(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大きい横面に電極が備えられた、d31−モードで動作可能な少なくとも一つの圧電セラミック材料製シートと、
トランスデューザ・システム全体の重心が音響放射面と音響受射面（４）のそれぞれから離して配置されている、少なくとも一つの音響放射面と、音響受射面とを備えた、圧電超音波トランスデューサにおいて、
−少なくともひとつのシート（１）を備え、これがその狭い側（21）の一つを介して、トランスデューサ全体およびシートの質量と比較して軽量である少なくとも一つの剛性カバープレート（30;3、31、32、33、33'）と接続され、前記カバープレートは選択された形状的な寸法に関連して実施され、かつ狭い結合面を介してシート（１）の狭い側に結合されて、
−少なくとも音響放射モードでは、前記カバープレート（３、31、32、33、33'）の表面全体（４）が、圧電シート（１）が前記カバープレート（３、31、32、33、33'）を放射する放射角（α）の表面線（５）によって可能な限り完全に覆われ、かつ、
−前記表面（４）だけにそれぞれ音響放射、および（または）受射領域の関数が割当てられるように独立した自己共振システムを構成し、
少なくとも一つの圧電セラミック・シート（１）と音響放射、および（または）受射カバープレートの自己共振周波数を互いに明確に異なるように選択できることを特徴とする圧電超音波トランスデューサ。
【請求項２】
カバープレート（３、31、32、33、33'）の形状が少なくともカバープレート外縁部でシート（単数または複数）の放射角（α）をたどるように実質的に選択されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項３】
互いに平行に配置され、間隔を隔てた複数の圧電シート（１）がそれぞれの狭い側（21）に共通の一体カバープレート（30;3、31、32、33、33'）を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項または２項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項４】
互いに平行に配置され、間隔を隔てた複数の圧電シート（１）がそれぞれの狭い側（21）にそれぞれ一つの別個のカバープレート（31、33）と備えたことを特徴とする請求の範囲第１項または２項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項５】
隣接するカバープレート（31、33'）の一部が互いに部分的に連結され、特に一体のカバープレート（32、33'）として構成されたことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項６】
カバープレート（単数または複数）（３、31、32、33、33'）の材料として好ましくは樹脂内に埋設された中空の球からなる所定の音響特性インピーダンスを有する材料が選択されることを特徴とする請求の範囲第１項から５項の一項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項７】
圧電シート（単数または複数１）１の法線（ｎ）と、カバープレート（単数または複数）（30;3、31、32、33、33'）の法線（n2）とが互いに垂直に配置されたことを特徴とする請求の範囲第１項から６項の一項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項８】
システム全体の前記重心が、質量が大きいベースプレート（６）によって間隔を隔てて隣接して配置された複数の個々の圧電シート（１）の領域に移動され、前記圧電シートは対向する狭い側（22、21）で前記基板（６）および一体のカバーシート（30）とに連結されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項９】
前記個々のシートの厚さ（ｄ）を、機械的安定性および（または）電気的破壊電圧を許容し、かつ個々のシートの相互間隔（ａ）が前記厚み（ｄ）の10倍のサイズになるように薄く実施したことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項１０】
前記個々のシート（１）を、前記カバーシート（30）および前記基板（６）に対して角度（β）（ただしβ＜90゜）を呈する互いに平行に配置した圧電湾曲発振子として構成したことを特徴とする請求の範囲第８項および（または）９項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項１１】
