JPH0378039B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は空気中で超音波の送受を行なう超音波
送受波器に関するものである。

従来の技術 最近、超音波送受波器は、距離計測又は位置計
測用センサあるいは表面形状検査用センサ等の分
野で盛んに利用されるようになつてきた。この超
音波送受波器は例えばULTRASONICS（VOL.16
SEPTEMBER 1978、P197）や本出願人による
特願昭58−44947号明細書に記載されているよう
にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等の高分子樹脂
を母材として、その中にガラス、炭素又はプラス
チツク等を球殻とする微小中空球を混合した複合
材料から成る薄層を音響整合層として有する構成
が知られている。

以下第４図を参照して従来の超音波送受波器に
ついて説明する。第４図において、１は厚み振動
を行なう圧電振動子、２はシリコーン樹脂、エポ
キシ樹脂等の高分子樹脂母材５の中に、フイラー
としてガラス、炭素又はプラスチツク等を球殻材
料として気体を内包した平均粒径数10μｍ程度の
微小中空球３を混合した複合材料であり、圧電振
動子１の超音波放射面４に接着されている。６は
圧電振動子１の第２の面に接着されたバツキング
材である。

以上のような構成において、次にその動作につ
いて説明する。上記超音波送受波器を空気中で用
いて超音波の送受波を行なう場合、圧電振動子１
と音響負荷として作用する空気との間の音響イン
ピーダンス整合を取るために上記複合材料２が音
響整合層として作用し、圧電振動子単体で用いる
場合に対し、送受波感度の向上をはかることがで
きる。

発明が解決しようとする問題点 しかし以上のような構成では、第１に音響整合
層を形成する複合材料２の母材である高分子樹脂
母材５として密度1000〜1300Kg／m³のシリコーン
樹脂あるいはエポキシ樹脂等を用いており、母材
５自体の密度が比較的大きいために、上記複合材
料２の密度を小さくすることができなかつた。ま
た、フイラーとして母材５に混合する微小中空球
３の密度は、従来用いていた粒径の比較的小さい
ものでは100〜600Kg／m²程度の値であり、空気の
常温における密度1.2Kg／m³と比較して極めて大
きいため、これらをフイラーとして用いた複合材
料２の密度を小さくすることは困難であつた。更
に、母材５に上記微小中空球３を混合する場合、
平均粒径が数10μｍの大きさを有するため、混合
体積比率を十分に大きくできず、従つて複合材料
２の密度を小さくすることは困難であつた。

以上のように母材５の密度、微小中空球３の密
度および粒径の大きさのため、音響整合層として
用いる複合材料２の密度を小さくすることは困難
であつた。

第２に微小中空球３の粒径は、上記複合材料２
から成る音響整合層を厚さ方向に伝播する超音波
の波長に比べて十分小さくないために微小中空球
３によつて超音波が散乱され、音響整合層内の超
音波減衰は大きいものになる。

以上説明したように音響整合層として用いる複
合材料２の密度および超音波減衰を小さくするこ
とができないため、超音波送受波器の送受波感度
が低いという問題点を有していた。

従来の具体的な実施例として密度150Kg／m³平
均粒径約50μｍの熱膨張性微小中空球３を密度
1000Kg／m³のシリコーン樹脂に重量比率0.1の割
合で混合した複合材料２の密度は約640Kg／m³、
音速は480ｍ／ｓ、音響波減衰は1MHzにおいて約
10dB／mmであつた。

本発明は従来技術の以上のような問題を解決す
るもので密度および超音波減衰が小さい音響整合
層材料を実現して空中用超音波送受波器の送受波
感度を向上することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明は圧電振動子の超音波放射面に表面をラ
ミネート化した高分子多孔膜を接着して音響整合
層とすることにより上記目的を達成するものであ
る。

作 用 本発明は上記構成により密度が小さくかつ超音
波減衰の少ない音響整合層を実現することにより
圧電振動子と音響負荷として作用する空気との間
の音響インピーダンス整合を効率よく行ない空中
で用いる超音波送受波器の送受波感度を向上する
ようにしたものである。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例における超音波
送受波器の断面図である。１０は厚み振動を行な
う圧電振動子、１２は超音波放射面１１に接着さ
れ音響整合層として作用する高分子多孔膜、１
３，１４は高分子多孔膜１２の圧電振動子１０
側、及びその反対側の表面にそれぞれ形成される
ラミネート膜、１５は圧電振動子１０の第２の面
に接着されるバツキング材、１６は高分子多孔膜
１２に形成された気孔である。高分子多孔膜１２
は高分子樹脂の中でも密度の小さいポリエチレ
ン、ポリプロピレン等のオレフイン系炭化水素を
相分離法又は溶出法によつて多孔化したものであ
り、その膜厚は高分子多孔膜１２の厚さ方向に伝
播する超音波の波長の約1/4である。

ラミネート膜１３，１４は高分子多孔膜１２中
の気孔１６が一般に貫通型であり液体などが高分
子多孔膜１２中に浸透するのを防ぐために設けた
ものであり、その厚さは薄いほどよく、通常、ラ
ミネート膜１３，１４中を伝播する音波長の約1/
２０以下の厚みになることが望ましい。

本実施例においては高分子多孔膜１２にはポリ
オレフイル系多孔膜（例えば旭化成(株)ハイポア
2000）を用い、ラミネート膜１３，１４には厚み
数μｍのプラスチツクフイルム（例えばPET樹
脂2μｍ厚のもの）を用いた。このポリオレフイ
ン系多孔膜の音響インピーダンスは約1.8×
10⁵NS／m³であり、1MHzにおける超音波減衰は
約3dB／mmと小さい。音速は約600ｍ／ｓであり、
1MHzにおける1/4波長厚は約150μｍとなる。ま
た、ハイポア2000に内包される気孔の空孔率は約
70％であり、その平均孔径は0.15μｍであり、空
孔率は高く、気孔の直径は極めて小さい。

