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技術 超音波送受波器

出願人 日本電気株式会社
発明者 石村広志
出願日 2001年7月11日 (19年5ヶ月経過) 出願番号 2001-210419
公開日 2003年1月31日 (17年11ヶ月経過) 公開番号 2003-032771
状態 特許登録済
技術分野 超音波変換器 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定
主要キーワード 重畳モード 圧電セラミック積層体 リアマス 全長寸法 低周波化 フロントマス ボルト締めランジュバン型 共振周波数等
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年1月31日)のものです。
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図面 (7)

課題

更なる広帯域化を課題とする。

解決手段

本発明の超音波送受波器は、フロントマス1aとリアマス1bとの間に圧電セラッミク積層体1cがボルト1dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板1h1,…が、フロントマス1aに固定されている。本来有する縦振動モードに加えて、複数の屈曲振動板1h1,…により発生する屈曲振動モード重畳により、広帯域化できる。その理由は、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板1h1,…を有するため、共振周波数の異なる屈曲振動モードが合成されるので、等価的にQの低い屈曲振動モードを発生できるからである。

概要

背景

水中での数十kHzの周波数帯域における広帯域化を目的として、フロントマス音響整合層を設けたボルト締めランジュバン型超音波送受波器が知られている(特開平5−183996号公報)。この技術における帯域幅下限周波数は、送受波器縦振動共振周波数となるため、送受波器の全長寸法によって決定される。そのため、低周波化するためには送受波器が大型化してしまう、という欠点があった。

また、帯域幅を広げるために、複数の音響整合層を設ける技術が知られている。しかし、音響整合層を複数とすると、音響整合層の接着部が増加して信頼性が悪くなるとともに、それだけ大型化してしまう。そのため、実用的な音響整合層の数は2〜3が限界である。したがって、複数の音響整合層を使用した場合でも、比帯域幅は60%程度が限界であるため、更なる広帯域化は困難であった。

一方、フロントマスに凹部を設けて、その凹部に屈曲振動板を設けた超音波送受波器が知られている(特開2000−209690号公報の図6参照)。図6は、その従来の超音波送受波器を示す側面図である。以下、この図面に基づき説明する。

この従来の超音波送受波器は、フロントマス6aとリアマス6bとの間に圧電セラッミク積層体6cがボルト6dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、フロントマス6aに凹部6fが設けられ、凹部6fに屈曲振動板6eが設けられている。この超音波送受波器では、通常の縦振動モードと屈曲振動板6eの屈曲振動モードとの二つのモードを重畳させることにより、広帯域化を図っている。この従来の超音波送受波器によれば、音響整合層を使用する技術に比べて小型軽量化できるとともに、比帯域幅も80%程度まで拡大できる。

概要

更なる広帯域化を課題とする。

本発明の超音波送受波器は、フロントマス1aとリアマス1bとの間に圧電セラッミク積層体1cがボルト1dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板1h1,…が、フロントマス1aに固定されている。本来有する縦振動モードに加えて、複数の屈曲振動板1h1,…により発生する屈曲振動モードの重畳により、広帯域化できる。その理由は、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板1h1,…を有するため、共振周波数の異なる屈曲振動モードが合成されるので、等価的にQの低い屈曲振動モードを発生できるからである。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

フロントマスリアマスとの間に圧電セラッミク積層体ボルトによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型超音波送受波器において、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板が前記フロントマスに固定された、ことを特徴とする超音波送受波器。

請求項2

前記屈曲振動板は、一端が前記フロントマスの振動中心に固定され、他端が前記フロントマスの径方向開放され、複数が前記フロントマスの周方向に配設された、請求項1記載の超音波送受波器。

請求項3

前記フロントマスが円柱状であり、前記屈曲振動板が扇状である、請求項2記載の超音波送受波器。

請求項4

前記屈曲振動板は、前記フロントマスの径方向の長さが異なる、請求項2又は3記載の超音波送受波器。

請求項5

前記屈曲振動板は、前記フロントマスを切削して形成されたものである、請求項1、2、3又は4記載の超音波送受波器。

請求項6

前記屈曲振動板は、前記フロントマスにボルトで固定されたものである、請求項1、2、3又は4記載の超音波送受波器。

技術分野

0001

本発明は、広帯域化に好適なボルト締めランジュバン型超音波送受波器に関する。

背景技術

0002

水中での数十kHzの周波数帯域における広帯域化を目的として、フロントマス音響整合層を設けたボルト締めランジュバン型の超音波送受波器が知られている(特開平5−183996号公報)。この技術における帯域幅下限周波数は、送受波器縦振動共振周波数となるため、送受波器の全長寸法によって決定される。そのため、低周波化するためには送受波器が大型化してしまう、という欠点があった。

