JPH02288500A - 超音波トランスジユーサ - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は例えば距離の測定などに用いられる超音波ト
ランスジューサに関する。

（従来の技術） 第２図を参照しながら従来の超音波トランスジューサを
説明する。第２図において、付量１は円筒形をした面状
ケース、２はケース１の開口部を密閉するカバーで、ケ
ース１に接着により組み付けられて密閉容器が構成され
る。３はケースｌの底部内面に配設された例えばニオブ
酸リチウムからなる円板状の超音波振動子である。４は
円板状の押さえ部材保持板で、ケース１の内周面部に形
成された段部に押さえ部材保持板４の外周縁がネジ６で
固定されている。５はカバー２に取着された支柱である
。７は振動子押さえコイルスプリングである。このコイ
ルスプリング７はケース１の底部内面に８００℃で焼成
された接合部材で超音波伝播部材を兼ねる銀ペースト８
で接合された超音波振動子３とケース１の内周面部に外
周縁が固定された押さえ部材保持板４との間に介装され
、超音波振動子３を円形の絶縁板９を介してケース１の
底部に向けて常時付勢している。１０はケースヵバー２
を貫通して取り付けられたコネクタ、１１は電線で、コ
ネクタ１０と超音波振動子３とを接続している。１２は
シールコネクタ１０に接続されたケーブルである。

従来の超音波トランスジューサは上記のように構成され
、ケース１とケースカバー２によって密閉された超音波
振動子３に所定の電圧が印加されたときには、周波数が
２．５ＭＨｚでパルス巾５０μｓｅｃの超音波を発振し
、その超音波は銀ペースト８及びケース１の底部を透過
してケース１外に送り出される。このときの指向角は１
．３°（−６ｄＢ）でＳ／Ｎ比はせいぜい２０ｄＢであ
った。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような従来の超音波トランスジューサでは、ケー
ス１の底部内面に銀ペースト８で接合された超音波振動
子３は振動子押さえコイルスプリング７でケース１の底
部に向けて押圧されているが、その振動子押さえコイル
スプリング７の抑圧は超音波振動子３のケース接触面と
は反対側の面を均一に押圧する。したがって、ケース１
の底部内面にミクロにみてくぼみがあるときに、振動子
押さえコイルスプリング７の押圧力が均一なために超音
波振動子３のケース接触面の一部がケース１の底部内面
に倣わないことがある。そのため、空気層が一部に生じ
たり、銀ペースト８の厚さが不均一になり、超音波振動
子３で発生した超音波の透過率即ち音響の伝播効率が悪
くなる。また。

超音波の波形に歪みを生じさせ、Ｓ／Ｎ比が低下すると
と共にパルス巾が長くなって、距離分解能を低下させる
という課題があった。

また、コイルスプリング７が超音波振動子３の背面にあ
る場合、コイルスプリングの質量が小さいため、超音波
振動子３と一緒に振動し超音波振動子３の振動エネルギ
ーをケース１の底部側に放出できず、その結果Ｓ／Ｎ比
が低下すると共にパルス巾が長くなり所定の性能が得ら
れない。

さらに、コイルスプリング７での押さえ構造は昇温時の
コイルスプリング７のバネ定数の変化及びケース１及び
押さえ部保持板４の個々の熱膨張の達成で押さえ力が変
化し、高温下での前述のトランスジューサの性能が確保
し難くなる課題があった。

この発明はかかる課題を解決するためになされたもので
、Ｓ／Ｎ比が良好で、しかも距離分解能が向上しかつ、
環境変化に鈍感で安定した性能を確保できる超音波トラ
ンスジューサを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明に係る超音波トランスジューサは密閉された容
器と、この容器の底部内面に配設された超音波振動子と
、この超音波振動子と前記容器の底部内面との間に液体
を介在し該超音波振動子の上面に載置された絶縁部材と
、この絶縁部材上に配設され該絶縁部材側には前記超音
波振動子の中央に大きな力が加えられるような曲率面を
有しかつ前記絶縁部材の反対側には凹凸面を有する押し
金と、この押し金の凹凸面に接し外周縁が前記容器内面
に固定されかつ前記押し金を押圧して前記超音波振動子
を常時付勢−する板状スプリングとからなることを特徴
とする。

（作用） この発明においては、密閉された容器の底部内面に液体
を介して配設された超音波振動子は板状スプリングによ
って超音波振動子の下面に向けて押し金で絶縁部材を介
して容器の底部内面に押圧固定されている。したがって
、容器の底部内面にくぼみがあってもそのくぼみは液体
で充填され、超音波振動子の容器接触面が容器の底部内
面に柔軟に倣い、しかも温度変化による超音波振動子と
容器の底部内面との間に生じる熱膨張を板状スプリング
で付勢されて設けられた押し金が可動してシリコーンオ
イルと共に吸収する。また、超音波振動子と比較して充
分な質量を持つ押し金で超音波振動子を背面から押さえ
ていることで、超音波振動子の振動と共に押さえ構造（
従来はバネ構造）が共振することなく、超音波振動子の
振動を効率よく容器側へ伝搬できる。したがって、超音
波振動子で発生した超音波が容器を透過するまでの透過
率即ち音響の伝播効率が良好となると共に超音波の波形
の歪みを改善することができる。

