JP2960092B2 - 超音波センサ - Google Patents
超音波センサInfo
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- JP2960092B2 JP2960092B2 JP2028116A JP2811690A JP2960092B2 JP 2960092 B2 JP2960092 B2 JP 2960092B2 JP 2028116 A JP2028116 A JP 2028116A JP 2811690 A JP2811690 A JP 2811690A JP 2960092 B2 JP2960092 B2 JP 2960092B2
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- ultrasonic sensor
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- electrodes
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
- G01H3/005—Testing or calibrating of detectors covered by the subgroups of G01H3/00
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
- G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
- G10K11/35—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using mechanical steering of transducers or their beams
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、保持装置内に浮動的に固定されたポリマー
箔を備え、このポリマー箔は少なくとも一部の領域が圧
電動作し電極に結合されている超音波センサに関する。
箔を備え、このポリマー箔は少なくとも一部の領域が圧
電動作し電極に結合されている超音波センサに関する。
音波伝播媒体、例えば水が充満している超音波領域の
特性を測定する際には、いわゆるダイヤフラム形水中聴
音器または小形水中聴音器が使用される。超音波領域の
音圧振幅の３次元分布は、測定槽内のそれぞれ異なった
個所における音圧がこの種の水中聴音器によって測定さ
れることにより検出される。この水中聴音器は被測定音
波領域への影響が出来る限り僅かでなければならない。
特性を測定する際には、いわゆるダイヤフラム形水中聴
音器または小形水中聴音器が使用される。超音波領域の
音圧振幅の３次元分布は、測定槽内のそれぞれ異なった
個所における音圧がこの種の水中聴音器によって測定さ
れることにより検出される。この水中聴音器は被測定音
波領域への影響が出来る限り僅かでなければならない。
刊行物「ウルトラソニック（Ultrasonics）」（1980
年５月発行、第123頁〜第126頁）には例えばダイヤフラ
ム形水中聴音器が掲載されており、このダイヤフラム形
水中聴音器においては、25μｍの厚さを持つポリフッ化
ビニリデンPVDF製箔が支持体として使用される２つの金
属リングの間に張設される。それによって、約100nmの
内径を有するダイヤフラムが形成される。ダイヤフラム
の表面には微小中心領域に互いに対向する円板状電極
（直径約4mm）が設けられる。これらの電極間ではダイ
ヤフラムの極性化された圧電動作領域が形成される。円
板状電極からは金属フィルムとしてダイヤフラムの表面
上に設けられた接続導体がダイヤフラムの周辺部へ案内
され、そこで導電性接着剤によって同軸ケーブルに電気
的に接続される。
年５月発行、第123頁〜第126頁）には例えばダイヤフラ
ム形水中聴音器が掲載されており、このダイヤフラム形
水中聴音器においては、25μｍの厚さを持つポリフッ化
ビニリデンPVDF製箔が支持体として使用される２つの金
属リングの間に張設される。それによって、約100nmの
内径を有するダイヤフラムが形成される。ダイヤフラム
の表面には微小中心領域に互いに対向する円板状電極
（直径約4mm）が設けられる。これらの電極間ではダイ
ヤフラムの極性化された圧電動作領域が形成される。円
板状電極からは金属フィルムとしてダイヤフラムの表面
上に設けられた接続導体がダイヤフラムの周辺部へ案内
され、そこで導電性接着剤によって同軸ケーブルに電気
的に接続される。
しかしながらこの公知の水中聴音器においては、超音
