JPH07264697A

JPH07264697A - 超音波送受波器

Info

Publication number: JPH07264697A
Application number: JP4807994A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiko Nanri; 光彦南利; Yoshiyuki Ozawa; 義幸小澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1995-10-13
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JP3310764B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低インピ−ダンスで、電気音響変換効率の良
い、多周波数に対応できる、小型で経済的な超音波送受
波器を提供する。【構成】多層に積層した圧電振動子１ａ〜１ｆと、各圧
電振動子の位置決めを行うフレ−ム２と、音を反射させ
るバッキング３、音響信号を伝送する音響窓４、各積層
圧電振動子に電気信号を伝送する信号線５と、各積層圧
電振動子の電気信号の位相を調整および、増幅を行う整
合回路部６と、電源、制御信号、送受信信号を伝送する
ケ−ブル７とを、取付け金具８で一体化して、超音波送
受波器１を構成した。【効果】積層型圧電振動子を用い、電気インピ−ダンス
の低い、小型軽量な圧電振動子を実現する。さらに、各
圧電振動子の入出力電気信号の位相を、各々同相とする
ので、複数の振動モードに対して、それぞれ感度の良い
送受波ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を送受波する超
音波送受波器に係り、特に、小型軽量で効率、感度に優
れ、かつ、多周波数に対応する超音波送受波器の構成に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の、周波数数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ
で、水中において使用する一般の超音波送受波器は、圧
電振動子を使用するが、水中で使用する部分を小型化す
るために、圧電振動子に超音波放射面積が小さいもの
（例えば、一辺の長さが、使用する周波数の水中での波
長の１／２の正方形の超音波放射面を有する圧電振動
子）を採用しており、静電容量が小さく、電気的インピ
−ダンスが高い。このため送波器としては、大きな音響
出力を得るために、圧電振動子を駆動するに２００〜５
００Ｖ程度の電圧が必要となり、トランス等を用いて昇
圧していた。

【０００３】また、受波器としては、増幅器を、圧電振
動子の電気的インピ−ダンスに対応した、高入力インピ
−ダンスのものとする必要がある他、配線ケ−ブルによ
る受波電圧感度のロスが大きくなるので、これを補償す
ることも必要となる。すなわち、超音波送受波器を構成
する圧電振動子の周辺回路が、大きなものになってい
た。

【０００４】また、超音波送受波器は、大きな音響出力
を得るために、圧電振動子の基本モ−ドを利用すること
が一般的であり、複数の周波数を使用する必要がある超
音波送受波器においては、各使用周波数に対応した複数
の圧電振動子を設けていた。したがって、超音波送受波
器全体が、大きなものとなり、超音波送受波器の使用条
件等に様々な制約が生じていた。

【０００５】上述の問題点を解決する技術としては、
「圧電アクチュエ−タを応用した高感度な高周波超音波
送波器」（海洋音響学会講演論文集、Ｐ４９、１９９
１．５．１７）に記載の超音波送受波器が、圧電振動子
を低インピ−ダンス化したものとして知られており、こ
れは、圧電振動子を薄く多層に積層した圧電アクチュエ
−タを利用し、圧電振動子の静電容量を大きくして低イ
ンピ−ダンス化を行い、圧電振動子の低電圧駆動を可能
として、トランス等を不要としたものである。

【０００６】また、「多周波数超音波用複合構造圧電ト
ランスデュ−サの特性解析」（電子情報通信学会技術研
究報告、ユ−エス（ＵＳ）９１−４７、Ｐ１、１９９
１．１０．１８）に記載の超音波送受波器が、同一の圧
電振動子で複数の周波数を送受波するものとして知られ
ており、これは、積層された圧電振動子を部分的に駆動
し、同一の圧電振動子で複数の周波数の送受波を実現す
るもので、超音波送受波器に備える圧電振動子の数を少
なくして小型化を図るものである。

【０００７】前者の論文で示された圧電振動子の構造
は、非常に薄い振動子（１３０μｍ）を多層（６４層）
に積層したものであり、このため、圧電振動子のインピ
−ダンスが０．５Ωと、現実の超音波送受波器（望まし
くは、５０Ω程度）としては小さ過ぎ、送波側では、配
線ロスにより電気信号が減衰してしまう。すなわち、電
気音響変換効率が悪くなり送波電圧感度が低下する。ま
た、受波側では、各積層圧電振動子が薄いため、受波電
圧感度が小さくなり、増幅用プリアンプ雑音から受波感
度を引いた最小受波音圧レベルが上昇する。すなわち、
小さい音の受波が困難になり、現実の超音波送受波器の
圧電振動子として最適なものではない。

【０００８】また、後者の論文で示された圧電振動子の
構造は、同一の圧電振動子エレメントで多周波の送受波
を実現するが、圧電振動子を高次の共振モ−ドで部分的
に使用するものである。すなわち、低インピ−ダンス化
のために多層化した圧電振動子の一部しか使用しないの
で、多層化の効果が現われず、電気的インピ−ダンスが
大きくなり、送波電圧感度が前者の論文と同様に低下す
る。さらに、現実の超音波送受波器においては、音波を
伝達する媒体と圧電振動子との音響マッチングを行うた
めに、圧電振動子に整合層等を装着することが一般的
で、振動モ−ドが複雑になるので、圧電振動子の電気−
機械変換の効率を高くすることが難しくなる。すなわ
ち、圧電振動子の高感度化が困難となり、やはり、現実
の超音波送受波器の圧電振動子として最適なものではな
い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上記の課題を解決することにあり、小型であっ
ても、電気信号と超音波との変換効率が高く、高感度
な、しかも、複数の周波数の超音波を扱うことが可能な
超音波送受波器を提供することに有る。

