JPS59171296A - 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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JPS59171296A
JPS59171296A JP4494783A JP4494783A JPS59171296A JP S59171296 A JPS59171296 A JP S59171296A JP 4494783 A JP4494783 A JP 4494783A JP 4494783 A JP4494783 A JP 4494783A JP S59171296 A JPS59171296 A JP S59171296A
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JP
Japan
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acoustic impedance
density
matching layer
thermal expansion
composite
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JP4494783A
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JPS643120B2 (ja
Inventor
Masayuki Tone
利根 昌幸
Tsutomu Yano
屋野 勉
Takayoshi Saito
孝悦 斉藤
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods 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
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or 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。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、距離計測装置用超音波センサなどに用いられ
る超音波トランスジューサに関する。
従来例の構成とその問題点 従来、圧電セラミック振動子又は磁歪振動子を超音波ト
ランスジューサとして、特には空中用に用いる場合、上
記振動子は固有音響インピーダンスが空気よりも大きい
ため空気との固有音響インピーダンスの不整合を改善す
るために、第1図に示すように圧電セラミック振動子又
は磁歪振動子1に金属製半波長ホーン2を接合し、ホー
ン2の先端に比較的大きな面積の金属板3を取付け、金
属板3の面積を広くすることによって負荷を大きくし、
圧電振動子又は磁歪振動子1と空気負荷との間の整合を
とる方法が行なわれていた。あるいは別の方法として第
2図に示すように、屈曲振動を行なうバイモルフ型圧電
セラミック振動子4に結合棒5を介して円錐形のアルミ
コーン6を接合し、アルミコーン6によって圧電セラミ
ック振動子4と空気との音響インピーダンスの整合をは
かっていた。しかしながら、これらは共に金属板3又は
圧電セラミック振動子の屈曲振動を用いているため、共
振周波数を高くすることは困難であり、一般に100 
KH z以下の空中超音波の発生に用いられているにす
ぎない。10’O KHz以上の超音波の発生には圧電
セラミック振動子の厚み振動が用いられる事が多いが、
従来は圧電セラミック振動子と空気負荷との固有音響イ
ンピーダンスの整合を取るためにエポキシ樹脂やシリコ
ーン系樹脂などの流動性合成樹脂母材に直径数百μm以
下のカラス微小中空球を充てんした材料が整合層材料と
して用いられていた。ここで固有音響インピーダンスの
大きさを考えると、圧電セラミック振動子の音速v1は
約3500m/s,密度ρ1は8000▲<q / r
rf’程度の値であり、従ってそれらの債で表わされる
固有音響インピーダンスz1は、大体3X107N− 
S/m’程度の値となる。一方空気の常温における固有
音響インピーダンス22は約409i寸・S /m’で
あるので一層整合層を用いる場合、一般によく知られる
整合条件から、整合層の固有音響インピーダンスをzm
aとすると、整合層有音響インピーダンスを有し、その
厚さが1/4波長であることが望ましい。
しかるに、従来用いられているガラス微小中空球を合成
樹脂母材に充てんした整合層材料の場合、ガラス微小中
空球の密度ρ9は約30’ O K9/’m5,合成樹
脂母材としてシリコーン系樹脂を用いたとき密度ρ。は
約10oo.Kg/m5となるので、ガラス微小中空球
の充てん重量比率をrrnとしたとき、上記ガラス微小
中空球を充てんしたのちの複合材料の密度は、 なる式で表わされ、’mに対して密度ρは第3図の実線
のように変化する。また第3図において破線は充てんし
たガラス倣小中空球の混合後の全体積に対する体積比率
rvOM量比率K対する変化を表わすもので、rvは次
式で表わされる。
第3図から分るように、例えばガラス微小中空球の重量
比率r。が0.30のとき、その体積比率は0・69と
なり、この時の混合後の複合材料の密度Lri69 o
Kg /m3である。箱をより大きくすれば複合材料の
密度ρの値は小さくなるが逆に充てんすべきガラス微小
中空球の体積比率rvが大きくなり母材への均一な混合
、充てんが困難になる。
次に密度3 0 0 .Kg / m5のガラス微小中
空球を密度1000K2,/m’のシリコーン系樹脂に
混合し、密度音速を実測した結果を第1表に示す。
第1表から分るように、母材に混合するガラス微小中空
球の重量比率を小さくしても、混合後の複合材料の固有
音響インピーダンスの値は、圧電セラミック振動子と空
気との整合層に要求される固有音響インピーダンス1 
. 1X10” ’N m S /m5に対して約1桁
大きな値であり、整合層材料として適当ではないことが
分る。
発明の目的 本発明は、従来の整合層材料の欠点を除去し、圧電セラ
ミック振動子父は磁歪振動子と空気負荷との整合を取る
ための最適な固有音響インピーダンスを有する整合層材
料を備えた超音波トランスデューサを提供することを目
的とする。
発明の構成 本発明は、従来充てん材として用いられたガラス微小中
空球に代わって、熱膨張性微小中空球を流動性合成樹脂
母材に混合した複合材料を整合層として用いるものであ
る。
実施例の説明 以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
本発明の熱膨張性微小中空球として、例えば熱膨張性気
体入りプラスチック微小中空球(以下熱膨張性バルーン
と呼ぶ)が用いられ、この球殻は塩化ビニリデン共重合
体等のプラスチック材料から成っており、球殻内部には
低沸点炭化水素等を内包している。熱膨張性バルーンは
常温では直径数十μm以下の微小中空球でありこれを1
00℃前後に加熱することにより体積を数十倍に膨張さ
せることかできる。
本発明は熱膨張性バルーンをエポキン樹脂,シリコーン
