JPH01119199A - 超音波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、圧電的に不活性な材料から成る板と圧電性
の材料から成る板片とから成る複合体である振動板を備
え、圧電性の板片が前記板の面に関して中央に配置され
てこの板に結合され、圧電性の板片が電極を備え、振動
板の面法線に関して空間的に不均一な音波放射パターン
を有する望ましくはつぼ形の超音波変換器、特に曲げ振
動電気音響変換器に関する。

［従来の技術］ 欧州特許出願公告第００７５３０２号公報から、超音波
反射原理に基づき距離の測定を実施するためのセンサが
知られている。このセンサは近距離での車両と障害物と
の１１１１の接近距離を検出かつ表示するためのもので
ある。このセンサは内部に圧電形振動子を配置されたつ
ぼ形変換器である。このつぼ形変換器の振動板の内面上
には水平方向に向かい合う二つの内部分に、エネルギー
の大きい超音波放射又は信号発信を防止するために制振
材料が用いられている。制振材料は例えば柔らかいゴム
である。前記の用途のためにつぼ形変換器はホーン放射
器の中に配置されている。

つぼ形変換器の振動板はつぼの底板である。振動板つま
りつぼの底板の法線に対し非対称に分散して取り付けら
れた制振要素に基づき、この変換器は相応に非対称な送
受信特性又は送受信ローブを有する。このつぼ形変換器
に対して、つぼ形変換器の内部に非対称に取り付けられ
た制振材料の部分１１Ｊ１の結合線を想定できる。この
結合線は振動板（つぼ底板）の面法線に対し垂直に延び
る。この結合線と前記の面法線とは一つの平面を形成す
る。この平面上の音波放射特性又は音波受信特性は主と
して前記法線を中心線とする単一の放射ローブである。

この面に垂直な平面上では放射特性は＃Ｊ数の放射ロー
ブを有し、これらのローブのうち中央の放射ローブは前
記の放射ローブと同様に振動板の面法線を中心線とする
。

従ってかかるつぼ形変換器は原理的に、一つの平面（す
なわち前記の垂直な平面）上で送信及び／又は受信のた
めの幅の広い放射域を有する。この面に垂直な平面上で
はこの変換器は比較的幅の狭い特性を有するので、全体
として空間的に不均一な音響特性が生じる。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、できる限り改善され特にあらかじめ選択可
能で、＃Ｊ単にかつ再現可能に製作でき老化効果が無く
、空間的に不均一な放射特性を有する変換器のための構
造を提供することを目的とする。

Ｌ５題を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき前記の種類の曲げ振動Ｊｆ
Ｊ　音波変換器において、圧電的に不活性な板の少なく
とも一つの層が主方向に関して向きを揃えた繊維複合材
料であることにより達成される。　−この発明の実施態
様は請求項２以下に記載されている。

［作用効果］ 空間的に不均一な特性を得るための制振材料の公知のよ
うな使い方は、大量生産においてかかる変換器の特性値
に著しいばらつきを生じ、十分な耐老化性が得られない
という欠点を有する。従ってこの発明は、常に再現可能
でありかつ高い信頼性で維持された所定の特性値を保証
するような特性を、既につぼ形変換器自体に付与すると
いう着想に基づいている。

この発明に基づく変換器は望ましくはつぼ形変換器の一
部すなわち底板である振動板を有する。

この振動板は、非圧電性材料から成り底を形成する板と
、圧電性材料から成りこの板に固定された板片とから成
る。かかる圧電性材料は望ましくは圧電セラミック、例
えばジルコン酸チタン酸鉛を基剤とする圧電セラミック
である。

この発明に基づく変換器は、振動板の面の法線を含み相
互に直角な二つの平面に関して、異方性の弾性特性を有
する。この振動板の場合にはこれら両生平面の間の空間
に対して相応の移行特性が存在する０弾性の代わりに剛
性を付与することもできる。

