超音波センサの製造と応用
1998年10月18日 初版発行
筆者紹介
電気メーカに13年勤務。約10年にわたり超音波材料開発、その応用製品の開発に従事する。元応用物理学会、海洋音響学会正会員
超音波センサのもととなるチタン酸ジルゴン酸鉛(PZT)を多孔質化することによる電気特性、音響特性に着目し、その材料の実用化と応用製品の開発を行った。（ご協力いただきました皆様ありがとうございました。）
現在地元で不動産を営んでいるが、長年にわたる研究で得られた知識を公開（論文、特許等）されている範囲で読者の方へ紹介していきたいと思う。
実践から離れて久しいので十分な説明ができるか不安もあるが、超音波に興味を持っている方、現在研究開発に携わっている方の参考になることを期待しています。
あまり難しくないことでしたら、ご協力します。
目次
- 超音波に興味のある方
- 超音波材料編
- 超音波応用機器編
- さあ超音波材料を試作しよう
- 新しいものを作るのって難しい
- この材料で何をすればいい？
- 開発を振り返って
住所：さいたま市見沼区東門前44-3 電話番号：048-684-8641
超音波に興味のある方
超音波は人間の耳で聞こえない音で、1.6KHz以上の音をいいます。
超音波の特徴は、液体、固体中を伝搬しやすいことです。空（気体）中も伝搬しますが、電波に比べ減衰が大きく、また周波数が高くなるに従い減衰が大きくなります。
電波は液体、固体中を伝搬するのが難しいので、超音波は主に液体、固体用のセンサとして広く応用されています。空中センサとしてもドップラー効果を応用した速度探知器、信号機の人体感知器など数メートルから数十メートルでの範囲でのセンサーとして応用されています。
超音波は水晶振動子から発生させることができます。水晶振動子は電気信号を機械信号に変換する効果があります。これを、圧電効果といいます。圧電効果を持つ材料には水晶以外にもチタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ジルゴン酸鉛(PZT)などがあります。
任意の周波数を持つ超音波を発生させるには次の方法によります。
発生させる超音波の周波数と材料の持つ音速から、その材料の寸法が決まります。音速v、周波数f、波長λの関係は v=fλ..... 式（1）
となるので、たとえばPZTのvを2000m／s、発生させる超音波のfを200KHzとすると
λ=2000/(200*1000)=0.01m
λ/2駆動なので
λ/2=0.005m=5mm
に加工することによりPZTは200KHzの超音波を発生させることができます。
超音波が伝搬する時に均一の物質中はまっすぐに進みますが、伝搬中障害物があるとそこで超音波の一部が反射して戻ってきます。この性質を利用して非接触で障害物を検知することができます。
物質の音速がわかれば、障害物から反射してくる時間より、障害物の位置がわかります。反射波の大きさにより障害物の大きさもわかります。代表的な応用機器としてお腹の中にいる赤ちゃんを見る超音波診断機があります。振動子を長さ方向に分割します。画像上では振動子の長さ方向をX軸、超音波の反射波をY軸にとることによりお腹の中を映像化します。
超音波は周波数により使いわけられます。
式（１）をもう一度見て下さい。材料の音速vを固定すると周波数fが低いと波長λが長くなり、周波数fが高いと波長λが短くなります。小さなものを見る場合、波長λが短くなければなりません。
赤ちゃんを見る超音波診断機などの医療用は分解能が要求されます。3MHzから20MHzを主に使用します。
魚群探知機は魚の群れを探すわけですから、そんな精度は必要とされません。海の中を探知するわけですからあまり周波数を高くして超音波を減衰させてもいけません。数十KHzから200KHzを主に使用します。
超音波にはこれ以外にもいろいろな使われ方があります。メガネなどの汚れをおとす超音波洗浄機、家畜の餌の量の制御などにも使われています。
これから筆者の経験をもとに、超音波センサの材料の製造方法、機器への応用など苦労話も含めて紹介していきたいと思います。感想、質問等ありましたらメールを下さい。
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超音波材料編
