JPWO2010016291A1 - 有機圧電材料、その作製方法、それを用いた超音波振動子、超音波探触子および超音波画像検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
2 第一の有機圧電体
3 第二の有機圧電体
4 電極
5 送信用圧電材料
6 バッキング層
7 基板
8 音響整合層
9 音響レンズ
10 超音波振動子
11 受信用有機圧電材料
12 送信用超音波振動子
13 受信用超音波振動子
20 超音波探触子
本発明の有機圧電材料は、第一の有機圧電体と第一の有機圧電体に隣接する第二の有機圧電体とを含有する。
ただし、α=(π/2)×(S/P)、Pは厚み共振周波数付近の抵抗値のピーク周波数、Sはコンダクタンスのピーク周波数である。
本発明の有機圧電材料は、複数の有機圧電体の膜を同時に形成する方法または別々に形成した有機圧電体の膜を一体化して形成する方法により作製することができる。
本発明の有機圧電材料は延伸処理を施したものであることが好ましい。延伸処理は、圧電特性を向上させるために行われるもので、種々の公知の方法を採用することができる。
本発明の超音波振動子は、本発明の有機圧電材料に電極を付したものであり、対向する一対の電極間に、本発明の有機圧電材料を有する態様が好ましい。
分極処理の方法としては、従来公知の直流電圧印加処理、交流電圧印加処理又はコロナ放電処理方法が適用され得る。
超音波振動子に付される電極に用いられる材料としては、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)などが挙げられる。
本発明の超音波探触子は、本発明の超音波振動子を具備したものである。超音波探触子は、超音波振動子として、超音波送信用振動子と超音波受信用振動子とを具備することが好ましい。
本発明の超音波探触子は、種々の態様の超音波診断装置に用いることができる。例えば、図4に示すような超音波画像検出装置において好適に使用することができる。
(有機圧電材料1および超音波振動子1の作製と評価)
フッ化ビニリデン(以下VDF)とトリフルオロエチレン(以下3FE)との共重合比率が80:20である共重合体粉末[以下P(VDF80/3FE20)](Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)10.01gを60℃に加熱したエチルメチルケトン(以下MEK)に40gに溶解した。この溶液をガラス板上に塗布し、溶媒を乾燥させ、第一の有機圧電体の膜を作製した。このフィルムの上に、PVDF粉末(Mw4.8×106、Mw/Mn1.7)0.97g/MEK3gのMEK溶液を塗布し、溶媒を乾燥させ、第二の有機圧電体の膜を作製し、有機圧電体材料のフィルムを得た。このフィルムを室温で4倍に延伸した後、延伸した長さを保ったまま135℃1時間熱処理を行い、有機圧電材料1を得た。得られた熱処理後のフィルムの示差走査熱量計による吸熱ピーク温度は、118℃、120℃、141℃、153℃であった。
P(VDF80/3FE20)共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)9.97g用い、超音波振動子1を作製したのと同様な手順で製膜した。つづいて、この膜の上に、PVDF粉末(Mw4.8×105、Mw/Mn4.0)1.00g/MEK3gのMEK溶液を塗布し、溶媒を乾燥させフィルムを得、超音波振動子1と同様に延伸を行った。このフィルムに超音波振動子1を作製したのと同様な手順にて熱処理、電極付けを行い、分極済みの超音波振動子2を得た。
P(VDF80/3FE20)共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)10.01gを用い、超音波振動子1を作製したのと同様な手順で製膜、延伸を行った。つづいて、このフィルムの上に、PVDF粉末(Mw4.8×105、Mw/Mn4.0)0.99g/MEK3gのMEK溶液を塗布し、溶媒を乾燥させた。さらに、このフィルムに熱処理、電極付けを行い、分極済みの超音波振動子3を得た。
P(VDF80/3FE20)共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)を用い、超音波振動子1を作製したのと同様な手順で製膜、延伸、熱処理および電極付けを行い、分極済みの超音波振動子4を得た。
