WO2023079789A1 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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WO2023079789A1
WO2023079789A1 PCT/JP2022/026330 JP2022026330W WO2023079789A1 WO 2023079789 A1 WO2023079789 A1 WO 2023079789A1 JP 2022026330 W JP2022026330 W JP 2022026330W WO 2023079789 A1 WO2023079789 A1 WO 2023079789A1
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ultrasonic transducer
sub
main
vibrating
vibration
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PCT/JP2022/026330
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English (en)
French (fr)
Inventor
浩誠 山本
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to ultrasonic transducers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-142967 is a prior document that discloses the configuration of an ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensor described in Patent Literature 1 is attached to the inner surface side of a vehicle bumper or a resin portion.
  • the ultrasonic sensor has an ultrasonic transducer and a housing.
  • the ultrasonic transducer transmits and receives ultrasonic waves.
  • the housing accommodates the ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic vibrator is brought into contact with and fixed to the inner surface of the bottom surface of the housing, and the outer surface of the bottom surface contacts the inner surface of the vehicle bumper or the resin portion.
  • An ultrasonic transmission part is formed on part of the bottom part of the housing.
  • the ultrasonic transmission part is arranged so as to be in contact with the vehicle bumper or the resin part and the ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transmission part is made of a material different from the material of the housing, and is made of a material having an acoustic impedance intermediate between the acoustic impedance of the ultrasonic transducer and the acoustic impedance of the vehicle bumper or resin portion.
  • the ultrasonic sensor transmits and receives ultrasonic waves through the ultrasonic transmission portion and the vehicle bumper or resin portion.
  • the vibration part is limited to a narrow range in order to suppress the narrowing of the directivity angle range, the transmission strength and reception sensitivity of the ultrasonic waves will be low.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the narrowing of the angular range of directivity while achieving at least one of the transmission of ultrasonic waves with high sound pressure and the reception of ultrasonic waves with high sensitivity.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer capable of
  • An ultrasonic transducer based on the present invention includes an exterior, a cylinder, an ultrasonic transducer, and a restraint.
  • the exterior part has an inner surface.
  • a cylinder is attached to the inner surface.
  • the ultrasonic transducer is attached to the cylindrical body and faces the inner surface with a space therebetween.
  • the restraint part is attached to the inner surface and sandwiches the cylinder with a space therebetween.
  • a main vibrating portion which is a portion of the exterior portion located inside the cylindrical body when viewed from the first direction perpendicular to the inner surface, resonates in a phase opposite to that of the ultrasonic vibrator.
  • the sub-vibrating portion When viewed from the first direction, the sub-vibrating portion, which is a portion of the exterior portion positioned outside the cylindrical body and inside the restraint portion in a second direction perpendicular to the first direction, is positioned with respect to the resonance vibration of the main vibrating portion. Resonant vibration occurs when the absolute value of the phase difference is in the range of 120° or more and 180° or less.
  • the present invention it is possible to suppress the narrowing of the directivity angular range while achieving at least one of the transmission of high sound pressure ultrasonic waves and the reception of high sensitivity ultrasonic waves.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a perspective view showing a displacement state obtained by simulation analysis using the finite element method while the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention is transmitting or receiving ultrasonic waves.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the area of a vibrating portion and directivity;
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which sub-sound sources that vibrate in opposite phases to the main sound source are arranged on both sides of the main sound source. Finite element method when only the main sound source is driven, when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 16:1, and when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 4:1. It is a graph showing the directivity obtained by simulation analysis using .
  • the emission angle is 20° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the sine wave of the ultrasonic waves emitted from the main sound source and the sine wave of the ultrasonic waves emitted from the sub sound source change. It is a graph showing the transition of the sound pressure level in .
  • the emission angle is 40° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the sine wave of the ultrasonic waves emitted from the main sound source and the sine wave of the ultrasonic waves emitted from the sub sound source change. It is a graph showing the transition of the sound pressure level in .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a resonance mode of the main vibrating portion that is subjected to simulation analysis using the finite element method in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a resonance mode of a sub-vibrating portion that is subjected to simulation analysis using the finite element method in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the resonance vibration of the main vibration section and the resonance vibration of the sub-vibration section are in the same phase, which is analyzed by simulation using the finite element method.
  • is. 4 is a graph showing the relationship between the ratio of the difference between the resonance frequency of the main vibration part and the resonance frequency of the sub vibration part to the resonance frequency of the main vibration part, and the ratio of the resonance amplitude of the sub vibration part to the resonance amplitude of the main vibration part. .
  • FIG. 11 is a plan view showing a restraining portion according to a third modified example; It is a top view which shows the restraint part which concerns on a 4th modification.
  • FIG. 14 is a plan view showing a restraining portion according to a fifth modified example;
  • FIG. 21 is a plan view showing a restraining portion according to a sixth modified example;
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a seventh modified example;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to an eighth modified example;
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a ninth modification;
  • FIG. 20 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a tenth modification of Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view showing the periphery of an ultrasonic transducer of an ultrasonic transducer according to a first modified example of Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing a tubular body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a second modification of Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention
  • It is a perspective view which shows the metal plate part and cylinder which concern on a comparative example.
  • It is a perspective view which shows the metal plate part and cylinder which concern on 1st Example.
  • It is a perspective view which shows the metal plate part and cylinder which concern on 2nd Example.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a tubular body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a modification of Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes an exterior portion 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic transducer 130, and a restraining portion 140. As shown in FIG.
  • the exterior part 110 is, for example, a bumper for a vehicle, a housing of a personal computer or a smartphone, furniture, or a part of exterior such as a wall of a house. Exterior portion 110 has an inner surface 111 .
  • the exterior part 110 has a substantially flat plate shape.
  • the exterior part 110 is made of resin such as polypropylene.
  • the thickness of exterior part 110 is, for example, about 1.5 mm.
  • the first direction orthogonal to the inner surface 111 of the exterior part 110 is the Z-axis direction
  • the second direction orthogonal to the first direction is the X-axis direction
  • the third direction orthogonal to each of the first and second directions is the Z-axis direction.
  • the direction is shown as the Y-axis direction.
  • the tubular body 120 is attached to the inner surface 111 of the exterior part 110 .
  • one end of the cylindrical body 120 in the first direction (Z-axis direction) is adhered to the inner surface 111 of the exterior part 110 .
  • the tubular body 120 has a rectangular annular shape.
  • the cylindrical body 120 has a longitudinal direction along the third direction (Y-axis direction) and a lateral direction along the second direction (X-axis direction).
  • the axial direction of the cylindrical body 120 is along the first direction (Z-axis direction).
  • the cylindrical body 120 is made of resin, glass epoxy, metal, or the like. From the viewpoint of suppressing characteristic changes due to temperature changes of the ultrasonic transducer 100, the cylinder 120 is preferably made of metal. On the other hand, from the viewpoint of reducing the frequency of the ultrasonic waves transmitted or received by the ultrasonic transducer 100 and from the viewpoint of miniaturizing the ultrasonic transducer 100, the cylindrical body 120 is preferably made of resin. In this embodiment, the cylindrical body 120 is made of glass epoxy having intermediate properties between metal and resin.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer included in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 130 is attached to the cylindrical body 120 and faces the inner surface 111 of the exterior part 110 with a gap therebetween.
  • the ultrasonic transducer 130 is attached to the other end of the cylinder 120 in the first direction (the Z-axis direction), and faces the inner surface 111 of the exterior part 110 via the inner space of the cylinder 120. are doing.
  • the ultrasonic transducer 130 is a piezoelectric element including a piezoelectric body 131.
  • the ultrasonic transducer 130 includes two laminated piezoelectric bodies 131 .
  • the polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 are different from each other. Specifically, the polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 face each other in the first direction (Z-axis direction).
  • Two piezoelectric bodies 131 are sandwiched between a first electrode 132 and a second electrode 133 , and an intermediate electrode 134 is arranged between the two piezoelectric bodies 131 .
  • the first electrode 132 and the second electrode 133 are electrically connected to a processing circuit 150 capable of applying AC voltage.
  • the ultrasonic transducer 130 is a so-called series bimorph piezoelectric transducer.
  • the total thickness of the two piezoelectric bodies 131 is, for example, 0.5 mm or more and 0.75 mm or less.
  • the restraint part 140 is attached to the inner surface 111 of the exterior part 110 and sandwiches the cylinder 120 with a space therebetween.
