(57)【要約】【課題】  残響特性に優れた超音波発生デバイスを提供する。【解決手段】  超音波発生デバイス１００は、駆動信号が印加されることにより、振動して超音波を発生させる圧電振動子１を備え、圧電振動子１に印加される駆動信号は、圧電振動子１の共振周波数をｆｒ、駆動パルス数をｎｐ、駆動パルスの周波数をｆｐで表したとき、次の式を満たす。０．９８・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）≦ｆｐ≦１．０２・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）【選択図】        図２
2013088234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号が印加されることにより、振動して超音波を発生させる圧電振動子を備えた超音波発生デバイスであって、
前記圧電振動子に印加される駆動信号が、前記圧電振動子の共振周波数をｆｒ、駆動パルス数をｎｐ、駆動パルスの周波数をｆｐで表したとき、次の式を満たす超音波発生デバイス。
０．９８・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）≦ｆｐ≦１．０２・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
【請求項２】
前記式がｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）である、請求項１に記載された超音波発生デバイス。
【請求項３】
前記駆動信号が矩形波である、請求項１または２に記載された超音波発生デバイス。
【請求項４】
前記駆動パルス数ｎｐが４以下である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載された超音波発生デバイス。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載された超音波発生デバイスと、前記超音波発生デバイスに駆動信号を印加する駆動信号発生回路と、を備えた超音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発生デバイスに関し、さらに詳しくは、残響特性に優れた超音波発生デバイスに関する。
【０００２】
また、本発明は、上記超音波発生デバイスと、その超音波発生デバイスに駆動信号を印加する駆動信号発生回路とを備えた超音波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
近時、正確な距離測定方法として、超音波を利用した距離測定方法が活用されている。超音波発生装置から超音波を放出し、被測定物に当て、被測定物から反射した超音波を超音波マイク装置で検出し、放出から検出までに要した時間から、被測定物までの距離を算出する方法である。
【０００４】
超音波発生装置は、超音波を放出する超音波発生デバイスと、その超音波発生デバイスに駆動信号を印加する駆動信号発生回路とを備える。超音波発生デバイスは、圧電振動子などの振動子を振動させて超音波を放出する。超音波発生デバイスにおいては、駆動信号発生回路から駆動信号が印可されている間は振動子が振動して超音波を放出し、駆動信号が印加されなくなると直ちに振動子が振動を停止して不要な超音波を放出しないことが求められる。すなわち、超音波発生デバイスは、残響特性に優れたものであることが求められる。
【０００５】
なぜならば、超音波発生デバイスが、距離を測定するための超音波を放出した後も不要な超音波を放出し続けると、その不要な超音波の被測定物からの反射波を、超音波マイク装置が距離を測定するための反射波として誤って検出してしまい、被測定物までの距離を誤算出してしまう恐れがあるからである。
【０００６】
このような測定距離の誤算出を防止するためには、たとえば、特許文献１（特許第２５８７４１８号公報）に開示された超音波駆動装置の制御方法のように、駆動電圧（駆動信号）の印加が停止された駆動部（振動子）に、駆動電圧とは逆位相の電気信号を印加し、短時間で駆動部の振動を停止させる方法を採用することが考えられる。特許文献１に開示された超音波駆動装置の制御方法は、より具体的には、圧電素子を有する超音波共振系に所定の駆動電圧を供給することにより、その超音波共振系を励振して駆動部を駆動する超音波駆動装置において、駆動部を停止する際には、駆動電圧の供給を停止し、その後の超音波共振系の残響を打ち消すように作用する電気信号を超音波共振系に印加して駆動部を停止するようにしている。なお、特許文献１に開示された超音波駆動装置の制御方法は、具体的には、超音波モータを駆動している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５８７４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した、特許文献１に開示された超音波駆動装置の制御方法を採用すれば、超音波駆動装置（超音波発生デバイス）の残響特性を改善することができ、距離の測定などにおいて誤算出を防止できるものと考えられる。
【０００９】
