JPH09187099A - 圧電フィルム素子 - Google Patents
圧電フィルム素子Info
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- JPH09187099A JPH09187099A JP8351896A JP35189696A JPH09187099A JP H09187099 A JPH09187099 A JP H09187099A JP 8351896 A JP8351896 A JP 8351896A JP 35189696 A JP35189696 A JP 35189696A JP H09187099 A JPH09187099 A JP H09187099A
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- ground electrode
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
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- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 信号の入出力を行う外部回路への接続を容易
にする圧電フィルム素子を提供すること。 【解決手段】 圧電層４の一面８に第１接地電極Ｇを形
成し、他面６に信号電極Ｓと第２接地電極Ｇ’を形成す
る。この信号電極Ｓと第２接地電極Ｇ’を介して容量結
合により外部回路、例えば回路板１６の導電パッド１
３、１５と直接接続を可能にする。
にする圧電フィルム素子を提供すること。 【解決手段】 圧電層４の一面８に第１接地電極Ｇを形
成し、他面６に信号電極Ｓと第２接地電極Ｇ’を形成す
る。この信号電極Ｓと第２接地電極Ｇ’を介して容量結
合により外部回路、例えば回路板１６の導電パッド１
３、１５と直接接続を可能にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電（ピエゾエレク
トリック）素子、特に被膜（又はフィルム）状の圧電体
を使用する圧電フィルム素子に関する。
トリック）素子、特に被膜（又はフィルム）状の圧電体
を使用する圧電フィルム素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば超音波信号等の信号を送信又は受
信する圧電変換器（トランスデューサ）は特別な処理を
されたＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）等の圧電材料
のフィルムを使用し、いずれかの表面を金属化（メタラ
イズ）面としている。金属化面の一方は信号電極であ
り、他方は接地電極である。これら信号電極と接地電極
間に電圧差を生じさせると、この圧電フィルムに機械力
が生じ、反対にこの圧電フィルムに機械力を加えると、
両電極間に電位差を生じることが知られている（これを
圧電効果という）。従って、圧電フィルムは加速度計又
は振動その他の運動を生じる素子として作用する。特定
の設計により、例えば超音波の変換器又はレシーバ（受
信体）として作用させることができる。
信する圧電変換器（トランスデューサ）は特別な処理を
されたＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン）等の圧電材料
のフィルムを使用し、いずれかの表面を金属化（メタラ
イズ）面としている。金属化面の一方は信号電極であ
り、他方は接地電極である。これら信号電極と接地電極
間に電圧差を生じさせると、この圧電フィルムに機械力
が生じ、反対にこの圧電フィルムに機械力を加えると、
両電極間に電位差を生じることが知られている（これを
圧電効果という）。従って、圧電フィルムは加速度計又
は振動その他の運動を生じる素子として作用する。特定
の設計により、例えば超音波の変換器又はレシーバ（受
信体）として作用させることができる。
【０００３】
【発明の解決課題】これら信号電極及び接地電極は、信
号処理を行う電子回路と相互接続する為に夫々信号及び
接地導体に接続する必要がある。ある条件下では、これ
ら両導体をフィルムの両側に配置するのが実用的でない
場合がある。これは、フィルムに孔をあけて導体を貫通
させるか或は導体をフィルムの端部をう回させて何らか
の手段でそこに固定する必要がある。
号処理を行う電子回路と相互接続する為に夫々信号及び
