JP3642690B2

JP3642690B2 - 超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JP3642690B2
Application number: JP35555698A
Authority: JP
Inventors: 光彦南利; 義幸小澤; 和彦岩田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: JP2000176375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波トランスデューサの広帯域化技術および無指向性化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波トランスデューサの広帯域化技術として整合層技術が知られている。例えば、医用超音波ハンドブックＰ６２(コロナ社昭和６０年)には、整合層の最適厚さｔが、以下の数式で与えられることが記載されている。
【０００３】
ｔ＝λ／４
ここで、λは、整合層内における音波の波長である。
【０００４】
この数式で与えられる厚さｔを有する整合層は、その共振周波数ｆ_pが、圧電素子の共振周波数ｆ₀と一致する。そのため、圧電素子の共振周波数ｆ₀付近で電気的インピーダンスの周波数特性がフラットになり、超音波トランスデューサの広帯域化が実現される。
【０００５】
ところで、計測用超音波トランスデューサには、広帯域化のみならず無指向性化も要求される。平面形超音波トランスデューサの指向特性は、音響放射面の開口長の縮小によって無指向性化されることが知られている。また、円筒形、球形が主流を占める曲面形超音波トランスデューサは、その曲面形状に沿った指向特性を示すため、球形超音波トランスデューサの指向特性は、全く一様な等方性を示し、円筒形超音波トランスデューサの指向特性は、その円周方向においてのみ一様な全方向性を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の整合層技術は、超音波トランスデューサの放射面積が媒体の音波の波長よりも十分大きな場合、すなわち、超音波トランスデューサの放射インピーダンスが純抵抗成分のみの場合を適用対象とするものである。医療用超音波探触子、ソーナー用超音波トランスデューサ等の超音波トランスデューサは、その放射面積が放射媒体の音波の波長よりも十分に大きく、放射インピーダンスがほぼ純抵抗成分だけとみなせるため、上記従来の整合層技術の適用に何ら問題を生じていない。
【０００７】
しかし、超音波トランスデューサの放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合、すなわち、低周波数音源、無指向性ハイドロフォン、放射面積が放射媒体の音波の波長に対して十分に大きなトランスデューサアレイ等については、上記従来の整合技術をそのまま適用できるとは限らない。超音波トランスデューサの放射インピーダンスにリアクタンス成分が含まれている場合における整合層の厚さは、現状においては、カット＆トライの現物合わせで決定されており、その最適値を定める具体的な条件は明らかにされてない。
【０００８】
そこで、本発明は、超音波トランスデューサの放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合における整合層の最適厚さを明らかにすると共に、放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む超音波トランスデューサの広帯域化を図ることを第一の目的とする。
【０００９】
ところで、円筒形超音波トランスデューサの指向特性は、前述したように、全方向性を示し、その長手方向を含む面内においては一様にはならない。円筒形超音波トランスデューサの指向特性が、全く一様な等方性を示すようにするためには、平面形超音波トランスデューサと同様、音響放射面の開口長を縮小すればよいが、そのようにすると、こんどは、電気インピーダンスの上昇と許容入力パワーの低下とをきたし、電気ドライブするのに扱いにくくなる。
【００１０】
そこで、本発明は、円筒形超音波トランスデューサを、そのサイズを適当に確保しつつ、その指向特性を等方性化することを第二の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者は、超音波トランスデューサの放射インピーダンスにリアクタンス成分が含まれる場合には、そのリアクタンス成分が付加質量となり、整合層の共振周波数を低下させるため、超音波トランスデューサが２つの周波数で共振し、上記従来の整合層技術そのままでは広帯域化が実現し得ないことを究明した。すなわち、図７に示すように、放射インピーダンスに抵抗成分のみの場合(ｋａ＝∞：放射面積が波長よりも十分に大きい場合)には、１／４波長整合層の共振周波数ｆ_pと圧電素子の共振周波数ｆ₀とがほぼ等しくなり、圧電素子の共振周波数ｆ₀に関して対称な周波数特性(整合層共振による小ループ１１ａが、圧電素子の共振周波数ｆ₀に位置する周波数特性)を示すのに対して、放射インピーダンスにリアクタンス成分が含まれている場合(ｋａ＝１.８：放射面積が波長より小さい場合)には、圧電素子の共振周波数ｆ₀'から１／４波長整合層の共振周波数ｆ_p'がずれて、圧電素子の共振周波数ｆ₀に関して非対称な周波数特性(整合層共振による小ループ１０ａが、圧電素子の共振周波数ｆ₀'からはずれる周波数特性)を示すため、図８に示すように、放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合(ｋａ＝１.８：放射面積が波長より小さい場合)に、上記従来の整合層技術をそのまま適用しても、放射インピーダンスが抵抗成分のみの場合(ｋａ＝∞：放射面積が波長よりも十分に大きい場合)のような広帯域化を図ることができないことを見出した。なお、ここで用いているｋとは波長定数(ｒａｄ／ｍ)のことであり、ａとは放射面積半径のことである。
【００１２】
この原因の究明により、発明者は、以下に示すように、超音波トランスデューサの放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合における整合層の最適厚さを定める条件式の導出に成功した。
【００１３】
図１に示した整合層付き超音波トランスデューサのモデルにおいて、整合層と圧電素子との界面１−１'から音響負荷方向をみたときのアドミタンスＹは、以下の数式(３)により与えられるが、これを複素数Ｋ{Ｇ'＋ｊＢ'}で表すと、その虚数部Ｂ'は、以下の数式(４)により与えられる。
【００１４】
【数３】

