JPS6324799A - Air ultrasonic transducer - Google Patents
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Abstract
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を使用した空中超音波トランスジュ
ーサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an airborne ultrasonic transducer using a piezoelectric vibrator.
(従来技術)
一般に、空中超音波トランスジューサはコンベアライン
上を流れる製品の位置検出センサや自動車のバックセン
サ、あるいはカメラの焦点検出等種々の分野に利用され
ている。(Prior Art) Generally, aerial ultrasonic transducers are used in various fields such as position detection sensors for products flowing on a conveyor line, back sensors for automobiles, and focus detection for cameras.
従来、この種の空中超音波トランスジューサとしては、
圧電振動子の広がり振動モードを利用した数100KH
zないし数MHzの周波数帯で使用されるものがある。Conventionally, this type of aerial ultrasonic transducer
Several 100KH using the spread vibration mode of a piezoelectric vibrator
Some are used in the frequency band of 100 MHz to several MHz.
第4図および第5図に夫々このような空中超音波トラン
スジューサの2つの例の縦断面を示す。FIGS. 4 and 5 respectively show longitudinal sections of two examples of such airborne ultrasound transducers.
第4図の空中超音波トランスジューサは、円形の圧電基
板1が広がり振動を行なう圧電振動子2の一方の主面に
、この圧電振動子2の振動の空中への放射率を高めるた
めの1/4波長音響整合層3が接着され、この1/4波
長音響整合層3の周縁部に、上記圧電振動子2を取り四
〇ように、リング状の支持部材4を接合し、この支持部
材4にて全体を支持してなるオープンタイプのものであ
る。上記圧電振動子2はその圧電基板1の対向する両生
表面に電極5ぢよび6か形成され、これら電極5および
6から夫々リード線7および8が引き出されてなるもの
である。In the airborne ultrasonic transducer shown in FIG. 4, a circular piezoelectric substrate 1 is spread and placed on one main surface of a piezoelectric vibrator 2 that vibrates. A 4-wavelength acoustic matching layer 3 is bonded, and a ring-shaped support member 4 is bonded to the peripheral edge of this 1/4 wavelength acoustic matching layer 3, as shown in FIG. It is an open type that is supported entirely by. The piezoelectric vibrator 2 has electrodes 5 and 6 formed on the opposing surfaces of the piezoelectric substrate 1, and lead wires 7 and 8 are drawn out from these electrodes 5 and 6, respectively.
一方、第5図の空中超音波トランスジューサは、有底の
樹脂ケース11の内底面の中央部に、第4図と同様の圧
電振動子2を接着し、この樹脂ケース11の蓋部材12
に設けられた端子13および14に夫々圧電振動子2の
リード線7および8を半田付けした樹脂ケースタイプの
ものである。この樹脂ケースタイプの空中超音波トラン
スジューサては、樹脂ケース11がこの空中超音波トラ
ンスジューサの1/4波長音響整合層として機能してい
る。On the other hand, in the aerial ultrasonic transducer shown in FIG. 5, a piezoelectric vibrator 2 similar to that shown in FIG.
It is of a resin case type in which lead wires 7 and 8 of the piezoelectric vibrator 2 are soldered to terminals 13 and 14 provided in the piezoelectric vibrator 2, respectively. In this resin case type aerial ultrasonic transducer, the resin case 11 functions as a 1/4 wavelength acoustic matching layer of the aerial ultrasonic transducer.
ところで、第4図のようなオープンタイプの空中超音波
トランスジューサでは、圧電振動子2が露出しているの
で、空気中に多数のチリやホコリが浮遊していたり、湿
度が高い等の過酷な条件下では信頼性が低下し、使用不
能になるという問題があった。By the way, in the open type airborne ultrasonic transducer shown in Fig. 4, the piezoelectric vibrator 2 is exposed, so it cannot be used under harsh conditions such as a large amount of dirt and dust floating in the air or high humidity. However, there was a problem that reliability deteriorated and it became unusable.
