JP2591737B2 - 超音波センサ - Google Patents
超音波センサInfo
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
- Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、少なくともその縁範囲で支持体に取り付け
られたポリマー箔を有し、このポリマー箔が少なくと
も、電極と結合されている部分範囲で圧電的に能動化さ
れている超音波センサに関する。
られたポリマー箔を有し、このポリマー箔が少なくと
も、電極と結合されている部分範囲で圧電的に能動化さ
れている超音波センサに関する。
超音波伝播媒体、たとえば水のなかを支配する超音波
場を決定する際に、いわゆるミニアチュア−またはダイ
アフラム−ハイドロホンが使用される。超音波場の音圧
振幅の三次元分布は、測定槽内のそれぞれ異なる場所を
支配する音圧をこのようなハイドロホンにより測定する
ことによって求められる。
場を決定する際に、いわゆるミニアチュア−またはダイ
アフラム−ハイドロホンが使用される。超音波場の音圧
振幅の三次元分布は、測定槽内のそれぞれ異なる場所を
支配する音圧をこのようなハイドロホンにより測定する
ことによって求められる。
「超音波（Ultrasonics）」、1981年９月、第213〜21
6頁から、25μｍの厚みを有するポリフッ化ビニリデン
（PVDF）から成り電極を設けられている圧電的に能動的
な箔が特殊鋼管の正面に電気的に絶縁して張られている
ミニアチュア−ハイドロホンは公知である。箔の直径は
約1mmである。箔の内側には、同軸ケーブルの内側導体
と接続されている白金線が取り付けられている。この白
金線は、特殊鋼管の内部を満たしているバッキングによ
り支えられる。箔の外側は特殊鋼管と電気的に接触して
おり、また同軸ケーブルのシールドと接続されている。
6頁から、25μｍの厚みを有するポリフッ化ビニリデン
（PVDF）から成り電極を設けられている圧電的に能動的
な箔が特殊鋼管の正面に電気的に絶縁して張られている
ミニアチュア−ハイドロホンは公知である。箔の直径は
約1mmである。箔の内側には、同軸ケーブルの内側導体
と接続されている白金線が取り付けられている。この白
金線は、特殊鋼管の内部を満たしているバッキングによ
り支えられる。箔の外側は特殊鋼管と電気的に接触して
おり、また同軸ケーブルのシールドと接続されている。
「超音波（Ultrasonics）」、1980年５月、第123〜12
6頁には、25μｍの厚みを有するポリフッ化ビニリデン
（PVDF）から成る箔が支持体としての役割をする２つの
金属リングの間に張られているダイアフラム−ハイドロ
ホンが開示されている。それにより約100mmの内径を有
するダイアフラムが形成される。ダイアフラムの表面は
小さい中心範囲の互いに向かい合う円板状の電極を設け
られており、その直径はたとえば4mmである。これらの
電極の間に、分極された圧電的に能動的なダイアフラム
の範囲が位置している。円板状の電極から、金属膜とし
てダイアフラムの表面に取り付けられている接続導体が
ダイアフラムの縁に通じており、またそこで導電性の接
着剤により同軸ケーブルと接続される。
6頁には、25μｍの厚みを有するポリフッ化ビニリデン
（PVDF）から成る箔が支持体としての役割をする２つの
金属リングの間に張られているダイアフラム−ハイドロ
ホンが開示されている。それにより約100mmの内径を有
するダイアフラムが形成される。ダイアフラムの表面は
小さい中心範囲の互いに向かい合う円板状の電極を設け
られており、その直径はたとえば4mmである。これらの
電極の間に、分極された圧電的に能動的なダイアフラム
の範囲が位置している。円板状の電極から、金属膜とし
てダイアフラムの表面に取り付けられている接続導体が
ダイアフラムの縁に通じており、またそこで導電性の接
着剤により同軸ケーブルと接続される。
このようなハイドロホンの重要な利点は、その圧電性
要素の音響インピーダンスが、圧電セラミックス材料を
使用する場合よりも良好に水を音響インピーダンスに合
わされていることである。これにより圧電セラミックス
センサにくらべて周波数帯域幅が広げられ、また測定場
所における超音波場の有害な影響が減ぜられる。
要素の音響インピーダンスが、圧電セラミックス材料を
使用する場合よりも良好に水を音響インピーダンスに合
わされていることである。これにより圧電セラミックス
センサにくらべて周波数帯域幅が広げられ、また測定場
所における超音波場の有害な影響が減ぜられる。
しかし、このようなハイドロホンによっては、圧力振
幅が約108Paの範囲内にある超音波衝撃波は測定され得
ない。立ち上がり時間が１μｓを下回る非常に急峻なパ
ルス縁を有するこのような衝撃波は、公知のハイドロホ
ンでは、PVDF箔の圧電的に能動的な範囲に取り付けられ
ている金属電極がキャビテーション作用により機械的に
損傷されることに通ずる。このような衝撃波はたとえ
ば、集束された超音波衝撃波が結石、たとえば患者の腎
臓内の腎石の破砕のために使用される腎石破砕器の焦点
範囲に生ずる。このような装置の開発の際にも定期的監
査の際にも、焦点範囲内の衝撃波の特性を決定する必要
がある。
幅が約108Paの範囲内にある超音波衝撃波は測定され得
ない。立ち上がり時間が１μｓを下回る非常に急峻なパ
ルス縁を有するこのような衝撃波は、公知のハイドロホ
ンでは、PVDF箔の圧電的に能動的な範囲に取り付けられ
ている金属電極がキャビテーション作用により機械的に
損傷されることに通ずる。このような衝撃波はたとえ
ば、集束された超音波衝撃波が結石、たとえば患者の腎
