JPH01119200A - 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
の間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
た制振材料の部分間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複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。この垂
直な平面上ではこの中央のローブと並んで両側に副ロー
ブの形の各−つの別の放射ローブが発生する。しかしそ
の際かかる副ローブの大きさはほぼ中央の放射ローブと
同じ大きさである。

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、できるだけ改良された空間的に不均一な放
射特性を備え、かつ簡単に高信頼性で再現可能に製作で
き、かつ老化の無い変換器の構造を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、振動板が少なくともその
一つの表面上に相互にほぼ平行に並ぶ溝を有することに
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］ 制振材料の公知のような使用法は、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
器自体に与えるという着想に基づいている。

この発明は、圧電要素と例えばつぼ形の圧電性でない物
体の板との間の複合体を出発点とする。

この発明に基づき振動板は音波放射の異方性を得るため
に、相互に垂直に振動板の平面上に存在する主方向に異
方性の弾性特性を有するように構成される。この振動板
の場合には、この両主面の間の方向に対して相応の移行
特性が存在する。

この発明に基づきこの異方性の弾性特性は、この振動板
の材料の中の音速値がこの両生方向において相互に著し
く異なることにより得られる。その際つぼ形変換器は前
記のように技術的に容易に製作できる丸い形を有する。

これらの異なる音速はこの発明に基づくつぼ形変換器の
場合には、変換器の振動板の表面上の機械的な変更によ
りもたらされる０例えば振動板は溝などを振動板の表面
上に切り込む、型押しする、のこぎりで削る又はフライ
スで削ることにより変更され、その際これらの加工の方
向はそれぞれ相互に平行でありかつ一つの主方向に平行
である。振動板の表面上に作られた溝、スリットなどの
数、間隔及び／又は幅のそれぞれの選択により、広い範
囲で異方性の異なる比率が得られる。簡単な解決策はこ
の溝、スリットなどをつぼ形変換器の外面である変換器
振動板の面上に設けることである。しかし溝、スリット
などは振動板上の変換器内面に設けることもできる。つ
ぼ形変換器の圧電性のセラミック部分にもかかる溝、ス
リットなどを備えることができる。

簡単な丸い形のっぽ形変換塁のほかに、正方形のっぽ形
変換器を用いることもできる。方形及び楕円形も有効で
ある。正方形の変換器の場合には二つ以上の振動モード
の励振により広帯域性が得られる。楕円形又は方形の実
施態様では、支持個所を振動板の節線に合わせることに
より効率の良い単モード運転が可能である。

それぞれの用途において、振動板速度のアポダイゼーシ
ョン（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ　）のためのまた変換器
材料の補助的な制振のためのそれ自体周知の手段を、こ
の発明と組み合わせるのが有利である。

制振のために前記の従来例一対して矛盾することなく補
助的な制振材料を用いることができる。かかる変換器制
振の場合に、制振材料の材質変更は空間的に不均一な送
信特性又は受信特性にほとんど重大な影響をもたらさず
、特に実質上まったく影響が無いと言ってよい。

［実施例］ 次にこの発明に基づく超音波変換器の二つの実施例を示
す図面により、この発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明に基づくつぼ形変換器の一実施例の振
動板の正面図を示し、このつぼ形変換器は送信及び受信
に対する空間的に不均一な音波放射ローブを有する。変
換器ｌの振動板は符号２で′示欅されている。この振動
板は例えば圧電的に不活性な材料望ましくは金属から成
りつぼの底を形成する板１１と、例えば圧電セラミック
のような圧電材料から成りこの板に取り付けられた板片
１０とから成る。符号３により（これに関する形態の一
つとして）つぼ形変換器ｌの振動板２の外側表面に設け
られた溝又はスリットが示されている。

これらの溝又はスリット３は、振動板２従ってつぼ形変
換器が一つの主方向５においては、この方向に対し垂直
な主方向４に対して認められる値より、著しく小さい剛
性又は著しく低い音速を有するという結果をもたらす、
符号Ｎにより振動板２の法線方向が示され、この方向は
音波放射ローブの中実軸線でもある。

第２図は変換器１の軸方向断面図を示す、符号７はこの
っぽ形変換器の縁を示す、振動板２の表面に例えば型押
しされ又はのこぎり又はフライスにより切り込まれた溝
又はスリット３が明らかに示されている。つぼ形変換塁
１の内面に振動板２の表面上に取り付けられ例えば接着
され、分極された圧電セラミック例えばジルコン酸チタ
ン酸鉛から成る板片１０は、圧電振動子である。符号１
４は電極を符号１２は接着剤を示す。

