JP2010252017A - Ultrasonic transmitter-receiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、魚群探知機用の水中超音波センサや空中超音波センサなど、液中や空中での超音波の送波と受波を行う、超音波送受装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transmission / reception apparatus that transmits and receives ultrasonic waves in a liquid or in the air, such as an underwater ultrasonic sensor or an aerial ultrasonic sensor for a fish finder.
従来より、自身で超音波の送波と受波とを行う超音波センサが知られている(特許文献1参照)。 Conventionally, an ultrasonic sensor that transmits and receives ultrasonic waves by itself is known (see Patent Document 1).
しかしながら、この超音波センサでは、1つの圧電素子を、超音波の送波(超音波の発生)にも、受波(超音波を電圧信号に変換)にも用いる。このため、両方の特性のバランスを考慮して、圧電素子の寸法や特性を選択することとなり、十分な特性を得られていなかった。 However, in this ultrasonic sensor, one piezoelectric element is used for both the transmission of ultrasonic waves (generation of ultrasonic waves) and the reception of waves (converting ultrasonic waves into voltage signals). For this reason, the dimensions and characteristics of the piezoelectric element are selected in consideration of the balance of both characteristics, and sufficient characteristics cannot be obtained.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、超音波の送波と受波とを行う超音波送受波装置でありながら、送波特性も受波特性も良好な超音波送受波装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and is an ultrasonic transmission / reception apparatus that performs ultrasonic transmission and reception, but has excellent transmission characteristics and reception characteristics. The object is to provide a sound wave transmitting / receiving apparatus.
その一態様は、複数の送波用圧電素子と、複数の受波用圧電素子と、上記送波用圧電素子及び上記受波用圧電素子が固着された固着面、及び、超音波を送波及び受波する超音波送受波面を有し、上記送波用圧電素子で発生させた超音波を、上記固着面から上記超音波送受波面に伝えて、この超音波送受波面から放射させ、上記超音波送受波面に届いた超音波を、この上記超音波送受波面から上記固着面を通じて、上記受波用圧電素子に伝える超音波伝達部材と、を備える超音波送受波装置であって、複数の上記送波用圧電素子は、各々、上記固着面に直交する厚み方向の寸法が、上記固着面に平行な径方向の寸法よりも大きくされ、上記厚み方向に、所定周波数で機械的に共振する特性を有し、電気的に互いに並列に接続されてなり、複数の上記受波用圧電素子は、各々、上記厚み方向の寸法が、上記径方向の寸法よりも大きくされ、上記厚み方向に、上記所定周波数で機械的に反共振する特性を有し、電気的に互いに並列に接続されてなる超音波送受波装置である。 One aspect thereof includes a plurality of transmitting piezoelectric elements, a plurality of receiving piezoelectric elements, a fixing surface to which the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element are fixed, and transmitting ultrasonic waves. And an ultrasonic wave transmitting / receiving surface for receiving waves, and transmitting the ultrasonic wave generated by the piezoelectric element for wave transmission from the fixed surface to the ultrasonic wave transmitting / receiving surface, and radiating from the ultrasonic wave transmitting / receiving surface, An ultrasonic transmission / reception apparatus comprising: an ultrasonic transmission member that transmits ultrasonic waves that have arrived at the ultrasonic transmission / reception surface from the ultrasonic transmission / reception surface to the piezoelectric element for reception through the fixing surface, Each of the piezoelectric elements for wave transmission has a characteristic that the dimension in the thickness direction perpendicular to the fixing surface is larger than the dimension in the radial direction parallel to the fixing surface, and mechanically resonates at a predetermined frequency in the thickness direction. And electrically connected in parallel with each other, and a plurality of Each of the piezoelectric elements for receiving waves has a characteristic that the dimension in the thickness direction is larger than the dimension in the radial direction, and mechanically resonates at the predetermined frequency in the thickness direction. It is an ultrasonic transmission / reception apparatus connected in parallel with each other.
