JPS5923678B2 - 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、高分子電圧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
ジュ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１／１０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のための好都合な送・
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〜１０ ＭＨｚ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ｆｏｔｏ ＝ １１５ ＫＨｚ−ｃｔｒ
ｔ（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２５ＭＨｚ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４６０μｍ、１７４波長駆動の場合
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、１０９しｉ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、高分子圧電体の低音響インピーダンス特性を
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
波トランスデユ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の音響動作側の面側に
、前記高分子圧電膜の音響インピーダンスの２倍以上の
音響インピーダンスを有する付加膜を、前記高分子圧電
膜に対して音響的に結合した状態で積層し、かつ、前記
付加膜の厚さを、（３／８ ）λ以下（但し、λは、前
記高分子圧電膜の自由共振周波数での前記付加膜内にお
ける音波の波長）とすることにより、前記高分子圧電膜
の固有の共振周波数よりも低い周波数の縦超音波を効率
よく送受することを特徴とす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する。

以下において、この面を高分子圧電膜の前面と称する場
合がある。

高分子圧電膜の音響動作側の面に、直接あるいは間接的
に、付加膜が設けられてなるとは、高分子圧電膜の音響
動作側の面と付加膜とが、直接々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
面と付加膜とが、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。

この付加膜を、以下において前面付加膜と称する場合が
ある。

付加膜は、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）の値と、高分子圧
電膜の音響インピーダンス（ン）の値とが、Ｚ／Ｚｏ≧
２の条件を満足し、かつ、その厚み（１）は、３λ／８
以下（但し、λは圧電膜の自由共振周波数での付加膜内
における音波々長）であり、好ましくは、０．５μｍ以
上で１λ／４以下であり、更に好ましくは、１μｍを超
え１λ／８以下である条件を満足するものである。

なお、従来、高分子圧電膜の前面（同時に背面にも）に
電極を形成するために、Ａ１等の金属を蒸着することが
知られているが、この厚さは高々１０００λ（＝０．１
μｒＩＬ）であり、これらは、抵抗値が大きく、かつ、
摩擦等によって剥離しやすく不安定であり、本発明にお
いて、付加膜として後述の材料中より、導電性のものを
選択することにより、抵抗値の低い安定した電気的接続
が形成できる利点も得られる。

なお、また、特開昭５３−２５３８９号公報には、厚さ
約１０μｍのポリ弗化ビニリデン膜の背面（あるいは前
面）に０．１ ｍｍの金板を接着した超高周波帯域超音
波の集束用凹面トランスデユーサが提案されている。

しかし、このトランスデユーサで採用されている金板の
厚さ０．１ ｍｌ！は、３，３λの厚さに相当〔但し、
λは、前記ポリ弗化ビニリデン膜の自由共振周波数（１
１０ＭＨｚ）での前記金板（音速３２００ ｍ１ｓｅｃ
）内における音波の波長〕シ、今仮に、このような厚
みを有する金板を、ポリ弗化ビニリデン膜の前面に設け
た場合には急激に周波数の狭帯域性が現われ、実際の生
体の診断等に用いるときの分解能が低下するなど実用面
で欠点が表われる。

本発明においては、後述する特定の厚さ以下の厚さの付
加膜を用いることにより、共振周波数の広帯域性を保持
しつつ共振周波数の低周波帯域化を実現するものである
。

付加膜を形成する材料としては、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ。

Ｓｎ、Ａｎ、Ｐｂ等の金属、セラミックフィルム、ガラ
ス薄膜、高分子中に金属粉末あるいはセラミック粉末を
混入したもの等が挙げられ、これらのメッキ、箔状物あ
るいは膜状物の接着、ペースト状物の塗布等を高分子圧
電膜の音響動作側の面に直接あるいは間接的になすこと
により付加膜が形成される。

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。

Ｔ＝Ｃ５−ｈＤ 。

＝−ｈ８＋βＤ（１）ここでＣ＊（！：ｐ＊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（ａＥ／ａＤ）ｓであり、力学損失正接ψ
−ｔａｎδｍ１誘電損失正接ψ−ｔａｎδｅと次の関係
がある。

Ｃ＊＝Ｃ（１＋ｊφ）、β８＝β（１＋ｊψ）＊−１− “一戸−“（１−ｊψ） 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Ｆｌ、 Ｆ２の負荷（力）が加わり、Ｕ
ｌ、Ｕ２の速度で運動し、（角振動数ω）、電極間に電
圧ｖ１電流工、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、トランスデユ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、生体等）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何回路は、（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、Ｚｃｉ、Ｚ’ Ａｊ、ｚ／ａｊ等も、
それぞれの層のＺ−ρｖ、ｖ、ｔ、ψから同様な表式で
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デユ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、トランスデユー
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ＰＡｆ１背面への音響放射エネルギ
ーＰＡｂ１およびトランスデユーサの内部消費（熱）エ
ネルギーＰｔｈｏここでＰ ｔｈ＝Ｐｒ （ＰＡｆ＋ｐ
Ａｂ）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。

