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JP3310764B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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Publication number
JP3310764B2
JP3310764B2 JP04807994A JP4807994A JP3310764B2 JP 3310764 B2 JP3310764 B2 JP 3310764B2 JP 04807994 A JP04807994 A JP 04807994A JP 4807994 A JP4807994 A JP 4807994A JP 3310764 B2 JP3310764 B2 JP 3310764B2
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JP
Japan
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piezoelectric vibrator
ultrasonic transducer
electric signal
signal
piezoelectric
Prior art date
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Application number
JP04807994A
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Japanese (ja)
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JPH07264697A (en
Inventor
光彦 南利
義幸 小澤
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH07264697A publication Critical patent/JPH07264697A/en
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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超音波を送受波する超
音波送受波器に係り、特に、小型軽量で効率、感度に優
れ、かつ、多周波数に対応する超音波送受波器の構成に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves, and more particularly, to a structure of an ultrasonic transducer which is small, lightweight, excellent in efficiency and sensitivity, and which supports multiple frequencies. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の、周波数数十kHz〜数百kHz
で、水中において使用する一般の超音波送受波器は、圧
電振動子を使用するが、水中で使用する部分を小型化す
るために、圧電振動子に超音波放射面積が小さいもの
(例えば、一辺の長さが、使用する周波数の水中での波
長の1/2の正方形の超音波放射面を有する圧電振動
子)を採用しており、静電容量が小さく、電気的インピ
−ダンスが高い。このため送波器としては、大きな音響
出力を得るために、圧電振動子を駆動するに200〜5
00V程度の電圧が必要となり、トランス等を用いて昇
圧していた。
2. Description of the Related Art Conventionally, the frequency is several tens kHz to several hundred kHz.
A general ultrasonic transducer used in water uses a piezoelectric vibrator. To reduce the size of a part used in water, the piezoelectric vibrator has a small ultrasonic radiation area (for example, one side). (A piezoelectric vibrator having an ultrasonic radiation surface of a square whose wavelength is 1/2 of the wavelength in water at the frequency to be used) has a small capacitance and a high electric impedance. For this reason, in order to obtain a large acoustic output, the transmitter needs to drive 200 to 5
A voltage of about 00 V was required, and the voltage was raised using a transformer or the like.

【0003】また、受波器としては、増幅器を、圧電振
動子の電気的インピ−ダンスに対応した、高入力インピ
−ダンスのものとする必要がある他、配線ケ−ブルによ
る受波電圧感度のロスが大きくなるので、これを補償す
ることも必要となる。すなわち、超音波送受波器を構成
する圧電振動子の周辺回路が、大きなものになってい
た。
Further, as a receiver, it is necessary that the amplifier has a high input impedance corresponding to the electrical impedance of the piezoelectric vibrator, and the receiving voltage sensitivity by a wiring cable is required. Is increased, and it is necessary to compensate for this. That is, the peripheral circuit of the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic transducer has become large.

【0004】また、超音波送受波器は、大きな音響出力
を得るために、圧電振動子の基本モ−ドを利用すること
が一般的であり、複数の周波数を使用する必要がある超
音波送受波器においては、各使用周波数に対応した複数
の圧電振動子を設けていた。したがって、超音波送受波
器全体が、大きなものとなり、超音波送受波器の使用条
件等に様々な制約が生じていた。
Further, an ultrasonic transducer generally uses a basic mode of a piezoelectric vibrator in order to obtain a large acoustic output, and an ultrasonic transducer which needs to use a plurality of frequencies is used. In the wave device, a plurality of piezoelectric vibrators corresponding to each use frequency are provided. Therefore, the entire ultrasonic transducer becomes large, and various restrictions are imposed on the use conditions of the ultrasonic transducer.

【0005】上述の問題点を解決する技術としては、
「圧電アクチュエ−タを応用した高感度な高周波超音波
送波器」(海洋音響学会講演論文集、P49、199
1.5.17)に記載の超音波送受波器が、圧電振動子
を低インピ−ダンス化したものとして知られており、こ
れは、圧電振動子を薄く多層に積層した圧電アクチュエ
−タを利用し、圧電振動子の静電容量を大きくして低イ
ンピ−ダンス化を行い、圧電振動子の低電圧駆動を可能
として、トランス等を不要としたものである。
[0005] Techniques for solving the above problems include:
"High-sensitivity high-frequency ultrasonic transmitter using piezoelectric actuator" (Proceedings of the Oceanographic Society of Japan, P49, 199)
The ultrasonic transducer described in 1.5.17) is known as a low-impedance piezoelectric vibrator, which is composed of a piezoelectric actuator in which piezoelectric vibrators are thinly laminated in multiple layers. By utilizing the piezoelectric vibrator, the capacitance of the piezoelectric vibrator is increased to reduce the impedance, and the piezoelectric vibrator can be driven at a low voltage, thereby eliminating the need for a transformer or the like.

【0006】また、「多周波数超音波用複合構造圧電ト
ランスデュ−サの特性解析」(電子情報通信学会技術研
究報告、ユ−エス(US)91−47、P1、199
1.10.18)に記載の超音波送受波器が、同一の圧
電振動子で複数の周波数を送受波するものとして知られ
ており、これは、積層された圧電振動子を部分的に駆動
し、同一の圧電振動子で複数の周波数の送受波を実現す
るもので、超音波送受波器に備える圧電振動子の数を少
なくして小型化を図るものである。
[0006] Also, "Characteristic analysis of a composite structure piezoelectric transducer for multi-frequency ultrasonic waves" (IEICE Technical Report, US 91-47, P1, 199).
An ultrasonic transducer described in 1.10.18) is known to transmit and receive a plurality of frequencies with the same piezoelectric vibrator, which partially drives a laminated piezoelectric vibrator. In addition, the same piezoelectric vibrator realizes transmission and reception of a plurality of frequencies, and aims at miniaturization by reducing the number of piezoelectric vibrators provided in the ultrasonic transducer.

【0007】前者の論文で示された圧電振動子の構造
は、非常に薄い振動子(130μm)を多層(64層)
に積層したものであり、このため、圧電振動子のインピ
−ダンスが0.5Ωと、現実の超音波送受波器(望まし
くは、50Ω程度)としては小さ過ぎ、送波側では、配
線ロスにより電気信号が減衰してしまう。すなわち、電
気音響変換効率が悪くなり送波電圧感度が低下する。ま
た、受波側では、各積層圧電振動子が薄いため、受波電
圧感度が小さくなり、増幅用プリアンプ雑音から受波感
度を引いた最小受波音圧レベルが上昇する。すなわち、
小さい音の受波が困難になり、現実の超音波送受波器の
圧電振動子として最適なものではない。
[0007] The structure of the piezoelectric vibrator shown in the former article is based on the fact that a very thin vibrator (130 µm) is multi-layered (64 layers).
Therefore, the impedance of the piezoelectric vibrator is 0.5Ω, which is too small for an actual ultrasonic transducer (preferably, about 50Ω). The electric signal is attenuated. That is, the electro-acoustic conversion efficiency deteriorates, and the transmission voltage sensitivity decreases. On the receiving side, since each laminated piezoelectric vibrator is thin, the receiving voltage sensitivity is low, and the minimum receiving sound pressure level obtained by subtracting the receiving sensitivity from the amplification preamplifier noise is increased. That is,
Receiving small sound becomes difficult, and it is not optimal as a piezoelectric vibrator of an actual ultrasonic transducer.

【0008】また、後者の論文で示された圧電振動子の
構造は、同一の圧電振動子エレメントで多周波の送受波
を実現するが、圧電振動子を高次の共振モ−ドで部分的
に使用するものである。すなわち、低インピ−ダンス化
のために多層化した圧電振動子の一部しか使用しないの
で、多層化の効果が現われず、電気的インピ−ダンスが
大きくなり、送波電圧感度が前者の論文と同様に低下す
る。さらに、現実の超音波送受波器においては、音波を
伝達する媒体と圧電振動子との音響マッチングを行うた
めに、圧電振動子に整合層等を装着することが一般的
で、振動モ−ドが複雑になるので、圧電振動子の電気−
機械変換の効率を高くすることが難しくなる。すなわ
ち、圧電振動子の高感度化が困難となり、やはり、現実
の超音波送受波器の圧電振動子として最適なものではな
い。
The structure of the piezoelectric vibrator shown in the latter article realizes multi-frequency transmission / reception with the same piezoelectric vibrator element, but partially converts the piezoelectric vibrator in a higher-order resonance mode. It is used for. That is, since only a part of the multilayered piezoelectric vibrator is used to reduce the impedance, the effect of the multilayering does not appear, the electrical impedance increases, and the transmission voltage sensitivity is lower than that of the former paper. It drops as well. Further, in actual ultrasonic transducers, it is common to attach a matching layer or the like to the piezoelectric vibrator in order to perform acoustic matching between the medium transmitting sound waves and the piezoelectric vibrator. Is complicated, so the electricity of the piezoelectric vibrator
It becomes difficult to increase the efficiency of mechanical conversion. That is, it is difficult to increase the sensitivity of the piezoelectric vibrator, and it is not optimal as a piezoelectric vibrator of an actual ultrasonic transducer.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上記の課題を解決することにあり、小型であっ
ても、電気信号と超音波との変換効率が高く、高感度
な、しかも、複数の周波数の超音波を扱うことが可能な
超音波送受波器を提供することに有る。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the conversion efficiency between electric signals and ultrasonic waves is high, the sensitivity is high, and the size is small. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that can handle ultrasonic waves of a plurality of frequencies.

【0010】より具体的には、送波側においては、送波
電圧感度を所望の値に設定でき、かつ、トランス等を使
用することなく、インピ−ダンスをアンプのインピ−ダ
ンスにマッチングさせた圧電振動子を用い、これを低電
圧で駆動可能とする。また、受波側においては、低入力
インピ−ダンス増幅器が利用可能で、かつ、低ノイズ化
を実現できる電気的インピ−ダンスを有する、薄膜多層
化構造の圧電振動子を備えた超音波送受波器を提供す
る。さらには、小型な構成で複数の周波数の超音波を扱
うため、薄膜多層化構造の圧電振動子を高次の共振モ−
ドで振動させても、電気信号と超音波との変換効率が高
く、高感度な超音波送受波器を提供することに有る。
More specifically, on the transmission side, the transmission voltage sensitivity can be set to a desired value, and the impedance is matched to the impedance of the amplifier without using a transformer or the like. A piezoelectric vibrator is used and can be driven at a low voltage. On the receiving side, a low-input impedance amplifier can be used, and an ultrasonic transmitting and receiving device having a piezoelectric vibrator having a thin-film multilayer structure having an electrical impedance capable of realizing low noise. Provide a container. Furthermore, in order to handle ultrasonic waves of a plurality of frequencies in a small configuration, a piezoelectric vibrator having a thin-film multilayer structure has a high-order resonance mode.
Another object of the present invention is to provide a high-sensitivity ultrasonic transducer which has high conversion efficiency between an electric signal and an ultrasonic wave even when vibrated by the ultrasonic wave.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的
は、超音波送受波器に使用する、電気−機械変換により
電気信号を超音波に変換する圧電振動子として、電気的
インピ−ダンスを下げるために、薄膜型圧電振動子を用
い、これを多層に積層した圧電振動子を使用する場合に
おいて、圧電振動子の熱雑音と、超音波送受波器に使用
する増幅器の熱雑音と、超音波送受波器に要求される最
低受波音圧レベルとをパラメ−タとして、多層に積層さ
れた圧電振動子の厚みと、積層する薄膜型圧電振動子の
層数を定めることで達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator for converting an electric signal into an ultrasonic wave by electro-mechanical conversion used in an ultrasonic transducer. When using a thin-film type piezoelectric vibrator and using a laminated piezoelectric vibrator to reduce the thermal noise of the piezoelectric vibrator, the thermal noise of the amplifier used in the ultrasonic transducer, This can be achieved by defining the thickness of the piezoelectric vibrator stacked in multiple layers and the number of layers of the thin film type piezoelectric vibrator to be stacked, using the minimum received sound pressure level required for the sound wave transducer as a parameter.

