(57)【要約】【課題】時間波形が短く、幅広い周波数特性を有するとともに、振幅の大きい超音波パルスを再現性よく発生させ、高分解能で高感度な計測を可能にする超音波変換器を提供する。【解決手段】１枚の多成分系圧電性磁器からなり、厚さ方向で圧電ｈ定数を傾斜させた圧電板であって、圧電ｈ定数の傾斜を最適化したことを特徴とする圧電板。【選択図】      図７
2004289493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の多成分系圧電性磁器からなる圧電板であって、圧電ｈ定数が一方の面でゼロ、他方の面で最大であり、かつ以下の条件を満たすように厚さ方向で傾斜していることを特徴とする圧電板。
（１）
【数１】
2004289493.tif 000005
（２）０≦ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＜ｈ（ｔ）
（３）０≦ｘ＜ｔの範囲において、０≦ｄｈ（ｘ）／ｄｘ≦２×１０１３  （Ｖ／ｍ２）
（４）少なくとも０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘ
但し、ｘは圧電ｈ定数がゼロである面からの厚さ方向の距離（ｍ）、ｔは圧電板の厚さ（ｍ）、ｈ（ｘ）は距離ｘにおける圧電ｈ定数（Ｖ／ｍ）、ｈ（ｔ）は距離ｔにおける圧電ｈ定数（Ｖ／ｍ）である。
【請求項２】
０＜ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘ、かつｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２≦０である、請求項１に記載の圧電板。
【請求項３】
成分金属元素の構成比率を厚さ方向で傾斜させることによって圧電ｈ定数を傾斜させた、請求項１または２に記載の圧電板。
【請求項４】
圧電ｈ定数が異なる２種以上の磁器粉末を準備し、それぞれの磁器粉末を用いてグリーンシートを作製し、該グリーンシートを積層し、圧着した後、焼結することにより圧電ｈ定数を傾斜させた、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電板の製造方法。
【請求項５】
前記２種以上の磁器粉末が、同一の成分を含み、かつその成分金属元素の比率を変えることによって圧電ｈ定数を変えたものである、請求項４に記載の圧電板の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電板を用いた超音波変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波変換器などに使用されるセラミック圧電板、並びに該圧電板を使用した超音波変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミック圧電材料を用いた超音波変換器は、医用診断装置や非破壊検査装置、魚群探知機など各種超音波計測機器に広く使用されている。
これらの機器は、主として超音波変換器に電気的パルスを入力して超音波を発生させ、この超音波を媒体中に伝搬させて、媒体中に存在する音響インピーダンスの異なった部分からの反射波を検出して計測を行う超音波エコー法を用いるものである。２つの媒体間の音響インピーダンスが同程度であれば音波は良く透過し、反射波は非常に少ないが、音響インピーダンスが異なる媒体間では、その境界で音波の反射がおこり、その差が大きいと透過波は少なく、反射波が多くなる。これを利用したのが超音波エコー法である。
【０００３】
超音波計測機器には高い分解能と、広い周波数帯にわたって計測可能であることが要求されるため、超音波変換器から発生する超音波パルスの時間波形を可能な限り短くすること、および広帯域な周波数特性を持つ超音波パルスを発生させることが望まれている。
【０００４】
超音波変換器の主要部は、一般に、厚さ方向に分極された圧電性磁器板（以下、圧電板という）の両面に金属電極膜が形成され、該圧電板の片面には、バッキング材として同材質のセラミック板が、電極膜を介して貼り付けられ、さらにその後ろに吸音材が形成された構造となっている。超音波パルスは、前記圧電板にインパルス電圧を印加して励振される。
【０００５】
圧電板として、厚さ方向に関して圧電ｈ定数が一様に分布した磁器板を使用した場合、超音波変換器を電圧パルスで駆動すると、圧電板の表面から外部に放射される超音波パルスの時間波形は、単一パルスではなく長いパルス列を形成し、時間波形が長くなる。また、周波数帯域が狭いという問題もあった。
【０００６】
