JP4111236B2 - 超音波トランスデューサの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受波して液体等の音速を測定する場合に使用される超音波トランスデューサの駆動方法に関する。

一般に、超音波トランスデューサは、圧電体を挟んで一対の電極が形成されてなる圧電振動子を有し、この圧電振動子の一方の電極の背面にバッキング層を設けて構成されている（例えば、特許文献１参照）。そして、一対の電極間に駆動信号を印加することで圧電振動子を励振して超音波を送波する一方、超音波を受波した場合には、圧電振動子でその振動を電気信号に変換して出力する。また、バッキング層は励振時において圧電振動子からその背面側に放射される超音波を吸収して減衰するために設けられている。

このような超音波トランスデューサを用いて各種の液体の音速を測定する場合、一対の超音波トランスデューサを所定の間隔を存して対向配置し、一方の超音波トランスデューサから超音波を送波する。そして、液体中を通過した超音波を他方の超音波トランスデューサで受波し、計測回路で送受波に要する時間を計測してその計測時間と両超音波トランスデューサの対向間距離とに基づいて液体の音速を算出する。

この場合に圧電振動子とその背面に設けたバッキング層との音響特性インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の差が大きい場合には、両者の界面で音波の反射が起こって圧電体の内部で共振が生じ、その共振に起因して振動が短時間で収束せずに尾を引く現象、いわゆるリンギングが発生する。そして、このようなリンギングが生じると、受波側の信号にリンギング成分が含まれるようになって測定誤差が増加し、時間分解能が低下するなどの不具合を起こす。このため、従来技術では、バッキング層の音響特性インピーダンスを、圧電振動子を構成する圧電体と略同じ音響特性インピーダンスになるように設定して両者を一体接合した超音波トランスデューサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、超音波トランスデューサに対して駆動パルスを印加する場合、駆動パルスの形状が問題となる。超音波トランスデューサに圧電体が用いられて
いる場合には、印加された電圧パルス（＝駆動パルス）と変位が略同じ波形となり、発生する超音波パルスの音圧および粒子速度は、印加電圧パルスの時間微分と略同じ波形となる。すなわち、駆動パルスが矩形波の場合、パルスの立ち上がりの微分は上がって下がる一つの山となり、パルスの立ち下がりでは逆に下がって上がる一つの谷となる。つまり、矩形の駆動パルスを印加した際、パルスに微分値によって音波が発生するため、例えば図５のＴｄ＝３５０ｎｓｅｃの波形のように山と谷の２つの連続した超音波の波形が生じる。なお、トランジスタ等を用いて素子を駆動する場合、駆動電流が限られるので素子の端子間電圧は、その静電容量が大きい場合には矩形パルスとならず三角波状となる。これは発生する超音波パルスの音圧が低下する原因となるので、実施時においては、駆動電流はできるだけ大きく、また素子の静電容量はできるだけ小さくして、端子間電圧をできるだけ矩形波に近づけることが望まれる。パルス幅が広い場合には山と谷とは時間的に分離する。

一方、上記のように各種の液体の音速を測定する場合には超音波トランスデューサに図２３（ａ）に示すような駆動パルスを印加してから超音波を受波するまでに要する時間を測定する。その際、受波側において、例えば、図２３（ｂ），（ｃ）に示すように、山の波形のピークあるいは谷のピークの近傍に達する時間Ｔ１を計測することは、アンプのゲインや雑音等の影響を受け易く、測定精度が劣化し易い。このため、従来より図２３（ｄ），（ｅ）に示すように、山から次の谷に向かって立ち下がる振幅零の点を横切る時点、いわゆるゼロクロス点までの時間Ｔ２を検出することが行われている。

特開平１５−２５９４９０号公報 特開２００３−３７８９６号公報

上述のように、受波した信号のゼロクロス点を精度良く検出するためには、ゼロクロス点における波形の傾きができるだけ急峻であることが望ましい。しかし、従来技術では、超音波トランスデューサに印加する駆動パルスの波形、特にパルス幅について十分な検討が加えられておらず、そのため、ゼロクロス点を検出する際の検出位置が不明確になるなどして測定誤差が増加し、時間分解能が低下するなどの不具合を生じていた。

また、特許文献２に開示されている従来技術のように、バッキング層の音響
特性インピーダンスを、圧電振動子を構成する圧電体と略同じ音響特性インピーダンスに設定した場合には、両者の界面での反射をある程度まで抑えることが可能になる。

しかしながら、その場合においてもバッキング層の圧電振動子との境界側と反対側にある開放側端面で超音波の反射が起こるので、この反射成分が受波側に送波されると測定誤差の要因となる。したがって、このようなバッキング層の開放側端面での反射の影響を受けないようにする必要がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、ゼロクロス点の検出精度を高めることができ、また、バッキング層の開放側端面での反射の影響などを受けないようにして、従来よりも超音波の測定精度を向上させることが可能な超音波トランスデューサの駆動方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、圧電体を挟んで一対の電極が形成されてなる圧電振動子を有し、この圧電振動子の一方の電極に接して前記圧電体と同じ音響特性インピーダンスを有するバッキング層が設けられた超音波トランスデューサについて、前記一対の電極で挟まれた圧電体内を超音波が伝搬する時間をＴｈ、前記圧電振動子を駆動する駆動パルスのパルス幅をＴｄとしたとき、
２Ｔｈ≦Ｔｄ≦６Ｔｈ
の条件を満たすように駆動することを特徴とする。

