JP2004349973A - Ultrasonic sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an ultrasonic sensor having its responsiveness and reverberation improved. <P>SOLUTION: The ultrasonic sensor is provided with: an approximately cylindrical acoustic matching material 11 having a ceiling surface part 11a on one side and having an aperture part 11b on the other; and a piezoelectric element 12 of an expanding oscillation mode provided on the inside of the ceiling surface part 11a of the acoustic matching material 11. The ultrasonic sensor uses the thickness oscillation mode of the ceiling surface part 11a and a bending oscillation mode of the entire acoustic matching material 11. A damping material 15 having an acoustic impedance higher than that of the acoustic matching material 11 is provided in the aperture part 11b of the acoustic matching material 11 so as not to come into contact with the piezoelectric element 12. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサ、例えば、ガス流量計などに用いられ、超音波を送受信する超音波センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】
特開2002−188946号
【0003】
従来、ガス流量計のように高い精度を要求される超音波センサとして、特許文献1に記載のものが本出願人によって提案されている。この超音波センサは、図6に示すように、天面部1aと開口部1bを有する筒状の音響整合層1と圧電素子2とバッキング層3とからなり、圧電素子2は音響整合層1の天面部1aの内側に接着されており、バッキング層3は音響整合層1の開口部1bの全体に充填されている。
【0004】
この超音波センサにおいては、圧電素子2を拡がりモードで振動させることによって、音響整合層1の天面部1aの厚み振動モードと、音響整合層1の全体の撓み振動モードを発生させる。バッキング層3は圧電素子2や音響整合層1の不要振動を抑えるためのものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の超音波センサにおいては、バッキング層3が必ずしも十分に機能せず、応答性や残響特性に問題を有していた。即ち、バッキング層3に硬い材料を用いると圧電素子2と接触しているためにその振動を阻害し、感度が低下してしまう。そこで柔らかい材料を用いることになるが、これでは制動効果が少なく十分な応答性が得られず、残響が残ることになる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、応答性や残響を改善した超音波センサを提供することにある。本発明の他の目的は、前記目的を達成することに加えて、圧電素子に接続されるリード線や半田付け部分での断線を未然に防止できる超音波センサを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段及び作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る超音波センサは、一方に天面部を有し他方に開口部を有する略筒状の音響整合材と、該音響整合材の天面部の内側に設けられた圧電素子とを備え、共振モードとして天面部の厚み振動モードと音響整合材全体の撓み振動モードを使用する超音波センサにおいて、前記音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を設けたことを特徴とする。
【0008】
本発明に係る超音波センサにおいては、略筒状の音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を設けたため、音響整合材の天面部の内側に設けた圧電素子の振動を阻害することなく、音響整合材の振動を効果的に制動することができる。
【0009】
本発明に係る超音波センサにおいて、前記音響整合材と前記制動材との音響インピーダンスは、1:1.5〜1:40の比に設定されていることが好ましい。
【0010】
音響インピーダンスは、材料の密度とその内部を伝播する音速との積で表される。一般に、音速は硬い材料や比重の大きい材料のほうが速くなる。制動材は音響整合材よりも音響インピーダンスが大きい場合に、音響整合材の振動を抑制する効果が得られる。従って、制動材は音響整合材よりも硬度の高い材料及び/又は比重の大きい材料からなることが好ましい。
【0011】
前記圧電素子は拡がりモードで振動するものを好適に使用することができる。さらに、リード線は圧電素子の電極にたるみを持って接続されていることが好ましい。通常、リード線は前記制動材を通じて外部に導出されるが、材質が硬い制動材の中をリード線が張りを持った状態で引き出されると、制動材の熱変形でリード線やその半田付け部分が断線するおそれがある。リード線にたるみを持たせることで、このような断線を未然に防止することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波センサの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【0013】
(第1実施形態、図1〜図3参照)
