JPH01245799A

JPH01245799A - 圧電振動子

Info

Publication number: JPH01245799A
Application number: JP7353988A
Authority: JP
Inventors: Seishiro Yamakawa; 山河　清志郎; Michimasa Tsuzaki; 津崎　通正
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1988-03-28
Publication date: 1989-09-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、圧電振動子に関するものであり、例えは空中
超音波センサーの振動子として利用されるものである。

［従来の技術］従来、圧電セラミックスを利用した超音波センサーか広
く利用されている６超音波センサーは、圧電セラミック
スにより振動板を振動させて超音波を発信し、その反射
波を受信して物体の存在を検知したり、或いは、反射波
か受信されるまでの時間を測定して、物体まての距離を
測定するものである。このようなセンサーは、小形で且
つ非接触て動作するので、自動ドアや玄関ヂャイムなど
を作動させるための人体検知センサーや、駐車場におい
て車の有無を確認しなり、ロボットの目として障害物を
検出するためのセンサーなど、幅広い応用がある。また
、近年、特に自動車関係Ｉ＼の応用のニーズが高まって
きており、その一つが車周辺の障害物を検知するセンサ
ーである。また、路面の凹凸を超音波センサーて検知し
、車輪のザスペンションを調整して乗り心地を良くする
といった応用例も提案されている。このような用途に用
いられる超音波センサーに要求される性能のうち、最も
重要度の高いものはＳ／Ｎ比か良好なことである。つま
り、強い超音波を空中に発信し、対象物に当たって反射
して帰ってきた超音波を高感度に受信できることが要求
される。

第７図は従来の圧電振動子の断面構造を示す図である。

保護ケースを兼ねる振動板２は、一端が開放された円錐
台形状となっており、その内底面には、ＰＺＴ系の圧電
セラミックス１か、例えはエポキシ系の接着剤を用いて
貼り付りられている。

圧電セラミックス１は円盤状の形状を有しており、上下
両面に電極３，４が付加されている。また、自発分極の
方向は厚み方向である。振動板２はアルミニウム製であ
り、圧電セラミックス１の一方の電極３は、この振動板
２とリード線５を介して送受波回路７に接続されている
。圧電セラミックス１の他方の電極４は、リード線６を
介して送受波回路７に直接接続されている。この圧電セ
ラミックスコに給電されると、圧電セラミックス１は拡
がり振動モー１’で振動し、振動板２を叩くので、振動
板２の表面から超音波が発生する。一方、発生した超音
波か対象物に当たり、反射して帰って来て、振動板２に
当たると、その振動の強さに応した起電力が圧電セラミ
ックス１から発生ずる。

［発明が解決しようとする課題］上述の従来例においては、圧電セラミックス］か１枚た
（゛）であるのて、送受波回路７からの出力電圧を充分
に高くしないと、必要な出力音圧が１１￥られないとい
う問題があった。そこて、多層化された圧電セラミック
スに並列的に給電して、各圧電セラミックスに同一位相
の振動を発生させ、振動力を合成することにより、出力
音圧を高めることが考えられる。しかしなから、多層化
された圧電セラミックスを上述のように接続すると、受
波時においては、受波感度が低くなることを発見した。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、高い送波力を持ち、且つ、反射
波に対しても高い受波感度を摺ることかてきる圧電振動
子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明にあっては、」１記の課題を解決するために、第
１図（ａ）、（ｂ）に示すように、複数枚の圧電セラミ
ックス］、１．１２を多層化して振動板２に接合し、各
圧電セラミックス１１．１２に同一位相の振動が生しる
ように各圧電セラミックス１］。

１２を送波回路７１に並列的に接続した第１の配線状態
と、１枚の圧電セラミックス１１のみを受波回路７０に
接続した第２の配線状態とを切り換える切換回路を設け
たことを特徴とするものである。

［作用］本発明にあっては、このように、多層化された複数枚の
圧電セラミックス１１．１２に同一位相の振動か生しる
ように各圧電セラミックス１１゜１２を送波回路７１に
並列的に接続できるようにしたので、各圧電セラミック
ス１：Ｌ、１．２に生しる振動力が小さくても、これら
の振動力が合成されることにより、大きな送波出力が得
られるものである。また、受波時には１枚の圧電セラミ
ックス１１のみを受波回路７０に接続できるようにした
のて、受波感度のｆＪ（下を防止できるものである。