【0012】これは、圧電振動子の熱雑音が増幅器の熱
雑音より大きくなる場合には、薄膜型圧電振動子を多層
に積層してインピ−ダンスを下げ、また、増幅器の雑音
が圧電振動子の熱雑音より大きくなる場合には、薄膜型
圧電振動子の積層する枚数を減らし、この厚さを厚くす
る一方で、超音波送受波器に要求される最低受波音圧レ
ベルを満足する範囲で、薄膜型圧電振動子を多層に積層
してインピ−ダンスを下げるよう、圧電振動子の厚みと
積層する層数を定めるものである。
This is because when the thermal noise of the piezoelectric vibrator is larger than the thermal noise of the amplifier, the impedance is lowered by laminating the thin film type piezoelectric vibrators in multiple layers, and the noise of the amplifier is reduced by the piezoelectric vibrator. When the thermal noise is larger than the thermal noise of the ultrasonic transducer, the number of laminated thin-film type piezoelectric vibrators is reduced and the thickness is increased, while maintaining the minimum receiving sound pressure level required for the ultrasonic transducer. The thickness of the piezoelectric vibrator and the number of layers to be laminated are determined so as to lower the impedance by laminating the thin film type piezoelectric vibrators in multiple layers.

【0013】より具体的には、所定の関係を有する下記
の式(1)〜(3)により、圧電振動子の厚みと層数を
定めた多層圧電振動子を使用することで達成される。
More specifically, this is achieved by using a multilayer piezoelectric vibrator in which the thickness and the number of layers of the piezoelectric vibrator are determined by the following equations (1) to (3) having a predetermined relationship.

【0014】 AN=eE−{20log(gh×t)−120} ・・・(1) 但し、AN:増幅器雑音音圧換算値(dB re 1μP
a) eE:増幅器雑音(dB re 1μPa) gh:圧電定数(V×m/N×10~3) t :圧電振動子厚み(m) SN=−15×20logF+10log{1+QM/K2・FC/FS・Ω2} ・・・(2) 但し、FC=t×10~3/(2π・R・n・ε・S) SN:圧電振動子熱雑音音圧換算値(dB re 1μP
a) F :適用周波数(kHz) QM:機械的Q K:電気
機械結合係数 R :増幅器入力インピーダンス(Ω) n:積層
枚数 ε :誘電率 S :圧電振動子面積(m
2) FS:共振周波数(kHz) Ω :−FS/F AN<SN<NL ・・・(3) 但し、NL:システムで要求される最小受波音圧(dB
re 1μPa) ここで、圧電振動子としては、数十kHz〜数百kHz
の超音波(例えば、超音波を送受波する対象が、距離1
00m以下で大きさが1m以下のものであれば、100
〜500kHz程度、また、距離1000m以上で大き
さが10m以上のものであれば、100kHz以下)を
送受波するものであり、水晶やニオブ酸リチウムおよび
タンタル酸リチウム等で代表される単結晶、ジルコン酸
チタン酸鉛やチタン酸鉛等チタン酸鉛系の物質で代表さ
れる圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデン(PVD
F)等で代表されるポリマ−(有機圧電材料)が挙げら
れる。
[0014] A N = e E - {20log (g h × t) -120} ··· (1) where, A N: amplifier noise sound pressure converted value (dB re 1μP
a) e E: amplifier noise (dB re 1μPa) g h: piezoelectric constant (V × m / N × 10 ~ 3) t: the piezoelectric vibrator thickness (m) S N = -15 × 20logF + 10log {1 + Q M / K 2 F C / F S Ω 2 } (2) where F C = t × 10 3 / (2πRnεεS) S N : Sensor pressure value of thermal noise of piezoelectric vibrator (DB re 1μP
a) F: application frequency (kHz) Q M: Mechanical Q K: electromechanical coefficient R: amplifier input impedance (Ω) n: number of laminated layers epsilon: dielectric constant S: piezoelectric vibrator area (m
2) F S: a resonance frequency (kHz) Ω: -F S / F A N <S N <N L ··· (3) where, N L: Minimum reception sound pressure that is required by the system (dB
re 1 μPa) Here, as a piezoelectric vibrator, several tens kHz to several hundred kHz
Of ultrasonic waves (for example, if the object transmitting and receiving
100 m or less and 1 m or less, 100
About 500 kHz, and if the distance is 1000 m or more and the size is 10 m or more, 100 kHz or less). Single crystal such as quartz, lithium niobate and lithium tantalate, zircon Piezoelectric ceramics represented by lead titanate-based substances such as lead titanate and lead titanate, polyvinylidene fluoride (PVD
F) and the like (polymers (organic piezoelectric materials)).

【0015】また、高効率、多周波、高感度超音波送受
波器を実現するために、多層に積層した圧電振動子の各
薄膜型圧電振動子から信号用伝送ケ−ブルを引き出し、
2次以上の高次の振動モ−ド(例えば、2次または3次
の高次振動モ−ド)で圧電振動子を振動させ、高次振動
モ−ドにおいて、振動変位の位相が反転する部分の各薄
膜型圧電振動子に対しては、信号用伝送ケ−ブルで送受
する電気信号の極性を反転させて電気−機械変換を実施
する超音波送受波器を構成とした。
In order to realize a high-efficiency, multi-frequency, high-sensitivity ultrasonic transducer, a signal transmission cable is drawn from each thin-film type piezoelectric vibrator of a piezoelectric vibrator laminated in multiple layers.
The piezoelectric vibrator is vibrated in a second or higher order vibration mode (for example, a second or third order higher vibration mode), and the phase of the vibration displacement is reversed in the higher order vibration mode. An ultrasonic transducer for performing electro-mechanical conversion by inverting the polarity of an electric signal transmitted and received by a signal transmission cable is configured for each of the thin film type piezoelectric vibrators.

【0016】さらに、高い効率や感度を得るために、各
薄膜型圧電振動子の送受信信号に対し、各薄膜型圧電振
動子毎に所定の遅延を付加し、振動変位の位相特性にあ
わせて電気信号の遅延量を調整しながら電気−機械変換
を実施する超音波送受波器とすることもできる。
Further, in order to obtain high efficiency and sensitivity, a predetermined delay is added to the transmission / reception signals of each thin film type piezoelectric vibrator for each thin film type piezoelectric vibrator, and electric signals are adjusted in accordance with the phase characteristics of vibration displacement. An ultrasonic transducer that performs electro-mechanical conversion while adjusting the amount of signal delay can also be used.

【0017】なお、音響マッチングを行なうための整合
層等、例えば、エポキシ系樹脂、ガラス等のような音響
インピ−ダンスの異なる物質を、多層に積層した圧電振
動子に装着した超音波送受波器においては、2次以上の
高次の振動モ−ドで振動させると、複雑な振動挙動を示
すので、メイソンの等価回路等で代表される、異なる物
質を装着した圧電振動子の等価回路を使用して、予め各
振動モ−ドにおいて、異なる物質を装着した圧電振動子
に発生する振動の節と腹の位置を計算により求め、積層
された各薄膜型圧電振動子に対して、信号用伝送ケ−ブ
ルで送受する電気信号の極性や遅延量を決定し、振動変
位の位相特性にあわせて電気信号の遅延量を調整しなが
ら電気−機械変換を実施する超音波送受波器とする。
An ultrasonic transducer in which a matching layer for performing acoustic matching, for example, a substance having a different acoustic impedance such as an epoxy resin or glass is mounted on a piezoelectric vibrator laminated in multiple layers. In the above, when vibrating in the second or higher order vibration mode, complicated vibration behavior is exhibited. Therefore, use an equivalent circuit of a piezoelectric vibrator equipped with a different substance, represented by Mason's equivalent circuit, etc. Then, in each vibration mode, the positions of nodes and antinodes of the vibration generated in the piezoelectric vibrator on which different materials are mounted are calculated in advance, and the signal transmission cable is applied to each of the laminated thin film piezoelectric vibrators. -An ultrasonic transducer which determines the polarity and the amount of delay of an electric signal to be transmitted / received by the cable and performs the electro-mechanical conversion while adjusting the amount of delay of the electric signal in accordance with the phase characteristics of the vibration displacement.

【0018】また、整合層等を装着した多層に積層した
圧電振動子において、整合層を圧電振動子と同じ材料で
構成し、整合層に発生する振動エネルギ−も含めて電気
信号に変換、また逆変換することにより、更に高効率、
高感度を得る構成としても良い。
Further, in a piezoelectric vibrator laminated in multiple layers on which a matching layer or the like is mounted, the matching layer is made of the same material as the piezoelectric vibrator, and is converted into an electric signal including vibration energy generated in the matching layer. Higher efficiency by reverse conversion
A configuration for obtaining high sensitivity may be employed.

【0019】ここで、整合層としては、超音波を伝達す
る媒体と音響インピ−ダンスをマッチングさせた圧電振
動子であり、上記のジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛
等チタン酸鉛系の物質で代表される圧電セラミックス
に、音響インピ−ダンスを調整するため気孔を入れたも
のや、ポリふっ化ビニリデン(PVDF)等で代表され
るポリマ−が挙げられる。
Here, the matching layer is a piezoelectric vibrator whose acoustic impedance is matched with that of a medium transmitting ultrasonic waves, and a lead titanate-based material such as lead zirconate titanate or lead titanate described above. The piezoelectric ceramics represented by (1) and (2) include pores for adjusting the acoustic impedance, and polymers represented by polyvinylidene fluoride (PVDF).

