【考案の詳細な説明】[Detailed explanation of the idea]
考案の要約
空中用超音波センサとして超音波振動子に角板
状のものを用いるとともに、これに溝入れ加工を
施すことにより縦方向共振モードで振動するよう
にした。この結果、使用周波数にかかわらず、開
口を自由に選べる、小型高感度を実現できる、量
産性に優れる、至近領域でも使用できるなどの効
果が得られる。
考案の背景
技術分野
この考案は、空中において距離測定や物体有無
検知に用いる空中用超音波センサに関する。
従来技術とその問題点
従来の空中用超音波センサとしての一例として
第５図に示すものがある。この種の構造の空中用
超音波センサは一般に100KHz〜500KHzの周波数
帯で用いられることが多い。この図において、円
板状超音波振動子２１はケース１０内に設けら
れ、ケーブル５に接続されている。これは一般に
超音波送、受波兼用として用いられる。空間と音
響的に整合をとり、超音波を空中に効率よく送波
するための音響整合層３が円板状超音波振動子２
１の前面に接着され、また振動子のＱ値を下げ残
響を少くするとともに後方における超音波の反射
を防止するためのパツキング材（ダンパ）４が同
振動子２１の後面に接着されている。
このような空中用超音波センサに用いる超音波
振動子としてPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）が知
られている。下表に代表的なPZTの周波数定数
を示す。定数Np，N33およびNtはそれぞれ径方
向モード、縦方向モードおよび厚み方向モードに
おける超音波振動子の周波数定数である。
Summary of the invention As an aerial ultrasonic sensor, we used a rectangular plate-shaped ultrasonic vibrator, and by grooving it, we made it vibrate in a longitudinal resonance mode. As a result, effects such as being able to freely select the aperture regardless of the operating frequency, achieving small size and high sensitivity, being excellent in mass production, and being able to be used even in close range are achieved. BACKGROUND TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION This invention relates to an aerial ultrasonic sensor used for measuring distance and detecting the presence or absence of an object in the air. Prior Art and its Problems An example of a conventional aerial ultrasonic sensor is shown in FIG. 5. Airborne ultrasonic sensors with this type of structure are generally used in the frequency band of 100KHz to 500KHz. In this figure, a disc-shaped ultrasonic transducer 21 is provided inside a case 10 and connected to a cable 5. This is generally used for both transmitting and receiving ultrasonic waves. The acoustic matching layer 3 is a disk-shaped ultrasonic transducer 2 for acoustically matching the space and efficiently transmitting ultrasonic waves into the air.
A packing material (damper) 4 is bonded to the rear surface of the vibrator 21 to lower the Q value of the vibrator, reduce reverberation, and prevent reflection of ultrasonic waves at the rear. PZT (lead zirconate titanate) is known as an ultrasonic transducer used in such an airborne ultrasonic sensor. The table below shows the frequency constants of typical PZT. The constants N p , N 33 and N t are frequency constants of the ultrasonic transducer in the radial mode, longitudinal mode and thickness direction mode, respectively.
