(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項２】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材を、厚さ方向に複数重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項３】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の圧電前駆材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項４】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項５】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に櫛歯状のパターンで配列した平板状の複合材と、
平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項６】
圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定のパターンとなるように、塗り重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法。
【請求項７】
空隙形成材が除去された空隙部に、充填材を充填する請求項１から６のいずれかに記載の圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図１１に示すような様々な構造の圧電体が、超音波探触子などの電気音響変換素子として用いられてきた。例えば、図１１（ａ）、（ｂ）に示すような１次元または２次元のアレイ型超音波探触子に用いられる圧電体や、図１１（ｃ）に示す圧電複合材料などである。
【０００３】
図１１において、１０１は圧電セラミック、１０２は充填材、１０３は基盤である。図１１に示すように、いずれの圧電体も微小な板状、あるいは柱状の圧電セラミックが多数、配列した構造となっているものであり、圧電セラミック以外の空隙部は強度を高めるために、（ｃ）のように充填材として樹脂などが充填されていることが一般的である。
【０００４】
図１１（ａ）、（ｂ）の圧電体を用いたアレイ型超音波探触子では、個々の圧電セラミックから独立に超音波を送受信する必要があるため、分割された圧電セラミックは、それぞれリード線を通して駆動回路と接続されている（リード線と駆動回路は図示せず）。一方、図１１（ｃ）の圧電複合材料は、その上下面に電極が一面に形成されている（図示せず）。
【０００５】
このように、一般的な圧電体は、多数の微細な圧電セラミックが配列された構造となっているものが多い。このような構造の圧電体は、例えば以下に示すような工法により製作されてきた。
【０００６】
まず、図１１（ａ）のような１次元アレイ型の圧電体は、次のようにして作製する。はじめに、超音波探触子の使用周波数に合わせた厚さ（通常は使用する超音波の波長の約１／２の厚さとする）の圧電セラミック平板を用意し、基盤１０３などの上に接合する。そして、予め設計した幅となるよう、ダイシングソーなどの切断機を用いて、図１１（ａ）に示すように１次元的に一方向に圧電セラミック平板を切断することで、圧電セラミック１０１が多数配列した図１１（ａ）のような１次元アレイ型の圧電体を作製することができる。
【０００７】
さらに、図１１（ｂ）のような２次元アレイ型の圧電体を作製する場合は、上記図１１（ａ）の１次元アレイ型の圧電体を、先に切断した方向と垂直方向に、予め設計された幅となるよう、ダイシングソーなどの切断機を用いて、図１１（ｂ）に示すような２次元的な構造となるように圧電セラミック１０１を切断することで、多数の柱状の圧電セラミック１０１の柱が配列した図１１（ｂ）のような２次元アレイ型の圧電体を作製することができる。
【０００８】
このように、図１１（ａ）、（ｂ）に示す構造の圧電体を用いて、１次元または２次元のアレイ型超音波探触子を作製することが可能であった。
【０００９】
また、図１１（ｂ）の構造の圧電体において、切断してできた溝に充填材２を充填すれば、図１１（ｃ）に示すような圧電複合材料を作製することも可能であった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような、超音波探触子等に用いられる従来の圧電体の製造方法は、破損しやすい圧電セラミックにダイシングによる微細な機械加工をおこなっていたため、圧電セラミックに欠けや割れなどが発生し、圧電特性の劣化が生じたり、アレイ型の圧電体においては各素子ごとの特性がばらついてしまったり、圧電複合材料を構成した場合には、部分的に特性が劣化したり、特性が不均一になってしまうといった問題があった。
【００１１】
