JPH05508269A - 共鳴振動子 - 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】 共鳴振動子 本発明はたとえば円板状の振動子能動部を備えた共鳴振動子に関するものである 。

超音波振動を発生させるためには、実用上、たいていは能動的な、たとえば円板 状の変換器素子、例としてはＰＺＴセラミック素子が使用される。この円板振動 子は、約３００　ＫＨｚから１０ＭＨｚの周波数範囲において厚さ方向振動を発 生する。製造上の理由により、現在では厚さ０．５から１０ｍｍの円板のみが使 用される。この変換器素子の周波数は、寸法のみによって決まる。実験の結果に よると、固定的な結合つまり非能動的固体を能動的な円板状の変換器素子に結合 させることによって共鳴周波数ｆの結合振動子を得ることができ、この共鳴周波 数はλ＝２１の関係式により長さ寸法λ／２と関係し、ｆ＝ｖ／２１の関係に基 づいて音速Ｖに比例する。

この場合、音速Ｖとして非能動的の値が、十分な精度をもって利用される。円板 の厚さと固体の長さが比較できる程度の寸法になってはじめて、■の値を修正す ることができる。その場合にはＶの平均値が用いられる。

そのように構成された結合振動子は、長さ寸法に対応した共鳴範囲においてのみ 大きな超音波エネルギーを放射することが特徴となっている。励起は対応する調 波段階においても、放射エネルギーを減少させることによって発生させることが できる。

この結合振動子の欠点としては、能動的変換器素子の固有振動周波数とは異なっ た共鳴周波数を必要とする場合に、どの共鳴周波数に対しても、非能動的な固体 を所定の長さ寸法にしなければならないという事実である。

本発明は、共鳴周波数が連続的に変化できるような前記の種類の共鳴振動子を作 り出すという課題に基づいている。

本発明によりこの課題が解決された共鳴振動子は、主として次のような点で優れ ている。すなわち振動子能動部が結合振動子を形成しながら比較的長い振動子受 動部と接触し、この振動子受動部が主として共鳴周波数を決定しかつ液柱あるい は固体柱からなり、共鳴周波数を変化させるためにこの液柱あるいは固体柱の音 波ベクトル方向の長さを連続的に変化させることが可能である。したがって本発 明の基礎となっているのは、結合材料の長さを無段階に変化させることのみによ って、簡単に共鳴周波数を連続的に変化させ得るという知識である。

振動子能動部と固体として構成されている振動子非能動部との間で力を伝達する ことがとくに問題ではあるが、振動子受動部として液体柱を使用すると、きわめ て有利な方法で振動子能動部との十分な結合がとくに問題なく確実に行われる。

振動子非能動部についてとくに大きい効果を得るだめの必要条件は、可能な限り 大きな密度ρ、大きな音速Ｖおよび可能な限り大きな音波抵抗ρ・Ｖを有する液 体を使用することである。したがって重要なのは次に挙げる諸特性である。すな わち共鳴振動子を囲む媒体によって異なる音波抵抗ρ・ｖ１長さを変化させるた めの十分大きな間隙を得るための可能な限り大きな音速度Ｖ、および結合媒体の 損失を小さく抑えるための可能な限り低い吸音係数である。

構成−Ｌの点でとくに有利と考えられるのは、高い強度かつ可能な限り薄い厚さ の耐食性のカバープレートによって区画される共鳴容器の底部に振動子能動部が 設けられ、液柱を構成する液体をこの共鳴容器が内蔵し、また軸方向に移動可能 なピストンがこの共鳴容器に配置されており、このピストンの位置によって共鳴 容器の液柱の長さおよび共鳴周波数が決定され、ピストンの移動する際に共鳴容 器から押し出されるかまたは共鳴容器に吸引される液体を受容ないし排出するた めの調整容器と共鳴容器とが結合している場合である。

