 화합물을 포함하지 않는 압전 소자가 주목받으며, 연구 개발이 진행되고 있다. 이 납 화합물을 포함하지 않는 압전 소자로서, 예를 들면 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
그렇지만, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자는, 타이타늄산 지르콘산 납(PZT)으로 이루어지는 압전 소자에 비해, 압전 왜곡 상수(定數)나 전기 기계 결합 계수 등의 압전 특성이 현상태에서는 뒤떨어져 있다. 이 점에서, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자를 구비한 초음파 센서는, 시장에서는 송수 감도가 뒤떨어진다고 인식되고 있기 때문에, 시장에서의 치환이 진행되고 있지 않다. 또, 환경에 나쁜 납을 규제하는 RoHS 지령에 있어서도, 압전 세라믹스 속의 납은 제외되고 있지만, 이것은 납 화합물을 포함하지 않는 압전 소자의 성능이 PZT에 뒤떨어진다고 되어 있기 때문이다.
또한, 근년의 디지털 신호 처리 기술의 진전은, 초음파 센서의 요구에도 변화를 가져올 것이 예상된다. 예를 들면, CHIRP 발신을 행해서 주파수 해석을 행하는 것에 의해, S/N비나 분해능이 향상되는 것이 알려져 있지만, 이와 같은 주파수 해석을 행하기 위해서는 광대역의 초음파 센서가 필요하다고 되어 있다. 따라서, 앞으로는, 송수 감도 이상으로 광대역성에 무게를 둔 초음파 센서의 수요가 늘어날 것이라 예상된다.
본 발명은 상기의 과제를 감안해서 이루어진 것이고, 그 목적은, 납을 포함하지 않는 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자를 사용한 경우이더라도, 송수 감도를 PZT를 사용하는 경우와 동등 이상으로 높게 할 수 있으며, 또한 PZT를 사용하는 경우에 비해 주파수 대역을 넓힐 수 있는 초음파 계측 기기용의 압전 소자를 제공하는 것에 있다. 또, 다른 목적은, 기계적으로도 음향적으로도 균질하기 때문에, 초음파 계측 기기로서 사용하기에 적합한 품질·성능을 가지는 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1에 기재된 발명은, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 다공질 판상체(板狀體)를 주체로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자로서, 기공률이 15% 이상 31% 이하이고, 고유 음향 임피던스의 평균치가 20 MN·s/㎥ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자를 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 환경에 유해한 납을 포함하지 않는 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자가, “다공질”의 판상체를 주체로 하고, 기공률이 15% 이상으로 되어 있다. 따라서, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 S/N비나 송수 감도를, 압전 소자가 타이타늄산 지르콘산 납(PZT)의 다공질이 아닌 판상체를 주체로 하는 경우와 동등 이상으로 높게 할 수가 있다. 또, 압전 소자의 기공률이 31% 이하이기 때문에, 기계적 강도를 해치는 일 없이, 송수 감도를 높게 할 수가 있다. 게다가, 압전 소자의 고유 음향 임피던스의 평균치가 20 MN·s/㎥ 이하로 낮게 되어 있다. 따라서, 초음파가 압전 소자 내를 전반(傳搬)하기 쉬워지기 때문에, 송수 감도가 한층 더 높아짐과 함께, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역을 넓힐 수가 있다. 또한, 압전 소자는, PZT보다도 부드러운(딱딱하지 않은) 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지고, 게다가 다공질의 판상체를 주체로 하고 있다. 이 때문에, 압전 소자가 PZT제 다공질이 아닌 판상체를 주체로 하는 경우보다도, 압전 소자의 강성이 낮아진다. 그 결과, 초음파의 송신 후에 압전 소자의 진동이 수속(收束)되기 쉬워지기 때문에, 초음파를 송신할 때의 잔향(殘響)을 저감할 수가 있다.
상기 초음파 계측 기기용의 압전 소자는, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 다공질 판상체를 주체로 한다. 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 호적한 예로서는, 페로브스카이트 구조를 갖는, 나이오븀산 포타슘과 나이오븀산 소듐의 고용체인 나이오븀산 포타슘 소듐계(KNN계)의 압전 세라믹스 등이 있다. 여기서, KNN계의 압전 세라믹스란, 적어도 K(포타슘), Na(소듐), Nb(나이오븀)을 주된 금속 성분으로서 포함하는 것을 말하고, 그 조성 중에 Pb(납)을 비롯한 다른 유해한 유독 원소를 거의 혹은 전혀 포함하지 않는 것을 말한다. 한편, KNN계의 압전 세라믹스는, K이나 Na 외에, Li(리튬) 등의 알칼리 금속을 포함하고 있어도 되고, Nb 외에, Ca(칼슘), Sr(스트론튬), Ba(바륨), Ta(탄탈럼), Sb(안티모니) 등의 알칼리 토류 금속을 포함하고 있어도 된다. 또한, KNN계의 압전 세라믹스는, 소량의 Bi(비스무트), Fe(철), Al(알루미늄), Mn(망가니즈), Co(코발트), Ni(니켈) 등을 포함하고 있어도 된다.
청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 있어서, 상기 기공률이 23% 이상 31% 이하이고, 상기 고유 음향 임피던스의 평균치가 15 MN·s/㎥ 이하인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 압전 소자의 기공률의 하한이 보다 높은 값(23%)으로 되기 때문에, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 S/N비나 송수 감도를 보다 높게 할 수가 있다. 게다가, 압전 소자의 고유 음향 임피던스의 평균치의 상한이, 보다 낮은 값(15 MN·s/㎥)으로 되어 있다. 따라서, 초음파가 압전 소자 내를 보다 확실하게 전반하기 위해, 송수 감도가 한층 더 높아짐과 함께, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역을 확실하게 넓힐 수가 있다.
청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선 상에서 서로 이간한 20 이상의 측정점을 설정하고, 상기 각 측정점에서 음속을 측정했을 때의 평균치가 5200 m/s 이하이며, 또한 상기 각 측정점에 있어서의 상기 음속 값이 상기 평균치의 ±5% 이내인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 서로 이간한 각 측정점에 있어서의 음속 값의 변동이, 평균치의 ±5% 이내로 작아진다. 즉, 압전 소자가, 다공질 판상체의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 음향적으로 균질하게 된다. 게다가, 각 측정점에서 음속을 측정했을 때의 평균치가 5200 m/s 이하이기 때문에, 고유 음향 임피던스가 낮아지고, 송수 감도가 높아진다. 이것에 의해, 초음파 계측 기기로서 사용하기에 적합한 품질·성능을 가지는 압전 소자를 얻을 수가 있다.
청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선을 따른 절단면에 있어서 상기 직선 방향으로 서로 이간한 위치에 20 이상의 미소 측정 영역을 설정하고, 상기 각 미소 측정 영역에서 빈구멍(空孔) 단면적을 측정했을 때의 평균치가 33 ㎛2 이상 65 ㎛2 이하이고, 표준 편차 σ가 25 ㎛2 이상 95 ㎛2 이하이고, 분산 CV가 80% 이상 150% 이하인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 동등한 빈구멍 단면적을 가지는 빈구멍이 동일하게 배치된 각 미소 측정 영역이, 다공질 판상체의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 배치되기 때문에, 압전 소자가 기계적으로 균질하게 된다. 이것에 의해, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때에, 초음파가 각 미소 측정 영역을 동일한 속도로 전반 가능하게 되기 때문에, 압전 소자가 음향적으로도 균질하게 된다. 따라서, 초음파 계측 기기로서 사용하기에 적합한 품질·성능을 가지는 압전 소자를 얻을 수가 있다.