請求項２記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、請求項１に記載の駆動方法において、前記一対の電極で挟まれた圧電体の厚さをＬ１、前記バッキング層の厚さをＬ２、前記圧電体およびバッキング層の内部を超音波が伝搬する際の音速をＶとしたとき、
Ｔｄ＜（２Ｌ２＋Ｌ１）／Ｖ
の条件を満たすように設定されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、請求項１または請求項２に記載の駆動方法において、超音波送波対象となる物質を挟んで一対の超音波トランスデューサを対向配置した場合において、両超音波トランスデューサの対向間距離をＸ、前記圧電振動子の超音波放射面の短辺の長さあるいは直径を２Ｒ、前記物質内を伝搬する超音波の音速をＶMとしたとき、前記物質内を伝搬する超音波の波長をλとすると、λ＝（ＶM×Ｔｄ）で表され、
（Ｒ²＋Ｘ²）^1/2−Ｘ＞（ＶM×Ｔｄ）の条件を満たすように設定されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の駆動方法において、前記圧電振動子の超音波放射面と超音波送波対象となる物質との間にこれらとは異なる物質からなる隔壁が介在する場合において、この隔壁の厚さをＬｗ、その隔壁内を超音波が伝搬する際の音速をＶｗとしたとき、
Ｔｄ＜２Ｌｗ／Ｖｗ
の条件を満たすように設定されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、請求項４に記載の駆動方法において、前記隔壁の音響特性インピーダンスは、前記圧電振動子の音響特性インピーダンスと前記超音波送波対象となる物質の音響特性インピーダンスとの間の値となるように設定されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法によれば、送波側において一定の条件を満たすように駆動パルスのパルス幅を設定することにより、受信側においてゼロクロス点における波形の傾斜を急峻に保つことができる。このため、ゼロクロス点の検出精度を高めることができる。これにより、従来よりも超音波を受信する際の時間分解能が向上し、精度良い音速測定が可能になる。

請求項２記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法によれば、送波側において一定の条件を満たすように駆動パルスのパルス幅あるいはバッキング層の厚さを設定することにより、受信側において超音波送波時のバッキング層の開放側端面での反射の影響を受けなくなるので、従来よりも音速測定精度を向上させることが可能になる。

請求項３記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法によれば、一定の条件を満たすように一対の超音波トランスデューサ間の距離Ｘを設定することで、超音波の受信は近距離音場内で行われるため、回折波の影響を除くことができ、従来よりも音速測定精度を向上させることが可能になる。

請求項４記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法によれば、圧電振動子の超音波放射面と超音波送波対象となる物質との間にこれらとは異なる物質からなる隔壁が介在する場合において、駆動パルスのパルス幅あるいは隔壁の厚さを一定の条件を満たすように設定することにより、受信側において隔壁で生じる反射の影響を除くことができ、従来よりも超音波を受信する際の時間分解能が向上し、精度良い音速測定が可能になる。

請求項５記載の発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法によれば、隔壁の音響特性インピーダンスを圧電振動子の音響特性インピーダンスと超音波送波対象となる物質の音響特性インピーダンスとの間の値となるように設定することにより、隔壁での超音波の反射による減衰量を小さくすることができ、超音波を効率良く受信側に向けて送波することができる。

本発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、圧電体を挟んで一対の電極が形成されてなる圧電振動子を有し、この圧電振動子の一方の電極に接して圧電体と同じ音響特性インピーダンスを有するバッキング層が設けられた超音波トランスデューサについて、一対の電極で挟まれた圧電体内を超音波が伝搬する時間をＴｈ、圧電振動子を駆動する駆動パルスのパルス幅をＴｄとしたとき、
２Ｔｈ≦Ｔｄ≦６Ｔｈ （１）
の条件を満たすように駆動する。

各種の液体の音速を測定する場合、受波した信号のゼロクロス点を精度良く検出するためには、ゼロクロス点における波形の傾きができるだけ急峻であることが好ましい。すなわち、駆動パルスのパルス幅Ｔｄが広過ぎる場合にはゼロクロス点における波形の傾斜が穏やかになってゼロクロス点が不明確になり、また、パルス幅Ｔｄが極端に狭いときには信号のレベルが低くなるためＳ／Ｎ比が劣化し、加えて山から谷への変化度合いが小さくなって、やはりゼロクロス点の波形の傾斜が穏やかになってゼロクロス点が不明確になる。これに対して、上記の条件（１）を満たすように駆動パルスのパルス幅Ｔｄを設定した場合には、ゼロクロス点における波形の傾斜を急峻にできるため、ゼロクロス点の検出精度を高めることができ、従来よりも超音波の測定精度を向上させることができる。

また、本発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、上記の駆動方法を採用する場合において、一対の電極で挟まれた圧電体の厚さをＬ１、バッキング層の厚さをＬ２、圧電体およびバッキング層の内部を超音波が伝搬する際の音速をＶとしたとき、
Ｔｄ＜（２Ｌ２＋Ｌ１）／Ｖ （２）
の条件を満たすように設定する。

上記の条件（２）を満たすようにバッキング層の厚さＬ２を予め設定しておけば、圧電振動子から直接発生した超音波とバッキング層の開放端面で反射した超音波とを受信側において時間的に分離することができる。したがって、バッキング層の開放側端面で反射した超音波の影響を除くことができるため、従来よりも音速測定精度を向上させることができる。なお、バッキング層の厚さＬ２を設定する代わりに、上記の条件（２）を満たすように駆動パルスのパルス幅Ｔｄを設定してもよい。なお、送波器と同様の構造を有する超音波トランスデューサを受波器に用いる場合にも受波器を（２）の条件を満たすように設定するとよい。

