JPH0640676B2 - 超音波トランスジユ−サ - Google Patents

超音波トランスジユ−サ

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JPH0640676B2
JPH0640676B2 JP59182519A JP18251984A JPH0640676B2 JP H0640676 B2 JPH0640676 B2 JP H0640676B2 JP 59182519 A JP59182519 A JP 59182519A JP 18251984 A JP18251984 A JP 18251984A JP H0640676 B2 JPH0640676 B2 JP H0640676B2
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layer
piezoelectric material
medium
matching layer
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クロード・ロベール・メツキオ
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エヌ・ベ−・フイリツプス・フル−イランペンフアブリケン
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    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

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  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はバツキング媒体を形成する基板と、圧電物質層
と、音響インピーダンスの値が圧電物質層の音響インピ
ーダンス値と主伝搬媒体の音響インピーダンス値との間
にある１個以上の整合層とを具える超音波トランスジユ
ーサに関するものである。
超音波トランスジユーサは主として、バツキング、吸収
或いは反射媒体を形成する基板と、前面及び背面に電極
を設けた圧電物質層と、圧電物質の前面に、即ち、圧電
物質と伝搬媒体との間に設けられた音響インピーダンス
の整合を行う少なくとも１つの層とから構成されること
は既知である。この種のトランスジユーサは米国電気電
子学会（ＩＥＥＥ）会報１９６６年３月ＳＵ巻１３（音
響及び超音波）分冊第２０〜３０頁に掲載された論文「T
he effect of backing and matching on the performan
ce of piezoelectric ceramic transducers」に特に記載
されている。１層以上の斯る整合層を設けることによつ
てトランスジユーサの感度を改善し、且つまたこのトラ
ンスジユーサの帯域幅を増加することができる。
しかし、エコーグラフイに使用される超音波トランスジ
ユーサは、２つの重要な特徴、即ち高感度（信号対雑音
比を高くすると受信信号の処理が容易になるため）と、
適切な減衰（パルス応答を短くすると軸線方向の分解能
が良くなるため）とを兼ね備える必要がある。
本発明の目的は、簡単な方法で感度及び減衰に関する要
求を両立させるようにした超音波トランスジユーサを提
供せんとするにある。
本発明の特徴は特許請求の範囲に記載の如くである。
第１図及び第２図につき本発明の超音波トランスジュー
サの原理と実施例の特徴及び利点を以下に説明する。な
お第１例は原理説明用である。
第１図に示す本発明超音波トランスジユーサの原理図
は、変換器のバツキング媒体を形成する基板１０と、
（励振電圧を供給する分極回路（図示せず）に既知のよ
うに接続される）第１及び第２電極を形成する金属箔２
１及び２２で前面及び背面が被覆された圧電物質層２０
と、圧電層と主伝搬媒体５０との間に配設され且つまた
四分の一波長干渉層と称される２つの音響インピーダン
ス整合層３０及び４０とを具え、厚みモードで振動する
ように構成する。
本発明超音波トランスジユーサの構体の基板１０はこれ
を圧電材料層２０と組合せる際その音響インピーダンス
が圧電材料に対して剛体と考えられ、即ち応力変形のな
いバツキング媒体とみなされる基板に対して常に十分高
い値となるようにする。さらに圧電物質層２０の厚さ
は、トランスジユーサの共振周波数に関連する波長の1/
4に等しくする。圧電物質層２０から主伝搬媒体５０へ
のエネルギーの伝送を最適化するためには、圧電材料層
２０、整合層３０及び４０並びに伝搬媒体５０の音響イ
ンピーダンスの値がこの順序で、例えば等差数列、等比
