JP3406986B2 - Ultrasonic transducer and its vibration control method - Google Patents

Ultrasonic transducer and its vibration control method

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JP3406986B2
JP3406986B2 JP33042699A JP33042699A JP3406986B2 JP 3406986 B2 JP3406986 B2 JP 3406986B2 JP 33042699 A JP33042699 A JP 33042699A JP 33042699 A JP33042699 A JP 33042699A JP 3406986 B2 JP3406986 B2 JP 3406986B2
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bending vibration
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langevin type
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、電気音響変換技
術に関し、特にソーナー等に使用する小型軽量で、かつ
ハイパワーで超音波を送波可能な広帯域圧電型の超音波
送受波器及びその振動制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electroacoustic conversion technology, and in particular, it is a small-sized and light-weight wideband piezoelectric ultrasonic transducer for use in sonars and the like, and a vibration thereof. Regarding control method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、水中において数kHz〜数十kH
zの周波数帯域でハイパワー送波が可能で、かつ高効率
な広帯域超音波送受波器として、ボルト締めランジュバ
ン型送受波器のフロントマスに音響整合層を設けた超音
波送受波器が知られている(IEEE Proceedings,Vol.131,
Part F,No.3,pp.285-297,June 1984等)。
2. Description of the Related Art Conventionally, several kHz to several tens of kHz in water.
As a wideband ultrasonic transducer that is capable of high-power transmission in the z frequency band and is highly efficient, an ultrasonic transducer in which an acoustic matching layer is provided on the front mass of a bolted Langevin type transducer is known. (IEEE Proceedings, Vol.131,
Part F, No.3, pp.285-297, June 1984 etc.).

【0003】またさらに、ボルト締めランジュバン型送
受波器の広帯域化技術として、図4に示すように、ラン
ジュバン型振動子のフロントマス3に凹部10を設け、
その凹部10に屈曲振動板5を設けた超音波送受波器
(以下、送受波器と呼ぶ)がある。同図において、1は
圧電セラミック積層体、2はリアマス、4はリアマス2
とフロントマス3とを結合するボルトを示す。
Further, as a band broadening technique for a bolted Langevin type transducer, as shown in FIG. 4, a recess 10 is provided in the front mass 3 of the Langevin type oscillator.
There is an ultrasonic wave transmitter / receiver (hereinafter referred to as a wave transmitter / receiver) in which the flexural vibration plate 5 is provided in the recess 10. In the figure, 1 is a piezoelectric ceramic laminate, 2 is a rear mass, 4 is a rear mass 2
2 shows a bolt connecting the front mass 3 and the front mass 3.

【0004】この送受波器は、ランジュバン型送受波器
の縦振動モードと屈曲振動板5の屈曲振動モードの2つ
のモードを重畳させることにより広帯域化している。こ
の方式では整合層を使用する方式よりも小型軽量化でき
る等の優位性がある。
This wave transmitter / receiver has a wide band by superimposing two modes of the longitudinal vibration mode of the Langevin type wave transmitter / receiver and the bending vibration mode of the bending diaphragm 5. This method has advantages such as smaller size and lighter weight than a method using a matching layer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】先に説明した従来技術
の第1の問題点は、帯域幅の下限周波数は送受波器の縦
振動共振周波数となるため、送受波器の全長寸法にて決
定されとめ、低周波化するためには送受波器が大型化し
てしまうことである。
The first problem of the prior art described above is that the lower limit frequency of the bandwidth is the longitudinal vibration resonance frequency of the transducer, so it is determined by the overall length of the transducer. In other words, in order to reduce the frequency, the size of the transmitter / receiver becomes large.

【0006】その理由は、従来技術の音響整合層を設け
る方式および屈曲振動板を設ける方式のいずれにして
も、最も低い共振周波数は送受波器全体の縦振動共振周
波数であるためである。よって広帯域化した帯域幅の下
限周波数は送受波器全体の縦振動共振周波数であり、こ
の周波数より低い周波数へ広帯域化することはできな
い。そのため使用周波数をより低くするためには、送受
波器の全長寸法で決定される縦振動共振周波数を低くす
る必要があり、全長寸法が大型化する。
The reason for this is that the lowest resonance frequency is the longitudinal vibration resonance frequency of the entire transducer, regardless of the method of providing the acoustic matching layer and the method of providing the bending vibration plate of the prior art. Therefore, the lower limit frequency of the widened bandwidth is the longitudinal vibration resonance frequency of the entire transducer, and it cannot be widened to a frequency lower than this frequency. Therefore, in order to further reduce the operating frequency, it is necessary to lower the longitudinal vibration resonance frequency determined by the overall length dimension of the wave transmitter / receiver, which increases the overall length dimension.

【0007】第2の問題点は、さらなる広帯域化が構造
上困難である。
The second problem is that it is structurally difficult to make the band wider.

