JPS6133517B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、アレイトランスデユーサ型の圧電変
換器に関するものであり、このような圧電変換器
は、たとえば超音波診断装置の振動子などに用い
られる。

〔従来技術の説明〕

従来、多数の電気音響変換素子を配例したアレ
イトランスデユーサ型の圧電変換器が知られてい
るが、このものは、各々独立のエレメントとなつ
ている圧電素子を多数個組み込んで製造するもの
であるため、その製造工程が繁雑で手間がかか
る。また、これらの圧電素子は、均一材料を均一
に分極させた構造であるため、周波数特性は、第
１図に示すように、感度が零となる周波数部分を
有する帯域制限的なものとなつて、実用上大変に
不便である。これを解決した振動子としては、
Van der pauw構造、すなわちストライプ電極直
下の分極の強さが奥に行くに従つて減少して零に
収束する構造の振動子が知られている。しかし、
この振動子は、そのエレメント単位として、スト
ライプ電極を対にしたものを用いる必要があり、
各ストライプ電極を１つ１つの独立したエレメン
トとして用いることができず、このうえエレメン
トの幅は、分極分布の深さに対してその自由度が
制限されているので不便である。また、Van der
pauw構造に近似した構造の振動子としては多層
圧電材料による振動子があるが、これは専用の圧
電板を必要とし、一般の汎用材料を用いることが
できず、その製造方法も繁雑なものである。

〔発明の目的〕 本発明は、そのインパルス応答が広いスペクト
ラムを有する単一パルスとなるVan der pauw構
造を有し、かつ、ストライプ電極の各々が十分に
独立した音響学的エレメントの１つ１つにこまか
いピツチでなるようなアレイトランスデユーサ型
の圧電変換器を提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明の圧電変換器は、板状圧電材料の一方の
面に配列された多数の駆動電極が形成され、この
材料の他方の面に上記多数の駆動電極に対向する
ひとつの電位の対向電極が形成され、上記多数の
駆動電極の互いに隣接する各電極に逆方向電圧を
印加した履歴により上記板状圧電材料の分極強さ
が、上記駆動電極から上記対向電極に向かう最短
距離方向に漸次減少するように分極が付与され、
上記多数の駆動電極のひとつ置きに結線された回
路と上記対向電極との間に駆動電圧を与える結線
を備えたことを特徴とする。

〔実施例による説明〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は、本発明の第１実施例圧電変換器の側
断面図である。

同図において、１は圧電板であり、PZT（ジル
コンチタン酸鉛：Pb（Zr、Ti）O₃）、PbNb₂O₄
（メタニオブ酸鉛）などの圧電セラミツク材料で
できている。この圧電板１の一方の面には、駆動
電極として複数のストライプ電極２ａ，２ｂ，２
ｃ，………，２ｎをピツチ間隔Ｐの等間隔で配設
する。このストライプ電極２ａ，２ｂ，………，
２ｎは、その幅ｗが1/2Ｐ程度であることが望ま
しい。それぞれのストライプ電極２ａ，２ｂ，…
……２ｎにはリード線３ａ，３ｂ，………，３ｎ
を接続する。また、その他方の面には全面に対向
電極４を被着し、この対向電極４をリード線で接
地する。各ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，
２ｎの直下の圧電板１の分極の強さは、第３図に
曲線ａで示すように、この各ストライプ電極２
ａ，２ｂ，………，２ｎから最短距離を通つて対
向電極４に達する方向に漸次に減少し、この対向
電極４の付近でほぼ零に収束している。そして、
その分極の極性は、第２図中において垂直方向を
向いていて、隣接するストライプ電極毎に交互に
逆極性となつている。

各ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎの
ピツチ間隔Ｐと圧電板１の厚さｔとの比Ｐ／ｔと
の値はほぼ１となつている。

このように圧電変換器を構成すると、第４図に
示すように、その周波数特性に感度零の点がなく
なり、広いスペクトラムを有するインパルス応答
の良好な振動子を得ることができる。