前記圧電シート（１）がシートの法線方向（n1）およびカバーシート（30）の法線方向（n2）に対して垂直の方向（n3）に沿って異なる長さであり、その長さ寸法は特に楕円形の弦の長さに対応することを特徴とする請求の範囲第８項から10項の一項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項１２】
前記個々の圧電シートがシートの法線方向（n1）およびカバーシート（30）の法線方向（n2）に対して垂直に延びる方向（n3）に沿って少なくとも一部が断続された異なる長さのシート（11、12）として実施されたことを特徴とする請求の範囲第８項から10項の一項に記載の庄電超音波トランスデューサ。
【請求項１３】
個々の圧電シート（１）が内部電気接点を備えたはちの巣上に区分された中空ポケット（８）を有する押し出し成形された圧電セラミックの中空体（７）として構成され、後続のポケット（７）を交互に分極化する手段を備えたことを特徴とする請求の範囲（１から７）または８の一項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【請求項１４】
異なる分極のための前記手段がはちの巣構造の前記ポケット（８）に対する橋板状の接触被覆層（９）を備えた基板（６）によって形成されたことを特徴とする請求の範囲第13項に記載の圧電超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
本発明は特に動作時間測定用に使用される請求の範囲第１項に記載の種類の圧電超音波トランスデューサに関する。
超音波を発生するため通常は圧電材料製の発振器が使用される。その際に、発振器と、超音波が放射される媒体との結合は極めて重要である。発振器と前記媒体との音響特性インピーダンスの差が少ないほど結合は良好になる。超音波を空気中に放射するべき場合は、音響特性インピーダンスが空気と圧電セラミック材料とでは相当程度異なるので、結合は一般に特に劣悪である。
このように整合性が劣悪であるという基本的な問題があるにも関わらず、音響の振幅が大きいほど、放射される音響出力は高くなる。このような理由から、高い音響出力を達成するべき場合、このようなトランスデューサは基本的に共振して動作する。
例えば、動作時間測定で短い音響パルスを放射しようとする場合、トランスデューサの共振を強く減衰するか、またはトランスデューサは最低の共振周波数以下で動作されなければならない。単層の厚み発振器の場合、音響を発する面積の達成可能な音響振幅は、必要な励起電圧が極めて高いので狭い限度内にある。
本発明に最も近い解決方法はDE3920663  A1号に記載されている。この解決方法では、いわゆる圧電トラバース効果（d31−効果）が利用される。この文献では、単数または複数の圧電セラミック・シートから電気音響学的な音響トランスデューサを製造することが提案されており、シート間の空隙は、例えば樹脂内に埋設されたガラス、またはSi02からなる中空の球等の音響特性インピーダンスが低い材料で満たされる。その場合、トランスデューサ素子全体が塊状のサンドイッチ状積層体からなっており、放射面および（または）受射面が積層体の前面から形成されている。このようなトランスデューサでは単一の所定の指向性しか備えていない同相の表面振動しか得られない。このトランスデューサの欠点は、一方では共振した時しか充分に高い効率で動作しないことである。他方では、この積層部分の結合された機械的特性が、新たに必要とされる周波数、出力および指向性に関して、全ての部品を含むトランスデューサの全体構造の完全に新たな構想を準備する必要があることである。更に、DE3920663  A1号に記載のトランスデューサを動作時間測定に使用する場合、相当の補足的な減衰装置が必要となる。
本発明の目的は、特定の選択された励起周波数とは関わりなく、電気的励起の後にできるだけ近く、過渡振動プロセスおよび減衰プロセスに起因する時間による変形が少ない同相の平面的パルス放射を保証し、振幅が少ない励起電圧で充分に高い音響レベルを達成できる圧電トランスデューサを製造することにある。本発明の目的は更に、補足的な減衰手段がなくても伝送プロセス後に極めて迅速に受信可能状態に復帰できる圧電超音波トランスデューサを提供することにある