【0008】その理由は、音響整合層を設ける方式で
は、帯域幅を広げるために複数の音響整合層を設ける
と、音響整合層の接着部が増加し信頼性が悪くなり、ま
た多重の整合層をもつ分だけ、大型化してしまうため、
実用的な整合層の数は2または3層が限界である。多層
の整合層を使用した場合でも比帯域幅は60%程度が限
界であり、さらなる広帯域化は困難である。
The reason is that, in the method of providing the acoustic matching layer, if a plurality of acoustic matching layers are provided in order to widen the bandwidth, the adhesive portion of the acoustic matching layer increases and the reliability deteriorates. Since it has a large size,
The practical number of matching layers is limited to 2 or 3. Even when using multiple matching layers, the specific bandwidth is limited to about 60%, and it is difficult to further increase the bandwidth.

【0009】また、屈曲振動板を設ける方式では、送受
波器の縦振動モードと屈曲振動板の屈曲振動モードの2
つのモードを重畳させて広帯域化しているので、2つの
モードがうまく結合するように各々の共振周波数を適切
に設定する必要がある。この場合の比帯域幅も80%程
度が限界であり、構造上、さらなる広帯域化は困難であ
る。
Further, in the method of providing the bending vibration plate, there are two modes of the longitudinal vibration mode of the transducer and the bending vibration mode of the bending vibration plate.
Since the two modes are superposed and the band is widened, it is necessary to properly set the respective resonance frequencies so that the two modes are well coupled. In this case, the specific bandwidth is limited to about 80%, and it is difficult to further increase the bandwidth due to the structure.

【0010】よって、本発明の目的は、上記の問題を解
決し、小型軽量で低周波化、及びさらなる広帯域化を実
現できる広帯域圧電型の超音波送受波器及び屈曲振動体
の振動方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a wideband piezoelectric ultrasonic transducer and a method of vibrating a flexural vibrating body, which can solve the above-mentioned problems and can realize a small size, a light weight, a low frequency, and a wider band. To do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明では、フロントマスとリアマスとの間に内部
貫通孔のある圧電セラミック積層体を配し、前記圧電セ
ラミック積層体に設けられた貫通孔を通して圧電セラミ
ック積層体に圧縮応力を加えるべきボルトを設けたボル
ト締めランジュバン型振動子を含む超音波送受波器にお
いて、フロントマス前面部に凹部を設け、その凹部に圧
電薄板セラミックと内部に空洞を有する振動板を貼り合
わせた屈曲振動体を、圧電薄板セラミックが凹部の内側
になるように、フロントマスの凹部の底から浮かせて設
けた構成とした。
In order to solve the above problems, in the present invention, a piezoelectric ceramic laminate having internal through holes is arranged between a front mass and a rear mass, and the piezoelectric ceramic laminate is provided on the piezoelectric ceramic laminate. In an ultrasonic transducer including a bolted Langevin type transducer provided with a bolt for applying a compressive stress to a piezoelectric ceramic laminate through a through hole, a concave portion is provided on the front face of the front mass, and the piezoelectric thin plate ceramic and the inside are provided in the concave portion. The flexural vibrating body, to which the vibrating plate having the cavity is attached, is provided so as to float above the bottom of the recess of the front mass so that the piezoelectric thin plate ceramic is inside the recess.

【0012】その場合、フロントマスの凹部の内径をフ
ロントマス全径の80%以上に設定し、かつ、振動板の
空洞の径をフロントマス全径の50%〜70%程度に設
定するのが大変好適である。
In this case, the inner diameter of the concave portion of the front mass is set to 80% or more of the total diameter of the front mass, and the diameter of the cavity of the diaphragm is set to about 50% to 70% of the total diameter of the front mass. It is very suitable.

【0013】また、ボルト締めランジュバン型振動子の
縦振動基本共振モードに対して、フロントマスの凹部に
設けた屈曲振動体全体の屈曲振動モードが互いに逆相と
なるように、圧電薄板セラミックの駆動電圧の位相をシ
フトさせ、かつ、屈曲振動体全体の屈曲振動共振周波数
の方が、ボルト締めランジュバン型振動子の縦振動共振
周波数よりも低くなるように構造寸法を設定することも
できる。
In addition, the piezoelectric thin plate ceramic is driven so that the bending vibration modes of the entire bending vibration member provided in the recess of the front mass are in opposite phases to the longitudinal vibration fundamental resonance mode of the bolted Langevin type vibrator. It is also possible to shift the voltage phase and set the structural dimensions so that the bending vibration resonance frequency of the entire bending vibration body is lower than the longitudinal vibration resonance frequency of the bolted Langevin type vibrator.

