JPS6031434B2 - 超音波送受信素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高分子圧電性シートの伸縮圧電性を利用する超
音波送受信素子に関するものである。

例えばフッ化ビニル、フッ化ビニリデン、トリフロロヱ
チレンなどの極性化合物を主成分とする重合体または共
重合体を成極して得られる、高分子圧電性シートが超音
波の送受信素子として従来より用いられている。このよ
うなシートを超音波診断、超音波探傷、超音波顕微鏡な
どの超音波影像装置に使用する場合、圧電シートの厚み
により定まる共振を利用したパルス発振が使用される。
従ってこの場合に利用される圧電性シートの圧電性は厚
み圧電性である。よって使用される超音波の波長が定ま
れば、その波長で共振し得る圧電性シートの厚みは必然
的に定まる。例えば超音波診断や、超音波深傷などで最
も多く使用される５００ＫＨＺ乃至１０ＭＨ２の周波数
における高分子圧電性シートの厚みは大略２０００一〜
１００仏である。高分子圧電性シートはヤング率が低い
ため、パルス発振時の劉次振動が少なく、またＰＺＴな
どのセラミック系圧電体に比して音響インピーダンスが
水に近いので、水または人体との音波の送受信における
音響損失が少ない利点を有する。しかし電気インピーダ
ンスが高く、また圧電常数ｄが低いため、厚い高分子圧
電性シートにより高い出力を得るためには、極めて高電
圧の高周波電源が必要となる不利がある。発明者等は、
高分子圧電性シートの伸縮圧電振子動を用いた超音波送
受信器の可能曲こついて検討を加え、特に若し高分子圧
電性シートの圧電作動部の中を従来の厚み圧電を用いた
超音波発信子の厚みに近ずければ、この圧電性シートの
圧電作動部は、所定の超音波波長で伸縮振動するのでは
ないかとの想定のもとに実験を行なった結果、この考え
が正しいことを立証し、本発明に達した。

すなわち本発明は圧電性を有するかまたは成極により圧
電性を付与し得る高分子シートの１つの側緑部寄りに中
の狭い圧電作動部が設けられた超音波送受信素子に係る
ものである。本発明において、狭い圧電作動部を有する
シートは、例えばその多数層を、圧電作動部のシート機
面に近接する側緑が夫々略々同一の面上にあるように積
層すれば、この側線を通る圧電作動部断面の積層により
構成された面は超音波の発信面となり、しかも積層する
単位シート層の厚みを薄くすることにより、各シート層
に印加する発信用高周波の電圧が低くとも高出力が得ら
れるようになる。

従って本発明はこのように狭い作動電極の付された複数
層の高分子圧電性シートを庄電作動部の断面の集積が１
つの面を構成するように穣層した超音波送受信素子も含
むものである。本発明で圧電作動部とは、次のａ）およ
びｂ）の条件を備えるものでなければならない。

即ち、ａ）高分子シートの少なくともその部分が成極に
より圧電性を有していること、ｂ）少なくともその部分
の両面に電極が対向して形成していること、ｃ）従って
この圧電作動部の電極に電界を作用すると、その部分の
みが圧電伸縮することになる。即ち、次のｄ）およびｅ
）のような部分は圧電作動部とは言わない。ｄ）シート
のその部分が圧電性を有していても、そのいずれかの片
側または両側の表面に電極が付されていない部分、およ
びｅ）両側に電極が付されていてもシートのその間の部
分が実質的に圧電性を有しない部分、は圧電伸縮せず、
このような部分を本発明においては圧電非作動部に含ま
れるものとする。また上記圧電作動部は、シートの１つ
の側縁部寄りの位置に設ける必要がある。

