JP5790864B2 - 超音波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を用いた超音波発生素子を有する超音波発生装置に関する。より詳細には、本発明は、超音波発生素子がケースに収納されており、超音波発生素子からケースに設けられた音波放出孔に至る音響経路が構成されている超音波発生装置に関する。

近時、正確な距離測定方法として、超音波を利用した距離測定方法が活用されている。この方法では、超音波発生装置から超音波を放出し、被測定物に当てる。被測定物から反射した超音波を超音波マイク装置で検出する。放出から検出までに要した時間から、被測定物までの距離を算出する方法である。

たとえば、特許文献１には、筺体に圧電振動子を装着してなる超音波発生装置が開示されている。なお、特許文献１の装置は、超音波発生装置と超音波マイク装置とを１つの装置で兼用させた、超音波センサ装置として構成されている。

図９に、特許文献１に開示された超音波発生装置５００を示す。超音波発生装置５００は、ケース１０１を有する。ケース１０１内に、第１の圧電振動子１０２と、第１の圧電振動子１０２と逆位相に振動する、第２の圧電振動子１０３とが設けられている。また、ケース１０１内の空間は、柔軟性充填材１０５により満たされている。

特開２００４−２９７２１９号公報

上述した距離測定方法において、測定結果をより正確にしたり、測定可能距離をより長くしたりするためには、超音波発生装置の出力音圧を高くすることが必要である。

しかしながら、従来の超音波発生装置５００において、出力音圧を高くするのには限界があった。出力音圧を高くするためには、圧電振動子の分極を大きくしたり、圧電振動子に投入する電力を大きくしたりしなければならない。しかしながら、圧電振動子の分極には限界がある。また、投入する電力を大きくし過ぎると、圧電振動子が破壊限界を超えてしまう。従って、出力音圧を高くするのには限界があった。

本発明の目的は、出力音圧をより一層高め得る超音波発生装置を提供することにある。

本発明に係る超音波発生装置は、第１のケース材と、第１のケース材に固定されている第２のケース材と、第１及び第２のケース材で形成されている収納空間内に収納されている超音波発生素子とを備える。また、本発明に係る超音波発生装置は、第１のケース材上に設けられており、超音波発生素子の下面と第１のケース材の上面との間に空間を形成するように、超音波発生素子を支持している第１の支持部材をさらに備える。本発明では、第１のケース材及び第２のケース材の一方に超音波を放出する音波放出孔が設けられている。超音波発生素子により発生した音波が超音波発生素子の下面と第１のケース材の上面との間の空間を経て音波放出孔に至る。本発明では、超音波発生素子の下面と第１のケース材の上面との間の空間を含み、超音波発生素子の音圧発生中心点から音波放出孔に至る第１の音響経路において、該音響経路の横断面が他の部分よりも小さくなる部分を有するように第１の支持部材が設けられている。

本発明に係る超音波発生装置のある特定の局面では、超音波発生素子が、中央に凹部及び貫通孔のうち一方が形成されているスペーサと、スペーサの一方主面に配置されており、かつ平板状の第１の圧電振動子と、スペーサの他方主面に配置されており、かつ平板状の第２の圧電振動子とを有する。第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動する。

本発明に係る超音波発生装置の他の特定の局面では、超音波発生素子と第２のケース材との間に設けられており、超音波発生素子の上面と第２のケース材の下面との間に空間を形成するように、超音波発生素子を支持している第２の支持部材がさらに備えられている。超音波発生素子の上面と第２のケース材の下面との間の空間を含み、超音波発生素子の音圧発生中心点から音波放出孔に至る第２の音響経路において、該音響経路の横断面が他の部分よりも小さくなる部分を有するように第２の支持部材が設けられている。この場合には、第１，第２の音響経路の双方において音圧を効果的に高めることができる。

本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、第１及び第２の支持部材の少なくとも一方が複数設けられている。隣り合う支持部材間が第１又は第２の音響経路の一部を構成している。該隣り合う支持部材間において音響経路の横断面が他の部分よりも小さくなる部分が構成されている。

本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、隣り合う支持部材が、平面視した際に、超音波発生素子の音圧発生中心点から支持部材が隣り合っている部分に向かうにつれて、隣り合う支持部材間の間隔が狭くなる形状を有する。

