JPH0923498A - 超音波送受信器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 作製が容易でかつ防滴特性を有しながらも、
音圧出力の大きい超音波送信器及び受信変換効率の大き
い超音波受信器の構造を提供する。 【構成】 圧電体１４、１５と圧電体に結合した振動板
１３と円錐状の振動子１１より構成される構造体で、振
動板１３の振動により円錐状の振動子１１が円錐表面に
円錐軸を中心に対称な振動の節１７を形成する。また圧
電体１４、１５と振動板１３を囲み、円錐状の振動子１
１の円錐端に円錐底面の半径方向に円錐軸を中心に対称
な外力を印加する支持体４０を有する。さらに円錐状の
振動子１１の円錐表面内側に単分子膜６０を成膜した構
造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体との距離計測に利
用する超音波送受信器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下に、従来の超音波送信器の構造につ
いて説明する。図７は従来の超音波送信器の構成図であ
る。図７において、７０は圧電振動子、７１はコーン振
動子、７２はピン、７３は振動板、７４、７５は圧電
体、

【０００３】

【外１】

【０００４】は上記圧電体の分極の大きさ及び方向、７
６は突起である。圧電振動子７０は振動板７３及び振動
板７３を挟み分極の大きさ及び方向（外１）の等しい圧
電体７４、７５で構成されるバイモルフ振動子で、上記
圧電振動子のたわみ振動の固有周波数が超音波領域の周
波数となる構造を有する。また圧電体７４、７５の全て
の主面には電極が形成されている。コーン振動子７１は
アルミニウム等の重量の軽い金属薄板をプレス加工して
作製される内部が中空の円錐状の振動子で、上記円錐状
の振動子の頂点に突起７６を有する。そして振動板７３
の中心とピン７２の一端を結合し、突起７６とピン７２
の片端を結合することにより、圧電振動子７０とコーン
振動子７１を機械的に結合する。

【０００５】以上のように構成された超音波送信器につ
いて、次にその動作について説明する。まず圧電振動子
７０に上記たわみ振動の固有周波数の交流電圧を印加し
て圧電振動子７０に上記たわみ振動を励振させる。する
と上記たわみ振動によりコーン振動子７１が上記たわみ
振動の周波数の外力を受けて振動し、上記振動によりコ
ーン振動子７１の円錐表面より上記円錐表面に隣接する
音波伝播媒質に音響エネルギーが伝達され、すなわち超
音波が送信される。

【０００６】超音波の音圧大出力のための理想的なコー
ン振動子７１の振動変位分布を図８に示す。図８で、破
線８０は圧電振動子７０を励振させる前の理想的なコー
ン振動子７１の断面、実線８１は圧電振動子７０を励振
させた時の理想的なコーン振動子７１の断面、矢印は圧
電振動子７０のたわみ振動の変位方向である。超音波の
音圧大出力を実現するには、図８に示すように圧電振動
子７０のたわみ振動に対してコーン振動子７１が上記た
わみ振動変位方向にピストン状に振動することが望まし
い。しかし実際には、コーン振動子７１は上記たわみ振
動方向に対して非対称に振動する場合がある。その原因
は、コーン振動子７１及び圧電振動子７０の中心対称性
の精度、またコーン振動子７１と圧電振動子７０の結合
時の中心対称精度が考えられる。その結果、図９に示す
ように上記コーン振動子の円錐表面が上記圧電振動子の
たわみ振動方向に対して非対称に変位するため、音圧出
力が小さくなる。図９で、破線９０は圧電振動子７０を
励振させる前の従来のコーン振動子７１の円錐側面の断
面、実線９１は圧電振動子７０を励振させた時のコーン
振動子７１の円錐側面の断面、矢印は圧電振動体７０の
たわみ振動変位方向である。また上記非対称振動によ
り、ピン７２に対して上記たわみ振動以外の方向から外
力が加えられるためピン７２の機械強度が小さくなり、
上記ピンが折れる場合もある。一方ピン７２を太くして
上記非対称振動に対するピン７２の機械強度を大きくし
ようとすると、上記圧電振動子のたわみ振動に対する負
荷が増大し、音圧出力の増大が困難である。

