JP2013545381A - 圧電式部分弾性表面波用トランスデューサ - Google Patents

Abstract

本発明は圧電プラスチック材料を用いた圧電式超音波トランスデューサ（１）に関しており、このトランスデューサは、支持体層（２）と、該支持体層（２）上に被着された圧電プラスチック材料からなる圧電プラスチック層（３）とを備えている。本発明では前記圧電プラスチック層（３）が前記支持体層（２）を完全に覆うのではなく、複数の切欠き（４）を有していることを特徴としている。

Description

本発明は、圧電プラスチック材料を用いた超音波トランスデューサに関している。とりわけ本発明は、実質的に支持体層と、該支持体層の上に被着された圧電プラスチック材料層とから構成された超音波トランスデューサに関するものであり、ここでの圧電プラスチック材料層は、支持体層を完全に覆うのではなく、複数の凹部が存在するものである。

電気信号を音響信号に変換し、音響信号を電気信号に変換する超音波トランスデューサは、既に１００年以上に亘って多くの技術分野において様々な形態で知られている。その際電気音響変換の様々な原理も公知である。例えばコイルスピーカーに使用されるような電磁音響変換や、例えばマイクロフォンないしヘッドホンに使用される電気力学的変換器または静電変換器の他に、例えば超音波センサに使用される圧電式超音波トランスデューサも公知である。この圧電式超音波トランスデューサの分野では、電気信号を超音波信号に変換し、超音波信号を電気信号に変換するのに、圧電セラミックを使用する他にも圧電プラスチック材料を使用することが公知である。圧電特性を有する公知のプラスチック材料は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である。このＰＶＤＦの圧電特性は、様々なトランスデューサデザインの基礎となっている。そのため例えば蒸着法やスパッタ法を用いることで、ＰＶＤＦ膜上に導電性表面が被着され得る。そのようにして生じた構造は、電界の印加によって超音波発信器として使用されるか、電荷移動によって超音波受信器として使用される。さらに別の変換器原理としてはハード的に複数の圧電材料を相互に組み合わせた圧電材料複合型が挙げられる。

米国特許４，スピーカー０７明細書では、バルーン型スピーカーを提供するために、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）をベースにした圧電ポリマーの適用が開示されている。これについては、外部コーティングと内部コーティングの間に含まれるＰＶＤＦポリマー層からなる帯状部材がバルーン状部に被着されるか、バルーン状部自体が外部コーティングと内部コーティングの間に含まれるＰＶＤＦポリマー層から形成されている。

前述の圧電プラスチック材料をベースにした超音波トランスデューサは、層平面においても（これは横歪みとも称される）、層の厚さ方向においても（これは縦歪みとも称される）、プラスチック層の動きがある。しかしながら層の横歪みは、周囲のプラスチック材料によって局所的に阻害され、このことは、送信モードにおいても、つまり当該超音波トランスデューサをスピーカーとして使用する際にも、受信モードにおいても、つまり当該超音波トランスデューサをマイクロフォンとして使用する際にも、出現する。このような横歪みの阻害は、当該超音波トランスデューサの動特性の制限につながる。特に音波の生成若しくは受信に必要とされる平面からなるプラスチック層の変位は著しく制限される。

発明の開示
本発明によれば、支持体層と、該支持体層上に被着された圧電プラスチック材料層を有し、前記圧電プラスチック材料層の寸法変化が前記支持体層の変形に結び付き、前記支持体層の変形が前記圧電プラスチック材料層の寸法変化に結びつくように前記支持体層と前記圧電プラスチック材料層とが相互に結合されている、超音波トランスデューサにおいて、前記圧電プラスチック材料層が複数の凹部を有するように構成されている。

前述したプラスチック材料層が複数の凹部を有する構成とは、本発明の趣旨では、支持体層が完全に圧電プラスチック材料層によって覆われていることを意味するのではなく、前記圧電プラスチック材料層によって覆われていない支持体層領域が存在することを意味している。このような（圧電プラスチック材料層によって）覆われていない領域は、前記支持体層に対して、対称的に配置されてもよいし、非対称的に配置されてもよい。

本発明による、圧電プラスチック材料層内へ複数の凹部を設ける構成は、横方向歪みの阻害を著しく低減し、それによって当該超音波トランスデューサの動特性が改善される。

本発明によれば、圧電プラスチック材料に基づいて圧電式超音波トランスデューサに設けられた圧電層が、空隙によって中断することが提案され、それによって、プラスチック材料のとりわけ厚さ方向での移動、つまり圧電層の変位又はストロークが横歪み阻害の低減によって軽減される。

