JP2020526073A - 対角線共振の音波及び超音波トランスデューサー - Google Patents

対角線共振の音波及び超音波トランスデューサー Download PDF

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Abstract

本発明は音波及び超音波の発生並びに受信のための対角線共振モードを提供する。この新しい駆動モードは圧電単結晶の異方性音速により可能になる。これにより、実質的に矩形形状の能動材料の対角線交差を含み、同等の共振周波数を示す能動材料の交差平板が生じる。鉛系リラクサー単結晶のポアソン比が相当に大きいため、平面対角線又は立体対角線の交差方向において能動材料が共振振動することで、音波及び超音波を発生するのに十分大きな振動振幅を任意の束縛されない表面上に誘発するが、これは共振する対角線方向に対して垂直であってもよく又は角度があってもよい。係るDRモードは、通常、従来の縦方向及び横幅モードよりも低い共振周波数を有するのにも関わらずTVRが高く、前記2つの駆動モードと組み合わせることで又は結合することで、超広帯域音波トランスデューサー及び超音波トランスデューサーとして広帯域化できる。【選択図】図３

Description

本発明は、圧電トランスデューサーに関し、より詳細には、音波及び超音波の発生、送信及び受信のための圧電トランスデューサーのアレイに関する。
水中通信が複雑になりやすいのは、特に長距離における、多経路伝搬、周波数帯（channel）の時間変動、利用可能な帯域幅が狭いこと、及び強い信号減衰などの理由による。また、水中通信は、電磁波の代わりに音波を用いるため、地上通信に比べてデータ伝送速度が低い。水中音響トランスデューサーは、船舶や潜水艦のソナー、海洋調査、地震探査、海洋生物調査、医療機器及び産業用近接センサーに使用されることが多い。
典型的な現代の水中音響トランスデューサーは電気機械トランスデューサーであり、チタン酸ジルコン酸鉛（PbZr0.52Ti0.48O3又はPZT）多結晶セラミック、リラクサーを主成分とする単結晶、及び圧電性ポリマー複合体などの圧電材料（piezoelectric materials）であって矩形、円盤状、棒状、筒状、又は球状のものによって駆動される。目的や材料の特性に応じて、能動素子（active element）の駆動モードをいろいろ用いることができる。最も一般的に使用される駆動モードには、縦（33又はLG）モード（longitudinal (33 or LG) mode）及び従来型横幅（31又はCTW）モード（conventional transverse width (31 or CTW) mode）が含まれる。
縦（33又はLG）モード動作では、能動素子は分極（3-）方向に沿って活性化され、音響ビームは同方向に生成される。従来の横（31又はCTW）モード動作では、トランスデューサーの能動素子は、音響ビーム方向でもある、側方又は横方向の２つある方向のうちの一方に沿った共振により活性化される。したがって、これらの動作モードでは、共振と音響ビームは同じ方向となる。
図１ａは、縦（LG）モードで動作する送信素子１００の一例を示す。この図では、能動素子１０２が支持材１０４に結合している。支持材１０４は柔軟な高ダンピング支持材であり、能動素子１０２のリンギングを低減する効果を有し、短いパルス幅の信号の使用時に軸方向の分解能を向上させる。斜線付きの上面１０８及び下面１０６は、能動素子上の電極を示す。能動素子１０２は、分極（3-）方向に加えられた入力交流電圧に応じて振動することで、音響エネルギーを周囲の媒体に向けて前述の方向に沿って放射する。
従来の横幅モードトランスデューサー素子２００の一例を図２ａに示す。この例では、能動素子２０２は、その電極表面２０４と対抗する面（図示せず）とにわたって３-方向に沿って分極される。重いテールマス２０６は、音響エネルギーの上部方向への投影を助けるために使用される。能動素子２０２は振動することで、同一の側方・横方向に沿って周囲の媒体に音響エネルギーを放射する。
図２ｂは、Zhang及びLin（WO 2015/126321 A1）による、新しい横幅駆動モードを示す。このモードでは、能動素子２０２は、その分極（3-）方向と直交する横方向に共振で活性化され、共振方向と直交する他の横幅方向又は縦方向に音波が発生する。このモードは、以下、横共振直交ビーム（TROB, Transverse Resonance Orthogonal Beam）モードと呼ばれる。
図１ｂは、TROB動作モードでのLG型トランスデューサー１００を示す。この図において、能動素子１０２は、その分極（3-）方向に直交する側方方向の一方又は両方において活性化される。音響ビームは、共振方向に直交する分極（3-又はLG）方向に沿って生成される。
