超声波发送机与接收机 本发明涉及用超声波测定物体的位置和距离的物体位置检测装置或距离测定装置等使用的超声波发送机与接收机。下面参照附图对已有的超声波发送机进行说明。图34是表示已有的超声波发送机的结构的侧视剖面图。在图34中，由不锈钢等金属构成的圆片状振动片342其两侧贴着压电体圆片340、341。一压电体圆片341由具有弹性且柔软的粘接剂形成的弹性体环343固定于台座346上。而固定另一压电体圆片340的振动片342上设置用于与振盆344结合的杆345。
如上所述，已有的超声波发送机采取压电体圆片340、341夹着振动片342附着于其上的结构，并配置成压电体圆片340、341的极化方向相同。这样，以压电体圆片340、341和振动片342构成双压电晶片振子349。
通过杆345支持于一压电体圆片340上作为振动膜的振盆344由铝等轻金属做成，呈圆锥状，圆锥的内部为中空。振盆344的圆锥顶点连接杆345的一端，杆345的另一端连接于振动片342地中央。这样，双压电晶片振子349与振盆344形成机械性结合。
如上所述构成的已有的超声波发送机中，双压电晶片振子349与振盆344形成的复合振子，按照使其共振频率为所希望的超声波频率的要求构成。在这样形成的复合振子的双压电晶片振子349上加交流电压，使双压电晶片振子349产生挠曲振动，于是复合振子发生振动，输出超声波。
如图34所示，台座346在双压电晶片振子349的挠曲振动节点位置通过弹性体环343弹性支持双压电晶片振子与振盆344形成的复合振子。
具有如上所述构成的双压电晶片振子的已有的超声波发送机为了提高耐冲击性能和防尘性能，被收容于圆筒形的外壳347内。用于将电压加在压电体圆片340、341及振动片342上的的端子插脚348、348’设置成贯通台座346，该端子插脚348、348’连接于振动片342和压电体圆片340、341。
图35是表示具有外壳347的已有的超声波发送机的外观的立体图，在外壳347的超声波输出面上形成具有网状结构的保护网347a。该保护网347a兼顾到不妨碍超声波的输出。
下面对加大如上所述构成的已有的超声波发送机的声压的课题加以说明。图36是表示在为加大超声波声压的输出而在作为双压电晶片振子的压电振子上设置理想的振盆344a的情况下，该振盆344a的振动位移的侧视图。在图36中，点划线360表示激励压电振子振动之前的振盆344a的静止位置，实线361和虚线362分别表示以理想的状态激振压电振子时，振盆344a在上下两端的位置。在图36中，箭头A表示上述压电振子的挠曲振动的位移方向。如图36所示，理想的振盆344a朝着与挠曲振动的位移方向A相同的方向直线振动。
为了实现增大超声波声压的输出，如图36所示，最好是借助于压电振子的挠曲振动，使振盆344a在上述挠曲振动的位移方向(箭头A的方向)上进行往复直线运动。但是，实际上如果要使其以大振幅振动，则振盆344不在挠曲振动的移动方向上作往复直线运动。其原因被认为是，振盆344的形状不是制成以圆锥的中心轴成对称，或振盆344与压电振子没有以各自的中心高精度结合在一起。
图37是表示超声波的声压输出时实际上的振盆344b的振动位移的一个例子的侧视图。如图37所示，在实际上超声波声压输出时，由于压电振子的挠曲振动，振盆344b的圆锥面振动，使圆锥状振盆344b的中心轴左右振动。图37极端地表示出其左右振动的情况。因此振盆344b的声压输出变得比设计值小。
在图37，点划线370表示使压电振子激振之前的已有的振盆344b的圆锥侧面的位置，实线371和虚线372表示使压电振子激振时振盆344b的圆锥侧面在左右端的位置。在图37中，箭头A的方向是压电振子挠曲振动的位移方向。如上所述，像图37所示那样，把振盆344b与压电振子结合在一起的杆345上很多次受到挠曲振动的位移方向(箭头A的方向)以外的方向来的弯曲力矩，所以不能使振盆344b的挠曲振动的位移方向A的振幅变大。因此，杆345发生疲劳，机械强度变差，其结果是，有发生杆345折断的情况。
为了防止发生上述杆折断的情况，把杆345加粗，提高杆345对抗弯曲力矩的机械强度。但是，采取这样的结构，存在压电振子受到的挠曲振动负荷增大，难于提高声压的输出的问题。
还有，通常超声波接收机与超声波发送机具有相同的结构。因此，上面所述的挠曲振动一旦产生，超声波接收机在振盆接收超声波时，振盆不在设计上的位移方向发生直线运动，因此，存在容易发生所接收的超声波以外的噪声，而且接收入射超声波的灵敏度低的问题。
下面参照附图对如上所述由压电振子与振盆构成的复合振子上还有装着喇叭的已有的超声波发送机进行说明。
图38是表示装有喇叭的已有的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图38所示的超声波发送机是在上述图34所示的双压电晶片振子349与振盆344的复合振子上装着圆锥状的喇叭380构成的。通过杆345支持在压电体圆片340上的作为振动膜的振盆344是用铝等轻金属做成圆锥状的，振盆内部是中空的。杆345的一端连接振盆344的圆锥顶点，杆345的另一端与振动片342的中央部结合。双压电晶片振子349与振盆344就这样机械结合在一起。
在图38中，符号381表示振盆344的振动节点位置。双压电晶片振子349与振盆344组成的复合振子通过作为柔软粘接剂的弹性体环343与台座346弹性结合于振盆344的圆锥开口端(图38的振盆344的上端)。因此，压电体圆片340、341及台座346内侧的端子插脚348的电极部受到防水、防尘保护。
图38所示的超声波发送机在双压电晶片振子349与台座346围成的空间中封入海绵等柔软、能吸收振动的材料，防止双压电晶片振子349与振盆344组成的复合振子的振动传到台座346，又使其具有耐冲击特性。
在如上所述构成的已有的超声波发送机中，喇叭380与台座346连接，并使圆锥状的喇叭380的中心轴与振盆344的中心轴一致。
在如上所述具有喇叭的已有的超声波发送机中，振盆344的圆锥开口端借助于弹性体环343固定于台座346上，因此，在双压电晶片振子349上加交流电压，双压电晶片振子349按挠曲振动激振时，振盆344的圆锥面形成具有节点381的振动。具有上述结构的复合振子输出的超声波传经圆锥状喇叭380内部，从喇叭380的开口部即喇叭口380a进入自由空间。
下面参照附图对振盆344的圆锥内侧表面输出的超声波在圆锥状喇叭380内的传播加以说明。图39是已有的超声波发送机中经过圆锥状喇叭380内传播的超声波的模拟相位分布曲线图。在图39中，符号393表示喇叭380的中心轴。超声波的相位分布中，由于以圆锥状喇叭380的中心轴393对称表示为左半部和右半部，因此右半部被省略，图39所示的超声波相位分布曲线图表示以圆锥状喇叭380的中心轴393分开的一半。
在图39中，曲线条纹表示超声波的相同相位的传播状态，符号390是振盆344的圆锥面，符号391是圆锥状喇叭380的内表面，符号392是假设在喇叭380的喇叭口380a存在的假想障板。在该模拟中，以障板把来自振盆344的圆锥面390的振动以外的振动排除在外。
如图39所示，经过圆锥状的喇叭380内传播的超声波的相位在振盆344的圆锥面390附近被打乱。但是，如果使喇叭380在中心轴方向上的喇叭长度足够长，则在喇叭380的开口部即喇叭口380a，振盆344的振动节点两侧相位相反的位移引起的超声波相位不连续存在于离开圆锥状喇叭380的中心轴393的、喇叭380的内圆锥面391附近的区域。在圆锥状的喇叭380的中心轴393附近，超声波的相位在喇叭380的中心轴390的垂直面内大致相等。上面所述那样的已有的超声波发送机的声压方向性，在喇叭380的喇叭口380a的开口部扩大时变得宽阔，在开口部变小时变得尖锐。因此，在已有的超声波发送机中，超声波的方向性在很大程度上是取决于圆锥状喇叭380的喇叭口380a的大小的。
图40是就如上所述构成的、具有长喇叭的已有的超声波发送机，在离圆锥状喇叭380的开口部380a一定距离的地方观测，并将与喇叭380的中心轴393所成的角度和输出的超声波声压的关系以极坐标表示的情况。但是，该情况下的频率为40kHz，喇叭的长度为120毫米，从开口部380a到观测点距离为300毫米。
如图40所示，已有的超声波发送机借助于设置大型的圆锥状喇叭380，在某种程度上实现超声波的尖锐的方向性。因而，要实现已有的超声波发送机那样程度的超声波尖锐方向性，必须使用大型的圆锥状喇叭380。
下面参照附图对已有的防滴型超声波发送机加以说明。图41是表示已有的防滴型超声波发送机的结构的侧视剖面图。
如图41所示，已有的防滴型超声波发送机的作为圆片状压电体的压电体圆片410连接于碗状金属振动膜411底部内表面。装配得封闭住金属振动膜411的开口部分的台座412贯通设置两个端子插脚413、414。如图41所示，已有的防滴型超声波发送机上，金属振动膜411旁侧的上部形成圆锥面415。
