JP3224928U - 超音波トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【課題】帯域幅を増加させるとともに、耐応力性にすぐれる超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】超音波トランスデューサは、相対する第一表面１０２ａと第二表面１０２ｂを有する載置体１０２、載置体の第一表面に貼り合せられる圧電体１０４、相対する第三表面１０８ａと第四表面１０８ｂを有する第一音響インピーダンス整合層１０８であって、第三表面は載置体の第二表面に貼り合せられ、中には開口を有するメッシュシートが含まれ、厚さが超音波トランスデューサの動作周波数の第一音響インピーダンス整合層中での波長の１／４より小さく、メッシュシートの開口総面積は第一音響インピーダンス整合層の第三表面の面積の３０％より大きい、第一音響インピーダンス整合層、及び第一音響インピーダンス整合層の第四表面に設けられる第二音響インピーダンス整合層１１０を含む。【選択図】図１
Description
本考案は、超音波トランスデューサに関し、特に、２つの音響インピーダンス整合層を含む超音波トランスデューサに関し、そのうちの１つの音響インピーダンス整合層がメッシュシートを含む。
超音波トランスデューサ(ultrasonic transducer)は、短距離の物体検出のために用いることができ、それは、その発した超音波が物体に到達した後に反射されて来た時間差により、超音波トランスデューサと検出待ち物体との間の距離を計算することができる。超音波検出について言えば、検出待ち物体の類型及び性質は、多くの制限を受けることがなく、各種の表面色、透明度及び硬度を含む固体、液体、粉体などは、超音波トランスデューサを用いて検出することができる。よって、今のところ、超音波トランスデューサは、駐車センサー(parking sensor)、レベルセンサー(level sensor)、マルチシート検出(multiple sheet detection)、流量計(flow meter)などの分野に幅広く応用されている。
超音波トランスデューサの主な構成素子は、圧電セラミックス(piezoceramics)であり、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate，PZT)材料で制作されるセラミックスシートであり、その両面には、導電層が塗布されることがある。作動中、高周波数の交流電気信号が印加されることにより、圧電セラミックスに高周波数振動を生じさせることができ、該高周波数振動は、一種の音波であり、この音波の周波数が超音波範囲にあれば、超音波振動である。しかし、生成される超音波を圧電セラミックスから空気に伝搬させるために、圧電セラミックスの音響インピーダンス(acoustic impedance)は、空気の音響インピーダンスと整合しなければならない。
音響インピーダンス(Z)＝材料密度(ρ)＊超音波伝搬速度(C)であり、圧電セラミックスの音響インピーダンスが約30-35MRayl（106Kg/m2・s）であり、空気の音響インピーダンスが約430Rayl（Kg/m2・s）であり、圧電セラミックスの音響インピーダンスと空気の音響インピーダンスとの間に非常に大きい差があるため、圧電セラミックスにより生成される超音波エネルギーが空気に伝搬することができないので、音響インピーダンス整合層(matching layer)は、超音波トランスデューサに必要な部品になり、それは、圧電セラミックスと空気との間に設置され、両者の音響インピーダンスが整合するようにさせることで、超音波を空気に有効に伝搬させることができる。空気トランスデューサ(air transducer)に用いられる整合層の音響インピーダンスについて言えば、その最も理想的な値は、(35M*430)1/2Raylであり、即ち、約0.12MRaylである。しかし、自然界では、音響インピーダンスが1MRaylよりも小さく、且つ使用に適応する材料を見つけることが困難であり、この分野で一般に用いられる整合層材料は、高分子樹脂と中空のガラス球とが混合されて成す複合材料であり、これにより、比較的低い音響インピーダンス特性を達成することができるとともに、比較的良い耐候性及び信頼度を持つこともできる。
比較的広い広帯域幅(broad bandwidth)を有する超音波トランスデューサを得るために、本考案の目的は、新規な超音波トランスデューサを提供することにあり、それは、２つの音響インピーダンス整合層及びメッシュシートの構造設計を有し、超音波トランスデューサの帯域幅を有効に増加させることができるだけでなく、応力による信頼性喪失の問題を解決することもできる。
本考案の一側面によれば、超音波トランスデューサが提供され、それは、
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
前記載置体の前記第一表面に貼り合わせられる圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記載置体の前記第二表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記第一音響インピーダンス整合層の厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に設置される第二音響インピーダンス整合層を含む。
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
