JPS61196700A - 圧電セラミツク振動子 - Google Patents
圧電セラミツク振動子Info
- Publication number
- JPS61196700A JPS61196700A JP3696985A JP3696985A JPS61196700A JP S61196700 A JPS61196700 A JP S61196700A JP 3696985 A JP3696985 A JP 3696985A JP 3696985 A JP3696985 A JP 3696985A JP S61196700 A JPS61196700 A JP S61196700A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric ceramic
- holes
- vibrator
- acoustic impedance
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of 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】
り発明の技術分野］
本発明は医用の超音波診断装置等の超音波探触子に用い
られる圧電セラミック振動子に係り、特に固有音響イン
ピーダンスを小さくした圧電セラミック振動子に関する
。
られる圧電セラミック振動子に係り、特に固有音響イン
ピーダンスを小さくした圧電セラミック振動子に関する
。
［発明の技術的背景とその問題点］
生体や水中へ超音波を放射し、また生体内や水中からの
超音波信号を検出する手段として圧電セラミック振動子
が広く用いられている。通常の圧電セラミック材料の固
有音響インピーダンスはおよそ３０〜３５ Ｘ １０’
Ｋ９／ｎ１Ｓｅｏ ＋７）大ぎい値であるのに対して
生体や水の固有音響インピーダンスはおよそ１．５ ×
１０６Ｋｇ／ＴｄＳｅＣの小さい値であり約２０倍もの
差異がある。この音響的不整合のために圧電セラミック
をそのままトランスデユーサとして用いたのでは効率良
く超音波を放射あるいは検出することができなく、また
短かい超音波パルスを得ようとしても圧電セラミック内
部に発生した超音波がセラミック内部で多重反射を繰り
返すためにどうしても尾引きの長いパルス波形しか得ら
れない。
超音波信号を検出する手段として圧電セラミック振動子
が広く用いられている。通常の圧電セラミック材料の固
有音響インピーダンスはおよそ３０〜３５ Ｘ １０’
Ｋ９／ｎ１Ｓｅｏ ＋７）大ぎい値であるのに対して
生体や水の固有音響インピーダンスはおよそ１．５ ×
１０６Ｋｇ／ＴｄＳｅＣの小さい値であり約２０倍もの
差異がある。この音響的不整合のために圧電セラミック
をそのままトランスデユーサとして用いたのでは効率良
く超音波を放射あるいは検出することができなく、また
短かい超音波パルスを得ようとしても圧電セラミック内
部に発生した超音波がセラミック内部で多重反射を繰り
返すためにどうしても尾引きの長いパルス波形しか得ら
れない。
この問題を解決する方法として圧電セラミック表面に適
当な固有音響インピーダンスを有する材料をその厚さを
約超音波の波長の１／４にして配置する所謂１／４波長
インピ一ダンス整合技術が用いられている。しかし乍ら
、前述のように圧電セラミックと生体あるいは水の音響
インピーダンスの比がおよそ２０ぐらいとかなり異なる
ため、インピーダンス整合が良好に行なえるのは、中心
周波数近辺のみとなり広帯域特性を得ることは容易では
ない。また、医用の超音波診断装置では分解能を良くす
るために短かい超音波パルスを発生・検出することが必
要であるが、超音波探触子に用いる圧電セラミック１辰
動子が広帯域特性を有していないと短かい超音波パルス
の発生及び検出は困難となる。更に、圧電セラミック振
動子をさらに広帯域化するには１／４波長整合層を２層
、３層、４層と増加させる方法もあるがこれは製作がか
なり難かしくなる。
当な固有音響インピーダンスを有する材料をその厚さを
約超音波の波長の１／４にして配置する所謂１／４波長
インピ一ダンス整合技術が用いられている。しかし乍ら
