JPS5912079B2 - 超音波トランスデュ−サ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高分子圧電膜を用いた超音波トランスデユー
サに関する。

更に詳しくは、特公昭５３−２６７９９号公報においで
明らかにされた高分子圧電膜の厚み振動モードを直接的
に利用してなる超音波の発生、受信用の超音波トランス
デユーサの実用性を一層高めた改良された超音波トラン
スデユーサに関する。

高分子圧電材料は、大きい面積のものが容易に得られる
こと、加工性がよく、曲面への接合も容易であることか
ら、無機圧電材料では期待できないような作用・効果を
奏する超音波振動子として利用できる。

高分子圧電材料の音響インピーダンスは、無機圧電材料
の音響インピーダンスの数分の１からｌ／１０であり、
水、生体あるいは有機材料のそれに近い。

従って、これらに伝播する超音波ノための好都合な送・
受信子となり得る。

しかるに、高分子圧電膜を超音波トランスデユーサとし
て用いる場合、次に述べるような問題点がある。

すなわち、超音波探傷あるいは超音波診断などの超音波
を利用した装置においては、ＩＭＨｚ−１０ＭＨｚの周
波数が多用されている。

よく知られているように、超音波トランスデユーサにお
いては電気入力に対する音響出力の割合（効率）を大き
くするには、振動子の共振周波数を使用周波数に合わせ
る必要がある。

このためには、目的とする周波数によってあらかじめ定
められた厚さの圧電膜を必要とする。

高分子圧電体の代表例であるポリフン化ビニリデンの場
合、周波数定鉄ｆｏｔｏ＝１１５ＫＨｚ −ｃｍ（ｆｏ
：厚み自由振動子の共振周波数、ｔｏ ＝厚さ）である
ので、例えば、超音波診断に常用されている例えば２．
５ＭＨｚの超音波を効率よく送・受信するためには、半
波長駆動の場合４６０μｍ１％波長駆動の場合でも２３
０μｍの厚さを必要とする。

しかしながら、高分子の圧電性の付与に必要なポーリン
グ電場は、ｌＯｖＡ→程度を要し、上記の例のような厚
い膜のポーリングには、気体放電の問題など種々の困難
を伴ない、厚い膜の高分子圧電膜を得ることが困難であ
り、通常製作容易な範囲は１００μｍ以下である（第１
の欠点）。

さらに、高分子圧電膜を、目的に応じた周波数の超音波
を発生・受信するのに適した厚みに制御することは、製
作上困難である。

なぜなら、高分子圧電膜は多くの場合、未延伸膜を延伸
後、ポーリングして得られるものであり、延伸、熱処理
等の処理条件によって、出発未延伸膜から得られる最終
圧電膜の厚みは、異なる場合が多いからである。

無機圧電材料と異なり、高分子圧電膜の厚みを通常の研
摩方法によって均一に制御するには極めて手数のかかり
実用的でない（第２の欠点）。

さらにまた、高分子圧電膜は、強誘電性無機圧電材料（
例えばＰＺＴ）のように、誘電率が高くない。

したがって、膜厚が犬になると、その電気容量が低下し
、従って、振動子の電気インピーダンス力増大し、電源
とのインピーダンス整合性が悪くなるために、電源から
の工洋ルギーが振動子に注入できない事情が生じる（第
３の欠点）。

本発明は、高分子圧電体の可撓性、低音響インピーダン
ス特性、加工容易性などの特長を損うことなく、厚みの
薄い高分子圧電膜を用いて、その固有の振動数（自由共
振周波数）よりも低い周波数の縦波超音波を効率よく（
少い損失で）放射、受信する超音波トランスジューサを
提供することを目的とする。

この目的を達成する本発明は、次の要旨からなる。

厚み方向に振動する高分子圧電膜と、高分子材料からな
る付加層とを有し、該付加層は、前記高分子圧電膜の音
響動作側の面側において、該高分子圧電膜に対して音響
的に結合した状態で積層せしめられ、前記高分子圧電膜
の音響インピーダンスＺｏと、前記付加層の音響インピ
ーダンスＺとが、０．２〈Ｚ＜ｚｏ〈２なる関係にある
超音波トランスデユーサ。

