JPS5912240B2 - 電気−音響変換素子 - 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号公報において
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各章に得られる
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から楢。

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のだめの好都合な送・
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ッ化ビニリデンの場
合、周波数定数ｆ ｏ ｔ ｏ＝１１５ＫＨｚ−１（ｆ
ｏ ：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４６０μｍ１１／４波長１駆動の場合
でも２３０μｍ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、１０６ｖ／ＣｒＩ′Ｌ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７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。

々ぜなら、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、膜厚が大になると、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が増大し、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
のエネ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０ 厚み方向に振動する高分子圧電膜と、高分子材料からな
る付加層とを有臥該付加層は、前記高分子圧電膜の音響
動作側の面と反対側の両側において、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／Ｚ
Ｏ＜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、ポリフッ化ビニリデン（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し、これを高分子圧電
膜の前面と称することにすると、高分子圧電膜の音響動
作側の面と反対側の面とは、この高分子圧電膜の前面と
は反対側の面を意味し、これを以下において高分子圧電
膜の背面と称する場合がある。

付加層は、前記高分子圧電膜の音響動作側の面と反対側
の面側において、該高分子圧電膜に対して、音響的に結
合して状態で積層せしめられとけ、高分子圧電膜の背面
と付加層とが、直接液して音響的に一体化されている形
態、あるいは、高分子圧電膜の背面と付加層とが、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、以下において背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だ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（ＺＯ）の値に近いか等しい
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／Ｚ Ｋ２の関
係が満足される、ことが好ましく、また、ｏ、３＜Ｚ／
Ｚ ｏ＜２、更には、０．５＜Ｚ／Ｚｏ（２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、ポリフッ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だい場合、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ラ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、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１〜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。

暑＊ 膜状圧
電体の厚み方向に、張力Ｔ、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。

Ｔ＝Ｃ＊５−ｈＤ 。

＝ｈ８＋、８Ｄ（１）ここでＣ与β＊は力学損失、誘電
損失を考慮した複素弾性率（θＴ／ａ Ｓ ） Ｄと複
素電気感受率（δＥ／δＤ）ｓであり、力学損失正接 ψ＝ｊａｎδｍ、誘電損失正接ψ＝ｔａｎδｅと次の関
係がある。

Ｃ＊＝Ｃ（１＋ｊψ）、β＊＝β（１＋ｊψ）ε＊＝＝
ε（１−ｊψ） β＊ また、ｈは圧電定数（実数）である。

厚さｔ、面積Ａ、密度ρ、音速Ｖの圧電体の表、裏面に
おいてそれぞれＦｌ、Ｆ２の負荷（力）が加わり、Ｕｌ
、Ｕ２の速度で運動し、（角振動数ω）、電極間に電圧
Ｖ、電流■３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）Ｆ５７（槙書店、１９６７））。

″″″・ 、 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、正
電膜、前方の非圧電膜、（１，２，・・・・・・・・・
ｎ ） 、および伝播媒体（水、生体など）であシ、１
／、２／、・・・・・・イ。

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両回路は、（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図において であり、ＺＡｉ ９ＺＣｉ ９’ｌＡｊ ｊＺ’Ｃｉ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の内部インピーダンスを持つ電源に
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ダンスを
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の不一致による反射Ｐｒ％）ランスジュー
サへの入力エネルギーＰｒ（＝ＰＯ−Ｐｒ）、前方への
音響放射エネルギーＰＡｆ、背面への音響反射エネルギ
ーＰＡ１） ％およびトランスジューサの内部消費（熱
）エネルギーＰｔｈｏここで Ｐｔｈ＝Ｐｒ−（ＰＡｆ＋ＰＡｂ ） である。

