JPH067716B2

JPH067716B2 - トランスデユ−サ

Info

Publication number: JPH067716B2
Application number: JP58158902A
Authority: JP
Inventors: ヘンリー・ピーター・ビアマン
Original assignee: Analogic Corp
Current assignee: Analogic Corp
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPS6062300A

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野この発明は、超音波トランスデューサ、特に多焦点の超
音波トランスデューサに関するものである。

発明の背景例えば、医学上の診断に用いられる超音波トランスデュ
ーサは、焦点距離が特定されており、その構造は、圧電
気要素が球面曲率の曲面をなしたセラミック体と、これ
を支持する音響減衰の支持体とを備えているか、また
は、圧電気要素がフラットで、音響減衰の支持体により
支持され、前記要素の前面に音響作用のレンズが配置さ
れ、所定の焦点を結ぶようになっている。これらのもの
は、すべて焦点距離が特定され、焦点距離を変える場合
には、それに合ったトランスデューサを別々に選択して
使用する必要がある。

発明の要約この発明は、一基のトランスデューサが異なった焦点距
離を備え、焦点距離を変える場合でも別の焦点距離をも
ったものを必要とせず、一基のトランスデューサですべ
て事足りるようにしたトランスデューサを提供するもの
である。この発明に係るトランスデューサは、スパイラ
ル曲面をもった圧電気要素を用い、これにより多焦点構
造としたものであり、圧電気要素には、例えば、弗化ポ
リビニリデンなどの圧電気フイルムを用い、スパイラル
曲面の支持体に支持させたものである。圧電気要素は、
区部に区分され、それぞれの区部は、スパイラル曲面を
通る共通の面に焦点を結びようになっている。スパイラ
ル曲面は、スパイラルの長さ方向にそって焦点を結び、
直交方向の焦点は、圧電気フイルムの各区部の前面のフ
レネル・パターンにより得られる。これらのパターン
は、前記フイルムの幅方向を横切る前面の電極帯により
形成される。各区部の前面電極帯は、直列または並列、
または直列-並列組合わせの接続方式により電気的に接
続され、この接続方式は、使用目的に要求されるキャパ
シタンスとリアクタンスとにより定まる。各区部の電極
パターンは、端子を備え、電気または電子回路と通じて
いる。背面電極は、前記フイルムの背面に形成され、連
続的な導電層となっており、各区部への共通の端子を備
えている。フレネル・パターンは、特に必要なものでは
なく、超音波焦点を線状焦点とするため一方向に向ける
場合には、スパイラル曲面のフイルム前面に各区部にわ
たり連続する電極層を設けてもよい。

発明の詳細な説明第１図と第２図には、この発明に係る超音波トランスデ
ューサが示してある。このトランスデューサは、圧電気
フイルム10が音響減衰または吸音作用を有する素材から
なる支持体12により支持されており、この支持体12の圧
電気フイルム10の支持面14は、図示のようにスパイラル
な曲面になっており、幅および長さは、均一になってい
る。音響減衰のためのフイラーをつめた音響減衰部16
は、前記支持体と後部に連設されており、両者はハウジ
ング18に収納されている。第１、３図に示すように、圧
電気フイルム10は、その長さ方向にそって、区分されて
おり、区分された各区部は、それぞれ異なった焦点距離
をもっている。第７図に示すように、区部10aは、0
₁に、区部10bは、0₂に、区部10cは0₃に、区部10dは、0₄
に、それぞれ焦点を有している。焦て点0₁から焦点0
₄は、トランスデューサの光軸20の軸線上にある。各区
部は、半径または曲率を連続的に変えて断面形状を真の
スパイラル状にすることも、また、半径を一定にしてス
パイラル状にすることもできる。

フイルム10の各区部は、フイルムの幅方向に横切るフレ
ネス(Fresnel)パターンを有しており、各幅方向におい
て焦点と結ばれるようになっている。スパイラル状の曲
面の長さ方向における焦点は、各区部の曲面よって与え
られる。各区部のフレネル・ゾーン・パターンは、それ
ぞれ僅かづつ異なっており、これにより焦点距離が相違
している。各区部におけるフレネル・パターンは、フイ
ルム10の表面に施される導電ストリップ22により形成さ
れるもので、これらの前面電極として作用する導電スト
リップには、通電されて、所定のキャパシタンスとリア
クタンスを備える。フイルム10の裏面側には、背面電極
24が連続した導電層として形成されており、各区部の共
通の電極として作用するようになっている。

第５図に示すように、フレネル・パターンは、複数本の
電極帯からなり、これらの電極帯は、中心軸を対称軸と
して左右対称になっている。そして、各電極帯は、所定
の離隔寸法をもって隣り合っている。各電極帯の中心軸
は、フレネル・パターン全体の中心軸から距離ｄをもっ
て離れており、この距離は、式１から得られる。