本発明に云う高分子圧電膜としては、たとえば、ポーリ
ングによって圧電性が付与され、膜の厚み方向に圧電性
を有する高分子膜が用いられ、このような高分子膜を形
成する高分子材料としては、ポリフン化ビニリデン（以
下ＰＶＤＦと記述することがある）あるいはその共重合
体、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル系重合体、
強誘電体セラミックたとえばジルコン・チタン酸鉛の粉
末が混入された高分子材料がある。

高分子圧電膜の音響動作側の面とは、高分子圧電膜の２
つの膜面のうち、高分子圧電膜の厚み振動モードを利用
して、所望の音響伝播媒体への音波の発信あるいは所望
の音響伝播媒体からの音波の受信に際して、この音響伝
播媒体に向いている側の面を意味する。

以下にＫいて、この面を高分子圧電膜の前面と称する場
合がある。

付加層は、前記高分子圧電膜の面側において、該高分子
圧電膜に対して、音響内に結合した状態で積層せしめら
れとは、高分子圧電膜の音響動作側の面と付加層とが、
直接接して音響的に一体化されている形態、あるいは、
高分子圧電膜の音響動作側の面と付加層とが、本発明の
作用効果をそこなわない範囲で、他の目的をもって介在
される介在層（たとえば電極層）を介して、間接的に位
置するが音響的に一体化されている形態を意味する。

この付加層を、以下において前面付加層と称する場合が
ある。

付加層は、本発明の目的達成のための必須の構成要件で
あり、その音響インピーダンスＺの値が、高分子圧電膜
の音響インピーダンスＺｏＯ値ニ近いか等しい関係にあ
る物質から形成される。

このＺとＺｏとに関しては、０．２ （Ｚ （Ｚｏ ＜
２の関係が満足されることが好ましく、また、０．３
＜Ｚ／Ｚｏ（２、更には、Ｏ−５＜Ｚ ＜Ｚｏ （２の
関係が満足されることがより好ましい。

一方、音響伝播媒体を水としたとき、この水の音響イン
ピーダンスＺｆとの関係において、Ｚ／Ｚｆ≧０．５
ノ関係が満足されることが好ましく、更には、ＺｆくＺ
＜Ｚｏの関係が満足されることがより好ましい。

このような付加層を形成する物質としては、たとえば、
高分子材料があり、この高分子材料としては、たとえば
ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ＰＭ
ＭＡ、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリエチレン、塩化ビニ
ル、ポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリフン化ビニリ
デンあるいはこれらの高分子材料に無機粉体を混入した
ものを適当なものとして挙げることができる。

また、この付加層に形状保持性を期待する場合、これら
の高分子材料にカーボン繊維を介在させてモールドした
フィルムを用いることができる。

更に、音波の波長に比較して十分直径の小さい細い金属
繊維（たとえばステンレス・ファイバー）を高分子材料
中に混入したフィルムも用いることができる。

また、更に、高分子圧電膜と付加層とが一体化された形
態において可撓性を強調したい場合、たとえば、所望の
方向の可変曲率を持つトランスデユーサとしたい場合は
、付加層として、たとえばナイロン、ゴム、ポリウレタ
ン、シリコンゴムのシートを用いることができる。

高分子圧電膜と付加層あるいは、他の介在層と付加層と
を音響的に一体化するには、付加層を形成する材料をあ
らかじめフィルム状に成形し１これを一体化する相手に
接着する。

あるいは、付加層を形成する材料を一体化する相手に直
接塗布して付加層を形成する手段が適当であり、後者の
塗布の場合は、たとえば、ＰＭＭＡのジクロルベンゼン
溶液、ホリエチレンテレフタレートのクロルベンゼン溶
液が用いられ、塗布後溶媒を蒸発させてもよい。

また塗布後重合させて付加層を形成してもよく、この際
気相重合を用いてもよい。

次に、本発明を具体的実施態様を用いて更に詳細に説明
する前に、各実施態様において用いられる各種特性値の
定義並びにその測定手法について説明する。

膜状圧電体の厚み方向に、張力Ｔ１電場Ｅが働くとき、
厚み振動子の歪みＳ１電気変位りとＴ。

Ｅの関係は次の基本式で与えられる。

ここでＣ１β”は力学損失、誘電損失を考慮した複素弾
性率（ａＴ／ａｓ ）Ｄと複素電気感受率（ａＥｌａＤ
）Ｓであり、力学損失正接ψ＝ｔａｎδｍ誘電損失正接
ψ二ｔａｎδｅ と次の関係がある。