代表的な材料として、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸ジルゴン酸鉛などがあります。前者の水晶は小さな結晶を溶液中で成長させます。後者のチタン酸バリウム、チタン酸ジルゴン酸鉛は材料粉末を混ぜ合わせプレス成形したものを高温（1200〜1400度）で焼成します。ここでは後者について紹介します。
チタン酸ジルゴン酸鉛は、PbO、ZrO2、TiO2の粉体を秤量します。通常、PbTiO3とPbZrO3がモル比で0.52：0.48くらいになるように配合します。
充分混合した後、成形しやすいようにバインダー（糊）を入れ、造粒します。小さな粉体をおにぎりのような塊にします。
金型の成形治具でプレス成形します。プレス圧は0.5〜1ton/cm2くらいです。
成形体を電気炉の中に入れ、仮焼をします。バインダーを焼却する工程です。バインダーとして通常PVAを使います。200〜300度くらいで焼却できます。
これを高温で焼成します。温度勾配、焼成温度、焼成時間、雰囲気ができ上がりの決め手です。
焼成体を任意の寸法に加工し、電極をつけ電気処理（分極）することにより超音波センサーのでき上がりです。
でき上がり具合を調べます。密度、誘電率、共振特性を測定します。
密度、誘電率はでき上がり具合の基本となるものです。
ここで共振特性という言葉がでてきました。通常電気処理をしない状態だと、コンデンサーとしての機能しかありませんが、分極することにより結晶構造がずれ、特定の電気（機械）信号が加わるとひずみを起こします。これにより超音波（電気）が発生するわけです。電気等価回路で表わすとインダクタンスが並列に加わった回路になります。このため共振特性という言葉を使います。
周波数とインピーダンスの関係を測定器でみると、インピーダンスが極小値と極大値を示します。共振点、半共振点といういいかたをします。
これらのパラメータより材料定数を計算し、その材料の性能を評価していきます。
材料の性能を変化させるときには、一般に添加物といって少量別の薬を入れる場合があります。密度、誘電率を制御し用途にあった材料をつくっていきます。
私がこの研究開発を命じられた時、設備はほとんどありませんでした。薬品を購入し、1000度くらいまでしか上がらない中古の電気炉、20トン位の中古のプレス、誰も使わないようなトラッキングスコープを別の部署から実験室に移し、成形用金型の図面を書きスタートしたのを覚えています。最初できたものは低温でやったため結晶同士がまだ充分結合しておらずスカスカのものでした。電極を付け電気処理しても特性らしい特性はみられませんでした。25才のころだったと思います。
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超音波応用機器編
超音波を応用した測定器はいろいろある。障害物からの反射波を検知するだけのもの、反射して返って来るまでの時間を計測して位置を測定するもの、ドップラー効果を使い動いているものを測定するなど。ここでは、これらの原理と応用機器について簡単に説明します。
1、障害物からの反射波を検知するだけのもの
超音波センサから超音波を物体中へ放射します。超音波は均一な物質中は伝搬しますが、障害物がある（音響インピーダンスが異なる）とそこで反射波を生じます。超音波センサはその信号を受信して障害物を検知します。
金属の非破壊検査などに応用されています。
2、反射して返って来るまでの時間を計測して位置を測定するもの
前記のセンサに、超音波を送信して受信するまでの時間を測定したものを加えたものです。
超音波が伝搬する物体の音速vがわかっていれば、超音波を送信して受信するまでの時間tから障害物の位置xは、
x=v*t/2....式（２）
で求められます。
これを利用すると、いろいろな測定ができます。たとえば、物差しで測ることのできない寸法測定であす。ビルの壁の厚みとか窓ガラスの厚みなど。定規があてられないので測定できません。こんな時に壁とかガラスに超音波センサーをあて、反射波が戻ってくるまでの時間を測定すれば、材料の音速はわかっていつので厚みがわかります。通常、金属は5000〜6000m/s、ガラスは4000〜5000m/sで計算すると近い値がでます。
