KR100296052B1

KR100296052B1 - 초음파송수신기

Info

Publication number: KR100296052B1
Application number: KR1019970066049A
Authority: KR
Inventors: 오사무 가와사키; 히로타카 이시하라; 다케시 야마구치; 마사히로 다카다; 노보루 노무라
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2001-10-24
Also published as: DE69721728T2; EP0874351A2; CN1197199A; JPH10294995A; EP0874351A3; CN1090887C; DE69721728D1; EP0874351B1; KR19980079513A; US6087760A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

초음파송수신기

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

음압의 대출력화가 가능한 초음파송수신기 혹은 수신고감도화가 가능한 초음파수신기를 제공함.

3. 발명의 해결방법의 요지

압전진동자와 원추형상의 콘을 구비하는 복합진동체에 있어서, 압전진동자의 구부림진동의 공진모드에 의해 콘이 그 원추 중심축과 대칭인 위치에 진동의 마디가 형성되도록 구성되어 있고, 압전진동자와 콘의 진동 중심에 고정밀도로 결합되어, 압전진동자의 구부림진동에 의해 콘을 중심축과 평행한 방향으로 진동시킴으로써, 음압대출력의 초음파송신기 및 고감도인 초음파수신기를 실현한다.

4. 발명의 중요한 용도

초음파를 사용하여 물체의 위치나 거리를 검출하는 물체위치검출장치 혹은 거리계측장치등에 사용됨.

Description

초음파송수신기

본 발명은, 초음파를 사용하여 물체의 위치나 거리를 검출하는 물체위치검출장치 혹은 거리계측장치등에 쓰이는 초음파송수신기에 관한 것이다.

종래의 초음파송신기에 관해서 첨부의 도면을 참조하면서 설명한다. 도 34는 종래의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다. 도 34에 있어서, 스텐레스등의 금속으로 이루어지는 원판형상의 진동판(342)은, 그 양측에 압전체 원판(340,341)이 붙여져 있다. 한쪽의 압전체 원판(341)은 받침대(346)에 탄성체가 부드러운 접착제인 탄성체 링(343)에 의해 고정되어 있다. 또한, 다른쪽의 압전체 원판(340)이 고착되어 있는 진동판(342)에는, 콘(344)을 결합하기위한 강체물의 로드(345)가 설치되어 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 초음파송신기는 압전체 원판(340,341)이 진동판(342)을 끼워 붙이도록 구성되어 있고, 압전체 원판(340,341)의 분극이 같은 방향이 되도록 배치되어 있다. 이와 같이, 압전체 원판(340,341)과 진동판(342)에 의해 바이모르프(bimorph) 진동자(349)가 구성되어 있다.

한쪽의 압전체 원판(340) 위에 로드(345)를 통해 유지된 진동판으로서의 콘(344)은, 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형으로 형성되어 있고, 콘내부가 비어있다. 콘(344)의 원추정점은 로드(345)의 일끝단에 결합되어 있고, 로드(345)의 다른 끝단은 진동판(342)의 중앙부에 결합되어 있다. 이와 같이, 바이모르프진동자(349)와 콘(344)은 기계적으로 결합되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 초음파송신기에 있어서, 바이모르프진동자(349)와 콘(344)에 의한 복합진동체는, 그 공진주파수가 소망의 초음파주파수가 되도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성된 복합진동체의 바이모르프진동자(349)에 교류전압을 가하여, 바이모르프진동자(349)를 구부림진동시키면, 복합진동체가 진동하여 초음파를 출력한다.

도 34에 도시한 바와 같이, 받침대(346)는 바이모르프진동자(349)의 구부림진동의 마디의 위치에 있어서 탄성체 링(343)을 통해 바이모르프진동자와 콘(344)으로 이루어지는 복합진동체를 탄성적으로 지지하고 있다.

상기한 바와 같이 구성된 바이모르프진동자를 갖는 종래의 초음파송신기는, 내충격특성, 방진특성을 높이기 위해서, 원통형의 하우징부(347)내에 수납되어 있다. 압전체 원판(340,341) 및 진동판(342)에 전압을 가하기 위한 단자핀(348, 348’)는 받침대(346)를 관통하여 설정되고 있고, 각각의 단자핀(348, 348’)은 진동판(342)과 압전체 원판(340,341)에 접속되어 있다.

도 35는 하우징부(347)를 대비한 종래의 초음파송신기의 외관을 나타내는 사시도이고, 하우징부(347)의 초음파출력면에는 망형상의 구조를 갖는 프로텍터(347 a)가 형성되어 있다. 이 프로텍터(347a)는 초음파의 출력을 저해하지 않도록 배려되어 있다.

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 종래의 초음파송신기에 있어서의 음압의 대출력화에 대한 과제를 설명한다. 도 36은 초음파의 음압을 대출력화하기위해서 바이모르프진동자인 압전진동자에 이상적인 콘(344a)을 마련한 경우, 이 콘(344a)의 진동변위를 가리키는 측면도이다. 도 36에 있어서, 일점쇄선(360)은 압전진동자를 여진시키기 전의 콘(344a)의 정지위치를 나타내며, 실선(361)과 파선(362)은 압전진동자를 이상적인 상태로 여진시키었을 때의 콘(344a)의 상하양끝단에서의 위치를 가리킨다. 도 36에 있어서, 화살표(A)는 상기 압전진동자의 구부림진동의 변위방향을 가리킨다. 도 36에 나타낸 바와 같이, 이상적인 콘(344a)은 구부림진동의 변위방향(화살표(A)방향)으로 직선적으로 진동한다.

초음파의 음압의 대출력화를 실현하기위해서는, 도 36에 도시한 바와 같이, 압전진동자의 구부림진동에 의해 콘(344a)은, 상기 구부림진동의 변위방향(화살표(A)방향)으로 왕복직선운동하는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로는, 대진폭으로 진동시키고자 하면 콘(344)이 구부림진동의 변위방향으로 왕복직선운동하지 않는다. 그 원인은, 콘(344)의 형상이 그 원추의 중심축에 대하여 대칭으로 제작되어 있지 않은 경우, 또한 콘(344)과 압전진동자가 각각의 중심에서 고정밀도로 결합되어 있지 않은 경우를 생각할 수 있다.

도 37는 초음파의 음압출력시 실제의 콘(344b) 진동변위의 일례를 가리키는 측면도이다. 도 37에 나타낸 바와 같이, 실제의 초음파의 음압출력시에 있어서, 콘(344b)의 원추표면은 압전진동자의 구부림진동에 의해, 콘(344b)은 원추형의 콘(344b)의 그 중심축이 좌우에 흔들리듯이 요동한다. 다만, 도 37로서는 좌우의 진동을 극단적으로 표현하고 있다. 이때문에, 콘(344b)의 음압출력은 설계치보다 작아진다.

도 37에 있어서, 일점쇄선(370)은 압전진동자를 여진시키기전 종래의 콘(344b)의 원추측면의 좌우끝단에서의 위치를 나타내며, 실선(371)과 파선(372)은 압전진동자를 여진시켰을 때의 콘(344b)의 원추측면의 위치를 나타낸다. 도 37에 있어서, 화살표(A)방향은 압전진동자의 구부림진동의 변위방향이다. 상기한 바와 같이, 도 37에 나타낸 바와 같이, 콘(344b)과 압전진동자를 결합하는 로드(345)에는, 구부림진동의 변위방향(화살표 A 방향)이외의 방향으로부터의 굽힘모멘트의 힘이 대단히 많은 회수가 더해지기 때문에, 콘(344b)의 구부림진동의 변위방향(A)을 크게할 수 없다. 이 때문에, 로드(345)는 피로가 생겨, 기계적강도가 약해지며, 그 결과, 로드(345)가 꺾이는 경우가 있었다.

상기한 바와 같이 로드(345)가 꺾이는 것을 방지하기 위해서, 로드(345)를 굵게 하여, 굽힘모멘트에 대한 로드(345)의 기계적강도를 높이고 있었다. 그러나, 이와 같이 구성하면, 압전진동자의 구부림진동에 대하는 부하가 증대하여, 음압의 대출력화가 곤란하게 된다는 문제가 있었다.

또, 일반적으로 초음파수신기와 초음파송신기는 같은 구조를 갖는다. 이때문에, 상술한 바와 같은 구부림진동이 생기면 초음파수신기에서는 콘이 초음파를 받은 때에 콘이 설계상의 변위방향으로 직선적으로 진동하지 않고, 그때문에, 받은 초음파이외의 소음을 발생하기쉽고, 또한 입사하는 초음파를 수신하는 감도가 낮다고 하는 문제가 있었다.

다음에, 상기한 바와 같이 압전진동자와 콘으로 구성된 복합진동체에, 또한 혼을 부착시킨 종래의 초음파송신기에 관해서, 도면을 참조하면서 설명한다.

도 38는 혼을 부착시킨 종래의 초음파송신기의 구성을 가리키는 측면단면도이다.

도 38에 나타낸 초음파송신기는, 상술의 도 34에 나타낸 바이모르프진동자(349)와 콘(344)의 복합진동체에 원추형의 혼(380)을 부착시킨 것이다. 압전체 원판(340)상에 로드(345)를 통해 유지된 진동판으로서의 콘(344)은, 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형에 형성되어 있고, 콘내부가 비어있다. 콘(344)의 원추정점에는 로드(345)의 일끝단이 결합되어 있고, 로드(345)의 다른 끝단은 진동판(342)의 중앙부에 결합되어 있다. 이와 같이, 바이모르프진동자(349)와 콘(344)은 기계적으로 결합되어 있다.

도 38에 있어서, 부호(381)는 콘(344)의 진동의 마디의 위치를 나타내고 있다. 바이모르프진동자(349)와 콘(344)의 복합진동체는, 받침대(346)와 콘(344)의 원추개구끝단[도 38의 콘(344)의 상단]에 있어서 부드러운 접착제인 탄성체링(343)을 통해 탄성적으로 결합되어 있다. 이때문에, 압전체 원판(340,341)및 받침대(346)의 안쪽에 있는 단자핀(348)의 전극부는, 방적(防滴), 방진특성을 갖고 보호되어 있다.

도 38에 나타낸 초음파송신기는, 바이모르프진동자(349)와 받침대(346)로 둘러싸인 공간에 스폰지 등의 부드럽게 진동을 흡수하는 재료가 봉입되어 있고, 바이모르프진동자(349)와 콘(344)의 복합진동체의 진동의 받침대(346)로의 전파를 방지하여, 또한 내충격특성을 주고 있다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 초음파송신기에 있어서, 원추형상인 혼(380)의 중심축과 콘(344)의 중심축이 일치하도록, 혼(380)과 받침대(346)는 접속되어 있다.

상기한 바와 같이, 혼을 갖는 종래의 초음파송신기에 있어서, 콘(344)의 원추개구끝단은 탄성체 링(343)에 의해 받침대(346)에 고착되어 있다. 이때문에, 바이모르프진동자(349)에 교류전압을 가하여, 바이모르프진동자(349)가 구부림진동으로 여진 하였을 때, 콘(344)의 원추표면에는 마디(381)을 갖는 진동이 형성된다. 상기한 바와 같이 구성된 복합진동체에서 출력된 초음파는, 원추형상인 혼(380) 내부를 전파하여, 혼(380)의 개구부인 마우스부(38Oa)에서 자유공간으로 방출된다.

다음에, 콘(344) 원추의 안쪽표면에서 출력할 수 있는 초음파의 원추형상인 혼(380)내의 전파에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 39는, 종래의 초음파송신기에 있어서 원추형상인 혼(380)내를 전파하는 초음파를 시뮬레이션한 위상분포곡선도이다. 도 39에 있어서, 부호(393)는 혼(380)의 중심축을 나타낸다. 초음파의 위상분포에 있어서, 원추형상인 혼(380)의 중심축(393)보다 오른쪽 반은 왼쪽 반과 대칭으로 나타나기 때문에, 오른쪽 반은 생략하고, 도 39에 나타내는 초음파의 위상분포곡선도는 원추형상인 혼(380)의 중심축(393)으로 자른 반을 표시하고 있다.

도 39에 있어서, 곡선의 줄무늬모양은 초음파에 있어서의 동위상의 전파상태를 나타내고 있으며, 부호(390)는 콘(344)의 원추표면, 부호(391)는 원추형상인 혼(380)의 내면, 부호(392)는 혼(380)의 마우스부(380a)에 상정한 가상 배플이다. 이 시뮬레이션에 있어서는, 배플(392)에 의해 콘(344)의 원추표면(390)부터의 진동이외의 진동은 제외되어 있다.

도 39에 나타낸 바와 같이, 원추형상인 혼(380)안을 전파하는 초음파의 위상은, 콘(344)의 원추표면(390)부근에서는 흐트러지고 있다. 그러나, 혼(380)의 중심축방향의 혼길이를 충분히 길게 잡으면, 혼(380)의 개구부인 마우스부(380a)에서는, 콘(344) 진동의 마디 양측에서의 역위상의 변위에 기인하는 초음파 위상의 어긋남이 원추형상인 혼(380)의 중심축(393)에서 떨어진, 혼(380)의 원추표면(391)근방의 영역에서 존재한다. 원추형상인 혼(380)의 중심축(393)부근에서는, 초음파의 위상은 혼(380)의 중심축(393)에 수직한 면내에서 거의 같게 되어 있다. 상기와 같은 종래의 초음파송신기에 있어서의 음압지향성은, 혼(380)의 마우스부(380a)의 개구부의 크기를 크게하면 지향성이 좁게 되며, 작게 하면 넓게 된다. 이것 때문에, 종래의 초음파송신기에 있어서, 초음파의 지향성은 원추형상인 혼(380)의 마우스부(380a)의 크기에 크게 의존하고 있었다.

도 40는, 상기한 바와 같이 구성된 혼길이가 긴 혼을 갖는 종래의 초음파송신기에 관해서, 원추형상인 혼(380)의 마우스부(380a)에서 일정거리만 떨어진 장소에서 관측하여, 혼(380)의 중심축(393)으로 이루어진 각도와 출력된 초음파의 음압과의 관계를 극좌표로 표시한 것이다. 단지, 이 경우의 주파수는 40 kHz, 혼의 길이는 120 mm, 마우스부(380a)에서 관측점까지의 거리는 300 mm 이었다.