TROB駆動モードは、Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3 (PZN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3 (PMN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbZrO3-PbTiO3 (PMN-PZT)及びPb[In1/2Nb1/2]O3-Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3、(PIN-PMN-PT)の固溶体結晶のような新世代の鉛系リラクサー固溶体単結晶における非常に高い圧電歪み係数（dij）、電気機械結合係数（kij）及びポアソン比効果により可能である。
例えば、[001]分極PZN-6%PT単結晶は優れた縦圧電特性（d33≒2700 pC/N、k33≒0.93)と良好な横方向圧電特性(d31≒-1560 pC/N，k31≒0.85）を有する。また、[011]分極のPZN-5.5%PT単結晶では、d33≒1900 pC/N、d32≒-2600 pC/N、k33≒0.92、k32≒0.90となり、この結晶カットもポアソン比が高い。例えば、
Figure 2020526073
となる（例えば、A.A.Heitmann, J.A.Stace, L.C.Lim and A.H.Amin, “Influence of compressive stress and electric field on the stability of [011] poled and [0-11] oriented 31-mode PZN-0.055PT single crystals”, Journal of Applied Physics, vol.119, 224101, 2016を参照）。
＜発明が解決しようとする課題＞
本発明の目的は、従来技術のTROBモードを２つの側方幅方向以外の横方向に拡張することである。より具体的には、縦モード（longitudinal-mode）の矩形能動素子に対して、本発明では、TROBモードを平面対角線交差の横方向（crossed-face-diagonal transverse directions）においても、又は、両方の平面対角線方向をカバーする交差角の扇形（crossed-angular sector）上においても活性化できる。したがって、以下、本発明の駆動モードを、対角線横共振直交ビーム（D-TROB, diagonal-transverse-resonance-orthogonal beam）モードと称する。
また、本発明の目的は、対角線共振モードを拡張して横モード能動素子に適用することである。この場合、共振対角線方向は、横モード音響ビーム方向に対して鋭角を成す。このモードと本明細書で説明するD-TROBモードは、単純に対角線共振（DR）駆動モードと総称する。
また、本発明の目的は、本明細書で説明するDRモードで動作する音波又は超音波送信素子及びそのアレイを提供することである。
また、本発明の目的は共振モードのうちの少なくとも１つがDRモードである複数の共振周波数モード、若しくは基本モードのうちの少なくとも１つがDRモードである広帯域結合モード、又は適切なヘッドマス（head mass）及び／又は中間マス（intermediate mass）を有し、整合層及び／又はレンズ層を有し、テールマス（tail mass）を有する又は有しない他の派生形態で動作するように設計されたトランスデューサーを提供することである。
さらに、本発明の目的は、水中、医療及び産業の分野における音波及び超音波の生成及び受信の際にDRモードを利用することである。
＜発明の概要＞
本発明は、２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極された矩形又は実質的に矩形の能動素子を備えるトランスデューサーを含む。能動素子を２分の１波長共振モード及び４分の１波長共振モードのいずれかに設定することで、共振方向が能動素子の外面の平面対角線交差方向に沿っていてもよく又は実質的に平面対角線交差方向に沿っていてもよい。音響ビームは、前記共振対角線方向に直交する又は鋭角を成す方向に生成される。
本発明はまた、２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極された矩形又は実質的に矩形の縦モード能動素子を備えるトランスデューサーを含む。能動素子を２分の１波長共振モードに設定することで、共振方向が能動素子の電極面の平面対角線交差方向に沿っていてもよく又は実質的に平面対角線交差方向に沿っていてもよい。音響ビームは、共振対角線方向と直交する縦分極方向に生成される。
さらに、本発明は、２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極された矩形又は実質的に矩形の能動素子を備えるトランスデューサーを含む。能動素子を２分の１波長共振モード及び４分の１波長共振モードのいずれかに設定することで、共振方向が能動素子の立体対角線交差方向（crossed body-diagonal directions）に沿っていてもよく又は実質的に立体対角線交差方向に沿っていてもよい。音響ビームは、前記共振方向に直交する又は鋭角を成す方向に生成される。
前記能動素子は、並列、直列、一部並列又は一部直列の電気構成の１つに接続された複数の能動材料（active material）からなるものでもよい。対角線共振（DR）モードを促進するため、能動素子の角部を、面取りし、角を丸め、又は曲率を有するように成形してもよい。
