JP3291681B2 - 空中超音波送受波器 - Google Patents

空中超音波送受波器

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JP3291681B2
JP3291681B2 JP10593597A JP10593597A JP3291681B2 JP 3291681 B2 JP3291681 B2 JP 3291681B2 JP 10593597 A JP10593597 A JP 10593597A JP 10593597 A JP10593597 A JP 10593597A JP 3291681 B2 JP3291681 B2 JP 3291681B2
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哲男 吉田
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エヌイーシートーキン株式会社
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、駐車場における自
動車の有無の検出や玄関や廊下などでの人の検知などに
使用される空中超音波送受波器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1に従来一般に使用されている空中超
音波送受波器の構造断面図を示す。図6において、両面
に電極が形成され、厚さ方向に分極処理された圧電セラ
ミック円板1がこれより一回り直径の大きな金属板2に
接着されて圧電円板屈曲振動子を構成している。金属円
板2の中心にはアルミニム板を成形したロート(漏斗)
状の超音波の送波および受波の効率を高めるためのホー
ン3が接着されている。また、金属板2の裏側におい
て、屈曲振動子の節円の位置は、円筒状のホルダー4が
接着されている。さらに、これらの構造体が、超音波の
送波方向に開口部を有する円筒状のケース5に挿入され
ている。なお、開口部にはゴミの侵入を阻止するための
網6が設けられている。
【0003】ところで、この空中超音波送受波器は、水
中等で使用すると実質的に共振のQが数10程度まで低
下するため、共振を利用した送波と反共振を利用した受
波の効果が無くなるので、空中に限定している。
【0004】図1に示した従来の空中超音波送受波器に
おいて、ホーンを含めた圧電振動子の電気的等価回路
は、周知のように図2に示すような、静電容量Cd
R,L,C直列共振回路が並列に接続された2端子回路
で与えられる。図2の回路から、インピーダンスが最小
となる共振周波数fr とインピーダンスが最大となる反
共振周波数fa はそれぞれ数1で与えられる。
【0005】
【数1】
【0006】一般に、空中超音波送受波器においては、
送波時は駆動電圧が低くくても振動子に電気的パワーが
入力できるように、共振周波数fr で駆動されるが、受
波の時は、受波の時は、インピーダンスが高い反共振周
波数fa で受波すると受波感度を高くすることができ
る。従って、従来は、2個の空中超音波送受波器を用い
て、送波器の共振周波数fr を受波器の反共振周波数f
a に合わせるようにするか、あるいは1個の空中超音波
受波器を用いて、反共振周波数fa で送波し、物体から
の反射波を受波するようにしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、2個の空中超
音波送受波器を使用するのは、装置の形状が大きくなっ
たり、価格的にも高くなる欠点が有り、1個の空中超音
波送受波器の場合は、装置は小形になるが、インピーダ
ンスが高い反共振周波数fa で駆動するため、振動子に
必要な電気的パワーを入力するためには非常に高い電圧
(100V以上)が必要になり、駆動回路に昇圧用のト
ランスが必要となる欠点があった。
【0008】本発明の技術的課題(目的)は、1個の空
中超音波送受波器で、しかも10V程度の低電圧で駆動
が可能で昇圧用のトランスが不要の空中超音波送受波器
を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電屈
曲振動子を用い、この屈曲振動子の振動面を直接利用し
て空気中で超音波を放射・伝搬させ、この屈曲振動子の
振動振幅の大きな部分に音響インピーダンス整合用のホ
ーンを装着し、このホーンを介して空気中で超音波を放
射・伝搬する超音波を受波するように構成した空中超音
波送受波器において、該空中超音波送受波器の電気的等
価回路は、L,C,Rで表される直列共振回路の入出力
側の両端子と共通端子との間にほぼ等しい値の静電容量
d を持つキャパシタンスをそれぞれ並列に接続した対
称3端子回路で表されることを特徴とする空中超音波送
受波器が得られる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態による空中超
音波送受波器を説明する。本発明の特徴は、圧電材料単
体あるいは板状の圧電材料と金属板やセラミックス板な
どを接合して構成した圧電屈曲振動子を用いることであ
る。
【0011】この屈曲振動子の振動面を直接利用して空
気中へ超音波を放射したり、空中を伝搬する超音波を受
波するか、あるいはこの屈曲振動子の振動振幅の大きな
部分に音響インピーダンス整合用のホーンを装着し、こ
のホーンを介して空気中へ超音波を放射したり、空中を
