JP2003259490A - 超音波トランスデューサ - Google Patents
超音波トランスデューサInfo
- Publication number
- JP2003259490A JP2003259490A JP2002052302A JP2002052302A JP2003259490A JP 2003259490 A JP2003259490 A JP 2003259490A JP 2002052302 A JP2002052302 A JP 2002052302A JP 2002052302 A JP2002052302 A JP 2002052302A JP 2003259490 A JP2003259490 A JP 2003259490A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- plate
- piezoelectric
- ceramic plate
- ultrasonic pulse
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 発生する超音波パルスを短パルス化、高出力
化でき、超音波エコー法を利用した各種超音波機器の距
離分解能を高めることが可能な超音波トランスデューサ
を低価格で提供する。 【解決手段】 厚さ方向に一様な圧電性を有した圧電板
と該圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板とを
主要構成要素とする超音波トランスデューサであって、
該圧電板の一方の面には外部電極膜が形成されており、
他方の面には内部電極膜を介して圧電板と同様な音響イ
ンピーダンスを有する板が接合されており、かつ該圧電
板の厚みが、音響媒体中に放射される超音波パルスを時
間波形で示した時に、該圧電板の一方の面から発生する
超音波パルスと他方の面から発生する超音波パルスの時
間差（τ）がこれらパルスの１波長分の時間（φ）に対
して（１／４）φ≦τ≦（３／４）φとなるように調製
されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
化でき、超音波エコー法を利用した各種超音波機器の距
離分解能を高めることが可能な超音波トランスデューサ
を低価格で提供する。 【解決手段】 厚さ方向に一様な圧電性を有した圧電板
と該圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板とを
主要構成要素とする超音波トランスデューサであって、
該圧電板の一方の面には外部電極膜が形成されており、
他方の面には内部電極膜を介して圧電板と同様な音響イ
ンピーダンスを有する板が接合されており、かつ該圧電
板の厚みが、音響媒体中に放射される超音波パルスを時
間波形で示した時に、該圧電板の一方の面から発生する
超音波パルスと他方の面から発生する超音波パルスの時
間差（τ）がこれらパルスの１波長分の時間（φ）に対
して（１／４）φ≦τ≦（３／４）φとなるように調製
されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電材料を用いた超
音波トランスデューサに関する。特に圧電セラミックス
を用いた超音波トランスデューサに関し、超音波エコー
法で使用される高分解能で高感度な超音波トランスデュ
ーサに関する。更に、特に距離分解能を向上させる超音
波トランスデューサに関する。
音波トランスデューサに関する。特に圧電セラミックス
を用いた超音波トランスデューサに関し、超音波エコー
法で使用される高分解能で高感度な超音波トランスデュ
ーサに関する。更に、特に距離分解能を向上させる超音
波トランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】魚群探知機やソナーなどの水中超音波機
器、超音波探傷機や超音波厚さ計などの超音波非破壊検
査機器および超音波診断装置などの医用超音波機器など
では、超音波トランスデューサに電気信号を入力して超
音波パルスを発生させ、この超音波パルスを音響媒体中
に伝播させて媒体中に存在する音響インピーダンスの異
なった部分からの反射波を検出する超音波エコー法が広
く用いられている。ここで音響インピーダンスとは、媒
体中における音波の伝播のしやすさを表しており、媒体
により固有の値を持つ。音響インピーダンスが異なる媒
体間では、その境界で音波の反射と透過が起こる。例え
ば、２つの媒体間の音響インピーダンスが同程度であれ
ば音波は良く透過し、反射波は非常に少ない。逆にこの
差が大きいと透過波は少なく反射波が非常に多くなる。
これを利用したのが前述の超音波エコー法である。そし
てここに使用される超音波トランスデューサに対して
は、発生する超音波パルスの時間波形が短いほど上記の
各種超音波機器の距離分解能は向上するため、この超音
波パルスの時間波形を可能な限り短くすることが要求さ
れてきている。
器、超音波探傷機や超音波厚さ計などの超音波非破壊検
査機器および超音波診断装置などの医用超音波機器など
では、超音波トランスデューサに電気信号を入力して超
音波パルスを発生させ、この超音波パルスを音響媒体中
に伝播させて媒体中に存在する音響インピーダンスの異
なった部分からの反射波を検出する超音波エコー法が広
く用いられている。ここで音響インピーダンスとは、媒
体中における音波の伝播のしやすさを表しており、媒体
により固有の値を持つ。音響インピーダンスが異なる媒
体間では、その境界で音波の反射と透過が起こる。例え
ば、２つの媒体間の音響インピーダンスが同程度であれ
ば音波は良く透過し、反射波は非常に少ない。逆にこの
差が大きいと透過波は少なく反射波が非常に多くなる。