本発明に係る超音波発生装置のさらに別の特定の局面では、隣り合う支持部材の対向し合っている辺が隣り合う支持部材間を通る音響経路に対して斜め方向に交差する方向に延びている。隣り合う一方の支持部材の辺が、隣り合う他方の支持部材の辺に対して、隣り合う支持部材間の音響経路に対して線対称に配置されている。

本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、支持部材が平面視で略三角形の形状を有し、隣り合う支持部材の対向し合っている辺が略三角形の一辺により構成されている。

本発明に係る超音波発生装置では、超音波発生素子の下面と第１のケース材の上面との間の空間を含み、超音波発生素子の音圧発生中心点から音波放出孔に至る第１の音響経路において、該音響経路の横断面が他の部分よりも小さくなる部分を有するように第１の支持部材が設けられているため、出力音圧を効果的に高めることが可能となる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の分解斜視図であり、図１（ｂ）は、第１のケース材上に複数の第１の支持部材が設けられている構造及び第１の音響経路を説明するための模式的平面図であり、図１（ｃ）は、第１の音響経路における音響経路の横断面が相対的に小さくなる部分を模式的に示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の外観を示す斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置で用いられている超音波発生素子の分解斜視図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置における第１の支持部材の寸法と出力音圧特性との関係を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る超音波発生装置を説明するための模式的平面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る超音波発生装置を説明するための模式的平面図である。 図８は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。 図９は、従来の超音波発生装置を示す正面断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置１の分解斜視図であり、図２はその外観を示す斜視図であり、図３はその正面断面図である。

超音波発生装置１は、超音波を発生させる超音波発生素子２と、ケース３とを有する。超音波発生素子２がケース３内に収納されている。

ケース３は、平板状の第１のケース材１１と、キャップ状の第２のケース材１２とを有する。すなわち、平板状の第１のケース材１１上に、下方に開いた開口を有する第２のケース材１２が固定されている。それによって、内部に収納空間を有するケース３が構成されている。この収納空間内に超音波発生素子２が収納されている。

図２に斜視図で示すように、第２のケース材１２の天板部には、複数の音波放出孔１２ａ〜１２ｄが設けられている。

図４は、超音波発生素子２の分解斜視図である。超音波発生素子２は、スペーサ１５を有する。スペーサ１５は、例えば樹脂やセラミックスなどの適宜の剛性材料からなる。スペーサ１５の中央領域には貫通孔である開口１５ａが形成されている。なお、貫通孔である開口１５ａに代えて、スペーサ１５の中央領域において表面と裏面とに凹部を形成してもよい。

スペーサ１５の上面に、接着剤１６を介して第１のバイモルフ型圧電振動子１７が配置されている。接着剤１６は、開口１６ａを有する。接着剤１６は、スペーサ１５の開口１５ａを除く領域において、スペーサ１５の上面に塗布されている。

同様に、スペーサ１５の下面には、接着剤１８を介して第２のバイモルフ型圧電振動子１９が配置されている。接着剤１８は、開口１８ａを有する。接着剤１８は、スペーサ１５の開口１５ａを除く領域において、スペーサ１５の下面に塗布されている。なお、図３では、接着剤１６，１８の図示は省略されている。

第１，第２のバイモルフ型圧電振動子１７，１９において、中央領域が圧電効果により振動する部分である。従って、この振動を妨げないように、上記開口１５ａがスペーサ１５の中央領域に形成されている。

図３に示すように、第１のバイモルフ型圧電振動子１７は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスからなる圧電板１７ａを有する。圧電板１７ａの上面中央には第１の励振電極１７ｂが設けられている。圧電板１７ａは複数の圧電体層を有する。第１の励振電極１７ｂと圧電体層を介して重なり合うように、内部励振電極１７ｃが設けられている。さらに、内部励振電極１７ｃと圧電体層を介して重なり合うように、第２の励振電極１７ｄが圧電板１７ａの下面中央に設けられている。図４に示すように、第１の励振電極１７ｂは、隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２に連ねられている。

第１の励振電極１７ｂと内部励振電極１７ｃとの間の圧電体層及び内部励振電極１７ｃと第２の励振電極１７ｄとの間の圧電体層は、厚み方向において同一方向に分極されている。他方、バイモルフ型圧電振動子として動作させるために、第１の励振電極１７ｂ及び第２の励振電極１７ｄが、図３に示す第１の端子電極２１に電気的に接続されている。端子電極２１は、超音波発生素子２の一方端面に設けられている。超音波発生素子２の他方端面に端子電極２２が設けられている。内部励振電極１７ｃが第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加することにより、第１のバイモルフ型圧電振動子１７が振動する。