【0014】また、ボルト締めランジュバン型振動子の
縦振動基本共振モードに対して、フロントマスの凹部に
設けた屈曲振動体を構成する振動板の空洞より外側の板
の屈曲振動モードが互いに逆相となるように設定し、か
つ、振動板の空洞より外側の板の屈曲振動共振周波数の
方が、ボルト締めランジュバン型振動子の縦振動共振周
波数よりも高くなるように構造寸法を設定することもで
きる。
Further, the longitudinal vibration fundamental resonance mode of the bolted Langevin type vibrator is opposite in phase to the bending vibration mode of the plate outside the cavity of the diaphragm constituting the bending vibrator provided in the concave portion of the front mass. And the structural dimensions can be set so that the flexural vibration resonance frequency of the plate outside the cavity of the diaphragm is higher than the longitudinal vibration resonance frequency of the bolted Langevin type vibrator. it can.

【0015】一方、本発明の方法では、圧電セラミック
積層体を間に配したフロントマスとリアマスとをボルト
締めするランジュバン型振動子を含む超音波送受波器
の、フロントマスの凹部に設ける屈曲振動体を振動させ
る振動制御方法であって、屈曲振動体に、内部に空洞の
ある振動板と圧電薄板セラミックとを貼り合わせたもの
を用い、圧電薄板セラミックが凹部の内側になるよう凹
部の底から浮かせて配置しておき、その屈曲振動体全体
の屈曲振動モードが前記ランジュバン型振動子の縦振動
基本共振モードに対して互いに逆相となるように、圧電
薄板セラミックの駆動電圧の位相をシフトさせて印加す
る方法とした。
On the other hand, according to the method of the present invention, the bending vibration provided in the concave portion of the front mass of the ultrasonic transducer including the Langevin type vibrator for bolting the front mass and the rear mass with the piezoelectric ceramic laminate interposed therebetween. A vibration control method for vibrating a body, comprising a flexural vibrating body in which a vibrating plate having a cavity inside and a piezoelectric thin plate ceramic are bonded together, and the piezoelectric thin plate ceramic is placed inside the concave part from the bottom of the concave part. It is placed in a floating state, and the phase of the driving voltage of the piezoelectric thin plate ceramic is shifted so that the bending vibration mode of the entire bending vibration body has a phase opposite to the longitudinal vibration basic resonance mode of the Langevin type vibrator. Was applied.

【0016】その場合、フロントマスの凹部の内径をフ
ロントマス全径の80%以上に設定し、かつ、振動板の
空洞の径をフロントマス全径の50%〜70%程度に設
定するのが大変好適である。
In this case, the inner diameter of the concave portion of the front mass is set to 80% or more of the total diameter of the front mass, and the diameter of the cavity of the diaphragm is set to about 50% to 70% of the total diameter of the front mass. It is very suitable.

【0017】また、ランジュバン型振動子の縦振動基本
共振モードに対して、屈曲振動体を構成する振動板の空
洞より外側の板の屈曲振動モードが互いに逆相となるよ
うに設定し、かつ、振動板の空洞より外側の板の屈曲振
動共振周波数の方が、ランジュバン型振動子の縦振動共
振周波数よりも高くなるように構造寸法を設定しておく
こともできる。
Further, the longitudinal vibration fundamental resonance mode of the Langevin type oscillator is set so that the bending vibration modes of the plates outside the cavity of the vibration plate constituting the bending vibration body have mutually opposite phases, and The structural dimensions can be set such that the flexural vibration resonance frequency of the plate outside the cavity of the diaphragm is higher than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type vibrator.

【0018】本発明の送受波器は、3つの振動モードを
有しており、周波数の低い順に、圧電薄板セラミックと
内部に空洞を有する振動板を貼り合わせた屈曲振動体の
屈曲振動モード、ランジュバン型送受波器の縦振動モー
ド、そして内部に空洞を有する振動板の空洞より外側の
板の屈曲振動モードである。
The transducer according to the present invention has three vibration modes, and a bending vibration mode of a bending vibration body in which a piezoelectric thin plate ceramic and a vibration plate having a cavity inside are bonded in order of increasing frequency, Langevin. There are a longitudinal vibration mode of the die transducer and a bending vibration mode of a plate outside the cavity of the diaphragm having a cavity inside.

【0019】ランジュバン型振動子の縦振動基本共振モ
ードに対して、屈曲振動体全体の屈曲振動モードと、屈
曲振動体を構成する振動板の空洞より外側の板の屈曲振
動モードが互いに逆相となるように設定されているた
め、3つの振動モードが結合し、帯域幅を大幅に広げる
ことができる。
The longitudinal vibration fundamental resonance mode of the Langevin type oscillator is such that the bending vibration mode of the entire bending vibration body and the bending vibration mode of the plate outside the cavity of the vibration plate constituting the bending vibration body are in opposite phases to each other. Since the three vibration modes are coupled to each other, the bandwidth can be significantly widened.

