JP2011211059A - 超音波発生器、超音波発生器の駆動方法及び超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子によって構成された超音波発生器およびその超音波発生器を使用している超音波センサにおいて、圧電素子の電極に高電圧を印加しても圧電素子が脱分極することがない超音波発生器および超音波センサを提供する。
【解決手段】積層あるいは単板の圧電素子１にて構成され、圧電素子１は正電極８から負電極９の方向へ分極されていて、圧電素子１の正電極８に交流電圧を印加することで駆動する超音波発生器において、圧電素子１の正電極８に印加する交流電圧に直流バイアス電圧を加えて印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピーカ等の音響機器、モータ等の駆動装置に主に使用され、圧電効果により超音波信号を発生する超音波発生器とその駆動方法、及びその超音波発生器を使用した
送信素子から送信され被検出体にて反射された超音波を受信素子により受信して検出する超音波センサに関する。

超音波発生器は交流電圧を印加することで超音波を発生する圧電素子によって構成されている。そして、超音波発生器を使用している超音波センサ（送信素子）は、被検出体に到達する音波の音圧を大きくするために、高電圧を圧電素子の電極に印加する必要がある。しかし、過大な高電圧を電極に印加したり、一定時間以上にて高電圧を印加することによって、圧電素子の分極特性が劣化して、圧電素子が脱分極を起こしてしまう。脱分極とは圧電素子の分極方向と反対方向に電圧を印加して増大させていくと、圧電素子固有の抗電圧に達したときに圧電素子の分極方向が反転してしまう現象である。このことにより圧電素子に高電圧を印加しても得られる出力は当初より減衰していき、この劣化した圧電素子を使用している超音波センサ（送信素子）から発生する音波の音圧も同様に減衰することになる。

このような圧電素子に高電圧を印加して分極特性が劣化する問題に対して、特許文献１では複数の圧電素子が配列されている超音波探触子において、電圧を印加する圧電素子をスイッチで切り替えたり、圧電素子に印加する入力電圧の印加時間、電圧値を状況に応じて調整する制御を制御回路が行っている。この制御回路は印加する圧電素子のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのスイッチも制御することで、過大に圧電素子に高電圧が印加されないようになっている。そして、保存部にて通算の通電時間、圧電素子を再分極させるまでの時間（圧電素子の使用限界期間）を予め設定しておき、圧電素子を再分極させるまでの時間を報知部にて報知している。

特開２００４−２３００３３

上記のように、従来は圧電素子の脱分極の問題に対して、圧電素子が脱分極して使用できなくなるまでの使用限界期間以内に新たな圧電素子に切り替えること、或いは圧電素子が脱分極して使用できなくなるまでに再分極することで対処していた。しかし、このような方法では圧電素子が脱分極することを防ぐことはできず、圧電素子が脱分極するまでの時間を延長しているに過ぎず、圧電素子の出力特性は徐々に劣化していた。そして、圧電素子の使用限界期間以内に圧電素子の交換、或いは圧電素子の再分極を行うことが必要なため、その為のコストが余分にかかることになる。更に引用文献１のように制御回路にて圧電素子の印加電圧、時間を制御したり、圧電素子を再分極させるまでの時間を報知部にて報知するシステムを採用すると、システムが大型化してしまい、コストが更に増大してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子によって構成された超音波発生器およびその超音波発生器を使用している超音波センサにおいて、圧電素子の電極に高電圧を印加しても圧電素子が脱分極することがない超音波発生器および超音波センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は外部電極である正電極から負電極の方向へ分極され、積層あるいは単板で構成された圧電素子の前記正電極に交流電圧を印加することで駆動する超音波発生器であり、前記正電極に印加する交流電圧に直流バイアス電圧を加えて印加することを特徴としている。

又、好適には前記圧電素子の前記正電極に印加した交流電圧に下記の式で表される直流バイアス電圧γを印加することを特徴としている。
γ＝（圧電素子に印加する交流印加電圧）／２＋β、
β＝（−１）×（圧電素子の安全電界強度）×（圧電素子の厚み）、
βは下限の定格電圧。