臓内の腎石の破砕のために使用される腎石破砕器の焦点
範囲に生ずる。このような装置の開発の際にも定期的監
査の際にも、焦点範囲内の衝撃波の特性を決定する必要
がある。
従って、本発明の目的は、圧電性要素がポリマーから
成り、また高エネルギーの超音波衝撃波の測定の際にも
使用され得る超音波センサを提供することである。
成り、また高エネルギーの超音波衝撃波の測定の際にも
使用され得る超音波センサを提供することである。
この目的は、本発明によれば、特許請求の範囲第１項
に記載の超音波センサにより達成される。
に記載の超音波センサにより達成される。
ポリマー箔の圧電的に能動的な範囲内に超音波衝撃波
により惹起される表面電荷振動はポリマー箔の周囲を媒
体を経て、ポリマー箔の圧電的に能動的な範囲に対応付
けられているポリマー箔の表面範囲の外側に配置されて
いる電極に結合される。従ってポリマー箔の圧電的に能
動的な中心範囲は集束される超音波衝撃波の焦点範囲内
に配置されていてよい。なぜならば、ポリマー箔の敏感
な範囲には機械的に不安定な導電性の層が存在していな
いからである。
により惹起される表面電荷振動はポリマー箔の周囲を媒
体を経て、ポリマー箔の圧電的に能動的な範囲に対応付
けられているポリマー箔の表面範囲の外側に配置されて
いる電極に結合される。従ってポリマー箔の圧電的に能
動的な中心範囲は集束される超音波衝撃波の焦点範囲内
に配置されていてよい。なぜならば、ポリマー箔の敏感
な範囲には機械的に不安定な導電性の層が存在していな
いからである。
本発明は、圧電セラミックス材料にくらべて比較的わ
ずかな誘電定数を有する圧電性ポリマーの使用により純
粋な静電容量結合が高い信号損失なしに可能になるとい
う認識に一部基づいている。従って、電極はポリマー箔
の圧電的に能動的な範囲から空間的に隔てられて箔自体
の上または箔の外側、たとえば支持体に取り付けられて
いてよい。その際に、寄生的なキャパシタンスにより生
ずる信号損失を減ずるため、電極の相互キャパシタンス
が結合キャパシタンスにくらべて可能なかぎり小さいよ
うに電極の形態が選定されていることは有利である。電
極の一方は系の電気接地点と接続されている。結合キャ
パシタンスが大きければ大きい有効電気信号が得られる
ので、電極への結合キャパシタンスが可能なかぎり大き
いことは有利である。一般に測定中に超音波センサの周
囲はほぼ接地電位にあるので、特に接地点への圧電的に
能動的な範囲の結合キャパシタンスは適当な構造的対策
により、信号を減ずる追加的な寄生キャパシタンスを生
ずることなく、大きくされ得る。特に、ダイアフラムの
圧電的に能動的な範囲と向かい合ってその表面と平行に
平らな同じくダイアフラム状の追加的な接地電極が超音
波センサ内に配置されていてよい。それにより圧電的に
能動的な範囲が特に効果的に接地点と静電容量結合され
る。
ずかな誘電定数を有する圧電性ポリマーの使用により純
粋な静電容量結合が高い信号損失なしに可能になるとい
う認識に一部基づいている。従って、電極はポリマー箔
の圧電的に能動的な範囲から空間的に隔てられて箔自体
の上または箔の外側、たとえば支持体に取り付けられて
いてよい。その際に、寄生的なキャパシタンスにより生
ずる信号損失を減ずるため、電極の相互キャパシタンス
が結合キャパシタンスにくらべて可能なかぎり小さいよ
うに電極の形態が選定されていることは有利である。電
極の一方は系の電気接地点と接続されている。結合キャ
パシタンスが大きければ大きい有効電気信号が得られる
ので、電極への結合キャパシタンスが可能なかぎり大き
いことは有利である。一般に測定中に超音波センサの周
囲はほぼ接地電位にあるので、特に接地点への圧電的に
能動的な範囲の結合キャパシタンスは適当な構造的対策
により、信号を減ずる追加的な寄生キャパシタンスを生
ずることなく、大きくされ得る。特に、ダイアフラムの
圧電的に能動的な範囲と向かい合ってその表面と平行に
平らな同じくダイアフラム状の追加的な接地電極が超音
波センサ内に配置されていてよい。それにより圧電的に
能動的な範囲が特に効果的に接地点と静電容量結合され
る。
好ましい実施例では、ダイアフラムの両面と向かい合
って支持体の自由面にそれぞれ覆い板が配置されてい
る。こうして覆い板とダイアフラムとの間にそれぞれ密
なチャンバが形成され、このチャンバは超音波伝播液体
で満たされている。この実施例は、チャンバの内部に位
置する液体がハイドロホンの周囲の液体と交換しないと
いう利点を有する。この対策により、測定の再現性が高
められると共に、ダイアフラム−ハイドロホンのこのチ
ャンバ内に音響結合のために使用される媒体を測定槽内
の超音波伝播媒体と無関係に選定することが可能にな
る。特に有利な実施例では、両空間内に位置する液体は
電解質である。
って支持体の自由面にそれぞれ覆い板が配置されてい
る。こうして覆い板とダイアフラムとの間にそれぞれ密
なチャンバが形成され、このチャンバは超音波伝播液体
で満たされている。この実施例は、チャンバの内部に位
置する液体がハイドロホンの周囲の液体と交換しないと
いう利点を有する。この対策により、測定の再現性が高
められると共に、ダイアフラム−ハイドロホンのこのチ
ャンバ内に音響結合のために使用される媒体を測定槽内
の超音波伝播媒体と無関係に選定することが可能にな
る。特に有利な実施例では、両空間内に位置する液体は
電解質である。
ポリマー箔の分極が、可動に配置され高電圧と接続さ
れており互いに向かい合っている電極の間にポリマー箔
が挟まれることにより行われることは有利である。こう
して、これらの電極の幾何学的形態はポリマー箔の圧電
的に能動的な範囲を決定する。
れており互いに向かい合っている電極の間にポリマー箔
