JP2006229649A

JP2006229649A - 空中マイクロホン圧電振動子

Info

Publication number: JP2006229649A
Application number: JP2005041685A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Moriya; 隆彦森谷
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】高効率で信頼性の高い空中マイクロホン圧電振動子を提供すること。
【解決手段】円筒状又は円環状の圧電振動子７の超音波放射面と超音波伝達物質としての空気との間に、密度（０．５〜１．５）×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速（１０００〜２０００）ｍ／ｓの材料からなる音響インピーダンスの整合層８が固着されてなる圧電振動素子を用い、その圧電振動素子の内側に位相調整用イコライザを配設し、その外側にホーン状反射板を配設した空中マイクロホン圧電振動子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間の超音波伝達物質内を伝搬する超音波を送受信し、その空間内に有る物質の検知あるいは目的物との距離の測定などに好適な空中マイクロホン圧電振動子に関する。

この種の空中マイクロホン振動子としては、交通制御等の車両位置感知あるいは、車両のバックソナーなどに使用されている。これらの空中マイクロホンは超音波を有効に使用するため、図３に断面図で示す様な空中マイクロホンの構造が知られている。同図において、１は圧電振動子、２はホーン、３はイコライザである。また図４に断面図で示す様なバックソナーの構造も知られている。同図において、４は圧電振動子、５はケース、６は音響整合体である。

また、特許文献１には、２種類の音響整合層を用い、多重反射を軽減し、Ｓ／Ｎ比の向上を図り、余分な音波吸収材を不要にした超音波センサが開示され、特許文献２には特性が均一で一対での使用に適した超音波送受波器の例が開示されている。

特開２００４−２６４２２１号公報特開２００４−２８６７６３号公報

図３の様な空中マイクロホンの構造や、図４の様なバックソナーの構造により、効率の良い超音波の使用を行っているが、一般に超音波送受波器での超音波の出力効率は低い状態に留まっている。

図５は従来の空中マイクロホン圧電振動子の入力電力に対する圧電振動子表面の温度上昇のグラフであり、必要とする超音波出力を得るために、圧電振動子の入力電力を上げて、非効率的に使用する結果、圧電振動子表面の温度上昇が大きくなっている。

すなわち必要とする超音波出力を得るためには多大な電源入力が必要となり、圧電振動子に大きな熱負荷がかかった状態で、この出力を得ており、圧電振動子の寿命を短くさせる一因となっているた。それゆえ圧電セラミクスの破損や無理な入力電力による電気端子の破損などが発生することがあり、信頼性の面で問題があった。

この状況にあって、本発明の課題は、高効率で信頼性の高い空中マイクロホン圧電振動子を提供することにある。

本発明の空中マイクロホン圧電振動子は、円筒状又は円環状の圧電振動子と、前記圧電振動子の内側に配設された位相調整用イコライザと、前記圧電振動子の外側に配設されたホーン状反射板とを備える空中マイクロホン圧電振動子において、前記圧電振動子の超音波放射面と超音波伝達物質としての空気との間に密度（０．５〜１．５）×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速（１０００〜２０００）ｍ／ｓの材料からなる音響整合層を有することを特徴とする。

一般によく用いられているジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミクスの音響インピーダンスｚ_１は材料の音速（ｃ_１＝３２００ｍ／ｓ）と密度（ρ_１＝７．８×１０^３ｋｇ／ｍ^３）の積で表され、その音響インピーダンスｚ_１＝ｃ_１ρ_１＝２４．９６×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３となる。

また、超音波伝達物質が空気の場合の音響インピーダンスｚ_３は、空気の音速（ｃ_３＝３４０ｍ／ｓ）と密度（ρ_３＝１．２ｋｇ／ｍ^３）の積であり、この値はｚ_３＝ｃ_３ρ_３＝４０８Ｎ・ｓ・ｍ^−３となる。

ここで超音波の透過率（Ｔ_Ｉ）はパワー密度に対して、Ｔ_Ｉ＝（透過平面波パワー密度）／（入射平面波パワー密度）＝（４ｚ₁・ｚ₃）／（ｚ_１＋ｚ₃)²で表され、圧電セラミクスで発生した超音波はこのＴ_Ｉ分だけ超音波伝達物質へと発せられる。

ここで圧電セラミクスと空気（媒質）の固有音響インピーダンスには６万倍の違いがあり、入力されたパワーに対して−４２ｄＢ程度のパワーしか空気中に放出されないことが解る。