又、好適には外部電極である正電極から負電極の方向へ分極され、積層あるいは単板で構成された圧電素子の前記正電極に交流電圧を印加することで駆動する超音波発生器を備えた超音波センサであり、前記正電極に印加する交流電圧に直流バイアス電圧を加えて印加することを特徴としている。

本発明によれば、圧電素子の外部電極である正電極に高電圧を印加しても圧電素子が脱分極することがなくなるため、制御回路やシステム等を別途構成せずに出力音圧を大きくできる。

本発明の超音波発生器を使用した超音波センサの構成を示す概略図である。 （ａ）は従来の超音波発生器に交流電圧を印加した時の交流電圧と抗電圧を示した図である。（ｂ）は本発明の超音波発生器に交流電圧を印加した時の交流電圧と抗電圧を示した図である。 本発明の超音波センサに交流電圧を印加した時の交流電圧と出力音圧の関係を示した図である。

次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の超音波発生器を使用した超音波センサの構成を示す概略図である。超音波センサは、超音波発生器として圧電素子１を使用している。圧電素子１は圧電板と内部電極が交互に積層されて、素子の両端面に外部電極が形成されている積層型圧電アクチュエータおよび単板の圧電アクチュエータのいずれかによって構成されており、圧電素子１の一方の外部電極には正電極８が形成され、他方の外部電極には負電極９が形成されている。圧電素子１の負電極９はＧｎｄであり、ケース２に接地している。この圧電素子１の背面には緩衝材３が接しており、圧電素子１の振動を阻害しないようにフェルト等の弾性率が高い材料で構成されている。又、圧電素子１に交流電圧を印加するために図示しない外部電源の正極側から導線（６ａ）、負極側から導線（６ｂ）が形成され、導線（６ａ）は中継基板５の正極端子に接続され、導線（６ｂ）は中継基板５の負極端子に接続される。尚、導線（６ａ、６ｂ）にはＡＷＧ３０の銅線を用いている。そして、中継基板５の正極端子は導線（７ａ）に接続され、導線（７ａ）を介して圧電素子１の正電極８に接続される。一方、中継基板５の負極端子は導線（７ｂ）に接続され、導線（７ｂ）を介してケース２に接地している。尚、導線（７ａ、７ｂ）にはリッツ線（導体径０．０５ｍｍ×１２本の縒り線）等の細い導線を用いている。ここで導線（６ａ、６ｂ）と導線（７ａ、７ｂ）にて太さの異なる線を使用している理由は以下の通りである。直接に圧電素子１の正電極８に導線６を接続して交流電圧を印加すると、導線６が径が太い線である故に素子の大きさに対してハンダ付け面積が大きくなり、共振特性の劣化や素子の振動を抑制してしまう惧れがあり、また、導線（６ａ、６ｂ）を引っ張る力が働いた際に線が細い場合、断線してしまう恐れがあることからである。そして圧電素子１はケース２の内側端部に接置し、動かないように接着部材で保持させる。接着部材は嫌気性接着剤等が主に用いられる。ケース内部の空洞箇所は絶縁体である充填材４で埋めている。

図２は超音波発生器である圧電素子１に交流電圧を印加した時の交流電圧と抗電圧を示した図である。図２（ａ）は従来の超音波発生器に交流電圧を印加した時の交流電圧と抗電圧を示した図である。圧電素子１の正電極８にピィーク・トゥ・ピィーク電圧が１１３Ｖｐ−ｐで駆動周波数７０ｋＨｚの交流電圧を印加すると、抗電圧に達したので脱分極が発生した。ここで抗電圧とは圧電素子の分極の向きを逆転する電界の強さであり、圧電素子は抗電圧においては分極が徐々に解けるようになり、入力電圧に応じた出力特性を得ることが出来なくなる。尚、抗電圧は温度によって変動し、常温時の方が高温時よりも高い電界強度となる。その為、図２（ａ）では抗電圧に至る交流印加電圧の値をα（Ｖｐ−ｐ）とした。尚、常温時に圧電素子５ヶで検証実験を行ったところ、交流印加電圧１１３Ｖｐ−ｐ以上の電圧にて脱分極が発生している傾向にあったのでα＝１１３Ｖｐ−ｐとした。この時の抗電圧は、交流印加電圧１１３Ｖｐ−ｐの最低電圧Ａ点に該当する―５６．５Ｖである。