【００１５】
ここで、Ｘは、圧電素子の放射リアクタンス、Ｒは、圧電素子の放射レジスタンスである。また、γは、ωｔ／ｖで与えられ、これに含まれるパラメータｖ,ω,ｔは、それぞれ、整合層の音速ｖ(ｍ／ｓ)、角加速度ω(ｒａｄ／ｓ)、整合層の厚さｔ(ｍ)である。また、Ｚ_Mは、整合層の音響インピーダンス(整合層の密度ρ_Mと音速ｖ_Mとの積ρ_Mｖ_M)である。
【００１６】
【数４】

【００１７】
ここで、Ａ＝(Ｒ²＋Ｘ²−Ｚ_M ²)／(２Ｚ_M)、Ｂ＝−Ｘである。
【００１８】
さて、整合層の共振条件は、Ｂ'＝０すなわち２γ−α＝π／２である。この共振条件下において、圧電素子の共振周波数ｆ_oと整合層の共振周波数ｆ_pとが等しくなるように整合層の厚さｔを定めると、その値ｔは、以下の数式(５)により与えられる。
【００１９】
【数５】

【００２０】
ここで、λは、圧電素子の共振周波数ｆ₀における整合層の音波の波長であり、αは、以下の数式(６)により与えられる値となる。
【００２１】
【数６】

【００２２】
ここで、Ｒは、圧電素子の放射レジスタンス、Ｘは、圧電素子の放射リアクタンス、Ｚ_Mは、整合層の音響インピーダンスである。
【００２３】
このようにして得られた数式(５)により定まる厚さの整合層を有する超音波トランスデューサ(ｋａ＝１.８)のアドミッタンス特性と、１／４波長の整合層を有する超音波トランスデューサ(ｋａ＝１.８)のアドミッタンス特性とをそれぞれ図２に示す。図２から明らかなように、１／４波長の整合層を有する超音波トランスデューサは、前述したように、圧電素子の共振周波数ｆ₀'から整合層の共振周波数ｆ_p'がずれて、圧電素子の共振周波数ｆ₀'に関して非対称な周波数特性(整合層共振による小ループ６１ａが、圧電素子の共振周波数からはずれた周波数特性)を示すのに対して、数式(５)により定まる厚さの整合層を有する超音波トランスデューサは、圧電素子の共振周波数ｆ₀と整合層の共振周波数ｆ_pとが等しくなり、圧電素子の共振周波数ｆ₀に関して対称な周波数特性(圧電素子共振による大ループ６０ｂのほぼ真中に、整合層共振による小ループ６０ａが位置する)を示すことが確認された。すなわち、放射インピーダンスにリアクタンス成分が含まれている場合における整合層の厚さを数式(５)により定めれば、整合層の共振周波数の低下が防止され、圧電素子の共振周波数付近で周波数特性がフラットになり、超音波トランスデューサの広帯域化が実現されることが確認された。
【００２４】
ところで、無限剛体壁に取り付けられたピストン円板の放射インピーダンスＺ_Wは、以下の数式(７)により与える。
【００２５】
【数７】