在图41，在压电体圆片410作为其主面的上下两面形成电极，压电体圆片410上表面的电极贴着金属振动膜411的内表面互相间成电气连接状态。压电体圆片410贴紧的金属振动膜411由不锈钢等刚性好的金属材料形成。
一侧的端子插脚413电气连接在金属振动膜411上，另一侧的端子插脚414电气连接于压电体圆片410下面的电极上。在这两个端子插脚413、414上加上超声波频率的交流电压，因此压电体圆片410以超声波频率振动，这一振动传递到金属振动膜411，从而此防滴型超声波发送机输出超声波。
如上所述结构的已有的防滴型超声波发送机具有压电体圆片410被金属振动膜411及台座412包围的密闭结构。以这样的密闭结构将压电体圆片410的电极面与外部隔开加以保护，使防滴型超声波发送机具有防滴性能。
图42是概念性表示已有的防滴型超声波发送机的振动位移状态的侧视剖面图。防滴型的超声波发送机的声压输出的大小由振动时金属振动膜411的振动部分的边界体积(挠曲空间所占的体积)的大小决定。因此，为了加大防滴型超声波发送机的输出声压，有必要尽量加大金属膜411的挠曲位移量。
因此，已有的防滴型超声波发送机，其结构如图41所示，在金属振动膜411旁侧的上部形成圆锥面415，使金属振动膜411上与压电体圆片410贴合的面的振幅变大。
具有如上所述结构的已有的防滴型超声波发送机，一直是例如金属振动部用冲压成型做成，又在这样形成的金属振动部贴上压电体圆片后制成的。
如上所述构成的已有的超声波发送、接收机，为了防止发生图37所示那样的振盆344b的振动，振盆与压电振子必须高精度可靠地在规定的位置上连接，在没有以那样高的精度连接的情况下，超声波发送机不可能谋求加大输出声压。而超声波接收机在这样的情况下对接收灵敏度有不良影响。
又，设置喇叭的已有的超声波发送机在谋求加大声压输出时，在建立尖锐的方向性时，或者在设置喇叭的已有的超声波接收机提高接收灵敏度时，都必须使用大型的喇叭，因而已有的超声波发送、接收机存在大型化的问题。
还有，在已有的防滴型超声波发送机还要进一步加大声压输出的情况下，需要进一步加大振动面的面积。而且，为了得到大输出，由于要以上述那样的结构体的共振模式取得所希望频率的振动，所以随着金属振动部的振动部分面积的增加，振动部分的厚度也要加大。
但是，金属振动部的振动部分的厚度加厚会有如下问题：
(1)振动部分的刚性提高，会发生不能加大挠曲位移量的问题；
(2)不能以冲压加工等简单、廉价的加工手段制造金属振动部。本发明用于解决上述已有的超声波发送、接收机的问题，目的在于提供能够加大输出声压的超声波发送机或可提高接收灵敏度的超声波接收机。
本发明的又一目的是提供具有以小型喇叭输出大声压和具有尖锐方向性的特性的超声波发送机或具有接收灵敏度高、方向性尖锐的特性的超声波接收机。
本发明的再一个目的在于，提供能有大声压输出的防滴型超声波发送机或接收灵敏度高的超声波接收机。
为了解决所述课题，本发明的超声波发送机与接收机具备：
具有施加或输出超声波频率的信号用的电极的压电振子、
具有中空圆锥形状的振盆，而且所述振盆的实质上的圆锥顶点结合于所述压电振子的振动中心的振动膜，以及
容纳具有所述压电振子和所述振动膜的复合振子，弹性支持所述压电振子，并形成离所述振盆的圆锥底面的开口端规定距离的开口部的壳体。
因此，本发明的超声波发送机与接收机能够提供可加大声压输出的超声波发送机或能够提高接收灵敏度的超声波接收机。
本发明的超声波发送机与接收机用的振子具备：
具有施加或输出超声波频率的信号用的电极的压电体、
具有一边用上底壁封闭，另一边为开口的圆筒形状，而且所述压电体固定于所述顶壁的内表面，所述压电体的用于固定的部分的周边部分做得比所述压电体的用于固定的部分薄的振动筒、
将所述振动筒的开口部加以封闭的台座，以及
贯通所述台座，电气连接于所述压电体的电极上的的端子。
因此，本发明的超声波发送机与接收机用的振子能够提供可输出大声压的防滴型超声波发送机或高接收灵敏度的超声波接收机。
本发明的超声波发送机具备：
具有输出超声波频率的信号用的电极的压电振子、
具有中空圆锥形状的振盆，而且在对所述振盆的中心轴对称的位置上具有振动节点的所述振盆，其实质上的圆锥顶点结合于所述压电振子的振动中心的振动膜、
容纳具有所述压电振子和所述振动膜的复合振子，弹性支持所述压电振子，并形成离所述振盆的圆锥底面的开口端规定距离的开口部的壳体，以及
颈部结合于所述壳体的开口部，形成从所述开口部向远端扩大的的空间的喇叭。
因此，本发明的超声波发送机使用小型喇叭，具有大声压输出和方向性尖锐的特性。
本发明的超声波发送机具备：
具有输出超声波频率的信号用的电极的压电振子、
具有中空圆锥形状的振盆，而且在对所述振盆的中心轴对称的位置上具有振动节点的所述振盆，其实质上的圆锥顶点结合于所述压电振子的振动中心的振动膜，以及
弹性支持具有所述压电振子和所述振动膜的复合振子的台座，
在与所述振盆的中心轴平行的方向上，从所述振盆的开口端到所述复合振子的距离为输出的超声波波长的整数倍。
因此，本发明的超声波发送机能够提供可加大输出声压的超声波发送机与接收机。
本发明的超声波发送机具备：
具有输出超声波频率的信号用的电极的压电振子、
具有中空圆锥形状的振盆，而且在对所述振盆的中心轴对称的位置上具有振动节点的所述振盆，其实质上的圆锥顶点结合于所述压电振子的振动中心的振动膜，以及
弹性支持具有所述压电振子和所述振动膜的复合振子的台座，
从所述振盆的开口端到所述台座的向上的表面的垂直距离为输出的超声波波长的整数倍。
因此，本发明的超声波发送机能够提供可加大输出声压的超声波发送机与接收机。
图1A是本发明第1实施例的超声波发送机的俯视平面图。
图1B是表示第1实施例的超声波发送机的结构的侧视图。
图2是表示压电振子10的挠曲振动引起的振盆11的振动状态的侧视剖面图。
图3是各振盆的俯视平面图。
图4A是表示本发明超声波发送机的第2实施例的平面图。
图4B是表示图4A的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图5是概念性表示第2实施例的超声波发送机的振动状态的剖面图。
图6A是表示本发明超声波发送机的第3实施例的平面图。
图6B是表示图6A的超声波发送机的结构的纵剖面图。
图7是表示第4实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图8是概念性表示图7所示的超声波发送机的振动位移状态的侧视剖面图。
图9表示本发明其他超声波发送机的具体结构。
图10表示本发明其他超声波发送机的具体结构。
图11表示本发明其他超声波发送机的具体结构。
图12是表示本发明的超声波发送机的具体使用例的侧视剖面图。
图13是表示第5实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图14是表示其他超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图15是表示第6实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图16表示双压电晶片振子165与振盆145的复合振子的振动位移。
图17A是表示第6实施例的超声波发送机的声源的平面图。
图17B是表示图17所示的声源输出的音响能量分布的曲线。
图18是模拟从第6实施例的超声波发送机的声源输出，经过超声波的喇叭159的内部和外部传播的超声波的相位分布曲线图。
图19以极坐标表示与喇叭159的中心轴182所成的角度和在该角度的位置上的声压输出的关系。
图20是表示把双压电晶片振子165和振盆154的复合振子收容于有底的圆筒状壳体156内部的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图21A是表示图20所示的超声波发送机的声源的平面图。
图21B是图21A所示的声源输出的音响能量分布曲线。
图22A是表示收容复合振子的其他壳体的结构的例子的侧视剖面图。
图22B是表示收容复合振子的其他壳体的结构的例子的侧视剖面图。
图23是表示第7实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图24是超声波发送机的复合振子的高度g与声压输出的关系曲线。
图25A是来自已有的超声波发送机各声源的音响能量的分布曲线。
图25B是来自第7实施例的超声波发送机各声源的音响能量的分布曲线。
图26是表示第8实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图27是表示第8实施例的超声波发送机的振动位移的状态的侧视图。