これを利用したのが前述の超音波エコー法である。そし
てここに使用される超音波トランスデューサに対して
は、発生する超音波パルスの時間波形が短いほど上記の
各種超音波機器の距離分解能は向上するため、この超音
波パルスの時間波形を可能な限り短くすることが要求さ
れてきている。
【０００３】従来、この分野の超音波トランスデューサ
としては、圧電セラミック板の片面に吸音用のバッキン
グ材（有機接着剤中に金属粉末を分散させたものなど）
を貼り合せたものなどが一般的に使用されてきた。この
様な構造のトランスデューサでは圧電セラミック板の厚
さ方向に電圧パルスを印加すると圧電セラミック板の表
面と裏面の二ケ所で超音波パルスが発生し、夫々双方向
に伝播する。従って時系列的には、まず表面で発生した
超音波パルスが媒体中に放射される。次いで裏面で発生
した超音波パルスが媒体中へ放射される。その後、表面
で発生し裏面方向に伝播した超音波パルスも、圧電セラ
ミック板とバッキング材との境界面でその一部が反射さ
れ、表面から媒体中へ放射されることになる。その結果
圧電セラミック板の表面から媒体に放射される超音波パ
ルスの時間波形は長いパルス列を形成することになる。
圧電セラミック板とバッキング材との境界で起こる反射
を抑制する目的で、バッキング材に圧電セラミック板と
同程度の音響インピーダンスを有するセラミック板を用
いた構造のトランスデューサが、提案されている。図５
はこの超音波トランスデューサの構造を示す図で、両面
に金属電極膜（電極）６を形成した厚さ方向に分極され
た圧電セラミック板１の片面に分極されていない同組成
または類似の組成のセラミック板２が電極膜を介して接
着剤（接着剤層８）を用いて貼り付けられ、さらにその
後ろにはアラルダイトとタングステン粉末の混合物から
なる吸音用のバッキング材７が形成されている。図６は
上記トランスデューサを電圧パルスで駆動した場合に圧
電セラミック板１の表面から音響媒体である水中に放射
された超音波パルスの時間波形を示す。放射された超音
波パルスは長いパルス列を形成しており、圧電セラミッ
ク板１とセラミック板２との境界での超音波パルスの反
射抑制が不完全であることが分かる。
としては、圧電セラミック板の片面に吸音用のバッキン
グ材（有機接着剤中に金属粉末を分散させたものなど）
を貼り合せたものなどが一般的に使用されてきた。この
様な構造のトランスデューサでは圧電セラミック板の厚
さ方向に電圧パルスを印加すると圧電セラミック板の表
面と裏面の二ケ所で超音波パルスが発生し、夫々双方向
に伝播する。従って時系列的には、まず表面で発生した
超音波パルスが媒体中に放射される。次いで裏面で発生
した超音波パルスが媒体中へ放射される。その後、表面
で発生し裏面方向に伝播した超音波パルスも、圧電セラ
ミック板とバッキング材との境界面でその一部が反射さ
れ、表面から媒体中へ放射されることになる。その結果
圧電セラミック板の表面から媒体に放射される超音波パ
ルスの時間波形は長いパルス列を形成することになる。
圧電セラミック板とバッキング材との境界で起こる反射
を抑制する目的で、バッキング材に圧電セラミック板と
同程度の音響インピーダンスを有するセラミック板を用
いた構造のトランスデューサが、提案されている。図５
はこの超音波トランスデューサの構造を示す図で、両面
に金属電極膜（電極）６を形成した厚さ方向に分極され
た圧電セラミック板１の片面に分極されていない同組成
または類似の組成のセラミック板２が電極膜を介して接
着剤（接着剤層８）を用いて貼り付けられ、さらにその
後ろにはアラルダイトとタングステン粉末の混合物から
なる吸音用のバッキング材７が形成されている。図６は
上記トランスデューサを電圧パルスで駆動した場合に圧
電セラミック板１の表面から音響媒体である水中に放射
された超音波パルスの時間波形を示す。放射された超音
波パルスは長いパルス列を形成しており、圧電セラミッ
ク板１とセラミック板２との境界での超音波パルスの反
射抑制が不完全であることが分かる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の構造のトランス
デューサから音響媒体に放射された超音波パルスの時間
波形が、長いパルス列を形成する原因は二つ存在する。
その一つは、トランスデューサを構成する圧電セラミッ
ク板１と分極されていない同組成または類似の組成のセ
ラミック板２とがこれらのセラミックスとは音響インピ
ーダンスの大幅に異なる有機系の接着剤を用いて接合さ
れているためである。即ち、圧電セラミック板で発生し
た超音波が接着剤層で反射されるためである。接着剤層
の厚さを極めて薄くして反射を軽減することも可能では
あるが、この場合には実用的な接着強度を維持すること
が困難となる。
デューサから音響媒体に放射された超音波パルスの時間
波形が、長いパルス列を形成する原因は二つ存在する。
その一つは、トランスデューサを構成する圧電セラミッ
ク板１と分極されていない同組成または類似の組成のセ
ラミック板２とがこれらのセラミックスとは音響インピ
ーダンスの大幅に異なる有機系の接着剤を用いて接合さ
れているためである。即ち、圧電セラミック板で発生し
た超音波が接着剤層で反射されるためである。接着剤層
の厚さを極めて薄くして反射を軽減することも可能では
あるが、この場合には実用的な接着強度を維持すること
が困難となる。
【０００５】第二の原因は、圧電セラミック板の表面で
発生した超音波パルスと裏面で発生した超音波パルスが
音響媒体に放射される時、二つのパルス間で時間差が生
じるためである。本発明は圧電セラミック板１と圧電性
を示さないセラミック板２との接合部で超音波が反射す
る問題を解決し、更に、圧電セラミック板の表面と裏面
で別々に発生する二つの超音波パルスが音響媒体に放射