【0020】[0020]

【作用】一般に、圧電振動子を使用する超音波送受波器
の最小受波音圧レベルは、アンダ−ウオ−タ− エレク
トロ アコスティック トランスヂュ−サ−ズ、バスユ
ニバ−シティ プレス アンド アコスティックス(1
991)〔Under WaterElectro-acoustic Transdusers、
Bath University Press and Acoustics、(1991)〕
で示されるように、増幅器の雑音と圧電振動子の熱雑音
から受波電圧感度を差し引いた雑音レベルにより決定さ
れる。
Generally, the minimum receiving sound pressure level of an ultrasonic transducer using a piezoelectric vibrator is underwater electroacoustic transducers, bus university press and acoustics (1).
991) [Under WaterElectro-acoustic Transdusers,
Bath University Press and Acoustics, (1991)]
As shown by, the noise level is determined by the noise level obtained by subtracting the receiving voltage sensitivity from the noise of the amplifier and the thermal noise of the piezoelectric vibrator.

【0021】式(1)は増幅器熱雑音の音圧換算レベル
N、式(2)は圧電振動子の熱雑音の音圧換算レベル
Nを示しており、受波器として使用する場合には、式
(1)と式(2)の値ができるだけ近い値、かつ、式
(3)の不等式を満足するように、すなわち、受波器に
おいて、最も小さい音が受波できる最適な値となるよう
に、式(1)と式(2)を用いて多層に積層した圧電振
動子の厚みtと、薄膜型圧電振動子を積層する枚数nを
選定すれば受波感度の高い超音波受波器が得られる。
Equation (1) shows the sound pressure conversion level A N of the amplifier thermal noise, and equation (2) shows the sound pressure conversion level S N of the thermal noise of the piezoelectric vibrator. Is determined so that the values of Equations (1) and (2) are as close as possible and satisfy the inequality of Equation (3), that is, the optimum value at which the receiver can receive the smallest sound. If the thickness t of the multilayered piezoelectric vibrator and the number n of the thin film type piezoelectric vibrators are selected by using the equations (1) and (2) so that A wave filter is obtained.

【0022】しかし、超音波送受波器の小型経済化のた
めに、圧電振動子を送受波器兼用で使用する場合、圧電
振動子は低インピ−ダンスであることが望ましく、でき
るだけ薄膜型圧電振動子の厚みを薄くし、積層する枚数
nを増やし、要求される最小受波音圧レベルNLを満足
する範囲で、受波感度を落してインピ−ダンスを下げる
ようにする。
However, in order to reduce the size of the ultrasonic transducer, it is desirable that the piezoelectric vibrator has a low impedance when the piezoelectric vibrator is used for both the transducer and the transducer. The thickness of the element is reduced, the number n of layers to be stacked is increased, and the receiving sensitivity is lowered to lower the impedance within a range satisfying the required minimum receiving sound pressure level NL .

【0023】このように、圧電振動子の厚みtと、薄膜
型圧電振動子を積層する枚数nを選定することで、一般
には高インピ−ダンスである、圧電振動子の電気的イン
ピ−ダンスを最適にできる。すなわち、増幅器の入力イ
ンピ−ダンスに合わせるように、インピ−ダンスを下げ
ることができ、小型で低ノイズな増幅器が使用可能とな
る。
As described above, by selecting the thickness t of the piezoelectric vibrator and the number n of laminated thin-film piezoelectric vibrators, the electrical impedance of the piezoelectric vibrator, which is generally high, can be reduced. Can be optimized. That is, the impedance can be reduced so as to match the input impedance of the amplifier, and a small-sized and low-noise amplifier can be used.

【0024】また、圧電振動子の電気的インピ−ダンス
が小さいため、例えば、圧電振動子を低電圧で駆動でき
る等、超音波送受波器周辺回路の小型軽量化を実現でき
る。従って、圧電振動子の電気的インピ−ダンスを最適
にすることにより、小型軽量で小規模な汎用の電子機器
を適用でき、小型軽量化を実現できる。
Further, since the electric impedance of the piezoelectric vibrator is small, the size of the peripheral circuit of the ultrasonic transducer can be reduced, for example, the piezoelectric vibrator can be driven at a low voltage. Therefore, by optimizing the electrical impedance of the piezoelectric vibrator, it is possible to apply small-sized, light-weight, small-scale, general-purpose electronic equipment, and to realize reduction in size and weight.

【0025】さらに、複数の周波数に対応可能な超音波
送受波器を、小型経済的に実現するには、1個の多層に
積層した圧電振動子を、複数の振動モ−ドで振動させ、
圧電振動子の共用化を図る必要がある。以下、図5〜図
7を用いてさらに具体的に説明する。
Further, in order to realize an ultrasonic transducer capable of handling a plurality of frequencies in a compact and economical manner, one piezoelectric vibrator laminated in multiple layers is vibrated in a plurality of vibration modes.
It is necessary to share the piezoelectric vibrator. Hereinafter, a more specific description will be given with reference to FIGS.

【0026】図5は、多層に積層した圧電振動子の振動
状態を示したモデル図であり、各振動モ−ドにおいて、
多層に積層した圧電振動子が、振動している様子を示し
たものである。なお、図中の破線は圧電振動子の速度分
布を示したもので、中心線の上側半分の破線が左方向の
速度成分、下側半分の破線が右方向の速度成分を示して
いる。また、中心線と破線が交わる点は、振動が最小と
なる節で、外周の実線と破線が接する点は、振動が最大
となる腹である。
FIG. 5 is a model diagram showing the vibration state of the piezoelectric vibrator laminated in multiple layers. In each vibration mode,
FIG. 4 shows a state in which a piezoelectric vibrator laminated in multiple layers is vibrating. The broken line in the figure indicates the velocity distribution of the piezoelectric vibrator, and the broken line in the upper half of the center line indicates the speed component in the left direction, and the broken line in the lower half indicates the speed component in the right direction. The point where the center line and the broken line intersect is the node where the vibration is minimum, and the point where the solid line and the broken line on the outer periphery are in contact is the antinode where the vibration is the maximum.

【0027】ここで、図5(A)は基本振動モ−ドの振
動を示したもので、積層された6個の各圧電振動子a,
b,c,d,e,fは、圧電振動子a,b,cが左方向
に、圧電振動子d,e,fが右方向に、節を中心として
全て伸びる方向に振動している。すなわち、各圧電振動
子同士の振動を圧迫するものがない状態で振動してい
る。
FIG. 5A shows the vibration in the basic vibration mode, in which six laminated piezoelectric vibrators a,
In b, c, d, e, and f, the piezoelectric vibrators a, b, and c vibrate in the left direction, and the piezoelectric vibrators d, e, and f vibrate in the right direction, and all vibrate around the nodes. In other words, the piezoelectric vibrators vibrate in a state where there is nothing to press the vibrations between the piezoelectric vibrators.

【0028】図5(B)は、2次振動モ−ドの振動を示
したもので、積層された6個の各圧電振動子a,b,
c,d,e,fは、圧電振動子a,fが左方向に、圧電
振動子c,d右方向に、圧電振動子b,eにある節を中
心として振動している。すなわち、左側の圧電振動子
a,b,cが伸びる方向に、右側の圧電振動子d,e,
fが縮む方向に振動している(収縮部分を斜線で示
す)。
FIG. 5B shows the vibration in the secondary vibration mode. The six piezoelectric vibrators a, b, and
As for c, d, e, and f, the piezoelectric vibrators a and f vibrate in the left direction and the piezoelectric vibrators c and d move in the right direction centering on the nodes of the piezoelectric vibrators b and e. In other words, the right piezoelectric vibrators d, e, and d extend in the direction in which the left piezoelectric vibrators a, b, and c extend.
f vibrates in the shrinking direction (the shrinking portion is indicated by oblique lines).

【0029】また、図5(C)は、3次振動モ−ドの振
動を示したもので、真中の圧電振動子c,dが縮む方向
で、両側の圧電振動子a,bとe,fは伸びる方向に振
動しており、2次振動モ−ドと同様に、圧電振動子同士
が振動を打ち消すよう振動している。上記のように、多
層に積層した圧電振動子においては、各圧電振動子の伸
びる方向と縮む方向が生じるので、各圧電振動子の分極
方向に配線した電気信号を送受信するケ−ブルでは、電
気信号の位相が反転することになる。すなわち、各ケー
ブルの極性や信号遅延量を調整しないと、各圧電振動子
からの電気信号同士が、信号を打ち消すように出力され
たり、電気信号を入力しても大きな振動が発生しなかっ
たりする。
FIG. 5C shows the vibration in the tertiary vibration mode in which the middle piezoelectric vibrators c and d are contracted, and the piezoelectric vibrators a, b and e on both sides are shrunk. f vibrates in the extending direction, and the piezoelectric vibrators vibrate so as to cancel the vibration, similarly to the secondary vibration mode. As described above, in a piezoelectric vibrator laminated in multiple layers, there are directions in which each piezoelectric vibrator extends and contracts. Therefore, in a cable for transmitting and receiving electric signals wired in the polarization direction of each piezoelectric vibrator, an electric signal is transmitted. The phase of the signal will be inverted. That is, if the polarity of each cable and the amount of signal delay are not adjusted, the electric signals from the piezoelectric vibrators are output so as to cancel each other out, or large vibration does not occur even if the electric signals are input. .

【0030】図6は、多層に積層した圧電振動子に設け
た信号ケーブルの配線と、各振動モ−ドとの関係を示し
た図であり、信号ケーブルの配線により、各振動モ−ド
における電気−機械変換の状態を示したものである。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the wiring of the signal cables provided on the piezoelectric vibrators stacked in multiple layers and the respective vibration modes. It shows the state of the electro-mechanical conversion.

【0031】すなわち、図6(A)は、各圧電振動子の
分極方向を同じにして、各圧電振動子の配線を並列に接
続する場合(同図において⇒は圧電振動子の分極方向を
示す)を示したものであり、受信電気信号は2次共振で
キャンセルされ基本波の奇数倍で感度が良くなる。逆に
圧電振動子の右半分と左半分の配線を逆にすると、基本
共振では受信電気信号がキャンセルされ、2次共振で最
も感度が良くなる。従って、高次の共振でも、各圧電振
動子からの電気信号に対して、各々同相になるように遅
延し加算すると、受波電圧感度が良くなる。
That is, FIG. 6A shows the case where the polarization directions of the respective piezoelectric vibrators are set to be the same and the wirings of the respective piezoelectric vibrators are connected in parallel. ), The received electric signal is canceled by the secondary resonance, and the sensitivity is improved at an odd multiple of the fundamental wave. Conversely, when the wirings of the right half and the left half of the piezoelectric vibrator are reversed, the received electric signal is canceled at the basic resonance, and the sensitivity becomes the best at the secondary resonance. Therefore, even in a higher-order resonance, the reception voltage sensitivity is improved by delaying and adding the electric signals from the respective piezoelectric vibrators so that they are in phase with each other.

