JPH08500224A - 超音波変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 産業上の適用に際して超音波変換器は小形で同時に副ローブのない放射特性を持つことが要望される。このような要望は圧電変換素子（１）及びこの主表面（７）に接着された円盤状の１／４波長整合体（２）からなる従来の型の超音波変換器において、本発明によれば１／４波長整合体（２）の外周面（３）が適当な深さ（５）の切り込み（４）を備えるように形成されることによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波変換器 本発明は、回転対称で円盤状の１／４波長整合体を備えた圧電変換素子を有す る超音波変換器に関する。 上述の種類の超音波変換器はドイツ連邦共和国特許第３９１１０４７号明細書 により公知である。この変換器においては整合体の主表面の直径を、圧電セラミ ック変換素子の直径に関して、僅か変えることによって振動が影響されて、超音 波変換器の小さい寸法構造にもかかわらずその効率及びその放射特性が改善され る。同様にこの文献には整合体の外周面の形状を僅か変更することも振動を著し く変え得ることが記載されている。外周面の側線の構成としては発散或いは収斂 する直線が選ばれているので、整合体の主表面の直径は圧電セラミック変換素子 の主表面とは僅かに相違している。僅かに正に或いは僅かに負に屈曲した側線も また変換素子の直径に対する整合体の厚さに関係して、比較的中心位置の高い音 圧を得るために有利なものと見做されている。勿論このような超音波変換器にお いてはその生ずる振幅分布は放射面の中心範囲において相対的な最小値を示す。 振幅は半径方向に増大し、、ほぼ半分の半径においてその最大値を示し、縁部に 向かって急激に低下する。このような振動曲線により到達可能な音圧において損 失が生じ、これに関係する音響ローブ特性は実際の使用に当たって擾乱や誤機能 を招くことのあるはっきりした副ローブを持つ。 従って本発明の課題は、上述の種類の超音波変換器において小形構造にもかか わらずできるだけ損失が少なく改善された振動曲線に基づいて高い音圧が達成さ れ、かつ副ローブの抑制が−３０ｄＢより良好なものを提供することにある。こ の課題を解決するために、１／４波長整合体はその外周面及び／又はその変換素 子側の背面に切り込みを備える。この切り込みが整合体の円盤直径の最大でも四 分の一までの深さを持つ場合に特に良好な放射特性が達成される。このような超 音波変換器は産業上の用途に対して良好な音響特性をもってまた周囲媒体が空気 のときの使用に特に適している。外周面がその切り込み以外の部分において円筒 状の輪郭を持つ実施例においてはその製造が容易である。この場合円盤状、円筒 状の整合体は容易に作られ、切り込みが後からその外周面に例えばフライス加工 により形成される。できるだげ良好な、即ち損失の少ない振動曲線を得るために 、外周面に設けられる切り込みは少なくとも、１／４波長整合体の上面及び下面 の円形面が異なる大きさの場合切り込み内に投影された、小さい方の円形面から 出発する仮想の円筒外周面を切る深さを持つ。圧電変換素子が超音波振動の主放 射方向に直径Ｄの主表面を持ち、１／４波長整合体のこの主表面側の下面の円形 面が０．９Ｄ及び１．２Ｄの間の直径を持つ場合、切り込みの形状及び深さとに 関連してこのパラメータを変えることによって特に有効な振動曲線が可能となる 。切り込みの音響特性に関する効果は、切り込みの深さが整合体の円盤直径の０ ．０５乃至０．１５である場合に特によい。超音波変換器全体が振動さるべき媒 体側の整合体面を除いて発泡被覆を備えている場合には、これにより窪みやエッ ジを持った切り込み範囲における汚損も回避される。同時にこの場合超音波変換 器の前表面は変わることなく平坦であるので、変換器が汚損したときの清浄化が し易くかつその外観上の見栄えがよいという利点がある。発泡被覆がポリウレタ ンからなる場合には、この発泡被覆で特に求めようとする超音波変換器の弾性制 動が極めてよい。超音波変換器を周囲媒体が空気のときに使用する場合、励振さ れる圧電セラミック変換素子と空気との間に存在するインピーダンスの整合の問 題は、１／４波長整合体が合成発泡剤からなる場合に有利に解決される。 切り込みが整合体の背面側の面に円筒状の空所として構成されている実施例は 放射特性に関して特に良好でかつその製造が容易である。