JPS61294997A - 高分子圧電型超音波探触子 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は高分子圧電型超音波探触子に関し、更に詳しく
は、複数の高分子圧電体を積層してなる積層高分子圧電
型超音波探触子に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来より例えばリニア電子走査方式に使用されるリニア
・アレイ型超音波探触子は、チタン酸鉛、チタン・ジル
コン酸鉛等のセラミック圧電体を短冊状に切断したアレ
イ型が用いられている。

しかしながら、かかるセラミック圧電体は堅く、脆い性
質を有し、切断分割に際して欠損や割れが発生し易く、
しかも多くの短冊状電極を精密に形成するには困難を伴
い、コストの面からも多くの問題があった。

これに対して、ポリフッ化ビニリデン（以下。

ＰＶＦ２と略す）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エ
チレン共重合体　（以下、ＰＶＦ２・ＴｒＦＥと略す）
等の含フッ素系高分子或いは他の有極性合成高分子は、
高温、高電界下で分極処理することにより、圧電性、焦
電性を示すことが知られている。

また、前記高分子圧電体の厚み振動を利用した超音波探
触子の開発が近年、盛んに行われている。

こうした高分子圧電体は、固有音響インピーダンスが生
体のそれと近く、かつ弾性率が小さいことから、高分子
圧電体をＩＪ　ニア・アレイ型超音波探触子へ応用する
場合は、セラミック圧電体の例と異なり、必ずしも高分
子圧電体自体を短冊状に切断、分離する必要がないと言
われている。

しかしながら、高分子圧電体の誘電率は一般に１０オ一
ダー程度とセラミック圧電体に比較して著しく小さく、
しかもリニア・アレイ型超音波探触子の駆動素子面積が
小さいために、電気インピーダンスが著しく高くなり、
通常、５０Ω系の電源（発・受信回路）との電気的な整
合性が悪く、超音波探触子の損失低下が著しくなる。

このようなことから、高分子圧電体をその分極軸方向を
互いに対向されるように適宜複数枚積層した、いわゆる
積層圧電体型超音波探触子の有用性が検討されている。

かかる積層高分子圧電体は、例えば膜厚ｔの二枚の高分
子圧電体を中間に固有形状を有する電極１例えば、短冊
状電極を介在した状態で分極軸方向が互いに対向するよ
うに接着して積層する。こうした積層高分子圧電体のい
ずれか一方の面に背面反射板（入ハ板）を設置し、°か
つ分極軸方向と同一方向の電極を結線し、電圧パルス等
を印加することにより、 入／ａ−２ｔ　　（λ＝８ｔ） の基本モードに合致した超音波の励振が可能となる。即
ち、膜厚２ｔの高分子圧電体を一枚で構成した場合に比
べて高分子圧電体の電気容量は４倍となり、その結果電
気インピーダンスは１／４となる。

しかしながら、かかる構造の超音波探触子にあっては高
分子圧電体の積層に際し、短冊状電極を互いに正確に合
せることが難しく、その電極が上下にずれを生じやすい
。このようなずれを生じると、予め設計した高分子圧電
体の電気インピーダンスが初期の特性を発揮できなくな
るばかりか、音響的、電気的なカップリングやクロスト
一りの発生と共に、厚み振動モードの不均一化等から出
力超音波が不均質となり、低感度や狭帯域化を招いたり
、場合によっては駆動素子間の短絡が発生したりする。

この問題は、高分子圧電体の積層数の増加に伴って顕著
となる。

かかる問題を解消するために複数の高分子圧電体をその
分極軸方向が互いに対向するように積層し、かつ、これ
らの間に、少なくとも一面に固有形状、例えば短冊状の
駆動用電極を形成した高分子薄膜を介在せしめた構造の
ものが提案されている　（特願昭　５９−２８５２９５
号）。

第５図はこのような従来の積層高分子圧電型超音波探触
子の構造の一例を示すものであり、短冊状の駆動用電極
の長手方向と平行な縦断面図である０図において、互い
にその分極軸を対向するように配設された一対の高分子
圧電体１．１°の間に短冊状の駆動用電極３，３°が形
成された高分子薄膜４が介在されている０図からも明ら
かなように駆動用電極３．３°ば高分子薄膜４の両面に
それぞれ形成されており、極めて正確に上下の電極３．
３′の位置合わせがなされている。この高分子薄膜４は
、それぞれ接着剤層５および５°を介して上下の高分子
圧電体ｌおよび１′と密着されている。そして、高分子
圧電体１の上面には、例えばＡｇよりなる共通電極２が
、また、高分子圧電体ｌ。