この超音波送受波装置では、複数の送波用圧電素子は、各々、固着面に直交する厚み方向の寸法が、固着面に平行な径方向の寸法よりも大きくされている。このため、所定周波数で、この送波用圧電素子を共振させた場合に、径方向に副共振などが生じにくく、厚み方向の共振を選択的に生じさせることができる。さらに、各々の送波用圧電素子が、電気的に互いに並列に接続されてなるので、複数の送波用圧電素子を同期して駆動して、複数の送波用圧電素子全体で、均一な厚み振動(超音波振動)を誘起して、径方向に均一な超音波を発生、放射することができる。
また、複数の受波用圧電素子も、各々、厚み方向の寸法が、径方向の寸法よりも大きくされている。このため、所定周波数で、この受波用圧電素子を反共振させた場合でも、径方向に副共振などが生じにくく、厚み方向の反共振を選択的に生じさせることができる。さらに、各々の受波用圧電素子が、電気的に互いに並列に接続されてなるので、複数の受波用圧電素子全体で、効果的に超音波を検知できる。
さらに、複数の送波用圧電素子は、所定周波数で、厚み方向の共振を生じる。一方、複数の受波用圧電素子は、これと同じ所定周波数で、厚み方向に反共振する。このため、この所定周波数で、インピーダンスの低い複数の送波用圧電素子を駆動することにより、振幅の大きな超音波を発生させることができる。その一方、反射波など、送波したのと同じ、所定周波数の超音波を、インピーダンスの高い複数の受波用圧電素子で、効果的に受波し、大きな超音波信号を得ることができる。
かくして、送波特性も受波特性も良好な超音波送受波装置を得ることができる。
In this ultrasonic transmission / reception device, the plurality of piezoelectric elements for transmission each have a dimension in the thickness direction perpendicular to the fixing surface larger than a dimension in the radial direction parallel to the fixing surface. For this reason, when this transmitting piezoelectric element is resonated at a predetermined frequency, sub-resonance and the like hardly occur in the radial direction, and resonance in the thickness direction can be selectively generated. Furthermore, since each of the piezoelectric elements for transmission is electrically connected in parallel with each other, the plurality of piezoelectric elements for transmission are driven in synchronization, and the entire plurality of piezoelectric elements for transmission are uniform. Thickness vibration (ultrasonic vibration) can be induced to generate and radiate uniform ultrasonic waves in the radial direction.
In addition, each of the plurality of receiving piezoelectric elements also has a dimension in the thickness direction larger than a dimension in the radial direction. For this reason, even when the receiving piezoelectric element is anti-resonated at a predetermined frequency, sub-resonance or the like hardly occurs in the radial direction, and anti-resonance in the thickness direction can be selectively generated. Furthermore, since each of the receiving piezoelectric elements is electrically connected in parallel with each other, the ultrasonic waves can be effectively detected by the plurality of receiving piezoelectric elements as a whole.
Furthermore, the plurality of piezoelectric elements for transmission generate resonance in the thickness direction at a predetermined frequency. On the other hand, the plurality of receiving piezoelectric elements are anti-resonant in the thickness direction at the same predetermined frequency. For this reason, it is possible to generate ultrasonic waves having a large amplitude by driving a plurality of low-impedance transmission piezoelectric elements at this predetermined frequency. On the other hand, a large ultrasonic signal can be obtained by effectively receiving ultrasonic waves of a predetermined frequency, such as reflected waves, with a plurality of receiving piezoelectric elements having high impedance.
Thus, it is possible to obtain an ultrasonic wave transmission / reception device having good transmission characteristics and reception characteristics.
なお、複数の送波用圧電素子は、各々、厚み方向の寸法が、径方向の寸法よりも大きくされ、厚み方向に、所定周波数で機械的に共振する特性を有していればよい。
また同様に、複数の受波用圧電素子も、各々、厚み方向の寸法が、径方向の寸法よりも大きくされ、厚み方向に、所定周波数で機械的に反共振する特性を有していればよい。
従って、各々の各送波用圧電素子、あるいは各々の各受波用圧電素子を、互いに独立に、プレス、焼成、分極等して製造しても良い。また、一旦、平板状の大型素子を作製し、切断後に分極して、あるいは、分極後に切断して、複数の送波用圧電素子を得ても良い。特に、大型素子を作成する後者の手法では、厚み方向寸法や特性が均一になりやすく好ましい。中でも、分極後に切断する場合には、分極を大型素子について行えばよいので、より製造が容易である。
Each of the plurality of piezoelectric elements for wave transmission only needs to have a characteristic that the dimension in the thickness direction is larger than the dimension in the radial direction and mechanically resonates at a predetermined frequency in the thickness direction.