【００１０】より具体的には、送波側においては、送波
電圧感度を所望の値に設定でき、かつ、トランス等を使
用することなく、インピ−ダンスをアンプのインピ−ダ
ンスにマッチングさせた圧電振動子を用い、これを低電
圧で駆動可能とする。また、受波側においては、低入力
インピ−ダンス増幅器が利用可能で、かつ、低ノイズ化
を実現できる電気的インピ−ダンスを有する、薄膜多層
化構造の圧電振動子を備えた超音波送受波器を提供す
る。さらには、小型な構成で複数の周波数の超音波を扱
うため、薄膜多層化構造の圧電振動子を高次の共振モ−
ドで振動させても、電気信号と超音波との変換効率が高
く、高感度な超音波送受波器を提供することに有る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的
は、超音波送受波器に使用する、電気−機械変換により
電気信号を超音波に変換する圧電振動子として、電気的
インピ−ダンスを下げるために、薄膜型圧電振動子を用
い、これを多層に積層した圧電振動子を使用する場合に
おいて、圧電振動子の熱雑音と、超音波送受波器に使用
する増幅器の熱雑音と、超音波送受波器に要求される最
低受波音圧レベルとをパラメ−タとして、多層に積層さ
れた圧電振動子の厚みと、積層する薄膜型圧電振動子の
層数を定めることで達成される。

【００１２】これは、圧電振動子の熱雑音が増幅器の熱
雑音より大きくなる場合には、薄膜型圧電振動子を多層
に積層してインピ−ダンスを下げ、また、増幅器の雑音
が圧電振動子の熱雑音より大きくなる場合には、薄膜型
圧電振動子の積層する枚数を減らし、この厚さを厚くす
る一方で、超音波送受波器に要求される最低受波音圧レ
ベルを満足する範囲で、薄膜型圧電振動子を多層に積層
してインピ−ダンスを下げるよう、圧電振動子の厚みと
積層する層数を定めるものである。

【００１３】より具体的には、所定の関係を有する下記
の式（１）〜（３）により、圧電振動子の厚みと層数を
定めた多層圧電振動子を使用することで達成される。

【００１４】Ａ_N＝ｅ_E−｛20log（ｇ_h×ｔ）−120｝・・・（１）但し、Ａ_N：増幅器雑音音圧換算値（ｄＢ re １μＰ
ａ）ｅ_E：増幅器雑音（ｄＢ re １μＰａ）ｇ_h：圧電定数（Ｖ×ｍ／Ｎ×１０~³）ｔ：圧電振動子厚み（ｍ）Ｓ_N＝−15×20logＦ＋10log｛1＋Ｑ_M／Ｋ²・Ｆ_C／Ｆ_S・Ω²｝・・・（２) 但し、Ｆ_C＝ｔ×１０~³／（2π・Ｒ・ｎ・ε・Ｓ）Ｓ_N：圧電振動子熱雑音音圧換算値（ｄＢ re １μＰ
ａ）Ｆ：適用周波数（ｋＨｚ）Ｑ_M：機械的ＱＫ：電気
機械結合係数Ｒ：増幅器入力インピーダンス（Ω）ｎ：積層
枚数 ε ：誘電率Ｓ：圧電振動子面積（ｍ
²）Ｆ_S：共振周波数（ｋＨｚ） Ω ：−Ｆ_S／ＦＡ_N＜Ｓ_N＜Ｎ_L ・・・（３）但し、Ｎ_L：システムで要求される最小受波音圧（ｄＢ
re １μＰａ）ここで、圧電振動子としては、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ
の超音波（例えば、超音波を送受波する対象が、距離１
００ｍ以下で大きさが１ｍ以下のものであれば、１００
〜５００ｋＨｚ程度、また、距離１０００ｍ以上で大き
さが１０ｍ以上のものであれば、１００ｋＨｚ以下）を
送受波するものであり、水晶やニオブ酸リチウムおよび
タンタル酸リチウム等で代表される単結晶、ジルコン酸
チタン酸鉛やチタン酸鉛等チタン酸鉛系の物質で代表さ
れる圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）等で代表されるポリマ−（有機圧電材料）が挙げら
れる。

【００１５】また、高効率、多周波、高感度超音波送受
波器を実現するために、多層に積層した圧電振動子の各
薄膜型圧電振動子から信号用伝送ケ−ブルを引き出し、
２次以上の高次の振動モ−ド（例えば、２次または３次
の高次振動モ−ド）で圧電振動子を振動させ、高次振動
モ−ドにおいて、振動変位の位相が反転する部分の各薄
膜型圧電振動子に対しては、信号用伝送ケ−ブルで送受
する電気信号の極性を反転させて電気−機械変換を実施
する超音波送受波器を構成とした。

【００１６】さらに、高い効率や感度を得るために、各
薄膜型圧電振動子の送受信信号に対し、各薄膜型圧電振
動子毎に所定の遅延を付加し、振動変位の位相特性にあ
わせて電気信号の遅延量を調整しながら電気−機械変換
を実施する超音波送受波器とすることもできる。

【００１７】なお、音響マッチングを行なうための整合
層等、例えば、エポキシ系樹脂、ガラス等のような音響
インピ−ダンスの異なる物質を、多層に積層した圧電振
動子に装着した超音波送受波器においては、２次以上の
高次の振動モ−ドで振動させると、複雑な振動挙動を示
すので、メイソンの等価回路等で代表される、異なる物
質を装着した圧電振動子の等価回路を使用して、予め各
振動モ−ドにおいて、異なる物質を装着した圧電振動子
に発生する振動の節と腹の位置を計算により求め、積層
された各薄膜型圧電振動子に対して、信号用伝送ケ−ブ
ルで送受する電気信号の極性や遅延量を決定し、振動変
位の位相特性にあわせて電気信号の遅延量を調整しなが
ら電気−機械変換を実施する超音波送受波器とする。

【００１８】また、整合層等を装着した多層に積層した
圧電振動子において、整合層を圧電振動子と同じ材料で
構成し、整合層に発生する振動エネルギ−も含めて電気
信号に変換、また逆変換することにより、更に高効率、
高感度を得る構成としても良い。

