JP7093154B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

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Description

本発明は、魚群探知用の超音波トランスデューサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer for fishfinder detection.

この種の超音波トランスデューサとしては、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。 Examples of this type of ultrasonic transducer are disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2.

図５に示されるように、特許文献１の超音波プローブ装置９００は、超音波振動素子アレイ９１０と、複数の音響整合層９２０と、バッキング材９３０と備えている。超音波振動素子アレイ９１０は、アース電極９１６と、駆動電極９１８とを有している。超音波振動素子アレイ９１０には、Ｘ方向及びＹ方向に延びる複数の溝９１４が形成されており、これにより複数の超音波振動素子９１２が構成されている。溝９１４は、下方（－Ｚ側）に凹んでいるものの超音波振動素子アレイ９１０の下面（－Ｚ面）までは達していないため、複数の超音波振動素子９１２はＸＹ平面内において一体化されている。アース電極９１６及び駆動電極９１８は、上下方向（Ｚ方向）において超音波振動素子９１２を挟むように配置されている。音響整合層９２０は、超音波振動素子９１２の上面（＋Ｚ面）を覆うように夫々配置されている。 As shown in FIG. 5, the ultrasonic probe device 900 of Patent Document 1 includes an ultrasonic vibration element array 910, a plurality of acoustic matching layers 920, and a backing material 930. The ultrasonic vibration element array 910 has a ground electrode 916 and a drive electrode 918. The ultrasonic vibration element array 910 is formed with a plurality of grooves 914 extending in the X direction and the Y direction, whereby the plurality of ultrasonic vibration element 912s are configured. Although the groove 914 is recessed downward (-Z side), it does not reach the lower surface (-Z surface) of the ultrasonic vibration element array 910, so that the plurality of ultrasonic vibration elements 912 are integrated in the XY plane. ing. The ground electrode 916 and the drive electrode 918 are arranged so as to sandwich the ultrasonic vibration element 912 in the vertical direction (Z direction). The acoustic matching layer 920 is arranged so as to cover the upper surface (+ Z surface) of the ultrasonic vibration element 912.

なお、特許文献２に開示されている広帯域送受波器は、複数の音響整合層及び電気音響変換素子から構成されており、電気音響変換素子の夫々に対して一層の音響整合層が設けられている。また、電気音響変換素子の位置決めと周囲からの遮音を目的として、電気音響素子間及び電気音響素子配列の周囲にはコルクが接着されている（特許文献２の００２９段落及び図１参照）。 The wideband transmitter / receiver disclosed in Patent Document 2 is composed of a plurality of acoustic matching layers and an electroacoustic conversion element, and a single acoustic matching layer is provided for each of the electroacoustic conversion elements. There is. Further, for the purpose of positioning the electroacoustic conversion element and sound insulation from the surroundings, cork is adhered between the electroacoustic elements and around the electroacoustic element arrangement (see paragraph 0029 and FIG. 1 of Patent Document 2).

特開平０６－２５４０８９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 06-254089 特開２００２－４４７８６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-44786

特許文献１の超音波プローブ装置９００の超音波振動素子９１２は、ＸＹ平面内において一体化された構造を有している。これにより、特許文献１の超音波プローブ装置９００においては、超音波の照射方向である上下方向（Ｚ方向）と直交する方向の不要振動が発生しやすくなる問題がある。 The ultrasonic vibration element 912 of the ultrasonic probe device 900 of Patent Document 1 has an integrated structure in the XY plane. As a result, the ultrasonic probe device 900 of Patent Document 1 has a problem that unnecessary vibration in a direction orthogonal to the vertical direction (Z direction), which is the irradiation direction of ultrasonic waves, is likely to occur.

そこで、本発明は、不要振動を抑制することができる超音波トランスデューサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of suppressing unnecessary vibration.

本発明は、第１の超音波トランスデューサとして、
複数の圧電素子と、１つの音響整合層と、振動分離部材とを備える超音波トランスデューサであって、
前記音響整合層は、上下方向と直交する平面内において所望のビーム形状に対応する形状を有しており、
前記音響整合層は、前記上下方向において２つの主面を有しており、
前記圧電素子は、一方の前記主面上にマトリクス状に離間配列されて固定されており、
前記圧電素子の配列方向と前記上下方向とは互いに直交しており、
前記振動分離部材は、前記配列方向において前記圧電素子間に挟まれている
超音波トランスデューサを提供する。 The present invention is the first ultrasonic transducer.
An ultrasonic transducer having a plurality of piezoelectric elements, one acoustic matching layer, and a vibration separating member.
The acoustic matching layer has a shape corresponding to a desired beam shape in a plane orthogonal to the vertical direction.
The acoustic matching layer has two main surfaces in the vertical direction.
The piezoelectric elements are arranged and fixed in a matrix on one of the main surfaces.
The arrangement direction of the piezoelectric elements and the vertical direction are orthogonal to each other.
The vibration separating member is sandwiched between the piezoelectric elements in the arrangement direction.
Provides an ultrasonic transducer.