が挟まれることにより行われることは有利である。こう
して、これらの電極の幾何学的形態はポリマー箔の圧電
的に能動的な範囲を決定する。
特に、導電性の弾性的なステムプルを電極面に設けら
れている電極を分極のために使用することは有利であ
る。
れている電極を分極のために使用することは有利であ
る。
以下、図面に示されている実施例により本発明を一層
詳細に説明する。
詳細に説明する。
第１図によれば、超音波センサ２はたとえば円板状の
ポリマー箔４を含んでおり、このポリマー箔は２つのた
とえばリング状の支持体６の間にぴんと張られており、
またダイアフラムを形成している。ポリマー箔は半結晶
質のポリマー、たとえばポリフッ化ビニル（PVF）また
はテトラフルオルエチレンまたはトリフルオルエチレン
とのフッ化ビニルのコポリマー、特に両軸に広げられた
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）から成っている。ポリマ
ー箔４は中心範囲42で分極されており、また圧電的に能
動的である。圧電的に能動的な範囲42は圧電的に非能動
的な範囲44により囲まれている。ポリマー箔４の面に対
して垂直に延びている中心軸線22の回りに回転対称に配
置されているたとえば円板状の中心範囲42の直径ｄはポ
リマー箔４のダイアフラム40の直径Ｄよりもはるかに小
さい。好ましい実施例では、分極された中心範囲42の直
径ｄは2mmよりも小さく、特に1mmよりも小さい。ダイア
フラム40の直径Ｄは、中心範囲内で測定すべき超音波場
への支持体６の影響を減ずるため、30mmよりも大きく、
特に50mmよりも大きく選定するのが有利である。ポリマ
ー箔４の厚みは10μｍと100μｍとの間、特に25μｍと5
0μｍとの間である。ポリマー箔４はその圧電的に非能
動的な範囲44の表面にその両面にそれぞれ電極８を設け
られている。このようにして電極８は、圧電的に能動的
な範囲42から空間的に隔てられており、それと接触しな
いように配置されている。電極８は好ましくは、ポリマ
ー箔４の直径の1/4よりも小さく、特に1/10よりも小さ
い幅を有するポリマー箔の外側の縁範囲に位置してい
る。電極８はたとえばリング状の形態を有し、ダイアフ
ラム40の範囲内にたとえば中心軸線22の回りに同心に配
置されている。電極８は、たとえば支持体６の半径方向
の溝62のなかを超音波センサ２の円筒状の外縁へ通じて
いる電気接続導体82を設けられている。そこで接続導体
82は、以後の処理をする電子回路、たとえば電荷に感ず
る増幅器に電気信号を伝達する同軸ケーブルと接続され
ている。特に両接続導体の１つは電気接地点と接続され
ている。
ポリマー箔４を含んでおり、このポリマー箔は２つのた
とえばリング状の支持体６の間にぴんと張られており、
またダイアフラムを形成している。ポリマー箔は半結晶
質のポリマー、たとえばポリフッ化ビニル（PVF）また
はテトラフルオルエチレンまたはトリフルオルエチレン
とのフッ化ビニルのコポリマー、特に両軸に広げられた
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）から成っている。ポリマ
ー箔４は中心範囲42で分極されており、また圧電的に能
動的である。圧電的に能動的な範囲42は圧電的に非能動
的な範囲44により囲まれている。ポリマー箔４の面に対
して垂直に延びている中心軸線22の回りに回転対称に配
置されているたとえば円板状の中心範囲42の直径ｄはポ
リマー箔４のダイアフラム40の直径Ｄよりもはるかに小
さい。好ましい実施例では、分極された中心範囲42の直
径ｄは2mmよりも小さく、特に1mmよりも小さい。ダイア
フラム40の直径Ｄは、中心範囲内で測定すべき超音波場
への支持体６の影響を減ずるため、30mmよりも大きく、
特に50mmよりも大きく選定するのが有利である。ポリマ
ー箔４の厚みは10μｍと100μｍとの間、特に25μｍと5
0μｍとの間である。ポリマー箔４はその圧電的に非能
動的な範囲44の表面にその両面にそれぞれ電極８を設け
られている。このようにして電極８は、圧電的に能動的
な範囲42から空間的に隔てられており、それと接触しな
いように配置されている。電極８は好ましくは、ポリマ
ー箔４の直径の1/4よりも小さく、特に1/10よりも小さ
い幅を有するポリマー箔の外側の縁範囲に位置してい
る。電極８はたとえばリング状の形態を有し、ダイアフ
ラム40の範囲内にたとえば中心軸線22の回りに同心に配
置されている。電極８は、たとえば支持体６の半径方向
の溝62のなかを超音波センサ２の円筒状の外縁へ通じて
いる電気接続導体82を設けられている。そこで接続導体
82は、以後の処理をする電子回路、たとえば電荷に感ず
る増幅器に電気信号を伝達する同軸ケーブルと接続され
ている。特に両接続導体の１つは電気接地点と接続され
ている。
医学の目的に使用される超音波送波器の特性は一般
に、超音波伝播液体、たとえば水で満たされた槽のなか
で測定される。従って、超音波センサは測定中は水によ
り囲まれている。超音波場によりポリマー箔４に作用す
る圧力は圧電的に能動的な中心範囲42に高周波の表面電
荷振動を発生する。圧電的に能動的な範囲42は電極８か
ら純水の使用の際に高抵抗で隔てられている。しかし、
水の高い比誘電率εｒ＝81のために、これらの電荷振動
は静電容量的に誘電体として作用する水を介して電極８
に結合する。信号をピックアップする電極８はポリマー
箔４のダイアフラム範囲の外縁に配置されているので、
機械的損傷およびポリマー箔４からの電極８の離脱の危
険なしに、中心範囲40内で非常に高い音圧振幅が再現可
能に測定され得る。