また、第5図のような樹脂ケースタイプのものでは、圧
電振動子2の圧電基板1が広がり振動すると樹脂ケース
11ら共振し、超音波が発射された後も樹脂ケース11
の振動が続く。この振動は圧電振動子2により送信リン
ギングとしてキャッチされる。このため、第5図の空中
超音波トランスジューサにより近距離にある物体の位置
測定を行なう場合、上記空中超音波トランスジユーサが
ら発射された超音波が上記物体に当たって反射し、再び
、上記空中超音波トランスジューサに戻って上記物体か
らの反射波として受信される時点においても、上記送信
リンギングが持続していると、上記物体からの反射信号
が上記送信リンギングに埋もれてしまい、近距離にある
物体の位置検出ができないという問題があった。In addition, in the resin case type shown in FIG. 5, when the piezoelectric substrate 1 of the piezoelectric vibrator 2 spreads and vibrates, the resin case 11 resonates, and even after the ultrasonic wave is emitted, the resin case 11
The vibration continues. This vibration is caught by the piezoelectric vibrator 2 as transmission ringing. Therefore, when measuring the position of a nearby object using the aerial ultrasonic transducer shown in FIG. If the transmission ringing continues even when it returns to the transducer and is received as a reflected wave from the object, the reflected signal from the object will be buried in the transmission ringing, and the position of the nearby object will be lost. There was a problem that it could not be detected.
(発明の目的)
本発明の目的は、物体の検出距離範囲が広く、構造が簡
単で信頼性が高い空中超音波トランスジューサを提供す
ることである。(Objective of the Invention) An object of the present invention is to provide an airborne ultrasonic transducer that has a wide object detection range, a simple structure, and high reliability.
(発明の構成)
このため、本発明は、一端開口状の金属ケースの一端開
口部に圧電振動子が固定されてなるl/4波長音響整合
層がその周縁部にて接合固定され、上記金属ケースの1
/4波長音響整合層との接合面からそれに対向する上記
金属ケースの他端面までの寸法りと上記圧電振動子の直
径Wとの比t / Wが0.1<t/w<0.7である
ことを特徴としている。(Structure of the Invention) Therefore, in the present invention, a 1/4 wavelength acoustic matching layer having a piezoelectric vibrator fixed to an opening at one end of a metal case having an opening at one end is bonded and fixed at its periphery, and the above-mentioned metal Case 1
The ratio t/W of the dimension from the bonding surface with the /4 wavelength acoustic matching layer to the other end surface of the metal case opposing thereto and the diameter W of the piezoelectric vibrator is 0.1<t/w<0.7. It is characterized by being
上記比t / wが01と0.7の間の値を取るように
、上記寸法りと上記直径Wを設定すれば、送信リンギン
グのレベルが抑えられ、近距離まで物体の位置を検出で
きるようになる。By setting the above dimensions and the above diameter W so that the above ratio t/w takes a value between 01 and 0.7, the level of transmission ringing can be suppressed and the position of an object can be detected up to a short distance. become.
(発明の効果)
本発明によれば、短時間で送信リンギングのレベルが小
さくなるように金属ケースの寸法および圧電振動子の直
径を設定するようにしたから、近距離にある物体からの
反射波が送信リンギングに埋られることがなく、従って
、近距離にある物体も高いS/N比で検出することがで
きる。また、本発明によれば、金属ケースは一端開口状
のもので、1/4波長波長音響板により圧電振動子か金
属ケース内に密閉されるので、厳しい環境条件下におい
てら使用することのできる信頼性の高い空中超音波トラ
ンスジューサを得ることができろ。(Effects of the Invention) According to the present invention, the dimensions of the metal case and the diameter of the piezoelectric vibrator are set so that the level of transmission ringing is reduced in a short time. is not buried in transmission ringing, and therefore objects at close range can be detected with a high S/N ratio. Further, according to the present invention, the metal case is open at one end, and the piezoelectric vibrator is sealed inside the metal case by a quarter-wavelength acoustic plate, so it can be used even under severe environmental conditions. Get a reliable airborne ultrasound transducer.
