JPH0294579A - 超音波振動子用電歪磁器組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマグネシウム・ニオブ酸鉛を主成分とする電歪
振動子用磁器材料に関し、特に複合電歪振動子材料なら
びに超音波振動子ならびに該振動子を用いた超音波探触
子に関する。

〔従来の技術〕

従来、超音波診断装置などに用いる超音波探触子の電気
音響変換部には、ジルコン酸チタン酸釦（ＰＺＴ）系の
磁器振動子あるいはその複合化したものが広く用いられ
ている。ＰＺＴ系磁器では、強誘電性を示す上限温度が
室温よりも十分高く、また抗電界も大きいため１分極処
理後の残留分膜が安定に保持される。従来の超音波探触
子では、この性質を利用して安定な電気音響変換効率を
得ている。

しかし、超音波診断装置に対する高性能化の要求に伴い
、特開昭６２−８４６９７号公報記載のように、超音波
探触子の電気音響変換部の変換特性を外部から制御でき
ることが望ましい場合もでてきた。例えば従来の電子走
査型リニア探触子では、各短冊状要素の配列方向（長軸
方向）に対して垂直方向（短軸方向）の口径及び焦点は
音響レンズを用いて固定になっているため、超音波ビー
ムの短軸方向の分解能が深度によっては不十分になる欠
点がある。この場合各振動要素内の電気音響変換効率に
重み分布をつけ、外部から制御できれば、この問題を解
決できる。しかし従来のＰＺＴ系圧電圧電磁器なる振動
子では、分極処理時に変換効率が固定されているために
外部より制御することは困難である。

そこでこの問題を解決するため　圧電振動子のかわりに
、バイアス電界のもとでのみ圧電性が誘起される電歪材
料を振動子として用いる方法が上記公報で開示されてい
る。この方法でバイアス電界により電気音響変換効率に
重み付けをする場合、厚み振動子の厚さと駆動回路を設
計する上で困難無く実現しうる電圧の制約からバイアス
電界は４００　Ｖ／ｍｍ以下にしなければならない。従
ってこの電界強度により従来のＰＺＴ系圧電磁器圧電材
料に匹敵する電気音響変換効率が誘起されることが求め
られる。また、振動子を駆動した場合の発熱を考慮し室
温から４０℃程度までの間で高い温度安定性が要求され
る。

従来、電歪材料としては、マグネシウム・ニオブ酸鉛［
Ｐｂ　（Ｍｇ工ｙｚＮｂｚｙｙ）０３コ系を始め多くの
化合物が知られている。例えばマグネシウム・ニオブ酸
鉛−チタン酸鉛系固溶体については、フェロエレクトリ
クス、４１　（１９８２年）第１１７頁から第１３２頁
（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、４１．　（１９８２
）ｐｐ、　１１７−１３２）に記載のように、電界強度
に対応した歪による変位を利用した精密位置決め用アク
チュエーターに用いる観点から研究されている。しかし
、これ′らの電歪材料を振動子用として検討された例は
あまり無く、低いバイアス電界のもとで高い電気音響変
換効率を持ち、さらに、高い温度安定性を有する材料は
知られていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は上記実情に鑑み、１５℃から４０℃の間
の温度において、４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界下で厚
み振動電気機械結合係数ｋｔが０．３０以上を有しかつ
、バイアス電界除去時にｋｔの残留が０．１未満の超音
波振動子用電歪磁器組成物を提供することにある。

本発明の他の目的は２５℃から４０℃の温度範囲におい
て４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界下で厚み振動電気機械
結合係数ｋｔが０．３５以上を有しかつバイアス電界除
去時シこｋｔの残留が０．１未満である超音波振動子用
電歪磁器組成物を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記目的を満たした高性能な電歪
磁器組成物と高分子物質からなる複合電歪材料を提供す
ることにある。

