JP2004080463A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】より効率よく超音波を送受信することができる超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】ホーン２１は、ケース２の開口部と同一形状の上面およびこの上面より広い底面が開口した略円錐台状の外形を有し、上面部がケース２の開口部に連結され、ラッパのようにケース２の開口部からホーン２１の底面に向けて徐々に直径が大きくなるチューブがらせん状に巻かれた構成を有する。ホーン２１の底面側の端部は、ケース２の開口部と同じ方向に開口している。なお、ホーン２１のケース２との接合部もラッパのように開口しており、この開口にチューブの直径が小さい方の端部が接続されている。このようなホーン２１は、例えばアルミやチタンなどの合金から形成される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の有無、物体までの距離等を検出する超音波トランスデューサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波は、様々な用途で用いられている。例えば、魚群探知機、自動車の衝突防止センサ、切削加工または家電のリモートコントローラなどにおいては、信号伝達に用いられている。また、最近では、例えば心臓のペースメーカーなどで、超音波を用いた電力伝送も提案されている。
【０００３】
信号伝達手段としてのトランスデューサは、超音波をＳ／Ｎ比よく受信することができれば、音圧の低い微弱な信号でも使用するには事足りていたが、最近、信号伝達としての利用範囲が拡大し、例えば衝突防止センサなどのように、トランスデューサからより遠く離れた対象と超音波信号を送受信することが望まれている。
そこで、より遠い距離になる対象との超音波信号の送受信を行う場合、トランスデューサから送波する超音波信号の音圧を増大させることにより対応していた。
【０００４】
しかし、上述したような方法は、大量に電力を消費するため、例えば家電のリモートコントローラのようなその内部に二次電池等の小型電源をトランスデューサの駆動エネルギー供給源として備える機器には適していない。
【０００５】
超音波により電力伝送を行う場合、強い音圧の超音波を送受信することができれば電力を多く伝送することができる。このため、電力伝送に超音波を利用する場合も、より音圧の強い超音波を送受信できることが望ましい。
【０００６】
そこで、従来では、超音波を効率よく送受信するために、振動子で発生させた超音波の指向性を高める共振子に注目し、共振子の加工精度を上げるなどにより超音波トランスデューサの感度を向上させるようにしていた。このような従来の超音波トランスデューサの構成について図５および図６を参照して説明する。図５は、従来の超音波トランスデューサの外観を示す概略図、図６は、従来の超音波トランスデューサの要部断面図である。
【０００７】
全体を符号１００で示す超音波トランスデューサは、一底面が開口した円筒の形状を有するケース２と、上面および底面が開口した略円錐台状の形状を有し、開口した上面部がケース２の開口部に配設されたホーン３と、ケース２の開口部に配設された保護プレート４と、ケース２内の他の底面のほぼ中央に配設されたセンサ部５とから構成される。保護プレート４は、異物がケース２内部に入り、後述する共振子８などの超音波トランスデューサ１００の内部構造物を破壊しないようケース２内部を保護するものであり、ナイロン、金属、プラスチック等の材料で、メッシュ、円盤パタン形状等に作製される。センサ部５は、図示しない基台上に金属板６を介して支持される圧電体板７と、底面が開口した円錐形状を有し、その頂点部が圧電体板７と当接するとともにその開口した底面部が保護プレート４に対向して、その内面が送受信面を形成する共振子８と、一端が圧電体板７に接続され、他端がケース２内部からケース２外部に導出されている入出力端子９に接続されているケーブル１０と、一端が金属板６に接続され、他端がケース２内部からケース２外部に導出されている入出力端子１１に接続されているケーブル１２とから構成される。
【０００８】
ホーン３からケース２内部に導かれる超音波は、共振子８の受信面に到達し、この共振子８を振動させる。共振子８は、その固有振動数があらかじめ受信する超音波の振動数に対応するように形成されており、共振子８が受信する超音波と共振することにより音響エネルギー（超音波エネルギー）を効率よく機械的な振動に変換する。共振子８の振動は、圧電体板７に機械的なひずみを生じさせる。その結果、圧電効果により圧電体板７と金属板６との間に電位差が生じ、電気的エネルギーが発生する。この電気的エネルギーは、ケーブル１０、１２および入出力端子９、１１により超音波トランスデューサ１００外部に導出され、用途に応じて利用される。
なお、超音波トランスデューサ１００から超音波を送波する場合については、上述した超音波を受信する場合の逆の手順となるので、説明は省略する。
【０００９】
上述したように、従来の超音波トランスデューサでは、あらかじめ共振子８を送受信する超音波の振動数に対応させて形成することにより、効率よく超音波を送受信できるようにしていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共振子の固有振動数は、共振子の寸法により一意に決まるものではなく、超音波トランスデューサの外装ケースのサイズや共振子の材料の影響を受ける。そのため、超音波トランスデューサにおいて、共振子の寸法や形状を変えることで、効率よく超音波を送受信できるようにするには限りがある。
