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JP7609296B2 - Ultrasonic Transducers - Google Patents
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Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer.

超音波センサの構成を開示した先行文献として、特開2007-142967号公報(特許文献1)がある。特許文献1に記載された超音波センサは、車両用バンパまたは樹脂部分の内面側に取り付けられる。超音波センサは、超音波振動子と、筐体とを有する。超音波振動子は、超音波を送受信する。筐体は、超音波振動子を収容する。筐体の底面部の内面に超音波振動子を接触させて固定するとともに、当該底面部の外面が、車両用バンパまたは樹脂部分の内面に当接する。 JP 2007-142967 A (Patent Document 1) is a prior document that discloses the configuration of an ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor described in Patent Document 1 is attached to the inner surface of a vehicle bumper or a plastic part. The ultrasonic sensor has an ultrasonic transducer and a housing. The ultrasonic transducer transmits and receives ultrasonic waves. The housing contains the ultrasonic transducer. The ultrasonic transducer is fixed in contact with the inner surface of the bottom part of the housing, and the outer surface of the bottom part abuts against the inner surface of the vehicle bumper or the plastic part.

筐体の底面部の一部に、超音波伝達部が形成されている。超音波伝達部は、車両用バンパまたは樹脂部分と、超音波振動子とに接触するように配置されている。超音波伝達部は、筐体の材質とは異なる材質であって、超音波振動子の音響インピーダンスと、車両用バンパまたは樹脂部分の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有する材質からなる。超音波センサは、超音波の送受信を、超音波伝達部および車両用バンパまたは樹脂部分を介して行なう。An ultrasonic transmission part is formed on a part of the bottom surface of the housing. The ultrasonic transmission part is arranged so as to be in contact with the vehicle bumper or the resin part and the ultrasonic transducer. The ultrasonic transmission part is made of a material different from the material of the housing, and has an acoustic impedance intermediate between the acoustic impedance of the ultrasonic transducer and the acoustic impedance of the vehicle bumper or the resin part. The ultrasonic sensor transmits and receives ultrasonic waves via the ultrasonic transmission part and the vehicle bumper or the resin part.

特開2007-142967号公報JP 2007-142967 A

指向性の角度範囲が狭くなることを抑制するために振動部位を狭い範囲に制限した場合、超音波の送信強度および受信感度が低くなる。 If the vibration area is limited to a narrow range to prevent the angular range of directionality from becoming narrow, the transmission strength and receiving sensitivity of the ultrasound will be reduced.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる、超音波トランスデューサを提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide an ultrasonic transducer that can achieve at least one of transmitting high-sound-pressure ultrasonic waves and receiving high-sensitivity ultrasonic waves while suppressing the narrowing of the angular range of directivity.

本発明に基づく超音波トランスデューサは、外装部と、筒体と、超音波振動子と、拘束部とを備える。外装部は、内面を有する。筒体は、上記内面に取り付けられている。超音波振動子は、筒体に取り付けられており、上記内面に間隔をあけて対向する。拘束部は、上記内面に取り付けられており、筒体に間隔をあけて筒体を挟んでいる。上記内面に直交する第1方向から見て、外装部における筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、超音波振動子とは逆位相で共振振動する。上記第1方向から見て、上記第1方向と直交する第2方向において外装部における筒体の外側かつ拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、メイン振動部の共振振動に対する位相差の絶対値が120°以上180°以下の範囲内で共振振動する。The ultrasonic transducer according to the present invention comprises an exterior part, a cylinder, an ultrasonic vibrator, and a restraint part. The exterior part has an inner surface. The cylinder is attached to the inner surface. The ultrasonic vibrator is attached to the cylinder and faces the inner surface with a gap therebetween. The restraint part is attached to the inner surface and sandwiches the cylinder with a gap therebetween. When viewed from a first direction perpendicular to the inner surface, the main vibration part, which is a part of the exterior part located inside the cylinder, resonates and vibrates in the opposite phase to the ultrasonic vibrator. When viewed from the first direction, the sub vibration part, which is a part of the exterior part located outside the cylinder and inside the restraint part in a second direction perpendicular to the first direction, resonates and vibrates in a range in which the absolute value of the phase difference with respect to the resonant vibration of the main vibration part is 120° or more and 180° or less.

本発明によれば、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the narrowing of the angular range of directivity while achieving at least one of the transmission of high sound pressure ultrasound and the reception of high sensitivity ultrasound.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic vibrator included in an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a displacement state simulated and analyzed using a finite element method when the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention transmits or receives ultrasonic waves. FIG. 図4の超音波トランスデューサをV-V線矢印方向から見た断面図である。5 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer of FIG. 4 as viewed from the direction of the arrow VV. 振動部位の面積と指向性との関係を説明するための図である。11 is a diagram for explaining the relationship between the area of a vibrating part and directivity. FIG. メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a state in which sub-sound sources that vibrate in an antiphase to the main sound source are arranged on both sides of the main sound source. メイン音源のみ駆動させたとき、メイン音源とサブ音源との音圧比率を16:1にしたとき、および、メイン音源とサブ音源との音圧比率を4:1にしたときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。13 is a graph showing the directivity obtained by simulation analysis using the finite element method when only the main sound source is driven, when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is set to 16:1, and when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is set to 4:1. メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が20°における音圧レベルの推移を示すグラフである。13 is a graph showing the change in sound pressure level at an emission angle of 20° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source are changed. メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が40°における音圧レベルの推移を示すグラフである。13 is a graph showing changes in sound pressure level at an emission angle of 40° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source are changed. 本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したメイン振動部の共振モードを示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a resonance mode of a main vibration part simulated and analyzed by using a finite element method in the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したサブ振動部の共振モードを示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a resonance mode of a sub-vibration part simulated and analyzed using a finite element method in the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention. FIG. 有限要素法を用いてシミュレーション解析した、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動とが同位相になっている状態を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a state in which the resonant vibration of the main vibration part and the resonant vibration of the sub vibration part are in phase, as determined by simulation analysis using the finite element method. FIG. メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差との関係を示すグラフである。11 is a graph showing the relationship between the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration section and the resonant frequency of the sub vibration section to the resonant frequency of the main vibration section, and the phase difference between the resonant vibration of the main vibration section and the resonant vibration of the sub vibration section. メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率との関係を示すグラフである。11 is a graph showing the relationship between the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration section and the resonant frequency of the sub vibration section to the resonant frequency of the main vibration section, and the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration section to the resonant amplitude of the main vibration section. 第1変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a restraining portion according to a first modified example. 第2変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a restraining portion according to a second modified example. 第3変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a restraining portion according to a third modified example. 第4変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a restraining portion according to a fourth modified example. 第5変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a restraining portion according to a fifth modified example. 第6変形例に係る拘束部を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing a restraining portion according to a sixth modified example. 第7変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a seventh modified example. 第8変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to an eighth modified example. 第9変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a ninth modified example. 本発明の実施形態1の第10変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。FIG. 23 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a tenth modified example of the first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。FIG. 11 is an exploded perspective view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2の第1変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子の周辺を示す縦断面図である。FIG. 11 is a longitudinal cross-sectional view showing the periphery of an ultrasonic vibrator of an ultrasonic transducer according to a first modified example of the second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2の第2変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。13 is a perspective view showing a cylindrical body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a second modified example of the second embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention. 本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。FIG. 11 is an exploded perspective view showing a configuration of an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention. 比較例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylindrical body according to a comparative example. 第1実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylindrical body according to the first embodiment. 第2実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylindrical body according to a second embodiment. 第3実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a metal plate portion and a cylindrical body according to a third embodiment. メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数とスリットの長さとの関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between the resonance frequency of each of the main vibration section and the sub vibration section and the length of a slit. 本発明の実施形態3の変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a cylindrical body and a metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a modified example of the third embodiment of the present invention.

以下、本発明の各実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。Hereinafter, ultrasonic transducers according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the embodiments, the same or corresponding parts in the drawings will be given the same reference numerals, and the description will not be repeated.

(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図2は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図1および図2に示すように、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100は、外装部110と、筒体120と、超音波振動子130と、拘束部140とを備える。
(Embodiment 1)
Fig. 1 is a longitudinal sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 1 of the present invention. Fig. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 1 of the present invention. As shown in Figs. 1 and 2, an ultrasonic transducer 100 according to embodiment 1 of the present invention includes an exterior part 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic vibrator 130, and a restraint part 140.

外装部110は、たとえば、車両用バンパ、パソコンもしくはスマートホンの筐体、家具、または、家の壁などの外装の一部である。外装部110は、内面111を有する。外装部110は、略平板状の形状を有している。外装部110は、ポリプロピレンなどの樹脂で形成されている。外装部110の厚みは、たとえば、1.5mm程度である。 The exterior part 110 is, for example, a part of the exterior of a vehicle bumper, a computer or smartphone housing, furniture, or a wall of a house. The exterior part 110 has an inner surface 111. The exterior part 110 has a substantially flat plate shape. The exterior part 110 is formed of a resin such as polypropylene. The thickness of the exterior part 110 is, for example, about 1.5 mm.

図中においては、外装部110の内面111に直交する第1方向をZ軸方向、第1方向に直交する第2方向をX軸方向、第1方向および第2方向の各々に直交する第3方向をY軸方向として示している。In the figure, a first direction perpendicular to the inner surface 111 of the exterior portion 110 is shown as the Z-axis direction, a second direction perpendicular to the first direction is shown as the X-axis direction, and a third direction perpendicular to both the first and second directions is shown as the Y-axis direction.