Similarly, each of the plurality of receiving piezoelectric elements has a characteristic that the dimension in the thickness direction is larger than the dimension in the radial direction and mechanically resonates at a predetermined frequency in the thickness direction. Good.
Accordingly, each of the transmitting piezoelectric elements or each of the receiving piezoelectric elements may be manufactured independently of each other by pressing, firing, polarization, or the like. Alternatively, a plurality of piezoelectric elements for transmission may be obtained by once producing a flat large element and polarizing it after cutting or by cutting after polarization. In particular, the latter method of producing a large element is preferable because the thickness direction dimension and characteristics are likely to be uniform. In particular, in the case of cutting after polarization, the polarization can be performed on a large element, so that the manufacture is easier.
さらに、送波用圧電素子及び受波用圧電素子の材質としては、適宜の圧電セラミックスを用いることができ、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(ZrTi)O3)などの鉛系圧電セラミックス,チタン酸バリウム(BaTiO3),Bi0.5Na0.5TiO3(BNT),(1−x−y)(Bi0.5Na0.5)TiO3−xBaTiO3−y(Bi0.5Na0.5)(Mn1/3Nb2/3)O3(BNT−BT−BNMN)などの無鉛圧電セラミックスなどを用いることができる。
また、送波用圧電素子と受波用圧電素子とは、同じ材質の圧電セラミックスで構成しても良いし、異なる材質の圧電セラミックスを用いても良い。なお、同じ材質の圧電セラミックスを用いた場合には、送波用圧電素子の厚み方向寸法に比して、受波用圧電素子の厚み方向寸法が大きくなる。
Furthermore, suitable piezoelectric ceramics can be used as the material of the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element, such as lead titanate (PbTiO 3 ) and lead zirconate titanate (Pb (ZrTi) O 3 ). Lead-based piezoelectric ceramics, barium titanate (BaTiO 3 ), Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 (BNT), (1-xy) (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 —xBaTiO 3 —y (Bi 0.5 Na 0.5 ) Lead-free piezoelectric ceramics such as (Mn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 (BNT-BT-BNMN) can be used.
Further, the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element may be composed of piezoelectric ceramics of the same material, or piezoelectric ceramics of different materials may be used. When piezoelectric ceramics of the same material are used, the thickness direction dimension of the receiving piezoelectric element is larger than the thickness direction dimension of the transmitting piezoelectric element.
さらに、複数の送波用圧電素子と複数の受波用圧電素子の配置としては、送波用圧電素子同士を1個所に集めて配置する一方、受波用圧電素子同士を他の一個所に集めて配置すると、各素子の結線が容易となる。
一方、複数の送波用圧電素子と複数の受波用圧電素子とを混在させて配置しても良い。
Furthermore, as for the arrangement of the plurality of transmitting piezoelectric elements and the plurality of receiving piezoelectric elements, the transmitting piezoelectric elements are collected and arranged in one place, while the receiving piezoelectric elements are arranged in the other place. When they are collected and arranged, each element can be easily connected.
On the other hand, a plurality of piezoelectric elements for transmission and a plurality of piezoelectric elements for reception may be mixed.
また、各送波用圧電素子及び受波用圧電素子同士の間には、絶縁性で、柔らかいゴム弾性を有するあるいは発泡性の樹脂材を配置して、異物侵入や水分侵入による短絡等の不具合を防止すると良い。
さらに、送波用圧電素子と受波用圧電素子とは、固着面に固着された総面積で比較した場合に、同じであっても、一方が大きくても良い。従って、各素子の固着面積が同じである場合には、素子の数を同数としても良いし、一方が多くても良い。
また、超音波伝達部材の材質としては、金属、樹脂、ゴム等を用いることができ、その強度や使用環境、超音波を伝える媒体(水、空気など)及び圧電素子(送波用圧電素子、受波用圧電素子)の音響インピーダンス等を考慮して、選択すると良い。
Also, between each transmitting piezoelectric element and receiving piezoelectric element, an insulating, soft rubber elastic or foaming resin material is arranged, and there is a problem such as a short circuit due to intrusion of foreign matter or moisture. It is good to prevent.
Furthermore, the piezoelectric element for transmission and the piezoelectric element for reception may be the same or larger when compared with the total area fixed to the fixing surface. Therefore, when the fixing area of each element is the same, the number of elements may be the same, or one may be larger.
