JPS5919680B2 - Variable curvature sound wave transmitter/receiver - Google Patents

Variable curvature sound wave transmitter/receiver

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JPS5919680B2
JPS5919680B2 JP1129679A JP1129679A JPS5919680B2 JP S5919680 B2 JPS5919680 B2 JP S5919680B2 JP 1129679 A JP1129679 A JP 1129679A JP 1129679 A JP1129679 A JP 1129679A JP S5919680 B2 JPS5919680 B2 JP S5919680B2
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JP
Japan
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electrode layers
circuit
piezoelectric
material layer
variable curvature
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JP1129679A
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JPS55104149A (en
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正文 吉田
拓宋 佐藤
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Kureha Corp
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Kureha Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B11/00Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音波装置に関し、特に音波の送信および(また
は)受信面の曲率を任意に変更し得る音波送受信装置に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a sound wave device, and more particularly to a sound wave transmitting/receiving device capable of arbitrarily changing the curvature of a sound wave transmission and/or reception surface.

例えば超音波探知、超音波治療等に於て超音波送受信面
の曲率を任意に変更し得ることは極めて望ましいことで
あるが、従来はこのようなものがないため複数個の超音
波送受信装置を組合せてそれぞれの向ぎをコントロール
して使用するほかなかった。
For example, in ultrasound detection, ultrasound therapy, etc., it is extremely desirable to be able to arbitrarily change the curvature of the ultrasound transmitting/receiving surface. The only option was to combine them and control their orientation.

このような手段で多数の装置を使用する場合は、コント
ロールのために使用する制御装置も複数となり、簡便な
装置とすることは望めない。
When a large number of devices are used by such means, a plurality of control devices are also used for control, and a simple device cannot be expected.

本発明は少なくとも1層の圧電材料層と該圧電材料層の
両面に配置(本明細書で配置とは必ずしも隣接した配置
でなくてもよい)された1組乃至複数組の電極層と更に
要すれば該圧電材料層の一片何着しくは両面に配置され
た少なくとも1層の別の材料層とが、該1層の圧電材料
層ビ対して両面の電極層または(および)別の材料層が
非対称になるように厚み若しくは構成を異にして積層さ
れた圧電構造体で、且つ該電極の少なくとも1組の間に
印加する電圧を変化させることにより構造体の曲率を変
化させるための電気配線が電圧コントロール可能な直流
電源より成されている曲率可変な構造体の該圧電体層を
音波の発信または受信面とする音波送受信装置であり、
従って該圧電体層の電極の少なくとも1対は前述の直流
電源と共にまたは別個に音波送信および(または)受信
用の電気回路(以下送受信電気回路と記す)すなわち゛
信号回路と接続されているものである。
The present invention further includes at least one piezoelectric material layer, one or more sets of electrode layers arranged on both sides of the piezoelectric material layer (in this specification, arrangement does not necessarily mean adjacent arrangement). Then, one piece of the piezoelectric material layer or at least one other material layer disposed on both sides of the piezoelectric material layer has an electrode layer or/and another material layer on both sides of the piezoelectric material layer. electrical wiring for changing the curvature of the structure by changing the voltage applied between at least one pair of the electrodes; A sound wave transmitting/receiving device in which the piezoelectric layer of a variable curvature structure made of a voltage-controllable DC power source serves as a sound wave transmission or reception surface,
Therefore, at least one pair of the electrodes of the piezoelectric layer is connected to an electrical circuit for transmitting and/or receiving sound waves (hereinafter referred to as a transmitting/receiving electrical circuit), that is, a "signal circuit", together with or separately from the above-mentioned DC power source. It is.

本発明における音波は可聴周波数以上の超音波や可聴周
波数以下の超低周波音まで含むものである。
In the present invention, the sound waves include ultrasonic waves above the audible frequency and infrasound below the audible frequency.

二層の圧電材料層を電極層を介して対称的に接合し、更
に両面の圧電材料層の表面にも電極層を設けた、いわゆ
るバイモルフ型圧電素子は、印加電圧を変化させること
により屈曲することは古くよりよく知られているが、こ
のバイモルフ素子は片方の圧電材料層を中心に見れば非
対称構造と見做される。
A so-called bimorph piezoelectric element, in which two piezoelectric material layers are symmetrically joined via an electrode layer, and electrode layers are also provided on the surfaces of the piezoelectric material layers on both sides, can be bent by changing the applied voltage. Although this has been well known for a long time, this bimorph element can be considered to have an asymmetric structure when viewed from the center of one piezoelectric material layer.

また有機圧電材料層に被着された電極層または(および
)別の材料層の厚み若しくは構成を異ならせて非対称に
した多層体も印加する電圧を変化させれば屈曲する圧電
素子となることは吉川等が特開昭48−52487号(
特公昭52−37356号に提案している。
In addition, a multilayer body made asymmetric by varying the thickness or structure of the electrode layer or (and) another material layer deposited on the organic piezoelectric material layer can also become a piezoelectric element that bends by changing the applied voltage. Yoshikawa et al. published JP-A No. 48-52487 (
This was proposed in Special Publication No. 52-37356.

