JPH0518320B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は貼り合わせ型圧電素子を用いた超音波
送受波器に関し、特に送信時の立ち下がり特性の
改善された超音波送受波器に関するものである。

従来例の構成とその問題点 貼り合わせ型圧電素子を使用した超音波送受波
器は、従来より種々のものが実用化あるいは提案
されており、例えば、第１図に示したような構造
のものが極めて一般的である。

第１図に示した超音波送受波器は、貼り合わせ
型圧電素子１の中心部に円錐形状の振動板２を弾
性接着剤３を介して取り付けると共に、上記圧電
素子１の振動の節部を支持台４の端部に弾性接着
剤５にて固着したものである。尚、第１図中、６
は端子、７は圧電素子１等を覆うケース、８はケ
ース７の上方孔に設けられる保護部材、９は圧電
素子１と端子６を電気的に接続するリード線を
夫々示している。

ところが、上記のような従来の超音波送受波器
は、超音送信時に振動の特に立ち下がり特性が極
めて悪いことが知られている。

今、第１図に示したような超音波送受波器を使
用して第２図に示したような回路を構成し、すな
わち、所定時間幅、所定周波数のパルス信号の入
力端子１０、電力増幅器１１、トランス１２、第
１図に図示した超音波送受波器１３、抵抗１４、
保護ダイオード１５，１６、結合コンデンサ１
７、信号増幅器１８、出力端１９よりなる回路を
構成し、入力端子１０に300μsec間、所定周波数
のパルス信号を供給した場合における出力端１９
の出力信号を測定してみると、第３図のような出
力波形が得られた。尚、第３図に図示した出力波
形は、作図の便宜上、出力端１９に本来出力され
る振動信号波形のピークのみを結んだいわゆる包
絡線波形としており、また、以降の明細書中にお
いて、出力端１９に出力される信号の出力波形と
して図示あるいは説明する波形は、全て上記包絡
線波形とする。

第３図からも明らかであるが、300μsec間の入
力信号の供給により、立ち下がり時の減衰振動
は、約11msec継続しており、この結果、第１図
に示したような超音波送受波器は、例えば超音波
の送受信により所望対象物までの距離を測定する
測距装置には到底使用することはできなかつた。

すなわち、距離を測定したい対象物が比較的近
距離の1m以内にある場合、超音波の送信による
対象物からの反射波を受信しても、その受信信号
が上述した約11msecも継続している減衰振動波
形中に埋もれてしまい、検出できなくなることが
考えられるわけである。

このため、近年、特開昭57−97798号公報、特
開昭57−97799号公報、特開昭57−97800号公報お
よび特開昭58−85698号公報等において、前述し
た圧電素子を使用した超音波送受波器の送信時に
おける立ち下がり特性の改善を行つた超音波送受
波器が提案あるいは一部実用化されている。

上記各提案の主旨について簡単に説明すると、
いずれも第３図において説明した減衰振動の原因
は、第１図における圧電素子１あるいは振動板２
の自由振動であると考え、この圧電素子１あるい
は振動板２の自由振動を規制、すなわち振動しに
くくするべく、夫々をケース７に緩衝材を介して
弾性的に固定したり、振動板２の周辺部のみに緩
衝材を設けたことを特徴とするものである。

第４図イ〜ニは、上述した公報の夫々に示され
た実施例の構造を図示したものであり、かかる図
より上記主旨はより明確となる。尚、図中、第１
図と同図番のものは同一機能部材を示し、３′は
結合軸、２０は緩衝材である。

第４図イに図示した特開昭57−97798号公報に
おける超音波送受波器は、ケース７に設けられた
凹部７₁に緩衝材２０が配置され、かつ、この緩
衝材２０の一部が振動板２に固着され、振動板２
が緩衝材２０を介してケース７に弾性的に固着さ
れている。

第４図ロに図示した特開昭57−97799号公報に
開示された超音波送受波器は、振動板２および圧
電素子１とケース７との間に弾性ゴムなどの緩衝
材２０が充填され、振動板２および圧電素子１が
ケース７に弾性的に固着されている。

