JPH0142034Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は超音波探触子に係り、特に高分子圧電
材料から形成された超音波送受波圧電素子を用い
た配列形超音波探触子に関する。

［従来の技術］ 超音波を利用して診断、探傷、計測等を行なう
各種超音波機器においては、圧電体の両面に電極
を設けた振動子を複数個配列してなる配列形超音
波探触子が使用されている。この種の超音波探触
子は、圧電体の電気音響変換作用を利用するもの
であり、この圧電体としては従来、セラミツクス
製の圧電素子を用いていた。

しかしながら、セラミツク製圧電素子は感度が
大であるがその反面、音響インピーダンスが約30
×10⁶Kgｆ／m²ｓであるため、人体や水など（音
響インピーダンス約1.5×10⁶Kgｆ／m²ｓ）との音
響整合性が悪く、また１枚の厚さが最小200μm程
度であり、形状比（直方体状に形成した場合に最
小断面における幅／厚さ）を波長に比して充分小
さくなし得ないため、配列ピツチを充分小さくす
ることが実質的に不可能である。したがつてセラ
ミツク製圧電素子では、低密度の配列しかできな
いとともに、約5MHz以下の低周波域しか使用で
きず、人体や水などへの適用要求が高まつている
５〜20MHz程度の高周波域のフエーズドアレイに
は適さないという欠点があつた。

このようなことから最近、高分子圧電材料から
形成された圧電体が注目されている。たとえば
PVDFなどのような高分子圧電材料により形成さ
れた圧電体は広帯域特性を備えており、音響イン
ピーダンスが約３〜４×10⁶Kgｆ／m²ｓであるた
め、上記セラミツク製圧電素子に比べて人体や水
などの音響インピーダンスに近く、したがつて音
響整合性が良好であり、スキヤナ画像上での分解
能に優れている。

また、高分子圧電体は厚さが９〜30μm程度で
あり、高密度に配置することができるため、前記
５〜20MHz程度の周波領域に対する適用ピツチ
200〜50μmのものが容易に得られる利点がある。

このような高分子圧電体を用いた振動子として
は従来、第１図に例示するように構成したものが
使用されていた。すなわち、１…は高分子圧電素
子であり、これら高分子圧電素子１…は複数枚
（図は３つの場合）を厚さ方向、すなわち分極方
向（Ｙ）に重合するとともに相互に一体的に接着
して圧電体２を形成してある。この圧電体２には
厚さ方向に相対向して対をなす電極３…が幅方
向、すなわち高分子圧電素子１…の延伸軸方向
（Ｘ）に沿つて所定の配列ピツチで配設されてい
る。なお、図中４は前面板であり、５は背板であ
る。

しかしながら、上記の構成の振動子は、高分子
圧電素子１…の分極方向（Ｙ）の振動モード（厚
みモード＝延伸軸方向と交差する方向）を利用す
るものであるため、音響インピーダンスが約４×
10⁶Kgｆ／m²ｓとなり、人体や水などの音響イン
ピーダンス約1.5×10⁶Kgｆ／m²ｓに比較してまだ
音響整合法に差がある。

また、上記の振動子は、複数の高分子圧電素子
１…を積層して一体的に接着することにより圧電
体２を形成しているので、電気音響相互変換効
率も低く、かつ圧電体２の圧電ｄ定数が小さいか
ら、電気→音響変換効率も悪い難点もある。

このようなことから本考案者等は、高分子圧電
体の延伸軸方向の振動モードを利用することに着
目した。高分子圧電素子の延伸軸方向の振動モー
ドは音響インピーダンスが約３×10₆Kgｆ／m²ｓ
となり、上記第１図のような厚み方向の振動モー
ドを利用する場合に比べて、人体や水などの音響
インピーダンス約1.5×10⁶Kgｆ／m²ｓに近くな
り、したがつて音響整合性が一層向上することか
ら、スキヤナ画像が一層鮮明になる利点がある。

ところで、本考案者等は、高分子圧電体の延伸
軸方向の振動モードを利用する振動子として、第
２図に示す構成のものを研究、開発した。

第２図において振動子１０は、たとえばPVDF
などの高分子圧電材料からなる圧電体１１と電極
１２，１２を備えている。高分子圧電体１１は、
延伸軸方向（Ｘ）の長さｌ、分極方向（Ｙ）の厚
さｔを有する直方体状に形成されており、電極１
２，１２は適宜の導電性材料から薄膜状に形成さ
れて上記高分子圧電体１１の分極方向（Ｙ）両面
に、たとえば蒸着あるいは接着等の手段によつて
付着されている。

このような振動子１０は分極方向に所定の配列
ピツチで配設され、延伸方向両端には前面板１３
および背板１４がそれぞれ設けられており、相隣
る振動子１０，１０の間には隙間１５が形成され
ている。前面板１３は振動子１０…に対する保護
層、音響整合層あるいは音響レンズの少なくとも
いずれか１つの機能を果すように構成されている
とともに、背板１４は振動子１０…に対する裏打
層、音響吸収層および音響整合層の少なくともい
ずれか１つの機能を果すように構成されている。