しかしながら、この方法では、別途、位相を反転させるための回路が必要になり、回路が複雑となって、超音波発生装置のコストが上昇してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものである。その手段として、本発明の超音波発生デバイスは、駆動信号が印加されることにより、振動して超音波を発生させる圧電振動子を備え、圧電振動子に印加される駆動信号が、圧電振動子の共振周波数をｆｒ、駆動パルス数をｎｐ、駆動パルスの周波数をｆｐで表したとき、次の式を満たすようにした。
【００１１】
０．９８・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）≦ｆｐ≦１．０２・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
なお、上記式は、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）であることが好ましい。この場合には、残響特性が最良となり、圧電振動子を停止させた後の不要な超音波の放出がほとんどなくなり、距離測定などにおいて誤算出がなくなるからである。
【００１２】
また、駆動信号は、矩形波であることが好ましい。この場合には、駆動信号の作成が容易となるからである。
【００１３】
また、駆動パルス数ｎｐは、４以下であることが好ましい。
この場合には、残響を抑える効果が十分に大きいからである。
【００１４】
また、上述した超音波発生デバイスと、その超音波発生デバイスに駆動信号を印加する駆動信号発生回路とで、超音波発生装置を構成することができる。この場合には、残響特性に優れた超音波発生装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超音波発生デバイスおよび超音波発生装置は、上述した構成としたため、残響特性に優れている。したがって、距離測定などに使用した場合に、測定距離を誤算出してしまうことがない。しかも、残響特性の向上のために、特別な回路を別途付加する必要もなく、コストの上昇をまねくこともない。
【００１６】
なお、本発明の超音波発生デバイスおよび超音波発生装置において、圧電振動子の共振周波数をｆｒ、駆動パルス数をｎｐ、駆動パルスの周波数をｆｐで表したとき、圧電振動子に印加される駆動信号を、
０．９８・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）≦ｆｐ≦１．０２・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）とし、より望ましくは、
ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
としているが、その理由は次のとおりである。
【００１７】
すなわち、本発明の超音波発生デバイス、超音波発生装置は、２種類の周波数の干渉によるうなりの効果を利用して、残響を小さくしている。駆動信号の印加により振動を始めた振動子は、その振動子の共振周波数で振動し続けようとする。一方、駆動信号の周波数を、振動子の共振周波数からずらすと、共振周波数で振動し続けようとする振動子と、強制的に駆動信号の周波数で振動させようとする２つの力が働き、２つの周波数によるうなりが発生する。このうなりによる振動子の変位が、ちょうど零になるタイミングで駆動信号の印加を零、もしくは開放すると、残響が小さい振動特性を得ることができる。
【００１８】
そこで、本発明の超音波発生デバイス、超音波発生装置は、望ましくは、
ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
を満たすようにした。この式を満たす場合には、上記うなりによる振動子の変位が、ちょうど零になるタイミングで駆動信号の印加を零、もしくは開放することになり、残響が小さい振動特性を得ることができる。
【００１９】
ただし、駆動信号の印加を零、もしくは開放するタイミングは、わずかにずれていても、残響を実用上問題がないほどに小さくできる。そこで、本発明の超音波発生デバイス、超音波発生装置は、±２％の幅をもたせて、
０．９８・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）≦ｆｐ≦１．０２・ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）の式を満たすようにしたのである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００を示す断面図であり、図１の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００に用いられた超音波発生素子１を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００の駆動状態を示す説明図である。
【図５】超音波発生デバイス１００を使用した、本発明の第１実施形態にかかる超音波発生装置２００を示す等価回路図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる超音波発生デバイス３００を示す断面図である。
【図７】実施例１にかかる超音波発生装置（２００）の残響特性を示すグラフである。（残響特性を示すグラフはすべてＦＥＭの結果である。）
【図８】実施例２にかかる超音波発生装置の残響特性を示すグラフである。
【図９】実施例３にかかる超音波発生装置の残響特性を示すグラフである。
【図１０】実施例４にかかる超音波発生装置の残響特性を示すグラフである。
【図１１】比較例にかかる超音波発生装置の残響特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