数列等の降数列を形成し得るようにする。
上述した第１列の構体が極めて良好な減衰特性及び高い
感度を有すると云う事実を第２例の完全な対称な超音波
トランスジユーサ（第２図）の説明と相俟つて説明す
る。この第２の超音波トランスジユーサはバツキング媒
体としての基板１０と、層の厚さがトランスジユーサの
共振周波数に関連する波長の1/4に等しい圧電材料層２
０と、２個の音響インピーダンス整合層３０及び４０と
を具え、この２個の音響インピーダンス整合層の１方を
バツキング媒体と圧電材料との間に配設し、他方の整合
層を圧電材料と主伝搬媒体５０との間に配設する。この
第２例の構体の音響インピーダンスもまた圧電材料から
順に降数列とし、前記音響インピーダンス及び整合層３
０及び４０の厚さを圧電材料の両側で夫々対称に等しく
する。斯る構体により行なわれた試験及びシミユレーシ
ヨンから明らかなようにエコーグラフによる測定中に圧
電物質内のフライト時間に等しい有効な持続時間のパル
ス状電気的励振に対する電気的応答スペクトル（或いは
フーリエ級数の係数）はガウス曲線の形をとる。ここに
云うフライト時間とは、厚みモードで振動し、且つ厚さ
がトランスジユーサの伝搬周波数での超音波の1/2波長
に等しい圧電物質の一方から他方へ超音波が伝搬する持
続時間を意味するものとする。従つて、電気的応答の包
絡線もまたガウス曲線の形態となり、この電気的応答は
急速に減衰する。さらに、対称構体のため圧電物質の両
側の応力変形は両側に同様の音響負荷が掛つているため
同一となり、従つて圧電物質の中心面における応力変形
は零となる。これがため、この中心面の一方の側に位置
する第２構体の部分は、非常に剛固なバツキング媒体即
ち応力変形のないバツキング媒体と見なされるようにな
る。従つて、使用する圧電材料の音響インピーダンスが
左程高くない場合でも斯るバツキング媒体を容易に製造
することができる。これが第１例の構体を提案した理
由、即ち剛固なバツキング媒体、1/4波長の厚さの圧電
層及び音響インピーダンス整合層を具え、完全に対称な
第２例の構体と同一の減衰特性及び高い感度を有する、
いわゆる見掛け上対称な構体が提案された理由である。
同一の電気的な送信及び受信状態で行なわれた試験或い
はシミユレーシヨンから明らかなように本発明の目的
（適切な減衰及び高い感度を得ること）を満足する種々
の構体を実際に得ることができる。まず、圧電物質がＰ
ＺＴ−５型の強誘電性セラミツク物質（ジルコン酸−チ
タン酸鉛を含有する圧電物質、Warren P.Mason著「Physi
cal Acoustics,Principles and Methods」の第１巻、第
Ａ部、第２０２頁参照のこと）の場合の実施例は（２層
の音響インピーダンス整合層を具える例）を以下に示
す。
(1)第１構体（みかけの対称） (a)音響インピーダンス(kg/cm2・sec×106) バツキング媒体 1000（シミユレーシヨン） 圧電物質 ３０ 第１整合層 ４ 第２整合層 1.8 主伝搬媒体 1.5 (b)測定結果 感度指数 -10.03dB −６dBのときの帯域幅 ５５％ −10dBでの応答時間 7.6τ −40dBでの応答時間 8.9τ このときの感度は感度指数２０logVS/VPEF(dB)で表わさ
れ、ここにＶPEFは共振周波数のときの方形波パルスの
伝送に必要な発振器の出力電圧であり、この発振器の内
部インピーダンスはその負荷に応じて変わり、ＶSは応
答のピーク・ピーク電圧である。減衰は一般に−６dBの
ときに帯域幅Δ／により特徴づけられ、且つ基本ス
ペクトルの百分率（％）で表わされる。このときのΔ
は振幅の最大値より低く６dBである諸点間の距離であ
り、は振幅の最大値に相当する中心周波数である。し
かし、この減衰に関する情報だけでは、不規則な基本ス
ペクトルの形状及びエコー端部を乱す高調波を考慮に入
れないため、減衰を完全に特徴づけるには不十分であ
る。これがため、この情報は、２個の他の時間表示器に
より、即ち持続時間がτに等しい共振周波数の方形波パ
ルスに対し、−２０dB及び−４０dBまでの応答時間によ
り補足する。これら応答時間は規格化され、即ち前記フ
ライト時間で表わされる。また−２０dB及び−４０dBま
での応答時間は、ピーク・ピーク電圧が初期値の夫々1/
10及び1/100に減少するに要する時間とする。
(2)完全に対称で第１構体と交換可能な第２構体 (a)音響インピーダンス(kg/cm2・sec×106) バツキング媒体 1.5 整合層 1.8及び４ 圧電物質 ３０ 整合層 ４及び1.8 主伝搬媒体 1.5 (b)測定結果 感度指数 −１３dB −６dBでの帯域幅 ５３％ −20dBまでの応答時間 7.79τ −40dBまでの応答時間 9.8τ 次に圧電物質をポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とした
