WO2013061384A1 - 音波センサ - Google Patents

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vibration
radiator
piezoelectric body
wave sensor
vibrates
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Inventor
友則 木村
井幡　光詞
井上　悟
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0651—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of circular shape
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Definitions

  • the present invention relates to a sound wave sensor that generates a sound wave when excited by an electric signal, and particularly relates to a sound wave sensor having a sharp directivity.
  • an airborne ultrasonic sensor is a device that oscillates ultrasonic waves in the air and receives ultrasonic waves reflected by an object.
  • This aerial ultrasonic sensor is applied to various fields such as in-vehicle use.
  • an ultrasonic microphone is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the ultrasonic microphone disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a vibration case is vibrated by a piezoelectric body and ultrasonic waves are transmitted and received, and a resonance frequency is adjusted by a frequency adjustment groove.
  • the resonance frequency is determined by the material and shape of the vibration case.
  • a vibration mode for example, as shown by a broken line in FIG. 10, since the end of the vibration case 101 hardly vibrates in the ultrasonic radiation direction, the central portion of the ultrasonic radiation surface vibrates greatly. It becomes a form like abdominal vibration.
  • symbol 102 of FIG. 10 is a piezoelectric material. In such a vibration mode, the directivity is wide compared to a mode in which the entire ultrasonic radiation surface vibrates in the vertical direction. For this reason, there are problems such as the detection of unnecessary objects and the problem that ultrasonic waves do not reach far.
  • An object of the present invention is to provide a sound wave sensor having a sharp directivity by vibrating almost the entire radiation surface of a sound wave in the radiation direction.
  • the acoustic wave sensor according to the present invention has a piezoelectric body that vibrates in the radial direction by an electric signal and a substantially truncated cone shape, and converts the radial vibration of the piezoelectric body in contact with the large diameter surface into axial vibration on the small diameter surface.
  • a vibration direction changer and a radiator that is in contact with the small diameter surface of the vibration direction changer and emits a sound wave along with the axial vibration of the small diameter surface.
  • the acoustic wave sensor includes a piezoelectric body that vibrates by an electrical signal, a diaphragm that vibrates in a radial direction due to vibration of the piezoelectric body, a substantially truncated cone shape, and a diameter of the diaphragm that is in contact with the large-diameter surface.
  • a sound wave sensor having a sharp directivity can be obtained by vibrating almost the entire sound wave radiation surface in the radiation direction.
  • Embodiment 1 of this invention It is a side view explaining the operation
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an aerial ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a piezoelectric body 1
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a vibration direction changer 2.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the radiator 3.
  • An aerial ultrasonic sensor is a device that transmits ultrasonic waves in the air and receives ultrasonic waves reflected by an object. As shown in FIG. 1, the aerial ultrasonic sensor includes a piezoelectric body 1, a vibration direction changer 2, and a radiator 3.
  • the piezoelectric body 1 has a substantially disk shape, and is applied with an electric signal from a connected transmitter / receiver (not shown) so that an electric field is applied and vibrates due to a piezoelectric reverse effect.
  • the upper surface of the piezoelectric body 1 is configured to have substantially the same size as the bottom surface (large diameter surface) 21 of the vibration direction changer 2.
  • the piezoelectric body 1 vibrates in various forms such as thickness vibration and radial vibration, but the first embodiment is directed to radial vibration.
  • the arrow indicates the vibration direction of the piezoelectric body 1
  • the broken line indicates the state of the piezoelectric body 1 due to vibration. Note that FIG. 2 only illustrates the situation when the piezoelectric body 1 swells in the radial direction from the stationary state because the drawing becomes complicated. Further, the electric field is generally applied in the thickness direction of the piezoelectric body 1 as shown in FIG.
  • the vibration direction changer 2 has a substantially truncated cone shape.
  • the piezoelectric body 1 is in contact with the bottom surface (large diameter surface) 21, and the radiator 3 is in contact with the top surface (small diameter surface) 22.
  • the vibration direction converter 2 has a function of converting the radial vibration into vertical vibration (axial vibration) on the upper surface 22 by transmitting the radial vibration of the piezoelectric body 1 on the bottom surface 21.
