JP3364546B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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JP3364546B2
JP3364546B2 JP31167894A JP31167894A JP3364546B2 JP 3364546 B2 JP3364546 B2 JP 3364546B2 JP 31167894 A JP31167894 A JP 31167894A JP 31167894 A JP31167894 A JP 31167894A JP 3364546 B2 JP3364546 B2 JP 3364546B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、圧電振動子の電気機械
変換を利用し、空中、水中等へ超音波を送受波する超音
波送受波器に係り、特に指向性パタ−ンを制御し、指向
性パタ−ンにおけるサイドローブレベルを抑制する超音
波送受波器の構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic wave transmitter / receiver for transmitting and receiving ultrasonic waves in the air, underwater, etc. by utilizing electromechanical conversion of a piezoelectric vibrator, and particularly for controlling a directional pattern. , A configuration of an ultrasonic transducer which suppresses a side lobe level in a directional pattern.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般的に音響放射媒体中の音は、音の波
長に対し、超音波送受波器の配列面積を大きくすると指
向性パタ−ンのメインロ−ブが細くなり、サイドローブ
が複数個発生する。
2. Description of the Related Art In general, sound in an acoustic radiating medium has a directional pattern whose main lobe becomes thin and side lobes are plural when the array area of ultrasonic transducers is increased with respect to the wavelength of the sound. Occurs individually.

【0003】超音波ソ−ナや超音波診断装置等の、物体
の形、方向、距離等を認識する装置では、検知する物体
の大きさや用途に応じて、指向幅を決定する。具体的に
は、幅広く音を送信したり、検知する物体が大きく、あ
まり高分解能を要しない場合は、指向幅を広く、逆に検
知する物体が小さく高分解能を必要とする場合は、指向
幅を狭くする。
In an apparatus for recognizing the shape, direction, distance, etc. of an object, such as an ultrasonic sonar or an ultrasonic diagnostic apparatus, the pointing width is determined according to the size of the object to be detected and the purpose. Specifically, when the sound is transmitted widely or the object to be detected is large and does not require high resolution, the pointing width is wide. Conversely, when the object to be detected is small and the object needs high resolution, the pointing width is wide. Narrow.

【0004】また、このような装置では、物体に反射し
た反射音を受信するため、サイドローブが大きいと、メ
インロ−ブ方向の音よりサイドローブ方向の反射音を受
信することがあり、方位、距離等を誤検知してしまうこ
とがある。従って、指向幅を制御し、サイドローブレベ
ルをできるだけ抑圧する方が望ましい。
Further, in such an apparatus, since the reflected sound reflected by the object is received, if the side lobe is large, the reflected sound in the side lobe direction may be received rather than the sound in the main lobe direction. The distance may be erroneously detected. Therefore, it is desirable to control the directivity width and suppress the side lobe level as much as possible.

【0005】指向幅を制御する手法として、例えば特開
昭62−277575号公報がある。これは、図12に
示す如く同一平面20上に配列した複数個の圧電振動子
10を選択する手段30を設けたものであり、選択する
振動子11〜15の位置と個数の組合せにより、種々の
指向性を得ることができる超音波送受波器である。
As a method for controlling the directivity width, there is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-277575. This is provided with a means 30 for selecting a plurality of piezoelectric vibrators 10 arranged on the same plane 20 as shown in FIG. 12, and can be varied depending on the combination of the position and the number of the vibrators 11 to 15 to be selected. It is an ultrasonic wave transmitter / receiver capable of obtaining the directivity of.

【0006】また、サイドローブ抑制手法として、例え
ば特公平4−81400号公報がある。これは図13に
示す如く圧電振動子40の電極面を複数41,42に分
割し、各電極41,42,43に異なる極性・振幅の電
圧を印加して、所望する指向幅を制御し、サイドローブ
レベルを抑制する超音波送受波器に関するものである。
As a side lobe suppressing method, there is, for example, Japanese Patent Publication No. 4-81400. As shown in FIG. 13, the electrode surface of the piezoelectric vibrator 40 is divided into a plurality of electrodes 41, 42, voltages of different polarities and amplitudes are applied to the electrodes 41, 42, 43 to control a desired directivity width. The present invention relates to an ultrasonic wave transmitter / receiver that suppresses sidelobe levels.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】前者の公報で示された
超音波送受波器の構造では、サイドローブレベルを抑制
する手段が設けられていないため、サイドローブによる
送受信性能が劣る。サイドローブを抑制するためには、
各圧電振動子に対しシェ−ディングアンプ等を設け、感
度に重み付けをする必要が有り、部品点数が増え、ま
た、各シェ−ディングアンプのシェ−ディング係数は種
々の指向性によって変える必要が有り制御が困難であ
る。従って、指向性パタ−ンを制御し、指向性パタ−ン
におけるサイドローブレベルを抑制する超音波送受波器
としては最適でない。
In the structure of the ultrasonic transmitter / receiver disclosed in the former publication, the means for suppressing the sidelobe level is not provided, so that the transmitting / receiving performance by the sidelobe is inferior. To suppress side lobes,
It is necessary to provide a shading amplifier or the like for each piezoelectric vibrator to weight the sensitivity, the number of parts increases, and the shading coefficient of each shading amplifier needs to be changed according to various directivities. It is difficult to control. Therefore, it is not optimal as an ultrasonic transmitter / receiver that controls the directional pattern and suppresses the side lobe level in the directional pattern.

