WO2013084910A1 - 超音波トランスデューサー - Google Patents

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WO2013084910A1
WO2013084910A1 PCT/JP2012/081454 JP2012081454W WO2013084910A1 WO 2013084910 A1 WO2013084910 A1 WO 2013084910A1 JP 2012081454 W JP2012081454 W JP 2012081454W WO 2013084910 A1 WO2013084910 A1 WO 2013084910A1
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WO
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piezoelectric element
ultrasonic transducer
element layer
opening
layer
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PCT/JP2012/081454
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English (en)
French (fr)
Inventor
西江純一
近藤親史
太田順司
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • This invention relates to an ultrasonic transducer having a structure in which a piezoelectric element layer and a matching layer are laminated.
  • the present invention relates to an ultrasonic transducer in which a piezoelectric element layer vibrates in the thickness direction in a stacking direction of a piezoelectric element layer and a matching layer.
  • the ultrasonic transducer is configured to include a piezoelectric element layer for transmitting or receiving a sound wave.
  • a matching layer for matching acoustic impedance may be provided between the piezoelectric element layer and the outside world.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining a configuration example of the ultrasonic transducer according to the first conventional example.
  • the ultrasonic transducer 111 includes a piezoelectric element layer 112, a matching layer 113, an input / output terminal 114, and a sound absorbing material 115.
  • the piezoelectric element layer 112 is configured in a flat plate shape.
  • the matching layer 113 has an opening into which the piezoelectric element layer 112 is fitted.
  • the piezoelectric element layer 112 is bonded to the inner bottom surface of the opening of the matching layer 113, and is entirely held in the opening of the matching layer 113.
  • the sound absorbing material 115 is filled so as to cover the piezoelectric element layer 112 in the opening of the matching layer 113.
  • the input / output terminal 114 passes through the sound absorbing material 115 and is connected to the electrode of the piezoelectric element layer 112.
  • an ultrasonic transducer When mounting an ultrasonic transducer having such a configuration on a mounting board, the acoustic wave characteristics may become unstable due to the bottom surface of the matching layer coming into contact with the mounting board. In addition, since the entire matching layer is exposed to the outside, the durability performance such as weather resistance and impact resistance is poor, and the matching layer may be damaged and the sound wave characteristics may be deteriorated. Therefore, in general, a case is provided, and an ultrasonic transducer is configured by accommodating a matching layer and a piezoelectric element layer in the case.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a configuration example of the ultrasonic transducer according to the second conventional example.
  • the ultrasonic transducer 121 includes a piezoelectric element layer 122, a matching layer 123, an input / output terminal 124, a sound absorbing material 125, a support material 126, and a case 127.
  • the piezoelectric element layer 122 is configured in a flat plate shape.
  • the matching layer 123 has an opening into which the piezoelectric element layer 122 is fitted.
  • the piezoelectric element layer 122 is bonded to the inner bottom surface of the opening of the matching layer 123.
  • the sound absorbing material 125 is disposed on the back side of the piezoelectric element layer 122.
  • the support material 126 is a cylindrical member that surrounds the sound absorbing material 125, and is joined to the bottom surface of the matching layer 123.
  • the case 127 is a cylindrical member surrounding the support material 126. The support member 126 is held by the case 127 so that a part of the matching layer 123 protrudes from the case 127. The case 127 is in contact with the side surface of the matching layer 123 to enhance the durability performance of the matching layer 123.
  • the ultrasonic transducer having such a configuration is configured such that the piezoelectric element layer 122 vibrates in the plane direction.
  • the area vibration of the piezoelectric element layer 122 is converted into bending vibration between the piezoelectric element layer 122 and the matching layer 123. Sound waves will be transmitted from the surface of the.
  • the acoustic characteristics vary depending on the bonding strength, contact pressure, physical property variation, and position variation of each part. (Sensitivity) varies.
  • the ultrasonic transducer may be used as a double feed detection sensor for detecting double feed of a sheet by a printing machine or the like. Since a double feed detection sensor uses absorption and reflection of sound waves on an extremely thin sheet, it is necessary to use sound waves in a higher frequency band than sensors for other applications. In order to use sound waves in the high frequency band, it is necessary to downsize the ultrasonic transducer. However, if the ultrasonic transducer according to the conventional example is downsized as it is, the vibration area at the center of the vibration surface is significantly reduced. It is unavoidable that the sound wave characteristics are deteriorated. In addition, unnecessary vibration occurs at a frequency near the resonance frequency, and when the resonance frequency shifts due to material variation or the like, the sound wave characteristic is deteriorated due to the influence of the unnecessary vibration.
  • an object of the present invention is a structure suitable for use in a high frequency band, has high durability performance, and is less susceptible to the influence of sound strength due to bonding strength, contact pressure, and material variations between members. It is to realize a sonic transducer.
  • the ultrasonic transducer of the present invention includes a case portion and a vibrator.
  • the case part has an opening.
  • the vibrator includes a matching layer and a piezoelectric element layer.
  • the piezoelectric element layer is configured to vibrate in thickness, and a side surface that intersects the main surface in the thickness direction is opposed to and in contact with the inner wall surface of the opening.
  • the matching layer is laminated in the thickness direction of the piezoelectric element layer, a part of the matching layer is exposed from the opening in the thickness direction of the piezoelectric element layer, and a side surface intersecting the main surface in the thickness direction is opened from the inner wall surface of the opening. ing.
  • the piezoelectric element layer vibrates in thickness, the entire surface of the matching layer is displaced (vibrated) almost uniformly in the thickness direction. Therefore, no vibration node is generated on the surface of the matching layer, and the vibration area can be increased. As a result, even if the overall size of the ultrasonic transducer is reduced, the sound pressure and sensitivity of the sound wave due to thickness vibration are less likely to decrease. Moreover, since the piezoelectric element layer is disposed to face the inner wall surface of the case portion, high durability performance can be realized. In addition, the vibrator is supported on the inner wall surface of the case portion by the piezoelectric element layer. However, the influence on the sound wave characteristics due to the restraint of the side surface direction of the piezoelectric element layer is compared to the configuration in which the matching layer is restrained. Small and stable sound wave characteristics can be realized.
  • the matching layer has a side surface facing the inner wall surface of the opening.
  • the entire piezoelectric element layer and a part of the side surface of the matching layer are arranged in the opening of the case portion, and higher durability performance can be realized.
  • the piezoelectric element layer has a position where the contact position with the inner wall surface of the opening is a vibration node point. Thereby, it is possible to reliably prevent the thickness vibration of the piezoelectric element layer from being hindered by the case portion, and to realize more stable sound wave characteristics.
  • the matching layer has a tapered side surface in the thickness direction, and the edge of the interface portion between the matching layer and the piezoelectric element layer is in point contact with the inner wall surface of the opening. This facilitates the die cutting of the matching layer when the matching layer is molded. Further, the alignment layer can be positioned in the horizontal direction with higher accuracy.
