JPS6084099A - 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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JPS6084099A
JPS6084099A JP59182519A JP18251984A JPS6084099A JP S6084099 A JPS6084099 A JP S6084099A JP 59182519 A JP59182519 A JP 59182519A JP 18251984 A JP18251984 A JP 18251984A JP S6084099 A JPS6084099 A JP S6084099A
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layer
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acoustic impedance
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • 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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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of 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】 本発明はバッキング媒体を形成する基板と、）Ｊ（電物
質層と、音輸インピーダンスの値が圧ｉａ物ｖＩ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
ンスジューサに関するものである。
超音波トランスジューサは主として、ノく゛ノキング、
１汲暇或いは反射媒体を形成、する基板と、ｉ力面及び
背面に電極を設けた圧電物質Ｉ韓と、圧電物質の前面に
、即ち、圧電物質と伝搬媒体との間に設置ｊ’　６　し
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ｉｔ既知である。
この種のトランスジューサは米国電気ｉｔ子学会（ＩＥ
ＥＥ　）会報１９６６年８月ＳＵ巻】８（音響及び超音
波）分冊第２０〜８０亘に掲載さ第１た論文ｒ　Ｔｂｅ
　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｂａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａ
ｔｃｈｊ−ｎｇ　ｏｎｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
　Ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ
ｔｒａｎｓｄｕｏｅｒｓ　Ｊに特に記載されてしＡる。
１層貝人上の斯る整合層を設けることによってトラ／ス
ンーサの感度を・改善し、且つまたこのトランスジュー
サヤの帯域１１１Ｍを増加することかできる。
しかし、エコーグラフィに使用される超音波トランスジ
ューサは、２つの重要な特徴、ＨＩＪち高感度（信号対
雑音比を高くすると受信信号の処理力５容紡に７するた
め）と、適９Ｊな減衰（％ルスｊ５答ｅ矧くすると軸線
方向σ〕分解能が良（なるため）と、を兼ね備える重要
かある。
本発明の目的は、簡単ｆｊ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ューサを
提供せんとするにある。
本発明の超音波トランスジユーザにおいて前記整合層の
少くとも１層を圧電物質と主伝搬ｔＳ体との間に配設し
、前記バンキング媒体か剛固であるとみなせるようにバ
ッキング媒体のｆ響インピーダンスを圧電物質のｇ響イ
ンピーダンスにルベて十分に高くし、前記圧電物質層の
厚さをトランスジューサの共振周波数のときの波長の％
としたことを特徴とする。
また本発明の超音波トランスジュー′Ｖにおいて他の少
くとも１層の整合層を設け、該整合層を１ノ・。
■桐材の前記整合層とは反対側に配置してこれら両整合
層か圧電材料に対し対称となるようにし、該対称な整合
層の音響インピーダンス及び厚さを夫々同一とし、前記
バンキング媒体の音物インピーダンスを主伝搬媒体の音
搬インピーダンスに等しくし、前記ＩＥ圧電物質厚さを
共振周波数に関連する波長の２分の１として、トランス
ジューサか圧電物質層の中心面に対して対称となるよう
にしたことを特徴とする。
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
勺の２つの実施例の特徴及び利点を以下に説り■する。
第１図に示す本発明超音波トランスジューサは、変換器
のバッキング媒体を形成する基板１０と、（励振１は圧
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２１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Ｗｔ
ｓｏ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ューサの第１例の構体の基板ｌ
Ｏ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
変形のないバンキング媒体・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Ｍ２
０の厚さは、トランスジューサの共振周波数に関連する
波長の八に等しくする。圧電物質層２（）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８０及び４・０並びに伝搬媒体５
０の音−インピーダンスの値がこのＰｌμ序で、例えば
等差数列、等化数列等の降数列を形成しｒ＜＋るように
する。
上述した第１例の構体が極めて良好な減り特ｆ）・及び
高い感度を有すると云う事実を第２例の児全に対称す超
音、波トランスジューサ（第２図）の説明と相俟って説
明する。この第２の超音波トランスジューサはバッキン
グ媒体としての基板】０と、層の厚さがトランスジュー
サの共振周波数に関Ｊｇ１する波長の％に等しい圧電材
料層２０と、２個の音物インピーダンス整合層８０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　方ヲ／’ッ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８０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
ミュレーショ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ｍ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ューツの伝搬周波数での超音波
の銹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。従って、電気的
応答のａｍ線もまたガウス曲線の形態となり、この■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って
いるため同一となり、従っ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、非常に剛固なバッキン
グ媒体即ち応力変形のないバッキング媒体と見なされる
ようになる。彷って、使用する圧電材料の音響インピー
ダンスか左程高くない場合でも斯るバッキング媒体を容
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、即ち剛固なバンキング媒体、％波長の１早さ
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、いわゆる見掛は上対称な構体が提案された理由で
ある。