筒体120は、外装部110の内面111に取り付けられている。本実施形態においては、筒体120の第1方向(Z軸方向)の一端が、外装部110の内面111に接着されている。筒体120は、矩形環状の形状を有している。筒体120は、第3方向(Y軸方向)に沿う長手方向を有し、第2方向(X軸方向)に沿う短手方向を有している。筒体120の軸方向は、第1方向(Z軸方向)に沿っている。 The cylindrical body 120 is attached to the inner surface 111 of the exterior part 110. In this embodiment, one end of the cylindrical body 120 in the first direction (Z-axis direction) is adhered to the inner surface 111 of the exterior part 110. The cylindrical body 120 has a rectangular ring-shaped shape. The cylindrical body 120 has a longitudinal direction along the third direction (Y-axis direction) and a transverse direction along the second direction (X-axis direction). The axial direction of the cylindrical body 120 is along the first direction (Z-axis direction).

筒体120は、樹脂、ガラスエポキシまたは金属などから形成されている。超音波トランスデューサ100の温度変化による特性変化を抑制する観点では、筒体120は金属で形成されていることが好ましい。一方、超音波トランスデューサ100が送信または受信する超音波を低周波数化する観点、および、超音波トランスデューサ100を小型化する観点では、筒体120は樹脂で形成されていることが好ましい。本実施形態においては、筒体120は、金属と樹脂との中間的な特性を有するガラスエポキシで形成されている。The cylindrical body 120 is formed from resin, glass epoxy, metal, or the like. From the viewpoint of suppressing changes in characteristics of the ultrasonic transducer 100 due to temperature changes, it is preferable that the cylindrical body 120 is formed from metal. On the other hand, from the viewpoint of lowering the frequency of the ultrasonic waves transmitted or received by the ultrasonic transducer 100 and from the viewpoint of miniaturizing the ultrasonic transducer 100, it is preferable that the cylindrical body 120 is formed from resin. In this embodiment, the cylindrical body 120 is formed from glass epoxy, which has intermediate properties between metal and resin.

図3は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。図1に示すように、超音波振動子130は、筒体120に取り付けられており、外装部110の内面111に間隔をあけて対向する。具体的には、超音波振動子130は、筒体120の第1方向(Z軸方向)の他端に取り付けられており、筒体120の内側空間を介して外装部110の内面111と対向している。 Figure 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic vibrator provided in the ultrasonic transducer of embodiment 1 of the present invention. As shown in Figure 1, the ultrasonic vibrator 130 is attached to the cylindrical body 120 and faces the inner surface 111 of the exterior part 110 with a gap therebetween. Specifically, the ultrasonic vibrator 130 is attached to the other end of the cylindrical body 120 in the first direction (Z-axis direction) and faces the inner surface 111 of the exterior part 110 through the internal space of the cylindrical body 120.

図1~図3に示すように、超音波振動子130は、圧電体131を含む圧電素子である。図3に示すように、本実施形態においては、超音波振動子130は、積層された2つの圧電体131を含む。2つの圧電体131の分極方向Dpは、互いに異なっている。具体的には、2つの圧電体131の分極方向Dpは、第1方向(Z軸方向)において互いに向かい合っている。2つの圧電体131は、第1電極132および第2電極133に挟まれており、2つの圧電体131の間に中間電極134が配置されている。第1電極132および第2電極133は交流電圧を印加可能な処理回路150と電気的に接続されている。超音波振動子130は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子である。2つの圧電体131の厚みの合計は、たとえば、0.5mm以上0.75mm以下である。 As shown in Figures 1 to 3, the ultrasonic transducer 130 is a piezoelectric element including a piezoelectric body 131. As shown in Figure 3, in this embodiment, the ultrasonic transducer 130 includes two stacked piezoelectric bodies 131. The polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 are different from each other. Specifically, the polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 face each other in the first direction (Z-axis direction). The two piezoelectric bodies 131 are sandwiched between a first electrode 132 and a second electrode 133, and an intermediate electrode 134 is disposed between the two piezoelectric bodies 131. The first electrode 132 and the second electrode 133 are electrically connected to a processing circuit 150 capable of applying an AC voltage. The ultrasonic transducer 130 is a so-called series-type bimorph piezoelectric transducer. The total thickness of the two piezoelectric bodies 131 is, for example, 0.5 mm or more and 0.75 mm or less.

拘束部140は、外装部110の内面111に取り付けられており、筒体120に間隔をあけて筒体120を挟んでいる。本実施形態においては、拘束部140は、環状の形状を有している。具体的には、拘束部140は、矩形環状の形状を有している。拘束部140は、筒体120に間隔をあけつつ筒体120を外側から取り囲んでいる。ただし、拘束部140は、第2方向(X軸方向)において筒体120に間隔をあけて筒体120を挟んでいればよい。拘束部140の第1方向(Z軸方向)の一端が、外装部110の内面111に接着されている。The restraint section 140 is attached to the inner surface 111 of the exterior section 110, and sandwiches the cylindrical body 120 with a gap therebetween. In this embodiment, the restraint section 140 has an annular shape. Specifically, the restraint section 140 has a rectangular annular shape. The restraint section 140 surrounds the cylindrical body 120 from the outside while leaving a gap therebetween. However, it is sufficient that the restraint section 140 sandwiches the cylindrical body 120 with a gap therebetween in the second direction (X-axis direction). One end of the restraint section 140 in the first direction (Z-axis direction) is adhered to the inner surface 111 of the exterior section 110.

拘束部140は、ステンレス鋼もしくはアルミニウムなどの金属、または、ガラスエポキシなどの剛性の高い材料で形成されている。外装部110において拘束部140が取り付けられた部分が拘束されることによって、後述するサブ振動部の振動をサブ振動部内に閉じ込めて安定させることができる。The restraint section 140 is formed of a metal such as stainless steel or aluminum, or a highly rigid material such as glass epoxy. By restraining the portion of the exterior section 110 to which the restraint section 140 is attached, the vibration of the sub-vibration section, which will be described later, can be contained within the sub-vibration section and stabilized.

図4は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。図5は、図4の超音波トランスデューサをV-V線矢印方向から見た断面図である。シミュレーション解析条件として、外装部110の厚みを1.5mm、圧電体131の厚みを0.6mm、筒体120の外形の長手寸法を16mm、短手寸法を6mm、厚みを0.4mm、筒体120の幅を0.5mmとした。すなわち、筒体120の内形の長手寸法を15mm、短手寸法を5mmとした。拘束部140の幅を2mm、厚みを3mmとした。筒体120と拘束部140との第2方向(X軸方向)における間隔を4mmとした。 Figure 4 is a perspective view showing a displacement state simulated and analyzed using the finite element method when the ultrasonic transducer according to embodiment 1 of the present invention transmits or receives ultrasonic waves. Figure 5 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer in Figure 4 as seen from the direction of the V-V line arrow. The simulation analysis conditions were as follows: the thickness of the exterior part 110 was 1.5 mm, the thickness of the piezoelectric body 131 was 0.6 mm, the longitudinal dimension of the outer shape of the cylindrical body 120 was 16 mm, the lateral dimension was 6 mm, the thickness was 0.4 mm, and the width of the cylindrical body 120 was 0.5 mm. That is, the longitudinal dimension of the inner shape of the cylindrical body 120 was 15 mm, and the lateral dimension was 5 mm. The width of the restraint part 140 was 2 mm, and the thickness was 3 mm. The distance between the cylindrical body 120 and the restraint part 140 in the second direction (X-axis direction) was 4 mm.

図4および図5に示すように、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100は、第1方向(Z軸方向)から見て、外装部110における筒体120の内側に位置する部分であるメイン振動部110m、および、第2方向(X軸方向)において外装部110における筒体120の外側かつ拘束部140の内側に位置する部分であるサブ振動部110sを有する。As shown in Figures 4 and 5, the ultrasonic transducer 100 of embodiment 1 of the present invention has a main vibration part 110m, which is a part of the exterior part 110 located inside the cylindrical body 120 when viewed from a first direction (Z-axis direction), and a sub-vibration part 110s, which is a part of the exterior part 110 located outside the cylindrical body 120 and inside the restraint part 140 in the second direction (X-axis direction).

図5に示すように、メイン振動部110mは、超音波振動子130とは逆位相で共振振動する。すなわち、メイン振動部110mの共振振動Bmの変位方向と、超音波振動子130の共振振動Bpの変位方向とは、第1方向(Z軸方向)において互いに反対向きである。 As shown in Figure 5, the main vibration part 110m resonates in an opposite phase to the ultrasonic transducer 130. That is, the displacement direction of the resonant vibration Bm of the main vibration part 110m and the displacement direction of the resonant vibration Bp of the ultrasonic transducer 130 are opposite to each other in the first direction (Z-axis direction).

サブ振動部110sは、メイン振動部110mの共振振動に対する位相差の絶対値が120°以上180°以下の範囲内で共振振動する。すなわち、サブ振動部110sの共振振動Bsの変位方向と、メイン振動部110mの共振振動Bmの変位方向とは、第1方向(Z軸方向)において互いに反対向きである。The sub-vibration unit 110s resonates in a range in which the absolute value of the phase difference with respect to the resonant vibration of the main vibration unit 110m is in the range of 120° to 180°. In other words, the displacement direction of the resonant vibration Bs of the sub-vibration unit 110s and the displacement direction of the resonant vibration Bm of the main vibration unit 110m are opposite to each other in the first direction (Z-axis direction).