ここでＰｏ＝ＩＥｓＩ２／４Ｒｅ （Ｚｓ ） Ｐｒ＝ＩＥｓ１２Ｒｅ（Ｚｔ、）／ｌＺｓ＋Ｚｔ、ｌ２
ＰＡｆ ＝ ＩＥｓ Ｉ” ＩＺＬＩ” Ｒｅ（Ｚｆ
）／ＩＡＺｆ （４）十Ｂ ｌ” ・Ｉ Ｚｔ、十Ｚ
ｓ Ｉ”ｐＡｂ＝ＩＥＳＦ ＩＺＬＩ２Ｒｅ（Ｚｂ）／
１ＡＺｂ＋Ｂ１２・ＩＺＬＩＺｓ１２ である。

したがって次のように、各種の損失が定義される。

電気的反射損失 ＭＬ−−１０１０ｇ（Ｐ ｒ／
Ｐ ｏ） 電気音響変換損失（前方）ＴＬｆ＝−１０１０ｇ（Ｐ
ｈｆｌＰ ｒ） 電気音響変換損失（後方）ＴＬｂ＝−１０１ｏｇ（Ｐ油
冷ｒ） Ｉ Ｌ＝−１０ｌｏ ｇ （５） 内部損失 （Ｐｔｈ／Ｐｒ） ＣＬｆ −−１１０１ｏ 非同調変換損失（前方） （ＰＡｔ／Ｐｏ）＝
ＭＬ十ＴＬｆ ＣＬｂ −−１０ｌｏ ｇ 非同調変換損失（後方） （ＰＡｂ／Ｐ〇−ＭＬ
＋ＴＩ４゜ こ＼で、非破壊超音波検査用のトランスジューサの実用
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。

本発明をなすに肖って、作成したトランスジューサの特
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？（７）ＣＬｆ 、ＴＬｆ 。

ＭＬを次の方法で実測した。

まずＣＬｆの測定は第５図に示すように、トランスジュ
ーサを既知のインピーダンス（５０Ω）ヲ持つ、高周波
ハルスミ源で励振し、発生した超音波パルスを水平に放
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、検波して出力をシンクロスコープ上に
表示スる。

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Ｌｍｅｓとすると
、ＣＬｆは次の量になる。

ＣＬｆ ＝ （Ｌｍｅ ５−Ｌｒｅ ｆ −Ｌｗ−６）
／２（ｄ Ｂ） （６）である。

上式において、Ｌｒｅ ｆ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、中針応用物理、第３
６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である。

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
たポリフッ化ビニリデンを１２０℃において１０６Ｖ／
ｃＩｒＬ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・音響的物質は本発明者
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、４
７ 。

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７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る。

第７図イ〜ホの各図において、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（前面）が高分子圧電膜１１の音響動作側
の面に相当する。

第７図イ〜ホにおいて、高分子圧電膜１１の音響動作側
の面と反対側の面には、直接あるいは間接的に、高分子
圧電膜１１の音響インピーダンス（ＺＯ）の値に近いか
等しい値の音響インピーダンス（Ｚ）を有する付加層１
２が位置している。

一応の電極１３，１３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、他の介在物を介して、たとえば、付加層１２を介
して、位置している。

第７図ハおよび二は、付加層１２の上面（背面）に直接
あるいは電極１３を介して音響反射板１４が取り付けら
れた形式の・ものを示し、第７図示は、付加層１２の上
面（背面）゛に支持体１５カー取り付けられた形式のも
のを示している。

なお、第７図二において、反射板１４が導電仕材例から
なるときは、電極１３（付加層１２の背面に位置する方
）を設けずに、この役目を反射板１４にて兼務させても
よい。

なお、また、第７図示において、支持体１５の下面（前
面）に取り付けられた超音波トランスデユーサは、第７
図イに示した形式のものであるが、これに替えて、第７
図ロ〜二に示した形式のものを取り付けてもよい。

なお、さらに支持体１５ば、種々の固体材料で形成され
得るが、好ましくは、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Ａｕ、Ｃｕ、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などのセラミック板を用いることも
できる。

