JP7099596B1 - Piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
【課題】振動効率の向上が図られる圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子1は、互いに対向する第1の主面4A及び第2の主面4Bと、第1の主面4A及び第2の主面4Bを結ぶ周面5とを有し、平面視において円形をなす圧電素体2と、第1の主面4A及び第2の主面4の少なくとも一方の設けられた電極3と、を備え、電極3の外縁部3aの厚さは、当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっている。【選択図】図3A piezoelectric element capable of improving vibration efficiency is provided. A piezoelectric element (1) has a first main surface (4A) and a second main surface (4B) facing each other, and a peripheral surface (5) connecting the first main surface (4A) and the second main surface (4B), A piezoelectric body 2 having a circular shape in a plan view and an electrode 3 provided on at least one of the first main surface 4A and the second main surface 4, and the thickness of the outer edge portion 3a of the electrode 3 is It gradually becomes smaller toward the edge 3aa of the outer edge portion 3a. [Selection drawing] Fig. 3
Description
本開示は、圧電素子に関する。 The present disclosure relates to piezoelectric elements.
従来の圧電素子として、例えば特許文献1に記載の圧電素子がある。この従来の圧電素子は、平面視において円形状をなす圧電素体を備えている。圧電素体において互いに対向する一対の主面には、圧電素体より一回り小さい形状の円形の電極がそれぞれ設けられている。一方の電極の領域内には、圧電素体の主面を露出させる開口部が設けられている。この開口部は、電極の極性を識別するためのマークとして機能する。
As a conventional piezoelectric element, for example, there is a piezoelectric element described in
上述のような圧電素子では、所望の特性を得るため、活性部となる領域(主として圧電素体に対して電極が形成される領域)を十分に確保する必要がある。一方で、圧電素体に対する電極の面積が増大すると、電極による変位拘束が増大し、結果として振動効率が低下してしまうおそれがある。 In the piezoelectric element as described above, in order to obtain desired characteristics, it is necessary to sufficiently secure a region to be an active portion (mainly a region in which an electrode is formed with respect to the piezoelectric element). On the other hand, if the area of the electrode with respect to the piezoelectric element increases, the displacement constraint by the electrode increases, and as a result, the vibration efficiency may decrease.
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、振動効率の向上が図られる圧電素子を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present disclosure is to provide a piezoelectric element capable of improving vibration efficiency.
本開示の一側面に係る圧電素子は、互いに対向する第1の主面及び第2の主面と、第1の主面及び第2の主面を結ぶ周面とを有し、平面視において円形をなす圧電素体と、第1の主面及び第2の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっている。 The piezoelectric element according to one aspect of the present disclosure has a first main surface and a second main surface facing each other, and a peripheral surface connecting the first main surface and the second main surface, and in a plan view. A circular piezoelectric element and an electrode provided with at least one of a first main surface and a second main surface are provided, and the thickness of the outer edge portion of the electrode gradually increases toward the edge of the outer edge portion. It is getting smaller.
この圧電素子では、圧電素体における第1の主面及び第2の主面の少なくとも一方に設けられた電極の外縁部の厚さが、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっている。これにより、活性部となる領域での電極の厚さを電極の外縁部においても確保しつつ、電極による変位拘束を低減することが可能となる。したがって、この圧電素子では、振動効率の向上が図られる。 In this piezoelectric element, the thickness of the outer edge portion of the electrode provided on at least one of the first main surface and the second main surface of the piezoelectric element is gradually reduced toward the edge of the outer edge portion. .. This makes it possible to reduce the displacement constraint by the electrode while ensuring the thickness of the electrode in the region to be the active portion also at the outer edge portion of the electrode. Therefore, in this piezoelectric element, the vibration efficiency can be improved.
電極の外縁部における圧電素体と反対側の角部は、丸みを帯びた形状となっていてもよい。このような構成により、活性部となる領域での電極の厚さを電極の外縁部においても確保しつつ、振動効率の最大化を図ることができる。 The corner portion of the outer edge portion of the electrode opposite to the piezoelectric field may have a rounded shape. With such a configuration, it is possible to maximize the vibration efficiency while ensuring the thickness of the electrode in the region to be the active portion also in the outer edge portion of the electrode.
