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
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Abstract
Description
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)。
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。
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。
及び
)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。
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、
で求められる。ここで、
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
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。
Claims (19)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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