JPS58170200A - 多層圧電トランスデュ−サとその製造方法 - Google Patents
多層圧電トランスデュ−サとその製造方法Info
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- JPS58170200A JPS58170200A JP57051650A JP5165082A JPS58170200A JP S58170200 A JPS58170200 A JP S58170200A JP 57051650 A JP57051650 A JP 57051650A JP 5165082 A JP5165082 A JP 5165082A JP S58170200 A JPS58170200 A JP S58170200A
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- Japan
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- plate
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-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、多層構造の圧電トランスデユーサとその製造
方法に関するものであり、このような圧電トランスデユ
ーサは、例えば超音波診断装置の振動子などに用いられ
る。
方法に関するものであり、このような圧電トランスデユ
ーサは、例えば超音波診断装置の振動子などに用いられ
る。
従来、33モードの厚みたて振動の超音波用に用いる圧
電トランスデユーサは、普通にはその圧電板が均一な素
材の単層板でできている。また、圧電トランスデユーサ
をプレイとする場合にも、上述O単層板をさいの目状、
あるいは角棒状に切り、これを組み合せて作るものであ
るため、素材は均一なものである。このような均一材料
の単板による圧電トランスデユーサは、ステツブ励振時
における応力分有−1IXII 1図の(イ)で示すよ
うな方形状のものになる。また、そのインパルス応答は
、11211に示すような2つのインパルス(ダイポー
ル)とな夛、送出される音響信号の周波数特性は、sg
i図に示スようにスペクトラムに厚みで決まる零点が存
在するものとなり、送受信系を本質的に広帯域にするこ
とができない。なお、第3図中、(ロ)はステップドラ
イブ時の、(ハ)はインパルスドライブ時の特性である
。
電トランスデユーサは、普通にはその圧電板が均一な素
材の単層板でできている。また、圧電トランスデユーサ
をプレイとする場合にも、上述O単層板をさいの目状、
あるいは角棒状に切り、これを組み合せて作るものであ
るため、素材は均一なものである。このような均一材料
の単板による圧電トランスデユーサは、ステツブ励振時
における応力分有−1IXII 1図の(イ)で示すよ
うな方形状のものになる。また、そのインパルス応答は
、11211に示すような2つのインパルス(ダイポー
ル)とな夛、送出される音響信号の周波数特性は、sg
i図に示スようにスペクトラムに厚みで決まる零点が存
在するものとなり、送受信系を本質的に広帯域にするこ
とができない。なお、第3図中、(ロ)はステップドラ
イブ時の、(ハ)はインパルスドライブ時の特性である
。
この欠点を解決するためKは、圧電板内に任意の適当な
応力分布を与えればよ(、たとえば第1図の四で示すよ
うに、圧電板の奥行き方向へ応力分布が次第に減少して
零に収束する、いわゆるファン・デル・ホープ的なもの
にするのならば、その崗波数特性は第5図の(ホ)で示
すような零点が存在しない広帯域なものとなる。しかし
ながら、均一圧電材料の内sK任意の応力分布を作るこ
とは非常に困難であり、分極の強さを分布させることk
よシこれを実現するものもあるが、再現性や経年安定性
などの見地からまだ実用となるものではない。
応力分布を与えればよ(、たとえば第1図の四で示すよ
うに、圧電板の奥行き方向へ応力分布が次第に減少して
零に収束する、いわゆるファン・デル・ホープ的なもの
にするのならば、その崗波数特性は第5図の(ホ)で示
すような零点が存在しない広帯域なものとなる。しかし
ながら、均一圧電材料の内sK任意の応力分布を作るこ
とは非常に困難であり、分極の強さを分布させることk
よシこれを実現するものもあるが、再現性や経年安定性
などの見地からまだ実用となるものではない。
〔発明の目的〕
」
本発明は、目的に応じた任意の応力分布を圧電板内に実
現でき、しかも、利用に際しては従来の圧電素子と同様
に取り扱える多層圧電トランスデユーサを提供し、さら
にこの多層圧電トランスデユーサtmめて簡単に、かつ
、量産性に富んで製造することができる製造方法を提供
することを目的とする。
現でき、しかも、利用に際しては従来の圧電素子と同様
に取り扱える多層圧電トランスデユーサを提供し、さら
にこの多層圧電トランスデユーサtmめて簡単に、かつ
、量産性に富んで製造することができる製造方法を提供
することを目的とする。
