JPS6340400B2

JPS6340400B2 -

Info

Publication number: JPS6340400B2
Application number: JP54109606A
Authority: JP
Inventors: Kenesu Gasukotsuto Jon; Renaa Jeraado; Uentsu Rojaa
Original assignee: American District Telegraph Co
Current assignee: American District Telegraph Co
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1979-08-28
Publication date: 1988-08-10
Also published as: DE2934663A1; GB2029160B; GB2029160A; IT1125948B; US4228379A; JPS5563197A; IT7968718A0

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気音響変換器、特に侵入警報装置に
使用される変換器に用いるパターン方向器に関す
る。

電気音響変換器は一般には電気的な励起に応じ
た音響エネルギの発生または音響的な励起に応じ
た電気出力信号の発生を行うものとして知られて
いる。多くの変換器が従来開示され特別の動作特
性および所望の機能が提供されている。

本発明は電気音響変換器、特に侵入警報装置に
使用する電気音響変換器を提供するもので、低コ
ストで製造に適し且つ高性能、正確で信頼性の高
い装置を構成し得るモジユラ構造のものである。
この新規な変換器は広範囲な周囲条件において音
響エネルギの充分な放射または受量を行い、空気
中でも及び固体材料と共にでも使用し得る。この
変換器は可聴周波数および超音波領域で動作可能
なように構成され得る。

この新規な変換器は、その中心部がろう付けさ
れるかまたは接着された、厚み方向に極のある圧
電セラミツク板を持つた金属ダイアフラムをそな
えると共に、このダイアフラムと接触する電極表
面をそなえる。金属ダイアフラムの周縁には音響
的に質量の充分大きなクランプリングが取付けら
れ、振動領域が画定される。ダイアフラムから外
方に延びるタブは一方の電気端子であり、一方他
の端子はセラミツク板の他の電極に接続された可
撓性電気リボンにより構成される。振動装置は変
換器構造全体の電気音響動作を改良するように形
造られ寸法決めされた室を有するプラスチツク筐
体内に取付けられる。振動装置は１つまたは３つ
以上の振動モードで動作し得、パターン形状は振
動ダイアフラムの前後面間の漏洩路および変換器
筐体に取付けられる方向器によつて定められる。

以下添付図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。

第１図は本発明に係る変換器を示したもので、
この変換器はダイアフラムの周縁に配され接着さ
れたクランプリング１２を有する金属ダイアフラ
ム１０をそなえている。円板形状の厚み方向に極
のある圧電セラミツク素子１４がダイアフラム１
０の中心に接着されダイアフラムの後面と電気接
触する電極表面を有する。このように、ダイアフ
ラムそれ自体がセラミツク板への１方の電気接続
を行う。ダイアフラムは外方に延びるタブ１６を
有し、このタブは一方の変換器端子となる。第２
の変換器端子１８は、図示した導電リボン２０の
ような可撓性電気接続装置によつてセラミツク板
の第２の電極表面に接続される。可撓性リボン接
続体は振動ダイアフラムの制動を最小限に留め、
変換器の振動特性を損わない。

ダイアフラム１０、圧電素子板１４およびクラ
ンプリング１２で構成される振動装置はプラスチ
ツク筐体２２内に配される。この筐体２２は、ク
ランプリングの外径より僅かに大きい内径を有す
る円筒壁２４、およびダイアフラム１０と対向し
且つ連絡する穴２６を有する底壁を有する。円筒
カバー部材２８は側壁２４の周りに配され、筐体
上に設けられた直立ポスト３０によつて位置決め
される。図示実施例における電気端子は筐体から
外方に延び、カバー部材中に設けられた開口３２
に入り込む。電気端子は何らかの適当な手段によ
つて、変換器が音響エネルギを送出するように使
われるときは電気的励起源に、また変換器が音響
エネルギを受量するように用いられるときは受信
回路にそれぞれ接続される。

