(57)【要約】  本発明は、圧電素子を有する圧電トランスデューサに関する。圧電トランスデューサは、圧電素子の機械的な動きを電気信号に変換し、圧電素子に与えられた電気信号を機械的な動きに変換するように動作可能であり、２００℃以上の温度で変換するように動作可能である。
2018512743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する圧電トランスデューサであって、
圧電素子の機械的な動きを電気信号に変換し、圧電素子に与えられた電気信号を機械的な動きに変換するように動作可能であり、
２００℃以上の温度で変換するように動作可能である、圧電トランスデューサ。
【請求項２】
６６０℃以下の温度で変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項３】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が少なくとも２０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、ｄ３３は圧電電荷係数であり、ｐｍは１０−１２ｍであり、Ｎ（ニュートン）は応力を示す、請求項１または２に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項４】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が約１００ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、ｄ３３は圧電電荷係数であり、ｐｍは１０−１２ｍであり、Ｎ（ニュートン）は応力を示す、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項５】
ｄ３３の前記値は、少なくとも２００℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値である、請求項３または４に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項６】
圧電材料の変換効率が、圧電素子が２５℃の室温にあるときの圧電材料の変換効率に比べ、温度２００℃を超える温度にあるときの圧電材料の変換効率より実質的に大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項７】
圧電トランスデューサは、さまざまなモードのうちの少なくとも１つのモードで電気信号を変換するように動作可能である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項８】
１つまたはそれ以上の圧電素子を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項９】
３．２Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１０】
５００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１１】
８０ナノ秒以上の周期を有する電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１２】
１ｋＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１３】
−５５℃〜６００℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成された、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１４】
対象物の動きを検出するように動作可能なエフェクタを有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１５】
測距トランスデューサである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１６】
標的方向を有する指向性トランスデューサである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１７】
圧電素子に隣接するバッキング材を有する、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１８】
バッキング材は、圧電素子の標的方向に対して圧電素子の後方からの振動信号を吸収または散乱させるように構成された、請求項１７に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１９】
バッキング材は、圧電材料と実質的に同じオーダーの音響インピーダンスを有する、請求項１７または１８に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２０】
バッキング材は、タングステンまたは他の重金属と、鋳造可能なセラミックスおよび／またはガラスとの混合物である、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２１】
バッキング材は、ムライト、コージライト、アルミナシリケート、または不均一構造もしくは内部気泡を有するセラミックスのうちの１つまたは複数のものを含む、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２２】
バッキング材は、金属発泡体または多孔質焼結金属体である、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２３】
バッキング材は、その液相で形成可能である、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２４】
バッキング材は、圧電素子に接合されている、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２５】
バッキング材は、圧電材料と同じ材料である、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２６】
バッキング材は、分極、非分極、または一部分極したものである、請求項２５に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２７】
圧電材料とバッキング材との間に中間層が設けられた、請求項２５または２６に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２８】
圧電材料は、次の化学式で表される固溶体を含むセラミックスであり、
セラミックスは、多孔性以外、非ペロブスカイト相を実質的に含まない、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の圧電トランスデューサ。
［化１］
ｘ(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３−ｙＢｉＦｅＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３
ここで、０．４≦ａ≦０．６
０＜ｘ＜１
０＜ｙ＜１
０＜ｚ＜０．５
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
【請求項２９】
ハウジングと、エフェクタと、圧電素子と、電気的接続手段と、を備える圧電トランスデューサのための部品キット。
【請求項３０】
ハウジングと、摩耗板と、圧電素子と、電気的接続手段と、を備える圧電トランスデューサのための部品キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電トランスデューサおよび圧電トランスデューサの製造方法に関し、これに限定するものではないが、特に、少なくとも２００℃を超える温度環境で、または高圧、高ストレスもしくは高い放射線量等の過酷な環境の下で効率的に機能する性能を有する圧電トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は、電気機械結合特性を有し、正モードでは、負荷された機械的応力に比例した電荷を形成することができる。択一的に逆モードでは、外部電場を加えると歪みを形成することができる。この現象は、１８８０年にＪ．キュリーとＰ．キュリーによって発見されたものであるが、パーキングセンサ、超音波診断、燃料噴射バルブ、汎用圧電ブザー等の近代的なデバイスにおいて本質的なものである。これらの、または他の典型的な用途は広範な産業に及ぶが、次の動作モードを有する圧電トランスデューサとして分類することができる。すなわち、（ｉ）スピーカ、燃料／インク噴射、ロボット、およびＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）に用いられるエフェクタ、アクチュエータ、およびモータの態様（モード）、（ｉｉ）医療用装置およびソーナー用装置の超音波撮像、能動的な振動減衰、信号周波数フィルタ処理のために用いられるトランスデューサの態様、さらに（ｉｉｉ）ピックアップ、マイクロフォン、ガス点火器のために用いられるセンサの態様に分類することができる。実際のところ、市場空間は、１０万件以上の特許で占有され、年間１００億ドルを超える価値をもたらし、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で作製されたエフェクタおよびアクチュエータに用いられる圧電トランスデューサの売上により凌駕されている。
【０００３】
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、鉛（Ｐｂ）の含有率が高く、欧州連合のローズ（RoHS、特定有害物質の使用制限）指令に基づき、他のすべての電子機器における使用が禁止されている。現在では、鉛はこれらの材料に要求される分極を得るのに不可欠な役割を担っているため、エレクトロセラミックスは適用除外されているが、こうした適用除外はしばしば見直され、供給者および需要者は鉛フリーの代替材料を見出す必要が生じる。
【０００４】
しかしながら原則的に、ＰＺＴは、広範な市場において利用されているものの、２００℃より低い温度での用途に限定されており、それ以上の温度では、圧電特性の安定性が確実に損なわれてしまう。
【０００５】
高温エレクトロニクスは、１９７０年代から材料を提供し、課題に取り組んできた研究分野であり、相当の産業上の重要性を有する分野として認識されてきた。現在、１５０℃の反復的温度サイクル環境が一般的であるが、深層油田掘削のためのセンサ、動作効率の高い車載用アクチュエータの態様としてのトランスデューサ、および過酷な環境における核エネルギもしくは他の「クリーン」エネルギのソリューションズを含む電子機器の用途において、５００℃までの温度での動作に対する要求がますます高まっている。航空宇宙産業も同様に、効率を改善し、健康状態をモニタし、質量を低減するため、上空および宇宙において、５００℃を超える温度で１０万時間以上耐えるようなセンサおよびエフェクタの態様としてのトランスデューサを必要としている。例えば、ガスタービンの動作温度が１５０℃高くなると、タービン冷却部品が不要になり、実質的に６％の温度効率を増大させることができる。
【０００６】
ＰＺＴおよび他の従来技術に係る圧電材料の温度限界を、いくつかの手法で部分的に克服することができるが、それらの手法には明らかな課題を有する。たとえば、いくつかの中間的材料を用いて高温環境からトランスデューサを遠ざけることができる。しかしながら、トランスデューサの感度および処理能力は悪影響を受ける。択一的には、トランスデューサを高温環境下に断続的に挿入するか、水等の液体を用いてトランスデューサを冷却することにより過熱を防止することができる。しかしながら、このように過熱を防止するには、複雑な工学的手段を必要とすることがある。別の可能性としては、こうした材料が高温環境では短い製品寿命を有することを許容することであるが、トランスデューサを定期的に交換することは、多くの時間およびコストを要することがある。高い放射線量または高い圧力の環境下において圧電材料を利用する場合、同様の課題が生じる。
【０００７】
光ファイバ、貴金属の歪みゲージ、および圧電素子を採用した、圧力測定、質量測定、および化学測定のための高温トランスデューサであって、特に表面弾性波（ＳＡＷ）トランスデューサおよびバルク弾性波（ＢＡＷ）トランスデューサ向けの高温トランスデューサの開発には、これまで多大な努力がなされてきた。圧電トランスデューサは、電荷、電圧、および周波数を測定するメカニズムを有する他のデバイスと比較して、分解能、温度安定性、感度、および低コストの点で優れた特性を兼ね備えていることが実証されている。
