JPH01246998A - 超音波トランスジューサ - Google Patents
超音波トランスジューサInfo
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- JPH01246998A JPH01246998A JP7496388A JP7496388A JPH01246998A JP H01246998 A JPH01246998 A JP H01246998A JP 7496388 A JP7496388 A JP 7496388A JP 7496388 A JP7496388 A JP 7496388A JP H01246998 A JPH01246998 A JP H01246998A
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Links
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は超音波距離検出装置、近接物体検出装置等に
使用される空中用超音波トランスジューサに関する。
使用される空中用超音波トランスジューサに関する。
圧電セラミック等の振動子を空中用超音波トランスジュ
ーサとして使用する場合、振動子の音響インピーダンス
が空気のそれに比べて遥かに大きいために、超音波の送
信、受信効率が極めて低い、そこで振動子の超音波出射
面に密着して両者の中間の音響インピーダンスを有する
音響整合層を設け、超音波の送受信性能を高めた超音波
トランスシューブが知られている。
ーサとして使用する場合、振動子の音響インピーダンス
が空気のそれに比べて遥かに大きいために、超音波の送
信、受信効率が極めて低い、そこで振動子の超音波出射
面に密着して両者の中間の音響インピーダンスを有する
音響整合層を設け、超音波の送受信性能を高めた超音波
トランスシューブが知られている。
超音波トランスジューサは、第５図に示すように圧電セ
ラミック振動子１の超音波出射面に密着して音響整合層
２を形成した構造である。圧電セラミック振動子１の音
速Ｃ１は約４０００ ｍ／Ｓ。
ラミック振動子１の超音波出射面に密着して音響整合層
２を形成した構造である。圧電セラミック振動子１の音
速Ｃ１は約４０００ ｍ／Ｓ。
密度ρ１は約７４００＃／ｍ”であり、その積で表わさ
れる音響インピーダンスＺ１は約３Ｘ１０の７乗Ｎ、Ｓ
／ｒｒＩとなる。また超音波ビーム１０が出射される空
気３の音速Ｃ３は約３４４ ｍ ／ Ｓ 。
れる音響インピーダンスＺ１は約３Ｘ１０の７乗Ｎ、Ｓ
／ｒｒＩとなる。また超音波ビーム１０が出射される空
気３の音速Ｃ３は約３４４ ｍ ／ Ｓ 。
密度ρ、は約１．２に９／ｒｒｌであり、音響インピー
ダンスＺ３は約４１３Ｎ−８／ｍ”となる。
ダンスＺ３は約４１３Ｎ−８／ｍ”となる。
したがって、両者の音響インピーダンスの中間値として
の整合層２の音響インピーダンスＺとしては、両者の音
響インピーダンス２． 嚢２．の積の平方根で与えられ
る１、ｌＸ１０の５乗Ｎ 、 Ｓ／ｍ８が最適値となる
。音響インピーダンスＺを最適値に近づけるために、整
合層２の材質の検討が種々行われており、例えば樹脂組
成物としてエポキシ樹脂を用い、微小中空球として塩化
ビニリデン共重合体からなる直径数１０ないし数１００
μｍのプラスチックバルーン材を用いたものが知られ
ている。
の整合層２の音響インピーダンスＺとしては、両者の音
響インピーダンス２． 嚢２．の積の平方根で与えられ
る１、ｌＸ１０の５乗Ｎ 、 Ｓ／ｍ８が最適値となる
。音響インピーダンスＺを最適値に近づけるために、整
合層２の材質の検討が種々行われており、例えば樹脂組
成物としてエポキシ樹脂を用い、微小中空球として塩化
ビニリデン共重合体からなる直径数１０ないし数１００
μｍのプラスチックバルーン材を用いたものが知られ
ている。
第６図はエポキシ樹脂に対するプラスチックバルーン（
比重０．０５．平均粒径４０μｍ）の添加！（体積分率
）を変えて得られた整合層２の音速Ｃ２密度ρ 、音響