この変換器の機械的振動特性は基本的には金属
ダイアフラム１０および組合わされたクランプリ
ング１２の寸法によつて定まる。共振振動を行う
ダイアフラムの有効領域はクランプリングの内径
によつて定まり、このクランプリングは対象とす
る周波数において音響的に充分大きな質量を有す
るものであり、ダイアフラムの振動特性に殆んど
影響を与えない。相対的に小さな厚み方向に極が
ある圧電板はダイアフラム動作の励起器または検
知器として動作し、変換器の振動特性を損うこと
はない。金属は本質的に圧電材料よりも安定であ
り、原周波数決定要素としての金属ダイアフラム
の使用は周囲条件とか経時変化条件に影響されな
い変換器を形成する効果がある。

ダイアフラムの振動周波数はクランプリングの
内径により調節されるから、異なる寸法のクラン
プリング以外の共通性を有する全ての部品によつ
て正確に調整された変換器の製造を異なるクラン
プリングによつて行うこともできる。この調整
は、その動作周波数を正確に調整するためダイア
フラムから材料を除去するというようなダイアフ
ラムの厚さ調整によつて製造時に行われ得る。こ
のような調整により一対または多数の変換器につ
いて非常に近い電気音響整合が得られる。

筐体２２は、筐体の対向壁から所定の小距離離
してダイアフラム１０の前面を位置させ、且つ外
周筐体壁２４から所定距離にクランプリング１２
の外表面を配するスペーサ３４を有する。このよ
うに形成された空間はダイアフラムの前後面間に
音響的な漏洩路として作用する。ダイアフラムと
その対向面との間の間隔は波長に比べて小さく、
たとえば10000万の１インチ程度である。ダイア
フラムの後面からの後方放射の制御された部分は
クランプリングの周縁に漏れ変換器の方向特性を
修正する。この漏洩エネルギはビーム幅、ビーム
の方向性および形状を変えるために用いられ、所
与の振動ダイアフラム自体により通常与えられる
放射パターンを超えた広いバラエテイの放射パタ
ーンが得られる。

第２図は、漏洩路がダイアフラムの後面４０か
ら筐体の反射面４２まで、そしてクランプリング
１２を取巻いてダイアフラムの基準面までの距離
によつて構成されることを説明するためのもので
ある。基準面はダイアフラムの中央面として定め
られる。ダイアフラム後面から筐体の反射面まで
の距離は共振時の空洞内の定在波条件を安定に保
つために半波長またはその奇数倍とすべきであ
る。筐体の反射面からダイアフラム基準面までの
漏洩路長は略々同距離である。振動ダイアフラム
の前面はダイアフラムの後面に対しその動作で
180゜位相がずれている。このように、漏洩路の前
端ではエネルギは振動ダイアフラムからの前面放
射と180゜位相がずれており、この制御された位相
のずれた放射はビーム特性を選択的に変えるため
に用いられる。

変換器の利得を動作温度範囲に亘つて可能な限
り一様に保つことが望ましい。空気中の超音波エ
ネルギの伝播は基本的には空気の密度および相対
湿度によつて定まり、温度の変化は密度を変化さ
せ伝播および変換器動作に影響を与える。温度の
変化はまた変換器の寸法変化をもたらした動作の
変化を招く。本発明に係る変換器は、伝播エネル
ギの波長とか変換器の共振周波数における温度変
化に起因する変化を補償することにより略々一定
利得を示す。補償がないとき変換器はその利得を
減衰する。温度補償を行うために、送出変換器の
固定周波数、たとえば26.3KHzは室温または他の
所定温度における共振周波数よりも低くする。温
度が上昇したとき共振周波数は低下し上記固定周
波数に一致するから出力が増加する。動作状態に
ある警報装置の受信エネルギは送信された固定周
波数の反射されたものであるから受信変換器も同
様に動作する。補償は室温または他の所定温度に
おける漏洩路を決定することによつても行われ、
ダイアフラムからの前方エネルギの最適な強化状
態よりも小さくしておく。温度が上昇すると伝播
エネルギの波長が増し、漏洩路による前方エネル
ギの強化状態は大となつて前方エネルギは略々同
相になる。本発明の変換器は−６℃から43℃（20
〓〜110〓）までの温度範囲に亘つて約1dBの利
得変化に過ぎないが、同一温度範囲について通常
の変換器は約4dBの利得変化がある。