また、本発明は、第２の超音波トランスデューサとして、第１の超音波トランスデューサであって、
前記振動分離部材は、コルクである
超音波トランスデューサを提供する。 Further, the present invention is the first ultrasonic transducer as the second ultrasonic transducer.
The vibration separation member provides an ultrasonic transducer that is a cork.

また、本発明は、第３の超音波トランスデューサとして、第１又は第２の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向に延びる柱状形状を有しており、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向のサイズが前記配列方向のサイズよりも大きい
超音波トランスデューサを提供する。 Further, the present invention is a first or second ultrasonic transducer as the third ultrasonic transducer.
Each of the piezoelectric elements has a columnar shape extending in the vertical direction.
Each of the piezoelectric elements provides an ultrasonic transducer having a size in the vertical direction larger than a size in the arrangement direction.

また、本発明は、第４の超音波トランスデューサとして、第１又は第２の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子は、多孔質圧電材料からなる
超音波トランスデューサを提供する。 Further, the present invention is a first or second ultrasonic transducer as the fourth ultrasonic transducer.
The piezoelectric element provides an ultrasonic transducer made of a porous piezoelectric material.

本発明の超音波トランスデューサにおいては、１つの音響整合層の一方の主面上に複数の圧電素子が離間配置されており、また圧電素子の配列方向において圧電素子間には振動分離部材が挟まれている。これにより、圧電素子から発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層の形状に合わせて生成することができる。 In the ultrasonic transducer of the present invention, a plurality of piezoelectric elements are spaced apart from each other on one main surface of one acoustic matching layer, and a vibration separating member is sandwiched between the piezoelectric elements in the arrangement direction of the piezoelectric elements. ing. As a result, among the vibrations generated from the piezoelectric element, unnecessary vibration components in the direction orthogonal to the vertical direction are suppressed, and only the vibration components in the vertical direction, which is the irradiation direction of ultrasonic waves, are propagated to the acoustic matching layer. Therefore, the acoustic beam can be generated according to the shape of the acoustic matching layer.

本発明の第１の実施の形態による超音波トランスデューサを示す断面図である。図において、リード線を含む箇所を拡大して示してある。It is sectional drawing which shows the ultrasonic transducer by 1st Embodiment of this invention. In the figure, the part including the lead wire is enlarged and shown. 図１の超音波トランスデューサのうち、充填層の上部、音響整合層、第１電極及びリード線を除いた部分を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a portion of the ultrasonic transducer of FIG. 1 excluding the upper part of the packed bed, the acoustic matching layer, the first electrode, and the lead wire. 本発明の第２の実施の形態による超音波トランスデューサを示す断面図である。図において、圧電素子の一部を拡大して示してある。It is sectional drawing which shows the ultrasonic transducer by the 2nd Embodiment of this invention. In the figure, a part of the piezoelectric element is enlarged and shown. 図３の超音波トランスデューサのうち、充填層の上部、音響整合層、第１電極及びリード線を除いた部分を示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a portion of the ultrasonic transducer of FIG. 3 excluding the upper part of the packed bed, the acoustic matching layer, the first electrode, and the lead wire. 特許文献１の超音波プローブ装置を示す上側斜視図である。It is an upper perspective view which shows the ultrasonic probe apparatus of Patent Document 1. FIG.

（第１の実施の形態）
図１及び図２に示されるように、本発明の第１の実施の形態による超音波トランスデューサ１００は、複数の圧電素子３００と、第１電極３１０と、リード線３１５と、第２電極３２０と、１つの音響整合層２００と、振動分離部材４００と、振動抑制部材５００と、充填層６００と、ケース７００とを備えている。 (First Embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention includes a plurality of piezoelectric elements 300, a first electrode 310, a lead wire 315, and a second electrode 320. It includes one acoustic matching layer 200, a vibration separating member 400, a vibration suppressing member 500, a filling layer 600, and a case 700.