【0032】また送波の場合、圧電振動子の分極方向に
対し配線したケ−ブルの極性を、図6(A)のように、
各圧電振動子とも同じにすると、図6(D)の特性曲線
(●印)が示すように、基本周波数では各々の圧電振動
子は同相で振動するが、2次共振周波数では、圧電振動
子の半分を振動モ−ドと逆方向に振動するよう電気信号
を与えているため送波電圧感度は低下する。従って、受
波の場合と同じように各圧電振動子へ供給する電気信号
に対し、受波の場合と同様に遅延を加えたり、極性を変
えて圧電振動子へ供給すると送波電圧感度は向上する。
In the case of wave transmission, the polarity of the cable wired with respect to the polarization direction of the piezoelectric vibrator is changed as shown in FIG.
Assuming that each piezoelectric vibrator is the same, the piezoelectric vibrators vibrate in the same phase at the fundamental frequency as shown by the characteristic curve (indicated by ●) in FIG. Is supplied with an electric signal so as to vibrate in the opposite direction to the vibration mode, the transmission voltage sensitivity decreases. Therefore, the transmission voltage sensitivity is improved if the electric signal supplied to each piezoelectric vibrator is delayed or the polarity is changed and supplied to the piezoelectric vibrator in the same way as the case of receiving wave. I do.

【0033】すなわち、図6(D)の特性曲線(●印)
が示すように、図6(A)のように、各圧電振動子とも
同じにすると、基本共振と3次共振で高感度を示すが、
2次共振周波数では送波電圧感度は低下する。従って、
2次共振周波数を送波する場合は、図6(B)に示す配
線で、圧電振動子の一部のみ使用する方法が、従来から
採用されていた。この方法でも、図4(D)の特性曲線
(△印)が示すように、基本共振での感度は低下するが
2次共振での感度が向上する。
That is, the characteristic curve of FIG.
As shown in FIG. 6A, as shown in FIG. 6A, when the same is applied to each piezoelectric vibrator, high sensitivity is exhibited at the fundamental resonance and the third resonance, but
At the secondary resonance frequency, the transmission voltage sensitivity decreases. Therefore,
When transmitting the secondary resonance frequency, a method of using only a part of the piezoelectric vibrator with the wiring shown in FIG. 6B has been conventionally used. Also in this method, the sensitivity at the basic resonance is reduced, but the sensitivity at the secondary resonance is improved, as shown by the characteristic curve (indicated by a circle) in FIG.

【0034】さらに、本発明の構成による、図6(C)
に示す配線で、圧電振動子は全て使用し、信号の極性を
変える方法によれば、図6(D)の特性曲線(○印)が
示すように、他の配線方法と比較し、2次共振での感度
が一番良い、全圧電振動子を活用でき、更に高効率、高
感度な超音波送受波器を実現できる。もちろん、信号の
極性を変化させる代わりに、信号に遅延を与える方法で
も良い。なお、前述のような圧電振動子に、整合層など
が装着された場合、圧電振動子と整合層の速度分布が複
雑になる。
Further, according to the structure of the present invention, FIG.
According to the method of changing the polarity of the signal by using all of the piezoelectric vibrators in the wiring shown in FIG. 6, as shown by the characteristic curve (indicated by the circle) in FIG. An all-piezoelectric vibrator having the best sensitivity at resonance can be utilized, and a highly efficient and highly sensitive ultrasonic transducer can be realized. Of course, instead of changing the polarity of the signal, a method of giving a delay to the signal may be used. When a matching layer or the like is mounted on the above-described piezoelectric vibrator, the velocity distribution between the piezoelectric vibrator and the matching layer becomes complicated.

【0035】図7は、整合層を装着した圧電振動子の、
振動状態を示したモデル図であり、多層圧電振動子が、
各振動モ−ドにおいて、振動している様子を示したもの
である。同図に示すように、各振動モ−ドにおいて、圧
電振動子と整合層の速度分布が複雑になり節の位置が移
動するため、前述のような、単純に各圧電振動子の極性
を変更するだけでは、高効率、高感度な超音波送受波器
を得ることができない。従って、伸長部分と収縮部分
を、メイソンの等価回路の解析手法等で代表される解析
手法により、異なる物質を装着した圧電振動子の動作を
等価回路から計算し、各圧電振動子へ最適な遅延量を与
え、全圧電振動子を活用した、高効率、高感度な超音波
送受波器を実現する。
FIG. 7 shows a piezoelectric vibrator provided with a matching layer.
It is a model diagram showing a vibration state, wherein the multilayer piezoelectric vibrator,
In each of the vibration modes, a state of vibration is shown. As shown in the figure, in each vibration mode, since the velocity distribution between the piezoelectric vibrator and the matching layer becomes complicated and the position of the node moves, the polarity of each piezoelectric vibrator is simply changed as described above. It is not possible to obtain a high-efficiency, high-sensitivity ultrasonic transducer only by doing so. Therefore, the operation of the piezoelectric vibrator equipped with different materials is calculated from the equivalent circuit using the analysis method typified by Mason's equivalent circuit analysis method for the expansion part and the contraction part. A high-efficiency, high-sensitivity ultrasonic transducer using all piezoelectric transducers is realized.

【0036】また、振動子を圧電セラミックで作成した
場合、整合層としてセラミックに気泡を含んだもの等を
使用することにより、マッチングがとれ、整合層の振動
エネルギ−も活用できるので、さらに、高効率、高感度
な超音波送受波器を得ることができる。
Further, when the vibrator is made of piezoelectric ceramic, matching can be achieved by using a ceramic containing air bubbles as the matching layer, and the vibration energy of the matching layer can be utilized. An ultrasonic transducer with high efficiency and high sensitivity can be obtained.

【0037】上述のように、各振動モ−ドに対応して、
各圧電振動子の信号極性を調整したり、各周波数によっ
て最適な遅延量を与えることにより、高効率、多周波、
高感度な超音波送受波器が実現できる。
As described above, corresponding to each vibration mode,
By adjusting the signal polarity of each piezoelectric vibrator and giving the optimal amount of delay for each frequency, high efficiency, multi-frequency,
A highly sensitive ultrasonic transducer can be realized.

【0038】[0038]

【実施例】以下、図面を用いて、本発明による、多層に
積層した圧電振動子と、各圧電振動子に取付けた、電気
信号送受信用の信号線から成り、信号線で電気信号の極
性や、遅延量を調整することにより、高効率な電気−機
械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器とインピーダン
スを最適にした、超音波送受波器の実施例について詳細
に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring to the drawings, a piezoelectric vibrator according to the present invention will be described. The piezoelectric vibrator includes a plurality of piezoelectric vibrators and signal lines for transmitting and receiving electric signals attached to the respective piezoelectric vibrators. A detailed description will be given of an embodiment of an ultrasonic transducer in which high-efficiency electro-mechanical conversion is performed by adjusting a delay amount and impedance is optimized with equipment such as an amplifier.

【0039】<実施例1>本実施例では、多層積層圧電
振動子の各圧電振動子に取付けた、電気信号送受信用の
信号線の、電気信号の極性を調整することにより、高効
率な電気−機械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器と
インピーダンスを最適にした、超音波送受波器の構成を
示す。
<Embodiment 1> In this embodiment, by adjusting the polarity of the electric signal of the signal line for transmitting and receiving electric signals attached to each piezoelectric vibrator of the multilayer laminated piezoelectric vibrator, a highly efficient electric -The configuration of an ultrasonic transducer that performs mechanical conversion and optimizes impedance with equipment such as an amplifier is shown.

【0040】(1)超音波送受波器の構成 図1は、本発明に係る超音波送受波器の要部断面図を示
したものである。超音波送受波器1は、振動エネルギ−
と電気エネルギ−との変換を行う、6層に積層した圧電
振動子1a〜1f(詳細は後述する)と、音の反射を目
的とするバッキング3と、各圧電振動子1a〜1fの位
置決めを行うフレ−ム2と、音響信号を伝送する音響窓
4と、各圧電振動子1a〜1fに接続され、送受電気信
号を伝送する信号線5と、超音波送受波器1として使用
する周波数により、各圧電振動子1a〜1fの信号線5
の配線を変換して極性を調整したり、送受電気信号を増
幅する整合回路部6、電源、制御信号、FM、PCW等
の送受電気信号を図示しない外部の装置との間で伝送す
るケ−ブル7と、整合回路部6とフレ−ム2とケ−ブル
7を結合保持する取付け金具8とで構成した。なお、6
層に積層した圧電振動子1a〜1fを、複数個並列に配
置して、超音波送受波の指向性を制御することも可能で
ある。また、後述の実施例2で示すように、整合回路部
6において、信号線5の配線を変換する代わりに、信号
線5に所定の遅延を与えることもできる。
(1) Configuration of Ultrasonic Wave Transmitter / Receiver FIG. 1 is a sectional view showing a main part of an ultrasonic wave transmitter / receiver according to the present invention. The ultrasonic transducer 1 has a vibration energy
Vibrators 1a to 1f (to be described in detail later), which perform conversion between energy and electric energy, a backing 3 for reflecting sound, and positioning of the piezoelectric vibrators 1a to 1f. Frame 2 to be transmitted, an acoustic window 4 for transmitting an acoustic signal, a signal line 5 connected to each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f and transmitting an electric signal to be transmitted and received, and a frequency used as the ultrasonic transducer 1 Signal line 5 of each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f
And a matching circuit unit 6 for converting the wiring to adjust the polarity and amplifying the transmitted and received electric signals, and a case for transmitting and receiving electric signals such as a power supply, a control signal, FM, and PCW to and from an external device (not shown). And a mounting bracket 8 for connecting and holding the matching circuit 6, the frame 2, and the cable 7. Note that 6
It is also possible to arrange a plurality of piezoelectric vibrators 1a to 1f stacked in layers in parallel to control the directivity of ultrasonic transmission and reception. Further, as shown in a second embodiment described later, in the matching circuit section 6, instead of converting the wiring of the signal line 5, a predetermined delay can be given to the signal line 5.

【0041】(2)圧電振動子の構成 本実施例の、超音波送受波器1に使用した積層型圧電振
動子の構成を、以下で示す。図7は、前述の式(1)〜
式(3)により求めた、積層型圧電振動子の構造と、そ
の特性(圧電振動子の層数と、使用周波数と、最低受波
音圧レベルとの関係)の一例を示した、圧電振動子の特
性図である。本実施例では、各圧電振動子の材料にPZ
Tセラミックを用い、音を放射する面積は10mm×1
0mmの正方形で、積層型圧電振動子の厚みが22mm
になるように、圧電振動子6枚で積層型圧電振動子を形
成したものを用いた。
(2) Configuration of Piezoelectric Vibrator The configuration of the laminated piezoelectric vibrator used in the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment will be described below. FIG. 7 shows the above-mentioned equations (1) to
A piezoelectric vibrator showing an example of the structure of the laminated piezoelectric vibrator and its characteristics (relationship between the number of layers of the piezoelectric vibrator, the operating frequency, and the lowest received sound pressure level) obtained by equation (3). FIG. In this embodiment, the material of each piezoelectric vibrator is PZ
The area that radiates sound is 10mm x 1 using T ceramic.
0 mm square, the thickness of the laminated piezoelectric vibrator is 22 mm
In this case, a laminated piezoelectric vibrator formed of six piezoelectric vibrators was used.