（実施例） 第１図を参照しながらこの発明に係る超音波トランスジ
ューサの一実施例を説明する。第１図において、符号１
はステンレス鋼製ケース、２はステンレス鋼製カバー、
　１３はケース１内に配設されたチタン酸鉛系セラミッ
クスからなる円板状の超音波振動子で、キューり点が３
６０℃、電気機械結合係数０．４５、周波数が約２．５
ＭＨｚでパルス巾が２０μｓｅｃのもので、　ステンレ
スとは熱膨張係数が異なる。１４は板状スプリングで、
その外周縁はケース１の内周面部に形成された段部にネ
ジ６で固定されている。１５はカバー２の上面に取着さ
れた支柱、１６は軸方向に可動可能に配設された有底塊
状の金属製押し金である。１７はコネクタ２０の脚部と
ケーブル１２とが挿入される貫通孔である。

押し金１６の下面つまり絶縁部材１８側には超音波振動
子１３の中央に大きな力が加えられるような曲率面を有
し、その反対側の面には板状スプリング１４との接触面
積を大きくするためとずれを防止するだめに凹凸面が形
成されている。１８は柔軟性を有するたとえばポリイミ
ド製絶縁部材で、２５０℃の耐熱性、１０１７Ω／口の
絶縁性、Ｉ　Ｘ１０７Ｒａｄオーダ以上の耐放射性を有
する。１９は液体であるシリコーンオイルで、ケース１
の底部内面と超音波振動子１３との間に介在させられて
いる。

超音波振動子１３のケース１への取り付けは、まず、ケ
ース１の底部内面にシリコーンオイル１９を塗布し、し
かる後に超音波振動子１３をシリコーンオイル１９が塗
布されたケース１の底部内面に配設する。その超音波振
動子１３のケース接触面とは反対側の面に絶縁部材１８
としての柔軟性を有する耐熱シートであるポリイミドシ
ートを載置する。次にこのシート上に押し金１６及び板
状スプリング１４を配設する。そして、この板状スプリ
ング１４の外周縁をケース１の内周面に形成された段部
にネジ６で固定する。しかる後、スプリング１４の付勢
力によって超音波振動子１３はケース１の底部内面に抑
圧固定される。最後に、ケース１にカバー２をかぶせ、
その接合面を溶接で取り付ける。

上記のように構成された超音波トランスジューサにおい
ては、チタン酸鉛系セラミックからなる超音波振動子１
３はキューり点が３６０℃であるから、トランスジュー
サ使用条件が温度２００℃〜２５０℃であっても、温度
の影響を受けることなく正常に動作し、電気機械結合係
数が０．４５と従来のニオブ酸リチウムからなる超音波
振動子３の電気機械結合係数に比べて高く、電気・超音
波相互の変換効率が良好であり、超音波エネルギーが大
きくなってＳ／Ｎ比が向上した。また、ケース１の底部
内面に配設された超音波振動子１３は、押し金１６でポ
リイミドシート１８を介してケース１の底部内面に抑圧
固定され、その底部内面と超音波振動子１３のケース接
触面との間にはシリコーンオイル１９が介在しているか
ら、ケース１の底部内面にミクロにみてくぼみがあって
も、そのくぼみはシリコーンオイル１９で充填され、更
に、押し金１６で超音波振動子１３がポリイミドシート
１８を介して局所的に押圧される。そのため、超音波振
動子１３のケース接触面がケース１の底面内面に柔軟に
倣い、しかも温度変化による超音波振動子１３とケース
１の底部内面との間に生じる熱ｐｌＢ張による歪みを押
し金１６が可動してシリコーンオイル１９と共に吸収す
る。

また、超音波振動子１３と比較して充分な質量を持つ押
し金１６で超音波振動子１３を背面から押さえているこ
とで、超音波振動子１３の振動と共に押さえ構造（従来
はバネ構造）が共振することなく、超音波振動子１３の
振動を効率よく容器側へ伝搬できる。さらに、超音波振
動子１８で発生した超音波がケース１を透過するまでの
透過率、即ち音響の伝播効率が良好となり、Ｓ／Ｎ比が
向上すると共に超音波の波形に歪みを生じさせることが
なくなる。従って、Ｓ／Ｎ比が向上すると共にパルス巾
が短かくなり、距離分解能も向上する。また、押し金１
６と超音波振動子１３とを絶縁するために設けられる絶
縁部材１８をポリイミドシートとしたのは耐熱性を有し
、しかも柔軟性があり、押し金１６で超音波振動子１３
を押圧したときに、抑圧調整することができ、しかもケ
ース１の底部内面に倣わせるに最適なものだからである
。

