JPS6062300A

JPS6062300A - トランスデユ−サ

Info

Publication number: JPS6062300A
Application number: JP15890283A
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: 1985-04-10
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH067716B2

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】発明の外野この発明は、超音波トランスデユーサ、特に多焦点の超
音波トランスデユーサに関するものである。

進堺り背逮例えば、医学」二の診断に用いられる超音波）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ンク体と、こ
れを支持する音響減衰の支持体とを備えているが、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か配置さ
れ、所定の焦点を結ぷ゛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ユーサを別々に選択し
で使用する必要かある。

発明の要約この発明は、−基のトランスデユ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、−基のトランスデユーサですべ
て事足りるようにしたトランスデユーサを提供するもの
である。この発明に係るトランスデユーサは、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ィルムを用い、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、αは、圧電気フィルムの各区部の前面の
７レスネル・パターンにより得られる。これらのパター
ンは、前記フィルムの幅方向を１（４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
キャパシタンスとり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
通している。背面電極は、前記フィ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（ｌｉｉｆえている。フレスネル・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ィルム
前面に各区部にわたり連続する電極層を設けてもより・
。

溌肌０肪坦ｔ■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
ユーサか示しである。このトランスデユーサは、圧電気
フィルム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１
２の圧電気フィルム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ィラーをつめた音響
ｊ成衰部１６は、前記支持体の後部に連設されており、
両者はｉｚ’）ンング１８に収納されでいる。第１．３
図に示すように、圧電気フィルム１０は、その長さ方向
にそって、区分ざ・れており、区分された各区部は、そ
れぞれ異なった５（１点距離をもっている。第７図に示
すように、区部］Ｏａは、０１に、区部１０Ｉ〕は、Ｏ
７に、区部１０ｃは、Ｏ９に、区部］Ｏｃｌは、０４に
、それぞれ焦点を有している。焦点０１から焦点０．は
、トランスデユーサの光軸２０の軸線ににある。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。

フィルム］、０の各区部１ま、フィルムの幅方向に横切
るフレスネル（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７レスネル・ゾーン
・パターンは、それぞれ僅かづつ異なってお１）、これ
により焦点距離か相違してｖする。各区部におけるフレ
スネル・パターンは、フィルム］Ｏの表面に施される導
電ストリップ２２により形Ｉ＃、すれるもので、これら
の前面電極とじで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。

フイルノ、１０の裏面側には、背面電極２４か連続した
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、フレスネル・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、フレスネル・パターン令１４ｃの中心ｉｉｂから
距離ｄをもって離れており、この「［鵬１１は、式１か
ら得られる。

式１　．１−±［（ｎλ）（２ａ十ｎλ）］’／”式１
において、１１は各電極帯に対する連続した整数０山２
．３などであり、ａは、スパイラル曲面における特定の
区部の平均焦点路Ｍ１を示し、λはサイクル８！冒）の
波長を示す。

各電極帯の１唱△ｄは、式１における整数１１をｎ±０
．２５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＋ｌ）
／２に置きかえることにより得られる。

電極帯の数か少ないときは、式１は、次の式２とすれば
よい。

式２　ｄ＝±（２ａｎλ）１／２例えば、１１４トの周波数Ｆ、焦点距離１０　ｃ　＋ｎ
、水中の音速］、５Ｘ１０”ｃｍ、、’ｓｅｃ、波長λ
をｖ／ｆ＝（１，５Ｘ］、Ｏ”）／１０６＝０．１５ｃ
＋＋Ｉ／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３　ｄ−±（２ａλ）　’／：（ｎ　）　１／２＝　
１．　、７３２ｎ　”’−ｆｚ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六にするスパイラ
ル曲面の一部であるが呟各電極帯の位置は、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、焦点圧用Ｆの相違
に合わぜることもできる。

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オームの範囲のり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
端子をもも、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、圧電気フィルムは、弗化ポリ
ビニリデン（ＰＶＦ、）であり、電極帯、電極面（背面
電極）は、ニッケルークロム合金から作られている。前
記電極１土、真空蒸着などの公知の手段によりフィルｌ
、而１−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Ｐ２Ｔ素材に対するはとのＩＨｋ
密さかフィルム厚さに要求されない。例えば、周波数係
数か約２０Ｋｌｌｚ−インチの場合、１．　Ｍｌｌｚで
作動するフィルムは、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、フレスネル
、パターンの電極帯における一平方ｃＶｌ当１）のキャ
パシタンスＣは、式４により得られる。