本発明の第1実施形態である超音波センサ10Aは、図1に示すように、略円筒形状の音響整合材11と、圧電素子12と、ベース基板13と、弾性材14と、制動材15とで構成されている。
【0014】
音響整合材11は、一方に天面部11aを有し他方に開口部11bを有するもので、圧電素子12と外部の媒質との音響インピーダンスのマッチングをとるために用いられている。材料としては、例えば、エポキシ樹脂とガラスバルーンとを混合して硬化させたものが用いられ、比重は0.5以下が好ましい。
【0015】
圧電素子12は、円板状の圧電基板の表裏面に振動電極を形成したもので、拡がりモードで振動する。この圧電素子12は音響整合材11の天面部11aの内側にエポキシ接着剤などで貼り付けられている。また、圧電素子12の振動電極にはリード線16a,16bの一端が半田付けされており、該リード線16a,16bは以下に説明する弾性材14及び制動材15を通じてベース基板13の裏面に半田付けされている。さらに、この半田付け部分を中継して被覆タイプのリード線17a,17bが制動材15を通じて外部に引き出されている。
【0016】
ベース基板13は音響整合材11の開口部11bに設けられている。
【0017】
弾性材14は音響整合材11の天面部11a側に圧電素子12と接触する部分に充填されている。この弾性材14は圧電素子12から放出される超音波を吸収するものであるが、圧電素子12の振動を阻害するものであってはならない。それゆえ、弾性材14としては、例えば、硬度(JIS A)50以下のシリコン樹脂が用いられている。
【0018】
制動材15は音響整合材11の開口部11bの全体に前記ベース基板13を含むように、かつ、圧電素子12とは接触しないように、充填されている。この制動材15は音響整合材11の不要振動を抑制するものであり、音響整合材11よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。例えば、硬度(JIS D)80以上のエポキシ樹脂が用いられている。
【0019】
以上の構成からなる超音波センサ10Aは、一対のものが互いの天面部11aを対向させてガス流路に配置され、圧電素子12に信号を入力することにより、圧電素子12の振動に基づいて音響整合材11を介して超音波が放出される。また、音響整合材11を介して受信した超音波により、圧電素子12から受信信号が出力される。
【0020】
この場合、圧電素子12は拡がりモードで振動し、音響整合材11の天面部11aは厚みモードで振動し、音響整合材11の全体、特に開口部11bは撓みモードで振動する。円板状の圧電素子12の拡がり振動モードの共振周波数は、圧電基板の径によって決まる。そこで、使用する周波数帯の中央付近に共振周波数が存在するように、圧電基板の径が決定される。
【0021】
天面部11aの厚み振動モードの共振周波数は、天面部11aの厚さ寸法によって調整することができる。また、音響整合材11の全体の撓み振動モードの共振周波数は、天面部11aの稜線部に形成されたテーパ部11cの大きさによって調整するのが最も容易である。
【0022】
ところで、本第1実施形態では、音響整合材11の開口部11bに、該音響整合材11よりも音響インピーダンスの大きい制動材15が設けられており、天面部11aの内側に設けた圧電素子12の振動を阻害することなく、音響整合材11の撓みモードの振動、特に開口部11bの撓みモードの振動を効果的に制動することができる。
【0023】
図2に音響整合材11の側面における振動速度分布を示す。図2(A)は本第1実施形態である超音波センサ10Aの測定データであり、図2(B)は比較例として弾性材15を取り除いた状態での測定データである。図2(A),(B)を比較すると明らかなように、本発明例においては音響整合材11の下部付近の振動が制限され、振動漏れが除去されている。
【0024】
また、図3に残響特性(超音波受信後、一定時間経過したときの残響レベル)をヒストグラムで示す。図3(A)は本第1実施形態である超音波センサ10Aの測定データであり、図3(B)は比較例として弾性材15を取り除いた状態での測定データである。図3(A),(B)を比較すると明らかなように、本発明例においては平均値で2.3dB(約30%)の残響改善効果が得られた。
【0025】
なお、図2及び図3のデータを得た超音波センサにおいて、音響整合材11の音響インピーダンスは0.5×10〜1.5×10kg/m・s、制動材15の音響インピーダンスは2.0×10〜5.0×10kg/m・sであった。
【0026】
ところで、音響インピーダンスは、前述のように、材料の密度とその内部を伝播する音速との積で表され、音速は硬い材料や比重の大きい材料のほうが速くなる。そこで、制動材15は音響整合材11よりも硬度の高い材料及び/又は比重の大きい材料を使用すればよい。
【0027】
しかし、制動材15の音響インピーダンスが大きすぎると(音響整合材11との音響インピーダンスの差が大きすぎると)、界面で音波が反射してしまい、かえって残響が大きくなりかねない。音響整合材11の音響インピーダンスは、圧電素子12の音響インピーダンスが約1.5×10kg/m・s、外部媒質である空気の音響インピーダンスが約4.4×10kg/m・sであることを考慮すると、その幾何平均である約8×10kg/m・sが理想的である。
【0028】
音響整合材11の音響インピーダンスが約8×10kg/m・sであると想定すると、制動材15の音響インピーダンスは約1.2×10〜3.2×10kg/m・sが好ましい。換言すれば、音響整合材11と制動材15との音響インピーダンスの比は1:1.5〜1:40が好ましい。高分子材料はこのような条件を満たすものであり、制動材15として好適な材料である。
【0029】
また、前記超音波センサ10Aにおいて、リード線16a,16bは圧電素子12の電極にたるみを持って接続されている。リード線16a,16bは前記制動材15に埋め込まれているが、材質が硬い制動材15の中をリード線16a,16bが張りを持った状態で引き出されると、制動材15の熱変形でリード線16a,16bやその半田付け部分が断線するおそれがある。リード線16a,16bにたるみを持たせることで、このような断線を未然に防止することができる。
【0030】
(第2実施形態、図4参照)
本発明の第2実施形態である超音波センサ10Bは、図4に示すように、基本的には前記第1実施形態と同じ部品を用いて同様の構成としたものであり、図1と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【0031】