また、ｈは圧電定数（実数）である。

厚さｔ１面積Ａ１密度ρ、音速Ｖの圧電体の表、裏面に
おいてそれぞれＦ１ｔＦ２の負荷（力）が加わり、Ｕ工
、Ｃ２の速度で運動し、（角振動数ω）、電極間に電圧
ｖ１電流Ｉ３が流れるときには、これらの間には の関係が成立する（例えば池田拓部「固体の音波物性」
（和田へ三久編）ｐ５７（槙書店、１９６７）ここで である。

非圧電膜に対しては、（１）においてｈ＝。とおけばよ
い。

一般に、トランスジューサの一般的構成は第１図に示す
如くになる。

ここで０，１゜２、ｎ、ｆで示した層はそれぞれ、圧電
膜、前方の非圧電膜（１，２，・・・・・・ｎ）、およ
び伝播媒体（水、生体など）であり、１／、 ２／、・
・・・・・ｍ’、ｂで示された層は後方非圧電膜である
。

これらは必要に応じて接着層、電極、保護膜、支持板、
反射板であってもよく、また本発明に云う付加層であっ
てもよい。

ｅ 、 ｅ’は電極である（厚み、質量を無視しである
）。

第１図の系を駆動する場合の等価回路は、（１）式をも
とに、各層の界面における力と、変位が連続であり、ま
た圧電体内部での実電荷が零であるとして求められる。

その結果を第２図に示す。第２図にぢいて、 であり、ＺＡＩ ｔ Ｚｃｌ ｔ Ｚ’ＡＪ ｔ ｚ／
ｃｊ 等も、それぞれの層の２−ρｖ、ｖ、ｔ、ψか
ら同様な表穴であられされる。

Φ−ｈＣｏは、二次側コイルの巻線比である。

第２図の回路をＺＳの内部インピータンスを持つ電源に
接続する場合、の４端子網回路をまとめると第３図の如
く表わされる。

電源からみたトランスジューサの電気インピータラスを
ｚＬとする。

このとき、電源からのエネルギーｐｏは次のように配分
、消費される（第４図）。

ＺＳとＺｉｎの不一致ニよる反ｍＰｒ 、 トランスジ
ューサへの入力エネルギーＰＴ （＝Ｐ□−Ｐｒ ）、
前方への音響放射エネルギーＰＡｆ、背面への音響放射
エネルギーＰＡｂ、およびトランスジューサの内部消費
（熱）エネルギーＰｔｈ０ここでＰｔｈ−ＰＴ−（ＰＡ
ｆ ＋ＰＡｂ）である。

ここでである。

したがって次のように、各種の損失が定義される。

こｇで、非破壊超音波検査用のトランスデー−サの実用
性を高めるには、ＴＬｆが出来るだけ広帯域で小さくな
るように、また、ＴＬｂが大きくなるように設計する必
要があることが明らかになる。

本発明をなすに当つ−〔、作成したトランスデユーサの
特性の測定、評価方法は、次の通りである。

作成したトランスジューサのＣＬｆ 、ＴＬｆ 。

ＭＬを次の方法で実測した。

まずＣＬｆの測定は第５図に示すようニ、トランスジュ
ーサを既知のインピーダンス（５０Ω）を持つ、高周波
パルス電源で励振し、発生した超音波パルスを水中に放
射する。

これを真鍮ブロックで反射させ、同じトランスジューサ
で受信する。

受信信号を増幅、検波Ｌ テ出力をシンクロスコープ上
に表示する。

一方、励振電圧を減衰器を通し、同じ増幅器で増幅・検
波して、シンクロスコープ上に表示する。

二つの表示が同じになるように、減衰器の減衰量（ｄＢ
）を決める。

これを各周波数で実行する。減衰量を■、−へ、と−す
る２、ＣＩ、ｆは〃の量になる−である。

上式において、Ｌｒｅｆは真鍮の反射損失、Ｌｗは水に
よる超音波の吸収と波面の広がりによる損失、６ｄＢパ
ルスエコー法に付随する、送受信のインピーダンスの並
列接続による損失である（菊池、中鉢応用物理、第３６
巻、第１１号、Ｐ９２７（１９６９））。

