JP2651140B2 - Aerial ultrasonic transducer - Google Patents
Aerial ultrasonic transducerInfo
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- ultrasonic transducer
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電振動子を使用した空中超音波トランスジ
ューサに関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an aerial ultrasonic transducer using a piezoelectric vibrator.
（従来技術） 一般に、空中超音波トランスジューサはコンベアライ
ン上を流れる製品の位置検出センサや自動車のバックセ
ンサ、あるいはカメラの焦点検出等種々の分野に利用さ
れている。(Prior Art) In general, an aerial ultrasonic transducer is used in various fields such as a position detection sensor for a product flowing on a conveyor line, a back sensor of an automobile, and a focus detection of a camera.
従来、この種の空中超音波トランスジューサとして
は、圧電振動子の広がり振動モードを利用した数100KHz
ないし数MHzの周波数帯で使用されるものがある。第４
図および第５図に夫々このような空中超音波トランスジ
ューサの２つの例の縦断面を示す。Conventionally, this type of aerial ultrasonic transducer has been used for several hundred KHz using the spread vibration mode of a piezoelectric vibrator.
Some are used in the frequency band of several MHz to several MHz. 4th
Figures and 5 show longitudinal sections of two examples of such an aerial ultrasonic transducer, respectively.
第４図の空中超音波トランスジューサは、円形の圧電
基板１が広がり振動を行なう圧電振動子２の一方の主面
に、この圧電振動子２の振動の空中への放射率を高める
ための1/4波長音響整合層３が接着され、この1/4波長音
響整合層３の周縁部に、上記圧電振動子２を取り囲むよ
うに、リング状の支持部材４を接合し、この支持部材４
にて全体を支持してなるオープンタイプのものである。
上記圧電振動子２はその圧電基板１の対向する両主表面
に電極５および６が形成され、これら電極５および６か
ら夫々リード線７および８が引き出されてなるものであ
る。The aerial ultrasonic transducer shown in FIG. 4 has a circular piezoelectric substrate 1 on one main surface of a piezoelectric vibrator 2 which spreads and vibrates to increase the emissivity of the vibration of the piezoelectric vibrator 2 into the air. A four-wavelength acoustic matching layer 3 is bonded, and a ring-shaped support member 4 is joined to the periphery of the quarter-wavelength acoustic matching layer 3 so as to surround the piezoelectric vibrator 2.
It is an open type that supports the whole.
The piezoelectric vibrator 2 has electrodes 5 and 6 formed on both opposing main surfaces of the piezoelectric substrate 1, and leads 7 and 8 are drawn out of the electrodes 5 and 6, respectively.
一方、第５図の空中超音波トランスジューサは、有底
の樹脂ケース11の内底面の中央部に、第４図と同様の圧
電振動子２を接着し、この樹脂ケース11の蓋部材12に設
けられた端子13および14に夫々圧電振動子２のリード線
７および８を半田付けした樹脂ケースタイプのものであ
る。この樹脂ケースタイプの空中超音波トランスジュー
サでは、樹脂ケース11がこの空中超音波トランスジュー
サの1/4波長音響整合層として機能している。On the other hand, the aerial ultrasonic transducer of FIG. 5 has the same piezoelectric vibrator 2 as that of FIG. 4 adhered to the center of the inner bottom surface of the bottomed resin case 11 and is provided on the lid member 12 of the resin case 11. This is a resin case type in which the lead wires 7 and 8 of the piezoelectric vibrator 2 are soldered to the terminals 13 and 14, respectively. In this resin case type aerial ultrasonic transducer, the resin case 11 functions as a 1/4 wavelength acoustic matching layer of the aerial ultrasonic transducer.
ところで、第４図のようなオープンタイプの空中超音
波トランスジューサでは、圧電振動子２が露出している
ので、空気中に多数のチリやホコリが浮遊していたり、
湿度が高い等の過酷な条件下では信頼性が低下し、使用
不能になるという問題があった。By the way, in the open-type aerial ultrasonic transducer as shown in FIG. 4, since the piezoelectric vibrator 2 is exposed, a lot of dust and dust are floating in the air.
