JPH0787639B2 - 広幅ビーム放射超音波変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、請求の範囲１の前文に記載のような広幅ビ
ーム放射超音波変換器に関する。

アメリカ合衆国特許第4677337号明細書から、空中超音
波のための送信器として又は受信器として用いることが
できる圧電変換器が知られている。前記特許明細書から
知られた変換器により、音伝達媒体すなわち空気の音響
波動インピーダンスと超音波を送信又は受信する固体の
音響波動インピーダンスとの間の著しい差異に関連して
いる主な問題点が解決される。この音響波動インピーダ
ンスは特性音響インピーダンスとも呼ばれる。

前記特許明細書の超音波変換器は空気の特性音響インピ
ーダンス値に比較的著しく近い特性音響インピーダンス
を有する。このことは相互に間隔を置いて複数の平面上
に相互に平行に配置された個々の圧電性薄板から成るサ
ンドイッチ構造により達成され、その際これらの薄板の
間の間隔に相応する中空空間は、小さい値の特性音響イ
ンピーダンスを有し形状の安定した材料を充填されてい
る。中間空間を満たす材料は圧電性薄板を囲むこの電気
音響変換器の少なくとも一つの閉鎖面、すなわち音響放
射の送信及び／又は受信のための面を形成する。その際
例えば中間空間を満たすこの材料は個々の薄板の少なく
とも各一つの縁面を越えて延び出ることができるので、
薄板のこれらの縁面は中間空間を満たすこの材料により
外部環境に対して覆われている。

この種の公知の変換器は、送信及び／又は受信のために
用いられる変換器のこの面が、送信又は受信される音響
放射の空中波長に比べて比較的大きい寸法を有するよう
に構成することができる。個々の圧電性薄板が同位相の
振動となるように励振されると、変換器のこの面を出発
点としてほぼ平らな同位相波面を有する音波が送信され
る。

薄板のための材料として圧電性セラミック例えばジルコ
ン酸チタン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどが
用いられ、その際にこれらの材料はそのそれぞれの特性
を改善するために特にマンガン、ニオブ、ネオジムなど
の添加物及び／又は置換物を含むことができる。薄板の
間の中間空間の充填材料はこの公知の変換器の場合に例
えば熱可塑性プラスチックである。例えばこの材料及び
圧電性薄板から成る全体が高温で相互に接着される。し
かし中間空間は前記特許明細書によればシリコーンゴム
から成る注型剤により充填することもできる。

この種の公知の変換器の構造及び製作に関する一層の詳
細については前記特許明細書を参照されたい。

この発明の課題は、音放射ローブとして、音放射の軸線
の方向ｚに対し垂直な一つの座標方向ｘにおいて比較的
小さい幅すなわち小さいビーム発散角を有し、この方向
ｘ及び軸線方向ｚに対しそれぞれ垂直な座標方向ｙにお
いては広幅ビームを放射するすなわちこの方向に大きい
ビーム発散角を有するようなローブを有し、特性音響イ
ンピーダンスを媒体すなわち空気に有利に適合させた電
気音響変換器を提供することにある。提供しようとする
変換器の構造は、基本形を出発点として個々の寸法の選
択により、ｙ方向における相応に異なる所定のビーム発
散角を有する個々の形式を得ることができるようにしよ
うとするものである。特に50゜〜100゜（−6dB）の範囲
の広いビーム発散角を変換器の個々の形式に対して選択
できるようにしようとするものである。

この課題は請求の範囲１に記載の特徴を備える変換器に
より解決され、またこの発明の実施態様は請求の範囲２
以下に記載されている。

例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第2537788号公報
及び英国特許出願公開第1530347号公報から知られてい
るような指向性の強い変換器は５゜〜10゜（−6dB）の
ビーム発散角を有する。先の符号ｙで示した方向におけ
る約70゜のビーム発散角とｘ方向における鋭い指向性と
を有するこの発明に基づく変換器は明らかに広幅ビーム
放射超音波変換器である。軸線方向ｚに対しそれぞれ直
角な平面上では、この発明に基づくこの種の変換器の音
響ローブの断面はｘ方向において比較的偏平でありこれ
に反しｙ方向において幅が広く、全体として少なくとも
ほぼ楕円に近い面を示す。変換器の表面Zoからの距離
（ｚ−z₀）が増すにつれてこの断面積が常に大きくなる
が、しかし横方向ｙにおいて広幅ビームを放射する変換
器の特徴的な形は失われない。

