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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Verbundwerkstoffe,
die für
eine Ultraschallsonde geeignet sind, die in einem Sende- und Empfangsgerät, wie z.
B. einer Ultraschalldiagnosemaschine und einem Ultraschalldefektoskop,
als Ausrüstung
enthalten ist, die eine Resonanzbewegung in der Dickenrichtung des
piezoelektrischen Verbundwerkstoffs verwendet (d. h. eine Resonanzbewegung
in der Längsschwingung).
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Die
US 5,702,629 (Cui et al.)
beschreibt einen piezoelektrischen Keramik-Polymerisat-Verbundwerkstoff, wo piezoelektrische
Teilchen in einem Polymerisatmaterial eingebettet sind. Besagtes
Polymerisatmaterial ist in drei Dmensionen kontinuierlich.
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Klicker
et al. beschreiben in "Piezoelectric
composites with 3-1 connectivity and a foamed polyurethane matrix", Communications
of the American Ceramic Society, Band 65, Dezember 1982, Seiten
C-208 bis C-210, dass Blasen in einem Polyurethan erzeugt werden
können,
indem Wasser mit ungehärtetem
Polyurethan gemischt wird.
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Herkömmlicherweise
ist ein piezoelektrischer Verbundwerkstoff hergestellt worden, indem
eine piezoelektrische Keramik mit einem hohen Koeffizienten von
elektromechanischer Kopplung mit einem Polymerisatmaterial mit einer
niedrigen akustischen Impedanz kombiniert wurde, und deshalb ist
er in einer Ultraschallsonde als ein piezoelektrischer Wandler mit
einem hohen Koeffizienten von elektromechanischer Kopplung zusammen
mit einer niedrigen akustischen Impedanz verwendet worden.
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Während die
Ultraschallsonde in einem Sende- und Empfangsgerät, wie z. B. einer Ultraschalldiagnosemaschine
und einem Ultraschalldefektoskop, verwendet wird, wird eine Spannung
an die Ultraschallsonde angelegt, um eine Schallwelle zu erzeugen,
die auf einem Gegenstand reflektiert wird, und dann wird die rückgekehrte
Schallwelle von der Ultraschallsonde empfangen, um in ein Spannungssignal
zur Darstellung auf einem Bild umgewandelt zu werden.
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Ein
piezoelektrischer Wandler, der einen elektrischen Strom in eine
Schallwelle in der Ultraschallsonde umwandelt (alternativ eine Schallwelle
in einen elektrischen Strom umwandelt), wird im Allgemeinen aus
einer piezoelektrischen Keramik mit einem signifikant hohen Koeffizienten
von elektromecha nischer Kopplung, wie z. B. Bleititanatzirconat
(das nachstehend als "PZTs" bezeichnet wird),
einem Einkristall von Bleizinktitanatniobat (das nachstehend als "PZNT" bezeichnet wird),
hergestellt. Es wird angemerkt, dass ein solcher Einkristall nicht
in einem präzisen
Sinn als eine Keramik definiert ist, aber der Einkristall wird in
der vorliegenden Erfindung in die Keramik eingeschlossen.
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Jedoch
weist die piezoelektrische Keramik ein großes spezifisches Gewicht auf,
so dass sie eine akustische Impedanz ungefähr so hoch wie 30 Mrayl aufweist,
wobei die akustische Impedanz durch die folgende Formel: (spezifisches
Gewicht) × (Schallgeschwindigkeit)
erhalten wird. Folglich kann, in dem Fall, wo der Gegenstand aus
einem organischen Material mit einer niedrigen akustischen Impedanz
besteht, eine Schallwelle wegen des Unterschieds in der akustischen
Impedanz dazwischen nicht wirkungsvoll übertragen werden, obwohl die
piezoelektrische Keramik einen hohen Koeffizienten von elektromechanischer
Kopplung aufweist. Zusätzlich
kann, wo der Gegenstand ein relativ hohes spezifisches Gewicht aufweist
und wo eine Zwischenschicht oder ein Medium zum Gegenstand aus einem
Material, wie z. B. Wasser oder einer organischen Substanz, besteht,
eine Schallwelle wegen des Unterschieds der akustischen Impedanz
nicht wirkungsvoll übertragen
werden.