ラミネート膜１３，１４の厚みが極めて薄いた
め、ラミネート膜１３，１４を有したポリオレフ
イン系多孔膜の音響特性もラミネート膜のない場
合と殆んど変化しない。一方、圧電振動子１０か
ら空中に超音波を放射する場合に１層の音響整合
層として望ましい音響インピーダンスは約1.1×
10⁵NS／m³であり、この場合、超音波送受波器と
しての送受波感度は向上する。本実施例における
ラミネート膜１３，１４を有する高分子多孔膜１
２の音響インピーダンスは従来のシリコーンゴム
などによりはるかに小さく、かつ音響整合層とし
て望ましい値に近い特性になる。

第２図に本実施例における音響整合層を用いた
場合と、従来例の高分子材料を母材として微小中
空球を混合した複合材料から成る音響整合層を用
いて一層整合構造としたときの送受波感度の計算
を行なつた結果を示す。曲線２０，２１はおのお
の本実施例における音響整合層を用いた場合、従
来の複合材料から成る音響整合層を用いた場合で
ある。これらの結果から分るように本実施例は、
従来例に比べて送受波感度のピーク値は約6dB向
上していることが分る。

以上の実施例から明らかなように、本実施例に
よれば密度の小さいポリオレフイン樹脂を用い相
分離法によつて多孔化された高分子多孔膜１２と
その両面にラミネート膜１３，１４を設けた構造
による音響整合層を有することにより送受波感度
が向上した高感度の超音波送受波器を実現するこ
とができる。

また、本実施例は少なくとも圧電振動子１０側
にラミネート膜１３を設けることにより、多孔性
高分子膜１２の圧電振動子１０への接着時に接着
剤が多孔性高分子膜１２内に浸透することによる
音響インピーダンスの増加を防止することがで
き、高感度な送受波感度を維持できるとともに製
造時の特性のバラツキを低減できる。

更に多孔性高分子膜１２の圧電振動子１０と反
対側の主面にラミネート膜１４を設けることによ
り、空気中のほこりなどがその表面に吸着される
ことなく、また外力によつて多孔性高分子膜１２
の表面や周辺部が部分的に剥離されることもな
い。

第３図は本発明の第２の実施例における超音波
送受波器の断面図である。

本実施例は前記第１の実施例のラミネート膜１
３と圧電振動子１０との間に第１の整合層１７を
設け、高分子多孔膜１２を第２の整合層としたも
のである。

本実施例においては第１整合層として音響イン
ピーダンスが約３×10⁶NS／m³のエポキシ樹脂
を、厚み1/4波長厚とし、第２整合層である高分
子多孔膜１２としては第１の実施例と同様にポリ
オレフイン系多孔性高分子膜を用いる。

このような構造による超音波送受波器動作は第
１の実施例と全く同様であり、高感度の送受波特
性を有する。

更に、二層の音響整合層構造により、周波数帯
域特性が向上し、パルス応答特性がよくなり、距
離分解能のよい超音波送受波器となる。

以上の実施例において、高分子多孔膜１２の両
面に設けたラミネート膜１３，１４の内、超音波
を空中に放射する側の一面のラミネート膜１４は
特になくてもよいが、このラミネート膜１４によ
り、湿気の浸透などを防ぎ保護膜として高分子多
孔膜１２の経時変化を防止できる。

なお、本実施例ではラミネート膜１３，１４と
して、高分子多孔膜１２と異なる材料を用いた
が、これは高分子多孔膜１２と同じ材料を用いて
もよい。例えば、ポリエチレン系高分子多孔膜に
おいて、片面、或いは両面を熱溶融や、溶剤など
により、薄くラミネート化することができる。こ
の場合も、先の実施例と全く同様の効果が得られ
る。

更に、本実施例において、圧電振動子は平板型
を用いているが、これは凹面振動子や凹面振動子
など他の形状の振動子を用いてもよい。また厚み
振動以外の他の振動モードを使用してもよい。

発明の効果 以上のように本発明は波長に比べて十分に小さ
い気孔を内包する、ほぼ1/4波長の厚さの高分子
多孔膜と、その片面、或いは両面にラミネート膜
を設けた構造からなる音響整合層を圧電振動子の
音響整合層として用いることにより、従来の微少
中空球を高分子材料に混合した複合材を音響整合
層として用いた超音波送受波器に比べて送受波感
度を向上させることが出来る。

更に、ラミネート膜によつて音響整合層の接着
を行う場合の接着剤の高分子多孔膜への浸透を防
ぐことができ、送受波感度の低下や、製造時の特
性のバラツキを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における超音波
送受波器の断面図、第２図は本発明の実施例およ
び従来例における超音波送受波器の周波数に対す
る送受波感度の計算の１例を示す図、第３図は本
発明の第２の実施例における調音波送受波器の断
面図、第４図は従来の超音波送受波器の断面図で
ある。 １０……圧電振動子、１１……超音波放射面、
１２……多孔性高分子膜、１３，１４……ラミネ
ート膜、１５……バツキング材、１６……気孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電振動子と、前記圧電振動子の一主面に直
   接または他の層を介して設けられた音響整合層と
   を備え、前記音響整合層が、少なくとも圧電振動
   子側の表面にラミネート膜を有する高分子多孔膜
   であることを特徴とする超音波送受波器。 ２ 高分子多孔膜はオレフイン系樹脂であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波
   送受波器。 ３ 高分子多孔膜は相分離法又は溶出法によつて
   製造したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の超音波送受波器。 ４ ラミネート膜が高分子多孔膜と異なる材料か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の超音波送受波器。