図２（ａ）のように圧電素子に脱分極が発生することは以下の実験にて実証した。圧電素子を図１で示した超音波センサに使用して、この超音波センサの出力音圧を測定した。ここで測定に使用した圧電素子は計５ケである。この圧電素子は外径寸法φ５．０×０．１５ｍｍのチタン酸ジルコン酸鉛からなる積層型圧電素子で、電極径φ４．０ｍｍ、圧電体１層の厚みが１５０μｍ、キュリー温度Ｔｃが１８０〜３２０℃のものである。超音波センサの出力音圧の測定には測定器として小野測器社製超音波計（マイクロホン：ＭＩ−１５３１、アンプ：ＡＵ−２２００）を使用し、常温下にて超音波センサとマイクロホンの距離を３０ｃｍ離し、周囲に反射物が無い状態にて測定した。

表１は圧電素子５ケを図１で示した超音波センサに使用して、圧電素子に交流電圧を印加して、超音波センサの出力音圧を測定したデータである。ここで、出力音圧は測定された値の範囲を記載している。表１では圧電素子の正電極に印加する交流印加電圧（駆動周波数７０ｋＨｚ）が１１３Ｖｐ−ｐにおいて出力音圧が最大値１０７〜１０８ｄＢになり、それ以上の印加電圧を印加すると出力音圧は減衰していく。このようにして圧電素子の正電極に印加した交流電圧値が１１３Ｖｐ−ｐ以上にて脱分極が始まること（抗電圧に至る交流印加電圧が１１３Ｖｐ−ｐであること）が実証できた。

一方、図２（ｂ）は本発明の超音波発生器に交流電圧を印加した時の交流電圧と抗電圧を示した図である。図２（ｂ）では圧電素子の正電極に直流バイアス電圧を掛けた上で、１６０Ｖｐ−ｐ、駆動周波数７０ｋＨｚの交流電圧を印加した。この時の直流バイアス電圧の値は以下のようにした。直流バイアス電圧をγ、下限の定格電圧をβとすると、γ＝（圧電素子に印加する交流印加電圧）／２＋β、ここで、β＝（−１）×（圧電素子の安全電界強度）×（圧電素子の厚み）である。尚、下限の定格電圧とは、圧電素子に印加する交流印加電圧において負の定格電圧で、且つ絶対に抗電圧に至ることがないことを過去の実験データから導き出した下限の定格電圧である。又、圧電素子の電界強度は圧電素子の材料、寸法によって値が規定される。尚、ここで用いる安全電界強度とは圧電素子を製品で使用する際に絶対に脱分極をしないように抗電界の１／３を安全電界強度として定義している。圧電素子の厚みは図１の圧電素子１の厚みを示すＨで表されるものである。圧電素子に印加する交流印加電圧は１６０Ｖｐ−ｐ、圧電素子の安全電界強度は１５０Ｖ／ｍｍ、圧電素子の厚みは０．１５ｍｍなので、β＝（−１）×（１５０Ｖ／ｍｍ）×（０．１５ｍｍ）＝−２２．５Ｖとなる。次に、この下限の定格電圧β（＝−２２．５Ｖ）を元に直流バイアス電圧γを求めると、γ＝（１６０Ｖｐ−ｐ）／２＋（−２２．５Ｖ）＝（８０Ｖ）＋（−２２．５Ｖ）＝５７．５Ｖとなる。このように圧電素子の正電極に直流バイアス電圧５７．５Ｖを掛けた上で１６０Ｖｐ−ｐ、駆動周波数７０ｋＨｚの交流電圧を印加して圧電素子が脱分極を発生しないようになるかを実証するために以下の実験を行った。

図２（ａ）の時と同様に５ケの圧電素子を図１で示した超音波センサに使用して、この超音波センサの出力音圧を測定した。ここで測定に使用した圧電素子の特性、測定器、測定条件は図２（ａ）のピィーク・トゥ・ピィーク電圧が１１３Ｖｐ−ｐの交流電圧を圧電素子の正電極に印加したのに対して、ピィーク・トゥ・ピィーク電圧が１６０Ｖｐ−ｐで駆動周波数７０ｋＨｚの交流電圧に直流バイアス電圧γ＝５７．５Ｖを加えた以外は全く同じ条件とした。

