JPH0540638Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

産業上の利用分野 本考案は圧電体バイモルフを超音波振動子とし
て有する超音波センサと、内口径が漸次拡大する
いわゆるホーンとを組み合わせてなる超音波トラ
ンスジユーサに関するものである。 従来の技術 従来より超音波センサとホーンとを組み合わせ
た超音波トランスジユーサは種々のものが知られ
ているが、特に指向特性を改善できるものとして
超音波センサとホーンとの連接部に適宜の空間を
形成した構成の超音波トランスジユーサが、特開
昭53−107326号公報，特開昭53−107327号公報等
にて提案されている。 前者の特開昭53−107326号公報に開示された超
音波トランスジユーサは、超音波センサとホーン
喉部とを筒状体で連接すると共に、その筒状体の
ホーンとの連結部端、即ち先端内周部にホーン喉
部の内口径と筒状体の内口径のそれぞれより口径
の小さい円形孔を有する仕切板を設けたものであ
る。 後者の特開昭53−102327号公報に開示された超
音波トランスジユーサは、超音波センサとホーン
喉部を筒状体で連接すると共にその筒状体の中間
部にホーン喉部の内口径と筒状体の内口径のそれ
ぞれより口径の小さい円形孔を有する仕切板を設
けたものである。 かかる従来の超音波センサは、振動板とホーン
喉部との間に空気室を有する超音波送受波器を開
示している実公昭50−42755号公報にも記載され
ているように、両者共、筒状体によつて形成され
る大口径空間と仕切板によつて形成される小口径
空間とによつて音響インピーダンスを高める音響
フイルタを構成することにより、共振作用を利用
して超音波の送受信動作を行なうようになしたも
のであると思われる。 尚、どういう理由で指向特性が改善されるのか
については前述した両公報共実側結果の開示にと
どまり記載されておらず不明である。 考案が解決しようとする問題点 上述した２種の超音波トランスジユーサはいず
れも指向特性を改善できるものであるが、実用化
を考えた場合依然として以下に述べる如くの問題
点を有している。 即ち、前述した改善は、あくまで共振動作が行
なわれることを前提とすることになるわけである
が、下記理由により上記共振動作は超音波センサ
の構造や装置の製造上の寸法精度あるいは媒質の
状態による影響を大きく受け、従つて、所望の改
善効果を安定して得ることは実際には極めて困難
となり、製品化する場合歩留まりが極めて悪くな
る問題点を有しているわけである。 以下、上記如くの問題点を生じる理由について
述べてみる。 先ず、超音波センサの構造について考えてみる
が、前述した両公報に開示の超音波センサは外観
図だけであり、その内部構成が全く不明である。 ところが、本願考案者の検討によると、超音波
センサの内部構成は数十ＫHz以上の高周波数領域
においては大きく超音波トランスジユーサの特性
に影響を及ぼすことが確認できた。 即ち、超音波センサとしては種々のものが知ら
れているが、先に述べた筒状体の形成する空間と
結合できる空間を超音波センサ内部に有するもの
は、数十ＫHzの高周波領域では、音響フイルタを
介してホーンと連接した場合、大きく感度が低下
することがわかつた。 換言すれが、上記如くの場合、指向特性は改善
できるが、実際に製品化できる超音波トランスジ
ユーサを得るための所望の音響フイルタは、形成
できないことになり、従つて、音響フイルタの効
果は、数十ＫHzの周波数対応の場合、あらゆる超
音波センサにて得られるとみなすことは、実用化
を考えた場合好ましいとはいえないわけである。 従つて、音響フイルタ使用の実用化に有効な効
果を得ようとすれば、少なく共音響フイルタを形
成する空間と結合する空間を有さない超音波セン
サの内部構成を設計し、確実に所望の音響フイル
タを形成しなけらばならない必要性を有している
わけであり、もしかかる点を配慮しなければ到底
数十ＫHz以上の高周波領域での実用化は望めない
問題点を生じることになる。 次に、上述した超音波センサの内部構成が、音
響フイルタとの結合空間を有さないよう配慮され
たと仮定して先に述べた音響フイルタの構成を考
えると、筒状体の内壁に囲まれた空間が音響キヤ
パシタンスＣに該当し、仕切板の円形孔によつて
形成される空間が音響インダクタンスＬに該当す
