JPS6269800A - 高分子圧電型超音波探触子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は高分子圧電体を振動子とする高分子圧電型超音
波探触子に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来より例えばＩＪ　ニア電子走査方式に使用されるリ
ニア・アレイ型超音波探触子は、チタン酸鉛。

チタン・ジルコン酸鉛等のセラミック圧電体を短冊状に
切断したアレイ型が用いられている。しかしながら、か
かるセラミック圧電体は堅く、脆い性質を有し、切断分
割に際して欠損や割れが発生し易く、しかも多くの短冊
状電極を稍密ｌこ形成するには困難を伴い、コストの面
からも多くの問題があった。

これｉζ対して、ポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＦ
２と略す）、ポリフッ化ビニリチン−三フッ化エチレン
共重合体（以下、ＰＶ八・ＴｒＦＥと略す）等の含フッ
素系高分子或いは他の有極性合成高分子は、高温、高電
界下で分極処理するこ七により、圧′信性、焦１性を示
すことが知られている。

また、前記高分子圧電体の厚み振動を利用した超音波探
触子の開冗が近年、盛んに行われている。

こうした高分子圧電体は、固有音竹インヒータンスが生
体のそれぞ近く、かつ弾性率が小さいことから、高分子
圧電体をリニーア′・アレイ型超音波探触子へ応用する
場合は、セラミック圧電体の例と異なり、必ずしも高分
子圧電体自体を短冊状に切断１分能する必要がない（！
：■われでいる。

しかしながら、１角分子圧電体の誘電率は一般に１０オ
一ダー程度とセラミック圧電体に比較して著シく小さく
、シかもリニア・アレイ型超音波探触子では駆動素子面
積が小さいために、電気インピーダンスが著しく高くな
り、通常、５０Ω系の電源（発・受信回路）との電気的
な整合性が悪く、超音波探触子の損失低下が著しくなる
。

このようなこきから、高分子圧電体をその分極軸方向を
互いに対向させるように適宜複数枚積層した、いわゆる
積層圧電体型超音波探触子の有用性が検討されている。

かかる積層高分子圧電体は、例えば膜厚ｔの二枚の高分
子圧電体を中間に固有形状を有する電極、例えば、短冊
状ａｈを介在した状態で分極軸方向が互いに対向するよ
うに接着して積層する。こうした積層高分子圧電体のい
ずれか一方の面に背面反射板（λ／４板）を設置し、か
つ分極軸方向と同一方向の電圧パルス等を印加するこ七
により、 λ／４＝２ｔ　　（λ＝８ｔ） の基本モードに合致した超音波の励伽が可能となる。即
ち、膜厚２ｔの高分子圧電体を一枚で構成した場合に比
べて高分子圧電体の電気容量は４倍となり、その結果眠
気インピーダンスは１／４となる。

しかしながら、かかる構造の超音波探触子にあっては高
分子圧電体の積層に際し、短冊状電極を互いに正確ｌこ
合せることが難しく、その電極が上下にずれを生じやす
い。このようなずれを生じると、予め設計した高分子圧
電体の電気インピーダンスが初期の特性を発揮できなく
なるばかりか、音瞥的、蛋気的なカップリンクやクロス
トークの発生と共に、厚Ａｓ動モードの不均一化等から
出力超音波が不均質となり、低感度や狭帯域化を招いた
り、場合によっては駆動素子間の短絡が発生したりする
。この問題は、尚分子圧電体の積層数の増加に伴って顕
著となる。

かかる問題を解消するために、高分子圧電体と、少なく
とも一面に固有形状、例えば短冊状の駆動用電極を形成
した篩分子薄膜とを組み合わせた構造のものが提案され
ており（符順昭５９−２６５２９５号）、これによれば
、高分子圧電体が１個の場合は勿論のこと、複数個存在
する場合も、駆動用竜ｊを高分子薄膜の両面に形成する
ことにより位置合せの煩雑さが解消される。

かかる構造の高分子圧電型超音波探触子においてＥ［ｊ
ｌ−ドの取り出しは第１図に示した如く、短冊状駆動用
電極１２の長手方向に垂直ないわゆるレンズ方向に交互
に駆動用電極１２を延長し、該延長部分を電極リード取
り出し部とするのが一般的でしかも便利である。その理
由を以下に述べる。短冊状電極の幅は一般に１節以下と
狭く、しかも電極間間隔も０．　Ｉ　Ｍ以下である場合
が多い。