伝搬する超音波を受波する。このように構成した空中超
音波送受波器は、空中超音波送受波器の電気的等価回路
がL,L,C,Rで表される直列共振回路の両側にほぼ
等しい値の静電容量Cd が並列に共通端子に接続された
対称3端子回路で表されることを特徴とする。圧電屈曲
振動子として、圧電セラミック矩形板の少なくとも一方
の面に、この圧電セラミック矩形板の長さ方向と平行な
交差指電極を、この圧電セラミック矩形板の幅方向の中
心線に対して対称に形成した対称3端子型圧電屈曲振動
子を用いたことを特徴とする。
【0012】また、圧電屈曲振動子として、金属あるい
はセラミックスからなる矩形板に両面に電極が形成さ
れ、厚さ方向に分極された圧電セラミックス矩形板を接
着し、接着面と反対側の面の電極をほぼ2等分に分離し
て構成した対称3端子型圧電屈曲振動子を用いても良
い。
【0013】なお、一方の端子と共通端子を送受波端子
とし、他方の端子を送波時には開放し、受波時にはその
端子を共通端子と短絡するように構成しても良い。
【0014】矩形板の場合の振動の節の位置は、一波長
共振の場合、両端部からおよそ全長の22.4%の位置
で、幅方向の線状になる。円板を使用した場合は、接着
される金属板と圧電セラミックス板の直径やそれぞれの
板厚寸法より異なる。一様な材質の円板の場合には、基
本の共振モードの時、直径が円板の約70%の節円とな
る。
【0015】本発明においては、空中超音波送受波器に
用いられる圧電振動子の等価回路が、もし空気とのイン
ピーダンス整合用のホーンが装着されている場合はその
ホーンを含めて、図3に示すようにL,C,Rで表され
る直列共振回路の両側にほぼ等しい値の静電容量Cd
並列に共通端子に接続された対称3端子回路で表される
ように構成することを基本としている。
【0016】図3において、−′を入力端子、−
′をコントロール端子とすると、−′を短絡した
場合の−′端子から見た共振周波数frsおよび反共
振周波数fasはそれぞれ数2で与えられる。
【0017】
【数2】
【0018】一方、−′を開放した場合の−′
端子から見た共振周波数froおよび反共振周波数fao
それぞれ数3で与えられる。
【0019】
【数3】
【0020】(2)および(3)式からわかるように、
図3において、−′端子を短絡した場合の−′
端子から見た反共振周波数fasは−′端子を開放し
た場合の−′端子から見た共振周波数froに等し
い。つまり、送波する時に−′端子を開放し、受波
する時に−′端子を短絡することにより、従来2個
の空中超音波送受波器を用いていたのと同じ様に、共振
周波数を低い駆動電圧で駆動し、同じ周波数をインピー
ダンスの高い反共振周波数として受波することができる
ことになる。
【0021】
【実施例】図4の本発明の一実施例の空中超音波送受波
器は、全体形状が略円筒状で、中に使用する対称3端子
型圧電屈曲振動子12は、圧電セラミック矩形板11を
備えている。この圧電セラミック矩形板11の一方の面
に交差指電極が、図1では、ハッチングを施して示すよ
うに、7本の帯状電極を互いに一つおきに接続され、こ
の圧電セラミック矩形板の幅方向の中心線に対して対称
に形成されており、それぞれの交差指電極の共通電極2
1,22および31,33の内の一方の共通電極21お
よび31は接続されて共通端子41に接続され、残りの
二つの共通電極22および32はそれぞれ入力端子42
およびコントロール端子43に接続されている。図4に
示した圧電振動子12において、交差指電極は一方の面
にだけ形成されており、圧電セラミック矩形板11はこ
の交差指電極を用いて分極されているため、分極時と同
じ電極を用いて駆動すると屈曲振動が励振される。さら
に交差指電極は、圧電セラミック矩形板11の幅方向の
中心線に対して対称に形成されており、それぞれの交差
指電極の共通電極21,22および31,32の内の一
方の共通電極21および31は接続されて共通端子41
に接続されているため、残りの二つの共通電極22およ
び32を入出力端子とする対称3端子型圧電振動子12
を構成している。実施例としては、振動子寸法:幅:6
mm、長さ:12mm、厚さ:1mm、電極寸法:電極
幅:0.4mm、電極の長さ:7.2mm、ギャップ
幅:0.4mmのとき、振動子特性に係る実測のインピ
ーダンス特性図を図4に示す。froとfasとがほぼ一致
する。
【0022】図5は、図4に示した対称3端子型圧電振
動子12を用いて構成した空中超音波送受波器の構造を
示す断面図である。図5に示すように対称3端子型圧電
振動子12は電極面を下側にしてその屈曲振動の節の位
置を軟弾性体からなるホルダー51に接着されている。
ホルダー51は入力およびコントロール用のリード端子
52,53,54が一体に成形されたステム55に接合
されている。入力およびコントロール用のリード端子5
2,53,54は、前記対称3端子型圧電振動子12の
それぞれ共通端子41、入力端子42およびコントロー
ル端子43とリード線で接続されている。さらに、対称
3端子型圧電振動子12の超音波の放射面中心には超音
波の送波および受波の効率を高めるためのアルミを成形
したロート状のホーン56が装着され、これらの構造体
が、超音波の送波方向に開口部を有する円筒状のケース
57に挿入されている。
【0023】図6は本発明の他の実施例の空中超音波送
受波器に用いられる対称3端子型圧電屈曲振動子60の
構造を示す斜視図である。金属矩形板61に両面に電極