【００１９】ここで、整合層としては、超音波を伝達す
る媒体と音響インピ−ダンスをマッチングさせた圧電振
動子であり、上記のジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛
等チタン酸鉛系の物質で代表される圧電セラミックス
に、音響インピ−ダンスを調整するため気孔を入れたも
のや、ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等で代表され
るポリマ−が挙げられる。

【００２０】

【作用】一般に、圧電振動子を使用する超音波送受波器
の最小受波音圧レベルは、アンダ−ウオ−タ− エレク
トロアコスティックトランスヂュ−サ−ズ、バスユ
ニバ−シティプレスアンドアコスティックス（１
９９１）〔Under WaterElectro-acoustic Transdusers、
Bath University Press and Acoustics、（１９９１）〕
で示されるように、増幅器の雑音と圧電振動子の熱雑音
から受波電圧感度を差し引いた雑音レベルにより決定さ
れる。

【００２１】式（１）は増幅器熱雑音の音圧換算レベル
Ａ_N、式（２）は圧電振動子の熱雑音の音圧換算レベル
Ｓ_Nを示しており、受波器として使用する場合には、式
（１）と式（２）の値ができるだけ近い値、かつ、式
（３）の不等式を満足するように、すなわち、受波器に
おいて、最も小さい音が受波できる最適な値となるよう
に、式（１）と式（２）を用いて多層に積層した圧電振
動子の厚みｔと、薄膜型圧電振動子を積層する枚数ｎを
選定すれば受波感度の高い超音波受波器が得られる。

【００２２】しかし、超音波送受波器の小型経済化のた
めに、圧電振動子を送受波器兼用で使用する場合、圧電
振動子は低インピ−ダンスであることが望ましく、でき
るだけ薄膜型圧電振動子の厚みを薄くし、積層する枚数
ｎを増やし、要求される最小受波音圧レベルＮ_Lを満足
する範囲で、受波感度を落してインピ−ダンスを下げる
ようにする。

【００２３】このように、圧電振動子の厚みｔと、薄膜
型圧電振動子を積層する枚数ｎを選定することで、一般
には高インピ−ダンスである、圧電振動子の電気的イン
ピ−ダンスを最適にできる。すなわち、増幅器の入力イ
ンピ−ダンスに合わせるように、インピ−ダンスを下げ
ることができ、小型で低ノイズな増幅器が使用可能とな
る。

【００２４】また、圧電振動子の電気的インピ−ダンス
が小さいため、例えば、圧電振動子を低電圧で駆動でき
る等、超音波送受波器周辺回路の小型軽量化を実現でき
る。従って、圧電振動子の電気的インピ−ダンスを最適
にすることにより、小型軽量で小規模な汎用の電子機器
を適用でき、小型軽量化を実現できる。

【００２５】さらに、複数の周波数に対応可能な超音波
送受波器を、小型経済的に実現するには、１個の多層に
積層した圧電振動子を、複数の振動モ−ドで振動させ、
圧電振動子の共用化を図る必要がある。以下、図５〜図
７を用いてさらに具体的に説明する。

【００２６】図５は、多層に積層した圧電振動子の振動
状態を示したモデル図であり、各振動モ−ドにおいて、
多層に積層した圧電振動子が、振動している様子を示し
たものである。なお、図中の破線は圧電振動子の速度分
布を示したもので、中心線の上側半分の破線が左方向の
速度成分、下側半分の破線が右方向の速度成分を示して
いる。また、中心線と破線が交わる点は、振動が最小と
なる節で、外周の実線と破線が接する点は、振動が最大
となる腹である。

【００２７】ここで、図５（Ａ）は基本振動モ−ドの振
動を示したもので、積層された６個の各圧電振動子ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、圧電振動子ａ，ｂ，ｃが左方向
に、圧電振動子ｄ，ｅ，ｆが右方向に、節を中心として
全て伸びる方向に振動している。すなわち、各圧電振動
子同士の振動を圧迫するものがない状態で振動してい
る。

【００２８】図５（Ｂ）は、２次振動モ−ドの振動を示
したもので、積層された６個の各圧電振動子ａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、圧電振動子ａ，ｆが左方向に、圧電
振動子ｃ，ｄ右方向に、圧電振動子ｂ，ｅにある節を中
心として振動している。すなわち、左側の圧電振動子
ａ，ｂ，ｃが伸びる方向に、右側の圧電振動子ｄ，ｅ，
ｆが縮む方向に振動している（収縮部分を斜線で示
す）。

【００２９】また、図５（Ｃ）は、３次振動モ−ドの振
動を示したもので、真中の圧電振動子ｃ，ｄが縮む方向
で、両側の圧電振動子ａ，ｂとｅ，ｆは伸びる方向に振
動しており、２次振動モ−ドと同様に、圧電振動子同士
が振動を打ち消すよう振動している。上記のように、多
層に積層した圧電振動子においては、各圧電振動子の伸
びる方向と縮む方向が生じるので、各圧電振動子の分極
方向に配線した電気信号を送受信するケ−ブルでは、電
気信号の位相が反転することになる。すなわち、各ケー
ブルの極性や信号遅延量を調整しないと、各圧電振動子
からの電気信号同士が、信号を打ち消すように出力され
たり、電気信号を入力しても大きな振動が発生しなかっ
たりする。

【００３０】図６は、多層に積層した圧電振動子に設け
た信号ケーブルの配線と、各振動モ−ドとの関係を示し
た図であり、信号ケーブルの配線により、各振動モ−ド
における電気−機械変換の状態を示したものである。