  • the side surface of the matching layer and the side surface of the piezoelectric element layer are flush with each other.
  • the piezoelectric element layer vibrates in thickness, no vibration node is generated on the surface of the matching layer, the vibration area can be increased, and even if the overall size of the ultrasonic transducer is reduced, It is difficult for the sound pressure and sensitivity of the sound wave to decrease due to the thickness vibration.
  • the piezoelectric element layer is disposed to face the inner wall surface of the case portion, high durability performance can be realized.
  • the vibrator is supported on the inner wall surface of the case portion by the piezoelectric element layer.
  • the influence on the acoustic characteristics due to the restraint of the side surface direction of the piezoelectric element layer is compared to the configuration in which the matching layer is restrained. Small and stable sound wave characteristics can be realized.
  • FIG. 1A is a conceptual diagram of a double feed detection sensor 101 using ultrasonic transducers 1A and 1B according to the first embodiment of the present invention.
  • the double feed detection sensor 101 includes an ultrasonic transducer 1A for wave transmission and an ultrasonic transducer 1B for wave reception. Further, an oscillator 102 connected to the ultrasonic transducer 1A, an oscilloscope 104 connected to the ultrasonic transducer 1B, and an amplifier 103 connected between the ultrasonic transducer 1B and the oscilloscope 104 are provided.
  • the ultrasonic transducer 1A and the ultrasonic transducer 1B are disposed opposite to each other on both sides of the paper conveyance path 109 in a printing machine or the like.
  • the oscillator 102 oscillates a frequency pulse signal for driving the ultrasonic transducer 1A.
  • the ultrasonic transducer 1A receives the frequency pulse signal, and transmits an ultrasonic pulse of 100 kHz or more to the paper conveyance path 109. Ultrasonic pulses of 100 kHz or higher are suitable for detecting the multi-feed state for various thicknesses and types of paper. In the paper conveyance path 109, the ultrasonic pulse passes through the conveyed paper and reaches the ultrasonic transducer 1B. At this time, if the paper is in a double feed state, the attenuation of the sound wave is remarkably increased.
  • the ultrasonic transducer 1B receives an ultrasonic pulse and outputs a detection signal.
  • the amplifier 103 amplifies the detection signal input from the ultrasonic transducer 1B.
  • the oscilloscope 104 determines from the detection signal amplified by the amplifier 103 that if the attenuation of the sound wave is remarkably large, it is determined that the paper is being double-fed in the paper conveyance path 109; It is determined that it has been sent.
  • FIG. 1B is a side view of the ultrasonic transducer 1A according to the present embodiment.
  • the upward direction in the drawing is the direction in which ultrasonic waves are transmitted, and is the front direction of the ultrasonic transducer 1A.
  • the ultrasonic transducer 1B has almost the same configuration as the ultrasonic transducer 1A, and detailed description thereof is omitted here.
  • the ultrasonic transducer 1B is different from the ultrasonic transducer 1A in the number of laminated piezoelectric material layers and electrode layers in the vibrator 11 and the overall dimensions.
  • the ultrasonic transducer 1 ⁇ / b> A includes a metal cover 2, a resin case 3, a vibrator 11, and metal terminals 5 and 6.
  • the metal cover 2 is made of a conductive metal material and has a cylindrical shape with an open front and back.
  • the metal cover 2 holds the resin case 3 and functions as an electromagnetic shield.
  • the resin case 3 is formed by injection molding of plastic resin, and has a bottomed cylindrical shape with an open front side.
  • the resin case 3 holds the vibrator 11 so that the end of the vibrator 11 protrudes from the opening to the front side.
  • the resin case 3 corresponds to the case portion in the present embodiment.
  • the metal terminals 5 and 6 have rear end portions protruding from the rear surface of the resin case 3, and apply a drive voltage to the vibrator 11.
  • FIG. 1C is a perspective view of the vibrator 11 according to this embodiment.
  • 1C is the direction in which ultrasonic waves are transmitted and received, and is the front direction of the vibrator 11.
  • the vibrator 11 includes a matching layer 11A and a piezoelectric element layer 11B.
  • the matching layer 11A has a columnar shape with a square front and back.
  • the piezoelectric element layer 11B has a square columnar shape on the front and back surfaces.
  • the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element layer 11B on the front and back are slightly larger than the vertical and horizontal dimensions on the front and back of the matching layer 11A.
  • the shape of the front surface and the back surface of the vibrator 11 is preferably a square or a circle because vibration efficiency can be increased and unnecessary vibration can be prevented. However, it may be rectangular or oval in order to control the directivity of sound waves.
  • the matching layer 11A is made of a low specific gravity material in which a glass balloon is mixed with an epoxy resin that can be bonded by potting and thermosetting.
  • the matching layer 11A is located on the front side of the vibrator 11 and is connected to the piezoelectric element layer 11B and the outside world (outside air). ) To match the acoustic impedance.
  • the piezoelectric element layer 11B is located on the back side of the vibrator 11, and is configured by laminating a plurality of electrode layers 11B1 and a plurality of piezoelectric layers 11B2 with the direction between the front and the back as the laminating direction.
  • the piezoelectric layer 11B2 is made of a lead zirconate titanate ceramic having a large electromechanical coupling coefficient and piezoelectric d constant and a small mechanical quality factor.
  • the vibrator 11 is configured such that two side surfaces parallel to the stacking direction (the right side surface and the left side surface in the left-right direction in FIG. 1B) are electrode connection portions, and are not shown.
  • the even-numbered or odd-numbered electrode layers 11B1 are selectively connected to each other by the electrode and the insulating film, and are connected to the metal terminal 5 or the metal terminal 6.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic transducer 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line B-B ′ shown in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line A-A ′ shown in FIG.
  • the metal cover 2 includes a cylindrical part 2A and a tongue-like part 2B.
  • the cylindrical part 2A is a cylindrical part without a bottom, and the outer shape and the inner shape of the front surface and the back surface are square.
  • the tongue-shaped part 2B is an elongated tongue-shaped part extending in the back direction from the back side of the cylindrical part 2A, and is used as a ground terminal.
  • the resin case 3 has a bottomed cylindrical shape, is formed with an outer dimension substantially equal to the inner dimension of the metal cover 2, and is formed on the outer surface in the vicinity of the back surface with the outer dimension partially enlarged. 3D is provided.
  • the step portion 3D is for locking the resin case 3 when the cylindrical portion 2A of the metal cover 2 comes into contact. Further, in the stepped portion 3D, a groove through which the tongue-like portion 2B passes is formed in part.
  • the resin case 3 is provided with a rectangular opening 3A on the front surface.
