JPS62154900A

JPS62154900A - 超音波センサ

Info

Publication number: JPS62154900A
Application number: JP61305146A
Authority: JP
Inventors: ベルント、グランツ
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-07-09
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: EP0227985B1; DE3677921D1; EP0227985A2; JP2591737B2; EP0227985A3; US4734611A

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、・少なくともその縁範囲で支持体に取り付け
られたポリマー箔を有し、このポリマー箔が少なくとも
、電極と結合されている部分範囲で圧電的に能動化され
ている超音波センサに関する。

〔従来の技術〕

超音波伝播媒体、たとえば水のなかを支配する超音波場
を決定する際に、いわゆるミニアチュアーまたはダイア
フラム−ハイドロホンが使用される。超音波場の音圧振
幅の三次元分布は、測定槽内のそれぞれ異なる場所を支
配する音圧をこのようなハイドロホンにより測定するこ
とによって求められる。

「超音波（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　）　Ｊ、１９８１
年９月、第２１３〜２１６頁から、２５μｍの厚みを有
するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成り電極を
設けられている圧電的に能動的な箔が特殊鋼管の正面に
電気的に絶縁して張られているミニアチュアーハイドロ
ホンは公知である。箔の直径は約１ｍｍである。箔の内
側には、同軸ケーブルの内側導体と接続されている白金
線が取り付けられている。この白金線は、特殊鋼管の内
部を満たしているバッキングにより支えられる。箔の外
側は特殊鋼管と電気的に接触しており、また同軸ケーブ
ルのシールドと接続されている。

「超音波（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　）　Ｊ、１９８０
年５月、第１２３〜１２６頁には、２５μｍの厚みを有
するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成る箔が支
持体としての役割をする２つの金属リングの間に張られ
ているダイアフラム−ハイドロホンが開示されている。

それにより約１００ｍｍの内径を有するダイアフラムが
形成される。ダイアフラムの表面は小さい中心範囲に互
いに向がい合う円板状の電極を設けられており、その直
径はたとえば４ｍｍである。これらの電極の間に、分極
された圧電的に能動的なダイアフラムの範囲が位置して
いる。円板状の電極から、金属膜としてダイアフラムの
表面に取り付けられている接続導体がダイアフラムの縁
に通じており、またそこで導電性の接着剤により同軸ケ
ーブルと接続さ、れる。

このようなハイドロホンの重要な利点は、その圧電性要
素の音響インピーダンスが、圧電セラミックス材料を使
用する場合よりも良好に水の音響インピーダンスに合わ
されていることである。これにより圧電セラミックスセ
ンサにくらべて周波数帯域幅が広げられ、また測定場所
における超音波場の有害な影響が減ぜられる。

しかし、このようなハイドロホンによっては、圧力振幅
が約１０’Ｐａの範囲内にある超音波衝撃波は測定され
得ない。立ち上がり時間が１μｓを下回る非常に急峻な
パルス縁を有するこのような衝撃波は、公知のハイドロ
ホンでは、ＰＶＤＦ箔の圧電的に能動的な範囲に取り付
けられている金属電極がキャビテーション作用により機
械的に損傷されることに通ずる。このような衝撃波はた
とえば、集束された超音波衝撃波が結石、たとえば患者
の腎臓内の腎石の破砕のために使用される腎石破砕器の
焦点範囲に生ずる。このような装置の開発の際にも定期
的監視の際にも、焦点範囲内の衝撃波の特性を決定する
必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、本発明の目的は、圧電性要素がポリマーから成
り、また高エネルギーの超音波衝撃波の測定の際にも使
用され得る超音波センサを提供することである。

ｃ問題点を解決するための手段〕この目的は、本発明によれば、特許請求の範囲第１項に
記載の超音波センサにより達成される。

〔作用効果〕

ポリマー箔の圧電的に能動的な範囲内に超音波衝撃波に
より惹起される表面電荷振動はポリマー箔の周囲の媒体
を経て、ポリマー箔の圧電的に能動的な範囲に対応付け
られているポリマー箔の表面範囲の外側に配置されてい
る電極に結合される。

従ってポリマー箔の圧電的に能動的な中心範囲は集束さ
れる超音波衝撃波の焦点範囲内に配置されていてよい、
なぜならば、ポリマー箔の敏感な範囲には機械的に不安
定な導電性の層が存在していないからである。

