JPH06269090A - Piezoelectric ultrasonic wave transmitter-receiver - Google Patents
Piezoelectric ultrasonic wave transmitter-receiverInfo
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 リング形状の圧電セラミックス素子11が接
着された密閉性を有する振動ケース15と、振動ケース
15前方に配設されたホーン18とを備え、ホーン18
により圧電セラミックス素子11の外側輪郭と略等しい
形状を有し、圧電セラミックス素子11の前方に位置す
る振動空間19が形成され、圧電セラミックス素子11
の内側輪郭と略等しい形状を有し、振動空間19前方に
位置する開口部19aと、開口部19a前方に位置する
凸形状の音波反射面19bとが、ホーン18に形成され
ている圧電型超音波送受波器。
【効果】 振動ケース15の振動板に音響負荷が掛かり
易く、空気との音響整合が図り易くなり、空気中の送波
音圧を高くすることができる。またS/N比を高めるこ
とができ、遠距離にあるものを正確に検知することがで
きる。また圧電セラミックス素子11の発熱や破損を防
止することができ、エネルギー変換効率を高めることが
できる。さらに耐環境性を保持することができ、信頼性
の向上を図ることができる。
(57) [Summary] A horn 18 provided with a vibration case 15 having a ring-shaped piezoelectric ceramic element 11 adhered thereto and having an airtightness, and a horn 18 arranged in front of the vibration case 15.
Thereby forming a vibration space 19 having a shape substantially equal to the outer contour of the piezoelectric ceramic element 11 and positioned in front of the piezoelectric ceramic element 11.
Of the piezoelectric supersonic wave having a shape substantially equal to the inner contour of the horn 18 and having an opening 19a located in front of the vibration space 19 and a convex sound wave reflection surface 19b located in front of the opening 19a. Sound wave transceiver. [Effect] It is possible to easily apply an acoustic load to the diaphragm of the vibration case 15, facilitate acoustic matching with air, and increase the transmitted sound pressure in air. Further, the S / N ratio can be increased, and a long-distance object can be accurately detected. Further, it is possible to prevent heat generation and damage of the piezoelectric ceramics element 11, and it is possible to improve energy conversion efficiency. Furthermore, the environment resistance can be maintained, and the reliability can be improved.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は圧電セラミックス素子を
用いた圧電型超音波送受波器に関し、より詳細には障害
物検知や距離測定等に用いられる圧電型超音波送受波器
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver using a piezoelectric ceramic element, and more particularly to a piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver used for obstacle detection and distance measurement.
【0002】なお下記の説明中、音響インピーダンスと
は音圧の体積速度に対する比をいう。In the following description, acoustic impedance means a ratio of sound pressure to volume velocity.
【0003】[0003]
【従来の技術】圧電型超音波送受波器は、超音波センサ
あるいは超音波マイクロフォンとも呼ばれ、従来から多
くの分野で用いられている。図6はこの種送受波器の内
で最もシンプルな構成のものを模式的に示した断面図で
ある。ケース本体32は導電薄板を用い、その周縁部が
折り曲げ形成され、ケース本体32の開口部側には蓋体
33が接着・固定され、これらケース本体32と蓋体3
3とにより密閉構造のケース34が構成されている。ケ
ース本体32の内側中央平坦部には略円板状に形成され
た圧電セラミックス素子31が接着され、圧電セラミッ
クス素子31とケース本体32とはそれぞれリード線3
6a、36bを介してリード端子35a、35bに接続
されており、これらケース34及び圧電セラミックス素
子31等により圧電型超音波送受波器30が構成されて
いる。そしてリード端子35a、35bを通じて交流電
圧が圧電セラミックス素子31に印加されると、圧電セ
ラミックス素子31が伸縮運動し、この伸縮運動により
ケース本体32に屈曲運動が生じて音波が発生し、この
音波が図中矢印Aの方向に放射されるようになってい
る。2. Description of the Related Art Piezoelectric ultrasonic transducers are also called ultrasonic sensors or ultrasonic microphones and have been used in many fields. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the simplest construction of this type of transceiver. A conductive thin plate is used for the case main body 32, the peripheral edge portion is bent and formed, and a lid 33 is bonded and fixed to the opening side of the case main body 32.
A case 34 having a closed structure is constituted by 3 and 3. A piezoelectric ceramic element 31 formed in a substantially disk shape is adhered to the inner central flat portion of the case body 32, and the piezoelectric ceramic element 31 and the case body 32 are connected to the lead wire 3 respectively.
The piezoelectric ultrasonic transducer 30 is connected to the lead terminals 35a and 35b via 6a and 36b, and the case 34 and the piezoelectric ceramics element 31 and the like constitute the piezoelectric ultrasonic transducer 30. When an AC voltage is applied to the piezoelectric ceramics element 31 through the lead terminals 35a and 35b, the piezoelectric ceramics element 31 expands and contracts, and the expansion and contraction causes a bending motion in the case body 32 to generate a sound wave. The light is emitted in the direction of arrow A in the figure.
