JPS5919680B2 - 可変曲率の音波送受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音波装置に関し、特に音波の送信および（また
は）受信面の曲率を任意に変更し得る音波送受信装置に
関する。

例えば超音波探知、超音波治療等に於て超音波送受信面
の曲率を任意に変更し得ることは極めて望ましいことで
あるが、従来はこのようなものがないため複数個の超音
波送受信装置を組合せてそれぞれの向ぎをコントロール
して使用するほかなかった。

このような手段で多数の装置を使用する場合は、コント
ロールのために使用する制御装置も複数となり、簡便な
装置とすることは望めない。

本発明は少なくとも１層の圧電材料層と該圧電材料層の
両面に配置（本明細書で配置とは必ずしも隣接した配置
でなくてもよい）された１組乃至複数組の電極層と更に
要すれば該圧電材料層の一片何着しくは両面に配置され
た少なくとも１層の別の材料層とが、該１層の圧電材料
層ビ対して両面の電極層または（および）別の材料層が
非対称になるように厚み若しくは構成を異にして積層さ
れた圧電構造体で、且つ該電極の少なくとも１組の間に
印加する電圧を変化させることにより構造体の曲率を変
化させるための電気配線が電圧コントロール可能な直流
電源より成されている曲率可変な構造体の該圧電体層を
音波の発信または受信面とする音波送受信装置であり、
従って該圧電体層の電極の少なくとも１対は前述の直流
電源と共にまたは別個に音波送信および（または）受信
用の電気回路（以下送受信電気回路と記す）すなわち゛
信号回路と接続されているものである。

本発明における音波は可聴周波数以上の超音波や可聴周
波数以下の超低周波音まで含むものである。

二層の圧電材料層を電極層を介して対称的に接合し、更
に両面の圧電材料層の表面にも電極層を設けた、いわゆ
るバイモルフ型圧電素子は、印加電圧を変化させること
により屈曲することは古くよりよく知られているが、こ
のバイモルフ素子は片方の圧電材料層を中心に見れば非
対称構造と見做される。

また有機圧電材料層に被着された電極層または（および
）別の材料層の厚み若しくは構成を異ならせて非対称に
した多層体も印加する電圧を変化させれば屈曲する圧電
素子となることは吉川等が特開昭４８−５２４８７号（
特公昭５２−３７３５６号に提案している。

本発明の音波装置の送受信面の曲率変化はこれらバイモ
ルフ圧電体若しくは特開昭４８−５２４８７号の如く単
層の圧電素子層を有する非対称の構造体のいずれかと同
一の原理により生ずるものである。

圧電素子層を構成層の少な（とも１層とする多層構造の
曲率可変の鏡が特開昭５３−１３５３４６号により提案
された。

この特開昭５３−１３５３４６号では圧電体層としても
っばらバイモルフ型の無機圧電体層を使用している。

また佐藤等は圧電性高分子フィルムとガラス等の圧電性
を有しない剛体との積層体が更に効果的に曲率変化を持
たせることを確認し、曲率可変の鏡を提案したが、本発
明はこれらの鏡に適用される曲率可変の機構を更に１音
波送受信装置に応用したものである。

本発明はこのような曲率可変の積層体を音波の発信また
は（および）受信面として使用し？Ｃ４中である。

まず本発明音波送受信装置の基部となる圧電構造体の曲
率が電圧により任意に変化することは例えば特開昭５３
−１３５３４６号明細書の鏡の例より明らかであるが、
前記佐藤等の提案した圧電体層が単層である一般的な場
合について次に述べる。

尚、以下の説明においては１つの例として超音波送受信
装置について述べるが、本発明はこれに限定されない。

第１図に於て１は超音波送受信装置の基部となる圧電構
造体で、例えば圧電性セラミック、圧電性高分子等の圧
電性材料膜の層２の両面に電極３および３′が付着され
、更にこの一方の電極３′の上に例えば金属、ガラス、
セラミック、合成樹脂、紙、木材その他任意の材料より
成る応力干渉体層４が積層されて構成されている。

