JPS5815400A - 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】 との発明は、高分子圧電材料またはこれに無機屯しくけ
有＠Ｏ強靜電体材料を含む圧電体材料からなる圧電体シ
ートを用いた圧電型電気音響変換器に関する。

第１図紘従来のこの種の圧電型電気音響変換器の基本構
成を模式的に示している。１は高分子材料またはこれに
無機もしくは有機の強誘電体材１料を含んだ可撓性の圧
電体シートであり、その表裏面にそれぞれ電極２．３が
設けられている。圧電体シートｌは図に示すように、厚
み方向に例えば表面側が正極、裏面側が負極となるよう
に分極処理が施されている。

ところでこの種の圧電型電気音響変換器で、高感度化を
図ったものとして、２枚Ｏ圧電体シートを貼シ合わせた
いわゆるバイモルフ振動子が知られている。その−例の
模式的構成を第２図に示す□、１１　　ｍ　７ｍが前述
しえような可撓性の圧電体シードであって、それぞれ電
極２１　。

３１およびｊｌｅＪｌが設けられておシ、これらが図示
のように分極方向を逆にして接着剤４によ００合わせら
れ、電極１１．２ｓから端子が取出されている。とＯ構
成は直列１１ＩＡイモルアと呼ばれる。

第３図はこの直列型・量イ＃にルフ振動子を曲げたとき
の電荷発生Ｏ様子を模式的に示している。

端子間には、２枚の圧電体シートの出力電圧が加え合わ
されて１枚のみの場合に比べて大きい出力電圧が得られ
ることになる。

第２図とは逆に、２枚の圧電体シートを分極方向を揃え
て貼り合わせえものは、並列型バイモルフ振動子と呼ば
れる。この場合、外側の電極同志を短絡して１つの端子
を散出し、内部の電極からもう１つの端子を取出すこと
によ）、や拡〉蘭げ九ときに２枚の圧電体シートの出方
電圧が加え合わされ九大きな出方電圧が得られ、高感度
化が図られる。

しかしながら、従来の・櫂イモルア振動子には次のよう
な欠点がある。即ち、圧電型電気音響変換器の信頼性が
、接着剤の信頼性に依存する丸め低い、また圧電体シー
トと接着剤との硬度中熱膨張率の遠いによシ、・豐イモ
ルフの表裏の積項が著しく興なる場合中高温多深下での
使用、ヒートシ胃ツク等により振動子にそシが生、切る
。

更に接着剤層の電気容量成分が感度低下、周波数特性低
下の原因となり、ＩＩ＃に圧電体シートの厚みが接着剤
層のそれに近接してくると著しい感度低下を余儀なくさ
れる。更に接着剤層の厚さのばらつきは圧電型電気音響
変換器の特性のばらつきに大きく影響する。

例えば、第２図の／４イモルア振動子の厚み振動モー？
を直接的に利用するものとして医用超音波探触子がある
。その基本構成紘第４図のとおシであシ、第２図と対応
する部分には第２図と同一符号を付しである。一方の外
側電極２ｓ上には圧電体シーＦ１１　ａｌ＠　よシ弾性
率および質量とＬＫ大きい物体５を裏打ちし、これと対
向する他方の外側電極２１上Ｋａ人体との音響イン♂−
ダンスのマツチング層６（膜厚、４７＜　）を設け、更
にその上に絶縁膜ｒを設けている。

このような超音波探触子において、そＯ共振周波数が高
くなシ接着剤４０厚さと圧電体ｙ−）１１　ｍ１ｇの厚
さが近接してくると、無用な電気容量成分が圧電体シー
）Ｊ１ｓＪ１間に挿入され九と等価になシ、感度低下を
余儀なくされゐ、また接着剤４の厚さのばらつきが超音
波探触子Ｏ共振周波数のばらつきに影瞥を与える。

この発明は、一枚の可撓性圧電体シートを用いて等価的
に直列型バイモルフを構成することによシ上記の如き問
題点を解決した圧電型電気音響変換器を提供するもので
ある。

