(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子が複数の圧電層より構成され、前記複数の圧電層のうち隣接する一方および他方の圧電層の分極方向が互いに対向する逆向きでかつ両圧電層の境界面に対し直交し、前記境界面に内部電極が設けられ、前記複数の圧電層のうち最外層の圧電層において前記境界面とは反対側の面に外部電極が設けられ、前記分極方向と直交する方向を音波放射方向とし、前記振動子の前記音波放射方向側の面に接続電極が設けられ、前記振動子が前記分極方向に複数配列され、前記振動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、前記音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８であることを特徴とする音響変換器。
【請求項２】
前記分極方向の幅Ｗ１は、前記音波放射方向に関して単調に変化することを特徴とする請求項１に記載の音響変換器。
【請求項３】
前記圧電層の数が偶数であり、前記接続電極が前記振動子の２個の外部電極に接続することを特徴とする請求項１または２に記載の音響変換器。
【請求項４】
前記圧電層の数が４個以上であり、複数の前記内部電極に接続する内部接続電極を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の音響変換器。
【請求項５】
前記接続電極の上に音響整合層が設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の音響変換器。
【請求項６】
前記接続電極は、音響整合層の作用を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の音響変換器。
【請求項７】
予め配列された複数の前記振動子に設けられた前記外部電極が互いに接続されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の音響変換器。
【請求項８】
前記振動子が前記分極方向に直交する方向にも配列され、２次元配列を構成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の音響変換器。
【請求項９】
前記振動子の前記分極方向に直交する方向の幅Ｗ２に対して、Ｗ２／Ｔ＜０．８であることを特徴とする請求項８記載の音響変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響変換器に係わり、とりわけ低電圧での駆動が可能な音響変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低電圧での駆動が可能な超音波変換器などの音響変換器は例えば特開平11-299779号公報に記載されたものがある。
【０００３】
図８は、従来の音響変換器の構成図を示し、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃは音波放射方向（３）に積層され、電極７７、８０は導電膜８４で電気的に接続され、電極７８、７９は導電膜８５で電気的に接続されている。電極７７には信号線８７が設けられ、電極７８には信号線８８が設けられ、電気的に駆動される。従来の音響変換器は、このような積層構造とすることにより、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃにかかる電気信号の電界強度は、単一層の場合に比べ大となり、小さな駆動電圧でも大きな機械変位を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の音響変換器においては、より大きな電界強度を得るためには、圧電層７６ａ、７６ｂ、７６ｃの積層数を増やさなければならないという問題を有していた。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、積層数を増やさずにより大きな電界強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも大きな機械変位を得ることができる音響変換器を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の音響変換器は、振動子が複数の圧電層より構成され、前記複数の圧電層のうち隣接する一方および他方の圧電層の分極方向が互いに対向する逆向きでかつ両圧電層の境界面に対し直交し、前記境界面に内部電極が設けられ、前記複数の圧電層のうち最外層の圧電層において前記境界面とは反対側の面に外部電極が設けられ、前記分極方向と直交する方向を音波放射方向とし、前記振動子の前記音波放射方向側の面に接続電極が設けられ、前記振動子が前記分極方向に複数配列され、前記振動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、前記音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８である構成を有する。
【０００７】
この構成により、電極間を接続する導電膜を用いることなく、積層数を増やさずにより大きな電界強度が得られ、簡単な構造で、かつ小さな駆動電圧でも大きな機械変位を得ることができる。