本発明の音波装置の送受信面の曲率変化はこれらバイモ
ルフ圧電体若しくは特開昭48−52487号の如く単
層の圧電素子層を有する非対称の構造体のいずれかと同
一の原理により生ずるものである。
The change in curvature of the transmitting/receiving surface of the acoustic wave device of the present invention is caused by the same principle as either the bimorph piezoelectric body or the asymmetric structure having a single piezoelectric element layer as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-52487.

圧電素子層を構成層の少な(とも1層とする多層構造の
曲率可変の鏡が特開昭53−135346号により提案
された。
A variable curvature mirror having a multilayer structure with a piezoelectric element layer having only one layer was proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 135346/1983.

この特開昭53−135346号では圧電体層としても
っばらバイモルフ型の無機圧電体層を使用している。
In JP-A-53-135346, a bimorph type inorganic piezoelectric layer is mainly used as the piezoelectric layer.

また佐藤等は圧電性高分子フィルムとガラス等の圧電性
を有しない剛体との積層体が更に効果的に曲率変化を持
たせることを確認し、曲率可変の鏡を提案したが、本発
明はこれらの鏡に適用される曲率可変の機構を更に1音
波送受信装置に応用したものである。
In addition, Sato et al. confirmed that a laminate of a piezoelectric polymer film and a non-piezoelectric rigid body such as glass can change the curvature more effectively, and proposed a mirror with variable curvature. The variable curvature mechanism applied to these mirrors is further applied to a single-sound wave transmitting/receiving device.

本発明はこのような曲率可変の積層体を音波の発信また
は(および)受信面として使用し?C4中である。
The present invention uses such a laminate with variable curvature as a surface for transmitting and/or receiving sound waves. It is in C4.

まず本発明音波送受信装置の基部となる圧電構造体の曲
率が電圧により任意に変化することは例えば特開昭53
−135346号明細書の鏡の例より明らかであるが、
前記佐藤等の提案した圧電体層が単層である一般的な場
合について次に述べる。
First of all, it is known that the curvature of the piezoelectric structure serving as the base of the sound wave transmitting/receiving device of the present invention can be arbitrarily changed depending on the voltage, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 53
It is clear from the mirror example in the specification of -135346,
A general case where the piezoelectric layer proposed by Sato et al. is a single layer will be described next.

尚、以下の説明においては1つの例として超音波送受信
装置について述べるが、本発明はこれに限定されない。
In the following description, an ultrasonic transmitter/receiver will be described as an example, but the present invention is not limited thereto.

第1図に於て1は超音波送受信装置の基部となる圧電構
造体で、例えば圧電性セラミック、圧電性高分子等の圧
電性材料膜の層2の両面に電極3および3′が付着され
、更にこの一方の電極3′の上に例えば金属、ガラス、
セラミック、合成樹脂、紙、木材その他任意の材料より
成る応力干渉体層4が積層されて構成されている。
In Fig. 1, 1 is a piezoelectric structure that serves as the base of the ultrasonic transmitter/receiver, and electrodes 3 and 3' are attached to both sides of a layer 2 of a piezoelectric material film such as piezoelectric ceramic or piezoelectric polymer. , furthermore, on this one electrode 3', for example, metal, glass,
The stress interference body layer 4 made of ceramic, synthetic resin, paper, wood, or other arbitrary material is laminated.

この場合応力干渉体層4が金属若しくは炭素等の導体で
ある場合は電極3′は省略し、4を一方の電極として使
用することもできる。
In this case, if the stress interference layer 4 is a conductor such as metal or carbon, the electrode 3' may be omitted and the electrode 4 may be used as one electrode.

今第2図の如(電極3,3′が極めて薄((第2図口で
は電極は省略されている)、その屈曲に要する力が無視
できるとし、また圧電性材料層2(以下ピエゾ層と呼ぶ
)は一方向(Hで示す)のみに強い圧電常数d31を有
するとし、応力干渉体層4は圧電性を有しない(以下ピ
エゾ層と呼ぶ)ものとする。
As shown in Fig. 2, it is assumed that the electrodes 3 and 3' are extremely thin ((electrodes are omitted in the opening of Fig. 2) and the force required for bending them is negligible. ) has a strong piezoelectric constant d31 only in one direction (indicated by H), and the stress interference layer 4 has no piezoelectricity (hereinafter referred to as a piezo layer).