【０００８】
これらの用途に用いられる材料は、組成、形態、および構造が異なるが、主流となっているＰＺＴシステムより、できるだけ高い圧電動作温度を実現することを重要視している。これらの材料は、石英、ニオブ酸リチウム、およびオルトリン酸リチウム等の単結晶、窒化アルミニウム等の薄膜、およびチタン酸ビスマス等の多結晶性材料を含み、処理コストが低く、汎用電子デバイスに組み込みやすいため、工業用途として最も頻繁に利用されるものである。これらの材料は、ビスマス系セラミックスが主流であり、高い圧電特性を示すＰＺＴのメカニズムに類似した混合相系を含む。
【０００９】
最近、高温に耐え得る新しい圧電セラミックス材料が開発された。その材料は、以下、ＢＦ−ＫＢＴ−ＰＴと呼ぶが、国際特許公開WO2012/013956A1に記載されており、その内容の全体が参考に一体のものとして本明細書に統合される。ＢＦ−ＫＢＴ−ＰＴは、より高い温度に耐えることができるが、従来の圧電トランスデューサは、これに用いられる他の構成部品（例えば、バッキング材、ケーシング、配線ならびに半田、およびその他の部品が、要求される条件に耐えるように構成されていない。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題の少なくともいくつか、または以下の詳細な説明から理解される他の課題を克服することにある。
【発明の概要】
【００１１】
本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載された装置および方法が提供される。本発明の他の特徴は、従属請求項および以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、圧電素子を有する圧電トランスデューサが提供され、圧電トランスデューサは、圧電素子の機械的な動きを電気信号に変換し、圧電素子に与えられた電気信号を機械的な動きに変換するように動作可能であり、２００℃以上の温度で変換するように動作可能である。
【００１３】
圧電トランスデューサは、２１０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２１５℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２２０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２２５℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２３０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２３５℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２４０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２４５℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２５０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２７０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２８０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２９０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３１０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３２０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３３０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３４０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３５０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３６０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３７０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３８０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３９０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４１０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４２０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４３０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４４０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４５０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４６０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４７０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４８０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４９０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５１０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５２０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５３０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５４０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５５０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５６０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５７０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５８０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５９０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６００℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６１０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６２０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６３０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６４０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６５０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６６０℃以上の温度で変換するように動作可能であってもよい。
【００１４】
圧電トランスデューサは、６６０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６５０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６４０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６３０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６２０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６１０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６００℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５９０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５８０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５７０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５６０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５５０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５４０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５３０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５２０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５１０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５００℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４９０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４８０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４７０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４６０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４５０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４４０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４３０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４２０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４１０℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４００℃以下の温度で変換するように動作可能であってもよい。
【００１５】
圧電トランスデューサは、２つの上記値の間の温度範囲で動作可能であってもよい。
