JP2001086587A - Ultrasonic wave transducer - Google Patents
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波探傷器、超
音波流量計、超音波医療器等に用いることができ、電気
信号を超音波に変換し、または超音波を受信して電気信
号に変換する圧電素子を有する超音波トランスデューサ
に関する。The present invention can be used for an ultrasonic flaw detector, an ultrasonic flow meter, an ultrasonic medical instrument, and the like, and converts an electric signal into an ultrasonic wave or receives an ultrasonic wave to generate an electric signal. The present invention relates to an ultrasonic transducer having a piezoelectric element that converts a current into an ultrasonic wave.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の超音波トランスデューサにおいて
は、狭帯域で使用される場合、電気インピーダンスの整
合等、周波数通過特性については特別な配慮がされてい
ない例が多かった。もしもインピーダンス整合を行うと
すれば、一般的に図18に示す構成が考えられる。即
ち、超音波トランスデューサの圧電素子30に直列(図
18(a))にまたは並列(図18(b))にインダクタン
スL0を接続し、このインダクタンスL0によって圧電
素子30のインピーダンスの内のリアクタンス分を相殺
して純抵抗にすると共に、トランスT0を用いて圧電素
子30の抵抗分を目的のインピーダンスに整合するとい
う方式である。または別の構成として、図18(c)、
(d)に示すように、インダクタンスL0とキャパシタ
ンスC0を圧電素子30に接続してリアクタンスの相殺
と抵抗分の整合とを同時に行う方式が考えられる。2. Description of the Related Art In conventional ultrasonic transducers, when used in a narrow band, there are many examples in which special consideration is not given to frequency pass characteristics such as matching of electric impedance. If impedance matching is to be performed, a configuration shown in FIG. 18 is generally considered. That is, an inductance L0 is connected in series (FIG. 18 (a)) or in parallel (FIG. 18 (b)) to the piezoelectric element 30 of the ultrasonic transducer, and the inductance L0 reduces the reactance in the impedance of the piezoelectric element 30. This is a method of canceling out a pure resistance and matching the resistance of the piezoelectric element 30 to a target impedance by using a transformer T0. Alternatively, as another configuration, FIG.
As shown in (d), a method is conceivable in which the inductance L0 and the capacitance C0 are connected to the piezoelectric element 30 to simultaneously cancel the reactance and match the resistance.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
一般的なインピーダンス整合方式では、原理的に単一周
波数に対しては、非常に良好なインピーダンス整合がな
されるが、周波数帯域の広い信号を扱う場合には、周波
数に対してリアクタンスが大幅に変化し、また、抵抗分
についても変化が激しく、広い周波数範囲で十分なイン
ピーダンス整合がなされないため、電気−超音波、また
はその逆の変換能率が悪く、またインピーダンス整合が
なされていない周波数においては、信号の反射が起こ
り、不要な残響を引き起こす場合がある、という課題が
ある。However, in such a general impedance matching method, in principle, very good impedance matching is performed for a single frequency, but when a signal having a wide frequency band is handled. In this case, the reactance changes greatly with frequency, and the resistance also changes drastically.Since sufficient impedance matching is not performed in a wide frequency range, the conversion efficiency of electric-ultrasonic waves or vice versa is poor. Also, at frequencies where impedance matching has not been performed, there is a problem that signal reflection may occur, causing unnecessary reverberation.
【0004】また、例えば、遅延材を用いているため残
響がさほど問題にならず、インピーダンス整合が重要で
ない場合もあるが、その場合であっても、超音波トラン
スデューサに所望の周波数通過特性等の特性を持たせた
い場合があり、従来の構成では、かかる要求に答えるこ
とはできない、という問題がある。In addition, for example, reverberation does not become a significant problem due to the use of a delay material, and impedance matching may not be important. Even in such a case, a desired frequency transmission characteristic or the like for an ultrasonic transducer is required. There is a case where it is desired to have characteristics, and there is a problem that such a request cannot be answered with the conventional configuration.
