JP2004080577A

JP2004080577A - 超音波振動子

Info

Publication number: JP2004080577A
Application number: JP2002240189A
Authority: JP
Inventors: Norio Matsuhiro; 松廣　紀夫; Kenji Komine; 小峯　謙治; Ryoichi Suetoshi; 末利　良一
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: JP3961903B2

Abstract

【課題】製作が容易で品質の安定した広帯域型の超音波振動子を提供する。
【解決手段】フロントマス１の超音波放射面１ａに凹部１１を設け、この凹部１１にポリマー９を充填して音響インピーダンス整合層を形成する。凹部１１は断面が超音波放射面１ａ側に広がるような形状に形成されており、凹部１１にポリマー９を充填することで整合層の音響インピーダンスが超音波の放射方向に連続的に変化するため、理想的な音響インピーダンス整合を実現でき、広帯域の周波数特性を持った超音波振動子が得られる。
【選択図】　　図６

Description

【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に関し、特に、広帯域の周波数特性が得られる超音波振動子の構造に関するものである。
【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１２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Ｂの一例を示している。図において、１０１はアルミニウム等の金属材料からなるフロントマス、１０２および１０３はＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる圧電素子、１０４は圧電素子１０２，１０３に電圧を印加するための電極、１０５はステンレス等の金属材料からなるリアマス、１０６はフロントマス１０１と、圧電素子１０２および１０３と、リアマス１０５とを固着するボルト、１０７はボルト１０６を締着するナット、１０８はフロントマス１０１の超音波放射面１０１ａに設けられた音響インピーダンス整合層である。音響インピーダンス整合層１０８は、タングステンやアルミナの粉末を混合したエポキシ樹脂等のポリマーからなり、その厚みはλ／４に選定されている（λは共振周波数の波長）。以上のような超音波振動子Ｂは、フロントマス１０１が放射面側に向かって末広がりの形状をしたトンピルツ（Ｔｏｎｐｉｌｔｚ）型振動子と呼ばれているものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、超音波放射面の材質がアルミニウムで、超音波の伝達媒体が水である場合、アルミニウムの音響インピーダンスは１７．３×１０^６［Ｎｓ／ｍ^３］、水の音響インピーダンスは１．５×１０^６［Ｎｓ／ｍ^３］であるから、前記の式（１）より、音響インピーダンス整合層の音響インピーダンスは約５．１×１０^６［Ｎｓ／ｍ^３］となる。しかるに、このような音響インピーダンス値を持った材料は現実には存在しないため、上記のようにエポキシ樹脂等のポリマーにタングステン等を混合して、所望の音響インピーダンスを持った整合層を形成するのが一般的であった。
【０００６】
このため、上述した従来の超音波振動子Ｂにおいては、音響インピーダンス整合層１０８を設けるにあたって、まず、エポキシ樹脂にタングステンやアルミナ等の粉末を混合したエポキシ・コンパウンドを製造し、これを所定の寸法（厚みλ／４）に切断したものをフロントマス１０１の表面に接着剤で貼り付けている。しかしながら、このような方法では作業が複雑で工数が増えるばかりでなく、コンパウンドの製造段階でタングステン等の混合物が下に沈むため、均一な混合物分布をもったコンパウンドを得るのが難しく、これから切り出した整合層１０８の音響インピーダンス値がばらつくことになって、安定した特性を維持するのが困難であるという問題があった。
【０００７】
また、整合層１０８によって振動子と水との境界面における超音波の反射をなくし、完全なインピーダンス整合を実現するためには、整合層１０８の音響インピーダンスが振動子から水に向けて連続的に変化するのが理想的である。しかるに、上記のような単一の音響インピーダンス整合層１０８を設けた場合は、振動子と整合層と水の音響インピーダンスは階段状に変化し、理想的な連続変化とはならない。このため、音響インピーダンス整合層１０８を設けても、周波数帯域の改善には限界がある。そこで、この問題を解決する方法として、整合層を多層にすることにより音響インピーダンスの変化をできるだけ連続的な変化に近づけることが考えられる。特開平５−１８３９９６号公報には、このような多層の音響インピーダンス整合層を設けた超音波振動子が記載されている。