接地導体に接続する必要がある。ある条件下では、これ
ら両導体をフィルムの両側に配置するのが実用的でない
場合がある。これは、フィルムに孔をあけて導体を貫通
させるか或は導体をフィルムの端部をう回させて何らか
の手段でそこに固定する必要がある。
【０００４】フィルムの両面に接地電極及び信号電極を
取付けるのが問題である一例を挙げる。それは、圧電フ
ィルムをプリント基板の表面に直接被着固定している場
合である。斯る構成の場合、信号電極はプリント基板の
表面に被着形成されている導電回路パッドに直接押付け
て相互接続することが可能である。しかし、接地電極を
有する他の面は導電性リベットに接触させ、プリント基
板の孔を貫通させて下面の回路トレースに導く必要があ
る。この方法は製造コストの上昇を伴い、リベットと接
地電極間の接続は振動や熱膨張収縮の下では十分に安定
ではなく、更に重要なことは圧電フィルムの有効面積を
減小するという問題点がある。また、圧電フィルムやプ
リント基板に孔をあけるとシール（防水）の必要性を生
じ、複雑高価になるという問題も生じる。
取付けるのが問題である一例を挙げる。それは、圧電フ
ィルムをプリント基板の表面に直接被着固定している場
合である。斯る構成の場合、信号電極はプリント基板の
表面に被着形成されている導電回路パッドに直接押付け
て相互接続することが可能である。しかし、接地電極を
有する他の面は導電性リベットに接触させ、プリント基
板の孔を貫通させて下面の回路トレースに導く必要があ
る。この方法は製造コストの上昇を伴い、リベットと接
地電極間の接続は振動や熱膨張収縮の下では十分に安定
ではなく、更に重要なことは圧電フィルムの有効面積を
減小するという問題点がある。また、圧電フィルムやプ
リント基板に孔をあけるとシール（防水）の必要性を生
じ、複雑高価になるという問題も生じる。
【０００５】プリント基板に直接フィルムが取付けられ
ている圧電変換器は、プリント基板上で直接圧電信号処
理が可能になると共に、圧電フィルムを小型安価に接続
できるので有効である。
ている圧電変換器は、プリント基板上で直接圧電信号処
理が可能になると共に、圧電フィルムを小型安価に接続
できるので有効である。
【０００６】そこで、圧電フィルムをプリント基板表面
に簡単、安価且つ高信頼性で接続できれば極めて有効で
ある。
に簡単、安価且つ高信頼性で接続できれば極めて有効で
ある。
【０００７】本発明の目的の１つは、圧電フィルムのい
ずれの面にも、簡単且つ安価に接続可能な圧電フィルム
素子を提供することである。
ずれの面にも、簡単且つ安価に接続可能な圧電フィルム
素子を提供することである。
【０００８】本発明の他の目的は、圧電フィルムの接地
電極及び信号電極をプリント基板等の外部回路に簡単、
安価且つ高信頼性で相互接続可能にする圧電フィルム素
子を提供することである。
電極及び信号電極をプリント基板等の外部回路に簡単、
安価且つ高信頼性で相互接続可能にする圧電フィルム素
子を提供することである。
【０００９】
【課題解決の為の手段】本発明の圧電フィルム素子によ
ると、圧電フィルムの一面に第１（又は１次）接地電極
を形成し、他面に信号電極及び第２（又は２次）接地電
極を形成する。信号電極は第１接地電極に比して小面積
であり、好ましくは第２接地電極により包囲されてい
る。この圧電フィルム素子への信号の入出力は信号電極
と第２接地電極間に外部導体を接続して行うことができ
る。
ると、圧電フィルムの一面に第１（又は１次）接地電極
を形成し、他面に信号電極及び第２（又は２次）接地電
極を形成する。信号電極は第１接地電極に比して小面積
であり、好ましくは第２接地電極により包囲されてい
る。この圧電フィルム素子への信号の入出力は信号電極
と第２接地電極間に外部導体を接続して行うことができ
る。
【００１０】また、本発明の圧電フィルム素子は上述の
如く第１及び第２接電極と信号電極が形成された圧電フ
ィルムの信号電極及び第２接地電極を回路基板の信号及
び接地用導電パッドに直接接続することを特徴とする。
如く第１及び第２接電極と信号電極が形成された圧電フ
ィルムの信号電極及び第２接地電極を回路基板の信号及
び接地用導電パッドに直接接続することを特徴とする。
【００１１】斯る構成により、圧電フィルムの誘電体を
積極的に利用して、信号電極を信号電極と第１接地電極
間のキャパシタンス及び第１及び第２接電極間のキャパ
シタンスの直列回路を介して接地するキャパシタンスを
結合構成とする。それ故に、圧電フィルム素子を信号電