に、超音波伝播液体、たとえば水で満たされた槽のなか
で測定される。従って、超音波センサは測定中は水によ
り囲まれている。超音波場によりポリマー箔４に作用す
る圧力は圧電的に能動的な中心範囲42に高周波の表面電
荷振動を発生する。圧電的に能動的な範囲42は電極８か
ら純水の使用の際に高抵抗で隔てられている。しかし、
水の高い比誘電率εｒ＝81のために、これらの電荷振動
は静電容量的に誘電体として作用する水を介して電極８
に結合する。信号をピックアップする電極８はポリマー
箔４のダイアフラム範囲の外縁に配置されているので、
機械的損傷およびポリマー箔４からの電極８の離脱の危
険なしに、中心範囲40内で非常に高い音圧振幅が再現可
能に測定され得る。
第２図のように、電極８は、支持体６の間に挟まれて
いるポリマー箔４の範囲内へ延びていてよい。この場
合、接続導体82が延びている溝64はもはや支持体６の内
縁まで延びている必要はない。
いるポリマー箔４の範囲内へ延びていてよい。この場
合、接続導体82が延びている溝64はもはや支持体６の内
縁まで延びている必要はない。
第３図による有利な実施例では、ポリマー箔４の両面
はそれぞれ半リング状の電極86または87を設けられてい
る。両電極86および87は重なり合わないように配置され
ている。それにより、電極86と87との間に生じて有効電
気信号の減少を惹起する寄生キャパシタンスが減ぜられ
る。このことは特に、超音波センサが医学診断に使用さ
れる超音波場の測定のためにも用いられる場合に有利で
ある。
はそれぞれ半リング状の電極86または87を設けられてい
る。両電極86および87は重なり合わないように配置され
ている。それにより、電極86と87との間に生じて有効電
気信号の減少を惹起する寄生キャパシタンスが減ぜられ
る。このことは特に、超音波センサが医学診断に使用さ
れる超音波場の測定のためにも用いられる場合に有利で
ある。
第４図によれば、両支持体６の一方はそのポリマー箔
４と反対のほうを向いた面に接地電極12を設けられてい
る。この接地電極12は、接地電極12とポリマー箔４との
間の領域に位置する電極８と共通に電気接地点と接続さ
れている。それにより、接地点への圧電的に能動的な範
囲42の結合キャパシタンス、従ってまた増幅器26の入力
端に与えられる電気信号が増大される。接地電極12は有
利な実施例では、100μｍ未満、特に10μｍと20μｍと
の間の厚みを有する特殊鋼箔から成っている。特に有利
な実施例では、接地電極12は同じく100μｍ未満の厚み
を有する薄い金属格子である。それにより、超音波場へ
の接地電極12の有害な影響が減ぜられる。接地電極12と
ポリマー箔４との間に位置する電極８は特に好ましい簡
単化された実施例では省略され得る。なぜならば、接地
電極12がこの電極８の機能を引き受けるからである。
４と反対のほうを向いた面に接地電極12を設けられてい
る。この接地電極12は、接地電極12とポリマー箔４との
間の領域に位置する電極８と共通に電気接地点と接続さ
れている。それにより、接地点への圧電的に能動的な範
囲42の結合キャパシタンス、従ってまた増幅器26の入力
端に与えられる電気信号が増大される。接地電極12は有
利な実施例では、100μｍ未満、特に10μｍと20μｍと
の間の厚みを有する特殊鋼箔から成っている。特に有利
な実施例では、接地電極12は同じく100μｍ未満の厚み
を有する薄い金属格子である。それにより、超音波場へ
の接地電極12の有害な影響が減ぜられる。接地電極12と
ポリマー箔４との間に位置する電極８は特に好ましい簡
単化された実施例では省略され得る。なぜならば、接地
電極12がこの電極８の機能を引き受けるからである。
第５図による実施例では、支持体６はそのポリマー箔
４と反対のほうを向いた面にそれぞれ覆い板122または1
24を設けられている。このようにしてポリマー箔４のダ
イアフラム範囲40とこれらの覆い板122および124との間
にそれぞれ密なチャンバ100が生ずる。有利な実施例で
は、これらの覆い板122および124は、チャンバ100の外
側に位置する超音波伝播液体に音響的にほぼ合わされて
おり、また測定すべき超音波場への影響がわずかである
合成樹脂、たとえばポリスチロール（PS）またはポリメ
タクリル酸メチルエステル（PMMA）から成っている。特
に有利な実施例では、覆い板122および124は、水の音響
インピーダンスにほぼ等しい音響インピーダンスを有す
るポリメチルペタン（PMP）から成っている。特に覆い
板122および124は、好ましくは100μｍ未満の厚みを有
するポリマー箔から成っていてよい。チャンバ100は外
部空間に対して密に閉じられており、またポリマー箔４
により互いに隔てられている。さらに、接続導体82が延
びている溝は接着剤84を部分的に注入されて閉じられて
いる。または第２図による実施例のように溝は支持体６
の内縁まで通じていない。チャンバ100は超音波伝播液
体で満たされている。液体としてはたとえば水が使用さ
れ、この場合、圧電的に能動的な中心範囲42から接地電
極８への信号結合は主として静電容量的に行われる。特
別な実施例では、チャンバ100は電解質、たとえば水性
の食塩溶液で満たされている。その導電率は、電極８と
圧電的に能動的な範囲42との間のオーム抵抗が1kΩより
も低い、特に100Ωよりも低いように選定されている。
この実施例では、圧電的に能動的な範囲42内で発生され
た交番電荷信号の電極８への結合は第１近似で、液体に
より形成される直列抵抗を介して行われる。少なくとも
電極８の表面は貴金属材料、たとえば金（Au）または白
金（Pt）から成っているのが有利である。
