JP2003153390A - 音響変換器 - Google Patents
音響変換器Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 積層数を増やさずにより大きな電界強度が得
られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも大きな機
械変位を得ることができる音響変換器を提供する。 【解決手段】 本発明の音響変換器は、振動子Ｅ１が２
層の圧電層１、２より構成され、圧電層１、２の分極方
向が互いに逆向きに対向し、圧電層１、２の境界面が分
極方向に直交する方向となり、境界面に内部電極４が設
けられ、境界面とは反対側の圧電層１、２の面に外部電
極３、５が設けられ、分極方向と直交する方向を音波放
射方向とし、振動子Ｅ１の音波放射方向の面に接続電極
６が設けられ、振動子Ｅ１が分極方向に複数配列され、
振動子Ｅ１の分極方向の幅Ｗ１と、音波放射方向の厚み
Ｔに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８である構成を有する。
られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも大きな機
械変位を得ることができる音響変換器を提供する。 【解決手段】 本発明の音響変換器は、振動子Ｅ１が２
層の圧電層１、２より構成され、圧電層１、２の分極方
向が互いに逆向きに対向し、圧電層１、２の境界面が分
極方向に直交する方向となり、境界面に内部電極４が設
けられ、境界面とは反対側の圧電層１、２の面に外部電
極３、５が設けられ、分極方向と直交する方向を音波放
射方向とし、振動子Ｅ１の音波放射方向の面に接続電極
６が設けられ、振動子Ｅ１が分極方向に複数配列され、
振動子Ｅ１の分極方向の幅Ｗ１と、音波放射方向の厚み
Ｔに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８である構成を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響変換器に係わ
り、とりわけ低電圧での駆動が可能な音響変換器に関す
る。
り、とりわけ低電圧での駆動が可能な音響変換器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、低電圧での駆動が可能な超音波変
換器などの音響変換器は例えば特開平11-299779号公報
に記載されたものがある。
換器などの音響変換器は例えば特開平11-299779号公報
に記載されたものがある。
【０００３】図８は、従来の音響変換器の構成図を示
し、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃは音波放射方向
（３）に積層され、電極７７、８０は導電膜８４で電気
的に接続され、電極７８、７９は導電膜８５で電気的に
接続されている。電極７７には信号線８７が設けられ、
電極７８には信号線８８が設けられ、電気的に駆動され
る。従来の音響変換器は、このような積層構造とするこ
とにより、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃにかかる電気
信号の電界強度は、単一層の場合に比べ大となり、小さ
な駆動電圧でも大きな機械変位を得ることができる。
し、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃは音波放射方向
（３）に積層され、電極７７、８０は導電膜８４で電気
的に接続され、電極７８、７９は導電膜８５で電気的に
接続されている。電極７７には信号線８７が設けられ、
電極７８には信号線８８が設けられ、電気的に駆動され
る。従来の音響変換器は、このような積層構造とするこ
とにより、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃにかかる電気
信号の電界強度は、単一層の場合に比べ大となり、小さ
な駆動電圧でも大きな機械変位を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
音響変換器においては、より大きな電界強度を得るため
には、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃの積層数を増やさ
なければならないという問題を有していた。
音響変換器においては、より大きな電界強度を得るため
には、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃの積層数を増やさ
なければならないという問題を有していた。
【０００５】本発明は、このような従来の問題を解決す
るためになされたもので、積層数を増やさずにより大き
な電界強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電
圧でも大きな機械変位を得ることができる音響変換器を
提供するものである。
るためになされたもので、積層数を増やさずにより大き
な電界強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電
圧でも大きな機械変位を得ることができる音響変換器を