何となれば、圧電作動部よりその中方向の両方向に放射
された超音波の一部は、夫々の方向のシート端部で反射
するノイズ波を生じる。圧電作動部より両端面迄の距離
がほぼ等しい場合には、シート中を伝播する音波の減衰
はどちらの方向も大差ないので、更に反射により減衰す
るとしても、放射超音波と反射波ノイズとのＳ／Ｎ比が
小さく不利である。然るに圧電作動部がシートの１方の
側緑部に極く近い所にある場合は、音波は近い側縁部迄
はあまり大きな損失を伴なわず到達するが、他方の側緑
に達する迄には途中の圧電非作動部中で大きく減衰し、
更にこの側緩から反射してくる波は再び大きく減衰する
ので、放射超音波とノイズ波とのＳ／Ｎ比が大きくなる
。従ってＳ／Ｎ比の点においては、圧電作動部が側縁部
にあることが最も好ましいが、電極マージン部などとし
て、近接した側縁部との間にも圧電非作動部を設けるこ
とも可能である。成極により圧電性を付与し得る高分子
シートとしては、例えばフッ化ピニル、フツ化ビニリデ
ン、トリフロロエタン、フロロク００ビニリデン、モノ
クロロジフロロェタン、塩化ビニル、塩化ビニリデン、
アクリロニトリルなどの極性の大きな単量体を１成分と
する重合体若しくは共重合体のほか、これら重合体また
は共重合体とＰＺＴ、その他の無機圧電体粉末を混合し
た組成物などより成形されるシートであり、そのうちで
もフツ化ビニリデンを４０モル％以上含有する重合体若
しくは共重合体のシートは極めて高い圧電性が付与され
るので最も好ましい。

シート上に形成される電極は、例えばアルミニウム、金
、銀、ニッケル、銅その他任意の導電性金属を蒸着、ス
パッタリング、メッキ、塗布、印刷その他任意の方法で
フィルム面に被着させたものであってよい。以下本発明
を図示の実施例により説明する。

まず第１の実施例について述べると、第１図Ａ，Ｂに於
て、１は例えば１軸延伸されたポリフツ化ビニリデンフ
ィルムなどの成極により圧電性を付与し得るシートで、
その延伸軸Ａと直角方向の側縁部の両面に電極２，２′
が被着されており、しかも電極２，２′の上側の側線が
シート１の上端面のエッジに一致している。この電極２
，２′は、表裏の電極が重なり合った対向電極として実
際に作用し得る部分の中が、使用する超音波によりその
部分が共振する中となるように定められる。このシート
ーは、予め両面を成極電極に挟んで全体に圧電性を持た
せてもよいが、このように電極２，２′を付した後にこ
の電極２，２′を両極として成極し、一対の電極２，２
′に挟まれた部分のシートのみに圧電性を付与したもの
でもよい。電極２，２′の中は、同じ周波数による厚み
圧電により共振するポリフッ化ビニリデンシートの厚み
と近似しているが、厚み圧電の場合と若干異なる。すな
わち第１図Ａ，Ｂでは電極２，２′に挟まれた圧電作動
する部分３に接続された広い圧電伸縮しない部分（圧電
非作動部）４の存在により、３の部分の共振周波数は多
少変化し、またポリフツ化ビニリデンシートの音速は面
方向と厚み方向とでは異なるため、同一周波数で共振す
る厚み圧電のシート厚と、本実施例において形成される
作動電極２，２′の中とは必ずしも一致しない。しかし
氏電作動部３の必要な中は容易に経験的に定め得るもの
であり、また予め圧電作動部の中が定められるならばそ
の共振波長に合わせて電気的な共振回路を構成すればよ
い。５，５′は電極接続部で、細長い作動電極２および
２′の互に異なる側端部に接続されている。

従って一対の接続部５，５′は互に対向しないので、そ
の対面には電極が存在せず、たとえシート１全体が氏電
性を付与されている場合でもシート１の接続部５，５′
の付された部分は圧電非作動部となる。このような素子
１０は、例えば接続部５，５′より配線６，６′を用い
て高周波発信回路７および、所望により受信回路８等に
接続されている。尚、９，９′は回路スイッチであり、
図示されていないが、タイマーにより交互に切換えるよ
うにすることもできる。本実施例の素子１０は、圧電作
動部３の電極２，２′に単パルス信号や圧電作動部３の
共振周波数とマッチングする連続波信号を印加すると、
その共振周波数による発振が行なわれる。