  • the restraining portion 140 has an annular shape. Specifically, the restraining portion 140 has a rectangular annular shape.
  • the restraining portion 140 surrounds the cylinder 120 from the outside while leaving a gap between the cylinder 120 and the cylinder 120 . However, it is sufficient that the restraining portion 140 sandwiches the cylindrical body 120 with a gap therebetween in the second direction (X-axis direction).
  • One end of the restraining portion 140 in the first direction (Z-axis direction) is adhered to the inner surface 111 of the exterior portion 110 .
  • the restraining portion 140 is made of metal such as stainless steel or aluminum, or a highly rigid material such as glass epoxy. By restraining the portion of the exterior part 110 to which the restraint part 140 is attached, the vibration of the sub-vibrating part, which will be described later, can be confined within the sub-vibrating part and stabilized.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a displacement state simulated and analyzed using the finite element method when the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention is transmitting or receiving ultrasonic waves.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer of FIG. 4 as seen from the direction of the arrows on line VV.
  • the thickness of the exterior part 110 is 1.5 mm
  • the thickness of the piezoelectric body 131 is 0.6 mm
  • the longitudinal dimension of the cylinder 120 is 16 mm
  • the width is 6 mm
  • the thickness is 0.4 mm
  • the cylinder The width of 120 was set to 0.5 mm.
  • the inner shape of the cylindrical body 120 has a longitudinal dimension of 15 mm and a lateral dimension of 5 mm.
  • the width of the restricting portion 140 is 2 mm, and the thickness is 3 mm.
  • the interval in the second direction (X-axis direction) between the cylindrical body 120 and the restricting portion 140 was set to 4 mm.
  • the main vibrating section 110m resonates in a phase opposite to that of the ultrasonic transducer 130.
  • the displacement direction of the resonance vibration Bm of the main vibration part 110m and the displacement direction of the resonance vibration Bp of the ultrasonic transducer 130 are opposite to each other in the first direction (Z-axis direction).
  • the sub-vibrating section 110s resonates in a range in which the absolute value of the phase difference with respect to the resonant vibration of the main vibrating section 110m is 120° or more and 180° or less. That is, the displacement direction of the resonant vibration Bs of the sub-vibrating portion 110s and the displacement direction of the resonant vibration Bm of the main vibrating portion 110m are opposite to each other in the first direction (Z-axis direction).
  • the main vibrating portion 110m resonates in a phase opposite to that of the ultrasonic transducer 130, thereby preventing vibration leakage to the periphery of the main vibrating portion 110m in the exterior portion 110, as shown in FIG. can be made smaller. As a result, it is possible to suppress the narrowing of the directivity angle range of the ultrasonic transducer 100 . Further, in the ultrasonic transducer 100, by exciting the above-described resonance vibration Bs in the sub-vibrating section 110s, at least one of transmission of high sound pressure ultrasonic waves and reception of high-sensitivity ultrasonic waves can be realized. It is possible to suppress the narrowing of the directivity angle range of 100 .
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the area of the vibrating portion and the directivity.
  • the ultrasonic waves radiated from the vibrating portion are radiated from a plurality of point sound sources S that are spaced apart from each other, each of one end and the other end of the vibrating portion has The difference DL between the path lengths of the ultrasonic waves radiated in directions other than the radiation angle ⁇ of 0° between the positioned point sound sources S increases as the area of the vibrating portion increases. Since interference occurs due to the relationship between the path length difference DL and the wavelength of the ultrasonic wave, basically, the larger the area of the vibration part and the higher the frequency of the ultrasonic wave, the narrower the angular range of directivity. Become.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a state in which sub-sound sources that vibrate in opposite phases to the main sound source are arranged on both sides of the main sound source. As shown in FIG. 7, using a simplified model in which sub-sound sources SS that vibrate in opposite phases to the main sound source MS are arranged on both sides of the main sound source MS, simulation analysis was performed using the finite element method.
  • FIG. 8 shows the results when only the main sound source is driven, when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is set to 16:1, and when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is set to 4:1.
  • 3 is a graph showing directivity obtained by simulation analysis using the finite element method.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level (dB), and the circumferential axis indicates the radiation angle (°) from the center of the main sound source.
  • the solid line indicates the directivity when only the main sound source is driven, the dotted line indicates the directivity when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 16:1, and the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 4.
  • the directivity angle range is wide, and the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS is 16:1.
  • the ratio was 4:1, the directivity angular range was even wider.
  • the sound pressure level is low in the front direction, the sound pressure level is highest when the radiation angle ⁇ is in the range of 20° to 40°.
  • the change in sound pressure level due to interference is the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS, and the sine wave of ultrasonic waves emitted from the main sound source MS and the sine wave of ultrasonic waves emitted from the sub sound source SS. It changes depending on the phase difference.
  • FIG. 9 shows the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the sine wave of the ultrasonic waves radiated from the main sound source and the sine wave of the ultrasonic waves radiated from the sub sound sources.
  • 4 is a graph showing changes in sound pressure level at an angle of 20°.
  • FIG. 10 shows the sound pressure ratio of the sub-sound source to the main sound source and the phase difference between the sine wave of the ultrasonic waves radiated from the main sound source and the sine wave of the ultrasonic waves radiated from the sub-sound sources. 4 is a graph showing changes in sound pressure level at an angle of 40°.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level (dB) at a radiation angle of 20°
  • the horizontal axis indicates the sound pressure ratio (%) of the sub sound source to the main sound source.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level (dB) at a radiation angle of 40°
  • the horizontal axis indicates the sound pressure ratio (%) of the sub sound source to the main sound source.
  • the sine wave of the ultrasonic waves radiated from the main sound source and the sine waves of the ultrasonic waves radiated from the sub sound source The transition when the absolute value of the phase difference is 90° is indicated by L1, the transition at 120° is indicated by L2, the transition at 150° is indicated by L3, and the transition at 180° is indicated by L4.
  • the emission angle As shown in FIGS. 9 and 10, when the absolute value of the phase difference between the sine wave of ultrasonic waves emitted from the main sound source MS and the sine wave of ultrasonic waves emitted from the sub sound source SS is 90°, the emission angle The sound pressure levels at 20° and 40° were not greater than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS was 0%.
  • the sound pressure level at the radiation angle of 20° is substantially the same as when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 0%, and the radiation angle is 40°. , the sound pressure level was higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS was 0%.
  • the absolute values of the phase difference are 150° and 180°, the sound pressure levels at the radiation angles of 20° and 40° are higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 0%. rice field.
  • the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 10% or more
  • the sound pressure level at a radiation angle of 20° is 2 dB or more higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 0%
  • the sound pressure level at a radiation angle of 40° is 6 dB or higher.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the resonance mode of the main vibrating portion of the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention, which is subjected to simulation analysis using the finite element method.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a resonance mode of the sub-vibrating portion subjected to simulation analysis using the finite element method in the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention. 11 and 12, the cross section is viewed at the same cross section position as in FIG.
  • the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 1 of the present invention performs at least one of transmission and reception of ultrasonic waves by the resonance mode of the main vibration part 110m shown in FIG.
  • the ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention suppresses the narrowing of the angular range of directivity by superimposing the resonance mode of the sub-vibrating section 110s shown in FIG. 12 on the resonance mode of the main vibrating section 110m. .
  • the sub vibration section 110s is resonantly vibrated at a frequency near the resonance frequency of the main vibration section 110m.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the resonant vibration of the main vibrating section and the resonant vibration of the sub vibrating section are in phase, which was analyzed by simulation using the finite element method.
  • the cross section is viewed at the same cross section position as in FIG. If the difference between the resonance frequency of the main vibration section 110m and the resonance frequency of the sub-vibration section 110s is out of the preferred range, the resonance vibration Bm of the main vibration section 110m and the resonance vibration of the sub-vibration section 110s Bs will be in phase.
  • the main vibrating portion 110m and the ultrasonic vibrator 130 must be vibrated while maintaining a physical balance between the main vibrating portion 110m and the ultrasonic vibrator 130. are required to resonate in opposite phases.
  • the sound speed of the transverse wave of the exterior portion 110 is Cb
  • the sound speed of the transverse wave of the piezoelectric body 131 is Cp
  • the thickness of the main vibrating portion 110m is Assuming that Tb and the dimension of the thickness of the piezoelectric body 131 are Tp, it is preferable to satisfy the relationship of 0.7CpTp/Cb ⁇ Tb ⁇ 1.3CpTp/Cb.