提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の音響変換器は、
振動子が複数の圧電層より構成され、隣接する前記圧電
層の分極方向が互いに逆向きに対向し、前記隣接する圧
電層の境界面が前記分極方向に直交する方向となり、前
記境界面に内部電極が設けられ、最外層の前記圧電層に
おいて前記境界面とは反対側の面に外部電極が設けら
れ、前記分極方向と直交する方向を音波放射方向とし、
前記振動子の前記音波放射方向の面に接続電極が設けら
れ、前記振動子が前記分極方向に複数配列され、前記振
動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、前記音波放射方向の厚
みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８である構成を有する。
振動子が複数の圧電層より構成され、隣接する前記圧電
層の分極方向が互いに逆向きに対向し、前記隣接する圧
電層の境界面が前記分極方向に直交する方向となり、前
記境界面に内部電極が設けられ、最外層の前記圧電層に
おいて前記境界面とは反対側の面に外部電極が設けら
れ、前記分極方向と直交する方向を音波放射方向とし、
前記振動子の前記音波放射方向の面に接続電極が設けら
れ、前記振動子が前記分極方向に複数配列され、前記振
動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、前記音波放射方向の厚
みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８である構成を有する。
【０００７】この構成により、電極間を接続する導電膜
を用いることなく、積層数を増やさずにより大きな電界
強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも
大きな機械変位を得ることができる。
を用いることなく、積層数を増やさずにより大きな電界
強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも
大きな機械変位を得ることができる。
【０００８】また、前記分極方向の幅Ｗ１は、前記音波
放射方向に関して単調に変化する構成を有する。
放射方向に関して単調に変化する構成を有する。
【０００９】この構成により、広帯域な音響変換器を得
ることができる。
ることができる。
【００１０】また、前記圧電層の数が偶数であり、前記
接続電極が前記振動子の２個の外部電極に接続する構成
を有する。
接続電極が前記振動子の２個の外部電極に接続する構成
を有する。
【００１１】この構成により、信号線の取出しが容易な
音響変換器を得ることができる。
音響変換器を得ることができる。
【００１２】また、前記圧電層の数が４個以上であり、
複数の前記内部電極に接続する内部接続電極を備える構
成を有する。
複数の前記内部電極に接続する内部接続電極を備える構
成を有する。
【００１３】この構成により、信号線の取出しが容易な
音響変換器を得ることができる。
音響変換器を得ることができる。
【００１４】また、前記接続電極の上に音響整合層が設
けられる構成を有する。
けられる構成を有する。
【００１５】この構成により、音響整合層を容易に設け
ることができる。
ることができる。
【００１６】また、前記接続電極は、音響整合層の作用
を有する構成を有する。
を有する構成を有する。
【００１７】この構成により、音響整合層を容易に設け
ることができ、接続電極を簡潔にすることができる。
ることができ、接続電極を簡潔にすることができる。
【００１８】また、予め配列された複数の前記振動子に
設けられた前記外部電極が互いに接続される構成を有す
る。
設けられた前記外部電極が互いに接続される構成を有す
る。
【００１９】この構成により、複数の振動子の接続が容
易にできる。
易にできる。
【００２０】また、前記振動子が前記分極方向に直交す
る方向にも配列され、２次元配列とした構成を有する。
る方向にも配列され、２次元配列とした構成を有する。
【００２１】この構成により、低電圧駆動が可能な２次
元配列の音響変換器を容易に得ることができる。
元配列の音響変換器を容易に得ることができる。
【００２２】さらに、前記振動子の前記分極方向に直交
する方向の幅Ｗ２に対して、Ｗ２／Ｔ＜０．８である構
成を有する。
する方向の幅Ｗ２に対して、Ｗ２／Ｔ＜０．８である構
成を有する。
【００２３】この構成により、広帯域な２次元配列の音
響変換器を得ることができる。
響変換器を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。
て、図面を用いて説明する。
【００２５】図１は、本発明の第１の実施形態の音響変
換器の構成図を示す。
換器の構成図を示す。
【００２６】図１において、圧電層１および圧電層２
は、例えば圧電セラミックス、とりわけ電気機械結合係
数ｋの大きな材料が用いられる。矢印で示す圧電層１の
分極方向Ｐ１と、矢印で示す圧電層２の分極方向Ｐ２は
互いに逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）
に直交する。内部電極４は圧電層１、２の境界に設けら
れる。圧電層１と２の境界は分極方向Ｐ１、Ｐ２と直交
する。外部電極３は圧電層１に関して内部電極４とは反
