JP2003244793A - 導電性合成樹脂から成る電極を有する超音波変換器 - Google Patents
導電性合成樹脂から成る電極を有する超音波変換器Info
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-
- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
- G10K9/18—Details, e.g. bulbs, pumps, pistons, switches or casings
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- G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
- G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】超音波変換器の圧電磁器素子に接続線を手動で
はんだ付けすることを省略して取り付けを簡単にする。 【解決手段】超音波変換器１０が、板状の圧電磁器素子
１１から成る。この圧電磁器素子１１は、その上側にλ
／４の整合体１３を有し、その下側に減衰体１４及び減
衰層１７を有する。接続線を省略し、これらの接続線に
関連する問題を回避するため、圧電振動子１１を包囲す
る合成樹脂部材１４，１７が、導電性を有し圧電磁器素
子の接触に直接利用される。整合体１３は、特に金属で
被覆されたマイクロガラス球体から成る。これらの球体
は、合成樹脂と混ぜられている。減衰体１４及び減衰層
１７は、導電性のカーボンブラックを添加することによ
って低抵抗にでき、電気端子として使用される。強磁性
粒子を添加することによって、交流磁場に対する遮蔽の
減衰を改善することができる。
はんだ付けすることを省略して取り付けを簡単にする。 【解決手段】超音波変換器１０が、板状の圧電磁器素子
１１から成る。この圧電磁器素子１１は、その上側にλ
／４の整合体１３を有し、その下側に減衰体１４及び減
衰層１７を有する。接続線を省略し、これらの接続線に
関連する問題を回避するため、圧電振動子１１を包囲す
る合成樹脂部材１４，１７が、導電性を有し圧電磁器素
子の接触に直接利用される。整合体１３は、特に金属で
被覆されたマイクロガラス球体から成る。これらの球体
は、合成樹脂と混ぜられている。減衰体１４及び減衰層
１７は、導電性のカーボンブラックを添加することによ
って低抵抗にでき、電気端子として使用される。強磁性
粒子を添加することによって、交流磁場に対する遮蔽の
減衰を改善することができる。
Description
【０００１】
【従来の技術】請求項１の上位概念中に記載の種類の超
音波変換器は、主に板状の圧電磁器素子から構成され
る。この圧電磁器素子は、電圧パルス（個別パルス又は
パルス郡）によって高周波振動する。この場合、圧電磁
器素子の厚さが、振動子の固有周波数を決定し、超音波
変換器の周囲と厚さとの比が、放射特性を決定する。
音波変換器は、主に板状の圧電磁器素子から構成され
る。この圧電磁器素子は、電圧パルス（個別パルス又は
パルス郡）によって高周波振動する。この場合、圧電磁
器素子の厚さが、振動子の固有周波数を決定し、超音波
変換器の周囲と厚さとの比が、放射特性を決定する。
【０００２】圧電磁器素子の音響インピーダンスは、大
気圧下の空気の音響インピーダンスよりも１０の５乗程
度大きい。適切な整合なしでは、圧電磁器素子内部の音
波が、空気に対する境界層でほぼ完全に反射して、音響
出力の一部しか空気に伝達されなかった。それ故に、超
音波変換器は、容器状に形成されているいわゆる整合層
を有する。出力の整合及び同時に最適な信号伝達を実現
するためには、整合層の厚さを精確に波長の１／４にす
る必要がある。さらに、使用される材料の音響インピー
ダンスを空気と圧電磁器とのインピーダンスから成る幾
何学媒体(geometrischen Mittel)に一致させる必要があ
る。