上記の目的は請求の範囲第１項の特徴によって解決される。本発明の本質は、d31−モードで動作し、その動作方向、またはその少なくとも一つの主要な成分が狭い前面を経て幾何学的に整合する質量は軽いが剛性のカバープレートもしくはカバー層と連結され、その法線n2が前述の運動方向、もしくはその分力と一致し、質量が軽いカバープレートだけが音響放射および／または受射面の機能を果たす型式の、圧電材料製の（単数または複数の）シートの新規、かつ大幅に減結合された構造を製造することにある。本発明に従って使用される圧電シートには常に大きい横面の両側に導電性接点被覆層を施している。
本発明の有利な実施例は従属クレームに記載されている。
次に本発明を添付図面を参照して５つの基本的な実施態様に基づき詳細に説明する。図中、
図１は本発明に基づく基本的な実施例の概略図である。
図1aは第１図に示した実施例の実施可能性を示した透視図である。
図1bは図１の実施例の別の実施例の概略図である。
図２は本発明に従った第２の基本的実施例の概略図である。
図2aは図２に示した実施例の実施可能性を示した透視図である。
図2bは図２の別の実施態様である。
図３は本発明に従った第３の実施例の概略図である。
図3aは第３図の変化形の概略図である。
図４は本発明に従った第４の基本的実施例の概略図である。
図５は図４のシートの構成と構造の可能性を示した平面図である。
図６は図４のシートの構成と構成の別の可能性を示した図面である。
図７はカバープレートを取り外したシートのはちの巣状のシート構造を示した本発明の第５の基本的実施例の概略図である。
図８は図７に示したシート構造を採用した基本的プレート構造の概略平面図である。
図９は図４の構造の更に別の変化形の側面図である。
図１には圧電セラミックのプレート状のシート１からなる圧電超音波トランスデューサの第１の実施例が示されており、前記シートの横の広い面23の両側には、詳細には図示しない通常の導電性接点被覆を設けてある。このシート１はその狭い側21で剛性のカバープレート３と連結されている。カバープレート３はシート１と、前記電極被覆と、場合によっては別の、詳細には図示しない対向プレートおよび音響反射手段とからなる圧電セラミック振動システムの質量と比較して、比較的質量が軽く実施されている。軽量の実施例の可能性については後に詳述する。説明をより明確にするために別の実施例にも記載されている法線には前記シート１の場合はn1が付され、前記カバープレート３にはn2が付され、かつそれぞれに矢印が付されている。本発明に従ってカバープレート３の幾何学的構成は、実質的にカバープレート３の表面４が全体的かつ均一に音響で覆われるように、励起すると圧電セラミック・シート１によって発生され、表面21を経てカバープレート３内に入る固体伝達音を含む音響放射角αを囲んでいる表面線５が延びるようにされている。カバープレート３は好適に自立発振システムを構成するように実施されている。このことは、例えばエポキシ樹脂内に封入されたガラスまたは酸化シリコンのからなる中空の球によって達成できる。この場合、カバープレート３は例えば（４・５・５）mmのサイズの立方形に形成される。このような四角形は例えば85kHzの自己共振周波数を有することができる。有効方向に関連する圧電シート１の自己共振周波数は例えば110kHzであることができる。このようなトランスデューサは好適に例えば85kHzであるカバープレートの自己共振で動作される。すなわち、圧電シートの動作はその自己共振の範囲外で行われる。本発明の構成と結合によって、圧電シートの運動振幅を自己共振の範囲外でも発生し、カバープレートに伝達することができ、その結果、超音波を発する表面の振動周波数が極めて大きくなる。
放射面に対して放射された超音波エネルギは、従来技術と比較して５倍にも増大できる。
共振の範囲外での圧電シートの動作によってトランスデューサの減衰時間は極めて短くなる。更に、本発明の構成によって、超音波振幅が縮小することなく、前記圧電シート用の付加的な減衰手段が可能になる。
図1aは所望の指向性または振幅に応じて、シート１をより長くし、法線n1およびn2の方向と直角のカバープレート３を対応するサイズにして、図１のシステム全体を長さを基本的に任意に延長できることを透視図で示している。図1bは小さいカバー面でシート１の狭い側21と連結された切頭逆ピラミッド33の形状のカバープレート３の更に別の実施例を示している。切頭ピラミッドの傾斜した側面は、角度α（好ましくは90゜）を含む前記の表面線５と略平行であり、それによって固体伝達音が表面４を均一かつ均質に覆うことが達成される。その上、カバープレート３をこのような切頭ピラミッド状に形成することで、共振周波数が縮小し、放射面と受射面とがそれぞれ拡大し、ひいては送信／受信感度が高まり、かつ指向性が向上する。