前記載置体の前記第一表面に貼り合わせられる圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記載置体の前記第二表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記第一音響インピーダンス整合層の厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に設置される第二音響インピーダンス整合層を含む。
また、本考案の他の側面によれば、超音波トランスデューサが提供され、それは、
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記圧電体の表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
相対する第五表面及び第六表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第五表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に貼り合わせられ、前記第六表面は、前記載置体の前記第一表面に貼り合わせられる、第二音響インピーダンス整合層を含む。
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記圧電体の表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
相対する第五表面及び第六表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第五表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に貼り合わせられ、前記第六表面は、前記載置体の前記第一表面に貼り合わせられる、第二音響インピーダンス整合層を含む。
また、本考案の他の側面によれば、超音波トランスデューサが提供され、それは、
圧電体；
相対する第一表面及び第二表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第一表面は、前記圧電体の表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第一表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；
相対する第三表面及び第四表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第二表面に貼り合わせられる、第二音響インピーダンス整合層；
前記圧電体及び／又は前記第一音響インピーダンス整合層及び／又は前記第二音響インピーダンス整合層を包み覆う制振体；及び
相対する内表面と外表面、及び相対する第一開口と第二開口を有する載置体であって、前記載置体の前記内表面は、前記制振体を取り囲み且つ前記制振体に貼り合わせられ、前記第二音響インピーダンス整合層の前記第四表面は、前記載置体の前記第一開口から露出する、載置体を含む。
圧電体；
相対する第一表面及び第二表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第一表面は、前記圧電体の表面に貼り合わせられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第一表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；
相対する第三表面及び第四表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第二表面に貼り合わせられる、第二音響インピーダンス整合層；
前記圧電体及び／又は前記第一音響インピーダンス整合層及び／又は前記第二音響インピーダンス整合層を包み覆う制振体；及び
相対する内表面と外表面、及び相対する第一開口と第二開口を有する載置体であって、前記載置体の前記内表面は、前記制振体を取り囲み且つ前記制振体に貼り合わせられ、前記第二音響インピーダンス整合層の前記第四表面は、前記載置体の前記第一開口から露出する、載置体を含む。
以下、添付した図面を参照しながら、本考案を実施するための好適な形態を詳細に説明する。
まず、図1を参照する。それは、本考案の実施例における超音波トランスデューサ100の一実施態様の断面図である。この実施例では、超音波トランスデューサ100は、桶状の載置体102を含み、それは、相対する第一表面102a及び第二表面102bを有する。超音波トランスデューサ100は、圧電体104をさらに含み、それは、載置体102の第一表面102aに貼り合せられ、且つそれに直接接触し、圧電体104の導電層には、導線106が接続され（或いは、それに直接接触する載置体102により接続される）、導線106は、例えば、フレキシブルプリント回路導線であり、外部の高周波数の交流電気信号を圧電体104に電気接続することで、それに高周波数振動を生成させ、超音波を発するようにさせることができる。圧電体104は、中実の方形、多辺形又は円形の圧電材料を含んでも良く、或いは、複数層のセラミックスにより制作される圧電材料であり、或いは、溝を有する圧電材料である。これらの圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(ZrTi)O3)、チタン酸鉛(PbTiO3)などの鉛含有圧電材料、或いは、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ニオブ酸カリウムナトリウム((NaK)NbO3)などの鉛フリー圧電材料を含んでも良く、その音響インピーダンスは、約30-35MRaylであり、空気の音響インピーダンス430Raylよりも遥かに大きいので、音響インピーダンス整合層を設置して両者の音響インピーダンスを整合させる必要がある。