なお、本発明の実施例の条件ではＬｒｅｆ ＋Ｌｗはほ
ぼ１ｄＢある。

ＭＬを求めるために、超音波の反射の無視できる水槽に
トランスジューサを入れ、そのインピーダンスｚＬを電
気入力に対する反射電圧およびその位相を第６図の装置
で測定することによって求めた。

本発明の実施例では、高分子圧電体として、一軸延伸し
たポリフン化ビニリデンを１２０℃において１０ Ｖ／
ｚの電場で１時間ポーリングして得られる圧電膜を使用
した。

その圧電定数、音速など、電気・音響的性質は本発明者
の一人が報告した、高分子圧電膜自由振動子の共振法に
よって決定された（大東、Ｊ、Ａｐｐｌ 、Ｐｈｙｓ
、 ４７．９４９（１９７５））。

本実施例におけるトランスジューサの理論的評価には、
諸々の物質の物性値として、次の値が用いられている。

次に、本発明を、具体的実施例並びに比較実施例を用い
て、更に詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの代表
的態様の模式図であり、第１図イルへの各図において、
図の下方が音響伝播媒体が位置する側であり、従って、
図においては高分子圧電膜１１の下面が高分子圧電膜１
１の音響動作側の面に相当する。

第１図イルへにおいて、高分子圧電膜１１の音響動作側
の面には、直接あるいは間接的に、高分子圧電膜１１の
音響インピータツスＺｏＯ値に近いか等しい値の音響イ
ンピーダンス２を有する付加層１２が位置している。

第７図へ〜への態様においては、高分子圧電膜１１の音
響動作側の面と反対側の面（以下においてこの面を高分
子圧電膜の背面と称する場合がある）にも直接あるいは
間接的に付加層１３が位置した超音波トランスデユーサ
が示され、これらも本発明に係る超音波トランスデユー
サの範ちゅうに含まれることを意味している。

一対の電極１４．１４は、高分子圧電膜１１の両面に、
直接あるいは、電極としての作用効果を奏する範囲内に
おいて、他の介在層を介して、たとえば、付加層１２あ
るいは付加層１３を介して、位置している。

なお、以下の説明において、本発明の必須の構成要件で
ある付加層１２すなわち前面付加層に対して付加層１３
を背面付加層と称する場合がある。

第８図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの具体
的構造の一例の断面図である。

円桂状の支持体１５の前面に電極をかねた背面音響反射
板１６が取り付けられ、その周囲は、接着剤等による厚
み（段差）調整材１１にてかためられ、反射板１６の前
面にはＰＶＤＦからなる高分子圧電膜１１が取り付けら
れ、高分子圧電膜１１の前面には、電極層１４が設けら
れ、電極層１４の前面には、ＰｖＤＦからなる付加層１
２が貼着され、その周囲は、電極層１４に電気的に接続
された導電性薄板１８を介して接着剤層１９により固め
られている。

反射板１６からは一方のリード線２０が、電極層１４か
らは他方のリード線２１が導出されている。

このトランスデユーサは、付加層１２の前面において音
響伝播媒体２２に接している。

支持体１５は、音響インピーダンスの小さい材料、たと
えば、高分子材料で形成され、この高分子材料としては
、たとえばＰＭＭＡ。

ＰＳ、ＡＢＳ、ベークライト、エポキシ樹脂が適当であ
り、また、可撓性を要する場合には、エラストマー、ゴ
ム状物質たとえばゴム、シリコンゴムが用いられる。

反射板１６は、高分子圧電膜１１および支持体１５より
も音響インピーダンスの十分大きい物質、一般には、金
属たとえばＡｕ５Ｃｕ、Ｗから形成される。

なお、高分子圧電膜１１の背面の電極を、高分子圧電膜
１１にあらかじめ形成した場合は、反射板１６に、絶縁
物質たとえばＰＺＴなどのセラミンク板を用いることも
できる。

なお、第８図においては、第１図イに示したタイプの本
発明に係る超音波トランスデユーサを背面音響反射板１
６の前面に設けたものを示したが、この超音波トランス
デユーサに代えて第１図口〜へに示す他のタイプの本発
明に係る超音波トランスデユーサを背向音響反射板１６
の前面に設けてもよく、この際一方の電極１４は、反射
板１６に兼務させてもよい。

実施例１および比較実施例１ 第９図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの実施
例の模式的構造図およびその効果を示すグラフである。

