JPH0740067B2 - 超音波トランスジューサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は例えば、距離の測定などに用いられる超音波
トランスジューサ、特に、距離分解能の向上を図るもの
に関する。

［従来の技術］ 第３図は従来の超音波トランスジューサを示す断面図で
ある。図において、（１）は円筒形をした函状のケー
ス、（２）はケース（１）の開口部を密閉するケースカ
バーで、ケース（１）に接着により組み付けられて密封
容器が構成される。（３）はケース（１）の底部内面に
配設された例えばニオブ酸リチウムからなる円板状の超
音波振動子である。（４）は円板状の押さえ部材保持板
で、ケース（１）の内周面部に形成された段部にネジ
（６）で押され部材保持板（４）の外周縁が固定されて
いる。（７）は振動子押さえコイルスプリングで、ケー
ス（１）の底部内面に800℃で焼成された接合部材であ
る銀ペースト（８）で接合された超音波振動子（３）と
ケース（１）の内周面部に外周縁が固定された押さえ部
材保持板（４）との間に介装され、超音波振動子（３）
を円形の絶縁板（９）を介してケース（１）の底部に向
けて常時付勢している。（10）はケースカバー（２）を
貫通して取り付けられたコネクタ、（11）は電線で、コ
ネクタ（10）と超音波振動子（３）とを接続している。
（12）はシールコネクタ（10）に接続されたケーブル、
（13）はケースカバー（２）に取り付けられた支柱であ
る。

従来の超音波トランスジューサは上記のように構成さ
れ、ケース（１）とケースカバー（２）によって密閉さ
れた超音波振動子（３）に所定の電圧が印加されたとき
には、周波数が2.5MHzでパルス巾50μsecの超音波を発
振し、その超音波は銀ペースト（８）及びケース（１）
の底部を透過してケース（１）外に送り出される。この
ときの指向角は1.3゜（−6dB）でS/N比はせいぜい20dB
であった。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の超音波トランスジューサでは、ケー
ス（１）の底部内面に銀ペースト（８）で接合された超
音波振動子（３）は振動子押さえコイルスプリング
（７）でケース（１）の底部に向けて押圧されている
が、その振動子押さえコイルスプリング（７）の押圧は
超音波振動子（３）のケース接触面とは反対側の面を均
一に押圧するやり方であるから、ケース（１）の底部内
面にミクロにみてくぼみがあるときに、振動子押さえコ
イルスプリング（７）の押圧力が均一なために超音波振
動子（３）のケース接触面の一部がケース（１）の底部
内面に倣わないことがあり、そのため空気層が一部に生
じたり、銀ペースト（８）の厚さが不均一になり、超音
波振動子（３）で発生した超音波の透過率即ち音響の伝
播効率が悪くなり、更に超音波の波形に歪みを生じさ
せ、S/N比が低下すると共にパルス巾が長くなって、距
離分解能を低下させるという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、S/N比が良好で、しかも距離分解能が向上した超音
波トランスジューサを得ることを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る超音波トランスジューサは、容器の底部
内面に超音波振動子を液体を介して配設し、容器の内周
面に外周縁が固定された押さえ部材保持板に設けられた
複数のネジ穴に螺合した振動子押さえネジで絶縁部材を
介して超音波振動子を容器の底部内面に押圧するように
構成したものである。

［作用］ この発明においては、容器の底部内面に液体を介して配
設された超音波振動子は容器に固定された押さえ部材保
持板に螺合した複数の振動子押さえネジで絶縁部材を介
して容器の底部内面に押圧固定されているから、超音波
振動子はケースとの接合面と平行な方向には固定されな
いため、温度変化が生じた時に超音波振動子と容器の底
部内面との間に生じる熱膨張を吸収することができる。
更に容器の底部内面にくぼみがあってもそのくぼみは液
体で充填され、しかも各振動子押さえネジで、超音波振
動子が局部的に押圧調整可能なために、超音波振動子の
容器接触面が容器の底部内面に倣うこととなり、超音波
振動子で発生した超音波が容器を透過するまで透過率即
ち音響の伝播効率が良好となると共に超音波の波形の歪
みを改善することができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は超
音波振動子の押さえ機構を示す部分拡大断面図である。
図において、従来例と同一の構成は同一符号を付して重
複した構成の説明を省略する。（１）はステレスケー
ス、（２）はステンレスケースカバー、（14）は複数の
ネジ穴（14a）を互いに等間隔に有する円板状の押さえ
部材保持板で、その外周縁がステンレスケース（１）の
内周面部に形成された段部にネジ（６）で固定されてい
る。（15）は押さえ部材保持板（14）の各ネジ穴（14
a）に螺合される振動子押さえネジ、（16）は振動子押
さえネジ（16）の先端に螺着されたステンレスの押さえ
片、（17）は絶縁部材である柔軟性を有するポリイミド
で、250℃の耐熱性、10¹⁷Ω/cmの絶縁性、１×10⁷Radオ
ーダ以上の耐放射性を有する。（18）はチタン酸鉛系セ
ラミックスからなる円板状の超音波振動子で、キューリ
点が360℃、電気機械結合係数0.45、周波数が約2.5MHz
でパルス巾が20μsecのもので、ステンレスとは熱膨張
係数が異なる。（９）は液体であるシリコーンオイル
で、ステンレスケース（１）の底部内面と超音波振動子
（18）との間に介在させられている。

