JPS6410998B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 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。

〔従来の技術〕

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アレイとする場合にも、上
述の単層板のさいの目状、あるいは角棒状に切
り、これを組み合わ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、ステツプ励振
時における応力分布が第１図のイで示すような方
形状のものとなる。また、そのインパルス応答
は、第２図に示すような２つのインパルス（ダイ
ポール）となり、送出される音響信号の周波数特
性は、第３図に示す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、ロはステツプドライブ時の、ハはンパルス
ドライブ時の特性である。

この欠点を解決するためには、圧電板内に任意
の適当な応力分布を与えればよく、たとえば第１
図のニで示すように、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
アン・デル・ポーブ的なものにするならば、その
周波数特性は第３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
材料の内部に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により
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かつ
た。

また、広帯域特性を実現するために圧電板を層
状構造とし、隣接層相互で異なる分極方向を持つ
構造の圧電トランスデユーサが提案されている
（特公昭52−34196号公報）。しかしこの技術では、
圧電板の応力分布が奥行き方向に単調に減少する
上述のフアン・デル・ポーブ的なものにはならな
いので、フアン・デル・ポーブ型圧電トランスデ
ユーサの持つ広帯域化された周波数特性およびイ
ンパルス応答性を実現することにはならなかつ
た。

本発明は、応力分布が圧電板の奥行き方向に単
調に減少するフアン・デル・ポーブ的な応力分布
となり、周波数特性およびインパルスレスポンス
が改善され、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
を極めて簡単に、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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の多層圧電トランスデユーサは、複数の
圧電板が重層された構造であり、その重層構造の
両面に一対の電極が形成され、これらの各圧電板
は同一の方向に分極され、上記一対の電極を用い
て電界が付与されたときに各重層構造の圧電板が
同一方向の異なる大きさの応力を発生する構造で
あり、かつその複数の圧電板は、その応力分布が
その表面の電極から奥行き方向に対して階段状で
単調に減少する構造であることを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、複数のセラミツク
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、焼成された多層圧電板
の両面に電極を形成し電位を印加して上記多層圧
電板にその応力分布がその表面の電極から奥行き
方向に対して階段状で単調に減少する分極を付与
する工程とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の多層圧電トランスデユーサは、各層の
圧電板の分極方向は同一で、また各圧電板が同一
方向で異なる大きさの応力をもつ構造となつてい
る。そして、その応力分布を電極の表面から奥行
き方向に対して漸減するいわゆるフアン・デル・
ポーブ型に近似した圧電トランスデユーサにする
ことができる。

このため、この多層圧電トランスデユーサの周
波数特性は広帯域となり、またそのインパルス応
答性が改善される。

また、本発明の製造方法では、セラミツクグリ
ーンシートで積層して焼成し、その後に電極を形
成してから、電極に電位を与えて多層圧電板に奥
行き方向にその応力分布が漸減する分極を付与す
る工程からなるので、多層圧電トランスデユーサ
の分極付与工程が簡単で、いわゆるフアン・デ
ル・ポーブ的な多層圧電トランスデユーサの製造
を容易に行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第４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１の両面には電極２，３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にはバツキング層６を取り付ける。多
層圧電板１は、圧電板１ａ，１ｂ，１ｃを密に接
着、あるいは焼結して重層した構造となつてい
る。これらは、それぞれ種類の異なるPZT〔ジル
コンチタン酸鉛：Pb（Zr、Ti）O₃〕などの圧電
セラミツク材料でできていて、それぞれは同一方
向に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，１ｂ，１ｃ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
電極を被着してから、その電極を利用して一斉に
分極してもよい。

圧電板１ａ，１ｂ，１ｃは比誘電率ε₃₃、圧電
率d₃₃、係合係数ｋ、あるいはg₃₃、などがそれぞ
れ異なり、このうちd₃₃，g₃₃、あるいはｋ等の値
は良く最適化されていて、標準的な値に対して1/
２〜２倍程度の範囲に収まる。一方、焼上り結果
として誘電率ε₃₃の値は、PZTの種類により10倍
位も異なる。