Under severe conditions such as high humidity, there is a problem that the reliability is reduced and the device cannot be used.
また、第５図のような樹脂ケースタイプのものでは、
圧電振動子２の圧電基板１が広がり振動すると樹脂ケー
ス11も共振し、超音波が発射された後も樹脂ケース11の
振動が続く。この振動は圧電振動子２により送信リンギ
ングとしてキャッチされる。このため、第５図の空中超
音波トランスジューサにより近距離にある物体の位置測
定を行なう場合、上記空中超音波トランスジューサから
発射された超音波が上記物体に当たって反射し、再び、
上記空中超音波トランスジューサに戻って上記物体から
の反射波として受信される時点においても、上記送信リ
ンギングが持続していると、上記物体からの反射信号が
上記送信リンギングに埋もれてしまい、近距離にある物
体の位置検出ができないという問題があった。In the case of the resin case type as shown in FIG. 5,
When the piezoelectric substrate 1 of the piezoelectric vibrator 2 spreads and vibrates, the resin case 11 also resonates, and the vibration of the resin case 11 continues even after the ultrasonic wave is emitted. This vibration is caught by the piezoelectric vibrator 2 as transmission ringing. Therefore, when the position of an object at a short distance is measured by the aerial ultrasonic transducer shown in FIG. 5, the ultrasonic wave emitted from the aerial ultrasonic transducer collides with the object and is reflected.
Even at the time of being returned to the aerial ultrasonic transducer and being received as a reflected wave from the object, if the transmission ringing continues, the reflected signal from the object is buried in the transmission ringing, and the There is a problem that the position of a certain object cannot be detected.
（発明の目的） 本発明の目的は、物体の検出距離範囲が広く、構造が
簡単で信頼性が高い空中超音波トランスジューサを提供
することである。(Object of the Invention) An object of the present invention is to provide an aerial ultrasonic transducer having a wide detection range of an object, a simple structure, and high reliability.
（発明の構成） この種超音波トランスジューサでは、残響時間（送信
リンギング）特性は、圧電振動子の振動エネルギをいか
に拘束するかで決定される。圧電振動子を固定した音響
整合層は、厚み方向に振動するので、音響整合層を支持
する金属ケースの形状が音響整合層の振動にとって重要
である。(Constitution of the Invention) In this type of ultrasonic transducer, the reverberation time (transmission ringing) characteristic is determined by how the vibration energy of the piezoelectric vibrator is constrained. Since the acoustic matching layer to which the piezoelectric vibrator is fixed vibrates in the thickness direction, the shape of the metal case supporting the acoustic matching layer is important for the vibration of the acoustic matching layer.
かかる観点から、本件発明者は種々の金属ケースを作
製して、その残響時間を測定したところ、t/wが最も優
れたパラメータであることを見出し、本発明をなすに至
ったものである。t/wが小さすぎる、つまり、ｔがｗに
比して小さい場合には、音響整合層の振動エネルギを有
効に抑制することができない。一方、t/wが大きすぎる
と、金属のＱの高さが残響時間に悪影響を及ぼす。かか
る意味で、t/wには最適の範囲がある筈であり、実験の
結果、0.1＜t/w＜0.7の範囲で良好な結果、即ち残響時
間を１ミリ秒以下とすることができたものであります。From this viewpoint, the present inventor made various metal cases and measured the reverberation time. As a result, they found that t / w was the most excellent parameter, and came to the present invention. If t / w is too small, that is, if t is smaller than w, the vibration energy of the acoustic matching layer cannot be effectively suppressed. On the other hand, if t / w is too large, the height of the metal Q has an adverse effect on the reverberation time. In this sense, there should be an optimal range for t / w, and as a result of the experiment, good results were obtained in the range of 0.1 <t / w <0.7, that is, the reverberation time could be reduced to 1 ms or less. Things.