【００３１】すなわち、図６（Ａ）は、各圧電振動子の
分極方向を同じにして、各圧電振動子の配線を並列に接
続する場合（同図において⇒は圧電振動子の分極方向を
示す）を示したものであり、受信電気信号は２次共振で
キャンセルされ基本波の奇数倍で感度が良くなる。逆に
圧電振動子の右半分と左半分の配線を逆にすると、基本
共振では受信電気信号がキャンセルされ、２次共振で最
も感度が良くなる。従って、高次の共振でも、各圧電振
動子からの電気信号に対して、各々同相になるように遅
延し加算すると、受波電圧感度が良くなる。

【００３２】また送波の場合、圧電振動子の分極方向に
対し配線したケ−ブルの極性を、図６（Ａ）のように、
各圧電振動子とも同じにすると、図６（Ｄ）の特性曲線
（●印）が示すように、基本周波数では各々の圧電振動
子は同相で振動するが、２次共振周波数では、圧電振動
子の半分を振動モ−ドと逆方向に振動するよう電気信号
を与えているため送波電圧感度は低下する。従って、受
波の場合と同じように各圧電振動子へ供給する電気信号
に対し、受波の場合と同様に遅延を加えたり、極性を変
えて圧電振動子へ供給すると送波電圧感度は向上する。

【００３３】すなわち、図６（Ｄ）の特性曲線（●印）
が示すように、図６（Ａ）のように、各圧電振動子とも
同じにすると、基本共振と３次共振で高感度を示すが、
２次共振周波数では送波電圧感度は低下する。従って、
２次共振周波数を送波する場合は、図６（Ｂ）に示す配
線で、圧電振動子の一部のみ使用する方法が、従来から
採用されていた。この方法でも、図４（Ｄ）の特性曲線
（△印）が示すように、基本共振での感度は低下するが
２次共振での感度が向上する。

【００３４】さらに、本発明の構成による、図６（Ｃ）
に示す配線で、圧電振動子は全て使用し、信号の極性を
変える方法によれば、図６（Ｄ）の特性曲線（○印）が
示すように、他の配線方法と比較し、２次共振での感度
が一番良い、全圧電振動子を活用でき、更に高効率、高
感度な超音波送受波器を実現できる。もちろん、信号の
極性を変化させる代わりに、信号に遅延を与える方法で
も良い。なお、前述のような圧電振動子に、整合層など
が装着された場合、圧電振動子と整合層の速度分布が複
雑になる。

【００３５】図７は、整合層を装着した圧電振動子の、
振動状態を示したモデル図であり、多層圧電振動子が、
各振動モ−ドにおいて、振動している様子を示したもの
である。同図に示すように、各振動モ−ドにおいて、圧
電振動子と整合層の速度分布が複雑になり節の位置が移
動するため、前述のような、単純に各圧電振動子の極性
を変更するだけでは、高効率、高感度な超音波送受波器
を得ることができない。従って、伸長部分と収縮部分
を、メイソンの等価回路の解析手法等で代表される解析
手法により、異なる物質を装着した圧電振動子の動作を
等価回路から計算し、各圧電振動子へ最適な遅延量を与
え、全圧電振動子を活用した、高効率、高感度な超音波
送受波器を実現する。

【００３６】また、振動子を圧電セラミックで作成した
場合、整合層としてセラミックに気泡を含んだもの等を
使用することにより、マッチングがとれ、整合層の振動
エネルギ−も活用できるので、さらに、高効率、高感度
な超音波送受波器を得ることができる。

【００３７】上述のように、各振動モ−ドに対応して、
各圧電振動子の信号極性を調整したり、各周波数によっ
て最適な遅延量を与えることにより、高効率、多周波、
高感度な超音波送受波器が実現できる。

【００３８】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明による、多層に
積層した圧電振動子と、各圧電振動子に取付けた、電気
信号送受信用の信号線から成り、信号線で電気信号の極
性や、遅延量を調整することにより、高効率な電気−機
械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器とインピーダン
スを最適にした、超音波送受波器の実施例について詳細
に説明する。

【００３９】＜実施例１＞本実施例では、多層積層圧電
振動子の各圧電振動子に取付けた、電気信号送受信用の
信号線の、電気信号の極性を調整することにより、高効
率な電気−機械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器と
インピーダンスを最適にした、超音波送受波器の構成を
示す。

【００４０】（１）超音波送受波器の構成図１は、本発明に係る超音波送受波器の要部断面図を示
したものである。超音波送受波器１は、振動エネルギ−
と電気エネルギ−との変換を行う、６層に積層した圧電
振動子１ａ〜１ｆ（詳細は後述する）と、音の反射を目
的とするバッキング３と、各圧電振動子１ａ〜１ｆの位
置決めを行うフレ−ム２と、音響信号を伝送する音響窓
４と、各圧電振動子１ａ〜１ｆに接続され、送受電気信
号を伝送する信号線５と、超音波送受波器１として使用
する周波数により、各圧電振動子１ａ〜１ｆの信号線５
の配線を変換して極性を調整したり、送受電気信号を増
幅する整合回路部６、電源、制御信号、ＦＭ、ＰＣＷ等
の送受電気信号を図示しない外部の装置との間で伝送す
るケ−ブル７と、整合回路部６とフレ−ム２とケ−ブル
７を結合保持する取付け金具８とで構成した。なお、６
層に積層した圧電振動子１ａ〜１ｆを、複数個並列に配
置して、超音波送受波の指向性を制御することも可能で
ある。また、後述の実施例２で示すように、整合回路部
６において、信号線５の配線を変換する代わりに、信号
線５に所定の遅延を与えることもできる。

【００４１】（２）圧電振動子の構成本実施例の、超音波送受波器１に使用した積層型圧電振
動子の構成を、以下で示す。図７は、前述の式（１）〜
式（３）により求めた、積層型圧電振動子の構造と、そ
の特性（圧電振動子の層数と、使用周波数と、最低受波
音圧レベルとの関係）の一例を示した、圧電振動子の特
性図である。本実施例では、各圧電振動子の材料にＰＺ
Ｔセラミックを用い、音を放射する面積は１０ｍｍ×１
０ｍｍの正方形で、積層型圧電振動子の厚みが２２ｍｍ
になるように、圧電振動子６枚で積層型圧電振動子を形
成したものを用いた。