気圧下の空気の音響インピーダンスよりも１０の５乗程
度大きい。適切な整合なしでは、圧電磁器素子内部の音
波が、空気に対する境界層でほぼ完全に反射して、音響
出力の一部しか空気に伝達されなかった。それ故に、超
音波変換器は、容器状に形成されているいわゆる整合層
を有する。出力の整合及び同時に最適な信号伝達を実現
するためには、整合層の厚さを精確に波長の１／４にす
る必要がある。さらに、使用される材料の音響インピー
ダンスを空気と圧電磁器とのインピーダンスから成る幾
何学媒体(geometrischen Mittel)に一致させる必要があ
る。
【０００３】図２は、従来の技術による種類の超音波変
換器２０の構成を概略的に示す（ドイツ連邦共和国特許
出願公開第 198 11 982 号明細書，ドイツ連邦共和国特
許出願公開第 40 28 315号明細書参照）。
換器２０の構成を概略的に示す（ドイツ連邦共和国特許
出願公開第 198 11 982 号明細書，ドイツ連邦共和国特
許出願公開第 40 28 315号明細書参照）。
【０００４】超音波変換器２０の振動子２１は、薄くて
両側が導電性被覆された圧電磁器から成る１枚の板であ
る。振動子２１は、銅線２２ａ，２２ｂによって電気的
に接続される。これらの銅線２２ａ，２２ｂは、圧電磁
器素子２１の接触層２３ａ，２３ｂに半田付けされてい
る。この圧電磁器素子２１は、半田付け後に整合体とし
て使用される合成樹脂ポット２４の底部に付着される。
さらに、合成樹脂ポット２４は、減衰材２５で充填され
る。この減衰材２５は、合成樹脂ポット２４の開口部に
向かって放射された音波エネルギーを吸収する。超音波
変換器２０の取付け時に衝撃音の伝達を阻止するため、
合成樹脂ポット２４が、軟らかい合成樹脂体２６内に埋
め込まれる。
両側が導電性被覆された圧電磁器から成る１枚の板であ
る。振動子２１は、銅線２２ａ，２２ｂによって電気的
に接続される。これらの銅線２２ａ，２２ｂは、圧電磁
器素子２１の接触層２３ａ，２３ｂに半田付けされてい
る。この圧電磁器素子２１は、半田付け後に整合体とし
て使用される合成樹脂ポット２４の底部に付着される。
さらに、合成樹脂ポット２４は、減衰材２５で充填され
る。この減衰材２５は、合成樹脂ポット２４の開口部に
向かって放射された音波エネルギーを吸収する。超音波
変換器２０の取付け時に衝撃音の伝達を阻止するため、
合成樹脂ポット２４が、軟らかい合成樹脂体２６内に埋
め込まれる。
【０００５】実際には、整合材の音響インピーダンスに
関する要求並びにこの整合材の強度及び媒体の安定性に
関する要求を同時に満たすことはできない。妥協が、エ
ポキシ樹脂から成る整合層２４である。隣合ったマイク
ロガラスの中空球体が接触するように、これらの球体が
エポキシ樹脂に高い割合で混ぜられている。この合成樹
脂は、強度に配慮し、中空球体は、固有の重量を軽く
し、同時に材料の音響インピーダンスを低下させる。
関する要求並びにこの整合材の強度及び媒体の安定性に
関する要求を同時に満たすことはできない。妥協が、エ
ポキシ樹脂から成る整合層２４である。隣合ったマイク
ロガラスの中空球体が接触するように、これらの球体が
エポキシ樹脂に高い割合で混ぜられている。この合成樹
脂は、強度に配慮し、中空球体は、固有の重量を軽く
し、同時に材料の音響インピーダンスを低下させる。
【０００６】減衰材２５は、コランダム粒子が混ぜられ
ている合成樹脂から成る。整合容器２４が、この減衰材
２５で充填される。これらのコランダム粒子は、粉末に
することによって音響エネルギーを減衰させる。衝撃音
を減衰する成形体２６も、同様に合成樹脂である。
ている合成樹脂から成る。整合容器２４が、この減衰材
２５で充填される。これらのコランダム粒子は、粉末に
することによって音響エネルギーを減衰させる。衝撃音
を減衰する成形体２６も、同様に合成樹脂である。
【０００７】上述超音波変換器２０は、作業工程が複雑
なために手によって取付けられる。この場合、接続線２
２ａ，２２ｂの圧電磁器素子２１の接触面２３ａ，２３