【0020】また、圧電薄板セラミックと内部に空洞を
有する振動板を貼り合わせた屈曲振動体の屈曲振動共振
周波数は、ランジュバン型送受波器の縦振動共振周波数
よりも低い周波数であるため、送受波器の寸法が大型化
することなく、低周波領域まで帯域幅を広げられる。
Further, since the flexural vibration resonance frequency of the flexural vibration body in which the piezoelectric thin plate ceramic and the vibration plate having a cavity inside are bonded together is lower than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type transducer, The bandwidth can be extended to the low frequency region without increasing the size of the container.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について図面を参照して詳細に説明する。図1を参照す
ると、11は中空の圧電セラミック積層体、12及び1
3はそれぞれリアマス、フロントマス、14はボルト、
15は屈曲振動体である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Referring to FIG. 1, 11 is a hollow piezoelectric ceramic laminate, 12 and 1
3 is rear mass, front mass, 14 is bolt,
Reference numeral 15 is a bending vibration body.

【0022】屈曲振動体15は、圧電薄板セラミック1
6と内部に空洞177を有する振動板17を強力接着剤
で貼り合わせることにより構成されており、振動板17
の空洞177部分からみて圧電薄板セラミック16を貼
り合わせていない面は屈曲振動をおこす板18であり、
この面が音響放射面となる。
The bending vibration body 15 is a piezoelectric thin plate ceramic 1.
6 and a diaphragm 17 having a cavity 177 inside are bonded together with a strong adhesive.
The surface where the piezoelectric thin plate ceramic 16 is not bonded is a plate 18 that causes bending vibration when viewed from the cavity 177 part of
This surface is the acoustic emission surface.

【0023】リアマス12の中心には穴があいており、
フロントマス13の中心にはタップが切られている。リ
アマス12、フロントマス13とボルト14により圧電
セラミック積層体11には静的な応力バイアスを加えて
いる。屈曲振動体15は、フロントマス13の上面に設
けた凹部10部分に、圧電薄板セラミック16が内側と
なるようにはめ込み、屈曲振動体15とフロントマス1
3の接合部は、溶接して完全に一体化させている。ま
た、圧電薄板セラミック16へ駆動電圧を印可する際
に、位相をシフトできるよう位相シフト器19を取り付
けている。
There is a hole in the center of the rear mass 12,
A tap is cut at the center of the front mass 13. Static stress bias is applied to the piezoelectric ceramic laminate 11 by the rear mass 12, the front mass 13, and the bolts 14. The flexural vibration body 15 is fitted into the concave portion 10 provided on the upper surface of the front mass 13 so that the piezoelectric thin plate ceramic 16 is located inside, and the flexural vibration body 15 and the front mass 1 are fitted.
The joint portion 3 is welded and completely integrated. Further, a phase shifter 19 is attached so that the phase can be shifted when a drive voltage is applied to the piezoelectric thin plate ceramic 16.

【0024】次に、動作について説明する。本発明の送
受波器は、3つの振動モードを有しており、固有共振周
波数の低い順に、圧電薄板セラミック11と内部に空洞
177を有する振動板17を貼り合わせた屈曲振動体1
5の周辺固定屈曲振動モードの周波数f1、ランジュバ
ン型送受波器全体で並進振動する縦振動モードの周波数
f2、そして内部に空洞177を有する振動板17の空
洞177より外側の板18の周辺固定屈曲振動モードの
周波数f3である。
Next, the operation will be described. The transducer of the present invention has three vibration modes, and a bending vibration body 1 in which a piezoelectric thin plate ceramic 11 and a vibration plate 17 having a cavity 177 inside are bonded in order of increasing natural resonance frequency.
5, the frequency f1 of the peripheral fixed bending vibration mode, the frequency f2 of the longitudinal vibration mode of translational vibration in the entire Langevin type transducer, and the peripheral fixed bending of the plate 18 outside the cavity 177 of the diaphragm 17 having the cavity 177 inside. It is the frequency f3 of the vibration mode.

【0025】図2ではそれぞれの振動モードについての
振動モード図を示している。この3つの振動モードは、
フロントマス13の凹部10の内径をフロントマス3全
径の80%以上に設定し、かつ、振動板17の空洞17
7部分の径をフロントマス全径の50〜70%程度に設
定することにより、f1<f2<f3の関係を得られ
る。
FIG. 2 shows a vibration mode diagram for each vibration mode. These three vibration modes are
The inner diameter of the recess 10 of the front mass 13 is set to 80% or more of the total diameter of the front mass 3, and the cavity 17 of the diaphragm 17 is set.
By setting the diameter of the seven parts to about 50 to 70% of the total diameter of the front mass, the relationship of f1 <f2 <f3 can be obtained.

【0026】また、ランジュバン型送受波器全体の縦振
動共振モードに対して、フロントマス13上面に設けた
屈曲振動体15全体の屈曲振動モードが互いに逆相とな
るように、圧電薄板セラミック16の駆動電圧の位相を
シフトさせている。
Further, the piezoelectric thin plate ceramic 16 is arranged so that the bending vibration modes of the entire bending vibration member 15 provided on the upper surface of the front mass 13 are opposite to the longitudinal vibration resonance mode of the entire Langevin type transducer. The phase of the drive voltage is shifted.

