JP6422792B2 - Ultrasonic transceiver - Google Patents
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Description
本発明は、超音波の送受信素子とそれを使用した超音波の送受信装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transmission / reception element and an ultrasonic transmission / reception apparatus using the same.
圧電セラミックスなどの圧電素子は、力を加えると電気エネルギーを発生させ、反対に電気エネルギーを加えると伸縮して力を発生させる。このため、このような性質を利用して、様々な分野で使用されている。 Piezoelectric elements such as piezoelectric ceramics generate electrical energy when a force is applied, and expand and contract when a force is applied to generate a force. For this reason, it is used in various fields using such properties.
特許文献1には、圧電振動子と筐体からなる超音波センサの発明が記載されている(請求項1)。圧電振動子は、円形の金属板と圧電セラミックスからなるものが使用されている(図1、段落番号0009)。
この超音波センサは、筐体が必要であることから大型化するため、使用が制限されるという問題があり、圧電振動子は金属板を使用していることから、高湿度雰囲気で使用すると錆が発生するおそれがあるという問題もある。
This ultrasonic sensor has a problem that its use is limited because it requires a housing and is restricted, and the piezoelectric vibrator uses a metal plate. Therefore, it is rusted when used in a high humidity atmosphere. There is also a problem that may occur.
特許文献2には、超音波発生素子1を備えた超音波発生デバイス100が図1、図2に示されている。
超音波発生素子1は、枠体2、第1のバイモルフ型圧電振動子3、第2の第1のバイモルフ型圧電振動子4を備えている(段落番号0025)。枠体2は、セラミックスからなり、第1のバイモルフ型圧電振動子3は、矩形で平板状の圧電セラミックス3aからなり、第2の第1のバイモルフ型圧電振動子4は、矩形で平板状の圧電セラミックス4aからなることが記載されている(段落番号0026〜0028)。
この超音波発生素子1は、構造が複雑であることと、セラミックスを積層したものであることから割れやすく、耐久性が劣るという問題がある。
In Patent Document 2, an ultrasonic
The ultrasonic
The ultrasonic
本発明は、全体を小型化することができ、錆の発生を防止でき、耐久性も高めることができる超音波の送受信素子と、それを使用した超音波の送受信装置を提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide an ultrasonic transmission / reception element that can be reduced in size as a whole, can prevent the occurrence of rust, and can improve durability, and an ultrasonic transmission / reception apparatus using the ultrasonic transmission / reception element. To do.
本発明は、板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の少なくとも一面に固定された樹脂部を有する超音波の送受信素子であって、
前記樹脂部が、前記樹脂部と前記板状の圧電素子で囲まれた内部空間を形成できるように固定されたものであり、
前記内部空間が密閉空間である、超音波の送受信素子を提供する。
The present invention is an ultrasonic transmitting and receiving element having a plate-like piezoelectric element and a resin portion fixed to at least one surface of the plate-like piezoelectric element,
The resin part is fixed so as to form an internal space surrounded by the resin part and the plate-like piezoelectric element,
An ultrasonic transmitting / receiving element in which the internal space is a sealed space is provided.
また本発明は、板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の少なくとも一面に固定された樹脂部を有する超音波の送受信素子であって、
前記樹脂部が、前記樹脂部と前記板状の圧電素子で囲まれた内部空間を形成できるように固定されたものであり、
前記樹脂部が開口部を有しており、前記内部空間が外部と連通されているものである、超音波の送受信素子を提供する。
Further, the present invention is an ultrasonic transmission / reception element having a plate-like piezoelectric element and a resin portion fixed to at least one surface of the plate-like piezoelectric element,
The resin part is fixed so as to form an internal space surrounded by the resin part and the plate-like piezoelectric element,
Provided is an ultrasonic transmission / reception element in which the resin part has an opening and the internal space communicates with the outside.
本発明の送受信素子は、交流電源から電圧を印加することで圧電素子を面方向(長さ方向)に伸縮させ、その伸縮による振動を樹脂部で増幅することで超音波を発信する送信素子として機能する。
本発明の送受信素子は、超音波を受信したとき、樹脂部で増幅して圧電素子に伝達し、圧電素子を面方向(長さ方向)に伸縮させて電気エネルギーに変換することで超音波を検知する受信素子として機能する。
樹脂部は、環状平面部と前記環状平面部の内側に形成されたドーム部を有するものであることから、超音波を送信するときは増幅して送信し、超音波を受信するときは増幅して圧電素子に伝達する機能が高められている。
本発明の超音波の送受信素子は、超音波の送受信装置に使用することができる。
The transmission / reception element of the present invention is a transmission element that transmits an ultrasonic wave by expanding and contracting a piezoelectric element in a plane direction (length direction) by applying a voltage from an AC power source and amplifying vibration caused by the expansion and contraction in a resin part. Function.