【0005】本発明はかかる課題に鑑みなされたもの
で、簡単な構成で、所望の特性を持たせることができる
超音波トランスデューサを提供することをその目的とす
る。The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an ultrasonic transducer that can have desired characteristics with a simple configuration.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1記載の発明は、圧電素子を有し電気信号を超
音波信号にまたは超音波信号を電気信号に変換する超音
波トランスデューサにおいて、前記圧電素子の等価回路
定数の一部を所望の特性を持つフィルタ回路の一部の回
路定数に当てはめ、フィルタ回路の残り部分を構成する
に必要な回路定数を持つ回路素子を前記圧電素子に接続
したことを特徴とする。According to one aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic transducer having a piezoelectric element for converting an electric signal into an ultrasonic signal or converting an ultrasonic signal into an electric signal. By applying a part of the equivalent circuit constant of the piezoelectric element to a part of a filter circuit having a desired characteristic, a circuit element having a circuit constant necessary for forming the remaining part of the filter circuit is used as the piezoelectric element. It is characterized by being connected.
【0007】圧電素子の等価回路をフィルタ回路の一部
として見なし、通常のフィルタ回路設計と発想を逆転
し、前記等価回路定数の一部を該フィルタ回路の一部の
回路定数に当てはめる。そして、フィルタ回路の残り部
分を構成するに必要な回路定数を持つインダクタンスま
たはキャパシタンス等の回路素子を前記圧電素子に接続
し、全体として所望のフィルタ回路が構成されるように
する。例えば、等価回路中の抵抗分をフィルタ回路の特
性インピーダンスとし、リアクタンス分を相殺するよう
なフィルタ回路を選択すれば、インピーダンス整合をと
ることができる。[0007] The equivalent circuit of the piezoelectric element is regarded as a part of the filter circuit, and the concept and design of the ordinary filter circuit are reversed, and a part of the equivalent circuit constant is applied to a part of the filter circuit. Then, a circuit element such as an inductance or a capacitance having a circuit constant necessary for forming the remaining part of the filter circuit is connected to the piezoelectric element, so that a desired filter circuit is formed as a whole. For example, if the resistance in the equivalent circuit is used as the characteristic impedance of the filter circuit and a filter circuit that cancels out the reactance is selected, impedance matching can be achieved.
【0008】前記フィルタ回路は、バタワース型フィル
タとすることができる。バタワース型フィルタは、別
名、最大平坦特性フィルタとも呼ばれ、フィルタの通過
特性が通過域内で平坦に近い特性をしている。その関係
で通過域の多くの部分でインピーダンス特性の抵抗成分
は、一定値、例えば特性インピーダンスと一致し、リア
クタンス成分はほぼ0Ωとなる特性を有している。従っ
て、広帯域な通過特性が得られ、また、広帯域に亘りイ
ンピーダンス整合がなされる。[0008] The filter circuit may be a Butterworth type filter. The Butterworth filter is also called a maximum flat characteristic filter, and the pass characteristic of the filter is almost flat in the pass band. In this connection, the resistance component of the impedance characteristic in many parts of the passband is equal to a constant value, for example, the characteristic impedance, and the reactance component has a characteristic of being substantially 0Ω. Therefore, a wide band pass characteristic is obtained, and impedance matching is performed over a wide band.
【0009】また、前記等価回路定数が、直列に接続さ
れた直列インダクタンスL、直列キャパシタンスCa及
び抵抗Rと、これらに並列に接続された並列キャパシタ
ンスCbである場合、前記フィルタ回路は、3次以上の
T形バタワース型バンドパスフィルタとすることができ
る。または、前記等価回路定数が、並列に接続された抵
抗RとキャパシタンスCbである場合、前記フィルタ回
路は、3次以上のπ形バタワース型バンドパスフィルタ
とすることができる。3次のバタワース型バンドパスフ
ィルタは、広い周波数通過特性を持ち、簡単に構成する
ことができるので好ましいが、等価回路の抵抗、インダ
クタンスまたはキャパシタンスの値によっては3次でフ
ィルタ回路を構成できない場合には、4次、5次と順次
フィルタの次数を上げていくとよい。When the equivalent circuit constants are a series inductance L, a series capacitance Ca, and a resistance R connected in series and a parallel capacitance Cb connected in parallel to the series inductance L, the filter circuit has a third order or higher. T-type Butterworth type band-pass filter. Alternatively, when the equivalent circuit constant is a resistance R and a capacitance Cb connected in parallel, the filter circuit may be a third-order or higher π-type Butterworth bandpass filter. A third-order Butterworth-type bandpass filter is preferable because it has a wide frequency pass characteristic and can be easily configured. However, a third-order Butterworth-type bandpass filter cannot be used when a filter circuit cannot be configured in a third order depending on the resistance, inductance, or capacitance of an equivalent circuit. It is advisable to increase the order of the filter in order of 4th and 5th.
