DE102018133329A1

DE102018133329A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE102018133329A1
Application number: DE102018133329.3A
Authority: DE
Inventors: Manabu Kato
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-06-27
Also published as: CN210131776U

Abstract

Ein Ultraschallwandler (1) umfasst ein piezoelektrisches Element (10, 10A, 10B, 110, 20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B), das konfiguriert ist zum Erzeugen einer Antriebskraft, die eine Membran (3) in Schwingung versetzt, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, oder konfiguriert ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals, wenn eine Ultraschallwelle empfangen wird. Das piezoelektrische Element umfasst ein erstes piezoelektrisches Element (10, 10A, 10B, 110) mit einer ersten Elektrode (12, 12A, 12B, 112) und einer zweiten Elektrode (13, 111) und ein zweites piezoelektrisches Element (20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) mit einer dritten Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B) und einer vierten Elektrode (23, 121, 121A, 121B). Wenn die Membran mit einer Resonanzfrequenz schwingt, sind eine Polarität eines elektrischen Potenzials der ersten Elektrode und eine Polarität eines elektrischen Potenzials der dritten Elektrode, relativ zu einem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode, entgegengesetzt zueinander.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich generell auf einen Ultraschallwandler.
HINTERGRUNDERÖRTERUNG
Herkömmlich wurde ein Ultraschallwandler verwendet, um eine Ultraschallwelle zu senden und zu empfangen. Ein Beispiel eines bekannten Ultraschallwandlers umfasst ein unteres bzw. einen Boden aufweisendes zylindrisches Gehäuse, dessen Bodenfläche eine Membrankonfiguration aufweist, und ein piezoelektrisches Element, das an der Bodenfläche befestigt ist. Gemäß dem bekannten Ultraschallwandler des vorgenannten Typs werden zum Beispiel die Membran und das piezoelektrische Element in Schwingung versetzt und verformt, wenn die Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird, ist eine Elektrode eines Elektrodenpaars des piezoelektrischen Elements mit einem Massepotenzial einer Sensorschaltung verbunden, wird die andere Elektrode als eine Signalleitung verwendet, und wird das Signal eingegeben und ausgegeben. Einige Ultraschallwandler sind so konfiguriert, dass sie mehrere piezoelektrische Elemente umfassen (siehe zum Beispiel JP 2009-55458 A und JP 2009-8425 A , die hierin nachstehend als Patentdruckschrift 1 und Patentdruckschrift 2 bezeichnet werden).
Patentdruckschrift 1 offenbart einen bekannten Ultraschallwandler. An dem bekannten Ultraschallwandler ist eine ringförmige Nut an einer Membran bereitgestellt, an der ein piezoelektrisches Element angebracht ist und die als eine Fläche dient, die eine Ultraschallwelle sendet und empfängt, wodurch zwei oder mehr Resonanzpunkte bereitgestellt sind. Innerhalb und außerhalb der ringförmigen Nut sind verschiedene piezoelektrische Elemente angebracht, und somit wird der Ultraschallwandler auf mehreren Frequenzen angesteuert bzw. betrieben, indem ein Ansteuersignal, das der Verformung der Membran an den Resonanzpunkten entspricht, an jedes der piezoelektrischen Elemente angelegt wird.
In Patentdruckschrift 2 ist ein bekannter Wandler für ein Akustiksimulationssignalziel offenbart, wobei der Wandler in Wasser verwendet wird. Der bekannte Wandler für ein Akustiksimulationssignalziel wandelt eine empfangene Schallwelle in ein elektrisches Signal und wandelt das gewandelte elektrische Signal erneut in eine Schallwelle und sendet dann die gewandelte Schallwelle. Wenn eine Amplitude der Schallwelle, die wieder gesendet wird, größer ist als eine Amplitude der Schallwelle, die vorher gesendet wurde, erfolgt ein Howling bzw. Pfeifen und kann ein normaler Betrieb nicht durchgeführt werden. Daher ist gemäß einer in Patentdruckschrift 2 beschriebenen Technik eine gemeinsame Elektrode auf einer äußeren Seite eines piezoelektrischen Elements ausgebildet, das eine kreisförmige zylindrische Form aufweist, und sind Elektroden auf einer inneren Seite des piezoelektrischen Elements ausgebildet, das die kreisförmige zylindrische Form aufweist, wobei die Elektroden, die einem inneren Umfang entsprechen, in Viertel geteilt sind, und wird ein Sendesignal auf Grundlage einer Signaldifferenz von empfangenen Signale zwischen den zwei Paaren von gegenüberliegenden Elektroden gebildet. Somit wird verhindert, dass die Schallwelle oder die Schwingung während eines Sendens in das empfangene Signal gemischt wird, und dementsprechend wird unterbunden, dass das Howling bzw. Pfeifen auftritt.
Der vorstehend beschriebene bekannte Ultraschallwandler, der das untere bzw. einen Boden aufweisende zylindrische Gehäuse umfasst, dessen Bodenfläche mit dem daran befestigten piezoelektrischen Element versehen ist, umfasst eine Signalleitung, die zum Eingeben und Ausgeben der Signale verwendet wird, und daher ist es schwierig, eine Rauschemission beim Senden der Ultraschallwelle und/oder eine Rauschverschmutzung beim Empfang der Ultraschallwelle zu begrenzen. Die in Patentdruckschrift 1 beschriebene Technik ist eine Methode zum Ermöglichen der mehreren Resonanzmodi des Ultraschallwandlers. In der Technik von Patentdruckschrift 1 wird das Ansteuersignal zur Zeit eines Sendens an die zwei piezoelektrischen Elemente angelegt, die Technik offenbart jedoch keinen erheblichen Unterschied mit Bezug auf das Ansteuersignal, das an die jeweiligen piezoelektrischen Elemente angelegt wird, und/oder ein empfangenes Signal. Die in Patentdruckschrift 2 beschriebene Technik richtet sich auf eine Konfiguration, sodass eine Schleifenverstärkung von einem Sender über einen Empfänger und einen Verstärker 1 oder weniger entspricht, und stellt keine Maßnahme gegen Rauschen zum Bewerkstelligen eines Sensorbetriebs als Sonar dar.
Daher besteht ein Erfordernis für einen Ultraschallwandler, der eine Emission von Rauschen unterbinden kann, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, und ein Ein-/Mischen von Rauschen unterbinden kann, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird.
KURZFASSUNG
Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung umfasst ein Ultraschallwandler ein piezoelektrisches Element, das an einer aus einem elastischen Körper gebildeten Membran befestigt ist. Das piezoelektrische Element ist konfiguriert zum Erzeugen einer Antriebskraft, die die Membran in Schwingung versetzt, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, oder konfiguriert zum Erzeugen eines elektrischen Signals, wenn eine Ultraschallwelle empfangen wird. Das piezoelektrische Element umfasst ein erstes piezoelektrisches Element und ein zweites piezoelektrisches Element. Das erste piezoelektrische Element umfasst einen ersten piezoelektrischen Körper, eine erste Elektrode, die auf einer Fläche des ersten piezoelektrischen Körpers ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode, die auf einer anderen Fläche des ersten piezoelektrischen Körpers ausgebildet ist, sodass sie der ersten Elektrode gegenüberliegt. Das zweite piezoelektrische Element umfasst einen zweiten piezoelektrischen Körper, eine dritte Elektrode, die auf einer Fläche des zweiten piezoelektrischen Körpers ausgebildet ist, und eine vierte Elektrode, die auf einer anderen Fläche des zweiten piezoelektrischen Körpers ausgebildet ist, sodass sie der dritten Elektrode gegenüberliegt. Wenn die Membran mit einer Resonanzfrequenz schwingt, sind eine Polarität eines elektrischen Potenzials der ersten Elektrode und eine Polarität eines elektrischen Potenzials der dritten Elektrode, relativ zu einem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode, entgegengesetzt zueinander.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration werden Signale ausgegeben, deren Phasen entgegengesetzt zueinander sind, wenn die Ultraschallwelle, die die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers aufweist, empfangen wird. Somit wird zum Beispiel, wenn ein Differenzverstärker in einer Empfangsschaltung verwendet wird und wenn Schaltungen wie etwa Filter, die zwischen der ersten Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und der dritten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements eingefügt sind, und der Differenzverstärker äquivalent zueinander sind, eine Phasenbeziehung der Ausgabe der ersten Elektrode und der Ausgabe der dritten Elektrode relativ zueinander beibehalten, und werden somit die Ausgaben in den Differenzverstärker eingegeben, während sie in dem umgekehrten Zustand zueinander gehalten werden, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird. Demzufolge kann ein Pegel eines empfangenen Signals erhöht werden. Außerdem sind, da die Schaltungskonfigurationen bis zu dem Differenzverstärker, umfassend das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element, äquivalent zueinander sind, eine Störung, die zwischen der ersten Elektrode und einem Eingang des Differenzverstärkers ein-/ gemischt wird oder hereinkommt, und eine Störung, die zwischen der dritten Elektrode und dem Eingang des Differenzverstärkers einge-/mischt wird oder hereinkommt, im Wesentlichen gleich zueinander, und somit kann ein Einfluss der Störungen an dem Differenzverstärker reduziert werden. Andererseits, bei Ansteuerung in einem Fall, in dem die elektrischen Spannungen oder die elektrischen Ströme, die die umgekehrten Phasen zueinander aufweisen, über die äquivalenten Schaltungen an die erste Elektrode und die dritte Elektrode angelegt werden, sind die elektrischen Ströme und die elektrischen Spannungen äquivalent zueinander, und weisen sie zwischen einer Energie- bzw. Stromversorgung und den Elektroden die umgekehrten Phasen zueinander auf. Demzufolge wird eine Emission von Rauschen nach außen reduziert.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind die zweite Elektrode und die vierte Elektrode elektrisch miteinander kurzgeschlossen.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element an jeweiligen Positionen auf der Membran angeordnet, und sind, wenn die Membran mit der Resonanzfrequenz schwingt, eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das erste piezoelektrische Element angeordnet ist, und eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das zweite piezoelektrische Element angeordnet ist, verschieden voneinander.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration werden zum Beispiel in einem Fall, in dem der Ultraschallwandler so konfiguriert ist, dass die Membran, die er an einer Bodenfläche eines unteren bzw. einen Boden aufweisenden zylindrischen Gehäuses umfasst, beim Senden und Empfangen der Ultraschallwelle verformt wird, eine Druckbelastung bzw. -beanspruchung und eine Zugbelastung bzw. -beanspruchung in einer Ebene der Membran verteilt, wenn die Membran mit der Resonanzfrequenz einer Schwingung in einer zu der Membran senkrechten Richtung verformt wird. In einem Fall, in dem jedes von dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element die elektrische Spannung zwischen den jeweiligen Elektroden in Erwiderung auf die Belastungen bzw. Beanspruchungen erzeugt, die parallel zu Flächen der Elektroden sind, und die Polaritäten der Belastungen bzw. Beanspruchungen gleich zueinander sind, erlauben die piezoelektrischen Elemente, dass die elektrischen Spannungen an der ersten Elektrode und der dritten Elektrode auftreten, wobei die elektrischen Spannungen die gleichen Polaritäten zueinander relativ zu dem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode aufweisen. Durch Anbringung des ersten piezoelektrischen Elements an einer solchen Position der Membran, dass die Druckbelastung bzw. -beanspruchung auf die Position angewandt wird, wenn die Verlagerung bzw. Auslenkung der Membran in Richtung einer äußeren Seite des Gehäuses mit der Resonanzfrequenz maximiert wird, und durch Anbringung des zweiten piezoelektrischen Elements an einer solchen Position der Membran, dass die Zugbelastung bzw. -beanspruchung auf die Position angewandt wird, wenn die Verlagerung bzw. Auslenkung der Membran in Richtung der äußeren Seite des Gehäuses mit der Resonanzfrequenz maximiert wird, erzeugen die piezoelektrischen Elemente die entgegengesetzten elektrischen Spannungen zueinander an der ersten Elektrode und der dritten Elektrode, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird. Wenn die Membran elektrisch leitfähig ist und die zweite Elektrode und die vierte Elektrode an der Membran befestigt sind, kann eine elektrische Leitung bzw. Verdrahtung einfach bereitgestellt und eingerichtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element an jeweiligen Positionen auf der Membran angeordnet, und sind, wenn die Membran mit der Resonanzfrequenz schwingt, eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das erste piezoelektrische Element angeordnet ist, und eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das zweite piezoelektrische Element angeordnet ist, gleich zueinander.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration, wenn jedes von dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element die elektrische Spannung zwischen den jeweiligen Elektroden in Erwiderung auf die Belastungen bzw. Beanspruchungen erzeugt, die parallel zu den Flächen der Elektroden sind, und die Polaritäten der Belastungen bzw. Beanspruchungen gleich zueinander sind, ermöglichen die piezoelektrischen Elemente, dass die elektrischen Spannungen an der ersten Elektrode und der dritten Elektrode auftreten, wobei die elektrischen Spannungen die entgegengesetzten Polaritäten zueinander relativ zu dem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode aufweisen. Die piezoelektrischen Elemente sind an solchen Positionen angeordnet, dass die Belastungen bzw. Beanspruchungen, die auf die Membran auf der Resonanzfrequenz angewandt werden und in der zu der Membran parallelen Richtung verlaufen, die gleichen Polaritäten zueinander aufweisen, und die elektrischen Spannungen mit den entgegengesetzten Polaritäten zueinander an der ersten Elektrode und der dritten Elektrode erzeugt werden. Wenn die Membran elektrisch leitfähig ist und die zweite Elektrode und die vierte Elektrode an der Membran befestigt sind, kann eine elektrische Leitung bzw. Verdrahtung einfach bereitgestellt und eingerichtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung entsprechen der erste piezoelektrische Körper und der zweite piezoelektrische Körper einem einzigen piezoelektrischen Körper.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die zweite Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und die vierte Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements auf einer Fläche des piezoelektrischen Körpers bereitgestellt, und sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode auf der anderen Fläche bereitgestellt. Somit sind das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element miteinander in einem integriert. Demzufolge wird ein Prozess zum Befestigen des piezoelektrischen Elements an der Membran einfach durchgeführt, kann eine Abweichung in einer Lagebeziehung zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element reduziert werden, und kann eine Variation bzw. Schwankung in einer Charakteristik des Ultraschallwandlers reduziert werden. Die zweite Elektrode und die vierte Elektrode können über der gesamten Fläche einer Fläche des piezoelektrischen Körpers ausgebildet sein, sodass eine Vollflächenelektrode oder Vollgrößenelektrode auf der gesamten Fläche ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung ist zumindest eine von der ersten Elektrode und der dritten Elektrode in mehrere Elektroden geteilt.
