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
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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.
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.
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