JP2000253494A

JP2000253494A - 超音波センサ用圧電素子

Info

Publication number: JP2000253494A
Application number: JP11049566A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sumiya; 篤宏角谷; Etsuro Yasuda; 悦朗安田; Toshimitsu Takahashi; 利光高橋
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】送信時の残響を短くすること、さらに受信電
圧を高くすることによりセンサ性能を向上させ、小型で
低コストな超音波センサ用の圧電素子を得る。【解決手段】超音波センサにおいて超音波の送信およ
び受信を行う送受信手段として用いられる圧電素子１
を、円板形の圧電体１１とその両端面１２、１３に形成
される電極２、３とで構成する。圧電体１１は、放射面
となる端面１２を凹面状に形成するとともに、側面１４
の全周を外方に膨出させて、径および厚みに分布を有す
る形状としてあり、機械的品質係数Ｑ値を低減して残響
時間を短くすることができる。また、放射面１２が凹面
状であるので、放射する超音波を集束し受信電圧を高く
する効果も得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波センサにおい
て超音波を送受信する圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波を液中や物体内部に放射してその
反射波を計測することにより液中や物体内部の状態を知
る超音波センサは、魚群探知機用や医療用として既に実
用化されている。超音波センサに用いられる圧電素子
は、圧電体に電極を形成してなり、電気信号を音波に変
換して超音波を発生し、反射波を受信して再び電気信号
に変換する送受信素子として機能する。また、近年、超
音波センサを車両用として利用し、燃料やオイルの性状
を検出することが検討されており、車載可能な小型でか
つ低コストな超音波センサの開発が期待されている。

【０００３】図１２（ａ）に超音波センサの送受信波形
を示す。これを分解すると図１２（ｂ）のようになり、
送信波の残響が長いと受信波と重なって、測定が困難に
なる。この影響を小さくするには、反射するまでの距離
を長くして受信波の到達時間を遅くするのがよいが、超
音波の減衰等により受信強度が低下する問題がある。以
上より、超音波センサの性能を向上させるには、一般
に、残響が短いこと、あるいは受信電圧が高いこ
と、が重要であることがわかる。このうちを実現する
には、指向性の向上および放射エネルギーの向上が必要
であり、前者については、例えば、素子面積または駆動
周波数を増大することが、後者については、例えば、素
子面積または駆動電圧を増大することが有効であること
が知られている。また、を実現するには、素子の機械
的品質係数Ｑ値の低減が必要であり、例えば、素子面積
を増大することが有効であることが知られている。

【０００４】これに対し、従来の超音波センサ、例えば
２００〜５００ｋＨｚで駆動される魚群探知機用の超音
波センサは、圧電素子の振動モードとして径振動モード
を使用しており、上記、を素子面積の増大によって
行っている。また、２０〜１００ＭＨｚで駆動される医
療用の超音波センサは、振動モードとして厚み振動モー
ドを使用しており、上記のために高周波で駆動して指
向性を高めている。また、素子を凹面状にして音を集束
する構成としたものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車両に
搭載する場合には、上記、に加えて、上述したよう
に小型であることおよび低コストであることが求められ
る。このため、これら従来の超音波センサを車載用とし
て転用することは容易ではなく、魚群探知機用の超音波
センサは、素子面積が大きいために車載用としては体格
が大きくなりすぎる。また、医療用の超音波センサは、
高周波で駆動されるために小型にできるが、魚群探知機
用と比べると同じ駆動電圧では、受信電圧が極めて小さ
い。このため、通常、数１００Ｖで駆動しており、駆動
回路が高価になってコストが上昇する問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、送信時の残響を短くす
ること、さらに受信電圧を高くすることによりセンサ性
能を向上させることができ、しかも、小型化かつ低コス
ト化が可能な超音波センサ用の圧電素子を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、超音波センサにおいて超音波の送信および受信を行
う送受信手段として用いられる圧電素子を、円板形の圧
電体とその両端面に形成される電極とで構成し、上記圧
電体を、少なくとも一方の端面を曲面状に形成するかま
たは側面を径方向に膨出ないし凹陥する形状として、径
または厚みに分布を有する形状とする。

【０００８】残響時間は、機械的品質係数Ｑ値に比例し
ており、このＱ値は周波数分布が広いと小さくなる。一
方、径方向振動する素子の共振周波数は、素子の径およ
び厚みによって決定されるため、請求項１のように圧電
体形状を、厚さの分布を有するか、または径の分布を有
する形状とすると、径または厚みの分布によって、共振
周波数にも分布ができる。従って、径および厚みが一定
の場合に比べてＱ値が低下し、残響時間を短くして、セ
ンサ性能を向上させることができる。よって、素子を大
型化したり、高周波、高電圧で駆動する必要がないの
で、小型化、低コスト化が可能である。