  • the piezoelectric body 1 and the vibration direction changer 2 are bonded with an adhesive or a double-sided tape.
  • the bonding location may be anywhere as long as the vibration in the radial direction of the piezoelectric body 1 can be transmitted to the vibration direction converter 2. For example, it is only necessary that the vibration can be transmitted even when only the edge portion of the piezoelectric body 1 and the vibration direction changer 2 is bonded or only a few points.
  • the radiator 3 has a substantially cylindrical shape, and is transmitted from the radiation surface (the upper surface not in contact with the vibration direction converter 2) by transmitting the vertical vibration of the vibration direction converter 2. It oscillates sound waves.
  • the vibration direction changer 2 and the radiator 3 are made of the same material, they can be manufactured as one piece. In the case of different materials, they are bonded with an adhesive or double-sided tape. The bonding location between the vibration direction changer 2 and the radiator 3 may be anywhere as long as the vertical vibration of the vibration direction changer 2 can be transmitted to the radiator 3.
  • the operation of the aerial ultrasonic sensor configured as described above will be described.
  • the piezoelectric body 1 is subjected to an electric field and vibrates in the radial direction due to the piezoelectric inverse effect.
  • the vibration direction converter 2 converts the radial vibration of the piezoelectric body 1 in contact with the bottom surface 21 to convert the radial vibration into vertical vibration on the top surface 22. That is, when the piezoelectric body 1 vibrates in the radial direction, the bottom surface 21 of the vibration direction converter 2 also vibrates in the radial direction. The height of the vibration direction converter 2 changes due to the radial vibration of the bottom surface 21. For example, as shown in FIG. 5, when the piezoelectric body 1 spreads in the radial direction, the bottom surface 21 of the vibration direction converter 2 also spreads in the radial direction. On the other hand, in the vibration direction changer 2, a force that tries to keep the volume as a truncated cone acts.
  • the upper surface 22 needs to be small or the height needs to be short.
  • the radiator 3 is in contact with the upper surface 22, and thus the upper surface 22 cannot be reduced. Therefore, the height of the vibration direction changer 2 is shortened. In FIG. 5, this situation is indicated by a broken line.
  • the drawing becomes complicated, only the situation when the piezoelectric body 1 swells in the radial direction from the stationary state is shown.
  • the vibration direction converter 2 functions to convert the radial vibration of the piezoelectric body 1 into the vertical vibration on the upper surface 22.
  • the radiator 3 oscillates ultrasonic waves from the radiation surface in accordance with the vertical vibration of the vibration direction changer 2. At this time, in the radiator 3, almost the entire radiation surface vibrates in the vertical direction as shown in FIG. Therefore, directivity becomes sharper than the conventional aerial ultrasonic sensor.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-65795
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-65795
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-65795
  • the piezoelectric body vibrates in the radial direction
  • the acoustic matching layer vibrates in the vertical direction due to the vibration.
  • Patent Document 2 has a structure in which a fiber for converting force in a right angle direction is provided inside the acoustic matching layer, and the configuration is different from the vibration direction converter 2 of the present invention, and the operation is also different. Therefore, the present invention is different from Patent Document 2.
  • the bottom surface 21 of the vibration direction converter 2 vibrates in the radial direction, and the upper surface 22 vibrates in the vertical direction.
  • the broken line indicates the state of vibration.
  • FIG. 6 shows only the situation in which the piezoelectric body 1 swells in the radial direction from the stationary state because the drawing becomes complicated. Since vibration is small in the vicinity of the fulcrum, a stable operation can be obtained by attaching a holding member (not shown) that holds the aerial ultrasonic sensor at the fulcrum.
  • the vibration direction changer 2 also has a function as a transformer.
  • a point moving in the radial direction is indicated as a force point
  • a point moving in the vertical direction is indicated as an action point.
  • the piezoelectric body 1 vibrates in the radial direction
  • a large force is generated to deform the vibration direction converter 2 although the displacement itself is minute.
  • the aerial ultrasonic sensor converts vibrations of a large force although it is a minute displacement into vibrations of a large displacement that is a small force. Therefore, the vibration direction changer 2 also has a function as such a force changer, that is, a transformer.