【表】
空中用超音波センサに用いられる超音波振動子
２１として第６図に示すように、円板状のPZT
を径方向モードで使用することが従来多かつた。
たとえば、この円板状振動子２１を共振周波数r
＝200KHzで使用するためには上記の表に示され
た周波数定数のうちNpが用いられ、r＝Np／ｄ
（ｄは円板状PZTの直径）からｄ＝9.8mmのように
決定され、円板状PZTの大きさが定まる。
最近、空中用超音波センサの高周波数化、検知
範囲の近距離化が要求されている。このような状
況に対処するためには上記の円板状超音波振動子
を用いた空中用超音波センサには次のような問題
点が指摘されている。たとえば、使用周波数を
1MHzとすると、円板状PZTの直径を2.0mm程度の
大きさにする必要がありこれではあまりに小さす
ぎ、実装が困難となる上に、十分な感度が得られ
ない。
この問題を解決するために、厚み方向モードを
利用することが考えられる。この場合にはr＝
Nt／（は円板状PZTの厚み）から＝1.9mm
とすればよい。しかしながら、円板状PZTが厚
み振動をするためには、円板状PZTの大きさを
ある程度大きくしなければならず（たとえば厚み
の３倍程度の大きさの開口が必要となる）やは
り開口の決定に制約が残るし、やや大きな開口と
なつてしまう。また一般に厚み方向モードは径方
向モードに比べて、電気機械結合係数が小さく感
度的に不利である。
さらにこのような円板状振動子固有の問題とし
て次のような点が指摘されている。
その代表的なものは円板状振動子の近距離音場
が複雑な点である。円板状振動子の開口（直径）
をｄ、超音波の波長をλ、振動子からの距離をｘ
としたときに、振動子の音軸上の音圧分布は、第
７図に示すように、ｘ＝d2／4λ≡x0よりも手前
の領域（この領域を近距離音場という）では非常
に複雑となる。したがつて、至近距離の検知範囲
を得るためにｘ＜x0の範囲に検知領域を設定する
と、このような領域では物体が存在するにもかか
わらず、十分な反射波が得られず、誤動作の原因
となる。振動子の開口をｄ＝10mm、使用周波数を
1MHzとしたとき、x0＝74mmとなり、開口が大き
く、周波数が高いほど距離x0は長くなる。
また形状が円形のため、ひとつずつ型に入れて
作製するか、板状材料から円形に切り出す必要が
あり、量産性に乏しく、コスト高になる。
従来の円板状超音波振動子の上記問題点をまと
めると次のようになる。
振動子の開口を自由に選ぶことができず、超音
波のビーム幅を自由に決定できない。
円板状振動子は近距離音場が複雑となるため、
至近距離計測に用いることが困難である。
振動子が円板状のため、量産性に乏しく、コス
ト高である。
考案の概要
考案の目的
この考案は、ビーム幅を自由に選ぶことができ
る上に、量産性に富み、また至近領域を検知領域
とすることができる空中用超音波センサを提供す
ることを目的とする。
考案の構成と効果
この考案による空中用超音波センサは、所望の
周波数の縦方向共振モードで振動する厚みを有
し、かつ少なくとも一面にスリツトが形成され、
スリツト間の幅が、厚みの２倍よりも狭く、かつ
厚みの1/2倍よりも広い角板状の超音波振動子を
備えたことを特徴とする。。スリツトは帯状、ま
す目状等任意の形とすることができる。
この考案によると、超音波振動子は所望の周波
数の縦方向共振モードで振動する厚みを有してい
るので、縦方向共振モードでの振動となる。超音
波振動子の少なくとも一面に、厚みの２倍よりも
狭く、かつ厚みの1/2倍よりも広い幅のスリツト
が形成されているので、スリツトの間の超音波振
動子の部分において振動が生じる。このため厚み
にほぼ無関係に開口の大きさを決定しても超音波
振動子の縦方向共振モードでの振動が支配的にな
る。開口はスリツトが形成できる大きさ以上であ
ればよく、その大きさを自由に選べる。この結
果、超音波ビーム幅の決定に柔軟性が生まれる。
角板状振動子は近距離音場がゆるやかであり、
至近距離計測に用いることが可能である。
振動子の加工にダイシング法を用いることがで