ここで、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100の効果が奏されるメカニズムについて説明する。Here, we will explain the mechanism by which the effects of the ultrasonic transducer 100 of embodiment 1 of the present invention are achieved.

図5に示すように、メイン振動部110mが超音波振動子130とは逆位相で共振振動することにより、図4に示すように、外装部110におけるメイン振動部110mの周囲への振動漏れを小さくすることができる。これにより、超音波トランスデューサ100の指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。また、超音波トランスデューサ100においては、サブ振動部110sにおいて上記の共振振動Bsを励起させることによって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ超音波トランスデューサ100の指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。 As shown in Fig. 5, the main vibration section 110m resonates in the opposite phase to the ultrasonic transducer 130, so that the vibration leakage to the periphery of the main vibration section 110m in the exterior section 110 can be reduced as shown in Fig. 4. This makes it possible to prevent the angular range of the directivity of the ultrasonic transducer 100 from narrowing. In addition, in the ultrasonic transducer 100, by exciting the above-mentioned resonant vibration Bs in the sub vibration section 110s, it is possible to prevent the angular range of the directivity of the ultrasonic transducer 100 from narrowing while realizing at least one of the transmission of ultrasonic waves with high sound pressure and the reception of ultrasonic waves with high sensitivity.

まず、メイン振動とサブ振動とによって、指向性の角度範囲が狭くなることを抑制できるメカニズムについて簡素化したモデルを用いて説明する。 First, we will use a simplified model to explain the mechanism by which the main vibration and sub-vibration can prevent the angular range of directivity from narrowing.

図6は、振動部位の面積と指向性との関係を説明するための図である。図6に示すように、振動部位から放射される超音波が、互いに間隔をあけて配置されている複数の点音源Sから放射されているとして考えると、振動部位の一端および他端の各々に位置する点音源S同士における放射角度θが0°以外の方向に放射された超音波の経路長の差DLは、振動部位の面積が大きくなるにしたがって大きくなる。この経路長の差DLと超音波の波長との関係によって干渉が生じるため、基本的には、振動部位の面積が大きくなるほど、および、超音波の周波数が高くなるほど、指向性の角度範囲が狭くなる。 Figure 6 is a diagram for explaining the relationship between the area of the vibration part and the directivity. As shown in Figure 6, if we consider that the ultrasonic waves emitted from the vibration part are emitted from multiple point sound sources S arranged at intervals from each other, the difference DL in the path length of the ultrasonic waves emitted in a direction other than 0° at the radiation angle θ between the point sound sources S located at one end and the other end of the vibration part increases as the area of the vibration part increases. Since interference occurs depending on the relationship between this path length difference DL and the wavelength of the ultrasonic waves, basically, the larger the area of the vibration part is and the higher the frequency of the ultrasonic waves is, the narrower the angular range of the directivity becomes.

一方、振動部位の面積を小さくすると、指向性の角度範囲が狭くなることを抑制できるが、放射される超音波の音圧が低くなる。ここで、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した場合の音圧と指向性との関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。On the other hand, if the area of the vibrating part is reduced, the narrowing of the angular range of directivity can be prevented, but the sound pressure of the radiated ultrasound will be reduced. Here, we will explain the results of a simulation analysis using the finite element method on the relationship between sound pressure and directivity when sub-sound sources that vibrate in the opposite phase to the main sound source are placed on both sides of the main sound source.

図7は、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。図7に示すように、メイン音源MSの両側に、メイン音源MSとは逆位相で振動するサブ音源SSを配置した簡素化したモデルを用いて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した。 Figure 7 is a schematic diagram showing a state in which sub-sound sources that vibrate in antiphase to the main sound source are placed on both sides of the main sound source. As shown in Figure 7, a simplified model in which sub-sound sources SS that vibrate in antiphase to the main sound source MS are placed on both sides of the main sound source MS was used for simulation analysis using the finite element method.

図8は、メイン音源のみ駆動させたとき、メイン音源とサブ音源との音圧比率を16:1にしたとき、および、メイン音源とサブ音源との音圧比率を4:1にしたときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図8においては、縦軸に、音圧レベル(dB)、円周軸に、メイン音源の中心からの放射角度(°)を示している。また、メイン音源のみ駆動させたときの指向性を実線、メイン音源とサブ音源との音圧比率を16:1にしたときの指向性を点線、メイン音源とサブ音源との音圧比率を4:1にしたときの指向性を2点鎖線で示している。なお、上記の3つのケースの各々において、放射角度θ=0°の正面方向における音圧レベルを0dBとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。 Figure 8 is a graph showing the directivity analyzed by simulation using the finite element method when only the main sound source is driven, when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 16:1, and when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 4:1. In Figure 8, the vertical axis shows the sound pressure level (dB), and the circumferential axis shows the radiation angle (°) from the center of the main sound source. The directivity when only the main sound source is driven is shown by a solid line, the directivity when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 16:1 is shown by a dotted line, and the directivity when the sound pressure ratio between the main sound source and the sub sound source is 4:1 is shown by a two-dot chain line. Note that in each of the above three cases, the sound pressure level in the front direction at a radiation angle θ = 0° is set to 0 dB, and the transition between the radiation angle θ and the sound pressure level is shown.

図8に示すように、メイン音源MSとサブ音源SSとの音圧比率を16:1にしたときは、指向性の角度範囲が広くなっており、メイン音源MSとサブ音源SSとの音圧比率を4:1にしたときは、指向性の角度範囲がさらに広くなっていた。As shown in Figure 8, when the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS was set to 16:1, the angular range of directivity was wider, and when the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS was set to 4:1, the angular range of directivity was even wider.

メイン音源MSとサブ音源SSとの音圧比率を4:1にしたときは、メイン音源MSから放射された超音波とサブ音源SSから放射された超音波の干渉によって放射角度θ=0°の正面方向における音圧レベルが低くなっているが、放射角度θが20°以上40°以下の範囲において音圧レベルが最も高くなっていた。 When the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS was set to 4:1, the sound pressure level in the front direction at a radiation angle θ = 0° was low due to interference between the ultrasound emitted from the main sound source MS and the ultrasound emitted from the sub sound source SS, but the sound pressure level was highest when the radiation angle θ was in the range of 20° to 40°.

干渉による音圧レベルの変化は、メイン音源MSとサブ音源SSとの音圧比率と、メイン音源MSから放射される超音波の正弦波とサブ音源SSから放射される超音波の正弦波との位相差とによって、変化する。 The change in sound pressure level due to interference varies depending on the sound pressure ratio between the main sound source MS and the sub sound source SS and the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source MS and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source SS.

図9は、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が20°における音圧レベルの推移を示すグラフである。図10は、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率と、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差とが変化した際の、放射角度が40°における音圧レベルの推移を示すグラフである。 Figure 9 is a graph showing the transition of the sound pressure level at an emission angle of 20° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source are changed. Figure 10 is a graph showing the transition of the sound pressure level at an emission angle of 40° when the sound pressure ratio of the sub sound source to the main sound source and the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source are changed.

図9においては、縦軸に、放射角度が20°における音圧レベル(dB)、横軸に、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率(%)を示している。図10においては、縦軸に、放射角度が40°における音圧レベル(dB)、横軸に、メイン音源に対するサブ音源の音圧比率(%)を示している。図9および図10においては、放射角度θ=0°の正面方向における音圧レベルを0dBとして、メイン音源から放射される超音波の正弦波とサブ音源から放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が、90°のときの推移をL1、120°のときの推移をL2、150°のときの推移をL3、180°のときの推移をL4で示している。In Figure 9, the vertical axis shows the sound pressure level (dB) at a radiation angle of 20°, and the horizontal axis shows the sound pressure ratio (%) of the sub sound source to the main sound source. In Figure 10, the vertical axis shows the sound pressure level (dB) at a radiation angle of 40°, and the horizontal axis shows the sound pressure ratio (%) of the sub sound source to the main sound source. In Figures 9 and 10, the sound pressure level in the front direction at a radiation angle θ = 0° is set to 0 dB, and the absolute value of the phase difference between the ultrasonic sine wave radiated from the main sound source and the ultrasonic sine wave radiated from the sub sound source is shown as L1 when it is 90°, L2 when it is 120°, L3 when it is 150°, and L4 when it is 180°.

図9および図10の各々において、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときよりも音圧レベルが大きくなっているとき、指向性の角度範囲が広くなっていることになる。 In each of Figures 9 and 10, when the sound pressure level is higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 0%, the angular range of directivity is wider.

図9および図10に示すように、メイン音源MSから放射される超音波の正弦波とサブ音源SSから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が90°のとき、放射角度が20°および40°における音圧レベルは、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときよりも大きくならなかった。 As shown in Figures 9 and 10, when the absolute value of the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source MS and the ultrasonic sine wave emitted from the sub-sound source SS is 90°, the sound pressure levels at emission angles of 20° and 40° were not higher than when the sound pressure ratio of the sub-sound source SS to the main sound source MS was 0%.

