JPS60260849A - 超音波変換装置 - Google Patents

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】 本発明は圧電平行変換要素の線形集合体から構成された
超音波変換装置に関するものである。この様な装置の変
換要素は、伯の寸法（幅Ｗおよび厚さＴ）に比べて大き
い長さＬを有している。本装置は、例えば、材料の非破
壊制御の分野あるいは生物学的組織の検査の分野に使わ
れている。

米国特許第４１’０１７９５号明細書は超音波変換装置
を説明しており、その圧電変換要素（この特許の第１図
から第３図までを参照）は、純厚みモードにおいて特定
の幾何学的寸法によって振動できる。

すなわち、ピストンが変位されている理想的な様式で、
摂動振動モードとの望ましくない結合無しに振動できる
。

薄い圧電要素の振動モードの知識は、変換器の線形集合
体の設計に重要である。この様な知識は、この材料で得
られる変換装置の動作が依存するところのパラメータ間
の関係を可能な限り完全にする所与の圧電材料を特徴付
ける実験によって得ることができる（あるいは理論的に
、例えば有限要素法に基ずく２次元あるいは３次元モデ
ルによって得られる）。これらの関係は種々の曲線の形
で、特にいわゆるファビアン・サトー線図（Ｆａｂｉａ
ｎ−Ｓ　ａｔｏ　ｄｉａｇｒａｍｓ）の形で目に見える
様ニテきる。これは関連した材料の共振周波数の広がり
の曲線を表わすものである。（メイソン （ＭＡＳＯＮ）の「物理音響Ｊ　（”　ＰｈＶｓｉｃａ
ｌＡｃｏｕｓｔｉｃ　”　）第１巻バートＡ、第６章、
ｐ４５６および４５７、アカデミツク　プレス版（Ｅ　
ｄｉｔｉｏｎＡ　ｃａｄｅｍｉｃ　ｐ　ｒｅｓｓ）　１
９６４年で発表されたイー・エル　Ｖ７ビアン（Ｅ、　
Ｌ、　Ｆａｂｉａｎ　）の研売を参照）これらの曲線は
、材料の種々のモード（基本モードおよび高調波モード
）の振動に対し、比Ｗ／Ｔと、圧電要素の共振周波数と
厚さの積Ｆ・王との間の関係を示している。前述の特許
の第４図はこの様な曲線の群の一例を示している。

この曲線群の調査から明らかな様に、前述の特許に記載
された装置の単一モード動作は、比Ｗ／Ｔに０．８　程
度の上限を課することにより得られる。それ以下の値で
は実効電気機械結合係数はもつと高い値をとるものと仮
定されている（前述の特許の第９図における様に、電気
機械結合係数の変動の曲線は、Ｗ／Ｔの選択によ、る振
動モードで得られた振動の相対振幅についての情報を与
える）。しかし、この様なＷ／Ｔの値の選択に固有な制
限は、実現を更に複雑にし、集合体の連続する圧電要素
間のスロットの規定はこれらの要素の幅が小さくなるに
つれて更に困難となると言うことである。

本発明はその目的として新らしい集合体構造を提供し、
これは比Ｗ／Ｔに関連する制限を最早や示さず、従って
その性能を維持しながらもつと簡単な様式で実現される
。

従って、本発明による超音波変換装置は、上記の変換要
素の厚さＴが圧電材料の少なくとも２つの連続する圧電
共振周波数の平均値に等し０周波数計に対応する波長の
半分に等しく、この厚さと上記の周波数の積が、圧電材
料に関連する共振周波数の広がりの曲線の２次元線図Ｆ
−７７ｆ（Ｗ／Ｔ）において、この材料の少なくとも２
つの連続する振動モードの結合ゾーンを構成することを
特徴としいる。

この様に提案された構造において、その独創性は、使用
された圧電材料の共振周波数の広がりの線図のいわゆる
結合ゾーンに共存する振動モードを利用する様式に存在
する。この利用Ｇ、ｔ、圧電要素の幾何学的特性と、特
にその厚さの適切な選択、および変換器の動作が単一モ
ード動作でな（１ところの変換装置の動作ゾーンを自発
的に選ぶことで有効になっている。従って、高い電気機
械結合を有するこ１くつかの共振モードの利用と、同時
に残留モードと高調波モードの満足すべき減衰と言う理
由で、変換の感度は増大する。