ピエゾ層2のピエゾ軸方向に直交する方向の巾をWl、
厚みをtl としまたヤング率E1を有するとし、ま
た非ピエゾ層4の同様の巾、厚みおよびヤング率を夫々
W2 、t2およびE2とし、例えば電圧増巾器5DA
変換器6およびマイクロコンピュータ−7の組合せより
なるコントロール可能な直流電源装置8より直流電圧V
が両電極間に印加されるものとする。
The width of the piezo layer 2 in the direction perpendicular to the piezo axis direction is Wl,
Let the thickness be tl and have a Young's modulus E1, and the similar width, thickness and Young's modulus of the non-piezo layer 4 be W2, t2 and E2, respectively, for example a voltage amplifier 5DA.
A DC voltage V is supplied from a controllable DC power supply device 8 consisting of a combination of a converter 6 and a microcomputer 7.
is applied between both electrodes.

if、W1=W2=Wのシートについて考察する。Consider a sheet with if, W1=W2=W.

このシートに曲げモーメントが加わった場合曲率半径ρ
を持って曲がるとすると、曲がりの中心となる中立面の
位置はヤング率の高い材料側に偏心する。
When a bending moment is applied to this sheet, the radius of curvature ρ
When bending with , the center of the bend, the neutral plane, will be eccentric toward the material with a higher Young's modulus.

非ピエゾ層表面から中立面迄の距離をaとすれば またこの中立面を中心とした弾性による曲げモーメント
Mは 一方ピエゾ層に電圧Vを印加した場合の延びまた)は収
縮の引張り力Pは で与えられ、このPにより屈曲するとすれば、Pに由来
するモーメントは(2)式の曲げモーメントMと釣合う
筈であるので、曲率半径ρは(2) 、 (3)式およ
びピエゾ層の中心層より前記中立面迄の距離以上の通り
圧電体が生ずる伸縮の応力は、ピエゾ層および非ピエゾ
層の構成に由来する干渉応力により屈曲応力と変り、構
造体は変形する。
If the distance from the surface of the non-piezo layer to the neutral plane is a, then the elastic bending moment M around this neutral plane is the elongation when a voltage V is applied to the piezo layer, and the tensile force of contraction. P is given by, and if it is bent by this P, the moment derived from P should balance the bending moment M in equation (2), so the radius of curvature ρ is given by equations (2), (3) and the piezo The stress of expansion and contraction that occurs in the piezoelectric material over a distance from the center layer of the layer to the neutral plane changes into bending stress due to interference stress originating from the structure of the piezo layer and the non-piezo layer, and the structure deforms.

(4)式は電圧Vに反比例した式であるので、と書網昆
長わすことができ、このKはピエゾ層2および非ビニ/
ゾ層4の材質、厚みおよびピエゾ層の圧電定数鱒圧電構
造体1の構造により定まる定数であるので、一定の積層
体である圧電構造体の曲率半径は電圧Vを変化させるこ
とにより任意に変化させ得ることがわかる。
Since equation (4) is an equation inversely proportional to the voltage V, it can be written as
The piezoelectric constant of the piezo layer 4 is determined by the material and thickness of the piezo layer 4 and the structure of the piezoelectric structure 1, so the radius of curvature of the piezoelectric structure, which is a fixed layered structure, can be changed arbitrarily by changing the voltage V. It turns out that it can be done.

また積層体としての圧電構造体があらかじめ1/ρ。In addition, the piezoelectric structure as a laminate has a ratio of 1/ρ in advance.

の曲率を有する場合はとなる。If it has a curvature of

次にピエゾ層2の巾W1 と非ピエゾ層4の巾W2とが
異なる場合について考える。
Next, consider the case where the width W1 of the piezo layer 2 and the width W2 of the non-piezo layer 4 are different.

中立軸の位置a。および曲率半径ρ、の値は次式で示さ
れる。
Neutral axis position a. and the radius of curvature ρ, are expressed by the following equation.

玖IE21 jt + t21d3□およびVを一定と
した場合、W1/W2=bとすれは8)式は と書くことができる。
When 玖IE21 jt + t21d3□ and V are constant, W1/W2=b, and the equation 8) can be written as.

従って長さ方向lの曲率の変化を与えたい場合は、例え
ば第3図、第4図イ又は口のように長さ方向についてW
1/W2を変化させることにより実現できる。
Therefore, if you want to change the curvature in the length direction l, for example, as shown in Figures 3 and 4,
This can be achieved by changing 1/W2.

第3図、第4図イ及び口はW2を一定としてWlを変化
させた例であるが、Wl を一定としてW2を変化させ
ても、或いは両者共変化させることも任意である。
3 and 4 are examples in which W2 is kept constant and Wl is varied, but it is also possible to keep Wl constant and vary W2, or to vary both.