また、音響上やエネルギー変換効率の点からの要求によって、圧電セラミックの間の寸法を極端に狭くして配列したり、アスペクト比の高い圧電セラミックを配列させた圧電体が必要な場合にも、このような形状の圧電体を製造することは非常に困難であった。また更に、複雑な形状の圧電体、例えば曲面を有するような形状の圧電体を形成することも非常に困難であった。
【００１２】
また、圧電セラミックは、微細なあるいは複雑な加工が困難であり、加工がそれほど容易ではないため、歩留まりが悪いという問題があった。特に、図１１（ｂ）、（ｃ）のような溝部分の多い構造を形成する場合には、圧電セラミックに多数の加工をする必要があるため、加工時間が長くかかることや、ダイシングソーなどの加工治具の磨耗の問題などがあった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、特性が均一で、高く、微細な圧電セラミックが配列した圧電体、特にアスペクト比の高い圧電セラミックが配列した圧電体や、例えば曲面を有するような従来の機械加工では製造することが非常に困難であった圧電体を、歩留まり高く製造することを可能とする方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記従来の課題を解決するために本発明は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去する圧電体の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、微細な圧電セラミックが配列した構造や、曲面などを有する複雑な構造を含む圧電体で、圧電特性が高く、圧電体の内部が均一な特性である圧電体の製造方法であって、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去するものであって、破損し易い焼結した圧電セラミックに機械加工などによる加工を必要とせずに、所望の形状の圧電体を形成することができるため、微細構造を有する圧電体や、複雑形状の圧電体を、高精度に歩留まり良く形成できるものである。
【００１６】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【００１７】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材を、厚さ方向に複数重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【００１８】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、平板状の圧電前駆材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【００１９】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを厚さ方向と垂直の少なくとも一方向に所定のパターンで配列した平板状の複合材と、平板状の空隙形成材とを所定の順序で重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【００２０】
本発明の一実施形態は、圧電材料を含む粉末と結合材とを混合した圧電前駆材と、空隙形成材とを所定のパターンとなるように、塗り重ねて複合体を形成し、前記複合体から、空隙形成材を除去することを特徴とする圧電体の製造方法である。
【００２１】
上記実施形態において、好ましくは空隙形成材が除去された空隙部に、充填材を充填するものである圧電体の製造方法である。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図であり、例えば図１１（ａ）に示した１次元のアレイ型超音波探触子に用いられる圧電体を製造する場合に用いられる工程である。図１１（ａ）に示した圧電体は、板状の圧電セラミックがその厚さ方向に所定の間隔で配列した構造となっているものである。図１において１は圧電前駆材であり、２は空隙形成材である。
【００２４】
図１に示す各工程は、（ａ）圧電前駆材１と空隙形成材２が交互に積み重った構造の複合体３を形成する工程、（ｂ）形成した複合体３から空隙形成材２を除去する工程、（ｃ）残った圧電前駆材１を焼結させて圧電体４を形成する工程、である。次に、それぞれの工程について詳細に説明する。
【００２５】
図１に示す複合体３は、例えば次のような工程で形成される。圧電前駆材１および空隙形成材２をシート状に形成し、これを図２（ａ）に示すように所定の順序で積層して複合体３を形成するものである。このとき、空隙形成材２の一方の端面は圧電前駆材シートより短く形成し、異なる層の圧電前駆材シート同士が接合して、複合体３の一方の端面がすべて圧電前駆材１で形成されるようにすることが必要である。積層時には必要ならば、圧力および熱を加える。
【００２６】