その共振周波数は主として圧電作動部３の中により定ま
り、一般にはシート１の厚みの関与は極めて少ないと考
えられるので（シート１の厚みが圧電作動部３の中に近
い場合は、影響が考えられる）、シート厚を薄くするこ
とにより、パルス信号電圧が低くとも、圧電作動部に印
加する電界強度を高くし、高い圧電出力を得ることがで
きる。また厚み振動ではＩＭＨＺ以下の比較的低周波の
発振は素子．１０の厚みが１伽以上となり、超高出力の
発振器が必要で、得難かったが、本実施例の如く構成す
ることにより任意の周波数の発振を得ることも可能とな
った。尚この発振の能率が高いことは単パルス発振の場
合に限定されず、高周波信号を用いた強制振動による発
振や、受信の場合にも言えることである。また第１図Ａ
に示したように、例えば１軸延伸されたポリフツ化ビニ
リデンシート１の延伸軸方向Ａと、圧電作動部３の延長
方向とを直交させれば、この素子１０は延伸軸方向の圧
電定数ｄ３，による伸縮振動方向が、圧電作動部３の中
方向の共振に使用される。

しかし本実施例で使用する圧電性を付与し得る高分子シ
ート１は、一鞠延伸ポリフッ化ビニリデンシートに限定
されるものではない。例えば、フツ化ビニリデンとトリ
フロロェチレン、テトラフロロエチレンまたはトリフロ
ロクロロエチレンなどとの共重合体のように、未延伸の
シートを成極しても高い圧電性が得られる場合は、未延
伸のシートでもよく、更にはまた２藤延伸や更に多藤方
向に延伸配向したシートでも使用し得る。次に本実施例
のより具体的な構成について、その１例を示すと、厚さ
３００仏ｍの一軸延伸ポリフッ化ビニリヂン圧電フィル
ムー（ｄ３，＝２×１０‐１１Ｃ／Ｎ）を１伽×１伽の
大きさに切り、第１図Ａ，Ｂの如く一端部の表裏両面に
幅４００仏ｍのニッケル電極対２，２′をスパッタリン
グにより形成した。

このような素子１０の伸縮圧電効果による超音波出力を
測定するために、試料の両面に吸音ゴムを設け、試料の
端面のみが露出するようにした。そして高周波発振器（
ＭＡＴＥＣ，Ｍｏｄｅｌ６６００）を用い、この発振器
からのトーンバースト信号を試料１０の電極２，２′間
に加え、周波数を変えながら超音波出力をハイドロホン
により測定した。結果は第９図の通りで、周波数１．７
Ｋ４ＨＺ付近に共振点が認められた。尚、このフッ化ビ
ニリデンシートーの延伸方向の音速は約１５００凧で、
音速と電極２，２′の中より計算した共振点は１．餌Ｍ
ＨＺで、測定値はほぼ計算値に近い値であった。次に本
発明の第２の実施例の送受信素子を第２図Ａ，Ｂにつき
説明すると、この例では電極２，２′はシートーの上端
より僅かに下側に偏って設けられており、少なくとも電
極２，２′の付された部分は圧電性が付与された圧電作
動部３となっている。

そしてその上下（基準端部に対する）は庄電非作動部４
ａ２および４ａ，となっている。この場合上側の非作動
部４ａ２の中は下側の非作動部４ａ，の中（いずれも圧
電作動部の中と同一方向の中）に比して格段に４・さく
、一般には４ａ２の中は４ａ，の中の１０分の１以下で
ある。第３図Ａ，Ｂは本発明の第３の実施例を示し、こ
の実施例の素子においては圧電性を付与し得る高分子シ
ート１のほぼ全面に電極２ａおよび２ａ′が設けられて
いるが、このシート１は、電極２ａ，２ａ′を付する前
に側線部の部分のみが成極されて、圧電性を有する圧電
作動部３となっており、その他の部分は非作動部４にな
っている。

