JP7409249B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

下記特許文献１には、圧電振動子を用いた超音波トランスデューサが開示されている。このような超音波トランスデューサは、超音波を出力するとともに検知対象物において反射した超音波を受信する。

特開２００４－２６０２３９号公報

上述した超音波トランスデューサにおいては、超音波出力時の残響が検知特性を低下させることが知られている。発明者らは、超音波トランスデューサの残響について研究を重ね、その結果、残響を抑制することができる技術を新たに見出した。

本発明は、残響の抑制が図られた超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る超音波トランスデューサは、ケースと、ケースに周縁部が保持された保持板と、保持板に重ねられた圧電振動板とを有する振動体とを備え、ケースの引張弾性率が、振動体の保持板の引張弾性率より高い。

上記超音波トランスデューサにおいては、ケースの引張弾性率が振動体の保持板の引張弾性率より高いため、振動体の保持板からケースへの振動の伝播が抑制される。すなわち、振動体の発振に起因するケースの振動が抑制される。したがって、上記超音波トランスデューサにおいては、超音波出力時における残響の抑制が図られている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持板の周縁部が、ケースの延在方向においてケースに挟まれている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持板の周縁部の端面およびケースの延在方向において対面する両主面が、ケースに固定されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持板が圧電振動板を収容する凹部を有し、該凹部に圧電振動板が収容されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持板が樹脂で構成されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、ケースが樹脂で構成されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持板およびケースの両方が樹脂で構成されている。

本発明によれば、残響の抑制が図られた超音波トランスデューサを提供することができる。

一実施形態に係る超音波検知システムを示す概略構成図である。 図１の超音波トランスデューサを示す概略断面図である。 図１の超音波トランスデューサの底面図である。 図３に示した断面図の要部拡大図である。 図１の超音波検知システムにおける信号の波形を示した図であり、（ａ）入力波形、（ｂ）発信波形、（ｃ）受信波形を示している。 図３とは異なる形態を示した断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

本実施形態では、超音波を用いて対象物の検知をおこなう超音波検知システムについて説明する。

図１に示すように、超音波検知システム１は、所定の対象物１０に対して超音波を出力し、かつ、対象物１０において反射した超音波を受信するものである。超音波検知システム１は、受信した超音波から、対象物１０の存在を検知したり、対象物１０までの距離を検知したりすることができる。

超音波検知システム１は、制御回路２０および超音波トランスデューサ３０を備えて構成されている。

制御回路２０は、特定の周波数の信号を生成して、その信号を、信号線２５を介して超音波トランスデューサ３０に入力する回路である。また、制御回路２０は、超音波トランスデューサ３０が受信した超音波信号を、適宜増幅して、検出する回路である。制御回路２０はＬＣ回路を含むことができる。

超音波トランスデューサ３０は、制御回路２０から入力された信号に応じて発振し、超音波信号を出力する。また、超音波トランスデューサ３０は、外部から超音波信号を受信すると、その信号を制御回路２０に送信する。

図２に示すように、超音波トランスデューサ３０は、振動体４０と、振動体４０を保持するハウジング５０とを備えて構成されている。

振動体４０は、保持板４１および保持板４１に重ねられた圧電振動板４２を有する。

保持板４１は、図２および図３に示すように円板状の外形を有する。保持板４１の上面４１ａの中央領域には、均一な深さで円形に窪んだ凹部４３が設けられている。保持板４１の周縁部４４は均一な厚さＴを有する。本実施形態においては、保持板４１の凹部４３から端面４１ｃまでの円環状領域の幅Ｗは、保持板４１の周縁部４４の厚さＴより長くなるように設計されている。

保持板４１は、樹脂で構成されている。本実施形態においては、保持板４１は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で構成されている。保持板４１を構成するポリエーテルエーテルケトンの引張弾性率は４，３００ＭＰａである。保持板４１は、ポリエーテルエーテルケトンに限らず、たとえばポリエチレン（ＰＥ、引張弾性率１，０９０ＭＰａ）で構成することもできる。