き、一度に大量の振動子を生産できる。このため
量産性に富みコストダウンが図れる。
実施例の説明
第１図はこの考案の実施例を示すものである。
第５図に示すものと同一物には同一符号を付し、
説明を省略する。超音波振動子１として正方形板
状PZTが用いられ、これを縦方向モードで使用
するために、その一面に帯状の溝入れ加工が施さ
れている。溝入れ加工が施された面にダンパ４が
接着されているが、この面を前側すなわち音響整
合層３側としてもよい。
第２図に超音波振動子１が拡大して示されてい
る。超音波振動子１の開口（一辺の長さ）をｄ＝
５mmとし、共振周波数r＝1MHzの空中用超音波
センサに用いる場合には、N33＝r／より厚み
を＝1.3mmとすればよい。
しかしながらこのままでは振動子厚に対し
て、素子開口ｄが大きいために、この形状の
PZT振動子は縦振動モード以外に他の振動モー
ドが加わわり複雑な振動モードを提する。一般に
PZTの縦振動モードが支配的になるための振動
子形状の条件として、ｄ／２＜＜2dを満たす
ように設定されることが必要である。この考案に
よつて正方形板状振動子１の一面に一方向にのび
る多数の帯状部分をつくるためのスリツト２が入
れられ、帯の幅d1が上記の条件d1／２＜＜2d1
を満たすように設定される。たとえば上記の厚み
＝1.3mmに対しては0.65mm＜d1＜2.6mmの間でd1
が選択される。またスリツト２の深さは、強度上
の支障がない範囲で深い方が望ましい。
このような構成とすることによつて、超音波振
動子１の開口の大きさについての条件は、スリツ
トが形成できる大きさ以上であればよいことのみ
となり、使用する周波数帯域に関係なく柔軟に選
択することができる。また一般に、縦モードの電
気機械結合係数は他の振動モードよりも大きく、
空中用超音波センサの感度を大きくできる。
PZT振動子の加工すなわち溝入れと分離とを
ダイシング法により行なうことができるので、量
産性に優れ、低コスト化を図ることができる。
さらに第４図に示すように、正方形板状振動子
の近距離音場は変化がゆるやかなため、この超音
波センサを至近距離で使用した場合においても、
誤動作の可能性が少ない。
第１図に示す超音波センサは送受波兼用の単一
型であるが、この考案は第３図に示すように送波
振動子と受波振動子とを独立別個に設けたクロ
ス・ビーム型構成とした場合にももちろん適用可
能である。第３図において、超音波センサは第２
図に示すような構成の超音波送波振動子１１と超
音波受波振動子１２とを別個に備えている。送波
振動子１１と受波振動子１２はそれぞれの音軸
が、センサ前方の所定範囲内の至近距離において
交差するように特定の角度をもつて樹脂ケース１
５内に実装されている。すなわち、樹脂ケース１
５にあけられた孔内に送波振動子１１および受波
振動子１２がきつく挿入され、これらの前後に音
響整合層１３およびダンパ１４がそれぞれ設けら
れている。このように送、受波振動子１１，１２
を樹脂に埋設することによりセンサへの取付等の
取扱いが容易となる。樹脂ケース１５はセンサ・
ケース２０に固定されている。ケース２０からは
振動子１１，１２に接続されたケーブル１７が引
出されている。樹脂ケース１５には、超音波減衰
率の大きな材料が選択され、かつ送波振動子１１
と受波振動子１２との間の位置において樹脂ケー
ス１５にはスリツト１６が形成され、これによつ
て送波振動子１１から受波振動子１２への直接波
の混入が防止される。
上記の実施例においては超音波振動子は正方形
板状であるが、長方形板状としてもよい。またス
リツトはます目状に入れてもよいし、スリツトを
入れる面は片面に限らず両面としてもよい。[Table] As shown in Figure 6, a disk-shaped PZT is used as an ultrasonic transducer 21 used in an airborne ultrasonic sensor.
In the past, it was often used in radial mode.
