JPH06269090A - 圧電型超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 リング形状の圧電セラミックス素子１１が接
着された密閉性を有する振動ケース１５と、振動ケース
１５前方に配設されたホーン１８とを備え、ホーン１８
により圧電セラミックス素子１１の外側輪郭と略等しい
形状を有し、圧電セラミックス素子１１の前方に位置す
る振動空間１９が形成され、圧電セラミックス素子１１
の内側輪郭と略等しい形状を有し、振動空間１９前方に
位置する開口部１９ａと、開口部１９ａ前方に位置する
凸形状の音波反射面１９ｂとが、ホーン１８に形成され
ている圧電型超音波送受波器。 【効果】 振動ケース１５の振動板に音響負荷が掛かり
易く、空気との音響整合が図り易くなり、空気中の送波
音圧を高くすることができる。またＳ／Ｎ比を高めるこ
とができ、遠距離にあるものを正確に検知することがで
きる。また圧電セラミックス素子１１の発熱や破損を防
止することができ、エネルギー変換効率を高めることが
できる。さらに耐環境性を保持することができ、信頼性
の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電セラミックス素子を
用いた圧電型超音波送受波器に関し、より詳細には障害
物検知や距離測定等に用いられる圧電型超音波送受波器
に関する。

【０００２】なお下記の説明中、音響インピーダンスと
は音圧の体積速度に対する比をいう。

【０００３】

【従来の技術】圧電型超音波送受波器は、超音波センサ
あるいは超音波マイクロフォンとも呼ばれ、従来から多
くの分野で用いられている。図６はこの種送受波器の内
で最もシンプルな構成のものを模式的に示した断面図で
ある。ケース本体３２は導電薄板を用い、その周縁部が
折り曲げ形成され、ケース本体３２の開口部側には蓋体
３３が接着・固定され、これらケース本体３２と蓋体３
３とにより密閉構造のケース３４が構成されている。ケ
ース本体３２の内側中央平坦部には略円板状に形成され
た圧電セラミックス素子３１が接着され、圧電セラミッ
クス素子３１とケース本体３２とはそれぞれリード線３
６ａ、３６ｂを介してリード端子３５ａ、３５ｂに接続
されており、これらケース３４及び圧電セラミックス素
子３１等により圧電型超音波送受波器３０が構成されて
いる。そしてリード端子３５ａ、３５ｂを通じて交流電
圧が圧電セラミックス素子３１に印加されると、圧電セ
ラミックス素子３１が伸縮運動し、この伸縮運動により
ケース本体３２に屈曲運動が生じて音波が発生し、この
音波が図中矢印Ａの方向に放射されるようになってい
る。

【０００４】図７は従来から用いられている別の圧電型
超音波送受波器４０を模式的に示した断面図であり、図
中４２はケース本体を示している。ケース本体４２は音
響インピーダンスの大きい材料を用い、天井部４２ａを
有して略円筒形状に形成され、ケース本体４２の開口部
４２ｂ側には蓋体４３が接着・固定され、これらケース
本体４２と蓋体４３とにより密閉構造のケース４４が構
成されている。さらにケース本体４２の天井部４２ａに
は音響インピーダンスの小さい材料を用いて形成された
円板部材４７が接着されている。ケース本体４２内の中
央平坦部には略円板形状に形成された圧電セラミックス
素子４１が接着され、圧電セラミックス素子４１の両面
に形成された電極４１ａ、４１ｂは、それぞれリード線
４６ａ、４６ｂを介してリード端子４５ａ、４５ｂに接
続され、これらケース４４及び圧電セラミックス素子４
１等により圧電型超音波送受波器４０が構成されてい
る。そしてリード端子４５ａ、４５ｂを通じて圧電セラ
ミックス素子４１に交流電圧が印加されると、圧電セラ
ミックス素子４１が伸縮運動し、この伸縮運動によりケ
ース本体４２に屈曲運動が生じて振動し、この振動が円
板部材４７を介して空気に伝播し、図中矢印Ｂの方向に
音波が放射されるようになっている（実開昭６２−１７
７１９８号公報）。

