CN115041382A - 超声波换能器 - Google Patents

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CN115041382A CN202210142019.4A CN202210142019A CN115041382A CN 115041382 A CN115041382 A CN 115041382A CN 202210142019 A CN202210142019 A CN 202210142019A CN 115041382 A CN115041382 A CN 115041382A
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vibration
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住吉三树夫
佐藤菜菜
本间光尚
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Abstract

本发明的超声波换能器具备：壳体、压电元件、配线构件、发泡构件以及减振材料。壳体具有底壁。压电元件在壳体内配置于底壁上。配线构件与压电元件电连接。发泡构件配置于压电元件上。减振材料配置于压电元件和发泡构件之间。发泡构件具有在压电元件的厚度方向上与压电元件相对的底面。在底面具有形成有多个凹陷。减振材料将压电元件和底面接合。

Description

超声波换能器
技术领域
本公开涉及一种超声波换能器。
背景技术
在日本特开2004-260239号公报中，已知一种超声收发器，其具备：容纳壳体、配置于容纳壳体内的压电振动元件、配置于压电振动元件上的毛毡等隔音用填充材料、以及密封容纳壳体的硅树脂等封闭用绝边缘树脂。
发明内容
发明所要解决的问题
超声波换能器，谋求超声波分量的回响的进一步降低。但是，如上述的超声器件难以充分地降低超声波分量的回响。
本公开的一个方式的目的在于，提供一种进一步降低超声波分量的回响的超声波换能器。
用于解决问题的技术手段
本公开的一个方式的超声波换能器具备：壳体、压电元件、配线构件、发泡构件以及减振材料。壳体具有底壁。压电元件在壳体内配置于底壁上。配线构件与压电元件电连接。发泡构件配置于压电元件上。减振材料配置于压电元件和发泡构件之间。发泡构件具有在压电元件的厚度方向上与压电元件相对的底面。在底面形成有多个凹陷。减振材料将压电元件和底面接合。
在上述一个方式中，由于减振材料将发泡构件的底面和压电元件接合，因此，能够通过减振材料抑制压电元件的振动。由于在发泡构件的底面形成有多个凹陷，因此，能够使减振材料进入多个凹陷。由此，能够使减振材料追随底面的形状，并且将发泡构件和压电元件强力接合。其结果，能够进一步降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，减振材料的厚度为压电元件的厚度的0.5倍以上且1.5倍以下。在该情况下，进一步降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，减振材料从底面渗入发泡构件的内部。在该情况下，可靠地降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，底壁具有：配置有压电元件的配置区域、和包围配置区域的周边区域。也可以为，在周边区域和底面之间形成有空洞。在该情况下，压电元件的振动不易被约束。因此，收发灵敏度增大。
在上述一个方式中，也可以为，底壁具有：配置有压电元件的配置区域、和包围配置区域的周边区域。也可以为，减振材料包含：填充于周边区域和底面之间的第一部分。在该情况下，通过第一部分进一步降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，壳体具有侧壁。也可以为，发泡构件具有与侧壁相对的侧面。也可以为，减振材料包含：与第一部分连接并且配置于侧壁和侧面之间的第二部分。在该情况下，由于在侧壁传递的振动也被第二部分抑制，因此，进一步降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，配线构件为柔性基板。在该情况下，由于配线构件薄，因此，容易将减振材料的厚度设定在适当的范围内。