Zum Beispiel kann in einem Fall, in dem das piezoelektrische Element an der Membran befestigt ist, deren Längslänge und Querlänge voneinander verschieden sind, nämlich der Membran, die zum Beispiel in Ovalform, Ellipsenform oder Rechteckform ausgebildet ist, und wenn das erste piezoelektrische Element in einer Mitte der Membran befestigt ist und das zweite piezoelektrische Element in einem peripheren Bereich der Membran befestigt ist, das zweite piezoelektrische Element einen Bereich umfassen, der schmal oder dünn ist und leicht beschädigt wird. Gemäß der hierin offenbarten Konfiguration ist jedoch das zweite piezoelektrische Element in die mehreren (zum Beispiel zwei) Teile geteilt bzw. aufge-/ unterteilt und zum Beispiel in Endbereichen der Membran in der Längsrichtung angeordnet. Demzufolge kann der schmale oder dünne Bereich, der leicht beschädigt werden kann, vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element derart konfiguriert, dass eine elektrostatische Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und eine elektrostatische Kapazität zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode gleich zueinander sind.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration können Charakteristika des ersten piezoelektrischen Elements und des zweiten piezoelektrischen Elements mit-/aufeinander abgestimmt bzw. abgeglichen werden. Demzufolge kann selbst in einem Fall, in dem ein Einfluss der Störung vorliegt, der Einfluss der Störung im Hinblick auf jedes von dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element unterbunden bzw. niedergehalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung umfasst der Ultraschallwandler eine Ansteuerschaltung, die konfiguriert ist zum Ansteuern des Ultraschallwandlers. Die Membran entspricht einer Schwingungsfläche des Ultraschallwandlers. Das erste piezoelektrische Element umfasst das Paar von Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen, und das Paar von Elektroden des ersten piezoelektrischen Elements entsprechen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Das zweite piezoelektrische Element umfasst ein weiteres Paar von Elektroden, die so eingerichtet sind, dass sie einander gegenüberliegen, und das Paar von Elektroden des zweiten piezoelektrischen Elements entsprechen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode. Die zweite Elektrode und die vierte Elektrode sind mit einem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden. Wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Paar von Elektroden des ersten piezoelektrischen Elements und zwischen dem Paar von Elektroden des zweiten piezoelektrischen Elements anliegt, sind eine Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der ersten Elektrode abhängt, und eine Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der dritten Elektrode abhängt, in entgegengesetzte Richtungen zueinander gerichtet. Die Ansteuerschaltung umfasst Parallelschwingkreise, die mit der ersten Elektrode und der dritten Elektrode verbunden sind. Die Parallelschwingkreise werden mit Ansteuerspannungen oder Ansteuerströmen über eine Schaltung versorgt, die relativ zu dem ersten elektrischen Referenzpotenzial eine symmetrische Konfiguration aufweist, wobei die Ansteuerspannungen oder die Ansteuerströme umgekehrten Phasen zueinander aufweisen. Die Parallelschwingkreise umfassen eine Zwischenelektrodenkapazität des ersten piezoelektrischen Elements und eine Zwischenelektrodenkapazität des zweiten piezoelektrischen Elements. Die Zwischenelektrodenkapazitäten entsprechen einem Teil von Konfigurationen der Parallelschwingkreise. Die erste Elektrode und die dritte Elektrode sind gleichstromartig mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden. Die Ansteuerspannungen sind relativ zu einem zweiten elektrischen Referenzpotenzial symmetrisch zueinander, oder zumindest Wechselstromkomponenten der Ansteuerströme sind im Betrag gleich zueinander und in den Polaritäten entgegengesetzt zueinander.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die Schaltungskonfiguration, die das erste piezoelektrische Element umfasst, und die Schaltungskonfiguration, die das zweite piezoelektrische Element umfasst, aus Sicht einer Eingabeseite eines Ansteuersignals äquivalent zueinander. Bei Ansteuerung sind daher, auf Ansteuereingangsleitungen des ersten piezoelektrischen Elements und des zweiten piezoelektrischen Elements, die elektrischen Spannungen im Betrag im Wesentlichen äquivalent zueinander und umgekehrt oder entgegengesetzt zueinander. Demzufolge wird im Vergleich zu einem Fall, in dem die Ansteuerung mit einem einzigen piezoelektrischen Element durchgeführt wird, die Antriebskraft vergrößert, und kann somit ein Ausgangsschalldruck vergrößert werden, und kann die Emission von Rauschen während der Ansteuerung reduziert werden. Außerdem wird bei Empfang eine Differenz zwischen den Ausgaben des ersten piezoelektrischen Elements und des zweiten piezoelektrischen Elements empfangen, und steigt somit eine Empfängerempfindlichkeit im Vergleich zu einem Fall, in dem ein einziges piezoelektrisches Element eingesetzt wird. Da die empfangenen Signale über die Schaltungskonfigurationen gesendet werden, die äquivalent zueinander sind, sind auch das Rauschen bzw. die Störgeräusche im Wesentlichen gleich zueinander. In einem Fall, in dem die Empfangsschaltung einen Differenzeingang wie etwa einen Differenzverstärker umfasst, kann das Rauschen unterbunden oder reduziert werden. Da die erste Elektrode und die dritte Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und des zweiten piezoelektrischen Elements elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden sind, kann außerdem eine Gleichstromkomponente der Eingabe an die Empfangsschaltung unterbunden werden, wenn die Ultraschallwelle nach der Ansteuerung empfangen wird, und wird dementsprechend die Eingabe der Wechselstromkomponente stabilisiert. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird gemäß der vorgenannten Konfiguration der Ultraschallwandler erhalten, bei dem die Emission von Rauschen unterbunden bzw. niedergehalten werden kann und die Empfangsempfindlichkeit verbessert ist.
Der Ultraschallwandler wird normalerweise nicht nur zum Senden einer Ultraschallwelle verwendet, sondern auch zum Empfangen einer Ultraschallwelle. Da das empfangene Signal klein ist, können durch Festlegen bzw. Einstellen einer Frequenz der Ansteuerspannung oder des Ansteuerstroms und der Resonanzfrequenz der Membran des Ultraschallwandlers auf Frequenzen, die nahe beieinander liegen, ein Sendeschalldruck und eine Empfangsempfindlichkeit verbessert werden. Außerdem sind die Parallelschwingkreise in einer solchen Art und Weise bereitgestellt, dass die Zwischenelektrodenkapazitäten (die elektrostatischen Kapazitäten) zwischen den jeweiligen Elektrodenpaaren der piezoelektrischen Elemente einem Teil der Parallelschwingkreise entsprechen. Die Resonanzfrequenzen der Parallelschwingkreise und die Ansteuerfrequenz werden so festgelegt bzw. eingestellt, dass sie nahe beieinander liegen, wodurch der Sendeschalldruck und die Empfangsempfindlichkeit verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode über einen Kondensator miteinander verbunden. Jede von der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ist über eine Spule mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden, und jeder von der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ist über einen Widerstand mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist jede von der ersten Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und der dritten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements über die jeweilige Spule elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden, und können dementsprechend die jeweiligen Kondensatoren der Parallelschwingkreise durch einen Kondensator ersetzt werden, und kann dementsprechend die Größe des Substrats, das die Ansteuerschaltung bildet, reduziert werden. Außerdem erhöht bzw. verbessert sich die Verbindung bzw. Kopplung der Parallelschwingkreise zueinander, die symmetrisch zueinander sind, noch mehr. Dementsprechend wird eine relative Phasenverschiebung oder eine relative Phasendifferenz zwischen der Spannung, die an die erste Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements angelegt wird, und der Spannung, die an die dritte Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements angelegt wird, reduziert, und wird auch eine relative Phasenverschiebung oder eine relative Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen reduziert. Demzufolge wird begrenzt, dass sich eine effiziente Ansteuerung und eine Empfangsempfindlichkeit verschlechtern.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode über eine Spule miteinander verbunden, und ist jede von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode über einen Widerstand mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist jede von der ersten Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und der dritten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements über den jeweiligen Widerstand elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden, und können dementsprechend die jeweiligen Spulen der Parallelschwingkreise durch eine Spule ersetzt werden, und kann dementsprechend die Größe des Substrats, das die Ansteuerschaltung bildet, reduziert werden. Außerdem erhöht bzw. verbessert sich die Verbindung bzw. Kopplung der Parallelschwingkreise zueinander, die symmetrisch zueinander sind, noch mehr. Dementsprechend wird die relative Phasenverschiebung oder die relative Phasendifferenz zwischen der Spannung, die an die erste Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements angelegt wird, und der Spannung, die an die dritte Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements angelegt wird, reduziert, und wird auch die relative Phasenverschiebung oder die relative Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen reduziert. Dementsprechend wird begrenzt, dass sich die effiziente Ansteuerung und die Empfangsempfindlichkeit verschlechtern.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode über einen Widerstand miteinander verbunden, und ist jede von der ersten Elektrode und der dritten Elektrode über eine Spule mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist jede von der ersten Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements und der dritten Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements über die jeweilige Spule elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden, und können Parallelschwingkreise Resonanz- bzw. Schwingkreise durch einen Widerstand ersetzt werden, und kann dementsprechend die Größe des Substrats, das die Ansteuerschaltung bildet, reduziert werden. Außerdem erhöht bzw. verbessert sich die Verbindung bzw. Kopplung der Parallelschwingkreise zueinander, die symmetrisch zueinander sind, noch mehr. Dementsprechend wird die relative Phasenverschiebung oder die relative Phasendifferenz zwischen der Spannung, die an die erste Elektrode des ersten piezoelektrischen Elements angelegt wird, und der Spannung, die an die dritte Elektrode des zweiten piezoelektrischen Elements angelegt wird, reduziert, und wird die relative Phasenverschiebung oder die relative Phasendifferenz zwischen den Ausgabesignalen auch reduziert. Demzufolge wird begrenzt, dass sich die effiziente Ansteuerung und die Empfangsempfindlichkeit verschlechtern.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung entspricht die Spule einer Sekundärspule eines Transformators, und werden die Ansteuerspannungen an eine Primärspule des Transformators angelegt oder werden die Ansteuerströme an die Primärspule des Transformators angelegt.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration entspricht die Spule der Sekundärspule des Transformators, und wird die Ansteuerspannung an die Primärspule des Transformators angelegt oder wird der Ansteuerstrom an die Primärspule des Transformators angelegt, und kann somit die angelegte Spannung aufgrund eines Verhältnisses der Anzahl von Windungen des Transformators, nämlich eines Verhältnisses der Anzahl von Windungen der Primärspule und der Anzahl von Windungen der Sekundärspule, erhöht werden. Dementsprechend kann der Ultraschallwandler selbst in einem Fall angesteuert bzw. betrieben werden, in dem eine Energie- bzw. Stromversorgungsspannung niedrig ist.