【0004】図7は従来から用いられている別の圧電型
超音波送受波器40を模式的に示した断面図であり、図
中42はケース本体を示している。ケース本体42は音
響インピーダンスの大きい材料を用い、天井部42aを
有して略円筒形状に形成され、ケース本体42の開口部
42b側には蓋体43が接着・固定され、これらケース
本体42と蓋体43とにより密閉構造のケース44が構
成されている。さらにケース本体42の天井部42aに
は音響インピーダンスの小さい材料を用いて形成された
円板部材47が接着されている。ケース本体42内の中
央平坦部には略円板形状に形成された圧電セラミックス
素子41が接着され、圧電セラミックス素子41の両面
に形成された電極41a、41bは、それぞれリード線
46a、46bを介してリード端子45a、45bに接
続され、これらケース44及び圧電セラミックス素子4
1等により圧電型超音波送受波器40が構成されてい
る。そしてリード端子45a、45bを通じて圧電セラ
ミックス素子41に交流電圧が印加されると、圧電セラ
ミックス素子41が伸縮運動し、この伸縮運動によりケ
ース本体42に屈曲運動が生じて振動し、この振動が円
板部材47を介して空気に伝播し、図中矢印Bの方向に
音波が放射されるようになっている(実開昭62−17
7198号公報)。FIG. 7 is a sectional view schematically showing another piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 40 which has been conventionally used. In the figure, reference numeral 42 denotes a case body. The case main body 42 is made of a material having a large acoustic impedance and is formed into a substantially cylindrical shape having a ceiling 42a. A lid 43 is adhered and fixed to the opening 42b side of the case main body 42. The lid 43 and the lid 43 form a case 44 having a closed structure. Further, a disc member 47 formed of a material having a low acoustic impedance is bonded to the ceiling portion 42a of the case body 42. A piezoelectric ceramic element 41 formed in a substantially disc shape is adhered to a central flat portion in the case main body 42, and electrodes 41a and 41b formed on both surfaces of the piezoelectric ceramic element 41 are connected via lead wires 46a and 46b, respectively. Connected to the lead terminals 45a and 45b, and the case 44 and the piezoelectric ceramic element 4 are connected.
A piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 40 is configured by 1 and the like. When an AC voltage is applied to the piezoelectric ceramics element 41 through the lead terminals 45a and 45b, the piezoelectric ceramics element 41 expands and contracts, and the expansion and contraction causes the case body 42 to bend and vibrate. The sound waves are propagated to the air through the member 47, and sound waves are emitted in the direction of arrow B in the figure (Actual exploitation 62-17).
No. 7198).
【0005】図8は従来から用いられているホーン付き
の圧電型超音波送受波器50を模式的に示した断面図で
あり、図中55は導電薄板を用いて略中空円柱体形状に
形成されたケースを示している。ケース55の略中央部
には略円板形状に形成された圧電セラミックス素子51
が接着され、圧電セラミックス素子51は支持具54を
用いてケース55に保持されている。また圧電セラミッ
クス素子51上面には断面視直線形状を有するコニカル
ホーン53が配設され、コニカルホーン53上方におけ
るケース55上面には1個の開口部57aと複数個の放
音用孔57bとが形成されており、ケース55の側面か
ら上方にかけて下方に凸の曲面形状を有するパラボリッ
クホーン58が形成されている。またケース55下部に
はリード端子56a、56bが固定され、リード端子5
6a、56bはリード線を介して圧電セラミックス素子
51に接続され、これらケース55、圧電セラミックス
素子51、パラボリックホーン58等により圧電型超音
波送受波器50が構成されている。そしてリード端子5
6a、56bを通じて圧電セラミックス素子51に交流
電圧が印加されると、圧電セラミックス素子51が伸縮
運動して振動が発生し、この振動がコニカルホーン53
を介して空気に伝播し、さらに開口部57a、放音用孔
57bを通過してパラボリックホーン58から図中矢印
Cの方向に音波が放射されるようになっている(特開昭
58−85699号公報)。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a piezoelectric type ultrasonic wave transmitter / receiver 50 with a horn which has been conventionally used. In the drawing, 55 is formed in a substantially hollow cylindrical body shape using a conductive thin plate. It shows the case that was done. A piezoelectric ceramic element 51 formed in a substantially disc shape is formed at a substantially central portion of the case 55.