ｂへの半田付けが、特に欠点として強調されている。整
合容器２４が、半田付け個所２８ａ，２８ｂのうちの一
方の半田付け個所２８ａを収容する凹部２７を有する必
要がある点も欠点である。取付け時には、圧電磁器素子
２１を適切に正しい位置に合わせる必要がある。
なために手によって取付けられる。この場合、接続線２
２ａ，２２ｂの圧電磁器素子２１の接触面２３ａ，２３
ｂへの半田付けが、特に欠点として強調されている。整
合容器２４が、半田付け個所２８ａ，２８ｂのうちの一
方の半田付け個所２８ａを収容する凹部２７を有する必
要がある点も欠点である。取付け時には、圧電磁器素子
２１を適切に正しい位置に合わせる必要がある。
【０００８】針金で編み合わされた磁器板２１の取扱い
が接続線２２ａ，２２ｂの僅かな曲げ負荷でも破損する
か又は折れるので、これらの針金製の磁器板２１の取扱
いも問題である。目視検査時に目立たない磁器素子２１
の破損は、超音波変換器２０の取付けの終了時の検査で
初めて分かる。
が接続線２２ａ，２２ｂの僅かな曲げ負荷でも破損する
か又は折れるので、これらの針金製の磁器板２１の取扱
いも問題である。目視検査時に目立たない磁器素子２１
の破損は、超音波変換器２０の取付けの終了時の検査で
初めて分かる。
【０００９】超音波変換器２０は、主に送受信ユニット
として作動される。圧電磁器素子２１の音響インピーダ
ンスは非常に高い。その結果、後続接続された増幅段
は、高い入力インピーダンスを有する必要がある。この
ことは、受信器の入力段を電気的な雑音場の入力に対し
て敏感にする。このことを回避するため、超音波変換器
２０は、一般に適切な遮蔽部（例えば、遮蔽板）によっ
て包囲される。
として作動される。圧電磁器素子２１の音響インピーダ
ンスは非常に高い。その結果、後続接続された増幅段
は、高い入力インピーダンスを有する必要がある。この
ことは、受信器の入力段を電気的な雑音場の入力に対し
て敏感にする。このことを回避するため、超音波変換器
２０は、一般に適切な遮蔽部（例えば、遮蔽板）によっ
て包囲される。
【００１０】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第198 11
982号明細書
982号明細書
【００１１】
【特許文献２】ドイツ連邦共和国特許出願公開第40 28
315 号明細書
315 号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】請求項１に記載の特徴
を有する本発明の装置では、圧電磁器振動子を包囲する
合成樹脂が導電性であり、圧電磁気素子の接触に直接利
用される。整合容器の材料，減衰体及び衝撃音を減衰さ
せる物体（減衰体）は、導電性の粒子を使用することに
よって低抵抗になり、電気端子として使用される。
を有する本発明の装置では、圧電磁器振動子を包囲する
合成樹脂が導電性であり、圧電磁気素子の接触に直接利
用される。整合容器の材料，減衰体及び衝撃音を減衰さ
せる物体（減衰体）は、導電性の粒子を使用することに
よって低抵抗になり、電気端子として使用される。
【００１３】整合体の材料を導電性にするため、マイク
ロガラス中空球体が合成樹脂と混ぜられる前に、これら
のマイクロガラス中空球体が金属で被覆される。球体が
混合中に接触するほど、多数の電流経路が形成され、材
料の固有抵抗がさらに低下する。
ロガラス中空球体が合成樹脂と混ぜられる前に、これら
のマイクロガラス中空球体が金属で被覆される。球体が
混合中に接触するほど、多数の電流経路が形成され、材
料の固有抵抗がさらに低下する。
【００１４】減衰材及び衝撃音を減衰する材料は、（広
い表面とジブチル・フタラートの高い吸着作用を呈す
る）導電性のカーボンブラックを添加することによって
導電性になる。
い表面とジブチル・フタラートの高い吸着作用を呈す
る）導電性のカーボンブラックを添加することによって
導電性になる。
【００１５】導電性粒子の濃度が高いときでも、導電性
合成樹脂の固有抵抗は、金属の固有抵抗よりも遥かに大
