JPH05264522A - 超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】超音波の送受波の方向や入射角を選択可能な超
音波トランスデューサを提供する。 【構成】トランスデューサ１の絶縁性ボディ５には、そ
の下端の球面状凹面３の同心円に沿って複数の棒状電極
７が埋設されている。球面状凹面３には、ポリ弗化ビニ
リデン・トリフルオロエチレン層（Ｐ層）１１、アルミ
ニウム膜１３が順次に形成されている。棒状電極７とア
ルミニウム膜１３との間に高電圧が印加されると、その
間の領域におけるＰ層１１が分極されて圧電効果を持
つ。その結果、球面状凹面３の同心円に沿って分布した
複数の圧電素子が形成される。これら複数の圧電素子
は、電極７が独立しているために、互いに独立して作動
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検体表面の弾性的な
特性を測定するために使用される超音波トランスデュー
サ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波により物質の異方性を測定する一
つの方法が、「日本音響学会講演論文集（平成２年３
月）２−２−６，７２３頁〜７３８頁（太平克己、小山
清人）」に開示されている。

【０００３】この方法では、同一領域を焦点とする送受
独立型の一対の超音波トランスデュ−サが用いられる。
その一方のトランスデュ−サは電気的パルスが印加され
ることにより、被検体表面へ超音波パルスを送波し、そ
れに対する反射波は他方のトランスデュ−サで受波され
て電気信号に変換される。この電気信号はスペクトラム
アナライザに与えられ、反射波スペクトルが解析され
る。

【０００４】ここで被検体表面に弾性的に異方性がある
場合は、トランスデュ−サに対して被検体を相対的に回
転すると、その回転角度に応じて反射波スペクトルに変
化が現れる。この変化を検出することにより、異方性を
測定できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな異方性測定方法では、トランスデュ−サと被検体と
の相対的方向を変化させる、即ちトランスデュ−サと被
検体とを相対的に回転させる機械的制御が必要である。
また、入射角を変化させながら測定する場合には、トラ
ンスデュ−サまたは被検体を傾動させる機械的制御が必
要である。

【０００６】このため、測定に時間を要するという不都
合がある。更に、トランスデュ−サまたは被検体の回転
や傾動の際に測定位置がずれる恐れがある。

【０００７】従って本発明の目的は、機械的制御を伴う
ことなく、超音波の送受波の方向や入射角を様々に選択
することが可能であり、異方性を迅速に測定可能な超音
波トランスデュ−サ及びその製造方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る超音波トランスデューサは、球面状凹
面における少なくとも一つの同心円に沿って、互いに独
立して作動可能な複数の超音波圧電素子が配列されてな
ることを特徴とする。

【０００９】その超音波圧電素子の配列は、球面状凹面
における径方向においては、球面状凹面の複数の直径方
向に沿った配列をなすことが好ましい。

【００１０】本発明の実施例によれば、超音波圧電素子
のうち、一対の超音波圧電素子のみを選択し、その一方
を超音波送波素子、他方を超音波受波素子として作動さ
せるスィッチを更に備える。

【００１１】この場合、選択された一対の超音波圧電素
子は、球面状凹面における同一の直径方向上に位置する
ことが好ましい。

【００１２】本発明の実施例によれば、複数の超音波圧
電素子が、球面状凹面をなす共通の第１の電極と、この
第１の電極の球面状凹面の少なくとも一つの同心円に沿
って配列された複数の第２の電極と、これら第１と第２
の電極により挟まれた圧電体とから一体的に形成されて
いる。

【００１３】また、本発明に係る超音波トランスデュー
サの製造方法は、横断面円形の絶縁体に対し、その円形
の少なくとも一つの同心円に沿って配列されるように複
数の導電体を挿通する行程と、前記導電体の一端面を含
む前記絶縁体の一端面に球面状凹面を形成する行程と、
その球面状凹面上に強誘電体層を形成する行程と、その
強誘電体層上に導電体層を形成する行程と、前記導電体
と導電体層との間に高電圧を印加し、これら導電体と導
電体層とに挟まれた領域における前記強誘電体層を分極
させることにより、前記導電体の配置位置に対応して球
面状凹面上に分布した複数の超音波圧電素子を形成する
行程とを備える。

