JP4288388B2 - 圧電トランスデューサ - Google Patents
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Description
(発明の分野および背景)
本発明は、音響トランスデューサに係わり、特に、離れて位置する音響放射線源から伝えられる音響エネルギーを受けるとともに、その音響エネルギーを電気回路を作動させるための電力に変換する小型で可撓性をもった圧電トランスデューサに関するものである。また、本発明は、受ける外部音波の反射を変調することによって音響情報を伝達する小型で可撓性をもった圧電トランスミッタに関するものである。
従来の技術は、圧電トランスデューサの様々な例を提供している。そのような圧電トランスデューサの例は、USP3,792,204;4,793,825;3,894,198;3,798,473および4,600,855にそれぞれ開示されている。
しかしながら、これらの従来の文献のいずれも、圧電層をその共振周波数で振動させるための低周波音響信号を使用できるように構成された小型で可撓性をもつ圧電トランスデューサを提供していない。ここで、低周波信号とは、トランスデューサの寸法よりも十分に大きい波長をもった信号のことである。また、前記従来の文献のいずれも、トランスデューサの電気出力を最大にするように成形される電極をもった小型のトランスデューサを提供していない。また、前記従来の文献のいずれも、フォトリソグラフィ技術やマイクロエレクトロニクス技術を使用することによって電気回路と組み合わせて一体に製造されるトランスデューサ部材を提供していない。
また、従来の技術は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号にしたがって圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させて反射される音波を変調する小型で可撓性をもつ圧電トランスミッタを提供していない。また、従来の技術は、圧電層が切換え部材に電気的に接続され且つ圧電層の機械インピーダンスを交互に変化させるために切換え部材がトランスミッタの電気的な接続を交互に変化させるトランスミッタを提供していない。また、従来の技術は、複数の電極を取り付けて設けることによって圧電層の機械インピーダンスを制御し且つ複数の電極同士が電気的に並列もしくは非並列に接続されるトランスデユーサを提供していない。また、従来の技術は、圧電層がその異なった部位で異なる極性を有するトランスミッタを提供していない。また、従来技術は、圧電層の非対称な振動(変動)を許容する低圧ガスを含む室を有するトランスミッタを提供していない。また、従来技術は、2層型の圧電層を有するトランスミッタを提供していない。
【0002】
(発明の概要)
本発明は小型で可撓性をもったトランスデューサ部材に関するものである。このトランスデューサ部材は、(a)孔を有するセル部材を備え、(b)前記セル部材に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で振動できるように寸法が設定され、(c)圧電層の前記外面に取り付けられた第1の電極と、前記内面に取り付けられた第2の電極とを備えている。好ましくは、前記孔は、電気絶縁層と導電層とを有する基板にエッチングによって形成される。前記第1の電極は、前記基板上に設けられた十分に薄い導電層と一体に形成されていることが好ましい。十分に薄い前記導電層はシール接続部を介して前記基板に接続されている。セル部材はその断面形状が円形もしくは六角形を成していても良い。後述する本発明の好ましい実施形態の更なる特徴によれば、基板は、電気的に並列もしくは直列に接続された複数のセル部材を有している。
前記第1および第2の電極の少なくとも一方は、最大の電気出力を形成するように成形されていることが好ましい。この場合、前記電気出力は、電流、電圧、電力であっても良い。前記電極の好ましい形状は、接続部材によって互いに接続される2つのコアを有している。本発明に係るトランスデューサ部材はトランスミッタとして使用することもできる。
【0003】
トランスミッタとして使用できるように、トランスデューサの孔内には低圧のガスが含まれていることが好ましい。トランスミッタを提供する本発明において、トランスミッタは、(a)孔を有するセル部材を備え、(b)前記セル部材に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で振動できるように寸法が設定され、(c)圧電層の前記外面に取り付けられた第1の電極と、前記内面に取り付けられた第2の電極とを備え、これら2つの電極は、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材を有する電気回路に電気的に接続されている。前記切換え部材の切換え周波数は、センサのような電子部品から受ける電気的なメッセージ信号の周波数と等しいことが好ましい。これにより、前記切換え部材は、電子部品から受けたメッセージ信号に応じて反射される音波を変調する。トランスミッタ部材は、圧電層の前記外面に取り付けられた第3の電極と、前記内面に取り付けられた第4の電極とを更に備えていても良い。そのような構成を使用する場合、前記切換え部材は、前記電極同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続し、これによって、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させることが好ましい。