  • the sound velocity Cb of the transverse wave of the exterior part 110 is determined by the material forming the exterior part 110 .
  • the sound velocity Cp of the transverse wave of the piezoelectric body 131 is determined by the material forming the piezoelectric body 131 .
  • the thickness dimension Tp of the piezoelectric bodies 131 is the sum of the thicknesses of the plurality of piezoelectric bodies 131 .
  • FIG. 14 shows the ratio of the difference between the resonance frequency of the main vibration section and the resonance frequency of the sub vibration section to the resonance frequency of the main vibration section, and the phase difference between the resonance vibration of the main vibration section and the resonance vibration of the sub vibration section. It is a graph showing the relationship.
  • the vertical axis represents the phase difference (°) between the resonant vibration of the main vibration section and the resonant vibration of the sub vibration section
  • the horizontal axis represents the difference between the resonance frequency of the main vibration section and the resonance frequency of the sub vibration section. shows the ratio (%) to the resonance frequency of the main vibration part.
  • the resonance frequency of the sub-vibrating portion decreases as the distance between the cylindrical body 120 and the restraining portion 140 in the second direction (X-axis direction) increases, and the resonance frequency of the sub-vibrating portion decreases as the distance decreases. growing.
  • the phase difference between the resonance vibration of the main vibrating section 110m and the resonance vibration of the sub vibrating section 110s is 0° or more. It was 80° or less.
  • the resonance vibration of the main vibration part 110m and the sub vibration The phase difference from the resonance vibration of the portion 110s was 120°.
  • FIG. 15 shows the relationship between the ratio of the difference between the resonance frequency of the main vibration section and the resonance frequency of the sub vibration section to the resonance frequency of the main vibration section and the ratio of the resonance amplitude of the sub vibration section to the resonance amplitude of the main vibration section. It is a graph showing. In FIG.
  • the vertical axis represents the ratio (%) of the resonance amplitude of the sub-vibrating section to the resonance amplitude of the main vibrating section
  • the horizontal axis represents the difference between the resonance frequency of the main vibrating section and the resonance frequency of the sub-vibrating section. It shows the ratio (%) to the resonance frequency of the vibrating part.
  • the resonance amplitude of the sub vibrating section 110s is smaller than the resonance amplitude of the main vibrating section 110m.
  • the resonance amplitude of the sub vibrating section 110s increased as the resonance frequency of the sub vibrating section 110s approached the resonance frequency of the main vibrating section 110m.
  • the main vibration of the resonance amplitude of the sub vibration section 110s was 40%.
  • the main vibration of the resonance amplitude of the sub vibration section 110s was 18%. The larger the ratio of the resonance amplitude of the sub-vibrating section 110s to the resonance amplitude of the main vibrating section 110m, the wider the directivity angular range.
  • the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s is higher than the resonance frequency of the main vibrating portion 110m, and the difference between the resonance frequency of the main vibrating portion 110m and the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s is the main vibrating portion 110m.
  • to the resonance frequency is 7% or more and 20% or less
  • the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s is higher than the resonance frequency of the main vibrating portion 110m, and the difference between the resonance frequency of the main vibrating portion 110m and the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s is the main difference.
  • the ratio of the resonant frequency of the vibrating portion 110m to the resonant frequency is 7% or more and 20% or less
  • the sub vibrating portion 110s has a phase difference of 120° or more and 180° or less between the resonant vibration of the main vibrating portion 110m and the resonant vibration of the sub vibrating portion 110s. can be set to 18% or more and 40% or less of the resonance amplitude of the main vibration part 110m.
  • the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s is set within the range of 107% or more and 120% or less of the resonance frequency of the main vibrating portion 110m.
  • the resonance amplitude of the sub vibration portion 110s is adjusted to the resonance amplitude of the main vibration portion 110m.
  • the sub-vibrating portion 110s is resonantly vibrated in a suitable resonance mode without reducing the vibration portion of the main vibrating portion 110m. It is possible to suppress the narrowing of the angular range of directivity while realizing at least one of the transmission of pressure ultrasonic waves and the reception of highly sensitive ultrasonic waves.
  • the ultrasonic transducer 130 is a piezoelectric transducer.
  • the ultrasonic transducer 130 is not limited to a piezoelectric transducer, and may be an electrostatically driven or electromagnetically driven ultrasonic transducer.
  • the shape of the restraining portion 140 is not limited to a rectangular ring shape as long as the resonance vibration of the sub-vibrating portion 110s can be similarly generated.
  • restraint portions of ultrasonic transducers according to modifications of Embodiment 1 of the present invention will be described.
  • FIG. 16 is a plan view showing a restraining portion according to the first modified example.
  • the shape of the restraining portion 140a according to the first modified example is a square ring.
  • FIG. 17 is a plan view showing a restraining portion according to a second modified example. As shown in FIG. 17, the restraining portion 140b according to the second modification has a square outer shape and a circular inner shape.
  • FIG. 18 is a plan view showing a restraining portion according to a third modified example. As shown in FIG. 18, the restraining portion 140c according to the third modification has a square outer shape and a hexagonal inner shape.
  • FIG. 19 is a plan view showing a restraining portion according to a fourth modification.
  • FIG. 19 the shape of a restraining portion 140d according to the fourth modification is annular.
  • FIG. 20 is a plan view showing a restraining portion according to a fifth modified example. As shown in FIG. 20, the shape of a restraining portion 140e according to the fifth modification is U-shaped.
  • FIG. 21 is a plan view showing a restraining portion according to a sixth modification. As shown in FIG. 21, the shape of the restraining portion 140f according to the sixth modification is a pair of straight lines extending in the third direction (Y-axis direction) while being spaced apart from each other in the second direction (X-axis direction). shape.
  • the ultrasonic transducer 130 was a so-called series bimorph piezoelectric transducer, but the ultrasonic transducer 130 may be another type of piezoelectric transducer.
  • the ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer according to the modified example of Embodiment 1 of the present invention will be described below.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the seventh modified example.
  • an ultrasonic transducer 130a according to the seventh modification is a piezoelectric element including two laminated piezoelectric bodies 131.
  • the polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 are equal to each other.
  • the ultrasonic transducer 130a is a so-called parallel bimorph piezoelectric transducer.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to an eighth modified example.
  • an ultrasonic transducer 130b according to the eighth modification is a piezoelectric element including four piezoelectric bodies 131 stacked.
  • the polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 positioned on the outer side of the four piezoelectric bodies 131 face one of the first directions (the Z-axis direction), and the two piezoelectric bodies 131 positioned on the inner side of the four piezoelectric bodies 131
  • the polarization direction Dp of the piezoelectric body 131 faces the other of the first directions (Z-axis direction).
  • the ultrasonic transducer 130b is a so-called multimorph piezoelectric transducer.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the ninth modification.
  • an ultrasonic transducer 130c according to the ninth modification is a piezoelectric element including one piezoelectric body 131.
  • the piezoelectric body 131 is sandwiched between a first electrode 132 and a vibration plate 135 made of metal.
  • the ultrasonic transducer 130c is a so-called unimorph piezoelectric transducer.
  • FIG. 25 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the tenth modification of the first embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 100a according to the tenth modification of the first embodiment of the present invention includes an exterior part 110, a tubular body 120a, an ultrasonic transducer, and a restraint part 140.
  • the tubular body 120a has a bottomed tubular shape.
  • the cylindrical body 120a is made of metal.
  • a piezoelectric body 131 is attached to the outer bottom surface of the cylindrical body 120a to constitute an ultrasonic transducer that is a unimorph type piezoelectric transducer.
  • the main vibrating portion 110m which is a portion of the exterior portion 110 located inside the tubular body 120 when viewed from the first direction (Z-axis direction), generates ultrasonic waves. It resonates in a phase opposite to that of the vibrator 130 .
  • the sub-vibrating portion 110s which is a portion of the exterior portion 110 positioned outside the tubular body 120 and inside the restraint portion 140 in the second direction (X-axis direction), is the main vibration portion.
  • the absolute value of the phase difference with respect to the resonance vibration of the portion 110m is within the range of 120° or more and 180° or less.
  • the restraining portion 140 has an annular shape. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of vibration leakage in the third direction (Y-axis direction) orthogonal to the second direction (X-axis direction) in which the angular range of directivity is widened.