この発明は、高分子圧電材料また社これに無機もしくは
有機の強誘電体材料を含む可撓性Ｏ圧電体シートに所定
の条件で分極処理を施したとき、この圧電体シートの一
方の面から厚み方向の途中まで分極されるという新しい
知見に基づき、一枚の可撓性圧電体シートを用いて、そ
の表裏面が一方の極に、厚み方向中央部が他方の極にな
るように分極してなることを特徴としている。この発明
によれば、接着剤を用いることなく実質的にΔイモルフ
構成が実現されるから、圧電型電気音響変換器Ｏ高信頼
性化、高感度化および周波数特性の改善がＶられる。

この発明において用いられる圧電体シートとしては、Ｉ
す弗化ビニリデン、Ｉす弗化−ニル、Ｉり塩化ビニリデ
ン、Ｉり壇化ビニル、Ｉリアクリ覇ニトリル、ナイロン
１１等の高分子材料の他Ｊこれらの高分子材料マトリク
ス中に圧電セラミック勢の無機強誘電体微粒子を複合化
したもの、−ｖ弗化ビニリデン膜上にスパッタ等によシ
無機の圧電体膜を積層したもの、４す弗化Ｖニリデン、
Ｉリアψν四ニトリル等の圧電性を有した高分子材料フ
ィルム上に電子供与体と電子受容体とで形成される電荷
移動錯体を塗布したもの、或いは電荷移動錯体自身でフ
ィルムを形成したもの、更にこれらを組合せたものが挙
げられる。電荷移動錯体を構成する電子供与体および電
子受容体は無機、有機材料のいずれでもよい。

以下この発明の詳細な説明する。第５図は一実施例の圧
電型電気音響変換器を模式的に示している。１１が高分
子材料またはこれに無機もしくは有機の強誘電体材料を
含む可撓性Ｏ圧電体シートであシ、その表裏面に電極１
２゜ＩＪが設けられ電気端子が取出されている。圧電体
シート１１は模式的にダイメールで示したように、その
厚み方向に、表裏面が正極、中央部が負極となるように
分極されている。即ち、一枚の圧電体シートだけで実質
的に第２図のものと等価な直列型バイモルフを構成して
いる。

従ってこの圧電型電気音響変換器を曲げると、第６図に
電荷発生の様子を示したように、通常の分極処理を行っ
た一枚の圧電体シートの場合に比べて大きな出力電圧が
得られる。

第５図のような圧電型電気音響変換器は例えば次のよう
にして形成する。まず圧電体シート１１ｔ）裏面を接地
し、そのマトリクス高分子材料Ｏ融点より少し低い温度
下で表面に正の直流高電圧を印加し、この直流高電圧を
印加した状態のまま温度を室温付近まで降下させる。こ
のとき、温度や電圧その他の条件を選ぶことによシ、圧
電体シート１１は膜厚の途中まで分極が行われる。即ち
、正電圧を印加した表面側が正極になシ、接地した裏面
側には負極が現われず膜厚の中央部付近に負極ができた
と考えられる状態に分極される０次いで、分極されてい
ない裏面側について、既に分極されている膜厚の表面側
半分の領域を脱分極しないよう表温度で、既に分極され
ている表面側半分の領域を分極したのと同極性の直流高
電圧を印加し、この直流高電圧を印加した状態０１ま室
温付近まで降温させる。こうして、圧電体シート１１の
表面側および裏面側が正極、膜厚方向の中央部が負極と
まる第４図の分極状態が得られる。

以上のような・分極処理によシ、圧電体シートの表裏面
が正極に、中央部が負極に分極されるととは、圧電体シ
ートの両面における結晶異方性ＯＸ＊回折分析から４明
らかである。／す弗化Ｖｍｓ−リデンーＰＺＴ系複合圧
電体シートの場合の実験結果を第７図（ａ）、伽）およ
び第８図伽）、伽）によシ説明する。ｘｌｌ源としてグ
ラファイト結晶（４ノクリメータ）で単色化し九〇ｍ　
−Ｋｇ　４Ｉ性線を用いたｅｘａ管の負荷は電圧５０ｋ
Ｖ、電ｆＢＯｒＬｋであるａｘ！１回折強度測定は３カ
×５カーの大きさに切った圧電体シートをガラス板で支
持し、圧電体シート面に直接１ｇを照射して非破壊的に
行った。

