JPH0923499A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円筒形状のアレイ状圧電振動子のチャンネル
間の分割を行う溝切り加工のし易い分割構成を得る。 【解決手段】 円筒形状の圧電セラミックス１１の外側
の面と内側の面とに正電極１２及び負電極１３が設けら
れ、圧電セラミックスの厚み方向の振動を用いる基本構
成を有し、圧電セラミックスの円筒中心軸に対して垂直
な面に沿って正負電極の少なくとも一方の電極を分割し
てチャンネルを形成して円筒中心軸に沿った振動子アレ
イで構成し、圧電セラミックス１１の円筒形状の一部す
なわちベース部分１７，１７ａを残し、円筒形状の外側
面から圧電セラミックスの内部に達し、かつ正負電極の
少なくとも一方を完全に所定間隔をもって分離する溝切
りにより形成した分割溝１４で分離されたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子に関し、
特に水中の高周波トランスジューサとして使用され、円
筒形状の圧電材料の厚さ方向の振動モードを用いる圧電
振動子に関するものである。なお、上述のトランスジュ
ーサは通常は変換器を意味するが、ここでいう高周波ト
ランスジューサは、電気音響変換装置のことで、例えば
超音波の送受波器のことである。

【０００２】

【従来の技術】上述の従来技術に関する文献としては、
本発明の特許出願人と同一特許出願人によって出願され
た「水中用送受波器」という名称の特願平０６−１０４
２２９号がある。上述の文献には、円筒形状をして、そ
の厚さ方向の振動モードを用いる圧電振動子において、
厚さ方向に垂直な方向の振動結合が小さい（換言すれ
ば、厚さ方向以外の共振モードの結合が小さな）圧電セ
ラミックス等の圧電材料を用いて、１つの圧電振動子で
多チャンネルのアレイを形成するためには、チャンネル
間の電極だけを分割することにより可能であることが教
示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
水中用の高周波トランスジューサの場合、もともと電極
の幅に対して、正負電極間の厚さ（距離）が凡そ１０分
の１以上に厚くなる（１０分の１よりも大きくなる）
と、他チャンネルへの電界の広がり（漏洩）が大きくな
り、それによってチャンネル間の静電容量の結合が無視
できなくなり、１つの圧電振動子で多チャンネルのアレ
イを形成する場合の問題となっていた。

【０００４】そして、上述の従来の水中用の送受波器
は、上述の問題点の解決方法を提供するものであるが、
上述の文献の従来技術に示されているように、円周に沿
ったチャンネル間の溝切りによって、チャンネル間の静
電容量の結合を低減することが可能である。しかしなが
ら、実際の数１００ｋＨｚの使用周波数帯では、その厚
さは２〜３ｍｍとなり、円筒形状圧電振動子を厚さの４
分の３以上に溝切りをすることは、残りの厚さが０．５
〜０．６ｍｍという非常に薄いものとなる。従って、上
述の文献の従来技術では、圧電振動子は非常に割れやす
いものとなる欠点が指摘されていた。さらに、その製造
に当たっては、円周に沿って回転させながら、溝を切る
技術が要求されるので、加工が困難であるという問題が
あった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電振動子
は、円筒形全体又はその一部からなる円筒形状の圧電体
の内側の面と外側の面とに正・負電極が設けられ、圧電
体の厚み方向の振動を用いる基本構成を有し、圧電体の
円筒中心軸に対して垂直な面に沿って正・負電極の少な
くとも一方の電極を分割してチャンネルを形成して円筒
中心軸に沿った振動子アレイで構成した圧電振動子であ
って、圧電体の円筒形状の一部を残し、円筒形状の外側
面から圧電体の内部に達し、かつ正・負電極の少なくと
も一方を完全に所定間隔をもって分離する溝切りにより
形成した分割溝で分離されたものである。そして、圧電
体は、厚さ方向に垂直な方向の振動結合が小さい圧電特
性を有する圧電材料によって形成されていることが好ま
しく、例えば圧電材料として、チタン酸鉛系セラミック
スを用いることが好適である。その他の圧電材料として
は、ポリフッ化ビニリデン又は三フッ化エチレン・フッ
化エチレン共重合体等の高分子圧電材料、又は圧電セラ
ミックス／ゴムのコンポジット等の複合圧電材料であっ
てもよい。