極及び第２接地電極が形成された側のみで外部に接続す
ることが可能になる。
積極的に利用して、信号電極を信号電極と第１接地電極
間のキャパシタンス及び第１及び第２接電極間のキャパ
シタンスの直列回路を介して接地するキャパシタンスを
結合構成とする。それ故に、圧電フィルム素子を信号電
極及び第２接地電極が形成された側のみで外部に接続す
ることが可能になる。
【００１２】更に、信号電極の表面積を第２接地電極よ
り十分小面積とすることにより、信号的（又は電気的）
には信号電極を第１接地電極を介して接地したのと同等
の特性乃至効果が得られる。これにより、圧電フィルム
素子の外部回路（信号入出力回路）への接続が、フィル
ムの一側のみにおいて実現可能であるので、接続作業性
の改善やデバイスの小型化が可能になる。
り十分小面積とすることにより、信号的（又は電気的）
には信号電極を第１接地電極を介して接地したのと同等
の特性乃至効果が得られる。これにより、圧電フィルム
素子の外部回路（信号入出力回路）への接続が、フィル
ムの一側のみにおいて実現可能であるので、接続作業性
の改善やデバイスの小型化が可能になる。
【００１３】
【実施形態】以下、本発明の圧電被膜素子の好適実施形
態を添付図を参照して詳細に説明する。
態を添付図を参照して詳細に説明する。
【００１４】先ず図１を参照して説明する。圧電フィル
ム２は圧電特性を有する例えばＰＶＤＦ等の圧電層４、
この圧電層４の一側６の信号電極（Ｓ）、及び圧電層４
の他側８の第１主接地層（Ｇ）より成る。信号電極
（Ｓ）は外部導体１０を介して電子回路に接続される。
信号電極（Ｓ）は他側８の第１接地電極（Ｇ）に比して
狭い表面積を占める。圧電層４の信号電極（Ｓ）側６に
は、第２接地電極（Ｇ’）があり、これは信号電極
（Ｓ）よりも大きい表面積を占め、他側８の第１接地電
極（Ｇ）の主要部と反対側に位置する。この第２接地電
極（Ｇ’）は外部導体１２を介して接地される。
ム２は圧電特性を有する例えばＰＶＤＦ等の圧電層４、
この圧電層４の一側６の信号電極（Ｓ）、及び圧電層４
の他側８の第１主接地層（Ｇ）より成る。信号電極
（Ｓ）は外部導体１０を介して電子回路に接続される。
信号電極（Ｓ）は他側８の第１接地電極（Ｇ）に比して
狭い表面積を占める。圧電層４の信号電極（Ｓ）側６に
は、第２接地電極（Ｇ’）があり、これは信号電極
（Ｓ）よりも大きい表面積を占め、他側８の第１接地電
極（Ｇ）の主要部と反対側に位置する。この第２接地電
極（Ｇ’）は外部導体１２を介して接地される。
【００１５】信号電極（Ｓ）はインピーダンス（Ｚs ）
で接地電極（Ｇ）と容量結合されており、第１接地電極
（Ｇ）はインピーダンス（ＺG ）で第２接地電極
（Ｇ’）に容量結合される。図２に示す如く、これら両
インピーダンスＺs 及びＺG は信号電極（Ｓ）と接地電
極間に直列接続される。接地電極Ｇが導体にカップリン
グ（結合）されている従来例の場合には、ＺG は図２に
示すＺG は０である。
で接地電極（Ｇ）と容量結合されており、第１接地電極
（Ｇ）はインピーダンス（ＺG ）で第２接地電極
（Ｇ’）に容量結合される。図２に示す如く、これら両
インピーダンスＺs 及びＺG は信号電極（Ｓ）と接地電
極間に直列接続される。接地電極Ｇが導体にカップリン
グ（結合）されている従来例の場合には、ＺG は図２に
示すＺG は０である。
【００１６】図１の設計に圧電素子において接地への直
接接続に近似させるには、ＺG はインピーダンスＺs に
比して小さくなければならない。どの位小さくするか
は、圧電素子の必要とする信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）
及び感度に依存する。信号電極Ｓの第１接地電極Ｇに対
する容量値（ＣS ）、第２接地電極Ｇ’に対する第１接
地電極Ｇの容量値（ＣG ）及び第１接地電極Ｇ及び第２
接地電極Ｇ’間のインピーダンス（ＺG ）は次の数式で
表わすことができる。 ＣS ＝ΣＡS ／ｔ ＣG ＝ΣＡG ／ｔ ＺG ＝１／２πｆＣG ここで、Σは圧電フィルムの誘電率 ＡS は信号電極の表面積、ＡG は第２接地電極の表面積 ＺS は信号電極と第１接地電極間のインピーダンスＺG
は第１接地電極と第２接地電極間のインピーダンス
接接続に近似させるには、ＺG はインピーダンスＺs に
比して小さくなければならない。どの位小さくするか
は、圧電素子の必要とする信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）
