(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力信号を電気信号に、または電気信号を圧力信号に変換するための圧電素子であって、
多孔性セラミックス体と、
前記多孔性セラミックス体に取り付けられた少なくとも２つの電極と、を備え、
前記多孔性セラミックス体は、
開気孔と、
少なくとも前記電極により覆われていない表面に設けられた、前記多孔性セラミックス体内の圧力勾配を増大させるための弾性被覆と、
を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記弾性被覆は、前記多孔性セラミックス体と前記電極の全表面を覆って密封するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記多孔性セラミック体は、ジルコン酸チタン酸鉛の固溶体により製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記多孔性セラミックス体の気孔率が少なくとも１０％、好ましくは３０％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項５】
前記多孔性セラミックス体の気孔率が５０％以上７０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
前記弾性被覆は、シリコンゴム、イソプレンゴム、又はポリウレタン、又はそれに類するものからなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項７】
前記弾性被覆の厚さが０．１ミリメートル以上１．５ミリメートル以下、好ましくは０．１ミリメートル以上１．０ミリメートル以下、さらに好ましくは０．１ミリメートル以上０．５ミリメートル以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項８】
前記弾性被覆の弾性が１０ショアー硬度以上５０ショアー硬度以下、好ましくは１０ショアー硬度以上３０ショアー硬度以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項９】
開気孔を有する前記多孔性セラミックス体が実質的に均一であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の圧電素子を有する振動トランスデューサであって、
前記圧電素子はハウジングに収容され、
前記圧電素子の一方の底面は前記ハウジングの基部に固着され、逆の底面は外部からの振動を感知する感知面となり、
前記ハウジング内の前記圧電素子は、キャスティング材により包囲され、そのキャスティング材とは機械的に分断されることを特徴とする振動トランスデューサ。
【請求項１１】
前記圧電素子の周囲の側面は、前記キャスティング材と前記圧電素子とを分離し、機械的に分断する、前記圧電素子に緩く接続されたカバーを備えることを特徴とする請求項１０に記載の振動トランスデューサ。
【請求項１２】
前記圧電素子の前記電極は、前記キャスティング材の中に設けられたインピーダンス変換回路に接続されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の振動トランスデューサ。
【請求項１３】
前記圧電素子の前記感知面は、前記ハウジングの上に突出していることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の振動トランスデューサ。
【請求項１４】
前記感知面は、金属ホイル、金属線の織物、金属化されたプラスチックホイル、又は電気伝導性エラストマーにより覆われることを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の振動トランスデューサ。
【請求項１５】
前記ハウジングは、振動吸収材の台枠の上に配置され、これに接続されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の振動トランスデューサ。
【請求項１６】
前記台枠は、前記ハウジングの周囲の少なくとも一部を囲むスリーブと、基板とを備え、前記スリーブと前記ハウジングとの間に振動減衰材により満たされた空間を設けたことを特徴とする請求項１５に記載の振動トランスデューサ。