0003

また、帯域幅を広げるために、複数の音響整合層を設ける技術が知られている。しかし、音響整合層を複数とすると、音響整合層の接着部が増加して信頼性が悪くなるとともに、それだけ大型化してしまう。そのため、実用的な音響整合層の数は2〜3が限界である。したがって、複数の音響整合層を使用した場合でも、比帯域幅は60%程度が限界であるため、更なる広帯域化は困難であった。

0004

一方、フロントマスに凹部を設けて、その凹部に屈曲振動板を設けた超音波送受波器が知られている(特開2000−209690号公報の図6参照)。図6は、その従来の超音波送受波器を示す側面図である。以下、この図面に基づき説明する。

0005

この従来の超音波送受波器は、フロントマス6aとリアマス6bとの間に圧電セラッミク積層体6cがボルト6dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、フロントマス6aに凹部6fが設けられ、凹部6fに屈曲振動板6eが設けられている。この超音波送受波器では、通常の縦振動モードと屈曲振動板6eの屈曲振動モードとの二つのモードを重畳させることにより、広帯域化を図っている。この従来の超音波送受波器によれば、音響整合層を使用する技術に比べて小型軽量化できるとともに、比帯域幅も80%程度まで拡大できる。

発明が解決しようとする課題

0006

図6の超音波送受波器では、縦振動モードと屈曲振動モードとの二つのモードを重畳させて広帯域化しているので、二つのモードがうまく結合するように各々の共振周波数共振尖鋭度(以下「Q」という。)を適切に設定する必要がある。しかし、屈曲振動モードのQは、屈曲振動板6eの形状(すなわち周辺固定の一枚の円板型)に起因して、低く設定することが困難である。よって、屈曲振動モードのQは、縦振動モードに比べて高く、鋭い共振特性をもつ。

0007

そのため、二つのモードの設定周波数を離しすぎると、モード間の感度落ち込みが大きくなるので広帯域化できないことになる(図4[2]参照)。逆に、二つのモードの設定周波数を近づけても、屈曲振動モードの鋭い共振特性が顕著になるだけであるから広帯域化できない。

0008

つまり、モードの重畳により広帯域化を図る上で、二つのモードの設定周波数が屈曲振動モードのQによって限定されてしまうため、比帯域幅でおよそ80%程度が限界であるという問題があった。

0009

そこで、本発明の目的は、上記の問題を解決することにより更なる広帯域化を実現できる、超音波送受波器を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

本発明に係る超音波送受波器は、フロントマスとリアマスとの間に圧電セラッミク積層体がボルトによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板が、フロントマスに固定されている(請求項1)。

0011

屈曲振動板は、一端がフロントマスの振動中心に固定され、他端がフロントマスの径方向開放され、複数がフロントマスの周方向に配設された、としてもよい(請求項2)。フロントマスが円柱状であり、屈曲振動板が扇状である、としてもよい(請求項3)。屈曲振動板は、フロントマスの径方向の長さが異なる、としてもよい(請求項4)。屈曲振動板は、フロントマスを切削して形成されたもの、又はフロントマスにボルトで固定されたもの、としてもよい(請求項5,6)。

0012

換言すると、本発明の特徴は、ボルト締めランジュバン型の超音波送受波器において、フロントマスの中央部で固定され、かつフロントマスの周方向が開放された、長さの異なる屈曲振動板を複数個、フロントマスの周方向へ配列して設けたことにある。これにより、本来有する縦振動モードに加えて、複数の屈曲振動板によって発生する屈曲振動モードの重畳により、広帯域化が可能となる。その理由は、長さの異なる複数の屈曲振動板を有するため、共振周波数の異なる屈曲振動モードが合成されるので、等価的にQの低い屈曲振動モードを発生できるからである。

発明を実施するための最良の形態

0013

図1は本発明に係る超音波送受波器の第一実施形態を示し、図1[1]はフロントマス側から見た正面図、図1[2]は側面図である。以下、この図面に基づき説明する。

0014

本実施形態の超音波送受波器は、フロントマス1aとリアマス1bとの間に圧電セラッミク積層体1cがボルト1dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板1h1,…が、フロントマス1aに固定されている。

0015

フロントマス1aが円柱状であり、屈曲振動板1h1,…が扇状である。屈曲振動板1h1,…は、基端がフロントマス1aの振動中心に固定され、周端がフロントマス1aの半径方向に開放され、複数がフロントマス1aの周方向に配設され、フロントマス1aの半径方向の長さが異なる。また、屈曲振動板1h1,…は、フロントマス1aを切削して形成されている。

