JP3852949B2 - 超音波変換器 - Google Patents

Description

本発明は、液状又は気体状の伝播媒体内へ超音波を放射するため、又超音波を受波するための少なくとも１つの圧電セラミック体を備えた超音波変換器、特に超音波近接スイッチに使用するのに適した超音波変換器に関する。
この種の超音波変換器は多くの出版物によって知られている。このような超音波変換器を超音波近接スイッチや超音波距離センサに適用する場合、とりわけ狭い検出特性が要求される。対象物はこれによって的確に識別することができ、一方側方の擾乱反射器は例えば狭い周囲又は狭い通路において所望のようにセンサ機能に影響することがない。このために超音波変換器は非常に細い音波ビーム特性を有し、同時に副ローブ振幅が非常に小さいことが必要である。
ドイツ連邦共和国特許第２５４１４９２号明細書によって、超音波センサとして産業分野に広く普及している指向性の鋭い土星形状の超音波変換器が知られている。この超音波変換器は圧電セラミック板と、整合層板と、同心の金属リングとから構成されている。圧電セラミック板の直径を越えて突出した整合層板の広い突出部によって整合層の面積は大きく、これによって５°という音波ビームの非常に小さい開口角Φが達成される。整合層板の大きな突出部によって、面積全体に亘る好ましい振動振幅分布及び位相位置を実際上何時も正確に守ることは困難であり、それゆえ問題の側方副ローブが生じる。
さらに、圧電セラミック板とシリコン整合層とを有する超音波変換器が知られている（米国特許第３９２８７７７号明細書参照）。整合層は圧電セラミック板より僅かに大きい直径を持ち、それに応じて音波ビーム開口角Φは１０〜１２°とかなり大きい。副ローブは−２５ｄＢ以上の減衰によって実際の使用ではもはや問題にならない程小さくされる。整合層活性物質のシリコーンはその耐化学薬品性が小さいために全ての適用例に使用可能ではなく、しかも機械的特性に強い温度ドリフトを有する。
国際特許出願公開９４／０５００４号明細書には整合層板に側方溝を有する超音波変換器が記載されている。整合層は土星形状の変換器の場合のように丈夫で長持ちするシンタクチックフォームから構成されている。このような構成はシリコーンを備えた変換器と同じように副ローブが小さい。この超音波変換器は整合層板が同様に僅かに突出しているために音波ビーム開口角Φが同様に１０〜１２°のほぼ同じ大きさである。
本発明の課題は、非常に小さい主ローブ（主音波ビーム）開口角を持つと共に、同時に実際の適用時に本来の対象物検出に擾乱的な影響を与えない程副ローブ振幅が出来るだけ小さいような冒頭で述べた種類の超音波変換器を提供することにある。即ち、副ローブ振幅が十分に小さく保たれていないと、対象物検出は側方の妨害対象物の意図されない検出によって悪化させられるか、もしくは困難にさせられる。
この課題は、本発明によれば、圧電セラミック体が、両基底面の少なくとも一方に、音速がこの圧電セラミック体の音速より大きい板状の活性物質体と結合され、横振動モードの共振周波数が圧電セラミック体の共振周波数より高い一つの複合体を構成することによって解決される。
このような構成により、単独駆動される圧電体に比べて、板状の複合体の厚み方同を横切る横モードの共振周波数が増大することによって、変換器が周波数増大された横モードで駆動されかつ基底面の１つが音波放射面として使用される場合には小さい音波ビーム開口角Φが得られる。２つの次元が板厚と称される第３の次元の寸法に比べて大きな寸法を有するような平らな物体は板状体と称される。平行平面板の場合板厚は一様である。複合体における個々の板状体の厚みはその場合板の上側及び下側基底面を形成する横方向寸法の各々より少なくとも２倍小さい。
本発明の有利な構成は請求項２乃至１０に記載されている。