【0027】また、ランジュバン型送受波器の縦振動共
振モードに対して、フロントマス13上面に設けた屈曲
振動体15を構成する振動板17の空洞177より外側
の板18の屈曲振動モードも互いに逆相となる。
Further, with respect to the longitudinal vibration resonance mode of the Langevin type transducer, the bending vibration modes of the plate 18 outside the cavity 177 of the vibration plate 17 constituting the bending vibration body 15 provided on the upper surface of the front mass 13 are mutually different. It will be in reverse phase.

【0028】つまり、並進変位の縦振動モードではラン
ジュバン型送受波器が伸びた場合に、図2に示すように
音響放射面でも媒質拝除の方向に伸びるように振動し、
フロントマス13上面に設けた屈曲振動体15全体の屈
曲振動モード及びフロントマス13上面に設けた屈曲振
動体15を構成する振動板17の空洞177より外側の
板18の屈曲振動モードでは、図2に示すようにランジ
ュバン型送受波器が縮む場合に媒質排除の方向に屈曲振
動する。この位相が互いに逆相となる駆動により、それ
ぞれのモードが重畳し、広帯域化がなされるようになっ
ている。
That is, in the translational displacement longitudinal vibration mode, when the Langevin type transducer is extended, the acoustic radiation surface vibrates so as to extend in the direction of removing the medium as shown in FIG.
In the bending vibration mode of the entire bending vibration body 15 provided on the upper surface of the front mass 13 and the bending vibration mode of the plate 18 outside the cavity 177 of the vibration plate 17 constituting the bending vibration body 15 provided on the upper surface of the front mass 13, As shown in, when the Langevin type transducer is contracted, it bends and vibrates in the direction of medium exclusion. By the driving in which the phases are opposite to each other, the respective modes are superposed and the band is widened.

【0029】これまでの説明で明らかなように、本発明
の送受波器では、ランジュバン型送受波器の縦振動モー
ドと、屈曲振動体15全体の屈曲振動モードと、屈曲振
動体15を構成する振動板17の空洞177より外側の
板18の屈曲振動モードの3つの振動モードを重畳でき
るため、従来品と比較して、帯域幅を大幅に広げること
ができる。
As is apparent from the above description, in the transducer of the present invention, the longitudinal vibration mode of the Langevin type transducer, the bending vibration mode of the entire bending vibration body 15, and the bending vibration body 15 are constituted. Since three vibration modes of the bending vibration mode of the plate 18 outside the cavity 177 of the vibration plate 17 can be superimposed, the bandwidth can be significantly widened as compared with the conventional product.

【0030】また、圧電薄板セラミック16と内部に空
洞177を有する振動板17を貼り合わせた屈曲振動体
15の屈曲振動共振周波数は、ランジュバン型送受波器
の縦振動共振周波数よりも低い周波数であるため、送受
波器の寸法が大型化することなく、低周波領域まで帯域
幅を広げることができる。
Further, the flexural vibration resonance frequency of the flexural vibration body 15 in which the piezoelectric thin plate ceramic 16 and the vibration plate 17 having the cavity 177 are bonded together is lower than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type transducer. Therefore, the bandwidth can be expanded to the low frequency region without increasing the size of the transducer.

【0031】次に、本発明の第1の実施例について図面
を参照してより具体的に説明する。図1において、圧電
セラミック積層体11は厚さ方向に分極されたジルコン
チタン酸鉛系圧電セラミッでできたリングで、隣接する
リングは分極方向が互いに逆向きになるように配列さ
れ、各リングは電気的に並列に接続されている。
Next, the first embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. In FIG. 1, a piezoelectric ceramic laminate 11 is a ring made of lead zircon titanate-based piezoelectric ceramics polarized in the thickness direction. Adjacent rings are arranged so that their polarization directions are opposite to each other. They are electrically connected in parallel.

【0032】また圧電薄板セラミック16は厚さ方向に
分極されたジルコンチタン酸鉛系圧電セラミッでできた
円板で、駆動電圧の位相を180度シフトさせる位相シ
フト器19を介して圧電セラミック積層体11と並列に
接続されている。
The piezoelectric thin plate ceramic 16 is a disk made of lead zircon titanate-based piezoelectric ceramics polarized in the thickness direction, and a piezoelectric ceramic laminated body through a phase shifter 19 for shifting the phase of the driving voltage by 180 degrees. 11 is connected in parallel.

【0033】12及び13は金属マスでそれぞれがリア
マス、フロントマスをなしている。ボルト14は鋼製
で、圧電セラミック積層体11に静的な圧縮バイアスを
加えている。
Metal masses 12 and 13 respectively form a rear mass and a front mass. The bolt 14 is made of steel and applies a static compression bias to the piezoelectric ceramic laminate 11.