【００２６】
ここで、ｋは、波長定数(ｒａｄ／ｍ)、ａは、ピストン円板の半径(ｍ)、Ｊ₁(２ｋａ)は、以下に示す１次ベッセル関数(８)、ｋ₁(２ｋａ)は、以下に示す変形ベッセル関数(９)である。
【００２７】
【数８】

【００２８】
【数９】

【００２９】
この数式(７)(８)(９)から得られる放射レジスタンスＲおよび放射リアクタンスＸを数式(６)および数式(５)に代入することにより、円板形超音波トランスデューサの整合層の厚さｔが定まる。そして、この厚さｔは、図３に示すように、整合層と圧電素子の音響インピーダンス比Ｚ_M／Ｚ_Wによらず、ｋａ≒１.３で最小になることがわかる。一方、数式(７)によれば、このｋａ＝１.３で、ピストン円板の放射インピーダンスＺ_Wの放射リアクタンス成分Ｘ_Wが最大となることがわかる(図４参照)。
【００３０】
また、円筒形超音波トランスデューサの放射インピーダンスＺ_Wは、以下の数式(１０)により与えられる(磁歪振動と超音波Ｐ２９７〜Ｐ２９８菊池著コロナ社)参照)。
【００３１】
【数１０】

【００３２】
ここで、Ｌは、円筒の長手方向高さ、ａは、円筒半径、Ｈ₀(２)は、零次のハンケル第２種関数、Ｈ₁(２)は、１次のハンケル第２種関数、ｋ₀およびｋ₁は、変形ベッセル関数である。
【００３３】
この数式(１０)から得られる放射レジスタンスＲおよび放射リアクタンスＸを数式(６)および数式(５)に代入することによって、円筒形超音波トランスデューサの整合層の厚さｔが定まる。
【００３４】
以上の知見を基礎として、上記第一の目的を解決するため、本発明は、
放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む超音波トランスデューサであって、
音波を発生させる１つの圧電素子または、音波を発生させる圧電素子を複数配列させた圧電素子アレイと、
放射媒体と前記圧電素子との間に介在させた音響整合層とを有し、
前記整合層の厚さｔは、上記数式(５)により与えられることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００３５】
このような構造によれば、前述したように、放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合において、整合層の共振周波数と圧電素子の共振周波数とがほぼ等しくなるため、圧電素子の共振周波数付近で電気的インピーダンスの周波数特性がフラットになる。したがって、低周波数音源、無指向性ハイドロフォン、配列数が少ないトランスデューサアレイ等、放射媒体の波長に対して小さな音響放射面積を有する超音波トランスデューサの広帯域化を実現することができる。
【００３６】
さらに、上記第二の目的を達成するため、本発明は、
このような超音波トランスデューサにおいて、
前記圧電素子として円筒形圧電素子を備え、
当該円筒形圧電素子の音響放射面に凸形状の音響レンズが配されていることを特徴とする超音波トランスデューサを提供する。
【００３７】
このような構造によれば、音響レンズの厚肉部が薄肉部よりも速く音波を放射させる。したがって、円筒形超音波トランスデューサの高さを縮小しなくても、その指向特性を、その長手方向を含む面内においても一様にすることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る実施の一形態について説明する。
【００３９】
最初に、図５により、本実施の形態に係る整合層付き超音波トランスデューサの基本構造について説明する。
【００４０】
本超音波トランスデューサは、金属等で形成されたケーシング１７、ケーシング１７内部に収納された３×３の角柱圧電素子アレイ、ケーシング１７内部を放射媒体(水)から遮蔽する音響窓１８、角柱圧電素子アレイの各角柱圧電素子に電気信号を供給するためのマトリクス電極(不図示)および伝送ケーブル１を有している。そして、ケーシング１７内部の隙間には、ひまし油、モールド等が充填されている。
【００４１】
角柱圧電素子アレイは、複数の角柱圧電素子１４を配列させることにより構成されている。そして、この角柱圧電素子アレイの音響放射面（音響窓１８との対向面）の面積が波長より小さい場合、その放射インピーダンスにはリアクタンス成分が含まれる。そこで、四角形の音響放射面を有する圧電素子アレイの放射インピーダンスが、円形の音響放射面を有する圧電素子と等価であることを利用し、前述の数式(７)(８)(９)(６)(５)により定まる最適厚さｔとほぼ等しい厚さｔ₀を有する整合層８を、各角柱圧電素子１４にそれぞれ貼り付けてある。したがって、超音波トランスデューサ(放射面と等価な円の半径をａとして、ｋａ＝１.８)は、前述した通りの効果により、圧電素子の共振周波数ｆ₀と整合層の共振周波数ｆ_pとが等しくなり、圧電素子の共振周波数ｆ₀に関して対称な周波数特性(図２参照)を示す。すなわち、圧電素子アレイの放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合には、各角圧電素子の放射面を円形とみなして、前述の数式(５)等により整合層の厚さを定めれば、整合層の共振周波数の低下が防止され、圧電素子の共振周波数付近で周波数特性がフラットになり、超音波トランスデューサの広帯域化が実現される。
【００４２】
なお、ここで示した整合層付き超音波トランスデューサは、送波の場合には、伝送ケーブル１から入力された電気信号が各角柱圧電素子１４で機械振動に変換することにより、超音波を、整合層８および音響窓１８を介して放射媒体１１へと送波し、受波の場合には、放射媒体１１からの超音波を、送波の場合と逆の経路で電気信号に変換する。そして、整合層８は、超音波がこれを通過するさいに、圧電素子と放射媒体１１との音響インピーダンスがほぼ幾何平均になるように音響インピーダンスを調整する。