도 40에 도시한 바와 같이, 종래의 초음파송신기에 있어서는, 대형의 원추형상인 혼(380)을 마련함으로써 어느정도 초음파의 예리한 지향성을 실현하고 있다. 따라서, 종래의 초음파송신기에 있어서 어느정도 초음파의 예리한 지향성을 실현하고자 하면 대형의 원추형상인 혼(380)을 이용해야 했다.

다음에, 종래의 방적형의 초음파송신기에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 41은 종래의 방적형의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 41에 나타낸 바와 같이, 종래의 방적형의 초음파송신기는, 원판형상의 압전체인 압전체 원판(410)이 그릇형상의 금속진동판(411)의 밑바닥 안쪽면에 접착되어 있다. 금속진동판(411)의 개구부분을 폐색하도록 부착된 받침대(412)에는, 2개의 단자핀(413,414)이 관통하여 설치되어 있다. 도 41에 나타낸 바와 같이, 종래의 방적형초음파송신기에는, 금속진동판(411)의 측면상부에 원추면(415)이 형성되어 있다.

도 41도에 있어서, 압전체 원판(410)의 양측 주된 면인 상하양면에는 전극이 형성되어 있고, 압전체 원판(410)의 표면의 전극은 금속진동판(411)의 내면에 접착되어 서로 전기적으로 접속상태가 되어 있다. 압전체 원판(410)이 접착된 금속진동판(411)은, 스텐레스강 등의 강성이 높은 금속재료에 의해 형성되어 있다.

한편의 단자핀(413)은 금속진동판(411)에 전기적으로 접속되어 있고, 다른쪽의 단자핀(414)은 압전체 원판(410)의 아랫면의 전극에 전기적으로 접속되어 있다.

이들 2개의 단자핀(413,414)에 초음파주파수의 교류전압을 가함으로써, 압전체 원판(410)이 초음파주파수로 진동하여, 이 진동이 금속진동판(411)에 전해져, 이 방적형초음파송신기는 초음파를 출력하도록 구성되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 종래의 방적형인 초음파송신기는, 압전체 원판(410)이 금속진동판(411)및 받침대(412)에 의해 둘러싸인 밀폐구조를 갖고 있다. 이러한 밀폐구조에 의해, 압전체 원판(410)의 전극면이 외부에서 보호되어 있고, 방적형초음파송신기는 방적성능을 갖고 있다.

도 42는, 종래의 방적형초음파송신기에 있어서의 진동변위상태를 개념적으로 나타내는 측면단면도이다. 방적형의 초음파송신기에 있어서의 음압출력의 크기는, 진동때의 금속진동판(411)의 진동부분의 배제부피(휨공간이 차지하는 부피) 크기에 의해 결정된다. 따라서, 방적형초음파송신기의 음압출력을 크게 하기 위해서는, 금속진동판(411)의 휨변위량을 될 수 있는 한 크게 하는 것이 필요하다.

따라서, 종래의 방적형의 초음파송신기에 있어서는, 도 41에 도시한 바와 같이, 금속진동판(411)의 측면상부에 원추면부(415)를 형성함으로써, 금속진동판(411)에서의 압전체 원판(410)과의 대응면의 진폭이 커지도록 구성되어 있었다.

상기와 같은 구성을 갖는 종래의 방적형의 초음파송신기는, 예컨대, 금속진동부가 프레스성형에 의해 형성되어 있고, 이와 같이 성형된 금속진동부에 압전체 원판이 대치시켜 맞추어져 제조되어 있었다.

이상과 같이 구성된 종래의 초음파송수신기에 있어서는, 도 37도에 나타낸 바와 같이 콘(344b)의 요동을 막기 위해서, 콘과 압전진동자는 정밀도가 높게 소정의 위치에 확실히 결합하지 않으면 안되고, 그와 같이 정밀도가 높게 결합하지않은 경우에는, 초음파송신기에 있어서는 음압의 대출력화를 기할 수 없었다. 또한, 초음파수신기에 있어서는, 그와 같은 경우, 수신감도에 악영향을 주고 있었다.

또한, 혼을 마련한 종래의 초음파송신기에 있어서 음압의 대출력화를 꾀하는 경우나, 예리한 지향성을 달성하는 경우, 또는 혼을 마련한 종래의 초음파수신기에 있어서 수신감도를 높이는 경우에는, 대형의 혼을 쓰지 않으면 안되고, 종래의 초음파송수신기는 대형화한다고 하는 문제를 갖고 있었다.

또한, 종래의 방적형의 초음파송신기에 있어서, 음압을 더욱 크게 출력화를 실현하고자 하는 경우에는, 진동면의 면적을 더욱 크게 할 필요가 있었다. 또한, 대출력을 얻기 위해서 상기와 같은 구조체의 공진 모드로 원하는 초음파주파수의 진동을 얻기 위해서는, 금속진동부의 진동부분의 면적의 증가에 따라 진동부분의 두께도 두텁게 할 필요가 있었다.

그렇지만, 금속진동부의 진동부분의 두께를 두껍게 하면 다음과 같은 문제가 있었다.

(1) 진동부분의 강성이 높아져, 휨변위량을 크게할 수 없다고 하는 문제가 생긴다. 그리고

(2) 금속진동부를 프레스가공등의 간단하고 염가인 가공수단으로 제조할 수 없다고 하는 문제가 생긴다.

도 1a는 본 발명의 도 1의 실시예를 나타내는 초음파송신기의 상부로부터 본평면도이다.

도 1b는 도 1의 실시예의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면도이다.

도 2는 압전진동자(10)의 구부림진동에의한 콘(11)의 진동상태를 나타내는 측면단면도이다.

도 3은 각 콘을 윗쪽에서 본 평면도이다.

도 4a는 본 발명의 초음파송신기의 도 2의 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 4b는 도 4a의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다.

도 5는 도 2의 실시예의 초음파송신기에 있어서의 진동상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다.

도 6a는 본 발명의 초음파송신기의 도 3의 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 6b는 도 6a의 초음파송신기의 구성을 나타내는 종단면도이다.

도 7는 도 4의 실시예의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다.

도 8는 도 7에서 나타낸 초음파송신기의 진동변위상태를 개념적으로 나타내는 측면단면도이다.

도 9는 본 발명의 다른 초음파송신기의 구체적인 구조를 나타낸다.

도 10은 본 발명의 다른 초음파송신기의 구체적인 구조를 나타낸다.

도 11은 본 발명의 다른 초음파송신기의 구체적인 구조를 나타낸다.

도 12 는 본 발명의 초음파송신기의 구체적인 사요예를 나타내는 측면단면도이다.

도 13은 도 5의 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 14는, 다른 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 15는 도 6의 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 16는 바이모르프진동자(165)와 콘(154)의 복합진동체의 진동변위를 나타낸 도면이다.

도 17a는 도 6의 실시예의 초음파송신기에 있어서의 음원을 나타내는 평면도이다.

도 17b는 도 17a에 나타낸 음원에서 출력되는 음향 에너지분포를 나타내는 그래프이다.

도 18은 도 6의 실시예의 초음파송신기의 음원에서 출력하여, 초음파의 혼(159)의 내부 및 외부를 전파하는 초음파를 시뮬레이션한 위상분포곡선도이다.

도 19는 혼(159)의 중심축(182)이 이루는 각도와 그 각도의 위치에어서의 음압출력과의 관계를 극좌표로 표시한 도면이다.

도 20은 바이모르프진동자(165)와 콘(154)의 복합진동체가 밑바닥을 갖는 원통형의 하우징부(156)의 내부에 수납된 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 21a는 도 20에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 음원을 나타내는 평면도이다.

도 21b는 도 21a에 나타낸 음원에서 출력할 수 있는 음향 에너지분포를 나타내는 그래프이다.

도 22a는 복합진동체를 수납하는 다른 하우징부의 구조예를 나타내는 측면단면도이다.

도 22b는 복합진동체를 수납하는 다른 하우징부의 구조예를 나타내는 측면단면도이다.

도 23은 도 7의 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 24는 초음파송신기에 있어서의 복합진동체의 높이 g와 음압출력과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 25a는 종래의 초음파송신기에 있어서의 각각의 음원으로부터의 음향에너지분포를 나타낸 그래프이다.

도 25b는 도 7의 실시예의 초음파송신기에 있어서의 각각의 음원으로부터의 음향 에너지분포를 나타낸 그래프이다.

도 26은 도 8의 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 27은 도 8의 실시예의 초음파송신기의 진동변위의 상태를 나타내는 측면도이다.

도 28은 로드(155)의 거리 t를 길게한 경우의 초음파송신기의 진동변위상태를 개념적으로 나타내는 측면도이다.

도 29는 초음파송신기의 콘(154)의 중심축 방향으로의 음압과, 로드(155)의 길이 t 및 초음파의 출력초음파의 파장(λ)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 30은 도 9의 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 31은 받침대(170)의 단차(m)와 도 9의 실시예의 초음파송신기에 의한 출력되는 음압과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 32과 도 33은, 같은 치수의 바이모르프진동자와 콘(154)의 복합진동체를, 아래측면(310)의 크기가 같고 단차(m)가 다른 받침대(170)에 부착시킨 경우의 음압지향성을 가리키는 실측 데이타이다.

도 34는 종래의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다.

도 35는 하우징부(347)를 대비한 종래의 초음파송신기의 외관을 나타내는 사시도이다.

도 36은 초음파의 음압을 대출력화하기위해서 바이모르프진동자인 압전진동자에 이상적인 콘(344a)을 마련한 경우, 이 콘(344a)의 진동변위를 나타내는 측면도이다.

도 37은 초음파의 음압출력때의 실제 콘(344b)의 진동변위의 일례를 나타내는 측면도이다.

도 38은 혼을 부착시킨 종래의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다.

도 39는, 종래의 초음파송신기에 있어서 원추형의 혼(380)내를 전파하는 초음파를 시뮬레이션한 위상분포곡선도이다.

도 40은, 혼길이가 긴 혼을 갖는 상기와 같이 구성된 종래의 초음파송신기에 관해서, 원추형상 혼(380)의 마우스부(380a)에서 일정거리만큼 떨어진 장소에서, 혼(380)의 중심축(393)과 이루는 각도와 출력된 초음파의 음압과의 관계를 극좌표로 표시한 것이다.

도 41은 종래의 방적형의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 42도는, 종래의 방적형초음파송신기에 있어서의 진동변위상태를 개념적으로 나타내는 측면단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 11a, 120, 154 : 콘

12, 155 : 로드

13, 152 : 진동판

14, 15, 70, 150, 151, 340, 341, 310, 410 : 압전체 원판

16 : 돌기

17, 30, 31, 32, 33, 157 : 진동의 마디

40, 156, 168 : 하우징부 41 : 필름

43, 44, 154a : 개구끝단 60 : 단분자막

70, 71, 91, 101, 130 : 진동통 71a, 101a, 130a : 홈

71b, 91b : 상부내면

72, 169, 170, 346, 412 : 받침대

73, 74, 155, 348, 413, 414 : 단자핀

110 : 콘 진동자 111a : 경사부

111b : 주변부 121 : 초음파 반사체

132 : 통형상부 131, 143, 342, 411 : 진동판

144a : 단차 153 : 탄성체

154a : 개구끝단 156a : 받침대

159, 380 : 혼 159a, 380a : 마우스부

159b : 슬로트부 160 : 원추정점

165, 349 : 바이모르프 진동자 166 : 안쪽공간

168a : 관통구멍 310 : 아래쪽면

311 : 표면 343 : 탄성체 링

344, 344a, 344b : 콘 345 : 로드

381 : 마디 390, 415 : 원추면

391 : 내면 392 : 가상 배플

393 : 중심축

본 발명은 상기 종래의 초음파송수신기에 있어서의 문제를 해결하는 것이며, 음압의 대출력화가 가능한 초음파송신기 혹은 수신고감도화가 가능한 초음파수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 소형혼으로 음압의 대출력과 예리한 지향성의 특성을 갖는 초음파송신기 혹은 수신감도가 높고, 예리한 지향성의 특성을 갖는 초음파수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 음압의 대출력이 가능한 방적형의 초음파송신기 혹은 수신감도가 높은 초음파수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 초음파송수신기는, 초음파주파수의 신호를 인가 또는 출력하기 위한 전극을 갖는 압전진동체, 중공의 원추형장의 콘를 가지고, 상기의 콘이 실질적인 원추정점에서 상기의 압전진동체의 진동의 중심에 결합된 다이어프램, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 대비한 복합진동체를 수납하여, 상기 압전진동체를 탄성적으로 지지하여, 상기 콘의 원추저면의 개구끝단에서 소정거리의 개구부를 형성하는 하우징를 구비한다.

이 때문에, 본 발명의 초음파송수신기는, 음압의 대출력화가 가능한 초음파송신기 혹은 수신고감도화가 가능한 초음파수신기를 제공할 수가 있다.

본 발명의 초음파송수신기용진동체는, 초음파주파수의 신호를 인가 또는 출력하기 위한 전극을 갖는 압전체, 한편이 윗바닥벽으로 폐색되어, 다른쪽이 개구한 원통형상을 가지며, 상기 압전체가 상기 정상면벽의 내면에 고착되어, 전기압전체의 고착부분의 주변의 부분이 상기 압전체의 고착부분에 비교해서 얇게 형성된 진동통, 상기 진동통의 개구부분을 폐색하는 받침대, 상기 받침대를 관통하여, 상기 압전체의 전극에 전기적으로 접속된 단자를 구비한다.

이때문에, 본 발명의 초음파송수신기용진동체는, 음압의 대출력이 가능한 방적형의 초음파송신기 혹은 수신감도가 높은 초음파수신기를 제공할 수가 있다.

본 발명의 초음파송신기는, 초음파주파수의 신호를 출력하는 전극을 갖는 압전진동체, 중공의 원추형상의 콘을 가지고, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭 위치에 진동의 마디를 갖는 상기 콘이 실질적인 원추정점부를 전기압전진동체의 진동 중심에 결합된 다이어프램, 상기 압전진동체와 전기다이어프램을 구비한 복합진동체를 수납하고, 상기 압전진동체를 탄성적으로 지지하여, 상기 콘의 원추바닥면의 개구끝단에서 소정거리의 개구부를 형성하는 하우징, 상기 하우징의 개구부에 슬로트부가 결합되어, 전기개구부에서 먼 끝단을 향하여 넓어지는 공간을 형성하는 혼을 구비한다.

