JPH07336796A - 空中用超音波振動子 - Google Patents

空中用超音波振動子

Info

Publication number
JPH07336796A
JPH07336796A JP14698894A JP14698894A JPH07336796A JP H07336796 A JPH07336796 A JP H07336796A JP 14698894 A JP14698894 A JP 14698894A JP 14698894 A JP14698894 A JP 14698894A JP H07336796 A JPH07336796 A JP H07336796A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
matching plate
piezoelectric vibrator
vibration mode
thickness
ultrasonic transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP14698894A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3455585B2 (ja
Inventor
Masayoshi Tanaka
正吉 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Radio Co Ltd
Original Assignee
Japan Radio Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Radio Co Ltd filed Critical Japan Radio Co Ltd
Priority to JP14698894A priority Critical patent/JP3455585B2/ja
Publication of JPH07336796A publication Critical patent/JPH07336796A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3455585B2 publication Critical patent/JP3455585B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電振動子と整合板とから成る空中用超音波
振動子で2以上の周波数帯域の使用帯域特性を有する空
中用超音波振動子を得る。 【構成】 整合板の厚さをTmとし、2以上の振動モー
ドに対応する周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波
伝搬波長をそれぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場
合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は空中用超音波振動子、さ
らに詳しくは圧電振動子と整合板とで構成される空中用
超音波振動子の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】超音波センサ等に使用する超音波振動子
に圧電振動子が使用されることは良く知られているが、
空中に超音波を放射し、あるいは空中の超音波を受波す
る超音波振動子には、空中と圧電振動子との音響インピ
ーダンスを整合させるべく、整合板を取り付けた構造の
ものがある。
【0003】図6は、従来の整合板を取り付けた構造の
超音波振動子の一例を示す図であり、図において、1は
圧電振動子、2は整合板である。この整合板の厚さTm
は、圧電振動子1の共振周波数f0 の1/4波長の長さ
としている。すなわち、λmを整合板中の超音波の伝搬
波長、Vmを整合板中の伝搬速度とした場合、整合板の
厚さTmは、Tm=λm/4=Vm/4f0 の厚さとし
ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の空
中用超音波振動子は以上のように構成されているので、
図7に示すように共振周波数f0 の近傍にのみ高い感度
を有する、いわゆる単一の使用帯域特性しか持たず、例
えば超音波センサで高い周波数帯域と低い周波数帯域と
を必要とする場合などには、それぞれ別の空中用超音波
振動子を2つ備えておく必要があった。
【0005】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、1つの圧電振動子と1枚の整合板と
の組み合わせで2以上の周波数帯域を使用帯域特性とす
ることができる超音波振動子を提供することを目的とし
ている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる超音波振
動子は、分離した2以上の振動モードを有する圧電振動
子と整合板とから成る空中用超音波振動子において、整
合板の厚さをTmとし、2以上の振動モードに対応する
周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波伝搬波長をそ
れぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
たことを特徴とする。
【0007】また、円板状あるいはリング状の圧電振動
子を用い、その厚み方向の振動モード及びその径方向の
振動モードに対応する周波数の整合板中の超音波伝搬波