適切な圧電プラスチックは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、圧電性高分子フィルムのポリフッ化ビニリデン共重合体（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、又はポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）/高分子・ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン若しくはポリプロピレン（ＰＥ、ＰＰ）のようなポリオレフィンからなるグループのポリマーをベースに部分蛍光化されたまたは全フッ素化されたポリマーなどであってもよい。これらのプラスチックの圧電特性は、極性付与によって達成される。本発明の別の有利な実施例によれば、超音波トランスデューサの圧電プラスチック層がポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を有する。特に有利には、前記圧電プラスチック層はＰＶＤＦ層である。

前記圧電プラスチック層は、様々な技法を用いて支持体層上に被着可能である。特にこの層は、印刷技術、噴霧技術、スパッタリング技術、スピンコーティング技術、接着技術、積層技術又は塗布ナイフ技術を用いて被着することができる。特に支持体層への圧電プラスチック層の被着に対して印刷技術を用いる場合には、圧電プラスチック層をパターニングして支持体層に被着するために、プリント基板製造法から公知の特定の印刷技術を用いることが可能である。ここでは特にスクリーン印刷技術、転送型若しくは昇華型印刷技術、オフセット印刷技術、あるいはインクジェット印刷法のようなノンインパクト技術を用いることが可能である。

本発明のさらなる実施形態によれば、圧電プラスチック層は、接着剤または積層技術を用いることによって支持体層に被着される。なおここでは圧電プラスチック層は、支持体層上に接着若しくは積層された薄膜として提供されてもよい。この場合の圧電プラスチック層のパターニングは、支持体層への薄膜の被着前に行うこともできるし、被着後に行うことも可能である。薄膜のパターニングに対しては、カッターまたは適切なレーザーを用いて所定の切欠きが設けられる。

前記圧電プラスチック層の切欠き部は、超音波トランスデューサ中に離散した複数の圧電領域が生じるようにすることができる。これらの離散した複数の領域は、電気的に直列に、または並列に相互接続することができる。あるいは前記離散した複数の領域は、適切なコンタクト形成と相応の電子的駆動制御系とを用いて別個に駆動制御することが可能となるように提供してもよい。これにより、超音波トランスデューサの個々の圧電プラスチック層領域を、１つの超音波トランスデューサアレイに統合することができる。

本発明による超音波トランスデューサにおける支持体層は、それ自体が例えば所定の薄膜、例えばプラスチック膜または金属箔であってもよいし、あるいは、相応の信号の印加のもとで圧電プラスチック材料によって変位し得る十分な可撓性を備えた別の材料で形成されていてもよい。あるいは支持体層への超音波の衝突による変位の際に圧電層において電荷シフトが発生するようにしてもよい。

圧電プラスチック層の電気的なコンタクト形成のために、当該圧電プラスチック層にコンタクト面若しくは電極面が被着されていてもよい。このことは、例えば圧電プラスチック層の部分領域において、導電性金属層の、蒸着、スパッタリング、電着などによって行ってもよい。このような電気的なコンタクト形成を介して本発明による超音波トランスデューサは、場合によっては信号増幅器などのような適合化装置の介在接続のもとで、オーディオ信号のための適切な信号源に接続されるか、又は、超音波トランスデューサに衝突した超音波に基づいて電気信号若しくはデジタル信号への変換を実施するための評価装置に接続される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、支持体層が少なくとも部分的に電極として形成される。この目的のために少なくとも一部の部分領域において支持体層が導電的に形成される。別の実施形態では、支持体層全体が導電的に形成され、それによって、圧電プラスチック層とのコンタクト領域全体に亘り電極としての使用が可能となる。そのような本発明の実施形態において支持体層として用いることができるような適切な材料としては、例えば金属箔や、次のような導電性プラスチックフィルム、例えばポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン若しくはポリピロールのような内的導電性ポリマーに基づく導電性プラスチックフィルム、あるいは、アルミニウム粒子や煤のような導電性粒子の適切なドーピングによって導電性を具備する、ＰＣ、ＰＭＡ、ＰＭＭＡ、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＴＦＥ、ＰＵ、ＰＰ等に基づく導電性プラスチックが挙げられる。

本発明のさらなる実施形態によれば、圧電プラスチック層の両側が支持層によって囲まれているため、所定のサンドイッチ構造が形成されるようになる。またこの場合には、一方または両方の支持体層が、少なくとも部分領域において導電的であるように設けることも可能である。両側に支持体膜を設けそれに伴って出現するサンドイッチ構造とによって、超音波放射若しくは超音波受信のために作用する表面が拡大され、このことは、当該超音波トランスデューサの動特性に更なる向上をもたらす。