第1実施形態と異なるのは、ベース基板を省略し、リード線16a,16bを弾性材14及び制動材15を通じて直接外部へ引き出した点にある。本第2実施形態においても、音響整合材11の開口部11bに設けた制動材15は音響整合材11よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。従って、その作用効果は第1実施形態と同様である。
【0032】
さらに、本第2実施形態においても、リード線16a,16bやその半田付け部分の断線を防止するために、リード線16a,16bは圧電素子12の電極にたるみを持って接続されることが重要である。リード線16bは圧電素子12の上面側から下方に回り込むため、自然にたるみが形成される。しかし、リード線16aは真っ直ぐに張りを持たせて下方に引き出すことも可能であり、仮にこのように引き出すと制動材15の熱変形でリード線16aに応力が発生し、断線のおそれがある。従って、リード線16aに関しては人為的にたるみを持たせることが必要となり、そのためには圧電素子12の電極への半田付け部分の角度が45°以下となるように接続することが好ましい。
【0033】
(第3実施形態、図5参照)
本発明の第3実施形態である超音波センサ10Cは、図5に示すように、基本的には前記第2実施形態と同じ部品を用いて同様の構成としたものであり、図2と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【0034】
第2実施形態と異なるのは、弾性材14を省略した点にあり、制動材15が圧電素子12に接触しないように音響整合材11の内部には空間部18が形成されている。本第3実施形態においても、音響整合材11の開口部11bに設けた制動材15は音響整合材11よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。従って、その作用効果は前記第1及び第2実施形態と同様である。
【0035】
(他の実施形態)
なお、本発明に係る超音波センサは、前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【0036】
例えば、音響整合材、圧電素子、制動材などの細部の構造は任意である。また、本発明に係る超音波センサはガス流量計以外にも種々の用途に使用されることは勿論である。
【0037】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る超音波センサによれば、音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を設けたため、圧電素子の振動を阻害することなく、音響整合材の振動が効果的に制動され、応答性や残響除去に優れた超音波センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図2】音響整合材の側面における振動速度分布を示すグラフであり、(A)は本発明例(第1実施形態)、(B)は比較例を示す。
【図3】超音波センサの残響特性を示すグラフであり、(A)は本発明例(第1実施形態)、(B)は比較例を示す。
【図4】本発明の第2実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図5】本発明の第3実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図6】従来の超音波センサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
10A,10B,10C…超音波センサ
11…音響整合材
11a…天面部
11b…開口部
12…圧電素子
14…弾性材
15…制動材
16a,16b…リード線
18…空間部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic sensor that is used for an ultrasonic sensor, for example, a gas flow meter and transmits and receives ultrasonic waves.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-188946
2. Description of the Related Art Conventionally, as an ultrasonic sensor requiring high accuracy like a gas flow meter, a sensor described in Patent Document 1 has been proposed by the present applicant. As shown in FIG. 6, the ultrasonic sensor includes a cylindrical acoustic matching layer 1 having a top surface 1a and an opening 1b, a piezoelectric element 2, and a backing layer 3. The backing layer 3 is adhered to the inside of the top surface 1a, and fills the entire opening 1b of the acoustic matching layer 1.
[0004]