圧電板１ａ，１ｂ，１ｃ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ツプドラ
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に向つて、すなわち奥行き方向にその大きさ
が階段状に単調に減少するように行う。信号を電
極に印加したときの多層圧電板１の内部の電界強
度は大略各圧電板１ａ，１ｂ，１ｃの比誘電率
ε₃₃に反比例したものとなるので、それぞれの比
誘電率ε₃₃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d₃₃の相違によつて変わるもので
あるから、結局、ε₃₃とd₃₃とを勘案した上で各圧
電層１ａ，１ｂ，１ｃの素材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図に点線チで示
すフアン・デル・ポーブ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
は、第６図に実線リで示すようなものとなる。こ
れをフイルタを用いて帯域制限すれば、第６図に
点線ヌで示すようなフアン・デル・ポーブ構造の
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、ほとんど、 ρc≒30×10⁵（ｇ／cm²・ｓ） ρ……材料の密度ｇ／cm² ｃ……材料の音速cm／ｓ 程度にそろつ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、背面を完全バツキング（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り十
分にマツチングして使用すれば、ほとんど整合条
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に限られるものではなく、
他にも種々の方法がある。たとえば、異なる材料
を何層かにつみ上げたものであつてもよい。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、中程
度に分極した材料は、その分極の程度が不安定で
電気的刺激により増減しやすいという欠点があ
る。さらに、同一材料であつても素材の組成を変
えることにより、誘電率ε₃₃がほとんど同じでd₃₃
あるいはg₃₃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によつても目的を
達成できる。

また、圧電板１ａ，１ｂ，１ｃの材料は、いわ
ゆる強誘電体圧電材料であれば何であつてもよい
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限されるものないことは勿
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
る方法の一例を説明する。

セラミツクは、一般には最終焼成の段階で、原
料をバインダー（結合剤）と混ぜ合わせた練り物
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、この練り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的であ
り、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
加工をするなどして得る。またその厚さはシート
自身の成形（カレンダー成形）の厚さにより決め
る。

本発明製造方法は、複数の圧電板の重層を上述
のセラミツ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工程と全
く同様に取り扱う。多層圧電板への分極の付与
は、両端面の電極を被着の後その電極を用いて各
層の圧電板に同時に行うことになる。なお、この
多層圧電板をダ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り、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、接着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
ツ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つても、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、圧電板同士の表面凹凸部分が無数の点で接
触するようにしなければならず、多層圧電板に相
当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、その際ひびわれなどの仕損じ
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
末により熱融着する方法もあるが、上述同様の配
慮が必要であり、重層作業が容易ではない。

本発明の製造方法によれば、これらの欠点を解
決でき、極めて簡単に重層作業を行なえる。

〔発明の効果〕

本発明の多層圧電トランスデユーサによれば、
広帯域の単一パルスとなるインパルス応答性のよ
い応力分布で分極方向が同一のフアン・デル・ポ
ープ的な構造の多層圧電トランスデユーサを容易
に実現できる。そして、このトランスデユーサ
は、その利用技法、すなわち使用する電子回路、
探触子等の音響学的設計、素材の加工・組立作業
等が従来のトランスデユーサと本質的に変わるこ
となく使用でき、汎用性があるものである。

また、本発明の製造方法によれば、上述のトラ
ンスデユーサを焼成後における厄介な重層作業を
行わず、また、その分極作業が簡単に行えるた
め、量産性に優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電素子の応力分布図。第２図
は従来の圧電素子のインパルス応答特性図。第３
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スデユーサの側断面
図。第５図は実施例トランスデユーサの応力分布
図。第６図は実施例トランスデユーサのインパル
ス応答特性図。 １……多層圧電板、１ａ，１ｂ，１ｃ……圧電
板、２，３……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の圧電板が重層された構造であり、その
   重層構造の両面に一対の電極が形成され、これら
   の各圧電板は同一の方向に分極され、上記一対の
   電極を用いて電界が付与されたときに各重層構造
   の圧電板が同一方向の異なる大きさの応力を発生
   する構造であり、 かつその複数の圧電板は、その応力分布がその
   表面の電極から奥行き方向に対して階段状で単調
   に減少する構造である ことを特徴とする多層圧電トランスデユーサ。 ２ 複数の圧電板は誘電率がそれぞれ異なる圧電
   材料からなり、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 複数のセラミツ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、 焼成された多層圧電板の両面に電極を形成し電
   位を印加して上記多層圧電板にその応力分布がそ
   の表面の電極から奥行き方向に対して階段状で単
   調に減少する分極を付与する工程と を含む多層圧電トランスデユーサの製造方法。