再び図1を参照する。超音波トランスデューサ100は、第一音響インピーダンス整合層108をさらに含み、それは、相対する第三表面108a及び第四表面108bを有し、そのうち、第三表面108aは、前記載置体の第二表面102bに貼り合せられ、且つそれに直接接触する。超音波トランスデューサ100は、第二音響インピーダンス整合層110をさらに含み、それは、第一音響インピーダンス整合層108の第四表面108bに設置される。なお、本考案の実施例では、第一音響インピーダンス整合層108の特徴は、その内部に、開口を有するメッシュシート(mesh sheet)が含まれることにあり、該メッシュシートの機能は、第一音響インピーダンス整合層108の厚さを正確に制御することで、良好な音響インピーダンス整合効果を得ることにある。なお、メッシュシートの細部の特徴については、後続の実施例及び図面において説明する。
実際の制作にあたって、メッシュシートは、まず、第一音響インピーダンス整合層108を形成しようする表面、例えば、載置体102の第二表面102bに置かれる。その後、第一音響インピーダンス整合層108の材料をメッシュシート及び載置体102の第二表面102bに均一に塗布することで、該材料は、メッシュシートとともに第一音響インピーダンス整合層108を構成することができる。メッシュシートの材質（材料）は、次のグループ、即ち、銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンから選択される１つ又は複数の金属材料の組み合わせを含んでも良いが、これに限定されず、或いは、次のグループ、即ち、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ナイロン(Nylon)、炭素繊維(carbon fiber)、及びグラス繊維(glass fiber)から選択される非金属材料である。第一音響インピーダンス整合層108の材料は、有機高分子材料、或いは、有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料であっても良い。例えば、該有機高分子材料は、エポキシ(Epoxy)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、UV硬化接着剤（UV接着剤）、ポリウレタン(polyurethane)、又はアクリル樹脂(acrylic resin)を含む。中空又は中実の粉体は、中空ガラス球粒子又は中実ガラス球粒子であっても良く、それは、充填物として前記有機高分子材料に均一に分散することで、第一音響インピーダンス整合層108全体の密度を調整することができる。中空ガラス球粒子の密度は、0.1g/cm3〜0.6g/cm3の間にある。音響インピーダンスが材料の密度に正比例するから、第一音響インピーダンス整合層108の密度が低いほど、得られる音響インピーダンスが低く、音響インピーダンス整合の効果を達成しやすい。有機高分子材料に異なる体積比のガラス球粒子を添加して混合、脱泡、固化などの処理を行うことで、異なる密度の第一音響インピーダンス整合層108を制作することができる。
メッシュシートが存在しているから、後続の制作では、第二音響インピーダンス整合層110が第一音響インピーダンス整合層108の材料に圧合されるときに、第一音響インピーダンス整合層108の材料は、接着剤として用いられ、第二音響インピーダンス整合層110を載置体102に緊密に接着・固定することができ、また、その内部のメッシュシートは、支持する役割を果たすことができ、これにより、圧合後の第一音響インピーダンス整合層108厚さがメッシュシートの厚さに等しくなるようにさせ、音響インピーダンス整合層の厚さを制御する効果を達成することができる。本考案の実施例では、第一音響インピーダンス整合層108の厚さは、圧電セラミックス101が発した超音波の、第一音響インピーダンス整合層108における波長の1/4よりも小さくなる必要があり、このようにして、最適な超音波伝搬効果を実現することができる。また、第一音響インピーダンス整合層108の熱膨張係数が載置体102の熱膨張係数よりも遥かに大きい可能性があるから、このときに、第一音響インピーダンス整合層108中の該メッシュシートは、さらに、整合層に生じた応力を吸収する効果を有するため、装置の信頼度が応力によって喪失してしまうことを防止することができる。
再び図1を参照する。前述のように、第二音響インピーダンス整合層110は、第一音響インピーダンス整合層108により載置体102に緊密に接着・固定することで、２層(dual-layered)の音響インピーダンス整合層構造を形成することができる。２層の音響インピーダンス整合層の利点は、超音波トランスデューサの帯域幅を顕著に増加させることができることにある。本考案の実施例では、第二音響インピーダンス整合層110の材料は、有機高分子材料、或いは、有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料であっても良く、該有機高分子材料は、エポキシ(epoxy)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、ポリウレタン(polyurethane)、アクリル樹脂(acrylic resin)、又はシアン酸エステル樹脂(cyanate ester resin)を含む。中空又は中実の粉体は、中空ガラス球粒子又は中実ガラス球粒子であっても良く、それは、充填物として前記有機高分子材料に均一に分散することで、第二音響インピーダンス整合層110全体の密度を調整することができる。中空ガラス球粒子の密度は、0.1g/cm3〜0.6g/cm3の間にある。音響インピーダンスが材料の密度に正比例するから、第二音響インピーダンス整合層110の密度が低いほど、得られた音響インピーダンスが低く、音響インピーダンス整合の効果を達成しやすい。有機高分子材料に異なる体積比のガラス球粒子を添加して混合、脱泡及び固化などの処理を行うことで、異なる密度の第二音響インピーダンス整合層110を制作することができる。