Figurenliste
Die vorgenannten und weitere Merkmale und Eigenschaften dieser Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher, wenn diese unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, für die gilt:

1 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Schaltung eines Empfängers unter Verwendung eines hierin offenbarten Ultraschallwandlers veranschaulicht;
2 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Schaltung eines Senders unter Verwendung des Ultraschallwandlers veranschaulicht;
3 ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel der Schaltung des Senders unter Verwendung des Ultraschallwandlers veranschaulicht;
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines unteren zylindrischen Gehäuses des Ultraschallwandlers, ein Beispiel einer Verformung einer Membran eines Bodenbereichs des Gehäuses, wenn eine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird, und Beispiele einer Oberflächenbelastungsverteilung einer Bodenfläche des Gehäuses veranschaulicht;
5 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
6 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
7 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
8 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
9 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
10 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Spannungsansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel darstellt, das hierin offenbart ist;
11 ist eine erläuternde Darstellung einer Abhängigkeit von einer angelegten Spannung;
12 ist eine Darstellung, die ein Beispiel des Ultraschallwandlers veranschaulicht, der durch eine hierin offenbarte Ansteuerschaltung angesteuert wird;
13 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Spannungsansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem achten Ausführungsbeispiel darstellt, das hierin offenbart ist;
14 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Spannungsansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel darstellt, das hierin offenbart ist;
15 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Spannungsansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel darstellt, das hierin offenbart ist;
16 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Stromansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem elften Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
17 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Stromansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
18 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Stromansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
19 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Stromansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist;
20 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer Stromansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das hierin offenbart ist; und
21 ist eine Darstellung, die ein Beispiel einer bekannten Ansteuerschaltung zur Erläuterung eines Beispiels der Ansteuerschaltung des Ultraschallwandlers gemäß einem weiteren hierin offenbarten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. Ein Ultraschallwandler bzw. -schwinger gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist konfiguriert, eine Emission von Rauschen zu unterbinden oder zu reduzieren, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, und ein Ein-/Mischen oder Verschmutzung von Rauschen zu unterbinden oder zu reduzieren, wenn eine Ultraschallwelle empfangen wird. Nachstehend wird ein Ultraschallwandler bzw. -schwinger 1 des Ausführungsbeispiels beschrieben.
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltung eines Empfängers unter Verwendung des Ultraschallwandlers 1. Der Ultraschallwandler 1 ist aus einem ersten piezoelektrischen Element 10 und einem zweiten piezoelektrischen Element 20, die als ein piezoelektrisches Element dienen, gebildet.
Das erste piezoelektrische Element 10 ist so konfiguriert, dass es einen ersten piezoelektrischen Körper 11, eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 umfasst. Die erste Elektrode 12 ist auf einer Fläche bzw. Oberfläche des ersten piezoelektrischen Körpers 11 bereitgestellt, und die zweite Elektrode 13 ist auf der anderen Fläche bzw. Oberfläche des ersten piezoelektrischen Körpers 11 bereitgestellt, sodass sie gegenüberliegt oder der ersten Elektrode 12 gegenüberliegt. Das zweite piezoelektrische Element 20 ist so konfiguriert, dass es einen zweiten piezoelektrischen Körper 21, eine dritte Elektrode 22 und eine vierte Elektrode 23 umfasst. Die dritte Elektrode 22 ist auf einer Fläche bzw. Oberfläche des zweiten piezoelektrischen Körpers 21 bereitgestellt, und die vierte Elektrode 23 ist auf der anderen Fläche bzw. Oberfläche des zweiten piezoelektrischen Körpers 21 bereitgestellt, sodass sie gegenüberliegt oder der dritten Elektrode 21 gegenüberliegt.
Die zweite Elektrode 13 des ersten piezoelektrischen Elements 10 und die vierte Elektrode 23 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 sind miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist jede von der zweite Elektrode 13 und der vierten Elektrode 23 mit einem Massepotenzial verbunden.
Die erste Elektrode 12 des ersten piezoelektrischen Elements 10 ist mit einem nicht-invertierenden Anschluss eines Differenzverstärkers 80 über eine Schaltung 91 verbunden. Die dritte Elektrode 22 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 ist mit einem invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 80 über eine Schaltung 92 verbunden. Die Schaltung 91 und die Schaltung 92 sind durch Schaltungen bzw. Schaltkreise konfiguriert, die äquivalent zueinander sind. Die Schaltung 91 und die Schaltung 92 sind durch Schaltungen bzw. Schaltkreise konfiguriert, die äquivalent zueinander sind. Dadurch, dass eine elektrische Leitung bzw. Verdrahtung zwischen der ersten Elektrode 12 und dem nicht-invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 80 und eine elektrische Leitung bzw. Verdrahtung zwischen der dritten Elektrode 22 und dem invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 80 so angeordnet sind, dass sie nahe beieinander liegen, sind dementsprechend Rauschen bzw. Störgeräusche, die in die jeweiligen Schaltungen und/oder elektrischen Leitung bzw. Verdrahtung aufgrund einer Störung eingeführt oder ein-/gemischt werden und dann an den Differenzverstärker 80 eingegeben werden, zwischen der elektrischen Leitung bzw. Verdrahtung von der ersten Elektrode 12 zu dem nicht-invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 80 und der elektrischen Leitung bzw. Verdrahtung von der dritten Elektrode 22 zu dem invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers 80 im Wesentlichen äquivalent zueinander. Demzufolge werden Rauschen bzw. Störgeräusche an einer Eingangsstufe des Differenzverstärkers 80 reduziert, wodurch der Empfang mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis bzw. Störabstand ermöglicht wird.
2 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltung eines Senders unter Verwendung des Ultraschallwandlers. In dem in 2 veranschaulichten Beispiel wird eine Ansteuerung durch elektrische Spannung durchgeführt. Auch in diesem Fall sind das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 so konfiguriert, dass eine elektrostatische Kapazität zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 und eine elektrostatische Kapazität zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 23 gleich zueinander sind. Die zweite Elektrode 13 des ersten piezoelektrischen Elements 10, die vierte Elektrode 23 des zweiten piezoelektrischen Elements 20, ein Anschluss 81A einer Ansteuerspannungsquelle 81 und ein Anschluss 82A einer Ansteuerspannungsquelle 82 sind elektrisch miteinander kurzgeschlossen und mit einem Massepotenzial verbunden. Die erste Elektrode 12 des ersten piezoelektrischen Elements 10 ist mit dem anderen Anschluss 81B der Ansteuerspannungsquelle 81 über eine Schaltung 93 verbunden. Die dritte Elektrode 22 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 ist mit dem anderen Anschluss 82B der Ansteuerspannungsquelle 82 über eine Schaltung 94 verbunden. Die Schaltung 93 und die Schaltung 94 sind durch Schaltungen bzw. Schaltkreise konfiguriert, die äquivalent zueinander sind.
Die Ansteuerspannungsquelle 81 und die Ansteuerspannungsquelle 82 geben die Ausgangsspannungen aus, die in Größe oder Betrag gleich zueinander sind und umgekehrte Phasen zueinander aufweisen. Dementsprechend sind elektrische Ströme, die in der Schaltung 93 und der Schaltung 94 fließen, in Größe oder Betrag im Wesentlichen gleich zueinander, und weisen sie umgekehrte Phasen zueinander auf. Ferner sind elektrische Spannungen, die an die erste Elektrode 12 des ersten piezoelektrischen Elements 10 und die dritte Elektrode 22 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 angelegt werden, in Größe oder Betrag im Wesentlichen gleich zueinander, und weisen sie umgekehrte Phasen zueinander auf. Das heißt, wenn eine Membran 3 (siehe 4) mit einer Resonanzfrequenz schwingt, sind eine Polarität eines elektrischen Potenzials der ersten Elektrode 12 und eine Polarität eines elektrischen Potenzials der dritten Elektrode 22, relativ zu einem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode 13 und der vierten Elektrode 23, entgegengesetzt zueinander. Wenn die Membran 3 mit der Resonanzfrequenz schwingt, werden die elektrischen Potenziale durch eine Belastung bzw. Beanspruchung induziert, die in einer zu der Membran 3 parallelen Richtung in Zusammenhang mit einer Verformung der Membran 3 angewandt wird. Als Folge hiervon kann, indem die Schaltung 93 und die elektrische Leitung bzw. Verdrahtung, die die Ansteuerspannungsquelle 81 mit der ersten Elektrode 12 verbindet, und die Schaltung 94 und die elektrische Leitung bzw. Verdrahtung, die die Ansteuerspannungsquelle 82 mit der dritten Elektrode 22 verbindet, nahe beieinander angeordnet sind, eine Emission von Rauschen eines elektromagnetischen Felds unterbunden bzw. niedergehalten werden.
3 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Schaltung des Senders unter Verwendung des Ultraschallwandlers 1. In dem in 3 veranschaulichten Beispiel wird die Ansteuerung durch elektrischen Strom durchgeführt. Auch in diesem Fall sind das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 so konfiguriert, dass die elektrostatische Kapazität zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 und die elektrostatische Kapazität zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 23 gleich zueinander sind. Die zweite Elektrode 13 des ersten piezoelektrischen Elements 10, die vierte Elektrode 23 des zweiten piezoelektrischen Elements 20, ein Anschluss 83A einer Ansteuerstromquelle 83 und ein Anschluss 84A einer Ansteuerstromquelle 84 sind elektrisch miteinander kurzgeschlossen und mit einem Massepotenzial verbunden. Die erste Elektrode 12 des ersten piezoelektrischen Elements 10 ist mit dem anderen Anschluss 83B der Ansteuerstromquelle 83 über die Schaltung 93 verbunden. Die dritte Elektrode 22 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 ist mit dem anderen Anschluss 84B der Ansteuerstromquelle 84 über die Schaltung 94 verbunden. Die Schaltung 93 und die Schaltung 94 sind durch Schaltungen bzw. Schaltkreise konfiguriert, die äquivalent zueinander sind.