【０００８】
また、前記分極方向の幅Ｗ１は、前記音波放射方向に関して単調に変化する構成を有する。
【０００９】
この構成により、広帯域な音響変換器を得ることができる。
【００１０】
また、前記圧電層の数が偶数であり、前記接続電極が前記振動子の２個の外部電極に接続する構成を有する。
【００１１】
この構成により、信号線の取出しが容易な音響変換器を得ることができる。
【００１２】
また、前記圧電層の数が４個以上であり、複数の前記内部電極に接続する内部接続電極を備える構成を有する。
【００１３】
この構成により、信号線の取出しが容易な音響変換器を得ることができる。
【００１４】
また、前記接続電極の上に音響整合層が設けられる構成を有する。
【００１５】
この構成により、音響整合層を容易に設けることができる。
【００１６】
また、前記接続電極は、音響整合層の作用を有する構成を有する。
【００１７】
この構成により、音響整合層を容易に設けることができ、接続電極を簡潔にすることができる。
【００１８】
また、予め配列された複数の前記振動子に設けられた前記外部電極が互いに接続される構成を有する。
【００１９】
この構成により、複数の振動子の接続が容易にできる。
【００２０】
また、前記振動子が前記分極方向に直交する方向にも配列され、２次元配列とした構成を有する。
【００２１】
この構成により、低電圧駆動が可能な２次元配列の音響変換器を容易に得ることができる。
【００２２】
さらに、前記振動子の前記分極方向に直交する方向の幅Ｗ２に対して、Ｗ２／Ｔ＜０．８である構成を有する。
【００２３】
この構成により、広帯域な２次元配列の音響変換器を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態の音響変換器の構成図を示す。
【００２６】
図１において、圧電層１および圧電層２は、例えば圧電セラミックス、とりわけ電気機械結合係数ｋの大きな材料が用いられる。矢印で示す圧電層１の分極方向Ｐ１と、矢印で示す圧電層２の分極方向Ｐ２は互いに逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）に直交する。内部電極４は圧電層１、２の境界に設けられる。圧電層１と２の境界は分極方向Ｐ１、Ｐ２と直交する。外部電極３は圧電層１に関して内部電極４とは反対側に設けられる。外部電極５は圧電層２に関して電極４とは反対側に設けられる。外部電極３、５は接続電極６により接続される。圧電層１、２、外部電極３、５、内部電極４、接続電極６により、振動子Ｅ１を構成する。圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２と同一方向に配列方向（１）が選ばれ、配列方向（１）には振動子Ｅ２が配列される。
【００２７】
信号線７は、振動子Ｅ１の接続電極６と、振動子Ｅ２の接続電極（図示せず）とに接続される。信号線８は振動子Ｅ１の内部電極４に接続される。信号線９は振動子Ｅ２の内部電極（図示せず）に接続される。圧電層２の分極方向Ｐ２は圧電層１の分極方向Ｐ１とは逆向きで対向しているが、一方、電界の向きも逆になるように接続電極６を電極３、５に接続しているので、圧電層１、２は互いに同相で伸縮する。
【００２８】
音響整合層１０は接続電極６上に設けられる。背面負荷１１は圧電層１、２の分極方向Ｐ１、Ｐ２と平行な面に設けられる。音響整合層１０と背面負荷１１は圧電層１、２の互いに対向する面に設けられる。振動子Ｅ１、Ｅ２、信号線７、８、９などにより音響変換器を構成する。音響変換器の音波放射方向（３）の面側に被検体（図示せず）は配置される。
【００２９】
図２は、本発明の第１の実施形態の音響変換器における周波数特性図を示し、図１に示す分極方向の幅Ｗ１＝０．２４ｍｍと、音波放射方向の厚みＴ＝０．４８ｍｍと、Ｗ１／Ｔ＝０．５との断面を有する振動子の共振特性を示す。
【００３０】
以上のように構成された音響変換器について、図１、図２を用いてその動作を説明する。
【００３１】
図２において、縦軸は振動子Ｅ１、Ｅ２のインピーダンス（相対値）、横軸は周波数である。振動子Ｅ１、Ｅ２は、共振周波数ｆｒ１が２．９１ＭＨｚで、音波放射方向（３）の振動が励振される。また、その反共振周波数ｆａｒ１は３．４３ＭＨｚであり、電気機械結合係数ｋは５７％となる。
【００３２】
共振周波数ｆｒ２においては、配列方向（１）の振動が励振される。Ｗ１／Ｔの値が１に近づくにつれ、共振周波数ｆｒ１とｆｒ２の値が近づき、音波放射方向（３）の振動を広い周波数に亘って励振することが難しいため、音波放射方向（３）の振動を広い周波数に亘って励振するにはＷ１／Ｔ＜０．８とし、共振周波数ｆｒ１とｆｒ２の値を離すことが望ましい。圧電層１にかかる電界強度は電極３、４の間の距離に反比例する。従って、振動子の幅Ｗ１を狭めれば、積層数を増やさなくても電界強度を上げ、小さな電圧で、大きな機械変位を得ることができる。
【００３３】
振動子Ｅ１、Ｅ２には音響整合層１０が設けられ、電気音響変換の効率、周波数特性が改善される。また、振動子Ｅ１、Ｅ２には背面負荷１２が設けられ音響変換器の周波数特性が改善される。
【００３４】
図３は、本発明の第１の実施形態の音響変換器における振動子の１次元配列の斜視図を示す。
【００３５】