For example, if this disc-shaped vibrator 21 is set to a resonance frequency r
For use at =200KHz, N p of the frequency constants shown in the table above is used, r = N p /d
(d is the diameter of the disc-shaped PZT), and the size of the disc-shaped PZT is determined as d=9.8 mm. Recently, there has been a demand for higher frequencies and shorter detection ranges for aerial ultrasonic sensors. In order to cope with such a situation, the following problems have been pointed out to the above-mentioned aerial ultrasonic sensor using the disc-shaped ultrasonic transducer. For example, the frequency used
At 1 MHz, the diameter of the disk-shaped PZT must be approximately 2.0 mm, which is too small, making implementation difficult and not providing sufficient sensitivity. In order to solve this problem, it is possible to use the thickness direction mode. In this case r =
From N t / (thickness of disk-shaped PZT) = 1.9mm
And it is sufficient. However, in order for the disc-shaped PZT to undergo thickness vibration, the size of the disc-shaped PZT must be increased to some extent (for example, an aperture that is about three times the thickness is required). There will still be constraints on decisions, and it will be a rather wide opening. Further, in general, the thickness direction mode has a smaller electromechanical coupling coefficient than the radial direction mode, and is disadvantageous in terms of sensitivity. Furthermore, the following points have been pointed out as problems specific to such a disc-shaped vibrator. A typical example is that the near-field sound field of a disc-shaped vibrator is complex. Aperture (diameter) of disc-shaped vibrator
is d, the wavelength of the ultrasound is λ, and the distance from the transducer is x
As shown in Fig. 7 , the sound pressure distribution on the acoustic axis of the vibrator is as shown in Fig. 7. It becomes very complicated. Therefore, if you set the detection area in the range x < x 0 in order to obtain a close-range detection range, even though there is an object in such an area, sufficient reflected waves will not be obtained, resulting in malfunction. It causes. The aperture of the vibrator is d=10mm, and the frequency used is
When set to 1MHz, x 0 =74 mm, and the larger the aperture and the higher the frequency, the longer the distance x 0 becomes. In addition, since the shape is circular, it is necessary to manufacture them one by one by placing them in a mold or cutting them into a circular shape from a plate-shaped material, which makes it difficult to mass-produce and increases costs. The above-mentioned problems of conventional disc-shaped ultrasonic transducers can be summarized as follows. The aperture of the transducer cannot be freely selected, and the beam width of the ultrasonic wave cannot be freely determined. Because the near-field sound field of a disc-shaped vibrator is complicated,
It is difficult to use it for close-range measurement. Since the vibrator is disc-shaped, mass production is poor and the cost is high. Overview of the invention Purpose of the invention The purpose of this invention is to provide an airborne ultrasonic sensor that can freely select the beam width, is mass-producible, and can detect a close range. do. Structure and Effects of the Invention The aerial ultrasonic sensor according to this invention has a thickness that vibrates in a longitudinal resonance mode of a desired frequency, and has a slit formed on at least one surface.
The present invention is characterized by having a rectangular plate-shaped ultrasonic transducer in which the width between the slits is narrower than twice the thickness and wider than 1/2 the thickness. . The slits can be in any shape, such as a band shape or a square shape. According to this invention, since the ultrasonic vibrator has a thickness that allows it to vibrate in a longitudinal resonance mode of a desired frequency, it vibrates in a longitudinal resonance mode. Since a slit is formed on at least one side of the ultrasonic transducer, the slit is narrower than twice the thickness and wider than 1/2 the thickness, so that vibrations occur in the portion of the ultrasonic transducer between the slits. arise. For this reason, even if the size of the aperture is determined almost independently of the thickness, vibrations in the longitudinal resonance mode of the ultrasonic transducer become dominant. The size of the opening can be freely selected as long as it is larger than the size that allows a slit to be formed. This results in flexibility in determining the ultrasound beam width. The rectangular plate-shaped vibrator has a gentle near-field sound field,
It can be used for close range measurement. A dicing method can be used to process the vibrators, and a large amount of vibrators can be produced at one time. Therefore, mass production is possible and costs can be reduced. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment of this invention.
Components that are the same as those shown in Figure 5 are given the same reference numerals.
The explanation will be omitted. A square plate-shaped PZT is used as the ultrasonic transducer 1, and in order to use it in a longitudinal mode, one surface of the square plate is grooved in a band-like manner. Although the damper 4 is bonded to the grooved surface, this surface may be the front side, that is, the acoustic matching layer 3 side. FIG. 2 shows an enlarged view of the ultrasonic transducer 1. The aperture (length of one side) of the ultrasonic transducer 1 is d=
5 mm, and when used in an airborne ultrasonic sensor with a resonant frequency r = 1 MHz, the thickness may be set to = 1.3 mm since N 33 = r /. However, as it is, the element aperture d is large relative to the transducer thickness, so this shape
PZT vibrators exhibit complex vibration modes in which other vibration modes are added to the longitudinal vibration mode. in general
In order for the longitudinal vibration mode of PZT to become dominant, the shape of the vibrator must be set to satisfy d/2<<2d. With this invention, slits 2 are provided on one surface of the square plate-shaped vibrator 1 to create a large number of band-shaped parts extending in one direction, and the band width d 1 satisfies the above condition d 1 /2<<2d 1
is set to satisfy. For example, for the above thickness = 1.3 mm, d 1 is between 0.65 mm < d 1 < 2.6 mm
is selected. Further, the depth of the slit 2 is desirably deep within a range that does not affect the strength. With this configuration, the only requirement for the size of the aperture of the ultrasonic transducer 1 is that it must be at least as large as possible to form a slit, making it flexible regardless of the frequency band used. You can choose. In general, the electromechanical coupling coefficient of the longitudinal mode is larger than that of other vibration modes.