【0042】より具体的には、図7は、この圧電振動子
の、積層枚数を変化させたときの最小受波音圧レベルの
計算値を示したものであり、グラフの細い実線は、プリ
アンプ雑音である式(1)のANの値を、破線は圧電振
動子熱雑音である式(2)のSNの値を示している。計
算結果より、本実施例の超音波送受波器1を受波器とし
てのみ使うものであれば、n=3(積層枚数3枚)の
時、式(3)の関係を満たす最適枚数となる。しかし、
一般に最小受波音圧レベルNLは、超音波送受波器1の
使用目的や環境により、システム的に決定されるもので
ある。例えば、本実施例のように、超音波送受波器1
が、100kHz以下で使用されるものであれば、必要
とする最小受波音圧レベルが30dB以下なら、海中雑
音より小さくなるので、超音波送受波器1の使用目的を
達することが出来る。
More specifically, FIG. 7 shows the calculated value of the minimum received sound pressure level when the number of stacked piezoelectric vibrators is changed. The thin solid line in the graph indicates the preamplifier noise. the value of a N of the formula (1) is, a broken line indicates a value of S N of the formula (2) is a piezoelectric vibrator thermal noise. From the calculation results, if the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment is used only as a receiver, the optimum number that satisfies the relationship of Expression (3) is obtained when n = 3 (three sheets). . But,
Generally, the minimum received sound pressure level N L is systematically determined depending on the purpose of use and environment of the ultrasonic transducer 1. For example, as in the present embodiment, the ultrasonic transducer 1
However, if it is used at a frequency of 100 kHz or less, if the required minimum received sound pressure level is 30 dB or less, it becomes smaller than underwater noise, and the intended use of the ultrasonic transducer 1 can be achieved.

【0043】すなわち、n=3(積層枚数3枚)では、
ノイズマージンが6dB程余裕があるため、更に多層に
積層し、電気的インピ−ダンスを下げることができる。
従って、計算結果より最適枚数はn=6(積層枚数6
枚)と選定した。以上のように、超音波送受波器が使用
される環境(大きさ、周波数帯域、音圧レベル)が定ま
れば、前述のような関係式により、通信システムとして
最適なインピーダンスを有し、かつ、所望の電気−機械
変換効率を有する積層型圧電振動子が、容易に選択でき
るので、小型で特性の優れた超音波送受波器が実現でき
る。
That is, when n = 3 (three sheets),
Since the noise margin is as large as about 6 dB, the electrical impedance can be reduced by further laminating the layers.
Therefore, from the calculation result, the optimum number is n = 6 (the number of stacked layers is 6).
Sheets). As described above, if the environment (size, frequency band, sound pressure level) in which the ultrasonic transducer is used is determined, the relationship as described above has the optimum impedance as a communication system, and Since a laminated piezoelectric vibrator having a desired electro-mechanical conversion efficiency can be easily selected, a compact ultrasonic transducer having excellent characteristics can be realized.

【0044】(3)送受波動作 以下では、図1で示した、本実施例の超音波送受波器1
の、送波および受波動作について図面を用いて詳細に説
明する。図2は、本実施例の超音波送受波器1の、詳細
な構成を示すブロック構成図である。超音波送受波器1
は、圧電振動子1a〜1fと、電極51a〜51gを交
互に重ねて6層に積層した圧電振動子1Aと、各圧電振
動子1a〜1fに接触した電極51a〜51gと接続さ
れ、各圧電振動子1a〜1fと送受電気信号を伝送する
信号線5a〜5gと、さらに、超音波送受波器1として
使用する周波数により、各圧電振動子1a〜1fの信号
線5a〜5gの配線を変換する、接点11a〜11gお
よび接点111〜118から成るスイッチング回路11
および、送受電気信号を増幅する送信アンプ12と受信
アンプ13とを、少なくとも有した整合回路部6、電
源、制御信号、FM、PCW等の送受電気信号を図示し
ない外部の装置との間で伝送するケ−ブル7とで構成さ
れる。なお、同図において、バッキング3は、電極51
gと接触して、音波を反射するものであり、また、音波
は、電極51aから、図1で示した音響窓4を介して送
受波されるものである。
(3) Transmitting and Receiving Operation In the following, the ultrasonic transducer 1 of this embodiment shown in FIG.
The transmitting and receiving operations will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the ultrasonic transducer 1 according to the present embodiment. Ultrasonic transducer 1
Are connected to a piezoelectric vibrator 1A in which piezoelectric vibrators 1a to 1f, electrodes 51a to 51g are alternately stacked and laminated in six layers, and electrodes 51a to 51g that are in contact with each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f. The wires of the signal lines 5a to 5g of each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f are converted according to the transducers 1a to 1f, the signal lines 5a to 5g for transmitting the transmission and reception electric signals, and the frequency used as the ultrasonic transducer 1. Switching circuit 11 comprising contacts 11a to 11g and contacts 111 to 118
The transmission amplifier 12 and the reception amplifier 13 for amplifying the transmission and reception electric signals are transmitted at least to the matching circuit unit 6 and the transmission and reception electric signals such as the power supply, the control signal, the FM, and the PCW to and from an external device (not shown). Cable 7. Note that, in FIG.
g, and reflects the sound wave. The sound wave is transmitted and received from the electrode 51a through the acoustic window 4 shown in FIG.

【0045】送波の場合、先ずFM、PCW等の送信電
気信号がケ−ブル7を伝わって整合回路部6へ伝送され
る。伝送された電気信号はパワ−アンプ12により増幅
され、周波数により変化するスイッチング回路11を通
過し、圧電セラミック等の各圧電振動子1a〜1fへ伝
送される。各圧電振動子1a〜1fでは、電気−機械変
換を行い、機械変換後の振動を電極51aへ伝え、音響
窓から超音波を送波する。なお、バッキング3は後方へ
伝わる振動を前方へ反射させ、高効率送波を可能とする
ものである。より詳細には、スイチッング回路11は、
各振動モ−ドにより、圧電振動子1a〜1fの電気極性
を、伸長部分と収縮部分で反転するように結線する。例
えば、基本振動モードの場合には、図5(A)で示した
ように、各圧電振動子1aから1fは、伸長部分である
ので、図6(A)で示したように、同一の極性であるこ
とが望ましく、それぞれの接点は、接点11aと接点1
12、接点11bと接点113、接点11cと接点11
4、接点11dと接点115、接点11eと接点11
6、接点11fと接点117、接点11gと接点118
とを接続する。また、2次振動モードの場合には、図5
(B)で示したように、各圧電振動子1a〜1fは、伸
長部分と収縮部分があるので、図6(C)で示したよう
に、伸長部分と収縮部分で反転するように、それぞれの
接点は、接点11aと接点112、接点11bと接点1
13、接点11cと接点114とを接続し、さらに、接
点11dと接点114、接点11eと接点115、接点
11fと接点116、接点11gと接点117とに接続
する。なお、本実施例では、アンプ12およびアンプ1
3を、スイチッング回路11とケーブル7との間に設け
たが、スイチッング回路11と積層された圧電振動子1
Aとの間に、各圧電振動子1a〜1fごとに配置しても
良い。さらに、整合回路部6に、スイッチ切替え機構を
設け、ケーブル7から送信される制御信号に、振動モー
ド通知信号を付加して、これにより、外部の装置から切
替える構成とすることもできる。
In the case of wave transmission, first, transmission electric signals such as FM and PCW are transmitted to the matching circuit unit 6 through the cable 7. The transmitted electric signal is amplified by a power amplifier 12, passes through a switching circuit 11 that changes with frequency, and is transmitted to each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f such as a piezoelectric ceramic. Each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f performs an electro-mechanical conversion, transmits the vibration after the mechanical conversion to the electrode 51a, and transmits an ultrasonic wave from the acoustic window. In addition, the backing 3 reflects the vibration transmitted to the back to the front, and enables high-efficiency wave transmission. More specifically, the switching circuit 11
In each vibration mode, the electrical polarity of the piezoelectric vibrators 1a to 1f is connected so as to be inverted between the extended portion and the contracted portion. For example, in the case of the basic vibration mode, the piezoelectric vibrators 1a to 1f are extended portions as shown in FIG. 5A, and therefore have the same polarity as shown in FIG. 6A. Preferably, each contact is a contact 11a and a contact 1
12, contact 11b and contact 113, contact 11c and contact 11
4. Contact 11d and contact 115, contact 11e and contact 11
6, contact 11f and contact 117, contact 11g and contact 118
And connect. In the case of the secondary vibration mode, FIG.
As shown in FIG. 6B, each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f has an extended portion and a contracted portion. Therefore, as shown in FIG. Are contact 11a and contact 112, contact 11b and contact 1
13, the contact 11c and the contact 114 are connected, and further, the contact 11d and the contact 114, the contact 11e and the contact 115, the contact 11f and the contact 116, and the contact 11g and the contact 117 are connected. In this embodiment, the amplifier 12 and the amplifier 1
3 is provided between the switching circuit 11 and the cable 7, but the piezoelectric vibrator 1 laminated with the switching circuit 11
A may be arranged for each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f. Further, a switch switching mechanism may be provided in the matching circuit unit 6 and a vibration mode notification signal may be added to a control signal transmitted from the cable 7, thereby switching from an external device.

【0046】受波の場合は、送波の場合と逆の動作とな
り、音響窓4を通過した音は、電極51aを通過し、各
圧電振動子1a〜1fへ伝わる。各圧電振動子1a〜1
fは、音響信号を機械−電気変換し、電気信号としてス
イチッング回路11へ伝送される。なお、各振動モ−ド
による圧電振動子1a〜1fの電気極性、すなわち、そ
れぞれの接点の接続は、送波の場合と同じである。受信
の電気信号はアンプ13にて増幅されケ−ブル7により
受信信号として伝送される。ここで、バッキング3は、
送波と同様の機能を果たす。
In the case of receiving waves, the operation is the reverse of the case of transmitting waves, and the sound that has passed through the acoustic window 4 passes through the electrode 51a and is transmitted to each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f. Each of the piezoelectric vibrators 1a to 1
f converts the acoustic signal into a mechanical-electrical signal, and is transmitted to the switching circuit 11 as an electric signal. The electric polarity of the piezoelectric vibrators 1a to 1f in each vibration mode, that is, the connection of the respective contacts is the same as in the case of the wave transmission. The received electric signal is amplified by the amplifier 13 and transmitted by the cable 7 as a received signal. Here, backing 3 is
It performs the same function as transmitting waves.