  • the radiator 3 has a substantially cylindrical shape as shown in FIG. 4, the ultrasonic radiation surface is a circle, and the circle vibrates in the vertical direction. For this reason, the directivity of the emitted ultrasonic wave becomes the same in the parallel direction and the depth direction with respect to the paper surface of FIG.
  • the shape of the radiator 3 is a substantially rectangular parallelepiped, the rectangle vibrates in the vertical direction. Therefore, it is possible to form different directivities in the parallel direction and the depth direction with respect to the paper surface.
  • the sides of the rectangle are shortened in the direction where the directivity is to be expanded, and the sides of the rectangle are lengthened in the direction where the directivity is to be sharpened.
  • the directivity can be controlled by the shape of the radiator 3. Even when the shape of the radiator 3 is a substantially elliptic cylinder, the ellipse vibrates in the vertical direction, so that directivity control is possible as in the case of the rectangle.
  • the piezoelectric body 1 is caused to vibrate in the radial direction, has a substantially frustoconical shape, and the vibration is changed by the vibration direction converter 2 in which the piezoelectric body 1 is in contact with the bottom surface 21. Since it is configured to convert to directional vibration and to radiate ultrasonic waves with the radiator 3 in contact with the upper surface 22 of the vibration direction converter 2, almost the entire ultrasonic radiation surface of the radiator 3 vibrates in the vertical direction. And sharp directivity can be obtained.
  • the operation at the time of transmitting ultrasonic waves has been described in the first embodiment, the same applies to reception.
  • FIG. FIG. 8 is a view showing a configuration of an aerial ultrasonic sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the aerial ultrasonic sensor according to the second embodiment shown in FIG. 8 is obtained by changing the piezoelectric body 1 of the aerial ultrasonic sensor according to the first embodiment shown in FIG. is there.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the piezoelectric body 4 is applied with an electric field by applying an electric signal from a connected transceiver (not shown), and vibrates due to the piezoelectric reverse effect to excite the diaphragm 5.
  • the shape and vibration direction of the piezoelectric body 4 are arbitrary.
  • the piezoelectric body 4 is configured to be smaller than the diaphragm 5, but is not limited thereto, and may be larger than the diaphragm 5.
  • the diaphragm 5 has a substantially disk shape and is vibrated by being excited by the piezoelectric body 4 in contact with the bottom surface.
  • the upper surface of the diaphragm 5 is configured to have substantially the same size as the bottom surface (large diameter surface) 21 of the vibration direction changer 2.
  • the diaphragm 5 vibrates in various forms such as thickness vibration and radial vibration. In the second embodiment, the radial vibration is targeted.
  • the arrow indicates the vibration direction of the diaphragm 5
  • the broken line indicates the state of the diaphragm 5 due to vibration. In FIG. 9, only the situation when the diaphragm 5 swells in the radial direction from the stationary state is shown because the drawing becomes complicated.
  • the piezoelectric body 4 and the diaphragm 5 are bonded with an adhesive or double-sided tape. Although the bonding location is the central portion in FIG. 8, it may not be the central portion. Further, the diaphragm 5 and the vibration direction changer 2 are also bonded with an adhesive, a double-sided tape or the like. The bonding location may be anywhere as long as the radial vibration of the diaphragm 5 can be transmitted to the vibration direction converter 2. For example, it is sufficient that the vibration can be transmitted even when only the edge portion of the diaphragm 5 and the vibration direction changer 2 is bonded or only a few points are bonded.
  • the operation of the aerial ultrasonic sensor configured as described above will be described.
  • the piezoelectric body 4 is subjected to an electric field and vibrates due to the piezoelectric inverse effect.
  • the diaphragm 5 vibrates in the radial direction by being excited by the piezoelectric body 4.
  • the vibration direction converter 2 converts the radial vibration of the diaphragm 5 in contact with the bottom surface 21 to convert the radial vibration into vertical vibration on the top surface 22. That is, when the diaphragm 5 vibrates in the radial direction, the bottom surface 21 of the vibration direction converter 2 also vibrates in the radial direction. The height of the vibration direction converter 2 changes due to the radial vibration of the bottom surface 21. For example, as shown in FIG. 9, when the diaphragm 5 spreads in the radial direction, the bottom surface 21 of the vibration direction converter 2 also spreads in the radial direction. On the other hand, in the vibration direction changer 2, a force that tries to keep the volume as a truncated cone acts.