さらに本発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、超音波送波対象となる物質を挟んで一対の超音波トランスデューサを対向配置した場合において、両超音波トランスデューサの対向間距離をＸ、圧電振動子の超音波放射面の短辺の長さあるいは直径を２Ｒ、物質内を伝搬する超音波の音速をＶMとしたとき、物質内を伝搬する超音波の波長をλとすると、λ＝（ＶM×Ｔｄ）で表され、
（Ｒ²＋Ｘ²）^1/2−Ｘ＞（ＶM×Ｔｄ） （３）
の条件を満たすように設定する。

すなわち、送波される超音波には、送波面全面から同時に放射される直接波と、送波面のエッジ部分から放射される逆極性の回折波とが存在するが、上記の条件（３）を満たすように一対の超音波トランスデューサ間の距離Ｘを設定することで、超音波の受信は近距離音場内で行われるため、回折波の影響を時間的に分離して取り除くことができ、従来よりも音速測定精度を向上させることが可能になる。

さらにまた本発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、圧電振動子の超音波放射面と超音波送波対象となる物質との間にこれらとは異なる物質からなる隔壁が介在する場合において、この隔壁の厚さをＬｗ、その隔壁内を超音波が伝搬する際の音速をＶｗとしたとき、
Ｔｄ＜２Ｌｗ／Ｖｗ （４）
の条件を満たすように設定する。

上記の条件（４）を満たすように隔壁の厚さＬｗを予め設定しておけば、受信側において隔壁で生じる反射の影響を除くことができる。つまり、圧電振動子から直接発生した超音波と隔壁の端面で反射した超音波とを受信側において時間的に分離することができる。したがって、従来よりも超音波を受信する際の時間分解能が向上し、精度良い音速測定が可能になる。なお、隔壁の厚さＬｗを設定する代わりに、上記の条件（４）を満たすように駆動パルスのパルス幅Ｔｄを設定してもよい。

また、本発明に係る超音波トランスデューサの駆動方法は、隔壁の音響特性インピーダンスを、圧電振動子の音響特性インピーダンスと超音波送波対象となる物質の音響特性インピーダンスとの間の値となるように設定する。これにより、隔壁での超音波の反射による減衰量を小さくすることができ、超音波を効率良く受信側に向けて送波することができる。当然ではあるが、送波器と同様の構造の超音波トランスデューサを受波側に用いる場合にも、隔壁の厚さＬｗや音響特性インピーダンスを上記のように設定することが好適である。

以下、上記の超音波トランスデューサの駆動方法を採用する根拠となる具体的な実施例について説明する。

図１はこの実施例１における超音波トランスデューサの構成を示すもので、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＺ−Ｚ線に沿う断面図、図２はこの超音波トランスデューサの電極の具体的な寸法形状を示す平面断面図である。

この実施例１の超音波トランスデューサ１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミック材料からなる圧電体３を備えるとともに、この圧電体３の内部には所定の間隔を存して一対の電極４，５が形成されている。そして、上記の一対の電極４，５で挟まれた圧電体３の部分は分極処理されて圧電活性部３１として構成されている。そして、この圧電活性部３１、および一対の電極４，５によって圧電振動子２が構成されている。

さらに、この圧電振動子２の一方の電極５の外側に位置する圧電体の部分はバッキング層３２として形成され、また、他方の電極４の外側には薄肉の表皮部３３が設けられている。したがって、圧電振動子２を構成する圧電活性部３１、バッキング層３２、および表皮部３３は共に一体化されていて音響特性インピーダンスが同じになっている。なお、バッキング層３２や表皮部３３は未分極の非活性状態であるが、分極処理されていてもよい。また、圧電体２の電極形成面と直交する側の端面には、各電極４，５の引出部４ａ，５ａに対して個別に接続された外部接続電極７，８が形成されている。

この実施例１では、上記構成を有する超音波トランスデューサ１を次のようにして製作した。まず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミックの粉に水やバインダを加えてシート状に形成した。このセラミックシートの一層当たりの厚さは焼結前で約６５μｍ、焼結後で約４０μｍであった。電極４，５に相当する部分にはスクリーン印刷法により、銀−パラジウムペーストを印刷した。焼成条件等により、パラジウムの量は０〜８０％の範囲で選定されるが、ここでは３０％とした。

上記のシートを用いて圧電活性部分３１形成のために４層、バッキング層３２形成のために３７層、表皮部３３形成のために１層のセラミックシートを積層し、最高で約１０００℃の温度で一体焼成した。焼成後の超音波トランスデューサ１全体の寸法は、６×９×１．７ｍｍであり、そのときの圧電活性部３１の厚さは約１６０μｍ、バッキング層３２の厚さは約１．５ｍｍ、表皮部３３の厚さは約４０μｍであった。また、図２に示すように、各電極４，５の厚さは１〜２μｍで、各電極４，５の圧電活性部３１に対面する部分の寸法は５・５ｍｍの正方形であり、また引出部分４ａ，５ａは幅が０．５ｍｍで、互いに圧電活性をもたないように互いに位置をずらせている。

次に、各電極４，５と外部との電気的接続をとるために、電極４，５の引出部４ａ，５ａが側面に露出する部分に外部接続電極６，７を形成した。外部接続電極６，７は、銀粉末とガラス粉末とからなる電極ペーストを塗布し、約８００℃で焼成して形成した。なお、金属膜を蒸着やスパッタなどの真空技術を用いた方法で形成することもできる。そして、両外部接続電極６，７の間に４８０Ｖの直流電圧を印加して分極処理を行った。