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Folglich
ist damit gerechnet worden, dass ein piezoelektrischer Verbundwerkstoff
mit einem hohen Koeffizienten von elektromechanischer Kopplung zusammen
mit einer relativ niedrigen akustischen Impedanz hergestellt wird.
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Der
piezoelektrische Verbundwerkstoff ist ein Verbundwerkstoffmaterial
aus einer piezoelektrischen Keramik mit einem hohen spezifischen
Gewicht und einem hohen Koeffizienten von elektromechanischer Kopplung,
die mit einem Polymerisatmaterial mit einem niedrigen spezifischen
Gewicht und einer niedrigen akustischen Impedanz als Einheit ausgebildet
ist. Folglich weist der piezoelektrische Verbundwerkstoff eine Struktur
mit einer verringerten akustischen Impedanz auf, wobei ein hoher
Koeffizient von elektromechanischer Kopplung aufrechterhalten wird.
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Im
Allgemeinen wird, da der piezoelektrische Verbundwerkstoff die piezoelektrische
Keramik bei einem niedrigeren Volumenverhältnis enthält (d. h. einem Verhältnis, das
die piezoelektrische Keramik insgesamt innehat), die akustische
Impedanz desselben niedriger. Jedoch führt ein niedrigeres Volumenverhältnis der
piezoelektrischen Keramik wegen des Anstiegs eines Faktors durch
das Polymerisat, der eine Schwingungsbewegung der piezoelektrischen
Keramik beschränkt,
zu einem niedrigeren Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung.
Im Gegensatz dazu ist die akustische Impedanz umso höher, je
höher der
Koeffizient von elektromechanischer Kopplung ist.
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Als
ein Polymerisat für
den piezoelektrischen Verbundwerkstoff können Siliconkautschukmaterialien mit
einer weichen und elastischen Eigenschaft als Beispiel angeführt werden,
was einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff mit einem hohen Koeffizienten
von elektromechanischer Kopplung ergibt, obwohl die piezoelektrische
Keramik selbst bei einem relativ niedrigen Volumenverhältnis enthalten
ist. Jedoch sind solche Siliconkautschukmaterialien in einer Affinität mit einem
Haftmittel nachteilig, das zur Erzeugung einer Ultraschallsonde
notwendig ist, und sie sind in einer Verarbeitungseigenschaft in
einem Schneidprozess signifikant schlecht, und deshalb sind sie
beim praktischen Erzeugen einer Ultraschallsonde nicht geeignet.
Zusätzlich
weist ein piezoelektrischer Verbundwerkstoff im Allgemeinen Elektroden
auf, die auf der oberen und unteren Oberfläche ausgebildet sind, um elektrischen
Strom daraus zu entnehmen, und die Siliconkautschukmaterialien sind
auch nachteilig in einer Affinität
mit den Elektroden, so dass sie bei einer Erzeugung einer Ultraschallsonde
nachteilig sind, wie oben erläutert.
Weiter weist ein Polymerisat im Allgemeinen eine niedrige scheinbare
Dichte auf, aber sie ist so niedrig wie 1. Deshalb gibt es eine
Grenze bei einer Verringerung einer akustischen Impedanz bei Beibehaltung
eines hohen Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Hinsichtlich
des Obigen weist die vorliegende Erfindung, wie oben erläutert, die
Ziele im Stand der Technik auf, die zu lösen sind: Bereitstellen eines
piezoelektrischen Verbundwerkstoffs mit einem hohen Koeffizienten
von elektromechanischer Kopplung und einer niedrigen akustischen
Impedanz, der auch in einer Verarbeitungseigenschaft während einer
Erzeugung einer Ultraschallsonde ausgezeichnet ist, ohne dass er
von irgendwelchen wie oben erläuterten
Problemen begleitet wird.
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Die
Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch Bereitstellen eines
piezoelektrischen Verbundwerkstoffs erreicht, der als Hauptkomponenten
eine piezoelektrische Keramik und ein Acrylnitril-Polymerisat mit
einer scheinbaren Dichte von 0,4 g/cm3 oder
weniger umfasst, wobei das Polymerisat Blasen enthält, die darin
dispergiert sind.
