圧電セラミック変換器およびその製造方法
【課題】圧電セラミック変換器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＰＺＴ変換器１には、圧電セラミック基板１１および電極ユニット１２が含まれる。圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極を１２２有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、第１の直径を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２である。ＰＺＴ変換器１は、大きな霧量および長い耐用年数を有する。
【解決手段】ＰＺＴ変換器１には、圧電セラミック基板１１および電極ユニット１２が含まれる。圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極を１２２有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、第１の直径を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２である。ＰＺＴ変換器１は、大きな霧量および長い耐用年数を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック装置およびその製造方法に関し、特に、圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、ＰＺＴ変換器は、噴霧式加湿器に適用可能であり、かつ水柱を上昇させるために水中で超音波を発生することができ、その結果、表面弾性波のレイリー波液滴が、水柱および空気の界面で噴霧され、ファンによって空気中へ吹き飛ばされ、それによって、霧状液滴を周囲の環境へ運び、環境の湿度を増加させる目的を達成する。液滴のサイズは、超音波周波数に依存する。周波数が高ければ高いほど、それだけ液滴は小さく、液滴搬送装置における霧量は、それだけ少なくなる。
【０００３】
従来のいくつかの噴霧式加湿器は、（喘息などの）疾病を治療するために、鼻を通して肺に吸入される薬の小さな液滴を超音波で噴霧する。従来のいくつかの噴霧式加湿器は、洗剤の液滴を超音波で噴霧し、これらの液滴が、皿の上に広がり、かつ分散されて、小量の水で油脂を除去するようにし、それによって、皿洗い機の節水機能を達成する。水滴の生成に加えて、従来のいくつかの噴霧式加湿器は、高電圧先端放電を介してオゾンを発生する。オゾンは、水滴と共に空気を浮遊し、次に、人体によって吸入され、抗酸化の健康増進効果を達成する。
【０００４】
噴霧式加湿器の先行技術設計は、低い電気エネルギ入力で多量の水滴（霧量と呼ばれる）を発生する方法に焦点を当て、設計の重点は、液滴搬送装置、電源および振動回路に置かれる。噴霧水容器における水量が徐々に減少しても、変換器は、やはり、超音波振動を実行する。水なしでは超音波エネルギを伝達することができないので、変換器は、エネルギ蓄積ゆえに過度に熱くなり、温度がキュリー温度を超過すると、動作不良を起こす。かかる状況を防ぐために、設計は、変換器の振動面と液面との間に、ある一定の距離を維持すること、液面に対して変換器の傾斜角を制御すること、または大きな液滴を除去するためにダクトを加えることによって、貯水レベルを検出し、かつ大きな水容器から噴霧水容器への水投入量を自動制御して、多量のまたは安定した噴霧量を得ることに焦点を当てる。
【０００５】
近年、軽くて薄く、小さくて携帯型の噴霧式加湿器の需要が増加し、低電力の噴霧装置が、次第にトレンドになった。設計では、圧電セラミック板を用いて振動を発生させ、液体を押し出して、小さな穴を備えた金属シートを通過させ、霧滴を発生する。噴霧式加湿器構成の設計は、ほとんどの場合に受け入れられるが、しかし大きな噴霧量および長い耐用年数を有するＰＺＴ変換器を製造する方法に関する議論は、文献にも特許にもほとんど存在しない。
【０００６】
噴霧式加湿器変換器に関するいくつかの先行技術文献を以下に列挙し、簡潔に説明する。
【０００７】
先行技術文献１："Ultrasonic Transducer" by Takahashi Minoru; "Application of Piezoceramics" edited by Okazaki Kiyoi, Ichinose Noboru, Igarashi Syuji, Ono Ryuji, and Yamamoto Hirotaka, and published by Gakkensya, pp.184-191(1988).
【０００８】
噴霧式加湿器変換器製造のいくつかの質的および理論的な説明が述べられているが、しかし霧量に関して、変換器の電極設計および接着プロセスの影響が開示されていない。
【０００９】
先行技術文献２：米国特許第４２５７９８９Ａ号（ＴＤＫ噴霧式加湿器）
【００１０】
噴霧式加湿器の構造的組み合わせ、および変換器の電極配置が開示されているが、しかし変換器の関連製造方法および性能は開示されていない。
【００１１】
先行技術文献３：米国特許第５０２１７０１Ａ号（ＴＤＫ変換器を組み立てる変換器）
【００１２】
変換器の電極配置は開示されているが、しかし変換器の関連製造方法および性能は示されていない。
【００１３】
先行技術文献４：米国特許第４９７６２５９号（医療用超音波噴霧器）
【００１４】
同じ電極配置を備えた変換器を用いる噴霧器が開示されているが、しかし大きな霧量を得る方法は示されていない。
【００１５】
先行技術文献５：米国特許第５７５７１０４号（変換器および回路の最適マッチング法）
【００１６】
変換器および回路の最適マッチング法が、開示され、この場合に、同じ電極配置または異なる電極配置を備えた変換器は、最大振動を得るために光振動回路をマッチングさせることができるが、しかしセラミックス板の直径に対する変換器の電極直径の比率を介して最大振動（霧量）を得る方法は、示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、革新的で発明的なＰＺＴ変換器およびその製造方法を提供することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ＰＺＴ変換器を提供するが、このＰＺＴ変換器には、圧電セラミック基板および電極ユニットが含まれる。圧電セラミック基板は、第１の表面、および第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。電極ユニットは、第１の電極および第２の電極を有する。第１の電極は、第１の表面上に配置され、第１の直径を有する。第２の電極は、第２の表面を被覆し、かつ第１の表面の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面を被覆する第２の電極の部分は、第２の直径を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２である。
【００１９】