さらに、能動素子が、少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有する圧電単結晶の組成及びカットを含んでもよく、ここでd31及びd32は関連する横方向圧電歪み係数であり、k31及びk3は関連する電気機械結合定数である。能動素子は、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及びPbTiO3のうちの１つ又は複数の二元系、三元系、及びさらに多元系の固溶体のリラクサーを主成分とする強誘電体又は圧電単結晶、並びにそれらの改質誘導体及び／又はドープ誘導体のカットを含んでもよい。
さらに、能動素子は、[1-10]1×[110]2×[001]3カットの[001]3分極単結晶を含んでもよく、ここで[001]3は縦方向であり、[1-10]1及び[110]2は、２つの側方方向又は横方向である。能動素子は表面に粗さのある（textured）多結晶セラミックスの組成物からなり、これが少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有する。他の態様において能動素子は、改質された圧電単結晶又は表面に粗さのある多結晶圧電セラミックスの組成物からなり、これが少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有する。
別の実施形態では、トランスデューサーは、能動材料の間に結合された中間マスを備える。また、能動素子の音波放出面に対向する面に結合されたテールマスをさらに含んでもよい。トランスデューサーが直接駆動であり、ピストンを持たない設計としてもよい。さらに、トランスデューサーは、剛性のある又は可撓性のあるヘッドマスをさらに含んでもよい。
トランスデューサーは能動素子の音波放出面に取り付けられた少なくとも１つの整合層をさらに備える。トランスデューサーは、整合層の上に設けられたレンズ層を含んでもよい。トランスデューサーは、モードの組み合わせにて又は多重共振モードで動作してもよい。トランスデューサーは、音／超音波の発生、送信及び受信に使用してもよい。
＜序文＞
本発明の目的を達成するため、音波及び超音波の発生及び受信のための圧電トランスデューサーの能動素子の音速の分布を利用するためにその周波数定数を利用して、対角線共振（DR）モードと呼ばれる新しい動作モードを励起する。
本発明の一実施形態によれば、矩形状の能動素子からなる縦モードトランスデューサーを、横共振させ活性化する際、能動素子の電極面の、平面対角線交差方向の双方、又は対角線交差方向を含む交差角の扇形に沿って行うことで、音響ビーム方向が共振する平面対角線交差方向と直交する縦方向となる。
本発明の別の実施形態によれば、矩形状又は実質的に矩形状の能動素子からなる横モードトランスデューサーを、横共振させ活性化する際、能動素子の電極面上で、平面対角線方向の双方、又は平面対角線交差方向の双方を含む交差角の扇形に沿って行うことで、音響ビーム方向が能動材料の横幅方向のうち、共振する対角線方向に対して鋭角を成す１つの方向に沿うものとなる。
本発明の別の実施形態によれば、能動素子は、並列、直列、一部並列、又は一部直列構成の１つで電気的に接続された、角部に種々の寸法で面取り又は丸めを有する、又は有さない実質的に矩形の、同一又は同等の寸法及びカットを有する単一の能動材料又は複数の能動材料のいずれかを有する。
本発明の別の実施形態によれば、トランスデューサーは、能動素子の音波放出面に対向する面に結合されたテールマスを有する。テールマスは、所望の用途に合うよう、重いテールマス又は柔軟な高ダンピング支持材の１つであり得る。
本発明の別の実施形態によれば、トランスデューサーは、所望の用途に合わせて能動材料の間に結合された１つ又は複数の中間マスを備える。
本発明の別の実施形態によれば、トランスデューサーは、所望の用途に合わせて、直接駆動であり、ピストンを持たない設計を有する、又は剛性のある若しくは可撓性のあるヘッドマスを有する。
本発明の別の実施形態によれば、トランスデューサーは、能動素子の音波放出面に取り付けられた１つ又は複数の整合層を有する。
本発明の別の実施形態によれば、トランスデューサーは、ヘッドマス又は整合層の上に設けられた１つ又は複数のレンズ層を有する。
上記の概要及び例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面と併せて読むことにより、よりよく理解される。本開示を図示するために、本開示の例示的な構成が図面に示される。しかしながら、本開示は本明細書に開示された特定の方法及び手段に限定されない。さらに、当業者は、図面が縮尺通りでないことを理解するだろう。
図１ａは、従来技術による分極方向に２分の１波長LGモードで共振する柔軟な高ダンピング支持層を有する能動素子を備える矩形縦（LG）モードトランスデューサーの動作原理を示す概略図である。
図１ｂは、WO 2015/126321 A1に記載された２分の１波長横共振直交ビーム（TROB）モードで動作する図１ａのトランスデューサーを示す。
図２ａは、従来技術による音響ビーム方向に四分の一波長CTWモードで共振する剛性で重い支持層を有する能動素子を備える矩形の従来の横幅（CTW）モードトランスデューサーの動作原理を示す概略図である。