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Im
Allgemeinen weist der piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden
Erfindung eine Struktur auf, die aus einem piezoelektrischen Material
hergestellt ist, die ein integrierter Körper aus einer piezoelektrischen
Keramik (wobei angemerkt wird, dass ein Einkristall in die vorliegende
Erfindung eingeschlossen wird) und einem Acrylnitril-Polymerisat
als Hauptkomponenten ist. Abhängig
von der Konfiguration der piezoelektrischen Keramik und des Polymerisats
wird der piezoelektrische Verbundwerkstoff im Allgemeinen als "1-3-Verbundwerkstoff", "2-2-Verbundwerkstoff", "0-3-Verbundwerkstoff" oder "3-0-Verbundwerkstoff" bezeichnet. Die Zahlen,
wie z. B. "1-3", "2-2", "0-3" und "3-0" drücken die
Anzahl der Stirnflächen
der piezoelektrischen Keramik aus, die sich in der x-, y- und z-Richtung
zeigen, und die Anzahl der Stirnflächen des Polymerisats, die
sich in der x-, y- und z-Richtung zeigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt
veranschaulichend einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, ohne dass Elektroden dargestellt
werden.
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2 stellt
veranschaulichend einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, ohne dass Elektroden dargestellt
werden.
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3 stellt
veranschaulichend einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, ohne dass Elektroden dargestellt
werden.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird auf Grundlage einer Zeichnung eines besten
Modus nachstehend in Einzelheit beschrieben.
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Zuerst
wird der wie in 1 dargestellte piezoelektrische
Verbundwerkstoff wie folgt erläutert. 1 stellt
veranschaulichend einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff in einem
1-3-Typ dar. Der wie in 1 dargestellte piezoelektrische
Verbundwerkstoff weist eine Stirnfläche auf, die sich in einer
Richtung von x, y oder z als eine piezoelektrische Keramik zeigt
(d. h. in der Längsrichtung)
und Stirnflächen,
die sich in den drei Richtungen von x, y und z als ein Polymerisat
zeigen, und deshalb wird die Ausführungsform als "1-3-Verbundwerkstoff" bezeichnet. Der
piezoelektrische Verbundwerkstoff vom 1-3-Typ wird weiter wie folgt
beschrieben: Er weist eine Mehrzahl von rechteckigen Säulen einer
piezoelektrischen Keramik 1 auf, die unabhängig aufrechtstehen,
deren Umgebungen durch ein Polymerisat 2, das darin dispergierte
Blasen enthält,
eingerichtet sind. Die Blasen sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Das Polymerisat weist folglich eine scheinbare Dichte von 0,4 g/cm3 oder weniger auf. Der piezoelektrische
Verbundwerkstoff weist im Allgemeinen Elektroden auf, die auf der
oberen und unteren Oberfläche
ausgebildet sind. Zwecks Klarheit der Konfiguration der piezoelektrischen
Keramik 1 und des Polymerisats 2 sind die Elektroden
in der Zeichnung nicht dargestellt, aber der piezoelektrische Verbundwerkstoff
der Zeichnung weist im Allgemeinen Elektroden auf, die auf der oberen
und unteren Oberfläche
ausgebildet sind. In den 2 und 3, die die
piezoelektrischen Verbundwerkstoffe darstellen, sind die Elektroden
darin auch weggelassen, aber die Ausführungsformen weisen im Allgemeinen Elektroden
auf, die auf der oberen und unteren Oberfläche aus gebildet sind. Auch
sind die piezoelektrischen Keramiken, die in den 1 bis 3 dargestellt
sind, zwecks visueller Unterscheidung der piezoelektrischen Keramik 1 von
dem Polymerisat 2 gefärbt.
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2 stellt
veranschaulichend einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff in einem
2-2-Typ dar. Der wie in 2 dargestellte piezoelektrische
Verbundwerkstoff weist Stirnflächen
auf, die sich in den zwei Richtungen von x, y und z als eine piezoelektrische
Keramik 1 zeigen, und Stirnflächen, die sich in den zwei
Richtungen von x, y und z als ein Polymerisat 2 zeigen.
