JP5387697B2 - 超音波振動装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受波して物体を探知する超音波センサなどに用いられる超音波振動装置に関するものである。

超音波によって対象物までの距離を測定する超音波センサにおいては、鋭い指向性が要求される。超音波センサの指向性を改善するため、振動面の振動モードを工夫することが従来行われている。

例えば車載バックソナー用超音波センサとしての超音波振動装置が特許文献１，２に開示されている。特許文献１，２の超音波振動装置は何れも、有底円筒状のケースに圧電素子が接着されていて、ケースの内部に背面音を吸収する吸音材が備えられ、振動を収束するために弾性のある制振材が充填されている。

特許文献１の超音波振動装置は、長軸と短軸とを有する楕円形状にくり抜かれたケースを用い、ケース底部に節が生じる振動によって、放射音波の異方性を得るように構成されている。

図１は特許文献２に示されている超音波振動装置の断面図である。超音波振動装置１０は、有底筒状のキャップ体１２を含む。キャップ体１２内部の底面部１２ａに、導電性接着剤などで圧電素子１４が接着されている。キャップ体１２の内側に、キャップ体１２より音響インピーダンスの高い内部枠体１６が嵌め込まれている。内部枠体１６は、キャップ体１２の端部を含む側面部１２ｂに密着するように嵌め込まれている。内部枠体１６の側面には貫通孔２２が形成されている。圧電素子１４及び内部枠体１６には配線材２４ａ，２４ｂが接続されている。内部枠体１６の内側には吸音材２６及び制振材２８が充填されている。制振材２８は内部枠体１６の貫通孔２２を通じてキャップ体１２の側面部１２ａに直接接触している。

特開平９−２８４８９６号公報 国際公開２００７／０６９６０９号パンフレット

特許文献１の構成では、ケース側部の肉厚が略楕円形状の短軸側で厚く、長軸側で薄くなるので、圧電素子がベンディング振動することによって生じた振動は、ケース底面からケース側壁部の薄肉側に伝搬する。この伝搬される振動が弾性のある制振材等でダンピングされることで残響時間が低減される。しかし、この構造で実用に必要な特性を得るにはケース底面すなわち音波放射面側で生じる振動自体をダンピングさせる必要がある。

しかしながら、ケース底面付近に振動をダンピングさせる部材（例えば充填材等）を設けると、残響は低減できるが、同時に感度が低下するという課題を抱える。すなわち、感度と残響とはトレードオフの関係にある。

特許文献２の構成では、開口部に内部枠体が形成されるために、キャップ体の底面からキャップ体の側壁部への振動の漏れが抑制されるが、実用に必要な特性を得るには、制振材を内部枠体の貫通孔を通じてキャップ体の側面部に直接接触させたとしても、十分に残響を抑え込むことが困難であることがわかった。また、内部枠体に部分的に貫通孔を設けて、貫通孔を充填材で完全に覆うことは製法上困難である。

そこで、本発明の目的は、高感度、低残響、且つ低コスト化を図った超音波振動装置を提供することにある。

（１）本発明の超音波振動装置は、有底円筒状のケースと、当該ケースの内底面に接着された圧電素子とを備え、前記ケースの内底部に、前記圧電素子の接着位置を含む振動領域と、前記振動領域より外側に配置され前記振動領域に比べて厚みが厚い振動抑制領域とが設けられ、前記振動抑制領域上には前記ケースの内底部よりも剛性の高い補強材が配置されていて、前記ケースの側部は、厚みが均一であり、前記ケースの内部に弾性樹脂が充填されている。

（２）前記弾性樹脂は前記内底部の周縁部にまで達していることが好ましい。
（３）前記弾性樹脂は、前記ケースの側部と前記補強材との間にまで達していることが好ましい。
（４）前記振動抑制領域は前記振動領域により分断されていて、前記補強材は分断された振動抑制領域をまたがるように形成されていることが好ましい。