When the ultrasonic wave is received, the transmitting / receiving element of the present invention amplifies it by the resin part and transmits it to the piezoelectric element, and expands and contracts the piezoelectric element in the surface direction (length direction) to convert it into electric energy. It functions as a receiving element to detect.
Since the resin portion has an annular plane portion and a dome portion formed inside the annular plane portion, it is amplified when transmitting an ultrasonic wave and amplified when receiving an ultrasonic wave. Therefore, the function of transmitting to the piezoelectric element is enhanced.
The ultrasonic transmission / reception element of the present invention can be used in an ultrasonic transmission / reception device.
本発明の送受信素子は、圧電素子と樹脂の組合せからなるものであることから、小型化および軽量化することができ、錆が発生するおそれもなく、耐久性も高い。 Since the transmitting / receiving element of the present invention is composed of a combination of a piezoelectric element and a resin, it can be reduced in size and weight, has no risk of rusting, and has high durability.
(1)図1〜図4に示す超音波の送受信素子
本発明の超音波の送受信素子1の実施形態を図1〜図4により説明する。
超音波の送受信素子1は、板状の圧電素子10と樹脂部20を有している。
(1) Ultrasonic Transmitting / Receiving Element Shown in FIGS. 1 to 4 An embodiment of the ultrasonic transmitting / receiving
The ultrasonic transmission /
板状の圧電素子10は、交流電圧を印加することで面方向(直径方向)に伸縮する性質を有しているものである。
板状の圧電素子10は平面形状が円形であるが、円形に限定されるものではなく、使用形態に応じた形状を選択することができる。例えば、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形、楕円形などから選択することができる。
圧電素子10は、公知のチタン酸ジルコン酸亜鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックス素子からなるものが好ましく、PZTがより好ましい。
圧電素子10は、使用時には図示していないリードワイヤやフレキシブルケーブルなどを介して電源と電気的に接続される。
The plate-like
The plate-like
The
The
図2(a)、(b)に示す実施形態では、樹脂部20は、環状平面部21と環状平面部21の内側に形成されたドーム部22を有している。
図2(a)、(b)に示す実施形態では、樹脂部20の環状平面部21のみが板状の圧電素子10の第1面11に対して固定されており、第1面11とドーム部22の間に内部空間15が形成されている。
図2(a)は、ドーム部22が半球形状のものであり、図2(b)は、ドーム部22の頂点部分が平坦面22aになっているものである。
In the embodiment shown in FIGS. 2A and 2B, the
In the embodiment shown in FIGS. 2A and 2B, only the annular
2A, the
図3(a)は、ドーム部22の内部空間15が密閉空間である実施形態を示している。
図3(b)は、ドーム部22が開口部23を有しており、ドーム部22の内部空間15が密閉されておらず、外部と連通された実施形態を示している。開口部23は、1または2以上が形成されていてもよい。
FIG. 3A shows an embodiment in which the
FIG. 3B shows an embodiment in which the
図4(a)、(b)に示す送受信素子100の実施形態では、樹脂部120は、円形基板部121と円形基板部121の上に形成されたドーム部122を有している。
図4(a)、(b)に示す実施形態では、樹脂部120の円形基板部121の全面が板状の圧電素子110の第1面111に対して固定されており、円形基板部121とドーム部122の間に内部空間115が形成されている。
図4(a)は、ドーム部122が半球形状のものであり、図4(b)は、ドーム部122の頂点部分が平坦面122aになっているものである。
図4(a)、(b)に示す実施形態の送受信素子100は、図3(a)に示すように密閉された内部空間115を有しているものでもよいし、図3(b)に示すように開口部を有する内部空間115を有しているものでもよい。
In the embodiment of the transmitting / receiving
In the embodiment shown in FIGS. 4A and 4B, the entire surface of the
4A, the
The transmitter /
図1〜図4に示す樹脂部20、120は、平面形状が円形のほか、使用状態に応じた形状を選択することができる。例えば、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形、楕円形、不定形などから選択することができるが、板状の圧電素子10、110と同じ形状であることが好ましい。
The
図1〜図3に示す樹脂部20の環状平面部21の外径d1と樹脂部20のドーム部22の外径d2の比(d2/d1)は、超音波の送受信素子1の送受信性能を高める観点から、0.4〜0.8が好ましく、0.5〜0.7がより好ましい。
図4に示す樹脂部120も同様である。
The ratio (d2 / d1) of the outer diameter d1 of the annular
The same applies to the
図1〜図3に示す樹脂部20の環状平面部21の外径d1と樹脂部20のドーム部22の頂点の圧電素子の第1面11からの高さh1との比(h1/d1)は、超音波の送受信素子1の送受信性能を高める観点から、0.05〜0.3が好ましく、0.1〜0.2がより好ましい。
