JPH057836Y2 - - Google Patents
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- JPH057836Y2 JPH057836Y2 JP1987168403U JP16840387U JPH057836Y2 JP H057836 Y2 JPH057836 Y2 JP H057836Y2 JP 1987168403 U JP1987168403 U JP 1987168403U JP 16840387 U JP16840387 U JP 16840387U JP H057836 Y2 JPH057836 Y2 JP H057836Y2
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- ultrasonic sensor
- polymer foil
- electrode
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
- G01H3/005—Testing or calibrating of detectors covered by the subgroups of G01H3/00
-
- 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
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本考案は、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、電極と電気的に結合されている部
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。
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、電極と電気的に結合されている部
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。
超音波範囲内の衝撃波は1MHzを越える高い周
波数の成分としばしば1kbarを越える高い圧力と
を有する短いインパルスである。これらの衝撃波
は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第3328051号
明細書に一層詳細に説明されているように、たと
えば結石除去術において結石、たとえば腎石の破
砕のために使用される。特に、このような医学へ
の応用に際しては、衝撃波を正確に測定し、焦点
を正確に定め、かつ結石破砕器の作動を監視する
ことが不可欠である。そのためには、十分に広い
帯域幅をもつてそのつどの衝撃波の時間的経過を
表し得るセンサが用意されなければならない。さ
らに、このセンサは衝撃波を最高圧力の場所、す
なわち破砕すべき結石が置かれる焦点において
も、それ自体が破砕されることなく、正確にかつ
再現可能に測定し得るものでなければならない。
換言すれば、1kbarを越え得る比較的高い圧力が
確実に測定されなければならず、またセンサは丈
夫な構造でなければならない。
波数の成分としばしば1kbarを越える高い圧力と
を有する短いインパルスである。これらの衝撃波
は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第3328051号
明細書に一層詳細に説明されているように、たと
えば結石除去術において結石、たとえば腎石の破
砕のために使用される。特に、このような医学へ
の応用に際しては、衝撃波を正確に測定し、焦点
を正確に定め、かつ結石破砕器の作動を監視する
ことが不可欠である。そのためには、十分に広い
帯域幅をもつてそのつどの衝撃波の時間的経過を
表し得るセンサが用意されなければならない。さ
らに、このセンサは衝撃波を最高圧力の場所、す
なわち破砕すべき結石が置かれる焦点において
も、それ自体が破砕されることなく、正確にかつ
再現可能に測定し得るものでなければならない。
換言すれば、1kbarを越え得る比較的高い圧力が
確実に測定されなければならず、またセンサは丈
夫な構造でなければならない。
圧力が比較的低い場所には、これまで超音波セ
ンサとして種々の構成(ピ−、エイ、リユーイン
(P.A.Lewin)、超音波、(U1trasonics)、1981年
9月、第213〜216頁;アール、シー、プレストン
(R.C.Preston)ほか、ジヤーナル、オブ、フイ
ジクス、イー(J.Phys.E.):サイアンテイフイツ
ク、オブ、インスツルメンツ(Sci.Instrum.)第