対側に設けられる。外部電極５は圧電層２に関して電極
４とは反対側に設けられる。外部電極３、５は接続電極
６により接続される。圧電層１、２、外部電極３、５、
内部電極４、接続電極６により、振動子Ｅ１を構成す
る。圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２と同一方向に配
列方向（１）が選ばれ、配列方向（１）には振動子Ｅ２
が配列される。
は、例えば圧電セラミックス、とりわけ電気機械結合係
数ｋの大きな材料が用いられる。矢印で示す圧電層１の
分極方向Ｐ１と、矢印で示す圧電層２の分極方向Ｐ２は
互いに逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）
に直交する。内部電極４は圧電層１、２の境界に設けら
れる。圧電層１と２の境界は分極方向Ｐ１、Ｐ２と直交
する。外部電極３は圧電層１に関して内部電極４とは反
対側に設けられる。外部電極５は圧電層２に関して電極
４とは反対側に設けられる。外部電極３、５は接続電極
６により接続される。圧電層１、２、外部電極３、５、
内部電極４、接続電極６により、振動子Ｅ１を構成す
る。圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２と同一方向に配
列方向（１）が選ばれ、配列方向（１）には振動子Ｅ２
が配列される。
【００２７】信号線７は、振動子Ｅ１の接続電極６と、
振動子Ｅ２の接続電極（図示せず）とに接続される。信
号線８は振動子Ｅ１の内部電極４に接続される。信号線
９は振動子Ｅ２の内部電極（図示せず）に接続される。
圧電層２の分極方向Ｐ２は圧電層１の分極方向Ｐ１とは
逆向きで対向しているが、一方、電界の向きも逆になる
ように接続電極６を電極３、５に接続しているので、圧
電層１、２は互いに同相で伸縮する。
振動子Ｅ２の接続電極（図示せず）とに接続される。信
号線８は振動子Ｅ１の内部電極４に接続される。信号線
９は振動子Ｅ２の内部電極（図示せず）に接続される。
圧電層２の分極方向Ｐ２は圧電層１の分極方向Ｐ１とは
逆向きで対向しているが、一方、電界の向きも逆になる
ように接続電極６を電極３、５に接続しているので、圧
電層１、２は互いに同相で伸縮する。
【００２８】音響整合層１０は接続電極６上に設けられ
る。背面負荷１１は圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２
と平行な面に設けられる。音響整合層１０と背面負荷１
１は圧電層１、２の互いに対向する面に設けられる。振
動子Ｅ１、Ｅ２、信号線７、８、９などにより音響変換
器を構成する。音響変換器の音波放射方向（３）の面側
に被検体（図示せず）は配置される。
る。背面負荷１１は圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２
と平行な面に設けられる。音響整合層１０と背面負荷１
１は圧電層１、２の互いに対向する面に設けられる。振
動子Ｅ１、Ｅ２、信号線７、８、９などにより音響変換
器を構成する。音響変換器の音波放射方向（３）の面側
に被検体（図示せず）は配置される。
【００２９】図２は、本発明の第１の実施形態の音響変
換器における周波数特性図を示し、図１に示す分極方向
の幅Ｗ１＝０．２４ｍｍと、音波放射方向の厚みＴ＝
０．４８ｍｍと、Ｗ１／Ｔ＝０．５との断面を有する振
動子の共振特性を示す。
換器における周波数特性図を示し、図１に示す分極方向
の幅Ｗ１＝０．２４ｍｍと、音波放射方向の厚みＴ＝
０．４８ｍｍと、Ｗ１／Ｔ＝０．５との断面を有する振
動子の共振特性を示す。
【００３０】以上のように構成された音響変換器につい
て、図１、図２を用いてその動作を説明する。
て、図１、図２を用いてその動作を説明する。
【００３１】図２において、縦軸は振動子Ｅ１、Ｅ２の
インピーダンス（相対値）、横軸は周波数である。振動
子Ｅ１、Ｅ２は、共振周波数ｆｒ１が２．９１ＭＨｚ
で、音波放射方向（３）の振動が励振される。また、そ
の反共振周波数ｆａｒ１は３．４３ＭＨｚであり、電気
機械結合係数ｋは５７％となる。
インピーダンス（相対値）、横軸は周波数である。振動
子Ｅ１、Ｅ２は、共振周波数ｆｒ１が２．９１ＭＨｚ
で、音波放射方向（３）の振動が励振される。また、そ
の反共振周波数ｆａｒ１は３．４３ＭＨｚであり、電気
機械結合係数ｋは５７％となる。
【００３２】共振周波数ｆｒ２においては、配列方向
（１）の振動が励振される。Ｗ１／Ｔの値が１に近づく
につれ、共振周波数ｆｒ１とｆｒ２の値が近づき、音波
放射方向（３）の振動を広い周波数に亘って励振するこ
とが難しいため、音波放射方向（３）の振動を広い周波
数に亘って励振するにはＷ１／Ｔ＜０．８とし、共振周
波数ｆｒ１とｆｒ２の値を離すことが望ましい。圧電層
１にかかる電界強度は電極３、４の間の距離に反比例す
る。従って、振動子の幅Ｗ１を狭めれば、積層数を増や
さなくても電界強度を上げ、小さな電圧で、大きな機械
変位を得ることができる。
（１）の振動が励振される。Ｗ１／Ｔの値が１に近づく
につれ、共振周波数ｆｒ１とｆｒ２の値が近づき、音波
放射方向（３）の振動を広い周波数に亘って励振するこ
とが難しいため、音波放射方向（３）の振動を広い周波
数に亘って励振するにはＷ１／Ｔ＜０．８とし、共振周
波数ｆｒ１とｆｒ２の値を離すことが望ましい。圧電層