本発明はまた、ＰＺＴ変換器の製造方法を提供するが、この方法には、（ａ）圧電セラミック基板を用意するステップであって、圧電セラミック基板が、第１の表面、および第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有するステップと、（ｂ）圧電セラミック基板上に電極ユニットを形成するステップであって、電極ユニットが、第１の電極および第２の電極を有し、第１の電極が、第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、第２の電極が、第２の表面を被覆し、かつ第１の表面の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面を被覆する第２の電極の部分が、第２の直径を有し、第２の直径に対する第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２であるステップと、が含まれる。
【００２０】
高い機械的品質係数Ｑｍ（Ｑｍ＞１４００）を有する圧電セラミック材料が選択されるので、圧電セラミック材料の２つの反対側において第２の電極の直径に対する第１の電極の直径の比率は、適切な範囲に設定され、箔を配置するための接合材料の厚さは、適切な範囲に制御されて、大きな霧量および長い耐用年数を有するＰＺＴ変換器を製造するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるＰＺＴ変換器の断面図である。
【図２】本発明によるＰＺＴ変換器の上面図である。
【図３】本発明に従ってＰＺＴ変換器を製造するための方法の流れ図である。
【図４】２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器によって発生される霧量と直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）との間の対応関係を示す。
【図５】本発明によるＰＺＴ変換器の霧量と接着剤厚さとの間の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明によるＰＺＴ変換器の断面図であり、図２は、本発明によるＰＺＴ変換器の上面図である。図１および２に示すように、この実施形態において、ＰＺＴ変換器は、限定するわけではないが、噴霧式加湿器において用いられるＰＺＴ変換器である。ＰＺＴ変換器１には、圧電セラミック基板１１、電極ユニット１２、箔１３および接合材料１４が含まれる。圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表面１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。
【００２３】
電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極１２２を有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、かつ第１の直径ＯＤ１を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径ＯＤ２を有する。この実施形態において、第１の電極１２１および第２の電極１２２は、銀電極である。第２の直径ＯＤ２に対する第１の直径ＯＤ１の比率は、０．４９８〜０．５０２である。
【００２４】
箔１３は、圧電セラミック基板１１の片側に、第２の表面１１２に対向して配置される。この実施形態において、箔１３は、金属材料である。好ましくは、箔１３は、ステンレス鋼（例えば、３０４または３１６ステンレス鋼）箔またはチタン箔であり、箔１３の厚さは、好ましくは２０マイクロメートル（μｍ）〜３０μｍである。この実施形態において、接合材料１４は、エポキシ樹脂であり、第２の電極１２２と箔１３との間に配置される。接合材料１４の厚さは、１２μｍより薄いのが好ましい。
【００２５】
本発明によるＰＺＴ変換器が、箔および接合材料を有していなくてもよく、それでも動作して振動効果を生成し得ることが理解できる。
【００２６】
図３は、本発明によるＰＺＴ変換器を製造する方法の流れ図である。図１〜３に示すように、第１に、ステップＳ３１において、圧電セラミック基板１１が用意されるが、圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表面１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。
【００２７】
この実施形態において、ステップＳ３１には、以下のステップが含まれる。ステップＳ３１１において、圧電セラミック材料調合粉末が焼成され、微細に粉砕され、スラリーにされ、次にスラリーが、噴霧および粒状化されて、圧電セラミック材料細粒を形成する。ステップＳ３１２において、圧電セラミック材料細粒は、圧縮圧電セラミック材料を成形するために圧縮される。ステップＳ３１３において、圧縮圧電セラミック材料は、焼結される。ステップＳ３１４において、焼結された圧電セラミック材料は、平行にラップされ、圧電セラミック基板１１を形成する。
【００２８】
ステップＳ３２において、電極ユニット１２が、圧電セラミック基板１１上に形成される。この実施形態において、ステップＳ３２では、電極基板が、圧電セラミック基板１１の表面上にコーティングされるが、電極基板は、第１の表面１１１上に配置され、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するように延びる。電極基板は、焼成されて電極ユニット１２を形成する。コーティングされた電極基板の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．００２ｍｍであるのが好ましい。電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極１２２を有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、第１の直径ＯＤ１を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径ＯＤ１を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２であるのが好ましい。
【００２９】
この実施形態において、電極ユニット１２が形成された後で、方法には、さらに、圧電セラミック基板１１を分極するステップＳ３３が含まれる。この実施形態において、圧電セラミック基板１１は、高電圧で分極される。さらに、圧電セラミック基板１１が分極された後で、方法には、さらに、圧電セラミック基板を洗浄するステップＳ３４が含まれる。
【００３０】
ステップＳ３５において、箔１３が、圧電セラミック基板１１の片側に、第２の表面１１２に対向して配置される。この実施形態において、箔１３は金属材料（金属箔）であり、接合材料１４が、第２の電極１２２と箔１３との間に配置される。
【００３１】
超音波噴霧式加湿器の適用において、本発明によるＰＺＴ変換器１は、導電性リングでワイヤまたはコンタクトと溶接され、次に、防水ゴムスリーブまたは特に設計されたプラスチックシートシェルに配置される。最後に、ＰＺＴ変換器１の霧量は、固定振動回路および入力電力を用いて評価してもよい。
【００３２】
ＰＺＴ変換器の材料の選択
ＰＺＴ変換器１は、厚さ方向における振動を介して超音波を発生する。例えば、市販されている噴霧式加湿器に用いられているＰＺＴ変換器１は、約１〜３ＭＨｚの周波数ｆｒを有するが、そこで振動周波数は、圧電セラミック基板１１の厚さを変更することによって変更することが可能である。一般に用いられる周波数には、１．６５ＭＨｚ、２．４ＭＨｚおよび２．８ＭＨｚが含まれ、圧電セラミック基板１１の対応する厚さは、徐々に減少させる必要がある。噴霧式加湿器におけるＰＺＴ変換器１は、水の底に配置され、振動振幅ξは、印加電圧Ｅ、圧電歪み定数ｄ３３、および水中における機械的品質係数ＱＬに関係し、かつ以下の式によって表現される。