この発明に基づきこの異方性の弾性特性は、少なくとも
部分的に振動板の圧電的に不活性な板がａｍ複合材料か
ら成ることにより達成される。ここでは優先方向を持つ
繊維を有する繊維複合材料が用いられる。この発明の一
実施態様によれば。

ｆａ維複合材料は一方向にだけ整列されほぼ平行に延び
るｔａｍを有する。それによりこの板は、一方ではこの
Ｆａ維に平行な方向にまた他方ではこの繊維に直角な方
向に、著しく異なる弾性特性を有する。このｍ！Ｉに対
して単一の方向だけを用いる代わりに、相互に鋭角を成
して向かい合う二つの繊維方向に繊維を整列することが
できる。かかる実施態様は板の異方性の弾性特性を著し
く変更することなく、ｌａｇ複合材料から成るかかる板
に一層大きい強度を付与する。

特にただ一つの主繊維方向が用いられる場合に、強度を
増す目的のためにこの一つの主繊維方向に対しほぼ直交
する一つ又は複数の補助の繊維層を設けるのは非常に有
利である。しかし所定の異方性が著しく悪影響を受けな
いように、すなわちこの方向におけるＦａ維の数が非常
に少ない（及び／又はこの方向では＃Ｉ維が非常に弱い
）ようにこの繊維層が選ばれるので、主ｔａｍ方向に対
し平行な方向における非常に大きい剛性が保たれている
。

５１１１の実施態様では、圧電的に不活性な板が不規則
繊維材料から成り、しかしながらこの材料は大きい剛性
を有する主Ｆａｍ方向をもたらす繊維の優先方向づけを
有する。かかる優先方向づけはこの材料の製造に関連し
て実現可能である。

繊維材料として炭素繊維、マグネシウムｍ維、アルミニ
ウム繊維、アラミド繊維などが有利に考慮される。ｕａ
ｍが埋め込まれている母体材料としてはポリイミドを有
利に用いることができる。

［実施例］ 次にこの発明に基づく超音波変換器の複数の実施例を示
す図面により、この発明の詳細な説明する。

第１図に示す変換器１は振動板２を底とするっぽ７の形
をほぼ有する。この振動板はこの実施例では圧電的に不
活性な材料から成り本来の底を形成する板から成る。こ
の板は全体が繊維複合材料から成る。振動板？のつぼ７
の内側表面上には、圧電材料特に圧電セラミックから成
る板片１０が固定されている。

第２図は断面で例えばジルコン酸チタン酸鉛のような圧
電セラミックから成る板片１０を示す。

符号１４により圧電性の板片１０の一つの電極を示す、
符号１２により接着剤層を示し、この接着剤層により板
片ｌＯが圧電的に不活性な多層板１１に固定されている
。この板１１と板片１０とは合わせて振動板２を形成す
る。板１１の第１部分１１１はｍ維複合材料から成り、
またそれ以外の第２部分１１２もこの板１１の構成部分
とすることができる。

例えばａｍ複合材料が母体材料としてのポリイミドから
成り、この母体材料の中に例えば炭素。

マグネシウム、アルミニウム、アラミドなどから成るｌ
ａｍが入っている。第２部分１１２は例えば純粋なポリ
イミドから成る板又は層とすることができる。

板片１０に対しては電極１４に対する対向電極を設ける
必要がある。この対向電極は例えば接着剤層１２の導電
性により実現できる。

第２図には繊維層が断面で示されている。繊維のこの方
向づけは第３図の中央の部分図に一層明瞭に示されてい
る。

符号２１により第３図でほぼ水平にかつ相互に平行に延
びる繊維２１が示されている。この繊維は振動板２のｍ
維複合材料部分１１１にこの水平な主方向４における高
い剛性又は音速を付与する。この方向に直角な方向５で
は、繊維複合材料は相応に小さい剛性又は音速を有する
。第４図及び第５図は、第３図に示す相互に直交する両
方向４と５に対する音波送受信特性パターンを示す、主
方向４が存在する平面上の第４図に示す幅の広い放射ロ
ーブは、主として繊維２１の図示の方向におけるこの発
明に基づき選ばれた繊維の配置の結果である。符号２２
により、補助的に用いられしかしながら［１ｔ２１の主
方向４に対し直角に延びるｍｍが示されている。これら
の！１４＠２２は、方向５において少なくとも存在しな
ければならない剛性を繊維複合材料に付与するために用
いられる。しかしこれらの繊ａ２２は繊維２１の数が多
いことに比べれば、変換器の空間的な不均一性に大きい
悪影響をもたらすおそれはない。