図２ｂは、WO 2015/126321 A1に記載された２分の１波長横共振直交ビーム（TROB）モードで動作する図２ａのトランスデューサーを示す。
図３は、本発明の実施形態による、対角線共振（又はD-TROB）モードで共振するLG型能動素子の動作原理を示す。
図４は、本発明の別の実施形態による対角線共振モードで共振するCTW型素子の動作原理を示す図である。
図５は、弾性コンプライアンス定数
Figure 2020526073
の配向依存性の結果としての[001]3分極PZN-6%PT結晶における音速の分布を示す作図である。
図６ａは、[1-10]1×[110]2×[001]3カットの[001]3分極PZN-6%PT結晶の矩形形状の能動素子の正方形(001)電極面における種々の半径方向に沿った正規化２分の１波長モード共振周波数の例示的な作図であり、ここで、[001]3は分極LG方向であり、[1-10]1及び[110]2は２つの側方方向又は横方向である。この場合の平面対角線交差方向は、[100]ｃ及び[010]ｃ結晶方向に沿う。
図６ｂは、52 kHzの入力交流電圧に応じ共振された状態で活性化される材料のブロック図である。
図６ｃは、56 kHzの入力交流電圧に応じ共振された状態で活性化される材料のブロック図である。
図７は、本発明の対角線共振（DR）モードで動作する多結晶トランスデューサーを示す。
図８は、図７に示すトランスデューサーの48 kHzから63 kHzにわたるDRモードで測定された送波電圧感度（TVR, transmit voltage response）作図を示す。
図９ａは、本発明のDRモードで励起される他の可能なトランスデューサーを示す。ここで、対角線共振は、非電極面で生じる。
図９ｂは、本発明のDRモードで励起される他の可能なトランスデューサーの例を示す。ここで、対角線共振は、能動材料内の４つの立体対角線方向に沿って生じる。
図１０ａは、トランスデューサー内のDRモードを促進するように意図された設計特性である、角部に大きな面取りを有する略長方形の能動材料のトランスデューサーを示す。
図１０ｂは、角部が丸められた略長方形の能動材料のトランスデューサーを示す。丸められた角部又は意図的に形成された湾曲した角部は、トランスデューサーにおけるDRモードを促進するための設計特性である。
＜発明の詳細な説明＞
本明細書において、「一実施形態・態様」又は「ある実施形態・態様」とは、実施形態・態様に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態・態様に含まれることを意味する。本明細書の様々な箇所における語句「一実施形態・態様において」又は「別の実施形態・態様において」とは、必ずしも全て同じ実施形態・態様を参照しているわけではなく、別の又は代替の実施形態・態様は、他の実施形態・態様と相互に排他的であるわけでもない。さらに、一部の実施形態・態様によって示され得るが、その他の実施形態・態様によって示されない様々な特徴が記載される。同様に、一部の実施形態・態様の要件であって、その他の実施形態・態様の要件ではない様々な要件が記載される。実施形態及び態様は、交換可能に使用する場合がある。
本明細書中で使用される用語は、一般に、当該技術において、開示の文脈において、及び各用語が使用される特定の文脈において、それらの通常の意味を有する。開示を説明するために使用される特定の用語を、開示の説明に関する追加の指針を実務家に提供するために、以下又は明細書の他の箇所で説明する。便宜上、例えば斜体及び／又は引用符を使用して、特定の用語を強調表示することがある。強調表示の使用は、用語の範囲と意味には影響しない。用語が強調表示されているかどうかにかかわらず、同じ文脈において、用語の範囲と意味は同じである。同じことが複数の方法で言えることが理解されるであろう。
したがって、他の用語及び同義語は、本明細書で使用される用語のうちの任意の１つ又は複数に対して使用され得る。また、用語が本明細書において詳細に説明されているか、又は議論されているかどうかについても、特別な意味はない。特定の用語の同義語が提供されるが、１つ又は複数の同義語の詳説により、他の同義語の使用が排除されるわけではない。本明細書で議論される任意の用語の実施例を含む本明細書の任意の箇所での実施例の使用は、例示にすぎず、開示又は任意の例示された用語の範囲及び意味をさらに限定することを意図しない。同様に、本開示は、本明細書で与えられる様々な実施形態に限定されない。
本開示の範囲をさらに限定する意図はないが、本開示の実施形態による器具、装置、方法及びそれらの関連する結果の例を以下に示す。なお、見出し又は小見出しは、読者の便宜のために例の中で使用される場合があるが、開示の範囲を制限するものではない。特段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本開示が関係する当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。矛盾がある場合には、定義を含めて本文書が優先される。
＜発明を実施するための形態＞
