JPS61223683A - 超音波素子および超音波素子の駆動方法 - 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、超音波を放射する超音波素子およびその超音
波素子を駆動する方法に関する〇（従来技術とその問題
点） 従来、監視、測距の分野では、超音波素子による音波の
伝播時間計測が広く用いられてきた。第９図は、単一の
超音波素子を用いた伝播時間計測法を示す図である０図
において、１０１は当該超音波素子、１０２は駆動回路
、１０３は検出回路、１０４はスイッチ、１０５は対象
物体、１０６は１０１と１０５との距ｆｉＬであるＧ第
１０図は第９図の動作を示す図である。図において、１
１Ｏは超音波素子１０１から放射された超音波の放射波
形であシ、該超音波素子の該対象物体側の伝播媒体（例
えば空気）中に発生した音圧の時間変化が概念的に示さ
れている。放射波形１１０は駆動回路１０２により生成
される。即ち、基本的にはスイッチ１０４が図示した位
置にある期間内で駆動回路１０２で発生された。

１１０と類似（後述）した電圧あるいは電流波形が１０
１　Ｋ印加され、波形１１０が放射される。かかる動作
により放射された超音波は、前記媒体中を。

該媒体およびその温度等により決定される音速で対象物
体１０５の方へ伝播し、物体１０５の表面等で反射され
る。当該反射は、媒体の音響インピーダンス、物体１０
５の音響インピーダンス、物体１０５の表面形状２表面
粗さ等に依存する反射率でもって達成される。かかる反
射により、前記放射された超音波は、媒体中を前記超音
波素子に向って逆方向に伝播する。１１１は、超音波素
子１０１に到達する超音波の音圧変化を概念的に示して
いる。この音圧変化は超音波素子１０１にて検出される
検出波形である。例えば１周知のピエゾ圧電効果を利用
すれば、検出波形１１１に類似した電気信号が検出され
る。勿論、かかる検出時においては、スイッチ１０４は
図示した位置とは逆の位置に設定され、当該電気信号は
検出回路１０３に導かれる。放射波形１１０が生成され
てから、検出波形１１１が発生するまでの伝播時間ｔ　
（１１２にて図示）は、超音波素子１０１と対象物体１
０５との距離りに依存する。

即ち、媒体中での音速をＶとすれば、ｔ＝２Ｌ／ｖなる
関係が成立することが知られている。距離りが短かくな
ると１時間ｔも短かくなる０第１１図は前記放射波形１
１０の発生について、より詳細にｇ明するための図であ
る。図において、１１３は駆動回路ｌＯ２にて発生され
た波形、即ち、スイッチ１０４を介して、超音波素子１
０１に供給される電圧あるいは電流の励振波形である。

また、１１４は。

前述した放射波形を詳細に、かつ、励振波形１１３と対
応させた放射波形である。一般に、超音波素子は超音波
放射時において、電気・機械変換部の機械的特性、電気
的特性に支配される。即ち、機械的な振動は、その超音
波素子の構成材料、構成方法９寸法等により、励振波形
に追随できないことが知られている０かかる理出により
、電気信号である励振波形１１３と、機械的振動に対応
する放射波形１１４とは一致しない。放射波形１１４を
構成する個々のパルス振幅は徐々に増大し、また、励振
波形が零になった時刻Ｔ０後に、放射波形Ｉｎは徐々に
減衰する０即ち、Ｔ０直後に、スイッチ１０４を検出側
に切り換えても、超音波素子１０１の残留振動のために
、超音波の放射は続行する０もし。

前記した距離りが小さいと、かかる超音波放射の続行す
る期間に、該対象物体からの反射超音波が到来し、当該
超音波による前記検出波形が嵐畳するために、距離りの
検出が不可能となる。かかる動作が、従来の超音波素子
を用いた伝播時間計測法において、近距離側の距離検出
限界を決定していた。

なお、上記の説明に際しては、単一の超音波素子を送受
兼用として用いた場合が例示されたが、二つの超音波素
子を用い、一方は超音波の放射に。

他の一方は超音波の検出に用いるような場合においても
、超音波を放射する素子での励振直後の残留振動のため
に、同様な、近距離側での距離検出限界を決定していた
口 以上のように、近距離側での距ｊｌｌ！検出限界を向上
させるために、前記した超音波素子の残留振動を低減せ
しめることが重要な課題となっていたＯ（発明の目的） 本発明の目的は、かかる従来技術の欠点を排除し、近距
離での距離検出能力を向上せしめた超音波素子と、その
超音波素子を駆動する方法を提供することにある。

（発明の構成） 本発明の超音波素子は、機械的に振動できる要素と当該
要素を機械的に振動させる手段とを有する超音波素子に
おいて、該要素の機械的な変形を検出する手段を備えた
ことを特徴とする。