图28概念性表示加长杆155的长度t的情况下超声波发送机的振动位移状态的侧视图。
图29是指向超声波发送机的振盆154的中心轴的方向的声压与杆155的长度t及输出的超声波波长λ的关系曲线。
图30是表示第9实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图31是台座170的台阶高度m与第9实施例的超声波发送机输出的声压的关系曲线。
图32与图33表示在将相同尺寸的双压电晶片振子与振盆154的复合振子装配于下台阶面310的大小相同，而台阶高度m不同的台座上的情况下，声压方向性的实测数据。
图34是表示已有的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图35是表示具备壳体347的已有的超声波发送机的外观的立体图。
图36是表示为加大超声波声压输出而在双压电晶片的压电振子上设置理想的振盆344a的情况下，该振盆344a的振动位移的侧视图。
图37是表示超声波声压输出时振盆344b的实际振动位移的一个例子的侧视图。
图38是表示装配有喇叭的已有的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图39是模拟在已有的超声波发送机中经过圆锥状喇叭380内部传播的超声波的相位分布曲线图。
图40以极坐标表示具有长度大的喇叭的上述已有超声波发送机，在离圆锥状喇叭380的喇叭口380a一定距离的地方，与喇叭380的中心轴393所成的角度和输出的超声波声压的关系。
图41是表示已有的防滴型超声波发送机的结构的侧视剖面图。
图42是概念性表示已有的防滴型超声波发送机的振动位移状态的侧视剖面图。
第1实施例
下面参照附图图1A、图1B、图2及图3对本发明的超声波发送机与接收机的第1实施例的超声波发送机加以说明。
图1A是本发明第1实施例的超声波发送机的俯视平面图。图1B是表示第1实施例的超声波发送机的结构的侧视图。
在图1和图2中，不锈钢等金属做成的圆片状振动片13，其两侧上粘贴着中央有孔的压电体圆片14、15。压电体圆片14、15配置成极化的方向和大小在图中相同，一边的压电体圆片14所固定的振动片13的表面上设置用于连接振盆11的杆12。在本实施例中，振盆11和杆12构成振动膜。
如上所述，压电振子10是压电体圆片14、15粘贴在振动片13两侧构成的，构成双压电晶片振子。
配置于一边的压电体圆片14上的振盆11由铝等轻金属做成圆锥状，是振盆内部成中空的振子。
如图1B所示，振盆11的圆锥顶点的凸起16的底连接于杆12的一端，杆12的另一端通过压电体圆片14中央的孔连接于振动片13表面的中央。作为双压电晶片振子的压电振子10与振盆11就这样可靠地连接在一起。
如上所述构成的超声波发送机中，双压电晶片振子的挠曲振动的固有频率为超声波频带的频率。压电体圆片14、15的主面(图1B中的压电体圆片14、15的上下表面)的整个区域上形成电极。在这样构成的压电振子10上加交流电压，使压电振子10挠曲振动，则压电振子10与振盆11的复合振子振动，输出超声波。
压电振子10的挠曲振动以规定的频率振动时，在振盆11的圆锥面的圆锥顶点附近形成振动节点17。该振动节点17如点划线100所示形成以圆锥状的振盆11的中心轴为中心的圆环状。
下面对如上所述构成的第1实施例的超声波发送机的动作加以说明。
首先在上述双压电晶片振子上加交流电压，使压电振子10以挠曲振动的方式激振。一旦压电振子10产生挠曲振动，与压电振子10连接的振盆11即以挠曲振动的频率在与振盆11的圆锥的中心轴平行的方向上振动。这时，在振盆11的圆锥表面形成圆环状的振动节点17。
图2是表示压电振子10的挠曲振动引起的振盆11的振动状态的侧视剖面图。在图2中，点划线20稍带夸张地表示压电振子10在挠曲振动之前的静止状态下圆锥状的振盆11在某一瞬间的位置。实线21稍带夸张地表示压电振子10挠曲振动时振盆11的圆锥面在某一瞬间的位置。在图2中，箭头A表示压电振子10的挠曲振动引起的振盆11的振动的位移方向。
如图2所示，振动节点17形成于对振盆11的圆锥中心轴对称的位置上。因此，上述振盆11的圆锥面在振动节点17的顶点一侧及其相反一侧以相反的相位位移。整个振盆11以圆锥的中心轴对称地位移。因而。在振盆11顶部形成的凸起16在与压电振子10的挠曲振动的位移方向(图2的A方向)平行的方向上直线性振动。振盆11的各部分由于压电振子10的挠曲振动而在箭头A的方向及与其相反的方向上作大的直线性振动。因此输出具有大声压的超声波。
由于振盆11的振动节点形成对杆12的中心轴为对称，与振盆11的凸起16连接的杆12具有一定的粗细，不会发生大的弯曲，只是在挠曲振动的位移方向上振动。因此，杆12没有受到挠曲振动的位移方向以外的方向上的振动产生的力矩的作用。其结果是，实施例1的超声波发送机不会由于上述压电振子10的挠曲振动而折断杆12，没有必要使用机械强度大的杆12。
下面出示对振盆的圆锥中心轴对称的位置上形成振动节点的其他例子。图3是各振盆的俯视平面图。在图3中，点划线30、31、32、33表示振动节点。
在图3中，(a)的振盆11b存在与圆锥中心轴同轴的圆环状振动节点30，该振动节点30形成于圆锥状的振盆11a的圆锥底面的开口端近旁。
在图3中的(b)的振盆11b形成正方形的振动节点31。在图3中的(c)的振盆11c形成六角形的振动节点32，在(d)的振盆d形成曲线状的振动节点33。此外，本发明的超声波发送机中振盆上形成的振动节点也可以是形成于对振盆的圆锥中心轴对称的位置上的任意形状。
如图3所示的振盆11上形成的振动节点的形状，按照由振盆的大小和形状决定的振盆11的固有频率的振动模式设定。因而，可以借助于使压电振子10的挠曲振动的谐振频率与上述振盆11的固有频率一致，使超声波的输出声压增大。
如上所述，振动节点存在于对振盆11的圆锥中心轴对称的位置上，因而第1实施例中的振盆11在与圆锥中心轴平行的方向上实际发生直线振动，并且以圆锥的中心轴对称地振动。
又，与振盆11的圆锥中心轴对称的振动节点的位置，与形成于振盆11的圆锥面的开口端与中心之间的中央附近相比，最好还是如图2和图3(a)所示，形成于振盆11的圆锥顶点附近或圆锥的开口端近旁。根据试验，采取这样的结构，会使第1实施例的超声波发送机增加振盆11振动的空间边界体积，增大声压输出。
对于超声波接收机，由于具有与如上构成的超声波发送机相同的结构，一旦超声波射入，超声波接收机的振盆即对其圆锥的中心轴对称地在与中心轴平行的方向上直线振动，因而接收灵敏度提高，能够检测出微小的声压。
还有，在第1实施例中，将双压电晶片结构用于压电振子10的结构上进行说明，但是用将金属振动片与一块压电体圆片贴在一起的单压电晶片结构也可以得到与上述第1实施例相同的效果。
如上所述，采用第1实施例，借助于设置在对振盆11的圆锥中心轴对称的位置上具有节点的振盆11，压电振子10的振动使振盆11对圆锥的中心轴对称地直线振动，可以增大超声波发送机的声压输出和提高超声波接收机的接收灵敏度。
第2实施例
下面参照附图中的图4A、图4B及图5对本发明的超声波发送机与接收机的第2实施例的超声波发送机加以说明。
图4A是表示本发明超声波发送机的第2实施例的平面图。图4B是表示图4A的超声波发送机的结构的侧视剖面图。还有，在第2实施例中对于与上述第1实施例实质上功能和结构相同的构成要素使用相同的符号。
在图4A和图4B中，压电振子10由不锈钢等金属构成的圆片状振动片13与粘贴于其两侧的压电体圆片14、15构成。压电体圆片14、15配置得在图中极化方向和大小相同，在固定着一压电体圆片14的振动片13的表面设置用于连接振盆11的杆12。
如上所述，压电振子10由压电体圆片14、15粘贴于振动片13构成，形成双压电晶片振子。
作为通过杆12支持于一压电体圆片14上的振动膜的振盆11，由铝等轻金属做成圆锥状，振盆11的内部为中空。
如图4B所示，振盆11圆锥顶点的凸起16连接于杆12的一端，杆12的另一端连接于振动片13的中央。
如上所述构成的压电振子10与振盆11的复合振子收容于有底的圆筒状壳体40内部。上述复合振子借助于柔软的粘接剂(例如硅胶系粘接剂)的圆环状支持物42支持于壳体40上。该复合振子在压电振子10的挠曲振动节点的位置由支持物42弹性支持着。
如图4A和图4B所示，振盆11的开口端43通过环状的弹性薄膜41与壳体40的开口端44连接。在振盆11上，环状薄膜41在开口端43的整个圆周上施加均匀的辐射状张力，使振盆11张在壳体40的开口端44。