超音波振動子（18）のステンレスケース（１）への取り
付けは、まず、ステンレスケース（１）の底部内面にシ
リコーンオイル（19）を塗布し、しかる後に超音波振動
子（18）をシリコーンオイル（19）が塗布されたステン
レスケース（１）の底部内面に配設する。その超音波振
動子（18）のケース接触面とは反対側の面に絶縁部材と
しての柔軟性を有する耐熱シートであるポリイミドシー
ト（17）を載置する。次に、各ネジ穴（14a）に振動子
押さえネジ（15）が螺合された押さえ部材保持板（14）
の外周縁をステンレスケース（１）の内周面部に形成さ
れた段部にネジ（６）で固定する。しかる後、各振動子
押さえネジ（15）を螺回し、振動子押さえネジ（15）の
先端に取り付けられている押さえ片（16）によってポリ
イミドシート（17）を押圧し、これら振動子押さえネジ
（15）の押圧力によって超音波振動子（18）はステンレ
スケース（１）の底部内面に押圧固定される。最後に、
ステンレスケース（１）にステンレスケースカバー
（２）を溶接で取り付ける。

上記のように構成された超音波トランスジューサにおい
ては、チタン酸鉛系セラミックからなる超音波振動子
（15）はキューリ点が360℃であるから、トランスジュ
ーサ使用条件が温度200℃〜250℃であっても、温度の影
響を受けることなく正常に動作し、電気機械結合係数が
0.45と従来のニオブ酸リチウムからなる超音波振動子
（３）の電気機械結合係数に比べて高く、電気・超音波
相互の変換効率が良好であり、超音波エネルギーが大き
くなってS/N比が向上した。また、ステンレスケース
（１）の底部内面に配設された超音波振動子（18）は、
ステンレスケース（１）に固定された押さえ部材保持板
（14）に螺合した複数の振動子押さえネジ（15）でポリ
イミドシート（17）を介してステンレスケース（１）の
底部内面に押圧固定され、その底部内面と超音波振動子
（18）のケース接触面との間にはシリコーンオイル（1
9）が介在しているから、超音波振動子（18）はステン
レスケース（１）との接合面と平行な方向には固定され
ないため、温度変化が生じた時に超音波振動子（18）と
ステンレスケース（１）の間に生じる熱膨張差を吸収す
ることができるため、劣化の少ない優れた耐久性を有す
ることができる。更に、ステンレスケース（１）の底部
内面にミクロにみてくぼみがあっても、そのくぼみはシ
リコーンオイル（19）で充填され、しかも各振動子押さ
えネジ（15）の押さえ片（16）で超音波振動子（18）が
ポリイミドシート（17）を介して局所的に押圧されるた
め、超音波振動子（18）のケース接触面がステンレスケ
ース（１）の底面内面に倣うこととなり、超音波振動子
（18）で発生した超音波がステンレスケース（１）を透
過するまでの透過率即ち音響の伝播効率が良好となり、
S/N比が向上すると共に超音波の波形に歪みを生じさせ
ることがなくなる。従って、S/N比が向上すると共にパ
ルス巾が短かくなり、距離分解能も向上する。また、振
動子押さえネジと（11）と超音波振動子（18）とを絶縁
するために設けられる絶縁部材をポリイミドシート（1
7）としたのは、耐熱性を有し、しかも柔軟性があり、
振動子押さえネジ（11）で超音波振動子（18）を押圧し
たときに、局部的に押圧調整することができるため、ス
テンレスケース（１）の底部内面に倣わせる最適なもの
だからである。更に、チタン酸鉛系セラミックスからな
る超音波振動子（18）とステンレスケース（１）とは熱
膨張係数が大きく異なるが、ステンレスケース（１）の
底部内面と超音波振動子（18）のケース接触面との間に
シリコーンオイル（19）が介在しているから、温度変化
によって生じる超音波振動子（18）にソリをシリコーン
オイル（19）で吸収し、従来のハンダ付けによって生じ
るソリによる指向性の悪化及び剥離という問題も起こら
ない。また、チタン酸鉛系セラミックスからなる超音波
振動子（18）はニオブ酸リチウムのような劈開性がない
から、割れにくく、熱衝撃にも強い。従って、超音波振
動子製造時の歩留りが良好となると共に寿命も向上し
た。