測定点を横すべりさせ、反射波を記録していくと物体の中にあるものの形がわかります。魚群探知機は船の底に超音波センサーを取付け海底に向け超音波を発射しながら移動しているため、海底の地形が分かります。海底までの間に返ってくる反射波が魚群になります。
筆者、研究グループ＆愛好家は魚群探知機をもって、中禅寺湖にて、その性能を確かめました。湖底までよくみえました。魚影（マス）が見えたと同時にヒットがあり感激しました。その時は40cm級が3、4匹釣れたと記憶しています。その後、銀山湖とかいろいろな所へ行って楽しませてもらいました。仕事と趣味を共にできたのはラッキーでした。
小さな物を探知するためには、小さく加工した超音波センサを並べ、電気的にスキャンさせます。医療用診断装置などで使われます。
これを大きくしたものがソーナです。船の周囲を超音波でみるのであるから魚はたまったもんじゃない。主にカツオ船とかさんま船などに装備されているようです。
3、ドップラー効果でスピードを測定
救急車のサイレンの音は、近づいてくるときは高い音に聞こえ、離れていくと低い音になります。これがドップラー効果です。
周波数f、波長λ、空気の音速v、移動体の速度uとすると、反射してくる周波数f1は
f1=f/（1-u/v).....式（3）
となり、道路で法定速度以上で自動車を運転していると、まちかまえている警察官に呼びとめられてしまう。
筆者らは日本最大手の自動車メーカと、ドップラー効果を応用した自動車の速度計に挑戦したことがあります。タイヤは走行中すべってしまうので正確なスピードがはかれないことが開発の目的です。
車体から斜めに超音波を放射します。道路面は凸凹しているので、反射波が戻ってきます。現状時速160キロくらいまでしか測定できないらしいが、筆者らの開発した材料だと時速250キロくらいまで測定できるようです。海外ではそのくらいで走行することもあるようです。
センサーの試作はできた。自動車メーカで試験が行われる。期待通りの結果がえられた。しかし、不幸はおきた。環境試験でのことであろうか。雨が降ると道路が鏡面になってしまい超音波が戻ってこなくなり反射波がとれないというのです。
時期を同じくして人事異動が発生。筆者は、上司から営業を勉強してきなさいといわれ営業部隊に。結局、この開発は試作機を何台かつくって終わってしまったようです。
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さあ超音波材料を試作しよう
ここではチタン酸ジルゴン酸鉛(PZT)について説明していきます。まず、PbO、ZrO2、TiO2の粉体を秤量します。チタン酸鉛とジルゴン酸鉛の比率で特性がかなりかわります。通常、変換効率の最大のところで比率を決めます。どのような使い方をするかで添加物を入れるときもあります。
秤量した材料を混合します。量が少ないときは乳鉢で混合します。結構根気がいります。量が大きくなるとボールミルなどで混合します。円筒の中に材料とボールを入れ、円筒を回転させ材料を混合します。
材料を成形しやすくするために、バインダ（糊）を少量入れます。PVAなどが一般的です。材料の重さの1〜5％くらいを入れます。
これを造粒します。ちいさな粒をある程度の塊にします。30〜100ミクロンくらいの大きさに揃えます。これにより粒がサラサラになり、金型中での粒の流れがよくなります。一般にPVAの混合と造粒はスプレードライヤという装置で行います。
金型に粉体を入れ、圧力をかけて成形します。プレス圧は0.5〜1ton/cm2くらいです。
成形体を電気炉にいれ、バインダを焼却します。PVAは200〜300度くらいで焼却できます。これをちゃんとしないと焼成している時に酸化反応などを起こしてしまいます。
バインダを焼却したら、焼成する温度より少し低い温度で仮焼します。これを砕いてまた同じようにして焼きます。これはでき上がりのバラツキを少なくするためになされる工程です。
焼成工程では、温度勾配、最高温度の保持時間など制御する項目はいろいろあります。
でき上がったものを加工します。非常に硬いですので、なるべく加工部分を少なくするようにしておきます。