このようにすることによって振動子受動部を構成する結合液体が常に圧力を受け ること、つまり背圧ダイアフラムの外側から圧力を受けることが確実に行われる 。

さらに振動子能動部すなわち変換器素子（ＰＺＴ）と振動子受動部を構成する液 体との間において必要な力の伝達結合が保証される。

同時に空洞現象開始の限界値をも高められる。

構造上特に有望な実施例では、共鳴容器および／または調整容器が円筒形に構成 されていることが判る。

特に簡単で異常なく作動する実施例は、ピストンがシリンダー内で軸方向に移動 可能であり、このシリンダー内でこのピストンがその表側にある共鳴容器と裏側 にある調整容器とを分離し、また共鳴容器と調整容器との結合部がピストンの範 囲に設けられており、また振動子能動部が、ピストンから離れた共鳴容器の端部 を区画する耐食性カバープレートに隣接することによって達成される。

この発明のさらに詳細な説明、長所および特徴は、下記の説明および図面から理 解することができ、この図面は、本文中に説明されていない詳細事項すべてが明 確に参照されている。

第１図は、結合振動子として比較的薄い振動子能動部および固体柱によって構成 された比較的長い振動子受動部から構成された共鳴振動子の概略図、 第２図は、液体柱の長さの変化によって変化可能な共鳴周波数を持つ本発明によ る共鳴振動子の断面図、第３図は、本発明による共鳴振動子に変更を加えた実施 例の断面図、 第４図は、第３図による共鳴振動子の細部の断面図である。

図から明らかなとおり、第１図に示す結合振動子の形をした共鳴振動子１は、円 板状の振動子能動部２すなわちＰＺＴ変換器素子および固体の形に構成された振 動子受動部３とを含んでいる。この結合振動子は、振動子受動部３の材料の音速 Ｖによって決定される共鳴周波数を有している。円板状の振動子部２の厚さが振 動子受動部３の長さに比較して非常に短い場合に限り、共鳴周波数は、十分な精 度で振動モ受動部３の長さから実用的に導き出すことができる。

円板の厚さが固体部の厚さとほぼ等しい厚さになると、値Ｖの修正、つまり速度 Ｖの平均値を使用しなければならない。振動子受動部３を構成する固体の長さは 音波長の半分、すなわちλ７／２に相当することが明らかである。

第２図は、本発明による結合振動子４の形に構成された共鳴振動子を示しており 、この振動子において振動子能動部２は良好な高周波特性を持つ絶縁材からなる ピストン５に埋め込まれている。たとえば、テフロンで製造可能なピストン５は 、なるべくは円筒形でかつピストンがシリンダーの底部となる長（延びた容器の 内部で移動できるように支持されている。この容器が共鳴容器６を限定する。

振動子受動部２と向き合う側には共鳴容器６、高い強度とわずかな厚さの耐食性 のカバープレート７が設けられており、この厚みは大きな音波長の１／１００よ り小さくなければならない。

このカバープレート７の材料としてチタンが使用される。

共鳴容器６は、容器開口部８を通り、なるべくは同じように円筒形に形成された 調整容器９に結合している。この容器開口部８は、振動子能動部２から離れた方 の共鳴容器６の端部の範囲にある。調整容器９を閉鎖するために、背圧ダイアフ ラム１０付き調整容器が設けられており、この背圧ダイアフラムは容器の側面開 口部８から離れた背圧容器９の端部に設けられている。共鳴容器６の中には、振 動子能動部２とカバープレート７との間に広がる液体柱１１を構成する液体が存 在する。液体柱１１の長さは、底部を形成するピストン５を軸方向に移動させる ことによって替えることができる。この柱の長さが減少する場合は、液体の一部 が容器開口部８を通って、共鳴容器６から調整容器９に流れ、また増加する場合 は、調整容器から共鳴容器に戻る。この場合、背圧ダイアフラム１０は、共鳴容 器６の外側の圧力によって、共鳴容器の中にあって振動子能動部を構成する液体 柱１１に作用する。