  • the ultrasonic transducer 130 is a piezoelectric element containing a piezoelectric body. This allows the ultrasonic transducer 100 to have a simple configuration.
  • the resonance frequency of the sub-vibrating section 110s is higher than the resonance frequency of the main vibrating section 110m, and the resonance frequency of the main vibrating section 110m and the resonance frequency of the sub-vibrating section 110s to the resonance frequency of the main vibration part 110m is 7% or more and 20% or less.
  • Cb is the sound velocity of the transverse wave of the exterior part 110
  • Cp is the sound velocity of the transverse wave of the piezoelectric body 131
  • Tb is the thickness dimension of the main vibration part 110m
  • the piezoelectric body 131 If Tp is the dimension of the thickness, the relationship of 0.7CpTp/Cb ⁇ Tb ⁇ 1.3CpTp/Cb is satisfied. As a result, it is possible to maintain the physical balance during vibration between the main vibrating section 110m and the ultrasonic transducer 130, thereby reducing the amplitude of the resonance vibration of the main vibrating section 110m and suppressing vibration leakage.
  • the resonance amplitude of the sub vibrating section 110s is smaller than the resonance amplitude of the main vibrating section 110m. As a result, it is possible to prevent the sound pressure level from becoming too low in the front direction when the radiation angle ⁇ is 0°.
  • the resonance amplitude of the sub vibrating section 110s is 18% or more and 40% or less of the resonance amplitude of the main vibrating section 110m.
  • Embodiment 2 An ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to Embodiment 1 of the present invention in that the cylindrical body and the restraining portion are attached to the inner surface of the exterior portion via the metal plate portion. , and the configuration similar to that of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 26 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 27 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 200 according to the second embodiment of the present invention includes an exterior portion 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic transducer 130, a restraint portion 140, and a metal plate portion 250.
  • Each of the tubular body 120 and the restraining portion 140 is attached to the inner surface 111 of the exterior portion 110 via a metal plate portion 250 extending along the inner surface 111 of the exterior portion 110 .
  • a concave portion 112 is formed on an inner surface 111 of the exterior portion 110 .
  • the thickness of the portion of exterior portion 110 where concave portion 112 is formed is, for example, 1 mm. Note that the concave portion 112 does not necessarily have to be formed in the exterior portion 110 .
  • the metal plate portion 250 has a flat plate shape.
  • the metal plate portion 250 is mounted inside the recess 112 . Seen from the first direction (Z-axis direction), the cylindrical body 120 is attached to the central portion of the metal plate portion 250 , and the restraint portion 140 is attached to the edge portion of the metal plate portion 250 .
  • the metal plate portion 250 is made of metal such as aluminum.
  • the thickness of metal plate portion 250 is, for example, 0.5 mm.
  • Each of the main vibrating portion 110m and the sub-vibrating portion 110s is composed of a thin portion formed with the concave portion 112 in the exterior portion 110 and the metal plate portion 250 .
  • the thickness of the main vibrating portion 110m is thin. It is necessary to adjust the thickness of the piezoelectric body 131 corresponding to this.
  • the thickness of the exterior portion 110 in the portion where the concave portion 112 is formed is 1 mm
  • the thickness of the metal plate portion 250 made of aluminum is 0.5 mm
  • the thickness of the piezoelectric body 131 should be 1 mm or more and 1.5 mm or less. is preferred.
  • a resin such as polypropylene that constitutes the exterior part 110 is hard at low temperatures and softens at high temperatures. Therefore, the resonance frequency of each of the main vibrating portion 110m and the sub vibrating portion 110s changes depending on the temperature.
  • the main vibration portion 110m and the sub-vibration portion 110s each have a metal plate portion 250 whose hardness changes little with temperature. and the change in the resonance frequency of each of the sub-vibrating parts 110s due to temperature can be reduced. As a result, the temperature characteristics of the ultrasonic transducer 200 can be stabilized.
  • the main vibrating portion 110m and the sub vibrating portion 110m and the sub vibrating portion 110s are formed by thinning the thickness of the exterior portion 110 that constitutes each of the main vibrating portion 110m and the sub vibrating portion 110s. 110s can be reduced due to temperature variation of each resonance frequency. This also makes it possible to stabilize the temperature characteristics of the ultrasonic transducer 200 .
  • FIG. 28 is a vertical cross-sectional view showing the periphery of the ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer according to the first modified example of Embodiment 2 of the present invention.
  • the internal space formed by the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 is filled with a damping material 260 such as silicone. buried.
  • a damping material 260 such as silicone.
  • the Young's modulus of the damping material 260 is, for example, 0.1 MPa or more and 100 MPa or less.
  • the Young's modulus of the damping material 260 is preferably 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less from the viewpoint of suppressing unnecessary radiation of ultrasonic waves to the side opposite to the exterior part side.
  • the Young's modulus of the material 260 is preferably 10 MPa or more and 50 MPa or less.
  • FIG. 29 is a perspective view showing a tubular body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a second modified example of Embodiment 2 of the present invention.
  • the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 are integrally formed.
  • the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 are formed of a bottomed cylindrical metal member.
  • vibration leakage from the interface between the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 can be suppressed.
  • Embodiment 3 an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 of the present invention in that slits are formed in the metal plate portion. Configurations that are similar to the transducer will not be repeated.
  • FIG. 30 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • 31 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 of the present invention.
  • an ultrasonic transducer 300 according to Embodiment 3 of the present invention includes an exterior portion 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic transducer 130, a restraint portion 140, a metal plate portion 350 and and
  • a slit 351 extending along the outer edge of the cylindrical body 120 is formed at a position overlapping the sub-vibrating portion 110s of the metal plate portion 350 when viewed from the first direction (Z-axis direction). .
  • the slit 351 extends in the third direction (Y-axis direction).
  • the slits 351 are intermittently formed in the third direction (Y-axis direction). Specifically, the slits 351 are formed at the center and both ends of the cylindrical body 120 in the third direction (Y-axis direction).
  • the metal plate portion 350 is formed with a slit 352 extending in the second direction (X-axis direction) along the outer edge of the cylinder 120 .
  • the slits 351 and 352 are formed in a substantially rectangular shape when viewed from the first direction (Z-axis direction).
  • FIG. 32 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylinder according to a comparative example.
  • FIG. 33 is a perspective view showing the metal plate portion and cylinder according to the first embodiment.
  • FIG. 34 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylinder according to the second embodiment.
  • FIG. 35 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylinder according to the third embodiment.
  • the slit 351 is not formed in the metal plate portion 950 according to the comparative example.
  • a slit 351 having a length of 4 mm is formed in the central portion in the third direction (Y-axis direction).
  • slits 351 having a length of 8 mm are formed from the central portion toward both end portions in the third direction (Y-axis direction).
  • slits 351 having a length of 12 mm are formed from the central portion toward both end portions in the third direction (Y-axis direction).
  • FIG. 36 is a graph showing the relationship between the resonance frequency of each of the main vibrating section and the sub-vibrating section and the length of the slit.
  • the vertical axis indicates the resonance frequency (kHz) of each of the main vibrating portion and the sub-vibrating portion
  • the horizontal axis indicates the length (mm) of the slit.
  • a solid line indicates the resonance frequency of the main vibration portion
  • a dotted line indicates the resonance frequency of the sub-vibration portion.
  • the resonance frequencies of the main vibrating section 110m and the sub vibrating section 110s decreased.
  • the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s significantly decreased as the length of the slit 351 increased.
  • a slit 351 extending along the outer edge of the cylindrical body 120 is formed at a position overlapping the sub-vibrating portion 110s of the metal plate portion 350 when viewed from the first direction (Z-axis direction).
  • the resonance frequency of the sub vibrating section 110s can be lowered. Therefore, by forming the slit 351 with a suitable length while reducing the distance between the cylindrical body 120 and the restraining portion 140 in the second direction (X-axis direction), the resonance frequency of the sub-vibrating portion 110s can be maintained and the vibration frequency can be increased.
  • the acoustic wave transducer 300 can be miniaturized. Vibration leakage can be reduced by reducing the distance between the cylindrical body 120 and the restraining portion 140 in the second direction (X-axis direction).
  • FIG. 37 is a perspective view showing a tubular body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a modification of Embodiment 3 of the present invention.
  • the tubular body 120 and the metal plate portion 350 are integrally formed.