【００１４】

【作用】本発明に係る超音波トランスデューサによれ
ば、球面状凹面に配列された複数の超音波圧電素子は、
互いに独立に作動可能であるから、何れか一対を選択的
に作動させ、その一方を超音波送波素子、他方を超音波
受波素子として用いることが可能である。従って、どの
素子を作動させるかに応じて、超音波の送受波の方向や
入射角を選択することができる。

【００１５】本発明に係る超音波トランスデューサの製
造方法によれば、導電体層と、複数の導電体との間に高
電圧を印加すると、これら導電体と導電体層とに挟まれ
た領域における強誘電体層は分極されて圧電効果を持
つ。従って、複数の導電体の配置位置に対応して分布し
た複数の超音波圧電素子が形成される。ここで導電体は
球面状凹面の少なくとも一つの同心円に沿って配列され
ているので、一つの球面状凹面上に、その少なくとも一
つの同心円に沿って分布した超音波圧電素子が形成され
る。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明に係る超音波トランスデュー
サを示す。

【００１７】超音波トランスデューサ１は、その一端面
３が球面状凹面をなす集束型斜め入射トランスデューサ
である。球面状凹面３には、その同心円に沿って複数の
超音波圧電素子が配置されている。

【００１８】ここで図２を参照すると、球面状凹面３が
形成される以前の製造途上における超音波トランスデュ
ーサ１が示されている。

【００１９】超音波トランスデューサ１の絶縁性ボディ
５は、例えばベ−クライトから形成されている。球面状
凹面３が形成される以前のボディ５は円柱状である。こ
のボディ５には、複数の棒状の電極、例えば真鍮棒７が
挿通されている。ボディ５の外周は、導電性外筒、例え
ば真鍮性外筒９で被覆されることにより、ボディ５と棒
状電極７とが一体化されている。球面状凹面３が形成さ
れる以前の外筒９は円筒状である。

【００２０】特に図３に示すように、棒状電極７は、ボ
ディ５の例えば二つの同心円に沿って配置されている。
棒状電極７は、ボディ５の径方向では、複数の直径線ｄ
に沿って配列されていることが好ましい。更に、棒状電
極７は、同心円に沿った配置を容易にするために、その
横断面が円弧状に湾曲されていることが好ましい。この
横断面は、その凹面側がボディ５の軸心に対面されてい
る。

【００２１】図２の状態における円柱状のボディ５は、
次いでその一端面（棒状電極７及び外筒９の一端面を含
む）に、図１に示すような球面状凹面３が形成される。

【００２２】この球面状凹面３の形成は、例えば、球面
状凸面をなす適宜な研磨器の上でボディ５の一端面を研
磨することによりなされる。

【００２３】次いで図１に示すように、ボディ５の球面
状凹面３には、薄膜状強誘電体層１１、薄膜状導電体層
１３が順次に形成される。

【００２４】本実施例における薄膜状強誘電体層１１
は、球面状凹面３にポリ弗化ビニリデン・トリフルオロ
エチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）がスピンコ−トにより
塗布され、熱処理（アニーリング）を施されてなるポリ
弗化ビニリデン・トリフルオロエチレン層（以下、Ｐ層
と称す）である。

【００２５】また、本実施例における薄膜状導電体層１
３は、Ｐ層１１に蒸着されたアルミニウム膜である。こ
のアルミニウム膜１３は外筒９と接続される。このアル
ミニウム膜１３は、後述の圧電素子において、球面状凹
面をなす接地電極としての役割を果たす。

【００２６】ここで棒状電極（真鍮）７及び接地電極
（アルミニウム膜）１３に高電圧を印加すると、電極
７，１３に挟まれた部分におけるＰ層１１は分極して圧
電効果を持つ。従って、棒状電極７の配置位置に対応し
た複数の圧電体１５が形成される。

