(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）孔を有するセル部材を備え、
（ｂ）前記孔をその周囲から絶縁するように前記セル部材の表面に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、圧電層の中心部は支持されることなく前記孔にわたって自由に浮動し、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で前記孔の内側および外側で振動できるように寸法が設定され、
（ｃ）前記外面に取り付けられた第１の電極と、前記内面に取り付けられた第２の電極とを備えている、
ことを特徴とするトランスデューサ部材。
【請求項２】
前記孔は基板にエッチングによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項３】
前記基板は、電気絶縁層と導電層とを有していることを特徴とする請求項２に記載のトランスデューサ部材。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記基板上に設けられた十分に薄い導電層と一体に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項５】
十分に薄い前記導電層は、シール接続部を介して前記基板に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のトランスデューサ部材。
【請求項６】
前記電気絶縁層がシリコンから成ることを特徴とする請求項３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項７】
前記電気絶縁層が高分子材料から成ることを特徴とする請求項３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項８】
前記シール接続部がインジウムから成ることを特徴とする請求項５に記載のトランスデューサ部材。
【請求項９】
前記圧電層がＰＶＤＦから成ることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１０】
前記孔はその断面形状が円形を成していることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１１】
前記孔はその断面形状が六角形を成していることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１２】
前記基板が複数のセル部材を有していることを特徴とする請求項２に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１３】
前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、最大の電気出力を形成するように成形されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１４】
前記電気出力が電流であることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１５】
前記電気出力が電圧であることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１６】
前記電気出力が電力であることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１７】
前記電極の少なくとも１つは、接続部材によって互いに接続される第１および第２の電極部を有していることを特徴とする請求項１３に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１８】
前記孔内にはガスが含まれていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【請求項１９】
前記ガスが十分に低圧であることを特徴とする請求項１８に記載のトランスデューサ部材。
【請求項２０】
前記トランスデューサ部材がトランスミッタとして使用されることを特徴とする請求項１９に記載のトランスデューサ部材。
【請求項２１】
前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１９に記載のトランスデューサ部材。
【請求項２２】
（ａ）孔を有するセル部材を備え、
（ｂ）前記孔をその周囲から絶縁するように前記セル部材の表面に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層の中心部は支持されることなく前記孔にわたって自由に浮動し、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で前記孔の内側および外側で振動できるように寸法が設定され、
（ｃ）前記外面に取り付けられた第１の電極と、前記内面に取り付けられた第２の電極とを備え、これら２つの電極は、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材を有する電気回路に電気的に接続されていることを特徴とするトランスミッタ部材。
【請求項２３】
前記切換え部材の切換え周波数は、電子部品から受ける電気メッセージ信号の周波数と等しいことを特徴とする請求項２２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２４】
前記電子部品がセンサであることを特徴とする請求項２３に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２５】
前記切換え部材は、電子部品から受けたメッセージ信号に応じて反射される音波を変調することを特徴とする請求項２２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２６】