【０００７】また超音波受信器についても、上記超音波
送信器と同じ構造を有するため、上記コーン振動子７１
の上記非対称振動は、上記超音波受信器に入射する超音
波の受信出力効率、すなわち受信変換効率を小さくす
る。また、圧電振動子７０が防滴特性を有する従来の超
音波送信器の構造を図１０に示す。図１０で１００は支
持体で、１０１はシリコンゴムである。支持体１００は
圧電振動子７０を囲み、コーン振動子７１に対してコー
ン振動子７１の円錐端とシリコンゴム１０１を介して結
合することにより支持する。しかし上記支持方法ではコ
ーン振動子７１の振動変位に影響を与えるため、超音波
送信器の音圧出力及び超音波受信器の受信変換効率を大
きくするには必ずしも適切ではない。

【０００８】さらに、コーン振動子７１の円錐表面内側
に防滴特性を有するため、上記表面内側に撥水性を有す
る材料を接着している。しかし、上記撥水性を有する材
料を接着すると、上記撥水性を有する材料は重量が重い
ため上記コーン振動子７１の円錐表面の振動変位が小さ
くなり、超音波送信器の音圧出力が小さくなる。また上
記接着による上記撥水性を有する材料と上記コーン振動
子の結合は、音圧大出力時のコーン振動子７１の振動に
対して十分でなく上記接着が剥がれる場合があり、安定
した音圧の大出力が困難である。また上記超音波送信器
と同じ構造を有する超音波受信器についても、上記撥水
性を有する材料の接着は上記超音波受信器の受信変換効
率に影響を与える。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、コーン振動子及び圧電振動子の中心対称精
度、コーン振動子と圧電振動子の結合時の中心対称精度
が超音波送信器の音圧出力及び超音波受信器の受信変換
効率に影響を与えるという課題を有していた。また、圧
電振動子が防滴特性を有するような構造では、送信器の
音圧出力及び受信器の受信変換効率に対して必ずしも適
切でないという課題を有していた。

【００１０】さらに、コーン振動子の円錐表面と結合し
た撥水性を有する材料が、超音波送信器の音圧出力及び
超音波受信器の受信変換効率に影響を与えるという課題
を有していた。本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、コーン振動子及び圧電振動子の中心対称精度を上げ
ず、コーン振動子及び圧電振動子の結合時の中心対称精
度を上げず、またコーン振動子及び圧電振動子が防滴特
性を備えた、音圧出力の大きい超音波送信器及び受信変
換効率の大きい超音波受信器を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（１）この目的を達成するために本発明の超音波送信器
は、圧電体と、上記圧電体と結合した振動板と、上記振
動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子を備え、上
記振動板の振動により上記円錐状の振動子が上記円錐表
面に上記円錐軸を中心に対称な振動の節を形成する構成
を有している。また、対称な振動の節が円環状である構
成を有している。さらに、対称な振動の節を円錐状の振
動子の上記円錐の頂点の近傍かまたは上記円錐端の近傍
に形成する構成を有している。 （２）また、圧電体と、上記圧電体と結合した振動板
と、上記振動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子
と、上記圧電体及び上記圧電体と結合した振動板を囲み
上記円錐状の振動子の円錐端を支持する支持体を備え、
上記支持体が上記円錐状の振動子に対して上記円錐底面
の半径方向に外力を印加する構成を有している。 （３）さらに、圧電体と、上記圧電体と結合した振動板
と、上記振動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子
を備え、上記円錐状の振動子の円錐表面に撥水性を有す
る単分子膜を成膜する構成を有している。