【0008】後者の公報で示された超音波送受波器の構
造では、サイドローブレベルを抑制するために、単一の
圧電素子で電極部を2分割しており、振動子電極面の分
割加工方法、寸法精度の確保が難しく、特別に製造する
必要が有るため高価で複雑なものになり、前記同様に、
指向性パタ−ンを制御し、指向性パタ−ンにおけるサイ
ドローブレベルを抑制する超音波送受波器としては最適
でない。
In the structure of the ultrasonic wave transmitter / receiver disclosed in the latter publication, the electrode portion is divided into two parts by a single piezoelectric element in order to suppress the side lobe level. It is difficult to secure the method and dimensional accuracy, and it becomes expensive and complicated because it needs to be manufactured specially.
It is not optimal as an ultrasonic transmitter / receiver that controls the directional pattern and suppresses the side lobe level in the directional pattern.

【0009】本発明の目的は、上記の課題を解決するこ
とに有り、指向性パタ−ンの制御及び指向性パタ−ンに
おけるサイドローブレベルを抑制し、しかも安価で単純
な構造で所定の性能を達成できる超音波送受波器の提供
にある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to control the directional pattern and to suppress the side lobe level in the directional pattern, and to provide a predetermined performance with an inexpensive and simple structure. The purpose of the present invention is to provide an ultrasonic wave transmitter / receiver capable of achieving the above.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的は、複数の積
層型圧電振動子、あるいは送受波感度の異なる柱状圧電
振動子をマトリックス状に配列し、複数の信号伝送用ケ
−ブルを並列接続して備えた単純な回路構成にて達成さ
れる。
The above object is to arrange a plurality of laminated piezoelectric vibrators or columnar piezoelectric vibrators having different wave transmission / reception sensitivities in a matrix and connect a plurality of signal transmission cables in parallel. This can be achieved with a simple circuit configuration provided.

【0011】具体的には、超音波送受波器に使用する、
電気−機械変換により電気信号を超音波に変換する圧電
振動子として、圧電振動子の電気的インピ−ダンスを変
化させるために、板状の圧電振動子を多層に積層し、か
つ各圧電振動子から信号伝送用のケ−ブルを引出した多
層型圧電振動子を使用し、これをマトリック状に配列
し、スイッチ回路にて各多層型圧電振動子からの信号伝
送用のケ−ブルの並列接続本数を定めることにより達成
される。
Specifically, it is used for an ultrasonic wave transmitter / receiver,
As a piezoelectric vibrator for converting an electric signal into an ultrasonic wave by electro-mechanical conversion, in order to change the electrical impedance of the piezoelectric vibrator, plate-shaped piezoelectric vibrators are laminated in multiple layers and each piezoelectric vibrator Use a multilayer piezoelectric vibrator that pulls out a cable for signal transmission from the above, arrange them in a matrix, and connect the cables for signal transmission from each multilayer piezoelectric vibrator in parallel with a switch circuit. It is achieved by setting the number.

【0012】これは、例えば前述多層型圧電振動子を3
個配列したときに、真中の多層型圧電振動子からの使用
するケ−ブルの接続本数をAとし、両側の多層型圧電振
動子から使用するケ−ブルの接続本数をBとすると、A
>Bの関係にすることにより、サイドローブレベルを抑
制することができる。ここで、サイドローブレベルを下
げ、指向幅を広げる場合、A/Bの比を小さくする。逆
にサイドローブレベルを上げ、指向幅を狭くする場合、
A/Bの比を大きくする。また、多層型圧電振動子の配
列数を増やすことにより、更に指向幅を狭くすることが
でき、目的に合った指向性を得るために多層型圧電振動
子の配列数と使用するケ−ブルの接続本数を定める。
This is, for example, the case where the above-mentioned multilayer piezoelectric vibrator is
If the number of connected cables from the middle multi-layer piezoelectric vibrator is A and the number of connected cables from the multi-layer piezoelectric vibrators on both sides is B, then A
By setting the relation of> B, the side lobe level can be suppressed. Here, when the side lobe level is lowered and the directivity width is widened, the A / B ratio is reduced. Conversely, when raising the side lobe level and narrowing the pointing width,
Increase the A / B ratio. Further, by increasing the number of arrangements of the multi-layer piezoelectric vibrators, the directivity width can be further narrowed, and in order to obtain directivity suitable for the purpose, the number of arrangements of the multi-layer piezoelectric vibrators and the number of cables to be used can be reduced. Determine the number of connections.

【0013】また、前記目的は、前記多層型圧電振動子
の代わりに、送受波感度の異なる柱状圧電振動子を複数
個配列し、それぞれ少なくとも一つの信号伝送用ケ−ブ
ルを備え、これをマトリック状に配列する場合におい
て、各ケ−ブルを並列に接続し、少なくとも一つの送受
信回路に接続することにより達成される。
The object is to replace the multi-layered piezoelectric vibrator by arranging a plurality of columnar piezoelectric vibrators having different wave-transmission / reception sensitivities, each of which is provided with at least one cable for signal transmission. In the case of arranging in a matrix, it is achieved by connecting each cable in parallel and connecting to at least one transmitting / receiving circuit.