一方、象、動用電極は高分子圧電体に形成されているた
め、電＆　１１−ド取り出しにはハンダ付けが耐熱性等
の面で困難である。そこで熱圧着タイプの異方性導を膜
（＋に一ケミカルＣＰ］０３０）等を用い、フレキシブ
ルプリント基板等と導通をとる場合が多い。そのような
場合において、電極リードの取り出しをレンズ方向の１
方向から行おうとすると、電極リード取り出し部、異方
性導電フィルム、フレキシブルプリント基板の３者の接
合部において、電極リードの取り出し部とフレキシブル
プリント基板の位−置合わせが国難となり、隣接電極間
との短絡の危険性が高くなる。しかも、高分子圧電体は
圧電セラミックに比べ、例えば５　ＭＨｚ以上の高周波
超音波探触子としての可能性が高いといわれており、そ
のような超音波探触子では、電極幅、電極間間隔さも狭
くする必要があるので上述の危険性はさらに高くなる。

そこで、レンズ方向に交互に駆動用電極を姑長し、該延
長部分を電極リード破り出し部とする方法が一般に用い
られている。しかしながら、かかる構造の高分子圧電型
超音波探触子においては、短冊状電極幅が通常１隠以下
と狭いため、電極リード取り出し部、異方性導電膜およ
びフレ千シブルプリント基板の３者の接合部の断線が起
こりやすい。さらに、より高周波超音波探触子を構成す
る際には、電極幅が狭くなるため、その危険性は高まる
。

一方、高分子圧電体を振動子として１更用する場合、駆
動用′１極厚は薄い方（１μｍ以下）が望ましい。これ
は、高分子圧電体の音響インピーダンスが水や生体のそ
れに近く、一般の金属の１７１０以下で、あるため、駆
動用電極が厚いと、音響的負荷として無視できなくなり
、振動モードに悪影響を及ぼすからである。しかしなが
ら、駆動用電極厚を薄くした場合は、電極の抵抗値が大
きくなり損失が増大するとともＩこ、特に前記接合部に
おいては、接触不良が起こりやすくなるという問題があ
った。

〔発明の目的〕

本発明は、従来のかかる問題を解消し、駆動用電極が形
成された高分子薄膜を介在せしめた高分子圧電型超音波
探触子において、駆動用電極のリード取り出しを信頼性
高く行える高分子圧電型超音波探触子を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記目的を達成すべく、駆動用電極がレ
ンズ方向に交互に延長され、電極り−ド取り出し部とし
た構成の高分子圧電型超音波探触子における該電極リー
ド取り出し部の断線や高抵抗等による特性劣化を改善す
べく鋭意検討を重ねた結果、後述の方法により所期の目
的を達成するに到った。

すなわち、本発明の高分子圧電型超音波探触子は、高分
子圧電体と、該高分子圧電体の一面に形成された共通′
Ｉ！ｉ極と、該高分子圧電体を介して該共通電極と対向
して設けられた短冊状を有する駆動用電極とを具備する
高分子圧電型超音波探触子であって、該高分子圧電体の
該、駆動用電極に沿う両端部に交互に駆動用電極が延長
され、該延長部を電極リード取り出し部とし、その幅が
、駆動用電極の幅よりも広いことを特徴とする。

本発明に用いる高分子圧電体は、ＰＶＦ２．　Ｉ）ＶＦ
、−ＴｒＦＥ、あるいはポリフッ化ビニリデン・フッ化
エチレン共重合体などの含フツ素系高分子あるいはポリ
シアノ化ビニリデン、もしくはその共重合体、ポリアク
リルニド１１ル系共重合体あるいは強誘電体セラミック
例えばチタン、ジルコン酸鉛の粉末等の混入されたいわ
ゆる複合高分子圧電材料等が挙げられる。また、この高
分子圧電体を間に介して共通ｔｒ；ｉに対向して設けら
れた駆動用電極が形成されている高分子薄膜の材料とし
ては、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリエーテル、ポリ塩
化ビニル、ＰＶＦ、・ＰＶＦ、系共重合体、ポリスチレ
ンなどの様に薄膜を形成する高分子材料が挙げられ特に
材質は問わない。これらの高分子材料の薄膜化はキャス
ティング法、押出しロール法など公知の方法ｌこより行
なうことが出来る。

