JP2001309495A - 超音波トランスジューサ - Google Patents
超音波トランスジューサInfo
- Publication number
- JP2001309495A JP2001309495A JP2000159129A JP2000159129A JP2001309495A JP 2001309495 A JP2001309495 A JP 2001309495A JP 2000159129 A JP2000159129 A JP 2000159129A JP 2000159129 A JP2000159129 A JP 2000159129A JP 2001309495 A JP2001309495 A JP 2001309495A
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- JP
- Japan
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- ultrasonic transducer
- fiber composite
- composite material
- ultrasonic
- acoustic
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】超音波トランスジューサの音響振動を制御し
て、超音波送受信の指向性を高め、高性能化、小型化す
る。 【解決手段】超音波トランスジューサを構成する振動子
であるボルト締めランジュバン振動子または圧電セラミ
ックスに繊維複合材料を接合する。そしてこの繊維複合
材料中の繊維方向により音響振動を制御する。このこと
により超音波トランスジューサの超音波送受信の指向性
を高めることができる。
て、超音波送受信の指向性を高め、高性能化、小型化す
る。 【解決手段】超音波トランスジューサを構成する振動子
であるボルト締めランジュバン振動子または圧電セラミ
ックスに繊維複合材料を接合する。そしてこの繊維複合
材料中の繊維方向により音響振動を制御する。このこと
により超音波トランスジューサの超音波送受信の指向性
を高めることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は流体中に超音波を放
射するかまたは流体中を伝搬する超音波を受信する超音
波トランスジューサに関するものである。
射するかまたは流体中を伝搬する超音波を受信する超音
波トランスジューサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の超音波トランスジューサは、負荷
媒体である流体と超音波トランスジューサの固有音響イ
ンピーダンスが大きく異なるためそれらの中間の固有音
響インピーダンスを有する素材を用いることで流体との
音響インピーダンス整合がなされていた。整合のために
用いられる整合材料は通常、エポキシ樹脂にガラス等の
無機材料やプラスチックバルーン等の有機材料が粒子形
状で均一に分散されている。そしてエポキシ樹脂に対し
て分散する材料とその配分で所望の固有音響インピーダ
ンスを達成してきた。
媒体である流体と超音波トランスジューサの固有音響イ
ンピーダンスが大きく異なるためそれらの中間の固有音
響インピーダンスを有する素材を用いることで流体との
音響インピーダンス整合がなされていた。整合のために
用いられる整合材料は通常、エポキシ樹脂にガラス等の
無機材料やプラスチックバルーン等の有機材料が粒子形
状で均一に分散されている。そしてエポキシ樹脂に対し
て分散する材料とその配分で所望の固有音響インピーダ
ンスを達成してきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
音響整合材料を使用した整合層は等方性材料であるので
音響振動方向は制御出来ない。そのため不要な方向の音
響振動を減衰させるためにシリコンゴム等のダンピング
材を大量に使用していた。このため装置は大型化し、し
かも不要な振動も励起してしまうため効率の低い装置に
なっていた。また、送受信面における音響振動が所望の
方向と異なる方向の音響振動を励起してしまうので指向
性が悪くなるという問題点があった。
音響整合材料を使用した整合層は等方性材料であるので
音響振動方向は制御出来ない。そのため不要な方向の音
響振動を減衰させるためにシリコンゴム等のダンピング
材を大量に使用していた。このため装置は大型化し、し
かも不要な振動も励起してしまうため効率の低い装置に
なっていた。また、送受信面における音響振動が所望の
方向と異なる方向の音響振動を励起してしまうので指向
性が悪くなるという問題点があった。
【０００４】これらの問題を解決するために特願平６−
５９９９３公報に示されているように音響レンズを使用
して指向性を高める方法がある。しかしながら、音響レ