上記位相差の絶対値が120°のとき、放射角度が20°における音圧レベルは、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときと略同一であり、放射角度が40°における音圧レベルは、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときよりも大きくなっていた。 When the absolute value of the above phase difference was 120°, the sound pressure level at a radiation angle of 20° was approximately the same as when the sound pressure ratio of the sub-sound source SS to the main sound source MS was 0%, and the sound pressure level at a radiation angle of 40° was greater than when the sound pressure ratio of the sub-sound source SS to the main sound source MS was 0%.

上記位相差の絶対値が150°および180°のとき、放射角度が20°および40°における音圧レベルは、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときよりも大きくなっていた。 When the absolute value of the above phase difference was 150° and 180°, the sound pressure level at radiation angles of 20° and 40° was higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS was 0%.

上記の結果から、メイン音源MSから放射される超音波の正弦波とサブ音源SSから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が120°以上180°以下の範囲内において、指向性の角度範囲が広くなることが確認できた。たとえば、メイン音源MSから放射される超音波の正弦波とサブ音源SSから放射される超音波の正弦波との位相差の絶対値が180°で、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が10%以上のとき、メイン音源MSに対するサブ音源SSの音圧比率が0%のときより、放射角度が20°における音圧レベルは2dB以上高くなり、放射角度が40°における音圧レベルは6dB以上高くなった。From the above results, it was confirmed that the angular range of directivity is widened when the absolute value of the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source MS and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source SS is in the range of 120° to 180°. For example, when the absolute value of the phase difference between the ultrasonic sine wave emitted from the main sound source MS and the ultrasonic sine wave emitted from the sub sound source SS is 180° and the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 10% or more, the sound pressure level at a radiation angle of 20° is 2 dB or more higher and the sound pressure level at a radiation angle of 40° is 6 dB or more higher than when the sound pressure ratio of the sub sound source SS to the main sound source MS is 0%.

次に、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々における振動モードについて説明する。図11は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したメイン振動部の共振モードを示す断面図である。図12は、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいて有限要素法を用いてシミュレーション解析したサブ振動部の共振モードを示す断面図である。図11および図12においては、図5と同一の断面位置にて断面視している。Next, the vibration modes in each of the main vibration section 110m and the sub vibration section 110s will be described. Figure 11 is a cross-sectional view showing the resonance mode of the main vibration section, which is simulated and analyzed using the finite element method in the ultrasonic transducer according to embodiment 1 of the present invention. Figure 12 is a cross-sectional view showing the resonance mode of the sub vibration section, which is simulated and analyzed using the finite element method in the ultrasonic transducer according to embodiment 1 of the present invention. Figures 11 and 12 are cross-sectional views at the same cross-sectional position as Figure 5.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100は、図11に示すメイン振動部110mの共振モードによって超音波の送信および受信の少なくとも一方を行なう。本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100は、図12に示すサブ振動部110sの共振モードをメイン振動部110mの共振モードに重畳させることによって指向性の角度範囲が狭くなることを抑制する。なお、超音波の送信および受信の少なくとも一方を効率的に行なうために、メイン振動部110mの共振周波数の近傍の周波数においてサブ振動部110sを共振振動させる。The ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention transmits and/or receives ultrasonic waves by the resonance mode of the main vibration part 110m shown in Fig. 11. The ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention suppresses the narrowing of the angular range of directivity by superimposing the resonance mode of the sub vibration part 110s shown in Fig. 12 on the resonance mode of the main vibration part 110m. In order to efficiently transmit and/or receive ultrasonic waves, the sub vibration part 110s is vibrated resonantly at a frequency near the resonance frequency of the main vibration part 110m.

図13は、有限要素法を用いてシミュレーション解析した、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動とが同位相になっている状態を示す断面図である。図13においては、図5と同一の断面位置にて断面視している。メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分が好適な範囲外である場合は、図13に示すようにメイン振動部110mの共振振動Bmとサブ振動部110sの共振振動Bsとが同位相になる。この場合、メイン振動部110mから放射された超音波とサブ振動部110sから放射された超音波の干渉によって放射角度θ=0°の正面方向における音圧レベルが高くなり、指向性の角度範囲が狭くなる。 Figure 13 is a cross-sectional view showing a state in which the resonant vibration of the main vibration part and the resonant vibration of the sub vibration part are in phase, as simulated and analyzed using the finite element method. In Figure 13, the cross-section is taken at the same cross-sectional position as in Figure 5. When the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s is outside the preferred range, the resonant vibration Bm of the main vibration part 110m and the resonant vibration Bs of the sub vibration part 110s are in phase as shown in Figure 13. In this case, the sound pressure level in the front direction at a radiation angle θ = 0° increases due to interference between the ultrasonic waves emitted from the main vibration part 110m and the ultrasonic waves emitted from the sub vibration part 110s, and the angular range of directivity becomes narrower.

一方、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分が好適な範囲内である場合は、図5に示すようにメイン振動部110mの共振振動Bmとサブ振動部110sの共振振動Bsとの位相差および振幅比率を所望の状態にすることができる。On the other hand, when the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s is within a suitable range, the phase difference and amplitude ratio between the resonant vibration Bm of the main vibration part 110m and the resonant vibration Bs of the sub vibration part 110s can be set to a desired state, as shown in Figure 5.

まず、メイン振動部110mを振動漏れの少ない共振モードで振動させるためには、メイン振動部110mと超音波振動子130との物理的バランスを維持しつつ、メイン振動部110mと超音波振動子130とが逆位相で共振振動していることが求められる。First, in order to vibrate the main vibration part 110m in a resonant mode with little vibration leakage, it is required that the main vibration part 110m and the ultrasonic transducer 130 resonate in opposite phases while maintaining the physical balance between them.

メイン振動部110mと超音波振動子130との物理的バランスを維持するために、外装部110の横波の音速をCb、圧電体131の横波の音速をCp、メイン振動部110mの厚みの寸法をTb、および、圧電体131の厚みの寸法をTpとすると、0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cbの関係を満たすことが好ましい。外装部110の横波の音速Cbは、外装部110を構成する材料で決まる。圧電体131の横波の音速Cpは、圧電体131を構成する材料で決まる。超音波振動子130において複数の圧電体131が積層されている場合は、圧電体131の厚みの寸法Tpは、複数の圧電体131の各々の厚みの合計値である。In order to maintain the physical balance between the main vibration section 110m and the ultrasonic transducer 130, it is preferable to satisfy the relationship of 0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cb, where Cb is the sound velocity of the transverse waves of the exterior section 110, Cp is the sound velocity of the transverse waves of the piezoelectric body 131, Tb is the thickness dimension of the main vibration section 110m, and Tp is the thickness dimension of the piezoelectric body 131. The sound velocity Cb of the transverse waves of the exterior section 110 is determined by the material constituting the exterior section 110. The sound velocity Cp of the transverse waves of the piezoelectric body 131 is determined by the material constituting the piezoelectric body 131. When multiple piezoelectric bodies 131 are stacked in the ultrasonic transducer 130, the thickness dimension Tp of the piezoelectric body 131 is the sum of the thicknesses of the multiple piezoelectric bodies 131.

0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cbの関係を満たすことにより、メイン振動部110mと超音波振動子130との振動時の物理的バランスを維持して、メイン振動部110mの共振振動の振幅の低減および振動漏れを抑制することができる。なお、Tb=CpTp/Cbの関係を満たすことがさらに好ましい。By satisfying the relationship of 0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cb, the physical balance between the main vibration part 110m and the ultrasonic transducer 130 during vibration can be maintained, and the amplitude of the resonant vibration of the main vibration part 110m can be reduced and vibration leakage can be suppressed. It is more preferable to satisfy the relationship of Tb=CpTp/Cb.

次に、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分と、メイン振動部110mの共振振動Bmとサブ振動部110sの共振振動Bsとの位相差との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図14は、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差との関係を示すグラフである。図14においては、縦軸に、メイン振動部の共振振動とサブ振動部の共振振動との位相差(°)、横軸に、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率(%)を示している。Next, the results of a simulation analysis using the finite element method will be described regarding the relationship between the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s, and the phase difference between the resonant vibration Bm of the main vibration part 110m and the resonant vibration Bs of the sub vibration part 110s. Figure 14 is a graph showing the relationship between the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part and the resonant frequency of the sub vibration part to the resonant frequency of the main vibration part, and the phase difference between the resonant vibration of the main vibration part and the resonant vibration of the sub vibration part. In Figure 14, the vertical axis shows the phase difference (°) between the resonant vibration of the main vibration part and the resonant vibration of the sub vibration part, and the horizontal axis shows the ratio (%) of the difference between the resonant frequency of the main vibration part and the resonant frequency of the sub vibration part to the resonant frequency of the main vibration part.

なお、第2方向(X軸方向)における筒体120と拘束部140との間隔が大きくなるにしたがってサブ振動部の共振周波数が小さくなり、当該間隔が小さくなるにしたがってサブ振動部の共振周波数が大きくなる。 In addition, as the distance between the cylinder 120 and the restraint portion 140 in the second direction (X-axis direction) increases, the resonant frequency of the sub-vibration portion decreases, and as the distance decreases, the resonant frequency of the sub-vibration portion increases.

