JP3464529B2 - 広帯域超音波変換器及び広帯域超音波変換器を製造する方法 - Google Patents
広帯域超音波変換器及び広帯域超音波変換器を製造する方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
-
- 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
- H04R17/04—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
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Landscapes
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には支持層／整
合層の間に挟持されている圧電素子を備えた超音波変換
器に関する。特に、本発明は、帯域幅を改善した超音波
変換器を構成する方法に関する。
合層の間に挟持されている圧電素子を備えた超音波変換
器に関する。特に、本発明は、帯域幅を改善した超音波
変換器を構成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療用の従来の超音波変換器は、一対の
支持層／整合層の間に挟持された１つ又は更に多くの圧
電素子から構成されている。このような圧電素子は、支
持層及び整合層に結合された板又は矩形のはりの形状に
構成されている。圧電材料は典型的には、ジルコン酸チ
タン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリビニリデン・ジフロライド
（ＰＶＤＦ）又はＰＺＴセラミック／重合体複合体であ
る。
支持層／整合層の間に挟持された１つ又は更に多くの圧
電素子から構成されている。このような圧電素子は、支
持層及び整合層に結合された板又は矩形のはりの形状に
構成されている。圧電材料は典型的には、ジルコン酸チ
タン酸鉛（ＰＺＴ）、ポリビニリデン・ジフロライド
（ＰＶＤＦ）又はＰＺＴセラミック／重合体複合体であ
る。
【０００３】殆んどすべての従来の変換器は、図１に示
す形状の何等かの変形を用いている。基本的な超音波変
換器２は材料の層から成っており、これらの材料の層の
うちの少なくとも１つは、一対の電気端子６及び８に接
続されている圧電板４である。電気端子６及び８は、イ
ンピーダンスＺs を有している電源に接続されている。
電圧波形ｖ（ｔ）が端子の間に発生されると、圧電素子
の材料は、印加された電圧の周波数と対応する周波数で
圧縮され、こうして、圧電素子が結合されている媒質に
超音波を放出する。反対に、超音波が圧電素子の材料に
入射すると、圧電素子は、その端子と電源の関連する電
気負荷部品との間に対応する電圧を発生する。
す形状の何等かの変形を用いている。基本的な超音波変
換器２は材料の層から成っており、これらの材料の層の
うちの少なくとも１つは、一対の電気端子６及び８に接
続されている圧電板４である。電気端子６及び８は、イ
ンピーダンスＺs を有している電源に接続されている。
電圧波形ｖ（ｔ）が端子の間に発生されると、圧電素子
の材料は、印加された電圧の周波数と対応する周波数で
圧縮され、こうして、圧電素子が結合されている媒質に
超音波を放出する。反対に、超音波が圧電素子の材料に
入射すると、圧電素子は、その端子と電源の関連する電
気負荷部品との間に対応する電圧を発生する。
【０００４】典型的には、圧電素子４の前面は、放出さ
れた超音波がその中を伝搬する媒質１６との結合を改善
するような１つ又は更に多くの音響整合層又は窓（ウィ
ンドウ）（例えば、参照番号１２及び１４）で覆われて
いる。更に、支持層１０が圧電素子４の後面に結合され
ており、素子の後側から出て来る超音波を吸収して、こ
れらの超音波が部分的に反射されて、前方向に伝搬する
超音波と干渉しないようにする。このような多数の超音
波変換器構造が、いずれも本出願人に譲渡された米国特
許番号第４２１７６８４号、同第４４２５５２５号、同
第４４４１５０３号、同第４４７０３０５号、及び同第
４５６９２３１号に記載されている。
れた超音波がその中を伝搬する媒質１６との結合を改善
するような１つ又は更に多くの音響整合層又は窓（ウィ
ンドウ）（例えば、参照番号１２及び１４）で覆われて
いる。更に、支持層１０が圧電素子４の後面に結合され
ており、素子の後側から出て来る超音波を吸収して、こ
れらの超音波が部分的に反射されて、前方向に伝搬する
超音波と干渉しないようにする。このような多数の超音
波変換器構造が、いずれも本出願人に譲渡された米国特
許番号第４２１７６８４号、同第４４２５５２５号、同
第４４４１５０３号、同第４４７０３０５号、及び同第
４５６９２３１号に記載されている。
【０００５】このような従来の変換器の基本的な動作原
理は、圧電素子が、その後面１８及び前面２０から、形
状は同一であるが極性が反対のそれぞれの超音波を放射
することである。これらの波は図１では、それぞれ後面
及び前面に対する関数Ｐb （ｔ）及びＰf （ｔ）によっ
て示されている。２つの波が前面２０で建設的に干渉す
るとき、即ち、圧電板の厚さが超音波波長の半分に等し
いとき、変換器は半波共鳴であると言う。半波周波数ｆ
0 が大抵の変換器の実際的な帯域中心である。半波共鳴
よりも低い周波数では、２つの波は破壊的に干渉し、こ
