JP2003102095A

JP2003102095A - 超音波振動子

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Publication number: JP2003102095A
Application number: JP2001286748A
Authority: JP
Inventors: Norio Matsuhiro; 紀夫松廣; Kenji Komine; 謙治小峯
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP4573483B2

Abstract

(57)【要約】【課題】いずれの共振周波数に対しても音響インピーダ
ンスの整合をとることができ、広帯域化を実現すること
が可能な超音波振動子を提供する。【解決手段】λ／４の厚みの整合層２と、λ／８の厚み
の整合層３とを設ける。ｆ（波長λ₁）と２ｆ（波長
λ₂）の２周波を使用する場合、ｆを用いるときは、整
合層２の厚みはλ₁／４、整合層３の厚みはλ₁／８とな
り、整合層２がλ／４の奇数倍というインピーダンス整
合条件を満たす。一方、２ｆを用いるときは、整合層２
の厚みはλ₂／２、整合層３の厚みはλ₂／４となり、整
合層３がインピーダンス整合条件を満たす。このため、
いずれの周波数においても音響インピーダンスの整合を
とることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、魚群探知機などに
用いられる超音波振動子の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】魚群探知機には、水中へ超音波パルスを
発射するとともに、この超音波が水中の魚群や水底で反
射して帰来するエコーを受信する超音波振動子を備えた
送受波器が設けられている。このような超音波振動子で
超音波の送受を行う場合、振動子と水のそれぞれの音響
インピーダンスが大きく異なると、両者間のインピーダ
ンス整合がとれず、超音波が境界面で反射する割合が増
加して、感度特性における周波数帯域が狭くなる。そこ
で、両者の中間の音響インピーダンス値をもった整合層
を超音波振動子に設けることにより、インピーダンス整
合をとることが従来から行われている。

【０００３】この場合、振動子の共振周波数に対する波
長をλとして、整合層の厚みをλ／４の奇数倍（λ／
４，３λ／４，５λ／４，…）の厚みとし、かつ、音響
インピーダンスＺを次式のように選定することにより、
良好なインピーダンス整合がとれることが知られてい
る。

【数１】ここで、Ｚｐは振動子の音響インピーダンスであって、Ｚｐ＝ρ_p・Ｃ_p（ρ_p：振動子の密度、Ｃ_p：振動子
中の音速）で表される。また、Ｚｗは水の音響インピーダンスであ
って、Ｚｗ＝ρ_w・Ｃ_w（ρ_w：水の密度、Ｃ_w：水中の音
速）で表される。こうして整合層によりインピーダンス整合
をとることで、境界面における反射が減少して周波数帯
域の広い感度特性が得られる。

【０００４】図１５は、上記のような音響インピーダン
ス整合層を設けた従来の超音波振動子Ｃの一例を示して
いる。図において、１０はランジュバン型振動子の本体
であって、ヘッドマス１０ａおよびテールマス１０ｂ
と、これらの間に介装された圧電素子１０ｃとからな
る。２０はヘッドマス１０ａの先端面に設けられた音響
インピーダンス整合層である。ここで、振動子の共振周
波数に対する波長をλとしたとき、振動子本体１０の全
長はλ／２に選定され、音響インピーダンス整合層２０
の厚みはλ／４に選定されている。なお、ｚは超音波の
放射方向を表している。

【０００５】このようなλ／４の厚みの音響インピーダ
ンス整合層を設けた超音波振動子は、たとえば特開平５
−１８３９９６号公報に記載されている。なお、本公報
にも記載されているように、整合層２０は１層に限らず
多層に設けることもできる。そして、このような整合層
２０の数が増加するほど、感度は低下するが、インピー
ダンスの整合度が向上するため、周波数帯域は広帯域化
する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した超
音波振動子にあっては、探知目的に応じて共振周波数と
して低周波と高周波の２周波を使用することがある。こ
の場合、２周波が基本共振周波数とその奇数倍の周波数
であれば、上述したλ／４の奇数倍の厚みを有する整合
層２０を設けることで対応できる。たとえば、基本共振
周波数ｆ（波長をλ₁とする）と、その３倍の共振周波
数３ｆ（波長をλ₃とする）の２周波を用いる場合を例
にとると、整合層２０の厚みをλ₁／４に設計しておけ
ば、基本共振周波数ｆを用いる場合は、整合層２０の厚
みはλ₁／４となり、３倍の共振周波数３ｆを用いる場
合は、λ₁＝３λ₃の関係から整合層２０の厚みは３λ₃
／４となり、いずれの周波数においても、整合層２０の
厚みはλ／４の奇数倍という条件を満たす。

