(57)【要約】  広い周波数帯域において高い音圧の超音波を出力することができ、しかも広い周波数帯域において音圧及び位相の周波数特性が平坦である超音波発生装置を提供する。  音波放出孔１２ａ，１２ｃを有する筐体１３内に超音波発生素子１４が収納されており、超音波発生素子１４はスペーサ１５と、スペーサ１５の第１の主面に接合された第１の振動子１７と第２の主面に接合された第２の振動子とを有し、第１，第２の振動子１７，１９の振動により発生した音波が音波放出孔１２ａ，１２ｃを開放端として共鳴するように構成されており、第１及び第２の振動子１７，１９の振幅の周波数特性において共振によるピークが存在し、該ピークからピークの高周波数側に位置する第１の周波数領域と、上記共鳴の音圧の周波数特性における谷と、高周波数側の共鳴によるピークとの間の第２の周波数領域とが重なるように構成されている、超音波発生装置１。
2014174730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向し合う第１及び第２の主面を有し、溝または貫通孔のうち一方が前記第１及び第２の主面に設けられている枠体と、前記枠体の第１の主面に接合されている第１の振動子と、前記枠体の第２の主面に接合されている第２の振動子とを備える超音波発生素子と、
前記超音波発生素子を収納しており、かつ音波放出孔を有する筺体と、を備え、
前記第１の振動子及び第２の振動子の振動により発生した音波が前記音波放出孔を開放端として共鳴するように構成されており、
前記第１及び第２の振動子の振幅の周波数特性において、前記第１及び第２の振動子の共振による第１のピークが存在し、
前記共鳴の音圧の周波数特性において、共鳴による第２のピークと、前記第２のピークよりも高周波数側に存在する共鳴による第３のピークがそれぞれ存在し、かつ前記第２のピークと前記第３のピークとの間に最も音圧が低くなる谷が存在し、
前記第１及び第２の振動子の振幅の周波数特性における前記第１のピーク以上の領域である第１の周波数領域と、前記共鳴の音圧の周波数特性における前記谷から前記第３のピークまでの第２の周波数領域の少なくとも一部とが重なっている、超音波発生装置。
【請求項２】
前記第２の周波数領域が、前記第１の周波数領域に含まれている、請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記筺体に、前記超音波発生素子の主面に沿った方向に超音波が伝搬する音響経路が構成されている、請求項１または２に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
前記音響経路が、前記第１または第２の振動子と、前記第１，第２の振動子の主面と対向している筺体部分との間に構成される空間により形成されている、請求項３に記載の超音波発生装置。
【請求項５】
前記音響経路が、前記超音波発生素子の両主面にそれぞれ形成されている、請求項３または４に記載の超音波発生装置。
【請求項６】
前記超音波発生素子は、前記第１の振動子と第２の振動子とが逆位相で振動する、座屈音叉振動モードにより超音波を発生させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い周波数帯域において高い音圧の超音波を出力し得る超音波発生装置に関し、より詳細には、第１及び第２の振動子からなる超音波発生素子が筺体に収納されている、超音波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電振動子を含む超音波発生素子を備える超音波発生装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、この種の超音波発生装置の一例が開示されている。特許文献１では、筐体内に超音波発生素子が収納されている。超音波発生素子は、中央に溝または貫通孔の内の一方が設けられているスペーサを有する。このスペーサの一方主面に、平板状の第１の圧電振動子が接合されている。該スペーサの他方主面に、平板状の第２の圧電振動子が接合されている。第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動するように駆動される。それによって超音波が発生する。発生した超音波は、上記第１，第２の圧電振動子の主面に沿って伝搬し、筐体に設けられた音波放出孔から出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１２／０２６３１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の超音波発生装置では、第１及び第２の圧電振動子の振動により超音波が発生する。また、第１の圧電振動子の振動により発生する超音波と、第２の圧電振動子の振動により発生する超音波とが合成され、高い音圧の超音波を放出することができるとされている。【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のような従来の超音波発生装置では、広い周波数帯域において高い音圧の超音波を放出することは困難であった。すなわち、広い周波数帯域では、放出する超音波の音圧の変化が激しかった。従って、上記超音波発生装置を用い、チャープ波などの変調を用いたパルス圧縮技術により距離を検出する場合には、高い検出精度を得ることができなかった。【０００６】