勿論、金属ケースの振動減衰特性は、用いる金属材料
によって異なり、使用周波数によっても異なる。この減
衰特性には、その金属の縦波伝播速度が関係するが、そ
の値はアルミニウムで6.000m/s、ステンレスで5.680m/
s、真ちゅうで4.600m/sであって、極端に違うものでは
なく、0.1＜t/w＜0.7の範囲に収まると考えることがで
きる。Of course, the vibration damping characteristics of the metal case differ depending on the metal material used, and also differ depending on the frequency used. This attenuation characteristic is related to the longitudinal wave propagation velocity of the metal, which is 6.000 m / s for aluminum and 5.680 m / s for stainless steel.
s, 4.600 m / s in brass, which is not extremely different and can be considered to be in the range of 0.1 <t / w <0.7.
ケースを金属以外の物質、例えば、樹脂で作製すると
剛性が低く、音響整合層の振動が漏れてしまう。振動漏
れを小さくするため、ケースを拘束すると、感度、指向
性等センサの特性が低下してしまう。つまり、金属ケー
スを用いた理由は、音響整合層による振動の抑制を図る
ためであり、一般に金属ケースは剛性が高いので、振動
漏れの防止に有効であるからである。If the case is made of a material other than metal, for example, a resin, the rigidity is low and vibration of the acoustic matching layer leaks. If the case is constrained to reduce vibration leakage, the characteristics of the sensor, such as sensitivity and directivity, will be reduced. That is, the reason why the metal case is used is to suppress the vibration by the acoustic matching layer, and the metal case is generally high in rigidity, which is effective for preventing vibration leakage.
即ち、本発明は、一端開口状の金属ケースの一端開口
部に圧電振動子が固定されてなる1/4波長音響整合層が
その周縁部にて接合固定され、上記金属ケースの1/4波
長音響整合層との接合面からそれに対向する上記金属ケ
ースの他端面までの寸法ｔと上記圧電振動子の直径ｗと
の比t/wが0.1＜t/w＜0.7であることを特徴とするもので
ある。上記比t/wが0.1と0.7の間の値を取るように、上
記寸法ｔと上記直径ｗを設定すれば、送信リンギングの
レベルが抑えられ、即ち残響時間が短くなり、近距離ま
で物体の位置を検出できるようになる。That is, according to the present invention, a quarter-wave acoustic matching layer in which a piezoelectric vibrator is fixed to one end opening of a metal case having an open end is fixedly joined at a peripheral portion thereof, and a quarter wavelength of the metal case is fixed. The ratio t / w between the dimension t from the joint surface with the acoustic matching layer to the other end surface of the metal case facing the same and the diameter w of the piezoelectric vibrator is 0.1 <t / w <0.7. Things. If the dimension t and the diameter w are set so that the ratio t / w takes a value between 0.1 and 0.7, the level of the transmission ringing is suppressed, that is, the reverberation time is shortened, and the distance of the object to a short distance is reduced. The position can be detected.
（発明の効果） 本発明によれば、短時間で送信リンギングのレベルが
小さくなるように金属ケースの寸法および圧電振動子の
直径を設定するようにして、音響整合層の振動を抑制す
るようにしたから、近距離にある物体からの反射波が送
信リンギングに埋もれることがなく、また、音響整合層
の無駄な振動を抑制することでサイドローブの発生を抑
制できるので超音波の指向性を向上することができ、従
って、近距離にある物体も高いS/N比と高い方位分解能
で検出することができる。また、本発明によれば、金属
ケースは一端開口状のもので、1/4波長音響整合板によ
り圧電振動子が金属ケース内に密閉されるので、厳しい
環境条件下においても使用することのできる信頼性の高
い空中超音波トランスジューサを得ることができる。(Effect of the Invention) According to the present invention, the dimensions of the metal case and the diameter of the piezoelectric vibrator are set so that the level of the transmission ringing is reduced in a short time, so that the vibration of the acoustic matching layer is suppressed. As a result, the reflected wave from an object at a short distance is not buried in the transmission ringing, and the generation of side lobes can be suppressed by suppressing unnecessary vibration of the acoustic matching layer, improving the directivity of ultrasonic waves. Therefore, an object at a short distance can be detected with a high S / N ratio and a high azimuth resolution. Further, according to the present invention, the metal case has an open end, and the piezoelectric vibrator is sealed in the metal case by the 1/4 wavelength acoustic matching plate, so that it can be used even under severe environmental conditions. A highly reliable aerial ultrasonic transducer can be obtained.
