超音波レンジトランスデューサの技術原理と応用

         超音波レンジトランスデューサの技術原理と応用

超音波トランスデューサは、超音波の特性を利用して開発されたセンサーです。超音波は、音波よりも高い振動周波数を有する機械波であり、電圧の励起下でのトランスデューサチップの振動によって生成されます。高周波、短波長、回折現象が少なく、特に指向性が良く、光線の伝播特性として指向性が高い。超音波は液体や固体に対して優れた透過力を持っており、特に太陽光を通さない固体では数十メートルの深さまで透過することができます。超音波は、不純物や界面に遭遇すると大きな反射を起こしてエコーを形成し、移動する物体に遭遇するとドップラー効果を引き起こします。したがって、超音波検出は産業、国防、生物医学などで広く使用されています。 検出方法として距離用の超音波振動子を 使用しており、超音波の発生と受信が必要となります。この機能を実現するデバイスが超音波センサーであり、慣例的に医療機器または超音波プローブと呼ばれています。

の 超音波トランスデューサープローブ は主に圧電セラミックスで構成されており、超音波の送信と受信の両方が可能です。低出力の超音波プローブは主に検出に使用されます。さまざまな構造があり、直線プローブ（縦波）、斜めプローブ（横波）、表面波プローブ（表面波）、ラム波プローブ（ラム波）、ダブルプローブ（1つのプローブの反射、1つのプローブの受信）待機に分けることができます。

の核心 超音波レベルトランスデューサ は、プラスチックまたは金属のジャケットに入った圧電セラミックです。ウェーハを構成する材料にはさまざまな種類があります。チップの直径や厚さなどのサイズも異なるため、プローブの性能も異なり、使用する前に事前に性能を把握する必要があります。超音波センサーの主な性能指標には次のものがあります。

(1) 動作周波数。超音波距離トランスデューサの動作周波数は、圧電セラミック結晶の共振周波数です。両端に印加される交流電圧の周波数がチップの共振周波数と等しい場合、出力エネルギーが最も大きくなり、感度が最も高くなります。

(2) 使用温度。圧電材料のキュリー点は一般に比較的高いため、特に出力が大きい場合には、 診断用の圧電超音波プローブ は比較的小さく、動作温度が比較的低く、故障することなく長時間動作できます。治療に使用される超音波プローブは比較的高温になるため、別途冷却装置が必要となります。

(3) 感度。多くはウェーハ自体の製造に依存します。電気機械結合係数が大きいほど感度は高くなります。そうしないと感度が低くなります。

構造と動作原理

電圧を印加すると 圧電セラミックストランスデューサは、電圧と周波数の変化により機械的変形が発生します。一方、圧電セラミックスが振動すると電荷が発生します。この原理を利用し、圧電セラミックス2枚、または圧電セラミックスと金属板からなる振動子、いわゆるバイモルフ素子に電気信号を加えると、屈曲振動により超音波が放射されます。代わりに、超音波振動がバイモルフ素子に加えられると、電気信号が生成されます。以上の効果を利用して、圧電セラミックスは超音波センサーとして使用することができます。

超音波トランスデューサと同様に、複合振動子はベース上に柔軟に固定されます。複合振動子は、金属板と圧電セラミック板からなるバイモルフ素子振動子と共振子を組み合わせたものです。共振器はラッパの形をしており、振動によって発生した超音波を効果的に放射し、振動子の最も重要な部分に効果的に超音波を集中させることが目的です。

屋外で使用する超音波トランスデューサは、結露、雨、塵埃の侵入を防ぐため、良好な密閉性が必要です。圧電セラミックスは金属箱の上部の内側に固定されています。ベースはボックスの開口端に固定され、樹脂で覆われています。産業用ロボットに使用される超音波センサーは、厚さが1mmにも達する必要があり、強い超音波放射を持っています。

従来のバイモルフ素子振動子の屈曲振動では、70kHzを超える周波数でこれを実現することは不可能です。したがって、高周波検出には厚み垂直振動モードの圧電セラミックスを使用する必要があります。この場合、圧電セラミックスと空気の音響インピーダンスのマッチングが非常に重要になります。圧電セラミックスの音響インピーダンスは 2.6×107kg/m2s ですが、空気の音響インピーダンスは 4.3×102kg/m2s です。 5 乗の差により、圧電セラミックの振動放射面で大幅な損失が発生します。圧電セラミックスに付着した特殊な素材が音響整合層として機能し、空気の音響インピーダンスを整合させます。この構造により、周波数が数百kHzにも達する場合でも超音波センサーが正常に動作することが可能になります。