如上所述构成的超声波发送机中，选择双压电晶片振子的固有频率为超声波区域的频率。在压电体圆片14、15的整个主面(图4B中的压电体圆片14、15的上下面)形成电极。在这样构成的双压电晶片振子上施加交流电压，使双压电晶片振子挠曲振动，压电振子10和振盆11的复合振子即振动并输出超声波。
如上所述，壳体40借助于环状薄膜41以相同的张力将振盆11的开口端43支持于辐射方向上。上述在振盆11上加张力的方法如下面所述那样利用了硅橡胶系薄膜41的热膨胀特性。
首先将振盆11的开口端43与薄膜41的整个圆周用粘接剂粘接。接着，用热硬化性粘接剂粘接薄膜41与壳体40的开口端44。在该薄膜41与壳体40粘接时，以比薄膜41与振盆11的粘接使用的温度高的温度使上述粘接剂热硬化。这样使粘接剂热硬化，使得薄膜41在其整个圆周上均匀地向着振盆11的圆锥开口端43的半径方向伸展。因此，振盆11的开口端43处于向圆锥底面的半径方向施加张力的状态。
如上所述构成的第2实施例的超声波发送机的动作方法与上述第1实施例相同，图5是概念性表示第2实施例的超声波发送机的振动状态的剖面图。如图5所示，理想上是借助于压电振子10的挠曲振动使振盆11作实质上的直线振动。也就是说，第2实施例的振盆11由于其开口端43的整个圆周上受到均匀的张力，振盆11在与该圆周的中心轴平行的方向上作实质上是直线的振动，并且有对上述中心轴对称的振动位移。因而，在第2实施例的超声波发送机中，能够抑制与振盆11的中心轴平行的方向以外的振动，例如上述中心轴垂直方向的弯曲力矩引起的振动。
在上述第2实施例的超声波发送机上，如上述第1实施例所示，振动节点形成于所希望的位置上，借助于此，可以使第2实施例的超声波发送机再增大超声波的输出。
上述第2实施例的超声波发送机具备压电振子10的周围由壳体40、振盆11及薄膜41包围，因而防滴性优异的结构。
在超声波接收机上也有与上述第2实施例的超声波发送机相同的结构，因此，一旦超声波射入，超声接收机的振盆即以对其圆锥的中心轴对称地进行直线振动，因此接收灵敏度提高，能够检测出微小的声压。
还有，在第2实施例中，将双压电晶片振子结构用于压电振子10的结构上进行说明，但是用金属振动片与一块压电体圆片贴合的单压电晶片振子结构也能够得到与上述第2实施例相同的的效果。
如上所述，采用第2实施例，将压电振子10和振盆11的复合振子收容于壳体40，以薄膜41将振盆11的开口端43与壳体40的开口端44在整个圆周上均匀连接，该薄膜41边缘的整个圆周均匀地在振盆11的圆锥底面的半径方向上施加相同的张力。借助于此，使振盆11的振动节点形成于以振盆11对中心轴对称的位置上。因此第2实施例的超声波发送机借助于压电振子10的挠曲振动，使振盆11在与其圆锥的中心轴并行的方向上作实质上是直线振动，并且对该中心轴对称振动。采用第2实施例，可以具有压电振子10的防滴特性，并且能够谋求增大超声波发送机的声压输出，能够提高超声波接收机的接收灵敏度。
还有，在第2实施例中，压电振子10是在该压电振子的挠曲振动节点位置上由柔软粘接剂的支持物支持的，但是也可以采用将压电振子10置于棉等柔软而具有弹性的材料上的结构。
第3实施例
下面参照附图中的图6A和图6B对本发明超声波发送机与接收机的第3实施例的超声波发送机加以说明。
图6A是表示本发明超声波发送机的第3实施例的平面图。图6B是表示图6A的超声波发送机的结构的纵剖面图。在第3实施例中，与上述第1实施例实质上具有相同功能、结构的构成要素标以相同的符号。
在图6A和图6B中，压电振子10由不锈钢等金属做成的圆片状振动片13和贴附于其两侧的压电体圆片14、15构成。压电体圆片14、15配置得在图上其极化方向和大小相同，在固定着一压电体圆片14的振动片13的表面设置用于连接振盆11的杆12。
作为通过杆12支持于一压电体圆片14上的振动膜的振盆11，以铝等轻金属做成圆锥状面，振盆11的内部为中空。而振盆11的内表面形成单分子膜60，构成锥状振子110。
如图6B所示，处于锥状振子110的圆锥顶点的凸起16连接于杆12的一端，杆12的另一端连接于振动片13的中央。
在如上所述构成的超声波发送机中，双压电晶片振子的挠曲振动的固有频率取超声波区域的频率。压电体圆片14、15的主面(图6B的压电体圆片14、15的上下表面)的整个区域上形成电极。在这样构成的双压电晶片振子上施加交流电压，使双压电晶片振子振动，则压电振子10与锥状振子110的复合振子发生振动，输出超声波。
如图6A和图6B所示，单分子膜60形成于锥状振子110的内圆锥面。该单分子膜60的制造以LB法(Lnagmuir-Blodgett film)方法进行。也就是把具有亲水基和疏水基的分子，例如硬脂酸(stearic acid)那样的表面活性剂复印在施行过亲水处理的振盆11的内圆锥面，形成薄膜。
以上述制作方法在单分子膜表面形成疏水基。因而第3实施例的锥状振子110具有拒水性和防滴特性。
在使超声波的声压输出增大的情况下，必须使锥状振子110的振动位移加大。第3实施例的锥状振子110的单分子膜60厚度薄，重量轻。因此虽然具有拒水性和防滴性，但是对锥状振子110的振动位移没有影响，能够维持大声压输出。
在第3实施例中，单分子膜60用LB法直接形成于振盆11的内表面。因此采用第3实施例时单分子膜60与振盆11的结合强度大，不容易发生由于锥状振子110的振动造成单分子膜60剥离的情况，能够得到稳定的声压输出。
超声波接收机也具有与上述第3实施例的超声波发送机相同的结构，因此即使在振盆的内表面形成单分子膜也不会对振盆的振动发生影响。因此与第3实施例的超声波发送机具有相同结构的超声波接收机具有防滴特性，并且可以抑制超声波接收灵敏度的下降。
如上所述，采用第3实施例，由于在锥状振子110的内圆锥面形成重量轻的单分子膜60，能够实现即使锥状振子110具有拒水性和防滴特性，也不对声压输出发生影响的超声波发送机和能够抑制接收灵敏度下降的超声波接收机。
第4实施例
下面参照附图图7-图12对本发明第4实施例的超声波发送机加以说明。
图7是表示第4实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。如图7所示，超声波发送机的振动筒71是上面以顶壁封闭，下侧开口的金属圆筒，用例如模铸等方法制成。圆片状压电体的压电体圆片70固定于振动筒71的上部内表面71b上。在作为压电体圆片70的主面的上下两面上分别形成电极。压电体圆片70上侧的电极贴附于振动筒71，互成电气连接状态。振动筒71下侧的开口部分以作为树脂盖的台座72封闭。台座72上设置两个端子插脚73、74。一边的端子插脚73电气连接于振动筒71，另一边的端子插脚74电气连接于压电体圆片70下侧的电极面上。不锈钢等刚性大的材料形成的振动筒71上，如图7所示其上部内表面71b上连接着压电体圆片70。该上侧内表面的压电体圆片70的周边部分形成槽71a。因此，振动筒71是内部中空、一端开放的圆柱状的金属振子，由于端子插脚73、74上加超声波频率的交流电压而以超声波频率振动，输出超声波。
超声波发送机的输出声压的大小取决于金属振子振动时边界体积的大小。因而第4实施例的超声波发送机为了增大输出声压，需要尽可能增大振动筒71下侧面圆片的挠曲位移量。
图8是概念性表示图7所示的超声波发送机的振动位移状态的侧视剖面图。图7所示的振动筒71在其上侧内表面的周边部分形成剖面为矩形的槽71a。因此振动筒71的上侧内表面的挠曲位移量增大，输出声压增大。而且压电体圆片70和端子插脚73、73的配线部分收容于由振动筒71和台座72构成的空间内。因此第4实施例的超声波发送机具有防滴、防尘特性。
本发明的其他超声波发送机变形例示于图9、图10及图11。图9、图10及图11所示的超声波发送机是为了增大输出声压，把振动筒的挠曲位移量尽可能做得大的情况。
图9所示的超声波发送机，振动筒91的上侧内表面91b的压电体圆片70周边部分的环状槽91a的形状与上述图7所示的超声波发送机不同，其断面形状成锐角。其他结构与图7所示的超声波发送机相同，具有相同的功能、结构的构成要素在图9标以相同的符号。
图10所示的超声波发送机，振动筒101的上侧内表面的压电体圆片70的周边部分没有形成槽，与压电体圆片70的周边部分相对的振动筒101上侧外表面101b上形成环状槽101a。其他结构与图7所示的超声波发送机相同，具有相同的功能、结构的构成要素上标以相同的符号。
图11所示的超声波发送机在振动筒111上侧外表面形成斜部111a。如图11所示，振动筒111的形状是，斜部111a的厚度做得比压电体圆片贴附着的部分的厚度小。其他部分的结构与图7所示的超声波发送机相同，具有相同结构、功能的构成要素标以相同的符号。
接着，将第4实施例的超声波发送机的具体使用例示于图12。图12是表示超声波发送机的具体使用例的侧视剖面图。
在图12中，与图7所示的超声波发送机的构成要素具有相同功能、结构的构成要素标以相同的符号。