図１及び図２を参照すると、本実施の形態の音響整合層２００は、エポキシ樹脂からなるものであり、一体形成されている。また、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向において一定の厚さを有しながら、上下方向と直交する平面内に延びている。本実施の形態において、上下方向はＺ方向であり、上下方向と直交する平面はＸＹ平面である。なお、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において円形の形状を有しているが、本発明はこれに限定されない。音響整合層２００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において所望のビーム形状に対応する形状を有していればよい。なお、本実施の形態の音響整合層２００は、エポキシ樹脂からなるものであるが、同様な音響整合特性を有するものであれば、その他の樹脂からなるものであってもよい。 Referring to FIGS. 1 and 2, the acoustic matching layer 200 of the present embodiment is made of an epoxy resin and is integrally formed. Further, the acoustic matching layer 200 of the present embodiment has a certain thickness in the vertical direction and extends in a plane orthogonal to the vertical direction. In the present embodiment, the vertical direction is the Z direction, and the plane orthogonal to the vertical direction is the XY plane. The acoustic matching layer 200 of the present embodiment has a circular shape in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction, but the present invention is not limited to this. The acoustic matching layer 200 may have a shape corresponding to a desired beam shape in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction. The acoustic matching layer 200 of the present embodiment is made of an epoxy resin, but may be made of another resin as long as it has the same acoustic matching characteristics.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、上下方向において２つの主面２０２，２０４を有している。主面２０２は、上下方向において音響整合層２００の上面であり、主面２０４は、上下方向において音響整合層２００の下面である。より具体的には、本実施の形態の主面２０２，２０４は、上下方向と直交する平面である。本実施の形態において、上方は＋Ｚ側であり、下方は－Ｚ側である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the acoustic matching layer 200 of the present embodiment has two main surfaces 202 and 204 in the vertical direction. The main surface 202 is the upper surface of the acoustic matching layer 200 in the vertical direction, and the main surface 204 is the lower surface of the acoustic matching layer 200 in the vertical direction. More specifically, the main surfaces 202 and 204 of this embodiment are planes orthogonal to the vertical direction. In the present embodiment, the upper side is the + Z side and the lower side is the −Z side.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００の夫々は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるものであり、上下方向に延びる柱状形状を有している。具体的には、本実施の形態の圧電素子３００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において正方形形状の断面を有しており、ＸＺ平面内及びＹＺ平面内において上下方向を長軸とする長方形形状の断面を有している。圧電素子３００の上面は、上下方向と直交する平面である。即ち、圧電素子３００の上面は、下方に凹んだ溝を有していない。なお、本実施の形態の圧電素子３００は、ＰＺＴからなるものであるが、その他の素材からなる圧電セラミックスであってもよい。 As shown in FIGS. 1 and 2, each of the piezoelectric elements 300 of the present embodiment is made of PZT (lead zirconate titanate) and has a columnar shape extending in the vertical direction. Specifically, the piezoelectric element 300 of the present embodiment has a square cross section in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction, and has a long axis in the vertical direction in the XZ plane and the YZ plane. It has a rectangular cross section. The upper surface of the piezoelectric element 300 is a plane orthogonal to the vertical direction. That is, the upper surface of the piezoelectric element 300 does not have a groove recessed downward. The piezoelectric element 300 of the present embodiment is made of PZT, but may be piezoelectric ceramics made of other materials.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００は、音響整合層２００の一方の主面２０４上にマトリクス状に離間配列されて固定されている。ここで、圧電素子３００の配列方向は、Ｘ方向及びＹ方向である。即ち、圧電素子３００の配列方向と上下方向とは互いに直交している。より具体的には、圧電素子３００は、Ｘ方向及びＹ方向において一定の間隔で並ぶように配列されている。圧電素子３００の夫々は、上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっている。圧電素子３００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されている。即ち、圧電素子３００は、音響整合層２００の下面である主面２０４から下方に延びている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric elements 300 of the present embodiment are arranged and fixed in a matrix on one main surface 204 of the acoustic matching layer 200. Here, the arrangement directions of the piezoelectric elements 300 are the X direction and the Y direction. That is, the arrangement direction and the vertical direction of the piezoelectric elements 300 are orthogonal to each other. More specifically, the piezoelectric elements 300 are arranged so as to be arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction. The size of each of the piezoelectric elements 300 in the vertical direction is larger than the size in the arrangement direction. The upper surface of the piezoelectric element 300 is bonded to the main surface 204, which is the lower surface of the acoustic matching layer 200, with a silicon resin. That is, the piezoelectric element 300 extends downward from the main surface 204, which is the lower surface of the acoustic matching layer 200.

上述のように、圧電素子３００の夫々は上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっていることから、圧電素子３００から発生する振動において、超音波の放射方向である上下方向における振動成分の強度を、上下方向と直交する方向の不要振動成分の強度よりも大きくすることができるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。 As described above, since the size of each of the piezoelectric elements 300 in the vertical direction is larger than the size in the arrangement direction, the vibration component in the vertical direction, which is the radiation direction of ultrasonic waves, in the vibration generated from the piezoelectric element 300. Since the intensity of the above can be made larger than the intensity of the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the vertical direction, the acoustic beam can be generated according to the shape of the acoustic matching layer 200.