４と反対のほうを向いた面にそれぞれ覆い板122または1
24を設けられている。このようにしてポリマー箔４のダ
イアフラム範囲40とこれらの覆い板122および124との間
にそれぞれ密なチャンバ100が生ずる。有利な実施例で
は、これらの覆い板122および124は、チャンバ100の外
側に位置する超音波伝播液体に音響的にほぼ合わされて
おり、また測定すべき超音波場への影響がわずかである
合成樹脂、たとえばポリスチロール（PS）またはポリメ
タクリル酸メチルエステル（PMMA）から成っている。特
に有利な実施例では、覆い板122および124は、水の音響
インピーダンスにほぼ等しい音響インピーダンスを有す
るポリメチルペタン（PMP）から成っている。特に覆い
板122および124は、好ましくは100μｍ未満の厚みを有
するポリマー箔から成っていてよい。チャンバ100は外
部空間に対して密に閉じられており、またポリマー箔４
により互いに隔てられている。さらに、接続導体82が延
びている溝は接着剤84を部分的に注入されて閉じられて
いる。または第２図による実施例のように溝は支持体６
の内縁まで通じていない。チャンバ100は超音波伝播液
体で満たされている。液体としてはたとえば水が使用さ
れ、この場合、圧電的に能動的な中心範囲42から接地電
極８への信号結合は主として静電容量的に行われる。特
別な実施例では、チャンバ100は電解質、たとえば水性
の食塩溶液で満たされている。その導電率は、電極８と
圧電的に能動的な範囲42との間のオーム抵抗が1kΩより
も低い、特に100Ωよりも低いように選定されている。
この実施例では、圧電的に能動的な範囲42内で発生され
た交番電荷信号の電極８への結合は第１近似で、液体に
より形成される直列抵抗を介して行われる。少なくとも
電極８の表面は貴金属材料、たとえば金（Au）または白
金（Pt）から成っているのが有利である。
覆い板122および124の一方は、特別な実施例では、導
電性の材料、たとえば特殊鋼箔または導電性の合成樹脂
から成っており、また電気接地点と接続されている。そ
れにより圧電的に能動的な範囲42の接地点への結合キャ
パシタンスが増大され、また出力電気信号が相応に高め
られる。覆い板122および124が金属材料から成っていれ
ば、超音波センサ２は測定の際に、これらの覆い板が超
音波送波器と反対のほうを向いた超音波センサ２の側に
位置するように、超音波送波器の超音波場のなかに入れ
られるのが有利である。
電性の材料、たとえば特殊鋼箔または導電性の合成樹脂
から成っており、また電気接地点と接続されている。そ
れにより圧電的に能動的な範囲42の接地点への結合キャ
パシタンスが増大され、また出力電気信号が相応に高め
られる。覆い板122および124が金属材料から成っていれ
ば、超音波センサ２は測定の際に、これらの覆い板が超
音波送波器と反対のほうを向いた超音波センサ２の側に
位置するように、超音波送波器の超音波場のなかに入れ
られるのが有利である。
第６図による特に有利な実施例では、円板状のポリマ
ー箔４が回転対称な支持体６に取り付けられている。支
持体６の内壁には、ポリマー箔４と反対のほうを向いた
支持体６の上面まで延びているリング状の凹みを設けら
れている。この凹みにそれぞれ同じくリング状の電極88
が差し込まれ、また支持体６に取り付けられた保持フラ
ンジ66により固定されている。電極88はたとえば1mm未
満の壁厚を有する金属リングである。電極88はたとえ
ば、周囲の媒体の腐食性から保護するためにたとえば白
金保護層を設けられている特殊鋼または黄銅から成って
いる。電極88から接続導体82が支持体６の溝68を経てそ
の円筒状の外縁に通じている。
ー箔４が回転対称な支持体６に取り付けられている。支
持体６の内壁には、ポリマー箔４と反対のほうを向いた
支持体６の上面まで延びているリング状の凹みを設けら
れている。この凹みにそれぞれ同じくリング状の電極88
が差し込まれ、また支持体６に取り付けられた保持フラ
ンジ66により固定されている。電極88はたとえば1mm未
満の壁厚を有する金属リングである。電極88はたとえ
ば、周囲の媒体の腐食性から保護するためにたとえば白
金保護層を設けられている特殊鋼または黄銅から成って
いる。電極88から接続導体82が支持体６の溝68を経てそ
の円筒状の外縁に通じている。
従って、この特別な実施例では、ポリマー箔４はもは
や電極で被覆されていない。この実施例では、電極88の
損傷の危険なしに、電極88が超音波衝撃波の焦点のすぐ
近くにも位置し得るので、超音波センサ24がその直線寸
法を顕著に短縮され得るという利点が得られる。超音波
センサ24のこのようなミニアチュア化は、圧電的に能動
的な範囲42から電極88への結合キャパシタンスが相互間
隔の減少により増大され、従ってまた超音波センサ24の
感度が高められるという利点を有する。
や電極で被覆されていない。この実施例では、電極88の
損傷の危険なしに、電極88が超音波衝撃波の焦点のすぐ
近くにも位置し得るので、超音波センサ24がその直線寸
法を顕著に短縮され得るという利点が得られる。超音波
センサ24のこのようなミニアチュア化は、圧電的に能動
的な範囲42から電極88への結合キャパシタンスが相互間
隔の減少により増大され、従ってまた超音波センサ24の
感度が高められるという利点を有する。
第６図による実施例でも超音波センサ24は第４図に相
応する接地電極または第５図に相応する覆い板を設けら
れていてよい。
応する接地電極または第５図に相応する覆い板を設けら
れていてよい。
第７図によれば、ポリマー箔４が高電圧源16の２つの
互いに向かい合う可動に配置された電極14の間に位置し
ている。互いに向かい合う電極14は、圧電的に能動化す