の下面の非音響側には共通電極を兼ねる入／４板８がそ
れぞれ形成されている。かかる超音波探触子において、
高分子薄膜４は高分子圧電体ｌ、１゛の端部から図中左
右に突出しており、該突出部が駆動用電極３．３″のリ
ード線接続領域３ａ、３ｂ、３°ａ、３°ｂとなる。

この駆動用電極３．３′と例えば、プリント板上に設け
たリード線とを接続するためには通常、銀ペースト等の
導電性接着剤を用いる方法、超音波等を使用して接続す
る方法、あるいは、低融点のはんだを用いる方法などが
適用されており、高分子薄膜は、このような高温接続工
程にも耐えるべく、例えばポリイミドフィルム、ポリエ
ステルフィルムの如く比較的高い軟化点を有するもので
構成されることが一般的である。

ところが、前述したように、高分子圧電体の厚み振動を
利用した高分子圧電型超音波探触子にあっては、高分子
圧電体との一体振動を考慮して高分子薄膜の膜厚を決定
する必要があり、通常、望ましい膜厚は数−・−数十一
程度である。さらに、この高分子薄膜に形成される駆動
用電極の厚さも同様の理由から数戸程度が望ましい、ま
た。

駆動用電極の形状も、前述したように例えば極めて幅の
狭い短冊状とする場合が多い、したがって、リード線と
の接続領域は、探触子の構造あるいは、駆動用電極の寸
法・形状などの制約を受ける場合が多く、上述したよう
なハンダ法や溶融法では、リード線接続領域での信頼性
が必ずしも充分ではないという問題がある。

さらに、第５図に示したような両面に駆動用電極３．３
°が形成されている高分子薄膜４を使用する場合には、
両面の駆動用電極、すなわち、３ａと３°ａおよび３ｂ
と３’ｂに同時に駆動用電気信号を供給することが必要
であり、このような両面電極とリード線との接続はより
一層煩雑となり、信頼性の低下を招来する。

［発明の目的］ 本発明は従来のかかる問題を解消し、とくに駆動用電極
が形成された高分子薄膜を具備するた積層高分子圧電型
超音波探触子において、該両面電極とリード線との接続
が空間的な制約を受けることなく確実に行なわれており
、その結果、信頼性が高い高分子圧電型超音波探触子の
提供を目的とする。

［発明の概要］ 本発明者らは、上記目的を達成すべく、両面電極とリー
ド線との接続領域の構造について種々検討した結果、従
来のように両面に形成された電極をそれぞれ個別にリー
ド線と接続するのではなく、両面の電極が互いに電気的
に接続された構造となせば、いずれか−面の電極をリー
ド線と接続すればよく、空間的にみても有利であること
を確認して本発明を完成するに到った。

すなわち１本発明の高分子圧電型超音波探触子は、高分
子圧電体と：核部分子圧電体の少なとくも一方側に配設
され、その両面に固有形状を有する駆動用電極が形成さ
れた高分子薄膜と：線駆動用電極と接続されたリード線
とを具備する高分子圧電型超音波探触子において、該駆
動用電極のリード線接続領域に、該高分子薄膜の両面の
駆動用電極を互いに電気的に接続する手段が設けられて
いることを特徴とする。

本発明に用いる高分子圧電体は、ＰＶＦ２．　ＰＶＦ２
・ＴｒＦＥ、あるいはポリフッ化ビニリデン拳フフ化エ
チレン共重合体などの含フツ素系高分子あるいはポリシ
アン化ビニリデン、もしくはその共重合体、ポリアクリ
ルニトリル系共重合体あるいは強誘電体セラミンク例え
ばチタン、ジルコン酸鉛の粉末等の混入されたいわゆる
複合高分子圧電材料等が挙げられる。また、この高分子
圧電体を間に介して共通電極に対向して設けられた駆動
用電極が形成されている高分子薄膜の材料としては、ポ
リエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミ
ド、芳香族ポリアミド、ポリエーテル、ポリ塩化ビニル
、ＰＶＦ２．　ＰＶＦ２系共重合体、ポリスチレンなど
の様に薄膜を形成する高分子材料が挙げられ特に材質は
問わない、これらの高分子材料の薄膜化はキャスティン
グ法、押出しロール法など公知の方法により行なうこと
が出来る。

そしてこれらの共通電極が設けられた高分子圧電体と駆
動用電極が形成された高分子薄膜とを接着剤等を用いて
音響的に一体化することにより本発明の高分子圧電型超
音波探触子を構成する。この時、高分子圧電体に設けら
れた共通電極は・圧電体作製時に用いた電極を利用して
も良い。あるいは駆動用電極同様高分子薄膜に形成した
ものを接着剤等を用いて圧電体と一体化するようにして
もよい。この高分子薄膜並びに接着剤の音響インピーダ
ンス（Ｚ）は、高分子圧電体の音響インピーダンス（Ｚ
ｏ）に比較的近いことが好ましく、それは０．２＜　Ｚ
／Ｚｏ＜　２の範囲内より選ばれることが好ましい。こ
れは、高分子圧電体と高分子薄膜並びに接着剤が一体的
な振動を呈するためである。