前記外面に取り付けられた第３の電極と、前記内面に取り付けられた第４の電極とを更に備えていることを特徴とする請求項２２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２７】
前記切換え部材は、前記電極同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続し、これによって、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させることを特徴とする請求項２６に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２８】
前記電極は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２６に記載のトランスミッタ部材。
【請求項２９】
前記電極は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２６に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３０】
前記切換え部材がＯＮ／ＯＦＦスイッチであることを特徴とする請求項２６に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３１】
前記圧電層は互いに極性が逆の第１および第２の部分を有していることを特徴とする請求項２６に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３２】
前記トランスミッタ部材が２つのセル部材を有していることを特徴とする請求項２２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３３】
２つのセル部材は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項３２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３４】
２つのセル部材は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項３２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３５】
前記切換え部材は、前記セル部材同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続することを特徴とする請求項３２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３６】
前記セル部材は互いに極性が逆の圧電層を有していることを特徴とする請求項３２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３７】
前記孔は、下層の上に上層が配置されて成る２層型の圧電層によって覆われていることを特徴とする請求項２２に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３８】
前記上層と前記下層はその極性が互いに逆になっていることを特徴とする請求項３７に記載のトランスミッタ部材。
【請求項３９】
前記上層と前記下層との間に絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項３７に記載のトランスミッタ部材。
【請求項４０】
音響情報を伝える方法において、
（ａ）取り付けられた第１および第２の電極を有する十分な可撓性をもつ圧電層を形成し、前記圧電層はセル部材に取り付けられ、前記電極は切換え部材を有する電気回路に電気的に接続され、
（ｂ）前記圧電層に衝突する音波を形成し、前記音波は反射部を有し、
（ｃ）前記圧電層の機械インピーダンスを制御することによって前記音波の反射部を変調し、前記制御は、電子部品から受けるメッセージ信号の周波数と等しい周波数で前記切換え部材を切換えることによってなされる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４１】
前記電子部品がセンサであることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
（ａ）前記圧電層に取り付けられる第３および第４の電極を設け、前記第３および第４の電極は前記電気回路に電気的に接続され、
（ｂ）前記圧電層の機械インピーダンスを変化させるために、前記切換え部材によって前記電極間の電気的な接続を変化させる、
ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１および第２の電極が第１のセル部材に取り付けられ、前記第３および第４の電極が第２のセル部材に取り付けられていることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記電子部品が抵抗器であることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記トランスデューサがセンサとして使用されることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野および背景）
本発明は、音響トランスデューサに係わり、特に、離れて位置する音響放射線源から伝えられる音響エネルギーを受けるとともに、その音響エネルギーを電気回路を作動させるための電力に変換する小型で可撓性をもった圧電トランスデューサに関するものである。また、本発明は、受ける外部音波の反射を変調することによって音響情報を伝達する小型で可撓性をもった圧電トランスミッタに関するものである。
従来の技術は、圧電トランスデューサの様々な例を提供している。そのような圧電トランスデューサの例は、ＵＳＰ３，７９２，２０４；４，７９３，８２５；３，８９４，１９８；３，７９８，４７３および４，６００，８５５にそれぞれ開示されている。