【０００９】請求項２記載の発明では、上記圧電体の放
射面となる一方の端面を凹面状に形成する。あるいは請
求項３記載の発明のように、上記圧電体の放射面と反対
側の端面を凸面状に形成する。放射される音波の進行方
向は上記放射面と垂直な方向となるため、上記放射面を
凹面状とすることにより、放射される音波を集束させ、
指向性を向上させることができる。これにより、送信し
た超音波を効率よく受信して、受信電圧を増加させるこ
とができる。また、上記圧電体は、径の分布を有する形
状であるため、上述したようにＱ値を低下させて残響時
間を短くする効果も得られ、センサ性能を向上させるこ
とができる。

【００１０】請求項４記載の発明では、上記圧電体の放
射面となる一方の端面を凹面状に形成するとともに、側
面を径方向に膨出ないし凹陥する形状とする。このよう
にすると、上記凹面状とすることによる受信電圧の向上
と、径および厚みに分布を有することによる残響時間の
低減とを効果的に発揮して、センサ性能をより向上させ
ることができる。

【００１１】請求項５記載の発明では、上記圧電体の厚
さ方向を分極方向とし径振動モードで動作する。径振動
モードとすることで上記圧電体形状による残響の低減が
効果的になされる。また、縦振動モードに比べて放射方
向に対して大きな振動振幅が得られる利点がある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図面に基づいて説明する。図２は本発明の圧電素子１
を用いた超音波センサＳの全体構造を示すもので、超音
波センサＳは後端（図の左端）が閉鎖された筒状のケー
ス４を有している。ケース４はポリフェニレンスルフィ
ド（ＰＰＳ）系の樹脂材よりなり、旋盤等で成形するこ
とにより所定形状とされる。ケース４内には、本発明の
圧電素子１が、その全周にコルク等よりなる吸音材４１
を巻いた状態で保持され、圧電素子１の後方にはケース
４後端壁との間にブチルゴム等よりなる制振材４２が配
設されている。これら吸音材４１および制振材４２は圧
電素子１の側方および後方への超音波の放射を防止して
いる。圧電体１２前方のケース４１内には樹脂材よりな
る３層構造の整合層４３が形成してあり、音圧透過率を
高めている。

【００１３】圧電素子１は、超音波の送信と受信の両方
を行う送受信手段として機能するもので、図１（ａ）、
（ｂ）に示すように円板状の圧電体１１と、その両端面
１２、１３にそれぞれ形成される電極２、３を有してい
る。圧電体１１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系
の圧電材料が好適に使用され、電極２、３材料として
は、通常、銀等が用いられる。なお、図２中、符号４４
は、圧電素子１の電極２、３への電圧印加用および受信
波信号取り出し用のリード線であり、ケース４後端壁に
固定したベース部材４６内を通って外部へ延びる同軸線
４５に接続している。

【００１４】超音波センサＳを燃料やオイルの性状の検
出に用いる場合には、これら測定対象物中に超音波セン
サＳと反射板を対向させて配設する。圧電素子１は、後
述する所定形状に成形した圧電体１１に電極２、３を形
成した後、厚み方向に分極処理してなり、電圧の印加に
より伸縮して、放射面となる前端面１２（以下、放射面
という）より前方（図の右方）へ超音波を発生し（送
信）、反射板で反射した超音波を受けて電荷を発生する
（受信）。この時、本発明では、圧電素子１を径振動モ
ードで駆動し、図３に示すように分極方向と直交する方
向（径方向）に力を発生させる。ＰＺＴ系材料を用いた
場合には、例えば直径１１ｍｍ、厚さ４ｍｍの円板状の
圧電振動体で、径振動モードの共振周波数が約２００ｋ
Ｈｚ程度であり、加えた電界方向（厚み方向）に力を発
生する縦振動モードに比べて、放射方向に２倍から１０
倍の大きな振動振幅が得られる利点がある。

【００１５】次に、本発明の特徴である圧電体１１の形
状について説明する。本発明では、圧電体１１の、少な
くとも一方の端面を曲面状に形成し、または側面を径方
向に膨出ないし凹陥する形状として、径または厚みに分
布を有する形状となしてあり、これにより残響を低減す
る効果が得られる。さらに、圧電体１１の放射面となる
一方の端面を凹面状に形成し、あるいはこれと反対側の
端面を凸面状に形成することで、受信電圧を高くする効
果が得られる。本実施の形態では、図１（ａ）、（ｂ）
に示すように、圧電体１１の放射面１２を凹面状に形成
するとともに、側面１４の全周を径方向外方に膨出させ
て、径および厚みに分布を有する形状とし、残響の低減
と受信電圧の向上を両立させている。ここで、放射面１
２の曲率半径は、圧電素子１と反射板との距離に等しく
する。また、側面１４の曲率半径は厚みの１〜１０倍程
度とすることが望ましい。

