(57)【要約】  【課題】  導電性金属の中空体とくに直径３ｍｍ以下の微細な中空体を用いて、機械的なインピーダンスの高い圧電構造体を作成し、機械的剛性の高い構造の振動を高感度に検出することの出来る未焼成圧電構造体及びその製造方法を提供する。 【解決手段】  導電性金属の中空体、中空体の中心部に位置する導電性金属の線状体、中空体に充填された粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体からなる未焼成圧電構造体及びその製造方法。【採用図面】図３【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性金属の中空体、中空体の中心部に位置する導電性金属の線状体、中空体に充填された粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体からなる未焼成圧電構造体。
【請求項２】
中空体に充填されたPZT化合物粉体が結晶である請求項１に記載した未焼成圧電構造体。
【請求項３】
中空体に充填されたPZT化合物粉体を、粒度０・１〜５μｍのPMN-PT化合物粉体結晶に置き換えた請求項１又は請求項２に記載した未焼成圧電構造体。
【請求項４】
中空体に充填されたPZT化合物粉体がさらに、粒度０・１〜５μｍの無機絶縁体の微粒子を３０質量％以下含有する請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載した未焼成圧電構造体。
【請求項５】
無機絶縁体が、シリカ、アルミナ、ジルコニア、酸化マグネシウム、から選ばれる１種若しくは２種以上である請求項４に記載した未焼成圧電構造体。
【請求項６】
中空体が、円筒を押し潰した形状である請求項１乃至請求項５のいずれかひとつに記載した未焼成圧電構造体。
【請求項７】
導電性金属の中空体の直径が、０．２〜３ｍｍである請求項１〜請求項６のいずれかひとつに記載した未焼成圧電構造体。
【請求項８】
導電性金属の線状体の周囲に粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体とバインダーからなるペーストを押出成型し、導電性金属の中空円筒体に挿入し、当該中空体の中心部に導電性金属の線状体を位置させ、ローラを通すことにより、導電性金属の円筒体を押し潰した後、中空体と線状体に５００〜５０００Ｖの直流を印加し、PZT化合物に極性を与える未焼成圧電構造体の製造方法。
【請求項９】
導電性金属の中空円筒体に、導電性金属の線状体を挿入し、粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体を充填し、中空体の中心部に導電性金属の線状体を位置させ、ローラを通すことにより、導電性金属の円筒体を押し潰して中空体とした後、中空体と線状体に５００〜５０００Ｖの直流を印加し、PZT化合物に極性を与える未焼成圧電構造体の製造方法。
【請求項１０】
粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体に代えて、粒度０・１〜５μｍのPMN-PT化合物粉体を用いる請求項８又は請求項９に記載した未焼成圧電構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性金属の中空体内に充填された圧電粉体と中空体の中心部に位置する導電性金属の線状体を埋め込んだシース型構造をなす圧電変換素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子樹脂製の中空円筒体に、圧電粉体を充填したり、圧電高分子を配置させて、中空体の中心部に線状体電極を設け、焼結を行わずに圧電構造体を作製することは、すでに知られている(特許文献１、 特許文献２、 特許文献３参照)。
このような圧電構造体を用いると、樹脂や高分子内に埋めこむことにより、デバイスの機械的インピーダンスを下げることができるため、指などの柔らかいものには極めて感度をあげることが出来る。しかしこのような圧電構造体は、機械的剛性の高いものに対して、機械的インピーダンスが合わず、感度（圧電特性）が大きく落ちてしまう。
【特許文献１】特開平０３−２５９５７７号公報
【特許文献２】特開平０８−７５５７５号公報
【特許文献３】特開２０００−１１１４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、導電性金属の中空体とくに直径３ｍｍ以下の微細な中空体を用いて、機械的なインピーダンスの高い圧電構造体を作成し、機械的剛性の高い構造の振動を高感度に検出することの出来る未焼成圧電構造体及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、上記課題を解決するため、研究を続けた結果、導電性金属の中空体、中空体の中心部に位置する導電性金属の線状体、中空体に充填された粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体からなる未焼成圧電構造体とすることにより、上記課題が解決することを見出した。
ここで、導電性金属としては、銅、銀、錫、ニッケルなどの金属やステンレス等の合金を挙げることができる。
また、PZT化合物粉体は、粒度０・１〜５μｍであることが必要であり、５μｍ以下の粒度が小さいものが良いが、粒度０．１以下のものは入手が困難であり、５μｍ以上になると感度が低下する。
さらに、PZT化合物粉体としては、純度が高いが結晶であることが望ましい。
【０００５】
本発明は、別の角度から見ると、未焼成圧電構造体を製造する方法の発明でもある。
すなわち、導電性金属の線状体の周囲に粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体とバインダーからなるペーストを押出成型し、導電性金属の中空円筒体に挿入し、当該中空体の中心部に導電性金属の線状体を位置させ、ローラを通すことにより、導電性金属の円筒体を押し潰して中空体とした後、中空体と線状体に５００〜５０００Ｖの直流を印加し、PZT化合物に極性を与える未焼成圧電構造体の製造方法である。