波衝撃波の測定を行う際に、特に頻繁に使用される際に
問題が発生する。立上がり時間が１μｓ以下でありかつ
圧力振幅が108Paの範囲にある非常に急峻なパルスエッ
ジを有するこの種の衝撃波はPVDF膜上に設けられた金属
電極を時間の経過と共にキャビテーション効果に基づい
て機械的に破壊してしまうおそれがある。このような衝
撃波は収束された超音波衝撃波が結石、例えば患者の腎
臓内の腎臓結石を破砕するために使用される結石破砕装
置の例えば焦点領域に現れる。この種の結石破砕装置の
開発ならびにルーチン監視を行う際には、焦点領域にお
ける衝撃波の特性を測定することが必要である。
波衝撃波の測定を行う際に、特に頻繁に使用される際に
問題が発生する。立上がり時間が１μｓ以下でありかつ
圧力振幅が108Paの範囲にある非常に急峻なパルスエッ
ジを有するこの種の衝撃波はPVDF膜上に設けられた金属
電極を時間の経過と共にキャビテーション効果に基づい
て機械的に破壊してしまうおそれがある。このような衝
撃波は収束された超音波衝撃波が結石、例えば患者の腎
臓内の腎臓結石を破砕するために使用される結石破砕装
置の例えば焦点領域に現れる。この種の結石破砕装置の
開発ならびにルーチン監視を行う際には、焦点領域にお
ける衝撃波の特性を測定することが必要である。
このような衝撃波の測定に特に適する超音波センサは
ヨーロッパ特許出願公開第0227985号公報により公知で
ある。この公知の超音波センサにおいては、周縁部が支
持体に固定されたポリマー箔はその一部領域が圧電動作
し、そしてこの圧電動作領域とは空間的に分離して配置
されている電極に電気的に結合されている。ポリマー箔
の圧電動作領域に超音波によって惹起された表面電荷振
動はポリマー箔を取囲む音波伝播媒体を介してポリマー
箔の圧電動作領域に付属するポリマー箔表面領域の外に
配置された電極に電気的に結合される。ポリマー箔の圧
電動作中心領域は従って収束された超音波衝撃波の焦点
領域に配置することが出来る。というのは、ポリマー箔
の中心領域には機械的に不安定な導電性膜が存在しない
からである。
ヨーロッパ特許出願公開第0227985号公報により公知で
ある。この公知の超音波センサにおいては、周縁部が支
持体に固定されたポリマー箔はその一部領域が圧電動作
し、そしてこの圧電動作領域とは空間的に分離して配置
されている電極に電気的に結合されている。ポリマー箔
の圧電動作領域に超音波によって惹起された表面電荷振
動はポリマー箔を取囲む音波伝播媒体を介してポリマー
箔の圧電動作領域に付属するポリマー箔表面領域の外に
配置された電極に電気的に結合される。ポリマー箔の圧
電動作中心領域は従って収束された超音波衝撃波の焦点
領域に配置することが出来る。というのは、ポリマー箔
の中心領域には機械的に不安定な導電性膜が存在しない
からである。
圧電セラミック材料に比べて比較的小さい誘電率を有
する圧電ポリマーを使用することによって、大きな信号
損失を生じることなく純粋な容量結合が可能になる。従
って、電極はポリマー箔の圧電動作領域から空間的に分
離されて、箔自体の上または箔の外、例えば箔支持体上
に配置することが出来る。
する圧電ポリマーを使用することによって、大きな信号
損失を生じることなく純粋な容量結合が可能になる。従
って、電極はポリマー箔の圧電動作領域から空間的に分
離されて、箔自体の上または箔の外、例えば箔支持体上
に配置することが出来る。
治療のために患者が入れられた水槽内に配置される結
石破砕装置においては、超音波センサを用いて焦点のコ
ントロールを問題なく行うことが出来る。この超音波セ
ンサは焦点コントロールだけのために既設の水槽内で使
用される。しかしながら、新形の結石破砕装置は任意に
移動可能な衝撃波送信器を有しており、この衝撃波送信
器は大抵ゴム膜によって閉鎖されて水を充填された袋状
部を患者身体に結合させるものである（ヨーロッパ特許
出願公開第0133665号公報）。患者を収容しなければな
らずかつ焦点コントロールのために超音波センサを取付
けることのできる水槽は従って存在していない。
石破砕装置においては、超音波センサを用いて焦点のコ
ントロールを問題なく行うことが出来る。この超音波セ
ンサは焦点コントロールだけのために既設の水槽内で使
用される。しかしながら、新形の結石破砕装置は任意に
移動可能な衝撃波送信器を有しており、この衝撃波送信
器は大抵ゴム膜によって閉鎖されて水を充填された袋状
部を患者身体に結合させるものである（ヨーロッパ特許
出願公開第0133665号公報）。患者を収容しなければな
らずかつ焦点コントロールのために超音波センサを取付
けることのできる水槽は従って存在していない。