ここで、非破壊超音波検査用のトランスデユーサの実用
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。

本発明をなすに当って、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。

作成したトランスデユーサのＣＬｆ、ＴＬｆ、ＭＬを次
の方法で実測した。

まずＣＬｆの測定は第５図に示すように、トランスデユ
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、同じトランスデユーサ
で受信する。

受信４号を増幅、検波して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（ａＢ
）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−（Ｌｍｅｓ −Ｌｒｅｆ−Ｌｗ−６）／２（ｄ
Ｂ） （６）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
トランスデユーサを入れ、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１０’ＶＡ
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、音速等、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デユ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
。

（Ｋｔ ： ｃｏｕｐｌ ｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ
）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り、第７図イ〜トの各図において、
図の下方が音響伝播媒体が位置する側であり、従って、
図において高分子圧電膜１１の下面が高分子圧電膜１１
の音響動作側の面に相当する。

第７図イ〜トにおいて、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
音響インピーダンス（Ｚｏ ）の値の２倍以上の大きさ
の値の音響インピーダンス（Ｚ）を有する厚さが３λ／
８以下の付加膜１２が設けられている。

一対の電極１３．１３は高分子圧電膜１１の両面に設け
られている。

なお、付加膜１２が導電性材料からなるときは、一方の
電極１３を省略し、付加膜１２に兼務させた構造とする
ことができ、この場合の例を第７図口に示す。

第７図ハは、第Ｔ図イに示しγこトランスデユーサの前
面に、高分子材料からなる付加層１４を位置せしめた形
式のものであり、また、第７図二は、第７図イに示した
トランスデユーサの背面に、高分子材料からなる付加層
１４を位置せしめた形式のものであり、更にまた、第７
図ホは、第７図イに示したトランスデユーサの前面およ
び背面に、それぞれ高分子材料からなる付加層１４．１
４を位置せしめたものである。

第７図へは、第７図イに示したトランスデユーサの背面
に音響反射板１５を取り付けたもので、第７図へにおい
て、第７図イに示したトランスデユーサの代りに第７図
ロ〜ホに示したトランスデユーサを反射板１５の前面に
取り付けた形式もある。

第７図トは、支持体１６の前面に第７図イに示したトラ
ンスデユーサを取り付けた形式のもので、第７図トにお
いて、第７図イに示したトランスデユーサの代りに第７
図ロ〜へに示したトランスデユーサを支持体１６の前面
に取り付けた形式もある。

なお、上記付加層１４は、付加層１４の音響インピーダ
ンスをＺｐを、高分子圧電膜１１の音響インピーダンス
をＺＯとすると０．２＜Ｚｐ／Ｚ。

〈２、好ましくは、０．３＜Ｚｐ／Ｚｏ＜２、より好ま
しくは、０．５ ＜Ｚ ｐ ／ Ｚ ｏ ＜ ２なる関
係を満足する材料、通常は、高分子材料、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、ＰＭＭ
Ａ１ポｌＪ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
デン等からなる。

なお、また、反射板１５は、高分子圧電膜１１および支
持体１６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、さらに、支持体１６は、種々の固体材料から形成
されるが、反射板１５を用いる場合には音響インピーダ
ンスの小さい材料、たとえば、高分子材料で形成するこ
とができ、この高分子材料としては、たとえば、ＰＭＭ
Ａ、ＰＳ 、ＡＢＳ。

ベークライト、エポキシ樹脂を用いることができる。

実施例１および比較実施例 第８図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの具体
例の１例の模式的構造図および比較例の模式的構造図並
びにそれぞれの場合の効果を示すグラフである。

厚さ７６μｍのＰＶＤＦ圧電膜１１の背面に蒸着された
Ａ７からなる厚さ０．１μｍの電極１３が位置し、圧電
膜１１の前面には、厚さ５．１０，２０．４０μｍから
なるＡｇペーストを塗布して一方の電極を兼務した本発
明の条件を満足した付加膜１２が形成され、一方、この
ような付加膜１２がない、すなわち別途電極を形成し前
記付加膜に相当するＡｇペーストの厚さ０のものと、本
発明の条件外の一方の電極を兼務したＡｇペーストの厚
さが１００μｍのものを用意し、かつ、これらの前面に
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる厚さ２
５μｍの付加層１４を形成した計６種類のトランスデユ
ーサを用意した。