される際の時間差を短縮することにより、距離分解能の
高い超音波トランスデューサを提供するものである。
発生した超音波パルスと裏面で発生した超音波パルスが
音響媒体に放射される時、二つのパルス間で時間差が生
じるためである。本発明は圧電セラミック板１と圧電性
を示さないセラミック板２との接合部で超音波が反射す
る問題を解決し、更に、圧電セラミック板の表面と裏面
で別々に発生する二つの超音波パルスが音響媒体に放射
される際の時間差を短縮することにより、距離分解能の
高い超音波トランスデューサを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、厚さ方向に一
様な圧電性を有した圧電板と該圧電板と同様な音響イン
ピーダンスを有する板とを主要構成要素とする超音波ト
ランスデューサであって、該圧電板の一方の面には外部
電極膜が形成されており、他方の面には内部電極膜を介
して圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板が接
合されており、かつ該圧電板の厚みが、音響媒体中に放
射される超音波パルスを時間波形で表示した時に、該圧
電板の一方の面から発生する超音波パルスと他方の面か
ら発生する超音波パルスの時間差（τ）がこれらパルス
の１波長分の時間（φ）に対して（１／４）φ≦τ≦
（３／４）φとなるように調製されていることを特徴と
する超音波トランスデューサを要旨とするものである。
なおここで、τと圧電板中の音速v及び板厚l1 との間に
は下記（１）式τ= l1/v （１）の関係が成
立し、vは圧電セラミックスの組成で決まるため、τは
使用する圧電材料が決まればその板厚に比例する。ま
た、φは超音波パルスの時間波形の測定により各圧電材
料について求められる。また、本発明は、前記発明にお
いて、圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板
が、内部電極を介して圧電板と接合する面の反対側の端
面部分が多孔質となっている板である超音波トランスデ
ューサを要旨とするものである。
様な圧電性を有した圧電板と該圧電板と同様な音響イン
ピーダンスを有する板とを主要構成要素とする超音波ト
ランスデューサであって、該圧電板の一方の面には外部
電極膜が形成されており、他方の面には内部電極膜を介
して圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板が接
合されており、かつ該圧電板の厚みが、音響媒体中に放
射される超音波パルスを時間波形で表示した時に、該圧
電板の一方の面から発生する超音波パルスと他方の面か
ら発生する超音波パルスの時間差（τ）がこれらパルス
の１波長分の時間（φ）に対して（１／４）φ≦τ≦
（３／４）φとなるように調製されていることを特徴と
する超音波トランスデューサを要旨とするものである。
なおここで、τと圧電板中の音速v及び板厚l1 との間に
は下記（１）式τ= l1/v （１）の関係が成
立し、vは圧電セラミックスの組成で決まるため、τは
使用する圧電材料が決まればその板厚に比例する。ま
た、φは超音波パルスの時間波形の測定により各圧電材
料について求められる。また、本発明は、前記発明にお
いて、圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板
が、内部電極を介して圧電板と接合する面の反対側の端
面部分が多孔質となっている板である超音波トランスデ
ューサを要旨とするものである。
【０００７】また、本発明は、前記発明において、圧電
板が圧電セラミック板であり、該圧電板と同様な音響イ
ンピーダンスを有する板もセラミック板である超音波ト
ランスデューサを要旨とするものである。
板が圧電セラミック板であり、該圧電板と同様な音響イ
ンピーダンスを有する板もセラミック板である超音波ト
ランスデューサを要旨とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に本発明の超音波トランスデ
ューサについて具体的に説明する。圧電板の材料として
は、無機系の単結晶やセラミックス、有機系高分子材料
あるいは有機と無機の複合材料等いずれでも良い。ま
た、圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板は、
圧電板と同一のインピーダンスを持つものが望ましい
が、超音波パルスを実質的に反射しない程度に近似した
ものであれば良く、その材料としては無機系の単結晶や
セラミックス、有機系高分子材料あるいは有機と無機の
複合材料等いずれでも良いが、圧電板の材料と同組成ま
たは類似の組成からなるものが望ましい。
ューサについて具体的に説明する。圧電板の材料として
は、無機系の単結晶やセラミックス、有機系高分子材料
あるいは有機と無機の複合材料等いずれでも良い。ま
た、圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板は、
圧電板と同一のインピーダンスを持つものが望ましい
が、超音波パルスを実質的に反射しない程度に近似した
ものであれば良く、その材料としては無機系の単結晶や
セラミックス、有機系高分子材料あるいは有機と無機の
複合材料等いずれでも良いが、圧電板の材料と同組成ま
たは類似の組成からなるものが望ましい。
【０００９】以下圧電板の材料として、圧電性セラミッ
クスを用いたものを例に説明する。図１は、本発明によ
る圧電性セラミックスを用いた超音波トランスデューサ
の構造を示す側断面図である。図中で１は圧電セラミッ
ク板で、２は圧電セラミック板１と同様な音響インピー
ダンスを有するセラミック板である。そして１と２は超