本発明の目的は、広い周波数帯域において高い音圧の超音波を出力することができ、しかも広い周波数帯域において音圧の周波数特性及び位相の周波数特性が平坦である超音波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超音波発生装置は、超音波発生素子と、筐体とを備える。【０００８】
上記超音波発生素子は、枠体と、第１の振動子と、第２の振動子とを備える。上記枠体は、対向し合う第１及び第２の主面を有し、溝または貫通孔のうち一方が前記第１及び第２の主面に設けられている。第１の振動子は、枠体の第１の主面に接合されている。第２の振動子は、枠体の第２の主面に接合されている。【０００９】
筐体は、上記超音波発生素子を収納しており、かつ音波放出孔を有する。【００１０】
本発明では、第１の振動子及び第２の振動子の振動により発生した音波が音波放出孔を開放端として共鳴するように構成されている。また、第１及び第２の振動子の振幅の周波数特性において、第１及び第２の振動子の共振による第１のピークが存在し、上記共鳴の音圧の周波数特性において、共鳴による第２のピークと、第２のピークよりも高周波数側に存在する共鳴による第３のピークとがそれぞれ存在し、かつ第２のピークと第３のピークとの間に最も音圧が低くなる谷が存在する。【００１１】
第１及び第２の振動子の振幅の周波数特性における上記第１及び第２の振動子の共振による第１のピークから第１のピークよりも高周波数側に位置している領域である第１の周波数領域と、上記共鳴の音圧の周波数特性における上記谷から前記第３のピークまでの第２の周波数領域の少なくとも一部とが重なっている。【００１２】
本発明に係る超音波発生装置の他の特定の局面では、前記第２の周波数領域が、前記第１の周波数領域に含まれている。【００１３】
本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、上記筺体に、上記超音波発生素子の主面に沿った方向に超音波が伝搬する音響経路が構成されている。【００１４】
本発明に係る超音波発生装置のさらに別の特定の局面では、上記音響経路が、上記第１または第２の振動子と、上記第１，第２の振動子の主面と対向している筺体部分との間に構成される空間により形成されている。【００１５】
本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、上記音響経路が、上記超音波発生素子の両主面にそれぞれ形成されている。【００１６】
本発明に係る超音波発生装置のさらにまた他の特定の局面では、超音波発生素子は、第１の振動子と第２の振動子とが逆位相で振動する、座屈音叉振動モードにより超音波を発生させる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る超音波発生装置によれば、広い周波数帯域において高い音圧の超音波を出力することができ、しかも広い周波数帯域において平坦な音圧の周波数特性と平坦な位相の周波数特性とを得ることができる。従って、例えばチャ−プ波などの変調を用いたパルス圧縮技術により距離を検出する用途に本発明に係る超音波発生装置を用いた場合、高い検出精度を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置が備える超音波発生素子の模式的分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の模式的分解斜視図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の駆動状態を示す略図的部分切り欠き正面断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置における音響共鳴の音圧の周波数特性を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置が備える第１の圧電振動子の振幅の周波数特性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置における音圧の周波数特性を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置における位相の周波数特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る超音波発生装置１の正面断面図である。図２は、本実施形態に係る超音波発生装置１の外観を示す斜視図である。なお、図１は、図２に示すＩ−Ｉ線部分における断面を示している。超音波発生装置１は、基板１１と、キャップ１２とからなる筐体１３を有する。平板状の基板１１上に、下方に開いた開口を有するキャップ１２が固定されている。それによって、筐体１３が構成されている。基板１１とキャップ１２とにより囲まれた空間内、すなわち筐体１３内に超音波発生素子１４が収納されている。