筐体２２は穴（第１空洞）２６の前方に1/4波
長延びるリム４４を有し、これにより円筒形空洞
（第２空洞）２７を形成する。最も効果的なビー
ムを形成するためには穴２６および空洞２７の直
径は略々１波長異ならせておくべきである。この
異ならせたことが、隣接する空洞２７を１フレネ
ル（Fresnel）領域大きく形成することにより穴
２６に形成されるパターンの形状を維持するよう
にしたものである。ビーム形成は穴２６によつて
決定され、この穴の直径変化はビーム幅を調整す
るために行われる。空洞２７はダイアフラムから
空気へのエネルギの有効結合のためのインピーダ
ンス整合部として動作する。空洞２７または漏洩
路からの位相外れエネルギをダイアフラムからの
直接エネルギのビームに反射して周辺前方放射を
幾分打消すことにより放射パターンを広げ軸上放
射レベルを下げるという役割を果す。

金属ダイアフラム１０は、真鍮がクランプリン
グにろう付けできて一体的な機械接合を行い得る
から真鍮で形成するのがよい。これと同様に、ア
ルミニウム、ニツケル、不銹鋼、インバー等も金
属ダイアフラムとして用い得る。筐体２２は
ABSとかポリスルホンのような適当なプラスチ
ツク材で形成する。これらの材料は音響エネルギ
の適当な反射を行うための充分な密度と均一さを
持つており、安定した寸法および形状の筐体室を
提供するための適当な寸法の安定性を持つてい
る。筐体の弾性特性は、筐体が振動装置の一部を
なすものではないから特に重要なものではない。

本発明に係る変換器は固定円形板に対して第１
の３つの直径方向の振動モードを用いる。他の振
動モードはこのような振動構造に個有のものであ
るが、これらは小さなものであり、本発明の変換
器の動作に重要な影響を与えるものではない。第
４Ａ図における基本モード（f_p1）において、全
振動面が中心で最大動作となるように同相で動作
する。第４Ｂ図における第２の直径方向オーバー
トーンモードf_p2は振動板の中央円形領域５２が
板の周囲の環状領域５３に対して反対相で動作す
る振動を形成する。第４Ｃ図における第３の直径
方向オーバートーンモード（f_p3）は互いに同相
の中央円形領域５２および外方環状領域５４を形
成し、これら２つの領域は振動板の中間環状領域
５３と反対相で動作する。

振動の基本モードにおいて、節はダイアフラム
の振動領域（クランプリングの内径）の周縁にあ
り、最大変化はダイアフラム中心で生じる。第２
モードは基本周波数の3.91倍の周波数を形成し、
周縁に節を有する。第３モード周波数は基本周波
数の8.75倍であり、周縁に節を有する。

固定された板についての基本周波数は次の周知
の式によつて計算される。

ここで、ｔはダイアフラムの厚さ、Ｒはダイアフラムの半径、Ｐはダイアフラム材料の密度、 εはポアソン比、Ｅはダイアフラムのヤング率。

ダイアフラムの中心に接着された圧電セラミツ
ク板は厚み方向に極があり、超音波侵入検知のた
めに、たとえば20〜40KHzの周波数範囲で第２オ
ーバートーンモード（f_p2）で用いられる。小さ
なセラミツク板は金属ダイアフラムの最大変位領
域に置かれセラミツク体がダイアフラムの振動に
より押圧されて圧電誘起電圧を生じさせるから高
い効率が得られる。逆に、電気信号の印加による
セラミツクの励起はダイアフラムに対応する振動
を生じる。かなり軽量のセラミツク板はほんの僅
か予測し得るようにダイアフラムの共振を修正す
る。

基本周波数も存在し同時警報に用いられる。そ
して２つの周波数モードの結合は大きな利点を生
じる。20〜40KHzの範囲における第２のオーバー
トーン周波数、たとえば26.3KHzと共に６〜7KHz
の基本周波数が形成される。このように、超音波
範囲における第２オーバートーンおよび可聴周波
数範囲の基本トーンが変換器により与えられる。
第３オーバートーン周波数もまた第４Ｃ図の等し
い相領域内に含まれる小径セラミツク板を用いる
ことによつて与えられる。代表的な２重超音波周
波数は26KHzと59KHzである。