이때문에, 본 발명의 초음파송신기는, 소형혼으로 음압의 대출력과 예리한 지향성의 특성을 갖고 있다.

본 발명의 초음파송신기는, 초음파주파수의 신호를 출력하기 위한 전극을 갖는 압전진동체, 중공의 원추형장의 콘을 가지고, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭 위치에 진동의 마디를 갖는 상기 콘이 실질적인 원추정점부가 전기압전진동체의 진동의 중심에 결합된 다이어프램, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 대비한 복합진동체를 탄성적으로 지지하는 받침대를 구비하고, 상기 콘에 있어서의 중심축과 평행한 방향에서의, 상기 콘의 개구끝단에서 상기복합진동체까지의 거리가 출력초음파의 파장의 정수배이다.

이때문에, 본 발명의 초음파송신기는, 음압의 대출력화가 가능한 초음파수신기를 제공할 수가 있다.

본 발명의 초음파송신기는, 초음파주파수의 신호를 출력하기위한 전극을 갖는 압전진동체, 중공의 원추형장의 콘을 가지고, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭 위치에 진동의 마디를 갖는 상기 콘이 실질적인 원추정점부를 전기압전진동체의 진동의 중심에 결합된 다이어프램, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 구비한 복합진동체를 탄성적으로 지지하는 받침대를 구비하고, 상기 콘의 개구끝단에서 상기 받침대의 윗쪽 방향 면에의 수직선에 있어서의 거리가 출력초음파의 파장의 정수배이다.

이때문에, 본 발명의 초음파송신기는, 음압의 대출력화가 가능한 초음파송수신기를 제공할 수가 있다.

제 1 실시예

이하, 본 발명의 초음파송수신기의 도 1의 실시예인 초음파송신기에 관해서 첨부한 도 1a, 도 1b, 도 2, 및 도 3을 참조하면서 설명한다.

도 1a는 본 발명의 도 1의 실시예를 나타내는 초음파송신기의 상부로부터 본 평면도이고, 도 1b는 도 1의 실시예의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면도이다.

도 1a 및 도 1b에서, 스텐레스 등의 금속으로 이루어지는 원판형상의 진동판(13)은, 그 양측에, 중앙구멍을 갖는 압전체 원판(14, 15)이 붙여져 있다. 압전체 원판(14, 15)은 그 분극의 방향 및 크기가 도면에 있어서 같아지도록 배치되어 있고, 한편의 압전체 원판(14)이 고착되어 있는 진동판(13)의 면에는 콘(11)을 결합하기위한 로드(12)가 설치된다. 본 실시예에 있어서 콘(11)과 로드(12)에 의해 다이어프램이 구성되어 있다.

상기한 바와 같이, 압전진동자(10)는 압전체 원판(14, 15)이 진동판(13) 양측으로 붙여져 구성되어 있고, 바이모르프진동자로 되어있다.

한편의 압전체 원판(14)의 위에 배치된 콘(11)은, 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형상으로 형성되어 있고, 콘(11)의 내부가 비어있는 진동자이다.

도 1b에 나타낸 바와 같이, 콘(11)의 원추정점에 있는 돌기(16)의 밑바닥은 로드(12)의 일끝단에 결합되어 있고, 로드(12)의 다른 끝단은 압전체 원판(14)의 중앙의 구멍을 통하여 진동판(13)의 표면의 중앙에 결합되어 있다. 이와 같이, 바이모르프진동자인 압전진동자(10)와 콘(11)은 기계적으로 확실히 결합되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파송신기에 있어서, 바이모르프진동자의 구부림진동의 고유주파수가 초음파영역의 주파수로 되어있다. 압전체 원판(14, 15)의 주된 면[도 1b에서의 압전체 원판(14, 15)의 상하면]의 전역에 전극이 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 압전진동자(10)에 교류전압을 인가하여, 압전진동자(10)를 구부림진동시키면, 압전진동자(10)와 콘(11)의 복합진동체가 진동하여 초음파를 출력한다.

압전진동자(10)의 구부림진동이 소정의 주파수로 진동할때, 콘(11)의 원추면의 원추정점근방에 진동의 마디(17)이 형성된다. 이 진동의 마디(17)은, 일점쇄선(100)으로 나타내도록, 원추형상인 콘(11)의 중심축을 중심으로한 원환상에 형성되어 있다.

다음에, 이상과 같이 구성된 도 1의 실시예의 초음파송신기의 동작에 관해서 설명한다.

우선, 상기 바이모르프진동자에 교류전압을 인가하여 압전진동자(10)에 구부림진동으로 여진시킨다. 압전진동자(10)가 구부림진동하면, 압전진동자(10)와 결합한 콘(11)는 구부림진동의 주파수로 콘(11)의 원추 중심축과 평행한 방향에 진동한다. 이 때, 콘(11)의 원추표면에는 원환상의 진동의 마디(17)이 형성된다.

도 2는 압전진동자(10)의 구부림진동에 의한 콘(11)의 진동상태를 나타내는 측면단면도이다. 도 2에 있어서, 일점쇄선(20)은 압전진동자(10)가 구부림진동하기 전의 정지상태에서의 원추형상의 콘(11)의 원추면의 어느 순간의 위치를 약간 과장하여 나타낸다. 실선(21)은 압전진동자(10)가 구부림진동하였을 때의 콘(11) 원추면이 어느 순간의 위치를 약간 과장하여 나타낸다. 도 2에 있어서, 화살표(A)는 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 콘(11)에 가해지는 진동의 변위방향을 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 진동의 마디(17)은 콘(11)의 원추의 중심축에 관하여 대칭 위치에 형성되어 있다. 이때문에, 상기 콘(11)의 원추면은 진동의 마디(17)의 정점측과 그 반대측의 양측에서 역위상으로 변위한다. 콘(11)의 전체는 원추의 중심축에 관하여 대칭으로 변위한다. 따라서, 상기 콘(11)의 정상부에 형성된 돌기(16)는, 압전진동자(10)의 구부림진동의 변위방향(도 2의 A방향)으로 평행한 방향으로 직선적으로 진동한다. 콘(11)의 각부는 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 화살표 A의 방향과 그 반대방향으로 직선적으로 크게 진동하기 때문에, 큰 음압을 갖는 초음파를 출력한다.

콘(11)의 진동의 마디가 로드(12)를 지나는 중심축에 관해서 대칭이 되도록 만들어져 있기 때문에, 콘(11)의 돌기(16)와 결합된 로드(12)는 일정한 굵기를 가지고 있으므로 큰 굽힘이 생기게 하지 않으며, 구부림진동의 변위방향에만 진동한다.

그 때문에, 로드(12)는 구부림진동의 변위방향 이외의 방향의 진동에 의한 굽힘모멘트력을 받는 일이 없다. 이 결과, 실시예1의 초음파송신기는, 상기 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 로드(12)가 꺾이는 일이 없고, 기계적강도가 강한 로드(12)를 쓸 필요가 없다.

다음에, 콘의 원추의 중심축으로 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디를 형성하는 별도의 예를 게시한다. 도 3은 각 콘을 윗쪽에서 본 평면도이다. 도 3에 있어서, 일점쇄선(30,31,32,33)은 진동의 마디를 나타내고 있다.

도 3에 있어서(a)의 콘(11a)에는 원추의 중심축과 그 축의 원고리형상의 진동의 마디(30)를 갖고 있고, 이 진동의 마디(30)가 원추형의 콘(11a)의 원추바닥면의 개구입구에 가까운 곳에 형성되어 있다.

도 3에 있어서의(b)의 콘(11b)에는 정방형상의 진동의 마디(31)이 형성되어 있다. 도 3에 있어서의(c)의 콘(11c)에는 정6각형상의 진동의 마디(32)가 형성되어, (d)의 콘(11d)에는 곡선장의 진동의 마디(33)이 형성되어 있다. 또한, 본 발명의 초음파송신기에 있어서 콘에 형성되는 진동의 마디는, 콘의 원추의 중심축에 대하여 대칭인 위치에 형성되는 임의의 형상이어도 좋다.

도 3에 나타낸 바와 같은 콘(11)상에 형성되는 진동의 마디의 형상은, 콘(11)의 크기나 형상에 의해 결정되는 콘(11)의 고유주파수의 진동 모드에 의해 설정된다. 따라서, 압전진동자(10)의 구부림진동의 공진주파수와 상기 콘(11)의 고유주파수를 맞춤으로써, 초음파송신기의 음압출력을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 진동의 마디가 콘(11)의 원추의 중심축에 대하여 대칭인 위치에 존재함으로써, 도 1의 실시예에 있어서의 콘(11)은 원추의 중심축과 평행한 방향에 실질적으로 직선적인 진동을 하여, 또한 원추의 중심축으로 대칭으로 진동한다.

또한, 콘(11)의 원추의 중심축과 대칭인 진동의 마디의 위치는, 콘(11)의 원추면에서의 개구끝단과 중심과의 사이의 중앙부근보다도, 도 2나 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 콘(11)의 원추의 정점부근 혹은 원추의 개구입구에 가까운 곳에 형성하는 것이 바람직하다. 실험에 의하면, 이와 같이 구성함에 의해, 도 1의 실시예의 초음파송신기는 콘의 진동에 의한 공간배제체적이 증가하여, 음압출력이 증대한다.

초음파수신기에 있어서는, 상기한 바와 같이 구성된 초음파송신기와 같은 구조를 가짐으로써, 초음파가 입사되면 초음파수신기의 콘이 그 원추의 중심축에 관하여 대칭으로, 또한 중심축과 평행한 방향에 직선적으로 진동하기 때문에, 수신감도가 높아져 미소음압의 검출이 가능해진다.

또, 제 1 실시예에 있어서는, 압전진동자(10)의 구조에 바이모르프구조를 사용하여 설명하였지만, 압전체 원판 1장과 금속진동판을 대치시켜 맞춘 유니몰프구조에서도, 상기 제 1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 도 1의 실시예에 의하면, 콘(11)의 원추 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디를 갖는 콘(11)을 마련함으로써, 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 콘(11)이 원추의 중심축에 대칭으로, 또한 직선적으로 진동하여, 초음파송신기의 음압출력의 증대 및 초음파수신기의 수신감도를 높일 수 있다.

제 2 실시예

이하, 본 발명의 초음파송수신기의 제 2 실시예인 초음파송신기에 관해서 첨부한 도 4a, 도 4b, 및 도 5를 참조하면서 설명한다.

도 4a는 본 발명의 초음파송신기의 제 2 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다. 또, 제 2 실시예에있어서 상술한 제 1 실시예와 실질적으로 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 부여한다.

도 4a 및 도 4b에서, 압전진동자(10)는 스텐레스등의 금속으로 이루어지는 원판장의 진동판(13)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(14, 15)에 의해 구성되어 있다. 압전체 원판(14, 15)은 그 분극의 방향 및 크기가 도면에 있어서 같아지도록 배치되어 있고, 한편의 압전체 원판(14)이 고착되어 있는 진동판(13)의 면에는 콘(11)을 결합하기 위한 로드(12)가 설치된다.

상기한 바와 같이, 압전진동자(10)는 압전체 원판(14, 15)이 진동판(13)에 붙여지고 구성되어 있고, 바이모르프진동자로 되어있다.

한편의 압전체 원판(14)의 위에 로드(12)를 통해 유지된 진동판으로서의 콘(11)은, 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형에 형성되어 있고, 콘(11)의 내부가 비어있다.

도 4b에 나타낸 바와 같이, 콘(11)의 원추정점에 있는 돌기(16)는 로드(12)의 일단에 결합되어 있고, 로드(12)의 다른 끝단은 진동판(13)의 중앙에 결합되어 있다.

상기와 같이 구성된 압전진동자(10)와 콘(11)의 복합진동체는, 밑바닥을 갖는 원통형의 하우징부(40)내에 수납되어 있다. 전기복합진동체는 부드러운 접착도, 예컨대 실리콘고무계 접착제인 원환상의 지지체(42)에 의해 하우징부(40)에 지지되어 있다. 이 복합진동체는 압전진동자(10)의 구부림진동의 마디의 위치에 서 지지체(42)에 의해 탄성적으로 지지되어 있다.

도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 콘(11)의 개구끝단(43)은, 하우징부(40)의 개구끝단(44)과 탄성체인 링형상의 필름(41)을 통해 접속되어 있다. 콘(11)에는 링형상의 필름(41)에 의해 개구끝단(43)의 전체 주위에 있어서 균일한 방사형상의 장력이 인가되어, 콘(11)은 하우징부(40)의 개구끝단(44)에 뻗어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 초음파송신기에 있어서, 바이모르프진동자의 구부림진동의 고유주파수가 초음파영역의 주파수로 선택되고 있다. 압전체 원판(14, 15)의 주된 면[도 4b에서의 압전체 원판(14, 15)의 상하면]의 전역에 전극이 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 바이모르프진동자에 교류전압을 인가하여, 바이모르프진동자를 구부림진동시키면, 압전진동자(10)와 콘(11)의 복합진동체가 진동하여 초음파를 출력한다.

상기한 바와 같이, 하우징부(40)는, 콘(11)의 개구끝단(43)을 링형상의 필름(41)에 의해 방사방향으로 동일장력으로 지지하고 있다. 상기한 바와 같이 콘(11)에 장력을 인가하는 방법은, 아래와 같이 실리콘고무계막인 필름(41)의 열팽창특성을 이용하고 있다.

우선, 콘(11)의 개구끝단(43)과 필름(41)과의 전체 주위를 접착제로 접착한다. 다음에, 필름(41)과 하우징부(40)의 개구끝단(44)을 열경화성의 접착제로 접착한다. 이 필름(41)과 하우징부(40)와의 접착에 있어서, 필름(41)과 콘(11)과의 접착보다 높은 온도를 덧붙여 상기접착제를 열경화시킨다. 이와 같이 접착제를 열경화시킴으로써, 필름(41)은 그 전체 주위로 균일하게, 콘(11)의 원추 개구끝단(43)의 반경방향의 바깥 방향으로 신장한다. 이때문에, 콘(11)의 개구끝단(43)은 원추바닥면의 반경방향에 장력을 인가한 상태가 된다.