厚さ３０μｍ１面積０．９２ｃｍのＰＶＤＦ圧電膜１１
０両面に電極１４．１４を設けた圧電素材の前面に、厚
さが７．５μｍ１３０μｍ１６０μｍ（ＤＰＶＤＦ（非
圧電性、圧電性いづれでもよい）からなる背面付加層１
２をそれぞれ接着した３種の本発明に係る超音波トラン
スデユーサ及び、前面付加層１２を例等設けない、すな
わち、前面付加層１２の厚み０μｍの変換素子について
損失ＣＬｆ＝ＭＬ ＋Ｔ Ｌｆ 周波数特性を測定し、
その結果を第９図に示した。

一方、第１０図は、本発明の効果を確認する目的で、本
発明者等が試みた比較実施例におけるトランスデユーサ
の構造およびその効果を示すグラフである。

この比較例のトランスデユーサは、丁度第９図における
本発明にいう前面付加層に代えて、本発明にいう前面付
加層の条件から著しくはずれた厚さ６６６５μｍからな
るＣｕ板２３を高分子圧電膜１１の前面に電極１４を介
して設けたものである。

この第１０図のグラフから明らかな通り、この比較実施
例の超音波トランスデユーサは、ある特定の周波数たと
えばハ波長板の場合は、はｘ ｆ □ ／２、ｆｇ、３
ｆｏ／２では損失が小さくなるが、それ以外の周波数に
おいては損失が急激に大きくなり、狭帯域のフィルター
的特性を持つことが明らかである。

なお、第１０図には、ＰＶＤＥの力学損失および誘電損
失がない場合（ψ−０．ψ＝０）とある場合（ψ二０．
１ 、ψ＝０．２５）とを示しである。

なお、いずれもＣｕ板の力学損失は無視（ψ＝Ｏ）しで
ある。

ここで、第９図の本発明の場合と、第１０図の比較実施
例の場合とを比較すると、損失すなわちＣＬｆ二ＴＬｆ
十ＭＬの周波数特性が、本発明の場合は、極めて広帯域
になっているばかりでなく、損失もほとんど増大してい
ないことが明らかとなる。

また、本発明の場合は、前面付加層１２の厚みに応じて
、共振周波数（ＴＬｆが極小を示す周波数）が低周波側
に移行する。

したがって前面付加層１２の厚みを制御することによっ
て、高分子圧電膜１１の厚みを変えることなく、目的と
する周波数に共振点を持つトランスデユーサの作成が可
能となり、高分子圧電膜の前述した製作上の困難を除く
ことができる。

さらに、またこの実施例においては、付加層１２が高分
子圧電膜の電極を介して設けられるので、付加層１２が
電極の保護層となり、トランスデユーサの耐久性の向上
と、外部への電気の漏洩を防止し安全性を高める点にお
いても効果がある。

実施例 ２ 第１１図は、本発明に係る他の超音波トランスデユーサ
の断面図である。

下面にフランジ部を有する金属製のハウジング２４の内
側においてフランジ部内面上に両面に電極１４．１４が
設けられ高分子圧電膜１１が載置され、その前面には、
フランジ部空間に位置して前面付加層１２が形成され、
その周囲とフランジ部周囲との間には固定用接着剤２５
が間挿され、一方、高分子圧電膜１１の背面には、電極
１４を介して背面付加層１３が形成され、電極１４の上
面周囲には、電極とＩＪ−ド線結合用の金属板リング２
６が載置され、背面付加層１３、金属板リング２６、電
極１４および高分子圧電膜１１とハウジング２４の内面
との間隙は、固定用接着剤２７にて埋められている。

更に、金属板リング２６からは、外部にリード線２０が
取り出され、ハウジング２４は、接地されている。

前面付加層１２前表面は、音響伝播媒体２２である水の
中に没している。

第１２図は、第１１図に示した構造のトランスデユーサ
にＳいて、高分子圧電膜１１として厚さ７６ ｐｍ 、
面積４．４ｃｄのＰＶＤＦ圧電膜を用い、前面付加層１
２として、厚さくｔｆ） ２５ ｔｔｍと５０μｍのポ
リエステルフィルム（東し■製１ルミラー”）を高分子
圧電膜１１に電極１４を介して接着し、背面付加層１３
として、厚さくｔｂ）２５μｍと５０μｍのポリエステ
ルフィルム（東し■製１ルミラー１）を高分子圧電膜１
１に電極１４を介して接着したもの並びに背面付加層１
３がないものの４種のトランスデユーサについての本発
明の効果を示すグラフである。