また図１及び図２に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、複数の圧電素子３００に対して個片化されておらず、一体形成された一枚の音響整合層２００で構成されている。これにより、音響整合層を個片化して圧電素子夫々に対応させた構成と比較して、音響整合層２００の放射面全体が一体となって振動するため、超音波出力やビーム形状に係るバラつきの問題は生じない。 Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the acoustic matching layer 200 of the present embodiment is not individualized with respect to the plurality of piezoelectric elements 300, and is integrally formed as a single acoustic matching layer 200. It is composed of. As a result, the entire radiating surface of the acoustic matching layer 200 vibrates as a unit, as compared with the configuration in which the acoustic matching layer is separated into individual pieces and corresponded to each piezoelectric element, so that there are variations in the ultrasonic output and the beam shape. The problem does not occur.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の振動分離部材４００は、配列方向であるＸ方向及びＹ方向において圧電素子３００間に挟まれている。より具体的には、Ｘ方向において、圧電素子３００の間には振動分離部材４００が夫々位置しており、Ｙ方向において、圧電素子３００の間には振動分離部材４００が夫々位置している。これにより、圧電素子３００から発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。また、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることから、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００においては広帯域の音響発生が可能となっている。なお、振動分離部材４００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４と密着しておらず、上下方向において一定の空間４５０が生じている。また、振動分離部材４００は、配列方向における圧電素子３００の間のみならず、圧電素子３００で挟まれていない圧電素子３００の外側側面にも設けられていてもよい。本実施の形態の振動分離部材４００は、コルクである。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration separating member 400 of the present embodiment is sandwiched between the piezoelectric elements 300 in the X direction and the Y direction, which are the arrangement directions. More specifically, in the X direction, the vibration separating members 400 are located between the piezoelectric elements 300, respectively, and in the Y direction, the vibration separating members 400 are located between the piezoelectric elements 300, respectively. As a result, among the vibrations generated from the piezoelectric element 300, unnecessary vibration components in the direction orthogonal to the vertical direction are suppressed, and only the vibration components in the vertical direction, which is the irradiation direction of ultrasonic waves, are propagated to the acoustic matching layer 200. Therefore, the acoustic beam can be generated according to the shape of the acoustic matching layer 200. Further, since the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the vertical direction is suppressed, the ultrasonic transducer 100 of the present embodiment can generate a wide band sound. The upper surface of the vibration separating member 400 is not in close contact with the main surface 204 which is the lower surface of the acoustic matching layer 200, and a constant space 450 is generated in the vertical direction. Further, the vibration separating member 400 may be provided not only between the piezoelectric elements 300 in the arrangement direction but also on the outer side surface of the piezoelectric element 300 that is not sandwiched between the piezoelectric elements 300. The vibration separating member 400 of this embodiment is a cork.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の振動抑制部材５００は、圧電素子３００の下面及び音響整合層２００と圧電素子３００の側面を取り囲むように設けられている。本実施の形態の振動抑制部材５００は、超音波の放射方向である上下方向以外の方向への不要放射を抑制することを目的に設けられている。振動抑制部材５００の材質としては、前記の目的を満たすものであれば特に制限されないが、コルクや吸音スポンジが好ましい。 As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration suppressing member 500 of the present embodiment is provided so as to surround the lower surface of the piezoelectric element 300 and the acoustic matching layer 200 and the side surface of the piezoelectric element 300. The vibration suppressing member 500 of the present embodiment is provided for the purpose of suppressing unnecessary radiation in a direction other than the vertical direction, which is the radiation direction of ultrasonic waves. The material of the vibration suppressing member 500 is not particularly limited as long as it satisfies the above object, but cork or a sound absorbing sponge is preferable.

図１に示されるように、本実施の形態の第１電極３１０は、上下方向と直交する平板形状を有している。また、本実施の形態の第１電極３１０は、上下方向において、音響整合層２００と圧電素子３００との間に位置しており、圧電素子３００の上面に貼り付けられている。 As shown in FIG. 1, the first electrode 310 of the present embodiment has a flat plate shape orthogonal to the vertical direction. Further, the first electrode 310 of the present embodiment is located between the acoustic matching layer 200 and the piezoelectric element 300 in the vertical direction, and is attached to the upper surface of the piezoelectric element 300.

図１に示されるように、本実施の形態のリード線３１５は、第１電極３１０から引き出されて上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内に延びている。またリード線３１５は、上下方向において音響整合層２００の主面２０４と振動分離部材４００の上面との間に生じている空間４５０内に位置している。即ち、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００においては、配列方向において圧電素子３００の間には音響整合層２００と密着していない振動分離部材４００が位置していることから、第１電極３１０からのリード線３１５の引き出しが容易となっている。 As shown in FIG. 1, the lead wire 315 of the present embodiment is drawn from the first electrode 310 and extends in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction. Further, the lead wire 315 is located in the space 450 formed between the main surface 204 of the acoustic matching layer 200 and the upper surface of the vibration separating member 400 in the vertical direction. That is, in the ultrasonic transducer 100 of the present embodiment, since the vibration separation member 400 that is not in close contact with the acoustic matching layer 200 is located between the piezoelectric elements 300 in the arrangement direction, the first electrode 310 is used. The lead wire 315 can be easily pulled out.