0016

圧電セラミック積層体1cは、内部に貫通孔(図示せず)を有し、フロントマス1aとリアマス1bとの間に挟まれている。ボルト1dは、圧電セラミック積層体1cの貫通孔を貫通して、圧電セラミック積層体1cに圧縮応力を加えている。

0017

屈曲振動板1h1〜1h8は、次のように形成する。まず、フロントマス1aの側面から中央部に向けて、スリット1eを形成する。このスリット1eの深さは、超音波送受波器の中心軸から中心点がずれたベース(円板)1fを残すように調整する。続いて、フロントマス1aの表面からスリット1eまでの深さを有する、複数のスリット1gを設ける。これにより、フロントマス1aの中央部に位置するベース(円板)1fに固定され、かつフロントマス1aの周方向が開放された、一端固定で長さの異なる屈曲振動板1h1,…が複数枚形成される。

0018

屈曲振動板1h1,…は、それぞれ長さの違いに起因して、異なる固有の共振周波数を有する。各共振周波数近接するよう屈曲振動板1h1,…の長さを調整した場合、各々の屈曲振動モードが合成されて等価的にQの低い屈曲振動モードを発生できる。したがって、縦振動モードと屈曲振動モードとの二つのモードを重畳させることにより、従来にない更なる広帯域化を実現できる。また、各屈曲振動板1h1,…の数や長さを自由に設定できるため、各屈曲振動モードの合成モードを任意に設定することが可能である。

0019

図2は本実施形態の超音波送受波器の動作を示す側面図であり、図2[1]は縦振動モード、図2[2]は屈曲振動モードを示す。以下、この図面に基づき説明する。

0020

振動モード自体は、図6の超音波送受波器(以下「従来技術」という。)と、基本的に同様である。縦振動モードでは、圧電セラミック積層体1cが伸びたときに、フロントマス1a前面も媒質を排除する方向に振動する。屈曲振動モードでは、圧電セラミック積層体1cが縮んだときに、フロントマス1a前面の屈曲振動板1h1,…が媒質を排除する方向に振動する。この二つのモードが互いに逆位相の関係にあるため、これらのモードが重畳されることにより広帯域化される。ここで、従来技術と異なる点は、屈曲振動板1h1,…が複数有りかつ長さが異なるため、各屈曲振動板1h1,…の共振周波数及び変位が異なることにある。

0021

図3は、図1におけるIII−III線縦断面図である。以下、図1及び図3に基づき説明する。

0022

図3では、図2に示す動作を模式的に表している。屈曲振動板1h1,1h5は、フロントマス1a中央部のベース(円板)1fで固定され、フロントマス1aの周方向が開放された一端固定となっている。また、屈曲振動板1h1,1h5は、それぞれスリット1gの深さが異なるため、その長さが異なる。よって、屈曲振動板1h1の共振周波数fa及び変位ξaと、屈曲振動板1h5の共振周波数fb及び変位ξbとは、それぞれ異なる値となる。

0023

図1では、八枚の屈曲振動板1h1,…があるので、八つの屈曲共振周波数及び変位が存在する。ここで、各屈曲振動板1h1,…の長さを各共振周波数が近接するように設定すると、各々のモードが合成されることにより、等価的に一つの屈曲振動モードが発生する。この振動モードは、従来技術に比べてQが低いため、モードの重畳によって従来技術よりも広帯域化が可能である。

0024

図4[1]は本実施形態における重畳モードを示すグラフであり、図4[2]は従来技術における重畳モードを示すグラフである。以下、この図面に基づき説明する。

0025

図4[1]は、図3に示した動作原理に基づく重畳モードである。図4[2]は、比較用の従来技術における重畳モードである。本実施形態では、図3を用いて説明した通り、複数の屈曲振動モードの合成により等価的に1つの屈曲振動モードが発生する。図4[1]の周波数軸上のf2からfnに共振周波数をもつ屈曲振動モードの集合体がモードの結合により合成され、帯域幅がほぼfn−f2の等価的な屈曲振動モードとなる。この帯域幅は従来技術よりも広く(よって従来技術よりもQが低い)、屈曲振動板1h1,…の各共振周波数の設定によってQをコントロールできることを意味する。これにより、従来技術よりもfn−f2の帯域幅分だけ、モードの重畳によって広帯域化が可能である。