In addition, as a material of the ultrasonic transmission member, metal, resin, rubber, or the like can be used, and its strength and usage environment, medium for transmitting ultrasonic waves (water, air, etc.) and a piezoelectric element (a piezoelectric element for transmission, It may be selected in consideration of the acoustic impedance of the receiving piezoelectric element).
また、上述の超音波送受波装置であって、前記複数の受波用圧電素子を内側に、前記複数の送波用圧電素子を上記受波用圧電素子の外周を囲む形態に配置してなる超音波送受波装置とすると良い。 Further, in the above-described ultrasonic transmission / reception device, the plurality of reception piezoelectric elements are arranged inside, and the plurality of transmission piezoelectric elements are arranged so as to surround an outer periphery of the reception piezoelectric element. An ultrasonic transmission / reception device is preferable.
この超音波送受波装置では、リング状に配置した複数の送波用圧電素子で超音波を発生させ放射する。その一方、反射して戻った超音波を、送波用圧電素子の内側に集められた複数の受波用圧電素子で受波できるので、放射される超音波の放射方向と、受波できる超音波の方向とにずれが無く、自身が放射した超音波が反射して戻った超音波を、効果的に受波することができる。 In this ultrasonic wave transmitting / receiving apparatus, ultrasonic waves are generated and emitted by a plurality of transmitting piezoelectric elements arranged in a ring shape. On the other hand, since the reflected ultrasonic waves can be received by a plurality of receiving piezoelectric elements collected inside the transmitting piezoelectric element, the radiation direction of the emitted ultrasonic waves and the ultrasonic waves that can be received There is no deviation in the direction of the sound wave, and it is possible to effectively receive the ultrasonic wave reflected and returned by the ultrasonic wave radiated by itself.
なお、送波用圧電素子及び受波用圧電素子の形状は、固着面を平面視したとき、矩形となる形態とするのがよい。各素子を格子状に容易に配置できるからである。
特に、各送波用圧電素子及び受波用圧電素子が、同寸の正方形となる形態とするのがよい。各素子を格子状に容易に配置できる上、各素子間を密に配置できる利点がある。
The shape of the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element is preferably rectangular when the fixed surface is viewed in plan. This is because each element can be easily arranged in a grid pattern.
In particular, it is preferable that each transmitting piezoelectric element and receiving piezoelectric element have a square shape of the same size. Each element can be easily arranged in a lattice pattern, and there is an advantage that each element can be arranged densely.
(実施形態1)
第1の実施形態について、図1及び図2に示す構造の説明図を参照して説明する。
本実施形態の超音波センサ10は、金属からなる振動板11と、この振動板11に固着された、複数(4×4=16ヶ)の送波素子12,及び複数(4×4=16ヶ)の受波素子13からなる。
このうち、振動板11は、平板形状を有しており、一方の面(図1中、上面)が固着面11A、他方の面(図1中、下面)が超音波送受波面11Bである。このうち、固着面11Aには、送波素子12及び受波素子13が固着されている。また、超音波送受波面11Bは、水である媒体MDに接しており、送波超音波USSを媒体MD(水)中に放射し、また、媒体MD(水)中からの受波超音波USRを受ける。
(Embodiment 1)
1st Embodiment is described with reference to explanatory drawing of the structure shown in FIG.1 and FIG.2.