청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선을 따른 절단면에 있어서 상기 직선 방향으로 서로 이간한 위치에 20 이상의 미소 측정 영역을 설정하고, 상기 각 미소 측정 영역에서 보로노이 면적을 측정했을 때의 평균치가 270 ㎛2 이상 370 ㎛2 이하이고, 표준 편차 σ가 170 ㎛2 이상 200 ㎛2 이하이고, 분산 CV가 50% 이상 65% 이하인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 동등한 보로노이 면적을 가지는 보로노이 영역이 동일하게 배치된 각 미소 측정 영역이, 다공질 판상체의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 배치되기 때문에, 압전 소자가 기계적으로 균질하게 된다. 이것에 의해, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때에, 초음파가 각 미소 측정 영역을 동일한 속도로 전반 가능하게 되기 때문에, 압전 소자가 음향적으로도 균질하게 된다. 따라서, 초음파 계측 기기로서 사용하기에 적합한 품질·성능을 가지는 압전 소자를 얻을 수가 있다.
청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 밀도 ρ가 3.7 g/㎤ 이하인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 압전 소자가 타이타늄산 지르콘산 납으로 이루어지는 경우보다도 압전 소자의 밀도 ρ가 낮아지고, 압전 소자가 기공을 가지는 것에 의해서 밀도 ρ가 더욱 낮아지기 때문에, 음속과 밀도의 곱(積)인 고유 음향 임피던스도 낮아진다. 그 결과, 초음파가 압전 소자 내를 전반하기 쉬워지기 때문에, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 송수 감도가 높아진다.
청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 품질 계수 Qm이 40 이하인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 압전 소자의 기계적 품질 계수 Qm이 40 이하로 낮기 때문에, 초음파의 송신 후에 압전 소자의 진동이 신속하게 수속된다. 즉, 초음파의 송신 후의 잔향을 저감할 수가 있다.
청구항 8에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행한 경우, 최대 송수 감도로부터 6dB 저감한 송수 감도에서의 주파수의 범위를 주파수 대역으로 하고, 상기 주파수 대역에 있어서의 하한의 주파수를 하한 주파수로 하고, 상기 주파수 대역에 있어서의 상한의 주파수를 상한 주파수로 하고, 상기 하한 주파수와 상기 상한 주파수의 중간치를 중심 주파수 fm으로 하고, 상기 하한 주파수와 상기 상한 주파수의 차를 주파수 대역폭 Δf로 하고, 상기 주파수 대역폭 Δf와 상기 중심 주파수 fm의 비를 비대역(比帶域) Δf/fm으로 했을 때, 상기 비대역 Δf/fm이 20% 이상인 것을 그 요지로 한다.
따라서, 청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 압전 소자의 비대역 Δf/fm이 20% 이상으로 되기 때문에, 압전 소자가 타이타늄산 지르콘산 납으로 이루어지는 경우의 비대역 Δf/fm(6%)보다도 대폭 넓어진다. 즉, 초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역을 대폭 넓게 할 수가 있다.
이상 상세하게 기술한 바와 같이, 청구항 1 내지 8에 기재된 발명에 의하면, 납을 포함하지 않는 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자를 사용한 경우이더라도, 송수 감도를 PZT를 사용하는 경우와 동등 이상으로 높게 할 수 있으며, 또한 PZT를 사용하는 경우에 비해 주파수 대역을 넓힐 수 있는 초음파 계측 기기용의 압전 소자를 제공할 수가 있다.
도 1은, 본 실시형태의 압전 소자를 나타내는 사시도.
도 2는, 압전 소자를 나타내는 평면도.
도 3은, 스프레이 드라이어의 구성도.
도 4는, 샘플 A 내지 C에 있어서의 기공률과 송수 감도의 관계를 나타내는 그래프.
도 5의 (a)는 샘플 A에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프, (b)는 샘플 B에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프, (c)는 샘플 C에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프.
도 6의 (a)는 샘플 A에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프, (b)는 샘플 B에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프, (c)는 샘플 C에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프.
도 7은, 실시예 1의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 8은, 실시예 2의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 9는, 실시예 3의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 10은, 실시예 4의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 11은, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 수지 비즈 첨가량과 기공률의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 밀도 ρ(소결 밀도)의 관계를 나타내는 그래프.
도 13은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 음속의 관계를 나타내는 그래프.
도 14는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 고유 음향 임피던스의 관계를 나타내는 그래프.
도 15는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 유전율 ε의 관계를 나타내는 그래프.
도 16은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 주파수 상수 Nt의 관계를 나타내는 그래프.
도 17은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 주파수 상수 Np의 관계를 나타내는 그래프.
도 18은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 전기 기계 결합 계수 Kt의 관계를 나타내는 그래프.
도 19는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 전기 기계 결합 계수 Kp의 관계를 나타내는 그래프.
도 20은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 압전 왜곡 상수 d33의 관계를 나타내는 그래프.
도 21은, 압전 소자의 절단면을 나타내는 SEM 사진.
도 22는, 2값화한 미소 측정 영역을 나타내는 SEM 사진.
도 23은, 빈구멍 번호를 표시한 미소 측정 영역을 나타내는 화상.
도 24는, 빈구멍 단면적 분포를 나타내는 히스토그램.
도 25는, 보로노이의 선 및 보로노이 번호가 표시된 미소 측정 영역을 나타내는 화상.
도 26은, 보로노이 면적 분포를 나타내는 히스토그램.
도 2는, 압전 소자를 나타내는 평면도.
도 3은, 스프레이 드라이어의 구성도.
도 4는, 샘플 A 내지 C에 있어서의 기공률과 송수 감도의 관계를 나타내는 그래프.
도 5의 (a)는 샘플 A에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프, (b)는 샘플 B에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프, (c)는 샘플 C에 있어서의 초음파의 수신 파형을 나타내는 그래프.
도 6의 (a)는 샘플 A에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프, (b)는 샘플 B에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프, (c)는 샘플 C에 있어서 푸리에 변환 처리된 수신 파형을 나타내는 그래프.
도 7은, 실시예 1의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 8은, 실시예 2의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 9는, 실시예 3의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 10은, 실시예 4의 압전 소자의 외표면을 나타내는 SEM 사진.
도 11은, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 수지 비즈 첨가량과 기공률의 관계를 나타내는 그래프.
도 12는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 밀도 ρ(소결 밀도)의 관계를 나타내는 그래프.
도 13은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 음속의 관계를 나타내는 그래프.
도 14는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 고유 음향 임피던스의 관계를 나타내는 그래프.
도 15는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 유전율 ε의 관계를 나타내는 그래프.
도 16은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 주파수 상수 Nt의 관계를 나타내는 그래프.
도 17은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 주파수 상수 Np의 관계를 나타내는 그래프.