【0034】17はアルミ合金でできた内部に円板状の
空洞177を有する振動板で、圧電薄板セラミック16
をエポキシ系の強力接着剤で強固に固定することで、屈
曲振動体15となる。
Reference numeral 17 is a diaphragm made of an aluminum alloy and having a disk-shaped cavity 177 therein.
Is firmly fixed with an epoxy-based strong adhesive to form the bending vibration body 15.

【0035】フロントマス13と屈曲振動体15の接合
部は溶接により、一体化させた。凹部10の内径は、放
射面の直径に対して90%とし、振動板17の空洞17
7の径は、放射面の径に対して60%とした。
The joint portion between the front mass 13 and the bending vibration body 15 was integrated by welding. The inner diameter of the recess 10 is 90% of the diameter of the emitting surface, and the cavity 17 of the diaphragm 17 is
The diameter of 7 was 60% of the diameter of the emitting surface.

【0036】図3に本発明の第2の実施例を示す。図3
において、31は厚さ方向に分極されたジルコンチタン
酸鉛系圧電セラミッでできたリング(圧電セラミック積
層体)で、隣接するリング31は分極方向が互いに逆向
きになるように配列され、各リング31は電気的に並列
に接続されている。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. Figure 3
In FIG. 3, reference numeral 31 denotes a ring (piezoelectric ceramic laminate) made of lead zircon titanate-based piezoelectric ceramics polarized in the thickness direction, and adjacent rings 31 are arranged so that their polarization directions are opposite to each other. 31 is electrically connected in parallel.

【0037】また、36は厚さ方向に分極されたジルコ
ンチタン酸鉛系圧電セラミッでできた圧電セラミック円
板(圧電薄板セラミック)で、駆動電圧の位相を180
度シフトさせる位相シフト器39を介して圧電セラミッ
クリング31と並列に接続されている。
Reference numeral 36 is a piezoelectric ceramic disc (piezoelectric thin plate ceramic) made of lead zircon titanate-based piezoelectric ceramics polarized in the thickness direction, and the phase of the driving voltage is 180.
The piezoelectric ceramic ring 31 is connected in parallel via a phase shifter 39 for shifting the degree.

【0038】32及び33は金属マスでそれぞれがリア
マス、フロントマスをなしている。ボルト34は鋼製
で、圧電セラミックリング31に静的な圧縮バイアスを
加えている。37はアルミ合金でできた内部に円板状の
空洞377を有する振動板で、圧電セラミック円板36
をエポキシ系の強力接着剤で強固に固定することで、屈
曲振動体35となる。38は空洞377の外側の板であ
る。
Reference numerals 32 and 33 denote metal masses, which form a rear mass and a front mass, respectively. The bolt 34 is made of steel and applies a static compression bias to the piezoelectric ceramic ring 31. Reference numeral 37 is a diaphragm made of an aluminum alloy and having a disk-shaped cavity 377 therein.
Is firmly fixed with an epoxy-based strong adhesive to form the bending vibration body 35. 38 is a plate outside the cavity 377.

【0039】フロントマス33とその凹部10内の屈曲
振動体35は、凸凹の鋼製のリング310を介してボル
ト311にて固定されている。これにより屈曲振動体3
5の支持条件は周辺固定となり、屈曲振動体35の屈曲
振動周波数を図1のようにフロントマスで囲む周辺固定
に比べてさらに低くできる。リング310の径は、放射
面の直径に対して90%とし、振動板の37空洞377
部分の径は、放射面の径に対して60%とした。
The front mass 33 and the flexural vibration body 35 in the recess 10 thereof are fixed by bolts 311 via a ring 310 made of uneven steel. As a result, the bending vibration body 3
The supporting condition of No. 5 is fixed to the periphery, and the flexural vibration frequency of the flexural vibration body 35 can be made lower than that of the peripheral fixation surrounded by the front mass as shown in FIG. The diameter of the ring 310 is 90% of the diameter of the radiating surface, and 37 cavities 377 of the vibration plate
The diameter of the portion was 60% of the diameter of the emitting surface.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明の第1の効果は、帯域幅の下限周
波数をランジュバン型送受波器の縦振動共振周波数より
も低くでき、低周波化できることである。
The first effect of the present invention is that the lower limit frequency of the bandwidth can be made lower than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type transducer and the frequency can be lowered.

【0041】その理由は、フロントマスに設けた、圧電
薄板セラミックと内部に空洞を有する振動板を貼り合わ
せた屈曲振動体の屈曲振動共振周波数が、ランジュバン
型送受波器の縦振動共振周波数よりも低い周波数である
ため、送受波器の寸法が大型化することなく、低周波領
域まで帯域幅を広げられるからである。
The reason is that the bending vibration resonance frequency of the bending vibration body provided with the piezoelectric thin plate ceramic and the vibration plate having the cavity inside is attached to the front mass, and the bending vibration resonance frequency is higher than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type transducer. This is because the low frequency allows the bandwidth to be expanded to the low frequency region without increasing the size of the transducer.