この場合応力干渉体層４が金属若しくは炭素等の導体で
ある場合は電極３′は省略し、４を一方の電極として使
用することもできる。

今第２図の如（電極３，３′が極めて薄（（第２図口で
は電極は省略されている）、その屈曲に要する力が無視
できるとし、また圧電性材料層２（以下ピエゾ層と呼ぶ
）は一方向（Ｈで示す）のみに強い圧電常数ｄ３１を有
するとし、応力干渉体層４は圧電性を有しない（以下ピ
エゾ層と呼ぶ）ものとする。

ピエゾ層２のピエゾ軸方向に直交する方向の巾をＷｌ、
厚みをｔｌ としまたヤング率Ｅ１を有するとし、ま
た非ピエゾ層４の同様の巾、厚みおよびヤング率を夫々
Ｗ２ 、ｔ２およびＥ２とし、例えば電圧増巾器５ＤＡ
変換器６およびマイクロコンピュータ−７の組合せより
なるコントロール可能な直流電源装置８より直流電圧Ｖ
が両電極間に印加されるものとする。

ｉｆ、Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗのシートについて考察する。

このシートに曲げモーメントが加わった場合曲率半径ρ
を持って曲がるとすると、曲がりの中心となる中立面の
位置はヤング率の高い材料側に偏心する。

非ピエゾ層表面から中立面迄の距離をａとすれば またこの中立面を中心とした弾性による曲げモーメント
Ｍは 一方ピエゾ層に電圧Ｖを印加した場合の延びまた）は収
縮の引張り力Ｐは で与えられ、このＰにより屈曲するとすれば、Ｐに由来
するモーメントは（２）式の曲げモーメントＭと釣合う
筈であるので、曲率半径ρは（２） 、 （３）式およ
びピエゾ層の中心層より前記中立面迄の距離以上の通り
圧電体が生ずる伸縮の応力は、ピエゾ層および非ピエゾ
層の構成に由来する干渉応力により屈曲応力と変り、構
造体は変形する。

（４）式は電圧Ｖに反比例した式であるので、と書網昆
長わすことができ、このＫはピエゾ層２および非ビニ／
ゾ層４の材質、厚みおよびピエゾ層の圧電定数鱒圧電構
造体１の構造により定まる定数であるので、一定の積層
体である圧電構造体の曲率半径は電圧Ｖを変化させるこ
とにより任意に変化させ得ることがわかる。

また積層体としての圧電構造体があらかじめ１／ρ。

の曲率を有する場合はとなる。

次にピエゾ層２の巾Ｗ１ と非ピエゾ層４の巾Ｗ２とが
異なる場合について考える。

中立軸の位置ａ。および曲率半径ρ、の値は次式で示さ
れる。

玖ＩＥ２１ ｊｔ ＋ ｔ２１ｄ３□およびＶを一定と
した場合、Ｗ１／Ｗ２＝ｂとすれは８）式は と書くことができる。

従って長さ方向ｌの曲率の変化を与えたい場合は、例え
ば第３図、第４図イ又は口のように長さ方向についてＷ
１／Ｗ２を変化させることにより実現できる。

第３図、第４図イ及び口はＷ２を一定としてＷｌを変化
させた例であるが、Ｗｌ を一定としてＷ２を変化させ
ても、或いは両者共変化させることも任意である。

（４）式および（８）式は圧電常数ｄ３□のみしか考慮
されておらず、即ちピエゾ層のｄａｔに比してｄ３□が
極めて小さい場合であるが、ｄ３２も無視できないピエ
ゾ層を使用する場合には（４）式および（８）式は巾方
向にも適用され、特にａａｔとｄ３２が略々等しい場合
には理論的には球面に近い曲率変化が得られる筈である
。