しかしながら、整合層を多層にすると、その分だけ作業工数がさらに増大するとともに、音響インピーダンス値のばらつきも一層大きくなる。また、整合層を多層にしても、音響インピーダンスの変化はあくまでも階段状の変化であって完全な連続的変化ではないことから、依然として周波数帯域の改善には一定の限界がある。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解決するものである。本発明の第１の目的は、製作が容易で品質の安定した超音波振動子を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、整合層の音響インピーダンスを連続的に変化させることにより広帯域化を実現した超音波振動子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、圧電素子と、この圧電素子の振動により超音波を放射するヘッド部とを備えた超音波振動子において、ヘッド部の超音波放射面に凹部を設け、この凹部にポリマーを充填して音響インピーダンス整合層を形成する。
【００１０】
このようにすれば、超音波放射面の凹部にポリマーを充填するだけで、ポリマーと凹部周辺の金属とによって所望の音響インピーダンスを持った整合層が形成されるので、従来のような複雑な工程を経ることなく、簡単に整合層を形成することができる。また、あらかじめ製造しておいたコンパウンドを切断して得られる整合層を用いないこと、およびポリマーに金属粉末を混合しなくても所望の音響インピーダンスを得ることが可能であることから、従来問題となっていたポリマー中の混合物の分布不均一に基因する音響インピーダンス値のばらつきがなくなって、安定した品質を維持することができる。
【００１１】
また、本発明では、ポリマーを充填する凹部の断面が超音波放射面側に広がるような形状にしている。
【００１２】
このようにすることで、凹部に充填されるポリマーの量が超音波の放射方向に連続的に変化するため、ポリマーによって形成される整合層の音響インピーダンスも超音波の放射方向に連続的に変化する。したがって、整合層によって理想的な音響インピーダンス整合を実現することができ、広帯域の周波数特性を持った超音波振動子が得られる。また、整合層を多層に設ける必要がないので、製造工程が複雑になることもない。さらに、凹部の断面形状や寸法を変えることによって、音響インピーダンスの変化度合いをコントロールすることもできる。
【００１３】
なお、ポリマーを充填する凹部としては、格子状の直線溝や、同心円状のリング溝、複数個の丸穴など、種々の形態が考えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るトンピルツ（Ｔｏｎｐｉｌｔｚ）型の超音波振動子Ａ１を示した断面図である。図において、１は本発明のヘッド部を構成するフロントマスであって、アルミニウム等の金属材料からなる。２および３は圧電素子であって、ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる。４は圧電素子２，３に電圧を印加するための電極である。５は圧電素子２，３および電極４を挟んでフロントマス１と反対側に設けられたリアマスであって、ステンレス等の金属材料からなる。６は一端がフロントマス１に螺合されたボルトであって、他端に締着されるナット７とともに、フロントマス１と、圧電素子２および３と、リアマス５とを固着する。以上の構成からなる超音波振動子Ａ１は、電極４に電圧を印加して圧電素子２，３を所定の周波数で振動させ、この振動によりフロントマス１とリアマス５を共振させることによって、フロントマス１の超音波放射面１ａから超音波を放射するものである。
【００１５】
８はフロントマス１の超音波放射面１ａに設けられた凹部である。この凹部８は、フロントマス１を製作する段階であらかじめ形成されている。図２〜図４は、凹部８の各種パターンを示した平面図であって、図２は凹部８を格子状の直線溝８ａで構成した例、図３は凹部８を同心円状のリング溝８ｂと、中央の丸穴８ｃとから構成した例、図４は、凹部８を複数個の丸穴８ｄで構成した例である。なお、丸穴８ｃ、８ｄは円筒形の凹部からなる。９は凹部８に充填されたポリマー（高分子材料）であって、このポリマー９と凹部８の周辺の金属（アルミニウム等）とによって音響インピーダンス整合層が形成される。整合層の形成にあたっては、エポキシ樹脂等からなる液状のポリマー９を用意し、これを凹部８に流し込んで固化させる。ポリマー９としてはエポキシ樹脂以外の樹脂を用いてもよい。
【００１６】
なお、一般に２種類以上の物質が混在する媒質が、ある周波数の音波に対して一様な媒質とみなされるためには、混在する物質が音波の波長よりも短い寸法で構成されていることが条件となる。したがって、エポキシ樹脂等のポリマー９とアルミニウム等の金属から構成される超音波放射面１ａを一様な媒質とみなすために、凹部８の幅や相互間の間隔は、音波の波長に比べて十分小さな値に設定される。