［実施例１コ第１図（ａ）は本発明の一実施例としての圧電振動子の
概略構成図である。保護ケースを兼ねる振動板２は、一
端が開放された円錐台形状となっており、アルミニウム
製又はステンレス製である。

振動板２は圧電セラミックス１１．１２の振動を受けて
共振し、超音波を表面より発する。したがって、その材
質及び形状（厚みを含む）は発信及び受信の周波数を決
める大きな要因となる。この振動板２の内底面には、例
えば、ＰＺＴ系の圧電セラミックス１１．１２が、銀含
有の導電性接着剤を用いて貼り付けられている。圧電セ
ラミックス１１．１２は円盤状の形状を有しており、自
発分極の方向は厚み方向である。隣接する圧電セラミッ
クス１１．１２の自発分極の方向は、図中、矢印て示す
ように逆方向となっている。

圧電セラミックス１１の上面には電極３１が形成されて
おり、この電極３１は振動板２に接合されている。圧電
セラミックス１１．１２の下面には、電極４１．４２が
それぞれ形成されており、電極４１は圧電セラミックス
１１．１２について兼用されている。上記各電極３１，
４］、、４２は、銀電極の他、ニッケルあるいは金電極
であっても良い。

第１図（ｂ）は本実施例に用いる切換回路の回路図であ
る。圧電セラミックス１１の電極３１は、振動板２に接
続されている。圧電セラミックス１２の電極４２は、ス
イッチＳ１の接点Ｔ１を介して振動板２に接続されると
共に、接点Ｒ１を介して受波回路７０に接続されている
。圧電セラミックス１１．１２の電極４１はスイッチＳ
２の接点Ｔ２を介して送波回路７１に接続されると共に
、スイッチＳ２の接点Ｒ２を介して受波回路７０に接続
されている。これらのスイッチＳｌ、Ｓ２としては、リ
ートリレーや半導体リレーのように小形で高速動作が可
能なリレーの接点を用いて簡単に構成てきる。

第８図はスイッチＳＬ、Ｓ２の動作タイミングを示す図
である。同図（ａ）は送波回路７１の送信クー１〜信号
であり、この信号が“’　Ｉ（ｉ　ＨＩ＋°ルヘルであ
るときには、スイッチ３１．Ｓ２は接点Ｔｌ、１”２の
側に切替わっている。同図（１〕）は圧電振動子の発信
時の振動波形を示している。この発信時の振動波形は残
響の影響で、送信ゲート信号よりも少し長く続く。残響
か消失したタイミングで、同図（ｃ）に示すように受信
グー１〜信号が発生すると、スイッチＳｔ、、Ｓ２は接
点Ｒ１，Ｒ２の側に切替わる。同図（ｄ）は超音波の反
射波による圧電振動子の振動波形である。

上述のように、送波時には、スイッチＳｌ、Ｓ２が接点
Ｔ１．、Ｔ２の側に切り換えられる。このとき、圧電セ
ラミックス１１．１２の電極４１は、スイッチＳ２の接
点Ｔ２を介して、送波回路７１の一端に接続される。圧
電セラミックス１１の電極３１は振動板２を介して送波
回路７１の他端に接続される。圧電セラミックス１２の
電極４２は、スイッチＳ１の接点Ｔ１と、振動板２を介
して送波回路７１の他端に接続される。したがって、圧
電セラミックス１１．１２には送波回路７１から並列的
に給電され、圧電セラミックス１１．１２には拡がり振
動モードの振動が同一位相で生じるものであり、振動力
が合成されて、振動板２を叩くので、振動板２の表面か
らは大きな超音波出力が発生する。