16号(1983),第786〜796頁)のダイアフラムハ
イドロホンが使用された。すべての場合にセンサ
は測定箔として圧電ポリマー、金属層を被覆され
たポリフツ化ビニリデン(PVDF)を含んでい
る。
ンサとして種々の構成(ピ−、エイ、リユーイン
(P.A.Lewin)、超音波、(U1trasonics)、1981年
9月、第213〜216頁;アール、シー、プレストン
(R.C.Preston)ほか、ジヤーナル、オブ、フイ
ジクス、イー(J.Phys.E.):サイアンテイフイツ
ク、オブ、インスツルメンツ(Sci.Instrum.)第
16号(1983),第786〜796頁)のダイアフラムハ
イドロホンが使用された。すべての場合にセンサ
は測定箔として圧電ポリマー、金属層を被覆され
たポリフツ化ビニリデン(PVDF)を含んでい
る。
PVDFにより、たとえば10MHzの広い周波数帯
域幅が実現され得る。しかし、前記の形式のすべ
てのセンサは衝撃波源の焦点における衝撃波の検
地には適していないことが判明している。すなわ
ち、それらは振幅が約1kbar(108Pa)の範囲内に
あり得る高い圧力に、同時の急峻な(立ち上がり
時間がは1μsを下回り得る)衝撃波の立ち上がり
側縁において、焦点内で耐えられない。それらは
少数の衝撃波インパルスの後に使用不能になる。
特に、センサの敏感な個所、すなわちポリマー箔
の能動化されている個所の付近の電気的接触部が
衝撃波の検知の際に破壊される。
域幅が実現され得る。しかし、前記の形式のすべ
てのセンサは衝撃波源の焦点における衝撃波の検
地には適していないことが判明している。すなわ
ち、それらは振幅が約1kbar(108Pa)の範囲内に
あり得る高い圧力に、同時の急峻な(立ち上がり
時間がは1μsを下回り得る)衝撃波の立ち上がり
側縁において、焦点内で耐えられない。それらは
少数の衝撃波インパルスの後に使用不能になる。
特に、センサの敏感な個所、すなわちポリマー箔
の能動化されている個所の付近の電気的接触部が
衝撃波の検知の際に破壊される。
ヨーロツパ特許出願公開第0227985号明細書に
は、衝撃波を結石破砕器の焦点内でも安定に検知
し得る冒頭に記載した種類のセンサが提案されて
いる。このセンでは金属の電気的接触部がPVDF
ダイアフラムまたは箔の圧電的に能動的な領域か
ら空間的に離れて位置している。この配置は比較
的低い感度に通じ得る。
は、衝撃波を結石破砕器の焦点内でも安定に検知
し得る冒頭に記載した種類のセンサが提案されて
いる。このセンでは金属の電気的接触部がPVDF
ダイアフラムまたは箔の圧電的に能動的な領域か
ら空間的に離れて位置している。この配置は比較
的低い感度に通じ得る。
本考案の目的は、圧電的に能動化されているポ
リマー箔を有する冒頭に記載した種類の超音波セ
ンサであつて、特に高エネルギーの衝撃波の測定
に十分な感度で使用可能であり、また使用寿命が
長い超音波センサを提供することである。
リマー箔を有する冒頭に記載した種類の超音波セ
ンサであつて、特に高エネルギーの衝撃波の測定
に十分な感度で使用可能であり、また使用寿命が
長い超音波センサを提供することである。
この目的は、本考案によれば、第1の電極がポ
リマー箔の能動化されている部分範囲に接してお
り、また第2の電極が圧電的に能動化されている
部分範囲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により達成され
る。
リマー箔の能動化されている部分範囲に接してお
り、また第2の電極が圧電的に能動化されている
部分範囲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により達成され
る。
衝撃波インパルスの生起の際、ポリマー箔の圧
電的に能動化されている部分範囲内に電荷が生ず
る。第1の電極は、たとえば特にPVDF箔から成
るポリマー箔の後側の圧電的に能動化されている
部分範囲と弱く接触しており、また1つの前置増
幅器の第1の入力端に接続されている。第2の電
極はたとえば格子として構成されており、また接
地点に接続されている。前置増幅器の第2の入力
端は同じく接地点に接続されている。こうして、
(電荷)信号がポリマー箔の圧電的に能動的な個
所からガルバニツクに取り出され、且つ増幅され
る。前記の構造によりセンサの十分に良好な感度
および長い使用寿命が特に高い圧力に対しても得
られる。
電的に能動化されている部分範囲内に電荷が生ず
る。第1の電極は、たとえば特にPVDF箔から成
るポリマー箔の後側の圧電的に能動化されている
部分範囲と弱く接触しており、また1つの前置増
幅器の第1の入力端に接続されている。第2の電