  • the opening 3A is where the vibrator 11 is inserted.
  • the resin case 3 is provided with a rectangular hole 3B on the back surface.
  • the hole 3B communicates with the inner bottom surface of the opening 3A, and the rear side ends of the metal terminals 5 and 6 are inserted therein.
  • a groove 3C extending from the hole 3B along the inner bottom surface and the inner wall surface is formed in the opening 3A.
  • the groove 3 ⁇ / b> C is for locking the metal terminals 5 and 6.
  • the distance from the front surface to the inner bottom surface is set to be shallower than the thickness dimension of the vibrator 11.
  • the end of the vibrator 11 protrudes from the opening 3A, that is, the matching layer 11A partially protrudes from the opening 3A.
  • the metal terminals 5 and 6 are roughly rod-shaped members made of a conductive metal material, and are provided with a step portion bent twice around the center.
  • the ends and step portions on the front side of the step portions of the metal terminals 5 and 6 are fitted into the groove 3C of the resin case 3 and are provided inside the opening portion 3A.
  • the end on the back side of the stepped portions of the metal terminals 5 and 6 is provided to protrude from the hole 3B to the back side.
  • the front ends of the metal terminals 5 and 6 are narrowed between the side surface of the vibrator 11 and the inner wall surface of the resin case 3 in the opening 3A of the resin case 3, and project at the position to the vibrator 11 side. A bow-shaped part that bends is formed.
  • the metal terminals 5 and 6 are always in contact with the vibrator 11 by elastically deforming this part.
  • the metal terminals 5 and 6 may be bonded to the side surface of the vibrator 11 by using a conductive adhesive or the like. Further, the vibrator 11 may be adhered to the inner bottom surface of the resin case 3 using an insulating adhesive or the like.
  • the vibrator 11 is inserted into the opening 3A from the piezoelectric element layer 11B side, and the matching layer 11A side projects forward from the opening 3A.
  • the dimension of the opening 3A is set so that the inner wall surface elastically contacts the outer wall surface of the piezoelectric element layer 11B except for the formation region of the groove 3C.
  • the vertical and horizontal dimensions of the matching layer 11A are smaller than the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element layer 11B as described above, the side surfaces are spaced apart (opened) from the inner wall surface of the opening 3A. Therefore, the vibrator 11 is supported by the resin case 3 on the outer surface of the piezoelectric element layer 11B.
  • a vibrator having a matching layer and a piezoelectric element layer
  • the matching layer and the piezoelectric element layer are separated. May occur.
  • thermal stress tensile stress
  • the vertical and horizontal dimensions of the matching layer are the same as the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element layer
  • thermal stress tensile stress
  • the resonance frequency is lowered and the sensitivity is lowered.
  • the thermal stress (tensile stress) applied to the piezoelectric element layer 11B is dispersed, thereby causing the matching layer 11A and the piezoelectric layer to expand.
  • the thermal stress applied to the portion between the element layer 11B is reduced, and peeling between the matching layer 11A and the piezoelectric element layer 11B hardly occurs. For this reason, in the ultrasonic transducer 1A, the resonance frequency and the sensitivity are not easily lowered.
  • the ultrasonic transducer 1A is composed of the above-described members, the metal cover 2, the resin case 3, the vibrator 11, and the metal terminals 5 and 6.
  • the vibrator 11 is configured to vibrate in the thickness direction along the front-back direction. Therefore, the entire front surface of the vibrator 11 becomes a vibration region, and even if the size is reduced, a change in resonance frequency, a decrease in sound pressure, and a sensitivity are unlikely to occur. Therefore, good sound wave characteristics can be realized as the double feed detection sensor 101. Further, since the vibrator 11 has a part of the matching layer 11A and the piezoelectric element layer 11B disposed inside the opening 3A of the resin case 3, it is not easily affected by external impacts and has high durability performance. realizable.
  • the vibrator 11 is supported on the inner wall surface of the opening 3A of the resin case 3 by the outer surface of the piezoelectric element layer 11B, and the outer surface of the matching layer 11A is released from the inner wall surface of the opening 3A.
  • the vibrator 11 is supported on the inner wall surface of the opening 3A of the resin case 3 by the outer surface of the piezoelectric element layer 11B, and the outer surface of the matching layer 11A is released from the inner wall surface of the opening 3A.
  • the inner wall surface of the opening 3A is in contact with the outer surface of the layer 11A, it is possible to prevent deterioration and instability of sound wave characteristics.
  • FIG. 3 and 4 are diagrams for explaining the influence of the acoustic characteristics depending on the contact position between the vibrator and the resin case based on the frequency-impedance characteristics.
  • FIG. 3 shows an ultrasonic transducer according to a comparative example.
  • FIG. 4 shows an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer according to the comparative example has a transducer having an outer surface flush with the matching layer and the piezoelectric element layer, and an inner wall surface of the opening at a uniform interval with the outer surface of the transducer.
  • the matching resin layer and the resin case are joined with an adhesive using an opposing resin case.
  • the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention has a configuration in which a vibrator and a resin case having the same configuration as the ultrasonic transducer 1A are used, and the piezoelectric element layer and the resin case are bonded with an adhesive. .
  • the resonance frequencies are about 171 kHz, about 268 kHz, about 302 kHz, and about 375 kHz, and about 176 kHz, about 295 kHz, about 326kHz, about 396kHz is the anti-resonance frequency.
  • the difference between the resistance value at each resonance frequency (resonance resistance) and the resistance value at each anti-resonance frequency is compared to the non-contact configuration of the matching layer and the resin case (non-contact). Larger and smaller when touched.
  • the resonance frequencies are about 168 kHz, about 267 kHz, about 303 kHz, and about 374 kHz.
  • Anti-resonance frequencies are 293 kHz, about 322 kHz, and about 398 kHz.
  • the difference between the resistance value at each resonance frequency (resonance resistance) and the resistance value at each anti-resonance frequency is a pole of about 267 kHz or higher compared to a configuration in which the piezoelectric element layer and the resin case are not in contact (when not in contact). In the vicinity of the value, the difference in resistance value is smaller at the time of contact, but in the vicinity of about 168 kHz and about 173 kHz, the difference in resistance value hardly changes.
  • the thickness vibration and the sound wave are maximized when driven at a resonance frequency of about 171 kHz in the case of FIG. 3 and at a resonance frequency of about 168 kHz in the case of FIG. Become.
  • the matching layer is fixed to the resin case, it is difficult to achieve the intrinsic acoustic characteristics of the vibrator, and some degradation occurs.
  • the original sound wave characteristic of the vibrator can be realized as it is without deterioration.
  • the ultrasonic transducer of the present invention has been described using a configuration in which the outer surface of the vibrator is non-flat and the inner wall surface of the opening is flat.