インピーダンスＺ特性線図であシ、プラスチックバルー
ン添加量を体積分率で０．６ とした場合、音響インピ
ーダンスは約６．５×１０の５乗Ｎ、Ｓ／ｉ、体槓分率
０．７でも ４×１０の５乗程度となシ、最適値１．Ｉ
Ｘ １０の５乗ＮφＳ／ｒｒｌに比べてまだかなシ大
きい値となる。
比重０．０５．平均粒径４０μｍ）の添加！（体積分率
）を変えて得られた整合層２の音速Ｃ２密度ρ 、音響
インピーダンスＺ特性線図であシ、プラスチックバルー
ン添加量を体積分率で０．６ とした場合、音響インピ
ーダンスは約６．５×１０の５乗Ｎ、Ｓ／ｉ、体槓分率
０．７でも ４×１０の５乗程度となシ、最適値１．Ｉ
Ｘ １０の５乗ＮφＳ／ｒｒｌに比べてまだかなシ大
きい値となる。
第７図は上記整合層のグラスチックバルーン添加量と弾
性率Ｅとの関係を示す特性線図であり、エポキシ樹脂単
体で３３０Ａｆ／−あった弾性率へ体槓分率０．６では
６６ｋｆ／ｒｒＩＡに２体積分率０．７では５４＃／−
にまで低下し、剛性の低下が著しい。グラスチックバル
ーン材の比重をさらに下げれば、音響インピーダンスＺ
を最適値に近づけることも不可能ではないが、この場合
には弾性率Ｅがさらに低下してゴム弾性を示テようにな
り、寸法精度の維持も、これｔ−得るための機械加工性
が低下し、さらＫは外的損傷を受けやすくなる。
性率Ｅとの関係を示す特性線図であり、エポキシ樹脂単
体で３３０Ａｆ／−あった弾性率へ体槓分率０．６では
６６ｋｆ／ｒｒＩＡに２体積分率０．７では５４＃／−
にまで低下し、剛性の低下が著しい。グラスチックバル
ーン材の比重をさらに下げれば、音響インピーダンスＺ
を最適値に近づけることも不可能ではないが、この場合
には弾性率Ｅがさらに低下してゴム弾性を示テようにな
り、寸法精度の維持も、これｔ−得るための機械加工性
が低下し、さらＫは外的損傷を受けやすくなる。
前述のように、空中用超音波トランスジユーサの音響整
合層としては、音響インピーダンス２を最適イ直に近づ
けることに重点が置かれてきた。ところで、この種の整
合層の基本原理は、第８図にその厚みと超音波透過率と
の関係を示すように、整合層の厚みｔが整合層内におけ
る超音波の波長λの１／４．すなわち四分の一波長に等
しく形成されたとき、その波長λに相応する周波数の超
音波のみが減衰することなく透過（透過率１）する現象
、いわゆる共像伝送を利用するものであって、整合層の
厚みｔ、あるいは超音波の波長λが上記共撮伝送条件か
らずれた場合には、第８図に示すように整合層の音響イ
ンピーダンス２と空気または振動子の音響インピーダン
スとの比Ｚ！／Ｚ またはＺ／Ｚ３ （以下インピ
ーダンス比とよぶ）の増大とともに超音波透過率が著し
く低下する。ことに前述の超音波トランスジューサにお
いては、整合層の２を最適値１．ｌＸ１０の５乗Ｎ、Ｓ
／ｒｒｌＶｃシたとしてもインピーダンス比Ｚ、／Ｚ
、 Ｚ／Ｚｓは約２７０にも達し、僅かな波長λ、厚
みｔのずれがあれば超音波の透過は極めて困難になる。
合層としては、音響インピーダンス２を最適イ直に近づ
けることに重点が置かれてきた。ところで、この種の整
合層の基本原理は、第８図にその厚みと超音波透過率と
の関係を示すように、整合層の厚みｔが整合層内におけ
る超音波の波長λの１／４．すなわち四分の一波長に等
しく形成されたとき、その波長λに相応する周波数の超
音波のみが減衰することなく透過（透過率１）する現象
、いわゆる共像伝送を利用するものであって、整合層の
厚みｔ、あるいは超音波の波長λが上記共撮伝送条件か
らずれた場合には、第８図に示すように整合層の音響イ
ンピーダンス２と空気または振動子の音響インピーダン
スとの比Ｚ！／Ｚ またはＺ／Ｚ３ （以下インピ
ーダンス比とよぶ）の増大とともに超音波透過率が著し
く低下する。ことに前述の超音波トランスジューサにお
いては、整合層の２を最適値１．ｌＸ１０の５乗Ｎ、Ｓ
／ｒｒｌＶｃシたとしてもインピーダンス比Ｚ、／Ｚ
、 Ｚ／Ｚｓは約２７０にも達し、僅かな波長λ、厚
みｔのずれがあれば超音波の透過は極めて困難になる。
このことから、整合層の厚みｔを超音波の１／４波長に