系樹脂等の流動性を有する液状の合成樹脂を母材として
、その中に混合、充てんした後、100℃前後に加熱し
母材に充てんされた熱膨張性バルーンを膨張させ、この
複合材料の密度を低くすることにより、合成樹脂母材単
体の固有音響インピーダンスより小さい固有音響インピ
ーダンスを有する整合層材料を得るものである。
第4図に本発明の一実施例を示す1,第4図においで、
7は圧電セラミック振動子又は磁歪振動子、9は音響波
放射面8に接着された本発明による複合材料から成る整
合層である。整合層9の厚さは整合層9内を伝搬する音
波の波長の1/4の奇数倍(1倍も含む)に選ばれる。
10はバッキング材である。
第4図に示す整合層9は、流動件シリコーン系樹脂を母
材として熱膨張性バルーンを混合して複合材料を形成し
、これを115℃に加熱して熱膨張性バルーンを膨張さ
せたのら、複合材科を硬化させて得た。このときの複合
材料の密度および音響インピーダンスの実測結果を第5
図に、熱膨張性バルーンの重量比率が0.2のとき複合
材料の加熱温度を変化させたときの実測結果を第6図に
示す。第6図から分る通り熱膨張性バルーンの重量比率
が0.3のとき、母材と熱膨張性バルーンの複合材料の
固有音響インピーダンスは1.6 X10”N − S
 /m’となり、圧電セラミック振動子と空気との整合
層材料に要求される固有音響インピーダンスの値1.I
X105N幸S/rn!′VC怜めて点い値を得ること
ができた。
また第6図より複合材料の加熱温度を高めることにより
、熱膨張性バルーンの重量比率か0.2のときにも、複
合材料の固有音響インピーダンスの値として0. 98
 X105N − S/m’を得ることができた。なお
磁歪振動子についても全く同様にして、複合材料を整合
層材料として用いることが可能である。
以上説明したように本実施例によれは、流動性合成樹脂
を母材と12で熱膨張性バルーンを混合した複合材料を
加熱して熱膨張性バルーンを膨張させた後、複合材料を
硬化させることにより、固有音響インピーダンスが1.
1×105N呻S /m’近傍の値を有する整合層材料
を容易に実現することができる。また複合材料の加熱温
度あるいは加熱時間をコントロールすることにより密度
のコントロールが可能であり従って固有音響インピーダ
ンスのコントロールが可能である。また熱膨張性バルー
ンの大きさが複合材料内を伝搬する音波の波長に比べて
十分小さくないときは複合材料内における音波の減衰が
大となるが、本実施例では複合材料の加熱温度あるいは
加熱時間をコントロールすることにより、熱膨張性バル
ーンの大きさをコントロールできるので、使用周仮数の
波長に応じて音波の減衰の少ないようなバルーンの大き
さとするべく加熱条件を設定することができる。
本発明の第2の実施例として熱膨張性気体入りプラスチ
ック微小中空球をあらかじめ加熱膨張させ、密度を2 
0 K7 7 m’− 6 0 F.g / m3%l
 l$’. (/C $さくしたのちにエポキシ樹脂あ
るいはシリコーン系樹脂等の合成樹脂母材に混合するこ
とによぅて、密度の小さい複合材料を得ることができる
。例えば加熱膨張後のプラスチック微小中空球の密度を
3 0 K9/ m’ +混合重量比率を0.1とする
と、微小中空球を充てん後の複合材料の密度は(1)式
によって、ρ箸24oKg/m3となり、第2の実施例
で得た複合材料の密度は、ガラス微小中空球を充てん材
料として用いた時よりかなり小さい値が得られ、従って
整合層材料として適していることが分る。
以上のように本実施例によれは、熱膨張バルーンを母材
に混合する前にあらかじめ加熱膨張させることにより、
極めて密度の小さい充てん材を得ることができるので、
これを母材に混合することにより、今後後の密度の少さ
い複合材を得ることができ、整合層材料として適した材
料を実現できる。また、熱膨張性バルーンの加熱温度、
加熱時間によって密度のコントロールが可能であるので
、固有音響インピーダンスのコントロールも可能である
。また、熱膨張性バルーンの加熱時間、加熱湿度のコン
トロールによって、その大きさをコントロールして、音
波の減衰を少なくすることも可能である。
なお母材となる流動性合成樹脂の粘度は、実施例におけ
るシリコーン系樹脂の場合、常温で26ポイズであるが
100ポイズ程度に粘度が高くなると熱膨張性バルーン
を母材に混合できる重量比率は10%程度となり、更に
高粘度になると熱膨張性バルーンの混合比率は10%以
下しか混合できなくなるため、混合後の複合材料の密度
を十分小さくすることができない。従って母材となる流
動性合成樹脂の粘度は常温において大体100ポイズ以
下であることが望ましい。
発明の効果 以上説明したように本発明は、流動性合成樹脂に熱膨張
性微小中空球を混含した後加熱膨張するか、あらかじめ
加熱膨張した後混合して音響整合層を得たものであるた
め、熱膨張性微小中空球の密度を低くして音響整合層の
固有音響インピーダンスを従来よりも小さくでき、圧電
セラミック振動子または磁歪振動子と空気負荷との音響
的な整合を十分とることができ、特性の向上を図ること
ができる。また、熱膨張性微小中空球の加熱温度加熱時
間をコントロールすることによって、音響インピーダン
スのコントロールができ、音波の減衰もなくすことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図,第.2図は従来の空中用超音波トランスジュー
サを示す概略構成図、第3図は従来の空中用超音波トラ
ンスジューサにおける音響整合層の混合物の重量比率と
、体積比率及び複合材料の密度との関係を示す図、第4
図は本発明の一実施例を示す断面図、第5図は同実施例
の重最比率と密度及び固有音饗インピーダンスとの関係
を示す図、第6図は同実施例の加熱温度と密度及び固有
音響インピーダンスとの関係を示す図である。 ′7・・・・圧電セラミック振動子又は磁歪振動子、9
・・・・整合層、10・・・・・バッキング材。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)熱膨脹性微小中空球を混合してなる流動性合成樹
    脂を加熱することによって、前記熱膨張製微小中空球を
    膨張させた後、前記流動性合成樹脂を効果させてなる複
    合材料を、超音波振動子の音響整合層として用いてなる
    超音波トランスジューサ。
  2. (2)超音波振動子が、圧電セラミック振動子または磁
    歪振動子からな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。
  3. (3)あらかじめ加熱膨張性微小中空球を流動性合成樹
    脂に混合して効果させてなる複合材料を、超音波振動子
    の音響整合層として用いてなる超音波トランスジューサ
  4. (4)超音波振動子が、圧電セラミック振動子または磁
    歪振動子からなる特許請求の範囲第3項記載の超音波ト
    ランスジューサ。
JP4494783A 1983-03-17 1983-03-17 超音波トランスジユ−サ Granted JPS59171296A (ja)