続いて、図2を参照する。上述の部品の他に、本考案による超音波トランスデューサ100は、制振構造をさらに含む。図2に示すように、第一制振体112は、桶状の載置体102の桶内に設置され、第一制振体112は、桶状の載置体102と圧電体104との間の空間に設置され、且つ圧電体104を包み覆うことができ、これにより、圧電体104が作動時に高周波数で振動するときに、第一制振体112は、有効に制振することができ、これにより、超音波トランスデューサのリンギング(ringing)を減少させることができる。また、第一制振体112及び桶状の載置体102を包み覆う第二制振体114をさらに設置することで、さらなる制振効果を提供することができる。図に示すように、第二制振体114は、側壁及び側翼の部分を含む桶状の載置体102全体を包み覆うことができ、第二音響インピーダンス整合層110の伝導面は、第二制振体114から露出することができ。また、第二制振体114は、導線106を固定する効果も有する。本実施例では、第一制振体108と第二制振体110との制振係数が異なり、これにより、２種類の異なる形態及び設置方式の制振体は、高周波数で振動しながら作動する圧電体104をより有効に静止状態に迅速に復帰させ、その作動をより便利にさせることができる。
次に、図3を参照する。本考案では、圧電体104には、溝104aがあっても良く、溝104aは、圧電体全体の音響インピーダンスの減少を助けることができる。
続いて、図4を参照する。それは、本考案の実施例における超音波トランスデューサの他の実施態様の断面図である。図1-3の実施例では、圧電体及び音響インピーダンス整合層は、桶状外形の載置体に設けられるが、本実施例では、圧電体及び音響インピーダンス整合層は、平板載置体の表面に設置される。図に示すように、超音波トランスデューサ200は、平板載置体202を含み、それは、相対する第一表面202a及び第二表面202bを有する。超音波トランスデューサ200は、さらに圧電体204を含み、それは、平板載置体202の第一表面202aに貼り合せられ、且つそれに直接接触する。超音波トランスデューサ200は、さらに第一音響インピーダンス整合層208を含み、それは、相対する第三表面208a及び第四表面208bを有し、そのうち、第三表面208aは、平板載置体202の第二表面202bに貼り合せられ、且つそれに直接接触する。超音波トランスデューサ200は、さらに第二音響インピーダンス整合層210を含み、それは、第一音響インピーダンス整合層208の第四表面208bに設置される。なお、超音波トランスデューサ200の他の細部の特徴については、図1に示す超音波トランスデューサ100と同じであるから、ここでは、その詳しい説明を省略する。
次に、図5を参照する。上述の部品の他に、本考案による超音波トランスデューサ200は、さらに制振構造を含んでも良い。図5に示すように、制振体212は、圧電体204及び平板載置体202全体を包み覆い、第二音響インピーダンス整合層210の伝導面は、制振体212に露出することができる。制振体212は、有効に制振することができ、これにより、超音波トランスデューサのリンギング(ringing)を減少させることができる。また、制振体212は、導線206を固定する効果も有する。
上述の図1-5に示す実施例は、本超音波トランスデューサ考案の基本態様であり、その圧電体及び音響インピーダンス整合層は、それぞれ、桶状の載置体102の桶内及び桶外に設置され、或いは、それぞれ、平板載置体202の両側に設けられる。以下、図6を参照する。それは、本考案の実施例における超音波トランスデューサの他の実施態様の断面図である。この実施例における超音波トランスデューサの基本構造は、図1に示す実施例とほぼ同じであるが、両者の相違点は、圧電体及び音響インピーダンス整合層がすべて桶状の載置体の桶内に設置されることにある。
図6に示すように、超音波トランスデューサ300は、相対する第一表面302aと第二表面302bとを有する桶状の載置体302、及び圧電体304を含む。超音波トランスデューサ300は、さらに第一音響インピーダンス整合層308を含み、それは、相対する第三表面308a及び第四表面308bを有し、そのうち、該第三表面308aは、圧電体304の表面に貼り合せられ、且つそれに直接接触し、圧電体304の反対側の表面の導電層には、導線306、例えば、フレキシブルプリント回路導線が接続され、これにより、外部の高周波数の交流電気信号を圧電体304に電気接続することで、それに高周波数振動を生じさせ、超音波を発するようにさせることができる。
再び図6を参照する。超音波トランスデューサ300は、さらに第二音響インピーダンス整合層310を含み、それは、相対する第五表面310a及び第六表面310bを有する、そのうち、該第五表面310aは、第一音響インピーダンス整合層308の第四表面308bに貼り合せられ、且つそれに直接接触し、該第六表面310bは、桶状の載置体302の第一表面302aに貼り合せられる。なお、本考案の実施例では、第一音響インピーダンス整合層304の内部には、同様にメッシュシート構造があり、それは、第一音響インピーダンス整合層304の厚さを正確に制御することで、良好な音響インピーダンス整合効果を得ることができる。なお、該メッシュシートの細部の特徴については、後続の実施例及び図面において説明する。超音波トランスデューサ300は、同様に制振構造を有する。図に示すように、制振体312は、桶状の載置体302の桶内に設置され、制振体312は、桶状の載置体302と圧電体304との間の空間に設けられ、且つ圧電体304を包み覆うことで、圧電体304が作動時に高周波数で振動するときに、制振体312は、有効に制振することができ、これにより、超音波トランスデューサのリンギング(ringing)を減少させることができる。また、制振体312は、導線306を固定する効果も有する。