圧電前駆材１のシートは圧電セラミック粉末と結合材、必要ならば可塑材などを混合して溶媒に溶かしたものをドクターブレード法などによりシート状に成形したり、ブロック状に形成した圧電前駆材１をスライスしてシート状に成形してもよい。
【００２７】
空隙形成材２はその用いる材料によってシート状に形成する手法が異なるが、例えば空隙形成材２として樹脂系の材料を用いる場合には、圧電前駆材１と同様の手法を用いることができる。一方、金属などを空隙形成材２として用いる場合には、市販されている金属プレートの中から、圧電前駆材１と反応しないなどの条件を満たす所望の厚さのものを選択して用いる。なお空隙形成材２は圧電セラミックや結合材などと反応しない物質であれば良く、上記以外の材料についても採用することができる。
【００２８】
また別の複合体３の形成方法として、溶媒などに溶かして液体状にした圧電前駆材１および空隙形成材２を、所定の順序で塗布、乾燥を繰り返して形成することもできる。このとき圧電前駆材１と空隙形成材２を分散、または溶解している溶媒は、一方を親水性、他方を疎水性としておくことが好ましい。こうすることによって、塗布の間にも圧電前駆材１と空隙形成材２が相溶することないため、精度良く所望の形状の複合体３を形成することができるものである。
【００２９】
上記のいずれの場合の複合体３の製造方法においても、図１に示したように、複合体３の少なくとも片側の端面は圧電前駆材１のみで構成されていることが必要である。これは空隙形成材２を除去した後にも、複合体３が一体の形状を保持して、精度良く圧電体４を形成することを可能とするものである。
【００３０】
次に、このような工程を経て形成した複合体３から空隙形成材２を除去する。空隙形成材２が樹脂などで構成されている場合には、これを高温中で燃焼させて気体として除去することが可能である。このとき空隙形成材２が気体化する圧力によって圧電前駆材１にヒビや割れなどが生じないように、燃焼条件を適当にコントロールする必要がある。
【００３１】
また空隙形成材２が燃焼した後にカーボンなどの残差が残らないよう空隙形成材２に用いる材料の選定や燃焼条件の最適化を行う必要がある。
【００３２】
一方、金属などの材料を空隙形成材２として用いる場合には、燃焼によって除去することが困難なため、圧電前駆材１を焼結させる前に、引き抜いたり、化学的なエッチングなどにより除去することが必要である。
【００３３】
ところで、圧電前駆材１と空隙形成材２をシート化した後に、積層することによって複合体３を形成する場合には、圧電前駆材１のシートに空隙形成材２のシートの厚さを吸収できるだけの、大きな圧縮変形率を持たせることによって、剥離などの欠陥を生じさせること無く複合体３を形成することができる。
【００３４】
ところが空隙形成材２が厚い場合には、積層時に圧縮される割合が、空隙形成材２のシートがある部分とない部分で大きく異なるために、複合体３の中の圧電前駆材１の密度が異なり、このため焼結時の収縮率が部分によって異なることになる。
【００３５】
このため所望の形状に圧電前駆材１を含む複合体３を形成できても、焼結の過程で変形してしまうことになり、所望の形状の圧電体４を高精度に製造することが困難となる。
【００３６】
このような場合には、図２（ｂ）に示すように、空隙形成材２のシートを配置する層について、空隙形成材２のシートが欠けている部分に、空隙形成材２のシートと同じ厚さの圧電前駆材１のシートを配置して積層することが好ましい。このようにすることによって、図２（ａ）の場合と異なり、厚い空隙形成材２のシートを積層して幅の広い空隙となる部分を確保しながら、複合体３の中における焼成時における圧電セラミックの収縮率の違いを無くすことができるため好適である。
【００３７】
また幅の広い空隙をもつ圧電体４を、焼成時の歪みを少なく形成する方法としては、図３に示す方法も有効である。図３は圧電前駆材１と空隙形成材２からなる複合シート５と空隙形成材のシートを所定の順序で積層して複合体３を形成する場合の模式図である。
【００３８】
複合シート５は、図３（ａ）のようにＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などのキャリアフィルム６上に形成した空隙形成材２の、少なくとも一方の端面を除去した後、図３（ｂ）のように、空隙形成材２の上に圧電前駆材１のシートをドクターブレード法などにより形成するものである。
【００３９】
この方法によると焼結した圧電セラミックに微細な機械加工をする必要が無く、図１１（ａ）に示したような板状の圧電セラミックが多数配列した構造の圧電体４を容易に、精度良く形成することができるものである。
【００４０】
この製造方法によると圧電セラミックに欠けや割れなどが生じることが無いため、圧電特性を高く、均一とすることができるものである。またダイシングする場合のダイシングブレードの幅などの加工工具の寸法に、圧電体４の形状が制約を受けることが無いため、微細な構造の圧電体４を形成でき、高周波に対応した微細構造の圧電体４を提供することができるものである。
