JP2003061193A - 積層圧電振動子およびそれを用いた超音波の送受波方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い電気機械結合係数ｋ₃₃と高い静電容量で
超音波を送波でき、かつ送波時の周波数より高い周波数
で超音波を高い電気機械結合係数ｋ₃₃で受波できる圧電
振動子を提供し、かつ、その圧電振動子の特性を生かし
た超音波の送受波方法を提供する。 【解決手段】 ２層の圧電体層と１層の内部電極層とが
交互に積層された構造の積層圧電振動子において、内部
電極と連結した外部電極と、上面に前記外部電極と独立
した上部電極と、下面に前記外部電極および上部電極と
独立した下部電極を形成し、２層の圧電体層の分極の方
向を互いに逆向きに配置して積層圧電振動子を構成す
る。上記積層圧電振動子を用い、２層の圧電体層のそれ
ぞれに並列に電圧がかかるように、外部電極と上部電極
および下部電極との間で、電圧を印加して超音波を送波
し、上部電極と下部電極との間で、送波周波数の２倍波
の周波数で超音波を受波する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層圧電振動子に
関し、さらに詳しくは、超音波を送受波して得られる電
気信号を利用した超音波診断機、探傷機、検査装置など
の超音波送受波機に好適に用いられる探触子用の積層圧
電振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波送受波機は、圧電振動子を配備し
た超音波探触子に圧電振動子の厚みに相当する周波数の
電圧を印加することにより超音波を発生させ、試料物体
に超音波を照射し、試料物体より反射した超音波を超音
波探触子の圧電振動子で受けることにより、電気信号に
変換して、試料物体の観察、検査を行うものである。

【０００３】このような超音波送受波機に用いられる圧
電振動子は、従来、図４に示すように、基本的には使用
周波数に相当する厚みに調整した圧電体層１１の上面と
下面に電極ａと電極ｂを設けた構造になっている。

【０００４】圧電体の特性は、送波時においては、下記
計算式で表される圧電定数ｄ₃₃の高い方が電気的エネル
ギーを機械的エネルギーに変換するのに好都合であり、
受波時においては、圧電定数ｇ₃₃の高い方が機械的エネ
ルギーを電気的エネルギーに変換するのに好都合である
といわれている。

【０００５】言い換えると、送波時には、電気機械結合
係数ｋ₃₃が大きく、かつ誘電率ε₃₃の大きい圧電体が好
適であり、受波時には、電気機械結合係数ｋ₃₃が大き
く、誘電率ε₃₃の小さい圧電体が好適であるといわれて
いる。

【０００６】

【数１】

【０００７】

【数２】

【０００８】ｋ₃₃：電気機械結合係数 ε₃₃：応力一定の時の誘電率 Ｓ₃₃：電界一定の時の弾性コンプライアンス

【０００９】また、送波時に、より高い圧電定数ｄ₃₃を
得る目的で、図５〜図７に示すように、上面および下面
に対向する電極面を配設した圧電体層１１をそれぞれ並
列に接続することができるように複数積層した構造の積
層圧電振動子が用いられている。例えば、圧電体層を３
層積層した積層圧電振動子の場合、同一共振周波数の単
層の圧電体層からなる単層圧電振動子に比べて、各圧電
体層の厚みが１／３になり、３層であることから、約９
倍の誘電率に関係する静電容量が得られることになり、
その分、送波時の圧電定数ｄ₃₃が高くなる。

【００１０】ところで、上記のような従来の圧電振動子
では、振動子の総厚みに相当する周波数で縦振動の共振
−反共振インピーダンス特性を示し、１倍波（１／２波
長）、３倍波、５倍波などの奇数倍波が存在し、通常、
基本波（１倍波：１／２波長）が使用されている。

【００１１】また、基本波の３倍波や５倍波を用いるこ
とも考えられるが、３倍波、５倍波と高周波になるほ
ど、波形が小さく（つまり、電気機械結合係数ｋ₃₃が小
さく）なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の圧
電振動子では、同一の基本波の周波数で送受波する場
合、同じ周波数を使用するため、受波時のノイズが多く
発生するという問題があった。

【００１３】そのため、基本波の周波数で送波し、３倍
波で受波して上記問題を解消するとともに分解能を向上
させることが提案されているが、上記のように３倍波の
波形は基本波に比べて小さく（電気機械結合係数ｋ₃₃も
小さく）なるので、圧電定数ｇ₃₃が小さくなってしま
う。そこで、送波時の周波数より高い周波数で受波する
ことができる圧電定数ｇ₃₃の高い圧電振動子の出現が望
まれている。

【００１４】また、従来の積層圧電振動子では、誘電率
に関係する静電容量が高くなるので、送波時の圧電定数
ｄ₃₃が向上するぶん有用性が高くなるものの、この積層
圧電振動子でも、上記問題を解決することができなかっ
た。

【００１５】したがって、本発明は、高い圧電定数ｄ₃₃
で超音波を送波することができ、かつ、送波時の周波数
より高い周波数で超音波を高い圧電定数ｇ₃₃で受波する
ことができる圧電振動子および該圧電振動子の特性を生
かした超音波の送受波方法を提供することを目的とす
る。言い換えると、本発明は、電気機械結合係数ｋ₃₃と
高い静電容量で超音波を送波でき、かつ、送波時の周波
数より高い周波数で、従来の圧電振動子では得られなか
った非常に高い電気機械結合係数ｋ₃₃で超音波を受波す
ることができる圧電振動子と該圧電振動子の特性を生か
した超音波の送受波方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、下記の３つの態様の
積層圧電振動子とその積層圧電振動子を用いた超音波の
送受波方法に関するものである。

