3,2,検 討1の 解 析 手 法
35Planeimpulsesoundpressure
TZP おS・・
▲■占▼▲lIΨのの①⊆XO一=ト
z3
ピx,
Width
漣
Fig.3.3.Analysismodelforevaluationofmechanicalresonancefrequency.
図3.3機 械 共 振 周 波 数 の 評 価 の た め の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル.
用 い て 相 互 に 変 換 さ れ る.圧 電 材 料 で あ るPZT5Hの 特 性 は 以 下 の 式 で 示 さ れ る.
5E=
1.65
‑0 .48
‑0 .85 0 0 0
一 〇.48 0,17
‑0 .85 0 0 0
d‑(蕊
0∩U
一 〇.85
‑0 、85 2.07
0 0 0
nUO
一 〇.270.59
印一燃
000 000 000 4.3500
04.350 00426
×10‑11m2/N,
3.2.検 討1の 解 析 手 法 36
×10'20
2,5
22Pi﹁t︻轟一県一E勲蜀喜旧ON
o,5
o 5 10
f52025
Frequency[MHz]
30 35
o騨m 5#m o賢m 2甘m 5#m Opm spm
40
Fig・3・4.FrequencycharacteristicofvibrationforvariousthicknessofSilayer(thickness ofPZT:2、Opm).
図3.4PZT層 の 膜 厚2.Ollmの ダ イ ア フ ラ ム の 振 動 周 波 数 特 性 のSi層 の 膜 厚 依 存 性.
25
PZT:2.Opm 24翻PZT:4.0"m
PZT:6、0僻m 23
下i22
叢21
12。
量 惇9・.
17 16 15
4.04.5
5,05,5
SilliconthicknessIPm]
6,0 6、5
Fig,3.5.MechanicalresonancefrequencydeterminedforthicknessofSiandPZTlayers.
図3,5Si層 とPZT層 の 膜 厚 に 対 す る 共 振 周 波 数 特 性,
3.2.検 討1の 解 析 手 法 37
特 性 を 示 し て い る.厚 いSi層 で は,PZT層 は 共 振 周 波 数 に 影 響 を 与 え ず,逆 に,薄 いSi 層 で はPZT層 の 膜 厚 を 変 え る こ とに よ っ て 共 振 周 波 数 が 大 き く変 化 す る.PZT層 が 薄 い 場 合 は,Si層 の 厚 さ に か か わ らず,そ の 影 響 を 及 ぼ さ ず,Si層 が 振 動 に 対 して 支 配 的 で あ る.一 方,PZT層 の 膜 厚 が 大 き い 場 合,Si層 の 膜 厚 が 小 さ い と き も,両 層 が 振 動 特 性 を 決 定 す る.そ の よ う な 場 合 、 共 振 周 波 数 の 測 定 値 は,理 想 的 な 線 形 特 性 か ら多 少 の 変 動 を 有 す る.こ の よ うな 評 価 に よ っ て,PZT層 が2.Opm,4、Opm,6.Opmの と き,機 械 的 な 共 振 周 波 数 が20MHzと な るSi層 の 膜 厚 を 決 定 で き る.共 振 周 波 数 が20MHzと な る PZT層 とSi層 の 膜 厚 の 組 み 合 わ せ を 表3.2に ま とめ る.図3.6は,表32の3つ の モ デ ル の 振 動 変 位 の 周 波 数 特 性 を 示 して い る.図3.6に よ れ ば,model1が 最 も大 き な 振 動 振 幅 を 有 す る.し か し,圧 電 性 能 や そ れ らの 総 合 的 な 超 音 波 送 受 信 の 特 性 は そ れ ぞ れ 異 な る た め 特 性 評 価 が 必 要 で あ る.
TABLE3.2.THIcKNEss(INl1M)coMBINATIoNsoFPZTLAYERANDSILAYERHAvlNG
REsoNANcEFREQuENcYoF20M且z.
表3.2共 振 周 波 数20MHzと な るPZT層 とSi層 の 膜 厚 の 組 み 合 わ せ.
ModelIlame
PZTla、yerthickness Silayerthicknes8Mode11
2.0 5.2
Model2
4.0 4.9
Model3 6.0
4.5
3.2,検 討1の 解 析 手 法
38xIO'2⑪
1,S 1,6
一1,4
昆 蓄12
器1 蚕
需o、8
類
o,6o.4
一ModellPZT20μm,S152μm
‑MOdel2PZτ40pm,Si4、9pm Modgl3PZT60pm,St45μm
へ
。[一====ゴ
05to152025303540 Frequ臼ncy【MHz]Fig.3,6、Frequeiicydependenceofvibrat,ionoft,hreemodel呂withmechanicalresonance frequencyof20MHz,
図3,620MHzの 機 械 共 振 周 波 数 を 有 す る3つ の モ デ ル の 振 動 の 周 波 数 依 存 性,
3.2.3性 能 評 価 の た め の シ ミ ュ レー シ ョ ン 概 要
最 初 の 評 価 で は,振 幅 をOVか ら5Vま で1Vず っ 変 化 さ せ な が ら連 続 し た 正 弦 波 電 圧 を 印 加 す る.ダ イ ア フ ラ ム の 中 心 か ら100pm離 れ た 水 中 の 点 に お い て,出 力 音 圧 が 観 測 され る.上 述 の3つ の モ デ ル に っ い て 同 様 の シ ミ ュ レー シ ョ ン を 実 行 し,超 音 波 送 信 効 率 を評 価 す る.図3.7は,送 信 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に使 用 さ れ る電 気 回 路 を 示 す.
第2の 評 価 で は,ダ イ ア フ ラ ム に1Vの イ ン パ ル ス 電 圧 を 印 加 す る.電 気 回 路 お よ び シ ミ ュ レー シ ョ ン モ デ ル は,最 初 の 評 価 と同 様 で あ る.出 力 音 圧 を 観 測 し,そ の 周 波 数 特 性 をDFT解 析 に よ っ て 得 る.
第3の 評 価 で は,振 幅 をOPaか ら5P乱 ま で1Paず つ 変 化 させ な が ら,ダ イ ア フ ラ ム か ら50pm離 れ た 水 面 に 正 弦 波 状 の 連 続 音 圧 を 印 加 す る.受 信 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 平 面 波 を 入 力 と して い る の で,ト ラ ン ス デ ュ ー サ と音 源 の 距 離 を5011mと して い る.前 述 の 送 信 シ ミュ レー シ ョ ン に は100pmの 遠 距 離 音 場 の 音 圧 を観 測 した.出 力 電 圧 と 出 力 電 荷 は上 部 電 極 で 観 測 され る.ま た,受 信 感 度 を評 価 す る た め に3つ の モ デ ル に 対 して,同
じ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を実 行 す る.図3.8は,受 信 シ ミ ュ レー シ ョ ンで 使 用 され る電 気 回 路 を 示 して い る.
3,2,検 討1の 解 析 手 法 39
20Ω
Soundpressure Tbpelectrode
/
Drivevoltage
＼
Bottomelectrode
、