Die Ausführungsform
wird folglich als ein "2-2-Verbundwerkstoff" bezeichnet. Der
piezoelektrische Verbundwerkstoff des wie in 2 dargestellten
2-2-Verbundwerkstoffs wird wie folgt weiter beschrieben: Er weist
eine piezoelektrische Keramik 1 und ein Polymerisat 2 auf, die
jeweils in eine rechteckige Platte geformt und durch alternierendes
Anordnen miteinander kombiniert sind. Das Polymerisat 2 umfasst
darin dispergierte Blasen, die in der Zeichnung nicht dargestellt
sind, wodurch es eine scheinbare Dichte von 0,4 g/cm3 oder
weniger besitzt.
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Der
Bereich der vorliegenden Erfindung schließt wegen der Beschränkungen
des Produktionsverfahrens keinen "3-0-Verbundwerkstoff" ein, bei dem es keine Stirnfläche eines
Polymerisats gibt. Jedoch sollte zusätzlich zu den Ausführungsformen
des 1-3-Verbundwerkstoffs und 2-2-Verbundwerkstoffs, wie oben dargestellt,
der Bereich der vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform eines piezoelektrischen
Verbundwerkstoffs aufweisen, dessen untere Oberfläche gänzlich durch
eine piezoelektrische Keramik 1 gebildet wird, wie in 3 dargestellt.
Der wie in 3 dargestellte piezoelektrische
Verbundwerkstoff wird weiter wie folgt beschrieben: Er ist eine
Modifikation des wie in 1 dargestellten piezoelektrischen
Verbundwerkstoffs vom 1-3-Typ, indem eine weitere piezoelektrische
Keramik 1 bereitgestellt wird, die gänzlich auf seiner unteren Oberfläche gebildet
ist. Folglich sind die rechteckigen Säulen der piezoelektrischen
Keramik 1 an der unteren Oberfläche miteinander verbunden,
und ein Polymerisat 2 ist an den Umgebungen der rechteckigen
Säulen angeordnet.
Das Polymerisat 2 umfasst darin dispergierte Blasen, die
in der Zeichnung nicht dargestellt sind, wodurch es eine scheinbare
Dichte von 0,4 g/cm3 oder weniger besitzt.
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Der
piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, dass er eine piezoelektrische Keramik und
ein Polymerisat mit einer scheinbaren Dichte von 0,4 g/cm3 oder weniger aufweist, wobei das Polymerisat
darin dispergierte Blasen als Hauptkomponenten enthält. Man
zieht in Erwägung,
dass der Zustand der im Polymerisat dispergierten Blasen das Polymerisat
davon abhält,
die Schwingung der piezoelektrischen Keramik zu beschränken, so
dass ein Koeffizient der elektromechanischen Kopplung hoch gehalten
werden kann, obwohl das Volumenverhältnis der piezoelektrischen
Keramik niedrig gehalten wird.
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Auch
enthält
der piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung
in einem Polymerisat dispergierte Blasen, wodurch sein spezifisches
Gewicht verringert wird und was dazu führt, dass er beim Verringern
einer akustischen Impedanz günstig
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung bedeutet die piezoelektrische Keramik des piezoelektrischen
Verbundwerkstoffs ein Material, das eine piezoelektrische Eigenschaft
zu dem Zeitpunkt zeigt, wenn es einer Polarisationsbehandlung zwischen
den darauf gebildeten Elektroden ausgesetzt wird. Angesichts der
Tatsache, dass sie einen hohen Koeffizienten von elektromechanischer
Kopplung besitzt, umfasst die Keramik vorzugsweise PZT-Keramikmaterialien
(d. h. eine Bleititanatzirconat-Keramik), einen PZNT-Einkristall
(d. h. einen Einkristall von Bleizinktitanatniobat), einen Einkristall
von Bleimagnesiumtitanatniobat (PMNT), eine Keramik von Bleiniobat,
eine Keramik von Bleititanat und eine Keramik von Bismuttitanat.
