JPS6193800A - アレイ超音波アンテナの製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、並列配列された変換器素子を有する変換器装
置を備え、その変換器素子の材料が圧電セラミックであ
るプレイ超音波アンテナの製作方法に関する。

〔従来の技術〕

アレイとして多数の変換器素子から成り、超音波の方向
性放射のために、アンテナとして作用する送信変換器を
使用することは知られている。

個々のケースに応じて、これらの変換器素子は同相にて
まだは互いに位相をずらされて励起電圧が供給され、そ
して振動を生じるために励起される。

このことは、個々の変換器素子の受信信号が個々のケー
スに応じた方法で重畳されるよりなアレイ装置を用いた
、超音波放射の方向性受信に対しても同様にあてはまる
。

かない。しかしながら、たとえば１　ＭＨｚ以上の高Ｆ
ＥＪ波数あるいはそれどころか５〜１０ＭＨｚの周波数
が要望される場合には、共振駆動されるかまたは固有共
振にて受信する個々の変換器素子は非常に小さいので、
かかるアレイアンテナの製作には難点がある。直線配列
されたこのようなアンテナはたとえば１００〜２００個
の変換器素子を有しており、そしてこれらの変換器素子
はたとえばそれぞれ電気的に相互接続されて駆動される
多数のグループに分割されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この種のアレイアンテナの製作は、たとえば完成した焼
結化圧電セラミックから成るプレート部材から出発する
。このプレートにはその後に行われる切断によって、完
全なアレイを形成する個々の変換器素子が得られるよう
に、細昆いスリットが設けられる。しかしながらこのよ
うな製作方法では、このようにプレートに細長いスリッ
トを設けることにより個々の変換器素子を製作するので
、互いに著しく接近して配列された変換器素子を有する
、つまり変換器素子間の間隔が著しく狭いアレイアンテ
ナを製作することは困難である。

そこで本発明は、Ｍ　Ｈｚ　Ｗ、ＶＪＡ、Ｋ　４するア
レイアンテナのだめの簡単な製作方法を提供することを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は、 まず、交互に連続して置かれたセラミック層および間隔
層から成る積層体まだは渦巻体が製作され、その場合＆
て前記セラばンク層ｄまだ焼結されていないセラミック
材料から伐りそして前記間隔層は焼結工程で燃焼する充
填材およびこの充填材内に分散させられた金属酸化物粒
体から成る材料であり、前記粒体の等級は前記間隔層の
予め設定された厚さに応じて定められ。

このようにして製作された積層体または渦巻体は焼結さ
れ、 真空注型方法を用いて、前記間隔層内の充填オの燃焼に
よって前記金属酸化物粒体内に形成され）　　　　　　
　　　　た空洞は重合するプラスチックが十分に充填さ
れ、その際焼結された層の相互接着がそれぞれの間隔層
をブｉして適、変に得られ、 前記積層体または渦巻体はそれらの積み重ねに直交する
切断面により一定の間隔をもって変換器素子配列体に分
割され、 この変換器素子配列体に圧電セラミック変換器装置とし
て電極が設けられる、 ことを特徴とする。

本発明は、この種のアレイの良好な裏作方法のために、
セラごツクの製作とアレイに相当する形状付与とは既存
の技術を用いて行うことができるという考えに基づいて
いる。本発明においては、アレイの形状に関する原形は
焼結工程の実施前、に既に付与されており、それゆえ焼
結後には僅かな労力で済む加工を必要とするだけである
。とりわけ本発明においては焼結後には、たとえば従来
技術に比較して、多量の不良品を生じ得るような加工は
不要である。従来技術においては高不良品率はたとえば
薄摸プレートの切断により個々の変換器素子を製作する
際に発生する。