Die Ansteuerstromquelle 83 und die Ansteuerstromquelle 84 geben die Ausgangsströme aus, die in Größe oder Betrag gleich zueinander sind und umgekehrte Phasen zueinander aufweisen. Dementsprechend sind elektrische Ströme, die in der Schaltung 93 und der Schaltung 94 fließen, in Größe oder Betrag im Wesentlichen gleich zueinander, und weisen sie umgekehrte Phasen zueinander auf. Ferner sind elektrische Spannungen, die an die erste Elektrode 12 des ersten piezoelektrischen Elements 10 und die dritte Elektrode 22 des zweiten piezoelektrischen Elements 20 angelegt werden, in Größe oder Betrag im Wesentlichen gleich zueinander, und weisen sie umgekehrte Phasen zueinander auf. Das heißt, wenn die Membran 3 (siehe 4) mit der Resonanzfrequenz schwingt, sind die Polarität des elektrischen Potenzials der ersten Elektrode 12 und die Polarität des elektrischen Potenzials der dritten Elektrode 22, relativ zu dem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode 13 und der vierten Elektrode 23, umgekehrt zueinander. Als Folge hiervon kann, indem die Schaltung 93 und die elektrische Leitung bzw. Verdrahtung, die die Ansteuerstromquelle 83 mit der ersten Elektrode 12 verbindet, und die Schaltung 94 und die elektrische Leitung bzw. Verdrahtung, die die Ansteuerstromquelle 84 mit der dritten Elektrode 22 verbindet, nahe beieinander angeordnet sind, die Emission des Rauschens eines elektromagnetischen Felds unterbunden bzw. niedergehalten werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel umfasst der Ultraschallwandler 1 ein unteres bzw. einen Boden aufweisendes zylindrisches Gehäuse 2 (das hierin nachstehend als Gehäuse bezeichnet wird), welches zum Beispiel in (I) von 4 veranschaulicht ist. Die Membran 3, die aus einem elastischen Körper gebildet ist, ist in einem Bodenbereich des Gehäuses 2 konfiguriert. Die Membran 3 wird verformt, wenn der Ultraschallwandler 1 eine Ultraschallwelle sendet, und wenn der Ultraschallwandler 1 eine Ultraschallwelle empfängt.
Eine Querschnittansicht des Gehäuses 2, die entlang Linie A-A in 4 genommen ist, ist in (II) von 4 veranschaulicht. Eine Querschnittansicht des Gehäuses 2, die entlang Linie B-B in 4 genommen ist, ist in (III) von 4 veranschaulicht. In jeder der Querschnittansichten ist ein Zustand, in dem die Membran 3 schwingt, wenn die Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird, und eine Bodenfläche des Gehäuses 2 so verformt wird/ist, dass sie hervorragt, mit den Linien mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Strichen angedeutet. Zum leichteren Verständnis deuten die Linien mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Strichen einen Verformungsbetrag in einer übertriebenen Art und Weise an (wobei der Verformungsbetrag praktisch ungefähr mehrere 10 µm beträgt). Ferner ist in (IV) und (V) von 4 eine Oberflächenbelastungsverteilung der Bodenfläche des Gehäuses 2 in einem Zustand angedeutet, in dem die Gehäusebodenfläche in einer vertieften oder konkaven Form verformt wird/ist, wie es in (II) und (III) von 4 veranschaulicht ist.
5 veranschaulicht eine Draufsicht des Ultraschallwandlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und eine Querschnittansicht des Ultraschallwandlers 1, der entlang Linie A-A in 5 genommen ist. Wie es in 5 veranschaulicht ist, umfasst der Ultraschallwandler 1 die piezoelektrischen Elemente (das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20), die an der Membran 3 befestigt bzw. angebracht sind und eine Antriebskraft erzeugen, die die Membran 3 in Schwingung versetzt, wenn die Ultraschallwelle gesendet wird, oder ein elektrisches Signal erzeugen, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird.
In dem in 5 veranschaulichten Beispiel sind das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 an jeweiligen Positionen an/auf der Membran 3 angeordnet, nämlich Positionen, an denen Belastungen in unterschiedlichen Richtungen voneinander auftreten, wenn die Membran 3 mit der Resonanzfrequenz schwingt. Mit anderen Worten ist das erste piezoelektrische Element 10 an einer Position an/auf der Membran 3 angeordnet und ist das zweite piezoelektrische Element 20 an einer anderen Position an/auf der Membran 3 angeordnet. Wenn die Membran 3 mit der Resonanzfrequenz schwingt, unterscheidet sich eine Richtung einer Belastung, die an der Position auftritt, wo das erste piezoelektrische Element 10 angeordnet ist, von einer Richtung einer Belastung, die an der Position auftritt, wo das zweite piezoelektrische Element 20 angeordnet ist. Das erste piezoelektrische Element 10 wird zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 polarisiert, und das zweite piezoelektrische Element 20 wird zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 23 polarisiert. Die Polarität der Polarisation von der zweiten Elektrode 13 relativ zu der ersten Elektrode 12 und die Polarität der Polarisierung von der vierten Elektrode 23 relativ zu der dritten Elektrode 22 sind gleich zueinander.
Mit Bezug auf die Belastungen des ersten piezoelektrischen Elements 10 und des zweiten piezoelektrischen Elements 20, wobei die Belastungen in einer Richtung in einer Ebene der Elektrode vorliegen und die gleiche Polarität aufweisen, weist die Spannung, die an der ersten Elektrode 12 relativ zu der zweiten Elektrode 13 induziert wird, und die Spannung, die an der dritten Elektrode 22 relativ zu der vierten Elektrode 23 induziert wird, die gleiche Polarität zueinander auf.
In der Belastungsverteilung, wenn die Ultraschallwelle gesendet oder empfangen wird, weisen das elektrische Potenzial, das an der ersten Elektrode 12 relativ zu der zweiten Elektrode 13 induziert wird, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, und das elektrische Potenzial, das an der dritten Elektrode 22 relativ zu der vierten Elektrode 23 induziert wird, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, dadurch umgekehrte oder entgegengesetzte Polaritäten zueinander auf, dass das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 an den Positionen der Membran 3 angeordnet sind, an denen die Belastungen entgegengesetzt zueinander auftreten. Somit werden die Konfigurationen erreicht, die unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben sind.
Gemäß 5 sind eine Leitung bzw. Verdrahtung, die zwischen jeder der Elektroden des ersten piezoelektrischen Elements 10 und des zweiten piezoelektrischen Elements 20 und dem Äußeren des Ultraschallwandlers 1 bereitgestellt sind, ein Absorber bzw. Dämpfer, der Hall bzw. Nachklang des Ultraschallwandlers 1 reguliert, und/oder Versiegelungs- bzw. Dichtungsmaterial, das zum Beispiel verhindert, dass Feuchtigkeit eindringt, weggelassen.
Als Nächstes wird ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. 6 veranschaulicht eine Draufsicht des Ultraschallwandlers 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und eine Querschnittansicht des Ultraschallwandlers 1, die entlang Linie A-A in 6 genommen ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrisch Element 20 an jeweiligen Positionen an/auf der Membran 3 angeordnet, nämlich den Positionen, an denen Belastungen in der gleichen Richtung zueinander auftreten, wenn die Membran 3 mit der Resonanzfrequenz schwingt. Mit anderen Worten ist das erste piezoelektrische Element 10 an einer Position an/auf der Membran 3 angeordnet und ist das piezoelektrische Element 20 an einer anderen Position an/auf der Membran 3 angeordnet. Wenn die Membran 3 mit der Resonanzfrequenz schwingt, ist eine Richtung einer Belastung, die an der Position auftritt, wo das erste piezoelektrische Element 10 angeordnet ist, gleich einer Richtung einer Belastung, die an der Position auftritt, wo das zweite piezoelektrische Element 20 angeordnet ist. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das erste piezoelektrische Element 10 zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 polarisiert, und wird das piezoelektrische Element 20 zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 23 polarisiert. Die Polarität der Polarisation von der zweiten Elektrode 13 relativ zu der ersten Elektrode 12 und die Polarität der Polarisation von der vierten Elektrode 23 relativ zu der dritten Elektrode 12 sind umgekehrt oder entgegengesetzt zueinander. Mit Bezug auf die Belastungen des ersten piezoelektrischen Elements 10 und des zweiten piezoelektrischen Elements 20, wobei die Belastungen in der Richtung in der Ebene der Elektroden verlaufen und die gleiche Polarisation aufweisen, weisen die Spannung, die an der ersten Elektrode 12 relativ zu der zweiten Elektrode 13 induziert wird, und die Spannung, die an der dritten Elektrode 22 relativ zu der vierten Elektrode 23 induziert wird, die entgegengesetzte Polarität zueinander auf.
In der Oberflächenbelastungsverteilung, wenn die Ultraschallwelle gesendet oder empfangen wird, weisen das elektrische Potenzial, das an der ersten Elektrode 12 relativ zu der zweiten Elektrode 13 induziert wird, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, und das elektrische Potenzial, das an der dritten Elektrode 22 relativ zu den vierten Elektrode 23 induziert wird, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, dadurch entgegengesetzten oder umgekehrten Polaritäten zueinander auf, dass das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 an den Positionen an/auf der Membran 3 angeordnet sind, an denen die gleichen Belastungen zueinander auftreten, zum Beispiel die Belastungen in der gleichen Richtung zueinander, wie es in 6 veranschaulicht ist. Somit können die Konfigurationen erzielt werden, die unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben sind.
Als Nächstes wird ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. 7 veranschaulicht den Ultraschallwandler 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel sind der erste piezoelektrische Körper 11 und der zweite piezoelektrische Körper 21 als ein piezoelektrischer Körper konfiguriert, wie es in 7 veranschaulicht ist. Das heißt, dass bei dem Ausführungsbeispiel das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20, die in 6 veranschaulicht sind, durch Verwendung ein und desselben piezoelektrischen Körpers gebildet sind, und die zweite Elektrode 13 und die vierte Elektrode 23 in eine integriert sind, sodass sie als gemeinsame Elektrode dienen. Wie es vorstehend beschrieben ist, können dadurch, dass die mehreren piezoelektrischen Elemente mit/in einem piezoelektrischen Körper bereitgestellt sind, die piezoelektrischen Elemente einfach gehandhabt werden, und kann eine Variation bzw. Schwankung in einer Lagebeziehung zwischen den piezoelektrischen Elementen (zwischen dem ersten piezoelektrische Element 10 und dem zweiten piezoelektrischen Element 20) reduziert werden. Die Konfiguration, in der die mehreren piezoelektrischen mit/in auf einem piezoelektrischen Körper bereitgestellt sind, ist auch auf die in 5 veranschaulichte Konfiguration anwendbar.
Als Nächstes wird ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. 8 veranschaulicht den Ultraschallwandler 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel ist zumindest eine der ersten Elektrode 12 und der dritten Elektrode 22 in mehrere Elektroden geteilt bzw. aufge-/unterteilt oder aus mehreren Elektroden konfiguriert. In dem in 8 veranschaulichten Beispiel ist die dritte Elektrode 22 in zwei dritte Elektroden 22A und 22B geteilt, und sind drei piezoelektrische Elemente (das erste piezoelektrische Element 10 und zwei zweite piezoelektrische Elemente 20A und 20B) mit/in einem piezoelektrischen Körper ausgebildet.