如图12所示，在第4实施例的超声波发送机的振动筒71内部装配作为中空圆锥状振动膜的振盆120，以此使超声波发送机的输出声压比此前的实施例进一步增大。在第4实施例中，振盆120的振动节点形成于对振盆11的中心轴对称的位置上。又在振动筒71上安装一边开口的超声波反射体121，使超声波的相位与振盆120产生的超声波的相位一致，以此辐射来自振盆120的背面的超声波输出，可以得到输出大而且具有尖锐的方向性，又具有防滴、防尘性能的超声波发送机。
如上所述，采用第4实施例，振动筒111上与压电体圆片70贴合的表面的周边部分111a的厚度做得比中央部分薄，以此使振动筒的振动面的振幅变大，可以实现体积小而且输出大，又具有防滴、防尘特性的超声波发送机。
第5实施例
下面参照附图中的图13和图14对本发明超声波发送机的第5实施例加以说明。
图13是表示第5实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。在图13中，与上述第4实施例的超声波发送机的构成要素具有相同功能、结构的构成要素标以相同的符号。其说明省略。
如图13所示，振动筒130具有圆片状的振动片131和上侧及下侧开口的圆筒状的筒部132，振动片131配设得封闭住筒部132的上侧开口。压电体圆片70固定于振动片131下侧131a，压电体圆片70上侧的电极贴附在振动片131上，相互成电气连接。
第5实施例的超声波发送机的振动位移状态如上述第4实施例的图8所示，以振动片131的位移量表示。在第5实施例的超声波发送机中，在振动筒130上形成槽130a。因此，在槽130a的内侧，振动位移很大，而反之在槽130a的外侧，振动位移量极小。振动片131与筒部132的连接部产生的内部应力也极小，所以第5实施例的超声波发送机的振动筒130的结构和形状没有对振动片131的挠曲位移量产生影响，能够实现加大超声波发送机的声压输出的目的。
第5实施例的超声波发送机可以用先把压电体圆片70与振动片131压在一起，接着将振动片131与圆筒状部分132压在一起的方法制造。就这样，第5实施例的超声波发送机的振动筒130由振动片131和筒部132构成。因此，采用第5实施例不必对振动筒130进行切削加工整体成形，可以实现容易制造、价格低廉的超声波发送机。
下面对第5实施例的超声波发送机的其他结构的具体例子加以说明。
图14是表示其他超声波发送机的结构的侧视剖面图。如图14所示，该超声波发送机具有圆片状振动片143和上侧与下侧具有开口的圆筒状筒部144。筒部144的上侧开口的端面上形成台阶144a。振动片143嵌合于该台阶144a，将圆筒状部144的上侧开口封闭。图14所示的超声波发送机的其他结构与上述第13所示的超声波发送机的结构相同。这样，在振动片141中振动部分的外侧形成振动筒140的接合部分，所以振动片141挠曲位移的应力不影响接合部分。因此，图14所示超声波发送机是接合部分无破损，且可靠性高的装置。
第6实施例
下面参照附图对本发明的超声波发送机的第6实施例进行说明。
图15是表示第6实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。在图15，压电振子由不锈钢等金属形成的振动片152，以及贴附于其两侧的压电体圆片150、151构成。在一边的压电体圆片151上固定着作为柔软的粘接剂的弹性体153，压电体振子由该弹性体153弹性支持于壳体156的台座156a上。另一压电体圆片150上配置圆锥状的振盆154，振动片152上设置连接振盆154的端子插脚155。
如图15所示，用于在压电体圆片150、151和振动片152上加电压的端子插脚158贯通壳体156设置。该端子插脚158一加上电压，压电振子即发生挠曲振动，在振盆154上形成振动节点157。容纳压电振子与振盆154的复合振子的壳体156上设置前端扩大的圆锥状喇叭159。
在图15，符号d表示垂直于圆锥状喇叭159中心轴的方向上的振盆154的圆锥开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隔。而符号h表示平行于喇叭159中心轴的方向上的振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隔。
处于振动片152两侧的压电体圆片150、151，是其中央具有贯通孔的圆环状圆片，压电体圆片150、151的整个主面(图15的上下面)上形成电极。夹住振动片152的压电体圆片150、151配置为其极化方向和大小相同，压电体圆片150、151和振动片152构成双压电晶片振子。
振盆154为用铝等轻金属做成圆锥状的中空振子。杆155其一端连接于振动片152中央，另一端连接于振盆154的圆锥顶点。因此，作为双压电晶片振子的压电振子与振盆154在各自的中心机械性连接。
由第6实施例的双压电晶片振子与振盆154构成的复合振子在对双压电晶片振子施加交流电压使双压电晶片振子以挠曲振动激振时，在振盆154的圆锥表面形成的圆锥中心轴为中心的圆环状振动节点157。
双压电晶片振子与振盆154构成的复合振子用壳体156的台座156a，通过弹性体153在双压电晶片振子挠曲振动的节点位置上弹性支持着。
在第6实施例中，圆锥状喇叭159的颈部159b与振盆154的开口端154a在圆锥的中心轴方向上的间隔h被设定为输出的超声波波长的1/4。按照这样的位置关系将复合振子配置在台座156a上。
如上所述配置的复合振子中，复合振子根据上述双压电晶片振子的振动膜的谐振频率和振盆154的固有频率输出预定频率的超声波。复合振子输出的超声波传经喇叭159的内部，从喇叭159的喇叭口159a进入自由空间。
下面对图15所示的超声波发送机的一个具体例子加以说明。
该超声波发送机，输出的超声波频率为40KHz，间隔d为2毫米，间隔h为2毫米，颈部159b的直径为24毫米。与喇叭159的中心轴平行的方向上喇叭的长度为50毫米，喇叭159的口部的直径为40毫米。壳体156内部空间的尺寸为，高度20毫米，圆形底座直径40毫米。而壳体156内部空间的台座156a的阶梯高度为2毫米。
下面对第6实施例的超声波发送机的动作加以说明。
图16表示如上所述构成的双压电晶片振子165与振盆154的复合振子的振动位移。在图16中，实线表示发生振动位移前的状态，点划线表示发动位移时的状态。而图16中的箭头X、Y、Z表示双压电晶片振子165与振盆154的振动位移的方向。
在图16中，符号160表示振盆154的圆锥顶点，符号161表示以振盆154的振动节点157为边界，包括圆锥顶点160的面，符号162是以振盆154的振动的节点157为边界，包含开口端154a的面。
如图16所示，振盆154与双压电晶片振子165发生振动位移。双压电晶片振子165的挠曲振动在振盆154上形成振动节点157。因此，在复合振子的振动中，振盆154在振动节点157的两侧以相反相位振动。
如上所述，由于振盆154与双压电晶片振子165的复合振子的振动，从振盆154的内圆锥面和外圆锥面，以及双压电晶片振子165输出超声波。
这样从振盆154的外圆锥面和双压电晶片振子165输出的超声波在配置双压电晶振子165的壳体156的内侧空间166互相干涉，或在壳体156的底面及侧壁多重反射，从振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隙传播到喇叭159内部。
从振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隙输出的超声波的声压和相位可以借助于将壳体156的内侧空间166做成所希望的形状进行调节。其结构参数有例如从复合振子到壳体156底面或侧面的距离，以及振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隙d、h等。因而，从振盆154的内圆锥面输出的超声波和振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隙输出的超声波作为相位不相同的超声波向喇叭159内部放出。
根据发明者的实验，把圆锥状喇叭159的颈部159b和振盆154的开口端154a在垂直于圆锥中心轴方向的间隔d设定为超声波输出波长的1/4以上，对超声波的发生效果最好。而且最好把喇叭159的颈部159b与振盆154的开口端154a在圆锥的中心轴方向上的间隔h设定为超声波输出波长的1/4左右。
图17A是表示第6实施例的超声波发送机的声源的平面图，图17B是图17A所示的声源输出的音响能量分布曲线。在图17B中，横轴表示声源的位置，纵轴表示音响能量的大小。
还有，在图17A及图17B中，以超声波向圆锥状振盆154的内侧方向的振动位移为正(+)，以其反向的振动位移为负。