【0047】上述のように、本発明の超音波送受波器に
よれば、多層に積層した圧電振動子に入出力する各電気
信号の極性を切替えるだけで、1つの多層圧電振動子を
設ければ、基本振動モードから高次の振動モードに至る
までの、複数の周波数の超音波を送受波できる超音波送
受波器が実現でき、しかも、全ての圧電振動子の電気−
機械変換動作を利用できるので、効率の良い超音波送受
波器が実現できる。すなわち、本発明によれば、小型で
複数の周波数に対応可能な、高効率の超音波送受波器が
実現できるものである。さらに、簡単な計算式から、電
気信号の送受信を実施するに適当な、アンプ等の汎用通
信機器の入出力インピーダンスにマッチするインピーダ
ンスを有する、積層圧電振動子の構成を決めることがで
きるので、積層圧電振動子等の超音波送受波器の設計が
容易であり、電気信号を処理するスイッチやアンプ等に
汎用通信機器を使用でき、小型で経済的な超音波送受波
器が実現できるものである。
As described above, according to the ultrasonic transducer of the present invention, one multilayer piezoelectric vibrator can be provided only by switching the polarity of each electric signal input / output to the piezoelectric vibrators stacked in multiple layers. For example, an ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving ultrasonic waves of a plurality of frequencies from a fundamental vibration mode to a higher-order vibration mode can be realized.
Since the mechanical conversion operation can be used, an efficient ultrasonic transducer can be realized. That is, according to the present invention, it is possible to realize a high-efficiency ultrasonic transducer that is small and can handle a plurality of frequencies. Furthermore, from a simple calculation formula, it is possible to determine the configuration of the laminated piezoelectric vibrator having an impedance that matches the input / output impedance of a general-purpose communication device such as an amplifier, which is suitable for transmitting and receiving an electric signal. An ultrasonic transducer such as a piezoelectric vibrator can be easily designed, a general-purpose communication device can be used for a switch or an amplifier for processing an electric signal, and a compact and economical ultrasonic transducer can be realized. .

【0048】<実施例2>本実施例では、多層積層圧電
振動子の各圧電振動子に取付けた、電気信号送受信用の
信号線の、遅延量を調整することにより、高効率な電気
−機械変換を実施し、かつ、アンプ等の機器とインピー
ダンスを最適にした、超音波送受波器の他の構成例を示
す。
<Embodiment 2> In this embodiment, a highly efficient electro-mechanical device is provided by adjusting the amount of delay of a signal line for transmitting and receiving electric signals attached to each piezoelectric vibrator of a multilayer laminated piezoelectric vibrator. Another configuration example of an ultrasonic transducer that performs conversion and optimizes impedance with equipment such as an amplifier is shown.

【0049】図3は、超音波送受波器1の詳細な構成を
示すブロック構成図である。本実施例は、実施例1で示
した超音波送受波器1が、スイッチング回路11で、各
電気信号の極性を調整したものであったのに対し、スイ
ッチング回路11の代わりに、遅延量の異なる複数の遅
延素子を設け、各電気信号をこれらの遅延素子を通過さ
せることにより、各電気信号の遅延量を調整して、高効
率の電気−機械変換を実施するものである。具体的に
は、本実施例では、0°(遅延無し)、90°(1/4
相遅延)、180°(逆相遅延)、270°(3/4相
遅延)の4種類の遅延素子14a、14b、14c、1
4dを、整合回路部6に設けた。もちろん、0°の遅延
素子14aは、スルーであり、不要な構成とすることも
できる。各遅延素子14a〜14dは、ぞれぞれ、各信
号線5a〜5gの整合回路部6側の端子である、接点1
1a〜11gと接続するための端子14a1〜14a7
と、14b1〜14b7と、14c1〜14c7と、1
4d1〜14d7を設け、各々の振動モ−ドに応じて、
接点11a〜11gと、これらの端子とを接続すること
で、各圧電振動子との電気信号の送受信を行う構成とし
た。
FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of the ultrasonic transducer 1. In the present embodiment, the ultrasonic transducer 1 according to the first embodiment has a switching circuit 11 in which the polarity of each electric signal is adjusted. By providing a plurality of different delay elements and passing each electric signal through these delay elements, the amount of delay of each electric signal is adjusted, and highly efficient electro-mechanical conversion is performed. Specifically, in the present embodiment, 0 ° (no delay), 90 ° (1 /)
Phase delay), 180 ° (reverse phase delay), 270 ° (3/4 phase delay), four types of delay elements 14a, 14b, 14c, 1
4d is provided in the matching circuit section 6. Of course, the 0 ° delay element 14a is a through element, and may have an unnecessary configuration. Each of the delay elements 14a to 14d is a contact 1 which is a terminal on the matching circuit unit 6 side of each of the signal lines 5a to 5g.
Terminals 14a1 to 14a7 for connecting to 1a to 11g
, 14b1 to 14b7, 14c1 to 14c7, and 1
4d1 to 14d7 are provided, and according to each vibration mode,
By connecting the contacts 11a to 11g and these terminals, transmission and reception of electric signals with each piezoelectric vibrator are performed.

【0050】もちろん、これらの端子の数は、圧電振動
子の層数や、超音波送受波器の使用される状況に対応し
て増減されるものである。なお、本実施例の圧電振動子
や、電極、アンプ等の構成は、実施例1で示した超音波
送受波器のものと、同一のものを使用した。
Of course, the number of these terminals is increased or decreased according to the number of layers of the piezoelectric vibrator or the situation where the ultrasonic transducer is used. The configuration of the piezoelectric vibrator, the electrodes, the amplifier, and the like of the present embodiment was the same as that of the ultrasonic transducer shown in the first embodiment.

【0051】本実施例において、基本振動モードの場合
には、図5(A)で示したように、各圧電振動子1a〜
1fは、伸長部分であるので、図6(A)で示したよう
に、同一の極性であることが望ましく、すなわち、各信
号毎に遅延量を調整する必要がないので、それぞれの接
点は、接点11aと端子14a1、接点11bと端子1
4a2、接点11cと端子14a3、接点11dと端子
14a4、接点11eと端子14a5、接点11fと端
子14a6、接点11gと端子14a7とを接続し、全
ての信号を、遅延無しとして、遅延素子14aに接続す
る。
In the present embodiment, in the case of the basic vibration mode, as shown in FIG.
Since 1f is an extended portion, it is desirable that it has the same polarity as shown in FIG. 6A. That is, since it is not necessary to adjust the amount of delay for each signal, each contact is Contact 11a and terminal 14a1, contact 11b and terminal 1
4a2, the contact 11c and the terminal 14a3, the contact 11d and the terminal 14a4, the contact 11e and the terminal 14a5, the contact 11f and the terminal 14a6, the contact 11g and the terminal 14a7, and all signals are connected to the delay element 14a without delay. I do.

【0052】また、2次振動モードの場合には、図5
(B)で示したように、各圧電振動子1a〜1fは、伸
長部分と収縮部分があるので、図6(C)で示したよう
な、伸長部分と収縮部分で反転する箇所の信号を、遅延
により同相にそろえるように、それぞれの接点は、接点
11a、接点11b、接点11c、接点11dとを、遅
延素子14aの端子14a1〜14a7に接続し、さら
に、接点11e、接点11f、接点11gとを、180
°信号を遅延させる遅延素子14cの端子14c1〜1
4c7に接続する。
In the case of the secondary vibration mode, FIG.
As shown in FIG. 6B, since each of the piezoelectric vibrators 1a to 1f has an extended portion and a contracted portion, a signal of a portion which is inverted between the extended portion and the contracted portion as shown in FIG. Each of the contacts connects the contacts 11a, 11b, 11c, and 11d to the terminals 14a1 to 14a7 of the delay element 14a so as to be in phase with the delay, and further, contacts 11e, 11f, and 11g. And 180
° Terminals 14c1-1 of delay element 14c for delaying a signal
4c7.

【0053】なお、本実施例でも、アンプ12およびア
ンプ13を、各遅延素子14a〜14dとケーブル7と
の間に設けたが、実施例1と同様に各遅延素子14a〜
14dと圧電振動子1Aの間に各圧電振動子毎に配置し
ても良い。さらに、整合回路部6に、信号線の接点と遅
延素子の端子との、接続の切替え機構を設け、ケーブル
7から送信される制御信号に、振動モード通知信号を付
加して、これにより、外部の装置から切替える構成とす
ることもできる。なお、各遅延素子としては、積層圧電
振動子1Aのインピーダンスが汎用通信機器のインピー
ダンスとマッチするよう調整されているので、これも同
様に市販のコイル等で構成された遅延素子を使用した。
In this embodiment, the amplifiers 12 and 13 are provided between the delay elements 14a to 14d and the cable 7, but the delay elements 14a to 14d are provided in the same manner as in the first embodiment.
A piezoelectric vibrator 1A may be disposed between the piezoelectric vibrator 14d and the piezoelectric vibrator 1A. Further, the matching circuit unit 6 is provided with a switching mechanism for connection between the contact of the signal line and the terminal of the delay element, and a vibration mode notification signal is added to the control signal transmitted from the cable 7 to thereby control the external device. It is also possible to adopt a configuration in which switching is performed from the device of (1). Since the impedance of the laminated piezoelectric vibrator 1A is adjusted to match the impedance of the general-purpose communication device, a delay element composed of a commercially available coil or the like is used as each delay element.

【0054】図4も、本発明による、超音波送受波器の
別の実施例の詳細な構成を示すブロック構成図である。
本実施例は、上述した超音波送受波器が、固定遅延を有
する、複数の遅延素子を選択して、各圧電振動子に接続
される信号線における、電気信号の遅延量を調整したも
のであるのに対し、各信号線に可変の遅延量を設定でき
る遅延素子を設け、各振動モ−ドに応じて、積層圧電振
動子の各圧電振動子に入出力する電気信号の遅延量を細
かく調整して、さらに、電気−機械変換効率の向上を図
ったものである。より詳細には、整合回路部6に、上述
の実施例における4種類の遅延素子14a、14b、1
4c、14dの代わりに、各信号線5a〜5gのそれぞ
れに、遅延量を可変できる、あるいは、複数の遅延量が
異なる入出力端子を有する可変遅延素子141〜147
を設け、各振動モ−ドに応じて、入出力の遅延量を選択
するようにした。本実施例においても、遅延量を外部か
ら設定切替えできる構成としたり、市販の可変遅延素子
を使用する点は、前述した実施例と同様である。
FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of another embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention.
In the present embodiment, the above-described ultrasonic transducer has a fixed delay, selects a plurality of delay elements, and adjusts a delay amount of an electric signal in a signal line connected to each piezoelectric vibrator. On the other hand, a delay element capable of setting a variable delay amount is provided for each signal line, and the delay amount of an electric signal input / output to / from each piezoelectric vibrator of the laminated piezoelectric vibrator is finely adjusted according to each vibration mode. The adjustment is performed to further improve the electro-mechanical conversion efficiency. More specifically, the four kinds of delay elements 14a, 14b, 1
In place of 4c and 14d, variable delay elements 141 to 147 each having a variable delay amount or a plurality of input / output terminals having different delay amounts are provided in each of signal lines 5a to 5g.
The delay amount of input / output is selected according to each vibration mode. This embodiment is also similar to the above-described embodiment in that the delay amount can be set and switched externally, and a commercially available variable delay element is used.