Are adhered to each other, and the piezoelectric ceramics element 51 is held in the case 55 by using a support tool 54. Further, a conical horn 53 having a linear shape in cross section is disposed on the upper surface of the piezoelectric ceramic element 51, and one opening 57a and a plurality of sound emission holes 57b are formed on the upper surface of the case 55 above the conical horn 53. A parabolic horn 58 having a curved surface convex downward from the side surface of the case 55 is formed. The lead terminals 56a and 56b are fixed to the lower portion of the case 55, and
6a and 56b are connected to the piezoelectric ceramics element 51 via lead wires, and the case 55, the piezoelectric ceramics element 51, the parabolic horn 58, and the like constitute a piezoelectric ultrasonic transducer 50. And lead terminal 5
When an AC voltage is applied to the piezoelectric ceramics element 51 through 6a and 56b, the piezoelectric ceramics element 51 expands and contracts to generate vibrations, which are generated by the conical horn 53.
Sound waves are emitted from the parabolic horn 58 in the direction of arrow C in the figure after propagating to the air via the opening 57a and the sound output hole 57b (Japanese Patent Laid-Open No. 58-85699). Issue).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】近年、障害物検知用、
距離測定用等のセンサを用い、より遠距離のものを正確
に検知したいという要求が強くなってきており、そのた
め発信する超音波の音圧が大きくてS/N比が高く、か
つ密閉構造で耐環境性を有する圧電型超音波送受波器が
必要とされてきている。In recent years, for obstacle detection,
There is an increasing demand for accurate detection of longer distances using sensors for distance measurement, etc. Therefore, the sound pressure of ultrasonic waves transmitted is high, the S / N ratio is high, and the structure is hermetic. There is a need for piezoelectric ultrasonic transducers that have environmental resistance.
【0007】図6に示した圧電型超音波送受波器30に
おいては、ケース34が密閉構造であり、耐環境性を有
している。しかし圧電セラミックス素子31に対し、媒
質としての空気の密度が小さいため、空気への音響負荷
が掛かり難く、ケース34の有する振動エネルギを空気
に十分に伝播することができず、超音波の音圧を大きく
することができないという課題があった。また音圧を大
きくするために入力エネルギを増すと、圧電セラミック
ス素子31が発熱したり、あるいは破損するおそれがあ
るという課題があった。In the piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 30 shown in FIG. 6, the case 34 has a hermetically sealed structure and is environmentally resistant. However, since the density of air as a medium is smaller than that of the piezoelectric ceramics element 31, it is difficult to apply an acoustic load to the air, and the vibration energy of the case 34 cannot be sufficiently propagated to the air. There was a problem that could not be increased. Further, if the input energy is increased to increase the sound pressure, there is a problem that the piezoelectric ceramic element 31 may generate heat or be damaged.
【0008】また図7に示した圧電型超音波送受波器4
0においては、ケース44が密閉構造であり、耐環境性
を有している。さらに音響インピーダンスの低い円板部
材47がケース44上に接着され、空気に対する音響整
合の改善が幾分かは図られているが、それでも超音波の
音圧レベルが不十分であるという課題があった。Further, the piezoelectric ultrasonic transducer 4 shown in FIG.
In No. 0, the case 44 has a sealed structure and has environmental resistance. Further, the disk member 47 having a low acoustic impedance is adhered onto the case 44 to improve the acoustic matching to the air to some extent, but there is still a problem that the sound pressure level of ultrasonic waves is insufficient. It was
【0009】また図8に示した圧電型超音波送受波器5
0においては、コニカルホーン53、パラボリックホー
ン58が配設され、あるいは開口部57a、放音用孔5
7bが形成され、空気に対する音響整合の改善が幾分か
は図られている。しかしながら、なお超音波の音圧レベ
ルが不十分であり、また開口部57a、放音用孔57b
により密閉構造にはならず、耐環境性が損なわれるとい
う課題があった。The piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 5 shown in FIG.
0, the conical horn 53 and the parabolic horn 58 are provided, or the opening 57a and the sound emitting hole 5 are provided.
7b is formed and some improvement in acoustic matching to air is achieved. However, the sound pressure level of the ultrasonic waves is still insufficient, and the opening 57a and the sound emitting hole 57b are not included.
Due to this, there is a problem that the sealed structure is not formed and the environment resistance is impaired.