式１ｄ＝±[(nλ)(2a+nλ)］_1/2 式１において、ｎは各電極帯に対する連続した整数0,1,
2,3などであり、ａは、スパイラル曲面における特定の
区部の平均焦点距離を示し、λはサイクル当りの波長を
示す。

各電極帯の幅Δｄは、式１における整数ｎをｎ±０．２
５に置きかえることにより得られる。各電極帯のの間に
おける領域の中心は、式１の整数ｎを(2n+1)/2に置きか
えることにより得られる。

電極帯の数が少ないときは、式１は、次の式２とすれば
よい。

式２ｄ＝±(2anλ)_1/2 例えば、1MHzの周波数ｆ、焦点距離10cm、水中の音速1.
5×10⁵cm/sec、波長λをv/f＝(1.5×10⁵）/10⁶＝0.15cm
/サイクルとすると、各電極帯の中心は、次の式３で得
られる。

式３ｄ＝±(2aλ)_1/2(n)_1/2＝１．７３２ｎ_1/2 上の式が成立するためには、各区部は一定の等しい半径
をもち、焦点距離も一定の等しい寸法となっているもの
とみなされる。そして、各区部の表面は、焦点距離をわ
ずかづつ異にするスパイラル曲面の一部であるから、各
電極帯の位置は、焦点距離の平均値をもって計算すべき
ものである。あるいは、電極帯は、曲面の両端部を分け
て計算し、焦点距離の相違に合わせることもできる。

各区部における電極帯は、直列または並列、または直列
・並列組合わせの結合状態で電気的に接続され、所定の
キャパシタンスを有するようにされ、その結果、25〜50
オームの範囲のリアクタンスを得るようになっている。
各区部は、それぞれ端子25を備えており（第５図）、こ
れらの端子を介して電気回路に電気的に接続し、印加さ
れた超音波エネルギに応答する信号処理が行なれる。背
面電極は、各区部すべてに共通のもので、共通の端子を
もち、各区部すべての第二端子として作用する。図示の
実施例においては、圧電気フイルムは、弗化ポリビニリ
デン(PVF₂)であり、電極帯、電極面（背面電極）は、ニ
ッケル-クロム合金から作られている。前記電極は、真
空蒸着などの公知の手段によりフイルム面上に形成され
る。前記の弗化ポリビニリデンは、広域周波数リスポン
ス性をもち、したがって、せまい周波数帯域リスポンス
のPZT素材に対するほどの厳密さがフイルム厚さに要求
されない。例えば、周波数係数が約20KHz-インチの場
合、１MHzで作動するフイルムは約250〜500ミクロンの
厚さである。また、導電係数Ｋが13の場合、フレネル・
パターンの電極帯における一平方cm当りのキャパシタン
スＣは、式４により得られる。

式４Ｃ＝e'K/ｔ上記の式において、e'は、フリースペース（０．０８８
×10_-12)の許容度であり、ｔは、フイルムの厚さ(cm)を
表わす。厚さ250ミクロンのフイルムの場合、キャパシ
タンスＣは、平方cm当り46ピコファラッドである。リア
クタンスXcが50オームであると、キャパシタンスは、式
６で得られる。

式６Ｃ＝(2πfXc)X_-1＝3185ピコファラッド各区部における電極帯は、並列に接続され、電極帯全部
は、平方cm当り3185ピコファラッド/46ピコファラッ
ド、すなわち69平方cmとなる。

二本の直交軸における焦点が必要でないときは、フレネ
ル・パターンは設けなくともよく、前面側の電極は、圧
電気フイルムの前面の各区部に形成された連続の電極層
により構成される。この事例では、前記実施例において
設けられた焦点と区別される、線状焦点がスパイラル曲
面の各区部により設けられる。

第６図は、圧電気フイルム10がセラミック圧電気支持体
30[例えば、鉛・ジルコネート・チタネート(PZT)]によ
り支持されている実施例を示す。この例においては、両
圧電気素材は、前記実施例と同様にスパイラル曲面にそ
って配置されている。この二重の層は、前記実施例と同
じく、音響減衰体が後部に配置されるか、そしてハウジ
ングに納められる。PZT支持体30は、焼成前にスパイラ
ル曲面状に曲成され、焼成によって保形され、ついで、
圧電気フイルム10が前記支持体３０に接合される。この
フイルムの両面には、前面電極と背面電極が設けられ、
これらに端子が接続される。前記フイルムの前面側の各
区部にフレネル電極パターンが設けられ、前記支持体の
前面には、圧電気層が両者の間にはさまれた共通の電極
として設けられる。また、前記支持体の前面側の各区部
にフレネル・電極パターンを設け、圧電気フイルムの背
面側に設けた背面電極層との間を絶縁スペーサで仕切
り、これら二つのトランスデューサの間の電気絶縁を行
なうようにすることもできる。