  • the ultrasonic transducer of the present invention has been described. Can be realized with other configurations.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 21 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line BB ′ shown in FIG.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along a dashed line AA ′ shown in FIG.
  • the ultrasonic transducer 21 of the present embodiment includes a vibrator 31 having a configuration different from that of the first embodiment.
  • the vibrator 31 includes a matching layer 31A and a piezoelectric element layer 31B.
  • the matching layer 31 ⁇ / b> A has a square shape on the front surface and the back surface, and has a columnar shape in which the vertical and horizontal dimensions on the back surface are larger than the vertical and horizontal dimensions on the front surface, and the side surface is tapered.
  • the vertical and horizontal dimensions of the back surface of the matching layer 31A are equal to the vertical and horizontal dimensions of the front surface of the piezoelectric element layer 31B.
  • the edge of the interface portion between the matching layer 31A and the piezoelectric element layer 31B is in point contact with the inner wall surface of the opening 3A, the horizontal position of the matching layer 31A is fixed with higher accuracy, and the acoustic wave characteristics are improved. More enhanced. Further, when the member of the matching layer 31A is molded, the matching layer 31A can be easily punched. Therefore, the ultrasonic transducer 21 can be manufactured more easily.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 41 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line BB ′ shown in FIG.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along a dashed line AA ′ shown in FIG.
  • the ultrasonic transducer 41 of the present embodiment includes a vibrator 51 and a resin case 43 having a configuration different from that of the first embodiment.
  • the vibrator 51 includes a matching layer 51A and a piezoelectric element layer 51B.
  • the matching layer 51A has a square front and back surface, the vertical and horizontal dimensions are equal to the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element layer 51B, and the outer surface of the matching layer 51A and the outer surface of the piezoelectric element layer 51B are configured to be flush with each other.
  • the resin case 43 has an opening 43A, a hole 43B, a groove 43C, and a stepped portion 43D.
  • the opening 43A has a stepped shape so that the inner diameter dimension on the front side is larger than the inner diameter dimension on the back side.
  • the ultrasonic transducer of the present invention may be configured such that the outer surface of the transducer is flat or the inner wall surface of the opening is non-flat.
  • the vibrator 51 Since the vibrator 51 has a rectangular parallelepiped shape as a whole, it is possible to manufacture the plurality of vibrators 51 at a time by forming the vibrators 51 integrally and then dividing them by dicing or the like. Become. Therefore, the manufacturing cost of the vibrator 51 can be reduced.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an ultrasonic transducer 61 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line BB ′ shown in FIG.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along a dashed line AA ′ shown in FIG.
  • the ultrasonic transducer 61 of the present embodiment includes a vibrator 71 and a resin case 63 having a configuration different from that of the first embodiment.
  • the vibrator 71 includes a matching layer 71A and a piezoelectric element layer 71B.
  • the matching layer 71A has a square front and back and a vertical and horizontal dimension equal to the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element layer 71B.
  • the resin case 63 is formed with an opening 63A, a hole 63B, a groove 63C, and a stepped portion 63D, and the opening 63A is formed with a protrusion 63E protruding from the inner wall surface.
  • the protrusion 63E is formed so as to substantially circulate the opening 63A at a predetermined distance from the inner bottom surface of the opening 63A. Only the inner bottom surfaces of the protrusion 63E and the opening 63A are configured to contact the vibrator 71.
  • the formation position of the protrusion 63E is set so as to come into contact with the vibrator 71 at a position that becomes a node point of the thickness vibration of the piezoelectric element layer 71B.
  • the protrusion 63E provided in the opening 63A is brought into contact with the piezoelectric element layer 71B of the vibrator 71, thereby The inner wall surface of the opening 63A is prevented from contacting the side surface of the matching layer 71A. Since the protrusion 63E contacts a position that becomes a node point of the thickness vibration of the piezoelectric element layer 71B, it is possible to reliably prevent the thickness vibration of the piezoelectric element layer 71B from being hindered and to realize more stable sound wave characteristics. It becomes possible.
  • the ultrasonic transducer of the present invention may be configured.
  • the vibrator 71 Since the vibrator 71 has a rectangular parallelepiped shape as a whole, it is possible to manufacture the plurality of vibrators 71 at a time by forming the plurality of vibrators 71 integrally and then dividing them by dicing or the like. Become. Therefore, the manufacturing cost of the vibrator 71 can be reduced.
  • the projecting portion may be configured integrally with the resin case, may be configured integrally with the vibrator, or may be configured separately from the resin case and the vibrator.
  • the present invention can be implemented, but the ultrasonic transducer of the present invention can also be used in other devices for double feed detection sensors.
  • the specific configuration and materials of the vibrator and the ultrasonic transducer are not limited to those described above, and if the piezoelectric element layer is supported by the case portion with at least the side surface of the matching layer being open, Other configurations and materials may be employed.