本発明の多層圧電トランスデユーサは、複数の圧電板が
重層され、これらの圧電板に電界を付与したときに発生
する応力がそれぞれ異なるように構成されたことを特徴
とする。
重層され、これらの圧電板に電界を付与したときに発生
する応力がそれぞれ異なるように構成されたことを特徴
とする。
また、本発明の製造方法は、複数のセラミック・グリー
ンシートを重層する工程と、このグリーンシートを焼成
する工程とを含むことt−特徴とする。
ンシートを重層する工程と、このグリーンシートを焼成
する工程とを含むことt−特徴とする。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
114図は、本発明の一実施例圧電トランスデユーサの
側断面図である。同図において、多層圧電板lの両画に
は電1i2.3をそれぞれ被着し、この電極2.3から
は端子4.5をそれぞれ導き出し、電極3にはバッキン
グ層6を堆9付ける。多層圧電板1は、圧電板1a 、
lb 、lcを密Km着、あるいは焼結して重層した構
造となっている。これらは、それぞれ種類の異なるpz
t(ジルコンチタン酸鉛: pb (Z(、Ti )
Os)などの圧電セラミック材料でできていて、それぞ
れは限界値まで十分に分極されている。この分極の付与
は、各圧電板1a 、lb 、 lcを個別に分極して
から被着せしめても、また、全体を焼成してから一斉に
分極するものであってもよい。圧電板1a 、 lb
、 lcは比誘電率ass、圧電率dss3合係数k
1あるいはglsなどがそれぞれ異なり、このうちdi
s 、 gss、あるいはに等の値は良(最適化されて
いて、標準的な値に対して1/2〜2倍@度の範囲に収
まる。一方、焼土シ結果としての誘電率−1mの値は、
pztの種類により10倍位も異なる。
側断面図である。同図において、多層圧電板lの両画に
は電1i2.3をそれぞれ被着し、この電極2.3から
は端子4.5をそれぞれ導き出し、電極3にはバッキン
グ層6を堆9付ける。多層圧電板1は、圧電板1a 、
lb 、lcを密Km着、あるいは焼結して重層した構
造となっている。これらは、それぞれ種類の異なるpz
t(ジルコンチタン酸鉛: pb (Z(、Ti )
Os)などの圧電セラミック材料でできていて、それぞ
れは限界値まで十分に分極されている。この分極の付与
は、各圧電板1a 、lb 、 lcを個別に分極して
から被着せしめても、また、全体を焼成してから一斉に
分極するものであってもよい。圧電板1a 、 lb
、 lcは比誘電率ass、圧電率dss3合係数k
1あるいはglsなどがそれぞれ異なり、このうちdi
s 、 gss、あるいはに等の値は良(最適化されて
いて、標準的な値に対して1/2〜2倍@度の範囲に収
まる。一方、焼土シ結果としての誘電率−1mの値は、
pztの種類により10倍位も異なる。
圧電板1a 、lb 、 lcの種類およびその厚さの
選択は、このトランスデユーサをステップドライブした
ときの多層圧電板1の内部での応力分布が、第5図中の
実線(ト)で示すように電極2から電極3に向って、す
なわち奥行き方向にその大きさが階段状に減少するよう
Kして行う。多層圧電板10内部電界強度は各圧電板1
a、1b、ICの比誘電率@lsK反比例したものとな
るので、それぞれの比誘電率り3の値が適当に相違する
ように選択すれば、上述のような応力分布を得ることが
できる。
選択は、このトランスデユーサをステップドライブした
ときの多層圧電板1の内部での応力分布が、第5図中の
実線(ト)で示すように電極2から電極3に向って、す
なわち奥行き方向にその大きさが階段状に減少するよう
Kして行う。多層圧電板10内部電界強度は各圧電板1
a、1b、ICの比誘電率@lsK反比例したものとな
るので、それぞれの比誘電率り3の値が適当に相違する
ように選択すれば、上述のような応力分布を得ることが
できる。
なお、応力値はdSSの相違によっても変るものである
から、結局、assとdllとを勘案した上で各圧電層
1a 、 lb 、 lcの種類とその厚さを選択する
こととなる。
から、結局、assとdllとを勘案した上で各圧電層
1a 、 lb 、 lcの種類とその厚さを選択する
こととなる。
この階段状の応力分布は、第5図に点−一で示すファン
・デル拳ボープ的な応力分布に近似したものと考えるこ
とができ、そのインパルス応答ハ、116図に実線四で
示すようなものとなる。これをフィルタを用いて帯域制
限すれば、第6図に点線−)で示すようなファン・デル
・ホープ構造のインパルス応答とほぼ類似のものとなり
、実用上は十分に単一パルスの応答とみなすことができ
る。
・デル拳ボープ的な応力分布に近似したものと考えるこ
とができ、そのインパルス応答ハ、116図に実線四で
示すようなものとなる。これをフィルタを用いて帯域制
限すれば、第6図に点線−)で示すようなファン・デル
・ホープ構造のインパルス応答とほぼ類似のものとなり
、実用上は十分に単一パルスの応答とみなすことができ
る。
なお、pzt族は、はとんど、
pCφso x 1o (g/cj@1l)−・・・