しかしながら、これらの従来の文献のいずれも、圧電層をその共振周波数で振動させるための低周波音響信号を使用できるように構成された小型で可撓性をもつ圧電トランスデューサを提供していない。ここで、低周波信号とは、トランスデューサの寸法よりも十分に大きい波長をもった信号のことである。また、前記従来の文献のいずれも、トランスデューサの電気出力を最大にするように成形される電極をもった小型のトランスデューサを提供していない。また、前記従来の文献のいずれも、フォトリソグラフィ技術やマイクロエレクトロニクス技術を使用することによって電気回路と組み合わせて一体に製造されるトランスデューサ部材を提供していない。
また、従来の技術は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号にしたがって圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させて反射される音波を変調する小型で可撓性をもつ圧電トランスミッタを提供していない。また、従来の技術は、圧電層が切換え部材に電気的に接続され且つ圧電層の機械インピーダンスを交互に変化させるために切換え部材がトランスミッタの電気的な接続を交互に変化させるトランスミッタを提供していない。また、従来の技術は、複数の電極を取り付けて設けることによって圧電層の機械インピーダンスを制御し且つ複数の電極同士が電気的に並列もしくは非並列に接続されるトランスデユーサを提供していない。また、従来の技術は、圧電層がその異なった部位で異なる極性を有するトランスミッタを提供していない。また、従来技術は、圧電層の非対称な振動（変動）を許容する低圧ガスを含む室を有するトランスミッタを提供していない。また、従来技術は、２層型の圧電層を有するトランスミッタを提供していない。
【０００２】
（発明の概要）
本発明は小型で可撓性をもったトランスデューサ部材に関するものである。このトランスデューサ部材は、（ａ）孔を有するセル部材を備え、（ｂ）前記セル部材に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で振動できるように寸法が設定され、（ｃ）圧電層の前記外面に取り付けられた第１の電極と、前記内面に取り付けられた第２の電極とを備えている。好ましくは、前記孔は、電気絶縁層と導電層とを有する基板にエッチングによって形成される。前記第１の電極は、前記基板上に設けられた十分に薄い導電層と一体に形成されていることが好ましい。十分に薄い前記導電層はシール接続部を介して前記基板に接続されている。セル部材はその断面形状が円形もしくは六角形を成していても良い。後述する本発明の好ましい実施形態の更なる特徴によれば、基板は、電気的に並列もしくは直列に接続された複数のセル部材を有している。
前記第１および第２の電極の少なくとも一方は、最大の電気出力を形成するように成形されていることが好ましい。この場合、前記電気出力は、電流、電圧、電力であっても良い。前記電極の好ましい形状は、接続部材によって互いに接続される２つのコアを有している。本発明に係るトランスデューサ部材はトランスミッタとして使用することもできる。
【０００３】
トランスミッタとして使用できるように、トランスデューサの孔内には低圧のガスが含まれていることが好ましい。トランスミッタを提供する本発明において、トランスミッタは、（ａ）孔を有するセル部材を備え、（ｂ）前記セル部材に取り付けられ且つ十分な可撓性をもつ圧電層を備え、前記圧電層は内面と外面とを有し、前記圧電層は外部の音波を受けた際にその共振周波数で振動できるように寸法が設定され、（ｃ）圧電層の前記外面に取り付けられた第１の電極と、前記内面に取り付けられた第２の電極とを備え、これら２つの電極は、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させる切換え部材を有する電気回路に電気的に接続されている。前記切換え部材の切換え周波数は、センサのような電子部品から受ける電気的なメッセージ信号の周波数と等しいことが好ましい。これにより、前記切換え部材は、電子部品から受けたメッセージ信号に応じて反射される音波を変調する。トランスミッタ部材は、圧電層の前記外面に取り付けられた第３の電極と、前記内面に取り付けられた第４の電極とを更に備えていても良い。そのような構成を使用する場合、前記切換え部材は、前記電極同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続し、これによって、前記圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させることが好ましい。具体的な構成において、前記電極は、実質的に内蔵された非並列接続によって互いに電気的に接続されている。あるいは、前記電極は、実質的に内蔵された並列接続によって互いに電気的に接続されている。前記切換え部材はＯＮ／ＯＦＦスイッチであっても良い。他の実施形態において、前記圧電層は互いに極性が逆の第１および第２の部分を有している。更なる他の実施形態において、前記トランスミッタ部材は、実質的に内蔵された並列もしくは非並列接続によって互いに電気的に接続される２つのセル部材を有している。また、前記切換え部材は、前記セル部材同士を並列接続と非並列接続とに交互に接続する。前記セル部材は互いに極性が逆の圧電層を有している。更なる他の実施形態において、トランスミッタ部材の孔は、下層の上に上層が配置されて成る２層型の圧電層によって覆われている。前記上層と前記下層はその極性が互いに逆になっていることを特徴とする。前記上層と前記下層は、その間に配置された絶縁層によって分離されていても良い。また、本発明においては、音響情報を伝える方法が提供される。この方法は、（ａ）取り付けられた第１および第２の電極を有する十分な可撓性をもつ圧電層を形成し、前記圧電層はセル部材に取り付けられ、前記電極は切換え部材を有する電気回路に電気的に接続され、（ｂ）前記圧電層に衝突する音波を形成し、前記音波は反射部を有し、（ｃ）前記圧電層の機械インピーダンスを制御することによって前記音波の反射部を変調し、前記制御は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号の周波数と等しい周波数で前記切換え部材を切換えることによってなされる。また、この方法においては、更に、（ａ）前記圧電層に取り付けられる第３および第４の電極を設け、前記第３および第４の電極は前記電気回路に電気的に接続され、（ｂ）前記圧電層の機械インピーダンスを変化させるために、前記切換え部材によって前記電極間の電気的な接続を変化させる。具体的な構成において、前記第１および第２の電極が第１のセル部材に取り付けられ、前記第３および第４の電極が第２のセル部材に取り付けられる。