【0014】[0014]

【作用】前記手段を用いると、マトリックス状に配列し
た各多層型圧電振動子又は各柱状圧電振動子に送信用電
気信号を供給し、各圧電振動子の電気−機械変換により
音響中心軸に超音波を発生する。また受信の場合は、各
圧電振動子に超音波の反射波を受波することによって機
械−電気変換により電気信号を受信する。
With the above-mentioned means, an electric signal for transmission is supplied to each of the multi-layer piezoelectric vibrators or each of the columnar piezoelectric vibrators arranged in a matrix, and the electro-mechanical conversion of each piezoelectric vibrator causes the ultrasonic central axis to be exceeded. Generates sound waves. Further, in the case of reception, each piezoelectric vibrator receives a reflected wave of ultrasonic waves to receive an electric signal by mechanical-electric conversion.

【0015】マトリックス状に配列した各圧電振動子の
配列数を調整することにより、指向性パターンを制御し
サイドローブレベルを抑制でき、配列数を増やすことに
よって分解能を上げることができる。
By adjusting the number of piezoelectric vibrators arranged in a matrix, the directivity pattern can be controlled to suppress the side lobe level, and the resolution can be increased by increasing the number of arrays.

【0016】また多層型圧電振動子を用いた場合は、多
層型圧電振動子を構成する各圧電振動子からの信号伝送
用ケーブルの並列接続本数を調整することによって、更
にマトリックス状に配列された各多層型圧電振動子のう
ち、音響中心軸上の多層型圧電振動子からの使用ケーブ
ルの並列接続本数Aと、その外側の多層型圧電振動子か
らの使用ケーブルの並列接続本数Bとの調整によって、
すなわち、A>Bの関係にすることによってサイドロー
ブレベルを抑制でき、A/Bの比を大きくすることによ
ってサイドローブレベルを下げることができる。
When a multilayer piezoelectric vibrator is used, the number of signal transmission cables from each piezoelectric vibrator constituting the multilayer piezoelectric vibrator is adjusted in parallel, and the piezoelectric vibrators are further arranged in a matrix. Adjustment of the parallel connection number A of the cables used from the multilayer piezoelectric oscillator on the acoustic center axis of each multilayer piezoelectric oscillator and the parallel connection number B of the used cables from the multilayer piezoelectric oscillator on the outside thereof By
That is, the sidelobe level can be suppressed by setting the relation of A> B, and the sidelobe level can be lowered by increasing the ratio of A / B.

【0017】また、柱状圧電振動子を用いた場合は、音
響中心軸上と外側に配列する柱状圧電振動子の送受波感
度を異ならしめ、音響中心軸上の柱状圧電振動子の送受
波感度を外側のものより感度の高いものを用いることに
よってサイドローブレベルを抑制でき、そのレベルを下
げることができる。
Further, when the columnar piezoelectric vibrators are used, the wave transmission / reception sensitivities of the columnar piezoelectric vibrators arranged on the acoustic center axis and the outside are made different to obtain the wave transmission / reception sensitivities of the columnar piezoelectric vibrators on the acoustic center axis. The side lobe level can be suppressed and the side lobe level can be lowered by using the one having higher sensitivity than the outer one.

【0018】[0018]

【実施例】以下本発明を実施例により説明する。図1
は、本発明の一実施例を示し、多層圧電振動子の各圧電
振動子に取り付けた電気信号送受信用の信号線の接続本
数を調整することにより、指向性パタ−ンを制御し、指
向性パタ−ンにおけるサイドローブレベルを抑制する超
音波送受波器の構成を示す。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples. Figure 1
Shows an embodiment of the present invention, in which the directivity pattern is controlled by adjusting the number of connection of signal lines for transmitting and receiving electric signals attached to each piezoelectric vibrator of the multilayer piezoelectric vibrator. The structure of the ultrasonic wave transmitter / receiver which suppresses the side lobe level in a pattern is shown.

【0019】超音波送受波器7は、振動エネルギ−と電
気エネルギ−との変換を行う、6層に積層した圧電振動
子0aから0f、1aから1f及び2aから2fと、送
受電気信号を伝送する信号線100aから100c、1
01aから101c及び102aから102cと、各圧
電振動子のマイナスの電極を共通にし、これをグランド
線とした信号線99と、各信号線の結線を行うためのス
イッチ回路4及び各スイッチ4aから4iと、送信用電
気信号を発生し、増幅するための送信回路5と、受信電
気信号を増幅するための受信回路6とで構成される。
The ultrasonic wave transmitter / receiver 7 transmits a transmission / reception electric signal to and from piezoelectric vibrators 0a to 0f, 1a to 1f and 2a to 2f, which are laminated in six layers, for converting vibration energy and electric energy. Signal lines 100a to 100c, 1
01a to 101c and 102a to 102c, a negative electrode of each piezoelectric vibrator is made common, and a signal line 99 using this as a ground line, a switch circuit 4 for connecting the respective signal lines, and switches 4a to 4i And a transmission circuit 5 for generating and amplifying a transmission electric signal and a reception circuit 6 for amplifying a reception electric signal.