In this ultrasonic sensor, the thickness vibration mode of the top surface 1a of the acoustic matching layer 1 and the bending vibration mode of the entire acoustic matching layer 1 are generated by vibrating the piezoelectric element 2 in the spread mode. The backing layer 3 is for suppressing unnecessary vibration of the piezoelectric element 2 and the acoustic matching layer 1.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional ultrasonic sensor, the backing layer 3 does not always function sufficiently, and there is a problem in response and reverberation characteristics. That is, if a hard material is used for the backing layer 3, the vibration is hindered because the material is in contact with the piezoelectric element 2, and the sensitivity is reduced. Therefore, a soft material is used. However, with this, the braking effect is small, sufficient response cannot be obtained, and reverberation remains.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor with improved responsiveness and reverberation. Another object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of preventing a break in a lead wire connected to a piezoelectric element or a soldered portion in addition to achieving the above object.
[0007]
Means and Action for Solving the Problems
In order to achieve the above object, an ultrasonic sensor according to the present invention includes a substantially cylindrical acoustic matching material having a top surface on one side and an opening on the other side, and is provided inside the top surface of the acoustic matching material. An ultrasonic sensor using the thickness vibration mode of the top surface portion and the flexural vibration mode of the entire acoustic matching material as resonance modes. It is characterized in that a braking material having a large impedance is provided.
[0008]
In the ultrasonic sensor according to the present invention, since the damping member having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material is provided in the opening of the substantially cylindrical acoustic matching material, the piezoelectric member provided inside the top surface of the acoustic matching material is provided. Vibration of the acoustic matching material can be effectively damped without hindering vibration of the element.
[0009]
In the ultrasonic sensor according to the present invention, it is preferable that an acoustic impedance between the acoustic matching material and the damping material is set to a ratio of 1: 1.5 to 1:40.
[0010]
Acoustic impedance is represented by the product of the density of a material and the speed of sound propagating through it. Generally, the speed of sound is higher for a hard material or a material having a higher specific gravity. When the damping material has a larger acoustic impedance than the acoustic matching material, an effect of suppressing vibration of the acoustic matching material can be obtained. Therefore, the damping material is preferably made of a material having a higher hardness and / or a material having a higher specific gravity than the acoustic matching material.