１にかかる電界強度は電極３、４の間の距離に反比例す
る。従って、振動子の幅Ｗ１を狭めれば、積層数を増や
さなくても電界強度を上げ、小さな電圧で、大きな機械
変位を得ることができる。
【００３３】振動子Ｅ１、Ｅ２には音響整合層１０が設
けられ、電気音響変換の効率、周波数特性が改善され
る。また、振動子Ｅ１、Ｅ２には背面負荷１２が設けら
れ音響変換器の周波数特性が改善される。
けられ、電気音響変換の効率、周波数特性が改善され
る。また、振動子Ｅ１、Ｅ２には背面負荷１２が設けら
れ音響変換器の周波数特性が改善される。
【００３４】図３は、本発明の第１の実施形態の音響変
換器における振動子の１次元配列の斜視図を示す。
換器における振動子の１次元配列の斜視図を示す。
【００３５】図３において、圧電層２１は直方体であ
り、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行で
ある。圧電層２２は、圧電層２１と同一形状である。圧
電層２２の分極方向Ｐ２と圧電層２１の分極方向Ｐ１は
逆向きに対向している。圧電層２１と圧電層２２などに
より振動子Ｅ１を構成する。振動子Ｅ１の、配列方向
(１)の幅はＷ１で、音波放射方向の厚みはＴである。音
波放射方向（３）および配列方向（１）のいずれにも直
交する短軸方向（２）に関し、振動子Ｅ１の長さはＬで
ある。振動子Ｅ１の短軸方向（２）の長さＬは、振動子
の厚みＴよりも十分に大きい。振動子Ｅ１と同一構成の
振動子Ｅ２、Ｅ３が配列方向（１）に配列される。振動
子Ｅ１〜Ｅ３には背面負荷２５が設けられる。以上のよ
うに構成された音響変換器は図１の場合と同様に動作す
る。
り、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行で
ある。圧電層２２は、圧電層２１と同一形状である。圧
電層２２の分極方向Ｐ２と圧電層２１の分極方向Ｐ１は
逆向きに対向している。圧電層２１と圧電層２２などに
より振動子Ｅ１を構成する。振動子Ｅ１の、配列方向
(１)の幅はＷ１で、音波放射方向の厚みはＴである。音
波放射方向（３）および配列方向（１）のいずれにも直
交する短軸方向（２）に関し、振動子Ｅ１の長さはＬで
ある。振動子Ｅ１の短軸方向（２）の長さＬは、振動子
の厚みＴよりも十分に大きい。振動子Ｅ１と同一構成の
振動子Ｅ２、Ｅ３が配列方向（１）に配列される。振動
子Ｅ１〜Ｅ３には背面負荷２５が設けられる。以上のよ
うに構成された音響変換器は図１の場合と同様に動作す
る。
【００３６】図４は、本発明の第１の実施形態の音響変
換器における振動子の２次元配列の斜視図を示す。
換器における振動子の２次元配列の斜視図を示す。
【００３７】図４において、圧電層３１は直方体であ
り、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行で
ある。圧電層３２も直方体である。圧電層３２の分極方
向Ｐ２と圧電層３１の分極方向Ｐ１は逆向きに対向して
いる。圧電層３１と圧電層３２などにより振動子Ｅ１,
１を構成する。振動子Ｅ１,１の、配列方向の幅はＷ
１、音波放射方向の厚みはＴである。音波放射方向
（３）および配列方向（１）のいずれにも直交する配列
方向（２Ａ）に関し、振動子Ｅ１,１の幅はＷ２であ
る。振動子Ｅ１,１と同一構成の振動子Ｅ１,２、Ｅ１,
３が配列方向（１）に配列され、振動子Ｅ２,１、Ｅ３,
１が配列方向（２Ａ）に配列される。各振動子には背面
負荷３５が設けられる。以上のように構成された音響変
換器は図１の場合と同様に動作する。
り、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行で
ある。圧電層３２も直方体である。圧電層３２の分極方
向Ｐ２と圧電層３１の分極方向Ｐ１は逆向きに対向して
いる。圧電層３１と圧電層３２などにより振動子Ｅ１,
１を構成する。振動子Ｅ１,１の、配列方向の幅はＷ
１、音波放射方向の厚みはＴである。音波放射方向
（３）および配列方向（１）のいずれにも直交する配列
方向（２Ａ）に関し、振動子Ｅ１,１の幅はＷ２であ
る。振動子Ｅ１,１と同一構成の振動子Ｅ１,２、Ｅ１,
３が配列方向（１）に配列され、振動子Ｅ２,１、Ｅ３,
１が配列方向（２Ａ）に配列される。各振動子には背面
負荷３５が設けられる。以上のように構成された音響変
換器は図１の場合と同様に動作する。
【００３８】このような本発明の第１の実施形態の音響
変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、
隣接する圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、隣
接する圧電層の境界面が分極方向にほぼ直交し、境界面
に内部電極が設けられ、最外層の圧電層の境界面とは反
対側の面に外部電極が設けられ、分極方向とほぼ直交す
る方向を音波放射方向とし、振動子の音波放射方向
（３）の面に接続電極が設けられ、振動子が分極方向に
複数配列され、振動子の分極方向の幅Ｗ１と、音波放射
方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８とする。振動
子が分極方向、および、配列方向に複数配列される２次
元配列の場合には、振動子の分極方向の幅Ｗ１、および