【００１７】まず、本発明の第１の態様の積層圧電振動
子は、２層の圧電体層と１層の内部電極層とが交互に積
層された構造の積層圧電振動子であって、内部電極と連
結した外部電極と、上面に前記外部電極とは独立した上
部電極と、下面に前記外部電極および上部電極とは独立
した下部電極とを形成し、２層の圧電体層の分極の方向
を互いに逆向きに配置したことを特徴とする積層圧電振
動子である。

【００１８】この第１の態様の積層圧電振動子を用いた
超音波の送受波方法は、上記第１の態様の積層圧電振動
子の２層の圧電体層のそれぞれに並列に電圧がかかるよ
うに、外部電極と上部電極および下部電極との間で、電
圧を印加して超音波を送波し、上部電極と下部電極との
間で、送波周波数の２倍波の周波数で超音波を受波する
ことを特徴とする超音波の送受波方法である。

【００１９】本発明の第２の態様の積層圧電振動子は、
３層の圧電体層と２層の内部電極層とが交互に積層され
た構造の積層圧電振動子であって、２層の内部電極層の
うちの一方の内部電極層と連結した一方の外部電極と、
２層の内部電極層のうちの他方の内部電極層と連結した
他方の外部電極と、上面に前記の両外部電極とは独立し
た上部電極と、下面に前記の両外部電極および上部電極
とは独立した下部電極とを形成し、隣り合う圧電体層の
分極の方向を逆向きに配置されたことを特徴とする積層
圧電振動子である。

【００２０】そして、この第２の態様の積層圧電振動子
を用いた超音波の送受波方法は、上記第２の態様の積層
圧電振動子の３層の圧電体層のそれぞれに並列に電圧が
かかるように、一方の外部電極と上部電極とからなる電
極群と下部電極と他方の外部電極とからなる電極群との
間で、電圧を印加して超音波を送波し、上部電極と下部
電極との間で、送波周波数の３倍波の周波数で超音波を
受波することを特徴とする超音波の送受波方法である。

【００２１】本発明の第３の態様の積層圧電振動子は、
ｎ層（ただし、ｎは４以上）の圧電体層とｎ−１層の内
部電極層とが交互に積層された構造の積層圧電振動子で
あって、ｎ−１層の内部電極層のうち上面から数えて偶
数位の内部電極層と連結した一方の外部電極と、ｎ−１
層の内部電極層のうち上面から数えて奇数位の内部電極
層と連結した他方の外部電極と、上面に前記の両外部電
極とは独立した上部電極と、下面に前記の両外部電極お
よび上部電極とは独立した下部電極とを形成し、隣り合
う圧電体層の分極の方向を逆向きになるように配置した
ことを特徴とする積層圧電振動子である。

【００２２】そして、この第３の態様の積層圧電振動子
を用いた超音波の送受波方法は、上記第３の態様の積層
圧電振動子のｎ層の圧電体層にそれぞれ並列に電圧がか
かるように、一方の外部電極と上部電極とからなる電極
群と下部電極と他方の外部電極とからなる電極群との間
で、電圧を印加して超音波を送波し、上部電極と下部電
極との間で、送波周波数のｎ倍波の周波数で超音波を受
波することを特徴とする超音波の送受波方法である。

【００２３】上記構成によれば、各圧電体層のそれぞれ
に並列に電圧がかかるように配設された電極間で圧電体
層の総厚みに相当する周波数の電圧を印加することによ
り、従来の積層圧電体振動子と同様の高い圧電定数ｄ₃₃
で超音波を送波でき、上部電極と下部電極との間で超音
波を受波することにより、送波時の周波数の積層数倍の
周波数で圧電定数ｇ₃₃が高く受波でき、また、積層数倍
の周波数以下の周波数では共振ピークがないため、感度
よく、しかも分解能よく受波することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１の態様の積層
圧電振動子を模式的に示し、図２に本発明の第２の態様
の積層圧電振動子を模式的に示し、図３に本発明の第３
の態様の積層圧電振動子を模式的に示す。

【００２５】まず、図１に示す本発明の第１の態様の積
層圧電振動子について説明すると、この図１に示す第１
の態様の積層圧電振動子の製造方法などについては後述
の実施例１で示すが、この第１の態様の積層圧電振動子
は圧電体層１１を２層積層したタイプのものである。な
お、この図１では、電極を形成した部分の境界線は電極
の種類にかかわらず太線で示し、圧電体層１１の電極が
形成されていない部分の稜線は細線で示している。そし
て、積層体１０の外面の電極部分には電極の種類にかか
わらずドットを付している。なお、この太線、細線、ド
ットなどによる図示内容は積層圧電振動子を示す他の図
でも同じである。

【００２６】この図１に示す本発明の第１の態様の積層
圧電振動子をより具体的に示すと、本発明の第１の態様
の積層圧電振動子は、２層の圧電体層１１と１層の内部
電極層１２とが交互に積層されていて（つまり、１層目
の圧電体層１１と２層目の圧電体層１１との間に内部電
極層１２が配置している）、外部電極１はこの内部電極
層１２と連結していて、この図１に示すものでは、その
一方の端部はそれらの圧電体層１１と内部電極１２との
積層体１０の上面の一部にも及んでいて、他方の端部は
積層体１０の下面の一部にも及んでいる。ただし、外部
電極１は、後述する上部電極２や下部電極３と独立して
内部電極層１２を外部に引き出せる構造のものであれば
よく、図１に示すように、積層体１０の上面や下面に及
んでいなくてもよい。これは、後述する図２や図３に示
す態様の積層圧電振動子における外部電極についても同
様である。