液体とは、さらに広い意味で、すべての流動可能な物質のことであり、それが無 機物であるか有機物であるかあるいは水銀のような金属の性質を有しているかど うかには関係しない。重要なことは、液体が、共鳴容器６の外側にある媒体の音 波抵抗と異なる音波抵抗ρ・Ｖを持っていることである。それに加えて、液体は 、可能な限り大きな音速Ｖを確保すること、かつ長さが変化する間隙が十分大き なものであること、そして吸音係数が小さいことである。

密度ρ、速度Ｖおよび音波抵抗ρ・Ｖの固有値は、次に挙げた表から明らかであ る。

液体　ρ　Ｖ　ρ・Ｖ ｌｏ”ｋｇ−ｍ　−”　ｍ−ｓ　−’　１０”）ｃｇ・ｍ−”ｓ　−’水２０℃ 　１．００　１４８０　１．４８臭化ナフタリン　１．４８７　１３７２　２． ０７ブロマール　２．５５０　９６６　２．４６ギツエリン　１．２６１　１９ ２３　２．４２水銀　１３．５９５　１４５１　１９．７２テトラブロムエタン 　２．９６３　１０４１　３．０８アルミニウム　２．７　６３００　１７．０ ０特殊鋼　７．８　６０１０　４７．００ＰｚＴセラミツク７．８　約　４７０ ０　３６．７０上記の値はすべて室温における値である。

ｌ＝λ／２のグリセリンを使用した場合、λ＝ｖ／ｆの関係に基づいて、ｆ＝３ ０ｋＨｚに関し振動子受動部の長さは以下の式であることが判る。

λ＝１９２，３００／３０，０００国＝６．４１および、 １＝λ／２＝３．２ａｎ 振動子受動部の長さによって周波数は上方に限定される。しかし、λ／２の何倍 にも相応した長さの振動子も考えられる。

この発明による共鳴体は、選択された周波数を作り出し超音波発信機として成功 をおさめることができるだけではない。むしろ共鳴範囲、つまり狭い範囲での超 音波スキャナーとして使用しても優れている。例えば海水や河川の環境汚染物質 の位置測定及び魚群の位置測定用としてである。この場合は、発信機が特徴のあ る周波数を発信するという現象を利用する。また航海の目的にも使用される。

上記は、長さの変化する液体柱１１を備えた共鳴体をもとにして説明している。

第２図において具体的に説明するように液体の代わりに長さが変化する固体柱３ を実現することかつ成功させることも可能である。この目的を達成するためには 、２つの柱構成が必要である。２つの部分３°、３”に柱を区分する方法は、第 １図で破線１２によって示されている。２の部分の各々は、破線１２の延びに応 じて平面研磨された接触面を生じる。２つの柱部３′、３″の接触面の平面は固 体柱３の柱軸線と同じ大きさの鋭角を作る。固体柱の長さ、つまり柱軸線を斜め に横切って延びた距離は、振動子能動部と接触する柱面の間隔が、第１の柱部に 隣接した別の柱部の、柱軸線に平行な柱面から、両柱部の接触面に沿った移動に よって変更可能である。

第３図及び第４図では、第２図に比べ共鳴振動子に変更を加えた実施例を具体的 に説明している。第２図による実施例とは異なり、シリンダー１２の中で軸方向 に移動できるピストン５が、共鳴容器の正面に存在する本来の共鳴容器６と、そ の背面に存在する調整容器９とを分離しており、このシリンダーは本実施例の場 合においては第１の実施例の側面で結合された別体の調整容器の代わりになって いる。