振動子の配列方向の幅Ｗ２と、音波放射方向の厚みＴに
対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８、Ｗ２／Ｔ＜０．８とする。
以上のような構成により、積層数を増やさず、導電膜な
どを用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動
電圧により大きな機械変位を発生する音響変換器を得る
ことができる。
変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、
隣接する圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、隣
接する圧電層の境界面が分極方向にほぼ直交し、境界面
に内部電極が設けられ、最外層の圧電層の境界面とは反
対側の面に外部電極が設けられ、分極方向とほぼ直交す
る方向を音波放射方向とし、振動子の音波放射方向
（３）の面に接続電極が設けられ、振動子が分極方向に
複数配列され、振動子の分極方向の幅Ｗ１と、音波放射
方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８とする。振動
子が分極方向、および、配列方向に複数配列される２次
元配列の場合には、振動子の分極方向の幅Ｗ１、および
振動子の配列方向の幅Ｗ２と、音波放射方向の厚みＴに
対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８、Ｗ２／Ｔ＜０．８とする。
以上のような構成により、積層数を増やさず、導電膜な
どを用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動
電圧により大きな機械変位を発生する音響変換器を得る
ことができる。
【００３９】図５は、本発明の第２の実施形態の音響変
換器の構成図を示す。
換器の構成図を示す。
【００４０】図５において、圧電層４１、４２、４３、
４４は、例えば圧電セラミックス材料が用いられる。圧
電層４１、４２、４３、４４の分極方向Ｐ４１、Ｐ４
２、Ｐ４３、Ｐ４４は互いに隣接する圧電層の分極方向
とは逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）に
直交する。内部電極４７は圧電層４１と圧電層４２の境
界に、内部電極４８は圧電層４２と圧電層４３の境界
に、内部電極４９は圧電層４３と圧電層４４の境界に設
けられる。
４４は、例えば圧電セラミックス材料が用いられる。圧
電層４１、４２、４３、４４の分極方向Ｐ４１、Ｐ４
２、Ｐ４３、Ｐ４４は互いに隣接する圧電層の分極方向
とは逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）に
直交する。内部電極４７は圧電層４１と圧電層４２の境
界に、内部電極４８は圧電層４２と圧電層４３の境界
に、内部電極４９は圧電層４３と圧電層４４の境界に設
けられる。
【００４１】内部電極４７、４８、４９は内部接続電極
５０により接続される。圧電層４１、４２、４３、４４
の境界は分極方向Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３、Ｐ４４と直
交する。外部電極４５は圧電層４１に関して内部電極４
７とは反対側に設けられる。外部電極４６は圧電層４４
に関して内部電極４９とは反対側に設けられる。音響整
合層５１は導電性を有し、接続電極としての機能を有す
るする。このため外部電極４５、４６は音響整合層５１
により電気的に接続される。圧電層４１、４２、４３、
４４と、外部電極４５、４６と、内部電極４７、４８、
４９と、内部接続電極５０とにより振動子を構成する。
５０により接続される。圧電層４１、４２、４３、４４
の境界は分極方向Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３、Ｐ４４と直
交する。外部電極４５は圧電層４１に関して内部電極４
７とは反対側に設けられる。外部電極４６は圧電層４４
に関して内部電極４９とは反対側に設けられる。音響整
合層５１は導電性を有し、接続電極としての機能を有す
るする。このため外部電極４５、４６は音響整合層５１
により電気的に接続される。圧電層４１、４２、４３、
４４と、外部電極４５、４６と、内部電極４７、４８、
４９と、内部接続電極５０とにより振動子を構成する。
【００４２】信号線５２は内部接続電極５０に接続され
る。信号線５３は音響整合層５１に接続される。圧電層
４１、４３の分極方向Ｐ４１、Ｐ４３は、圧電層４２、
４４の分極方向Ｐ４２、Ｐ４４とは逆向きで対向してい
る。一方、電界の向きも逆になるように音響整合層５１
を外部電極４５、４６、および内部電極４８に接続し、
内部接続電極５０を内部電極４７、４９に接続している
ので、圧電層４１、４２、４３、４４を、互いに同相で
励振することができる。以上のように構成された振動子
を、分極方向に複数配列することにより音響変換器を構
成する。以上のように構成された音響変換器は図２の場
合と同様に動作する。
る。信号線５３は音響整合層５１に接続される。圧電層
４１、４３の分極方向Ｐ４１、Ｐ４３は、圧電層４２、
４４の分極方向Ｐ４２、Ｐ４４とは逆向きで対向してい
る。一方、電界の向きも逆になるように音響整合層５１