【００４２】より具体的には、図７は、この圧電振動子
の、積層枚数を変化させたときの最小受波音圧レベルの
計算値を示したものであり、グラフの細い実線は、プリ
アンプ雑音である式（１）のＡ_Nの値を、破線は圧電振
動子熱雑音である式（２）のＳ_Nの値を示している。計
算結果より、本実施例の超音波送受波器１を受波器とし
てのみ使うものであれば、ｎ＝３（積層枚数３枚）の
時、式（３）の関係を満たす最適枚数となる。しかし、
一般に最小受波音圧レベルＮ_Lは、超音波送受波器１の
使用目的や環境により、システム的に決定されるもので
ある。例えば、本実施例のように、超音波送受波器１
が、１００ｋＨｚ以下で使用されるものであれば、必要
とする最小受波音圧レベルが３０ｄＢ以下なら、海中雑
音より小さくなるので、超音波送受波器１の使用目的を
達することが出来る。

【００４３】すなわち、ｎ＝３（積層枚数３枚）では、
ノイズマージンが６ｄＢ程余裕があるため、更に多層に
積層し、電気的インピ−ダンスを下げることができる。
従って、計算結果より最適枚数はｎ＝６（積層枚数６
枚）と選定した。以上のように、超音波送受波器が使用
される環境（大きさ、周波数帯域、音圧レベル）が定ま
れば、前述のような関係式により、通信システムとして
最適なインピーダンスを有し、かつ、所望の電気−機械
変換効率を有する積層型圧電振動子が、容易に選択でき
るので、小型で特性の優れた超音波送受波器が実現でき
る。

【００４４】（３）送受波動作以下では、図１で示した、本実施例の超音波送受波器１
の、送波および受波動作について図面を用いて詳細に説
明する。図２は、本実施例の超音波送受波器１の、詳細
な構成を示すブロック構成図である。超音波送受波器１
は、圧電振動子１ａ〜１ｆと、電極５１ａ〜５１ｇを交
互に重ねて６層に積層した圧電振動子１Ａと、各圧電振
動子１ａ〜１ｆに接触した電極５１ａ〜５１ｇと接続さ
れ、各圧電振動子１ａ〜１ｆと送受電気信号を伝送する
信号線５ａ〜５ｇと、さらに、超音波送受波器１として
使用する周波数により、各圧電振動子１ａ〜１ｆの信号
線５ａ〜５ｇの配線を変換する、接点１１ａ〜１１ｇお
よび接点１１１〜１１８から成るスイッチング回路１１
および、送受電気信号を増幅する送信アンプ１２と受信
アンプ１３とを、少なくとも有した整合回路部６、電
源、制御信号、ＦＭ、ＰＣＷ等の送受電気信号を図示し
ない外部の装置との間で伝送するケ−ブル７とで構成さ
れる。なお、同図において、バッキング３は、電極５１
ｇと接触して、音波を反射するものであり、また、音波
は、電極５１ａから、図１で示した音響窓４を介して送
受波されるものである。

【００４５】送波の場合、先ずＦＭ、ＰＣＷ等の送信電
気信号がケ−ブル７を伝わって整合回路部６へ伝送され
る。伝送された電気信号はパワ−アンプ１２により増幅
され、周波数により変化するスイッチング回路１１を通
過し、圧電セラミック等の各圧電振動子１ａ〜１ｆへ伝
送される。各圧電振動子１ａ〜１ｆでは、電気−機械変
換を行い、機械変換後の振動を電極５１ａへ伝え、音響
窓から超音波を送波する。なお、バッキング３は後方へ
伝わる振動を前方へ反射させ、高効率送波を可能とする
ものである。より詳細には、スイチッング回路１１は、
各振動モ−ドにより、圧電振動子１ａ〜１ｆの電気極性
を、伸長部分と収縮部分で反転するように結線する。例
えば、基本振動モードの場合には、図５（Ａ）で示した
ように、各圧電振動子１ａから１ｆは、伸長部分である
ので、図６（Ａ）で示したように、同一の極性であるこ
とが望ましく、それぞれの接点は、接点１１ａと接点１
１２、接点１１ｂと接点１１３、接点１１ｃと接点１１
４、接点１１ｄと接点１１５、接点１１ｅと接点１１
６、接点１１ｆと接点１１７、接点１１ｇと接点１１８
とを接続する。また、２次振動モードの場合には、図５
（Ｂ）で示したように、各圧電振動子１ａ〜１ｆは、伸
長部分と収縮部分があるので、図６（Ｃ）で示したよう
に、伸長部分と収縮部分で反転するように、それぞれの
接点は、接点１１ａと接点１１２、接点１１ｂと接点１
１３、接点１１ｃと接点１１４とを接続し、さらに、接
点１１ｄと接点１１４、接点１１ｅと接点１１５、接点
１１ｆと接点１１６、接点１１ｇと接点１１７とに接続
する。なお、本実施例では、アンプ１２およびアンプ１
３を、スイチッング回路１１とケーブル７との間に設け
たが、スイチッング回路１１と積層された圧電振動子１
Ａとの間に、各圧電振動子１ａ〜１ｆごとに配置しても
良い。さらに、整合回路部６に、スイッチ切替え機構を
設け、ケーブル７から送信される制御信号に、振動モー
ド通知信号を付加して、これにより、外部の装置から切
替える構成とすることもできる。

【００４６】受波の場合は、送波の場合と逆の動作とな
り、音響窓４を通過した音は、電極５１ａを通過し、各
圧電振動子１ａ〜１ｆへ伝わる。各圧電振動子１ａ〜１
ｆは、音響信号を機械−電気変換し、電気信号としてス
イチッング回路１１へ伝送される。なお、各振動モ−ド
による圧電振動子１ａ〜１ｆの電気極性、すなわち、そ
れぞれの接点の接続は、送波の場合と同じである。受信
の電気信号はアンプ１３にて増幅されケ−ブル７により
受信信号として伝送される。ここで、バッキング３は、
送波と同様の機能を果たす。