상기한 바와 같이 구성된 제 2 실시예의 초음파송신기의 동작방법은, 상술한 제 1 실시예와 동일하다. 도 5는 제 2 실시예의 초음파송신기에 있어서의 진동상태를 개념적으로 나타내는 단면도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이상적으로는 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 콘(11)은 실질적으로 직선적인 진동을 한다. 즉, 제 2 실시예의 콘(11)은, 그 개구끝단(43)의 전체 주위에 균일한 장력이 인가되어 있기때문에, 콘(11)은, 그 원추의 중심축과 평행한 방향에 실질적으로 직선적인 진동을 하여, 또한 상기 중심축에 관하여 대칭인 진동변위를 갖는다. 따라서, 제 2 실시예의 초음파송신기에 있어서는, 콘(11)의 원추 중심축과 평행한 방향이외의 진동, 예컨대 상기 중심축으로 직교하는 방향으로의 굽힘모멘트에 의한 진동을 억제할 수가 있다.

상기 제 2 실시예의 초음파송신기에 상술한 제 1 실시예에서 나타낸 바와 같이 진동의 마디를 원하는 위치에 형성함으로써, 제 2 실시예의 초음파송신기는 더욱 초음파 출력을 증대시킬 수 있다.

상기 제 2 실시예의 초음파송신기는, 압전진동자(10)가 그 주위를 하우징부(40), 콘(11) 및 필름(41)에 의해 둘러싸여 있기때문에, 방적성이 뛰어난 구조를 갖고 있다.

초음파수신기에 있어서도 상기 제 2 실시예의 초음파송신기와 같은 구조를 갖는 것에 의해, 초음파가 입사되면 초음파수신기의 콘이 그 원추의 중심축과 대칭으로, 또한 직선적으로 진동하기 때문에, 수신감도가 비싸게 되어 미소음압의 검출이 가능해진다.

또, 제 2 실시예에 있어서는, 압전진동자(10)의 구조에 바이모르프구조를 이용하여 설명하였는데, 압전체 원판 1장과 금속진동판을 대치시켜 맞춘 유니몰프구조라도, 상기 제 2 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 제 2 실시예에 의하면, 압전진동자(10)와 콘(11)의 복합진동체를 하우징부(40)에 수납하여, 콘(11)의 개구끝단(43)과 하우징부(40)의 개구끝단(44)과의 전체 주위를 필름(41)에 의해 균일히 접속하여, 이 필름(41)의 끝테두리 전체 주위에 균일하게 콘(11)의 원추바닥면의 반경방향에 같은 장력을 인가하고 있다. 그것에 의하여, 콘(11)에 있어서의 진동의 마디가 콘(11)의 중심축에 관하여 대칭의 위치에 형성된다. 이때문에, 제 2 실시예의 초음파송신기는, 압전진동자(10)의 구부림진동에 의해 콘(11)이 그 원추 중심축과 병행인 방향으로 실질적으로 직선적인 진동을 하여, 또한 그 중심축과 대칭인 진동을 한다. 제 2 실시예에 의하면, 압전진동자(10)의 방적특성을 가질 수 있으며, 또한 초음파송신기의 음압출력의 증대가 도모되어, 초음파수신기의 수신감도를 높일 수 있다.

또, 제 2 실시예에 있어서, 압전진동자(10)는 이 압전진동자의 구부림진동의 마디의 위치에 있어서 부드러운 접착제인 지지체에 의해 지지하도록 구성하였지만, 압전진동자(10)를 솜등의 부드럽고 탄력성이 있는 재료 위에 올려놓는 구조라도 좋다.

제 3 실시예

이하, 본 발명의 초음파송수신기의 제 3 실시예인 초음파송신기에 관해서 첨부한 도 6a 및 도 6b를 참조하면서 설명한다.

도 6a는 본 발명의 초음파송신기의 제 3 실시예를 게시하는 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 초음파송신기의 구성을 나타내는 종단면도이다. 또, 제 3 실시예에 있어서 상술한 제 1 실시예와 실질적으로 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 부착한다.

도 6a 및 도 6b에서, 압전진동자(10)는 스텐레스등의 금속으로 이루어지는 원판장의 진동판(13)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(14, 15)에 의해 구성되어 있다.

압전체 원판(14, 15)은 그 분극의 방향 및 크기가 도면에 있어서 같아지도록 배치되어 있고, 한편의 압전체 원판(14)이 고착되어 있는 진동판(13)의 면에는 콘(11)을 결합하기위한 로드(12)가 설치된다.

한편의 압전체 원판(14)위에 로드(12)를 통해 유지된 진동판으로서의 콘(11)은, 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형면에 형성되어 있고, 콘(11)의 내부가 비어있다. 또한, 콘(11)의 안표면에는 단분자막(60)이 형성되고, 콘진동자(110)가 형성되어 있다.

도 6b에서 나타낸 바와 같이, 콘진동자(110)의 원추정점에 있는 돌기(16)는 로드(12)의 일끝단에 결합되어 있고, 로드(12)의 다른 끝단은 진동판(13)의 중앙에 결합되어 있다.

상기와 같이 구성된 초음파송신기에 있어서, 바이모르프진동자의 구부림진동의 고유주파수가 초음파영역의 주파수로 되어있다. 압전체 원판(14, 15)의 주면[도 6b에서의 압전체 원판(14, 15)의 상하면]의 전역에 전극이 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 바이모르프진동자에 교류전압을 가하여, 바이모르프진동자를 구부림진동시키면, 압전진동자(10)와 콘진동자(110)의 복합진동체가 진동하여 초음파가 출력한다.

도 6a 및 도 6b에 도나타낸 바와 같이, 단분자막(60)은 콘진동자(110)의 원추의 안쪽표면에 막형성되어 있다. 이 단분자막(60)의 제작방법은 LB법에 의해 행하여진다. 즉, 친수기 및 소수기를 갖는 분자, 예컨대 스테아린산과 같은 표면활성제를,친수처리를 실시한 콘(11)의 원추의 안쪽표면에 전사하여 막형성한다.

상기 제작방법에 의해, 단분자막(60)의 표면에는 소수기가 형성된다. 따라서, 제 3 실시예의 콘진동자(110)는 발수성, 및 방적특성을 갖는다.

초음파의 음압출력을 증대시키는 경우, 콘진동자(110)의 진동변위를 크게 하는 것이 필요하다. 제 3 의 실시예의 콘진동자(110)의 단분자막(60)은 막두께가 얇고, 경량화되어 있다. 이때문에, 발수성방적성을 가지면서 콘진동자(110)의 진동변위에 영향을 주는 일이 없고, 음압의 대출력을 유지할 수가 있다.

제 3 실시예에 있어서, 단분자막(60)이 LB법에 의해 콘(11)의 안쪽표면에 직접막형성되어 있다. 이때문에, 제 3 실시예에 의하면, 단분자막(60)과 콘(11)과의 결합강도가 크고, 콘진동자(110)의 진동에 의해 단분자막(60)이 박리되기 어렵고, 안정한 음압출력을 얻을 수 있다.

초음파수신기에 있어서도 상기 제 3 실시예의 초음파송신기와 같은 구조를 갖는 것에 의해, 콘의 안쪽표면에 단분자막을 막형성하더라도 콘의 진동에 영향을 주는 일이 없다. 이때문에, 제 3 실시예의 초음파송신기와 같은 구조를 갖는 초음파수신기는, 방적특성을 가지며 초음파의 수신감도의 저하를 억제할 수가 있다.

이상과 같이, 제 3 의 실시예에 의하면, 콘진동자(110)의 원추 안쪽표면에 경량인 단분자막(60)을 형성함으로써, 콘진동자(110)가 발수성과 방적특성을 가지면서도 음압출력에 영향을 주는 일이 없는 초음파송진기 및 수신감도의 저하를 억제할 수가 있는 초음파수신기를 실현할 수가 있다.

제 4 실시예

이하, 본 발명의 제 4 실시예의 초음파송신기에 관해서 첨부의 도 7∼도 12를 참조하면서 설명한다.

도 7는 제 4 실시예의 초음파송신기의 구성을 나타내는 측면단면도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 초음파송신기의 진동통(71)은 표면이 정상면벽에서 폐색되어, 아래쪽이 개구한 원통형의 금속으로, 예컨대 다이캐스트등의 제법으로 형성된다. 원판형상의 압전체로 압전체 원판(70)은, 진동통(70)의 상부내면(71b)에 고착되어 있다. 압전체 원판(70)의 주면인 상하양면에는 전극이 각각 형성되어 있다. 압전체 원판(70)의 위쪽의 전극은 진동통(71)에 붙여지고, 서로 전기적으로 접속한 상태가 되어 있다. 진동통(71)의 아래쪽 개구부분은, 수지성의 덮개인 받침대(72)에 의해 폐색되어 있다. 받침대(72)에는 두개의 단자핀(73, 74)이 설치된다. 한편의 단자핀(73)은 진동통(71)에 전기적에 접속되어 있고, 다른쪽의 단자핀(74)은 압전체 원판(70)의 아래쪽의 전극면에 전기적으로 접속되어 있다. 스텐레스등의 강성이 높은 금속재료에 의해 형성되어 있는 진동통(71)에는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 그 윗부분 안쪽면(71b)에 압전체 원판(70)이 접착되어 있다. 이 윗측 안쪽면의 압전체 원판(70)의 주변부분에는 홈(71a)이 형성되어 있다. 이때문에, 진동통(71)은, 내부가 비어있고 일끝단이 개방된 원기둥형상의 금속진동체로 되고 있고, 단자핀(73,74)에 초음파주파수의 교류전압을 인가함으로써 초음파주파수로 진동하여, 초음파를 출력한다.

초음파송신기에 있어서의 음압출력의 크기는 금속진동부의 진동시에 있어서의 배제체적의 크기에 의해 결정된다. 따라서, 제 4 실시예의 초음파송신기에 있어서 음압출력을 크게하기위해서는, 진동통(71)의 바닥면원판의 굽힘변위량을 될 수 있는 한 크게할 필요가 있다.

도 8는 도 7에서 나타낸 초음파송신기의 진동변위상태를 개념적으로 나타낸 측면단면도이다. 도 7에 나타낸 진동통(71)은, 그 윗측 안쪽면의 주변부에 단면이 구형상인 홈(71a)이 형성되어 있다. 이때문에, 진동통(71)의 윗측 안쪽면에 있어서의 굽힘변위량이 증대하여, 음압출력이 증대한다. 또한 압전체 원판(70)및 단자핀(73,74)의 배선부가 진동통(71) 및 받침대(72)에 의해 구성되는 공간내에 수납되어 있다.

이때문에, 제 4 실시예의 초음파송신기는 방적·방진특성을 갖는다.

본 발명의 다른 초음파송신기의 변형예를 도 9, 도 10및 도 11에 나타낸다. 도 9, 도 10 및 도 11에 나타낸 초음파송신기는 음압출력을 크게하기위해서, 진동통의 굽힘변위량을 가능한한 커지도록 형성한 것이다.

도 9에 나타낸 초음파송신기는, 진동통(91)의 상부내면(91b)의 압전체 원판(70)의 주변부의 고리형상의 홈(91a)의 형상이 상술한 도 7에 나타낸 초음파송신기와 다르고, 그 단면형상이 예각으로 되어 있다. 그 밖의 구성은, 도 7에 나타낸 초음파송신기와 동일하며, 같은 기능, 구조를 갖는 것에는 도 9에 있어서 같은 부호를 붙이었다.

도 10에 나타낸 초음파송신기는, 진동통(101)의 위측 안쪽면의 압전체 원판(70)의 주변부에는 도랑이 형성되어 있지 않고, 압전체 원판(70)의 주변부와 대향하는 진동통(1O1)의 위쪽 바깥면(1O1b)에 환상의 홈(1O1a)이 형성되어 있다. 그 밖의 구성은 도 7에 나타낸 초음파송신기와 동일하며, 같은 기능, 구조를 갖는 것에는 도 10에 있어서 같은 부호를 붙였다.

도 11에 나타낸 초음파송신기는, 진동통(111)의 위쪽바깥면에 경사부(111a)가 형성되어 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이 진동통(111)의 형상은, 경사부(111a)의 두께가 압전체 원판(70)의 붙인 부분의 두께에 비교해서 얇게 형성되어 있다. 그 밖의 구성은 도 7에 나타낸 초음파송신기와 동일하며, 같은 구조, 기능을 갖는 것은 도 11에 있어서 같은 부호를 붙였다.

다음에, 제 4 실시예의 초음파송신기가 구체적인 사용예를 도 12에 나타낸다.

도 12는 초음파송신기가 구체적인 사용예를 게시하는 측면단면도이다.

도 12에 있어서, 도 7도에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 것과 같은 기능, 구조를 갖는 것에는 같은 부호를 붙였다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 제 4 실시예의 초음파송신기의 진동통(71)에 내부가 비어있는 원추형상의 진동판인 콘(120)을 부착시킴으로써, 이것보다 전의 실시예에 비교해서 초음파송신기의 음압출력은 더욱 증대한다. 제 4 실시예에 있어서, 콘(120)에 있어서의 진동의 마디가 콘(11)의 중심축에 관하여 대칭의 위치에 형성되어 있다. 또한, 진동통(71)에 한편이 개구한 초음파반사체(121)를 장착하여 초음파의 위상을 콘(120)에 의한 것을 구비함으로써, 콘(120)의 내면부터의 초음파출력을 반사하여 대출력이면서 예리한 지향성을 가지며, 또한 방적·방진성을 갖는 초음파송신기를 얻을 수 있다.

이상과 같이 제 4 실시예에 의하면, 진동통(111)에 있어서의 압전체 원판(70)과 대치하여 맞추게 한 면의 주변부(111a)의 두께를 중앙부보다 얇게 형성함으로써 진동통에 있어서의 진동면의 진폭이 커져, 소형으로 대출력 또한 방적·방진특성을 갖는 초음파송신기를 실현할 수가 있다.

제 5 실시예

이하, 본 발명의 초음파송신기의 제 5 실시예에 관해서 첨부한 도 13 및 도 14를 참조하면서 설명한다.