在上述一个方式中，也可以为，减振材料由树脂构成。在该情况下，可靠地降低超声波分量的回响。
在上述一个方式中，也可以为，发泡构件包含连续气泡。在该情况下，减振材料容易渗入到发泡构件的内部。
在上述一个方式中，也可以为，配线构件在压电元件的厚度方向的两侧被减振材料覆盖。在该情况下，进一步降低超声波分量的回响。
发明效果
根据本公开的一个方式，提供了一种进一步降低超声波分量的回响的超声波换能器。
附图说明
图1是示出实施方式的超声波换能器的概略立体图。
图2是图1所示的超声波换能器的分解立体图。
图3是示出壳体、保持构件及一对引脚端子的概略俯视图。
图4是示出压电元件、配线构件、发泡构件、保持构件及一对引脚端子的概略立体图。
图5是示出安装有配线构件的压电元件的概略立体图。
图6是图1所示的超声波换能器的VI－VI线截面图。
图7是图6的局部放大图。
图8是图7的局部放大图。
图9是示出减振材料的厚度和回响时间的关系的图表。
图10是变形例的超声波换能器的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。此外，在说明中，对相同要素或具有相同功能的要素使用相同的符号，省略重复说明。
参照图1～图8，对实施方式的超声波换能器1的结构进行说明。
超声波换能器1能够根据从外部输入的电信号振荡，输出超声波信号。另外，超声波换能器1在从外部接收超声波信号时，能够将该信号作为电信号发送到外部。
如图2所示，超声波换能器1具有能够收发超声波的结构，具体而言，具备：壳体10、压电元件20、配线构件30、发泡构件40、保持构件50、一对引脚端子60A、60B、填充材料70、以及减振材料80。
壳体10为包含大致圆筒状的筒部14(侧壁)和堵塞筒部14的下端开口的底壁部12(底壁)而构成的杯状构件。壳体10例如由金属(作为一例为铝合金)构成。
在筒部14的内部划定容纳空间，并且在相对于筒部14的延伸方向正交的截面的容纳空间的形状为大致椭圆状(或圆角长方形状)。即，容纳空间具有沿一个方向(图3中的上下方向)延伸的截面形状。如图3所示，在筒部14，在上侧开口的边缘设置有三个凹陷部15A～15C。三个凹陷部15A～15C由以夹着上部开口的方式配置的两个凹陷部15A、15B和一个凹陷部15C构成。三个凹陷部15A～15C以具有相同的深度的方式设计。
底壁部12具有大致圆板状的形状。底壁部12包含振动区域V。振动区域V为堵塞筒部14的下侧开口的大致椭圆形板状的区域。振动区域V的厚度均匀。如图7所示，振动区域V具有：配置有压电元件20的配置区域V1、和配置区域V1的周边区域V2。从压电元件20的厚度方向D观察，配置区域V1为与压电元件20的整体重叠的区域。从厚度方向D观察，配置区域V1的外缘与压电元件20的外缘一致。从厚度方向D观察，周边区域V2为包围压电元件20及配置区域V1的环状区域。
压电元件20容纳于壳体10内。压电元件20在壳体10内配置于底壁部12的底面11上。压电元件20配置于配置区域V1。如图2所示，压电元件20具有矩形板状的外形。压电元件20的厚度例如为0.1mm以上且0.5mm以下。
如图5所示，压电元件20具备压电体层21和一对外部电极22、23而构成。外部电极22在压电体层21的上表面覆盖振动区域V的除长轴方向上的两端部以外的整个区域。外部电极23包含：覆盖压电体层21的下表面的整个区域的下表面部分、与外部电极22分离且覆盖压电体层21的上表面的一端部的上表面部分、以及以连接下表面部分和上表面部分的方式覆盖压电体层21的一个侧面的侧面部分。外部电极22和外部电极23的上表面部分在压电体层21的上表面在振动区域V的长轴方向上彼此分离。
压电体层21也可以为包含一层压电材料层的单层结构，也可以为多个压电材料层和内部电极层交替层叠的多层结构。压电材料层可以例如由PZT等压电陶瓷材料构成。压电元件20例如经由环氧系树脂等粘接材料粘接于壳体10的底壁部12。压电元件20也可以与壳体10的底壁部12直接接合。