【００４７】上述のように、本発明の超音波送受波器に
よれば、多層に積層した圧電振動子に入出力する各電気
信号の極性を切替えるだけで、１つの多層圧電振動子を
設ければ、基本振動モードから高次の振動モードに至る
までの、複数の周波数の超音波を送受波できる超音波送
受波器が実現でき、しかも、全ての圧電振動子の電気−
機械変換動作を利用できるので、効率の良い超音波送受
波器が実現できる。すなわち、本発明によれば、小型で
複数の周波数に対応可能な、高効率の超音波送受波器が
実現できるものである。さらに、簡単な計算式から、電
気信号の送受信を実施するに適当な、アンプ等の汎用通
信機器の入出力インピーダンスにマッチするインピーダ
ンスを有する、積層圧電振動子の構成を決めることがで
きるので、積層圧電振動子等の超音波送受波器の設計が
容易であり、電気信号を処理するスイッチやアンプ等に
汎用通信機器を使用でき、小型で経済的な超音波送受波
器が実現できるものである。

【００４８】＜実施例２＞本実施例では、多層積層圧電
振動子の各圧電振動子に取付けた、電気信号送受信用の
信号線の、遅延量を調整することにより、高効率な電気
−機械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器とインピー
ダンスを最適にした、超音波送受波器の他の構成例を示
す。

【００４９】図３は、超音波送受波器１の詳細な構成を
示すブロック構成図である。本実施例は、実施例１で示
した超音波送受波器１が、スイッチング回路１１で、各
電気信号の極性を調整したものであったのに対し、スイ
ッチング回路１１の代わりに、遅延量の異なる複数の遅
延素子を設け、各電気信号をこれらの遅延素子を通過さ
せることにより、各電気信号の遅延量を調整して、高効
率の電気−機械変換を実施するものである。具体的に
は、本実施例では、０°（遅延無し）、９０°（１／４
相遅延）、１８０°（逆相遅延）、２７０°（３／４相
遅延）の４種類の遅延素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１
４ｄを、整合回路部６に設けた。もちろん、０°の遅延
素子１４ａは、スルーであり、不要な構成とすることも
できる。各遅延素子１４ａ〜１４ｄは、ぞれぞれ、各信
号線５ａ〜５ｇの整合回路部６側の端子である、接点１
１ａ〜１１ｇと接続するための端子１４ａ１〜１４ａ７
と、１４ｂ１〜１４ｂ７と、１４ｃ１〜１４ｃ７と、１
４ｄ１〜１４ｄ７を設け、各々の振動モ−ドに応じて、
接点１１ａ〜１１ｇと、これらの端子とを接続すること
で、各圧電振動子との電気信号の送受信を行う構成とし
た。

【００５０】もちろん、これらの端子の数は、圧電振動
子の層数や、超音波送受波器の使用される状況に対応し
て増減されるものである。なお、本実施例の圧電振動子
や、電極、アンプ等の構成は、実施例１で示した超音波
送受波器のものと、同一のものを使用した。

【００５１】本実施例において、基本振動モードの場合
には、図５（Ａ）で示したように、各圧電振動子１ａ〜
１ｆは、伸長部分であるので、図６（Ａ）で示したよう
に、同一の極性であることが望ましく、すなわち、各信
号毎に遅延量を調整する必要がないので、それぞれの接
点は、接点１１ａと端子１４ａ１、接点１１ｂと端子１
４ａ２、接点１１ｃと端子１４ａ３、接点１１ｄと端子
１４ａ４、接点１１ｅと端子１４ａ５、接点１１ｆと端
子１４ａ６、接点１１ｇと端子１４ａ７とを接続し、全
ての信号を、遅延無しとして、遅延素子１４ａに接続す
る。

【００５２】また、２次振動モードの場合には、図５
（Ｂ）で示したように、各圧電振動子１ａ〜１ｆは、伸
長部分と収縮部分があるので、図６（Ｃ）で示したよう
な、伸長部分と収縮部分で反転する箇所の信号を、遅延
により同相にそろえるように、それぞれの接点は、接点
１１ａ、接点１１ｂ、接点１１ｃ、接点１１ｄとを、遅
延素子１４ａの端子１４ａ１〜１４ａ７に接続し、さら
に、接点１１ｅ、接点１１ｆ、接点１１ｇとを、１８０
°信号を遅延させる遅延素子１４ｃの端子１４ｃ１〜１
４ｃ７に接続する。

【００５３】なお、本実施例でも、アンプ１２およびア
ンプ１３を、各遅延素子１４ａ〜１４ｄとケーブル７と
の間に設けたが、実施例１と同様に各遅延素子１４ａ〜
１４ｄと圧電振動子１Ａの間に各圧電振動子毎に配置し
ても良い。さらに、整合回路部６に、信号線の接点と遅
延素子の端子との、接続の切替え機構を設け、ケーブル
７から送信される制御信号に、振動モード通知信号を付
加して、これにより、外部の装置から切替える構成とす
ることもできる。なお、各遅延素子としては、積層圧電
振動子１Ａのインピーダンスが汎用通信機器のインピー
ダンスとマッチするよう調整されているので、これも同
様に市販のコイル等で構成された遅延素子を使用した。