この実証試験で得られた結果を図３に示す。図３は本発明の超音波センサに交流電圧を印加した時の交流電圧と出力音圧の関係を示した図である。図３の実線がピィーク・トゥ・ピィーク電圧１６０Ｖｐ−ｐ（駆動周波数７０ｋＨｚ）の交流電圧に直流バイアス電圧γ＝５７．５Ｖを加えた信号を圧電素子の正電極に印加した場合を示していて、点線がピィーク・トゥ・ピィーク電圧１１３Ｖｐ−ｐ（駆動周波数７０ｋＨｚ）の交流電圧（直流バイアス電圧０Ｖ）を圧電素子の正電極に印加した場合を示している。ここで、図２（ｂ）のようにピィーク・トゥ・ピィーク電圧１６０Ｖｐ−ｐで駆動周波数７０ｋＨｚの交流電圧に直流バイアス電圧γ＝５７．５Ｖを加えた信号を圧電素子の正電極に印加した場合は、圧電素子が脱分極を発生せず、Ｃ点での最大出力音圧を約１１０ｄＢとすることができた。一方、図２（ａ）のようにピィーク・トゥ・ピィーク電圧が１１３Ｖｐ−ｐの交流電圧（直流バイアス電圧０Ｖ）の信号を圧電素子の正電極に印加した場合は脱分極が発生し、Ｂ点での最大出力音圧は約１０７ｄＢとなった。尚、直流バイアス電圧γ＝５７．５Ｖ以上であっても図３の実線と同じ実験結果となった。

これらの実験より、圧電素子の正電極に直流バイアス電圧を掛けた上で交流電圧を印加することによって圧電素子が脱分極を発生せず、更に圧電素子を用いた超音波センサの最大出力音圧を直流バイアス電圧を掛けなかった時に対して約√２倍にすることができるようになることが実証された。この時の直流バイアス電圧γは下限の定格電圧をβとすると、γ＝（圧電素子に印加する交流印加電圧）／２＋β、β＝（−１）×（圧電素子の安全電界強度）×（圧電素子の厚み）の式による導き出される電圧以上にすることが好適である。

以上のように圧電素子の正電極に印加する交流電圧において、直流バイアス電圧を交流電圧に加えて印加することにより、脱分極の発生を防ぐことができ、出力音圧を大きくできる音波発生器および超音波センサを実現することが可能となる。この圧電素子は積層型圧電素子に限らず、単板の圧電素子でも同様に直流バイアス電圧を交流電圧に加えて印加することにより、脱分極の発生を防ぐことができる。

１ 圧電素子
２ ケース
３ 緩衝材
４ 充填材
５ 中継基板
６ａ、６ｂ 導線
７ａ、７ｂ 導線
８ 正電極
９ 負電極

Claims (4)

1. 外部電極である正電極から負電極の方向へ分極され、積層あるいは単板で構成された圧電素子の前記正電極に交流電圧を印加することで駆動する超音波発生器であり、前記正電極に印加する交流電圧に直流バイアス電圧を加えて印加することを特徴とする超音波発生器。
2. 前記圧電素子の前記正電極に印加した交流電圧に下記の式で表される直流バイアス電圧γを印加することを特徴とする請求項１記載の超音波発生器。
   γ＝（圧電素子に印加する交流印加電圧）／２＋β、
   β＝（−１）×（圧電素子の安全電界強度）×（圧電素子の厚み）、
   βは下限の定格電圧。
3. 外部電極である正電極から負電極の方向へ分極され、積層あるいは単板で構成された圧電素子の前記正電極に交流電圧を印加することで駆動する超音波発生器を備えた超音波センサであり、前記正電極に印加する交流電圧に直流バイアス電圧を加えて印加することを特徴とする超音波センサ。
4. 外部電極である正電極から負電極の方向へ分極され、積層あるいは単板で構成された圧電素子の前記正電極に交流電圧に加えて直流バイアス電圧を印加することを特徴とする超音波発生器の駆動方法。

Images