電極の外縁部の縁は、第1の主面及び第2の主面の外縁と一致していてもよい。この場合、圧電素子において、活性部となる領域をより拡大することができる。電極の外縁部の縁が第1の主面及び第2の主面の外縁に位置する場合でも、電極の外縁部の厚さが当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっていることで電極による変位拘束を十分に低減でき、振動効率の向上が図られる。 The edge of the outer edge portion of the electrode may coincide with the outer edge of the first main surface and the second main surface. In this case, in the piezoelectric element, the region that becomes the active part can be further expanded. Even when the edge of the outer edge of the electrode is located on the outer edge of the first main surface and the second main surface, the thickness of the outer edge of the electrode gradually decreases toward the edge of the outer edge. Displacement restraint by the electrodes can be sufficiently reduced, and vibration efficiency can be improved.
電極には、圧電素体を露出させる開口部によって構成された極性表示部が設けられており、開口部における電極の厚さは、当該開口部の縁に向かって徐々に小さくなっていてもよい。極性表示部としての開口部は、非活性部となる領域であり、圧電素子の変位には寄与しない。したがって、かかる開口部における電極の厚さを当該開口部の縁に向かって徐々に小さくすることで、圧電素子の振動の均一性を保つことが可能となる。 The electrode is provided with a polarity display portion composed of an opening for exposing the piezoelectric element, and the thickness of the electrode at the opening may gradually decrease toward the edge of the opening. .. The opening as the polarity display portion is a region that becomes an inactive portion and does not contribute to the displacement of the piezoelectric element. Therefore, by gradually reducing the thickness of the electrode in the opening toward the edge of the opening, it is possible to maintain the uniformity of vibration of the piezoelectric element.
開口部の中心は、圧電素体の中心に対して偏心していてもよい。この場合、例えば圧電素子の検査工程において、検査用のセンサの端子を電極の中心に当てることができる。したがって、工程の作業性を担保できる。 The center of the opening may be eccentric with respect to the center of the piezoelectric field. In this case, for example, in the inspection process of the piezoelectric element, the terminal of the inspection sensor can be applied to the center of the electrode. Therefore, the workability of the process can be guaranteed.
開口部の中心は、圧電素体の中心寄りに位置していてもよい。圧電素子の変位に寄与しない開口部を電極の外縁部側に位置させないことで、圧電素子による径方向への均一な拡がり振動を担保できる。 The center of the opening may be located closer to the center of the piezoelectric element. By not locating the opening that does not contribute to the displacement of the piezoelectric element on the outer edge side of the electrode, it is possible to ensure uniform spreading vibration in the radial direction due to the piezoelectric element.
本開示によれば、振動効率の向上が図られる。 According to the present disclosure, vibration efficiency can be improved.