音波パルスを反射しない程度に薄い電極膜（内部電極）
４を介して接着剤無しで接合されている。これにより両
者は音響的には継ぎ目のない連続体とみなすことができ
るものとなる。３は圧電セラミック板１の表面に形成さ
れた金属電極膜（外部電極）で、５はこれから取り出さ
れた電極リードと端子である。また、５'は内部電極４
から取り出された電極リードと端子である。
クスを用いたものを例に説明する。図１は、本発明によ
る圧電性セラミックスを用いた超音波トランスデューサ
の構造を示す側断面図である。図中で１は圧電セラミッ
ク板で、２は圧電セラミック板１と同様な音響インピー
ダンスを有するセラミック板である。そして１と２は超
音波パルスを反射しない程度に薄い電極膜（内部電極）
４を介して接着剤無しで接合されている。これにより両
者は音響的には継ぎ目のない連続体とみなすことができ
るものとなる。３は圧電セラミック板１の表面に形成さ
れた金属電極膜（外部電極）で、５はこれから取り出さ
れた電極リードと端子である。また、５'は内部電極４
から取り出された電極リードと端子である。
【００１０】ここで、このセラミック板２は、内部電極
４との接合面の反対側の端面部分が多孔質構造となって
いることが好ましい。また、本発明ではセラミック板２
の内部電極４との接合面の反対側に吸音用バッキング材
を付設する必要はないが、トランスデューサの製造に際
してこれを用いても構わない。本発明のトランスデュー
サの製造方法は、例えば積層セラミックコンデンサなど
の製造に用いられている、セラミックスのグリーンシー
トおよびこのグリーンシートに金属ペーストを印刷塗布
したものを積み重ねて圧着し、これを焼成する方法で製
造することができる。セラミック粉末の作製工程、これ
らセラミック粉末からグリーンシートを作製する工程、
所望のグリーンシートの表面に金属ペーストを印刷する
工程、これらグリーンシートを所定の構造を有するトラ
ンスデューサとなるよう積み重ね、圧着して積層体とす
る工程、得られたグリーンシートの積層体を焼成する工
程、圧電セラミック板に外部電極を形成する工程、圧電
セラミック板を分極する工程などを経て製造される。な
お、圧電セラミック板１は圧電性を示す組成のセラミッ
ク粉末からなるグリーンシートの積層体を焼成した後分
極することで得られる。圧電セラミック板１と同様な音
響インピーダンスを有するセラミック板２は、例えば、
圧電セラミック板１と同組成または類似の組成の圧電性
を示す組成のセラミック粉末からなるグリーンシート、
圧電性を示さない組成のセラミック粉末からなるグリー
ンシートを適宜組み合わせ積層した積層体を焼成するこ
とで得られる。いずれにしても圧電セラミック板１と同
様な音響インピーダンスを有するものである。このセラ
ミック板２の一部を多孔質とするにはセラミック板２を
形成するグリーンシートのうち多孔質とすべき部分のグ
リーンシートとして任意の位置に多数の貫通孔を有する
グリーンシートを使用すれば良い。他にセラミックグリ
ーンシート中に焼成後に空洞を生じるような樹脂ビーズ
を混入させたものを使用しても良い。
４との接合面の反対側の端面部分が多孔質構造となって
いることが好ましい。また、本発明ではセラミック板２
の内部電極４との接合面の反対側に吸音用バッキング材
を付設する必要はないが、トランスデューサの製造に際
してこれを用いても構わない。本発明のトランスデュー
サの製造方法は、例えば積層セラミックコンデンサなど
の製造に用いられている、セラミックスのグリーンシー
トおよびこのグリーンシートに金属ペーストを印刷塗布
したものを積み重ねて圧着し、これを焼成する方法で製
造することができる。セラミック粉末の作製工程、これ
らセラミック粉末からグリーンシートを作製する工程、
所望のグリーンシートの表面に金属ペーストを印刷する
工程、これらグリーンシートを所定の構造を有するトラ
ンスデューサとなるよう積み重ね、圧着して積層体とす
る工程、得られたグリーンシートの積層体を焼成する工
程、圧電セラミック板に外部電極を形成する工程、圧電
セラミック板を分極する工程などを経て製造される。な
お、圧電セラミック板１は圧電性を示す組成のセラミッ
ク粉末からなるグリーンシートの積層体を焼成した後分
極することで得られる。圧電セラミック板１と同様な音
響インピーダンスを有するセラミック板２は、例えば、
圧電セラミック板１と同組成または類似の組成の圧電性
を示す組成のセラミック粉末からなるグリーンシート、
圧電性を示さない組成のセラミック粉末からなるグリー
ンシートを適宜組み合わせ積層した積層体を焼成するこ
とで得られる。いずれにしても圧電セラミック板１と同
様な音響インピーダンスを有するものである。このセラ
ミック板２の一部を多孔質とするにはセラミック板２を
形成するグリーンシートのうち多孔質とすべき部分のグ
リーンシートとして任意の位置に多数の貫通孔を有する
グリーンシートを使用すれば良い。他にセラミックグリ
ーンシート中に焼成後に空洞を生じるような樹脂ビーズ
を混入させたものを使用しても良い。
【００１１】次に図２を用いて本発明の構造を有するト
ランスデューサの製造方法について述べる。図中１１は
圧電性を示す組成のセラミック粉末からなるグリーンシ
ートであり、１２は１１と同一または類似の組成のセラ
ミック粉末からなるグリーンシートであり、また１５は
１２と同じグリーンシート上に内部電極を形成する金属
ペースト１４が印刷塗布されているグリーンシートであ
る。この時、焼成後の電極厚みが厚すぎると超音波をこ
の電極面で反射してしまうため、超音波を反射しない程
度の厚みとなるように印刷塗布する。１３は１２のグリ
ーンシートに多数の小さな貫通孔を設けたグリーンシー
トである。これらのグリーンシートを図示のように積み