The
Among these, the
本実施形態1では、送波素子12は合計16ヶ有り、4段4列の格子状に配置されている。送波素子12は、互いに同形状の直方体形状であり、詳細には、超音波送波面12Aとこれに対向する裏面12Bとがそれぞれ正方形とされた、正四角柱形状とされている。この送波素子12は、圧電セラミックスからなる。
また、超音波送波面12Aには、全面に、焼き付け銀電極からなる送波側電極12Cが形成され、裏面12Bには、同じく全面に焼き付け銀電極からなる裏面側電極12Dが形成されている。この送波素子12は、図1中、上下方向である厚み方向TDに分極されている。
In the first embodiment, there are a total of 16
The
このため、この送波素子12は、送波側電極12Cと裏面側電極12Dとの間に交流電圧を印加すると、厚み方向に伸縮振動をする。この送波素子12の周波数−インピーダンス特性を、図3に示す。この送波素子12は、厚み方向振動に関し、共振周波数fsrで共振して大きく振動すると共に、そのインピーダンスが大きく低下する。一方、厚み方向振動に関し、反共振周波数fsaで反共振し、振動が最も小さくなると共に、そのインピーダンスが最も高くなる。
なお、この送波素子12は、その厚み方向TDの寸法、即ち、超音波送波面12Aと裏面12Bとの間の厚み方向寸法12Hは、径方向DD(固着面11Aに沿う方向)の寸法、即ち、径方向寸法12Jよりも、大きくされている。
このため、この送波素子12において、共振周波数fsrの付近には、径方向に共振したことによる副共振が存在しない。このため、図3に示すように、共振周波数fsr付近で、急峻にインピーダンスが低下する特性となっている。
For this reason, the
The
Therefore, in this
超音波送波面12A(送波側電極12C)が、図示しない接着剤で振動板11の固着面11Aに接着されることにより、各送波素子12が振動板11に固着されている。これと共に、送波側電極12Cが、振動板11に導通している。さらに、送波素子12同士の間には、柔軟なゴム状弾性を有する介在樹脂材14が充填されている。
The ultrasonic
一方、本実施形態1では、受波素子13も合計16ヶ有り、4段4列の格子状に配置されている。受波素子13も、互いに同形状の直方体形状であり、詳細には、超音波受波面13Aとこれに対向する裏面13Bとがそれぞれ正方形とされた、正四角柱形状とされている。しかも、超音波受波面13Aと裏面13Bは、送波素子12における、超音波送波面12A及び裏面12Bと、同寸法とされている。この受波素子13も、圧電セラミックスからなる。
また、超音波受波面13Aにも、全面に、焼き付け銀電極からなる受波側電極13Cが形成され、裏面13Bにも、同じく全面に焼き付け銀電極からなる裏面側電極13Dが形成されている。この受波素子13も、図1中、上下方向である厚み方向TDに分極されている。この受波素子13では、送波素子12よりも、その厚み方向TDの寸法、即ち、超音波受波面13Aと裏面13Bとの間の厚み方向寸法13Hが大きくされている(13H>12H)。
On the other hand, in the first embodiment, there are 16 receiving
The ultrasonic
このため、この受波素子13は、超音波振動を加え、厚み方向に伸縮振動をさせると、受波側電極13Cと裏面側電極13Dとの間に交流電圧が発生する。この受波素子13の周波数−インピーダンス特性についても、図3に示す。この受波素子13は、厚み方向振動に関し、共振周波数frrで共振して大きく振動するとともに、そのインピーダンスが大きく低下する。一方、厚み方向振動に関し、反共振周波数fraで反共振してその振動が最も小さくなると共に、そのインピーダンスが最も高くなる。
なお、この受波素子13も、その厚み方向TDの寸法、即ち、超音波受波面13Aと裏面13Bとの間の厚み方向寸法13Hは、径方向DD(固着面11Aに沿う方向)の寸法、即ち、径方向寸法13Jよりも、大きくされている。
このため、この受波素子12において、反共振周波数fraの付近に、径方向寸法に共振したことによる副共振が存在しない。このため、図3に示すように、反共振周波数fra付近で、急峻にインピーダンスが増加する特性となっている。
For this reason, when the
The receiving
For this reason, in this
超音波送波面13A(受波側電極13C)が、図示しない接着剤で振動板11の固着面11Aに接着されることにより、各受波素子13も送波素子12と同じ振動板11に固着されている。これと共に、受波側電極13Cが、振動板11に導通している。さらに、受波素子13同士の間にも、柔軟なゴム状弾性を有する介在樹脂材14が充填されている。
The ultrasonic
しかも、本実施形態1では、送波素子12の共振周波数fsrと、受波素子13の反共振周波数fraが等しくなるように、送波素子12の厚み方向寸法12Hと、受波素子13の厚み方向寸法13Hとを、調整してある。
Moreover, in the first embodiment, the
さらに、各送波素子12の裏面側電極12D同士は、送波側リード線15で並列にハンダ付けにより接続され、外部に取り出されている。同様に、各受波素子13の裏面側電極13D同士も、受波側リード線16で並列にハンダ付けにより接続され、外部に取り出されている。さらに、振動板11の固着面11Aにも、共通リード線17がハンダ付けされている(図1参照)。
Furthermore, the back
そこで、超音波電源PSから、本実施形態にかかる超音波センサ10に、具体的には、送波側リード線15と共通リード線17を通じて、並列に接続された各々の送波素子12に、その信号周波数FRを共振周波数fsrに一致させたバースト信号(間欠的な正弦電圧)SGSを印加する。すると、これらの送波素子12が互いに同期して、厚み方向TDに共振して伸縮し、超音波を発生する。この送波素子12で発生した超音波(送波超音波USS)は、固着面11Aから振動板11に伝えられ、さらに、超音波送受波面11Bから媒体MD中(水中)に放射される。この際、バースト信号SGSの信号周波数FRを、共振周波数fsrに一致させたので、インピーダンスの低い複数の送波用圧電素子を駆動することにより、振幅の大きな超音波(送波超音波USS)を発生させることができる。