そしてこれらの共通電極が設けられた高分子圧電体と駆
動用電極が形成された高分子薄膜とを接着剤等を用いて
音響的に一体化することにより本発明の高分子圧電型超
音波探触子を構成する。この時、高分子圧電体に設けら
れた共通電極は圧電体作製時に用いた電極を利用しても
良い。あるいは駆動用電極同様高分子薄膜ｌζ形成した
ものを接着剤等を用いて圧電体と一体化するようにして
もよい。この高分子薄膜並びに接着剤の音響インピーダ
ンス（Ｚ）は、高分子圧電体の音響インピーダンス（４
）に比較的近いことが好ましく、それは０、２　＜　Ｚ
／Ｚｏ　＜　２の範囲内より選ばれることが好ましい。

これは、高分子圧電体と高分子薄膜並びに接着剤が一体
的な振動を呈するためである。また駆動用電極が形成さ
れる筒分子薄膜の膜厚は特に限定されるものではないが
、あまり厚くすると高分子圧′を本との一体振動がしに
くくなりその結果損失の増大をまねきやすくなり、また
あまり薄くすると操作が困難になるのでその膜厚は数μ
ｍ〜数十μｍの範囲が望ましい。さらに共通電極が設け
られた高分子圧電体と駆動用電極が形成された局分子薄
膜とを固着する接着剤等も前記高分子圧電体と前記高分
子薄膜とが丘％的に一体化されるようにその接着剤の音
響インピーダンス、硬度、接着ｊ−の厚さ等を適宜選択
することが望ましい。

本発明に用いる高分子薄膜に形成される駆動用電極は特
に限定されるものではないが、例えば、金、銀、ニッケ
ル、アルミニウム等を蒸崩もしくはエツチング等により
加工するか、あるいは、銀粉などの導電性粉末をエポキ
シ等に混入したいわゆる導電性塗料をスクリーン印刷等
により高分子薄膜上に塗布して形成することも可能であ
る。これらは、高分子薄膜上に形成した例であるが、こ
の他ζども高分子薄膜に設けた溝部に導電材料を充填し
て駆動用電極を構成することも可能である。

ついで、第１図、第２図により本発明の詳細な説明する
。第１図において短冊状電極の暢をｔｅ。

電極間間隔をｔｇ　、　＠極す−ド取り出し部の長さを
１８とすると、電極リード取り出し部の面積はｔｃ×ｔ
ｇとなる。一方、第２図Ｉこおいて、電極リード取り出
し部の幅をｔｅより長く短形状に構成し、電極リード取
り出し部間の間隔を嘔とすれば、電極リード取り出し部
の面積は（２ｔｅ−４−１ｇ）ｘｔ、　ｃ！−なる。

通常ｔｅ≧１０ｔｇであるため、本発明による電極リー
ド取り出し部の面積は従来形の約２倍となる。

このことにより断線が起こる危険性は減り、さらに電極
１１−ド取り出し部の抵抗値も１／２となり、接合部に
おける損失の太幅な低下が図られる。一方、接合に用い
るフレキシブルプリントｉ板の接合部の幅は、（２ｔｅ
十ｔｇ）より狭いことが望ましい。しかしながら従来程
度の幅であると、抵抗分による損失が無視できなくなり
、好ましくないが、適度な幅（たとえば電極リード取り
出し部の幅２ｔｅｘｔｇの８０〜９０％）に設定するこ
とにより、位置ずれの補正が可能さなる。

今、−例として電極リードの取り出し部が矩形状の場合
を述べたが、矩形にこだわる必要がなく円形や台形等適
宜選択することが望ましい。

〔発明の実施例〕

以下、第２図および嬉３図を参照しながら、高分子圧電
型超音波探触子の一実施例について説明する。

第３図において、まず高分子圧電体３１　、３１’とし
てはあらかじめ分極処理を施した厚さ３７μｍのＰｖＦ
２系共重合体からなるフィルムを使用し、互いにその分
極軸が対向するように配設した。また、図の上方が音響
伝搬体の位置する側、いわゆる音響動作側であり、下方
が音響非動作ｆｉｌである。

そして、高分子圧電体３１　、：　３１’との間には躯
動用−極３２　、３２’が形成された高分子薄膜３３を
介在せしめた。この高分子薄膜３３には厚さ１２μｍの
ポリイミドフィルム（■束し製カプトン５０Ｈ）を使用
し、その両面全面に真空蒸着法を適用して銀層を厚さ約
１μｍに形成した後肢銀層をエツチングして第２図に示
したパターンを有する駆動用電極とした。この駆動用電
極３２　、３２’の形状はともに長さ２０■２幅１．０
２　ｍの短冊状とし、これら相互の電極間間隔を０．１
簡にして１９２本配列した。