本発明の他の目的はバイアス電界強度により電気音響変
換効率を制御できる超音波振動子を提供することにある
。

本発明の他の目的はバイアス電界強度により外部より電
気音響変換効率を制御できる超音波探触子を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、超音波振動子用電歪磁器の
組成を一般式 ％式％ 上記他の目的を達成するために超音波振動子用電歪磁器
の組成を上記一般式において、０．０８≦ｘ≦０．１０
としたものである。

上記他の目的を達成するために上記一般式において、０
．０５≦ｘ≦０．１２または０．０８≦ｘ≦０．１０で
表される磁器組成物の粉体をシート状高分子中に保持さ
せるか、該組成物の微小な柱状磁器の多数をシート状高
分子のシート面に垂直に埋め込んだ構造としたものであ
る。

上記他の目的を達成するために上記一般式において、０
．０５≦ｘ≦０．１２または０．０８≦ｘ≦０．１０で
表される磁器組成物あるいはその複合材料を目的の振動
姿態に合わせて加工し振動子としたものである。

上記他の目的を達成するために上記一般式において、０
．０５≦ｘ≦０．１２またはＯ，ＯＳ≦ｘ≦０．１０で
表される磁器組成物あるいはその複合材料を超音波探触
子の電気音響変換部に用いたものである。

〔作用〕

一般式 ％式％ において、０．０５≦ｘ　’−０、１２の組成範囲の磁
器組成物では１５℃から４０℃の間の温度領域において
、４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界下で厚み振動電気機械
結合係数ｋｔが０．３０以上を有しかつ、バイアス電界
除去時にｋｔの残留が０．１未満になる組成を選ぶこと
ができる。従って常温の使用環境で従来のＰＺＴ系圧電
振動子に匹敵する電気機械結合係数を誘起できる電歪磁
器組成物を提供できる。

上記一般式において、０．０８≦ｘ≦０．１０の組成範
囲の磁器組成物は２５℃から４０℃の温度範囲において
４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界下で厚み振動電気機械結
合係数ｋｔが０．３５以上を有しかつバイアス電界除去
時のｋｔの残留が０．１未満になる。従って常温の使用
環境で振動子の駆動による発熱による特性変化を見込ん
でも従来のＰＺＴ系圧電振動子に匹敵する電気機械結合
係数が誘起できる電歪磁器組成物を提供できる。

また上記組成範囲の磁器組成物を複合材料化することに
より、可撓性に富み振動子の設計の自由度が増す。例え
ば超音波探触子を構成する際、振動子を凹面状に形成す
れば音響レンズが省略できる。また、磁器組成物単板に
比べ音響インピーダンスが下がり、音響整合がとりやす
くなる。また、機械的共振のＱ値が下がることにより、
送受信におけるパルス幅が短くなるため分解能が向上す
る。

さ・らに、磁器組成物の体積分率の減少により静電容量
が減り、駆動時のインピーダンス整合がとりやすくなる
。

また、上記電歪磁器組成物あるいは複合電歪材料を用い
ることにより、電気音響変換部の各振動要素内の電気音
響変換効率重み分布を付け、外部より制御できる超音波
探触子が実現できる。

〔実施例〕 以下１本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

磁器組成物の出発原料として酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ニ
オブ（ＮｂｚｏｓＬ酸化マグネシウム（ＭｇＯ）　、及
び酸化チタン（ＴｉＯ□）を使用し１表１のそれぞれの
組成になるように秤量した。それぞれをボールミル中で
アセトンにより湿式混合したのち、乾燥後らいかいした
。これを円筒形に成型した後、８００℃から８５０℃で
仮焼した。仮焼体を粉砕後、ボールミル中で湿式混合し
た後、乾燥して得られた粉体にバインダーとして少量の
水を加え、４５０ｋｇ／ｃｌｉ２の圧力で直径２０ｍｍ
の円筒形に成型した。