第２のバイモルフ型圧電振動子１９も第１のバイモルフ型圧電振動子１７と同様に構成されている。もっとも、第１のバイモルフ型圧電振動子１７に対して、第２のバイモルフ型圧電振動子１９は逆位相で振動するように構成されている。第２のバイモルフ型圧電振動子１９もまた、第１，第２の端子電極２１，２２に電気的に接続されている。従って、第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加することにより、第２のバイモルフ型圧電振動子１９が振動する。

よって、第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加することにより、超音波発生素子２は、座屈音叉型振動子として動作し、超音波を発生する。この場合、超音波は、超音波発生素子２の下面から、超音波発生素子２の下面と第１のケース材１１の上面との間の空間、超音波発生素子２の側面と第２のケース材１２の側面との間の空間を経て、前述した音波放出孔１２ａ〜１２ｄに至る。同様に、超音波は、超音波発生素子２の上面から、超音波発生素子２の上面と第２のケース材１２の下面との間の空間を経て、音波放出孔１２ａ〜１２ｄに至る。それによって、音波放出孔１２ａ〜１２ｄから超音波が放出される。

上記超音波発生素子２の下面と第１のケース材１１の上面との間の空間を含む超音波の伝搬経路を第１の音響経路Ａとする。他方、超音波発生素子２の上面と第２のケース材１２の下面との間の空間を含む超音波の伝搬経路を第２の音響経路Ｂとする。超音波発生装置１では、上記超音波発生素子２により発生した超音波が、図３に破線で示す第１，第２の音響経路Ａ，Ｂを伝搬し、音波放出孔１２ａ〜１２ｄに至る。そして、超音波が音波放出孔１２ａ〜１２ｄから放出される。

ところで、本実施形態では、超音波発生素子２は、第１のケース材１１上に複数の第１の支持部材２３を介して固定されている。第１の支持部材２３は、超音波発生素子２の下面と第１のケース材１１の上面との間に空間が形成されるように、超音波発生素子２を支持している。複数の第１の支持部材２３は適宜の剛性材料からなる。このような剛性材料としては、セラミックス、金属または樹脂などを挙げることができる。

詳細には、複数の第１の支持部材２３は第１のケース材１１上に設けられており、超音波発生素子２は図示しない接着剤により複数の第１の支持部材２３と接合されている。そして、上記第１の支持部材２３の厚みにより、前述した第１の音響経路Ａを構成する空間が形成されている。

本実施形態の特徴は、上記第１の音響経路Ａにおいて、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分が形成されるように、第１の支持部材２３が設けられていることにある。これを、図１（ｂ），（ｃ）を参照してより具体的に説明する。図１（ｂ）は、第１のケース材１１上に複数の第１の支持部材２３が設けられている構造を示す模式的平面図である。図１（ｃ）は、第１の音響経路Ａにおける音響経路の横断面が相対的に小さくなる部分を模式的に示す図である。なお、図１において、破線Ｃは第２のケース材１２の接合される部分を示す。

図１（ｃ）において、第１の音響経路Ａの方向を矢印Ｄで示す。すなわち、第１のケース材１１上に位置している超音波発生素子２の下面側の中心が超音波発生中心点Ｐとなる。この超音波発生中心点Ｐから、上記第１の音響経路Ａにおいて、矢印Ｄが示すように超音波が進行する。

本実施形態では、第１の支持部材２３が、平面視して直角三角形の形状を有する。そして、第１の音響経路Ａにおいて、超音波発生中心点Ｐから第１の支持部材２３，２３が隣り合っている部分に向かうにつれ、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の間隔が狭くなっている。より詳細には、隣り合う第１の支持部材２３，２３の直角三角形の形状の斜辺同士が矢印Ｄで方向を示す第１の音響経路Ａを介して対向している。さらに、該斜辺は、第１の音響経路Ａが超音波発生中心点Ｐから遠ざかるにつれて第１の音響経路Ａ側に近づくように延ばされている。そのため、超音波発生中心点Ｐから第１の音響経路Ａの進行方向前方に行くに従い、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の間隔が狭くなっている。