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る圧電素子の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the piezoelectric element according to one aspect of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本開示の一実施形態に係る圧電素子の平面図である。また、図2は、図1のII-II線断面図である。図1及び図2に示す圧電素子1は、例えば超音波トランスデューサの構成要素として用いられる素子である。超音波トランスデューサは、圧電素子1によって超音波を発生させる、又は圧電素子1が受けた超音波を検出する超音波送受装置である。
FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric element according to an embodiment of the present disclosure. Further, FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. The
超音波トランスデューサが超音波を発する場合には、例えば圧電素子1に交流電圧が印加され、当該交流電圧によって圧電素子1が連続的に変位する。圧電素子1の変位に応じて、超音波トランスデューサから超音波が発生する。超音波トランスデューサが超音波を検出する場合には、例えば受けた超音波に起因する圧電素子1の変位によって圧電素子1に起電力が発生する。起電力の発生によって超音波を受けたか否かが検出され、発生した起電力の大きさによって超音波の音圧又は音圧レベルなどが検出される。
When the ultrasonic transducer emits ultrasonic waves, for example, an AC voltage is applied to the
圧電素子1は、図1及び図2に示すように、圧電素体2と、一対の電極3,3とを備えて構成されている。圧電素体2は、全体として薄い円盤状をなしている。すなわち、圧電素体2は、互いに対向する第1の主面4A及び第2の主面4Bと、第1の主面4A及び第2の主面4Bを結ぶ周面5とを有し、平面視において円形をなしている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
圧電素体2は、複数の圧電体層(不図示)が積層されて構成されている。各圧電体層は、圧電材料からなる。本実施形態では、各圧電体層は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料としては、例えばPZT[Pb(Zr、Ti)O3]、PT(PbTiO3)、PLZT[(Pb,La)(Zr、Ti)O3]、又はチタン酸バリウム(BaTiO3)が用いられる。各圧電体層は、例えば上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。実際の圧電素体2では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。
The
電極3は、圧電素体2の第1の主面4A及び第2の主面4Bのそれぞれに設けられている。主として第1の主面4A及び第2の主面4Bに設けられた電極3,3間に圧電素体2が位置する領域は、電歪効果で伸縮する活性部として機能する。電極3は、導電性材料によって構成されている。導電性材料としては、例えばAg、Cu、Ag-Pd合金などが用いられる。電極は、例えば上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。
The
電極3は、平面視において円形をなし、圧電素体2の第1の主面4A及び第2の主面4Bと同心に配置されている。本実施形態では、電極3の外縁部3aの縁3aaは、第1の主面4A及び第2の主面4Bの外縁4aと一致している。つまり、本実施形態では、後述する極性表示部P(開口部11)の形成部分を除いて、圧電素体2の第1の主面4Aの全面及び第2の主面4Bの全面が電極3で覆われた状態となっている。電極3の外縁部3aは、圧電素体2の周面5には張り出しておらず、周面5は、電極3で覆われていない状態となっている。
The
第1の主面4A側の電極3には、図1に示すように、極性表示部Pが設けられている。極性表示部Pは、例えば電極3の径に対して十分に小径の円形の開口部11によって構成されている。開口部11においては、第1の主面4Aが露出するようになっている。このため、極性表示部Pは、電極3の色と、開口部11から露出する第1の主面4Aの色との違いによって容易に識別可能となっており、電極3,3の極性表示機能を発揮する。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態では、開口部11の中心F2の位置は、平面視における圧電素体2の中心F1の位置から偏心した状態となっている。開口部11の中心F2を圧電素体2の中心F1から偏心させることで、例えば圧電素子1の検査用のセンサの端子を圧電素体2の中心F1(すなわち電極3の中心)に当てることができ、当該検査の作業性を担保できる。また、開口部11の中心F2は、圧電素体2の中心F1寄りに位置していることが好ましい。図1の例では、開口部11の中心F2は、圧電素体2の1/2の径を有する円形領域よりも内側に位置している。このように、圧電素子1の径方向への変位に寄与しない開口部11を電極3の外縁部3a側に位置させないことで、圧電素子1による径方向への均一な拡がり振動を担保できる。
In the present embodiment, the position of the center F2 of the
次に、上述した電極3の構成について更に詳細に説明する。
Next, the configuration of the
圧電素子1では、図3に示すように、電極3の外縁部3aの厚さが当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっている。図3の例では、電極3の外縁部3aにおける圧電素体2と反対側の角部Vが丸みを帯びた形状となっており、これにより、電極3の外縁部3aの厚さが当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっている。図3では、第1の主面4A側の電極3の外縁部3aのみを示しているが、第2の主面4B側の電極3の外縁部3aについても同様の構成となっている。