【００１６】超音波センサの出力波形は、一般に図４
（ａ）のように表され、センサ性能を向上させるには、
残響時間を短くする、または受信電圧を大きくする
ことが有効である。このうちの残響時間Ｔは下記(1)
式によって表され、機械的品質係数Ｑ値に比例してい
る。Ｔ＝（Ｑ／ｒｆ）ｌｏｇ（Ｖ0 ／Ｖ）・・・(1) （式中、ｆ：共振周波数、Ｖ0 ：加振直後の振幅）この
Ｑ値は、図４（ｂ）に示されるように共振周波数の分布
から下記(2) 式のように定義されており、共振周波数分
布が広いほどＱ値は小さくなる。Ｑ＝ｆ0 ／（ｆ2 −ｆ1 ）・・・(2)

【００１７】ここで、径方向振動する圧電素子１の共振
周波数ｆは、一般に下記(3) 式のように表される。ｆ＝ｔ／２πｒ²√（Ｙ／γ）・・・(3) （式中、ｔ：厚み、ｒ：半径、Ｙ：ヤング率、γ：密
度）従って、図５（ａ）のように、圧電体１１´の厚みｔ1
および半径ｒが一定である従来の形状では、理論的には
共振周波数は１本の線で表され、実際の共振周波数の分
布もごく狭くなる（図６（ａ））。これに対して、図５
（ｂ）のように圧電体１１の放射面１２を凹面状とした
場合には、厚みに分布を持つため、厚みｔ1 からｔn に
対応する異なった共振周波数を持ち、共振周波数の分布
は図６（ｂ）のように広くなる。従って、図５（ｂ）の
形状では、上記(2) 式にて定義されるＱ値が低下し、上
記(1) 式から残響時間を低減できることがわかる。

【００１８】本実施の形態では、図５（ｃ）のように、
圧電体１１の放射面１２を凹面状とするとともに、側面
１４を外方に膨出する形状としており、この場合には、
厚みに加えて半径にも分布を有するため、半径ｒ1 から
ｒn に対応する異なった共振周波数を持つことになる。
従って、共振周波数の分布がさらに広くなり、残響時間
を低減する効果が大きくなる。

【００１９】次に、の受信電圧について説明する。上
記構造の超音波センサＳを用いて、例えば燃料の性状を
検出する場合には、図７に概略図を示すように燃料中に
浸漬した超音波センサＳの前方に反射板を間隔ｘをおい
て配設する。そして燃料を通過し反射板で反射した音波
を受信することで、燃料の性状やその変化を検知する。
ここで図７に示す条件で圧電体１１を燃料中で加振し、
距離ｘ離れた反射板から反射した音波を受信した時の受
信電圧は、図中に示す(4) 式によって表される。つま
り、受信電圧を向上させる方法としては、圧電体１１を
圧電定数ｄ、電圧発生定数ｇ、機械的品質係数Ｑの値が
高い材料を使用する、指向性利得を向上する等の方法が
あり、本発明では、圧電体１１の形状を工夫することに
より指向性利得を向上させる。

【００２０】すなわち、図８（ａ）のように、圧電体１
１´の厚みｔおよび半径ｒが一定である従来の形状で
は、放射面１２´から放射される超音波の一部は側方に
散逸する。これに対し、本実施の形態の圧電素子１で
は、図８（ｂ）のように、圧電体１１の放射面１２を凹
面状としており、共振周波数で駆動されると、放射面１
２の垂線方向に超音波を発する。放射された超音波は反
射板上で集束して焦点を結び、反射して再び素子に帰還
する。このように、放射された超音波が１点に集中する
構成とすることで、放射されたエネルギーの散逸を抑制
し、受信する音波の量を増加することができる。しか
も、放射されるエネルギーＷ（Ｗ／ｍ²）は、下記(5)
式で表されるように面積Ｓに比例し、Ｗ＝ｖ0 ²・Ｓ・Ｚ0 ・・・(4) （式中、ｖ0 ：移動速度（ｍ／ｓ）、Ｓ：面積、Ｚ0 ：
固有音響インピーダンス）本実施の形態では、放射面１２が凹面状で、平面状の従
来形状に比べて面積Ｓが大きいため、放射されるエネル
ギーも大きくなる。よって、従来形状に比べて、高い受
信電圧を得ることができる。

【００２１】以上のように、本実施の形態では、圧電体
１１の放射面１２を凹面状に形成するとともに、側面１
４の全周を径方向外方に膨出させた図１（ａ）、（ｂ）
の形状とすることで、残響の低減と受信電圧の向上を実
現することができる。よって、素子を大型化したり、高
周波、高電圧で駆動する必要がなく、小型化、低コスト
化が可能で、車載用の超音波センサとしても好適に利用
できる。