도 18은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 전기 기계 결합 계수 Kt의 관계를 나타내는 그래프.
도 19는, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 전기 기계 결합 계수 Kp의 관계를 나타내는 그래프.
도 20은, KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4) 및 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 있어서, 기공률과 압전 왜곡 상수 d33의 관계를 나타내는 그래프.
도 21은, 압전 소자의 절단면을 나타내는 SEM 사진.
도 22는, 2값화한 미소 측정 영역을 나타내는 SEM 사진.
도 23은, 빈구멍 번호를 표시한 미소 측정 영역을 나타내는 화상.
도 24는, 빈구멍 단면적 분포를 나타내는 히스토그램.
도 25는, 보로노이의 선 및 보로노이 번호가 표시된 미소 측정 영역을 나타내는 화상.
도 26은, 보로노이 면적 분포를 나타내는 히스토그램.
이하, 본 발명을 압전 소자로 구체화한 1실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1은 압전 소자(10)를 나타내는 사시도이고, 도 2는 압전 소자(10)를 나타내는 평면도이다. 압전 소자(10)는, 표면 및 이면을 가지고, 외경이 15 ㎜, 두께가 1 ㎜인 원판상(圓板狀)을 이루고 있다. 본 실시형태의 압전 소자(10)는, 초음파 계측 기기인 초음파 유량계의 초음파 센서로서 사용된다.
또, 압전 소자(10)는, 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 다공질 판상체(11)를 주체로 하고 있다. 본 실시형태의 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스는, 이하의 조성식 (1)로 나타내어지는 나이오븀산 포타슘 소듐계(KNN계)의 압전 세라믹스로서, 첨가물인 금속 원소로서 소량의 Bi(비스무트) 및 Fe(철)을 포함하는 세라믹스이다.
{Lix(K1－yNay)1－x}(Nb1－zSbz)O3 …(1)
다만, 0.03≤x≤0.045, 0.5≤y≤0.58, 0.03≤z≤0.045의 범위를 만족시키는 조성을 가진다.
한편, 본 실시형태의 압전 소자(10)에서는, 기공률이 15% 이상 31% 이하, 바람직하게는 23% 이상 31% 이하로 되어 있다. 또, 압전 소자(10)에서는, 고유 음향 임피던스의 평균치가, 20 MN·s/㎥ 이하, 바람직하게는 15 MN·s/㎥ 이하로 되어 있다. 또한, 압전 소자(10)에서는, 밀도 ρ가 3.7 g/㎤ 이하, 기계적 품질 계수 Qm이 40 이하로 되어 있다.
또, 압전 소자(10)에서는, 두께 방향의 주파수 상수 Nt가 1600 ㎐·m 이상 2100 ㎐·m 이하, 지름 방향의 주파수 상수 Np가 2300 ㎐·m 이상 2800 ㎐·m 이하로 되어 있다. 또한, 압전 소자(10)에서는, 압전 왜곡 상수 d33이 250 pC/N 이상 260 pC/N 이하로 되어 있다.
그리고, 초음파 유량계의 초음파 센서로부터 초음파의 송수신을 행한 경우, 본 실시형태의 압전 소자(10)에서는, 비대역 Δf/fm이 20% 이상으로 된다. 한편, 비대역 Δf/fm은, 주파수 대역폭 Δf와 중심 주파수 fm의 비를 나타내고 있다. 주파수 대역폭 Δf는, 최대 송수 감도로부터 6dB 저감한 송수 감도에서의 주파수의 범위를 초음파 센서의 주파수 대역이라고 규정했을 때에 있어서, 주파수 대역에 있어서의 하한의 주파수인 하한 주파수와, 주파수 대역에 있어서의 상한의 주파수인 상한 주파수의 차를 나타내고 있다. 또, 중심 주파수 fm은, 하한 주파수와 상한 주파수의 중간치를 나타내고 있다.
이하, 압전 소자(10)의 제조 방법에 대하여 상세하게 기술한다.
우선, K2CO3, Na2CO3, Li2CO3, Nb2O5, Sb2O3, Bi2O3, Fe2O3의 원료 분말(순도 99% 이상)을 준비한다. 또, PMMA(폴리메타크릴산 메틸 수지)로 이루어지는 수지 비즈를 준비한다. 그리고, 각각의 금속 원소를 함유하는 원료 분말과 수지 비즈를 칭량(秤量)하고, 볼밀에 의해 알코올 속에서 24시간 혼합해서 혼합 슬러리를 얻는다. 한편, 각각의 금속 원소를 함유하는 원료 분말(화합물)의 종류는 딱히 한정되지 않지만, 각 금속 원소의 산화물, 탄산염 등을 호적하게 사용할 수가 있다.
다음에, 얻어진 혼합 슬러리를 건조시키고, 900℃에서 3시간 가소(假燒)한 후에, 볼밀에 의해서 24시간 분쇄한다. 또한, 바인더로서 폴리바이닐 알코올 수용액을 첨가하여, 조립(造粒)한다. 구체적으로는, 분쇄한 혼합 슬러리에 바인더를 첨가한 것을, 건조실(21) 내에서 스프레이 드라이를 행하는 것에 의해 조립한다. 그리고, 조립 후의 분체를, 건조실(21)에서의 낙하 회수(回收)(본체 회수), 또는 배기 경로(22)의 도중에 마련한 사이클론실(23)에서의 포집(사이클론 회수)에 의해 회수한다(도 3 참조).
그리고, 회수한 조립 후의 분체를 압력 200 MPa에서, 외경이 18 ㎜, 두께가 2 ㎜인 원판상으로 가압 성형하고, 이 성형체를 1000∼1200℃에서 2.5시간 소성하는 것에 의해, 소성체를 제작한다. 또, 분체를 소결함에 따라서, 수지 비즈가 열분해해서 소멸하고, 소멸한 부분이 빈구멍으로 되기 때문에, 다공질의 소성체로 된다. 다음에, 소성체의 양면을 평행 연마하고, 또한 외주면을 연마해서, 외경이 15 ㎜, 두께가 1 ㎜인 원판상으로 가공하는 것에 의해, 다공질 판상체(11)를 얻는다.
그 후, 다공질 판상체(11)의 표면 및 이면에 각각 전극을 형성한다. 구체적으로는, 다공질 판상체(11)의 표면 및 이면에 각각 은(銀)페이스트를 도포하고, 도포한 은페이스트를 700℃에서 소성하는 것에 의해, 전극을 형성한다. 계속해서, 130℃의 실리콘 오일 속에 있어서, 양 전극 간에 3 ㎸/㎜의 직류 전압을 20분간 인가하는 것에 의해, 다공질 판상체(11)를 두께 방향으로 분극시킨다. 이 시점에서, 압전 특성이 발현하여, 압전 소자(10)가 완성된다.
다음에, 압전 소자의 평가 방법 및 그 결과를 설명한다.
우선, 측정용 샘플을 다음과 같이 준비했다. 기공률이 0%인 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(벌크 PZT)를 2개 준비하고, 이것들을 샘플 A로 했다. 기공률이 0%인 KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(벌크 KNN)를 2개 준비하고, 이것들을 샘플 B로 했다. 기공률이 30.5%인 KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(포러스 KNN)를 2개 준비하고, 이것들을 샘플 C로 했다.