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Abstract

　高周波帯域での使用に適した構造であり、耐久性能が高く、また、各部材間の接合強度や接触圧、物性ばらつきによる影響を音波特性が受けにくい、超音波トランスデューサーを実現する。超音波トランスデューサー（１Ａ）は、樹脂ケース（３）と振動子（１１）とを備えている。樹脂ケース（３）は、開口部（３Ａ）を有している。振動子（１１）は、整合層（１１Ａ）と圧電素子層（１１Ｂ）とを備えている。圧電素子層（１１Ｂ）は、単体で厚み振動するように構成されていて、厚み方向の主面に交差する側面が開口部（３Ａ）の内壁面に対向して接する。整合層（１１Ａ）は、圧電素子層（１１Ｂ）の厚み方向に積層されていて、圧電素子層（１１Ｂ）の厚み方向に開口部（３Ａ）から露出し、厚み方向の主面に交差する側面が、開口部（３Ａ）の内壁面から開放されている。

Description

超音波トランスデューサー
　この発明は、圧電素子層と整合層とを積層した構造の超音波トランスデューサーに関する。特には、圧電素子層と整合層との積層方向に圧電素子層が厚み振動する超音波トランスデューサーに関する。
　超音波トランスデューサーは、音波の送波または受波のために圧電素子層を備えて構成されるものである。超音波トランスデューサーでは、圧電素子層と外界（外気）との界面での音波の反射を減らすために、圧電素子層と外界との間に音響インピーダンスの整合を取る整合層が設けられることがある（例えば特許文献１参照。）。
　図８（Ａ）は、第１の従来例に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。超音波トランスデューサー１１１は、圧電素子層１１２と整合層１１３と入出力端子１１４と吸音材１１５とを備えている。圧電素子層１１２は、平板状に構成されている。整合層１１３は、圧電素子層１１２が嵌め込まれる開口を有している。圧電素子層１１２は、整合層１１３の開口の内底面に接合されていて、全体が整合層１１３の開口内に保持されている。吸音材１１５は、整合層１１３の開口内において圧電素子層１１２を覆うように充填されている。入出力端子１１４は、吸音材１１５を貫通して圧電素子層１１２の電極に接続されている。
　このような構成の超音波トランスデューサーを実装基板に実装する際に、実装基板に整合層の底面が接触することで音波特性が不安定化してしまう恐れがある。また、整合層の全体が外部に露出しているため、耐候性や耐衝撃性などの耐久性能が悪く、整合層の破損等が発生して音波特性が劣化することもある。そこで、一般的には、ケースを設け、そのケース内に整合層や圧電素子層を収容して超音波トランスデューサーは構成されることになる。
　図８（Ｂ）は、第２の従来例に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。超音波トランスデューサー１２１は、圧電素子層１２２と整合層１２３と入出力端子１２４と吸音材１２５と支持材１２６とケース１２７とを備えている。圧電素子層１２２は、平板状に構成されている。整合層１２３は、圧電素子層１２２が嵌め込まれる開口を有している。圧電素子層１２２は、整合層１２３の開口の内底面に接合されている。吸音材１２５は、圧電素子層１２２の背面側に配置されている。支持材１２６は、吸音材１２５の周囲を囲む筒状の部材であり、整合層１２３の底面に接合されている。ケース１２７は、支持材１２６の周囲を囲む筒状の部材である。整合層１２３の一部がケース１２７から突出するように、支持材１２６はケース１２７に保持されている。ケース１２７は整合層１２３の側面に接して、整合層１２３の耐久性能を高めている。
　このような構成の超音波トランスデューサーは、圧電素子層１２２が平面方向に面積振動するように構成される。音波を送波する場合、整合層１２３の側面がケース１２７によって拘束されているため、圧電素子層１２２の面積振動は、圧電素子層１２２と整合層１２３との屈曲振動に変換され、整合層１２３の表面から音波が送波されることになる。
特開平４－３３６７９９公報
　圧電素子層の面積振動を圧電素子層と整合層との屈曲振動に変換させる従来構成の超音波トランスデューサーでは、各部の接合強度や接触圧、物性ばらつきや位置バラツキにより、音波特性（音圧または感度）のバラツキが生じる。
　また、超音波トランスデューサーは、印刷機等でシートの重送を検出する重送検知用センサとしても用いられることがある。重送検知用センサでは極めて薄いシートでの音波の吸収や反射を利用するため、他の用途のセンサよりも高周波数帯域の音波を利用する必要がある。高周波数帯域の音波を利用するためには、超音波トランスデューサーを小型化する必要があるが、従来例に係る超音波トランスデューサーをそのまま小型化すると、振動面中心の振動面積が著しく小さくなるため、音波特性が低下することが避けられない。また、共振周波数の近傍の周波数で不要振動が生じてしまい、材料バラツキなどによって共振周波数がずれた場合に不要振動の影響で音波特性が劣化してしまう。
　そこで、本発明の目的は、高周波帯域での使用に適した構造であり、耐久性能が高く、また、各部材間の接合強度や接触圧、材料ばらつきなどによる影響を音波特性が受けにくい、超音波トランスデューサーを実現することにある。
　本発明の超音波トランスデューサーは、ケース部と振動子とを備えている。ケース部は、開口部を有している。振動子は、整合層と圧電素子層とを備えている。圧電素子層は、厚み振動するように構成されていて、厚み方向の主面に交差する側面が開口部の内壁面に対向して接する。整合層は、圧電素子層の厚み方向に積層されていて圧電素子層の厚み方向において一部が開口部から露出し、厚み方向の主面に交差する側面が、開口部の内壁面から開放されている。
　この構成では、圧電素子層が厚み振動するため、整合層の表面全面が厚み方向にほぼ一様に変位（振動）する。したがって、整合層の表面に振動の節が発生せず、振動面積を大きくすることができる。これにより、超音波トランスデューサーの全体寸法を小型化しても、厚み振動による音波の音圧や感度の低下が生じにくくなる。また、圧電素子層がケース部の内壁面に対向して配置されるため、高い耐久性能を実現できる。また、振動子が、圧電素子層でケース部の内壁面に支持されるが、圧電素子層の側面方向が拘束されることによる音波特性への影響は、整合層が拘束される構成に比べて小さく、安定した音波特性を実現できる。
　上述の超音波トランスデューサーにおいて、整合層は、側面が開口部の内壁面に対向すると好適である。これにより、圧電素子層の全体と整合層の側面の一部とがケース部の開口部内に配置され、より高い耐久性能を実現できる。
　上述の超音波トランスデューサーにおいて、圧電素子層は、開口部の内壁面との接触位置が、振動のノード点となる位置であると好適である。これにより、圧電素子層の厚み振動がケース部によって阻害されることを確実に防ぎ、より安定した音波特性を実現できる。
　上述の超音波トランスデューサーにおいて、整合層は、側面が厚み方向に対してテーパを持ち、整合層と圧電素子層との界面部分の縁が開口部の内壁面に点接触すると好適である。これにより、整合層を金型成形する場合に、整合層の型抜きが容易になる。また、整合層の水平方向の位置決めをより高精度にできる。
　上述の超音波トランスデューサーにおいて、整合層の側面と圧電素子層の側面とが面一であると好適である。これにより、複数の振動子を一体の状態で製造して、ダイシングなどによって分割することで、複数の振動子を一度に製造することが可能になり、製造工程数の削減が可能になる。