【０００７】ところが、２周波が基本共振周波数とその
偶数倍の周波数である場合は、事情が異なる。たとえ
ば、基本共振周波数ｆ（波長をλ₁とする）と、その２
倍の共振周波数２ｆ（波長をλ₂とする）の２周波を用
いる場合を例にとると、基本共振周波数ｆを使用すると
きは、整合層２０の厚みはλ₁／４となり問題はない
が、２倍の共振周波数２ｆを使用するときは、λ₁＝２
λ₂の関係から整合層２０の厚みはλ₂／２となり、λ／
４の奇数倍という条件を満たさなくなる。このように厚
みがλ／２となる場合は、理論上、整合層２０は無いに
等しく、インピーダンス整合をとることができない。

【０００８】これに対して、特許第２９３７１５３号公
報には、λ／８の厚みの整合層を設けた超音波振動子が
記載されている。これによると、基本共振周波数ｆを使
用するときは、整合層２０の厚みはλ₁／８となり、２
倍の共振周波数２ｆを使用するときは、整合層２０の厚
みはλ₂／４となるので、周波数２ｆにおいては整合が
とれるが、周波数ｆにおいては整合が犠牲となり、基本
共振周波数を用いた場合の広帯域化が困難となる。

【０００９】このように、従来では、超音波振動子を基
本共振周波数とその偶数倍の共振周波数で使用する場合
に、すべての周波数に対してインピーダンス整合を確保
することは困難であり、したがって、全周波数について
の広帯域化を実現することはできなかった。

【００１０】本発明は、上記問題点を解決するものであ
って、その目的とするところは、いずれの共振周波数に
対しても音響インピーダンスの整合をとることができ、
広帯域化を実現することが可能な超音波振動子を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、基本共振周波数の波長λに対して、λ
／４の奇数倍の厚みを有する第１の整合層と、λ／８の
奇数倍の厚みを有する第２の整合層とを備えた音響イン
ピーダンス整合層を設ける。このようにすれば、たとえ
ば、基本共振周波数ｆ（波長をλ₁とする）と、その２
倍の共振周波数２ｆ（波長をλ₂とする）の２周波を用
いる場合、基本共振周波数ｆを使用するときは、第１の
整合層の厚みはλ₁／４、第２の整合層の厚みはλ₁／８
となり、λ₁／４以外にλ₁／８が存在するが、第１の整
合層がλ／４の奇数倍という条件を満たすので、これに
よっておおよそのインピーダンス整合を確保できる。一
方、２倍の共振周波数２ｆを使用するときは、第１の整
合層の厚みは２λ₂／４＝λ₂／２、第２の整合層の厚み
はλ₂／４となり、第１の整合層のλ／２は前述したよ
うに理論上無いに等しいので無視することができ、第２
の整合層はλ／４の奇数倍という条件を満たすので、こ
の場合は良好なインピーダンス整合を確保できる。

【００１２】また、本発明は２周波だけでなく、基本共
振周波数と、その２^ｎ倍の共振周波数２^ｎ・ｆ（ｎ＝
１，２，３，…，ｍ）を含む３周波以上の多周波の場合
にも適用することができる。この場合、音響インピーダ
ンス整合層は、周波数ｆ，２ｆ，４ｆ，…に対する波長
をそれぞれλ₁，λ₂，λ₄，…としたとき、λ₁／４，λ
₂／４，λ₄／４，…の奇数倍の厚みに設定されたｍ＋１
層の整合層を含む。

【００１３】また、本発明は、上記共振周波数に加え
て、ｆの奇数倍の共振周波数（２Ｎ＋１）・ｆ（Ｎは自
然数）を併用する場合にも適用することができる。この
場合は、周波数の数が増えても、ｆの奇数倍の共振周波
数に対応した整合層は設ける必要がないので、音響イン
ピーダンス整合層は、上記と同様にｍ＋１層の整合層を
含むことになる。

