JPS6055798A - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、空中での超音波応用計測に必要な超音波送受
波器に関するものである。

従来例の構成とその問題点 空気中での超音波を送受波するだめの装置には、圧電セ
ラミクスの貼り合せ型素子が多く用いられており、上記
貼り合せ型素子のたわみ振動の共振点・反共振点で使用
するように作られている・また、空気の機械的インピー
ダンスは圧電セラミクスのそれに比して著しく小さいた
め、貼り合せ型圧電素子を振動板と結合させて機械的イ
ンピーダンスの低下を図っている。

従来の超音波送受波器の構造と特性を第１図および第２
図にそれぞれ示す。第１図に示すように、貼り合せ型圧
電素子１の中心部に結合軸２が貫通固定され、この結合
軸２に振動板３が取付けられている。そして、貼シ合せ
型圧電素子１の振動の節部が支持台４の先端に弾性接着
剤５をもって固定されている。なお、６，６′は端子、
７は貼り合せ型圧電素子１等を覆うケース、８はケース
７の上部に形成された透孔に取り付けられた保獲用メツ
シュ、９，９′は、貼り合せ型圧電素子１と端子６，６
′を電気的に接続しているリード線である。

第２図は、上記構造の超音波送受波器を複数個のパルス
で駆動したときの送受波形を示したもので、立上がり、
立下がり時間が遅く、２ミリ秒以」二にも及ぶものであ
った。

このような従来の超音波送受波器を用いて、短い時間間
隔で測定情報を得る必要がある場合、受波器によって受
信された信号は、立上がり、立下がり時間が長いために
、受信信号がピーク値になる寸での時間がかかる。ある
いは受信信号が立下がる前に次の信号が受信される等、
正確な測定情報が得られなかった。

また、送受波を単体の素子で行なわせる場合、送波させ
てただちに受信可能な状態になるまで、かなりの時間を
要し、その間、測定消￥には得られなかった。

さらに圧電セラミクスを用いた超音波送受波器に尖鋭な
指向特性を要求すると、振動板、貼り合せ型圧電素子お
よび貼り合せ型圧電素子を支持するだめの支持台が著し
く大きくなるという欠点があった。たとえ大きな振動板
を用いても、ピストン振動させることは困難であるため
、指向特性を著しく尖鋭にすることは不可能であった。

そこで、ホーンを用いて指向特性を尖鋭にしようとする
と、機械的Ｑを低下させてパルス特性を改善することは
一層困難となった。

発明の目的 本発明は過渡特性と送受波感度特性の良好な超音波送受
波器を提供しようとするものである。

発明の構成 本発明は、貼り合せ型圧電素子の中心部に振動板を設け
、機械的振動を抑制するように振動板の周囲を弾性ゴム
等の弾性材でケースに弾性的に固定することによシ、急
峻な過渡特性を有する超音波送受波器を実現し、送受波
感度特性と温度特性を改善したものである。

実施Ｖりの説明 以下、本発明の一実施例について、図を用いて説明する
。第３図はこの実施例の超音波送受波器の断面図である
。

貼り合せ型圧電素子１１の中心部に配した結合軸１２に
金属あるいは樹脂より形成された振動板１３が取り付け
られている。振動板１３０周辺部（は、機械的振動を抑
制するように円環状に形成された弾性ゴム等の緩衝材２
０を介して、円筒状のケース１７の内側面に弾性的に固
定されている。

ケース１７の底部には吸音材２１が設けられている。振
動板１３の前方には、中心部に円状の開口部２２と、結
合軸１２を通過する直線を中心にした同心円周上に設け
た他の開口部２２’、２２’とを有する薄板２３が設置
されている。薄板２３と貼り合せ型圧電素子１１等を覆
うケース１７とは、放物面ホーン２４の喉部に嵌入され
保持されている。１９．１９’は貼り合せ型圧電素子１
１と端子１ｅ、１６′を電気的に接続しているリード線
である。

上記薄板２３の開口部２２．２２’　、２２″は、貼り
合せ型圧電素子１１の大きさ・厚さ、振動板１３の大き
さ・厚さ・中心角、緩衝材２０の内径等に依存し、最適
形状が異なる。その代表的なものを第４図に示す。

