JP2720731B2 - 複合圧電体 - Google Patents
複合圧電体Info
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Description
どを行うソナーや生体の診断を行う超音波診断装置など
のセンサである超音波探触子に用いる複合圧電体に関す
る。
断装置などの超音波探触子に用いる圧電体として、最
近、柱状の圧電セラミックスを配列した間隙に有機高分
子を充填したいわゆる1−3形の複合圧電体の検討が行
われている。
ro.IEEE,1985,Ultrasonics
Symp.p643−647に記載された構成が知られ
ている。図3に示すように、上記従来の複合圧電体51
は、1次元のつながりを有し、網目状に配列された柱状
の圧電セラミックス52の間隙に3次元的なつながりを
有するように有機高分子53が充填され、厚みtが均一
となるように形成されている。このように構成された複
合圧電体51はセラミックス単体の構成に比べて音響イ
ンピーダンスを小さくし、より被検体(生体の音響イン
ピーダンスは1.55〜1.65MRayl)の音響イン
ピーダンスに近付けることができ、しかも、電気機械結
合係数も大きい値を得ることができ、効率良く、かつ広
帯域の周波数特性を得ることができる。したがって、高
分解能の超音波断層象を得ることが可能となるという特
徴を有する。
うな従来の複合圧電体の構成では、周波数帯域特性にお
いて、圧電セラミックス単体のものに比べて広い特性を
得ることができるものの、まだ十分といえる特性を得る
ことはできていないのが実状である。
るものであり、更に一層広帯域の周波数特性を得ること
ができ、したがって、超音波探触子に用いた場合にきわ
めて短いパルス応答波形を得ることができ、被検深度が
深く、かつ分解能の高い超音波画像を得ることができる
ようにした複合圧電体を提供することを目的とするもの
である。
の本発明の技術的手段は、両面に設けた対向する2枚の
電極で電圧を印加されて駆動される複数個の柱状の圧電
体素子と、これら柱状の圧電体素子の間隙に充填される
有機高分子とを備え、上記各圧電体素子について上記電
極の向かい合う方向に伸びる柱の厚みと柱の幅の比がほ
ぼ一定となるように柱の厚みを不均一に形成し、各圧電
体素子間の間隙に充填する有機高分子の幅を隣接する圧
電体素子の幅にほぼ比例して変えたものである。
面を平坦に形成し、他方の面を曲面形状に形成すること
ができ、または両面をそれぞれ異なる曲面形状に形成す
ることができ、また、上記曲面を凹面形状に形成するこ
とができる。
ぞれの厚みに対応した周波数の振動モードが発生するの
で、広い帯域の周波数特性を得ることができ、超音波探
触子に用いることにより、きわめて短いパルス応答波形
を得ることができる。
しながら説明する。
体を示す要部の断面図である。図1において、1は複合
圧電体であり、複数個の柱状の圧電体素子2と有機高分
子3とから構成されている。各圧電体素子2はPZT
系、PbTiO3系などの圧電セラミックスやLiNb
O3等の単結晶により柱状に形成され、両面に対向して
形成される2枚の電極4、5の向かい合う方向に伸びる
柱の厚み(長さ)と柱の幅を有している。有機高分子3
にはシリコーンゴム、エポキシ樹脂、あるいはウレタン
樹脂などが使用され、この有機高分子3は圧電体素子2
の間隙に3次元的に充填されてこれらを互いに結合す
る。そして、各圧電体素子2の幅と厚みが一定比率とな
り、体積比率がほぼ同じとなるように全体を不均一に形
成するとともに、圧電体素子2の配列間隔と有機高分子
3の幅を不均一に形成し、一方の面を平坦に形成し、他
方の面を凹曲面に形成する。
音波探触子として用いるにはその両面、図示例では平坦
面と凹曲面にメッキ、蒸着、あるいは焼付けなどの方法
により電極4と5を設ける。なお、図示していないが、
必要に応じて複合圧電体1の電極4面上に背面負荷材を
設け、複合圧電体1の電極5面上に音響整合層、若しく
は保護膜を設けてもよい。そして、電極4、5に電圧を
印加することにより、複合圧電体1が機械振動してそれ
ぞれの厚さに対応した周波数の超音波を発生する。
る。複合圧電体1の圧電体素子2の幅(w)と厚み
(t)の形状比(w/t)が変化することにより、電気
機械結合係数、すなわち、周波数特性が大きく変化する
ことが既に知られている。そこで、本発明実施例では、
図1に示すように、複合圧電体1に不均一の厚みを持た
せたものに対して圧電体素子2の形状比(w/t)がほ
ぼ同じ値になるように、すなわち、w1/t1=w2/
t2=w3/t3…=wn/tnになるように、圧電体