【００１４】本発明の振動子として典型的なものはラン
ジュバン型振動子であるが、本発明は円板型振動子にも
適用することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る超音波振動
子Ａの構造を示している。図において、１はランジュバ
ン型振動子の本体であって、ヘッドマス１ａおよびテー
ルマス１ｂと、これらの間に介装された圧電素子１ｃと
からなる。ヘッドマス１ａとテールマス１ｂは、いずれ
もアルミニウム等の金属で形成されており、圧電素子１
ｃはＰＺＴのような圧電セラミックスで形成されてい
る。２はヘッドマス１ａの先端面に設けられた音響イン
ピーダンス整合層、３は整合層２のさらに前方に設けら
れた音響インピーダンス整合層であって、整合層２は本
発明の第１の整合層に相当し、整合層３は本発明の第２
の整合層に相当するものである。なお、整合層２，３の
順序は、音響インピーダンスの整合がとれるなら、逆で
もよい。これらの整合層２，３はエポキシ樹脂にタング
ステンやアルミナ等を混合したエポキシ・コンパウンド
で形成されている。ここで、振動子の基本共振周波数に
対する波長をλとしたとき、振動子本体１の全長はλ／
２に選定され、音響インピーダンス整合層２の厚みはλ
／４に選定され、音響インピーダンス整合層３の厚みは
λ／８に選定されている。なお、ｘは超音波の放射方向
を表している。

【００１６】上記のような超音波振動子Ａにおいて、基
本共振周波数ｆ（低周波）と、その２倍の共振周波数２
ｆ（高周波）の２周波を用いる場合の音響インピーダン
スの整合について考える。基本共振周波数ｆの波長をλ
₁とし、２倍の共振周波数２ｆの波長をλ₂とすると、λ
₁とλ₂の間には、同一媒質に対しては、λ₁＝２λ₂の関
係がある。

【００１７】まず、基本共振周波数ｆを使用する場合
は、λ₁に対して音響インピーダンス整合層２の厚みは
λ₁／４であり、音響インピーダンス整合層３の厚みは
λ₁／８となる。すなわち、整合層２はλ／４の奇数倍
という条件を満たす。一方、整合層３はこの条件を満た
さないが、整合層２が前記条件を満たしていることか
ら、先に述べた特許第２９３７１５３号公報のようにλ
／８の整合層だけを設けた場合に比べて、インピーダン
スの整合性は大幅に向上する。

【００１８】次に、２倍の共振周波数２ｆを使用する場
合は、λ₂に対する音響インピーダンス整合層２の厚み
は、λ₁／４のλ₁を２λ₂で置き換えて２λ₂／４＝λ₂
／２となり、またλ₂に対する音響インピーダンス整合
層３の厚みは、λ₁／８のλ₁を同様に２λ₂で置き換え
て２λ₂／８＝λ₂／４となる。すなわち、整合層３につ
いては、λ／４の奇数倍という条件が満たされている。
また、整合層２については、前述のとおりλ／２という
値は整合層が無いに等しいことを意味するので、結局整
合層３によって整合の条件が満たされ、良好なインピー
ダンス整合を確保することができる。

【００１９】このようにして、本実施形態においては、
λ／４の厚みの整合層２と、λ／８の厚みの整合層３と
を設けたことにより、基本共振周波数ｆを用いる場合
も、２倍の共振周波数２ｆを用いる場合も、ともにλ／
４の条件を満たす整合層が存在することになる。この結
果、いずれの周波数においても相応のインピーダンス整
合を確保することが可能となり、これによって、各周波
数に対して広帯域の特性を実現することができる。

【００２０】図２は、整合層を種々のパターン〜で
構成した場合の送波電圧感度の比帯域幅をシミュレーシ
ョンした結果である。ここでは、使用周波数を約５０Ｋ
Ｈｚとしている。送波電圧感度は、超音波振動子に１Ｖ
ｒｍｓの電気信号を印加したときに、振動子から１ｍ離
れた場所において感知される音圧の値（単位はＰａ）で
あり、図３に示されるように、超音波振動子の周波数に
依存して変化する。また、比帯域幅は、帯域幅と中心周
波数との比であって、図３において送波電圧感度が最大
となる中心周波数をｆｃ、送波電圧感度が最大値から６
ｄＢ低下したときの帯域幅をΔｆ＝ｆａ−ｆｂとしたと
き、Δｆ／ｆｃ×１００（％）で表される値である。