有利な構成によれば、圧電セラミック体は円形圧電セラミック板として、活性物質体は円形活性物質板として形成される。このような形状によって多くの用途において有利な回転対称形音波ビームが得られる。しかもこの場合平面モードの基本振動、又は効率の良い変換器駆動モードとして高い効率を持つ半径方同振動を使用することができる。
特定の適用例に対しては、圧電セラミック体及び／又は活性物質体が長方形又は正方形の基底面を有すると有利である。これによって例えば変換器中心軸線に沿って２つの互いに垂直に向く平面に種々の大きさの開口角Φを持つ非点音波ビーム形状が得られる。振動モードとしてその場合例えば長方形の長さ又は幅の寸法の効率の良い横モードの１つが利用される。
有利な構成によれば、複合体は少なくとも２つの圧電セラミック体と少なくとも２つの活性物質体を備えこれらが交互に互いに結合された積層複合体として形成される。僅かの厚い板状体の代わりに複数の薄い板状体を使用することによって、圧電セラミック体と活性物質体との機械的な材料特性の良好な混合及び均一な分布が得られ、それにより同じ活性物質量でも高い合成音速が達成される。多層複合体に複数の異なった活性物質体材料及び／又は圧電セラミック材料を使用することも有利である。
周囲の音波伝播媒体の音響波動インピーダンスに良好に整合させるために、複合体は、波動インピーダンスが複合体の波動インピーダンスと伝播媒体の波動インピーダンスとの間に位置する少なくとも１つの整合層を備える。この整合層の厚みが超音波変換器の駆動周波数における波長のほぼ１／４であると好ましい。整合層活性物質としては、ガラス、セラミックス又は類似の物質から成る中空体を充填された例えばエポキシ樹脂のような合成樹脂マトリックスから構成されたシンタクチックフォームが適している。さらに、例えばエアロゲルのような軽い材料、又はシリコーンのようなゴム弾性材料も適している。
円形複合体板が同様に円形整合層板を備えると好ましい。複合体の直径と同一であるか又は２５％の偏差内で複合体の直径に近似しているような直径を持つ整合層板を形成すると、複合体の各エレメント及び整合層体の直径値及び厚み値の微調整後、他の構造的な補助手段を要することなく、整合層の音波を放射する外側基底面上に、副ローブ振幅が極めて小さくしかも非常に細い音波ビームを生ずる振動振幅及び振動位相の分布が得られる。
超音波変換器の他の有利な構成によれば、板状整合層はその外被面及び／又はその内側基底面上に整合された輪郭を備える。この整合された輪郭は例えば円形、三角形、矩形又は台形の断面を有する例えば少なくとも１つの凹み及び／又は膨らみから構成される。整合された輪郭は、単純に、整合層板の側部外被面の断面が直線又は湾曲線の傾斜形状をしており、それにより整合層の外側基底面と内側基底面とが異なった大きさを有するようにされていても良い。整合された輪郭は整合層の内側基底面に設けられていても良く、この場合例えば同心溝の形状を有する。このような補助手段によって、例えば特定の用途に適合する音波ビーム形状のような所望の変換器特性を的確な方法で設定することができる。
さらに、整合層が複合体の最大直径の１．２５倍より大きい直径を持つ円筒板として形成され、複合体の直径を越えて突出する整合層の突出領域が音波放射表面とは反対側に位置する裏面上に金属又は整合層自体の材料から成る環状体を同心的に備えると有利である。このような構成においては、放射面の拡大によって非常に細い音波ビームが達成され、同時に整合層の突出領域が中心領域と十分に同一位相で振動するように配慮される。その限りでは、整合層の突出領域が同様に正面側放射基底面とは反対側に位置する裏面上に金属製平坦状環状体を同心的に備えた土星形状の公知の変換器と一致している。
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、両面をそれぞれ円形状活性物質体板によって囲まれた円形圧電セラミック板を備え円筒状に対称的に構成された超音波変換器の断面図である。
