JP4997545B2 - 超音波素子 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を発生して物体の検知や距離の計測に使用される超音波素子に関するものである。

例えば、超音波センサなどに用いられている従来の超音波素子は、例えば、以下の特許文献１に開示されている。
超音波素子においては、高精度の測定や、遠方の計測を可能にするために、再生音圧の上昇が望まれている。

図５は一般的な超音波素子の構造を示す断面図であり、図において、圧電セラミック１は端子５から電気信号が供給されると、伸縮振動する圧電材である。
金属板２は圧電セラミック１と結合されており、圧電セラミック１の伸縮振動に伴って屈曲振動する部材である。
共振子３は金属板２の中心部と結合されており、金属板２の屈曲振動に伴って振動する部材である。
保持材４は圧電セラミック１を保持する部材である。
端子５は外部から電気信号を取り込んで、その電気信号を圧電セラミック１に供給する部材である。
ベース６は保持材４及び端子５を固定する部材である。７はケースである。

次に動作について説明する。
圧電セラミック１は、端子５から電気信号が供給されると、圧電現象によって駆動力を取得して伸縮振動する。
圧電セラミック１が伸縮振動を開始すると、金属板２が圧電セラミック１の伸縮振動に伴って屈曲振動し、共振子３が金属板２の屈曲振動に伴って振動することにより超音波を発生する。

圧電セラミック１、金属板２及び共振子３からなる超音波素子の振動系は、幾つかの共振現象を呈し、共振が起こる幾つかの周波数で、超音波素子の音圧周波数特性上にレベルが高いピークを形成する。
超音波素子は、音圧レベルが高いピークの或る周波数で駆動し、その周波数において、物体検知や距離計測などの動作が行われる。

図６は超音波素子の代表的な音圧周波数特性を示す説明図である。
上述した共振による音圧のピークは、通常、二つが顕著であり、低い方の第１ピーク周波数をｆ₁、二つ目の第２ピーク周波数をｆ₂とすると、ピーク周波数ｆ₁，ｆ₂は、人間の可聴帯域外の超音波帯域に存在し、一般的に音圧が大きいピーク周波数ｆ₁が利用される。
二つの音圧ピークの動作メカニズムを調べるために、音圧特性と振動特性を解析すると、二つの音圧ピークは、共振子３が軸対称振動を行い、ほぼ同等の共振振動モードを呈する。
即ち、二つの音圧ピークの振動状態は、共振子３の振動変位が金属板２及び圧電セラミック１の振動変位と比べて相対的に大きく、例えば、共振子３の外周部の振幅は、金属板２の外周部の２倍以上になる。

図７は振動系の振動状態を示す説明図であり、特に共振子３の振動を拡大して描いている。
共振子３の静止状態（ａ）に対して、（ｂ）は共振子３の最大振幅時のプラス状態を表す振動モードであり、（ｃ）は共振子３の最大振幅時のマイナス状態を表す振動モードである。
図７から明らかなように、相対的に変位が小さい金属板２の中心部に結合されている共振子３は、周辺ほど振幅が大きくなる軸対称振動が起きて屈曲振動を行う。
このとき、共振子３の周辺は、バタバタとはばたく状態であり、この振動状態は“フラップ振動”と呼ばれる。
以上の振動状態は、周波数応答特性にも二つのピークが現れ、そのときの振動モードは実測の振動モードとほぼ一致し、二つのピークが支配的に現れる音圧特性を呈している。

次に、金属板２（＋圧電セラミック１）の振動状態を詳細に考察すると、図８に示すような現象が発生する。
図８（Ａ）は第１ピークの振動モードにおける変位を拡大誇張しており、図８（Ａ）の（ｂ）と（ｃ）は図７と同じ共振子３の振動モードのプラス状態とマイナス状態である。
また、図８（Ａ）の（ｄ）と（ｅ）は、共振子３がプラス状態（ｂ）とマイナス状態（ｃ）の時に対応する金属板２の振動状態を示している。
ただし、図８（Ａ）における金属板２と圧電セラミック１は、一本の実線で表しており、厚さを無視して表示している。

金属板２の振動状態は、円板の第１次軸対称振動モードに近いものとなっている。即ち、金属板２の中央部が最大変位で振動して、直径の約７割の位置に振動の節が一つ存在している。
図８（Ａ）では、保持材４は、上記の第１次軸対称振動モードの節の位置に配設されている。
第１ピークでは、図８（Ａ）に示すように、共振子３の外周部振動と金属板２の外周部振動が互いに逆相になるフラップ振動が発生する。
このような振動状態では、金属板２と共振子３の振動によって放射される音は逆相になり、音波は、その性質上、密から疎に流れていくので、共振子３と金属板２の外周端の逆相作用は音の回り込み現象を生じさせて、ピーク周波数ｆ₁の音軸上の音圧レベルが低下する（図６を参照）。