【００２１】図２において、パターンは整合層を全く
設けない場合であって、この場合はインピーダンス整合
がとれていないので、比帯域幅は１６．９９％と非常に
小さく、帯域特性が悪くなっている。図４は、パターン
の場合の送波電圧感度の周波数特性を示しており、帯
域幅が狭いことがわかる。

【００２２】パターンは、λ／２の厚みの整合層のみ
を設けた場合であって、前述のようにλ／２では整合層
が無いに等しいので、この場合もインピーダンス整合が
とれず、比帯域幅は１５．０４％であり帯域特性が悪く
なっている。図５は、パターンの場合の送波電圧感度
の周波数特性を示しており、図４と同様に帯域幅は狭
い。

【００２３】パターンは、λ／２の厚みの整合層とλ
／４の厚みの整合層を設けた場合であって、本発明の上
記実施形態において、使用周波数として２ｆを用いる場
合に対応している。この場合は、既述のようにλ／２は
無視でき、λ／４の整合層によってほぼインピーダンス
整合が確保されるため、比帯域幅は３０．６７％となっ
て、パターン，に比べて帯域は大幅に（約２倍）広
くなる。図６は、パターンの場合の送波電圧感度の周
波数特性を示しており、図４や図５と比較すると帯域幅
が著しく拡大しているのがわかる。

【００２４】パターンは、λ／４の厚みの整合層のみ
を設けた場合であって、図１５に示した従来例に対応す
るものである。この場合は、λ／４の奇数倍というイン
ピーダンス整合条件にそのまま該当するから、当然広帯
域化が可能であり、比帯域幅も５０．７６％と最も高く
なっている。図７は、パターンの場合の送波電圧感度
の周波数特性を示しており、図６よりもさらに帯域幅が
拡大している。ただし、このパターンは１周波だけを
用いる場合には効果が大きいが、２周波を用いる場合
は、他方の周波数においてインピーダンス整合がとれな
くなることは既に述べたとおりである。

【００２５】パターンは、λ／４の厚みの整合層とλ
／８の厚みの整合層を設けた場合であって、本発明の上
記実施形態において、使用周波数として基本振動周波数
ｆを用いる場合に対応している。この場合は、既述のよ
うに、λ／８に関してはインピーダンスの整合条件を満
たさないが、λ／４が整合条件を満たすため、全体とし
てほぼ良好なインピーダンス整合が得られ、比帯域幅は
２９．９７％となって、パターンの場合に近い特性と
なる。図８は、パターンの場合の送波電圧感度の周波
数特性を示している。

【００２６】パターンは、λ／８の厚みの整合層のみ
を設けた場合であって、先に挙げた特許第２９３７１５
３号公報に記載の従来例に対応するものである。この場
合は、既述のように基本共振周波数ｆでは整合がとれな
いので、整合状態にあるパターンの場合に比べると帯
域特性が格段に悪くなり、比帯域幅は２０．９７％まで
低下する。これは、パターン，の場合に比べてもか
なり低い。図９は、パターンの場合の送波電圧感度の
周波数特性を示しており、帯域が狭くなっているのがわ
かる。

【００２７】パターンとパターンから明らかなよう
に、λ／４の整合層とλ／８の整合層とを２層に設ける
ことで、共振周波数としてｆ，２ｆの２周波を用いる場
合に、いずれの周波数においても３０％程度の比帯域幅
を得ることができ、従来では不可能であった２周波での
広帯域化が可能となる。

【００２８】図１０は、本発明の他の実施形態に係る超
音波振動子の構造を示している。ここでは、図１の構成
に加えて、第３の音響インピーダンス整合層４が設けら
れており、この整合層４の厚みはλ／１６に選定されて
いる。本実施形態は、使用周波数として基本共振周波数
ｆと、２倍の共振周波数２ｆと、４倍の共振周波数４ｆ
の３周波を用いる例である。

【００２９】図１０の超音波振動子Ａにおいて、基本共
振周波数ｆ（波長λ₁）を使用する場合は、λ₁に対して
音響インピーダンス整合層２の厚みはλ₁／４であり、
音響インピーダンス整合層３の厚みはλ₁／８であり、
音響インピーダンス整合層４の厚みはλ₁／１６とな
る。すなわち、整合層２はλ／４の奇数倍という条件を
満たし、整合層３，４はこの条件を満たさないが、図１
の場合と同様に、整合層２が前記条件を満たしているこ
とから、ある程度のインピーダンス整合が確保される。