[0011]
The piezoelectric element that vibrates in a spreading mode can be suitably used. Further, it is preferable that the lead wire is connected to the electrode of the piezoelectric element with a slack. Normally, the lead wire is led out through the braking material, but when the lead wire is pulled out in a hard material with a tension, the lead wire and its soldered portion are thermally deformed by the braking material. May be disconnected. By making the lead wires slack, such disconnection can be prevented.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an ultrasonic sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0013]
(1st Embodiment, FIGS. 1-3)
As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor 10A according to the first embodiment of the present invention includes a substantially cylindrical acoustic matching member 11, a piezoelectric element 12, a base substrate 13, an elastic member 14, and a damping member 15. It is composed of
[0014]
The acoustic matching material 11 has a top surface 11a on one side and an opening 11b on the other, and is used for matching acoustic impedance between the piezoelectric element 12 and an external medium. As the material, for example, a material obtained by mixing and curing an epoxy resin and a glass balloon is used, and the specific gravity is preferably 0.5 or less.
[0015]
The piezoelectric element 12 is formed by forming vibration electrodes on the front and back surfaces of a disk-shaped piezoelectric substrate, and vibrates in a spreading mode. The piezoelectric element 12 is attached to the inside of the top surface 11a of the acoustic matching material 11 with an epoxy adhesive or the like. One end of a lead wire 16a, 16b is soldered to the vibration electrode of the piezoelectric element 12, and the lead wire 16a, 16b is soldered to the back surface of the base substrate 13 through an elastic material 14 and a damping material 15 described below. Is attached. Further, the lead wires 17a and 17b of the coating type are drawn out to the outside through the damping material 15 by relaying the soldered portion.
[0016]
The base substrate 13 is provided in the opening 11 b of the acoustic matching material 11.
[0017]
The elastic material 14 is filled in a portion of the acoustic matching material 11 that contacts the piezoelectric element 12 on the top surface 11a side. The elastic member 14 absorbs the ultrasonic waves emitted from the piezoelectric element 12, but must not inhibit the vibration of the piezoelectric element 12. Therefore, as the elastic material 14, for example, a silicone resin having a hardness (JIS A) of 50 or less is used.
[0018]
The damping material 15 is filled so as to include the base substrate 13 in the entire opening 11 b of the acoustic matching material 11 and not to contact the piezoelectric element 12. The damping material 15 suppresses unnecessary vibration of the acoustic matching material 11 and is made of a material having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material 11. For example, an epoxy resin having a hardness (JIS D) of 80 or more is used.
[0019]
The ultrasonic sensor 10 </ b> A having the above configuration is arranged in a gas flow path with a pair of top surfaces 11 a facing each other, and a signal is input to the piezoelectric element 12 so that the ultrasonic sensor 10 </ b> A is based on the vibration of the piezoelectric element 12. Ultrasonic waves are emitted through the acoustic matching material 11. In addition, a reception signal is output from the piezoelectric element 12 by the ultrasonic wave received via the acoustic matching material 11.
[0020]
In this case, the piezoelectric element 12 vibrates in the spreading mode, the top surface 11a of the acoustic matching material 11 vibrates in the thickness mode, and the entire acoustic matching material 11, particularly the opening 11b vibrates in the bending mode. The resonance frequency of the disk-shaped piezoelectric element 12 in the expansion vibration mode is determined by the diameter of the piezoelectric substrate. Therefore, the diameter of the piezoelectric substrate is determined so that the resonance frequency exists near the center of the frequency band to be used.
[0021]
The resonance frequency of the thickness vibration mode of the top surface 11a can be adjusted by the thickness dimension of the top surface 11a. Further, it is easiest to adjust the resonance frequency of the entire flexural vibration mode of the acoustic matching member 11 by adjusting the size of the tapered portion 11c formed on the ridge of the top surface 11a.
[0022]
By the way, in the first embodiment, the damping material 15 having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material 11 is provided in the opening 11b of the acoustic matching material 11, and the piezoelectric element 12 provided inside the top surface portion 11a is provided. Vibration of the acoustic matching member 11, in particular, the vibration of the bending mode of the opening 11 b can be effectively damped without obstructing the vibration of the acoustic matching member 11.
