JPH0533983Y2 - - Google Patents
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- JPH0533983Y2 JPH0533983Y2 JP10701787U JP10701787U JPH0533983Y2 JP H0533983 Y2 JPH0533983 Y2 JP H0533983Y2 JP 10701787 U JP10701787 U JP 10701787U JP 10701787 U JP10701787 U JP 10701787U JP H0533983 Y2 JPH0533983 Y2 JP H0533983Y2
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- ultrasonic
- shaped
- transducer
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- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
考案の要約
空中用超音波センサとして超音波振動子に角板
状のものを用いるとともに、これに溝入れ加工を
施すことにより縦方向共振モードで振動するよう
にした。この結果、使用周波数にかかわらず、開
口を自由に選べる、小型高感度を実現できる、量
産性に優れる、至近領域でも使用できるなどの効
果が得られる。 考案の背景 技術分野 この考案は、空中において距離測定や物体有無
検知に用いる空中用超音波センサに関する。 従来技術とその問題点 従来の空中用超音波センサとしての一例として
第５図に示すものがある。この種の構造の空中用
超音波センサは一般に100KHz〜500KHzの周波数
帯で用いられることが多い。この図において、円
板状超音波振動子２１はケース１０内に設けら
れ、ケーブル５に接続されている。これは一般に
超音波送、受波兼用として用いられる。空間と音
響的に整合をとり、超音波を空中に効率よく送波
するための音響整合層３が円板状超音波振動子２
１の前面に接着され、また振動子のＱ値を下げ残
響を少くするとともに後方における超音波の反射
を防止するためのパツキング材（ダンパ）４が同
振動子２１の後面に接着されている。 このような空中用超音波センサに用いる超音波
振動子としてPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）が知
られている。下表に代表的なPZTの周波数定数
を示す。定数Np，N33およびNtはそれぞれ径方
向モード、縦方向モードおよび厚み方向モードに
おける超音波振動子の周波数定数である。
状のものを用いるとともに、これに溝入れ加工を
施すことにより縦方向共振モードで振動するよう
にした。この結果、使用周波数にかかわらず、開
口を自由に選べる、小型高感度を実現できる、量
産性に優れる、至近領域でも使用できるなどの効
果が得られる。 考案の背景 技術分野 この考案は、空中において距離測定や物体有無
検知に用いる空中用超音波センサに関する。 従来技術とその問題点 従来の空中用超音波センサとしての一例として
第５図に示すものがある。この種の構造の空中用
超音波センサは一般に100KHz〜500KHzの周波数
帯で用いられることが多い。この図において、円
板状超音波振動子２１はケース１０内に設けら
れ、ケーブル５に接続されている。これは一般に
超音波送、受波兼用として用いられる。空間と音
響的に整合をとり、超音波を空中に効率よく送波
するための音響整合層３が円板状超音波振動子２
１の前面に接着され、また振動子のＱ値を下げ残
響を少くするとともに後方における超音波の反射
を防止するためのパツキング材（ダンパ）４が同
振動子２１の後面に接着されている。 このような空中用超音波センサに用いる超音波
振動子としてPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）が知
られている。下表に代表的なPZTの周波数定数
を示す。定数Np，N33およびNtはそれぞれ径方
向モード、縦方向モードおよび厚み方向モードに
おける超音波振動子の周波数定数である。
【表】
空中用超音波センサに用いられる超音波振動子
２１として第６図に示すように、円板状のPZT
を径方向モードで使用することが従来多かつた。
たとえば、この円板状振動子２１を共振周波数r
＝200KHzで使用するためには上記の表に示され
た周波数定数のうちNpが用いられ、r＝Np／ｄ
（ｄは円板状PZTの直径）からｄ＝9.8mmのように