重ねて圧着する。そしてこの積層体を焼成し、次いで、
焼成により得られた圧電セラミック板の端面に、例えば
金属ペーストを印刷塗布、焼成して外部電極を形成する
ことで本発明の構造を有するトランスデューサを得る。
ランスデューサの製造方法について述べる。図中１１は
圧電性を示す組成のセラミック粉末からなるグリーンシ
ートであり、１２は１１と同一または類似の組成のセラ
ミック粉末からなるグリーンシートであり、また１５は
１２と同じグリーンシート上に内部電極を形成する金属
ペースト１４が印刷塗布されているグリーンシートであ
る。この時、焼成後の電極厚みが厚すぎると超音波をこ
の電極面で反射してしまうため、超音波を反射しない程
度の厚みとなるように印刷塗布する。１３は１２のグリ
ーンシートに多数の小さな貫通孔を設けたグリーンシー
トである。これらのグリーンシートを図示のように積み
重ねて圧着する。そしてこの積層体を焼成し、次いで、
焼成により得られた圧電セラミック板の端面に、例えば
金属ペーストを印刷塗布、焼成して外部電極を形成する
ことで本発明の構造を有するトランスデューサを得る。
【００１２】なお、外部電極はその他種々の方法により
形成することができるが、予め圧電性を示すセラミック
粉末のグリーンシート上に金属ペーストを印刷塗布した
シートを用いて、積層体の焼成と同時に焼成して形成す
ることもできる。このようにして得られた本発明の構造
を有するトランスデューサでは電極端子５と５'との間
に直流高電圧を印加して圧電セラミック板を分極する。
分極Ｐの方向は図示の方向でも、これとは逆の方向であ
っても良い。超音波パルスは、電極端子５と５'の間に
電圧パルスを印加して発生させる。超音波パルスは圧電
セラミック板１の表面（外部電極のある面）と裏面（内
部電極のある面）で発生し、夫々双方向に向けて伝播す
るが、表面で発生しトランスデューサの内部に向けて伝
播する超音波パルスは内部電極４で反射されることなく
これを通過して同様な音響インピーダンスを有するセラ
ミック板２に入射され、反対側の端面に向かい進行す
る。そしてこの超音波パルスはセラミック板内の端面付
近に存在する多数の空孔で散乱を繰り返し消滅するため
トランスデューサの表面から放射されることはない。ト
ランスデューサ表面から音響媒体中へ放射される超音波
パルスには、図７の時間波形で示されたように、圧電セ
ラミック板１の表面から直接放射されるもの（a）と、
裏面で発生し圧電セラミック板１を伝播した後で表面か
ら放射されるもの（b）とがある。これらは互いに逆位
相の関係にあり、また（b）は（a）より圧電セラミック
板を通過する時間τの遅れをもって音響媒体中に放射さ
れることになる。本発明ではこの時間差τが超音波パル
スの１波長分の時間φに対して（１／４）φ≦τ≦（３
／４）φとなるように圧電セラミック板１の厚みを調製
しているため、図４に示されたように（a）のパルスの
負性部と（b）のパルスの負性部とを重畳することがで
き、本トランスデューサから音響媒体中へ放射される超
音波パルスの時間波形は短パルス化され、振幅も大きく
なる。その結果、この超音波トランスデューサを用いれ
ば圧電セラミック板１およびこれと同様な音響インピー
ダンスを有するセラミック板２との境界での多重反射の
ない、短パルス化された超音波パルスが得られ、高感度
化も同時に実現される。
形成することができるが、予め圧電性を示すセラミック
粉末のグリーンシート上に金属ペーストを印刷塗布した
シートを用いて、積層体の焼成と同時に焼成して形成す
ることもできる。このようにして得られた本発明の構造
を有するトランスデューサでは電極端子５と５'との間
に直流高電圧を印加して圧電セラミック板を分極する。
分極Ｐの方向は図示の方向でも、これとは逆の方向であ
っても良い。超音波パルスは、電極端子５と５'の間に
電圧パルスを印加して発生させる。超音波パルスは圧電
セラミック板１の表面（外部電極のある面）と裏面（内
部電極のある面）で発生し、夫々双方向に向けて伝播す
るが、表面で発生しトランスデューサの内部に向けて伝
播する超音波パルスは内部電極４で反射されることなく
これを通過して同様な音響インピーダンスを有するセラ
ミック板２に入射され、反対側の端面に向かい進行す
る。そしてこの超音波パルスはセラミック板内の端面付
近に存在する多数の空孔で散乱を繰り返し消滅するため
トランスデューサの表面から放射されることはない。ト
ランスデューサ表面から音響媒体中へ放射される超音波
パルスには、図７の時間波形で示されたように、圧電セ
ラミック板１の表面から直接放射されるもの（a）と、
裏面で発生し圧電セラミック板１を伝播した後で表面か
ら放射されるもの（b）とがある。これらは互いに逆位
相の関係にあり、また（b）は（a）より圧電セラミック
板を通過する時間τの遅れをもって音響媒体中に放射さ
れることになる。本発明ではこの時間差τが超音波パル
スの１波長分の時間φに対して（１／４）φ≦τ≦（３
／４）φとなるように圧電セラミック板１の厚みを調製
しているため、図４に示されたように（a）のパルスの
負性部と（b）のパルスの負性部とを重畳することがで
き、本トランスデューサから音響媒体中へ放射される超
音波パルスの時間波形は短パルス化され、振幅も大きく
なる。その結果、この超音波トランスデューサを用いれ
ば圧電セラミック板１およびこれと同様な音響インピー
ダンスを有するセラミック板２との境界での多重反射の
ない、短パルス化された超音波パルスが得られ、高感度
化も同時に実現される。
【００１３】
【実施例】＜予備実験＞圧電性を示す材料には0.5Pb(Ni
1/3Nb2/3)O3・0.5Pb(Zr0.7Ti0.3)O3 の組成からなるセ
ラミック粉末を使用した。このセラミック粉末１００重
量部に対して、アクリル樹脂５重量部、テルピネオール