第６図は繊＠３１と１３１の配置の一実施例を示す、第
６図ではｌｉｔ＠３１は右上から左下に向かって緩やか
な（水平方向に対し約３０’より小さい）角度で延びて
いる。これに反して繊維１３１は右下から左上に向かっ
て少なくともほぼ同一の緩やかな角度で延びている。こ
の鋭角の交差は、直角に走るｍ雄２２を必要としないで
も、繊維複合材料から成る板１１の安定性をもたらす、
それにもかかわらず繊維３１，１３１の配置は、この変
換器の送信特性又は受信特性に対して決定的な優先方向
４をもたらすという特性を有する・ 第７図は第３図及び第６図に相当する部分図を示し、し
かしここでも第７図の水平方向に優先方向を有する不規
則不織布の部分図を示す。

この発明のように振動板の材料の中に異なる大きさの剛
性又は音速を有する変換器の場合には、この振動板の平
面上の相互に直交する二方向において特徴的な振動モー
ドが生じ、しかも基本波に対してばかりでなく高調波に
対してもそうである。これらの振動モードは振動板の材
料を介して相互に強制的に結合されている。

この発明に基づく変換器の場合にはそれぞれただ一つの
基本共振が発生する。高調波に関しては、共振が主とし
て対となって発生することがしかも両方向４と５に関し
て観察される。この発明によればこれらの対を成す共振
の周波数が有利に相互に遠く離れているので、変換器が
運転中に所望のように励振された一つの高調波の振動モ
ードから他の高調波の振動モードへ跳び移る危険は存在
しない。

これらの周波数の一つに対して適切な又は所定の空間的
に不均一な方向特性（第４図及び第５図参照）が生じる
ように、この発明に相応の異方性を有する所定のｌａｍ
材料（例えば炭素縁ｍ）に対して変換器のこれらの共振
周波数が相互に同調するように、この発明に基づく変換
器のための有利な寸法が選ばれている。この周波数（高
調波）で変換器が運転されるのが有利である。

例えば０．４ｍｍの厚さと約２０ｍｍの直径とを有し平
行に整列されたｍ維２１（第３図参照）を含む円形の炭
素繊維振動板を備えた第２図及び第３図に示す変換器の
場合には、振動板の高い音速を有する方向４に対する第
１の高調波（及び第２の高調波）の共振周波数は、低い
音速を有する方向５に対する第１の高調波（及び第２の
高調波）の共振周波数に対して、そのような明らかな差
異が存在する。この振動板は主方向４における繊維２１
の四つの層と方向５における繊維２２の一つの層とを有
する。適した運転周波数は４０ｋＨｚのところにあり、
４０ｋＨｚは高い音速の振動モードの第１の高調波の周
波数である。

低い音速（方向５）の振動モードの高調波に属する隣接
する共振は２７ｋＨｚと５３ｋＨｚのところにあり、す
なわち４０ｋＨ２の運転周波数から十分に遠く離れてい
る。この発明に基づくかかる変換器は、安定した振動特
性と、第４図に示す面に対して１２５’のまた第５図に
示す面に対して５０°の第４図及び第５図に相応する方
向特性とを有する。

前記の円形の振動板とは異なる振動板により別の整合を
達成することもできる０例えば楕円形の振動板を用いる
ことができるが、そのときには楕円の軸は方向４と５に
平行に選ばれる。