のため、周波数がゼロに近付くにつれて、次第に音響応
答が少なくなる。反対に、半波共鳴よりも高い周波数で
は、２ｆ0 及びその後のｆ0 のあらゆる偶数倍の所で、
相次ぐ破壊的な干渉がある。ｆ0 の奇数倍のあらゆる周
波数でも、建設的な干渉がある。図１の変換器の完全な
力学には、各々の層のインピーダンスと、その後の反射
係数及び透過係数とを考慮に入れる。各層の厚さ及びイ
ンピーダンスを調節することにより、変換器の運動力学
の調子をとる。
理は、圧電素子が、その後面１８及び前面２０から、形
状は同一であるが極性が反対のそれぞれの超音波を放射
することである。これらの波は図１では、それぞれ後面
及び前面に対する関数Ｐb （ｔ）及びＰf （ｔ）によっ
て示されている。２つの波が前面２０で建設的に干渉す
るとき、即ち、圧電板の厚さが超音波波長の半分に等し
いとき、変換器は半波共鳴であると言う。半波周波数ｆ
0 が大抵の変換器の実際的な帯域中心である。半波共鳴
よりも低い周波数では、２つの波は破壊的に干渉し、こ
のため、周波数がゼロに近付くにつれて、次第に音響応
答が少なくなる。反対に、半波共鳴よりも高い周波数で
は、２ｆ0 及びその後のｆ0 のあらゆる偶数倍の所で、
相次ぐ破壊的な干渉がある。ｆ0 の奇数倍のあらゆる周
波数でも、建設的な干渉がある。図１の変換器の完全な
力学には、各々の層のインピーダンスと、その後の反射
係数及び透過係数とを考慮に入れる。各層の厚さ及びイ
ンピーダンスを調節することにより、変換器の運動力学
の調子をとる。
【０００６】従来の圧電素子は非常に薄い境界を有して
おり、図２（Ａ）に示すように前面及び後面から反対の
極性の波を発射する。非常に広帯域の信号が示されてお
り、このため、インパルス応答の概念を用いて、変換器
の動作を検査することができる。これらの波は図２
（Ａ）では、それぞれ後面及び前面に対して関数−Ｐ
（ｔ−Ｔ）及びＰ（ｔ）で示されている。ここで、Ｔは
圧電素子４の通過時間である。波は、ある距離だけ伝搬
した後の状態で示されている。（わかり易くするため
に、図２（Ａ）では、負の方向に伝搬する２つの波を抑
圧してある。）２ｆ0 における破壊的な共鳴が、これれ
の従来の圧電素子の基本的な制約である。
おり、図２（Ａ）に示すように前面及び後面から反対の
極性の波を発射する。非常に広帯域の信号が示されてお
り、このため、インパルス応答の概念を用いて、変換器
の動作を検査することができる。これらの波は図２
（Ａ）では、それぞれ後面及び前面に対して関数−Ｐ
（ｔ−Ｔ）及びＰ（ｔ）で示されている。ここで、Ｔは
圧電素子４の通過時間である。波は、ある距離だけ伝搬
した後の状態で示されている。（わかり易くするため
に、図２（Ａ）では、負の方向に伝搬する２つの波を抑
圧してある。）２ｆ0 における破壊的な共鳴が、これれ
の従来の圧電素子の基本的な制約である。
【０００７】
【発明の要約】本発明は、支持／層整合層の間に挟持さ
れた圧電素子を含んでおり、すべての変換器（板及びは
り）に固有の破壊的な干渉を解決する超音波変換器を提
供する。本発明の基本的な原理は、前面から出て来る波
を変化させないままにしておいて、圧電素子の後面から
出て来る波を低域フィルタを通過したように時間に対し
て拡がらせることである。従来の変換器で破壊的な干渉
を生ずるような周波数で２つの波を組み合わせても、本
発明による超音波変換器では破壊的な干渉が全く生じな
い。
れた圧電素子を含んでおり、すべての変換器（板及びは
り）に固有の破壊的な干渉を解決する超音波変換器を提
供する。本発明の基本的な原理は、前面から出て来る波
を変化させないままにしておいて、圧電素子の後面から
出て来る波を低域フィルタを通過したように時間に対し
て拡がらせることである。従来の変換器で破壊的な干渉
を生ずるような周波数で２つの波を組み合わせても、本
発明による超音波変換器では破壊的な干渉が全く生じな
い。
【０００８】本発明の第１の好ましい実施例によれば、
変換器の後面の生地を変えることにより、上に述べた効
果を達成することができる。特に、粗面化した後面が、
分布した超音波波形を励振するために用いられている。
この波形は、前面で励振された明確に限定された波形に
比べて、時間に対して拡がっている。後面は、例えば化
学的なエッチングにより、ぎざ付け加工により、又は面
をダイヤモンドのこで切り込むことにより、粗面化する
ことができる。後面のこの粗面化は、後面から出て来る
波を低域フィルタにかけ、その後、その大きさを減少さ
せる効果がある。
変換器の後面の生地を変えることにより、上に述べた効
果を達成することができる。特に、粗面化した後面が、
分布した超音波波形を励振するために用いられている。
この波形は、前面で励振された明確に限定された波形に
比べて、時間に対して拡がっている。後面は、例えば化
学的なエッチングにより、ぎざ付け加工により、又は面
をダイヤモンドのこで切り込むことにより、粗面化する
ことができる。後面のこの粗面化は、後面から出て来る
波を低域フィルタにかけ、その後、その大きさを減少さ
せる効果がある。
【０００９】本発明の第２の好ましい実施例によれば、
超音波変換器が空間的に傾斜を付けた圧電結合度を有す
るようにする。２つの超音波源のうちの一方に対しての
み、低域フィルタ作用を生ずるような形で圧電結合度を
変化させる。特に、この圧電結合度は、後面においてゼ
ロから滑かに上昇して、プラトに達し、そして前面にお
いて急峻に低下するような空間的な分布を有している。