【０００５】図８は従来から用いられているホーン付き
の圧電型超音波送受波器５０を模式的に示した断面図で
あり、図中５５は導電薄板を用いて略中空円柱体形状に
形成されたケースを示している。ケース５５の略中央部
には略円板形状に形成された圧電セラミックス素子５１
が接着され、圧電セラミックス素子５１は支持具５４を
用いてケース５５に保持されている。また圧電セラミッ
クス素子５１上面には断面視直線形状を有するコニカル
ホーン５３が配設され、コニカルホーン５３上方におけ
るケース５５上面には１個の開口部５７ａと複数個の放
音用孔５７ｂとが形成されており、ケース５５の側面か
ら上方にかけて下方に凸の曲面形状を有するパラボリッ
クホーン５８が形成されている。またケース５５下部に
はリード端子５６ａ、５６ｂが固定され、リード端子５
６ａ、５６ｂはリード線を介して圧電セラミックス素子
５１に接続され、これらケース５５、圧電セラミックス
素子５１、パラボリックホーン５８等により圧電型超音
波送受波器５０が構成されている。そしてリード端子５
６ａ、５６ｂを通じて圧電セラミックス素子５１に交流
電圧が印加されると、圧電セラミックス素子５１が伸縮
運動して振動が発生し、この振動がコニカルホーン５３
を介して空気に伝播し、さらに開口部５７ａ、放音用孔
５７ｂを通過してパラボリックホーン５８から図中矢印
Ｃの方向に音波が放射されるようになっている（特開昭
５８−８５６９９号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、障害物検知用、
距離測定用等のセンサを用い、より遠距離のものを正確
に検知したいという要求が強くなってきており、そのた
め発信する超音波の音圧が大きくてＳ／Ｎ比が高く、か
つ密閉構造で耐環境性を有する圧電型超音波送受波器が
必要とされてきている。

【０００７】図６に示した圧電型超音波送受波器３０に
おいては、ケース３４が密閉構造であり、耐環境性を有
している。しかし圧電セラミックス素子３１に対し、媒
質としての空気の密度が小さいため、空気への音響負荷
が掛かり難く、ケース３４の有する振動エネルギを空気
に十分に伝播することができず、超音波の音圧を大きく
することができないという課題があった。また音圧を大
きくするために入力エネルギを増すと、圧電セラミック
ス素子３１が発熱したり、あるいは破損するおそれがあ
るという課題があった。

【０００８】また図７に示した圧電型超音波送受波器４
０においては、ケース４４が密閉構造であり、耐環境性
を有している。さらに音響インピーダンスの低い円板部
材４７がケース４４上に接着され、空気に対する音響整
合の改善が幾分かは図られているが、それでも超音波の
音圧レベルが不十分であるという課題があった。

【０００９】また図８に示した圧電型超音波送受波器５
０においては、コニカルホーン５３、パラボリックホー
ン５８が配設され、あるいは開口部５７ａ、放音用孔５
７ｂが形成され、空気に対する音響整合の改善が幾分か
は図られている。しかしながら、なお超音波の音圧レベ
ルが不十分であり、また開口部５７ａ、放音用孔５７ｂ
により密閉構造にはならず、耐環境性が損なわれるとい
う課題があった。

【００１０】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、発信する超音波の音圧を大きくすることがで
き、Ｓ／Ｎ比を高めることができ、遠距離のものを正確
に検知することができ、かつ密閉構造で耐環境性を保持
することができる圧電型超音波送受波器を提供すること
を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電型超音波送受波器は、リング形状の
圧電セラミックス素子が接着された密閉性を有する振動
ケースと、該振動ケース前方に配設されたホーンとを備
え、該ホーンにより前記圧電セラミックス素子の外側輪
郭と略等しい形状を有し、前記圧電セラミックス素子の
前方に位置する振動空間が形成され、前記圧電セラミッ
クス素子の内側輪郭と略等しい形状を有し、前記振動空
間前方に位置する開口部と、前記開口部前方に位置する
凸形状の音波反射面とが、前記ホーンに形成されている
ことを特徴としている。

