JP5417633B2 - 超音波センサ - Google Patents
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なお、このような超音波センサに関連する技術文献として、例えば特許文献1が挙げられる。
しかも、金属箔を、振動面のうち振動変位が最大となる振動最大部位上を避けて、電極層に接着している。このため、金属箔の接着により圧電セラミックス素子に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、或いは、超音波の受波感度の低下を防止できる。
更に、この超音波センサでは、圧電セラミックス本体が、自身の中央部が振動最大部位となる円形の振動面を含む円板状をなしている。その一方、金属箔は、この振動面の中央部上を避けて、電極層に接着されているので、金属箔の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
更に、この超音波センサでは、金属箔が、振動面の中央部を囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。
また、超音波センサとしては、水中、油中などの液中で使用するものや、大気中など気中で使用するもの、固体に当接させてこれに伝わる超音波を利用するものが挙げられる。また、超音波センサには、超音波を媒体(液体、気体、固体など)に放射するものや、媒体から超音波を受波するもの、超音波の放射と受波の両方を行うものが含まれる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態1の魚群探知装置に用いる水中超音波センサ100を示す。また、図2〜図4に、この水中超音波センサ(超音波センサ)100を構成する圧電セラミックス素子110、金属箔120,125及びリード線130,135等の形態を示す。
本実施形態1の水中超音波センサ100は、魚群探知装置に用いられ、水中に超音波を放射し、また、水中からの超音波を受波する。この水中超音波センサ100は、図1に示すように、圧電セラミックス素子110、2つの金属箔(第1金属箔120及び第2金属箔125)、2本のリード線(第1リード線130及び第2リード線135)、センサケース140、周囲絶縁体150、バック材160等から構成されている。
圧電セラミックス本体111は、超音波振動する円形の前面(振動面)111a(図1中、下側、図2及び図3中、上側)と、これに平行で、超音波振動する円形の裏面(振動面)111b(図1中、上側、図2及び図3中、下側)とを有する円板状をなす。この圧電セラミックス本体111は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、厚み方向(図1〜図3中、上下方向、図4中、紙面に直交する方向)に分極されている。
一方の第1金属箔120は、圧電セラミックス素子110の前面電極層113に接着されている。具体的には、この第1金属箔120は、前面111aの中央部(振動最大部位)111ag上を避け、かつ、この中央部111agを取り囲む形態で、第1金属箔120の外周縁と前面電極層113の周縁とが互いに重なるようにして、前面電極層113に接着されている。第1金属箔120と前面電極層113とは、非導電性の接着剤(具体的にはエポキシ樹脂系接着剤:図示しない)により接着されている。
また、他方の第2リード線135は、圧電セラミックス素子110の裏面電極層115に電気的に接続されている。具体的には、この第2リード線135は、裏面電極層115に直接ハンダ付けされることなく、第2金属箔125のうち、最も振動変位の小さい部位(本実施形態1では、第2金属箔125の周縁近傍)にハンダ136により接合されており、この第2金属箔125を介して裏面電極層115に電気的に接続されている。
周囲絶縁体150及びバック材160は、圧電セラミックス素子110の防水、絶縁、及び、不要振動や残響振動の吸収の役割を担っている。
このグラフから明らかなように、圧電セラミックス素子110を周波数50kHzで駆動した場合には、裏面111bの中心に位置する測定点NO.8で振動速度が最も大きくなり、最外側の測定点NO.1,NO.15にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなっている。このことから、圧電セラミックス素子110を周波数50kHzで駆動したときには、裏面111b(または前面111a)の中央部111bg(または中央部111ag)が、振動変位が最大の振動最大部位となり、周縁に近づくほど振動変位が小さくなる振動分布となっている。
このグラフから明らかなように、圧電セラミックス素子110を周波数200kHzで駆動した場合にも、裏面111bの中心に位置する測定点NO.8で振動速度が最も大きくなる。但し、この測定点NO.8から外側にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなるが、測定点NO.4,NO.12に小さなピークが現れる。更に、測定点NO.4,NO.12から外側にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなるが、測定点NO.1,NO.15で更に小さなピークが現れる振動分布となる。このことから、圧電セラミックス素子110を周波数200kHzで駆動したときも、裏面111b(または前面111a)の中央部111bg(または中央部111ag)が、振動変位が最大の振動最大部位となっている。
特に、本実施形態1では、圧電セラミックス本体111が、自身の中央部111agが振動最大部位となる円形の前面111aを含む円板状をなしている。その一方、第1金属箔120は、この中央部111ag上を避けて、前面電極層113に接着されているので、第1金属箔120の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
また、本実施形態1では、第1金属箔120が、前面111aの中央部111agを囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子110に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。
