JP3148242B2 - 超音波変換器 - Google Patents
超音波変換器Info
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- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
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Description
た圧電変換素子を有する超音波変換器に関する。
3911047号明細書により公知である。この変換器におい
ては整合体の主表面の直径を、圧電セラミック変換素子
の直径に関して、僅か変えることによって振動が影響さ
れ、超音波変換器の小さい寸法構造にもかかわらずその
効率及びその放射特性が改善される。同様にこの文献に
は整合体の外周面の形状を僅か変更することも振動を著
しく変え得ることが記載されている。外周面の側線の構
成としては発散或いは収斂する直線が選ばれているの
で、整合体の主表面の直径は圧電セラミック変換素子の
主表面とは僅かに相違している。僅かに正に或いは僅か
に負に屈曲した側線もまた変換素子の直径に対する整合
体の厚さに関係して、比較的中心位置の高い音圧を得る
ために有利なものと見做されている。勿論このような超
音波変換器においてはその生ずる振幅分布は放射面の中
心範囲において相対的な最小値を示す。振幅は半径方向
に増大し、ほぼ半分の半径においてその最大値を示し、
縁部に向かって急激に低下する。このような振動曲線に
より到達可能な音圧において損失が生じ、これに関係す
る音響ローブ特性は実際の使用に当たって擾乱や誤機能
を招くことのあるはっきりした副ローブを持つ。
おいて小形構造にもかかわらずできるだけ損失が少なく
改善された振動曲線に基づいて高い音圧が達成され、か
つ副ローブの抑制が−30dBより良好なものを提供するこ
とにある。この課題を解決するために、1/4波長整合体
はその外周面に切り込みを備える。この切り込みが整合
体の円盤直径の最大でも四分の一までの深さを持つ場合
に特に良好な放射特性が達成される。このような超音波
変換器は産業上の用途に対して良好な音響特性をもっ
て、また周囲媒体が空気のときの使用に特に適してい
る。外周面がその切り込み以外の部分において円筒状の
輪郭を持つ実施例においてはその製造が容易である。こ
の場合円盤状、円筒状の整合体は容易に作られ、切り込
みが後からその外周面に例えばフライス加工により形成
される。できるだけ良好な、即ち損失の少ない振動曲線
を得るために、外周面に設けられる切り込みは少なくと
も、1/4波長整合体の上面及び下面の円形面が異なる大
きさの場合切り込み内に投影された、小さい方の円形面
から出発する仮想の円筒外周面を切る深さを持つ。圧電
変換素子が超音波振動の主放射方向に直径Dの主表面を
持ち、1/4波長整合体のこの主表面側の下面の円形面が
0.9D及び1.2Dの間の直径を持つ場合、切り込みの形状及
び深さとに関連してこのパラメータを変えることによっ
て特に有効な振動曲線が可能となる。切り込みの音響特
性に関する効果は、切り込みの深さが整合体の円盤直径
の0.05乃至0.15である場合に特によい。超音波変換器全
体が振動さるべき媒体側の整合体面を除いて発泡被覆を
備えている場合には、これにより窪みやエッジを持った
切り込み範囲における汚損も回避される。同時にこの場
合超音波変換器の前表面は変わることなく平坦であるの
で、変換器が汚損したときの清浄化がし易くかつその外
観上の見栄えがよいという利点がある。発泡被覆がポリ
ウレタンからなる場合には、この発泡被覆で特に求めよ
うとする超音波変換器の弾性制動が極めてよい。超音波
変換器を周囲媒体が空気のときに使用する場合、励振さ
れる圧電セラミック変換素子と空気との間に存在するイ
ンピーダンスの整合の問題は、1/4波長整合体が合成発
泡剤からなる場合に有利に解決される。
体の背面側の面、即ち整合体の変換素子と対向する面、
に切り込みを付加することもできる。この場合、切り込