  • the cylindrical body 120 and the metal plate portion 350 are formed of a bottomed cylindrical metal member. In this modified example, vibration leakage from the interface between the cylindrical body 120 and the metal plate portion 350 can be suppressed.
  • Ultrasonic transducer 110 Exterior part, 110m Main vibration part, 110s Sub vibration part, 111 Inner surface, 112 Concave part, 120, 120a Cylindrical body, 130, 130a, 130b, 130c Ultrasonic transducer, 131 Piezoelectric body 132 First electrode 133 Second electrode 134 Intermediate electrode 135 Diaphragm 140, 140a, 140b, 140c, 140d, 140e, 140f Restraint part 150 Processing circuit 250, 350, 350a, 350b, 350c , 950 Metal plate portion, 260 Damping material, 351, 352 Slit.

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Abstract

第１方向(Ｚ軸方向)から見て、外装部(１１０)における筒体(１２０)の内側に位置する部分であるメイン振動部(１１０ｍ)は、超音波振動子(１３０)とは逆位相で共振振動する。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、第２方向(Ｘ軸方向)において外装部(１１０)における筒体(１２０)の外側かつ拘束部(１４０)の内側に位置する部分であるサブ振動部(１１０ｓ)は、メイン振動部(１１０ｍ)の共振振動に対する位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内で共振振動する。

Description

超音波トランスデューサ
　本発明は、超音波トランスデューサに関する。
　超音波センサの構成を開示した先行文献として、特開２００７－１４２９６７号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超音波センサは、車両用バンパまたは樹脂部分の内面側に取り付けられる。超音波センサは、超音波振動子と、筐体とを有する。超音波振動子は、超音波を送受信する。筐体は、超音波振動子を収容する。筐体の底面部の内面に超音波振動子を接触させて固定するとともに、当該底面部の外面が、車両用バンパまたは樹脂部分の内面に当接する。
　筐体の底面部の一部に、超音波伝達部が形成されている。超音波伝達部は、車両用バンパまたは樹脂部分と、超音波振動子とに接触するように配置されている。超音波伝達部は、筐体の材質とは異なる材質であって、超音波振動子の音響インピーダンスと、車両用バンパまたは樹脂部分の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有する材質からなる。超音波センサは、超音波の送受信を、超音波伝達部および車両用バンパまたは樹脂部分を介して行なう。
特開２００７－１４２９６７号公報
　指向性の角度範囲が狭くなることを抑制するために振動部位を狭い範囲に制限した場合、超音波の送信強度および受信感度が低くなる。
　本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる、超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく超音波トランスデューサは、外装部と、筒体と、超音波振動子と、拘束部とを備える。外装部は、内面を有する。筒体は、上記内面に取り付けられている。超音波振動子は、筒体に取り付けられており、上記内面に間隔をあけて対向する。拘束部は、上記内面に取り付けられており、筒体に間隔をあけて筒体を挟んでいる。上記内面に直交する第１方向から見て、外装部における筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、超音波振動子とは逆位相で共振振動する。上記第１方向から見て、上記第１方向と直交する第２方向において外装部における筒体の外側かつ拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、メイン振動部の共振振動に対する位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内で共振振動する。
　本発明によれば、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。
本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。 図４の超音波トランスデューサをＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。 振動部位の面積と指向性との関係を説明するための図である。 メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。 メイン音源のみ駆動させたとき、メイン音源とサブ音源との音圧比率を１６：１にしたとき、および、メイン音源とサブ音源との音圧比率を４：１にしたときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。 メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が２０°における音圧レベルの推移を示すグラフである。 メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が４０°における音圧レベルの推移を示すグラフである。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したメイン振動部の共振モードを示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したサブ振動部の共振モードを示す断面図である。 有限要素法を用いてシミュレーション解析した、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動とが同位相になっている状態を示す断面図である。 メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差との関係を示すグラフである。 メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率との関係を示すグラフである。 第１変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第２変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第３変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第４変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第５変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第６変形例に係る拘束部を示す平面図である。 第７変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。 第８変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。 第９変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１の第１０変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態２の第１変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子の周辺を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２の第２変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。 本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。 比較例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。 第１実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。 第２実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。 第３実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。 メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数とスリットの長さとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態３の変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。
　以下、本発明の各実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　(実施形態１)
　図１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０とを備える。
　外装部１１０は、たとえば、車両用バンパ、パソコンもしくはスマートホンの筐体、家具、または、家の壁などの外装の一部である。外装部１１０は、内面１１１を有する。外装部１１０は、略平板状の形状を有している。外装部１１０は、ポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。外装部１１０の厚みは、たとえば、１．５ｍｍ程度である。
　図中においては、外装部１１０の内面１１１に直交する第１方向をＺ軸方向、第１方向に直交する第２方向をＸ軸方向、第１方向および第２方向の各々に直交する第３方向をＹ軸方向として示している。
　筒体１２０は、外装部１１０の内面１１１に取り付けられている。本実施形態においては、筒体１２０の第１方向(Ｚ軸方向)の一端が、外装部１１０の内面１１１に接着されている。筒体１２０は、矩形環状の形状を有している。筒体１２０は、第３方向(Ｙ軸方向)に沿う長手方向を有し、第２方向(Ｘ軸方向)に沿う短手方向を有している。筒体１２０の軸方向は、第１方向(Ｚ軸方向)に沿っている。
　筒体１２０は、樹脂、ガラスエポキシまたは金属などから形成されている。超音波トランスデューサ１００の温度変化による特性変化を抑制する観点では、筒体１２０は金属で形成されていることが好ましい。一方、超音波トランスデューサ１００が送信または受信する超音波を低周波数化する観点、および、超音波トランスデューサ１００を小型化する観点では、筒体１２０は樹脂で形成されていることが好ましい。本実施形態においては、筒体１２０は、金属と樹脂との中間的な特性を有するガラスエポキシで形成されている。
　図３は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。図１に示すように、超音波振動子１３０は、筒体１２０に取り付けられており、外装部１１０の内面１１１に間隔をあけて対向する。具体的には、超音波振動子１３０は、筒体１２０の第１方向(Ｚ軸方向)の他端に取り付けられており、筒体１２０の内側空間を介して外装部１１０の内面１１１と対向している。
　図１～図３に示すように、超音波振動子１３０は、圧電体１３１を含む圧電素子である。図３に示すように、本実施形態においては、超音波振動子１３０は、積層された２つの圧電体１３１を含む。２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、互いに異なっている。具体的には、２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに向かい合っている。２つの圧電体１３１は、第１電極１３２および第２電極１３３に挟まれており、２つの圧電体１３１の間に中間電極１３４が配置されている。第１電極１３２および第２電極１３３は交流電圧を印加可能な処理回路１５０と電気的に接続されている。超音波振動子１３０は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子である。２つの圧電体１３１の厚みの合計は、たとえば、０．５ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下である。
　拘束部１４０は、外装部１１０の内面１１１に取り付けられており、筒体１２０に間隔をあけて筒体１２０を挟んでいる。本実施形態においては、拘束部１４０は、環状の形状を有している。具体的には、拘束部１４０は、矩形環状の形状を有している。拘束部１４０は、筒体１２０に間隔をあけつつ筒体１２０を外側から取り囲んでいる。ただし、拘束部１４０は、第２方向(Ｘ軸方向)において筒体１２０に間隔をあけて筒体１２０を挟んでいればよい。拘束部１４０の第１方向(Ｚ軸方向)の一端が、外装部１１０の内面１１１に接着されている。
　拘束部１４０は、ステンレス鋼もしくはアルミニウムなどの金属、または、ガラスエポキシなどの剛性の高い材料で形成されている。外装部１１０において拘束部１４０が取り付けられた部分が拘束されることによって、後述するサブ振動部の振動をサブ振動部内に閉じ込めて安定させることができる。
