JPS5826547B2 - 超音波送受信子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶液に超音波を伝搬し、超音波の減衰特性から
溶液の性状を知る装置に使用する超音波送受信子に関す
る。

たとえば、下水処理過程において生成される汚泥濃度を
連続的に精度よく測定するものに超音波式の汚泥濃度計
がある。

これは、超音波の減衰量が浮遊物濃度に対して比例関係
にあることを利用したものである。

このような濃度計において、超音波変換素子は直ちに被
測定液に接触させるのではなく、第１図のように金属ケ
ースの中にあって、その金属ケースの一部を振動板とな
して被測定液と接触する構成をなしている。

第１図は超音波送受信子の構成説明図である。

第１図において、１は送信子、２は受信子、３は被測定
液である。

送信子１は円筒形の金属ケースの端部１３の内側に超音
波変換素子１１を接着剤１２で固着し、リード線１４を
介して超音波変換素子１１に供給される高周波の電気エ
ネルギーを端部１３を振動板となして、振動エネルギー
に変換する構成をなしている。

１１は接着剤の成す厚さ、１２は振動板１３の厚さであ
る。

一方、受信子２も送信子１と同一形状・大きさで構成さ
れており、振動板２３で感知する振動エネルギーを接着
剤２２で固着する超音波変換素子２１で電気エネルギー
に変換し、リード線２４を介して減衰信号を得るように
なっている。

このような構成をなす超音波送受信子の特性は、超音波
変換素子、接着剤、金属ケースの物性定数およびこれら
の機械的な形状・大きさによって決まる。

そして、これらの構成部材のうち、超音波変換素子や金
属ケースの物性定数や形状・大きさを正確に知ることは
比較的容易で、しかもそれらの物性定数や形状・大きさ
等の温度特性は安定している。

しかしながら、接着剤については、通常高分子化合物を
用いるが、物性定数にばらつきがあり、温度特性も悪い
。

したがって、第１図のような構成をなす超音波送受信子
において、温度特性の安定したもの、また特性が均一な
超音波送受信子を得ることは難しいとされている。

事実、本発明者らの実験によれば、接着剤の厚さを考慮
せず適当な厚みをもたせて超音波変換素子を固着した超
音波送受信子の信号量の温度特性は上敷１０％／ １０
ｄｅｇ （室温基準）のばらつきがある。

また共振周波数も大幅にづれたりする。

このため、超音波送受信子の製造において、製品の歩留
りが悪く、コスト高の要因ともなっていた。

本発明者らはかかる点を鑑みて、超音波送受信子の温度
特性における不安定要因を接着剤の厚みに集約し、超音
波送受信子の構造を分布定数回路におきかえて、理論解
析をなすことを試み、接着剤の厚み方向における超音波
送受信子の信号量特性を解析することによって本発明を
なすにいたった。

したがって、本発明の目的は、超音波変換素子を振動板
に固着する接着剤の物性定数（主として音速）や機械的
な形状（主として厚み）が温度に対して、不均一な特性
をなしても、安定した信号量特性を呈する超音波送受信
子を提供するにある。

以下、本発明について詳しく説明する。

第２図は第１図の構成をなす超音波送受信子を分布定数
回路におきかえたものである。

第２図において、Ｚｏは超音波変換素子の特性インピー
ダンス、ｚｌは接着剤の特性のインピーダンス、Ｚ３は
被測定液の特性インピーダンス、１１は接着剤の厚さ、
１２ は振動板の厚さである。

ここで、線路の特性インピーダンスはその部分の音響イ
ンピーダンスに対応し、線路の長さはその部分の厚さに
対応し、電圧透過率は音圧透過率に対応する。

なお、水の特性インピーダンスＺ３は、超音波にパルス
状の信号を用いた場合、送・受信子間すなわち水の長さ
がパルス幅に比べて十分長いので無限大とみなしてよい
。

また、振動板および接着剤の厚みが薄いので、各線路の
損失はないものとし、以下の解析を行う。

いま、第２図の分布定数回路の１−１′面、２−２′面
、３−３′面、４−４′面、５−５′面および６−６′
面の電圧透過率をｔｌｔ ｊ２ｔ ｔ３． ｔ４゜ｔ、
およびｔ６、上記各々の面からみた特性インピーダン７
をＺ１２３９Ｚ２３９ｚ３ｊ ｚ２１０ ｔ ｚｔｏ
ｔ ｚＯとすれば、各電圧透過率および特性インピーダ
ンスは以下の関係式で表わすことができる。

したがって、（１）式、（２）式、・・・・・・・・・
００式から接着剤の厚さ１１を変えたときの音波透過率
ｔ、の変化、すなわち／ｌｐ／と１１との関係を求める
ことかできる。

第３図は／ｌ、／と１１との関係をグラフにλ２ したものである（但し、１２−一）。

第３図より△／ ｔ ｐ ／△１１の小さい構造を見い
出すことかできる。

グラフより明らかなように、接着剤の厚さ１１がλ１／
６からλ１／３の領域で音圧透過率／ｌ、／の変化はほ
とんどない。

このことは、接着剤の厚み１１−λ１ ／ ４ ”＝０
．５ｍｍ （送信子共振周波数２ＭＨｚ） に設定し
た場合、接着剤の厚み１１ が約±３３％すなわち０．
３３〜０．６７朋の変動しても音圧透過率／ｌ、／はほ
ぼ一定で信号量が変化しないことを意味する。

ところで、接着剤の音速の温度特性を±１０％／ １０
ｄｅｇ （室温基準）と仮定すると（高分子化合物の
接着剤は大略これ以下である）、温度±２０℃の変化に
対して音速は±２０％変化する。

これは接着剤の厚みが＋２０％、すなわち０．４〜０．
６ ｍｍの領域で変化したことと等価的に考えることが
できる。

しかるに、グラフより明らかなように接着剤の厚み１、
が０．４〜０．６ ｍｍの領域では信号量特性が安定し
ているので、温度変化によって音速が変ってもその影響
はあられれない。

以上詳説したように、本発明による超音波送受信子によ
れば、温度変化によって接着剤の物性定数や機械的な形
状が変っても、信号量特性は変動せず安定したものが得
られる。

つまり、本発明によれば温度特性の優れた超音送受信を
得ることができる。

また、本発明による超音波送受信子によれば、超音波変
換素子と振動板とを固着する接着剤の厚さを大略１７４
波長で構成すればよいので、製品の歩留りを高めコスト
低減の効果も期待し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波送受信子の構成説明図、第２図は超音波
送受信子等価分布定数回路説明図、第３図は音圧透過率
−接着剤の厚さ特性図である。 １・・・・・・送信子、２・・・・・・受信子、３・・
・・・・被測定液、１１・・・・・・接着剤の厚み、１
２・・・・・・振動板の厚み。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波変換素子の電気エネルギーを振動エネルギー
   への変換、もしくはその逆の変換を振動板を介し対象物
   に接触させてなす超音波送受信子において、前記振動板
   の厚さを１／２波長に、前記超音波変換素子と前記振動
   板とを固着する接着剤の厚さを大略１／４波長で構成す
   ることを特徴とする超音波送受信子。