(4)式および(8)式は圧電常数d3□のみしか考慮
されておらず、即ちピエゾ層のdatに比してd3□が
極めて小さい場合であるが、d32も無視できないピエ
ゾ層を使用する場合には(4)式および(8)式は巾方
向にも適用され、特にaatとd32が略々等しい場合
には理論的には球面に近い曲率変化が得られる筈である
Equations (4) and (8) only take into account the piezoelectric constant d3□, that is, the case where d3□ is extremely small compared to dat of the piezo layer, but a piezo layer in which d32 cannot be ignored is also used. In this case, equations (4) and (8) are also applied in the width direction, and in particular, when aat and d32 are approximately equal, a change in curvature close to that of a spherical surface should theoretically be obtained.

(但し二次曲面を生成する場合には内面にひだが生じ湾
曲を妨げるので、大きな曲率で湾曲させたい場合には所
々に切り欠きを設ける必要がある。
(However, when creating a quadratic curved surface, folds are generated on the inner surface and hinder the curve, so if you want to curve with a large curvature, it is necessary to provide notches here and there.

)しかし現在の技術で得られる一軸延伸高分子膜と二軸
延伸高分子膜とを夫々成極して得られる圧電性高分子膜
の圧電常数を比較すると、二軸延伸高分子膜のd31と
d32の和(この膜の総合の圧電力と考えてよい)が最
大の膜でも、通常の一軸延伸高分子膜のd3□単独の値
に比して小さく、またd3□とd3□が均等で且つ高度
な二軸延伸圧電性高分子膜製造は極めて高度の技術を要
するので、できればd31がd3□に比して高い一軸延
伸フイルムを使用するほうが有利である。
) However, when comparing the piezoelectric constants of piezoelectric polymer films obtained by polarizing uniaxially stretched polymer films and biaxially stretched polymer films obtained using current technology, it is found that d31 of the biaxially stretched polymer film and Even if the sum of d32 (which can be thought of as the total piezoelectric force of this film) is the largest, it is smaller than the value of d3□ alone in a normal uniaxially stretched polymer film, and d3□ and d3□ are equal. Moreover, since the production of a highly sophisticated biaxially stretched piezoelectric polymer film requires extremely advanced technology, it is advantageous to use a uniaxially stretched film in which d31 is higher than d3□ if possible.

d3□のみが大きいピエゾ膜を使用して巾方向の曲率を
変化させる方式としては例えば第5図または第6図のよ
うにピエゾ層2乃至は電極3(図では電極のみ)をピエ
ゾ軸と垂直方向に複数個に分割し、中央部の電極には低
い電圧を印加し、両端に寄るに従って高い電圧を印加す
るようにすればよい。
A method of changing the curvature in the width direction using a piezo film with only a large d3□ is, for example, as shown in Fig. 5 or 6, in which the piezo layer 2 or electrode 3 (only the electrode in the figure) is perpendicular to the piezo axis. The electrode may be divided into a plurality of electrodes in the direction, and a low voltage may be applied to the central electrode, and a higher voltage may be applied toward both ends.

この場合は、各電極毎に異なった電圧を印加せねばなら
ないわずられしさはあるが、各電極に印加する電圧の比
を適当に変えることにより巾方向の曲率を変化させるこ
とが可能である。
In this case, it is cumbersome to have to apply a different voltage to each electrode, but it is possible to change the curvature in the width direction by appropriately changing the ratio of the voltages applied to each electrode. .

またd3□およびd3゜が共に大きく圧電構造体が最初
から球面をもつ場合は第7図または第8図のようにする
こともでとる。
Further, if both d3□ and d3° are large and the piezoelectric structure has a spherical surface from the beginning, it is also possible to use the structure shown in FIG. 7 or 8.

本発明による一つの具体例の超音波送受信装置はこれら
第1図乃至第8図などで示される可変曲率の圧電構造体
のピエゾ層を超音波送信または受信素子とするため、第
9図に示す通りピエゾ層2の電極3,3′間にコントロ
ール可能な直流電源回路8と共に発信回路としての高周
波発振回路9および(または)受信回路10が結合され
ている。
One specific example of the ultrasonic transmitter/receiver according to the present invention uses the piezo layer of the variable curvature piezoelectric structure shown in FIGS. 1 to 8 as an ultrasonic transmitter or receiver element, as shown in FIG. 9. A controllable DC power supply circuit 8, a high frequency oscillation circuit 9 as an oscillation circuit, and/or a reception circuit 10 are coupled between the electrodes 3 and 3' of the piezo layer 2.

尚11は発受信切換スイッチ、12はインピーダンス変
換用FET、13はコンデンサーでアル。
In addition, 11 is a transmitting/receiving switch, 12 is an impedance conversion FET, and 13 is a capacitor.

この圧電構造体1に直流電圧が印加されると前述の通り
圧電構造体の曲率は電圧に応じて湾曲する。
When a DC voltage is applied to this piezoelectric structure 1, the curvature of the piezoelectric structure curves according to the voltage as described above.