Therefore, from the ultrasonic power source PS to the
16ヶ分の送波素子12と外形がほぼ同形状とした大型圧電素子を用いた場合には、その厚み方向振動のみならず、径方向振動も誘起されがちである。
これに対し、本実施形態では、前述したように、各々の送波素子12の共振周波数fsr付近の周波数特性が良好であり、径方向振動などの副共振が存在しない。厚み方向TDの共振を選択的に生じさせることができる。このため、各送波素子12の出力を合わせて、大きな振幅の超音波(送波超音波USS)を発生することができる。さらに、各々の送波素子12が、電気的に互いに並列に接続されてなるので、各送波素子12が同期して駆動して、複数の送波素子12全体で、径方向DDに均一な超音波を発生、放射することができる。
In the case of using a large piezoelectric element whose outer shape is substantially the same as that of the 16
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the frequency characteristics in the vicinity of the resonance frequency fsr of each
さて、放射された送波超音波USSが、障害物(たとえば、物体や魚群など)に当たると、一部の超音波が反射される。さらにその一部は、超音波センサ10に向けて戻る。戻った受波超音波USRは、超音波送受波面11Bから振動板11内に伝わり、その固着面11Aを経由して、受波素子13に伝えられる。
Now, when the emitted transmitted ultrasonic wave USS hits an obstacle (for example, an object or a school of fish), a part of the ultrasonic wave is reflected. Further, a part thereof returns toward the
すると、受波素子13には、受波超音波USR(超音波振動)により、電荷が発生する。そこで、この受波信号SGRを受信装置RCで受信することにより、受波超音波USRを検知できる。特に本実施形態では、受波超音波USRの周波数は、ちょうど、受波素子13の反共振周波数fraに相当している。このため、受波素子13のインピーダンスが、この受波超音波USRの周波数(反共振周波数fra)で最大となり、受波素子13には、大きな電圧の受波信号SGRが発生する。従って、高い感度で、受波超音波USRを検知できる。
特に、受波素子13も、各々、厚み方向の寸法が、径方向の寸法よりも大きくされているため、この受波素子13を反共振周波数で駆動した場合でも、径方向に副共振などが生じにくく、厚み方向の反共振を選択的に生じさせることができる。
さらに、各々の受波素子13を、電気的に互いに並列に接続していので、複数の受波素子13全体で、効果的に受波超音波USRを検知できる。
Then, electric charges are generated in the
In particular, each of the receiving
Furthermore, since each of the receiving
しかも、本実施形態1では、受波素子13の反共振周波数fraを、送波素子12の共振周波数fsrに一致させ、バースト信号SGSの周波数を、これらの周波数(共振周波数fsr、及び反共振周波数fra)としたので、送信素子12から、大きな振幅の送波超音波USSを発生させることができている上、受波素子13で高い感度で受波超音波USRを検知できるので、特に、良好な送受波特性の超音波センサ10とすることができる。
In addition, in the first embodiment, the anti-resonance frequency fr of the
次いで、本実施形態1に係る超音波センサ10の製造について説明する。
平行平板状の大型の圧電素子を、圧電セラミックスの粉末をプレスし、焼成後研磨して、形成する。その後、その平行な主面にそれぞれ銀ペーストを印刷、焼き付けして、焼
き付け銀電極を作成する。さらに、この銀電極を通じて、油中で直流電圧を印加し、大型の圧電素子を厚み方向に分極する。その後、これを切断して、複数の送波素子12を得た。受波素子13についても同様である。
Next, the manufacture of the
A large parallel plate-shaped piezoelectric element is formed by pressing a piezoelectric ceramic powder, firing and polishing. Thereafter, a silver paste is printed and baked on each of the parallel main surfaces to produce a baked silver electrode. Further, a DC voltage is applied in oil through the silver electrode to polarize the large piezoelectric element in the thickness direction. Then, this was cut | disconnected and the