配线构件30与压电元件20电连接。配线构件30与压电元件20一同容纳于壳体10内。如图5所示，配线构件30呈片状或带状，使一端部30a在压电元件20上重叠而配置。配线构件30例如为柔性印刷电路板(FPC)或柔性扁平电缆(FFC)等柔性基板。即，配线构件30包含例如由聚酰亚胺树脂等树脂构成的树脂片材和设置于树脂片材的多个配线而构成。
配线构件30的厚度例如为0.05mm以上且0.2mm以下。配线构件30通过多个配线将压电元件20的各外部电极22、23和后述的引脚端子60A、60B电连接。配线构件30的多个配线中，配线32与外部电极22及引脚端子60A连接，配线33与外部电极23及引脚端子60B连接。
发泡构件40配置于压电元件20上。发泡构件40容纳于壳体10内。从厚度方向D观察，发泡构件40以与压电元件20的整体重叠的方式设置。发泡构件40具有底面42、上表面43及侧面44作为其表面。底面42及上表面43在厚度方向D上彼此相对。底面42及上表面43例如具有大致椭圆形状。底面42在厚度方向D上与底壁部12及压电元件20相对。侧面44在与厚度方向D交叉的方向上与筒部14相对。配线构件30的端部30a及减振材料80介于发泡构件40和压电元件20之间。
如图7及图8所示，发泡构件40例如由气泡结构体构成。发泡构件40为通过气泡吸收振动的吸声体。在本实施方式中，发泡构件40由包含独立气泡46及连续气泡47的半独立半连续气泡结构体构成。连续气泡47的气泡彼此连续而成。在连续气泡47，气泡彼此相互连接且三维地连续。连续气泡47不仅在图7及图8所示的截面上连续，在与该截面交叉的方向上也连续。发泡构件40例如为硅海绵。发泡构件40也可以为以热塑性树脂为主体的发泡体。热塑性树脂例如包含乙烯-丙烯-二烯橡胶(EPDM)。
在发泡构件40的表面(底面42、上表面43及侧面44)形成有因气泡而引起的多个凹陷48。凹陷48由露出于发泡构件40的表面的气泡形成。发泡构件40的表面呈由凹陷48构成的凹部和由未设置凹陷48的部分构成的凸部交替连续的凹凸形状。
发泡构件40的气泡也可以具有通过压缩发泡构件40而相对于压缩方向扁平的形状。在该情况下，气泡的平均长宽比也可以例如为1.2以上且2.5以下。例如，平均长宽比为独立气泡46在压缩方向上的最大长度La与在正交于压缩方向的方向上的最大长度Lb的比率(Lb/La)的平均值。压缩方向也可以为厚度方向D，也可以为与厚度方向D正交的方向。
例如，如下求出平均长宽比。首先，获取压缩的发泡构件40的截面照片。截面照片为，拍摄有沿着压缩方向的平面切断发泡构件40时的截面的照片。获取的截面照片通过软件进行图像处理。通过该图像处理，判别气泡的边界。对于截面照片中包含的全部的独立气泡46(截面照片中视为独立气泡46的气泡)，求出最大长度La及最大长度Lb，并且计算比率(Lb/La)的平均值作为平均长宽比。
如图6及图7所示，配线构件30沿着发泡构件40的表面回绕。具体而言，配线构件30从发泡构件40的底面42侧通过侧面44侧而引出到上表面43侧。因此，配线构件30的一端部30a位于发泡构件40的底面42侧，另一端部30b位于发泡构件40的上表面43侧。
在配线构件30的端部30b，连接有一对引脚端子(导电性端子)60A、60B。一对引脚端子60A、60B与未图示的外部基板电连接，经由一对引脚端子60A、60B在外部基板和超声波换能器1之间进行信号的收发。一对引脚端子60A、60B均沿着厚度方向D延伸。各引脚端子60A、60B的下端部60a与在发泡构件40的上侧立起的配线构件30的端部30b电连接。更详细而言，一引脚端子60A的下端部60a与设置于配线构件30的配线32连接，另一引脚端子60B的下端部60a与配线33连接。引脚端子60A、60B的下端部60a和配线构件30的配线32、33例如焊料接合。
保持构件50将一对引脚端子60A、60B相对于壳体10保持。保持构件50位于发泡构件40的上侧，并且与壳体10的底壁部12分离。保持构件50具备主体部52和三个脚部54A、54B、54C而构成。保持构件50例如由树脂(作为一例为PBT树脂)构成。保持构件50不限于PBT树脂，也可以为PPS树脂或ABS树脂等，也可以含有玻璃纤维。
主体部52为沿着厚度方向D延伸的部分，呈长方体状的外形形状。主体部52位于壳体10的上部开口附近。在主体部52安装有一对引脚端子60A、60B。具体而言，一对引脚端子60A、60B贯穿主体部52，下端部60a从主体部52露出。一对引脚端子60A、60B以相互平行的姿势沿振动区域V的长轴方向排列，以分开规定距离的状态安装于主体部52。