【００２７】積層体１０の上面には前記外部電極１と独
立して上部電極２が形成され、積層体１０の下面には前
記外部電極１および上部電極２と独立して下部電極３が
形成されている。そして、２層の圧電体層１１は、その
分極の方向が互いに逆向きになるように配置されてい
る。この図１では、その圧電体層１１の分極の方向を圧
電体層１１中に太い矢印で示しているが、この表示方法
は積層圧電振動子を表す他の図でも同様である。なお、
圧電体層１１の分極の方向は、隣接する圧電体層１１間
で、互いに逆向きになっていればよく、各圧電体層１１
の分極の方向は図示の方向と逆向きになっていてもよ
い。

【００２８】ここで、図１に示す本発明の第１の態様の
２層積層圧電振動子と従来の２層積層圧電振動子との相
違を明確にするために両者を対比して説明すると、図１
に示す本発明の第１の態様の２層積層圧電振動子では、
積層体１０の右側の側面に電極が存在せず、積層体１０
の外面には外部電極１と上部電極２と下部電極３との３
つの電極がそれぞれ独立して形成されているが、従来の
２層積層圧電振動子では、図５に示されているように、
積層体１０の右側の側面にも電極が存在しているため、
積層体１０の外面には内部電極層１２と連結した外部電
極１と、内部電極層１２と連結していない外部電極４と
の２つの電極のみが形成されているにすぎない。

【００２９】この図１に示す本発明の第１の態様の積層
圧電振動子を用いて超音波を送波するには、２層の圧電
体層１１のそれぞれに並列に電圧がかかるように、外部
電極１と上部電極２および下部電極３との間で、電圧を
印加して超音波を送波すればよい。そして、受波時に
は、上部電極２と下部電極３との間で、送波周波数の２
倍波の周波数で受波すればよい。

【００３０】つぎに、図２に示す本発明の第２の態様の
積層圧電振動子について説明する。この本発明の第２の
態様の積層圧電振動子では圧電体層１１を３層積層して
いて、３層の圧電体層１１と２層の内部電極層１２とが
交互に積層されていて（つまり、１層目の圧電体層１１
と２層面の圧電体層１１との間に１層目の内部電極層１
２が配置し、２層目の圧電体層１１と３層目の圧電体層
１１の間に２層目の内部電極層１２が配置している）、
外部電極は２個あり、そのうちの一方の外部電極１は２
層の内部電極層１２のうちの一方の内部電極層１２と連
結し、他方の外部電極４は２層の内部電極層のうちの他
方の内部電極層１２と連結している。つまり、図２に示
すものでは、一方の外部電極１は上面から数えて２層目
の内部電極層１２と連結し、他方の外部電極４は上面か
ら数えて１層目の内部電極層１２と連結している。そし
て、それらの圧電体層１１と内部電極層１２との積層体
１０の上面には、上記一方の外部電極１とは独立して上
部電極２が形成され、この上部電極２は他方の外部電極
４とも独立している。また、積層体１０の下面には、他
方の外部電極４とは独立して下部電極３が形成され、こ
の下部電極３は前記一方の外部電極１および上部電極２
とも独立している。なお、この図２に示す積層圧電振動
子では、その内部電極層１２が積層体１０の内部で分断
されていて、１層目の内部電極層１２、２層目の内部電
極層１２とも、積層体１０の両側面にそれらの端部が出
ているが、内部電極として有効に機能するのは、上部電
極２と１層目の内部電極層１２と２層目の内部電極層１
２と下部電極３との重なり合う部分であり、したがっ
て、一方の外部電極１と接続している内部電極層１２の
うち有効に機能するのは、２層目の内部電極層１２のみ
であり、他方の外部電極４と接続している内部電極１２
のうち有効に機能するのは、１層目の内部電極層１２の
みである。この内部電極層１２の有効部分に関しては図
６に示す場合も同様である。

【００３１】ここで、図２に示す本発明の第２の態様の
３層積層圧電振動子と従来の３層積層圧電振動子との相
違を明確にするために両者を対比して説明すると、図２
に示す本発明の第２の態様の３層積層圧電振動子では、
積層体１０の上面では２箇所電極が分断され、また、積
層体１０の下面では２箇所電極が分断されていて、その
結果、積層体１０の外面には一方の外部電極１と上部電
極２と下部電極３と他方の外部電極４との４つの電極が
それぞれ独立して形成されているが、従来の３層積層圧
電振動子では、図６に示されているように、積層体１０
の上面では１箇所のみ電極が分断され、積層体１０の下
面でも１箇所のみ電極が分断されているだけなので、積
層体１０の外面には一方の外部電極１と他方の外部電極
４との２つの電極のみが形成されているにすぎない。

【００３２】この図２に示す本発明の第２の態様の積層
圧電振動子を用いて超音波を送波するには、３層の圧電
体層１１のそれぞれに並列に電圧がかかるように、一方
の外部電極１と上部電極２とからなる電極群と下部電極
３と他方の外部電極４とからなる電極群との間、すなわ
ち、電極１−２と電極３−４との間で、電圧を印加して
超音波を送波すればよい。そして、受波するには、上部
電極２と下部電極３との間で、送波周波数の３倍波の周
波数で超音波を受波すればよい。

