JP3006433B2 - 超音波送信器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば超音波を利用し
た距離計測装置に好適な、超音波送信器の構造に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波送信器の一例を図４に示
す。図４で５０は圧電振動子、５１は円錐形状のコーン
振動子、５２は第一の圧電体円板、５３は第二の圧電体
円板、ｐは上記第一及び第二の圧電体円板の分極方向、
５４は金属円板、５５は突起部、５６は接続部である。

【０００３】圧電振動子５０は第一の圧電体円板５２、
第二の圧電体円板５３及び金属円板５４で構成するバイ
モルフ振動子である。そして圧電振動子５０の中心とコ
ーン振動子５１の中心を接続部５６を介して固定する。

【０００４】上記超音波送信器による超音波の音圧出力
は、以下の手段を用いて行う。まず第一の圧電体円板５
２及び第二の圧電体円板５３に、上記第一及び第二の圧
電体円板の分極方向ｐに対して逆位相の交流電圧を印加
する。

【０００５】すると圧電振動子５０は印加電圧の周波数
でたわみ振動を行う。そして上記たわみ振動が接続部５
６を介してコーン振動子５１に伝達され、上記コーン振
動子５１の振動が媒質中を伝播する。よって圧電振動子
５０の共振周波数が超音波帯域になるように圧電振動子
５０を設計すれば、上記コーン振動子５１より超音波が
出力される。

【０００６】接続部５６には例えば円柱のピンを用い、
圧電振動子５０と接続部５６の固定は金属円板５４と接
続部５６の接続により行う。またコーン振動子５１と接
続部５６の固定は突起部５５と接続部５６の接続により
行う。ここで超音波送信器の音圧を向上させるために
は、圧電振動子５０のたわみ振動の振幅が大きくなった
時に圧電振動子５０及びコーン振動子５１が同一振幅で
振動するように、金属円板５４及びコーン振動子５１と
接続部５６との接続を強固にする必要がある。

【０００７】一般に上記接続方法に接着を用いる場合
が、上記方法では金属円板５４及びコーン振動子５１と
接続部５６の接着部の面積をそれぞれ大きくする必要が
ある。従って接続部５６を太くすることにより、上記接
着面積を大きくする。

【０００８】また上記接続の他の方法として例えば溶接
があげられるが、コーン振動子５１は軽量化するためア
ルミニウム系の金属が用いられ、そして金属円板５４に
は鋼鉄を用いるため、一般に異種の金属の溶接は困難で
ある。

【０００９】従来のコーン振動子５１の形状は、図５に
示すような円錐形状である。上記圧電振動子５０の駆動
により、圧電振動子５０の振動が接続部５６を介してコ
ーン振動子５１に伝達され、コーン振動子５１の円錐表
面６０が振動するが、上記円錐表面６０の振動は上記圧
電振動子５０の振動に比べ振動する部分の面積が大きく
また振幅も大きいので、超音波の音圧出力を向上させる
ことができる。

【００１０】しかし一方で、図６に示すようにコーン振
動子５１は、圧電振動子１０の共振周波数で円錐表面６
０に振動の節７０を持つ。すると振動の節７０の左右で
コーン振動子１１は逆位相で振動する。

【００１１】図６で一点斜線は圧電振動子１０を駆動す
る前のコーン振動子１１で、実線は駆動後のコーン振動
子１１の振幅である。そして上記逆位相で振動すると、
振動の節７０の左右で音圧出力が相殺される。従って振
動の節７０の円錐表面６０上の位置によっては、コーン
振動子５１の振幅を大きくとっても音圧出力が向上しな
い場合がでてくる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構造では、
接続部の重量及び接続部と金属円板の接着面積の増加に
より圧電振動子中央部の歪みが増え、圧電振動子のたわ
み振動の振幅を減らしてしまうことになり、音圧出力が
向上しないという課題を有していた。

【００１３】また音圧出力の向上の一因であるコーン振
動子の大きさは、接続部とコーン振動子の重量の合計で
制限されるため、接続部の重量が増加するとコーン振動
子の重量を軽量化する必要がある。従ってコーン振動子
の大きさを小さくせざるを得ず、音圧出力の向上が難し
いという課題を有していた。

【００１４】さらに任意の大きさの円錐形状のコーン振
動子は圧電振動子のたわみ振動の周波数付近において円
錐表面に振動の節を持ち、コーン振動子が振動の節位置
の左右で逆位相で振動するため、圧電振動子の振幅を大
きくしても音圧出力が向上しにくいという課題を有して
いた。