ンズの大きさの制限、音響レンズ形状を作成するための
コストおよび音響レンズ面での音響振動が制御されてい
ないので結局設計どおりの性能が出ないと云う問題があ
る。この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、
加工容易な形状で指向特性の優れた送受信性能を持ち、
不要な音響振動を抑制する省エネルギーでかつダンピン
グ材の使用量を従来よりも格段に少なくした小型、軽量
の超音波トランスジューサの提供を目的としている。
５９９９３公報に示されているように音響レンズを使用
して指向性を高める方法がある。しかしながら、音響レ
ンズの大きさの制限、音響レンズ形状を作成するための
コストおよび音響レンズ面での音響振動が制御されてい
ないので結局設計どおりの性能が出ないと云う問題があ
る。この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、
加工容易な形状で指向特性の優れた送受信性能を持ち、
不要な音響振動を抑制する省エネルギーでかつダンピン
グ材の使用量を従来よりも格段に少なくした小型、軽量
の超音波トランスジューサの提供を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述の目的は、超音波ト
ランスジューサを構成する材料の一部を繊維方向に規則
性を持たせた繊維複合材料とすることと、超音波トラン
スジューサの送受信面に対して繊維複合材料を平行に配
置することによって達成される。また、前記繊維複合材
料において、繊維の材質を炭素または黒鉛とし、マトリ
ックスを有機材料にすることで達成される。
ランスジューサを構成する材料の一部を繊維方向に規則
性を持たせた繊維複合材料とすることと、超音波トラン
スジューサの送受信面に対して繊維複合材料を平行に配
置することによって達成される。また、前記繊維複合材
料において、繊維の材質を炭素または黒鉛とし、マトリ
ックスを有機材料にすることで達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下、図１から図６を参照して、
この発明の実施の形態について説明する。説明は実施例
を用いて具体的に行う。
この発明の実施の形態について説明する。説明は実施例
を用いて具体的に行う。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。
説明する。
【０００８】（実施例１）図１は本発明の実施例１を示
す超音波トランスジューサの斜視図である。この超音波
トランスジューサ１は、１／２波長の共振モード有する
ボルト締めランジュバン振動子のフロントマス１１の端
面上に繊維複合材料１２を、その繊維複合材料１２のさ
らに上にプラスチックバルーンとエポキシ樹脂からなる
音響整合層１３を配置している。ボルト締めランジュバ
ン振動子は、圧電セラミックス１４ａ，１４ｂ、圧電セ
ラミックスに電圧を印加するかまたは発生した電圧を受
けるための電極１５ａ，１５ｂ，１５ｃ、これらの両側
にフロントマス１１とリアマス１６が配置され、これら
を接合する締め付けボルト（図示しない）からなってい
る。このようにして構成された全長は基本周波数の１／
２波長に設定されている。フロントマス１１は円柱状の
形状をなしておりその円形の片面中心軸には、ボルトが
かん合されるネジ孔が設けられている。リアマス１６は
フロントマス１１と同じ外形で円筒状の形状をなしてお
り、中心軸に形成された貫通孔にボルトが通るようにな
っている。圧電セラミックス１４ａ，１４ｂは、リアマ
ス１６と同じ内外径を持つ円筒状の形状をなしておりフ
ロントマス１１とリアマス１６の間で電極１５ａ，１５
ｂ，１５ｃと交互に積層され、リアマス１６からフロン
トマス１１に向かって挿入されたボルトにより締め付け
固定されてる。
す超音波トランスジューサの斜視図である。この超音波
トランスジューサ１は、１／２波長の共振モード有する
ボルト締めランジュバン振動子のフロントマス１１の端
面上に繊維複合材料１２を、その繊維複合材料１２のさ
らに上にプラスチックバルーンとエポキシ樹脂からなる
音響整合層１３を配置している。ボルト締めランジュバ
ン振動子は、圧電セラミックス１４ａ，１４ｂ、圧電セ
ラミックスに電圧を印加するかまたは発生した電圧を受
けるための電極１５ａ，１５ｂ，１５ｃ、これらの両側
にフロントマス１１とリアマス１６が配置され、これら
を接合する締め付けボルト（図示しない）からなってい
る。このようにして構成された全長は基本周波数の１／
２波長に設定されている。フロントマス１１は円柱状の
形状をなしておりその円形の片面中心軸には、ボルトが
かん合されるネジ孔が設けられている。リアマス１６は
フロントマス１１と同じ外形で円筒状の形状をなしてお
り、中心軸に形成された貫通孔にボルトが通るようにな