【0020】送信の場合、先ずFM、PCW、CW等の
送信電気信号が送信回路5によって生成し、スイッチ回
路4に供給される。スイッチ回路4で、所望のビ−ムパ
タ−ンを得るために必要な信号線100、101、10
2を選択し、これを通じ各多層圧電振動子0、1、2に
送信用電気信号を供給する。供給した送信用電気信号
は、各多層圧電振動子0、1、2によって電気−機械変
換を行い、音響軸3を中心に水や空中等の媒体8へ超音
波を発生する。
In the case of transmission, first, a transmission electric signal such as FM, PCW, CW is generated by the transmission circuit 5 and supplied to the switch circuit 4. In the switch circuit 4, the signal lines 100, 101, 10 required to obtain a desired beam pattern.
2 is selected, and an electric signal for transmission is supplied to each of the multilayer piezoelectric vibrators 0, 1 and 2 through this. The supplied electric signal for transmission is subjected to electromechanical conversion by each of the multilayer piezoelectric vibrators 0, 1 and 2, and an ultrasonic wave is generated around the acoustic axis 3 to the medium 8 such as water or air.

【0021】受信の場合、送信と逆の動作となり、目標
物に反射した超音波は、各多層圧電振動子0、1、2に
到来し、機械−電気変換を行うことにより、電気信号に
変換する。スイッチ回路4によって選択された信号線1
00、101、102のみを通過し、受信回路6へ供給
し、この電気信号を増幅検出する。
In the case of reception, the operation is opposite to that of transmission, and the ultrasonic waves reflected by the target object arrive at each of the multilayer piezoelectric vibrators 0, 1, 2 and are converted into electrical signals by performing mechanical-electrical conversion. To do. Signal line 1 selected by switch circuit 4
Only the signal 00, 101, and 102 is passed through, and the signal is supplied to the receiving circuit 6, and this electric signal is amplified and detected.

【0022】ここで、これら超音波送受波器は、図2〜
図7に表される圧電振動子の構成、等価回路にて具体的
に所定の関係を表す下記の式、数3、数4、及び数5に
より、圧電子動子の構成(厚み、材料、積層枚数等)を
定め、これを組み合わせることによりサイドローブレベ
ルの抑制を可能にする。
Here, these ultrasonic transducers are shown in FIGS.
The structure of the piezoelectric oscillator shown in FIG. 7, the following formula expressing a specific relationship in the equivalent circuit, and the structure (thickness, material, It is possible to suppress the sidelobe level by setting the number of layers, etc.) and combining them.

【0023】<受波の場合><When receiving waves>

【0024】[0024]

【数3】 [Equation 3]

【0025】[0025]

【数4】 [Equation 4]

【0026】<送波の場合><In case of wave transmission>

【0027】[0027]

【数5】 [Equation 5]

【0028】なお、圧電振動子としては、数+kHz〜
数MHzの超音波を送受信するものであり、ジルコン酸
チタン酸鉛等の圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデ
ン(PVDF)等のポリマーが挙げられる。
As the piezoelectric vibrator, several + kHz to
It transmits and receives ultrasonic waves of several MHz, and examples thereof include piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate and polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

【0029】圧電振動子の送信時の電気的等価回路を図
2に示す。ここで、Riは機械的負荷及び音響的負荷、
Iiは圧電振動子振動速度、Liは機械的マス、Ciは
機械的スティフネス、Ci’は圧電振動子の静電容量、
Ci’’はケイーブル容量を示す。圧電振動子の受信時
の電気的等価回路は図3に示され、図2の的等価回路に
起電力eiを負荷した回路となる。
FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit of the piezoelectric vibrator during transmission. Here, Ri is a mechanical load and an acoustic load,
Ii is the vibration speed of the piezoelectric vibrator, Li is the mechanical mass, Ci is the mechanical stiffness, Ci ′ is the capacitance of the piezoelectric vibrator,
Ci ″ indicates the cable capacity. The electrical equivalent circuit of the piezoelectric vibrator at the time of reception is shown in FIG. 3, which is a circuit obtained by loading the target equivalent circuit of FIG. 2 with electromotive force ei.

【0030】圧電振動子を多層に積層し、かつ各圧電素
子をパラレル結合すると、Riは小さく、またCiは大
きくなり見かけ上、圧電振動子の電気的インピーダンス
は小さくなり、また圧電振動子厚みtが小さくなるため
eoも小さくなる。
When the piezoelectric vibrators are laminated in multiple layers and the respective piezoelectric elements are coupled in parallel, Ri becomes small and Ci becomes large, and apparently the electric impedance of the piezoelectric vibrator becomes small, and the piezoelectric vibrator thickness t. Is smaller, eo is also smaller.