これに対して、厚み方向で圧電ｈ定数が直線的ないし単調に傾斜した圧電板を使用することにより、広い周波数帯域幅を持つ短パルスの超音波が得られることが知られている（例えば特許文献１参照。）。この違いは、圧電ｈ定数が一様に分布した圧電板を使用した場合には、圧電板の両面から超音波パルスが発生するのに対し、圧電ｈ定数の傾斜した傾斜圧電板を使用した場合には、超音波が圧電定数の大きな一面からのみ放射されるために生ずるものである。本発明者らも、先に、成分金属元素の構成比率を空間的に傾斜させることによって圧電ｈ定数を単調にかつ滑らかに傾斜させた傾斜圧電板と、この傾斜圧電板を使用した超音波変換器について提案を行っている（特願２００２−３７８５４０号）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１５４８９７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
超音波計測機器においては、放射される超音波パルスの時間波形が短いことに加えて、超音波変換器の送波感度を向上させるため、パルスの振幅が大きいことが要求される。しかし、本発明者らの研究によれば、圧電ｈ定数を空間的に傾斜させることによって広い周波数帯域幅を有する短パルスが得られても、傾斜のさせ方によって超音波パルスの振幅が異なり、圧電ｈ定数を直線的ないし単調に傾斜させるだけでは、図１２や図１４にも示されるように、振幅の大きい超音波パルスが必ずしも得られないことが判った。このため感度の高い超音波変換器を再現性よく得ることが困難であった。
【０００９】
本発明は、超音波エコー法で使用される超音波変換器において、圧電性磁器の圧電ｈ定数の空間的傾斜の度合いを制御し、最適化することにより、時間波形が短くかつ幅広い周波数特性を有するとともに、振幅の大きい超音波パルスを再現性よく得ること、これにより更に高分解能で高感度な計測が可能な超音波変換器を提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明の他の目的は、圧電性磁器の圧電ｈ定数の空間的傾斜が最適化され、かつ構造上の音響的な不連続性のない、実用性の高い超音波変換器を容易に製造する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
１．１枚の多成分系圧電性磁器からなる圧電板であって、圧電ｈ定数が一方の面でゼロ、他方の面で最大であり、かつ以下の条件を満たすように厚さ方向で傾斜していることを特徴とする圧電板。
（１）
【数２】
2004289493.tif 000003
（２）０≦ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＜ｈ（ｔ）
（３）０≦ｘ＜ｔの範囲において、０≦ｄｈ（ｘ）／ｄｘ≦２×１０１３  （Ｖ／ｍ２）
（４）少なくとも０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘ
但し、ｘは圧電ｈ定数がゼロである面からの厚さ方向の距離（ｍ）、ｔは圧電板の厚さ（ｍ）、ｈ（ｘ）は距離ｘにおける圧電ｈ定数（Ｖ／ｍ）、ｈ（ｔ）は距離ｔにおける圧電ｈ定数（Ｖ／ｍ）である。
２．０＜ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘ、かつｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２≦０である、前記１に記載の圧電板。
３．成分金属元素の構成比率を厚さ方向で傾斜させることによって圧電ｈ定数を傾斜させた、前記１または２に記載の圧電板。
【００１２】
４．圧電ｈ定数が異なる２種以上の磁器粉末を準備し、それぞれの磁器粉末を用いてグリーンシートを作製し、該グリーンシートを積層し、圧着した後、焼結することにより圧電ｈ定数を傾斜させた、前記１ないし３のいずれかに記載の圧電板の製造方法。
５．前記２種以上の磁器粉末が、同一の成分を含み、かつその成分金属元素の比率を変えることによって圧電ｈ定数を変えたものである、前記４に記載の圧電板の製造方法。
６．前記１ないし３のいずれかに記載の圧電板を用いた超音波変換器。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電板は、例えばＰＺＴなど、多種類の金属元素から構成されたペロブスカイト構造の多成分系圧電磁器材料からなっており、一方の面で圧電ｈ定数がゼロ、対向する他方の面で圧電ｈ定数が最大となるように、圧電ｈ定数を傾斜させ、かつこの圧電ｈ定数の傾斜を最適化したことを特徴とするものである。なお本発明において、圧電ｈ定数は、圧電ｈ３３定数を意味している。
【００１４】