弗化ポリビニリデン・フイルムは、超音波を通すより
も、これを受ける点でより有効であり、PZT支持体は、
これと反対の性能を有している。したがって、第６図に
示すような複合構造体の場合、PZT支持体は、被検査体
に焦点が当られた超音波エネルギの通過に対する適当な
駆動信号によりエネルギ化され、前記フイルムは、該フ
イルムの各区部に当られたエネルギを受けて作動し、受
けた超音波エネルギを代表する出力信号を発生する。

この発明に係るトランスデューサは、水中トランスデュ
ーサとして主に医学上の診断に用いられる。このトラン
スデューサは、水その他の液体を入れた器の中に置か
れ、水などの液体を介して被検査体と対面する。超音波
エネルギはトランスデューサから液中に没している被検
査体へ伝達される。また、生体組織（リビング・ティッ
シュ）に対し、薄い液体またはゲル層を介してトランス
デューサを直かに結合してもよい。

この発明のトランスデューサは、音波応用機器に利用す
ることができ、例えば、ソナーとして用いることができ
る、この場合には、ソナーとして用いるよう、トランス
デューサの寸法を大型化し、低周波数に適合できるよう
にする、医学診断の目的に用いる場合には、周波数は、
１〜10MHzの範囲であり、ソナーの場合には、約30KHzで
作動する。

この発明は、前記実施例に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る多焦点の超音波トランスデュ
ーサの斜視図、第２図は、第１図のトランスデューサの断面図、第３図は、第１図のトランスデューサの正面図、第４図は、圧電気フイルムと支持体との分解斜視図、第５図は、圧電気フイルムの前面に施した電極パターン
の部分斜視図、第６図は、他の実施例における要部断面図、第７図は、多焦点の状態を示す圧電気フイルムの説明図
である。 10・・・圧電気フイルム 10a、10b、10c、10d・・・圧電気フイルムの区部 12・・・支持体 14・・・スパイラル曲面 16・・・音響減衰部 18・・・ハウジング 20・・・中心軸 22・・・導電ストリップ 24・・・背面電極 25・・・端子 30・・・セラミック圧電気支持体 0₁、0₂、0₃、0₄・・・焦点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面がスパイラル曲面を呈する圧電気要素
と、該要素の背面側にある背面電極と該要素の前面に設
けられた前面電極とを備え、前記要素は、その長さ方向
にそって区部に区分され、各区部は、それぞれ異なる焦
点距離をもち、前記要素と前面および背面電極とが支持
体により支持されている構成からなる超音波トランスデ
ューサ。
【請求項２】スパイラル曲面の圧電気要素の前面に一方
向のフレネル・パターンがスパイラル曲面の軸を横切る
軸にそって配置され、各区分は、前記スパイラル曲面の
それぞれの区部に相当する部分の焦点距離に相当する異
なった焦点距離を備えている特許請求の範囲第１項記載
のトランスデューサ。
【請求項３】スパイラル曲面におけるフレネル・パター
ンは、スパイラル曲面の中心軸に対し対称になっている
特許請求の範囲第１項記載のトランスデューサ。
【請求項４】圧電気要素は、スパイラル曲面に形成され
た圧電気フイルムである特許請求の範囲第１項記載のト
ランスデューサ。
【請求項５】圧電気フイルムは、弗化ポリビニリデンで
ある特許請求の範囲第４項記載のトランスデューサ。
【請求項６】フレネル・パターンは、スパイラル軸方向
にのびている間隔をおいた複数本の電極帯によって形成
されている特許請求の範囲第２項記載のトランスデュー
サ。
【請求項７】各区分の電極帯は、電気的に接続され、所
定のキャパシタンスとリアクタンスを有している特許請
求の範囲第６項記載のトランスデューサ。
【請求項８】フレネル・パターンは、電極帯を有し、ス
パイラル曲面の長さ方向の軸にそって、かつ、横軸を通
ってのびており、これら電極帯は、所定の幅と間隔をも
って形成されている特許請求の範囲第２項記載のトラン
スデューサ。
【請求項９】フレネル・パターンは異なった幅と間隔を
もち、それぞれの焦点距離をもっている特許請求の範囲
第８項記載のトランスデューサ。
【請求項１０】支持体には、音響減衰部が含まれている
特許請求の範囲第９項記載のトランスデューサ。
【請求項１１】支持体は、圧電気要素が配置されるスパ
イラル曲面をもった音響減衰素材ブロックからなる特許
請求の範囲第９項記載のトランスデューサ。
【請求項１２】圧電気要素は、均一な幅をもっている特
許請求の範囲第１１項記載のトランスデューサ。