図4に示す樹脂部120も同様である。
The ratio (h1 / d1) between the outer diameter d1 of the annular
The same applies to the
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1において、板状の圧電素子10の厚みは超音波の送受信素子1の大きさにより異なるが、超音波の送受信素子1の外径(板状の圧電素子10と樹脂部20の外径)d1が10mmのとき、0.5〜3mmが好ましく、0.5〜1.5mmがより好ましい。
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1において、樹脂部20(環状平面部21)の厚みは超音波の送受信素子1の大きさにより異なるが、超音波の送受信素子1の外径(板状の圧電素子10と樹脂部20の外径)d1が10mmのとき、0.5〜3mmが好ましく、0.5〜1.5mmがより好ましい。
図4に示す超音波の送受信素子100も同様である。
In the ultrasonic transmission /
In the ultrasonic transmission /
The same applies to the ultrasonic transmitting / receiving
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1において、板状の圧電素子10の厚みと樹脂部20(環状平面部21)の厚みは、同じであるか、近似した厚みであることが好ましい。
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1において、超音波の送受信素子1の厚み(板状の圧電素子10と樹脂部20の合計厚み)t1と超音波の送受信素子1の外径(板状の圧電素子10と樹脂部20の外径)d1の比(t1/d1)は、0.05〜0.3が好ましく、0.1〜0.2がより好ましい。
図4に示す超音波の送受信素子100も同様である。
In the ultrasonic transmitting / receiving
In the ultrasonic transmission /
The same applies to the ultrasonic transmitting / receiving
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1において、板状の圧電素子10と樹脂部20は同じ大きさまたは異なる大きさにすることができるが、圧電素子10の投影面積(垂直方向からの投影面積)(A1)と樹脂部20の投影面積(垂直方向からの投影面積)(A2)はA2≧A1であることが好ましく、A2/A1=1.0〜8.0がより好ましく、A2/A1=1.0〜7.0がさらに好ましく、A2/A1=1.0〜6.5が特に好ましい。
図4に示す超音波の送受信素子100も同様である。
In the ultrasonic transmitting / receiving
The same applies to the ultrasonic transmitting / receiving
樹脂部20、120を構成する樹脂(合成樹脂)としては、公知の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などから選ばれる合成樹脂を使用することができる。
公知の熱可塑性樹脂としては、環状オレフィン系樹脂(エチレン−ノルボルネン共重合体など)、スチレン系樹脂(シンジオタクチックポリスチレン樹脂など)、ポリアセタール系樹脂(ポリオキシメチレンなど)、ポリエステル系樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリアルキレンアリレート、ポリアリレート樹脂、ポリグリコール酸系樹脂、液晶ポリエステルなど)、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド系樹脂(脂肪族ポリアミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂など)、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリアリールケトン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル系樹脂、ポリベンズイミダゾール系樹脂、液晶ポリマー(液晶ポリエステルは除く)、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレンなど)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂を挙げることができる。
熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂またはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂が好ましい。
As resin (synthetic resin) which comprises the
Known thermoplastic resins include cyclic olefin resins (such as ethylene-norbornene copolymers), styrene resins (such as syndiotactic polystyrene resins), polyacetal resins (such as polyoxymethylene), and polyester resins (polyethylene terephthalate). , Polyalkylene arylates such as polybutylene terephthalate and polyethylene naphthalate, polyarylate resins, polyglycolic acid resins, liquid crystal polyesters, etc., polycarbonate resins, polyamideimide resins, polyamide resins (aliphatic polyamide resins, aromatic polyamide resins) Etc.), polyimide resins, polyetherimide resins, polyaryl ketone resins, polyphenylene ether resins, polyphenylene sulfide resins, polysulfone resins, polyethers Sulfone resin, polyoxybenzoyl ester resin, polybenzimidazole resin, liquid crystal polymer (liquid crystalline polyester is excluded), fluororesin (polytetrafluoroethylene, etc.), may be mentioned polyether ether ketone resin.