変換器はまた固体材料と共に用いられて上述の
空気中での使用でなく材料内の振動の励起器また
は感知器としても用い得る。クランプリングは振
動構造の節または低動作点であり変換器共振への
最小の影響で固体表面上に直接接着され得る。第
３図に示すように、ダイアフラム１０ａに取付け
られるものと反対側のクランプリング１２ａの環
状表面は固体材料の表面に接着される。セラミツ
ク板１４ａは装置への電気接続を簡単化するため
この実施例ではダイアフラムの外表面に接着され
る。カバー、すなわち筐体２８ａは保護包囲体と
して振動装置上に置かれるのが望ましく、これに
より音響的放射または受信を減少することができ
る。

特定の要求に適合する送信エネルギパターンの
形成または受信感度パターンの形成のために第５
図に示す基本変換器と共に１つまたはそれ以上の
パターン方向器が用いられ得る。１つのパターン
方向器は第６図に示され、これは変換器のリム内
に挿入される円形フランジ部６０を有する。ダイ
アフラムと方向器との対向面間に小さな空隙が設
けられダイアフラムの動作を阻害しないようにし
ている。方向器は、円筒状（第１）空洞６２と該
空洞６２に連絡した、より大きな円筒状（第２）
空洞６４とを有し、該空洞６４は装置の放射穴で
終端する。第６図の方向器は変換器のみによつて
与えられるビームパターンを拡げ、一方で高い軸
上応答を保つように機能する。ダイアフラムと方
向器との間の空隙は、たとえば26.3KHzの共振周
波数に対して約0.25mmと非常に小さく、全ての放
射はフレネル帯域内である。ダイアフラムからの
放射は真のビーム形成が生じる前に方向器の穴に
到達し、この円形穴の直径は最終パターンの有効
ビーム幅の第１決定要素である。空洞６２および
６４の直径は殆んどの有効ビーム形成に対して約
１波長異なるべきである。それはこの差が空洞６
４を１フレネル帯域大きな領域とすることにより
空洞６２内に形成された良好なビームパターンを
維持するようになるからである。空洞６２の長さ
は1/4波長であり、空洞６４の長さは半波長であ
り、リム６６は1/4波長の長さを有する。360゜の
全位相変化が起きるとエネルギは送出波と正しい
位相関係で放射穴に達し、これにより放射穴に達
する全ての入射エネルギの有効な送出が行われ
る。この方向器はABSやプラスチツクのような
空気に比べて高い音響インピーダンスを有する材
料により構成されており、方向器内での反射は殆
んど損失なしで行われる。反射妨害リム６６が放
射穴の周りに設けられてもよく、これにより幾分
の角度放射の減衰を伴つてゼロ方向放射を強化す
る。第７図によれば、反射リム６６をそなえた又
はそなえない第６図の実施例パターンが示されて
いる。反射リムがなければ、軸上パターンがリム
によつて与えられるパターンに対してゼロ方向で
減少し、ゼロ方向の両側で約45度の角度で増加す
る。

第６図の方向器は他の構成によれば、方向器の
軸からかたよつた入口穴を有してもよく、これに
より主ビームの軸に対し約20゜までの傾きを行わ
せることができる。より大きな角度での傾きが第
８図の方向器によつて行い得る。これは、第５図
の変換器のリムに取付可能で変換器軸からずれた
開口７０を有する円筒形筐体を有する。この開口
は直径で１波長小さく半円形または円形であつて
パターンの対応する形状および傾きを与える。ダ
イアフラムと方向器との間の小さな空隙は波がか
たよつた開口に当るまでのフレネル近傍領域への
ダイアフラム放射を画成する。開口７０からの放
射は空洞７２を介して進む。開口７０に最も近い
壁７４上のエネルギはもう１つの壁で反射され空
気中に再放射され、方向性放射となる。最大強度
の角度は導波器空洞の壁７４によつて定まり、よ
り長い空洞は穴軸からの角度を狭める。第８図の
方向器により形成されるパターンは第９図に半円
形および円形断面の穴として示されている。大き
な傾き角を得るために、かたよつた開口７０は空
洞７２の内壁７４に接するべきである。開口７０
を穴軸に近寄せることにより傾き角は小さくな
る。これにより方向器をその軸の周りに回転すれ
ば360゜回転調節することができる。ビーム幅はか
たよつた開口の寸法によつて適当な綻大きさにさ
れ、また開口の有効音響中心がビームの傾きを調
節する。