この成形体を１２００℃から１２７０℃で焼結した後に
切断、研磨して、それぞれ厚さが０．３５ｍｍの円板に
した。円板の両面に金の蒸着膜を形成した後、インピー
ダンスの周波数特性より厚み振表　　１ 動のそれぞれ電気機械結合係数を求めた。１５℃、２５
℃、４０℃において各組成の試料に４００Ｖ／ｍｍの電
界を印加したのちバイアス電界をかけずに測定して求め
たｋｔの値を表１に示した。また４・ＯＯＶ／ｍｍのバ
イアス電界のもとでのｋｔの温度変化を、チタン酸鉛が
５から１５モル％の組成について第１図に示した。

第１図に示したように、チタン酸鉛が５から１２モル％
の組成においては、１０℃から４０℃の適切な温度にお
いて、４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界のもとてｋｔが０
．３０以上になった。また、表１に示すようにチタン酸
鉛の量が増えるに従いｋｔの残留が０．１未満になる下
限の温度が上昇した。例えば、１０モル％ではｋｔの残
留が０．１未満になる温度は２５℃であり、１２モル％
では４０℃である。このことから、４０℃までの温度で
ｋｔの残留を０．１未満にできる組成はチタン酸鉛１２
モル％までであると言える。よって、この組成範囲で１
５℃から４０℃の間の温度で４００Ｖ／ｍｍのバイアス
電界によりｋｔが０．３０以上になりｋしの残留が０．
１未満となる組成が選へることが判る。０から４００Ｖ
／ｍｍのバイアス電界で、例えば４０’Ｃに対してはチ
タン酸鉛が１２モル％の組成でｋｔを０．０３から０．
４８まで、２５℃では１０モル％の組成で、０．０３か
ら０．４８．１５℃では９モル％の組成でＯから０．４
６の範囲で制御することができる。

次に、超音波振動子として駆動した場合の発熱による温
度上昇に起因する特性変化を見込み、２５°Ｃから４０
℃の温度範囲でｋｔが０．３５以上を保ち、またｋｔの
残留が０．１未満の組成を検討すると、チタン酸鉛が８
から１０モル％の組成範囲であることが判る。この組成
範囲の磁器組成物を用いれば室温から発熱した温度まで
の温度範囲で高い電気機械結合係数を保持する超音波振
動子が実現できる。

つぎに、複合電歪材料の実施例を示す。本発明の組成の
磁器を平行度及び平面度の良い板状に加工し同じく平行
度及び平面度の良い台にワックスなどで仮接着する。つ
ぎに第２図に示すように、電歪材厚みの半分程度まで縦
横に溝を形成したちの２１にポリウレタン、シリコンゴ
ムなどの樹脂２２を充填する。次にこれを台より取外し
、第３図に示すように、３１面から３２面まで研磨して
複″合材料を作製した。また、複合材料は第４図に示す
ように、磁器組成物の粉体４１を高分子物質により保持
してシート状に加工したものでも良い。

第２図、第３図のように作製された複合電歪材料により
作られた振動子は、同じ厚さの磁器振動子に比べて電気
機械結合係数が向上する。例えば。

チタンａ釦１０％の組成で第２図の分割された柱の幅が
Ｑ、１８ｍｍの正方形で高さが０．３５ｍｍの複合材と
、同じ外形の磁器単板の振動子について。

３０°Ｃ１４００Ｖ／ｍｍのバイアス電界のもとでｋし
を比較すると、複合材の方が０．０３だけ大きくなった
。また１機械的共振のＱ値は２０以下になり、超音波送
受の際のパルス幅を短くすることができた。また、可撓
性に富むため振動子を曲面上に形成することができた。

また、複合材の中に含まれる磁器組成物の体積分率を下
げる事により誘電率を下げ、電気回路の整合を取りやす
くすることができた。これらの特長を備えた複合電歪材
料は本発明の組成範囲内のいずれの電歪磁器組成物を用
いた場合でも実現することは言うまでもない。本発明の
電歪磁器組成物の提供により音響的特性に優れ、実用に
耐える複合電歪材料が提供された。