そこで本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、より効率よく超音波を送受信することができる超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題を解決するために、本発明にかかる超音波トランスデューサは、超音波を送受信する送受信部と、両端が開口したチューブがらせん状に巻かれた構造を有し、前記チューブの一端が前記送受信部の送受信面に対向して配設されるホーンとを有し、前記チューブの直径は、前記送受信面から離れるにつれて、徐々に大きくなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる超音波トランスデューサは、超音波を送受信する送受信部と、上面および底面が開口した略円錐台型の外形を有し、前記上面側を前記送受信部の送受信面に対向して配設されるホーンとを有し、このホーンは、内部にらせん構造を形成する隔壁を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、第１の実施の形態について詳細に説明する。
まず、図１、２を参照して、第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサ１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの正面図、図２は、第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの外観を示す斜視図である。
本実施の形態にかかる超音波トランスデューサ１は、ケース２の開口部にホーン２１が配設されている。
なお、第１の実施の形態は、従来の技術において図５および図６を参照して説明した超音波トランスデューサ１００におけるホーン３の構成を変更したものである。したがって、第１の実施の形態において、従来技術で説明した超音波トランスデューサ１００と同等の構成要素については、同じ符号および同じ名称を付し、適宜説明を省略する。
また、本実施の形態において、共振子８は、送受信する超音波の振動数に対応して共振すればなおいいが、共振しなくてもよく、共振子８を設けなくてもよい。さらに、本実施の形態において、共振子８の代わりに、超音波の送受信を行うことができる他の部材を設けるようにしてもよい。
【００１４】
共振子８は、受信もしくは送信する超音波の振動数に対応させて形成されている。このため、共振子８は、超音波を受信すると、この超音波により振動し、この振動により圧電体板７に機械的なひずみを生じさせる。また、共振子８は、外部から入出力端子９、１１を介して圧電体板７と金属板６とに電位差を生じさせるよう電気的エネルギーが入力されると、圧電体板７に機械的なひずみが生じて振動させられることにより超音波を発生させる。このように、共振子８は、超音波を送受信することにより、送受信部としての機能を実現する。
【００１５】
ホーン２１は、ケース２の開口部と同一形状の上面およびこの上面より広い底面が開口した略円錐台状の外形を有し、上面部がケース２の開口部に連結され、ラッパのようにケース２の開口部からホーン２１の底面に向けて徐々に直径が大きくなるチューブがらせん状に巻かれた構成を有する。ホーン２１の底面側の端部は、ケース２の開口部と同じ方向に開口している。なお、ホーン２１のケース２との接合部もラッパのように開口しており、この開口にチューブの直径が小さい方の端部が接続されている。このようなホーン２１は、例えばアルミやチタンなどの合金から形成される。
【００１６】
ホーン２１を構成するチューブのらせん形状は、対数らせんと呼ばれる数式に従うもので、これを式（１）に示す。
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｋ＊ｅｘｐ（ａ＊ｔ）＊ｃｏｓ（ｔ），ｋ＊ｅｘｐ（ａ＊ｔ）＊ｓｉｎ（ｔ），ｍ＊ｔ）　　…（１）
ここで、ｋ、ａ、ｍは、ホーン２１の設計パラメータであり、それぞれｋ＞０、ａ＞０、ｍ＞０となる。また、変数ｔは、らせんの中心軸周りの回転角を表す。式（１）により算出される座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、ホーン２１を構成するらせん状に巻かれたチューブ同士の接点を表す。
【００１７】
なお、式（１）において、変数ｔは、ケース２の形状と超音波の通り道となるらせん状の音道（チューブ）の周回数を勘案して所望の値を用いることができる。
また、式（１）において、設計パラメータｋ、ａは、変数ｔにより定まる対数らせんの巻き数とホーン２１の開口部の大きさを勘案して所望の形状になるように値を決定する。例えば、巻き数が少なく、開口部が大きくなるような形状にしたい場合は、設計パラメータｋ、ａの値を大きくする。一方、巻き貝のようにチューブが何周も巻いたような形状にしたい場合は、設計パラメータｋ、ａの値を小さくする。
さらに、式（１）において、設計パラメータｍは、超音波トランスデューサの指向性を勘案して設定する。例えば、ｍ＜ｋとなるように設定すると、指向性が広い超音波を送受信するのに適したホーン２１が作製される。また、ｍ＞ｋと設定すると、指向性が鋭い超音波を送信することができるホーン２１が作製される。このため、受信側のトランスデューサのホーンを作製する場合は、ｍ＜ｋとなるように設定し、送信側の超音波トランスデューサのホーンを作製する場合は、ｍ＞ｋとなるように設定する。
【００１８】
一例として、動作周波数が２５ｋＨｚ、ケース２の直径が１ｃｍの超音波トランスデューサの場合、ｋ＝０．５ｃｍ、ａ＝０．２、ｍ＝０．２ｃｍとし、ｔを０〜１２．５６（４π）の間で変化させると、外形（チューブの最大直径）６．２ｃｍ、高さ２．５ｃｍのホーン２１が作製される。
【００１９】