【請求項１７】
前記スリーブは、前記ハウジングのフランジに取り付けられ、前記基板は、前記ハウジングを包囲するカバーキャップの一部を構成することを特徴とする請求項１６に記載の振動トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力信号を電気信号に又は電気信号を圧力信号に変換するための圧電素子、及び圧電素子を備えた振動トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ国特許公開公報ＤＥ４０２９９７２号には、超音波トランスデューサとして設計された圧電素子が開示されている。この圧電素子は、多孔性圧電セラミックスのいくつかの層と、それらを接続する電極からなる。多孔性圧電セラミックスのそれぞれの層は、真珠岩を混入したセラミックスのスリップを含む供給容器の中でプラスチックフォイルを引っ張ることにより製造される。それぞれの多孔性セラミックスの層は、気孔率に勾配がつけられており、境界面において気孔率が最小となっている。これにより、電極への接触が向上する。
【０００３】
振動トランスデューサは、非常に多様な用途に用いられる。たとえば、マイクロホン、とくにニュースの伝達に用いられる接触マイクロホン、加速度レコーダー、聴診器、地震計などの装置、安全信号システム及びその他の設備に用いられる。
【０００４】
欧州特許公報ＥＰ０５１５５２１Ｂ１号には、圧電セラミックス式の加速度計が開示されている。この加速度計は、ガラス又はセラミックスにより構成された箱型の二つの部分を有するハウジングを備える。ハウジングの内部には空洞部が設けられており、二つの部分の間には、空洞部に埋め込まれるように、圧電セラミックスの板が取り付けられる。圧電セラミックスの板の、２つのハウジングの間に固定するための端部領域に、電極が設けられる。ハウジングは、電気回路への接続部と電極を接続するための金属被覆を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高感度で、かつ十分な機械安定性を有する圧電素子を提供することにある。また、本発明の別の目的は、一方向に特に感度の高いトランスデューサを提供することにある。本発明によれば、この目的は、特許請求の範囲における独立項及び従属項に記載の特徴の組合せにより達成される。従属項に規定された特徴により、さらなる有利な発展及び向上が可能となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
多孔性圧電セラミックスは、圧電特性と細孔を有する圧電セラミックス材料である。たとえば、ジルコン酸チタン酸鉛の固溶体を焼結したものを基にした材料であってもよい。セラミックス体において、細孔が閉じている、すなわち孤立しているか、開いている、すなわちつながっているかに依存して、多孔性圧電セラミックスは、ボンド３−０又は３−３に相当する圧電複合材料に属する。
【０００７】
細孔が少なく剛直なセラミックスから多孔性の圧電セラミックスへ変換することにより、感度の指標となる圧電定数ｇＨ（空気中の音響感度／圧電セラミックスの厚み）が大幅に増加する。とくに、気孔率が３０％以上の場合、セラミックスの気孔率の増加に伴い、セラミックスの弾性変形の非線形的な増加、及びポアソン数すなわち横方向の縮小係数の減少がみられる。前者の特性は高い感度を保証し、後者は、全方面にわたる空間的効果を有する機械的振動に伴い、圧電定数ｇＨの大きさ、すなわち感度は、その分極軸における全範囲で維持されるという効果を有する。他方、固体のセラミックスでは、主軸すなわち分極軸の信号要素と、第２軸の逆相の信号要素との重ね合わせにより、感度が減少する。
【０００８】
この効果は、開気孔を有する多孔性セラミックスにおいて最も明瞭に示される。しかしながら、セラミックス体の気孔率の増加に伴い、その機械強度は減少するため、気孔率の高いセラミックスは一般には使用されていない。開気孔を有する、気孔率の高い圧電セラミックスの機械的安定性を改善するために、孔を埋めるための種々のポリマー複合材料が用いられるが、同時に体積当たりの圧電感度は少なからず減少する。典型的な充填剤は、エポキシ樹脂及びシリコンゴムである。
【０００９】