【0031】今、図4のように+−の電極50a、50
b、51a、51b、52a、52bを備えた3つの圧
電素子0、1、2を並べ、各圧電素子0、1、2からの
信号伝送用ケーブル100、101、102をパラレル
に結合した場合、受信時の等価回路は図5のようにな
る。ここでRは増幅用アンプの入力インビーダンス、V
は各起電力e0,e1,e2によって発生した電圧の和で
示すことができる。各圧電素子の起電力ei(e0
1,e2)によって抵抗Rに発生する電圧Viは、他の
2つの圧電振動子の電気的インピーダンスにより変化す
る。
Now, as shown in FIG. 4, + -electrodes 50a, 50
When three piezoelectric elements 0, 1, 2 provided with b, 51a, 51b, 52a, 52b are arranged and the signal transmission cables 100, 101, 102 from the respective piezoelectric elements 0, 1, 2 are coupled in parallel, The equivalent circuit during reception is as shown in FIG. Where R is the input impedance of the amplifier for amplification, V
Can be represented by the sum of the voltages generated by the respective electromotive forces e 0 , e 1 , e 2 . Electromotive force ei (e 0 , of each piezoelectric element,
The voltage Vi generated in the resistor R by e 1 , e 2 ) changes due to the electrical impedance of the other two piezoelectric vibrators.

【0032】受波の場合、起電力e0によって発生する
電圧V0は数3で表すことができる。従って電圧V0は図
6から判るように、真中の圧電素子0の機械的回路定数
からなるインピーダンスZ0と外側の圧電素子1、2の
インピーダンスZ1,Z2及びC,Rで表されるインピー
ダンスとの分圧比となる。
In the case of wave reception, the voltage V 0 generated by the electromotive force e 0 can be expressed by equation 3. Therefore, as can be seen from FIG. 6, the voltage V 0 is represented by the impedance Z 0 consisting of the mechanical circuit constant of the middle piezoelectric element 0 and the impedances Z 1 , Z 2 and C, R of the outer piezoelectric elements 1 , 2. It is the voltage division ratio with the impedance.

【0033】今、図1のように圧電振動子を6層に積層
した多積層型圧電振動子0,1,2を考える。各圧電振
動子0,1,2の材質及び厚みを同じものとすると、各
圧電振動子から発生する起電力eiはみな等しい。従っ
てこのような場合、Z1,Z2が大きいほどV0は大きく
なる。
Now, consider multi-layer piezoelectric vibrators 0, 1 and 6 in each of which piezoelectric vibrators are laminated in six layers as shown in FIG. If the materials and thicknesses of the piezoelectric vibrators 0, 1 and 2 are the same, the electromotive forces ei generated from the piezoelectric vibrators are all equal. Therefore, in such a case, V 0 increases as Z 1 and Z 2 increase.

【0034】また、起電力e1、e2によって発生する電
圧を同様にV1、V2とすると、電圧Vはこれら電圧
0、V1、V2のパワー加算となり、数6で示される。
If the voltages generated by the electromotive forces e 1 and e 2 are V 1 and V 2 in the same manner, the voltage V is the power addition of these voltages V 0 , V 1 and V 2 , and is expressed by equation (6). .

【0035】[0035]

【数6】 [Equation 6]

【0036】ここで音響軸上の圧電素子0に対する両側
の圧電素子1、2の感度係数は|V1|/|V0|、|V
2|/|V0|となるため、従ってZ0<Z1=Z2なる関
係が成り立つとき、数7となり、真中の圧電素子0に対
して見かけ上両側の圧電素子1、2に重み付けを行った
ものと同等となり、シェーディングを掛けることがで
き、サイドローブを抑制することが出来る。
Here, the sensitivity coefficients of the piezoelectric elements 1 and 2 on both sides with respect to the piezoelectric element 0 on the acoustic axis are │V 1 │ / │V 0 │, │V
2 | / | V 0 | Therefore, when the relationship of Z 0 <Z 1 = Z 2 is established, the equation 7 is obtained, and the piezoelectric elements 1 and 2 on both sides of the apparent piezoelectric element 0 are weighted. It is equivalent to what was done, shading can be applied, and side lobes can be suppressed.

【0037】[0037]

【数7】 [Equation 7]

【0038】圧電素子の電気的インピーダンスは、同じ
板状の圧電振動子を用いこれをパラレルに接続する場
合、この接続する圧電素子の数が多いほど電気的インピ
ーダンスは小さい。従って、音響中心軸上の圧電素子積
層枚数Aを外側の圧電素子積層枚数Bにおいて、B<A
なる関係で枚数を決定するとZ0<Z1=Z2なる関係が
成立つ。
As for the electric impedance of the piezoelectric element, when the same plate-shaped piezoelectric vibrators are used and are connected in parallel, the larger the number of connected piezoelectric elements, the smaller the electric impedance. Therefore, if the number A of piezoelectric elements stacked on the acoustic center axis is B <A
When the number of sheets is determined according to the relation, Z 0 <Z 1 = Z 2 is established.

【0039】また、圧電振動子の材質、厚み等が異なる
場合でも、数4と数5を満足するように、圧電振動子の
構成を選択するとサイドローブを抑制することが出来
る。
Even if the material, thickness, etc. of the piezoelectric vibrator are different, side lobes can be suppressed by selecting the structure of the piezoelectric vibrator so as to satisfy the expressions (4) and (5).

