JP2018074462A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】不要振動を抑制す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。【解決手段】超音波トランスデューサ１００は、複数の圧電素子３００と、１つの音響整合層２００と、振動分離部材４００とを備えている。音響整合層２００は、上下方向と直交する平面内において所望のビーム形状に対応する形状を有している。音響整合層２００は、上下方向において２つの主面２０２，２０４を有している。圧電素子３００は、一方の主面２０４上にマトリクス状に離間配列されて固定されている。圧電素子３００の配列方向と上下方向とは互いに直交している。振動分離部材４００は、振動分離部材として機能するものである。振動分離部材４００は、配列方向において圧電素子３００間に挟まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、魚群探知用の超音波トランスデューサに関する。

この種の超音波トランスデューサとしては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

図５に示されるように、特許文献１の超音波プローブ装置９００は、超音波振動素子アレイ９１０と、複数の音響整合層９２０と、バッキング材９３０と備えている。超音波振動素子アレイ９１０は、アース電極９１６と、駆動電極９１８とを有している。超音波振動素子アレイ９１０には、Ｘ方向及びＹ方向に延びる複数の溝９１４が形成されており、これにより複数の超音波振動素子９１２が構成されている。溝９１４は、下方（−Ｚ側）に凹んでいるものの超音波振動素子アレイ９１０の下面（−Ｚ面）までは達していないため、複数の超音波振動素子９１２はＸＹ平面内において一体化されている。アース電極９１６及び駆動電極９１８は、上下方向（Ｚ方向）において超音波振動素子９１２を挟むように配置されている。音響整合層９２０は、超音波振動素子９１２の上面（＋Ｚ面）を覆うように夫々配置されている。

なお、特許文献２に開示されている広帯域送受波器は、複数の音響整合層及び電気音響変換素子から構成されており、電気音響変換素子の夫々に対して一層の音響整合層が設けられている。また、電気音響変換素子の位置決めと周囲からの遮音を目的として、電気音響素子間及び電気音響素子配列の周囲にはコルクが接着されている（特許文献２の００２９段落及び図１参照）。

特開平０６−２５４０８９号公報 特開２００２−４４７８６号公報

特許文献１の超音波プローブ装置９００の超音波振動素子９１２は、ＸＹ平面内において一体化された構造を有している。これにより、特許文献１の超音波プローブ装置９００においては、超音波の照射方向である上下方向（Ｚ方向）と直交する方向の不要振動が発生しやすくなる問題がある。

そこで、本発明は、不要振動を抑制す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目的とする。

本発明は、第１の超音波トランスデューサとして、
複数の圧電素子と、１つの音響整合層と、振動分離部材とを備える超音波トランスデューサであって、
前記音響整合層は、上下方向と直交する平面内において所望のビーム形状に対応する形状を有しており、
前記音響整合層は、前記上下方向において２つの主面を有しており、
前記圧電素子は、一方の前記主面上にマトリクス状に離間配列されて固定されており、
前記圧電素子の配列方向と前記上下方向とは互いに直交しており、
前記振動分離部材は、前記配列方向において前記圧電素子間に挟まれている
超音波トランスデューサを提供する。

また、本発明は、第２の超音波トランスデューサとして、第１の超音波トランスデューサであって、
前記振動分離部材は、コルクである
超音波トランスデューサを提供する。

また、本発明は、第３の超音波トランスデューサとして、第１又は第２の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向に延びる柱状形状を有しており、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向のサイズが前記配列方向のサイズよりも大きい
超音波トランスデューサを提供する。

また、本発明は、第４の超音波トランスデューサとして、第１又は第２の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子は、多孔質圧電材料からなる
超音波トランスデューサを提供する。

本発明の超音波トランスデューサにおいては、１つの音響整合層の一方の主面上に複数の圧電素子が離間配置されており、また圧電素子の配列方向において圧電素子間には振動分離部材が挟まれている。これにより、圧電素子から発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層の形状に合わせて生成することができる。

本発明の第１の実施の形態による超音波トランスデューサを示す断面図である。図において、リード線を含む箇所を拡大して示してある。 図１の超音波トランスデューサのうち、充填層の上部、音響整合層、第１電極及びリード線を除いた部分を示す上面図である。 本発明の第２の実施の形態による超音波トランスデューサを示す断面図である。図において、圧電素子の一部を拡大して示してある。 図３の超音波トランスデューサのうち、充填層の上部、音響整合層、第１電極及びリード線を除いた部分を示す上面図である。 特許文献１の超音波プローブ装置を示す上側斜視図である。