を外部電極４５、４６、および内部電極４８に接続し、
内部接続電極５０を内部電極４７、４９に接続している
ので、圧電層４１、４２、４３、４４を、互いに同相で
励振することができる。以上のように構成された振動子
を、分極方向に複数配列することにより音響変換器を構
成する。以上のように構成された音響変換器は図２の場
合と同様に動作する。
【００４３】このような本発明の第２の実施形態の音響
変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、
隣接する圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、隣
接する圧電層の境界面が分極方向にほぼ直交し、境界面
に内部電極が設けられ、最外層の圧電層の境界面とは反
対側の面に外部電極が設けられ、分極方向とほぼ直交す
る方向を音波放射方向とし、振動子の音波放射方向の面
に音響整合層を設け、音響整合層が電極接続機能を有
し、さらに内部接続電極を設けることにより、振動子を
構成する複数の圧電層は互いに同相で伸縮する。さらに
振動子が分極方向に複数配列され、振動子の分極方向の
幅Ｗ１と、音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜
０．８とする。以上のような構成により、導電膜などを
用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動電圧
により大きな機械変位を発生する音響変換器を得ること
ができる。
変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、
隣接する圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、隣
接する圧電層の境界面が分極方向にほぼ直交し、境界面
に内部電極が設けられ、最外層の圧電層の境界面とは反
対側の面に外部電極が設けられ、分極方向とほぼ直交す
る方向を音波放射方向とし、振動子の音波放射方向の面
に音響整合層を設け、音響整合層が電極接続機能を有
し、さらに内部接続電極を設けることにより、振動子を
構成する複数の圧電層は互いに同相で伸縮する。さらに
振動子が分極方向に複数配列され、振動子の分極方向の
幅Ｗ１と、音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜
０．８とする。以上のような構成により、導電膜などを
用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動電圧
により大きな機械変位を発生する音響変換器を得ること
ができる。
【００４４】図６は、本発明の第３の実施形態の音響変
換器の構成図を示す。
換器の構成図を示す。
【００４５】図６において、圧電層６１、６２の分極方
向Ｐ６１、Ｐ６２を矢印で示す。圧電層６１、６２の分
極方向Ｐ６１、Ｐ６２と同一方向に配列方向（１）が選
ばれる。圧電層６１と圧電層６２の断面は台形状であ
り、その配列方向（１）の幅は幅Ｗ１ｂからＷ１ｔまで
単調に変化する。圧電層６１の分極方向Ｐ６１と圧電層
６２の分極方向Ｐ６２は互いに逆向きに対向し、その方
向は音波放射方向（３）に直交する。圧電層６１、６２
が互いに接する境界面は分極方向Ｐ６１、Ｐ６２にほぼ
直交する。内部電極６４は圧電層６１と６２の境界面に
設けられる。外部電極６３は圧電層６１に関して内部電
極６４とは反対側に設けられる。外部電極６５は圧電層
６２に関して内部電極６４とは反対側に設けられる。一
方、電界の向きも逆になるように外部電極６３、６５
と、内部電極６４を結線しているので、圧電層６１、６
２は、互いに同相で伸縮する。圧電層６１、６２と、外
部電極６３、６５と、内部電極６４とにより、振動子Ｅ
１を構成する。配列方向（１）にはさらに振動子Ｅ２、
Ｅ３、…が配列される。背面負荷６６は圧電層６１、６
２の分極方向Ｐ６１、Ｐ６２と平行な面に設けられる。
向Ｐ６１、Ｐ６２を矢印で示す。圧電層６１、６２の分
極方向Ｐ６１、Ｐ６２と同一方向に配列方向（１）が選
ばれる。圧電層６１と圧電層６２の断面は台形状であ
り、その配列方向（１）の幅は幅Ｗ１ｂからＷ１ｔまで
単調に変化する。圧電層６１の分極方向Ｐ６１と圧電層
６２の分極方向Ｐ６２は互いに逆向きに対向し、その方
向は音波放射方向（３）に直交する。圧電層６１、６２
が互いに接する境界面は分極方向Ｐ６１、Ｐ６２にほぼ
直交する。内部電極６４は圧電層６１と６２の境界面に
設けられる。外部電極６３は圧電層６１に関して内部電
極６４とは反対側に設けられる。外部電極６５は圧電層
６２に関して内部電極６４とは反対側に設けられる。一
方、電界の向きも逆になるように外部電極６３、６５
と、内部電極６４を結線しているので、圧電層６１、６
２は、互いに同相で伸縮する。圧電層６１、６２と、外
部電極６３、６５と、内部電極６４とにより、振動子Ｅ
１を構成する。配列方向（１）にはさらに振動子Ｅ２、
Ｅ３、…が配列される。背面負荷６６は圧電層６１、６
２の分極方向Ｐ６１、Ｐ６２と平行な面に設けられる。
【００４６】図７は、本発明の第３の実施形態の音響変
換器における周波数特性図を示し、分極方向の幅Ｗ１ｔ
＝０．１２ｍｍ、幅Ｗ１ｂ＝０．２４ｍｍ、音波放射方
向の厚みＴ＝０．４８ｍｍの断面を有する振動子の共振