Das piezoelektrische Element 10 ist aus einem piezoelektrische Körper 18, der den ersten piezoelektrischen Körper bildet, der ersten Elektrode 12 und einer gemeinsamen Elektrode 19 konfiguriert, die die zweite Elektrode umfasst. Das zweite piezoelektrische Element 20A ist aus dem piezoelektrischen Körper 18, der den zweiten piezoelektrischen Körper bildet, der dritten Elektrode 22A und der gemeinsamen Elektrode 19 konfiguriert, die die vierte Elektrode umfasst. Das zweite piezoelektrische Element 20B ist aus dem piezoelektrischen Körper 18, der den zweiten piezoelektrische Körper bildet, der dritten Elektrode 22B und der gemeinsamen Elektrode 19 konfiguriert, die die vierte Elektrode umfasst.
Indem eine Summe einer Fläche der dritten Elektrode 22A und einer Fläche der dritten Elektrode 22B gleich einer Fläche der ersten Elektrode 12 gemacht wird, sind eine elektrostatische Kapazität des ersten piezoelektrischen Elements 10 und eine Summe einer elektrostatischen Kapazität des zweiten piezoelektrischen Elements 20A und einer elektrostatischen Kapazität des zweiten piezoelektrischen Elements 20B im Wesentlichen gleich zueinander. Bezüglich der Verformung der Membran 3 sind die Polaritäten der angewandten Belastungen zwischen dem ersten piezoelektrischen Element 10 und den zweiten piezoelektrischen Elementen 20A, 20B entgegengesetzt zueinander. Demzufolge ist die Polarität von jedem der piezoelektrischen Elemente gleich dem in 5 veranschaulichten Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels, und werden dementsprechend die Konfigurationen erzielt, die unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben sind.
Als Nächstes wird ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. 9 veranschaulicht den Ultraschallwandler 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. Auch bei dem Ausführungsbeispiel ist, ähnlich dem vierten Ausführungsbeispiel, zumindest eine von der ersten Elektrode 12 und der dritten Elektrode 22 in mehrere Elektroden geteilt bzw. aufge-/unterteilt oder aus mehreren Elektroden konfiguriert. In dem in 9 veranschaulichten Beispiel ist die erste Elektrode 12 in zwei erste Elektroden 12A und 12B geteilt, und ist die dritte Elektrode 22 in zwei dritte Elektroden 22A und 22B geteilt. Die vier piezoelektrischen Elemente (die ersten piezoelektrischen Elemente 10A und 10B und die zweiten piezoelektrischen Elemente 20A und 20B) sind mit/in einem piezoelektrischen Körper ausgebildet.
Das erste piezoelektrische Element 10A umfasst den piezoelektrischen Körper 18, der den ersten piezoelektrischen Körper bildet, die erste Elektrode 12A und die gemeinsame Elektrode 19, die die zweite Elektrode umfasst. Das erste piezoelektrische Element 10B umfasst den piezoelektrischen Körper 18, der den ersten piezoelektrischen Körper bildet, die erste Elektrode 12B und die gemeinsame Elektrode 19, die die zweite Elektrode umfasst. Das zweite piezoelektrische Element 20A umfasst den piezoelektrischen Körper 18, der den zweiten piezoelektrischen Körper bildet, die dritte Elektrode 22A und die gemeinsame Elektrode 19, die die vierte Elektrode umfasst. Das zweite piezoelektrische Element 20B umfasst den piezoelektrischen Körper 18, der den zweiten piezoelektrischen Körper bildet, die dritte Elektrode 22B und die gemeinsame Elektrode 19, die die vierte Elektrode umfasst.
Eine Richtung einer Polarisation des piezoelektrischen Körpers 18 zwischen der ersten Elektrode 12A und der gemeinsamen Elektrode 19 und zwischen der dritten Elektrode 22A und der gemeinsamen Elektrode 19 und eine Richtung einer Polarisation des piezoelektrischen Körpers 18 zwischen der ersten Elektrode 12B und der gemeinsamen Elektrode 19 und zwischen der dritten Elektrode 22B und der gemeinsamen Elektrode 19 sind entgegengesetzt zueinander. Die Belastung, die bei der Verformung der Membran 3 an den zwei piezoelektrischen Elementen auftritt, die innerhalb angeordnet sind (dem ersten piezoelektrischen Element 10B und dem zweiten piezoelektrischen Element 20A), ist entgegengesetzt zu der Belastung, die bei der Verformung der Membran 3 an den zweiten piezoelektrischen Elemente auftritt, die außerhalb angeordnet sind (dem ersten piezoelektrischen Element 10A und dem zweiten piezoelektrischen Element 20B).
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration sind die Polaritäten der elektrischen Spannungen, die an der ersten Elektrode 12A und an der ersten Elektrode 12B induziert werden, gleich zueinander. Außerdem sind die Polaritäten der elektrischen Spannungen, die an der dritten Elektrode 22A und an der dritten Elektrode 22B induziert werden, gleich zueinander. Ferner weisen die elektrischen Spannungen, die an der ersten Elektrode 12A und an der ersten Elektrode 12B induziert werden, und die elektrischen Spannung, die an der gemeinsamen Elektrode 19 induziert wird, umgekehrte oder entgegengesetzte Polaritäten zueinander auf.
Als Nächstes wird ein sechstes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. Das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrische Element 20 können so konfiguriert sein, dass die elektrostatische Kapazität zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 13 und die elektrostatische Kapazität zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 23 gleich zueinander sind. Die elektrostatischen Kapazitäten, die gleich zueinander sind, umfassen die elektrostatischen Kapazitäten, die im Wesentlichen äquivalent zueinander sind, einschließlich einer Differenz bis zu einem Aus-/Maß einer Variation bzw. Abweichung zum Beispiel bei der Herstellung, aber sind nicht auf die elektrostatischen Kapazitäten beschränkt, die völlig gleich zueinander sind. Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration können Charakteristika des ersten piezoelektrischen Elements 10 und des zweiten piezoelektrischen Elements 20 mit-/aufeinander abgestimmt bzw. abgeglichen werden. Selbst wenn das erste piezoelektrische Element 10 und das zweite piezoelektrischen Element 20 durch eine Störung beeinflusst werden, kann somit der Einfluss der Störung in Bezug auf jedes von dem ersten piezoelektrischen Element 10 und dem zweiten piezoelektrischen Element 20 unterbunden bzw. niedergehalten werden.
Die Offenbarung ist auf den Ultraschallwandler anwendbar, der das piezoelektrische Element umfasst, das an der aus dem elastischen Körper gebildeten Membran befestigt bzw. angebracht ist, und konfiguriert ist, die Antriebskraft zu erzeugen, die die Membran in Schwingung versetzt, wenn die Ultraschallwelle gesendet wird, oder das elektrische Signal zu erzeugen, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird.
Es wird ein siebtes Ausführungsbeispiel beschrieben, das hierin offenbart ist. Eine Ansteuerschaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel ist konfiguriert, die Emission des Rauschens zu unterbinden oder zu reduzieren und eine Empfängerempfindlichkeit zu steigern, wenn der Ultraschallwandler angesteuert bzw. betrieben wird. Eine Ansteuerschaltung 101 des Ausführungsbeispiels wird nachstehend besch rieben.
10 veranschaulicht ein Beispiel der Ansteuerschaltung 101 des Ultraschallwandlers 1. Wie es in 12 veranschaulicht ist, sind bei dem Ultraschallwandler 1 ein erstes piezoelektrisches Element 110 und ein zweites piezoelektrisches Element 120, die elektrostatische Kapazitäten aufweisen, die gleich zueinander sind, an der Membran 3 befestigt bzw. angebracht, die als Schwingungsfläche des Ultraschallwandlers 1 dient, wodurch ein monomorphes Element oder eine monomorphe Vorrichtung konfiguriert ist. Das erste piezoelektrische Element 110 umfasst ein Paar von Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen (d.h. eine zweite Elektrode 111, die als die eine Elektrode des Elektrodenpaars dient, und eine erste Elektrode 112, die als die andere Elektrode des Elektrodenpaars dient). Das zweite piezoelektrische Element 120 umfasst ein Paar von Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen (d.h. eine vierte Elektrode 121, die als die eine Elektrode dient, und eine dritte Elektrode 122, die als die andere Elektrode dient). Die zweite Elektrode 111 und die vierte Elektrode 121 sind mit einem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Die Ansteuerschaltung 101 ist so konfiguriert, dass, wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Elektrodenpaar des ersten piezoelektrischen Elements 110 und zwischen dem Elektrodenpaar des zweiten piezoelektrischen Elements 120 anliegt, eine Richtung einer Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der ersten Elektrode 112 abhängt, und eine Richtung einer Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der dritten Elektrode 122 abhängt, entgegengesetzt zueinander sind.
Die elektrostatischen Kapazitäten, die gleich zueinander sind, sind nicht auf die elektrostatischen Kapazitäten beschränkt, die völlig gleich zueinander sind, sondern umfassen die elektrostatischen Kapazitäten, die im Wesentlichen gleich zueinander sind, mit einer Differenz, die zum Beispiel das Aus-/Maß einer Variation bzw. Abweichung bei der Herstellung ist. Der erste piezoelektrische Körper 110 umfasst die zweite Elektrode 111 und die erste Elektrode 112, die als das Elektrodenpaar dienen. Das zweite piezoelektrische Element 120 umfasst die vierte Elektrode 121 und die dritte Elektrode 122, die als das Elektrodenpaar dienen. Die zweite Elektrode 111 des ersten piezoelektrischen Elements 110 ist mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und auch die vierte Elektrode 121 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 ist mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden.
Die vorstehende Beschreibung „wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Elektrodenpaar des ersten piezoelektrischen Elements 110 und zwischen dem Elektrodenpaar des zweiten piezoelektrischen Elements 120 anliegt, eine Richtung einer Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der ersten Elektrode 112 abhängt, und eine Richtung einer Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche, die von der dritten Elektrode 122 abhängt, entgegengesetzt zueinander sind“ bedeutet, dass die Abhängigkeit von der angelegten Spannung von einer Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche an der ersten Elektrode 112, wenn die elektrische Spannung zwischen dem Elektrodenpaar des ersten piezoelektrischen Elements 110 anliegt, und die Abhängigkeit von der angelegten Spannung von der Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche an der dritten Elektrode 122, in einer Schwingungsrichtung, wenn die elektrische Spannung zwischen dem Elektrodenpaar des zweiten piezoelektrischen Elements 120 anliegt, entgegengesetzt zueinander sind, das heißt, dass Neigungen bzw. Steigungen (positive und negative Vorzeichen der Neigungen bzw. Steigungen) entgegengesetzt zueinander sind, wie es in 11 veranschaulicht ist.
In 10 ist das erste piezoelektrische Element 110 mit einer Ersatzschaltung angegeben, die aus einer Induktivitätskomponente Ls1, einer Kapazitätskomponente Cs1 und einer Widerstandskomponente Rs1 gebildet ist, und ist das zweite piezoelektrische Element 120 mit einer Ersatzschaltung angegeben, die aus einer Induktivitätskomponente Ls2, einer Kapazitätskomponente Cs2 und einer Widerstandskomponente Rs2 gebildet ist. Da das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 an/auf der gleichen Membranfläche befestigt bzw. angebracht sind, sind das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 mechanisch miteinander verbunden. Dementsprechend ist es nicht ganz genau bzw. richtig, dass Resonanzsysteme, die aus den drei Elementen gebildet sind, nämlich der Induktivitätskomponente Ls*, der Kapazitätskomponente Cs* und der Widerstandskomponente Rs*, für das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 unabhängig voneinander veranschaulicht sind. Mit anderen Worten ist es nicht ganz genau bzw. richtig, dass ein Resonanzsystem des ersten piezoelektrischen Elements 110, das aus den drei Elementen gebildet ist, nämlich der Induktivitätskomponente Ls1, der Kapazitätskomponente Cs1 und der Widerstandskomponente Rs1, und ein Resonanzsystem des zweiten piezoelektrischen Elements 120, das aus den drei Elementen gebildet ist, nämlich der Induktivitätskomponente Ls2, der Kapazitätskomponente Cs2 und der Widerstandskomponente Rs2, unabhängig voneinander veranschaulicht sind, wobei dies jedoch das hierin offenbarte Ausführungsbeispiel nicht beeinträchtigt, und daher ist 10 in der vorstehend beschriebenen Art und Weise dargestellt.