この圧電変換器の使用法として、たとえば超音
波診断装置の振動子のリニヤスキヤン、あるいは
セクタスキヤンに用いる場合について説明する。
この場合には、対向電極４に対して各ストライプ
電極２ａ，２ｂ，………，２ｎをそれぞれ独立し
た１つのエレメントとして取り扱い、対向電極４
と各ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎと
の間で信号の送受を行う。各エレメントの分極の
極性は交互に逆方向となつているが、両極性の送
波パルスを発生するとその処理が複雑となるの
で、ストライプ電極は、奇数番目２ａ，２ｃ，…
……，２ｎ、あるいは偶数番目２ｂ，2d，……
…，２ｍのいずれか一方のみを使用する。このよ
うに分極が交互に反転しているので、探触子を含
む回路のコモンモード・ノイズが打消されること
になり有利である。受信に際しては、受信波の極
性反転が簡単にできるので、全ストライプ電極２
ａ，２ｂ，………，２ｎを用いる。

第５図は、本発明の第２実施例圧電変換器の側
断面図である。

この変換器では、各ストライプ電極２ａ，２
ｂ，………，２ｎの間の圧電板１の面に溝部１
ａ，１ｂ，………，１ｎを形成して各エレメント
の独立性を増している。

ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎの上
には、石英ガラス層５とトリアセチルセルロース
層６とからなる対負荷マツチング層を設け、さら
にその上にシリコンゴムレンズ７を取り付ける。
また対向電極４の側にはバツキング材８を取り付
ける。

このような構成にすると、望ましくない振動を
除去できるとともに、被検体に対する整合を良好
なものにすることができる。

次に上述の圧電変換器の製造方法について説明
する。

第６図に示すように、まず、圧電板１の一方の
面にストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎを
ピツチ間隔Ｐで配設する。この配設は、圧電板１
の厚さをｔとするとき、Ｐ／ｔの値が0.1ないし
10程度、特に0.5ないし２程度となることが実用
上最も望ましく、本実施例では、Ｐ／ｔ≒１であ
る。

次に、奇数番目のストライプ電極２ａ，２ｃ，
………，２ｎを一括して正電圧電源に、また偶数
番目のストライプ電極２ｂ，２ｄ，………，２ｍ
を一括して負電圧電源にそれぞれ接続し、隣り合
うストライプ電極への電圧印加が互いに逆極性と
なるようにして、分極付与電圧の印加を行う。す
ると、第７図に示すように、圧電板１の内部で
は、正電圧側ストライプ電極から負電圧側ストラ
イプ電極に向う矢印イで示す電界が生じる。この
電界は、ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２
ｎの直下で最も強く、分極付与電圧を適当に選ぶ
ことにより、対向電極４の付近ではほぼ零とな
る。付与される分極の強さは、第３図の曲線ａで
示すように、ストライプ電極２ａ，２ｂ，……
…，２ｎから対向電極４に向う方向に漸次に減少
して対向電極４付近でほぼ零に収束する。また、
分極の極性は、第６図で垂直方向を向いていて、
隣り合うストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２
ｎ毎に逆方向を向いたものとなる。なお、第７図
中の点線ロは等電位線である。

圧電板１への分極の付与が終了したら、圧電板
１の他方の面に全面に対向電極４を被着して圧電
変換器とする。

第５図に示した例のように、ストライプ電極間
に溝部を形成する場合には、圧電板１に分極を付
与した後に行う。それ以前に行うと前述した電界
分布が得られないので、Van der pauw構造を得
ることができない。

なお、分極電圧の印加をＰ≫ｔの関係において
行うと、電界はそのほとんどがストライプ電極間
を水平方向に向く成分だけとなり、そこが役に立
たたない水平方向に分極されるだけで、ストライ
プ電極直下に満足できる。Van der Pauw構造を
得ることができず、望ましくない。第３図の点線
ｂはこの場合の分極分圧を示したものである。