（実施例） 以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本発明に係る空中超音波トランスジューサの一実施例
の縦断面図および斜視図を夫々第１図および第２図に示
す。1 and 2 show a longitudinal sectional view and a perspective view, respectively, of an embodiment of an aerial ultrasonic transducer according to the present invention.
上記空中超音波トランスジューサは、圧電基板21の広
がり振動モードを利用する圧電振動子22と、この圧電振
動子22の上記圧電基板21の広がり振動の空中への放射率
を高めるための1/4波長音響整合層23と、一端開口状の
金属ケース24とからなる。The aerial ultrasonic transducer includes a piezoelectric vibrator 22 that uses a spread vibration mode of a piezoelectric substrate 21, and a 1/4 wavelength for increasing the emissivity of the spread vibration of the piezoelectric substrate 21 of the piezoelectric substrate 22 into the air. It comprises an acoustic matching layer 23 and a metal case 24 having an open end.
上記圧電振動子22は直径がｗの円形の圧電基板21の対
向する両主表面に夫々電極25および26を形成したもので
ある。上記圧電振動子22は、その電極25側にて、1/4波
長音響整合層23の一つの主表面のほぼ中央部に接着剤
（図示せず。）により接着される。The piezoelectric vibrator 22 has electrodes 25 and 26 formed on both opposing main surfaces of a circular piezoelectric substrate 21 having a diameter w. On the electrode 25 side, the piezoelectric vibrator 22 is bonded to a substantially central portion of one main surface of the quarter-wave acoustic matching layer 23 with an adhesive (not shown).
一方、上記1/4波長音響整合層23は、たとえばエポキ
シ樹脂に直径が10〜200μｍの中空のガラス玉を混入
し、直径がφ（》ｗ）で厚さがｘの円板状に成形したも
ので、その固有音響インピーダンスは、Ｚ＝0.1×106〜
2.5×106kg/m2・Ｓである。上記1/4波長音響整合層23
は、金属ケース24の開口部24aに嵌入される。On the other hand, the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23 is formed, for example, by mixing a hollow glass ball having a diameter of 10 to 200 [mu] m into an epoxy resin and molding it into a disk shape having a diameter of φ (>> w) and a thickness of x. And the specific acoustic impedance is Z = 0.1 × 10 6 to
It is 2.5 × 10 6 kg / m 2 · S. 1/4 wavelength acoustic matching layer 23
Is fitted into the opening 24a of the metal case 24.
上記金属ケース24は、アルミニウム、真ちゅうもしく
はステンレス等の金属材料からなる。上記金属ケース24
の開口部24aは、その内部に嵌入される上記1/4波長音響
整合層23の外周面との間にｇのギャップが形成されるよ
うに、（φ＋2g）の内径を有する。また、上記金属ケー
ス24の開口部24aの幅は上記1/4波長音響整合層23の厚さ
ｘと等しいか、やや大きくなっており、この開口部24a
を取り囲む壁24bが上記1/4波長音響整合層23の保護用ガ
ードとして機能している。The metal case 24 is made of a metal material such as aluminum, brass or stainless steel. Metal case 24 above
The opening 24a has an inner diameter of (φ + 2g) such that a gap of g is formed between the opening 24a and the outer peripheral surface of the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23 fitted therein. The width of the opening 24a of the metal case 24 is equal to or slightly larger than the thickness x of the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23.
The wall 24b surrounding the above functions as a protective guard for the quarter-wave acoustic matching layer 23.
上記開口部24aに続く金属ケース24の内部24cの内径
は、圧電振動子22の径ｗよりもやや大きく設定される。
すなわち、上記内部24cを取り囲む金属ケース24の側壁2
4dの厚みｙは、この側壁24dが圧電振動子22に接触しな
い範囲内の値に設定される。The inside diameter of the inside 24c of the metal case 24 following the opening 24a is set slightly larger than the diameter w of the piezoelectric vibrator 22.
