JPH01245797A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電振動子に関するものであり、例えは空中
超音波センサーの振動子として利用されるものである。

［従来の技術］ 従来、圧電セラミックスを利用した超音波センサーが広
く利用されている。超音波センサーは、圧電セラミック
スにより振動板を振動させて超音波を発信し、その反射
波を受信して物体の存在を検知したり、或いは、反射波
が受信されるまでの時間を測定して、物体まての距離を
測定するものである。このようなセンサーは、小形で且
つ非接触で動作するので、自動ドアや玄関チャイムなど
を作動させるための人体検知センサーや、駐車場におい
て車の有無を確認したり、ロホットの目として障害物を
検出するためのセンサーなど、幅広い応用がある。また
、近年、特に自動車関係への応用のニーズが高まってき
ており、その一つが車周辺の障害物を検知するセン日ノ
−−である。また、路面の凹凸を超音波センサーて検知
し、車輪のサスペンションを調整して乗り心地を良くす
るといった応用例も提案されている。このような用途に
用いられる超音波センサーに要求される性能のうち、最
も重要度の高いものはＳ／Ｎ比が良好なことてある。つ
まり、強い超音波を空中に発信１〜、対象物に当たって
反射して帰ってきた超音波を高感度に受信できることか
要求される。

第７図は従来の圧電振動子の断面構造を示す図である。

保護ケースを兼ねる振動板２は、一端か開放された円錐
台形状となっており、その内底面には、ＰＺＴ系の圧電
セラミックス１が、例えはエポキシ系の接着剤を用いて
貼り付けられている。

圧電セラミックス］は円盤状の形状を有しており、上下
両面に電極３．４が付加されている。また、自発分極の
方向は厚み方向である。振動板２はアルミニウム製であ
り、圧電セラミックス１の一方の電極３は、この振動板
２とリード線５を介して送受波回路７に接続されている
。圧電セラミ・ンクス１の他方の電極４は、リーＩ・線
６を介して送受波回路７に直接接続されている。この圧
電セラミックス］に給電されると、圧電セラミックス１
は拡がり振動モー１〜で振動し、振動板２を叩くのて、
振動板２の表面から超音波か発生ずる。一方、発生した
超音波が対象物に当たり、反射して帰って来て、振動板
２に当たると、その振動の強さに応した起電力か圧電セ
ラミックス１から発生ずる。

［発明か解決しようとする課題］ 上述の従来例において、圧電セラミックス１の自発分極
の方向は厚み方向に配向されている。これは、厚み方向
に分極させるのが容易だからである。ところが、超音波
センザー用の振動板２に接合された圧電セラミックス１
は拡かり振動モー１〜て振動するものであるから、自発
分極の方向と振動モードの方向は一致していない。この
場合、電気−機械変換係数としては、圧電定数ｇ３１が
使用されることになる。この圧電定数’Ｊ３＋は、拡か
り方向の振動を厚み方向の電界に変換する変換係数であ
る。

そこて、圧電定数ｇ３１の大きな圧電材料として、誘電
率の比較的小さな有機高分子系の圧電材料、あるいは、
セラミックスと有機高分子との複合系の圧電材料を使用
することか望まれるか、この種の圧電材料は受渡感度の
向上には寄与するが、送波出力の増大には必ずしも十分
なものではないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、拡がり振動モードて振動さぜな
ときに、高い送波力を持ち、且つ、反射波に対しても高
い受渡感度を得ることができる圧電振動子を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、第１
図に示すように、厚み方向に分極処理され、拡かり振動
モートて振動する圧電材料１を振動板２に接合して成る
圧電振動子において、並列的に給電される複数枚の発信
用の圧電セラミックス］、］、、１．２を多層化して振
動板２に接合し、拡がり方向の振動を厚み方向の電界に
変換する圧電定数Ｆｌｓ、が大きい受信用の圧電材料１
０を、発信用の圧電セラミックス１１．１２に接合して
成ることを特徴とするものである。

［作用］ 本発明にあっては、このように、拡かり方向の振動をノ
１１み方向の電界に変換する圧電定数ｇ３□が大きい受
信用の圧電材料１０を用いたので、受渡感度を高めるこ
とかできるものてあり、また、並列的に給電される複数
枚の発信用の圧電セラミックス１１．．１２を多層化し
て振動板２に接合したので、送信出力を増大させること
がてきるものである。