【００３３】つぎに、本発明の第３の態様の積層圧電振
動子について説明すると、この本発明の第３の態様の積
層圧電振動子では、圧電体層１１をｎ層（ただし、ｎは
４以上）積層していて、ｎ層の圧電体層とｎ−１層の内
部電極層１２とが交互に積層されている。外部電極は２
個あり、そのうちの一方の外部電極１は上面から数えて
偶数位の内部電極層１２と連結し、他方の外部電極４は
上面から数えて奇数位の内部電極層１２と連結してい
る。

【００３４】そして、それらの圧電体層１１と内部電極
層１２との積層体１０の上面には、一方の外部電極１と
は独立して上部電極２が形成され、この上部電極２は他
方の外部電極４とも独立している。また、積層体１０の
下面には、他方の外部電極４とは独立して下部電極３が
設けられ、この下部電極３は前記一方の外部電極１およ
び上部電極２とも独立している。

【００３５】ここで、図３に示す本発明の第３の態様の
ｎ層積層圧電振動子と従来のｎ層積層圧電振動子との相
違を明確にするために両者を対比して説明すると、図３
に示す本発明の第３の態様のｎ層積層圧電振動子では、
積層体１０の上面では２箇所電極が分断され、また、積
層体１０の下面では２箇所電極が分断されていて、その
結果、積層体１０の外面には一方の外部電極１と上部電
極２と下部電極３と他方の外部電極４との４つの電極が
それぞれ独立して形成されているが、従来のｎ層積層圧
電振動子では、図７に示されているように、積層体１０
の上面では１箇所のみ電極が分断され、積層体１０の下
面でも１箇所のみ電極が分断されているだけなので、積
層体１０の外面には一方の外部電極１と他方の外部電極
４との２つの電極のみが形成されているにすぎない。な
お、図３や図７において、点線で示している部分は、何
層か続いている圧電体層１１と内部電極層１２との積層
状態の図示を省略していることを示している。

【００３６】この図３に示す本発明の第３の態様の積層
圧電振動子を用いて超音波を送波するには、ｎ層の圧電
体層１１のそれぞれに並列に電圧がかかるように、電極
１−２と電極３−４との間で、電圧を印加して超音波を
送波すればよい。そして、受波するには、上部電極２と
下部電極３との間で、送波周波数のｎ倍波の周波数で超
音波を受波すればよい。

【００３７】なお、本発明において、複数層の圧電体層
１１のそれぞれに並列に電圧がかかるようにと表現して
いるが、これは各圧電体層１１にそれぞれ別々に同時に
同電圧がかかるようにすることを意味している。また、
積層体１０の上面や下面とは、圧電体層１１および内部
電極層１２を積層した際に積層体１０の外面における内
部電極層１２と平面な面のうちの一方の面とそれに対向
する面とをいう。また、図示した積層圧電振動子は、い
ずれも四角形状のものであるが、本発明の積層圧電振動
子の形状は、平面体でさえあればよく、例えば、円板
状、六角形、多角形、台形など、他の形状であってもよ
い。

【００３８】本発明において、圧電体層としては、例え
ば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系、チタン酸バリ
ウム（ＢＴ）系、チタン酸鉛（ＰＴ）系、チタン酸ビス
マス（ＢＩＴ）系などの圧電セラミックス、ニオブ酸亜
鉛酸チタン酸鉛（ＰＺＮＴ）系やニオブ酸マグネシウム
酸チタン酸鉛（ＰＭＮＴ）系などの圧電単結晶や、有機
系圧電体などで構成したものが用いられる。

【００３９】そして、電極は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの導電性
を有する金属を用いて形成される。そして、その電極の
形成にあたっては、使用する金属を圧電体層の種類、電
極形成方法、圧電体層の積層方法などによって使い分け
ればよい。

【００４０】電極の形成方法は、常法でよく、例えば、
焼付法、スパッタ法、メッキ法などを採用することがで
きる。電極の形成時に熱を極端にかけることができない
有機系圧電体や圧電単結晶を用いて圧電体層を作製して
いる場合には、熱があまりかからないスパッタ法やメッ
キ法などを採用することが好ましい。

【００４１】積層圧電振動子を作製するための積層方法
としては、１枚の圧電体層毎に所定の電極を形成した
後、例えば、樹脂で接着して積層したり、電極材を加熱
溶着して積層結合する方法を採用することができる。ま
た、圧電体層がセラミックスで構成されている場合に
は、圧電セラミックス粉体のグリーンシート上に、電極
をスクリーン印刷などで形成し、それらを積層し、プレ
スして積層体に成形した後、焼成して一体化する方法も
採用することができる。

【００４２】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定
されることはない。

【００４３】実施例１ チタン酸ジルコン酸鉛系粉体とバインダー、可塑剤、溶
剤、分散剤を混合し、押出成形機にて成形して、厚み
０．２５ｍｍのグリーンシートを得た。このグリーンシ
ートにＡｇＰｄ混合ぺーストをスクリーン印刷して内部
電極となる電極を形成した後、その内部電極となる電極
を形成したグリーンシートと内部電極となる電極を形成
していないグリーンシートとの２枚のグリーンシートを
金型内で積層し、加熱下でプレスして、内部電極が１層
入ったセラミックス成形体を得た。