[0023]
FIG. 2 shows a vibration velocity distribution on the side surface of the acoustic matching material 11. FIG. 2A shows measurement data of the ultrasonic sensor 10A according to the first embodiment, and FIG. 2B shows measurement data in a state where the elastic material 15 is removed as a comparative example. As is apparent from a comparison between FIGS. 2A and 2B, in the example of the present invention, the vibration near the lower portion of the acoustic matching member 11 is limited, and the vibration leakage is eliminated.
[0024]
FIG. 3 is a histogram showing reverberation characteristics (reverberation level when a predetermined time has elapsed after receiving ultrasonic waves). FIG. 3A shows measurement data of the ultrasonic sensor 10A according to the first embodiment, and FIG. 3B shows measurement data in a state where the elastic material 15 is removed as a comparative example. As is clear from the comparison between FIGS. 3A and 3B, in the example of the present invention, the reverberation improving effect of 2.3 dB (about 30%) on average was obtained.
[0025]
In the ultrasonic sensor from which the data of FIGS. 2 and 3 was obtained, the acoustic impedance of the acoustic matching material 11 was 0.5 × 10 6 to 1.5 × 10 6 kg / m 2 · s, and the acoustic The impedance was 2.0 × 10 6 to 5.0 × 10 6 kg / m 2 · s.
[0026]
As described above, the acoustic impedance is represented by the product of the density of a material and the speed of sound propagating in the material, and the speed of sound is higher for a hard material or a material having a higher specific gravity. Therefore, a material having a higher hardness and / or a material having a higher specific gravity than the acoustic matching material 11 may be used as the damping material 15.
[0027]
However, if the acoustic impedance of the damping material 15 is too large (the acoustic impedance difference with the acoustic matching material 11 is too large), sound waves will be reflected at the interface, and the reverberation may be rather increased. The acoustic impedance of the acoustic matching material 11 is such that the acoustic impedance of the piezoelectric element 12 is about 1.5 × 10 7 kg / m 2 · s and the acoustic impedance of air as an external medium is about 4.4 × 10 2 kg / m 2. S is considered, its geometric average of about 8 × 10 4 kg / m 2 s is ideal.
[0028]
Assuming that the acoustic impedance of the acoustic matching material 11 is about 8 × 10 4 kg / m 2 · s, the acoustic impedance of the damping material 15 is about 1.2 × 10 5 to 3.2 × 10 6 kg / m 2.・ S is preferred. In other words, the ratio of the acoustic impedance between the acoustic matching material 11 and the damping material 15 is preferably 1: 1.5 to 1:40. The polymer material satisfies such conditions and is a suitable material for the damping material 15.
[0029]
In the ultrasonic sensor 10A, the lead wires 16a and 16b are connected to the electrodes of the piezoelectric element 12 with slack. Although the lead wires 16a and 16b are embedded in the braking material 15, when the lead wires 16a and 16b are pulled out of the hard braking material 15 with tension, the leads are deformed due to thermal deformation of the braking material 15. There is a possibility that the wires 16a and 16b and their soldered portions may be broken. By making the lead wires 16a and 16b slack, such disconnection can be prevented beforehand.
[0030]
(Second embodiment, see FIG. 4)
As shown in FIG. 4, an ultrasonic sensor 10B according to a second embodiment of the present invention basically has the same configuration using the same components as the first embodiment, and is the same as FIG. The same reference numerals are given to the parts, and the duplicate description will be omitted.
[0031]
The difference from the first embodiment is that the base substrate is omitted, and the lead wires 16a and 16b are drawn directly to the outside through the elastic member 14 and the damping member 15. Also in the second embodiment, the damping material 15 provided in the opening 11b of the acoustic matching material 11 is made of a material having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material 11. Therefore, the operation and effect are the same as those of the first embodiment.