【0040】送波の場合の等価回路を図7に示す。圧電
素子の駆動電圧をEとすると各圧電素子0、1、2の端
子には、同じ電圧が印加される。送波の場合の圧電素子
の感度係数は、送信時の圧電素子の粒子速度の比で表す
ことが出来、|I1|/|I0|、|I2|/|I0|とな
る。従って圧電素子のインピーダンスを小さいほどIi
は大きく、Z0<Z1=Z2なる関係が成り立つとき数8
となり、受波と同様に、指向性にシェーディングを掛け
ることができ、サイドローブを抑制することが出来る。
An equivalent circuit for transmitting waves is shown in FIG. When the drive voltage of the piezoelectric element is E, the same voltage is applied to the terminals of each piezoelectric element 0, 1, 2. The sensitivity coefficient of the piezoelectric element in the case of transmission can be represented by the ratio of particle velocities of the piezoelectric element during transmission, and is | I 1 | / | I 0 |, | I 2 | / | I 0 |. Therefore, the smaller the impedance of the piezoelectric element, the more Ii
Is large, and when the relationship of Z 0 <Z 1 = Z 2 is established,
Therefore, like the received wave, the directivity can be shaded and the side lobe can be suppressed.

【0041】[0041]

【数8】 [Equation 8]

【0042】図8(a)から(c)に図1の超音波送受
波器についての具体的実施例を示す。図8(a)は、ス
イッチ回路4のスイッチ全部を接続したときの受信時の
指向性パタ−ンである。図8(a)における0°方向は
図1における音響軸3に相当し、最も感度の高いメイン
ロ−ブの中心となる。ここで実線は計算値、〇は実測値
を示し、±70°付近に−16dBのサイドローブが発
生する。また、指向幅(−3dB幅)は、約±18°付
近になる。
8 (a) to 8 (c) show concrete examples of the ultrasonic transmitter / receiver of FIG. FIG. 8A is a directional pattern at the time of reception when all the switches of the switch circuit 4 are connected. The 0 ° direction in FIG. 8A corresponds to the acoustic axis 3 in FIG. 1 and is the center of the main lobe with the highest sensitivity. Here, the solid line indicates the calculated value, and ∘ indicates the measured value, and a side lobe of -16 dB is generated near ± 70 °. Further, the directivity width (-3 dB width) is about ± 18 °.

【0043】図8(b)はスイッチ回路4のスイッチ4
bから4f及び4hと4iを接続した時の受信時の指向
性パタ−ンである。図8(a)と比較すると、サイドロ
ーブは±80°付近に−20dBとなり、4dB程低下
し、指向幅(−3dB幅)は、約±20°と若干広くな
る。
FIG. 8B shows the switch 4 of the switch circuit 4.
It is a directional pattern at the time of reception when b to 4f and 4h and 4i are connected. Compared to FIG. 8A, the side lobe becomes −20 dB in the vicinity of ± 80 °, which is reduced by about 4 dB, and the directivity width (−3 dB width) is slightly widened to about ± 20 °.

【0044】図8(c)はスイッチ回路4のスイッチ4
cから4f及び4iを接続した時の受信時の指向性パタ
−ンである。図8(a)と比較すると、サイドローブは
なくなり、指向幅(−3dB幅)は、約±30°と広く
なる。
FIG. 8C shows the switch 4 of the switch circuit 4.
This is a directional pattern at the time of reception when connecting c to 4f and 4i. Compared to FIG. 8A, the side lobe disappears and the directivity width (−3 dB width) becomes wide, about ± 30 °.

【0045】このように多層圧電振動子の各圧電振動子
に取り付けた電気信号送受信用の信号線の接続本数を調
整することにより、指向性パタ−ンを制御し、指向性パ
タ−ンにおけるサイドローブレベルを抑制することがで
きる。
As described above, the directional pattern is controlled by adjusting the number of connection of the signal lines for transmitting and receiving electric signals attached to each piezoelectric vibrator of the multilayer piezoelectric vibrator, and the side of the directional pattern is controlled. The lobe level can be suppressed.

【0046】図9に各等価回路の回路定数と数4から算
出した感度係数を示す。図8(a)、図8(b)、図8
(c)における感度係数はそれぞれ1.0、0.74、
0.16となり、圧電振動子1、2への信号線の接続本
数を減らせば減らすほど感度係数は小さくなり、見かけ
上重み付けが大きくなったものと同等となる。
FIG. 9 shows the circuit constant of each equivalent circuit and the sensitivity coefficient calculated from the equation (4). 8 (a), 8 (b) and 8
The sensitivity coefficients in (c) are 1.0, 0.74,
The value becomes 0.16, and the sensitivity coefficient becomes smaller as the number of signal lines connected to the piezoelectric vibrators 1 and 2 is reduced, which is equivalent to that in which the weighting is apparently increased.

【0047】図10は積層していない柱状圧電振動子
0、1、2を3つ配列した他の実施例である。ここで圧
電振動子0、1、2は、数9,数10,数3を満足すべ
く選択されたものであり、各圧電振動子を並列に接続し
たものである。この場合、指向性パタ−ンは固定である
が、圧電振動子材の選択及び厚みの設定を考慮すれば、
指向性パタ−ンを変化させることができる。
FIG. 10 shows another embodiment in which three columnar piezoelectric vibrators 0, 1, 2 which are not laminated are arranged. Here, the piezoelectric vibrators 0, 1, and 2 are selected so as to satisfy Expression 9, Expression 10, and Expression 3, and the piezoelectric vibrators are connected in parallel. In this case, the directional pattern is fixed, but considering the selection of the piezoelectric vibrator material and the setting of the thickness,
The directional pattern can be changed.

