JPH0458760B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、互いに間隔をおいて互いに平行な面
内に配置されているセラミツクス薄片を有し、隣
接する薄片間の間隔が個々の薄片の厚みよりも大
きく選定されている圧電式空気超音波変換器に関
する。

〔従来の技術〕

圧電変換器を空気中の超音波伝送用の送波変換
器あるいは受波変換器として用いることは公知で
ある。その際に超音波伝搬媒体として空気は本質
的な問題を生ずる。なぜならば、たとえば圧電セ
ラミツクス、水晶などのような電気−機械的発生
または機械−電気的変換のためにアクテイブな材
料は空気にくらべて極端に異なる音響波動インピ
ーダンスを有し、従つて空気との音響的マツチン
グが著しく悪いからである。この問題を除くた
め、第１の方策としては、特別に大きな振動振幅
を生じ、従つてなお十分なエネルギーを式超音波
場に伝達し得るように特に高い振動良度を有する
変換器が製作されてきた。第２の方策としては、
たとえばコンデンサマイクロホンの箔変換器が用
いられてきた。このような箔ダイアフラムの質量
は小さいので、空気の音響波動インピーダンスと
の良好なマツチングが達成されるけれども、この
ような変換器は機械的損傷に対して非常に敏感で
あり、その工業的利用には問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が対象とする超音波変換器は、未だ十分
に満足なものは得られていないが、ドイツ連邦共
和国特許出願公開第2842086号明細書に記載され
ているものである。その対象は冒頭に記載した特
徴を有する電気音響変換器である。この変換器の
圧電セラミツクス薄片はその薄片厚みにくらべて
著しく大きな相互間隔で配置されており、またそ
れらのそれぞれ一方向を向いた端部は送波および
（または）受波すべき超音波の送波板および（ま
たは）受波板としての役割をする１つの板と結合
されている。この公知の変換器の励振すべきセラ
ミツクス薄片によりこの板は同相の振動（ピスト
ン行程運動）を生じるようにされており、薄片に
対しては電気的マツチングバリエーシヨンのため
に個々のまたはすべての薄片の並列および（また
は）直列接続が行われている。

本発明の目的は、ドイツ連邦共和国特許出願公
開第2842086号明細書に記載されているような圧
電変換器を、特に工業的応用のために一層高い機
械的堅牢性が得られるように、また技術的に簡単
な製造が可能なように改良することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は本発明によれば、特許請求の範囲第
１項に記載の圧電変換器により達成される。

本発明の基本思想は、前記ドイツ連邦共和国特
許出願公開明細書の原理による変換器を、できる
かぎり簡単な製造方法、好ましくはサンドイツチ
テクノロジーを応用し得るように、また特に送波
板または受波板の特別な取り付けを、音響的特性
を犠牲とすることなく、省略し得るように変更し
て構成することである。この原理に相当する本発
明による圧電式超音波変換器では、アクテイブな
圧電セラミツクスから成るこれらの薄片の間の薄
片の厚みにくらべて大きな空間が、圧電的に非ア
クテイブでありまた形状安定性を保証する材料で
満たされている。特にこの充填はサンドイツチ層
構造でまずそれぞれ交互に充填材料の箔または板
片と、それ自体は公知のように用いられる圧電セ
ラミツクス薄片とが積層されて、１つの一体片と
して固く結合されていることにより達成されてい
る。この結合は、後で形状付与処理を行い得るほ
ど、すなわちたとえばこの通常立方体のブロツク
を切削などにより平滑にし得るほど堅固である。
すなわちサンドイツチブロツクの１つの（このよ
うな）面が直接に変換器の送波面または受波面と
しての役割をし得る。

前記の空間を満たす形状安定な材料としては、
薄片の圧電セラミツクス材料の音響波動インピー
ダンスにくらべて大きくても約１／８の小さい音
響波動インピーダンス（Zak＝√）を有す
る材料が用いられる。さらに、この材料は上記の
条件とは無関係に、材料内部の機械的な減衰の値
が十分に高くて、その機械的良度Qmが約20より
も小さいという条件を満足しなければならない。