このようにして作成された超音波トランスデューサ１を、図３に示すように水槽１０中に設置し、超音波トランスデューサ１から放射された超音波をＰＶＤＦハイドロホン１１で受波し、前段増幅器１２を介してデジルタオシロスコープ１３で受波波形を観測した。超音波トランスデューサ１の駆動は、パルス発生器１４により種々のパルス幅をもつ単発パルスを発生させ、このパルスをドライバ１５を介して超音波トランスデューサ１に印加した。すなわち、図４に示すように、単発のパルスをドライバ１５のインバータを利用した増幅器１５ａを介して直接一方の電極４に、また、増幅器１５ａで増幅後のパルスをインバータ１５ｂを介してレベル反転させた後に他方の電極５にそれぞれ印加するようにした。なお、インバータを２個用いず、１個だけ用いた場合でも基本動作は同様である。つまり、本発明は駆動方式に依らずパルス幅の制御が重要である。

図５は種々のパルス幅Ｔｄをもつ単発パルスを超音波トランスデューサ１の両電極に印加して超音波を送波したときの伝搬距離Ｘ＝５ｍｍで観測された波形を示している。また、図６は駆動パルスのパルス幅Ｔｄを変化させた場合の受波波形の山のピークと谷のピークの各音圧を測定した結果である。

これらの図から分かるように、パルス幅Ｔｄが８０ｎｓｅｃ未満の小さな範囲では山と谷の各振幅も小さくて変化度合いが緩やかで、山と谷とで非対称な波形となっており、ゼロクロス点が不明確である。また、パルス幅Ｔｄが２５０ｎｓｅｃよりも大きくなると、超音波波形の山と谷とが分離してしまってゼロクロス点における波形の傾斜が穏やかになってゼロクロス点を検出する際の検出位置が不明確になる。

これに対して、パルス幅Ｔｄが８０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃの間にあるときには、超音波波形の山と谷の対称性も良くて山から谷へと変化するゼロクロス点における波形の傾きが比較的急峻であり、ゼロクロス点を精度良く検出することができる。

この実施例１の場合、圧電振動子２を構成する圧電活性部３１の厚さは約１６０μｍで、そのときの音速は約４０００ｍ／ｓなので、圧電活性部３１の伝搬時間Ｔｈは約４０ｎｓｅｃである。そして、上記のようにパルス幅Ｔｄが８０ｎｓｅｃ〜２５０ｎｓｅｃの間にあるときにゼロクロス点の検出精度が良好であることから、パルス幅Ｔｄを伝搬時間Ｔｈで規格化すると、ゼロクロス点が明確に検出できるのは、駆動パルスのパルス幅Ｔｄを圧電活性部３２を通過する超音波の伝搬時間Ｔｈの２倍〜６倍の範囲に設定した場合であることが分かる。したがって、２≦（Ｔｄ／Ｔｈ）≦６、すなわち前述の条件（１）を満たすように駆動パルスのパルス幅Ｔｄを設定して駆動すればゼロクロス点を明確に検出することができる。

さらにゼロクロス点を明確に検出する上での最適な範囲は、２≦（Ｔｄ／Ｔｈ）≦３である。その理由について、図２４ないし図２６を参照して説明する。

まず、理想的な場合を考える。超音波トランスデューサ１に図２４（ａ）に示す駆動パルス（パルス幅Ｔｄ）が印加された場合、そのときの変位波形は同図（ｂ）に示すようになる。また、このとき、超音波トランスデューサ１から発生される音波の波形は同図（ｃ）に示すようになる。この場合、駆動パルスの立ち上がりおよび立ち下がりで変位波形がそれぞれＴｈの時間を要するとすれば、音波波形の山の幅と谷の幅も同じＴｈになる。そして、超音波波形の山と谷の対称性が良くて山から谷へと変化するゼロクロス点における波形の傾きが急峻であるためには、超音波波形の山と谷との時間間隔Ｔｇ≒０のときである。したがって、図２５（ａ）に示すようにＴｄ＝Ｔｈのときに、同図（ｂ）に示すように最適な超音波波形となる。

ところが、実際の駆動パルスは、図２６（ａ）に示すようにコンデンサに充電された電荷を抵抗を介して放電するような波形になるため、信号の立ち上がり時間Ｔｒを考慮すると、超音波トランスデューサ１の変位波形は、同図（ｂ）に示すように圧電体３に駆動パルスが印加され始めてから終わるまでの時間としてＴｒ＋Ｔｈを要する。そのため、超音波トランスデューサ１から発生される音波の波形は同図（ｃ）に示すようになる。この場合もゼロクロス点における波形の傾きが急峻であるためには、超音波波形の山と谷との時間間隔Ｔｇ≒０のときである。したがって、
Ｔｄ＝Ｔｒ＋Ｔｈ （イ）
のときが実際上において最適な超音波波形となる。

ところで、図２６に示す信号の立ち上がり時間Ｔｒは、実際の使用条件や回路構成などに左右されるが、必要最小限の電流源で最大電圧を得る条件は、Ｔｈ＝Ｔｒのときである。この条件を上記の（イ）式に適用すると、Ｔｄ＝２Ｔｈ、すなわちＴｄ／Ｔｈ＝２となる。実際にはＴｒはＴｈよりも幾分大きくなるため、Ｔｄ／Ｔｈ＝２はゼロクロス点を明確に検出する上での最適な範囲の下限値を示すものとなる。