【0048】図11は圧電振動子0、1、2の積層数を
変化させた他の実施例であり、数9,数10,数3を満
足し、かつ並列に全て接続した超音波送受波器である。
また図10同様に指向性パタ−ンは固定であるが、圧電
振動子材の選択及び厚みの設定を考慮すれば、指向性パ
タ−ンを変化させることができる。
FIG. 11 shows another embodiment in which the number of laminated piezoelectric vibrators 0, 1 and 2 is changed, satisfying the expressions 9, 9 and 3 and transmitting and receiving ultrasonic waves all connected in parallel. It is a vessel.
Although the directional pattern is fixed as in FIG. 10, the directional pattern can be changed in consideration of the selection of the piezoelectric vibrator material and the setting of the thickness.

【0049】[0049]

【数9】 [Equation 9]

【0050】[0050]

【数10】 [Equation 10]

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明の超音波送受波器によれば、数
9,数10,数3を満足すべく圧電素子の構成(材質、
積層数、厚み等)を選択するだけで、数個の圧電振動子
マトリックスを設ければ、指向性パタ−ンの制御及び指
向性パタ−ンにおけるサイドローブレベルを抑制し、し
かも安価で単純な構造で所望の性能を達成できるもので
ある。
According to the ultrasonic wave transmitter / receiver of the present invention, the structure (material,
If several piezoelectric vibrator matrices are provided by simply selecting the number of laminated layers, thickness, etc., control of the directional pattern and side lobe level in the directional pattern can be suppressed, and it is inexpensive and simple. The structure can achieve desired performance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例超音波送受波器構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic wave transceiver according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例超音波送受波器の送信時等価
回路図である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram at the time of transmission of the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例超音波送受波器の受信時等価
回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram at the time of reception of the ultrasonic transmitter / receiver according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施例超音波送受波器の1×3マト
リックス圧電振動子の斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view of a 1 × 3 matrix piezoelectric vibrator of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例超音波送受波器の等価回路図
である。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an ultrasonic wave transceiver according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施例超音波送受波器の等価回路
(受信時)図である。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram (at the time of reception) of an ultrasonic wave transmitter / receiver according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施例超音波送受波器の等価回路
(送信時)図である。
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram (during transmission) of the ultrasonic wave transceiver according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施例超音波送受波器の指向性パタ
−ン説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a directional pattern of an ultrasonic wave transmitter / receiver according to an embodiment of the present invention.

【図9】本発明の一実施例超音波送受波器の回路定数の
説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of circuit constants of an ultrasonic wave transceiver according to an embodiment of the present invention.

【図10】本発明の他の実施例超音波送受波器構成図で
ある。
FIG. 10 is a configuration diagram of an ultrasonic wave transmitter / receiver according to another embodiment of the present invention.

【図11】本発明の他の実施例超音波送受波器構成図で
ある。
FIG. 11 is a configuration diagram of an ultrasonic wave transmitter / receiver according to another embodiment of the present invention.

【図12】従来の超音波送受波器構成図である。FIG. 12 is a configuration diagram of a conventional ultrasonic transducer.

【図13】従来の超音波送受波器構成図である。FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional ultrasonic transmitter / receiver device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

0,0a〜0f,1,1a〜1f,1a’〜1b’,
2,2a〜2f,2a’〜2b’…圧電振動子、3…音
響軸、4,4a〜4i…スイッチ、5…送信回路、6…
受信回路、7…超音波送受波器、8…媒体、50a〜5
0b,51a〜51b,52a〜52b…電極100,
100a〜100c,101,101a〜101c,1
02,102a〜102c…信号ケ−ブル。
0,0a to 0f, 1,1a to 1f, 1a 'to 1b',
2, 2a to 2f, 2a 'to 2b' ... Piezoelectric vibrator, 3 ... Acoustic axis, 4, 4a-4i ... Switch, 5 ... Transmitting circuit, 6 ...
Receiver circuit, 7 ... Ultrasonic wave transmitter / receiver, 8 ... Medium, 50a-5
0b, 51a to 51b, 52a to 52b ... Electrode 100,
100a to 100c, 101, 101a to 101c, 1
02, 102a to 102c ... Signal cables.

フロントページの続き (72)発明者 岩田 和彦 神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地 株式会社 日立製作所 情報通信事業部 内 (56)参考文献 特開 平6−181925(JP,A) 特開 平6−90950(JP,A) 特開 平5−76527(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04R 17/00 332 H04R 17/00 330 G01S 7/52 Front page continuation (72) Inventor Kazuhiko Iwata 216 Totsuka-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Hitachi, Ltd. Information & Communication Division (56) Reference JP-A-6-181925 (JP, A) JP-A-6 -90950 (JP, A) JP 5-76527 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H04R 17/00 332 H04R 17/00 330 G01S 7/52