みを円筒状の空所として構成すると放射特性に関して特
に有利で、製造が簡単である。同様に効果的でかつ簡単
な構成は、同心状で環状の溝の形をし、その深さが最大
でも整合体の厚さの半分までのものである。
動特性を、 図4は外周面に矩形状切り込みを備えた超音波変換器
を、 図5は外周面に台形状切り込みを備えた超音波変換器
を、 図6は三角状切り込みを備えた超音波変換器を、 図7は整合体の背面側の面に円筒状の空所を備えた超
音波変換器を、 図8は整合体の背面側の面に環状の溝を備えた超音波
変換器を示す。
よる超音波変換器を示し、この圧電体セラミック1には
その主表面7にわたって回転対称で円盤状の1/4波長整
合体2がその下側の円形面8で接着されている。圧電体
セラミック1は直径D=32.4mm及び円盤厚さhk=6mmを
持っている。圧電体セラミック1の材料データは次のと
おりである。即ち、密度7600kg/m3、弾性率65000N/mm2
及びポアッソン比0.29である。円筒状の1/4波長整合体
2はその外周面3に切り込みとしてtn=3.8mmの深さ5
及びhn=4.5mmの高さを持つ溝4を備え、この溝4は整
合体2の上側の円形面、即ち放射面から間隔an=2.4mm
を備え、かつ円盤厚さはhs=8.8mmである。合成発泡剤
からなる整合体2の直径dsは圧電体セラミック1の直径
と一致している。整合体2の材料データは次のとおりで
ある。即ち、密度580kg/m3、弾性率2150N/mm2及びポア
ッソン比0.285である。
ものと言うことができる(何となれば主ローブに対して
−30dB以上減衰した振動振幅を持つ副ローブしか発生し
ないからである)図2による音響ローブ特性が生ずる。
このような極めて好ましい特性は、1/4波長整合体2の
放射面において殆ど理想的な振動振幅分布を持つ図3の
振動モードを結果として持つ円筒外周面の輪郭形成に負
うものであ。なおこの図では縦座標に振幅、横座標に放
射面の長さ方向の延び、即ちその直径4が取られてい
る。
実施例を示す。図4の超音波変換器においては1/4波長
整合体2の切り込み4は図1の例と同様に溝状である
が、整合体2の下側の円形面8が圧電体セラミック1の
主表面7を越えており、これが振動曲線に関する溝4の
最適形状及び位置に影響している。図5に示された超音
波変換器の実施例では円筒状の1/4波長整合体2の外周
面3における切り込み4は台形状である。また切り込み
4が設けられている整合体2の外周面は円錐状に延びる
側線を持つこともできる。図6はこの例を示し、この場
合切り込み4は三角状に形成されかつ放射面が圧電体セ
ラミック1に接着された整合体の表面よりも大きい直径
を持っている。
み形としても構成できる。これは整合体2としての円筒
状或いは円錐状の円盤の外周面に加工され、直径Dを持
つ圧電体セラミックとの接着面における直径は特に0.9D
乃至1.2Dの間にある。
正確な幾何学的形状は圧電変換素子1及び整合体2の機
械的材料データと外形寸法とに依存し、これにより望ま
しい使用周波数の大きさも予め定められる。この大きさ
は材料データと外形寸法の各々の組み合わせに対して並
びに所望の偏り形状に対して新たに定められ最適化され
ねばならない。
音響ローブが有利である。本発明による側面の切り込み
により放射面にガウスの釣鐘曲線形状の振幅分布、即ち
中央部に最大偏りを持ち、端部に向かって連続的に低下
する振幅を持つ分布が得られる。ガウス曲線は理論的に
は完全に副ローブのない音響ローブをもたらす偏り形状
である。実際には最適化された側部の切り込みを備えた
変換器は、図2に示されるように、極めて弱くではある
が副ローブを持つ。実施例に応じて−30dB乃至−40dBの
副ローブ抑制が達成される。
を持つガウス曲線が得られ、これにより同時に主音響ロ
ーブの−3dB幅が変えられる。その際比較的幅の広いロ
ーブは急激な傾斜に、これに対して非常に幅の狭いロー
ブはより平坦な曲線経過に相当する。これにより調整さ
れる開き角は約8゜乃至25゜の間である。ガウス状の、