一般に押し金１６のような剛体で超音波振動子１３を押
さえつけた場合、超音波振動子１３の振動が剛体内部を
超音波伝導媒体として伝達する可能性がある。もし、こ
のような現象が起った場合、押し金１６の超音波振動子
１３と接している面と反対面で超音波が反射してケース
から入力する信号へのノイズになりかねない。このこと
を考慮して押し金１６の振動子１３との反対側には第１
図に示すごとくある傾きを設けて反射波を振動子１３に
戻すのを防止する効果がある。このことで、超音波振動
子１３は裏面からのノイズ入力もなく、ケース側からの
信号を確実に捉らえることができ、その結果、高いＳ／
Ｎ比が得られるトランスジューサを提供することができ
る。

更に、チタン酸鉛系セラミックスからなる超音波振動子
１３はニオブ酸リチウムのような襞間性がないから１割
れ難く、熱衝撃にも強い、従って、超音波振動子製造時
の歩留りが良好となると共に寿命も向上する。

なお、この実施例では、超音波振動子１３がキューり点
３００℃以上のチタン酸鉛系セラミックスで形成されて
いるが、これに限るものではなく、ケース１と熱膨張係
数が異なっても、電気機械結合係数が大きく、高温用の
ものであれば、この発明を適用し得ることは勿論である
０例えばチタン酸鉛系セラミックス以外のものとしてジ
ルコン酸チタン酸鉛系セラミックスがある。また、この
実施例では、絶縁部材１８としてポリイミドシートを用
いているが、絶縁性を有し、柔軟性がある材質であれば
、これに限られないことは勿論である。また、液体とし
てシリコーンオイル１９を用いているが、他のオイル、
液体金属を用いても、シリコーンオイルと同様の機能を
発揮することはいうまでもない。さらに、この実施例で
は容器をステンレス鋼で構成されているが、他の金属、
セラミックス、エンジニアリングプラスチックで構成す
るようにしてもこの発明を実施し得ることは勿論である
。

〔発明の効果〕

この発明によれば密閉された容器の底部内面に液体を介
して配設された超音波振動子は容器に固定されたスプリ
ングによって超音波振動子の下面に向けて常時付勢され
た有底円筒状の押し金で。

絶縁部材を介して容器の底部内面に押圧固定される。し
たがって、容器の底部内面にくぼみがあってもそのくぼ
みは液体で充填され、空気層がなくなる。また、超音波
振動子の容器接触面が容器の底部内面に柔軟に倣い、し
がも温度変化による超音波振動子と容器の底部内面との
間に生じる熱膨張を各振動子押さえネジの先端部にスプ
リングで付勢されて設けられた押し金が可動してシリコ
ーンオイルと共に吸収する。

超音波振動子と比較して充分な質量を持つ押し金で超音
波振動子を背面から押さえていることで、超音波振動子
の振動と共に押さえ構造（従来バネ構造）が共振するこ
となく、超音波振動子の振動を効率よく容器側へ伝搬で
きる。したがって、超音波振動子で発生した超音波が容
器を透過するまでの音響の伝播効率が良好となり、Ｓｌ
Ｎ比が向上すると共に超音波の波形に歪みを生じること
がなく、かつパルス巾が短かくなって、距離分解能が向
上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る超音波トランスジューサの一実
施例を示す縦断面図、第２図は従来の超音波トランスジ
ューサを示す縦断面図である。 １ケース　　　　　　２“°カバー ６・・・ネジ　　　　　　１２由ケーブル１３・・・超
音波振動子　　１４・・・板状スプリング１６・・・押
し金　　　　　１７川貫通孔１８・・・絶縁部材　　　
　１９・・・シリコーンオイル２０・・・コネクタ 代理人　弁理士　猪股祥晃（はが１名）茅 Ｉ 図 手 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　密閉された容器と、この容器の底部内面に配設された
   超音波振動子と、この超音波振動子と前記容器の底部内
   面との間に液体を介在し該超音波振動子の上面に載置さ
   れた絶縁部材と、この絶縁部材上に配設され該絶縁部材
   側には前記超音波振動子の中央に大きな力が加えられる
   ような曲率面を有しかつ前記絶縁部材の反対側には凹凸
   面を有する押し金と、この押し金の凹凸面に接し外周縁
   が前記容器内面に固定されかつ前記押し金を押圧して前
   記超音波振動子を常時付勢する板状スプリングとからな
   ることを特徴とする超音波トランスジューサ。