JPH02270383A - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents
圧電振動子とその製造方法Info
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- JPH02270383A JPH02270383A JP1091517A JP9151789A JPH02270383A JP H02270383 A JPH02270383 A JP H02270383A JP 1091517 A JP1091517 A JP 1091517A JP 9151789 A JP9151789 A JP 9151789A JP H02270383 A JPH02270383 A JP H02270383A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、超音波を送受信する圧電振動子、特に複数の
共振周波数の超音波を発生する圧電振動子とその製造方
法に関するものである。
共振周波数の超音波を発生する圧電振動子とその製造方
法に関するものである。
超音波は人体に無害であり、また非破壊により異物を検
知することができるため、医療、漁業等の広い範囲に使
用されている。超音波を生体または海中に伝搬させたと
き、伝搬体が均質であれば反射波は生じないが、伝搬体
に音響インピーダンスの異なる部分が存在すると、その
部分で反射波を生じる。この反射波の大きさ、受渡まで
の時間を測定することにより、その異物の位置、性質を
観察できる。例えば医療分野では腫瘍の検査、胎児ある
いは心臓の観察等に応用されており、漁業分野では魚群
、海底地形あるいは障害物等の探査のために応用されて
いる。 超音波の周波数は観察する対象により異なる。 周波数が高い超音波は、解像度が高いため微細な異物を
観察できる。反面、伝搬損失が大きいため伝搬距離は短
くなる。一方、周波数が低い超音波は、前者と比較する
と微細な異物の観察は困難になる反面、超音波の伝搬距
離は長くなる。 これらの超音波は、例えばチタン酸バリウムBaTiO
s、チタン酸鉛PbTiOs、ジルコン酸チタン酸鉛P
b(Zr、TtlOs (P Z T )等の強誘電
体セラミックスからなる圧電振動子に電圧を印加するこ
とにより発生させる。そして超音波の用途に応じて圧電
振動子の形状や寸法を決めることにより共振周波数を制
御している。しかし寸法が定まった1個の圧電振動子か
ら任意の複数の周波数を持つ超音波を発生させるのは困
難である。従来、複数の周波数の超音波を発生させるた
めには、圧電振動子の振動モードとして例えば径振動及
び厚み振動を応用するか、異なった共振周波数を持つ複
数の圧電振動子を複数個配列している。 医療、漁業分野では圧電振動子材料としてジルコン酸チ
タン酸鉛が多用されている。これはジルコン酸鉛PbZ
rOsとチタン酸鉛PbTiOsの二成分系であり、そ
の組成比を変化させることにより特性の多様化が図られ
ている。しかし形状、寸法の定まった1個の圧電振動子
に任意の複数の周波数を持たせることは、この材質であ
っても困難である。 通常、探触子には圧電振動子の異なった振動モードによ
る異なった共振周波数、またはそれら共振周波数の和ま
たは差による異なった共振周波数を用いなければならな
い、また共振周波数と圧電振動子の厚さの積である周波
数定数の異なるものを、行列状または環状に複数配列す
ることにより得られる複数の素子からの異なった共振周
波数を用いなければなかった。
知することができるため、医療、漁業等の広い範囲に使
用されている。超音波を生体または海中に伝搬させたと
き、伝搬体が均質であれば反射波は生じないが、伝搬体
に音響インピーダンスの異なる部分が存在すると、その
部分で反射波を生じる。この反射波の大きさ、受渡まで
の時間を測定することにより、その異物の位置、性質を
観察できる。例えば医療分野では腫瘍の検査、胎児ある
いは心臓の観察等に応用されており、漁業分野では魚群
、海底地形あるいは障害物等の探査のために応用されて
いる。 超音波の周波数は観察する対象により異なる。 周波数が高い超音波は、解像度が高いため微細な異物を
観察できる。反面、伝搬損失が大きいため伝搬距離は短