As the thermoplastic resin, polyphenylene sulfide (PPS) resin or polyether ether ketone (PEEK) resin is preferable.
熱硬化性樹脂は、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レソルシノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ビニルウレタンなどを挙げることができる。 Examples of the thermosetting resin include urea resin, melamine resin, phenol resin, resorcinol resin, epoxy resin, polyurethane, and vinyl urethane.
樹脂部20、120を構成する合成樹脂は、公知の繊維状充填材を配合することができる。
公知の繊維状充填材としては、無機系の繊維状充填材、金属系の繊維状充填材、有機系の繊維状充填材を使用することができる。
これらの繊維状充填材は、必要に応じて、エポキシ系化合物、イソシアネート系化合物、シラン系化合物、チタネート系化合物などで表面処理することもできる。
The synthetic resin which comprises the
As a known fibrous filler, an inorganic fibrous filler, a metallic fibrous filler, or an organic fibrous filler can be used.
These fibrous fillers can be surface-treated with an epoxy compound, an isocyanate compound, a silane compound, a titanate compound, or the like, if necessary.
無機系の繊維状充填材としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維(シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化硼素繊維、窒化珪素繊維、チタン酸カリウム繊維など)を挙げることができる。
金属系の繊維状充填材としては、ステンレス繊維、アルミニウム繊維、チタン繊維、銅繊維、真鍮繊維などを挙げることができる。
有機系の繊維状充填材としては、アラミド繊維、フッ素樹脂繊維、アクリル繊維などを挙げることができる。
Examples of the inorganic fibrous filler include carbon fiber, glass fiber, and ceramic fiber (such as silica fiber, silica / alumina fiber, zirconia fiber, boron nitride fiber, silicon nitride fiber, and potassium titanate fiber).
Examples of the metallic fibrous filler include stainless steel fiber, aluminum fiber, titanium fiber, copper fiber, and brass fiber.
Examples of organic fibrous fillers include aramid fibers, fluororesin fibers, and acrylic fibers.
合成樹脂に対する繊維状充填材の配合量は、合成樹脂と繊維状充填材の合計量中、繊維状充填材の含有割合は5〜60質量%が好ましく、10〜50質量%がより好ましい。 As for the compounding quantity of the fibrous filler with respect to a synthetic resin, 5-60 mass% is preferable in the total amount of a synthetic resin and a fibrous filler, and 10-50 mass% is more preferable.
樹脂部20、120を構成する合成樹脂が繊維状充填材を含有するときは、繊維状充填材が一方向に配向された状態で熱可塑性樹脂により一体成形された複合体からなるテープを使用することができる。
このようなテープとしては、特許第5592775号公報に記載の炭素繊維と芳香族ポリアミド樹脂又は脂肪族ポリアミド樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープ、特開2012−86548号公報に記載の無機繊維(炭素繊維は含まない)とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる無機繊維テープ、特開2012−107189号公報に記載の炭素繊維とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープ、特開2012−107190号公報に記載の有機繊維とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる有機繊維テープを使用することができる。
また、サンワトレーディング(株)から販売されているテンカテ社のUDテープ(繊維:カーボン、アラミド、ガラス,樹脂:PPS、PEEK、ナイロン6、PEI、HDPE)を使用することができる。
上記テープを使用する場合には、同じ方向に複数枚のテープを並べて張り合わせ後、厚さ方向に円形になるように切断して使用する、または角度を変えて複数枚のテープを重ねて張り合わせた後、厚さ方向に円形になるように切断して使用する。
When the synthetic resin constituting the
As such a tape, a carbon fiber tape made of a composite containing carbon fiber described in Japanese Patent No. 5592775 and an aromatic polyamide resin or an aliphatic polyamide resin, inorganic fiber described in JP 2012-86548 A ( An inorganic fiber tape made of a composite containing an olefin resin and a carbon fiber tape made of a composite containing a carbon fiber and an olefin resin described in JP2012-107189A; The organic fiber tape which consists of a composite_body | complex containing the organic fiber and olefin resin as described in 107190 gazette can be used.
Moreover, UD tape (Fiber: Carbon, Aramid, Glass, Resin: PPS, PEEK, Nylon 6, PEI, HDPE) sold by Sanwa Trading Co., Ltd. can be used.