本発明が容易に実施される様、図面によって実例をあげ
て更に詳細に説明する。

第１図および第２図は、変換装置の圧電共振周波数およ
び強化された弾性共振あるいは反共振周波数の広がりの
、その厚さと幅に関する曲線を例示するファピアン・サ
トー線図を図示している。

第３図は、第２図のブロックＣに対応する結合ゾーンの
場合における、周波数の関数としての電気インピーダン
スのモジュールＩＩＥＩの変動の曲線を示している。

第４図および第５図は、第２図のブロックＢとＣそれぞ
れに対応する結合ゾーンの場合の第３図に関連する１次
元伝達関数ＲＶＥ　（振動速度／電気励起の比）の変動
の曲線を示している。

第６図および第８図は、一方において材料の内部損失だ
けが第５図に関して考慮されて０る場合の、そして他方
では変換装置が第７図で与えられた干渉伝達関数構造Ｔ
ＦＡによって整合されている場合の第５図の曲線の展開
を示している。

第９図は、３次元ファピアン・サトー線図の一例を示し
ている。

もし弾性体と仮定された平行六面体の形をした単一ロン
ドが考處されると、それによって構成された共振空洞の
振動状態は、厚さＴによる弾性振動が幅Ｗによる振動に
独立（およびその逆）である場合、非結合になる。空洞
の厚さＴによる共振周波数は次の式によって与えられる
。

ここでｎは正の整数かＯであり、■、はＴによる超音波
の伝ばん速度である（比Ｗ／Ｔに独立と仮定する）。従
って、犠Ｆ−Ｔ＜これはファビアン・サトー線図の縦軸
を表わす量である）は、次の式で与えられる。

それに対し横軸に平行な直線の群が対応している（対応
する第１図を参照）。

同様に、幅Ｗによる空洞の共振周波数は次の式％式％ ここでＶＷ　はＷによる伝ばんの速度（ここでまた比Ｗ
／Ｔに独立と仮定する）であり、積Ｆ−Ｔは次の式で表
わされる。

これに対し第１図で表わされた双曲線の群が対応する。

直線の群と双曲線の群は漸近線の理想的な線群である。

これは、非結合ロッドの場合に得られるのだが、厚さと
幅による振動状態が結合されているところの圧電ロンド
の場合に観察される広がりの曲線の漸近線の極限となっ
ている。後者の場合、周波数の広がりの縮図は第２図で
表わされた形を有している。この縮図の曲線の観察は、
例えば、Ｗ／Ｔ＝　０．５の近くで（第２図のブロック
八を参照）、基本的厚み共振ＲＦ　Ｅ　（ｒｉｒａｔ　
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｓｙｓ＋ｐｔｏｔｅ　）は基
本的幅共振ＲＦ　Ｌ　（ｆｉｒｓｔｈｙｐｅｒｂｏｌｉ
ｃ　ａｓｙｎ＋ｐｔｏｔｅ　）の半分にほぼ対応してい
るか、あるいは、これは等価なのだが、基本的幅共振Ｒ
ＦＬは基本的厚み共振ＲＦＥの２次高調波にほぼ対応し
ていることを示している。圧電体の観点からは、厚み共
振の励起は従幅共振の弱い励起のみを含んでおり、これ
は厚み共振と関連した実効電気機械結合係数のＷ／Ｔ＝
　０．５近くで増大することもまた明らかになっている
。この単一モード共振が得られていると言う事実は、前
述の特許で利用されており、ここで摂動振動モードは単
一振動モードのために抑制されている。

本発明によると、逆説的ではあるが逆の処置も有効であ
る。すなわち、与えられた圧電材料に対応するファビア
ン◆サトー線図において、共振の結合ゾーンが選ばれて
いる。この選択は、横方向および厚み共振特性の漸近線
の交叉点に対応する比Ｗ／Ｔの値が選ばれていると言う
ことで有効である（その様な交叉点の実例は第２図のブ
ロックＢとＣに示されている）。事実、これらの交叉点
を含むゾーンにおいて、２つの共振モードの同時存在が
観測され、その周波数と電気機械結合係数はお互に密接
している。これらのいわゆる双子モードに関して、第２
図に示されている様に、他のモードはお互から周波数的
にはっきりと離れている（あるいは、ずっと低い電気機
械結合係数を持っている）。