また、Ｐ≪ｔであるときには、第３図の点線ｃ
に示すような圧電板１の内部で分極の強さが零に
収束してしまう分極分布となる。この場合には、
Van der pauw構造を得ることはできるが、各ス
トライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎを各々独
立したエレメントとすることが難しくなり、やは
り望ましくない。

本製造方法において、対向電極４の被着を分極
付与電圧の印加より後に行うことが望ましい理由
は次の通りである。

すなわち、先に対向電極４を被着すると、分極
付与電圧を印加しても、圧電板１の中での電界と
電気力線とが対向電極４のある方へ呼びよせら
て、ストライプ電極２ａ，２ｂ，………，２ｎと
対向電極４との間に一様な電界分布が生じ、分極
の強さが対向電極４付近に向つて徐々に零に収束
するというVan der pauw構造を得ることができ
なくなる。もつとも、Ｐ≪ｔであるときには、対
向電極４が先に被着されていても、ほとんど影響
はないが、この場合には前述したように、各スト
ライプ電極を各々独立したエレメントとし難くな
る。したがつて、対向電極４を先に被着するか否
かは、上述の問題点およびＰ／ｔの比をよく考慮
して行う必要がある。

〔応用例の説明〕

本発明圧電変換器に用いる圧電材料は、本実施
例に示したものに限定されるものではなく、いわ
ゆる強誘電圧電材料であれば何でもよい。また、
本発明圧電変換器を探触子等に実装するに際して
の実施態様、すなわち音響インピーダンスの整合
構造、圧電板の加工形状、駆動および対向電極の
形状および配置位置などは、本実施例に制限され
るものではないことは勿論のことである。

〔効果の発明〕

以上説明したように、本発明によれば、Van
der pauw構造を有し、かつ、ストライプ電極
各々が十分に独立した音響的エレメントとなるア
レイトランスデユーサ型の圧電変換器を得ること
ができる。このような圧電変換器は、広帯域スペ
クトラムを有する単一パルスを良好に発生できる
というインパルス応答が優れたものであり、その
実用的価値は極めて高い。

また本発明の圧電変換器は、従来のアレイトラ
ンスデユーサのように多数の圧電素子をそれぞれ
組み込むといつた繁雑な工程が必要でなくなり、
極めて簡単に製造することができる。さらに、圧
電材料は汎用のもので足りるので、その製造単価
も安価にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電変換器の周波数特性図。第
２図は本発明の第１実施例圧電変換器の側断面
図。第３図は圧電板内の分極の強さの分布図。第
４図は本発明圧電変換器の周波数特性図。第５図
は本発明の第２実施例圧電変換器の側断面図。第
６図は本発明実施例装置の分極付与を説明するた
めの図。第７図は圧電板内での電界分布を説明す
る図。 １……圧電板、２……ストライプ電極、４……
対向電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 板状圧電材料の一方の面に配列された多数の
   駆動電極が形成され、 この材料の他方の面に上記多数の駆動電極に対
   向するひとつの電位の対向電極が形成され、 上記多数の駆動電極の互いに隣接する各電極に
   逆方向電圧を印加した履歴により上記板状圧電材
   料の分極強さが、上記駆動電極から上記対向電極
   に向かう最短距離方向に漸次減少するように分極
   が付与され、 上記多数の駆動電極のひとつ置きに結線された
   回路と上記対向電極との間に駆動電圧を与える結
   線を 備えたことを特徴とする圧電変換器。 ２ 対向電極に向かつて漸次に減少する分極の強
   さがこの対向電極付近でほぼ零に収束する特許請
   求の範囲第１項に記載の圧電変換器。 ３ 隣接する駆動電極間の圧電材料面に溝部が形
   成された特許請求の範囲第１項または第２項に記
   載の圧電変換器。 ４ 板状圧電材料の厚さをｔとし、駆動電極が隣
   接して配列されるピツチ間隔をｐとするとき、
   ｐ／ｔの値が0.5ないし２となるようにこの駆動
   電極が形成された特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれかに記載の圧電変換器。