【０００６】本発明においては、例えばチタン酸鉛系セ
ラミックスのような厚さ方向に垂直な方向の振動結合が
小さい圧電特性を有する圧電体の円筒形状の一部を残
し、円筒形状の外側面から圧電体の内部に達し、かつ正
・負電極の少なくとも一方の電極を完全に所定間隔をも
って分離する溝切りにより形成した分割溝で分離されて
いるから、電界の他チャンネルへの広がりは僅かとな
り、チャンネル間の静電容量の結合は大きく低減され
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明による圧電振動子の
一実施形態を示す模式説明図である。図において、左側
は側面図、右側は正面図である。図１は、他チャンネル
のアレイの例として、５チャンネルのアレイを形成した
半円筒形振動子を示すものである。図１において、１１
は半円筒状の圧電セラミックス、１２及び１３は圧電セ
ラミックス１１のそれぞれ外側面及び内側面に設けられ
た膜状の電極で、１２は圧電振動子の正電極、１３は圧
電振動子の負電極である。１４は圧電セラミックス１１
の高さ（円筒の長さ）方向に対して直角方向に溝切り加
工によって形成されたチャンネル形成用の複数個（本実
施形態では４個）の分割溝である。なお、上述の構成に
おいて、正電極１２及び負電極１３が圧電セラミックス
１１のそれぞれ外側面及び内側面に設けられた場合を示
したが、使用形態によっては、この逆の配置であっても
よい。上述のように構成されたアレイ型圧電振動子を多
チャンネルの水中トランスデューサとして使用する。

【０００８】一般に水中トランスデューサでは、防水の
ために、圧電振動子をシリコン油で満たしたゴムブーツ
の中に入れるか、ゴムで圧電振動子の周囲をモールドし
ている。従って、分割溝１４にはシリコン油やゴムが充
填されている。図１の正面図に見られるように、半円形
の圧電セラミックス１１の左右両端を残し、また図１の
側面図に見られるように、溝切りされ、多チャンネル形
成用の分割溝１４が形成されている。

【０００９】正電極１２は溝切り加工によって分割さ
れ、各正電極１２はそれぞれ別個（時間的にも）に電圧
が印加できるようになっている。正電極１２が圧電セラ
ミックス１１の左右両端のベース部分１７，１７ａを含
まない部分に形成されているのに対して、負電極１３
は、半円形の圧電セラミックス１１の右端側は正電極１
２と同様にベース部分１７以外の内側全面、例えば左端
のベース部分１７ａの内側面にも形成され、各チャンネ
ルの共通電極を構成している。従って、溝切りによって
分割された部分の１つ１つがチャンネルとして働くよう
になっている。そして、１５，１６はそれぞれ正リード
線、負リード線である。正リード線１５は各チャンネル
に各１本接続されている。負リード線１６は圧電セラミ
ックス１１の左端のベース部分１７ａの内側に１本接続
されている。なお、これらのリード線の接続位置は、上
述の位置に限定されないが、一般には、リード線が超音
波（円筒波等）の送受波を邪魔（遮蔽又は妨害）しない
ようにすることが望ましく、あるいは邪魔しないことが
必要であるから、本実施例のような各電極の端部である
ことが好ましい。

【００１０】圧電セラミックス１１は、ＰｂＴｉＯ
_３（チタン酸鉛）系のセラミックス材料を用いて形成さ
れる。ＰｂＴｉＯ_３系圧電セラミックスは、前述の従来
の技術の説明で示した文献で詳細に説明されているよう
に、組成や組成比の異なる幾つかのものが、現在使用可
能である。しかし、本実施例においては、その特定のも
のを限定しない。つまり、ＰｂＴｉＯ_３系圧電セラミッ
クスは、分極方向に垂直な方向の圧電定数がかなり小さ
いという特徴を有しており、本発明による圧電振動子用
の圧電セラミックス１１を形成する材料として好適であ
るからである。

【００１１】すなわち、圧電セラミックスの中でも、特
にＰｂＴｉＯ_３系圧電セラミックスは、一般に使用され
ている例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電
セラミックス材料に比して電気機械結合係数は約１桁小
さいが、結合係数の異方性が大きく、かつ誘電率が小さ
いという特徴を有している。例えば、ＰＺＴ系の圧電セ
ラミックスの圧電歪定数−２ｄ_３１／ｄ_３３がほぼ１で
あるのに対して、本実施例で使用したＰｂＴｉＯ_３系圧
電セラミックスのそれは０．２以下となっている。した
がって、円筒の周囲方向や円筒の軸方向の振動が無視で
き、径方向のみの厚み振動のみを得ることができる。

【００１２】以下、本圧電振動子の動作について説明す
る。まず、任意の正リード線１５を介してそれに接続す
る正電極１２に電圧を印加してあるチャンネルに信号を
加えると、そのチャンネルの正電極１２の全面部分で圧
電セラミックス１１の厚み方向の振動が行われる。そし
て、その振動部分からチャンネルに沿った部分的な円筒
波が圧電セラミックス１１の外側に向けて放射する。

