JPH0427280Y2 - - 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
ばベース上に屈曲振動子を支持し、この屈曲振動
子上に付加共振子が固着された複合振動子を備え
る、超音波送受波器に関する。

（従来技術） 従来から、複合振動子をケース内に組み込んだ
超音波送受波器は、よく知られている。

（考案が解決しようとする問題点） 従来の超音波送受波器は、感度および音圧が温
度によつて大きく変化する。詳しくいうと、受波
器の場合、第９図に示すように、その受波感度
は、温度がたとえば−30℃，＋25℃および＋85℃
のように変化するにつれて、その最大となる周波
数（ピーク周波数）も高くなる。送波器の場合
も、第１０図に示すように、温度がたとえば−30
℃，＋25℃および＋85℃のように変化するにつれ
て、その送波音圧が最大になる周波数が高くな
る。このように、従来の超音波送受波器では、受
波感度および送波音圧レベルの温度特性がよくな
いという欠点があつた。

それゆえに、この考案の主たる目的は、受波感
度および送波音圧の温度特性のよい、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、複合振動子を支持するベースの屈
曲振動子のノードラインの内側に所定の深さの凹
部を形成し、屈曲振動子のノードラインの外側に
おけるベースの高さと、屈曲振動子の下端面の高
さとの差を使用波長の1/8以内に選んだ、超音波
送受波器である。

（作用） 屈曲振動子のノードラインの外側におけるベー
スの高さと屈曲振動子の下端面の高さとの差が小
さいため、そのベースの屈曲振動子のノードライ
ンの外側には共鳴空間は形成されない。このた
め、温度が変化して音の伝搬速度が変わつても、
複合振動子の共振周波数すなわち受波感度および
送波音圧のピーク周波数は変化しない。

（考案の効果） この考案によれば、受波感度および送波音圧の
温度特性のよい超音波送受波器が得られる。

この考案の上述の目的，その他の目的，特徴お
よび利点は、図面を参照して行なう以下の実施例
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破断図であ
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は、第２図に示すように、全体として有底円
筒形状に形成される。ベース１２の上部には平面
リング状の突起１４が形成され、突起１４上に
は、弾性を有する接着剤１６によつて、屈曲振動
子たとえばユニモルフ振動子１８が固着される。
突起１４は、ユニモルフ振動子１８の屈曲振動を
妨げないように、ユニモルフ振動子１８の屈曲振
動のノードラインの直下を支持する。

ユニモルフ振動子１８は、互いに貼り合わされ
た金属円板１８ａと圧電板１８ｂとを含む。実施
例では、金属円板１８ａの厚みを0.2mmとし、そ
の直径（Ｄ）を７mmとした。また、圧電板１８ｂ
の厚さを0.2mmとし、その直径を5.8mmとした。し
たがつて、ユニモルフ振動子１８の屈曲振動のノ
ード径（ｄ）は4.5mm（≒０．６４Ｄ）となる。
また、この実施例では、ユニモルフ振動子１８の
振動周波数は40kHzである。

なお、ユニモルフ振動子１８に代えて、バイモ
ルフ振動子が用いられてもよいことはもちろんで
ある。

ユニモルフ振動子１８上には、円錐形または断
面台形で漏斗状の付加共振子２０が、その頂点部
分において固着される。この付加共振子２０の材
質としては、成形しやすくかつその付加質量が小
さいなどの理由で、たとえばアルミニウムなどの
金属が用いられる。実施例では、付加共振子２０
の最大直径を6.4mmとし、その高さを0.8mmとし
た。

ベース１２の中央部すなわち上述のノードライ
ンよりも内側には、平面円形の凹部２２が形成さ
れる。接着剤１６の厚みを含む凹部２２の深さｌ
は、波長をλとし、ｎ＝１，２，……とすれば、
ｌ＝nλ／４となる。実施例では、凹部２２の実
際の深さを2.2mmとし、接着剤１６の厚さを0.2mm
としたため、ｌは2.4mmである。この凹部２２に
よつて、反射波による定在波共振が生じ、送波音
圧および受波感度が高められる。

ベース１２には、２つの端子２４および２６
が、このベース１２の上面２８および下面３０を
貫通して、取り付けられる。端子２４および２６
は、それぞれ、リード線３２によつて、ユニモル
フ振動子１８の金属円板１８ａおよび圧電板１８
ｂに形成された電極（図示せず）に接続される。

このように、その上に複合振動子が固着された
ベース１２の側部には、たとえば金属からなるケ
ース３４が嵌合され、その下端がベース１２の側
端縁３６に当接して固定される。このケース３４
の上面には開口が形成され、この開口にたとえば
金網などからなるスクリーン３８が設けられる。

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。

ベース１２のユニモルフ振動子１８のノードラ
インより外側の上面は、ユニモルフ振動子１８の
下端に近接される。詳しくいうと、ユニモルフ振
動子１８が接着剤１６でベース１２上に固着され
たとき、ノードラインの外側におけるベース１２
の上面２８の高さと、ユニモルフ振動子１８の下
端面の高さとの差ｔを、使用周波数の波長をλと
すれば、λ／８以下に設定する。

20℃における音速Ｃは、後述する式から求めら
れるように、Ｃ≒344（ｍ／sec）である。したが
つて、周波数を40kHzとすれば、その波長は、λ
≒8.6mmとなる。このため、上述の差ｔは1.1mm
（≒8.6／８）以下となる。実施例では、差ｔは
0.6mmに設定した。