、前述のように圧電セラミックと生体あるいは水の音響
インピーダンスの比がおよそ２０ぐらいとかなり異なる
ため、インピーダンス整合が良好に行なえるのは、中心
周波数近辺のみとなり広帯域特性を得ることは容易では
ない。また、医用の超音波診断装置では分解能を良くす
るために短かい超音波パルスを発生・検出することが必
要であるが、超音波探触子に用いる圧電セラミック１辰
動子が広帯域特性を有していないと短かい超音波パルス
の発生及び検出は困難となる。更に、圧電セラミック振
動子をさらに広帯域化するには１／４波長整合層を２層
、３層、４層と増加させる方法もあるがこれは製作がか
なり難かしくなる。
［発明の目的］
本発明は以−ト述べた事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的は圧電セラミック振動子の実効的な固有音響イン
ピーダンスを小さくして生体や水などの固有音響インピ
ーダンスの小さな媒体へ効率よく短かい超音波パルスを
発射・検出できる圧電セラミック振動子を提供すること
にある。
の目的は圧電セラミック振動子の実効的な固有音響イン
ピーダンスを小さくして生体や水などの固有音響インピ
ーダンスの小さな媒体へ効率よく短かい超音波パルスを
発射・検出できる圧電セラミック振動子を提供すること
にある。
［発明の概要］
本発明による圧電セラミック振動子は上記目的を達成す
るためにセラミック自体の分極方向の厚さと同等あるい
はそれ以下の穴径であって分極方向に配向した多数の孔
を形成したことを特徴とする。
るためにセラミック自体の分極方向の厚さと同等あるい
はそれ以下の穴径であって分極方向に配向した多数の孔
を形成したことを特徴とする。
［発明の実施例］
以下本発明による圧電セラミック振動子の一実施例を第
１図を参照して説明する。１０が圧電セラミック材料で
上下両面に電極１１が形成しである。圧電セラミックの
厚さはｔで、分極は厚さの方向に施されている。この圧
電セラミックに分極の方向すなわち厚さの方向にその軸
を有する多数の微小な孔１２が形成されている。この微
小な孔１２の径は圧電セラミックの厚さｔとほぼ同等あ
るいはそれ以下とされている。
１図を参照して説明する。１０が圧電セラミック材料で
上下両面に電極１１が形成しである。圧電セラミックの
厚さはｔで、分極は厚さの方向に施されている。この圧
電セラミックに分極の方向すなわち厚さの方向にその軸
を有する多数の微小な孔１２が形成されている。この微
小な孔１２の径は圧電セラミックの厚さｔとほぼ同等あ
るいはそれ以下とされている。
このような微小な孔１２を多数有する圧電セラミックを
用いて超音波を放射するとこの孔１２の部分からは超音
波は放射されないがこれらの孔１２の径が発生される超
音波の波長よりも十分小さいと孔１２以外の部分から放
射された超音波の波面はセラミック振動子から僅か離れ
ただけで孔が無い平面の振動子から放射される波面と同
様になる。
用いて超音波を放射するとこの孔１２の部分からは超音
波は放射されないがこれらの孔１２の径が発生される超
音波の波長よりも十分小さいと孔１２以外の部分から放
射された超音波の波面はセラミック振動子から僅か離れ
ただけで孔が無い平面の振動子から放射される波面と同
様になる。
従ってこの微小な孔１２を多数有する圧電セラミ・ツク
振動子を通常の孔の無い平板圧電振動子と全く同様に使
用することができる。
振動子を通常の孔の無い平板圧電振動子と全く同様に使
用することができる。
次に孔を有することの効果を説明する。物質の固有音響
インピーダンス２はその物質中を伝搬する音速Ｃとその
物質の密度ρの積で下記式（１）のように与えられる。
インピーダンス２はその物質中を伝搬する音速Ｃとその
物質の密度ρの積で下記式（１）のように与えられる。
Ｚ＝ρＣ・・・（１）
今、第１図に示した如く微小な孔１２を多数有する場合
、この孔１２の存在のために実効的な密度は低下するこ
とになる圧電セラミックの表面の単位面積内の穴の全面
積をαとするとこの圧電セラミックの実効的な密度ρ′
は下記式（２）のようになる。