炭素繊維複合材料はこの発明に基づく変換器に対して特
に有利である。これに関しては空気との特に有利なイン
ピーダンス整合が得られる。

向きを揃えた不規則不織布の使用は別の長所をもたらす
、かかる不規則ｔａ雄不織布は比較的高い自己減衰性を
有するので、十分な帯域幅を得るために制振材料を補助
的に用いることは不必要である。補助的に減衰する材料
の使用はこの発明の場合には、前記の従来の技術に基づ
きそこで空間的に不均一な方向特性のために用いられる
材料とはなんの関係も無い。この発明では補助的に用い
られる制振材料は方向特性とは関係せず、特にこの発明
に基づき得られる空間的に不均一な特性が老化効果によ
り損なわれるおそれがない。

この発明に基づく変換器は特に、その走行面（第４図参
照）に対し平行に幅の広い照射が望ましく、これに反し
て高さ方向にはできるだけ少ない音波の放射が望ましい
ような、車両又は舟艇のための検出用変換器として適し
ている。この発明に基づく変換器はこの要求を正確に満
たす、この発明に基づく変換器は送信器としてもまた受
信器としても同様に利用できる。

この発明に基づく変換器の有利な用途は、後方の視界が
不良な特に重い車両のための後退補助具としての、又は
頻繁に前進後退する車両（パワーショベルなど）のため
の用途である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に基づく超音波変換器の一実施例の斜
視図、第２図は第１図に示す変換器の軸方向断面図、第
３図、第６図及び第７図はそれぞれ第２図に示すｍ雄複
合材料から成る板の異なる実施例の部分的にｇ＆雅の配
列を示した正面図、第４図及び第５図はそれぞれ第１図
に示す変換器の水平面上及び垂直面上における放射パタ
ーンを示す図である。 １・・・超音波変換器 ２・・・振動板 ４・・・主方向 ７・・・つぼ体 １−０・・・圧電性の板片 １１・・・圧電的に不活性な板 工２・・・電極 １４・・・接着剤層（電極） ２１．２２．３１．７０，１３１・・・繊維Ｆ（ＧＩ　
　　　　　　ＦＩＧ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧電的に不活性な材料から成る板と圧電性の材料か
   ら成る板片とから成る複合体である振動板を備え、圧電
   性の板片が前記板の面に関して中央に配置されてこの板
   に結合され、圧電性の板片が電極を備え、振動板の面法
   線に関して空間的に不均一な音波放射パターンを有する
   超音波変換器において、圧電的に不活性な板（１１）の
   少なくとも一つの層 （１１１）が主方向（４）に関して向きを揃えた繊維複
   合材料であることを特徴とする超音波変換器。 ２）板（１１）が全体としてかかる繊維複合材料（２１
   ；３１、１３１；７０）から成ることを特徴とする請求
   項１記載の変換器。 ３）用いられる繊維複合材料が主として一方向（４）に
   整列された繊維を有するように構成されていることを特
   徴とする請求項１又は２記載の変換器。 ４）繊維複合材料が少なくとも優先的な二つの繊維方向
   （３１、１３１）を有し、これらの繊維方向が主方向（
   ４）に対し３０゜未満に鋭角を成して整列されているこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の変換器。 ５）ほぼ主方向（４）に直交する繊維（２２）の補助的
   な層が設けられていることを特徴とする請求項１ないし
   ４の一つに記載の変換 器。 ６）繊維複合材料が主方向（４）における繊維の優先方
   向づけを有する不規則繊維材料 （７０）であることを特徴とする請求項１ 又は２記載の変換器。 ７）群の一つ又は複数の繊維の種類が炭素繊維、マグネ
   シウム繊維、アルミニウム繊維 又はアラミド繊維であることを特徴とする請求項１ない
   し６の一つに記載の変換器。 ８）母体材料がポリイミドであることを特徴とする請求
   項１ないし７の一つに記載の変換 器。 ９）板（１１）がつぼ体（７）の構成部分であり、その
   際板の繊維複合材料がほぼ連続してつぼ側壁に移行する
   ことを特徴とする請求項１ないし８の一つに記載の変換
   器。 １０）振動板（２）が楕円形であることを特徴とする請
   求項１ないし９の一つに記載の変換 器。