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Der
piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung kann
hergestellt werden durch: einen ersten Schritt zur Bildung einer
Mehrzahl von Nuten auf einer Keramik mittels eines mechanischen
Prozesses; und einen zweiten Schritt zum Füllen eines Polymerisatpulvers
in die Nuten, wobei das Polymerisatpulver eine Flüssigkeit
einschließt,
die bei einer vorbestimmten Temperatur zu vergasen ist, gefolgt
von einem Unterziehen einer Wärmebehandlung,
um das Polymerisat mit einer scheinbaren Dichte von 0,4 g/cm3 oder weniger zu bilden, das mit der Keramik
als Einheit ausgebildet ist. Wenn notwendig, kann das Herstellungsverfahren
des piezoelektrischen Verbundwerkstoffs von einem dritten Schritt
zur Entfernung eines zusätzlichen Polymerisats
und einer zusätzlichen
Keramik begleitet sein, um die Dicke einzustellen. Bei der Bildung
der Nuten und der Integration mit dem Polymerisat wird im Allgemeinen
eine Keramik verwendet, die noch keiner Polarisationsbehandlung
unterzogen ist, und dann werden Elektroden gebildet und der Polarisationsbehandlung unterworfen.
Alternativ kann eine piezoelektrische Keramik, die schon einer Polarisationsbehandlung
unterzogen ist, verwendet werden, auf der Nuten gebildet werden,
gefolgt von ihrer Integration mit dem Polymerisat.
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Bei
der Produktion des piezoelektrischen Verbundwerkstoffs der vorliegenden
Erfindung wird ein Polymerisatpulver, das eine Flüssigkeit
einschließt,
verwendet, das so ausgeführt
ist, dass es bei einer vorbestimmten Temperatur erwärmt wird,
um das Polymerisat zu erweichen und die im Polymerisatpulver eingeschlossene
Flüssigkeit
zu verdampfen. Die Beispiele für
das Polymerisat umfassen ein Acrylnitril-Copolymerisat, das eine
Flüssigkeit,
wie z. B. Isobuten, Isopentan, n-Pentan und n-Hexan, einschließt.
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Das
die Flüssigkeit
einschließende
Polymerisatpulver, wie als Beispiel erwähnt, wird in die in der Keramik
gebildeten Nuten eingefüllt,
gefolgt von seinem Erwärmen
bei einer vorbestimmten Temperatur. Der Anstieg des Drucks durch
die verdampfte Flüssigkeit
und das Erweichen des Polymerisats kann das Polymerisat expandieren,
was darauf hinwirkt, es an der Keramik haften zu lassen und mit
ihr zu integrieren, wodurch ein Polymerisat mit einer äußerst niedrigen
scheinbaren Dichte gebildet wird. Dann werden, wenn notwendig, seine
Oberflächen
zwecks Entfernung einer zusätzlichen
Keramik und übermäßig haftendem
Polymerisat oder zwecks Einstellen der Dicke geschliffen. Dann werden
die Elektroden mittels eines Sputter-, Vakuumbeschichtungs- und
Plattierungsprozesses gebildet. Nach Bildung der Elektroden wird
eine Gleichstromspannung zwischen den Elektroden angelegt, um sie
einer Polarisationsbehandlung zu unterziehen, wobei ein piezoelektrischer
Verbundwerkstoff erzeugt wird. Z. B. wird nach Erzeugen des wie
in 1 dargestellten piezoelektrischen Verbundwerkstoffs
vom 1-3-Typ ein wie in 3 dargestellter Körper zuerst
hergestellt, und dann wird die auf der unteren Oberfläche angeordnete
piezoelektrische Keramik geschliffen, um das Polymerisat 2 an der
unteren Oberfläche
freizulegen. Jedoch kann der wie in 3 dargestellte
Körper,
so wie er ist, verwendet werden, und in einem solchen Fall ist es
unnötig,
die piezoelektrische Keramik 1, die auf der unteren Oberfläche gebildet
ist, zu entfernen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die Dichte des Polymerisats im piezoelektrischen
Verbundwerkstoff eine scheinbare Dichte von 0,4 g/cm3 oder
weniger auf. Wenn die scheinbare Dichte höher als dies ist, kann die
Beschränkung
durch ein solches Polymerisat signifikant werden oder einen Koeffizienten
der elektromechanischen Kopplung verringern, wo ein Volumenverhältnis des
Polymerisats in einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff dasselbe
wie bei dem Produkt der vorliegenden Erfindung ist. Die scheinbare
Dichte des Polymerisats kann so niedrig wie 0,05 g/cm3 verringert
werden, aber in einem praktischen Gesichtspunkt kann die untere
Grenze der scheinbaren Dichte 0,1 g/cm3 sein.