0026

また、図4[2]に示すように、従来技術では、縦振動モードに比べて屈曲振動モードの方がQが高い。Qに差があるため二つのモード間にレベル差が生じ、これにより重畳モードがうまく広帯域化されないケースが多い。結果的に、二つのモードの設定周波数が、屈曲振動モードのQによって限定されてしまう。一方、本実施形態では、各屈曲振動板1h1,…の数や長さを自由に設定できるため、複数の屈曲振動モードを合成したQの低い屈曲振動モードを実現できることにより、縦振動屈曲振動との二つのモード間のレベル差をなくせる。よって、従来技術に比べて制約条件が無くなるので、所望の設定が可能となる。

0027

なお、本実施形態において、屈曲振動板は、八枚としたが、複数枚であればどのような数でもよい。また、フロントマスの形状は、円形としたが、正方形等でも同様の効果を奏する。

0028

図5は本発明に係る超音波送受波器の第二実施形態を示し、図5[1]はフロントマス側から見た正面図、図5[2]は側面図である。以下、この図面に基づき説明する。

0029

本実施形態の超音波送受波器は、フロントマス5aとリアマス5bとの間に圧電セラッミク積層体5cがボルト5dによって挟持されてなる、ボルト締めランジュバン型である。そして、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板5k1,…が、フロントマス5aに固定されている。

0030

フロントマス5aが円柱状であり、屈曲振動板5k1,…が扇状である。屈曲振動板5k1,…は、基端がフロントマス5aの振動中心に固定され、周端がフロントマス5aの半径方向に開放され、複数がフロントマス5aの周方向に配設され、フロントマス5aの半径方向の長さが異なる。また、屈曲振動板5k1,…は、フロントマス5aにボルト5iで固定されている。

0031

圧電セラミック積層体5cは、内部に貫通孔(図示せず)を有し、フロントマス5aとリアマス5bとの間に挟まれている。ボルト5dは、圧電セラミック積層体5cの貫通孔を貫通して、圧電セラミック積層体5cに圧縮応力を加えている。

0032

対向する一対の屈曲振動板5k1,5k4は、六角形のベース5hとなる部分を介して一枚の板となっている。屈曲振動板5k2,5k5及び屈曲振動板5k3,5k6も同様に一枚の板となっている。これらの三枚の板は、重ね合わされ、隙間を調整するベース板5jを介して、ボルト5iによってフロントマス5aに固定される。ベース5hとなる部分の厚さは、それぞれ屈曲振動板5k1,…の1/3とし、重ね合わせたときにちょうど屈曲振動板5k1,…と同じ厚さになるよう調整されている。これにより、フロントマス5a中央部に位置する六角形のベース5h及びベース板5jがボルト5iによって固定され、フロントマス5aの周方向が開放された一端固定で長さの異なる屈曲振動板5k1,…が複数枚形成されている。

0033

本実施形態における動作原理等は、前述した第一実施形態と同様である。また、本実施形態では、屈曲振動板5k1,…をボルト5iで固定するため、フロントマス5aと屈曲振動板5k1,…とを異なる材料で製作できる。屈曲振動板5k1,…の共振周波数等は、使用する材質材料定数によって変更できるので、所望の特性を得ることが容易である。加えて、本実施形態の構造によれば、組立が容易である。

0034

なお、本実施形態では屈曲振動板の固定にボルトを使用したが、固定力不足する場合は、ボルトの代わりにビス等を挿入し、ビーム溶接等で一体化してもよい。

発明の効果

0035

本発明に係る超音波送受波器によれば、フロントマスとリアマスとの間に圧電セラッミク積層体がボルトによって挟持され、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板がフロントマスに固定されていることにより、本来有する縦振動モードに加えて、複数の屈曲振動板により発生する屈曲振動モードの重畳により、広帯域化できる。その理由は、共振周波数の異なる複数の屈曲振動板を有するため、共振周波数の異なる屈曲振動モードが合成されるので、等価的にQの低い屈曲振動モードを発生できるからである。

図面の簡単な説明

0036

図1本発明に係る超音波送受波器の第一実施形態を示し、図1[1]はフロントマス側から見た正面図、図1[2]は側面図である。
図2図1の超音波送受波器の動作を示す側面図であり、図2[1]は縦振動モード、図2[2]は屈曲振動モードを示す。
図3図1におけるIII−III線縦断面図である。
図4図4[1]は本実施形態における重畳モードを示すグラフであり、図4[2]は従来技術における重畳モードを示すグラフである。
図5本発明に係る超音波送受波器の第二実施形態を示し、図5[1]はフロントマス側から見た正面図、図5[2]は側面図である。
図6従来の超音波送受波器の側面図である。

--

0037

1a,5aフロントマス
1b,5bリアマス
1c,5c圧電セラッミク積層体
1d,5dボルト
1h1〜1h8,5k1〜5k6 屈曲振動板

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