【００３０】次に、２倍の共振周波数２ｆ（波長λ₂）
を使用する場合は、λ₂に対する音響インピーダンス整
合層２の厚みは、λ₁／４のλ₁を２λ₂で置き換えて２
λ₂／４＝λ₂／２となり、λ₂に対する音響インピーダ
ンス整合層３の厚みは、λ₁／８のλ₁を同様に２λ₂で
置き換えて２λ₂／８＝λ₂／４となり、λ₂に対する音
響インピーダンス整合層４の厚みは、λ₁／１６のλ₁を
同様に２λ₂で置き換えて２λ₂／１６＝λ₂／８とな
る。すなわち、整合層３については、λ／４の奇数倍と
いう条件が満たされている。また、整合層２について
は、前述のとおりλ／２という値は整合層が無いに等し
いので、無視することができる。また、整合層４につい
ては条件を満たさないが、整合層３によって整合の条件
が満たされるため、全体としてある程度のインピーダン
ス整合を確保することができる。

【００３１】次に、４倍の共振周波数４ｆ（波長λ₄）
を使用する場合は、λ₄に対する音響インピーダンス整
合層２の厚みは、λ₁／４のλ₁を４λ₄で置き換えて４
λ₄／４＝λ₄となり、λ₄に対する音響インピーダンス
整合層３の厚みは、λ₁／８のλ₁を同様に４λ₄で置き
換えて４λ₄／８＝λ₄／２となり、λ₄に対する音響イ
ンピーダンス整合層４の厚みは、λ₁／１６のλ₁を同様
に４λ₄で置き換えて４λ₄／１６＝λ₄／４となる。す
なわち、整合層４については、λ／４の奇数倍という条
件が満たされている。また、整合層２と整合層３につい
ては、それぞれの厚みλ₄とλ₄／２は無いに等しいこと
から、全体としては整合層４によって良好なインピーダ
ンス整合を確保することができる。

【００３２】図１１は、本発明の他の実施形態に係る超
音波振動子の構造を示している。ここでは、図１０の構
成に加えて、さらに第４の音響インピーダンス整合層５
が設けられており、この整合層５の厚みはλ／３２に選
定されている。本実施形態は、使用周波数として基本共
振周波数ｆと、２倍の共振周波数２ｆと、４倍の共振周
波数４ｆと、８倍の共振周波数８ｆの４周波を用いる例
である。この場合も、図１０と同様の原理に従い、イン
ピーダンス整合の改善を図ることができる。

【００３３】以上のようにして、基本共振周波数ｆと、
その２^ｎ倍の共振周波数２^ｎ・ｆ（ｎ＝１，２，３，
…，ｍ）を用いる場合は、ｍ＋１層の音響インピーダン
ス整合層を設け、各整合層の厚みをそれぞれ、λ₁／
４，λ₂／４，λ₄／４，…に選定することで、どの周波
数に対してもλ／４の条件を満たす整合層が必ず存在す
ることになるから、これによって相応のインピーダンス
整合を確保することができる。なお、整合層の厚みは、
λ₁／４，λ₂／４，λ₄／４，…に限らず、これらの奇
数倍であればよい。

【００３４】図１２は、インピーダンス整合をとるため
の使用周波数と整合層の厚みとの関係を示したものであ
る。１層，２層，…とあるのは、振動子本体１に近い側
から並べた整合層の順番であり、１層は整合層２、２層
は整合層３、３層は整合層４、４層は整合層５に相当す
る。

【００３５】使用周波数がｆ（基本共振周波数）のみで
ある場合は、整合層は１層（整合層２）だけでよく、厚
みはλ／４となる。

【００３６】使用周波数がｆと２ｆの２周波の場合は、
整合層は１層（整合層２）と２層（整合層３）を設け、
ｆに対して１層をλ／４、２層をλ／８の厚みにする。
このとき、２ｆに対しては１層はλ／２、２層はλ／４
の厚みとなる。