支持体膜を両側に設けることによって、さらに、当該超音波トランスデューサが圧電プラスチック層の切欠き部の領域において静電変換器のように動作することが達成される。この場合には、特に圧電的に活性な領域、すなわち支持体層が圧電プラスチック層で覆われている領域と、静電的に活性な領域、すなわち圧電層が切欠きを有している領域とが電気的に分離して駆動制御可能に構成されていてもよい。またその際には、当該超音波トランスデューサは、自身が圧電超音波トランスデューサとして動作する領域において超音波発信器として用いられ、それに対して自身が静電変換器として動作する領域においては超音波受信器として用いられるように構成されていてもよい。そのような構成は、とりわけ当該超音波トランスデューサを、例えばコンピュータ技術や移動無線技術の分野やオートモティーブ分野におけるヒューマン・マシン・インタフェース（ＨＭＩ）として使用することを可能にする。

本発明による超音波トランスデューサはとりわけ天候の影響に晒される屋外領域や、湿気の多い室内での使用にも耐え得るものである。

以下では本発明による超音波トランスデューサを図面及び実施形態に基づいて説明する。

本発明による超音波トランスデューサの異なる構成を示した図 本発明による超音波トランスデューサの異なる構成を示した図 本発明による超音波トランスデューサの異なる構成を示した図 本発明による超音波トランスデューサの異なる構成を示した図 本発明による超音波トランスデューサの異なる構成を示した図 孔部を備えた本発明による超音波トランスデューサの構成を示した図 本発明による超音波トランスデューサの異なるアレイ配置構成を示した図

実施例
図１には本発明による超音波トランスデューサ１が示されており、このトランスデューサでは、例えば、導電性プラスチックフィルムや金属箔などの導電性材料で形成された支持体層２の上に、圧電プラスチック層３が被着されている。ここでの圧電プラスチック層は、その全面が支持体層２に被着されているのではなく、切欠き４を有している。この場合前記支持体層２と圧電プラスチック層３は次のように互いに結合されている。すなわち、圧電プラスチック層３の寸法変化が、支持体層２の変形をもたらし、支持体層２の変形が圧電プラスチック層３の寸法変化をもたらすように、互いに結合されている。前記切欠き４によって、圧電プラスチック層の横歪みの阻害が最小化され、それによって支持体層２の全体的な変位の拡大が可能となる。これにより、超音波トランスデューサの動特性が改善される。図１に示されている本発明による超音波トランスデューサの実施形態では、支持体層２が同時に、圧電プラスチック層３の電気的なコンタクト形成のための電極を形成している。図面からも明らかなように、ここではさらに別の層７が設けられていてもよい。このさらなる層７は図示の実施形態によれば、導電性の薄膜として形成され、それと共に電極も形成している。これらの層２、３及び７は、サンドイッチ構造を形成している。前記圧電プラスチック層３は、種々異なる技術を用いて支持体層の上に被着されていてもよい。その際には特に印刷、スピンコーティング、積層技術が有利である。前記さらなる層７は積層技術を用いて被着することも可能である。

図２には、本発明による超音波トランスデューサのさらに別の実施形態が示されており、ここでは支持体層２と圧電プラスチック層３との間に、圧電プラスチック層３の電気的なコンタクト形成のための電極層８が設けられている。ここでのこの超音波トランスデューサの構成はサンドイッチ構造としても示されており、このサンドイッチ構造においては圧電プラスチック層３が支持体層２とは反対側の面においてさらなる層７に接している。このさらなる層７と圧電層３との間には、再度電極層８も配置されている。前記支持体層２とさらなる層７は、超音波トランスデューサの振動特性を最適化するために、同一の材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。同様に支持体層２とさらなる層７は、異なる厚さを有していてもよい。この場合の層厚さは、有利には５μｍ乃至５００μｍの間の範囲で可変である。前記さらなる層７は、少なくとも部分的に、ハウジング本体やハウジングの一部によって形成されていてもよい。その場合には当該本体が、超音波トランスデューサの保護にも用いられてよい。圧電プラスチック層の層厚さは、有利には１００μｍ以下の領域にある。前記電極層８は、例えば電着法、スパッタリング法、蒸着法などの従来のコーティング技術を用いて前記層２及び７に被着されてもよいし、あるいは前記層２と７の上に接着結合若しくは積層された導電膜によって形成されてもよい。超音波トランスデューサの最終組み立て過程では、これらの複数の層ないし複合層が接着剤若しくは積層技術によって互いに接合される。

図３は、電極層８、圧電プラスチック層３、電極層８、支持体層２からなる積層体を備えた本発明による超音波トランスデューサの実施形態が示されている。ここでは、電極層８が有利には導電膜で形成されている。また、このサンドイッチ構造を有する複合体は、図２で実施されている手法で製造することも可能である。