That is, the side wall 2 of the metal case 24 surrounding the inside 24c
The thickness y of 4d is set to a value within a range where the side wall 24d does not contact the piezoelectric vibrator 22.
このような金属ケース24内の寸法設定により、金属ケ
ース24の内部24cと開口部24aとの間に段部24eが形成さ
れ、この段部24eに、上記開口部24aに圧電振動子22を金
属ケース24の内側に向けて嵌入された1/4波長音響整合
層23の周縁部が接着され、固定される。By setting the dimensions in the metal case 24, a step 24e is formed between the inside 24c of the metal case 24 and the opening 24a, and the piezoelectric vibrator 22 is formed in the step 24e in the opening 24a. The periphery of the quarter-wave acoustic matching layer 23 fitted toward the inside of the case 24 is adhered and fixed.
上記圧電振動子22の電極25および26には夫々リード線
27および28が接続され、これらリード線27および28は、
金属ケース24内にて、その底部を貫通する端子31および
32に夫々半田付けされる。これら端子31および32は、絶
縁性を有する樹脂29により金属ケース24の底部を貫通し
て固定されている。Lead wires are connected to the electrodes 25 and 26 of the piezoelectric vibrator 22, respectively.
27 and 28 are connected, and these leads 27 and 28
In the metal case 24, the terminal 31 penetrating the bottom thereof and
32 are soldered respectively. These terminals 31 and 32 are fixed by penetrating the bottom of the metal case 24 by a resin 29 having an insulating property.
以上に説明した構成を有する空中超音波トランスジュ
ーサにおいて、さらに、金属ケース24の上記段部24eか
ら金属ケース24の外底面までの距離ｔと、圧電振動子22
の直径ｗとの比が 0.1＜t/w＜0.7 の関係を満足するように、上記距離ｔと直径ｗの値が設
定される。In the aerial ultrasonic transducer having the above-described configuration, the distance t from the step 24e of the metal case 24 to the outer bottom surface of the metal case 24 and the piezoelectric vibrator 22
The distance t and the value of the diameter w are set so that the ratio of the diameter t to the diameter w satisfies the relationship of 0.1 <t / w <0.7.
これは、本願の発明者による上記空中超音波トランス
ジューサを使用した、送信リンギングに関する、次のよ
うな実験の結果に基づくものである。This is based on the result of the following experiment on transmission ringing using the above-described aerial ultrasonic transducer by the inventor of the present application.
すなわち、本願の発明者は、t/wが0,0.20,0.35,0.55,
0.62,0.7,0.82,0.86,1.0,1.05および1.20のサンプルを
作り、40デシベル降下リンギング時間を測定したとこ
ろ、第３図において曲線ｈで示すような結果を得た。な
お、t/w＝０は金属ケース24を取り付けない場合であ
る。この第３図において、横軸はt/wであり、縦軸は40
デシベル降下リンギング時間（ms）である。That is, the inventor of the present application has t / w of 0, 0.20, 0.35, 0.55,
Samples of 0.62, 0.7, 0.82, 0.86, 1.0, 1.05 and 1.20 were prepared, and the ringing time of the 40 dB fall was measured. As a result, a result as shown by a curve h in FIG. 3 was obtained. Note that t / w = 0 is a case where the metal case 24 is not attached. In FIG. 3, the horizontal axis is t / w, and the vertical axis is 40.
This is the decibel descent ringing time (ms).
上記第３図において、40デシベル降下リンギング時間
の最小値は約0.8msecである。この0.8msecに超音波が進
む距離は、音速を340m/secとすると、340×0.8×10-3≒
0.27mである。従って、このときの最小検出距離は上記
0.27mの1/2,すなわち13.5cm程度である。ところで、上
記最小検出距離は上記の13.5cmから15〜16cm程度あれば
実用上充分であると考えると、40デシベル降下リンギン
グ時間が0.8〜1.1msec程度の値となるようにすればよい
ことが分かる。In FIG. 3, the minimum value of the ringing time for the 40 dB descent is about 0.8 msec. The distance that the ultrasonic wave travels in 0.8 msec is 340 × 0.8 × 10 -3音, assuming that the sound speed is 340 m / sec.