ることになる。 従つて、その共振周波数は、 ＝１／2π√. ……(1) で決定されることになり、上記音響キヤパシタン
スＣおよび音響インダクタンスＬ自身は、夫々、 Ｃ＝Ｖ／ρ.v² ……(2) Ｌ＝ρ.l／Ｓ ……(3) で示されることになる。尚、上記(2)，(3)式中にお
ける各符号は、夫々、Ｖ：空間の体積，ρ：媒質
密度，Ｖ：音速，ｌ：管（空間）の厚み，Ｓ：管
（空間）の断面積を示している。 また、上記各式の関係について詳細な説明は、
電気音響工学概論（昭和46年、川村雅恭著，昭和
堂発行）に示されておりここでは省略する。 さて、上記(1)，(2)，(3)式を適用して任意の音響
フイルタにおける共振周波数について計算して
みると、実際に共振動作が行なわれる周波数₁よ
り小さな値が算出された。 そこで、音響インダクタンスＬを形成する空
間、即ち先に示した従来装置にあつては仕切板の
円形孔はそのままで音響キヤパシタンスＣを形成
する空間の構成の１つである筒状体の長さを漸次
変化させ、実際に共振する共振周波数を測定して
みると、長さを長くする程低い共振周波数となる
ことがわかつた。即ち、実側値は前述した各式よ
り求めた計算値とは異なるもののその変動傾向は
上記各式によつて考えられる傾向と合致すること
になるわけである。 尚、実側値と計算値が合致しない理由としては
種々の理由があると思われるが、超音波センサに
おける振動体の形状が有限であり、その振動形態
が完全なピストン振動形態とならないことが最も
強く影響していると思われる。 一方、実用化に際しては、もちろん上記如くの
点を考慮して超音波センサを駆動させる適宜の周
波数に対応した、即ち共振できる音響フイルタの
設計がなされることになる。換言すれば、使用し
たい周波数で駆動できる超音波センサが選択され
れば前述した各式、センサの大きさ等を考慮して
適宜音響キヤパシタンスＣおよび音響インダクタ
ンスＬを形成する空間の仕様が決定されることに
なるわけである。 種々の検討により具体的な仕様が決定されれ
ば、次に実際の製造、即ちホーン，筒状体，仕切
板，超音波センサが製造され、超音波トランスジ
ユーサとして組み合わさせることになる。 ところが、ここで上記各部材の寸法精度を考え
てみると、ホーン，筒状体、仕切板については、
その構造が簡単であり十分な精度を有して製造で
きることになるが、超音波センサは、圧電体バイ
モルフ、付加振動子等多数の部品の組み合わせ体
であるため、どうしても十分な精度のものが得ら
れない。 従つて、超音波トランスジユーサを構成するべ
く筒状体，ホーン等と組み合わせる場合、筒状体
に対する位置にばらつきを生じてしまうことにな
る。 超音波センサの筒状体に対する位置がばらつく
ということは、前述した音響フイルタにおける音
響キヤパシタンスＣが変動するということであ
り、もし変動すれば、ホーン，筒状体等が精度良
く製造されていても音響フイルタとしての共振周
波数は、初期設定とは異なる値に変動してしまう
ことになるわけである。 音響フイルタの共振周波数が初期設定値と異な
れば、超音波センサの駆動される周波数との間で
共振動作を行なうことはできなくなり、この結果
超音波トランスジユーサとしての特性はいうまで
もなく悪くなり、所望の特性は得られなくなるわ
けである。 換言すれば、冒頭に述べた従来の超音波トラン
スジユーサは、まず音響フイルタの確実な形成に
注意を払わねばならず、また確実に形成できたと
しても超音波センサが有する製造上十分な寸法精
度を得ることができない問題点を補償することが
できず、従つて実用化を考えた場合、所望の特性
を安定して得ることが極めて困難となる問題点を
有しているわけである。 さらに、音響フイルタの共振周波数は前述の
(1)，(2)，(3)式からも明らかではあるが、媒質（一
般には大気と考えられる。）の状態によつて変動
することになる。従つて、例えば製造時における
任意の状態で超音波センサの周波数と音響フイル
タの共振周波数が正合し共振動作が得られたとし
ても、媒質の状態が上記任意の状態と異なれば共
振動作は行なわれなくなり、上述した音響キヤパ
シタンスＣの変動時同様超音波トランスジユーサ
として望んでいた特性を安定して得ることができ
ない問題点を先に述べた従来装置は有することに
なるわけである。 問題点を解決するための手段 本考案は上記如く問題点を解決するため、超音