【0042】第2の効果は、従来よりも帯域幅を広げら
れることである。
The second effect is that the bandwidth can be increased as compared with the conventional case.

【0043】その理由は、本発明の送受波器は、3つの
振動モードを有しており、周波数の低い順に、圧電薄板
セラミックと内部に空洞を有する振動板を貼り合わせた
屈曲振動体の屈曲振動モード、ランジュバン型送受波器
の縦振動モード、そして内部に空洞を有する振動板の空
洞より外側の板の屈曲振動モードである。ランジュバン
型振動子の縦振動基本共振モードに対して、屈曲振動体
全体の屈曲振動モードと、屈曲振動体を構成する振動板
の空洞より外側の板の屈曲振動モードが互いに逆相とな
るように設定されているため、3つの振動モードが結合
し、帯域幅を大幅に広げることができる。
The reason is that the transducer according to the present invention has three vibration modes, and the bending vibration body in which the piezoelectric thin plate ceramic and the vibration plate having a cavity inside are bonded in order of increasing frequency is bent. There are a vibration mode, a longitudinal vibration mode of a Langevin type transducer, and a bending vibration mode of a plate outside a cavity of a diaphragm having a cavity inside. The longitudinal vibration fundamental resonance mode of the Langevin type oscillator is set so that the bending vibration mode of the entire bending vibration body and the bending vibration mode of the plate outside the cavity of the vibration plate constituting the bending vibration body have mutually opposite phases. Since it is set, the three vibration modes are combined, and the bandwidth can be significantly widened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による送受波器の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a wave transceiver according to the present invention.

【図2】本発明による送受波器の振動モードを示す説明
図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a vibration mode of the wave transceiver according to the present invention.

【図3】本発明による送受波器の他の例を示す概略断面
図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of the wave transceiver according to the present invention.

【図4】従来の送受波器の例を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional wave transceiver.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11、31 圧電セラミック積層体(リング) 2、12、32 リアマス(金属マス) 3、13、33 フロントマス(金属マス) 4、14、34 ボルト 5 屈曲振動板 10 凹部 15、35 屈曲振動体 16、36 圧電セラミック薄板(圧電セラミック円
板) 17、37 振動板 177、377 空洞 18、38 板 19、39 位相シフト器
1, 11, 31 Piezoelectric ceramic laminate (ring) 2, 12, 32 Rear mass (metal mass) 3, 13, 33 Front mass (metal mass) 4, 14, 34 Bolt 5 Bending diaphragm 10 Recessed portion 15, 35 Bending vibration Body 16, 36 Piezoelectric ceramic thin plate (piezoelectric ceramic disk) 17, 37 Vibration plate 177, 377 Cavity 18, 38 Plate 19, 39 Phase shifter

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04R 17/10 330 H04R 1/44 330 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H04R 17/10 330 H04R 1/44 330