及び感度に依存する。信号電極Ｓの第１接地電極Ｇに対
する容量値（ＣS ）、第２接地電極Ｇ’に対する第１接
地電極Ｇの容量値（ＣG ）及び第１接地電極Ｇ及び第２
接地電極Ｇ’間のインピーダンス（ＺG ）は次の数式で
表わすことができる。 ＣS ＝ΣＡS ／ｔ ＣG ＝ΣＡG ／ｔ ＺG ＝１／２πｆＣG ここで、Σは圧電フィルムの誘電率 ＡS は信号電極の表面積、ＡG は第２接地電極の表面積 ＺS は信号電極と第１接地電極間のインピーダンスＺG
は第１接地電極と第２接地電極間のインピーダンス
【００１７】上記の数式から明らかな如く、インピーダ
ンスＺG を小さくする為には、接地電極間のキャパシタ
ンス（静電容量）ＣG の大きさを増加すること、即ち
（信号電極の表面積に対して）接地電極の表面積を増加
すればよい。しかし、インピーダンスＺG は電気パルス
の刺激周波数にも依存する。高刺激周波数の場合には、
第１及び第２接地電極間の容量性カップリング（結合）
は改善される。
ンスＺG を小さくする為には、接地電極間のキャパシタ
ンス（静電容量）ＣG の大きさを増加すること、即ち
（信号電極の表面積に対して）接地電極の表面積を増加
すればよい。しかし、インピーダンスＺG は電気パルス
の刺激周波数にも依存する。高刺激周波数の場合には、
第１及び第２接地電極間の容量性カップリング（結合）
は改善される。
【００１８】次に、図３を参照して説明する。圧電フィ
ルム２は導電パッド１３、１５を有するプリント基板１
６の一面に取付けられている。この導電パッド１３、１
５に対して信号電極Ｓ及び接地電極Ｇが電気的接続され
ている。プリント基板１６の導電パッド１３、１５は、
プリント基板１６上の回路トレース１７、１９、２０を
介して電子回路（図示せず）に接続され、電気信号の処
理を行う。プリント基板１６上の導電パッド１３、１５
はその他側１８上の回路トレースに、例えばめっきした
スルーホール２０を介して接続される。そこで、プリン
ト基板１６の一側には圧電フィルム２を有し、他側には
電子回路を有し、全体を小型（コンパクト）に構成可能
にする。
ルム２は導電パッド１３、１５を有するプリント基板１
６の一面に取付けられている。この導電パッド１３、１
５に対して信号電極Ｓ及び接地電極Ｇが電気的接続され
ている。プリント基板１６の導電パッド１３、１５は、
プリント基板１６上の回路トレース１７、１９、２０を
介して電子回路（図示せず）に接続され、電気信号の処
理を行う。プリント基板１６上の導電パッド１３、１５
はその他側１８上の回路トレースに、例えばめっきした
スルーホール２０を介して接続される。そこで、プリン
ト基板１６の一側には圧電フィルム２を有し、他側には
電子回路を有し、全体を小型（コンパクト）に構成可能
にする。
【００１９】図４（Ａ）乃至（Ｃ）は変換器又は素子の
寸法形状に応じて夫々設けることができる信号電極Ｓ及
び第２接地電極Ｇ’と、上述した信号電極に対する第２
接地電極Ｇ’の必要部分とを示す種々の形状を示す。図
４（Ｃ）においては、信号電極のアレイＳ1 、Ｓ2 、…
が第２接地電極Ｇ’間に配置され、これら第２接地電極
Ｇ’は両端が第２接地電極２２に接続される。信号電極
Ｓ1 及びＳ2 は相互に電気的接続されるか又は分離され
てもよく、電気的接続は例えばプリント基板１６の反対
側１８を介して行うことができる。
寸法形状に応じて夫々設けることができる信号電極Ｓ及
び第２接地電極Ｇ’と、上述した信号電極に対する第２
接地電極Ｇ’の必要部分とを示す種々の形状を示す。図
４（Ｃ）においては、信号電極のアレイＳ1 、Ｓ2 、…
が第２接地電極Ｇ’間に配置され、これら第２接地電極
Ｇ’は両端が第２接地電極２２に接続される。信号電極
Ｓ1 及びＳ2 は相互に電気的接続されるか又は分離され
てもよく、電気的接続は例えばプリント基板１６の反対
側１８を介して行うことができる。
【００２０】また、第２接地電極Ｇ’は圧電フィルム２
上に直接設けないことも可能である。その場合には、圧
電フィルム２が取付けられる例えばＰＣＢ１６等のサポ
ート（支持体）に取付けられる。これは信号電極Ｓにつ
いても同様である。これにより、圧電フィルム２のただ
一側のみを金属化し、信号及び第１接地電極パターンを
サポート（例えばＰＣＢ１６）上に形成する。
上に直接設けないことも可能である。その場合には、圧
電フィルム２が取付けられる例えばＰＣＢ１６等のサポ
ート（支持体）に取付けられる。これは信号電極Ｓにつ