精度よく安定して保持することがインピーダンス比を最
適値に保持すること以上に重要であると考えられる。と
ころが、従来の整合層においてはインピーダンス２を最
適値に近づけるに伴なって弾性率Ｅが大幅に低下し、厚
みｔを精度よく得ることが因難なばかりか、外傷を受け
やすいためにその維持管理も困難になる欠点がある。
精度よく安定して保持することがインピーダンス比を最
適値に保持すること以上に重要であると考えられる。と
ころが、従来の整合層においてはインピーダンス２を最
適値に近づけるに伴なって弾性率Ｅが大幅に低下し、厚
みｔを精度よく得ることが因難なばかりか、外傷を受け
やすいためにその維持管理も困難になる欠点がある。
この発明の目的は、音響インピーダンスの低減に伴う弾
性率の低下が少く、シたがって整合層の厚みの精度の確
保を容易化することにある。
性率の低下が少く、シたがって整合層の厚みの精度の確
保を容易化することにある。
上記課題を解決するために、この発明によれば、樹脂組
成物中に微小中空球を混合してなる音響整合層を超音波
振動子の超音波出射面に密着して形成したものにおいて
、前記微小中空球がグラスチックバルーン材とシリカバ
ルーン材の混合材であることとする。
成物中に微小中空球を混合してなる音響整合層を超音波
振動子の超音波出射面に密着して形成したものにおいて
、前記微小中空球がグラスチックバルーン材とシリカバ
ルーン材の混合材であることとする。
上記手段において、樹脂組成物中に混合する微小中空球
として、プラスチックバルーン材とシリカバルーン材を
所定の割合で混合材を用いるよう構成し九ことによシ、
樹脂組成物としてのエポキシ樹脂に剛性の高いシリカバ
ルーン材を混合した場合、その添加量に比例して整合層
の密度アおよび音響インピーダンスＺは低下傾向を示す
のに対し、弾性率Ｅおよび音速は逆に上昇傾向を示すこ
とを利用し、混合バルーン材を添加した整合層の弾性率
の低下を軽減することが可能となシ、したがって整合層
の厚みｔを整合層内超音波の１７４波長に精度よく合わ
せることが容易となシ、音響インピーダンスＺ−は従来
より幾分高くなるものの共像伝送を有効に活用でき、し
たがって超音波送受信性能の高い空中超音波トランスジ
ューサを得ることかできる。
として、プラスチックバルーン材とシリカバルーン材を
所定の割合で混合材を用いるよう構成し九ことによシ、
樹脂組成物としてのエポキシ樹脂に剛性の高いシリカバ
ルーン材を混合した場合、その添加量に比例して整合層
の密度アおよび音響インピーダンスＺは低下傾向を示す
のに対し、弾性率Ｅおよび音速は逆に上昇傾向を示すこ
とを利用し、混合バルーン材を添加した整合層の弾性率
の低下を軽減することが可能となシ、したがって整合層
の厚みｔを整合層内超音波の１７４波長に精度よく合わ
せることが容易となシ、音響インピーダンスＺ−は従来
より幾分高くなるものの共像伝送を有効に活用でき、し
たがって超音波送受信性能の高い空中超音波トランスジ
ューサを得ることかできる。
以下この発明を実施例に基づいて説明する。
第１図はこの発明の実施例超音波トランスジューサを示
す説明図であり、圧電セラミックからなる超音波出射面
１の超音波出射面に密着して設けられた音響整合層２０
は、樹脂組成物としてのエポキシ樹脂組成物１２中に、
塩化ビニリデシ共重合体からなるプラスチックバルーン
材１３（比ｌｌＯ，０５、平均粒径４０μｍ）と、シリ
カバルーン材１４（比重０．５．平均粒径５０μｍ）と
を所定の割合で配合、硬化処理したものが用いられる。
す説明図であり、圧電セラミックからなる超音波出射面
１の超音波出射面に密着して設けられた音響整合層２０
は、樹脂組成物としてのエポキシ樹脂組成物１２中に、
塩化ビニリデシ共重合体からなるプラスチックバルーン
材１３（比ｌｌＯ，０５、平均粒径４０μｍ）と、シリ
カバルーン材１４（比重０．５．平均粒径５０μｍ）と
を所定の割合で配合、硬化処理したものが用いられる。
整合層２０は、混合された液状の素材を金型に注入し、
室温で硬化させた後機械加工を行い、厚みｔが超音波の