도 13은 제 5 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 13에 있어서, 상술한 제 4 실시예의 초음파송신기에 있어서의 구성요소와 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 진동통(130)은, 원판형상의 진동판(131) 및 위쪽과 아래쪽이 개구한 원통형상의 통형상부(132)를 가지며, 진동판(131)이 통형상부(132)의 위쪽개구부를 폐색하도록 배치되어 있다. 압전체 원판(70)은 진동판(131)의 아래측(131a)에 고착되어 있고, 압전체 원판(70)의 위쪽 전극은 진동판(131)에 붙여지고, 서로 전기적으로 접속되어 있다.

제 5 실시예의 초음파송신기에 있어서의 진동변위상태는, 상술의 제 4 실시예의 도 8에서 도시한 바와 같이, 진동판(131)의 굽힘변위량으로 표시된다. 제 5 실시예의 초음파송신기에 있어서는, 진동통(130)에 홈(130a)이 형성되어 있다. 이 때문에, 홈(130a)의 안쪽에서는 진동이 크게 변위하지만, 반대로 홈(130a)의 바깥측에서는 진동의 변위량이 지극히 적다. 따라서, 진동판(131)과 통형상부(132)의 접합부에 생기는 내부응력은 지극히 적어져, 제 5 실시예의 초음파송신기에 있어서의 진동통(130)의 구성 및 형상은, 진동판(131)의 굽힘변위량에 영향을 주는 일이 없고, 초음파송신기의 음압대출력화를 실현할 수가 있다.

제 5 실시예의 초음파송신기는, 압전체 원판(70)과 진동판(131)을 대치시켜 맞붙이고여, 다음으로 진동판(131)과 통형상부(132)를 대치시켜 맞붙게 함으로써 제조할 수가 있다. 이와 같이 제 5 실시예의 초음파송신기는, 진동통(130)이 진동판(131)과 통형상부(132)로 구성되어 있다. 이때문에, 제 5 실시예에 의하면, 진동통(130)을 깎아 내어 가공에 의해 일체 성형으로 형성할 필요가 없고, 제조가 용이한 저가격의 초음파송신기를 실현할 수가 있다.

다음에, 제 5 실시예의 초음파송신기의 다른 구조의 구체예를 설명한다.

도 14는, 다른 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 이 초음파송신기는 원판형상의 진동판(143)과, 위쪽과 아래쪽이 개구한 원통형의 통형상부(144)를 갖고 있다. 통형상부(144)의 위쪽개구부의 단면에는 단차(144a)가 형성되어 있다. 이 단차(144a)에 진동판(143)이 서로 끼워맞추어져, 통형상부(144)의 위쪽개구부가 폐색되어 있다. 도 14에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 그 밖의 구성은, 상술의 도 13에 나타낸 초음파송신기의 구성과 동일하다. 이와 같이, 진동통(140)에 있어서의 접합부분이 진동판(141)의 진동부분의 바깥측에 형성되어 있기때문에, 진동판(141)의 굽힘변위에 의한 응력이 접합부분에 영향을 주지 않은 구조이다. 이 결과, 도 14에 나탄낸 초음파송신기는, 접합부분이 파손하는 일이 없으며, 신뢰성이 높은 장치이다.

제 6 실시예

이하, 본 발명의 초음파송신기의 제 6 의 실시예에 관해서 첨부의 도면을 참조하면서 설명한다.

도 15는 제 6 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 15에 있어서, 압전진동자는, 스텐레스 등의 금속에 의해 형성된 진동판(152)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(150, 151)에 의해 구성되어 있다. 한편의 압전체 원판(151)에는 부드러운 접착제인 탄성체(153)가 고착되어 있고, 압전진동자는 이 탄성체(153)에 의해 하우징부(156)의 받침대(156a)에 탄성적으로 지지되어 있다. 다른쪽의 압전체 원판(150) 위에는 원추형의 콘(154)이 배치되어 있고, 진동판(152)에는 콘(154)을 접속하는 단자핀(155)이 설치되어 있다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 압전체 원판(150, 151)과 진동판(152)에 전압을 인가하기 위한 단자핀(158)이 하우징부(156)를 관통하여 설치된다. 이 단자핀(158)에 전압이 인가되면, 압전진동자가 구부림진동하여, 콘(154)에는 진동의 마디(157)이 형성된다. 압전진동자와 콘(154)의 복합진동체를 수납하는 하우징부(156)에는, 선단이 넓어진 원추형상의 혼(159)이 설치되어 있다.

도 15에 있어서, 부호(d)는 원추형상인 혼(159)의 중심축으로 수직 방향으로의 콘(154)의 원추 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 간격을 보이고 있다. 또한, 부호 h 는 혼(159)의 중심축과 평행한 방향으로의 콘(154) 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 간격을 나타내고 있다.

진동판(152)의 양측에 있는 압전체 원판(150, 151)은, 그 중앙부에 관통공을 갖는 원고리형상의 원판이고, 압전체 원판(150, 151)의 모든 주된 면(도 15에 있어서의 상하면)에는 전극이 형성되어 있다. 진동판(152)을 끼는 압전체 원판(150, 151)은, 그 분극의 방향 및 크기가 같아지도록 배치되어 있고, 압전체 원판(150, 151)과 진동판(152)에 의해 바이모르프진동자가 구성되어 있다.

콘(154)은 알루미늄등의 경금속에 의해 원추형에 형성된 빈 진동자이다. 로드(155)는 그 일끝단이 진동판(152)의 중앙부에 결합되어 있고, 다른 끝단이 콘(154)의 원추 정점에 결합되어 있다. 이때문에, 바이모르프진동자인 압전진동자와 콘(154)은 기계적으로 각각의 중심에 접속되어 있다.

제 6 실시예에 있어서의 바이모르프진동자와 콘(154)으로 구성되는 복합진동체에 있어서, 바이모르프진동자에 교류전압을 인가하여 바이모르프진동자를 구부림진동으로 여진시키었을 때, 콘(154)의 원추 표면에 원추의 중심축을 중심으로한 원환상의 진동의 마디(157)이 형성되어 있다.

바이모르프진동자와 콘(154)으로 구성된 복합진동체는, 하우징부(156)의 받침대(156a)에 의해, 바이모르프진동자의 구부림진동의 마디의 위치로 탄성체(153)를 통해 탄성적으로 지지되어 있다.

제 6 실시예에 있어서, 원추형상의 혼(159)의 슬로트부(159b)와 콘(154)의 개구끝단(154a)과의 원추 중심축방향으로 수직방향의 간격(d)은, 초음파의 출력파장의 4분의 1로 설정되어 있다. 또한, 혼(159)의 슬로트부(159b)와 콘(154)의 개구끝단(154a)과의 원추 중심축방향의 간격(h)은, 초음파의 출력파장의 4분의 1로 설정되어 있다. 이와 같은 위치관계가 되도록, 복합진동체는 받침대(156a)상에 배치되어 있다.

상기와 같이 배치된 복합진동체에 있어서, 상기 바이모르프진동자의 진동모드의 공진주파수와 콘(154)의 고유주파수에 의해 복합진동체는 소정주파수의 초음파를 출력한다. 복합진동체에서 출력할 수 있는 초음파는, 혼(159)의 내부를 전파하여, 혼(159)의 마우스부(159a)에서 자유공간으로 방출된다.

다음에, 도 15에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 구체적인 일례에 대하여 설명한다.

이 초음파송신기는, 출력초음파의 주파수가 40kHz이고, 간격(d)가 2mm이고, 간격(h)이 2mm이고, 슬로트부(159b)의 지름이 24mm이다. 혼(159)의 중심축과 평행한 방향에서의 혼길이는 50mm이고, 혼(159)의 마우스부(159a)의 지름이 40mm이다. 하우징부(156)의 내부공간의 크기는, 높이가 20mm이고, 원형저면의 지름이 40mm이다. 또한, 하우징부(156)의 내부공간에서의 받침대(156a)의 단차의 높이가 2mm이다.

다음에, 제 6 실시예의 초음파송신기의 동작에 관해서 설명한다.

도 16은 상기와 같이 구성된 바이모르프진동자(165)와 콘(154)의 복합진동체의 진동변위를 나타낸 도면이다. 도 16에 있어서, 실선은 진동변위 전의 상태를 나타내며, 일점쇄선은 진동변위하였을 때의 상태를 보이고 있다. 또한, 도 16에 있어서의 화살표 X, Y, Z는, 바이모르프진동자(165)와 콘(154)과의 진동변위의 방향을 나타내고 있다.

도 16에 있어서, 부호(160)는 콘(154)의 원추정점을 나타내며, 부호(161)는 콘(154)에 있어서의 진동의 마디(157)을 경계로서 원추정점(160)을 포함하는 면을 나타내고 있으며, 부호(162)는 콘(154)에 있어서의 진동의 마디(157)을 경계로서 개구끝단(154a)을 포함하는 면이다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 콘(154)과 바이모르프진동자(165)는 진동변위한다. 바이모르프진동자(165)가 구부림진동함으로써, 콘(154)에는 진동의 마디(157)이 형성된다. 이때문에, 복합진동체의 진동에 있어서, 콘(154)은 진동의 마디(157)의 양측에서 역위상으로 진동한다.

상기와 같이, 콘(154)와 바이모르프진동자(165)의 복합진동체가 진동함으로써, 콘(154)의 원추면의 안쪽표면과 외측표면 및 바이모르프진동자(165)에서 초음파가 출력된다.

이와 같이 콘(154)의 외측표면과 바이모르프진동자(165)로부터 출력할 수 있는 초음파는, 바이모르프진동자(165)가 배치된 하우징부(156)의 안쪽공간(166)에 있어서 서로 간섭하여, 혹은 하우징부(156)의 저면 및 측면벽에서 다중반사하여, 콘(154)의 개구끝단(154a)와 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 빈틈보다 혼(159)의 내부에 전파한다.

콘(154)의 개구끝단(154a)와 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 빈틈보다 출력할 수 있는 초음파의 음압 및 위상은, 하우징부(156)의 안쪽공간(166)을 원하는 형상함으로써 조절할 수가 있다. 그 구조 파라미터는, 예컨대 복합진동체로부터 하우징부(156)의 저면이나 측면벽까지의 거리나, 콘(154)의 개구끝단(154a)와 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 간격 (d), (h)등을 들수있다. 따라서, 콘(154)의 원추의 안쪽표면보다 출력할 수 있는 초음파와 콘(154)의 개구끝단(154a)와 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 빈틈보다 출력할 수 있는 초음파는, 서로 위상의 다른 초음파로서 혼(159)내부에 방출된다.

발명자의 실험에 의하면, 원추형상의 혼(159)의 슬로트부(159b)와 콘(154)의 개구끝단(154a)와의 원추 중심축방향에 수직한 방향의 간격 (d)를, 초음파의 출력파장의 4분의 1이상으로 설정하는 것이 초음파의 발생의 효과의 위에서 바람직하였다. 또한, 혼(159)의 슬로트부(159b)와 콘(154)의 개구끝단(154a)와의 원추의 중심축방향의 간격(h)를, 초음파의 출력파장의 4분의 1부근에 설정하는 것이 바람직하였다.

도 17a는 제 6 실시예의 초음파송신기에 있어서의 음원을 나타내는 평면도이고, 도 17b는 도 17a에 나타내는 음원에서 출력할 수 있는 음향 에너지분포를 나타낸 그래프이다. 도 17b에서, 가로축은 음원의 장소를 나타내며, 세로축은 음향 에너지의 크기를 표시하고 있다. 또, 도 17a 및 도 17b에서, 초음파의 원추형상인 콘(154)의 안쪽방향으로의 진동변위를 정(+)으로 하고, 그 반대를 부(-)로 하고 있다.

도 17b에 나타낸 바와 같이, 제 6 실시예의 초음파송신기는, 콘(154)의 개구끝단(154a)을 포함하는 안쪽표면(162)으로부터 출력할 수 있는 초음파의 음향에너지, 및 개구끝단(154a)과 슬로트부(159b)와의 빈틈으로부터 출력할 수 있는 초음파의 음향 에너지가 정부가 다른 진동변위를 갖도록 구성되어 있다.

콘(154)에는 진동의 마디(157)가 형성되기 때문에, 진동의 마디(157)을 경계로 하는 그 내측의 면(161)과 바깥측의 면(162)에 있어서는, 서로 다른 위상으로 진동한다. 이때문에, 각각에 있어서의 음향 에너지는 정부가 다르다. 이것은, 콘(154)의 원추면이 그 중심축에 대칭인 진동을 함에 의해, 콘(154)으로부터 출력할 수 있는 진동진폭을 증가시켜, 음압출력을 증가시키기위한 것이다. 이상과 같이, 제 6 실시예에 의하면, 콘(154)가 원고리형상의 복수의 음원을 갖는 구조가 되기 때문에, 지향성을 예리하게 할 수가 있다.

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 제 6 실시예의 음원으로부터 출력할 수 있는 초음파의 전파에 관해서 도 18을 이용하여 설명한다. 도 18는 제 6 실시예의 초음파송신기의 음원보다 출력하여, 초음파의 혼(159)의 내부 및 외부를 전파하는 초음파를 시뮬레이션한 위상분포곡선도이다.

초음파의 위상분포곡선은 원추형상의 혼(159)의 중심축(182)에 대칭으로 나타나기 때문에, 도 18에 나타내는 초음파의 위상분포곡선도는 원추형상의 혼(159)의 중심축(182)으로 반쪽을 나타내고 있다.

도 18에 있어서, 곡선의 줄무늬모양은 초음파에 있어서의 동위상의 전파상태를 나타냈으며, 부호(392)는 혼(159)의 마우스부(159a)로 상정한 가상 배플이다.

이 시뮬레이션에 있어서는, 배플(392)에 의해 콘(154)와 바이모르프진동자(165)부터의 진동이외의 진동은 제외되어 있다.

도 18에 도시한 바와 같이, 혼(159)의 출력면인 마우스부(159a)에서, 혼(159)의 원추의 중심축(182)과 직교하는 면과 평행한 진동의 동위상의 면이 형성되어 있지 않고, 큰 위상의 어긋남이 적어도 2개소(180a, 180b)에서 발생하고 있다. 이 위상의 어긋남(180a,180b)에 의해, 제 6 실시예의 초음파송신기로부터 출력할 수 있는 초음파는 지향성이 높여지고 있다. 이것은, 위상의 어긋남(180b)의 바깥측에서 위상의 어긋남(180a)의 양측의 위상이 다른 초음파가 위상의 어긋남(180b)의 안쪽에 있는 초음파의 확산을 억제하도록 작용하고 있기 때문이다.