図３において、圧電層２１は直方体であり、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行である。圧電層２２は、圧電層２１と同一形状である。圧電層２２の分極方向Ｐ２と圧電層２１の分極方向Ｐ１は逆向きに対向している。圧電層２１と圧電層２２などにより振動子Ｅ１を構成する。振動子Ｅ１の、配列方向(１)の幅はＷ１で、音波放射方向の厚みはＴである。音波放射方向（３）および配列方向（１）のいずれにも直交する短軸方向（２）に関し、振動子Ｅ１の長さはＬである。振動子Ｅ１の短軸方向（２）の長さＬは、振動子の厚みＴよりも十分に大きい。振動子Ｅ１と同一構成の振動子Ｅ２、Ｅ３が配列方向（１）に配列される。振動子Ｅ１〜Ｅ３には背面負荷２５が設けられる。以上のように構成された音響変換器は図１の場合と同様に動作する。
【００３６】
図４は、本発明の第１の実施形態の音響変換器における振動子の２次元配列の斜視図を示す。
【００３７】
図４において、圧電層３１は直方体であり、その分極方向Ｐ１、Ｐ２は配列方向（１）に平行である。圧電層３２も直方体である。圧電層３２の分極方向Ｐ２と圧電層３１の分極方向Ｐ１は逆向きに対向している。圧電層３１と圧電層３２などにより振動子Ｅ１,１を構成する。振動子Ｅ１,１の、配列方向の幅はＷ１、音波放射方向の厚みはＴである。音波放射方向（３）および配列方向（１）のいずれにも直交する配列方向（２Ａ）に関し、振動子Ｅ１,１の幅はＷ２である。振動子Ｅ１,１と同一構成の振動子Ｅ１,２、Ｅ１,３が配列方向（１）に配列され、振動子Ｅ２,１、Ｅ３,１が配列方向（２Ａ）に配列される。各振動子には背面負荷３５が設けられる。以上のように構成された音響変換器は図１の場合と同様に動作する。
【００３８】
このような本発明の第１の実施形態の音響変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、複数の圧電層のうち隣接する一方および他方の圧電層の分極方向が互いに対向する逆向きでかつ両圧電層の境界面に対し直交し、前記境界面に内部電極が設けられ、前記複数の圧電層のうち最外層の圧電層において前記境界面とは反対側の面に外部電極が設けられ、前記分極方向と直交する方向を音波放射方向とし、前記振動子の前記音波放射方向側の面に接続電極が設けられ、前記振動子が前記分極方向に複数配列され、前記振動子の前記分極方向の幅Ｗ１と、音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８とする。振動子が分極方向、および、配列方向に複数配列される２次元配列の場合には、振動子の分極方向の幅Ｗ１、および振動子の配列方向の幅Ｗ２と、音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８、Ｗ２／Ｔ＜０．８とする。以上のような構成により、積層数を増やさず、導電膜などを用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動電圧により大きな機械変位を発生する音響変換器を得ることができる。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施形態の音響変換器の構成図を示す。
【００４０】
図５において、圧電層４１、４２、４３、４４は、例えば圧電セラミックス材料が用いられる。圧電層４１、４２、４３、４４の分極方向Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３、Ｐ４４は互いに隣接する圧電層の分極方向とは逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）に直交する。内部電極４７は圧電層４１と圧電層４２の境界に、内部電極４８は圧電層４２と圧電層４３の境界に、内部電極４９は圧電層４３と圧電層４４の境界に設けられる。
【００４１】
内部電極４７、４８、４９は内部接続電極５０により接続される。圧電層４１、４２、４３、４４の境界は分極方向Ｐ４１、Ｐ４２、Ｐ４３、Ｐ４４と直交する。外部電極４５は圧電層４１に関して内部電極４７とは反対側に設けられる。外部電極４６は圧電層４４に関して内部電極４９とは反対側に設けられる。音響整合層５１は導電性を有し、接続電極としての機能を有するする。このため外部電極４５、４６は音響整合層５１により電気的に接続される。圧電層４１、４２、４３、４４と、外部電極４５、４６と、内部電極４７、４８、４９と、内部接続電極５０とにより振動子を構成する。
【００４２】
信号線５２は内部接続電極５０に接続される。信号線５３は音響整合層５１に接続される。圧電層４１、４３の分極方向Ｐ４１、Ｐ４３は、圧電層４２、４４の分極方向Ｐ４２、Ｐ４４とは逆向きで対向している。一方、電界の向きも逆になるように音響整合層５１を外部電極４５、４６、および内部電極４８に接続し、内部接続電極５０を内部電極４７、４９に接続しているので、圧電層４１、４２、４３、４４を、互いに同相で励振することができる。以上のように構成された振動子を、分極方向に複数配列することにより音響変換器を構成する。以上のように構成された音響変換器は図２の場合と同様に動作する。
【００４３】