同様に効果的でかつ簡 単な案は、整合体の背面側の面の切り込みが同心状で環状の溝の形をしていてか つその深さが最大でも整合体の厚さの半分までのものである。 以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。 図面において、 図１は本発明による超音波変換器の断面を、 図２は図１による超音波変換器の音響ローブ特性を、 図３は図１による超音波変換器の放射表面における振動特性を、 図４は外周面に矩形状切り込みを備えた超音波変換器を、 図５は外周面に台形状切り込みを備えた超音波変換器を、 図６は三角状切り込みを備えた超音波変換器を、 図７は整合体の背面側の面に円筒状の空所を備えた超音波変換器を、 図８は整合体の背面側の面に環状の溝を備えた超音波変換器を示す。 図１は円盤状の圧電体セラミック１を備えた本発明による超音波変換器を示し 、この圧電体セラミック１にはその主表面７にわたって回転対称で円盤状の１／ ４波長整合体２がその下側の円形面８で接着されている。圧電体セラミック１は 直径Ｄ＝３２．４ｍｍ及び円盤厚さｈ_k＝６ｍｍを持っている。圧電体セラミッ ク１の材料データは次のとおりである。即ち、密度７６００ｋｇ／ｍ³、弾性率 ６５０００Ｎ／ｍｍ²及びポアッソン比０．２９である。円筒状の１／４波長整 合体２はその外周面３に切り込みとしてｔ_n＝３．８ｍｍの深さ５及びｈ_n＝４． ５ｍｍの高さを持つ溝４を備え、この溝４は整合体２の上側の円形面、即ち放射 面から間隔ａ_n＝２．４ｍｍを備え、かつ円盤厚さはｈ_s＝８．８ｍｍである。合 成発泡剤からなる整合体２の直径ｄ_sは圧電体セラミック１の直径と一致してい る。整合体２の材料データは次のとおりである。即ち、密度５８０ｋｇ／ｍ³、 弾性率２１５０Ｎ／ｍｍ²及びポアッソン比０．２８５である。 図１の超音波変換器に対しては、殆ど副ローブがないものと言うことができる （何となれば主ローブに対して−３０ｄＢ以上減衰した振動振幅を持つ副ローブ しか発生しないからである）図２による音響ローブ特性が生ずる。このような極 めて好ましい特性は、１／４波長整合体２の放射面において殆ど理想的な振動振 幅分布を持つ図３の振動モードを結果として持つ円筒外周面の輪郭形成に負うも のであ。なおこの図では縦座標に振幅、横座標に放射面の長さ方向の延び、即ち その直径４が取られている。 図４、５、６は本発明による変換器のそれぞれ異なる実施例を示す。図４の超 音波変換器においては１／４波長整合体２の切り込み４は図１の例と同様に溝状 であるが、整合体２の下側の円形面８が圧電体セラミック１の主表面７を越えて おり、これが振動曲線に関する溝４の最適形状及び位置に影響している。図５に 示された超音波変換器の実施例では円筒状の１／４波長整合体２の外周面３にお ける切り込み４は台形状である。また切り込み４が設けられている整合体２の外 周面は円錐状に延びる側線を持つこともできる。図６はこの例を示し、この場合 切り込み４は三角状に形成されかつ放射面が圧電体セラミック１に接着された整 合体の表面よりも大きい直径を持っている。 切り込み４は多角形状に形状するか或いはまた円い窪み形としても構成できる 。これは整合体２としての円筒状或いは円錐状の円盤の外周面に加工され、直径 Ｄを持つ圧電体セラミックとの接着面における直径は特に０．９Ｄ乃至１．２Ｄ の間にある。 図３による最適な振動曲線を生ずるための輪郭形成の正確な幾何学的形状は圧 電変換素子１及び整合体２の機械的材料データと外形寸法とに依存し、これによ り望ましい使用周波数の大きさも予め定められる。この大きさは材料データと外 形寸法の各々の組み合わせに対して並びに所望の偏り形状に対して新たに定めら れ最適化されねばならない。 多数の適用例においては副ローブを持たない狭い幅の音響ローブが有利である 。本発明による側面の切り込みにより放射面にガウスの釣鐘曲線形状の振幅分布 、即ち中央部に最大偏りを持ち、端部に向かって連続的に低下する振幅を持つ分 布が得られる。ガウス曲線は理論的には完全に副ローブのない音響ローブをもた らす偏り形状である。実際には最適化された側部の切り込みを備えた変換器は、 図２に示されるように、極めて弱くではあるが副ローブを持つ。実施例に応じて −３０ｄＢ乃至−４０ｄＢの副ローブ抑制が達成される。 