一方、ゼロクロス点を明確に検出する上での最適な範囲の上限値は、Ｔｒの大きさ次第であるが、図５に示した実験結果よりＴｄ／Ｔｈ＝６（すなわちＴｄ＝２５０ｎｓｅｃ）が上限値であることが分かる。ただし、図５から読み取れるように、Ｔｄ／Ｔｈ＝６では超音波波形の山と谷とが幾分分離してしまってゼロクロス点がやや不明確になっている。したがって、一層望ましいのは図５に示した実験結果よりＴｄ／Ｔｈ＝３（すなわちＴｄ＝１２０ｎｓｅｃ）である。

図７は図１に示した構成の超音波トランスデューサ１において、超音波が圧電振動子２の放射面から直接発射される超音波と、バッキング層３２の開放端面３２ａで反射して再び圧電振動子２を通過して発射される超音波との関係を示している。また、図８は超音波トランスデューサ１に加える駆動パルスと超音波を受波したときの波形とを比較して示している。

超音波を受波したときの波形において、山の立ち上がり時点からゼロクロス点までの時間は駆動パルスのパルス幅Ｔｄに略一致する。したがって、圧電振動子２で発生した超音波がバッキング層３２の開放端面３２ａで反射して再び圧電振動子２の放射面にまで戻ってくるまでに要する時間Ｔｅが駆動パルスのパルス幅Ｔｄよりも大きければ（Ｔｅ＞Ｔｄ）、圧電振動子２の放射面から直接発生した超音波とバッキング層３２の開放端面３２ａで反射した超音波とを受信側において時間的に分離することができる。

ここに、圧電活性層３１の厚さをＬ１、バッキング層３２の厚さをＬ２、圧電活性層３１およびバッキング層３２の内部を超音波が伝搬する音速をＶとすると、Ｔｅ＝（２Ｌ2＋Ｌ1）／Ｖである。したがって、（２Ｌ2＋Ｌ1）／Ｖ＞Ｔｄ、すなわち前述の条件（２）を満たすようにバッキング層３２の厚さＬ２を予め設定しておけば、バッキング層３２の開放端面で反射する超音波の影響を除くことができる。なお、バッキング層の厚さＬ２を設定する代わりに、上記の条件（２）を満たすように駆動パルスのパルス幅Ｔｄを設定してもよい。

図９，図１０は実施例１，２で説明した構成および条件で駆動される一対の超音波トランスデューサを所定の間隔を存して対向配置して超音波送受波器を構成する場合の説明図である。

図９に示した超音波送受波器２０は、圧電体３の内部に一対の対向する電極４ａ，５ａおよび４ｂ，５ｂを２組形成した後、上下各組の電極４ａ，５ａおよび４ｂ，５ｂの間に位置する中央部分を切削加工等等によってコの字形に切り欠くことにより、図１に示したのと同じ構造を有する一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂを支持部３４を介して一体的に連結した構成としている。

したがって、上方に位置する一対の電極４ａ，５ａとこれらの電極４ａ，５ａで挟まれた圧電体の部分、つまり圧電活性部３１ａにより圧電振動子２ａが構成されるとともに、一方の電極５ａの背面側にバッキング層３２ａが形成されて一方側の超音波トランスデューサ２ａが構成されている。同様に、下方に位置する一対の電極４ｂ，５ｂとこれらの電極４ｂ，５ｂで挟まれた圧電体の部分、つまり圧電活性部３１ｂにより圧電振動子２ｂが構成され、一方の電極５ｂの背面側にバッキング層３２ｂが形成されて他方側の超音波トランスデューサ２ｂが構成されている。この構成の超音波送受波器２０は、製作工数が少なくてすみ、また、両超音波トランスデューサ１ａ，１ｂのアライメントが容易であるという利点がある。

図１０に示した超音波送受波器２１は、それぞれ図１に示したのと略同じ構造を有する一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂをスペーサ２２および接着剤を用いて接合してコの字形に形成したものである。

ここで、図９あるいは図１０に示した超音波送受波器２０，２１において、一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂの超音波放射面の対向間距離Ｘは、次のように設定するのが望ましい。

いま、図１１に示すように一方（例えば下側）の超音波トランスデューサ１ｂから他方（ここでは上側）の超音波トランスデューサ１ａに向けて超音波を送波するとした場合、送波される超音波には、下側の超音波トランスデューサ１ｂの送波面全面から放射される直接波と、これと同時に送波面のエッジ部分から放射される逆極性の回折波とが存在する。

直接波と回折波とが受波側の超音波トランスデューサ１ａに重なることなく到達するときには、図１２（ａ）に示すように、受波波形の山から谷へのゼロクロス点が明瞭であるが、直接波と回折波とが受波側の超音波トランスデューサ１ａに重なって到達すると、図１２（ｂ）に示すように、受波波形に山から谷および谷から山への前後２つのゼロクロス点が連なって存在するようになるなどして、ゼロクロス点を精度良く検出することが難しく、超音波を受信する際の時間分解能の低下を招く。

ここで、下側の超音波トランスデューサ１ｂの超音波送波面中心から上側の超音波トランスデューサ１ａの超音波受波面中心の間を結ぶ音軸２３上の対向間距離をＸ、超音波放射面の電極４ｂの短辺の長さ（電極４ｂが円形の場合には直径）を２Ｒ、上下の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂで挟まれた物質内を伝搬する超音波の音速をＶMとすると、物質内を伝搬する超音波の波長λは、λ＝ＶM×Ｔｄで表され、一方の超音波トランスデューサ１ｂの超音波送波面のエッジから他方の超音波トランスデューサ１ａの超音波受波面の音軸２３上までの距離は、（Ｒ²＋Ｘ²）^1/2で表される。