を主成分とした有機溶剤２０重量部とを混合しセラミッ
クスラリーを得て、これをＰＥＴフィルム上にキャステ
ィング後乾燥してセラミックグリーンシートとした。内
部電極材料用金属ペーストには白金粉末、セルロース系
樹脂、テルピネオールを主成分とした有機溶剤からなる
白金ペーストを使用し、焼成後の電極厚みが５μmとな
るよう上記と同一組成のセラミックグリーンシート上に
印刷塗布した。これらグリーンシートを図２に示すよう
に積み重ね圧着したのち、１１００℃の温度で２時間か
け焼成し、焼成体を得た。この焼成体を厚さl1+l2=１０
mm、断面w×w=15mm×15mm程度の寸法に加工した。ここ
で圧電セラミック板の厚さl1は2.0 mm、セラミック板l2
の厚さは8.0mmとした。その内多孔質セラミック部は約3
mmの厚さを占めている。
1/3Nb2/3)O3・0.5Pb(Zr0.7Ti0.3)O3 の組成からなるセ
ラミック粉末を使用した。このセラミック粉末１００重
量部に対して、アクリル樹脂５重量部、テルピネオール
を主成分とした有機溶剤２０重量部とを混合しセラミッ
クスラリーを得て、これをＰＥＴフィルム上にキャステ
ィング後乾燥してセラミックグリーンシートとした。内
部電極材料用金属ペーストには白金粉末、セルロース系
樹脂、テルピネオールを主成分とした有機溶剤からなる
白金ペーストを使用し、焼成後の電極厚みが５μmとな
るよう上記と同一組成のセラミックグリーンシート上に
印刷塗布した。これらグリーンシートを図２に示すよう
に積み重ね圧着したのち、１１００℃の温度で２時間か
け焼成し、焼成体を得た。この焼成体を厚さl1+l2=１０
mm、断面w×w=15mm×15mm程度の寸法に加工した。ここ
で圧電セラミック板の厚さl1は2.0 mm、セラミック板l2
の厚さは8.0mmとした。その内多孔質セラミック部は約3
mmの厚さを占めている。
【００１４】しかる後、図１に示すように圧電セラミッ
ク板１の表面に外部電極３として銀粉末、ガラス粉末、
セルロース系樹脂、テルピネオールを主成分とする有機
溶剤からなる銀ペーストを塗布して６５０℃の温度で１
０分間保持し焼き付けた。そして電極リード端子５、
５'の間に２ＫＶ/mmの直流電界を１０分間印加して圧電
セラミック板１を分極した。超音波パルスは電極リード
端子５、５'の間に２０Ｖのスパイク状電圧パルスを印
加して発生させ、これを水中に放射した。そして水中に
放射された超音波パルスをハイドロフォンで検出した。
ク板１の表面に外部電極３として銀粉末、ガラス粉末、
セルロース系樹脂、テルピネオールを主成分とする有機
溶剤からなる銀ペーストを塗布して６５０℃の温度で１
０分間保持し焼き付けた。そして電極リード端子５、
５'の間に２ＫＶ/mmの直流電界を１０分間印加して圧電
セラミック板１を分極した。超音波パルスは電極リード
端子５、５'の間に２０Ｖのスパイク状電圧パルスを印
加して発生させ、これを水中に放射した。そして水中に
放射された超音波パルスをハイドロフォンで検出した。
【００１５】図３にはこのトランスデューサから水中に
放射された超音波パルスの時間波形の測定結果を示す。
縦軸はハイドロフォンの出力電圧であり、これは超音波
パルスの振幅に比例した量である。このとき、圧電セラ
ミック板１の表面から直接水中に放射された超音波パル
ス（a）と裏面で発生し圧電セラミック板を伝播した後
水中に放射された超音波パルス（b）との時間差τはτ
＝0.51 μsであった。そして前記（１）式から、ここで
使用した圧電セラミックス中の音速は v= 3950m/s と計
算される。また、図３から、この圧電セラミック板１か
ら発生する超音波パルスの１波長分の時間φは0.34μs
であった。 実施例１ 時間差τがτ＝（2/4）φとなるよう予備実験１の結果
から、φ＝0.34μs、v=3950 m/sを用いて圧電セラミッ
ク板の厚さl1 を算出するとl1 ＝0.67 mmとなる。そこ
で、圧電セラミック板の厚みl1 が0.67mmとなるよう調
製する以外は、予備実験と同様な方法で超音波トランス
デューサを作製した。この超音波トランスデューサか
ら、水中に超音波パルスを放射した時の超音波パルスの
時間波形を図４に示した。図から明らかなように二つの
超音波パルスの負性部は完全に重畳されており、パルス
の時間幅が短縮されると同時に負性パルスの大きさが約
２倍になっている。
放射された超音波パルスの時間波形の測定結果を示す。
縦軸はハイドロフォンの出力電圧であり、これは超音波
パルスの振幅に比例した量である。このとき、圧電セラ
ミック板１の表面から直接水中に放射された超音波パル
ス（a）と裏面で発生し圧電セラミック板を伝播した後
水中に放射された超音波パルス（b）との時間差τはτ
＝0.51 μsであった。そして前記（１）式から、ここで
使用した圧電セラミックス中の音速は v= 3950m/s と計
算される。また、図３から、この圧電セラミック板１か
ら発生する超音波パルスの１波長分の時間φは0.34μs
であった。 実施例１ 時間差τがτ＝（2/4）φとなるよう予備実験１の結果
から、φ＝0.34μs、v=3950 m/sを用いて圧電セラミッ
ク板の厚さl1 を算出するとl1 ＝0.67 mmとなる。そこ
で、圧電セラミック板の厚みl1 が0.67mmとなるよう調
製する以外は、予備実験と同様な方法で超音波トランス
デューサを作製した。この超音波トランスデューサか
ら、水中に超音波パルスを放射した時の超音波パルスの
時間波形を図４に示した。図から明らかなように二つの
超音波パルスの負性部は完全に重畳されており、パルス
の時間幅が短縮されると同時に負性パルスの大きさが約
２倍になっている。
【００１６】
【発明の効果】以上のように、本発明により得られる超