具体的な構成において、前記電極は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されている。あるいは、前記電極は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されている。前記切換え部材はON/OFFスイッチであっても良い。他の実施形態において、前記圧電層は互いに極性が逆の第1および第2の部分を有している。更なる他の実施形態において、前記トランスミッタ部材は、実質的に内蔵された並列もしくは非並列接続によって互いに電気的に接続される2つのセル部材を有している。また、前記切換え部材は、前記セル部材同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続する。前記セル部材は互いに極性が逆の圧電層を有している。更なる他の実施形態において、トランスミッタ部材の孔は、下層の上に上層が配置されて成る2層型の圧電層によって覆われている。前記上層と前記下層はその極性が互いに逆になっていることを特徴とする。前記上層と前記下層は、その間に配置された絶縁層によって分離されていても良い。また、本発明においては、音響情報を伝える方法が提供される。この方法は、(a)取り付けられた第1および第2の電極を有する十分な可撓性をもつ圧電層を形成し、前記圧電層はセル部材に取り付けられ、前記電極は切換え部材を有する電気回路に電気的に接続され、(b)前記圧電層に衝突する音波を形成し、前記音波は反射部を有し、(c)前記圧電層の機械インピーダンスを制御することによって前記音波の反射部を変調し、前記制御は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号の周波数と等しい周波数で前記切換え部材を切換えることによってなされる。また、この方法においては、更に、(a)前記圧電層に取り付けられる第3および第4の電極を設け、前記第3および第4の電極は前記電気回路に電気的に接続され、(b)前記圧電層の機械インピーダンスを変化させるために、前記切換え部材によって前記電極間の電気的な接続を変化させる。具体的な構成において、前記第1および第2の電極が第1のセル部材に取り付けられ、前記第3および第4の電極が第2のセル部材に取り付けられる。
【0004】
本発明は、圧電層をその共振周波数で振動させるための低周波音響信号を使用できるように構成された小型で可撓性をもつ圧電トランスデューサを提供することによって、現在知られた構成の欠点をうまく解決している。この場合、低周波信号とは、トランスデューサの寸法よりも十分に大きい波長をもった信号のことである。また、本発明は、トランスデューサの電気出力を最大にするように成形される電極を有し且つフォトリソグラフィ技術やマイクロエレクトロニクス技術を使用することによって電気回路と組み合わせて一体に製造されるトランスデューサ部材を提供することによって、現在知られた構成の欠点を解決している。
また、本発明は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号にしたがって圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させて反射される音波を変調する小型で可撓性をもつ圧電トランスミッタを提供することにより、現在知られた構成の欠点を解決している。また、本発明は、複数の電極を設けることによって圧電層の機械インピーダンスを制御するトランスミッタを提供することで、現在知られた構成の欠点を解決している。このようなトランスミッタにおいて、複数の電極同士は電気的に並列もしくは非並列に接続される。また、これらの電極の少なくとも一部が切換え部材に電気的に接続される。切換え部材は、電極間の電気的な接続を交互に変化させることによって、圧電層の機械インピーダンスを交互に変化させる。
【0005】
(好ましい実施形態の説明)
本発明は、離れて位置する音響放射線源から伝えられる音響エネルギーを受けるとともに、その音響エネルギーを電気回路を作動させるための電力に変換する小型で可撓性をもった圧電トランスデューサに関するものである。
また、本発明は、離れて位置するトランスミッタから受けた外部音波の反射を変調することによって情報を伝達する送信部材および送信方法に関するものである。
本発明に係るトランスデューサ部材の原理・動作は図面および以下の記述を参照すれば容易に理解できる。
図に従って説明すれば、図1a,1b,2a〜2eは本発明に係るトランスデューサ部材の好ましい実施形態を示している。図示のように、トランスデューサ部材1は、孔4を有する少なくとも1つのセル部材3を備えている。孔4は、基板にエッチング形成されるとともに、十分な可撓性をもつ圧電層2によって覆われている。圧電層2には上部電極8と下部電極6とが取り付けられ、各電極は電気回路に接続される。
基板は好ましくは電気絶縁層12上に配置された導電層11から成り、この導電層11の厚さを貫くように孔4がエッチングされている。
導電層11は好ましくは銅から成り、絶縁層12は好ましくはポリイミドのようなポリマーから成る。KaptonTMシートのような従来の銅板ポリマー積層体をトランスデューサ部材1の製造のために使用しても良い。NovacladTMのような市販の積層体を使用しても良い。また、基板は、シリコン層や他の適切な任意の材料を含有していても良い。また、層11がPyralinTMのような非導電材料から成っていても良い。