〔実施態様〕

本発明は、圧電セラミックス材料にくらべて比較的わず
かな誘電定数を有する圧電性ポリマーの使用により純粋
な静電容量結合が高い信号損失なしに可能になるという
認識に一部基づいている。

従って、電極はポリマー箔の圧電的に能動的な範囲から
空間的に隔てられて箔自体の上または箔の外側、たとえ
ば支持体に取り付けられていてよい。

その際に、寄生的なキセバシタンスにより生ずる信号損
失を減するため、電極の相互キャパシタンスが結合キャ
パシタンスにくらべて可能なかぎり小さいように電極の
形態が選定されていることは有利である。電極の一方は
系の電気接地点と接続されている。結合キャパシタンス
が大きければ大きい有効電気信号が得られるので、電極
への結合キャパシタンスが可能なかぎり大きいことは有
利である。一般に測定中に超音波センサの周囲はほぼ接
地電位にあるので、特に接地点への圧電的に能動的な範
囲の結合キャパシタンスは適当な構造的対策により、信
号を減する追加的な寄生キャパシタンスを生ずることな
く、大きくされ得る。特に、ダイアフラムの圧電的に能
動的な範囲と向かい合ってその表面と平行に平らな同じ
（ダイアフラム状の追加的な接地電極が超音波センサ内
に配置されていてよい。それにより圧電的に能動的な範
囲が特に効果的に接地点と静電容量結合される。

好ましい実施例では、ダイアフラムの両面と向かい合っ
て支持体の自由面にそれぞれ覆い板が配置されている。

こうして覆い板とダイアフラムとの間にそれぞれ密なチ
ャンバが形成され、このチャンバは超音波伝播液体で満
たされている。この実施例は、チャンバの内部に位置す
る液体がハイドロホンの周囲の液体と交換しないという
利点を有する。この対策により、測定の再現性が高めら
れると共に、ダイアフラム−ハイドロホンのこのチャン
バ内に音響結合のために使用される媒体を測定槽内の超
音波伝播媒体と無関係に選定することが可能になる。特
に有利な実施例では、両空間内に位置する液体は電解質
である。

ポリマー箔の分極が、可動に配置され高電圧と接続され
ており互いに向かい合っている電極の間にポリマー箔が
挟まれることにより行われることは有利である。こうし
て、これらの電極の幾何学的形態はポリマー箔の圧電的
に能動的な範囲を決定する。

特に、導電性の弾性的なステムプルを電極面に設けられ
ている電極を分極のために使用することは有利である。

（実施例）以下、図面に示されている実施例により本発明を一層詳
細に説明する。

第１図によれば、超音波センサ２はたとえば円板状のポ
リマー濱４を含んでおり、このポリマー箔は２つのたと
えばリング状の支持体６の間にぴんと張られており、ま
たダイアフラムを形成している。ポリマー箔は半結晶質
のポリマー、たとえばボリフフ化ビニル（ＰＶＦ）また
はテトラフルオルエチレンまたはトリフルオルエチレン
とのフッ化ビニルのコポリマー、特に両軸に広げられた
ポリフッ化ビニリデン（Ｐ　Ｖ　Ｄ　Ｆ）から成ってい
る。ポリマー箔４は中心範囲４２で分極されており、ま
た圧電的に能動的である。圧電的に能動的な範囲４２は
圧電的に非能動的な範囲４４により囲まれている。ポリ
マー箔４の面に対して垂直に延びている中心軸線２２の
回りに回転対称に配置されているたとえば円板状の中心
範囲４２の直径′ｄはポリマー箔４のダイアフラム４ｏ
の直径りよりもはるかに小さい。好ましい実施例では、
分極された中心範囲４２の直径ｄは２ｍｍよりも小さく
、特に１ｍｍよりも小さい。ダイアフラム４゜の直径り
は、中心範囲内で測定すべき超音波場への支持体６の影
響を減するため、３０ｍｍよりも大きく、特に５０ｍｍ
よりも大きく選定するのが有利である。ポリマー箔４の
厚みは１０μｍと１１００ｐとの間、特に２５μｍと５
０ｐｍとの間である。ポリマー箔４はその圧電的に非能
動的な範囲４４の表面にその両面にそれぞれ電極８を設
けられている。このようにして電極８は、圧電的に能動
的な範囲４２がら空間的に隔てられており、それと接触
しないように配置されている。電極８は好ましくは、ポ
リマー箔４の直径の１／４よりも小さく、特に１／１０
よりも小さい幅を有するポリマー箔の外側の縁範囲に位
置している。電極８はたとえばリング状の形態を有し、
ダイアフラム４０の範囲内にたとえば中心軸線２２の回
りに同心に配置されている。電極８は、たとえば支持体
６の半径方向の溝６２のなかを超音波センサ２の円筒状
の外縁へ通じている電気接続導体８２を設けられている
。そこで接続導体８２は、以後の処理をする電子回路、
たとえば電荷に感する増幅器に電気信号を伝達する同軸
ケーブルと接続されている。特に両接続導体の１つは電
気接地点と接続されている。