長を、それぞれ上記λ1 およびλ2 としたことを特徴と
する。
【0008】また、矩形状の圧電振動子を用い、その厚
み方向の振動モード,その横方向の振動モードおよびそ
の縦方向の振動モードに対応する周波数の整合板中の超
音波伝搬波長を、それぞれ上記λ1 ,λ2 およびλ3
したことを特徴とする。
【0009】
【作用】この発明に係わる空中用超音波振動子は、上述
のような構成とすることにより、1個の振動子でありな
がら、2以上の周波数体帯域を使用帯域特性とすること
ができる。また、高い周波数帯域を1次波に利用し、低
い周波数帯域を2次波に利用することにより、送受共用
のパラメトリック送受波器が構成できる。
【0010】
【実施例】
実施例1.以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。本発明は圧電振動子が本来的に有する複数の振動
モードをそのまま利用し、且つ1枚の整合板で複数の振
動モードに対する音響インピーダンスの整合が行えるよ
うにその整合板の形状(寸法)を決定する。すなわち、
例えば圧電振動子が円板形状である場合、この圧電振動
子は本来的にその厚み方向の振動モードと、その径方向
の振動モードとを有する。
【0011】そして、図6に示すような従来の超音波振
動子では、そのどちらか一方の振動モードに整合するよ
うな整合板を取り付け、一方の振動モードだけを利用し
ている。然しながら整合板の整合条件は、λ/4波長板
であり、これはλ(n±1/4)で等価になる。従って
整合板の厚さTmを、一方の振動モードの整合条件λ1
/4と他方の振動モードの整合条件λ2 (n±1/4)
とを同時に満足する厚さに定めれば、両方の振動モード
が利用できるようになる。
【0012】図1は、本発明に係わる超音波振動子の実
施例1を示す図であり、図において、10は圧電振動
子、20は整合板である。圧電振動子10は、その直径
がD,厚さがTからなる円板形状をなし、従って上述の
ように直径Dで定まる径方向の振動モードと、厚さTで
定まる厚み方向の振動モードを有し、これらの2つの振
動モードの共振周波数fP ,ft は、 fP =N1 /D・・・(1), ft =N4 /T・・・(2) で表すことができる。 但し、fP :径方向の振動共振周波数 N1 :圧電振動子の材料定数により定まる径方向の振動
周波数定数 ft :厚み方向の振動共振周波数 N4 :圧電振動子の材料定数により定まる厚み方向の振
動周波数定数である。
【0013】従って整合板20の厚さTmを以下のよう
にして決定する。整合板20の振動・音響変換特性は、
無損失の分布定数線路と等価と考えられるため、図2に
示すように2端子対のFundamental マトリクスで表すこ
とができる。従って整合板の厚さTmは、λ/4とλ
(n+1/4)とでは、等価になることが判る(nは任
意の正数)。
【0014】ここで、整合板20の厚さTmは、厚み方
向の振動モードの共振周波数における整合板の超音波伝
搬波長をλtとすると、図1に示すように、 Tm=t1 +t2 =λt(1/4+n)=λt/4+nλt・・・(4) として考えることができ、上述の式(2)より、 t1 =λt/4=T・Vm/4N4 ・・・(5) t2 =λt=nT・Vm/N4 ・・・(6)となる。 ここで、nは任意の正数,Vm,N4 は定数であり、従
って厚み方向の振動モードの音響インピーダンスの整合
は、圧電振動子10の厚さTに従って、整合板20の厚
さを式(5),式(6)により決定すれば良いことにな
る。
【0015】次に、径方向の振動モードの共振周波数に
おける整合板の超音波伝搬波長をλP とした場合、上述
の式(4)と同様に、 Tm=t3 +t4 =t1 +t2 とした場合(図示せず) Tm=t3 +t4 =λP (1/4+1)=λP /4+nλP ・・・(7) そして、上述の式(1)より、 t3 =λP /4=D・Vm/4N1 ・・・(8) t4 =λP =nD・Vm/N1 ・・・(9)となる。
【0016】従って厚み方向の振動モードの音響インピ
ーダンスの整合は、圧電振動子10の直径Dと、整合板
20の厚さTmを式(8),式(9)を満足するように
決定すれば良いことになる。ここで、式(6)および式
(9)とは、それぞれ式(5)および式(8)と同様に
決定することができるので、以下の説明ではn次の方を
変数(α,β,γ,δ)として省略することとするが、
式(5),(8)を満足するように、整合板の厚さT
m,円板形状の圧電振動子の寸法D,Tを決定すること
により、図3に示すように1つの圧電振動子10と1枚
の整合板20とで、径方向の振動モードの共振周波数f
P の近傍と、厚み方向の振動モードの共振周波数ft
近傍の、2つの使用帯域特性を有する空中用超音波振動
子を実現できる。
【0017】実施例2.図4は、この発明の他の実施例
を示す図であり、図において、11はリング形状の圧電
振動子、21は整合板である。リング形状の圧電振動子
11の振動モードも、厚み方向の振動モードはその厚さ
Tにより定まるため、上述の式(5)との関係から、長
さ方向の振動周波数定数をN2 、厚み方向の振動周波数
定数をN4 とおくと、 Tm=α+T・Vm/4N4 ・・・(10)の関係とな
る。 一方、径方向の(低次の)振動モードは、その外径を
A,内径をBとすると、Tm=β+{〔(A+B)/
2〕π・Vm}/4N2 ・・・(11)の関係になり、
従って、式(10),(11)を満足するように、整合
板の厚さTm,リング形状の圧電振動子11の外径A,