極はたとえば格子として構成されており、また接
地点に接続されている。前置増幅器の第2の入力
端は同じく接地点に接続されている。こうして、
(電荷)信号がポリマー箔の圧電的に能動的な個
所からガルバニツクに取り出され、且つ増幅され
る。前記の構造によりセンサの十分に良好な感度
および長い使用寿命が特に高い圧力に対しても得
られる。
本考案の他の利点および実施態様は実用新案登
録請求の範囲第2項以下にあげられており、また
以下の図面による説明から明らかになろう。
録請求の範囲第2項以下にあげられており、また
以下の図面による説明から明らかになろう。
図面によれば、衝撃波を検知するための超音波
センサ2は1つの薄い特に半円形のポリマー箔ま
たはポリマーダイアフラム4を含んでいる。この
ポリマー箔は1つのリング状の支持体の内部に、
ここでは2つのクランプリング6a,6bの間に
ぴんと張られている。クランプリング6a,6b
は1つの円筒状の絶縁材料製の内径Dのケースの
部分である。クランプリング6a,6bの内側の
端面の上にポリマー箔4が縁側で固定されてい
る。ポリマー箔4は好ましくはポリフツ化ビニリ
デン(PVDF)から成つている。ポリマー箔4は
その中央部分範囲42で分極されており、従つて
またそこでのみ圧電的に能動化されている。圧電
的に能動化されている部分範囲42は圧電的に非
能動的な1つのリング状範囲44により囲まれて
いる。ポリマー箔4自体は全く金属接触部を設け
られていない。部分範囲42は、ポリマー箔4の
平らな面に対して垂直に延びている中心軸線22
に関して回転対象に配置されている。部分範囲4
2は好ましい応用例では結石破砕器の(図示され
ていない)衝撃波源の焦点に置かれる。その際に
ケースの左側の端面は衝撃波インパルスpを送り
出す衝撃波源のほうに向けられている。
センサ2は1つの薄い特に半円形のポリマー箔ま
たはポリマーダイアフラム4を含んでいる。この
ポリマー箔は1つのリング状の支持体の内部に、
ここでは2つのクランプリング6a,6bの間に
ぴんと張られている。クランプリング6a,6b
は1つの円筒状の絶縁材料製の内径Dのケースの
部分である。クランプリング6a,6bの内側の
端面の上にポリマー箔4が縁側で固定されてい
る。ポリマー箔4は好ましくはポリフツ化ビニリ
デン(PVDF)から成つている。ポリマー箔4は
その中央部分範囲42で分極されており、従つて
またそこでのみ圧電的に能動化されている。圧電
的に能動化されている部分範囲42は圧電的に非
能動的な1つのリング状範囲44により囲まれて
いる。ポリマー箔4自体は全く金属接触部を設け
られていない。部分範囲42は、ポリマー箔4の
平らな面に対して垂直に延びている中心軸線22
に関して回転対象に配置されている。部分範囲4
2は好ましい応用例では結石破砕器の(図示され
ていない)衝撃波源の焦点に置かれる。その際に
ケースの左側の端面は衝撃波インパルスpを送り
出す衝撃波源のほうに向けられている。
円板状の中央部分範囲42の直径dはポリマー
箔4の自由直径Dよりもはるかに小さい。ポリマ
ー箔4の厚みZは10μmと100μmとの間、特に
25μmと50μmとの間である。いまの例では厚みZ
はたとえば25μmである。直径dはたとえば1な
いし2mm、また直径Dはたとえば50または100mm
である。直径dは測定の際の位置分解能を定め
る。
箔4の自由直径Dよりもはるかに小さい。ポリマ
ー箔4の厚みZは10μmと100μmとの間、特に
25μmと50μmとの間である。いまの例では厚みZ
はたとえば25μmである。直径dはたとえば1な
いし2mm、また直径Dはたとえば50または100mm
である。直径dは測定の際の位置分解能を定め
る。
衝撃波pの方向に見て中央部分範囲42の後側
に1つのピンまたは釘の形態の第1の電極200
が合成樹脂、たとえばプレキシガラスから成る1
つの薄いブリツジ202の上に配置されている。
こうして薄い超音波透過性のブリツジ202は折
り曲げられた金属製接触ピン、すなわち電極20
0に対する保持要素としての役割をする。ブリツ
ジ202は右側のクランプリング6bに取付けら
れている。
に1つのピンまたは釘の形態の第1の電極200
が合成樹脂、たとえばプレキシガラスから成る1
つの薄いブリツジ202の上に配置されている。
こうして薄い超音波透過性のブリツジ202は折
り曲げられた金属製接触ピン、すなわち電極20
0に対する保持要素としての役割をする。ブリツ
ジ202は右側のクランプリング6bに取付けら
れている。
ピン200は少し丸みをつけられまた背部20
3と反対側で広げられている頭部側204を有
し、その面積は能動化されている部分範囲42の