本発明は、音及び／又は超音波の生成、送信及び受信のための新しい動作モードを提供する。この新しい動作モードを採用したトランスデューサーは、能動素子の電極面上に、平面対角線交差方向の双方又は平面対角線交差方向の双方を含む交差角の扇形に沿って共振されることにより活性化される矩形状の能動素子を備え、それにより音響ビーム方向が縦方向又は横幅方向のいずれか一方に沿って生成される。
本明細書に記載される駆動モードは、Zhang及びLin（WO 2015/126321 A1）による横共振直交モード（TROB）とは異なり、能動材料の共振方向は、平面対角線方向ではなく、能動素子の横幅方向の一方又は両方に沿っている。
この共振モードは、本明細書では対角線共振（DR）モードと呼び、このような共振モードで動作するトランスデューサーは、本明細書では、対角線共振（DR）トランスデューサーと呼ぶ。
DR動作モードでのトランスデューサーは、２つの対向する面上に電極を有し、これらの電極面と交差する方向に分極された実質的に矩形の能動素子を備える。図３は、本明細書に記載のDRモードで動作するトランスデューサー３００の例を示す。能動素子３０２は重いテールマス３０４に結合され、斜線付きの上面３０６及び底面３０８は電極面を示す。能動素子３０２は、電極面の両方の横向き対角線方向に沿って共振されることにより活性化され、音響ビームは直交分極方向又はLG方向に発生する。能動素子の励起は、（図中のＡＡ’とＢＢ’に沿う）機械的励起方向矢印により示す。さらに、能動材料は、図１ａ及び１ｂに示すように、従来のLG及びTROBモードで活性化することもできる。なお、この場合、TROB及びDRモードの両方の共振方向は、音響ビーム方向に直交する。
又は、図４に示すように、新しいDRモードは、その２つの横幅方向の一方に沿ってその音響ビーム方向を有する能動素子において活性化され得る。トランスデューサー４００は、能動素子４０２と、柔軟な高ダンピング材料からなる支持素子４０４と、二つの電極４０６と、その対向面とを含む。DRモードの共振方向は、能動素子の２つの横幅方向によって定義される面内にある。この場合、TROBモードの共振方向は音響ビーム方向に対して直角であるが、DRモードの共振方向は音響ビーム方向に対して鋭角を成す。
本明細書に開示されるDR駆動モードは、リラクサーを主成分とする固溶体単結晶における異方性音速に起因する単結晶能動素子における音速と共振周波数の分布によって可能となる。特性がすべての横方向（分極後の∞ｍ対称性）で均一であるPZT多結晶セラミックとは異なり、リラクサーを主成分とする多ドメイン単結晶の特性は配向に依存する（例えば、E.Sun and W.Cao, “Relaxor-based ferroelectric single crystals: Growth, domain engineering, characterization and applications” Progress in Materials Science, vol.65, pp.124-210, 2014及びS.Zhang, F.Li, X.Jiang, J.Kim and J.Luo, “Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3 ferroelectric crystals for electroacoustic transducers - A review” Progress in Materials Science, vol.68, pp.1-66, 2015を参照）。弾性定数（
Figure 2020526073
及び
Figure 2020526073
）の配向依存により、適切なカットのリラクサーを主成分とする単結晶からなる能動素子において音速の分布を実現される。
図５は、[001]3分極PZN-6%PT薄板の、弾性コンプライアンス定数
Figure 2020526073
の配向依存性の結果としての、電界下における電極面内の音速分布の作図である。各方向に沿った音速は、
Figure 2020526073
で求められる。ここで、
Figure 2020526073
はその方向の弾性コンプライアンス定数であり、ρは材料密度である。弾性コンプライアンス定数
Figure 2020526073
の値は、Shuklaら（R.Shukla, K.K.Rajan, M.Shanthi, J.Jin and L.C.Lim, “Deduced property matrices of domain-engineered relaxor single crystals of [110]Lx[001]T cut: Effects of domain wall contributions and domain-domain interactions” Journal of Applied Physics, vol.107, no.1, p.014102, 2010）が報告した測定特性からの座標変換を用いて得られる。図５では、０°方向と９０°方向はそれぞれ結晶学的に等価な[1-10]1軸と[110]2軸に沿っている。０°（+[1-10]1方向に沿って）から反時計回りに９０°回転すると、音速は最初に最大値から減少し、４５°で（[100]結晶方向に沿って）最小値に達した後、９０°で（[110]2結晶方向に沿って）再び増加して最大値に達する。