【0055】本実施例の超音波送受波器によれば、実施
例1の各電気信号の極性を切替えるものより、さらに細
かく、各電気信号の位相を調整できるので、1つの多層
圧電振動子を設ければ、基本振動モードから高次の振動
モードに至るまでの、複数の周波数の超音波を、さらに
高効率で送受波できる超音波送受波器が実現できる。特
に、可変遅延素子を使用する超音波送受波器は、精密な
位相調整が可能なものであり、以下の実施例で示すよう
な、音響マッチングのための整合層も備え、複雑な振動
をする超音波送受波器に有効である。
According to the ultrasonic transducer of the present embodiment, the phase of each electric signal can be adjusted more finely than that of the first embodiment in which the polarity of each electric signal is switched. If provided, an ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving ultrasonic waves of a plurality of frequencies from the fundamental vibration mode to higher-order vibration modes with higher efficiency can be realized. In particular, an ultrasonic transducer using a variable delay element is capable of precise phase adjustment, and also has a matching layer for acoustic matching, as shown in the following example, and performs complex vibration. Effective for ultrasonic transducers.

【0056】<実施例3>本実施例では、実際に超音波
を伝達する水や空気のような、伝達媒体と圧電振動子と
の間で、音波を伝達しやすくするために、音響マッチン
グのための整合層を付加した超音波送受波器の構成を示
す。ここで、整合層は、圧電振動子と媒体との音響マッ
チングを行うものであり、図1の超音波送受波器の構成
であれば、音響窓4と圧電振動子1aとの間に装着され
るものである。整合層の材料としては、一般に、エポキ
シ系樹脂等にガラスや比重の重い金属等を混入し音響イ
ンピ−ダンスを変化させたものを適用している。このよ
うな整合層を使用するなら、電気信号の配線は、図2で
示したように、各圧電振動子部分のみとなる。
<Embodiment 3> In this embodiment, in order to facilitate transmission of sound waves between a transmission medium such as water or air which actually transmits ultrasonic waves and a piezoelectric vibrator, acoustic matching is performed. The configuration of an ultrasonic transducer with a matching layer added for this purpose. Here, the matching layer is for performing acoustic matching between the piezoelectric vibrator and the medium, and is provided between the acoustic window 4 and the piezoelectric vibrator 1a in the case of the ultrasonic transducer of FIG. Things. As the material of the matching layer, generally, a material in which glass or a metal having a high specific gravity is mixed into an epoxy resin or the like to change the acoustic impedance is applied. If such a matching layer is used, wiring of electric signals is limited to each piezoelectric vibrator portion as shown in FIG.

【0057】また、本発明のように、例えば、圧電振動
子として圧電セラミックを使用し、さらに、整合層を、
この圧電セラミックに気孔を入れて音響インピーダンス
を調整した材料で構成すれば、整合層からも信号線を配
線することができる。いずれにしても、整合層の装着に
より、振動モードによっては、振動状態が複雑になるの
で、実施例1および実施例2で示した、本発明の超音波
送受波器の構成が、本実施例において、さらに効果的に
なる。
Further, as in the present invention, for example, a piezoelectric ceramic is used as a piezoelectric vibrator, and a matching layer is further provided.
If the piezoelectric ceramic is made of a material in which pores are inserted and acoustic impedance is adjusted, a signal line can be wired from the matching layer. In any case, the mounting of the matching layer complicates the vibration state depending on the vibration mode. Therefore, the configuration of the ultrasonic transducer of the present invention shown in the first and second embodiments is different from that of the present embodiment. , It becomes more effective.

【0058】図8は、整合層を圧電振動子に装着した構
成の積層圧電振動子の構造と振動モ−ドとの関係を示し
た要部説明図である。本実施例は、圧電振動子として、
前述の実施例と同じ6層の1a〜1fを使用し、圧電振
動子と同じPZTセラミックに、気孔を入れて音響イン
ピーダンスを調整した、厚さ約3mmの整合層M1とM
2を、圧電振動子1aと音響窓4の間に装着したもので
ある。また、整合層M1とM2は、圧電振動子としても
使用できるので、本図においては図示してないが、図1
〜図3で示した超音波送受波器と同様に、整合層M1と
M2にも電極が接続され、信号線が、電極と整合回路部
との間を接続して、電気信号を入出力し、電気−機械変
換により、整合層M1とM2も、音波の送受波を実施す
る構成である。なお、同図に示した、各振動モードにお
ける圧電振動子と整合層の振動状態は、メイソンの等価
回路から等価回路の解析手法を用いて求めた結果を示し
たものである。
FIG. 8 is an explanatory view of a main part showing the relationship between the structure of a laminated piezoelectric vibrator having a structure in which a matching layer is mounted on the piezoelectric vibrator and the vibration mode. In the present embodiment, as the piezoelectric vibrator,
The matching layers M1 and M having a thickness of about 3 mm were prepared by using the same six layers 1a to 1f as in the above-described embodiment, and adjusting the acoustic impedance by inserting pores in the same PZT ceramic as the piezoelectric vibrator.
2 is mounted between the piezoelectric vibrator 1 a and the acoustic window 4. Further, since the matching layers M1 and M2 can also be used as a piezoelectric vibrator, they are not shown in FIG.
3, the electrodes are also connected to the matching layers M1 and M2, and the signal lines connect between the electrodes and the matching circuit section to input and output electric signals. The matching layers M1 and M2 are also configured to transmit and receive sound waves by electro-mechanical conversion. Note that the vibration states of the piezoelectric vibrator and the matching layer in each vibration mode shown in the figure show the results obtained from Mason's equivalent circuit using an equivalent circuit analysis method.

【0059】本実施例の場合、図8(A)で示す基本振
動モ−ドでは、各整合層及び圧電振動子は同相に振動し
ていため、各電気信号の極性を同相で配線する、もしく
は、同じ遅延量を設定すれば良い。
In the case of this embodiment, in the basic vibration mode shown in FIG. 8A, since the matching layers and the piezoelectric vibrators vibrate in the same phase, the polarities of the electric signals are wired in the same phase. The same delay amount may be set.

【0060】また、図8(B)で示す2次振動モ−ドで
は、振動の節(●印)は2箇所であるが、前述の実施例
のような、圧電振動子だけの場合と、振動の状態が変わ
り、整合層M1とM2の部分と、その他の圧電振動子の
部分は逆相に振動する。従って、整合層M1とM2の部
分と圧電振動子の部分とで、電気信号の極性を反対に配
線する、もしくは、いずれかの信号を180°遅延させ
れば良い。さらに、圧電振動子だけの場合と、節の位置
がずれてる分だけ、各信号線に設けた可変遅延素子の遅
延量を調整して、各信号の位相を合わせるようにすれ
ば、より高効率な電気−機械変換が実施できる。
Further, in the secondary vibration mode shown in FIG. 8B, there are two vibration nodes (marked by ●), but in the case of only the piezoelectric vibrator as in the above-described embodiment, The state of vibration changes, and the portions of the matching layers M1 and M2 and the other portions of the piezoelectric vibrator vibrate in opposite phases. Therefore, the polarity of the electric signal may be reversed between the portions of the matching layers M1 and M2 and the portion of the piezoelectric vibrator, or one of the signals may be delayed by 180 °. Furthermore, if the phase of each signal is adjusted by adjusting the amount of delay of the variable delay element provided on each signal line by the amount that the position of the node is shifted, compared with the case of only the piezoelectric vibrator, higher efficiency can be achieved. Electrical-mechanical conversion can be performed.

【0061】図8(C)で示す3次振動モ−ドでは、振
動の節(●印)は3箇所あり、整合層M2および圧電振
動子の一部分1a、1bと、その他の部分である、整合
層M1および圧電振動子1c〜1fは逆相に振動する。
従って、整合層M2および圧電振動子の一部分1a、1
bの電気信号と、整合層M1および圧電振動子1c〜1
fの電気信号の極性を反対に配線する、もしくは、いず
れかの信号を180°遅延させれば良い。さらに、2次
振動モ−ドと同様に、圧電振動子だけの場合と、節の位
置がずれてる分だけ、各信号線に設けた可変遅延素子の
遅延量を調整して、各信号の位相を合わせるようにすれ
ば、より高効率な電気−機械変換が実施できる。
In the tertiary vibration mode shown in FIG. 8C, there are three vibration nodes (marked by ●), the matching layer M2, the parts 1a and 1b of the piezoelectric vibrator, and the other parts. The matching layer M1 and the piezoelectric vibrators 1c to 1f vibrate in opposite phases.
Therefore, the matching layer M2 and the portions 1a, 1a,
b, the matching layer M1, and the piezoelectric vibrators 1c to 1c
It is sufficient to wire the electrical signal f in the opposite polarity or to delay any signal by 180 °. Further, as in the case of the secondary vibration mode, the delay amount of the variable delay element provided on each signal line is adjusted by the amount by which the position of the node is shifted, and the phase of each signal is changed. , A more efficient electro-mechanical conversion can be performed.

【0062】本発明のように、例えば、圧電振動子とし
てチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックから成る圧
電材を使用し、さらに、整合層として、このような圧電
セラミックに気孔を入れた音響インピーダンスを調整し
た材料を使用すれば、整合層からも信号線を配線するこ
とができ、しかも、整合層を装着したことにより、振動
の状態が複雑になっても、電気信号の極性や遅延量の調
整ができるので、電気−機械変換効率の良い、超音波送
受波器が実現できる。
As in the present invention, for example, a piezoelectric material made of a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate is used as a piezoelectric vibrator, and an acoustic impedance in which pores are formed in such a piezoelectric ceramic is used as a matching layer. By using a material that has been adjusted to the above, signal lines can be routed from the matching layer, and even if the vibration state becomes complicated due to the mounting of the matching layer, the polarity of the electric signal and the amount of delay can be reduced. Since the adjustment can be performed, an ultrasonic transducer having good electro-mechanical conversion efficiency can be realized.

【0063】<実施例4>以上の実施例では、圧電振動
子として、直方体の圧電振動子を多層に積層する構成の
ものを使用したが、本発明による、各圧電振動子と送受
波する電気信号の極性や遅延量を調整し、基本振動モー
ドから高次の振動モードに至るまでの、複数の周波数の
超音波を、高効率で送受波する小型の超音波送受波器に
おいて、圧電振動子の構成が、直方体の圧電振動子に限
定されるものではない。
<Embodiment 4> In the above embodiments, a piezoelectric vibrator having a configuration in which rectangular parallelepiped piezoelectric vibrators are stacked in multiple layers is used. A piezoelectric vibrator in a small ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves of multiple frequencies from the fundamental vibration mode to higher-order vibration modes by adjusting the polarity and delay amount of the signal. Is not limited to a rectangular parallelepiped piezoelectric vibrator.