但し、送波素子12を得る、分極後の大型の圧電素子における厚み方向の共振周波数fsrが、所定の値(信号周波数FR)に一致するように、その厚みを調整しておく。同様に、受波素子13を得る、分極後の大型の圧電素子における厚み方向の反共振周波数fraが、所定の値(信号周波数FR)に一致するように、その厚みを調整しておく。これにより、得られた送波素子12の共振周波数fsrと、受波素子13の反共振周波数fraを、何れも、信号周波数FRに等しくできる。
なお、送波素子12を構成する圧電セラミックスの材質と、受波素子13を構成する圧電セラミックスの材質とを、同じとしても良いし、互いに異なる材質としても良い。
However, the thickness is adjusted so that the resonance frequency fsr in the thickness direction of the large piezoelectric element after polarization that obtains the
The material of the piezoelectric ceramic constituting the
(実施形態2)
次いで、第2の実施形態について、図4,図5を参照して説明する。
なお、本実施形態2では、前述の実施形態1で用いたのと同じ送波素子12及び受波素子13を用いているが、その配置が異なる。
そこで、異なる部分を中心に説明し、同様な部分については、記載を省略あるいは簡略化する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
In the second embodiment, the same transmitting
Therefore, different parts will be mainly described, and description of similar parts will be omitted or simplified.
実施形態1の超音波センサ10(図1,図2参照)では、送波素子12及び受波素子13は、互いに別に集め、送波素子12同士、及び受波素子13同士で密集して配置した。
これに対し、本実施形態2の超音波センサ20では、送波素子12と受波素子13とを、混在して配置した。具体的には、図4,図5に示すように、平面視、正方形状の振動板21の固着面21Aの中央に、16ヶの受波素子13を4段4列の格子状に配置した。さらに、その周囲を、環状に配置した合計20ヶの送波素子12で囲んだ。これにより、合計36ヶの素子12,13を、6段6列の格子状に配置した。
In the
On the other hand, in the
送波素子12(送波側電極12C)は、実施形態1と同様、図示しない接着剤で振動板21の固着面21Aに接着されて、振動板21に固着されている。これと共に、送波側電極12Cが、振動板21に導通している。また、受波素子13(受波側電極13C)も、図示しない接着剤で振動板21の固着面21Aに接着されて、振動板21に固着されている。これと共に、受波側電極13Cが、振動板21に導通している。
Similarly to the first embodiment, the wave transmitting element 12 (the wave transmitting
さらに、実施形態1と同様、各送波素子12の裏面側電極12D同士は、送波側リード線25で並列にハンダ付けにより接続され、外部に取り出されている。同様に、各受波素子13の裏面側電極13D同士も、受波側リード線26で並列にハンダ付けにより接続され、外部に取り出されている。さらに、振動板21の固着面21Aにも、共通リード線27がハンダ付けされている(図5参照)。
また、各素子12,13の間には、実施形態1と同様、介在樹脂材14が充填されている。
なお、図5においては、送波素子12と受波素子13とを区別するため、送波素子12にハッチングを施して表示している。
Further, similarly to the first embodiment, the back
Further, the intervening
In FIG. 5, in order to distinguish between the transmitting
この超音波センサ20では、リング状に配置した複数の送波素子12で超音波(送波超音波USS)を発生させ放射する。その一方、反射して戻った超音波(受波超音波USR)を、送波素子12の内側に集められた複数の受波素子13で受波できる。このため、放射される送波超音波USSの放射方向と、受波できる受波超音波USRの方向とにずれが無く、自身が放射した送波超音波USSが反射して戻った受波超音波USRを、効果的に受波することができる。
In this
以上において、本発明を実施形態1,2に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態1,2では、送波素子12及び受波素子13を、平面視したとき、同寸の正方形となる、正四角柱の形状としたが、同寸、同形状としなくともよい。
また、各実施形態では、超音波センサ10,20を、振動板11(21)、送波素子12、受波素子13、介在樹脂材14、及びリード線15〜17(25〜27)からなるものとしたが、送波素子12,受波素子13等を、ケースで包囲する、さらには気密に包囲するなど、他の形態とすることもできる。
また、各実施形態では、振動板11(超音波伝達部材)の材質を、金属としたが、樹脂、ゴム等を選択することもできる。
In the above, the present invention has been described with reference to the first and second embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it can be applied as appropriate without departing from the scope of the present invention. Nor.