（５）前記ケースの高さをｔ０、前記振動抑制領域の厚みをｔ１、前記補強材の厚みをｔ２で表すと、
０．６７≦ｔ２／ｔ１≦１．５、
０．１１≦ｔ１／ｔ０≦０．２５、
ｔ１＋ｔ２＜ｔ０
の関係が成り立つように構成することが好ましい。

本発明によれば、ケースの底面付近に振動抑制領域及びこれを補強する補強材が設けられているので、振動抑制領域に相当するケース底面及びケース側部の剛性が高まり、ケース底面の振動がケース側部へ伝わることをより抑制することができ、且つ、必要な超音波を送波／受波する振動面を形成することができる。

また、上記のような構成とともに、ケースの側部の全周を肉薄としてその剛性を低下させ、ケース内部に充填材を充填することで、充填材とケースとが直接接触する領域を広くすることができ、ケース側部の振動がダンピングされやすくなる。そのため、従来構造のようにケース底部へのダンピングを必要としないので、従来よりも音響性能を落とさずに残響性能を得ることが可能になる。

また、ケース全体の肉厚差が低減できるので、鍛造加工等の生産性の高い工法が選択でき、加工コストが低減できる。

特許文献２に示されている超音波振動装置の断面図である。 図２（Ａ）は、充填材３５を充填する前の状態で、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１のケース３１の開口面側から見た平面図である。図２（Ｂ）は超音波振動装置１０１の断面図、図２（Ｃ）は、ケース３１を、その開口面側から見た平面図である。 図３（Ａ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１の残響特性を示す波形図、図３（Ｂ）は、特許文献１に示されている構造の超音波振動装置の残響特性を示す波形図である。 図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１及び特許文献１に示されている超音波振動装置の感度を示す図である。図４（Ｂ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１及び特許文献１に示されている超音波振動装置の残響時間を示す図である。 図５（Ａ）は、補強材４１の厚み寸法をｔ２、振動抑制領域の厚みをｔ１で表したとき、寸法比ｔ２／ｔ１を変化させたときの感度の変化を示す図である。図５（Ｂ）は、寸法比ｔ２／ｔ１を変化させたときの残響時間の変化を示す図である。 図６（Ａ）は、ケース３１の高さ寸法ｔ０に対する振動抑制領域の厚みｔ１の寸法比ｔ１／ｔ０を変化させたときの感度の変化を示す図である。図６（Ｂ）は、寸法比ｔ１／ｔ０を変化させたときの残響時間の変化を示す図である。 図７（Ａ）は、充填材３５を充填する前の状態で、第２の実施形態に係る超音波振動装置１０２のケース３１の開口面側から見た平面図である。図７（Ｂ）は超音波振動装置１０２の断面図、図７（Ｃ）は、ケース３１を、その開口面側から見た平面図である。 図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は、第３の実施形態に係る超音波振動装置に用いる３種の補強材の平面図である。

《第１の実施形態》
図２（Ａ）は、充填材３５を充填する前の状態で、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１のケース３１の開口面側から見た平面図である。図２（Ｂ）は超音波振動装置１０１の断面図、図２（Ｃ）は、ケース３１を、その開口面側から見た平面図である。

図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に表れているように、ケース３１は有底円筒状のケースである。ケース３１の内底面には長軸と短軸を有する略長円形の凹部４０が形成されている。この凹部４０の中央（ケース３１の内底面の中央でもある。）に圧電素子３７が接着されている。ケース３１の内底面の略長円形の凹部４０が主要な振動領域ＶＡである。そして、ケース３１の内底面の振動領域ＶＡの両側に、振動領域に比べて厚みが厚い振動抑制領域ＳＶＡが配置されている。ケース３１の側部は薄肉であり、その厚みは均一である。なおここでいう厚みが均一であるとは、完全な均一を指すものではなく、ほぼ均一であれば良い。このケース３１は、ケース全体の肉厚差（特に側部の肉厚差）が少ないので、鍛造加工等の生産性の高い工法が選択でき、加工コストが低減できる。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）に表れているように、振動抑制領域ＳＶＡの上部にはリング状の補強材４１が接着等により接合されている。補強材４１は、底面が振動抑制領域ＳＶＡの幅にほぼ等しく、所定高さを有する。補強材４１は、ケース３１より剛性の高い材料で構成されている。ケース３１は例えばアルミニウムであり、補強材４１は亜鉛、黄銅、ステンレススチール等である。