圧電材料の特性化に際し、すでに述べた縮図以外の他の
タイプの関係を規定するのは興味のあることである。す
なわち、これは材料の電気インピーダンスのモジュール
ＩＥを、この材料によって得られる超音波変換装置の動
作周波数と結合するのである。この関係を表現する曲線
は第３図に示されている。この曲線を調べると、材料の
圧電共振周波数の値（すなわち、相対的に最小伯を有す
るインピーダンスに対する周波数で、変換装置によって
消費されるエネルギーの変換が最大になる）と、強化さ
れた弾性周波数として示され、逆に電気インピーダンス
の値の相対的最大値に対応するところのその反共振周波
数の値は既知となる。

ここで説明された超音波変換装置はむしろ次の構造を有
している。すなわち、圧電変換要素網は圧電材料の四角
板の形を有しく一般に切断された単一板で実現されてい
る）、長さし、幅Ｗ、厚さＴのこれらの板は電極を具え
た前部表面と後部表面を有し、お互に平行かつ規則的な
間隔に配列され、お互に向い合う寸法りと王を有する表
面を持っている。本発明による構造は、圧電要素の厚さ
が圧電材料の２つの連続する共振周波数の平均値にほぼ
等しい周波数に対応する波長の半分に等しく選ばれてい
ることを特徴としている。

第３図のインピーダンス曲線に対して、１次元伝達関数
の関連する曲線が対応しく第２図のブロックＢとＣに対
応する双子モードのゾーンに対応づ゛る例は、それぞれ
第４図と第５図に与えられている）、これは周波数の関
数として端子における振動速度／電気励起の比のモジュ
ールｌ　ＲＶＥ　１の変動を表わしている。もしこの様
な伝達関数が圧電材料の内部損失を考慮に入れると、こ
の伝達関数によって表わされた共振は減衰する（第２図
のゾーンＣに対応する第６図を参照）。

これまで、電極を具えた前部表面と後部表面上の半無限
タイプの２媒体の伝ばんだけを有している整合層の無い
超音波変換装置についてのケースが考緻されていた。装
置は周波数ＦＡで共振する干渉伝達構造を具えることが
でき、この構造は圧電材料の前部か後部か、あるいは前
部と後部双方に、１個あるいは数個の整合層を具えてい
る。Ｆｏは伝達関数の最大値に対応する第６図の例の周
波数ＦＲ２とＦＲ３の平均周波数であり、それ等自身に
対応するこれらの最大値は観察した様に、関連する電気
インピーダンス曲線の最小値に対応する。例えばこの整
合は周波数Ｆ八に同調した単一干渉１／４波長層によっ
て得られる。第７図に示された距離ΔＦは、この整合構
造に対応する伝達関数を示しており、また、もつと正確
には、隣接媒体の音響インピーダンスを考慮に入れたと
ころのＦＡに同調した１７４波長層の透過率の高さの半
分における幅である。もしこの様にして得られた整合が
、ΔＦ／ＦＡの大きさが関連した双子モードの間の相対
距１１ｔ（すなわち、第２図のゾーンＣによって示され
たモード２と３の場合における（ＦＲ３，、＝ＦＲ２）
／ＦＡ　）より大きいと言う様なものなら、伝達関数（
第６図では、損失による減衰にもかかわらず、２つのモ
ードの共存による最大値はなお出現する）は第８図に示
された形を有している。もつと正確には、準ガウス型単
−モード状態が得られ、その利点は既知であり、準ガス
ウ型包絡線パルス応答が得られ、一方、また高次高調波
の存在あるいは不存在は、送信と受信における変換装置
の電荷条件をバイアスすることによって制御される。

これらの電荷条件はまた、パルス応答スペクトルのガウ
ス型係数の電気整合によって改善するのに使用されてい
る。例えば、双子モードの場合、第２図のブロックＢに
よって示されたゾーンに対応して、結合モード１と２の
相対距離は次の様になっている。すなわち、変換装置に
広帯域の整合構造（相対的にオフセットに同調されたい
くつかの１／４波長層）を与えるだけでなく、また例え
ば直列抵抗と並列インダクタンスによって構成された電
気的整合回路網も必要とされていると言う様になってい
る。

もちろん、本発明は説明された実ｍ態様に限られるだけ
でな（、本発明の範囲を逸脱することなくその変形も提
案されよう。

特に本発明は、２ｍの振動モードが共存する結合ゾーン
に対して説明されているが、しかし、もし、多数のモー
ド（例えば３）を有する広がり結合ゾーンの線図が存在
するなら、圧電変換要素の厚さは、この場合、対応する
３つの共振周波数の平均値に等しい周波数に関連する波
長の半分となろう。