音波トランスデューサは、発生する超音波パルスを短パ
ルス化、高出力化でき、このため超音波エコー法を利用
した各種超音波機器の距離分解能を改善することが可能
な超音波トランスデューサを、低コストで提供すること
ができる。
音波トランスデューサは、発生する超音波パルスを短パ
ルス化、高出力化でき、このため超音波エコー法を利用
した各種超音波機器の距離分解能を改善することが可能
な超音波トランスデューサを、低コストで提供すること
ができる。
【図１】 本発明の超音波トランスデューサの側断面説
明図である。
明図である。
【図２】 本発明の超音波トランスデューサのグリーン
シートによる製造方法を示した説明図である。
シートによる製造方法を示した説明図である。
【図３】 圧電セラミック板の板厚を2.0mmとした超音
波トランスデューサから水中に放射された超音波パルス
の時間波形を表したグラフである。
波トランスデューサから水中に放射された超音波パルス
の時間波形を表したグラフである。
【図４】 圧電セラミックス板の板厚を0.67mm とした
本発明の超音波トランスデューサから水中に放射された
超音波パルスの時間波形を表したグラフである。
本発明の超音波トランスデューサから水中に放射された
超音波パルスの時間波形を表したグラフである。
【図５】 従来の超音波トランスデューサの構造の一例
を示す側断面説明図である。
を示す側断面説明図である。
【図６】 図５の構造を有する超音波トランスデューサ
から放射された超音波パルスの時間波形を表したグラフ
である。
から放射された超音波パルスの時間波形を表したグラフ
である。
【図７】 圧電セラミック板の板厚が本発明より厚い時
に超音波トランスデューサから放射された超音波パルス
の時間波形を表したグラフである。
に超音波トランスデューサから放射された超音波パルス
の時間波形を表したグラフである。
（a） 表側主面より音響媒体に直接放射された超音波
パルスの時間波形 （b） 裏側主面で発生して圧電セラミック板を伝播し
た後、表側主面より音響媒体中に放射された超音波パル
スの時間波形 ｌ1 焼成後の圧電セラミック板の厚さ ｌ2 焼成後のセラミック板（分極しない）の厚さ ｗ 焼成後の超音波トランスデューサの幅 Ｐ 分極の方向 １ 圧電セラミック板 ２ 圧電セラミック板１と同じ音響インピーダンス
の値を示すセラミック板 ３ 外部電極 ４ 内部電極 ５,５' 電極リード端子 ６ バッキング材 ７ 接着剤層 １１ 圧電性セラミックスのグリーンシート １２ １１と同一または類似組成のセラミックスのグリ
ーンシート １３ 多数の貫通孔を設けた１２と同じ組成のセラミッ
クスのグリーンシート １４ セラミックスのグリーンシート上に印刷された金
属ペースト１５ 金属ペーストを印刷した１２と同じ組成のセラミ
ックスのグリーンシート
パルスの時間波形 （b） 裏側主面で発生して圧電セラミック板を伝播し
た後、表側主面より音響媒体中に放射された超音波パル
スの時間波形 ｌ1 焼成後の圧電セラミック板の厚さ ｌ2 焼成後のセラミック板（分極しない）の厚さ ｗ 焼成後の超音波トランスデューサの幅 Ｐ 分極の方向 １ 圧電セラミック板 ２ 圧電セラミック板１と同じ音響インピーダンス
の値を示すセラミック板 ３ 外部電極 ４ 内部電極 ５,５' 電極リード端子 ６ バッキング材 ７ 接着剤層 １１ 圧電性セラミックスのグリーンシート １２ １１と同一または類似組成のセラミックスのグリ
ーンシート １３ 多数の貫通孔を設けた１２と同じ組成のセラミッ
クスのグリーンシート １４ セラミックスのグリーンシート上に印刷された金
属ペースト１５ 金属ペーストを印刷した１２と同じ組成のセラミ
ックスのグリーンシート
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2G047 CA01 EA03 GB32
4C301 EE03 GB33 GB36
4C601 EE01 GB41 GB42 GB44
5D019 AA13 BB02 BB14 BB25 FF01
FF02 FF03 GG02
Claims (3)
- 【請求項１】 厚さ方向に一様な圧電性を有した圧電板
と該圧電板と同様な音響インピーダンスを有する板とを
主要構成要素とする超音波トランスデューサであって、
該圧電板の一方の面には外部電極膜が形成されており、
他方の面には内部電極膜を介して圧電板と同様な音響イ
ンピーダンスを有する板が接合されており、かつ該圧電
板の厚みが、音響媒体中に放射される超音波パルスを時
間波形で示した時に、該圧電板の一方の面から発生する
超音波パルスと他方の面から発生する超音波パルスの時
間差（τ）がこれらパルスの１波長分の時間（φ）に対
して（１／４）φ≦τ≦（３／４）φとなるように調製
されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 【請求項２】 圧電板と同様な音響インピーダンスを有
する板が、内部電極を介して圧電板と接合する面の反対
側の端面部分が多孔質となっている板である請求項１に
記載の超音波トランスデューサ。 - 【請求項３】 圧電板が圧電セラミック板であり、該圧
電板と同様な音響インピーダンスを有する板がセラミッ
ク板である請求項１または請求項２に記載の超音波トラ
ンスデューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002052302A JP2003259490A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 超音波トランスデューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002052302A JP2003259490A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 超音波トランスデューサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003259490A true JP2003259490A (ja) | 2003-09-12 |