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電気信号を駆動信号として圧電振動子へ
入力し、前記圧電振動子が電気−機械変換をすることで
超音波を発生させる超音波送波器、及び、超音波を駆動
信号として圧電振動子へ入力し、前記圧電振動子が機械
−電気変換を行うことで電気信号を発生させる超音波受
波器であって、前記圧電振動子として、材質及び厚みの
等しい板状圧電振動子を音響放射面に対し垂直に複数個
積層した圧電振動子を使用し、該多層圧電振動子を音響
中心軸に対し水平方向に複数個マトリックス状に配列し
た超音波送受波器において、前記各多層圧電振動子を構
成する少なくとも一つの圧電振動子の両電極面から信号
線を引き出す構成とし、且つ、前記音響中心軸上にある
多層圧電振動子の使用する信号線の数をAとし、前記音
響中心軸上にある多層圧電振動子の外側にある他の多層
圧電振動子の信号線の数をBとし、更に前記他の多層圧
電振動子の外側にある他の多層圧電振動子の信号線の数
をC、D・・・とした時、A>B>C>D>・・・なる
関係で各信号線を並列に接続して成ることを特徴とした
超音波送受波器。
1. An ultrasonic wave transmitter that generates an ultrasonic wave by inputting an electric signal to a piezoelectric vibrator as a drive signal, and the piezoelectric vibrator performs electromechanical conversion, and an ultrasonic wave as a drive signal. An ultrasonic wave receiver for generating an electric signal by inputting to a piezoelectric vibrator and performing mechanical-electric conversion by the piezoelectric vibrator, wherein the piezoelectric vibrator is a plate-shaped piezoelectric vibrator having the same material and thickness. In the ultrasonic transmitter / receiver in which a plurality of piezoelectric vibrators in which a plurality of piezoelectric vibrators are stacked perpendicularly to the acoustic radiation surface are arranged in a matrix in the horizontal direction with respect to the acoustic center axis, A signal line is drawn out from both electrode surfaces of at least one piezoelectric vibrator forming the piezoelectric vibrator, and the number of signal lines used by the multilayer piezoelectric vibrator on the acoustic center axis is A, and the acoustic Many on the central axis Let B be the number of signal lines of another multilayer piezoelectric oscillator outside the layer piezoelectric oscillator, and C, D be the number of signal lines of another multilayer piezoelectric oscillator outside the other multilayer piezoelectric oscillator. The ultrasonic wave transmitter / receiver is characterized in that each signal line is connected in parallel in such a relationship that A>B>C>D>.
【請求項2】 請求項1記載の超音波送受波器におい
て、各使用する信号線を選択するスイッチ回路を設けた
ことを特徴とした超音波送受波器。
2. The ultrasonic wave transceiver according to claim 1, further comprising a switch circuit for selecting each signal line to be used.
【請求項3】 電気信号を駆動信号として圧電振動子へ
入力し、前記圧電振動子が電気−機械変換をすることで
超音波を発生させる超音波電気信号を発生させる超音波
送波器、及び、超音波を駆動信号として圧電振動子に入
力し、前記圧電振動子が機械−電気変換を行なうことで
電気信号を発生させる超音波受波器であって、前記圧電
振動子として、材質又は厚みの異なる積層あるいは単層
の圧電振動子を使用し、該圧伝振動子を音響中心軸に対
し水平方向に複数個マトリックス状に配列した超音波送
受波器において、前記音響中心軸上にある圧電振動子の
番号を0、前記音響中心軸上にある圧電振動子の外側に
ある他の圧電振動子の番号を1、更に前記他の圧電振動
子の外側にある他の圧電振動子の番号を2、3・・i、
i+1・・nとし、且つ、前記各圧電振動子の電気的イ
ンピ−ダンス、受波出力電圧を各圧電振動子の番号に対
応させてそれぞれZ0,Z1,Z2,Z3,…Zi,Zi1
…Zn、V0,V1,V2,V3…Vi,Vi1…Vnとした
時、受波の場合数1、送波の場合数2なる関係に、前記
各圧電振動子の材質、厚み、又は積層枚数を選択し、更
に各圧電振動子を並列に接続して成ることを特徴とした
超音波送受波器。 【数1】 【数2】
3. An ultrasonic wave transmitter that inputs an electric signal as a drive signal to a piezoelectric vibrator, and the piezoelectric vibrator performs an electromechanical conversion to generate an ultrasonic electric signal that generates an ultrasonic wave, and An ultrasonic wave receiver that inputs an ultrasonic wave as a drive signal to a piezoelectric vibrator, and the piezoelectric vibrator performs an electromechanical conversion to generate an electric signal, and the piezoelectric vibrator is made of a material or a thickness. In a ultrasonic transducer in which a plurality of laminated or single-layered piezoelectric vibrators of different types are used and the pressure transducers are arranged in a matrix in the horizontal direction with respect to the acoustic center axis, The number of the vibrator is 0, the number of the other piezoelectric vibrator outside the piezoelectric vibrator on the acoustic center axis is 1, and the number of the other piezoelectric vibrator outside the other piezoelectric vibrator is 1 2, 3, ... i,
and i + 1 · · n, and the electrical Inpi of each piezoelectric vibrator - dancing, respectively reception output voltage in correspondence with the number of each piezoelectric vibrator Z 0, Z 1, Z 2 , Z 3, ... Z i, Z i + 1
... Z n, V 0, V 1, V 2, V 3 ... V i, when the V i + 1 ... V n, 1 number when received wave, the number 2 the relationship case of transmitting, each piezoelectric An ultrasonic wave transmitter / receiver characterized in that the material, thickness, or the number of laminated layers of the vibrators are selected, and that each piezoelectric vibrator is connected in parallel. [Equation 1] [Equation 2]
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