１／４波長と等しくなるよう加工された整合層を形成し
、整合層に用いたエポキシ樹脂組成物を接着剤として振
動子１の表面に窒隙を残さないよう密着固定する。
室温で硬化させた後機械加工を行い、厚みｔが超音波の
１／４波長と等しくなるよう加工された整合層を形成し
、整合層に用いたエポキシ樹脂組成物を接着剤として振
動子１の表面に窒隙を残さないよう密着固定する。
第２図はシリカバルーン材の作用を説明するための特性
線図であり、エポキシ樹脂組成物１２中にシリカバルー
ン材１４のみを配合硬化した材料の音速Ｃ１密度ρ、お
よび音響インピーダンスＺを示している。図において、
ρおよびＺはシリカバルーン材１４の体積分率が増加す
るとともに低下する傾向を示すが、音速Ｃは逆に増加す
る傾向を示す。
線図であり、エポキシ樹脂組成物１２中にシリカバルー
ン材１４のみを配合硬化した材料の音速Ｃ１密度ρ、お
よび音響インピーダンスＺを示している。図において、
ρおよびＺはシリカバルーン材１４の体積分率が増加す
るとともに低下する傾向を示すが、音速Ｃは逆に増加す
る傾向を示す。
第３図は、弾性率特性線図であシ、上記シリカバルーン
材１４のみを配合した材料の弾性率Ｅと、混合バルーン
材としてシリカバルーン材を体積分率で約３０％一定（
横軸の６０％以下の範囲）とし、これに添加するプラス
チックバルーン材１３の体積分率を０から６０％の範囲
で変えて形成した整合層２００弾性率Ｅ（横軸の体積分
率３０％以上の範囲）を併せて示した。シリカバルーン
材１４を体積分率で３０％配合したことによシ、混合バ
ルーン材を配合した整合層の弾性率Ｅは従来の整合層の
弾性率（第７図参照）に比べて全体的に上昇し、例えば
シリカバルーン材３０％、グラスチックバルーン材５０
％、混合バルーン材全体としての体積分率が８０％にお
ける弾性率は１３７却／−となり、プラスチックバルー
ン材のみを約３３％添加した従来の整合層の弾性率に匹
敵する値が得られ、その結果金型成型された素材の精密
機械加工が可能となり、整合層の厚みを１／４波長に精
度よく仕上げることができる。
材１４のみを配合した材料の弾性率Ｅと、混合バルーン
材としてシリカバルーン材を体積分率で約３０％一定（
横軸の６０％以下の範囲）とし、これに添加するプラス
チックバルーン材１３の体積分率を０から６０％の範囲
で変えて形成した整合層２００弾性率Ｅ（横軸の体積分
率３０％以上の範囲）を併せて示した。シリカバルーン
材１４を体積分率で３０％配合したことによシ、混合バ
ルーン材を配合した整合層の弾性率Ｅは従来の整合層の
弾性率（第７図参照）に比べて全体的に上昇し、例えば
シリカバルーン材３０％、グラスチックバルーン材５０
％、混合バルーン材全体としての体積分率が８０％にお
ける弾性率は１３７却／−となり、プラスチックバルー
ン材のみを約３３％添加した従来の整合層の弾性率に匹
敵する値が得られ、その結果金型成型された素材の精密
機械加工が可能となり、整合層の厚みを１／４波長に精
度よく仕上げることができる。
第４図は実施例整合層の音響特性線図であり、シリカバ
ルーン材３０％、グラスチックバルーン材５０％、混合
バルーン材全体としての体積分率を８０％とした場合、
整合層２０の音速Ｃは２０００ｍ／Ｓ、￥Ｍ度ρは５０
０Ａｉ’／ｒｆｌ”、音響インピーダンスＺは１×１０
の６乗Ｎ、Ｓ／ｄ、弾性率Ｅは１３７＃／７となシ、音
響インピーダンスは最適値１．ｌＸ１０の５乗Ｎ、Ｓ／
Ｊに比べてほぼ１けた高いものの、機械加工性が高く寸
法精度の確保が容易化されることにより、共振伝送を有
効に利用して高い超音波送受信性能を発揮しやすい整合
層を得ることができる。
ルーン材３０％、グラスチックバルーン材５０％、混合
バルーン材全体としての体積分率を８０％とした場合、
整合層２０の音速Ｃは２０００ｍ／Ｓ、￥Ｍ度ρは５０
０Ａｉ’／ｒｆｌ”、音響インピーダンスＺは１×１０
の６乗Ｎ、Ｓ／ｄ、弾性率Ｅは１３７＃／７となシ、音
響インピーダンスは最適値１．ｌＸ１０の５乗Ｎ、Ｓ／
Ｊに比べてほぼ１けた高いものの、機械加工性が高く寸