【００２７】その結果、電極７，１３及びそれに挟まれ
た圧電体１５からなる複数の圧電素子が形成される。即
ち、トランスデューサ１は、棒状電極７の配置位置に対
応して球面状凹面３に同心円状に配列された複数の圧電
素子を有することになる。これら複数の圧電素子は、電
極７が独立しているために、互いに独立して作動可能で
ある。

【００２８】このようにして図１に示すような超音波ト
ランスデューサ１が製造される。

【００２９】この超音波トランスデューサ１を測定に使
用する際には、図１に併せて示すように、スイッチ１７
を通じて高周波パルス発振器２１、測定系２３が接続さ
れる。また、トランスデューサ１は、その球面状凹面３
が音場媒体３１を介して被検体３３の表面に対面するよ
うに配置される。

【００３０】スイッチ１７は、トランスデューサ１の外
筒９及び接地電極１３と協働して、複数の圧電素子のう
ちから一対の圧電素子を選択する。これら一対の圧電素
子は、それらの棒状電極７が球面状凹面３上の同一の直
径方向上に位置していることが好ましい。

【００３１】スイッチ１７は、選択された一対の圧電素
子の一方の素子（以下、送波素子と称す）の棒状電極７
を高周波パルス発振器２１に、他方の素子（以下、受波
素子と称す）の棒状電極７を測定系２３に、それぞれ接
続させる。

【００３２】送波素子は、高周波パルス発振器２１から
高周波パルスが印加されることにより超音波を送波す
る。この超音波は、球面状凹面３の集束作用により集束
されつつ、音場媒体３１中を進行して被検体３３の表面
に入射し、ここで反射される。その反射波は、音場媒体
３１中を再伝播して受波素子に受波される。受波素子
は、受波した反射波を電気信号に変換して測定系２３へ
与える。

【００３３】このように、本発明の超音波トランスデュ
ーサ１によれば、複数の圧電素子のうちから一つの送波
素子及び一つの受波素子を選択できる。従って、機械的
制御を伴うことなく、被検体３３の表面に対する超音波
の入射方向及び反射方向を変えることができ、また様々
な入射角を選択することができる。

【００３４】上記のような超音波トランスデューサ１に
よる異方性の測定例について説明する。

【００３５】被検体３３としては、延伸されたポリプロ
ピレンのフィルムを用い、音場媒体３１としては水を用
いた。この測定に用いたトランスデューサ１は、水中パ
スが７ｍｍ、入射角が３０°中心、帯域が１４〜１４０
ＭＨｚである。また、測定系２３としては、スイッチ１
７の出力側に順次に接続され、受波素子の出力信号を増
幅するための増幅器（図示せず）、及び増幅器の出力に
基づいて反射波の周波数分析を実行するためのスペクト
ラムアナライザ（図示せず）を用いた。

【００３６】先ず、超音波の進行方向がフィルム３３の
巻取り機械方向に並行をなすように一対の圧電素子を選
択した（測定例Ａ）。この場合に得られた反射波スペク
トルを図４に示す。

【００３７】次に、超音波の進行方向がフィルムの巻取
り機械方向に対して垂直をなすように一対の圧電素子を
選択した（測定例Ｂ）。この場合に得られた反射波スペ
クトルを図５に示す。

【００３８】図４及び図５に明らかなように、測定例
Ａ，Ｂの反射波スペクトルには明確な違いが現れてい
る。従って、本発明の超音波トランスデュ−サ１により
フィルムの配向性を迅速に測定できることが確かめられ
た。

【００３９】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例に
おいては、棒状電極７は球面状凹面３の二つの同心円に
沿って配列したが、これに代えて、一つの同心円または
三つ以上の同心円に沿って配列してもよい。