いま、下側の超音波トランスデューサ１ｂの超音波送波面の中心から放射された超音波が距離Ｘを進んで受波側の超音波トランスデューサ１ａに到達した場合、エッジから放射された回折波も同じ距離Ｘを進むが、この直接波と回折波とを時間的に分離するためには、直接波が受波側の超音波トランスデューサ１ａに到達した時点における回折波との距離の差Δ＝（Ｒ²＋Ｘ²）^1/2−Ｘが、物質内を伝搬する超音波の音速をＶMと駆動パルスのパルス幅Ｔｄとの積ＶM×Ｔｄ、すなわち、超音波の波長λ以上離れていることが必要である。

したがって、Δ＞λ、すなわち前述の条件（３）を満たすように対向間距離Ｘを設定しておけば、直接波と回折波とを時間的に分離でき、ゼロクロス点を精度良く検出することができる。なお、この場合、上記の距離の差Δは、出来るだけ波長λよりも大きな値をとることが望ましい。すなわち、近距離音場内であるこが望ましく、Δが小さくなり過ぎると（つまり対向間距離Ｘが大きくて遠距離音場になると）直接波と回折波との分離ができなくなる。なお、受波側の超音波トランスデューサが大きい場合には、直接波と回折波の分離ができない場合でも受波することになるが、直接波は受波面全て同じ位相で入射するのに対し、回折波は連続的に異なる位相で入射するので、結果として回折波の影響は非常に小さくなる。

図１３は、超音波送波面の短辺長さ、もしくは直径２Ｒをパラメータとし、λ＝Δ｛√（Ｒ²＋Ｘ²）｝−Ｘをプロットしたグラフである。このグラフの下側にあれば近距離音場、上側にあれば遠距離音場である。

この実施例４では、図９および図１０に示した実施例３の構成を備えた超音波送受器の各種の特性について検討した。

図１４は、図９に示した構成の超音波送受波器２０を用いて、水温によって変化する水中の超音波伝搬時間を測定した結果を示したものである。なお、ここでは７０℃の値を０ｎｓｅｃとして示している。また、同図中の計算値は超音波トランスデューサ１ａ，１ｂ間の距離Ｘ≒１．４ｍｍと文献値から求めたものである。図１４から分かるように、測定結果と計算値との差は小さく、繰り返し測定精度も良いことが理解される。

図１５は、図１０に示した構成の超音波送受波器２１を用いて、水温によって変化する水中の超音波伝搬時間を測定した結果を示したものである。なお、同図（ａ）は一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂとスペーサ２２とをエポキシ樹脂で接着して一体化したものであり、また、同図（ｂ）は一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂとスペーサ２２とをガラスで接着して一体化したものである。

両者を比較すると、スペーサ２２をガラスで接着したものの方が、文献値との誤差が小さく、繰り返し精度も良いと言える。一方、エポキシ樹脂で接着したものは、ばらつきや文献値との差が大きく、高い時間分解能が要求される場合には不適である。その原因としては、水温の変化による樹脂の変形により、一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂ間の距離が変動したためと推察される。

この実施例５では、図９および図１０に示した実施例３の構成を備えた超音波送受器２０，２１を使用する場合において、例えば図１６に示すように、一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂと音速計測対象となる液体等の物質２４との間にパイプなどの隔壁２５が存在することがあるので、その隔壁２５の影響について検討したものである。ここでは、隔壁２５として厚さＬｗ＝０．２ｍｍのポリカーボネートを、超音波が伝搬する物質２４として水を使用した。隔壁２５となるポリカーボネートの音速は約２３３０ｍ／ｓであった。

図１７（ａ）は図９に示した構成の超音波送受波器２０をそのままの状態で水中に漬けた状態で超音波の伝搬を測定した結果であり、図１７（ｂ）は超音波送受波器２０と水２４との間に隔壁２５を設けた状態で超音波の伝搬を測定した結果である。図１７（ａ），（ｂ）において、上段の曲線は振幅４．５Ｖ、時間幅１００ｎｓｅｃの駆動パルスの波形、中段の曲線は受波側の超音波トランスデューサ１ａに伝搬した信号を２０倍に増幅したときの波形、下段の曲線は中段の曲線の符号Ｐで示す部分を拡大したものである。なお、超音波送受波器２０と隔壁２５にはエポキシ樹脂やシリコンゴム等の接着剤を薄く塗布している。

図１７から分かるように、隔壁２５が存在する場合でも超音波の送受波は可能であり、受波した波形の振幅には大きな変動は見られない。しかし、超音波送受波器２０と水２４との間に隔壁２５が存在する場合には、図１８に示すように、送波側の超音波トランスデューサ１ｂの送波面からの直達波と隔壁２５の端面で反射した超音波とが共に受波される。図１７（ｂ）にはそのような直達波と隔壁の端面で反射した超音波とが共に受信された状態が現れている。したがって、直達波と反射波とが重なった状態で受波されるとゼロクロス点の位置を精度良く検出することが難しくなる。