【０００４】
本発明は、圧電層をその共振周波数で振動させるための低周波音響信号を使用できるように構成された小型で可撓性をもつ圧電トランスデューサを提供することによって、現在知られた構成の欠点をうまく解決している。この場合、低周波信号とは、トランスデューサの寸法よりも十分に大きい波長をもった信号のことである。また、本発明は、トランスデューサの電気出力を最大にするように成形される電極を有し且つフォトリソグラフィ技術やマイクロエレクトロニクス技術を使用することによって電気回路と組み合わせて一体に製造されるトランスデューサ部材を提供することによって、現在知られた構成の欠点を解決している。
また、本発明は、センサのような電子部品から受けるメッセージ信号にしたがって圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させて反射される音波を変調する小型で可撓性をもつ圧電トランスミッタを提供することにより、現在知られた構成の欠点を解決している。また、本発明は、複数の電極を設けることによって圧電層の機械インピーダンスを制御するトランスミッタを提供することで、現在知られた構成の欠点を解決している。このようなトランスミッタにおいて、複数の電極同士は電気的に並列もしくは非並列に接続される。また、これらの電極の少なくとも一部が切換え部材に電気的に接続される。切換え部材は、電極間の電気的な接続を交互に変化させることによって、圧電層の機械インピーダンスを交互に変化させる。
【０００５】
（好ましい実施形態の説明）
本発明は、離れて位置する音響放射線源から伝えられる音響エネルギーを受けるとともに、その音響エネルギーを電気回路を作動させるための電力に変換する小型で可撓性をもった圧電トランスデューサに関するものである。
また、本発明は、離れて位置するトランスミッタから受けた外部音波の反射を変調することによって情報を伝達する送信部材および送信方法に関するものである。
本発明に係るトランスデューサ部材の原理・動作は図面および以下の記述を参照すれば容易に理解できる。
図に従って説明すれば、図１ａ，１ｂ，２ａ〜２ｅは本発明に係るトランスデューサ部材の好ましい実施形態を示している。図示のように、トランスデューサ部材１は、孔４を有する少なくとも１つのセル部材３を備えている。孔４は、基板にエッチング形成されるとともに、十分な可撓性をもつ圧電層２によって覆われている。圧電層２には上部電極８と下部電極６とが取り付けられ、各電極は電気回路に接続される。
基板は好ましくは電気絶縁層１２上に配置された導電層１１から成り、この導電層１１の厚さを貫くように孔４がエッチングされている。
導電層１１は好ましくは銅から成り、絶縁層１２は好ましくはポリイミドのようなポリマーから成る。ＫａｐｔｏｎTMシートのような従来の銅板ポリマー積層体をトランスデューサ部材１の製造のために使用しても良い。ＮｏｖａｃｌａｄTMのような市販の積層体を使用しても良い。また、基板は、シリコン層や他の適切な任意の材料を含有していても良い。また、層１１がＰｙｒａｌｉｎTMのような非導電材料から成っていても良い。
好ましくは、孔４は、従来のプリント回路のフォトリソグラフィ法を使用して、基板にエッチング形成される。また、ＶＬＳＩ／ミクロ機械加工技術や他の適当な任意の技術を使用して、孔４を基板にエッチング形成しても良い。
【０００６】
圧電層２はＰＶＤＦまたはその共重合体から成っていても良い。また、圧電層２は十分な可撓性をもつ圧電セラミックから成っていても良い。好ましくは、圧電層２は、厚さが約９〜２８μｍの極ＰＶＤＦシート（ｐｏｌｅｄ−ＰＶＤＦ  ｓｈｅｅｔ）から成る。
フレキシブル層２の厚さおよび半径は、孔４内の圧力と同様、所定の共振周波数が得られるように厳選されることが望ましい。図１ａ，１ｂの実施形態を使用する場合には、層２の半径は孔４の半径によって決定される。
十分な可撓性をもつ圧電層２を使用すれば、本発明は、音波の波長がトランスデューサの限界を大きく超えるような共振周波数をもつ小型のトランスデューサ部材を提供することができる。これによって、トランスデューサは共振時であっても無指向性となることができ、周囲の媒体によって大きく減衰することがない比較的低い周波数の音響信号を使用できるようになる。
しかし、小型のトランスデューサの従来の構成は、厚さモードで常時動作する硬質の圧電セラミックに依存している。そのような場合、共振周波数は、部材の寸法および圧電セラミック内での音速に関係付けられ、これらの大きさの程度によって大きくなる。
【０００７】
本発明は、無指向性のトランスデューサ、すなわち、入射する音響放射線の方向に対して感度がないトランスデューサを提供しており、これによって、他の共振装置に対するトランスデューサの動作を簡単にしている。したがって、そのようなトランスデューサ部材は、トランスデューサ部材の方向を予め突きとめることができない狭い場所や隠れた場所で用いるのに適している。