超音波トランスデューサ１は、上述したようなホーン２１を設けることにより、このホーン２１のスパイラル形状が出射する超音波の広がりを抑えるため、効率的に超音波振動を伝送することができる。また、超音波トランスデューサ１は、ケース２の開口部にホーン２１を設置することにより、ホーン２１の底面側の開口がケース２の開口部の直径より大きくなるため、ホーン２１を設けない場合よりも広い範囲で超音波を捕集することができる。
さらに超音波トランスデューサ１は、ホーン２１がスパイラル状の構造を有することにより、空気が超音波の進行方向に垂直な方向に逃げにくくなるため、いわゆる空振り現象（空気が超音波の進行方向に対して垂直な方向に逃げていくことにより音圧が発生しない現象）を起こさないので、圧電空気の振動と共振子８の振動が効率よく変換される。この結果、本実施の形態にかかる超音波トランスデューサ１は、ホーンを有しない超音波トランスデューサや単純な円錐型のホーンを有する超音波トランスデューサと比較して、強い音圧の超音波を送受信することができる。
【００２０】
［第２の実施の形態］
次に、図面を参照して本発明にかかる第２の実施の形態について説明する。
まず、図３、４を参照して、第２の実施の形態にかかる超音波トランスデューサ３１の構成について説明する。図３は、第２の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの正面図、図４は、第２の実施の形態にかかる超音波トランスデューサのホーンの要部断面図である。
なお、第２の実施の形態は、第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサ１におけるホーン２１の構成を変更したものである。したがって、第２の実施の形態において、第１の実施の形態で説明した超音波トランスデューサ１と同等の構成要素については、同じ符号および同じ名称を付し、適宜説明を省略する。
【００２１】
本実施の形態にかかる超音波トランスデューサ３１は、ケース２の開口部にホーン３２が配設されている。
ホーン３２は、上面および底面が開口した略円錐状の外形を有し、その開口した上面部がケース２の開口部に配設されているカバー３３と、このカバー３３内部にカバー３３の軸線に沿って配設されている中心軸３４と、カバー３３内部を中心軸３４周りにらせん状に仕切ることにより超音波の通り道である音道を形成する仕切板３５とから構成される。このようなホーン３２は、例えばアルミやチタンなどの合金から形成される。
【００２２】
仕切板３５とカバー３３の内壁との接点の軌跡は、第１の実施の形態において説明した式（１）により算出することができる。この式（１）により算出した軌跡において、ｚ軸を中心軸３４と見立てて、式（１）により算出した各座標を、中心軸３４とこの中心軸３４に垂直な直線で連続的に結ぶと、図４で示すように、カバー３３内部にらせん状の超音波の通り道となる音道が形成される。
【００２３】
本実施の形態にかかる超音波トランスデューサ３１は、上述したような構成を有することにより、第１の実施の形態で説明した超音波トランスデューサ１と同等の作用効果を得ることができる。
【００２４】
なお、本実施の形態において、式（１）における各定数の値は、第１の実施の形態において説明したのと同様の方法で設定することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ホーンのらせん形状が出射する超音波の広がりを抑えるため、効率的に超音波振動を送信することができる。また、本発明によれば、ホーンを設けることにより広い範囲で超音波を捕集することができるので、効率よく超音波を受信することができる。さらに、本発明によれば、ホーンがらせん状の構造を有することにより、空気が超音波の進行方向に垂直な方向に逃げにくくなるため、いわゆる空振り現象（空気が超音波の進行方向に対して垂直な方向に逃げていくことにより音圧が発生しない現象）を起こさないので、圧電空気の振動と共振子の振動が効率よく変換され、結果としてより効率よく超音波を送受信することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの正面図である。
【図２】第１の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの外観を示す斜視図である。
【図３】第２の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの正面図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる超音波トランスデューサの要部断面図である。
【図５】従来の超音波トランスデューサの外観を示す概略図である。
【図６】従来の超音波トランスデューサの要部断面図である。
【符号の説明】
１、３１、１００…超音波トランスデューサ、２…ケース、３、２１、３２…ホーン、４…保護プレート、５…センサ部、６…金属板、７…圧電体板、８…共振子、９、１１…入出力端子、１０、１２…ケーブル、３３…カバー、３４…中心軸、３５…仕切板。

Claims (2)

1. 超音波を送受信する送受信部と、
   両端が開口したチューブ状がらせん状に巻かれた構造を有し、前記チューブの一端が前記送受信部の送受信面に対向して配設されるホーンと
   を有し、
   前記チューブの直径は、前記送受信面から離れるにつれて、徐々に大きくなる
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 超音波を送受信する送受信部と、
   上面および底面が開口した略円錐台型の外形を有し、前記上面側を前記送受信部の送受信面に対向して配設されるホーンと
   を有し、
   このホーンは、内部にらせん構造を形成する隔壁を有する
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。

Images