［実施例１］ 第１図は本発明の一実施例としての圧電振動子の概略構
成図である。保護ケースを兼ねる振動板２は、一端が開
放された円錐台形状となっており、アルミニウム製又は
ステンレス製である。振動板２は圧電セラミックス１１
．１２の振動を受けて共振し、超音波を表面より発する
。したがって、その材質及び形状（厚みを含む）は発信
及び受信の周波数を決める大きな要因となる。この振動
板２の内底面には、例えは、ＰＺＴ系の圧電セラミック
ス１１．．１２か、銀含有の導電性接着剤を用いて貼り
付けられている。圧電セラミックス１２の上には、拡が
り方向の振動を厚み方向の電界に変換する圧電定数Ｊ３
１か大きい圧電材料１０が接合されている。圧電定数１
７３１が大きい圧電材料１０としては、例えば、有機高
分子系あるいは有機高分子とセラミックスの複合系の圧
電材料が用いられる。圧電セラミックス１．１．１２及
び圧電材料１０は円盤状の形状を有しており、自発分極
の方向はｊ７み方向である。隣接する圧電セラミックス
１．１．１２の自発分極の方向は、図中、矢印で示すよ
うに逆方向となっている。

圧電セラミックス１１の上面の電極３］は、振動板２に
接合されている。振動板２には、リード線５］を介して
送波回路７１の一方の出力端子が接続されている。圧電
セラミックス１１の下面の電極４］は、圧電セラミック
ス１２の」二面の電極と兼用されており、リード線６１
を介して、送波回路７１の他方の出力端子に接続されて
いる。圧電セラミックス１２の下面の電ｆ２３０は、圧
電材料１０の１面の電極と兼用されており、リ−１・線
５０を介して受波回路７０の一方の入力端子に接続され
ると共に、ソー１〜線５２を介して送波回路７１の一方
の出力端子に接続されている。圧電材料１０の下面の電
極４０は、ソー１−線６０を介して受渡回路７０の他方
の入力端子に接続されている。上記各電極３１．４１−
．３０．４．０は、銀電極の他、ニッケルあるいは金電
極てあっても良い。

送波回路７１か発振すると、その発振出力はリード線５
１．６１を介して圧電セラミックス１１に給電されると
共に、リード線５２，６］を介して圧電セラミックス１
２にも給電される。圧電セラミックス１１．１２の自発
分極の向きは逆方向となるように配向されているので、
電極４１及びリード線６１を兼用することがてき、圧電
セラミックス１１．１２に並列的に給電することにより
、圧電セラミックスＬ］、、１２には拡かり振動モート
の振動か同一位相で生じるものであり、振動力か合成さ
れて、振動板２を叩くので、振動板２の表面からは大き
な超音波出力か発生ずる。

一方、発生した超音波か対象物に当たり、反射して帰っ
て来て、振動板２に当たると、その振動の強さに応じた
起電力が圧電材料１ｏがら発生ずる。この起電力は、電
極３０．４０から収り出されて、受渡回路７０にて検出
される。この際、電気−機械変換係数としては、拡がり
方向の振動を厚み方向の電界に変換する圧電定数９３１
が使用されることになるが、圧電材料１０としては、こ
の圧電定数２３□が大きい有機高分子系あるいは有機高
分子とセラミックスの複合系の圧電材料を使用している
ので、受渡感度も向上するものである。

以下、この圧電振動子の製造方法について説明する。ま
す、富士セラミックス社製Ｃ−６材組成の圧電セラミッ
クスを、直径８．４＋ｎｍ、厚み０．２ｔｎ＋＋の円盤
状に成形した。この圧電セラミックスの厚み方向に直流
電界を加えて、厚み方向に自発分極を−りえた。第２図
は、本実施例に用いたアルミニウム製の振動板２の断面
形状を示している。この振動板２は、外径がφｔ−１７
．５ｍｍ、内底面の径がφ２＝１０．５ｍｍ、板厚かｔ
＝　０　、７　＋ｎｍ、高さがｌ＋＝　５　、０　ｍｍ
、側面の傾斜角がθ−３４°てあった。

この振動板２の内底面を脱脂洗浄し、銀含有の導電性エ
ポキシ樹脂を用いて、振動板２の内底面に前記圧電セラ
ミックス１１を接着した。この圧電セラミックス１１の
上に、銀含有の導電性エポキシ樹脂を用いて、同様の圧
電セラミックス１２を接名した。各圧電セラミックス１
１．１２の自発分極の向きは、第１図に示すように、逆
方向に配向させた。この多層化された圧電セラミックス
１１．１２の上に、高分子複合物の圧電材料１０として
、タ゛イキン工業（株）製のピエゼルＮ２５を、導電性
エポキシ樹脂を用いて接合した。この圧電材料は、直径
７．８１１＋ＴＩｌ、厚み０．２５ｍｍに切断し、両面
にアルミニウム電極を（＝Ｊ加し、厚み方向に分極処理
して用いた。ちな７）に、ピエゼルＮ２５の圧電定数は
ｇ：ｘ＝　２０　Ｘ　１０−３Ｖ「ｎ／　Ｎ　、　＋？
：＋、−５０　Ｘ　］、　Ｏ−３ＶＴｏ／　Ｎてあり、
一般的な圧電セラミックスの２倍程度である。最後に、
リ−１・線５０゜５１、．５２，６０．６１を導電性エ
ポキシ樹脂を用いてポンチインクして、第１図に示すよ
うな構造の圧電振動子を得た。