【0010】また、等価回路の抵抗Rが、構成可能なフ
ィルタ回路に対して値が大きすぎる場合には、抵抗R’
を圧電素子に並列に接続し、等価回路中の抵抗Rのみの
場合に比べて、RとR’とで合成された小さな抵抗とす
ることができる。If the resistance R of the equivalent circuit is too large for the configurable filter circuit, the resistance R '
Is connected in parallel to the piezoelectric element, and a small resistance combined with R and R ′ can be obtained as compared with the case where only the resistor R in the equivalent circuit is used.
【0011】また、等価回路中の並列キャパシタンスC
bが、フィルタ回路を構成するのには小さすぎる場合に
は、フィルタ回路の残り部分を構成する回路素子の1つ
としてキャパシタンスC’を圧電素子に並列に接続し、
等価回路中の並列キャパシタンスCbのみの場合と比べ
て、CbとC’とで合成された大きなキャパシタンスと
することができる。Also, the parallel capacitance C in the equivalent circuit
If b is too small to form a filter circuit, a capacitance C 'is connected in parallel with the piezoelectric element as one of the circuit elements forming the rest of the filter circuit,
Compared to the case where only the parallel capacitance Cb in the equivalent circuit is used, a large capacitance obtained by combining Cb and C ′ can be obtained.
【0012】フィルタ回路としては、上述のバタワース
型バンドパスフィルタに限らず、チェビシェフ型、ベッ
セル型、位相線形型等のフィルタを構成することがで
き、これらは、フィルタ回路の残り部分を構成するに必
要なインダクタンスまたはキャパシタンスのパラメータ
をそれぞれのフィルタ回路に応じて、変えることで、実
現することができる。そして、各フィルタ回路特有の周
波数通過特性、インピーダンス特性、さらには、群遅延
特性を考慮して、上記いずれかのフィルタ回路を選択す
ることも可能である。The filter circuit is not limited to the above-mentioned Butterworth type band-pass filter, but may be a Chebyshev type, Bessel type, phase linear type or the like filter. These components constitute the rest of the filter circuit. This can be realized by changing necessary inductance or capacitance parameters according to the respective filter circuits. Then, it is also possible to select any one of the above filter circuits in consideration of the frequency pass characteristic, the impedance characteristic, and the group delay characteristic specific to each filter circuit.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0014】図1は本発明の超音波トランスデューサの
第1の実施形態を表す回路図である。図において、超音
波トランスデューサは、チタン酸鉛系の圧電素子10を
有している。チタン酸鉛系の圧電素子10の等価回路定
数は、図示のように、直列に接続された直列インダクタ
ンスL、直列キャパシタンスCa及び抵抗Rと、これら
に並列に接続された並列キャパシタンスCbとなる。FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the ultrasonic transducer of the present invention. In the figure, the ultrasonic transducer has a lead titanate-based piezoelectric element 10. As shown, the equivalent circuit constants of the lead titanate-based piezoelectric element 10 are a series inductance L, a series capacitance Ca, and a resistor R connected in series, and a parallel capacitance Cb connected in parallel to these.
【0015】この等価回路定数の抵抗Rを負荷抵抗と
し、直列インダクタンスL及び直列キャパシタンスC
a、並列キャパシタンスCbをフィルタ回路の一部と
し、さらに、インダクタンスL1、キャパシタンスC
1、インダクタンスL2、キャパシタンスC’をフィル
タ回路の残りの部分を構成する回路素子として、これら
を圧電素子10に接続して、全体で3次のT形バタワー
ス型バンドパスフィルタを構成している。3次の場合、
負荷抵抗=入力抵抗とすれば、L=L1、Ca=C1と
なる。また、L2の値は、バタワース型バンドパスフィ
ルタの既知の公式または数値表から求めることができ
る。C’の値は、Cbとの合成キャパシタンスが、公式
または数値表から必要とされる2段目のキャパシタンス
に等しくなるようにすると良い。即ち、Cbが必要とさ
れるキャパシタンスよりも小さい場合に、C’を追加し
て、実質的にCbの値を大きくすることができる。従っ
て、Cbが必要とされるキャパシタンスに等しい場合に
は、C’は不要であり、他方、Cbが必要とされるキャ
パシタンスよりも大きい場合には、3次ではフィルタを
構成できないので、フィルタの次数を上げて、4次、5
次…とすることによって、いずれかの高次バタワース型
フィルタを構成することができる。The resistance R of this equivalent circuit constant is defined as a load resistance, and the series inductance L and the series capacitance C
a, the parallel capacitance Cb is part of the filter circuit, and the inductance L1 and the capacitance C
1, an inductance L2, and a capacitance C 'are circuit elements constituting the remaining part of the filter circuit, and these are connected to the piezoelectric element 10 to form a third-order T-type Butterworth bandpass filter as a whole. In case of third order,
If load resistance = input resistance, L = L1 and Ca = C1. Further, the value of L2 can be obtained from a known formula or a numerical table of a Butterworth bandpass filter. The value of C ′ may be such that the combined capacitance with Cb is equal to the required second-stage capacitance from the formula or numerical table. That is, if Cb is smaller than the required capacitance, C 'can be added to substantially increase the value of Cb. Thus, if Cb is equal to the required capacitance, then C 'is unnecessary, while if Cb is greater than the required capacitance, the filter cannot be constructed in 3rd order, so the order of the filter Up, 4th, 5th
By performing the following, any high-order Butterworth filter can be configured.