既知の寸法の能動素子の場合、特定の結晶方向に沿った２分の１波長共振周波数は、その方向の音速及び能動素子の有効長（active length）に基づいて推定できる。図６ａは、PZN-6%PT結晶組成物及び[1-10]1×[110]2×[001]3カットの、例えば9.6 mm×9.6 mmの正方形の断面を有する能動素子の電極面における、異なる方向に沿った２分の１波長共振周波数の作図である。ここで[001]3は分極及びLG方向であり、[1-10]1（０°方向）及び[110]2（９０°方向）は２つの側方方向又は横方向である。図示される共振周波数は、電極面（すなわち、[1-10]1及び[110]2結晶方向に沿ったもの）における最大値に対して正規化される。
図６ａに示すように、この結晶カットでは、最小共振周波数は[100]と[010]の結晶方向に沿っており、この結晶カットの電極面における平面対角線方向でもある。両方の平面対角線方向に沿って、予想される共振周波数は、結晶の両横方向に沿った最大の約４７％であり、この場合、[1-10]1及び[110]2結晶方向である。この図はさらに、能動材料の電極面の両方の面対角線を含む材料の交差角の平板内で、共振周波数が比較的一定であることを示している。このように、この能動材料の交差角の平板は、励起周波数が、LG共振及びTROB共振の両方よりも低いと予想される前記能動素子の面対角線共振周波数と一致するときに、共振することで活性化され得る。
図６ｂ及び６ｃは、図６ａにおける例示的な能動素子の(001)電極面を示し、斜線付きの領域は、52 kHz（図６ｂ）及び56 kHz（図６ｃ）の同等の対角線共振周波数を示す材料の領域（又は容積）を示す。これらの図は、交流入力電圧の周波数が５２〜56 kHzを中心とするとき、電極面の平面対角線交差を含む交差角の平板（crossed angular slab）を構成する材料の大部分が共振状態に設定されることを示している。この特有な特性により、共鳴周波数の分布を利用して、音と超音波発生のためのDRモードを励起する可能性がある。一方、このような特性は、適切な結晶カットの能動材料を用い、必要な共振周波数分布及び音響特性を得るために能動素子の形状を調整することにより、DRモードの共振周波数及び帯域幅を調整することが可能であることも示している。
音波及び超音波発生のための本発明の新しいDRモードを効果的に活性化するためには、能動材料の圧電特性を高めるべきであり、特に、圧電係数（dij）、電気機械結合係数（kij）及び比較的高いポアソン比（νij）が必要である。
所望の性質及び特徴を示す能動材料としては、例えば、Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3 (PZN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3 (PMN-PT)、Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbZrO3-PbTiO3 (PMN-PZT)、及びPb[In1/2Nb1/2]O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、(PIN-PMN-PT)の[001]3分極固溶体単結晶の新世代リラクサーを主成分とする固溶体圧電単結晶及びそれらの組成的に改質された三元及び四元並びにドープ誘導体が挙げられる。
図７は、２分の１波長共振モードを介して水中で約55 kHzの音波を生成するためにDRモードで動作するように設計された例示的な多結晶トランスデューサー５００を示す。前記能動素子５０２は、電気的に並列に接続された同一結晶カットと同一寸法の６つの[001]3分極PZN-6%PT単結晶を有する。能動素子の両方の横幅方向の物理的寸法は9.6 mmであり、結晶学的に等価な[1-10]1及び[110]2結晶方向である。図中の斜線付きの面は、能動素子５０２上の電極を示している。能動素子５０２の底面には、所望の上部方向への音響エネルギーの伝達を促進するための重いテールマス５０４が結合している。明確にするために、周囲の応力／圧力解放材料、各電極に接続されたリード線及びシム、封入材料及び筐体は、この図には示されていない。
本明細書に記載されるDR動作モードでは、図７の能動素子５００は、図中の両方向矢印で示すように、[100]及び[010]結晶方向でもある能動素子の両方の平面対角線方向に沿って共振する。前記共振平面対角線方向に誘起された歪みは、ポアソン比効果により[001]3分極方向に伝達され、意図した音響ビームを発生する。
図８は、図７の例示的なトランスデューサー５００の送波電圧感度（TVR）作図を示す。55 kHzでのTVRピークは、設計DRモードによって生成されるピークである。このDRモードを、直流バイアスなしで80 Vrmsで駆動すると、153 dB（re 1μPa/V at 1 meter）の高いTVRと＞191 dB（re 1 μPa at 1 meter）の高い音圧レベルを生じることは注目に値する。