【００１２】

【作用】

（１）この構成によって、円錐状の振動子が振動板の振
動により上記円錐表面に上記円錐軸を中心に対称な振動
の節を有するため、上記振動板の振動に対して上記円錐
軸方向にのみ振動し、また上記円錐軸に垂直な方向から
の外力を受けにくくなり上記振動板及び上記円錐状の振
動子の結合部分の機械強度が強くなるため、超音波送信
器の音圧出力及び超音波受信器の受信変換効率の向上を
実現できる。 （２）また、圧電体及び上記圧電体と結合した振動板を
囲み上記円錐状の振動子の円錐端を支持する支持体が上
記円錐状の振動子の上記円錐底面の半径方向に外力を印
加するため、上記円錐状の振動子が上記振動板の振動に
対して上記円錐の軸方向にのみ振動し、また上記円錐状
の振動子は上記円錐の軸に垂直な方向からの外力を受け
にくく上記振動板及び上記円錐状の振動子の結合部の機
械強度が強くなるため、上記圧電振動子及び上記円錐状
の振動子が防滴特性を有しながらも、超音波送信器の音
圧出力及び超音波受信器の受信変換効率の向上を実現で
きる。 （３）さらに、円錐状の振動子の円錐表面に撥水性を有
する単分子膜を成膜すると、上記単分子膜は重量が軽
く、上記円錐状の振動子の円錐表面との結合強度が大き
く、また撥水特性を有するため、上記圧電振動子及び上
記円錐状の振動子が防滴特性を有しながらも、音圧大出
力に影響を与えにくい超音波送信器及び受信変換効率に
影響を与えにくい超音波受信器を実現できる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の第一の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の第一の実施例
を示す超音波送信器の構成図及び上面図である。図１に
おいて、１０は圧電振動子、１１はコーン振動子、１２
は圧電振動子１０とコーン振動子１１を機械的に結合す
るピン、１３は振動板、１４、１５は圧電体、１６は突
起、１７は振動の節である。圧電振動子１０は振動板１
３及び、振動板１３を挟み分極の大きさ及び方向（外
１）の等しい圧電体１４、１５で構成されるバイモルフ
振動子で、上記圧電振動子のたわみ振動の固有周波数が
超音波領域の周波数となる構造を有する。また圧電体１
４、１５の全ての主面には電極が形成されている。コー
ン振動子１１はアルミニウム等の金属で作製される内部
が中空の円錐状の振動子で、上記円錘状の振動子の頂点
に突起１６を有する。そしてピン１２の一端と振動板１
３の中心を結合し、ピン１２の片端と突起１６を結合す
ることにより、圧電振動子１０とコーン振動子１１を機
械的に結合する。さらに、コーン振動子１１は上記圧電
振動子のたわみ振動の周波数で、上記円錐表面の上記円
錐頂点近傍に上記円錐軸を中心とした円環状の振動の節
１７、１８、１９を有する。

【００１４】以上のように構成された超音波送信器につ
いて、次にその動作について説明する。まず、上記バイ
モルフ振動子に交流電圧を印加して圧電振動子１０に上
記たわみ振動を励振させる。すると上記圧電振動子と結
合したコーン振動子１１が上記たわみ振動の周波数で上
記コーン振動子の円錐軸方向に振動するが、この時上記
円錐表面に上記円環状の振動の節１７を形成する。上記
場合におけるコーン振動子１１の円錐表面の振動変位分
布の断面図を図２に示す。図２で、波線２０は圧電振動
子１０をにたわみ振動を励振させる前のコーン振動子１
１の円錐表面の断面、実線２１は圧電振動子１０にたわ
み振動を励振させた時のコーン振動子１１の円錐表面の
断面、矢印は圧電振動子１０のたわみ振動によりコーン
振動子１１に加えられた振動変位方向である。図２に示
すように、振動の節１７が上記円錐軸に対称に形成され
ているため、上記コーン振動子１１の円錐表面は振動の
節２２、２３の左右で逆位相で変位し、またコーン振動
子１１全体は上記円錐軸方向に対称に変位する。従って
コーン振動子１１は圧電振動子１０のたわみ振動方向２
２の振動に対して上記たわみ振動方向にのみ振動するこ
とができ、音圧出力を増大させることができる。またピ
ン１２は上記たわみ振動方向にのみ剛体振動するので上
記振動に垂直な方向からの外力を受けにくく、ピン１２
の機械強度が強くなり、上記振動によりピン１２が折れ
ることもない。