本発明の超音波素子を駆動する方法は１機械的に振動で
きる要素と当該要素を機械的に振動させる手段と該ｉ！
素の機械的な変形を検出する手段を備えた超音波素子を
連動手段を用いて駆動する際に当該要素の機械的表変形
を検出する手段より得られた検出信号で当該駆動手段を
制御することを特徴とするり （実施例） 以下、実施例によｐ本発明の詳細な説明する０第１図は
本発明の−実り例を示す図でおるり図において、１は周
辺領域が絶縁体から成るスペーサ２により固定されてい
る薄膜から成る機械的に振動できる要素である０要素１
の材質は１例えばポリエステル、ポリフッ化ビニリデン
等である口３．４は当該要素１の表面に設けられた導電
体から成るそれぞれ第１．第２の１１Ｌ極である。５は
当該要素１と対向する導電性の第３の電極であり。

接地されている。また、スペーサ２はｍ３の電極５とｍ
４４的に結合されている。かかる構成においては、第１
．第３の電極群は互いに対向しておシ。

静電容重の電極群を構成している０同様に、第２゜第３
の電極群も互いに対向しておシ、静電容量の電解群を構
成しているコ第１の電極３は駆動回路６の出力に接続さ
れ、また、第２０′鑞極４は駆動回路６の第１の入力に
接続されている口駆動回路６の第２の入力は端子７に接
続され、励振波形が印加される０当該励振改形は駆動回
路６により所望の電圧レベルまで増幅され、電極３，５
間で形成される静１１Ｌ容量の電極群へ供給される。即
ち、第１の電極３は超音波素子の駆動電極として作用し
該駆動回路と相まって、当該要素を機械的振動させる手
段を構成している。電極３，５には該増幅された゛電圧
が印加されると、互いに引き合う力が静電的に発生し、
要素１８４ＭませるＯ当該ｊ！！！素ｌの撓み（即ち、
該要素の機械的変形）は該電圧の瞬時値に大略比列する
ので、４！素１は当該励振波形の周波数に応じて撓み、
超音波が放射される。一方、かかる当該要素ｌの変形が
誘起されると、第２、第３の電極４，５間の静電容量値
は変化する。

かかる容量の変化値は駆動回路内の容量・電圧変換回路
（図示せず）によフ電圧変化値に変換される。即ち、第
２の電極４は、当該要素の機械的な変形を検出する手段
を構成している。この電圧変化値は、駆動回路６内部に
て、前記励振波形と比較され、常に該励振波形と等しく
なるように第１の電極３への電圧瞬時値が変化する◎か
かる動作は電気制御分野で多用されているフィードバッ
ク技術の一形態である０該励撮波形が印加されている周
期内では、該励振波形と大略類似した波形が第１の電極
３に供給されているが、該励振波形が消滅した以後の周
期では、当該要素ｌの残留振動を強制的に消滅せしめる
ような波形が駆動回路６内で生成される０かかる動作の
結果、当該要素で発生する有害な残留振動が除去され、
励振波形と等しい放射波形を有する超音波が放射される
◎第２図は本実施例（第１図）の主要部分の平面図であ
）、第１図と同一番号は同一構成要素を示している。第
２図で明らかなように、第１．第２の電極群は同心円状
に配列されている。第１．第２の電極の寸法、および電
極間隔等については何ら制限が無い。勿論、前述した超
音波放射状況が良好になるよう１例えば、該第２の電極
から得られる信号成分が該要素１の機械的な変形と線形
な関係にあるような第２の電極４の形状が適宜選択され
ても良い。

第３図は第１．第２の電極群の形状を変えた実施例を示
す図である口同図（、）では、第２の電極４を中央部に
、第１の電極３を周辺部に配置した実施例である０円図
（ｂ）では、第２の電極を周辺部に分割して配置し、第
１の電極を中央から周辺部にかけて配置した例である０
勿論、当該実施例においては、複数個の第２の電極を並
列的に接続したシ、単一の電極のみを利用したシするこ
とができる０更に、第１．第２の電極間にシールド電極
（図示せず）を配置し、駆動回路６の入出力結合を低減
せしめることも本発明に含まれる０また。

第２．３図の例では、電極パターンは円、同心円形状の
本のを例示したが、これに限ることはなく。

正方形を含む多角形の当該要素ｌ上に１円、同心円以外
の形状、例えば多角形の電極パターンを配置しても良い
〇 第４図は本発明の他の実施例を示す。本実施例において
は１機械的に振動できる要素１１が圧電性材質、例えば
無機圧電体や有機圧電膜や複合圧電膜で構成されている
。当該要素の下側の面全部あるいは一部には１例えば傍
地された導電体層１２が蒸着等周知の方法によ）形成さ
れている〇一方。