ピエゾ層表面も同様に湾曲するので、例えばこの湾曲し
たピエゾ面を発信面とした超音波発信装置では、超音波
の集束する点若しくは線(曲率の中心)迄の距離を任意
に調節することかできる。
Since the surface of the piezo layer is similarly curved, for example, in an ultrasonic transmitter that uses this curved piezo surface as the transmission surface, it is possible to arbitrarily adjust the distance to the point or line (center of curvature) where the ultrasonic waves are focused. can.

同様受信装置に於ても受信面を自由に変曲することかで
きる。
Similarly, in the receiving device, the receiving surface can be freely bent.

本発明装置の音波の発信若しくは受信面となるピエゾ層
は例えばチタン酸鉛系若しくはジルコン酸鉛系などの圧
電性セラミックの薄板、或いはこレラの蒸着膜、フッ化
ビニリデン、フッ化ビニル、フロロクロロ、ビニリデン
等の極性単量体を主成分として重合または共重合して得
られる高分子など任意の薄膜層を使用することができる
The piezo layer serving as the sound wave transmitting or receiving surface of the device of the present invention is, for example, a thin plate of piezoelectric ceramic such as lead titanate or lead zirconate, or a vapor-deposited film of cholera, vinylidene fluoride, vinyl fluoride, fluorochloro, Any thin film layer such as a polymer obtained by polymerizing or copolymerizing a polar monomer such as vinylidene as a main component can be used.

またこれらのピエゾ層と積層される層は金属、ガラス、
セラミック、合成樹脂、紙、皮革、木材等任意の材料が
1種若しくはそれ以上の複合層として使用することがで
きる。
In addition, the layers laminated with these piezo layers are metal, glass,
Any material such as ceramic, synthetic resin, paper, leather, wood, etc. can be used as one or more composite layers.

第5〜8図に示した通り、本発明装置のピエゾ層両面の
電極は複数対の場合もあり得るが、(本明細書において
複数対の電極とに必ずしも陰極および陽極が夫々独立し
たもの同志の糾合せである必要はなく、例えば裏面の共
通の陰極に対し電気的に独立した2個以上の陽極が組合
せられている場合、各陽極と陰極との組合せ毎に異なる
1対と見做す)必ずしもすべての組の電極が同時に直流
電源回路および送受信電気回路、例えば、高周波電気回
路と接続されているとは限らない。
As shown in FIGS. 5 to 8, there may be a plurality of pairs of electrodes on both sides of the piezo layer of the device of the present invention; For example, if two or more electrically independent anodes are combined with a common cathode on the back side, each anode and cathode combination is considered to be a different pair. ) All sets of electrodes are not necessarily connected to the DC power supply circuit and the transmitting/receiving electric circuit, for example, the high frequency electric circuit, at the same time.

電極が複数の場合に於ては例えば超音波送受信装置にお
いて次のような回路の組合せが可能である。
In the case where there are a plurality of electrodes, the following circuit combinations are possible, for example, in an ultrasonic transmitting/receiving device.

(1)すべての対の電極に直流および送受信電気回路(
発信用高周波回路および(または)受信回路で各電極対
毎に順次に切換えるか或いは発信と受信を相互に切換え
する場合をすべて含む:以下間じ)が結合されている。
(1) Direct current and transmitting/receiving electric circuits (
This includes all cases in which the transmitting high-frequency circuit and/or the receiving circuit sequentially switch each electrode pair or alternately switch between transmitting and receiving;

(2)すべての対の電極に直流回路が結合され、そのう
ちの一部の対は更に送受信電気回路が結合されている。
(2) A DC circuit is coupled to all pairs of electrodes, and some of the pairs are further coupled to a transmitting/receiving electric circuit.

(3)電極対の少なくとも1組に直流回路が結合され、
別の電極対に送受信電気回路が結合されている。
(3) a DC circuit is coupled to at least one of the electrode pairs;
A transmitting and receiving electrical circuit is coupled to another pair of electrodes.

(4)直流回路のみが結合された電極対、送受信電気回
路のみが結合された電極対および直流回路と送受信電気
回路とが共に結合された電極対が夫々少なくとも1組づ
つある。
(4) There is at least one electrode pair to which only a DC circuit is coupled, at least one electrode pair to which only a transmitting/receiving electric circuit is coupled, and at least one electrode pair to which both a DC circuit and a transmitting/receiving electric circuit are coupled.

(5)すべての電極対に送受信電気回路が結合され、そ
のうちの少なくとも1組に直流回路が結合されている。
(5) Transmitting/receiving electric circuits are coupled to all electrode pairs, and at least one of the electrode pairs is coupled to a DC circuit.