【0010】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、発信する超音波の音圧を大きくすることがで
き、S/N比を高めることができ、遠距離のものを正確
に検知することができ、かつ密閉構造で耐環境性を保持
することができる圧電型超音波送受波器を提供すること
を目的としている。The present invention has been made in view of the above problems, and can increase the sound pressure of ultrasonic waves to be transmitted, increase the S / N ratio, and accurately detect long distances. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric ultrasonic transducer that can be manufactured and can maintain environment resistance with a closed structure.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電型超音波送受波器は、リング形状の
圧電セラミックス素子が接着された密閉性を有する振動
ケースと、該振動ケース前方に配設されたホーンとを備
え、該ホーンにより前記圧電セラミックス素子の外側輪
郭と略等しい形状を有し、前記圧電セラミックス素子の
前方に位置する振動空間が形成され、前記圧電セラミッ
クス素子の内側輪郭と略等しい形状を有し、前記振動空
間前方に位置する開口部と、前記開口部前方に位置する
凸形状の音波反射面とが、前記ホーンに形成されている
ことを特徴としている。In order to achieve the above object, a piezoelectric ultrasonic transducer according to the present invention comprises a vibration case having a ring-shaped piezoelectric ceramic element bonded thereto and having a hermeticity, and the vibration case. A horn disposed in front of the piezoelectric ceramics element, the horn having a shape substantially equal to the outer contour of the piezoelectric ceramics element, and forming a vibration space located in front of the piezoelectric ceramics element. It is characterized in that an opening having a shape substantially equal to the contour and located in front of the vibrating space and a convex sound wave reflecting surface located in front of the opening are formed on the horn.
【0012】[0012]
【作用】振動発生源としての圧電セラミックス素子は、
音波の伝播媒質としての空気に対して密度が極めて大き
い。そのため、前記圧電セラミックス素子が音波を放射
する際、空気から受ける音響負荷は極めて小さく、した
がって音波として利用されるエネルギが少ない。[Function] The piezoelectric ceramic element as the vibration source is
The density is extremely high with respect to air as a sound wave propagation medium. Therefore, when the piezoelectric ceramic element emits a sound wave, the acoustic load received from the air is extremely small, and therefore the energy used as the sound wave is small.
【0013】本発明者等はこの問題を解決するため、図
5(a)に示した装置を用い、振動の測定試験を行っ
た。図中12は円板形状に形成された振動板を示し、振
動板12は図5(b)に示したように内部振動板12a
と外部振動板12bとに構成されていると考えることが
できる。外部振動板12b下面にはリング形状の圧電セ
ラミックス素子11が接着されてバイモルフ構造24が
構成されており、バイモルフ構造24の外周部はクラン
プ25等により拘束・保持されている。このように構成
された装置20に通電し、圧電セラミックス素子11を
振動させた場合、振動は図中点線で示したように、外部
振動板12b部分では小さい、内部振動板12a部分で
は大きい振幅が得られた。このように振動板12にリン
グ形状の圧電セラミックス素子11が接着された装置で
は、内部振動板12a部分が軽いために音響負荷が掛か
り易くなるとともに、振幅が大きくとれるために空気中
の送波音圧を高めることが容易となる。一方、外周部に
設けられた圧電セラミックス素子22の振幅は小さいた
め、圧電セラミックス素子22の発熱や破損が減少し、
信頼性の向上を図り得るとともにエネルギー変換効率が
高められることになる。In order to solve this problem, the present inventors conducted a vibration measurement test using the apparatus shown in FIG. 5 (a). In the figure, reference numeral 12 indicates a disk-shaped diaphragm, and the diaphragm 12 is an internal diaphragm 12a as shown in FIG. 5B.
And the external diaphragm 12b. A ring-shaped piezoelectric ceramic element 11 is bonded to the lower surface of the external diaphragm 12b to form a bimorph structure 24, and the outer peripheral portion of the bimorph structure 24 is constrained and held by a clamp 25 or the like. When the piezoelectric ceramic element 11 is vibrated by energizing the device 20 configured as described above, the vibration has a small amplitude in the outer diaphragm 12b portion and a large amplitude in the inner diaphragm 12a portion as shown by the dotted line in the figure. Was obtained. In the device in which the ring-shaped piezoelectric ceramics element 11 is bonded to the vibration plate 12 as described above, acoustic load is easily applied because the internal vibration plate 12a portion is light, and the transmitted sound pressure in the air is increased because the amplitude is large. It becomes easy to increase. On the other hand, since the piezoelectric ceramic element 22 provided on the outer peripheral portion has a small amplitude, heat generation and damage of the piezoelectric ceramic element 22 are reduced,
The reliability can be improved and the energy conversion efficiency can be improved.