超音波変換器が空間的に傾斜を付けた圧電結合度を有す
るようにする。２つの超音波源のうちの一方に対しての
み、低域フィルタ作用を生ずるような形で圧電結合度を
変化させる。特に、この圧電結合度は、後面においてゼ
ロから滑かに上昇して、プラトに達し、そして前面にお
いて急峻に低下するような空間的な分布を有している。
【００１０】圧電素子の幅に沿った圧電結合度の空間的
な分布は、圧電材料を部分的に減極することにより、例
えば、圧電素子の前側を低温のままに保ちながら、素子
の後側をキューリ温度よりも高い温度に加熱することに
よって達成することができる。広帯域伝達関数を有する
超音波変換器は、いずれの好ましい製造方法を用いても
作成することができる。破壊的な干渉によって約７０％
の分数帯域幅になる従来の超音波変換器とは対照的に、
本発明を超音波変換器に用いると、破壊的な干渉が防止
され、こうして、任意の帯域幅をとることができる。
な分布は、圧電材料を部分的に減極することにより、例
えば、圧電素子の前側を低温のままに保ちながら、素子
の後側をキューリ温度よりも高い温度に加熱することに
よって達成することができる。広帯域伝達関数を有する
超音波変換器は、いずれの好ましい製造方法を用いても
作成することができる。破壊的な干渉によって約７０％
の分数帯域幅になる従来の超音波変換器とは対照的に、
本発明を超音波変換器に用いると、破壊的な干渉が防止
され、こうして、任意の帯域幅をとることができる。
【００１１】本発明の概念を医療診断作像の分野に応用
することにより、多重帯域変換器を優れた帯域幅を有す
るように容易に設計することができる。更に、非常に広
帯域の信号を用いることができ、これによって像の品質
が高められる。
することにより、多重帯域変換器を優れた帯域幅を有す
るように容易に設計することができる。更に、非常に広
帯域の信号を用いることができ、これによって像の品質
が高められる。
【００１２】
【実施例】本発明の第１の好ましい実施例による超音波
変換器の基本的な構造が図２（Ｂ）に示されている。圧
電素子４が支持層１０と整合層１２との間に挟持されて
いる。支持層及び整合層は、細かい粒子状のエポキシ及
びその他のバルク充填材（例えば、金属タングステン又
は酸化アルミニウム）の複合体である。
変換器の基本的な構造が図２（Ｂ）に示されている。圧
電素子４が支持層１０と整合層１２との間に挟持されて
いる。支持層及び整合層は、細かい粒子状のエポキシ及
びその他のバルク充填材（例えば、金属タングステン又
は酸化アルミニウム）の複合体である。
【００１３】圧電素子４の前面２０は滑かであって、従
来の変換器に典型的な明確に限定された境界を形成して
いる。後面１８′は粗い生地を有している。圧電素子４
を付勢した（圧電素子４にエネルギを与えた）とき、後
面１８′は、低域フィルタに相当する拡がったインパル
ス応答を有している伝搬するバルク波を発生する。この
粗面からの波は低域フィルタにかけられているので、圧
電素子の前面から発生された波と破壊的に干渉しない。
来の変換器に典型的な明確に限定された境界を形成して
いる。後面１８′は粗い生地を有している。圧電素子４
を付勢した（圧電素子４にエネルギを与えた）とき、後
面１８′は、低域フィルタに相当する拡がったインパル
ス応答を有している伝搬するバルク波を発生する。この
粗面からの波は低域フィルタにかけられているので、圧
電素子の前面から発生された波と破壊的に干渉しない。
【００１４】粗面化した後面によって発生されるバルク
平面波は、励振と粗面の厚さ関数との畳込み積分である
インパルス応答を有している。このため、後面からの波
は時間が非常に伸びている。低い周波数では、図２
（Ｂ）の変換器の動作は図２（Ａ）に示す従来の変換器
の動作とよく似ている。後面の厚さは波の波長に比べて
非常に小さいので、周波数がゼロに近付くにつれて、前
面及び後面からの信号は破壊的に干渉する。公称半波共
鳴ｆ0 よりも高い周波数では、動作がかなり異なってく
る。後面の拡がったインパルス応答が低域フィルタとし
て作用する。周波数２ｆ0 では、図２（Ａ）の変換器は
破壊的な干渉を生ずるが、図２（Ｂ）の変換器は破壊的
な干渉が減少するか、又は全くない。後面からの波は低
域フィルタにかけられ、こうして波の振幅を減少させて
いるので、破壊的な干渉が除去される。
平面波は、励振と粗面の厚さ関数との畳込み積分である
インパルス応答を有している。このため、後面からの波
は時間が非常に伸びている。低い周波数では、図２
（Ｂ）の変換器の動作は図２（Ａ）に示す従来の変換器
の動作とよく似ている。後面の厚さは波の波長に比べて
非常に小さいので、周波数がゼロに近付くにつれて、前
面及び後面からの信号は破壊的に干渉する。公称半波共
鳴ｆ0 よりも高い周波数では、動作がかなり異なってく
る。後面の拡がったインパルス応答が低域フィルタとし
て作用する。周波数２ｆ0 では、図２（Ａ）の変換器は
破壊的な干渉を生ずるが、図２（Ｂ）の変換器は破壊的
な干渉が減少するか、又は全くない。後面からの波は低
域フィルタにかけられ、こうして波の振幅を減少させて
いるので、破壊的な干渉が除去される。
【００１５】本発明の第１の好ましい実施例による超音
波変換器の帯域幅が改善されることは、その伝達関数を
従来の変換器の伝達関数と比較する近似的な解析によっ
て実証することができる。図２（Ａ）の従来の変換器に
おける組み合わされた波のスペクトルは、次の式で表さ