、この孔１２の存在のために実効的な密度は低下するこ
とになる圧電セラミックの表面の単位面積内の穴の全面
積をαとするとこの圧電セラミックの実効的な密度ρ′
は下記式（２）のようになる。
ρ′＝ρ〈１−α） ・・・（２）一方多
数の微小な孔１２が存在するため圧電セラミック振動子
の振動モードは孔のない場合とは異ってくるため、この
多孔性圧電セラミックの実効的音速はＣ′となる。Ω′
のＣに対する割合をγとすると下記式（３）のようにな
る。
数の微小な孔１２が存在するため圧電セラミック振動子
の振動モードは孔のない場合とは異ってくるため、この
多孔性圧電セラミックの実効的音速はＣ′となる。Ω′
のＣに対する割合をγとすると下記式（３）のようにな
る。
Ｃ′ ＝γＣ・・・（３）
ＣとＣ′の変化は厚さｔを有する厚み振動に対する音速
Ｃｔから長さｔの棒振動に対する音速Ｃ１−への変化程
度であるから、γの値は通常の圧電セラミック振動子に
対しておよそ０．７５〜０．８ 程度である。
Ｃｔから長さｔの棒振動に対する音速Ｃ１−への変化程
度であるから、γの値は通常の圧電セラミック振動子に
対しておよそ０．７５〜０．８ 程度である。
以上から多孔性圧電セラミック振動子の実効的固有音響
インピーダンス２′は下記式（４）のようになる。
インピーダンス２′は下記式（４）のようになる。
Ｚ′＝ρ′Ｃ′＝γ（１−α）ρＣ
＝γ（１−α）Ｚ・・・ ・・・（４）すなわ
ち、γをほぼ一定と見なせば、微小孔の割合αを変える
ことによって実行的固有音響インピーダンスを大幅に変
化させることができることを意味している。第２図は微
小孔の割合に対するこの実効的固有音響インピーダンス
の変化を示したものでγ−０，８の場合についてα＝０
．１から０．９の範囲で示しである。
ち、γをほぼ一定と見なせば、微小孔の割合αを変える
ことによって実行的固有音響インピーダンスを大幅に変
化させることができることを意味している。第２図は微
小孔の割合に対するこの実効的固有音響インピーダンス
の変化を示したものでγ−０，８の場合についてα＝０
．１から０．９の範囲で示しである。
次に微小な孔１２の軸の方向が何故大略圧電セラミック
の分極の方向に設定するのかを説明する。
の分極の方向に設定するのかを説明する。
−〇−
即ち、圧電セラミックの実効的固有音響インピーダンス
を小さくするためには第（２）式に見られるように実効
的な密度を小さくすれば良いのであるから、任意形状の
微小な空孔を多数圧電セラミック材料内に形成すること
によってもそれは可能である。そのような−例を第３図
の（ｂ）に示した。
を小さくするためには第（２）式に見られるように実効
的な密度を小さくすれば良いのであるから、任意形状の
微小な空孔を多数圧電セラミック材料内に形成すること
によってもそれは可能である。そのような−例を第３図
の（ｂ）に示した。
この図は圧電セラミックの断面を示したもので多数の空
孔１３が圧電セラミック内にある。このような圧電セラ
ミックに電圧を印加して１辰動させようとした場合、セ
ラミック材料の誘電率は空気の誘電率に比較して極めて
大きいため電気力線は空孔１３を避ける形で複雑に曲が
る。また圧電セラミック内部へ発生した音波は不規則に
存在する空孔１３の境界で反射される”ため位相がラン
ダムとなってしまう。このような□理由で第３図（ｂ）
のような多孔性圧電セラミックでは効率良く超音波を発
生することは困難となる。
孔１３が圧電セラミック内にある。このような圧電セラ
ミックに電圧を印加して１辰動させようとした場合、セ
ラミック材料の誘電率は空気の誘電率に比較して極めて
大きいため電気力線は空孔１３を避ける形で複雑に曲が
る。また圧電セラミック内部へ発生した音波は不規則に
存在する空孔１３の境界で反射される”ため位相がラン
ダムとなってしまう。このような□理由で第３図（ｂ）
のような多孔性圧電セラミックでは効率良く超音波を発
生することは困難となる。
これに対し本実施例の場合は第３図（ａ ）にその断面
を示す如く微小孔１２は分極軸の方向に軸がそろってい
るため、電気力線はセラミック内を分極軸にそった直線
となる。また微小孔１２の軸が分極軸の方向に規則的に