前記の課題を解決するために、アメリカ合衆国特許第46
77337号明細書から知られた変換器を改良する努力が行
われてきている。しかしこの発明の特別な課題はこの方
法では解決できないことが判明した。例えば中間空間を
充填するプラスチックの厚さが圧電性薄板の厚さより著
しく大きいときに難点が生じる。パルス運転の際に薄板
の励振がｙ方向における小さい音波速度に基づきもはや
同位相の表面変形をもたらさず、干渉的な表面リプルを
発生させる。パルス運転される変換器の共振励起の際に
必然的にそれによって起こる過渡現象を伴って、効率の
利得が比較的制限されることが判明した。高い機械的損
失すなわち小さい励振のＱを目標とする構造及び寸法選
択の際に、変換器の負荷能力が発熱のために相対的に著
しく制限された。前記のシリコーンゴム又はこれに匹敵
する材料の使用は、この種の材料が比較的大きい横収縮
を有するので、積層厚さが一定の値を超えると直ちにサ
ンドイッチ構造に構成された層状変換器の厚さ方向共振
を伴う過大なモード結合をもたらした。パルス形変換器
に対してはこのことはそれ自体有利である。なぜならば
多モードパルス形変換器は必然的に広帯域だからであ
る。しかしながら単一周波数変換器に対してはモード結
合は多くの場合電気機械的結合係数従って電気音響的効
率の低下と結びつく。この発明のために用いられるか又
は必要であり単一周波数で運転される変換器に対して
は、所定の方向特性及び最善の効率を得るために、変換
器に内蔵された圧電性薄板の固有モードの発生の十分な
チェックが、周波数、振動の形式及び電気機械的結合係
数ｋに関して不可欠である。従ってこの発明に基づく変
換器が一般的にやはり方形の圧電性薄板及び複合材料か
ら成るときにも、この発明の課題の解決のために原理的
に新しい方法を選ばなければならなかった。

第１図は、この発明に基づき構成され、相対的寸法をこ
の発明に基づき選択された変換器１の原理を示す。第１
図に示された構成において、この変換器１は（図示され
ていない）電極を備える圧電性セラミック薄板２及びプ
ラスチック材料の層又は板３、13から成る。変換器１の
図示の方形の複合体の長さは符号Ｌで示されている。そ
の幅は符号Ｂで示されている。その全厚さは符号Ｄで示
され、全厚さは板３、13の厚さ寸法d_pと薄板２の厚さ寸
法d_kの和である。

変換器１の符号５で示された面はこの発明に基づき設け
られた又は選択された音波送信面又は音波受信面であ
る。矢印６によりこの発明に基づき行われる送信が暗示
されている。

セラミック薄板２及び層又は板３、13は面で図示のよう
に相互に強固に結合されている。熱可塑性材料の場合に
は結合剤（接着剤）を層又は板３、13自体の材料とする
ことができる。

この発明に基づく変換器は複数のセラミック薄板及び相
応の数の層又は板から成ることもできる。

念のために文献「アイトリプルイー トランザクション
ズ オン ソニックス アンド ウルトラソニックス」
第SU15巻（1968年）、第97/105ページを参照されたい。
この文献には方形の圧電性板に対し、しかしながら唯一
の活性板に対してのみ多数の共振形式が記載されてい
る。

圧電性薄板２の両側の板３、13の材料は、低い特性音響
インピーダンスＺに関して、また0.3以下のできるだけ
小さいポアソン比μに関して、また20より大きいできる
だけ高い振動のＱに関して選択されている。低い特性音
響インピーダンスは音伝達媒体すなわち空気へのできる
限り良好な適合に役立つ。小さいポアソン比は横モード
をできるだけ励振しないために役立つ。すなわち横モー
ドは変換器１の厚さＤがまだ幅Ｂより小さいときに既に
発生するおそれがある。この材料の高いＱにより、セラ
ミック薄板２の振動偏位に近い望ましくはこれを上回る
板３、13の材料の振動偏位の達成が可能となる。この種
の材料に対する例はドイツ連邦共和国特許第2537788号
明細書及び英国特許出願公開第1530347号公報に記載さ
れており、商品名「スコッチプライ」として知られガラ
ス又は二酸化ケイ素の中空球を充填されたエポキシ樹脂
の材料である。別の材料はポリスチレン、発泡ガラス、
焼結ガラスなどである。本明細書において板／層３、13
・・・の材料がプラスチックと呼ばれている場合には、
前記の形の無機質材料「ガラス」もこの発明の中に含ま
れる。

この発明に基づき第１図に示された両寸法Ｂ及びＬの比
は下記のように選択されるべきである。

B:L 少なくともほぼ＝0.42 この寸法選択基準によりこの発明に基づき、面５が十分
に近似的に同位相で振動し、すなわち「ピストン形振
動」を行い、しかも同時に高い結合係数で行うような変
換器１の振動モードが保証される。