きい。したがって、本発明の導電性合成樹脂を介した圧
電磁器素子の接触の場合、導体部分のオーミック抵抗が
上昇する。しかしながら、従来の超音波変換器による実
際の実験は、導体部分の約 200Ωの直列抵抗が超音波変
換器の信号特性にほんの少ししか影響しないことを示し
ている。
合成樹脂の固有抵抗は、金属の固有抵抗よりも遥かに大
きい。したがって、本発明の導電性合成樹脂を介した圧
電磁器素子の接触の場合、導体部分のオーミック抵抗が
上昇する。しかしながら、従来の超音波変換器による実
際の実験は、導体部分の約 200Ωの直列抵抗が超音波変
換器の信号特性にほんの少ししか影響しないことを示し
ている。
【００１６】本発明の超音波変換器の重要な利点は、接
続線を圧電磁器素子に手動で半田付けすることが省略さ
れる点にある。このことは、取付けを著しく簡単にし、
超音波変換器の自動化可能な製造の可能性をさらにもた
らす。
続線を圧電磁器素子に手動で半田付けすることが省略さ
れる点にある。このことは、取付けを著しく簡単にし、
超音波変換器の自動化可能な製造の可能性をさらにもた
らす。
【００１７】変換素子をプリント基板に直接接続するこ
とによって、超音波変換器と後続する電子回路との間の
接続が簡素化される。何故なら、手動の半田付けがこれ
らのインタフェースに対しても省略されるからである。
とによって、超音波変換器と後続する電子回路との間の
接続が簡素化される。何故なら、手動の半田付けがこれ
らのインタフェースに対しても省略されるからである。
【００１８】圧電振動子を包囲する材料の固有抵抗が比
較的小さいために、電場に対する遮蔽作用が向上する。
導電性合成樹脂は、高周波の交流磁場に対しても遮蔽す
る。強磁性粒子を添加することによって、使用される材
料の遮蔽の減衰をさらに向上させることができる。独立
した遮蔽板も省略できる。
較的小さいために、電場に対する遮蔽作用が向上する。
導電性合成樹脂は、高周波の交流磁場に対しても遮蔽す
る。強磁性粒子を添加することによって、使用される材
料の遮蔽の減衰をさらに向上させることができる。独立
した遮蔽板も省略できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１中に示された本発明の超音波
変換器１０の主要部材は、板状の圧電磁器素子１１であ
る。この圧電磁器素子１１の両面が、接触面１２ａ，１
２ｂを有する金属の接触層を備える。接触面１２ａ，１
２ｂのうちの一方の接触面１２ａが、容器状の導電性整
合体１３の低部に付着されている、つまり導電性の接着
剤によって付着されている。整合層１３の厚さは、使用
される超音波信号の波長の１／４（λ／４）である。こ
の整合層１３の音響インピーダンスは、周囲の媒体（空
気）と圧電磁器との音響インピーダンスの幾何学媒体に
一致する。導電性の減衰体１４が、接触面１２ａ，１２
ｂのうちの他方の接触面１２ｂに付着されている。
変換器１０の主要部材は、板状の圧電磁器素子１１であ
る。この圧電磁器素子１１の両面が、接触面１２ａ，１
２ｂを有する金属の接触層を備える。接触面１２ａ，１
２ｂのうちの一方の接触面１２ａが、容器状の導電性整
合体１３の低部に付着されている、つまり導電性の接着
剤によって付着されている。整合層１３の厚さは、使用
される超音波信号の波長の１／４（λ／４）である。こ
の整合層１３の音響インピーダンスは、周囲の媒体（空
気）と圧電磁器との音響インピーダンスの幾何学媒体に
一致する。導電性の減衰体１４が、接触面１２ａ，１２
ｂのうちの他方の接触面１２ｂに付着されている。
【００２０】圧電磁器素子１１の接続面１２ａ，１２ｂ
に対する両電流経路を分離するため、絶縁層１５が、整
合容器１３の側壁と導電性の減衰体１４との間に存在す
る。
に対する両電流経路を分離するため、絶縁層１５が、整
合容器１３の側壁と導電性の減衰体１４との間に存在す
る。
【００２１】衝撃音を減衰させる合成樹脂層１７が、整
合容器１３と支持板１６との間に存在する。同様にこの