波センサの内部において振動子である圧電体バイ
モルフに設けられる付加共振子の周囲に上記圧電
体バイモルフとの間で配設される環状緩衝部材の
外径寸法を音響フイルタにおける音響キヤパシタ
ンスを形成する空間径より大きくすると共に、超
音波センサのホーンへの連結部を超音波センサの
ホーンに対する位置を任意に制御できる連結構
成、例えば弾性部材を介してのネジの締め付けを
利用した連結構成となしたものである。 さらに、本考案は上記如くの連結構成を弾性部
材とネジの締め付けを利用すると共に媒質の特性
変化の割合に応答して機械的変位を生じる制御部
材を上記弾性部材に加えて介在せしめた構成とな
したものである。 作 用 本考案は上記した連結構成により、音響キヤパ
シタンスと超音波センサ内部の空間との結合を生
じにくくできると共に、超音波センサの音響フイ
ルタに対する位置関係を例えばネジの締め付け強
度の制御による弾性部材の変位によつて調節でき
ることになり、超音波センサの製造上の寸法誤差
による悪影響を補償できることになる。 また、本考案は上記した構成により媒質の特性
変化に対応した制御部材の変位を上記弾性部材の
変位に加えられることになり、媒質の特性変化に
よる悪影響をも上記寸法誤差によ悪影響に加えて
補償できることになる。 実施例 第１図は本考案による超音波トランスジユーサ
の一実施例を示す断面図であり、図中、１は超音
波センサを示し端部２₁を有するケース２、圧電
体バイモルフ３、付加振動子４、環状緩衝部材
５、電極６等から構成されている。尚、上記ケー
ス２は第２図に示した如くの形状を有し、その端
部２₁にはネジ穴２₂が設けられている。 ７は内口径が漸次拡大するホーン、８はホーン
７の喉部に固着され音響フイルタを構成する音響
部材を示し、かかる音響部材８は音響キヤパシタ
ンスＣを形成する第１空間９および音響インダク
タンスＬを形成する第２空間１０を有している。 １１はケース２の端部２₁とホーン７の喉部側
の端部７₁との間に介在せしめられる弾性部材、
１２はケース２とホーン７とを夫々の端部２₁，
７₁および弾性部材１１を介して連結するための
ネジを示し、これらがかかる第１図の実施例にお
ける超音波センサ１のホーン７に対する位置を制
御する連結構成となることはいうまでもない。 第１図からも明らかではあるが、かかる実施例
における超音波センサ１は、その内部に設けられ
付加振動子４、圧電体バイモルフ３の振動動作を
制御し超音波の送信停止後の余剰振動を抑制する
機能を有する環状緩衝部材５の外径Ｒが音響部材
８の有する音響キヤパシタンスを形成する第１空
間９の内径ｒよりも大きくなされており、上記第
１空間９がケース２の内部の適宜の空間と結合し
にくくなるように、即ち所望の音響フイルタが確
実に形成されるように配慮されている。 さらに、超音波センサ１はホーン７に、ケース
２の端部２₁を弾性部材１１を介してネジ１２に
よりホーン７の喉部側の端部７₁に締め付けるこ
とにより、固着されることになる。 従つて、超音波トランスジユーサ製造時におい
て共振動作を確認しながら上記ネジ１２の締め付
け強度を調節してやれば、音響キヤパシタンスを
形成する第１空間９の体積を制御できることにな
り、超音波センサ１の製造上の寸法誤差による上
記第１空間９のバラツキを補償できることになる
わけである。 第３図イ，ロは本考案による超音波トランスジ
ユーサの他の実施例を示す要部断面図であり、図
中、第１図と同図番のものは同一機能部材を示し
ている。尚、第３図においては省略しているが、
超音波センサ１の内部構成は第１図に示した実施
例と等しくなされていることはいうまでもない。 第３図イに示した実施例は、連結構成として超
音波センサ１のケース２の端部２₁の一方に弾性
力を持たせると共にホーン７の喉部側の端部７₁
の長さをl₁だけ異ならしめ、即ち上述した弾性力
を持たせた端部２₁が固着される側のホーンの喉
部側の端部７₁を長くした構成を有し、他方の端
部２₁と喉部側の端部７₁との関係をネジ１２の締
め付け強度により制御し超音波センサ１のホーン
７に対する位置を上述した弾性力を有するケース
２の端部２₁と長く形成されたホーン７の喉部側
の端部７₁との固着点を中心に適宜決定するもの
である。 従つて、音響フイルタを構成する音響キヤパシ
タンスを形成する第１空間９の体積を適宜制御で