0.27m. Therefore, the minimum detection distance at this time is
It is 1/2 of 0.27m, that is, about 13.5cm. By the way, if it is considered that the minimum detection distance is practically sufficient if the above-mentioned 13.5 cm is about 15 to 16 cm, it can be understood that the ringing time of the 40 dB descent should be set to a value of about 0.8 to 1.1 msec. .
従って、40デシベル降下リンギング時間が0.8〜1.1ms
ecとなるようにするには、上記比t/wの値を、第３図か
ら、0.1＜t/w＜0.7の範囲に設定すればよいことが分か
る。Therefore, 40 dB descent ringing time is 0.8-1.1ms
It can be seen from FIG. 3 that the value of the ratio t / w should be set in the range of 0.1 <t / w <0.7 in order to achieve ec.
なお、上記実施例において、1/4波長音響整合層23と
金属ケース24の開口部24aとの間のギャップｇには何も
充填されていない無負荷状態が理想であるが、さらに物
体の検出距離を小さくしたい場合や機械的強度を上げた
い場合は、上記ギャップｇにシリコンゴムやエポキシ等
を充填してもよい。In the above embodiment, it is ideal that the gap g between the quarter-wavelength acoustic matching layer 23 and the opening 24a of the metal case 24 is not filled with any load. To reduce the distance or increase the mechanical strength, the gap g may be filled with silicone rubber, epoxy, or the like.
第１図は本発明に係る空中超音波トランスジューサの一
実施例の縦断面図、 第２図は第１図の空中超音波トランスジューサの斜視
図、 第３図は第１図の空中超音波トランスジューサの40デシ
ベル降下リンギング時間の測定結果を示す説明図、 第４図および第５図は夫々従来の空中超音波トランスジ
ューサの縦断面図である。 21……圧電基板、22……圧電振動子、23……1/4波長音
響整合層、 24……金属ケース（24a…開口）。1 is a longitudinal sectional view of one embodiment of an aerial ultrasonic transducer according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view of the aerial ultrasonic transducer of FIG. 1, and FIG. 3 is a view of the aerial ultrasonic transducer of FIG. FIGS. 4 and 5 are longitudinal sectional views of a conventional airborne ultrasonic transducer, respectively, showing the measurement results of the 40 dB descent ringing time. 21: piezoelectric substrate, 22: piezoelectric vibrator, 23: quarter-wave acoustic matching layer, 24: metal case (24a: opening).
Claims (1)
する圧電振動子と、 この圧電振動子が一つの主表面のほぼ中央部に密着して
固定される平板状の1/4波長音響整合層と、 この1/4波長音響整合層が上記圧電振動子を内側にして
上記一つの主面の周縁部にて一端開口部に固定される一
端開口状の金属ケースとからなり、 この金属ケースの上記1/4波長音響整合層との接合面か
らそれに対向する上記金属ケースの他端面までの寸法ｔ
と上記圧電振動子の直径ｗとの比t/wが 0.1＜t/w＜0.7 となっていることを特徴とする空中超音波トランスジュ
ーサ。1. A piezoelectric vibrator utilizing a spread vibration mode of a circular piezoelectric substrate, and a flat quarter-wave acoustic matching plate in which the piezoelectric vibrator is fixed in close contact with a substantially central portion of one main surface. And a one-sided open metal case in which the quarter-wave acoustic matching layer is fixed to the one-sided opening at the periphery of the one main surface with the piezoelectric vibrator inside. Dimension t from the joint surface with the 1/4 wavelength acoustic matching layer to the other end surface of the metal case opposed thereto.
An aerial ultrasonic transducer, wherein a ratio t / w between the piezoelectric vibrator and the diameter w of the piezoelectric vibrator is 0.1 <t / w <0.7.
Priority Applications (1)
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| JP61168788A JP2651140B2 (en) | 1986-07-16 | 1986-07-16 | Aerial ultrasonic transducer |
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ID=15874480
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| JP61168788A Expired - Lifetime JP2651140B2 (en) | 1986-07-16 | 1986-07-16 | Aerial ultrasonic transducer |
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1986
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6324799A (en) | 1988-02-02 |
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