　この発明によれば、圧電素子層が厚み振動するため、整合層の表面に振動の節が発生せず、振動面積を大きくすることができ、超音波トランスデューサーの全体寸法を小型化しても、厚み振動による音波の音圧や感度の低下が生じにくくなる。また、圧電素子層がケース部の内壁面に対向して配置されるため、高い耐久性能を実現できる。また、振動子が、圧電素子層でケース部の内壁面に支持されるが、圧電素子層の側面方向が拘束されることによる音波特性への影響は、整合層が拘束される構成に比べて小さく、安定した音波特性を実現できる。
本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサー、振動子、および重送検知用センサの構成例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。 振動子と樹脂ケースとの接触位置による音響特性の影響を説明する図である。 振動子と樹脂ケースとの接触位置による音響特性の影響を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。 本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサーの構成例を説明する図である。 従来例に係る超音波トランスデューサーの構成例を示す断面図である。
≪第１の実施形態≫
　以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサー、振動子、および重送検知用センサの構成について、図１に基づいて説明する。
　図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスデューサー１Ａ，１Ｂを用いた重送検知用センサ１０１の概念図である。
　重送検知用センサ１０１は、送波用の超音波トランスデューサー１Ａと、受波用の超音波トランスデューサー１Ｂとを備えている。また、超音波トランスデューサー１Ａに接続される発振器１０２、超音波トランスデューサー１Ｂに接続されるオシロスコープ１０４、および、超音波トランスデューサー１Ｂとオシロスコープ１０４との間に接続される増幅器１０３を備えている。超音波トランスデューサー１Ａと超音波トランスデューサー１Ｂとは、印刷機等における用紙搬送路１０９の両脇に、互いに対向して配置される。発振器１０２は、超音波トランスデューサー１Ａを駆動するための周波数パルス信号を発振する。超音波トランスデューサー１Ａは、その周波数パルス信号を受け、用紙搬送路１０９に100kHz以上の超音波パルスを送波する。100kHz以上の超音波パルスは、様々な厚みや種類の用紙に対しての重送状態の検出に適している。用紙搬送路１０９において、超音波パルスは、搬送されている用紙を透過して超音波トランスデューサー１Ｂに到達する。この際、用紙が重送状態であれば、音波の減衰が著しく大きくなる。超音波トランスデューサー１Ｂは、超音波パルスを受波して検出信号を出力する。増幅器１０３は、超音波トランスデューサー１Ｂから入力される検出信号を増幅する。オシロスコープ１０４は、増幅器１０３で増幅された検出信号から、音波の減衰が著しく大きければ、用紙搬送路１０９で用紙が重送されていると判定し、そうでなければ用紙搬送路１０９で用紙が単送されていると判定する。
　図１（Ｂ）は、本実施形態に係る超音波トランスデューサー１Ａの側面図である。図１（Ｂ）における紙面内の上方向が超音波を送波する方向であり、超音波トランスデューサー１Ａの正面方向である。
　なお、超音波トランスデューサー１Ｂは、超音波トランスデューサー１Ａとほとんど同じ構成であり、ここでは詳細な説明を省く。超音波トランスデューサー１Ｂは、超音波トランスデューサー１Ａと、振動子１１における圧電体層と電極層との積層数、および全体寸法が相違するものである。
　超音波トランスデューサー１Ａは、金属カバー２と、樹脂ケース３と、振動子１１と、金属端子５，６と、を備えている。金属カバー２は、導電性を持つ金属材料からなり、正面および背面が開口する筒状である。金属カバー２は、樹脂ケース３を保持し、電磁シールドとして機能する。樹脂ケース３は、プラスチック樹脂の射出成型により形成されており、正面側が開口する有底筒状である。樹脂ケース３は、開口から正面側に振動子１１の端部が突出するように、振動子１１を保持している。樹脂ケース３が本実施形態におけるケース部に相当する。金属端子５，６は、背面側の端部が樹脂ケース３の背面から突出していて、振動子１１に駆動電圧を印加する。
　図１（Ｃ）は、本実施形態に係る振動子１１の斜視図である。なお、図１（Ｃ）における紙面内の上方向が超音波を送受する方向であり、振動子１１の正面方向である。振動子１１は、整合層１１Ａと圧電素子層１１Ｂとを備えている。整合層１１Ａは、正面および背面が正方形の柱状である。圧電素子層１１Ｂも同様に、正面および背面が正方形の柱状である。圧電素子層１１Ｂの正面および背面における縦横寸法は、整合層１１Ａの正面および背面における縦横寸法よりも若干大きくしている。なお、振動子１１の正面および背面の形状は、正方形または円形であると振動効率を高めることができるとともに不要振動の発生を防ぐことができ好適である。ただし、音波の指向性を制御するために長方形や長円形であってもよい。
　整合層１１Ａは、ポッティングと熱硬化とによる接合が可能なエポキシ樹脂にガラスバルーンを混合させた低比重材料からなり、振動子１１の正面側に位置していて、圧電素子層１１Ｂと外界（外気）との音響インピーダンスの整合を取るために設けられている。
　圧電素子層１１Ｂは、振動子１１の背面側に位置していて、正面－背面間の方向を積層方向として複数の電極層１１Ｂ１と複数の圧電体層１１Ｂ２とを積層して構成されている。圧電体層１１Ｂ２は、電気機械結合係数と圧電ｄ定数が大きく、機械的品質係数が小さいチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。振動子１１は、積層方向に平行な２側面（図１（Ｂ）における紙面内の左右方向に位置する右側面および左側面）が、電極接続部となるように構成されていて、図示しない側面電極と絶縁膜とによって偶数番目または奇数番目の電極層１１Ｂ１同士が選択的に接続されるとともに、金属端子５または金属端子６に接続されることになる。
　以下、超音波トランスデューサー１Ａの詳細構成について説明する。図２は、超音波トランスデューサー１Ａの断面図である。図２（Ａ）は、図２（Ｂ）に示す一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る位置での断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中に示す一点鎖線Ａ－Ａ’を通る位置での断面図である。
　金属カバー２は、筒状部位２Ａと舌状部位２Ｂとを備えている。筒状部位２Ａは、底の無い筒状の部位であり、正面および背面の外形状および内形状が正方形である。舌状部位２Ｂは、筒状部位２Ａの背面側から背面方向に延設される細長い舌状の部位であり、接地端子として用いられるものである。
　樹脂ケース３は、有底筒状であり、金属カバー２の内寸と概等しい外寸で形成されていて、背面近傍の外側面に、外寸を部分的に大きくして形成された段部３Ｄが設けられている。段部３Ｄは、金属カバー２の筒状部位２Ａが接触することにより、樹脂ケース３を係止するものである。また、段部３Ｄには、一部に舌状部位２Ｂが通過する溝が形成されている。