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JP4494783A JPS59171296A (ja) 1983-03-17 1983-03-17 超音波トランスジユ−サ
DE8484301823T DE3478357D1 (en) 1983-03-17 1984-03-16 Ultrasonic transducers having improved acoustic impedance matching layers
US06/590,465 US4523122A (en) 1983-03-17 1984-03-16 Piezoelectric ultrasonic transducers having acoustic impedance-matching layers
EP84301823A EP0119855B2 (en) 1983-03-17 1984-03-16 Ultrasonic transducers having improved acoustic impedance matching layers

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JPS643120B2 JPS643120B2 (ja) 1989-01-19

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ID=12705674

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61184099A (ja) * 1985-02-08 1986-08-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 超音波探触子
JPS61184100A (ja) * 1985-02-08 1986-08-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 超音波探触子
JPS61283661A (ja) * 1985-05-20 1986-12-13 プレセイ オ−ストラリア プロプライアトリ リミテツド 硬化樹脂組成物および音響トランスデユ−サ−
JP2009528784A (ja) * 2006-03-02 2009-08-06 ビジュアルソニックス インコーポレイテッド 超音波整合層および振動子
JP2013143587A (ja) * 2012-01-06 2013-07-22 Nippon Ceramic Co Ltd 音響整合層を用いた空中用超音波送受波器。

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