共鳴容器６と調整容器９との結合は、ピストン５の範囲で行われる。第３図から 判るとおり、本実施例の場合ピストン５は、シリンダー内壁からの距離によって 共鳴容器６と調整容器９との結合を構成する。さらに振動子能動部の本実施例の 場合、共鳴容器のピストン５から遠い方の端部には、区画された耐食性のカバー プレート７がある。ピストン５には、その端面に共鳴容器６の向かい側にあって カバーフォイル１４で遮断された室１３が設けられている。このカバーフォイル １４は、おもにチタン製の金属フォイルで作られている。

第３図では、電圧がかかっている「高温」側で共通の接続部１５を介して向かい 合って相互に隣接し、圧電的に能動的な素材からなる２つの振動子円板１．６． １７から、結合振動子として構成された振動子能動部２ができていることを示し ている。さらにこの図から、ピストン５を収容するシリンダー１２がその底部１ ８の範囲において、ピストンロッド２１を通すシールスリーブ１９を備えた孔２ ０を設けていることが判る。ピストン・シリンダー・振動子部ユニットは外側に 閉じられたケース内に設置されている。振動子能動部はケース２２に対する振動 伝達を抑制するための隣接カバー円板により振動を減衰するように懸架されてい る。このようにするために、１つのラバーディスクが取り付けられている。第３ 図による実施例の場合は、ラバーディスクの代わりにケース２２とピストン・シ リンダー・振動子部ユニットとの間に第一の結合解除溝２３が設けられている。

第３図および第４図は、振動子能動部２が、電気伝導性のカバー円板７と一致す る電気導伝性の保持円板２４によって、２つの振動円板１６．１７の非活動な「 低温ｊ側とカバー円板に保持されていることを示している。

このような目的を達成するため、保持円板２４には、２つの振動子円板１６．１ ７の形の円板状の振動子能動部の直径より大きな直径が設けられている。シリン ダー１２は、シリンダー１２の直径の上方に突き出た直径かつ保持円板２４の直 径に一致するフランジ２５がある。シリンダー１２のフランジ２５は、保持円板 ２４の接する縁２６とともにケース２２に固定的に結合されている。これを行う ために、シリンダー１２のフランジ２５と保持円板２４の縁２６とは、カバープ レート７の縁範囲の孔を通り抜けるボルト２７によって通されている。カバープ レート７とカバー縁との間の第−結合解除溝２３の外側で、保持円板２４とボル ト２７によって通された保持円板縁２６の間に２つの結合溝２Ｂが設けられてい る。

第３図から、ピストンロッド２１が、シリンダー１２とケース２２との間の空間 ２９に延びていることが判る。この空間２９に、詳細は示していないが駆動メカ ニズムが支持されており、この駆動メカニズムの懸隔操作によって、ピストンロ ッド２１の上部にあるピストン５の位置、およびそれによって希望する方法で共 鳴周波数が自由に選択される。この空間２９には、外側を保護された、共鳴振動 子を稼働させるためのすべての電子機器も存在し、結合振動子の接触結合１５が 図示されてはいないが、ケーブルを介してこの電子装置に接続している。