くなる。一方、周波数が低い超音波は、前者と比較する
と微細な異物の観察は困難になる反面、超音波の伝搬距
離は長くなる。 これらの超音波は、例えばチタン酸バリウムBaTiO
s、チタン酸鉛PbTiOs、ジルコン酸チタン酸鉛P
b(Zr、TtlOs (P Z T )等の強誘電
体セラミックスからなる圧電振動子に電圧を印加するこ
とにより発生させる。そして超音波の用途に応じて圧電
振動子の形状や寸法を決めることにより共振周波数を制
御している。しかし寸法が定まった1個の圧電振動子か
ら任意の複数の周波数を持つ超音波を発生させるのは困
難である。従来、複数の周波数の超音波を発生させるた
めには、圧電振動子の振動モードとして例えば径振動及
び厚み振動を応用するか、異なった共振周波数を持つ複
数の圧電振動子を複数個配列している。 医療、漁業分野では圧電振動子材料としてジルコン酸チ
タン酸鉛が多用されている。これはジルコン酸鉛PbZ
rOsとチタン酸鉛PbTiOsの二成分系であり、そ
の組成比を変化させることにより特性の多様化が図られ
ている。しかし形状、寸法の定まった1個の圧電振動子
に任意の複数の周波数を持たせることは、この材質であ
っても困難である。 通常、探触子には圧電振動子の異なった振動モードによ
る異なった共振周波数、またはそれら共振周波数の和ま
たは差による異なった共振周波数を用いなければならな
い、また共振周波数と圧電振動子の厚さの積である周波
数定数の異なるものを、行列状または環状に複数配列す
ることにより得られる複数の素子からの異なった共振周
波数を用いなければなかった。
゛しかしながら、1個の圧電振動子の異なった共振周波
数を用いる場合、圧電振動子の直径、厚さ、つまり圧電
振動子の形状、寸法により目的とする周波数で干渉する
場合があり、周波数の設定が困難になるという問題があ
った。 また圧電振動子材料自身の周波数定数が異なるものを複
数配列する場合、探触子の形状が複雑且つ大型になると
いう問題があった。個別の振動子に各々電気的な結合も
必要になり、必然的に製造工程及び構造が複雑になると
いう問題もあった。 本発明は、上記の問題を除去するためになされたもので
あり、1個の圧電振動子に複数の共振周波数を持たせる
ことにより振動子の構成部品の削減、コスト低減及び小
型化、高性能化した圧電振動子を得ることを目的とする
ものである。
数を用いる場合、圧電振動子の直径、厚さ、つまり圧電
振動子の形状、寸法により目的とする周波数で干渉する
場合があり、周波数の設定が困難になるという問題があ
った。 また圧電振動子材料自身の周波数定数が異なるものを複
数配列する場合、探触子の形状が複雑且つ大型になると
いう問題があった。個別の振動子に各々電気的な結合も
必要になり、必然的に製造工程及び構造が複雑になると
いう問題もあった。 本発明は、上記の問題を除去するためになされたもので
あり、1個の圧電振動子に複数の共振周波数を持たせる
ことにより振動子の構成部品の削減、コスト低減及び小
型化、高性能化した圧電振動子を得ることを目的とする
ものである。
上記課題を解決するため、本発明者らは多孔質圧電振動
子について研究を重ねた。その結果、単位体積当たりに
占める空孔の比率、すなわち空孔率の異なる多孔質圧電
振動子の電圧特性は、第4図の空孔率と周波数定数の特
性図に示すように、空孔率の変化により共振周波数と圧
電振動子の厚さの積である周波数定数が異なることを見
出した。そのため−個の圧電振動子に空孔率が異なる領
域を設けると、異なる共振周波数が得られる。 複数の領域を持つ多孔質圧電振動子は、圧電振動子の大
部分を通常の強誘電体とし、一部の領域を多孔質構造に
形成すればよく1強誘電体原料粉末と強誘電体粉末の中
に強誘電体の焼成温度により低温で気化する粉体(気化
性粉末)を混合したものを一体に形成し焼成し、さらに
分極処理することにより得られる。 しかし焼成のとき、異なる材料の境界部分て熱膨張率の
差が大きいと、熱応力により焼結体が破壊する場合があ
る。そこで空孔率が異なる圧電振動子について熱膨張率
を測定した結果、緻密なジルコン酸チタン酸鉛と、空孔
率35%を持つジルコン酸チタン酸鉛の温度と膨張係数
とには第5図に示す特性があることを見出した。同図に
おいて、Aは緻密なジルコン酸チタン酸鉛、Bは空孔率