面積とほぼ等しい。ピン200の直角に折り曲げ
られた背部203はクランプリング6bを通して
適当な個所で半径方向に導き出されている。ピン
200は、頭部側204が中央部分範囲42と直
接に向かい合い、またこれと軽い機械的偏倚力も
のとに、すなわち弾性的に接触するように調節さ
れている。偏倚力は特に支持体、クランプリング
6bへの取付方の選定により与えられ得る。偏倚
力の大きさはリング6bを貫通する場所、背部2
03の長さおよびその材料に関係する。特に部分
範囲42上に頭部側204が載る圧力を機械的手
段により、たとえばねじをずらすことにより設定
する可能性(図示せず)が設けられていてもよ
い。
3と反対側で広げられている頭部側204を有
し、その面積は能動化されている部分範囲42の
面積とほぼ等しい。ピン200の直角に折り曲げ
られた背部203はクランプリング6bを通して
適当な個所で半径方向に導き出されている。ピン
200は、頭部側204が中央部分範囲42と直
接に向かい合い、またこれと軽い機械的偏倚力も
のとに、すなわち弾性的に接触するように調節さ
れている。偏倚力は特に支持体、クランプリング
6bへの取付方の選定により与えられ得る。偏倚
力の大きさはリング6bを貫通する場所、背部2
03の長さおよびその材料に関係する。特に部分
範囲42上に頭部側204が載る圧力を機械的手
段により、たとえばねじをずらすことにより設定
する可能性(図示せず)が設けられていてもよ
い。
ピン200は導線206を有し、この導線20
6は前置増幅器210の第1の入力端208に通
じている。、前置増幅器210の第2の入力端2
12は接地されている。
6は前置増幅器210の第1の入力端208に通
じている。、前置増幅器210の第2の入力端2
12は接地されている。
衝撃波インパルスpの生起の際、圧電的に能動
化されている部分範囲42内に電荷が生ずる。こ
れら信号として部分範囲42から電極200およ
び導線206を経て、”読み出され”、前置増幅器
210で増幅される。
化されている部分範囲42内に電荷が生ずる。こ
れら信号として部分範囲42から電極200およ
び導線206を経て、”読み出され”、前置増幅器
210で増幅される。
ポリマー箔4の前側には、能動化されている部
分範囲42から空間的に隔てられている第2の電
極8が取り付けられている。これは種々の形態で
構成されていてよい。図示されている例では、第
2の電極8は、接地されている1つの金属格子2
14と接地されている1つの薄い金属リング21
6とから成つている。接地格子214は接地リン
グ216と電気的に接続されている。格子214
は超音波に対して、従つてまた衝撃波に対して透
過性である。軸線22に対して中心に配置されて
いる金属リング216はほぼ直径Dを有する。こ
うして金属リング216は部分範囲42を囲んで
いる。
分範囲42から空間的に隔てられている第2の電
極8が取り付けられている。これは種々の形態で
構成されていてよい。図示されている例では、第
2の電極8は、接地されている1つの金属格子2
14と接地されている1つの薄い金属リング21
6とから成つている。接地格子214は接地リン
グ216と電気的に接続されている。格子214
は超音波に対して、従つてまた衝撃波に対して透
過性である。軸線22に対して中心に配置されて
いる金属リング216はほぼ直径Dを有する。こ
うして金属リング216は部分範囲42を囲んで
いる。
クランプリング6a,6bはそれらのポリマー
箔4と反対側の平らな面に、良好な超音波透過性
の材料から成るそれぞれ1つの覆い板122また
は124を設けられている。こうしてポリマー箔
4と覆い板122および124との間にそれぞれ
1つの液密な室100aまたは100bが形成さ
れている。これらの室はたとえば水のような液状
誘電体で満たされており、また圧力平衡の目的で
中間壁(ポリマー箔4)内の小さい孔または溝2
18を経て互いに連通している。1つの有利な実
施例では、覆い板122および124は合成樹
脂、特にポリマーから成つている。誘電体は好ま
しくは液体である。この液体は、衝撃インパルス
pを超音波センサ2のほうに導く超音波伝播媒体
とほぼ等しい音響インピーダンスを有する。この
インパルスは電気的信号として前置増幅器210
の出力端230から取り出される。
箔4と反対側の平らな面に、良好な超音波透過性
の材料から成るそれぞれ1つの覆い板122また
は124を設けられている。こうしてポリマー箔
4と覆い板122および124との間にそれぞれ
1つの液密な室100aまたは100bが形成さ
れている。これらの室はたとえば水のような液状
誘電体で満たされており、また圧力平衡の目的で