【００１３】この場合、前述のように分割溝１４にはシ
リコン油やゴムが充填されている。ここで、比誘電率に
ついて見れば、ＰｂＴｉＯ_３系圧電セラミックス材料の
それは約２００であるのに対し、シリコン油で２〜３、
ゴム材料では４〜５である。従って、分割溝１４のない
従来型と比較し、本実施例の場合、電界の他チャンネル
への広がり（洩れ）は僅かとなり、前記文献等で問題と
されていたチャンネル間の静電容量の結合は、大幅に低
減されるようになる。この構成により、各チャンネル毎
にアレイ独立性の優れた円筒波が放射できるようにな
る。

【００１４】以上のように本実施形態によれば、圧電セ
ラミックス１１の左右両端を（円周方向に）ベース部分
１７，１７ａとして厚く残して溝切りを行ってチャンネ
ルを分割しているので、圧電振動子全体が構造的に強固
に形成され、従来技術でのべた壊れやすいという問題を
解決できる効果がある。ここで、円筒形状において、正
負両電極が対向する部分は、この溝切りによって完全に
チャンネル間が分離されるが、この旋盤加工による溝切
りは、溝切りカッタを直線的に移動させればよいので技
術的に容易であり、加工が困難であるという従来技術の
課題を解決することができる。

【００１５】なお、上述の実施形態では、圧電材料にＰ
ｂＴｉＯ_３（チタン酸鉛）系圧電セラミックスを用いた
場合について説明したが、この材料と同様な厚さ方向に
垂直な方向の振動結合が小さい特性を持つ材料として、
ＰＶＤＦ：ポリフッ化ビニリデンやＰ（ＶＤＦ・ＴｒＦ
Ｅ）：三フッ化エチレン・フッ化エチレン共重合体等の
高分子圧電材料、あるいは複合圧電材料（圧電セラミッ
クス／ゴムのコンポジット）等がある。これらの圧電材
料を使用して圧電振動子を構成しても同様の効果が得ら
れる。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、円筒形状の圧電体の内側の面と外側の面とに正・負
電極が設けられ、圧電体の厚み方向の振動を用いる基本
構成を有し、圧電体の円筒中心軸に対して垂直な面に沿
って正・負電極の少なくとも一方の電極を分割してチャ
ンネルを形成して円筒中心軸に沿った振動子アレイで構
成した圧電振動子の圧電体の円筒形状の一部を残し、円
筒形状の外側面から圧電体の内部に達し、かつ正・負電
極の少なくとも一方を完全に分離する溝切りにより形成
した分割溝で分離された構造としたから、圧電振動子全
体が構造的に強固に形成されるので、溝切り加工が容易
となる利点を有するばかりでなく、電界の他チャンネル
への広がりは僅かとなり、チャンネル間の静電容量の結
合が大きく低減されて、各チャンネル毎にアレイ独立性
の優れた円筒波が放射できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電振動子の一実施形態を示す模
式説明図である。

【符号の説明】

１１ 圧電セラミックス １２ 正電極 １３ 負電極 １４ 分割溝 １５ 正リード線 １６ 負リード線 １７，１７ａ ベース部分

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒形全体又はその一部からなる円筒形
   状の圧電体の内側の面と外側の面とに正・負電極が設け
   られ、前記圧電体の厚み方向の振動を用いる基本構成を
   有し、前記圧電体の円筒中心軸に対して垂直な面に沿っ
   て前記正・負電極の少なくとも一方の電極を分割してチ
   ャンネルを形成して前記円筒中心軸に沿った振動子アレ
   イで構成した圧電振動子において、 前記圧電体の円筒形状の一部を残し、この円筒形状の外
   側面から前記圧電体の内部に達し、かつ前記正・負電極
   の少なくとも一方を完全に所定間隔をもって分離する溝
   切りにより形成した分割溝で分離された前記チャンネル
   で構成したことを特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 前記圧電体は、厚さ方向に垂直な方向の
   振動結合が小さい圧電特性を有する圧電材料によって形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電振動
   子。
3. 【請求項３】 前記圧電材料は、チタン酸鉛系セラミッ
   クスであることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電
   振動子。
4. 【請求項４】 前記圧電材料は、ポリフッ化ビニリデン
   又は三フッ化エチレン・フッ化エチレン共重合体の高分
   子圧電材料であることを特徴とする請求項１又は２記載
   の圧電振動子。
5. 【請求項５】 前記圧電材料は、圧電セラミックス／ゴ
   ムのコンポジットの複合圧電材料であることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の圧電振動子。