35%を持つジルコン酸チタン酸鉛の特性を示す、この
特性によれば固相反応領域である500℃以上の温度に
おいては、両者の熱膨張率の差が小さいことがわかった
。空孔率35%未満の領域でもこの関係は成り立ってい
る。しかし空孔率が35%を越えると 500℃以上で
の熱膨張率の差が大きくなる。 このため緻密なジルコン酸チタン酸鉛と、空孔率35%
以上のジルコン酸チタン酸鉛を一体に焼成したとき、破
壊が生じやすいことがわかった。 この結果、一部の領域に多孔質構造を持つか、多孔質化
した圧電振動子の一部の領域に空孔率の異なる多孔質構
造を持たせることにより、各領域で各々異なった共振周
波数をもたせることができる。空孔率が35%未満であ
ると機械的強度の大きい安定した焼結体が得られること
が確認できた。 上記のような知見の下になされた本発明を、実施例に対
応する図面を参照して説明すると以下のとおりである。 本発明の第1発明の圧電振動子1(第1図参照)は、緻
密な強誘電体3と多孔質化した強誘電体2とを一体化し
て焼成し、分極処理を施してあることを特徴としている
。 本発明の第2発明の圧電振動子8(第2図参照)は、空
孔率が互いに異なって多孔質化した複数の強誘電体2お
よび9を一体化して焼成し、分極処理を施してあること
を特徴としている。 本発明の第3発明の圧電振動子は、前記第1発明または
第2発明の多孔質化した強誘電体の空孔率が35%まで
の範囲にあることを特徴としている。 本発明の第4発明の圧電振動子は、前記第1発明、第2
発明または第3発明の強誘電体がジルコン酸チタン酸鉛
、チタン酸バリウム、チタン酸鉛から選ばれる物質であ
ることを特徴としている。 本発明の第5発明の圧電振動子の製造方法は、多孔質化
した強誘電体2と緻密な強誘電体3が隣接する圧電振動
子l(第1図参照)を製造する方法であり、仕切り6を
有する型4(第3図参照)内の一方側2aに強誘電体の
原料粉末と、その強誘電体を焼成する温度より低い温度
で気化する粉体とを混°合して型入れし、その型4内の
もう一方側3aに強誘電体だけを型入れし、仕切り6を
型4から取り去り成形する。それを加熱して粉体を気化
させ、強誘電体を焼成する。そして分極処理をする。 本発明の第6発明の圧電振動子の製造方法は、隣接して
異なった空孔率で多孔質化した強誘電体2および9の圧
電振動子8(第2図参照)を製造する方法であり、仕切
り6を有する型4(第3図参照)内の一方側2aに強誘
電体の原料粉末と該強誘電体を焼成する温度より低い温
度で気化する粉体とを混合して型入れし、その型4内の
もう一方側3aに強誘電体の原料粉末と気化性粉体とを
前記とは異なった比率で混合して型入れし、仕切り6を
型から取り去り成形する。それを加熱して粉体を気化さ
せ、強誘電体を焼成する。そして分極処理をする。
子について研究を重ねた。その結果、単位体積当たりに
占める空孔の比率、すなわち空孔率の異なる多孔質圧電
振動子の電圧特性は、第4図の空孔率と周波数定数の特
性図に示すように、空孔率の変化により共振周波数と圧
電振動子の厚さの積である周波数定数が異なることを見
出した。そのため−個の圧電振動子に空孔率が異なる領
域を設けると、異なる共振周波数が得られる。 複数の領域を持つ多孔質圧電振動子は、圧電振動子の大
部分を通常の強誘電体とし、一部の領域を多孔質構造に
形成すればよく1強誘電体原料粉末と強誘電体粉末の中
に強誘電体の焼成温度により低温で気化する粉体(気化
性粉末)を混合したものを一体に形成し焼成し、さらに
分極処理することにより得られる。 しかし焼成のとき、異なる材料の境界部分て熱膨張率の
差が大きいと、熱応力により焼結体が破壊する場合があ
る。そこで空孔率が異なる圧電振動子について熱膨張率
を測定した結果、緻密なジルコン酸チタン酸鉛と、空孔
率35%を持つジルコン酸チタン酸鉛の温度と膨張係数
とには第5図に示す特性があることを見出した。同図に
おいて、Aは緻密なジルコン酸チタン酸鉛、Bは空孔率
35%を持つジルコン酸チタン酸鉛の特性を示す、この
特性によれば固相反応領域である500℃以上の温度に
おいては、両者の熱膨張率の差が小さいことがわかった
。空孔率35%未満の領域でもこの関係は成り立ってい
る。しかし空孔率が35%を越えると 500℃以上で