本発明の圧電板の圧電ｈ定数の傾斜の仕方は、圧電ｈ定数がゼロである面からの厚さ方向の距離ｘ  を横軸に、その点での圧電ｈ定数ｈ（ｘ）を縦軸にとり、ｘ  とｈ（ｘ）の関係を直線または曲線（以下「ｈ（ｘ）曲線」という。）で表わしたグラフにおいて、少なくとも以下の（１）〜（４）の条件をすべて満たすものである。
【００１５】
（１）
【数３】
2004289493.tif 000004
即ちｈ（ｘ）曲線より下の部分の面積が、ｈ（ｘ）＝（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘで表わされる直線より下の部分の面積と等しいか、それより大きいこと、
（２）０≦ｘ＜ｔの範囲では、ｈ（ｘ）の値がｈ（ｔ）より小さいこと、
（３）０≦ｘ＜ｔの範囲で、傾きｄｈ（ｘ）／ｄｘが０または正の値をとり、かつ２×１０１３  Ｖ／ｍ２以下であること、
（４）少なくとも０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲においては、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘであること、即ちｈ（ｘ）が常にｈ（ｘ）＝（ｈ（ｔ）  ／ｔ）・ｘで表わされる直線より上にあること。
このような傾斜とすることにより、短パルスでかつ幅広い周波数特性を有するとともに、振幅の大きい超音波パルスを得ることができる。
【００１６】
図１のＡ〜Ｄは、例として、このようなｈ（ｘ）曲線の、０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲におけるいくつかのパターンを表わしたものである。上記の条件をすべて満たしていれば、０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲では、ｈ（ｘ）曲線は、図１のＡのような直線であっても、Ｂのように上に凸の曲線であっても、Ｃのように下に凸の曲線であっても、またＤのように波状に変化する曲線であってもよい。これらのｈ（ｘ）曲線のうち、０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲において、ｈ（ｘ）曲線より下の部分の面積が大きいほうがより効果的であり、特に、ｈ（ｘ）が図１における直線Ａ上にあるか、またはこの直線より上にあることが望ましい。
【００１７】
少なくとも（１）、（２）および（３）の条件を満たしていれば、０＜ｘ＜０．８ｔの範囲では、ｈ（ｘ）曲線は直線であっても、上に凸の曲線であっても、下に凸の曲線であっても、また波状に増減を繰り返して変化する曲線であってもかまわない。
【００１８】
最も好ましい傾斜の例は、前記（１）〜（４）の条件に加えて、０．８ｔ≦ｘ＜ｔの範囲だけでなく０＜ｘ＜ｔの全範囲において、ｈ（ｘ）＞（ｈ（ｔ）／ｔ）・ｘであって、かつｘの増加に伴って、ｈ（ｘ）が減少することなく、最大値ｈ（ｔ）となるまで単調に増加するものである。特に、図７に示されるように、ｈ（ｘ）がゼロから最大値ｈ（ｔ）となるまでの間は、ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２≦０となっていること、即ちｈ（ｘ）曲線の傾きｄｈ（ｘ）／ｄｘがｘ＝０近傍で大きく、ｘが増大するにつれて漸次減少していくような傾斜とするのが理想的であり、パルスの振幅が大きくなる。
【００１９】
なお、どのような傾斜の仕方をするにしても、傾きｄｈ（ｘ）／ｄｘが  ２×１０１３Ｖ／ｍ２を超えると、このｘの位置で大きな超音波励振力が発生し、超音波パルスが生じるために、得られる超音波の時間波形が短パルスにならない。
【００２０】
前記のような圧電ｈ定数の傾斜は、圧電磁器材料の組成、即ち成分金属元素（以下「構成元素」という。）の比率を厚さ方向で傾斜させることによって得ることができる。即ち本発明の圧電板は、構成元素の比率の変化に伴って、圧電ｈ定数が単調に変化するような多成分系磁器材料粉末を原料として使用し、例えば次のようにして製造される。
【００２１】
圧電ｈ定数が異なる複数種の磁器粉末を、目的の傾斜が得られるように層状に重ね、層状プレス成型体を作製し、これを焼結する。あるいは圧電ｈ定数が異なる複数種の磁器粉末を用いて複数のグリーンシートを作製し、該複数のグリーンシートを目的の傾斜が得られるように所定の順に積層して圧着し、高温で焼結する。いずれにおいても圧電ｈ定数の異なる層の境界部では、焼結時に構成元素が相互に熱拡散して濃度が変化し、組成が連続的に変化するようになるために、圧電ｈ定数が厚さ方向で連続的にかつ任意に傾斜した１枚の圧電板が得られる。
【００２２】