なお、上記薄板２３の開口部２２．２２’　、２２”の
大きさ・形状、薄板２３の厚さ、薄板２３と振動板１３
の間の容積等によって決定される共振周波数ｆ。は、緩
衝材２ｏによシ弾性的に固定された振動板１３を中心部
に有する貼り合せ型圧電素子１１の共振周波数ｆｒ　か
ら反共振周波数へ　までの範囲の値に設定されている。

次に上記本発明の構造による超音波送受波器の過渡特性
を第５図に示す。パルスの立上り・立下り時間は０．２
　ミリ秒以下を示すようになった。

第６図に、緩衝材２０により弾性的に固定された振動板
１３を中心部に有する貼り合せ型圧電素子１１の共振周
波数ｆｌ＋反共振周波数ｆａ　と、開口部２２．２２’
　、２２’、薄板２３と振動板１３の同の容積等によっ
て決定される共振周波数ｆｏ　との関係を変化したとき
、本超音波送受波器の送波音圧レベルと受波感度の周波
数特性を示す。

ｆ＜ｆｒ’！、たはｆ。＞へ　のとき、それぞれの最大
周波数で、送波音圧レベルが約１２３ｄＢ、受波感度が
−ｓ　ｅｉ　ｄＢ程度であった。

ｆｏをｆｒ≦ｆｃ≦ｆａとなるように設定することによ
り、送波音圧レベノペ受波感度が増大したことが明確と
なった。

また周囲温度の変化とともに送波音圧レベル及び受波感
度の周波数特性が変化している。

この変化は、開口部２２．２２’　、２２”、薄板２３
と振動板１３０間の容量等によって共振する波長λ。が
温度に依存しなくほぼ一定であるのに対し、音速■は変
化するため、その共振周波数ｆｏ　は、ｆ０＝■／λ０
で示される式にしたがって変化することに起因している
からである。

しかしながら、第６図（−）、（時、（→から明確なよ
うに、本超音波送受波器をほぼＣｆｏ−３）ｋｌｋから
Ｃｆｃ−ｊ）ｋｌｚの設定周波数で使用することにより
、送波音圧レベルと受波感度の温度特性は、いちじるし
く改善された。なお、図の曲線Ａ、Ｂは送波音圧レベル
を、また同Ｃ，Ｄは受波感度をそれぞれ示す。

発明の効果 以上のように、本発明の超音波送受波器は、良好な過渡
特性と高い送受波感度特性を有し、音波を用いた距離計
等、超音波応用計測にはきわめて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波送受波器の一例を示す断面図、第
２図はその過渡特性を示す図、第３図は本発明の超音波
送受波器の一実施例を示す断面図、第４図は同超音波送
受波器の薄板の一実施例を示す正面図、第６図は同超音
波送受波器の過渡特性を示す図、第６図は同超音波送受
波器の感度周波数特性の温度変化と、共振周波数ｆ。の
設定条件との関係を示す図である。。 １１・・・・・・貼り合せ型圧電素子、１３・・・・・
・振動板２０・・・・・・緩衝材、２１・・・・・・吸
音材、２２　、２ｉ。 ２２′・・・・・・開口部、２３・・・・・・薄板、２
４・・・・・・ホーン。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動板を設けた貼シ合せ型圧電素子と、前記貼り
   合わせ型圧電素子を封入するケースとから少なくとも構
   成される電気音響変換部を有し、前記ケースの開口部と
   前記ケース内でかつ前記振動板前面の容積によって決定
   される共振周波数を、前記電気音響変換部の共振周波数
   から反共振周波数までの範囲内に設定したことを特徴と
   する超音波送受波器。
2. （２）　電気音響変換部の前方に複数個の開口部を有す
   る薄板を設置し、前記電気音響変換部と前記薄板とをホ
   ーンに絹み込んだことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の超音波送受波器。
3. （３）電気音響変換部が、振動板の周辺部とケースの内
   側面とに接触するように配されている緩衝材により、機
   械的振動を抑制するように前記振動板を前記緩衝材によ
   り前記ケースに弾性的に固定したことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の超音波送受波器。