素子2の幅をw1<w2<w3<…<wnに変えた構成
としている。
2の形状比(w/t)をほぼ一定の値にした場合、すな
わち、圧電体素子2の幅と厚みとを一定比率にした場合
において、有機高分子3の幅(G1,G2,G3…G
n)を同じ幅にすると、それぞれの領域(A,B,C…
N)の圧電体素子2の体積比率はA<B<C<…<Nと
なる。この複合圧電体1における圧電体素子2の体積比
率と複合圧電体1の特性、特に、電気機械結合係数k、
音響インピーダンスZは、図2に示すような関係になっ
ている。図2の特性から明らかなように、圧電体素子2
の体積比率が変化することにより、電気機械結合係数
k、音響インピーダンスZも変化している。電気機械結
合係数kと周波数特性は密接な関係を有していることは
既に知られていることであり、また、音響インピーダン
スZが変わることは、被検体、例えば、生体(音響イン
ピーダンスが1.55〜1.65MRayl)との音響的
な整合条件が変わることになり、その結果として、均一
な超音波を発生できなくなり、効率、すなわち、感度お
よび周波数特性に悪影響がでてくる。
て圧電体素子2の体積比率は可能な限り同じ値にして電
気機械結合係数kも音響インピーダンスZも一定の値に
することが望ましい。このような問題を解決して周波数
特性をより一層広帯域にしようとしているのが本実施例
の構成である。
曲面の曲率半径を80mmの凹面形状にし、中央部の最
も薄い部分の厚みを0.2mm、最外周部の最も厚い部
分を0.82mmとし、圧電体素子2の形状比(w/
t)を0.5に設定した場合、複合圧電体1の厚みが薄
い部分t1の圧電体素子2の幅w1は0.1mm、そし
て最も厚い部分tnの圧電体素子2の幅wnは0.41
mmとする。すなわち、このことは複合圧電体1の圧電
体素子2の配列間隔を不均一にしていることになる。な
お、中間の厚みを持つ部分の幅は順次変えて圧電体素子
2の形状比(w/t)を0.5になるように変えていけ
ば良い。
比率を25%に設定すると、最も薄いt1部分の圧電体
素子2に隣接する有機高分子3の幅G1を0.1mmと
し、順次、圧電体素子2の幅に対応して有機高分子3の
幅を変え、圧電体素子2が最も厚い部分tnに隣接する
有機高分子3の幅Gnを0.41mmとすれば良い。し
たがって、複合圧電体1の厚みが薄い部分の有機高分子
3の幅G1は狭く、複合圧電体1の厚みが厚くなるに従
って、有機高分子3の幅Gnは広くなるような構成とな
る。
図示しているが、紙面に対して垂直方向についても基本
的には図1の構成と同じである。したがって、実際に
は、図1に示す構成が2次元的に配置されている。
有機高分子3の幅Gも同様に変える。すなわち、圧電体
素子2および有機高分子3の厚みがほぼ同じであるの
で、圧電体素子2、有機高分子3の幅を変えることによ
り、体積比率を任意に変えることができ、複合圧電体1
の圧電体素子2の体積比率を一定の値に設定することが
できる。
くことにより、複合圧電体1の圧電体素子2の体積比率
を一定の値にすることができる。したがって、複合圧電
体1の各部分の音響インピーダンスZを一定にすること
ができ、しかも、電気機械結合係数kも一定の値に設定
できるので、広い周波数特性を有するものが得られ、し
かも、設計が容易になる。
ているので、この形状に沿って超音波ビームを集束させ
ることができるという特徴を有している。
超音波探触子は、きわめて短いパルス応答波形を得るこ
とができるので、被検深度が深く、かつ分解能の高い超
音波画像を得ることができる。
1の一方の面を、ある曲率を持たせた凹面形状に構成し
た場合について説明したが、このほかに、両面を、曲面
形状を持たせ、若しくは非球面のような複数の曲率半径
を持たせた曲面の形状に構成しても同様に広帯域の周波
数特性を得ることができる。また、上記実施例において
は、複合圧電体1の形状が円板状の場合について説明し
たが、このほか、複合圧電体1にアレイ状に電極を設け
たいわゆるアレイタイプのアレイ電極方向に直交する方
向に本実施例を用いても同様に広帯域の周波数特性を得
ることができる。
面に設けた対向する2枚の電極で電圧を印加されて駆動
される複数個の柱状の圧電体素子と、これら柱状の圧電
体素子の間隙に充填される有機高分子とを備え、上記各
圧電体素子について上記電極の向かい合う方向に伸びる
柱の厚みと柱の幅の比がほぼ一定となるように柱の厚み
を不均一に形成し、各圧電体素子間の間隙に充填する有
機高分子の幅を隣接する圧電体素子の幅にほぼ比例して
変え、複合圧電体として圧電体素子の体積比率をほぼ同
じ値にしているので、それぞれの厚みに対応した周波数