図14に示すように、サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数より低いとき、メイン振動部110mの共振振動とサブ振動部110sの共振振動との位相差は、0°以上80°以下であった。点線Laで示すようにメイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が7%のとき、メイン振動部110mの共振振動とサブ振動部110sの共振振動との位相差は、120°となった。14, when the resonant frequency of the sub vibration part 110s is lower than the resonant frequency of the main vibration part 110m, the phase difference between the resonant vibration of the main vibration part 110m and the resonant vibration of the sub vibration part 110s is 0° or more and 80° or less. As shown by the dotted line La, when the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m is 7%, the phase difference between the resonant vibration of the main vibration part 110m and the resonant vibration of the sub vibration part 110s is 120°.

次に、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分と、サブ振動部110sの共振振幅のメイン振動部110mの共振振幅に対する比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図15は、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率と、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率との関係を示すグラフである。図15においては、縦軸に、サブ振動部の共振振幅のメイン振動部の共振振幅に対する比率(%)、横軸に、メイン振動部の共振周波数とサブ振動部の共振周波数との差分のメイン振動部の共振周波数に対する比率(%)を示している。Next, the results of a simulation analysis using the finite element method will be described regarding the relationship between the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s, and the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration part 110s to the resonant amplitude of the main vibration part 110m. Figure 15 is a graph showing the relationship between the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part and the resonant frequency of the sub vibration part to the resonant frequency of the main vibration part, and the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration part to the resonant amplitude of the main vibration part. In Figure 15, the vertical axis shows the ratio (%) of the resonant amplitude of the sub vibration part to the resonant amplitude of the main vibration part, and the horizontal axis shows the ratio (%) of the difference between the resonant frequency of the main vibration part and the resonant frequency of the sub vibration part to the resonant frequency of the main vibration part.

図15に示すように、サブ振動部110sの共振振幅は、メイン振動部110mの共振振幅より小さい。サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数より高いとき、サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数に近いほどサブ振動部110sの共振振幅が大きくなった。As shown in Figure 15, the resonant amplitude of the sub-vibrating part 110s is smaller than the resonant amplitude of the main vibrating part 110m. When the resonant frequency of the sub-vibrating part 110s is higher than the resonant frequency of the main vibrating part 110m, the closer the resonant frequency of the sub-vibrating part 110s is to the resonant frequency of the main vibrating part 110m, the larger the resonant amplitude of the sub-vibrating part 110s becomes.

点線Laで示すようにメイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が7%のとき、サブ振動部110sの共振振幅のメイン振動部110mの共振振幅に対する比率は40%であった。点線Lbで示すようにメイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が20%のとき、サブ振動部110sの共振振幅のメイン振動部110mの共振振幅に対する比率は18%であった。サブ振動部110sの共振振幅のメイン振動部110mの共振振幅に対する比率が大きいほど、指向性の角度範囲を広くすることができる。As shown by the dotted line La, when the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m was 7%, the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m was 40%. As shown by the dotted line Lb, when the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m was 20%, the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m was 18%. The larger the ratio of the resonant amplitude of the sub vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m, the wider the angle range of the directivity can be.

図15に示すように、サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が7%以上20%以下のとき、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率と、サブ振動部110sの共振振幅のメイン振動部110mの共振振幅に対する比率とに、線形性が認められた。As shown in FIG. 15, when the resonant frequency of the sub-vibration part 110s is higher than the resonant frequency of the main vibration part 110m and the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub-vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m is 7% or more and 20% or less, linearity was observed in the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub-vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m and the ratio of the resonant amplitude of the sub-vibration part 110s to the resonant amplitude of the main vibration part 110m.

図14および図15に示すように、サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が7%以上20%以下のとき、メイン振動部110mの共振振動とサブ振動部110sの共振振動との位相差を120°以上180°以内にしつつサブ振動部110sの共振振幅をメイン振動部110mの共振振幅の18%以上40%以下にすることができる。As shown in Figures 14 and 15, when the resonant frequency of the sub-vibration part 110s is higher than the resonant frequency of the main vibration part 110m and the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration part 110m and the resonant frequency of the sub-vibration part 110s to the resonant frequency of the main vibration part 110m is 7% or more and 20% or less, the phase difference between the resonant vibration of the main vibration part 110m and the resonant vibration of the sub-vibration part 110s can be made to be 120° or more and 180° or less, while the resonant amplitude of the sub-vibration part 110s can be made 18% or more and 40% or less of the resonant amplitude of the main vibration part 110m.

よって、第2方向(X軸方向)における筒体120と拘束部140との間隔を変更してサブ振動部110sの共振周波数をメイン振動部110mの共振周波数の107%以上120%以下の範囲内で調整することにより、メイン振動部110mの共振振動とサブ振動部110sの共振振動との位相差を120°以上180°以内にしつつサブ振動部110sの共振振幅をメイン振動部110mの共振振幅の18%以上40%以下である範囲R内で適宜選択して、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲を広くすることができる。Therefore, by changing the distance between the cylinder 120 and the restraint portion 140 in the second direction (X-axis direction) and adjusting the resonant frequency of the sub-vibration portion 110s within a range of 107% or more and 120% or less of the resonant frequency of the main vibration portion 110m, the phase difference between the resonant vibration of the main vibration portion 110m and the resonant vibration of the sub-vibration portion 110s can be set to 120° or more and 180° or less, while appropriately selecting the resonant amplitude of the sub-vibration portion 110s within a range R that is 18% or more and 40% or less of the resonant amplitude of the main vibration portion 110m, thereby widening the angular range of directivity while realizing at least one of the transmission of high sound pressure ultrasound and the reception of high sensitivity ultrasound.

上記のように、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100においては、メイン振動部110mの振動部位を小さくすることなく、サブ振動部110sを好適な共振モードで共振振動させることによって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。As described above, in the ultrasonic transducer 100 according to embodiment 1 of the present invention, by resonating the sub-vibration unit 110s in a suitable resonant mode without reducing the size of the vibration portion of the main vibration unit 110m, it is possible to suppress the narrowing of the angular range of directivity while achieving at least one of the transmission of high sound pressure ultrasound and the reception of high sensitivity ultrasound.

なお、本実施形態においては、超音波振動子130が圧電振動子である場合について説明したが、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々を同様に駆動できるならば、超音波振動子130は、圧電振動子に限られず、静電駆動または電磁駆動される超音波振動子でもよい。In this embodiment, the ultrasonic transducer 130 is described as a piezoelectric transducer, but as long as the main vibration section 110m and the sub vibration section 110s can be driven in the same manner, the ultrasonic transducer 130 is not limited to a piezoelectric transducer and may be an ultrasonic transducer that is electrostatically or electromagnetically driven.

また、サブ振動部110sの共振振動を同様に発生させることができるならば、拘束部140の形状は、矩形環状に限られない。以下、本発明の実施形態1の各変形例に係る超音波トランスデューサの拘束部について説明する。In addition, the shape of the restraint section 140 is not limited to a rectangular ring shape, so long as the resonant vibration of the sub-vibration section 110s can be generated in a similar manner. Below, the restraint section of the ultrasonic transducer according to each modified example of embodiment 1 of the present invention is described.

図16は、第1変形例に係る拘束部を示す平面図である。図16に示すように、第1変形例に係る拘束部140aの形状は、正方形環状である。図17は、第2変形例に係る拘束部を示す平面図である。図17に示すように、第2変形例に係る拘束部140bにおいては、外形が正方形、内形が円形である。図18は、第3変形例に係る拘束部を示す平面図である。図18に示すように、第3変形例に係る拘束部140cにおいては、外形が正方形、内形が六角形である。図19は、第4変形例に係る拘束部を示す平面図である。図19に示すように、第4変形例に係る拘束部140dの形状は、円環状である。図20は、第5変形例に係る拘束部を示す平面図である。図20に示すように、第5変形例に係る拘束部140eの形状は、U字状である。図21は、第6変形例に係る拘束部を示す平面図である。図21に示すように、第6変形例に係る拘束部140fの形状は、第2方向(X軸方向)において互いに間隔をあけつつ第3方向(Y軸方向)に延在する1対の直線状である。 FIG. 16 is a plan view showing a restraint portion according to a first modified example. As shown in FIG. 16, the shape of the restraint portion 140a according to the first modified example is a square ring. FIG. 17 is a plan view showing a restraint portion according to a second modified example. As shown in FIG. 17, the outer shape of the restraint portion 140b according to the second modified example is a square, and the inner shape is a circle. FIG. 18 is a plan view showing a restraint portion according to a third modified example. As shown in FIG. 18, the outer shape of the restraint portion 140c according to the third modified example is a square, and the inner shape is a hexagon. FIG. 19 is a plan view showing a restraint portion according to a fourth modified example. As shown in FIG. 19, the shape of the restraint portion 140d according to the fourth modified example is a ring. FIG. 20 is a plan view showing a restraint portion according to a fifth modified example. As shown in FIG. 20, the shape of the restraint portion 140e according to the fifth modified example is a U-shape. FIG. 21 is a plan view showing a restraint portion according to a sixth modified example. As shown in FIG. 21, the shape of a restraining portion 140f according to the sixth modified example is a pair of straight lines extending in the third direction (Y-axis direction) while being spaced apart from each other in the second direction (X-axis direction).

本実施形態においては、超音波振動子130は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子であったが、超音波振動子130は、他の型の圧電振動子であってもよい。以下、本発明の実施形態1の変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子について説明する。In this embodiment, the ultrasonic vibrator 130 is a so-called series-type bimorph piezoelectric vibrator, but the ultrasonic vibrator 130 may be another type of piezoelectric vibrator. Below, we will explain the ultrasonic vibrator of the ultrasonic transducer related to a modified example of embodiment 1 of the present invention.

