JP2559144B2 - 整合部材及びその形成方法 - Google Patents
整合部材及びその形成方法Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices
-
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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- H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
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- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明はトランスジューサ、特に、トランスジューサ
用の音響整合部材に関する。
用の音響整合部材に関する。
気体中の超音波信号を100KHZ〜1MHZまたはそれ以上の
周波数範囲で送受信することにより都合良く実施される
数多くの有用な測定用途が存在している。これらの高周
波数においては、より低周波数（例えば、オーディオ周
波数）で用いられる音響トランスジューサの通常の構造
は全体の寸法が極めて小さくなるので実際的でない。
周波数範囲で送受信することにより都合良く実施される
数多くの有用な測定用途が存在している。これらの高周
波数においては、より低周波数（例えば、オーディオ周
波数）で用いられる音響トランスジューサの通常の構造
は全体の寸法が極めて小さくなるので実際的でない。
高周波数超音波トランスジューサを作製する通常の方
法は、所定の周波数で共鳴する選択された圧電セラミッ
ク片（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛即ちPZT）を用い
ることである。PZTは高音響インピーデンス（MKS単位で
約３×107）の硬質濃密材料であるが、一方、気体は極
めて低い音響インピーダンス（同単位で400程度）を有
する。PZTは、共鳴作用によって幾分改良されたとして
も、その大きい音響不整合故に、それ自体、極めて貧弱
な電気音響効果を与える。
法は、所定の周波数で共鳴する選択された圧電セラミッ
ク片（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛即ちPZT）を用い
ることである。PZTは高音響インピーデンス（MKS単位で
約３×107）の硬質濃密材料であるが、一方、気体は極
めて低い音響インピーダンス（同単位で400程度）を有
する。PZTは、共鳴作用によって幾分改良されたとして
も、その大きい音響不整合故に、それ自体、極めて貧弱
な電気音響効果を与える。
典型的には、圧電セラミック素子は円筒体であり、そ
の環状末端面はこれら面に適用された各電極の電気的刺
激に応答してピストン状に動く。気体に対しての上記の
音響的不整合を低減させる通常の方法はPZTディスクの
使用操作面に音響整合層を施すことである。この層は比
較的低音響インピーダンスの材料であり、その厚さは選
定された操作周波数での該材料の音響波長の1/4であ
る。この寸法は共鳴作用をもたらし、それによって（送
信において）PZT円筒体の面で得られた小さい動きを著
しく増幅させ、受け入れ可能な（まだ依然として高いけ
れども）効率が得られる。音響−電気変換（即ち、受
信）の特徴は、電気−音響変換（即ち、送信）における
のと同じであり、同じトランスジューサを両方において
使用できる。
の環状末端面はこれら面に適用された各電極の電気的刺
激に応答してピストン状に動く。気体に対しての上記の
音響的不整合を低減させる通常の方法はPZTディスクの
使用操作面に音響整合層を施すことである。この層は比
較的低音響インピーダンスの材料であり、その厚さは選
定された操作周波数での該材料の音響波長の1/4であ
る。この寸法は共鳴作用をもたらし、それによって（送
信において）PZT円筒体の面で得られた小さい動きを著
しく増幅させ、受け入れ可能な（まだ依然として高いけ
れども）効率が得られる。音響−電気変換（即ち、受
信）の特徴は、電気−音響変換（即ち、送信）における
のと同じであり、同じトランスジューサを両方において
使用できる。
この方法により得ることのできる効率は入手できる材
料の特性によって完全に制限される。理想的な材料は10
5程の音響インピーダンスおよび極めて低い内部減損を
有すべきであり、また、安定で繰返し使用可能でありか
つ使用において実際的でなければならない。これらの基
準のすべてを満す公知の材料はこれまでのところ存在し
ていない。幾つかの上記の理想条件に近似する通常のも
のは次のとおりである： 1.シリコーンエラストマー。この類別の材料は普通に用
いられており、多くの用途において有用な性能を与え
る。音響減損は低い。約７×105まで低下する音響イン
ピーダンスを得ることができる。これらの材料における