本発明の′ＩＡ作方法に対しては、セラミック多層コン
デ／すの製作の際に使用される措置を間際に講すること
ができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明に基づいて製作されたアンテナの第１の
実施例の概略図である。この第１図には本発明て基づい
て製作された変換器素子２を備えた直線形プレイアンテ
ナが示されている。第１図から明らかなように１これら
の変換器素子２は圧電セラミックから成る長く延びた直
方体状細片によって形成されている。これらの変換器素
子は、隣接する変換器素子２間の間隔ａがたとえば０．
０７噛となりかつ同一方向に向けられているこれらの変
換器素子の寓ｄがたとえばα１５簡となるように配列さ
れている。鑓々の変換器素子の長さは１０〜５０鵡であ
り、その厚さはたとえば幅寸法の２倍〜５倍の大きさで
ある。

本発明によれば、変換器素子配列体４または変換器素子
２群の製作は次のようにして行われる。

この゛ために第２図（はまだ焼結されていない粗セラミ
ックもしくはグリーンセラミックから成る重ね合せ配置
された７−）２１によって構成されている積層体２０が
示されている。シート２１間の間隔２２は、間、４ａを
保持する粒体がたとえば混入されている充填材から成る
層によってそれぞれ形成されている。充填材は焼、拮工
程において燃焼してしまう材料たとえばグラファイトで
ある。間隔粒体としてはたとえば酸化ジルコン粉末、酸
化マグネシウム粉末および（または）酸化アルミニウム
粉末が使用される。しかもこれらの粉末は粒■大きさが
揃っているものが使用される。それぞれの間隔層を構成
する粒体含有充填材はたとえばスクリーン印刷プロセス
に基づいて完成前の粗セラミックシート２１上に印刷さ
れる。シート２１はその後積層体２０として重ね合わせ
られる。グラファイトの代わりに、ポリビニルアルコー
ルも適する。

、′Ｘ２図に示された粗セラミック／−トは上述のよう
にして積層体に構成された後に焼結される。

その焼結工程に用いられた高温度のだめに間隔層２２の
充填材は燃焼し、それにより粒体間には空洞が形成され
る。但し、その空洞内にはまだ耐温度性を有する酸化ジ
ルコン粒体もしくは酸化アルミニウム粒体が存在してい
る。残留している粒体は今や焼結されている／−ト２１
の機械的結合を瓦いに生ぜしめている。

充填材の燃焼によって形成された空洞には今度は真空注
型方法を用いて、重合する特て膨張するプラスチック材
料が充填される。注型用の既に重合しているプラスチッ
ク材料が濃厚液状になると、注型後に初めて重合が行わ
れる。場合によっては予定された膨張は注型後に行わ九
る。重合した注型材料は本来のシートの機械的結合を形
成する。

、１　　　　　　　　　　膨ｆｉによって、隙間２２に
プラスチック材料および既に存在している粒体が充填さ
れている焼結化セラミック体内では、最初にはまだ形成
されていたｉ械的接触（この機械的接触は、焼結化セラ
ミック体内に存在して本来の粗セラミック／−ト２１に
相当する区域の間に、粒体によって形成されている）を
除去したりまたは緩和したりすることができる。プラス
チックの接着特性はさらに確実な結訃を保証する。有効
なプラスチック材料はポリウレタン、ポリスチレン、ポ
リメタクリレート。

ポリメタクリル酸メチルなどである。有効な膨張材料は
ベンゼンスルホン酸、ヒドラジンおよびフルオルクロー
ルメタン誘導体などである。

残存するプラスチックは破壊を防ぐ。一点鎖１線で示さ
れているように、切断面２７にて第２図つ焼結化積層体
は平板に切１析される。その平板から、第１図に示され
ている変換器素子配列体４が得られる。残存するプラス
チックは破壊を防ぐ働きをする。

第６図は実質的に環状の変換器素子を備えたアレイアン
テナを製作するための本発明の第２の実施例、より正確
には螺旋形アレイアンテナの概略図である。、３１は第
３図の紙面に垂直な方向に厚みを有する粗セラミックン
ートである。従って、第３図てはこのような粗セラミッ
クから成る渦巻体の側面が示されている。なお、その渦
巻体は個々の席旋の間には間隔粒体を含む充填材３２を
有している。この充填材および粒体については第２図で
説明したことと同じである。第３図に示された如き多く
の螺旋から成るこのような渦巻体？′ｉ焼結され、それ
ゆえその原形状が保持される。充填材５２が燃焼するこ
とによって渦巻体の閏々の螺旋の間には、第２図に示さ
れた配置における隙間２２を有するような上述した空洞
が形成される。