図1の実施例とは異なり、上述の実施例における音響インピーダンス整合層308、310は、圧電体301とともに桶状の載置体302の桶内に設置されるのであり、このような設計は、図1の設計に比べて、外部の環境が厳しい場合に特に適するので、音響インピーダンス整合層が損傷を受けることを有効に防止することができる。
続いて、図7を参照する。それは、本考案の実施例における超音波トランスデューサの他の実施態様である。前述の実施例における桶状の載置体302は、組み合わせ方式で制作することもできる。図に示すように、まず、圧電体304、第一音響インピーダンス整合層308、及び第二音響インピーダンス整合層310の組み合わせ構造を平板載置体316に貼り合せ、そして、該平板載置体316の周囲に管状又は枠状の外殻318を取り付けても良い。このようにして、平板載置体316及び外殻318は、共同で前述の桶状の載置体302を構成することができる。その後、桶状の載置体302の桶内に制振材料を設けて制振体312を形成することで、超音波トランスデューサ300の制作を完成することができる。図6における単体型の桶状の載置体302に比べて、この実施例の利点は、制作が便利であり、且つその外形がカスタマイズ化されやすいことにある。
最後に、図8を参照する。それは、本考案の実施例における超音波トランスデューサの他の実施態様である。図8の実施例は、図7の実施例とほぼ同様であるが、両者の相違点は、図8における載置体302が管状又は枠状の外殻318のみを有し、載置体の平板部(即ち、316)が除去され、圧電体304、第一音響インピーダンス整合層308、及び第二音響インピーダンス整合層310の組み合わせ構造全体が制振体312により外殻318に固定されることにある。図に示すように、外殻318は、相対する内表面318aと外表面318b、及び相対する第一開口318cと第二開口318dを有し、そのうち、該内表面318aは、制振体312を取り囲み、且つそれに貼り付けられ、また、平板部が除去されるから、第二音響インピーダンス整合層310の第四表面310bは、外殻318の第一開口318cから露出することができる。
ここで、図9-11を参照する。これらの図に基づいて、本考案の実施例における第一音響インピーダンス整合層の内部に位置するメッシュシートの細部の特徴を説明する。図9では、メッシュシート120は、織網構造であり、そのうち、縦横向きの複数の線材は、交織の方式でメッシュシート120を構成することで、複数の開口120aを有するようになる。本考案の実施例では、これらの開口120aの総面積は、その所在する第一音響インピーダンス整合層の表面の面積の30%よりも大きく、これにより、超音波の伝搬を邪魔することがない。また、前述のように、該線材の材質（材料）は、次のグループ、即ち、銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンから選択される１つ又は複数の金属材料の組み合わせを含んでも良く、或いは、次のグループ、即ち、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ナイロン(Nylon)、炭素繊維(carbon fiber)、及びガラス繊維(glass fiber)から選択される非金属材質（材料）であっても良い。
図10では、図9に示す織網構造とは異なり、メッシュシート120は、拡張網構造であり、その開口120aは、菱形である。同様に、これらの開口120aの総面積は、その所在する第一音響インピーダンス整合層の表面の面積の30%よりも大きく、これにより、超音波の伝搬を邪魔することがない。
また、図11を参照する。前述の織網構造及び拡張網構造のメッシュシート120の態様の他に、実際の製品のニーズに応じて、本考案における第一音響インピーダンス整合層に位置するシート120は、さらに他の異なる形態を有しても良い。図11に示すように、該シート120の形状は、さらに、シングルリング状、マルチリング状、螺旋状、線状などであっても良い。本考案では、シート120のキーポイントは、固定した厚さを有し、且つその開口の総面積が音響インピーダンス整合層の表面の面積の30%よりも大きいことにある。
上述の各実施例により制作される本考案の超音波トランスデューサは、その音響インピーダンス整合層の中にはメッシュシートがあり、これにより、音響インピーダンス整合層の厚さを正確に制御して良好な音響インピーダンス整合効果を得ることができる。また、該メッシュシートは、整合層に生じる応力の吸収を助けすることができるため、装置の耐候性及び信頼度を向上させることができる。さらに、２つの音響インピーダンス整合層の構造設計は、超音波トランスデューサの帯域幅を顕著に増加させることもできる。よって、本考案による超音波トランスデューサは、新規性及び実用性を兼備するものである。
以上、本考案の好ましい実施形態を説明したが、本考案はこの実施形態に限定されず、本考案の趣旨を離脱しない限り、本考案に対するあらゆる変更は本考案の技術的範囲に属する。
100 超音波トランスデューサ
102 載置体
102a 第一表面
102b 第二表面
104 圧電体
104a 溝
106 導線
108 第一音響インピーダンス整合層
108a 第三表面
108b 第四表面
110 第二音響インピーダンス整合層
112 第一制振体
114 第二制振体
120 シート
120a 開口
200 超音波トランスデューサ
202 載置体
202a 第一表面
202b 第二表面