著しい欠点は温度による音波長の大きい変化（典型的に
は0.3％/k）である。この因子は正確な共鳴整合を得る
操作温度範囲を制限する。
料の特性によって完全に制限される。理想的な材料は10
5程の音響インピーダンスおよび極めて低い内部減損を
有すべきであり、また、安定で繰返し使用可能でありか
つ使用において実際的でなければならない。これらの基
準のすべてを満す公知の材料はこれまでのところ存在し
ていない。幾つかの上記の理想条件に近似する通常のも
のは次のとおりである： 1.シリコーンエラストマー。この類別の材料は普通に用
いられており、多くの用途において有用な性能を与え
る。音響減損は低い。約７×105まで低下する音響イン
ピーダンスを得ることができる。これらの材料における
著しい欠点は温度による音波長の大きい変化（典型的に
は0.3％/k）である。この因子は正確な共鳴整合を得る
操作温度範囲を制限する。
2.一般的に、ポリマー類。多くのポリマーは有用な性質
を与える。音響インピーダンスはシリコーンにおけるよ
りも高い（1.5×106まで低下）が、かくして全体的効率
は低いが適度に安定な材料を見い出し得る。
を与える。音響インピーダンスはシリコーンにおけるよ
りも高い（1.5×106まで低下）が、かくして全体的効率
は低いが適度に安定な材料を見い出し得る。
3.液体および気体類。文献における例は複数音響整合層
の実験的使用を見い出し得る。液体は極めて低い減損と
約106まで低下する音響インピーダンスとを一般に有す
る。気体は圧縮した場合、その音響インピーダンスは圧
縮比によって直接上昇し、一定支配容量の液体また高圧
縮濃密ガスは音響整合層として使用できる。そのような
方法は商業的用途には実際的でない。
の実験的使用を見い出し得る。液体は極めて低い減損と
約106まで低下する音響インピーダンスとを一般に有す
る。気体は圧縮した場合、その音響インピーダンスは圧
縮比によって直接上昇し、一定支配容量の液体また高圧
縮濃密ガスは音響整合層として使用できる。そのような
方法は商業的用途には実際的でない。
本発明によれば、第１の局面において、内部に形成さ
れた複数の空隙（気孔）を有する材料を含み、この空隙
材料における音伝播方向の音速が空隙化してない上記材
料の音速よりも実質的に小さいことを特徴とするトラン
スジューサ用の音響整合部材が提供される。
れた複数の空隙（気孔）を有する材料を含み、この空隙
材料における音伝播方向の音速が空隙化してない上記材
料の音速よりも実質的に小さいことを特徴とするトラン
スジューサ用の音響整合部材が提供される。
本発明によれば、第２の局面において、トランスジュ
ーサ用の音響整合部材を複数の空隙を導入した材料から
形成させる工程を含みそれによってこの空隙材料中の音
速が材料の音伝幡方向において空隙なしの材料の音速よ
りも実質的に小さいことを特徴とするトランスジューサ
用音響整合部材の形成方法が提供される。
ーサ用の音響整合部材を複数の空隙を導入した材料から
形成させる工程を含みそれによってこの空隙材料中の音
速が材料の音伝幡方向において空隙なしの材料の音速よ
りも実質的に小さいことを特徴とするトランスジューサ
用音響整合部材の形成方法が提供される。
そのような空隙は、好ましくは、中空マイクロスフィ
ア（徴小球）を加熱下に圧縮して“通気型”材料構造体
を形成させるかあるいは気体を含有する溶融材料を発泡
させることによって形成する。
ア（徴小球）を加熱下に圧縮して“通気型”材料構造体
を形成させるかあるいは気体を含有する溶融材料を発泡
させることによって形成する。
以下、本発明の１つの実施態様を、例示としての、整
合層（３）を固着させた電気的接続線（２）を有するPZ
T円筒体（１）を示す添付図面に関連して説明する。音
発出方向は矢印（４）で示す。
合層（３）を固着させた電気的接続線（２）を有するPZ
T円筒体（１）を示す添付図面に関連して説明する。音
発出方向は矢印（４）で示す。
体積音響インピーダンスは密度と体積音速との積であ
る。また音速は体積弾性率の関数である。これらのパラ
メーターは不適切な材料に人工的に適合させて実質的に
改良された特性を有する材料を創り出すことができる。
好ましい出発材料はＣ−ガラス（ソーダ−石灰−ホウケ
イ酸ガラス）であり、これは安定であり低減損性である
が極めて高い音響インピーダンスを有する。この材料は
また加熱したとき容易に成形でき予想可能な温度による
軟化性を有する。このガラスを極めて高割合の空隙を有
するスポンジ構造体として形成するように処理すること
により、３×105に低下した音響インピーダンスが経験
的に得られている。
る。また音速は体積弾性率の関数である。これらのパラ
メーターは不適切な材料に人工的に適合させて実質的に
改良された特性を有する材料を創り出すことができる。
好ましい出発材料はＣ−ガラス（ソーダ−石灰−ホウケ
イ酸ガラス）であり、これは安定であり低減損性である
が極めて高い音響インピーダンスを有する。この材料は
また加熱したとき容易に成形でき予想可能な温度による
軟化性を有する。このガラスを極めて高割合の空隙を有