本欄においては、まず、本実施形態にかかる超音波発生デバイス１００について説明する。続いて、超音波発生デバイス１００を使用した、本実施形態にかかる超音波発生装置２００について説明する。
【００２３】
図１、図２に、本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００を示す。ただし、図１は斜視図、図２は図１の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す断面図である。また、図３に、超音波発生デバイス１００に使用した超音波発生素子１を示す。ただし、図３は分解斜視図である。
【００２４】
超音波発生デバイス１００は、超音波発生素子１を備える。
【００２５】
超音波発生素子１は、枠体２と、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備える。本実施形態において、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とのそれぞれの共振周波数は、６０ｋＨｚである。枠体２は、中央部に貫通孔２ａが形成されている。そして、枠体２の下側の主面には、第１のバイモルフ型圧電振動子３が接着剤５ａにより接合され、枠体２の上側の主面には、第２のバイモルフ型圧電振動子４が接着剤５ｂにより接合されている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。超音波発生素子１は、たとえば、３２０μｍ程度の厚みからなる。
【００２６】
枠体２は、たとえば、セラミックスからなり、厚みは２００μｍ程度である。貫通孔２ａの直径は、たとえば、２．４ｍｍ程度である。なお、貫通孔２ａに代えて、枠体２の中央部分に溝を形成するようにしても良い。すなわち、枠体２は、閉じた環状の構造体には限られず、一部において開いた環状の構造体であっても良い。
【００２７】
第１のバイモルフ型圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄは、たとえば、Ａｇ，Ｐｄからなる励振電極である。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。
【００２８】
第２のバイモルフ型圧電振動子４も、第１のバイモルフ型圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄも、たとえば、Ａｇ，Ｐｄからなる励振電極である。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２のバイモルフ型圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。
【００２９】
第１のバイモルフ型圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。
【００３０】
一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。
【００３１】
そして、超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。（引出電極６ａ，６ｄは図２に示されているが、引出電極６ｂ，６ｃは図示を省略しており、いずれの図にも示されていない。）引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。
【００３２】
超音波発生デバイス１００は、さらに、基板７と蓋部材８とからなる筺体を備える。
【００３３】
基板７は、たとえば、ガラスエポキシからなり、矩形で、平板状である。基板７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されている。そして、それらのランド電極に、超音波発生素子１の引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを導電性接着剤９によりそれぞれ接合することにより、基板７に超音波発生素子１が搭載されている。基板７と超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の下側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、基板７は、音響経路部材である。基板７と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。なお、超音波発生素子１は、４つの角部で、導電性接着剤９により基板７に接合されるため、超音波発生素子１から放出された超音波の伝搬を阻害しない。
【００３４】
蓋部材８は、たとえば、洋白からなり、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、矩形の超音波放出孔８ｂが形成されている。超音波放出孔８ｂの個数は任意であるが、本実施形態においては、４個の超音波放出孔８ｂが形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、基板７の上側の主面に接合されている。蓋部材８と超音波発生素子１（第２のバイモルフ型圧電振動子４）とにより構成される隙間は、第１の音響経路Ｓ１を形成し、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波を圧縮し、超音波発生素子１の上側の主面に沿った方向に超音波が伝搬するのに寄与する。すなわち、蓋部材８は、音響経路部材である。蓋部材８と超音波発生素子１とにより構成される隙間（第１の音響経路Ｓ１）の長さは、３０μｍ以上に設定され、特に、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めるためには、１００〜２００μｍに設定される。