如图17B所示，第6实施例的超声波发送机的结构做成从包含振盆154的开口端154a的内侧表面162输出的超声波的音响能量，以及从开口端154a与颈部154b的间隙输出的超声波的音响能量具有正负不同的振动位移。
由于在振盆154上形成振动节点157，在以振动节点157为边界的该内侧面161与外侧面162上，以互不相同的相位振动。因此，它们的音响能量正负不同。这是由于振盆154的圆锥面以其中心轴对称振动，使振盆154输出的振动的振幅增大，从而使输出声压增大。如上所述，采用第6实施例，由于采取振盆154具有多个圆环状声源的结构，可以使方向性变得尖锐。
下面用图18对具有如上所述结构的第6实施例的声源输出的超声波的传播加以说明。图18是由第6实施例的超声波发送机的声源输出，在超声波喇叭159内部及外部传播的超声波的模拟相位分布曲线图。
超声波的相位分布曲线以对圆锥状的喇叭159的中心轴182对称的方式表示，因此图18所表示的超声波相位分布曲线代表在圆锥状的喇叭159的中心轴182处切开的一半。
在图18中，弯曲的条纹表示超声波相同相位的传播状态，符号392是假设位于喇叭159的口部159a的假想障板，在这一模拟中，障板392把来自振盆154与双压电晶体振子165的振动以外的振动排除在外。
如图18所示，在作为喇叭159的输出面的口部159a，没有形成平行与喇叭159的圆锥中心轴182的垂直面的振动同相位面，至少在两个地方(180a、180b)发生了大的相位不连续。该相位不连续处180a、180b使第6实施例的超声波发送机输出的超声波方向性得到提高。这是因为在相位不连续处180b外侧，相位不连续处180a两端的不同相位超声波抑制相位不连续处180b内侧的超声波的扩散。
如上所述，在第6实施例的超声波发送机中，喇叭159的中心轴182附近的超声波的扩散由于相位不连续处180b外侧形成的两超声波的存在而受到抑制，第6实施例的超声波发送机输出的超声波的音响能量变成收敛状态。因此，第6实施例的超声波发送机可以使输出的超声波的方向性变得尖锐。
图19是以极座标表示在对喇叭159的口部159a一定距离的地方，与喇叭159的中心轴182所成的角度和该角度的位置上的声压输出的关系图。
还有，上述已有技术栏说明的图40的极坐标图是具有与第6实施例的超声波发送机相同大小的双压电晶片振子165、振盆154及喇叭159的情况。
把图19与图40加以比较，可以理解在声压半值角(表示-6dB声压的角度)和有无旁瓣等方面第6实施例的超声波发送机(图19)与已有的超声波发送机(图40)相比，使声压有更尖锐的方向性。
发明者将图15所示的第6实施例的超声波发送机与上述图38所示的已有的超声波发送机相比，确认第6实施例的超声波发送机具有更优异的尖锐方向性。
第6实施例的超声波发送机即使是不存在喇叭159的结构，在尖锐的方向性这一点上也比不存在喇叭的已在的超声波发送机优异。
图20是表示双压电晶片振子165与振盆154的复合振子容纳于有底的圆筒状壳体156内的超声波发送机的结构的侧视剖面图。
在图20中，符号b表示垂直于振盆154的圆锥中心轴的方向上振盆154的开口端154a与壳体156的开口端156b的间隔，符号h’表示平行于振盆154的圆锥中心轴的方向上的振盆154开口端154a与壳体156的开口端156d的间隔。符号t是容纳复合振子的壳体156的底面到复合振子底面的距离。
下面对图20所示的超声波发送机的一个具体例子加以说明。
该超声波发送机，输出的超声波频率为40KHz，间隔b为10毫米。壳体156的内部空间的大小为，高度20毫米，圆形底面的直径为40毫米。又，壳体156的内部空间的台座156a的阶梯高度为2毫米。
在图20中，超声波发送机做成壳体156的侧壁高度比复合振子的高度高得多的结构，复合振子的振盆154的开口端154a与壳体156的开口端156b的间隔h’最好是设定为至少是超声波发送器输出的超声波波长的1/4。
图21A是表示图20所示的超声波发送机的声源的平面图，图21B是图21A所示的声源输出的音响能量分布曲线。在图21B中，横轴表示声源的位置，纵轴表示音响能量的大小。还有，在图21A及图21B中，以向超声波的圆锥状振盆154的内侧方向的振动位移为正(+)，与其反向为负(-)。
如图21B所示，图20所示的超声波发送机的结构做成从包含振盆154的开口端154a的内侧表面162输出的超声波的音响能量，以及从开口端154a与壳体156的开口端156b的间隙输出的超声波音响能量具有正负不同的振动位移。
由于在振盆154的中间形成振动节点157，在以振动节点157为边界的该内侧表面与外侧表面以互相不同的相位振动。
图21B所示的音响能量分布，可用改变上述参数b、n、t的方法形成所希望的声源结构。
又，振盆154振动时，在对振盆154的中心轴对称的位置上形成振动节点157，以此使方向性尖锐化。
从振盆154的内侧表面输出的超声波，其扩散受到振盆154的开口端154a与壳体156的开口端156b的间隙输出的相位不同的超声波的抑制。
发明者把图20所示的超声波发送机与已有的超声波发送机作比较，证实图20所示的超声波发送机具有优异的尖锐方向性。发明者又证实，在图20所示的超声波发送机装有圆锥状的喇叭159的情况下也比已有的超声波发送机体积小，且具有尖锐的方向性。
还有，容纳上述双压电晶片振子165与振盆154的复合振子的壳体的构造不限定于上述实施例的结构。
图22A与图22B是表示容纳复合振子的其他壳体的结构的侧视剖面图。图22A所示的超声波发送机由具有相对于振盆154的圆锥中心轴倾斜的反射超声波的内表面的壳体167构成。图22B所示的超声波发送机是壳体168侧壁具有贯通孔168a的结构。图22B所示的超声波发送机装配成振盆154的中心轴方向为水平方向的情况下，贯通孔168a具有泄漏雨水的功能。
还有，在第6实施例中，使用双压电晶片振子作压电振子进行说明，但是，使用上述第4实施例说明的、具有防滴、防尘性能的单压电晶片振子也能得到与第6实施例相同的效果。
第6实施例的超声波发送机声源结构中，对包含振盆154的开口端154a的圆锥表面输出的超声波和振盆154的开口端154a与喇叭159的槽159b的间隙输出的超声波的能量分布正负不同的情况进行说明。但是，在作为另一个例子，结构做成上述两种超声波能量分布均取正方向的超声波发送机的情况下，声源的尺寸变大，因此，与已有技术的超声波发送器相比，方向性变尖锐，输出声压变大。
如上所述，采用第6实施例的超声波发送机，使振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b之间的距离，以及振盆154的开口端154a与振盆159的口部159a的距离为规定值，可以输出相位不同的超声波。因此，第6实施例的声源输出的超声波在振盆的中心轴的垂直面形成相位的不连续，振盆154的圆锥表面输出的超声波的扩散受到相位不同的超声波的抑制。因此，采用第6实施例的超声波发送机可以使声压方向性尖锐，使正面声压增加。
第7实施例
下面参照附图图23、图24、图25A及图25B对本发明超声波发送机的第7实施例进行说明。
图23是表示第7实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。图23中与上述第6实施例实质上具有相同功能、结构的要素标以相同的符号。在图23中，压电振子165由用不锈钢等金属形成的振动板152，以及贴附在其两侧的压电体圆板150、151构成。一侧的压电体圆板151以作为的柔软粘接剂的弹性体153支持固定于壳体156上，从而压电振子165借助于该弹性体153弹性支持于壳体156的台座156a上。另一边的压电体圆板150上配置圆锥状的振盆154、振动板152上设置连接振盆154的端子脚155。
如图23所示，设置在压电体圆板150、151和振动板152上施加电压用的端子脚158，并贯通壳体156。在该端子脚158上加电压，压电振子即发生挠曲振动，在振盆154上形成节点157。容纳压电振子与振盆154的复合振子的壳体156上设置前端扩大的圆锥状的喇叭159。
在图23中，符号g表示在平行于圆锥状喇叭159的中心轴的方向上振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隔。
在第7实施例中，按照上述位置关系，把振盆154与作为双压电晶片振子的压电振子165的复合振子配置于台座156a上。
第7实施例的超声波发送机，是使上述第6实施例的超声波发送机在上述轴向间隔g在各种位置上变化的超声波发送机。