材料の密tトタ C・・・材料の音速c#/B 程度にそろっているものであるから、音響学的には重層
体内部でのミスマツチングは大きな問題とならず、背面
を完全バッキング(マツチド負荷)するとともに、正面
を多層マツチング層によシ十分にマツチングして使用す
れば、はとんど整合条件は問題とはならない。
材料の密tトタ C・・・材料の音速c#/B 程度にそろっているものであるから、音響学的には重層
体内部でのミスマツチングは大きな問題とならず、背面
を完全バッキング(マツチド負荷)するとともに、正面
を多層マツチング層によシ十分にマツチングして使用す
れば、はとんど整合条件は問題とはならない。
多層圧電板1の内部に任意の応力分布を与える方法は本
実施例の方法Kllられるものではなく、他にも種々の
方法がある。たとえは、異なる材料を何層かにつみ上げ
たものであってもよい。また、同一の材料を用いた薄い
圧電板にそれぞれ異なる分極の強さを付与して、これを
重ね合わせて被着せしめてもよい。しかしこの場合には
、中@度に分極した材料は、その分極の@度が不安定で
電気的刺激によシ増減しやすいという欠点がある。さら
に、同一材料であっても素材O組成を変えることKより
、誘電率εasがほとんど同じでdSSあるいはgoの
みが異なる材料を得ることができるので、これらを重層
することKよっても目的を達成できる。
実施例の方法Kllられるものではなく、他にも種々の
方法がある。たとえは、異なる材料を何層かにつみ上げ
たものであってもよい。また、同一の材料を用いた薄い
圧電板にそれぞれ異なる分極の強さを付与して、これを
重ね合わせて被着せしめてもよい。しかしこの場合には
、中@度に分極した材料は、その分極の@度が不安定で
電気的刺激によシ増減しやすいという欠点がある。さら
に、同一材料であっても素材O組成を変えることKより
、誘電率εasがほとんど同じでdSSあるいはgoの
みが異なる材料を得ることができるので、これらを重層
することKよっても目的を達成できる。
また、多層圧電板内の応力分布は本実施例のようなファ
ン・デル・ホープ構造に近似させたものに限定されるも
のではなく、用途に応じた任意の応力分布が可能である
。たとえば、多層圧電板内の中央部分の応力が強くなる
ようなexp<x >の形に近似させることも可能であ
る。また、多層圧電板内の中央部分に高電位側の電極を
、その両面K11l地電極を設けて、高電位側電極の両
側に任意の応力分布が配置されるようKすれば、種々の
偶関数状、奇関数状、あるいは周期性の応力発生分、1
1を得ることができる。
ン・デル・ホープ構造に近似させたものに限定されるも
のではなく、用途に応じた任意の応力分布が可能である
。たとえば、多層圧電板内の中央部分の応力が強くなる
ようなexp<x >の形に近似させることも可能であ
る。また、多層圧電板内の中央部分に高電位側の電極を
、その両面K11l地電極を設けて、高電位側電極の両
側に任意の応力分布が配置されるようKすれば、種々の
偶関数状、奇関数状、あるいは周期性の応力発生分、1
1を得ることができる。
さらに、圧電板1a 、 lb 、 lcの材料は、い
わゆる強誘電体圧電材料であれば何であってもよいし、
本発明圧電トランスデユーサをたとえば探触子等に実装
するに際しての実施態様、すなわち圧電板の加工形状や
重層する圧電板の数、電極の形状や配置位置や数、音響
インピーダンスの整合構造などは本実施例に制@される
ものでないことは勿論のことである。
わゆる強誘電体圧電材料であれば何であってもよいし、
本発明圧電トランスデユーサをたとえば探触子等に実装
するに際しての実施態様、すなわち圧電板の加工形状や
重層する圧電板の数、電極の形状や配置位置や数、音響
インピーダンスの整合構造などは本実施例に制@される
ものでないことは勿論のことである。
次に上述の多層圧電トランスデユーサを製造する本発明
製造方法について説明する。
製造方法について説明する。
セラミックは、一般には最終焼成の段階で、原料をバイ
ンダー(結合剤)と混ぜ合わせた#!j物状の中間原料
に仕上げ、これを仮焼きして固めた上で本焼きする。最
終的な製品を板状のものとするには、この練p物状の中
間原料の段階で薄いシート状のものに予備成形すること
が一般であや、このシート状の中間原料はグリーンシー
トと呼ばれている。なお、製品の大略の外周形状は、こ
のグリーンシートの段階で打抜き加工やプレス加工をす
るなとして得る。またその厚さはシート自身の成形(カ
レンダー成形)の犀さにより決める。
ンダー(結合剤)と混ぜ合わせた#!j物状の中間原料
に仕上げ、これを仮焼きして固めた上で本焼きする。最
終的な製品を板状のものとするには、この練p物状の中
間原料の段階で薄いシート状のものに予備成形すること
が一般であや、このシート状の中間原料はグリーンシー
トと呼ばれている。なお、製品の大略の外周形状は、こ
のグリーンシートの段階で打抜き加工やプレス加工をす
るなとして得る。またその厚さはシート自身の成形(カ
レンダー成形)の犀さにより決める。
本発明製造方法は、複数の圧電板の重層を上述のセラミ