好ましくは、孔4は、従来のプリント回路のフォトリソグラフィ法を使用して、基板にエッチング形成される。また、VLSI/ミクロ機械加工技術や他の適当な任意の技術を使用して、孔4を基板にエッチング形成しても良い。
【0006】
圧電層2はPVDFまたはその共重合体から成っていても良い。また、圧電層2は十分な可撓性をもつ圧電セラミックから成っていても良い。好ましくは、圧電層2は、厚さが約9〜28μmの極PVDFシート(poled−PVDF sheet)から成る。
フレキシブル層2の厚さおよび半径は、孔4内の圧力と同様、所定の共振周波数が得られるように厳選されることが望ましい。図1a,1bの実施形態を使用する場合には、層2の半径は孔4の半径によって決定される。
十分な可撓性をもつ圧電層2を使用すれば、本発明は、音波の波長がトランスデューサの限界を大きく超えるような共振周波数をもつ小型のトランスデューサ部材を提供することができる。これによって、トランスデューサは共振時であっても無指向性となることができ、周囲の媒体によって大きく減衰することがない比較的低い周波数の音響信号を使用できるようになる。
しかし、小型のトランスデューサの従来の構成は、厚さモードで常時動作する硬質の圧電セラミックに依存している。そのような場合、共振周波数は、部材の寸法および圧電セラミック内での音速に関係付けられ、これらの大きさの程度によって大きくなる。
【0007】
本発明は、無指向性のトランスデューサ、すなわち、入射する音響放射線の方向に対して感度がないトランスデューサを提供しており、これによって、他の共振装置に対するトランスデューサの動作を簡単にしている。したがって、そのようなトランスデューサ部材は、トランスデューサ部材の方向を予め突きとめることができない狭い場所や隠れた場所で用いるのに適している。
具体的な実施形態において、孔4は、円形状もしくは六角形状を成して、半径が約200μmに設定されていることを特徴としている。導電層11は約15μmの厚さを有していることが望ましい。セル部材3は導電層11の厚さを完全に貫通するようにエッチングされることが望ましい。電気絶縁層12は約50μmの厚さを有していることが望ましい。本発明に係るトランスデューサ部材の様々な部分の正確な寸法は、特定の実施形態の要求に応じて具体的に設定される。
孔4は空気のようなガスを有していることが望ましい。孔4内のガスの圧力は、層2の共振周波数と同様、トランスデューサの所定の感度や耐久性が得られるように、厳選される。
【0008】
図2bに示されるように、基板には、好ましくは導電層11の厚さを貫くように、絶縁室18がエッチング形成されており、これにより、トランスデューサ部材は、基板にエッチング形成された他のトランスデューサ部材のような他の電気部品を含む基板の他の部分から絶縁される。具体的な実施形態において、絶縁室18の幅は約100μmである。図示のように、絶縁室18は、孔4を取り囲む所定の厚さの壁10を形成し且つ壁10と一体を成す導電ライン17を形成するように、基板にエッチング形成されている。この場合、導電ライン17は、好ましくは同一の基板にエッチング形成される他の電気部品もしくは外部の電気回路に対してトランスデューサ部材を接続する。
図1aおよび図1bに示されるように、圧電層2には上部電極8と下部電極6とが取り付けられている。図2cおよび図2eに示されるように、上部電極8と下部電極6は、圧電層2の所定の領域を覆うように正確に成形されていることが望ましい。電極6,8は、真空蒸着、マスクエッチング、塗装等の様々な方法を使用することによって、圧電層2の上面と下面とにそれぞれ堆積されている。
図1aに示されるように、下部電極6は、導電層11上に堆積された十分に薄い導電層14と一体の部分として形成されていることが望ましい。導電層14は、ニッケル銅合金によって形成され且つシール接続部16を介して導電層11に取り付けられていることが望ましい。シール接続部16はインジウムによって形成されていても良い。好ましい構成において、シール接続部16は、孔4の壁10の全体の高さが約20〜25μmとなるように、約10μmの厚さを有していることを特徴としている。
図2cに示されるように、導電層14は、壁10や導電ライン17を含む導電層11の様々な部分を覆っている。導電ライン17を覆う導電層14の部分は、隣接するセルのような電気部品への接続部となっている。
【0009】
本発明の好ましい実施形態において、電極6,8は、エネルギーを最も多く生成する圧電層2の領域を含むように、特定の形状を成しており、これにより、電極領域すなわちセルのキャパシタンスを最大限に利用しながらトランスデューサの応答性を最大にでき、したがって、トランスデューサ部材の電圧感度、電流感度、電力感度といった選択されたパラメータを最大にすることができる。
角振動数での単色励振(monochromatic excitation)によって生じる圧電層2の垂直変位Ψは、薄板のための標準的な方程式を使用することによって表わされる。
この場合、Qは層2の弾性を示すヤング率、hは層2の厚さの1/2、vは層2のポアソン比、γは
によって与えられる層内の有効波数であり、また、ρは層2の比重(密度)、ωは加えられる圧力(加えられる圧力は、音圧、層2を横切る静圧差、トランスデューサが受ける他の任意の圧力を含む)の角振動数、Zは孔4の内側および外側の媒体にそれぞれ層2を連結することによって生じる機械インピーダンスである。なお、孔4の内側の媒体は好ましくは空気であり、孔4の外側の媒体は好ましくは流体である。また、Pは層2に加えられる音圧、
は層2の垂直変位の平均値を示している。
【0010】
孔4が円形である場合、所定の半径aを有する円形の層2の動的変位を示す解(1つの振動数成分ωのために与えられる)を極座標で示すと、