つぎに本発明による電歪磁器組成物あるいはその複合材
料を約５　Ｍ　Ｈｚの超音波探触子に用いた場合の実施
例を示す。本発明の組成範囲においてチタン酸鉛が９モ
ル％のものは１５℃の低温から４０°Ｃまでの広い温度
範囲にわたって厚み振動電気機械結合係数が４００Ｖ／
ｍｍのバイアス電界で０．３５以上あり、また圧電性の
残留が無いので、この組成を用いて探触子を作成した。

１６ＨＸ６０ｍｍ、０．４ｍｍ厚の矩形板Ｓ１の一方の
面に第５図に示したように長軸方向に沿って４ｍｍ、　
８ｍｍ。

４ｍｍの幅に三分割されたアース電極５２．５３．５４
を形成し、さらに他方の面には信号電極配列５５を形成
した。第６図に示すようにこの矩形板５１の信号電極配
列５５の面を背面制動材６１に接着し信号電極端子群６
２を設けた。５１の反対側にはアース電極端子６３を設
けた後その上部に２ＷＢの音響整合層６４と音響レンズ
６５を接着した。第６図ではこれらの構成が判りやすい
ように切り口を付けて示しである。

このように構成した電子走査型リニア探触子では、信号
電極とアース電極の間にバイアス電界が印加されている
時のみ、それぞれの電極が対向している部分が圧電活性
になる。例えばアース電極５３のみを用い、信号電極に
直流バイアス１５０Ｖをかけたパルス電界を印加するこ
とにより、短軸方向には主としてアース電極５３の幅８
ｍｍに相当する部分のみで超音波の送受信ができる。ま
た同様にアース電極５２．５３．５４の全てを用いるこ
とにより短軸方向の幅１６ｎ＋ｍに相当する部分から超
音波パルスが放射される。すなわち、使用するアース電
極を選択することにより実効的に短軸方向の口径を変化
させることができる。同一の固定された音響レンズを用
いても振動子の口径が小さい場合には超音波ビームは探
触子に近いところで収束し、口径が大きい場合には遠い
所で収束する。したがって、短軸方向の口径を２段にし
て超音波送受を行い、超音波ビームの短軸方向での収束
領域を広げ、距離方向の分解能を向上することができる
。本実施例の場合１００Ｒ程度の音響レンズを用いて水
中での超音波パルスの収束を観測したところ、８＋ｎｍ
の小口径では距Ｈ３から５ｃｍの範囲、１６＋ｎｍの大
口径では、５からｉｏａｍの範囲で最も超音波ビームの
輻が狭くなった。これにより、深さ３ｃｍからｉｏａｍ
の広範囲にねたって短軸方向の超音波ビームを収束させ
、分解能を向上させることができた。

また、電気的な送受信の観点から見ると。８ｍｍの小口
径で超音波の送受信をしている間、外側の電極５２．５
４と信号電極配列５５の間には、殆ど圧電性が無いので
、超音波の受信による信号電圧の発生が少なく、振動子
５１を通常の圧電体で構成した場合と比較してクロスト
ークを減少させることができる。実際にＰＺＴ系圧電圧
電体一構成にした場合と比較したところ、大幅にクロス
トークが減少したことが確認された。

次に上記の超音波探触子を複合電歪材料で構成した場合
の実施例を示す。矩形の複合電歪材に５１′と同様の電
極を形成した振動要素７２を第７図に示すように短軸方
向を凹面に形成した背面制動材７１上に接着した。この
ものの上に音響整合層７３を接着して第６図と同様の電
極端子を形成した。複合電歪材料を振動子として用いた
ため、短軸方向の形状を１ｏｏＲａ度の凹面とすること
ができた。そのため音響レンズを省くことができ、超音
波の送受信における減衰を大きく減らすことができた。