第７図（１）および伽）は全く分極処理を行っていない
圧電体シーＦのそれぞれ表面および裏面について、ＰＺ
Ｔ相の単位格子内で直交関係にある（ｏｏｌ）と（１０
０）、（００２）と（２００）の反射からの２インデ四
フイールを示している。これらはいずれもＰＺＴ相の典
型的な粉末Ｘ線回折図形である。

第８図（ａ）および（ＩＩ）は、前述した分極処理工程
の半分、即ち圧電体シートの裏面を接地して表面に正の
直流高電圧を印加して表面側の分極処理を行った状態で
のそれぞれ表面および裏面についてのラインデ胃フィー
ルを示している。即ち接地した裏面は第８図伽）から明
らかなように、未分極圧電体シートの表面および裏面と
同様、ＰＩ〒相の典璽的な粉末Ｘ線回折図形を示す、こ
れに対し、正の直流高電圧を印加した表面は、第８図（
ａ）から明らかなように、通常よシも（ｏｏｇないしく
ｏｏｇ反射に近い面指数のピーク強度が強く、Ｐｚ〒相
の結晶が圧電体シート面とはは平行に（ｏｏｇに選択配
向をとっていること°がわかる。これはと夛もなおさず
、圧電体シートの表面側が正極に分極されているが裏面
には負極が現われていないことを意味する。

従ってこの圧電体シートを前述のように、既に分極した
表面側を脱分極しないような条件下で裏面について同様
の分極処理を行うことによシ、圧電体シートの表面およ
び裏面が正極、膜厚中央部が負極となる分極状態が得ら
れるわけである。

以上述べたようにこの発明によれば、一枚の可撓性の圧
電体シートを用いて等価的にパイ峰ルアを構成するため
、接着剤により二枚の圧電体シートを貼シ合わせるもの
に比べて信頼性が高く、悪条件の環境下でもそシが生じ
たシすることのない圧電型電気音響変換器が実現される
。

またこの発明による圧電型電気音響変換器状、接着剤層
が、ないから高感度でかつ良好な周波数特性が得られ、
例えば厚みを薄くして機械インピーダンスを下げ、高感
度化を図ること賑容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電型電気音響変換器の基本構成を模式
的に示す図、第２図は従来の直列型バイモルフ振動子の
構成を模式的に示す図、第３図はこの振動子の電荷発生
の様子を示す図、第４図は・同じくこの振動子を利用し
た医用超音波探触子の構成を示す図、第５図はこの発明
の一実施例の圧電型電気音響変換器の構成を模式的に示
す図、第６図はこの変換器の電荷発生の様子を示す図、
第７図（畠）および（ｂ）は／　ＩＪ弗化ビニリデン−
ＰＺＴ系複合圧電体シートの分極処理前のそれぞれ表面
および裏面のｘ１１回折強度分布を示す図、第８図（−
）および（ｂ）は同圧電体シートの表面側分極処理後の
それぞれ表面および裏面のＸ線回折強度分布を示す図で
ある０１１・・・圧電体シート、１２．１３・°°電極
。 出１人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 ｔ＄￥３図 Ｉ！７図 （ｂ） 第８ 回哲術 第 （１００） 回 折 独 贋　　。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　表面および裏面に電極が設けられた一枚の圧
   電体シートの前記表面および裏面が一方の極性に、厚み
   方向中央部が他方の極性に分極されていることを特徴と
   する圧電型電気音響変換器。
2. （２）圧電体シートが高分子圧電材料またはξれに無機
   もしくは有機の強誘電体材料を含む圧電材料からなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電型電気
   音響変換器。