べき部分範囲42に対応付けられているポリマー箔４の表
面範囲でポリマー箔４に当てられている。電極14の端面
の幾何学的形態に相応して高電圧の印加によりポリマー
箔４の画定された部分範囲42が分極され、また圧電的に
能動化される。従って、ポリマー箔４の画定された部分
範囲42を分極させるために、その表面を予め幾何学的に
相応の形態の金属電極により覆うことは必要でない。ポ
リマー箔４の能動化のために必要な他の過程はたとえば
「米国音響学会雑誌（J.Acoust.Soc.Am.）」、第69巻、
第３号、1981年３月、第854頁に示されている。
互いに向かい合う可動に配置された電極14の間に位置し
ている。互いに向かい合う電極14は、圧電的に能動化す
べき部分範囲42に対応付けられているポリマー箔４の表
面範囲でポリマー箔４に当てられている。電極14の端面
の幾何学的形態に相応して高電圧の印加によりポリマー
箔４の画定された部分範囲42が分極され、また圧電的に
能動化される。従って、ポリマー箔４の画定された部分
範囲42を分極させるために、その表面を予め幾何学的に
相応の形態の金属電極により覆うことは必要でない。ポ
リマー箔４の能動化のために必要な他の過程はたとえば
「米国音響学会雑誌（J.Acoust.Soc.Am.）」、第69巻、
第３号、1981年３月、第854頁に示されている。
電極14は、有利な実施例では、その端面に、たとえば
導電性のポリマーまたは導電性ゴムから成る導電性の弾
性的なステムプル18を設けられていてよい。この場合、
ポリマー箔４は、ポリマー箔４の機械的損傷の危険なし
に、固くこれらの弾性的なステムプル18の間に挟まれ得
る。さらに、電極14の端面が互いに正確に平行に延びて
いない場合にも、ステムプル18がその全端面でポリマー
箔４と接触することが保証されている。従って、この対
策によりポリマー箔４の分極された範囲42の圧電的特性
の均等性が高められる。
導電性のポリマーまたは導電性ゴムから成る導電性の弾
性的なステムプル18を設けられていてよい。この場合、
ポリマー箔４は、ポリマー箔４の機械的損傷の危険なし
に、固くこれらの弾性的なステムプル18の間に挟まれ得
る。さらに、電極14の端面が互いに正確に平行に延びて
いない場合にも、ステムプル18がその全端面でポリマー
箔４と接触することが保証されている。従って、この対
策によりポリマー箔４の分極された範囲42の圧電的特性
の均等性が高められる。
第１図は本発明による超音波センサの概略断面図、第２
図は超音波センサの縁範囲の有利な形態を示す断面図、
第３図はポリマー箔の面上への電極の特に有利な配置を
示す平面図、第４図は特に有利な形態の接地電極を有す
る超音波センサの断面図、第５図は閉じられた超音波セ
ンサの好ましい実施例の断面図、第６図は電極がポリマ
ー箔の外側に配置されている本発明による超音波センサ
の特に好ましい実施例の断面図、第７図はポリマー箔を
分極させるための方法の説明図である。 ２……超音波センサ、４……ポリマー箔、６……支持
体、８……電極、10……水、12……接地電極、16……高
電圧源、18……弾性的ステムプル、24……超音波セン
サ、26……増幅器、40……ダイアフラム、42……圧電的
に能動的な範囲、44……圧電的に非能動的な範囲、62、
64、86……溝、84……接着剤、86、87……半リング状電
極、88……リング状電極、100……チャンバ、122、124
……覆い板。
図は超音波センサの縁範囲の有利な形態を示す断面図、
第３図はポリマー箔の面上への電極の特に有利な配置を
示す平面図、第４図は特に有利な形態の接地電極を有す
る超音波センサの断面図、第５図は閉じられた超音波セ
ンサの好ましい実施例の断面図、第６図は電極がポリマ
ー箔の外側に配置されている本発明による超音波センサ
の特に好ましい実施例の断面図、第７図はポリマー箔を
分極させるための方法の説明図である。 ２……超音波センサ、４……ポリマー箔、６……支持
体、８……電極、10……水、12……接地電極、16……高
電圧源、18……弾性的ステムプル、24……超音波セン
サ、26……増幅器、40……ダイアフラム、42……圧電的
に能動的な範囲、44……圧電的に非能動的な範囲、62、
64、86……溝、84……接着剤、86、87……半リング状電
極、88……リング状電極、100……チャンバ、122、124
……覆い板。
Claims (11)
- 【請求項１】少なくともその縁範囲で支持体（６）に取
り付けられたポリマー箔（４）を有し、このポリマー箔
が少なくとも、電極（８）と結合されている部分範囲で
圧電的に能動化されている超音波センサにおいて、 電極（８）が圧電的に能動的な範囲（42）から空間的に
隔てられて配置されていることを特徴とする超音波セン
サ。 - 【請求項２】圧電的に能動的な範囲（42）の表面積が、
ダイアフラムを形成するポリマー箔（４）の部分の全面
積よりも小さい、特許請求の範囲第１項記載の超音波セ
ンサ。 - 【請求項３】電極（８）がポリマー箔（４）の面に少な
くとも部分的にダイアフラム（40）の表面範囲に配置さ
れている、特許請求の範囲第２項記載の超音波センサ。 - 【請求項４】円板状のダイアフラム（40）が設けられて
おり、このダイアフラムにはその外側の縁範囲に円環状
の電極（８）が設けられており、これらの電極は中心の
円板状の圧電的に能動的な範囲（42）の回りに同心に配
置されている、特許請求の範囲第３項記載の超音波セン
サ。 - 【請求項５】ポリマー箔（４）の互いに向かい合う面に
配置されている電極（86,87）が重なっていない、特許
請求の範囲第３項または第４項記載の超音波センサ。 - 【請求項６】ポリマー箔（４）から空間的に隔てられて
