JP3010242B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、距離計や人体を含む各
種障害物等の検知器等として超音波の送受波を行うのに
適用される超音波振動子の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の超音波振動子としては、
例えば図４に示すような構造のものが存在する。同図に
示すものは、金属製の振動板６ｅの背面側に圧電素子５
ｅを貼り合わせた状態に設けたもので、圧電素子５ｅに
対してそのリード線９ｅ、９ｅを介して電圧を印加する
ことにより振動板６ｅを振動させて超音波を発生させ、
また測距対象物から反射してくる超音波を受波すること
により生じる振動板６ｅの振動を圧電素子５ｅで電気信
号に変換して出力できるようにしたものである。尚同図
中、７ｅは共振子である。このような構造の超音波振動
子において、超音波の発生後に対象物から反射されてく
る超音波を振動板６ｅで適切に受波させて検出させるに
は、かかる受波の開始時期までに振動板６ｅの振動を減
衰させ、超音波発生後の残響を解消させておく必要があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おいては、振動板６ｅとして、単なる平板状の金属製部
材を用いていたに過ぎないために、振動板６ｅの振動の
立上りや立下りが遅く、圧電素子５ｅへの電圧印加を停
止しても、直ちにその振動は停止されず、その残響時間
が比較的長くなっていた。その結果、従来では、超音波
の送波時から受波時までの時間が短い短距離の測距を行
う場合にあっては、超音波発生後の残響中に超音波を受
波するような事態を生じ、これでは反射波を正確に検出
させることができず、測距や障害物検知等を高精度で行
えないという難点が生じていた。また、短距離の測距等
に際しては、超音波を発生し出力させるのに要する送波
時間も短くする必要があるが、振動板６ｅの振動の立上
りが遅い従来にあっては、やはり送波時間も長引くもの
となっており、この点においても短距離の測距等を行う
上で、改善すべき余地があった。

【０００４】本発明は上記の点に鑑みて提案されたもの
で、振動板の振動の立上りや立下りを迅速に行わせて超
音波出力後の残響時間の短縮化や送波時間の短縮化を図
り、短距離の測距用途等に適切に使用することができる
超音波振動子を提供することを、その目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に提案された本発明に係る超音波振動子は、超音波を発
生させる振動と超音波の受波による振動とを行わせるた
めの振動板の外周に、弾性部材からなるリング体が設け
られた構成である。

【０００６】

【作用】上記構成を特徴とする本発明に係る超音波振動
子においては、振動板が振動する際に最も振幅が大きく
なる振動板の外周位置に、振動の減衰効果を発揮する弾
性部材からなるリング体が設けられていることにより、
振動板の振動時における振幅が小さくなる。従って、振
動板を振動させて超音波を発生させた後の振動の減衰
は、振動板の振幅が小さくなった分だけ迅速に行われ、
その残響時間が短縮化されることとなる。また、同様
に、振動板の振幅が減少することにより、振動板の振動
の立上り時間も短縮されることとなる。尚、本発明で
は、上記の作用が得られるばかりではなく、振動板の振
動によって発生される超音波の帯域幅が拡大されるとい
う予期せぬ作用も得られるが、これは以下に説明する実
施例のデータからも明らかであろう。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１は、本発明を開放型超音波振動子と
して構成した場合の一例を示す断面構造図である。同図
に示す開放型超音波振動子は、上部に保護用金網１を取
付けた開口部２を有するハウジングケース３の底部に、
支持台４を設け、この支持台４の上側に、順次、圧電素
子５、振動板６、及び共振子７等を一連に設けて構成さ
れたものである。これらのうち、圧電素子５は、支持台
４上に弾性接着剤８を介して接着されて載設されてお
り、また圧電素子５のリード線９、９はハウジングケー
ス３の底部に貫通された端子１０、１０に接続されてい
る。かかる構造により、圧電素子５に対するトーンバー
スト波の電圧印加が端子１０、１０から行えるととも
に、振動板６の振動に基づく圧電素子５からの電気信号
を端子１０、１０から外部へ出力させることができる。

【０００８】振動板６は、平板状の金属製部材からなる
もので、その背面側には圧電素子５が張り合わされた状
態に接着されているが、その外周には、振動板６に対し
て非共振系となるシリコンゴム等の弾性部材で形成され
たリング体１１が嵌合装着により又は接着により取付け
られている。共振子７は、振動板６と共振するように振
動板６の上面側の略中央部に接着剤１２を介して固着さ
れたものである。