When using the above tapes, use multiple tapes arranged side by side in the same direction and then cut into a circular shape in the thickness direction, or stacked with multiple tapes stacked at different angles. After that, it is cut into a circular shape in the thickness direction and used.
樹脂部20、120を構成する合成樹脂には、さらに必要に応じて、着色剤(染料および顔料)、滑剤、安定剤(酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、光安定剤など)、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、アンチブロッキング剤などを配合することができる。
If necessary, the synthetic resin constituting the
図1〜図3に示す超音波の送受信素子1は、公知の熱可塑性樹脂系の接着剤、熱硬化性樹脂系接着剤を使用して、圧電素子10の第1面11と射出成形などの方法により得られた樹脂部20の環状平面部21を貼り合わせることで製造することができる。
また、図1〜図3に示す超音波の送受信素子1は、図1において、板状の圧電素子10の第1面11と反対側の第2面12のそれぞれに樹脂部20の環状平面部21が固定されたものも含まれる。
図4に示す超音波の送受信素子100も同様である。
The ultrasonic transmission /
The ultrasonic transmitting / receiving
The same applies to the ultrasonic transmitting / receiving
次に、図1に示す超音波の送受信素子1の動作を説明する。
圧電素子10に交流電流を流して電圧を印加すると、それにより圧電素子10は面方向(直径方向)に伸びたり縮んだりすることを繰り返す。
圧電素子10の直径方向の伸縮による振動を受けて、樹脂部20は厚さ方向(上下方向)に振動する。前記上下方向の振動はドーム部22によって増幅されて、超音波として送信される。
逆に超音波を受信するときは、超音波による振動を樹脂部20(ドーム部22)が受けて上下方向に振動して増幅させ、その振動を受けた圧電素子10が直径方向に伸縮する。その後、前記伸縮により圧電素子10が電気エネルギーを発生させるため、それにより超音波を検知することができる。
Next, the operation of the ultrasonic transmitting / receiving
When an alternating current is applied to the
The
Conversely, when receiving ultrasonic waves, the resin portion 20 (dome portion 22) receives vibrations from the ultrasonic waves and vibrates in the vertical direction, and the
(2)図5に示す超音波の送受信素子
図1〜図4の超音波の送受信素子1とは異なる実施形態を図5により説明する。
図5に示す送受信装置200、300は、平面形状が異なるほかは、材質、d2/d1、h1/d1、t1/d1、A2/A1は、図1〜図3に示す送受信装置1と同じである。
なお、平面形状が長方形の実施形態ではd1は長辺の長さ、平面形状が五角形以上の多角形の実施形態ではd1は最大径(最大対角線)の長さ、平面形状が楕円形の実施形態ではd1は長径の長さである。
(2) Ultrasonic Transceiver Element Shown in FIG. 5 An embodiment different from the
The transmitting / receiving
In the embodiment where the planar shape is rectangular, d1 is the length of the long side, and in the embodiment where the planar shape is a pentagon or more polygon, d1 is the length of the maximum diameter (maximum diagonal), and the planar shape is an elliptical embodiment. Then, d1 is the length of the major axis.