ξ＝ｄ３３・Ｅ・ＱＬ （１）
【００３３】
水中における機械的品質係数ＱＬは、ＰＺＴ変換器１が振動するときに、圧電セラミック基板１１によって熱エネルギの形態で消費される運動エネルギを表し、圧電セラミック基板１１の材料の機械的品質係数Ｑｍに関連する。圧電セラミック基板１１の機械的品質係数Ｑｍが大きければ大きいほど、消費される熱エネルギは、それだけ少ない。同様に、ＱＬが大きければ大きいほど、熱エネルギの形態で消費される入力電力エネルギはそれだけ少なく、振動振幅は、それだけ大きい。さらに、一般的に言えば、材料の圧電歪み定数ｄ３３が大きければ大きいほど、機械的品質係数Ｑｍは、それだけ小さい。低ｄ３３および高Ｑｍを備えた圧電セラミック材料などの新しい圧電セラミック材料の開発と共に、この圧電セラミック材料が噴霧式加湿器に適用された場合に、大きな霧量を発生することができるかどうかは未知である。
【００３４】
表１は、３つのＰＺＴ変換器（これらの中で、ＰＺＴ−３が、本発明の発明例である）の圧電特性の比較結果、および２４Ｗおよび２８Ｗの電気エネルギを入力することによって駆動されたときの１．６５ＭＨｚ超音波変換器の霧量の比較結果を示す。これらの結果は、高Ｑｍ値を備えたＰＺＴ変換器（１４００を超えるＱｍを備えた発明例ＰＺＴ−３）が、明らかに大きな霧量を有し、一方で高ｄ３３を備えたＰＺＴ変換器（比較例ＰＺＴ−１およびＰＺＴ−２）が、小さな霧量を有することを示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示すように、ＰＺＴ−１の圧電特性は、ｄ３３−４５０およびＱｍ−５００を含み、かつＱｍ値が１４００を超える場合には、１．６５ＭＨｚのＰＺＴ変換器は、２８Ｗの電気エネルギを入力することによって駆動されたときに約３５０ｃ．ｃ．／ｈの霧量を有することができるが、これは、市販されている高い霧量用の最低必要条件を満たす。Ｑｍ＞２０００を備えた圧電セラミック板で作製されたＰＺＴ変換器を備えた噴霧式加湿器の霧量は、（TDKまたはFukokuによって製造された超音波変換器などの）市販されている他の噴霧式加湿器の霧量より優れていることが力説される。高Ｑｍを備えたＰＺＴ変換器が水中に配置された場合には、後で水によって熱が取り去られるが、ＰＺＴ変換器の品質係数ＱＬは、やはり材料の本質的特性Ｑｍを完全に反映し、それによって、ＰＺＴ変換器の振動振幅に対して決定的な影響を有する。
【００３７】
ＰＺＴ変換器の電極設計
本発明において、噴霧式加湿器に適用されるＰＺＴ変換器１の電極ユニット１２は、圧電セラミック基板１１の第１の表面１１１上に、ＯＤ１の直径を有する中央円形銀電極（第１の電極１２１）をコーティングすること、ならびに圧電セラミック基板１１の第２の表面１１２の表面全体、圧電セラミック基板１１の側面、および第１の表面１１１の周辺における表面の一部に、背面銀電極（第２の電極１２２）をコーティングすることによって配置され、第２の表面１１２を被覆する銀電極の部分は、第２の直径ＯＤ２を有する。
【００３８】
例えば、直径が２０ｍｍの圧電セラミック基板１１において、第１の表面１１１の中央円形銀電極は、約１０ｍｍの直径ＯＤ１を有し、第２の表面１１２から第１の表面１１１へ延びる電極の部分は、導電性リング用に入力電気エネルギを供給する。噴霧式加湿器に適用可能なＰＺＴ変換器１は、厚さ方向に振動し、厚み振動は、中央円形銀電極の下に制限される。（第２の表面１１２の側に位置する）ＰＺＴ変換器１の背面は、水と接触し、超音波を出力するための端面である。しかしながら、中央円形銀電極のエリア（すなわち、外部高電圧分極化を介してきちんと配置された、圧電セラミック基板１１における電気双極子の領域）が、超音波を出力できる範囲であり、したがって、単位面積当たりの超音波の出力エネルギおよび出力強度は、中央円形銀電極のエリアと関連していることが注目される。
【００３９】
ＰＺＴ変換器１は、厚み振動において超音波を出力するが、平面振動もまた存在する。ＰＺＴ変換器１における背面銀電極のエリアと中央円形銀電極のエリアとの間の差ゆえに、平面振動の振動境界条件が変更され、同時にＰＺＴ変換器１の電気機械結合係数を変更し、その結果、機械エネルギに変換される電気エネルギの割合が変更される。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表２は、２つの振動周波数（１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚ）の下で霧量に関して、表１におけるＰＺＴ−３ ＰＺＴ変換器の背面銀電極の直径ＯＤ２に対する中央円形銀電極の直径ＯＤ１の比率の影響を示す。１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器は、２４Ｗおよび１２Ｗの電気エネルギを入力することによってそれぞれ駆動される。
【００４２】
表１および２から分かるように、２０ｍｍの直径ＯＤ２を有する背面銀電極を備えた、かつ１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚの周波数をそれぞれ有するＰＺＴ変換器は、ＰＺＴ−３圧電セラミック基板で製造されるが、この圧電セラミック基板において、厚さｔは、それぞれ１．２３〜１．２５ｍｍおよび０．８４〜０．８６ｍｍであり、中央円形銀電極の直径ＯＤ１は、それぞれ１２．９〜１３．３ｍｍおよび１０．９３〜１１．０５ｍｍまで変更され、２４Ｗおよび１２Ｗの電気エネルギが、それぞれ入力されて、霧量の差を比較および評価する。
【００４３】
表２は、１．６５ＭＨｚおよび２４ＭＨｚのＰＺＴ変換器にとって、最大の霧量を得るために、背面銀電極の直径ＯＤ２に対する中央円形銀電極の直径ＯＤ１の比率（ＯＤ１／ＯＤ２）が、最適な比率値であることが必要であることを示す。直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）値が変化すると、霧量は、急激に変化する。したがって、噴霧式加湿器が最大の霧量を得たい場合には、直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）は、厳格に制御する必要がある。
【００４４】
図４は、２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器によって発生される霧量と、直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）との間の対応関係を示す。１２Ｗの電気エネルギを入力した場合に２．５ｃ．ｃ．／分より大きな霧量を得るために、比率（ＯＤ１／ＯＤ２）は、０．４９８〜０．５０２の範囲であることが好ましい。
【００４５】
金属箔をＰＺＴ変換器に接着するための接着剤厚さの最適化
ＰＺＴ変換器１が噴霧式加湿器に適用される場合には、ＰＺＴ変換器１の背面は、水または洗剤液と直接接触する。背面銀電極が、液体と直接接触する場合には、腐食が容易に生じ、これが、ＰＺＴ変換器１の耐用年数を短縮するので、したがって、好ましい耐食性能を備えた金属箔（箔１３）をＰＺＴ変換器１に接着するのが好ましい。金属箔は、３０４または３１６ステンレス鋼箔およびチタン箔を含み、約２０〜３０μｍの厚さを有する。金属箔は、液体に直接面して耐食性能を向上させ、ＰＺＴ変換器１の耐用年数を延長する。