送波側の超音波トランスデューサ１ｂからの直達波と隔壁２５の端面で反射した超音波とを受信側において時間的に分離するためには、駆動パルスのパルス幅Ｔｄよりも隔壁２５内を超音波が往復するのに要する時間Ｔｗが長いこと（Ｔｗ＞Ｔｄ）が必要である。したがって、図１８において、隔壁２５の厚さをＬｗ、その隔壁２５内を超音波が伝搬する際の音速をＶｗとすると、Ｔｗ＝２Ｌｗ／Ｖｗなので、２Ｌｗ／Ｖｗ＞Ｔｄ、すなわち前述の条件（４）を満たすように隔壁２５の厚さＬｗを設定しておけば、直達波と反射波とを時間的に分離でき、ゼロクロス点を精度良く検出することができる。

このような観点からポリカーボネートからなる隔壁２５の厚さが０．２ｍｍと０．５ｍｍのものについてそれぞれ超音波の伝搬を測定した。その結果を図１９に示す。図１９（ａ）は隔壁２５の厚さＬｗ＝０．２ｍｍの場合、図１９（ｂ）は隔壁２５の厚さＬｗ＝０．５ｍｍの場合である。各図とも上段の曲線は振幅４．５Ｖ、時間幅１００ｎｓｅｃの駆動パルスの波形、中段の曲線は受波側の超音波トランスデューサ１ａに伝搬した信号を２０倍に増幅したときの波形、下段の曲線は中段の曲線の符号Ｐで示す部分を拡大したものである。図１９（ａ），（ｂ）を比較すると分かるように、上記（４）の条件を満たすように隔壁２５の厚さＬｗを設定すれば、直達波に対する反射波の影響が除かれることが理解される。

この実施例６では、上記の実施例５のように、超音波送受波器２０，２１を構成する一対の超音波トランスデューサ１ａ，１ｂと音速計測対象となる物質２４との間にパイプなどの隔壁２５が存在する場合において、その隔壁２５の材質の影響について検討したものである。

ここでは、隔壁２５の材料としてポリカーボネートと液晶ポリマをそれぞれ使用し、隔壁２５は共に厚さをＬｗ＝０．５ｍｍとし、また、超音波が伝搬する物質２４として水を用いて超音波の伝搬状態を測定した。その結果を図２０に示す。図２０（ａ）は隔壁２５がポリカーボネートの場合、図２０（ｂ）は隔壁２５が液晶ポリマの場合である。各図とも上段の曲線は振幅４．５Ｖ、時間幅１００ｎｓｅｃの駆動パルスの波形、中段の曲線は受波側の超音波トランスデューサ１ａに伝搬した信号を２０倍に増幅したときの波形、下段の曲線は中段の曲線の符号Ｐで示す部分を拡大したものである。この結果から分かるように、隔壁２５の材質としては、ポリカーボネートだけでなく液晶ポリマを使用しても超音波の送受波が可能であり、そのＳ／Ｎ比も良好である。

図２１に示すように、隔壁２５となるポリカーボネートと液晶ポリマのいずれの材料も、その音響特性インピーダンスは超音波トランスデューサ１ａ，１ｂを構成する圧電セラミックの音響特性インピーダンスと超音波送波対象となる物質２４（ここでは水）の音響特性インピーダンスとの間の値になっている。このため、隔壁２５での超音波の反射による減衰量を小さくすることができ、超音波を効率良く受信側に向けて送波することができる。

なお、図９あるいは図１０に示した超音波送受波器２０，２１を実際に使用する場合には、例えば、図２２に示すような形状の流管２７を使用することができる。図２２（ａ）は流管２７に超音波送受波器２０，２１を取り付けた状態を一部切除して示す正面図、図２２（ｂ）は同側面図、図２２（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。

この流管２７は、ポリカーボネート製のもので、長手方向に沿って内部に長方形の流路２７ａが形成され、また、左右の側部にはそれぞれ凹部２７ｂ，２７ｃが形成されている。そして、これらの各凹部２７ｂ，２７ｃに図９あるいは図１０に示した超音波送受波器２０，２１の各超音波トランスデューサ１ａ，１ｂが対向するようにして取り付けることで、流路２７ａ内を流れる液体の音速を測定することができる。

このような流管２７を使用すれば、流路２７ａを流れる腐食性の液体の流速を測定する場合でも超音波送受波器２０，２１の信頼性を損なうことなく測定することができる。また、この流管２７には例えば温度測定機能を備えた集積回路をさらに取り付ることで、流管２７、超音波送受波器２０または２１、集積回路が一体化されたモジュールとして構成することも可能である。また、このような構造をとることによって図１０のスペーサ部２２を省くことができ、より簡単な構成が可能となる。

なお、上記の実施例１〜６において、超音波トランスデューサ１，１ａ，１ｂの圧電体３として圧電セラミックスを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば高分子ＰＶＤＦ圧電体などを適用することができる。