図２は互いに等間隔を隔てた複数のシート１がそれぞれの狭い側21で全体として一体のカバープレート３と連結された、本発明の更に別の基本的実施例を示している。その場合、シート１の相互間隔は上記の措置に従って、カバープレート３の表面４のサイズは、点線の表面線５で概略的に示すように、圧電シート１の固体伝達音によって均一かつ均質に覆われるようなサイズにされている。この構成も図1aと類似して実施できる。更に、カバープレート３の必要な剛性がそれによって影響を受けない限りは、表面線５に続く溝および傾斜をそれぞれカバープレートの底面に挿入、または取付けることができる。
図2aおよび2bは図1bと同様のカバープレート33'を一つの寸法を拡張した切頭逆ピラミッドの屋根状に実施した図２の別の実施可能性を示している。この例では、カバープレート33'は等しい周波数と移相位置によって励起できる２枚の圧電シート１によって励起される。
図３では、図１に記載の複数のモジュラ・システムを使用した本発明の別の基本的実施例を示しており、これは好適にシステムの重心の面に配置した共通支持体10上に実装されている。使用されている各シートには個々のカバープレート31が備えられている。このような実施例は、周波数、位相位置、および（または）振幅に関して個々のモジュールを相互に可変的に、かつ別個に制御するのに特に適しており、それによって音響ローブの放射角並びに音響伝搬方向を基本的に広範囲に制御することが可能になる。
任意選択できる時間的、空間的な駆動パルス・パターンを制御することによって基本的に、物体を空間内に置き、その距離、サイズおよび位置を判定し、その動きを追跡することができる。
図3aの実施例は図３の実施例と実質的に同様に構成されているが、この場合は２つのモジュールに共通のカバープレート32が備えられている。その場合、共通のカバープレート32は一体に実施されているか、または、隣接する２つのカバープレート31を接着して製造される。それによって達成できる利点は図３で記載した利点と対応する。使用目的に応じて、図３および図3aに示したモジュールは等間隔でもまた、図示のように互いに異なる間隔でも配置することができ、また、図3aに示すように、特定の集束効果を達成するために湾曲線上に配置することもできる。
図３および図3aに示した実施例を図示したモジュールの複式直列接続によって平面的な配列として構成することも本発明の範囲内にある。
これまで記載してきた実施例の全てに備わっている利点は基本的に、使用目的に応じて例えば出力、自己共振、形状、電気的容量、または振動の性質が異なる任意の数の多様な事前製造された圧電シートシステム、および例えば形状、材料特性、および共振特性が異なる更に多様なカバープレートを用意することができ、これらを、使用目的に応じて、特に予め定めることができる特定の方法で所望通りに組み合わせることができる点にある。送信動作では、このようなモジュールのモジュールの超音波放射の状態はカバープレート３、31、32、33、33'の所定の共振特性によって規定されるので、公知の従来技術の場合のように妨害的な、またはシステム全体を無効にしてしまうことすらある超音波振幅の超音波振幅損がなく、圧電シート（単数または複数）１を動作方向に関連する共振周波数の範囲外で、特にそれ以下で動作させることができる。圧電励起システムの共振周波数以下で動作可能な本発明の構成に基づく本発明の更に重要な利点は、同じ超音波出力を発生するために、それぞれの部品を従来技術の対応する部品の10分の１にも小さくすることができる点にある。
例えば図1aと類似する従来技術に従ったトランスデューサをこれも例えば60kHzであるカバープレートの共振周波数で、60kHzの周波数で動作した場合は、圧電シートの実効長さは約30mmが必要であろう。これに対して、本発明に従って構成したトランスデューサの場合は、達成可能な出力が同じで、放射面４が10分の１も縮小して、圧電シートの実効長さは僅か12mmしか必要ない。
以下に説明する、本発明の範囲に含まれる実施例では、本発明にとって本質的な手段を基本的に維持しつつも、音響特性インピーダンスに整合させるためにやや別の方途をたどる。
このような別の基本的な実施例を図４に概略的に示した実施例について説明する。