【００２１】
図２に示すように、上記キャップ１２の天板部には、複数の音波放出孔１２ａ〜１２ｄが設けられている。図１では、音波放出孔１２ａ，１２ｃのみが図示されている。
【００２２】
図３は、本実施形態に係る超音波発生装置１が備える超音波発生素子１４の模式的分解斜視図である。超音波発生素子１４は、スペーサ１５を有する。このスペーサが本発明における枠体に相当する。スペーサ１５は、例えばセラミックスや合成樹脂などの適宜の剛性材料からなる。スペーサ１５の中央には、貫通孔からなる開口１５ａが設けられている。スペーサ１５の第１の主面には、接着剤１６を介して、バイモルフ型圧電振動子である第１の圧電振動子１７が接合されている。接着剤１６は、開口１６ａを有する。接着剤１６は、上記開口１５ａを除く領域においてスペーサ１５の上面に塗布されている。第１の圧電振動子１７において、スペーサ１５に接合されていない部分、すなわち、開口１５ａに対向している部分が励振部となる。
【００２３】
同様に、スペーサ１５の第２の主面には、接着剤１８を介して、バイモルフ型圧電振動子である第２の圧電振動子１９が接合されている。接着剤１８は、開口１８ａを有する。接着剤１８は、上記開口１５ａを除く領域においてスペーサ１５の下面に塗布されている。第２の圧電振動子１９において、スペーサ１５に接合されていない部分、すなわち、開口１５ａに対向している部分が励振部となる。
【００２４】
なお、スペーサ１５は貫通孔からなる開口１５ａが設けられているが、開口１５ａに代えて、スペーサ１５の中央領域において両面に凹部すなわち溝からなる開口を設けてもよい。第１，第２の圧電振動子１７，１９は、後述するように、中央領域が圧電効果により振動する部分である。従って、この振動を妨げないように、スペーサ１５の両面に凹部を設けてもよい。
【００２５】
なお、開口１５ａの周縁の一部からスペーサ１５の外周縁に至る欠落部により通気孔が設けられていてもよい。
【００２６】
図１に示すように、第１の圧電振動子１７は、圧電板１７ａを有する。圧電板１７ａは、平面視して正方形状である。圧電板１７ａは、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスなどの圧電セラミックスからなる２つの圧電体層と、該２つの圧電体層の間に配置された内部励振電極１７ｃとを有する。圧電板１７ａの上面中央には、第１の励振電極１７ｂが設けられている。第１の励振電極１７ｂは、内部励振電極１７ｃと上側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。圧電板１７ａの下面中央には、第２の励振電極１７ｄが設けられている。第２の励振電極１７ｄは、内部励振電極１７ｃと下側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。第１，第２の励振電極１７ｂ，１７ｄは、ＡｇやＰｄなどの金属およびこれらの合金からなる。図３に示すように、第１の励振電極１７ｂは、圧電板１７ａの上面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２に連ねられている。第２の励振電極１７ｄも同様に、圧電板１７ａの下面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極（図示せず）に連ねられている。
【００２７】
なお、上述では圧電体層はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなっているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電セラミックスの圧電材料などからなってもよい。
【００２８】
第１の励振電極１７ｂと内部励振電極１７ｃとの間の圧電体層及び内部励振電極１７ｃと第２の励振電極１７ｄとの間の圧電体層は、厚み方向において同一方向に分極されている。他方、第１の圧電振動子１７をバイモルフ型圧電振動子として動作させるために、第１の励振電極１７ｂが引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されており、第２の励振電極１７ｄが引き出し電極（図示せず）を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されている。第１の端子電極２１は、超音波発生素子１４の１つの側面に設けられている。超音波発生素子１４の第１の端子電極２１が設けられている側面と対向する側面には、第２の端子電極２２が設けられている。内部励振電極１７ｃは、内部励振電極１７ｃに連なる引き出し電極（図示せず）を介して第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第１の圧電振動子１７が振動し、超音波を発生させる。
