JPH0241999Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は超音波送受波器に関し、特にたとえ
ばリモートコントロール装置などに用いられる超
音波送受波器に関する。

（従来技術） 従来よりバイモルフ振動子の上に漏斗状の付加
共振子を載せてケースに組み込んだ超音波送受波
器が知られている。この超音波送受波器には、付
加共振子をアルミニウムなどの金属で構成したも
のと、たとえば実公昭58−43357号公報に開示さ
れるように樹脂で構成したものの２種類がある。

（考案が解決しようとする問題点） 金属製の付加共振子を用いたものは、付加質量
が小さく、バイモルフ振動子との接合面積が小さ
いため、バイモルフ振動子のベンデイング振動が
抑制されることがないので、音圧および感度レベ
ルが高い利点がある。しかし、金属製付加共振子
を用いたものは、使用周波数帯に２種類の共振モ
ードを発生させることが困難なため、帯域が狭い
欠点があつた。

その理由を詳しく説明すると、従来の金属製の
ものは、第９図の線ａで示すような固有振動を利
用して線ｂで示すような合成振動を得る。固有振
動には、バイモルフ振動子の固有振動を主体とす
るピストン振動と、付加共振子の固有振動を主体
とするベンデイング振動との２種類が含まれる。
しかし、従来のものは、ベンデイング振動がほと
んど利用されていないため、狭帯域のものしか得
られなかつたのである。

一方、樹脂製付加共振子を用いたものは、バイ
モルフ振動子と付加共振子の複合振動体により、
２種類の振動モードを発生させているので、広帯
域化を図ることができる。しかし、樹脂製付加共
振子を用いたものは、付加質量が大きく、バイモ
ルフ振動子と付加共振子との結合面積が大きいた
め、ベンデイング振動が抑制され、その結果音圧
および感度レベルが低くなるという欠点がある。

それゆえに、この考案の主たる目的は、高感
度、高音圧でしかも広帯域の超音波送受波器を提
供することである。

（問題点を解決するための手段） この考案は、付加共振子が金属材料から構成さ
れ、付加共振子の最大直径がバイモルフ振動子の
ノード径とほぼ等しく選ばれ、かつ付加共振子の
高さがその最大直径の0.05ないし0.15倍に選ばれ
た、超音波送受波器である。

（作用） バイモルフ振動子の共振周波数の20〜40％の周
波数範囲において２種類の共振が発生し、合成振
動としてベンデイング振動およびピストン振動の
両方のモードの振動が付加されたものが得られ
る。

（考案の効果） この考案によれば、金属製の付加共振子を用い
るので高感度・高音圧であるばかりでなく、寸法
を適当に選んでいるので２つの振動モードを利用
でき、広帯域の超音波送受波器が得られる。

したがつて、これをたとえばリモートコントロ
ール装置などに利用すれば、多チヤンネルのコン
トロール信号を送受することができ、非常に有利
となる。

この考案の上述の目的、その他の目的、特徴お
よび利点は、図面を参照して行う以下の実施例の
詳細な説明から一層明らかとなろう。

（実施例） 第１図はこの考案の一実施例を示す断面図であ
る。超音波送受波器１０は、たとえば合成樹脂な
どの絶縁材料からなるベース１２を含む。ベース
１２上には、緩衝材としてのゴムリング１４を介
してバイモルフ振動子１６が支持される。このバ
イモルフ振動子１６としては、金属板の一方面に
セラミツクなどの圧電素子を貼り合わせたもの、
金属板の両面に圧電素子を貼り合わせたもの、あ
るいは２枚の圧電素子を貼り合わせたものなどが
利用可能である。ゴムリング１４は、バイモルフ
振動子１６のベンデイング振動を妨げないよう
に、そのノードライン近傍に配置される。