(実施例) 以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明に係る空中超音波トランスジューサの一実施例の
縦断面図および斜視図を夫々第1図および第2図に示す
。A vertical cross-sectional view and a perspective view of an embodiment of an airborne ultrasonic transducer according to the present invention are shown in FIGS. 1 and 2, respectively.
上記空中超音波トランスジューサは、圧電基板21の広
がり振動モードを利用する圧電振動子22と、この圧電
振動子22の上記圧電基板21の広がり振動の空中への
放射率を高めろための1/・1波長音響整合層23と、
一端開口状の金属ケース24とからなる。The aerial ultrasonic transducer includes a piezoelectric vibrator 22 that utilizes the spreading vibration mode of the piezoelectric substrate 21, and a 1/. a one-wavelength acoustic matching layer 23;
It consists of a metal case 24 with one end open.
上記圧電振動子22は直径がWの円形の圧電基板21の
対向する両生表面に夫々電極25および26を形成した
ちのである。上記圧電振動子22は、その電極25側に
て、【/4波長音響整合層23の一つの主表面のほぼ中
央部に接着剤(図示せず、、)により接着される。The piezoelectric vibrator 22 has electrodes 25 and 26 formed on opposing surfaces of a circular piezoelectric substrate 21 having a diameter of W, respectively. The piezoelectric vibrator 22 is bonded on the electrode 25 side to approximately the center of one main surface of the /4 wavelength acoustic matching layer 23 with an adhesive (not shown).
一方、上記1/4波長音響整合層23は、たとえばエポ
キシ樹脂に直径が10〜200μmの中空のガラス玉を
混入し、直径がφ()W)で厚さかXの円板状に成形し
たもので、その固有音響インピーダンスは、Z=0.1
xlO’ 〜2.5xlO’に9/灰2・Sである。上
記1/4波長音響整合層23は、金属ケース24の開口
部24aに嵌入される。On the other hand, the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23 is formed by mixing hollow glass beads with a diameter of 10 to 200 μm into epoxy resin, for example, and molding the mixture into a disk shape with a diameter of φ()W) and a thickness of X. And its characteristic acoustic impedance is Z=0.1
xlO' to 2.5xlO' is 9/ash 2.S. The quarter wavelength acoustic matching layer 23 is fitted into the opening 24a of the metal case 24.
上記金属ケース24は、アルミニウム、真ちゅうもしく
はステンレス等の金属材料からなる。上記金属ケース2
4の開口部24aは、その内部に嵌入される上記1/4
波長音響整合層23の外周面との間にgのギャップが形
成されるように、(φ+29)の内径を有する。また、
上記金属ケース24の開口部24aの幅は上記1/4波
長音響整合層23の厚さXと等しいか、やや大きくなっ
ており、この開口部24aを取り囲む壁24bが上記1
/4波長音響整合層23の保護用ガードとして機能して
いる。The metal case 24 is made of a metal material such as aluminum, brass, or stainless steel. Metal case 2 above
The opening 24a of No. 4 has the above-mentioned 1/4 which is fitted into the opening 24a.
It has an inner diameter of (φ+29) so that a gap of g is formed between it and the outer peripheral surface of the wavelength acoustic matching layer 23. Also,
The width of the opening 24a of the metal case 24 is equal to or slightly larger than the thickness X of the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23, and the wall 24b surrounding this opening 24a is
It functions as a protective guard for the /4 wavelength acoustic matching layer 23.
上記開口部24aに続く金属ケース24の内部24cの
内径は、圧電振動子22の径冑よりもやや大きく設定さ
れる。すなわち、上記内部24cを取り囲む金属ケース
24の側壁24dの厚みyは、この側壁24dが圧電振
動子22に接触しない範囲内の値に設定される。The inner diameter of the interior 24c of the metal case 24 following the opening 24a is set to be slightly larger than the diameter of the piezoelectric vibrator 22. That is, the thickness y of the side wall 24d of the metal case 24 surrounding the interior 24c is set to a value within a range where the side wall 24d does not come into contact with the piezoelectric vibrator 22.
