(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアル共振動作する圧電セラミック円板（２）と、円板状の整合層（４）と、この圧電セラミック円板（２）をその周側面で形状的にぴったりかつ締めつけるように包囲するリング（３）とを備えた超音波変換器（１）において、リング（３）がその縦波速度がアルミニウムのそれより大きい材料からなることを特徴とする超音波変換器（１）。
【請求項２】
リング（３）がセラミック材料からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波変換器（１）。
【請求項３】
リング（３）の音波の伝搬速度がアルミニウムの縦波速度以下でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波変換器（１）。
【請求項４】
リング（３）が金属からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波変換器（１）。
【請求項５】
リング（３）と圧電セラミック円板（２）との間の結合が接着によって行われていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の超音波変換器（１）。
【請求項６】
リング（３）の外径と内径との比が１．０５と３の間の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の超音波変換器（１）。
【請求項７】
円板状の整合層（４）がその周側面及び／又はその内側の下面に整合輪郭を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の超音波変換器（１）。
【発明の詳細な説明】
この発明は、ラジアル共振動作する圧電セラミック円板と、この圧電セラミック円板をその周側面で形状的にぴったりかつ締めつけるように包囲するリングとを備えた超音波変換器に関する。
このような種類の超音波変換器は多くの出版物によって公知である。多くの適用例、例えば超音波センサもしくは近接スイッチにおいては、非常に狭い音波ローブ特性を持ち、同時に非常に小さい副ローブ振幅を持つ超音波変換器が必要とされる。
ドイツ特許第２５４１４９２号明細書からは、工業的用途の超音波センサにおいて広く普及しているサターン配置の非常に鋭敏な超音波変換器が公知である。この超音波変換器は圧電セラミック円板、整合層の板及び同心配置された金属リングから構成されている。この整合層の板が圧電セラミック円板の直径を遙に越えて突き出ていることにより整合層の面積が大きく、これにより５°の非常に狭い音波ローブの開き角ψが得られる。しかし、整合層の板が大きく突き出ることによって好ましい振動振幅分布及び位相状態を全面にわたって実際上常に正確に維持することは困難で、その結果問題のある側方副ローブが生ずる。
ドイツ特許第４２３３２５６号明細書からは、ラジアル共振動作する円形圧電セラミック円板を備え、この圧電セラミック円板の所定の寸法において圧電セラミック円板のラジアル共振周波数に対して減少した動作周波数を持つ超音波変換器が公知である。これは、圧電セラミック円板を形状的にぴったりかつ締めつけるように包囲する、好ましくは、圧電セラミック円板に収縮嵌めされている金属リングによって達成される。圧電セラミック円板と金属リングとからなる複合体は、その振動特性に関して比較的大きい直径と減少した周波数とを持つ圧電体のように挙動するラジアル振動子を形成する。金属リングを適当に設定することにより動作周波数は異なる強さに減少することができる。複合体の端面には整合層が設けられている。
この発明の課題は、主ローブ開き角及び副ローブの抑制に関して改善された放射特性を持つ上述の種類の超音波変換器を創作すること、特にできるだけ狭い主ローブ開き角を得ることにある。