다음에, 측정용 샘플(샘플 A 내지 C)에 대해서 비교 시험을 행했다. 구체적으로는, 우선 샘플 A 내지 C 중 어느 하나를 선택하고, 선택한 샘플의 2개의 압전 소자를, 초음파 유량계를 본뜬 검사 지그에 장착했다. 다음에, 장착한 2개의 압전 소자(초음파 센서) 중, 예를 들면 제1의 압전 소자에 대해서 전압을 인가하고, 제1의 압전 소자로부터 제2의 압전 소자에 대해서 초음파를 조사(송신)했다.
그리고, 초음파는, 송신으로부터 소정 시간 경과 후에 제2의 압전 소자에서 수신되고, 제2의 압전 소자의 양단에 전압 신호를 발생한다. 이 때, 제1의 압전 소자의 송신 시의 전압(송신 전압 V1) 및 제2의 압전 소자의 수신 시의 전압(수신 전압 V2)을 오실로스코프에 의해 측정하고, 측정 결과에 기초하여 연산을 행하는 것에 의해, 송수 감도를 산출했다. 한편, 송수 감도는, 송신 전압 V1에 대한 수신 전압 V2의 비이고, 20×log(V2/V1)의 식으로부터 산출되는 것이다. 송수신 전압 V1, V2의 측정 및 송수 감도의 산출은, 샘플 A 내지 C마다 행했다. 한편, 샘플 A 내지 C에 있어서의 기공률과 송수 감도의 관계를 도 4의 그래프에 나타낸다.
그 결과, 샘플 B(벌크 KNN)에서는, 샘플 A(벌크 PZT)보다도 송수 감도가 낮아지는 것이 확인되었다. 그러나, 샘플 C(포러스 KNN)에서는, 샘플 A보다도 송수 감도가 높아지는 것이 확인되었다. 따라서, 리드프리(무연) 재료(KNN)로 압전 소자를 형성함으로써 송수 감도가 저하했다고 해도, 리드프리의 다공질 재료로 압전 소자를 형성한 샘플 C를 채용하면, 납을 포함하는 재료(PZT)로 압전 소자를 형성하는 경우보다도 송수 감도가 높아지는 것이 확인되었다.
또, 샘플 A 내지 C에 있어서의 초음파의 수신 파형을, 오실로스코프에 표시했다(도 5의 (a) 내지 (c) 참조). 또한, 디지털화한 수신 파형의 고속 푸리에 변환(FFT)을 행하는 것에 의해, 주파수 성분의 파워 스펙트럼을 연산했다(도 6의 (a) 내지 (c) 참조).
각 샘플 A 내지 C의 수신 파형을 비교한 결과, 기공률 30.5%의 재료로 이루어지는 샘플 C의 수신 파형(도 5의 (c) 참조)에서는, 진동이 기공률 0%의 재료로 이루어지는 샘플 A, B의 수신 파형(도 5의 (a), (b) 참조)보다도 단시간에 수속되는(0V로 되는) 것이 확인되었다. 즉, 샘플 C에서는, 압전 소자로부터 초음파를 송신할 때의 잔향이 작기 때문에, 다음 초음파를 송신할 때까지의 시간을 단축할 수 있는 것이 확인되었다. 또, 각 샘플 A 내지 C의 파워스펙트럼에 있어서, 송수 감도의 극대치(최대 송수 감도)로부터 6dB 저감 이내의 송수 감도에서의 주파수의 범위를 주파수 대역으로 한 경우, 샘플 C의 수신 파형의 주파수 대역은, 샘플 A, B의 수신 파형의 주파수 대역보다도 넓은 것이 확인되었다(도 6 참조).
또한, 측정용 샘플을 다음과 같이 준비했다. KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 10.0wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 스프레이 드라이로 조립하고, 조립 후의 분체를 본체 회수와 사이클론 회수에 의해 회수했다. 그리고, 각각 회수한 분체를 사용하여 압전 소자(10)를 제작하고, 사이클론 회수를 실시예 1(도 7 참조), 본체 회수를 실시예 3(도 9 참조)으로 했다. 본체 회수에서는 비교적 무거운 입자가 회수되고, 사이클론 회수에서는 비교적 가벼운 입자가 회수된다는 점에서, 본체 회수와 사이클론 회수는 수지 비즈의 함유 비율이 다르다. 그 결과, 본체 회수만으로 제작한 압전 소자와 사이클론 회수만으로 제작한 압전 소자에서는, 기공률이 다른 것으로 된다. 또, KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 20.0wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 스프레이 드라이로 조립하고, 조립 후의 분체를 본체 회수와 사이클론 회수에 의해 회수한 후, 각각 회수한 분체를 사용하여 압전 소자(10)를 제작하고, 사이클론 회수를 실시예 2(도 8 참조), 본체 회수를 실시예 4(도 10 참조)로 했다.
한편, KNN계 압전 세라믹스의 가소 가루(粉)와 수지 비즈를 혼합하고, 이것에 바인더 용액을 적하해서 혼련(混鍊)한 것을 건조, 분쇄해서 조립하는 방법(반습식 조립)으로도 조립 가루를 제작했다. 구체적으로는, KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 0.0wt% 첨가해서 이루어지는(첨가하지 않는) 슬러리를 반습식 조립하고, 조립 후의 분체를 사용하여 압전 소자를 제작하고, 이것을 비교예 1로 했다. KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 2.9wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 반습식 조립하고, 조립 후의 분체를 사용하여 압전 소자를 제작하고, 이것을 비교예 2로 했다. KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 4.4wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 반습식 조립하고, 조립 후의 분체를 사용하여 압전 소자를 제작하고, 이것을 비교예 3으로 했다. KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 5.9wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 반습식 조립하고, 조립 후의 분체를 사용하여 압전 소자를 제작하고, 이것을 비교예 4로 했다. KNN계 압전 세라믹스에 수지 비즈를 30.0wt% 첨가해서 이루어지는 혼합 슬러리를 반습식 조립하고, 조립 후의 분체를 사용하여 압전 소자를 제작하고, 이것을 비교예 5로 했다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 재료 특성을 표 1에 나타낸다. 한편, 반습식 조립에서는, 스프레이 드라이에 의한 조립과 달리, 조합(調合) 비율대로 수지 비즈를 배합할 수 있는 반면, 혼합 상태가 불균일하게 되기 쉽다고 하는 문제가 있다.
다음에, 각 측정용 샘플(실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5)의 압전 소자에 대하여, 전기적 특성을 측정했다. 그 측정 결과를 표 1 및 도 11 내지 도 20의 그래프에 나타낸다. 또, 기공률 0%, 15%, 21%, 25%의 PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자에 대하여도, 각 측정용 샘플과 마찬가지로 전기적 특성을 측정했다. 그 측정 결과를 도 12 내지 도 20에 나타낸다. 한편, 비교예 5는, 기공률이 지극히 높다(기공률 61.6%)는 점에서, 강도가 낮기 때문에 파손되어 버려, 모든 전기적 특성을 측정할 수는 없었다.