図１に示されるように、本実施の形態の第２電極３２０は、上下方向と直交する平板形状を有している。また第２電極３２０は、上下方向において圧電素子３００と振動抑制部材５００との間に位置しており、圧電素子３００の下面に貼り付けられている。 As shown in FIG. 1, the second electrode 320 of the present embodiment has a flat plate shape orthogonal to the vertical direction. Further, the second electrode 320 is located between the piezoelectric element 300 and the vibration suppressing member 500 in the vertical direction, and is attached to the lower surface of the piezoelectric element 300.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態の充填層６００は、ウレタン樹脂からなるものであり、振動抑制部材５００及び音響整合層２００を取り囲むように設けられている。より具体的には、本実施の形態の充填層６００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において振動抑制部材５００を取り囲んでおり、上下方向と平行な平面内において音響整合層２００の上面である主面２０２及び振動抑制部材５００を取り囲んでいる。なお本実施の形態の充填層６００は、ウレタン樹脂からなるものであるが、本発明はこれに限定されず、耐水性及び耐湿性を具備し且つ放射振動の伝搬を妨げることのない材質であれば特に制限されない。また、充填層６００の形成方法についても特に制限されないが、例えば、音響整合層２００の主面２０２にウレタンゴム製の板材を接着し、振動抑制部材５００を取り囲むように下方からウレタンゴム製のカップを被せて、板材とカップとを接合して気密封止する方法により、充填層６００を形成することもできる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the packed bed 600 of the present embodiment is made of urethane resin and is provided so as to surround the vibration suppressing member 500 and the acoustic matching layer 200. More specifically, the filling layer 600 of the present embodiment surrounds the vibration suppressing member 500 in a plane orthogonal to the vertical direction (XY plane), and the acoustic matching layer 200 is placed in a plane parallel to the vertical direction. It surrounds the main surface 202, which is the upper surface, and the vibration suppressing member 500. The packed bed 600 of the present embodiment is made of urethane resin, but the present invention is not limited to this, and any material having water resistance and moisture resistance and which does not hinder the propagation of radiant vibration. There are no particular restrictions. The method for forming the packed layer 600 is also not particularly limited. For example, a urethane rubber plate is adhered to the main surface 202 of the acoustic matching layer 200, and a urethane rubber cup is formed from below so as to surround the vibration suppressing member 500. The packed bed 600 can also be formed by a method of joining the plate material and the cup and airtightly sealing the plate material.

図１及び図２に示されるように、本実施の形態のケース７００は、金属製であり、充填層６００を取り囲むように設けられている。より具体的には、本実施の形態のケース７００は、上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内において充填層６００を取り囲んでいる。本実施の形態のケース７００は、電磁ノイズ及び音響ノイズの抑制の機能を有している。なお、本発明の超音波トランスデューサはケース７００を有していなくてもよい。 As shown in FIGS. 1 and 2, the case 700 of the present embodiment is made of metal and is provided so as to surround the packed bed 600. More specifically, the case 700 of the present embodiment surrounds the packed bed 600 in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction. The case 700 of the present embodiment has a function of suppressing electromagnetic noise and acoustic noise. The ultrasonic transducer of the present invention does not have to have the case 700.

（第２の実施の形態）
図３及び図４に示されるように、本発明の第２の実施の形態による超音波トランスデューサ１００Ａは、圧電素子３００Ａ、第１電極３１０Ａ、リード線３１５Ａ及び第２電極３２０Ａを除き、上述した第１の実施の形態による超音波トランスデューサ１００（図１及び図２参照）と同じ構成を備えている。そのため、図３から図４までに示される構成要素のうち、第１の実施の形態と同様の構成要素に対しては同一の参照符号を付すこととする。 (Second embodiment)
As shown in FIGS. 3 and 4, the ultrasonic transducer 100A according to the second embodiment of the present invention has the above-mentioned first electrode except the piezoelectric element 300A, the first electrode 310A, the lead wire 315A and the second electrode 320A. It has the same configuration as the ultrasonic transducer 100 (see FIGS. 1 and 2) according to the embodiment of 1. Therefore, among the components shown in FIGS. 3 to 4, the same reference numerals are given to the components similar to those in the first embodiment.

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａは、複数の圧電素子３００Ａと、第１電極３１０Ａと、リード線３１５Ａと、第２電極３２０Ａと、１つの音響整合層２００と、振動分離部材４００と、振動抑制部材５００と、充填層６００と、ケース７００とを備えている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the ultrasonic transducer 100A of the present embodiment has a plurality of piezoelectric elements 300A, a first electrode 310A, a lead wire 315A, a second electrode 320A, and one acoustic matching. It includes a layer 200, a vibration separating member 400, a vibration suppressing member 500, a filling layer 600, and a case 700.