Die Ansteuerschaltung 101 umfasst Parallelschwingkreise 114 und 124, die mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden sind. Die Parallelschwingkreise 114 und 124 werden über eine Schaltung, die Konfigurationen umfasst, die relativ zu dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 symmetrisch zueinander sind, mit Ansteuerspannungen versorgt, deren Phasen umgekehrt oder entgegengesetzt zueinander sind. Zwischenelektrodenkapazitäten des ersten piezoelektrischen Elements 110 und des zweiten piezoelektrischen Elements 120 sind Teil von Konfigurationen der Parallelschwingkreise 114 und 124. Die Zwischenelektrodenkapazität des ersten piezoelektrischen Elements 110 ist eine Kapazität Cd1, die zwischen der zweiten Elektrode 111 und der ersten Elektrode 112 ausgebildet wird/ist. Die Zwischenelektrodenkapazität des zweiten piezoelektrischen Elements 120 ist eine Kapazität Cd2, die zwischen der vierten Elektrode 121 und der dritten Elektrode 122 ausgebildet wird/ist. Der Parallelschwingkreise 114 ist aus der Kapazität Cd1 sowie einer Spule bzw. einem Induktor Lt1 und einem Kondensator Cd1 konfiguriert, die parallel zu der Kapazität Cd1 bereitgestellt sind. Der Parallelschwingkreis 124 ist aus der Kapazität Cd2 sowie einer Spule bzw. einem Induktor Lt2 und einem Kondensator Ct2 konfiguriert, die parallel zu der Kapazität Cd2 bereitgestellt sind. Die Parallelschwingkreise 114 und 124 werden über die Schaltung, die die Konfigurationen umfasst, die mit Bezug auf das erste elektrische Referenzpotenzial VO1 symmetrisch zueinander sind, mit den Ansteuerspannungen versorgt, deren Phasen entgegengesetzt zueinander sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel umfasst die vorgenannte Schaltung, die die Konfigurationen umfasst, die symmetrisch zueinander sind, einen Widerstand Rd1, der zwischen der zweiten Elektrode 111 von der ersten Elektrode 112 bereitgestellt ist, und einen Widerstand Rd2, der zwischen der vierten Elektrode 121 und der dritten Elektrode 122 bereitgestellt ist. Die Ansteuerspannungen, deren Phasen umgekehrt oder entgegengesetzt zueinander sind, entsprechen einer AC- bzw. Wechselspannung +VO, die von einer ersten AC- bzw. Wechselspannungsquelle 131 (einem Beispiel der Ansteuerspannungsquelle) abgegeben wird, und einer AC- bzw. Wechselspannung -VO, die von einer zweiten AC- bzw. Wechselspannungsquelle 132 (einem weiteren Beispiel der Ansteuerspannungsquelle) abgegeben wird. Die erste Wechselspannungsquelle 131 und die zweite Wechselspannungsquelle 132 geben Wechselspannungen ab, die relativ zu einem zweiten elektrischen Referenzpotenzial VO2 umgekehrt zueinander sind. Die Ausgangsspannung der ersten Wechselspannungsquelle 131 und die Ausgangsspannung der zweiten Wechselspannungsquelle 132 entsprechend Ansteuerspannungen des Ultraschallwandlers 1, und diese Ansteuerspannungen sind mit Bezug auf das zweite elektrische Referenzpotenzial VO2 symmetrisch zueinander.
Die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 sind gleichstromartig mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 über den Widerstand Rd1 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und ist die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über den Widerstand Rd2 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Parallelschwingkreise 114 und 124 sowie die Ansteuerspannungsquellen, die die Ansteuerspannungen liefern (die erste Wechselspannungsquelle 131 und die zweite Wechselspannungsquelle 132), voneinander isoliert, wenn keine Ansteuerung vorliegt. Die erste Wechselspannungsquelle 131 ist über einen ersten Schalter 141 mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 verbunden, und die zweite Wechselspannungsquelle 132 ist über einen zweiten Schalter 142 mit der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden.
Wie es in 10 veranschaulicht ist, sind ein Anschluss der Spule Lt1, ein Anschluss des Kondensators Ct1 und ein Anschluss des Widerstand Rd1 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und sind der andere Anschluss der Spule Lt1, der andere Anschluss des Kondensators Ct1 und der andere Anschluss des Widerstand Rd1 mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 verbunden. Somit sind die anderen Anschlüsse der Spule Lt1, des Kondensators Ct1 und des Widerstand Rd1 über den ersten Schalter 141 mit der ersten Wechselspannungsquelle 131 verbunden. Gleichermaßen sind ein Anschluss der Spule Lt2, ein Anschluss des Kondensators Ct2 und ein Anschluss des Widerstands Rd2 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und sind der andere Anschluss der Spule Lt2, der andere Anschluss des Kondensators Ct2 und der andere Anschluss des Widerstands Rd2 mit der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden. Somit sind die anderen Anschlüsse der Spule Lt2, des Kondensators Ct2 und des Widerstands Rd2 über den zweiten Schalter 142 mit der zweiten Wechselspannungsquelle 132 verbunden. Eine Induktivität der Spule Lt1 und eine Induktivität der Spule Lt2 können so festgelegt bzw. eingestellt werden/sein, dass sie gleich zueinander sind. Eine elektrostatische Kapazität des Kondensators Ct1 und eine elektrostatische Kapazität des Kondensators Ct2 können so festgelegt bzw. eingestellt werden/sein, dass sie gleich zueinander sind. Ein Widerstandswert des Widerstands Rd1 kann so festgelegt bzw. eingestellt werden/sein, dass er gleich einem Widerstandswert des Widerstands Rd2 ist.
Die Signale werden von der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und von der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 ver-/abgezweigt und dann über Filterschaltungen, die erlauben, dass Ansteuerfrequenzkomponenten passieren, die äquivalent zueinander sind, differenziell an die Empfangsschaltung eingegeben. Der erste Schalter 141 und der zweite Schalter 142 sind nur dann in einem geschlossenen Zustand, wenn die Ansteuerung durchgeführt wird, und kommen bzw. gehen in einen offenen Zustand, nachdem die Ansteuerung beendet ist.
Es ist ideal, dass die Resonanzfrequenz der Membran 3, an/auf der das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 befestigt bzw. angebracht sind, Resonanzfrequenzen der Parallelschwingkreise 114 und 124, sowie die Ansteuerfrequenz miteinander übereinstimmen, was einen Ausgangsschalldruck, die Empfängerempfindlichkeit und eine Verkürzung von Hall bzw. Nachklang nach der Ansteuerung betrifft, und daher werden/sind die entsprechenden Frequenzen so festgelegt bzw. eingestellt, dass sie nahe beieinander liegen. Je größer die Widerstandswerte des Widerstands Rd1 und des Widerstands Rd2 sind, desto höher ist die Empfangsempfindlichkeit. Wenn jedoch die Widerstandswerte übermäßig groß sind, verlängert sich der Hall bzw. Nachklang nach der Ansteuerung, und wird ein empfangenes Signal einer reflektierten Welle von einem Objekt, das sich in einer kurzen Distanz befindet, in den Hall- bzw. Nachklangsignal begraben bzw. verborgen, und wird somit eine Detektionsfähigkeit in einer kurzen Distanz vermindert. Dementsprechend können die Widerstandswerte in Anbetracht eines Ausgleichs bzw. einer Ausgewogenheit zwischen der Empfangsempfindlichkeit und der Kurzstreckendetektion eingestellt werden/sein.
Wie es in 10 veranschaulicht ist, werden während der Ansteuerung die Ansteuerspannungen, deren Beträge gleich zueinander sind und die relativ zu dem zweiten elektrischen Referenzpotenzial VO2 symmetrisch zueinander sind, an die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 angelegt. Nach der Ansteuerung sind der erste Schalter 141 und der zweite Schalter 142 in dem offenen Zustand. Daraufhin wird, an jeder von der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120, eine Gleichstromkomponente gleich dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1, während die Wechselspannung aufgrund des Halls bzw. Nachklangs gedämpft (werden/sein) wird, und kommen bzw. gehen dementsprechend die erste Elektrode 112 und die dritte Elektrode 122 in einen Zustand, in dem die reflektierte Welle empfangen werden kann. Wenn die reflektierte Welle empfangen wird, werden Signale, deren Phasen entgegengesetzt zueinander sind, an der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 induziert. Die induzierten Signale werden über die Filterschaltungen, die äquivalent zueinander sind, differenziell an die Empfangsschaltung eingegeben.
Wie es vorstehend dargelegt ist, werden bei Ansteuerung des Ultraschallwandlers 1 die piezoelektrischen Elemente, die die Antriebskraft erzeugen, verstärkt, und wird somit der Schalldruck erhöht. Wenn die Signale empfangen werden, werden die Signale ausgegeben, die die zueinander entgegengesetzten Phasen aufweisen, und wird somit die Empfangsempfindlichkeit gesteigert. Wenn der Ultraschallwandler 1 angesteuert bzw. betrieben wird, werden die Ansteuersignale mit der gleichen Amplitude und den zueinander umgekehrten Phasen von den Spannungsquellen über die Schaltungen geliefert, die äquivalent zueinander sind, und werden daher die elektrischen Spannungen, deren Amplituden im Wesentlichen gleich zueinander sind und deren Phasen entgegengesetzt zueinander sind, an die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 angelegt. Somit kann magnetisches Rauschen, das dem elektrischen Strom zuzuschreiben ist, unterbunden bzw. niedergehalten werden. Ferner ist die Schaltung, die mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden ist, symmetrisch konfiguriert, einschließlich der Filterschaltungen bis zu der Empfangsschaltung. Somit kann das Störungsrauschen, das bei Empfang der Ultraschallwellen ein-/gemischt oder eingeführt wird, als Rauschen bzw. Störgeräusche mit den zueinander gleichen Phasen, durch die Differenzeingangsschaltung, umfassend zum Beispiel die Differenzverstärkung, entfernt werden. Das erste elektrische Referenzpotenzial VO1 und das zweite elektrischen Referenzpotenzial VO2 können das gleiche Potenzial sein.
12 veranschaulicht eine Draufsicht des Ultraschallwandlers 1, der durch die Ansteuerschaltung 101 angesteuert wird, und eine Querschnittansicht des Ultraschallwandlers 1, die entlang Linie A-A in 12 genommen ist. Wie es in 12 veranschaulicht ist, sind das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 an/auf der Membran 3 des Ultraschallwandlers 1 befestigt oder angebracht.
In dem Beispiel von 12 ist das zweite piezoelektrische Element 120 beispielhaft als zwei piezoelektrische Elemente dargestellt, nämlich piezoelektrische Elemente 120A und 120B. Das erste piezoelektrische Element 110 ist aus der zweiten Elektrode 111, der ersten Elektrode 112 und einen ersten piezoelektrischen Körper 113 gebildet. Das zweite piezoelektrische Element 120A ist aus einer vierten Elektrode 121A (d.h. der einen Elektrode), einer dritten Elektrode 122A (d.h. der anderen Elektrode) und einem zweiten piezoelektrischen Körper 123A gebildet. Das zweite piezoelektrische Element 120B ist aus einer vierten Elektrode 121B (d.h. der einen Elektrode), einer dritten Elektrode 122B (d.h. der anderen Elektrode) und einem zweiten piezoelektrischen Körper 143B gebildet.