구체적으로는, 우선 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 압전 소자의 기공률을 측정했다. 구체적으로는, 아르키메데스법, 중량 기공률법 등의 종래 공지의 수법을 사용하여 기공률을 측정했다. 그 결과, 실시예 1 내지 4에서는, 기공률이 15% 이상 31% 이하로 되는 것이 확인되었다. 특히, 실시예 2∼4에서는, 기공률이 23% 이상 31% 이하로 되는 것이 확인되었다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 기공률의 값을 표 1, 도 11에 나타낸다. 또, 도 11의 그래프는, 반습식 조립의 경우(비교예 1 내지 5), 스프레이 조립(본체 회수)의 경우(실시예 3, 4), 및 스프레이 조립(사이클론 회수)의 경우(실시예 1, 2)의 각각에 있어서, 수지 비즈 첨가량과 기공률의 관계를 나타내고 있다. 그 결과, 조립 방법에 관계없이, 수지 비즈 첨가량이 증대함에 따라서 기공률이 높아지는 것이 확인되었다.
다음에, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 압전 소자의 밀도 ρ를 계측했다. 구체적으로는, 다공질 판상체(압전 소자)의 외경 및 두께를 측정하고, 측정한 외경 및 두께에 기초하여 다공질 판상체의 체적을 산출했다. 또, 다공질 판상체의 질량을 측정했다. 그리고, 산출한 체적과 측정한 질량에 기초하여, 밀도 ρ를 산출했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상인 실시예 1 내지 4 및 비교예 5에서는, 밀도 ρ가 3.7 g/㎥ 이하로 되고, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4의 밀도 ρ보다도 작은 것이 확인되었다(표 1, 도 12 참조). 또, 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4인 KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(이하, 「KNN」이라고 함)의 밀도 ρ는, PZT계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(이하, 「PZT」라고 함)의 밀도 ρ보다도 전체적으로 낮은 것이 확인되었다(도 12 참조).
다음에, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 있어서, 압전 소자 내를 전반하는 종파(縱波)(초음파)의 음속을 계측했다. 구체적으로는, 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 다공질 판상체(11)의 주면(12)의 중심(C1)을 지나는 직선(L1)을 설정하고, 직선(L1) 상에서 서로 이간한 20개의 측정점(P1)을 설정하고, 각 측정점(P1)에서 음속을 측정했다. 한편, 각 측정점(P1)은, 직선(L1) 상에 있어서 등간격으로 배치했다. 그리고, 각 측정점(P1)에서 음속을 측정했을 때의 평균치를 산출했다. 그 결과, 기공률이 10% 이상인 실시예 1 내지 4 및 비교예 4에서는, 음속의 평균치가 5200 m/s 이하로 되어, 기공률이 10% 미만인 비교예 1 내지 3의 음속의 평균치보다도 낮은 것이 확인되었다(표 1, 도 13 참조). 또, 실시예 1에서는, 각 측정점(P1)에 있어서의 음속의 최대치가 5250 m/s로서, 각 측정점(P1)에 있어서의 음속의 최소치가 5120 m/s인 것이 확인되었다. 마찬가지로, 실시예 2에서는, 음속의 최대치가 4570 m/s, 최소치가 4100 m/s인 것이 확인되고, 실시예 3에서는, 음속의 최대치가 4580 m/s, 최소치가 4120 m/s인 것이 확인되고, 실시예 4에서는, 음속의 최대치가 3970 m/s, 최소치가 3800 m/s인 것이 확인되었다. 즉, 실시예 1 내지 4에서는, 각 측정점(P1)에 있어서의 음속 값이 평균치의 ±5% 이내인 것이 확인되었다. 또, KNN의 음속의 평균치는, PZT의 음속의 평균치보다도 전체적으로 높은 것이 확인되었다(도 13 참조).
그리고, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 있어서, 압전 소자의 고유 음향 임피던스를 계측했다. 구체적으로는, 압전 소자의 밀도 ρ와 초음파의 음속의 평균치의 곱을 산출하고, 산출한 곱을 고유 음향 임피던스로 했다. 그 결과, 실시예 1 내지 4 및 비교예 4에서는, 고유 음향 임피던스가 20 MN·s/㎥ 이하로 되는 것이 확인되었다. 특히, 실시예 2 내지 4에서는, 고유 음향 임피던스가 15 MN·s/㎥ 이하로 되는 것이 확인되었다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 고유 음향 임피던스의 값을 표 1, 도 14에 나타낸다. 또, KNN의 고유 음향 임피던스는, PZT의 고유 음향 임피던스보다도 전체적으로 낮은 것이 확인되었다(도 14 참조). 따라서, 고유 음향 임피던스가 비교적 낮은 실시예 1 내지 4 및 비교예 4, 특히 실시예 2 내지 4를 채용하면, 초음파가 압전 소자 내를 전반하기 쉬워지기 때문에, 송수 감도가 높아지는 것이 확인되었다. 또, 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역을 넓힐 수 있으며, 또한 초음파를 송신할 때의 잔향을 저감할 수 있는 것이 확인되었다.
또, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 압전 소자의 유전율 ε을 측정했다. 그 결과, 기공률이 높아짐에 따라서, 유전율 ε이 저하하는 경향이 있다는 것이 확인되었다(표 1, 도 15 참조). 또, KNN의 유전율 ε은, PZT의 유전율 ε보다도 낮은 경향이 있지만, 기공률이 25% 이상일 때에, PZT의 유전율 ε과 동등하게 되는 것이 확인되었다(도 15 참조).
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 압전 소자의 기계적 품질 계수 Qm을 측정했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상인 실시예 1 내지 4 및 비교예 5에서는, 기계적 품질 계수 Qm이 40 이하로 되어, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4의 기계적 품질 계수 Qm보다도 작은 것이 확인되었다(표 1 참조). 따라서, 기계적 품질 계수 Qm이 비교적 낮은 실시예 1 내지 4 및 비교예 5, 특히 기공률이 31% 이하인 실시예 1 내지 4를 채용하면, 초음파의 송신 후에 압전 소자의 진동이 신속하게 수속되어, 잔향이 저감되는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에 있어서, 압전 소자의 두께 방향의 주파수 상수 Nt를 측정했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상인 실시예 1 내지 4에서는, 주파수 상수 Nt가 1600 ㎐·m 이상 2100 ㎐·m 이하로 되고, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4보다도 작은 것이 확인되었다(도 16 참조). 또, KNN의 주파수 상수 Nt는, PZT의 주파수 상수 Nt보다도 전체적으로 큰 것이 확인되었다(도 16 참조).
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에 있어서, 압전 소자의 지름 방향의 주파수 상수 Np를 측정했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상 31% 이하인 실시예 1 내지 4에서는, 주파수 상수 Np가 2300 ㎐·m 이상 2800 ㎐·m 이하로 되어, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4나 기공률이 31%보다도 높은 비교예 5보다도 작은 것이 확인되었다(표 1, 도 17 참조). 또, KNN의 주파수 상수 Np는, PZT의 주파수 상수 Np보다도 전체적으로 큰 것이 확인되었다(도 17 참조).