バイモルフ振動子１６の上面には、円錐形また
は断面が台形形で漏斗状の付加共振子１８がその
頂点部分において固着される。この付加共振子１
８の材質としては、付加質量が小さくなりかつ成
形し易いために、たとえばアルミニウムのような
金属が用いられる。そして、付加共振子１８の最
大直径Ｄがバイモルフ振動子１６のノード径とほ
ぼ等しく選ばれ、付加共振子１８の高さｈはその
最大直径Ｄの0.05ないし0.15倍に選ばれる。付加
共振子１８の形状寸法をこのように選ぶ理由は、
付加共振子１８にピストン振動とベンデイング振
動の２種類の振動モードを行わせるためであり、
その詳細については実験結果を参照して後述す
る。

そして、ベース１２には、２つの端子２０およ
び２２がそこを貫通するように埋め込まれる。端
子２０および２２は、それぞれリード線２４によ
つてバイモルフ振動子１６に形成された電極（図
示せず）に接続される。ベース１２の側端縁に
は、たとえば金属からなるケース２６の下端が固
着される。このケース２６は、付加共振子１８の
上部部分が開口され、付加共振子１８およびバイ
モルフ振動子１６の周囲を覆つている。なお、開
口部にはスクリーン２８が形成される。

このような超音波送受波器１０の動作は、すで
によく知られているので、ここではその詳細を省
略する。

第２図および第３図はバイモルフ振動子１６お
よび付加共振子１８からなる複合振動体の振動モ
ードを図解的に示した図である。第２図では、バ
イモルフ振動子１６がベンデイング振動し、付加
共振子がピストン振動している状態（以下、この
振動モードをモードＡという。）を示す。第３図
では、バイモルフ振動子１６がベンデイング振動
し、付加共振子１８がベンデイング振動する状態
（以下、この振動モードをモードＢという。）を示
す。したがつて、この実施例のようにバイモルフ
振動子１６と付加共振子１８との形状、寸法を適
当に選ぶことによつて、複合振動体には２種類の
振動モードが存在することが明らかとなろう。ま
た、実験によれば、モードＡはバイモルフ振動子
１６の共振の影響を受け易く、モードＢはバイモ
ルフ振動子１６の共振の影響を受けにくいことが
わかつた。

次に、付加共振子１８の形状寸法すなわち最大
直径Ｄおよび高さｈを変えた場合において、２種
類の共振周波数の関係を検討する。

第４図および第５図は実験によつて求めた付加
共振子１８の高さおよび直径を変えた場合の共振
周波数との関係を示す図である。ただし、この実
験に用いたバイモルフ振動子１６は、平面形状が
７×７mmの正方形で、その厚さが0.3mmの圧電振
動子を２枚貼り合わせたものであり、その共振周
波数が約42kHzのものである。この場合のバイモ
ルフ振動子１６のノード径は、正方形に内接する
円を直径とするので、７mmである。しかし、バイ
モルフ振動子１６の形状を円形にした場合や、他
の共振周波数に選んだ場合にも同様の結果が得ら
れることを予め指摘しておく。

第４図では、付加共振子１８の高さｈを0.8mm
の一定にした場合において、最大直径Ｄを変化さ
せたときの共振周波数との関係を示す。図中の実
線はモードＡの場合、点線はモードＢの場合であ
る。この実線結果から明らかなように、最大直径
Ｄを増加していくと２種類のモードにおける共振
周波数の差が次第に小さくなるが、ある点で両者
の関係が逆転することが分かる。したがつて、２
種類の振動モードの共振は縮退しないことがわか
る。

一方、第５図では、付加共振子１８の最大直径
Ｄを７mmの一定とした場合において、高さｈを変
化させたときの共振周波数との関係を示す。この
場合でも、高さｈを大きくするにしたがつてモー
ドＡとモードＢの共振周波数の差が小さくなり、
ある点で両者の関係が逆転していることがわか
る。ただし、モードＡとモードＢとの関係が第４
図と逆になつている。

この第４図および第５図から付加共振子１８の
最大直径Ｄと高さｈとを適当な関係に選ぶことに
よつて、複合振動体を２種類の振動モードで振動
させることができ、共振周波数もある範囲内に保
てることがわかる。

