JPS6347074Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は振動面から放射される超音波ビームの
指向特性を改善し、メインローブの指向角をせば
めサイドローブレベルを抑制することによつて不
要反射の少ない超音波遅延線を提供することを目
的とする。

第１図、第２図に示すように超音波遅延線は、
ガラスなどよりなる固体遅延媒体１に送信・受信
用振動子としての圧電素子２，２′をハンダある
いは接着剤で接合したものである。

入力の電気信号は、送信用の圧電素子２で電気
−機械変換され、超音波エネルギーとして信号の
伝播経路３を経て受信用の圧電素子２′に到達し、
送信部分とは逆に機械−電気変換で電気信号に戻
される。このように、ガラス遅延媒体１中を超音
波エネルギーで伝播させるのに要する時間だけ信
号を遅延させることができる装置である。

しかし、途中の伝播エネルギーとして超音波エ
ネルギーを用いるために、所定の伝播経路以外の
経路４などを経て設計に対応する遅延時間以外の
遅延信号が一般に発生する。これらを一括して不
要反射信号と呼び、この不要反射信号のレベルが
超音波遅延線の重要な性能のひとつとされてい
る。一般に、不要反射信号の低減の手法として所
定の経路以外の部分に吸収体層や反射・散乱を起
こさせる層を設置し、不要反射信号成分の受信面
への到達を阻止するという方法がとられている
が、さらには振動子から遅延媒体内に放射される
超音波の指向特性を改善することも有効である。
第２図で５はy₁軸である。

従来、超音波を放射する圧電素子の振動面の形
状としては、矩形振動面と円形振動面が用いられ
ている。尚、ここで振動面というのは圧電素子の
形状あるいは圧電素子上に設けられた金属薄膜等
よりなる電極形状を言う。

これらの振動面の遠方場における波動エネルギ
ーの分布を、振動面が点波源の稠密な分布によつ
て形成されているというモデルで解析すると、第
３図のようにy₁x₁−座標面上に振動面６を設定
し、座標原点から距離ｚだけ離れたy₀x₀−座標面
７を観測面とすると、観測面上での波動分布は Ｕ（x₀，y₀）＝∫∫^∞ _-∞Ｕ（x₁，y₁）exp（jkγ₀₁）
／jλγ₀₁dx₁dy₁（３−１） 上式で、 Ｕ（x₁，y₁）＝１……振動面上 ＝０……その他 ｋ＝2π／λ：波数、λ＝波長 γ₀₁＝√²＋（₀−₁）²＋（₀−₁）² となる。

ここで、観測面が非常に遠方にあるとして、 ｚ≫ｋ（x₁ ²＋y₀ ²）max／２ （３−２） を満足する場合を考えると、（３−１）式は Ｕ（x₀，y₀）＝exp（jkz）exp〔ｊｋ／2Zx₀ ²＋y₀ ²）
〕／jλz ×∫∫^∞ _-∞Ｕ（x₁，y₁）exp〔−ｊ2π／λz（x₀x₁
＋y₀y₁）〕dx₁dy₁（３−３） と近似することができる。

この（３−３式）で、x＝x₀／λz，y＝y₀／
λzとすれば Ｕ（x₀，y₀）＝exp（jkz）・exp〔ｊｋ／2Z（x₀ ²＋y₀
²）〕／jλz ×∫∫^∞ _-∞Ｕ（x₁，y₁）exp〔−ｊ（_xx₁＋_yy₁
）〕dx₁dy₁（３−４） Ｕ（x₀，y₀は複素振幅であるので、強度分布Ix₀，
y₀は Ｉ（x₀，y₀）＝Ｕ（x₀，y₀）×U^*（x₀，y₀）
（３−５） U^*（x₀，y₀）：Ｕ（x₀，y₀）の複素共役 となる。

すると、 Ｉ（x₀，y₀）＝Ｄ×〔Ｆ〔Ｕ（x₁，y₁）〕〕 〔Ｆ〔Ｕ（x₁，y₁）〕〕^* （３−６） Ｆ〔Ｕ（x₁y₁）〕：Ｕ（x₁，y₁）のフーリエ変換 Ｄ：定数 となる。矩形振動面と中形振動面に関して、その
強度分布Ｉ（x₀，y₀）を求めると、 矩形振動面の場合は、 Ｕ（x₀，y₀）＝exp（jkz）exp〔ｊｋ／2Z（x₀ ²＋y₀ ²
）〕／jλz l_xl_ysinc（ｌ（l_xx₀／₁λz）sinc（l_yy₀／λz）
（３−７） sinc（ξ）＝sin（ξ）／ξ l_x，l_y：矩形振動面の縦、横の幅（第４図イの
８で示す） となる。そして、強度Ｉ（x₀，y₀）は Ｉ（x₀，y₀）＝l_x ²l_y ²／λ²z²sinc²（l_xx₀／λz）sin
c²（l_yy₀／λz）（３−８） となる。一方、円形振動面の場合は、複素振幅Ｕ
（γ₀）は Ｕ（γ₀）＝exp（jkz）exp（ｊkγ₀ ²／2z）kl²／j8z
〔2J₁（klγ₀／2z）／klγ₀／2z〕（３−９） ｌ：円形振動面の半径（第４図ロの９で示す） J₀：一次ベツセル函数 となり、強度Ｉ（γ₀）は Ｉ（γ₀）＝（kl²／8z）²〔２J₁（klγ₀／2z）／klγ
₀／2z〕（３−10） となる。