具体的な実施形態において、孔４は、円形状もしくは六角形状を成して、半径が約２００μｍに設定されていることを特徴としている。導電層１１は約１５μｍの厚さを有していることが望ましい。セル部材３は導電層１１の厚さを完全に貫通するようにエッチングされることが望ましい。電気絶縁層１２は約５０μｍの厚さを有していることが望ましい。本発明に係るトランスデューサ部材の様々な部分の正確な寸法は、特定の実施形態の要求に応じて具体的に設定される。
孔４は空気のようなガスを有していることが望ましい。孔４内のガスの圧力は、層２の共振周波数と同様、トランスデューサの所定の感度や耐久性が得られるように、厳選される。
【０００８】
図２ｂに示されるように、基板には、好ましくは導電層１１の厚さを貫くように、絶縁室１８がエッチング形成されており、これにより、トランスデューサ部材は、基板にエッチング形成された他のトランスデューサ部材のような他の電気部品を含む基板の他の部分から絶縁される。具体的な実施形態において、絶縁室１８の幅は約１００μｍである。図示のように、絶縁室１８は、孔４を取り囲む所定の厚さの壁１０を形成し且つ壁１０と一体を成す導電ライン１７を形成するように、基板にエッチング形成されている。この場合、導電ライン１７は、好ましくは同一の基板にエッチング形成される他の電気部品もしくは外部の電気回路に対してトランスデューサ部材を接続する。
図１ａおよび図１ｂに示されるように、圧電層２には上部電極８と下部電極６とが取り付けられている。図２ｃおよび図２ｅに示されるように、上部電極８と下部電極６は、圧電層２の所定の領域を覆うように正確に成形されていることが望ましい。電極６，８は、真空蒸着、マスクエッチング、塗装等の様々な方法を使用することによって、圧電層２の上面と下面とにそれぞれ堆積されている。
図１ａに示されるように、下部電極６は、導電層１１上に堆積された十分に薄い導電層１４と一体の部分として形成されていることが望ましい。導電層１４は、ニッケル銅合金によって形成され且つシール接続部１６を介して導電層１１に取り付けられていることが望ましい。シール接続部１６はインジウムによって形成されていても良い。好ましい構成において、シール接続部１６は、孔４の壁１０の全体の高さが約２０〜２５μｍとなるように、約１０μｍの厚さを有していることを特徴としている。
図２ｃに示されるように、導電層１４は、壁１０や導電ライン１７を含む導電層１１の様々な部分を覆っている。導電ライン１７を覆う導電層１４の部分は、隣接するセルのような電気部品への接続部となっている。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態において、電極６，８は、エネルギーを最も多く生成する圧電層２の領域を含むように、特定の形状を成しており、これにより、電極領域すなわちセルのキャパシタンスを最大限に利用しながらトランスデューサの応答性を最大にでき、したがって、トランスデューサ部材の電圧感度、電流感度、電力感度といった選択されたパラメータを最大にすることができる。
角振動数での単色励振（ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）によって生じる圧電層２の垂直変位Ψは、薄板のための標準的な方程式を使用することによって表わされる。
0004288388.tif 000002
この場合、Ｑは層２の弾性を示すヤング率、ｈは層２の厚さの１／２、ｖは層２のポアソン比、γは
0004288388.tif 000003
によって与えられる層内の有効波数であり、また、ρは層２の比重（密度）、ωは加えられる圧力（加えられる圧力は、音圧、層２を横切る静圧差、トランスデューサが受ける他の任意の圧力を含む）の角振動数、Ｚは孔４の内側および外側の媒体にそれぞれ層２を連結することによって生じる機械インピーダンスである。なお、孔４の内側の媒体は好ましくは空気であり、孔４の外側の媒体は好ましくは流体である。また、Ｐは層２に加えられる音圧、
0004288388.tif 000004
は層２の垂直変位の平均値を示している。
【００１０】
孔４が円形である場合、所定の半径ａを有する円形の層２の動的変位を示す解（１つの振動数成分ωのために与えられる）を極座標で示すと、
0004288388.tif 000005
この場合、
0004288388.tif 000006
は、時間に依存しており、円形の層２上に位置する選択された点の変位を示している。その特定の位置は半径ｒおよび角度
0004288388.tif 000007
によって与えられる。
ＪとＩはそれぞれ第１種の正規のベッセル関数および第１種の修正されたベッセル関数を示している。また、ＰA，ＨAはそれぞれ孔４内の空気圧および孔４の高さを示している。また、ρWは孔４の外側の流体の比重を示している。
インピーダンスＺの第１項は、孔４内の空気の圧縮によって生じる剛性に関係している。また、Ｚの第２項は流体境界層によって加えられる質量に関係している。放射性音響エネルギーに関係するインピーダンスＺの他の項はここでは無視できる。
【００１１】
電極６，８間で単位面積当たりに集められる電荷は、変位によって生じる層２内の歪みを求めることによって、また、圧電歪み係数テンソルの対角線でない要素ｅ31，ｅ32を掛けることによって以下のように得られる。
0004288388.tif 000008
この場合、
0004288388.tif 000009
は円形の層２上に位置する選択された点の電荷密度を示している。その特定の位置は半径ｒおよび角度
0004288388.tif 000010
によって与えられる。
ｘは圧電層２の伸長方向であり、ｙは層２の横方向（伸長方向に対して垂直な方向）である。
ｅ31，ｅ32は、圧電歪み係数テンソルの対角線でない要素であり、層２上の選択された点に蓄積された電荷を示している。これは、与えられたｘ方向に沿う歪みおよびｙ方向に沿う歪みに依存しており、これらの係数はＰＶＤＦ層を使用した場合には実質的に異なる。
【００１２】
Ψは、層２の変位であり、周波数ｆで与えられる音圧Ｐによる変位と孔４の内側と外側との間の圧力差によって生じる変位との合計として与えられる。これらの変位は先に与えられた方程式から得られる。