なお、この実施例では、超音波振動子（18）がキューリ
点300℃以上のチタン酸鉛系セラミックスで形成されて
いるが、これに限るものではなく、ステンレスケース
（１）と熱膨張係数が異なっても、電気機械結合係数が
大きく、高温用のものであれば、この発明を適用しえる
ことは勿論である。例えば、チタン酸鉛系セラミックス
以外のものとしてジルコン酸チタン酸鉛系セラミックス
がある。また、この実施例では、絶縁部材（17）として
ポリイミドシートを用いているが、絶縁性を有し、柔軟
性がある材質であれば、これに限らないことは勿論であ
る。更に、液体としてシリコーンオイルを用いている
が、他のオイル、液体金属を用いても、シリコーンオイ
ルと同様の機能を発揮することはいうまでもない。ま
た、この実施例では容器はステンレスで構成されている
が、他の金属、セラミックス、エンジニアリングプラス
チックで構成するようにしてもこの発明を実施しえるこ
とは勿論である。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、容器の底部内面に液体
を介して配設された超音波振動子はステンレスケースに
固定された押さえ部材保持板に螺合した複数の振動子押
さえネジで絶縁部材を介して容器の底部内面に押圧固定
され、各振動子押さえネジによって超音波振動子が局部
的に押圧調整できるので、超音波振動子が容器との接合
面と平行な方向に固定されないため、温度変化が生じた
時に超音波振動子と容器の間に生じる熱膨張差を吸収で
きるため、劣化の少ない優れた耐久性を有することがで
きる。更に、容器の底部内面にくぼみがあってもそのく
ぼみは液体で充填され、空気層がなくなり、しかも振動
子押さえネジで超音波振動子が絶縁部材を介して局所的
に押圧されるために超音波振動子の容器接触面が容器の
底部内面にな倣うこととなり、超音波振動子で発生した
超音波が容器を透過するまでの音響の伝播効率が良好と
なり、S/N比が向上すると共に超音波の波形に歪みを生
じさせることがなくなってパスル巾が短かくなって、距
離分解能が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は超
音波振動子の押さえ機構を示す部分拡大断面図、第３図
は従来の超音波トランスジューサを示す断面図である。 図において、（１）はステンレスケース（容器）、
（２）はステンレスケースカバー（容器）、（14）は押
さえ部材保持板、（14a）はネジ穴、（15）は振動子押
さえネジ、（17）はポリイミドシート（絶縁部材）、
（18）は超音波振動子、（19）はシリコーンオイル（液
体）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 唐沢 博一 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 佐藤 増雄 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (56)参考文献 特開 昭55−46620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−40900（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−75690（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−189156（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭59−11238（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容器の底部内面に配設された超音波振動子
   と、容器の底部内面と超音波振動子との間に介在させら
   れた液体と、容器の内周面に外周縁が固定された押さえ
   部材保持板と、押さえ部材保持板に設けられた複数のネ
   ジ穴に螺合され、先端が絶縁部材を介して超音波振動子
   の容器接触面と反対側の面を押圧する複数の振動子押さ
   えネジとを備えたことを特徴とする超音波トランスジュ
   ーサ。
2. 【請求項２】超音波振動子はキューリ点が300℃以上の
   チタン酸鉛系セラミックスであることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の超音波トランスジューサ。
3. 【請求項３】液体はシリコーンオイルであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の超音波ト
   ランスジューサ。
4. 【請求項４】絶縁部材は柔軟性を有した耐熱性シートか
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項
   又は第３項記載の超音波トランスジューサ。