【００４６】
接着剤（接合材料１４）が、金属箔を背面銀電極に接着するために用いられることが注目される。好ましい接着性能を備えたエポキシ樹脂接着剤が用いられるが、エポキシ樹脂接着剤は、水素結合を介して２つの金属表面（背面銀電極および金属箔）を接合する。しかしながら、接着剤の厚さは、適切に制御する必要がある。なぜなら、過度に厚い接着剤は、振動エネルギを吸収し、かつ超音波の強度に影響を及ぼすからである。しかしながら、接着剤が薄すぎる場合には、接着強度が弱すぎて、金属箔の容易な剥離に帰着し、したがって、ＰＺＴ変換器の耐用年数を短縮する可能性がある。
【００４７】
表３において、表１のＰＺＴ−３ ＰＺＴ変換器は、Ｍ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０の３つのメッシュを介してエポキシ樹脂接着剤でスクリーン印刷され、３０μｍの厚さを備えた金属箔が、適温で１００Ｋｇおよび２００Ｋｇの力を加えることによって接着される。エポキシ樹脂接着剤は、温度および圧力が制御された後で硬化され、次に、接着剤厚さが、観察および解析され、霧量が評価される。
【００４８】
【表３】
【００４９】
接着剤は、メッシュ開口部が次第に小さくなっていくＭ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０のメッシュを介してスクリーン印刷される。それに応じてコーティングされる接着剤の量が低減され、接着用に用いられる力は、接着剤厚さを操作するように制御される。ＰＺＴ変換器は、１００Ｋｇおよび２００Ｋｇの力をそれぞれ加えることによって、Ｍ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０のメッシュを介して接着剤で印刷され、次に、接着剤は、接着剤厚さを１０〜１５μｍの範囲で制御するように、同じ条件下で硬化される。メッシュＭ４２０が用いられる場合には、接着剤のコーティング量はより少なく、金属箔と背面銀電極との間の接着剤厚さは、より薄い。異なる接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器の霧量の評価結果が、表３に示されている。
【００５０】
図５は、ＰＺＴ変換器の霧量と接着剤（接合材料）厚さとの間の関係を示す。図５に示すように、接着剤厚さが小さければ小さいほど、霧量はそれだけ多く、１２μｍ未満の接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器の霧量は、２５ｃ．ｃ．／分より大きくなり得る。約１０μｍの接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器は、３ｋｇを超える接合強度を有し、長期（１０００ｈを超える）の連続的な噴霧寿命試験に合格する。
【００５１】
上記を考慮して、高い機械的品質係数Ｑｍ（Ｑｍ＞１４００）を備えた圧電セラミック材料１１を選択すること、圧電セラミック材料１１の２つの反対側において第２の電極１２２の直径に対する第１の電極１２１の直径の比率（ＯＤ１／ＯＤ２）を適切な範囲（ＯＤ１／ＯＤ２＝０．４９８〜０．５０２）に設定すること、および箔１３を接着するための接合材料１４の厚さを適切な範囲（＜１２μｍ）に設定することによって、大きな霧量および長い耐用年数を備えたＰＺＴ変換器１を製造することができる。
【００５２】
本発明の実施形態を図示し説明したが、様々な修正および改善を、当業者は行うことができる。したがって、本発明の実施形態は、限定的な意味ではなく、実例的な意味で説明されている。本発明が、図示の特定の形態に限定されないこと、および本発明の趣旨および範囲を保持する全ての修正が、添付の特許請求の範囲に定義される範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００５３】
１ ＰＺＴ変換器
１１ 圧電セラミック基板
１２ 電極ユニット
１３ 箔
１４ 接合材料
１１１ 第１の表面
１１２ 第２の表面
１２１ 第１の電極
１２２ 第２の電極
ＯＤ１ 第１の直径
ＯＤ２ 第２の直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック装置およびその製造方法に関し、特に、圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、ＰＺＴ変換器は、噴霧式加湿器に適用可能であり、かつ水柱を上昇させるために水中で超音波を発生することができ、その結果、表面弾性波のレイリー波液滴が、水柱および空気の界面で噴霧され、ファンによって空気中へ吹き飛ばされ、それによって、霧状液滴を周囲の環境へ運び、環境の湿度を増加させる目的を達成する。液滴のサイズは、超音波周波数に依存する。周波数が高ければ高いほど、それだけ液滴は小さく、液滴搬送装置における霧量は、それだけ少なくなる。
【０００３】
従来のいくつかの噴霧式加湿器は、（喘息などの）疾病を治療するために、鼻を通して肺に吸入される薬の小さな液滴を超音波で噴霧する。従来のいくつかの噴霧式加湿器は、洗剤の液滴を超音波で噴霧し、これらの液滴が、皿の上に広がり、かつ分散されて、小量の水で油脂を除去するようにし、それによって、皿洗い機の節水機能を達成する。水滴の生成に加えて、従来のいくつかの噴霧式加湿器は、高電圧先端放電を介してオゾンを発生する。オゾンは、水滴と共に空気を浮遊し、次に、人体によって吸入され、抗酸化の健康増進効果を達成する。
【０００４】
噴霧式加湿器の先行技術設計は、低い電気エネルギ入力で多量の水滴（霧量と呼ばれる）を発生する方法に焦点を当て、設計の重点は、液滴搬送装置、電源および振動回路に置かれる。噴霧水容器における水量が徐々に減少しても、変換器は、やはり、超音波振動を実行する。水なしでは超音波エネルギを伝達することができないので、変換器は、エネルギ蓄積ゆえに過度に熱くなり、温度がキュリー温度を超過すると、動作不良を起こす。かかる状況を防ぐために、設計は、変換器の振動面と液面との間に、ある一定の距離を維持すること、液面に対して変換器の傾斜角を制御すること、または大きな液滴を除去するためにダクトを加えることによって、貯水レベルを検出し、かつ大きな水容器から噴霧水容器への水投入量を自動制御して、多量のまたは安定した噴霧量を得ることに焦点を当てる。
【０００５】
近年、軽くて薄く、小さくて携帯型の噴霧式加湿器の需要が増加し、低電力の噴霧装置が、次第にトレンドになった。設計では、圧電セラミック板を用いて振動を発生させ、液体を押し出して、小さな穴を備えた金属シートを通過させ、霧滴を発生する。噴霧式加湿器構成の設計は、ほとんどの場合に受け入れられるが、しかし大きな噴霧量および長い耐用年数を有するＰＺＴ変換器を製造する方法に関する議論は、文献にも特許にもほとんど存在しない。
【０００６】
噴霧式加湿器変換器に関するいくつかの先行技術文献を以下に列挙し、簡潔に説明する。
【０００７】
先行技術文献１："Ultrasonic Transducer" by Takahashi Minoru; "Application of Piezoceramics" edited by Okazaki Kiyoi, Ichinose Noboru, Igarashi Syuji, Ono Ryuji, and Yamamoto Hirotaka, and published by Gakkensya, pp.184-191(1988).