（第１の実施の形態）
図１及び図２に示されるように、本発明の第１の実施の形態による超音波トランスデューサ１００は、複数の圧電素子３００と、第１電極３１０と、リード線３１５と、第２電極３２０と、１つの音響整合層２００と、振動分離部材４００と、振動抑制部材５００と、充填層６００と、ケース７００とを備えている。

図１及び図２を参照すると、本実施の形態の音響整合層２００は、エポキシ樹脂からなるものであり、一体形成されている。また、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向において一定の厚さを有しながら、上下方向と直交する平面内に延びている。本実施の形態において、上下方向はＺ方向であり、上下方向と直交する平面はＸＹ平面である。なお、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において円形の形状を有しているが、本発明はこれに限定されない。音響整合層２００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において所望のビーム形状に対応する形状を有していればよい。なお、本実施の形態の音響整合層２００は、エポキシ樹脂からなるものであるが、同様な音響整合特性を有するものであれば、その他の樹脂からなるものであってもよい。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向において２つの主面２０２，２０４を有している。主面２０２は、上下方向において音響整合層２００の上面であり、主面２０４は、上下方向において音響整合層２００の下面である。より具体的には、本実施の形態の主面２０２，２０４は、上下方向と直交する平面である。本実施の形態において、上方は＋Ｚ側であり、下方は−Ｚ側である。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００の夫々は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるものであり、上下方向に延びる柱状形状を有している。具体的には、本実施の形態の圧電素子３００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において正方形形状の断面を有しており、ＸＺ平面内及びＹＺ平面内において上下方向を長軸とする長方形形状の断面を有している。圧電素子３００の上面は、上下方向と直交する平面である。即ち、圧電素子３００の上面は、下方に凹んだ溝を有していない。なお、本実施の形態の圧電素子３００は、ＰＺＴからなるものであるが、その他の素材からなる圧電セラミックスであってもよい。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００は、音響整合層２００の一方の主面２０４上にマトリクス状に離間配列されて固定されている。ここで、圧電素子３００の配列方向は、Ｘ方向及びＹ方向である。即ち、圧電素子３００の配列方向と上下方向とは互いに直交している。より具体的には、圧電素子３００は、Ｘ方向及びＹ方向において一定の間隔で並ぶように配列されている。圧電素子３００の夫々は、上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっている。圧電素子３００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されている。即ち、圧電素子３００は、音響整合層２００の下面である主面２０４から下方に延びている。

上述のように、圧電素子３００の夫々は上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっていることから、圧電素子３００から発生する振動において、超音波の放射方向である上下方向における振動成分の強度を、上下方向と直交する方向の不要振動成分の強度よりも大きくすることができるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。

また図１及び図２に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、複数の圧電素子３００に対して個片化されておらず、一体形成された一枚の音響整合層２００で構成されている。これにより、音響整合層を個片化して圧電素子夫々に対応させた構成と比較して、音響整合層２００の放射面全体が一体となって振動するため、超音波出力やビーム形状に係るバラつきの問題は生じない。

図１及び図２に示されるように、本実施に形態の振動分離部材４００は、配列方向であるＸ方向及びＹ方向において圧電素子３００間に挟まれている。より具体的には、Ｘ方向において、圧電素子３００の間には振動分離部材４００が夫々位置しており、Ｙ方向において、圧電素子３００の間には振動分離部材４００が夫々位置している。これにより、圧電素子３００から発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。また、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることから、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００においては広帯域の音響発生が可能となっている。なお、振動分離部材４００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４と密着しておらず、上下方向において一定の空間４５０が生じている。また、振動分離部材４００は、配列方向における圧電素子３００の間のみならず、圧電素子３００で挟まれていない圧電素子３００の外側側面にも設けられていてもよい。本実施の形態の振動分離部材４００は、コルクである。

図１及び図２に示されるように、本実施に形態の振動抑制部材５００は、圧電素子３００の下面及び音響整合層２００と圧電素子３００の側面を取り囲むように設けられている。本実施の形態の振動抑制部材５００は、超音波の放射方向である上下方向以外の方向への不要放射を抑制することを目的に設けられている。振動抑制部材５００の材質としては、前記の目的を満たすものであれば特に制限されないが、コルクや吸音スポンジが好ましい。

図１に示されるように、本実施の形態の第１電極３１０は、上下方向と直交する平板形状を有している。また、本実施の形態の第１電極３１０は、上下方向において、音響整合層２００と圧電素子３００との間に位置しており、圧電素子３００の上面に貼り付けられている。