図３から理解されるように、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、多孔質圧電材料からなるものである。また図３及び図４に示されるように、圧電素子３００Ａは、上下方向と直交する平面内に延びる平板形状を有している。本実施の形態において、上下方向はＺ方向であり、上下方向と直交する平面は、ＸＹ平面である。具体的には、圧電素子３００Ａは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）のみからなり、その内部に多数の空孔３０５を有している。圧電素子３００Ａの上面は、上下方向と直交する平面である。即ち、圧電素子３００Ａの上面は、下方に凹んだ溝を有してはいない。本実施の形態において、上方は＋Ｚ側であり、下方は－Ｚ側である。なお、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、ＰＺＴからなるものであるが、その他の素材からなる圧電セラミックスであってもよい。 As can be understood from FIG. 3, the piezoelectric element 300A of the present embodiment is made of a porous piezoelectric material. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the piezoelectric element 300A has a flat plate shape extending in a plane orthogonal to the vertical direction. In the present embodiment, the vertical direction is the Z direction, and the plane orthogonal to the vertical direction is the XY plane. Specifically, the piezoelectric element 300A is composed of only PZT (lead zirconate titanate) and has a large number of pores 305 inside. The upper surface of the piezoelectric element 300A is a plane orthogonal to the vertical direction. That is, the upper surface of the piezoelectric element 300A does not have a groove recessed downward. In the present embodiment, the upper side is the + Z side and the lower side is the −Z side. The piezoelectric element 300A of the present embodiment is made of PZT, but may be piezoelectric ceramics made of other materials.

上述のように圧電素子３００Ａが空孔３０５を有していることから、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることとなる。従って、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。特に、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、空孔３０５を有することにより共振尖鋭度（Ｑ値）が低下するため、平板状に形成された圧電素子３００Ａにおいても平坦な周波数特性を確保できる。また、平板形状を有する圧電素子３００Ａを用いることにより、超音波トランスデューサ１００Ａが備える圧電素子３００Ａの個数を、２あるいは４とするなど、少なくすることができる。 Since the piezoelectric element 300A has the pores 305 as described above, the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the vertical direction among the vibrations generated from the piezoelectric element 300A is suppressed. Therefore, of the vibrations generated from the piezoelectric element 300A, only the vibration components in the vertical direction, which is the irradiation direction of ultrasonic waves, are propagated to the acoustic matching layer 200, so that the acoustic beam is matched to the shape of the acoustic matching layer 200. Can be generated. In particular, since the piezoelectric element 300A of the present embodiment has a hole 305, the resonance sharpness (Q value) is lowered, so that a flat frequency characteristic can be ensured even in the piezoelectric element 300A formed in a flat plate shape. Further, by using the piezoelectric element 300A having a flat plate shape, the number of the piezoelectric elements 300A included in the ultrasonic transducer 100A can be reduced to 2 or 4, for example.

本実施の形態の圧電素子３００Ａは、ＰＺＴに樹脂ビーズを予め混合してから成形及び焼成を行うことにより作製することができる。即ち、樹脂ビーズを混合したＰＺＴを焼成すると、樹脂ビーズが占有していた部分の樹脂成分が気化して空孔３０５が形成されるため、空孔３０５を含有する圧電素子３００Ａが作製されることとなる。但し、本発明はこれに限定されない。本発明の超音波トランスデューサは、上述の作製方法以外の方法で作製された、空孔を有する圧電素子を備えたものであってもよい。 The piezoelectric element 300A of the present embodiment can be manufactured by mixing resin beads with PZT in advance and then molding and firing. That is, when the PZT mixed with the resin beads is fired, the resin component of the portion occupied by the resin beads is vaporized to form the pores 305, so that the piezoelectric element 300A containing the pores 305 is manufactured. It becomes. However, the present invention is not limited to this. The ultrasonic transducer of the present invention may be provided with a piezoelectric element having holes, which is manufactured by a method other than the above-mentioned manufacturing method.

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の圧電素子３００Ａは、音響整合層２００の一方の主面２０４上にマトリクス状に離間配列されて固定されている。ここで、圧電素子３００Ａの配列方向は、Ｘ方向及びＹ方向である。即ち、圧電素子３００Ａの配列方向と上下方向とは互いに直交している。より具体的には、圧電素子３００Ａは、Ｘ方向及びＹ方向において一定の間隔で並ぶように配列されている。圧電素子３００Ａの上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されている。圧電素子３００Ａは、音響整合層２００の下面である主面２０４から下方に延びている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the piezoelectric elements 300A of the present embodiment are arranged and fixed in a matrix on one main surface 204 of the acoustic matching layer 200. Here, the arrangement directions of the piezoelectric elements 300A are the X direction and the Y direction. That is, the arrangement direction and the vertical direction of the piezoelectric elements 300A are orthogonal to each other. More specifically, the piezoelectric elements 300A are arranged so as to be arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction. The upper surface of the piezoelectric element 300A is bonded to the main surface 204, which is the lower surface of the acoustic matching layer 200, with a silicon resin. The piezoelectric element 300A extends downward from the main surface 204, which is the lower surface of the acoustic matching layer 200.