【００２９】
第２の圧電振動子１９も、第１の圧電振動子１７と同様に構成されている。もっとも、第２の圧電振動子１９は、第１の圧電振動子１７に対して逆相で振動するように構成されている。例えば、第２の圧電振動子１９は、圧電体層が厚み方向において第１の圧電振動子１７の圧電体層とは逆方向に分極されていることにより、第１の圧電振動子１７に対して逆相で振動するように構成されている。第２の圧電振動子１９においてもまた、第１，第２の励振電極が引き出し電極（図示せず）を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されており、内部励振電極が引き出し電極（図示せず）を介して第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第２の圧電振動子１９も振動し、超音波を発生させる。第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動により、超音波発生素子１４の上方と下方で超音波が発生する。
【００３０】
図１に示すように、超音波発生装置１では、上記超音波発生素子１４により発生した超音波が、破線の矢印で示す方向に伝搬し、音波放出孔１２ａ〜１２ｄから超音波発生装置１の上方に放出される。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る超音波発生装置１の分解斜視図である。上述したスペーサ１５の上下に接着剤１６，１８を介して第１，第２の圧電振動子１７，１９が接合されている構造を有する超音波発生素子１４が、基板１１とキャップ１２とからなる筐体１３内に収納される。
【００３２】
図４に示すように、超音波発生素子１４が、複数の支持部材２３を介して基板１１上に固定されている。複数の支持部材２３は、基板１１上に設けられている複数の電極ランドに機械的に接合されるとともに、電気的に接続されている。これにより、超音波発生素子１４は、複数の支持部材２３を介して、複数の電極ランドに機械的に接合されるとともに、電気的に接続されている。本実施形態では、接続部材２３が金属材料からなり、接続部材２３と超音波発生素子１４とが導電性接着剤や半田など（図示せず）により接合されている。接続部材２３は、エポキシ樹脂系導電性接着剤等の接着性を有する材料からなるものであってもよい。複数の支持部材２３は、ある程度の厚みを有するため、超音波発生素子１４の下面すなわち第２の圧電振動子１９の下面と、基板１１の上面との間には、空間が形成される。そのため、筐体１３によって第２の圧電振動子１９の振動が妨げられ難い。
【００３３】
また、図１に示すように、超音波発生素子１４の上面すなわち第１の圧電振動子１７の上面と、キャップ１２の天板部内面との間には、空間が形成される。そのため、筐体１３によって第１の圧電振動子１７の振動が妨げられ難い。
【００３４】
本実施形態の超音波発生装置１では、上記第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動により発生する超音波が合成される。また、本実施形態では、超音波発生装置１内において、管共鳴の形で音響共鳴が生じる。すなわち、音波放出孔１２ａ〜１２ｄを開放端とする音響共鳴が生じる。超音波発生装置１は、上記音響共鳴を利用することで、より高い音圧の超音波を音波放出孔１２ａ〜１２ｄから超音波発生装置１の上方に向かって放出させることができる。上記音波放出孔１２ａ〜１２ｄは、後述の動作説明で示す管共鳴の開放端となる位置に設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態の超音波発生装置１の動作について説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る超音波発生装置１の駆動状態を示す略図的部分切り欠き正面断面図である。超音波発生装置１の第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加すると、第１，第２の圧電振動子１７，１９は、図５（ａ）で示す変位状態と、図５（ｂ）で示す変位状態とを繰り返すように振動する。すなわち、超音波発生素子１４は、座屈音叉振動モードにより振動し、超音波を発生させる。この場合、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１，第２の圧電振動子１７，１９では、励振部が振動の腹となり、スペーサ１５に固定されている部分が振動の節となる。振幅が最も大きい部分、すなわち振動の腹の中心は、励振部の中心となる。
【００３６】