図２は、活性物質体板と、圧電セラミック板と、整合層板とを備えた円形超音波変換器の断面図である。
図３は、圧電セラミック板と、活性物質体板と、外被面に整合された輪郭を有する整合層板とを備えた円形超音波変換器の断面図である。
図４は、それぞれ２つの圧電セラミック板と２つの活性物質体板とから成る多層複合体を備え、整合層板が設けられた円形超音波変換器の断面図である。
図５は、図１に示された対称形複合体における活性物質体の有効音速と百分率量との関係をグラフで表したダイヤグラムである。
図６は、圧電セラミック板と、活性物質体板と、大きな突出部を持ち及びこの突出部の裏面に同心金属リングを有する整合層板とを備えた回転対称形超音波変換器の断面図である。
図１は、例として、両前面に活性物質体としての活性物質板３が結合されている圧電セラミック体として円形平行平面の基底面を持つ圧電セラミック板２を備えた超音波変換器１を示す。圧電セラミック板２は、励起電圧７を圧電セラミック板２の図示されていない前面側電極面と接続するボンディングワイヤ５、６を介して電気的に励起されると、半径方向の平面振動を行う。平面モード（半径方向の振動子方向を持つ横モード）の共振周波数は円板直径及び圧電材料の音速によって決定され、薄い円板に関してはｆ_p＝２×ｃ_D／（π×ｄ）で算出される（なお、ｆ_p＝平面−直列共振周波数、ｄ＝円板直径、ｃ_D＝疎密波の音速）。ｃ_Dはｃ_D＝｛Ｅ／〔ρ×（１−μ²）〕｝^1/2で計算される（なお、Ｅ＝弾性係数、ρ＝密度、μ＝ポアソン比）。直径が与えられると、共振周波数は圧電材料内の音速によって決定される。圧電セラミック板２にこの圧電セラミック板２より大きい音速を持つ活性物質板３を結合して１つの複合体を構成することによって、その複合体自身には圧電セラミック板２に比べて大きい有効音速が生ずる。この有効音速は圧電セラミック体の有効音速と活性物質体の有効音速との間に位置する。これによって複合体の平面モードの基本共振周波数は同じ直径の場合単独駆動される圧電セラミック板２の共振周波数に比べて大きくなり、それにより、放射された超音波の主音波ビームの開口角Φが小さくなる。何故ならば、放射面積と周囲媒体内へ放射された音波の波長との比が大きくなればなる程、開口角Φが小さくなるという関係が当てはまるからである。
鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩化合物（ＰＺＴ）から成り今日普通に使用されている合成圧電セラミックスは円板として約３５００ｍ／ｓの最大疎密波音速を持つ。チタン酸バリウムセラミックスは更に高音速を持つが、低いキュリー温度のために多くの産業分野に使用され得ない。圧電セラミックスと活性物質体とから成る複合体の本発明による解決策によって、極めて高い音速と共振周波数を持つ人工“圧電体”を作ることができる。活性物質体としては高音速を持つ活性物質が考えられる。これにはとりわけシリコーン、二酸化シリコーン、窒化シリコーン、炭化シリコーン、又は酸化アルミニウムのような他の活性物質がある。金属では音速値が約１２６００ｍ／ｓであるベリリウムが挙げられる。特殊な鋼合金、インコネルのようなニッケル合金、チタン及びアルミニウム等は同様に高音速を持っている。活性物質体の地の活性物質特性は機械的振動品質である。高い音響感度を持つ変換器を製造しなければならない場合、高い振動品質を持つ活性物質が選定される。広帯域変換器の場合には低い振動品質を持つ活性物質が使用される。