電極６，８間に蓄積される全電荷は、電極の全面積Ｓにわたって
0004288388.tif 000011
を積分することによって得られる。すなわち、
0004288388.tif 000012
圧電層２のキャパシタンスＣは
0004288388.tif 000013
によって与えられる。ここで、εは圧電層２の誘電率であり、２ｈは圧電層２の厚さである。
したがって、圧電層２の電圧レスポンス、電流レスポンス、電力レスポンスは、以下のようにして求められる。
0004288388.tif 000014
一般にＤＣ電流は漏れ出てくるため、通常、ＱのＤＣ成分は演算する前に除去される。先に与えられたＱの値は、ＱのＡＣ成分のピーク値を示しており、したがって、ＲＭＳ値のような他の必要な値を得るために修正される。
このように、トランスデューサの電気出力は、ＱのＡＣ成分および電極の形状Ｓに依存する電圧レスポンス、電流レスポンス、電力レスポンスに関して表わされる。また、先の方程式から分かるように、トランスデユーサの電圧レスポンスは、電極の面積を最小にすることによって最大となる。しかし、電流レスポンスは、電極の面積を最大にすることによって最大となる。
【００１３】
図３は、円形の圧電層２の全面積にわたって均一に圧力（音響圧および静水圧）を加えることによって得られる層２上の電荷密度の分布を示している。ここでは、層２の伸長方向（ｘ方向）および横方向（ｙ方向）を含むデカルト座標を使用することによって、層２上の特定の位置が決定されている。図から分かるように、層２上の異なった位置は、電荷密度に異なって寄与している。層２の外周７０および中央７２では、変形が最小であるため、電荷密度が消失してしまっている。中央７２の両側に対称に位置している２つのコア７４ａ，７４ｂでは、最大の歪み（伸長方向での歪み）が生じるため、電荷密度が最大となっている。
トランスデューサの電気応答（レスポンス）を最適化するための好ましい方法は、最大の電荷密度の少なくとも１つの選択されたパーセンテージの閾値を与える領域を選択して電極を形成することである。この場合、閾値は最適化されるパラメータである。０％の閾値は層２の全領域を覆う電極に関係している。
【００１４】
図４は、所定の面積の層２を有するトランスデューサの電力レスポンスのために行なわれた最適化の結果を示している。図示のように、最適な電力レスポンスを提供する閾値は３０％である（グラフｂ）。したがって、最大の電荷密度の少なくとも３０％を与える層２の部分だけを覆う電極が最大の電力レスポンスを生じる。そのような電極によって得られる適切な電圧レスポンスは、層２を完全に覆う電極よりも２のファクター分だけ高い（グラフａ）。そのような電極によって得られる適切な電流レスポンスは、層２を完全に覆う電極よりも僅かに低い（グラフｃ）。また、図示のように、層２の共振周波数で音響信号を加えると、層２の撓みが最大となる（グラフｄ）。
トランスデューサの電力レスポンスを最大にするための好ましい電極形状が図５に示されている。この場合、電極は、層２の最大電荷密度部分を実質的に覆う２つの電極部８０ａ，８０ｂを有している。これらの電極部は、最小の面積を有する接続部８２によって互いに接続されている。電極部８０ａ，８０ｂは、好ましくは、最大電荷密度の少なくとも選択された閾値（例えば３０％）を生じる層２の部分を覆っている。
本発明においては、電極６，８の形状を決定するために、他の任意のパラメータを最適化しても良い。本発明のさらなる特徴によれば、トランスデューサに関して最大の電気レスポンスが提供されるように、たった１つの電極（上部電極８または下部電極６）が形成される。この場合、他の電極が層２の全領域を覆っている。上部電極８と下部電極６との間で受けられる層２の部分でのみ電荷が集められるため、このような構成は、同一の形状を有する２つの定型電極を有する構成と作用的に等価である。
【００１５】
図６に示される他の実施形態において、トランスデューサ部材１の室（孔）４は十分に低い圧力のガスを収容しており、これによって、平衡状態で圧電層２が実質的に凹形状を成している。このような構成によれば、層２の与えられた変位によって得られる全電荷が増加し、トランスデューサの電気レスポンスを向上させることができる。このような実施形態における全変位は、Ψ＝Ｐ0ΨDC＋ＰΨACcosωtによって与えられる。この場合、Ｐ0は孔４の内側と外側との間の静圧差、ΨDCはＰ0によって生じる変位、Ｐは音圧の振幅、ΨDCはＰによって生じる変位である。
したがって、ｘ方向に沿う歪みは、以下のように３つの項を有する。
0004288388.tif 000015
ここで、ＤＣ成分は一般に漏れ出る。
このように、孔４の内側の媒体（好ましくは、空気）の圧力を外側の媒体（好ましくは、流体）の圧力よりも低くすることにより、Ｐ0の値が増大し、これによって、先の方程式の３つの項の値が増大する。
このような実施形態によれば、層２を変位させることによって、層２の電荷出力を増大させることができ、これによって、音圧Ｐを増大させることなくトランスデューサの電圧、電流、電力レスポンスを向上させることができる。また、このような実施形態によれば、小さな音響撓みで同一の電気レスポンスが得られるため、トランスデューサを小型化できる。また、このような実施形態は、図１ａ，１ｂの実施形態よりも機械的に強固であり耐性が向上する。トランスデューサをさらに小型化できるため、図１ａ，１ｂの実施形態よりも高い共振周波数を使用できる。
【００１６】
本発明に係るトランスデューサ部材１は、好ましくは、マイクロエレクトロニクス産業で広く使用されている技術を用いて組立てられる。これにより、従来の他の電子部品との集積化が可能となる。トランスデューサ部材が銅−ポリマー積層体もしくはシリコンのような基板を有している場合には、様々な従来の電子部品を同じ基板上に組立てても良い。