三个脚部54A、54B、54C均与主体部52一体地设置，在相对于压电元件20的厚度方向D正交的方向上从主体部52延伸。三个脚部54A、54B、54C中，两个脚部54A、54B呈沿着振动区域V的短轴方向延伸的长条状，并且相互平行。各脚部54A、54B的端部54a，通过进入壳体10的凹陷部15A、15B而由壳体10的筒部14从下方支撑。脚部54C也与脚部54A、54B同样地沿着振动区域V的短轴方向延伸，脚部54C相对于主体部52沿与脚部54A、54B的相反侧延伸。脚部54C设计为短于脚部54A、54B，通过整体地进入壳体10的凹陷部15C而由壳体10的筒部14从下方支撑。
如图3所示，壳体10的凹陷部15C及保持构件50的脚部54C位于振动区域V的长轴方向上的大致中间，与脚部54A、54B在振动区域V的长轴方向上以大致等距离的量错开配置。因此，通过壳体10来支撑脚部54A～54C的三点(即，设置有凹陷部15A～15C的三个部位)的位置关系为以支撑脚部54C的点为顶点的等腰三角形的位置关系。
保持构件50向壳体10的安装，通过将保持构件50的各脚部54A～54C压入凹陷部15A～15C内而进行。通过将凹陷部15A～15C设计为相同的深度，从而脚部54A～54C的高度位置(例如以底面11为基准的高度位置)成为彼此相同，保持构件50的姿势稳定。在保持构件50安装于壳体10的状态下，引脚端子60A、60B沿厚度方向D延伸。
在将保持构件50安装于壳体10之前，可以将引脚端子60A、60B安装于保持构件50。引脚端子60A、60B向保持构件50的安装例如通过嵌件成形而进行。
填充材料70在将保持构件50安装于壳体10后，填充到壳体10的容纳空间。通过填充材料70填平容纳空间内的间隙。如图1所示，保持构件50的主体部52的一部分位于比壳体10的上部开口更靠上侧，并且从填充材料70中露出。填充材料70例如由树脂构成。填充材料70例如由RTV(Room Temperature Vulcanizing)硅橡胶、聚氨酯泡沫或环氧树脂构成。
减振材料80配置于压电元件20和发泡构件40之间。减振材料80将压电元件20和发泡构件40的底面42接合。减振材料80例如由树脂构成。减振材料80例如由RTV硅橡胶、聚氨酯泡沫或橡胶(NBR等)构成。减振材料80例如由与填充材料70相同的材料构成。如图7所示，减振材料80包含：填充于压电元件20和底面42之间的部分81、填充于周边区域V2和底面42之间的部分82(第一部分)、以及配置于筒部14和侧面44之间的部分83(第二部分)。
部分81还配置于配线构件30的端部30a和压电元件20之间。在配线构件30，配线32、33构成与压电元件20的接合部。部分81也回绕于配线构件30的除端部30a的接合部以外的部分和压电元件20之间。由此，在配线构件30的端部30a，除接合部以外的部分的厚度方向D的两侧被减振材料80覆盖。
部分81～83彼此一体地形成。具体而言，部分81和部分82相互直接连接。部分82和部分83相互直接连接。部分81的厚度(平均厚度)例如与压电元件20的厚度(平均厚度)同等。部分81的厚度为压电元件20的上表面和包含发泡构件40的底面42的假想面之间的厚度方向D上的长度。底面42为未设置凹陷48的部分，即，相当于凹凸形状的凸部的部分。部分81的厚度例如为压电元件20的厚度的0.5倍以上且1.5倍以下。部分81的厚度例如根据截面照片而求出。
在压电元件20配置于配置区域V1后，将减振材料80涂布于压电元件20上。减振材料80通过发泡构件40的底面42来按压并展开，由此，部分81～83一体地形成。树脂的涂布量及按压力根据减振材料80的期望的厚度及形状而适当地设定。在本实施方式中，在筒部14和侧面44之间，减振材料80(部分83)从底面42侧进入，并且填充材料70从上表面43侧进入。在本实施方式中，减振材料80(部分83)和填充材料70相互连接，但也可以相互分离。