この方法によれば、圧電ｈ定数の傾斜が滑らかな圧電板を簡単に製造でき、しかも圧電ｈ定数の異なる多種類の磁器粉末を用いることや、層厚あるいはグリーンシート厚および積重ねの順序を変えることで、従来困難であった、圧電ｈ定数の傾斜の度合いを目的に合わせて自在に制御することが可能である。従来の傾斜圧電板の製造方法としては、例えば圧電板の厚み方向に温度勾配を与えて部分的に減極させる方法や、圧電定数の異なる複数の磁器板を接着剤で張り合わせる方法があるが、前者では板厚方向の温度勾配は両端面の設定温度により自動的に決定されるものであることから、ｈ定数の傾斜を目的に合わせて制御することは極めて困難で、工業的な価値は低く、また後者では音響的連続体が得られない。本法はこれらの問題点を解決することができる、優れた方法である。
【００２３】
本発明の圧電板は、有利には同一の成分を含み、構成元素の比率の異なる複数の多成分系圧電磁器材料を原料として用いて製造される。一般にこのような圧電磁器材料では、特定の構成元素の比率と圧電ｈ定数とが、比例関係を含めた特定の関数で表わされる場合が多い。従って、目的の傾斜を得るためには、実際には、まず該構成元素の比率と圧電ｈ定数の関係を調べてプロットし、その関係から両者の間に成り立つ関数を特定し、目的とする圧電ｈ定数の傾斜の仕方に応じて、使用する磁器粉末の組成を選択する。
【００２４】
本発明の超音波変換器は、前記の圧電ｈ定数の傾斜を最適化した圧電板を主要構成要素として用いたものである。具体的には、例えばこの圧電板の両面に電極膜を設け、一方の面にバッキング材として音響インピーダンスが圧電板と類似した磁器板、および所望によりさらに吸音材を設けたものを主要構成要素とする。
【００２５】
図２は、本発明の超音波変換器の主要部の構造の一例を示す側断面図である。これは、１枚の分極処理された圧電板と、前記圧電板の一方の面に形成された電極膜と、他方の面に電極膜を介して接合された音響インピーダンスが前記圧電板と類似する磁器板とを主要構成要素とする構造のものである。
【００２６】
図２において、１は厚さ方向に構成元素の比率と圧電ｈ定数が前記のように傾斜分布した圧電板（以下「傾斜圧電板」という）である。傾斜圧電板１は、矢印Ｐの方向に分極処理されている。２、３は傾斜圧電板１の両面に形成された電極膜であり、６、６’は電極膜２、３からそれぞれ取り出されたリードと端子である。４は傾斜圧電板１と音響インピーダンスが類似した磁器板であり、電極膜３を介して傾斜圧電板１と接合されている。傾斜圧電板１の圧電ｈ定数は、表面の電極膜２に接する部分で最大、電極膜３に接する部分で０となっている。この傾斜の方向は、逆であってもよい。また分極Ｐの方向は、図示の方向でも、これとは逆の方向であっても良い。
【００２７】
バッキング材である磁器板４は、傾斜圧電板１と音響インピーダンスが類似していれば、どのような材質のものを用いてもよい。傾斜圧電板と同質の圧電性を示す磁器を使用してもよい。磁器板４は、電極膜３と接着剤で接合してもよいが、音響インピーダンスの異なる接着剤層が存在するとその部分で超音波の反射がおこり易いので、接着剤を用いずに接合することが望ましい。接着剤を使用せずに接合する方法としては、例えばグリーンシート法で傾斜圧電板と同時に焼成する方法がある。また磁器板４は、電極膜３との接合面の反対側の端部が、超音波が乱反射するように荒い仕上げ面となっているか、多孔質構造となっていることが好ましい。また、図示していないが、磁器板４に更に吸音材を付設してもよい。
【００２８】
電極膜３は、超音波を反射しない程度に薄い金属膜であることが望ましく、また傾斜圧電板１と音響インピーダンスの不整合を生じないよう、接着剤を用いないで接合される。例えば、スパッタリング、蒸着、めっき、あるいは金属ペースト膜を傾斜圧電板と同時焼成する方法等によって形成される。電極膜２は、どのような方法で形成されたものでもよい。金属ペーストの焼付、スパッタリング、蒸着、めっきの他、金属箔や金属板等を接着剤を用いて傾斜圧電板１に接合してもよい。また傾斜圧電板との同時焼成により形成してもよい。
【００２９】
図３は、本発明の超音波変換器の、他の例を示す側断面図である。これは、図２の圧電板に代えて、圧電ｈ定数が厚さ方向で傾斜した２枚の傾斜圧電板を、圧電ｈ定数が両者の接合部で最も大きくなるように内部電極膜５を介して接合したものを用いる。即ち、圧電ｈ定数が内部電極膜５との接合部で最大となるように内部電極膜を介して接合している２枚の分極処理された圧電板１’、１”と、一方の圧電板１”の内部電極膜と接合していない面に形成された電極膜３と、他方の圧電板１’の内部電極膜５と接合していない面に電極膜を介して接合された、音響インピーダンスが圧電板と類似する磁器板４とを主要構成要素とする構造のものである。内部電極膜５は電極膜３と同様、磁器との接合面で超音波を反射しない薄い金属膜であることが望ましく、接着剤を用いないで接合される。このような構造にすることにより、より感度の高い超音波変換器が得られる。