　また、樹脂ケース３は、正面に矩形の開口部３Ａが設けられている。開口部３Ａは振動子１１が内挿されるものである。また、樹脂ケース３は、背面に長方形の孔３Ｂが設けられている。孔３Ｂは、開口部３Ａの内底面に連通していて、金属端子５，６の背面側端部が内挿されるものである。また、開口部３Ａの内部には、孔３Ｂから内底面および内壁面に沿って延設される溝３Ｃが形成されている。溝３Ｃは、金属端子５，６を係止するものである。開口部３Ａは、正面から内底面までの距離（開口部３Ａの深さ）が、振動子１１の厚み寸法よりも浅く設定されている。これにより、開口部３Ａから振動子１１の端部が突出する、即ち、開口部３Ａから整合層１１Ａが部分的に突出することになる。
　金属端子５，６は、導電性を持つ金属材料からなる概略棒状の部材であり、中央付近で２度屈曲させて段部分を設けている。金属端子５，６の段部分よりも正面側の端部および段部分は、樹脂ケース３の溝３Ｃに嵌合され、開口部３Ａの内部に設けられている。金属端子５，６の段部分よりも背面側の端部は、孔３Ｂから背面側に突出して設けられている。金属端子５，６の正面側の端部は、樹脂ケース３の開口部３Ａ内で振動子１１の側面と樹脂ケース３の内壁面とに狭まれ、その位置には、振動子１１側に突出するように屈曲するくの字状の部位が形成されている。この部位が弾性変形することで、金属端子５，６は、常に振動子１１に接触するように構成されている。なお、金属端子５，６は、導電性接着剤などを用いて、くの字状の部位などを振動子１１の側面に接着してもよい。また、振動子１１は、絶縁性接着剤などを用いて、樹脂ケース３の内底面に接着されていてもよい。
　振動子１１は、圧電素子層１１Ｂ側から開口部３Ａに内挿されていて、整合層１１Ａ側が開口部３Ａから正面に突出している。開口部３Ａは、溝３Ｃの形成領域を除いて内壁面が圧電素子層１１Ｂの外壁面に弾接するように、その寸法が設定されている。一方、前述したように、整合層１１Ａの縦横寸法は、圧電素子層１１Ｂの縦横寸法よりも小さいので、開口部３Ａの内壁面から側面が離間して（開放されて）いる。このため、振動子１１は、圧電素子層１１Ｂの外側面で樹脂ケース３に支持されることになる。
　整合層と圧電素子層とを備える振動子において、整合層の熱膨張係数と圧電素子層を構成する圧電体層の熱膨張係数とが大きく異なると、整合層と圧電素子層との間で剥離が生じることがある。特に、整合層の縦横寸法が圧電素子層の縦横寸法が同じである場合には、整合層と圧電素子層との間の部分に熱応力（引張応力）が集中し、整合層と圧電素子層との間での剥離が生じやすくなったり、圧電素子層にクラックが生じやすくなったりする。超音波トランスデューサーでは、整合層と圧電素子層との間での剥離が生じると、共振周波数が低くなり、感度が低くなってしまう。整合層と圧電素子層との間での剥離を防止するために、整合層と圧電素子層とを弾性接着剤によって接合することが考えられるが、圧電素子層の振動が整合層に伝搬しにくくなり、感度が低くなってしまう。
　そこで、本実施形態のように、整合層１１Ａの縦横寸法が圧電素子層１１Ｂの縦横寸法よりも小さいと、圧電素子層１１Ｂに加わる熱応力（引張応力）が分散することによって整合層１１Ａと圧電素子層１１Ｂとの間の部分に加わる熱応力が小さくなり、整合層１１Ａと圧電素子層１１Ｂとの間での剥離が生じにくい。このため、超音波トランスデューサー１Ａでは、共振周波数の低下ならびに感度の低下が起こりにくい。
　以上の各部材、金属カバー２、樹脂ケース３、振動子１１、および金属端子５，６によって超音波トランスデューサー１Ａは構成されている。振動子１１は、正面－背面間の方向に沿って厚み振動するように構成される。そのため、振動子１１の正面全面が振動領域となり、小型化しても、共振周波数の変化や音圧や感度の低下が生じ難い。したがって重送検知用センサ１０１として、良好な音波特性を実現することができる。また、振動子１１は、整合層１１Ａの一部と圧電素子層１１Ｂとが樹脂ケース３の開口部３Ａの内部に配置されるので、外部からの衝撃などの影響を受けにくく、高い耐久性能を実現できる。
　その上、振動子１１は、樹脂ケース３の開口部３Ａの内壁面に圧電素子層１１Ｂの外側面で支持され、整合層１１Ａの外側面は開口部３Ａの内壁面から開放されるので、整合層１１Ａの外側面に開口部３Ａの内壁面が接触する場合よりも、音波特性の劣化や不安定化を防ぐことができる。
　図３および図４は、振動子と樹脂ケースとの接触位置による音響特性の影響について、周波数－インピーダンス特性に基づいて説明する図であり、図３は、比較例に係る超音波トランスデューサーについて示し、図４は、本発明の実施例に係る超音波トランスデューサーについて示している。なお、ここでは、比較例に係る超音波トランスデューサーは、整合層と圧電素子層とで面一な外側面を有する振動子と、振動子の外側面と均一な間隔で開口部の内壁面が対向する樹脂ケースとを用い、整合層と樹脂ケースとを接着剤で接合させた構成である。また、本発明の実施例に係る超音波トランスデューサーは、超音波トランスデューサー１Ａと同じ構成の振動子と樹脂ケースとを用い、圧電素子層と樹脂ケースとを接着剤で接合させた構成である。
　図３に示すように、整合層が樹脂ケースに固定される比較例（接触時）では、約171kHz、約268kHz、約302kHz、約375kHzが共振周波数となっており、約176kHz、約295kHz、約326kHz、約396kHzが***振周波数となる。各共振周波数での抵抗値（共振抵抗）と各***振周波数での抵抗値の差は、整合層と樹脂ケースとが非接触な構成（非接触時）と比較すると、非接触時の方が大きく、接触時の方が小さい。
　一方、図４に示すように、圧電素子層が樹脂ケースに固定される実施例（接触時）では、約168kHz、約267kHz、約303kHz、約374kHzが共振周波数となっており、約173kHz、約293kHz、約322kHz、約398kHzが***振周波数となる。各共振周波数での抵抗値（共振抵抗）と各***振周波数での抵抗値の差は、圧電素子層と樹脂ケースとが非接触な構成（非接触時）と比較すると、約267kHz以上の極値の近傍で、接触時の方が抵抗値の差が小さいが、約168kHzと約173kHzとの近傍では、抵抗値の差が殆ど変わらない。
　なお、この超音波トランスデューサーの構成では、図３の場合には約171kHzの共振周波数、図４の場合には約168kHzの共振周波数で駆動する際に、厚み振動および音波が最大化することになる。
　これらのことから、整合層が樹脂ケースに固定される比較例では、振動子の本来的な音波特性を実現することが難しく、ある程度の劣化が生じることになるが、圧電素子層が樹脂ケースに固定される実施例では、振動子の本来的な音波特性をそのまま、劣化することなく実現することが可能であるといえる。
　なお、本実施形態においては、振動子の外側面を非平坦にし、開口部の内壁面を平坦にした構成を用いて本発明の超音波トランスデューサーを説明したが、本発明の超音波トランスデューサーは、その他の構成であっても実現することができる。
≪第２の実施形態≫
　図５は、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスデューサー２１の断面図である。図５（Ａ）は、図５（Ｂ）に示す一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る位置での断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）中に示す一点鎖線Ａ－Ａ’を通る位置での断面図である。