　図４は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。図５は、図４の超音波トランスデューサをＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。シミュレーション解析条件として、外装部１１０の厚みを１．５ｍｍ、圧電体１３１の厚みを０．６ｍｍ、筒体１２０の外形の長手寸法を１６ｍｍ、短手寸法を６ｍｍ、厚みを０．４ｍｍ、筒体１２０の幅を０．５ｍｍとした。すなわち、筒体１２０の内形の長手寸法を１５ｍｍ、短手寸法を５ｍｍとした。拘束部１４０の幅を２ｍｍ、厚みを３ｍｍとした。筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を４ｍｍとした。
　図４および図５に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、外装部１１０における筒体１２０の内側に位置する部分であるメイン振動部１１０ｍ、および、第２方向(Ｘ軸方向)において外装部１１０における筒体１２０の外側かつ拘束部１４０の内側に位置する部分であるサブ振動部１１０ｓを有する。
　図５に示すように、メイン振動部１１０ｍは、超音波振動子１３０とは逆位相で共振振動する。すなわち、メイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍの変位方向と、超音波振動子１３０の共振振動Ｂｐの変位方向とは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに反対向きである。
　サブ振動部１１０ｓは、メイン振動部１１０ｍの共振振動に対する位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内で共振振動する。すなわち、サブ振動部１１０ｓの共振振動Ｂｓの変位方向と、メイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍの変位方向とは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに反対向きである。
　ここで、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００の効果が奏されるメカニズムについて説明する。
　図５に示すように、メイン振動部１１０ｍが超音波振動子１３０とは逆位相で共振振動することにより、図４に示すように、外装部１１０におけるメイン振動部１１０ｍの周囲への振動漏れを小さくすることができる。これにより、超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。また、超音波トランスデューサ１００においては、サブ振動部１１０ｓにおいて上記の共振振動Ｂｓを励起させることによって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。
　まず、メイン振動とサブ振動とによって、指向性の角度範囲が狭くなることを抑制できるメカニズムについて簡素化したモデルを用いて説明する。
　図６は、振動部位の面積と指向性との関係を説明するための図である。図６に示すように、振動部位から放射される超音波が、互いに間隔をあけて配置されている複数の点音源Ｓから放射されているとして考えると、振動部位の一端および他端の各々に位置する点音源Ｓ同士における放射角度θが０°以外の方向に放射された超音波の経路長の差ＤＬは、振動部位の面積が大きくなるにしたがって大きくなる。この経路長の差ＤＬと超音波の波長との関係によって干渉が生じるため、基本的には、振動部位の面積が大きくなるほど、および、超音波の周波数が高くなるほど、指向性の角度範囲が狭くなる。
　一方、振動部位の面積を小さくすると、指向性の角度範囲が狭くなることを抑制できるが、放射される超音波の音圧が低くなる。ここで、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した場合の音圧と指向性との関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。
　図７は、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。図７に示すように、メイン音源ＭＳの両側に、メイン音源ＭＳとは逆位相で振動するサブ音源ＳＳを配置した簡素化したモデルを用いて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した。
　図８は、メイン音源のみ駆動させたとき、メイン音源とサブ音源との音圧比率を１６：１にしたとき、および、メイン音源とサブ音源との音圧比率を４：１にしたときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図８においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン音源の中心からの放射角度(°)を示している。また、メイン音源のみ駆動させたときの指向性を実線、メイン音源とサブ音源との音圧比率を１６：１にしたときの指向性を点線、メイン音源とサブ音源との音圧比率を４：１にしたときの指向性を２点鎖線で示している。なお、上記の３つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。
　図８に示すように、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの音圧比率を１６：１にしたときは、指向性の角度範囲が広くなっており、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの音圧比率を４：１にしたときは、指向性の角度範囲がさらに広くなっていた。
　メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの音圧比率を４：１にしたときは、メイン音源ＭＳから放射された超音波とサブ音源ＳＳから放射された超音波の干渉によって放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルが低くなっているが、放射角度θが２０°以上４０°以下の範囲において音圧レベルが最も高くなっていた。
　干渉による音圧レベルの変化は、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの音圧比率と、メイン音源ＭＳから放射される超音波の正弦波とサブ音源ＳＳから放射される超音波の正弦波との位相差とによって、変化する。
　図９は、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が２０°における音圧レベルの推移を示すグラフである。図１０は、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が４０°における音圧レベルの推移を示すグラフである。
　図９においては、縦軸に、放射角度が２０°における音圧レベル(ｄＢ)、横軸に、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率(％)を示している。図１０においては、縦軸に、放射角度が４０°における音圧レベル(ｄＢ)、横軸に、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率(％)を示している。図９および図１０においては、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が、９０°のときの推移をＬ１、１２０°のときの推移をＬ２、１５０°のときの推移をＬ３、１８０°のときの推移をＬ４で示している。
　図９および図１０の各々において、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときよりも音圧レベルが大きくなっているとき、指向性の角度範囲が広くなっていることになる。
　図９および図１０に示すように、メイン音源ＭＳから放射される超音波の正弦波とサブ音源ＳＳから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が９０°のとき、放射角度が２０°および４０°における音圧レベルは、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときよりも大きくならなかった。
　上記位相差の絶対値が１２０°のとき、放射角度が２０°における音圧レベルは、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときと略同一であり、放射角度が４０°における音圧レベルは、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときよりも大きくなっていた。
　上記位相差の絶対値が１５０°および１８０°のとき、放射角度が２０°および４０°における音圧レベルは、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときよりも大きくなっていた。
　上記の結果から、メイン音源ＭＳから放射される超音波の正弦波とサブ音源ＳＳから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内において、指向性の角度範囲が広くなることが確認できた。たとえば、メイン音源ＭＳから放射される超音波の正弦波とサブ音源ＳＳから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が１８０°で、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が１０％以上のとき、メイン音源ＭＳに対するサブ音源ＳＳの音圧比率が０％のときより、放射角度が２０°における音圧レベルは２ｄＢ以上高くなり、放射角度が４０°における音圧レベルは６ｄＢ以上高くなった。
　次に、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々における振動モードについて説明する。図１１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したメイン振動部の共振モードを示す断面図である。図１２は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したサブ振動部の共振モードを示す断面図である。図１１および図１２においては、図５と同一の断面位置にて断面視している。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、図１１に示すメイン振動部１１０ｍの共振モードによって超音波の送信および受信の少なくとも一方を行なう。本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、図１２に示すサブ振動部１１０ｓの共振モードをメイン振動部１１０ｍの共振モードに重畳させることによって指向性の角度範囲が狭くなることを抑制する。なお、超音波の送信および受信の少なくとも一方を効率的に行なうために、メイン振動部１１０ｍの共振周波数の近傍の周波数においてサブ振動部１１０ｓを共振振動させる。
　図１３は、有限要素法を用いてシミュレーション解析した、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動とが同位相になっている状態を示す断面図である。図１３においては、図５と同一の断面位置にて断面視している。メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分が好適な範囲外である場合は、図１３に示すようにメイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍとサブ振動部１１０ｓの共振振動Ｂｓとが同位相になる。この場合、メイン振動部１１０ｍから放射された超音波とサブ振動部１１０ｓから放射された超音波の干渉によって放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルが高くなり、指向性の角度範囲が狭くなる。
　一方、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分が好適な範囲内である場合は、図５に示すようにメイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍとサブ振動部１１０ｓの共振振動Ｂｓとの位相差および振幅比率を所望の状態にすることができる。
　まず、メイン振動部１１０ｍを振動漏れの少ない共振モードで振動させるためには、メイン振動部１１０ｍと超音波振動子１３０との物理的バランスを維持しつつ、メイン振動部１１０ｍと超音波振動子１３０とが逆位相で共振振動していることが求められる。
　メイン振動部１１０ｍと超音波振動子１３０との物理的バランスを維持するために、外装部１１０の横波の音速をＣｂ、圧電体１３１の横波の音速をＣｐ、メイン振動部１１０ｍの厚みの寸法をＴｂ、および、圧電体１３１の厚みの寸法をＴｐとすると、０．７ＣｐＴｐ／Ｃｂ≦Ｔｂ≦１．３ＣｐＴｐ／Ｃｂの関係を満たすことが好ましい。外装部１１０の横波の音速Ｃｂは、外装部１１０を構成する材料で決まる。圧電体１３１の横波の音速Ｃｐは、圧電体１３１を構成する材料で決まる。超音波振動子１３０において複数の圧電体１３１が積層されている場合は、圧電体１３１の厚みの寸法Ｔｐは、複数の圧電体１３１の各々の厚みの合計値である。
　０．７ＣｐＴｐ／Ｃｂ≦Ｔｂ≦１．３ＣｐＴｐ／Ｃｂの関係を満たすことにより、メイン振動部１１０ｍと超音波振動子１３０との振動時の物理的バランスを維持して、メイン振動部１１０ｍの共振振動の振幅の低減および振動漏れを抑制することができる。なお、Ｔｂ＝ＣｐＴｐ／Ｃｂの関係を満たすことがさらに好ましい。