第１の圧電振動子１７の上面と、キャップ１２の天板部内面との間には、空間が存在する。駆動状態では、第１の圧電振動子１７の振動の腹の中心がキャップ１２の天板部内面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、発生した超音波が圧縮され、矢印Ｂで示すように、振動の腹の中心すなわち励振部の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。
【００３７】
第２の圧電振動子１９の下面と、基板１１の上面との間には、空間が存在する。駆動状態では、第２の圧電振動子１９の振動の腹の中心が基板１１の上面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、発生した超音波が圧縮され、矢印Ｃで示すように、振動の腹の中心すなわち励振部の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。
【００３８】
図１に矢印Ｂ及び矢印Ｃで示す方向に伝搬する超音波は、位相が揃った状態で、音波放出孔１２ａ〜１２ｄに伝搬し、音波放出孔１２ａ〜１２ｄから超音波発生装置１の上方に放出されることになる。言い換えれば、図１に示すように、超音波発生装置１では、超音波発生素子１４の上面とキャップ１２の天板部内面との間の空間により第１の音響経路が構成されている。また、超音波発生素子１４の下面と基板１１の上面との間の空間により第２の音響経路が構成されている。この第１の音響経路及び第２の音響経路をそれぞれ矢印Ｂ及び矢印Ｃで示すように圧電振動子１７，１９の主面に沿った方向に伝搬する超音波が合成され、音波放出孔１２ａ，１２ｃから放出される。第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動の腹の中心すなわち励振部の中心から音波放出孔１２ａ〜１２ｄまでの距離は、発生する超音波の波長をλとしたときに、λ／４とされている。
【００３９】
なお、矢印Ｃで示すように伝搬する超音波は、図１に示すように、超音波発生素子１４の下面側の第２の音響経路から、超音波発生素子１４の側方において上方に伝搬する。従って、第１の圧電振動子１７の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ〜１２ｄまでの距離と、第２の圧電振動子１９の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ〜１２ｄまでの距離は異なる。しかしながら、超音波発生素子１４の厚みは、波長に対して無視できる程小さくすることができる。例えば、超音波発生装置１で発生する超音波の周波数が６０ｋＨｚである場合、波長は５．７ｍｍである。これに対して、超音波発生素子１４の厚みは、２００〜４００μｍ程度である。従って、上述の第１の圧電振動子１７の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ〜１２ｄまでの距離と、第２の圧電振動子１９の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ〜１２ｄまでの距離の差は２００〜４００μｍ程度すなわち０．０３λ〜０．０７λ程度である。
【００４０】
上記超音波発生装置１内において、超音波を圧縮し伝搬させた場合、音波放出孔１２ａ〜１２ｄから高い音圧の超音波を放出することができる。また、上記座屈音叉振動モードでは、振動の腹の中心が、第１，第２の圧電振動子１７，１９の励振部の中心にある。他方、上記超音波発生素子１４と筐体１３との間の上記空間内において管共鳴の開放端となる位置に、音波放出孔１２ａ〜１２ｄが設けられている。従って、超音波発生装置１内において管共鳴の形で第１の音響共鳴が生じ、非常に高い音圧の超音波を音波放出孔１２ａ〜１２ｄから超音波発生装置１の上方に向かって放出させることができる。
【００４１】
図６は、本実施形態に係る超音波発生装置における上記音響共鳴の音圧の周波数特性を示す図である。図６から明らかなように、音響共鳴の音圧の周波数特性では、矢印Ｄで示す相対的低周波数側のピークと、矢印Ｅで示す相対的高周波数側のピークが存在する。矢印Ｄで示す相対的低周波数側のピークが、本発明における第２のピークに相当する。矢印Ｅで示す相対的高周波数側のピークが、本発明における第３のピークに相当する。上記超音波発生装置１の音圧分布を有限要素法で解析したところ、上記第１，第２の圧電振動子１７，１９が振動した場合、振動の腹の中心である第１，第２の振動子の励振部の中心において音圧が最も高くなることが分かった。そして、音波放出孔１２ａ〜１２ｄを共鳴の開放端とすることで共鳴が発生し、図６に示すように大きな音圧ピークＤ，Ｅが現れることが確認されている。
【００４２】