４３図は、つぼ形変換器１０１の内面上に振動板２の表
面に設けられた溝又はスリット１３を備えた別の実施例
の、第２図に相当する断面図を示す、これらの溝又はス
リット１３は、溝又はスリット３の代わりに又は溝又は
スリット３と共に用いることができる。どんな場合にも
溝又はスリット３と１３とは少なくともほぼ平行に整列
されている。符号１１０により振動板２に所属し圧電セ
ラミックから成る板片が示されている。付属する電極は
示されていない。

溝又はスリット３．１３は均一に等間隔で表面上に分散
配置できる。第１図に示すように、溝又はスリットは方
向４に平行な中心線に対し対称に、方向５に沿って分散
配置されるのが有利である。第１図に示すようにこの配
分は不均一な密度とすることもできる。

これらの溝又はスリット３．１３は板１１及び／又は板
片工０の縁から縁に設けるのが有利である。しかし溝又
はスリットはかかる縁から成る間隔を置いて始め又は終
えることができる。溝又はスリットはまたその投手力向
に中断個所を有することができる。

この発明に基づく変換器の場合には両方向４．５の振動
モードの結合が大きいので、丸いつぼ形変換器に対して
は主として、一つの基本周波数とこれに加えて対を成し
て発生する高調波とを有するモードスペクトルが観察さ
れる。これらの高調波はこの発明に基づく変換器の場合
には明らかに相互に区別できる。この発明に基づく変換
器は高い信頼性で対を成す高調波の一つの高調波で運転
でき、変換器が他の高調波の振動へ跳び移る危険は存在
しない。

この有利な特性はこの発明に基づく変換器の適用可能性
を拡大する。

第４図は、第１図の紙面に垂直でかつ方向４に平行な中
央平面上の、音波ローブの原理的な分布を示す、第５図
は紙面と方向４とに垂直な中央平面上の音波ローブを示
す０図から明らかなように、第４図の放射ローブは第５
図の放射ローブより著しく幅が広く、すなわち第１図な
いし第３図に示す変換器は方向４を含む平面上で幅の広
い領域を検出し、これに反して方向４に垂直な方向では
検出器は狭いローブを有するので、変換器の軸線方向に
対してずっと離れた個所は空間的に不均一な放射ローブ
によりもはや検出されない。

この発明に基づく種類の変換器は、走行面に対して平行
には幅の広い照射が望ましく、これに反して高さ方向に
はできるでだけ少なく音波を放射したい（反射波を抑制
したい）ような、車両及び舟艇のための検出変換器とし
て特に適している。

このことはこの発明に基づく変換器の受信特性に対して
正確に当てはまる。かかる変換器は送信器及び受信器と
して同様に利用できる。この発明に基づく変換器の別の
長所は、振動板２の表面上の溝又はスリット３の選択、
分布及び寸法選定により、放射（及び受信感度）の主ロ
ーブの比較的広いカバー範囲が、従属する副ローブと共
に得られるということである。このことは非常に幅の狭
い障害物例えば街灯の柱が検出できないような、この発
明に基づく変換器にとって盲の方向が、全体の放射ロー
ブの内部で低減できるということを意味する。

この発明に基づく変換器の有利な用途は、特に後方の視
界が不良な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。

それぞれの用途に対して特に有利な構造又は形及び寸法
を選択できることは明らかである。従来の技術でも行わ
れるようにこの発明に基づく曲げ振動変換器をつぼ形変
換器として実現するのが有利である。振動板とこの振動
板をつぼとなるように補完する部分とは、一体に相互に
結合されるのが有利である。

振動板又は場合によってつぼも円形とするのが有利であ
る。振動板のどんな振動特性が有利であるかに応じて方
形又は望ましくは長円形を用いることができる。長円形
は楕円形とすることができる。振動板は古代エジプトの
カルトウーシュの形、すなわち一方向に長さを引き延ば
された円の形を有することもできる。

この発明に基づき溝又はスリットを備えた振動板のため
のっぽのかかる造形に関しては、従来の技術（欧州特許
出願公告第００７５３０２号公報）を参照されたい。

振動板は所望の振動周波数に関して、既に前に述べたが
、その第１の高調波の共振周波数を利用するような大き
さに寸法を選ぶことができる。このためにセラミック材
料から成る板片が振動板の板上に取り付けられ、最大限
で中心からこの第１の高調波の振動節線（例えば振動節
円）にまでしか達しないような大きさに、セラミック材
料から成る板片の寸法を選択することが推奨される。そ
れにより板片又は板片上の電極の配置及び形は、その相
応の部分が送信器として必要に応じて逆相に圧電的に励
振されるように形成することは不必要である。