決定され、円板状PZTの大きさが定まる。 最近、空中用超音波センサの高周波数化、検知
範囲の近距離化が要求されている。このような状
況に対処するためには上記の円板状超音波振動子
を用いた空中用超音波センサには次のような問題
点が指摘されている。たとえば、使用周波数を
1MHzとすると、円板状PZTの直径を2.0mm程度の
大きさにする必要がありこれではあまりに小さす
ぎ、実装が困難となる上に、十分な感度が得られ
ない。 この問題を解決するために、厚み方向モードを
利用することが考えられる。この場合にはr＝
Nt／（は円板状PZTの厚み）から＝1.9mm
とすればよい。しかしながら、円板状PZTが厚
み振動をするためには、円板状PZTの大きさを
ある程度大きくしなければならず（たとえば厚み
の３倍程度の大きさの開口が必要となる）やは
り開口の決定に制約が残るし、やや大きな開口と
なつてしまう。また一般に厚み方向モードは径方
向モードに比べて、電気機械結合係数が小さく感
度的に不利である。 さらにこのような円板状振動子固有の問題とし
て次のような点が指摘されている。 その代表的なものは円板状振動子の近距離音場
が複雑な点である。円板状振動子の開口（直径）
をｄ、超音波の波長をλ、振動子からの距離をｘ
としたときに、振動子の音軸上の音圧分布は、第
７図に示すように、ｘ＝d2／4λ≡x0よりも手前
の領域（この領域を近距離音場という）では非常
に複雑となる。したがつて、至近距離の検知範囲
を得るためにｘ＜x0の範囲に検知領域を設定する
と、このような領域では物体が存在するにもかか
わらず、十分な反射波が得られず、誤動作の原因
となる。振動子の開口をｄ＝10mm、使用周波数を
1MHzとしたとき、x0＝74mmとなり、開口が大き
く、周波数が高いほど距離x0は長くなる。 また形状が円形のため、ひとつずつ型に入れて
作製するか、板状材料から円形に切り出す必要が
あり、量産性に乏しく、コスト高になる。 従来の円板状超音波振動子の上記問題点をまと
めると次のようになる。 振動子の開口を自由に選ぶことができず、超音
波のビーム幅を自由に決定できない。 円板状振動子は近距離音場が複雑となるため、
至近距離計測に用いることが困難である。 振動子が円板状のため、量産性に乏しく、コス
ト高である。 考案の概要 考案の目的 この考案は、ビーム幅を自由に選ぶことができ
る上に、量産性に富み、また至近領域を検知領域
とすることができる空中用超音波センサを提供す
ることを目的とする。 考案の構成と効果 この考案による空中用超音波センサは、所望の
周波数の縦方向共振モードで振動する厚みを有
し、かつ少なくとも一面にスリツトが形成され、
スリツト間の幅が、厚みの２倍よりも狭く、かつ
厚みの1/2倍よりも広い角板状の超音波振動子を
備えたことを特徴とする。。スリツトは帯状、ま
す目状等任意の形とすることができる。 この考案によると、超音波振動子は所望の周波
数の縦方向共振モードで振動する厚みを有してい
るので、縦方向共振モードでの振動となる。超音
波振動子の少なくとも一面に、厚みの２倍よりも
狭く、かつ厚みの1/2倍よりも広い幅のスリツト
が形成されているので、スリツトの間の超音波振
動子の部分において振動が生じる。このため厚み
にほぼ無関係に開口の大きさを決定しても超音波
振動子の縦方向共振モードでの振動が支配的にな
る。開口はスリツトが形成できる大きさ以上であ
ればよく、その大きさを自由に選べる。この結
果、超音波ビーム幅の決定に柔軟性が生まれる。 角板状振動子は近距離音場がゆるやかであり、
至近距離計測に用いることが可能である。 振動子の加工にダイシング法を用いることがで
き、一度に大量の振動子を生産できる。このため
量産性に富みコストダウンが図れる。 実施例の説明 第１図はこの考案の実施例を示すものである。
第５図に示すものと同一物には同一符号を付し、
説明を省略する。超音波振動子１として正方形板
状PZTが用いられ、これを縦方向モードで使用
するために、その一面に帯状の溝入れ加工が施さ
れている。溝入れ加工が施された面にダンパ４が
接着されているが、この面を前側すなわち音響整
合層３側としてもよい。 第２図に超音波振動子１が拡大して示されてい
る。超音波振動子１の開口（一辺の長さ）をｄ＝
５mmとし、共振周波数r＝1MHzの空中用超音波
センサに用いる場合には、N33＝r／より厚み
を＝1.3mmとすればよい。 しかしながらこのままでは振動子厚に対し
て、素子開口ｄが大きいために、この形状の
PZT振動子は縦振動モード以外に他の振動モー
ドが加わわり複雑な振動モードを提する。一般に
PZTの縦振動モードが支配的になるための振動