外周面における切り込みの形状により異なる両翼傾斜を持つガウス曲線が得ら れ、これにより同時に主音響ローブの−３ｄＢ幅が変えられる。その際比較的幅 の広いローブは急激な傾斜に、これに対して非常に幅の狭いローブはより平坦な 曲線経過に相当する。これにより調整される開き角は約８゜乃至２５゜の間であ る。ガウス状の、同位相振動分布により同時に伝達係数、即ち受信されたエコー 信号の電圧と特定の間隔におけるその属する送信電圧との比が、このような側面 の形成をしていない同一の変換器に比べて５倍まで高くなる。 側面の切り込みの形状により、また放射面上のガウス振幅分布及び位相分布と 異なるものを作ることもできる。音響ローブ及び伝達係数は、その都度の適用例 に対していわゆる寸法に合わせた超音波センサを作るために、大幅に変えること ができる．本発明の基礎になる思想は、側面の切り込み４の輪郭形成により音響 放射前面における有利な改善を達成することにある。前面、即ち音響放射面自体 はその場合変わることなく平坦性を維持し、見栄えをよくするために汚損しても 容易に清浄化される。超音波変換器は放射面を除いて弾性的な制振物質、特にポ リウレタンに埋め込まれ、これにより同時に側面の輪郭部の切り込み範囲の窪み やエッジの汚損が阻止される。 本発明によれば超音波変換器は殆ど理想的な、即ち副ロ−ブのない放射特性を 簡単な方法でかつ小形構造に実現できる。これは超音波変換器に対する従来の構 造部品を利用して、整合体の外周面に形状及び深さにおいて適当な切り込みを形 成することによって達成できる。 整合体２の外周面３における輪郭形成によるばかりでなく、圧電体セラミック 側の背面８に図７及び８に示すような切り込み９、１０、１１を形成することに よっても超音波変換器の放射特性を改善することができる。図７には背面８に円 筒状の空所９が設けられている。図８に示す超音波変換器においては整合体２の 背面８に同心配置された環状の溝１０、１１が設けられている。整合体の側面及 び背面の輪郭形成を組み合わせることにより特に良好な放射特性が達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転対称で円盤状の１／４波長整合体（２）を備えた圧電変換素子（１）を 有ずる超音波変換器において、１／４波長整合体（２）がその外周面（３）及び ／又は変換素子（１）側の背面（８）に切り込み（４、９、１０、１１）を備え 、外周面（３）の切り込み（４）が整合体（２）の円盤直径（６）の最大でも四 分の一までの深さを持つことを特徴とする超音波変換器。 ２．外周面（３）が切り込み（４）以外において円筒の外周面に相当することを 特徴とする請求の範囲１に記載の超音波変換器。 ３．外周面（３）が切り込み（４）を備え、この切り込みの深さが１／４波長整 合体（２）の上面及び下面の円形面の大きさが異なる場合少なくともこの切り込 み内に投影され、小さい方の円形面から出発する仮想の円筒外周面を切る深さ（ ５）を持つことを特徴とする請求の範囲１に記載の超音波変換器。 ４．圧電変換素子（１）が直径Ｄを持ち、この変換素子（１）側の１／４波長整 合体（２）下側円形面（８）が０．８Ｄ及び１．２Ｄの間の直径を持つことを特 徴とする請求の範囲１ないし３のいずれか１項に記載の超音波変換器。 ５．切り込み（４）の深さが整合体（２）の円盤直径（６）の０．０５乃至０． １５の間にあることを特徴とする請求の範囲１ないし４のいずれか１項に記載の 超音波変換器。 ６．超音波変換器全体が整合体（２）の音響媒体側の面を除いて発泡剤被覆を備 えていることを特徴とする請求の範囲１ないし５のいずれか１項に記載の超音波 変換器。 ７．発泡剤被覆が実質的にポリウレタンからなることを特徴とする請求の範囲６ に記載の超音波変換器。 ８．１／４波長整合体（２）が合成発泡剤からなることを特徴とする請求の範囲 １ないし７のいずれか１項に記載の超音波変換器。 ９．整合体（２）の背面側の面（８）に設けられる切り込み（４）が最大でも整 合体（２）の厚さの半分の深さを持つ円筒状の空所（９）として構成されている ことを特徴とする請求の範囲１ないし８のいずれか１項に記載の超音波変換器。 １０．整合体（２）の背面側の面（８）に設けられる切り込み（４）が最大でも 整合体（２）の厚さの半分の深さを持つ同心状の環状溝（１０、、１１）の形に 構成されていることを特徴とする請求の範囲１ないし８のいずれか１項に記載の 超音波変換器。