m−キシリレンジアミン(以下XDA)と4,4′−ジフェニルメタンジイソシアネート(以下MDI)との共重合比率が50:50であるポリ尿素共重合体粉末(XDA−MDI)(Mw9.3×105、Mw/Mn3.8)(第二の有機圧電体)のDMF溶液をガラス板上に塗布し、溶媒を乾燥させた。つづいて、このフィルムの上に、P(VDF80/3FE20)共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)(第一の有機圧電体)用い、超音波振動子1を作製したのと同様な手順で製膜を行った。その後、減圧下、50℃にて溶媒を乾燥させた。このフィルムへの延伸処理を試みたが、延伸されなかった。フィルムを熱処理し、電極付けを行い、分極済みの超音波振動子5を得た。
超音波振動子1〜5を作製したのと同様にして、第一の有機圧電体として、P(VDF60/3FE40)共重合体粉末(Mw3.5×105、Mw/Mn1.9)と各対応する材料を用い、分極済みの超音波振動子6〜10を得た。
下記に記載の第一の有機圧電体と、第二の有機圧電体とを用い、上記方法と同様にして、表1に示す超音波振動子11〜16を得た。
下記に記載の第一の有機圧電体と、第二の有機圧電体とを用い、表1に示す割合で第一の有機圧電体と、第二の有機圧電体との割合を変えた他は、超音波振動子1と同様にして、超音波振動子17〜19を作製した。
フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合比率が80:20である共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)10.01g、同共重合体粉末(Mw5.3×106、Mw/Mn1.9)0.97gを50℃に加熱したエチルメチルケトン(以下MEK)1000mlに溶解した。この溶液をガラス板上に塗布した。その後、常温にて溶媒を乾燥させ、厚さ約140μmのフィルム(有機圧電体膜)を得た。このフィルムを室温で4倍に延伸した後、延伸した長さを保ったまま135℃1時間熱処理を行った。得られたフィルムの両面に表面抵抗が1Ω以下になるように金/アルミニウムを蒸着塗布して表面電極付の試料を得た。つづいて、この電極に室温にて、0.1Hzの交流電圧を印加しながら分極処理を行った。分極処理は低電圧から行い、最終的に電極間電場が50MV/mになるまで徐々に電圧をかけ超音波振動子20を得た。
超音波振動子5を作製したのと同様にして、第一の有機圧電体として、P(VDF60/3FE40)共重合体粉末(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)、第二の有機圧電体として、4,4′−メチレンジアニリン(以下MDA)とMDIとのポリ尿素共重合体粉末(MDA−MDI)(Mw3.7×105、Mw/Mn2.9)を用い、製膜および乾燥を行った。このフィルムに延伸処理を施し、分極済みの超音波振動子21を得た。
数平均分子量Mn、重量平均分子量Mwはゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算の値である。東ソー社製高速液体クロマトグラフィーHLC−8220に東ソー社製カラムTSKgel α−M(7.8mmI.D.×30cm)を2本装填し、検出器は示差屈折率検出器として測定を行った。展開溶媒にN,N−ジメチルホルムアミドを用い、流速1.0ml/分、40℃にて行った。
上記のようにして得られた電極付の超音波振動子の両面の電極にリード線を付け、アジレントテクノロジー社製インピーダンスアナライザ4294Aを用いて、25℃雰囲気下において、40Hzから110MHzまで等間隔で600点周波数掃引した。厚み共振周波数における比誘電率の値を求めた。同様に、厚み共振周波数付近の抵抗値のピーク周波数P、コンダクタンスのピーク周波数Sをそれぞれ求め、下記式にて電気機械結合定数ktを求めた。
インピーダンスアナライザを用いて厚み共振周波数から電気機械結合定数を求める方法としては、電子情報技術産業協会規格JEITA EM−4501(旧EMAS−6100)圧電セラミック振動子の電気的試験方法に記載の円盤状振動子の厚みたて振動に4.2.6項に準拠した。
上記により得られた有機圧電体材料の薄膜から所定の大きさの有機圧電材料とするために切断した際の膜の変形を観察し、これを加工性の指標とした。
A−2:P(VDF80/3FE20)共重合体(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)(熱処理のみ)
A−3:PVDF(Mw4.8×105、Mw/Mn1.7)(延伸、熱処理)