第２図は、二つのセラミック薄板２及び三つの板３、1
3、23を備えるこの発明の一実施例を示す。

第３図は、二つのセラミック薄板２、一つの板３及び板
３の厚さに比べて著しく薄い二つの被膜3₁、3₂を備える
同様にこの発明に基づく一実施例を示し、これらの被膜
はセラミック薄板２の外に向かう表面上に設けられてい
る。

板３、13・・・の材料のＱすなわちQ_pが薄板２の圧電セ
ラミックのＱすなわちQ_kより小さいときには、第１図に
示す実施例を選択するのが有利である。Q_pがQ_kにほぼ等
しいならば、第１図に示す変換器の選択が推奨される。
Q_pがQ_kより大きいならば、第３図に示す実施例を選択す
るのが合目的的であり、しかも0.5d_p＞d_p′＞0.2d_pとす
るのがよい。それぞれの選択に対して、送信面５の振動
特性ができる限り（薄板に対し横向きに）同位相であっ
て縁領域へ向かって減少する振幅を保証するという目標
設定が重要であり、このことはサイドローブの少ない方
向特性をもたらす。

層領域51を備える第４図に示すように、すべての実施例
に対してプラスチック材料が面５全体を覆うこともでき
る。

振動モードのための最適の音響効果は、厚さの比d_p:d_k
が最適に選ばれたとき、この発明に基づく変換器に対し
て得られる。干渉的な他のモードは、前記基準が守られ
る、すなわちプラスチックはそのポアソン比が0.3より
小さいように選ばれるか、又はそのような（例えば発泡
した）形で用いられることにより防止される。そのよう
に選択された変換器が共振励起の際に、（同じ外形寸法
を備え）しかしながら純粋に圧電性材料から成るか又は
この種の複合変換器ではない変換器の場合に生じるもの
の半分の大きさの振動振幅または粒子速度（波としての
速度ではなく空気分子の移動速度）を有するときに、最
適なd_p:d_kの比が得られる。そのとき振動エネルギーが
半分づつ個々の変換器の両材料部分上に分散している。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長さ（Ｌ）、幅（Ｂ）、厚さ（Ｄ）及び音
   を送信する及び／又は受信する面としての変換器体の面
   （５）を有する平行六面体の形の変換器体を備え、その
   際この変換器体が一方では電極を備える圧電性材料の少
   なくとも一つの薄板（２）から成りまた、他方ではプラ
   スチックの少なくとも二つの板／層（３、13、23・・
   ・;3₁、3₂・・・）から成り、その際これらの薄板及び
   板／層が厚さ（Ｄ）の方向に交互に連続して相互に結合
   されている電気音響層状変換器（１）において、直方体
   の幅（Ｂ）は長さ（Ｌ）に対して少なくともほぼ0.42倍
   であり、直方体の長側面（Ｄ×Ｌ）が音を送信する及び
   ／又は受信する面（５）であり、その際プラスチックが
   薄板（２）の圧電性材料の機械的振動のＱ程度の大きさ
   の機械的振動のＱを有する材料であり、このプラスチッ
   ク材料が薄板（２）の圧電性材料に比べて低い特性音響
   インピーダンス（Ｚ）を有し、プラスチック材料のポア
   ソン比が0.3以下であることを特徴とする電気音響層状
   変換器。
2. 【請求項２】プラスチックの部分（３、13、23・・・;3
   ₁、3₂・・・）に対する厚さをd_pとし圧電性材料の部分
   （２）に対する厚さをd_kとしたとき、それぞれ共振の場
   合に同じ励振条件望ましくは同じ電圧において、そのよ
   うに構成された変換器（１）の粒子速度が圧電性材料の
   みから成る他の変換器の粒子速度の少なくともほぼ半分
   の大きさであるように、厚さの比d_p:d_kが選ばれている
   ことを特徴とする請求の範囲１記載の変換器。
3. 【請求項３】板／層（３、13、23・・・;3₁、3₂・・
   ・）のプラスチック材料が発泡ガラスであることを特徴
   とする請求の範囲１又は２記載の変換器。
4. 【請求項４】板／層（３、13、23・・・;3₁、3₂・・
   ・）のプラスチック材料が焼結ガラスであることを特徴
   とする請求の範囲１又は２記載の変換器。
5. 【請求項５】変換器体の音を送信する又は受信する面
   （５）が、プラスチック材料から成り閉じた層領域（5
   1）の表面であることを特徴とする請求の範囲１ないし
   ４の一つに記載の変換器。