ならんでいるためセラミック内部へ発生した音波はラン
ダムな内部反射を受けることが無い。従って、この場合
は孔の無い振動子の場合とほぼ同様に効率良く超音波を
発生させることが可能となる。
を示す如く微小孔１２は分極軸の方向に軸がそろってい
るため、電気力線はセラミック内を分極軸にそった直線
となる。また微小孔１２の軸が分極軸の方向に規則的に
ならんでいるためセラミック内部へ発生した音波はラン
ダムな内部反射を受けることが無い。従って、この場合
は孔の無い振動子の場合とほぼ同様に効率良く超音波を
発生させることが可能となる。
第４図は本発明の他の実施例を示すものである。
微小な多数の孔を有することは第１の実施例と同様であ
るがこの場合は各々の孔２０はエポキシ系材料あるいは
ゴム系材料などの比較的密度の小さな材料で埋められて
いる。このような材料で孔２０を埋めることによって、
この多孔性圧電セラミック振動子の機械的な強度を増す
ことができる。但しこの場合の実効的固有音響インピー
ダンスは下記式（５）のようになる。
るがこの場合は各々の孔２０はエポキシ系材料あるいは
ゴム系材料などの比較的密度の小さな材料で埋められて
いる。このような材料で孔２０を埋めることによって、
この多孔性圧電セラミック振動子の機械的な強度を増す
ことができる。但しこの場合の実効的固有音響インピー
ダンスは下記式（５）のようになる。
２′−γ（１−（１−ａ）ｌｚ −１５）ここでａ
は孔を充填する材料の密度とセラミック材料自体の密度
との比である。
は孔を充填する材料の密度とセラミック材料自体の密度
との比である。
第５図は本発明の多孔性圧電振動子をアレイ型超音波探
触子に適用する場合を示したもので、この場合圧電セラ
ミックの表面電極３０は短冊状に分割され各々の短冊状
電極はリード線３１で電気回路と結合される。この図に
は示していないが生体や水などの媒質との音響インピー
ダンスの整合を更に良くするためにこの多孔性圧電セラ
ミック振動子の表面に適当な固有音響インピーダンスを
有する１／４波長整合層を付加して使用することもある
ことは言うまでもない。
触子に適用する場合を示したもので、この場合圧電セラ
ミックの表面電極３０は短冊状に分割され各々の短冊状
電極はリード線３１で電気回路と結合される。この図に
は示していないが生体や水などの媒質との音響インピー
ダンスの整合を更に良くするためにこの多孔性圧電セラ
ミック振動子の表面に適当な固有音響インピーダンスを
有する１／４波長整合層を付加して使用することもある
ことは言うまでもない。
以上述べた実施例では微小孔は全て円形の断面を有する
ように記述しているが断面が円形である必然性はなく微
小な孔であればどのような断面形状を有するものでもか
まわない。
ように記述しているが断面が円形である必然性はなく微
小な孔であればどのような断面形状を有するものでもか
まわない。
なお、圧電セラミックに微小な多数の孔を形成する方法
には色々あるがその代表的な方法をあげるとウォータジ
ェット加工法やレーザ加工法などがある。但しレーザ加
工法の場合には熱による脱分極がおこるので孔あけ加工
の後再分極を施す必要がある。
には色々あるがその代表的な方法をあげるとウォータジ
ェット加工法やレーザ加工法などがある。但しレーザ加
工法の場合には熱による脱分極がおこるので孔あけ加工
の後再分極を施す必要がある。
「発明の効果」
以上述べたように本発明によれば、セラミック自体の分
極方向の厚さと同等あるいはそれ以下の穴径であって分
極方向に配向した多数の孔を形成したので、固有音響イ
ンピーダンスが生体や水の固有音響インピーダンスに近
い低い値として実理でき、したがって生体や水へ効率良
く短かいパルスを放射・検出することが可能となり、特
に短かい超音波パルスを効率良く送受信するとことが必
要な医用超音波診断装置に好適な圧電セラミック撮動子
が提供できる。
極方向の厚さと同等あるいはそれ以下の穴径であって分
極方向に配向した多数の孔を形成したので、固有音響イ
ンピーダンスが生体や水の固有音響インピーダンスに近
い低い値として実理でき、したがって生体や水へ効率良