【００１６】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が少なくとも２０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し（ｄ３３は圧電電荷係数であり、ｐｍは１０−１２ｍであり、Ｎ（ニュートン）は応力を示す。）、好適にはｄ３３が少なくとも２２ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも２４ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも２６ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも２８ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも３０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも３５ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも４０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも４５ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも５０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも６０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも７０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも８０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも９０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも１００ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも１５０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、好適にはｄ３３が少なくとも２００ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有してもよく、ｄ３３の前記値は、好適には少なくとも３８０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値であり、好適には少なくとも４００℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値であり、好適には少なくとも４２０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値であり、好適には少なくとも４４０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値であってもよい。
【００１７】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が約１００ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１１０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１１０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１２０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１３０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１４０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１５０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１６０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１７０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１８０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約１９０ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には約２００ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、好適には少なくとも３８０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値、少なくとも４００℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値、少なくとも４２０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値、または少なくとも４４０℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値であってもよい。
【００１８】
２つの上記値の間の範囲の変換効率で変換してもよい。圧電材料の変換効率が、圧電素子が２５℃の室温にあるときの圧電材料の変換効率に比べ、温度２００℃を超える温度にあるときの圧電材料の変換効率より実質的に大きくてもよい
【００１９】
圧電トランスデューサは、さまざまなモードで電気信号を変換するように動作可能であってもよい。電気信号は、単一超音波パルスまたは一連の連続パルスであってもよい。
電気信号パルスは、単極性または双極性であってもよく、エネルギ供給量を増大させるべきか、リンギングを低減させるべきかによって、単極性または双極性を選択してもよい。音響エネルギ供給量を増大させるために、他のモードを用いてもよい。生成された単極性（ＤＣ）または双極性（ＡＣ）の電気信号を加えてもよい。電気信号は、連続的に加えてもよいし、振幅および／または周波数で掃引しながら加えてもよい。モードは連続的な正弦波、または「チャープ」信号等の掃引信号であってもよい。
【００２０】
圧電トランスデューサは、複数の周波数に応答し、および／または複数の周波数に変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１つまたはそれ以上の圧電素子を有してもよい。圧電トランスデューサは、単一の圧電素子を有してもよく、使用時、電気刺激信号によって複数の周波数で励起されるものであってもよい。圧電素子は、使用時、２つまたはそれ以上の共振モードで励起されるものであってもよい。モードは、厚みモード、および平面／半径モードであってもよい。
【００２１】
圧電トランスデューサは、１０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１２Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２４Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、７０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、８０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、９０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１００Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１５０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２００Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２５０Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３００Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。
【００２２】
圧電トランスデューサは、５００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１５０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１４０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１３０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１２０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１１０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、９０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、８０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、７０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、６０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３０Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２４Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１２Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３．２Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。
【００２３】
圧電トランスデューサは、８０ナノ秒以上の周期を有する電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１００ナノ秒以上の周期を有する電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１２０ナノ秒以上の周期を有する電圧を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。
【００２４】
圧電トランスデューサは、１ｋＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１０ｋＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１００ｋＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、２ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、３ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、４ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、５ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。圧電トランスデューサは、１０ＭＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能であってもよい。
【００２５】
圧電トランスデューサは、−５５℃〜６００℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜５００℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜４００℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜３９０℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜３８０℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜３７０℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。圧電トランスデューサは、−５５℃〜３６０℃の温度にある液体に含まれるガス比率を検出するように構成されるものであってもよい。
【００２６】
圧電トランスデューサの構成部品は、機械的な固定手段を用いて一体に固定してもよく、その固定手段は着脱可能な固定手段であってもよい。機械的な固定手段は、ねじ山つき固定具であってもよく、圧電トランスデューサの構成部品の協働するねじ山を有するものであってもよい。
【００２７】
有利にも、圧電トランスデューサは、その構成部品を接着剤または半田を用いて一体に固定する必要はない。
【００２８】
圧電トランスデューサは、好適には、対象物の動きを検出するように動作可能なエフェクタを有するものであってもよい。このとき、エフェクタは、圧電素子に供給される電流によって振動する素子ではなく、対象物によって振動させられた圧電素子に電流を発生させるトランスデューサの一部であってもよい。エフェクタは、圧電素子と接触していてもよい。圧電トランスデューサはフロー（流量検知用）トランスデューサであってもよい。
【００２９】