図８は、トランスデューサーのDRモードに対応するTVRピークに加えて、高周波数（70 kHz以上）でのTVRピークも示しており、これは、[1-10]1及び[110]2の両方の横幅向に沿ったTROBモード、及び[001]3分極方向に沿ったLGモードに起因する。
図８に示すように、適切に設計された場合、DRモードは非常に高いTVRを生成することができ、同じトランスデューサーがTROBモード又はLGモードのいずれかで動作する場合よりも少なくとも８ｄＢ高い。以上の実験結果により、DRモードが音と超音波発生のための有望な駆動モードであることが確認される。
DRモードは、電極面の平面対角線方向で共振することに加えて、図９ａ及び図９ｂにそれぞれ概略的に示すように、非電極面の平面対角線方向及び能動素子の立体対角線交差方向に沿って実行することもできる。これは、前記対角線方向が、能動素子においてより低い又は最も低い音速を有する場合に可能である。
さらに、能動素子の角部の形状は、能動材料の面又は体の対角線を含む材料の交差する隙間において、より平坦な共振周波数分布を得るように修正又は調整されてもよい。例えば、角部は、特定の用途合うようDRモードを促進するために、任意の曲率で適切に面取りされ、丸められ、又は成形されてもよい。そのような例を図１０ａ及び１０ｂに示す。
さらに、同一寸法及び同一結晶カットの能動材料を使用する代わりに、能動材料は、特定の用途に合わせ、異なるが同等の寸法及び／又は異なる結晶カットであってもよい。ただし、その構成が、音波及び超音波発生のためのDR駆動モードを促進するのに役立つ場合に限る。
DRモードは、所望の用途に合うように追加された１つ又は複数の追加マスを有するトランスデューサーにも適用される。このような追加マスは、能動素子の底面に結合されたテールマス、能動材料の間に結合された中間マス、能動素子の上面に結合された剛性のある又は可撓性のあるヘッドマス、能動素子の音波放射面に取り付けられた整合層、又は整合層の上のレンズ層を有する。
DRモードは、その共振周波数が他の共振モードから十分離れている個別モードで動作するように設計できる。
新しいDRモードは、広帯域トランスデューサーを形成するために他の共振モードと共に使用できる。広帯域トランスデューサーを形成する際には、新しいDRモードの共振周波数は、従来技術に示されている１つ又は複数の駆動モード（すなわち、図１及び図２）又は別のDRモードに十分に近いものでなければならない。又は、DRモードを利用するトランスデューサーへの電気的入力は、個別モード動作又は組み合わされたモード動作のいずれかで、外部電子機器などの方法を使用して調整又は調節して、特定の用途の要件を満たす所望の出力を得ることができる。
さらに、本発明は、受信モードにおける構成要素のDRモードに相当する周波数の音についてトランスデューサー素子及びアレイを用いる音波及び超音波受信にも当てはまる。この場合、トランスデューサーが非共振モードで動作しているときと比べて、高い受信感度が達成される。
本明細書に記載する発明は、音波及び超音波の送信及び受信の組合せについてのトランスデューサー及びそのアレイにさらに当てはまる。この場合、共振モード又は非共振モードのいずれかを音受信のために使用してもよい。
本明細書記載のトランスデューサー及びそれらのアレイにはいくつかの分野における用途が考えられ、その中には水中での撮像、測距及び通信といった水中の用途の一般的に10-100kHz帯の前半から10-100MHz帯の前半までの動作周波数帯を使うものや、医療用途の一般的に100-1,000kHz帯の中盤から10-100MHz帯の後半までの動作周波数帯を使うものや、構造や欠陥の撮像といった工業用途の、検査する材料に応じて一般的に10-100kHz帯の後半から10-100MHz帯の後半までの動作周波数帯を使うものが含まれる。
本明細書に記載の選択の構成、寸法、材料を、本発明の主要な特徴から逸脱することなく、適合させ、修正し、改良し、又は異なるが等価な方法に置き換えてもよく、さらなる特徴を加えて、トランスデューサー及びアレイの性能及び／又は信頼性を高めてもよいことが当業者には自明であろう。これらの置換え、代替形態、修正、又は改良は、以下の特許請求の範囲の範囲及び文言に含まれるものと考えるべきである。
さらに、開示された上記の変形及び他の特徴及び機能、又はそれらの代替は、多くの他の異なるシステム又はアプリケーションに組み合わせることができる。また、様々な現在予期されていない又は予期されていない代替物、修正、変形又は改良が、当業者によって後になされ得、これらはまた、以下の請求項によって包含されることが意図される。

Claims (19)

  1. 矩形又は実質的に矩形の能動素子を備え、その２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極されたトランスデューサーであって、
    前記能動素子を２分の１波長共振モード及び４分の１波長共振モードのいずれかに設定することで、その共振方向が前記能動素子の外面の平面対角線交差方向（crossed face-diagonal directions）に沿っており又は実質的に平面対角線交差方向に沿っており、
    音響ビームは、前記共振方向に直交する又は鋭角を成す方向に生成される、
    トランスデューサー。