【0016】3次のバタワース型フィルタを構成した場
合の、周波数通過特性と、インピーダンス特性の計算値
を図2及び図3に示す。図2に示すように、通過域内で
限りなく平坦に近い特性を示しており、広帯域の通過特
性が得られる。また、図3に示すように、図2の通過域
の多くの部分でインピーダンス特性の抵抗成分は例えば
50Ω、リアクタンス成分はほぼ0Ωとなっている。従
って、バタワース型フィルタによって、リアクタンス成
分を相殺すると共に、さらに、トランスTを用いて、抵
抗成分を例えば50Ωの特性インピーダンスに整合する
ことにより、広帯域に亘りインピーダンス整合がなされ
て、超音波トランスデューサからの不要な電気的反射を
極力抑えて、不必要な残響が減少し、超音波トランスデ
ューサの感度を向上させることができる。FIG. 2 and FIG. 3 show calculated values of the frequency pass characteristic and the impedance characteristic when a third-order Butterworth filter is constructed. As shown in FIG. 2, the characteristic is almost flat within the pass band, and a wide band pass characteristic is obtained. Further, as shown in FIG. 3, the resistance component of the impedance characteristic is, for example, 50Ω and the reactance component is almost 0Ω in many parts of the passband of FIG. Accordingly, the Butterworth filter cancels out the reactance component, and further uses the transformer T to match the resistance component to a characteristic impedance of, for example, 50Ω. Unnecessary electric reflection is suppressed as much as possible, unnecessary reverberation is reduced, and the sensitivity of the ultrasonic transducer can be improved.
【0017】一方、図1の超音波トランスデューサにお
いて、L1とC1を削除し、2次のバタワース型フィル
タを構成することも可能である。2次の場合は、通過特
性が平坦でなくなるが、このような通過特性でも許容可
能である場合には、2次のバタワース型フィルタを構成
することとしても良い。On the other hand, in the ultrasonic transducer shown in FIG. 1, L1 and C1 can be eliminated to form a second-order Butterworth filter. In the case of the second order, the pass characteristic is not flat. However, when such a pass characteristic is acceptable, a second-order Butterworth filter may be configured.
【0018】図4は、本発明の超音波トランスデューサ
の第2の実施形態を表す回路図である。図において、超
音波トランスデューサは、ニオブ酸鉛系の圧電素子20
を有している。ニオブ酸鉛系の圧電素子20は、電気的
共振特性を示さずに、並列に接続された抵抗Rと並列キ
ャパシタンスCbとから構成される。FIG. 4 is a circuit diagram showing an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention. In the figure, the ultrasonic transducer is a lead niobate-based piezoelectric element 20.
have. The lead niobate-based piezoelectric element 20 is composed of a resistor R and a parallel capacitance Cb connected in parallel without exhibiting electric resonance characteristics.