【００３５】
また、超音波発生デバイス１００は、超音波発生素子１の外周面と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内周面とにより構成される隙間により、第２の音響経路Ｓ２が形成されている。なお、第２の音響経路Ｓ２の一部が、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動の腹の近傍、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動の腹の近傍において、上述の第１の音響経路Ｓ１を構成する。第２の音響経路Ｓ２は、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出され、第１の音響経路Ｓ１を伝搬してきた超音波を、蓋部材８の超音波放出孔８ｂに向けて伝搬する。
【００３６】
次に、超音波発生デバイス１００の駆動状態（超音波発生素子１の駆動状態）について説明する。
【００３７】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、超音波発生装置１００の超音波発生素子１に、所定の周波数の駆動信号を印加した状態を示す。
【００３８】
超音波発生素子１を構成する第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４は、上述したとおり内部電極３ｂ，４ｂと外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄとが形成され、上述したとおり分極されているため、駆動信号が印加されることにより、同じ周波数で相互に逆位相で振動し、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す状態を繰り返す。すなわち、超音波発生素子１は、座屈音叉振動モードにより振動し、第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４から、それぞれ、超音波を放出する。
【００３９】
そして、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波は、第１のバイモルフ型圧電振動子３と基板（音響経路部材）７とにより構成される隙間により形成される第１の音響経路Ｓ１の、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動の腹（最も大きく振動している部分）の近傍において、圧縮され、破線矢印で示すように、超音波発生素子１の下側の主面に沿った方向に伝搬される。第１の音響経路Ｓ１において圧縮された超音波は、位相がそろい、高い音圧となる。
【００４０】
一方、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波は、第２のバイモルフ型圧電振動子４と蓋部材（音響経路部材）８とにより構成される隙間により形成される第１の音響経路Ｓ１の、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動の腹（最も大きく振動している部分）の近傍において、圧縮され、破線矢印で示すように、超音波発生素子１の上側の主面に沿った方向に伝搬される。第１の音響経路Ｓ１において圧縮された超音波は、位相がそろい、高い音圧となる。
【００４１】
そして、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波は、それぞれ、図２に破線矢印で示すように、超音波発生素子１の外周面と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内周面とにより構成される隙間により形成される第２の音響経路Ｓ２を経由して、超音波放出孔８ｂに伝搬され、超音波放出口８ｂから外部に放出される。
【００４２】
以上、本実施形態にかかる超音波発生デバイス１００の構造、および駆動状態（超音波発生素子１の駆動状態）について説明したが、本実施形態においては、超音波発生デバイス１００を使用して、さらに超音波発生装置２００が構成される。
【００４３】
図５に、本実施形態にかかる超音波発生装置２００の等価回路図を示す。
【００４４】
超音波発生装置２００は、超音波発生デバイス１００に加えて、駆動信号発生回路１５０を備える。
【００４５】
駆動信号発生回路１５０は、従来から一般的に使用されている駆動信号発生回路であり、所定の駆動パルス数ｎｐ、所定の駆動パルスの周波数ｆｐ、所定の駆動電圧からなる、駆動信号である矩形波（パルス波）を発生させる。
【００４６】
駆動信号発生回路１５０は、超音波発生デバイス１００に接続されている。より詳しくは、駆動信号発生回路１５０は、超音波発生デバイス１００の超音波発生素子１の第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４に接続されており、発生させた駆動信号により、超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４）を駆動するようになっている。