【００１５】上記円錐軸に対称な振動の節の形状の他の
例を図３に示す。図３はコーン振動子１１を上方より見
た図で、波線３０、３１、３２、３３は振動の節であ
る。図３（ａ）は円環状の振動の節であるが、上記振動
の節が上記円錐状のコーン振動子の円錐端近傍に形成さ
れている。（ｂ）、（ｃ）は円環以外の形状の上記振動
の節の例で、（ｂ）は正方形、（ｃ）は正六角形の振動
の節である。さらに上記振動の節は（ｄ）に示すように
上記円錐軸を中心に対称な任意の形状であってもよい。
上記振動の節はコーン振動子１１の大きさや形状により
決定されるコーン振動子１１の固有振動モードである。
従って、圧電振動子１０のたわみ振動の共振周波数と上
記コーン振動子の固有周波数を合わせることにより、音
圧出力を増大させることができる。また上記振動の節が
存在することにより、上記圧電振動子及びコーン振動子
の中心対称精度や、圧電振動子１０とコーン振動子１１
の結合時の中心対称精度を上げなくともコーン振動子１
１は上記円錐の軸方向に対称に振動することができる。

【００１６】また上記円錐軸方向に対称な振動の節位置
を、上記コーン振動子の円錐表面の中央よりも、本実施
例で示したように上記円錐頂点あるいは什器円錐端近傍
に有することにより超音波の音響エネルギーの伝達効率
が向上し、さらに音圧出力が増大する。さらに、超音波
受信器についても上記超音波送信器と同じ構造を有する
ことにより、上記超音波受信器への超音波の入射に対し
て上記超音波受信器のコーン振動子が上記円錐軸方向に
対称に振動するため、上記超音波の受信出力効率、すな
わち受信変換効率か向上する。

【００１７】以上のように本実施例によれば、円錐軸を
中心に対称な振動の節を有するコーン振動子を有するこ
とよりに圧電振動子の振動に対して上記コーン振動子が
上記円錐軸方向に対称に振動するため、超音波送信器の
音圧出力及び超音波受信器の受信変換効率を増大させる
ことができる。 （実施例２）以下本発明の第二の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図４は本発明の第二の実施例
を示す超音波送信器の構成図及び上面図である。図４
で、１０は圧電振動子、１１はコーン振動子、１２は圧
電振動子１０とコーン振動子１１を機械的に結合するピ
ン、１３は振動板、１４、１５は圧電体、１６は突起、
４０は支持体、４１はフィルム、４２は柔らかい接着
剤、４３はコーン振動子１１の円錐端、４４は支持体４
０のフィルム４１との接触部である。圧電振動子１０は
振動板１３及び、振動板１３を挟み分極の大きさ及び方
向（外１）の等しい圧電体１４、１５で構成されるバイ
モルフ振動子で、上記圧電振動子のたわみ振動の固有周
波数が超音波領域の周波数となる構造を有する。また圧
電体１４、１５の全ての主面には電極が形成されてい
る。コーン振動子１１はアルミニウム等の金属で作製さ
れる内部が中空の円錐状の振動子で、上記円錘状の振動
子の頂点に突起１６を有する。そしてピン１２の一端と
振動板１３の中心を結合し、ピン１２の片端と突起１６
を結合することにより、圧電振動子１０とコーン振動子
１１を機械的に結合する。また、支持体４０は、コーン
振動子１１の円錐端とフィルム４１を介して結合し、圧
電振動子１０及びコーン振動子１１を囲み、さらに圧電
振動子１０を上記圧電振動子のたわみ振動の節位置で柔
らかい接着剤４２を介して支持する構造を有している。

【００１８】さらに支持体４０は、コーン振動子１１の
円錐端に対して上記円錐底面の半径方向に上記円錐軸を
中心に対称な張力を印加し上記コーン振動子を支持して
いる。上記張力を印加する方法は、フィルム４１の熱膨
張特性を利用し、フィルム４１とコーン振動子１１及び
支持体４０との接着において、フィルム４１と支持体４
０のフィルム４１との接触部４４の接着にフィルム４１
とコーン振動子１１の円錐端４３の接着より高い温度を
加え上記接着剤を熱硬化させることにより実現できる。
するとフィルム４１は上記円錐底面の半径方向外向きに
伸びるので、コーン振動子１１の円錐端４３は上記円錐
底面の半径方向に張力を印加された状態になる。