第４図ハに図示した特開昭57−97800号公報に
開示された超音波送受波器は、振動板２の周囲が
緩衝板２０を介してケース７に弾性的に固着され
ている。

第４図ニに図示した特開昭58−85698号公報に
開示された超音波送受波器は、振動板２の周辺部
に緩衝材２０が設けられている。

しかしながら、上述したような超音波送受波器
であつても、例えば極近距離にある対象物までの
距離を測定したいような場合、依然として立ち下
がり特性による影響を考慮しなければならず、す
なわち立ち下がり特性によつて測定できる近距離
側の限界が数十cmに限定され、20〜30cmの距離に
ある対象物は、この距離を正確に測定することは
できなかつた。

ところで、第４図イに示したような超音波送受
波器の任意の１個を、第２図に示した回路構成の
超音波送受波器１３と置換して駆動してみると、
出力端１９には、第５図に示したような一部に飽
和領域を含む特性の出力波形を有する出力信号が
得られた。

第５図に図示した出力波形は、300μsecのパル
ス信号供給終了後400μsec後に飽和領域からの減
衰を開始しており、第３図に示した特性に比較す
ると極めて良好な特性となつており、したがつて
測距測置として使用した場合、数十cmまで近距離
側の測距限界を第１図の従来例に比して拡げられ
ることになる。

しかしながら、更に詳しく第５図の特性をみて
みると、減衰振動が完全に無くなるのは送信開始
より約1.3msec後であり、立ち下がり特性は極め
て緩やかであり、通常の大気状態であれば送信開
始より約1.5msec後に受信信号の得られる約25cm
の距離にある対象物の距離測定用の超音波送受波
器として使用することは困難となる。

換言すると、第４図イのような構造のものが全
て第５図に示したような特性であれば問題はない
が第４図イに示した構造の任意の１個が第５図に
示したような送信開始後約1msec以上振動が存在
する緩やかな立ち下がり特性を有した特性である
ということは、超音波送受波器の製造上のばらつ
きにより、減衰振動特性の傾ききが変動し、例え
ば第５図中に破線で示したようなさらに緩やかな
特性となるものが製造される可能性が極めて高
く、選別作業あるいは使用できないもののコスト
を考えると実用化は極めて困難となるわけであ
る。尚、特性が第５図のものよりさらに緩やかに
なり送信開始後約1.5msec以上何等かの振動信号
が存在する場合、正確な距離測定が行えなくなる
ことはいうまでもない。

一方、他の第４図ロ，ハ，ニに示した超音波送
受波器について考えてみても、同図ハ，ニに示し
たものは上述したイに示したものに比較して自由
振動の抑制力が弱いことはその構造上詳しく述べ
るまでもなく、より立ち下がり特性が急峻となる
ことは考えられない。また、同図ロに示したもの
は、抑制力が逆に強すぎ、第５図等に示した特性
図における縦方向の出力信号レベルを得ることが
困難になることが考えられ、少し遠距離の対象物
になるとその対象物からの反射波を受信しても振
動として検出できない場合や、送信の起動時極短
時間に十分な振動動作を行わせることができない
場合が生じることが考えられ、いずれも実用化に
は問題があると考えられる。

なお、極近距離の対象物を無視して数十cm以遠
の対象物についてのみ距離測定を行おうとする場
合、すなわち前述した４つの実施例より最も有効
であろうと考えられる第４図イのような超音波送
受波器の実用化を考えた場合、特性上は問題はな
いが、図示した構造からも明らかなように、緩衝
板２０の設置のため極めて細かな作業が必要とな
り、その製造作業は極めて複雑となり、能率ダウ
ン、コストアツプは避けられない問題点を生じる
ことが考えられる。

以上述べたように、従来の圧電素子を用いた超
音波送受波器は、種々の問題点を有しており、特
性改善、製造作業の簡素化に基づくコストダウン
が強く望まれているのが現状である。

発明の目的 本発明の目的は、上述したような現状を考慮し
てなしたもので、立ち下がり特性が改善され、か
つ製造作業の簡単な超音波送受波器を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、振動板と圧電素子とをケ
ースを介することなく中空部の軸方向に切欠溝を
有する円筒形状の緩衝部材によつて弾性的に固着
し、ケースに振動を伝達させることなく振動板お
よび圧電素子の自由振動を抑制した超音波送受波
器を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、振動板と圧電素子
とをケースを介することなく中空部の軸方向に切
欠溝を有する円筒形状の緩衝部材によつて弾性的
に固着すると共に、圧電素子に電気的エネルギー
を供給する端子から延長されたリード線の中間の
一部を圧電素子の支持台の一部に固着し、ケース
に振動を伝達することなく、圧電素子、振動板お
よびリード線の振動を抑制した超音波送受波器を
提供することである。