【００３７】使用周波数がｆと２ｆと４ｆの３周波の場
合は、整合層は１層（整合層２）と２層（整合層３）と
３層（整合層４）を設け（図１０参照）、ｆに対して１
層をλ／４、２層をλ／８、３層をλ／１６の厚みにす
る。このとき、２ｆに対しては１層はλ／２、２層はλ
／４、３層はλ／８の厚みとなる。また、４ｆに対して
は１層はλ、２層はλ／２、３層はλ／４の厚みとな
る。

【００３８】使用周波数がｆと２ｆと４ｆと８ｆの４周
波の場合は、整合層は１層（整合層２）と２層（整合層
３）と３層（整合層４）と４層（整合層５）を設け（図
１１参照）、ｆに対して１層をλ／４、２層をλ／８、
３層をλ／１６、４層をλ／３２の厚みにする。このと
き、２ｆに対しては１層はλ／２、２層はλ／４、３層
はλ／８、４層はλ／１６の厚みとなる。また、４ｆに
対しては１層はλ、２層はλ／２、３層はλ／４、４層
はλ／８の厚みとなる。また、８ｆに対しては１層は２
λ、２層はλ、３層はλ／２、４層はλ／４の厚みとな
る。

【００３９】以上の例では、使用周波数が、基本共振周
波数ｆと、その２^ｎ倍の共振周波数２ｆ，４ｆ，８ｆ，
…であったが、これらに加えてｆの奇数倍の共振周波数
を併用することもできる。簡単のために、ｆ，２ｆ，３
ｆの３周波を用いる場合を例に挙げる。図１３は、この
場合の周波数と整合層の厚みとの関係を示したものであ
る。ｆと２ｆについては、図１２の場合と同じ結果とな
る。また、３ｆについては、図１２と同様の原理で計算
して、１層が３λ／４、２層が３λ／８となる。ここ
で、３λ／４はλ／４の奇数倍であり、３λ／８はλ／
８の奇数倍であるから、３ｆに関してはｆと同じ条件と
なり、１層を基本共振周波数ｆの波長λに対してλ／４
の厚みに設計しておけば、３ｆを使う場合でも、整合層
は１層と２層の２つを設けるだけでよい。５ｆや７ｆを
用いる場合も同様である。

【００４０】すなわち、振動子の共振周波数が、基本共
振周波数ｆと、その２^ｎ倍の共振周波数２^ｎ・ｆ（ｎ＝
１，２，３，…，ｍ）と、ｆの奇数倍の共振周波数（２
Ｎ＋１）・ｆ（Ｎは自然数）とを含む場合は、ｆの奇数
倍の共振周波数に対応した整合層は不要であるため、音
響インピーダンス整合層は、基本共振周波数ｆおよびそ
の２^ｎ倍の共振周波数を用いる場合と同じｍ＋１層の整
合層を含んだものとなる。

【００４１】また、たとえばｆ，２ｆ，４ｆに加えて６
ｆの共振周波数を用いる場合は、６ｆは２ｆの奇数倍で
あるから、２ｆに対応する整合層によって６ｆに対する
音響インピーダンス整合が得られ、６ｆ用の整合層を設
ける必要はない。これに対して、２ｆを用いずに、ｆと
４ｆに加えて６ｆを用いる場合は、６ｆはｆおよび４ｆ
の奇数倍ではないので、６ｆ用の整合層（厚みλ₆／
４）を設ける必要がある。すなわち、基本共振周波数ｆ
と、その２^ｎ倍の共振周波数に加えて、ｆの２^ｎ倍で表
わせない偶数倍の共振周波数を用いる場合は、その共振
周波数が２^ｎ倍の共振周波数のいずれかに対して奇数倍
の関係にあれば、整合層を追加する必要はなく、２^ｎ倍
の共振周波数のいずれに対しても奇数倍の関係になけれ
ば、整合層を追加する必要がある。したがって、ｆの２
^ｎ倍で表わせない偶数倍の共振周波数の数がｐであれ
ば、ｍ＋１層の整合層に加えて、ｐ層を上限とする整合
層が設けられることになる。