れる。 Ｈ（ｆ）＝Ｐ（ｆ）［１−ｅｘｐ（−ｊ２πｆＴ）］ （１） この式で、Ｔは圧電素子の通過時間であり、伝達関数
は、励振波Ｐ（ｆ）と、式（１）の括弧［ ］で括った
項内に示すような２つの波の組み合わせとの積である。
括弧内の項は、０及びｆ0 のすべての偶数倍の所で相次
いで破壊的な干渉を生ずる。粗面化した面を有する素子
では、２つの波の組み合わせは、次の式で表される。
波変換器の帯域幅が改善されることは、その伝達関数を
従来の変換器の伝達関数と比較する近似的な解析によっ
て実証することができる。図２（Ａ）の従来の変換器に
おける組み合わされた波のスペクトルは、次の式で表さ
れる。 Ｈ（ｆ）＝Ｐ（ｆ）［１−ｅｘｐ（−ｊ２πｆＴ）］ （１） この式で、Ｔは圧電素子の通過時間であり、伝達関数
は、励振波Ｐ（ｆ）と、式（１）の括弧［ ］で括った
項内に示すような２つの波の組み合わせとの積である。
括弧内の項は、０及びｆ0 のすべての偶数倍の所で相次
いで破壊的な干渉を生ずる。粗面化した面を有する素子
では、２つの波の組み合わせは、次の式で表される。
【００１６】
Ｈ（ｆ）＝Ｐ（ｆ）［１−Ｒ（ｆ）ｅｘｐ（−ｊ２πｆＴ）］ （２）
ここで、後面の粗さ関数Ｒ（τ）をその変換Ｒ（ｆ）で
表してある。粗面の物理から、Ｒ（０）が１に等しいこ
とが要求され、このため、粗面は低域フィルタとして作
用し、直流では大きさが１である。式（２）の伝達関数
は周波数ゼロで破壊的な干渉を生ずる。ｆ0 の偶数倍に
近い周波数では、括弧内の２項の組み合わせにより生ず
る結果は、Ｒ（ｆ）の周波数応答に依存する。Ｒ（τ）
に適当に選択した関数を用いると、２ｆ0 における周波
数応答はゼロに近付く。
表してある。粗面の物理から、Ｒ（０）が１に等しいこ
とが要求され、このため、粗面は低域フィルタとして作
用し、直流では大きさが１である。式（２）の伝達関数
は周波数ゼロで破壊的な干渉を生ずる。ｆ0 の偶数倍に
近い周波数では、括弧内の２項の組み合わせにより生ず
る結果は、Ｒ（ｆ）の周波数応答に依存する。Ｒ（τ）
に適当に選択した関数を用いると、２ｆ0 における周波
数応答はゼロに近付く。
【００１７】正確な解析には、支持層及び前側負荷層と
完全に結合した粗面化された圧電素子に対する解を必要
とする。図３（Ａ）及び図４（Ａ）の構造を用いて、伝
送線路に対する構成関係を導き出す。図３（Ａ）には、
前面及び後面を締め付けた場合の従来のバルク波伝送線
路が示されている。このようなクランプ（締め付け）が
バルク遅延線路に速度変化を起こすことができ、それか
ら生ずる圧力波形を調べることができる。
完全に結合した粗面化された圧電素子に対する解を必要
とする。図３（Ａ）及び図４（Ａ）の構造を用いて、伝
送線路に対する構成関係を導き出す。図３（Ａ）には、
前面及び後面を締め付けた場合の従来のバルク波伝送線
路が示されている。このようなクランプ（締め付け）が
バルク遅延線路に速度変化を起こすことができ、それか
ら生ずる圧力波形を調べることができる。
【００１８】理想的な伝送線路は、一方の面で速度をイ
ンパルス式に励振し、２つの面で生ずる圧力波形を調べ
ることを特徴とする。図３（Ａ）に示すように、左の面
がインパルス式に励振され（即ち、一瞬だけ面の速度Ｕ
1 ≠０であり、その後、クランプ作用によってＵ1 ＝０
の状態を維持する。Ｕ2 ＝０が一貫して保たれてい
る）、そして圧力波（即ち、図３（Ｂ）に示す単位面積
の圧力パルス）が両方の面に見られる。波は圧電素子を
横断し、締め付けられた境界で完全に反射する。波が２
つの面に当たるとき、各々の波が折り返すときに力が２
倍になる。これらの波はＺ変換に従う。
ンパルス式に励振し、２つの面で生ずる圧力波形を調べ
ることを特徴とする。図３（Ａ）に示すように、左の面
がインパルス式に励振され（即ち、一瞬だけ面の速度Ｕ
1 ≠０であり、その後、クランプ作用によってＵ1 ＝０
の状態を維持する。Ｕ2 ＝０が一貫して保たれてい
る）、そして圧力波（即ち、図３（Ｂ）に示す単位面積
の圧力パルス）が両方の面に見られる。波は圧電素子を
横断し、締め付けられた境界で完全に反射する。波が２
つの面に当たるとき、各々の波が折り返すときに力が２
倍になる。これらの波はＺ変換に従う。
【００１９】
Ｐ1 （Ｚ）＝（Ｚ2 ＋１）／（Ｚ2 −１） （３）
Ｐ2 （Ｚ）＝（−２Ｚ）／（Ｚ2 −１） （４）
オペレータ（演算子）Ｚは、周知の時間シフト・オペレ
ータＺ＝ｅｘｐ（ｓＴ）である。このようなＺ変換は、
伝送線路の２つの面を結合する表式で周知の項目であ
る。
ータＺ＝ｅｘｐ（ｓＴ）である。このようなＺ変換は、
伝送線路の２つの面を結合する表式で周知の項目であ
る。
【００２０】メーソン・モデルの式が、前面及び後面端
子変数、並びに電気変数ｉ及びＶを用いて、式（５）に
示されている。式（３）及び（４）のＺ変換は、マトリ
クスの左上要素にあることが認められるが、メーソン・
モデルの音響式伝送線路を表す。メーソン・モデルの他
の項は、電歪機械結合係数ｈ、一定歪みにおける誘電率
εs 、板の面積Ａ及び素子の音響インピーダンスＲc で
ある。粗面遅延線路に対する式は、この式を見れば、書
き直すことができる。
子変数、並びに電気変数ｉ及びＶを用いて、式（５）に
示されている。式（３）及び（４）のＺ変換は、マトリ
クスの左上要素にあることが認められるが、メーソン・
モデルの音響式伝送線路を表す。メーソン・モデルの他
の項は、電歪機械結合係数ｈ、一定歪みにおける誘電率