图24是超声波发送机的开口端154a与颈部159b的轴向间隔g与输出声压的关系曲线。在图24中，横轴表示间隔g，以振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b在图23的高度方向上处于同一平面为零，振盆154的开口端154a处于喇叭159的内部的情况下g为正值，纵轴表示声压(dB)值。
图24所示的三条曲线242、243、244是改变垂直于喇叭159的中心轴的方向上振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b的间隔b得出的。曲线242(实线)是间隔b设定为超声波发送机输出的超声波波长的1/4的情况。曲线243(虚线)表示间隔b做成比显示出曲线242的超声波发送机中窄的超声波发送机的情况，曲线244(点划线)表示间隔b做成比显示出曲线243(虚线的超声波发送机中更窄的超声波发送机的情况。
在图24中，箭头240所示的极大值表示第1声压极大值，箭头241所示的极大值表示第2声压极大值。
在第7实施例的超声波发送机中，使振盆154与作为压电振子的双压电晶片振子构成的复合振子在上述间隔g位于F处，出现声压的第1极大值，使复合振子向图23的上方移动，移动的位置S，出现第2声压极大值。如图24所示，在第7实施例的超声波发送机中，第2声压极大值完成与上述间隔b无关，数值大致都相同。位置S所表示的位置，是振盆154的振动节点157的位置与喇叭159的颈部159b配置在与中心轴垂直的同一平面上的位置。
如上所述，图23所示的第7实施例中，包含比振盆154的振动节点157更处于下侧的圆锥顶点160的圆锥面161最好是配置于包含喇叭159的颈部159b，垂直于中心轴的平面179下侧的空间内。该空间是容纳双压电晶片振子的空间166。换句话说，以振盆154的振动节点157为边界，包括开口端154a的圆锥面162配置于喇叭159内侧，以此使第7实施例的超声波发送机加大超声波输出，并且使其成为稳定的装置。
在第7实施例中，振盆154的振动节点157的位置与喇叭159的颈部159b配置于与中心轴垂直的同一平面上，以此在空间将振盆154的两个圆锥面161、162的振动产生的相反相位的超声波分离开来，抵制其相互干涉。
又按上面所述构成超声波发送机，以此使振盆154的开口端154a与喇叭159的颈部159b之间的间隙输出的超声波声压变得非常小。
图25A是图38中已有超声波发送机的名声源的音响能量分布曲线，图25B是第7实施例的超声波发送机的名声源的音响能量分布曲线。在图25A及图25B中，横轴表示声源的位置，纵轴表示音响能量的大小。而且将离开喇叭159内向口部159a的方向传输的超声波作为正(+)表示。
如图25B所示，第7实施例的超声波发送机与已有的超声波发送机相比，其正音响能量的分布区域较大。结果是，采用第7实施例的超声波发送机，可以使声压方向性尖锐，增加正面的输出声压。
如上所述，第7实施例的超声波发送机，振盆154的振动节点157的位置与喇叭159的颈部159b配置在同一平面上，并且使振盆154的振动节点157与喇叭159的颈部159b在平行于中心轴的方向上的间隔为输出的超声波波长的1/4以下。以这样的结构，使第7实施例的超声波发送机的包含比振盆154的振动节点157靠上方的开口端154a的外侧圆锥面162，其振动输出的超声波S162具有较宽的音响能量分布区域。
如上所述，由于采取将振动节点157与颈部159b配置于同一平面上的结构，第7实施例的超声波发送机的输出声压增大，具有尖锐的方向性。
第8实施例
下面参照附图中的图26～图29对本发明的超声波发送机第8实施例加以说明。
图26是表示第8实施例的超声波发送机的结构的侧剖面图。在图26中，与第7实施例具有实质上相同的功能、结构的要素标以相同的符号。在图26中，压电振子165由用不锈钢等金属做成的振动片152和贴附于其两侧的压电体圆片150、151构成。一侧的压电体圆片151固定着作为柔软粘接剂的弹性体153，压电振子165以该弹性体153弹性支持于台座169上。另一方的压电体圆片150上配设圆锥状的振盆154、振动片152上设置连接振盆154的杆155。
如图26所示，贯通台座169设置用于在压电体圆片150、151与振动片152上施加电压的端子脚158。
位于振动板152两侧的压电体圆板150。151是其中央具有贯通孔的环状圆板，压电体圆板150、151的整个主面(图26的上下面)上形成电极。夹着振动板151的压电体圆板150、151配置得极化方向与大小相同，从而由压电体圆板150、151和振动板152构成作为双压电晶片振子的压电振子165。
振盆154是用铝等轻金属做成圆锥状的中空振子。杆155的一端连接于振动板152的中央部，另一端连接于振盆154的圆锥顶点。因此，作为双压电晶片振子的压电振子与振盆154在各自的中心机械性连接。
双压电晶片振子与振盆154构成的复合振子用台座169通过弹性体153弹性支持于双压电晶片振子挠曲振动节点的位置上。
在图26中，符号t表示杆155在振盆154的中心轴的方向上的长度，符号q是从振盆154的上述中心轴方向上的开口端154a到双压电晶片振子的距离。
下面对第8实施例的超声波发送机输出的超声波的传播加以说明。
图27是表示第8实施例的超声波发送机的振动位移的状态的侧视图。在图27中，点划线表示振盆154在发生振动位移之前的状态，实线表示发生过振动位移的状态。
如图27所示，由于振盆154的圆锥面发生的振动，从维体154的内圆锥面输出超声波。这时，从振盆154的外圆锥面也输出与来自内圆锥面的超声波相位相反的超声波。也就是说，从振盆154的背面向双压电晶片振子配置的方向输出与内圆锥而输出的超声波相位相反的超声波。然后，从振盆154的背面向双压电晶片振子所在的方向输出的超声波在双压电晶片振子上反射，向振盆154的前方传播。
结果，由于振盆154的振动，向振盆154的前方(图27的上方)输出了相位不同的两束超声波。这两束不同相位的超声波相互干涉地进行传播，决定振盆154前方的声压值和方向性。
在双压电晶片振子上反射的超声波的相位由从振盆154的圆振盆背面输出后的传播距离决定。因此，改变双压电晶片振子与振盆154的连接部的杆155的长度t，使超声波的传播距离变化，以此可以改变超声波的相位。
振盆154前方的声压及方向性由上述两束超声波的干涉状态决定。而为了得到输出声压的极大值和尖锐的方向性，必须把振盆154的中心轴方向上的开口端154a到双压电晶体振子的距离q和杆155的长度t设定为规定值。
在双压电晶片振子上反射的超声波与输出的超声波的波长有关。因而，为得到输出声压极大值和尖锐方向性而要取为规定长度的杆155的长度t具有由输出的超声波的波长引起的周期性。
图28是概念性表示加长杆155的长度t的情况下超声波发送机的振动位移状态的侧视图。在图28中，实线表示振盆154在发生振动位移之前的状态，点划线表示振动位移的状态。
如图28所示，加大杆155的长度t，因而双压电晶片振子的振动使振盆154在杆155的根部发生摇动，这一摇动使得与振盆154的中心轴平行的振动以外的振动位移变大。这样的摇动带来的振动对输出声压有损害。因此，把杆155的长度t加长，会引起不想要的振动而导致输出的声压下降。
如上所述，超声波发送机的指向振盆154的中心轴方向的声压随着杆155的长度t而变化，具有由上述输出超声波波长引起的周期性。
图29是指向超声波发送机的振盆154的中心轴方向的声压与杆155的长度t及输出超声波的波长(λ)的关系曲线。在图29中，横轴表示杆155的长度t除以输出超声波波长(λ)的值，纵轴是超声波发送机在振盆154的中心轴的方向上声压。
如图29所示，在规定的输出超声波波长上将杆155的长度t设定于某一数值，可以使输出声压达到最大值，同时可以借助于第8实施例的结构实现尖锐的方向性。
还有，如上所述为实现最大声压而设定的杆155的长度t的值很大程度上取决于振盆154的圆锥面的大小和圆锥张开的角度等圆锥154的结构因素。
下面参照图26对设定杆155的长度t的数值的具体例子加以说明。为了能得到大输出，振盆154的背面输出的超声波受到反射后向前方辐射的成份与振盆154的向前方输出的超声波成份必须是相同相位的。因此，存在着振盆154的开口端154a与压电体圆板150之间的距离q为输出超声波波长的整数倍的设定条件。而且，输出超声波的频率为40KHz，振盆154的圆锥中心角为120度，振盆154的圆锥底面的开口端154a的直径为20毫米，振盆154的圆锥高度(图26中的q-t)5.8毫米。在这种情况下，40KHz的超声波波长约为8.5毫米。在这种情况下，40KHz的超声波波长约为8.5毫米。因此，满足距离q为输出超声波波长的整数倍的设定条件(即t+5.8为8.5的整数倍的条件)的杆155的最小长度约为2.7毫米。这样的结构的输出声压为图29中的最大值。
第8实施例的超声波发送机，像前文前述实施例那样做成振盆154具有振动节点157的结构，可以谋求进一步增大输出声压。