同様な意味でこの発明に基づく変換器の受信特性に対し
ても同様のことが当てはまる。

溝又はスリットの深さに関しては、深さを板又は板片の
厚さの５０％を超える寸法に選ぶことが推奨される。し
かしながら溝の深さは、振動板２に対し要求すべき安定
性限界を超えるような大きさにはならないように注意す
べきである。基本的に溝又はスリットの寸法が深いほど
、放射方向特性又は受信方向特性（第４図及び第５図参
照）の所望の非対称性が強くなるということができる。

振動板のそれぞれの寸法に関係して、これらの溝又はス
リットのそれぞれの長さに対しても同様のことが成り立
つ０図に示すように、これらの溝又はスリットはどんな
場合でも振動板の縁で始めまた終える必要は無い。

第１図及び第２図に示すこの発明に基づく変換器は、例
えば振動板２の板１１の直径が２５ｍｍ、厚さが０．４
ｍｍであるつ（ｌを有るる、セラミック板片１０は０．
２５ないし０．４ｍｍの厚さと約９ｍｍの直径（振動節
円の直径）を有する。溝が無い場合にこの変換器は４０
ｋＨｚの固有周波数を有する。０．２ｍｍの深さと約０
．２ｍｍの幅とｉｎｍの間隔とを有するこの発明に基づ
く溝３により、３６ないし３３ｋＨｚの固有周波数が生
じる。

空間的な不均一性の尺度となる方向４と５における放射
の角度は、かかる変換器の場合にはそれぞれ１２０°な
いし１４０’と６０’ないし６５°とになる。

【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正
面図、第２図は第１図に示す変換器の軸方向断面図、第
３図は超音波変換器の別の実施例の軸方向断面図、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 ３．１３・・・溝 １１・・・板 １２・・・板片 りゝ°□−１ ＦＩＧＩ ＦＩＧ　５ ＦＩＧ４ ＦＩＧ　２

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、振動板 （２）が少なくともその一つの表面上に相互にほぼ平行
   に並ぶ溝（３、１３）を有することを特徴とする超音波
   変換器。 ２）溝が振動板（２）の板（１１）の表面上に設けられ
   ることを特徴とする請求項１記載の変換器。 ３）溝（１３）が振動板（２）の板片（１２）の表面上
   に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の変
   換器。 ４）溝の深さが板（１１）又は板片（１２）の厚さの５
   ０％を超え、その際溝の最大深さが振動板の安定性限界
   により与えられることを特徴とする請求項１ないし３の
   一つに記載の変換器。 ５）溝（３、１３）が振動板（２）の面全体にわたり分
   散配置さ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）溝（３、１３）が振動板（２）のそれぞれの表面上
   に非対称に分散配置さ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。 ７）溝（３、１３）が主として振動板（２）の縁に近い
   少なくとも一つのそれぞれの領域内に設けられているこ
   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）個々の溝（３、１３）の間の間隔が等間隔でないこ
   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）振動板（２）が一体に縁に結合され、それによりつ
   ぼ形の変換器（１）が形成され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）溝が振動板（２）のそれぞれの材料の中に型押し
   され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。 １１）溝が振動板（２）の材料の中にのこぎりで切り込
   まれ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。 １２）溝（１３）が少なくとも変換器（１）の内面であ
   る振動板（２）の表面上に設けられることを特徴とする
   請求項１ないし１１の一つに記載の変換器。 １３）両面に溝を備えた振動板（２）上で、溝（３、１
   ３）が振動板（２）の内面と外面とでほぼ等しい方向に
   延びることを特徴とする請求項１ないし１１の一つに記
   載の変換器。 １４）少なくとも振動板が長円形を有することを特徴と
   する請求項１ないし１３の一つに記載の変換器。 １５）長円形が楕円形であることを特徴とする請求項１
   ４記載の変換器。 １６）振動板が古代エジプトのカルトゥーシュの形を有
   することを特徴とする請求項１４記載の変換器。 １７）振動板（２）が方形であることを特徴とする請求
   項１ないし１３の一つに記載の変換 器。 １８）圧電性の材料から成る板片が主として、縁を固定
   された振動板の第１の高調波の振動の節線の内側に存在
   するような、振動板の中央の振動領域の中だけに設けら
   れていることを特徴とする請求項１ないし１７の一つに
   記載の変換器。