ック・グリーンシートの段階で行い、この後に焼成して
多層圧電板を得“るものであり、この後は従来の単板均
一材料圧電素子の製造ニーと全く同様KMljシ扱う。
ック・グリーンシートの段階で行い、この後に焼成して
多層圧電板を得“るものであり、この後は従来の単板均
一材料圧電素子の製造ニーと全く同様KMljシ扱う。
多層圧電板への分極の付与は、各層の圧電板に同時に行
うことKなる。なお、この多層圧電板をグイシングして
アレイとすることも勿論可能である。
うことKなる。なお、この多層圧電板をグイシングして
アレイとすることも勿論可能である。
多層圧電トランスデユーサの製造方法としては他にも種
々の方法があシ、たとえば、複数の圧電板を別々に焼成
して作製し、これに分極をそれぞれ付与した後に重層し
て接着剤で接着するなどの方法がある。
々の方法があシ、たとえば、複数の圧電板を別々に焼成
して作製し、これに分極をそれぞれ付与した後に重層し
て接着剤で接着するなどの方法がある。
この方法では、*mの電気的音響学的な確実さおよび接
着層の厚みが問題となる。すなわち、たとえばエポキシ
等の接着剤の誘電率は圧電セラミックに比べてはるかに
小さいものであるから、それがわずかの厚さであっても
、そこで多層圧電板に印加される電圧の大部分を負担し
てしまう。このため、重層工程においては、接着層を挾
みながらも、圧電板同志の表面凹凸部分が無数の点で接
触するようKしなければならず、多層圧電板に相轟強い
押圧力を均等に印加しつつ接着剤を固化させなければな
らず、その際ひびわれなとの仕損じを生じやすい。また
気泡の混入を防ぐ必要があるから真空中で作業を行なわ
なければならず、重層作業は極めて厄介なものになる。
着層の厚みが問題となる。すなわち、たとえばエポキシ
等の接着剤の誘電率は圧電セラミックに比べてはるかに
小さいものであるから、それがわずかの厚さであっても
、そこで多層圧電板に印加される電圧の大部分を負担し
てしまう。このため、重層工程においては、接着層を挾
みながらも、圧電板同志の表面凹凸部分が無数の点で接
触するようKしなければならず、多層圧電板に相轟強い
押圧力を均等に印加しつつ接着剤を固化させなければな
らず、その際ひびわれなとの仕損じを生じやすい。また
気泡の混入を防ぐ必要があるから真空中で作業を行なわ
なければならず、重層作業は極めて厄介なものになる。
また、別々に焼成した圧電板を低融点ガラス粉末により
熱−着する方法もあるが、上述同様の配慮が必要であり
、重層作業が容品ではない。
熱−着する方法もあるが、上述同様の配慮が必要であり
、重層作業が容品ではない。
本発明製造方法によれば、これらO欠点を解決でき、極
めて簡単に重層作at行える。
めて簡単に重層作at行える。
本発明の多層圧電トランスデユーサによれd、種々の目
的に応じた任意の応力分布を多層圧電板内に容j+に実
現できる。たとえば、広帯域の単一パルスとなるインパ
ルス応答が欲しい場合には応力分布をファン・デル・ボ
ーブ的なものとすればよい。そして、このトランスデユ
ーサは、そ0141用技法、すなわち使用する電子−路
、探触子等の音響学的設計、素材の加工・組立て作Il
勢が従来のトランスデユーサと本質的に変わることがな
く、汎用性がある。
的に応じた任意の応力分布を多層圧電板内に容j+に実
現できる。たとえば、広帯域の単一パルスとなるインパ
ルス応答が欲しい場合には応力分布をファン・デル・ボ
ーブ的なものとすればよい。そして、このトランスデユ
ーサは、そ0141用技法、すなわち使用する電子−路
、探触子等の音響学的設計、素材の加工・組立て作Il
勢が従来のトランスデユーサと本質的に変わることがな
く、汎用性がある。
また、本発明の製造方法によれば、上述のトラ1
ンスデューサを焼成後におけ゛る厄介な重層作業をする
ことな(簡単に、しかも量産的に製造することができる
。
ンスデューサを焼成後におけ゛る厄介な重層作業をする
ことな(簡単に、しかも量産的に製造することができる
。
嬉111は従来の圧電素子の応力分布図。
1g211は従来の圧電素子のインノくルス応答特性図
。 1113図は従来の圧電素子の周波数特性図。 第4図は本発明実施例の多層圧電トランメデューナO儒
断面図。 115図は実施例トランスデユーサの応力分布図。 114図は実施例トランスデユーサのインノ(ルス応答
特性図。 1・・・多層圧電板、la 、lb 、 lc −圧電
板、2.3・−・電極。 特許出願人株式会社横河電Il製作所 代履人 弁場士井 出 直 孝 第2図 尾3品 九5図 九6図
。 1113図は従来の圧電素子の周波数特性図。 第4図は本発明実施例の多層圧電トランメデューナO儒
断面図。 115図は実施例トランスデユーサの応力分布図。 114図は実施例トランスデユーサのインノ(ルス応答
特性図。 1・・・多層圧電板、la 、lb 、 lc −圧電
板、2.3・−・電極。 特許出願人株式会社横河電Il製作所 代履人 弁場士井 出 直 孝 第2図 尾3品 九5図 九6図
Claims (4)
- (1) II数の圧電板が重層され、これらの圧電板
に電界【付毒したときに発生する応力がそれぞれ異なる