圧電トランスデューサは、測距トランスデューサであってもよい。圧電トランスデューサは、振動信号を送信および受信するように動作可能であってもよく、好適には、圧電素子が振動信号を送信および受信するように動作可能である。振動信号は、ソナーの位置特定に利用してもよい。
【００３０】
圧電トランスデューサは、指向性トランスデューサであってもよく、好適には標的方向を有し、好適には圧電トランスデューサの長手方向軸に沿って延びる標的方向を有する。圧電トランスデューサは、バッキング材を有してもよく、好適には圧電素子に隣接するバッキング材を有してもよい。バッキング材は、圧電素子の標的方向とは反対側に配置されるものであってもよい。バッキング材は、圧電素子の標的方向に対して圧電素子の後方からの振動信号を吸収または散乱させるように構成される。バッキング材は、圧電素子に接合するように構成してもよい。バッキング材は、圧電素子を封入するように構成してもよい。バッキング材は、音響特性が適合層と同等であってもよい。バッキング材は、音響的に能動的であってもよい。バッキング材は、音響的に非能動的であってもよい。
【００３１】
バッキング材は、圧電材料と実質的に同じオーダーの音響インピーダンスを有してもよく、標的方向とは反対方向からの振動エネルギをバッキング材で吸収できるようにしてもよい。バッキング材は、例えば２つの材料からなる混合物とし、不均一なものとし、または非規則的形状とすることにより、好適には、振動エネルギを分散させる必要がある。
【００３２】
バッキング材は、タングステンまたは他の重金属（タンタル）と、鋳造可能なセラミックスおよび／またはガラスとの混合物であってもよい。
【００３３】
バッキング材は、ムライト、コージライト、アルミナシリケート、または不均一構造もしくは内部気泡を有するセラミックスのうちの１つまたは複数のものを含んでもよい。
【００３４】
バッキング材は、金属発泡体または多孔質焼結金属体であってもよい。多孔質焼結金属体は、圧電材料の音響インピーダンスと適合する、好適にはほぼ適合する音響インピーダンス（２５〜３０ＭＲａｙｌ）を有することが好ましい。好適には、多孔質焼結金属体のバッキング材は、金属主材料の２０％以下の空隙率の多孔質性を有する。１つの好適な金属発泡体は、実質的なチタニウム合金発泡体、またはより好適には、焼結された実質的な銅合金であってもよい。
【００３５】
バッキング材は、中実体であってもよく、中実体は、高密度で均一であるが、穿孔、鋳造、溝等の形成後の特徴物に起因して散乱が生じる。散乱はこれらの特徴物に起因して生じる。バッキング材は、多孔質であり、密度および／または多孔度が段階的に変化する中実体であってもよい。
【００３６】
さらにバッキング材は、電気伝導性（導電性）または電気抵抗性を有するものであってもよい。さらにバッキング材は、４００℃を超える温度で短時間または長時間動作するものであってもよい。
【００３７】
バッキング材は、その液相で形成可能であり、好適には、その後に硬化されるものであってもよく、または圧電センサの所定位置に配置されたときに固められるものであってもよい。バッキング材は、中実体とは分離されるか、または中実体から離間して形成されてもよい。
【００３８】
バッキング材は、圧電素子に接合されてもよい。接合には、銀接着材等の導電性の接着材を用いてもよい。接合には、乾式連結部を用いてもよい。接合には、拡散接合または真空ろう付け等を用いてもよい。接合には、熱と圧力を加えて接合部を形成してもよい。接合には、異なる材料で形成された複数の材料層を用いてもよいし、異なる層が異なる材料で形成された複数の材料層を用いてもよい。接合には、熱とストレスを加えて接合部を形成する高温ガラスを用いてもよい。
【００３９】
バッキング材は、圧電材料と同じ材料であってもよい。バッキング材は、分極、非分極、または一部分極したものであってもよい。圧電材料とバッキング材との間に中間層が設けられてもよい。好適には、バッキング材が圧電材料と同じ材料である場合、バッキング材は、多孔質のものであり、好適には内部気泡を含むものであってもよい。多孔質の度合いは、バッキング材の部分によって変化し、例えば多孔質度は、圧電材料との界面から遠ざかるほど増大するものであってもよい。
【００４０】
圧電素子は、定型の平面形状を有してもよい。圧電素子は、非定型の平面形状を有してもよい。圧電素子は、円形の平面形状を有してもよい。圧電素子は、正方形の平面形状を有してもよい。圧電素子は、矩形の平面形状を有してもよい。圧電素子は、ドーナツ状の平面形状を有してもよい。圧電素子は、円筒形の平面形状を有してもよい。
【００４１】
本発明に係る別の態様によれば、圧電トランスデューサのための部品キットが提供され、この部品キットは、ハウジングと、エフェクタと、圧電素子と、電気的接続手段と、を備える。
【００４２】
この部品キットは、電極板をさらに備えてもよい。
【００４３】
この部品キットは、アイソレータをさらに備えてもよい。この部品キットは、キャップをさらに備えてもよい。
【００４４】
圧電材料は、次の化学式で表される固溶体を含むセラミックスであってもよく、セラミックスは、多孔性以外、非ペロブスカイト相を実質的に含まない。
［化１］
ｘ(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３−ｙＢｉＦｅＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３
０．４≦ａ≦０．６
０＜ｘ＜１
０＜ｙ＜１
０＜ｚ＜０．５
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
【００４５】
有利にも、このセラミックスは、３５０℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、４００℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、４５０℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、５００℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、５５０℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、６００℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、６５０℃を越えるキュリー点を有する。有利にも、このセラミックスは、７００℃を越えるキュリー点を有する。
【００４６】
好適には、このセラミックスは本質的に固溶体からなる。固溶体は、例えば５０重量％以上（例えば５０重量％〜９９重量％）、好適には７５重量％以上、特に好適には９０重量％以上、より好適には９５重量％以上のセラミックスを含有する。
【００４７】
好適には、このセラミックスは、１つまたはそれ以上のペロブスカイト相をさらに有する。特に好適には、このペロブスカイト相は、(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３、ＢｉＴｉＯ３、ＫＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、およびＰｂＴｉＯ３を含む群の中から選択されるものである。このペロブスカイト相は、７５重量％以下、好適には５０重量％以下、特に好適には２５重量％以下、より好適には５重量％以下で含有されている。このペロブスカイト相は、微量だけ含有されていてもよい。
【００４８】
非ペロブスカイト相は、Ｂｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｆｅ、またはＰｂのうちの２つもしくはそれ以上（３つ）からなる混合金属相であってもよい。非ペロブスカイト相の一例として、Ｂｉ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ｂｉ２Ｆｅ４Ｏ９、Ｂｉ３Ｔｉ４Ｏ１２が挙げられる。
【００４９】
非ペロブスカイト相は、Ｘ線回折パターンで識別できない程度の量だけセラミックスに含まれている。非ペロブスカイト相は、微量だけセラミックスに含まれていてもよい。
【００５０】
セラミックスに含まれる非ペロブスカイト相の全体量は、好適には１０重量％以下、特に好適には８重量％以下、より好適には５重量％以下、さらにより好適には２重量％以下、さらにいっそう好適には１重量％以下、最も好適には０．１重量％以下である。
【００５１】
固溶体は部分的な固溶体であってもよい。好適には、固溶体は完全な固溶体である。
【００５２】
固溶体は実質的に単層であってもよい。
【００５３】
固溶体は二相性のものであってもよい。好ましくは、固溶体は、菱面体晶相、単斜晶相、斜方晶相および正方晶相からなる群のうちの２つを有する。固溶体は、菱面体晶相および単斜晶相を有していてもよい。固溶体は、菱面体晶相および斜方晶相を有していてもよい。好適には、固溶体は、正方晶相および菱面体晶相を有する。
【００５４】
好適には、上記ｚは０以上、０．３以下である。好適には、この実施形態では、セラミックスは、次式で表される固溶体を含む。
【００５５】
［化２］
ｘ(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３−（１−ｘ）ＢｉＦｅＯ３
【００５６】
ここで、ａは０．４〜０．６であり、ｘは０．０１〜０．９９であり、セラミックスは、非ペロブスカイト相を実質的に含まない。
【００５７】
固溶体は、ＢｉＦｅＯ３に含まれる(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３の固溶体であってもよい。固溶体は、(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３に含まれるＢｉＦｅＯ３の固溶体であってもよい。
【００５８】
好適には、ｘは０．１〜０．９の範囲に入る。
【００５９】
特に好適には、ｘは０．７〜０．９の範囲に入る。この範囲で特に好ましいのは、正方晶と菱面体晶相の二相性固溶体である。
【００６０】
特に好適には、ｘは０．１〜０．４の範囲に入る。この範囲にあるセラミックスは、驚くほどに高いキュリー点を有し、高温環境下で潜在的に有用である。
【００６１】
特に好適には、ｘは０．５〜０．６の範囲に入る。
【００６２】
好適には、ａは０．４５〜０．５５の範囲に入る。特に好適には、ａは０．４８〜０．５２の範囲に入る。より好適には、ａは０．５０である。
【００６３】
固溶体において、Ｂｉ、Ｋ、ＦｅおよびＴｉのうちの１つまたはそれ以上が金属ドーパントで置換されていてもよい。置換される金属ドーパントは、同じでも異なっていてもよい。金属ドーパントの有無によっては、固溶体の特性に著しく予想外に影響を与えることがある。例えば、キュリー点および／またはピエゾ圧電効果が改善される場合がある。
【００６４】
各金属ドーパントは、５０原子組成％以下、好ましくは２０原子組成％以下、特に好ましくは１０原子組成％以下、より好ましくは５原子組成％以下、さらにより好ましくは３原子組成％以下、最も好ましくは１重量％以下である。
【００６５】
金属ドーパントは、Ａサイト金属ドーパントであってもよい。例えば、Ａサイト金属ドーパントは、Ｂｉおよび／またはＫおよび／またはＰｂを置換してもよい。好適には、Ａサイト金属ドーパントは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａおよび希土類金属からなる群から選択される。
【００６６】
金属ドーパントは、Ｂサイト金属ドーパントであってもよい。例えば、Ｂサイト金属ドーパントは、Ｆｅおよび／またはＴｉを置換してもよい。
【００６７】
好適なＡサイト金属ドーパントは、ＬｉまたはＮａである。ＡサイトをＬｉまたはＮａで置換すると、キュリー点を変え（例えば増大させ）、および／または任意の二相性固溶体（例えば、菱面体晶−正方晶の固溶体）の相組成を有利に変更することができる。
【００６８】
好適なＡサイト金属ドーパントは、Ｃａ、ＳｒまたはＢａである。ＡサイトをＣａ、ＳｒまたはＢａで置換すると、誘電損失を低減し、キュリー点を変え（例えば増大させ）、および／または任意の二相性固溶体（例えば、菱面体晶−正方晶固溶体）の相組成を有利に変更することができる。
【００６９】
好適なＡサイト金属ドーパントは、希土類金属である。特に好適なＡサイト金属ドーパントは、ＬａまたはＮｄである。典型的には、ＬａまたはＮｄがＫを置換する。ＬａまたはＮｄで置換すると、キュリー点を犠牲にして圧電効果を増大させることができる。例として（所定のＢｉＦｅＯ３濃度に対して）、ＬａおよびＮｄで置換すると、典型的にはキュリー点を約１００〜２００℃低下させ、圧電効果を５０％増大させる。