きることはいうまでもなく、第１図に示した実施
例同様、上記ネジ１２による締め付け強度は、そ
の製造時共振動作の確認と共に行なわれることに
なる。 第３図ロに示した実施例は、連結構成として音
響部材８と超音波センサ１との間に弾性力を有し
た蛇腹構成１３を設けたものである。 従つて、ネジ１２の締め付け強度の制御によつ
てかかる実施例の場合、蛇腹構成１３の伸縮が制
御されることになり、この結果先の実施例同様音
響フイルタを構成する音響キヤパシタンスを形成
する第１空間９の体積が制御されることになるわ
けである。 尚、第３図ロの実施例もその製造時共振動作の
確認を行ないながらネジ１２の締め付け強度の制
御がなされることはいうまでもない。また、上述
した第３図イ，ロに示した実施例にあつては、ケ
ース２の端部２₁とホーン７の喉部側の端部７₁と
のネジ１２を介しての連結部は、上述したような
共振動作を確認しながらのネジ１２の締め付け強
度の制御が終了すると、以降は超音波センサ１が
移動しないようボンド等で固着されることが望ま
しいこともいうまでもない。 さて、上述してきた各実施例は製造時における
ネジ１２の締め付け強度の調整により共振動作を
得るものであるが、かかる共振動作は、上記製造
時の環境においてのみ行なわれるものである。即
ち、媒質の温度が変動すれば音速が変化するた
め、音響フイルタの共振周波数は変動すること
になり、従つて製造時の温度条件と異なる箇所に
おいては、所望の共振動作を行なうことができな
い場合が生じることが考えられる。 かかる点より、上述してきた実施例は、温度環
境が製造時と大きく変化するような箇所において
は安定した特性を期待することができず、以下、
上記如くの温度環境を考慮した実施例について述
べる。 第４図は本考案による超音波トランスジユーサ
のさらに他の実施例を示す要部略断面図であり、
前述した実施例における製造誤差に対する音響キ
ヤパシタンスの補償に加えて一般的な媒質である
大気の状態変化、即ち温度変化による音速の変化
にも追従できる超音波トランスジユーサの一実施
例を示している。 図中、第１図〜第３図と同図番のものは同一機
能部品を示している。１４は温度変化に対応して
機械的変位を生じるバイメタル、１５はバイメタ
ル１４と超音波センサ１とを連結する連結部材を
示し、かかる構成と弾性部材１１、ネジ１２とに
よつて、第４図の実施例における連結構成が形成
されている。 尚、第４図に示した実施例において、バイメタ
ル１４は温度が下降すると図面の上方向、即ち音
響部材８方向へ、逆に温度が上昇すると音響キヤ
パシタンスを形成する第１空間を拡げるべく図面
の下方向へ変位する如くの特性となるよう配設さ
れている。 これは、先に示した(1)式を(2)、(3)式を参照して
変形すると ＝ｖ／2π√. ……（1′） となり、音響部材８によつて形成される音響フイ
ルタの共振周波数は、音速によつて変化するこ
とが明らかであり、一方ここで音響インダクタン
スＬを一定として上記（1′）式を変形すると、
＝Ｋ・ｖ／√Ｖ ただし

【式】 と表わすことができる。 即ちｖ／√が一定とできれば、共振周波数
を一定とすることができるわけである。 ところで、上記ｖ／√の内温度によつて変化
する音速ｖの対温度特性は、周知の如く温度が高
くなればなる程速くなる。 従つて、√を温度上昇にともない大きくして
やれば、ｖ／√を一定とすることができ、この
結果、先にも述べたように温度が下降すれば音響
キヤパシタンスを形成する第１空間９を小さくす
る方向に、逆に温度が上昇すれば上記第１空間９
を大きくする方向に超音波センサ１が移動する如
くにバイメタル１４は設けられるわけである。 さて、上記如くの構成を有する超音波トランス
ジユーサは、音響フイルタを構成する音響キヤパ
シタンスが、温度変動に応じた超音波センサ１の
移動による第１空間９の自動的な変化およびネジ
１２の締め付け強度による第１空間９の任意の変
化という２つの要因にて制御されることになり、
従つて、製造過程における温度環境に関係なく、
即ちその時々の温度環境にて共振動作が行なわれ
るようネジ１２の締め付け強度を調整するだけで
極めて特性の安定した超音波トランスジユーサを
得られることになる。 考案の効果 本考案は、音響フイルタの音響キヤパシタンス
を形成する空間を環状緩衝部材にて略規定すると