【００４７】
超音波発生装置２００は、駆動信号発生回路１５０と超音波発生デバイス１００とを別体として構成し、両者間を信号線で接続したものとすることができる。あるいは、駆動信号発生回路１５０を形成した基板上に、超音波発生デバイス１００を実装したうえで、両者間を接続するようにしても良い。
【００４８】
駆動信号発生回路１５０は、超音波発生素子１の第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４の共振周波数ｆｒに対し、駆動パルス数ｎｐ、駆動パルスの周波数ｆｐが、
ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
の関係を満たす駆動信号を発生させる。
【００４９】
本実施形態においては、上述したとおり、超音波発生デバイス１００の超音波発生素子１において、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とのそれぞれの共振周波数は６０ｋＨｚであるため、ｆｒ＝６０ｋＨｚとなる。
【００５０】
本実施形態においては、駆動信号発生回路１５０が発生させる駆動信号の駆動パルス数は１とした。すなわち、ｎｐ＝１とした。
【００５１】
したがって、駆動信号の駆動パルスの周波数ｆｐは、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／１）＝３０ｋＨｚとなる。
【００５２】
本実施形態の駆動信号発生回路１５０は、駆動パルス数ｎｐ＝１、駆動パルスの周波数ｆｐ＝３０ｋＨｚ、駆動電圧１Ｖからなる、矩形波（パルス波）を発生させる。ただし、グラフはＦＥＭの結果である。
【００５３】
なお、駆動信号発生回路１５０で発生させる駆動信号の駆動パルス数ｎｐは、１ではなく、２、３、４、あるいは、それ以上であっても良い。
【００５４】
ただし、駆動パルス数ｎｐ＝２とする場合には、本実施形態では超音波発生素子１における第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とのそれぞれの共振周波数ｆｒ＝６０ｋＨｚであるので、駆動パルスの周波数ｆｐは、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／２）＝４０ｋＨｚとする。
【００５５】
同様に、駆動パルス数ｎｐ＝３とする場合には、駆動パルスの周波数ｆｐは、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／３）＝４５ｋＨｚとする。
【００５６】
同様に、駆動パルス数ｎｐ＝４とする場合には、駆動パルスの周波数ｆｐは、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／４）＝４８ｋＨｚとする。
【００５７】
このような条件で超音波発生素子１に駆動信号が印加される超音波発生装置２００（超音波発生デバイス１００）は、残響特性に優れており、超音波発生素子１への駆動信号の印加が停止された後に、不要な超音波を放出することがほとんどない。したがって、超音波発生装置２００を距離測定に使用した場合には、測定距離を誤算出することがない。
【００５８】
以上の構成からなる超音波発生デバイス１００および超音波発生装置２００は、たとえば、次の方法で製造される。
【００５９】
まず、第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４を作製する。具体的には、所定の形状からなる複数枚の圧電セラミックグリーンシートを準備し、それらの表面に、内部電極３ｂ，４ｂ、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄを形成するための、導電性ペーストを所定の形状に印刷する。次に、所定の圧電セラミックグリーンシートどうしを積層し、加圧したうえ、所定のプロファイルで焼成して、内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄの形成された第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄの形成された第２のバイモルフ型圧電振動子４を得る。なお、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄは、積層した圧電セラミックグリーンシートを焼成した後に、印刷またはスパッタなどによって形成されてもよい。
【００６０】
次に、予め所定の形状に作製された枠体２を準備し、枠体２の両主面に、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とを、接着剤５ａ，５ｂを用いてそれぞれ接合し、超音波発生素子１を得る。
【００６１】
次に、超音波発生素子１の４つの角部に、たとえば、スパッタリングなどの技術を用いて、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを形成する。
【００６２】
次に、予め所定の形状に作製された基板７と蓋部材８とを準備し、導電性接着剤９を用いて、基板７に超音波発生素子１を搭載したうえ、接着剤（図示せず）を用いて、基板７の上側の主面に蓋部材８を接合し、超音波発生デバイス１００を完成させる。
【００６３】