Family
ID=28664043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002052302A Pending JP2003259490A (ja) | 2002-02-27 | 2002-02-27 | 超音波トランスデューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003259490A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005095946A1 (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 超音波トランスデューサの駆動方法 |
| US9050628B2 (en) | 2012-01-30 | 2015-06-09 | Piezotech Llc | Pulse-echo acoustic transducer |
-
2002
- 2002-02-27 JP JP2002052302A patent/JP2003259490A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005095946A1 (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | 超音波トランスデューサの駆動方法 |
| KR100762087B1 (ko) * | 2004-03-31 | 2007-10-01 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | 초음파 트랜스듀서의 구동방법 |
| US7638924B2 (en) | 2004-03-31 | 2009-12-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method of driving ultrasonic transducer |
| US9050628B2 (en) | 2012-01-30 | 2015-06-09 | Piezotech Llc | Pulse-echo acoustic transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wong et al. | Development of a 20-MHz wide-bandwidth PMN-PT single crystal phased-array ultrasound transducer | |
| JPS6084099A (ja) | 超音波トランスジユ−サ | |
| CN101364632B (zh) | 一种应用于超声换能器和传感器的压电元件及其制造方法 | |
| WO2005095946A1 (ja) | 超音波トランスデューサの駆動方法 | |
| JP2003259490A (ja) | 超音波トランスデューサ | |
| US3365590A (en) | Piezoelectric transducer | |
| JPS61253873A (ja) | 圧電セラミツク材料 | |
| KR101173277B1 (ko) | 후면 음향 정합층을 이용한 초음파 프로브 | |
| JP5957758B2 (ja) | 超音波発受信器および超音波計測装置 | |
| Demol et al. | Lamb waves generation using a flat multi-element array device | |
| JPH07194517A (ja) | 超音波探触子 | |
| JP2003037896A (ja) | 圧電セラミックスを用いた超音波トランスデューサ及びその製法 | |
| JPH0448039B2 (ja) | ||
| JP4161187B2 (ja) | 圧電板、その製造方法およびそれを用いた超音波変換器 | |
| JP2001137238A (ja) | 超音波探触子 | |
| JP4161197B2 (ja) | 圧電板、その製造方法およびそれを用いた超音波変換器 | |
| EP0634227A2 (en) | Broadband ultrasonic transducers and related method of manufacture | |
| JPS5923678B2 (ja) | 超音波トランスデュ−サ | |
| JPS59178379A (ja) | 超音波探触子 | |
| JPS59178378A (ja) | 超音波探触子 | |
| Tiemann | A Practical Approach to Fabricating Ideal Transducers | |
| JPH0453160B2 (ja) | ||
| JPH0441877B2 (ja) | ||
| Fiorillo et al. | A piezoelectric range sensor for thickness measurements in refractory materials | |
| Ali et al. | An approach to design broadband air backed piezoelectric sensor |