圧電振動板４２は、円板状の外形を有する。圧電振動板４２は、図示しない圧電体層と一対の端子電極とを備えて構成されている。圧電振動板４２の一対の端子電極はそれぞれ一対の配線（またはリード）２６を介して信号線２５と電気的に接続されている。圧電振動板４２は、信号線２５から入力された信号に応じて振動する。圧電振動板４２は、板厚方向に振動し、板厚方向に直交する方向にも振動する。圧電振動板４２の圧電体層は、一層の圧電材料層を含む単層構造であってもよく、複数の圧電材料層と内部電極層とが交互に積層された多層構造であってもよい。圧電振動板４２の圧電材料層は、たとえばＰＺＴ等の圧電セラミックス材料で構成することができる。

圧電振動板４２は、保持板４１の凹部４３に収容されるようにして、保持板４１に重ねられている。図２に示すように、圧電振動板４２の厚さが保持板４１の凹部４３の深さよりも厚い場合には、圧電振動板４２は保持板４１の上面４１ａから突出する。圧電振動板４２の厚さが保持板４１の凹部４３の深さよりも薄く、圧電振動板４２が凹部４３内に完全に収容される態様であってもよい。圧電振動板４２が収容される凹部４３が保持板４１に設けられることで、圧電振動板４２を平坦面上に載置する場合に比べて、保持板４１と圧電振動板４２との接触面が拡大し、保持板４１と圧電振動板４２との間の振動の伝播効率が高まる。この場合、超音波トランスデューサの出力効率が高まり、かつ、受信感度も高まる。

ハウジング５０は、筒部５２と枠部５４と蓋部５６とを備えて構成されている。

筒部５２（ケース）は、図２および図３に示すように円筒状の形状を有する。筒部５２は、下部開口の近傍に挟持部５３を有する。筒部５２の挟持部５３では、図４に示すように、保持板４１が筒部５２の延在方向（図２の紙面上下方向）に対して直交する方向に延在するように、保持板４１の周縁部４４が筒部５２の内側面において挟持されている。保持板４１は、筒部５２の挟持部５３に挟持されて、筒部５２の下部開口を閉塞する。保持板４１の周縁部４４では、筒部５２の延在方向（図４の矢印Ａ１方向）において筒部５２に挟まれており、かつ、保持板４１の周縁部４４における端面４１ｃおよび上下面４１ａ、４１ｂ（すなわち、Ａ１方向において対面する両主面）が筒部５２に固定されている。振動体４０の保持板４１の筒部５２に対する固定は、一例としてカシメ固定である。振動体４０の保持板４１と筒部５２とは接着材により固定することができる。振動体４０の保持板４１と筒部５２とは、インサート成形により一体化することができる。

筒部５２は、樹脂で構成されており、本実施形態ではポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）で構成されている。筒部５２を構成するポリブチレンテレフタレートの引張弾性率は１０，３００ＭＰａである。すなわち、筒部５２の引張弾性率（１０，３００ＭＰａ）は、保持板４１の引張弾性率（４，３００ＭＰａ）より高くなっている。筒部５２は、ポリブチレンテレフタレートに限らず、たとえばＬＣＰ（引張弾性率１４，０１４ＭＰａ）で構成することもできる。

枠部５４は、筒部５２の上端部に設けられており、円環状の形状を有する。蓋部５６は、枠部５４の内側開口に設けられており、枠部５４と協働して筒部５２の上部開口を塞いでいる。蓋部５６は、信号線２５の端部と結合されており、信号線２５の端部を保持することができるように設けられている。枠部５４はたとえばニトリルゴム（ＮＢＲ）で構成することができ、蓋部５６はたとえばウレタンで構成することができる。

上述した超音波トランスデューサ３０においては、信号線２５を介して制御回路２０から信号が入力されると、圧電振動板４２が振動して、保持板４１の下面４１ｂ側から超音波信号が出力される。また、超音波トランスデューサ３０は、外部の超音波信号を、保持板４１の下面４１ｂにおいて受信すると、圧電振動板４２において電圧信号に変換されて信号線２５を介して制御回路２０に送られる。