図5(a)、(b)に示す送受信素子200は、図1、図2に示す送受信素子1とは、平面形状が異なるほかは、同じものである。
図5(a)、(b)に示す超音波の送受信素子200は、板状の圧電素子210と樹脂部220を有しており、板状の圧電素子210と樹脂部220は、いずれも平面形状が正方形のものである。
The transmission /
The ultrasonic transmitting / receiving
樹脂部220は、環状平面部221と環状平面部221の内側に形成されたドーム部222を有している。
図5(a)、(b)に示す実施形態では、樹脂部220の環状平面部221のみが板状の圧電素子210の第1面211に対して固定されており、第1面211とドーム部222の間に内部空間215が形成されている。
The
In the embodiment shown in FIGS. 5A and 5B, only the annular
図5(a)、(b)は、ドーム部222の内部空間215が密閉空間である実施形態を示しているが、図3(b)のように、ドーム部222が開口部を有しており、ドーム部222の内部空間215が密閉されておらず、外部と連通された実施形態のものでもよい。
5A and 5B show an embodiment in which the
図5(c)に示す送受信素子300の実施形態では、樹脂部320は、基板部(正方形の基板部)321と基板部321の上に形成されたドーム部322を有している。
図5(c)に示す実施形態では、樹脂部320の基板部321の全面が板状の圧電素子310の第1面311に対して固定されており、基板部321とドーム部322の間に内部空間35が形成されている。
図5(c)に示す実施形態の送受信素子300は、図3(a)に示すように密閉された内部空間を有しているものでもよいし、図3(b)に示すように開口部を有する内部空間を有しているものでもよい。
図5(a)〜(c)に示す送受信素子200、300は、図1〜図3に示す送受信装置1と同様に動作する。
In the embodiment of the transmitting / receiving
In the embodiment shown in FIG. 5C, the entire surface of the
The transmission /
The transmission /
本発明の送受信素子は、圧電素子と樹脂部の組み合わせからなるものであるため、特許文献1のように金属を使用したものと比べると、小型化と軽量化ができるようになり、錆が発生するという問題が無く、電気絶縁性もある。さらに特許文献2のセラミックスを使用したものと比べると、耐久性も高い。
本発明の送受信素子は、高湿度雰囲気中における使用や、電気絶縁性が要求されるような状態での使用に適しており、その他、酸やアルカリを含む水中、活火山を含めて酸性ガスが噴出している場所のように金属を腐食させるような状況において超音波を発信するような用途に使用するときにも適している。
Since the transmission / reception element of the present invention is composed of a combination of a piezoelectric element and a resin part, it can be reduced in size and weight, and rust is generated, as compared with the one using metal as in
The transmitter / receiver device of the present invention is suitable for use in a high humidity atmosphere or in a state where electrical insulation is required, and in addition, acid gas including acid and alkali, active volcanoes, etc. It is also suitable for use in applications where ultrasonic waves are transmitted in a situation where metal is corroded, such as in a spraying place.
本発明の超音波の送受信装置は、上記した超音波の送受信素子を備えたものである。
また本発明の超音波の送受信装置は、上記した超音波の送受信素子を多数組み合わせたフェーズドアレイ型の超音波の送受信装置にすることもできる。
フェーズドアレイ型の超音波の送受信装置にするときは、例えば平面形状が円形、四角形、六角形などの超音波の送受信素子を使用するときは、全体がハニカム状になるように多数の送受信素子が配置されたもの、例えば平面形状が長方形の超音波の送受信素子を使用するときは、多数の送受信装置が並列に配置されたものにすることができる。
また、平面形状が四角形(好ましくは長方形)のの超音波の送受信素子を使用するときは、多数の送受信装置が並列に配置されたものにすることができる。
The ultrasonic transmission / reception apparatus of the present invention includes the above-described ultrasonic transmission / reception element.
The ultrasonic transmission / reception apparatus of the present invention can be a phased array type ultrasonic transmission / reception apparatus in which a number of the above-described ultrasonic transmission / reception elements are combined.
When using a phased array type ultrasonic transmission / reception device, for example, when using ultrasonic transmission / reception elements having a planar shape of a circle, quadrangle, hexagon, etc. When an ultrasonic wave transmitting / receiving element having a rectangular shape is used, for example, a large number of transmitting / receiving apparatuses can be arranged in parallel.
In addition, when an ultrasonic transmission / reception element having a quadrangular (preferably rectangular) planar shape is used, a large number of transmission / reception devices can be arranged in parallel.
実施例1および比較例1
表1に示す材質からなる送受信素子を製造した。
実施例1と比較例1は、材質が異なるほかは、同一形状および同一大きさのものである。
実施例1の樹脂部は射出成形して得た。
実施例1の圧電素子と樹脂部(PPS)、比較例1の圧電素子とアルミニウムは、いずれも同量のハンツマン・ジャパン(株)製の「Araldite スタンダード」で接着した。
Example 1 and Comparative Example 1
Transceiver elements made of the materials shown in Table 1 were manufactured.
Example 1 and Comparative Example 1 have the same shape and the same size except that the materials are different.
The resin part of Example 1 was obtained by injection molding.
The piezoelectric element and resin part (PPS) of Example 1 and the piezoelectric element and aluminum of Comparative Example 1 were all bonded with the same amount of “Araldite Standard” manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.