矢印Ｄで示す共鳴の音圧ピークは、第２の圧電振動子１９の振動により、第２の圧電振動子１９と音波放出孔１２ａ〜１２ｄとの間で発生する共鳴を主とする共鳴モードである。矢印Ｄで示す共鳴の音圧ピークは、音響経路長が長いため、矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークよりも低周波側に現れる。矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークは、第１の圧電振動子１７の振動により、第１の圧電振動子１７と音波放出孔１２ａ〜１２ｄとの間で発生する共鳴を主とする共鳴モードである。矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークは、音響経路長が短いため、矢印Ｄで示す共鳴の音圧ピークよりも高周波側に現れる。図６に示すように、矢印Ｄで示す共鳴の音圧ピークと矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークとの間に、最も音圧が低くなる谷が存在する。図６において、谷を矢印Ｆで示す。
【００４３】
超音波発生装置１では、音波放出孔１２ａ〜１２ｄの位置及び大きさを調整することにより、音響共鳴の音圧の周波数特性を調整することができる。本実施形態では、矢印Ｄで示す相対的低周波数側の共鳴の音圧ピークが、４０ｋＨｚに位置するように構成されている。矢印Ｅで示す相対的高周波数側の共鳴の音圧ピークが、６２ｋＨｚに位置するように構成されている。そして、矢印Ｆで示す谷は、５２ｋＨｚに位置する。
【００４４】
図７は、第１の圧電振動子１７の振幅の周波数特性を示す図である。なお、第２の圧電振動子１９の振幅の周波数特性は、第１の圧電振動子１７の振幅の周波数特性と同じである。
【００４５】
図７に示すように、第１の圧電振動子１７の振幅の周波数特性では、矢印Ｇで示す振幅のピークが存在する。矢印Ｇで示す振幅のピークが、本発明における第１のピークに相当する。このピークは第１の圧電振動子１７の共振による。このため、矢印Ｇで示す振幅のピークの周波数は、第１の圧電振動子１７の共振周波数と一致する。本実施形態では、矢印Ｇで示す振幅のピークの周波数、すなわち第１の圧電振動子１７の共振周波数は、４０ｋＨｚである。なお、第２の圧電振動子１９の共振周波数も、４０ｋＨｚである。
【００４６】
本実施形態の特徴は、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の振幅の周波数特性における第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振による図７中の矢印Ｇで示す振幅のピークから該ピークよりも高周波数側に位置している領域である第１の周波数領域Ｙと、上記音響共鳴の音圧の周波数特性における図６中の矢印Ｆで示す谷から図６中の矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークとの間の周波数領域である第２の周波数領域Ｘの少なくとも一部が、重なるように構成されていることにある。
【００４７】
図７に示すように、矢印Ｇで示す振幅のピークから該ピークよりも高周波数側に位置している領域である第１の周波数領域Ｙにおいて、周波数が高くなるほど、第１の圧電振動子１７の振幅は小さくなっていく。すなわち、矢印Ｇで示す振幅のピークから該ピークよりも高周波数側に位置している領域である第１の周波数領域Ｙでは、第１の圧電振動子１７の振幅の周波数特性は右下がりとなる。特に、矢印Ｇで示す振幅のピークから、１０ｋＨｚ以上高い周波数領域である、５０ｋＨｚ以上の周波数領域では、この周波数による振幅の変化は徐々に緩やかになっている。
【００４８】
他方、図６に示すように、上記音響共鳴の音圧の周波数特性における矢印Ｆで示す谷から矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークまでの周波数領域である第２の周波数領域Ｘにおいて、周波数が高くなるほど、音響共鳴の音圧は高くなっていく。すなわち、矢印Ｆで示す谷から矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークまでの周波数領域Ｘである第２の周波数領域では、音響共鳴の音圧の周波数特性は右上がりとなる。
【００４９】
よって、第１の周波数領域Ｙが第２の周波数領域Ｘと少なくとも部分的に重なっておれば、広い周波数帯域において高い音圧の超音波を出力することができ、しかも広い周波数帯域において平坦な音圧の周波数特性と平坦な位相の周波数特性とを得ることができる。
【００５０】
図８は、本実施形態に係る超音波発生装置１における音圧の周波数特性を示す図である。図９は、本実施形態に係る超音波発生装置１における位相の周波数特性を示す図である。
【００５１】