この形状安定な材料として用いる物質は特にポ
リウレタンフオーム、シリコンゴム、ポリエチレ
ン、ポリスチロールフオームなどであることが好
ましい。その際に、この材料の選択には本発明に
とつて重要な別の観点もある。たとえば前記の層
構造に箔または板片の形態のポリエチレンを使用
することは、ポリエチレンが熱可塑性を有する点
で有意義である。このようなサンドイツチ構造は
加熱および場合によつては軽度の圧縮により一体
ロツクとして固化され得る。その後に冷たい状態
で簡単な仕方で前記の送波面が加工され得る。セ
ラミツクス薄片が間隔にくらべて、すなわち使用
すべきポリエチレン箔またはポリエチレン板片の
厚みにくらべて比較的薄いことを考慮に入れて、
個々の薄片を全面で包囲する、湿気に対して密な
仕上がり品が得られる。なぜならば、薄い圧電セ
ラミツクス薄片が容易にポリエチレン内に埋め込
まれ得るからである。シリコンゴムの使用は他の
観点で望ましい。なぜならば、この材料では薄片
構造の鋳造が簡単な仕方で行われ得るからであ
る。ポリウレタンフオームまたはポリスチロール
フオームは接着により圧電セラミツクス薄片と結
合され得る点で有利である。これらのフオーム
は、一方では高い形状安定性を有し、他方ではに
小さい音響波動インピーダンスに好ましい小さい
質量とを有するという理由で、本発明の実施のた
めに特に有利である。またポリウレタンフオーム
またはポリスチロールフオームは表面を、圧電セ
ラミツクス薄片を含む変換器ブロツクの送波面ま
たは受波面として良好に加工され得る。

特に、本発明による圧電変換器のサンドイツチ
構成が、空間を満たす材料の使用のもとに行われ
る場合には、たとえば材料のフオーム構造を越え
る追加的な空所が前述の空間の材料内に設けられ
ていてよく、たとえばこれらの板片はその表面に
孔または少なくとも凹み（組み立てられた全体ブ
ロツク内で内部の空所となる）を有し得る。

変換器ブロツクの送波面または受波面には、特
にたとえば大きな曲げ剛性を有する比較的固い材
料から成る追加的な蓋が設けられていてよい。こ
のような追加蓋によりブロツクの送波面または受
波面の範囲に、変換器の結合ブロツクの内部横結
合よりも高い横結合が行われ得る。

本発明による変換器は単に、たとえば雑誌「ラ
ジオ、メントル」（Radio Mentor）第５巻
（1950）第236−238頁、特に第２図による、また
はドイツ連邦共和国特許出願公開第3040563号明
細書によるクリスタルマイクロホンの場合のよう
に多数の機械的に並列に接続された個別変換器と
してのみ理解されるべきではない。上記の両変換
器は、できるかぎり密接して重ねて配置されてい
る個々の薄片から成つている。特に上記雑誌の第
２図によるクリスタルマイクロホンでは、密に重
ねられたクリスタル板から成るパケツトが、所望
の圧電効果に不利に作用する大きな横結合を有す
る。上記ドイツ連邦共和国特許出願公開明細書に
よる力要素に対しては、ごくわずかな間隔のみが
薄片の間に設けられている。本発明では、その目
的を達成するため、セラミツクス薄片の厚みにく
らべて薄片相互間に十分大きな間隔が存在してい
なければならない。

〔実施例〕

以下、図面に示されている実施例により本発明
を一層詳細に説明する。

第１図および第２図には本発明による変換器の
実施例が２つの側面図で示されている。２は圧電
セラミツクスから成る３つの薄片である。図面か
らわかるように、個々の薄片２はその厚み（好ま
しくは0.08ないし0.3mm）にくらべて少なくとも
４倍の大きな相互間隔（好ましくは0.5ないし2.5
mm）を有する。３は薄片２の間に存在する空間を
満たす形状安定な材料、たとえばポリエチレンで
ある。線３１により第１図中に、このポリエチレ
ン３がもともとは、薄片２と一緒にサンドイツチ
構造に組み立てられ次いで熱可塑性により互いに
加熱接着されているそれぞれの板片であつたこと
が示されている。図示されている線３１の位置
に、完成した変換器１では接着結合が存在してい
る。しかし、たとえばシリコンゴムによる鋳造が
使用される場合には、セラミツク薄片２は全面
で、しかも最初から、材料３内に埋め込まれてい
る。ポリエチレンの熱可塑性に基づいて薄片２は
ポリエチレン材料３のそれぞれの表面内に埋め込
まれている。

４は薄片２の表面の電極層である。これらの電
極層４に通ずる接続線は第１図および第２図には
省略されている。

第２図の側面図からわかるように、セラミツク
ス薄片２および２１が互いに並べて配置されてい
る。第２の薄片２１は第１図では薄片２の下に位
置しているので見えない。本発明による変換器の
特別な用途に応じて、それぞれ並び合う２つの薄
片２および２１を有するこのような配置が有利で
ある。他の場合には、図示されている薄片２およ
び２１がそれぞれ単一の通しの薄片である構成が
有利である。第２図に示されているような分割は
特に、それぞれ並び合つている薄片２および２１
の方向（すなわち第２図の紙面内の水平な方向）
に、図示されている両薄片２および２１がそれぞ
れ単一の通しの薄片である場合にくらべて、全変
換器１に対して非常にわずかな横結合が生ずる。
従つて、この分割は、間隔をおかれた配置により
個々の薄片２が第１図中の方向ａに達成されてい
るような横結合の減少に通ずる。