特性を示す。
換器における周波数特性図を示し、分極方向の幅Ｗ１ｔ
＝０．１２ｍｍ、幅Ｗ１ｂ＝０．２４ｍｍ、音波放射方
向の厚みＴ＝０．４８ｍｍの断面を有する振動子の共振
特性を示す。
【００４７】以上のように構成された音響変換器につい
て、図６、図７を用いてその動作を説明する。
て、図６、図７を用いてその動作を説明する。
【００４８】図７において、縦軸は振動子のインピーダ
ンス（相対値）、横軸は周波数である。振動子Ｅ１、Ｅ
２、Ｅ３、…は、共振周波数ｆｒ１＝３．００ＭＨｚに
おいて、音波放射方向（３）の振動が励振される。共振
周波数ｆｒ２においては、インピーダンスの変化が小さ
く、配列方向（１）の振動が強く励振されていない。こ
れは、配列方向（１）に振動子の幅が幅Ｗ１ｔ〜Ｗ１ｂ
と変化し、配列方向（１）に共振しにくいためである。
また、Ｗ１ｔ／Ｔ＜０．８、Ｗ１ｂ／Ｔ＜０．８とする
ことにより、共振周波数ｆｒ２を共振周波数ｆｒ１から
引き離すことができる。このようにして、共振周波数ｆ
ａ１を中心にした広帯域動作が可能である。圧電層６１
にかかる電界強度は外部電極６３と内部電極６４の間の
距離に反比例する。従って、振動子の幅Ｗ１ｔ、Ｗ１ｂ
を狭めれば、積層数を増やさなくても電界強度を上げ、
小さな電圧で、大きな機械変位を得ることができる。振
動子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、…には背面負荷６６が設けられ
ており音響変換器の周波数特性が改善される。
ンス（相対値）、横軸は周波数である。振動子Ｅ１、Ｅ
２、Ｅ３、…は、共振周波数ｆｒ１＝３．００ＭＨｚに
おいて、音波放射方向（３）の振動が励振される。共振
周波数ｆｒ２においては、インピーダンスの変化が小さ
く、配列方向（１）の振動が強く励振されていない。こ
れは、配列方向（１）に振動子の幅が幅Ｗ１ｔ〜Ｗ１ｂ
と変化し、配列方向（１）に共振しにくいためである。
また、Ｗ１ｔ／Ｔ＜０．８、Ｗ１ｂ／Ｔ＜０．８とする
ことにより、共振周波数ｆｒ２を共振周波数ｆｒ１から
引き離すことができる。このようにして、共振周波数ｆ
ａ１を中心にした広帯域動作が可能である。圧電層６１
にかかる電界強度は外部電極６３と内部電極６４の間の
距離に反比例する。従って、振動子の幅Ｗ１ｔ、Ｗ１ｂ
を狭めれば、積層数を増やさなくても電界強度を上げ、
小さな電圧で、大きな機械変位を得ることができる。振
動子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、…には背面負荷６６が設けられ
ており音響変換器の周波数特性が改善される。
【００４９】以上のように本発明の第３の実施形態の音
響変換器によれば、振動子の分極方向の幅Ｗ１が、音波
放射方向に関して単調に変化することことにより、広帯
域でかつ、小さな駆動電圧で、大きな機械変位を発生す
る音響変換器を得ることができる。
響変換器によれば、振動子の分極方向の幅Ｗ１が、音波
放射方向に関して単調に変化することことにより、広帯
域でかつ、小さな駆動電圧で、大きな機械変位を発生す
る音響変換器を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】以上のように本発明の音響変換器は、振
動子を２層の圧電層で構成し、圧電層の分極方向を互い
に対向させ、分極方向とほぼ直交する方向を音波放射方
向とすることにより、小さな駆動電圧で、大きな機械変
位を発生することができる。
動子を２層の圧電層で構成し、圧電層の分極方向を互い
に対向させ、分極方向とほぼ直交する方向を音波放射方
向とすることにより、小さな駆動電圧で、大きな機械変
位を発生することができる。
【図１】本発明の第１の実施形態の音響変換器の構成図
【図２】本発明の第１の実施形態の音響変換器における
周波数特性図
周波数特性図
【図３】本発明の第１の実施形態の音響変換器における
振動子の１次元配列の斜視図
振動子の１次元配列の斜視図
【図４】本発明の第１の実施形態の音響変換器における
振動子の２次元配列の斜視図
振動子の２次元配列の斜視図
【図５】本発明の第２の実施形態の音響変換器の構成図
【図６】本発明の第３の実施形態の音響変換器の構成図
【図７】本発明の第３の実施形態の音響変換器における
周波数特性図
周波数特性図
【図８】従来の音響変換器の構成図
１、２、２１、２２、３１、３２、４１、４２、４３、
４４、６１、６２ 圧電層 ３、５、４５、４６、６３、６５ 外部電極 ４、４７、４８、４９、６４ 内部電極 ６ 接続電極 ７、８、９、５２、５３ 信号線 １０、５１ 音響整合層 １１、２５、３５、６６ 背面負荷 ５０ 内部接続電極
４４、６１、６２ 圧電層 ３、５、４５、４６、６３、６５ 外部電極 ４、４７、４８、４９、６４ 内部電極 ６ 接続電極 ７、８、９、５２、５３ 信号線 １０、５１ 音響整合層 １１、２５、３５、６６ 背面負荷 ５０ 内部接続電極
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Ｆターム(参考） 2G047 CA01 GB02 GB17 GB21 GB28
GB30
4C301 EE15 EE20 GB09 GB14 GB18
GB19 GB20 GB22
4C601 EE12 EE30 GB01 GB03 GB06