εs 、板の面積Ａ及び素子の音響インピーダンスＲc で
ある。粗面遅延線路に対する式は、この式を見れば、書
き直すことができる。
【００２１】
【数１】
【００２２】図４（Ｂ）に示す波を考える。このような
波は、圧電素子の粗面化した後面１８′を速度インパル
スで励振するこれらよって生ずる。分布した波が平坦な
前面２０まで伝搬し、全反射する。それが粗い後面へ戻
り、漸進的に反射される。漸進的な反射は、波を粗さと
畳込み積分するように作用する。後面における圧力波
は、面の粗さの二重畳込み積分のそれである。前面から
のこの後の反射により、素子を１往復するごとに追加の
１つの畳込み積分が生ずる。この結果得られる変換は、
次の式で表される。
波は、圧電素子の粗面化した後面１８′を速度インパル
スで励振するこれらよって生ずる。分布した波が平坦な
前面２０まで伝搬し、全反射する。それが粗い後面へ戻
り、漸進的に反射される。漸進的な反射は、波を粗さと
畳込み積分するように作用する。後面における圧力波
は、面の粗さの二重畳込み積分のそれである。前面から
のこの後の反射により、素子を１往復するごとに追加の
１つの畳込み積分が生ずる。この結果得られる変換は、
次の式で表される。
【００２３】
【数２】
【００２４】ここでは、関数の分母を形成するとき、Ｒ
n （ｓ）という形の変換の無限和を求めることを利用し
ている。このような結果を用いると、変形のメーソン・
モデルは、次のように書き直すことができる。
n （ｓ）という形の変換の無限和を求めることを利用し
ている。このような結果を用いると、変形のメーソン・
モデルは、次のように書き直すことができる。
【００２５】
【数３】
【００２６】ここで、端子関係は前と同じであり、式
（６）及び（７）が用いられている。この変形の式を用
いて、この表式を現存のメーソン・モデルに単に代入す
ることにより、層状変換器構造のモデルを作成すること
ができる。本発明の第２の好ましい実施例によれば、圧
電素子の後面に接近した所で、圧電結合度を空間的に変
化させることにより、破壊的な干渉を除去する。圧電結
合度の空間的な変化が、２つの波源の一方に対して低域
フィルタ作用を生ずるが、前面では明確に限定された広
帯域の源のままである。
（６）及び（７）が用いられている。この変形の式を用
いて、この表式を現存のメーソン・モデルに単に代入す
ることにより、層状変換器構造のモデルを作成すること
ができる。本発明の第２の好ましい実施例によれば、圧
電素子の後面に接近した所で、圧電結合度を空間的に変
化させることにより、破壊的な干渉を除去する。圧電結
合度の空間的な変化が、２つの波源の一方に対して低域
フィルタ作用を生ずるが、前面では明確に限定された広
帯域の源のままである。
【００２７】従来の超音波変換器に対する圧電結合度が
図５に示されている。圧電結合度ｈは圧電素子の厚さ方
向に一定である。圧電的な力は、結合係数ｈの空間的な
勾配から生ずる。ｈの空間的な微分も図５に示されてお
り、圧電的な力の分布を示している。これからわかるよ
うに、圧電的な力の２つのインパルス源から大きさが等
しく反対の極性の波が発生される。前面及び後面の両方
に対して、前向き及び後向きに伝搬する波が示されてい
る。これらの４つの波は、電気端子に広帯域パルスが印
加されたことによって生ずる。
図５に示されている。圧電結合度ｈは圧電素子の厚さ方
向に一定である。圧電的な力は、結合係数ｈの空間的な
勾配から生ずる。ｈの空間的な微分も図５に示されてお
り、圧電的な力の分布を示している。これからわかるよ
うに、圧電的な力の２つのインパルス源から大きさが等
しく反対の極性の波が発生される。前面及び後面の両方
に対して、前向き及び後向きに伝搬する波が示されてい
る。これらの４つの波は、電気端子に広帯域パルスが印
加されたことによって生ずる。
【００２８】インピーダンスが等しいという簡単な場合
には、層の間、即ち界面１８及び２０で反射がない。前
向きに伝搬する波の変換は式（１）に示す通りであり、
この式は括弧で括った項内に建設的及び破壊的な干渉を
示している。直流では、応答がゼロであり、半波共鳴の
奇数高調波でも同じことである。半波共鳴の偶数高調波
では、建設的な干渉が起こる。
には、層の間、即ち界面１８及び２０で反射がない。前
向きに伝搬する波の変換は式（１）に示す通りであり、
この式は括弧で括った項内に建設的及び破壊的な干渉を
示している。直流では、応答がゼロであり、半波共鳴の
奇数高調波でも同じことである。半波共鳴の偶数高調波
では、建設的な干渉が起こる。
【００２９】本発明の第２の好ましい実施例による広帯
域超音波変換器の動作が図６に示されている。圧電結合
度ｈの空間的な分布は、後面におけるゼロから滑かに上
昇して、プラトに達し、前面で急峻に低下する。結合係
数の空間的な勾配が幅広い関数で示されており、明確に
限定された源がインパルスによって示されている。この
インパルスは図５に示す従来の変換器のそれと同一であ
る。広帯域の源が、畳込み積分の形で、その範囲全体に
わたって圧電材料を励振する。その結果、広帯域の源か
らの波は時間が非常に拡がっている。広帯域の源からの
圧力波Ｐb （ｔ）は、ｃを音速として、機械的な励振ｐ
（ｔ）と分布関数Ｒ（ｔｃ）との畳込み積分である。こ
れらの２つの異なる源からの前向きに伝搬する波の相互
作用が、本発明による変換器の広帯域動作の基本とな
る。
域超音波変換器の動作が図６に示されている。圧電結合