一方、図８（Ｂ）は第２ピークの振動モードにおける振幅を拡大誇張しており、図８（Ｂ）の（ｂ）と（ｃ）は図７と同じ共振子３の振動モードのプラス状態とマイナス状態である。
また、図８（Ｂ）の（ｄ）と（ｅ）は、共振子３がプラス状態（ｂ）とマイナス状態（ｃ）の時に対応する金属板２の振動状態を示している。
金属板４の振動状態は、図の紙面の上下方向にほぼ並進する振動になる。
第２ピークでは、図８（Ｂ）に示すように、共振子３の外周部振動と金属板２の外周部振動が同じ方向に振動し、その変位が同相になるフラップ振動が発生する。
このような振動状態では、金属板２と共振子３の振動によって放射される音は同相になるので、第１ピークのときのように音が弱められることはない。

特開平８−３２２１００号公報（段落番号［００１９］、図１）

従来の超音波素子は以上のように構成されているので、第１ピークでは、金属板２の外周部の振動が共振子３の外周部と逆相で振動するフラップ振動が発生する。これにより、金属板２の外周部から放射される音が共振子３から放射される音を打ち消してしまうため、ピーク音圧レベルが低下してしまうなどの課題があった。

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、ピーク音圧レベルの低下を防止して、高い音圧レベルの音響特性を得ることができる超音波素子を得ることを目的とする。

この発明に係る超音波素子は、圧電材の伸縮振動に伴って屈曲振動する金属板と、金属板の屈曲振動に伴って振動する共振子と、金属板の外周端を保持する保持材とを備え、金属板の振動方向に対する保持材の伸縮を許容する一方、金属板の振動方向に垂直な方向に対する保持材の移動を制限するガイドを保持材の外周部に設けたものである。

この発明によれば、金属板の振動方向に対する保持材の伸縮を許容する一方、金属板の振動方向に垂直な方向に対する保持材の移動を制限するガイドを保持材の外周部に設けた構成としたので、振動系の上下振動をサポートしつつ横ぶれを防止し、ピーク音圧レベルの低下を防止して、高い音圧レベルの音響特性を得ることができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による超音波素子の前提となる構造を示す構成図であり、図において、圧電セラミック１１は端子１５から電気信号が供給されると、伸縮振動する圧電材である。
金属板１２は圧電セラミック１１と結合されており、圧電セラミック１１の伸縮振動に伴って屈曲振動する部材である。
共振子１３は金属板１２の中心部と結合されており、金属板１２の屈曲振動に伴って振動する部材である。
保持材１４は金属板１２の外周端を保持する部材である。
端子１５は外部から電気信号を取り込んで、その電気信号を圧電セラミック１１に供給する部材である。
ベース１６は保持材１４及び端子１５を固定する部材である。１７はケースである。

次に動作について説明する。
圧電セラミック１１は、端子１５から電気信号が供給されると、圧電現象によって駆動力を取得して伸縮振動する。
圧電セラミック１１が伸縮振動を開始すると、金属板１２が圧電セラミック１１の伸縮振動に伴って屈曲振動し、共振子１３が金属板１２の屈曲振動に伴って振動することにより超音波を発生する。

図４はこの発明の実施の形態１による超音波素子の前提となる考え方を示す説明図である。特に、図４（Ａ）は保持材１４の直径を従来の超音波素子より大きくして（図５及び図８を参照）、金属板１２の外周端を保持している場合の第１ピークの振動状態を表している。
第１ピークでは、図８（Ａ）のような共振のモードで振動しているとすると、保持材１４が金属板１２の外周端を保持する場合、図４（Ａ）に示すように、金属板１２及び共振子１３などから構成される振動系の中心部が最大振幅となる振動状態になる。
音放射効率に重要な役割を担う共振子１３は、振動系の中心部（金属板１２の中心部）に結合されているので、図８（Ａ）の状態より振幅が大きくなる。その結果、第１ピークにおける音圧が上昇する。

従来の超音波素子の保持材４は硬い材質の材料が使用されているが、図４（Ｂ）は、その保持材４に代えて、柔らかい材質の材料が使用されている保持材１４（保持材１４は、例えば、ウレタンフォーム材を用いて構成され、金属板１２の振動方向（音放射方向）に伸縮するバネ性を有している）を用いている場合の第２ピークの振動状態を表している。
ただし、保持材１４の設置位置は、以下の比較説明を行う便宜上、従来の超音波素子における保持材４と同様に（図５を参照）、圧電セラミック１１を保持する位置にあるものとする。