【００３０】
本発明の超音波変換器では、前記のような傾斜圧電板を使用するので、リードと端子６、６’の間に電圧パルスを印加して超音波を発生させると、図２の場合は、超音波は傾斜圧電板１の圧電定数の大きな一面からのみ、双方向に向けて放射される。超音波変換器内部に向かう超音波は磁器板４の内部で散乱され、減衰し消滅する。図３の場合は、超音波は傾斜圧電板１’、１”の境界面から双方向に放射される。超音波変換器内部に向かう超音波は図２の場合と同様に散乱され減衰し消滅する。これとは反対方向に向かう超音波は超音波変換器の表面から外部に向けて放射される。このとき、一部の超音波は表面で反射されて内部に向かうことになるが、これは最初から内部に向かった超音波と同様にして減衰し消滅する。従っていずれの形態においても、広い周波数帯域幅を持つ短パルスの超音波が得られる。
【００３１】
次に、本発明の超音波変換器の好ましい製造例として、グリーンシート積層法を用いて図２の超音波変換器を製造する方法を説明する。
【００３２】
構成元素の比率の変化により圧電ｈ定数が単調に変化するＰＺＴ系磁器材料からなる、３種の磁器粉末ａ、ｂ、ｃを準備する。なお、磁器粉末ａは圧電性を示さない材料、磁器粉末ｂ、ｃは圧電性を示す材料であって、磁器粉末ｂ、ｃの圧電ｈ定数をそれぞれｈｂ、ｈｃとしたとき、ｈｂ＝２／３・ｈｃである。これら磁器粉末ａ、ｂ、ｃを各々樹脂、溶剤と適宜混合して磁器粉末スラリーとし、ＰＥＴフィルム上にキャスティングした後、乾燥してそれぞれグリーンシート１１、１２、１３を得る。また磁器粉末ａを用いた一枚のグリーンシート１１上に、白金粉末、樹脂、溶剤からなる電極形成用の白金ペーストを、焼成後の電極膜厚みが５μｍとなるよう所定の形状に印刷して、電極ペースト膜１４を形成する。
【００３３】
これらグリーンシートを図４に示すように積み重ね、圧着した後、磁器粉末の焼結温度で焼成し、図２に示されるような、傾斜圧電板１と、電極膜３と、バッキング材となる磁器板４とが一体化された焼成体を得る。次に焼成体の傾斜圧電板１の電極膜３と反対側の面上に、電極用ペーストとして、例えば銀粉末、ガラス粉末、樹脂および溶剤からなる銀ペーストを塗布、焼成することにより電極膜２を形成する。そして電極膜２、３の間に直流電圧を印加することにより、傾斜圧電板１を分極させる。
【００３４】
磁器板４の端部を多孔質とする場合は、焼成後に多孔質になるようなグリーンシートを所定の部分に使用すればよい。このようなグリーンシートとしては、任意の位置に多数の貫通孔を有するものや、樹脂ビーズ等を混入させて焼成後に空洞を生じるようにしたものなどがある。また表面の電極膜２は、予め最外層のグリーンシート１３上に金属ペーストを印刷しておき、積層体と同時焼成して形成することもできる。
【００３５】
このようなグリーンシート法で圧電板、電極、バッキング材を同時に焼結する場合、工程が簡略化され、また音響的に連続になるため超音波の反射が少なく、より短パルス化が可能になる利点がある。しかしながら本発明は、以下の実施例のように音響的連続性を損なわない程度に薄い接着剤層を用いてバッキング材を貼り合わせたり、電極をスパツタリング法等他の方法で形成することを妨げるものではない。
【００３６】
【実施例】
実施例１
磁器粉末として（１−α）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−αＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３系で、αが０．４５０ｍｏｌ、０．４４０ｍｏｌ、０．４２０ｍｏｌ、０．３９０ｍｏｌ、０．３５０ｍｏｌ、０．３００ｍｏｌの６種類の粉末を準備した。これらの磁器粉末の圧電ｈ定数（Ｖ／ｍ）と、Ｘ線マイクロアナライザを用いて測定したＴｉ濃度Ｎ（重量％）をαに対してプロットし、図５に示した。この結果から得られた圧電ｈ定数とＴｉ濃度Ｎの関係を、図６に示した。図６から明らかなように、圧電ｈ定数とＴｉ濃度は比例関係にある。従って磁器のＴｉ濃度を測定すれば、圧電ｈ定数の傾斜がわかることになる。
【００３７】