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Bei
dem mechanischen Prozess zum Bilden der Nut bei der Produktion des
piezoelektrischen Verbundwerkstoffs kann eine Scheibenschneidmaschine,
eine Chiptrennsäge
und dergleichen vorzugsweise verwendet werden.
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Beispiele
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend in größerer Einzelheit auf Grundlage
der Beispiele beschrieben. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung
nicht so aufgefasst werden, dass sie in den Beispielen beschränkt wäre.
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Beispiel 1
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Als
eine Keramik für
die piezoelektrische Keramik wurde ein PZT-Keramik material bereitgestellt,
das einen Koeffizienten der elektromechanischen Kopplung k33 von
80% und eine scheinbare Dichte von 7,8 g/cm3 aufwies.
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Die
Keramik wurde so gebildet, dass sie eine Form einer Platte mit einer
Dicke von 1,00 mm aufwies, auf der Nuten, die jeweils eine Tiefe
von 0,800 mm aufwiesen, mit einem Zwischenraum von 200 μm so gebildet
wurden, dass sie zu einer Seite der Keramikplatte parallel waren,
indem ein Blatt mit einer Breite von 100 μm einer Chiptrennsäge verwendet
wurde. Dann wurden Nuten in der senkrechten Richtung des Obigen
auf dieselbe Weise gebildet, um eine PZT-Keramik mit einer Struktur
zu bilden, in der eine Mehrzahl von rechteckigen Säulen aufrecht
standen, die jeweils eine Größe von 100 μm × 100 μm × 800 μm aufwiesen.
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Dann
wurde ein Acrylnitril-Copolymerisatharz, das Isopentan einschloss,
in die auf der PZT-Keramik gebildeten Nuten eingefüllt, gefolgt
von seinem Erwärmen
für eine
Dauer von 5 Minuten bei einer Temperatur von 150°C, um das Acrylnitril-Copolymerisatharz
mit der PZT-Keramik zu integrieren, wobei das Copolymerisat darin
dispergierte Blasen enthielt. Dann wurden das überschüssige Harz und die überschüssige PZT-Keramik entfernt,
indem eine Zweiseitenschleifmaschine verwendet wurde, wobei die
Dicke eingestellt wurde, um einen 1-3-Verbundwerkstoff zu bilden,
der die PZT-Keramik bei einem Volumenverhältnis von 25% enthält, der
eine Dicke von 0,60 mm aufweist, wobei jede Einheit der PZT-Keramik eine Größe von 100 μm × 100 μm aufwies.
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Die
geometrische Größe des 1-3-Verbundwerkstoffs,
der erhalten wurde, wurde gemessen, indem ein Mikrometer und eine
Schublehre verwendet wurden, und das Gewicht wurde durch eine Präzisionswaage
gemessen, um die scheinbare Dichte des 1-3-Verbundwerkstoffs zu
berechnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt. Die
scheinbare Dichte der Polymerisatkomponente in dem 1-3-Verbundwerkstoff
wurde zu 0,2 g/cm3 berechnet.
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Zwecks
Bildung von Elektroden auf der oberen und unteren Oberfläche des
erhaltenen 1-3-Verbundwerkstoffs wurde ein chemischer (elektrodenloser)
Ni-Plattierungsprozess auf die obere und untere Oberfläche des
erhaltenen 1-3-Verbundwerkstoff
angewandt, gefolgt vom Anwenden eines chemischen (elektrodenlosen) Au-Plattierungsprozesses,
um Elektroden zu bilden, die Ni mit einer Dicke von 0,7 μm und Au
mit einer Dicke von 0,3 μm
darauf enthielten.