実施例工の場合と同様に、この実施例２のものも広帯域
特性をもち、また、前面付加層１２あるいは背面付加層
１３の厚みを変えることによって、共振周波数を所望の
ものに容易に調整できることが明らかである。

実施例 ３ 第１３図は、本発明に係る他の超音波トランスデユーサ
の断面図である。

金属円筒２８の下端部に仮のフタをし、内方に厚さ１０
０μｍ１直径２１．０ｒＩｒＩｎのステンレススチール
製の背面反射板１６を置き位置決めし１上方より低重合
度ＰＭＭＡを流し込み、さらに重合を進め支持体１５を
形成した。

仮のフタをとりのぞき、背面反射板１６の前面に厚さ５
６μｍの一軸延伸ＰＶＤＦ圧電膜１１を接着し、さらに
この圧電膜１１の前面にＡ７を蒸着し、厚さ０．３μｍ
の電極１４を形成した。

この電極１４の前面に、厚さ２５μｍのポリエステルフ
ィルム（東し■製”ルミラーＩ）からなる前面付加層１
２を接着した。

その外側より、前面付加層１２の前面が外方にのぞく状
態で金属製の先端筒体２９を円筒２Ｂに螺着固定した。

なおリード線２０は、電極をかねる反射板１６よりあら
かじめ導出しておき、前記ＰＭＭＡの流し込みに応じて
その中に埋設される。

この超音波トランスデユーサを水中に浸し、電源（５０
Ω）から数μｓ時間幅を持つ高周波パルスを水中に放射
し、真鎮板で反射された音波を同じトランスデユーサで
受信した。

第１４図にこのトランスデユーサの損失ＴＬｆの周波数
特性を示す。

一方、前記（υ−（５）式によってこのトランスデユー
サの損失の理論値を算出し、これを第１４図に併記した
。

第１４図から明らかな通り、ＴＬｆは２〜３ｄＢ以内で
一致し、周波数のピーク値も０．５ＭＨｚ以内で一致Ｌ
Ｓ理論値と実測値との一部は満足すべきものである。

比較のため前面付加層１２を取り除いたトランスデユー
サのＴＬｆの実測値と計算値とを第１５図に示す。

この場合も、実測値と計算値との一致は第１４図の場合
と同様によい。

第１４図と第１５図との間のＴＬｆの周波数特性の差異
は、前面付加層１２の有無によるものである。

すなわち、厚さ２５μｍのポリエステルフィルムからな
６前面付加層１２が存在することによって、損失の最小
値を与える周波数が約１０ＭＨｚから８ＭＨｚに低下し
、帯域幅の低下はない。

これによって、製造容易な薄い高分子圧電膜でも低周波
に共振を有するトランスデユーサの製作が可能となり、
且つ、電極１４の保護も可能となる。

なお、実測値と計算値との不一致の主な原因は、接着剤
（エポキシ樹脂）層が有限の厚みを持つことによるもの
と考えられる。

実施例 ４ 実施例３と同様の構造の超音波トランスデユーサにおい
て、ＰｖＤＦ圧電膜１１の前面に、厚さ５μｍ、２５μ
ｍ並びに５０μｍのポリエチレンテレフタレー） ＣＰ
ＥＴ ）膜からなる前面付加層１２を設けた場合の非同
調変換損失ＣＬｆおよび電気音響変換損失ＴＬｆの周波
数特性と、前面付加層１２を設けない場合のｏＬｆ、’
ｒＬｆ との比較を第１６図に示す。

この際の、高分子圧電膜１１には厚さ７６μｍのｌ軸延
伸膜をポーリングしたＰＶＤＦ膜を用い、背面反射板１
６には、阿波長板（厚さ１６８μｍ）となる、直径１１
．３ｒｒＲの銅板を用いた。

また、厚さ５０μｍの付加層には、厚さ５０Ａｍの東し
■製“ルミラー“を接着により形成しい厚さ２５μｍ並
びに５μｍの付加層には、ポリエチレンテレフタレート
のクロロフェノール溶液を塗布、乾固して形成した。