本発明によれば、少なくとも電極によって塞がれた部分以外の表面を覆う弾性被覆が設けられた、開気孔を有する多孔性セラミックス体が提供される。これにより、圧電素子の圧電定数が増大するとともに、弾性被覆によりセラミックス体の機械強度が向上する。このとき、セラミックス体の表面全体を密封するように被覆するのが特に好ましい。
【００１０】
弾性被覆の役割は、圧力信号を電気信号に又は電気信号を圧力信号に変換するために用いられる、気孔率の高いセラミックス体の機械強度を向上させること以外に、この被覆により、たとえば音波などの効果で、圧電素子の内部と周囲の媒質との間で圧力勾配が発生し、それに対応して圧電素子の変形量が増加する。気孔率の高い圧電セラミックスでは、その低いポアソン数のために、増加した体積変形量は、圧電素子の電極における電荷発生を活性化する直接的な圧電効果の結果、単軸、主に縦方向の変形に変換される。最終的には、体積変化の信号は、多孔性セラミックスの圧電素子により適度に高い電気信号に変換される。弾性被覆がなければ、圧電素子の圧力勾配は発生せず、その変形は非常に小さくなるので、圧電定数はより低くなる。
【００１１】
多孔性セラミックス体は、互いにつながっている開気孔の寄与に関して、全ての領域において実質的に均一であることが好ましい。セラミックス体の内部の圧力勾配が増大して、外部の物質により「呼吸」が阻害されないように、細孔は固体の充填材ではなく空気又は気体のみにより満たされる。また、異なる物質によるサンドイッチ構造は妨げられる。
【００１２】
弾性被覆の弾性は、１０から５０ショアー硬度の範囲、好ましくは１０から３０ショアー硬度の範囲であってもよい。弾性被覆の厚さは、その物質に依存して、変形が抑制されないように選択される。被覆の厚さは、０．１から１．５ミリメートル、好ましくは０．１から０．５ミリメートル程度であってもよい。
【００１３】
気孔率は、高ければ高いほど有利であるが、その上限は、必要な強度、必要な感度、及び製造方法により限定される。
【００１４】
本発明によれば、開気孔を有する多孔性セラミックス体の圧電素子を備えた振動トランスデューサが提供される。圧電素子の一方の底面は、ハウジングの基部に実質的に固定的に取り付けられ、圧電素子の逆側の底面は、感知面となる。ハウジングの内部は、少なくとも一部がキャスティング材により満たされる。圧電素子はキャスティング材と機械的に分断されており、良好な信号ノイズ比で振動信号を変換する振動トランスデューサの高い感度が実現される。また、機械的分断のために、その振幅−周波数応答は向上し、ハウジングの基部への多孔性セラミックス体の堅固な接続と、周囲のキャスティング材のために、感度は支配される。
【００１５】
ハウジングは振動吸収材の台枠の上に設置され、これに接続されるのがさらに好ましい。すなわち、弾性的でかつ振動を減衰させるように取り付けられるのが好ましい。これにより、外部振動に対するトランスデューサの感度は大幅に減少し、他方、前面に衝突する振動に関しては高い感度が維持される。この効果は、台枠がハウジング及び基板を囲む筒状のスリーブからなる場合であっても向上する。ハウジングとスリーブの間、及び基板とハウジングの間には、振動減衰材又は振動吸収材で満たされた空間が設けられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳細に説明する。
【００１７】
図１において、実質的に均一な多孔性セラミックス体１は開気孔を備えており、その細孔によって占められる体積は１０％以上、好ましくは３０％以上である。気孔率は、たとえば、５０％以上７０％以下であってもよい。細孔は通常空気で満たされるが、その他の気体を含んでいてもよい。セラミックス体１の向かい合う２つの面には、２つの電極２が取り付けられる。電極２は、接続線３に接続される。セラミックス体１の電極２により占められる部分を除いた全表面は、堅い弾性被覆４、たとえば、ポリウレタン、シリコンゴム、イソプレンゴムなどのポリマーにより密封される。弾性被覆４の厚さは、セラミックス体１の振動に伴う変形が許容される程度、すなわち、変形が妨げられない程度であればよい。弾性被覆４の弾性についても同様である。弾性は、たとえば、１０から５０ショアー硬度の範囲、好ましくは、１０から３０ショアー硬度の範囲であってもよい。弾性被覆４の層厚は、使用される物質に依存するが、０．１から１．５ミリメートル、好ましくは０．１から１．０ミリメートルの範囲であってもよい。層厚が０．１から０．５ミリメートルの範囲の場合に、特に良好な結果が達成される。