이상과 같이, 제 6 실시예의 초음파송신기에 있어서, 혼(159)의 중심축(182)부근의 초음파는 위상의 어긋남(180b)의 바깥측에 형성된 2개의 초음파의 존재에 의해 확산이 억제되어, 제 6 실시예의 초음파송신기로부터 출력할 수 있는 초음파의 음향 에너지는 응축한 상태가 된다. 이때문에, 제 6 실시예의 초음파송신기는 출력하는 초음파의 지향성을 예리하게 할 수가 있다.

도 19는 원추형상의 혼(159)의 마우스부(159a)에서 일정거리만큼 떨어진 장소에서, 혼(159)의 중심축(182)과 이루는 각도와 그 각도의 위치에 있어서의 음압출력과의 관계를 극좌표로 표시한 도면이다.

또, 전술의 종래 기술의 란에서 설명한 도 40의 극좌표는, 제 6 실시예의 초음파송신기와 같은 크기의 바이모르프진동자(165), 콘(154),및 혼(159)을 갖는다.

제 19 도와 제 40 도를 비교하면,-6 dB 에서의 음압의 각도를 나타내는 음압반치각이나 사이드로브의 유무등의 점에서, 제 6 실시예의 초음파송신기(도 19)가 종래의 초음파송신기(도 40)에 비교해서 음압이 예리한 지향성을 실현하고 있는 것을 이해할 수 있다.

발명자는, 도 15에 나타낸 제 6 실시예의 초음파송신기와 상술한 도 38에 나타낸 종래의 초음파송신기를 비교하여, 제 6 실시예의 초음파송신기가 뛰어나게 예리한 지향성을 갖는 것을 확인하였다.

제 6 실시예의 초음파송신기에 있어서는, 혼(159)이 존재하지 않는 구조에 있어서도, 혼이 존재하지 않는 종래의 초음파송신기와 비교해서 예리한 지향성의 점에서 우수하였다.

도 20는 바이모르프진동자(165)와 콘(154)의 복합진동체가 밑바닥을 갖는 원통형의 하우징부(156)의 내부에 수납된 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다.

도 20에 있어서, 부호(b)는 콘(154)의 원추의 중심축으로 수직방향으로의 콘(154)의 개구끝단(154a)과 하우징부(156)의 개구끝단(156b)과의 간격을 나타내고 있어, 부호(h')는 콘(154)의 원추의 중심축과 병행인 방향에서의 콘(154)의 개구끝단(154a)과 하우징부(156)의 개구끝단(156b)과의 간격을 보이고 있다. 부호(t)는 복합진동체를 수납하는 하우징부(156)의 바닥면으로부터 복합진동체의 바닥면까지의 거리이다.

다음에, 도 20에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 구체적인 일례에 관해서 설명한다. 이 초음파송신기는, 출력초음파의 주파수가 40 kHz이고, 간격(b)가 10 mm 이다. 하우징부(156)의 내부공간의 크기는, 높이가 20mm이고, 원형바닥면의 지름이 40mm 이다. 또한, 하우징부(156)의 내부공간에서의 받침대(156a)의 단차의 높이가 2mm 이다.

도 20에 있어서, 초음파송신기는 하우징부(156)의 측벽의 높이가 복합진동체의 높이보다 충분히 높게 구성되어 있고, 복합진동체의 콘(154)의 개구끝단(154a)과 하우징부(156)의 개구끝단(156b)과의 간격(h')은, 적어도 초음파송신기의 출력초음파의 주파수의 4분의 1에 설정하는 것이 바람직하다.

도 21a는 도 20에 나타낸 초음파송신기에 있어서의 음원을 나타내는 평면도이고, 도 21b는 도 21a에 나타낸 음원에서 출력할 수 있는 음향에너지분포를 나타내는 그래프이다. 도 21b에서, 가로축은 음원의 위치를 나타내며, 세로축은 음향에너지의 크기를 나타내고 있다. 또, 도 21a 및 도 21b에서, 초음파의 원추형상인 콘(154)의 안쪽방향에의 진동변위를 정(+)으로 하고, 그 반대를 부(-)로 하고 있다.

도 21b에 나타낸 바와 같이, 도 20에 나타낸 초음파송신기는, 콘(154)의 개구끝단(154a)을 포함하는 안쪽표면(162)보다 출력할 수 있는 초음파의 음향에너지, 및 개구끝단(154a)과 하우징부(156)의 개구끝단(156b)과의 빈틈에서 출력할 수 있는 초음파의 음향에너지가 정부에 다른 진동변위를 갖도록 구성되어 있다.

콘(154)의 중간에는 진동의 마디(157)이 형성되기 때문에, 진동의 마디(157)을 경계로 하는 그 안쪽측면과 바깥측면에 있어서는, 서로 다른 위상으로 진동한다.

도 21b에 나타내는 음향에너지분포는, 상술한 파라미터(b, h, t)를 변화시킴으로써, 원하는 음원구조를 형성할 수가 있다.

또한, 콘(154)이 진동할때, 콘(154)의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디(157)을 형성함으로써, 지향성을 예리하게 할 수가 있다.

콘(154)의 안쪽표면보다 출력할 수 있는 초음파는, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 하우징부(156)의 개구끝단(156b)과의 빈틈에서 출력할 수 있는 위상의 다른 초음파에 의해 그 확산이 억제되어 있다.

발명자는, 도 20에 나타낸 초음파송신기와 종래의 초음파송신기를 비교하여, 도 20에 나타낸 초음파송신기가 뛰어나며 예리한 지향성을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 발명자는, 도 20에 나타낸 초음파송신기에 원추형상인 혼(159)을 장착한 경우에도, 종래의 초음파송신기에 비해서 소형이며 예리한 지향성을 갖는 것을 확인하였다.

또, 상기 바이모르프진동자(165)와 콘(154)의 복합진동체를 수납하는 하우징부의 구조는, 상기실시예의 구조에 한정되는 것이 아니다.

도 22a와 도 22b는 복합진동체를 수납하는 다른 하우징부의 구조예를 나타내는 측면단면도이다. 도 22a에 나타낸 초음파송신기는, 콘(154)의 원추 중심축에 대하여 비스듬한 내면의 음파반사면을 갖는 하우징부(167)에 의해 구성되어 있다. 도 22b에 나타낸 초음파송신기는, 하우징부(168)의 측벽에 관통구멍(168a)을 갖는 구조이다. 도 22b에 나타낸 초음파송신기를 콘(154)의 중심축의 방향이 수평방향이 되도록 부착시킨 경우에, 관통구멍(168a)이 빗물등의 물빼기 기능을 갖는다.

또, 제 6 실시예에 있어서는, 압전진동자에 바이모르프진동자를 이용하여 설명하였는데, 상술한 제 4 실시예로 설명한, 방적성·방진성을 갖는 유니몰프진동자를 쓰더라도 제 6 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

제 6 실시예의 초음파송신기의 음원구조로서는, 콘(154)의 개구끝단(154a)을 포함하는 원추표면에서 출력할 수 있는 초음파와 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 빈틈에서 출력할 수 있는 초음파의 에너지분포의 정부가 다른 경우에 관해서 설명하였다. 그러나, 별도의 예로서, 상기 2개의 초음파 에너지분포가 함께 정방향을 취하도록 구성한 초음파송신기의 경우에는, 음원의 크기가 커지기때문에, 종래의 구조의 초음파송신기에 비교해서 지향성이 예리하게 되어 음압출력이 커진다.

이상과 같이, 제 6 실시예의 초음파송신기에 의하면, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 사이의 거리, 및 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 마우스부(159a)와의 거리를 소정의 값으로 함으로써, 위상의 다른 초음파를 출력할 수가 있다. 이때문에, 제 6 실시예의 음원에서 출력할 수 있는 초음파는, 콘의 중심축으로 수직한 면에서 위상의 어긋남이 형성되고, 콘(154)의 원추표면에서 출력된 초음파의 확산이 위상의 다른 초음파에 의해 억제된다. 이때문에, 제 6 실시예의 초음파송신기에 의하면, 음압지향성을 예리하게 하여, 정면음압을 증가시킬 수 있다.

제 7 실시예

이하, 본 발명의 초음파송신기의 제 7 실시예에 관해서 첨부의 도 23, 도 24, 도 25a, 및 도 25b를 참조하면서 설명한다.

도 23은 제 7 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 23에 있어서, 상술한 제 6 실시예와 실질적으로 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 부착한다. 도 23에 있어서, 압전진동자(165)는, 스텐레스등의 금속에 의해 형성된 진동판(152)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(150,151)에 의해 구성되어 있다. 한편의 압전체 원판(151)에는 부드러운 접착제인 탄성체(153)에 의해 하우징부(156)에 고착되어 있고, 압전진동자(165)는 이 탄성체(153)에 의해 하우징부(156)의 받침대(156a)에 탄성적으로 지지되어 있다. 다른쪽 압전체 원판(150)의 위에는 원추형상인 콘(154)이 배치되어 있고, 진동판(152)에는 콘(154)을 접속하는 단자핀(155)이 설치되어 있다.

도 23에 나타낸 바와 같이, 압전체 원판(150,151)과 진동판(152)에 전압을 인가하기위한 단자핀(158)이 하우징부(156)를 관통하여 설치된다. 이 단자핀(158)에 전압이 인가되면, 압전진동자가 구부림진동하여, 콘(154)에는 진동의 마디(157)이 형성된다. 압전진동자와 콘(154)의 복합진동체를 수납하는 하우징부(156)에는, 첨단이 넓어진 원추형상인 혼(159)이 설치된다.

도 23에 있어서, 부(g)는 원추형상인 혼(159)의 중심축에 평행한 방향에서의 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 간격을 보이고 있다.

제 7 실시예에 있어서, 상기와 같은 위치관계가 되도록, 콘(154)과 바이모르프진동자인 압전진동자(165)와의 복합진동체는 받침대(156a) 위에 배치되어 있다.

제 7 실시예의 초음파송신기는, 상술한 제 6 실시예의 초음파송신기에 있어서의 상기 축방향에서의 간격(g)을 여러가지의 위치로 변화시킨 것이다.

도 24는 초음파송신기에 있어서의 개구끝단(154a)과 슬로트부(159b)와의 축방향에서의 간격(g)과 음압출력과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 24에 있어서, 가로축은 간격 (g)을 나타내며, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)가 도 23에 있어서의 높이 방향에서 동일평면상에 위치할 때를 제로로 하고, 콘(154)의 개구끝단(154a)이 혼(159)의 내부에 위치하는 경우를 플러스로로 한다. 세로축은 음압치[dB]를 나타낸다.

도 24에 나타낸 3가지의 곡선(242,243,244)은, 혼(159)의 중심축으로 직각인 방향에서의 콘(154) 개구끝단(154a)과 혼(159) 슬로트부(159b)와의 간격(b)을 바꾼 것이다. 곡선(242)(실선)은 간격(b)이 초음파송신기로부터 출력할 수 있는 초음파 파장의 4분의 1로 설정한 경우이다. 곡선(243)(파선)은 곡선(242)을 가리키는 초음파송신기로부터 간격(b)을 예리하게 구성한 초음파송신기의 경우를 나타내며, 곡선(244)(일점쇄선)은 곡선(243)(파선)을 나타내는 초음파송신기로부터 간격(b)를 더욱 예리하게 구성한 초음파송신기의 경우이다.

도 24에 있어서, 화살표(240)에 의해 표시되고 있는 극대치는 제 1 의 음압극대치를 나타내고 있으며, 화살표(241)에 의해 표시되고 있는 극대치는 제 2 의 음압극대치를 보이고 있다.

제 7 실시예의 초음파송신기에 있어서, 콘(154)과 압전진동자인 바이모르프진동자에 의해 구성된 복합진동체를 상기 간격(g)이 위치(F)에서 제 1 의 음압극대치를 나타내고 있으며, 복합진동체를 도 23에서의 윗쪽으로 이동시켜 위치(S)로 이동함으로써 제 2 의 음압극대치를 나타냈다. 도 24에 나타낸 바와 같이, 제 7 실시예의 초음파송신기에 있어서는, 제 2 의 음압극대치가 상기 간격(b)에 전혀 의존하지 않고 거의 같은 값이 되어있다. 위치(S)에 나타낸 위치는, 콘(154)의 진동의 마디(157) 위치와 혼(159)의 슬로트부(159b)가 중심축에 직각으로 교차하는 동일평면상에 배치되는 위치이다.

이상과 같이, 도 23도에서 나타낸 제 7 실시예에 있어서, 콘(154)의 진동의 마디(157)보다도 아래쪽의 원추정점(160)을 포함하는 원추면(161)은, 혼(159)의 슬로트부(159b)를 포함하여 중심축에 직각인 평면(179)보다 아래쪽의 공간내에 배치되는 것이 바람직하다. 그 공간은 바이모르프진동자를 수납하는 공간(166)이다. 바꿔 말하면, 콘(154)의 진동의 마디(157)을 경계로 하여 개구끝단(154a)을 포함하는 원추면(162)이 혼(159)의 안쪽에 배치됨으로써, 제 7 실시예의 초음파송신기는 초음파출력이 크고, 또한 안정한 장치가 된다.

제 7 실시예에 있어서는, 콘(154)의 진동의 마디(157)의 위치와 혼(159)의 슬로트부(159b)가 중심축에 직각으로 교차하는 동일평면상에 배치됨으로써, 콘(154)에 있어서의 2개의 원추면(161,162)의 진동에 의해 생기는 역위상의 초음파는 공간적으로 분리되어, 서로 간섭하는 것이 억제된다.

또한, 초음파송신기를 상기한 바와 같이 구성함으로써, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 빈틈에서 출력할 수 있는 초음파의 음압은 대단히 작아진다.

도 25a는 도 38의 종래의 초음파송신기에 있어서의 각각의 소리원부터의 음향에너지분포를 나타낸 그래프이고, 도 25b는 제 7 실시예의 초음파송신기에 있어서의 각각의 음원부터의 음향에너지분포를 나타낸 그래프이다. 도 25a 및 도 25b에 있어서, 가로축은 음원의 위치를 나타내고 있으며, 세로축은 음향에너지의 크기를 표하고 있다. 또, 혼(159)내를 마우스부(159a)의 방향으로 전파하는 초음파를 정(+)으로 나타낸다.