【0019】この等価回路の抵抗Rを負荷抵抗とし、並
列キャパシタンスCbをフィルタ回路の一部とし、さら
に、インダクタンスL21、キャパシタンスC21、イ
ンダクタンスL22、キャパシタンスC22、インダク
タンスL23をフィルタ回路の残りの部分を構成する回
路素子として、これらを圧電素子20に接続して、全体
で3次のπ形バタワース型バンドパスフィルタを構成し
ている。3次の場合、負荷抵抗=入力抵抗とすれば、L
21=L23、C21=Cbとなる。また、L21,L
23,L22,C22の値は、バタワース型バンドパス
フィルタの既知の公式または数値表から求めることがで
きる。また、Rの値が大きすぎる場合には、抵抗R’を
追加して、実質的にRの値を小さくすることができる。
また、キャパシタンスCbの値を実質的に大きくしたい
場合には、第1実施形態と同様の手法により、キャパシ
タンスC’を並列に接続することもできる。The resistance R of the equivalent circuit is a load resistance, the parallel capacitance Cb is a part of the filter circuit, and the inductance L21, the capacitance C21, the inductance L22, the capacitance C22, and the inductance L23 form the remaining part of the filter circuit. These circuit elements are connected to the piezoelectric element 20 to form a third-order π-type Butterworth bandpass filter as a whole. In the case of the third order, if load resistance = input resistance, L
21 = L23 and C21 = Cb. Also, L21, L
The values of 23, L22, and C22 can be obtained from known formulas or numerical tables of Butterworth bandpass filters. If the value of R is too large, the value of R can be substantially reduced by adding a resistor R '.
When it is desired to substantially increase the value of the capacitance Cb, the capacitance C ′ can be connected in parallel by the same method as in the first embodiment.
【0020】以上のように構成される第2実施形態にお
いても、第1実施形態と同様の効果が得られる。In the second embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained.
【0021】[0021]
【実施例】以下、実際の構成例を示す。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An actual configuration example will be described below.
【0022】(実施例1)1MHzの超音波トランスデ
ューサのチタン酸鉛系の圧電素子をインピーダンスアナ
ライザーで測定した結果、図5に示すように、その等価
回路を構成する抵抗R、インダクタンスL及びキャパシ
タンスCa、Cbの等価回路定数はR=1.95kΩ、
L=476μH、Ca=55.5pF、Cb=210p
Fであった。これらの一部を用いて、3次のバタワース
型フィルタを設計した場合の各回路定数の値を図6に示
す。図6においてL3=L、C3=Caである。LとC
aの値から逆算してバンドパスフィルタのカットオフ周
波数を求めると、低域カットオフ周波数FLc=706
kHz、高域カットオフ周波数FHc=1.358MH
zとなる。図6においてC2は250pFとなっている
が、Cbが210pFであるため、その不足分として
C’=39pFを付加し、L1、C1、L2として不都
合を生じない範囲で近い標準数である470μH、56
pF、100μHとし、更に、1:6のトランスTで、
概ね50Ωにインピーダンス整合して、図7に示す実施
例1を構成した。図7の実施例1のインピーダンス特性
を図8に、フィルタ回路を構成しない超音波トランスデ
ューサのインピーダンス特性を比較例1として図9に示
す。図8に示したように実施例1では、計算値とかなり
一致し、良好なインピーダンス整合がなされることが分
かる。Example 1 As a result of measuring a lead titanate-based piezoelectric element of a 1 MHz ultrasonic transducer with an impedance analyzer, as shown in FIG. 5, a resistor R, an inductance L and a capacitance Ca constituting an equivalent circuit thereof were obtained. , Cb is R = 1.95 kΩ,
L = 476 μH, Ca = 55.5 pF, Cb = 210 p
F. FIG. 6 shows the values of the respective circuit constants when a third-order Butterworth filter is designed using a part of these filters. In FIG. 6, L3 = L and C3 = Ca. L and C
When the cut-off frequency of the band-pass filter is calculated from the value of “a”, the low-frequency cut-off frequency FLc = 706
kHz, high frequency cutoff frequency FHc = 1.358MH
z. In FIG. 6, C2 is 250 pF, but since Cb is 210 pF, C '= 39 pF is added as a shortage, and L1, C1, and L2 are 470 μH, which are close to the standard number within a range where no inconvenience occurs. 56
pF, 100 μH, and with a 1: 6 transformer T,
Example 1 shown in FIG. 7 was configured by impedance matching to approximately 50Ω. FIG. 8 shows the impedance characteristic of the first embodiment in FIG. 7 and FIG. 9 shows the impedance characteristic of the ultrasonic transducer without forming the filter circuit as the first comparative example. As shown in FIG. 8, in the first embodiment, the calculated value considerably matches, and it can be seen that good impedance matching is performed.