５は選択的に設けられる付加の被覆である。こ
のような付加の被覆を設けることは特に、材料３
としてフオーム材が使用される場合に有利であ
る。このような付加の被覆５により一層密な表面
が得られる。フオーム材では、この追加蓋をフオ
ーム材の一体の構成部分として有利に実現し得
る。すなわち、フオーム材を当該の表面において
濃密化することができる。このような付加の被覆
または材料３の表面濃密化は、後で使用中に送波
面および（または）受波面として用いられるべき
変換器１の面の機械的強度の向上を達成するため
に必要であり得る。矢印６で１つのこのような送
波方向が示されている。しかし、送波１６も変換
器１の相応の面から行われ得る。矢印１６により
示されている送波（または受波）を行うべきであ
れば、たいていの場合、第２図中に示されている
薄片２および２１への分割を行わないのが有利で
ある。

第３図には（第１図および第２図と比較して）
拡大尺度で正面から見た図が示されている。この
第３図には、まず第１に、特別な電極配置が単一
の薄片２について示されている。４１および１４
１は薄片２の一方の表面の分割された電極層であ
る。４２，１４２および２４２は薄片２の反対側
の表面の相応に分割された電極層である。第３図
の紙面に対して垂直な方向にこれらの電極層４１
ないし２４２は通常ストリツプ状である。第３図
の電極分割は、電気的マツチングインピーダンス
を大きくする役割、またはたとえば受波作動中に
一層高い電圧を得る役割をする。矢印５０で薄片
内の（その厚み方向の）相対的偏極方向の列が示
されている。矢印５０の向きからわかるように、
図示されている電極分割により生ずる個々の範囲
は電気的に交互に接続されている。

多数のこのような薄片２を（および場合によつ
ては薄片２１をも）有する本発明による変換器の
作動のためには、送波用および受波用として種々
の相互接続が行われ得る。たとえば、送波用とし
てはすべての薄片を電気的に並列に接続するのが
有利であり、（励振電圧が比較的わずかですむ）、
また受波用ではすべてのまたは少なくとも或る数
の薄片２を直列に接続するのが有利である（高い
電圧が得られる）。

第４図は、薄片３および空間を満たす材料３を
有する本発明による変換器の概略斜視図である。
第４図には、薄片（第２図参照）が個々の薄片
２，２１，１２１に（方向ｂの横結合を減ずるた
め）分割されている例が示されている。変換器１
の矢印１１６で示されている送波方向を有する面
も送波および（または）受波のために用いられ得
る。薄片２（および２１および１２１）を包囲す
る材料として用いられるたとえばポリエチレン
は、第４図中に示されているように、ほぼ透明で
あつてよい。５１は個々の薄片のそれぞれの電極
層に通ずる一組の接続導線である。その他の設け
るべき接続線は当業者により適宜定められ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明による変換器の実
施例の側面図、第３図はその拡大正面図、第４図
は２つの薄片および空間を満たす材料を有する本
発明による変換器の概略斜視図である。 １……変換器、２，２１，１２１……薄片、３
……空間を満たす材料、４，４１，４２，１４
１，１４２……電極層、５……付加の被覆、５１
……接続導線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに間隔をおいて互いに平行な面内に配置
   されているセラミツクス薄片を有し、隣接する薄
   片の間隔が個々の薄片の厚みよりも実質的に大き
   く選定されている圧電式空気超音波変換器におい
   て、 隣接する薄片２，２１，１２１の間の間隔によ
   り形成される空間が、薄片の音響波動インピーダ
   ンスにくらべて大きくても約１／８の小さい音響
   波動インピーダンス（Z_ak＝√）を有しか
   つ約0.05以上の高い内部の機械的な減衰率１／
   Qmを有する形状安定な材料で満たされており、 空間を満たす材料３が送波および（または）受
   波６，１６，１１６のための変換器１の少なくと
   も１つの閉じられた面を形成していることを特徴
   とする圧電式空気超音波変換器。 ２ 空間を満たす材料３が少なくとも個々の薄片
   のそれぞれ１つの縁を越えて延びており、薄片の
   これらの縁が前記材料３により外界にたいして覆
   われていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の変換器。 ３ 送波および（または）受波６，１６，１１６
   のために用いられる変換器１の表面の上に付加の
   被覆５が位置していることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の変換器。 ４ 空間を満たす材料３が、送波および（また
   は）受波６，１６，１１６のために用いられる変
   換器１の表面の範囲において、変換器１の他の範
   囲内の材料３よりも比較的硬いように変えられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の変換器。 ５ 空間を満たす材料が内部に空所を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれか１項に記載の変換器。 ６ 薄片の互いに平行な配置のそれぞれの面内に
   それぞれ複数の薄片２，２１，１２１が正面側を
   隣接して配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項に記
   載の変換器。 ７ それぞれの薄片の少なくとも１つの側の電極
   板が少なくとも２つの分かれた電極板４１，１４
   １；４２，１４２，２４２に分割されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第６項
   のいずれか１項に記載の変換器。