【００５４】図４も、本発明による、超音波送受波器の
別の実施例の詳細な構成を示すブロック構成図である。
本実施例は、上述した超音波送受波器が、固定遅延を有
する、複数の遅延素子を選択して、各圧電振動子に接続
される信号線における、電気信号の遅延量を調整したも
のであるのに対し、各信号線に可変の遅延量を設定でき
る遅延素子を設け、各振動モ−ドに応じて、積層圧電振
動子の各圧電振動子に入出力する電気信号の遅延量を細
かく調整して、さらに、電気−機械変換効率の向上を図
ったものである。より詳細には、整合回路部６に、上述
の実施例における４種類の遅延素子１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、１４ｄの代わりに、各信号線５ａ〜５ｇのそれぞ
れに、遅延量を可変できる、あるいは、複数の遅延量が
異なる入出力端子を有する可変遅延素子１４１〜１４７
を設け、各振動モ−ドに応じて、入出力の遅延量を選択
するようにした。本実施例においても、遅延量を外部か
ら設定切替えできる構成としたり、市販の可変遅延素子
を使用する点は、前述した実施例と同様である。

【００５５】本実施例の超音波送受波器によれば、実施
例１の各電気信号の極性を切替えるものより、さらに細
かく、各電気信号の位相を調整できるので、１つの多層
圧電振動子を設ければ、基本振動モードから高次の振動
モードに至るまでの、複数の周波数の超音波を、さらに
高効率で送受波できる超音波送受波器が実現できる。特
に、可変遅延素子を使用する超音波送受波器は、精密な
位相調整が可能なものであり、以下の実施例で示すよう
な、音響マッチングのための整合層も備え、複雑な振動
をする超音波送受波器に有効である。

【００５６】＜実施例３＞本実施例では、実際に超音波
を伝達する水や空気のような、伝達媒体と圧電振動子と
の間で、音波を伝達しやすくするために、音響マッチン
グのための整合層を付加した超音波送受波器の構成を示
す。ここで、整合層は、圧電振動子と媒体との音響マッ
チングを行うものであり、図１の超音波送受波器の構成
であれば、音響窓４と圧電振動子１ａとの間に装着され
るものである。整合層の材料としては、一般に、エポキ
シ系樹脂等にガラスや比重の重い金属等を混入し音響イ
ンピ−ダンスを変化させたものを適用している。このよ
うな整合層を使用するなら、電気信号の配線は、図２で
示したように、各圧電振動子部分のみとなる。

【００５７】また、本発明のように、例えば、圧電振動
子として圧電セラミックを使用し、さらに、整合層を、
この圧電セラミックに気孔を入れて音響インピーダンス
を調整した材料で構成すれば、整合層からも信号線を配
線することができる。いずれにしても、整合層の装着に
より、振動モードによっては、振動状態が複雑になるの
で、実施例１および実施例２で示した、本発明の超音波
送受波器の構成が、本実施例において、さらに効果的に
なる。

【００５８】図８は、整合層を圧電振動子に装着した構
成の積層圧電振動子の構造と振動モ−ドとの関係を示し
た要部説明図である。本実施例は、圧電振動子として、
前述の実施例と同じ６層の１ａ〜１ｆを使用し、圧電振
動子と同じＰＺＴセラミックに、気孔を入れて音響イン
ピーダンスを調整した、厚さ約３ｍｍの整合層Ｍ１とＭ
２を、圧電振動子１ａと音響窓４の間に装着したもので
ある。また、整合層Ｍ１とＭ２は、圧電振動子としても
使用できるので、本図においては図示してないが、図１
〜図３で示した超音波送受波器と同様に、整合層Ｍ１と
Ｍ２にも電極が接続され、信号線が、電極と整合回路部
との間を接続して、電気信号を入出力し、電気−機械変
換により、整合層Ｍ１とＭ２も、音波の送受波を実施す
る構成である。なお、同図に示した、各振動モードにお
ける圧電振動子と整合層の振動状態は、メイソンの等価
回路から等価回路の解析手法を用いて求めた結果を示し
たものである。

【００５９】本実施例の場合、図８（Ａ）で示す基本振
動モ−ドでは、各整合層及び圧電振動子は同相に振動し
ていため、各電気信号の極性を同相で配線する、もしく
は、同じ遅延量を設定すれば良い。

【００６０】また、図８（Ｂ）で示す２次振動モ−ドで
は、振動の節（●印）は２箇所であるが、前述の実施例
のような、圧電振動子だけの場合と、振動の状態が変わ
り、整合層Ｍ１とＭ２の部分と、その他の圧電振動子の
部分は逆相に振動する。従って、整合層Ｍ１とＭ２の部
分と圧電振動子の部分とで、電気信号の極性を反対に配
線する、もしくは、いずれかの信号を１８０°遅延させ
れば良い。さらに、圧電振動子だけの場合と、節の位置
がずれてる分だけ、各信号線に設けた可変遅延素子の遅
延量を調整して、各信号の位相を合わせるようにすれ
ば、より高効率な電気−機械変換が実施できる。

【００６１】図８（Ｃ）で示す３次振動モ−ドでは、振
動の節（●印）は３箇所あり、整合層Ｍ２および圧電振
動子の一部分１ａ、１ｂと、その他の部分である、整合
層Ｍ１および圧電振動子１ｃ〜１ｆは逆相に振動する。
従って、整合層Ｍ２および圧電振動子の一部分１ａ、１
ｂの電気信号と、整合層Ｍ１および圧電振動子１ｃ〜１
ｆの電気信号の極性を反対に配線する、もしくは、いず
れかの信号を１８０°遅延させれば良い。さらに、２次
振動モ−ドと同様に、圧電振動子だけの場合と、節の位
置がずれてる分だけ、各信号線に設けた可変遅延素子の
遅延量を調整して、各信号の位相を合わせるようにすれ
ば、より高効率な電気−機械変換が実施できる。

【００６２】本発明のように、例えば、圧電振動子とし
てチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックから成る圧
電材を使用し、さらに、整合層として、このような圧電
セラミックに気孔を入れた音響インピーダンスを調整し
た材料を使用すれば、整合層からも信号線を配線するこ
とができ、しかも、整合層を装着したことにより、振動
の状態が複雑になっても、電気信号の極性や遅延量の調
整ができるので、電気−機械変換効率の良い、超音波送
受波器が実現できる。