子形状の条件として、ｄ／２＜＜2dを満たす
ように設定されることが必要である。この考案に
よつて正方形板状振動子１の一面に一方向にのび
る多数の帯状部分をつくるためのスリツト２が入
れられ、帯の幅d1が上記の条件d1／２＜＜2d1
を満たすように設定される。たとえば上記の厚み
＝1.3mmに対しては0.65mm＜d1＜2.6mmの間でd1
が選択される。またスリツト２の深さは、強度上
の支障がない範囲で深い方が望ましい。 このような構成とすることによつて、超音波振
動子１の開口の大きさについての条件は、スリツ
トが形成できる大きさ以上であればよいことのみ
となり、使用する周波数帯域に関係なく柔軟に選
択することができる。また一般に、縦モードの電
気機械結合係数は他の振動モードよりも大きく、
空中用超音波センサの感度を大きくできる。 PZT振動子の加工すなわち溝入れと分離とを
ダイシング法により行なうことができるので、量
産性に優れ、低コスト化を図ることができる。 さらに第４図に示すように、正方形板状振動子
の近距離音場は変化がゆるやかなため、この超音
波センサを至近距離で使用した場合においても、
誤動作の可能性が少ない。 第１図に示す超音波センサは送受波兼用の単一
型であるが、この考案は第３図に示すように送波
振動子と受波振動子とを独立別個に設けたクロ
ス・ビーム型構成とした場合にももちろん適用可
能である。第３図において、超音波センサは第２
図に示すような構成の超音波送波振動子１１と超
音波受波振動子１２とを別個に備えている。送波
振動子１１と受波振動子１２はそれぞれの音軸
が、センサ前方の所定範囲内の至近距離において
交差するように特定の角度をもつて樹脂ケース１
５内に実装されている。すなわち、樹脂ケース１
５にあけられた孔内に送波振動子１１および受波
振動子１２がきつく挿入され、これらの前後に音
響整合層１３およびダンパ１４がそれぞれ設けら
れている。このように送、受波振動子１１，１２
を樹脂に埋設することによりセンサへの取付等の
取扱いが容易となる。樹脂ケース１５はセンサ・
ケース２０に固定されている。ケース２０からは
振動子１１，１２に接続されたケーブル１７が引
出されている。樹脂ケース１５には、超音波減衰
率の大きな材料が選択され、かつ送波振動子１１
と受波振動子１２との間の位置において樹脂ケー
ス１５にはスリツト１６が形成され、これによつ
て送波振動子１１から受波振動子１２への直接波
の混入が防止される。 上記の実施例においては超音波振動子は正方形
板状であるが、長方形板状としてもよい。またス
リツトはます目状に入れてもよいし、スリツトを
入れる面は片面に限らず両面としてもよい。
２１として第６図に示すように、円板状のPZT
を径方向モードで使用することが従来多かつた。
たとえば、この円板状振動子２１を共振周波数r
＝200KHzで使用するためには上記の表に示され
た周波数定数のうちNpが用いられ、r＝Np／ｄ
（ｄは円板状PZTの直径）からｄ＝9.8mmのように
決定され、円板状PZTの大きさが定まる。 最近、空中用超音波センサの高周波数化、検知
範囲の近距離化が要求されている。このような状
況に対処するためには上記の円板状超音波振動子
を用いた空中用超音波センサには次のような問題
点が指摘されている。たとえば、使用周波数を
1MHzとすると、円板状PZTの直径を2.0mm程度の
大きさにする必要がありこれではあまりに小さす
ぎ、実装が困難となる上に、十分な感度が得られ
ない。 この問題を解決するために、厚み方向モードを
利用することが考えられる。この場合にはr＝
Nt／（は円板状PZTの厚み）から＝1.9mm
とすればよい。しかしながら、円板状PZTが厚
み振動をするためには、円板状PZTの大きさを
ある程度大きくしなければならず（たとえば厚み
の３倍程度の大きさの開口が必要となる）やは
り開口の決定に制約が残るし、やや大きな開口と
なつてしまう。また一般に厚み方向モードは径方
向モードに比べて、電気機械結合係数が小さく感
度的に不利である。 さらにこのような円板状振動子固有の問題とし
て次のような点が指摘されている。 その代表的なものは円板状振動子の近距離音場
が複雑な点である。円板状振動子の開口（直径）
をｄ、超音波の波長をλ、振動子からの距離をｘ
としたときに、振動子の音軸上の音圧分布は、第
７図に示すように、ｘ＝d2／4λ≡x0よりも手前
の領域（この領域を近距離音場という）では非常
に複雑となる。したがつて、至近距離の検知範囲
を得るためにｘ＜x0の範囲に検知領域を設定する
と、このような領域では物体が存在するにもかか
わらず、十分な反射波が得られず、誤動作の原因