更に、この説明を通して、「平均値」と言う術語は、算
術平均値か幾何平均値かあるいはもつと複雑な性質の平
均値を意味するものとして理解されていた。この複雑な
性質とは、２次平均値とか加重平均値と言ったもので、
その際、各周波数の加重は、例えば振動モードにおける
各々と関連した電気機械結合係数によって有効になって
いる様なものである。

最後に、正確に言うと、本発明は、超音波変換装置が平
行六面体の形をした圧電変換要素網の２次元スロット集
合体である時に、３次元振動状態の場合に全く同様な様
式で適用される。そこでファビアン・サトー線図の３次
元的−膜化（すなわち積Ｆ−Ｔはこの場合、もはや単一
の比Ｗ／Ｔの関数でなく、幾何学的形態Ｗ／ＴとＬ／Ｔ
の２つの比の関数となっている）を考慮すれば充分であ
る（第２図に示された２次元ファビアン・サトー線図は
、３次元ファビアン・サトー線図のＬとＬ／Ｔが大きく
なった極限であることは明らかである）。この場合の２
次元線図で観察された平面結合ゾーンは３次元ファビア
ン・サトー線図の形を示すところの第９図中の矢印で示
された領域Ｒの様に、３次元、円筒領域を有する結合ゾ
ーンとなる。（寸法りとＷの可逆性から、一方または他
方が大きくなるにつれて、この３次元線図および観“察
された特定の結合ゾーンは、座標（０，、Ｌ／Ｔ）（０
，Ｗ／Ｔ）の２等分線面に関して対称性を持っているこ
とに注意すべきである） （要約） 幅Ｗを有する圧電平行変換要素網あるいは長さしと幅Ｗ
を有する平行六面体の形をした圧電平行変換要素から構
成された超音波変換装置において、上記の変換要素の厚
さＴが圧電材料の少なくとも２つの連続する圧電共振周
波数の平均値に等しい周波数Ｆに対応する波長の半分に
等しく、上記の厚さと共振周波数の積が、圧電に関連す
る共振周波数の広がりの曲線の２次元線図Ｆ−’Ｔ＝ｆ
（Ｗ／　Ｔ　’）あるいは曲線の３次元線図Ｆ−Ｔ＝ｆ
　（Ｗ／Ｔ、Ｌ／Ｔ）において、この材料の少なくとも
２つの連続する振動モードの結合ゾーンを構成すること
を特徴としている。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、ファビアン・サトー線図を、 第３図は、電気インピーダンスのモジュールＩＩＥＩを
、 第４図、第５図、第６図、第８図は、１次元伝達関数Ｒ
ＶＥを、 第７図は、干渉伝達関数構造ＴＦＡを、第９図は、３次
元フ１ビアン・サトー線図を示している。 Ｆ・・・周波数　ＦＡ・・・共振周波数ＦＲ’２、ＦＲ
３・・・最大値に対応する周波数ＩＥ・・・電気インピ
ーダンスモジュールＲＦＥ・・・基本的厚み共振 ＲＦＬ・・・基本的幅共振 ＲＶＥ・・・１次元伝達関数（あるいは振動速度／電気
励起の比） ■・・・厚さ　ＴＦＡ・・・干渉伝達関数構造Ｗ・・・
幅 （ 頃　に

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、幅Ｗを有する圧電平行変換要素の線形集合体より構
   成された超音波変換装置において、上記の変換要素の厚
   さＴが圧電材料の少なくとも２つの連続する圧電共振周
   波数の平均値に等しい周波数Ｆに対応する波長の半分に
   等しく、 この厚さと上記の周波数の積が、圧電材料に関連する共
   振周波数の広がりの曲線の２次元線図Ｆ−Ｔ＝ｆ　（Ｗ
   ／Ｔ）において、この材料の少なくとも２つの連続する
   振動モードの結合ゾーンを構成することを特徴とづ゛る
   超音波変換装置。 ２、長さＬと幅Ｗを有する平行六面体の形をした圧電変
   換要素のいくつかの線形平行集合体から構成された超音
   波変換装置において、上記の変換要素の厚さＴが圧電材
   料の”少くとも２つの連続する圧電共振周波数の平均値
   に等しい周波数Ｆに対応する波長の半分に等しく、 この厚さと上記の共振周波数の積が、圧電材料に関連す
   る共振周波数の広がりの曲線の３次元線図Ｆ−Ｔ＝ｆ　
   （Ｗ／Ｔ、Ｌ／Ｔ）において、この材料の少なくとも２
   つの連続する振動モードの結合ゾーンを構成することを
   特徴とする特許請求範囲第１項記載の超音波変換装置。