【００４３】
つぎに、図６により、本実施の形態に係る整合層付き円筒形超音波トランスデューサの基本構造について説明する。
【００４４】
本超音波トランスデューサには、送受音素子として、同心に配置された２つの円筒圧電素子７ａ,７ｂが用いられている。これら２つの円筒圧電素子は、下図Ａ−Ａ断面に示すように、放射状に、１２個の分割要素に分割されている。この分割を細かくすると、水平の指向性を広くすることができ、さらに、円管の振動モードがなくなって、円筒圧電素子７ａ,７ｂの径方向厚み振動モードが基本モードとして発生するため、共振周波数を上げることができる。なお、円筒圧電素子７ａ,７ｂの円周方向の幅が、長手方向の厚さよりも十分小さくなるように分割しなければならない。
【００４５】
そして、各円筒圧電素子７ａ,７ｂの各分割要素には、それぞれ、その上下および内外面に電極(銀等)１０が設けられており、これらの電極１０が、伝送ケーブル１に接続された外部電極４,５に接続されている。ただし、低インピーダンス化実現のため、電極１０は、円筒圧電素子７ａ,７ｂの接合部が同極性となるように組み合わされている。なお、さらに多層の構造とする場合も、これと同様に、各円筒圧電素子の接合部分が同極性の電極になるようにする。
【００４６】
そして、内側圧電素子７ｂの各分割要素の内壁面には、それぞれ、金属(銀等)、コルク、樹脂(スポンジ等)で形成されたバッキング１２が貼り付けられており、中心軸に向かって進行した音波を効率的に反射させるようになっている。あるいは、内側圧電素子７ｂ内部に空気を充填させておいてもよい。
【００４７】
また、外側圧電素子７ａの各分割要素の外壁面すなわち放射面には、それぞれ、放射媒体１１と各円筒圧電素子７ａ,７ｂとの間で音響整合をとるために、エポキシ樹脂、金属粉末を分散させた樹脂等で形成された整合層８が貼り付けられている。この整合層８は、いうまでもなく、前述の数式(１０)(６)(５)によって定まる最適厚さｔとほぼ等しい厚さを有している。そして、この整合層８の放射媒体側には、凸面形状の音響レンズ９が配されている。このような形状の音響レンズ９は、厚肉部(中央部)の音波を薄肉部よりも速く放射させる。したがって、このような形状の音響レンズ９を配しておくことにより、円筒形超音波トランスデューサの高さを縮小しなくても、その指向特性を、その長手方向を含む面内においても一様にすることができる。また、ここで用いる音響レンズ９は、音響インピーダンスが放射媒体とほぼ等しく、かつ、音速が放射媒体よりも音速の速い材料で形成されていることが望ましい。音響ロスを生じさせないからである。放射媒体が水である場合には、適当なサイズの中空ガラスバルーン(中空のガラス製のバルーン)が分散されたエポキシ樹脂(商品名：シンタクチックフォーム)が、そのような材料として挙げられる。
【００４８】
なお、図６中、１７は、円筒圧電素子７ａ,７ｂを保持するケーシング１７であり、金属等で形成されている。また、６は、円筒圧電素子７ａ,７ｂと外部電極４,５との間に設けられた振動絶縁シートであり、コルク、ゴム等で形成されている。また、３は、円筒圧電素子７ａ,７ｂの分割要素等で構成される分割部１'〜１２'を放射媒体１１から遮蔽する水密モールドであり、ウレタン樹脂、ゴム等で形成されている。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波トランスデューサの放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む場合における整合層の最適厚さが定まり、放射インピーダンスにリアクタンス成分を含む超音波トランスデューサの広帯域化を図ることができる。さらに、円筒形超音波トランスデューサを、そのサイズを適当に確保しつつ、その指向特性を等方性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超音波トランスデューサのモデルを示した図である。
【図２】本発明の効果を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係るピストン円板のｋａとλ／４波長整合層厚さに対する最適厚さｔの比率を示した図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係るピストン円板の放射インピーダンス密度図である。
【図５】本発明の実施の一形態に係る整合層付き超音波トランスデューサの構造を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の一形態に係る整合層付き超音波トランスデューサの縦断面および横断面を示した図である。
【図７】放射面積が波長よりも十分に大きい１／４波長整合層付き超音波トランスデューサ(ｋａ＝∞)のアドミッタンス特性と、放射面積が波長より小さい１／４波長整合層付き超音波トランスデューサ(ｋａ＝１.８)のアドミッタンス特性とを示した図である。
【図８】放射面積が波長よりも十分に大きい１／４波長整合層付き超音波トランスデューサ(ｋａ＝∞)のコンダクタンス周波数特性と、放射面積が波長より小さい１／４波長整合層付き超音波トランスデューサ(ｋａ＝１.８)のコンダクタンス周波数特性とを示した図である。
【符号の説明】
１…伝送ケーブル
２…フレーム
３…水密モールド
４,５…外部電極
６…振動絶縁シート
７ａ,７ｂ…円筒圧電素子
８ａ,８ｂ…音響整合層
９…音響レンズ
１０…圧電素子電極
１１…音響媒体
１２…バッキング
１３…整合層
１４…角柱圧電素子
１５…ひまし油
１６…モールド
１７…ケーシング
１８…音響窓