【0023】さらに、図10は実施例1と同様の超音波
トランスデューサ2個を音響的に密着させて信号の通過
特性を測定した結果であり、図11はフィルタ回路を構
成しない従来例の通過特性である。図11では、3dB
帯域幅443kHz、挿入損失30.0dBであったの
に対して、図10では、3dB帯域幅320kHz、挿
入損失約10dBを得た。これから分かるように、帯域
幅をあまり犠牲にせずに超音波トランスデューサの感度
が概略20dBも向上した。FIG. 10 shows the result of measurement of the signal transmission characteristics by acoustically adhering two ultrasonic transducers similar to the first embodiment, and FIG. 11 shows the transmission characteristics of a conventional example without a filter circuit. It is. In FIG. 11, 3 dB
While the bandwidth was 443 kHz and the insertion loss was 30.0 dB, in FIG. 10, the 3 dB bandwidth was 320 kHz and the insertion loss was about 10 dB. As can be seen, the sensitivity of the ultrasonic transducer was improved by approximately 20 dB without sacrificing much bandwidth.
【0024】(実施例2)1MHzの超音波トランスデュ
ーサのニオブ酸鉛系の圧電素子をインピーダンスアナラ
イザーで測定した結果、図12に示すように、その等価
回路定数はR=3.8kΩ、Cb=480pFであっ
た。この例では、RとCbの積があまり大きすぎて、適
当なバンドパスフィルタを構成することができない。そ
こで、感度低下は覚悟して、抵抗R’=470Ωを並列
に接続して、RとR’との合成抵抗を418Ωとした。
これらの一部を用いて、3次のバタワース型フィルタを
設計した場合の各回路定数の値を図13に示す。図13
においてC23≒Cbとなる。この例では、バンドパス
フィルタの低域カットオフ周波数FLc=600kH
z、高域カットオフ周波数FHc=1.4MHzとな
る。図13においてL21、C21、L22、C22と
して不都合を生じない範囲で近い標準数である63μ
H、470pF、166μH、180pFとし、更に、
1:3のトランスT2で、概ね50Ωにインピーダンス
整合して、図14に示す実施例2を構成した。図14の
実施例2のインピーダンス特性を図15に、フィルタ回
路を構成しない超音波トランスデューサのインピーダン
ス特性を比較例2として図16に示す。この実施例2に
おいても、広帯域でインピーダンスが50Ωに整合され
ていることが分かる。Example 2 As a result of measuring a lead niobate-based piezoelectric element of a 1 MHz ultrasonic transducer with an impedance analyzer, as shown in FIG. 12, the equivalent circuit constant was R = 3.8 kΩ and Cb = 480 pF. Met. In this example, the product of R and Cb is so large that an appropriate bandpass filter cannot be constructed. Therefore, in preparation for a decrease in sensitivity, a resistor R ′ = 470Ω is connected in parallel, and the combined resistance of R and R ′ is set to 418Ω.
FIG. 13 shows the values of the respective circuit constants when a third-order Butterworth filter is designed using a part of them. FIG.
C23 ≒ Cb. In this example, the low-pass cutoff frequency FLc of the band-pass filter is 600 kHz.
z, the high cutoff frequency FHc = 1.4 MHz. In FIG. 13, the standard number of 63 μL, which is close to L21, C21, L22 and C22 within a range that does not cause inconvenience
H, 470 pF, 166 μH, 180 pF, and
Example 2 shown in FIG. 14 was configured by impedance matching of approximately 50Ω with a transformer T2 of 1: 3. FIG. 15 shows the impedance characteristic of the second embodiment of FIG. 14 and FIG. 16 shows the impedance characteristic of the ultrasonic transducer not forming the filter circuit as the second comparative example. It can be seen that also in Example 2, the impedance is matched to 50Ω over a wide band.
【0025】さらに、図17は通過特性であり、実線が
実施例2に係る通過特性、点線が比較例2の通過特性で
ある。比較例2では、3dB帯域幅748kHz、挿入
損失44.5dBであったのに対して、実施例2では、
3dB帯域幅598kHz、挿入損失30.9dBであ
った。実施例2では、R’=470Ωという抵抗を付加
して、Rに対して概ね10倍の損失を持たせたにも拘わ
らず、実施例1と同様に、周波数帯域幅をあまり犠牲に
せずに約13.5dBもの感度を向上させることができ
た。FIG. 17 shows the pass characteristics. The solid line shows the pass characteristics according to the second embodiment, and the dotted line shows the pass characteristics of the comparative example 2. In Comparative Example 2, the 3 dB bandwidth was 748 kHz and the insertion loss was 44.5 dB.