【００４４】このセラミックス成形体を脱脂したのち、
１２００℃で２時間焼成して、内部電極内蔵のセラミッ
クス焼成体を得た。このセラミックス焼成体をダイジン
グマシーンにて一方の面には内部電極が露出するように
しつつ、他方の面には内部電極がない箇所で切断し、２
層の圧電体層の間に面積１０ｍｍ×３１ｍｍの内部電極
層が配置したサイズ１０ｍｍ×３２ｍｍ×０．４０ｍｍ
の積層体を得た。

【００４５】この積層体の上面および下面に電極形成用
のＡｇぺーストを所定パターンでスクリーン印刷し、内
部電極が露出した側面とその対向する側面にはＡｇぺー
ストへのディッピングによりＡｇぺーストを塗布し、乾
燥した後、７００℃で焼き付けて、外部電極を形成する
ことにより、対向する電極（有効電極面積１０ｍｍ×３
０ｍｍ）を形成した積層体を得た。

【００４６】つぎに、上記圧電セラミックス積層体をシ
リコンオイル中１００℃で３００Ｖの直流電圧を１０分
間印加して、分極処理を行った。このようにして得られ
た２層積層圧電体は、図５に示す従来の２層積層圧電振
動子に相当する。

【００４７】つぎに、上記２層積層圧電体の内部電極が
露出していない側の側面の電極を研磨して落とし、図１
に示す構造の実施例１の積層圧電振動子を得た。この実
施例１の積層圧電振動子の有効電極面積は１０ｍｍ×３
０ｍｍで、圧電体層１１の１層の厚みは０．２ｍｍであ
り、総厚みは０．４０ｍｍであった。

【００４８】この図１に示す実施例１の積層圧電振動子
では、前記においても説明したように、２層の圧電体層
１１と１層の内部電極層１２とが交互に積層され（つま
り、２層の圧電体層１１の間に内部電極層１２が配置し
ている）、外部電極１は内部電極１２と連結しており、
それら圧電体層１１と内部電極層１２との積層体１０の
上面には、上記外部電極１とは独立して上部電極２が形
成され、積層体１０の下面には、上記外部電極１と独立
して下部電極３が形成されている。もとより、この下部
電極３は上記上部電極２とも独立している。

【００４９】この実施例１の積層圧電振動子について、
外部電極１と電極２−３間（この電極２−３とは、上部
電極２と下部電極３とからなる電極群を示している）に
おける静電容量と１倍波の厚み方向のｋ定数（ｋｔ）を
測定した。すなわち、ＨＰ（ヒューレットパッカード社
製）のインピーダンスアナライザー４１９２Ａを用い
て、周波数−インピーダンス特性を測定し、さらに、１
ｋＨｚにて静電容量を測定した。そして、１倍波の厚み
方向のｋ定数（ｋｔ）を、日本電子材料工業界の圧電セ
ラミックス振動子の試験方法に準じて、上記で測定した
共振周波数（ｆｒ）と反共振周波数（ｆａ）から算出し
た。その結果を表１に示す。

【００５０】また、上記実施例１の積層圧電振動子につ
いて、上部電極２と下部電極３との間における周波数−
インピーダンス特性と静電容量を上記と同様に測定し、
厚み方向のｋ定数（ｋｔ）を求めた。それらの結果につ
いても表１に示す。

【００５１】比較例１ 上記実施例１の積層圧電振動子の製造工程中においてシ
リコンオイル中で分極処理を行った後、内部電極層が露
出していない側の側面の電極を研磨する前の状態のも
の、すなわち、従来の２層積層圧電振動子に相当する図
５に示す状態のものを比較例１の積層圧電振動子とし、
その比較例１の積層圧電振動子について前記実施例１と
同様に周波数−インピーダンス特性を３倍波まで測定
し、さらに、１ｋＨｚにて静電容量を測定し、かつ１倍
波と３倍波の厚み方向のｋ定数（ｋｔ）を算出した。そ
の結果を表１に示す。

【００５２】比較例２ 実施例１と同様のチタン酸ジルコン酸鉛系粉体を用い、
実施例１と同様に押出成形し、その成形物を焼成するこ
とにより、厚みが０．４０ｍｍの単層圧電セラミックス
焼成体を作製し、その焼成体の上面および下面に実施例
１と同様のＡｇぺーストをスクリーン印刷して電極を形
成して、有効電極面積が１０ｍｍ×３０ｍｍで図４に示
す構造の単層圧電振動子を得た。得られた単層圧電振動
子について、１倍波と３倍波での電気的特性を比較例１
と同様に測定した。その結果を表１に示す。なお、この
場合の分極処理は、６００Ｖの直流電圧を１０分間印加
することによって行った。

【００５３】

【表１】

【００５４】表１に示すように、実施例１の積層圧電振
動子は、送波時に使用する外部電極１と電極２−３間の
誘電率に関係する静電容量が大きく、また、受波時に関
係する上部電極２と下部電極３との間の共振ピークが外
部電極１と電極２−３間の１倍波のピークより積層倍数
（この実施例１の場合では、２倍）に相当する高い周波
数のところにあり、かつ、外部電極１と電極２−３間の
ｋｔと上部電極２と下部電極３との間のｋｔとがほとん
ど変わらなかった。そして、実施例１の積層圧電振動子
は、上部電極２と下部電極３間の誘電率に関係する静電
容量が小さいので、受波時の圧電定数ｇ₃₃が高くなるこ
とが予測され、その積層倍数の周波数より低い周波数に
は、縦振動の共振ピークが見られないので、感度よく、
しかも分解能よく受波できる。