が形成され、厚さ方向に分極された圧電セラミックス矩
形板62が接着されている。圧電セラミック板62の金
属板61との接合面側には全面電極65が形成されてい
る。圧電セラミックス矩形板62の金属矩形板61との
接着面と反対側の面の電極は二つの電極63および64
にほぼ2等分されている。図6に示した構造から容易に
理解されるように、この圧電屈曲振動子60は、金属矩
形板61を共通端子、表面の二つの二等分された電極を
それぞれ入出力端子とする対称3端子型振動子となる。
【0024】なお、以上の説明は、実施例として、空気
とのインピーダンス整合用のホーンを用いた例について
行ったが、ホーンを使用しない場合でも、ケースの開口
面のほぼ中央部に反射板を設置することによりホーンを
使用した場合とほぼ同等の効果が得られる。
【0025】
【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば、
対称3端子型圧電屈曲振動子を用いたため、コントロー
ル端子(出力端子)と共通端子を短絡あるいは開放とす
ることにより、開放時の共振周波数froと短絡時の反共
振周波数fasとをほぼ等しくすることが可能となり、そ
れにより、1個の圧電屈曲振動子を用い、低い電圧で駆
動が可能な空中超音波送受波器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による空中超音波送受波器に
使用される対称3端子型圧電屈曲振動子12の電極パタ
ーンを示す平面図である。
【図2】図1に示した対称3端子型圧電振動子12を用
いて構成された本発明の一実施例による空中超音波送受
波器の構造を示す断面図である。
【図3】本発明の他の一実施例による空中超音波送受波
器に用いられる対称3端子型圧電屈曲振動子60の構造
を示す斜視図である。
【図4】図1の振動子12に係る実測のインピーダンス
特性図である。
【図5】2端子型圧電振動子の電気的等価回路である。
【図6】対称3端子型圧電振動子の等価回路である。
【図7】従来の空中超音波送受波器の構造断面図であ
る。 1 圧電セラミック円板 2 金属円板 3,56 ロート状ホーン 4 円筒状のホルダー 5,57 円筒状のケース 6 網 11 圧電セラミック矩形板 12 対称3端子型圧電屈曲振動子 21,22,31,32 交差指電極の共通電極 41 共通端子 42 入力端子 43 コントロール端子(出力端子) 51 ホルダー 52 入力用リード端子 53 コントロール用リード端子 54 共通端子用リード端子 55 ステム 60 対称3端子型圧電屈曲振動子 61 金属矩形板 62 圧電セラミックス矩形板 63,64 入出力用分割電極 65 全面電極

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電屈曲振動子を用い、この屈曲振動子
    の振動面を直接利用して空気中で超音波を放射・伝搬さ
    せ、この屈曲振動子の振動振幅の大きな部分に音響イン
    ピーダンス整合用のホーンを装着し、このホーンを介し
    て空気中で超音波を放射・伝搬する超音波を受波するよ
    うに構成した空中超音波送受波器において、該空中超音
    波送受波器の電気的等価回路は、L,C,Rで表される
    直列共振回路の入出力側の両端子と共通端子との間にほ
    ぼ等しい値の静電容量Cd を持つキャパシタンスをそれ
    ぞれ並列に接続した対称3端子回路で表されることを特
    徴とする空中超音波送受波器。
  2. 【請求項2】 圧電屈曲振動子を用い、この屈曲振動子
    の振動面を直接利用して空気中で超音波を放射・伝搬さ
    せ、超音波を受波するように構成した空中超音波送受波
    器において、該空中超音波送受波器の電気的等価回路
    は、L,C,Rで表される直列共振回路の入出力側の両
    端子と共通端子との間にほぼ等しい値の静電容量Cd
    持つキャパシタンスをそれぞれ並列に接続した対称3端
    子回路で表されることを特徴とする空中超音波送受波
    器。
  3. 【請求項3】 圧電屈曲振動子としての圧電セラミック
    矩形板の少なくとも一方の面に、この圧電セラミック矩
    形板の長さ方向と平行な交差指電極を、この圧電セラミ
    ック矩形板の幅方向の中心線に対して対称に形成した対
    称3端子型圧電屈曲振動子を用いたことを特徴とする特
    許請求の範囲請求項1および請求項2のいずれかに記載
    の空中超音波送受波器。
  4. 【請求項4】 圧電屈曲振動子としての圧電セラミック
    ス矩形板の両面に電極が形成され、厚さ方向に分極され
    た圧電セラミックス矩形板を接着し、この接着面と反対
    側の面の電極を略2等分に分離して構成した対称3端子
    型圧電屈曲振動子を用いたことを特徴とする特許請求の
    範囲請求項1および請求項2のいずれかに記載の空中超
    音波送受波器。
  5. 【請求項5】 特許請求の範囲第1項から第4項のいず
    れかに記載の空中超音波送受波器を用い、一方の端子と
    共通端子とを送受波端子とし、送波時には他方の端子を
    開放し、受波時にはその他方の端子を共通端子と短絡す
    るように構成したことを特徴とする空中超音波送受波
    器。
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