中間壁(ポリマー箔4)内の小さい孔または溝2
18を経て互いに連通している。1つの有利な実
施例では、覆い板122および124は合成樹
脂、特にポリマーから成つている。誘電体は好ま
しくは液体である。この液体は、衝撃インパルス
pを超音波センサ2のほうに導く超音波伝播媒体
とほぼ等しい音響インピーダンスを有する。この
インパルスは電気的信号として前置増幅器210
の出力端230から取り出される。
超音波センサ2の利点は、圧電的に能動化され
ている部分範囲42におけるガルバニツクな信号
取り出しである。それにより超音波センサ2の感
度がキヤパシタンスによる取り出しに比較しては
るかに高められる。
ている部分範囲42におけるガルバニツクな信号
取り出しである。それにより超音波センサ2の感
度がキヤパシタンスによる取り出しに比較しては
るかに高められる。
図面は本考案の実施例の断面図である。
2……超音波センサ、4……ボリマー箔、6
a,6b……クランプリング、8……第2の電
極、42……能動化されている部分範囲、100
a,100b……室、122,124……覆い
板、200……第1の電極(ピン)、203……
背部、206……導線、208……第1の入力
端、210……前置増幅器、212……第2の入
力端、214……金属格子、216……金属リン
グ、230……出力端。
a,6b……クランプリング、8……第2の電
極、42……能動化されている部分範囲、100
a,100b……室、122,124……覆い
板、200……第1の電極(ピン)、203……
背部、206……導線、208……第1の入力
端、210……前置増幅器、212……第2の入
力端、214……金属格子、216……金属リン
グ、230……出力端。
Claims (1)
- 【実用新案登録請求の範囲】 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4
が少なくとも、電極8,200と電気的に結合
されている部分範囲42で圧電的に能動化され
ている超音波センサにおいて、第1の電極20
0がポリマー箔4の能動化されている部分範囲
42に接しており、また第2の電極8が圧電的
に能動化されている部分範囲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。 2 第1の電極200がピンとして構成されてお
り、またポリマー箔4がその丸められた頭部側
204に軽い偏倚力のもとに接していることを
特徴とする実用新案登録請求の範囲第1項に記
載の超音波センサ。 3 第1および第2の電極200,8が1つの増
幅器210に接続されていることを特徴とする
実用新案登録請求の範囲第1項または第2項記
載の超音波センサ。 4 能動化されている部分範囲42の大きさが、
この部分範囲42と接触するピンの頭部204
の面積と等しいことを特徴とする実用新案登録
請求の範囲第2項または第3項記載の超音波セ
ンサ。 5 能動化されている部分範囲42がポリマー箔
4の中央部分に配置されており、ポリマー箔4
が縁側で1つのケース6により張られており、
第1の電極200がポリマー箔4の後側に接し
ており、この電極200が折り曲げられた接触
ピンとして構成されており、またこの接触ピン
がそのケース6への取付により弾性的にポリマ
ー箔4の後側の能動化されている部分範囲42
に接していることを特徴とする実用新案登録請
求の範囲第1項ないし第4項のいずれか1項に
記載の超音波センサ。 6 ポリマー箔4が圧力平衡のための少なくとも
1つの開口218を設けられていることを特徴
とする実用新案登録請求の範囲第1項ないし第
5項のいずれか1項に記載の超音波センサ。 7 ポリマー箔4により互いに隔てられている2
つの室100a,100bが設けられているこ
とを特徴とする実用新案登録請求の範囲第1項
ないし第6項にいずれか1項に記載の超音波セ
ンサ。 8 各室100a,100bが1つのクランプリ
ング6a,6bを含んでいることを特徴とする
実用新案登録請求の範囲第7項に記載の超音波
センサ。 9 第2の電極8がポリマー箔4から間隔をおい
て配置されている金属格子214を含んでいる
ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第1
項ないし第8項のいずれか1項に記載の超音波
センサ。 10 金属格子214が、能動的されている部分範
囲42を含んでいる1つの金属リング216と
電気的に接続されていることを特徴とする実用
新案登録請求の範囲第9項に記載の超音波セン
サ。
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