　本実施形態の超音波トランスデューサー２１は、第１の実施形態と相違する構成の振動子３１を備えている。振動子３１は、整合層３１Ａと圧電素子層３１Ｂとを備えている。整合層３１Ａは、正面および背面が正方形であり、正面における縦横寸法よりも背面における縦横寸法のほうが大きく、側面にテーパがついた柱状である。整合層３１Ａの背面における縦横寸法は、圧電素子層３１Ｂの正面における縦横寸法と等しくしている。
　この構成では、整合層３１Ａと圧電素子層３１Ｂとの界面部分の縁が開口部３Ａの内壁面に点接触するので、整合層３１Ａの水平方向の位置がより高い精度で固定され、音波特性をより高められる。また、整合層３１Ａの部材を金型成形する場合に、整合層３１Ａの型抜きが容易になる。そのため、超音波トランスデューサー２１の製造がより、容易なものになる。
≪第３の実施形態≫
　図６は、本発明の第３の実施形態に係る超音波トランスデューサー４１の断面図である。図６（Ａ）は、図６（Ｂ）に示す一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る位置での断面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中に示す一点鎖線Ａ－Ａ’を通る位置での断面図である。
　本実施形態の超音波トランスデューサー４１は、第１の実施形態と相違する構成の振動子５１と樹脂ケース４３とを備えている。振動子５１は、整合層５１Ａと圧電素子層５１Ｂとを備えている。整合層５１Ａは、正面および背面が正方形であり、縦横寸法が圧電素子層５１Ｂの縦横寸法と等しく、整合層５１Ａの外側面と圧電素子層５１Ｂの外側面が面一に構成されたものである。樹脂ケース４３は、開口部４３Ａと孔４３Ｂと溝４３Ｃと段部４３Ｄとが形成されている。開口部４３Ａは、正面側の内径寸法が背面側の内径寸法よりも大きくなるように、段付き形状で構成されている。
　この構成では、振動子５１において整合層５１Ａと圧電素子層５１Ｂとの外寸が等しくても、段付き形状の開口部４３Ａにより、整合層５１Ａの側面に開口部４３Ａの内壁面が接触することを防いでいる。このように本発明の超音波トランスデューサーは、振動子の外側面が平坦であっても、開口部の内壁面を非平坦にして構成されていてもよい。
　この振動子５１は、全体として直方体状であるため、製造時に、複数の振動子５１を一体に構成してからダイシングなどによって分割して、複数の振動子５１を一度に製造することが可能になる。したがって、振動子５１の製造コストを低減することが可能になる。
≪第４の実施形態≫
　図７は、本発明の第４の実施形態に係る超音波トランスデューサー６１の断面図である。図７（Ａ）は、図７（Ｂ）に示す一点鎖線Ｂ－Ｂ’を通る位置での断面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中に示す一点鎖線Ａ－Ａ’を通る位置での断面図である。
　本実施形態の超音波トランスデューサー６１は、第１の実施形態と相違する構成の振動子７１と樹脂ケース６３とを備えている。振動子７１は、整合層７１Ａと圧電素子層７１Ｂとを備えている。整合層７１Ａは、正面および背面が正方形で、縦横寸法が圧電素子層７１Ｂの縦横寸法と等しいものである。樹脂ケース６３は、開口部６３Ａと孔６３Ｂと溝６３Ｃと段部６３Ｄとが形成されていて、開口部６３Ａは、内壁面から突出する突起部６３Ｅが形成されている。突起部６３Ｅは、開口部６３Ａの内底面から所定距離の位置で、開口部６３Ａを略周回するように形成されている。そして、突起部６３Ｅと開口部６３Ａの内底面のみが、振動子７１に接触するように構成されている。突起部６３Ｅは、圧電素子層７１Ｂの厚み振動のノード点となる位置で振動子７１に接触するように、その形成位置が設定されている。
　この構成では、振動子７１において整合層７１Ａと圧電素子層７１Ｂとの外形寸法が等しくても、開口部６３Ａに設けた突起部６３Ｅを、振動子７１の圧電素子層７１Ｂに接触させることにより、整合層７１Ａの側面に開口部６３Ａの内壁面が接触することを防いでいる。突起部６３Ｅは、圧電素子層７１Ｂの厚み振動のノード点となる位置に接触するので、圧電素子層７１Ｂの厚み振動が阻害されることを確実に防ぎ、より安定した音波特性を実現することが可能になる。このように本発明の超音波トランスデューサーは構成されていてもよい。
　この振動子７１は、全体として直方体状であるため、製造時に、複数の振動子７１を一体に構成してからダイシングなどによって分割して、複数の振動子７１を一度に製造することが可能になる。したがって、振動子７１の製造コストを低減することが可能になる。なお、突起部については樹脂ケースと一体に構成する他、振動子と一体に構成しても良く、また、樹脂ケースおよび振動子とは別体に構成してもよい。
　以上の実施形態で説明したように本発明は実施することができるが、本発明の超音波トランスデューサーは、重送検知用センサの他のデバイスに用いることもできる。また、振動子や超音波トランスデューサーの具体的な構成や材料は、上述したものに限られず、少なくとも整合層の側面が開放された状態で、圧電素子層がケース部に支持されるならば、他の構成や材料が採用されていても良い。
１Ａ，１Ｂ，２１，４１，６１…超音波トランスデューサー
２…金属カバー
２Ａ…筒状部位
２Ｂ…舌状部位
３，４３，６３…樹脂ケース
３Ａ，４３Ａ，６３Ａ…開口部
３Ｂ，４３Ｂ，６３Ｂ…孔
３Ｃ，４３Ｃ，６３Ｃ…溝
３Ｄ，４３Ｄ…段部
５，６…金属端子
１１，３１，５１，７１…振動子
１１Ａ，３１Ａ，５１Ａ，７１Ａ…整合層
１１Ｂ，３１Ｂ，５１Ｂ，７１Ｂ…圧電素子層
１１Ｂ１…電極層
１１Ｂ２…圧電体層
６３Ｅ…突起部
１０１…重送検知用センサ
１０２…発振器
１０３…増幅器
１０４…オシロスコープ

Claims (5)

  1. 　開口部を有しているケース部と、
    　前記開口部に挿入されている振動子と、
    　を備える超音波トランスデューサーであって、
    　前記振動子は、
    　厚み振動するように構成されていて、厚み方向の主面に交差する側面が前記開口部の内壁面に対向して接する圧電素子層と、
    　前記圧電素子層の厚み方向に積層されていて、前記圧電素子層の前記厚み方向において一部が前記開口部から露出し、前記厚み方向の主面に交差する側面が、前記開口部の内壁面から開放されている整合層と、
    　を備えている、超音波トランスデューサー。
  2. 　前記整合層は、側面が前記開口部の内壁面に対向する、請求項１に記載の超音波トランスデューサー。
  3. 　前記圧電素子層は、前記開口部の内壁面との接触位置が、振動のノード点となる位置である、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
  4. 　前記整合層は、側面が前記厚み方向に対してテーパを持ち、
    　前記整合層と前記圧電素子層との界面部分の縁は、前記開口部の内壁面に点接触する、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
  5. 　前記整合層の側面と前記圧電素子層の側面とは面一である、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサー。
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