図２（Ｂ）に表れているように、圧電素子３７との間に一定の間隙を隔てて、振動領域ＶＡに対向する位置に吸音材３６が配置されている。この吸音材３６としては、スポンジ、フェルト、弾性発泡体等を用いることができる。ケース３１の内部には、例えばシリコーン樹脂やウレタン樹脂等の弾性樹脂材料の充填材３５が充填されている。補強材４１はケース３１の内側面には接着されていなくて、間隙があるため、その間隙にも充填材３５が充填されている。したがって、ケース３１の内底部の周縁部（内底部付近のケース側部）にまで充填材が充填され、ケース３１の側部の全周が充填材３５でダンピングされる。

圧電素子３７の一方面に形成されている電極（図示せず）はケース３１の内底面に電気的に導通している。圧電素子３７の他方面に形成されている電極（図示せず）に配線材３８が接続されている。また、ケース３１に配線材３９が接続されている。これらの配線材３８，３９は充填材３５で充填されている箇所を通って外部へ引き出されている。

このように、振動抑制領域ＳＶＡ及びこれを補強する補強材４１をケース３１の内底面に構成したことにより、振動抑制領域ＳＶＡの剛性が高く、ケース３１の底面の振動がケース３１の側部へ伝わることをより抑制することができ、必要な超音波を送波／受波する振動面を形成できる。また、ケース３１の側部を全周に亘って薄肉にしてその剛性を低下させ、充填材３５とケース３１とが直接接触する領域を大きくしたことにより、充填材３５による高いダンピング効果が得られる。

ケース３１の底面側の剛性を高めて、ケース３１の底部で生じる振動がケース１３の側部へ伝播することを極力防ぐとともに、ケース３１の底部からケース３１の開口側へ向かうケース３１側部の厚みを極力薄くすると共に、ケース３１の側部とケース３１の内部に充填された充填材３５との接触面積を極力大きくすることにより、ケース３１の側部へ伝播した振動を効率よくダンピングできることを見出した。

図３（Ａ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１の残響特性を示す波形図、図３（Ｂ）は、特許文献１に示されている構造の超音波振動装置の残響特性を示す波形図である。いずれも横軸を２００μｓ／ｄｉｖ、縦軸を５Ｖ／ｄｉｖで表している。また、いずれも送信時間Ｔｔｘで８波のバースト波を送信し、圧電素子３７に現れる電圧波形を観測したものである。実際には送信終了直後から振幅の減衰は始まっているが、しばらくは増幅回路のダイナミックレンジを超えているので、その間は波形が飽和している。

また、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１について、ケース３１の高さ寸法をｔ０、振動抑制領域ＳＶＡの厚みをｔ１、補強材４１の厚み寸法をｔ２、としたとき、各部の寸法は次のとおりである。

ｔ０＝９ｍｍ
ｔ１＝１．５ｍｍ
ｔ２＝１．５ｍｍ
ｔ２／ｔ１＝１
ｔ１／ｔ０＝０．１７
図３（Ａ）と図３（Ｂ）を対比すれば明らかなように、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１では、振幅がきれいに減衰していて、残響が少ない。

図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１及び特許文献１に示されている超音波振動装置の感度を示す図である。図４（Ｂ）は、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１及び特許文献１に示されている超音波振動装置の残響時間を示す図である。何れもサンプル数ｎは３個である。

特許文献１に示されている従来構造の超音波振動装置の感度が約４．９Ｖｐｐであるのに対し、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１の感度は約６．４Ｖｐｐ、と高い。また、特許文献１に示されている従来構造の超音波振動装置の残響時間が約９００μｓであるのに対し、第１の実施形態に係る超音波振動装置１０１の残響時間は約７２０μｓ、と短い。ここで、残響時間は、送信開始時から、信号の包絡線が１Ｖ０ｐ（絶対値電圧１Ｖ）をクロスする時点までの時間である。
このように、トレードオフの関係にある感度と残響特性の両方が同時に改善される。

第１の実施形態によれば次のような効果を奏する。
ケース３１の底面の振動抑制領域ＳＶＡ及びこれを補強する補強材４１をケース３１の内底面に構成したことにより、振動抑制領域ＳＶＡの剛性が高くなり、ケース４１の底面の振動がケース４１の側部へ伝わることをより抑制することができ、必要な音波を送波／受波する振動面を構成することができる。また、ケース３１の側部の全周に亘って薄肉にして、その剛性を低下させ、充填材３５とケース３１とが直接接触する領域を大きくすることにより、充填材３５によるダンピング効果を高めることができる。その結果、感度を落とすことなく低残響特性が得られる。

また、本発明において振動抑制領域ＳＶＡの効果を高める補強材４１は、形状が単純であるため、安価なプレス等で加工できるので、全体に低コスト化が図れる。
なお、補強材４１はケース３１の振動抑制領域ＳＶＡに配置し、充填材３５を充填することによって封止される。このため、ケース３１と補強材４１とがイオン化傾向の離れた異種金属であっても、ケース３１の振動抑制領域ＳＶＡと補強材４１との接合面の外周は充填剤３５により封止されるので、ケース３１及び補強材４１の接合面における腐食のおそれは無い。

また、ケース３１の側部を薄肉に設計することができるため、ケース３１の開口部が広くなり、ケース３１内部に例えば信号処理用のプリアンプ基板を搭載することも可能になる。

次に、図２に示した各部の寸法と超音波センサとしての特性との関係を示す。
図５（Ａ）は、補強材４１の厚み寸法をｔ２、振動抑制領域ＳＶＡの厚みをｔ１で表したとき、寸法比ｔ２／ｔ１を変化させたときの感度の変化を求めた結果である。また、図５（Ｂ）は、前記寸法比ｔ２／ｔ１を変化させたときの残響時間の変化を求めた結果である。いずれも、ケース３１の高さ寸法をｔ０で表すと、ｔ１／ｔ０＝０．１７とした場合について示している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）から明らかなように、ｔ２／ｔ１＝０．６７以上で特許文献１より感度、残響ともに改善が確認される。ｔ２／ｔ１＝０．６７付近では特許文献２に対してやや感度が低下するものの、実用上十分な残響特性が得られる。これらのことから、従来技術に対する残響改善効果を得るためにはｔ２／ｔ１を０．６７以上１．５０以下の範囲となるように構成することが有効である。

補強材４１の厚みｔ２のアップによりケース振動抑制領域ＳＶＡの剛性が上がっていくが、ｔ２／ｔ１が１．５０を超えると、ケース３１の側面に対する充填材（弾性樹脂）３５による残響抑制効果が低下して残響時間が長くなる。

なお、ｔ２／ｔ１が０．６７よりも小さいと、充填材（弾性樹脂）３５による残響抑制効果が高まるが、ケース振動抑制効果が弱くなって、振動がケース３１の側面に漏れることにより感度は低下する。

図６（Ａ）は、ケース３１の高さ寸法ｔ０に対する振動抑制領域の厚みｔ１の寸法比ｔ１／ｔ０を変化させたときの感度の変化を求めた結果である。また、図６（Ｂ）は、前記寸法比ｔ１／ｔ０を変化させたときの残響時間の変化を求めた結果である。いずれも、ｔ２／ｔ１＝１．０とした場合について示している。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）から明らかなように、ｔ１／ｔ０が０．１１以上０．２５以下であれば、感度及び残響ともに特許文献１及び特許文献２よりも優れていることがわかる。

良好な残響特性を得るにはｔ１／ｔ０が０．６以上であればよいが、特許文献１の構造のものより高い感度を得るためにはｔ１／ｔ０が０．１１以上であることが必要である。

ｔ１／ｔ０が０．１１よりも小さい場合ではケース振動抑制効果が弱く、振動がケース３１の側面に漏れることにより充填材（弾性樹脂）３５により残響は抑えられるが、同時に感度も低下するためである。

一方、ｔ１／ｔ０が０．２５よりも大きい場合には、充填材料が少なく配線材の補強が十分でなくなるおそれがある。これらのことから、ｔ１／ｔ０を０．１１以上０．２５以下の範囲となるように構成することが有効である。

なお、ｔ１＋ｔ２＜ｔ０ の条件を満たすことにより、ケース３１の側部に充填材３５が直接接触する領域が確保され、ケース側部の振動をダンピングできる。

《第２の実施形態》
図７（Ａ）は、充填材３５を充填する前の状態で、第２の実施形態に係る超音波振動装置１０２のケース３１の開口面側から見た平面図である。図７（Ｂ）は超音波振動装置１０２の断面図、図７（Ｃ）は、ケース３１を、その開口面側から見た平面図である。

ケース３１の構造は第１の実施形態で図２に示したものと同じである。図７（Ｃ）に表れているように、ケース３１の内底面には長軸と短軸を有する略長円形の凹部４０が形成されている。この凹部４０の中央に圧電素子３７が接着されている。ケース３１の内底面の略長円形の凹部４０が主要な振動領域ＶＡである。そして、ケース３１の内底面の振動領域ＶＡの両側に、振動領域に比べて厚みが厚い振動抑制領域ＳＶＡが配置されている。ケース３１の側部は薄肉であり、その厚みは均一又はほぼ均一である。

図７（Ｂ）に表れているように、振動抑制領域ＳＶＡの上部にはリング状の補強材４１が接着されている。これらの補強材４１も、第１の実施形態で図２に示したものと同じである。

図７（Ｂ）に表れているように、圧電素子３７との間に一定の間隙を隔てて、振動領域ＶＡに対向する位置に、スポンジ、フェルト、弾性発泡体等による吸音材３６が配置されている。この吸音材３６の上面に中継基板４３が乗せられている。中継基板４３は内部配線材４８，４９と配線材３８，３９とを電気的に接続する。なお、配線材３８，３９はリード線でもよいがピン端子で形成されていてもよい。

圧電素子３７の一方面に形成されている電極はケース３１の内底面に電気的に導通している。圧電素子３７の他方面に形成されている電極と中継基板上の電極とは内部配線材４８で接続されている。また、ケース３１と中継基板上の電極とは内部配線材４９で接続されている。

ケース３１の内部には充填材３５が充填されている。補強材４１はケース３１の内側面には接着されていなくて、間隙があるため、その間隙にも充填材３５が充填されている。

このように、振動抑制領域ＳＶＡ及びこれを補強する補強材４１をケース３１の内底面に構成したことにより、振動抑制領域ＳＶＡの剛性が高く、ケース３１の底面の振動がケース３１の側部へ伝わることをより抑制することができ、必要な超音波を送波／受波する振動面を形成できる。また、ケース３１の側部を全周に亘って薄肉にし、その剛性を低下させ、充填材３５とケース３１とが直接接触する領域を大きくしたことにより、充填材３５による高いダンピング効果が得られる。

《第３の実施形態》
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は、第３の実施形態に係る超音波振動装置に用いる３種の補強材の平面図である。