A−4:PVDF(Mw4.8×105、Mw/Mn1.7)(熱処理))
A−5:フッ化ビニリデン(以下VDF)とトリフルオロエチレン(以下3FE)との共重合比率が80:20である共重合体[以下P(VDF80/3FE20)](Mw3.1×105、Mw/Mn5.4)(延伸、熱処理あり)
A−11:フッ化ビニリデン(以下VDF)とトリフルオロエチレン(以下3FE)との共重合比率が60:40である共重合体[以下P(VDF60/3FE40)](Mw3.5×105、Mw/Mn1.9)
B−1:P(VDF80/3FE20)共重合体(Mw2.2×105、Mw/Mn2.1)(熱処理のみ)
B−2:PVDF(Mw4.8×105、Mw/Mn1.7)(延伸、熱処理)
B−3:PVDF(Mw4.8×105、Mw/Mn1.7)(熱処理)
B−4:XDAとMDIとの共重合比率が50:50であるポリ尿素共重合体粉末(XDA−MDI)(Mw9.3×105、Mw/Mn3.8)(熱処理)
B−5:P(VDF80/3FE20)共重合体(Mw5.3×106、Mw/Mn1.9)(延伸、熱処理)
B−6:4,4′−メチレンジアニリン(以下MDA)とMDIとの共重合比率が50:50であるポリ尿素共重合体粉末(MDA−MDI)(Mw3.7×105、Mw/Mn2.9)(熱処理、延伸)
表1から、本発明の有機圧電材料は、優れた圧電特性を維持しており、加工性に優れ、機械的強度の高い超音波振動子を与えることが分かる。
−超音波探触子の作製と評価−
(送信用振動子の作製)
成分原料であるCaCO3、La2O3、Bi2O3とTiO2、及び副成分原料であるMnOを準備し、成分原料については、成分の最終組成が(Ca0.97La0.03)Bi4.01Ti4O15となるように秤量した。次に、純水を添加し、純水中でジルコニア製メディアを入れたボールミルにて8時間混合し、十分に乾燥を行い、混合粉体を得た。
常法に従って、上記の送信用振動子の上に基板を介して超音波振動子1を積層し、かつバッキング層と音響整合層を設置し超音波探触子1を作製した。超音波探触子1と同様にして、超音波振動子2、3、5〜8、10〜21を用い超音波探触子2、3、5〜8、10〜21を作製した。これらを用い、図4に記載の機能を有する超音波検出装置1〜3、5〜8、10〜20を作製し、生体を対象として測定を行った。超音波検出装置1〜3、6〜8、17〜20においては良好な画像が得られたが、超音波検出装置5、10〜16においては画像が不明瞭であった。
Claims (11)
- 電気機械結合定数ktが0.25以上である第一の有機圧電体と、当該第一の有機圧電体と隣接し、破断点伸度が70%以上、910%以下である第二の有機圧電体とを含有することを特徴とする有機圧電材料。
- 前記第一の有機圧電体が、フッ化ビニリデンの重合体または共重合体であることを特徴とする請求の範囲第1項に記載の有機圧電材料。
- 前記第一の有機圧電体の有機圧電材料に対する含有量が、50質量%以上であることを特徴とする請求の範囲第1項または第2項に記載の有機圧電材料。
- 前記有機圧電材料が、延伸処理されて形成された有機圧電材料であることを特徴とする請求の範囲第1項から第3項のいずれか1項に記載の有機圧電材料。
- 前記第一の有機圧電体の層と、前記第二の有機圧電体の層とが積層された積層体であることを特徴とする請求の範囲第1項から第4項のいずれか1項に記載の有機圧電材料。
- 前記有機圧電材料が、重量平均分子量の異なる2種の高分子有機圧電体を含有する塗布液を用い、製膜された有機圧電材料であることを特徴とする請求の範囲第1項から第5項のいずれか1項に記載の有機圧電材料。
- 請求の範囲第6項に記載の有機圧電材料を作製する、有機圧電材料の作製方法であって、重量平均分子量の異なる2種の高分子有機圧電体を含有する塗布液を用い製膜し、2層の有機圧電体が積層された有機圧電材料を作製することを特徴とする有機圧電材料の作製方法。
- 請求の範囲第1項から第6項のいずれか1項に記載の有機圧電材料を有することを特徴とする超音波振動子。
- 対向する一対の電極間に、請求の範囲第1項から第6項のいずれか1項に記載の有機圧電材料を有することを特徴とする請求の範囲第8項に記載の超音波振動子。
- 請求の範囲第8項または第9項に記載の超音波振動子を具備することを特徴とする超音波探触子。
- 請求の範囲第10項に記載の超音波探触子を具備することを特徴とする超音波画像検出装置。
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