【００５５】これに対して、比較例１の積層圧電振動子
は、従来構造の２層積層圧電振動子に相当するものであ
るが、表１に示すように、１倍波での静電容量は大きい
ものの、１倍波でのｋｔに比べて、受波時に関係する３
倍波でのｋｔが小さく、また、３倍波での静電容量も大
きく、受波時の性能が悪いことを示していた。

【００５６】また、比較例２の単層圧電振動子は、厚み
が０．４ｍｍで、実施例１の積層圧電振動子の総厚０．
４ｍｍと同厚であるが、表１に示すように、送波時に関
係する１倍波での静電容量が小さく、したがって誘電率
が小さくなり、また、１倍波でのｋｔに比べて受波時に
関係する３倍波でのｋｔが小さくなり、送波時、受波時
とも、性能が悪いことを示していた。

【００５７】実施例２ 実施例１と同様の材料を用い、グリーンシート上に所定
形状のパターンにてＡｇＰｄ混合ぺーストをスクリーン
印刷して内部電極を形成し、以後、実施例１と同様の操
作を経て、３層の圧電体層と２層の内部電極層とが交互
に積層された焼成体を得た。このセラミックス焼成体の
内部電極層の面積は２層とも１０ｍｍ×３１ｍｍであ
り、全体のサイズは１０ｍｍ×３２ｍｍ×０．６０ｍｍ
であった。つぎに、このセラミックス焼成体を実施例１
と同様に外部電極を形成し、分極処理することにより、
対向する外部電極（有効電極面積１０ｍｍ×３０ｍｍ）
を設けた３層積層圧電体を得た。なお、この３層積層圧
電体は、後に比較例３として示す従来の３層積層圧電振
動子に相当するものであり、その構造を図６に示してい
る。

【００５８】つぎに、上記３層積層圧電体を、上部電極
２および下部電極３を形成するため、直列に電圧をかけ
ることができるように、その上面および下面について、
内部電極層とつながった電極側面の端から所定の位置に
て、それぞれ側面の辺に平行にダイングマシーンを用い
て電極を削り取り、図２に示す構造の実施例２の３層積
層圧電振動子を得た。この実施例２の３層積層圧電振動
子はその有効電極面積が１０ｍｍ×３０ｍｍであり、そ
の圧電体層の１層当たりの厚みは０．２ｍｍで、総厚み
は０．６０ｍｍであった。

【００５９】この実施例２の３層積層圧電振動子の構造
については、前記したように、３層の圧電体層１１と２
層の内部電極層１２とが交互に積層され、一方の外部電
極１は積層体１０の上面から数えて２番目の内部電極１
２と連結し、他方の外部電極４は積層体１０の上面から
数えて１番目の内部電極１２と連結している。そして、
積層体１０の上面には上記一方の外部電極１と独立した
上部電極２が形成され、この上部電極２は他方の外部電
極４とも独立している。また、積層体１０の下面には、
他方の外部電極４と独立した下部電極３が形成され、こ
の下部電極３は一方の外部電極１および上部電極２とも
独立している。

【００６０】この実施例２の３層積層圧電振動子につい
て、その電極１−２と電極３−４間における静電容量と
１倍波の厚み方向のｋ定数（ｋｔ）を前記実施例１の場
合と同様に測定・算出した。その結果を表２に示す。ま
た、この実施例２の３層積層圧電振動子について、上部
電極２と下部電極３との間で上記同様に静電容量と厚み
方向のｋ定数（ｋｔ）の測定・算出を行った。その結果
も表２を示す。

【００６１】比較例３ 上記実施例２の３層積層圧電振動子の製造工程中におい
て分極処理後でダイジングマシーンで上面および下面の
電極を削り取る前の図６に示す構造の３層積層圧電体を
比較例３の３層積層圧電振動子とし、この比較例３の３
層積層圧電振動子について、比較例１とほぼ同様に電気
的特性を測定・算出した。その結果を表２に示す。

【００６２】比較例４ 単層圧電振動子の厚みを比較例２の０．４０ｍｍから
０．６０ｍｍに変え、分極処理時の印加電圧を９００Ｖ
に変えた以外は、比較例２と同様に図４に示す構造の単
層圧電振動子を作製し、比較例２と同様に電気的特性を
測定した。その結果を表２に示す。

【００６３】

【表２】

【００６４】表２に示す結果から明らかなように、実施
例２の３層積層圧電振動子は、送波時に関係する電極１
−２と電極３−４間の静電容量が大きく、また、受波時
に関係する上部電極２と下部電極３との間の共振ピーク
が電極１−２と電極３−４間の１倍波のピークより積層
数倍（この実施例２の場合は、３倍）に相当する高い周
波数のところにあり、かつ電極１−２と電極３−４間の
ｋｔと上部電極２と下部電極３との間のｋｔとが変わら
ず、しかも、そのときの静電容量が小さく、送波時、受
波時とも、性能が優れていることを示していた。

【００６５】これに対して、従来の３層積層圧電振動子
に相当する比較例３の３層積層圧電振動子は、表２に示
すように、送波時に関係する１倍波での静電容量が大き
いものの、そのときのｋｔに比べて受波時に関係する３
倍波でのｋｔが小さく、しかも、そのときの静電容量が
大きく、送波時の性能は良好であるものの、受波時の性
能が悪いことを示していた。