即ち例えばシート１の上側の側綾部の表裏に中の狭い成
極用電極を付して側縁部３ａのみを局部的に成極後、こ
の成極電極を薬品でふき取り（例えばＮ電極はＮａＯＨ
液でふけば完全に除去される。）次にシート１の表裏の
略々全面に電極２ａ，２をを蒸着したものである。第４
図はシート１の端面が曲線状に形成された本発明の第４
の実施例を示し、この場合の氏電作動部３は端面に沿っ
て等間隔な曲線状の中を持つように構成されている。第
５図Ａ，Ｂは本発明の第５の実施例を示し、例えば第１
図のような単位素子１０を多数穣層して複合素子１１と
し、その端面に広い発振面１２を形成したものである。

この場合、例えば第５図Ｂに示すように、互に隣援する
単位素子１０はその対向する面の極性を一致させ（矢印
の方向を正極とする。）例えば素子１０ｎの正極側の電
極２ｎは隣接する素子１０ｎ‐，の正極側の電極２げ，
と、また素子１０ｎの負極側の電極２ｎ′とは、別の隣
接素子１０川，の負極側の電極２Ｍ，′と芙々対向接触
させ、このように順次積層されて得られた１つ置きの正
極側電極同志および負極側電極同志を夫々並列に発振回
路（または受振回路）に接続している。尚、この実施例
では各単位素子１０を接着剤を使用せずに積層しており
、図示されていないがこのような積層物１１は例えば両
側に２枚の押え板を置き、押え板同志をボルトで強く締
めつけるようにして結合する。

或いは積層物１１全体をケース内に入れ、両側から強く
押さえるようにして、更に全体をコーティングするなど
任意の構造とすることができる。また場合により、各単
位素子間１０を接着剤を用いたり、或いは直接熱接合に
より結合することも可能である接着剤使用の場合は、接
着剤の存在により圧電の能率は多少低下するが、製作が
容易である利点がある。尚、接着剤層により隣接単位素
子１０の対向する電極２同志が絶縁される場合は、対向
する電極２を必ずしも同一極性とする必要のないことは
勿論であり、配線の数が増す不利はあるが、同一極性の
電極同志を夫々発信機の同一極に結合すればよい。第６
図は本発明の第６の実施例を示し、第５図に示す実施例
と同様に単位素子１０を薄層した複合素子１１であるが
、各単位素子１川ま少しづつずらして積層することによ
り、その超音波発振端面１２は一次曲面（図では凹面）
を形成してし、Ｚる。

尚、第６図では表面は段状となっているが、シートの厚
みが薄い場合は段の高さは小さくなり、この段差が１′
唯皮長以下となるように単位素子のシートの厚みをとれ
ばこの段差による影響は無視できる。またこの実施例を
第４の実施例に応用して、第４図のような単位素子シー
ト１を第６図と同様にずらして積層すれば、２次曲面か
ら成る発振面を有する変形例が得られることも容易に理
解されるであろう。第７図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明の第７の
実施例を示し、同図Ｂのように圧電性若しくは圧電性を
付与し得る高分子シートの中央部に圧電作動部３ｂを有
するシート１０ａを２つ折り‘こし、圧電作動部３ｂが
各単層の端部に来るようにしたものを、同図Ａのように
複数枚積層したものである。