도 25b에 나타낸 바와 같이, 제 7 실시예의 초음파송신기는, 종래의 초음파송신기와 비교해서, 정의 음향에너지의 분포영역이 크게 넓어지고 있다. 그 결과, 제 7의 실시예의 초음파송신기에 의하면, 음압의 지향성이 예리하고, 정면의 음압출력을 증가시킬 수 있다.

이상과 같이, 제 7 실시예의 초음파송신기는, 콘(154)의 진동의 마디(157)의 위치와 혼(159)의 슬로트부(159b)가 동일평면상이 되도록 배치하여, 콘(154)의 진동의 마디(157)과 혼(159)의 슬로트부(159b)와의 중심축으로 평행한 방향에서의 간격을 출력초음파의 파장의 4분의 1로 하고 있다. 이와 같이 구성함으로써, 제 7의 실시예의 초음파송신기는, 콘(154)의 진동의 마디(157)보다도 위쪽의 개구끝단(154a)을 포함하는 바깥측의 원추면(162)의 진동에 의해 출력할 수 있는 초음파(S162)가 넓은 음향에너지의 분포영역을 갖는다.

상기와 같이, 진동의 마디(157)과 슬로트부(159b)를 동일평면상에 배치한 구성에 의해, 제 7 실시예의 초음파송신기는 초음파의 음압출력이 증대하여, 예리한 지향성을 갖고 있다.

제 8 실시예

이하, 본 발명의 초음파송신기의 제 8 실시예에 관해서 첨부의 도 26에서 도 29를 참조하면서 설명한다.

도 26은 제 8 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 26에 있어서, 상술한 제 7 실시예와 실질적으로 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 부착한다. 도 26에 있어서, 압전진동자(165)는, 스텐레스등의 금속에 의해 형성된 진동판(152)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(150,151)에 의해 구성되어 있다. 한편의 압전체 원판(151)에는 부드러운 접착제인 탄성체(153)가 고착되어 있고, 압전진동자(165)는 이 탄성체(153)에 의해 받침대(169)에 탄성적으로 지지되어 있다. 다른쪽의 압전체 원판(150) 위에는 원추형의 콘(154)이 배치되어 있고, 진동판(152)에는 콘(154)을 접속하는 로드(155)가 설치된다.

도 26에 도시한 바와 같이, 압전체 원판(150,151)과 진동판(152)에 전압을 인가하기위한 단자핀(158)이 받침대(169)를 관통하여 설치되어 있다.

진동판(152)의 양측에 있는 압전체 원판(150,151)은, 그 중앙부에 관통구멍을 갖는 원환상의 원판이고, 압전체 원판(150,151)의 모든 주면(도 26에 있어서의 상하면)에는 전극이 형성되어 있다. 진동판(152)을 끼는 압전체 원판(150,151)은, 그 분극의 방향 및 크기가 같아지도록 배치되어 있고, 압전체 원판(150,151)과 진동판(152)에 의해 바이모르프진동자인 압전진동자(165)가 구성되어 있다.

콘(154)은 알루미늄 등의 경금속에 의해 원추형에 형성된 비어있는 진동자이다. 로드(155)는 그 일끝단이 진동판(152)의 중앙부에 결합되어 있고, 다른 끝단이 콘(154)의 원추의 정점에 결합되어 있다. 이때문에, 바이모르프진동자인 압전진동자와 콘(154)은 기계적으로 각각의 중심에 접속되어 있다.

바이모르프진동자와 콘(154)으로 구성된 복합진동체는, 받침대(169)에 의해, 바이모르프진동자의 구부림진동의 마디의 위치로 탄성체(153)를 통해 탄성적으로 지지되어 있다.

도 26에 있어서, 부호(t)는 로드(155)의 콘(154)의 중심축의 방향으로의 길이를 나타내고 있으며, 부호(q)는 콘(154)의 상기 중심축의 방향에서의 개구끝단(154a)에서 바이모르프진동자까지의 거리이다.

다음에, 제 8 실시예의 초음파송신기보다 출력할 수 있는 초음파의 전파에 관해서 설명한다.

도 27는 제 8 실시예의 초음파송신기의 진동변위의 상태를 나타내는 측면도이다. 도 27에 있어서, 일점쇄선은 콘(154)의 진동변위하기 전의 상태를 나타내고 있으며, 실선은 진동변위한 상태를 보이고 있다.

도 27에 나타낸 바와 같이, 콘(154)의 원추면이 진동함으로써, 콘(154)의 원추면의 안쪽표면에서 초음파가 출력된다. 이 때, 콘(154)의 원추면의 바깥측표면으로부터도 안쪽표면부터의 초음파와 역위상의 초음파가 출력된다. 즉, 콘(154)의 뒷측표면으로부 터 바이모르프진동자의 배치되어 있는 방향으로 안쪽표면에서 출력한 초음파와 역위상의 초음파가 출력할 수 있다. 그리고, 콘(154)의 뒷측표면이나 바이모르프진동자가 있는 방향으로 출력된 초음파는, 바이모르프진동자에 있어서 반사되어, 콘(154)의 전방으로 전파된다.

이 결과, 콘(154)의 진동에 의해, 콘(154)의 전방(도 27도에 있어서의 윗쪽)으로 위상의 다른 2개의 초음파가 출력된다. 이 위상의 다른 2개의 초음파는 간섭하여 전파하고, 콘(154)의 전방에서의 음압치 및 지향성이 결정된다.

바이모르프진동자에 있어서 반사한 초음파의 위상은, 콘(154)의 원추 뒷측표면보다 출력된 후부터의 전파거리에 의해 결정된다. 이때문에, 바이모르프진동자와 콘(154)의 결합부의 로드(155)의 길이(t)를 변화시켜, 초음파의 전파거리를 바꿈으로써, 초음파의 위상을 변화시킬 수 있다.

콘(154)의 전방의 음압치 및 지향성은, 상기 2가지 초음파의 간섭상태에 의해 결정된다. 또한, 음압출력의 극대치 및 예리한 지향성을 얻기위해서, 콘(154)의 중심축 방향에서의 개구끝단(154a)에서부터 바이모르프진동자까지의 거리(q)나 로드(155)의 길이(t)를 소정의 값으로 설정할 필요가 있다.

바이모르프진동자에 있어서 반사한 초음파의 위상은, 출력할 수 있는 초음파의 파장에 관계하고 있다. 따라서, 음압출력의 극대치 및 예리한 지향성을 얻기위해서 소정의 길이에 해야 할 로드(155)의 거리(t)는, 출력할 수 있는 초음파의 파장에 기인한 주기성을 갖는다.

도 28은 로드(155)의 거리(t)를 길게한 경우의 초음파송신기의 진동변위상태를 개념적으로 나타내는 측면도이다. 도 28에 있어서, 실선은 콘(154)의 진동변위앞의 상태를 나타내며, 일점쇄선은 진동변위의 상태를 보이고 있다.

도 28에 나타낸 바와 같이, 로드(155)의 길이(t)를 길게함으로써, 바이모르프진동자의 진동에 의해, 콘(154)는 로드(155)의 밑동아리에 있어서 요동한다. 이 요동에 의해, 콘(154)의 중심축과 평행한 진동이외의 진동변위가 커진다. 이러한 요동을 동반하는 진동은, 음압의 출력을 손상하는 것으로 된다. 따라서, 로드(155)의 길이(t)를 길게 함으로써, 바람직하지 못한 진동에 의한 음압출력의 저하를 초래하는 결과가 된다.

이상과 같이, 초음파송신기의 콘(154) 중심축의 방향으로의 음압은, 로드(155)의 길이 (t)에 의해 변화하여, 상기 출력초음파의 파장에 기인한 주기성을 갖는다.

도 29는 초음파송신기의 콘(154) 중심축의 방향으로의 음압과, 로드(155)의 길이(t) 및 초음파의 출력초음파의 파장(λ)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 29에 있어서, 가로축은 로드(155)의 길이(t)를 출력초음파의 파장(λ)으로 나눈 값을 나타내고 있고, 세로축은 초음파송신기의 콘(154)의 중심축의 방향으로의 음압이다.

도 29에 나타낸 바와 같이, 소정의 출력 초음파에 있어서 로드(155)의 길이(t)를 어떤 값으로 설정함으로써 음압출력을 최대로 할 수 있음과 동시에, 제 8 실시예의 구조에 의해 예리한 지향성을 실현할 수가 있다.

또, 상기한 바와 같이 최대음압을 실현하기 위해서 설정되는 로드(155)의 길이(t)의 값은, 콘(154)의 원추면의 크기나 원추의 개방 각도등의 콘(154)의 구조에 크게 의존하고 있다.

다음에, 로드(155)의 길이(t)의 값 설정의 구체예에 관해서, 도 26을 참조하면서 설명한다. 대출력을 얻기위해서는 콘(154)의 뒤쪽표면에서 출력하는 초음파가 반사되어 전방으로 복사되는 성분과 콘(154)의 전방으로 출력하는 초음파의 성분이 동위상일 필요가 있다. 이때문에, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 압전체 원판(150)과의 사이의 거리(q)가 출력초음파의 파장의 정수배가 되는 것이 설정조건이다. 또한, 출력초음파의 주파수가 40 kHz, 콘(154)의 원추중심각도가 120도, 콘(154)의 원추바닥면의 개구끝단(154a)의 지름이 20 mm, 콘(154)의 원추의 높이(도 26도에 있어서의 q-t)가 약 5.8 mm이었다. 이 경우, 40 kHz의 초음파의 파장은 약 8.5 mm 이다. 이때문에, 거리(q)가 출력초음파의 파장의 정수배라는 설정조건(즉, t + 5.8이 8.5의 정수배라는 조건)을 채우는 로드(155)의 최소의 길이는 약 2.7 mm가 된다. 이 구성에 있어서의 음압출력이 도 29 에 있어서의 최대치가 된다.

제 8 실시예의 초음파송신기는, 상술한 실시예와 같이, 콘(154)이 진동의 마디(157)을 갖는 구조로 구성함으로써, 더욱 음압출력의 증대를 꾀할 수 있다.

또한, 제 8 실시예의 압전진동자는, 상술한 제 4 실시예의 초음파진동자에 있어서 나타낸 방적특성을 갖는 구조로 구성할 수가 있다.

이상과 같이 제 8 실시예에 의하면, 바이모르프진동자와 콘(154)의 결합부의 거리를 출력초음파의 파장에 의존한 값으로 변화시킴으로써, 음압 대출력화 및 예리한 지향성을 실현할 수가 있다.

제 9 실시예

이하, 본 발명의 초음파송신기의 제 9 실시예에 관해서 첨부의 도 30∼도 33을 참조하면서 설명한다.

도 30는 제 9 실시예의 초음파송신기의 구조를 나타내는 측면단면도이다. 도 30에 있어서, 상술한 제 8 실시예와 실질적으로 같은 기능, 구성을 갖는 것에는 같은 부호를 부여한다. 도 30에 있어서, 압전진동자(165)는, 스텐레스등의 금속에 의해 형성된 진동판(152)과, 그 양측에 붙여진 압전체 원판(150,151)에 의해 구성되어 있다. 한편의 압전체 원판(151)에는 부드러운 접착제인 탄성체(153)가 고착되어 있고, 압전진동자(165)는, 이 탄성체(153)에 의해 받침대(170)에 탄성적으로 지지되어 있다. 다른쪽의 압전체 원판(150)의 위에는 원추형의 콘(154)가 배치되어 있고, 진동판(152)에는 콘(154)를 접속하는 로드(155)가 설치된다.

도 30에 나타낸 바와 같이, 압전체 원판(150,151)과 진동판(152)에 전압을 인가하기위한 단자핀(158)이 받침대(170)를 관통하여 설치되어 있다.

도 30에 있어서, 부호(r)는 콘(154)의 상기 중심축의 방향에서의 개구끝단(154a)에서 받침대(170)의 아래쪽면(310)까지의 거리이다. 부호(r')는 콘(154)의 원추면과 직각의 방향에서의 개구끝단(154a)에서 받침대(170)의 바닥면(310)까지의 거리이다. 부호(m)은 콘(154)의 중심축의 방향으로의 받침대(170)의 윗쪽면(311)으로부터 받침대(170)의 아래쪽면(310)까지의 단차를 나타내는 거리이다.

제 9 실시예에 있어서의 초음파송신기의 구성 및 동작은 상술의 제 8 실시예의 초음파송신기와 마찬가지다.

상기한 바와 같이, 제 9 실시예의 초음파송신기는, 받침대(170)가 단차 m을 갖는 구조이고, 받침대(170)의 위쪽면(311)이 바이모르프진동자의 구부림진동의 마디의 위치에 서 부드러운 접착제인 탄성체(153)에 의해 복합진동자를 탄성적으로 지지하고 있다.

또한, 제 9 실시예에 있어서, 도 30에 나타낸 바와 같이, 받침대(170)의 아래쪽면(310)의 크기는, 콘(154)의 개구끝단(154a)에서 원추면과 직각의 방향에 연장시킨 선이 받침대(170)의 아래쪽면(310)과 교차하는 위치보다 크게 구성되어 있다.

다음에, 제 9 실시예의 초음파송신기에서 출력할 수 있는 초음파의 전파에 관해서 설명한다.

상술의 제 8 실시예의 초음파송신기와 같이, 콘(154)의 진동에 의해 콘(154)의 원추면의 안쪽표면에서 콘(154)의 전방으로 초음파가 출력됨과 동시에, 콘(154)의 뒷측표면에서 바이모르프진동자가 있는 방향으로 초음파가 출력된다. 이 콘(154)의 후방으로 출력된 초음파는, 콘(154)의 전방으로 출력되는 초음파와 역위상이다.

콘(154)로부터 바이모르프진동자가 있는 방향으로 출력된 후방의 초음파는, 상술의 제 8 실시예에 나타낸 바와 같이, 바이모르프진동자로 반사함과 동시에, 받침대(170)의 바닥면(310)으로 반사된다. 그리고, 받침대(170)의 아래쪽면(lower face)(310)에 있어서 반사한 초음파의 반사파는, 콘(154)의 원추면의 안쪽표면으로부터 출력된 초음파와 위상이 다른 초음파로서 콘(154)의 전방으로 출력된다.