【００６６】また、比較例４の単層圧電振動子は、厚み
が０．６０ｍｍであって、実施例２の３層積層圧電振動
子の総厚と同じであるが、表２に示すように、送波時に
関係する１倍波での静電容量が小さく、また、そのとき
のｋｔに比べて受波時に関係する３倍波でのｋｔが小さ
く、送波時、受波時とも、性能が悪いことを示してい
た。

【００６７】実施例３ 実施例１と同様にチタン酸ジルコン酸鉛系粉体を用い、
実施例１と同様にグリーンシートを作製し、焼成後、２
０００♯の砥粒の研磨粉を用いて平面ラップして、厚み
が０．１９８ｍｍの圧電セラミックス板を得た。

【００６８】上記圧電セラミックス板に対してスクリー
ン印刷で所定の形状にマスキング材を印刷し、マスキン
グ材を硬化させた後、Ｎｉの無電解メッキでＮｉ層を形
成し、さらにその表面にＡｕの電解メッキでＡｕ層を形
成した後、マスキング材を除去して、有効電極面積が１
０ｍｍ×３０ｍｍで、Ｎｉ層の厚みが０．７μｍ、Ａｕ
層の厚みが０．３μｍのパターン電極を有する、全サイ
ズが１０ｍｍ×３２ｍｍ×０．２０ｍｍのセラミックス
圧電体を得た。

【００６９】上記セラミックス圧電体を３層エポキシ系
接着材で接着して、図２に相当する構造で分極処理され
ていない３層積層圧電体を得た。

【００７０】この３層積層圧電体の外部電極１と上部電
極２および下部電極３と外部電極４とを外部で電気的に
接続した状態で、電極１−２と電極３−４の間に直流電
圧３００Ｖをシリコンオイル中１００℃で印加して分極
処理を行い、実施例３の３層積層圧電振動子を得た。

【００７１】この実施３の３層積層圧電振動子の有効電
極面積は１０ｍｍ×３０ｍｍであり、圧電体層の１層当
たりの厚みは０．２０ｍｍで、総厚みは０．６０ｍｍで
あった。この実施例３の３層積層圧電振動子は、その製
造方法が異なることによって、微細な点において若干の
相違があるものの、基本的には図２に示す実施例２の３
層積層圧電振動子と同様の構造を有している。

【００７２】この実施例３の３層積層圧電振動子につい
て、その外部電極１と上部電極２および下部電極３と外
部電極４とを外部で電気的に接続し、電極１−２と電極
３−４との間における静電容量と１倍波の厚み方向の定
数（ｋｔ）を実施例１と同様に測定・算出した。その結
果を表３に示す。また、この実施例３の３層積層圧電振
動子について、その外部電極１と上部電極２との間およ
び下部電極３と外部電極４との間をオープン状態にし、
上記電極２と下部電極３との間で上記と同様に静電容量
と厚み方向の定数（ｋｔ）の測定・算出を行った。その
結果も表３に示す。

【００７３】

【表３】

【００７４】表３に示す結果から明らかなように、この
実施例３の３層積層圧電振動子も、送波時に関係する電
極１−２と電極３−４間の静電容量が大きく、また、受
波時に関係する上部電極２と下部電極３との間の共振ピ
ークが電極１−２と電極３−４間の１倍波のピークより
積層数倍（この実施例３の場合は、３倍）に相当する高
い周波数のところにあり、かつ電極１−２と電極３−４
間のｋｔと上部電極２と下部電極３との間のｋｔとが変
わらず、しかも、そのときの静電容量が小さく、前記実
施例２の３層積層圧電振動子と同様に、送波時、受波時
とも、性能が優れていることを示していた。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の積層圧電
振動子は、送波時の静電容量が大きく、また、そのとき
のｋｔと受波時の高い周波数でのｋｔとがほとんど変わ
らず、しかも、受波時の静電容量が小さいので、送波
時、受波時とも、性能が優れていた。また、本発明の積
層圧電振動子は、受波時に、その積層数倍の周波数より
低い周波数帯では、縦振動の共振ピークが見られないの
で、本発明の積層圧電振動子を用いて、超音波を送受波
することにより、分解能と感度が非常に向上した超音波
送受波機が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態様の積層圧電振動子を模式的
に示す図である。

【図２】本発明の第２の態様の積層圧電振動子を模式的
に示す図である。

【図３】本発明の第３の態様の積層圧電振動子を模式的
に示す図である。

【図４】従来の単層圧電振動子を模式的に示す図であ
る。

【図５】従来の２層積層圧電振動子を模式的に示す図で
ある。

【図６】従来の３層積層圧電振動子を模式的に示す図で
ある。

【図７】従来のｎ層（ただし、ｎは４以上）積層圧電振
動子を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ 一方の外部電極 ２ 上部電極 ３ 下部電極 ４ 他方の外部電極 １０ 積層体 １１ 圧電体層 １２ 内部電極層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年８月９日（２００２．８．９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項６