法精度の確保が容易化されることにより、共振伝送を有
効に利用して高い超音波送受信性能を発揮しやすい整合
層を得ることができる。
なお、シリカバルーン材１４の体積分率は３０％に限定
されるものではなく、混合バルーン材全体の体積分率を
注型加工が答易な８０％程度とμシリカバルーン材１４
が占める体積分率ｆ：１０ないし４０％程度の範囲で選
択することによシ、弾性率と音響インピーダンスが異な
る整合層を任意に形成することができる。
されるものではなく、混合バルーン材全体の体積分率を
注型加工が答易な８０％程度とμシリカバルーン材１４
が占める体積分率ｆ：１０ないし４０％程度の範囲で選
択することによシ、弾性率と音響インピーダンスが異な
る整合層を任意に形成することができる。
この発明は前述のように１樹脂組成物に配合する微小中
空球として、プラスチックバルーン材とシリカバルーン
材との混合材を用いるよう構成した。その結果、プラス
チックバルーン材のみによって音響インピーダンスを下
げることに付随して整合層の弾性率が大幅に低下し、こ
れが原因で共振伝送に不可欠な整合層の寸法精度の確保
が困難になるという、従来気付かなかった問題点が排除
され、シリカバルーン材の配合によって弾性率の低下が
抑制され、外傷を受は難くなるとともに精密機械加工性
が向上するので、整合層の厚みを超音波の１／４波長に
精密に保持することが容易となり、この波長の超音波を
無損失で透過する共振伝送を有効に利用して超音波送受
信性能の高い空中用超音波トランスジューサを提供する
ことができる。
空球として、プラスチックバルーン材とシリカバルーン
材との混合材を用いるよう構成した。その結果、プラス
チックバルーン材のみによって音響インピーダンスを下
げることに付随して整合層の弾性率が大幅に低下し、こ
れが原因で共振伝送に不可欠な整合層の寸法精度の確保
が困難になるという、従来気付かなかった問題点が排除
され、シリカバルーン材の配合によって弾性率の低下が
抑制され、外傷を受は難くなるとともに精密機械加工性
が向上するので、整合層の厚みを超音波の１／４波長に
精密に保持することが容易となり、この波長の超音波を
無損失で透過する共振伝送を有効に利用して超音波送受
信性能の高い空中用超音波トランスジューサを提供する
ことができる。
第１図はこの発明の実施例装置を示す説明図、第２図は
シリカバルーン材の作用を説明するための特性線図、第
３図は実施例整合層の弾性率特性線図、第４図は実施例
整合層の音響特性を示す特性線図、第５図は従来装置を
示す概略断面図、第６図は従来の整合層の音響特性を示
す特性線図、第７図は従来の整合層の弾性率特性線図、
第８図は整合層の超音波透過率を示す原理的特性線図で
ある。 １・・・超音波摂動子、２，２０・・・音響整合層（整
合層）、１２・・・樹脂組成物、１３・・・グラスチッ
クバルーン材、１４・・・シリカバルーン材、ｔ・・・
整合層の厚み（１／４波長）、Ｃ・・・音速、ρ・・・
密度、Ｚ・・・音響インピーダンス、Ｅ・・・弾性率、
ス・・・波長。 党１図 シリカバ１し−ン糸カロ量 （体積分率〕第２図 萱学←１）ミ と
シリカバルーン材の作用を説明するための特性線図、第
３図は実施例整合層の弾性率特性線図、第４図は実施例
整合層の音響特性を示す特性線図、第５図は従来装置を
示す概略断面図、第６図は従来の整合層の音響特性を示
す特性線図、第７図は従来の整合層の弾性率特性線図、
第８図は整合層の超音波透過率を示す原理的特性線図で
ある。 １・・・超音波摂動子、２，２０・・・音響整合層（整
合層）、１２・・・樹脂組成物、１３・・・グラスチッ
クバルーン材、１４・・・シリカバルーン材、ｔ・・・
整合層の厚み（１／４波長）、Ｃ・・・音速、ρ・・・
密度、Ｚ・・・音響インピーダンス、Ｅ・・・弾性率、
ス・・・波長。 党１図 シリカバ１し−ン糸カロ量 （体積分率〕第２図 萱学←１）ミ と
Claims (1)
- １）樹脂組成物中に微小中空球を混合してなる音響整合
層を超音波振動子の超音波出射面に密着して形成したも