この場合、
は、時間に依存しており、円形の層2上に位置する選択された点の変位を示している。その特定の位置は半径rおよび角度
によって与えられる。
JとIはそれぞれ第1種の正規のベッセル関数および第1種の修正されたベッセル関数を示している。また、PA,HAはそれぞれ孔4内の空気圧および孔4の高さを示している。また、ρWは孔4の外側の流体の比重を示している。
インピーダンスZの第1項は、孔4内の空気の圧縮によって生じる剛性に関係している。また、Zの第2項は流体境界層によって加えられる質量に関係している。放射性音響エネルギーに関係するインピーダンスZの他の項はここでは無視できる。
【0011】
電極6,8間で単位面積当たりに集められる電荷は、変位によって生じる層2内の歪みを求めることによって、また、圧電歪み係数テンソルの対角線でない要素e31,e32を掛けることによって以下のように得られる。
この場合、
は円形の層2上に位置する選択された点の電荷密度を示している。その特定の位置は半径rおよび角度
によって与えられる。
xは圧電層2の伸長方向であり、yは層2の横方向(伸長方向に対して垂直な方向)である。
e31,e32は、圧電歪み係数テンソルの対角線でない要素であり、層2上の選択された点に蓄積された電荷を示している。これは、与えられたx方向に沿う歪みおよびy方向に沿う歪みに依存しており、これらの係数はPVDF層を使用した場合には実質的に異なる。
【0012】
Ψは、層2の変位であり、周波数fで与えられる音圧Pによる変位と孔4の内側と外側との間の圧力差によって生じる変位との合計として与えられる。これらの変位は先に与えられた方程式から得られる。
電極6,8間に蓄積される全電荷は、電極の全面積Sにわたって
を積分することによって得られる。すなわち、
圧電層2のキャパシタンスCは
によって与えられる。ここで、εは圧電層2の誘電率であり、2hは圧電層2の厚さである。
したがって、圧電層2の電圧レスポンス、電流レスポンス、電力レスポンスは、以下のようにして求められる。
一般にDC電流は漏れ出てくるため、通常、QのDC成分は演算する前に除去される。先に与えられたQの値は、QのAC成分のピーク値を示しており、したがって、RMS値のような他の必要な値を得るために修正される。
このように、トランスデューサの電気出力は、QのAC成分および電極の形状Sに依存する電圧レスポンス、電流レスポンス、電力レスポンスに関して表わされる。また、先の方程式から分かるように、トランスデユーサの電圧レスポンスは、電極の面積を最小にすることによって最大となる。しかし、電流レスポンスは、電極の面積を最大にすることによって最大となる。
【0013】
図3は、円形の圧電層2の全面積にわたって均一に圧力(音響圧および静水圧)を加えることによって得られる層2上の電荷密度の分布を示している。ここでは、層2の伸長方向(x方向)および横方向(y方向)を含むデカルト座標を使用することによって、層2上の特定の位置が決定されている。図から分かるように、層2上の異なった位置は、電荷密度に異なって寄与している。層2の外周70および中央72では、変形が最小であるため、電荷密度が消失してしまっている。中央72の両側に対称に位置している2つのコア74a,74bでは、最大の歪み(伸長方向での歪み)が生じるため、電荷密度が最大となっている。
トランスデューサの電気応答(レスポンス)を最適化するための好ましい方法は、最大の電荷密度の少なくとも1つの選択されたパーセンテージの閾値を与える領域を選択して電極を形成することである。この場合、閾値は最適化されるパラメータである。0%の閾値は層2の全領域を覆う電極に関係している。
【0014】
図4は、所定の面積の層2を有するトランスデューサの電力レスポンスのために行なわれた最適化の結果を示している。図示のように、最適な電力レスポンスを提供する閾値は30%である(グラフb)。したがって、最大の電荷密度の少なくとも30%を与える層2の部分だけを覆う電極が最大の電力レスポンスを生じる。そのような電極によって得られる適切な電圧レスポンスは、層2を完全に覆う電極よりも2のファクター分だけ高い(グラフa)。そのような電極によって得られる適切な電流レスポンスは、層2を完全に覆う電極よりも僅かに低い(グラフc)。また、図示のように、層2の共振周波数で音響信号を加えると、層2の撓みが最大となる(グラフd)。
トランスデューサの電力レスポンスを最大にするための好ましい電極形状が図5に示されている。この場合、電極は、層2の最大電荷密度部分を実質的に覆う2つの電極部80a,80bを有している。これらの電極部は、最小の面積を有する接続部82によって互いに接続されている。電極部80a,80bは、好ましくは、最大電荷密度の少なくとも選択された閾値(例えば30%)を生じる層2の部分を覆っている。
本発明においては、電極6,8の形状を決定するために、他の任意のパラメータを最適化しても良い。本発明のさらなる特徴によれば、トランスデューサに関して最大の電気レスポンスが提供されるように、たった1つの電極(上部電極8または下部電極6)が形成される。この場合、他の電極が層2の全領域を覆っている。上部電極8と下部電極6との間で受けられる層2の部分でのみ電荷が集められるため、このような構成は、同一の形状を有する2つの定型電極を有する構成と作用的に等価である。
【0015】