【0064】図9は、本発明の超音波送受波器の、別の
実施例の構成を示すブロック構成図である。本実施例で
は、円筒型の圧電振動子15を多層に積層し、各振動子
から信号線を出したものである。円筒型の圧電振動子1
5の場合、円筒及び高さ方向の振動モ−ドも発生するた
め、厚み方向の振動モ−ドのみを使用できるように、同
図で示したように、圧電振動子15に細かいスリット1
5aを入れて、超音波送受波器を構成した。
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of another embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention. In this embodiment, cylindrical piezoelectric vibrators 15 are stacked in multiple layers, and signal lines are output from the respective vibrators. Cylindrical piezoelectric vibrator 1
In the case of No. 5, since a vibration mode in the cylinder and in the height direction is also generated, a fine slit 1 is formed in the piezoelectric vibrator 15 as shown in FIG.
5a was inserted to construct an ultrasonic transducer.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明により所
期の目的を達成することができた。すなわち、汎用通信
機器の入出力インピーダンスにマッチするインピーダン
スを有する、多層に積層した圧電振動子を容易に構成で
き、この圧電振動子に入出力する、各電気信号の極性を
切替えたり、遅延量を調整するだけで、1つの多層圧電
振動子を設ければ、基本振動モードから高次の振動モー
ドに至るまでの、複数の周波数の超音波を送受波でき
る、電気−機械変換の高い超音波送受波器が実現でき
る。さらに、電気信号を処理するスイッチやアンプ等に
汎用通信機器を使用でき、小型で経済的な超音波送受波
器が実現できるものである。
As has been described in detail above, the intended object has been achieved by the present invention. In other words, it is possible to easily configure a multi-layer laminated piezoelectric vibrator having an impedance that matches the input / output impedance of a general-purpose communication device, switch the polarity of each electric signal input / output to / from this piezoelectric vibrator, and reduce the amount of delay. Just by adjusting, if one multi-layer piezoelectric vibrator is provided, it is possible to transmit and receive ultrasonic waves of multiple frequencies from the fundamental vibration mode to higher-order vibration modes. A wave device can be realized. Further, a general-purpose communication device can be used for a switch or an amplifier for processing an electric signal, and a compact and economical ultrasonic transducer can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例となる超音波送受波器の要部
断面図。
FIG. 1 is a sectional view of an essential part of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.

【図2】同じく、超音波送受波器のブロック構成図。FIG. 2 is a block diagram of the ultrasonic transducer.

【図3】同じく、他の実施例となる超音波送受波器のブ
ロック構成図。
FIG. 3 is a block diagram of an ultrasonic transducer according to another embodiment.

【図4】同じく、さらに異なる実施例となる超音波送受
波器のブロック構成図。
FIG. 4 is a block diagram of an ultrasonic transducer according to still another embodiment.

【図5】多層圧電振動子の振動状態を示すモデル図。FIG. 5 is a model diagram showing a vibration state of a multilayer piezoelectric vibrator.

【図6】多層圧電振動子の信号配線と、振動状態との関
係を示すモデル図。
FIG. 6 is a model diagram showing a relationship between signal wiring of a multilayer piezoelectric vibrator and a vibration state.

【図7】本発明による、超音波送受波器の圧電振動子の
特性図。
FIG. 7 is a characteristic diagram of the piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer according to the present invention.

【図8】同じく、整合層付多層圧電振動子の振動状態を
示すモデル図。
FIG. 8 is a model diagram showing a vibration state of the multilayer piezoelectric vibrator with a matching layer.

【図9】同じく、他の実施例となる超音波送受波器のブ
ロック構成図。
FIG. 9 is a block diagram of an ultrasonic transducer according to another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…超音波送受波器、 1a、1b、1c、1d、1e、1f…圧電振動子、 1A…多層圧電振動子、 2…フレ−ム、 3…バッキング、 4…音響窓、 5…信号線、 6…整合回路部、 7…ケ−ブル、 8…取付け金具、 11…スイッチング回路、 12、13…アンプ、 14a、14b、14c、14d…遅延素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic transducer 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f ... Piezoelectric vibrator, 1A ... Multilayer piezoelectric vibrator, 2 ... Frame, 3 ... Backing, 4 ... Acoustic window, 5 ... Signal line Reference numeral 6: Matching circuit section 7: Cable 8: Mounting bracket 11: Switching circuit 12, 13: Amplifier 14a, 14b, 14c, 14d: Delay element

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電気信号を駆動信号として圧電振動子へ入
力し、前記圧電振動子が電気−機械変換を行うことで、
超音波を発生させる超音波送波器、及び、超音波を駆動
信号として圧電振動子へ入力し、前記圧電振動子が機械
−電気変換を行うことで、電気信号を発生させる超音波
受波器であって、前記圧電振動子として、複数個の圧電
振動子材を多層に積層した多層圧電振動子を使用する超
音波送受波器において、前記複数個の圧電振動子材に電
気信号を入出力する信号伝達手段と、前記電気信号の位
相を調整する位相制御手段とを備え、前記位相制御手段
は、前記信号伝達手段の入出力信号の極性を切替える配
線切替手段で構成され、前記複数個の圧電振動子材に入
出力する、それぞれの電気信号の極性を、前記切替手段
で切り替え、位相調整した電気信号を、音波に変換し得
るように構成して成る超音波送受波器。
An electric signal is input to a piezoelectric vibrator as a drive signal, and the piezoelectric vibrator performs an electro-mechanical conversion.
An ultrasonic wave transmitter for generating an ultrasonic wave, and an ultrasonic wave receiver for inputting an ultrasonic wave as a drive signal to a piezoelectric vibrator and performing an electromechanical conversion by the piezoelectric vibrator to generate an electric signal An ultrasonic transducer using a multi-layer piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrator materials are laminated in a multilayer as the piezoelectric vibrator, wherein an electric signal is input / output to / from the plurality of piezoelectric vibrator materials. Signal transmitting means, and a phase control means for adjusting a phase of the electric signal, wherein the phase control means
Is an arrangement for switching the polarity of the input / output signal of the signal transmission means.
And a line switching means for inputting the plurality of piezoelectric vibrator materials.
The polarity of each electric signal to be output,
An ultrasonic transducer configured to convert the electric signal switched and phase-adjusted into a sound wave.
【請求項2】 上記位相制御手段は、上記信号伝達手段の
入出力信号を遅延させる信号遅延手段を含み、上記複数
個の圧電振動子材に入出力する、それぞれの電気信号
を、前記遅延手段で遅延し、音波に変換し得るように構
成して成る請求項1記載の超音波送受波器。
2. The apparatus according to claim 1, wherein said phase control means includes signal delay means for delaying input / output signals of said signal transmission means, and applies respective electric signals input / output to / from said plurality of piezoelectric vibrator members to said delay means. 2. The ultrasonic transducer according to claim 1 , wherein the ultrasonic transducer is configured to be able to be delayed and converted into a sound wave.
【請求項3】 上記超音波送受波器に、多層圧電振動子
を、基本振動モ−ドおよび2次以上の高次振動モ−ドか
ら成る、複数の振動モ−ドより選択した振動モ−ドで振
動させる選択手段を備えて成り、前記選択手段が、位相
制御手段を制御し、選択した振動モ−ド対応に、位相調
整した電気信号を、音波に変換し得るように構成して成
る請求項1もしくは2記載の超音波送受波器。
3. The ultrasonic transducer according to claim 1 , wherein the multi-layer piezoelectric vibrator is a vibration mode selected from a plurality of vibration modes including a basic vibration mode and a second or higher order vibration mode. Selecting means for vibrating in a mode, wherein the selecting means controls the phase control means and converts the electric signal whose phase has been adjusted into a sound wave in accordance with the selected vibration mode. The ultrasonic transducer according to claim 1 or 2 .
【請求項4】 上記多層圧電振動子と音波を伝達する伝達
媒体との間に、圧電振動材料を含んで成る音響マッチン
グ用の整合層を配設し、前記整合層にも、電気信号を入
出力する上記信号伝達手段と、電気信号の位相を調整す
る上記位相制御手段とを備えて成り、整合層も位相調整
した電気信号を、音波に変換し得るように構成して成る
請求項1乃至3のいづれか一つに記載の超音波送受波
器。
4. A matching layer for acoustic matching including a piezoelectric vibration material is provided between the multilayer piezoelectric vibrator and a transmission medium for transmitting a sound wave, and an electric signal is also input to the matching layer. The signal transmission means for outputting, and the phase control means for adjusting the phase of the electric signal, wherein the matching layer is also configured to be able to convert the electric signal whose phase has been adjusted to a sound wave. 3. The ultrasonic transducer according to any one of 3 .
【請求項5】 電気信号を駆動信号として圧電振動子へ入
力し、前記圧電振動子が電気−機械変換を行うことで、
超音波を発生させる超音波送波器、及び、超音波を駆動
信号として圧電振動子へ入力し、前記圧電振動子が機械
−電気変換を行うことで、電気信号を発生させる超音波
受波器であって、前記圧電振動子として、複数個の圧電
振動子材を多層に積層した多層圧電振動子を使用する超
音波送受波器において、圧電振動子材の層数を、多層圧
電振動子の熱雑音音圧換算値が、超音波送波器に要求さ
れる最小受波音圧より小さく、多層圧電振動子に接続さ
れる電気信号の増幅手段の熱雑音音圧換算値より大きい
範囲で、多層圧電振動子のインピーダンスが前記増幅手
段のインピーダンスと概略同一な値となるよう設定して
成る請求項1乃至4のいづれか1つに記載の超音波送受
波器。
5. An electric signal is input to a piezoelectric vibrator as a drive signal, and the piezoelectric vibrator performs an electro-mechanical conversion.
An ultrasonic wave transmitter for generating an ultrasonic wave, and an ultrasonic wave receiver for inputting an ultrasonic wave as a drive signal to a piezoelectric vibrator and performing an electromechanical conversion by the piezoelectric vibrator to generate an electric signal In the ultrasonic transducer using a multilayer piezoelectric vibrator in which a plurality of piezoelectric vibrator materials are laminated in a multilayer as the piezoelectric vibrator, the number of layers of the piezoelectric vibrator material is set to In the range where the thermal noise sound pressure conversion value is smaller than the minimum receiving sound pressure required for the ultrasonic transmitter and larger than the thermal noise sound pressure conversion value of the electric signal amplifying means connected to the multilayer piezoelectric vibrator, The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 4, wherein the impedance of the piezoelectric vibrator is set to be substantially the same as the impedance of the amplifying means.
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