또, 임피던스 애널라이저를 사용하여, 압전 소자의 두께 방향의 전기 기계 결합 계수 Kt를 25℃의 온도에서 측정했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상인 실시예 1 내지 4에서는, 전기 기계 결합 계수 Kt가 41% 이상 44% 이하로 되어, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4와 동일 정도라는 것이 확인되었다(표 1, 도 18 참조). 또, KNN의 전기 기계 결합 계수 Kt는, PZT의 전기 기계 결합 계수 Kt보다도 전체적으로 낮은 것이 확인되었다(도 18 참조).
임피던스 애널라이저를 사용하여, 압전 소자의 지름 방향의 전기 기계 결합 계수 Kp를 25℃의 온도에서 측정했다. 그 결과, 기공률이 15% 이상 31% 이하인 실시예 1 내지 4에서는, 전기 기계 결합 계수 Kp가 27% 이상 36% 이하로 되고, 기공률이 15% 미만인 비교예 1 내지 4보다는 낮지만, 기공률이 31%보다도 큰 비교예 5보다는 높은 것이 확인되었다(표 1, 도 19 참조). 또, KNN의 전기 기계 결합 계수 Kp는, 기공률이 20% 이하의 범위 내에서는, PZT의 전기 기계 결합 계수 Kp보다도 낮지만, 기공률이 20%보다도 커지면, PZT의 전기 기계 결합 계수 Kp보다도 높아지는 것이 확인되었다(도 19 참조).
또한, d33/d31 미터를 사용하여, 압전 소자의 압전 왜곡 상수 d33을 25℃의 온도에서 측정했다. 그 결과, 실시예 1 내지 4에서는, 압전 왜곡 상수 d33이 250 pC/N 이상 260 pC/N 이하로 되어, 비교예 1, 2보다도 낮고, 비교예 3, 4보다도 높은 것이 확인되었다(표 1, 도 20 참조). 또, KNN의 압전 왜곡 상수 d33은, PZT의 압전 왜곡 상수 d33보다도 전체적으로 낮은 것이 확인되었다(도 20 참조).
다음에, 화상 해석 소프트를 사용하여, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 화상 해석을 행했다. 구체적으로는, 우선 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 SEM 화상의 읽어들임을 행했다. 한편, 여기서 사용되는 SEM 화상은, 다공질 판상체(11)(압전 소자(10))의 주면(12)의 중심(C1)을 지나는 직선(L1)을 따른 절단면을 200배로 확대한 화상이다.
다음에, 절단면에 있어서 직선(L1) 방향으로 서로 이간한 위치에, 사각 형상의 미소 측정 영역(A1)(도 21 참조)을 20 이상 설정했다. 그 후, 설정한 20 이상의 미소 측정 영역(A1) 중에서 1개의 미소 측정 영역(A1)을 절취했다. 또한, 절취한 미소 측정 영역(A1)을, 빈구멍 부분이 검게 표시되어, 빈구멍과는 다른(別) 부분이 하얗게 표시되도록 2값화했다(도 22 참조). 그리고, 10 ㎛2 이상의 빈구멍 수를 카운트했다. 또, 카운트한 빈구멍마다 빈구멍 번호를 부여했다(도 23 참조).
한편, 상술한 절취→2값화→빈구멍의 카운트→빈구멍 번호의 부여 처리는, 각각의 미소 측정 영역(A1)에 대해서 행했다. 그리고, 각 미소 측정 영역(A1)에 있어서, 빈구멍의 수(Count), 빈구멍 단면적의 최소치(Min), 빈구멍 단면적의 평균치(Mean), 빈구멍 단면적의 최대치(Max), 표준 편차 σ(StdDev), 분산 CV를 산출했다. 또, 빈구멍의 단면적 분포를 나타내는 히스토그램(도 24 참조)을 작성했다. 그 결과, 실시예 1 내지 4에서는, 예를 들면 빈구멍 단면적의 평균치가 33 ㎛2 이상 65 ㎛2 이하로 되고, 표준 편차 σ가 25 ㎛2 이상 95 ㎛2 이하로 되고, 분산 CV가 80% 이상 150% 이하로 되는 것이 확인되었다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 빈구멍의 수, 빈구멍 단면적의 최소치, 빈구멍 단면적의 평균치, 빈구멍 단면적의 최대치, 표준 편차 σ 및 분산 CV를 표 2에 나타낸다. 한편, 빈구멍 단면적의 평균치가 작을수록, 빈구멍이 치밀하게 분산되어 있는 것을 나타내고, 표준 편차 σ가 작을수록, 균일하게 분산되어 있다는 것을 나타내고, 분산 CV가 작을수록, 평균치로부터 먼 빈구멍 단면적이 적은 것을 나타내고 있다. 한편, 비교예 5와 같이, 빈구멍 단면적의 분산 CV가 305%로 큰 경우에는, 빈구멍의 치우침에 의해서 기계적 강도가 불균일하게 되어, 제조 상의 수율 저하나, 초음파 구동에 있어서의 신뢰성 저하가 발생하는 것이 확인되었다.
다음에, 빈구멍의 분산도를 해석했다. 우선, 절취한 미소 측정 영역(A1)에 존재하는 다수의 빈구멍 중에서, 인접하는 한 쌍의 빈구멍을 선택했다. 다음에, 선택한 양 빈구멍에 있어서, 빈구멍의 개구 가장자리(緣)로부터의 거리가 서로 똑같아지는 개소에 점을 설정하고, 설정한 점을 지나는 선의 화상을 작성했다. 그리고, 빈구멍을 둘러싸도록 선을 묘화하고, 선(외형선)으로 둘러싸인 영역을 보로노이 영역(A2)으로 했다. 여기에서는, 미소 측정 영역(A1)에 있는 모든 빈구멍에 대해서, 보로노이 영역(A2)을 설정했다. 다음에, 보로노이 영역(A2)의 외형선이 검게 표시되고, 외형선과는 다른(別) 부분이 하얗게 표시되도록 2값화했다(도 25 참조). 한편, 보로노이 영역(A2)의 외형선이 하얗게 표시되고, 외형선과는 다른 부분이 검게 표시되도록 2값화해도 된다. 그리고, 보로노이 영역(A2)의 수를 카운트했다. 또, 카운트한 보로노이 영역(A2)마다 보로노이 번호를 부여했다(도 25 참조).