  • the upper surface 22 needs to be small or the height needs to be short.
  • the radiator 3 is in contact with the upper surface 22, and thus the upper surface 22 cannot be reduced. Therefore, the height of the vibration direction changer 2 is shortened. In FIG. 9, this situation is indicated by a broken line.
  • the drawing becomes complicated, only the situation when the diaphragm 5 swells in the radial direction from the stationary state is shown.
  • the vibration direction converter 2 functions to convert the radial vibration of the diaphragm 5 into the vertical vibration on the upper surface 22.
  • the radiator 3 oscillates ultrasonic waves from the radiation surface in accordance with the vertical vibration of the vibration direction changer 2. At this time, in the radiator 3, almost the entire radiation surface vibrates in the vertical direction as shown in FIG. Therefore, directivity becomes sharper than the conventional aerial ultrasonic sensor.
  • radiator 3 may be a substantially cylindrical shape, a substantially rectangular parallelepiped shape, a substantially elliptical column shape, or the like, as in the first embodiment.
  • directivity control becomes possible by making it a substantially rectangular parallelepiped shape or a substantially elliptic cylinder shape.
  • the vibration plate 5 is caused to vibrate in the radial direction by the piezoelectric body 4 to have a substantially truncated cone shape, and the vibration direction converter 2 having the vibration plate 5 in contact with the bottom surface 21 has a diameter. Since the directional vibration is converted into the vertical vibration and the ultrasonic wave is radiated by the radiator 3 in contact with the upper surface 22 of the vibration direction converter 2, almost the entire ultrasonic radiation surface of the radiator 3 is in the vertical direction. Can be vibrated and sharp directivity can be obtained.
  • the operation at the time of transmitting an ultrasonic wave has been described. However, the operation can be similarly applied to reception.
  • the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .
  • the sound wave sensor according to the present invention can obtain a sound wave sensor having a sharp directivity by vibrating almost the entire radiation surface of a sound wave in a radiation direction, and can be used as a sound wave sensor that generates a sound wave by being excited by an electric signal. Suitable for use.

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Abstract

　電気信号により径方向に振動する圧電体１と、略円錐台形状であり、大径面２１に接した圧電体１の径方向振動を小径面２２における軸心方向振動に変換する振動方向変換器２と、振動方向変換器２の小径面２２に接し、当該小径面２２の軸心方向振動に伴って音波を放射する放射器３とを備えた。

Description

音波センサ
　この発明は、電気信号によって励振されて音波を発生させる音波センサに関するものであり、特に指向性の鋭い音波センサに関するものである。
　一般に、空中超音波センサとは、空気中に超音波を発振し、物体で反射した超音波を受信するデバイスである。この空中超音波センサは、車載用など種々の分野に応用されている。
　空中超音波センサの従来例としては、超音波マイクロフォンが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示された超音波マイクロフォンは、圧電体により振動ケースを振動させて超音波の送受信を行う構造であり、周波数調整溝により共振周波数を調整するものである。
特開２０００－６９５９２号公報
　特許文献１に開示された従来の超音波マイクロフォンでは、振動ケースの材質および形状によって共振周波数が決まる。振動形態としては、例えば図１０に破線で示すように、振動ケース１０１の端部が超音波の放射方向に対して殆ど振動しないため、超音波の放射面の中心部が大きく振動する、いわゆる太鼓腹振動のような形態となる。なお、図１０の符号１０２は圧電体である。
　このような振動形態では、超音波の放射面全体が上下方向に振動する形態と比較して、指向性が広くなる。そのため、不要な物体の検出や、遠くまで超音波が到達しないなどの問題が生じてしまうという課題があった。なお、上記では「上下方向に振動」と記したが、これは超音波の放射方向を上側あるいは下側にした場合の呼称である。よって、超音波の放射方向を左側あるいは右側にした場合には、「左右運動」となる。すなわち、超音波の放射方向に対して振動することを意味するものである。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、音波の放射面のほぼ全面を放射方向に振動させることによって、指向性の鋭い音波センサを提供することを目的としている。
　この発明に係る音波センサは、電気信号により径方向に振動する圧電体と、略円錐台形状であり、大径面に接した圧電体の径方向振動を小径面における軸心方向振動に変換する振動方向変換器と、振動方向変換器の小径面に接し、当該小径面の軸心方向振動に伴って音波を放射する放射器とを備えたものである。
　また、この発明に係る音波センサは、電気信号により振動する圧電体と、圧電体の振動により径方向に振動する振動板と、略円錐台形状であり、大径面に接した振動板の径方向振動を小径面における軸心方向振動に変換する振動方向変換器と、振動方向変換器の小径面に接し、当該小径面の軸心方向振動に伴って音波を放射する放射器とを備えたものである。
　この発明によれば、上記のように構成したので、音波の放射面のほぼ全面を放射方向に振動させることによって、指向性の鋭い音波センサを得ることができる。
この発明の実施の形態１に係る空中超音波センサの構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における圧電体の構成を示す図であり、（ａ）斜視図であり、（ｂ）側面図である。 この発明の実施の形態１における振動方向変換器の構成を示す図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）側面図である。 この発明の実施の形態１における放射器の構成を示す図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）側面図である。 この発明の実施の形態１に係る空中超音波センサの動作を説明する側面図である。 この発明の実施の形態１における振動方向変換器の動作を説明する側面図である。 この発明の実施の形態１における放射器の別の構成を示す図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）側面図である。 この発明の実施の形態２に係る空中超音波センサの構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態２に係る空中超音波センサの動作を説明する側面図である。 従来の空中超音波センサにおいて、超音波の放射面の中心部が大きく振動する様子を示す側面図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