【００１５】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、超音波送信器の音圧出力を向上させるための構造を
提供する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の超音波送信器は、圧電効果を示す材料の複合
体で構成する圧電振動子と、円錐形状のコーン振動子
と、第一の柱状物体と上記第一の柱状物体の底面の面積
より小さい底面の面積を有する第二の柱状物体で構成す
る接続部とを備え、上記円錐形状のコーン振動子の中心
と上記第一の柱状物体を接続し、上記圧電振動子の中心
と上記第二の柱状物体を接続する構造を有している。ま
た上記接続部は第一の柱状物体及び第二の柱状物体の内
部を中空にする構造を有している。

【００１７】

【００１８】

【作用】この超音波送信器において、コーン振動子との
接続面積を大きくし圧電振動子との接続面積を小さくす
ることにより、圧電振動子中央部の歪みを減らしかつコ
ーン振動子を堅固に固定することができ、超音波送信器
の音圧出力が効率良く向上する。また接続部の重量を軽
くすることができるので、コーン振動子の重量を重くす
ることができ、従ってコーン振動子を大きくすることが
でき、超音波送信器の音圧出力が向上する。さらに接続
部を中空にすることにより、接続部の重量をさらに減ら
すことができる。

【００１９】

【００２０】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の第一の実施例について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の第一の実施例を
示す超音波送信器の図で、１０は圧電振動子、１１は円
錐形状のコーン振動子、１２は第一の圧電体円板、１３
は第二の圧電体円板、ｐは第一の圧電体円板１２と第二
の圧電体円板１３の分極方向、１４は金属円板、１５は
突起部、１６は圧電振動子１０の中心と円錐形状のコー
ン振動子１１の中心の接続部である。

【００２１】圧電振動子１０は金属円板１４を分極方向
ｐの等しい第一の圧電体円板１２と第二の圧電体円板１
５で挟んだ、バイモルフ構造である。そして、第一の圧
電体円板１２及び第二の圧電体円板１３に上記圧電体円
板の分極方向ｐに対して逆位相の交流電圧を印加するこ
とにより、印加電圧の駆動周波数でたわみ振動する。ま
たコーン振動子１１は円錐の頂点に突起部１５を備えた
構造を有している。

【００２２】次に接続部１６の構造を図２において説明
する。図２で２１は第一の円柱、２２は第二の円柱、２
３、２４は第一の円柱２１の底面、２５、２６は第二の
円柱２２の底面、２７は第一の円柱２１の側面、２８は
第二の円柱２２の側面である。

【００２３】接続部１６は、第一の円柱２１の底面の面
積が第二の円柱２２の底面の面積より大きく、第一の円
柱２１の底面２４と第二の円柱２２の底面２５を接続し
ている。そして圧電振動子１０とコーン振動子１１は接
続部１６を介して固定し、接続部１６と圧電振動子１０
の固定は、第二の円柱２２の底面２６と金属円板１４の
接続により行う。また接続部１６とコーン振動子１１の
固定は、第一の円板の側面２７と突起部１５の接続によ
り行う。

【００２４】一般に、円板振動子のたわみ振動による超
音波の送信音圧は以下の式で表わされる。

【００２５】

【数１】

【００２６】上式でｐは音圧、ｆは振動子の共振周波
数、ρは媒質の密度、ξ(y)はたわみ振動の変位、yは上
記円板振動子の径方向の変数、ｂは上記円板振動子の中
心から振動の節位置までの距離、ｒは上記円板振動子か
ら音圧観測点までの距離である。

【００２７】上式より超音波の音圧出力をできるだけ大
きくするためには、圧電振動子１０のたわみ振動の振幅
ξ(ｂ)をできるだけ大きくとることが必要である。

【００２８】しかし第二の円柱の底面２６と金属円板１
４の接続部の面積が大きいと、圧電振動子１０中央部の
歪みが増大し、圧電振動子１０の共振の鋭さが低下し、
上記たわみ振動による振幅ξ(ｂ)が小さくなってしま
う。

【００２９】そこで第二の円柱の底面２６の直径を小さ
くすることにより、第二の円柱２６と金属円板１４の接
続部の面積を小さくする。

【００３０】一方コーン振動子１１と接続部１６の接続
は、超音波の音圧出力に対して取り付けを強固にするこ
とが必要である。そのためには上記接続方法として接着
を用いる場合、第一の円柱の側面２７と金属円板１４の
接着面積をできるだけ大きくしなければならない。従っ
て第一の円柱は２１は底面２３の直径をできるだけ大き
くする必要がある。