このような金属ケース24内の寸法設定により、金属ケ
ース24の内部24cと開口部24aとの間に段部24
eが形成され、この段部24eに、上記開口部24aに
圧電振動子22を金属ケース24の内側に向けて嵌入さ
れた1/4波長音響整合層23の周縁部か接着され、固
定される。Due to such dimension setting inside the metal case 24, a stepped portion 24 is formed between the inside 24c of the metal case 24 and the opening 24a.
e is formed, and the peripheral edge of the 1/4 wavelength acoustic matching layer 23, in which the piezoelectric vibrator 22 is fitted into the opening 24a with the piezoelectric vibrator 22 facing inside the metal case 24, is bonded and fixed to this step 24e. .
上記圧電振動子22の電極25および26には夫々リー
ド線27および28が接続され、これらリード線27お
よび28は、金属ケース24内にて、その底部を貫通す
る端子31および32に夫々半田付けされる。これら端
子31および32は、絶縁性を有する樹脂29により金
属ケース24の底部を貫通して固定されている。Lead wires 27 and 28 are connected to the electrodes 25 and 26 of the piezoelectric vibrator 22, respectively, and these lead wires 27 and 28 are soldered to terminals 31 and 32, respectively, which pass through the bottom of the metal case 24. be done. These terminals 31 and 32 are fixed by penetrating the bottom of the metal case 24 with an insulating resin 29.
以上に説明した購成を有する空中超音波トランスジュー
サにおいて、さらに、金属ケース24の上記段部24e
から金属ケース24の外底面までの距離tと、圧電振動
子22の直径宥との比が0.1<t/w<0.7
の関係を満足するように、上記距Mtと直径Wの値が設
定される。In the aerial ultrasonic transducer having the above-described structure, the step portion 24e of the metal case 24 is further provided.
The distance Mt and the diameter W are set so that the ratio of the distance t from The value is set.
これは、本願の発明者による上記空中超音波トランスジ
ューサを使用した、送信リンギングに関する、次のよう
な実験の結果に基づくものである。This is based on the following experimental results regarding transmission ringing using the above-mentioned aerial ultrasonic transducer by the inventor of the present application.
すなわち、本願の発明者は、t / wが0.0.20
゜0.35,0.55,0.62,0.7,0.82,
0.86゜1.0,1.05および1.20のサンプル
を作り、40デシヘル降下リンギング時間を測定したと
ころ、第3図において曲線りで示すような結果を得た。That is, the inventor of the present application has determined that t/w is 0.0.20
゜0.35, 0.55, 0.62, 0.7, 0.82,
Samples of 0.86° 1.0, 1.05 and 1.20 were prepared and the ringing time with a drop of 40 dH was measured, and the results shown by the curve in FIG. 3 were obtained.
なお、t/w=0は金寓ケース24を取り付けない場合
である。この第3図において、横軸はL/Wであり、縦
軸は40デシベル降下リンギング時間(ms)である。Note that t/w=0 is the case where the metal case 24 is not attached. In FIG. 3, the horizontal axis is L/W, and the vertical axis is 40 decibel drop ringing time (ms).
上記第3図において、40デシベル降下リンギング時間
の最小値は約0 、8 m5ecである。この0.8m
5ecに超音波が進む距離は、音速を340 m/ s
ecとすると、340xO,8XlO−’40.27m
である。従って、このときの最小検出距離は上記0.2
7mの1/2.すなわち13.5cm程度である。とこ
ろで、上記最小検出距離は上記の13゜5cmから15
〜16ci程度あれば実用上充分であると考えると、4
0デシベル降下リンギング時間が0.8〜1 、1 m
5ec程度の値となるようにすればよいことが分かる。In FIG. 3 above, the minimum value of the 40 dB drop ringing time is approximately 0.8 m5ec. This 0.8m
The distance that an ultrasonic wave travels in 5ec is the sound speed of 340 m/s
If ec, 340xO, 8XlO-'40.27m
It is. Therefore, the minimum detection distance at this time is the above 0.2
1/2 of 7m. That is, it is about 13.5 cm. By the way, the above minimum detection distance is 15 degrees from the above 13°5 cm.