第３図の紙面に対して平行に切断することにより、それ
ぞれ送信および（または）受言アンテナとして使用きれ
る個々の尊影変換器・晃旋体′５０が第３図の渦巻体か
ら分離される。

本発明てよる製作方法においても切断は必要であるが、
しかしながら変換器素子間Ｏ非常に僅少な間７４　ａ　
（０００５〜０．０２　ｗｎ　）を形成しなけｎばなら
ないような精密な切断は必要ではない。本発明において
必要な切断は、厚さ寸法が少なくともたとえばα３■特
に０．５〜ｉ＋ｏ＋であるので、問題がない。

本発明において使用される粗セラミックシートは公知の
シート引抜加工方法もしくは／−ト注型方法によって製
作され、その場合にそのシートの厚さを第１図で述べた
変換器素子２の幅と同じように形成する。

上述したように、第２図のセラミックシートまたは第６
図の渦巻体の焼結によって、つまり充填材の燃焼および
分解によって、シート間には空洞が形成される。特に切
断を行う前に、この空洞には特に膨張材を有するプラス
チック材料が充填される。膨張材としては、明らかにプ
ラスチックの重合温度以上である際かしながら、充分に
プラスチックの分解温度以下であるような温度にて分解
する材料が良い。膨張材の添加の代わりに、自発分解に
より膨張作用目体が発生しかつ接着特性が著しく失われ
ることがないようなプラスチックを空洞に充填するよう
にしてもよい。

さらに切断のほか（′ｃ１研削ｔＶ処理として行っても
よい。

８１図で既に述べた電極コーティング７はスパッタリン
グによって設けることができる。変換器素子２群もしく
は変換器素子配列体４の分極および箒３図り渦巻体によ
って製作された螺旋形アンテナ３０の分甑は公知の方法
、たとえば扁電圧の印加状態のもとに保護ガス（六フッ
化硫黄）内で分極される方法に基づいて行われる。

上述したように、焼結後に形成される空洞にはプラスチ
ックが充填される。このような措蓋を施すことによりさ
らに°別の利点、すなわち、変換器素子配列体４におい
て変換器素子２の互バに向き合っている表面が電極材料
のスパッタリングもし号 、ｌ　　　　　　　　　くは蒸着の際にこの電極材料に
よって共に覆われてしまうのが阻止されるという利点を
有する。続いて行われるプラスチックの、＠出によりこ
の隙間ｉま再び空になり、その場合てこのプラスチック
の表面に設けられていた電極材料は共に除去される。

そのときには第１図のアレイに関して述べた電極コーテ
ィング７だけかまだ残される。

第１図において５は電極素子であり、この電極素子６は
変換器素子２のそれぞれ一方ｖ端部上に電極７と電気的
接触するように設けられている。

この電極素子６によって第１図の例では変換器素子配列
体４のそれぞれ４個の隣接する変庚器素子２が電気的に
相互接続される。８は電極素子３の各接続導線である。

個々の擬続導、線８には予め設定されたパターンに基づ
いて、アレイアンテナに供給される全電気信号の予定さ
れた成分が印加される。このことはアンテナを受信器と
して使用する使い方にもあてはまる。

積層体２０に備えられた多数の層すなわち／−ト２１は
、切断によって得られた一つの平板が一つの変換器素子
配列体４を形成するような個数に選定することもできる
。しかしながら同様に、切１所によって得られた多数の
部品てよりかかる一つの変換器素子配列体４を構成する
ようにしてもよい。その場合に、積層体２０は所望の変
換器素子配列体４の認数の整数倍であるような多数の層
またはンート２１によって農作される。