【００７０】
特に好適な実施形態では、Ａサイト金属ドーパントは、Ｋ（すなわち、Ｋ＋）を置換するＬａ（例えばＬａ３＋）である。このように置換することにより、抵抗率を大幅に改善することができる。
【００７１】
好適なＢサイト金属ドーパントは、置換される金属の価数よりも高い価数を有する。ペロブスカイト相の導電率は、通常、正孔または酸素空孔に起因する。より高い原子価の金属ドーパントをＢサイトに置換することにより、抵抗率を相当に増大させる（すなわち、導電率を抑制する）ことができる。
【００７２】
特に好適な実施形態では、Ｂサイト金属ドーパントはIV〜VIIの範囲の原子価を有する。特により好適なものは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、ＭｏおよびＭｎからなる群から選択されるＢサイト金属ドーパントである。さらにより好適なものは、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、ＺｒおよびＶからなる群から選択されるＢサイト金属ドーパントである。
【００７３】
好適なＢサイト金属ドーパントは、Ｔｉ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選択される。特に好適なものは、Ｆｅ（すなわち、Ｆｅ３＋）を置換するＴｉ（例えば、Ｔｉ４＋）である。
【００７４】
好適な実施形態では、Ｂサイト金属ドーパントは混合原子価を有する。Ｂサイトに混合原子価金属ドーパントを置換することにより、抵抗率を実質的に改善することができる。
【００７５】
特に好適な実施形態では、Ｂサイト金属ドーパントはＭｎである。Ｍｎの利点は、一定範囲の酸化状態に適用可能である点で緩衝材として機能する点であり、一定範囲のセラミックスの抵抗率を改善することができる。
【００７６】
特に好適な実施形態では、Ｂサイト金属ドーパントはＣｏである。典型的には、ＣｏはＦｅ（すなわちＦｅ３＋）を置換する。
【００７７】
セラミックスは、テクスチャ加工された（凹凸を設けた）セラミックス、単結晶、薄膜または複合材（例えば、セラミックス／ガラス複合材もしくはセラミックス／ポリマ複合材）の形態を有していてもよい。
【００７８】
好適には、セラミックスのキュリー点は３５０℃以上である。セラミックスのキュリー点は４００℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は４５０℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は５００℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は５５０℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は６００℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は６５０℃以上であってもよい。セラミックスのキュリー点は７００℃以上であり得る。
【００７９】
好適には、セラミックスは、図２または図７に実質的に示すようなＸ線回折パターンを有する。
【００８０】
セラミックスは、Ｂｉ、Ｋ、ＦｅおよびＴｉ（ならびに任意的にはＰｂ）を含む焼結可能な形態の混合金属酸化物を焼結することにより製造することができる。
【００８１】
好適には、セラミックスは予備焼結添加剤をさらに含む。
【００８２】
予備焼結添加剤は、７５重量％以下、好適には５０重量％以下、特に好適には２５重量％以下、より好適には５重量％以下の量で含まれるものであってもよい。微量の予備焼結添加剤が含まれるものであってもよい。
【００８３】
予備焼結添加剤は、ペロブスカイトであってもよい。予備焼結添加剤は、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２のような層状ペロブスカイトであってもよい。予備焼結添加剤は、鉛含有ペロブスカイトであってもよい。鉛含有ペロブスカイトは、ＰｂＴｉＯ３またはＰｂＺｒＯ３であってもよい。
【００８４】
予備焼結添加剤は、Ｂｉ、Ｋ、ＦｅおよびＴｉ（ならびに任意的にはＰｂ）を含む混合金属酸化物を形成するために、反応後（例えば焼成後）に添加してもよい。予備焼結添加剤は、焼結助剤として機能させることができる。
【００８５】
好適な実施形態では、以下のプロセスにより作製することができる。このプロセスは、
（Ａ）実質的に化学量論量のＢｉ、Ｋ、ＴｉおよびＦｅ（ならびに任意的にはＰｂ）からなる化合物の緊密な混合物を調製する工程、
（Ｂ）親密な混合物を親密な粉末に変換する工程、
（Ｃ）親密な粉末の反応を誘発して、混合金属酸化物を生成する工程、
（Ｄ）混合金属酸化物を焼結可能な形態に成型する工程、および 
（Ｅ）混合金属酸化物の焼結可能な形態を焼結してセラミックスを製造する工程を含む。
【００８６】
さらに別の態様から見ると、本発明は、上記定義したセラミックスの製造方法を提供し、この方法は、 
（Ａ）実質的に化学量論量のＢｉ、Ｋ、ＴｉおよびＦｅ（ならびに任意的にはＰｂ）からなる化合物の緊密な混合物を調製する工程、
（Ｂ）親密な混合物を親密な粉末に変換する工程、
（Ｃ）親密な粉末の反応を誘発して、混合金属酸化物を生成する工程、
（Ｄ）混合金属酸化物を焼結可能な形態に成型する工程、および 
（Ｅ）混合金属酸化物の焼結可能な形態を焼結してセラミックスを製造する工程を含む。
【００８７】
工程（Ａ）において、Ｆｅ、Ｔｉ、ＫおよびＢｉ（ならびに任意的にはＰｂ）の化合物の１つまたはそれ以上のものが化学量論量から逸脱することが有利となる場合がある。例えば、Ｆｅ、Ｔｉ、ＫおよびＢｉ（ならびに任意的にはＰｂ）の１つまたはそれ以上のものが化学量論量を超えて含まれる。例えば、原子組成％は、±２０％以下、好適には±１０％以下、特に好適には±５％以下化学量論量から逸脱してもよい。化学量論量から逸脱することにより、有利にも、セラミックスは酸化物相（例えば、ペロブスカイト相）が形成されることがある。
【００８８】
好適には、工程（Ａ）において、実質的な化学量論量のＢｉ、Ｋ、ＴｉおよびＦｅ（ならびに任意的にはＰｂ）の化合物は、次式で表される。
【００８９】
［化３］
ｘ（ＢｉｂＫｃ）ＴｉＯ３−ｙ（ＢｉＦｅ１−ｄＢｄＯ３）−ｚＰｂＴｉＯ３
【００９０】
ここで、Ｂは、先に定義したＢサイト金属ドーパントであり、ｂは０.４〜０.６の範囲にあり、ｃは０.４〜０.６の範囲にあり、ｄは０〜０.５の範囲にあり、ｘ、ｙおよびｚは先に定義したとおりである。
【００９１】
特に好適な実施形態では、ＢはＴｉである。
【００９２】
特に好適な実施形態では、ＢはＣｏである。
【００９３】
特に好適な実施形態では、ｄは０〜０.２の範囲にある。より好適には、ｄはゼロである。
【００９４】
特に好適な実施形態では、ｚはゼロである。
【００９５】
特に好適な実施形態では、ｂは先に定義したとおりであり、ｃは（１−ａ）である。
【００９６】
工程（Ａ）は、上記説明した金属ドーパントを供給する金属ドーパント酸化物を含むものであってもよい。
【００９７】
Ｂｉ、Ｋ、ＴｉおよびＦｅ（ならびに任意的にはＰｂ）からなる化合物は、酸化物、硝酸塩、水酸化物、炭酸水素塩、イソプロポキシド、ポリマ、および炭酸塩からなる群から独立して選択され、好適には酸化物および炭酸塩である。具体例としては、Ｂｉ２０３およびＫ２ＣＯ３が挙げられる。
【００９８】
親密な混合物は、スラリ（例えば粉砕スラリ）、溶液（例えば水溶液）、懸濁液、分散液、ゾルゲル、または溶融フラックスであってもよい。
【００９９】
工程（Ｃ）は、加熱工程（例えば焼成工程）を含んでもよい。好適には、工程（Ｃ）は、段階的または間欠的な加熱工程を含む。工程（Ｃ）は、段階的または間欠的な冷却工程を含んでもよい。
【０１００】
親密な混合物が溶液である場合、化合物は塩（例えば硝酸塩）であってもよい。
【０１０１】
親密な混合物がゾルゲルである場合、化合物はイソプロポキシドであってもよい。
【０１０２】
親密な混合物が溶融フラックスである場合、化合物は塩フラックスに溶解した酸化物であってもよい。工程（Ｃ）からの混合金属酸化物は、冷却して沈殿させてもよい。
【０１０３】
好適には、親密な混合物は粉砕した粉末である。工程（Ａ）は、（Ａ１）実質的に化学量論量のＢｉ、Ｋ、ＴｉおよびＫ（ならびに任意的にはＰｂ）の化合物のスラリを調製する工程、および（Ａ２）スラリを粉砕する工程を含み、工程（Ｂ）は、（Ｂ１）スラリを乾燥させて粉砕粉末を生成する工程であってもよい。
【０１０４】
工程（Ｅ）は、段階的または間欠的な焼結工程であってもよい。好適には、工程（Ｅ）は、段階的もしくは間欠的な加熱工程、および段階的もしくは間欠的な冷却工程を含む。
【０１０５】
工程（Ｅ）は、焼結助剤の存在下で行ってもよい。焼結助剤の存在により、高密度化を促進することができる。焼結助剤はＣｕＯ２であってもよい。
【０１０６】
工程（Ｄ）は、混合金属酸化物の粉砕工程を含んでもよい。工程（Ｄ）は、混合金属酸化物をペレット化する工程を含んでもよい。
【０１０７】
工程（Ｄ）は、混合金属酸化物を有機溶媒中に懸濁させる工程を含んでもよい。工程（Ｄ）は、混合金属酸化物懸濁液を塗装、噴霧、または印刷して、焼結の準備を行う工程を含んでもよい。
【０１０８】
さらに別の態様において、本発明は、圧電デバイスに関して上記説明したセラミックスの利用を提供する。
【０１０９】
好適には、本発明に係るセラミックスの利用に際し、圧電デバイスは、２００℃を超える温度で動作可能である。
【０１１０】
圧電デバイスは、アクチュエータ、センサ、または変換機のモードで動作可能な圧電トランスデューサであってもよい。例えば、圧電デバイスは工業用蒸気センサであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
本発明がより十分に理解され、本発明の実施形態が実施される態様を説明するために、具体例として、添付の概略図を参照する。
【図１ａ】圧電トランスデューサの概略的な分解側面図である。
【図１ｂ】図１ａの圧電トランスデューサの概略的な分解斜視図である。
【図２ａ】圧電測距トランスデューサまたは探傷トランスデューサの概略的な側面図である。
【図２ｂ】図２ａの圧電測距トランスデューサまたは探傷トランスデューサの概略的な側面断面図である。
【図３ａ】圧電トランスデューサの概略的な分解斜視図である。
【図３ｂ】図３ａに示す圧電トランスデューサを組み立てたときの概略的な側面図である。
【図４】図３ａおよび図３ｂの圧電トランスデューサの概略化した断面図であって、構成部品の内部構造を示す。
【図５】図３ｂに示す圧電トランスデューサを室温および３５０℃で１２日間放置した前後の圧電トランスデューサが送受信した超音波信号のグラフである。
【図６】液体中のガスを検出するための圧電トランスデューサの概略的な分解斜視図である。
【図７】標的パイプに固定された図６に示す圧電トランスデューサの概略的な斜視図である。
【図８】図７に示すパイプの概略的な断面図であって、液体中の気泡を示す。
【図９】図７に示す実施形態の圧電トランスデューサが受信する信号を示すグラフである。
【図１０】図３ａおよび図３ｂに示す圧電トランスデューサを室温（上図）および６００℃（下図）で１時間動作させたときの結果である。
【図１１】６００℃の動作温度で５０時間までの時間（ｙ軸）の関数として得た、図３ａおよび図３ｂに示す圧電トランスデューサからのマルチＡスキャン結果であり、陰影は信号振幅を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１１２】
図１は、本発明の例示的な第１の実施形態による圧電トランスデューサデバイス１００の分解図である。圧電トランスデューサデバイス１００は、高温環境下で振動を検出するように構成されている。
【０１１３】
トランスデューサ１００は、ハウジング１１、ワッシャ１２、エフェクタ１３、圧電素子１４、電極板１５、アイソレータ１６、およびキャップ１７を備えている。
【０１１４】
ハウジング１１は、使用時、トランスデューサ１００の他の構成部品を保持するものである。一例では、ハウジング１１はステンレス鋼で製造される。ステンレス鋼は、特にＳＵＳ３０４ステンレス鋼もしくはＳＵＳ３１６ステンレス鋼、またはチタン合金またはニッケル合金であってもよい。
【０１１５】
ハウジング１１は、例えば、使用時に高温流体が流れるパイプへの取り付けを容易にするねじ部１１ａを有する。有利には、ハウジング１１は、組み立てられたトランスデューサ１００が標準的なパイプクランプ（把持部）もしくはパイプマウント（実装部）、または溶接スタブに挿入されるような寸法を有する。