内径B,厚さTを決定することにより、1つの超音波振
動子11と1枚の整合板21とで、2つの使用帯域特性
を有する空中用超音波振動子を実現できる。
【0018】実施例3.上述の実施例1,実施例2で
は、2つの使用帯域を有する空中用超音波振動子につい
て説明したが、例えば矩形状の圧電振動子を使用するこ
とによって、厚み方向,縦方向,横方向の3つの振動モ
ードを利用して3つの使用帯域を有する空中用超音波振
動子を実現することもできる。図3は、この実施例3を
説明するための図であり、12は矩形状の圧電振動子、
22は整合板である。
【0019】矩形状の圧電振動子12の横方向の寸法を
X,縦方向の寸法をY,厚さをTとした場合、厚み方向
の振動モードは上述の実施例1,実施例2と同様に厚さ
Tで決定することができる。また、長さ方向の振動周波
数定数をN2 とすると、低次の振動モードである横方向
の振動モードおよび縦方向の振動モードは、長さ方向の
振動周波数定数をN2 とすると、 Tm=γ+X・Vm/4N2 ・・・(12) Tm=δ+Y・Vm/4N2 ・・・(13)の関係にな
るので、同様に整合板の厚さTm,矩形状の圧電振動子
12の横方向の寸法X,縦方向の寸法Y,厚さTを決定
することにより、1つの圧電振動子12と1枚の整合板
22とで、3つの使用帯域特性を有する空中用超音波振
動子を実現できる。
【0020】なお、圧電振動子の材料としては、チタン
酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が代表的
なものであり、整合板の材料としては、数十μmの大き
さの中空のガラス球をエポキシ樹脂で固めたものが良く
使用される。
【0021】
【発明の効果】本発明の空中用超音波振動子は以上説明
したように、整合板の厚さを圧電振動子の異なる振動モ
ードに対して、同時に1/4波長の整合条件を満足させ
ることにより、1つの圧電振動子と1枚の整合板とで2
以上の周波数帯域を使用帯域とする空中用超音波振動子
が得られる。そして、この空中用超音波振動子の高い周
波数帯域を1次波として利用し、低い周波数帯域を2次
波として利用することとすれば、パラメトリック送受波
器として利用できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1を説明するための図である。
【図2】2端子対のFundamental マトリクスを示す図で
ある。
【図3】実施例1の超音波振動子の感度特性を示す図で
ある。
【図4】本発明の実施例2を説明するための図である。
【図5】本発明の実施例3を説明するための図である。
【図6】従来のこの種の空中用超音波振動子を説明する
ための図である。
【図7】従来の超音波振動子の感度特性を示す図であ
る。
【符号の説明】
10,11,12 圧電振動子 20,21,22 整合板 T 圧電振動子の厚さ D 圧電振動子の直径 A 圧電振動子の外径 B 圧電振動子の内径 Tm 整合板の厚さ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分離した2以上の振動モードを有する圧
    電振動子と整合板とから成る空中用超音波振動子におい
    て、 整合板の厚さをTmとし、2以上の振動モードに対応す
    る周波数のそれぞれの上記整合板中の超音波伝搬波長を
    それぞれλ1 ,λ2 ,λ3 ・・・とした場合、 Tm=λ1 (n1 +1/4)=λ2 (n2 +1/4)=
    λ3 (n3 +1/4)=・・・の条件(n1 :n2 :n
    3 ・・・はそれぞれ任意の正数)を満たす整合板を備え
    たことを特徴とする空中用超音波振動子。
  2. 【請求項2】 円板状あるいはリング状の圧電振動子を
    用い、その厚み方向の振動モード及びその径方向の振動
    モードの上記整合板中の超音波伝搬波長を、それぞれ上
    記λ1 およびλ2 としたことを特徴とする請求項第1項
    記載の空中用超音波振動子。
  3. 【請求項3】 矩形状の圧電振動子を用い、その厚み方
    向の振動モード,その横方向の振動モードおよびその縦
    方向の振動モードの上記整合板中の超音波伝搬波長を、
    それぞれ上記λ1 ,λ2 およびλ3 としたことを特徴と
    する請求項第1項記載の空中用超音波振動子。
  4. 【請求項4】 上記圧電振動子と上記整合板とを接着固
    定したことを特徴とする請求項第1項記載の空中用超音
    波振動子。
JP14698894A 1994-06-07 1994-06-07 空中用超音波振動子 Expired - Fee Related JP3455585B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14698894A JP3455585B2 (ja) 1994-06-07 1994-06-07 空中用超音波振動子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14698894A JP3455585B2 (ja) 1994-06-07 1994-06-07 空中用超音波振動子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH07336796A true JPH07336796A (ja) 1995-12-22
JP3455585B2 JP3455585B2 (ja) 2003-10-14