The sensitivity of aerial ultrasonic sensors can be increased. Since processing of the PZT vibrator, that is, grooving and separation, can be performed by the dicing method, mass production is excellent and costs can be reduced. Furthermore, as shown in Figure 4, the near-field sound field of the square plate-shaped vibrator changes slowly, so even when this ultrasonic sensor is used at close range,
There is less possibility of malfunction. The ultrasonic sensor shown in Fig. 1 is a single type that can be used for both transmitting and receiving waves, but this idea is a cross-beam type in which a transmitting transducer and a receiving transducer are provided independently, as shown in Fig. 3. Of course, it is also applicable to the case where it is configured as follows. In Figure 3, the ultrasonic sensor is located at the second
An ultrasonic wave transmitting transducer 11 and an ultrasonic receiving transducer 12 configured as shown in the figure are separately provided. The transmitting transducer 11 and the receiving transducer 12 are attached to the resin case 1 at a specific angle so that their sound axes intersect at a close distance within a predetermined range in front of the sensor.
It is implemented in 5. That is, resin case 1
A transmitting transducer 11 and a receiving transducer 12 are tightly inserted into the hole drilled in the hole 5, and an acoustic matching layer 13 and a damper 14 are provided before and after these, respectively. In this way, the transmitting and receiving transducers 11 and 12
By embedding the sensor in the resin, handling such as mounting it on the sensor becomes easier. The resin case 15 is a sensor.
It is fixed to the case 20. A cable 17 connected to the vibrators 11 and 12 is pulled out from the case 20. A material with a high ultrasonic attenuation rate is selected for the resin case 15, and the transmitting transducer 11
A slit 16 is formed in the resin case 15 at a position between the transmitting transducer 11 and the receiving transducer 12, thereby preventing direct waves from entering the receiving transducer 12 from the transmitting transducer 11. In the above embodiment, the ultrasonic transducer has a square plate shape, but it may also have a rectangular plate shape. Further, the slits may be formed in a square pattern, and the slits may be formed not only on one side but also on both sides.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図はこの考案の実施例を示し、Ａは超音波
センサの断面図、Ｂは正面図、第２図は超音波振
動子の拡大斜視図、第３図は他の実施例を示し、
Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第４図
は角板状超音波振動子の音圧特性を示すグラフで
ある。第５図は従来の超音波センサを示すもの
で、Ａは超音波センサの断面図、Ｂは正面図、第
６図は従来の円板状超音波振動子を示す拡大斜視
図、第７図は円板状超音波振動子の音圧特性を示
すグラフである。
１……超音波振動子、２……スリツト。
Fig. 1 shows an embodiment of this invention, A is a sectional view of the ultrasonic sensor, B is a front view, Fig. 2 is an enlarged perspective view of the ultrasonic transducer, and Fig. 3 is another embodiment.
A is a sectional view of the ultrasonic sensor, B is a front view, and FIG. 4 is a graph showing the sound pressure characteristics of the rectangular plate-shaped ultrasonic transducer. Fig. 5 shows a conventional ultrasonic sensor, where A is a sectional view of the ultrasonic sensor, B is a front view, Fig. 6 is an enlarged perspective view of a conventional disc-shaped ultrasonic transducer, and Fig. 7 is a graph showing sound pressure characteristics of a disc-shaped ultrasonic transducer. 1...Ultrasonic transducer, 2...Slit.