するスポンジ構造体として形成するように処理すること
により、３×105に低下した音響インピーダンスが経験
的に得られている。
ガラスはシンタクチックフォームおよび車体充填材の
ような別種の用途で用いられ、例えば、ミネソタ マイ
ニング アンド マニュファクチャリング社により商標
名「3Mガラス発泡体」として製造されているガラス発泡
体（中空マイクロスフィア）の形で容易に入手できる。
ような別種の用途で用いられ、例えば、ミネソタ マイ
ニング アンド マニュファクチャリング社により商標
名「3Mガラス発泡体」として製造されているガラス発泡
体（中空マイクロスフィア）の形で容易に入手できる。
超軽量ガラススポンジ構造体は、上記のガラス発泡体
をモールド中でガラスが転化する温度に加熱し、特定の
容積比で圧縮して、発泡体を一体化することにより容易
に得られる。
をモールド中でガラスが転化する温度に加熱し、特定の
容積比で圧縮して、発泡体を一体化することにより容易
に得られる。
許容できる加工条件は、例えば、約650℃の温度およ
び1.5〜2.5対１の容積比である。適切なモールドによっ
て、PZT円筒体（１）にさらに調整することなく適用で
きる最終片（２）を製造する。
び1.5〜2.5対１の容積比である。適切なモールドによっ
て、PZT円筒体（１）にさらに調整することなく適用で
きる最終片（２）を製造する。
ガラス発泡体と圧縮比の一定の仕分けにおいて、再現
可能な結果が得られる。例えば、0.25g/cm3の出発密度
を有し2:1の容積比で圧縮したガラス発泡体は、空隙化
してないガラスの５〜6000m/sに比較して、約900m/sの
伝幡速度縦体積波の伝幡速度）を有する材料を与える。
これは約14×106の音響インピーダンスを有する空隙化
してないガラス（ρ＝2.5）と比較して4.5×105の音響
インピーダンスを与える。
可能な結果が得られる。例えば、0.25g/cm3の出発密度
を有し2:1の容積比で圧縮したガラス発泡体は、空隙化
してないガラスの５〜6000m/sに比較して、約900m/sの
伝幡速度縦体積波の伝幡速度）を有する材料を与える。
これは約14×106の音響インピーダンスを有する空隙化
してないガラス（ρ＝2.5）と比較して4.5×105の音響
インピーダンスを与える。
得られた空隙材料はまた周囲温度範囲以上の温度によ
る音響波長または体積弾性率の変化を実際に示さない。
る音響波長または体積弾性率の変化を実際に示さない。
上記材料構造体の多くは外表面と連結する気泡（即
ち、“独立気泡でない）間の空隙によって形成されるの
で、材料表面を水分等の侵入に対して密封することが通
常必要である。これは音響性能を大きく損うことなしに
種々の方法で実施できる（例えば、シリコーンエラスト
マーの薄層または低融点ガラスの薄層は満足できるもの
である）。
ち、“独立気泡でない）間の空隙によって形成されるの
で、材料表面を水分等の侵入に対して密封することが通
常必要である。これは音響性能を大きく損うことなしに
種々の方法で実施できる（例えば、シリコーンエラスト
マーの薄層または低融点ガラスの薄層は満足できるもの
である）。
また、上記の好ましい実施態様においては、使用した
材料はＣ−ガラスであり、これは限定的なものではな
く、他のガラスまたは他の非結晶性材料も使用できる。
材料はＣ−ガラスであり、これは限定的なものではな
く、他のガラスまたは他の非結晶性材料も使用できる。
さらにまた、合成プラスチック材料、例えば、プラス
チック樹脂または金属、例えば、アルミニウムまたはチ
タンも使用できる。樹脂においては、冒頭で述べた材料
に対する同様な温度依存効果が生ずるであろうが、本発
明はその材料の音伝幡速度を調整することを可能にする
ものである。さらにまた、例えば、材料を発泡させて必
要な空隙を与えることによるような他の音響整合部材の
形成方法も使用でき、これらの方法は上述のプラスチッ
クおよび金属において特に適用可能である。
チック樹脂または金属、例えば、アルミニウムまたはチ
タンも使用できる。樹脂においては、冒頭で述べた材料
に対する同様な温度依存効果が生ずるであろうが、本発
明はその材料の音伝幡速度を調整することを可能にする
ものである。さらにまた、例えば、材料を発泡させて必
要な空隙を与えることによるような他の音響整合部材の
形成方法も使用でき、これらの方法は上述のプラスチッ
クおよび金属において特に適用可能である。
図面は本発明の音響整合層を用いたPZT円筒体即ちトラ
ンスジューサの１例を示す。 （１）……PZT円筒体、（２）……電気的接続線、
（３）……整合層。
ンスジューサの１例を示す。 （１）……PZT円筒体、（２）……電気的接続線、
（３）……整合層。
Claims (22)
- 【請求項１】圧電素子及び該素子用音響整合部材を含む
トランスジューサであって、該整合部材は中空球体材料
のマトリックスを含み、該マトリックスにおいて隣接す
る中空球体はその接触点で相互に結合されているが、中
空球体間には空隙が存在し、該整合部材の音伝播方向に