如图7及图8所示，填充材料70及减振材料80渗入发泡构件40的内部。填充材料70及减振材料80具有追随发泡构件40的表面的凹凸形状的形状。填充材料70从上表面43渗入发泡构件40的内部。填充材料70进入上表面43的凹陷48内。填充材料70也可以无间隙地填充到凹陷48的整体，也可以部分地填充到凹陷48。减振材料80从底面42渗入发泡构件40的内部。减振材料80进入底面42的凹陷48内。减振材料80也可以无间隙地填充到凹陷48的整体，也可以部分地填充到凹陷48。
压电元件20根据从引脚端子60A、60B输入的信号而振动。在压电元件20振动时，在板厚方向上产生超声波周期的机械振动，并且在板厚方向及正交于板厚方向的方向上产生超声波振动。随着压电元件20的超声波振动，壳体10的底壁部12的振动区域V也进行超声波振动，并且超声波从底壁部12侧输出到壳体外部。
以下，针对超声波换能器1的制造方法的一例进行说明。
在压电元件20安装配线构件30。配线构件30例如通过焊料接合安装于压电元件20。接着，根据壳体10的形状弯折配线构件30。接着，在壳体10的底面11的配置区域V1涂布粘接剂。粘接剂例如为热固性树脂。接着，将带有配线构件30的压电元件20配置于配置区域V1，使粘接剂粘合。接着，通过加热使粘接剂固化，将压电元件20固定于配置区域V1。
接着，在压电元件20上涂布成为减振材料80的树脂。接着，在压电元件20上配置发泡构件40，将发泡构件40朝向压电元件20加压。成为减振材料80的树脂以一边根据发泡构件40的底面42展开一边以追随底面42的凹凸形状的方式进入底面42的凹陷48内。此时，将配线构件30的除端部30a以外的部分设为沿着壳体10的筒部14的内表面的状态。接着，例如，通过嵌件成形在保持构件50安装一对引脚端子60A、60B。接着，在发泡构件40的上表面43上，将一对引脚端子60A、60B的下端部60a通过例如焊料接合与配线构件30的配线32、33连接。
接着，将保持构件50安装于壳体10。具体而言，将保持构件50的脚部54A、54B、54C压入壳体10的凹陷部15A、15B、15C。由此，一对引脚端子60A、60B与保持构件50一同安装于壳体10。接着，在将成为填充材料70的树脂填充到壳体10后，在室温下放置规定时间以上。由此，树脂固化，并且成为填充材料70及减振材料80。通过以上，可得到超声波换能器1。
以下，对实施方式的超声波换能器1的效果进行说明。
在超声波换能器1中，减振材料80将发泡构件40的底面42和压电元件20接合，因此，能够通过减振材料80抑制压电元件20的振动。压电元件20的振动通过由发泡构件40吸收而进一步得到抑制。在底面42形成有多个凹陷48，因此，能够使减振材料80进入多个凹陷48。由此，能够使减振材料80追随底面42的形状，将发泡构件40和压电元件20强力接合。其结果，能够进一步降低超声波分量的回响。此外，本发明人通过实验确认：在不使减振材料80与发泡构件40接合的情况下，未降低超声波分量的回响。
减振材料80的部分81的厚度为压电元件20的厚度的0.5倍以上且1.5倍以下。由此，进一步降低超声波分量的回响。如图9所示，本发明人通过实验确认：减振材料80的部分81的厚度在0.3mm附近时回响时间最短。用于该实验的压电元件20的厚度为0.2mm。
减振材料80从底面42渗入发泡构件40的内部。即，减振材料80进入底面42的多个凹陷48。由此，可靠地降低超声波分量的回响。
底壁部12具有：配置有压电元件20的配置区域V1、和包围配置区域V1的周边区域V2。减振材料80包含填充于周边区域V2和底面42之间的部分82。通过部分82，进一步降低超声波分量的回响。
减振材料80包含与部分82连接且配置于壳体10的筒部14和发泡构件40的侧面44之间的部分83。根据部分83，在筒部14传递的压电元件20的振动也被抑制，因此，进一步降低超声波分量的回响。
配线构件30为柔性基板。配线构件30的端部30a介于压电元件20和发泡构件40之间。在配线构件30厚的情况下，压电元件20和发泡构件40之间的距离变大，因此，需要按照该距离将减振材料80的厚度增厚。因此，在抑制超声波分量的回响上，难以将减振材料80的厚度设定在适当的范围内。在本实施方式中，配线构件30薄，因此，容易将减振材料80的厚度设定在适当的范围内。
减振材料80由树脂构成。因此，可靠地降低超声波分量的回响。