【００１８】
【実施例】
具体的な実施例として、圧電セラミックス物質ＰＴＺ−３６により、直径１２ミリメートル、高さ５ミリメートル、気孔率６２〜６３％の円板状の圧電素子を作製した。円板の底面に金属層を形成した後、比較のために、これらの層における信号及びセラミックス体の分極を取り出すための接続線をはんだづけした。圧電素子の表面は、ポリウレタン、シリコンゴム、及び合成ゴムなどの弾性ポリマーの層により密封した。
【００１９】
圧電定数ｇＨは、次式により決定される。
ｇＨ＝γ／ｈ
γは空気中における音響感度をｍＶ／Ｐａの単位で表したものであり、ｈはセラミックス体の高さである。圧電定数は、無響室において１０００Ｈｚの周波数で測定された。その結果を表１に示す。
【表１】
0004318433.tif 000002
【００２０】
上記のデータから、弾性被覆を用いることにより、開気孔を有するセラミックスの素子において、高い圧電定数を実現することが可能であることが分かる。弾性被覆を設けた素子の感度は、同じセラミックス体で被覆を設けなかった素子に比べて２０倍も優れている。表１からも分かるように、非弾性被覆を設けた素子では、圧電定数の増加はたかだか２倍である。
【００２１】
弾性被覆を設けることにより、広い周波数帯域において圧電感度が向上する。表２に、弾性被覆及び非弾性被覆を設けた素子の圧電定数ｇＨ（ｍＶ・ｍ／Ｎ）の周波数依存性を示す。
【表２】
0004318433.tif 000003
【００２２】
表３は、シリコンゴムによりコーティングした、同じ気孔率の開気孔を有する圧電素子における圧電定数の孔径依存性を示す。
【表３】
0004318433.tif 000004
【００２３】
さらなる例として、表４は、気孔率５６％の圧電素子における、圧電感度の被覆厚依存性を示す。
【表４】
0004318433.tif 000005
層厚が０．１から０．５ミリメートルのときに感度が最大となることが分かる。
【００２４】
この圧電素子によれば、より簡単な構成により、非常に高い圧電感度が達成される。固体の圧電セラミックスの圧電素子に比べ、本発明の圧電素子はほぼ２桁高い圧電定数を有し、広い周波数スペクトル（１０Ｈｚから２００Ｈｚ）と、可聴周波数帯域において変動が６ｄＢを超えない均一な振幅周波数応答により特徴づけられる。
【００２５】
図２は、上述の圧電素子を使用した振動トランスデューサを示す。この振動トランスデューサは、ハウジング８に収容された圧電素子２２を備える。圧電素子２２の周囲には、ハウジング８を満たすキャスティング材５が設けられる。ハウジング８は、たとえばポット型の形状を有し、一方が開放されている。図２においては、上方が開放されている。圧電素子２２はキャスティング材５よりもいくらか高いレベルに突出しており、その表面が感度の高いセンサーとなる。ハウジング８、すなわち圧電素子２２及びキャスティング材５は、金属のホイル、細い線材の織物、金属化されたプラスチックホイル、又は弾性のある伝導性ポリマーからなる保護ホイル６により覆われる。ハウジング８は、フランジリング７により囲まれたフランジ状の端部を備え、フランジリング７は保護ホイル６とハウジング８の端部とを咬合する。
【００２６】
圧電素子２２には、電気信号を伝達する電極が設けられる。電極２はインピーダンス変換回路２０に接続され、対応する電気的調整が実現される。上側の電極２は接続部１６を介して保護ホイル６に接続される。下側の電極２は導線１７を介してインピーダンス変換回路２０に接続される。接続ケーブル１８は外部へ接続される。
【００２７】
多孔性圧電セラミックス体１には、機械安定性及び圧力勾配の増大のために、セラミックス体１の全表面を覆って密封する弾性被覆４が設けられる。
【００２８】