【００２２】図９（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施
の形態における圧電素子１を示すもので、本実施の形態
では、圧電体１１の放射面１２を凹面状に形成するとと
もに、側面１４の全周を径方向内方に凹陥させた形状と
なしてある。このように、側面１４の全周を径方向内方
に凹陥させることによっても、半径ｒに分布を有するこ
とにより、共振周波数の分布を広くして、Ｑ値を低下さ
せることができる。よって、残響の低減と受信電圧の向
上を実現する上記第１の実施の形態と同様の効果が得ら
れる。

【００２３】図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、本発明
の第３、４、５の実施の形態における圧電体１１形状を
示す。本発明では、図１０（ａ）のように、放射面１２
と反対側の端面１３を凸面状に形成することもでき、放
射面１２を凹面状にした場合と同様に放射される超音波
を集束して受信電圧を向上することができる。また、厚
みｔが分布を有するので、共振周波数の分布を広くし
て、Ｑ値を低下させる効果も得られる。図１０（ｂ）の
ように、放射面１２を凹面状とした構成も可能である
が、図１０（ａ）、（ｂ）の構成では、側面１４を膨出
ないし凹陥させる構成を組み合わせた場合より、残響の
低減効果は小さくなる。また、残響の低減効果のみが目
的であれば、図１０（ｃ）のように、側面１４の全周を
径方向外方に膨出させたり、あるいは内方に凹陥させた
形状（図略）とすることもできる。

【００２４】本発明の圧電素子１の製作工程を図１１に
示す。ここでは、代表的な形状である第１の実施の形態
の圧電素子１について示した。図１１（ａ）は成形用の
割型５で、所定のＰＺＴ組成となるように配合した圧電
体１１材料を割型５を用いてプレス成形し（図１１
（ｂ））、さらに脱気したビニール袋６に入れて（図１
１（ｃ））、密閉容器７中で水圧をかけるラバープレス
法により全体に圧力を加え、密度を上げる（図１１
（ｄ））。次いで、焼成した後、圧電体１１の両端面に
銀ペーストを印刷、焼付しバインダーをとばして銀電極
２、３を形成する（図１１（ｅ））。その後、電極２、
３間に電圧を数ｋＶ印加して、分極処理することにより
圧電素子１が形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は超
音波センサ用圧電素子の断面図、（ｂ）は正面図であ
る。

【図２】本発明を適用した超音波センサの全体断面図で
ある。

【図３】圧電素子の振動モードを説明するための図であ
る。

【図４】（ａ）は超音波センサの出力波形図、（ｂ）は
Ｑ値と共振周波数の関係を示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は径または厚みの分布とＱ値と
の関係を説明するための図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は厚みの分布と周波数分布の関
係を説明するための図である。

【図７】超音波センサの作動および圧電素子の受信電圧
と指向性の関係を説明するための図である。

【図８】圧電体形状と受信電圧の関係を説明するための
図で、（ａ）は従来の圧電素子、（ｂ）は本発明の圧電
素子を用いた場合を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は超
音波センサ用圧電素子の断面図、（ｂ）は正面図であ
る。

【図１０】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の第３の実
施の形態における圧電体形状を示す図である。

【図１１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の圧電素子の製作工
程を説明するための図である。

【図１２】（ａ）は超音波センサの実波形図、（ｂ）は
その分解図である。

【符号の説明】

Ｓ超音波センサ１圧電素子１１圧電体１２端面（放射面）１３端面１４側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安田悦朗愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者高橋利光愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 2G047 EA05 EA15 EA16 GB12 GB15 4C301 EE06 EE16 EE17 GB06 GB07 5D019 AA13 AA21 AA25 BB02 BB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波センサにおいて超音波の送信およ
び受信を行う送受信手段として用いられる圧電素子であ
って、円板形の圧電体とその両端面に形成される電極と
からなり、上記圧電体を、少なくとも一方の端面を曲面
状に形成するかまたは側面を径方向に膨出ないし凹陥す
る形状として、径または厚みに分布を有する形状となし
たことを特徴とする超音波センサ用圧電素子。
【請求項２】上記圧電体の放射面となる一方の端面を
凹面状に形成した請求項１記載の超音波センサ用圧電素
子。
【請求項３】上記圧電体の放射面と反対側の端面を凸
面状に形成した請求項１記載の超音波センサ用圧電素
子。
【請求項４】上記圧電体の放射面となる一方の端面を
凹面状に形成するとともに、側面を径方向に膨出ないし
凹陥する形状とした請求項１記載の超音波センサ用圧電
素子。
【請求項５】上記圧電体の厚さ方向を分極方向とし径
振動モードで動作する請求項１ないし４のいずれか記載
の超音波センサ用圧電素子。