【００１７】
このように、フロントマス１に設けられた凹部８にポリマー９を充填するだけで、音響インピーダンス整合層が形成されるので、従来のように整合層を多層に接着する必要がなく、工程が大幅に簡略化されて製造コストを低減することができる。また、従来の整合層は、前述のように製造段階で混合物が偏在したコンパウンドを切断したものであるため、均一な特性を持った整合層を得るのが困難であったが、本発明では、ポリマー９と凹部８の周辺の金属とで整合層を形成するため、ポリマー９にタングステンやアルミナの粉末を混合しなくても、凹部８の幅、間隔、形状等を適切に選定することで所望の音響インピーダンス値を得ることができる。したがって、従来のようなコンパウンドを用いる必要はなく、かつ、ポリマー９に金属粉末を混合する必要もないことから、ポリマー９中の混合物の分布不均一に基因する音響インピーダンス値のばらつきがなくなり、安定した品質を維持することができる。
【００１８】
図５は、本発明の他の実施形態による超音波振動子Ａ２を示した断面図である。本実施形態は、ポリマー９を充填する凹部１０の断面が超音波放射面１ａ側に広がるような形状にしたものである。その他の部分については図１と同一であるので、図１と同一部分には同一符号を付してある。なお、この場合も凹部１０のパターンとしては、図２〜図４のような種々の形態を採用することができる。また、図５では、凹部１０の断面形状は逆三角形となっているが、これに限らず、逆台形のような形状としてもよい。また、凹部１０の側壁は逆三角形や逆台形のような直線である必要はなく、曲線であってもよい。
【００１９】
図５の実施形態によると、凹部１０に充填されるポリマー９の量が超音波の放射方向に連続的に変化するため、ポリマー９によって形成される整合層の音響インピーダンスも超音波の放射方向に連続的に変化する。したがって、整合層によって理想的な音響インピーダンス整合を実現することができ、広帯域の周波数特性を持った超音波振動子が得られる。また、整合層を多層に設ける必要がないので、製造工程が複雑になることもない。さらに、凹部１０の断面形状や寸法を変えることによって、音響インピーダンスの変化度合いをコントロールすることもできる。
【００２０】
図６は、本発明の他の実施形態による超音波振動子Ａ３を示した断面図である。本実施形態は図５の変形例であって、ポリマー９を充填する単一の凹部１１を設け、その断面を超音波放射面１ａ側に広がる形状としたものである。その他の部分については図５と同一であるので、図５と同一部分には同一符号を付してある。なお、本実施形態では、凹部１１は逆円錐台状（すり鉢状）に形成されている。ただし、これは一例であって、他にも逆円錐、逆角錐、逆角錐台、半球のような種々の形態を採用することができる。
【００２１】
図６の実施形態によっても、凹部１１に充填されたポリマー９によって形成される整合層の音響インピーダンスが連続的に変化するため、理想的な音響インピーダンス整合が実現でき、広帯域の周波数特性を持った超音波振動子が得られる。また、整合層を多層に設ける必要がないので、製造工程が複雑になることもない。さらに、凹部１１の断面形状や寸法を変えることによって、音響インピーダンスの変化度合いをコントロールすることもできる。
【００２２】
図７は、図６に示した超音波振動子Ａ３における送波電圧感度の周波数特性の一例である。また、図８は、従来の超音波振動子（図１２）における送波電圧感度の周波数特性の一例である。各図の横軸は超音波の周波数、縦軸は送波電圧感度を示している。送波電圧感度は、超音波振動子に１Ｖの電圧を印加したときに、振動子から１ｍ離れた場所において感知される音圧の値である。
【００２３】
図７と図８とを比較すれば明らかなように、図８の従来の超音波振動子では、一点鎖線で示したように、概ね２５ＫＨｚ付近に送波電圧感度のピークがあるが、それ以降４０ＫＨｚ付近までは送波電圧感度は低下している。これに対して、図７の本発明による超音波振動子の場合は、一点鎖線で示したように、概ね２０〜４０ＫＨｚの広帯域にわたって安定した送波電圧感度が得られる。周波数が４０ＫＨｚを超えると、送波電圧感度の変動が大きくなるが、超音波振動子を魚群探知機に用いる場合は、２０〜４０ＫＨｚの周波数帯域で一定レベル以上の送波電圧感度が得られれば実用上問題はない。
【００２４】
以上述べた実施形態では、トンピルツ型超音波振動子を例に挙げたが、本発明はこれ以外の超音波振動子にも適用することができる。
【００２５】
図９は、ランジュバン型超音波振動子Ａ４に本発明を適用した例である。２０はＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる圧電素子、２１は本発明のヘッド部を構成するアルミニウム等の金属材料からなるフロントマス、２２は圧電素子２０を挟んでフロントマス２１と反対側に設けられたステンレス等の金属材料からなるリアマス、２３はフロントマス２１の超音波放射面２１ａに設けられた凹部、２４は凹部２３に充填された音響インピーダンス整合層を形成するポリマーである。凹部２３は１個に限らず、図２〜図４に示したような種々の形態が可能であり、また断面形状も円錐状に限らず、前述したような種々の形態を採用することができる。