特に、本実施形態1では、圧電セラミックス本体111が、自身の中央部111bgが振動最大部位となる円形の裏面111bを含む円板状をなしている。その一方、第2金属箔125は、この中央部111bg上を避けて、裏面電極層115に接着されているので、第2金属箔125の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
また、本実施形態1では、第2金属箔125が、裏面111bの中央部111bgを囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子110に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。
次いで、第2の実施の形態について説明する。本実施形態2の水中超音波センサ200は、金属箔220,225の形態が、上記実施形態1の水中超音波センサ100の金属箔120,125の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態1と同様であるので、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図7に、本実施形態2の水中超音波センサ200を構成する、圧電セラミックス素子110、金属箔220,225及びリード線130,135等を前面電極層113側(または裏面電極層115側)から見た平面図を示す。
次いで、第1の参考形態について説明する。本参考形態1の水中超音波センサ300は、金属箔320,325の形態が、上記実施形態1等の金属箔120,125等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態1と同様であるので、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図10に、本参考形態1の水中超音波センサ300を構成する、圧電セラミックス素子110、金属箔320,325及びリード線130,135等を前面電極層113側(または裏面電極層115側)から見た平面図を示す。
次いで、第2の参考形態について説明する。本参考形態2の水中超音波センサ400は、金属箔420,425の形態が、上記実施形態1等の金属箔120,125等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態1と同様であるので、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図13に、本参考形態2の水中超音波センサ400を構成する、圧電セラミックス素子110、金属箔420,425及びリード線130,135等を前面電極層113側(または裏面電極層115側)から見た平面図を示す。
第1金属箔420は、前面111aの中央部111ag上を避けて、前面電極層113の周縁近傍において前面電極層113に接着されている。第1金属箔420と前面電極層113とは、非導電性の接着剤(具体的にはエポキシ樹脂系接着剤)により接着されている。そして、第1リード線130は、第1金属箔420にハンダ131により接合されており、この第1金属箔420を介して前面電極層113に電気的に接続されている。
次いで、第3の実施の形態について説明する。本実施形態3の水中超音波センサ500は、圧電セラミック素子510の形態、及び、これに接着された金属箔520,525の形態が、上記実施形態1等の圧電セラミック素子110及び金属箔120,125等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態1と同様であるので、上記実施形態1と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図16に、本実施形態3の水中超音波センサ500を示す。また、図17に、この水中超音波センサ500を構成する、圧電セラミックス素子510、金属箔520,525及びリード線130,135等を裏面電極層515,517側から見た平面図を示す。また、図18〜図20に、圧電セラミックス素子510を示す。
また、他方の第1リード線130は、前面電極層513に直接ハンダ付けされることなく、かつ、側面電極層516を介して前面電極層513と接続する第2裏面電極層517に直接ハンダ付けされることもない。この第1リード線130は、第1金属箔520にハンダ131により接合されており、この第1金属箔520を介して第2裏面電極層517に電気的に接続されている。
例えば、上記実施形態1〜3及び参考形態1,2では、前面電極層113と金属箔120,220,320,420とを非導電性の接着剤により接着しているが、両者を導電性接着剤で接着してもよい。また、裏面電極層115,515,517と金属箔125,225,325,425,520,525とを非導電性の接着剤により接着しているが、両者を導電性接着剤で接着してもよい。
110,510 圧電セラミックス素子
111 圧電セラミックス本体
111a 前面(振動面)
111ag 中央部(振動最大部位)
111b 裏面(振動面)
111bg 中央部(振動最大部位)
113,513 前面電極層(電極層)
115 裏面電極層(電極層)
515 第1裏面電極層(電極層)
517 第2裏面電極層(電極層)
120,220,320,420,520 第1金属箔(金属箔)
125,225,325,425,525 第2金属箔(金属箔)
130 第1リード線(リード線)
131 ハンダ
135 第2リード線(リード線)
136 ハンダ
USS 超音波
USR 超音波
Claims (1)
- 超音波振動する振動面を含む圧電セラミックス本体、及び、この圧電セラミックス本体の前記振動面上に形成された電極層を有する圧電セラミックス素子と、
前記圧電セラミックス素子の前記電極層に電気的に接続されたリード線と、を備える
超音波センサであって、
前記振動面のうち振動変位が最大となる振動最大部位上を避けて、前記電極層に接着された金属箔を備え、
前記リード線は、前記金属箔にハンダ付けされ、この金属箔を介して前記電極層に電気的に接続されてなり、
前記圧電セラミックス本体は、自身の中央部が前記振動最大部位となる円形の前記振動面を含む円板状をなし、
前記金属箔は、閉じた円環状をなし、前記振動面の前記中央部を囲む配置で、前記電極層に接着されてなる
超音波センサ。
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