っている。圧電セラミックス１４ａ，１４ｂは、リアマ
ス１６と同じ内外径を持つ円筒状の形状をなしておりフ
ロントマス１１とリアマス１６の間で電極１５ａ，１５
ｂ，１５ｃと交互に積層され、リアマス１６からフロン
トマス１１に向かって挿入されたボルトにより締め付け
固定されてる。
【０００９】また、繊維複合材料１２はフロントマス１
１と音響整合層１３の間に位置し、フロントマスト１１
と音響整合層１３にエポキシ樹脂で接着されている。こ
こで繊維複合材料１２は炭素繊維複合材料であり、マト
リックスはエポキシ樹脂である。炭素繊維複合材料の形
状はフロントマスと同じ外形を持つ円柱状の形状であ
り、音響整合層１３と炭素繊維複合材料１２の合わせた
長さがボルト締めランジュバン振動子の基本周波数の約
１／４波長となるように調整されている。炭素繊維複合
材料１２は図２のようにプリプレグシート１７の繊維方
向を３０度づつ変え順次積層し、その後熱圧着し作成し
た。図２の炭素繊維１８は理解しやすいように炭素繊維
１８の本数を実際より少なくして炭素繊維１８の方向を
示した。図２中の角度はプリプレグシート１７の右上端
面に対して炭素繊維１８の方向が反時計回りに何度であ
るかを示している。さらに前に述べたように炭素繊維複
合材料１２に音響整合層１３をエポキシ樹脂により接合
した。この音響整合層１３は超音波伝達媒質である空気
とランジュバン振動子の中間の固有音響インピーダンス
になるようにプラスチックバルーンをエポキシ樹脂に均
一に分散させ、熱硬化し作成した。これを炭素繊維複合
材料１２と同じ外径の薄い円柱状に加工し、炭素繊維複
合材料１２の上に接着した。
１と音響整合層１３の間に位置し、フロントマスト１１
と音響整合層１３にエポキシ樹脂で接着されている。こ
こで繊維複合材料１２は炭素繊維複合材料であり、マト
リックスはエポキシ樹脂である。炭素繊維複合材料の形
状はフロントマスと同じ外形を持つ円柱状の形状であ
り、音響整合層１３と炭素繊維複合材料１２の合わせた
長さがボルト締めランジュバン振動子の基本周波数の約
１／４波長となるように調整されている。炭素繊維複合
材料１２は図２のようにプリプレグシート１７の繊維方
向を３０度づつ変え順次積層し、その後熱圧着し作成し
た。図２の炭素繊維１８は理解しやすいように炭素繊維
１８の本数を実際より少なくして炭素繊維１８の方向を
示した。図２中の角度はプリプレグシート１７の右上端
面に対して炭素繊維１８の方向が反時計回りに何度であ
るかを示している。さらに前に述べたように炭素繊維複
合材料１２に音響整合層１３をエポキシ樹脂により接合
した。この音響整合層１３は超音波伝達媒質である空気
とランジュバン振動子の中間の固有音響インピーダンス
になるようにプラスチックバルーンをエポキシ樹脂に均
一に分散させ、熱硬化し作成した。これを炭素繊維複合
材料１２と同じ外径の薄い円柱状に加工し、炭素繊維複
合材料１２の上に接着した。
【００１０】ボルト締めランジュバン振動子のフロント
マス１１の端面にほぼ平行に音響整合層１３と繊維複合
材料１２を接合したランジュバン振動子を超音波トラン
スジューサ１と呼ぶが、これを空中用の送受信超音波セ
ンサとしての性能を測定した。その結果、１５ｍの距離
まで測定できた。また、比較のため同じボルト締めラン
ジュバン振動子に１／４波長の音響整合層１３を設けた
通常の超音波トランスジューサも試作した。これも同様
に空中用の送受信超音波センサとしての性能を測定し
た。その結果、１０ｍの距離までしか測定できなかっ
た。このように炭素繊維複合材料１２を採用した超音波
トランスジューサ１がより遠距離まで測定できることが
明らかになった。この理由は炭素繊維複合材料１２が超
音波トランスジューサ１の軸方向と直交する方向の振動
を炭素繊維複合材料１２の中で制御し、その結果、音響
送受信面である音響整合層１３がほぼ理想的なピストン
振動をしているためと考えられる。原理的な詳細は特願
平６−１０１６５３に記されている。
マス１１の端面にほぼ平行に音響整合層１３と繊維複合
材料１２を接合したランジュバン振動子を超音波トラン
スジューサ１と呼ぶが、これを空中用の送受信超音波セ
ンサとしての性能を測定した。その結果、１５ｍの距離
まで測定できた。また、比較のため同じボルト締めラン
ジュバン振動子に１／４波長の音響整合層１３を設けた
通常の超音波トランスジューサも試作した。これも同様
に空中用の送受信超音波センサとしての性能を測定し
た。その結果、１０ｍの距離までしか測定できなかっ
た。このように炭素繊維複合材料１２を採用した超音波
トランスジューサ１がより遠距離まで測定できることが
明らかになった。この理由は炭素繊維複合材料１２が超
音波トランスジューサ１の軸方向と直交する方向の振動
を炭素繊維複合材料１２の中で制御し、その結果、音響
送受信面である音響整合層１３がほぼ理想的なピストン
振動をしているためと考えられる。原理的な詳細は特願