図22は、第7変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図22に示すように、第7変形例に係る超音波振動子130aは、積層された2つの圧電体131を含む圧電素子である。2つの圧電体131の分極方向Dpは、互いに等しい。超音波振動子130aは、いわゆる、パラレル型のバイモルフ型圧電振動子である。 Figure 22 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the seventh modified example. As shown in Figure 22, the ultrasonic transducer 130a according to the seventh modified example is a piezoelectric element including two stacked piezoelectric bodies 131. The polarization directions Dp of the two piezoelectric bodies 131 are the same. The ultrasonic transducer 130a is a so-called parallel type bimorph piezoelectric transducer.

図23は、第8変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図23に示すように、第8変形例に係る超音波振動子130bは、積層された4つの圧電体131を含む圧電素子である。4つの圧電体131のうち外側に位置する2つの圧電体131の分極方向Dpは、第1方向(Z軸方向)の一方を向いており、4つの圧電体131のうち内側に位置する2つの圧電体131の分極方向Dpは、第1方向(Z軸方向)の他方を向いている。超音波振動子130bは、いわゆる、マルチモルフ型圧電振動子である。 Figure 23 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the eighth modified example. As shown in Figure 23, ultrasonic transducer 130b according to the eighth modified example is a piezoelectric element including four stacked piezoelectric bodies 131. The polarization direction Dp of the two piezoelectric bodies 131 located on the outer side of the four piezoelectric bodies 131 faces one side of the first direction (Z-axis direction), and the polarization direction Dp of the two piezoelectric bodies 131 located on the inner side of the four piezoelectric bodies 131 faces the other side of the first direction (Z-axis direction). Ultrasonic transducer 130b is a so-called multimorph type piezoelectric transducer.

図24は、第9変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図24に示すように、第9変形例に係る超音波振動子130cは、1つの圧電体131を含む圧電素子である。具体的には、圧電体131は、第1電極132および金属からなる振動板135に挟まれている。超音波振動子130cは、いわゆる、ユニモルフ型圧電振動子である。 Figure 24 is a cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to the ninth modified example. As shown in Figure 24, ultrasonic transducer 130c according to the ninth modified example is a piezoelectric element including one piezoelectric body 131. Specifically, piezoelectric body 131 is sandwiched between a first electrode 132 and a vibration plate 135 made of metal. Ultrasonic transducer 130c is a so-called unimorph type piezoelectric transducer.

図25は、本発明の実施形態1の第10変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図25に示すように、本発明の実施形態1の第10変形例に係る超音波トランスデューサ100aは、外装部110と、筒体120aと、超音波振動子と、拘束部140とを備える。筒体120aは、有底筒状の形状を有している。筒体120aは、金属で形成されている。筒体120aの外側の底面に圧電体131が貼り付けられており、ユニモルフ型圧電振動子である超音波振動子が構成されている。 Figure 25 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to a tenth modified example of embodiment 1 of the present invention. As shown in Figure 25, ultrasonic transducer 100a according to the tenth modified example of embodiment 1 of the present invention comprises an exterior part 110, a cylindrical body 120a, an ultrasonic vibrator, and a restraint part 140. Cylinder body 120a has a cylindrical shape with a bottom. Cylinder body 120a is formed of metal. A piezoelectric body 131 is attached to the outer bottom surface of cylinder body 120a, forming an ultrasonic vibrator that is a unimorph type piezoelectric vibrator.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100においては、第1方向(Z軸方向)から見て、外装部110における筒体120の内側に位置する部分であるメイン振動部110mは、超音波振動子130とは逆位相で共振振動する。第1方向(Z軸方向)から見て、第2方向(X軸方向)において外装部110における筒体120の外側かつ拘束部140の内側に位置する部分であるサブ振動部110sは、メイン振動部110mの共振振動に対する位相差の絶対値が120°以上180°以下の範囲内で共振振動する。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲が狭くなることを抑制することができる。In the ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention, the main vibration section 110m, which is a portion of the exterior section 110 located inside the cylindrical body 120 when viewed from the first direction (Z-axis direction), resonates in an opposite phase to the ultrasonic transducer 130. The sub vibration section 110s, which is a portion of the exterior section 110 located outside the cylindrical body 120 and inside the restraint section 140 in the second direction (X-axis direction) when viewed from the first direction (Z-axis direction), resonates in a range of 120° to 180° in absolute value of phase difference with respect to the resonant vibration of the main vibration section 110m. This makes it possible to suppress the narrowing of the angular range of directivity while realizing at least one of the transmission of high sound pressure ultrasonic waves and the reception of high sensitivity ultrasonic waves.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサ100においては、拘束部140は、環状の形状を有している。これにより、指向性の角度範囲を広げた第2方向(X軸方向)に直交する第3方向(Y軸方向)に振動漏れが発生することを抑制することができる。In the ultrasonic transducer 100 according to the first embodiment of the present invention, the restraint section 140 has an annular shape. This makes it possible to suppress vibration leakage in the third direction (Y-axis direction) perpendicular to the second direction (X-axis direction) that widens the angular range of directivity.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいては、超音波振動子130は、圧電体を含む圧電素子である。これにより、超音波トランスデューサ100を簡易な構成にすることができる。In the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention, the ultrasonic vibrator 130 is a piezoelectric element including a piezoelectric body. This allows the ultrasonic transducer 100 to have a simple configuration.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部110sの共振周波数がメイン振動部110mの共振周波数より高く、かつ、メイン振動部110mの共振周波数とサブ振動部110sの共振周波数との差分のメイン振動部110mの共振周波数に対する比率が7%以上20%以下である。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ指向性の角度範囲を広くすることができる。In the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention, the resonant frequency of the sub-vibration unit 110s is higher than the resonant frequency of the main vibration unit 110m, and the ratio of the difference between the resonant frequency of the main vibration unit 110m and the resonant frequency of the sub-vibration unit 110s to the resonant frequency of the main vibration unit 110m is 7% or more and 20% or less. This makes it possible to widen the angular range of directivity while realizing at least one of the transmission of high sound pressure ultrasonic waves and the reception of high sensitivity ultrasonic waves.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいては、外装部110の横波の音速をCb、圧電体131の横波の音速をCp、メイン振動部110mの厚みの寸法をTb、および、圧電体131の厚みの寸法をTpとすると、0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cbの関係を満たす。これにより、メイン振動部110mと超音波振動子130との振動時の物理的バランスを維持して、メイン振動部110mの共振振動の振幅の低減および振動漏れを抑制することができる。In the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention, the sound velocity of the shear wave of the exterior part 110 is Cb, the sound velocity of the shear wave of the piezoelectric body 131 is Cp, the thickness dimension of the main vibration part 110m is Tb, and the thickness dimension of the piezoelectric body 131 is Tp, the relationship of 0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cb is satisfied. This maintains the physical balance between the main vibration part 110m and the ultrasonic transducer 130 during vibration, and reduces the amplitude of the resonant vibration of the main vibration part 110m and suppresses vibration leakage.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部110sの共振振幅は、メイン振動部110mの共振振幅より小さい。これにより、放射角度θ=0°の正面方向における音圧レベルが低くなりすぎることを抑制できる。In the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention, the resonant amplitude of the sub-vibration unit 110s is smaller than the resonant amplitude of the main vibration unit 110m. This prevents the sound pressure level in the front direction at a radiation angle θ = 0° from becoming too low.

本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部110sの共振振幅は、メイン振動部110mの共振振幅の18%以上40%以下である。これにより、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現することができる。In the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention, the resonant amplitude of the sub-vibration unit 110s is 18% to 40% of the resonant amplitude of the main vibration unit 110m. This makes it possible to realize at least one of the transmission of ultrasonic waves with high sound pressure and the reception of ultrasonic waves with high sensitivity.

(実施形態2)
以下、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサは、筒体および拘束部が金属板部を介して外装部の内面に取り付けられている点が本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態1に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention in that the cylindrical body and the restraining part are attached to the inner surface of the exterior part via a metal plate part, and therefore the description of the same configuration as the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.

図26は、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図27は、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図26および図27に示すように、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサ200は、外装部110と、筒体120と、超音波振動子130と、拘束部140と、金属板部250とを備える。 Figure 26 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 2 of the present invention. Figure 27 is an exploded oblique view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 2 of the present invention. As shown in Figures 26 and 27, an ultrasonic transducer 200 according to embodiment 2 of the present invention comprises an exterior portion 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic vibrator 130, a restraint portion 140, and a metal plate portion 250.

筒体120および拘束部140の各々は、外装部110の内面111に沿って延在している金属板部250を介して内面111に取り付けられている。具体的には、外装部110の内面111に凹部112が形成されている。凹部112が形成されている部分の外装部110の厚みは、たとえば、1mmである。なお、凹部112は、外装部110に必ずしも形成されていなくてもよい。Each of the cylindrical body 120 and the restraint portion 140 is attached to the inner surface 111 via a metal plate portion 250 extending along the inner surface 111 of the exterior portion 110. Specifically, a recess 112 is formed in the inner surface 111 of the exterior portion 110. The thickness of the exterior portion 110 at the portion where the recess 112 is formed is, for example, 1 mm. Note that the recess 112 does not necessarily have to be formed in the exterior portion 110.