【０１１６】
またハウジング１１は、ワッシャ１２およびエフェクタ１３等を受容するための凹部１１ｂを有する。上部１１ｃは、後述するように、キャップ１７を受容するための雄ねじを有する。
【０１１７】
エフェクタ１３は、上部１３ａおよび下部１３ｂを有する。上部１３ａおよび下部１３ｂはともに実質的に円筒形である。上部１３ａは、ハウジング１１内の凹部１１ｂを貫通できず、ハウジング１１内に保持されるような径を有する。逆に、下部１３ｂは、凹部１１ｂ内に延び、ハウジング１１の下端から突出することができるような径を有する。
【０１１８】
エフェクタ１３の下面１３ｃは、接触ピン（コンタクトピン、図示せず）を受容するように構成されたねじ山付きキャビティ（図示せず）を含む。
【０１１９】
エフェクタ１３の上面は、圧電素子１４を受容するように構成された円形凹部を含んでいてもよい。
【０１２０】
ワッシャ１２は、ハウジング１１とエフェクタ１３との間の凹部１１ｂに配置されている。ワッシャ１２は、凹部１１ｂの径に実質的に相当する径を有し、エフェクタ１３の下部１３ｂが貫通できるような大きさの開口を有する。その結果、ワッシャ１２は、ハウジング１１を封止して、ハウジング１１の構成部品を高温環境から保護する。
【０１２１】
１つの具体例では、ワッシャ１２は、例えばポリイミドであってもよい高温ポリマーで形成される。別の具体例では、ワッシャ１２は、例えば銅であってもよい金属で形成される。別の具体例では、ワッシャ１２は、例えばアルミナであってもよいセラミックスで形成される。さらなる具体例では、ワッシャ１２はトランスデューサから省略してもよい。
【０１２２】
圧電素子１４は、ＷＯ２０１２／０１３９５６Ａ１に記載されているように、ＢＦ−ＫＢＴ−ＰＴを含む。圧電素子１４の上面には上方電極１４ａが形成され、圧電素子１４の下面には下方電極１４ｂが形成されている。１つの具体例では、上方電極１４ａおよび下方電極１４ｂは、焼成顔料等の高温銀コートを含む。別の具体例では、上方電極１４ａおよび下方電極１４ｂは、金等のマグネトロンスパッタリング金属を含む。上方電極１４ａおよび下方電極１４ｂは、（ａ）アイソレータ１６に対する良好な接合性、（ｂ）高温動作性、（ｃ）耐腐食性、および（ｄ）導電性を備えていることが必要である。これは、ＰＺＴや、他のトランスデューサ、または例えばスイッチ等のアルミナ上の配線の作製に広く利用されている。
【０１２３】
電極板１５は、導電性材料からなり、上方電極１４ａおよび下方電極１４ｂに電気的に接触するように構成されている。下方電極１４ｂは、圧電素子１４の縁部の周りに上方に向けて延び、電極板１５との接続を可能にするタブ（図示せず）を有する。このタブは、短絡を防止するために上方電極から適切に絶縁されている。電極板１５は、電気ケーブル（電気ワイヤ、図示せず）を受容するように構成された受容部１５ａを有する。１つの具体例では、電気ケーブルは、電極板１５に機械的にクランプ（把持）されている。トランスデューサ１００が組み立てられると、電極板１５は、圧電素子１４とケーブルとの間を電気的に接続することにより、半田接続の必要性をなくす。この特徴は、半田の使用を回避できることに起因して、半田が溶融した温度（典型的には３００℃）を超える高温での圧電トランスデューサデバイスの機能を改善する上で特に有利である。
【０１２４】
アイソレータ１６は、電極板１５とキャップ１７との間に配置されている。アイソレータは、圧電素子１４の上面をトランスデューサの本体から絶縁することにより、圧電素子１４の表面上の電荷の平衡を防止する。１つ具体例では、アイソレータはセラミックスで形成されている。アイソレータ１６は、組み立てられた際にケーブルと電極板１５との間のクランプされた接続をキャップ１７から絶縁し、ケーブルが貫通できるようなチャンネル部１６ａを有する。
【０１２５】
キャップ１７は、トランスデューサ１００の構成部品を内部に封止している。キャップ１７は、ハウジング１１の凹部１１ｂの雄ねじと係合するように構成されたねじ部１７ａを有する。キャップ１７の下面は、アイソレータ１６を受容するような形状を有する。
【０１２６】
キャップ１７の上面には中心孔１７ｂが形成され、この中心孔１７ｂにはトランスデューサのための電気ケーブルを受容するためのグランド（パッキン押さえ）１８が収容されている。グランド１８は、協働するねじ山によってキャップ１７の開口部１７ｂに固定されている。中央開口部１８ａは、その内部に電気ケーブルを貫通させることができる。
【０１２７】
トランスデューサ１００は、次のようにして組み立てられる。
【０１２８】
まず、ワッシャ１２をハウジング１１の凹部１１ｂ内に配置する。次に、エフェクタ１３の上部１３ａがワッシャ１２により保持されつつ、その下部１３ｂがワッシャ１２およびハウジング１１の開口部を貫通するように、エフェクタ１３が挿入される。理解されるように、ワッシャ１２は省略してもよく、この場合、上部１３ａは凹部１１ｂに直接接触する。
【０１２９】
次に、上方電極１４ａを上に向けて、エフェクタ１３の凹部１３ｄ内に圧電素子１４を挿入する。
【０１３０】
次に、電気ケーブルをグランド１８の開口部１８ａ、キャップ１７の中心孔１７ｂ、およびアイソレータ１６のチャンネル部１６ａを貫通させた後、電気ケーブルを電極板１５の受容部１５ａに機械的に固定する。
【０１３１】
次に、電極板１５を上方電極１４ａおよび下方電極１４ｂに接触させ、アイソレータ１６をキャップ１７の下面に接触させる。次いで、ねじ部１７ａが上部１１ｃの雄ねじと係合するように、キャップ１７を所定位置にねじ込まれる。
【０１３２】
使用時、トランスデューサ１００はパイプの上に配置される。例えば航空宇宙または核施設で用いられるパイプには、高温流体が流れる。
【０１３３】
エフェクタ１３は、ハウジング１１の底部から突出するものであるが、テスト（試験）される本体の振動により変位（移動）する。エフェクタ１３は、トランスデューサ１００のハウジング１１内を自由に変位（移動）するので、圧電素子２１４は、上記振動を検出して電気信号を生成することができる。
【０１３４】
有利にも、トランスデューサ１００は、接着剤または半田を用いることなく構成され、機械的固定具のみを用いて組み立てられる。このような接着剤または半田は、高温では機能しなくなる可能性があり、こうした構成は、有利にもトランスデューサ１００の動作温度を引き上げることができる。すなわち、一般に半田は３００℃で溶融するので、３００℃を超える動作温度を実現することができる。
【０１３５】
図２ａは、本発明の例示的な実施形態による、組み立てられたトランスデューサ２００の側面図を示す。トランスデューサ２００は、高温超音波距離計であり、５００℃までの温度で動作することができる。
【０１３６】
トランスデューサ２００は、上側部分２１１ａおよび下側部分２１１ｂを含むハウジング２１１を有する。上側部分２１１ａおよび下側部分２１１ｂは、それぞれの部分に設けられた相補的なねじ山によって互いに対してねじ止めされる。とりわけ下側部分２１１ｂの上部領域２１１ｃは、上側部分２１１ａの内部領域２１１ｄと同様のねじ山を含む。
【０１３７】
この実施形態では、下側部分２１１ｂは導波管として機能させることができる。
【０１３８】
１つの具体例では、ハウジング２１１はステンレス鋼で形成されている。
【０１３９】
さらに下側部分２１１ｂの上部領域２１１ｃは、トランスデューサ２００の構成部品を保持するように構成された凹部２１１ｅを備える。とりわけ圧電素子２１４は、凹部２１１ｅ内に配置されている。
【０１４０】
１つの具体例では、上側部分２１１ａは、ねじ山付き中央開口部２１６ａを有し、ねじ山付き導管２１６は、圧電素子２１４を所定位置に固定する。中央開口部２１６ａは、ねじ山付き導管２１６内に形成され、電気ワイヤを貫通させることができる。
【０１４１】
この実施形態では、圧電素子２１４は、振動を発生させて検出するトランスデューサとして利用される。圧電素子２１４からターゲットまでの所定範囲の振動を検出するために、中央開口部２１６ａから挿入され、圧電素子２１４に固定された電気ワイヤに適当な電流または電圧を供給することにより、圧電素子２１４から信号振動を発生させる。そして信号振動は、導波管として機能する下側部分２１１ｂを介してターゲット（対象物）に向けて伝達される。このとき信号振動は、ターゲットで反射し、圧電素子２１４に戻り、電気信号に変換されて処理され、範囲値（所定範囲内の値）に定量化される。
【０１４２】
圧電素子２１４およびハウジング２１１のリンギング（共鳴）を極力抑えるために、圧電素子２１４の上面にバッキング材２１５が配置されている。択一的には、圧電素子２１４は、バッキング材２１５に設けた凹部の内部に配置されてもよい。
【０１４３】
バッキング材２１５は、圧電素子２１４を迂回して、凹部の底部で反射され、凹部内で受け得る反射信号のエネルギであって、能動的な圧電素子２１４の後部から案内されるエネルギを散乱させ、消散させることができる。好都合なことに、バッキング材２１５は、デバイスを機能させる必要がある高い温度に耐えることができる。
【０１４４】
バッキング材２１５は、圧電素子２１４の後部からの音響エネルギを吸収および／または散乱しなければならない。これを実現するには数多くの手法がある。音響インピーダンスＺは、Ｚ＝ρc（ρはバッキング材の密度であり、ｃはバッキング材の内部における音速である。）で得られる。音響エネルギを吸収および／または散乱させるように、理想的には、バッキング材２１５および圧電材料の音響インピーダンスを、実質的に適合させる必要がある。
【０１４５】
バッキング材２１５と圧電素子２１４との間の界面から反射されるエネルギの量は、次のＲで与えられ、Ｒの値は、バッキング材２１５および圧電素子２１４の音響インピーダンスＺ１，Ｚ２が同じであるとき最小となる。
【０１４６】
【数１】
2018512743.tif 000003
【０１４７】
バッキング材２１５は、室温で、エポキシまたはシリコーン等のタングステン含有ポリマーであってもよい。この場合、バッキング材２１５の音響インピーダンスは、ＰＺＴからなる圧電素子２１４の音響インピーダンスと同様のものとなるが、バッキング材２１５が混合物であるということから、曇りガラス内の光のように、バッキング材は、タングステン部分で散乱し、ポリマー部分で吸収する。
【０１４８】
バッキング材２１５に用いられる材料の具体例は、タングステンまたは他の重金属（例えばタンタル）と、鋳造可能なセラミックスおよび／またはガラスとの混合物である。
【０１４９】
バッキング材２１５に用いられる代替材料は、不均一な構造を有するか、または内部多孔性を含む、ムライト系、コージライト系、アルミナシリケート系のセラミックスである。こうした材料の円筒状のスラグは、コアドリル加工して、バッキング材として機能させることができる。
【０１５０】
さらに別の具体例としては、実質的には内部に気孔を含む金属粉末から得られた金属発泡体または焼結金属体が挙げられる。典型的な材料は、スチールまたは真鍮であってもよい。
【０１５１】
択一的には、バッキング材は、高密度で均一な中実体であってもよいが、この場合、穿孔、鋳造、溝等の後処理による特徴物の結果として、散乱は生じる。散乱はこれらの特徴物に起因して生じる。バッキング材は、多孔質であり、密度および多孔度が段階的に変化する中実体であってもよい。
【０１５２】
１つの具体例では、バッキング材２１５は、鋳造可能セラミックス＋５０重量％のタングステン＋２０％の水である。１つの具体例では、電気ワイヤは、バッキング材２１５と一体に形成され、バッキング材２１５の下面の一部を構成する。ねじ山付き導管２１６は、バッキング材２１５を圧電素子２１４に固定することにより、電気ワイヤと圧電素子２１４との間を電気的に接続することができる。
【０１５３】
別の具体例では、バッキング材２１５は、代わりに、構成部品２１５の表面上に形成されるか、構成部品２１５の表面に結合される。
【０１５４】
接着（ボンディング）は、圧電素子２１４とバッキング材２１５との間、および／または圧電素子２１４と保護用に圧電素子２１４上に配置された摩耗プレート２１７との間の接着に関連する。バッキング材２１５および摩耗プレート２１７の部品は、圧電素子２１４と音響的に結合する必要があるため、これらの２つの接合は、トランスデューサ２００が正常に動作する上で重要である。
【０１５５】
高温仕様の銀接着剤を用いることで、電気的な接続および音響的な結合の両方を実現することができる。
【０１５６】
別の選択肢は、銅もしくは金などの軟質金属、または亜鉛（Ｚｎ）または亜鉛合金等の融点が近い金属の利用等のドライ接合を利用することである。圧電素子２１４と摩耗プレート面２１７との間、および／または圧電素子２１４とバッキング材２１５との間に配置された薄膜シート（例えば、１００ミクロンの厚さ）を利用することができる。これらの構成部品は、ねじ山付き導管２１６を締め付けることにより所定位置に保持される。