【0014】本発明に係る圧電型超音波送受波器によれ
ば、リング形状の圧電セラミックス素子が接着された密
閉性を有する振動ケースと、該振動ケース前方に配設さ
れたホーンとを備え、該ホーンにより前記圧電セラミッ
クス素子の外側輪郭と略等しい形状を有し、前記圧電セ
ラミックス素子の前方に位置する振動空間が形成され、
前記圧電セラミックス素子の内側輪郭と略等しい形状を
有し、前記振動空間前方に位置する開口部と、前記開口
部前方に位置する凸形状の音波反射面とが、前記ホーン
に形成されているので、リング形状の前記圧電セラミッ
クス素子の内側における振動ケースの振動板に音響負荷
が掛かり易くなるとともに、振幅が大きくなり、空気と
の音響整合を図ることが容易になる。また前記圧電セラ
ミックス素子の内側における振動ケースの前方に前記ホ
ーンの開口部が形成され、かつ前記音波反射面が徐々に
広がっているため、空気との音響整合がより一層容易に
図られ、空気中の音圧をより一層高くし得ることとな
る。その結果S/N比が高められ、遠距離にあるものを
正確に検知し得ることとなる。また前記圧電セラミック
ス素子の外周部がホーン内周面で拘束されているため、
前記圧電セラミックス素子の振動が抑制される振動モー
ドとなり、発熱や破損が防止され、音響効率を高くし得
ることとなる。さらに前記振動ケースが密閉構造に形成
されているため、耐環境性が保持され、圧電型超音波送
受波器の信頼性の向上が図れることとなる。According to the piezoelectric ultrasonic transducer of the present invention, it is provided with a vibration case having a ring-shaped piezoelectric ceramic element adhered thereto and having a hermeticity, and a horn arranged in front of the vibration case. With the horn, a vibration space having a shape substantially equal to the outer contour of the piezoelectric ceramic element and located in front of the piezoelectric ceramic element is formed,
Since an opening having a shape substantially equal to the inner contour of the piezoelectric ceramic element and located in front of the vibrating space and a convex sound wave reflecting surface located in front of the opening are formed on the horn. The acoustic load is likely to be applied to the diaphragm of the vibrating case inside the ring-shaped piezoelectric ceramic element, the amplitude is increased, and acoustic matching with air is facilitated. Further, since the opening of the horn is formed in front of the vibration case inside the piezoelectric ceramic element and the sound wave reflection surface is gradually widened, acoustic matching with air can be more easily achieved. The sound pressure of can be further increased. As a result, the S / N ratio is increased, and it is possible to accurately detect a long distance object. Further, since the outer peripheral portion of the piezoelectric ceramic element is constrained by the inner peripheral surface of the horn,
A vibration mode in which the vibration of the piezoelectric ceramic element is suppressed is achieved, heat generation and damage are prevented, and acoustic efficiency can be increased. Further, since the vibrating case is formed in a hermetically sealed structure, environmental resistance is maintained and the reliability of the piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver can be improved.
【0015】[0015]
【実施例及び比較例】以下、本発明に係る圧電型超音波
送受波器の実施例を、図面に基づいて説明する。図1は
実施例に係る共振周波数が約30kHz の圧電型超音波送
受波器を模式的に示した断面図であり、図中11は圧電
セラミックス素子を示している。圧電セラミックス素子
11は材質SPEM−6Fを用い、外径が略14mm、内
径が略8mm、厚さが略1.0mmのリング形状に形成され
ている。振動板12はステンレス鋼を用いて直径が30
mm、厚さ0.5mmの略円板形状に成形されており、振動
板12下面には圧電セラミックス素子11がエポキシ系
の接着剤を用いて接着されている。さらに振動板12の
外周部には略円筒形状に形成されたケース本体13が接
着・固定され、ケース本体13下部には略円板形状の蓋
体14が接着・固定されており、これら振動板12、ケ
ース本体13及び蓋体14により、密閉構造を有する振
動ケース15が構成されている。蓋体14にはリード端
子16a、16bが固定され、リード端子16aはリー
ド線17aを介して圧電セラミックス素子11に接続さ
れ、リード端子16bはリード線17bを介して振動板
12に接続されている。一方、振動ケース15上にはホ
ーン18が配設され、ホーン18はアルミニウムを用
い、外径が略30mm、高さが略21mmの略円柱形状に成
形されており、ホーン18下部には内径が略14mm、高
さHが略1.0mmの振動空間19が形成され、振動空間
19は圧電セラミックス素子11の外径部上方に±0mm
の公差で配置されている。また振動空間19上部中央に
は直径が略8mmの開口部19aが形成されており、開口
部19aは圧電セラミックス素子11の内径部(または
振動板12a)上方に±0mmの公差で配置されている。
さらに開口部19aの上方には音波反射面19bが形成
されており、音波反射面19bは開口部19aの上方に
断面視凸形状の曲線状に形成されている。そしてホーン
18と振動ケース15とはホーン下端面18aでエポキ
シ系の接着剤を用いて接着・固定され、圧電型超音波送
受波器10が構成されている。EXAMPLES AND COMPARATIVE EXAMPLES Examples of piezoelectric ultrasonic transducers according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view schematically showing a piezoelectric ultrasonic transducer having a resonance frequency of about 30 kHz according to the embodiment, and 11 in the drawing denotes a piezoelectric ceramic element. The piezoelectric ceramic element 11 is made of a material SPEM-6F, and is formed into a ring shape having an outer diameter of about 14 mm, an inner diameter of about 8 mm, and a thickness of about 1.0 mm. The diaphragm 12 is made of stainless steel and has a diameter of 30.