図6に示される他の実施形態において、トランスデューサ部材1の室(孔)4は十分に低い圧力のガスを収容しており、これによって、平衡状態で圧電層2が実質的に凹形状を成している。このような構成によれば、層2の与えられた変位によって得られる全電荷が増加し、トランスデューサの電気レスポンスを向上させることができる。このような実施形態における全変位は、Ψ=P0ΨDC+PΨACcosωtによって与えられる。この場合、P0は孔4の内側と外側との間の静圧差、ΨDCはP0によって生じる変位、Pは音圧の振幅、ΨDCはPによって生じる変位である。
したがって、x方向に沿う歪みは、以下のように3つの項を有する。
ここで、DC成分は一般に漏れ出る。
このように、孔4の内側の媒体(好ましくは、空気)の圧力を外側の媒体(好ましくは、流体)の圧力よりも低くすることにより、P0の値が増大し、これによって、先の方程式の3つの項の値が増大する。
このような実施形態によれば、層2を変位させることによって、層2の電荷出力を増大させることができ、これによって、音圧Pを増大させることなくトランスデューサの電圧、電流、電力レスポンスを向上させることができる。また、このような実施形態によれば、小さな音響撓みで同一の電気レスポンスが得られるため、トランスデューサを小型化できる。また、このような実施形態は、図1a,1bの実施形態よりも機械的に強固であり耐性が向上する。トランスデューサをさらに小型化できるため、図1a,1bの実施形態よりも高い共振周波数を使用できる。
【0016】
本発明に係るトランスデューサ部材1は、好ましくは、マイクロエレクトロニクス産業で広く使用されている技術を用いて組立てられる。これにより、従来の他の電子部品との集積化が可能となる。トランスデューサ部材が銅−ポリマー積層体もしくはシリコンのような基板を有している場合には、様々な従来の電子部品を同じ基板上に組立てても良い。
好ましい実施形態においては、複数の孔4が1つの基板12にエッチング形成されるとともに1つの圧電層2によって覆われる。これによって、変換セル部材(transducing cell members)3のマトリクスを有するトランスデューサ部材を提供でき、個々の変換セル部材3の小型化という利益を保持しつつ、大きなエネルギーを収集する所定の大きさの領域を提供することができる。このような構成を使用すれば、トランスデューサの電流レスポンスおよび電圧レスポンスを仕立てることができるように、複数の変換セル部材3同士を電気的に互いに並列に或いは直列に或いはこれらの組み合わせで接続することができる。並列接続は、好ましくは、電流出力を増大するために使用され、直列接続は、好ましくは、トランスデューサの電圧出力を増大するために使用される。
また、各変換セル部材3に所定の極性を与えるために、圧電層2は、完全に消極され(極性がなくされ)、その後、特定の領域で再分極されても良い。このような構成によれば、セル部材3間の相互接続の複雑さを低減することができる。
また、本発明に係るトランスデューサ部材は、トランスミッタとして使用され、離れて位置するトランスミッタから受ける外部音波の反射を変調することにより、離れて位置するレシーバに情報を伝えることができる。
【0017】
図6に示されたトランスデューサ部材は、孔4の内外間の圧力差によって生じる正および負の一時的な音圧に対して圧電層2が非対称に変動するため、トランスミッタ部材として機能する。
本発明に係るトランスミッタ部材は、好ましくは、これに接続された切換え部材によって、外部から受ける音波の反射を変調させる。前記切換え部材は、センサ出力等の伝えられる情報を符号化し、これによって、反射される音波の周波数を変調させる。
このような構成によれば、受けられる音波が外部で形成されるため、送信モジュールそれ自身のエネルギー消費を非常に小さくすることができ、送信に必要な唯一のエネルギーが変調のためのエネルギーとなる。
具体的には、センサのような他の電気部品から受けたメッセージ電気信号の周波数に応じて切換え部材を切換えることにより、反射された音響信号が変調され、メッセージ信号の周波数に応じて層2の機械インピーダンスが制御可能に変化される。
好ましくは、層2の機械インピーダンスを制御するために、単一のセル部材3もしくは複数のセル部材に接続される複数の電極の特定の配列が使用される。
【0018】
図7a〜図7gは、トランスミッタ部材の層2の機械インピーダンスを制御可能に変化させるための可能な構成を示している。図7aに示されるように、本発明に係るトランスミッタ部材は、電極の第1の対と電極の第2の対とを有している。第1の対は上部電極40aと下部電極38aとを有している。第2の対は上部電極40bと下部電極38bとを有している。電極38a,38b,40a,40bは、導電ライン36a,36b,34a,34bをそれぞれ介して、電気回路に電気的に接続されている。導電ライン36a,36b,34a,34bの電気的な接続を交互に変化させるために、前記電気回路には切換え部材(図示せず)が設けられている。
好ましくは、切換え部材は、電極の接続状態を並列接続と非並列接続との間で切換える。並列接続は層2の機械インピーダンスを減少させる。また、非並列接続は層2の機械インピーダンスを増大させる。非並列接続は、ライン34a,36b同士を接続し且つライン34b,36a同士を接続することによって得られる。並列接続は、ライン34a,34b同士を接続し且つライン36a,36b同士を接続することによって得られる。切換え周波数は、好ましくは、センサのような電気部品から受けるメッセージ信号の周波数に等しい。
図7bに示される他の実施形態において、上部電極40aは導電ライン28を介して下部電極38bに接続され、電極38a,40bは導電ライン27,29をそれぞれ介して電気回路に接続されている。この場合、前記電気回路は切換え部材を有している。このような構成では、電極の非並列接続が形成され、切換え部材がON/OFFスイッチとして機能する。これにより、層2の機械インピーダンスが交互に増大する。