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Die
vier Oberflächen
des 1-3-Verbundwerkstoffs wurden in eine vorbestimmte Größe geschnitten,
und dann wurde eine Gleichstromspannung von 1 kV/mm bei einer Temperatur
von 100°C
angelegt, um eine Polarisationsbehandlung durchzuführen, um
einen 1-3-Verbundwerkstoff als Ziel zu erhalten.
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Frequenz-
und Impedanzeigenschaften des 1-3-Verbundwerkstoffs wurden durch
den Impedanzanalysator 4194A, der von Hewlett-Packard Co. hergestellt
wird, gemessen. Unter Verwendung der gemessenen Resonanzfrequenz
(fr) und Parallelresonanzfrequenz (fa) der Längsschwingung (in der Dickenschwingung) wurde
eine "k-Konstante
(kt)" in der Dickenrichtung
entsprechend dem Prüfverfahren
eines piezoelektrischen keramischen Wandlers von der Electronic
Material Manufactures Association of Japan berechnet. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 dargestellt. Die erhaltene Resonanzfrequenz (fr)
und die scheinbare Dichte wurden verwendet, um eine akustische Impedanz
zu berechnen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt.
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Zwecks
einer Untersuchung der Verarbeitungseigenschaft des piezoelektrischen
Verbundwerkstoffs wurde ein Harz für eine Schallanpassungsschicht
auf eine der Elektrodenoberflächen
mit einer Dicke von 0,6 mm aufgebracht, gefolgt von ihrem Schneiden
mittels einer Chiptrennsäge
in eine Größe von 10
mm × 0,1
mm, um 50 Prüfstücke mit
einer Dicke von 1,2 mm zu bilden, die in einen Streifen mit einer
Größe von 10
mm × 0,1 mm
geformt waren. Die geschnittenen Oberflächen der Prüfstücke wurden durch ein physikalisches
Mikroskop beobachtet, um das Vorhandensein des Abschälens der
Elektroden und des Springens des piezoelektrischen Verbundwerkstoffs
zu untersuchen. Die Ergebnisse sind auch in Tabelle 1 dargestellt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Außer dass
der wie hier hergestellte 1-3-Verbundwerkstoff verwendet wurde,
wurde Vergleichsbeispiel 1 auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 durchgeführt. Ähnlich zu
Beispiel 1 wurde eine piezoelektrische PZT-Keramik mit rechteckigen
aufrechtstehenden Säulen
verwendet, die jeweils eine Größe von 100 μm × 100 μm × 800 μm aufwiesen.
In ihre Nuten wurde ein Acrylnitril-Copolymerisatharz mit einer
scheinbaren Dichte des Harzes wie 1,1 g/cm3 eingefüllt, gefolgt
von seinem Härten,
um einen 1-3-Verbundwerkstoff herzustellen. Der erhaltene piezoelektrische
1-3-Verbundwerkstoff wies ein Volumenverhältnis von 25% auf.
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Bei
dem piezoelektrischen 1-3-Verbundwerkstoff des Vergleichsbeispiels
1 wurden eine scheinbare Dichte, ein kt-Wert und eine Verarbeitungseigenschaft
auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 dargestellt.
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Vergleichsbeispiel 2
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Außer dass
der wie hier hergestellte 1-3-Verbundwerkstoff verwendet wurde,
wurde der piezoelektrische Verbundwerkstoff von Vergleichsbeispiel
2 auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Ähnlich zu Beispiel
1 wurde eine piezoelektrische PZT-Keramik mit rechteckigen aufrechtstehenden
Säulen
verwendet, die jeweils eine Größe von 100 μm × 100 μm × 800 μm aufwiesen.
In ihre Nuten wurde ein Siliconkautschukhaftmittel mit einer scheinbaren
Dichte des Siliconkautschuks von 1,0 g/cm3 eingefüllt, gefolgt
von seinem Härten,
um einen 1-3-Verbundwerkstoff herzustellen. Der erhaltene piezoelektrische
1-3-Verbundwerkstoff wies ein Volumenverhältnis von 25% auf.