【００１２】

【作用】振動発生源としての圧電セラミックス素子は、
音波の伝播媒質としての空気に対して密度が極めて大き
い。そのため、前記圧電セラミックス素子が音波を放射
する際、空気から受ける音響負荷は極めて小さく、した
がって音波として利用されるエネルギが少ない。

【００１３】本発明者等はこの問題を解決するため、図
５（ａ）に示した装置を用い、振動の測定試験を行っ
た。図中１２は円板形状に形成された振動板を示し、振
動板１２は図５（ｂ）に示したように内部振動板１２ａ
と外部振動板１２ｂとに構成されていると考えることが
できる。外部振動板１２ｂ下面にはリング形状の圧電セ
ラミックス素子１１が接着されてバイモルフ構造２４が
構成されており、バイモルフ構造２４の外周部はクラン
プ２５等により拘束・保持されている。このように構成
された装置２０に通電し、圧電セラミックス素子１１を
振動させた場合、振動は図中点線で示したように、外部
振動板１２ｂ部分では小さい、内部振動板１２ａ部分で
は大きい振幅が得られた。このように振動板１２にリン
グ形状の圧電セラミックス素子１１が接着された装置で
は、内部振動板１２ａ部分が軽いために音響負荷が掛か
り易くなるとともに、振幅が大きくとれるために空気中
の送波音圧を高めることが容易となる。一方、外周部に
設けられた圧電セラミックス素子２２の振幅は小さいた
め、圧電セラミックス素子２２の発熱や破損が減少し、
信頼性の向上を図り得るとともにエネルギー変換効率が
高められることになる。

【００１４】本発明に係る圧電型超音波送受波器によれ
ば、リング形状の圧電セラミックス素子が接着された密
閉性を有する振動ケースと、該振動ケース前方に配設さ
れたホーンとを備え、該ホーンにより前記圧電セラミッ
クス素子の外側輪郭と略等しい形状を有し、前記圧電セ
ラミックス素子の前方に位置する振動空間が形成され、
前記圧電セラミックス素子の内側輪郭と略等しい形状を
有し、前記振動空間前方に位置する開口部と、前記開口
部前方に位置する凸形状の音波反射面とが、前記ホーン
に形成されているので、リング形状の前記圧電セラミッ
クス素子の内側における振動ケースの振動板に音響負荷
が掛かり易くなるとともに、振幅が大きくなり、空気と
の音響整合を図ることが容易になる。また前記圧電セラ
ミックス素子の内側における振動ケースの前方に前記ホ
ーンの開口部が形成され、かつ前記音波反射面が徐々に
広がっているため、空気との音響整合がより一層容易に
図られ、空気中の音圧をより一層高くし得ることとな
る。その結果Ｓ／Ｎ比が高められ、遠距離にあるものを
正確に検知し得ることとなる。また前記圧電セラミック
ス素子の外周部がホーン内周面で拘束されているため、
前記圧電セラミックス素子の振動が抑制される振動モー
ドとなり、発熱や破損が防止され、音響効率を高くし得
ることとなる。さらに前記振動ケースが密閉構造に形成
されているため、耐環境性が保持され、圧電型超音波送
受波器の信頼性の向上が図れることとなる。