【００１９】本発明の超音波送信器の動作方法は実施例
１記載の方法により行う。その時の上記超音波送信器の
振動変位を図５に示す。圧電振動子１０のたわみ振動に
よりコーン振動子１１が振動するが、上記コーン振動子
はコーン振動子１１の円錐端４３に上記張力が印加され
ているため上記円錐軸方向にのみ対称に振動し、上記円
錐軸に垂直な方向には振動しない。従って、実施例１記
載の内容により音圧出力を増大させることができる。ま
た圧電振動子１０は、周囲を支持体４０、コーン振動子
１１及びフィルム４１により囲まれているため、防滴特
性に優れた構造を有している。

【００２０】また、超音波受信器についても上記超音波
送信器と同じ構造を有することにより、上記超音波受信
器への超音波の入射に対して上記超音波受信器のコーン
振動子が上記円錐軸方向に対称に振動するため、超音波
の受信変換効率か大きくなる。また防滴特性に優れた構
造を実現できる。以上のように本実施例によれば、圧電
振動子を囲み上記コーン振動子を上記コーン振動子の円
錐端で支持する支持体が上記コーン振動子の円錐底面の
半径方向に張力を印加することにより、上記圧電振動子
の振動に対して上記コーン振動子が上記円錐軸方向に上
記円錐軸を中心に対称に振動するため、上記圧電振動子
が防滴特性を有しながらも、超音波送信器の音圧出力及
び超音波受信器の受信変換効率を増大させることができ
る。

【００２１】なお圧電振動子の支持について、本実施例
では上記圧電振動子を上記圧電振動子のたわみ振動の節
位置で柔らかい接着剤を用いて支持したが、上記圧電振
動子を綿などの柔らかい材料の上に乗せるという構造で
もよい。 （実施例３）以下本発明の第三の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図６は本発明の第三の実施例
を示す超音波送信器の構成図及び上面図である。図６
で、１０は圧電振動子、１１はコーン振動子、１２は圧
電振動子１０とコーン振動子１１を機械的に結合するピ
ン、１３は振動板、１４、１５は圧電体、１６は突起、
６０は単分子膜である。圧電振動子１０は振動板１３及
び振動板１３を挟み分極の大きさ及び方向（外１）の等
しい圧電体１４、１５で構成されるバイモルフ振動子
で、上記圧電振動子のたわみ振動の固有周波数が超音波
領域の周波数となる構造を有する。また圧電体１４、１
５の全ての主面には電極が形成されている。コーン振動
子１１はアルミニウム等の金属で作製される内部が中空
の円錐状の振動子で、上記円錘状の振動子の頂点に突起
１６を有する。そしてピン１２の一端と振動板１３の中
心を結合し、ピン１２の片端と突起１６を結合すること
により、圧電振動子１０とコーン振動子１１を機械的に
結合する。

【００２２】図６に示すように、単分子膜６０はコーン
振動子１１の円錐表面内側に成膜する。上記単分子膜の
作製はＬＢ法により行われる。すなわち、親水基及び疎
水基を有する分子を、親水処理を施した上記コーン振動
子１１の円錐表面内側に転写し成膜する。上記作製方法
により、上記単分子膜の表面には上記疎水基が形成され
る。従ってコーン振動子１１は撥水性を有し、防滴特性
を得ることができる。また超音波の音圧の大出力にはコ
ーン振動子１１の円錐表面の振動変位を大きくすること
が必要であるが、上記単分子膜は膜厚が薄く重量が軽く
なるためコーン振動子１１の振動変位に影響を与えず、
従って音圧の大出力を維持できる。さらに上記単分子膜
の成膜方法により、上記単分子膜との上記コーン振動子
の円錐表面内側の結合強度が大きくなり、コーン振動子
１１の振動により上記単分子膜が剥離しにくくなり、安
定した音圧出力を実現できる。