【００４２】図１４は、本発明の他の実施形態に係る超
音波振動子Ｂを示している。超音波振動子Ｂは、円板型
の振動子本体６と、整合層７，８とを備えている。整合
層７，８は、図１の整合層２，３に対応しており、それ
ぞれλ／４，λ／８の厚みの整合層からなる。ｙは超音
波の放射方向を表している。このような円板型の超音波
振動子Ｂは、図のα，βの寸法で２つの共振周波数が決
まるため、専ら２周波用の振動子として用いられるが、
ランジュバン型の超音波振動子Ａと同様に、λ／４とλ
／８の整合層によりインピーダンス整合がとれ、広帯域
化を実現することができる。

【００４３】以上の実施形態においては、魚群探知機に
用いられる超音波振動子を例に挙げたが、本発明は、こ
の他にも超音波診断装置などに用いられる超音波振動子
にも適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、λ／４の整合層とλ／
８の整合層とを設けたことにより、基本共振周波数とそ
の偶数倍の共振周波数を使用する場合であっても、それ
ぞれの周波数について音響インピーダンスの整合をとる
ことができ、これによって広帯域化を実現することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波振動子の構造を示す図であ
る。

【図２】送波電圧感度の比帯域幅のシミュレーション結
果である。

【図３】送波電圧感度と比帯域幅を説明する図である。

【図４】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図５】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図６】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図７】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図８】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図９】パターンの送波電圧感度の周波数特性であ
る。

【図１０】他の実施形態に係る超音波振動子の構造を示
す図である。

【図１１】他の実施形態に係る超音波振動子の構造を示
す図である。

【図１２】使用周波数と整合層の厚みとの関係を示した
図である。

【図１３】使用周波数と整合層の厚みとの関係の他の例
を示した図である。

【図１４】他の実施形態に係る超音波振動子の構造を示
す図である。

【図１５】従来の超音波振動子の一例を示す図である。

【符号の説明】

１振動子本体１ａヘッドマス１ｂテールマス１ｃ圧電素子２〜５音響インピーダンス整合層６振動子本体７，８音響インピーダンス整合層Ａ，Ｂ超音波振動子

フロントページの続きＦターム(参考） 5D019 AA09 BB16 GG02 5J083 AA02 AB01 AC23 AE04 AE06 CA01 CA20 CB02 CB07 CB12 CB30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子本体に音響インピーダンス整合層を
設けた超音波振動子において、前記音響インピーダンス整合層は、振動子の基本共振周
波数ｆに対する波長をλとしたとき、λ／４の奇数倍の
厚みを有する第１の整合層と、λ／８の奇数倍の厚みを
有する第２の整合層とを備えていることを特徴とする超
音波振動子。
【請求項２】請求項１に記載の超音波振動子において、振動子の共振周波数が、基本共振周波数ｆとその２倍の
共振周波数２ｆの２周波であって、周波数ｆ，２ｆに対する波長をそれぞれλ₁，λ₂（λ₁
＝２λ₂）としたとき、周波数ｆに対して、第１の整合層がλ₁／４の奇数倍の
厚みに設定され、周波数２ｆに対して、第２の整合層がλ₂／４の奇数倍
の厚みに設定されていることを特徴とする超音波振動
子。
【請求項３】振動子本体に音響インピーダンス整合層を
設けた超音波振動子において、振動子の共振周波数が、基本共振周波数ｆとその２^ｎ倍
の共振周波数２^ｎ・ｆ（ｎ＝１，２，３，…，ｍ）を含
み、前記音響インピーダンス整合層は、周波数ｆ，２ｆ，４
ｆ，…に対する波長をそれぞれλ₁，λ₂，λ₄，…とし
たとき、λ₁／４，λ₂／４，λ₄／４，…の奇数倍の厚
みに設定されたｍ＋１層の整合層を含むことを特徴とす
る超音波振動子。
【請求項４】請求項３に記載の超音波振動子において、振動子の共振周波数が、基本共振周波数ｆと、共振周波
数２^ｎ・ｆ（ｎ＝１，２，３，…，ｍ）と、ｆの奇数倍
の共振周波数（２Ｎ＋１）・ｆ（Ｎは自然数）とを含
み、音響インピーダンス整合層が、ｆの奇数倍の共振周波数
に対応した整合層を有しないｍ＋１層の整合層を含むこ
とを特徴とする超音波振動子。
【請求項５】振動子本体がランジュバン型振動子である
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波振動
子。
【請求項６】振動子本体が円板型振動子である請求項１
ないし請求項４のいずれかに記載の超音波振動子。