それに対して、圧電セラミクスと空気との間に音響インピーダンスを整合するための媒質を介在させることで−３７ｄＢ程度まで空気中に放出するパワーを上げることが可能となる。

本発明によれば、圧電セラミクスと空気との間に音響インピーダンスを整合するための媒質を介在させることで、圧電セラミクスに入力する電気エネルギーが低減され、発熱を低減し効率よく空気中に超音波が伝搬され、信頼性の高い空中マイクロホン圧電振動子の提供が可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。図３の様に、反射板としてのホーン２に円筒状の圧電振動子１と位相調整用のイコライザ３を取り付けて、圧電振動子１から発生する超音波をホーン２とイコライザ３にて音波方向を制御し、超音波の送受波ならびに指向性の特性を得る。このホーン２とイコライザ３は従来技術と同様に作製する。

図１は本発明で使用される整合層を固着した圧電振動子の構造を示し、図１（ａ）は円筒の中心線を含む切断面による断面図であり、図１（ｂ）は円筒の中心線に垂直な切断面による断面図である。同図において、７は圧電セラミクスに電極を形成してなる圧電振動子、８は整合層である。この圧電振動子を、図３の圧電振動子１の超音波放射面に整合層を固着させた構成で使用して、本発明の空中マイクロホン圧電振動子を得る。

図２は従来と本発明における空中マイクロホン圧電振動子の入力電力に対する減衰量のグラフであり、従来と本発明の整合層を固着した圧電振動子を比較すると、同じ入力電力に対して、超音波の透過率はパワー密度で５ｄＢの改善効果が得られる。

一般に、圧電セラミクス、整合層、空気の音響インピーダンスを、それぞれ、ｚ_１、ｚ_２、ｚ_３とするとき、圧電セラミクスから整合層を経て空気に伝播する超音波の透過率Ｔ_Ｉ１２３はパワー密度に対して、Ｔ_Ｉ１２３＝（４ｚ_１・ｚ_２）／（ｚ_１＋ｚ_２)²×（４ｚ_２・ｚ_３）／（ｚ_２＋ｚ３）^２である。また、その透過量をｄＢ表記で示すと、α_１２３＝１０・ｌｏｇ１０（Ｔ_Ｉ１２３）となる。

たとえば整合層の密度ρ_２＝１．５×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速ｃ_２＝２０００ｍ／ｓのとき、整合層のインピーダンスｚ_２＝ρ_２ｃ_２＝３×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３であり、超音波パワー密度の透過率Ｔ_Ｉ１２３＝２．０３×１０^−４となり、ｄＢ表記では、α_１２３＝−３６．８ｄＢとなる。

また整合層の密度ρ_２＝０．５×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速ｃ_２＝１０００ｍ／ｓのとき、整合層のインピーダンスｚ_２＝ρ_２ｃ_２＝５×１０^５Ｎ・ｓ・ｍ^−３であり、超音波パワー密度の透過率Ｔ_Ｉ１２３＝２．５１×１０^−４となり、ｄＢ表記では、α_１２３＝−３６．０ｄＢとなる。

ところで、実際の整合層としては、密度（０．５〜１．５）×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速（１０００〜２０００）ｍ／ｓの材料が好ましい。

本発明の空中マイクロホン圧電振動子は、従来より５ｄＢ程度、効率が高められ、交通制御システムや障害物の検知、ロボット用センサなどへの利用が大きく期待できる。

本発明で使用する圧電振動子の構造を示し、図１（ａ）は円筒の中心線を含む切断面による断面図、図１（ｂ）は円筒の中心線に垂直な切断面による断面図。本発明と従来の空中マイクロホン圧電振動子の入力電力に対する減衰量を示す図。一般的な空中マイクロホン圧電振動子を示す断面図。従来のバックソナー用空中マイクロホン圧電振動子を示す断面図。従来の空中マイクロホン圧電振動子の入力電力に対する圧電振動子表面の温度上昇を示す図。

符号の説明

１，４，７圧電振動子
２ホーン
３イコライザ
５ケース
６音響整合体
８整合層

Claims

円筒状又は円環状の圧電振動子と、前記圧電振動子の内側に配設された位相調整用イコライザと、前記圧電振動子の外側に配設されたホーン状反射板とを備える空中マイクロホン圧電振動子において、前記圧電振動子の超音波放射面と超音波伝達物質としての空気との間に密度（０．５〜１．５）×１０^３ｋｇ／ｍ^３、音速（１０００〜２０００）ｍ／ｓの材料からなる音響整合層を有することを特徴とする空中マイクロホン圧電振動子。