尚、以上のうち直流回路と送受信電気回路が異なる配線
で結合される場合、例えば送受信用電極はピエゾ層のみ
を挾んで設け、直流電極の一極は薄い絶縁性皮膜を挾ん
で設けることも可能である。
If the DC circuit and the transmitting/receiving electric circuit are connected using different wiring, for example, the transmitting/receiving electrode can be provided by sandwiching only the piezo layer, and one pole of the DC electrode can be provided by sandwiching a thin insulating film. It is.

また複数の電極に直流電源回路または高周波発信回路が
結合される場合、直流若しくは高周波の電源は必ずしも
同一である必要はなく、各電源の電圧を相異させること
ができ、また高周波の場合、電極毎に周波数を相異させ
ることもできる。
In addition, when a DC power supply circuit or a high frequency oscillation circuit is connected to multiple electrodes, the DC or high frequency power supplies do not necessarily have to be the same, and the voltages of each power supply can be different. It is also possible to have different frequencies for each.

本発明の音波送受信装置は、音波を平行に放射したい場
合、音波を集中したい場合、或いは音波の方向を変向し
たい場合に有用で、例えば超音波地形探査、超音波探傷
、超音波顕微鏡、超音波診断装置、超音波治療装置など
極めて多くの用途に利用される。
The sound wave transmitting/receiving device of the present invention is useful when it is desired to radiate sound waves in parallel, when it is desired to concentrate sound waves, or when it is desired to change the direction of sound waves. It is used in a wide variety of applications, including ultrasound diagnostic equipment and ultrasound treatment equipment.

また、集音マイクロホン又はスピーカに適用すると、指
向特性の可変のものが得られる。
Furthermore, when applied to a sound collection microphone or a speaker, one with variable directional characteristics can be obtained.

次に本発明の一例としての超音波送受信装置の可変曲率
の圧電構造体部分の設計例を示すが、実際の圧電構造体
でも略々これに近い曲率変化を得られることは前述の佐
藤等の提案した実施例に示された通りである。
Next, a design example of a variable curvature piezoelectric structure portion of an ultrasonic transmitting/receiving device as an example of the present invention will be shown, but it is clear from Sato et al. As shown in the proposed embodiment.

設計例 1 圧電性高分子膜として両面にアルミニウム蒸着電極を有
する厚さt1= o、o 3mm、 d3□=2.OX
1 10 m/V、ヤング率E、=3.0X109N/
dの一軸延伸ポリフツ化ビニリデンの成極膜を用い、ま
た非圧電性シートとしてヤング率E2=7,6×101
°N/rr? のガラス板を用いるものとして種々の
設計の可変曲率超音波送受信装置用積層板としての圧電
構造体の曲率半径を計算した。
Design example 1 A piezoelectric polymer film with aluminum evaporated electrodes on both sides, thickness t1=o, o 3mm, d3□=2. OX
1 10 m/V, Young's modulus E, = 3.0 x 109 N/
d using a polarized film of uniaxially stretched polyvinylidene fluoride, and a Young's modulus E2=7.6×101 as a non-piezoelectric sheet.
°N/rr? The radius of curvature of piezoelectric structures as laminated plates for variable curvature ultrasonic transmitter/receiver devices of various designs was calculated using a glass plate.

まず圧電性高分子膜1枚をピエゾ層としこれに厚みの夫
々異なるガラス板を貼り合せ、各々の試料のピエゾ層の
両極に100vの電圧を印加する場合の曲率半径ρの変
化は第10図曲線aの通りである。
First, one piezoelectric polymer film is used as a piezo layer, and glass plates of different thicknesses are bonded to this layer. Figure 10 shows the change in the radius of curvature ρ when a voltage of 100 V is applied to both poles of the piezo layer of each sample. This is as shown by curve a.

次に圧電性高分子膜の厚みのみを60μに変え、これに
厚みの夫々異なるガラス板を貼り合せ、ピエゾ膜の両極
間に同じ<1oovずつの電圧を印加する場合は第10
図曲線すの通りである。
Next, when only the thickness of the piezoelectric polymer film is changed to 60μ, glass plates of different thicknesses are bonded to this, and the same voltage of <1oov is applied between both poles of the piezo film, the 10th
The curve is as shown in the figure.

今度は30μの圧電性高分子膜2枚の圧電極性の異なる
面同志を貼り合せ、バイモルフ構造の積層体を作り、こ
のバイモルフ積層体をピエゾ層とし、これに夫々厚みの
異なるガラス板を貼り合せ、各々の試料のバイモルフピ
エゾ層に夫々100Vの電圧を印加する場合は第10図
Cの通りである。
This time, we bonded two 30μ piezoelectric polymer films with different piezoelectricity surfaces to create a bimorph structure laminate, used this bimorph laminate as a piezo layer, and bonded glass plates with different thicknesses to this. , the case where a voltage of 100 V is applied to each bimorph piezo layer of each sample is as shown in FIG. 10C.