この圧電振動子について、第３図に示すように、振動板
２の開口部を硬質シリコンコム成形体８て覆い、送波出
力と受波感度を測定して性能評価を行った。その結果を
第１表に示ず。

［実施例２］ 第４図に示すように、実施例１と同じ振動板２に、実施
例１と同しく圧電セラミックス１１，１２．１３を接合
し、３　Ｍ　′ｊＩａ造とした。隣接する圧電セラミッ
クス１１と１２及び１２と１３の自発分極の方向は、第
４図の矢印に示すように逆方向とした。各圧電セラミッ
クス１１．１２，１．３に送波回路７１からリード線５
１，５２，６１．６３を介して並列的に給電したときに
、拡がり振動モートの振動が同一位相で発生するように
配線しな。

圧電セラミックス１３の上には、高分子複合物の圧電材
料１０を接合し、リ−１・線５０，６０を介して、受波
回路７０に接続した。その他の条件については、実施例
１と同様とし、実施例１と同し条件て送波出力と受波感
度を測定して性能評価を行った１、その結果を第１表に
示す。

［比較例１］ 第５図に示すように、実施例１と同し振動板２に、実施
例］と同しく圧電セラミックス１１を接合し、これをり
−Ｉ・線５，６を介して、送受波回路７に接続した。実
施例］と同し条件で送波出力と受渡感度を測定して性能
評価を行った。その結果を第１表に示す。

［比較例２］ 第６図に示ずように、実施例１と同し振動板２に、実施
例１と同じく圧電セラミックス１１，１２を接合し、２
層構造とした。隣接する圧電セラミックス１１と１２の
自発分極の方向は、第６図の矢印に示すように逆方向と
した。各圧電セラミックス１．１．１２に送受波回路７
がらリードＪ：ｉ　５１　。

５２．６１を介して並列的Ｇこ給電したときに、拡かり
振動モードの振動が同一位相て発生ずるように配線した
。また、超音波の反射波を受波したときには、圧電セラ
ミックス１１．１２に発生した起電力か、送受波回路７
にて検出されるようにした。実施例１と同じ条件て送波
出力と受波感度を測定して性能評価を行った。その結果
を第１表に示す。

＝１１− 第１表 第１表から明らかなように、実施例１，２においては、
比較例１，２に比べて、送波出力も受波感度も大きくな
っている。

［発明の効果］ 木発明は上述のように、拡がり方向の振動を厚み方向の
電界に変換する圧電定数ｇ３１が大きい受信専用の圧電
材料を用いたので、受信感度を高めることかできるとい
う効果があり、また、並列的に給電される複数枚の発信
用の圧電セラミックスを多層化して振動板に接合したの
て、拡がり振動モー１への振動か同一位相で生じるもの
てあり、振動力か合成されて、送信出力を増大させるこ
とができるという効果かある。

また、多層化された発信用の圧電セラミックスにおける
隣接する各層の自発分極の方向を逆方向としておけは、
隣接する各層の電極とり−１・線を兼用することがてき
るという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は木発明の一実施例に係る圧電振動子の概略構成
図、第２図は同上に用いる振動板の断面図、第３図は同
上の性能試験に用いた構造を示す説明図、第４図は本発
明の他の実施例に係る圧電振動子の概略構成図、第５図
は本発明に対する第１の比較例の概略構成図、第６図は
本発明に対する第２の比１校例の概略構成図、第７図は
従来例の概略構成図である６ ２は振動板、１０は圧電材料、１１．フ２，１３は圧電
セラミックスである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）厚み方向に分極処理され、拡がり振動モードで振
   動する圧電材料を振動板に接合して成る圧電振動子にお
   いて、並列的に給電される複数枚の発信用の圧電セラミ
   ックスを多層化して振動板に接合し、拡がり方向の振動
   を厚み方向の電界に変換する圧電定数ｇ＿３＿１が大き
   い受信用の圧電材料を、発信用の圧電セラミックスに接
   合して成ることを特徴とする圧電振動子。
2. （２）多層化された発信用の圧電セラミックスは、隣接
   する各層の自発分極の方向が逆方向とされていることを
   特徴とする請求項１記載の圧電振動子。