度ｈの空間的な分布は、後面におけるゼロから滑かに上
昇して、プラトに達し、前面で急峻に低下する。結合係
数の空間的な勾配が幅広い関数で示されており、明確に
限定された源がインパルスによって示されている。この
インパルスは図５に示す従来の変換器のそれと同一であ
る。広帯域の源が、畳込み積分の形で、その範囲全体に
わたって圧電材料を励振する。その結果、広帯域の源か
らの波は時間が非常に拡がっている。広帯域の源からの
圧力波Ｐb （ｔ）は、ｃを音速として、機械的な励振ｐ
（ｔ）と分布関数Ｒ（ｔｃ）との畳込み積分である。こ
れらの２つの異なる源からの前向きに伝搬する波の相互
作用が、本発明による変換器の広帯域動作の基本とな
る。
【００３０】広帯域変換器に対する前向きに伝搬する波
の変換が式（２）で表されている。この変換は、後面に
接近した分布した源からの波に対する変換Ｒ（ｆ）を含
んでいる点で、従来の変換器のそれとは異なる。式
（２）の直流の値はゼロである。これは、幅の広い源及
び細い源の面積が（微分関係によって）等しくなければ
ならないからである。分布源は周波数応答Ｒ（ｆ）を有
する低域フィルタとして作用する。周波数がゼロから増
加するにつれて、Ｒ（ｆ）の応答が次第に小さくなる。
半波周波数では、建設的な干渉は単に１＋Ｒ（ｆ）であ
るが、合理的な設計のためには、Ｒ（ｆ）は１よりも小
さくすべきである。２ｆ0 の破壊的な周波数では、Ｒ
（ｆ）の値は更に小さくすべきである。そのため、帯域
幅を制限する主なメカニズムである破壊的な干渉は、Ｒ
（ｚ）及びＲ（ｆ）を合理的に選択すれば存在しない。
の変換が式（２）で表されている。この変換は、後面に
接近した分布した源からの波に対する変換Ｒ（ｆ）を含
んでいる点で、従来の変換器のそれとは異なる。式
（２）の直流の値はゼロである。これは、幅の広い源及
び細い源の面積が（微分関係によって）等しくなければ
ならないからである。分布源は周波数応答Ｒ（ｆ）を有
する低域フィルタとして作用する。周波数がゼロから増
加するにつれて、Ｒ（ｆ）の応答が次第に小さくなる。
半波周波数では、建設的な干渉は単に１＋Ｒ（ｆ）であ
るが、合理的な設計のためには、Ｒ（ｆ）は１よりも小
さくすべきである。２ｆ0 の破壊的な周波数では、Ｒ
（ｆ）の値は更に小さくすべきである。そのため、帯域
幅を制限する主なメカニズムである破壊的な干渉は、Ｒ
（ｚ）及びＲ（ｆ）を合理的に選択すれば存在しない。
【００３１】材料にわたって電界を維持しながら、材料
をキューリ温度を超える温度まで加熱することにより、
あるセラミック材料の成分を物理的に構成し直すことが
できることは周知である。電界は、ある原子を圧電効果
を生ずる電気的な領域に構成する。この構成し直しは、
材料を急冷したときに保持される。この過程を通常「分
極」と呼ぶ。
をキューリ温度を超える温度まで加熱することにより、
あるセラミック材料の成分を物理的に構成し直すことが
できることは周知である。電界は、ある原子を圧電効果
を生ずる電気的な領域に構成する。この構成し直しは、
材料を急冷したときに保持される。この過程を通常「分
極」と呼ぶ。
【００３２】反対に、加熱及び冷却の間に電界を印加し
ないことにより、圧電材料を「減極」することができ
る。この効果を利用して、圧電結合度の厚さ方向の空間
的な分布を有する圧電材料を作成することができる。電
界の不在の下に圧電素子の前側を低温（即ち、キューリ
温度よりも低い温度）に保ちながら、素子の後側をキュ
ーリ温度よりも高い温度まで加熱し、その後、急冷する
ことによって所望の空間的な分布を達成することができ
る。この過程により、後面に接近した圧電材料が漸進的
に減極され、最大の減極作用は、ｈ＝０である後面自体
で起こる。
ないことにより、圧電材料を「減極」することができ
る。この効果を利用して、圧電結合度の厚さ方向の空間
的な分布を有する圧電材料を作成することができる。電
界の不在の下に圧電素子の前側を低温（即ち、キューリ
温度よりも低い温度）に保ちながら、素子の後側をキュ
ーリ温度よりも高い温度まで加熱し、その後、急冷する
ことによって所望の空間的な分布を達成することができ
る。この過程により、後面に接近した圧電材料が漸進的
に減極され、最大の減極作用は、ｈ＝０である後面自体
で起こる。
【００３３】上に述べた簡単にした超音波変換器は、圧
電素子及びその負荷に対して１つのインピーダンスしか
有していなかった。従って、圧電素子とその負荷との間
の界面で反射が起こらなかった。その結果、励振波と前
向きに伝搬する波との間の伝達関数は非常に簡単であ
る。実際には、変換器は図１に示すような多層構造を有
している。解は式（５）に示すのと同様なシステム・マ
トリクスである。
電素子及びその負荷に対して１つのインピーダンスしか
有していなかった。従って、圧電素子とその負荷との間
の界面で反射が起こらなかった。その結果、励振波と前
向きに伝搬する波との間の伝達関数は非常に簡単であ
る。実際には、変換器は図１に示すような多層構造を有
している。解は式（５）に示すのと同様なシステム・マ
トリクスである。
【００３４】例示のため、以上に好ましい実施例を説明
した。超音波変換器の当業者であれば、ここに説明した
好ましい実施例の種々の変更及び改変が容易に考えられ
よう。例えば、圧電素子の後面を粗面化するためにこの
他の方法を用いることができる。圧電結合度を空間的に
変化させるために、この他の方法を用いることもでき
る。このようなすべての変更及び改変は、特許請求の範