　次に、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分と、メイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍとサブ振動部１１０ｓの共振振動Ｂｓとの位相差との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図１４は、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差との関係を示すグラフである。図１４においては、縦軸に、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差(°)、横軸に、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率(％)を示している。
　なお、第２方向(Ｘ軸方向)における筒体１２０と拘束部１４０との間隔が大きくなるにしたがってサブ振動部の共振周波数が小さくなり、当該間隔が小さくなるにしたがってサブ振動部の共振周波数が大きくなる。
　図１４に示すように、サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数より低いとき、メイン振動部１１０ｍの共振振動とサブ振動部１１０ｓの共振振動との位相差は、０°以上８０°以下であった。点線Ｌａで示すようにメイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が７％のとき、メイン振動部１１０ｍの共振振動とサブ振動部１１０ｓの共振振動との位相差は、１２０°となった。
　次に、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分と、サブ振動部１１０ｓの共振振幅のメイン振動部１１０ｍの共振振幅に対する比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図１５は、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率との関係を示すグラフである。図１５においては、縦軸に、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率(％)、横軸に、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率(％)を示している。
　図１５に示すように、サブ振動部１１０ｓの共振振幅は、メイン振動部１１０ｍの共振振幅より小さい。サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数より高いとき、サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数に近いほどサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなった。
　点線Ｌａで示すようにメイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が７％のとき、サブ振動部１１０ｓの共振振幅のメイン振動部１１０ｍの共振振幅に対する比率は４０％であった。点線Ｌｂで示すようにメイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が２０％のとき、サブ振動部１１０ｓの共振振幅のメイン振動部１１０ｍの共振振幅に対する比率は１８％であった。サブ振動部１１０ｓの共振振幅のメイン振動部１１０ｍの共振振幅に対する比率が大きいほど、指向性の角度範囲を広くすることができる。
　図１５に示すように、サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が７％以上２０％以下のとき、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率と、サブ振動部１１０ｓの共振振幅のメイン振動部１１０ｍの共振振幅に対する比率とに、線形性が認められた。
　図１４および図１５に示すように、サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が７％以上２０％以下のとき、メイン振動部１１０ｍの共振振動とサブ振動部１１０ｓの共振振動との位相差を１２０°以上１８０°以内にしつつサブ振動部１１０ｓの共振振幅をメイン振動部１１０ｍの共振振幅の１８％以上４０％以下にすることができる。
　よって、第２方向(Ｘ軸方向)における筒体１２０と拘束部１４０との間隔を変更してサブ振動部１１０ｓの共振周波数をメイン振動部１１０ｍの共振周波数の１０７％以上１２０％以下の範囲内で調整することにより、メイン振動部１１０ｍの共振振動とサブ振動部１１０ｓの共振振動との位相差を１２０°以上１８０°以内にしつつサブ振動部１１０ｓの共振振幅をメイン振動部１１０ｍの共振振幅の１８％以上４０％以下である範囲Ｒ内で適宜選択して、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲を広くすることができる。
　上記のように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、メイン振動部１１０ｍの振動部位を小さくすることなく、サブ振動部１１０ｓを好適な共振モードで共振振動させることによって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。
　なお、本実施形態においては、超音波振動子１３０が圧電振動子である場合について説明したが、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を同様に駆動できるならば、超音波振動子１３０は、圧電振動子に限られず、静電駆動または電磁駆動される超音波振動子でもよい。
　また、サブ振動部１１０ｓの共振振動を同様に発生させることができるならば、拘束部１４０の形状は、矩形環状に限られない。以下、本発明の実施形態１の各変形例に係る超音波トランスデューサの拘束部について説明する。
　図１６は、第１変形例に係る拘束部を示す平面図である。図１６に示すように、第１変形例に係る拘束部１４０ａの形状は、正方形環状である。図１７は、第２変形例に係る拘束部を示す平面図である。図１７に示すように、第２変形例に係る拘束部１４０ｂにおいては、外形が正方形、内形が円形である。図１８は、第３変形例に係る拘束部を示す平面図である。図１８に示すように、第３変形例に係る拘束部１４０ｃにおいては、外形が正方形、内形が六角形である。図１９は、第４変形例に係る拘束部を示す平面図である。図１９に示すように、第４変形例に係る拘束部１４０ｄの形状は、円環状である。図２０は、第５変形例に係る拘束部を示す平面図である。図２０に示すように、第５変形例に係る拘束部１４０ｅの形状は、Ｕ字状である。図２１は、第６変形例に係る拘束部を示す平面図である。図２１に示すように、第６変形例に係る拘束部１４０ｆの形状は、第２方向(Ｘ軸方向)において互いに間隔をあけつつ第３方向(Ｙ軸方向)に延在する１対の直線状である。
　本実施形態においては、超音波振動子１３０は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子であったが、超音波振動子１３０は、他の型の圧電振動子であってもよい。以下、本発明の実施形態１の変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子について説明する。
　図２２は、第７変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図２２に示すように、第７変形例に係る超音波振動子１３０ａは、積層された２つの圧電体１３１を含む圧電素子である。２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、互いに等しい。超音波振動子１３０ａは、いわゆる、パラレル型のバイモルフ型圧電振動子である。
　図２３は、第８変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図２３に示すように、第８変形例に係る超音波振動子１３０ｂは、積層された４つの圧電体１３１を含む圧電素子である。４つの圧電体１３１のうち外側に位置する２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)の一方を向いており、４つの圧電体１３１のうち内側に位置する２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)の他方を向いている。超音波振動子１３０ｂは、いわゆる、マルチモルフ型圧電振動子である。
　図２４は、第９変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図２４に示すように、第９変形例に係る超音波振動子１３０ｃは、１つの圧電体１３１を含む圧電素子である。具体的には、圧電体１３１は、第１電極１３２および金属からなる振動板１３５に挟まれている。超音波振動子１３０ｃは、いわゆる、ユニモルフ型圧電振動子である。
　図２５は、本発明の実施形態１の第１０変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図２５に示すように、本発明の実施形態１の第１０変形例に係る超音波トランスデューサ１００ａは、外装部１１０と、筒体１２０ａと、超音波振動子と、拘束部１４０とを備える。筒体１２０ａは、有底筒状の形状を有している。筒体１２０ａは、金属で形成されている。筒体１２０ａの外側の底面に圧電体１３１が貼り付けられており、ユニモルフ型圧電振動子である超音波振動子が構成されている。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、外装部１１０における筒体１２０の内側に位置する部分であるメイン振動部１１０ｍは、超音波振動子１３０とは逆位相で共振振動する。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、第２方向(Ｘ軸方向)において外装部１１０における筒体１２０の外側かつ拘束部１４０の内側に位置する部分であるサブ振動部１１０ｓは、メイン振動部１１０ｍの共振振動に対する位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内で共振振動する。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、拘束部１４０は、環状の形状を有している。これにより、指向性の角度範囲を広げた第２方向(Ｘ軸方向)に直交する第３方向(Ｙ軸方向)に振動漏れが発生することを抑制することができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、超音波振動子１３０は、圧電体を含む圧電素子である。これにより、超音波トランスデューサ１００を簡易な構成にすることができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部１１０ｓの共振周波数がメイン振動部１１０ｍの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部１１０ｍの共振周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数との差分のメイン振動部１１０ｍの共振周波数に対する比率が７％以上２０％以下である。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲を広くすることができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、外装部１１０の横波の音速をＣｂ、圧電体１３１の横波の音速をＣｐ、メイン振動部１１０ｍの厚みの寸法をＴｂ、および、圧電体１３１の厚みの寸法をＴｐとすると、０．７ＣｐＴｐ／Ｃｂ≦Ｔｂ≦１．３ＣｐＴｐ／Ｃｂの関係を満たす。これにより、メイン振動部１１０ｍと超音波振動子１３０との振動時の物理的バランスを維持して、メイン振動部１１０ｍの共振振動の振幅の低減および振動漏れを抑制することができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部１１０ｓの共振振幅は、メイン振動部１１０ｍの共振振幅より小さい。これにより、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルが低くなりすぎることを抑制できる。
　本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部１１０ｓの共振振幅は、メイン振動部１１０ｍの共振振幅の１８％以上４０％以下である。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現することができる。
　(実施形態２)
　以下、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサは、筒体および拘束部が金属板部を介して外装部の内面に取り付けられている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図２６は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図２７は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図２６および図２７に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部２５０とを備える。
　筒体１２０および拘束部１４０の各々は、外装部１１０の内面１１１に沿って延在している金属板部２５０を介して内面１１１に取り付けられている。具体的には、外装部１１０の内面１１１に凹部１１２が形成されている。凹部１１２が形成されている部分の外装部１１０の厚みは、たとえば、１ｍｍである。なお、凹部１１２は、外装部１１０に必ずしも形成されていなくてもよい。