【００４１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図４を参照しながら説明する。例として図１１（ｂ）および（ｃ）に示した２次元のアレイ型超音波探触子用の圧電体および、圧電複合材料のような柱状の圧電セラミックが配列した構造である圧電体およびその製造方法について説明する。
【００４２】
図４（ａ）に示すように、圧電前駆材１が柱状に配列し、その空隙部に空隙形成材２が充填された構造の複合体３を形成し、図４（ｂ）のように形成した複合体３から空隙形成材２を除去する工程と、図４（ｃ）のように、残った圧電前駆材１を焼結する工程を経て図１１（ｂ）および（ｃ）に示した２次元のアレイ型超音波探触子および、圧電複合材料に用いる圧電体４が得られるものである。次に、それぞれの工程について詳細に説明する。
【００４３】
図４に示す複合体３は、例えば次のような工程で形成される。図１（ａ）に示した複合体３を積み重ねた方向と垂直の、紙面の奥行き方向に薄くスライスして、図５（ａ）のように一枚のシートに圧電前駆材と空隙形成材が所定のパターンで配列した複合シート５を形成する。こうして形成した複合シート５と空隙形成材２のシートを図５（ｂ）のように所定の順序で積層、必要ならば圧力、熱を加えることによって図４（ａ）に示したす複合体３を得ることができる。
【００４４】
また別の複合体３の製造方法としては、ＰＥＴなどのキャリアフィルム上に、図６（ａ）に示すような圧電前駆材１と空隙形成材２が交互に櫛歯状のパターンとなるように形成した複合シートと、空隙形成シートの一方の端面を圧電前駆材１とした複合シートを交互に積層することによって、図６（ｂ）に示すような複合体３を形成することができるものである。
【００４５】
また別の複合体３の製造方法としては、実施の形態１で述べたのと同様に、圧電前駆材１および空隙形成材２を溶媒に分散・溶解して液体状にし、これを所定のパターンで塗布、乾燥することによって複合体３を形成するものである。
【００４６】
この場合に、空隙形成材２のみで構成される層については、全面を一様に塗布することができるが、圧電前駆材１を含む層については、例えば図７に示すように所定のパターンに応じた圧電前駆材１および空隙形成材２の供給部７（例えば、細管など）から所定量を供給することによって、所望のパターンの圧電前駆材１と空隙形成材２の層を形成することができるものである。このとき前述の場合と同様に、圧電前駆材１と空隙形成材２を溶解している溶媒は、一方を親水性、他方を疎水性とするなどの極性を異ならせることが好ましい。
【００４７】
以上では、圧電前駆材１と空隙形成材２がパターン化された層と、空隙形成材２の層を重ねて複合体３を形成したが、図８（ａ）に示すように、圧電前駆材１と空隙形成材２がパターン化された層を繰り返し重ねたり、図８（ｂ）に示すように、圧電前駆材１と空隙形成材２がパターン化された層と、圧電前駆材１の層を重ねて複合体３を形成したりすることによって、通常の機械加工では形成することが不可能な、様々な形状の圧電体４も形成することができるものである。
【００４８】
また別の複合体３の製造方法としては、空隙形成材２で形成した型に、圧電前駆材１を充填する事によって形成するものである。この製造方法について図９を参照しながら説明する。
【００４９】
図９では２次元のアレイ型超音波探触子および、圧電複合材料のような柱状の圧電セラミックが配列した構造の圧電体３の製造方法を例に示している。図９（ａ）に示したように目的の圧電体４の形状の逆パターンとなるように空隙形成材２の型を形成する。空隙形成材２の型は例えば次のような方法で製作される。
【００５０】
空隙形成材２の型を製作するため、はじめに圧電体３と相似の形状である元型を製作する。元型は圧電前駆材１の焼結時の収縮率を考慮して寸法が決定される。空隙形成材２の型を形成する元型は、金属やセラミックに放電加工やダインシグソーなどで加工することによって形成される。元型は空隙形成材２の型を形成するためだけのものであるため、多数の圧電体４を製造する場合にも少数を製造するだけで良いものである。
【００５１】
図９（ｂ）のように形成した元型の空隙部分に、空隙形成材２を充填する。元型の周囲をテープなどで覆って充填する際の壁を形成した後、空隙形成材２を充填するものである。空隙形成材２は流動性があり、元型の空隙を隙間なく埋めることができるものが好ましい。この製造法の場合に用いられる空隙形成材２は樹脂系の材料が好ましく、これを溶媒に分散・溶解させたり、未硬化の状態で流動性の良いものが好ましい。
【００５２】
元型に充填した空隙形成材２は、元型から分離させて圧電前駆材１をその空隙部分に充填させるため、元型の表面には充填した空隙形成材２を容易に剥離しうるように、表面層を設けることが好ましい。表面層としてはフッ素系などの材料が良く、テフロンなどを用いることが出来る。