（但し二次曲面を生成する場合には内面にひだが生じ湾
曲を妨げるので、大きな曲率で湾曲させたい場合には所
々に切り欠きを設ける必要がある。

）しかし現在の技術で得られる一軸延伸高分子膜と二軸
延伸高分子膜とを夫々成極して得られる圧電性高分子膜
の圧電常数を比較すると、二軸延伸高分子膜のｄ３１と
ｄ３２の和（この膜の総合の圧電力と考えてよい）が最
大の膜でも、通常の一軸延伸高分子膜のｄ３□単独の値
に比して小さく、またｄ３□とｄ３□が均等で且つ高度
な二軸延伸圧電性高分子膜製造は極めて高度の技術を要
するので、できればｄ３１がｄ３□に比して高い一軸延
伸フイルムを使用するほうが有利である。

ｄ３□のみが大きいピエゾ膜を使用して巾方向の曲率を
変化させる方式としては例えば第５図または第６図のよ
うにピエゾ層２乃至は電極３（図では電極のみ）をピエ
ゾ軸と垂直方向に複数個に分割し、中央部の電極には低
い電圧を印加し、両端に寄るに従って高い電圧を印加す
るようにすればよい。

この場合は、各電極毎に異なった電圧を印加せねばなら
ないわずられしさはあるが、各電極に印加する電圧の比
を適当に変えることにより巾方向の曲率を変化させるこ
とが可能である。

またｄ３□およびｄ３゜が共に大きく圧電構造体が最初
から球面をもつ場合は第７図または第８図のようにする
こともでとる。

本発明による一つの具体例の超音波送受信装置はこれら
第１図乃至第８図などで示される可変曲率の圧電構造体
のピエゾ層を超音波送信または受信素子とするため、第
９図に示す通りピエゾ層２の電極３，３′間にコントロ
ール可能な直流電源回路８と共に発信回路としての高周
波発振回路９および（または）受信回路１０が結合され
ている。

尚１１は発受信切換スイッチ、１２はインピーダンス変
換用ＦＥＴ、１３はコンデンサーでアル。

この圧電構造体１に直流電圧が印加されると前述の通り
圧電構造体の曲率は電圧に応じて湾曲する。

ピエゾ層表面も同様に湾曲するので、例えばこの湾曲し
たピエゾ面を発信面とした超音波発信装置では、超音波
の集束する点若しくは線（曲率の中心）迄の距離を任意
に調節することかできる。

同様受信装置に於ても受信面を自由に変曲することかで
きる。

本発明装置の音波の発信若しくは受信面となるピエゾ層
は例えばチタン酸鉛系若しくはジルコン酸鉛系などの圧
電性セラミックの薄板、或いはこレラの蒸着膜、フッ化
ビニリデン、フッ化ビニル、フロロクロロ、ビニリデン
等の極性単量体を主成分として重合または共重合して得
られる高分子など任意の薄膜層を使用することができる
。

またこれらのピエゾ層と積層される層は金属、ガラス、
セラミック、合成樹脂、紙、皮革、木材等任意の材料が
１種若しくはそれ以上の複合層として使用することがで
きる。

第５〜８図に示した通り、本発明装置のピエゾ層両面の
電極は複数対の場合もあり得るが、（本明細書において
複数対の電極とに必ずしも陰極および陽極が夫々独立し
たもの同志の糾合せである必要はなく、例えば裏面の共
通の陰極に対し電気的に独立した２個以上の陽極が組合
せられている場合、各陽極と陰極との組合せ毎に異なる
１対と見做す）必ずしもすべての組の電極が同時に直流
電源回路および送受信電気回路、例えば、高周波電気回
路と接続されているとは限らない。

電極が複数の場合に於ては例えば超音波送受信装置にお
いて次のような回路の組合せが可能である。

（１）すべての対の電極に直流および送受信電気回路（
発信用高周波回路および（または）受信回路で各電極対
毎に順次に切換えるか或いは発信と受信を相互に切換え
する場合をすべて含む：以下間じ）が結合されている。