変換器を保護される室の天井に取付けて垂直方
向に対し外方に向かう方向性のトロイダル状パタ
ーンが得られることが有用で且つ要求される。こ
の形式のパターンは第１０図の実施例によつて与
えられる。方向器５８は第６図について説明され
たものと同じであり、順次大きくなる第３空洞７
８、第４空洞８０および中間領域８２を有するも
う１つの方向器に結合される。無論、方向器全体
としては２つの部分としてではなく単一ユニツト
として構成され得る。第１１図のビームパターン
では軸上レベルが小さく30゜軸からずれてピーク
値が現れる。空洞７８はその長さが半波長より若
干短く、一方空洞８０は半波長より若干長い。ビ
ーム整形は空洞８０にて行われ、寸法は0゜軸に沿
つて位相が打消されある傾斜軸に沿つて位相強調
が行われるように選ばれる。パターンの増強は約
半波長の傾斜軸に沿つて行われる。

第１２図には、天井取付け型の変換器に適する
ように、垂直軸ではエネルギが少い円錐形ビーム
パターンを形成するもう１つの方向器が示されて
いる。環状フランジ部８４が変換器に取付けられ
る。リブ８８によつて支持される中央板８６は変
換器ダイアフラムの半波長前方に配され0゜軸放射
を塞ぐ役割を果たす。板８６は、たとえば3/8波
長であり、第１３図に示す如くパターン上に無効
点を形成するように放射パターンに充分な障碍を
与える。第１および第２の空洞９０および９２は
板８６の前方に配される。各空洞における傾斜距
離が約半波長である角度で放射が増強されるとき
これらの空洞は0゜軸上でもう１つの打消しを生じ
る。空洞の直径は所望ビーム幅を形成するように
決定される。第１３図のパターンにおいて、最大
エネルギは0゜軸に対し約45゜の角度に中心を持つ。

第１４Ａおよび１４Ｂ図には、２方向性または
非円錐形ビーム形状の実施例が示されている。方
向器筐体９４は第６図と同様に第１空洞９６と第
２空洞９８を有する。偏向要素１００は空洞９８
内に配され、ダイアフラムから空気中へエネルギ
を反射するか又は放射のため受信エネルギをダイ
アフラムに反射するための傾斜面１０２を有す
る。図示の実施例において、面１０２は45゜であ
り反射された波は平面波のままである。反射され
たエネルギのいくらかは筐体９４の対向壁面から
空洞内に戻る。円筒状リム１０４は空洞９８を超
えて延長部として設けられ原ビームから約180゜の
点に第２ビームを形成する。面１０２で反射され
たエネルギはリム１０４により再び反射される。
面１０２から反射されたエネルギの一部は空気中
に向けられエネルギのいくらかはリム１０４から
再反射されパターン中に第２のローブを形成す
る。リム１０４の高さは２つのローブの相対的な
強さを決定する。第１４Ａおよび１４Ｂ図の方向
器によつて形成されるパターンは第１５図に示さ
れる。リム１０４がないと、かなり大きく傾斜し
た斜めのパターンが形成される。リム１０４を加
えることにより、0゜軸からかなり大きな角度傾斜
した２つのローブを有するパターンが形成され
る。

上述の方向器は送信、受信とも同様に動作し、
仮に同一の受信、送信周波数が用いられるとすれ
ば、方向器の寸法は同一である。侵入警報装置に
用い得る広範囲の超音波周波数について所望の結
果を得るため周波数の波長および動作温度によつ
て決定される特殊な寸法を用いることもできる。