【０１５７】
別の選択肢は、例えば高温で機能するように設計された流体等の高温の結合剤を利用することである。
【０１５８】
別の選択肢は、真空ろう付け法を含む拡散接合または拡散溶接を利用することである。圧電素子２１４は、直接または中間層を介して、鋼（鋼も被覆されてもよい）の上に金を蒸着することにより被膜した後、鋼に接合してもよい。熱と圧力を用いて接合することができる。
【０１５９】
別の選択肢は、高温ガラスを利用することである。例えば、圧電素子２１４と磨耗面２１７の間および／または圧電素子２１４とバッキング材２１５との間の界面に配置されたガラス粉末、または薄膜ガラスシートを加熱して応力を加えて接合する。
【０１６０】
圧電素子が使用される温度の範囲と、圧電素子が晒されるさまざまな温度変化が性能に実質的な差異をもたらすため、圧電材料の性能を特定することは非常に難しいことである。そうではあるが、以下の表１は、圧電材料の複数のサンプルを比較するものであって、各サンプルの室温での圧電電荷定数または圧電定数（ｄ３３）の変換効率（変換特性）または値（ｐｍ・Ｎ−１）および脱分極温度と、各サンプルを３８０℃で１時間加熱した後の圧電電荷定数または圧電定数（ｄ３３）の変換効率または値（ｐｍ・Ｎ−１）とを示すものである。
【０１６１】
【表１】
2018512743.tif 000004
【０１６２】
上記の例の結果では、デバイスを３８０℃で１時間動作させる。この温度で１時間経過した後、ＰＺＴはその変換効率の大部分を失い、デバイスの性能はかなり損なわれる。
【０１６３】
チタン酸ビスマスは、その変換効率が著しく損なわれることはないが、当初から遥かにより低い。
【０１６４】
ＢＦ−ＫＢＴ−ＰＴは、これらの条件下でチタン酸ビスマスの２〜１５倍の変換効率を有する。
【０１６５】
２５０〜５００℃の動作範囲の用途において、ＢＦ−ＫＢＴ−ＰＴを用いて形成されたデバイスは、ＰＺＴ（高温に耐える能力）およびチタン酸ビスマス（感度、変換効率、機能性能）に比べて大きな利点を有する。
【０１６６】
上述のすべてのデバイスは、ペレットと呼ばれる圧電素子を使用する。ペレットは、円形、正方形、矩形、ドーナツ形、および円筒形のうちの１つまたは複数を含む数多くの外形形状を有する。利用されるアクチュエータ／トランスデューサの分極ベクトルは、厚さ方向または半径方向／横方向またはせん断方向であってもよい。せん断プレートは、厚さ分極または長さ分極であってもよい。単一または複数のペレット／本体を含んでいてもよい。電気的接続を容易にするために電極を巻き付けてもよい。
【０１６７】
用いられる他の形状には、螺旋状、複合体、多層、半球、または球が含まれる。振動モードは、共振（寸法に関連する）、より高次の高調波（１つのそれ以上のノードを有する）、または複雑な高調波であってもよい。
【０１６８】
図３ａおよび図３ｂは、高温での動作に適した２ＭＨｚで動作する圧電トランスデューサを示す具体例であって、その動作温度は、２００℃を超える温度、好ましくは３００℃を超える温度、好ましくは４００℃以下の温度、４００℃を超える温度、より好ましくは５００℃以下の温度、より好ましくは６００℃以下の温度である。図４は、実施形態の内部の構成部品の概略図である。
【０１６９】
圧電トランスデューサは、この具体例では、温度安定性および腐食安定性のためにＳＵＳ３１６ステンレス鋼で形成された外部ハウジング３１０を備える。外部ハウジング３１０は、適当なタップ付き開口部に取り付けるための雄ねじ３１０ａを有する。外部ハウジング３１０のヘッド部３１０ｂは、外部ハウジングの頭部３１０ｂは、スパナで操作または締め付けることができるように、六角形の平面形状を有する。
【０１７０】
外部ハウジング３１０の下端には、圧電素子を摩耗から保護するために用いられる摩耗板３１１（後述する）が組み込まれている。
【０１７１】
摩耗板３１１の厚さ（ｔ）は、圧電素子（後述する）と同調して音波を伝達させることができるように、検出される音波振動の波長の４分の１であることが必要である。ＳＵＳ３１６ステンレス鋼内の音速が５７２０ｍ／ｓであることから、摩耗板３１１の厚さ（ｔ）は０.７１５ｍｍとする必要がある。
【０１７２】
摩耗プレート３１１にはさまざまな材料が考えられるが、ＳＵＳ３１６ステンレス鋼で構成された被検査品からピエゾ素子への振動伝達を最大にするために、摩耗プレート３１１もＳＵＳ３１６ステンレス鋼で形成する必要がある。
【０１７３】
他の材料にはチタンが含まれるが、チタンは薄膜として高い強度を有する良好な材料であるが、振動を大きく減衰する。ＳＵＳ３１６ステンレス鋼は耐熱性と耐食性に優れ、機械加工が容易である。真鍮は良好な音響特性を示すが、銅／亜鉛合金はさまざまな温度効果を有する。
【０１７４】
外部ハウジング３１０は、中央開口部３１０ｃを有し、その内部に圧電素子３１２が受容され、摩耗板３１１に当接する。圧電素子３１２は管状の内側スリーブ３１６内に配置され、内側スリーブ３１６の外側寸法は中央開口部３１０ｃの内側寸法に対応するので、内側スリーブ３１６が中央開口部３１０ｃのぴったりと嵌合する。圧電素子３１２は、内側スリーブ３１６の下端に配置される。図２ａおよび図２ｂを参照して上記説明したバッキング材と同様に用いられるバッキング材３１４が、圧電素子３１２の上方であって、内側スリーブ３１６の内側に配置されている。
【０１７５】
圧電素子３１２、バッキング材３１４、および内側スリーブ３１６は、外部ハウジング３１０のヘッド部３１０ｂと係合するグランド３１８によって所定位置に保持される。
【０１７６】
ワイヤホルダ３２０は、グランド３１８の上端から延びており、ワイヤホルダ３２０は、後述する圧電素子３１２の電極に取り付けられるワイヤ３２２，３２４を保持している。
【０１７７】
圧電素子３１２は圧電セラミックスである。これは任意のセラミックスであってもよいが、この実施形態では、特に上記のＢＦ−ＰＴ−ＫＢＴ材料のいずれかの範囲で最適化されたビスマスフェライト系セラミックスである。
【０１７８】
２ＭＨｚの周波数で動作させるために、圧電素子３１２は０.７３ｍｍの厚さを有する。ＢＦ−ＰＴ−ＫＢＴ系材料の特定の材料の場合、関連する特性は次のとおりである。
密度＝７８５０ｋｇ／ｍ３
弾性係数＝６６.９Ｇｐａ
音速＝２９１９ｍ／ｓ
中心周波数＝２ＭＨｚ（デバイス内の圧電素子の共振周波数）
音速ｃが２９１９ｍ／ｓの場合、波長＝１．４６ｍｍ（寸法と音速による）
波長／２＝ｔ
ｔ＝０．７３ｍｍ
【０１７９】
圧電素子３１２は、圧電素子３１２の上面および上面のそれぞれに上方電極３１２ａおよび下方電極３１２ｂが設けられている。上方電極３１２ａおよび下方電極３１２ｂには、ワイヤ３２２，３２４が取り付けられている。
【０１８０】
圧電材料に電極を取り付けることは困難な場合がある。ＰＺＴで形成された圧電素子３１２に対しては、銀、金、白金などの貴金属ペーストや、マグネトロンスパッタリングにより形成される銅やニッケルなどの他の金属が適している。
【０１８１】
高温仕様のために、いくつかの事項を検討する必要があり、すなわち、酸化、融点、圧電素子３１２との反応、導電率、コスト、熱膨張係数、および圧電素子３１２に対する電極の接合強度を検討する必要がある。
【０１８２】
電極を作製する１つの方法は、クロム（Ｃｒ）層および銀（Ａｇ）層を用いて、圧電素子３１２に金属化法を利用することであり、すなわちクロム（Ｃｒ）層を圧電素子３１２に固着させ、銀（Ａｇ）層をクロム（Ｃｒ）層に固着させることである。しかしながら、この方法は、動作温度範囲内における熱的不整合応力および銀の酸化に起因して、ビスマス（Ｂｉ）系材料では有効ではなかった。
【０１８３】
図５は、図３ａおよび図３ｂに示すデバイスを、室温で動作させた時、３５０℃で１時間動作させた後、３５０℃で１２日間動作させた後、および再び室温に戻して動作させた時の結果を示す。
【０１８４】
このデバイスは、室温のステンレス鋼製の試験ブロックからのバックウォールエコーを反射して検出し、３５０℃の温度に加熱された同じブロックからのバックウォールエコーを反射して検出することが分かった。温度が上昇するとエコーの伝播時間が増加することがデバイスによって検出された。信号強度の変化は−１．２ｄＢから＋０．７５ｄＢまで変化し、室温および３５０℃の１２日間前後におけるデバイスの安定した動作を示した。
【０１８５】
これは、３５０℃以下の温度での能動的な圧電素子３１２の動作安定性、および圧電素子３１２、ハウジング３１０、ならびにバッキング材３１４の間の接合および電気接続の安定性を示すものである。
【０１８６】
図１０および図１１は、図３ａおよび図３ｂのデバイスを、図５の結果を得たときの温度より高い温度で動作させたときの結果を示す。図１０は、図３ａおよび図３ｂのデバイスを、室温で動作させたとき（上図）、６００℃の温度で１時間保持された後に動作させたとき（下図）の結果を示す。図１１は、６００℃の動作温度で５０時間までの時間（ｙ軸）の関数として得た、図３ａおよび図３ｂに示す装置からのマルチＡスキャン結果を示す。さまざまな温度での結果の安定性は、垂直カラムで示される結果の明確なトレース（痕跡）によって示され、サンプルが６００℃に加熱されて何時間も後に明確な信号が検出されることから明らかである。
【０１８７】
このデバイスは、室温のステンレス鋼製の試験ブロックからのバックウォールエコーを反射して検出し、５０時間までの所定期間、６００℃の温度に加熱された同じ試験ブロックからのバックウォールエコーを反射して検出することが分かった。グラフの最初のインパルス（信号波形）は出力パルスで、２番目のインパルスは検出すべき反射パルスである。温度の上昇に伴い、ステンレス鋼製の試験ブロックの熱膨張に起因するバックウォールエコーの伝播時間が長くなることがデバイスによって検出された。これは、６００℃以下の温度での能動的な圧電素子３１２の動作安定性、および圧電素子３１２、ハウジング３１０、ならびにバッキング材３１４の間の接合および電気接続の安定性を示すものである。
【０１８８】
有利なことに、圧電トランスデューサは、トランスデューサの能動素子を「典型的な」超音波電気刺激パルスで駆動させることができる。
【０１８９】
例えば国際電気規格ＩＥＣ６００７９に記載されているように、電気刺激パルスの電圧を３０Ｖ以下に下げると、危険な環境での使用における本質安全の評価および承認に合致させることができる。
【０１９０】
例えば、好適にも、超音波トランスデューサをはるかに高い電圧（典型的には１００Ｖより高い電圧）で動作させるような用途において、危険な環境に伝達される電気エネルギを制限するように設計されたバリアデバイスまたは同等の電気回路を、直流２８Ｖ未満で、３００Ω、９３ｍＡの電気刺激パルスに制限して使用することができる。
【０１９１】
好都合にも、背景技術の欄または下記の表で説明するような高温環境において、本明細書に記載の圧電素子セラミックス材料は、他のタイプの「高温」圧電材料と比較して、圧電電荷定数または圧電定数（ｄ３３）の実質的な改善が見られる。これにより、増幅手段またはエネルギ変換手段を必要とすることなく、低電圧の電気刺激パルスを用いて、他の材料では高電圧で得られる同じ応答性能を実現することができる。
【０１９２】
【表２】
2018512743.tif 000005
【０１９３】
図６および図７は、本発明の１つの実施形態による圧電トランスデューサデバイスの組立装置を示す。トランスデューサは、高温での操作に適した溶液基材（以下の表中のＡ）の１つまたはそれ以上の相（以下の表のＢおよびＣ）の存在および比率を検出するための高温トランスデューサであり、ここで高温とは、２００℃より高く、好適には３００℃より高く、４００℃より低く、最も好適には４００℃以上で６６０℃以下の温度であるか、もしくは６５ｋＧｙの放射線量の高い環境における６６０℃以下の温度である。
【０１９４】
以下の表の構成成分Ａが溶液系で最大の容積分率を構成する場合、以下の表の構成成分Ｂは、構成成分Ａの溶液より小さい容積分率を有し、異なる相、または（音響インピーダンスは異なるが）同じ相を有するものであってもよい。また、以下の表中の構成成分Ｃは、構成成分Ａおよび構成成分Ｂの容積分率より小さい容積分率を有する１つまたはそれ以上の相のものを含み、構成成分Ａおよび／または構成成分Ｂのものとは異なる位相であるか、または（音響インピーダンスは実質的に異なるが）同じ相を有するものであってもよい。構成成分Ａ、ＢおよびＣは、ニュートン流体または非ニュートン流体、線形流体または非線形流体、三重点を有する成分、好ましくは、国際温度目盛ＩＴＳ−９０によって定義されるように、複数の相が熱力学的平衡状態で共存できる水でもよい。好ましい溶液の構成成分の混合例を以下の表に示す。