共に、超音波センサを弾性部材を介してのネジ締
め機構によりホーンあるいは音響フイルタに対す
る位置設定を行なうことができるため、確実に所
望の音響フイルタを形成でき、かつその形成され
た状態で超音波センサの製造上の寸法誤差による
音響キヤパシタンスへの影響を補償することがで
きる効果を有し、従つて所望の共振動作を得られ
ることになり指向特性の改善と共に極めて感度の
高い超音波トランスジユーサを提供できることに
なる。 本考案は、上記弾性部材に加えてさらに媒質の
特性変化に応じて機械的変位を生じる制御部材を
上記ネジ締め機構に介在させたため、媒質の特性
変化が生じても、共振周波数を自動的に一定とな
るよう制御できることになり、よつてより安定し
た所望の共振動作が得られ、指向特性が改善され
かつ高感度の超音波トランスジユーサを安定して
提供できることになる効果も有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による超音波トランスジユーサ
の一実施例を示す断面図、第２図は第１図中図番
２で示されるケースの斜視図、第３図イ，ロは本
考案による超音波トランスジユーサの他の実施例
の要部を示す略断面図、第４図は本考案による超
音波トランスジユーサの更に他の実施例の要部を
示す略断面図を夫々示している。 １……超音波センサ、２……ケース、３……圧
電体バイモルフ、４……付加共振子、５……環状
緩衝部材、６……電極、７……ホーン、８……音
響部材、９……第１空間、１０……第２空間、１
１……弾性部材、１２……ネジ、１３……蛇腹構
成、１４……バイメタル、１５……連結部材。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 喉部から開口端に向かうにつれ内口径が徐々
   に拡大するホーンと、音響キヤパシタンスを形
   成する大口径の第１空間および音響インダクタ
   ンスを形成する小口径の第２空間を備え前記喉
   部に配設される音響部材と、前記音響部材に連
   接して配設される、付加振動子が固着された圧
   電体バイモルフを振動体として任意のケース内
   に有する超音波センサとから構成される超音波
   トランスジユーサにおいて、送信終了後の余剰
   振動を抑制するべく前記付加振動子と圧電体バ
   イモルフ間に設けられる環状緩衝部材の外径を
   前記第１空間の口径より大きく設定すると共
   に、前記超音波センサが前記音響部材に対する
   位置を任意に制御できる連結構成を介して前記
   音響部材に連接された超音波トランスジユー
   サ。 (2) 超音波センサはホーンの喉部側の端部と連結
   され、連結構成は、前記超音波センサのケース
   端部と前記喉部側の端部との間に設けられる弾
   性部材と、前記ケース端部を前記喉部側の端部
   に、前記弾性部材を介して締め付け固着するネ
   ジとからなる実用新案登録請求の範囲第(1)項に
   記載の超音波トランスジユーサ。 (3) 超音波センサはホーンの喉部側の端部と連結
   され、連結構成は、弾性力を付与された前記超
   音波センサのケースの一端部と、前記一端部と
   ネジによつて固着される第１の前記喉部側の端
   部と、前記弾性力を有さない前記ケースの他端
   部がネジによつて固着される前記第１の前記喉
   部側の端部より短い第２の前記喉部側端部とか
   らなる実用新案登録請求の範囲第(1)項に記載の
   超音波トランスジユーサ。 (4) 超音波センサはホーンの喉部側の端部と連結
   され、連結構成は、前記超音波センサのケース
   端部を前記喉部側の端部に締め付け固着するネ
   ジと、前記超音波センサと音響部材との連接部
   に配設される弾性力を有した蛇腹構成とからな
   る実用新案登録請求の範囲第(1)項に記載の超音
   波トランスジユーサ。 (5) 連結構成は、大気の温度状態に対応して機械
   的変位を生じるバイメタルと、前記バイメタル
   端部とホーンの喉部側の端部との間に設けられ
   る弾性部材と、前記バイメタル端部を前記喉部
   側の端部に前記弾性部材を介して締め付けて固
   着するネジと、超音波センサと前記バイメタル
   とを連結する連結部材とからなる実用新案登録
   請求の範囲第(1)項に記載の超音波トランスジユ
   ーサ。