【００１５】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る圧電型超音波
送受波器の実施例を、図面に基づいて説明する。図１は
実施例に係る共振周波数が約３０kHz の圧電型超音波送
受波器を模式的に示した断面図であり、図中１１は圧電
セラミックス素子を示している。圧電セラミックス素子
１１は材質ＳＰＥＭ−６Ｆを用い、外径が略１４mm、内
径が略８mm、厚さが略１．０mmのリング形状に形成され
ている。振動板１２はステンレス鋼を用いて直径が３０
mm、厚さ０．５mmの略円板形状に成形されており、振動
板１２下面には圧電セラミックス素子１１がエポキシ系
の接着剤を用いて接着されている。さらに振動板１２の
外周部には略円筒形状に形成されたケース本体１３が接
着・固定され、ケース本体１３下部には略円板形状の蓋
体１４が接着・固定されており、これら振動板１２、ケ
ース本体１３及び蓋体１４により、密閉構造を有する振
動ケース１５が構成されている。蓋体１４にはリード端
子１６ａ、１６ｂが固定され、リード端子１６ａはリー
ド線１７ａを介して圧電セラミックス素子１１に接続さ
れ、リード端子１６ｂはリード線１７ｂを介して振動板
１２に接続されている。一方、振動ケース１５上にはホ
ーン１８が配設され、ホーン１８はアルミニウムを用
い、外径が略３０mm、高さが略２１mmの略円柱形状に成
形されており、ホーン１８下部には内径が略１４mm、高
さＨが略１．０mmの振動空間１９が形成され、振動空間
１９は圧電セラミックス素子１１の外径部上方に±０mm
の公差で配置されている。また振動空間１９上部中央に
は直径が略８mmの開口部１９ａが形成されており、開口
部１９ａは圧電セラミックス素子１１の内径部（または
振動板１２ａ）上方に±０mmの公差で配置されている。
さらに開口部１９ａの上方には音波反射面１９ｂが形成
されており、音波反射面１９ｂは開口部１９ａの上方に
断面視凸形状の曲線状に形成されている。そしてホーン
１８と振動ケース１５とはホーン下端面１８ａでエポキ
シ系の接着剤を用いて接着・固定され、圧電型超音波送
受波器１０が構成されている。

【００１６】以下に、このように構成された圧電型超音
波送受波器１０を用い、３０cm×１０Vrsm入力の条件で
送波音圧を測定した結果について説明する。なお比較例
として、図６に示した従来の圧電型超音波送受波器３０
を用いた。

【００１７】図２は送波音圧の測定結果を示した曲線図
であり、曲線（ａ）は実施例のものの場合、曲線（ｂ）
は比較例のものの場合を示している。この図から明らか
なように、送波音圧は実施例のものの場合が約１２０dB
であり、比較例のものの場合の１１２dB（当社比）に比
べて約８dB高くすることができ、実効音圧レベルを約２
倍以上に高めることができた。

【００１８】本実施例に係る圧電型超音波送受波器１０
は、リング形状の圧電セラミックス素子１１の内側にお
ける振動ケース１５に音響負荷を掛けやすくすることが
できるとともに、振幅を大きくすることができ、空気と
の音響整合を容易に図ることができる。また圧電セラミ
ックス素子１１の内側における振動ケース１５の前方に
ホーン１８の開口部１９ａが形成され、かつ音波反射面
１９ｂが徐々に広がっているため、空気との音響整合を
より一層容易に図ることができ、空気中の音圧をより一
層高くすることができる。その結果Ｓ／Ｎ比を高めるこ
とができ、遠距離にあるものを正確に検知することがで
きる。また圧電セラミックス素子１１の外周部がホーン
内周面１８ａで拘束されており、圧電セラミックス素子
１１の振動を抑制する振動モードとなるため発熱や破損
を防止することができ、音響効率を高くすることができ
る。さらに振動ケース１５が密閉構造に形成されている
ため、耐環境性を保持することができ、圧電型超音波送
受波器１０の信頼性の向上を図ることができる。

【００１９】なお、実施例では共振周波数が３０kHz で
振動空間１９の厚さＨ（図１）が略１mmの場合について
説明したが、図３に示したように、別の実施例として振
動空間１９の厚さｔが２mm、０．５mmの場合、実施例の
ものよりもとほぼ同一の効果を得ることができる。

【００２０】また、実施例では振動空間１９及び開口部
１９ａの公差を±０mmに設定したが、図４に示したよう
に、振動空間１９及び開口部１９ａの公差がそれぞれの
寸法の±１０％以内の場合、実施例のものの場合と略同
一の効果を得ることができる。