このように２つ折りにした場合には、共振の基準となる
圧電作動部の実質的中は原シートに付された圧電作動部
３ｂの中のほぼ１／２である。正確にはシートの厚みを
差し引いて考えなければならぬが、それよりも、このよ
うにシート１０ａを２つ折りにする場合は、所定の周波
数で共振する圧電作動部３ｂの長さがそのシート１０ａ
の厚みより充分大きくなるようにする。即ちシート１０
ａを折り曲げた際の折り曲げられた部分の影響が少ない
ように、薄いシートを用いることが好ましい。またシー
ト１０ｂの厚みが厚く、折り曲げ部の影響が避けられな
い場合は、第７図Ｃのようにシート１０ｂに付される圧
電作動部３ｂを３ｂ，，３＆のように２つに分けて設け
、これを積層することもできる。このように氏電非作動
部４Ｑを折り目の所に設ければ、当然積層体の超音波放
射面はこの圧電非作動部４Ｑより形成される層の下側に
なる。しかし単位シートの場合と同様表面の圧電非作動
部４Ｑが圧電作動部３０，３Ｑの下に形成される圧霞非
作動部層４０の厚みに比して充分小さければ（１０分の
１以下）あまり支障はない。またシート１０ａ若しくは
１０ｂは２つ折りばかりでなく、任意の回数折り返して
畳んだものを単独若しくは複数枚積層して使用すること
もできる。第７図Ａの構造では、隣接する素子の表面に
ある電極はすべて同一極性とすることができるので、表
面の電極配線は１本とすることが可能になる。

尚、第７図Ｃの場合でも夫々表面の電極２ｂ，と２Ｑと
をその一端部で結合しておけば同様に配線を省略できる
。第８図は本発明の第８の実施例を示し、例えば第７図
ＢまたはＣのような２つ折りのシート１０ａあるいは１
ｏｂの１枚をロール状に巻いたものである。

このようにロールに巻く場合、２つ折りのシート１枚を
用いる代りに側縁に圧電作動部を有する細長いシートを
、その圧電作動部の表裏の極性が互に逆になるように２
枚合せにしたものをロール状に巻いてもよい。また圧電
作動部を有する１枚のシートを２つ折りもこしないでロ
ール巻きにすることもできる。この場合はロール巻きす
るシートの表裏の電極が接触しないように、シート間に
別の絶縁性のシートを挟むか、または絶縁性の接着剤に
より表裏の電極の接触を防ぐ必要がある。このようにロ
ール状に巻く場合中心部を外周部よりくぼませたり、突
出させたりして側面を凹面状または凸面状にして超音波
放射面を曲面とすることもできる。上記第５〜第８の実
施例は何れも単位素子を種層して送受信素子を構成した
ものである。

このように単位素子を積層した複合素子の場合は、前述
の単位素子における効果のほかに次の利点がある。即ち
従来の厚み圧電の共振を利用したシートでは、シート厚
みの厳密な均一性が必要である。しかも例えば半球状凹
面のシートが必要の場合には、凹面を形成させようとす
ると、シートの厚みが変化するので均一な厚みの二次曲
線を有するシートは得難く、シートの中央部と周縁部と
では共振周波数が異なる恐れがある。これに対して本発
明の上記実施例に係る複合素子では、単位素子の圧電作
動部の中を揃えればよいので、均一な共振周波数を有す
る発振面が容易に得られ、また半球面を得る場合でも、
第４図のような単位素子で曲率の異なるものを用意し、
これらを第６図に示す積層法に準じて適宜積層すること
により、容易に球状凹面は得られ、また第８図のロール
状の積層では更に容易に曲面が得られる。以上本発明を
実施例につき説明したが、本発明によれば、高分子圧電
シートの伸縮圧電振動を利用するものであるから低い入
力電圧によっても高い出力が得られ、変換効率に優れた
超音波送受信素子を提供することができる。