の熱膨張率の差が大きくなる。 このため緻密なジルコン酸チタン酸鉛と、空孔率35%
以上のジルコン酸チタン酸鉛を一体に焼成したとき、破
壊が生じやすいことがわかった。 この結果、一部の領域に多孔質構造を持つか、多孔質化
した圧電振動子の一部の領域に空孔率の異なる多孔質構
造を持たせることにより、各領域で各々異なった共振周
波数をもたせることができる。空孔率が35%未満であ
ると機械的強度の大きい安定した焼結体が得られること
が確認できた。 上記のような知見の下になされた本発明を、実施例に対
応する図面を参照して説明すると以下のとおりである。 本発明の第1発明の圧電振動子1(第1図参照)は、緻
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て焼成し、分極処理を施してあることを特徴としている
。 本発明の第2発明の圧電振動子8(第2図参照)は、空
孔率が互いに異なって多孔質化した複数の強誘電体2お
よび9を一体化して焼成し、分極処理を施してあること
を特徴としている。 本発明の第3発明の圧電振動子は、前記第1発明または
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の範囲にあることを特徴としている。 本発明の第4発明の圧電振動子は、前記第1発明、第2
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、チタン酸バリウム、チタン酸鉛から選ばれる物質であ
ることを特徴としている。 本発明の第5発明の圧電振動子の製造方法は、多孔質化
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異なった空孔率で多孔質化した強誘電体2および9の圧
電振動子8(第2図参照)を製造する方法であり、仕切
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度で気化する粉体とを混合して型入れし、その型4内の
もう一方側3aに強誘電体の原料粉末と気化性粉体とを
前記とは異なった比率で混合して型入れし、仕切り6を
型から取り去り成形する。それを加熱して粉体を気化さ
せ、強誘電体を焼成する。そして分極処理をする。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
第1図は本発明の圧電振動子の一実施例を示し、(a)
は平面図、(b)は縦断面図である。 同図に示す焼成体lは緻密なジルコン酸チタン酸鉛の焼
結体からなる内柱部2と、空孔率35%の多孔質構造を
持つジルコン酸チタン酸鉛の焼結体からなる外筒部3と
から構成されている。 焼成体lを成形する場合は、第3図に示す外筒、5と仕
切りである境界筒6からなる成形型、4を用いる。境界
筒6の内部2aにジルコン酸チタン酸鉛だけを入れる。 外筒2と境界筒6の中間部3aにはジルコン酸チタン酸
鉛にメタクリル粉体をl。 !if!t%混合したものを入れる。そして境界筒6を
取り除き加圧することにより成形体を得る。この成形体
を電気炉により500°Cで2時間加熱しながら保持す
る。すると成形体からメタクリル粉体が気化し去る。そ
れをさらに1200°Cで2時間焼成することにより、
内柱部2に緻密なジルコン酸チタン酸鉛の焼結体、外筒
部3に空孔率35%の多孔質構造を持つジルコン酸チタ
ン酸鉛の焼結体1を得ることができた。 この焼結体lの内柱部2と外筒部3との境界を調べた結
果、画部分は良好な接合となっていた。 さらにこの焼結体lを厚さ1 mmに研磨した後、公知
の方法で分極処理して圧電振動子を得た。 その圧電振動子の共振周波数を調べた結果、緻密なジル
コン酸チタン酸鉛の部分2の共振周波数は1840KH
zであった。空孔率35%の多孔質化したジルコン酸チ
タン酸鉛の部分3の共振周波数は940KHzであった
。 上記実施例では強誘電体としてジルコン酸チタン酸鉛を
用いたが、チタン酸バリウム1lBTios、チタン酸
鉛PbTiO3等でも同様に異なった共振周波数が得ら
れる。また空孔を形成する材料としてメタクリル粉体を
用いているが、強誘電体の焼成温度より低い温度で気化
する架橋ポリスチレン粉体、炭素粉体等の合成樹脂や無