しかしながら、この種の結石破砕装置の焦点領域でル
ーチン測定を実際に行うためには、大掛かりな準備を必
要とせずかつ僅かな費用にて行うことが出来ることが望
ましい。このことは公知の超音波センサを用いたのでは
可能ではない。公知の超音波センサを用いて測定を行う
ためには、大抵の場合衝撃波送信器は取外されて、離隔
した測定場所で特にこのために用意された測定槽内でコ
ントロールされなければならない。
ーチン測定を実際に行うためには、大掛かりな準備を必
要とせずかつ僅かな費用にて行うことが出来ることが望
ましい。このことは公知の超音波センサを用いたのでは
可能ではない。公知の超音波センサを用いて測定を行う
ためには、大抵の場合衝撃波送信器は取外されて、離隔
した測定場所で特にこのために用意された測定槽内でコ
ントロールされなければならない。
そこで本発明は、結石破砕装置の焦点領域でのルーチ
ン測定に特に適する超音波センサを提供することを課題
とする。
ン測定に特に適する超音波センサを提供することを課題
とする。
このような課題を解決するために、本発明は、ポリマ
ー箔は、少なくともその平坦面に対向して位置する領域
が凸形アーチ状で半球天井形の表面を有するハウジング
内に配置され、その凸形アーチ状で半球天井形の表面は
圧電動作領域が結石破砕装置の焦点に位置するように結
石破砕装置のゴム膜によって閉鎖された区間に設置可能
であることを特徴とする。
ー箔は、少なくともその平坦面に対向して位置する領域
が凸形アーチ状で半球天井形の表面を有するハウジング
内に配置され、その凸形アーチ状で半球天井形の表面は
圧電動作領域が結石破砕装置の焦点に位置するように結
石破砕装置のゴム膜によって閉鎖された区間に設置可能
であることを特徴とする。
焦点をコントロールするために、超音波センサは結石
破砕装置内のゴム膜によって閉鎖された区間に設置され
る。ハウジングを凸形アーチ状で半球天井形の形状に形
成することによって、結石破砕装置のゴム膜によって閉
鎖された区間においてハウジングを結石破砕装置のゴム
膜に押し付けて圧電動作領域が結石破砕装置の焦点に位
置するようにする際に、ハウジングの凸形アーチ状で半
球天井形の表面がゴム膜にぴったり当接して、ゴム膜と
ハウジングとの間には誤測定の原因となる空気充満空所
が形成されないということが保証される。
破砕装置内のゴム膜によって閉鎖された区間に設置され
る。ハウジングを凸形アーチ状で半球天井形の形状に形
成することによって、結石破砕装置のゴム膜によって閉
鎖された区間においてハウジングを結石破砕装置のゴム
膜に押し付けて圧電動作領域が結石破砕装置の焦点に位
置するようにする際に、ハウジングの凸形アーチ状で半
球天井形の表面がゴム膜にぴったり当接して、ゴム膜と
ハウジングとの間には誤測定の原因となる空気充満空所
が形成されないということが保証される。
本発明の特に有利な実施態様によれば、信号電極が圧
電動作領域とは空間的に分離して配置された超音波セン
サが提供される。ポリマー箔の表面上には圧電動作領域
に薄膜電極が設置されないので、超音波センサの寿命お
よびこの超音波センサを用いて行われる測定の再現性が
改善される。
電動作領域とは空間的に分離して配置された超音波セン
サが提供される。ポリマー箔の表面上には圧電動作領域
に薄膜電極が設置されないので、超音波センサの寿命お
よびこの超音波センサを用いて行われる測定の再現性が
改善される。
本発明の別の優れた実施態様によれば、曲率中心点が
少なくともほぼ圧電動作領域と一致する球面状表面が設
けられる。これにより、超音波センサは２つの角座標で
任意に調整可能となり、その角度は圧電動作領域の大き
さだけに依存する。
少なくともほぼ圧電動作領域と一致する球面状表面が設
けられる。これにより、超音波センサは２つの角座標で
任意に調整可能となり、その角度は圧電動作領域の大き
さだけに依存する。
ハウジング表面での擾乱的反射を十分に回避するため
に、ハウジングは凸形アーチ状で半球天井形の表面の領
域が特にプラスチックから構成される。
に、ハウジングは凸形アーチ状で半球天井形の表面の領
域が特にプラスチックから構成される。
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
る。
第１図によれば、ポリマー箔２が保持装置12内に浮動
的に取付けられている。保持装置12は中空円筒体の形状
をしており、その端面が基板34上に配置されている。保
持装置12内ではポリマー箔２はその平坦面が中空円筒体
の中心軸線13に対して垂直に張設されている。基板34は
この基板34に対向して位置する領域が凸形アーチ状で半
球天井形の表面32を有するハウジング30の一部分を構成