また本発明によれば、高分子シートの１つの側綾部寄り
に圧電作動部が設けられ、圧電作動部の上記側緑都側の
側線を通る圧電作動部断面が超音波の発信面となってい
るために、高いＳ／Ｎ比の送受信素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂは本発明の第１の実施例の超音波送受信素
子の正面図および側面図、第２図Ａ，Ｂは本発明の第２
の実施例の送受信素子の正面図および側面図、第３図Ａ
，Ｂは本発明の第３の実施例の送受信素子の正面図およ
び側面図、第４図は本発明の第４の実施例の送受信素子
の正面図、第５図Ａ，Ｂは本発明の第５の実施例の送受
信素子の積層された状態の側面図および組立ての状態を
示す側面図、第６図は本発明の第６の実施例の送受信素
子の側面図、第７図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明の第７の実施例
の送受信素子の側面図、この素子を機成するシ−トの側
面図、および変形例の側面図をそれぞれ示し、第８図は
本発明の第８の実施例の送受信素子の外観斜視図、第９
図は第１の実施例の送受信素子の共振特性を示すグラフ
である。 なお図面に用いた符号において、１・・・・・・高分子
シ−ト、２，２′……電極、３……圧電作動部、４・・
・・・・圧電非作動部である。簾１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電性を有するか或いは成極により圧電性を付与し
   得る高分子シートの１つの側縁部寄りの位置に巾の狭い
   圧電作動部が設けられ、前記高分子シートの少なくとも
   この圧電作動部の部分に圧電性が付与されるとともに、
   前記高分子シートの少なくとも前記圧電作動部の両側表
   面に電極が形成され、さらに前記高分子シートの前記圧
   電作動部に対して前記１つの側縁部とは反対側の位置に
   前記圧電作動部電極に印加する電界では圧電駆動されな
   い巾の広い圧電非作動部が設けられ、前記圧電作動部の
   電極に電界を印加すると前記圧電作動部のみが巾方向に
   伸縮するようにした超音波送受信素子。 ２ 前記圧電作動部の伸縮圧電による共振を利用するよ
   うにした特許請求の範囲第１項記載の超音波送受信素子
   。 ３ 前記圧電作動部は前記高分子シートの１つの側縁部
   に沿つて設けられた細長い部分であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の超音波送受信
   素子。 ４ 前記圧電作動部の側縁部寄りにも圧電非作動部が設
   けられ、前記圧電作動部に対して前記１つの側縁部とは
   反対側の位置に設けた前記圧電非作動部の巾の１０分の
   １以下の巾に前記側縁部側の圧電非作動部の巾が設定さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項記載の超音波送受信素子。 ５ 圧電性を有するか或いは成極により圧電性を付与し
   得る高分子シート層の１つの側縁部寄りに巾の狭い圧電
   作動部が設けられ、かつこの圧電作動部に対して前記１
   つの側縁部とは反対側の位置に巾の広い圧電非作動部を
   有する単位素子層を複数層具備し、それぞれの圧電作動
   部の側縁部を含む面が１つの超音波発振面を形成する如
   く積層され、前記圧電作動部の伸縮圧電振動を利用する
   超音波送受信素子。 ６ 各単位素子層は１枚ずつのシートで、この単位シー
   トが積層されたものであることを特徴とする特許請求の
   範囲第５項記載の超音波送受信素子。 ７ 各単位素子層は、１枚の高分子シートを１乃至複数
   回折り畳んだものの１層であることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の超音波送受信素子。 ８ 各単位素子層は長尺の高分子シートをロール状に巻
   いたものの１回周の層であることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の超音波送受信素子。 ９ 各単位素子層は長尺の高分子シートを２つに折つて
   ２層にしたものをロール状に巻いたものの１層ずつの１
   回周層であることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の超音波送受信素子。 １０ 前記圧電作動部の伸縮圧電による共振を利用する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項乃至第８項の何
   れかに記載の超音波送受信素子。 １１ 前記超音波発振面が積層されたシートの側縁部端
   面に形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第５項
   乃至第１０項の何れかに記載の超音波送受信素子。 １２ 前記超音波発振面上に圧電作動部に対して１つの
   側縁部とは反対側の位置に形成される前記圧電非作動部
   層の厚みの１０分の１以下の厚みの別の圧電非作動部層
   が形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第５項乃
   至第１０項の何れかに記載の超音波送受信素子。