【０００８】
噴霧式加湿器変換器製造のいくつかの質的および理論的な説明が述べられているが、しかし霧量に関して、変換器の電極設計および接着プロセスの影響が開示されていない。
【０００９】
先行技術文献２：米国特許第４２５７９８９Ａ号（ＴＤＫ噴霧式加湿器）
【００１０】
噴霧式加湿器の構造的組み合わせ、および変換器の電極配置が開示されているが、しかし変換器の関連製造方法および性能は開示されていない。
【００１１】
先行技術文献３：米国特許第５０２１７０１Ａ号（ＴＤＫ変換器を組み立てる変換器）
【００１２】
変換器の電極配置は開示されているが、しかし変換器の関連製造方法および性能は示されていない。
【００１３】
先行技術文献４：米国特許第４９７６２５９号（医療用超音波噴霧器）
【００１４】
同じ電極配置を備えた変換器を用いる噴霧器が開示されているが、しかし大きな霧量を得る方法は示されていない。
【００１５】
先行技術文献５：米国特許第５７５７１０４号（変換器および回路の最適マッチング法）
【００１６】
変換器および回路の最適マッチング法が、開示され、この場合に、同じ電極配置または異なる電極配置を備えた変換器は、最大振動を得るために光振動回路をマッチングさせることができるが、しかしセラミックス板の直径に対する変換器の電極直径の比率を介して最大振動（霧量）を得る方法は、示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、革新的で発明的なＰＺＴ変換器およびその製造方法を提供することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ＰＺＴ変換器を提供するが、このＰＺＴ変換器には、圧電セラミック基板および電極ユニットが含まれる。圧電セラミック基板は、第１の表面、および第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。電極ユニットは、第１の電極および第２の電極を有する。第１の電極は、第１の表面上に配置され、第１の直径を有する。第２の電極は、第２の表面を被覆し、かつ第１の表面の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面を被覆する第２の電極の部分は、第２の直径を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２である。
【００１９】
本発明はまた、ＰＺＴ変換器の製造方法を提供するが、この方法には、（ａ）圧電セラミック基板を用意するステップであって、圧電セラミック基板が、第１の表面、および第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有するステップと、（ｂ）圧電セラミック基板上に電極ユニットを形成するステップであって、電極ユニットが、第１の電極および第２の電極を有し、第１の電極が、第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、第２の電極が、第２の表面を被覆し、かつ第１の表面の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面を被覆する第２の電極の部分が、第２の直径を有し、第２の直径に対する第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２であるステップと、が含まれる。
【００２０】
高い機械的品質係数Ｑｍ（Ｑｍ＞１４００）を有する圧電セラミック材料が選択されるので、圧電セラミック材料の２つの反対側において第２の電極の直径に対する第１の電極の直径の比率は、適切な範囲に設定され、箔を配置するための接合材料の厚さは、適切な範囲に制御されて、大きな霧量および長い耐用年数を有するＰＺＴ変換器を製造するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるＰＺＴ変換器の断面図である。
【図２】本発明によるＰＺＴ変換器の上面図である。
【図３】本発明に従ってＰＺＴ変換器を製造するための方法の流れ図である。
【図４】２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器によって発生される霧量と直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）との間の対応関係を示す。
【図５】本発明によるＰＺＴ変換器の霧量と接着剤厚さとの間の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明によるＰＺＴ変換器の断面図であり、図２は、本発明によるＰＺＴ変換器の上面図である。図１および２に示すように、この実施形態において、ＰＺＴ変換器は、限定するわけではないが、噴霧式加湿器において用いられるＰＺＴ変換器である。ＰＺＴ変換器１には、圧電セラミック基板１１、電極ユニット１２、箔１３および接合材料１４が含まれる。圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表面１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。
【００２３】
電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極１２２を有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、かつ第１の直径ＯＤ１を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径ＯＤ２を有する。この実施形態において、第１の電極１２１および第２の電極１２２は、銀電極である。第２の直径ＯＤ２に対する第１の直径ＯＤ１の比率は、０．４９８〜０．５０２である。
【００２４】
箔１３は、圧電セラミック基板１１の片側に、第２の表面１１２に対向して配置される。この実施形態において、箔１３は、金属材料である。好ましくは、箔１３は、ステンレス鋼（例えば、３０４または３１６ステンレス鋼）箔またはチタン箔であり、箔１３の厚さは、好ましくは２０マイクロメートル（μｍ）〜３０μｍである。この実施形態において、接合材料１４は、エポキシ樹脂であり、第２の電極１２２と箔１３との間に配置される。接合材料１４の厚さは、１２μｍより薄いのが好ましい。
【００２５】
本発明によるＰＺＴ変換器が、箔および接合材料を有していなくてもよく、それでも動作して振動効果を生成し得ることが理解できる。
【００２６】
図３は、本発明によるＰＺＴ変換器を製造する方法の流れ図である。図１〜３に示すように、第１に、ステップＳ３１において、圧電セラミック基板１１が用意されるが、圧電セラミック基板１１は、第１の表面１１１、および第１の表面１１１の反対側の第２の表面１１２を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する。
【００２７】
この実施形態において、ステップＳ３１には、以下のステップが含まれる。ステップＳ３１１において、圧電セラミック材料調合粉末が焼成され、微細に粉砕され、スラリーにされ、次にスラリーが、噴霧および粒状化されて、圧電セラミック材料細粒を形成する。ステップＳ３１２において、圧電セラミック材料細粒は、圧縮圧電セラミック材料を成形するために圧縮される。ステップＳ３１３において、圧縮圧電セラミック材料は、焼結される。ステップＳ３１４において、焼結された圧電セラミック材料は、平行にラップされ、圧電セラミック基板１１を形成する。
【００２８】
ステップＳ３２において、電極ユニット１２が、圧電セラミック基板１１上に形成される。この実施形態において、ステップＳ３２では、電極基板が、圧電セラミック基板１１の表面上にコーティングされるが、電極基板は、第１の表面１１１上に配置され、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するように延びる。電極基板は、焼成されて電極ユニット１２を形成する。コーティングされた電極基板の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．００２ｍｍであるのが好ましい。電極ユニット１２は、第１の電極１２１および第２の電極１２２を有する。第１の電極１２１は、第１の表面１１１上に配置され、第１の直径ＯＤ１を有する。第２の電極１２２は、第２の表面１１２を被覆し、かつ第１の表面１１１の周辺における表面の一部を被覆するために延び、第２の表面１１２を被覆する第２の電極１２２の部分は、第２の直径ＯＤ１を有する。第２の直径に対する第１の直径の比率は、０．４９８〜０．５０２であるのが好ましい。