当該要素１１の上側の面には、前記３，４に対応する第
１．第２の電極８ｖ−（それぞれ１３．１４にて示す）
が形成されている。さらに、当該要素の周辺は導体ある
いは絶縁体のサポート１５に固定されている。本実施例
においては、当該要素１１の両面に配置された電極１３
と１２間に交流電圧（直流電圧が重量されていても良い
）が印加されると１周知の圧電逆効果により該要素１１
が撓み超音波の放射が達成される０かかる撓み、即ち機
械的な変形が発生すると、圧電効果により、第２の電極
１４には、導電体層１２を基準とした電位が誘起される
。当該電位は、前記した駆動回路の第１の入力に接続さ
れる（図示せず）。本実施例においては、第１図で示し
た第１の実施例と異なシ、当該機械的表変形は電圧信号
として直接検出されるので、容量・電圧変換回路が不要
となる利点がらる・ さらに、第１図、第４図とを組み合わせた構成。

例えば、当該要素を静電的に振動させ、当該変形の検出
を圧電的に行なう構成、あるいは、逆の構成も本発明に
含まれる◎勿論、振動、検出のいずれかを圧電的に行な
う構成では、当該要素は圧電物質で構成されていなけれ
ばならない。なお、Ｒ追上の複雑さを考えないならば、
尚該要素の一表面（上側、下側いずれでも良ｖｈ）に圧
電物質を接着等の手段で設けても良い・かかる構成は、
第１図と対応させて、第５図に示されている。図におい
て、２１は当該要素１上に設けられた圧電物質であシ、
電気的接続手段（図示せず）が施こされている・ 第６図はシリコン技術を用いた他の実施例である０同図
は第１図に対応させ、主要部分のみを例示してお）、第
１図と同一番号は同一構成要素を示している。図におい
て、３１は周知のシリコン加工技術を用いて加工された
スペーサである◎３１の二つの主面は導電性物質である
シリコンが露出していても良く、また、酸化膜等の絶縁
膜で被覆されていても良い。異方性エツチングを用いる
と、深い穴（シリコンが厚ｉ場合に対応）を精度良く貫
通させることができる◎本実施例では、シリコン加工技
術を利用しているので、第６図に示した構成を微小化し
九〕、アレイ化したシする際には有利である。

第７図はシリコン技術を用いた他の実施例でちゃ、第１
図に対応させ主要部分のみが示されている０図において
、菖１図と同一番号は同一構成要素を示している。図に
おいて、３２はシリコンを用いたスペーサ兼用の保持台
である。本実施例は。

第６図の例とは異なルウシリコンの一主面側から穴を堀
〕こみ、当該穴の底に第３の電極５を配置した点に特徴
がある口当該電極群の絶縁のために。

３２の底表面は酸化膜等の絶縁膜が被覆されていても良
いが、この限りではない・本実施例では、第６図と同様
、微小化、アレイ化がより簡便にできる。

第６，７図はいずれも第１図と対応させる形で図示して
いるが、これに限ることなく、前述した圧電効果等を組
み合わせても良い。

第８図は、第１図に示した駆動回路の構成例である０図
において、４０は容量・電圧変換回路。

４１は演算増幅器等を用いた増幅回路である０図示した
構成は当該分野の技術者には周知でメジ。

種々の具体的構成が公知であるので詳述し危い０以上、
実施例を挙げて本発明の詳細な説明を行りたＯ （発明の効果） このように本発明によれば近距離での距離検出特性が向
上する◎またそればかシでなく急峻なパルス波形あるい
は単発の超音波放射波形を発生でき、近距離に限らず距
離検出の精度を向上できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の詳細な説明する図である。第
９図〜第１１図は従来例を示す図である。 図において。 １．１１・・・要素、２・・・スペーサ、３．１３・・
・第１の電極、４．１４・・・第２の電極、５・・・第
３の電極、　６．　１０２・・・駆動回路Ｓ７・・・端
子、１２・・・導電体層、１５・・・サポー）、２１・
・・圧電物質％３１゜３２・・・シリコン％４０・・・
変換回路％４１・・・増幅回路、　１０１・・・超音波
素子、１０３・・・検出回路、１０４・・・スイッチ、
１０５・・・対象物体、１０６・・・距離、　１１０゜
１１４・・・放射我形、　１１１・・・検出波形、　１
１２・・・時間。 １１３・・・励振波形Ｏ ｌ−：＼ 亭　　１　　図 半　　　２　　　面 不　　４　　圀 半　　　５　　　図 亭　　　ｂ　　　図 半　　ｑ　　図 ｍ、従動Ｏ距　１０１．Ｍ音液巌Ｊ廚、六龜力市半　ｔ
ｏ　　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、機械的に振動できる要素と当該要素を機械的に振動
   させる手段とを有する超音波素子において、該要素の機
   械的な変形を検出する手段を備えたことを特徴とする前
   記超音波素子。 ２、機械的に振動できる要素と当該要素を機械的に振動
   させる手段と該要素の機械的な変形を検出する手段を備
   えた超音波素子を駆動手段を用いて駆動する際に当該要
   素の機械的な変形を検出する手段より得られた検出信号
   で当該駆動手段を制御することを特徴とする前記超音波
   素子の駆動方法。