なお、付加膜１２の厚さが５．１０，２０．４０μｍの
ものは、これらの厚さがほぼ１λ／４０゜１λ／２０，
１λ／１０，１λ１５に相当する。

なお、また、Ａｇペースト１００μｍは、はぼ１λ／２
に相当する。

なお、さらに、ここでは、導電性Ａｇペーストの音速を
３０００ｍ／ｓ、密度を５．０ｇｒ／ｃｌとした。

上記６個の各トランスデユーサの損失（ＴＬｆ）の周波
数特性を第８図のグラフに示した。

このグラフから明らかな通り、本発明の条件を満足した
付加膜を有するトランスデユーサは、付加膜を有さない
比較例に比べ、高分子圧電膜１１の厚みが同じであって
もより低周波帯域において損失（ＴＬ ｆ ）の最小値
を示し、厚さの厚い高分子圧電膜を極めて困難な製造条
件の下に製作しなくても、製作容易な条件下で製造され
た比較的薄い高分子圧電膜を用い、かつ、特定の条件を
満足した付加膜を用いることにより生体の診断等に用い
ることができる低周波帯域に共振周波数を有するトラン
スデユーサが実現できることを示している。

一方、Ａｇペーストが１００μｍに達する、すなわち、
付加する膜の厚みが１λ／２＝４λ／８と本発明の条件
の範囲外となると、共振周波数がより低周波に移行する
ものの、急激に狭帯域性が現われ、実際の生体の診断等
に用いるときの分解能が低下するなど、実用面で欠点が
表われるのである。

実施例２および比較実施例 第９図は、本発明に係る超音波トランスデユーサの具体
例の他の１例の模式的構造図および比較例の模式的構造
図並びにそれぞれの場合における効果を示すグラフであ
る。

厚さ７６μｍのＰＶＤＦ圧電膜１１の背面に厚さ１００
μｍのＣｕからなる反射板１５が取り付けられ、この反
射板１５の背面は、ＰＭＭＡからなる支持体１６に支持
され、一方、ＰＶＤＦ電圧膜電圧膜剤１には、厚さ５゜
１０．２０．６０ｐｍからなるＣｕ板を接着して、本発
明の条件を満足した付加膜１２が形成され、一方、この
ような付加膜を有さない単に電極のみを別途設けたもの
、すなわち、付加膜１２の厚み０のものからなる６種類
のトランスデユーサを用意した。

上記６個の各トランスデユーサの損失（ＴＬｆ）の周波
数特性は、第９図のグラフに示す通りであった。

このグラフから明らかな通り、本発明の条件を満足して
いる付加膜１２を有するトランスデユーサは、付加膜を
有さないトランスデユーサよりも低周波側に共振周波数
を有し、この程度の低周波において共振周波数を有する
トランスデユーサを高分子圧電膜のみの加工、すなわち
、厚みの厚い高分子圧電膜にて作成することは、事実上
困難であり、本発明にいう付加膜の著しい効果が読みと
れるのである。

実施例 ３ 第１０図は、実施例２に述べた付加膜１２の厚さが５．
１０．２０μｍのトランスデユーサについて、これらの
付加層１２の前面に、厚さ２５μｍのポリエチレンテレ
フタレート（ＰＥＴ）からなる付加層１４を付は加えて
なるトランスデユーサの模式的構造とその効果を示すも
のである。

第１０図と第９図とを比較すると、本発明に云う付加膜
１２に更に付加層１４を加えることにより、本発明の超
音波トランスデユーサの共振周波数は一層低周波側に、
しかも、狭帯域化の現象がほぼ現われることなく、移行
することが明らかである。

以上に種々の実施例、比較例を用いて示した通り、本発
明に係る電気−音響変換素子は、共振周波数の低減化、
広帯域特性の保持効果を奏し、かつ、厚い高分子圧電膜
を格別に用いることなく、製作容易な薄い高分子膜を用
いてこのような効果が達成できるので、厚い高分子膜を
用いた際に現われる電気容量の増大による不利益もなく
、きわめて低電気容量で動作するトランスデユーサの提
供にも効果あるものである。

【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
図および第９図は、本発明に係るおよび比較のためのト
ランスデユーサ装置の模式的構造図およびそれらの効果
を示すグラフ、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れらの効果を示すグ
ラフである。 図面の簡単な説明、１１・・・・・・高分子圧電膜、１
２・・・・・・付加膜、１３・・・・・・電極、１４・
・・・・・付加層、１５・・・・・・反射板、１６・・
・・・・支持体。

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の音響動作側の面
   側に、前記高分子圧電膜の音響インピーダンスの２倍以
   上の音響インピーダツスを有する付加膜を、前記高分子
   圧電膜に対して音響的に結合した状態で積層し、かつ、
   前記付加膜の厚さを、（３／８ ）λ以下（但し、λは
   、前記高分子圧電膜の自由共振周波数での前記付加膜内
   における音波の波長）とすることにより、前記高分子圧
   電膜の固有の共振周波数よりも低い周波数の縦超音波を
   効率よく送受することを特徴とする超音波トランスデユ
   ーサ。