（２）すべての対の電極に直流回路が結合され、そのう
ちの一部の対は更に送受信電気回路が結合されている。

（３）電極対の少なくとも１組に直流回路が結合され、
別の電極対に送受信電気回路が結合されている。

（４）直流回路のみが結合された電極対、送受信電気回
路のみが結合された電極対および直流回路と送受信電気
回路とが共に結合された電極対が夫々少なくとも１組づ
つある。

（５）すべての電極対に送受信電気回路が結合され、そ
のうちの少なくとも１組に直流回路が結合されている。

尚、以上のうち直流回路と送受信電気回路が異なる配線
で結合される場合、例えば送受信用電極はピエゾ層のみ
を挾んで設け、直流電極の一極は薄い絶縁性皮膜を挾ん
で設けることも可能である。

また複数の電極に直流電源回路または高周波発信回路が
結合される場合、直流若しくは高周波の電源は必ずしも
同一である必要はなく、各電源の電圧を相異させること
ができ、また高周波の場合、電極毎に周波数を相異させ
ることもできる。

本発明の音波送受信装置は、音波を平行に放射したい場
合、音波を集中したい場合、或いは音波の方向を変向し
たい場合に有用で、例えば超音波地形探査、超音波探傷
、超音波顕微鏡、超音波診断装置、超音波治療装置など
極めて多くの用途に利用される。

また、集音マイクロホン又はスピーカに適用すると、指
向特性の可変のものが得られる。

次に本発明の一例としての超音波送受信装置の可変曲率
の圧電構造体部分の設計例を示すが、実際の圧電構造体
でも略々これに近い曲率変化を得られることは前述の佐
藤等の提案した実施例に示された通りである。

設計例 １ 圧電性高分子膜として両面にアルミニウム蒸着電極を有
する厚さｔ１＝ ｏ、ｏ ３ｍｍ、 ｄ３□＝２．ＯＸ
１ １０ ｍ／Ｖ、ヤング率Ｅ、＝３．０Ｘ１０９Ｎ／
ｄの一軸延伸ポリフツ化ビニリデンの成極膜を用い、ま
た非圧電性シートとしてヤング率Ｅ２＝７，６×１０１
°Ｎ／ｒｒ？ のガラス板を用いるものとして種々の
設計の可変曲率超音波送受信装置用積層板としての圧電
構造体の曲率半径を計算した。

まず圧電性高分子膜１枚をピエゾ層としこれに厚みの夫
々異なるガラス板を貼り合せ、各々の試料のピエゾ層の
両極に１００ｖの電圧を印加する場合の曲率半径ρの変
化は第１０図曲線ａの通りである。

次に圧電性高分子膜の厚みのみを６０μに変え、これに
厚みの夫々異なるガラス板を貼り合せ、ピエゾ膜の両極
間に同じ＜１ｏｏｖずつの電圧を印加する場合は第１０
図曲線すの通りである。

今度は３０μの圧電性高分子膜２枚の圧電極性の異なる
面同志を貼り合せ、バイモルフ構造の積層体を作り、こ
のバイモルフ積層体をピエゾ層とし、これに夫々厚みの
異なるガラス板を貼り合せ、各々の試料のバイモルフピ
エゾ層に夫々１００Ｖの電圧を印加する場合は第１０図
Ｃの通りである。

この結果ピエゾ層としてポリフッ化ビニリデンヲ用い、
また非ピエゾ層がガラスの如く高ヤング率のものの場合
、バイモルフ構造ピエゾ層は不利であることが知られる
。

設計例 ２ 設計例１で用いたと同一の圧電性ポリフッ化ビニリデン
膜をピエゾ層とし、非ピエゾ層としては成極されないポ
リフッ化ビニリデン膜を用いるものとして２層構造の圧
電構造体を設計する。