隣り合う第１の支持部材２３，２３が対向している部分を超えると、第１の音響経路Ａは広がることとなる。すなわち、図１（ｃ）に模式的平面図に示すように、第１の音響経路Ａでは、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分Ｘが設けられている。それによって、出力音圧を効果的に高めることが可能とされている。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１の支持部材２３，２３が隣り合っている部分が４箇所存在する。従って、４つの第１の音響経路Ａの部分において出力音圧が高められている。なお隣り合う第１の支持部材２３，２３の数は特に限定されるものではない。

上記実施形態の超音波発生装置１において、第１の支持部材２３の寸法を変化させ、出力音圧特性を測定した。結果を図５に示す。図５は、本実施形態に係る超音波発生装置１における第１の支持部材２３の寸法と出力音圧特性との関係を示す図である。なお、超音波発生装置１において、図１（ｃ）の寸法Ｅは３．３ｍｍとした。すなわち、隣り合う第１の支持部材２３，２３の外側端同士の間の距離を寸法Ｅとし、この寸法Ｅを支持した。そして、第１の支持部材２３において、直角三角形の直交し合う２辺の寸法を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍと変化させた。従って、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の最狭部分の寸法は、それぞれ、２．３ｍｍ、１．３ｍｍ、０．９ｍｍ及び０．３ｍｍとなる。

図５において、実線は第１の支持部材２３において、直角三角形の直交し合う２辺の寸法が０．５ｍｍの場合の結果を、破線は１．０ｍｍの場合の結果を、一点鎖線は１．０ｍｍの場合を、二点鎖線は１．５ｍｍの場合の結果を示す。また、第１の支持部材２３の厚みは０．１０ｍｍとした。

図５から明らかなように、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の最狭部分の寸法が小さくなるにつれ、出力音圧が高くなっていることがわかる。また、図５に、上記第１の支持部材２３の代わりに、第１の音響経路中に音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分を有しない支持部材を用いた比較例の出力音圧特性を破線Ｆで示す。破線Ｆで示す比較例に比べ、上記実施形態では、第１の音響経路Ａにおいて、平面視して直角三角形の形状を有する第１の支持部材２３，２３が対向し、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分Ｘが設けられているため、出力音圧を効果的に高め得ることがわかる。

図６は、上記第１の実施形態の第１の変形例に係る超音波発生装置を説明するための模式的平面図である。詳細には、図６は、図１（ｃ）と同様に、第１の音響経路Ａにおける音響経路の横断面が相対的に小さくなる部分を模式的に示す図である。本変形例では、第１の支持部材２３が平面視して略Ｌ字状の形状を有している。この場合においても、超音波発生中心点Ｐから第１の音響経路Ａの進行方向前方に行くと、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の間隔が狭くなっている。これにより、第１の音響経路Ａでは、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分が設けられている。そのため、上記第１の実施形態と同様に、出力音圧を効果的に高めることができる。

図７は、第１の実施形態の第２の変形例に係る超音波発生装置を説明するための模式的平面図である。詳細には、図７は、図１（ｃ）と同様に、第１の音響経路Ａにおける音響経路の横断面が相対的に小さくなる部分を模式的に示す図である。本変形例では、第１の実施形態における平面視して直角三角形の形状の第１の支持部材２３の斜辺両端部分が切り落とされている。この場合においても、超音波発生中心点Ｐから第１の音響経路Ａの進行方向前方に行くと、隣り合う第１の支持部材２３，２３間の間隔が狭くなっている。これにより、第１の音響経路Ａでは、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分が設けられている。従って、上記第１の実施形態と同様に、出力音圧を効果的に高めることができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置１Ａを説明するための正面断面図である。第１の実施形態では、超音波発生素子２の下面側に第１の支持部材２３が複数設けられ、それによって出力音圧が高められていた。第２の実施形態では、第１の実施形態の構造に加えて、超音波発生素子２の上面に第２の支持部材３１が設けられている。第２の支持部材３１は、超音波発生素子２の上面と第２のケース材１２の下面との間に空間が形成されるように、超音波発生素子２を支持している。図８では示されていないが、第２の支持部材３１は、平面視した際に、第１の支持部材２３と同様に構成されている。従って、複数の第２の支持部材３１が設けられているため、第２の音響経路Ｂでは、音響経路の横断面が他の部分よりも相対的に小さくなる部分が設けられている。従って、第２の音響経路Ｂにおいても、出力音圧を効果的に高めることができる。