となる。振動子の開口をｄ＝10mm、使用周波数を
1MHzとしたとき、x0＝74mmとなり、開口が大き
く、周波数が高いほど距離x0は長くなる。 また形状が円形のため、ひとつずつ型に入れて
作製するか、板状材料から円形に切り出す必要が
あり、量産性に乏しく、コスト高になる。 従来の円板状超音波振動子の上記問題点をまと
めると次のようになる。 振動子の開口を自由に選ぶことができず、超音
波のビーム幅を自由に決定できない。 円板状振動子は近距離音場が複雑となるため、
至近距離計測に用いることが困難である。 振動子が円板状のため、量産性に乏しく、コス
ト高である。 考案の概要 考案の目的 この考案は、ビーム幅を自由に選ぶことができ
る上に、量産性に富み、また至近領域を検知領域
とすることができる空中用超音波センサを提供す
ることを目的とする。 考案の構成と効果 この考案による空中用超音波センサは、所望の
周波数の縦方向共振モードで振動する厚みを有
し、かつ少なくとも一面にスリツトが形成され、
スリツト間の幅が、厚みの２倍よりも狭く、かつ
厚みの1/2倍よりも広い角板状の超音波振動子を
備えたことを特徴とする。。スリツトは帯状、ま
す目状等任意の形とすることができる。 この考案によると、超音波振動子は所望の周波
数の縦方向共振モードで振動する厚みを有してい
るので、縦方向共振モードでの振動となる。超音
波振動子の少なくとも一面に、厚みの２倍よりも
狭く、かつ厚みの1/2倍よりも広い幅のスリツト
が形成されているので、スリツトの間の超音波振
動子の部分において振動が生じる。このため厚み
にほぼ無関係に開口の大きさを決定しても超音波
振動子の縦方向共振モードでの振動が支配的にな
る。開口はスリツトが形成できる大きさ以上であ
ればよく、その大きさを自由に選べる。この結
果、超音波ビーム幅の決定に柔軟性が生まれる。 角板状振動子は近距離音場がゆるやかであり、
至近距離計測に用いることが可能である。 振動子の加工にダイシング法を用いることがで
き、一度に大量の振動子を生産できる。このため
量産性に富みコストダウンが図れる。 実施例の説明 第１図はこの考案の実施例を示すものである。
第５図に示すものと同一物には同一符号を付し、
説明を省略する。超音波振動子１として正方形板
状PZTが用いられ、これを縦方向モードで使用
するために、その一面に帯状の溝入れ加工が施さ
れている。溝入れ加工が施された面にダンパ４が
接着されているが、この面を前側すなわち音響整
合層３側としてもよい。 第２図に超音波振動子１が拡大して示されてい
る。超音波振動子１の開口（一辺の長さ）をｄ＝
５mmとし、共振周波数r＝1MHzの空中用超音波
センサに用いる場合には、N33＝r／より厚み
を＝1.3mmとすればよい。 しかしながらこのままでは振動子厚に対し
て、素子開口ｄが大きいために、この形状の
PZT振動子は縦振動モード以外に他の振動モー
ドが加わわり複雑な振動モードを提する。一般に
PZTの縦振動モードが支配的になるための振動
子形状の条件として、ｄ／２＜＜2dを満たす
ように設定されることが必要である。この考案に
よつて正方形板状振動子１の一面に一方向にのび
る多数の帯状部分をつくるためのスリツト２が入
れられ、帯の幅d1が上記の条件d1／２＜＜2d1
を満たすように設定される。たとえば上記の厚み
＝1.3mmに対しては0.65mm＜d1＜2.6mmの間でd1
が選択される。またスリツト２の深さは、強度上
の支障がない範囲で深い方が望ましい。 このような構成とすることによつて、超音波振
動子１の開口の大きさについての条件は、スリツ
トが形成できる大きさ以上であればよいことのみ
となり、使用する周波数帯域に関係なく柔軟に選
択することができる。また一般に、縦モードの電
気機械結合係数は他の振動モードよりも大きく、
空中用超音波センサの感度を大きくできる。 PZT振動子の加工すなわち溝入れと分離とを
ダイシング法により行なうことができるので、量
産性に優れ、低コスト化を図ることができる。 さらに第４図に示すように、正方形板状振動子
の近距離音場は変化がゆるやかなため、この超音
波センサを至近距離で使用した場合においても、
誤動作の可能性が少ない。 第１図に示す超音波センサは送受波兼用の単一
型であるが、この考案は第３図に示すように送波
振動子と受波振動子とを独立別個に設けたクロ
ス・ビーム型構成とした場合にももちろん適用可
能である。第３図において、超音波センサは第２
図に示すような構成の超音波送波振動子１１と超
音波受波振動子１２とを別個に備えている。送波
振動子１１と受波振動子１２はそれぞれの音軸
が、センサ前方の所定範囲内の至近距離において
交差するように特定の角度をもつて樹脂ケース１