これら超音波トランスデユーサの損失ＣＬｆ 。

ＴＬｆの周波数特性の計算結果が第１６図のグラフであ
る。

実測の結果は、第１６図に示された計算結果と共振周波
数において０．５ＭＨｚ以内、損失は３ｄＢ以内で一致
した。

共振周波数は、付加層１２の厚みとともに低周波に移行
し、かつ、比帯域幅（損失３ｄＢ増大における周波数範
囲△ｆと共振周波数ｆｒの比△ｆ／ｆ ｒ月よ、付加層
１２の厚みが、０．５．２５．３０μｍに対して、△ｆ
／ｆ ｒは、それぞれ、０．５２．０．５４．０．５７
．０．６３で、付加層１２の厚みの増大に従って、増大
する。

実施例 ５ 第１７図は、本発明に係る他の超音波トランスデユーサ
の断面図である。

外径が２０ｗＩＬのポリカーボネート製のパイプ３０中
に、円柱部の直径が１３ｒＩｍＬのホーン形状の銅の支
持体３１を嵌挿し、上方よりエポキシ樹脂３２−Ｃ−ｆ
里め込み、一方、厚さ７６μｍのＰＶＤＦ圧電膜１１を
接着剤を介して、支持体３１の半径３０ｒｔｖｎの前面
湾曲凹球面に圧力を加えて接着した。

このＰＶＤＦ圧電膜１１にはあらかじめ、背面の一部と
前面の全体にＡｔが蒸着され電極１４．１４が形成され
ている。

更に電極１４の周辺部には、導電性接着剤により、リン
青銅の薄板リング３３を接着した後、ホントプレスで成
型した厚さ１９．３８．５７並びに７６μｍのＰＶＤＦ
未延伸膜からなる前面付加層１２をＰＶＤＦ圧電膜１１
の前面に電極１４を介して接着した。

更に、リード線２０を支持体３１から、リード線２１を
前面の電極１４から導出し１全体を金属ケース３４に収
納し、前面付加層１２を有しないものを含めて５種類の
トランスデユーサを作成した。

このように構成された超音波トランスデユーサによって
水中へ超音波を放射する場合あるいは水中からの音波を
受信する場合のＴＬｆの周波数特性の計算値を第１８図
に示す。

実施例４の場合と同様に、前面付加層１２を設けること
によって、最小のＴＬｆを与える周波数（共振周波数）
は低周波側に移行し、製作容易な薄い高分子圧電膜を用
いて生体等の超音波診断に使用できる制御された周波数
の音波の発生が可能となったのみでなぐ比帯域幅を増大
させ、かつ、キャパシタンスの低下のない優れた超音波
トランスデユーサが提供される。

このトランスデユーサの焦電の位置（５０ｒＩｒｊｎ）
に置いた真鍮板からのエコー信号の強度を測定すること
によって得たＴＬｆの周波数特性の測定値は、計算値と
はｙ一致した。

この実施例における前面付加層１２の厚さが３８μｍの
トランスデユーサを用い、かつ、電源トノインピーダン
ス整合をとるために、高周波コイルＬ（Ｉ、’５μＨ）
を直列に結合し１ケース中に収納した。

このトランスデユーサを横方向に次元走査してパルスエ
コー法による従来の無機圧電体を用いて行なわれて来た
と同様の超音波断層法によって、水中に置いた魚の断層
像（頭部、側面〕を５ＭＨｚの周波数を用いて得たとこ
ろ、方位、深さ分解能は極めて満足すべきものであった
。

実施例 ６ 第１９図の基本構成図に示すように、ＰＭＭＡの支持基
体１５、Ｃｕの背面反射板１６、両面をＡｔ蒸着した厚
さ７６μｍのＰＶＤＩ（一軸延伸圧電膜）１１およびＰ
ＶＤＦ（一軸延伸非圧電膜〕の前面付加層１２を順次積
層した。

ＰＶＤＦ前面付加層の厚さを１９μｍ１３８μｍ１７６
μｍ１１５２μｍにし、これに対応して背面反射板を２
１０ｔｔｍ、２４５ｔｔｍ、３２０ｔｔｍｚ ５００ｔ
ｔｍの厚みに定めた。

反射板の厚さは、最も低い損失を与える共振周波数付近
で、イ波長板として動作するように定められたものであ
る。

第２０図は、これらのトランスデユーサを水中で動作さ
せた場合の損失ＴＬｆを示したものである。

１５２μｍの前面付加層を用いた場合には、２．５ＭＨ
ｚで最大の効率を持つが、同［周波数に共振を持つ、前
面付加層のないトランスデユーサでは、２３０ Ｉｔｍ
のＰＶＤＦ圧電膜を必要とし、その作成は容易でない。