发泡构件40包含连续气泡。因此，减振材料80容易渗入发泡构件40的更内部。
配线构件30的压电元件20的厚度方向D的两侧被减振材料80覆盖。由此，进一步降低超声波分量的回响。
在超声波换能器1中，保持引脚端子60A、60B的保持构件50由壳体10直接地保持。根据保持构件50，能够抑制引脚端子60A、60B相对于壳体10的相对位置偏移。特别是，由于保持构件50被压入壳体10的凹陷部15A～15C，因此，保持构件50相对于壳体10牢固地固定。因此，保持构件50相对于壳体10不易相对位置偏移。其结果，能够更加有效地抑制引脚端子60A、60B相对于壳体10的相对位置偏移。此外，除压入外，保持构件50也可以通过粘接保持于壳体10。
如上所述，本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变更。例如，配线构件30不限于柔性基板，也可以为引线框(lead frame)或引线。另外，压电元件20不限于矩形板状，也可以例如为圆形板状或椭圆形板状。
在上述的实施方式中，示出了保持构件50以三点支撑于壳体10的方式，根据三点支撑，有效地抑制引脚端子60A、60B相对于壳体10的相对位置偏移。但是，保持构件50也可以为以一点、两点或四点以上支撑于壳体10的方式。另外，超声波换能器1也可以不具备保持构件50。
如图10所示，在变形例的超声波换能器1A中，在周边区域V2和底面42之间形成有空洞C。另外，减振材料80包含部分81，不包含部分82、83。减振材料80的这种形状通过适当地设定成为减振材料80的树脂的涂布量及按压力来实现。即使在超声波换能器1A中，由于发泡构件40的底面42和压电元件20通过减振材料80接合，因此，也能够进一步降低超声波分量的回响。在超声波换能器1A中，由于在压电元件20的周围形成有空洞C，因此，压电元件20的振动不易被减振材料80约束。由此，收发灵敏度增大。

Claims (10)

1.一种超声波换能器，其中，
具备：
壳体，其具有底壁；
压电元件，其在所述壳体内配置于所述底壁上；
配线构件，其与所述压电元件电连接；
发泡构件，其配置于所述压电元件上；以及
减振材料，其配置于所述压电元件和所述发泡构件之间，
所述发泡构件具有：在所述压电元件的厚度方向上与所述压电元件相对并且形成有多个凹陷的底面，
所述减振材料将所述压电元件和所述底面接合。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，
所述减振材料的厚度为所述压电元件的厚度的0.5倍以上且1.5倍以下。
3.根据权利要求1或2所述的超声波换能器，其中，
所述减振材料从所述底面渗入所述发泡构件的内部。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述底壁具有：配置有所述压电元件的配置区域、和包围所述配置区域的周边区域，
在所述周边区域和所述底面之间形成有空洞。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述底壁具有：配置有所述压电元件的配置区域、和包围所述配置区域的周边区域，
所述减振材料包含：填充于所述周边区域和所述底面之间的第一部分。
6.根据权利要求5所述的超声波换能器，其中，
所述壳体具有侧壁，
所述发泡构件具有与所述侧壁相对的侧面，
所述减振材料包含：与所述第一部分连接并且配置于所述侧壁和所述侧面之间的第二部分。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述配线构件为柔性基板。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述减振材料由树脂构成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述发泡构件包含连续气泡。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的超声波换能器，其中，
所述配线构件在所述压电元件的厚度方向的两侧被所述减振材料覆盖。
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