保持材１４が金属板１２の振動方向に伸縮するバネ性を有しているため、保持材４によって振動が制限されていた図８（Ｂ）の状態に比べて、保持材１４の伸縮度合いが大きくなり、図の上下に振動する振動系全体の変位が増加する。その結果、第２ピークにおける音圧も上昇する。
このように、保持材１４が金属板１２の振動方向に伸縮することにより、振動系の並進運動が増大することを踏まえると、保持材１４が金属板１２の外周端を保持する超音波素子の第２ピークでも、図４（Ｂ）と同様な振動が起こるが、第１ピークにおいても、保持材１４が柔らかに金属板１２を保持することにより、共振子１３の共振に起因する振動で上下に並進する運動が加わることになる。

図２は上下に並進する運動が加わっている振動状態を示す説明図である。
図２に示すように、第１ピークで起こる本来の共振モードに並進運動が加わることにより、第１ピークにおいても、振動系が大きな変位を持つことになる。その結果、音圧レベルも上昇して、音響特性が向上する。

また、保持材１４が圧電セラミック１１の伸縮振動に伴って屈曲振動する金属板１２の外周端を保持するように構成したので、ピーク音圧レベルの低下を防止して、高い音圧レベルの音響特性を得ることができる効果を奏する。
また、保持材１４が金属板１２の振動方向に伸縮するバネ性を有しているので、振動系全体の変位が増加して、第２ピークにおける音圧が上昇する効果も得られる。

また上記では、保持材１４の材質がウレタンフォーム材であるものについて示したが、保持材１４の材質はウレタンフォーム材に限るものではなく、十分な伸び縮みが期待できるものであればよい。例えば、コイル状のバネなどで保持材１４を構成するようにしてもよい。
また、保持材１４の断面形状もリング状や円筒形に限定されるものではなく、上下方向に断面積が変化するものや、四角などの多角形断面であってもよい。

図３はこの発明の実施の形態１による超音波素子の構造を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ガイド１８は保持材１４の外周部に設けられ、金属板１２の振動方向に対する保持材１４の伸縮を許容する一方、金属板１２の振動方向に垂直な方向に対する保持材１４の移動を制限するものである。

この実施の形態１では、保持材１４が例えばリング状のウレタンフォーム材で構成されているものを想定しているが、図３に示すように、例えば、金属板１２の外周端を細い円筒棒状の保持材１４によって多点（図３の例では、４点）で支持するような構成であってもよい。
図３の例では、ガイド１８が保持材１４の外周の動きを制限しており、振動系の上下振動をサポートしつつ横ぶれを防ぐ働きをなしている。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、金属板１２の振動方向に対する保持材１４の伸縮を許容する一方、金属板１２の振動方向に垂直な方向に対する保持材１４の移動を制限するガイド１８を保持材１４の外周部に設けるように構成したので、振動系の上下振動をサポートしつつ横ぶれを防止し、音響特性の劣化を招くことなく、第２ピークにおける音圧を高めることができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１による超音波素子の前提となる構造を示す構成図である。 上下に並進する運動が加わっている振動状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波素子の構造を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による超音波素子の考え方を示す説明図である。 一般的な超音波素子の構造を示す断面図である。 超音波素子の代表的な音圧周波数特性を示す説明図である。 振動系の振動状態を示す説明図である。 第１及び第２ピークの振動モードにおける変位を示す説明図である。

１ 圧電セラミック、２ 金属板、３ 共振子、４ 保持材、５ 端子、６ ベース、７ ケース、１１ 圧電セラミック（圧電材）、１２ 金属板、１３ 共振子、１４ 保持材、１５ 端子、１６ ベース、１７ ケース、１８ ガイド。

Claims (1)

1. 電圧が印加されると伸縮振動する圧電材と、上記圧電材と結合され、上記圧電材の伸縮振動に伴って屈曲振動する金属板と、上記金属板の中心部と結合され、上記金属板の屈曲振動に伴って振動する共振子と、上記金属板の外周端を保持する保持材とを備え、上記保持材が金属板の振動方向に伸縮するバネ性を有している超音波素子において、上記金属板の振動方向に対する保持材の伸縮を許容する一方、上記金属板の振動方向に垂直な方向に対する上記保持材の移動を制限するガイドを上記保持材の外周部に設けたことを特徴とする超音波素子。

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