ベース１２の上面２８の高さと、ユニモルフ振
動子１８の下端面の高さとの差ｔをこのような寸
法に選ぶことによつて、受波感度および送波音圧
の温度特性が大幅に改善されるのである。以下
に、その詳細について、実験結果を参照して説明
する。

第９図および第１０図から明らかなように、受
波感度および送波音圧のピーク周波数は、温度が
上昇するに従つて高くなる。ところが、ユニモル
フ振動子１８および付加共振子２０からなる複合
振動子自体は、温度による変化が小さく、むしろ
温度が高くなるとその共振周波数は低下する傾向
にある。この結果から、本件考案者等は、複合振
動子を内蔵するケース内の共鳴空間における共鳴
周波数が温度によつて変化し、それが送受波器の
温度特性に影響を与えているのではないかと考え
た。

空気中の音の伝搬速度Ｃ（ｍ／sec）は、伝搬空
間の温度をθ（℃）とすれば、次式で表される。

Ｃ＝331.5＋0.607θ すなわち、温度θが高くなると、音速Ｃは速く
なり、共鳴部分の周波数は高くなる。このため、
送受波器の全体としての共振周波数が高くなるも
のと考えられる。このことは、第９図および第１
０図の結果と一致している。すなわち、温度25℃
における共鳴周波数は40kHzであるが、温度が−
30℃になると36.0kHz、＋85℃では44.4kHzになる。

したがつて、温度変化に対して、安定した受波
感度，送波音圧特性を得るためには、超音波送受
波器１０のケース３４内の共鳴部分の共鳴周波数
を一定に保つようにすればよいことがわかつた。

ケース３４内の共鳴部分としては、従来の超音
波送受波器では、（）付加共振子２０からスク
リーン３８までの空間、（）ベース１２の凹部
２２および（）ベース１２のユニモルフ振動子
１８のノードライン外側における空間が存在し
た。

そこで、考案者等は、先ず、（）の空間を大
きくしたり小さくしたりして実験してみた。しか
しながら、この実験では、超音波送受波器１０の
温度特性は殆ど変わらなかつた。次に、（）の
凹部の大きさを変えて実験した。ところが、この
凹部の大きさを変えると、温度特性は若干改善さ
れるが、受波感度および送波音圧レベルが非常に
悪くなつてしまつた。したがつて、（）の凹部
の大きさを変えることはできない。

さらに実験を重ね、次に、（）の空間の大き
さを変えてみた。そうすると、その空間を小さく
しても、受波感度および送波音圧はあまり変化せ
ず、十分実用可能であつた。一方、それらの温度
特性は、第３図および第４図に示すように大幅に
改善された。

なお、第３図および第４図は、温度に対する受
波感度または送波音圧のピーク周波数の変化を示
すグラフである。

このように、考案者等は、ユニモルフ振動子１
８のノード径の外側のベース１２の高さと、ユニ
モルフ振動子１８の下端面の高さとの差ｔを小さ
くして、その部分における共鳴を実質的に不能に
することに着目したのである。実験によつて、そ
の高さの差ｔは使用波長λの1/8以下であれば、
そのような効果が奏されることが、確認された。

次に、温度をたとえば−30℃〜＋85℃の範囲で
変化させ、そのときの受波感度および送波音圧
を、それぞれ、一定の周波数（たとえば40kHz）
で測定した。その結果が従来例と対比して、第５
図および第６図に示される。この第５図および第
６図に示すように、この考案の実施例によれば、
受波感度，送波音圧ともに従来に比べて良好な温
度特性を呈する。

第７図はベースの他の例を示す図解図である。
第２図に示すベース１２では、突起１４を設け、
この突起１４にユニモルフ振動子１８を固着する
ようにしたが、第７図に示す実施例では，突起を
設けず、ベース１２の上面２８上に直接ユニモル
フ振動子１８を固着する。

第８図はベースのさらに他の例を示す図解図で
ある。この実施例では、はんだ付けを容易にする
ため、ベース１２の端子２４および２６が設けら
れる部分には、それぞれ、切欠部４０および４２
が設けられる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の一実施例を示す破断図であ
る。第２図はこの実施例に用いられるベースを示
す図解図であり、第２図Ａはその上面図、第２図
Ｂは半断面図である。第３図および第４図は、そ
れぞれ、実施例において、温度の変化に対する受
波感度および送波音圧のピーク周波数の変化を示
すグラフである。第５図および第６図は、それぞ
れ、受波感度および送波音圧の温度特性を従来例
と比較して示すグラフである。第７図はベースの
他の例を示す図解図であり、第７図Ａはその上面
図、第７図Ｂは半断面図である。第８図はベース
のさらに他の例を示す図解図であり、第８図Ａは
その上面図、第８図Ｂは半断面図である。第９図
および第１０図は、それぞれ、従来の超音波送受
波器の温度の変化に対する受波感度および送波音
圧（ピーク周波数）の変化を示すグラフである。 図において、１０は超音波送受波器、１２はベ
ース、１４は突起、１８はユニモルフ振動子、２
０は付加共振子、２２は凹部を示す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ベース上に屈曲振動子を支持し、この屈曲振動
   子上に付加共振子を固着し、前記ベースの前記屈
   曲振動子のノードラインの内側に所定の深さの凹
   部を形成した超音波送受波器において、 前記屈曲振動子のノードラインの外側における
   前記ベースの高さと、前記屈曲振動子の下端面の
   高さとの差を使用波長の1/8以内にしたことを特
   徴とする、超音波送受波器。