図１に示されるように、本実施の形態のリード線３１５は、第１電極３１０から引き出されて上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内に延びている。またリード線３１５は、上下方向において音響整合層２００の主面２０４と振動分離部材４００の上面との間に生じている空間４５０内に位置している。即ち、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００においては、配列方向において圧電素子３００の間には音響整合層２００と密着していない振動分離部材４００が位置していることから、第１電極３１０からのリード線３１５の引き出しが容易となっている。

図１に示されるように、本実施の形態の第２電極３２０は、上下方向と直交する平板形状を有している。また第２電極３２０は、上下方向において圧電素子３００と振動抑制部材５００との間に位置しており、圧電素子３００の下面に貼り付けられている。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の充填層６００は、ウレタン樹脂からなるものであり、振動抑制部材５００及び音響整合層２００を取り囲むように設けられている。より具体的には、本実施の形態の充填層６００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において振動抑制部材５００を取り囲んでおり、上下方向と平行な平面内において音響整合層２００の上面である主面２０２及び振動抑制部材５００を取り囲んでいる。なお本実施の形態の充填層６００は、ウレタン樹脂からなるものであるが、本発明はこれに限定されず、耐水性及び耐湿性を具備し且つ放射振動の伝搬を妨げることのない材質であれば特に制限されない。また、充填層６００の形成方法についても特に制限されないが、例えば、音響整合層２００の主面２０２にウレタンゴム製の板材を接着し、振動抑制部材５００を取り囲むように下方からウレタンゴム製のカップを被せて、板材とカップとを接合して気密封止する方法により、充填層６００を形成することもできる。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態のケース７００は、金属製であり、充填層６００を取り囲むように設けられている。より具体的には、本実施の形態のケース７００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において充填層６００を取り囲んでいる。本実施の形態のケース７００は、電磁ノイズ及び音響ノイズの抑制の機能を有している。なお、本発明の超音波トランスデューサはケース７００を有していないくてもよい。

（第２の実施の形態）
図３及び図４に示されるように、本発明の第２の実施の形態による超音波トランスデューサ１００Ａは、圧電素子３００Ａ、第１電極３１０Ａ、リード線３１５Ａ及び第２電極３２０Ａを除き、上述した第１の実施の形態による超音波トランスデューサ１００（図１及び図２参照）と同じ構成を備えている。そのため、図３から図４までに示される構成要素のうち、第１の実施の形態と同様の構成要素に対しては同一の参照符号を付すこととする。

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａは、複数の圧電素子３００Ａと、第１電極３１０Ａと、リード線３１５Ａと、第２電極３２０Ａと、１つの音響整合層２００と、振動分離部材４００と、振動抑制部材５００と、充填層６００と、ケース７００とを備えている。

図３から理解されるように、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、多孔質圧電材料からなるものである。また図３及び図４に示されるように、圧電素子３００Ａは、上下方向と直交する平面内に延びる平板形状を有している。本実施の形態において、上下方向はＺ方向であり、上下方向と直交する平面は、ＸＹ平面である。具体的には、圧電素子３００Ａは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のみからなり、その内部に多数の空孔３０５を有している。圧電素子３００Ａの上面は、上下方向と直交する平面である。即ち、圧電素子３００Ａの上面は、下方に凹んだ溝を有してはいない。本実施の形態において、上方は＋Ｚ側であり、下方は−Ｚ側である。なお、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、ＰＺＴからなるものであるが、その他の素材からなる圧電セラミックスであってもよい。

上述のように圧電素子３００Ａが空孔３０５を有していることから、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることとなる。従って、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。特に、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、空孔３０５を有することにより共振尖鋭度（Ｑ値）が低下するため、平板状に形成された圧電素子３００Ａにおいても平坦な周波数特性を確保できる。また、平板形状を有する圧電素子３００Ａを用いることにより、超音波トランスデューサ１００Ａが備える圧電素子３００Ａの個数を、２あるいは４とするなど、少なくすることができる。

本実施の形態の圧電素子３００Ａは、ＰＺＴに樹脂ビーズを予め混合してから成形及び焼成を行うことにより作製することができる。即ち、樹脂ビーズを混合したＰＺＴを焼成すると、樹脂ビーズが占有していた部分の樹脂成分が気化して空孔３０５が形成されるため、空孔３０５を含有する圧電素子３００Ａが作製されることとなる。但し、本発明はこれに限定されない。本発明の超音波トランスデューサは、上述の作製方法以外の方法で作製された、空孔を有する圧電素子を備えたものであってもよい。

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、音響整合層２００の一方の主面２０４上にマトリクス状に離間配列されて固定されている。ここで、圧電素子３００Ａの配列方向は、Ｘ方向及びＹ方向である。即ち、圧電素子３００Ａの配列方向と上下方向とは互いに直交している。より具体的には、圧電素子３００Ａは、Ｘ方向及びＹ方向において一定の間隔で並ぶように配列されている。圧電素子３００Ａの上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されている。圧電素子３００Ａは、音響整合層２００の下面である主面２０４から下方に延びている。