Family

ID=15420083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP14698894A Expired - Fee Related JP3455585B2 (ja) 1994-06-07 1994-06-07 空中用超音波振動子

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3455585B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005189003A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Ueda Japan Radio Co Ltd 流量測定および気泡検出の可能な統合システム

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102097103B1 (ko) * 2018-08-14 2020-05-29 한국표준과학연구원 향상된 음향 방사 파워를 갖는 개선된 초음파 변환기

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005189003A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Ueda Japan Radio Co Ltd 流量測定および気泡検出の可能な統合システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP3455585B2 (ja) 2003-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4672591A (en) Ultrasonic transducer
US4366406A (en) Ultrasonic transducer for single frequency applications
US20020089262A1 (en) Cylindrical transducer apparatus
EP0169727A2 (en) Broadband radial vibrator transducer
JPS5829455A (ja) 超音波診断装置
CN110560351A (zh) 基于Helmholtz共振腔的可调频声波接收装置
JP5444670B2 (ja) 音響再生装置
JP3416648B2 (ja) 音響トランスデューサー
JP3455585B2 (ja) 空中用超音波振動子
CN114160399B (zh) 同频异构的压电超声波换能器及其制备方法
JP2837723B2 (ja) 圧電型超音波振動子
JP2937153B2 (ja) 超音波トランスデューサ及びこれを用いる水中用送受波器
JP5050652B2 (ja) 送波器及びその駆動方法
US6072263A (en) Surface acoustic wave transducing device
JP2554468B2 (ja) 超音波探触子及びその製造方法
JP2837722B2 (ja) 圧電型超音波振動子
JP2546488B2 (ja) 低周波水中送波器
JPS6123913Y2 (ja)
JPH10243498A (ja) 円筒型圧電振動子による広帯域超音波トランスジュ ーサ
US5760523A (en) Surface acoustic wave transducing device
JP5212028B2 (ja) 送波器とその駆動方法
JP4911691B2 (ja) 送受波器
JPS60113598A (ja) 超音波探触子
JPS58106457A (ja) 超音波探触子
JPS599514Y2 (ja) 電歪超音波振動子

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 5

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080725

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090725

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100725

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110725

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 8

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110725

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 9

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120725

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Year of fee payment: 10

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130725

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees