JP5537321B2 - 超音波送受信器 - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子を貼り合わせた有底筒状ケースの天面振動によって外部へ超音波を発生させることが出来、かつ外部からの超音波を受信することが出来る防水型の超音波送受信器に関するものである。

有底筒状ケースと圧電素子とからなる防滴型の超音波送受信器は広く使用されている。近年では特に、自動車（車両）のバックソナー用として大量に生産されている。ここで使用される超音波送受信器は、有底筒状ケースの底面に貼り付けられた圧電素子の収縮運動と、有底筒状ケースの固有振動によって超音波を発生させることができる。これらの超音波送受信器は
固有振動を利用して超音波を発生させるため、特定の周波数のパルス電圧を圧電素子の両面に設けられた電極に加える必要がある。超音波を外部へ効率的に発生させることのできる周波数は通常１つである。

複数の周波数で超音波を送受信することの出来る超音波送受信器が開発されている。例えば、図１に示す特許文献１に記載の超音波送受信器では、外側の有底筒状ケース２ａの底面に、このケースの内側に入れることの出来る小さな有底筒状ケース２ｂの開口部を接着し、小さなケースの天面部に圧電素子１を接着することで、２つの異なる周波数での超音波の送受信を可能にしている。この構造では、外側のケースの天面と内側のケースの天面が同位相で振動するモードと、逆位相で振動する２つのモードが存在する。どちらのモードでも外側ケースの天面が外部へ超音波を発信するように効率的に振動する。周波数の異なる２つのモードによって、２つの異なる周波数で超音波を送受信できる。この構造では、残響が長くなるという問題がある。特許文献２に記載の発明では、シリコーン発泡体などからなる遮音体８を２つのケースの間の空間７に入れることで、残響の短い超音波送受信器を実現している。

特開２００９−２６７４７２号公報 特許出願２００９−１２７１９４

特許文献１に記載の構造では、つぎの点が問題になる。１つは、小さなケース２ｂの開口部を外側のケース２ａの底面に接着した構造であるために、ケースとケースの接着面積が狭く、接着部の強度が低い事である。接着部のせん断強度または引張強度は接着面積が狭いほど小さくなる。例えば車用のバックソナーとし使用される超音波送受信器は、現在外径がφ１２〜１８のものが一般的である。最も多く使用されているφ１４の場合でも、２つのケースの接着面積は非常に狭い面積となる。加工精度の問題でケース間に隙間が出来れば、さらに接触面積が狭くなり強度が低下していくと考えられる。２つのケースの天面は外径φ１４の超音波送受信器の場合、天面の厚さが１ｍｍ以下となり、天面の歪みによって加工精度を出すことが難しくなる。
車用のバックソナーとして使用する場合は、外側の天面に飛び石などの強い衝撃が加わる事が考えられる。飛び石によって外側ケース２ａの天面に衝撃が加わった場合に、接着部でケースが剥がれ可能性がある。

もう１つは、長い残響を改善の為に外側ケースと内側の小さなケース間の空間７に遮音体８を入れる必要があるために、２つのケースの接着作業が難しいという問題がある。遮音体に使用されるシリコーンなどの発泡体は、柔らかく収縮膨張性が高いために、加工精度が悪く寸法バラツキが大きい。自動機によって小さなケースに間に入れることは困難である。作業性の悪いことがコストの増加に繋がっている。

そこで、この発明では２つの異なる周波数の振動モードをもちながら、耐衝撃性が高く、製造が容易な超音波送受信器を実現する。

請求項１の発明では、有底筒状ケース１０の側面部に段差１０ａを設け、段差１０ａに導波板９を接着し、導波板９あるいはケース底面１０ｂに圧電素子１を接着することで、耐衝撃性が高く、製造が容易な２つの振動モードをもつ超音波送受信器を実現する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の有底筒状ケース１１の天面側の外側側面部に段差１１ａを設けられている事で、音圧が改善された超音波送受信器を実現する。

実地例１

請求項１に記載の本発明の実施例を図２に示す。アルミニウム合金からなる高さ９ｍｍ、外径φ１４の円筒状ケース１０の側壁部の内側に導波板を接地するための段差部１０ａが設けられている。段差部１０ａに、アルミニウム合金からなる外径φ１２、厚さ０．５ｍｍの円盤状の導波板９がエポキシ接着剤によって接着されている。ケース１０と導波板９は接触して、電気的に接続されている。段差１０ａは天面から２ｍｍの位置に付けられている。導波板９上に両面銀電極の施された圧電素子（例えばＰＺＴ）１がエポキシ接着剤によって接着されている。導波板９と圧電素子１の銀電極は接触して、電気的に接続されている。ケース１０と導波板９の間の空間には、シリコーン発泡体などからなる遮音体８が入れられている。ケース１０にアルミット半田によってリード線５ｂが取り付けられている。圧電素子の銀電極にリード線５ａが半田付けされている。シード線５ａ、５ｂの一端はケース１０の外側に取り出されている。圧電素子１の上は、シリコーン発泡体などからなる吸音材３で覆われ、シリコーンなどの封止材４によって封止されている。