医学の目的に使用される超音波送波器の特性は一般に、
超音波伝播液体、たとえば水で満たされた槽のなかで測
定される。従って、超音波センサは測定中は水により囲
まれている。超音波場によりポリマー箔４に作用する圧
力は圧電的に能動的な中心範囲４２に高周波の表面電荷
振動を発生する。圧電的に能動的な範囲４２は電極８か
ら純水の使用の際に高抵抗で隔てられている。しかし、
水の高い比誘電率ε、＝８１のために、これらの電荷振
動は静電容量的に誘電体として作用する水を介して電極
８に結合する。信号をピックアップする電極８はポリマ
ー箔４のダイアフラム範囲の外縁に配置されているので
、機械的損傷およびポリマー箔４からの電極８の離税の
危険なしに、中心範囲４０内で非常に高い音圧振幅が再
現可能に測定され得る。

第２図のように、電極８は、支持体６の間に挟まれてい
るポリマー箔４の範囲内へ延びていてよい。この場合、
接続導体８２が延びている溝６４はもはや支持体６の内
縁まで延びている必要はない。

第３図による有利な実施例では、ポリマー箔４の両面は
それぞれ半リング状の電極８６または８７を設けられて
いる。両電掻８６および８７は重なり合わないように配
置されている。それにより、電極８６と８７との間に生
じて有効電気信号の減少を惹起する寄生キャパシタンス
が減ぜられる。

このことは特に、超音波センサが医学診断に使用される
超音波場の測定のためにも用いられる場合に有利である
。

第４図によれば、両支持体６の一方はそのポリマー箔４
と反対のほうを向いた面に接地電極１２を設けられてい
る。この接地電極１２は、接地電極１２とポリマー箔４
との間の領域に位置する電極８と共通に電気接地点と接
続されている。それにより、接地点への圧電的に能動的
な範囲４２の結合キャパシタンス、従ってまた増幅器２
６の入力端に与えられる電気信号が増大される。接地電
極１２は有利な実施例では、１００μｍ未満、特に１０
μｍと２０μｍとの間の厚みを有する特殊鋼箔から成っ
ている。特に有利な実施例では、接地電極１２は同じ＜
１００μｍ未満の厚みを有する薄い金属格子である。そ
れにより、超音波場への接地電極１２の有害な影響が減
ぜられる。接地電極１２とポリマー箔４との間に位１す
る電極８は特に好ましい簡単化された実施例では省略さ
れ得る。なぜならば、接地電極１２がこの電極８の機能
を引き受けるからである。

第５図による実施例では、支持体６はそのポリマー箔４
と反対のほうを向いた面にそれぞれ覆い板１２２または
１２４を設けられている。このようにしてポリマーＷ３
４のダイアフラム範囲４０とこれらの覆い板１２２およ
び１２４との間にそれぞれ密なチャンバ１００が生ずる
。有利な実施例では、これらの覆い板１２２および１２
４は、チャンバ１００の外側に位置する超音波伝播液体
に音響的にほぼ合わされており、また測定すべき超音波
場への影響がわずかである合成樹脂、たとえばポリスチ
ロール（Ｐ　Ｓ）またはポリメタクリル酸メチルエステ
ル（ＰＭＭＡ）から成っている。

特に有利な実施例では、覆い板１２２および１２４は、
水の音響インピーダンスにほぼ等しい音響インピーダン
スを有するポリメチルペタン（ＰＭＰ）から成っている
。特に覆い坂１２２および１２４は、好ましくは１００
．ｃｒｍ未満の厚みを有するポリマー箔から成っていて
よい。チャンバ１００は外部空間に対して密に閉じられ
ており、またポリマー箔４により互いに隔てられている
。さらに、接続導体８２が延びている溝は接着剤８４を
部分的に注入されて閉じられている。または第２図によ
る実施例のように溝は支持体６の内縁まで通じていない
。チャンバ１００は超音波伝播液体で満たされている。