　なお、以下では空中超音波センサについて説明するが、本発明は超音波に限らず音波全般に関わる発明であり、さらに空中に限らず音波を送信あるいは受信するタイプのセンサ全般に適用可能なものである。
実施の形態１．
　図１はこの発明の形態１に係る空中超音波センサの構成を示す図であり、図２は圧電体１の構成を示す図であり、図３は振動方向変換器２の構成を示す図であり、図４は放射器３の構成を示す図である。
　空中超音波センサは、空気中に超音波を発信し、物体で反射した超音波を受信するデバイスである。この空中超音波センサは、図１に示すように、圧電体１、振動方向変換器２および放射器３から構成されている。
　圧電体１は、図２に示すように、略円盤形状であり、接続された送受信器（不図示）から電気信号が印加されることで、電界が掛かり、圧電逆効果によって振動するものである。なお、圧電体１の上面は、振動方向変換器２の底面（大径面）２１と略同一の大きさに構成されている。
　また、圧電体１は、厚み振動や径方向振動など種々の形態で振動するが、実施の形態１では径方向振動を対象とする。図２において、矢印は圧電体１の振動方向を示し、破線は振動による圧電体１の状況を示している。なお、図２では、図が煩雑になるため、圧電体１が静止状態から径方向に膨らんだ際の状況のみを示している。また、電界は、一般的には、図２（ａ）に示すように、圧電体１の厚さ方向に掛かる。
　振動方向変換器２は、図３に示すように、略円錐台形状であり、底面（大径面）２１には圧電体１が接し、上面（小径面）２２には放射器３が接している。そして、振動方向変換器２は、底面２１で圧電体１の径方向振動が伝達されることで、この径方向振動を上面２２における上下方向振動（軸心方向振動）に変換する機能を有している。
　なお、圧電体１と振動方向変換器２は、接着剤や両面テープなどにより接着する。接着箇所は、圧電体１の径方向振動を振動方向変換器２に伝達可能であれば、どこであってもよい。例えば、圧電体１と振動方向変換器２の縁部分のみの接着や、数箇所のみの接着であっても、上記振動が伝達可能であればよい。
　放射器３は、図４に示すように、略円柱形状であり、振動方向変換器２の上下方向振動が伝達されることで、放射面（振動方向変換器２と接していない上面）から超音波を発振するものである。なお、図４において、円柱の厚みが薄い場合には円盤となるが、以下では「円柱」という文言を用いることとする。
　また、振動方向変換器２と放射器３は、同じ材質であれば一体物として製造することも可能である。異なる材質の場合には、接着剤や両面テープなどにより接着する。振動方向変換器２と放射器３との接着箇所は、振動方向変換器２の上下方向振動を放射器３に伝達可能であれば、どこであってもよい。
　次に、上記のように構成された空中超音波センサの動作について説明する。
　まず、圧電体１は、送受信器から電気信号が印加されると、電界が掛かり、圧電逆効果によって径方向に振動する。
　次いで、振動方向変換器２は、底面２１に接した圧電体１の径方向振動が伝達されることで、この径方向振動を上面２２における上下方向振動に変換する。
　すなわち、圧電体１が径方向に振動すると、振動方向変換器２の底面２１も径方向に振動する。そして、この底面２１の径方向振動によって、振動方向変換器２の高さが変化する。例えば、図５に示すように、圧電体１が径方向に広がると、振動方向変換器２の底面２１も径方向に広がる。その一方で、振動方向変換器２では、円錐台として体積を保とうとする力が働く。この場合、体積を保つためには、上面２２が小さくなるか、または、高さが短くなる必要がある。しかし、本発明の空中超音波センサの構成では、上面２２に放射器３が接しているため、この上面２２を小さくすることができない。よって、振動方向変換器２の高さが短くなる。なお、図５では、この状況を破線で示しているが、図が煩雑になるため、圧電体１が静止状態から径方向に膨らんだ際の状況のみを示している。
　一方、圧電体１が径方向に縮むと、振動方向変換器２の底面２１も径方向に縮み、やはり振動方向変換器２の体積を保とうとする力が働く。この場合、体積を保つためには、上面２２が大きくなるか、または、高さが長くなる必要がある。しかし、本発明の空中超音波センサの構成では、上面２２に放射器３が接しているため、この上面２２を大きくすることができない。よって、振動方向変換器２の高さが長くなる。
　以上のように振動方向変換器２が機能することで、圧電体１の径方向振動を上面２２における上下方向振動に変換することができる。
　次いで、放射器３は、振動方向変換器２の上下方向振動に伴って放射面から超音波を発振する。この際、放射器３では、図５に示すように、放射面のほぼ全面が上下方向に振動する。よって、従来の空中超音波センサより指向性が鋭くなる。
　なお、圧電体の径方向振動を上下方向振動に変換する従来技術として、例えば特許文献２（特開平８－６５７９５号公報）が存在する。この特許文献２では、圧電体が径方向に振動し、この振動により音響整合層が上下方向に振動するという構成である。しかし、特許文献２は、音響整合層の内部に直角方向に力を変換するための繊維を設けた構造であり、本発明の振動方向変換器２とは構成が異なり、また、動作も異なる。したがって、本発明は特許文献２とは異なるものである。
　次に、空中超音波センサの保持方法について説明する。