のにおいて、前記微小中空球がプラスチックバルーン材
とシリカバルーン材の混合材であることを特徴とする超
音波トランスジューサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7496388A JPH01246998A (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 超音波トランスジューサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7496388A JPH01246998A (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 超音波トランスジューサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01246998A true JPH01246998A (ja) | 1989-10-02 |
Family
ID=13562471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7496388A Pending JPH01246998A (ja) | 1988-03-29 | 1988-03-29 | 超音波トランスジューサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01246998A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0973150A2 (de) * | 1998-07-16 | 2000-01-19 | Iskraemeco, Merjenje in Upravljanje Energije, D.D. | Ultraschallwandler und das Verfahren zu seiner Herstellung |
| WO2004098234A1 (ja) * | 2003-04-28 | 2004-11-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 超音波センサ |
| CN109943016A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-06-28 | 武汉科技大学 | 一种阻抗梯度声匹配层材料及其制备方法 |
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1988
- 1988-03-29 JP JP7496388A patent/JPH01246998A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0973150A2 (de) * | 1998-07-16 | 2000-01-19 | Iskraemeco, Merjenje in Upravljanje Energije, D.D. | Ultraschallwandler und das Verfahren zu seiner Herstellung |
| EP0973150A3 (de) * | 1998-07-16 | 2002-11-20 | Iskraemeco, Merjenje in Upravljanje Energije, D.D. | Ultraschallwandler und das Verfahren zu seiner Herstellung |
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| US7162930B2 (en) | 2003-04-28 | 2007-01-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Ultrasonic sensor |
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