ように構成された多層圧電トランスデヱーす。 - (2)複数の圧電板は誘電率がそれぞれ異なる圧電材料
からなシ、この誘電率の相違に起因してこれらの圧電板
に発生する応力が異なる特許請求の範囲第(1)項に記
載の多層圧電トランスデユーサ。 - (3)複数の圧電板は、付4された分極の強さがそれぞ
れ異なる圧電材料からなり、この分極の強さの相違に起
因してこれらの圧電板に発生する応力が異なる特許請求
の範i!l @ +11項に記載の多層圧電トランスデ
ユーサ。 - (4)複数のセラミックーグリーンシートを重層する工
程と、このグリーンシートを焼成する1薯とを含む多層
圧電トランスデユーサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57051650A JPS58170200A (ja) | 1982-03-30 | 1982-03-30 | 多層圧電トランスデュ−サとその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57051650A JPS58170200A (ja) | 1982-03-30 | 1982-03-30 | 多層圧電トランスデュ−サとその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58170200A true JPS58170200A (ja) | 1983-10-06 |
| JPS6410998B2 JPS6410998B2 (ja) | 1989-02-22 |
Family
ID=12892735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57051650A Granted JPS58170200A (ja) | 1982-03-30 | 1982-03-30 | 多層圧電トランスデュ−サとその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58170200A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5126617A (en) * | 1987-11-09 | 1992-06-30 | Texas Instruments Incorporated | Cylinder pressure sensor for an internal combustion engine |
| WO2002047432A1 (fr) * | 2000-12-05 | 2002-06-13 | Sigeyasu Isida | Emetteur/recepteur d'ondes capable d'emettre une pluralite de frequences |
| US6628047B1 (en) | 1993-07-15 | 2003-09-30 | General Electric Company | Broadband ultrasonic transducers and related methods of manufacture |
| JP2016145732A (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-12 | 株式会社日立製作所 | 超音波探触子及び超音波探傷システム |
Citations (2)
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| JPS4865923A (ja) * | 1971-12-10 | 1973-09-10 | ||
| JPS5234196A (en) * | 1975-09-09 | 1977-03-15 | Ca Atomic Energy Ltd | Connection configuration for double temperature isotope exchanging process |
-
1982
- 1982-03-30 JP JP57051650A patent/JPS58170200A/ja active Granted
Patent Citations (2)
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| JP2002174679A (ja) * | 2000-12-05 | 2002-06-21 | Kiyasu Ishida | 複数周波数発射可能な水中送受波装置 |
| JP2016145732A (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-12 | 株式会社日立製作所 | 超音波探触子及び超音波探傷システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6410998B2 (ja) | 1989-02-22 |
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