配置されている電極（88）が設けられている、特許請求
の範囲第１項または第２項記載の超音波センサ。 - 【請求項７】円板状のポリマー箔（４）において、支持
体（６）に配置されているリング状の電極（88）が設け
られている、特許請求の範囲第６項記載の超音波セン
サ。 - 【請求項８】ダイアフラム（40）の両面の一方と向かい
合ってダイアフラム（40）と反対の方を向いた支持体
（６）の面に円板状の接地電極（12）が配置されてい
る、特許請求の範囲第４項から第７項までのいずれか１
項記載の超音波センサ。 - 【請求項９】接地電極（12）が金属格子である、特許請
求の範囲第８項記載の超音波センサ。 - 【請求項１０】ダイアフラム（40）の両面と向かい合っ
て支持体（６）の自由面にそれぞれ履い板（122、124）
が配置されており、履い板（122、124）とダイアフラム
（40）との間にそれぞれ密なチャンバ（100）が形成さ
れ、このチャンバが超音波伝播液体で満たされている、
特許請求の範囲第１項または第８項記載の超音波セン
サ。 - 【請求項１１】超音波伝播液体が電解質である、特許請
求の範囲第10項記載の超音波センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3545382.6 | 1985-12-20 | ||
| DE3545382 | 1985-12-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62154900A JPS62154900A (ja) | 1987-07-09 |
| JP2591737B2 true JP2591737B2 (ja) | 1997-03-19 |
Family
ID=6289135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61305146A Expired - Lifetime JP2591737B2 (ja) | 1985-12-20 | 1986-12-19 | 超音波センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4734611A (ja) |
| EP (1) | EP0227985B1 (ja) |
| JP (1) | JP2591737B2 (ja) |
| DE (1) | DE3677921D1 (ja) |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4813402A (en) * | 1986-02-19 | 1989-03-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Coupling member for a shock wave therapy device |
| DE3762459D1 (de) * | 1986-07-30 | 1990-05-31 | Siemens Ag | Sensor fuer akustische stosswellenimpulse. |
| EP0256438A1 (de) * | 1986-08-18 | 1988-02-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Sensor für die Erfassung von Stosswellenimpulsen |
| DE8622104U1 (de) * | 1986-08-18 | 1987-12-17 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Vorrichtung zum Zertrümmern von Konkrementen |
| US4924131A (en) * | 1987-10-14 | 1990-05-08 | Fujikura Ltd. | Piezo-electric acceleration sensor |
| US4835435A (en) * | 1988-01-19 | 1989-05-30 | Hewlett-Packard Company | Simple, sensitive, frequency-tuned drop detector |
| DE3808019A1 (de) * | 1988-03-10 | 1989-09-21 | Siemens Ag | Ultraschall-sensor |
| EP0381796B1 (de) * | 1989-02-10 | 1995-08-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Ultraschall-Sensor |
| DE3931578A1 (de) * | 1989-09-22 | 1991-04-04 | Wolf Gmbh Richard | Piezoelektrisches membran-hydrophon |
| US5159228A (en) * | 1990-08-24 | 1992-10-27 | Siemens Aktiengesellschaft | Pressure wave sensor |
| US5072426A (en) * | 1991-02-08 | 1991-12-10 | Sonic Technologies | Self-monitoring shock wave hydrophone |
| US5381386A (en) * | 1993-05-19 | 1995-01-10 | Hewlett-Packard Company | Membrane hydrophone |