204 圧電体
206 導線
208 第一音響インピーダンス整合層
208a 第三表面
208b 第四表面
210 第二音響インピーダンス整合層
212 制振体
300 超音波トランスデューサ
302 載置体
302a 第一表面
302b 第二表面
304 圧電体
306 導線
308 第一音響インピーダンス整合層
308a 第三表面
308b 第四表面
310 第二音響インピーダンス整合層
310a 第五表面
310b 第六表面
312 制振体
316 載置体
318 外殻
318a 内表面
318b 外表面
318c 第一開口
318d 第二開口
102 載置体
102a 第一表面
102b 第二表面
104 圧電体
104a 溝
106 導線
108 第一音響インピーダンス整合層
108a 第三表面
108b 第四表面
110 第二音響インピーダンス整合層
112 第一制振体
114 第二制振体
120 シート
120a 開口
200 超音波トランスデューサ
202 載置体
202a 第一表面
202b 第二表面
204 圧電体
206 導線
208 第一音響インピーダンス整合層
208a 第三表面
208b 第四表面
210 第二音響インピーダンス整合層
212 制振体
300 超音波トランスデューサ
302 載置体
302a 第一表面
302b 第二表面
304 圧電体
306 導線
308 第一音響インピーダンス整合層
308a 第三表面
308b 第四表面
310 第二音響インピーダンス整合層
310a 第五表面
310b 第六表面
312 制振体
316 載置体
318 外殻
318a 内表面
318b 外表面
318c 第一開口
318d 第二開口
Claims (20)
- 超音波トランスデューサであって、
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
前記載置体の前記第一表面に貼り合せられる圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記載置体の前記第二表面に貼り合せられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記第一音響インピーダンス整合層の厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に設置される第二音響インピーダンス整合層を含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記載置体は、桶状の載置体であり、前記圧電体は、前記桶状の載置体の桶内に設置され、前記第一音響インピーダンス整合層及び前記第二音響インピーダンス整合層は、前記桶状の載置体の桶外に設置される、超音波トランスデューサ。 - 請求項2に記載の超音波トランスデューサであって、
前記桶状の載置体の桶内に設置され、前記圧電体を包み覆う第一制振体；及び
前記第一制振体及び前記桶状の載置体を包み覆う第二制振体をさらに含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記載置体は、平板載置体である、超音波トランスデューサ。 - 請求項4に記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧電体及び前記平板載置体を包み覆う第一制振体をさらに含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記メッシュシートは、網状、シングルリンク状、マルチリング状、螺旋状、或線状である、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記メッシュシートの材料は、
銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンからなるグループより選択される１つ又は複数の金属材料を含み；又は
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ナイロン(Nylon)、炭素繊維(carbon fiber)、及びガラス繊維(glass fiber)からなるグループより選択される非金属材料である、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記第一音響インピーダンス整合層は、
前記メッシュシート；及び
有機高分子材料、或いは、有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料を含み、
前記有機高分子材料は、エポキシ(Epoxy)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、UV硬化接着剤（UV接着材）、ポリウレタン(polyurethane)、又はアクリル樹脂(acrylic resin)を含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記第二音響インピーダンス整合層は、
有機高分子材料；又は
有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料を含み、
前記有機高分子材料は、エポキシ(epoxy)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、ポリウレタン(polyurethane)、アクリル樹脂(acrylic resin)、又はシアン酸エステル樹脂(cyanate ester resin)を含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧電体は、中実の方形、多辺形又は円形の圧電材料を含み、或いは、複数層のセラミックスによる圧電材料であり、或いは、溝を有する圧電材料である、超音波トランスデューサ。 - 超音波トランスデューサであって、