また、複合電歪材の音響インピーダンスは磁器組成物に
くらべ小さいので音響的整合がとりやすくなった。

最後に超音波探触子の電気音響変換部を磁器組成物単板
による振動要素で構成した場合と、複合材料による振動
要素で構成した場合とで、超音波の受信感度を比較した
ところ複合材によった構成の方が高感度になった。

超音波探触子に関しての本実施例は電歪磁器組成物にチ
タン酸鉛が９モル％のものを用いたが、この組成に限ら
ず本発明に記載の範囲内の他の組成を用いても上記の探
触子を実現できるのは言うまでもない。また、本実施例
に示した構成以外の構成でバイアス駆動により外部から
電気音響変換効率に重み付は及び分布を付ける制御手段
を備えた超音波振動子あるいは超音波探触子にも本発明
の組成範囲における磁器組成物が適用できるのは勿論で
ある。

〔発明の効果〕 本発明ニヨレば、Ｐ　ｂ　（Ｍｇｘ　ｉｙ　Ｎｂｚ　／
　３　）０３−Ｐ　ｂＴｘｏ、系固溶体の組成を選ぶこ
とによって、低バイアス電界により高い電気機械結合係
数が誘起されかつ制御できる超音波振動子用磁器組成物
が得られる。

また、本発明の磁器組成物を複合材料化することにより
、可撓性、音響特性、電気機械結合係数、電気音響変換
効率の優れた超音波振動子用材料が得られる。

また、超音波探触子の電気音響変換部に上記の電歪磁器
組成物あるいはその複合材料を振動要素として用いるこ
とにより、超音波ビームの指向性を外部からバイアス電
界により制御できるので分解能が向上して超音波撮像装
置または超音波診断袋装置の高性能化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における磁器組成物の電気機械
結合係数ｋｔの温度特性を説明する図、第２図は複合材
料の作製法を説明する図、第３図は第２図の側面図、第
４図は複合材の他の製法における断面図、第５図は電歪
材料を用いた超音波振動子の一例を示す図、第６図は第
５図の振動子を用いた超音波探触子の構造を表す図、第
７図は複合電歪材料を振動子として用いた場合の超音波
探触子の構成法の一例を示す図である。 符号の説明 ２１・・・電歪磁器、２２・・・高分子体、４１・・・
磁器組成物粉体、５１・・・電歪磁器単板、 ５２．５３．５４・・・アース電極、５５・・・信号電
極、６１．７１・・・背面制動材、６２・・・振動電極
端子、６３・・・アース電極端子、６４．７３・・・音
９５整合層、６５・・・音響レンズ、７２・・・複合電
歪振動子。 礫 旧 環３図 ｚ ２／ 笛４図 漕１老温浅／ ７！−−− 者響劃４

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．　一般式 （１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ＿１＿／＿３Ｎｂ＿２＿／＿３）
   Ｏ＿３−ｘＰｂＴｉＯ＿３で示され、０．０５≦ｘ≦０
   ．１２を満足する組成物から成ることを特徴とする超音
   波振動子用電歪磁器組成物。
2. ２．　前記一般式において、０．０８≦ｘ≦０．１０を
   満足する組成物から成ることを特徴とする請求項１記載
   の超音波振動子用電歪磁器組成物。
3. ３．　請求項１または請求項２に記載の電歪磁器組成物
   と高分子物質が複合されて成る事を特徴とする複合電歪
   材料。
4. ４．　請求項１または請求項２に記載の電歪磁器組成物
   もしくは請求項３に記載の複合電歪 材料を振動体とする電歪振動子。
5. ５．　請求項４記載の超音波振動子あるいはその配列を
   電気音響変換部に用いたことを特徴とする超音波探触子
   。
6. ６．　請求項５記載の超音波探触子を超音波送受器に用
   いたことを特徴とする超音波診断装置あるいは超音波撮
   像装置。