特表平５−５０８２６９　（５） 平成４年５月１１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．振動子能動部たとえば円板状振動子（２）を備えた共鳴振動子において、振 動子能動部（２）が結合振動子を形成しながら比較的長い振動子受動部と接触し 、この振動子受動部が主として共鳴周波数を決定しかつ液柱あるいは固体柱（１ １）からなり、共鳴周波数を変化させるためにこの液柱あるいは固体柱の音波ベ クトル方向の長さを連続的に変化させることが可能であることを特徴とする共鳴 振動子。 ２．請求の範囲第１項による共鳴振動子において、液柱（１１）が可能な限り大 きな密度ρ、大きな音速ｖおよび可能な限り大きな音波抵抗ρ・Ｖを有する液体 によって構成されていることを特徴とする共鳴振動子。 ３．請求の範囲第１項あるいは第２項による共鳴振動子において、高い強度かつ 可能な限り薄い厚さの耐食性のカバープレートによって区画される共鳴容器（６ ）の底部に振動子能動部（２）が設けられ、液柱（１１）を構成する液体をこの 共鳴容器が内蔵し、また軸方向に移動可能なピストン（５）がこの共鳴容器（６ ）に配置されており、このピストンの位置によって共鳴容器（６）の液柱（１１ ）の長さおよび共鳴周波数が決定され、ピストン（５）の移動する際に共鳴容器 から押し出されるかまたは共鳴容器に吸引される液体を受容ないし排出するため の調整容器（９）と共鳴容器とが結合していることを特徴とする共鳴振動子。 ４．請求の範囲第３項による共鳴振動子において、共鳴容器（６）の底部を構成 する移動可能なピストン（５）のところに振動子能動部（２）が設けられ、この ピストンが耐食性カバープレート（７）に向かい合っていることを特徴とする共 鳴振動子。 ５．請求の範囲第３項あるいは第４項による共鳴振動子において、共鳴容器（６ ）が側面の容器開口部（８）を介して調整容器（９）と結合し、この調整容器が 、ピストン（５）の軸方向移動に対応して容積変化を可能とする背圧ダイアフラ ム（１０）により外部に対して閉じられていることを特徴とする共鳴振動子。 ６．請求の範囲第１項から第５項までのうちの１つによる共鳴振動子において、 共鳴容器（６）および／あるいは調整容器（９）が円筒状に構成されていること を特徴とする共鳴振動子。 ７．請求の範囲第１項から第６項までのうちの１つによる共鳴振動子において、 振動子能動部（２）から離れている方の共鳴容器（６）の一方の端部の範囲に側 面の容器開口部（８）が設けられていることを特徴とする共鳴振動子。 ８．請求の範囲第１項から第７項までのうちの１つによる共鳴振動子において、 容器側面の開口部（８）から離れている方の調整容器（９）の端部に背圧ダイア フラム（１０）が設けられていることを特徴とする共鳴振動子。 ９．請求の範囲第１項から第８項までのうちの１つによる共鳴振動子において、 良好な高周波特性の絶縁材からなりかつ共鳴容器の移動可能な底部を構成するピ ストン（５）の中に振動子能動部（２）が埋め込まれていることを特徴とする共 鳴振動子。 １０．請求の範囲第９項による共鳴振動子において、ピストン（５）がテフロン からできていることを特徴とする共鳴振動子。 １１．請求の範囲第１項から第１０項までのうちの１つによる共鳴振動子におい て、共鳴容器（６）のカバープレート（７）の厚さが最大音波長の１／１００よ り小さいことを特徴とする共鳴振動子。 １２．請求の範囲第１項から第１１項までのうちの１つによる共鳴振動子におい て、カバープレート（７）がチタンからできていることを特徴とする共鳴振動子 。 １３．請求の範囲第１項から第１２項までのうちの１つによる共鳴振動子におい て、液柱（１１）がシリコンオイルによって構成されていることを特徴とする共 鳴振動子。 １４．請求の範囲第１項による共鳴振動子において、固体柱（３）がそれぞれ１ つの平面研磨された接触面を備えた少なくとも２つの柱部（３′，３′′）から 構成され、また両方の柱部（３′，３′′）の接触面が柱軸線に対し等しい鋭角 をなし、また固体柱（３）の長さ、すなわち柱軸線を横切って延びかつ振動子能 動部（２）に接触する柱面とこの柱面に対しで平行に延ひかつ第１の柱部（３′ ）に隣接する別の柱部（３′′）の柱面との間隔が、両方の柱部をその接触面に 沿って移動させることによって変更可能であることを特徴とする共鳴振動子。 １５．