機粉体でも同様に空孔な形成できる。 また上記実施例では、緻密なジルコン酸チタン酸鉛と多
孔質化したジルコン酸チタン酸鉛での構成を示したが、
空孔率の異なる複数の多孔質化したものを組合わせた焼
成体からも、1個で任意の複数の共振周波数を発振する
圧電振動子を得ることができる。 さらに上記実施例の構成では、1個の圧電振動子で得ら
れる共振周波数は2つの周波数であるが、空孔率の異な
る領域の数を増やすことにより共振周波数の数をさらに
増やすことができる。
は平面図、(b)は縦断面図である。 同図に示す焼成体lは緻密なジルコン酸チタン酸鉛の焼
結体からなる内柱部2と、空孔率35%の多孔質構造を
持つジルコン酸チタン酸鉛の焼結体からなる外筒部3と
から構成されている。 焼成体lを成形する場合は、第3図に示す外筒、5と仕
切りである境界筒6からなる成形型、4を用いる。境界
筒6の内部2aにジルコン酸チタン酸鉛だけを入れる。 外筒2と境界筒6の中間部3aにはジルコン酸チタン酸
鉛にメタクリル粉体をl。 !if!t%混合したものを入れる。そして境界筒6を
取り除き加圧することにより成形体を得る。この成形体
を電気炉により500°Cで2時間加熱しながら保持す
る。すると成形体からメタクリル粉体が気化し去る。そ
れをさらに1200°Cで2時間焼成することにより、
内柱部2に緻密なジルコン酸チタン酸鉛の焼結体、外筒
部3に空孔率35%の多孔質構造を持つジルコン酸チタ
ン酸鉛の焼結体1を得ることができた。 この焼結体lの内柱部2と外筒部3との境界を調べた結
果、画部分は良好な接合となっていた。 さらにこの焼結体lを厚さ1 mmに研磨した後、公知
の方法で分極処理して圧電振動子を得た。 その圧電振動子の共振周波数を調べた結果、緻密なジル
コン酸チタン酸鉛の部分2の共振周波数は1840KH
zであった。空孔率35%の多孔質化したジルコン酸チ
タン酸鉛の部分3の共振周波数は940KHzであった
。 上記実施例では強誘電体としてジルコン酸チタン酸鉛を
用いたが、チタン酸バリウム1lBTios、チタン酸
鉛PbTiO3等でも同様に異なった共振周波数が得ら
れる。また空孔を形成する材料としてメタクリル粉体を
用いているが、強誘電体の焼成温度より低い温度で気化
する架橋ポリスチレン粉体、炭素粉体等の合成樹脂や無
機粉体でも同様に空孔な形成できる。 また上記実施例では、緻密なジルコン酸チタン酸鉛と多
孔質化したジルコン酸チタン酸鉛での構成を示したが、
空孔率の異なる複数の多孔質化したものを組合わせた焼
成体からも、1個で任意の複数の共振周波数を発振する
圧電振動子を得ることができる。 さらに上記実施例の構成では、1個の圧電振動子で得ら
れる共振周波数は2つの周波数であるが、空孔率の異な
る領域の数を増やすことにより共振周波数の数をさらに
増やすことができる。
以上説明したように、本発明の圧電振動子は、1個の中
の複数の各領域に異なった共振周波数を持たせるように
したから、振動子の構成部品数の削減、コスト低減及び
小型化、高性能化を図ることができる。この圧電振動子
を用いる超音波送受波器の構造を簡単にすることができ
、医療用、漁業用等の広い範囲に応用することができる
。 また本発明の製造方法によれば、上記の特性を有する圧
電振動子を効率よく造ることができる。
の複数の各領域に異なった共振周波数を持たせるように
したから、振動子の構成部品数の削減、コスト低減及び
小型化、高性能化を図ることができる。この圧電振動子
を用いる超音波送受波器の構造を簡単にすることができ
、医療用、漁業用等の広い範囲に応用することができる
。 また本発明の製造方法によれば、上記の特性を有する圧
電振動子を効率よく造ることができる。
第1図は本発明を適用する圧電振動子の実施例の平面図
と縦断面図、第2図は同じく別な実施例の同上図、第3
図は成形型の実施例の平面図と縦断面図、第4図は周波
数定数と空孔率の特性図、第5図は温度と線膨張係数の
特性図である。 1.8・・・圧電振動子 2.9・・・多孔質化強誘電
体3・・・緻密な強誘電体 4・・・成形型 5・・・
型外筒6・・・仕切り 第1図 第3図
と縦断面図、第2図は同じく別な実施例の同上図、第3
図は成形型の実施例の平面図と縦断面図、第4図は周波
数定数と空孔率の特性図、第5図は温度と線膨張係数の