【００５３】
元型に充填した空隙形成材２を剥離させる際には、空隙形成材２が切れたり、欠けたりして破損しないように端面から順に剥離させる事が好ましい。このため空隙形成材２で形成した型の底面部の厚さは、構造体として保持しうる範囲で薄くすることが好ましい。底面部を厚く形成した場合には底面部が変形しにくく、空隙形成材２で形成した型の柱の付け根に応力が集中し折損しやすくなるためである。このように元型から形成した空隙形成材２の型に、上記と同様の操作で圧電前駆材１を充填して複合体３を形成する。
【００５４】
この方法によると焼結した圧電セラミックに微細な機械加工をする必要が無く、図１１に示したような微細な構造の圧電セラミックが多数配列した形態の圧電体４を、精度高く、歩留まり良く形成することができるものである。この製造方法によると圧電セラミックに欠けや割れなどが生じることが無いため、圧電特性を高く、均一とすることができるものである。
【００５５】
またダイシングする場合のダイシングソーの幅のように、加工工具の寸法に、圧電体４の形状がその影響を受けることが無いため、微細な構造の圧電体４を形成でき、たとえば高周波にも対応することが可能であるような、微細構造の圧電体４も提供することができるものである。
【００５６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図１０を参照しながら説明する。図１０（ａ）に示すような、少なくとも一層の圧電前駆材１と空隙形成材２が重なった複合体３を、図１０（ｂ）に示すように更に巻回して複合体３を形成するものである。
【００５７】
このようにして形成した複合体３から図１０（ｃ）に示すように空隙形成材２を除去し、圧電前駆材１を焼結する工程を経て、圧電体４を形成するものである。
【００５８】
図１０（ｃ）のように従来の機械加工では製造することが極めて困難な、圧電体４を製造することを可能とするものである。図１０（ｃ）に示した圧電体４は、その厚さ方向に電極を設けることで低い電圧で大きな変形を得ることのできる圧電体となるものである。
【００５９】
なお図１０においては、圧電前駆材１と空隙形成材２が重なった複合体を、更に巻回して複合体を形成したが、例えば単純に圧電前駆材１と空隙形成材２を重ねた複合体３を、更に蛇腹状に折りたたんで複合体３を形成したり、スパイラル状にしたりして複合体３を形成しても良く、様々な形態の圧電体４を形成することができるものである。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、微細な圧電セラミックが配列した圧電体や、複雑な曲面を有する圧電体などの、従来機械加工で形成することがきわめて困難であった圧電体を、形状の精度良く、歩留まり良く、一度に複数、安価に製造することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図２】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図３】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図４】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図５】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図６】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図７】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程の一部を示す概念図
【図８】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図
【図９】本発明の一実施の形態による圧電体の製造工程を示す概念図
【図１０】本発明の一実施の形態による圧電体およびその製造工程を示す概念図
【図１１】従来の圧電体の一例を示す概念図
【符号の説明】
１  圧電前駆材
２  空隙形成材
３  複合体
４  圧電体
５  複合シート
６  キャリアフィルム
１０１  圧電セラミック
１０２  充填材
１０３  基盤
【図１】
0003551141.tif 000002
【図２】
0003551141.tif 000003
【図３】
0003551141.tif 000004
【図４】
0003551141.tif 000005
【図５】
0003551141.tif 000006
【図６】
0003551141.tif 000007
【図７】
0003551141.tif 000008
【図８】
0003551141.tif 000009
【図９】
0003551141.tif 000010
【図１０】
0003551141.tif 000011
【図１１】
0003551141.tif 000012