한편, 상술한 보로노이 영역(A2)의 설정→2값화→보로노이 영역(A2)의 카운트→보로노이 번호의 부여 처리는, 각각의 미소 측정 영역(A1)에 대해서 행했다. 그리고, 각 미소 측정 영역(A1)에 있어서, 보로노이 영역(A2)의 수(Count), 보로노이 영역(A2)의 면적(보로노이 면적)의 최소치(Min), 보로노이 면적의 평균치(Mean), 보로노이 면적의 최대치(Max), 표준 편차 σ(StdDev), 분산 CV를 산출했다. 또, 보로노이 영역(A2)의 면적 분포를 나타내는 히스토그램(도 26 참조)을 작성했다. 그 결과, 실시예 1 내지 4에서는, 보로노이 면적의 평균치가 270 ㎛2 이상 560 ㎛2 이하로 되고, 표준 편차 σ가 170 ㎛2 이상 700 ㎛2 이하로 되고, 분산 CV가 50% 이상 125% 이하로 되는 것이 확인되었다. 특히, 실시예 1 내지 3에서는, 보로노이 면적의 평균치가 270 ㎛2 이상 370 ㎛2 이하로 되고, 표준 편차 σ가 170 ㎛2 이상 200 ㎛2 이하로 되고, 분산 CV가 50% 이상 65% 이하로 되는 것이 확인되었다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5의 보로노이 영역(A2)의 수, 보로노이 면적의 최소치, 보로노이 면적의 평균치, 보로노이 면적의 최대치, 표준 편차 σ 및 분산 CV를 표 3에 나타낸다. 한편, 보로노이 면적의 평균치가 작을수록, 빈구멍이 치밀하게 분산되어 있는 것을 나타내고, 표준 편차 σ가 작을수록, 균일하게 분산되어 있는 것을 나타내고, 분산 CV가 작을수록, 평균치로부터 먼 보로노이 면적이 적은 것을 나타내고 있다. 한편, 비교예 5와 같이, 보로노이 면적의 분산 CV가 156%로 큰 경우에는, 빈구멍의 치우침에 의해서 기계적 강도가 불균일하게 되어, 제조 상의 수율 저하나, 초음파 구동에 있어서의 신뢰성 저하가 발생하는 것이 확인되었다.
따라서, 본 실시형태에 의하면 이하의 효과를 얻을 수가 있다.
(1) 본 실시형태에서는, 환경에 유해한 납을 포함하지 않는 KNN계 압전 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(10)가, “다공질”의 판상체를 주체로 하고, 기공률이 15% 이상으로 되어 있다. 따라서, 초음파 유량계를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 S/N비나 송수 감도를, 압전 소자가 타이타늄산 지르콘산 납(PZT)의 다공질이 아닌 판상체를 주체로 하는 경우와 동등 이상으로 높게 할 수가 있다. 또, 압전 소자(10)의 기공률이 31% 이하이기 때문에, 기계적 강도를 해치는 일 없이, 송수 감도를 높게 할 수가 있다. 게다가, 압전 소자(10)의 고유 음향 임피던스의 평균치가 20 MN·s/㎥ 이하로 낮게 되어 있다. 따라서, 초음파가 압전 소자(10) 내를 전반하기 쉬워지기 때문에, 송수 감도가 한층 더 높아짐과 함께, 초음파 유량계를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역을 넓힐 수가 있다. 또한, 압전 소자(10)는, PZT보다도 부드러운(딱딱하지 않은) KNN계 압전 세라믹스로 이루어지고, 게다가 다공질의 판상체를 주체로 하고 있다. 이 때문에, 압전 소자가 PZT제 다공질이 아닌 판상체를 주체로 하는 경우보다도, 압전 소자(10)의 강성이 낮아진다. 그 결과, 초음파의 송신 후에 압전 소자(10)의 진동이 수속되기 쉬워지기 때문에, 초음파를 송신할 때의 잔향을 저감할 수가 있다.
(2) 본 실시형태에서는, 압전 소자(10)의 기계적 품질 계수 Qm이 40 이하로 낮기 때문에, 초음파의 송신 후에 압전 소자(10)의 진동이 신속하게 수속된다. 바꾸어 말하면, 잔향이 저감되기 때문에, 초음파 유량계를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때의 주파수 대역도 넓게 할 수가 있다. 또, 초음파의 송신 후에 압전 소자(10)의 진동이 신속하게 수속되는 결과, 초음파의 수신 시에는 압전 소자(10)의 진동이 이미 수속되어 있기 때문에, 입사된 초음파를 정확하게 수신 가능해진다. 또, 다음 초음파를 송신할 때까지의 시간을 단축할 수도 있다.
(3) 본 실시형태의 압전 소자(10)는, PZT보다도 부드러운 KNN계 압전 세라믹스로 이루어지고, 게다가 다공질이다. 이 때문에, 무를(취약할) 뿐만 아니라, 초음파 유량계를 사용하여 초음파의 송수신을 행할 때에 초음파를 균질하게 출력할 수 없을 우려가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 동등한 빈구멍 단면적을 가지는 빈구멍이 동일하게 배치되며, 또한 동등한 보로노이 면적을 가지는 보로노이 영역(A2)이 동일하게 배치된 각 미소 측정 영역(A1)(도 23, 도 25 참조)을, 다공질 판상체(11)의 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 배치하고 있다. 그 결과, 압전 소자(10)가 기계적으로 균질하게 되기 때문에, 각 미소 측정 영역(A1)으로부터 동일한 속도의 초음파를 송신할 수 있음과 함께, 각 미소 측정 영역(A1)에 있어서 초음파를 동일하게 수신할 수가 있다. 따라서, 압전 소자(10)기 음향적으로 균질하게 되어, 초음파의 송수신을 고정밀도(高精度)로 행할 수가 있다. 그러므로, 초음파 유량계로서 사용하기에 적합한 품질·성능을 가지는 압전 소자(10)를 얻을 수가 있다.
(4) 본 실시형태의 압전 소자(10)는, 지름 방향의 주파수 상수 Np가 2300 ㎐·m 이상 2800 ㎐·m 이하이고, 압전 소자(10)와 동일한 기공률에 있어서의 PZT제 압전 소자의 주파수 상수 Np(1700 ㎐·m 이상 2000 ㎐·m 이하)보다도 크다(도 17 참조). 이 지름 방향 진동을 사용하여 초음파를 송수신하는 경우, PZT일 때와 동등한 주파수를 실현하려면, PZT제 압전 소자보다도 압전 소자(10)의 외경을 크게 할 필요가 있다. 그러면, 압전 소자(10)(다공질 판상체(11))의 주면(12)의 면적이 커지기 때문에, 결과적으로 송수 감도를 높게 할 수가 있다. 또, 압전 소자(10)는, 두께 방향의 주파수 상수 Nt가 1600 ㎐·m 이상 2100 ㎐·m 이하이고, 압전 소자(10)와 동일한 기공률에 있어서의 PZT제 압전 소자의 주파수 상수 Nt(1000 ㎐·m 이상 1550 ㎐·m 이하)보다도 크다(도 16 참조). 이 두께 방향 진동을 사용하여 초음파를 송수신하는 경우, PZT일 때와 동등한 주파수를 실현하려면, PZT제 압전 소자보다도 압전 소자(10)를 두껍게 할 필요가 있지만, 결과적으로 압전 소자(10)의 강도를 확보할 수가 있다, 두께 방향의 가공 정밀도의 치수 공차를 완화시킬 수가 있다, 압전 소자의 내전압을 높게 할 수 있다는 등의 이점이 생긴다.
(5) 본 실시형태에 있어서의 실시예 1 내지 4의 압전 소자(10)는, 첨가물인 금속 원소로서 Ta(탄탈럼)를 포함하고 있지 않다. 나이오븀산 포타슘 소듐계의 압전 소자에서는, 첨가물인 금속 원소로서 Ta을 포함시킴으로써 압전 특성이 양호해진다는 것이 알려져 있지만, Ta은 다른 원소(Nb이나 Sb)와 비교해서 고가의 재료이다. 따라서, 본 실시형태에서는, Ta을 포함시키지 않아도 압전 특성이 양호한 압전 소자(10)를 제조할 수 있어, 제조 코스트를 낮게 억제하는 것이 가능해진다.