【００３１】以上のように本発明によれば、第一の円柱
と上記第一の円柱より底面積の小さい第二の円柱を、上
記二つの円柱の底面の一方を接続して構成する接続部を
用いて圧電振動子とコーン振動子を固定することによ
り、超音波の音圧出力を向上させることができる。

【００３２】なお接続部の形状を円柱としたが、角柱で
も良い。また第一の円柱と第二の円柱の接続によってで
きる段差は直角である必要はない。

【００３３】（実施例２）以下本発明の第二の実施例に
ついて説明する。図３は本発明の第二の実施例を示す超
音波送信器の接続部１６の図で、３１は第一の円柱で、
３２は第二の円柱である。第一の円柱３１及び第二の円
柱３２は内部が中空である。そして第一の円柱３１は第
二の円柱３２に比べ底面の面積が大きく、第一の円柱３
１は圧電振動子１０に接続し、第二の円柱３２はコーン
振動子１１に接続する。

【００３４】一般に（数１）より超音波の音圧の大きさ
は音圧の放射面積に依存する。しかし一方で、圧電振動
子１０の共振の鋭さが接続部１６とコーン振動子１１の
重量の合計に依存することから、接続部１６の重量を重
くするとコーン振動子の重量を軽くせざるを得なくな
り、従ってコーン振動子１１の大きさが制限される。

【００３５】本発明の超音波送信器によれば、接続部１
６を構成する第一の円柱３１及び第二の円柱３２は内部
が中空である。従って接続部１６の重量が軽量化された
分、コーン振動子１１の重量を重くすることができ、コ
ーン振動子１１の円錐表面を大きくすることができ、超
音波放射面積が増加し、超音波の音圧出力を向上させる
ことができる。

【００３６】以上のように本発明によれば、内部が中空
で底面積の異なる二つの円柱からなる接続部を用いて圧
電振動子とコーン振動子を固定することにより、超音波
送信器の音圧出力を向上させることができる。

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明により、圧電振動子
との接着面積が小さくコーン振動子との接続面積が大き
い構造を有する接続部を用いて上記圧電振動子及びコー
ン振動子を固定することにより、圧電振動子中央部の歪
みを減少させ、かつコーン振動子と圧電振動子の固定が
強固になるため、超音波送信器の音圧出力を向上させる
ことができる。また上記接続部の内部を中空にすること
により、圧電振動子とコーン振動子の接続部の重量が軽
量化され、コーン振動子の大きさを大きくすることがで
きるので、超音波送信器の音圧出力を向上させることが
できる。

【００４４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における超音波送信器の
構成図

【図２】同実施例における、圧電振動子とコーン振動子
の接続部の説明図。

【図３】本発明の第二の実施例における、圧電振動子と
コーン振動子の接続部の説明図。

【図４】従来の超音波送信器の構成図

【図５】従来のコーン振動子の構成図

【図６】従来のコーン振動子円錐表面の共振周波数にお
ける振動振幅の状態図

【符号の説明】

１０、５０ 圧電振動子 １１、５１ コーン振動子 １２、５２ 第一の圧電体円板 １３、５３ 第二の圧電体円板 １４、５４ 金属円板 １５、５５ 突起部 １６、５６ 接続部 ２１、３１ 第一の円柱 ２２、３２ 第二の円柱 ２３、２４ 第一の円柱の底面 ２５、２６ 第二の円柱の底面 ２７ 第一の円柱の側面 ２８ 第二の円柱の側面 ６０ コーン振動子の円錐表面 ７０ 振動の節

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−97798（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−108698（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−35517（ＪＰ，Ｕ) 実開 平６−31298（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−6187（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電効果を示す材料の複合体で構成する
   圧電振動子と、円錐形状のコーン振動子と、第一の柱状
   物体と前記第一の柱状物体の底面の面積より小さい底面
   の面積を有する第二の柱状物体で構成する接続部とを備
   え、前記円錐形状のコーン振動子の中心と前記第一の柱
   状物体を接続し、前記圧電振動子の中心と前記第二の柱
   状物体を接続することを特徴とする超音波送信器。
2. 【請求項２】 第一の柱状物体及び第二の柱状物体の内
   部を中空にすることを特徴とする請求項１記載の超音波
   送信器。