一方、発生した超音波が対象物に当たり、反射して帰っ
て来て、振動板２に当たると、その振動の強さに応した
起電力が圧電セラミックス１１゜１２から発生する。こ
の反射波の受波時には、スイッチＳＬ、Ｓ２が接点Ｒ１
，Ｒ，２の側に切り換えられる。このとき、圧電セラミ
ックス１２の電極４１は、スイッチＳ２の接点Ｒ２を介
して、受波回路７０の一端に接続され、圧電セラミック
ス１２の電極４２はスイッチＳ１の接点Ｒ１を介して、
受波回路７０の他端に接続される。したがって、１枚の
圧電セラミックス１２のみか受波回路７０に接続される
。我々の研究ては、最も振動板２から離れた圧電セラミ
ックス１２のみから起電力を検出するのが好ましいこと
が判明しており、これによって高い受波感度か得られる
ものである。

以下、この圧電振動子の製造方法について説明する５、
まず、富士セラミックス社製Ｃ−６材組成の圧電セラミ
ックスを、直径８　、　Ｉｌ、　ｍｍ　、厚み０．２１
１Ｉ　Ｉｎの円盤状に成形した。この圧電セラミックス
の厚み方向に直流電界を加えて、厚み方向に自発分極を
与えた。第２図は、本実施例に用いたアルミニウノ＼製
の振動板２の断面形状を示している。この振動板２は、
外径がφ１＝１７．５ｍｍ、内底面の径がφ２＝　１．
０　、５　ｍｍ、板厚がｔ＝０．７ｍｍ、高さが１＋＝
５．０＋ｎｍ、側面の傾斜角がθ−３４°てあった。

この振動板２の内底面を脱脂洗浄し、銀含有の導電性エ
ポキシ樹脂を用いて、振動板２の内底面に前記圧電セラ
ミックス１１を接着した。この圧電セラミックス１１の
」二に、銀含有の導電性エポキシ樹脂を用いて、同様の
圧電セラミックス１２を接着した。各圧電セラミックス
１　：１．　、　］、　２の自発分極の向きは、第１図
（ＬＩ）に示すように、逆方向に配向させた。最後に、
リ−１・線を導電性エポキシ樹脂を用いてボンディング
して、第１図（ｂ）に示すように配線した。

この圧電振動子について、第３図に示すように、振動板
２の開口部を硬質シリコンゴム成形体８で覆い、送波出
力と受波感度を測定して性能評価を行った。その結果を
第１表に示す。

［実施例２］第４図（ａ）に示すように、実施例１と同し振動板２に
、実施例１と同しく圧電セラミックス１１゜１２．１３
を接合し、３層構造とした。隣接する圧電セラミックス
１］と１２及び１２と１３の自発分極の方向は、第４図
（ａ）の矢印に示すように逆方向とした。

第４図（ｂ）は本実施例に用いる切換回路の回路図であ
る。圧電セラミックス１−１の電極３１は、振動板２に
接続されている。圧電セラミックス１２．１３の電極４
２は、スイッチＳ１の接点Ｔ１を介して振動板２に接続
されると共に、スイッチＳ１の接点Ｒ１を介し、て受波
回路７０に接続されている。圧電セラミックス１１，１
．２の電極４］はスイッチＳ２の接点Ｔ２を介して送波
回路７１に接続されている。圧電セラミックス１３の電
極４３は、スイッチＳ３の接点Ｔ３を介して、圧電セラ
ミックス］、１．１２の電極７１１に接続されている。

送波時には、スイッチＳ１〜Ｓ３か接点Ｔ１へ−Ｔ３の
側に切り換えられる。このとき、圧電セラミックス１．
１．．１２の電′Ｊｌ′ｆ！４１は、スイッチＳ２の接
点Ｔ２を介して、送波回路７１の一端に接続される。圧
電セラミックス１１の電極３１は振動板２を介して送波
回路７１の他端に接続される。

圧電セラミックス１３の電極４３は、スイッチＳ３の接
点Ｔ３、スイッチＳ２の接点Ｔ２を介して、送波回路７
１の一端に接続され、圧電セラミックス１２，１．：３
の電極−／］−２は、スイッチＳ１の接点Ｔ１と、振動
板２を介して送波回路７１の他端に接続される。しなが
って、圧電セラミックス１１゜１．２．１３には送波回
路７１から並列的に給電され、圧電セラミックス］、　
１　、１．２　、１．３には拡がり振動モーＦの振動か
同一位相て生じるものてあり、振動力が合成されて、振
動板２を叩くのて、振動板２の表面からは大きな超音波
出力が発生する。