式４　Ｃ＝ｅ’に／ｌＬ記の式において、ｅ゛は、フリースペース（０，０８
８ＸＩＯ−”）の二′「容度Ｃ゛あり、１は、フィルム
の厚さくＣ０，）を表わす。厚さ２５０ミクロンのフィ
ルムの場合、キャパシタンスＣは、平方ｃｍ当り４６ピ
コ７アランドである。リアクタンスＸｃが５０オームで
あると、キャパシタンスは、弐〇で得られる。

式６　Ｃ＝（２πｒＸｃ）　ｘ−’＝３１８５ピコファ
ランド各区部における電極帯は、並列に接続され、電極
化・全部は、平方ｅｌｌ当り３１８５ピコフアラツド／
４６ビコフアラｙ１”、すなわち６９平方Ｃｍとなる。

一本の直交軸における５、（１点か必要でなり）ととは
、フレスネル・パターンは設けなくともよく、前面側の
電極は、圧電気フィ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
例においで設けられた焦点と区別される、線状焦点かス
パイラル曲面の各区部により設けられる。

第６図は、圧電×フィルム１０かセラミック圧電気支持
体３０［例えば、鉛・ノルコネート・チタネート（ＰＺ
Ｔ月により支持されでいる実施例を示す。この例におい
ては、両圧電気素手旧よ、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
実施例と同しく、音響減衰体が後部に配置１グされるが
、そしてハウジングに納められる。Ｉ’Ｚ１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、ついで圧電気フィルム１０か前記支持体３
０に接合さｉする。このフイルノ、の両面には、前面電
極と背面型（壷か設けられ、これらに端子か接続される
。前記フィルムの前面側の各区部に７レスネル電極パタ
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、ｌ：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スネル・電極
パターンを設け、圧電気フィルｌ、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
のトランスデユーサの間の電気絶縁を行なうようにする
こともできる６弗化ポリビニリデン・フィルムは、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支持支持、
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、Ｐ７Ｔ支持本は、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、前記フィルムは、該
フィ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ユーサは、水中トランスデユ
ーサとして主に医学トの診断に用いられる。この１ラン
ステ゛ユーサは、水その１也の液１本を入れた器の中に
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ユーサから液中に没している
被検査体へ伝達される。

また、十体鉗、Ｉ＆　（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ユーサを直
かに結合してもよいこの発明のトランスデユーサは、音波応用機器に利用す
ることがでと、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
デユーサの寸法を大型化し、低周波数に適合でｂ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〜ｌ０Ｍ１ｌｚの範囲であり、ソナーの場合には、約
３０ＫＩＩｚ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ユ
ーサの斜視図、第２図１±、第１図のトランスデユーサの断面図、第３
図は、第１図のトランスデユーサの正面図、第４図は、
圧電気フィルムと支持体との分解斜視図、第５図は、圧電気フィ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、辿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ィルムの説明図である。１０・・・圧電気フィルム１０ａ、］Ｏｌ＋、　１（ｌｃ、１０ｄ・・−圧電気フ
ィルムの区部］２・・・支持体１４・・・スパイラル曲面１Ｇ・・・音響；成製部１８・・・ハウソング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０、、Ｏ７，Ｏ，，０，・・・焦点

Claims

【特許請求の範囲】

（１）断面か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か支持体によ
り支持されている構成からなる超音波トランスデユーサ
。
（２）スパイラル曲面の圧電気要素の前面に一方向のフ
レスネル・パターンか′スパイラル曲面の軸を１１４切
る軸にそって配置され、各区部は、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
載のトランスデユーサ。
（３）スパイラル曲面におけるフレスネル・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ユーサ。
（４）圧電気要素は、スパイラル曲面に形成された圧電
気フイルノ、である特許請求の範囲第１項記載のトラン
スデユーサ。
（５）圧電気フィルｌ、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ユーサ。
（６）７１／スネル・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ユーサ
。
（７）各区部の電極帯は、電気的に接続され、所定のキ
ャパシタンスとり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ユーサ。
（８）フレスネル・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で
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
ユーサ。
（９）フレスネル・パターンは異なった幅と間隔をもち
、それぞれの焦、克距離をもっている特許請求の範囲第
Ｓ項記載のトランスデユーサ。
（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ユーサ。
（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ユーサ。
（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ユーサ。
（１３）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、全体がハ・ンジングに納められている構
成からなる超音波１ランスデユーサ。
（１４）スパイラル曲面の圧電気要素の前面に一方向の
フレスネル・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、各区部は、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１３項記載
のトランスデユーサ。