The 3dB bandwidth was 598 kHz and the insertion loss was 30.9 dB. In the second embodiment, a resistance of R '= 470Ω is added, and a loss of approximately 10 times is given to R, but as in the first embodiment, the frequency bandwidth is not sacrificed so much. It was possible to improve the sensitivity by about 13.5 dB.
【0026】[0026]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
前記圧電素子の等価回路定数の一部を所望の特性を持つ
フィルタ回路の一部の回路定数に当てはめ、フィルタ回
路の残り部分を構成するに必要な回路定数を持つ回路素
子を前記圧電素子に接続することにより、所望の特性を
超音波トランスデューサに持たせることができる。As described above, according to the present invention,
A part of the equivalent circuit constant of the piezoelectric element is applied to a part of a filter circuit having a desired characteristic, and a circuit element having a circuit constant necessary for forming the remaining part of the filter circuit is connected to the piezoelectric element. By doing so, the desired characteristics can be imparted to the ultrasonic transducer.
【0027】特に、フィルタ回路をバタワース型フィル
タとすることによって、その周波数通過特性が通過域内
で平坦に近くなり、広帯域な通過特性を得て、また、広
帯域に亘りインピーダンス整合をなすことができる。従
って、超音波トランスデューサを広帯域化することがで
き、十分な情報の伝達ができる。また、電気音響変換能
率が上がり感度が向上すると共に、電気信号の不必要な
反射が減少し信号波形の乱れがなくなるという効果を得
ることができる。In particular, when the filter circuit is a Butterworth type filter, its frequency pass characteristic becomes almost flat in the pass band, a wide band pass characteristic can be obtained, and impedance matching can be performed over a wide band. Therefore, the bandwidth of the ultrasonic transducer can be widened, and sufficient information can be transmitted. Further, it is possible to obtain an effect that the electro-acoustic conversion efficiency is increased and the sensitivity is improved, and unnecessary reflection of the electric signal is reduced and the signal waveform is not disturbed.
【0028】また、以上のフィルタ回路の残りの部分は
汎用の回路素子を用いて実現することができるため、コ
ストの高騰を抑えることができる。The remaining portion of the above filter circuit can be realized by using general-purpose circuit elements, so that a rise in cost can be suppressed.
【図1】本発明の超音波トランスデューサの第1の実施
形態を表す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a first embodiment of an ultrasonic transducer according to the present invention.
【図2】3次のバタワース型フィルタの周波数通過特性
である。FIG. 2 is a frequency pass characteristic of a third-order Butterworth filter.
【図3】3次のバタワース型フィルタのインピーダンス
特性である。FIG. 3 is an impedance characteristic of a third-order Butterworth filter.
【図4】本発明の超音波トランスデューサの第2の実施
形態を表す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of the ultrasonic transducer of the present invention.
【図5】実施例1の圧電素子の等価回路である。FIG. 5 is an equivalent circuit of the piezoelectric element of the first embodiment.
【図6】実施例1の3次のバタワース型フィルタを設計
した場合の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram when a third-order Butterworth filter of the first embodiment is designed.
【図7】実施例1の実際の回路図である。FIG. 7 is an actual circuit diagram of the first embodiment.
【図8】実施例1のインピーダンス特性である。FIG. 8 is an impedance characteristic of the first embodiment.
【図9】比較例1のインピーダンス特性である。FIG. 9 is an impedance characteristic of Comparative Example 1.
【図10】実施例1の通過特性である。FIG. 10 shows transmission characteristics of the first embodiment.
【図11】比較例1の通過特性である。FIG. 11 shows a transmission characteristic of Comparative Example 1.
【図12】実施例2の圧電素子の等価回路である。FIG. 12 is an equivalent circuit of the piezoelectric element of the second embodiment.
【図13】実施例2の3次のバタワース型フィルタを設
計した場合の回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram when a third-order Butterworth filter according to the second embodiment is designed.
【図14】実施例2の実際の回路図である。FIG. 14 is an actual circuit diagram of the second embodiment.
【図15】実施例2のインピーダンス特性である。FIG. 15 shows impedance characteristics of the second embodiment.