The piezoelectric ceramics element 11 is bonded to the lower surface of the vibration plate 12 using an epoxy adhesive agent. Further, a case body 13 having a substantially cylindrical shape is adhered and fixed to the outer peripheral portion of the diaphragm 12, and a substantially disc-shaped lid 14 is adhered and fixed to the lower portion of the case body 13. The case 12, the case body 13 and the lid 14 constitute a vibration case 15 having a hermetically sealed structure. Lead terminals 16a and 16b are fixed to the lid body 14, the lead terminal 16a is connected to the piezoelectric ceramic element 11 via a lead wire 17a, and the lead terminal 16b is connected to the diaphragm 12 via a lead wire 17b. . On the other hand, a horn 18 is arranged on the vibrating case 15, and the horn 18 is made of aluminum and is formed into a substantially cylindrical shape having an outer diameter of about 30 mm and a height of about 21 mm. A vibration space 19 having a height of approximately 1.0 mm and a height H of approximately 14 mm is formed. The vibration space 19 is ± 0 mm above the outer diameter portion of the piezoelectric ceramic element 11.
It is arranged with the tolerance of. An opening 19a having a diameter of about 8 mm is formed in the center of the upper portion of the vibration space 19, and the opening 19a is arranged above the inner diameter of the piezoelectric ceramic element 11 (or the vibration plate 12a) with a tolerance of ± 0 mm. .
Further, a sound wave reflecting surface 19b is formed above the opening portion 19a, and the sound wave reflecting surface 19b is formed above the opening portion 19a in a curved shape having a convex shape in cross section. The horn 18 and the vibrating case 15 are bonded and fixed to the horn lower end surface 18a with an epoxy-based adhesive to form the piezoelectric ultrasonic transducer 10.
【0016】以下に、このように構成された圧電型超音
波送受波器10を用い、30cm×10Vrsm入力の条件で
送波音圧を測定した結果について説明する。なお比較例
として、図6に示した従来の圧電型超音波送受波器30
を用いた。The results of measuring the transmitted sound pressure using the piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 10 thus constructed under the conditions of input of 30 cm × 10 Vrsm will be described below. As a comparative example, the conventional piezoelectric ultrasonic transducer 30 shown in FIG. 6 is used.
Was used.
【0017】図2は送波音圧の測定結果を示した曲線図
であり、曲線(a)は実施例のものの場合、曲線(b)
は比較例のものの場合を示している。この図から明らか
なように、送波音圧は実施例のものの場合が約120dB
であり、比較例のものの場合の112dB(当社比)に比
べて約8dB高くすることができ、実効音圧レベルを約2
倍以上に高めることができた。FIG. 2 is a curve diagram showing the measurement result of the transmitted sound pressure. The curve (a) is the curve (b) in the case of the embodiment.
Indicates the case of the comparative example. As is clear from this figure, the transmitted sound pressure is about 120 dB in the case of the embodiment.
It is possible to raise the effective sound pressure level by about 2 dB compared to 112 dB (compared to our company) in the case of the comparative example.
I was able to increase it more than twice.
【0018】本実施例に係る圧電型超音波送受波器10
は、リング形状の圧電セラミックス素子11の内側にお
ける振動ケース15に音響負荷を掛けやすくすることが
できるとともに、振幅を大きくすることができ、空気と
の音響整合を容易に図ることができる。また圧電セラミ
ックス素子11の内側における振動ケース15の前方に
ホーン18の開口部19aが形成され、かつ音波反射面
19bが徐々に広がっているため、空気との音響整合を
より一層容易に図ることができ、空気中の音圧をより一
層高くすることができる。その結果S/N比を高めるこ
とができ、遠距離にあるものを正確に検知することがで
きる。また圧電セラミックス素子11の外周部がホーン
内周面18aで拘束されており、圧電セラミックス素子
11の振動を抑制する振動モードとなるため発熱や破損
を防止することができ、音響効率を高くすることができ
る。さらに振動ケース15が密閉構造に形成されている
ため、耐環境性を保持することができ、圧電型超音波送
受波器10の信頼性の向上を図ることができる。Piezoelectric ultrasonic transducer 10 according to this embodiment.
Makes it possible to easily apply an acoustic load to the vibration case 15 inside the ring-shaped piezoelectric ceramics element 11, increase the amplitude, and easily achieve acoustic matching with air. Further, since the opening 19a of the horn 18 is formed in front of the vibration case 15 inside the piezoelectric ceramic element 11, and the sound wave reflection surface 19b is gradually widened, acoustic matching with air can be further facilitated. Therefore, the sound pressure in the air can be further increased. As a result, the S / N ratio can be increased, and an object at a long distance can be accurately detected. Further, since the outer peripheral portion of the piezoelectric ceramics element 11 is constrained by the inner peripheral surface 18a of the horn, and the vibration mode that suppresses the vibration of the piezoelectric ceramics element 11 is set, heat generation and damage can be prevented, and acoustic efficiency is increased. You can Further, since the vibration case 15 is formed in a hermetically sealed structure, it is possible to maintain environment resistance and improve the reliability of the piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver 10.