In the
角部Vの丸みの曲率に特に制限はないが、例えば1.8×105(1/m)~3.0×105(1/m)となっている。角部Vの丸みの曲率は、1.0×105(1/m)~5.0×105(1/m)となっていてもよく、1.5×105(1/m)~3.5×105(1/m)となっていてもよい。また、角部Vにおける丸みを帯びた領域の幅(電極3の径方向の幅)は、例えば電極3の半径の0.067%~0.11%程度の幅となっている。当該幅は、電極3の半径の0.05%~0.15%程度の幅となっていてもよく、0.06%~0.12%程度の幅となっていてもよい。
The curvature of the roundness of the corner portion V is not particularly limited, but is, for example, 1.8 × 105 ( 1 / m) to 3.0 × 105 (1 / m). The curvature of the roundness of the corner V may be 1.0 × 10 5 (1 / m) to 5.0 × 10 5 (1 / m), or 1.5 × 10 5 (1 / m). It may be up to 3.5 × 10 5 (1 / m). Further, the width of the rounded region (the radial width of the electrode 3) in the corner portion V is, for example, a width of about 0.067% to 0.11% of the radius of the
また、圧電素子1では、図4に示すように、極性表示部Pを構成する開口部11における電極3の厚さが当該開口部11の縁11aに向かって徐々に小さくなっている。図4の例では、開口部11の内壁11bが開口部11の底部(開口部11から露出する第1の主面4A)に向かって傾斜するなだらかな傾斜面となっている。これにより、開口部11における電極3の厚さが当該開口部11の縁11aに向かって徐々に小さくなっている。
Further, in the
開口部11の底部(開口部11から露出する第1の主面4A)に対する開口部11の内壁11bの傾斜角度θは、例えば2.3°~3.5°となっている。傾斜角度θは、1.0°~5.0°となっていてもよく、2.0°~4.0°となっていてもよい。また、開口部11における電極3の厚さは、必ずしも開口部11の縁11aに向かって一律に小さくなる態様でなくてもよい。例えば開口部11の内壁11bの一部に緩やかな隆起部分などが存在していてもよい。
The inclination angle θ of the
本実施形態では、圧電セラミック材料の成型、脱バインダ処理、焼成を行い、第1の主面4A及び第2の主面4Bの研磨を行うことで圧電素体2を得る。次に、圧電素体2を厚さ方向に積層して円筒体を形成し、例えばセンタレス研磨によって圧電素体2の周面5を研磨する。周面5を研磨した後、円筒体を各圧電素体2に分離する。そして、分離した圧電素体2の第1の主面4A及び第2の主面4に導電性ペーストをそれぞれ印刷し、当該導電性ペーストの焼き付けを行うことにより電極3,3を形成する。
In the present embodiment, the piezoelectric ceramic material is molded, debindered, and fired, and the first
導電性ペーストの印刷には、例えばスクリーン印刷を用いることができる。このスクリーン印刷の際、第1の主面4A側の電極3に開口部11を形成する。開口部11を印刷でパターニングし、開口部11の内壁を開口部11の底部に向かって傾斜するなだらかな傾斜面とすることで、開口部11における電極3の厚さを当該開口部11の縁11aに向かって徐々に小さくすることができる。また、導電性ペーストの焼き付けの際、当該導電性ペーストの凝集によって表面張力が作用することで、電極3の外縁部3aにおける圧電素体2と反対側の角部Vを丸みを帯びた形状とすることができる。電極3,3を形成した後、洗浄及び分極処理を経て、上述した圧電素子1が得られる。
For printing the conductive paste, for example, screen printing can be used. At the time of this screen printing, an
以上説明したように、圧電素子1では、圧電素体2における第1の主面4A及び第2の主面4Bの少なくとも一方に設けられた電極3の外縁部3aの厚さが、当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっている。これにより、活性部となる領域での電極3の厚さを電極3の外縁部3aにおいても確保しつつ、電極3による変位拘束を低減することが可能となる。したがって、この圧電素子1では、振動効率の向上が図られる。
As described above, in the
圧電素子1では、電極3の外縁部3aにおける圧電素体2と反対側の角部Vは、丸みを帯びた形状となっている。このような構成により、活性部となる領域での電極3の厚さを電極3の外縁部3aにおいても確保しつつ、振動効率の最大化を図ることができる。
In the
圧電素子1では、電極3の外縁部3aの縁3aaが第1の主面4A及び第2の主面4Bの外縁4aと一致している。これにより、圧電素子1において、活性部となる領域をより拡大することができる。電極3の外縁部3aの縁3aaが第1の主面4A及び第2の主面4Bの外縁4aに位置する場合でも、電極3の外縁部3aの厚さが当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっていることで電極3による変位拘束を十分に低減でき、振動効率の向上が図られる。
In the
圧電素子1では、圧電素体2を露出させる開口部11によって構成された極性表示部Pが第1の主面4A側の電極3に設けられている。そして、この開口部11における電極3の厚さは、当該開口部11の縁11aに向かって徐々に小さくなっている。極性表示部Pとしての開口部11は、非活性部となる領域であり、圧電素子1の変位には寄与しない。したがって、かかる開口部11における電極3の厚さを当該開口部11の縁11aに向かって徐々に小さくすることで、圧電素子1の振動の均一性を保つことが可能となる。
In the