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】そして、この第３の態様の積層圧電振動子
を用いた超音波の送受波方法は、上記第３の態様の積層
圧電振動子のｎ層の圧電体層にそれぞれ並列に電圧がか
かるように、ｎが奇数の時は、一方の外部電極と上部電
極とからなる電極群と下部電極と他方の外部電極とから
なる電極群との間で、電圧を印加して超音波を送波し、
ｎが偶数の時は、一方の外部電極と上部電極と下部電極
とからなる電極群と他方の外部電極との間で、電圧を印
加して超音波を送波し、上部電極と下部電極との間で、
送波周波数のｎ倍波の周波数で超音波を受波することを
特徴とする超音波の送受波方法である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】この図３に示す本発明の第３の態様の積層
圧電振動子を用いて超音波を送波するには、ｎ層の圧電
体層１１のそれぞれに並列に電圧がかかるように、この
場合、ｎが奇数であるので、電極１−２と電極３−４と
の間で、電圧を印加して超音波を送波すればよい。そし
て、受波するには、上部電極２と下部電極３との間で、
送波周波数のｎ倍波の周波数で超音波を受波すればよ
い。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】このセラミックス成形体を脱脂したのち、
１２００℃で２時間焼成して、内部電極内蔵のセラミッ
クス焼成体を得た。このセラミックス焼成体をダイシン
グマシーンにて一方の面には内部電極が露出するように
しつつ、他方の面には内部電極がない箇所で切断し、２
層の圧電体層の間に面積１０ｍｍ×３１ｍｍの内部電極
層が配置したサイズ１０ｍｍ×３２ｍｍ×０．４０ｍｍ
の積層体を得た。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】つぎに、上記３層積層圧電体を、上部電極
２および下部電極３を形成するため、直列に電圧をかけ
ることができるように、その上面および下面について、
内部電極層とつながった電極側面の端から所定の位置に
て、それぞれ側面の辺に平行にダイシングマシーンを用
いて電極を削り取り、図２に示す構造の実施例２の３層
積層圧電振動子を得た。この実施例２の３層積層圧電振
動子はその有効電極面積が１０ｍｍ×３０ｍｍであり、
その圧電体層の１層当たりの厚みは０．２ｍｍで、総厚
みは０．６０ｍｍであった。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６１】比較例３ 上記実施例２の３層積層圧電振動子の製造工程中におい
て分極処理後でダイシングマシーンで上面および下面の
電極を削り取る前の図６に示す構造の３層積層圧電体を
比較例３の３層積層圧電振動子とし、この比較例３の３
層積層圧電振動子について、比較例１とほぼ同様に電気
的特性を測定・算出した。その結果を表２に示す。

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

フロントページの続き (72)発明者 巳鼻 浩之 大阪市大正区船町１丁目３番47号 テイカ 株式会社内 Ｆターム(参考） 5D019 AA08 BB14 BB29 FF04 FF05 5J108 AA09 BB01 BB04 CC04 CC13 FF03 JJ01 KK01 KK02 KK07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２層の圧電体層と１層の内部電極層とが
   交互に積層された構造の積層圧電振動子であって、内部
   電極と連結した外部電極と、上面に前記外部電極と独立
   した上部電極と、下面に前記外部電極および上部電極と
   独立した下部電極とを有し、２層の圧電体層の分極の方
   向が互いに逆向きに配置されていることを特徴とする積
   層圧電振動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の積層圧電振動子を用い、
   ２層の圧電体層のそれぞれに並列に電圧がかかるよう
   に、外部電極と上部電極および下部電極との間で、電圧
   を印加して超音波を送波し、上部電極と下部電極との電
   極間で、送波周波数の２倍波の周波数で超音波を受波す
   ることを特徴とする超音波の送受波方法。
3. 【請求項３】 ３層の圧電体層と２層の内部電極層とが
   交互に積層された構造の積層圧電振動子であって、２層
   の内部電極層のうちの一方の内部電極層と連結した一方
   の外部電極と、２層の内部電極層のうちの他方の内部電
   極層と連結した他方の外部電極と、上面に前記の両外部
   電極と独立した上部電極と、下面に前記の両外部電極お
   よび上部電極と独立した下部電極とを有し、隣り合う圧
   電体層の分極の方向が逆向きに配置されていることを特
   徴とする積層圧電振動子。
4. 【請求項４】 請求項３記載の積層圧電振動子を用い、
   ３層の圧電体層のそれぞれに並列に電圧がかかるよう
   に、一方の外部電極と上部電極とからなる電極群と下部
   電極と他方の外部電極とからなる電極群との間で、電圧
   を印加して超音波を送波し、上部電極と下部電極との間
   で、送波周波数の３倍波の周波数で超音波を受波するこ
   とを特徴とする超音波の送受波方法。
5. 【請求項５】 ｎ層（ただし、ｎは４以上）の圧電体層
   とｎ−１層の内部電極層とが交互に積層された構造の積
   層圧電振動子であって、ｎ−１層の内部電極層のうち上
   面から数えて偶数位の内部電極層と連結した一方の外部
   電極と、ｎ−１層の内部電極層のうち上面から数えて奇
   数位の内部電極層と連結した他方の外部電極と、上面に
   前記の両外部電極と独立した上部電極と、下面に前記の
   両外部電極および上部電極と独立した下部電極とを有
   し、隣り合う圧電体層の分極の方向が逆向きになるよう
   に配置されていることを特徴とする積層圧電振動子。
6. 【請求項６】 請求項５記載の積層圧電振動子を用い、
   ｎ層の圧電体層のそれぞれに並列に電圧がかかるよう
   に、一方の外部電極と上部電極とからなる電極群と下部
   電極と他方の外部電極とからなる電極群との間で、電圧
   を印加して超音波を送波し、上部電極と下部電極との間
   で、送波周波数のｎ倍波の周波数で超音波を受波するこ
   とを特徴とする超音波の送受波方法。