なお、第１の実施の形態の圧電素子３００においては上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっていたが、本実施の形態の圧電素子３００Ａでは、上述の空孔３０５の存在により上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されるため、上下方向のサイズを配列方向のサイズよりも大きくする必要はない。

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、複数の圧電素子３００Ａに対して個片化されておらず、一体形成された一枚の音響整合層２００で構成されているため、音響整合層を個片化して圧電素子夫々に対応させた構成と比較して、音響整合層２００の放射面全体が一体となって振動するため、超音波出力やビーム形状に係るバラつきの問題は生じない。

図３及び図４に示されるように、本実施に形態の振動分離部材４００は、配列方向であるＸ方向及びＹ方向において圧電素子３００Ａ間に挟まれている。より具体的には、Ｘ方向において、圧電素子３００Ａの間には振動分離部材４００が夫々位置しており、Ｙ方向において、圧電素子３００Ａの間には振動分離部材４００が夫々位置している。これにより、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。また、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることから、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａにおいては広帯域の音響発生が可能となっている。なお、振動分離部材４００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４と密着しておらず、上下方向において一定の空間４５０が生じている。

図３に示されるように、本実施の形態の第１電極３１０Ａは、上下方向と直交する平板形状を有している。また、本実施の形態の第１電極３１０Ａは、上下方向において、音響整合層２００と圧電素子３００Ａとの間に位置しており、圧電素子３００Ａの上面に貼り付けられている。

図３に示されるように、本実施の形態のリード線３１５Ａは、第１電極３１０Ａから引き出されて上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内に延びている。またリード線３１５Ａは、上下方向において音響整合層２００の主面２０４と振動分離部材４００の上面との間に生じている空間４５０内に位置している。即ち、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａにおいては、配列方向において圧電素子３００Ａの間には音響整合層２００と密着していない振動分離部材４００が位置していることから、第１電極３１０Ａからのリード線３１５Ａの引き出しが容易となっている。

図３に示されるように、本実施の形態の第２電極３２０Ａは、上下方向と直交する平板形状を有している。また第２電極３２０Ａは、上下方向において圧電素子３００Ａと振動抑制部材５００との間に位置しており、圧電素子３００Ａの下面に貼り付けられている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

本実施の形態の圧電素子３００，３００Ａの上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されていたが、同様な音響整合特性を有し且つ所望の接着力を発揮するものであれば、他の樹脂であってもよい。

上述の実施の形態の超音波トランスデューサ１００，１００Ａにおいて、振動抑制部材５００が充填層６００の内側に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。振動抑制部材をケース７００の外側に設けてもよいし、ケース７００自体を振動を抑制する素材で構成してケース７００に振動抑制機能を持たせることにより、振動抑制部材５００を省略してもよい。

１００，１００Ａ 超音波トランスデューサ
２００ 音響整合層
２０２ 主面（上面）
２０４ 主面（下面）
３００，３００Ａ 圧電素子
３０５ 空孔
３１０，３１０Ａ 第１電極
３１５，３１５Ａ リード線
３２０，３２０Ａ 第２電極
４００ 振動分離部材
４５０ 空間
５００ 振動抑制部材
６００ 充填層
７００ ケース

Claims (4)

1. 複数の圧電素子と、１つの音響整合層と、振動分離部材とを備える超音波トランスデューサであって、
   前記音響整合層は、上下方向と直交する平面内において所望のビーム形状に対応する形状を有しており、
   前記音響整合層は、前記上下方向において２つの主面を有しており、
   前記圧電素子は、一方の前記主面上にマトリクス状に離間配列されて固定されており、
   前記圧電素子の配列方向と前記上下方向とは互いに直交しており、
   前記振動分離部材は、前記配列方向において前記圧電素子間に挟まれている
   超音波トランスデューサ。
2. 請求項１記載の超音波トランスデューサであって、
   前記振動分離部材は、コルクである
   超音波トランスデューサ。
3. 請求項１又は請求項２記載の超音波トランスデューサであって、
   前記圧電素子の夫々は、前記上下方向に延びる柱状形状を有しており、
   前記圧電素子の夫々は、前記上下方向のサイズが前記配列方向のサイズよりも大きい
   超音波トランスデューサ。
4. 請求項１又は請求項２記載の超音波トランスデューサであって、
   前記圧電素子は、多孔質圧電材料からなる
   超音波トランスデューサ。

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