電気的な接続の複雑さを低減するため、層2は、消極された後に、その特定の領域で再分極されても良い。図7cに示されるように、電極40a,38a間で受けられる層2の部分の極性は、電極40b,38b間で受けられる層2の部分の極性と逆である。このように、非並列接続は、導電ライン28によって電極38a,38b同士を接続し且つ導電ライン27,29をそれぞれ電極40a,40bに接続することによって達成される。この場合、導電ライン27,29は電気回路に接続され、電気回路は切換え部材を有している。
他の実施形態においては、トランスミッタ部材が複数の変換セル部材を有し、セル部材同士を適当に接続することによって層2の機械インピーダンスが制御可能に変化される。
【0019】
図7dに示されるように、第1の変換セル部材3aは層2aと孔4aとを有しており、第2の変換セル部材3bは層2bと孔4bとを有している。そして、これらのセル部材3a,3bは、好ましくは、同一の基板内に収容されている。また、層2a,2bは一体に形成されている(図示せず)。電極6a,8aを有する電極の第1の対が層2に取り付けられ、電極6b,8bを有する電極の第2の対が層2bに取り付けられている。電極6a,8a,6b,8bは、導電ライン37a,35a,37b,35bをそれぞれ介して、電気回路に電気的に接続されている。また、図7aにおいて説明したように、導電ライン37a,35a,37b,35bの電気的な接続を交互に切換えて並列接続と非並列接続とを交互に形成するために、前記電気回路には切換え部材が設けられている。これにより、層2a,2bの機械インピーダンスを交互に増減することができる。
図7eは他の実施形態を示している。この実施形態では、第1および第2の変換セル部材が非並列接続によって互いに接続されている。図示のように、セル部材3a,3b間の電気的接続の複雑さを低減するために、層2aの極性は層2bの極性と逆である。したがって、電極6aは導電ライン21によって電極6bに接続され、電極8a,8bには導電ライン20,22がそれぞれ設けられ、各導電ライン20,22は切換え部材を有する電気回路にそれぞれ接続される。層2a,2bの機械インピーダンスを交互に増大させるため、前記切換え部材は、好ましくは、ON/OFFスイッチとして機能する。
図7fは他の実施形態を示している。この実施形態において、第1および第2の変換セル部材が並列接続によって互いに接続されている。図示のように、電極6a,6bは導電ライン24によって互いに接続され、電極8a,8bは導電ライン23によって互いに接続され、電極6b,8bには導電ライン26,25がそれぞれ設けられ、各導電ライン26,25は切換え部材を有する電気回路にそれぞれ接続される。層2a,2bの機械インピーダンスを交互に増減するため、前記切換え部材は、好ましくは、ON/OFFスイッチとして機能する。
【0020】
図8は、同一の基板にエッチング形成され且つ非並列接続によって互いに接続される2つの変換セル部材の可能な構成を示している。図示のように、2つの変換セル部材は共通の圧電層2によって覆われている。この場合、電極6a,8a間で受けられる層2の部分の極性は、電極6b,8b間で受けられる層2の部分の極性と逆である。電極8a,8bは導電ライン9によって接着され、電極6a,6bには電気回路への接続のための導電ライン16が設けられている。
本発明に係るトランスミッタ部材の他の実施形態が図9に示されている。このトランスミッタ部材は孔4を有する1つの変換セル部材を備えており、孔4は好ましくは極性が互いに逆の第1および第2の圧電層50a,50bによって覆われている。層50a,50bは好ましくは絶縁層52によって互いに接続されている。層50aには上部電極44aと下部電極42aとが取り付けられ、また、層50bには上部電極44bと下部電極42bとが取り付けられている。電極44a,42a,44b,42bには電気回路への接続のための導電ライン54,55,56,57がそれぞれ設けられている。
前述した内容は単なる実施形態として示されているものであり、本発明の範囲および思想の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 aは図2a〜図2eのA−A線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の長手方向断面図、bは図2a〜図2eのB−B線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の長手方向断面図である。
【図2】 aは図1aのC−C線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、bは図1aのD−D線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、cは図1aのE−E線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、dは図1aのF−F線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、eは図1aのG−G線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図である。
【図3】 層の全面にわたって均一な圧力を加えた際におけるトランスデューサ部材の圧電層を横切る電荷密度の分布を示す図である。