平６−１０１６５３に記されている。
【００１１】（実施例２）図３から図６を用いて第２の
実施例を説明する。圧電材料は、酸化鉛、酸化ジルコニ
ュムおよび酸化チタンを主成分とする圧電セラミックス
１４ｃであり、その圧電的性能は電気機械結合係数が約
０．６、機械的品質係数が約５００である。圧電材料の
形状は繊維複合材料１２と接合する面が正方形であり、
厚さは正方形の一辺より小さい。この圧電材料と接合す
る繊維複合材料１２の形状は圧電材料との接合面におい
ては正方形であり、厚さは超音波が伝搬する媒体である
水と音響振動整合が取れるように圧電セラミックス１４
ｃの厚み振動の基本周波数のほぼ１／４波長になるよう
に設定した。これを図３に示す。そして、繊維複合材料
中の黒鉛繊維１９の方向は図４のように超音波トランス
ジューサ２と超音波トランスジューサ３の繊維複合材料
１２端面の中心を結ぶ直線に直交する方向に配向してい
る。このように繊維複合材料１２の端面に対して黒鉛繊
維１９がある角度を持ように一方向に黒鉛繊維１９が配
向した黒鉛繊維複合材料１２をスライサーを用いて図５
のように切り出した。図５中の波線はスライサーによる
切り出し線を示す。
実施例を説明する。圧電材料は、酸化鉛、酸化ジルコニ
ュムおよび酸化チタンを主成分とする圧電セラミックス
１４ｃであり、その圧電的性能は電気機械結合係数が約
０．６、機械的品質係数が約５００である。圧電材料の
形状は繊維複合材料１２と接合する面が正方形であり、
厚さは正方形の一辺より小さい。この圧電材料と接合す
る繊維複合材料１２の形状は圧電材料との接合面におい
ては正方形であり、厚さは超音波が伝搬する媒体である
水と音響振動整合が取れるように圧電セラミックス１４
ｃの厚み振動の基本周波数のほぼ１／４波長になるよう
に設定した。これを図３に示す。そして、繊維複合材料
中の黒鉛繊維１９の方向は図４のように超音波トランス
ジューサ２と超音波トランスジューサ３の繊維複合材料
１２端面の中心を結ぶ直線に直交する方向に配向してい
る。このように繊維複合材料１２の端面に対して黒鉛繊
維１９がある角度を持ように一方向に黒鉛繊維１９が配
向した黒鉛繊維複合材料１２をスライサーを用いて図５
のように切り出した。図５中の波線はスライサーによる
切り出し線を示す。
【００１２】このようにして作成した圧電材料と黒鉛繊
維複合材料１２をエポキシ樹脂で強固に接合し、超音波
トランスジューサ２およびを超音波トランスジューサ３
を製作した。これら超音波トランスジューサ２および超
音波トランスジューサ３を図６のように水中に配置して
超音波の送受信を試みた。ここで容器２０は水と超音波
トランスジューサ２，３入れている。そして２１は水面
を示す。超音波トランスジューサ２と超音波トランスジ
ューサ３の中心軸が一致するように図６のＡの位置に超
音波トランスジューサ３を設定し、送受信を行ったとこ
ろ受信感度は低くノイズレベルであった。これに対して
図６のＢの位置のように繊維複合材料中の黒鉛繊維１９
と直交する方向に超音波トランスジューサ２および超音
波トランスジューサ３を設置して送受信を行ったところ
明瞭な信号が得られた。これも黒鉛繊維複合材料１２の
振動を制御する機能による。詳しくは特願平６−１０１
６５３に記されている。
維複合材料１２をエポキシ樹脂で強固に接合し、超音波
トランスジューサ２およびを超音波トランスジューサ３
を製作した。これら超音波トランスジューサ２および超
音波トランスジューサ３を図６のように水中に配置して
超音波の送受信を試みた。ここで容器２０は水と超音波
トランスジューサ２，３入れている。そして２１は水面
を示す。超音波トランスジューサ２と超音波トランスジ
ューサ３の中心軸が一致するように図６のＡの位置に超
音波トランスジューサ３を設定し、送受信を行ったとこ
ろ受信感度は低くノイズレベルであった。これに対して
図６のＢの位置のように繊維複合材料中の黒鉛繊維１９
と直交する方向に超音波トランスジューサ２および超音
波トランスジューサ３を設置して送受信を行ったところ
明瞭な信号が得られた。これも黒鉛繊維複合材料１２の
振動を制御する機能による。詳しくは特願平６−１０１
６５３に記されている。
【００１３】なお、実施例１，２では繊維複合材料１２
の繊維材質を炭素または黒鉛としたが高弾性繊維であれ
ば効果はほぼ同じであり、有機繊維ではケプラー繊維、
無機繊維ではＳｉＣ繊維などが使用できる。
の繊維材質を炭素または黒鉛としたが高弾性繊維であれ
ば効果はほぼ同じであり、有機繊維ではケプラー繊維、
無機繊維ではＳｉＣ繊維などが使用できる。
【００１４】
【発明の効果】以上の発明によれば、繊維を規則的に配
向させた繊維複合材料を超音波トランスジューサの一部
とすることで流体との音響振動的整合のみならずその指
向性まで制御できる。
向させた繊維複合材料を超音波トランスジューサの一部