그 결과, 제 9 실시예의 초음파송신기로부터 출력할 수 있는 초음파의 음압 및 지향성은, 상술과 같이 위상의 다른 초음파의 간섭에 의해 결정된다. 받침대(170)의 아래쪽면(310)에 있어서 반사되는 초음파의 위상은, 콘(154)의 원추면에서 받침대(170)의 아래쪽면(310)까지의 전파거리, 예컨대 거리(r')로 표시되는 거리에 의해 변화한다. 따라서, 복합진동체의 형상이 동일하면, 받침대(170)의 단차(m)의 길이를 변화시킴으로써, 상기전파거리가 변화하기때문에, 받침대(170)의 아래쪽면(310)으로 반사하는 초음파의 위상을 변화시킬 수 있다.

받침대(170)의 아래쪽면(310)에 있어서 반사한 반사파와 콘(154)의 원추면의 안측표면으로부터 전방으로 출력되는 초음파가 서로 강화되도록, 반사파의 위상을 설정함으로써, 제 9 실시예의 초음파송신기의 음압의 대출력화와 예리한 지향성이 실현된다.

도 31은 받침대(170)의 단차(m)과 제 9 실시예의 초음파송신기에 의해 출력할 수 있는 음압과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 31에 있어서, 가로축은 단차(m)을 출력초음파의 파장(λ)으로 나눈 값 m/λ을 나타내고 있으며, 세로축은 초음파송신기의 출력한 음압치이다. 이 음압치는 콘(154)로부터 발생하는 위상이 다른 초음파의 간섭에 의해 결정되기 때문에, 도 31에 나타낸 바와 같이, 단차(m)의 값은 출력초음파의 파장에 의존한 주기성을 갖고 있다.

또, 음압극대치를 실현하기위한 받침대(170)의 단차(m)의 값은, 콘(154)의 원추면의 크기나 원추의 개방 각도등의 콘(154) 구조에 크게 의존한다.

다음에, 단차(m)의 높이를 설정한 구체예에 관해서, 도 30을 참조하면서 설명한다. 콘(154)의 뒷측표면에서 출력하는 초음파와 받침대(170)의 아래쪽면(310)으로 반사되어 콘(154)의 전방으로 방사되는 초음파가 동위상에서 콘(154)의 전방으로 출력될 필요가 있다. 제 9 실시예에 있어서는, 콘(154)의 개구끝단(154a)과 받침대(170)의 아래쪽면(310)과의 사이의 거리(r')가 출력초음파의 파장의 정수배로 설정된다. 제 9 실시예의 구조에 있어서는, 받침대(170)의 아래쪽면(310)으로부터 콘(154)의 개구끝단(154a)에 내린 수직선에 있어서의 거리(r')와, 개구끝단(154a)과 아래쪽면(310)의 중심축으로 평행한 방향의 거리 (r)와의 차가 커지고 있다. 이때문에, 제 9 실시예에 있어서는, 수선에 있어서의 거리(r')가 출력초음파의 파장의 정수배가 되는 것이 설정조건이 된다.

제 9 실시예의 초음파송신기의 구체예로서는, 출력초음파의 주파수가 40 kHz, 콘(154)의 원추 중심각이 120도, 콘(154)의 원추바닥면의 개구끝단의 지름이 20 mm, 콘(154)의 원추의 높이가 약 5.8 mm, 로드(155)의 길이(t)가 2.7 mm 이었다. 압전체 원판(150,151)과 진동판(152)의 합계두께가 3.4 mm라고 하면, (5.8 + 2.7 + 3.4 + m)가 (r)이 된다. 이 경우, 40 kHz의 초음파의 파장은 약 8.5 mm 이다. 이때문에, 상기의 설정조건[즉, 1.155×(11.9 + m)= r'이 8.5의 정수배라는 조건]을 만족시키는 단차(m)의 높이의 최소치는 약 3 mm이 된다.

도 32와 도 33은, 같은 치수법의 바이모르프진동자와 콘(154)의 복합진동체를, 아래쪽면(310)의 크기가 같고 단차(m)가 다른 받침대(170)에 부착시킨 경우의 음압지향성을 나타내는 실측 데이타이다. 도 32의 초음파송신기의 단차(m)쪽이 도 33의 초음파송신기의 단차(m)보다 널리 형성되어 있다.

도 32와 도 33은, 복합진동체의 중심축부터의 각도과 이 각도에 있어서의 음압출력과의 관계를 극좌표로 표시한 것이다. 도 32는 도 33과 비교하여, 음압반치각 및 사이드로드가 작고, 예리한 지향성을 실현하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 도 32의 초음파송신기쪽이 도 33의 초음파송신기에 비교해서 정면음압도 크다.

또, 콘(154)에서 출력되는 초음파의 반사체로서는, 제 9 실시예에 나타내는 판형상의 받침대(170)의 아래쪽면(310)은 평면인 필요는 없고, 콘(154)의 원추형상에 따른 곡면구조체등이어도 좋다.

제 9 실시예의 초음파송신기는, 상술의 실시예와 같이, 콘(154)이 진동의 마디(157)을 갖는 구조로 구성함으로써, 음압출력의 증대를 한층 더 꾀할 수 있다.

또한, 제 9 실시예의 압전진동자는, 상술의 제 4 실시예의 초음파진동자에 있어서 나타낸 방적특성을 갖는 구조로 구성할 수가 있다.

이상과 같이, 제 9 실시예에 의하면, 콘(154)의 원추면에서 반사면까지의 거리를 출력된 초음파의 파장에 따른 값으로 조절함으로써, 콘(154)의 진동에 의해 출력되는 초음파의 음압을 극대치로 하여, 예리한 지향성을 실현할 수가 있다.

본 발명의 제 1 의 관점의 초음파송수신기는, 압전진동자와 콘으로 이루어지는 복합진동체를 가지며, 압전진동자의 구부림진동의 공진 모드에 의해 콘이 그 중심축과 대칭인 위치에 진동의 마디를 갖는다. 이때문에, 본 발명의 초음파송수신기에 있어서, 압전진동자와 콘은 각각의 진동의 중심에 고정밀도로 결합되어, 압전진동자의 구부림진동에 의해 콘을 중심축과 평행한 방향으로 진동시킬 수 있다. 이 결과, 음압 대출력의 초음파송신기 및 고감도인 초음파수신기를 실현할 수가 있다.

본 발명의 제 2 의 관점의 초음파송수신기는, 콘과 하우징부를 접속하는 지지체인 필름이 콘에 대하여 방사상의 동일한 장력을 인가하면서 지지하는 구조이다. 이와 같이 구성되어 있기 때문에, 본 발명의 초음파송수신기는, 압전진동자와 콘이 각각의 진동의 중심에서 고정밀도로 결합된 상태가 되어, 압전진동자의 구부림진동에 의해 콘을 그 중심축과 평행한 방향으로 진동시킬 수 있다. 이때문에, 음압출력이 큰 초음파송신기 및 고감도인 초음파수신기를 실현할 수가 있다. 또한, 상기초음파송수신기로, 필름에 의해 콘과 하우징부가 접속되어 있는 구조의 것은, 압전진동자의 전극부가 외부에서 보호되어, 방적·방진특성을 가질 수 있다.

이 초음파송수신기는, 콘의 원추의 안쪽표면에 발수성을 갖는 단분자막을 막형성함으로써, 콘이 방적특성을 가지면서도, 콘의 중량의 증가분이 적고, 또한 콘과 단분자막과의 밀착강도가 강하기 때문에, 음압 대출력화에의 영향이 적은 초음파송신기 및 수신감도로의 영향이 적은 초음파수신기를 실현할 수가 있다.

본 발명의 제 3 의 관점의 초음파송수신기는, 진동통에 있어서의 압전체를 대치시켜 맞춘 부분의 주변부의 두께를 압전체를 대치시켜 맞춘 부분보다 엷게 형성하고 있기 때문에, 방적·방진특성을 갖는 구조이면서 상기 진동통의 바닥면의 구부림진동의 진폭을 크게할 수 있다. 이때문에, 음압 대출력의 초음파송수신기 및 고감도인 초음파 수신기를 실현할 수가 있다.

이 초음파송수신기는 진동통이 판형상의 진동판과 원통형상의 통형상부의 2개의 구성요소에 의해 형성되어 있다. 이때문에, 본 발명에 의하면, 압전체와 진동통의 대치시켜 맞춤을 용이하게 할 수가 있으며, 또한 제조비용을 대폭 저감할 수가 있다.

본 발명의 제 4 의 관점의 초음파송신기는 콘의 개구끝단과 혼의 슬로트부를 소정거리만 큼 떨어뜨린 구조를 이루고 있다. 이때문에, 본 발명에 의하면, 같은 바깥칫수의 종래의 초음파송신기와 비교하여 음압대출력화 및 예리한 지향성을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 종래의 초음파송신기와 같은 음압, 지향특성을 갖는 초음파송신기를 소형화한 구조로 실현된다. 혼을 필요로 하지 않은 구조에 있어서는, 음압 대출력화 및 예리한 지향성을 실현할 수 있다.

본 발명의 초음파송신기는, 혼의 중심축과 평행한 방향에서, 콘의 진동의 마디와 혼의 슬로트부와의 거리를 출력초음파의 파장의 4분의 1이하로 하는 구조를 갖고 있다. 이때문에, 본 발명에 의하면, 혼의 중심축에 직각인 방향에서의 콘과 혼과의 중심축의 결합정밀도를 완화할 수가 있음과 동시에, 소형의 혼에 의해 음압의 대출력화 및 예리한 지향성을 실현할 수가 있다.

본 발명의 제 5 의 관점의 초음파송신기는, 압전진동자와 콘의 결합부의 길이, 또는 반사판과 콘과의 거리를 출력초음파의 파장에 따른 길이로 하는 구조를 갖고 있다. 이 때문에, 소형으로 음압 대출력의 초음파송신기를 실현할 수가 있다.

Claims

초음파주파수의 신호를 인가 또는 출력하기 위한 전극을 갖는 압전체와, 한쪽은 윗바닥변으로 폐쇄되고, 다른쪽이 개구한 원통형상을 가지며, 상기 압전체가 상기 정상면벽의 내면에 고착되고, 상기 압전체의 고착부분의 주변부분이 상기 압전체의 고착부분과 비교해서 얇게 형성된 진동통과, 상기 진동통의 개구부분을 폐쇄하는 받침대와, 상기 받침대를 관통하여, 상기 압전체의 전극에 전기적으로 접속된 단자를 구비하는 초음파송수신기용진동체.
제1항에 있어서, 상기 진동통이, 상기 압전체를 고착한 판형상인 진동판과, 원통형상인 통형상부에 의하여 구성된 초음파송수신기용진동체.
초음파주파수의 신호를 인가 또는 출력하기 위한 전극을 갖는 압전진동체와, 속이 빈 원추형상의 콘를 가지며, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디를 갖는 상기 콘의 실질적인 원추정점부를 상기 압전진동체의 진동의 중심에 결합한 다이어프램과, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 구비한 복합진동체를 수납하여, 상기 압전진동체를 탄성적으로 지지하며, 상기 콘의 원추바닥면의 개구끝단으로부터 소정거리의 개구부를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 개구부에 슬로트부가 결합되고, 상기 개구부에서 먼끝단을 향하여 넓어지는 공간을 형성하는 혼을 구비하는 초음파송신기.
제11항에 있어서, 상기 콘의 원추바닥면의 개구끝단으로부터 하우징의 슬로트부까지의 상기 원추바닥면의 반경방향의 거리가, 해당 초음파송신기로부터 방출되는 출력초음파의 파장의 4분의 1이상인 초음파송신기.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 혼의 원추중심축과 평행한 방향에서, 슬로트부의 위치와 상기 콘의 개구끝단의 위치 사이의 거리가, 해당 초음파송신기로부터 방출되는 출력초음파의 파장의 약 4분의 1인 초음파송신기.
제3항에 있어서, 상기 압전진동체의 진동에 의해, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 형성되는 진동의 마디와, 상기 혼의 슬로트부의 위치가 실질적으로 동일평면에 형성되는 초음파송신기.
제3항에 있어서, 상기 콘에서, 상기 압전진동체의 진동에 의하여 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디가 형성된 초음파송신기.
제3항에 있어서, 상기 콘의 개구끝단과 상기 하우징과의 사이를 접속하도록 설치되며, 상기 콘의 원추 중심축의 주위에 방사방향으로 실질적으로 같은 장력을 상기 콘에 인가하는 막체를 구비하는 초음파송신기.
제3항에 있어서, 상기 콘으로 형성되는 진동의 마디가, 상기 콘의 원추 중심축에 관하여 회전대칭인 원고리형상인 초음파송신기.
제3항에 있어서, 상기 콘의 원추 안쪽표면에 단분자막이 막형성된 초음파송신기.
초음파주파수의 신호를 출력하기 위한 전극을 갖는 압전진동체와, 속이 빈 원추형상의 콘을 가지며, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디를 갖는 상기 콘의 실질적인 원추정점부가 상기 압전진동체의 진동의 중심에 결합된 다이어프램과, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 구비한 복합진동체를 탄성적으로 지지하는 받침대를 구비하고, 상기 콘의 원추의 안쪽표면에 단분자막이 막형성되고, 상기 콘에서의 중심축과 평행한 방향에서의, 상기 콘의 개구끝단으로부터 상기 복합진동체까지의 거리가 출력초음파의 파장의 정수배인 초음파송신기.
초음파주파수의 신호를 출력하기 위한 전극을 갖는 압전진동체와, 속이 빈 원추형상의 콘을 가지며, 상기 콘의 중심축에 관해서 대칭인 위치에 진동의 마디를 가지며 실질적인 원추정점부를 상기 압전진동체의 진동의 중심에 결합시킨 다이어프램과, 상기 압전진동체와 상기 다이어프램을 구비한 복합진동체를 탄성적으로 지지하는 받침대를 구비하고, 상기 콘의 원추의 안쪽표면에 단분자막이 막형성되고, 상기 콘의 개구끝단으로부터 상기 받침대의 윗쪽 방향면으로의 수직선에의 거리가 출력초음파의 파장의 정수배인 초음파송신기.