そして、電極リード取り出し部の幅は２．１鵡とし、長
さは４喝とした。次いで高分子圧電体３１゜３１’の音
響動作側の面（上面）には、駆動用電極３２　、３２’
の音響動作部分に対応する領域全面に厚さ１μｍの銀よ
りなる共通電極３４を形成し、一方、高分子圧電体３１
１の音響非動作側の面（下面）には、この共通電極３４
と同一形状を有する厚さ１５０μｍの銅板からなるλ／
４板３５（共通電極を兼ねる）を形成した。このλ／４
板３５と共通電極３４とは電気的に接続され、かつそれ
ぞれ接地されている。そして、高分子圧電体３１．３１
’と駆動用電極３２　、３２’が形成された高分子薄膜
３３ならびに高分子圧電体３１＋とλ／４板３５とをそ
れぞれエポキシ系接着剤（エボテノク社製３０１−２　
）　３６　、３６’および３７により接着して本発明の
高分子圧電型超音波探触子を完成した。このようにして
得られた本発明の高分子圧電型超音波探触子の音響非動
作側をアク１１ル樹脂裏の背面支持板（図示せず）に固
着した。さらに、駆動用電極３２　、３２’の延長部の
電極リード取り出し部２３Ｊこは、熱圧着タイプの異方
性導電膜（ソニーケミカル製ＣＰ１０３０）　　を介し
て、を極り−ド取り出し部２３のピンチ（２２４咽）と
同一ピッチで幅が該電極リード取り出し部２３より０．
２　ｗｎ短い１９鵡のバタ　ンか形成されたフレキシブ
ルプリント基板を接合してリード線を取り出した。なお
、接合に際しては、異方性導電膜を温度１４０Ｃ圧カフ
０Ａ９／ａＬで１５秒間熱圧着した。

上記超音波探触子について単位素子における動作状況を
インピーダンスアナライザ（ＹＨＰｄ４１９２Ａ）並び
に超音波探触子評価装ｆｆ（（Ａｅｒｏｔｅｃｈ社製Ｕ
’ｌ’Ａ−３）を用いて測定した。この場合、インピー
ダンスアナライザでは、単位素子がリード線を介し、完
全ｌこ動作しているか否かを中心に測定し、超音波探触
子評価装置では水中１００闇に設けたアクリルブロック
からの反射波を解析し素子の動作状況、平均の中心周波
数（ｆｏ）、感度・帯域（Ｍ）−（ｚ　）　（スペクト
ラムピークに対し、−２０ｄＢの周波数範囲）を中心Ｉ
こ測定し、結果を表に示した。なお、比較のために上記
実施例と同一の構成材料を使用して、第１図に示したよ
うな従来の形状を有するもの、すなわち電極１１−ド取
り出し部の幅が駆動用電極と同一な超音波探触子につい
て、上記と同じ特性評価試験を行い、その結果を表中に
併記した。

〔発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明の高分子圧電型
超音波探触子は、電極リード取り出し部の幅を駆動用電
極の幅より広くしたことにより、電極リード取り出し工
程において、該電極リード取り出し部の切断や蒸着金属
の抵抗値が大きいことによる感度劣化をもたらすことな
く、極めて信頼性の高い高分子圧電型超音波探触子を得
ることができる。従って、その工業的価値は極めて犬で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来形の駆動用型しおよび電極リード取り出し
部の−９りを示す図、第２図は本発明の駆動用電極およ
び屯秘す−ド取り出し部の一例を示す図、？ｔｒ、３図
は本発明の高分子圧電型超音波探触子の構造の一例を示
すＬｉ面図である。 １１．２１．３３・・・旨分子薄膜、 １２　、２２　、３２　、３２’・・・、駆動用電極、
１３．２３・・・電極リ−ト取り出し）弗。 ３１　、３１’・・商分子圧一体、 ３４・・・共通電極、 ３５・・・λ／４板（兼共通電極）、 ３６．３６’、３７・・・接着層。 代理人　弁理士　則　近　息　佑 同　　　　竹　花　喜久男

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　高分子圧電体と、この高分子圧電体の一面に形成され
   た共通電極と、前記高分子圧電体を介して前記共通電極
   と対向して設けられた交差指状を成す短冊型駆動用電極
   のリード取り出し部が前記駆動用電極の短冊の幅よりも
   大きくしたことを特徴とする高分子圧電型超音波探触子
   。