この結果ピエゾ層としてポリフッ化ビニリデンヲ用い、
また非ピエゾ層がガラスの如く高ヤング率のものの場合
、バイモルフ構造ピエゾ層は不利であることが知られる
As a result, polyvinylidene fluoride was used as the piezo layer,
Furthermore, when the non-piezo layer is made of a material with a high Young's modulus such as glass, it is known that the bimorph structure piezo layer is disadvantageous.

設計例 2 設計例1で用いたと同一の圧電性ポリフッ化ビニリデン
膜をピエゾ層とし、非ピエゾ層としては成極されないポ
リフッ化ビニリデン膜を用いるものとして2層構造の圧
電構造体を設計する。
Design Example 2 A two-layer piezoelectric structure is designed using the same piezoelectric polyvinylidene fluoride film used in Design Example 1 as the piezo layer and a non-polarized polyvinylidene fluoride film as the non-piezo layer.

El =E2とし、t2を種々に変化する場合の100
v印加時の曲率の計算値は第11図の通りである。
100 when El = E2 and t2 is varied variously
The calculated value of the curvature when v is applied is shown in FIG.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明装置の可変曲率積層体としての圧電構造
体の説明面、第2図乃至第8図は、可変曲率積層体とし
ての圧電構造体の種々の例の説明図であり、第2図イは
長さ方向断面を示し、第2図口は平面を示し、第2図ハ
は中白断面を示し、第3図乃至第8図は夫々平面を示し
、第9図は本発明装置全体の説明図、第10図および第
11図はピエゾ層(PVDF電膜層)に対し非ピエゾ層
(ガラス板またはPVDF板)の厚みを変化した場合の
一定電圧における曲率の変化の説明図である。 1・・・圧電構造体、2・・・圧電材料層、3,3・・
・電極、4・・・応力干渉体層、5・・・電圧増巾器、
6・・・DA変換i、7・・・マイクロコンピュータ、
8・・・可変直流電源、9・・・高周波発振回路、10
・・・受信回路、11・・・切換スイッチ。
FIG. 1 is an explanatory view of a piezoelectric structure as a variable curvature laminate of the device of the present invention, and FIGS. 2 to 8 are explanatory views of various examples of the piezoelectric structure as a variable curvature laminate. Figure 2 A shows a longitudinal cross section, Figure 2 opening shows a plane, Figure 2 C shows a white cross section, Figures 3 to 8 each show a plane, and Figure 9 shows the present invention. An explanatory diagram of the entire device, and Figures 10 and 11 are explanatory diagrams of changes in curvature at a constant voltage when the thickness of the non-piezo layer (glass plate or PVDF plate) is changed with respect to the piezo layer (PVDF film layer). It is. 1... Piezoelectric structure, 2... Piezoelectric material layer, 3, 3...
- Electrode, 4... Stress interference layer, 5... Voltage amplifier,
6...DA conversion i, 7...microcomputer,
8... Variable DC power supply, 9... High frequency oscillation circuit, 10
... Receiving circuit, 11... Selector switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 圧電材料層と前記圧電材料層の両面に夫々配置され
互いに組をなす第1、第2の電極層とを備え、 前記第1の電極層と前記第2の電極層または前記第2の
電極層上に配置された別の材料層および前記第2の電極
層とが前記圧電材料層に関して互いに非対称とされ、 前記第1、第2の電極層のうち少なくとも1組の電極層
間に電圧コントロール可能な直流電源装置が接続され、 前記第1、第2の電極層のうち前記直流電源装置の接続
された組の電極層を含む少なくとも1組の電極層間に信
号回路が接続されてなり、前記直流電源装置の出力電圧
で前記圧電材料層の曲率を変化せしめてなることを特徴
とする可変曲率の音波送受信装置。 2 別の材料層の少なくとも一層が他の圧電材料層であ
り、前記他の圧電材料層上に第3の電極層が配置されて
なり、第1ないし第3電極層がバイモルフ型に結線され
てなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の可
変曲率の音波送受信装置。 3 別の材料層が圧電性を有しない材料層であることを
特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の可変曲率の音
波送受信装置。 4 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記
載の可変曲率の音波送受信装置。 5 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であり、別の材料
層の少なくとも一層が圧電性を有せず且つ前記圧電性高
分子膜より高いヤング率を有する材料層であることを特
徴とする特許請求の範囲第1項、第3項または第4項の
いずれかに記載の可変曲率の音波送受信装置。 6 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であり、別の材料
層が圧電性を有しない有機高分子材料であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項、第3項または第4項のい
ずれかに記載の可変曲率の音波送受信装置。 7 信号回路が発信回路であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項乃至第6項のいずれかに記載の可変曲率
の=a(S=:信装置。 8 信号回路が受 であることを特徴とする特許請
求の範囲第1項乃至第6項のいずれかに記載の可変曲率
の音波受信装置。 9 信号回路が相互に切換可能な送信回路および受信回
路を有することを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至
第6項のいずれかに記載の可変曲率の液送受信装置。 10第1、第2の電極層すべての組の電極層間に直流電
源装置および信号回路が接続されており、前記信号回路
が送受信回路でなることを特徴とする特許請求の範囲第
1項ないし第9項のいずれかに記載の可変曲率の音波送
受信装置。 11第1、第2の電極層のうちの一部の組の電極層間に
直流電源装置が接続され且つ 前記第1、第2の電極層のうちの他の組の電極層間に信
号回路が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
請求の範囲第1項乃至第9項のいずれかに記載の可変曲
率の音波送受信装置。 12 直流電源装置のみが接続された電極層の組と信号
回路のみが接続された電極層の組と 前記直流電源装置および前記信号回路が接続された電極
層の組とが、夫々少なくとも1つづつ第1、第2の電極
層に包有されており、゛ 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
請求の範囲第1項乃至第9項のいずれかに記載の可変曲
率の音波送受信装置。 13第1、第2の電極層のすべての組の電極層間に直流
電源装置が接続され且つ前記第1、第2の電極層のうち
の一部の組の電極層間に信号回路が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
請求の範囲第1項ないし第9項のいずれかに記載の可変
曲率の音波送受信装置。 14第1、第2の電極層のすべての組の電極層間に信号
回路が接続され且つ前記第1、第2の電極層のうちの一
部の組の電極層間に直流電源装置が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
請求の範囲第1項ないし第9項のいずれかに記載の可変
曲率の音波送受信装置。