【００６３】＜実施例４＞以上の実施例では、圧電振動
子として、直方体の圧電振動子を多層に積層する構成の
ものを使用したが、本発明による、各圧電振動子と送受
波する電気信号の極性や遅延量を調整し、基本振動モー
ドから高次の振動モードに至るまでの、複数の周波数の
超音波を、高効率で送受波する小型の超音波送受波器に
おいて、圧電振動子の構成が、直方体の圧電振動子に限
定されるものではない。

【００６４】図９は、本発明の超音波送受波器の、別の
実施例の構成を示すブロック構成図である。本実施例で
は、円筒型の圧電振動子１５を多層に積層し、各振動子
から信号線を出したものである。円筒型の圧電振動子１
５の場合、円筒及び高さ方向の振動モ−ドも発生するた
め、厚み方向の振動モ−ドのみを使用できるように、同
図で示したように、圧電振動子１５に細かいスリット１
５ａを入れて、超音波送受波器を構成した。

【００６５】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明により所
期の目的を達成することができた。すなわち、汎用通信
機器の入出力インピーダンスにマッチするインピーダン
スを有する、多層に積層した圧電振動子を容易に構成で
き、この圧電振動子に入出力する、各電気信号の極性を
切替えたり、遅延量を調整するだけで、１つの多層圧電
振動子を設ければ、基本振動モードから高次の振動モー
ドに至るまでの、複数の周波数の超音波を送受波でき
る、電気−機械変換の高い超音波送受波器が実現でき
る。さらに、電気信号を処理するスイッチやアンプ等に
汎用通信機器を使用でき、小型で経済的な超音波送受波
器が実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる超音波送受波器の要部
断面図。

【図２】同じく、超音波送受波器のブロック構成図。

【図３】同じく、他の実施例となる超音波送受波器のブ
ロック構成図。

【図４】同じく、さらに異なる実施例となる超音波送受
波器のブロック構成図。

【図５】多層圧電振動子の振動状態を示すモデル図。

【図６】多層圧電振動子の信号配線と、振動状態との関
係を示すモデル図。

【図７】本発明による、超音波送受波器の圧電振動子の
特性図。

【図８】同じく、整合層付多層圧電振動子の振動状態を
示すモデル図。

【図９】同じく、他の実施例となる超音波送受波器のブ
ロック構成図。

【符号の説明】

１…超音波送受波器、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ…圧電振動子、１Ａ…多層圧電振動子、２…フレ−ム、３…バッキング、４…音響窓、５…信号線、６…整合回路部、７…ケ−ブル、８…取付け金具、１１…スイッチング回路、１２、１３…アンプ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…遅延素子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気信号を駆動信号として圧電振動子へ入
力し、前記圧電振動子が電気−機械変換を行うことで、
超音波を発生させる超音波送波器、及び、超音波を駆動
信号として圧電振動子へ入力し、前記圧電振動子が機械
−電気変換を行うことで、電気信号を発生させる超音波
受波器であって、前記圧電振動子として、複数個の圧電
振動子材を多層に積層した多層圧電振動子を使用する超
音波送受波器において、前記複数個の圧電振動子材に電
気信号を入出力する信号伝達手段と、前記電気信号の位
相を調整する位相制御手段とを備えて成り、位相調整し
た電気信号を、音波に変換し得るように構成して成る超
音波送受波器。
【請求項２】上記位相制御手段は、上記信号伝達手段の
入出力信号の極性を切替える配線切替手段で構成され、
上記複数個の圧電振動子材に入出力する、それぞれの電
気信号の極性を、前記切替手段で切り替え、音波に変換
し得るように構成して成る請求項１記載の超音波送受波
器。
【請求項３】上記位相制御手段は、上記信号伝達手段の
入出力信号を遅延させる信号遅延手段を含み、上記複数
個の圧電振動子材に入出力する、それぞれの電気信号
を、前記遅延手段で遅延し、音波に変換し得るように構
成して成る請求項１もしくは２記載の超音波送受波器。
【請求項４】上記超音波送受波器に、多層圧電振動子
を、基本振動モ−ドおよび２次以上の高次振動モ−ドか
ら成る、複数の振動モ−ドより選択した振動モ−ドで振
動させる選択手段を備えて成り、前記選択手段が、位相
制御手段を制御し、選択した振動モ−ド対応に、位相調
整した電気信号を、音波に変換し得るように構成して成
る請求項１乃至３いづれかに記載の超音波送受波器。
【請求項５】上記多層圧電振動子と音波を伝達する伝達
媒体との間に、圧電振動材料を含んで成る音響マッチン
グ用の整合層を配設し、前記整合層にも、電気信号を入
出力する上記信号伝達手段と、電気信号の位相を調整す
る上記位相制御手段とを備えて成り、整合層も位相調整
した電気信号を、音波に変換し得るように構成して成る
請求項１乃至４いづれかに記載の超音波送受波器。
【請求項６】電気信号を駆動信号として圧電振動子へ入
力し、前記圧電振動子が電気−機械変換を行うことで、
超音波を発生させる超音波送波器、及び、超音波を駆動
信号として圧電振動子へ入力し、前記圧電振動子が機械
−電気変換を行うことで、電気信号を発生させる超音波
受波器であって、前記圧電振動子として、複数個の圧電
振動子材を多層に積層した多層圧電振動子を使用する超
音波送受波器において、圧電振動子材の層数を、多層圧
電振動子の熱雑音音圧換算値が、超音波送波器に要求さ
れる最小受波音圧より小さく、多層圧電振動子に接続さ
れる電気信号の増幅手段の熱雑音音圧換算値より大きい
範囲で、多層圧電振動子のインピーダンスが前記増幅手
段のインピーダンスと概略同一な値となるよう設定して
成る請求項１乃至５いづれかに記載の超音波送受波器。