電極は銀を焼き付けます。スクリーン印刷でペースト状の電極材料を印刷し、電気炉で焼き付けます。
電気（分極）処理をします。1mmあたり1KVの電圧を印加します。分極しやすいように100度くらいに加熱して電圧を印加します。危険な作業ですからシリコンオイル中で行います。
インピーダンスアナライザなどの測定器で周波数とインピーダンスの関係を測定します。インピーダンスの極大値と極小値が確認できれば、超音波材料のでき上がりです。
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新しいものを作るのって難しい
なんとか試作品ができるようになりました。定例会で報告しましたが、回答は「これでは他社と差別化ができない。」という厳しい評価でした。確かに各材料メーカのだしているカタログの性能とほとんど同じです。量産設備投資をしたら設備費を回収できるかどうかわからない。こんなとき複合材料へ挑戦したらと上司にいわれ、そちらに方向転換。
複合材料というのは、もとになる材料に別の材料を加えたものです。複合材料はペンシルバニア大のニューナムさんという方がいろいろなモデルを考案し、従来にない特性をだそうというものです。東大の生産研に講演に来られたとき聞きにいきました。国内では防衛大、沖電気、村田製作所などが頑張っていました。
さて、まだ開発が充分に行われていないものへの挑戦の始まりです。
圧電材料に樹脂を混合させるのがよく報告されていました。この効果としては樹脂を分散させることにより損失分を増やし、超音波の波形の立上がりと減衰を急しゅんにできることです。これにより分解能が向上し、画像が鮮明になります。
問題はどのような複合材料のモデルを適用し、それをどのように製造するかということです。
まず挑戦したのは0-3型複合材料でした。樹脂の中に圧電材料を分散させたものです。シート状に形成できますので、センサーの形状を自由にできるとか、超音波の放射面が広くとれるとか、薄くできるため高周波用に応用できるなどの利点があります。
欠点としては製造の難しさ。シート状にできたとしても、圧電材料が分散した状態なので、もう一度分極軸の方向をそろえなければなりません。
シートに高電圧を印加します。電圧はかかっても特性は得られません。電界がほとんど樹脂の方にかかってしまい、圧電材料の方にはかからないのですから。誘電率が1000倍位違うので、ほとんど樹脂に電界がかかってしまいます。結局試作できても、効率が悪いということで超音波センサとしては無理でした。受信用（ハイドロホン）として実用化したところがあったようです。
効率のいいものとして1-3型複合材料がありました。円盤状の圧電体に縦横に溝を形成し、溝に樹脂を流し込むというものです。結構大変な作業です。試作はできましたが、設備があれば誰でもできるというので却下。
つぎなる挑戦は樹脂の中に圧電材料を分散させたものを金型成形して樹脂を焼却したらどうなるかということです。これは少々うまくいきました。
空孔を分散した3-3型複合材料です。ただ樹脂の中に圧電材料を分散させるときの分散の制御がうまくできず、均一な空孔を形成できず、特性にバラツキがでてしまいます。
この時同じ研究をしていたのが防衛大でした。防衛大の製造方法は一度焼成したものを大きめに粉砕してさらに成形したものです。粉砕した粒を再度成形するときに生じる空隙を利用したものです。
均一な空孔を形成するのにはどうしたらよいか？いろいろな資料を読みました。そこででてきたのが微粉体を均一に混ぜて成形し、微粉体を焼却するという方法です。
合理的な考えですが、ここでも多くの難問がありました。低温で焼却できる微粉体でなければならないこと。そうなるとプラスチックのなかからその材料を見つけなければなりません。
この時点でわかっていたことは、空孔を形成すると従来の寸法より小さくなるということ。換言すれば高周波のセンサを作る場合、その厚みが非常に小さくなるということです。3MHzでだいたい100〜200ミクロンの厚みになります。
このため微粉体の粒径を非常に小さくしなければなりません。カタログをいろいろな会社からとりよせ検討です。
次なる問題は、その微粉体を原料に均一に分散しなければならないということ。比重の差が大きすぎるため大変な苦労をしました。