本発明は特許請求の範囲に記載された点を除
き、図示および上記説明には限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る変換器の一部破砕断面
図、第２図は第１図の実施例の２−２線に沿う垂
直断面図、第３図は固体材料上に取付けた本発明
の他の実施例の一部切断斜視図、第４Ａ，４Ｂお
よび４Ｃ図は本発明の振動モードを示す説明図、
第５図は本発明の更に他の実施例の外観図、第６
図は本発明の方向器の一部切断斜視図、第７図は
第６図の実施例によつて得られるパターンの説明
図、第８図は本発明の他のパターン方向器の一部
切断外観図、第９図は第８図の実施例によつて与
えられるパターンの説明図、第１０図は本発明の
パターン方向器の他の実施例の一部切断斜視図、
第１１図は第１０図の実施例によつて与えられる
パターンの説明図、第１２図は本発明のパターン
方向器の更に他の実施例の一部切断斜視図、第１
３図は第１２図の実施例によつて与えられるパタ
ーンの説明図、第１４Ａおよび１４Ｂ図は本発明
のパターン方向器の他の実施例の一部切断斜視
図、第１５図は第１４Ａおよび１４Ｂ図の実施例
のパターン説明図である。１０……ダイアフラム、１２……クランプリン
グ、１４……圧電セラミツク素子、２２……筐
体、２７，６２，６４，９０，９２……空洞、４
２……反射面、５８……方向器、１００……偏向
要素。

Claims

【特許請求の範囲】１金属ダイアフラムを有する振動装置を持つた
電気音響変換器用のもので、前記ダイアフラムと
離間した入力穴を有しビーム形成前にエネルギを
受ける第１空洞と、この第１空洞よりも面積で１
フレネル帯大きくなるような直径を有し該第１空
洞と連なる第２空洞とをそなえ、前記第１空洞お
よび第２空洞の長さはそれぞれ前記ビームの1/4
波長および半波長であるパターン方向器。２金属ダイアフラムを有する振動装置を持つた
電気音響変換器用のもので、前記ダイアフラムと
離間した入力穴を有しビーム形成前にエネルギを
受ける第１空洞と、この第１空洞よりも面積で１
フレネル帯大きくなるような直径を有し該第１空
洞と連なる第２空洞とをそなえ、前記第１空洞お
よび第２空洞の長さはそれぞれ前記ビームの1/4
波長および半波長であり、前記第１空洞の入力穴
が前記変換器の軸から偏つていて、前記入力穴か
らの放射は前記第２空洞を構成する内壁で反射さ
れて導かれ、変換器の軸に関し傾いた角度でパタ
ーンが形成されるようにしたパターン方向器。３特許請求の範囲第２項記載のパターン方向器
であり、前記入力穴が前記第２空洞の内壁に接し
たパターン方向器。４特許請求の範囲第２項記載のパターン方向器
であり、前記入力穴が円形であるパターン方向
器。５特許請求の範囲第２項記載のパターン方向器
であり、前記入力穴が半円形であるパターン方向
器。６金属ダイアフラムを有する振動装置を持つた
電気音響変換器用のもので、前記ダイアフラムと
離間した入力穴を有しビーム形成前にエネルギを
受ける第１空洞と、この第１空洞よりも面積で１
フレネル帯大きくなるような直径を有し該第１空
洞と連なる第２空洞とをそなえ、前記第１空洞お
よび第２空洞の長さはそれぞれ前記ビームの1/4
波長および半波長であり、前記第２空洞に第１空
洞と反対側で順次大きくなる空洞が連なり、変換
器軸に関し傾いた角度でパターンが形成されるよ
うにしたパターン方向器。７特許請求の範囲第６項記載のパターン方向器
であり、第２空洞と連なり異なる直径の第３空洞
および該第３空洞に結合すると共に放射穴で終端
し異なる直径の第４空洞を有するパターン方向
器。８金属ダイアフラムを有する振動装置を持つた
電気音響変換器用のもので、前記ダイアフラムと
離間した入力穴を有しビーム形成前にエネルギを
受ける第１空洞と、この第１空洞よりも面積で１
フレネル帯大きくなるような直径を有し該第１空
洞と連なる第２空洞とをそなえ、前記第１空洞お
よび第２空洞の長さはそれぞれ前記ビームの1/4
波長および半波長であり、更に非円錐形状パター
ンを形成するためにエネルギを反射する傾斜面を
有する偏向要素を第２空洞内に配置したパターン
方向器。９特許請求の範囲第８項記載のパターン方向器
であり、１つの空洞が前記第２空洞の放射穴を取
り囲むリムで形成され、該リムは、ゼロ方向放射
を強めるために前記第２空洞中に反射によりエネ
ルギを戻すに充分なだけ前方に延びているパター
ン方向器。