なお、第１の実施の形態の圧電素子３００においては上下方向のサイズが配列方向のサイズよりも大きくなっていたが、本実施の形態の圧電素子３００Ａでは、上述の空孔３０５の存在により上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されるため、上下方向のサイズを配列方向のサイズよりも大きくする必要はない。 In the piezoelectric element 300 of the first embodiment, the size in the vertical direction is larger than the size in the arrangement direction, but in the piezoelectric element 300A of the present embodiment, the vertical size is increased due to the presence of the above-mentioned pores 305. Since the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the direction is suppressed, it is not necessary to make the size in the vertical direction larger than the size in the arrangement direction.

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の音響整合層２００は、複数の圧電素子３００Ａに対して個片化されておらず、一体形成された一枚の音響整合層２００で構成されているため、音響整合層を個片化して圧電素子夫々に対応させた構成と比較して、音響整合層２００の放射面全体が一体となって振動するため、超音波出力やビーム形状に係るバラつきの問題は生じない。 As shown in FIGS. 3 and 4, the acoustic matching layer 200 of the present embodiment is not individualized with respect to the plurality of piezoelectric elements 300A, but is integrally formed with one acoustic matching layer 200. Since it is configured, the entire radiation surface of the acoustic matching layer 200 vibrates as a unit compared to the configuration in which the acoustic matching layer is separated into individual pieces and corresponded to each piezoelectric element, so that the ultrasonic output and beam shape are formed. There is no problem of variation related to.

図３及び図４に示されるように、本実施の形態の振動分離部材４００は、配列方向であるＸ方向及びＹ方向において圧電素子３００Ａ間に挟まれている。より具体的には、Ｘ方向において、圧電素子３００Ａの間には振動分離部材４００が夫々位置しており、Ｙ方向において、圧電素子３００Ａの間には振動分離部材４００が夫々位置している。これにより、圧電素子３００Ａから発生する振動のうち、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制され、超音波の照射方向である上下方向の振動成分のみが音響整合層２００に伝搬されることとなるため、音響ビームを音響整合層２００の形状に合わせて生成することができる。また、上下方向と直交する方向の不要振動成分が抑制されることから、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａにおいては広帯域の音響発生が可能となっている。なお、振動分離部材４００の上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４と密着しておらず、上下方向において一定の空間４５０が生じている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the vibration separating member 400 of the present embodiment is sandwiched between the piezoelectric elements 300A in the X direction and the Y direction, which are the arrangement directions. More specifically, in the X direction, the vibration separating members 400 are located between the piezoelectric elements 300A, respectively, and in the Y direction, the vibration separating members 400 are located between the piezoelectric elements 300A, respectively. As a result, of the vibration generated from the piezoelectric element 300A, the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the vertical direction is suppressed, and only the vibration component in the vertical direction, which is the irradiation direction of ultrasonic waves, is propagated to the acoustic matching layer 200. Therefore, the acoustic beam can be generated according to the shape of the acoustic matching layer 200. Further, since the unnecessary vibration component in the direction orthogonal to the vertical direction is suppressed, the ultrasonic transducer 100A of the present embodiment can generate a wide band sound. The upper surface of the vibration separating member 400 is not in close contact with the main surface 204 which is the lower surface of the acoustic matching layer 200, and a constant space 450 is generated in the vertical direction.

図３に示されるように、本実施の形態の第１電極３１０Ａは、上下方向と直交する平板形状を有している。また、本実施の形態の第１電極３１０Ａは、上下方向において、音響整合層２００と圧電素子３００Ａとの間に位置しており、圧電素子３００Ａの上面に貼り付けられている。 As shown in FIG. 3, the first electrode 310A of the present embodiment has a flat plate shape orthogonal to the vertical direction. Further, the first electrode 310A of the present embodiment is located between the acoustic matching layer 200 and the piezoelectric element 300A in the vertical direction, and is attached to the upper surface of the piezoelectric element 300A.

図３に示されるように、本実施の形態のリード線３１５Ａは、第１電極３１０Ａから引き出されて上下方向と直交する平面（ＸＹ平面）内に延びている。またリード線３１５Ａは、上下方向において音響整合層２００の主面２０４と振動分離部材４００の上面との間に生じている空間４５０内に位置している。即ち、本実施の形態の超音波トランスデューサ１００Ａにおいては、配列方向において圧電素子３００Ａの間には音響整合層２００と密着していない振動分離部材４００が位置していることから、第１電極３１０Ａからのリード線３１５Ａの引き出しが容易となっている。 As shown in FIG. 3, the lead wire 315A of the present embodiment is drawn from the first electrode 310A and extends in a plane (XY plane) orthogonal to the vertical direction. Further, the lead wire 315A is located in the space 450 formed between the main surface 204 of the acoustic matching layer 200 and the upper surface of the vibration separating member 400 in the vertical direction. That is, in the ultrasonic transducer 100A of the present embodiment, since the vibration separating member 400 that is not in close contact with the acoustic matching layer 200 is located between the piezoelectric elements 300A in the arrangement direction, the vibration separating member 400 is located from the first electrode 310A. Lead wire 315A can be easily pulled out.