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、電極3の外縁部3aの縁3aaが第1の主面4A及び第2の主面4の外縁4aに一致しているが、電極3の外縁部3aの縁3aaが第1の主面4A及び第2の主面4の外縁4aよりも内側に位置していてもよい。すなわち、電極3の平面形状が第1の主面4A及び第2の主面4Bよりも一回り小さい円形状をなしていてもよい。
The present disclosure is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the edge 3aa of the
また、上記実施形態では、電極3の平面形状が円形となっているが、電極3の平面形状はこれに限られず、矩形、楕円形、多角形等の他の形状であってもよい。第1の主面4A側の電極3の平面形状と、第2の主面4B側の電極3の平面形状とが互いに異なっていてもよい。
Further, in the above embodiment, the planar shape of the
上記実施形態では、電極3の外縁部3aにおける圧電素体2と反対側の角部Vが丸みを帯びた形状となっているが、電極3の外縁部3aの厚さが当該外縁部3aの縁3aaに向かって徐々に小さくなっているのであれば、他の態様であってもよい。例えば開口部11の内壁11bのように、電極3の外縁部3aの縁3aaに向かって傾斜するなだらかな傾斜面が形成された態様であってもよい。
In the above embodiment, the corner portion V on the
1…圧電素子、2…圧電素体、3…電極、3a…外縁部、3aa…縁、4A…第1の主面、4B…第2の主面、4a…外縁、5…周面、11…開口部、F1…圧電素体の中心、F2…開口部の中心、P…極性表示部、V…角部。 1 ... Piezoelectric element, 2 ... Piezoelectric element, 3 ... Electrode, 3a ... Outer edge, 3aa ... Edge, 4A ... First main surface, 4B ... Second main surface, 4a ... Outer edge, 5 ... Peripheral surface, 11 ... opening, F1 ... center of piezoelectric element, F2 ... center of opening, P ... polarity display, V ... corner.
Claims (6)
前記第1の主面及び前記第2の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、
前記電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっており、
前記電極の外縁部の縁は、前記第1の主面及び前記第2の主面の外縁と一致している圧電素子。 A piezoelectric prime field having a first main surface and a second main surface facing each other, and a peripheral surface connecting the first main surface and the second main surface, and forming a circle in a plan view.
An electrode provided with at least one of the first main surface and the second main surface is provided.
The thickness of the outer edge portion of the electrode gradually decreases toward the edge of the outer edge portion.
The edge of the outer edge portion of the electrode is a piezoelectric element that coincides with the outer edge of the first main surface and the second main surface .
前記第1の主面及び前記第2の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、
前記電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっており、
前記電極には、圧電素体を露出させる開口部によって構成された極性表示部が設けられており、
前記開口部における前記電極の厚さは、当該開口部の縁に向かって徐々に小さくなっている圧電素子。 A piezoelectric prime field having a first main surface and a second main surface facing each other, and a peripheral surface connecting the first main surface and the second main surface, and forming a circle in a plan view.
An electrode provided with at least one of the first main surface and the second main surface is provided.
The thickness of the outer edge portion of the electrode gradually decreases toward the edge of the outer edge portion.
The electrode is provided with a polarity display portion composed of an opening for exposing the piezoelectric element.
A piezoelectric element in which the thickness of the electrode in the opening gradually decreases toward the edge of the opening .
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