また、これとは別に、駆動信号発生回路１５０を作製する。具体的には、基板（図示せず）を準備し、この基板上に必要な配線パターン（図示せず）を形成し、さらに配線パターンに必要な電子部品（図示せず）を実装して、駆動信号発生回路１５０を完成させる。
【００６４】
そして、駆動信号発生回路１５０と超音波発生デバイス１００とを接続して、本発明の第１実施形態にかかる超音波発生装置２００を完成させる。
【００６５】
以上、本発明の第１実施形態にかかる超音波発生デバイス１００および超音波発生装置２００の構造、駆動状態、製造方法の一例について説明した。しかしながら、本発明の超音波発生デバイスや超音波発生装置が上記の内容に限定されることはなく、発明の主旨に沿って、種々の変更をなすことができる。
【００６６】
たとえば、上記実施形態においては、超音波発生素子１として、枠体２の下側の主面に第１のバイモルフ型圧電振動子３が接合され、枠体２の上側の主面に第２のバイモルフ型圧電振動子４が接合された、座屈音叉振動モードにより振動し、両主面から超音波を放出するものを用いたが、圧電振動子の構造は、これには限られない。また、超音波発生素子１を構成する第１および第２の振動子は、バイモルフ型圧電振動子３，４に代えて、たとえば、ユニモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子など、他の種類の振動子であっても良い。なお、超音波発生素子を構成する振動子がバイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子である場合、振動子の端面に形成した電極によって外部と接続することができるため、ボンディングワイヤを用いる必要がない。このため、ボンディングワイヤを接続するための空間が不要になり、小型化を実現することができるとともに、振動子と音響経路部材とにより構成される隙間が小さくなり、振動子から放出された超音波がより圧縮されて、音圧をより高めることができる。また、バイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子は、圧電セラミックスに印加される電界が強いため、ユニモルフ型圧電振動子と比べて駆動力が大きい。このため、超音波発生素子を構成する振動子がバイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子である場合、音圧をより高めることができる。
【００６７】
［第２実施形態］
図６に、本発明の第２実施形態にかかる超音波発生デバイス３００を示す。ただし、図６は断面図である。
【００６８】
超音波発生デバイス３００は、金属板１１を備える。
【００６９】
金属板１１の裏面側には、接着剤１２を介して、圧電振動子１３が貼付されている。圧電振動子１３は、板状の圧電セラミックスと、圧電セラミックスの表裏面に形成されている電極（図示せず）とを有する。金属板１１の表面側には、円錐漏斗状の共振子（ホーン）１４が取付けられている。金属板１１と、圧電振動子１３と、共振子１４とは、超音波発生素子を構成している。
【００７０】
そして、圧電振動子１３の裏面側に、緩衝材１５を配置したうえで、超音波発生素子全体が、ベース部材１６、カバー１７からなるケース内に収容されている。
【００７１】
かかる構造からなる超音波発生デバイス３００には、上述した第１実施形態と同様に、駆動信号発生回路（図示せず）が接続され、本実施形態にかかる超音波発生装置が構成される。駆動信号発生回路は、超音波発生デバイス３００の圧電振動子１３に対し、圧電振動子１３の共振周波数をｆｒ、駆動パルス数をｎｐ、駆動パルスの周波数をｆｐで表したとき、
ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）
の関係を満たす駆動信号を印加する。
【００７２】
本実施形態にかかる超音波発生デバイス３００および超音波発生装置は、第１実施形態と同様に、残響特性に優れている。しかも、残響特性の向上のために、位相を反転させるための回路などを別途付加する必要がなく、コストの上昇をまねいていない。
【００７３】
このように、本発明の超音波発生デバイス、超音波発生装置には、表裏面に電極が形成された圧電セラミックスを備える圧電振動子を使用することもできる。
【実験例】
【００７４】
本発明の有効性を確認するために、次の実験をおこなった。
【００７５】
実験は、本発明の範囲内にかかる実施例１〜３と、本発明の範囲外にかかる比較例とからなり、それぞれに超音波発生装置を準備しておこなった。
【００７６】
実施例１においては、超音波発生装置として、上述した第１実施形態にかかる超音波発生装置２００を使用した。超音波発生装置２００は、図５に示すように、超音波発生デバイス１００と駆動信号発生回路１５０とを接続した構成からなる。超音波発生デバイス１００を構成する超音波発生素子１は、共振周波数ｆｒ＝６０ｋＨｚである第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備えている。駆動信号発生回路１５０は、駆動パルス数ｎｐ＝１、駆動パルスの周波数ｆｐ＝３０ｋＨｚからなる、矩形波（パルス波）の駆動信号を発生し、超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４）に印加する。すなわち、超音波発生装置２００は、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／１）＝３０ｋＨｚの条件を満たしている。