Ｅｌ ＝Ｅ２とし、ｔ２を種々に変化する場合の１００
ｖ印加時の曲率の計算値は第１１図の通りである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の可変曲率積層体としての圧電構造
体の説明面、第２図乃至第８図は、可変曲率積層体とし
ての圧電構造体の種々の例の説明図であり、第２図イは
長さ方向断面を示し、第２図口は平面を示し、第２図ハ
は中白断面を示し、第３図乃至第８図は夫々平面を示し
、第９図は本発明装置全体の説明図、第１０図および第
１１図はピエゾ層（ＰＶＤＦ電膜層）に対し非ピエゾ層
（ガラス板またはＰＶＤＦ板）の厚みを変化した場合の
一定電圧における曲率の変化の説明図である。 １・・・圧電構造体、２・・・圧電材料層、３，３・・
・電極、４・・・応力干渉体層、５・・・電圧増巾器、
６・・・ＤＡ変換ｉ、７・・・マイクロコンピュータ、
８・・・可変直流電源、９・・・高周波発振回路、１０
・・・受信回路、１１・・・切換スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電材料層と前記圧電材料層の両面に夫々配置され
   互いに組をなす第１、第２の電極層とを備え、 前記第１の電極層と前記第２の電極層または前記第２の
   電極層上に配置された別の材料層および前記第２の電極
   層とが前記圧電材料層に関して互いに非対称とされ、 前記第１、第２の電極層のうち少なくとも１組の電極層
   間に電圧コントロール可能な直流電源装置が接続され、 前記第１、第２の電極層のうち前記直流電源装置の接続
   された組の電極層を含む少なくとも１組の電極層間に信
   号回路が接続されてなり、前記直流電源装置の出力電圧
   で前記圧電材料層の曲率を変化せしめてなることを特徴
   とする可変曲率の音波送受信装置。 ２ 別の材料層の少なくとも一層が他の圧電材料層であ
   り、前記他の圧電材料層上に第３の電極層が配置されて
   なり、第１ないし第３電極層がバイモルフ型に結線され
   てなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の可
   変曲率の音波送受信装置。 ３ 別の材料層が圧電性を有しない材料層であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の可変曲率の音
   波送受信装置。 ４ 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記
   載の可変曲率の音波送受信装置。 ５ 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であり、別の材料
   層の少なくとも一層が圧電性を有せず且つ前記圧電性高
   分子膜より高いヤング率を有する材料層であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項、第３項または第４項の
   いずれかに記載の可変曲率の音波送受信装置。 ６ 圧電材料層が圧電性有機高分子膜であり、別の材料
   層が圧電性を有しない有機高分子材料であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項、第３項または第４項のい
   ずれかに記載の可変曲率の音波送受信装置。 ７ 信号回路が発信回路であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載の可変曲率
   の＝ａ（Ｓ＝：信装置。 ８ 信号回路が受 であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第６項のいずれかに記載の可変曲率
   の音波受信装置。 ９ 信号回路が相互に切換可能な送信回路および受信回
   路を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第６項のいずれかに記載の可変曲率の液送受信装置。 １０第１、第２の電極層すべての組の電極層間に直流電
   源装置および信号回路が接続されており、前記信号回路
   が送受信回路でなることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第９項のいずれかに記載の可変曲率の音波送
   受信装置。 １１第１、第２の電極層のうちの一部の組の電極層間に
   直流電源装置が接続され且つ 前記第１、第２の電極層のうちの他の組の電極層間に信
   号回路が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の可変曲
   率の音波送受信装置。 １２ 直流電源装置のみが接続された電極層の組と信号
   回路のみが接続された電極層の組と 前記直流電源装置および前記信号回路が接続された電極
   層の組とが、夫々少なくとも１つづつ第１、第２の電極
   層に包有されており、゛ 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第９項のいずれかに記載の可変曲
   率の音波送受信装置。 １３第１、第２の電極層のすべての組の電極層間に直流
   電源装置が接続され且つ前記第１、第２の電極層のうち
   の一部の組の電極層間に信号回路が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の可変
   曲率の音波送受信装置。 １４第１、第２の電極層のすべての組の電極層間に信号
   回路が接続され且つ前記第１、第２の電極層のうちの一
   部の組の電極層間に直流電源装置が接続されており、 前記信号回路が送受信回路でなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の可変
   曲率の音波送受信装置。