囲の要旨の範囲内に含まれるものと解されたい。
した。超音波変換器の当業者であれば、ここに説明した
好ましい実施例の種々の変更及び改変が容易に考えられ
よう。例えば、圧電素子の後面を粗面化するためにこの
他の方法を用いることができる。圧電結合度を空間的に
変化させるために、この他の方法を用いることもでき
る。このようなすべての変更及び改変は、特許請求の範
囲の要旨の範囲内に含まれるものと解されたい。
【図１】従来の超音波変換器の基本構造を示す概略図で
ある。
ある。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、従来の超音波変
換器、並びに本発明の好ましい実施例による超音波変換
器のそれぞれの圧電素子の前面及び後面から前向きに放
射される圧力波形を示す概略図である。
換器、並びに本発明の好ましい実施例による超音波変換
器のそれぞれの圧電素子の前面及び後面から前向きに放
射される圧力波形を示す概略図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、圧電材料が２つ
の理想的な薄い境界を有している場合のバルク遅延線路
の運動力学及び圧力波形をそれぞれ示す概略図である。
の理想的な薄い境界を有している場合のバルク遅延線路
の運動力学及び圧力波形をそれぞれ示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、圧電材料が１つ
の理想的な薄い境界と１つの粗面化した境界とを有して
いる場合のバルク遅延線路の運動力学及び圧力波形をそ
れぞれ示す概略図である。
の理想的な薄い境界と１つの粗面化した境界とを有して
いる場合のバルク遅延線路の運動力学及び圧力波形をそ
れぞれ示す概略図である。
【図５】従来の超音波変換器の圧電素子の前面及び後面
から放射される圧力波形及び圧電結合度を示す概略図で
ある。
から放射される圧力波形及び圧電結合度を示す概略図で
ある。
【図６】本発明の他の好ましい実施例による超音波変換
器の圧電素子の前面及び後面から前向きに放射される圧
力波形及び圧電結合度を示す概略図である。
器の圧電素子の前面及び後面から前向きに放射される圧
力波形及び圧電結合度を示す概略図である。
４ 圧電材料の層
１０ 支持層
１２ 整合層
１８′ 粗面化した後面
２０ 前面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−186252（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−170200（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−110050（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H04R 17/00 330
H04R 31/00 330
Claims (10)
- 【請求項１】 支持材料の層と整合材料の層との間に挟
持された圧電材料から成る層であって、前記支持層が結
合されている後面と、前記整合層が結合されている前面
とを有している圧電材料から成る層と、該圧電層の両端に変化する電圧を印加することにより、
前記前面において、第１の励振波を生成し、前記後面に
おいて、第２の励振波を生成する手段とを備えた広帯域
超音波変換器であって、 前記前面は滑らかな表面を有し、前記第１の励振波に低
域フィルタをかけないことにより、前記前面より、第１
の波形及び第１の極性を有する第１の前方伝搬波を発生
させ、 前記後面は粗い表面を有し、前記第２の励振波に低域フ
ィルタをかけることにより、前記後面より、前記第１の
波形と異なる第２の波形及び前記第１の極性とは逆の第
２の極性を有する第２の前方伝搬波を発生させ、 前記第１及び第２の励振波の周波数が前記圧電層に対す
る半波周波数の偶数倍であるときに、前記第１及び第２
の前方伝搬波同士の破壊的干渉を緩和する、 広帯域超音波変換器。 - 【請求項２】 前記圧電層の前記後面の前記粗い生地
は、ぎざ付け加工により形成されている請求項１に記載
の広帯域超音波変換器。 - 【請求項３】 前記圧電層の前記後面の前記粗い生地
は、化学的なエッチングにより形成されている請求項１
または２に記載の広帯域超音波変換器。 - 【請求項４】 支持材料の層と整合材料の層との間に挟
持された圧電材料から成る層であって、前記支持層が結
合されている後面と、前記整合層が結合されている前面
とを有している圧電材料から成る層と、 該圧電層の両端に変化する電圧を印加する手段とを備え
た広帯域超音波変換器であって、 前記圧電層は、該圧電層のうち前記後面に接近している
一部にわたって厚さ方向に変化している圧電結合度を有
しており、 前記圧電結合度は、前記後面ではゼロであり、前記圧電
層のうち前記後面に接近している一部にわたって、ゼロ
から所定の値まで前記厚さ方向に徐々に増加して おり、
前記圧電層の残りの部分にわたって前記所定の値で一定
にとどまっており、 当該波の周波数が前記圧電層に対する半波周波数の偶数
倍であるときに、前記変化する電圧に応答して前記後面
から発せられる前向きに伝搬する波が、前記変化する電
圧に応答して前記前面から発せられる前向きに伝搬する
波と破壊的に干渉しないような構造を有している広帯域
超音波変換器。 - 【請求項５】 支持材料の層と整合材料の層との間に挟