【0019】なお、実施例では共振周波数が30kHz で
振動空間19の厚さH(図1)が略1mmの場合について
説明したが、図3に示したように、別の実施例として振
動空間19の厚さtが2mm、0.5mmの場合、実施例の
ものよりもとほぼ同一の効果を得ることができる。In the embodiment, the case where the resonance frequency is 30 kHz and the thickness H (FIG. 1) of the vibration space 19 is about 1 mm has been described. However, as shown in FIG. When the thickness t is 2 mm and 0.5 mm, it is possible to obtain substantially the same effect as that of the embodiment.
【0020】また、実施例では振動空間19及び開口部
19aの公差を±0mmに設定したが、図4に示したよう
に、振動空間19及び開口部19aの公差がそれぞれの
寸法の±10%以内の場合、実施例のものの場合と略同
一の効果を得ることができる。Further, in the embodiment, the tolerance of the vibration space 19 and the opening 19a is set to ± 0 mm. However, as shown in FIG. 4, the tolerance of the vibration space 19 and the opening 19a is ± 10% of each dimension. Within the range, it is possible to obtain substantially the same effect as in the case of the embodiment.
【0021】また、実施例では振動板12の材質として
ステンレス鋼を用いたが、別の実施例としてこれより比
重が軽いジュラルミン等のアルミニウム合金、チタン、
チタン合金等を用いた場合、実施例のものよりも音響イ
ンピーダンスが小さくなる分、より高い音圧を得ること
ができる。In the embodiment, stainless steel was used as the material of the diaphragm 12, but as another embodiment, aluminum alloy such as duralumin, which has a lower specific gravity, titanium,
When a titanium alloy or the like is used, higher acoustic pressure can be obtained because the acoustic impedance becomes smaller than that of the examples.
【0022】また、実施例では圧電セラミックス素子1
1として、連続入力に対応したハード系の材料を用いた
が、別の実施例としてパルスで使用したり連続入力しな
い場合、ソフト系の材料を用いて電圧感度を上げること
ができ、またバイモルフタイプの素子を用いてより高性
能の送受信特性を得ることができる。In the embodiment, the piezoelectric ceramic element 1 is also used.
As the first example, a hard material compatible with continuous input is used, but as another embodiment, when used in a pulse or when continuous input is not used, the voltage sensitivity can be increased by using a soft material, and the bimorph type is used. It is possible to obtain higher-performance transmission / reception characteristics by using the element.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る圧電型
超音波送受波器にあっては、リング形状の圧電セラミッ
クス素子が接着された密閉性を有する振動ケースと、該
振動ケース前方に配設されたホーンとを備え、該ホーン
により前記圧電セラミックス素子の外側輪郭と略等しい
形状を有し、前記圧電セラミックス素子の前方に位置す
る振動空間が形成され、前記圧電セラミックス素子の内
側輪郭と略等しい形状を有し、前記振動空間前方に位置
する開口部と、前記開口部前方に位置する凸形状の音波
反射面とが、前記ホーンに形成されているので、リング
形状の前記圧電セラミックス素子の内側における振動ケ
ースの振動板に音響負荷を掛け易くすることができると
ともに、振幅を大きくすることができ、空気との音響整
合を容易に図ることができる。また前記圧電セラミック
ス素子の内側における振動ケースの前方に前記ホーンの
開口部が形成され、かつ前記音波反射面が徐々に広がっ
ているため、空気との音響整合をより一層容易に図るこ
とができ、空気中の音圧をより一層高くすることができ
る。その結果S/N比を高めることができ、遠距離にあ
るものを正確に検知することができる。また前記圧電セ
ラミックス素子の外周部がホーン内周面で拘束されてい
るため、前記圧電セラミックス素子の振動が抑制される
振動モードとなり、発熱や破損を防止することができ、
音響効率を高くすることができる。さらに前記振動ケー
スが密閉構造に形成されているため、耐環境性を保持す
ることができ、圧電型超音波送受波器の信頼性の向上を
図ることができる。As described in detail above, in the piezoelectric ultrasonic transducer according to the present invention, a vibrating case having a ring-shaped piezoelectric ceramic element adhered thereto and having a hermeticity is provided in front of the vibrating case. A horn that is disposed, and that has a shape that is substantially the same as the outer contour of the piezoelectric ceramic element and that forms a vibrating space located in front of the piezoelectric ceramic element; The ring-shaped piezoelectric ceramics element has substantially the same shape, and an opening located in front of the vibration space and a convex sound wave reflection surface located in front of the opening are formed in the horn. The acoustic load can be easily applied to the diaphragm of the vibrating case on the inside of the chamber, and the amplitude can be increased to facilitate acoustic matching with the air. Can. Further, since the opening of the horn is formed in front of the vibration case inside the piezoelectric ceramic element and the sound wave reflection surface is gradually widened, acoustic matching with air can be more easily achieved. The sound pressure in the air can be further increased. As a result, the S / N ratio can be increased, and an object at a long distance can be accurately detected. Further, since the outer peripheral portion of the piezoelectric ceramic element is constrained by the inner peripheral surface of the horn, a vibration mode in which the vibration of the piezoelectric ceramic element is suppressed can be prevented, and heat generation and damage can be prevented.