発明の構成 本発明による超音波送受波器は、ケースに圧電
素子等の振動が伝達されることなく圧電素子、振
動板の自由振動を抑制するために、圧電素子と振
動板との間に、一端が振動板の外周を保持すると
共に他端が圧電素子と弾性接着剤によつて固着さ
れ、さらに振動板の外形よりもやや小さい内径お
よび中空部の軸方向に形成された切欠溝を有する
円筒形状の緩衝部材を設けて構成される。

また、本発明による超音波送受波器は、上記の
ように構成されると共に、圧電素子と電気的な端
子とを接続し電気的エネルギーを供給するリード
線の一部が圧電素子の支持台の一部に固着されて
構成される。

実施例の説明 第６図は、本発明による超音波送受波器の一実
施例を示し、同図イは断面図、同図ロは同図イ中
において図番２１で示した緩衝部材の上面図であ
る。なお、図中、第１図と同図番のものは同一部
材を示している。

緩衝部材２１は、その一端２１ａにて振動板２
の外周を保持すると共に他端２１ｂが圧電素子１
に弾性接着剤２２によつて固着される。

緩衝部材２１は、その中空部の軸方向に切欠溝
２１ｃを備えた円筒形状を有し、また、緩衝部材
２１は、例えば振動板２の外形よりやや小さい内
径を有する円筒形状の適宜の弾性体にて構成され
るものである。

従つて、本発明による超音波送受波器において
は、第４図イ，ロ，ハに示した従来例とは異なり
圧電素子１等の振動がケース７に伝達されること
はない。

また、第４図イ，ハ，ニに示した従来例とは異
なり振動板２だけでなく圧電素子１の振動も抑制
されることになる。

よつて、本発明においては送信時の立ち下がり
特性は、第４図に示した従来例に比して改善でき
ることになり、以下、具体的に説明する。

今、第６図イに示したような本発明による超音
波送受波器を先に説明した第２図に示したような
回路構成における送受波器１３と置換し、所定周
波数のパルス信号を300μsec間入力端子１０に供
給して駆動した場合の出力端１９の出力信号を検
出すると、第７図のような一部に飽和領域を有す
る出力波形が得られた。

第７図からも明らかなように、第６図イに図示
した本発明の一実施例における送信時の出力波形
は、300μsecのパルス信号の供給終了後、約
300μsec後に飽和領域からの減衰を開始し、約
500μsec後には殆どなくなつている。

すなわち、第５図に示した第４図イの従来例の
特性に比較して、減衰の開始時点は早くなり、ま
た減衰の開始からなくなるまでの傾きは極めて急
峻となつている。

換言すれば、本発明による超音波送受波器は、
入力信号の供給停止後は極めて急峻に自由振動を
停止するよう動作するため、製断上のばらつきに
よる上述した傾きの変動も、生じたとしても第７
図中に破線で示したように送信開始後1msec時点
において現れる振動は極めて少なくなり、すなわ
ち入力信号を300μsecとすると送信開始から
1.5msec以上の長時間にわたり振動が存在するよ
うなばらつきが生じると考えられず、製造したも
のの殆ど全てを実際に利用できることになること
から、立ち下がり特性は、先の第５図に示した特
性に比して改善され、安定した特性であるとみな
すことができることになる。

この結果、本発明による超音波送受波器は、例
えば測距測置への適用を考えた場合、20〜30cmの
距離にある対象物からの反射波の受信信号を確実
に検出できることになり、よつて、第４図イに示
した従来例よりさらに近距離側の測距限界を拡げ
られることになる。

次に製造作業について考えてみる。

本発明による超音波送受波器の製造作業は、そ
の構造から明らかなようにケース７との弾性的な
固着作業を行う必要がなく、先に説明した第４図
イ，ロ，ハに示した従来例に比べ簡単となる。