Claims

放射インピーダンスがリアクタンス成分を含む超音波トランスデューサであって、
音波を発生させる１つの圧電素子、または、音波を発生させる圧電素子を複数配列した圧電素子アレイと、
前記圧電素子の表面に設けられた音響整合層とを有し、
前記整合層の厚さｔは、下記の数式(１)により与えられることを特徴とする超音波トランスデューサ。

（ただし、数式(１)において、λは、前記圧電素子の共振周波数における前記整合層の音波の波長であり、αは、下記の数式(２)により与えられる）

（ただし、数式(２)において、Ｒは、前記圧電素子の放射レジスタンス、Ｘは、放射リアクタンス、Ｚ_Mは、前記音響整合層の音響インピーダンスである）
前記圧電素子として音響整合層付き円筒形圧電素子を備えた請求項１記載の超音波トランスデューサであって、
前記音響整合層付き円筒形圧電素子の音響放射面に配された凸形状の音響レンズを有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
請求項２記載の超音波トランスデューサであって、
前記音響レンズの材料は、前記放射媒体よりも音速が速く、かつ、前記放射媒体とほぼ同じ音響インピーダンスを有することを特徴とする超音波トランスデューサ。
請求項３記載の超音波トランスデューサであって、
前記放射媒体は、水であり、
前記音響レンズの材料は、中空ガラスバルーンを分散させたエポキシ樹脂であることを特徴とする超音波トランスデューサ。