本発明の超音波トランスデューサの駆動方法は液体等の媒体中を伝搬する音速を測定する場合の超音波トランスデューサに利用することが可能である。

本発明の実施例１における超音波トランスデューサの構成を示すもので、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＺ−Ｚ線に沿う断面図である。 図１に示した超音波トランスデューサの電極の具体的な寸法形状を示す平面断面図である。 図１に示す構成の超音波トランスデューサにより送波される超音波の受波波形を観察するために使用する装置の構成図である。 同装置を用いて超音波トランスデューサの駆動パルスを印加する場合の説明図である。 図３に示した装置を用いて超音波トランスデューサの駆動パルスのパルス幅を変化させた場合に得られる超音波の受波波形を示す図である。 図３に示した装置を用いて超音波トランスデューサの駆動パルスのパルス幅を変化させた場合に得られる超音波の受波波形の山のピークと谷のピークの各音圧を測定した結果を示す特性図である。 図１に示した構成の超音波トランスデューサにおいて、超音波が圧電振動子の放射面から直接発射される超音波と、バッキング層の開放端面で反射して再び圧電振動子２を通過して発射される超音波との関係を示す説明図である。 超音波トランスデューサに加える駆動パルスと超音波を受波したときの波形とを比較して示す説明図である。 実施例１，２で説明した構成および条件で駆動される一対の超音波トランスデューサを所定の間隔を存して対向配置して超音波送受波器を構成する場合の説明図である。 実施例１，２で説明した構成および条件で駆動される一対の超音波トランスデューサを所定の間隔を存して対向配置して他の超音波送受波器を構成する場合の説明図である。 図９あるいは図１０に示した超音波送受波器において、超音波放射に伴って生じる直接波と回折波とを分離するための対向間距離を設定する場合の説明図である。 図１１において一対の超音波トランスデューサの対向間距離を変えた場合に生じる受波波形を示す特性図である。 超音波送波面の短辺長さ、もしくは直径２Ｒをパラメータとし、Δ＝｛√（Ｒ²＋Ｘ²）｝−Ｘをプロットしたグラフである。 図９に示した構成の超音波送受波器を用いて、水温によって変化する水中の超音波伝搬時間を測定した結果を示す特性図である。 図１０に示した構成の超音波送受波器を用いて、水温によって変化する水中の超音波伝搬時間を測定した結果を示す特性図である。 一対の超音波トランスデューサと計測対象となる物質との間に隔壁が存在する場合の状況を模式的に示す説明図である。 図９に示した構成の超音波送受波器を使用して隔壁の有無に応じて超音波の伝搬状況を測定した結果を示す特性図である。 一対の超音波トランスデューサと計測対象となる物質との間に隔壁が存在する場合において、隔壁の存在により超音波が反射を起こす状況を模式的に示す説明図である。 一対の超音波トランスデューサと計測対象となる物質との間に隔壁が存在する場合において、隔壁厚さが異なる場合の超音波の伝搬状況を測定した結果を示す特性図である。 図９に示した構成の超音波送受波器を使用して隔壁の材質の違いに応じて超音波の伝搬状況を測定した結果を示す特性図である。 各種材料の密度、音速、音響特性インピーダンスの関係を示す説明図である。 図９あるいは図１０に示した超音波送受波器を使用する場合に適用される流管を示すもので、同図（ａ）は超音波送受波器を取り付けた状態を一部切除して示す正図、同図（ｂ）は同側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。 超音波トランスデューサを用いて物質の音速を測定する場合の駆動パルスと受波した超音波の波形、および計測パルスの関係を示すタイミングチャートである。 本発明の超音波トランスデューサの駆動方法において、駆動パルスのパルス幅の最適な範囲を設定するための説明に供する波形図である。 本発明の超音波トランスデューサの駆動方法において、駆動パルスのパルス幅の最適な範囲を設定するための説明に供する波形図である。 本発明の超音波トランスデューサの駆動方法において、駆動パルスのパルス幅の最適な範囲を設定するための説明に供する波形図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 超音波トランスデューサ
２，２ａ，２ｂ 圧電振動子
３ 圧電体
３１，３１ａ，３１ｂ 圧電活性部
４，４ａ，４ｂ 電極
５，５ａ，５ｂ 電極
２０，２１ 超音波送受波器
２４ 音速計測対象となる物質
２５ 隔壁

Claims (5)

1. 圧電体を挟んで一対の電極が形成されてなる圧電振動子を有し、この圧電振動子の一方の電極に接して前記圧電体と同じ音響特性インピーダンスを有するバッキング層が設けられた超音波トランスデューサを駆動する方法であって、
   前記一対の電極で挟まれた圧電体内を超音波が伝搬する時間をＴｈ、前記圧電振動子を駆動する駆動パルスのパルス幅をＴｄとしたとき、
   ２Ｔｈ≦Ｔｄ≦６Ｔｈ
   の条件を満たすように駆動することを特徴とする超音波トランスデューサの駆動方法。
2. 前記一対の電極で挟まれた圧電体の厚さをＬ１、前記バッキング層の厚さをＬ２、前記圧電体およびバッキング層の内部を超音波が伝搬する際の音速をＶとしたとき、
   Ｔｄ＜（２Ｌ２＋Ｌ１）／Ｖ
   の条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサの駆動方法。
3. 超音波送波対象となる物質を挟んで一対の超音波トランスデューサを対向配置した場合において、両超音波トランスデューサの対向間距離をＸ、前記圧電振動子の超音波放射面の短辺の長さあるいは直径を２Ｒ、前記物質内を伝搬する超音波の音速をＶMとしたとき、
   前記物質内を伝搬する超音波の波長をλとすると、λ＝（ＶM×Ｔｄ）で表され、
   （Ｒ²＋Ｘ²）^1/2−Ｘ＞（ＶM×Ｔｄ） の条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサの駆動方法。
4. 前記圧電振動子の超音波放射面と超音波送波対象となる物質との間にこれらとは異なる物質からなる隔壁が介在する場合において、この隔壁の厚さをＬｗ、その隔壁内を超音波が伝搬する際の音速をＶｗとしたとき、
   Ｔｄ＜２Ｌｗ／Ｖｗ
   の条件を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサの駆動方法。
5. 前記隔壁の音響特性インピーダンスは、前記圧電振動子の音響特性インピーダンスと前記超音波送波対象となる物質の音響特性インピーダンスとの間の値となるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサの駆動方法。

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