また、緩衝部材２１が中空部の軸方向に切欠溝
２１ｃを備えていることから、その装着作業は緩
衝部材２１を大きく拡げて振動板２を挾み込むこ
とによつて実現できることになる。この結果、緩
衝部材２１の装着作業は極めて簡単な作業となる
と共に以下のような特徴を有することになる。

すなわち、振動板２は、通常、薄いアルミ板に
よつて形成され、極めて変形しやすいわけである
が、上述の装着作業によれば、振動板２を不用意
に変形させることはない。また、振動板２の圧電
素子１による保持自体への影響も極めて少ないも
のとすることができる。

さらに、圧電素子１とリード線６との半田付部
１ａを緩衝部材２１の切欠溝２１ｃ部に位置させ
ることができ、これにより、振動板２の形状が圧
電素子１の形状とほぼ同一あるいはそれ以上の大
きさとなり、半田付部１ａが緩衝部材２１の装着
領域に存在するようになつた場合においても、何
等問題を生じることなく緩衝部材２１の装着作業
を行うことができる。

第８図イ，ロ、第９図イ，ロは、本発明による
超音波送受波器に使用される円筒形状の緩衝部材
２１の他の実施例を示す上面図および断面図を
夫々示している。

第８図イ，ロに示した実施例は、第６図イ，ロ
に示した緩衝部材２１の一端２１ａの内周面に、
振動板２との接触面積を増やすべく保持部２１ｄ
を形成したものである。

従つて、振動板２と緩衝部材２１とを上記保持
部２１ｄを介して弾性接着剤により固着できるこ
とになり、振動板２の緩衝部材２１による保持を
極めて安定して実現できることになる。

第９図イ，ロに示した実施例は、さらにその他
端２１ｂに圧電素子１と固着されるための底面部
２１ｅを形成したものである。

従つて、振動板２が多少大きくなつても、かか
る緩衝部材にて十分に圧電素子１との弾性結合を
実現できることになる。

一方、本願発明者は、種々の検討の結果、圧電
素子を使用した超音波送受波器にあつては、圧電
素子に電気的にエネルギーを供給するリード線の
振動動作も立ち下がり動作に悪影響を及ぼすこと
を確認した。

すなわち、リード線の振動動作は、立ち下がり
特性が第２図に示したような極めて長い場合、そ
の影響力は大きいとはいえないが、例えば第５図
や第７図に示した特性のように短時間に信号波形
がほぼ０レベルまで減衰するような特性の場合、
リード線の振動動作は、図にも夫々1.2msec以降
および800μsec以降において現れている不規則信
号、換言すればほぼ０レベルに減衰した後しばら
く継続される不規則に変動する信号の大部分の発
生原因となつていることを確認した。

かかる０レベル近辺における信号は、ともすれ
ばその出力レベルの大きなものが発生することが
あり、受信信号の検出動作に対して決してプラス
にはならず、存在しないことが望ましい。

第１０図イ，ロは、上述したようなリード線の
振動動作による悪影響をも取り除くことができる
本発明による超音波送受波器の他の実施例を示す
断面図および要部平面図である。

第６図イ等において図番９で示したリード線
は、製造時の作業性、すなわち圧電素子１あるい
は端子６への接続動作を簡単に行うため、および
電圧印加による断線の危険性を避けるため適度の
たるみをもつてケース７内に収納されており、従
つて不都合な振動動作を生じることになるわけで
ある。

よつて、第１０図に示した実施例においては、
図面からも明らかなように上述した振動動作を抑
制するべくリード線９の一部を圧電素子１を保持
する支持台４の一部に弾性接着剤２３により固着
している。

ここで、上記のようにリード線９の一部を支持
台４に固着した一実施例を、第２図に示した回路
構成における超音波送受波器１３と置換して駆動
した場合における出力端１９の出力信号を検出し
てみると、第１１図のような特性の出力波形が得
られた。

第１１図からも明らかではあるが、第１０図に
示した本発明による超音波送受波器の一実施例
は、ほぼ０レベルまで減衰した後に不規則に変動
する信号の現れない立ち下がり特性を有すること
になり、対象物からの反射波の受信信号を検出す
る動作は、先の第６図で説明した実施例よりもさ
らに正確に行えることになる。