Als Nächstes wird ein achtes Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung 101 beschrieben. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel ist der Kondensator Ct1 zwischen der zweiten Elektrode 111 und der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 bereitgestellt, und ist der Kondensator Ct2 zwischen der vierten Elektrode 121 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt, wie es in 10 veranschaulicht ist. Das achte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Kondensator Ct zwischen der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt ist. Das heißt, dass sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem siebten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass der Kondensator Ct1 und der Kondensator Ct2 durch den Kondensator Ct ersetzt sind. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
13 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des achten Ausführungsbeispiels. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über einen Kondensator, nämlich den Kondensator Ct, miteinander verbunden. Das heißt, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars des Kondensators Ct und die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 miteinander verbunden sind, und die andere Elektrode des Elektrodenpaars des Kondensators Ct und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 miteinander verbunden sind.
Wie es in 13 veranschaulicht ist, sind auch bei dem Ausführungsbeispiel ein Anschluss der Spule Lt1 und ein Anschluss des Widerstands Rd1 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss der Spule Lt1 und der andere Anschluss des Widerstands Rd1 sind mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 verbunden. Ein Anschluss der Spule Lt2 und ein Anschluss des Widerstands Rd2 sind mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss der Spule Lt2 und der andere Anschluss des Widerstands Rd2 sind mit der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden.
Dementsprechend sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über die Spule Lt1 beziehungsweise die Spule Lt2 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 sind über den Widerstand Rd1 beziehungsweise den Widerstand Rd2 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Auch gemäß dieser Konfiguration können die gleichen Wirkungen wie beim siebten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein neuntes Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung 101 beschrieben. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel ist die Spule Lt1 zwischen der zweiten Elektrode 111 und der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 bereitgestellt, und ist die Spule Lt2 zwischen der vierten Elektrode 121 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt, wie es in 10 veranschaulicht ist. Das neunte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel darin, dass eine Spule bzw. ein Induktor Lt zwischen der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt ist. Das heißt, dass sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem siebten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass die Spule Lt1 und die Spule Lt2 durch eine Spule ersetzt sind. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
14 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des neunten Ausführungsbeispiels. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über eine Spule, nämlich die Spule bzw. der Induktor Lt, miteinander verbunden. Das heißt, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars der Spule Lt und die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 miteinander verbunden sind, und die andere Elektrode des Elektrodenpaars der Spule Lt und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 miteinander verbunden sind.
Wie es in 14 veranschaulicht ist, sind auch bei dem Ausführungsbeispiel ein Anschluss des Kondensators Ct1 und ein Anschluss des Widerstands Rd1 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators Ct1 und der andere Anschluss des Widerstands Rd1 sind mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 verbunden. Ein Anschluss des Kondensators Ct2 und ein Anschluss des Widerstands Rd2 sind mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators Ct2 und der andere Anschluss des Widerstand Rd2 sind mit der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden.
Dementsprechend sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über den Widerstand Rd1 beziehungsweise den Widerstand Rd2 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Somit ist die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 über den Widerstand Rd1 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und ist die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über den Widerstand Rd2 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Durch Verringerung der Anzahl der Spulen bzw. Induktoren um eins kann ein Substrat in seiner Größe reduziert werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie beim siebten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein zehntes Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung 101 beschrieben. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel ist der Widerstand Rd1 zwischen der zweiten Elektrode 111 und der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 bereitgestellt, und ist der Widerstand Rd2 zwischen der vierten Elektrode 121 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt, wie es in 10 veranschaulicht ist. Das zehnte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem siebten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Widerstand Rd zwischen der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 bereitgestellt ist. Das heißt, dass sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem siebten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass der Widerstand Rd1 und der Widerstand Rd2 durch einen Widerstand ersetzt sind. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
15 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des zehnten Ausführungsbeispiels. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über einen Widerstand, nämlich den Widerstand Rd, miteinander verbunden. Das heißt, dass eine Elektrode eines Elektrodenpaars des Widerstands Rd und die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 miteinander verbunden sind, und die andere Elektrode des Elektrodenpaars des Widerstand Rd und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 miteinander verbunden sind.
Wie es in 15 veranschaulicht ist, sind auch bei dem Ausführungsbeispiel ein Anschluss der Spule Lt1 und ein Anschluss des Kondensators Ct1 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss der Spule Lt1 und der andere Anschluss des Kondensators Ct1 sind mit der ersten Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 verbunden. Ein Anschluss der Spule Lt2 und ein Anschluss des Kondensators Ct2 sind mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Der andere Anschluss der Spule Lt2 und der andere Anschluss des Kondensators Ct2 sind mit der dritten Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 verbunden.
Dementsprechend sind die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über die Spule Lt1 beziehungsweise die Spule Lt2 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Somit ist die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 über die Spule Lt1 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden, und ist die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 über die Spule Lt2 elektrisch mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Durch Verringerung der Anzahl der Widerstände um eins kann das Substrat in seiner Größe reduziert werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie beim siebten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein elftes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem siebten Ausführungsbeispiel sind die erste Wechselspannungsquelle 131 und die zweite Wechselspannungsquelle 132 bereitgestellt, die jeweils die Ansteuerspannung liefern, wie es in 10 veranschaulicht ist. Das elfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zehnten Ausführungsbeispiel darin, dass eine AC- bzw. Wechselstromquelle 133 bereitgestellt ist. Das heißt, dass der Unterschied darin besteht, dass bei dem siebten Ausführungsbeispiel die Spannungsansteuerung eingesetzt wird und bei dem elften Ausführungsbeispiel die Stromansteuerung eingesetzt wird. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem siebten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
16 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des elften Ausführungsbeispiels. Bei dem Ausführungsbeispiel werden Ansteuerströme, deren Phasen umgekehrt oder entgegengesetzt zueinander sind, an die Parallelschwingkreise 114 und 124 zugeführt. Die an die Parallelschwingkreise 114 und 124 zugeführten Ansteuerströme sind so konfiguriert, dass zumindest Wechselstromkomponenten der Ansteuerströme in der Größe gleich zueinander sind und in den Polaritäten entgegengesetzt zueinander sind. In 16 sind die Kondensatoren Ct1 und Ct2 weggelassen, die in 10 veranschaulicht sind, wobei die Kondensatoren Ct1 und Ct2 bei dem elften Ausführungsbeispiel jedoch nach Bedarf bereitgestellt werden/sein können. Da bei dem elften Ausführungsbeispiel die Stromansteuerung eingesetzt wird, wird durch Setzen des elektrischen Stroms auf 0 A, nachdem die Ansteuerung beendet ist, ein Zustand, der äquivalent zu dem offenen Zustand ist, zwischen beiden Ausgängen der Wechselstromquelle 133 hergestellt.
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der elektrische Strom als die Ansteuerquelle verwendet, wogegen bei dem siebten Ausführungsbeispiel die elektrische Spannung als die Ansteuerquelle verwendet wird, und entfallen der Kondensator Ct1 und der Kondensator Ct2 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Ähnlich dem siebten Ausführungsbeispiel werden dementsprechend die elektrischen Spannungen, deren Phasen umgekehrt zueinander sind und deren Amplituden im Wesentlichen gleich zueinander sind, an die erste Elektrode 112 des ersten piezoelektrischen Elements 110 und die dritte Elektrode 122 des zweiten piezoelektrischen Elements 120 angelegt. Somit können bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die gleichen Wirkungen wie diejenigen des siebten Ausführungsbeispiels, zum Beispiel hinsichtlich des Ausgangsschalldrucks, der Empfängerempfindlichkeit, der Rausch- bzw. Störfestigkeit und der Rauschemission, erzielt werden.
Als Nächstes wird ein zwölftes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem neunten Ausführungsbeispiel sind die erste Wechselspannungsquelle 131 die zweite Wechselspannungsquelle 132 bereitgestellt, die jeweils die Ansteuerspannung liefern, wie es in 14 veranschaulicht ist. Das zwölfte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem neunten Ausführungsbeispiel darin, dass die Wechselstromquelle 133 bereitgestellt ist. Das heißt, dass sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem neunten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass bei dem neunten Ausführungsbeispiel die Spannungsansteuerung eingesetzt wird und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Stromansteuerung eingesetzt wird. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem neunten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
17 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des zwölften Ausführungsbeispiels. Gemäß 17 sind die Kondensatoren Ct1 und Ct2 weggelassen, die in 14 veranschaulicht sind, aber können die Kondensatoren Ct1 und Ct2 bei dem zwölften Ausführungsbeispiel jedoch nach Bedarf bereitgestellt werden/sein. Bei dem zwölften Ausführungsbeispiel sind, in ähnlicher Weise wie bei dem neunten Ausführungsbeispiel, die Spule Lt1 und die Spule Lt2 durch eine Spule ersetzt. Durch Verringerung der Anzahl der Spulen bzw. Induktoren um eins kann das Substrat in seiner Größe reduziert werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie bei dem neunten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein dreizehntes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel sind die erste Wechselspannungsquelle 131 und die zweite Wechselspannungsquelle 132 bereitgestellt, die jeweils die Ansteuerspannung liefern, wie es in 15 veranschaulicht ist. Das dreizehnte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zehnten Ausführungsbeispiel darin, dass die Wechselstromquelle 133 bereitgestellt ist. Das heißt, dass sich das vorliegende Ausführungsbeispiel von dem zehnten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass bei dem zehnten Ausführungsbeispiel die Spannungsansteuerung eingesetzt wird und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Stromansteuerung eingesetzt wird. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem zehnten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
18 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des dreizehnten Ausführungsbeispiels. In 18 sind die Kondensatoren Ct1 und Ct2 weggelassen, die in 15 veranschaulicht sind, aber können die Kondensatoren Ct1 und Ct2 bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel jedoch nach Bedarf bereitgestellt werden/sein. Bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel sind, in ähnlicher Weise zu dem zehnten Ausführungsbeispiel, der Widerstand Rd1 und der Widerstand Rd2 durch einen Widerstand ersetzt. Durch Verringerung der Anzahl der Widerstände um eins kann das Substrat in seiner Größe reduziert werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie bei dem zehnten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein vierzehntes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel wird der Ansteuerstrom von der Wechselstromquelle 133 geliefert, wie es in 18 veranschaulicht ist. Das vierzehnte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem dreizehnten Ausführungsbeispiel darin, dass der Wechselstrom über einen Transformator 134 geliefert bzw. zugeführt wird. Andere Aspekte sind gleich wie bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
19 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des vierzehnten Ausführungsbeispiels. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechen die Spule Lt1 und die Spule Lt2 einer Sekundärspule 136 des Transformators 134, wird die Ansteuerspannung an eine Primärspule 135 des Transformators 134 angelegt, oder wird der Ansteuerstrom an die Primärspule 135 des Transformators 134 zugeführt bzw. eingespeist. Wie es in 19 veranschaulicht ist, ist ein Mittelanschluss 137 auf der Sekundärseite des Transformators 134 bereitgestellt, und ist der Mittelanschluss 137 mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. In 19 sind die Kondensatoren Ct1 und Ct2 weggelassen, aber die Kondensatoren Ct1 und Ct2 können jedoch nach Bedarf bereitgestellt werden/sein. Die Sekundärspule 136 des Transformators 134 entspricht der Spule Lt1 und der Spule Lt2, die in Reihe zueinander geschaltet sind, während der Mittelanschluss 137 als eine Grenze der verbundenen Spulen dient. Die Spule Lt1 ist parallel zu dem ersten piezoelektrischen Element 110 geschaltet, und die Spule Lt2 ist parallel zu dem zweiten piezoelektrischen Element 120 geschaltet. Durch Einsatz des Transformators 134 können die elektrischen Spannungen, die an das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 angelegt werden, verstärkt bzw. angehoben oder erhöht werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein fünftzehntes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem zwölften Ausführungsbeispiel werden die Ansteuerströme durch die Wechselstromquelle 133 geliefert, wie es in 17 veranschaulicht ist. Das fünfzehnte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zwölften Ausführungsbeispiel darin, dass der Wechselstrom über den Transformator 134 geliefert wird. Andere Aspekte sind gleich dem zwölften Ausführungsbeispiel, und daher wird die Beschreibung von diesen ausgelassen.