【００２９】
この実施形態において、電極ユニット１２が形成された後で、方法には、さらに、圧電セラミック基板１１を分極するステップＳ３３が含まれる。この実施形態において、圧電セラミック基板１１は、高電圧で分極される。さらに、圧電セラミック基板１１が分極された後で、方法には、さらに、圧電セラミック基板を洗浄するステップＳ３４が含まれる。
【００３０】
ステップＳ３５において、箔１３が、圧電セラミック基板１１の片側に、第２の表面１１２に対向して配置される。この実施形態において、箔１３は金属材料（金属箔）であり、接合材料１４が、第２の電極１２２と箔１３との間に配置される。
【００３１】
超音波噴霧式加湿器の適用において、本発明によるＰＺＴ変換器１は、導電性リングでワイヤまたはコンタクトと溶接され、次に、防水ゴムスリーブまたは特に設計されたプラスチックシートシェルに配置される。最後に、ＰＺＴ変換器１の霧量は、固定振動回路および入力電力を用いて評価してもよい。
【００３２】
ＰＺＴ変換器の材料の選択
ＰＺＴ変換器１は、厚さ方向における振動を介して超音波を発生する。例えば、市販されている噴霧式加湿器に用いられているＰＺＴ変換器１は、約１〜３ＭＨｚの周波数ｆｒを有するが、そこで振動周波数は、圧電セラミック基板１１の厚さを変更することによって変更することが可能である。一般に用いられる周波数には、１．６５ＭＨｚ、２．４ＭＨｚおよび２．８ＭＨｚが含まれ、圧電セラミック基板１１の対応する厚さは、徐々に減少させる必要がある。噴霧式加湿器におけるＰＺＴ変換器１は、水の底に配置され、振動振幅ξは、印加電圧Ｅ、圧電歪み定数ｄ３３、および水中における機械的品質係数ＱＬに関係し、かつ以下の式によって表現される。
ξ＝ｄ３３・Ｅ・ＱＬ （１）
【００３３】
水中における機械的品質係数ＱＬは、ＰＺＴ変換器１が振動するときに、圧電セラミック基板１１によって熱エネルギの形態で消費される運動エネルギを表し、圧電セラミック基板１１の材料の機械的品質係数Ｑｍに関連する。圧電セラミック基板１１の機械的品質係数Ｑｍが大きければ大きいほど、消費される熱エネルギは、それだけ少ない。同様に、ＱＬが大きければ大きいほど、熱エネルギの形態で消費される入力電力エネルギはそれだけ少なく、振動振幅は、それだけ大きい。さらに、一般的に言えば、材料の圧電歪み定数ｄ３３が大きければ大きいほど、機械的品質係数Ｑｍは、それだけ小さい。低ｄ３３および高Ｑｍを備えた圧電セラミック材料などの新しい圧電セラミック材料の開発と共に、この圧電セラミック材料が噴霧式加湿器に適用された場合に、大きな霧量を発生することができるかどうかは未知である。
【００３４】
表１は、３つのＰＺＴ変換器（これらの中で、ＰＺＴ−３が、本発明の発明例である）の圧電特性の比較結果、および２４Ｗおよび２８Ｗの電気エネルギを入力することによって駆動されたときの１．６５ＭＨｚ超音波変換器の霧量の比較結果を示す。これらの結果は、高Ｑｍ値を備えたＰＺＴ変換器（１４００を超えるＱｍを備えた発明例ＰＺＴ−３）が、明らかに大きな霧量を有し、一方で高ｄ３３を備えたＰＺＴ変換器（比較例ＰＺＴ−１およびＰＺＴ−２）が、小さな霧量を有することを示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示すように、ＰＺＴ−１の圧電特性は、ｄ３３−４５０およびＱｍ−５００を含み、かつＱｍ値が１４００を超える場合には、１．６５ＭＨｚのＰＺＴ変換器は、２８Ｗの電気エネルギを入力することによって駆動されたときに約３５０ｃ．ｃ．／ｈの霧量を有することができるが、これは、市販されている高い霧量用の最低必要条件を満たす。Ｑｍ＞２０００を備えた圧電セラミック板で作製されたＰＺＴ変換器を備えた噴霧式加湿器の霧量は、（TDKまたはFukokuによって製造された超音波変換器などの）市販されている他の噴霧式加湿器の霧量より優れていることが力説される。高Ｑｍを備えたＰＺＴ変換器が水中に配置された場合には、後で水によって熱が取り去られるが、ＰＺＴ変換器の品質係数ＱＬは、やはり材料の本質的特性Ｑｍを完全に反映し、それによって、ＰＺＴ変換器の振動振幅に対して決定的な影響を有する。
【００３７】
ＰＺＴ変換器の電極設計
本発明において、噴霧式加湿器に適用されるＰＺＴ変換器１の電極ユニット１２は、圧電セラミック基板１１の第１の表面１１１上に、ＯＤ１の直径を有する中央円形銀電極（第１の電極１２１）をコーティングすること、ならびに圧電セラミック基板１１の第２の表面１１２の表面全体、圧電セラミック基板１１の側面、および第１の表面１１１の周辺における表面の一部に、背面銀電極（第２の電極１２２）をコーティングすることによって配置され、第２の表面１１２を被覆する銀電極の部分は、第２の直径ＯＤ２を有する。
【００３８】
例えば、直径が２０ｍｍの圧電セラミック基板１１において、第１の表面１１１の中央円形銀電極は、約１０ｍｍの直径ＯＤ１を有し、第２の表面１１２から第１の表面１１１へ延びる電極の部分は、導電性リング用に入力電気エネルギを供給する。噴霧式加湿器に適用可能なＰＺＴ変換器１は、厚さ方向に振動し、厚み振動は、中央円形銀電極の下に制限される。（第２の表面１１２の側に位置する）ＰＺＴ変換器１の背面は、水と接触し、超音波を出力するための端面である。しかしながら、中央円形銀電極のエリア（すなわち、外部高電圧分極化を介してきちんと配置された、圧電セラミック基板１１における電気双極子の領域）が、超音波を出力できる範囲であり、したがって、単位面積当たりの超音波の出力エネルギおよび出力強度は、中央円形銀電極のエリアと関連していることが注目される。
【００３９】
ＰＺＴ変換器１は、厚み振動において超音波を出力するが、平面振動もまた存在する。ＰＺＴ変換器１における背面銀電極のエリアと中央円形銀電極のエリアとの間の差ゆえに、平面振動の振動境界条件が変更され、同時にＰＺＴ変換器１の電気機械結合係数を変更し、その結果、機械エネルギに変換される電気エネルギの割合が変更される。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表２は、２つの振動周波数（１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚ）の下で霧量に関して、表１におけるＰＺＴ−３ ＰＺＴ変換器の背面銀電極の直径ＯＤ２に対する中央円形銀電極の直径ＯＤ１の比率の影響を示す。１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器は、２４Ｗおよび１２Ｗの電気エネルギを入力することによってそれぞれ駆動される。
【００４２】
表１および２から分かるように、２０ｍｍの直径ＯＤ２を有する背面銀電極を備えた、かつ１．６５ＭＨｚおよび２．４ＭＨｚの周波数をそれぞれ有するＰＺＴ変換器は、ＰＺＴ−３圧電セラミック基板で製造されるが、この圧電セラミック基板において、厚さｔは、それぞれ１．２３〜１．２５ｍｍおよび０．８４〜０．８６ｍｍであり、中央円形銀電極の直径ＯＤ１は、それぞれ１２．９〜１３．３ｍｍおよび１０．９３〜１１．０５ｍｍまで変更され、２４Ｗおよび１２Ｗの電気エネルギが、それぞれ入力されて、霧量の差を比較および評価する。
【００４３】
表２は、１．６５ＭＨｚおよび２４ＭＨｚのＰＺＴ変換器にとって、最大の霧量を得るために、背面銀電極の直径ＯＤ２に対する中央円形銀電極の直径ＯＤ１の比率（ＯＤ１／ＯＤ２）が、最適な比率値であることが必要であることを示す。直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）値が変化すると、霧量は、急激に変化する。したがって、噴霧式加湿器が最大の霧量を得たい場合には、直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）は、厳格に制御する必要がある。