図２に示した振動トランスデューサの製造において、弾性ポリマー被覆４が設けられた多孔性セラミックス体１は、その底面が接続部１９を介してハウジング８の基部の上に設けられた粘着層などに固着される。弾性被覆４を設けたセラミックス体１は、カバー９にゆるく、すなわち固定せずに接続される。カバー９は、たとえばセラミックス体１から押されるシリコンチューブとして形成される。つづいて、ハウジング８は、エポキシ樹脂、又はその他の弱い弾性を有する化合物などのキャスティング材により完全に又は部分的に満たされる。カバー９は、圧電素子２２をキャスティング材５と分離し、機械的にデカップリングする。電極２に接続されたインピーダンス変換回路２０は、キャスティング材５の中に設けられる。
【００２９】
図２に示した構成により、セラミックス体１の背面はハウジング８の慣性質量を最大限に「加重された」状態となり、その前面は最大限に「軽減された」状態となる。これにより、振動トランスデューサの前面の感度は増加すると同時に、背面の感度は減少する。カバー表面又は圧電素子の側面のための保護カバー９の使用により、弱い弾性を有する素子をハウジングのキャスティングに使用してもトランスデューサの感度を下げずにすむ。これにより、トランスデューサの自己共鳴を高周波数域にシフトさせ、低周波数域における振幅周波数応答を向上させることができる。
【００３０】
このようなトランスデューサは、上述したように、接触又は衝撃ノイズマイクロホンに用いることができる。このとき、圧電素子の、ハウジング８の前面よりも上に突出した底面のみが信号源の表面に接触する。
【００３１】
図２に示したトランスデューサは、高さ５．８ｍｍ、直径２１．５／１８．０ｍｍ、重さ約７ｇ、衝撃ノイズ伝送係数１５００ｍｖ／ｇ、５０−５０００Ｈｚの周波数域における振幅周波数応答は公差６ｄＢ以下、前面と背面の感度の比は約２０ｄＢである。
【００３２】
図３は、別の実施の形態を示す。図３において、トランスデューサ１０は、図２と同様の構成を有する。
【００３３】
ハウジング８は、その端部１３において、ハウジング８の周囲を取り囲む円筒状の弾性音響吸収材のスリーブ１１により支持される。さらに、ハウジング８とスリーブ１１を内部に配置するポット型のカバーキャップ１２が備えられる。音響吸収材のスリーブ１１は一端が接続部１４を介してフランジ状端部１３に接続され、他端はカバーキャップ１２の基部に接続される。同時に、ハウジング８とカバーキャップ１２の基部との間に、空気、真空、液体、又はその他の振動吸収材で満たされた空間１５が設けられる。
【００３４】
本実施の形態では、カバーキャップ１２が用いられたが、振動トランスデューサ１０の外部振動に対する感度を下げるために、他の設計が採用されてもよい。しかしながら、トランスデューサの弾性音響吸収及び中間空間を設けた二重底の方法は基本概念として維持される。
【００３５】
この構成によれば、トランスデューサの厚さの最小限の増加により、前面からの衝撃による振動信号に対する高い感度を維持したまま、外部振動に対する感度を大幅に減少させ、あるいはある特定の周波数に対してはほぼ完全に抑制することができる。トランスデューサのハウジングの周囲に設けられた弾性音響吸収材のスリーブは、円筒状に形成されてもよく、一端がハウジングの前面に固着され、他端がトランスデューサのカバーキャップの基部又は外部円板に固着される。トランスデューサのハウジングとカバーキャップの基部の間に二重底になるように中空の空間が形成され、空気、真空、液体、その他の振動吸収材で満たされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る圧電素子の断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係る振動トランスデューサの断面図である。
【図３】  本発明の別の実施の形態に係る振動トランスデューサの断面図である。
【符号の説明】
１  多孔性セラミックス体、  ２  電極、  ３  接続線、  ４  弾性被覆、  ５  キャスティング材、  ６  保護ホイル、  ７  フランジリング、  ８  ハウジング、  ９  カバー、  １０  振動トランスデューサ、  １１  スリーブ、  １２  カバーキャップ、  １３  フランジ状端部、  １４  接続部、  １５  空間、  １６  接続部、  １７  導線、  １８  接続ケーブル、  １９  接続部、２０  インピーダンス変換回路、  ２２  圧電素子。
【図１】
0004318433.tif 000006
【図２】
0004318433.tif 000007
【図３】
0004318433.tif 000008