JPH07336796A - 空中用超音波振動子 - Google Patents
空中用超音波振動子Info
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- JPH07336796A JPH07336796A JP14698894A JP14698894A JPH07336796A JP H07336796 A JPH07336796 A JP H07336796A JP 14698894 A JP14698894 A JP 14698894A JP 14698894 A JP14698894 A JP 14698894A JP H07336796 A JPH07336796 A JP H07336796A
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Abstract
振動子で2以上の周波数帯域の使用帯域特性を有する空
中用超音波振動子を得る。 【構成】 整合板の厚さをTmとし、2以上の振動モー
ドに対応する周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波
伝搬波長をそれぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場
合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
た。
Description
らに詳しくは圧電振動子と整合板とで構成される空中用
超音波振動子の構造に関する。
に圧電振動子が使用されることは良く知られているが、
空中に超音波を放射し、あるいは空中の超音波を受波す
る超音波振動子には、空中と圧電振動子との音響インピ
ーダンスを整合させるべく、整合板を取り付けた構造の
ものがある。
超音波振動子の一例を示す図であり、図において、1は
圧電振動子、2は整合板である。この整合板の厚さTm
は、圧電振動子1の共振周波数f0 の1/4波長の長さ
としている。すなわち、λmを整合板中の超音波の伝搬
波長、Vmを整合板中の伝搬速度とした場合、整合板の
厚さTmは、Tm=λm/4=Vm/4f0 の厚さとし
ている。
中用超音波振動子は以上のように構成されているので、
図7に示すように共振周波数f0 の近傍にのみ高い感度
を有する、いわゆる単一の使用帯域特性しか持たず、例
えば超音波センサで高い周波数帯域と低い周波数帯域と
を必要とする場合などには、それぞれ別の空中用超音波
振動子を2つ備えておく必要があった。
されたものであり、1つの圧電振動子と1枚の整合板と
の組み合わせで2以上の周波数帯域を使用帯域特性とす
ることができる超音波振動子を提供することを目的とし
ている。
動子は、分離した2以上の振動モードを有する圧電振動
子と整合板とから成る空中用超音波振動子において、整
合板の厚さをTmとし、2以上の振動モードに対応する
周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波伝搬波長をそ
れぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
たことを特徴とする。
子を用い、その厚み方向の振動モード及びその径方向の
振動モードに対応する周波数の整合板中の超音波伝搬波
長を、それぞれ上記λ1 およびλ2 としたことを特徴と
する。
み方向の振動モード,その横方向の振動モードおよびそ
の縦方向の振動モードに対応する周波数の整合板中の超
音波伝搬波長を、それぞれ上記λ1 ,λ2 およびλ3 と
したことを特徴とする。
のような構成とすることにより、1個の振動子でありな
がら、2以上の周波数体帯域を使用帯域特性とすること
ができる。また、高い周波数帯域を1次波に利用し、低
い周波数帯域を2次波に利用することにより、送受共用
のパラメトリック送受波器が構成できる。
する。本発明は圧電振動子が本来的に有する複数の振動
モードをそのまま利用し、且つ1枚の整合板で複数の振
動モードに対する音響インピーダンスの整合が行えるよ
うにその整合板の形状(寸法)を決定する。すなわち、
例えば圧電振動子が円板形状である場合、この圧電振動
子は本来的にその厚み方向の振動モードと、その径方向
の振動モードとを有する。
動子では、そのどちらか一方の振動モードに整合するよ
うな整合板を取り付け、一方の振動モードだけを利用し
ている。然しながら整合板の整合条件は、λ/4波長板
であり、これはλ(n±1/4)で等価になる。従って
整合板の厚さTmを、一方の振動モードの整合条件λ1
/4と他方の振動モードの整合条件λ2 (n±1/4)
とを同時に満足する厚さに定めれば、両方の振動モード
が利用できるようになる。
施例1を示す図であり、図において、10は圧電振動
子、20は整合板である。圧電振動子10は、その直径
がD,厚さがTからなる円板形状をなし、従って上述の
ように直径Dで定まる径方向の振動モードと、厚さTで
定まる厚み方向の振動モードを有し、これらの2つの振
動モードの共振周波数fP ,ft は、 fP =N1 /D・・・(1), ft =N4 /T・・・(2) で表すことができる。 但し、fP :径方向の振動共振周波数 N1 :圧電振動子の材料定数により定まる径方向の振動
周波数定数 ft :厚み方向の振動共振周波数 N4 :圧電振動子の材料定数により定まる厚み方向の振
動周波数定数である。
にして決定する。整合板20の振動・音響変換特性は、
無損失の分布定数線路と等価と考えられるため、図2に
示すように2端子対のFundamental マトリクスで表すこ
とができる。従って整合板の厚さTmは、λ/4とλ
(n+1/4)とでは、等価になることが判る(nは任
意の正数)。
向の振動モードの共振周波数における整合板の超音波伝
搬波長をλtとすると、図1に示すように、 Tm=t1 +t2 =λt(1/4+n)=λt/4+nλt・・・(4) として考えることができ、上述の式(2)より、 t1 =λt/4=T・Vm/4N4 ・・・(5) t2 =λt=nT・Vm/N4 ・・・(6)となる。 ここで、nは任意の正数,Vm,N4 は定数であり、従
って厚み方向の振動モードの音響インピーダンスの整合
は、圧電振動子10の厚さTに従って、整合板20の厚
さを式(5),式(6)により決定すれば良いことにな
る。
おける整合板の超音波伝搬波長をλP とした場合、上述
の式(4)と同様に、 Tm=t3 +t4 =t1 +t2 とした場合(図示せず) Tm=t3 +t4 =λP (1/4+1)=λP /4+nλP ・・・(7) そして、上述の式(1)より、 t3 =λP /4=D・Vm/4N1 ・・・(8) t4 =λP =nD・Vm/N1 ・・・(9)となる。
ーダンスの整合は、圧電振動子10の直径Dと、整合板
20の厚さTmを式(8),式(9)を満足するように
決定すれば良いことになる。ここで、式(6)および式
(9)とは、それぞれ式(5)および式(8)と同様に
決定することができるので、以下の説明ではn次の方を
変数(α,β,γ,δ)として省略することとするが、
式(5),(8)を満足するように、整合板の厚さT
m,円板形状の圧電振動子の寸法D,Tを決定すること