一方、発生した超音波が対象物に当たり、反射して帰っ
て来て、振動板２に当たると、その振動の強さに応した
起電力が圧電セラミックス１］。

１２．１３から発生するにの反射波の受波時には、スイ
ッチＳ１ヘーＳ３が接点Ｒ１〜Ｒ３の側に切り換えられ
る。このとき、圧電セラミックス］３の電極４２はスイ
ッチＳ１の接点Ｒ１を介して受波回路７０に接続され、
圧電セラミックス１３の電極４３は受波口ｉｉ’Ｆ７０
の他端に接続される。

したがって、振動板２から最も遠い圧電セラミックス１
３の起電力のみが、受波回路７０にて検出される。

その他の条件については、実施例１と同様とし、実施例
１と同し条件で送波出力と受波感度を測定して性能評価
を行った。その結果を第１表に示す。

［比較例１］第５図に示すように、実施例１と同し振動板２に、実施
例１と同じく厚み方向に分極処理された圧電セラミック
ス］１を接合し、これをリード線５．６を介して、送受
波回路７に接続した。実施例１と同し条件て送波出力と
受波感度を測定して性１１ヒ評価を行った。その結果を
第１表に示す。

［比較例２］第６図に示すように、実施例１と同し振動板２に、実施
例１と同しく厚み方向に分極処理された圧電セラミック
ス１１．１２を接合し、２層構造とした。隣接する圧電
セラミックス１１と１２の自発分極の方向は、第６図の
矢印に示すように逆方向とした。各圧電セラミックス１
１．１２に送受波回路７からり−１・線５１，５２．６
１を介して並列的に給電したときに、拡かり振動モード
の振動が同一位相て発生ずるように配線した。また、超
音波の反射波を受波したときには、圧電セラミックス↑
１，１２に発生した起電力か、送受波回路７にて検出さ
れるようにした。実施例１と同し条件で送波出力と受波
感度を測定して性能評価を行った。その結果を第１表に
示す。

第１表から明らかなように、実施例１．２においては、
比較例１，２に比へて、送波出力も受波感度も大きくな
っている。

第１表［発明の効果］本発明は上述のように、多層化された複数枚の圧電セラ
ミックスに同一位相の振動が生じるように各圧電セラミ
ックスを送波回路に並列的に接続てきるようにしなので
、各圧電セラミックスに生じる振動力が小さくても、こ
れらの振動力が合成されることにより、大きな送信出力
が得られるという効果がある。また、受波時には１枚の
圧電セラミックスのみを受波回路に接続できるようにし
なので、受波感度の低下を防止てきるという効果がある
。

また、送波時の配線状態となった直後に受波時の配線状
態に切り換わるように構成すれば、反射波検出型の超音
波センサーとして使用でき、１つの圧電振動子て高い送
波力を持ち、反射波に対しても高い受波感度を得ること
かできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例に係る圧電振動子の概
略構成図、第１図（１〕）は同上に用いるＬ７Ｊ換回路
の回路図、第２図は同上に用いる振動板の断面図、第３
図は同上の性能試験に用いた暢造を示す説明図、第４図
（、）は本発明の他の実施例に係る圧電振動子の概略構
成図、第４図（１））は同上に用いる切換回路の回路図
、第５図は本発明に対する第１の比較例の概略構成図、
第６図は本発明に対する第２の比較例の概略構成図、第
７図は従来例の概略構成図、第８図は本発明の動作波形
図である。２は振動板、１］、、１２．１３は圧電セラミックス、
７０は受波回路、７１は送波回路、８１〜Ｓ３はスイッ
チである。第１図（ｂ）一＼２第２図ｒ≠〜第４図（ｂ）第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数枚の圧電セラミックスを多層化して振動板に
接合し、各圧電セラミックスに同一位相の振動が生じる
ように各圧電セラミックスを送波回路に並列的に接続し
た第１の配線状態と、１枚の圧電セラミックスのみを受
波回路に接続した第２の配線状態とを切り換える切換回
路を設けたことを特徴とする圧電振動子。
（２）切換回路は第１の配線状態の直後に第２の配線状
態に切り換わるスイッチ回路より成ることを特徴とする
請求項１記載の圧電振動子。