また、この場合、圧電膜の厚みの増加に伴って電気容量
が低下し、ＭＬが増大するが、本発明の場合には電気容
量が低下しないので電源との整合性を悪くせずに用いる
ことができる。

実施例 ７ 第２１図に示すように、支持基本１５をベークライト板
（Ｚ＝４．８４ Ｘ １ ｏ６ＫｇＡｒ？−ｓ） と
し、反射板１６を銅板（厚さ５０μｍ、面積１．０ｃｉ
）とし、高分子圧電膜１１を圧電性ＰＶＤＦ（厚さ７０
μｍ）とし、前面付加層１２をＰＥＴ （厚さ１００μ
ｍ）とし、これらを積層した超音波トランスデユーサＡ
１同様にベークライト基体１５、Ｃｕ板１６ （５０ｔ
ｔｍ ）、ＰＶＤＦ圧電膜１１（１４０ｔｔｍ ）、Ｐ
ＥＴフィルム１２（２５μｍ）を積層したトランスデユ
ーサＢ１および比較のためにＰＭＭＡ支持基材１５、Ｃ
ｕ箔１６（４０μｍ入ＰＶＤＦ圧電膜１１（７６μｍ）
、前面付加層なしのトランスデユーサＣの三種について
、ＴＬｆを求めた。

結果を第２２図に示す。Ａ、Ｂの共振周波数は、ともに
Ｃに比較して低周波に移行しているがＡでは、それに加
えて、はぼ２倍の周波数（〜１０ＭＨｚ）附近に、損失
の小さい共振がある。

このために、きわめて広い帯域特性を持つようになり、
さらに短パルス駆動も可能となる。

以上に種々の実施例を用いて示した通り、本発明に係る
超音波トランスデユーサは、共振周波数の低減化、広帯
域化、低電気容量化に顕著な効果を奏するのみならず、
実施例７に示されるように、支持基体、背面反射板、前
面付加層の材料、それらの厚みを適切に選ぶことにより
、より高周波で低損失の動作を行なわせることも可能と
なるのである。

さらに、比較的大きい力学損失を持つ高分子圧電膜の厚
みを大きくせず、低力学損失を有する他の高分子膜を付
加層として利用できることも、低損失のトランスデユー
サを作成する上での利点となる。

さらには、付加層は、耐水、耐薬品、耐摩耗の機能を有
し、また電気漏洩の防止機能も奏する。

従って、本発明に係る超音波トランスデユーサは、従来
それ自体は知られていた高分子圧電膜を効果的に利用し
、実用性を極めて高めた超音波トランスデユーサと君え
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、トランスデユーサの一般的構成を説明する図
、第２図は、第１図の系を駆動する場合の等価回路図、
第３図は、第２図の回路を内部インピーダンスを持つ電
源に接続する場合の４端線回路図、第４図は、第３図に
おいて、電源からのエネルギーＰｏの配分、消費状態を
説明する図、第５図は、損失ＣＬｆを測定するための方
法装置の説明図、第６図は、損失ＭＬを測定するための
方法装置の説明図、第１図は、本発明に係る超音波トラ
ンスデユーサの種々の実施態様を説明する模式図、第８
，１１．１３，１７，１９および２１図は、本発明に係
る超音波トランスデユーサの種々の態様を説明する図、
第９，１０，１２゜１４．１５，１６，１８．２０およ
び２２図は、本発明の効果を比較例と対比して示すグラ
フである。 図面の簡単な説明：１１・・・・・・高分子圧電膜、１
２・・・・・・付加層又は前面付加層、１３・・・・・
・付加層又は背面付加層、１４・・・・・・電極、１５
・・・・・・支持体、１６・・・・・・反射板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 厚み方向に振動する高分子圧電膜と、高分子材料か
   らなる付加層とを有し、該付加層は、前記高分子高分子
   圧電膜の音響動作側の面側にＫいて、該高分子圧電膜に
   対して、音響的に結合した状態で積層せしめられ、前記
   高分子圧電膜の音響インピーダンスｚＯと、前記付加層
   の音響インピーダンス２とが、０．２〈Ｚ／ＺＯく２な
   る関係にある超音波トランスデユーサ。