【０１９５】
【表３】
2018512743.tif 000006
【０１９６】
図６および図７において、ハウジング１００は、ステンレス鋼で形成され、タップ付き開口部１０１ｂ、電気接続ポート１０１ａ、および圧電素子１０４を取り付けるために頂部プレート１０２に設けた凹部１０２ａを有する（図６参照）。
この具体例では、ハウジング１０１の開口部１０１ａを介して、電気配線を貫通させることができる。ステンレス鋼は、特に、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６のステンレス鋼、または鉄ならびに／もしくはクロムを含有するチタン合金またはニッケル合金であってもよい。
【０１９７】
ハウジングは上側部分１０１と下側部分１０２からなり、これらは外部ねじ１０３によって互いに螺合することができる。上側部分１０１と下側部分１０２との間のシールは、好ましくは防水／防塵の保護レベルＩＰ６５を提供し、ＩＰ６５レベルの侵入保護を提供することができ、爆発性雰囲気条件に適合するものであってもよい。
【０１９８】
この実施形態では、ハウジング１００内の圧電素子１０４は、トランスデューサとして利用され、通常動作中に必要に応じて、振動を検出もしくは発生させ、または振動を検出するとともに発生させるものであってもよい。択一的には、通常動作中に必要に応じて、筐体１００内の圧電素子１０４による検出または伝達のために、第２のハウジング１０７内の別の圧電素子が、振動を検出し、または発生させてもよい。
【０１９９】
この実施形態では、圧電素子１０４は、導電性ガラスを用いて、その両面上の電極として機能するように作製される。電極は、電気的接続を容易にするためにラップアラウンド型（両面巻き付けるようなもの）であってもよい。
【０２００】
振動は、電気刺激信号によって発生させ、この実施形態では、複数の周波数を含む連続的な交流１０Ｖの正弦波信号を印加することによって発生させる。振動は、振動エネルギを電気信号に変換する圧電材料１０４によって検出される。両方の態様において、電気信号は、従来式の電子回路によって処理され、電子回路は、導管１０５および１０８を介してハウジング（実施形態）に接続するケーブルにより連結されている。
【０２０１】
この実施形態における誤作動を最小限に抑えるために、高温エポキシ樹脂のような部材を圧電素子１０４の前面および後面に配設（塗布）して、接着を支援するともに、圧電素子１０４と凹部１０２ａとの間の音響的連結および接合を実現する。
【０２０２】
この実施形態において、上記部材を、動作時の音響波の波長の１／４未満の厚みで配設（塗布）して、フェイスプレート（保護板）として機能させてもよい。
【０２０３】
この実施形態において、上記部材を、圧電素子を対象物に音響的に連結させるためのカプラントとして機能させてもよい。
【０２０４】
この実施形態において、上記部材をバッキング材として機能させてもよい。
【０２０５】
この実施形態において、上記部材を導波部材として機能させてもよい。
【０２０６】
１つの具体例では、上記部材は、好適には熱硬化樹脂を構成する液体である。
【０２０７】
別の選択肢は、高温ガラスを使用することであり、薄いガラスシートは、樹脂に置き換えられ、同様の特性を有するとともに、その熱膨張係数が実質的に適合する。
【０２０８】
この実施形態では、圧電トランスデューサは、発振した振動信号と、図８に示す混合物または溶液を含むパイプ１０６内の構成成分Ａ（符号２０１）に対する構成成分Ｂ（符号２０２）の比率を電気的に表す検出した振動信号とを比較する。この具体例の解決手段では、パイプの表面温度が６６０℃以下であってもよい。
【０２０９】
この実施形態はパイプ１０６に適用され、この場合、パイプが公称直径ＤＮ１．５で、スケジュール４０のステンレス鋼で製造される。択一的には、パイプの直径および壁厚の範囲は、内径が直径３ｍｍ以上、壁厚が０.５ｍｍ以上である。
【０２１０】
この実施形態では、トランスデューサを含むハウジング１０１／１０７は、対向するねじ山付きねじ１１０，１１１，１１２を用いてパイプに固定されている。さらに、ねじ山付きねじ１１０，１１２は、パイプ表面に対して垂直な接触面を維持するためのガイドレールとして機能する。このとき、スクリュー１１１は、ハウジングを締め付けたり緩めたり、把持または解放を制御するように機能する。
【０２１１】
この実施形態では、十分な強度で連結できるように、第２の組のねじが底面に取り付けられているが、より小さい直径のパイプでは特に必要でない。
【０２１２】
この実施形態では、構成成分Ａは過熱蒸気で、構成成分Ｂの水であり、発振された信号振幅と検出された信号振幅との差は容積率に相関する。この実施形態では、構成成分Ｂの粒子は、直径が約１ｍｍ以下である。
【０２１３】
図９は、周波数の関数としての実施形態の動作の一例が示され、図７に示す組立装置が（ａ）２.５ＭＨｚ、（ｂ）５ＭＨｚおよび（ｃ）１０ＭＨｚの周波数を有する１０Ｖの連続的な正弦波が印加されたときの受信信号を示す。より大きな振幅を示すラインは、構成成分Ａが水１００％であるときに検出される信号に対応する。より小さな振幅を示すラインは、構成成分Ａが空気９９．９％以上で、構成成分Ｂが空気０．０１％以下であるときに検出される信号に対応する。
【０２１４】
本願と関連して本明細書と同時にまたはそれ以前に提出され、かつ本明細書とともに公衆の閲覧に供されるすべての書類および文献に着目し、そのような書類および文献のすべての内容は、参考にここに一体のものとして統合される。
【０２１５】
本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に記載されたすべての特徴、および／または同様に開示された任意の方法またはプロセスのすべてのステップは、これら特徴およびステップの少なくとも一部が互いに排他的である場合を除き、任意の組合せで組み合わせることができる。
【０２１６】
本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された各特徴は、他に明示的に除外する旨の記載がない限り、同等の、均等のまたは類似の目的を果たす代替的な特徴によって置き換えられてもよい。したがって、特に除外する旨の明示的な記載がない限り、開示された各特徴は、均等または類似の特徴の一連の典型例のうちの１つの具体例に過ぎない。
【０２１７】
本発明は、上記説明した実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に開示された任意の新規な特徴ならびに複数の特徴の組み合わせ、および本明細書に開示された方法もしくはプロセスの任意の新規な工程ならびに複数の工程の組み合わせに及ぶ。
【図１ａ】
2018512743.tif 000007
【図１ｂ】
2018512743.tif 000008
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
2018512743.tif 000013
【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】
2018512743.tif 000019
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月26日(2017.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電トランスデューサであって、
圧電素子の機械的な動きを電気信号に変換し、圧電素子に与えられた電気信号を機械的な動きに変換するように動作可能な圧電素子と、
圧電素子に隣接するバッキング材であって、圧電素子の標的方向に対して圧電素子の後方からの振動信号を吸収または散乱させるように構成されたバッキング材と、
２００℃以上の温度で変換するように動作可能であり、
圧電材料は、次の化学式で表される固溶体を含むセラミックスで形成され、
セラミックスは、多孔性以外、非ペロブスカイト相を実質的に含まない、圧電トランスデューサ。
［化１］
ｘ(ＢｉａＫ１−ａ)ＴｉＯ３−ｙＢｉＦｅＯ３−ｚＰｂＴｉＯ３
ここで、０．４≦ａ≦０．６
０＜ｘ＜１
０＜ｙ＜１
０＜ｚ＜０．５
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
【請求項２】
バッキング材は、圧電材料と実質的に同じオーダーの音響インピーダンスを有する、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項３】
バッキング材は、タングステンまたは他の重金属と、鋳造可能なセラミックスおよび／またはガラスとの混合物である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項４】
バッキング材は、ムライト、コージライト、アルミナシリケート、または不均一構造もしくは内部気泡を有するセラミックスのうちの１つまたは複数のものを含む、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項５】
バッキング材は、金属発泡体または多孔質焼結金属体である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項６】
バッキング材は、その液相で形成可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項７】
バッキング材は、圧電素子に接合されている、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項８】
バッキング材は、圧電材料と同じ材料で形成された、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項９】
圧電材料とバッキング材との間に中間層が設けられた、請求項８に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１０】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が少なくとも２０ｐｍ・Ｎ−１の変換効率を有し、ｄ３３は圧電電荷係数であり、ｐｍは１０−１２ｍであり、Ｎ（ニュートン）は応力を示す、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１１】
圧電トランスデューサの変換機能は、ｄ３３が約１００ｐｍ・Ｎ−１以下の変換効率を有し、ｄ３３は圧電電荷係数であり、ｐｍは１０−１２ｍであり、Ｎ（ニュートン）は応力を示す、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１２】
ｄ３３の前記値は、少なくとも２００℃で１時間加熱された後、室温に戻った圧電材料の試料の値である、請求項１０に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１３】
圧電材料の変換効率が、圧電素子が２５℃の室温にあるときの圧電材料の変換効率に比べ、温度２００℃を超える温度にあるときの圧電材料の変換効率より実質的に大きい、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１４】
圧電トランスデューサは、さまざまなモードのうちの少なくとも１つのモードで電気信号を変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１５】
１つまたはそれ以上の圧電素子を有する、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１６】
３．２Ｖ以上の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１７】
５００Ｖ以下の電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１８】
８０ナノ秒以上の周期を有する電圧を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項１９】
１ｋＨｚ以上の周波数を有する電気信号を変換するように動作可能である、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【請求項２０】
対象物の動きを検出するように動作可能なエフェクタを有する、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
【国際調査報告】
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