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Bei
dem piezoelektrischen 1-3-Verbundwerkstoff des Vergleichsbeispiels
2 wurden eine scheinbare Dichte, ein kt-Wert und eine Verarbeitungseigenschaft
auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 dargestellt. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitungseigenschaft
(auf Grundlage des Abschälens
der Elektroden und des Springens des piezoelektrischen Verbundwerkstoffs)
wie folgt ausgewertet wurde: Die Anzahl der Prüfstücke, die bei der Auswertung
verwendet wurden, ist im Nenner dargestellt (jedes der Teststücke wies
eine Dicke auf, war in einer Streifenform mit einer Größe von 10
mm × 0,1
mm geformt, lag in einem Zustand einer Aufbringung eines Harzes
für eine
Schallanpassungsschicht vor), und die Anzahl der Prüfstücke, die
irgendein Abschälen
von Elektroden oder irgendeinen Sprung auf dem Verbundwerkstoff
zeigten, ist im Zähler
dargestellt, wie in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
| Eigenschaften | Beispiel
1 | Vergl.-Beispiel 1 | Vergl.-Beispiel 2 |
| Scheinbare
Dichte
(g/cm3) | 2,10 | 2,80 | 2,72 |
| kt
(%) | 72 | 60 | 69 |
| Akustische
Impedanz
(Mrayl) | 4,9 | 8,0 | 7,2 |
| Verarbeitungseigenschaft:
Abschälen der
Elektroden
(Stücke/50
Stück) | 0/50 | 0/50 | 35/50 |
| Verarbeitungseigenschaft:
Springen
(Stücke/50 Stück) | 0/50 | 0/50 | 8/50 |
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Aus
den in Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen ist es ersichtlich, dass
gefunden wurde, dass der piezoelektrische Verbundwerkstoff von Beispiel
1, obwohl er dasselbe Volumenverhältnis wie die herkömmlichen piezoelektrischen
Verbundwerkstoffe der Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufwies, verglichen
mit den Vergleichsbeispielen einen höheren "kt"-Wert,
d. h. einen Koeffizienten von elektromechanischer Kopplung, und
eine niedrigere akustische Impedanz und zusätzlich eine bessere Verarbeitungseigenschaft
aufwies, was beim Produzieren einer Ultraschallsonde notwendig ist.
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Die
piezoelektrischen Verbundwerkstoffe der Vergleichsbeispiele 1 und
2 wiesen dieselbe piezoelektrische Keramik, dasselbe Volumenverhältnis und
dieselbe 1-3-Verbundwerkstoffstruktur wie die piezoelektrischen
Verbundwerkstoffe von Beispiel 1 auf. Jedoch wies der piezoelektrische
Verbundwerkstoff von Vergleichsbeispiel 1 eine gute Verarbeitungseigenschaft
auf, aber er wies einen niedrigeren "kt"-Wert
und eine höhere
Schallimpedanz auf. Auch wies der piezoelektrische Verbundwerkstoff
von Vergleichsbeispiel 2 einen guten "kt"-Wert
auf, aber er war in einer Verarbeitungseigenschaft schlecht und
war insbesondere in einer Haftfähigkeit
mit den Elektroden schlecht.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie
oben erläutert,
wies der piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung
eine verringerte scheinbare Dichte, einen hohen Koeffizienten von
elektromechanischer Kopplung, obwohl die piezoelektrische Keramik
ein niedriges Volumenverhältnis
aufwies, eine verringerte akustische Impedanz und eine gute Verarbeitungseigenschaft
auf.
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Deshalb
kann der piezoelektrische Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung
für eine
Ultraschallsonde geeignet sein, die in einem Sende- und Empfangsgerät, wie z.
B. einer Ultraschalldiagnosemaschine und einem Ultraschalldefektoskop,
als Ausrüstung
enthalten ist, wobei eine Resonanzbewegung des piezoelektrischen
Verbundwerkstoffs in der Richtung der Dicke verwendet wird (d. h.
eine Resonanzbewegung der Längsschwingung).