　上述したように、振動方向変換器２の底面２１は径方向に振動し、上面２２は上下方向に振動する。この場合、図６に示すように、振動方向変換器２の側面において、動きが少ない場所（直線と破線とが交差する点、以下「支点」と称す）が存在する。図６において、破線は振動の状況を示している。また、図６では、図が煩雑になるため、圧電体１が静止状態から径方向に膨らんだ状況のみを示している。
　そして、この支点近傍では振動が小さいため、支点で空中超音波センサを保持する保持部材（不図示）を取り付けることによって、安定した動作が得られる。
　なお、上下方向振動も径方向振動もしない点が存在すれば、その点を支点とすれば安定した動作が得られるが、このような点が必ずしも存在するとは限らない。すなわち、上下方向振動が零であっても径方向振動が存在する場合や、逆に径方向振動が零であっても上下方向振動が存在する場合もある。このような場合には、振動に及ぼす影響が最小になる点を選んで支点とする。
　なお、振動方向変換器２は、トランスとしての機能も有する。図６では、径方向に動く点を力点、上下方向に動く点を作用点として示している。圧電体１が径方向に振動する場合、変位自体は微小であるが振動方向変換器２を変形させるという大きな力が発生している。一方、超音波を空気中に送信する場合、空気を振動させるので、小さな力で大きな変位の振動をしている。すなわち、本発明の空中超音波センサは、微小の変位ではあるが大きな力の振動を、小さな力ではあるが大きな変位の振動に変換している。よって、振動方向変換器２は、このような力の変換器、すなわちトランスとしての機能も有している。
　また、放射器３の形状が図４のように略円柱形状の場合には、超音波の放射面が円となるので、円が上下方向振動することになる。このため、放射される超音波の指向性は、図５の紙面に対して平行方向および奥行き方向で同じとなる。しかし、例えば図７に示すように、放射器３の形状を略直方体とした場合、長方形が上下方向振動することになる。したがって、紙面に対して平行方向および奥行き方向で異なる指向性を形成することが可能である。
　例えば、指向性を広げたい方向には長方形の辺を短くし、指向性を鋭くしたい方向には長方形の辺を長くする。このように、放射器３の形状で、指向性を制御することが可能である。また、放射器３の形状が略楕円柱の場合でも、楕円が上下方向に振動することになるので、長方形の場合と同様に指向性制御が可能である。
　以上のように、この実施の形態１によれば、圧電体１を径方向振動させ、略円錐台形状であり、底面２１に圧電体１が接した振動方向変換器２で径方向振動を上下方向振動に変換し、振動方向変換器２の上面２２に接した放射器３で超音波を放射するように構成したので、放射器３の超音波放射面のほぼ全面が上下方向に振動することができ、鋭い指向性が得られる。
　なお、実施の形態１では、超音波の送信時の動作について説明したが、受信についても同様に適用可能である。
実施の形態２．
　図８はこの発明の実施の形態２に係る空中超音波センサの構成を示す図である。図８に示す実施の形態２に係る空中超音波センサは、図１に示す実施の形態１に係る空中超音波センサの圧電体１を圧電体４に変更し、振動板５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　圧電体４は、接続された送受信器（不図示）から電気信号が印加されることで、電界が掛かり、圧電逆効果により振動して振動板５を励振するものである。この圧電体４は、実施の形態１の圧電体１と異なり、その形状および振動方向は任意である。なお、図８では、圧電体４は、振動板５よりも小さく構成されているが、これに限るものではなく、振動板５よりも大きくてもよい。
　振動板５は、略円盤形状であり、底面に接した圧電体４により励振されて振動するものである。なお、振動板５の上面は、振動方向変換器２の底面（大径面）２１と略同一の大きさに構成されている。
　また、振動板５は、厚み振動や径方向振動など種々の形態で振動するが、実施の形態２では径方向振動を対象とする。図９において、矢印は振動板５の振動方向を示し、破線は振動による振動板５の状況を示している。なお、図９では、図が煩雑になるため、振動板５が静止状態から径方向に膨らんだ際の状況のみを示している。
　なお、圧電体４と振動板５は、接着剤や両面テープなどにより接着する。接着箇所は、図８では中央部としているが、中央部でなくても構わない。また、振動板５と振動方向変換器２も、接着剤や両面テープなどにより接着する。接着箇所は、振動板５の径方向振動を振動方向変換器２に伝達可能であれば、どこであってもよい。例えば、振動板５と振動方向変換器２の縁部分のみの接着や、数箇所のみの接着であっても、上記振動が伝達可能であればよい。
　次に、上記のように構成された空中超音波センサの動作について説明する。
　まず、圧電体４は、送受信器から電気信号が印加されると、電界が掛かり、圧電逆効果によって振動する。次いで、振動板５は、圧電体４により励振されることで、径方向に振動する。
　次いで、振動方向変換器２は、底面２１に接した振動板５の径方向振動が伝達されることで、この径方向振動を上面２２における上下方向振動に変換する。