発明の効果 以上述べたように、本発明による超音波送受波
器は、圧電素子と振動板とをケースを介すること
なく中空部の軸方向に切欠溝を備えた円筒形状の
緩衝部材を介して弾性的に結合しているため、送
信時の立ち下がり特性を、入力信号の供給停止後
短時間で減衰が開始され、かつその減衰が急峻に
行われる特性とすることができ、超音波の送信後
短時間内に受信信号を検出する必要のある装置、
例えば測距装置においては極めて近距離にある対
象物からの反射波による受信信号を正確に検知で
き、近距離側の測距限界を拡げられる効果を有す
ることになる。

また、緩衝部材が切欠溝を備えているため、そ
の装着作業時、振動板を変形させたり、振動板と
圧電素子との固着状態に悪影響を及ぼすことがな
い効果も有している。

さらに、圧電素子とリード線との半田付部を切
欠部に位置させることにより、半田付部の位置に
影響されない緩衝部材の装着作業を実現できる効
果も有している。

さらに、圧電素子と端子とを電気的に接続する
リード線の適当な箇所を圧電素子の支持台に固着
することにより、ほぼ０レベルまで減衰した後に
リード線の振動によつて生じていた不規則に変動
する信号をなくすことができるため、より高精度
に受信信号を検出できることになる効果も有して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子を使用した超音波送受波器の
従来例を示す断面図、第２図は超音波送受波器の
一使用回路例図、第３図は第１図に示した従来例
を第２図に示した回路にて駆動した場合に出力端
１９に得られる出力信号の包絡線波形図、第４図
イ，ロ，ハ，ニは超音波送受波器の他の従来例を
示す断面図、第５図は第４図イに示した従来例を
第２図に示した回路にて駆動した場合に出力端１
９に得られる出力信号の包絡線波形図を夫々示し
ている。第６図イ，ロは本発明による超音波送受
波器の一実施例を示し、同図イは断面図、同図ロ
は同図イ中において図番２１で示した緩衝部材の
上面図、第７図は第６図イに示した一実施例を第
２図に示した回路にて駆動した場合に出力端１９
に得られる出力信号の包絡線波形図、第８図イ，
ロ、第９図イ，ロは夫々第６図イ中において図番
２１で示した緩衝部材の他の実施例を示す上面図
と断面図、第１０図イ，ロは本発明による超音波
送受波器の他の実施例を示す断面図および要部平
面図、第１１図は第１０図に示した実施例を第２
図に示した回路にて駆動した場合に出力端１９に
得られる出力信号の包絡線波形図をそれぞれ示し
ている。 １……圧電素子、２……振動板、３，５……弾
性接着剤、４……支持台、６……端子、７……ケ
ース、９……リード線、２１……緩衝部材、２１
ａ……一端、２１ｂ……他端、２１ｃ……切欠
溝、２１ｄ……傾斜面、２１ｅ……底面部、２
２，２３……弾性接着剤。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動板と、貼り合わせ型圧電素子と、支持台
   と、端子と、リード線と、ケースと、緩衝部材と
   を有する超音波送受波器であつて、 振動板は、円錐形状になされ、 端子は、圧電素子に印加する電気エネルギーが
   供給され、 緩衝部材は、中空部の軸方向に切欠溝を有する
   円筒形状の弾性体からなり、 振動板が圧電素子の中心部に取り付けられ、支
   持台が圧電素子の振動の節部と弾性接着剤にて固
   着されて圧電素子を支持し、リード線が端子と圧
   電素子とを電気的に接続し、ケースが振動板、圧
   電素子、支持台、端子の一部およびリード線を収
   納し、緩衝部材の一端が振動板の外周の最大径を
   有する端部の周囲を含む一部と弾性的に当接し、
   緩衝部材の他端が圧電素子の振動板が取り付けら
   れた面上の一部と弾性接着剤によつて固着された
   超音波送受波器。 ２ リード線は、支持台に中間部の一部が固着さ
   れている特許請求の範囲第１項に記載の超音波送
   受波器。 ３ 緩衝部材は、振動板の周囲と当接する端部の
   内周面に振動板の側面形状に合致する傾斜面を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の超音波送受波器。