【０００９】次に、上記構成の開放型超音波振動子の作
用について説明する。先ず、端子１０、１０の両者間に
駆動信号としての電力を供給し、圧電素子５に電圧を印
加させると、この圧電素子５が振動板６及び共振子７を
振動させ、かかる振動板６の振動により超音波が発生さ
れて、開口部２からその前方（図面では上方）へ送波さ
れる。かかる場合において、振動板６に設けられたリン
グ体１１は緩衝機能を発揮する弾性部材で構成されてい
るために、共振子７のような振動板６に対する共振系に
はならず、振動板６の振幅を小さくし、減衰させる作用
を発揮する。特に、このリング体１１は、振動板６の最
も大きな振幅となる振動板６の外周位置に設けられてい
ることにより、その減衰効果が一層効率よく発揮され
る。従って、圧電素子５への電圧印加により発生する振
動板６の振動の立上りは迅速に行われて、超音波の送波
時間の短縮が図れる。また、圧電素子５への電圧印加を
停止した後にあっては、振動板６の振動が短時間で減衰
して停止し、残響時間の短縮化が図れる。

【００１０】圧電素子５への電圧印加の停止後には、先
に送波された超音波が測距対象物に反射され、この反射
された超音波が共振子７を介して振動板６で受波され
て、振動板６が振動し、この振動が圧電素子５からの所
定の信号（電圧信号）として、端子１０、１０から取り
出すことができる。この場合、測距対象物までの距離が
短距離であると、超音波送波時から反射波の受波までの
時間も短時間となるが、上記振動板６はリング体１１の
減衰作用により、短時間でその振動停止が図られている
から、反射波の受波を超音波出力時の残響の無い状態で
開始することができる。従って、短距離の測距対象物で
あってもその測距が正確に行える。

【００１１】図２は、残響時間の比較を示す実験データ
の一例を示す図で、同図（ａ）はリング体１１を有しな
い振動板６を用いた従来例のもの、同図（ｂ）はリング
体１１を備えた振動板６を用いた本発明に係る超音波振
動子によるものである。同図の（ａ）、（ｂ）は、超音
波振動が充分に立上るだけの電圧印加を同一時間だけ行
ったときの電圧レベルの経時変化状態を示しているが、
（ａ）の従来例に比較し、（ｂ）の本発明では残響時間
がかなり短縮されている。本件発明者が様々な条件で実
験を重ねた結果、本発明では、従来に比較して、残響時
間を約１０パーセント前後の割合で短縮できることを確
認した。

【００１２】図３は、周波数と出力音圧レベルとの関係
を示す実験データの図で、本発明に係る場合では、弾性
部材のリング体１１を有しない従来のものに比較する
と、その帯域幅が拡大されるという特性が得られること
となった。かかる帯域幅の拡大は、弾性部材のリング体
１１を設けた効果によるものと考えられる。従って、本
発明では、出力される超音波の周波数が出力音圧の最大
レベルとなる周波数域（例えば４０ＫＨｚ）とは多少ず
れを生じたような場合であっても、従来に比較すると、
出力音圧の低下はかなり少なくなる。

【００１３】尚、上記実施例では、圧電素子５を用いた
圧電型の超音波振動子を一例として説明したが、本発明
はこれに限定されない。請求項１記載の本発明において
は、圧電素子５に代えて、例えば電わい材料を使用した
タイプの超音波振動子に適用することも可能である。

【００１４】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明に係る超音波振動子によれば、振動板の外周に弾性部
材からなるリング体を設けたことにより、振動板の振幅
を小さくし、振動板の振動の立上りや立下りを迅速に行
わせることができ、超音波の送波時間の短縮化並びに残
響時間の短縮化が図れる。その結果、短距離の測距等を
行う場合であっても、超音波の発生出力後に短時間で反
射してくる超音波を残響の無い状態で適切に受波し、検
出することができて、短距離の測距等を従来よりも正確
に行うことができるという格別な効果が得られる。ま
た、振動板の振動の立上りが迅速に行われることによ
り、超音波発生に要する時間短縮も図られ、短距離の測
距等には一層好適となる利点も得られる。更に、本発明
によれば、上記した振動板の振動の立上り及び立下り時
間の短縮のみならず、出力音圧帯域幅を従来よりも拡大
できて、出力される超音波の周波数のずれに原因する感
度変化を少なくすることができ、超音波の検知能力の安
定化も図れるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波振動子の構造の一例を示す
断面図。

【図２】本発明と従来例との残響時間の比較を示す説明
図。

【図３】本発明と従来例との出力音圧レベルと周波数と
の相関関係を示す説明図。

【図４】従来の超音波振動子の概略構造を示す説明図。

【符号の説明】

２ 開口部 ３ ハウジングケース ４ 支持台 ５ 圧電素子 ６ 振動板 ７ 共振子 ９，９ リード線 １１ リング体

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波を発生させる振動と超音波の受波に
   よる振動とを行わせるための振動板の外周に、弾性部材
   からなるリング体が設けられていることを特徴とする超
   音波振動子。
2. 【請求項２】上記振動板は、その片面側に圧電素子を備
   え、この圧電素子への電圧印加により振動板が振動する
   とともに、超音波の受波による振動板の振動が圧電素子
   により電気信号に変換されて出力されるように構成され
   たものである請求項１に記載の超音波振動子。