それぞれの磁器粉末１００重量部に対して、アクリル樹脂５重量部、テルピオネールを主成分とする有機溶剤２０重量部を混合してスラリーとし、テープキャスティング法を用いて厚さ約１６０μｍの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これら６種類のグリーンシートを圧電ｈ定数の大きい順に積層し、１２０℃に加熱した状態でプレス圧着した。次いでこの積層体を４００℃で２０時間かけて脱脂し、その後１１２０℃の温度で４時間かけて焼結して、圧電板を得た。この焼結体を直径１５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの円板に加工し、上下面を鏡面となるように研磨仕上げをし、上下面全面にスパッター法で金電極膜を形成した。この後、電極膜間に３ｋＶの直流電圧を３０分間印加して分極処理を行った。得られた圧電板の側面を、Ｘ線マイクロアナライザで走査することにより、圧電ｈ定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるＴｉの濃度Ｎを、約１５μｍ間隔で測定した。Ｘ線マイクロアナライザは、日立製作所製Ｓ−４５００型走査電子顕微鏡と堀場製作所製エネルギー分散型Ｘ線分析装置ＥＭＡＸ−７０００とを組み合わせたものである。図７はその結果をプロットしたもので、距離ｘに対するＴｉの濃度Ｎの変化は、近似的に図のような曲線で表わされる。前述の圧電ｈ定数とＴｉ濃度との関係から、この圧電板では、圧電ｈ定数が厚み方向で曲線Ｅのような傾斜をもって分布していることがわかる。
【００３８】
一方の面が鏡面仕上げされ、反対の面が超音波を乱反射するように荒い仕上げ面となっている、厚さ２０ｍｍのα＝０．３００ｍｏｌの組成の磁器板（バッキング材）の鏡面側に、前記圧電板を接着剤で貼り合わせ、試験用超音波変換器を製造した。なお、ここでは圧電板とバッキング材との間で音響的な連続性が保たれるよう、接着剤は、約０．１μｍ以下の厚さとなるようにした。電極膜間に２０Ｖのスパイク状負性電圧パルスを印加して超音波を発生させ、これを水中に放射させた。そしてこの水中に放射させた超音波をハイドロフォンプローブで検出した。図８は放射された超音波の時間波形を示すもので、本実施例の試験用超音波変換器では、振幅の大きい正負一対の短い超音波パルスが得られた。縦軸はハイドロフォンの出力電圧であり、超音波の振幅に比例する量である。
【００３９】
実施例２
（１−α）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−αＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３系で、αが０．４５０ｍｏｌ、０．４４０ｍｏｌ、０．４００ｍｏｌ、０．３６５ｍｏｌ、０．３３０ｍｏｌ、０．３００ｍｏｌの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約１６０μｍの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電ｈ定数の大きい順に積層し、１２０℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた圧電板の、圧電ｈ定数が０の面からの距離ｘにおけるＴｉの濃度Ｎを、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図９にプロットした。この結果から、圧電ｈ定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＦのような曲線で表わされる。
実施例１の傾斜圧電板に代えてこの傾斜圧電板を使用し、同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１０に示した。
【００４０】
比較例１
（１−α）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−αＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３系で、αが０．４５０ｍｏｌ、０．４２５ｍｏｌ、０．３９６ｍｏｌ、０．３６４ｍｏｌ、０．３３４ｍｏｌ、０．３００ｍｏｌの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約１６０μｍの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電ｈ定数の大きい順に積層し、１２０℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた圧電板の圧電ｈ定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるＴｉの濃度Ｎを、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図１１にプロットした。この結果から、圧電ｈ定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＧのような直線で表わされる。