【００４０】また、トランスデュ−サ１の各部の構成材
料は、上記実施例に示したものに限定されるものではな
い。

【００４１】更に、上記実施例におけるフィルムの配向
性の測定は、本発明の超音波トランスデュ−サ１による
測定を例示したにすぎず、トランスデュ−サ１によれば
他の異方性の測定も迅速に測定できることは勿論であ
る。

【００４２】

【発明の効果】本発明の超音波トランスデュ−サによれ
ば、球面状凹面に複数の超音波圧電素子を配列すること
により、機械的制御をすることなく、超音波の送受波の
向き、入射角を様々に選択できる。従って、異方性を有
する被検体の弾性的な情報を迅速に測定することが可能
である。

【００４３】本発明の超音波トランスデュ−サの製造方
法によれば、一つの球面状凹面に配列された複数の超音
波圧電素子を形成することができ、特に異方性の測定に
好適な超音波トランスデュ−サを製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成を示し、要部を破
断して示す構成図である。

【図２】製造途上における本発明の超音波トランスデュ
−サを示す斜視図である。

【図３】本発明の超音波トランスデュ−サを球面状凹面
側から見た平面図である。

【図４】本発明の超音波トランスデュ−サによる測定例
を示す図であって、超音波の進行方向がフィルムの巻取
り機械方向に並行をなす場合に得られた反射波スペクト
ルを示す線図である。

【図５】図４に対応して超音波の進行方向がフィルムの
巻取り機械方向に対して垂直をなす場合に得られた反射
波スペクトルを示す線図である。

【符号の説明】

１…超音波トランスデューサ、３…球面状凹面、５…ボ
ディ（絶縁体）、７…棒状電極（第２の電極、導電
体）、１１…ポリ弗化ビニリデン・トリフルオロエチレ
ン層（強誘電体層）、１３…アルミニウム膜（第１の電
極、導電体層）、１７…スィッチ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球面状凹面における少なくとも一つの同
   心円に沿って、互いに独立して作動可能な複数の超音波
   圧電素子が配列されてなることを特徴とする超音波トラ
   ンスデューサ。
2. 【請求項２】 前記超音波圧電素子の配列は、前記球面
   状凹面における径方向においては、前記球面状凹面の複
   数の直径方向に沿った配列をなすことを特徴とする請求
   項１記載の超音波トランスデューサ。
3. 【請求項３】 前記超音波圧電素子のうち、一対の超音
   波圧電素子のみを選択し、その一方を超音波送波素子、
   他方を超音波受波素子として作動させるスィッチを備え
   ることを特徴とする請求項１または２記載の超音波トラ
   ンスデューサ。
4. 【請求項４】 選択された前記一対の超音波圧電素子
   が、前記球面状凹面における同一の直径方向上に位置す
   ることを特徴とする請求項３記載の超音波トランスデュ
   ーサ。
5. 【請求項５】 前記複数の超音波圧電素子が、球面状凹
   面をなす共通の第１の電極と、この第１の電極の球面状
   凹面の少なくとも一つの同心円に沿って配列された複数
   の第２の電極と、これら第１と第２の電極により挟まれ
   た圧電体とから一体的に形成されたことを特徴とする請
   求項１乃至４の何れか１項に記載の超音波トランスデュ
   ーサ。
6. 【請求項６】 横断面円形の絶縁体に対し、その円形の
   少なくとも一つの同心円に沿って配列されるように複数
   の導電体を挿通する行程と、 前記導電体の一端面を含む前記絶縁体の一端面に球面状
   凹面を形成する行程と、 その球面状凹面上に強誘電体層を形成する行程と、 その強誘電体層上に導電体層を形成する行程と、 前記導電体と導電体層との間に高電圧を印加し、これら
   導電体と導電体層とに挟まれた領域における前記強誘電
   体層を分極させることにより、前記導電体の配置位置に
   対応して球面状凹面上に分布した複数の超音波圧電素子
   を形成する行程と、を備えることを特徴とする超音波ト
   ランスデューサの製造方法。