液体としてはたとえば水が使用され、この場合、圧電的
に能動的な中心範囲４２から接触電極８への信号結合は
主として静電容量的に行われる。特別な実施例では、チ
ャンバ１００は電解質、たとえば水性の食塩溶液で満た
されている。その導電率は、電極８と圧電的に能動的な
範囲４２との間のオーム抵抗が１にΩよりも低い、特に
１００Ωよりも低いように選定されている。この実施例
では、圧電的に能動的な範囲４２内で発生された交番電
荷信号の電極８への結合は第１近催で、液体により形成
される直列抵抗を介して行われる。少なくとも電極８の
表面は貴金属材料、たとえば金（Ａｕ）または白金（Ｐ
ｔ）から成っているのが有利である。

覆い板１２２および１２４の一方は、特別な実施例では
、導電性の材料、たとえば特殊鋼箔または導電性の合成
樹脂から成っており、また電気接地点と接続されている
。それにより圧電的に能動的な範囲４２の接地点への結
合キャパシタンスが増大され、また出力電気信号が相応
に高められる。

覆い板１２２および１２４が金属材料から成っていれば
、超音波センサ２は測定の際に、これらの覆い板が超音
波送波器と反対のほうを向いた超音波センサ２の側に位
置するように、超音波送波器の超音波場のなかに入れら
れるのが有利である。

第６図による特に有利な実施例では、円板状のポリマー
箔４が回転対称な支持体６に取り付けられている。支持
体６の内壁には、ポリマー箔４と反対のほうを向いた支
持体６の上面まで延びているリング状の凹みを設けられ
ている。この凹みにそれぞれ同じくリング状の電極８８
が差し込まれ、また支持体６に取り付けられた保持フラ
ンジ６６により固定されている。電極８８はたとえば１
ｍｍ未満の壁厚を有する金属リングである。電極８８は
たとえば、周囲の媒体の腐食性から保護するためにたと
えば白金保護層を設けられている特殊鋼または黄銅から
成っている。電極８８から接続導体８２が支持体６のｆ
８６８を経てその円筒状の外縁に通じている。

従って、この特別な実施例では、ポリマー箔４はもはや
電極で被覆されていない。この実施例では、電極８８の
損傷の危険なしに、電極８８が超音波衝撃波の焦点のす
ぐ近くにも位面し得るので、超音波セン＋２４がその直
線寸法を顕著に短縮され得るという利点が得られる。超
音波センサ２４のこのようなミニアチュア化は、圧電的
に能動的な範囲４２から電極８８への結合キャパシタン
スが相互間隔の減少により増大され、従ってまた超音波
センサ２４の感度が高められるという利点を有する。

第６図による実施例でも超音波センサ２４は第４図に相
応する接地電極または第５図に相応する覆い坂を設けら
れていてよい。

第７図によれば、ポリマー箔４が高電圧源１６の２つの
互いに向かい合う可動に配置された電極１４の間に位置
している。互いに向かい合う電極１４は、圧電的に能動
化すべき部分範囲４２に対応付けられているポリマー箔
４の表面範囲でポリマー箔４に当てられている。電極１
４の端面の幾何学的形態に相応して高電圧の印加により
ポリマー箔４の画定された部分範囲４２が分極され、ま
た圧電的に能動化される。従って、ポリマー箔４の画定
された部分範囲４２を分極させるために、その表面を予
め幾何学的に相応の形態の金属電極により覆うことは必
要でない。ポリマー箔４の能動化のために必要な他の過
程はたとえば「米国音響学会雑誌（Ｊ、Ａｃｏｕｓｔ、
Ｓｏｃ、＾ｍ、）Ｊ、第６９巻、第３号、１９８１年３
月、第８５４頁に示されている。

電極１４は、有利な実施例では、その端面に、たとえば
導電性のポリマーまたは導電性ゴムから成る導電性の弾
性的なステムプル１８を設けられていてよい。この場合
、ポリマー箔４は、ポリマー箔４の機械的損傷の危険な
しに、固くこれらの弾性的なステムプル１８の間に挟ま
れ得る。さらに、電極１４の端面が互いに正確に平行に
延びていない場合にも、ステムプル１８がその全端面で
ポリマー箔４と接触することが保証されている。