実施例１の傾斜圧電板に代えて、この傾斜圧電板を使用し、同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１２に示した。
【００４１】
比較例２
（１−α）Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−αＰｂ（Ｚｒ０．３Ｔｉ０．７）Ｏ３系で、αが０．４５０ｍｏｌ、０．３９５ｍｏｌ、０．３５６ｍｏｌ、０．３２７ｍｏｌ、０．３１０ｍｏｌ、０．３００ｍｏｌの６種類の磁器粉末を使用し、実施例１と同様にして厚さ約１６０μｍの６種類の磁器グリーンシートを作製した。これらのグリーンシートを圧電ｈ定数の大きい順に積層し、１２０℃でプレス圧着した。次いで実施例１と同様にして脱脂、焼結し、得られた傾斜圧電板を円板に加工し、金電極膜を形成した後、分極処理を行った。得られた傾斜圧電板の圧電ｈ定数が０の面からの厚み方向の距離ｘにおけるＴｉの濃度を、Ｘ線マイクロアナライザで測定し、図１３にプロットした。この結果から圧電ｈ定数の厚み方向での傾斜は、近似的にＨのような曲線で表わされる。
実施例の傾斜圧電板に代えて、この傾斜圧電板を使用し、実施例１と同様にして超音波変換器を製造し、その超音波特性を測定し時間波形を図１４に示した。
【００４２】
図８、１０、１２、１４から、本発明の傾斜圧電板を用いたものでは、放射される超音波の振幅が極めて大きいことが明らかである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の圧電板は、圧電ｈ定数の傾斜を最適化することによって、周波数帯域幅が極めて広く、振幅の大きい短パルスの超音波を再現性よく発生させることができるものである。また、本発明によれば、最適な圧電ｈ定数の傾斜を有する圧電板を、工業的に適した方法で容易に製造することが可能である。
また本発明の超音波変換器を使用すれば、超音波エコー法を利用した各種の超音波計測機器の高分解能化と使用周波数帯域の広帯域化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電板の、ｘの特定の範囲におけるｈ（ｘ）曲線の例を示す図である。
【図２】本発明の超音波変換器の主要部の構造の一例を示す側断面図である。
【図３】本発明の超音波変換器の主要部の構造の他の例を示す側断面図である。
【図４】本発明の超音波変換器のグリーンシート法による製造方法を示した説明図である。
【図５】実施例で用いた磁器粉末の圧電ｈ定数と、Ｔｉ濃度Ｎをαに対してプロットした図である。
【図６】実施例で用いた磁器粉末の圧電ｈ定数とＴｉ濃度Ｎの関係を示した図である。
【図７】実施例１の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるＴｉ濃度Ｎおよび圧電ｈ定数をプロットした図である。
【図８】実施例１の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図９】実施例２の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるＴｉ濃度Ｎおよび圧電ｈ定数をプロットした図である。
【図１０】実施例２の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図１１】比較例１の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるＴｉ濃度Ｎおよび圧電ｈ定数をプロットした図である。
【図１２】比較例１の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【図１３】比較例２の圧電板の、厚み方向の距離ｘにおけるＴｉ濃度Ｎおよび圧電ｈ定数をプロットした図である。
【図１４】比較例２の超音波変換器から放射された超音波パルスの時間波形を表わしたグラフである。
【符号の説明】
Ｐ    分極の方向
１，１’，１”        傾斜圧電板
２，３    電極膜
４        傾斜圧電板と音響インピーダンスが類似した磁器板
５        内部電極膜
６，６’  リードと端子
１１      圧電性を示さない磁器粉末のグリーンシート
１２      圧電性を示す磁器粉末のグリーンシート
１３      圧電性を示す他の磁器粉末のグリーンシート
１４      電極ペースト膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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