場合の実施例を以下に示す（この実施例では１つの音響
インピーダンス整合層を有している）。
(3)第１構体（みかけの対称） (a)音響インピーダンス(kg/cm2・sec×106) バツキング媒体 ４６ 圧電物質 4.6 整合層 1.8 主伝搬媒体 1.5 (b)測定結果 感度指数 -19.66dB −６dBでの帯域幅 ８２％ −20dBまでの応答時間 5.4τ −40dBまでの応答時間 7.8τ (4)第２構体（完全に対称且つ第１構体と交換可能） (a)音響インピーダンス(kg/cm2・sec×106) バツキング媒体及び主伝搬媒体 1.5 前部及び後部の整合層 1.8 圧電物質 4.6 (b)測定結果 感度指数 -23.8dB −６dBでの帯域幅 ７５％ −20dBまでの応答時間 5.63τ −40dBまでの応答時間 8.0τ 完全に対称な構体の極めて重要な特性は著しく高い減衰
を得ることができる点にある。みかけの対称（第１図）
の構体の利点は、同一の場合を除いて全ての音響エネル
ギーを前方に反射する剛固なバツキング媒体の「音響ミ
ラー」効果のため完全に対称な構体の感度指数に関して
最大利得６dBを得、完全対称の構体で得られる極めて良
好な減衰を有し、λ／２圧電層を具えるトランスジユー
サと比べると所定の動作周波数に対して圧電物質の厚さ
を1/2とすることができる点にある。この最後の特性は
層の厚さを肉厚とするのが困難である前記ポリ弗化ビニ
リデンのような圧電性重合体にとつて重要である。本発
明は以上記載した実施例に限定されるものではなく、種
々の変更が可能であり、特に圧電物質と末端の媒体との
間の音響インピーダンス整合に種々の異なる層を用いる
変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本超音波トランスジユーサの原理説明用側面
図、 第２図は本発明超音波トランスジユーサの実施例の構成
を示す側面図である。 １０……基板（バツキング媒体） ２０……圧電物質層 ２１，２２……金属箔 ３０，４０……音響インピーダンス整合層 ５０……主伝搬媒体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】超音波を通過させて、伝搬媒体に伝搬し、
    あるいはこれより伝搬を受ける正面側表面と、これに平
    行に対向する裏側表面を有する圧電材料層を有し、上記
    両表面間の該圧電材料層の厚さは、トランスジューサの
    動作周波数における波長の1/2とし、 また、圧電材料層の裏側表面にわたって配置されたバッ
    キング手段を有し、該バッキング手段の音響インピーダ
    ンスを伝搬媒体の音響インピーダンスと等しくし、 さらに、圧電材料層に対し、厚さ及び音響インピーダン
    スを相等しくして対称に配置された１対の第１整合層を
    有し、この第１整合層は、前記正面側の表面と伝搬媒体
    の間に配置されている正面側第１整合層と、前記裏側表
    面とバッキング手段との間に配置されている裏側第１整
    合層とで構成され、これら第１整合層の音響インピーダ
    ンスを圧電材料の音響インピーダンスより小とするが、
    伝搬媒体の音響インピーダンスよりは大としたことを特
    徴とする隣接伝搬媒体への超音波エネルギーの伝送ある
    いはこれよりのエネルギーの検出を行う超音波トランス
    ジューサ。
  2. 【請求項２】前記整合層は、圧電材料層に対し対称に配
    置されている１以上の付加的整合層対を有し、各付加的
    整合層対の正面側層は、正面側第１整合層と伝搬媒体の
    間に位置し、同じく裏面側層は裏側第１整合層とバッキ
    ング手段間に位置し、前記各付加的整合層の音響インピ
    ーダンスは第１整合層の音響インピーダンスより小であ
    るが、伝搬媒体及びこれに連続している各層の音響イン
    ピーダンスよりも大であり、これによって圧電材料より
    伝搬媒体へ並びに圧電材料よりバッキング手段へ向って
    音響インピーダンスが順に小さくなってゆく如くしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波トラ
    ンスジューサ。
JP59182519A 1983-08-31 1984-08-31 超音波トランスジユ−サ Expired - Lifetime JPH0640676B2 (ja)

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