実施例 １および比較実施例１ 第８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７６μｍ、面積１．０ｃｒｆＬ２のＰＶＤＦ 圧
電膜１１の両面に電極１３．１３を設けた圧電素材の背
面に、厚さが１９μｍ、３８μｍ１７６μｍのＰＶＤＦ
からなる付加層１２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、および、付加層１２を何
等設けない、すなわち、付加層１２の厚み０μｍの変換
素子について損失ＴＬｆの周波数特性を測定し、また、
付加層１２の厚みが３８μｍのものについては、損失Ｍ
Ｌの周波数特性をも測定し、その結果を第８図に示した
。

一方、第９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８図における
本発明にいう付加層に代えて、本発明にいう付加層の条
件から著しくはずれた厚さ１６８μｍからなるＣｕ板１
６を高分子圧電膜１１の背面に、一方の電極を兼務させ
た形式で設けたものであり、このトランスデユーサの損
失ＴＬｆ 、ＭＬは、第９図のグラフに示す通りであっ
た。

こ＼で、第８図の本発明の場合と、第９図の比較実施例
の場合とを比較すると、共振周波数が７ＭＨｚ 前後で
比較実施例の損失ＴＬｆは最小となっており、これと同
程度の効果は、実施例においては、付加層１２が７６μ
ｍのものについて得られている。

しかしながら、比較実施例は厚さが１６８μｍにも達す
るＣｕ板が高分子圧電膜１１の背面に位置しており、こ
れがため、本来的に有している高分子圧電膜１１の可撓
性を十分に利用することができないのであり、これに対
し、本発明に係る厚さが７６μｍの付加層１２を高分子
圧電膜１１の背面に有するトランスデユーサは、高分子
圧電膜１１の可撓性を十分に利用できるトランスデユー
サとして用いることができ、従来の無機圧電材料を用い
たトランスデユーサの用途展開において障害となってい
た可撓性の問題を解決し、可撓性を有し、かつ、低周波
帯域で使用できる新規なトランスデユーサの提供におい
て、本発明の効果が明白に示されている。

更に、また、第８図に示される通り、厚みの調整がきわ
めて容易な付加層１２の厚みを変化させることによシ、
所望の共振周波数における損失が最小となる。

しかも広帯域性のトランスデユーサを容易に製作できる
という効果も明らかである。

実施例 ２ 第１０図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの模
式的構造図およびその効果を示すグラフである。

このトランスデユーサ装置は、厚さ７６μｍ１面積１．
０ｃｒｒＬ２のＰＶＤＦ 圧電膜１１の両面に電極１３
．１３を設けた圧電素材の背面に、厚さが２５μｍ、１
００μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィ
ルムからなる付加層１２を接着し、この付加層１２の背
面に更に厚さ１６８μｍのＣｕ板からなる反射板１４を
接着し、この反射板１４の背面をＰＭＭＭ Ａらなる支
持体１５に接着して構成されている。

このトランスデユーサ装置の損失ＴＬｆの周波数特性は
、第１０図のグラフに示す通シである。

この第１０図と第９図の比較例とを比べるとこの実施例
におけるトランスデユーサは、第９図の比較例における
高分子圧電膜１１と反射板１６との間に、付加層１２が
介挿された形式となっておシ、この付加層１２の介在に
より、第９図の比較例では７ＭＨｚ前後に利用し得る共
振周波数があったものが、５ＭＨｚ あるいはそれ以下
のところのより低周波帯域に利用し得る共振周波数が移
行しており、付加層１２の作用効果が明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図、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７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図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの模式
的構造およびその効果を示す図、第９図は、比較実施例
として用いた超音波トランスデユーサの模式的構造およ
びその効果を示す図、第１０図は、本発明に係る超音波
トランスデユーサの模式的構造およびその効果を示す図
である。 図面の簡単な説明、１１・・・高分子圧電膜、１２・・
・付加層、１３・・・電極、１４・・・反射板、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
   ら々る付加層とを有し、該付加層は、前記高分子高分子
   圧電膜の音響動作側の面と反対側の面側において、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。