おける該空隙化材料内の音速は、空隙化していない上記
材料の音速よりも実質的に小さいことを特徴とするトラ
ンスジューサ。 - 【請求項２】該整合部材の材料が非晶質である請求項１
記載のトランスジューサ - 【請求項３】該材料がガラスである請求項２記載のトラ
ンスジューサ。 - 【請求項４】該ガラスがＣ−ガラスである請求項３記載
のトランスジューサ。 - 【請求項５】該整合部材が前記材料を包囲する水分密封
層を含む前項いずれか１項記載のトランスジューサ。 - 【請求項６】該密封層がシリコーンエラストマーを含む
請求項５記載のトランスジューサ。 - 【請求項７】該密封層がガラス層を含む請求項５記載の
トランスジューサ。 - 【請求項８】中空球体材料のマトリックス中で隣接する
中空球体を、中空球体間に空隙が存在するように、その
接触点で結合して音響整合部材を成形し、該整合部材を
圧電素子に積層することによりトランスジューサを形成
する方法であって、該整合部材の音伝播方向における空
隙化材料内の音速が、空隙化していない上記材料の音速
よりも実質的に小さいことを特徴とする方法。 - 【請求項９】該整合部材の材料が非晶質である請求項８
記載の方法。 - 【請求項１０】該材料がガラスである、請求項９記載の
方法。 - 【請求項１１】該ガラスがＣ−ガラスである、請求項10
記載の方法。 - 【請求項１２】該整合部材の中空球体が、該材料を軟化
する温度に加熱し、軟化した該材料をモールド中で圧縮
することにより相互に結合される、請求項８〜11のいず
れか１項記載の方法。 - 【請求項１３】該材料を、初期対最終容積比1.5〜2.5対
１に圧縮する、請求項12記載の方法。 - 【請求項１４】中空球体材料のマトリックスを含み、該
マトリックスにおいて隣接する中空球体はその接触点で
相互に結合されているが、中空球体間には空隙が存在
し、該整合部材の音伝播方向における該空隙化材料内の
音速は、空隙化していない上記材料の音速よりも実質的
に小さいことを特徴とするトランスジューサ用音響整合
部材であって、該材料がスポンジ状のガラスである上記
音響整合部材。 - 【請求項１５】該ガラスがＣ−ガラスである請求項14記
載のトランスジューサ用音響整合部材。 - 【請求項１６】該整合部材が前記材料を包囲する水分密
封層を含む請求項14または15記載のトランスジューサ用
音響整合部材。 - 【請求項１７】該密封層がシリコーンエラストマーを含
む請求項16記載のトランスジューサ用音響整合部材。 - 【請求項１８】該密封層がガラス層を含む請求項17記載
のトランスジューサ用音響整合部材。 - 【請求項１９】中空球体材料のマトリックス中で隣接す
る中空球体を、中空球体間に空隙が存在するように、そ
の接触点で結合して音響整合部材を成形する方法であっ
て、該整合部材の音伝播方向における空隙化材料内の音
速が、空隙化していない上記材料の音速よりも実質的に
小さいことを特徴とする、該材料がスポンジ状のガラス
である上記方法。 - 【請求項２０】該ガラスがＣ−ガラスである、請求項19
記載の方法。 - 【請求項２１】該整合部材の中空球体が、該材料を軟化
する温度に加熱し、軟化した該材料をモールド中で圧縮
することにより相互に結合される、請求項19または20記
載の方法。 - 【請求項２２】該材料を、初期対最終容積比1.5〜2.5対
１に圧縮する、請求項21記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8822903.4 | 1988-09-29 | ||
| GB8822903A GB2225426B (en) | 1988-09-29 | 1988-09-29 | A transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02177799A JPH02177799A (ja) | 1990-07-10 |
| JP2559144B2 true JP2559144B2 (ja) | 1996-12-04 |
Family
ID=10644471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1255124A Expired - Fee Related JP2559144B2 (ja) | 1988-09-29 | 1989-09-29 | 整合部材及びその形成方法 |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5093810A (ja) |
| EP (1) | EP0361757B1 (ja) |
| JP (1) | JP2559144B2 (ja) |
| KR (1) | KR930010299B1 (ja) |
| AT (1) | ATE118917T1 (ja) |
| AU (1) | AU607085B2 (ja) |
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