金属板部250は、平板状である。金属板部250は、凹部112内に取り付けられている。第1方向(Z軸方向)から見て、金属板部250の中央部に筒体120が取り付けられており、金属板部250の縁部に拘束部140が取り付けられている。金属板部250は、アルミニウムなどの金属で形成されている。金属板部250の厚みは、たとえば、0.5mmである。 The metal plate portion 250 is flat. The metal plate portion 250 is attached within the recess 112. When viewed from the first direction (Z-axis direction), the cylinder body 120 is attached to the center of the metal plate portion 250, and the restraint portion 140 is attached to the edge of the metal plate portion 250. The metal plate portion 250 is formed of a metal such as aluminum. The thickness of the metal plate portion 250 is, for example, 0.5 mm.

メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々は、外装部110において凹部112が形成されて薄くなっている部分と金属板部250とで構成されている。Each of the main vibration part 110m and the sub vibration part 110s is composed of a thin portion in the exterior part 110 where a recess 112 is formed, and a metal plate part 250.

メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々に金属板部250を付加することにより、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の横波の音速が大きくなる。一方、メイン振動部110mの厚みは薄くなっている。これに対応して圧電体131の厚みを調整する必要がある。凹部112が形成されている部分の外装部110の厚みが1mm、アルミニウムからなる金属板部250の厚みが0.5mmである場合、圧電体131の厚みは、1mm以上1.5mm以下であることが好ましい。By adding the metal plate portion 250 to each of the main vibration portion 110m and the sub vibration portion 110s, the sound speed of the transverse waves of each of the main vibration portion 110m and the sub vibration portion 110s increases. On the other hand, the thickness of the main vibration portion 110m is thin. In response to this, the thickness of the piezoelectric body 131 needs to be adjusted. When the thickness of the exterior portion 110 where the recess 112 is formed is 1 mm and the thickness of the metal plate portion 250 made of aluminum is 0.5 mm, it is preferable that the thickness of the piezoelectric body 131 is 1 mm or more and 1.5 mm or less.

外装部110を構成するポリプロピレンなどの樹脂は、低温で硬く、高温で柔らかくなる。そのため、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の共振周波数が温度によって変化する。Resins such as polypropylene that compose the exterior portion 110 become hard at low temperatures and soft at high temperatures. Therefore, the resonant frequencies of the main vibration portion 110m and the sub vibration portion 110s change depending on the temperature.

本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサ200においては、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々において、温度による硬さの変化の少ない金属板部250を付加することにより、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。その結果、超音波トランスデューサ200の温度特性を安定させることができる。In the ultrasonic transducer 200 according to the second embodiment of the present invention, the metal plate portion 250, which has little change in hardness due to temperature, is added to each of the main vibration portion 110m and the sub vibration portion 110s, so that the change in the resonant frequency of each of the main vibration portion 110m and the sub vibration portion 110s due to temperature can be reduced. As a result, the temperature characteristics of the ultrasonic transducer 200 can be stabilized.

また、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサ200においては、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々を構成する外装部110の厚みを薄くすることにより、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。これによっても、超音波トランスデューサ200の温度特性を安定させることができる。In addition, in the ultrasonic transducer 200 according to the second embodiment of the present invention, the thickness of the exterior parts 110 constituting each of the main vibration part 110m and the sub vibration part 110s is reduced, thereby reducing the change in the resonant frequency of each of the main vibration part 110m and the sub vibration part 110s due to temperature. This also stabilizes the temperature characteristics of the ultrasonic transducer 200.

図28は、本発明の実施形態2の第1変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子の周辺を示す縦断面図である。図28に示すように、本発明の実施形態2の第1変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体120と金属板部250とによって形成されて内部空間が、シリコーンなどのダンピング材260によって埋められている。これにより、外装部側とは反対側への不要な超音波の放射および残響が生じることを抑制することができる。なお、ダンピング材260のヤング率は、たとえば、0.1MPa以上100MPa以下である。外装部側とは反対側への不要な超音波の放射を抑制する観点では、ダンピング材260のヤング率は0.1MPa以上0.5MPa以下であることが好ましく、残響を抑制する観点では、ダンピング材260のヤング率は10MPa以上50MPa以下であることが好ましい。 Figure 28 is a longitudinal sectional view showing the periphery of an ultrasonic vibrator of an ultrasonic transducer according to a first modified example of embodiment 2 of the present invention. As shown in Figure 28, in the ultrasonic transducer according to the first modified example of embodiment 2 of the present invention, the internal space formed by the cylindrical body 120 and the metal plate part 250 is filled with a damping material 260 such as silicone. This makes it possible to suppress the emission of unnecessary ultrasonic waves and the occurrence of reverberation on the side opposite the exterior part side. The Young's modulus of the damping material 260 is, for example, 0.1 MPa or more and 100 MPa or less. From the viewpoint of suppressing the emission of unnecessary ultrasonic waves on the side opposite the exterior part side, the Young's modulus of the damping material 260 is preferably 0.1 MPa or more and 0.5 MPa or less, and from the viewpoint of suppressing reverberation, the Young's modulus of the damping material 260 is preferably 10 MPa or more and 50 MPa or less.

図29は、本発明の実施形態2の第2変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。図29に示すように、本発明の実施形態2の第2変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体120および金属板部250が一体で形成されている。具体的には、筒体120および金属板部250が、有底筒状の金属部材で構成されている。本変形例においては、筒体120と金属板部250との界面からの振動漏れを抑制することができる。 Figure 29 is an oblique view showing the cylindrical body and metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a second modified example of embodiment 2 of the present invention. As shown in Figure 29, in the ultrasonic transducer according to the second modified example of embodiment 2 of the present invention, the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 are integrally formed. Specifically, the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 are composed of a bottomed cylindrical metal member. In this modified example, vibration leakage from the interface between the cylindrical body 120 and the metal plate portion 250 can be suppressed.

(実施形態3)
以下、本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサは、金属板部にスリットが形成されている点が本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
(Embodiment 3)
Hereinafter, an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention differs from the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention in that a slit is formed in the metal plate portion, and therefore the description of the same configuration as the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention will not be repeated.

図30は、本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図31は、本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図30および図31に示すように、本発明の実施形態3に係る超音波トランスデューサ300は、外装部110と、筒体120と、超音波振動子130と、拘束部140と、金属板部350とを備える。 Figure 30 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 3 of the present invention. Figure 31 is an exploded oblique view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to embodiment 3 of the present invention. As shown in Figures 30 and 31, an ultrasonic transducer 300 according to embodiment 3 of the present invention comprises an exterior portion 110, a cylindrical body 120, an ultrasonic vibrator 130, a restraint portion 140, and a metal plate portion 350.

本実施形態においては、第1方向(Z軸方向)から見て、金属板部350のサブ振動部110sと重なる位置に、筒体120の外縁に沿って延在するスリット351が形成されている。スリット351は、第3方向(Y軸方向)に延在している。スリット351は、第3方向(Y軸方向)において断続的に形成されている。具体的には、スリット351は、第3方向(Y軸方向)における筒体120の中央部および両端部の位置に形成されている。In this embodiment, when viewed from the first direction (Z-axis direction), a slit 351 extending along the outer edge of the cylindrical body 120 is formed at a position of the metal plate portion 350 overlapping with the sub-vibration portion 110s. The slit 351 extends in the third direction (Y-axis direction). The slit 351 is formed intermittently in the third direction (Y-axis direction). Specifically, the slit 351 is formed at the center and both ends of the cylindrical body 120 in the third direction (Y-axis direction).

本実施形態においては、金属板部350に、筒体120の外縁に沿って第2方向(X軸方向)に延在するスリット352が形成されている。スリット351およびスリット352は、第1方向(Z軸方向)から見て、略矩形状に形成されている。In this embodiment, a slit 352 is formed in the metal plate portion 350, the slit 352 extending in the second direction (X-axis direction) along the outer edge of the cylindrical body 120. The slits 351 and 352 are formed in a substantially rectangular shape when viewed from the first direction (Z-axis direction).

ここで、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の共振周波数とスリット351の長さとの関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図32は、比較例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図33は、第1実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図34は、第2実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。図35は、第3実施例に係る金属板部および筒体を示す斜視図である。Here, we will explain the results of a simulation analysis using the finite element method on the relationship between the resonant frequencies of the main vibration part 110m and the sub vibration part 110s and the length of the slit 351. Figure 32 is a perspective view showing a metal plate part and a cylindrical body according to a comparative example. Figure 33 is a perspective view showing a metal plate part and a cylindrical body according to a first embodiment. Figure 34 is a perspective view showing a metal plate part and a cylindrical body according to a second embodiment. Figure 35 is a perspective view showing a metal plate part and a cylindrical body according to a third embodiment.

図32に示すように、比較例に係る金属板部950においては、スリット351は形成されていない。図33に示すように、第1実施例に係る金属板部350aにおいては、第3方向(Y軸方向)における中央部に長さが4mmのスリット351が形成されている。図34に示すように、第2実施例に係る金属板部350bにおいては、第3方向(Y軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが8mmのスリット351が形成されている。図35に示すように、第3実施例に係る金属板部350cにおいては、第3方向(Y軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが12mmのスリット351が形成されている。As shown in FIG. 32, the metal plate part 950 according to the comparative example does not have a slit 351. As shown in FIG. 33, the metal plate part 350a according to the first embodiment has a slit 351 with a length of 4 mm formed in the center in the third direction (Y-axis direction). As shown in FIG. 34, the metal plate part 350b according to the second embodiment has a slit 351 with a length of 8 mm formed from the center toward both ends in the third direction (Y-axis direction). As shown in FIG. 35, the metal plate part 350c according to the third embodiment has a slit 351 with a length of 12 mm formed from the center toward both ends in the third direction (Y-axis direction).