【図4】 本発明に係るトランスデューサの電力レスポンスのために行なわれる最適化の結果を示す図である。
【図5】 本発明に係るトランスデューサの電力レスポンスを最大にする好ましい電極形状を示す図である。
【図6】 トランスミッタとして機能し得る本発明に係るトランスデューサ部材の他の実施形態を示す長手方向断面図である。
【図7】 a〜fは圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させるための並列および非並列接続を有する本発明に係るトランスミッタの可能な構成を示す概略図である。
【図8】 非並列接続を有する本発明に係るトランスミッタ部材の長手方向断面図である。
【図9】 本発明に係るトランスミッタ部材の他の実施形態を示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
1 トランスデューサ部材、2 圧電層(層、フレキシブル層)、2a、2b 層、3 変換セル部材(セル部材)、3a 第1の変換セル部材(セル部材)、3b 第2の変換セル部材(セル部材)、4、4a、4b 孔、6、38a、38b、42a、42b 下部電極(電極)、6a、6b、8a、8b 電極、8、40a、40b、44a、44b 上部電極(電極)、9、17、20〜26、28、35a、35b、37a、37b、54〜57 導電ライン、10 壁、11 導電層(層)、12 電気絶縁層(絶縁層、基板)、14 導電層、16 シール接続部(導電ライン)、18 絶縁室、27、29 導電ライン、34a、34b、36a、36b 導電ライン(ライン)、50a、50b 圧電層(層)、52 絶縁層、70 外周、72 中央、74a、74b コア、80a、80b 電極部、82 接続部。
Claims (45)
- (a)孔を有するセル部材を備え、
(b)前記孔をその周囲から絶縁するように前記セル部材の表面に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、圧電層の中心部は支持されることなく前記孔にわたって自由に浮動し、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で前記孔の内側および外側で振動できるように寸法が設定され、
(c)前記外面に取り付けられた第1の電極と、前記内面に取り付けられた第2の電極とを備えている、
ことを特徴とするトランスデューサ部材。 - 前記孔は基板にエッチングによって形成されることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記基板は、電気絶縁層と導電層とを有していることを特徴とする請求項2に記載のトランスデューサ部材。
- 前記第1の電極は、前記基板上に設けられた十分に薄い導電層と一体に形成されていることを特徴とする請求項3に記載のトランスデューサ部材。
- 十分に薄い前記導電層は、シール接続部を介して前記基板に接続されていることを特徴とする請求項4に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電気絶縁層がシリコンから成ることを特徴とする請求項3に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電気絶縁層が高分子材料から成ることを特徴とする請求項3に記載のトランスデューサ部材。
- 前記シール接続部がインジウムから成ることを特徴とする請求項5に記載のトランスデューサ部材。
- 前記圧電層がPVDFから成ることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記孔はその断面形状が円形を成していることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記孔はその断面形状が六角形を成していることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記基板が複数のセル部材を有していることを特徴とする請求項2に記載のトランスデューサ部材。
- 前記第1および第2の電極の少なくとも一方は、最大の電気出力を形成するように成形されていることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電気出力が電流であることを特徴とする請求項13に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電気出力が電圧であることを特徴とする請求項13に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電気出力が電力であることを特徴とする請求項13に記載のトランスデューサ部材。
- 前記電極の少なくとも1つは、接続部材によって互いに接続される第1および第2の電極部を有していることを特徴とする請求項13に記載のトランスデューサ部材。
- 前記孔内にはガスが含まれていることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
- 前記ガスが十分に低圧であることを特徴とする請求項18に記載のトランスデューサ部材。
- 前記トランスデューサ部材がトランスミッタとして使用されることを特徴とする請求項19に記載のトランスデューサ部材。
- 前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材が電気的に接続されていることを特徴とする請求項19に記載のトランスデューサ部材。