又，第8实施例的压电振子可以做成上述第4实施例的超声波振子所示的具有防滴性的结构。
如上所述采用第8实施例，可以使双压电晶片振子与振盆154的连接部的距离根据与输出超声波波长有关的数值改变，以此可以加大输出声压，并实现尖锐的方向性。
第9实施例
下面参照附图中的图30～图33对本发明超声波发送机的第9实施例加以说明。
图30是表示第9实施例的超声波发送机的结构的侧视剖面图。在图30中，与上述第8实施例具有实质上相同的功能、结构的要素标以相同的符号。在图30中，压电振子165由用不锈钢等金属做成的振动板152、贴附于其两侧的压电体圆板150、151构成。一侧的压电体圆板151上固定着作为柔软粘接剂的弹性体153，压电振子165由该弹性体153弹性支持于台座170。另一边的压电体圆板150上配置着圆锥状振盆154，振动板152上设置连接振盆154的杆155。
如图30所示，贯穿台座170设置用于在压电体圆板150、151和振动板152上施加电压的端子脚158。
在图30中，符号r表示从振盆154的上述中心轴方向上的开口端154a到台座170下台阶面(lower stepface)310的距离。符号r’表示振盆154的圆锥面的垂直方向上开口端154a到台座170下台阶面310的距离。符号m表示振盆154的中心轴方向上从台座170的上台阶面(upper stepface)311到台座170的下台阶面310台阶高度。
在第9实施例中的超声波发送机的结构与动作与上述第8实施例的超声波发送机相同。
如上所述，第9实施例的超声波发送机，是台座170有台阶的结构，台座170的上台阶面311以作为柔软粘接剂的弹性体153在双压电晶电振子的挠曲振动节点位置上弹性支持着复合振子。
又，在第9实施例中，如图30所示，台座170的下台阶面310的尺寸做成大于从振盆154的开口端154a沿与圆锥面垂直的方向引出的直线与台座170的下台阶面310的交点所包含的范围。
下面就第9实施例的超声波发送机输出的超声波的传播加以说明。
与上述第8实施例一样，在振盆154振动，从而由振盆154的内圆锥面向振盆154的前方输出超声波的同时，从振盆154的背面向双压电晶片振子所在的方向输出超声波。这束向振盆154后方输出的超声波与向振盆154前方输出的超声波相位相反。
从振盆154向双压电晶体振子所在的方向输出的向后的超声波，如上述第8实施例所示，以在双压电晶片振子上受到反射，同时在台座170的下台阶面310受到反射。然后，在台座170的下台阶面310受到反射的超声波反射源。作为与振盆154的内圆锥面输出的超声波相位不同的超声波向振盆154前方输出。
其结果是，第9实施例的超声波发送机输出的超声波的声压及方向性由如上所述相位不同的超声波的干涉决定。台座170的下台阶面310的反射的超声波的相位随振盆154的圆锥面到台座170的下台阶面130的传播距离(例如r’所示的距离)而变化。因而，如果复合振子的形状相同，以改变台座170的台阶高度m的方法，可使上述传播距离发生变化，因此可以使在台座170的下台阶面310反射的超声波的相位发生变化。
设定反射波相位，使台座170的下台阶面310反射的超声波与振盆154的内圆锥面向前方输出的超声波互相加强，以此可以实现使第9实施例的超声波发送机输出声压增大和使方向性尖锐的目的。
图31是台座170的台阶高度m与第9实施例的超声波发送机输出的声压的关系曲线。图31中，横轴表示台阶高度m除以输出超声波波长λ的值m/λ，纵轴是超声波发送机输出的声压值。该声压值决定于振盆154产生的相位不同的超声波的干涉，因此如图31所示，台阶高度m的数值具有与输出的超声波波长有关的周期性。
还有，用以实现声压的极大值的台座170的台阶高度m与振盆154的圆锥面的尺寸和圆锥的展开角度等振盆154的结构因素有很大的关系。
下面参照图30对设定台阶高度m的具体例子加以说明。从振盆154的背面输出的超声波与台座170的下台阶面310反射向振盆154的前方的超声波必须以相同的相位向振盆154的前方输出。在第9实施例中，振盆154的开口端154a与台座170的下台阶面310之间的距离r’设定为输出超声波波长的整数倍。在第9实施例中，从台座170的下台阶面310引向振盆154开口端154a的垂线距离r’和开口端154a与下台阶面310在平面于中心轴的方向上的距离r的差变大。因此在第9实施例中以垂线距离r’为输出超声波波长的整数倍作为设定条件。
作为第9实施例的超声波发送机的具体例子，输出超声波的频率为40KHz，振盆154的圆锥中心角为120度，振盆154的圆锥底面的开口端的直径为20毫米，振盆154的圆锥高度约5.8毫米，杆155的长度t为2.7毫米。若取压电体圆板150、151与振动板152厚度的和为3.4毫米，则(5.8+2.7+3.4+m)即为r。在这种情况下，40KHz的超声波波长约为8.5毫米。因此，满足上述设定条件(即1.155×(11.9+m)＝r’为8.5的整数倍这一条件)的台阶高度m的最小值约为3毫米。
图32与图33是把相同尺寸的双压电晶片振子与振盆154的复合振子装配在下台阶面310大小相同、台阶高度m不同的台座170上的情况下实测的表示声压方向性的数据。图32的超声波发送机的台阶高度m比图3的超声波发送器的台阶高度m做得大。
图32和图33以极坐标表示离开复合振子中心轴的角度和该角度上的输出声压的关系。图32比起图33，声压半值角及旁瓣小，可以看出已经得到尖锐的方向性。而且图32的超声波发送机比起图33的超声波发送机正面声压也较大。
还有，作为振盆154输出的超声波的反射体，示于第9实施例的板状的台座170的下台阶面310不必是平面，也可以是与振盆154的圆锥形状相应的曲面结构体等。
第9实施例的起声波发送机，像前文所述实施那样做成振盆154具有振动节点157的结构，以此可以进一步增大输出声压。
又可以把第9实施例的压电振子做成具有上述第4实施例的超声波振子所显示的防滴特性的结构。
如上所述，采用第9实施例，按与输出超声波的波长相应的值调节从振盆154的圆锥面到反射面的距离，以此可使由振盆154的振动而输出的超声波的声压达到极大值，得到尖锐的方向性。
本发明的第一种思路的超声波发送机与接收机具有压电振子与振盆构成的复合振子，利用压电振子的挠曲振动的谐振模式，振盆在对其中心轴对称的位置上有振动节点。因此，在本发明的超声波发送机与接收机中压电振子与振盆在各自的振动中心高精度连接，压电振子的挠曲振动可使振盆在与中心轴平行的方向上振动。其结果是，可以得到大声压输出的超声波发送机及高灵敏超声波接收机。
本发明的第二种思路的超声波发送机与接收机作为连接振盆与壳体的支持体的薄膜，一边对振盆施加辐射状的相同张力，一边起支持作用。由于采取这样的结构，本发明的超声波发送、接收机处于压电振子与振盆在各自的振动中心高精度连接的状态，以压电振子的挠曲振动可以使振盆在与其中心轴平行的方向振动。因此，能够得到大声压输出的超声波发送机及高灵敏度的超声波接收机。而且在上述超声波发送机与接收机中，用薄膜连接振盆与壳体的结构可以保护压电振子的电极部不受外部影响，具有防滴、防尘的特性。
这种超声波发送机与接收机，借助于在振盆的内圆锥面形成具有疏水性的单分子膜，振盆不但具有防滴特性，而且由于振盆的重量增加小，而且振盆与单分子膜的结合强度大，可以得到对增大输出声压影响小的超声波发送机及对接收灵敏度影响小的超声波接收机。
本发明的第3种思路的超声波发送机与接收机，将振动筒上张贴压电体部分的周边部的厚度做得比张贴压电体部分薄，因此是具有防滴、防尘特性的结构，又使上述振动筒下侧面的挠曲振动振幅增大。因此能够得到加大输出声压的超声波发送、接收机。
这种超声波发送机与接收机的振动筒由片状的振动膜和圆筒状的筒部两个结构要素构成。因此，采用本发明容易把压电体与振动筒压合在一起，并且可以大幅度降低制造成本。
本发明的第4种思路的超声波发送机采取使喇叭的颈部与振盆的开口端只离开预定距离的结构。因此，采用本发明可以实现与相同尺寸的已有超声波发送机相比，输出声压增大，而且有尖锐的方向性。又，采用本发明，能以小型化的结构实现声压、方向特性与已有超声波发送机相同的超声波发送机。不要喇叭的结构能够实现加大输出声压和使方向性尖锐的目的。
本发明的超声波发送机，具有在与喇叭的中心轴平行的方向上将振盆的振动节点与喇叭的颈部的距离取作输出超声波波长的1/4以下的结构。因此，采用本发明，可以降低振盆中心轴的垂直方向上振盆与喇叭的中心轴结合精度要求，同时可以用小型喇叭实现较大的声压输出和尖锐的方向性。
本发明第5种思路的超声波发送机，其结构将压电振子与振盆的连接部的长度，或反射板与振盆的距离取为与输出的超声波波长相应的长度。因此，能够得到小型、大声压输出的超声波发送机。