【００４４】
図４は、２．４ＭＨｚのＰＺＴ変換器によって発生される霧量と、直径比率（ＯＤ１／ＯＤ２）との間の対応関係を示す。１２Ｗの電気エネルギを入力した場合に２．５ｃ．ｃ．／分より大きな霧量を得るために、比率（ＯＤ１／ＯＤ２）は、０．４９８〜０．５０２の範囲であることが好ましい。
【００４５】
金属箔をＰＺＴ変換器に接着するための接着剤厚さの最適化
ＰＺＴ変換器１が噴霧式加湿器に適用される場合には、ＰＺＴ変換器１の背面は、水または洗剤液と直接接触する。背面銀電極が、液体と直接接触する場合には、腐食が容易に生じ、これが、ＰＺＴ変換器１の耐用年数を短縮するので、したがって、好ましい耐食性能を備えた金属箔（箔１３）をＰＺＴ変換器１に接着するのが好ましい。金属箔は、３０４または３１６ステンレス鋼箔およびチタン箔を含み、約２０〜３０μｍの厚さを有する。金属箔は、液体に直接面して耐食性能を向上させ、ＰＺＴ変換器１の耐用年数を延長する。
【００４６】
接着剤（接合材料１４）が、金属箔を背面銀電極に接着するために用いられることが注目される。好ましい接着性能を備えたエポキシ樹脂接着剤が用いられるが、エポキシ樹脂接着剤は、水素結合を介して２つの金属表面（背面銀電極および金属箔）を接合する。しかしながら、接着剤の厚さは、適切に制御する必要がある。なぜなら、過度に厚い接着剤は、振動エネルギを吸収し、かつ超音波の強度に影響を及ぼすからである。しかしながら、接着剤が薄すぎる場合には、接着強度が弱すぎて、金属箔の容易な剥離に帰着し、したがって、ＰＺＴ変換器の耐用年数を短縮する可能性がある。
【００４７】
表３において、表１のＰＺＴ−３ ＰＺＴ変換器は、Ｍ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０の３つのメッシュを介してエポキシ樹脂接着剤でスクリーン印刷され、３０μｍの厚さを備えた金属箔が、適温で１００Ｋｇおよび２００Ｋｇの力を加えることによって接着される。エポキシ樹脂接着剤は、温度および圧力が制御された後で硬化され、次に、接着剤厚さが、観察および解析され、霧量が評価される。
【００４８】
【表３】
【００４９】
接着剤は、メッシュ開口部が次第に小さくなっていくＭ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０のメッシュを介してスクリーン印刷される。それに応じてコーティングされる接着剤の量が低減され、接着用に用いられる力は、接着剤厚さを操作するように制御される。ＰＺＴ変換器は、１００Ｋｇおよび２００Ｋｇの力をそれぞれ加えることによって、Ｍ２００、Ｍ２５０およびＭ４２０のメッシュを介して接着剤で印刷され、次に、接着剤は、接着剤厚さを１０〜１５μｍの範囲で制御するように、同じ条件下で硬化される。メッシュＭ４２０が用いられる場合には、接着剤のコーティング量はより少なく、金属箔と背面銀電極との間の接着剤厚さは、より薄い。異なる接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器の霧量の評価結果が、表３に示されている。
【００５０】
図５は、ＰＺＴ変換器の霧量と接着剤（接合材料）厚さとの間の関係を示す。図５に示すように、接着剤厚さが小さければ小さいほど、霧量はそれだけ多く、１２μｍ未満の接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器の霧量は、２５ｃ．ｃ．／分より大きくなり得る。約１０μｍの接着剤厚さを備えたＰＺＴ変換器は、３ｋｇを超える接合強度を有し、長期（１０００ｈを超える）の連続的な噴霧寿命試験に合格する。
【００５１】
上記を考慮して、高い機械的品質係数Ｑｍ（Ｑｍ＞１４００）を備えた圧電セラミック材料１１を選択すること、圧電セラミック材料１１の２つの反対側において第２の電極１２２の直径に対する第１の電極１２１の直径の比率（ＯＤ１／ＯＤ２）を適切な範囲（ＯＤ１／ＯＤ２＝０．４９８〜０．５０２）に設定すること、および箔１３を接着するための接合材料１４の厚さを適切な範囲（＜１２μｍ）に設定することによって、大きな霧量および長い耐用年数を備えたＰＺＴ変換器１を製造することができる。
【００５２】
本発明の実施形態を図示し説明したが、様々な修正および改善を、当業者は行うことができる。したがって、本発明の実施形態は、限定的な意味ではなく、実例的な意味で説明されている。本発明が、図示の特定の形態に限定されないこと、および本発明の趣旨および範囲を保持する全ての修正が、添付の特許請求の範囲に定義される範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００５３】
１ ＰＺＴ変換器
１１ 圧電セラミック基板
１２ 電極ユニット
１３ 箔
１４ 接合材料
１１１ 第１の表面
１１２ 第２の表面
１２１ 第１の電極
１２２ 第２の電極
ＯＤ１ 第１の直径
ＯＤ２ 第２の直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する圧電セラミック基板と、
第１の電極および第２の電極を有する電極ユニットであって、前記第１の電極が、前記第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、前記第２の電極が、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延び、前記第２の表面を被覆する前記第２の電極の部分が、第２の直径を有し、前記第２の直径に対する前記第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２である電極ユニットと、
を含む圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）。
【請求項２】
前記第１の電極および前記第２の電極が銀電極である、請求項１に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項３】
前記圧電セラミック基板の片側に、前記第２の表面に対向して配置された箔をさらに含む、請求項１に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項４】
前記箔が金属材料である、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項５】
前記箔が、ステンレス鋼箔またはチタン箔である、請求項４に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項６】
前記箔が、２０マイクロメートル（μｍ）〜３０μｍの厚さを有する、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項７】
前記第２の電極と前記箔との間に配置された接合材料をさらに含む、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項８】
前記接合材料が１２μｍ未満の厚さを有する、請求項７に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項９】
圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）の製造方法であって、
（ａ）圧電セラミック基板を用意するステップであって、前記圧電セラミック基板が、第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有するステップと、