圧電セラミック体と活性物質体との複合によって、この複合体の有効音速及び従って平面共振周波数が相当高くなる。圧電セラミック体として例えば２３ｍｍの直径及び２ｍｍの厚みを持つＰＺＴ板を使用する場合、この円板の平面共振周波数は８６ｋＨｚである。酸化アルミニウムから成る同じ寸法の活性物質板はその平面共振周波数が２８２ｋＨｚである。図１の幾何形状と同様に例えば貼付けによって上記圧電セラミック板をその両基底面に同心的にそれぞれ上記酸化アルミニウム板を結合すると、この複合体に関して１９１ｋＨｚの平面共振周波数が得られる。上述の直径の際にＰＺＴ板が０．５ｍｍの厚みであり、酸化アルミニウム板が２ｍｍの厚みであるような例の場合、複合体に関して２５３ｋＨｚの平面共振周波数が得られる。ＰＺＴ板が０．１ｍｍの厚みであり、酸化アルミニウム板が２ｍｍの厚みである場合、複合体に関して２７５ｋＨｚの平面共振周波数が得られる。合成の平面共振周波数と、図１に示された幾何形状に基づいて２つの同直径の酸化アルミニウム板を備えたＰＺＴ板から成る対称形複合体の幾何形状寸法との関係が、図５のダイヤグラムにＰＺＴ板の厚み０．１、０．２、０．５、１、２、３、４ｍｍについて示されている。小さい厚み値の複合体に関して、ＰＺＴ共振と酸化アルミニウム共振との間の合成共振周波数は複合体の全容積における酸化アルミニウムの容積率に比例する。酸化アルミニウムのほぼ０％もしくはほぼ１００％の容積率に関して、共振周波数はＰＺＴ板もしくは酸化アルミニウム板の共振周波数に漸近的に接近する。低い合成周波数に対する偏差は大きな板厚、及び直径の約１／３以上の複合体の全厚みに対して現れる。このような振舞の原因は、厚い円板の場合の悪い振動結合もしくは複合体の平面モードと厚みモードとの相互作用にある。
酸化アルミニウムを使用すると、複合体の平面周波数は同じ直径の場合ＰＺＴ板に比べて３倍以上に高くすることができる。平面周波数の小さな値は圧電体厚みと活性物質厚みとを適当に組合わせることによって実際上連続的に設定可能である（図５参照）。その法則は、活性物質体自身の固有共振周波数が高くなればなる程、相対的活性物質体量が多くなればなる程、圧電体厚みが薄くなればなる程、周波数が高くなることである。３倍の周波数増大が生ずると、音波ビーム広がりは同じ割合で減少する。単独駆動されるＰＺＴ板の場合の開口角Φの３ｄＢ幅が約１２°である場合、３倍の減少によって音波ビームの広がりΦは４°になる。活性物質体として、音速が酸化アルミニウムの音速より大きい例えば炭化シリコーン又はベリリウムが使用される場合、それに応じてもっと高い合成共振周波数が生じ、それにより約３°の開口角Φが達成される。周波数増大の少ない複合体幾何形状によって相応して比例的に広がった音波ビーム面が得られ、それにより圧電体材料及び厚みと活性物質体材料及び厚みとの適当な組合わせを単純に選定することによって実際上約３°〜１２°の全音波ビーム開口角Φを連続的に実現することが可能になる。一定率の拡大又は縮小によって公知の方法で相応して高い又は低い駆動周波数における同一の音波ビーム形状を持つ変換器が得られる。
図２は、直径２３ｍｍ及び厚み２．５ｍｍのＰＺＴ板２を有し、その裏面側基底面に直径が同じで３．５ｍｍの厚みを持つ酸化アルミニウム板３を備えかつその正面側基底面にエポキシ樹脂−ガラス中空球混合体から成り２４ｍｍの直径及び３．２ｍｍの厚みを持つ整合層板４を備えた超音波変換器１を示す。この例示された変換器の駆動周波数は１６０ｋＨｚ、主ビームの広がりΦは６°であり、副ローブ減衰は−２５ｄＢよりも良い。図３は一方の基底面に活性物質体板３が設けられたＰＺＴ板２を備えた変換器１を示す。活性物質体板３には外被面に整合された輪郭８を備えた整合層板４が結合されている。ＰＺＴ板及び酸化アルミニウム板の厚みは図２及び図３の幾何形状に対して好ましくは円板直径の５％〜２０％である。