ここで、ケース１０の内側が円形である必要は無く、楕円形でもよい。ケースの内側が楕円形の場合は、導波板９もケースの内側形状にあわせた形状にする必要がある。段差１０ａの高さやケース外径などの寸法は、要求仕様（駆動周波数）を満たすように寸法設計される。ケース１０と導波板９の材料としてはアルミニウム合金以外の金属でもよい。またシリカを９０％以上配合したエポキシ樹脂のようなヤング率が２５〜７０Ｇｐａの樹脂材料でもよい。有底筒状ケースの天面振動によって超音波を発生される場合は、弾性率の高い材料ほど、天面厚を薄くすることができる。天面厚が薄いと天面が容易に振動できるために発信する音圧が高くなし、天面圧が厚いと振動しにくいために音圧が低くなる。材料として少なくとも２５Ｇｐａは必要である。また弾性率が高すぎると天面を必要以上に薄くする必要が出てくるため、超音波送受信器の強度が低下するという問題が発生する。
ケース１０または導波板９に樹脂材料を用いる場合は、ケース１０または導波板９から導通を得ることが出来ないために、折返し電極の施された圧電素子を使用する必要がある。折返し素子のＧＮＤ側にリード線５ｂを半田付けすることで、ケース１０または導波板９から導通を得る必要は無い。遮音体８または吸音材３の材料としてシリコーン発泡体の他に、ウレタン発泡体または、化学繊維からなるフェルトが使用できる。

この構造では、ケース天面から遠い位置に接着部が設けられているために、飛び石などの天面に加えられた衝撃の影響を受けにくい。ケース内側にそって導波板９を入れることで、容易に導波板９を接着することができる。ケース側壁は、比較的肉厚であるので、精度のよい加工が可能である。また導波板も円盤のような単純な形状にすることで、寸法精度のよい導波板を実現できる。加工性のよい形状を組み合わせることで、接着面の隙間を出来る限り小さくし、接着部の信頼性を高めることができる。遮音体８は、導波板を接着する前に、有底筒状ケースの内部に入れておき、遮音体を入れたあとで導波板を接着すれば、遮音体を容易に入れることができる。
導波板９に予め圧電素子１を接着しておき、圧電素子１の接着された導波板９をケース１０に接着してもよい。

実地例２

請求項２に記載の本発明の実施例を図３に示す。ケース１１の外側側面に段差１１ａが設けられている。段差１１ａは天面から１ｍｍの位置まで設けられている。その他の構造は図２と同じである。外側の段差１１ａによって側面振動部の剛性が低下し、天面振動を大きくすることができる。天面振動が大きくなることで、超音波の音圧が高くなる。段差１１ａの位置は、要求仕様を満たすように寸法設計される。

圧電素子１の接着位置は、ケースの底面１０ｂでも良い。この場合は、導波板９に貫通穴を設け、貫通穴から圧電素子１の銀電極に半田つけされたリード線５ａを取り出す必要がある。

導波板９とケースの結合をより強固なものにするために、図４のようにケース１２の内側にネジ山１２ａを設け、導波板９を挟むようにネジ１３によってネジ止めしてもよい。嫌気性接着剤によってネジ１３を接着することで外部からの衝撃によって導波板９とケース1１２の結合が離れる可能性はより低くなる。

図５に２つの天面振動モードを示す。ケース天面と導波板が同位相で振動するモードと逆位相で振動するモードが存在する。２つの異なる周波数の超音波を発信することができる。

従来の複数の駆動周波数をもつ超音波送受信器の例 請求項１を実施した超音波送受信器の例 請求項２を実施した超音波送受信器の例 ネジ止めによるケースと導波板の結合の例 ２つの天面振動モード

１ 両面電極の施された圧電素子
２ａ 有底筒状ケース
２ｂ 小さなケース
３ 吸音材
４ 封止材
５ａ 素体側リード線
５ｂ ＧＮＤ側リード線
６ ワイヤハーネス
７ 空間
８ 遮音体
９ 導波板
１０ 有底筒状ケース（請求項１に記載の発明の場合）
１０ａ 段差（導波板の接着部）
１０ｂ ケース底面
１１ 有底筒状ケース（請求項２に記載の発明の場合）
１１ｂ 外側の段差
１２ ネジ山を設けたケース
１２ａ ネジ山
１３ ネジ

Claims (2)

1. 金属または樹脂からなるケースに圧電素子を接着してなる超音波送受信器において、有底筒状ケースの内側側面部に段差を設け、その段差に金属またはヤング率が２５〜７０Ｇｐａ以上の樹脂からなる導波板を接着剤によって接着またはネジ止めして、有底筒状ケースの底面と導波板の間に空間を設け、導波板または有底筒状ケースの底面部のいずれか一方に圧電素子を接着したことを特徴とする超音波送受信器
   
2. 有底筒状ケースの天面側の外側側面部に段差が設けられている事を特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器

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