この構造は例えばセラミックからなる質量が重い基板６と、これと平行に配置された剛性で、軽量のカバープレート30とを有しており、その間に互いに平行に均質な圧電材料からなる複数のシート１が配置され、これらのシートは基板６およびカバープレート30とに対して垂直に延び、狭い側22、21でこれらのプレートに連結されている。シート１の間には同じ方向でみて個々のシートの厚さｄの10倍のサイズの空隙ａがそれぞれ残されている。ここで使用される圧電シート１の厚さｄはできるだけ薄くされ、これは実質的に更に必要な機械的安定性、および超えてはならない電気的破壊電圧によって規定される。代表的な実際の例では個々のシート１のサイズは例えば（0.2・３・18）mmであり、通常は図示した個々のシート１以上の数のシートが使用される。個々のシート１の長さ／高さ比は特に５−10とされる。トランスデューサのそれぞれの自己共振周波数を実質的に定める前述の高さおよび長さは本発明を限定するものではない。それぞれの具体的な寸法は例えば動作周波数、サイズ、音響振幅のような所望のトランスデューサ特性によってのみ左右され、そこから本発明の範囲に含まれる多数の可能な実施例が得られる。
図４に示した実施例では、ガラス、シリコン、セラミックまたはその他の適宜のプラスチック材料製の厚さ約0.3mmの薄い円板が、剛性と軽量に関する必要性に応じて選択された前記カバーシート30用に使用されている。好適に、前述の設計と同様にこの設定も極めて軽量であるのでより厚く、ひいてはより曲げ強く形成できる細胞状の構造で材料を使用することができる。妨害的な横共振を除去するため、圧電セラミック・シート１は法線n2およびn1に対して直角である方向n3に沿って相互に異なる長さで製造することができ、これは図５に示すように、点線で示された楕円、または円内の弦の長さに対応する。図６に概略的に示すように、方形の構成を望む場合は、それぞれの個々のシート１はn3の方向の異なる長さの部分11、12に区分することができる。
上記の寸法に適合して構成された図４に示したトランスデューサは、例えば50kHzないし210kHzで基本共振周波数を有する。このようなトランスデューサはその自己共振ポイントの範囲外の広い周波数スペクトルに亘って空気伝達超音波を放射し、受射するようにされている。この動作モードではトランスデューサの事後振動減少は極めて僅かであるので、これは極めて短距離の測定、並びに情報伝送用に極めて適している。その際に、シート１全体が同じ周波数と振幅で同相に励起される。
それぞれの薄い圧電セラミック・シート１の別の構成の可能性が図７に、一定の尺度でではなく概略的に示されている。この図面は図８の基板６の図面と同様に実際の条件に対応するものではなく、説明をより明解にするだけに過ぎない。ここでは、好適にははちの巣構造のポケット８を有する押し出し成形され、焼結された圧電セラミックの中空体７が使用される。中空体のサイズが例えば（20・20・５）mmであるポケット８の実際の数は約50個であり、このポケット８には詳細には図示しない金属製の接触被覆を施しており、それによってシートとして使用される例えば0.3mmの厚さのセラミック・ブリッジを分極することができる。その場合、後続のポケット８には符号が異なる電圧が印加される。これは図８により詳細に示されている基板６によって達成され、この基板には前記中空体７を底部領域を介して接続可能であるそれぞれの電極９が橋板状に備えられている。それぞれの電極９の相互間の、また、ポケット８のそれぞれの接触手段との接触は図面を明解にするために図示していない。前記基板６を備えた前記中空体７の前記底部領域は、図７には詳細には示されていないが、前述の実施例に対応して対向する端面上にカバープレート３および30をそれぞれ備えている。この実施例に従って設計されたトランスデューサは特に機械的に安定しており、経済的かつ製造し易く、前述したトランスデューサと同様に使用することができる。
前述の実施例は全て送信と受信の双方で動作するトランスデューサのそれぞれのカバープレートのピストン工程用にのみ構想されたものである。
更に、図９には図４と類似の設計の実施例が概略的に示されているが、使用される個々のシート１はそれぞれのカバーシート30および基板６に対して角度βを呈して配置されており、但しβ＜90゜である。この場合、シート１はいわゆる湾曲共振子の形式をとっており、これは例えば異なる極性の２つのセラミック相によって従来から公知の技術によって実施することができる。このような湾曲共振子の振幅は極めて大きい。このような構成は音響上特に“ソフト”であり、従って例えば空気に対して前述の実施例と比較して更に優れた結合状態を発揮する。カバーシート30がたどる振動方向は図９に二重矢印で示してある。
明細書、下記の請求の範囲、および図面に記載した全ての特徴はそれ自体としても、また、任意の組合わせとしても本発明にとって本質的な特徴である。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図３ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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