Considering that approximately 16 ci is sufficient for practical purposes, 4
0 dB drop ringing time 0.8~1,1 m
It can be seen that it is sufficient to set the value to about 5ec.
従って、40デシベル降下リンギング時間が0゜8〜1
、1 m5ecとなるようにするには、上記比シ/゛
Wの値を、第3図から、0ゴく仁/w<0.7の範囲に
設定すればよいことが分かる。Therefore, the 40 dB drop ringing time is 0°8~1
, 1 m5ec, it can be seen from FIG. 3 that the value of the above ratio/W should be set in the range of 0/w<0.7.
なお、上記実施例において、l/・1波長音響整合層2
3と金属ケース24の開口部2・1aとの間のギャップ
gには何ら充填されていない無負荷状聾が理想であるが
、さらに物体の検出距離を小さくしたい場合や機成的強
度を上げたい場合は、上記ギャップgにシリコンゴムや
エボキン等を充填してもよい。In addition, in the above embodiment, the l/·1 wavelength acoustic matching layer 2
Ideally, the gap g between 3 and the openings 2 and 1a of the metal case 24 should be filled with no load, but if you want to further reduce the object detection distance or increase the mechanical strength. If desired, the gap g may be filled with silicone rubber, Evoquin, or the like.
第1図は本発明に係る空中超音波トランスジューサの一
実施例の縦断面図、
第2図は第1図の空中超音波トランスジューサの斜視図
、
第3図は第1図の空中超音波トランスジューサの40デ
シベル降下リンギング時間の測定結果を示す説明図、
第4図および第5図は夫々従来の空中超音波トランスジ
ューサの縦断面図である。
2I・・・圧電基板、22・・圧電振動子、23 用/
4波長音響整合層、
24 ・金属ケース(24a・・開口)。
特許出願人 株式会社 村田製作所
代理人 弁理士 青白 葆 ほか2名
@3図
t/w
第4図
第5巳FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of the aerial ultrasonic transducer according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view of the aerial ultrasonic transducer of FIG. 1, and FIG. 3 is a view of the aerial ultrasonic transducer of FIG. An explanatory diagram showing the measurement results of a 40 decibel drop ringing time. FIGS. 4 and 5 are longitudinal cross-sectional views of a conventional airborne ultrasonic transducer, respectively. 2I...Piezoelectric substrate, 22...Piezoelectric vibrator, 23/
4-wavelength acoustic matching layer, 24 - Metal case (24a...opening). Patent applicant: Murata Manufacturing Co., Ltd. Agent: Patent attorney: Seihaku Ho, and 2 others @Figure 3 t/w Figure 4 Figure 5
Claims (1)
電振動子と、 この圧電振動子が一つの主表面のほぼ中央部に密着して
固定される平板状の1/4波長音響整合層と、 この1/4波長音響整合層が上記圧電振動子を内側にし
て上記一つの主面の周縁部にて一端開口部に固定される
一端開口状の金属ケースとからなり、 この金属ケースの上記1/4波長音響整合層との接合面
からそれに対向する上記金属ケースの他端面までの寸法
tと上記圧電振動子の直径wとの比t/wが 0.1<t/w<0.7 となっていることを特徴とする空中超音波トランスジュ
ーサ。(1) A piezoelectric vibrator that utilizes the spread vibration mode of a circular piezoelectric substrate, and a flat 1/4 wavelength acoustic matching layer that is tightly fixed to approximately the center of one main surface of the piezoelectric vibrator. This 1/4 wavelength acoustic matching layer is made up of a metal case with an open end fixed to an opening at one end at the periphery of the one main surface with the piezoelectric vibrator inside; The ratio t/w of the dimension t from the joint surface with the 1/4 wavelength acoustic matching layer to the other end surface of the metal case opposing thereto and the diameter w of the piezoelectric vibrator is 0.1<t/w<0. 7. An aerial ultrasonic transducer characterized by:
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