その結果、第４図イ，ロの２つの振動面につい
て、同じ面積を有するように素子寸法を設定した
場合の計算例が第５図である。

第５図の分布は、第２図のy₁軸方向５に沿つた
分布で、破線ａが矩形振動面の強度分布を示し、
実線ｂが円形振動面の強度分布である。第５図よ
りメインローブはどちらも2゜以内であるが、不要
反射信号源となるサイドローブ成分については、
円形振動面の方が10dB程度優れていることがわ
かる。しかし、実際の場合はガラス遅延媒体の厚
みが薄いため、円形では充分な出力を得られる半
径のものを貼り合わせることができない。そこ
で、特に第２図のy₁軸５方向は超音波の伝播に有
効な方向なので、この軸上分布で円形振動面程度
の能力を持つ振動面を求めるために、式（３−
４）に帰り、計算機断層像合成（Computer
aided Tomography）等に用いられているプロ
ジエクシヨンスライス定理を用いてy₀軸上での複
素振幅に着目すると、式（３−４）は Ｕ（Ｏ，y₀）＝exp（jkz）・exp〔ｊｋ／2Zy₀ ²〕／jλz ×∫∫^∞ _-∞Ｕ（x₁，y₁）exp〔−ｊ（Ｏ×x₁＋f_y×
y₁〕dx₁dy₁ ＝exp（jkz）・exp〔ｊｋ／2Zy₀ ²〕／jλz ×∫^∞ _-∞exp〔f_yy₁〕∫^∞ _-∞Ｕ（x₁，y₁）dx₁）dy
₁（３−11） となり、∫^∞ _-∞Ｕ（x₁y₁）dx₁を高次成分の少ない図
形で合成すれば、第５図のサイドローブレベルの
低い振動面を実現することができる。

これらの定性的な考察から考案したのが、送
信・受信用素子の有効振動部形状を第６図に示す
楕円形振動面１０としたものである。この第６図
の楕円形は（y₀／γ₁）＋（x₀／γ₂）＝１で表わされ、
y₀軸 では半径γ₁の円形振動面１１の指向特性を示しx₀
軸では半径γ₂の円形振動面１２の指向特性を示す
ので、同じ面積の矩形振動面に比較して、10dB
以上の指向性の改善が期待でき、それに応じて不
要反射の小さな超音波遅延線を得ることができ
る。尚、本考案の超音波遅延線の全体構成、形状
は第１図と同様であるので説明は省略する。

このように本考案になる楕円形振動面を有する
圧電素子を用いて超音波遅延線を構成することに
より、同一面積の矩形振動面、円形振動面に比し
必要方向により鋭どい指向特性を持たせることが
できるため、不要反射の小さな超音波遅延線を得
ることができる。また、同一面積の円形振動面に
比べ薄いガラス遅延媒体の側面にも振動面を形成
することができるため、挿入損失、不要反射を増
大させることなく超音波遅延線を小形、安価に提
供することを可能とする優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案を説明するための超音波遅延線
の正面図、第２図は同側面図、第３図は本考案を
説明するための座標系の説明図、第４図イ，ロは
縦、横の幅がl_yl_xの矩形振動面と直径ｌの円形振
動面の説明図、第５図は強度−放射角分布の説明
図、第６図は本考案に係る超音波遅延線を説明す
るための楕円形振動面の説明図である。 １……遅延媒体、２，２′……送信・受信用圧
電素子、１０……楕円形振動面。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 送信用圧電素子と受信用圧電素子が薄い遅延媒
   体の側面に接合され、上記送信用圧電素子で電気
   信号が機械振動に変換され超音波として数次の反
   射を経て上記受信用圧電素子に到達し、ここで逆
   に機械振動を電気信号に変換して信号の時間遅延
   を得る超音波遅延線において、上記送信・受信用
   素子の有効振動部形状を楕円形に近似させたこと
   を特徴とする超音波遅延線。