（ｂ）前記圧電セラミック基板上に電極ユニットを形成するステップであって、前記電極ユニットが、第１の電極および第２の電極を有し、前記第１の電極が、前記第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、前記第２の電極が、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延び、前記第２の表面を被覆する前記第２の電極の部分が、第２の直径を有し、前記第２の直径に対する前記第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２であるステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
ステップ（ａ）が、
（ａ１）圧電セラミック材料調合粉末を焼成し、次に、前記圧電セラミック材料調合粉末を細かく粉砕しスラリーにして、前記スラリーを噴霧および粒状化し、圧電セラミック材料細粒を形成するステップと、
（ａ２）圧縮圧電セラミック材料を成形するために前記圧電セラミック材料細粒を圧縮するステップと、
（ａ３）前記圧縮圧電セラミック材料を焼結するステップと、
（ａ４）前記焼結された圧電セラミック材料を平行にラップして前記圧電セラミック基板を形成するステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｂ）が、
（ｂ１）電極基板を前記圧電セラミック基板の表面上にコーティングするステップであって、前記電極基板が、前記第１の表面上に配置され、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延びるステップと、
（ｂ２）前記電極基板を焼成して、前記電極ユニットを形成するステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ２）後で、前記圧電セラミック基板を分極するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
箔を配置するステップであって、前記箔が、前記圧電セラミック基板の片側に、前記第２の表面に対向して配置されるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の電極と前記箔との間に接合材料を配置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１】
第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有する圧電セラミック基板と、
第１の電極および第２の電極を有する電極ユニットであって、前記第１の電極が、前記第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、前記第２の電極が、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延び、前記第２の表面を被覆する前記第２の電極の部分が、第２の直径を有し、前記第２の直径に対する前記第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２である電極ユニットと、
を含む圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）。
【請求項２】
前記第１の電極および前記第２の電極が銀電極である、請求項１に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項３】
前記圧電セラミック基板の片側に、前記第２の表面に対向して配置された箔をさらに含む、請求項１に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項４】
前記箔が金属材料である、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項５】
前記箔が、ステンレス鋼箔またはチタン箔である、請求項４に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項６】
前記箔が、２０マイクロメートル（μｍ）〜３０μｍの厚さを有する、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項７】
前記第２の電極と前記箔との間に配置された接合材料をさらに含む、請求項３に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項８】
前記接合材料が１２μｍ未満の厚さを有する、請求項７に記載のＰＺＴ変換器。
【請求項９】
圧電セラミック変換器（ＰＺＴ変換器）の製造方法であって、
（ａ）圧電セラミック基板を用意するステップであって、前記圧電セラミック基板が、第１の表面、および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有し、かつ１４００を超える機械的品質係数（Ｑｍ）を有するステップと、
（ｂ）前記圧電セラミック基板上に電極ユニットを形成するステップであって、前記電極ユニットが、第１の電極および第２の電極を有し、前記第１の電極が、前記第１の表面上に配置され、かつ第１の直径を有し、前記第２の電極が、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延び、前記第２の表面を被覆する前記第２の電極の部分が、第２の直径を有し、前記第２の直径に対する前記第１の直径の比率が、０．４９８〜０．５０２であるステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
ステップ（ａ）が、
（ａ１）圧電セラミック材料調合粉末を焼成し、次に、前記圧電セラミック材料調合粉末を細かく粉砕しスラリーにして、前記スラリーを噴霧および粒状化し、圧電セラミック材料細粒を形成するステップと、
（ａ２）圧縮圧電セラミック材料を成形するために前記圧電セラミック材料細粒を圧縮するステップと、
（ａ３）前記圧縮圧電セラミック材料を焼結するステップと、
（ａ４）前記焼結された圧電セラミック材料を平行にラップして前記圧電セラミック基板を形成するステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｂ）が、
（ｂ１）電極基板を前記圧電セラミック基板の表面上にコーティングするステップであって、前記電極基板が、前記第１の表面上に配置され、前記第２の表面を被覆し、かつ前記第１の表面の周辺における前記表面の一部を被覆するために延びるステップと、
（ｂ２）前記電極基板を焼成して、前記電極ユニットを形成するステップと、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ２）後で、前記圧電セラミック基板を分極するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
箔を配置するステップであって、前記箔が、前記圧電セラミック基板の片側に、前記第２の表面に対向して配置されるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の電極と前記箔との間に接合材料を配置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６９８９９（Ｐ２０１２−６９８９９Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１５８９（Ｐ２０１１−１５８９）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（５０７１６２２５６）チャイナ スティール コーポレーション (9)
【氏名又は名称原語表記】ＣＨＩＮＡ ＳＴＥＥＬ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８９（Ｐ２０１１−１５８９）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（５０７１６２２５６）チャイナ スティール コーポレーション (9)
【氏名又は名称原語表記】ＣＨＩＮＡ ＳＴＥＥＬ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
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