3,2,検 討1の 解 析 手 法 39
20Ω
Soundpressure Tbpelectrode
/
Drivevoltage
＼
Bottomelectrode
、
3,2.検 討1の 解 析 手 法 40
最 終 評 価 で は,1Paの イ ン パ ル ス 平 面 波 音 圧 を ダ イ ア フ ラ ム に 印 可 す る.電 気 回 路 と シ ミ ュ レ ー シ ョ ンモ デ ル は 第3の シ ミュ レ ー シ ョ ン と同 様 で あ る .出 力電圧 お よび 電荷 は 上 部 電 極 で 観 測 さ れ,そ の 周 波 数 特 性 はDFT解 析 に よ っ て 得 ら れ る.
3.3.同 一 の 共 振 周 波 数 を 持 つ ト ラ ン ス デ ュー サ の 性 能 比 較
41
3.3同 一 の 共 振 周 波 数 を 持 つ トラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 比 較
3.3.1送 信 特 性 の評 価 及 び 考 察 送信効率の評価
図3.9は,送 信 効 率 特 性 を 示 す.PZT層 が 薄 い ほ ど送 信 効 率 が 高 い こ とが 分 か る.そ の 理 由 は,薄 いPZT層 が 振 動 しや す い か らで あ る.さ ら に,こ れ ら の 音 圧 は,典 型 的 な バ ル ク型 トラ ン ス デ ュ ー サ の 音 圧 よ り も 大 き く,こ れ は よ り多 くの 電 気 エ ネ ル ギ ー が 機 械 的 エ ネ ル ギ ー に 変 換 され る こ とを 意 味 す る.高 音 圧 に よ る送 信 は,非 線 形 超 音 波 を用 い た イ メ ー ジ ン グ(THI>に 適 して い る.THI技 術 は,距 離 方 向 お よ び 方 位 方 向 分 解 能 の 両 方 を 改 善 し,サ イ ド ロ ー ブ レ ベ ル を 低 減 す る の に 有 効 で あ る.
送信周波数帯域幅
図3、10は 出 力 圧 力 とg軸 方 向 の 変 位 の 周 波 数 依 存 性 を 示 す.出 力 圧 力 の 周 波 数 依 存 性 の レベ ル と形 態 は,3っ の モ デ ル 間 で ほ とん ど差 が 見 られ な い.す な わ ち,送 信 音 圧 特 性 は 膜 厚 の 影 響 を あ ま り受 け な い.図3.10に よ れ ば,こ れ ら の モ デ ル は20MHzの 共i振周 波 数 を 有 す る よ うに 設 計 さ れ て い るが,周 波 数 が 高 くな る と音 圧 が 高 くな り,非 共 振 域 に 強 い 振 動 が 存 在 す る.距 離rで 観 測 さ れ る 円 形 単 層 ダ イ ア フ ラ ム の 音 圧p。msは,駆 動 周
250
200
0ハU5∩冒
{匝血己①﹂拐︒.Φ占
50
。1'
一Model壽PZT20μm,Si5.2pm
‑Modol2FIZT40りmSi4 .9pm
Model3:PZT6.Ovrn、Si4,5ym
1.G 2.03.O
VoltageIV】
4.o 5、o
Fig.3.9.Variationoftransmittedsoundpressurewithappliedvoltage、
図3.9印 加 電 圧 に 対 す る 送 信 音 圧.
3.3.同 一 の 共 振 周 波 数 を 持 つ ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 比 較
42
﹁ 厘 .
402000Bo6D うねを へ 冒邑3史自ロ鳳袋コ鴇窪分葺コ◎
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〆
̲.ノ ー 一 ・嫉 四 一 一̀一MQdolllPZT2 .Oりm、SI52μm
胴 閣 曙■Mod創2:PZT40"m ,SI49"m Medel3'PZT6,0購Si4.5ym
102030405060ア080
Frequency【MHz]
8xlo'M
蚕6=====観… § … 髭iiE≡ 享 … § … 畢i§i窪;…il田
攣 一̲か く
o
O宰0203040506070呂O
FrequencyIMHz]
Fig.3.10.Frequencydependencesofoutputpressure(top)andzdisplacement(bottom).
図3.10出 力 圧 力(上)と2軸 方 向 の 変 位(下)の 周 波 数 依 存 性.
波 数 ∫,振 動 変 位d,水 の 密 度 ρ。お よ び 膜 半 径aに よ っ て,次 の 式 に よ っ て 決 定 さ れ る.
dρe(2π ∫)2a2(3
P7・7ns=2>E.5)
・・
得 られ た 結 果 の 変 位dと 駆 動 周 波 数 ノは 式3.5を 満 た し て い る.さ らに,変 位dは 周 波 数 依 存 性 を 有 す る.し か し,高 周 波 数 帯 域 で は,dよ り も駆 動 周 波 数 ∫2の2乗 の 影 響 を 強 く受 け て い る.そ の た め,周 波 数 が 上 が る に つ れ て,送 信 音 圧 が 上 昇 し て い る と考 え ら れ る.