次に、その微粉体をどのように焼却するかです。空孔を増やすため、なるべく多くの微粉体を混合します。灰の縄を作るより難しいと思います。
空孔を作るというのは機械的な強度を弱くするということです。実用化するための強度をどのあたりに設定するか。
通常の作り方と違うので特性のバラツキは大丈夫か？
温度特性などの環境面での変動はどうか？他にもいろいろな検討課題がありました。
製造から実用化まで沢山のハードルがあります。魚群探知機としての実用化まで2年もの歳月がかかりました。
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この材料で何をすればいい？
差別化を図るためには、基本となるものを変えなければならないというのは一般的な意見です。意外なところに落し穴があるものです。材料を開発しても、材料を生かす電気回路設計をしなければ効果が充分でません。
開発した材料は、とりあえず互換性のある機種のセンサー部分に置き換えました。オリジナルな製品ができましたが、まだ充分に材料の性能をだしきった製品とはいえません。
というわけで、今度は応用製品の研究になってしまった。この材料に置き換えた場合、どんな効果が得られるのであろうか？材料定数を横に並べ眺めます。
こんなあんなで、在職中に特許、実用新案は約60件ほどだしました。振り返ると、その当時はすごいエネルギーがあったなと思います。若さなのでしょう。
井の中の蛙のようなところもあったかもしれません。
それがわかりだしたのが、人事異動により営業で外回りをしていたときです。上には上がいるものです。あれにも使える、これにも使えるといろいろ言ってくれるのです。
営業にうつってから書いた特許は3件ほどですが、開発をしていたころと比べると見方がかなり違います。
材料開発の難しさ、応用製品の開発の難しさを肌で感じたサラリーマン生活でした。
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開発を振り返って
超音波に興味を持たれている方、開発を担当されている方、いかがだったでしょうか？
超音波技術のほんの一部ですが、簡単に紹介させていただきました。もう少し詳しいことを知りたい方は、以下の当時発表した論文を参考にして下さい。
製造業において、自分の開発、製作したものが世の中にでるという喜びははかりしれないものがあります。また、開発は他人の協力がなければできないということも重要なことです。皆様のご成功を期待しております。
（参考文献）
1、多孔質圧電セラミックス、第38回春季応用物理学関係連合講演会予稿集、30-p-Y-6 3.1991
2、多孔質圧電体を用いた送受波器、第8回強誘電体応用会議講演予稿集30-A-4 5.1991
3、Porous Piezoelectric Ceramic Transducer、Jap.J.Appl.Phys, Vol.30,No.9B,pp.2271-2273, 9.1991
4、Experimental Evaluation of Cylindrical Cramic Tubes Composed of Porous Pb(Zr,Ti) Ceramics、Jap.J.Appl.Phys, Vol.30,No.9B,pp.2292-2294, 9.1991
5、多孔質PZTのd33定数、第39回春季応用物理学関係連合講演会予稿集、30-p-KI-7 3.1992
6、多孔質圧電体を用いた送受波器の送受波感度特性、第9回強誘電体応用会議講演予稿集27-A-3 5.1992
7、Transmitting Properties of Porous Pb(Zr,Ti)O3 Transducer、Jap.J.Appl.Phys, Vol.31,No.9B,pp3067-3069, 9.1991
8、積層構成した多孔質圧電体を用いた送受波器、第13回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム予稿集、p.9, 11.1992
9、多孔質PZTを用いた低周波用送受波器、海洋音響学会誌、No.2,Vol.20,pp.92-94, 4.1993
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