また駆動用電極が形成される高分子薄膜の膜厚は特に限
定されるものではないが、あまり厚くすると高分子圧電
体との一体振巾がしにくくなりその結果損失の増大をま
ねきやすくなり、またあまり薄くすると操作が困難にな
るのでその膜厚は数μ〜数十戸の範囲が望ましい。さら
に共通電極が設けられた高分子圧電体と駆動用電極が形
成された高分子薄膜とを固着する接着剤等も前記高分子
圧電体と前記高分子薄膜とが音響的に一体化されるよう
にその接着剤の音響インピーダンス。

硬度、接着層の厚さ等を適宜選択することが望ましい。

本発明に用いる高分子薄膜に形成される駆動用電極は特
に限定されるものではないが、例えば、金、銀、ニッケ
ル、アルミニウム等を蒸着もしくはエツチング等により
加工するが、あるいは、銀粉などの導電性粉末をエポキ
シ等に混入したいわゆる導電性塗料をスクリーン印刷等
により高分子薄膜上に塗布して形成することも可能であ
る。これらは、高分子薄膜上に形成した例であるが、こ
の他にも高分子薄膜に設けた溝部に導電材料を充填して
駆動用電極を構成することも可能である。

ついで、第１図および第２図（ａ）　、　（ｂ）を参照
して、本発明の高分子圧電型超音波探触子のリード線接
続部の構造について詳述する。なお、図において、前記
第５図と同一の符号を付したものは同一の構成要素を表
わすものとする。

第１図は、両面に例えば短冊状の駆動用電気が形成され
た高分子薄膜に、両面の駆動用電極を互いに電気的に接
続する手段として、例えば、スルーホール１０．１１が
形成された構造の探触子の縦断面図を示す。図において
、スルーホール１ｏおよび１１の内壁には導電性物質層
１２および１３が形成されているが、これは後述するよ
うに駆動用電極３．３°と同一の材料で構成することが
工程的に有利である。なお、このスルーホールの直径は
とくに限定されるものではないが、一般に駆動用電極の
幅に対して略繕程度となるように設定することが好まし
い。

かかるスルーホール１０および１１により、駆動用電極
のリード線接続領域３ａと３’ａおよび３ｂと３’ｂは
それぞれ互いに電気的に接続されるので、リード線をこ
れらの一方に接続するだけで、同時に両面の駆動用電極
へ通電することが可能となり、その結果、駆動用信号を
高分子圧電体１および１°に同時に印加することが可能
となる。

このような駆動用電極と接続されるリード線の種類はと
くに制限されるものではないが、例えば、第１図に示し
たようなポリイミドフィルム７上に上記駆動用電極と同
一の形状、すなわち、短冊状の導電領域（リード部分）
８が形成されてなるものを使用し、このものに、例えば
異方導電性接着コネクタ９を介して接続することが好ま
しい。

なお、上記のスルーホール１０および１１の形成位置は
、駆動用電極の音響動作領域（第１図において共通電極
２および６に縦方向にはさまれた部分）から離隔した領
域であれば、とくに制限されるものではない。そして、
スルーホールと異方導電性接着コネクタとの位置関係も
第１図に限定されるものではなく、例えば、第２図に示
したようなものであってもよい。

さらに、両面の駆動用電極を互いに電気的に接続する手
段としては上にあげたスルーホールのほかに、第３図に
示したように、高分子薄膜４の端面４ａに駆動用電極３
ａ、　３’ａを構成する導電材料よりなる層１４を回り
込み形成せしめてもよい。

［発明の実施例］ 以下、第１図および第４図を参照しながら本発明の高分
子圧電型超音波探触子の一実施例について説明する。

図において、まず、高分子圧電体１．ビとしては、予め
分極処理を施した厚さ４０戸のＰＶＦ２ｅＴｒＦＥ共重
合体からなるフィルムを使用し、互いにその分極軸が対
向するように配設した。また、図の上方が音響伝播体の
位置する側、所謂、音響動作側であり、下方が音！非動
作側に相当する。