このような本発明の第２の実施形態の音響変換器によれば、振動子が複数の圧電層より構成され、隣接する圧電層の分極方向が互いに逆向きに対向し、隣接する圧電層の境界面が分極方向にほぼ直交し、境界面に内部電極が設けられ、最外層の圧電層の境界面とは反対側の面に外部電極が設けられ、分極方向とほぼ直交する方向を音波放射方向とし、振動子の音波放射方向の面に音響整合層を設け、音響整合層が電極接続機能を有し、さらに内部接続電極を設けることにより、振動子を構成する複数の圧電層は互いに同相で伸縮する。さらに振動子が分極方向に複数配列され、振動子の分極方向の幅Ｗ１と、音波放射方向の厚みＴに対して、Ｗ１／Ｔ＜０．８とする。以上のような構成により、導電膜などを用いずに、簡単な構成の音響変換器で、小さな駆動電圧により大きな機械変位を発生する音響変換器を得ることができる。
【００４４】
図６は、本発明の第３の実施形態の音響変換器の構成図を示す。
【００４５】
図６において、圧電層６１、６２の分極方向Ｐ６１、Ｐ６２を矢印で示す。圧電層６１、６２の分極方向Ｐ６１、Ｐ６２と同一方向に配列方向（１）が選ばれる。圧電層６１と圧電層６２の断面は台形状であり、その配列方向（１）の幅は幅Ｗ１ｂからＷ１ｔまで単調に変化する。圧電層６１の分極方向Ｐ６１と圧電層６２の分極方向Ｐ６２は互いに逆向きに対向し、その方向は音波放射方向（３）に直交する。圧電層６１、６２が互いに接する境界面は分極方向Ｐ６１、Ｐ６２にほぼ直交する。内部電極６４は圧電層６１と６２の境界面に設けられる。外部電極６３は圧電層６１に関して内部電極６４とは反対側に設けられる。外部電極６５は圧電層６２に関して内部電極６４とは反対側に設けられる。一方、電界の向きも逆になるように外部電極６３、６５と、内部電極６４を結線しているので、圧電層６１、６２は、互いに同相で伸縮する。圧電層６１、６２と、外部電極６３、６５と、内部電極６４とにより、振動子Ｅ１を構成する。配列方向（１）にはさらに振動子Ｅ２、Ｅ３、…が配列される。背面負荷６６は圧電層６１、６２の分極方向Ｐ６１、Ｐ６２と平行な面に設けられる。
【００４６】
図７は、本発明の第３の実施形態の音響変換器における周波数特性図を示し、分極方向の幅Ｗ１ｔ＝０．１２ｍｍ、幅Ｗ１ｂ＝０．２４ｍｍ、音波放射方向の厚みＴ＝０．４８ｍｍの断面を有する振動子の共振特性を示す。
【００４７】
以上のように構成された音響変換器について、図６、図７を用いてその動作を説明する。
【００４８】
図７において、縦軸は振動子のインピーダンス（相対値）、横軸は周波数である。振動子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、…は、共振周波数ｆｒ１＝３．００ＭＨｚにおいて、音波放射方向（３）の振動が励振される。共振周波数ｆｒ２においては、インピーダンスの変化が小さく、配列方向（１）の振動が強く励振されていない。これは、配列方向（１）に振動子の幅が幅Ｗ１ｔ〜Ｗ１ｂと変化し、配列方向（１）に共振しにくいためである。また、Ｗ１ｔ／Ｔ＜０．８、Ｗ１ｂ／Ｔ＜０．８とすることにより、共振周波数ｆｒ２を共振周波数ｆｒ１から引き離すことができる。このようにして、共振周波数ｆａ１を中心にした広帯域動作が可能である。圧電層６１にかかる電界強度は外部電極６３と内部電極６４の間の距離に反比例する。従って、振動子の幅Ｗ１ｔ、Ｗ１ｂを狭めれば、積層数を増やさなくても電界強度を上げ、小さな電圧で、大きな機械変位を得ることができる。振動子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、…には背面負荷６６が設けられており音響変換器の周波数特性が改善される。
【００４９】
以上のように本発明の第３の実施形態の音響変換器によれば、振動子の分極方向の幅Ｗ１が、音波放射方向に関して単調に変化することことにより、広帯域でかつ、小さな駆動電圧で、大きな機械変位を発生する音響変換器を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明の音響変換器は、振動子を２層の圧電層で構成し、圧電層の分極方向を互いに対向させ、分極方向とほぼ直交する方向を音波放射方向とすることにより、小さな駆動電圧で、大きな機械変位を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の音響変換器の構成図
【図２】本発明の第１の実施形態の音響変換器における周波数特性図
【図３】本発明の第１の実施形態の音響変換器における振動子の１次元配列の斜視図
【図４】本発明の第１の実施形態の音響変換器における振動子の２次元配列の斜視図
【図５】本発明の第２の実施形態の音響変換器の構成図
【図６】本発明の第３の実施形態の音響変換器の構成図
【図７】本発明の第３の実施形態の音響変換器における周波数特性図
【図８】従来の音響変換器の構成図
【符号の説明】
１、２、２１、２２、３１、３２、４１、４２、４３、４４、６１、６２  圧電層
３、５、４５、４６、６３、６５  外部電極
４、４７、４８、４９、６４  内部電極
６  接続電極
７、８、９、５２、５３  信号線
１０、５１  音響整合層
１１、２５、３５、６６  背面負荷
５０  内部接続電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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