により、図3に示すように1つの圧電振動子10と1枚
の整合板20とで、径方向の振動モードの共振周波数f
P の近傍と、厚み方向の振動モードの共振周波数ft の
近傍の、2つの使用帯域特性を有する空中用超音波振動
子を実現できる。
を示す図であり、図において、11はリング形状の圧電
振動子、21は整合板である。リング形状の圧電振動子
11の振動モードも、厚み方向の振動モードはその厚さ
Tにより定まるため、上述の式(5)との関係から、長
さ方向の振動周波数定数をN2 、厚み方向の振動周波数
定数をN4 とおくと、 Tm=α+T・Vm/4N4 ・・・(10)の関係とな
る。 一方、径方向の(低次の)振動モードは、その外径を
A,内径をBとすると、Tm=β+{〔(A+B)/
2〕π・Vm}/4N2 ・・・(11)の関係になり、
従って、式(10),(11)を満足するように、整合
板の厚さTm,リング形状の圧電振動子11の外径A,
内径B,厚さTを決定することにより、1つの超音波振
動子11と1枚の整合板21とで、2つの使用帯域特性
を有する空中用超音波振動子を実現できる。
は、2つの使用帯域を有する空中用超音波振動子につい
て説明したが、例えば矩形状の圧電振動子を使用するこ
とによって、厚み方向,縦方向,横方向の3つの振動モ
ードを利用して3つの使用帯域を有する空中用超音波振
動子を実現することもできる。図3は、この実施例3を
説明するための図であり、12は矩形状の圧電振動子、
22は整合板である。
X,縦方向の寸法をY,厚さをTとした場合、厚み方向
の振動モードは上述の実施例1,実施例2と同様に厚さ
Tで決定することができる。また、長さ方向の振動周波
数定数をN2 とすると、低次の振動モードである横方向
の振動モードおよび縦方向の振動モードは、長さ方向の
振動周波数定数をN2 とすると、 Tm=γ+X・Vm/4N2 ・・・(12) Tm=δ+Y・Vm/4N2 ・・・(13)の関係にな
るので、同様に整合板の厚さTm,矩形状の圧電振動子
12の横方向の寸法X,縦方向の寸法Y,厚さTを決定
することにより、1つの圧電振動子12と1枚の整合板
22とで、3つの使用帯域特性を有する空中用超音波振
動子を実現できる。
酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が代表的
なものであり、整合板の材料としては、数十μmの大き
さの中空のガラス球をエポキシ樹脂で固めたものが良く
使用される。
したように、整合板の厚さを圧電振動子の異なる振動モ
ードに対して、同時に1/4波長の整合条件を満足させ
ることにより、1つの圧電振動子と1枚の整合板とで2
以上の周波数帯域を使用帯域とする空中用超音波振動子
が得られる。そして、この空中用超音波振動子の高い周
波数帯域を1次波として利用し、低い周波数帯域を2次
波として利用することとすれば、パラメトリック送受波
器として利用できる等の効果がある。
ある。
ある。
ための図である。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 分離した2以上の振動モードを有する圧
電振動子と整合板とから成る空中用超音波振動子におい
て、 整合板の厚さをTmとし、2以上の振動モードに対応す
る周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波伝搬波長を
それぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
たことを特徴とする空中用超音波振動子。 - 【請求項2】 円板状あるいはリング状の圧電振動子を
用い、その厚み方向の振動モード及びその径方向の振動
モードの上記整合板中の超音波伝搬波長を、それぞれ上
記λ1 およびλ2 としたことを特徴とする請求項第1項
記載の空中用超音波振動子。 - 【請求項3】 矩形状の圧電振動子を用い、その厚み方
向の振動モード,その横方向の振動モードおよびその縦
方向の振動モードの上記整合板中の超音波伝搬波長を、
それぞれ上記λ1 ,λ2 およびλ3 としたことを特徴と
する請求項第1項記載の空中用超音波振動子。 - 【請求項4】 上記圧電振動子と上記整合板とを接着固
定したことを特徴とする請求項第1項記載の空中用超音
波振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14698894A JP3455585B2 (ja) | 1994-06-07 | 1994-06-07 | 空中用超音波振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14698894A JP3455585B2 (ja) | 1994-06-07 | 1994-06-07 | 空中用超音波振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07336796A true JPH07336796A (ja) | 1995-12-22 |
| JP3455585B2 JP3455585B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=15420083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14698894A Expired - Fee Related JP3455585B2 (ja) | 1994-06-07 | 1994-06-07 | 空中用超音波振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3455585B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005189003A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-14 | Ueda Japan Radio Co Ltd | 流量測定および気泡検出の可能な統合システム |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102097103B1 (ko) * | 2018-08-14 | 2020-05-29 | 한국표준과학연구원 | 향상된 음향 방사 파워를 갖는 개선된 초음파 변환기 |
-
1994
- 1994-06-07 JP JP14698894A patent/JP3455585B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2005189003A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-14 | Ueda Japan Radio Co Ltd | 流量測定および気泡検出の可能な統合システム |
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| JP3455585B2 (ja) | 2003-10-14 |
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