図５は、超音波検知システム１における信号の波形を示した図である。図５（ａ）は、制御回路２０から出力される信号の波形、すなわち、超音波トランスデューサ３０に入力される信号（入力信号）の波形を示している。図５（ｂ）は、超音波トランスデューサ３０から外部に発信される信号（発信信号）の波形を示している。図５（ｂ）に示すように、発信信号の波形は、制御回路２０のＬＣ回路に起因して、入力信号の波形に対してわずかに残響成分が含まれる。図５（ｃ）は、発信信号が対象物１０において反射されて超音波トランスデューサ３０が受信した信号を、制御回路２０において増幅した信号（受信信号）の波形を示している。図５（ｃ）に示すように、受信信号の波形には残響成分が含まれる。受信信号の波形に含まれる残響成分の一部は、圧電振動板４２の共振に起因するものであると考えられる。特に、超音波トランスデューサ３０と対象物１０との距離が近い場合に、受信信号における残響成分が干渉しやすく、検出の精度低下が招かれる。

上述した超音波トランスデューサ３０においては、筒部５２の引張弾性率が保持板４１の引張弾性率より高くなるように設計されている。そのため、構成材料の観点から、振動体４０は比較的振動しやすく、一方で筒部５２は比較的振動しにくい設計となっている。したがって、保持板４１から筒部５２への振動の伝播が、効果的に抑制されている。その結果、振動体４０の発振に起因する筒部５２の振動が抑制され、それにより、超音波出力時における残響の抑制が図られている。そのため、超音波トランスデューサ３０と対象物１０との距離が近い場合であっても、受信信号における残響成分が干渉しにくく、検出の精度向上を図ることができる。

また、超音波トランスデューサ３０においては、保持板４１の周縁部４４が、筒部５２の延在方向において筒部５２に挟まれているため、保持板４１から筒部５２へ伝播される振動は、主に縦振動（図４の矢印Ａ１方向に関する振動）となり、残響の要因となる横振動（図４の矢印Ａ２方向に関する振動）はほとんど伝播されない。そのため、超音波トランスデューサ３０は残響のさらなる抑制を実現することができる。

さらに、超音波トランスデューサ３０では、保持板４１の周縁部４４における端面４１ｃおよび上下面４１ａ、４１ｂが、筒部５２にカシメ固定されている。カシメ固定では、保持板４１と筒部５２との間に接着材等を介在させることなく、保持板４１と筒部５２とが直接的に接する。保持板４１と筒部５２とをカシメ固定することで、複数の製品間における特性ばらつきを抑制することができる。加えて、カシメ固定では、挟持部５３の上側部分および下側部分における筒部５２の厚さ（図４の矢印Ａ２方向長さ）を略同一に保つことができるため、複数の製品間における特性ばらつきを抑制することができる。なお、挟持部５３の上側部分および下側部分における筒部５２の厚さが異なる場合には、挟持部５３の周辺において振動が阻害されることが考えられる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、図６に示した形態で、筒部５２が振動体４０を保持することができる。図６（ａ）に示した形態では、筒部５２の挟持部５３において、保持板４１の端面４１ｃが筒部５２の内側面に当接している。この場合、たとえば接着材を介して保持板４１が筒部５２内に保持される。図６（ｂ）に示した形態では、筒部５２の下端面と保持板４１の上面４１ａと接するようにして、筒部５２の下部開口を保持板４１が閉塞している。この場合、たとえば接着材を介して筒部５２の下端面と保持板４１の上面４１ａとが固定される。

また、筒部５２および保持板４１を構成する材料は、上述した材料に限らず、公知の樹脂材料から適宜に選択することができる。

１…超音波検知システム、１０…対象物、２０…制御回路、３０…超音波トランスデューサ、４０…振動体、４１…保持板、４２…圧電振動板、４３…凹部、４４…周縁部、５０…ハウジング、５２…筒部、５３…挟持部。

Claims (7)

1. ケースと、
   前記ケースに周縁部が保持された円板状の外形を有する保持板と、前記保持板に重ねられた圧電振動板とを有する振動体と
   を備え、
   前記ケースの引張弾性率が、前記振動体の保持板の引張弾性率より高い、超音波トランスデューサ。
2. 前記保持板の周縁部が、前記ケースの延在方向において前記ケースに挟まれている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記保持板の周縁部の端面および前記ケースの延在方向において対面する両主面が、前記ケースに固定されている、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記保持板が前記圧電振動板を収容する凹部を有し、該凹部に前記圧電振動板が収容されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記保持板が樹脂で構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記ケースが樹脂で構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記保持板および前記ケースの両方が樹脂で構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

Images