〔発明り効果〕

以上に説明したように、本発明知よれば交互にセラミッ
ク層および間隔層が連続的に置かれた積層体（または渦
巻体〕が製作され、その積層体（または渦巻体）がその
後焼結され、その際に充填オが間；４層から消失させら
れ、このよりにして間隔層に形成された空洞ＶＣはプラ
スチックが注入され、そして積層体（または渦巻体ンが
漬み重ね方向に切断されるＣとによって、変換器素子配
列体が製作されるようにしだので、従来技術の如くプレ
ートに細長いスリットを設けることにより個々の変換器
素子を切１ｆｆｒ覗炸する製作方法に比べて、ＭＨｚ　
　範囲に適するアレイアンテナの製作方法が著しく簡単
化される。

【図面の簡単な説明】

、＠１図は本発明に基づいて製作されたアンテナの第１
の実施例の概略図、第２図はその実施例のアンテナの製
作方法について説明するための概略図、第３図は本発明
に基づいて製作されたアンテナの第２の実施例の概略図
である。 ２・・・変換器素子、３・・・電極素子、４・・・変換
器素子配列体、２０・・・積層体、２４．３１・・・粗
セラミック／−ト、２２．５２・・・間隔層、２７・・
・切断面、３０・・・渦巻体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）並列配列された変換器素子を有する変換器装置を備
   え、その変換器素子の材料が圧電セラミックであるアレ
   イ超音波アンテナの製作方法において、 ＭＨｚ範囲の超音波用のアンテナのために、まず、交互
   に連続して置かれたセラミック 層（２１、３１）および間隔層（２２、３２）から成る
   積層体（２０）または渦巻体（３０）が製作され、その
   際前記セラミック層（２１、３１）はまだ焼結されてい
   ないセラミック材料から成り、前記間隔層は焼結工程で
   燃焼する充填材およびこの充填材内に分散させられた金
   属酸化物粒体から成る材料であり、前記粒体の等級は前
   記間隔層（２２）の予め設定された厚さに応じて定めら
   れ、 このようにして製作された積層体（２０） または渦巻体（３０）は焼結され、 真空注型方法を用いて、前記間隔層（２２、３２）内の
   充填材の燃焼によつて金属酸化物粒体間に形成された空
   洞は重合するプラスチックが十分に充填され、その場合
   に焼結された層（２１、３１）の相互接着がそれぞれの
   間隔層（２２、３２）を介して適度に得られ、前記積層
   体（２０）または渦巻体（３０） はそれらの積み重ねに直交する切断面（２７）によりー
   定の間隔をおいて変換器素子配列体（４）に分割され、 この変換器素子配列体に圧電セラミック変 換器装置として電極が設けられる、 ことを特徴とするアレイ超音波アンテナの製作方法。 ２）セラミック層（２１）の材料は粗セラミックシート
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ３）積層体（２０）のために、粗セラミックシートから
   打抜きされて積層体の底面の大きさに一致する大きさを
   有するセラミックシート細片が使用されることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４）渦巻体（３０）は粗セラミックシートから製作され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方法。 ５）積層体もしくは渦巻体の形成に先だつて、各セラミ
   ックシート（２１、３１）は前記間隔層（２２、３２）
   の材料に押付けられることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項または第４項記載の方法。 ６）酸化ジルコン、酸化アルミニウムおよび（または）
   酸化マグネシウムから成る粒体が使用されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１
   項に記載の製作方法。 ７）注型のために膨張可能なプラスチック混合体が使用
   され、その際膨張温度が明らかにプラスチックの重合温
   度以上であるがプラスチックの分解温度以下であるよう
   な膨張材が選択されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第６項のいずれか１項に記載の方法。 ８）切断された平板が音響学上の目的に合う整合体（５
   ）上に前記変換器素子配列体（４）として設けられるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のい
   ずれか１項に記載の方法。 ９）変換器素子（２）の間に存在するプラスチックは特
   に電極（７）の設置後再び溶出されることを特徴とする
   特許請求の範囲第８項記載の方法。