同一の一気的な送信及び受信状態で行なわれた試験或い
はシミュレーショ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ＰＺ
Ｔ−５型の強銹屯性セラミック物質（ジルコン酸−チタ
ン酸鉛を苫有する圧電物質、Ｗａｒｒｅｎ　Ｐ、Ｍａｓ
ｏｎ著ｒ　ＰｈｙｓｉｃａＩＡｃｏｕｓｔｉｃｓ　、　
Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｊの
第１巻、第Ａ部、第２０２頁参照のこと）の場合の実施
例はく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。
（］）第】構体（みかけの対称） （ａｌ音物インピーダンス（Ｊｒｇ／ｃｒｎ２−ｓｅｃ
ｘ　ｔｏ６）Ｏバッキング媒体　１０００（シミュレー
ションン０圧電物質　８０ Ｃ）第１整合層　舎 ０第２整合層　１．８ ０主伝搬媒体　１．５ （ｔ）Ｊ測定結果 ０感度指数　−１０，０８ｄＢ ｏ−６ｄＢのときの帯域幅　５５％ ｏ−１０ｄＢでの応答時間　７．６τ ｏ−４０ｄＢでの応答時間　８．９τ ＋＝ノド！（７）感度は感度指数２０１０ｇＶｓ／ＶＲ
Ｅｙ　（ｄＢ）で表わされ、ここに”ＲＥＦ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・ビーク屯田であ
る。減衰は一般に−６ｄＢのときの帯域幅Δｆ／ｆ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Δｆは振幅の最大値より低く　
６　ｄＢである諸点間の距離であり、ｆ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・減りに関
する情報だけでは、不規則な基本スペクトルの形状及び
エコ一端部を乱す高調波を考慮に入れないため、減衰を
冗全に特徴づけるには不十分である。これかため、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に等しい共珈周波数の方形波パルスに対し、−２０ｄ
Ｂ及び−４ｏ　ｄＢまでの応答時］川により補足する。
これら応答時間は規格化さｔ’＋１即ち前記フライト時
間で故わされる。また−２（］ｄＢ及び−４０ｄＢまで
の応答時間は、ピーク・ビーク屯田か初期値の夫々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ｉｉＪ能な第２構体
（ａ）音響インピーダンス（ｋｇ／Ｃｍ”　−ｓ　ｅｃ
　ｘ　ｔ　ｏ６）０バッキング媒体　１．５ ０整合層　１．８　及び　４ ０圧ａ＜物質　８０ ０整合ＷＩ　４及びＩＪ Ｏ主伝搬媒体　１．５ （ｂ）測定結果 ０感度指数　−１８ｄＢ ｏ−６ｄＢでの帯域幅　５８　％ ｏ−２０ｄＢまでの応答時間　７．７９　ｆＯ−４０ｄ
Ｂまでの応答時間　９．８　７次に圧°屯物ｆ！ｊ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νｄ（３）第１構体（みかけの対称） （’Ｊ　Ｈｖ？　インピータン７、　（ｋｇ／２”−Ｂ
ｅＯ×Ｉ　Ｏ’　）０バッキング媒体　４６ ０圧？１１物質　４．６ ０整合層　１．８ ０主伝搬媒体　１．５ （ｂ）測定結果 ｏｇ度指数−１９，６６ｄＢ ｏ−ｅａＢでの帯域ＩＩＩＭ８２　％ ｏ−２０ｄＢまでの応答時間　６．４τｏ　−４０ｄＢ
までの応答時間　７．８　７（４）第２構体（完全に対
称且つ第１構体と交換＋＋Ｊ能］（ａＪ音曽インピーダ
ンス（ｋｇ／硼”す５ｅｃｘ１ｏ６）０バンキング媒体
及び主伝搬媒体　１．ｌｉＯ前部及び後部の整合層　１
．８ ０圧電物質　４．６ （ｂ）測定結果 ０感度指数　−２８ＪｄＢ ｏ−６ｄＢでの帯域幅　７５　％ ０−２０ｄＢまでの応答時間　５．６８７Ｏ−４０ｄＢ
までの応答時間　８．Ｏｒ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
。み力）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□バッキング媒体の「音場ミラー」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６　ｄＢ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ュー１と比べると所定の
動作周波数に対して圧電物質の、１’／Ｉさを汗とする
ことができる点にある。このＲ後の特性は層のｊ１７Ｊ
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って重要である。本発明は以
上記載した実施例に用足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
＋ｉＪ能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明超音波トランスジューサの構成を示す側
面図、 第２図は本発明超音波トランスジューサの池の例の構成
を示す側面図である。 １０・・・基板（バンキング媒体） ２０・・・圧■物質層 Ｓ＋＋、２２・・・金に４箔 ８０、４０・・性的インピーダンス整合層５０・・・主
伝搬媒体

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　バッキング媒体を形成する基板と、圧電物質層と１
    音響インピーダンス＋７）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開
    にある１個以上の整合層とを具える超音波トランスジュ
    ーサにおいて、前記整合層の少くとも１層を圧電物質と
    主伝搬媒体との間に配設し、前記バッキング媒体が剛固
    であるとみなせるようにバッキング媒体の音響インピー
    ダンスを圧電物質の音響インピーダンスに比べて十分に
    高くシ、前記圧電物質層の厚さをトランスジューサの共
    振周波数のときの波長の％とじたことを特徴とする超音
    波トランスジューサ。 ２　他の少くとも１層の整合層を設け、該整合層を圧ｙ
    ＋ｉ材料の前記整合層とは反対側に配置してこれら両整
    合層が圧■材料に対し対称となるようにし、該対称な整
    合層の音響インピーダンス及び厚さを夫々向−とし、前
    記バッキング媒体の音響インピーダンスを主Ｅ、（般媒
    体の音響インピーダンスに等しく　Ｌ、　、ｈａｓ記圧
    電物質層の厚さを共振周波数に関連する波長の２分の１
    として、トランスジューサがル、屯物質層の中心面に対
    して対称となるようＧこ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。 ＆　圧電物質層、音場インピーダンス整合層及び主伝搬
    媒体の音響インピーダンスを前記１１１１序で降数列と
    なるようにしたことを特徴とする特許請求の範１ＩｔＩ
    第１項又は第２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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FR8313986A FR2551611B1 (fr) 1983-08-31 1983-08-31 Nouvelle structure de transducteur ultrasonore et appareil d'examen de milieux par echographie ultrasonore comprenant une telle structure

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JPS6084099A true JPS6084099A (ja) 1985-05-13
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EP (1) EP0142178B2 (ja)
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