(圧電素子10)
材質:PZT((株)富士セラミックス C213)
外径:10mm
厚さ:1mm
(樹脂部20〔比較例1はアルミニウム〕)
外径(環状平面部の外径)d1:10mm
ドーム部外径d2:6mm
ドーム部高さh1:2mm
厚さ:1mm
PPS:ポリプラスチックス製 ジュラファイド 2130A1
(Piezoelectric element 10)
Material: PZT (Fuji Ceramics Corporation C213)
Outer diameter: 10mm
Thickness: 1mm
(Resin part 20 [Comparative Example 1 is aluminum])
Outer diameter (outer diameter of the annular flat surface) d1: 10 mm
Dome outer diameter d2: 6 mm
Dome height h1: 2 mm
Thickness: 1mm
PPS: Polyplastics Durafide 2130A1
実施例1と比較例1の送受信素子を使用して、図6に示す装置により音圧を測定した。
平坦な床面40上に第1固定台50と第2固定台51を置き、第1固定台50に送受信素子1を固定し、第2固定台51にマイク60を固定した。
送受信素子1とマイク60の距離は1m、いずれも床面40からの高さ1mの位置に固定した。なお、床面40からの音響反射がないことを予め確認した。
送受信素子1に通電したときに送信される超音波を音圧としてマイク60で測定した。
Using the transmitting and receiving elements of Example 1 and Comparative Example 1, the sound pressure was measured by the apparatus shown in FIG.
The first fixed
The distance between the transmitting / receiving
The ultrasonic wave transmitted when the transmitting / receiving
実施例1は、圧電素子(PZT)にリードワイヤが接続された電極をはんだ付けした後、共振周波数の確認をしたところ、39kHz、61kHzに共振点を確認した。
39kHzで徐々に電圧を印加したとき、音圧の最大点は1.08Paで、そのときの電流、電圧は51mA、11Vであった。
61kHzで徐々に電圧を印加し、音圧の最大点は0.08Paで、そのときの電流、電圧は40 mA、15Vであった。
In Example 1, the resonance frequency was confirmed after soldering the electrode having the lead wire connected to the piezoelectric element (PZT), and the resonance point was confirmed at 39 kHz and 61 kHz.
When voltage was gradually applied at 39 kHz, the maximum point of sound pressure was 1.08 Pa, and the current and voltage at that time were 51 mA and 11 V.
A voltage was gradually applied at 61 kHz, the maximum point of sound pressure was 0.08 Pa, and the current and voltage at that time were 40 mA and 15 V.
比較例1は、圧電素子(PZT)にリードワイヤが接続された電極をはんだ付けした後、共振周波数の確認をしたところ、34kHz、98kHzに共振点を確認した。
34kHzで徐々に電圧を印加し、音圧の最大点は0.03Paで、そのときの電流、電圧は25mA、12Vであった。
98kHzで徐々に電圧を印加し、音圧の最大点は0.08Paで、そのときの電流、電圧は128 mA、15Vであった。
比較例1では、実施例1と比べると、いずれの周波数でも高い音圧は得られなかった。
なお、実施例1と比較例1の素子1の共振点の違いは、実施例1(PPS)と比較例1(アルミニウム)で構成材料が異なることによるものである。
In Comparative Example 1, the resonance frequency was confirmed after soldering the electrode having the lead wire connected to the piezoelectric element (PZT), and the resonance point was confirmed at 34 kHz and 98 kHz.
A voltage was gradually applied at 34 kHz, the maximum point of sound pressure was 0.03 Pa, and the current and voltage at that time were 25 mA and 12 V.
A voltage was gradually applied at 98 kHz, the maximum point of sound pressure was 0.08 Pa, and the current and voltage at that time were 128 mA and 15 V.
In Comparative Example 1, compared with Example 1, a high sound pressure was not obtained at any frequency.
The difference in resonance point between the
本発明の超音波の送受信素子とそれを使用した超音波の送受信装置は、被測定物までの正確な距離を測定するための手段として使用することができるほか、防犯用センサ、自動車用障害物検知センサなどの各種障害物検知センサ、自動手洗い機用センサ、自動ドアセンサなどの各種人検知センサ、自動車洗車機用などの各種物体移動検知センサ、踏切の自動車検知センサ、駐車場の管理システム用センサ、ゴルフカート衝突防止用センサ、モノレール用車両衝突防止センサ、ヘリコプター用障害物検知センサ、果樹などへの無人薬剤散布センサ、スポットクーラー用人追尾センサ、コンベア上の物体検出センサ、入浴者の安全監視センサなどに使用することができる。
さらにその他の用途として、屋内および屋外におけるねずみなどの小動物の忌避装置、屋外における鳥の忌避装置として使用することができる。
The ultrasonic transmission / reception element and the ultrasonic transmission / reception device using the ultrasonic transmission / reception element of the present invention can be used as a means for measuring an accurate distance to the object to be measured, as well as a security sensor and an obstacle for an automobile. Various obstacle detection sensors such as detection sensors, sensors for automatic hand washing machines, various human detection sensors such as automatic door sensors, various object movement detection sensors for automobile car wash machines, etc., car detection sensors for level crossings, sensors for parking lot management systems , Golf cart collision prevention sensor, monorail vehicle collision prevention sensor, helicopter obstacle detection sensor, unmanned medicine spray sensor on fruit trees, spot cooler human tracking sensor, conveyor object detection sensor, bather safety monitoring sensor Can be used for etc.