持された圧電材料から成る層であって、前記支持層が結
合されている後面と、前記整合層が結合されている前面
とを有している圧電材料から成る層と、 該圧電層の両端に変化する電圧を印加する手段とを備え
た広帯域超音波変換器であって、 前記圧電層は、該圧電層のうち前記後面に接近している
一部にわたって厚さ方向に変化している圧電結合度を有
しており、 前記厚さ方向における前記圧電結合度の変化は、前記圧
電層の部分的な減極作用により生じており、 当該波の周波数が前記圧電層に対する半波周波数の偶数
倍であるときに、前記変化する電圧に応答して前記後面
から発せられる前向きに伝搬する波が、前記変化する電
圧に応答して前記前面から発せられる前向きに伝搬する
波と破壊的に干渉しないような構造を有している広帯域
超音波変換器。 - 【請求項６】 前記圧電層は、前記圧電材料から成る板
である請求項１乃至５のいずれかに記載の広帯域超音波
変換器。 - 【請求項７】 前記圧電層は、前記圧電材料から成るは
りである請求項１乃至５のいずれかに記載の広帯域超音
波変換器。 - 【請求項８】 互いに平行な前面と後面とを有している
圧電材料から成る層を形成する工程と、 前記圧電層のうち前記後面に接近している一部にわたっ
て、前記圧電層の圧電結合度を厚さ方向に空間的に変化
させる工程と、 前記圧電層の前記後面に支持材料から成る層を結合する
工程と、 前記圧電層の前記前面に整合材料から成る層を結合する
工程とを備え、 前記圧電結合度は、前記後面でゼロであり、前記圧電層
のうち前記後面に接近している一部にわたって、ゼロか
ら所定の値まで前記厚さ方向に徐々に増加し、前記圧電
層の残りの部分にわたって前記所定の値に一定にとどま
る広帯域超音波変換器を製造する方法。 - 【請求項９】 互いに平行な前面と後面とを有している
圧電材料から成る層を形成する工程と、 前記圧電層のうち前記後面に接近している一部にわたっ
て、前記圧電層の圧電結合度を厚さ方向に空間的に変化
させる工程と、 前記圧電層の前記後面に支持材料から成る層を結合する
工程と、 前記圧電層の前記前面に整合材料から成る層を結合する
工程とを備え、 前記厚さ方向における前記圧電結合度の変化は、前記圧
電層の部分的な減極作用により生じる広帯域超音波変換
器を製造する方法。 - 【請求項１０】 前記部分的な減極作用を行わせる工程
は、前記圧電素子の前側を電界の不在の下にキューリ温
度よりも低い温度に保ちながら、前記圧電素子の後側を
キューリ温度よりも高い温度まで加熱し、その後、急冷
することにより実施される請求項９に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US9158193A | 1993-07-15 | 1993-07-15 | |
| US091581 | 1993-07-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07154897A JPH07154897A (ja) | 1995-06-16 |
| JP3464529B2 true JP3464529B2 (ja) | 2003-11-10 |
Family
ID=22228539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16047394A Expired - Fee Related JP3464529B2 (ja) | 1993-07-15 | 1994-07-13 | 広帯域超音波変換器及び広帯域超音波変換器を製造する方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6628047B1 (ja) |
| EP (1) | EP0634227B1 (ja) |
| JP (1) | JP3464529B2 (ja) |
| DE (1) | DE69421011T2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997016260A1 (de) * | 1995-11-02 | 1997-05-09 | Sonident Anstalt | Piezoelektrischer ultraschallwandler |
| US6771785B2 (en) * | 2001-10-09 | 2004-08-03 | Frank Joseph Pompei | Ultrasonic transducer for parametric array |
| WO2003064981A1 (fr) * | 2002-01-28 | 2003-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Couche d'adaptation acoustique, emetteur/recepteur ultrasonore, et debitmetre ultrasonore |
| EP2244489A1 (de) * | 2009-04-24 | 2010-10-27 | Bayer MaterialScience AG | Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers |
Family Cites Families (26)
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