このように、第１の音響経路Ａ及び第２の音響経路Ｂの双方において、支持部材を複数設け、出力音圧を高めてもよい。

なお、上述した第１，第２の実施形態では、上記座屈音叉型振動子からなる超音波発生素子２を用いたが、本発明の超音波発生装置では、第１のケース材１１上に複数の第１の支持部材２３に支持される超音波発生素子の構造はこれに限定されるものではない。すなわち、第１の音響経路を経て音波放出孔に至る構造を有する超音波発生装置であれば、他の構造の超音波発生素子を用いてもよい。その場合にも、上記実施形態と同様に出力音圧を効果的に高めることができる。

１，１Ａ…超音波発生装置
２…超音波発生素子
３…ケース
１１，１２…第１，第２のケース材
１２ａ〜１２ｄ…音波放出孔
１５…スペーサ
１５ａ…開口
１６…接着剤
１６ａ…開口
１７…第１のバイモルフ型圧電振動子
１７ａ…圧電板
１７ｂ…第１の励振電極
１７ｂ１，１７ｂ２…引き出し電極
１７ｃ…内部励振電極
１７ｄ…第２の励振電極
１８…接着剤
１８ａ…開口
１９…第２のバイモルフ型圧電振動子
２１，２２…第１，第２の端子電極
２３，３１…第１，第２の支持部材

Claims (8)

1. 第１のケース材と、
   前記第１のケース材に固定されている第２のケース材と、
   前記第１及び第２のケース材で形成されている収納空間内に収納されている超音波発生素子と、
   前記第１のケース材上に設けられており、前記超音波発生素子の下面と前記第１のケース材の上面との間に空間を形成するように、前記超音波発生素子を支持している第１の支持部材とを備え、
   前記第１のケース材及び前記第２のケース材の一方に超音波を放出する音波放出孔が設けられており、前記超音波発生素子により発生した音波が前記超音波発生素子の下面と前記第１のケース材の上面との間の空間を経て前記音波放出孔に至る超音波発生装置であって、
   前記超音波発生素子の下面と前記第１のケース材の上面との間の空間を含み、前記超音波発生素子の音圧発生中心点から前記音波放出孔に至る第１の音響経路において、該第１の音響経路の横断面が徐々に小さくなる部分を有するように複数の前記第１の支持部材が設けられている、超音波発生装置。
2. 平面視した際に、前記超音波発生素子の音圧発生中心点から複数の前記第１の支持部材が設けられている部分に向かうにつれて、複数の前記第１の支持部材間の間隔が狭くなっている、請求項１に記載の超音波発生装置。
3. 前記超音波発生素子が、中央に凹部及び貫通孔のうち一方が形成されているスペーサと、前記スペーサの一方主面に配置されており、かつ平板状の第１の圧電振動子と、前記スペーサの他方主面に配置されており、かつ平板状の第２の圧電振動子とを有し、前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動する、請求項１または２に記載の超音波発生装置。
4. 前記超音波発生素子と前記第２のケース材との間に設けられており、前記超音波発生素子の上面と前記第２のケース材の下面との間に空間を形成するように、前記超音波発生素子を支持している第２の支持部材をさらに備え、
   前記超音波発生素子の上面と前記第２のケース材の下面との間の空間を含み、前記超音波発生素子の音圧発生中心点から前記音波放出孔に至る第２の音響経路において、該第２の音響経路の横断面が徐々に小さくなる部分を有するように複数の前記第２の支持部材が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
5. 前記第１及び第２の支持部材の少なくとも一方が複数設けられており、隣り合う支持部材間が第１又は第２の音響経路の一部を構成しており、該隣り合う支持部材間において音響経路の横断面が徐々に小さくなる部分が構成されている、請求項４に記載の超音波発生装置。
6. 前記隣り合う支持部材が、平面視した際に、前記超音波発生素子の音圧発生中心点から支持部材が隣り合っている部分に向かうにつれて、隣り合う支持部材間の間隔が狭くなる形状を有する、請求項５に記載の超音波発生装置。
7. 前記隣り合う支持部材の対向し合っている辺が前記隣り合う支持部材間を通る音響経路に対して斜め方向に交差する方向に延びており、隣り合う一方の支持部材の前記辺が、隣り合う他方の支持部材の前記辺と前記隣り合う支持部材間の音響経路に対して線対称に配置されている、請求項６に記載の超音波発生装置。
8. 前記支持部材が平面視で略三角形の形状を有し、隣り合う支持部材の対向し合っている辺が略三角形の一辺により構成されている、請求項７に記載の超音波発生装置。

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