  2. 矩形の又は実質的に矩形の縦モード（longitudinal-mode）の能動素子を備え、その２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極されたトランスデューサーであって、
    前記能動素子を２分の１波長共振モードに設定することで、その共振方向が前記能動素子の電極面の平面対角線交差方向に沿っており又は実質的に平面対角線交差方向に沿っており、
    音響ビームは、方向と直交する縦分極方向に生成される、
    トランスデューサー。
  3. 矩形又は実質的に矩形の能動素子を備え、その２つの対向面が電極化され、これらの電極面と交差する方向に分極されたトランスデューサーであって、
    前記能動素子を２分の１波長共振モード又は４分の１波長共振モードのいずれかに設定することで、その共振方向が前記能動素子の立体対角線交差方向（crossed body-diagonal directions）に沿っており又は実質的に立体対角線交差方向に沿っており、
    音響ビームは、前記共振方向に直交する又は鋭角を成す方向に生成される、
    トランスデューサー。
  4. 前記能動素子は、並列、直列、一部並列又は一部直列の電気構成のうち１つに接続された複数の能動材料からなる、
    請求項１、２又は３に記載のトランスデューサー。
  5. 前記能動素子の角部を、面取りし、角を丸め、又は曲率を有するように成形することで対角線共振（DR）モードを促進している、
    請求項１〜４のいずれかに記載のトランスデューサー。
  6. 前記能動素子の圧電単結晶の組成及びカットが、少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有するものであり、
    d31及びd32は関連する横方向圧電歪み係数であり、またk31及びk32は関連する電気機械結合定数である、
    請求項１〜５のいずれかに記載のトランスデューサー。
  7. 前記能動素子は、リラクサーを主成分とする強誘電体又は圧電単結晶のカットであって、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3、Pb(Yb1/2Nb1/2)O3、Pb(Lu1/2Nb1/2)O3、Pb(Mn1/2Nb1/2)O3、PbZrO3及びPbTiO3のうちの１つ又は複数の二元系、三元系、及びさらに多元系の固溶体に、それらの改質及び／又はドープによる誘導体を含めたもの、からなる、
    請求項６に記載のトランスデューサー。
  8. 前記能動素子は[1-10]1×[110]2×[001]3カットの[001]3分極単結晶からなり、[001]3は縦方向であり、[1-10]1及び[110]2は側方又は横方向である２つの方向である、
    請求項６に記載のトランスデューサー。
  9. 前記能動素子は、表面に粗さのある（textured）多結晶セラミックスの組成物からなり、これが少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有し、
    d31及びd32は関連する横方向圧電歪み係数であり、k31及びk3は関連する電気機械結合定数である、
    請求項１〜５のいずれかに記載のトランスデューサー。
  10. 前記能動素子は、改質された圧電単結晶又は表面に粗さのある多結晶圧電セラミックスの組成物からなり、これが少なくとも１つの横方向にd31（又はd32）≧400 pC/N及びk31（又はk32）≧0.60の横方向圧電特性を有し、
    d31及びd32は関連する横方向圧電歪み係数であり、k31及びk3は関連する電気機械結合定数である、
    請求項１〜５のいずれかに記載のトランスデューサー。
  11. 能動材料の間に結合された中間マスをさらに有する、請求項１〜１０のいずれかに記載のトランスデューサー。
  12. 前記能動素子の音波放出面に対向する面に結合されたテールマスをさらに有する、請求項１〜１１のいずれかに記載のトランスデューサー。
  13. 前記トランスデューサーが直接駆動であり、ピストンを持たない設計とされている、請求項１〜１２のいずれかに記載のトランスデューサー。
  14. 剛性のある又は可撓性のあるヘッドマスをさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載のトランスデューサー。
  15. 前記能動素子の音波放出面に取り付けられた少なくとも１つの整合層をさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のトランスデューサー。
  16. 所望の用途に合わせて、整合層上に設けられた少なくとも１つのレンズ層をさらに含む、請求項１５に記載のトランスデューサー。
  17. モードの組み合わせにて又は多重共振モードで動作する、請求項１、２又は３に記載のトランスデューサー。
  18. 結合モードで動作する、請求項１、２又は３に記載のトランスデューサー。
  19. 音／超音波の発生、送信及び受信の少なくとも１つに使用される、請求項１〜１８のいずれかに記載のトランスデューサー。
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