相対する第一表面及び第二表面を有する載置体；
圧電体；
相対する第三表面及び第四表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記圧電体の表面に貼り合せられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第三表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；及び
相対する第五表面及び第六表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第五表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第四表面に貼り合せられ、前記第六表面は、前記載置体の前記第一表面に貼り合せられる、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記載置体は、桶状の載置体であり、前記圧電体、前記第一音響インピーダンス整合層、及び前記第二音響インピーダンス整合層は、前記桶状の載置体の桶内に設置される、超音波トランスデューサ。 - 請求項12に記載の超音波トランスデューサであって、
前記桶状の載置体の桶内に設置され、前記圧電体及び／又は前記第一音響インピーダンス整合層及び／又は前記第二音響インピーダンス整合層を包み覆う第一制振体をさらに含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記載置体は、平板載置体である、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記メッシュシートは、網状、シングルリング状、マルチリング状、螺旋状、或線状である、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記メッシュシートの材料は、
銅、鉄、ニッケル、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンからなるグループより選択される１つ又は複数の金属材料を含み；又は
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ナイロン(Nylon)、炭素繊維(carbon fiber)、及びガラス繊維(glass fiber)からなるグループより選択される非金属材料である、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記第一音響インピーダンス整合層は、
前記メッシュシート；及び
有機高分子材料、或いは、有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料を含み、
前記有機高分子材料は、エポキシ(Epoxy)、フェノール樹脂(phenolic resin)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、UV硬化接着剤（UV接着材）、ポリウレタン(polyurethane)、又はアクリル樹脂(acrylic resin)を含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記第二音響インピーダンス整合層は、
有機高分子材料；又は
有機高分子材料と中空又は中実の粉体とが混合されて成す複合材料を含み、
前記有機高分子材料は、エポキシ(epoxy)、ビニルエステル樹脂(vinyl ester resin)、UV硬化接着剤（UV接着剤）、ポリウレタン(polyurethane)、アクリル樹脂(acrylic resin)、又はシアン酸エステル樹脂(cyanate ester resin)を含む、超音波トランスデューサ。 - 請求項11に記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧電体は、中実の方形、多辺形又は円形の圧電材料を含み、或いは、複数層のセラミックスによる圧電材料であり、或いは、溝を有する圧電材料である、超音波トランスデューサ。 - 超音波トランスデューサであって、
圧電体；
相対する第一表面及び第二表面を有する第一音響インピーダンス整合層であって、前記第一表面は、前記圧電体の表面に貼り合せられ、前記第一音響インピーダンス整合層の中には、開口を有するメッシュシートが含まれ、前記メッシュシートの厚さは、前記超音波トランスデューサの動作周波数の、前記第一音響インピーダンス整合層における波長の1/4よりも小さく、前記メッシュシートの前記開口の総面積は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第一表面の面積の30%よりも大きい、第一音響インピーダンス整合層；
相対する第三表面及び第四表面を有する第二音響インピーダンス整合層であって、前記第三表面は、前記第一音響インピーダンス整合層の前記第二表面に貼り合せられる、第二音響インピーダンス整合層；
前記圧電体及び／又は前記第一音響インピーダンス整合層及び／又は前記第二音響インピーダンス整合層を包み覆う制振体；及び
相対する内表面と外表面、及び相対する第一開口と第二開口を有する載置体であって、前記載置体の前記内表面は、前記制振体を取り囲み且つ前記制振体に貼り合せられ、前記第二音響インピーダンス整合層の前記第四表面は、前記載置体の前記第一開口から露出する、載置体を含む、超音波トランスデューサ。
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