そこで、次に両者の関係を第４図および第５図
から求める。モードＡとＢの共振周波数の差Δf
が16kHz以上になると、複合振動体として有効に
使用できないことが実験によつてわかつた。この
ため、第４図において、Δf＝16kHzの範囲はＤ≒
４〜８であるので、係数k1＝ｈ／Ｄ＝0.8／４〜
８＝0.2〜0.01となる。一方、第５図において、
Δf＝16kHzの範囲はｈ＝0.35〜1.05であるので、
係数k2＝ｈ／Ｄ＝0.35〜1.05／７＝0.05〜0.15と
なる。したがつて、最適条件となる最大直径と高
さとの比は、ｈが一定の場合のk1とＤが一定の
場合のk2の重複する範囲になるので、0.05〜0.15
となる。

このようにして、付加共振子１８の最大直径Ｄ
および高さｈをそれぞれ適当に設定することによ
つて、周波数とインピーダンスとの関係すなわち
インピーダンス特性は第６図に示すように、線ｄ
で示す固有振動の周波数が線ｃで示す合成振動の
うちベンデイング振動の周波数とピストン振動の
周波数との間に存在することになる。すなわち、
この実施例では、第６図の線ｃに示す合成振動の
うちバイモルフ振動子１６のベンデイング振動を
主体としたピストン振動（モードＡ）が線ｄで示
す固有振動の周波数より高くなり、付加共振子１
８の合成振動を主体としたベンデイング振動（モ
ードＢ）の周波数が固有振動の周波数より低くな
る。したがつて、合成振動としては２種類の振動
が相加したものとなるので、ピストン振動とベン
デイング振動の両方を有効に使うことができる。

次に、この実施例の超音波送受波器１０の送波
音圧および受波感度を検討する。送波音圧の周波
数特性は、実験で求めた第７図において、従来の
金属製のものが点線で示されかつ樹脂製のものが
１点鎖線で示されるのに対し、この実施例のよう
に付加共振子１８を金属製にしてその形状および
寸法を選んだものが実線で示される。第７図から
明らかなように、送波音圧レベルは、従来の金属
製のものに比べて高く、しかも共振周波数帯域が
従来の樹脂性のものよりも広くなつていることが
わかる。

受波感度の周波数特性は、実験で求めた第８図
において、従来の金属製のものが点線で示されか
つ樹脂製のものが１点鎖線で示されるのに対し、
この実施例のものが実線で示される。第８図から
明らかなように、受波感度は、従来の金属製のも
のに比べて高く、周波数帯域も従来の樹脂製もの
とほぼ同じ程度に広帯域化されていることがわか
る。

この第７図および第８図の実験結果から明らか
なように、この実施例のように付加共振子１８と
バイモルフ振動子１６の形状および寸法を適当に
選ぶことによつて、高音圧、高感度で広帯域の超
音波送受波器１０を実現できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例を示す断面図であ
る。第２図および第３図はバイモルフ振動子およ
び付加共振子からなる複合振動体の振動モードを
図解的に示した図である。第４図および第５図は
実験によつて求めた付加共振子の高さおよび直径
を変えた場合の共振周波数との関係を示す図であ
る。第６図はこの実施例のインピーダンス特性を
示す図である。第７図はこの実施例の送波感度の
周波数特性を示す図である。第８図はこの実施例
の受波感度の周波数を示す図である。第９図は従
来の金属製付加共振子を用いたもののインピーダ
ンス特性を示す図である。 図において、１０は超音波送受波器、１６はバ
イモルフ振動子、１８は付加共振子を示す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 バイモルフ振動子とその上に載せられた付加共
   振子とを含み、バイモルフ振動子がベンデイング
   振動を生じかつ付加共振子がベンデイング振動ま
   たはピストン振動を生じる、超音波送受波器にお
   いて、 前記付加共振子が金属材料からなり、 前記付加共振子の最大直径が前記バイモルフ振
   動子のノード径とほぼ等しく選ばれ、かつ付加共
   振子の高さがその最大直径の0.05ないし0.15倍に
   選ばれていることを特徴とする、超音波送受波
   器。