振 動 特 性 の 合 理 的 な 解 釈 を得 る た め に さ ら な る シ ミ ュ レ ー シ ョン と考 察 が 行 わ れ た.能 動 的 な 駆 動 振 動 の 振 動 パ タ ー ン は,一 般 に 、 圧 電 定 数 お よ び 振 動 子 の 形 状 に よ っ て 決 定 さ れ る.圧 電 素 子 に 電 圧 を 印 加 す る と,第1軸 方 向,第2軸 方 向 お よ び 第3軸 方 向 に 沿 っ て 縦 応 力 が 発 生 す る.理 想 的 な ダ イ ァ フ ラ ム は,第1お よび 第2の 軸 方 向 に 沿 っ た 応 力 を 第 3の 軸 方 向 変 位 に 変 換 す る こ と に よ っ て 超 音 波 を 送 信 す る.こ の た め,電 圧 印 加 に よ る振 動 は,機 械 的 な 振 動 と は 異 な る.従 来 の 低 周 波 用PMUTと 比 較 して,PZT層 の 相 対 厚 さ
を厚 くす る と理 想 膜 と振 動 形 状 に 差 が 生 じ る 可 能 性 が あ る.
以 上 の 考 察 か ら,PZT層 の 上 面 と下 面 の 振 動 特 性 を 調 べ た.図3.11は,model1の 上 面 と下 面 の 関 係 を 示 して い る.両 面 の 振 幅 と位 相 は,理 想 的 な 膜 振 動 の 場 合,一 致 す る必 要 が あ る.例 え ば,上 面 の 位 相 が 下 面 か ら π だ け ず れ て い る と,厚 み の 振 動 が 発 生 して い る と考 え られ る .図3.11に よ れ ば,20MHz帯 で は,上 面 の 位 相 が 底 面 か ら π/2シ フ ト
3.3.同 一・ の 共 振 周 波 数 を 持 つ ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 比 較 43
xlo'13
O り り{≧且
芒m∈①0﹄αの石N
π
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冒o﹂一〇・・匝̀住
一rv o
1020
一 丁叩surfaceofpzrlaver 一凹幽 圃80t塾omsurfaceo「PZT悟y8r
304050
Frequency[MHz]
6070eo
1020 304050
Frequency【MHz】
6070eo
Fig.3.11.Frequencydifferencesofvi‑brationof乱mplitude(top)andphase(bottom)for
model1.
図3,11モ デ ル1の 振 動 振 幅(上)と 位 相(下)の 周 波 数 特 性.
して お り,厚 み 振 動 と膜 振 動 が 混 在 し て い る こ とが わ か る.本 研 究 の ダ イ ヤ フ ラ ム は,従 来 の ダ イ ヤ フ ラ ム よ り も比 較 的 厚 い.Si層 に よ る 多 層 の 影 響 と ダ イ ア フ ラ ム の 相 対 的 な 厚 さ の 影 響 を 確 認 す る.そ こ で,幅 を 徐 々 に 増 加 させ る こ と(相 対 厚 さ を 減 少 させ て)と, Si層 を 除 去 す る追 加 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 な っ た.図3,12は,幅 が100pmで ダ イ ア フ ラ ム 構 造 が 膜 厚2,0pmのPZTの 単 層 で あ る 場 合 の 上 面 と下 面 の 関 係 を 示 して い る.共 振 域 の 周 波 数 は2MHzま で 低 下 す る.図3.12に よ れ ば,ダ イ ア フ ラ ム は 共 振 域 内 で 振 動 す る.第3の 軸 方 向 に 生 じ る応 力 は,容 易 に 厚 み 振 動 に変 換 さ れ る.こ れ に 対 して,第1及 び 第2の 軸 方 向 に 沿 っ て 生 じ る応 力 は,第3の 軸 方 向 の 振 動 変 位,す な わ ち 膜 振 動 に 変 換 す る こ とが 困 難 で あ る.以 上 の 考 察 か ら,こ れ らの モ デ ル で は,厚 さ と膜 の 振 動 が 同 時 に 存 在 す る こ とが 推 測 で で き る.
さ ら に,下 面 の 振 動 は,上 面 の 振 動 よ り もSi層 の 影 響 を受 け る.し た が っ て,こ れ ら のpMUTモ デ ル で 理 想 的 な 膜 振 動 を 得 る こ と は 困 難 で あ る が,広 い 帯 域 幅 の 超 音 波 を 送 信 す る こ とが 可 能 で あ る.
3.3.同 一 の 共 振 周 波 数 を持 っ トラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 比 較
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