好ましい実施形態においては、複数の孔４が１つの基板１２にエッチング形成されるとともに１つの圧電層２によって覆われる。これによって、変換セル部材（ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ  ｃｅｌｌ  ｍｅｍｂｅｒｓ）３のマトリクスを有するトランスデューサ部材を提供でき、個々の変換セル部材３の小型化という利益を保持しつつ、大きなエネルギーを収集する所定の大きさの領域を提供することができる。このような構成を使用すれば、トランスデューサの電流レスポンスおよび電圧レスポンスを仕立てることができるように、複数の変換セル部材３同士を電気的に互いに並列に或いは直列に或いはこれらの組み合わせで接続することができる。並列接続は、好ましくは、電流出力を増大するために使用され、直列接続は、好ましくは、トランスデューサの電圧出力を増大するために使用される。
また、各変換セル部材３に所定の極性を与えるために、圧電層２は、完全に消極され（極性がなくされ）、その後、特定の領域で再分極されても良い。このような構成によれば、セル部材３間の相互接続の複雑さを低減することができる。
また、本発明に係るトランスデューサ部材は、トランスミッタとして使用され、離れて位置するトランスミッタから受ける外部音波の反射を変調することにより、離れて位置するレシーバに情報を伝えることができる。
【００１７】
図６に示されたトランスデューサ部材は、孔４の内外間の圧力差によって生じる正および負の一時的な音圧に対して圧電層２が非対称に変動するため、トランスミッタ部材として機能する。
本発明に係るトランスミッタ部材は、好ましくは、これに接続された切換え部材によって、外部から受ける音波の反射を変調させる。前記切換え部材は、センサ出力等の伝えられる情報を符号化し、これによって、反射される音波の周波数を変調させる。
このような構成によれば、受けられる音波が外部で形成されるため、送信モジュールそれ自身のエネルギー消費を非常に小さくすることができ、送信に必要な唯一のエネルギーが変調のためのエネルギーとなる。
具体的には、センサのような他の電気部品から受けたメッセージ電気信号の周波数に応じて切換え部材を切換えることにより、反射された音響信号が変調され、メッセージ信号の周波数に応じて層２の機械インピーダンスが制御可能に変化される。
好ましくは、層２の機械インピーダンスを制御するために、単一のセル部材３もしくは複数のセル部材に接続される複数の電極の特定の配列が使用される。
【００１８】
図７ａ〜図７ｇは、トランスミッタ部材の層２の機械インピーダンスを制御可能に変化させるための可能な構成を示している。図７ａに示されるように、本発明に係るトランスミッタ部材は、電極の第１の対と電極の第２の対とを有している。第１の対は上部電極４０ａと下部電極３８ａとを有している。第２の対は上部電極４０ｂと下部電極３８ｂとを有している。電極３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂは、導電ライン３６ａ，３６ｂ，３４ａ，３４ｂをそれぞれ介して、電気回路に電気的に接続されている。導電ライン３６ａ，３６ｂ，３４ａ，３４ｂの電気的な接続を交互に変化させるために、前記電気回路には切換え部材（図示せず）が設けられている。
好ましくは、切換え部材は、電極の接続状態を並列接続と非並列接続との間で切換える。並列接続は層２の機械インピーダンスを減少させる。また、非並列接続は層２の機械インピーダンスを増大させる。非並列接続は、ライン３４ａ，３６ｂ同士を接続し且つライン３４ｂ，３６ａ同士を接続することによって得られる。並列接続は、ライン３４ａ，３４ｂ同士を接続し且つライン３６ａ，３６ｂ同士を接続することによって得られる。切換え周波数は、好ましくは、センサのような電気部品から受けるメッセージ信号の周波数に等しい。
図７ｂに示される他の実施形態において、上部電極４０ａは導電ライン２８を介して下部電極３８ｂに接続され、電極３８ａ，４０ｂは導電ライン２７，２９をそれぞれ介して電気回路に接続されている。この場合、前記電気回路は切換え部材を有している。このような構成では、電極の非並列接続が形成され、切換え部材がＯＮ／ＯＦＦスイッチとして機能する。これにより、層２の機械インピーダンスが交互に増大する。
電気的な接続の複雑さを低減するため、層２は、消極された後に、その特定の領域で再分極されても良い。図７ｃに示されるように、電極４０ａ，３８ａ間で受けられる層２の部分の極性は、電極４０ｂ，３８ｂ間で受けられる層２の部分の極性と逆である。このように、非並列接続は、導電ライン２８によって電極３８ａ，３８ｂ同士を接続し且つ導電ライン２７，２９をそれぞれ電極４０ａ，４０ｂに接続することによって達成される。この場合、導電ライン２７，２９は電気回路に接続され、電気回路は切換え部材を有している。
他の実施形態においては、トランスミッタ部材が複数の変換セル部材を有し、セル部材同士を適当に接続することによって層２の機械インピーダンスが制御可能に変化される。
【００１９】
図７ｄに示されるように、第１の変換セル部材３ａは層２ａと孔４ａとを有しており、第２の変換セル部材３ｂは層２ｂと孔４ｂとを有している。そして、これらのセル部材３ａ，３ｂは、好ましくは、同一の基板内に収容されている。また、層２ａ，２ｂは一体に形成されている（図示せず）。電極６ａ，８ａを有する電極の第１の対が層２に取り付けられ、電極６ｂ，８ｂを有する電極の第２の対が層２ｂに取り付けられている。電極６ａ，８ａ，６ｂ，８ｂは、導電ライン３７ａ，３５ａ，３７ｂ，３５ｂをそれぞれ介して、電気回路に電気的に接続されている。また、図７ａにおいて説明したように、導電ライン３７ａ，３５ａ，３７ｂ，３５ｂの電気的な接続を交互に切換えて並列接続と非並列接続とを交互に形成するために、前記電気回路には切換え部材が設けられている。これにより、層２ａ，２ｂの機械インピーダンスを交互に増減することができる。