図36は、メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数とスリットの長さとの関係を示すグラフである。図36においては、縦軸に、メイン振動部およびサブ振動部の各々の共振周波数(kHz)、横軸に、スリットの長さ(mm)を示している。また、メイン振動部の共振周波数を実線、サブ振動部の共振周波数を点線で示している。 Figure 36 is a graph showing the relationship between the resonant frequency of each of the main vibration section and the sub vibration section and the length of the slit. In Figure 36, the vertical axis shows the resonant frequency (kHz) of each of the main vibration section and the sub vibration section, and the horizontal axis shows the length of the slit (mm). The resonant frequency of the main vibration section is shown by a solid line, and the resonant frequency of the sub vibration section is shown by a dotted line.

図36に示すように、スリット351の長さが長くなるにしたがって、メイン振動部110mおよびサブ振動部110sの各々の共振周波数が低くなった。特に、サブ振動部110sの共振周波数は、スリット351の長さが長くなるにしたがって顕著に低下した。As shown in Figure 36, the resonant frequency of each of the main vibration part 110m and the sub vibration part 110s decreased as the length of the slit 351 increased. In particular, the resonant frequency of the sub vibration part 110s decreased significantly as the length of the slit 351 increased.

このシミュレーション解析結果から分かるように、第1方向(Z軸方向)から見て、金属板部350のサブ振動部110sと重なる位置に、筒体120の外縁に沿って延在するスリット351を形成することにより、サブ振動部110sの共振周波数を低くすることができる。よって、第2方向(X軸方向)における筒体120と拘束部140との間隔を小さくしつつ好適な長さのスリット351を形成することにより、サブ振動部110sの共振周波数を維持しつつ超音波トランスデューサ300を小型化することができる。第2方向(X軸方向)における筒体120と拘束部140との間隔を小さくすることにより、振動漏れを小さくすることができる。As can be seen from the simulation analysis results, by forming a slit 351 extending along the outer edge of the cylindrical body 120 at a position where the metal plate portion 350 overlaps with the sub-vibration portion 110s when viewed from the first direction (Z-axis direction), the resonance frequency of the sub-vibration portion 110s can be lowered. Therefore, by forming a slit 351 of an appropriate length while reducing the gap between the cylindrical body 120 and the restraint portion 140 in the second direction (X-axis direction), the ultrasonic transducer 300 can be miniaturized while maintaining the resonance frequency of the sub-vibration portion 110s. By reducing the gap between the cylindrical body 120 and the restraint portion 140 in the second direction (X-axis direction), vibration leakage can be reduced.

図37は、本発明の実施形態3の変形例に係る超音波トランスデューサの筒体および金属板部を示す斜視図である。図37に示すように、本発明の実施形態3の変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、筒体120および金属板部350が一体で形成されている。具体的には、筒体120および金属板部350が、有底筒状の金属部材で構成されている。本変形例においては、筒体120と金属板部350との界面からの振動漏れを抑制することができる。 Figure 37 is an oblique view showing the cylindrical body and metal plate portion of an ultrasonic transducer according to a modified example of embodiment 3 of the present invention. As shown in Figure 37, in an ultrasonic transducer according to a modified example of embodiment 3 of the present invention, the cylindrical body 120 and the metal plate portion 350 are integrally formed. Specifically, the cylindrical body 120 and the metal plate portion 350 are composed of a bottomed cylindrical metal member. In this modified example, vibration leakage from the interface between the cylindrical body 120 and the metal plate portion 350 can be suppressed.

上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。In the above description of the embodiments, combinable configurations may be combined with each other.

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

100,100a,200,300 超音波トランスデューサ、110 外装部、110m メイン振動部、110s サブ振動部、111 内面、112 凹部、120,120a 筒体、130,130a,130b,130c 超音波振動子、131 圧電体、132 第1電極、133 第2電極、134 中間電極、135 振動板、140,140a,140b,140c,140d,140e,140f 拘束部、150 処理回路、250,350,350a,350b,350c,950 金属板部、260 ダンピング材、351,352 スリット。 100, 100a, 200, 300 Ultrasonic transducer, 110 Exterior part, 110m Main vibration part, 110s Sub vibration part, 111 Inner surface, 112 Recess, 120, 120a Cylinder, 130, 130a, 130b, 130c Ultrasonic vibrator, 131 Piezoelectric body, 132 First electrode, 133 Second electrode, 134 Intermediate electrode, 135 Vibration plate, 140, 140a, 140b, 140c, 140d, 140e, 140f Restraint part, 150 Processing circuit, 250, 350, 350a, 350b, 350c, 950 Metal plate part, 260 Damping material, 351, 352 Slits.

Claims (10)

内面を有する外装部と、
前記内面に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記内面に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記内面に取り付けられており、前記筒体に間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記内面に直交する第1方向から見て、前記外装部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは逆位相で共振振動し、
前記第1方向から見て、前記第1方向と直交する第2方向において前記外装部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部の共振振動に対する位相差の絶対値が120°以上180°以下の範囲内で共振振動し、
前記筒体は、前記第1方向および前記第2方向の各々に直交する第3方向に沿う長手方向、並びに、前記第2方向に沿う短手方向を有しており、
前記サブ振動部は、前記筒体の前記短手方向において前記メイン振動部の両側に配置されている、超音波トランスデューサ。
an exterior portion having an inner surface;
A cylinder attached to the inner surface;
an ultrasonic transducer attached to the cylindrical body and facing the inner surface with a gap therebetween;
a restraining portion attached to the inner surface and sandwiching the cylindrical body with a gap therebetween;
a main vibration section, which is a portion of the exterior section located inside the cylindrical body when viewed from a first direction perpendicular to the inner surface, resonates in an opposite phase to the ultrasonic transducer,
a sub-vibration portion that is a portion of the exterior portion that is located outside the cylindrical body and inside the restraint portion in a second direction perpendicular to the first direction when viewed from the first direction, resonates and vibrates in a range of an absolute value of a phase difference with respect to a resonant vibration of the main vibration portion that is equal to or greater than 120° and equal to or less than 180° ;
the cylindrical body has a longitudinal direction along a third direction perpendicular to each of the first direction and the second direction, and a transverse direction along the second direction,
The sub vibration section is an ultrasonic transducer arranged on both sides of the main vibration section in the short side direction of the cylindrical body .
前記拘束部は、環状の形状を有している、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer of claim 1, wherein the restraint portion has an annular shape. 前記超音波振動子は、圧電体を含む圧電素子である、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 1 , wherein the ultrasonic vibrator is a piezoelectric element including a piezoelectric body. 前記筒体および前記拘束部の各々は、前記内面に沿って延在している金属板部を介して前記内面に取り付けられている、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 1 , wherein each of the cylindrical body and the restraining portion is attached to the inner surface via a metal plate portion extending along the inner surface. 前記第1方向から見て、前記金属板部の前記サブ振動部と重なる位置に、前記筒体の外縁に沿って延在するスリットが形成されている、請求項4に記載の超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 4, wherein a slit is formed extending along the outer edge of the cylindrical body at a position where the metal plate portion overlaps with the sub-vibration portion when viewed from the first direction. 前記内面に凹部が形成されており、
前記金属板部は、前記凹部内に取り付けられている、請求項4に記載の超音波トランスデューサ。
A recess is formed on the inner surface,
The ultrasonic transducer according to claim 4 , wherein the metal plate portion is attached within the recess.
前記サブ振動部の共振周波数は、前記メイン振動部の共振周波数より高く、
前記サブ振動部の共振周波数と前記メイン振動部の共振周波数との差分は、前記メイン振動部の共振周波数の7%以上20%以下である、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。
a resonance frequency of the sub vibration part is higher than a resonance frequency of the main vibration part,
2. The ultrasonic transducer according to claim 1 , wherein a difference between a resonant frequency of the sub vibration section and a resonant frequency of the main vibration section is 7% or more and 20% or less of the resonant frequency of the main vibration section.
前記外装部の横波の音速をCb、前記圧電体の横波の音速をCp、前記メイン振動部の厚みの寸法をTb、および、前記圧電体の厚みの寸法をTpとすると、
0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cbの関係を満たす、請求項3に記載の超音波トランスデューサ。
If the sound velocity of the shear wave of the exterior part is Cb, the sound velocity of the shear wave of the piezoelectric body is Cp, the thickness dimension of the main vibration part is Tb, and the thickness dimension of the piezoelectric body is Tp, then
4. The ultrasonic transducer according to claim 3, which satisfies the relationship: 0.7CpTp/Cb≦Tb≦1.3CpTp/Cb.
前記サブ振動部の共振振幅は、前記メイン振動部の共振振幅より小さい、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の超音波トランスデューサ。 An ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 8, wherein the resonant amplitude of the sub-vibration part is smaller than the resonant amplitude of the main vibration part. 前記サブ振動部の共振振幅は、前記メイン振動部の共振振幅の18%以上40%以下である、請求項9に記載の超音波トランスデューサ。 The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the resonant amplitude of the sub-vibration part is 18% or more and 40% or less of the resonant amplitude of the main vibration part.
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