図４に示されているトランスデューサは、積層体に関しては図２に示されている超音波トランスデューサと同一の超音波トランスデューサであるが、但しここでの電極層８の少なくとも一方は、圧電プラスチック層３の切欠き４の領域で中断されている。この本発明による超音波トランスデューサの実施形態は、振動特性のさらなる適合化が可能である。なぜなら振動特性に対する電極層８の作用が低減されるからである。

図５は、図２に示された実施形態の積層体に関して同じである本発明による超音波トランスデューサの実施形態を示している。図示の実施形態では、超音波トランスデューサは、圧電プラスチック層３が電気力学的超音波トランスデューサとして配置されている領域１０において動作する。それに対して当該超音波トランスデューサは切欠き４の領域では静電的超音波トランスデューサとして動作する。このような電気力学的超音波トランスデューサと静電的超音波トランスデューサの意図的な組み合わせによって、当該トランスデューサの動特性が最適化されるようになる。本発明の超音波トランスデューサによれば、このような最適化を、圧電プラスチック層３における切欠き４の適切な構成と分散によって簡単に達成することができる。

図６には、複数の切欠き９が圧電層３のみでなく支持体層２並びにさらなる層７にも設けられている本発明による超音波トランスデューサの実施形態を示している。この場合図示の実施形態では、支持体層２とさらなる層７とが、圧電層３との電気的コンタクト形成のための電極として、図１記載のように用いられている。ここでの実施形態は、支持体層２と圧電プラスチック層３とさらなる層７からなる積層体を有する一体的な複合層として簡単に製造することが可能である。引き続きこの複合層からは、切断若しくは打ち抜き加工によって複数の切欠き９が形成される。このようなことは、簡単且つ安価な製造工程を可能にする。当該超音波トランスデューサの平面内では、例えば、複数の切欠きのハニカム状の分布を実現することができる。

図７には、本発明による超音波トランスデューサの支持体層２上での、圧電プラスチック層３の様々な配置構成が示されている。ここでの圧電プラスチック層３は複数の離散領域５で形成されている。この離散した圧電プラスチック層領域５は、制御電子機器６を用いて別個に駆動可能である。そのため、例えば離散領域５ａが超音波の発生のために設けられていてもよい。それに対して離散領域５ｂは、超音波を受信するために設けられていてもよい。このことは、スピーカーとしてもマイクとしても動作させることのできるトランスデューサの提供を可能にする。そのような構成は、とりわけ当該のトランスデューサをＨＭＩ（ヒューマン・マシン・インタフェース）として使用する場合に特に有利となる。なぜなら超音波発生器と超音波受信器の二つの機能が１つのトランスデューサ内で省スペース的に非常にコンパクトにまとめることができるからである。

Claims (10)

1. 支持体層（２）と、該支持体層（２）上に被着された圧電プラスチック材料からなる圧電プラスチック層（３）とを有し、
   前記支持体層（２）と前記圧電プラスチック層（３）は、前記圧電プラスチック層（３）の寸法変化が前記支持体層（２）の変形を引き起こし、前記支持体層（２）の変形は前記圧電プラスチック層（３）の寸法変化を引き起こすように相互に結合されている、超音波トランスデューサ（１）において、
   前記圧電プラスチック層（３）が複数の切欠き（４）を有していることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記圧電プラスチック材料は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含む、請求項１記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記圧電プラスチック層（３）は、印刷技術、スプレー技術、スパッタリング技術、接着技術、積層技術又は塗布ナイフ技術を用いて前記支持体層(２)上に被着されている、請求項１または２記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記支持体層（２）は少なくとも部分的に電極として構成されている、請求項１から３いずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記複数の切欠き（４）は、前記圧電プラスチック層が前記支持体層（２）の面上で複数の離散領域（５）を形成するように構成されている、請求項１から４いずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記圧電プラスチック層の複数の離散領域（５）は、電気的に直列及び／又は並列に相互接続されている、請求項５記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記圧電プラスチック層の複数の離散領域（５）は、制御電子機器（６）によって個別に制御可能である、請求項５記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記制御電子機器（６）を介して前記圧電プラスチック層の複数の離散領域（５）の少なくとも１つの領域（５ａ）がマイクロフォンとして接続され、別の少なくとも１つの領域（５ｂ）はスピーカーとして接続されている、請求項７記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記圧電プラスチック層（３）は、前記支持体層（２）及びさらなる層（７）と共にサンドイッチ構造を形成し、該サンドイッチ構造のもとでは前記圧電プラスチック層（３）が中央の層を形成している、請求項１から８いずれか１項記載の超音波トランスデューサ。
10. とりわけ天候の影響に晒される屋外領域での使用に、請求項１乃至８いずれか１項記載の超音波トランスデューサをスピーカー及び/又はマイクロフォンとして用いることを特徴とする使用方法。

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