한편, 상기 실시형태를 이하와 같이 변경해도 된다.
·상기 실시형태에서는, KNN계의 세라믹스로 이루어지는 압전 소자(10)를 사용했지만, 압전 소자(10)는 다른 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스로 이루어져 있어도 된다. 예를 들면, 압전 소자(10)는, 페로브스카이트 구조의 결정상(結晶相)을 포함하고, 이하의 조성식 (2)로 나타내어지는 압전 소자이더라도 된다.
{Lix(K1－yNay)1－x}a(Nb1－z－wTazSbw)O3 …(2)
다만, 상기 조성식 (2)에 있어서, 0.90≤a≤1.2, 0.02≤x≤0.2, 0.2≤y≤0.8, 0≤z≤0.5, 0≤w≤0.2의 조성 범위에 있는 것이 압전 소자(10)로서 사용된다. 또, 상기 조성식 (2)에 있어서, Bi나 Fe 등의 금속 원소를 첨가물로서 포함시키는 것에 의해, 압전 소자(10)를 제조해도 된다.
·상기 실시형태의 압전 소자(10)는, 초음파 유량계의 초음파 센서로서 사용되고 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 압전 소자(10)를, 액체 속을 전반하는 초음파의 감쇠율을 측정하고, 그 감쇠율에 기초하여 기포의 유무를 판정하는 기포 검지 센서, 초음파의 감쇠율에 기초하여 액체의 농도를 검출하는 초음파 농도계, 공기 속에서 거리를 계측하는 공중 센서, 초음파의 수신 가부에 기초하여 장애물의 유무를 판정하는 장애물 검지 센서 등의 초음파 계측 기기에 사용해도 된다. 또, 상기의 용도 이외에, 엔진의 노킹 센서 등의 초음파 계측 기기에 압전 소자(10)를 사용해도 된다. 한편, 본 실시형태의 압전 소자(10)는, 원판상이었지만, 용도에 따라 소자의 형상(예를 들면 직사각형상(矩形狀))이나 사이즈를 적당히 변경해도 된다.
다음에, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 외에, 전술한 실시형태에 의해서 파악되는 기술적 사상을 이하에 열거한다.
(1) 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 두께 방향의 주파수 상수 Nt가 1600 ㎐·m 이상 2100 ㎐·m 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자.
(2) 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 지름 방향의 주파수 상수 Np가 2300 ㎐·m 이상 2800 ㎐·m 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자.
(3) 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 압전 왜곡 상수 d33이 250 pC/N 이상 260 pC/N 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자.
(4) 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스가 KNN계 압전 세라믹스인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자.
10…압전 소자
11…다공질 판상체
12…다공질 판상체의 주면
A1…미소 측정 영역
C1…주면의 중심
fm…중심 주파수
Δf…주파수 대역폭
Δf/fm…비대역
L1…직선
P1…측정점
11…다공질 판상체
12…다공질 판상체의 주면
A1…미소 측정 영역
C1…주면의 중심
fm…중심 주파수
Δf…주파수 대역폭
Δf/fm…비대역
L1…직선
P1…측정점
Claims (8)
- 나이오븀산 알칼리계 압전 세라믹스의 다공질 판상체를 주체로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자로서,
기공률이 15% 이상 31% 이하이고,
고유 음향 임피던스의 평균치가 20 MN·s/㎥ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 기공률이 23% 이상 31% 이하이고,
상기 고유 음향 임피던스의 평균치가 15 MN·s/㎥ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선 상에서 서로 이간한 20 이상의 측정점을 설정하고, 상기 각 측정점에서 음속을 측정했을 때의 평균치가 5200 m/s 이하이며, 또한 상기 각 측정점에 있어서의 상기 음속 값이 상기 평균치의 ±5% 이내인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선을 따른 절단면에 있어서 상기 직선 방향으로 서로 이간한 위치에 20 이상의 미소 측정 영역을 설정하고, 상기 각 미소 측정 영역에서 빈구멍 단면적을 측정했을 때의 평균치가 33 ㎛2 이상 65 ㎛2 이하이고, 표준 편차 σ가 25 ㎛2 이상 95 ㎛2 이하이고, 분산 CV가 80% 이상 150% 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다공질 판상체의 주면의 중심을 지나는 직선을 따라 절단한 단면에 있어서 상기 직선 방향으로 서로 이간한 위치에 20 이상의 미소 측정 영역을 설정하고, 상기 각 미소 측정 영역에서 보로노이 면적을 측정했을 때의 평균치가 270 ㎛2 이상 370 ㎛2 이하이고, 표준 편차 σ가 170 ㎛2 이상 200 ㎛2 이하이고, 분산 CV가 50% 이상 65% 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
밀도 ρ가 3.7 g/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
기계적 품질 계수 Qm이 40 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
초음파 계측 기기를 사용하여 초음파의 송수신을 행한 경우, 최대 송수 감도로부터 6dB 저감한 송수 감도에서의 주파수의 범위를 주파수 대역으로 하고, 상기 주파수 대역에 있어서의 하한의 주파수를 하한 주파수로 하고, 상기 주파수 대역에 있어서의 상한의 주파수를 상한 주파수로 하고, 상기 하한 주파수와 상기 상한 주파수의 중간치를 중심 주파수 fm으로 하고, 상기 하한 주파수와 상기 상한 주파수의 차를 주파수 대역폭 Δf로 하고, 상기 주파수 대역폭 Δf와 상기 중심 주파수 fm의 비를 비대역 Δf/fm으로 했을 때, 상기 비대역 Δf/fm이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 계측 기기용의 압전 소자.
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| WO2003023874A1 (fr) * | 2001-09-11 | 2003-03-20 | Ngk Insulators, Ltd. | Procede de fabrication d'un dispositif piezo-electrique/electrostrictif |
| KR20050004815A (ko) * | 2002-04-18 | 2005-01-12 | 데이카 가부시키가이샤 | 컴포지트 압전체 |
| JP2011249533A (ja) | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Ngk Insulators Ltd | 圧電素子の製造方法 |
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| JP2019114979A (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-11 | 京セラ株式会社 | 超音波センサ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160133826A1 (en) * | 2014-11-06 | 2016-05-12 | Agency For Science, Technology & Research | Method of making lead-free ceramic coating |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003023874A1 (fr) * | 2001-09-11 | 2003-03-20 | Ngk Insulators, Ltd. | Procede de fabrication d'un dispositif piezo-electrique/electrostrictif |
| KR20050004815A (ko) * | 2002-04-18 | 2005-01-12 | 데이카 가부시키가이샤 | 컴포지트 압전체 |
| JP2011249533A (ja) | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Ngk Insulators Ltd | 圧電素子の製造方法 |
| JP2018514493A (ja) | 2015-04-01 | 2018-06-07 | サビック グローバル テクノロジーズ ビー．ブイ． | 構造化コンポジットの圧電特性向上のための形状制御されたセラミックフィラー |
| JP2019114979A (ja) * | 2017-12-25 | 2019-07-11 | 京セラ株式会社 | 超音波センサ |
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