この課題は、この発明によれば、リングが音波伝搬速度がアルミニウムのそれより大きい材料からなることによって解決される。これにより圧電セラミック円板とリングとからなる複合体から生ずるラジアル共振周波数がアルミニウムの場合よりも小さいか等しく、或いは圧電セラミック円板の本来のラジアル共振周波数よりも、その直径が大きいにもかかわらず、一義的に明らかに高くなる。その結果として、端面が通常音波放射面とおおよそ同じ大きさをしている複合体に関しては、音波放射面の直径と、ラジアル共振周波数に逆比例する放射された超音波の波長との比が大きくなる。これによりこの発明による超音波変換器においては、主ローブ振幅に対して約−３０ｄＢの副ローブ減衰の場合、音波ローブの−３ｄＢの開き角が５°以下にまで達成される。主たる影響量は、その場合、リング材料の縦波速度であり、一方リングの配置寸法を有意義かつ実際的な大きさに変化させることによりラジアル共振周波数は比較的狭い範囲に設定することができる。
この発明の有利な実施態様は請求項２乃至６に記載されている。
この発明を以下に図面を参照して詳しく説明する。
図面はこの発明による超音波変換器１の断面を示す。超音波変換器１は、主として、円筒状の圧電セラミック円板２、リング３及び整合層４から構成されている。このリング３は圧電セラミック円板２をその外周面において形状的にぴったりかつ締めつけるように包囲し、そしてこの結合は特に接着によって行われる。この複合体の一方の面には整合層４を備え、その直径はリングの外径とほぼ等しく、その厚さは発生する超音波の約４分の１波長に相当する。特性インピーダンスと空気との結合のために整合層４として特にガラス球を有する合成樹脂からなるシンタクチックフオーム或いは例えばシリコーンのようなゴム状物質を使用するのがよい。この整合層により超音波は主としてこの整合層の自由端面においてのみ放射されることになる。この発明の特徴は、リング３としてその縦波速度がアルミニウムのそれよりも大きい材料を使用することにある。このようにして、圧電セラミック円板２に比べてより高い複合体の有効縦波速度を得ることができ、その結果複合体のラジアル振動モードの高い合成共振周波数も生じ、このことは超音波変換器１の放射特性に良好に作用する。何となればこれにより放射面と超音波の波長との比が大きくなり、従って音波ローブ開き角が所望の如く狭められるからである。リング３の縦波速度の他に、この効果は圧電セラミック円板２とリング３とからなる複合体の全体積におけるリング３の体積成分が大きければ大きい程それだけ強くなる。このことは、リングの外径と圧電セラミック円板２の直径との比が大きくなるにつれ放射面と波長との比が大きくなることを意味する。調査の結果約１．０５乃至３の範囲の直径比に対して特に良好な変換器特性が生じた。
リング３のための大きい縦波速度を持つ材料としては、とりわけ、ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素が或いはまた酸化アルミニウムも挙げられる。金属材料としては特に縦波速度の値が約１２，６００ｍ／秒であるベリリウムが適している。チタンのような特定の金属、特殊鋼合金、インコネルのようなニッケル合金等も同様に大きい縦波速度を持っている。リング３のその他の材料特性はその機械的振動の質である。高い音響感度を持つ変換器には高品質の振動が必要である。これに対して、広帯域の変換器には低品質の振動特性を持つ材料を使用する。例えば、圧電セラミック円板２はチタン酸ジルコン酸鉛から、リング３は酸化アルミニウムのセラミックスから形成することができる。このときリング３の外径と圧電セラミック円板２の直径との比が約２である場合約５°の音波ローブ開き角（−３ｄＢの音圧低下における全角）が達成される。副ローブ減衰はその場合−３０ｄＢより良い。
この発明の有利な実施例は、整合層板の周側面を、例えば少なくとも１つのへこみ部及び／又は膨らみ部からなり、例えば円形、三角形、四角形或いは台形の断面を持つ整合輪郭を備えることにより得られる。この整合輪郭は、簡単には、整合層板の周側面の断面が直線的或いは湾曲した形状を持った斜めの形であり、それ故整合層板の外側上面と内側下面が異なる大きさを持つものである。１つの整合輪郭は、ここでは例えば同心溝の形を持つ整合層の内側下面の上にあってもよい。この付加的な手段により所望の変換器特性、例えば特定の適用に合った音波ローブの形状が狙い通りに設定される。
この発明は添付図面に示された実施例を参照して説明したが、これは、この発明を図示の実施例に限定することを意図するものではなく、請求の範囲の内容によってカバーされる限り、全ての可能な変更例、修正例及び等価の構成をも含むものであることを意図していることも考慮されねばならない。
0003786209.tif 000002