いても同様である。これにより、圧電フィルム２のただ
一側のみを金属化し、信号及び第１接地電極パターンを
サポート（例えばＰＣＢ１６）上に形成する。
【００２１】以上、本発明の好適実施形態を添付図を参
照して詳述した。しかし、本発明は斯る実施形態のみに
限定するべきでなく、種々の変形変更が可能である。
照して詳述した。しかし、本発明は斯る実施形態のみに
限定するべきでなく、種々の変形変更が可能である。
【００２２】
【発明の効果】上述の説明から理解される如く、本発明
の圧電フィルム素子によると、信号電極と接地電極間を
容量性結合（キャパシティブカップリング）することが
でき、圧電フィルムの一面から接続することが可能にな
る。その為に、外部回路への接続が、回路板（プリント
基板）の信号及び接地導電パターンに直接実施可能にな
り、作業性の著しい改善とデバイス（装置）の小型化
（コンパクト）が実現可能であるという実用上の顕著な
作用効果を有する。
の圧電フィルム素子によると、信号電極と接地電極間を
容量性結合（キャパシティブカップリング）することが
でき、圧電フィルムの一面から接続することが可能にな
る。その為に、外部回路への接続が、回路板（プリント
基板）の信号及び接地導電パターンに直接実施可能にな
り、作業性の著しい改善とデバイス（装置）の小型化
（コンパクト）が実現可能であるという実用上の顕著な
作用効果を有する。
【図１】本発明の圧電フィルム素子の拡大側面図。
【図２】図１の圧電フィルム素子の信号電極及び接地電
極間の等価電気回路図。
極間の等価電気回路図。
【図３】回路基板上に圧電フィルムを載置して構成した
本発明の圧電フィルム素子の拡大断面図。
本発明の圧電フィルム素子の拡大断面図。
【図４】本発明の圧電フィルム素子の信号電極及び第２
接地電極の種々のパターンを示し、（Ａ）は同心状、
（Ｂ）は矩形状、（Ｃ）はアレイ状である。
接地電極の種々のパターンを示し、（Ａ）は同心状、
（Ｂ）は矩形状、（Ｃ）はアレイ状である。
２ 圧電フィルム ４ 圧電層 ６ 圧電層の他面 ８ 圧電層の一面 Ｇ 第１接地電極 Ｇ’ 第２接地電極 Ｓ 信号電極 １６ 回路板（プリント基板） １３、１５ 導電パッド
Claims (2)
- 【請求項１】 圧電フィルムの一面の略全体を覆う第１
接地電極と、 前記圧電フィルムの他面に形成された比較的小面積の信
号電極と、 前記圧電フィルムの前記他面に形成された第２接地電極
とを具え、 該第２接地電極及び前記信号電極間に信号を入出力する
ことを特徴とする圧電フィルム素子。 - 【請求項２】 一面に第１接地電極が形成され、他面に
信号電極と第２接地電極が形成された圧電フィルムと、 表面に信号及び接地用導電パッドが形成された回路基板
とを具え、 該回路基板の前記表面に前記圧電フィルムの前記他面を
載置して、前記信号及び第２接地電極を夫々前記信号及
び接地用導電パッドに接続することを特徴とする圧電フ
ィルム素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB9525432.2A GB9525432D0 (en) | 1995-12-13 | 1995-12-13 | Capacitively ground electrode for piezo-electric film |
| GB9525432.2 | 1995-12-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09187099A true JPH09187099A (ja) | 1997-07-15 |
Family
ID=10785331
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8351896A Pending JPH09187099A (ja) | 1995-12-13 | 1996-12-11 | 圧電フィルム素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5789846A (ja) |
| JP (1) | JPH09187099A (ja) |
| DE (1) | DE19651752A1 (ja) |
| GB (1) | GB9525432D0 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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