Furthermore, as other uses, it can be used as a repelling device for small animals such as mice indoors and outdoors, and as a repelling device for birds outdoors.
1、100 送受信素子
10、110 圧電素子
15、115 内部空間
20、120 樹脂部
21、121 環状平板部
22、122 ドーム部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 Transceiving element 10,110 Piezoelectric element 15,115 Internal space 20,120 Resin part 21,121 Annular flat plate part 22,122 Dome part
Claims (9)
前記樹脂部が、前記樹脂部と前記板状の圧電素子で囲まれた内部空間を形成できるように固定されたものであり、
前記内部空間が密閉空間である、超音波の送受信素子。 A plate-shaped piezoelectric element comprising a piezoelectric ceramic element, an ultrasonic transmitting and receiving device having a resin portion which is fixed directly on at least one surface of the piezoelectric ceramic element consists of a plate-shaped piezoelectric element,
The resin part is fixed so as to form an internal space surrounded by the resin part and the plate-like piezoelectric element,
An ultrasonic transmission / reception element, wherein the internal space is a sealed space.
前記樹脂部が、前記樹脂部と前記板状の圧電素子で囲まれた内部空間を形成できるように固定されたものであり、
前記樹脂部が開口部を有しており、前記内部空間が外部と連通されているものである、超音波の送受信素子。 A plate-shaped piezoelectric element comprising a piezoelectric ceramic element, an ultrasonic transmitting and receiving device having a resin portion which is fixed directly on at least one surface of the piezoelectric ceramic element consists of a plate-shaped piezoelectric element,
The resin part is fixed so as to form an internal space surrounded by the resin part and the plate-like piezoelectric element,
The ultrasonic transmission / reception element, wherein the resin part has an opening, and the internal space communicates with the outside.
前記圧電素子の投影面積(A1)と前記樹脂部の投影面積(A2)がA1≦A2である、請求項1または2記載の超音波の送受信素子。 Each of the planar shapes of the piezoelectric element and the resin portion is circular, elliptical or polygonal,
The ultrasonic transmission / reception element according to claim 1 or 2, wherein a projected area (A1) of the piezoelectric element and a projected area (A2) of the resin portion satisfy A1≤A2.
前記圧電素子の投影面積(A1)と前記樹脂部の投影面積(A2)がA1≦A2であり、
前記樹脂部の環状平面部の外径(d1)と前記樹脂部のドーム部の外径(d2)の比(d2/d1)が0.4〜0.8である、請求項1または2記載の超音波の送受信素子。 Each of the planar shapes of the piezoelectric element and the resin portion is circular, elliptical, or polygonal,
The projected area (A1) of the piezoelectric element and the projected area (A2) of the resin part are A1 ≦ A2.
The ratio (d2 / d1) of the outer diameter (d1) of the annular flat portion of the resin portion to the outer diameter (d2) of the dome portion of the resin portion is 0.4 to 0.8. Ultrasonic transmitter / receiver element.
前記圧電素子の投影面積(A1)と前記樹脂部の投影面積(A2)がA1≦A2であり、
前記樹脂部の環状平面部の外径(d1)と前記樹脂部のドーム部の頂点の前記圧電素子の第1面からの高さ(h1)との比(h1/d1)が0.05〜0.3である、請求項1または2記載の超音波の送受信素子。 Each of the planar shapes of the piezoelectric element and the resin portion is circular, elliptical, or polygonal,
The projected area (A1) of the piezoelectric element and the projected area (A2) of the resin part are A1 ≦ A2.
The ratio (h1 / d1) of the outer diameter (d1) of the annular flat portion of the resin portion to the height (h1) of the apex of the dome portion of the resin portion from the first surface of the piezoelectric element is 0.05 to The ultrasonic transmission / reception element according to claim 1 or 2, which is 0.3.
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