【００２６】
図１０は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子Ａ５に本発明を適用した例である。３０はＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる圧電素子、３１は本発明のヘッド部を構成するアルミニウム等の金属材料からなるフロントマス、３２は圧電素子３０を挟んでフロントマス３１と反対側に設けられたステンレス等の金属材料からなるリアマス、３３は一端がフロントマス３１に螺合されたボルト、３４はボルト３３の他端に締着されるナット、３５はフロントマス３１の超音波放射面３１ａに設けられた凹部、３６は凹部３３に充填された音響インピーダンス整合層を形成するポリマーである。この場合も、凹部３５は１個に限らず、図２〜図４に示したような種々の形態が可能であり、また断面形状も円錐状に限らず、前述したような種々の形態を採用することができる。
【００２７】
図１１は、本発明のさらに他の実施形態であって、ＰＺＴ等の圧電セラミックスからなる圧電素子４０の片面に、上述したランジュバン型超音波振動子のフロントマス２１，３１に相当するヘッド部４１を貼り合わせ、ヘッド部４１に形成された凹部４２に音響インピーダンス整合層を形成するポリマー４３を充填して、超音波振動子Ａ６を構成したものである。
【００２８】
以上の実施形態では、魚群探知機用の超音波振動子を例に挙げたが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、超音波診断装置に用いられる振動子にも適用が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波放射面に設けられた凹部にポリマーを充填することにより音響インピーダンス整合層が形成されるので、複雑な工程を経ることなく、簡単に整合層を形成することができるとともに、音響インピーダンス値のばらつきを小さくして、品質の安定した超音波振動子を得ることができる。
【００３０】
また、ポリマーを充填する凹部の断面が超音波放射面側に広がるような形状にすることで、音響インピーダンスを連続的に変化させることができ、これによって広帯域の周波数特性を持った超音波振動子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波振動子を示した断面図である。
【図２】凹部のパターンを示した平面図である。
【図３】凹部の他のパターンを示した平面図である。
【図４】凹部の他のパターンを示した平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態による超音波振動子を示した断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態による超音波振動子を示した断面図である。
【図７】本発明の超音波振動子における送波電圧感度特性の一例である。
【図８】従来の超音波振動子における送波電圧感度特性の一例である。
【図９】本発明の他の実施形態による超音波振動子を示した断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による超音波振動子を示した断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による超音波振動子を示した断面図である。
【図１２】従来の超音波振動子を示した断面図である。
【符号の説明】
１　　フロントマス（ヘッド部）
１ａ　超音波放射面
２　　圧電素子
３　　圧電素子
８　　凹部
８ａ　直線溝
８ｂ　リング溝
８ｄ　丸穴
９　　ポリマー
Ａ１〜Ａ６　超音波振動子

Claims

圧電素子と、この圧電素子の振動により超音波を放射するヘッド部とを備えた超音波振動子において、
前記ヘッド部の超音波放射面に凹部を設け、この凹部にポリマーを充填して音響インピーダンス整合層を形成したことを特徴とする超音波振動子。
請求項１に記載の超音波振動子において、
前記凹部は、断面が超音波放射面側に広がるような形状であることを特徴とする超音波振動子。
請求項１または請求項２に記載の超音波振動子において、
前記凹部は、格子状の直線溝からなることを特徴とする超音波振動子。
請求項１または請求項２に記載の超音波振動子において、
前記凹部は、同心円状のリング溝からなることを特徴とする超音波振動子。
請求項１または請求項２に記載の超音波振動子において、
前記凹部は、複数個の丸穴からなることを特徴とする超音波振動子。