[Scope of Claims] 1. A piezoelectric material layer and first and second electrode layers disposed on both sides of the piezoelectric material layer and forming a pair with each other, the first electrode layer and the second electrode layer Alternatively, another material layer disposed on the second electrode layer and the second electrode layer are asymmetrical with respect to the piezoelectric material layer, and at least one set of the first and second electrode layers A voltage controllable DC power supply device is connected between the electrode layers, and a signal circuit is connected between at least one set of electrode layers of the first and second electrode layers, including a set of electrode layers to which the DC power supply device is connected. A variable curvature acoustic wave transmitting/receiving device, characterized in that the curvature of the piezoelectric material layer is changed by the output voltage of the DC power supply device. 2 At least one of the other material layers is another piezoelectric material layer, a third electrode layer is disposed on the other piezoelectric material layer, and the first to third electrode layers are connected in a bimorph type. A variable curvature acoustic wave transmitting/receiving device according to claim 1, characterized in that: 3. The variable curvature acoustic wave transmitting/receiving device according to claim 1, wherein the other material layer is a material layer that does not have piezoelectricity. 4. The variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of claims 1 to 3, wherein the piezoelectric material layer is a piezoelectric organic polymer film. 5. The piezoelectric material layer is a piezoelectric organic polymer film, and at least one of the other material layers is a material layer that does not have piezoelectricity and has a higher Young's modulus than the piezoelectric polymer film. A variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to claim 1, 3, or 4. 6. Claims 1, 3, or 4, characterized in that the piezoelectric material layer is a piezoelectric organic polymer film, and the other material layer is an organic polymer material that does not have piezoelectricity. The variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of the above. 7. A variable curvature=a(S=: signal device) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the signal circuit is a transmitting circuit. 8. The signal circuit is a receiving circuit. A variable curvature sound wave receiving device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that: 9. A patent characterized in that the signal circuit has a transmitting circuit and a receiving circuit that are mutually switchable. A variable curvature liquid transmitting/receiving device according to any one of claims 1 to 6. 10. A DC power supply device and a signal circuit are connected between all sets of electrode layers of the first and second electrode layers. , the variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the signal circuit is a transmitting/receiving circuit.11 Among the first and second electrode layers. A DC power supply device is connected between some of the sets of electrode layers, and a signal circuit is connected between the other sets of the first and second electrode layers, and the signal circuit is a transmitting/receiving circuit. A variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that: 12. A set of electrode layers to which only a DC power supply is connected and only a signal circuit are connected. At least one set of electrode layers and a set of electrode layers to which the DC power supply device and the signal circuit are connected are included in the first and second electrode layers, respectively, and the signal circuit is configured to transmit and receive signals. The variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is a circuit.13 Direct current between all sets of the first and second electrode layers. A power supply device is connected, and a signal circuit is connected between some pairs of the first and second electrode layers, and the signal circuit is a transmitting/receiving circuit. A variable curvature sound wave transmitting/receiving device according to any one of items 1 to 9.14 A signal circuit is connected between all sets of the first and second electrode layers, and the signal circuit is connected between the first and second electrode layers. A DC power supply device is connected between some sets of electrode layers of the electrode layers, and the signal circuit is a transmitting/receiving circuit. The variable curvature sound wave transmitting/receiving device described in .
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