【図16】比較例2のインピーダンス特性である。FIG. 16 shows impedance characteristics of Comparative Example 2.
【図17】実施例2及び比較例2の通過特性である。FIG. 17 shows transmission characteristics of Example 2 and Comparative Example 2.
【図18】(a)〜(d)は、従来の一般的なインピーダ
ンス整合を行う場合の方式を表す回路図である。FIGS. 18A to 18D are circuit diagrams showing a method of performing a conventional general impedance matching.
10 圧電素子 20 圧電素子 L 等価回路中の直列インダクタンス Ca 等価回路中の直列キャパシタンス R 等価回路中の抵抗 Cb 等価回路中の並列キャパシタンス L1,L2 インダクタンス C2,C’ キャパシタンス T トランス L21,L22,L23 インダクタンス C22,C’ キャパシタンス R’ 抵抗 Reference Signs List 10 piezoelectric element 20 piezoelectric element L series inductance in equivalent circuit Ca series capacitance in equivalent circuit R resistance in equivalent circuit Cb parallel capacitance L1, L2 inductance C2, C 'capacitance T transformer L21, L22, L23 inductance C22, C 'capacitance R' resistance
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Claims (6)
または超音波信号を電気信号に変換する超音波トランス
デューサにおいて、 前記圧電素子の等価回路定数の一部を所望の特性を持つ
フィルタ回路の一部の回路定数に当てはめ、フィルタ回
路の残り部分を構成するに必要な回路定数を持つ回路素
子を前記圧電素子に接続したことを特徴とする超音波ト
ランスデューサ。1. An ultrasonic transducer having a piezoelectric element and converting an electric signal into an ultrasonic signal or an ultrasonic signal into an electric signal, wherein a filter circuit having a part of an equivalent circuit constant of the piezoelectric element having a desired characteristic. An ultrasonic transducer, wherein a circuit element having a circuit constant necessary for forming the remaining part of the filter circuit is connected to the piezoelectric element by applying a part of the circuit constant of the filter circuit.
タであることを特徴とする請求項1記載の超音波トラン
スデューサ。2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein said filter circuit is a Butterworth type filter.
直列インダクタンスL、直列キャパシタンスCa及び抵
抗Rと、これらに並列に接続された並列キャパシタンス
Cbであり、前記フィルタ回路は、3次以上のT形バタ
ワース型バンドパスフィルタであることを特徴とする請
求項2記載の超音波トランスデューサ。3. The equivalent circuit constant is a series inductance L, a series capacitance Ca, and a resistance R connected in series, and a parallel capacitance Cb connected in parallel with the series inductance L, the filter circuit having a third order or higher. 3. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the ultrasonic transducer is a T-shaped Butterworth bandpass filter.
抵抗Rと並列キャパシタンスCbであり、前記フィルタ
回路は、3次以上のπ形バタワース型バンドパスフィル
タであることを特徴とする請求項2記載の超音波トラン
スデューサ。4. The filter circuit according to claim 1, wherein said equivalent circuit constant is a resistance R and a parallel capacitance Cb connected in parallel, and said filter circuit is a π-type Butterworth bandpass filter of third order or higher. 2. The ultrasonic transducer according to 2.
し、該並列に接続された抵抗R’と前記等価回路中の抵
抗Rと合成された合成抵抗を、該等価回路中の抵抗Rよ
りも小さくすることを特徴とする請求項3または4記載
の超音波トランスデューサ。5. A resistor R ′ is connected in parallel to the piezoelectric element, and a combined resistor obtained by combining the resistor R ′ connected in parallel with the resistor R in the equivalent circuit is connected to a resistor R in the equivalent circuit. 5. The ultrasonic transducer according to claim 3, wherein said ultrasonic transducer is smaller than said ultrasonic transducer.
C’を接続し、該並列に接続されたキャパシタンスC’
と前記等価回路中のキャパシタンスCbと合成された合
成キャパシタンスを、該等価回路中のキャパシタンスよ
りも大きくすることを特徴とする請求項3または4記載
の超音波トランスデューサ。6. A capacitance C ′ is connected in parallel to said piezoelectric element, and said capacitance C ′ is connected in parallel.
5. The ultrasonic transducer according to claim 3, wherein a combined capacitance combined with the capacitance Cb in the equivalent circuit is larger than the capacitance in the equivalent circuit.
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- 1999-09-10 JP JP25805799A patent/JP2001086587A/en not_active Withdrawn
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