５内に実装されている。すなわち、樹脂ケース１
５にあけられた孔内に送波振動子１１および受波
振動子１２がきつく挿入され、これらの前後に音
響整合層１３およびダンパ１４がそれぞれ設けら
れている。このように送、受波振動子１１，１２
を樹脂に埋設することによりセンサへの取付等の
取扱いが容易となる。樹脂ケース１５はセンサ・
ケース２０に固定されている。ケース２０からは
振動子１１，１２に接続されたケーブル１７が引
出されている。樹脂ケース１５には、超音波減衰
率の大きな材料が選択され、かつ送波振動子１１
と受波振動子１２との間の位置において樹脂ケー
ス１５にはスリツト１６が形成され、これによつ
て送波振動子１１から受波振動子１２への直接波
の混入が防止される。 上記の実施例においては超音波振動子は正方形
板状であるが、長方形板状としてもよい。またス
リツトはます目状に入れてもよいし、スリツトを
入れる面は片面に限らず両面としてもよい。
第１図はこの考案の実施例を示し、Ａは超音波
センサの断面図、Ｂは正面図、第２図は超音波振
動子の拡大斜視図、第３図は他の実施例を示し、
Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第４図
は角板状超音波振動子の音圧特性を示すグラフで
ある。第５図は従来の超音波センサを示すもの
で、Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第
６図は従来の円板状超音波振動子を示す拡大斜視
図、第７図は円板状超音波振動子の音圧特性を示
すグラフである。 １……超音波振動子、２……スリツト。
センサの断面図、Ｂは正面図、第２図は超音波振
動子の拡大斜視図、第３図は他の実施例を示し、
Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第４図
は角板状超音波振動子の音圧特性を示すグラフで
ある。第５図は従来の超音波センサを示すもの
で、Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第
６図は従来の円板状超音波振動子を示す拡大斜視
図、第７図は円板状超音波振動子の音圧特性を示
すグラフである。 １……超音波振動子、２……スリツト。
Claims (1)
- 所望の周波数の縦方向共振モードで振動する厚
みを有し、かつ少なくとも一面にスリツトが形成
され、スリツト間の幅が、厚みの２倍よりも狭
く、かつ厚みの1/2倍よりも広い角板状の超音波
振動子を備えた空中用超音波センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10701787U JPH0533983Y2 (ja) | 1987-07-14 | 1987-07-14 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10701787U JPH0533983Y2 (ja) | 1987-07-14 | 1987-07-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6415985U JPS6415985U (ja) | 1989-01-26 |
| JPH0533983Y2 true JPH0533983Y2 (ja) | 1993-08-27 |
Family
ID=31341047
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10701787U Expired - Lifetime JPH0533983Y2 (ja) | 1987-07-14 | 1987-07-14 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0533983Y2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020174640A1 (ja) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | 本多電子株式会社 | ソナー、超音波振動子及びその製造方法 |
-
1987
- 1987-07-14 JP JP10701787U patent/JPH0533983Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6415985U (ja) | 1989-01-26 |
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