図８は、上述の圧電振動子による共振現象と、音響共鳴現象とが同時に起きた場合の音圧(ｄＢ)の周波数特性を示す図である。図８に示すように、本実施形態の超音波発生装置１では、５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの周波数領域において、４０ｋＨｚ近傍の周波数領域よりも音圧が小さいものの、約２０ｋＨｚの周波数帯域で平坦な音圧の周波数特性が得られている。これは、５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの周波数領域では、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数から離れた位置にあるため、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の振幅がやや小さいものの、図６における矢印Ｅで示す共鳴の音圧ピークによってある程度音圧が高くなっているためである。
【００５２】
５０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの周波数領域では、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の振幅がやや小さいため、第１及び第２の圧電振動子１７，１９を構成する圧電体層の圧電セラミックス抗電界を超えない程度の駆動電圧を印加することにより、圧電体層にクラックを発生させることなく、高い音圧を得ることができる。
【００５３】
第１及び第２の圧電振動子１７，１９の振幅の位相は、共振により、共振周波数近傍の狭い周波数帯域で１８０度変化する。一方、音響共鳴の音圧の位相は、音響共鳴により、音響共鳴の周波数近傍の相対的に広い周波数帯域で１８０度変化する。本実施形態では、矢印Ｄで示す相対的低周波数側の共鳴の音圧ピークが４０ｋＨｚであり、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数が４０ｋＨｚであり、同じ周波数とされている。このため、図９に示すように、４０ｋＨｚ近傍の周波数領域では、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振による振幅の位相の１８０度の変化と、音響共鳴の音圧の位相の１８０度の変化により、位相の変化が激しい。
【００５４】
一方、４５ｋＨｚ以上の周波数領域では、第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数及び矢印Ｄで示す相対的低周波数側の共鳴の音圧ピークの周波数から離れた位置にあるため、位相の周波数特性がほぼ平坦となっている。
【００５５】
図８及び図９から明らかなように、本実施形態の超音波発生装置１では、５２ｋＨｚ以上の周波数領域において、音圧の周波数特性及び位相の周波数特性のいずれもがほぼ平坦となっている。このため、チャ−プ波などの変調を用いたパルス圧縮技術により距離を検出する用途に本実施形態の超音波発生装置１を用いた場合、高い検出精度を得ることが可能となる。
【００５６】
第１及び第２の周波数領域Ｙ，Ｘは、相対的に狭い周波数領域である第２の周波数領域Ｘの全体が第１の周波数領域Ｙに含まれるように配置されていることが望ましい。上記実施形態では、第２の周波数領域Ｘ全体が第１の周波数領域Ｙに重なっている。もっとも、第２の周波数領域Ｘの一部が第１の周波数領域Ｙに重なり合っていてもよい。
【００５７】
上記第１の周波数領域と第２の周波数領域との位置関係は、前述したように、音波放出孔１２ａ〜１２ｄの位置及び大きさを調整することで矢印Ｄ，Ｅで示す共鳴の音圧ピークの周波数位置を容易に設定できる。また、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成する圧電体層の厚み、振動長、圧電体層を構成する圧電セラミックスの圧電定数を変更することで第１及び第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数の周波数位置を容易に設定できる。
【００５８】
なお、上記実施形態では、バイモルフ型圧電振動子である第１，第２の圧電振動子１７，１９を用いたが、互いに逆位相で駆動される限り、第１，第２の振動子は、上記バイモルフ型圧電振動子に限定されない。ユニモルフ型圧電振動子などの他の圧電振動子を用いてもよい。さらに、圧電振動子に限らず、他の電気音響変換素子を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…超音波発生装置
１１…基板
１２…キャップ
１２ａ〜１２ｄ…音波放出孔
１３…筐体
１４…超音波発生素子
１５…スペーサ
１５ａ…開口
１６，１８…接着剤
１６ａ…開口
１７…第１の圧電振動子
１７ａ…圧電板
１７ｂ…第１の励振電極
１７ｂ１，１７ｂ２…引き出し電極
１７ｃ…内部励振電極
１７ｄ…第２の励振電極
１８ａ…開口
１９…第２の圧電振動子
２１…第１の端子電極
２２…第２の端子電極
２３…支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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