特性図である。 1.8・・・圧電振動子 2.9・・・多孔質化強誘電
体3・・・緻密な強誘電体 4・・・成形型 5・・・
型外筒6・・・仕切り 第1図 第3図
Claims (6)
- 1.緻密な強誘電体と多孔質化した強誘電体とを一体化
して焼成し、分極処理を施してあることを特徴とする圧
電振動子。 - 2.空孔率が互いに異なって多孔質化した複数の強誘電
体を一体化して焼成し、分極処理を施してあることを特
徴とする圧電振動子。 - 3.前記多孔質化した強誘電体の空孔率が35%までの
範囲にあることを特徴とする請求項第1項または第2項
に記載の圧電振動子。 - 4.前記強誘電体がジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バ
リウム、チタン酸鉛から選ばれる物質であることを特徴
とする請求項第1項、第2項または第3項に記載の圧電
振動子。 - 5.仕切りを有する型内の一方に強誘電体の原料粉末と
該強誘電体を焼成する温度より低い温度で気化する粉体
とを混合して型入れし、該型内のもう一方に強誘電体だ
けを型入れし、前記仕切りを型から取り去って成形した
後、加熱して該粉体を気化させ、強誘電体を焼成し、分
極処理をすることを特徴とする多孔質化した強誘電体と
緻密な強誘電体が隣接する圧電振動子を製造する方法。 - 6.仕切りを有する型内の一方に強誘電体の原料粉末と
該強誘電体を焼成する温度より低い温度で気化する粉体
とを混合して型入れし、該型内のもう一方に該原料粉末
と該粉体とを前記とは異なった比率で混合して型入れし
、前記仕切りを型から取り去って成形した後、加熱して
該粉体を気化させ、強誘電体を焼成し、分極処理をする
ことを特徴とする隣接して異なった空孔率で多孔質化し
た強誘電体の圧電振動子を製造する方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9151789A JP2878302B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 圧電振動子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9151789A JP2878302B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 圧電振動子とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02270383A true JPH02270383A (ja) | 1990-11-05 |
JP2878302B2 JP2878302B2 (ja) | 1999-04-05 |
Family
ID=14028604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9151789A Expired - Fee Related JP2878302B2 (ja) | 1989-04-11 | 1989-04-11 | 圧電振動子とその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2878302B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023095450A1 (ja) * | 2021-11-29 | 2023-06-01 | 株式会社村田製作所 | 超音波トランスデューサおよびその製造方法 |
-
1989
- 1989-04-11 JP JP9151789A patent/JP2878302B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023095450A1 (ja) * | 2021-11-29 | 2023-06-01 | 株式会社村田製作所 | 超音波トランスデューサおよびその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2878302B2 (ja) | 1999-04-05 |
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