している。有利な実施例においては、表面32は球面状に
形成され、中空円筒体状保持装置12の中心軸線13はこの
表面32とその頂点Ｓにて交差する。凸形アーチ状ハウジ
ング部分は基板34に結合された同様に中空円筒体状の枠
体36上に設置され、出来る限り僅少な音響インピーダン
スを有するプラスチック、特にポリメチルペンタン（PM
P）またはポリスチロール（PS）から構成されるのが好
ましい。枠体36および保持装置12は有利な実施例におい
ては同様にプラスチックから構成される。
的に取付けられている。保持装置12は中空円筒体の形状
をしており、その端面が基板34上に配置されている。保
持装置12内ではポリマー箔２はその平坦面が中空円筒体
の中心軸線13に対して垂直に張設されている。基板34は
この基板34に対向して位置する領域が凸形アーチ状で半
球天井形の表面32を有するハウジング30の一部分を構成
している。有利な実施例においては、表面32は球面状に
形成され、中空円筒体状保持装置12の中心軸線13はこの
表面32とその頂点Ｓにて交差する。凸形アーチ状ハウジ
ング部分は基板34に結合された同様に中空円筒体状の枠
体36上に設置され、出来る限り僅少な音響インピーダン
スを有するプラスチック、特にポリメチルペンタン（PM
P）またはポリスチロール（PS）から構成されるのが好
ましい。枠体36および保持装置12は有利な実施例におい
ては同様にプラスチックから構成される。
ポリマー箔２は10μｍ〜100μｍの厚さであり、約10
〜20mmの任意の直径を有する。ポリマー箔２は直径約１
〜2mmの中心領域が圧電動作する。円筒体状保持装置12
は例えば0.5mmの壁厚を有し、基板34とは反対側の端面
に電極４が設けられている。この電極４は信号電極とし
て使用され、保持装置12を蓋状に閉鎖している。従っ
て、電極４はポリマー箔２に対して平行に配置されてい
る。電極４とポリマー箔２との間隔は約3mmである。電
極４としては例えば、例えば20μｍの厚さの薄膜金属
箔、特に特殊鋼から成る金属格子が設けられる。
〜20mmの任意の直径を有する。ポリマー箔２は直径約１
〜2mmの中心領域が圧電動作する。円筒体状保持装置12
は例えば0.5mmの壁厚を有し、基板34とは反対側の端面
に電極４が設けられている。この電極４は信号電極とし
て使用され、保持装置12を蓋状に閉鎖している。従っ
て、電極４はポリマー箔２に対して平行に配置されてい
る。電極４とポリマー箔２との間隔は約3mmである。電
極４としては例えば、例えば20μｍの厚さの薄膜金属
箔、特に特殊鋼から成る金属格子が設けられる。
ハウジング30の全内室には、高誘電率を有する音波伝
播液体38、例えば10μm/cm以下の導電率を有する高純
水、またはシリコーンオイル特にグリセリンが充填され
る。電極４と金属基板34とはポリマー箔２の圧電動作領
域21に発生した電荷信号を容量的に取出すための２つの
電極を形成している。なお、電荷信号は電圧信号として
リード線16で取出すことが出来る。
播液体38、例えば10μm/cm以下の導電率を有する高純
水、またはシリコーンオイル特にグリセリンが充填され
る。電極４と金属基板34とはポリマー箔２の圧電動作領
域21に発生した電荷信号を容量的に取出すための２つの
電極を形成している。なお、電荷信号は電圧信号として
リード線16で取出すことが出来る。
第２図に示された特に有利な実施例では、円筒状保持
装置12内にはポリマー箔２と基板34との間に配置された
信号電極６が設けられている。円筒状保持装置12の端面
に配設された電極４はこの実施例においては対向電極と
して設けられている。基板34は金属またはプラスチック
から構成されている。電極はポリマー箔２に対して特に
対称的に配置されている。これにより、信号は入力端子
がそれぞれ一方の電極４または６に接続されている差動
増幅器40によって読取ることが出来る。両電極に均等に
生起する電気的擾乱はこれによって抑制される。
装置12内にはポリマー箔２と基板34との間に配置された
信号電極６が設けられている。円筒状保持装置12の端面
に配設された電極４はこの実施例においては対向電極と
して設けられている。基板34は金属またはプラスチック
から構成されている。電極はポリマー箔２に対して特に
対称的に配置されている。これにより、信号は入力端子
がそれぞれ一方の電極４または６に接続されている差動
増幅器40によって読取ることが出来る。両電極に均等に
生起する電気的擾乱はこれによって抑制される。
電荷信号を容量的に読取るためには第３図によれば同
様に電極８も適する。この電極８は保持装置12の任意の
全横断面に亘って延在しておらず、そしてポリマー箔２