第１・第２の実施形態では、リング状の補強材４１を設けたが、補強材は二つの振動抑制領域ＳＶＡを補強する構造であればよい。例えば、図８（Ａ）に示す補強材５１，５２のように補強材は２体に分離されていてもよい。この場合、振動抑制領域ＳＶＡ上に錘となる補強材が２つの振動抑制領域ＳＶＡをまたがることにより、補強材が振動抑制領域ＳＶＡとともに一緒に変位することがなく、補強材の効果を高めることができる。また、図８（Ｂ）に示す補強材５２のように円板状に一体化されていてもよい。さらに、図８（Ｃ）に示す補強材５３のように、二つの振動抑制領域ＳＶＡを補強する部分が部分的に連結された形状であってもよい。

このように、補強材が各振動抑制領域ＳＶＡにまたがるように形成された場合、振動抑制領域ＳＶＡの振動を抑え込むことができるため、より必要な音波を送波／受波する振動面を構成することができる。
また、第１・第２の実施形態では、振動抑制領域ＳＶＡは振動領域の両側に一段ずつ設けているが、複数段形成されていてもよい。

なお、図２（Ａ）及び図７（Ａ）に示す補強材５１のように、補強材５１が開口部を有するリング形状であれば、その開口部を吸音材３６の保持及び配線材の通路として利用できる。同様に、図８（Ｃ）に示す補強材５３のように、補強材が切欠部を有する形状であれば、その切欠部を吸音材３６の保持及び配線材の通路として利用できる。

《他の実施形態》
第１・第２の実施形態では、振動抑制領域ＳＶＡに、ケース３１の内底部より剛性の高い補強材４１を配置したが、ケース３１の内底部に厚さの異なる段差部をさらに設けて、その厚みの厚い領域を振動抑制領域ＳＶＡとしてもよい。

また、本発明の第１・第２実施形態では、振動領域ＶＡの形状として、内底面の長軸と短軸を有する略長円形状を用いて説明したが、振動領域ＶＡは略長円形に限らず、略楕円形状、略長方形状等の長軸と短軸を有する形状や、略円形状であってもよい。

ＳＶＡ…振動抑制領域
ＶＡ…振動領域
３１…ケース
３５…充填材
３６…吸音材
３７…圧電素子
３８，３９…配線材
４０…凹部
４１…補強材
４３…中継基板
４８，４９…内部配線材
５１，５２，５３…補強材
１０１，１０２…超音波振動装置

Claims (5)

1. 有底円筒状のケースと、当該ケースの内底面に接着された圧電素子とを備えた超音波振動装置において、
   前記ケースの内底部に、前記圧電素子の接着位置を含む振動領域と、前記振動領域より外側に配置され前記振動領域に比べて厚みが厚い振動抑制領域とが設けられ、
   前記振動抑制領域上には前記ケースの内底部よりも剛性の高い補強材が配置されていて、
   前記ケースの側部は、厚みが均一であり、
   前記ケースの内部に弾性樹脂が充填された、超音波振動装置。
2. 前記弾性樹脂は前記内底部の周縁部にまで達している、請求項１に記載の超音波振動装置。
3. 前記弾性樹脂は、前記ケースの側部と前記補強材との間にまで達している、請求項２に記載の超音波振動装置。
4. 前記振動抑制領域は前記振動領域により分断されていて、前記補強材は分断された振動抑制領域をまたがるように形成されている、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波振動装置。
5. 前記ケースの高さをｔ０、前記振動抑制領域の厚みをｔ１、前記補強材の厚みをｔ２で表すと、
   ０．６７≦ｔ２／ｔ１≦１．５、
   ０．１１≦ｔ１／ｔ０≦０．２５、
   ｔ１＋ｔ２＜ｔ０
   の関係が成り立つように前記ケース、前記振動抑制領域、および前記補強材が構成された、請求項１乃至４の何れかに記載の超音波振動装置。

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