20 veranschaulicht die Ansteuerschaltung 101 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Ansteuerstrom über den Transformator 134 geliefert, und ist die in 17 gezeigte Spule Lt durch die Sekundärspule 136 des Transformators 134 ersetzt. In 20 sind die Kondensatoren Ct1 und Ct2 weggelassen, aber die Kondensatoren Ct1 und Ct2 können jedoch nach Bedarf bereitgestellt werden/sein. Durch Einsatz des Transformators 134 können die elektrischen Spannungen, die an das erste piezoelektrische Element 110 und das zweite piezoelektrische Element 120 angelegt werden, verstärkt bzw. angehoben oder erhöht werden. Außerdem können die gleichen Wirkungen wie bei dem zwölften Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Als Nächstes wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben. 21 veranschaulicht ein Beispiel einer bekannten Ansteuerschaltung. Die Wechselstromquelle 133 und die Primärspule 135 des Transformators 134, die mit dem vierzehnten Ausführungsbeispiel und dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel im Einklang stehen, können durch eine in 21 veranschaulichte Schaltung A ersetzt werden.
Die vorliegende Offenbarung ist auf die Ansteuerschaltung des Ultraschallwandlers anwendbar, bei dem das erste piezoelektrische Element und das zweite piezoelektrische Element, die die elektrostatischen Kapazitäten aufweisen, die gleich zueinander sind, an der Membran befestigt bzw. angebracht sind, die als die Schwingungsfläche des Ultraschallwandlers dient, wodurch das monomorphe Element oder die monomorphe Vorrichtung konfiguriert ist. Bei dem Ultraschallwandler umfasst jedes von dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element das Paar voneinander gegenüberliegenden Elektroden. Eine von dem Paar von Elektroden des ersten piezoelektrischen Elements und eine von dem Paar von Elektroden des zweiten piezoelektrischen Elements sind mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial VO1 verbunden. Wenn die elektrischen Spannungen zwischen dem Elektrodenpaar des ersten piezoelektrischen Elements und zwischen dem Elektrodenpaar des zweiten piezoelektrischen Elements angelegt werden, sind die Abhängigkeit der Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche von der Spannung, die an die andere Elektrode des Elektrodenpaars des ersten piezoelektrischen Elements angelegt wird, und die Abhängigkeit der Verlagerung bzw. Auslenkung der Schwingungsfläche von der Spannung, die an die andere Elektrode des Elektrodenpaars des zweiten piezoelektrischen Elements angelegt wird, in die zueinander entgegengesetzten Richtungen gerichtet.
Ein Ultraschallwandler (1) umfasst ein piezoelektrisches Element (10, 10A, 10B, 110, 20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B), das konfiguriert ist zum Erzeugen einer Antriebskraft, die eine Membran (3) in Schwingung versetzt, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, oder konfiguriert ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals, wenn eine Ultraschallwelle empfangen wird. Das piezoelektrische Element umfasst ein erstes piezoelektrisches Element (10, 10A, 10B, 110) mit einer ersten Elektrode (12, 12A, 12B, 112) und einer zweiten Elektrode (13, 111) und ein zweites piezoelektrisches Element (20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) mit einer dritten Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B) und einer vierten Elektrode (23, 121, 121A, 121B). Wenn die Membran mit einer Resonanzfrequenz schwingt, sind eine Polarität eines elektrischen Potenzials der ersten Elektrode und eine Polarität eines elektrischen Potenzials der dritten Elektrode, relativ zu einem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode und der vierten Elektrode, entgegengesetzt zueinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009055458 A [0002]
JP 2009008425 A [0002]

Claims

Ultraschallwandler (1) mit: einem piezoelektrischen Element (10, 10A, 10B, 110, 20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B), das an einer aus einem elastischen Körper gebildeten Membran (3) befestigt ist, wobei das piezoelektrische Element (10, 10A, 10B, 110, 20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) konfiguriert ist zum Erzeugen einer Antriebskraft, die die Membran (3) in Schwingung versetzt, wenn eine Ultraschallwelle gesendet wird, oder konfiguriert ist zum Erzeugen eines elektrischen Signals, wenn eine Ultraschallwelle empfangen wird; wobei das piezoelektrische Element (10, 10A, 10B, 110, 20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) ein erstes piezoelektrisches Element (10, 10A, 10B, 110) und ein zweites piezoelektrisches Element (20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) umfasst; wobei das erste piezoelektrische Element (10, 10A, 10B, 110) einen ersten piezoelektrischen Körper (11, 113), eine erste Elektrode (12, 12A, 12B, 112), die auf einer Fläche des ersten piezoelektrischen Körpers (11, 113) ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode (13, 111), die auf einer anderen Fläche des ersten piezoelektrischen Körpers (11, 113) ausgebildet ist, sodass sie der ersten Elektrode (12, 12A, 12B, 112) gegenüberliegt, umfasst; und wobei das zweite piezoelektrische Element (20, 20A, 20B, 120, 120A, 120B) einen zweiten piezoelektrischen Körper (21, 123A, 123B), eine dritte Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B), die auf einer Fläche des zweiten piezoelektrischen Körpers (21, 123A, 123B) ausgebildet ist, und eine vierte Elektrode (23, 121, 121A, 121B), die auf einer anderen Fläche des zweiten piezoelektrischen Körpers (21, 123A, 123B) ausgebildet ist, sodass sie der dritten Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B) gegenüberliegt, umfasst, wobei wenn die Membran (3) mit einer Resonanzfrequenz schwingt, eine Polarität eines elektrischen Potenzials der ersten Elektrode (12, 12A, 12B, 112) und eine Polarität eines elektrischen Potenzials der dritten Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B), relativ zu einem elektrischen Potenzial der zweiten Elektrode (13, 111) und der vierten Elektrode (23, 121, 121A, 121B), entgegengesetzt zueinander sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (13, 111) und die vierte Elektrode (23, 121, 121A, 121B) elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 2, wobei das erste piezoelektrische Element (10) und das zweite piezoelektrische Element (20) an jeweiligen Positionen auf der Membran (3) angeordnet sind, und wenn die Membran (3) mit der Resonanzfrequenz schwingt, eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das erste piezoelektrische Element (10) angeordnet ist, und eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das zweite piezoelektrische Element (20) angeordnet ist, verschieden voneinander sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 2, wobei das erste piezoelektrische Element (10) und das zweite piezoelektrische Element (20) an jeweiligen Positionen auf der Membran (3) angeordnet sind, und wenn die Membran (3) mit der Resonanzfrequenz schwingt, eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das erste piezoelektrische Element (10) angeordnet ist, und eine Richtung einer Belastung, die an der Position erzeugt wird, wo das zweite piezoelektrische Element (20) angeordnet ist, gleich zueinander sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der erste piezoelektrische Körper (11) und der zweite piezoelektrische Körper (21) einem einzigen piezoelektrischen Körper entsprechen.
Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zumindest eine von der ersten Elektrode (12) und der dritten Elektrode (22) in eine Vielzahl von Elektroden (22A, 22B) geteilt ist.
Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das erste piezoelektrische Element (10) und das zweite piezoelektrische Element (20) derart konfiguriert sind, dass eine elektrostatische Kapazität zwischen der ersten Elektrode (12, 12A, 12B, 112) und der zweiten Elektrode (13, 111) und eine elektrostatische Kapazität zwischen der dritten Elektrode (22, 22A, 22B, 122, 122A, 122B) und der vierten Elektrode (23, 121, 121A, 121B) gleich zueinander sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 1, mit: einer Ansteuerschaltung (101), die konfiguriert ist zum Ansteuern des Ultraschallwandlers (1); wobei die Membran (3) einer Schwingungsfläche des Ultraschallwandlers (1) entspricht; wobei das erste piezoelektrische Element (110) ein Paar von Elektroden (112, 111) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen, wobei das Paar von Elektroden (112, 111) des ersten piezoelektrischen Elements (110) der ersten Elektrode (112) und der zweiten Elektrode (111) entsprechen; wobei das zweite piezoelektrische Element (120) ein weiteres Paar von Elektroden (121, 122) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen, wobei das Paar von Elektroden (121, 122) des zweiten piezoelektrischen Elements (120) der dritten Elektrode (122) und der vierten Elektrode (121) entsprechen; wobei die zweite Elektrode (111) und die vierte Elektrode (121) mit einem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) verbunden sind; wobei, wenn eine elektrische Spannung zwischen dem Paar von Elektroden (112, 111) des ersten piezoelektrischen Elements (110) und zwischen dem Paar von Elektroden (121, 122) des zweiten piezoelektrischen Elements (120) anliegt, eine Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung der Schwingungsfläche, die von der ersten Elektrode (112) abhängt, und eine Abhängigkeit von einer angelegten Spannung von einer Verlagerung der Schwingungsfläche, die von der dritten Elektrode (122) abhängt, in entgegengesetzte Richtungen zueinander gerichtet sind; wobei die Ansteuerschaltung (101) Parallelschwingkreise (114, 124) umfasst, die mit der ersten Elektrode (112) und der dritten Elektrode (122) verbunden sind; wobei die Parallelschwingkreise (114, 124) mit Ansteuerspannungen oder Ansteuerströmen über eine Schaltung versorgt werden, die relativ zu dem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) eine symmetrische Konfiguration aufweist, wobei die Ansteuerspannungen oder die Ansteuerströme umgekehrte Phasen zueinander aufweisen; wobei die Parallelschwingkreise (114, 124) eine Zwischenelektrodenkapazität (Cdl) des ersten piezoelektrischen Elements (110) und eine Zwischenelektrodenkapazität (Cd2) des zweiten piezoelektrischen Elements (120) aufweisen, wobei die Zwischenelektrodenkapazitäten (Cd1, Cd2) einem Teil von Konfigurationen der Parallelschwingkreise (114, 124) entsprechen; wobei die erste Elektrode (112) und die dritte Elektrode (122) gleichstromartig mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) verbunden sind; und wobei die Ansteuerspannungen relativ zu einem zweiten elektrischen Referenzpotenzial (VO2) symmetrisch zueinander sind, oder zumindest Wechselstromkomponenten der Ansteuerströme im Betrag gleich zueinander sind und in Polaritäten entgegengesetzt zueinander sind.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 8, wobei die erste Elektrode (112) und die dritte Elektrode (122) über einen Kondensator (Ct) miteinander verbunden sind, jede von der ersten Elektrode (112) und der dritten Elektrode (122) über eine Spule (Ltl, Lt2) mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) verbunden ist, und jede von der ersten Elektrode (112) und der dritten Elektrode (122) über einen Widerstand (Rd1, Rd2) mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) verbunden ist.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 8, wobei die erste Elektrode (112) und die dritte Elektrode (122) über eine Spule (Lt) miteinander verbunden sind, und jede von der ersten Elektrode (112) und der dritten Elektrode (122) über einen Widerstand (Rd1, Rd2) mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial (VO1) verbunden ist.
Ultraschallwandler (1) gemäß Anspruch 8, wobei die erste Elektrode (112) und die dritte Elektrode (122) über einen Widerstand (Rd) miteinander verbunden sind, und jede von der ersten Elektrode (112) und der dritten Elektrode (122) über eine Spule (Ltl, Lt2) mit dem ersten elektrischen Referenzpotenzial verbunden ist.
Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Spule (Lt1, Lt2, Lt) einer Sekundärspule (136) eines Transformators (134) entspricht, und die Ansteuerspannungen an eine Primärspule (135) des Transformators (34) angelegt werden oder die Ansteuerströme an die Primärspule (135) des Transformators (134) angelegt werden.