圧電セラミックス/ポリマー複合円筒型振動子の作製(1)

トランスデューサ アレイはソナー システムの重要なコンポーネントです。電気音響エネルギーの相互変換を実現するデバイスです。トランスデューサとトランスデューサ アレイの性能は、主にトランスデューサ材料の性能、構造、製造プロセスに依存します。現在、水中音響トランスデューサのほとんどは、エネルギー変換材料としてチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックス（PZT）を使用しており、高い電気機械結合係数、低損失、製造が容易、低価格という利点があります。しかし、圧電セラミックスの特性インピーダンスが高いため、負荷が水や生体組織の場合、負荷との整合が難しく、反射損失が大きくなります。 ピエゾセラミックリングが大きく、横方向の結合が強い。 界面のこのため、厚み振動型トランスデューサは周波数帯域が狭く、Q値が高く、感度が低いなどの欠点を持ったものが作られています。 1-3 タイプの圧電複合材料は、高分子相により特性インピーダンス、Q 値、誘電率、横方向電気機械結合係数が低く、厚みのある電気機械結合係数が高くなります。省エネ機器に最適な素材です。同じサイズの1-3圧電複合材料と通常のPZTディスクで作られたピストントランスデューサの性能を測定し、空気中および水中での2つのトランスデューサのアドミッタンス曲線と透過率を取得しました。電圧応答、受信感度、指向性のプロットです。そして、比較分析を通じて、1-3 タイプの圧電複合材料トランスデューサは、通常の PZT 圧電トランスデューサと比較して、送受信性能が大幅に向上していると結論付けられました。改良された 1-3 (1-3-2) 圧電複合材は、1-3 の優れた電気音響特性を保持しています。 PZT5 圧電セラミック 複合材料であり、優れた温度と圧力の安定性を備えており、水中音響トランスデューサーの準備に非常に適しています。本稿では、1-2-3圧電複合材料を用いて円筒形の水中音響トランスデューサを設計・製作し、そのアドミタンス、送信電圧応答、受信感度、指向性を測定した。

圧電複合材料の構造と作製

圧電複合材料は、1～3種類の圧電複合材料と圧電セラミック基板をセラミックの分極方向に沿って直列に接続して構成されています。この構造は、分極方向に対して平行および垂直に硬い圧電セラミックスを支持しており、1-3 タイプの複合材料よりも安定しています。 1-3 圧電複合材料のすべての利点を保持するだけでなく、高温でも変形しにくく、耐熱性と外部衝撃に対する耐性が優れています。圧電複合材料は、切削充填法により作製される。圧電セラミックスには中国科学院音響研究所が製造したPZT-5Aを使用しています。工場出荷時には極性が決められています。自動切断機を用いて、ピエゾセラミックスの分極軸に直交する面を、基板の厚みを一定に保ちながら直交する2方向に切断し、セラミックス骨格を形成します。適切な量​​の硬化剤を含むポリマーをセラミックフレームワーク（つまり、無錫樹脂工場で製造されたエポキシ樹脂WRS618）に注入し、真空エジェクターバブルを真空にして室温で硬化させて複合材料を作成し、これを研削または切断してブランクを成形します。高真空マグネトロンスパッタリング装置を用いて複合材料サンプルを形成し、最後にサンプル表面に電極を被覆した。以上の工程により、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１０ｍｍの１−３−２圧電セラミックス／ポリマー複合シートを２枚作製した。セラミックピラーの幅とピラー間のエポキシ樹脂の幅はそれぞれ 0.9 mm と 0.45 mm、セラミックピラーの厚さは 0.45 mm です。 圧電シリンダートランスデューサー
 は 1 mm です。複合材料の厚さ方向に沿って、２枚の複合材料を切断して、長さ１０ｍｍ、幅６．５、厚さ１０ｍｍの複合材料ウエハ２４枚を作製した。各圧電ウエハの共振性能を測定し、そのうち 18 枚を選択して 2 枚の交換用ウエハを作成しました。トランスデューサの各素子の性能測定結果、各ピエゾ素子の性能の一貫性は良好であり、その共振周波数はほぼ同じでした。この図は、アレイ要素の 1 つのアドミッタンス測定曲線を示しています。アレイ要素はすべてそれに類似しています。 

圧電円筒型振動子の構造と製造工程

3.1 トランスデューサの構造

複数の 1-3-2 圧電複合材料を円周に沿って均一に配置して円形アレイを形成し、円筒形のトランスデューサを作成します。トランスデューサの構造は画像に示されています。現在、この構造のトランスデューサは発見されておらず、関連する研究報告もある。

複合円筒形圧電トランスデューサは、複合要素、銅裏当て、ブラケット、およびカバープレートで構成されています。 18 個の複合 PZT 材料要素がリング状の銅支持体の溝に円周に沿って均等に配置され、複合材料要素の底面が導電性接着剤で銅支持体に接着されます。このようにして、銅の裏打ちはアレイ要素の位置を特定するだけでなく、振動変位を強化することもできます。導電性接着剤の使用により、複合要素の下部電極はバッキングに接続され、電極リードプロセスが簡素化されます。このようにして、下部電極リード（信号線）を銅管バッキングの内側壁から引き出し、シャフトケーブルの同じ信号ケーブルに接続することができる。そして、ブラケットとエンドカバーでそれぞれ銅バッキングを２方向から挟み込んで固定します。バッキング、ブラケット、エンドカバーは硬質フォームワッシャーで絶縁され、複合材料ピエゾ素子の外部電極が同軸ケーブルのシールド線に接続され、防水ジョイントまたは防水接着剤でシールされます。最後に金型に入れ、厚さ約2mmのポリウレタンを流し込み、防水・通音・密閉層を形成します。上記のプロセスを使用して、2 つの同一の円筒形トランスデューサーを試作し、組み立て後の円筒形トランスデューサーの全体の寸法は 70 mm × 15 mm でした。