隙間１５には電気絶縁性の材料（たとえば空気
など）が充填されている。

そして、各振動子１０…毎にそれぞれの電極１
２，１２間に電位差Eiの位相および振幅を適宜に
制御することにより、延伸軸方向（Ｘ）の振動モ
ードを利用したフエーズドアレイとして動作をな
し得るように構成されている。

このような構成によれば、高分子圧電体１１の
延伸軸方向（Ｘ）の振動モードを利用するので、
音響インピーダンスが約３×10⁶Kgｆ／m²ｓとな
り、上記第１図の構成のように厚み方向の振動モ
ードを利用する場合に比べて、人体や水などの音
響インピーダンス約1.5×10⁶Kgｆ／m²ｓに一層近
くなる。したがつて音響整合性がさらに向上し、
スキヤナ画像が一層鮮明になる。

また、このものは、延伸軸方向（Ｘ）の振動モ
ードを利用するようにしたので、高分子圧電体１
１の振動方の長さｌは、単に素材を切断するだけ
で所望の周波数に適合するものを容易に形成する
ことができ、これにより実用上好ましい周波数帯
域（５〜20MHz程度）をカバーすることができ
る。

さらに、上述のように延伸軸方向（Ｘ）の振動
モードを利用するようにしたので高分子圧電体１
１の分極方向厚さｔを充分薄くしてもよく、した
がつて振動子１０…の配列ピツチを、従来に比較
しても充分小さくなし得るので高密度にすること
が容易であり、人体や水などに好適する高周波用
フエーズドアレイには好都合になる。

［考案が解決しようとする課題］ しかしながら、上記第２図に示された構造のも
のは、１個の振動子１０が、延伸軸方向の振動モ
ードを利用する単一の高分子圧電体１１と、この
分極方向（Ｙ）両面に配置された電極１２，１２
とで構成され、被検体に対向する高分子圧電体１
１の端面厚さｔが小さく、すなわち送受波面積が
小さい不具合がある。

この送受波面積を大きくしようとして高分子圧
電体１１の厚みｔを大きくすると、送受波面積の
増大による感度アツプは可能であるが、厚みｔが
大きくなると厚さ方向の振動モードが影響して電
気機械結合係数が低下し、これによる感度の低下
を招き、結果として全体の感度の向上は望めない
不具合がある。

また、高分子材料からなる圧電体の場合は、厚
さｔが９〜30μm程度のものしか得られず、１枚
のものでせいぜい厚くしても30μm程度となり、
送受波面積を大きくしようとしても限度がある。

本考案は上記の事情にもとづきなされたもの
で、その目的とするところは、高分子圧電材料の
延伸軸方向の振動モードを利用するものにおいて
送受波面積を拡大し、電気機械結合係数が向上
し、人体や水などに対する音響整合性が良好とな
り、高周波のフエーズドアレイとして好適する配
列形超音波探触子を提供しようとするものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本考案においては、高分子圧電材料から形成さ
れた圧電体の両面に電極を設けた振動子を複数個
配列した配列形超音波探触子において、上記電極
間の圧電体は複数の高分子圧電素子を積層して形
成するとともに、これら高分子圧電素子は高分子
圧電材料の延伸軸方向の振動モードを利用すべく
該延伸軸方向と交差する方向の分極方向に上記電
極を配置してなり、かつこれら高分子圧電素子は
互いに独立して振動するように積層したことを特
徴とする。

［作用］ このような構成によると、圧電体は高分子圧電
材料の延伸軸方向の振動モードを利用する複数の
高分子圧電素子を積層して形成したので、全体の
厚みが増して送受波面積の拡大による感度がアツ
プし、しかも複数の高分子圧電素子はそれぞれ薄
い状態のまま独立して振動することができるの
で、延伸軸方向の薄板縦振動モードの大きな電気
機械結合係数を使用することができ、この結果、
全体の感度が向上する。

［実施例］ 以下、本考案について第３図に示す一実施例に
もとづき説明する。

なお、第３図において振動子２０は圧電体２１
と電極２２，２２を備えている。圧電体２１は、
たとえばPVDFなどの高分子圧電材料からなる薄
膜状素子２３…を複数枚（図示の例では３枚）積
層して構成されている。これら各高分子圧電素子
２３…は第２図の場合と同様に、延伸軸方向
（Ｘ）の振動モードを利用すべく厚さ方向に積層
されている。そして、これら各高分子圧電素子２
３…間にはシリコン油等の油性薄膜（図示を省略
する）が介挿されており、各高分子圧電素子２３
…はこの油性薄膜の表面張力によつて相隣る両者
が張り合わされている。但し、この場合、各高分
子圧電素子２３…はそれぞれ独自に振動が可能な
ように、互いに非接合状態が保たれている。