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 フロントマスとリアマスとの間に内部貫
通孔のある圧電セラミック積層体を配し、前記圧電セラ
ミック積層体に設けられた貫通孔を通して圧電セラミッ
ク積層体に圧縮応力を加えるべきボルトを設けたボルト
締めランジュバン型振動子を含む超音波送受波器におい
て、フロントマス前面部に凹部を設け、その凹部に圧電
薄板セラミックと内部に空洞を有する振動板を貼り合わ
せた屈曲振動体を、圧電薄板セラミックが凹部の内側に
なるように、フロントマスの凹部の底から浮かせて設け
たことを特徴とする超音波送受波器。
1. A piezoelectric ceramic laminated body having an internal through hole is arranged between a front mass and a rear mass, and a bolt for applying a compressive stress to the piezoelectric ceramic laminated body is provided through a through hole provided in the piezoelectric ceramic laminated body. In an ultrasonic transducer including a bolted Langevin type vibrator provided, a concave portion is provided on the front surface of the front mass, and a flexural vibrating body in which a piezoelectric thin plate ceramic and a diaphragm having a cavity inside are bonded to each other An ultrasonic wave transmitter / receiver, characterized in that the thin plate ceramic is provided so as to be inside the recessed part, and is floated from the bottom of the recessed part of the front mass.
【請求項2】 フロントマスの凹部の内径をフロントマ
ス全径の80%以上に設定し、かつ、振動板の空洞の径
をフロントマス全径の50%〜70%程度に設定したこ
とを特徴とする、請求項1記載の超音波送受波器。
2. The inner diameter of the concave portion of the front mass is set to 80% or more of the total diameter of the front mass, and the diameter of the cavity of the diaphragm is set to about 50% to 70% of the total diameter of the front mass. The ultrasonic wave transmitter / receiver according to claim 1.
【請求項3】 ボルト締めランジュバン型振動子の縦振
動基本共振モードに対して、フロントマスの凹部に設け
た屈曲振動体全体の屈曲振動モードが互いに逆相となる
ように、圧電薄板セラミックの駆動電圧の位相をシフト
させ、かつ、屈曲振動体全体の屈曲振動共振周波数の方
が、ボルト締めランジュバン型振動子の縦振動共振周波
数よりも低くなるように構造寸法を設定したことを特徴
とする、請求項1又は2記載の超音波送受波器。
3. A piezoelectric thin plate ceramic is driven so that the bending vibration modes of the entire bending vibration body provided in the recess of the front mass are in opposite phases to the longitudinal vibration fundamental resonance mode of the bolted Langevin type vibrator. The structural dimensions are set such that the voltage phase is shifted, and the bending vibration resonance frequency of the entire bending vibration body is lower than the longitudinal vibration resonance frequency of the bolted Langevin type vibrator. The ultrasonic wave transmitter / receiver according to claim 1.
【請求項4】 ボルト締めランジュバン型振動子の縦振
動基本共振モードに対して、フロントマスの凹部に設け
た屈曲振動体を構成する振動板の空洞より外側の板の屈
曲振動モードが互いに逆相となるように設定し、かつ、
振動板の空洞より外側の板の屈曲振動共振周波数の方
が、ボルト締めランジュバン型振動子の縦振動共振周波
数よりも高くなるように構造寸法を設定したことを特徴
とする、請求項1〜3の何れかに記載の超音波送受波
器。
4. A longitudinal vibration fundamental resonance mode of a bolted Langevin type oscillator is opposite to a bending vibration mode of a plate outside a cavity of a vibration plate constituting a bending vibration body provided in a recess of a front mass. So that
4. The structural dimension is set so that the flexural vibration resonance frequency of the plate outside the cavity of the vibration plate is higher than the longitudinal vibration resonance frequency of the bolted Langevin type vibrator. The ultrasonic transmitter / receiver according to any one of 1.
【請求項5】 圧電セラミック積層体を間に配したフロ
ントマスとリアマスとをボルト締めするランジュバン型
振動子を含む超音波送受波器の、前記フロントマスの凹
部に設ける屈曲振動体を振動させる振動制御方法であっ
て、前記屈曲振動体に、内部に空洞のある振動板と圧電
薄板セラミックとを貼り合わせたものを用い、圧電薄板
セラミックが凹部の内側になるよう凹部の底から浮かせ
て配置しておき、その屈曲振動体全体の屈曲振動モード
が前記ランジュバン型振動子の縦振動基本共振モードに
対して互いに逆相となるように、前記圧電薄板セラミッ
クの駆動電圧の位相をシフトさせて印加することを特徴
とする、超音波送受波器の振動制御方法。
5. A vibration for vibrating a bending vibration body provided in a concave portion of the front mass of an ultrasonic transducer including a Langevin type vibrator for bolting a front mass and a rear mass with a piezoelectric ceramic laminate interposed therebetween. In the control method, the bending vibration body is formed by laminating a vibration plate having a cavity inside and a piezoelectric thin plate ceramic, and the piezoelectric thin plate ceramic is arranged so as to float from the bottom of the recess so that it is inside the recess. The phase of the driving voltage of the piezoelectric thin plate ceramics is shifted and applied so that the bending vibration mode of the entire bending vibration body has a phase opposite to the longitudinal vibration fundamental resonance mode of the Langevin type vibrator. A method for controlling vibration of an ultrasonic wave transmitter / receiver, comprising:
【請求項6】 前記フロントマスの凹部の内径をフロン
トマス全径の80%以上に設定し、かつ、振動板の空洞
の径をフロントマス全径の50%〜70%程度に設定す
ることを特徴とする、請求項5記載の超音波送受波器の
振動制御方法。
6. The inner diameter of the concave portion of the front mass is set to 80% or more of the total diameter of the front mass, and the diameter of the cavity of the diaphragm is set to about 50% to 70% of the total diameter of the front mass. The vibration control method for an ultrasonic wave transmitter / receiver according to claim 5, characterized in that:
【請求項7】 前記ランジュバン型振動子の縦振動基本
共振モードに対して、前記屈曲振動体を構成する振動板
の空洞より外側の板の屈曲振動モードが互いに逆相とな
るように設定し、かつ、振動板の空洞より外側の板の屈
曲振動共振周波数の方が、ランジュバン型振動子の縦振
動共振周波数よりも高くなるように構造寸法を設定して
おくことを特徴とする、請求項5又は6記載の超音波送
受波器の振動制御方法。
7. The longitudinal vibration fundamental resonance mode of the Langevin type vibrator is set so that the bending vibration modes of the plates outside the cavity of the vibration plate constituting the bending vibration body have mutually opposite phases, The structural dimension is set such that the flexural vibration resonance frequency of the plate outside the cavity of the diaphragm is higher than the longitudinal vibration resonance frequency of the Langevin type vibrator. Alternatively, the vibration control method of the ultrasonic wave transmitter / receiver according to the sixth aspect.
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