従って、この対策によりポリマー箔４の分極された範囲
４２の圧電的特性の均等性が高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波センサの概略断面図、第２
図は超音波センサの縁範囲の有利な形態を示す断面図、
第３図はポリマー箔の面上への電極の特に有利な配置を
示す平面図、第４図は特に有利な形態の接地電極を有す
る超音波センサの断面図、第５図は閉じられた超音波セ
ンサの好ましい実施例の断面図、第６図は電極がポリマ
ー箔の外側に配置されている本発明による超音波センサ
の特に好ましい実施例の断面図、第７図はポリマー箔を
分極させるための方法の説明図である。２・・・超音波センサ、４・・・ポリマー箔、６・・・
支持体、８・・・電極、１０・・・水、１２・・・接地
電極、１６・・・高電圧源、１８・・・弾性的ステムプ
ル、２４・・・超音波センサ、２６・・・増幅器、４０
・・・ダイアフラム、４２・・・圧電的に能動的な範囲
、４４・・・圧電的に非能動的な範囲、６２．６４．８
６・・・溝、８４・・・接着剤、８６．８７・・・半リ
ング状電極、８日・・・リング状電極、１００・・・チ
ャンバ、１２２．１２４・・・７い板。

Claims

【特許請求の範囲】１）少なくともその縁範囲で支持体（６）に取り付けら
れたポリマー箔（４）を有し、このポリマー箔が少なく
とも、電極（８）と結合されている部分範囲で圧電的に
能動化されている超音波センサにおいて、電極（８）が圧電的に能動的な範囲（４２）から空間的
に隔てられて配置されていることを特徴とする超音波セ
ンサ。２）圧電的に能動的な範囲（４２）の表面積が、ダイア
フラムを形成するポリマー箔（４）の部分の全面積より
も小さいことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
超音波センサ。３）電極（８）がポリマー箔（４）の面に少なくとも部
分的にダイアフラム（４０）の表面範囲に配置されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超音波
センサ。４）円板状のダイアフラム（４０）が設けられており、
このダイアフラムはその外側の縁範囲に円環状の電極（
８）を設けられており、これらの電極は中心の円板状の
圧電的に能動的な範囲（４２）の回りに同心に配置され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の超
音波センサ。５）ポリマー箔（４）の互いに向かい合う面に配置され
ている電極（８６、８７）が重なっていないことを特徴
とする特許請求の範囲第３項または第４項記載の超音波
センサ。６）ポリマー箔（４）から空間的に隔てられて配置され
ている電極（８８）が設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項または第２項記載の超音波センサ
。７）円板状のポリマー箔（４）において、支持体（６）
に配置されているリング状の電極（８８）が設けられて
いることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の超音
波センサ。８）ダイアフラム（４０）の両面の一方と向かい合って
ダイアフラム（４０）と反対のほうを向いた支持体（６
）の面に円板状の接地電極（１２）が配置されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第４項ないし第７項のい
ずれか１項記載の超音波センサ。９）接地電極（１２）が金属格子であることを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載の超音波センサ。１０）ダイアフラム（４０）の両面と向かい合って支持
体（６）の自由面にそれぞれ覆い板（１２２、１２４）
が配置されており、また覆い板（１２２、１２４）とダ
イアフラム（４０）との間にそれぞれ密なチャンバ（１
００）が形成され、このチャンバが超音波伝播液体で満
たされていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
たは第８項記載の超音波センサ。１１）超音波伝播液体が電解質であることを特徴とする
特許請求の範囲第９項記載の超音波センサ。１２）少なくとも１つの部分範囲（４２）で電界により
圧電的に能動化されたポリマー箔（４）を製造するため
の方法において、この範囲（４２）を分極させるために
、可動に配置され高電圧源（１６）と接続されている電
極（１４）が設けられており、その向かい合う面が範囲
（４２）のほうを向いた表面範囲でポリマー箔（４）に
当てられることを特徴とする超音波センサに使用される
圧電的に能動化されたポリマー箔の製造方法。１３）電極（１４）の互いに向かい合う面にそれぞれ導
電性の弾性的なステムプル（１８）を設けられることを
特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の製造方法。