ここで、バインダーの添加割合は、PZT化合物粉体に対して３ｗｔ％程度以下とすることが好ましい。バインダーとしては、周知のセルロース系材料や、熱可塑性樹脂材料を用いることが出来る。本発明では、圧電ワイヤを外壁の金属パイプで保護するため、バインダの量を微量にしても脆性の問題を回避することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の未焼成圧電構造体は、焼結を行わずに、導電性金属の中空体とくに直径３ｍｍ以下の微細な中空体を用いて、機械的なインピーダンスの高い圧電構造体を作成し、機械的剛性の高い構造の振動を高感度に検出することの出来る圧電特性を得ることを特徴としており、振動検出用のセンサとして用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の未焼成圧電構造体は、代表的には、図１に示すように、金属ワイヤー１に圧電粉体（ＰＺＴ）２を主成分とするペースト４を押出し被覆し、金属パイプ３に挿入して、ローラで押し潰して、図３に示すような扁平円筒状の未焼成圧電構造体を得る。
金属ワイヤー１に圧電粉体２を押出し被覆するに際して、図２に示すように、成型機５に、金属ワイヤー１とＰＺＴペースト４を装填し、圧電粉体２を押出し被覆する。
本発明においては、中空体に充填されたPZT化合物粉体を、粒度０・１〜５μｍのPLZT化合物粉体結晶に置き換えることができる。通常１００％置き換えるが、場合により、一部置き換えても良い。
また、本発明においては、中空体に充填されたPZT化合物粉体がさらに、粒度０・１〜５μｍの無機絶縁体の微粒子を３０質量％以下含有することができる。このようにすることにより、高価なPZT化合物の使用量を減らし、かつ、同程度の圧電特性を維持することが出来る。無機絶縁体としては、シリカ、アルミナ、タルク、酸化マグネシウム、炭酸カルシウムから選ばれる１種若しくは２種以上を用いることが出来る。
【０００８】
本発明においては、導電性金属の中空体、中空体の中心部に位置する導電性金属の線状体、中空体に充填された粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体からなる未焼成圧電構造体において、充填された粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体が常に一定圧力以上で、加圧された状態を保ちつつ充填されていることが重要であり、代表的には、中空体が、円筒を押し潰した形状である未焼成圧電構造体とすることである。押し潰す圧力は、導電性金属によって異なるが、通常約７０〜２００MPaである。
さらに、本発明では、導電性金属の中空体の直径が、０．２〜３ｍｍとすることがことができる。とくに１ｍｍ以下の微細な中空体は、小型センサとして利用するに際して有利である。
【０００９】
さらに、本発明においては上記の製造方法のほか、導電性金属の中空円筒体に、導電性金属の線状体を挿入し、粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体を充填し、中空体の中心部に導電性金属の線状体を位置させ、ローラを通すことにより、導電性金属の円筒体を押し潰して中空体とした後、中空体と線状体に５００〜７００Ｖの直流を印加し、PZT化合物に極性を与える未焼成圧電構造体の製造方法を開示する。
本発明の製造方法においては、粒度０・１〜５μｍのPZT化合物粉体に代えて、粒度０・１〜５μｍのPLZT化合物粉体を用いることができる。
【実施例１】
【００１０】
（圧電グリーンの作成）
本発明で用いた圧電グリーンは、粒径が１μｍ程度の極めて微細なＰＺＴ結晶１０ｇ、セルロース系バインダ０．３ｇ及び溶剤３ｇ（純水）を混合することにより、圧電グリーンを作製した。
（圧電ワイヤの作成と導電性金属中空体への押出し）
図３に示すような押し出し成型機５を用いて、直径0.05ｍｍの金属コアの外周に圧電グリーンを押出し被覆しながら、金属配管（銅パイプ：外径１ｍｍ）の内部（内径0.3ｍｍ）に押し出した。
（未焼成圧電構造体の製造）
出来上がった前駆体を図１に示すように、ハンドプレスで80MPa程度加圧した。
それにより、金属パイプは内部の圧電材料を圧粉し図３のように変形した。
内部の金属コア１と金属パイプ３との間に電圧を加え、内部の圧電粉体の分極処理を行った。
内部の圧紛体の密度は焼結セラミックスの密度の70％程度にしかならないため、この時の分極電圧は一般のPZT系圧電セラミックスの分極電圧（1kV/mm）より高い電圧（3kV/mm以上）で分極を行った。
【実施例２】
【００１１】
図１に示すように、金属配管３（ステンレスパイプ外径内径3mm内径２．５ｍｍ）の中に直径1mmのステンレスワイヤ１と圧電粉体２（粒度１．０μｍのPZT化合物結晶粉体）を直接押し込みハンドプレスで80MPa程度加圧することにより圧紛型圧電素子を作製した。
その後、金属コア１と金属パイプ３との間に電圧を加え、内部の圧電粉体の分極処理を行う。内部の圧紛体の密度は焼結セラミックスの密度の70％程度にしかならないため、この時の分極電圧は一般のPZT系圧電セラミックスの分極電圧（1kV/mm）より高い電圧（3kV/mm以上）で分極を行った。
【００１２】
実施例１で作製した圧紛型圧電素子を、図４に示すアルミニウム金属板６の上に貼り付け、素子から5cmはなれた金属板６の上に重さ5.4ｇ、直径11mmの鉄球７を高さ20cmから落下させた。
その落下による衝撃は金属板表面を弾性波として、圧電素子に伝わる。圧紛型素子からの出力をオシロスコープで直接測定した波形を図5に示す。チャージアンプ等の増幅装置を用いずに落下した時の衝撃を検出できていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の機械的剛性の高い構造の振動を高感度に検出することの出来る未焼成圧電構造体は、感度の高い振動センサとして有効であり、例えば、パイプラインの安全を確保するためのセンサやピッキングなどを検地する防犯のためのセンサとして有望である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ＰＺＴ結晶の生成と成長の説明図
【図２】プロセス説明図
【図３】実施例における反応の説明図
【図４】実施例１のPZT圧電被膜形成ニッケルチタン合金の断面の拡大写真
【図５】ＰＺＴ結晶が積層し成長している表面写真
【符号の説明】
【００１５】
１  金属ワイヤ、
２  圧電粉体
３  金属パイプ
４  ＰＺＴペースト
５  押出成型機
６  アルミ板
７  鉄球
【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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