【００２３】また超音波受信器についても上記超音波送
信器と同様の構造を有することにより、上記単分子膜を
成膜しても上記超音波受信器の上記コーン振動子の振動
に影響を与えないため、超音波の受信変換効率に影響を
与えず、また防滴特性を有することができる。以上のよ
うに本実施例によれば、コーン振動子の円錐表面内側に
単分子膜を成膜すると、上記単分子膜は重量が軽く、上
記コーン振動子の円錐表面との結合強度が大きく、また
撥水特性を有するため、上記コーン振動子が防滴特性を
有しながらも、音圧大出力に影響を与えない超音波送信
器及び受信変換効率に影響を与えない超音波受信器を実
現することができる。

【００２４】

【発明の効果】

（１）以上のように本発明は、円錐状の振動子が振動板
の振動により上記円錐表面に上記円錐軸を中心に対称な
振動の節を有するため、上記円錐状の振動子及び上記振
動板の中心対称精度を上げず、また上記円錐状の振動子
と上記振動板との結合時の中心対称精度を上げない簡易
構造で、超音波送信器の音圧大出力化及び超音波の受信
変換効率を大きくすることができる。 （２）また、圧電体及び上記圧電体と結合した振動板を
囲み上記円錐状の振動子の円錐端を支持する支持体が上
記円錐状の振動子の上記円錐底面の半径方向に外力を印
加する構造により、上記圧電体及び上記圧電体と結合し
た振動板がの防滴特性を有しながらも、音圧出力の大き
い超音波送信器及び受信変換効率の大きい超音波受信器
を実現できる。 （３）さらに、円錐状の振動子の円錐表面に撥水性を有
する単分子膜を成膜することにより、上記円錐状の振動
子が防滴特性を有しながらも音圧大出力に影響を与えな
い超音波送信器及び受信変換効率に影響を与えない超音
波受信器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例における超音波送信器の
構成を示す図

【図２】同コーン振動子の振動変位の断面図

【図３】同中心対称な振動の節を有するコーン振動子の
図

【図４】本発明の第二の実施例における超音波送信器の
構成を示す図

【図５】同振動変位の図

【図６】本発明の第三の実施例における超音波送信器の
構成を示す図

【図７】従来の超音波送信器の構成図

【図８】理想的なコーン振動子の振動変位の断面図

【図９】従来のコーン振動子の振動変位の断面図

【図１０】防滴特性を有する従来の超音波送信器の図

【符号の説明】

１０ 圧電振動子 １１ コーン振動子 １３ 振動板 １４、１５ 圧電体 １７ 振動の節 ４０ 支持体 ６０ 単分子膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体と、前記圧電体と結合した振動板
   と、前記振動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子
   を備え、前記振動板の振動により前記円錐状の振動子が
   前記円錐表面に前記円錐軸を中心に対称な振動の節を有
   することを特徴とする超音波送受信器。
2. 【請求項２】対称な振動の節が円環状であることを特徴
   とする請求項１記載の超音波送受信器。
3. 【請求項３】対称な振動の節を円錐状の振動子の前記円
   錐の頂点の近傍かまたは前記円錐端の近傍に有すること
   を特徴とする請求項１記載の超音波送受信器。
4. 【請求項４】圧電体と、前記圧電体と結合した振動板
   と、前記振動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子
   と、前記圧電体及び前記圧電体と結合した振動板を囲み
   前記円錐状の振動子の円錐端を支持する支持体を備え、
   前記支持体が前記円錐状の振動子に対して前記円錐底面
   の半径方向に前記円錐軸を中心に対称な外力を印加して
   支持することを特徴とする超音波送受信器。
5. 【請求項５】圧電体と、前記圧電体と結合した振動板
   と、前記振動板と結合した内部が中空の円錐状の振動子
   を備え、前記円錐状の振動子の円錐表面に撥水性を有す
   る単分子膜を成膜することを特徴とする超音波送受信
   器。