そして、高分子圧電体１とｌｏとの間には駆動用電極３
．３′が形成された高分子薄膜４を介在せしめた。

この高分子薄膜４には厚さ１２ｔｊＪＨのポリイミドフ
ィルム　（■東し製カプトン３０Ｈ）を使用し、まず第
４図に示したように、後述する短冊状電極の所定位置に
対応する箇所に、例えば、レーザ加工により直径０．５
ｍｍφ、ピッチ１．１２ｍｍでスルーホール１０．１１
を形成した。ついで、真空蒸着法を適用してこの高分子
薄膜４の両面全面に厚さ　１戸の銀層を形成し、しかる
のち、該銀層をエツチングによりパターニングして第４
図に示したように音響動作領域の形状を電極長２０ｍｍ
、電極幅１．０２ｍｍの短冊状とし、これらの電極間間
隔を０．１ｍｍとしてそれぞれ６４木配設した。以上の
工程により、駆動用電極の端部から５ｍ＋ｓの部分で、
かつ、幅方向の中心に形成されたスルーホールを介して
上下に電気的に接続された駆動用電極を得た。

また、この駆動用電極３は、第１図に示したように、該
駆動用電極３と同一の形状を有するポリイミド系フレキ
シブルプリント基板と幅３ｍｍの異方導電性接着コネク
タを介してホットプレス法を適用して温度　＋４０±　
５°Ｃ１圧力４５ｋｇ／ｄの条件下で１０秒間熱圧着す
ることにより接着した。このときの、駆動用電極とポリ
イミド系フレキシブルプリント基板との接触抵抗は４〜
５Ωと小さく、一方、駆動用電極間の絶縁抵抗は２Ｘ　
１０Ｉ２Ωであった。

ついで、高分子圧電体ｌの音響動作側の面（上面）には
、駆動用電極３．３°の音響動作部分に対応する領域全
面に厚さ約７戸の銀よりなる共通電極２を形成し、一方
、高分子圧電体ｌ°の音響非動作側の面　（下面）には
、この共通電極２と同一形状を有する厚さ約　１５０μ
の銅板からなるん７４板６　（共通電極を兼ねる）を形
成した。このλ／４板Ｂと共通電極２とは電気的に接続
され、かつ、それぞれ接地されている。そして、高分子
圧電体１．１′と駆動用電極３．３゛が形成された高分
子薄膜４ならびに高分子圧電体１′と入／４板６とを、
それぞれ、エポキシ系接着剤　（エポテック社製３０１
−２）　５．５′および７により接着して本発明の高分
子圧電型超音波探触子を完成した。

このようにして得られた超音波探触子について、単位素
子における動作状況をインピーダンスアナライザ（ＹＨ
Ｐ製４１９１Ａ）並びに超音波探触子評価装置　（エア
ロチック社製ｕＴＡ−３）を用いて測定した。この結果
、この超音波探触子は、すべての素子においてリード線
を介して完全に動作していることを確認した。まず、水
中７０−■に設けたアクリルブロックからの反射波を解
析したところ動作素子の平均中心周波数は５．２ＭＨｚ
、感度は３８ｄＢであり、動作素子の特性のバラツキは
５％以内であり、極めて信頼性が高いことが確認された
。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明の高分子圧電型
超音波探触子は、高分子薄膜の両面の駆動用電極が互い
に電気的に接続されているのでリード線との接続構造が
極めて簡易で、かつ、信頼性が高く、その工業的価値は
極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高分子圧電型超音波探触子の構造の一
例を示す断面図、第２図および第３図は同じくリード線
接続領域の構造を示す一部断面図、第４図は本発明の一
実施例を示す平面図、第５図は従来の高分子圧電型超音
波探触子の構造を示す断面図である。 ｔ、ｔ’・・・・・・高分子圧電体、 ３．３゛・・・・・・駆動用電極、 ３ａ、３ｂ、３’ａ　　、　　３’ｂ　−・”リードｔ
ｌｉｔ　接続領域、？、７“・・・・・・フレキシブル
プリント基板、８．８′・・・・・・リード部分、 ９．９°・・・・・・異方導電性接着コネクタ、１０．
１１・・・・・・スルーホール、１２．１３・・・・・
・導電層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高分子圧電体と；該高分子圧電体の少なくとも一方
   側に配設され、その両面に固有形状を有する駆動用電極
   が形成された高分子薄膜と；該駆動用電極と接続された
   リード線とを具備する高分子圧電型超音波探触子におい
   て、 該駆動用電極のリード線接続領域に、該高分子薄膜の両
   面の駆動用電極を互いに電気的に接続する手段が設けら
   れていることを特徴とする高分子圧電型超音波探触子。 ２、該電気的に接続する手段が、該高分子薄膜に該両面
   の駆動用電極部分に対応して形成されたスルーホールと
   、該スルーホール内に形成され両面の電極を電気的に接
   続する導電性物質層とからなる特許請求の範囲第１項記
   載の高分子圧電型超音波探触子。 ３、該固有形状が、短冊状である特許請求の範囲第１項
   記載の高分子圧電型超音波探触子。