JP3148242B2 - 超音波変換器 - Google Patents

超音波変換器

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JP3148242B2 JP50582994A JP50582994A JP3148242B2 JP 3148242 B2 JP3148242 B2 JP 3148242B2 JP 50582994 A JP50582994 A JP 50582994A JP 50582994 A JP50582994 A JP 50582994A JP 3148242 B2 JP3148242 B2 JP 3148242B2
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    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods 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
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転対称で円盤状の1/4波長整合体を備え
た圧電変換素子を有する超音波変換器に関する。
上述の種類の超音波変換器はドイツ連邦共和国特許第
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。
従って本発明の課題は、上述の種類の超音波変換器に
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。
整合体の外周面に切り込みを設けると共に、更に整合
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。
以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図面において、 図1は本発明による超音波変換器の断面を、 図2は図1による超音波変換器の音響ローブ特性を、 図3は図1による超音波変換器の放射表面における振
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。
図1は円盤状の圧電体セラミック1を備えた本発明に
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。
図1の超音波変換器に対しては、殆ど副ローブがない
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。
図4、5、6は本発明による変換器のそれぞれ異なる
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。
切り込み4は多角形状に形状するか或いはまた円い窪
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。
図3による最適な振動曲線を生ずるための輪郭形成の
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。
多数の適用例においては副ローブを持たない狭い幅の
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。
外周面における切り込みの形状により異なる両翼傾斜
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。
側面の切り込みの形状により、また放射面上のガウス
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。
本発明によれば超音波変換器は殆ど理想的な、即ち副
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。
図7及び図8は、整合体の外周面に設けた切り込みの
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。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−112300(JP,A) 米国特許3421031(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04R 17/00 330 G10K 11/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
JP50582994A 1992-08-13 1993-07-29 超音波変換器 Expired - Lifetime JP3148242B2 (ja)

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DE92113833.5 1992-08-13
EP92113833 1992-08-13
PCT/EP1993/002039 WO1994005004A1 (de) 1992-08-13 1993-07-29 Ultraschallwandler

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JPH08500224A JPH08500224A (ja) 1996-01-09
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