For example, in the first and second embodiments, the transmitting
In each embodiment, the
Moreover, in each embodiment, although the material of the diaphragm 11 (ultrasonic transmission member) was metal, resin, rubber | gum, etc. can also be selected.
10,20 超音波センサ(超音波送受波装置)
11,21 振動板(超音波伝達部材)
11A,21A 固着面
11B,21B 超音波送受波面
12 送波素子(送波用圧電素子)
12A 超音波送波面
12B 裏面
12C 送波側電極
12H (送波素子の)厚み方向寸法
12J (送波素子の)径方向寸法
13 受波素子(受波用圧電素子)
13A 超音波受波面
13B 裏面
13C 受波側電極
13D 裏面側電極
13H (受波素子の)厚み方向寸法
13J (受波素子の)径方向寸法
14 介在樹脂材
15,25 送波側リード線
16,26 受波側リード線
17,27 共通リード線
USS 送波超音波
USR 受波超音波
TD 厚み方向
DD 径方向
FR 信号周波数
MD 媒体
fsr (送波素子の厚み方向振動の)共振周波数
fra (受波素子の厚み方向振動の)反共振周波数
10,20 Ultrasonic sensor (Ultrasonic transducer)
11, 21 Diaphragm (Ultrasonic transmission member)
11A,
12A Ultrasonic
13A Ultrasonic
Claims (2)
複数の受波用圧電素子と、
上記送波用圧電素子及び上記受波用圧電素子が固着された固着面、及び、
超音波を送波及び受波する超音波送受波面を有し、
上記送波用圧電素子で発生させた超音波を、上記固着面から上記超音波送受波面に伝えて、この超音波送受波面から放射させ、
上記超音波送受波面に届いた超音波を、この上記超音波送受波面から上記固着面を通じて、上記受波用圧電素子に伝える
超音波伝達部材と、を備える
超音波送受波装置であって、
複数の上記送波用圧電素子は、
各々、上記固着面に直交する厚み方向の寸法が、上記固着面に平行な径方向の寸法よりも大きくされ、
上記厚み方向に、所定周波数で機械的に共振する特性を有し、
電気的に互いに並列に接続されてなり、
複数の上記受波用圧電素子は、
各々、上記厚み方向の寸法が、上記径方向の寸法よりも大きくされ、
上記厚み方向に、上記所定周波数で機械的に反共振する特性を有し、
電気的に互いに並列に接続されてなる
超音波送受波装置。 A plurality of piezoelectric elements for transmission;
A plurality of receiving piezoelectric elements;
A fixing surface to which the transmitting piezoelectric element and the receiving piezoelectric element are fixed; and
Has an ultrasonic wave transmitting / receiving surface for transmitting and receiving ultrasonic waves,
The ultrasonic wave generated by the piezoelectric element for transmission is transmitted from the fixed surface to the ultrasonic transmission / reception surface and radiated from the ultrasonic transmission / reception surface,
An ultrasonic transmission / reception device comprising: an ultrasonic transmission member that transmits ultrasonic waves that have reached the ultrasonic transmission / reception surface from the ultrasonic transmission / reception surface to the piezoelectric element for reception through the fixing surface,
The plurality of piezoelectric elements for transmission are
Each of the dimensions in the thickness direction orthogonal to the fixing surface is larger than the radial dimension parallel to the fixing surface,
In the thickness direction, has a characteristic of mechanical resonance at a predetermined frequency,
Electrically connected to each other in parallel,
The plurality of receiving piezoelectric elements are:
Each of the dimensions in the thickness direction is larger than the dimensions in the radial direction,
In the thickness direction, has a characteristic of mechanically anti-resonance at the predetermined frequency,
An ultrasonic transducer that is electrically connected to each other in parallel.
前記複数の受波用圧電素子を内側に、前記複数の送波用圧電素子を上記受波用圧電素子の外周を囲む形態に配置してなる
超音波送受波装置。 The ultrasonic transmission / reception device according to claim 1,
An ultrasonic wave transmitting / receiving apparatus in which the plurality of receiving piezoelectric elements are arranged inside and the plurality of transmitting piezoelectric elements are arranged so as to surround an outer periphery of the receiving piezoelectric element.
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