　金属板部２５０は、平板状である。金属板部２５０は、凹部１１２内に取り付けられている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部２５０の中央部に筒体１２０が取り付けられており、金属板部２５０の縁部に拘束部１４０が取り付けられている。金属板部２５０は、アルミニウムなどの金属で形成されている。金属板部２５０の厚みは、たとえば、０．５ｍｍである。
　メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々は、外装部１１０において凹部１１２が形成されて薄くなっている部分と金属板部２５０とで構成されている。
　メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々に金属板部２５０を付加することにより、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の横波の音速が大きくなる。一方、メイン振動部１１０ｍの厚みは薄くなっている。これに対応して圧電体１３１の厚みを調整する必要がある。凹部１１２が形成されている部分の外装部１１０の厚みが１ｍｍ、アルミニウムからなる金属板部２５０の厚みが０．５ｍｍである場合、圧電体１３１の厚みは、１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。
　外装部１１０を構成するポリプロピレンなどの樹脂は、低温で硬く、高温で柔らかくなる。そのため、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数が温度によって変化する。
　本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々において、温度による硬さの変化の少ない金属板部２５０を付加することにより、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。その結果、超音波トランスデューサ２００の温度特性を安定させることができる。
　また、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する外装部１１０の厚みを薄くすることにより、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。これによっても、超音波トランスデューサ２００の温度特性を安定させることができる。
　図２８は、本発明の実施形態２の第１変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子の周辺を示す縦断面図である。図２８に示すように、本発明の実施形態２の第１変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体１２０と金属板部２５０とによって形成されて内部空間が、シリコーンなどのダンピング材２６０によって埋められている。これにより、外装部側とは反対側への不要な超音波の放射および残響が生じることを抑制することができる。なお、ダンピング材２６０のヤング率は、たとえば、０．１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。外装部側とは反対側への不要な超音波の放射を抑制する観点では、ダンピング材２６０のヤング率は０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下であることが好ましく、残響を抑制する観点では、ダンピング材２６０のヤング率は１０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
　図２９は、本発明の実施形態２の第２変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。図２９に示すように、本発明の実施形態２の第２変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体１２０および金属板部２５０が一体で形成されている。具体的には、筒体１２０および金属板部２５０が、有底筒状の金属部材で構成されている。本変形例においては、筒体１２０と金属板部２５０との界面からの振動漏れを抑制することができる。
　(実施形態３)
　以下、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサは、金属板部にスリットが形成されている点が本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図３０は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図３１は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図３０および図３１に示すように、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ３００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部３５０とを備える。
　本実施形態においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部３５０のサブ振動部１１０ｓと重なる位置に、筒体１２０の外縁に沿って延在するスリット３５１が形成されている。スリット３５１は、第３方向(Ｙ軸方向)に延在している。スリット３５１は、第３方向(Ｙ軸方向)において断続的に形成されている。具体的には、スリット３５１は、第３方向(Ｙ軸方向)における筒体１２０の中央部および両端部の位置に形成されている。
　本実施形態においては、金属板部３５０に、筒体１２０の外縁に沿って第２方向(Ｘ軸方向)に延在するスリット３５２が形成されている。スリット３５１およびスリット３５２は、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、略矩形状に形成されている。
　ここで、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数とスリット３５１の長さとの関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図３２は、比較例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図３３は、第１実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図３４は、第２実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図３５は、第３実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。
　図３２に示すように、比較例に係る金属板部９５０においては、スリット３５１は形成されていない。図３３に示すように、第１実施例に係る金属板部３５０ａにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部に長さが４ｍｍのスリット３５１が形成されている。図３４に示すように、第２実施例に係る金属板部３５０ｂにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが８ｍｍのスリット３５１が形成されている。図３５に示すように、第３実施例に係る金属板部３５０ｃにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが１２ｍｍのスリット３５１が形成されている。
　図３６は、メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数とスリットの長さとの関係を示すグラフである。図３６においては、縦軸に、メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数(ｋＨｚ)、横軸に、スリットの長さ(ｍｍ)を示している。また、メイン振動部の共振周波数を実線、サブ振動部の共振周波数を点線で示している。
　図３６に示すように、スリット３５１の長さが長くなるにしたがって、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数が低くなった。特に、サブ振動部１１０ｓの共振周波数は、スリット３５１の長さが長くなるにしたがって顕著に低下した。
　このシミュレーション解析結果から分かるように、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部３５０のサブ振動部１１０ｓと重なる位置に、筒体１２０の外縁に沿って延在するスリット３５１を形成することにより、サブ振動部１１０ｓの共振周波数を低くすることができる。よって、第２方向(Ｘ軸方向)における筒体１２０と拘束部１４０との間隔を小さくしつつ好適な長さのスリット３５１を形成することにより、サブ振動部１１０ｓの共振周波数を維持しつつ超音波トランスデューサ３００を小型化することができる。第２方向(Ｘ軸方向)における筒体１２０と拘束部１４０との間隔を小さくすることにより、振動漏れを小さくすることができる。
　図３７は、本発明の実施形態３の変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。図３７に示すように、本発明の実施形態３の変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体１２０および金属板部３５０が一体で形成されている。具体的には、筒体１２０および金属板部３５０が、有底筒状の金属部材で構成されている。本変形例においては、筒体１２０と金属板部３５０との界面からの振動漏れを抑制することができる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１００，１００ａ，２００，３００　超音波トランスデューサ、１１０　外装部、１１０ｍ　メイン振動部、１１０ｓ　サブ振動部、１１１　内面、１１２　凹部、１２０，１２０ａ　筒体、１３０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ　超音波振動子、１３１　圧電体、１３２　第１電極、１３３　第２電極、１３４　中間電極、１３５　振動板、１４０，１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ，１４０ｅ，１４０ｆ　拘束部、１５０　処理回路、２５０，３５０，３５０ａ，３５０ｂ，３５０ｃ，９５０　金属板部、２６０　ダンピング材、３５１，３５２　スリット。

Claims (10)

  1. 　内面を有する外装部と、
    　前記内面に取り付けられた筒体と、
    　前記筒体に取り付けられており、前記内面に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
    　前記内面に取り付けられており、前記筒体に間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
    　前記内面に直交する第１方向から見て、前記外装部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは逆位相で共振振動し、
    　前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部の共振振動に対する位相差の絶対値が１２０°以上１８０°以下の範囲内で共振振動する、超音波トランスデューサ。
  2. 　前記拘束部は、環状の形状を有している、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 　前記超音波振動子は、圧電体を含む圧電素子である、請求項１または請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 　前記筒体および前記拘束部の各々は、前記内面に沿って延在している金属板部を介して前記内面に取り付けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 　前記第１方向から見て、前記金属板部の前記サブ振動部と重なる位置に、前記筒体の外縁に沿って延在するスリットが形成されている、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 　前記内面に凹部が形成されており、
    　前記金属板部は、前記凹部内に取り付けられている、請求項４または請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
  7. 　前記サブ振動部の共振周波数は、前記メイン振動部の共振周波数より高く、
    　前記サブ振動部の共振周波数と前記メイン振動部の共振周波数との差分は、前記メイン振動部の共振周波数の７％以上２０％以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  8. 　前記外装部の横波の音速をＣｂ、前記圧電体の横波の音速をＣｐ、前記メイン振動部の厚みの寸法をＴｂ、および、前記圧電体の厚みの寸法をＴｐとすると、
    　０．７ＣｐＴｐ／Ｃｂ≦Ｔｂ≦１．３ＣｐＴｐ／Ｃｂの関係を満たす、請求項３に記載の超音波トランスデューサ。
  9. 　前記サブ振動部の共振振幅は、前記メイン振動部の共振振幅より小さい、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  10. 　前記サブ振動部の共振振幅は、前記メイン振動部の共振振幅の１８％以上４０％以下である、請求項９に記載の超音波トランスデューサ。
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