合成樹脂層１７も、導電性材料から成る。支持板１６
は、金属の接触面１８ａ，１８ｂを有する。これらの接
触面１８ａ，１８ｂは、超音波変換器１０の導電性合成
樹脂部材１４，１７に付着される。支持板１６は、後続
する（図示しなかった）評価電子機器に対するインタフ
ェースを有するプリント基板である。
合容器１３と支持板１６との間に存在する。同様にこの
合成樹脂層１７も、導電性材料から成る。支持板１６
は、金属の接触面１８ａ，１８ｂを有する。これらの接
触面１８ａ，１８ｂは、超音波変換器１０の導電性合成
樹脂部材１４，１７に付着される。支持板１６は、後続
する（図示しなかった）評価電子機器に対するインタフ
ェースを有するプリント基板である。
【図１】本発明の超音波変換器の縦断面図である。
【図２】従来の技術から既に公知である超音波変換器の
縦断面図である。
縦断面図である。
１０ 超音波変換器
１１ 圧電磁器素子
１２ａ，１２ｂ 接触層，接触面，接続面
１３ 整合体，整合層，整合ポット
１４ 減衰体（合成樹脂部材）
１５ 絶縁層
１６ 支持板（プリント基板）
１７ 合成樹脂層（合成樹脂部材），減結合層
１８ａ，１８ｂ 接触面
２０ 超音波変換器
２１ 圧電磁器素子
２２ａ，２２ｂ 銅線，接続線
２３ａ，２３ｂ 接触層，接触面
２４ 合成樹脂ポット，ポット，整合ポット，整合層
２５ 減衰体，減衰材
２６ 合成樹脂体，成形体
２７ 凹部
２８ａ，２８ｂ 半田付け箇所
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 トーマス・ジーベンハール
ドイツ連邦共和国、レートヴィッツ、アウ
ストラーセ、10
Ｆターム(参考） 5D019 AA26 BB02 BB12 BB30 EE02
FF01
Claims (8)
- 【請求項１】 板状の圧電磁器素子（１１）が、その上
側にλ／４の整合体（１３）を有し、その下側に減衰体
（１４）及び減衰層（１７）を有し、この圧電磁器素子
（１１）を有する超音波変換器（１０）において、整合
体（１３）及び／又は減衰体（１４）及び減衰層（１
７）は、電導性材料から成ることを特徴とする超音波変
換器。 - 【請求項２】 整合体（１３）は、合成樹脂と混ぜられ
ている金属で被覆されたマイクロガラス球体から成るこ
とを特徴とする請求項１に記載の超音波変換器。 - 【請求項３】 減衰体（１４）及び減衰層（１７）は、
導電性カーボンブラックを添加することによって導電性
にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の
超音波変換器。 - 【請求項４】 λ／４の整合体（１３）は、容器状に形
成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
１項に記載の超音波変換器。 - 【請求項５】 絶縁層（１５）が、容器状の整合体（１
３）と圧電磁器素子（１１）及び減衰体（１４）との間
に存在することを特徴とする請求項４に記載の超音波変
換器 - 【請求項６】 圧電磁気素子（１１）を包囲する導電性
の合成樹脂部材（１４，１７）中に強磁性粒子を添加す
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載
の超音波変換器。 - 【請求項７】 支持板（１６）が、金属の接触面（１８
ａ，１８ｂ）を有し、導電性の合成樹脂部材（１４，１
７）が、導電性の接着剤によってこの支持板（１６）に
付着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
か１項に記載の超音波変換器。 - 【請求項８】 支持板（１６）は、後続する評価電子機
器に対するインタフェースを有するプリント基板である
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の
超音波変換器。
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