　すなわち、振動板５が径方向に振動すると、振動方向変換器２の底面２１も径方向に振動する。そして、この底面２１の径方向振動によって、振動方向変換器２の高さが変化する。例えば、図９に示すように、振動板５が径方向に広がると、振動方向変換器２の底面２１も径方向に広がる。その一方で、振動方向変換器２では、円錐台として体積を保とうとする力が働く。この場合、体積を保つためには、上面２２が小さくなるか、または、高さが短くなる必要がある。しかし、本発明の空中超音波センサの構成では、上面２２に放射器３が接しているため、この上面２２を小さくすることができない。よって、振動方向変換器２の高さが短くなる。なお、図９では、この状況を破線で示しているが、図が煩雑になるため、振動板５が静止状態から径方向に膨らんだ際の状況のみを示している。
　一方、振動板５が径方向に縮むと、振動方向変換器２の底面２１も径方向に縮み、やはり振動方向変換器２の体積を保とうとする力が働く。この場合、体積を保つためには、上面２２が大きくなるか、または、高さが長くなる必要がある。しかし、本発明の空中超音波センサの構成では、上面２２には放射器３が接しているため、この上面２２を大きくすることができない。よって、振動方向変換器２の高さが長くなる。
　以上のように振動方向変換器２が機能することで、振動板５の径方向振動を上面２２における上下方向振動に変換することができる。
　次いで、放射器３は、振動方向変換器２の上下方向振動に伴って放射面から超音波を発振する。この際、放射器３では、図９に示すように、放射面のほぼ全面が上下方向に振動する。よって、従来の空中超音波センサより指向性が鋭くなる。
　なお、この空中超音波センサの保持方法は実施の形態１と同様であるため省略する。
　また、放射器３の形状は、実施の形態１と同様に、略円柱、略直方体や略楕円柱などが考えられる。ここで、略直方体形状や略楕円柱形状とすることで、指向性制御が可能となる。
　以上のように、この実施の形態２によれば、圧電体４により振動板５を径方向振動させ、略円錐台形状であり、底面２１に振動板５が接した振動方向変換器２で径方向振動を上下方向振動に変換し、振動方向変換器２の上面２２に接した放射器３で超音波を放射するように構成したので、放射器３の超音波放射面のほぼ全面が上下方向に振動することができ、鋭い指向性が得られる。
　なお、実施の形態２では、超音波の送信時の動作について説明したが、受信についても同様に適用可能である。
　また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明に係る音波センサは、音波の放射面のほぼ全面を放射方向に振動させることによって、指向性の鋭い音波センサを得ることができ、電気信号によって励振されて音波を発生させる音波センサなどに用いるのに適している。
　１，４　圧電体、２　振動方向変換器、３　放射器、５　振動板、２１　底面（大径面）、２２　上面（小径面）。

Claims (10)

  1. 　電気信号により径方向に振動する圧電体と、
    　略円錐台形状であり、大径面に接した前記圧電体の径方向振動を小径面における軸心方向振動に変換する振動方向変換器と、
    　前記振動方向変換器の小径面に接し、当該小径面の軸心方向振動に伴って音波を放射する放射器と
    を備えた音波センサ。
  2. 　前記振動方向変換器の振動が最小となる箇所を保持する保持部材を備えた
    ことを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
  3. 　前記放射器は略円柱形状である
    ことを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
  4. 　前記放射器は略直方体形状である
    ことを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
  5. 　前記放射器は略楕円柱形状である
    ことを特徴とする請求項１記載の音波センサ。
  6. 　電気信号により振動する圧電体と、
    　前記圧電体の振動により径方向に振動する振動板と、
    　略円錐台形状であり、大径面に接した前記振動板の径方向振動を小径面における軸心方向振動に変換する振動方向変換器と、
    　前記振動方向変換器の小径面に接し、当該小径面の軸心方向振動に伴って音波を放射する放射器と
    を備えた音波センサ。
  7. 　前記振動方向変換器の振動が最小となる箇所を保持する保持部材を備えた
    ことを特徴とする請求項６記載の音波センサ。
  8. 　前記放射器は略円柱形状である
    ことを特徴とする請求項６記載の音波センサ。
  9. 　前記放射器は略直方体形状である
    ことを特徴とする請求項６記載の音波センサ。
  10. 　前記放射器は略楕円柱形状である
    ことを特徴とする請求項６記載の音波センサ。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5983498A (ja) * 1982-11-04 1984-05-14 Hitachi Maxell Ltd 電気−音響変換装置
JP2001145192A (ja) * 1999-11-15 2001-05-25 Kaijo Corp 超音波振動子

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