とすることで流体との音響振動的整合のみならずその指
向性まで制御できる。
【００１５】
【図１】本発明の実施例１の超音波トランスジューサの
斜視図
斜視図
【図２】炭素繊維複合材料の作成手段を示す構成図
【図３】本発明の実施例２の超音波トランスジューサの
斜視図
斜視図
【図４】実施例２黒鉛繊維複合材料中の繊維方向を示す
構成図
構成図
【図５】実施例２の繊維複合材料の作成方法を示す構成
図
図
【図６】実施例２において水中での超音波送受信を行う
構成図
構成図
１，２，３ 超音波トランスジューサ １１ フロントマス １２ 繊維複合材料 １３ 音響整合層 １４ 圧電セラミックス １５ 電極 １６ リアマス １７ プリプレグシート １８ 炭素繊維 １９ 黒鉛繊維 ２０ 容器 ２１ 水面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｓ 7/521 Ｇ０１Ｓ 7/52 Ａ
Claims (5)
- 【請求項１】流体中に超音波を送受信する超音波トラン
スジューサにおいて、超音波トランスジューサを構成す
る材料の一部を繊維複合材料とすることを特徴とする超
音波トランスジューサ。 - 【請求項２】請求項１において繊維複合材料は、超音波
送受信面に対してほぼ平行に配置されていることを特徴
とする超音波トランスジューサ。 - 【請求項３】請求項１及び請求項２において繊維複合材
料は繊維に規則性を持たせて配向させていることを特徴
とする超音波トランスジューサ。 - 【請求項４】請求項３において繊維複合材料のマトリッ
クスを有機材料とすることを特徴とする超音波トランス
ジューサ。 - 【請求項５】請求項３および請求項４において繊維複合
材料の繊維を炭素または黒鉛とすることを特徴とする超
音波トランスジューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159129A JP2001309495A (ja) | 2000-04-21 | 2000-04-21 | 超音波トランスジューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000159129A JP2001309495A (ja) | 2000-04-21 | 2000-04-21 | 超音波トランスジューサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001309495A true JP2001309495A (ja) | 2001-11-02 |
Family
ID=18663497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000159129A Pending JP2001309495A (ja) | 2000-04-21 | 2000-04-21 | 超音波トランスジューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001309495A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004075753A1 (ja) | 2003-02-27 | 2004-09-10 | Hitachi Medical Corporation | 超音波探触子 |
| JP2015093012A (ja) * | 2013-11-11 | 2015-05-18 | 三菱鉛筆株式会社 | 複合板とその製造方法 |
-
2000
- 2000-04-21 JP JP2000159129A patent/JP2001309495A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004075753A1 (ja) | 2003-02-27 | 2004-09-10 | Hitachi Medical Corporation | 超音波探触子 |
| US7358650B2 (en) | 2003-02-27 | 2008-04-15 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasound probe |
| JP2015093012A (ja) * | 2013-11-11 | 2015-05-18 | 三菱鉛筆株式会社 | 複合板とその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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|
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|
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