The acoustic efficiency can be increased. Further, since the vibrating case is formed in a hermetically sealed structure, it is possible to maintain the environment resistance and improve the reliability of the piezoelectric ultrasonic transducer.
【図1】本発明に係る圧電型超音波送受波器の実施例を
模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a piezoelectric ultrasonic transducer according to the present invention.
【図2】送波音圧の測定結果を示した曲線図であり、曲
線(a)は実施例のものの場合、曲線(b)は比較例の
ものの場合を示している。FIG. 2 is a curve diagram showing the measurement result of transmitted sound pressure, wherein curve (a) shows the case of the example and curve (b) shows the case of the comparative example.
【図3】振動空間の厚さHと放射音圧との関係を示した
曲線図である。FIG. 3 is a curve diagram showing the relationship between the thickness H of the vibration space and the radiated sound pressure.
【図4】振動空間及び開口部の公差と送波音圧との関係
を示した曲線図である。FIG. 4 is a curve diagram showing the relationship between the vibration space and the tolerance of the opening and the transmitted sound pressure.
【図5】(a)はリング状圧電セラミックス素子が接着
された振動板を模式的に示した断面図及び振幅分布の測
定結果を点線で示した曲線図であり、(b)は振動板及
びリング状圧電セラミックス素子を設計する際の分割モ
デルを示している。5A is a cross-sectional view schematically showing a vibration plate to which a ring-shaped piezoelectric ceramic element is bonded and a curve diagram showing a result of amplitude distribution measurement by a dotted line, and FIG. The division model at the time of designing a ring-shaped piezoelectric ceramics element is shown.
【図6】従来の圧電型超音波送受波器の内で最もシンプ
ルなものを模式的に示した断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the simplest of the conventional piezoelectric ultrasonic wave transmitters / receivers.
【図7】従来用いられている別の圧電型超音波送受波器
を模式的に示した断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing another conventionally used piezoelectric ultrasonic transducer.
【図8】従来用いられているホーン付きの圧電型超音波
送受波器を模式的に示した断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a conventional piezoelectric ultrasonic wave transmitter / receiver with a horn.
10 圧電型超音波送受波器 11 圧電セラミックス素子 15 振動ケース 18 ホーン 19 振動空間 19a 開口部 19b 音波反射面 10 Piezoelectric Ultrasonic Transducer 11 Piezoelectric Ceramics Element 15 Vibration Case 18 Horn 19 Vibration Space 19a Opening 19b Sound Reflecting Surface
Claims (1)
着された密閉性を有する振動ケースと、該振動ケース前
方に配設されたホーンとを備え、該ホーンにより前記圧
電セラミックス素子の外側輪郭と略等しい形状を有し、
前記圧電セラミックス素子の前方に位置する振動空間が
形成され、前記圧電セラミックス素子の内側輪郭と略等
しい形状を有し、前記振動空間前方に位置する開口部
と、前記開口部前方に位置する凸形状の音波反射面と
が、前記ホーンに形成されていることを特徴とする圧電
型超音波送受波器。1. A vibrating case having a ring-shaped piezoelectric ceramic element adhered thereto and having a hermeticity, and a horn arranged in front of the vibrating case, and the horn substantially equals the outer contour of the piezoelectric ceramic element. Have a shape,
An oscillating space located in front of the piezoelectric ceramic element is formed and has a shape substantially equal to the inner contour of the piezoelectric ceramic element, and an opening located in front of the oscillating space and a convex shape located in front of the opening. And a sound wave reflecting surface thereof are formed on the horn.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5376593A JPH06269090A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Piezoelectric ultrasonic wave transmitter-receiver |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5376593A JPH06269090A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Piezoelectric ultrasonic wave transmitter-receiver |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06269090A true JPH06269090A (en) | 1994-09-22 |
Family
ID=12951917
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5376593A Pending JPH06269090A (en) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | Piezoelectric ultrasonic wave transmitter-receiver |
Country Status (1)
Country | Link |
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- 1993-03-15 JP JP5376593A patent/JPH06269090A/en active Pending
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