| US5406951A (en) * | 1993-10-15 | 1995-04-18 | Ten Hoff; Harm | Intra-luminal ultrasonic instrument |
| US5479377A (en) * | 1994-12-19 | 1995-12-26 | Lum; Paul | Membrane-supported electronics for a hydrophone |
| US6012779A (en) | 1997-02-04 | 2000-01-11 | Lunar Corporation | Thin film acoustic array |
| US20050245824A1 (en) * | 2004-04-20 | 2005-11-03 | Acoustic Marketing Research, A Colorado Corporation, D/B/A Sonora Medical Systems, Inc. | High-intensity focused-ultrasound hydrophone |
| DE102005044677A1 (de) * | 2005-09-19 | 2007-03-29 | Abb Patent Gmbh | Magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einer Erdungsscheibe |
| DE102006004874A1 (de) * | 2006-02-03 | 2007-08-09 | Robert Bosch Gmbh | Sensorvorrichtung für Fahrzeuge |
| US7859171B2 (en) * | 2006-10-10 | 2010-12-28 | Micallef Joseph A | Piezoelectric ultracapacitor |
| US7755257B2 (en) * | 2007-09-03 | 2010-07-13 | Micallef Joseph A | Piezoelectric ultracapacitor |
| WO2010131540A1 (ja) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | 日本電気株式会社 | 圧電アクチュエータおよび音響部品 |
| JP6263902B2 (ja) * | 2013-08-21 | 2018-01-24 | 株式会社村田製作所 | 超音波発生装置 |
| US9389139B2 (en) * | 2014-07-15 | 2016-07-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Method for studying the evolution of damage in cylinders subjected to internal radial explosion |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE510981A (ja) * | 1951-04-27 | |||
| JPS4936154B1 (ja) * | 1969-09-09 | 1974-09-27 | ||
| US3912830A (en) * | 1971-10-13 | 1975-10-14 | Kureha Chemical Ind Co Ltd | Method of producing a piezoelectric or pyroelectric element |
| JPS5147878A (ja) * | 1974-10-22 | 1976-04-23 | Tadashi Abe | Futonitsuketamishinme |
| US4048526A (en) * | 1975-08-08 | 1977-09-13 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Kinetic sensor employing polymeric piezoelectric material |
| US4079437A (en) * | 1976-04-30 | 1978-03-14 | Minnesota Mining And Manufacturing | Machine and method for poling films of pyroelectric and piezoelectric material |
| AT375466B (de) * | 1977-07-27 | 1984-08-10 | List Hans | Messwertaufnehmer mit einem piezoelektrischen messelement |
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| US4433400A (en) * | 1980-11-24 | 1984-02-21 | The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services | Acoustically transparent hydrophone probe |
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1986
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