図３に示されるように、本実施の形態の第２電極３２０Ａは、上下方向と直交する平板形状を有している。また第２電極３２０Ａは、上下方向において圧電素子３００Ａと振動抑制部材５００との間に位置しており、圧電素子３００Ａの下面に貼り付けられている。 As shown in FIG. 3, the second electrode 320A of the present embodiment has a flat plate shape orthogonal to the vertical direction. Further, the second electrode 320A is located between the piezoelectric element 300A and the vibration suppressing member 500 in the vertical direction, and is attached to the lower surface of the piezoelectric element 300A.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本実施の形態の圧電素子３００，３００Ａの上面は、音響整合層２００の下面である主面２０４に対してシリコン樹脂で接着されていたが、同様な音響整合特性を有し且つ所望の接着力を発揮するものであれば、他の樹脂であってもよい。 The upper surface of the piezoelectric elements 300 and 300A of the present embodiment was bonded to the main surface 204, which is the lower surface of the acoustic matching layer 200, with a silicon resin, but has similar acoustic matching characteristics and a desired adhesive force. Other resins may be used as long as they exhibit the above.

上述の実施の形態の超音波トランスデューサ１００，１００Ａにおいて、振動抑制部材５００が充填層６００の内側に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。振動抑制部材をケース７００の外側に設けてもよいし、ケース７００自体を振動を抑制する素材で構成してケース７００に振動抑制機能を持たせることにより、振動抑制部材５００を省略してもよい。 In the ultrasonic transducers 100 and 100A of the above-described embodiment, the vibration suppressing member 500 is provided inside the packed bed 600, but the present invention is not limited to this. The vibration suppressing member may be provided on the outside of the case 700, or the vibration suppressing member 500 may be omitted by forming the case 700 itself with a material that suppresses vibration and giving the case 700 a vibration suppressing function. ..

１００，１００Ａ 超音波トランスデューサ
２００ 音響整合層
２０２ 主面（上面）
２０４ 主面（下面）
３００，３００Ａ 圧電素子
３０５ 空孔
３１０，３１０Ａ 第１電極
３１５，３１５Ａ リード線
３２０，３２０Ａ 第２電極
４００ 振動分離部材
４５０ 空間
５００ 振動抑制部材
６００ 充填層
７００ ケース 100,100A Ultrasonic Transducer 200 Acoustic Matching Layer 202 Main Surface (Top)
204 Main surface (bottom surface)
300,300A Piezoelectric element 305 Vacancy
310,310A 1st electrode 315,315A Lead wire 320,320A 2nd electrode 400 Vibration separation member 450 Space 500 Vibration suppression member 600 Packed bed 700 Case

Claims (4)

複数の圧電素子と、１つの音響整合層と、振動分離部材とを備える超音波トランスデューサであって、
前記音響整合層は、上下方向と直交する平面内において所望のビーム形状に対応する形状を有しており、
前記音響整合層は、前記上下方向において２つの主面を有しており、
前記圧電素子は、一方の前記主面上にマトリクス状に離間配列されて固定されており、
前記圧電素子の配列方向と前記上下方向とは互いに直交しており、
前記振動分離部材は、前記配列方向において前記圧電素子間に挟まれており、
前記振動分離部材は、前記配列方向において前記圧電素子間のみに位置しており、
前記振動分離部材は、前記上下方向において前記一方の主面側のみに位置しており、
前記振動分離部材は、前記上下方向において前記一方の主面と対向している
超音波トランスデューサ。 An ultrasonic transducer having a plurality of piezoelectric elements, one acoustic matching layer, and a vibration separating member.
The acoustic matching layer has a shape corresponding to a desired beam shape in a plane orthogonal to the vertical direction.
The acoustic matching layer has two main surfaces in the vertical direction.
The piezoelectric elements are arranged and fixed in a matrix on one of the main surfaces.
The arrangement direction of the piezoelectric elements and the vertical direction are orthogonal to each other.
The vibration separating member is sandwiched between the piezoelectric elements in the arrangement direction.
The vibration separating member is located only between the piezoelectric elements in the arrangement direction.
The vibration separating member is located only on the one main surface side in the vertical direction .
The vibration separating member faces the one main surface in the vertical direction.
Ultrasonic transducer. 請求項１記載の超音波トランスデューサであって、
前記振動分離部材は、コルクである
超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 1.
The vibration separating member is an ultrasonic transducer that is a cork. 請求項１又は請求項２記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向に延びる柱状形状を有しており、
前記圧電素子の夫々は、前記上下方向のサイズが前記配列方向のサイズよりも大きい
超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2.
Each of the piezoelectric elements has a columnar shape extending in the vertical direction.
Each of the piezoelectric elements is an ultrasonic transducer whose vertical size is larger than the size in the arrangement direction. 請求項１又は請求項２記載の超音波トランスデューサであって、
前記圧電素子は、多孔質圧電材料からなる
超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2.
The piezoelectric element is an ultrasonic transducer made of a porous piezoelectric material.
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