GB14 GB19 GB20 GB24 GB26
5D019 AA21 BB19 BB25 BB28 GG01
5D107 AA02 AA12 BB08 CC03 CC11
DE01
Claims (9)
- 【請求項１】 振動子が複数の圧電層より構成され、隣
接する前記圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、
前記隣接する圧電層の境界面が前記分極方向に直交する
方向となり、前記境界面に内部電極が設けられ、最外層
の前記圧電層において前記境界面とは反対側の面に外部
電極が設けられ、前記分極方向と直交する方向を音波放
射方向とし、前記振動子の前記音波放射方向の面に接続
電極が設けられ、前記振動子が前記分極方向に複数配列
され、前記振動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、前記音波
放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８であるこ
とを特徴とする音響変換器。 - 【請求項２】 前記分極方向の幅Ｗ１は、前記音波放射
方向に関して単調に変化することを特徴とする請求項１
に記載の音響変換器。 - 【請求項３】 前記圧電層の数が偶数であり、前記接続
電極が前記振動子の２個の外部電極に接続することを特
徴とする請求項１または２に記載の音響変換器。 - 【請求項４】 前記圧電層の数が４個以上であり、複数
の前記内部電極に接続する内部接続電極を備えることを
特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の音響
変換器。 - 【請求項５】 前記接続電極の上に音響整合層が設けら
れることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に
記載の音響変換器。 - 【請求項６】 前記接続電極は、音響整合層の作用を有
することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に
記載の音響変換器。 - 【請求項７】 予め配列された複数の前記振動子に設け
られた前記外部電極が互いに接続されることを特徴とす
る請求項１から６のいずれか１項に記載の音響変換器。 - 【請求項８】 前記振動子が前記分極方向に直交する方
向にも配列され、２次元配列を構成することを特徴とす
る請求項１から７のいずれか１項に記載の音響変換器。 - 【請求項９】 前記振動子の前記分極方向に直交する方
向の幅Ｗ２に対して、Ｗ２／Ｔ＜０．８であることを特
徴とする請求項８記載の音響変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001344731A JP3904895B2 (ja) | 2001-11-09 | 2001-11-09 | 音響変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001344731A JP3904895B2 (ja) | 2001-11-09 | 2001-11-09 | 音響変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003153390A true JP2003153390A (ja) | 2003-05-23 |
| JP3904895B2 JP3904895B2 (ja) | 2007-04-11 |
Family
ID=19158206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001344731A Expired - Fee Related JP3904895B2 (ja) | 2001-11-09 | 2001-11-09 | 音響変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3904895B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008530854A (ja) * | 2005-02-04 | 2008-08-07 | シーメンス メディカル ソリューションズ ユーエスエー インコーポレイテッド | 多次元超音波変換器アレイ |
-
2001
- 2001-11-09 JP JP2001344731A patent/JP3904895B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008530854A (ja) * | 2005-02-04 | 2008-08-07 | シーメンス メディカル ソリューションズ ユーエスエー インコーポレイテッド | 多次元超音波変換器アレイ |
| JP4869257B2 (ja) * | 2005-02-04 | 2012-02-08 | シーメンス メディカル ソリューションズ ユーエスエー インコーポレイテッド | 超音波変換器アレイ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3904895B2 (ja) | 2007-04-11 |
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