図７ｅは他の実施形態を示している。この実施形態では、第１および第２の変換セル部材が非並列接続によって互いに接続されている。図示のように、セル部材３ａ，３ｂ間の電気的接続の複雑さを低減するために、層２ａの極性は層２ｂの極性と逆である。したがって、電極６ａは導電ライン２１によって電極６ｂに接続され、電極８ａ，８ｂには導電ライン２０，２２がそれぞれ設けられ、各導電ライン２０，２２は切換え部材を有する電気回路にそれぞれ接続される。層２ａ，２ｂの機械インピーダンスを交互に増大させるため、前記切換え部材は、好ましくは、ＯＮ／ＯＦＦスイッチとして機能する。
図７ｆは他の実施形態を示している。この実施形態において、第１および第２の変換セル部材が並列接続によって互いに接続されている。図示のように、電極６ａ，６ｂは導電ライン２４によって互いに接続され、電極８ａ，８ｂは導電ライン２３によって互いに接続され、電極６ｂ，８ｂには導電ライン２６，２５がそれぞれ設けられ、各導電ライン２６，２５は切換え部材を有する電気回路にそれぞれ接続される。層２ａ，２ｂの機械インピーダンスを交互に増減するため、前記切換え部材は、好ましくは、ＯＮ／ＯＦＦスイッチとして機能する。
【００２０】
図８は、同一の基板にエッチング形成され且つ非並列接続によって互いに接続される２つの変換セル部材の可能な構成を示している。図示のように、２つの変換セル部材は共通の圧電層２によって覆われている。この場合、電極６ａ，８ａ間で受けられる層２の部分の極性は、電極６ｂ，８ｂ間で受けられる層２の部分の極性と逆である。電極８ａ，８ｂは導電ライン９によって接着され、電極６ａ，６ｂには電気回路への接続のための導電ライン１６が設けられている。
本発明に係るトランスミッタ部材の他の実施形態が図９に示されている。このトランスミッタ部材は孔４を有する１つの変換セル部材を備えており、孔４は好ましくは極性が互いに逆の第１および第２の圧電層５０ａ，５０ｂによって覆われている。層５０ａ，５０ｂは好ましくは絶縁層５２によって互いに接続されている。層５０ａには上部電極４４ａと下部電極４２ａとが取り付けられ、また、層５０ｂには上部電極４４ｂと下部電極４２ｂとが取り付けられている。電極４４ａ，４２ａ，４４ｂ，４２ｂには電気回路への接続のための導電ライン５４，５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。
前述した内容は単なる実施形態として示されているものであり、本発明の範囲および思想の範囲内で他の多くの実施形態が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ａは図２ａ〜図２ｅのＡ−Ａ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の長手方向断面図、ｂは図２ａ〜図２ｅのＢ−Ｂ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の長手方向断面図である。
【図２】  ａは図１ａのＣ−Ｃ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、ｂは図１ａのＤ−Ｄ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、ｃは図１ａのＥ−Ｅ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、ｄは図１ａのＦ−Ｆ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図、ｅは図１ａのＧ−Ｇ線に沿う本発明に係るトランスデューサ部材の断面図である。
【図３】  層の全面にわたって均一な圧力を加えた際におけるトランスデューサ部材の圧電層を横切る電荷密度の分布を示す図である。
【図４】  本発明に係るトランスデューサの電力レスポンスのために行なわれる最適化の結果を示す図である。
【図５】  本発明に係るトランスデューサの電力レスポンスを最大にする好ましい電極形状を示す図である。
【図６】  トランスミッタとして機能し得る本発明に係るトランスデューサ部材の他の実施形態を示す長手方向断面図である。
【図７】  ａ〜ｆは圧電層の機械インピーダンスを制御可能に変化させるための並列および非並列接続を有する本発明に係るトランスミッタの可能な構成を示す概略図である。
【図８】  非並列接続を有する本発明に係るトランスミッタ部材の長手方向断面図である。
【図９】  本発明に係るトランスミッタ部材の他の実施形態を示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
１  トランスデューサ部材、２  圧電層（層、フレキシブル層）、２ａ、２ｂ  層、３  変換セル部材（セル部材）、３ａ  第１の変換セル部材（セル部材）、３ｂ  第２の変換セル部材（セル部材）、４、４ａ、４ｂ  孔、６、３８ａ、３８ｂ、４２ａ、４２ｂ  下部電極（電極）、６ａ、６ｂ、８ａ、８ｂ  電極、８、４０ａ、４０ｂ、４４ａ、４４ｂ  上部電極（電極）、９、１７、２０〜２６、２８、３５ａ、３５ｂ、３７ａ、３７ｂ、５４〜５７  導電ライン、１０  壁、１１  導電層（層）、１２  電気絶縁層（絶縁層、基板）、１４  導電層、１６  シール接続部（導電ライン）、１８  絶縁室、２７、２９  導電ライン、３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ  導電ライン（ライン）、５０ａ、５０ｂ  圧電層（層）、５２  絶縁層、７０  外周、７２  中央、７４ａ、７４ｂ  コア、８０ａ、８０ｂ  電極部、８２  接続部。
【図１】
0004288388.tif 000016
【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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0004288388.tif 000023
【図８】
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【図９】
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