く短かいパルスを放射・検出することが可能となり、特
に短かい超音波パルスを効率良く送受信するとことが必
要な医用超音波診断装置に好適な圧電セラミック撮動子
が提供できる。
第１図は本発明に係る圧電セラミック振動子の一実施例
を示す斜視図、第２図は微小孔の割合と実効的固有音響
インピーダンスとの変化を示す特性図、第３図（ａ ）
（ｂ ）は夫々孔を規則的に配向させた場合と規則
的に配向させない場合とにおける振動の状態を示す図、
第４図は本発明の他の実施例を示す斜視図、第５図は同
実施例を超音波探触子に適用した場合を示す斜視図であ
る。 １０・・・圧電セラミック材料、１１・・・電極、１２
・・・孔。 第２図□ ０．１ ０．５
０．９反 第３図
を示す斜視図、第２図は微小孔の割合と実効的固有音響
インピーダンスとの変化を示す特性図、第３図（ａ ）
（ｂ ）は夫々孔を規則的に配向させた場合と規則
的に配向させない場合とにおける振動の状態を示す図、
第４図は本発明の他の実施例を示す斜視図、第５図は同
実施例を超音波探触子に適用した場合を示す斜視図であ
る。 １０・・・圧電セラミック材料、１１・・・電極、１２
・・・孔。 第２図□ ０．１ ０．５
０．９反 第３図
Claims (2)
- （１）セラミック自体の分極方向の厚さと同等あるいは
それ以下の穴径であって分極方向に配向した多数の孔が
形成された圧電セラミック振動子。 - （２）孔内が、セラミック自体の密度よりも低密度の材
料で充填された特許請求の範囲第（１）項記載の圧電セ
ラミック振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3696985A JPS61196700A (ja) | 1985-02-26 | 1985-02-26 | 圧電セラミツク振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3696985A JPS61196700A (ja) | 1985-02-26 | 1985-02-26 | 圧電セラミツク振動子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61196700A true JPS61196700A (ja) | 1986-08-30 |
Family
ID=12484565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3696985A Pending JPS61196700A (ja) | 1985-02-26 | 1985-02-26 | 圧電セラミツク振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61196700A (ja) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5687999A (en) * | 1979-12-18 | 1981-07-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic wave oscillator |
| JPS61101198A (ja) * | 1984-10-23 | 1986-05-20 | Hirotaro Okuyama | ハニカム状振動子 |
-
1985
- 1985-02-26 JP JP3696985A patent/JPS61196700A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5687999A (en) * | 1979-12-18 | 1981-07-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic wave oscillator |
| JPS61101198A (ja) * | 1984-10-23 | 1986-05-20 | Hirotaro Okuyama | ハニカム状振動子 |
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