の振動モードを発生することができ、厚みの範囲に対応
した広い周波数帯域特性を得ることができる。したがっ
て、超音波探触子に用いることにより、きわめて短いパ
ルス応答波形を得ることができるので、被検深度が深
く、かつ分解能の高い超音波画像を得ることができる。
部断面図
械結合係数および音響インピーダンスとの関係を示す図
Claims (4)
- 【請求項1】 両面に設けた対向する2枚の電極で電圧
を印加されて駆動される複数個の柱状の圧電体素子と、
これら柱状の圧電体素子の間隙に充填される有機高分子
とを備え、上記各圧電体素子について上記電極の向かい
合う方向に伸びる柱の厚みと柱の幅の比がほぼ一定とな
るように柱の厚みを不均一に形成し、各圧電体素子間の
間隙に充填する有機高分子の幅を隣接する圧電体素子の
幅にほぼ比例して変えたことを特徴とする複合圧電体。 - 【請求項2】 一方の面が平坦であり、他方の面が曲面
形状であることを特徴とする請求項1記載の複合圧電
体。 - 【請求項3】 両面がそれぞれ異なる曲面形状であるこ
とを特徴とする請求項1記載の複合圧電体。 - 【請求項4】 曲面が凹面形状であることを特徴とする
請求項2または3記載の複合圧電体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4309965A JP2720731B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 複合圧電体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4309965A JP2720731B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 複合圧電体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH06154208A JPH06154208A (ja) | 1994-06-03 |
JP2720731B2 true JP2720731B2 (ja) | 1998-03-04 |
Family
ID=17999500
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4309965A Expired - Fee Related JP2720731B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 複合圧電体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2720731B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US8030829B1 (en) | 2010-03-26 | 2011-10-04 | MALAXIT Co. | Hybrid piezoelectric composites with high electromechanical characteristics |
Family Cites Families (4)
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---|---|---|---|---|
DE2529112C3 (de) * | 1975-06-30 | 1978-03-23 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Ultraschall-Applikator für die zeilenweise Ultraschallabtastung von Körpern |
JPS5875056A (ja) * | 1981-10-30 | 1983-05-06 | Kiyoshi Nakayama | 探触子 |
JPS60247159A (ja) * | 1984-05-23 | 1985-12-06 | Hitachi Ltd | 超音波探触子 |
JPS6379642A (ja) * | 1986-09-25 | 1988-04-09 | 株式会社東芝 | 超音波診断装置 |
-
1992
- 1992-11-19 JP JP4309965A patent/JP2720731B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH06154208A (ja) | 1994-06-03 |
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