電極２２，２２は、上記積層された両側の高分
子圧電素子２３，２３の分極方向（Ｙ）に上記シ
リコン油等の油性薄膜を介して積層されている。

このような振動子２０は分極方向に所定の配列
ピツチで配設され、延伸軸方向両端に、第２図と
同様な前面板１３および背板１４がそれぞれ設け
られており、かつ相隣る振動子２０，２０の間に
は隙間２５が形成さされている。そして隙間２５
には電気絶縁性の材料（たとえば空気など）が充
填されている。

上記の構成によれば、圧電体２１は高分子圧電
材料の延伸軸方向の振動モードを利用する複数の
高分子圧電素子２３…を積層して形成したので、
全体の厚みが増して送受波面積の拡大による感度
がアツプする。しかも複数の高分子圧電素子２３
…はそれぞれ薄い状態のまま独立して振動するこ
とができるので、延伸軸方向の薄板縦振動モード
の大きな電気機械結合係数を使用することができ
る。

すなわち、電気機械結合係数（印加した電気エ
ネルギーを機械的音波エネルギーに変換する割
合）は、高分子圧電素子の厚みｔが小さい程厚み
の影響を受けずに延伸軸方向の振動モードに効率
良く変換することができる。したがつて複数の高
分子圧電素子２３を積層する方が、同じ送受波面
積の１枚の高分子圧電素子で形成する場合に比べ
て電気機械結合係数が向上する。この結果、延伸
軸方向の振動モードをより有効に利用することが
でき、全体の感度が向上する。

また、各複数の高分子圧電素子２３…はそれぞ
れ厚みｔを小さくすることができるから、延伸軸
方向の振動モード以外（例えば厚み方向の振動モ
ードなど）の雑モード（スプリアス）を低減する
ことができ、雑音波が少なくなるからスキヤナ画
像が鮮明になる。

なお、各高分子圧電素子２３…間および高分子
圧電素子と電極２２，２２間にシリコン油等の油
性薄膜を介挿したので、各高分子圧電素子２３…
および電極２２，２２はこの油性薄膜の表面張力
によつて相隣る者が張り合わされ、組立てが容易
になるばかりでなく、各高分子圧電素子２３…お
よび電極２２，２２間はそれぞれ独自に振動が可
能なように、互いに緩衝される。

すなわち、高分子圧電素子２３…は厚み方向に
も振動が生じるものであり、隣合う高分子圧電素
子２３…および電極２２，２２間に油性薄膜が存
在すると、厚み方向の振動が適度な粘性を有する
薄膜で吸収され、隣合うもの同志への影響を緩和
し、延伸軸方向（Ｘ）の振動モードを有効に引出
すことができる。

なお、本考案は上記実施例のみに限定されるも
のではなく、たとえば第４図に示すように、複数
（図は18の場合）の高分子圧電素子３３…を分極
方向に積層して形成された振動子３０を設けるよ
うにしてもよい。このように構成された探触子
は、非破壊検査や流量測定などに用いられる従来
の探触子におけると同様にして広帯域探触子とし
て利用することができる。

また、上記第４図の実施例の場合でも相互に隣
接する高分子圧電素子３３…間および圧電素子３
３と電極３２の間にシリコン油等の油性薄膜を介
挿してもよい。

しかしながら、本考案は、シリコン油等の油性
薄膜を介挿することに制約されるものではなく、
高分子圧電素子間および圧電素子と電極間を単に
接触させておいてもよい。

［考案の効果］ 以上説明したように本考案によれば、圧電体を
高分子圧電材料の延伸軸方向の振動モードを利用
した複数の高分子圧電素子を積層して形成したの
で、全体の厚みが増して送受波面積の拡大による
感度がアツプし、しかも複数の高分子圧電素子は
それぞれ薄い状態のまま独立して振動することが
できるので、延伸軸方向の振動モードの大きな電
気機械結合係数を有効に活用することができ、こ
の結果、全体の感度が向上する。したがつて、人
体や水などに対する音響整合性が良好となり、高
周波のフエーズドアレイとして好適する配列形超
音波探触子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す断面図、第２図は本考案
の背景技術を示す断面図、第３図本考案の一実施
例を示す断面図、第４図は本考案の他の実施例を
示す断面図である。 ２０，３０……振動子、２１，３１……圧電
体、２２，３２……電極、２３，３３……高い分
子圧電素子、Ｘ……延伸軸方向、Ｙ……分極方
向。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 高分子圧電材料から形成された圧電体の両面
   に電極を設けた振動子を複数個配列した配列形
   超音波探触子において、 上記電極間の圧電体は複数の高分子圧電素子
   を積層して形成するとともに、これら高分子圧
   電素子は高分子圧電材料の延伸軸方向の振動モ
   ードを利用すべく該延伸軸方向と交差する方向
   の分極方向に上記電極を配置してなり、かつこ
   れら高分子圧電素子は互いに独立して振動する
   ように積層してあることを特徴とする配列形超
   音波探触子。 (2) 上記高分子圧電素子間および高分子圧電素子
   と電極の間に油性薄膜を介在させ、この油性薄
   膜により各高分子圧電素子が独立して振動する
   ように保たれていることを特徴とする実用新案
   登録請求の範囲第１項記載の配列形超音波探触
   子。