図４には、２つのＰＺＴ板２と２つの酸化アルミニウム板３とから構成された多層複合体を備え単純に構成された円筒状超音波変換器１が示されている。上側ＰＺＴ板にはエポキシ樹脂−ガラス中空球混合体から成る整合層板４が設けられている。圧電セラミック板及び活性物質体板の厚みがこの多層複合体において又はもっと多くの層エレメントを持つ同種の構造においても円板直径の約０．５％〜１５％であると有利である。例として挙げた変換器１の個々の層エレメントは２３ｍｍの統一直径を持っている。両ＰＺＴ板２の厚みはそれぞれ０．５ｍｍ、酸化アルミニウム板３の厚みはそれぞれ１ｍｍ、整合層板４の厚みは２．１ｍｍである。変換器１は２６５ｋＨｚの駆動周波数、４°の主音波ビームの広がり、−３０ｄＢより良い副ローブ減衰を有する。
図６は、ＰＺＴ板２と、同じ直径の活性物質体板３と、エポキシ樹脂−ガラス中空球混合体から成りＰＺＴ板−活性物質体板製複合体２、３の直径より明らかに大きな直径を持つ整合層板４とを備え、土星形状に似た形に構成された超音波変換器１を示す。整合層板４の外側突出部分が中心部分と位相正しく振動するようにするために、整合層板４の突出部分の、音波放射する正面側基底面とは反対側に位置する裏面に、金属製環状穴明き板９が同心的に設けられている。このようにして大きく拡大された放射面によって２°に近い３°以下の音波ビーム開口角Φが可能になる。

Claims (10)

1. 液状又は気体状の伝播媒体内へ超音波を放射するための上側及び下側基底面を有する少なくとも１つの板状圧電セラミック体（２）を備えた超音波変換器（１）において、圧電セラミック体（２）は両基底面の少なくとも一方に、音速がこの圧電セラミック体（２）の音速より大きい板状活性物質体（３）と複合体（２、３）に結合され、この複合体の横振動モードの共振周波数が圧電セラミック体（２）の共振周波数より高いことを特徴とする超音波変換器。
2. 圧電セラミック体（２）の基底面と活性物質体（３）の基底面とはほぼ同じような大きさであり、面積が互いに５０％以上異なっていないことを特徴とする請求項１記載の超音波変換器。
3. 圧電セラミック体（２）は円形圧電セラミック板として、活性物質体（３）は円形活性物質板として形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波変換器。
4. 圧電セラミック体（２）及び／又は活性物質体（３）は長方形又は正方形の基底面を持つことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波変換器。
5. 複合体（２、３）は少なくとも２つの圧電セラミック体（２）と少なくとも２つの活性物質体（３）とを備え、これらが交互に互いに結合された積層複合体として形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波変換器。
6. 複合体（２、３）は１つの基底面に、周囲の伝播媒体の波動インピーダンスに整合するための少なくとも１つの板状整合層（４）を備え、この整合層（４）の外側基底面が超音波変換器（１）の音波放射表面になることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の超音波変換器。
7. 整合層（４）は直径が複合体（２、３）の最大直径とは２５％以上異なっていない円板の形状をしていることを特徴とする請求項６記載の超音波変換器。
8. 板状整合層（４）はその外被面及び／又は内側基底面に整合された輪郭（８）を備えていることを特徴とする請求項６又は７記載の超音波変換器。
9. 整合層（４）は複合体（２、３）の最大直径の１．２５倍より大きい直径を持つ円筒板として形成され、複合体（２、３）の直径を越えて突出する整合層（４）の領域は、その音波放射表面とは反対側に位置する裏面に、金属又は整合層（４）自体の物質から成る環状体を同心的に備えていることを特徴とする請求項６又は８記載の超音波変換器。
10. 超音波変換器（１）は振動を減衰させる弾性活性物質内に埋設されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の超音波変換器。

Images