- (a)孔を有するセル部材を備え、
(b)前記孔をその周囲から絶縁するように前記セル部材の表面に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層の中心部は支持されることなく前記孔にわたって自由に浮動し、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で前記孔の内側および外側で振動できるように寸法が設定され、
(c)前記外面に取り付けられた第1の電極と、前記内面に取り付けられた第2の電極とを備え、これら2つの電極は、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材を有する電気回路に電気的に接続されていることを特徴とするトランスミッタ部材。 - 前記切換え部材の切換え周波数は、電子部品から受ける電気メッセージ信号の周波数と等しいことを特徴とする請求項22に記載のトランスミッタ部材。
- 前記電子部品がセンサであることを特徴とする請求項23に記載のトランスミッタ部材。
- 前記切換え部材は、電子部品から受けたメッセージ信号に応じて反射される音波を変調することを特徴とする請求項22に記載のトランスミッタ部材。
- 前記外面に取り付けられた第3の電極と、前記内面に取り付けられた第4の電極とを更に備えていることを特徴とする請求項22に記載のトランスミッタ部材。
- 前記切換え部材は、前記電極同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続し、これによって、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させることを特徴とする請求項26に記載のトランスミッタ部材。
- 前記電極は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項26に記載のトランスミッタ部材。
- 前記電極は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項26に記載のトランスミッタ部材。
- 前記切換え部材がON/OFFスイッチであることを特徴とする請求項26に記載のトランスミッタ部材。
- 前記圧電層は互いに極性が逆の第1および第2の部分を有していることを特徴とする請求項26に記載のトランスミッタ部材。
- 前記トランスミッタ部材が2つのセル部材を有していることを特徴とする請求項22に記載のトランスミッタ部材。
- 2つのセル部材は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項32に記載のトランスミッタ部材。
- 2つのセル部材は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項32に記載のトランスミッタ部材。
- 前記切換え部材は、前記セル部材同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続することを特徴とする請求項32に記載のトランスミッタ部材。
- 前記セル部材は互いに極性が逆の圧電層を有していることを特徴とする請求項32に記載のトランスミッタ部材。
- 前記孔は、下層の上に上層が配置されて成る2層型の圧電層によって覆われていることを特徴とする請求項22に記載のトランスミッタ部材。
- 前記上層と前記下層はその極性が互いに逆になっていることを特徴とする請求項37に記載のトランスミッタ部材。
- 前記上層と前記下層との間に絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項37に記載のトランスミッタ部材。
- 音響情報を伝える方法において、
(a)取り付けられた第1および第2の電極を有する十分な可撓性をもつ圧電層を形成し、前記圧電層はセル部材に取り付けられ、前記電極は切換え部材を有する電気回路に電気的に接続され、
(b)前記圧電層に衝突する音波を形成し、前記音波は反射部を有し、
(c)前記圧電層の機械インピーダンスを制御することによって前記音波の反射部を変調し、前記制御は、電子部品から受けるメッセージ信号の周波数と等しい周波数で前記切換え部材を切換えることによってなされる、
ことを特徴とする方法。 - 前記電子部品がセンサであることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- (a)前記圧電層に取り付けられる第3および第4の電極を設け、前記第3および第4の電極は前記電気回路に電気的に接続され、
(b)前記圧電層の機械インピーダンスを変化させるために、前記切換え部材によって前記電極間の電気的な接続を変化させる、
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。 - 前記第1および第2の電極が第1のセル部材に取り付けられ、前記第3および第4の電極が第2のセル部材に取り付けられていることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 前記電子部品が抵抗器であることを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 前記トランスデューサがセンサとして使用されることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ部材。
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