同位相振動分布により同時に伝達係数、即ち受信された
エコー信号の電圧と特定の間隔におけるその属する送信
電圧との比が、このような側面の形状をしていない同一
の変換器に比べて5倍まで高くなる。
振幅分布及び位相分布と異なるものを作ることもでき
る。音響ローブ及び伝達係数は、その都度の適用例に対
していわゆる寸法に合わせた超音波センサを作るため
に、大幅に変えることができる。本発明の基礎になる思
想は、側面の切り込み4の輪郭形状により音響放射前面
における有利な改善を達成することにある。前面、即ち
音響放射面自体はその場合変わることなく平坦性を維持
し、見栄えをよくするために汚損しても容易に清浄化さ
れる。超音波変換器は放射面を除いて弾性的な制御物
質、特にポリウレタンに埋め込まれ、これにより同時に
側面の輪郭部の切り込み範囲の窪みやエッジの汚損が阻
止される。
ローブのない放射特性を簡単な方法でかつ小形構造に実
現できる。これは超音波変換器に対する従来の構造部品
を利用して、整合体の外周面に形状及び深さにおいて適
当な切り込みを形成することによって達成できる。
他に、更に整合体の背面側の面に付加することのできる
切り込みの例を示すものである。図7は整合体の背面8
に円筒状の空所9を設ける例、図8は背面8に環状の溝
10、11を同心配置した例である。整合体の側面の切り込
みに更に背面の切り込みを組合せることにより良好な放
射特性を達成することができる。
Claims (10)
- 【請求項1】回転対称で円盤状の1/4波長整合体(2)
を備えた圧電変換素子(1)を有する超音波変換器にお
いて、1/4波長整合体(2)がその外周面(3)に切り
込み(4)を備え、この切り込み(4)の深さが整合体
(2)の円盤直径(6)の最大でも四分の一までの値で
あることを特徴とする超音波変換器。 - 【請求項2】外周面(3)が切り込み(4)以外におい
て円筒面として形成されることを特徴とする請求項1記
載の超音波変換器。 - 【請求項3】外周面(3)が切り込み(4)を備え、こ
の切り込みの深さが1/4波長整合体(2)の上面及び下
面の円形面の大きさが異なる場合少なくともこの切り込
み内に投影され、小さい方の円形面から出発する仮想の
円筒外周面を切る深さ(5)を持つことを特徴とする請
求項1記載の超音波変換器。 - 【請求項4】圧電変換素子(1)が直径Dを持ち、この
変換素子(1)側の1/4波長整合体(2)下側円形面
(8)が0.8D及び1.2Dの間の特徴を持つことを特徴とす
る請求項1ないし3のいずれか1つに記載の超音波変換
器。 - 【請求項5】切り込み(4)の深さが整合体(2)の円
盤直径(6)の0.05〜0.15の間にあることを特徴とする
請求項1ないし4のいずれか1つに記載の超音波変換
器。 - 【請求項6】超音波変換器全体が整合体(2)の音響媒
体側の面を除いて発泡剤被覆を備えていることを特徴と
する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の超音波変
換器。 - 【請求項7】発泡剤被覆が実質的にポリウレタンからな
ることを特徴とする請求項6記載の超音波変換器。 - 【請求項8】1/4波長整合体(2)が合成発泡剤からな
ることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに
記載の超音波変換器。 - 【請求項9】整合体(2)の背面側の面(8)が円筒状
の空所(9)を備え、この空所(9)の深さが最大でも
整合体(2)の厚さの半分であることを特徴とする請求
項1ないし8のいずれか1つに記載の超音波変換器。 - 【請求項10】整合体(2)の背面側の面(8)が同心
状の環状溝(10、11)を備え、この環状溝(10、11)の
深さが最大でも整合体(2)の厚さの半分であることを
特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の超
音波変換器。
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