【００２１】また、実施例では振動板１２の材質として
ステンレス鋼を用いたが、別の実施例としてこれより比
重が軽いジュラルミン等のアルミニウム合金、チタン、
チタン合金等を用いた場合、実施例のものよりも音響イ
ンピーダンスが小さくなる分、より高い音圧を得ること
ができる。

【００２２】また、実施例では圧電セラミックス素子１
１として、連続入力に対応したハード系の材料を用いた
が、別の実施例としてパルスで使用したり連続入力しな
い場合、ソフト系の材料を用いて電圧感度を上げること
ができ、またバイモルフタイプの素子を用いてより高性
能の送受信特性を得ることができる。

【００２３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る圧電型
超音波送受波器にあっては、リング形状の圧電セラミッ
クス素子が接着された密閉性を有する振動ケースと、該
振動ケース前方に配設されたホーンとを備え、該ホーン
により前記圧電セラミックス素子の外側輪郭と略等しい
形状を有し、前記圧電セラミックス素子の前方に位置す
る振動空間が形成され、前記圧電セラミックス素子の内
側輪郭と略等しい形状を有し、前記振動空間前方に位置
する開口部と、前記開口部前方に位置する凸形状の音波
反射面とが、前記ホーンに形成されているので、リング
形状の前記圧電セラミックス素子の内側における振動ケ
ースの振動板に音響負荷を掛け易くすることができると
ともに、振幅を大きくすることができ、空気との音響整
合を容易に図ることができる。また前記圧電セラミック
ス素子の内側における振動ケースの前方に前記ホーンの
開口部が形成され、かつ前記音波反射面が徐々に広がっ
ているため、空気との音響整合をより一層容易に図るこ
とができ、空気中の音圧をより一層高くすることができ
る。その結果Ｓ／Ｎ比を高めることができ、遠距離にあ
るものを正確に検知することができる。また前記圧電セ
ラミックス素子の外周部がホーン内周面で拘束されてい
るため、前記圧電セラミックス素子の振動が抑制される
振動モードとなり、発熱や破損を防止することができ、
音響効率を高くすることができる。さらに前記振動ケー
スが密閉構造に形成されているため、耐環境性を保持す
ることができ、圧電型超音波送受波器の信頼性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電型超音波送受波器の実施例を
模式的に示した断面図である。

【図２】送波音圧の測定結果を示した曲線図であり、曲
線（ａ）は実施例のものの場合、曲線（ｂ）は比較例の
ものの場合を示している。

【図３】振動空間の厚さＨと放射音圧との関係を示した
曲線図である。

【図４】振動空間及び開口部の公差と送波音圧との関係
を示した曲線図である。

【図５】（ａ）はリング状圧電セラミックス素子が接着
された振動板を模式的に示した断面図及び振幅分布の測
定結果を点線で示した曲線図であり、（ｂ）は振動板及
びリング状圧電セラミックス素子を設計する際の分割モ
デルを示している。

【図６】従来の圧電型超音波送受波器の内で最もシンプ
ルなものを模式的に示した断面図である。

【図７】従来用いられている別の圧電型超音波送受波器
を模式的に示した断面図である。

【図８】従来用いられているホーン付きの圧電型超音波
送受波器を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１０ 圧電型超音波送受波器 １１ 圧電セラミックス素子 １５ 振動ケース １８ ホーン １９ 振動空間 １９ａ 開口部 １９ｂ 音波反射面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング形状の圧電セラミックス素子が接
   着された密閉性を有する振動ケースと、該振動ケース前
   方に配設されたホーンとを備え、該ホーンにより前記圧
   電セラミックス素子の外側輪郭と略等しい形状を有し、
   前記圧電セラミックス素子の前方に位置する振動空間が
   形成され、前記圧電セラミックス素子の内側輪郭と略等
   しい形状を有し、前記振動空間前方に位置する開口部
   と、前記開口部前方に位置する凸形状の音波反射面と
   が、前記ホーンに形成されていることを特徴とする圧電
   型超音波送受波器。