請求の範囲第１項から第３項までのうちの１つによる共鳴振動子において 、ピストン（５）がシリンダー（１２）内で軸方向に移動可能であり、このシリ ンダー内でこのピストンがその表側にある共鳴容器（６）と裏側にある調整容器 （９）とを分離し、また共鳴容器と調整容器との結合部がピストンの範囲に設け られており、また振動子能動部（２′，２′′）が、ピストン（５）から離れた 共鳴容器（６）の端部を区画する耐食性カバープレート（７）に隣接することを 特徴とする共鳴振動子。 １６．請求の範囲第１５項による共鳴振動子において、共鳴容器（６）と調整容 器（９）との間の結合部を構成するためにシリンダー内壁（１２）から間隔をお いてピストン（５）がガイドされていることを特徴とする共鳴振動子。 １７．請求の範囲第１５項あるいは第１６項による共鳴振動子において、ピスト ンがその端面に１つの室（１３）を備え、この室がカバーフォイル（１４）によ って共鳴容器（６）に対し閉じられていることを特徴とする共鳴振動子。 １８．請求の範囲第１７項による共鳴振動子において、カバーフォイル（１４） が金属フォイル、なるべくならチタンで構成されていることを特徴とする共鳴振 動子。 １９．請求の範囲第１５項から窮１８項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、結合振動子として構成された振動子能動部（２）が圧電的に能動的な素材 からなる２つの振動子円板（１６，１７）により構成され、この２つの振動子円 板の充電された「高温」側が共通の接続部（１５）を介して向かい合って相互に 隣接していることを特徴とする共鳴振動子。 ２０．請求の範囲第１５項から第１９項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、ピストンを収容するシリンダーが、その底部（１８）の範囲に、シールス リーブ（１９）を備えかつピストンロッド（２１）を通す孔（２０）を設けてい ることを特徴とする共鳴振動子。 ２１．請求の範囲第１５項から第２０項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、ピストン・シリンダー・振動子部ユニット（２，５，１２）が、外側に向 かって閉じられたケース（２２）内に支持されており、また振動子能動部が、ケ ース（２２）に対する振動伝達を抑制するための隣接カバー円板により振動を減 衰するように懸架されていることを特徴とする共鳴振動子。 ２２．請求の範囲第２１項による共鳴振動子において、ケース（２２）とピスト ン・シリンダー・振動子部ユニット（２，５，１２）との間に第１の結合解除溝 （２８）を設けていることを特徴とする共鳴振動子。 ２３．請求の範囲第１５項から第２２項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、２つの振動子円板（１６，１７）の負の「低温」側面を備えた振動子能動 部（２）が、導電性カバー円板（７）に機能的に対応する導電性保持円板（２４ ）によってカバー円板に固定的に接触するように保持され、また保持円板が円板 状の振動子能動部の直径よりも大きな直径を有し、またシリンダー（１２）がフ ランジ（２５）を備え、このフランジの直径がシリンダーの外径より突出しかつ 保持円板（２４）の直径に合致しており、またシリンダー（１２）のフランジ（ ２５）が保持円板（２４）の隣接縁部（２６）とともにケース（２２）に固定的 に結合されていることを特徴とする共鳴振動子。 ２４．請求の範囲第２３項による共鳴振動子において、シリンダー（１２）のフ ランジ（２５）と保持円板（２４）の縁部（２６）とに、カバー円板（７）の縁 部の孔を通した複数のボルト（２７）が通されていることを特徴とする共鳴振動 子。 ２５．請求の範囲第２２項から第２４項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、カバー円板（７）とカバー円板の縁部との間の第１の結合解除溝（２３） のほかに、ボルト（２７）の通った保持円板縁部（２６）と保持円板（２４）と の間に第２の結合解除溝（２８）が設けられていることを特徴とする共鳴振動子 。 ２６．請求の範囲第１５項から第２５項までのうちの１つによる共鳴振動子にお いて、ピストンロッド（２１）がシリンダー（１２）とケース（２２）との間の 空間（２９）に支持された駆動メカニズムと結合され、このメカニズムが振動子 能動部（２）の接続部（１５）と同様に、空間（２９）に設けられた振動子駆動 用電子装置に接続していることを特徴とする共鳴振動子。