の全領域を覆っていない。電極は図示された実施例では
保持装置12内に貼付けられた棒状支持体９上に配置され
ている。棒状支持体９を180゜ずらして配置することに
より、この実施例においては特に寄生的容量が軽減され
る。
様に電極８も適する。この電極８は保持装置12の任意の
全横断面に亘って延在しておらず、そしてポリマー箔２
の全領域を覆っていない。電極は図示された実施例では
保持装置12内に貼付けられた棒状支持体９上に配置され
ている。棒状支持体９を180゜ずらして配置することに
より、この実施例においては特に寄生的容量が軽減され
る。
中心軸線13に対して垂直に配置された電極４、６の代
わりに、他の実施例によれば同様に、円筒状保持装置12
の内壁に配設された環状電極を設けることも出来る。こ
のような実施例によれば、音響ビーム内に擾乱的界面が
形成されないという利点が奏される。
わりに、他の実施例によれば同様に、円筒状保持装置12
の内壁に配設された環状電極を設けることも出来る。こ
のような実施例によれば、音響ビーム内に擾乱的界面が
形成されないという利点が奏される。
第１図は本発明による超音波センサの有利な実施例を示
す概略断面図、第２図および第３図は特に有利な電極装
置を備えた超音波センサを示す断面図である。 ２……ポリマー箔 ４、８……電極 ６……信号電極 ９……支持体 12……保持装置 13……中心軸線 16……リード線 21……中心領域 30……ハウジング 32……表面 34……基板 36……枠体 38……音波伝播媒体 40……差動増幅器
す概略断面図、第２図および第３図は特に有利な電極装
置を備えた超音波センサを示す断面図である。 ２……ポリマー箔 ４、８……電極 ６……信号電極 ９……支持体 12……保持装置 13……中心軸線 16……リード線 21……中心領域 30……ハウジング 32……表面 34……基板 36……枠体 38……音波伝播媒体 40……差動増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−154900（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−234951（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−28745（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−97999（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H04R 17/00 330 H04R 1/44 330 A61B 17/36 330 A61B 17/22 330
Claims (7)
- 【請求項１】保持装置（12）内に浮動的に取付けられた
ポリマー箔（２）を備え、このポリマー箔（２）は少な
くとも一部の領域（21）が圧電動作し電極（４、34）に
結合されている超音波センサにおいて、前記ポリマー箔
（２）は、少なくともその平坦面に対向して位置する領
域が凸形アーチ状で半球天井形の表面（32）を有するハ
ウジング（30）内に配置され、その凸形アーチ状で半球
天井形の表面（32）は圧電動作領域（21）が結石破砕装
置の焦点に位置するように結石破砕装置のゴム膜によっ
て閉鎖された区間に設置可能であることを特徴とする超
音波センサ。 - 【請求項２】前記電極（４、34）は前記圧電領域とは空
間的に分離して配置されることを特徴とする請求項１記
載の超音波センサ。 - 【請求項３】曲率中心点が少なくともほぼ圧電動作領域
（21）と一致する球面状表面（32）が設けられることを
特徴とする請求項１または２記載の超音波センサ。 - 【請求項４】前記ハウジング（30）は少なくとも凸形ア
ーチ状で半球天井形の表面（32）の領域がプラスチック
から構成されることを特徴とする請求項１ないし３の１
つに記載の超音波センサ。 - 【請求項５】保持装置（12）は前記ハウジング（30）の
内部に配置された中空円筒体を形成し、その中心軸線
（13）は凸形アーチ状表面の頂点（Ｓ）を通過し、前記
ポリマー箔（２）の平坦面と垂直に交差することを特徴
とする請求項１ないし４の１つに記載の超音波センサ。 - 【請求項６】前記電極（４、６）は前記ポリマー箔
（２）に対して対称的に配置されることを特徴とする請
求項１ないし５の１つに記載の超音波センサ。 - 【請求項７】前記電極（４、６）はそれぞれ差動増幅器
（40）の一方の入力端子に接続されることを特徴とする
請求項６記載の超音波センサ。
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