【００７７】
実施例１にかかる超音波発生装置２００の残響特性を図７に示す。ただし、残響特性は、ＦＥＭにより計算した。図７からわかるように、実施例１にかかる超音波発生装置２００においては、超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４）への駆動信号の印加が終了した後、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とはほとんど変位していない。したがって、超音波発生素子１から、不要な超音波はほとんど放出されていない。実施例１にかかる超音波発生装置２００は、残響特性が極めて優れたものになっている。
【００７８】
実施例２〜４および比較例においても、超音波発生装置の超音波発生デバイスには、実施例１の超音波発生デバイス１００と同じものを使用した。したがって、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４との共振周波数ｆｒ＝６０ｋＨｚである。
【００７９】
一方、実施例２〜４および比較例にかかる超音波発生装置の駆動信号発生回路には、それぞれ、実施例１の駆動信号発生回路１５０とは異なるものを使用した。
【００８０】
具体的には、実施例２では、駆動信号発生回路に、駆動パルス数ｎｐ＝２、駆動パルスの周波数ｆｐ＝４０ｋＨｚからなる、矩形波の駆動信号を発生させるものを使用した。したがって、実施例２にかかる超音波発生装置も、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／２）＝４０ｋＨｚの条件を満たしている。
【００８１】
実施例３では、駆動信号発生回路に、駆動パルス数ｎｐ＝３、駆動パルスの周波数ｆｐ＝４５ｋＨｚからなる、矩形波の駆動信号を発生させるものを使用した。したがって、実施例３にかかる超音波発生装置も、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／３）＝４５ｋＨｚの条件を満たしている。
【００８２】
実施例４では、駆動信号発生回路に、駆動パルス数ｎｐ＝４、駆動パルスの周波数ｆｐ＝４８ｋＨｚからなる、矩形波の駆動信号を発生させるものを使用した。したがって、実施例４にかかる超音波発生装置も、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）＝６０／（１＋１／４）＝４８ｋＨｚの条件を満たしている。
【００８３】
比較例では、駆動信号発生回路に、駆動パルス数ｎｐ＝２、駆動パルスの周波数ｆｐ＝６０ｋＨｚからなる、矩形波の駆動信号を発生させるものを使用した。したがって、比較例にかかる超音波発生装置は、ｆｐ＝ｆｒ／（１＋１／ｎｐ）の条件を満たしていない。
【００８４】
実施例２にかかる超音波発生装置の残響特性を図８に、実施例３にかかる超音波発生装置の残響特性を図９に、実施例４にかかる超音波発生装置の残響特性を図１０に、比較例にかかる超音波発生装置の残響特性を図１１に、それぞれ示す。
【００８５】
上述した実施例１にかかる超音波発生装置２００の残響特性を示す図７、および実施例２〜４と比較例にかかる各超音波発生装置の残響特性を示す図８〜１１を比較してわかるように、残響特性は、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４の順番に優れている。実施例４にかかる超音波発生装置であっても、駆動信号の印加が終了した後の圧電振動子の変位は十分に小さく、超音波発生素子から不要な超音波はほとんど放出されておらず、残響特性が優れたものになっている。これに対し、本発明の範囲外である比較例にかかる超音波発生装置は、駆動信号の印加が終了した後も圧電振動子が大きく変位しており、超音波発生素子から不要な超音波が放出され続けており、残響特性が悪い。
【００８６】
以上より、本発明の超音波発生装置（超音波発生デバイス）が、残響特性の優れたものであることがわかった。
【００８７】
また、本発明の超音波発生装置（超音波発生デバイス）において、圧電振動子の共振周波数ｆｒが同一であるならば、駆動パルス数ｎｐが少ないほど、残響特性が優れることもわかった。駆動パルス数ｎｐは、４以下であることが好ましい。
【符号の説明】
【００８８】
１：超音波発生素子
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：第１のバイモルフ型圧電振動子
３ａ：圧電セラミックス
３ｂ：内部電極
３ｃ，３ｄ：外部電極
４：第２のバイモルフ型圧電振動子
４ａ：圧電セラミックス
４ｂ：内部電極
４ｃ，４ｄ：外部電極
５ａ，５ｂ：接着剤
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：引出電極
７：基板
８：蓋部材
８ａ：開口
８ｂ：超音波放出孔
９：導電性接着剤
１００，３００：超音波発生デバイス
１５０：駆動信号発生回路
２００：超音波発生装置
Ｓ１，Ｓ２：音響経路
【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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【図１０】
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【図１１】
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