[0032]
Further, also in the second embodiment, it is important that the leads 16a, 16b are connected to the electrodes of the piezoelectric element 12 with slack in order to prevent the leads 16a, 16b and their soldered portions from breaking. It is. Since the lead wire 16b goes down from the upper surface side of the piezoelectric element 12, a slack is naturally formed. However, the lead wire 16a can be pulled straight downward with a tension. If the lead wire 16a is drawn in this way, stress is generated in the lead wire 16a due to thermal deformation of the brake material 15, and there is a possibility of disconnection. Therefore, it is necessary that the lead wire 16a be artificially slackened. For this purpose, it is preferable to connect the piezoelectric element 12 so that the angle of the soldered portion to the electrode of the piezoelectric element 12 is 45 ° or less.
[0033]
(3rd Embodiment, see FIG. 5)
As shown in FIG. 5, an ultrasonic sensor 10C according to a third embodiment of the present invention has basically the same configuration using the same components as those in the second embodiment, and is the same as FIG. The same reference numerals are given to the parts, and the duplicate description will be omitted.
[0034]
The difference from the second embodiment is that the elastic member 14 is omitted, and a space 18 is formed inside the acoustic matching member 11 so that the braking member 15 does not contact the piezoelectric element 12. Also in the third embodiment, the damping material 15 provided in the opening 11b of the acoustic matching material 11 is made of a material having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material 11. Therefore, the operation and effect are the same as those of the first and second embodiments.
[0035]
(Other embodiments)
The ultrasonic sensor according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified within the scope of the gist.
[0036]
For example, the structure of details such as an acoustic matching material, a piezoelectric element, and a damping material is arbitrary. The ultrasonic sensor according to the present invention is of course used for various purposes other than the gas flow meter.
[0037]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the ultrasonic sensor of the present invention, since the damping material having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material is provided in the opening of the acoustic matching material, the vibration of the piezoelectric element is hindered. Thus, the vibration of the acoustic matching material is effectively damped, and an ultrasonic sensor excellent in responsiveness and reverberation removal can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a vibration velocity distribution on a side surface of an acoustic matching material, where (A) shows an example of the present invention (first embodiment) and (B) shows a comparative example.
3A and 3B are graphs showing reverberation characteristics of an ultrasonic sensor, wherein FIG. 3A shows an example of the present invention (first embodiment), and FIG. 3B shows a comparative example.
FIG. 4 is a sectional view showing an ultrasonic sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing an ultrasonic sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing an example of a conventional ultrasonic sensor.
[Explanation of symbols]
10A, 10B, 10C ... ultrasonic sensor 11 ... acoustic matching material 11a ... top surface portion 11b ... opening 12 ... piezoelectric element 14 ... elastic material 15 ... braking material 16a, 16b ... lead wire 18 ... space portion

Claims (6)

一方に天面部を有し他方に開口部を有する略筒状の音響整合材と、該音響整合材の天面部の内側に設けられた圧電素子とを備え、共振モードとして天面部の厚み振動モードと音響整合材全体の撓み振動モードを使用する超音波センサにおいて、
前記音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を設けたこと、
を特徴とする超音波センサ。
A substantially cylindrical acoustic matching member having a top surface on one side and an opening on the other side, and a piezoelectric element provided inside the top surface of the acoustic matching material, and a thickness vibration mode of the top surface as a resonance mode And the ultrasonic sensor using the flexural vibration mode of the entire acoustic matching material,
In the opening of the acoustic matching material, a damping material having a larger acoustic impedance than the acoustic matching material is provided,
An ultrasonic sensor characterized by the above-mentioned.
前記音響整合材と前記制動材との音響インピーダンスは、1:1.5〜1:40の比に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the acoustic impedance between the acoustic matching material and the damping material is set to a ratio of 1: 1.5 to 1:40. 前記制動材は前記音響整合材よりも硬度の高い材料からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超音波センサ。The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the damping material is made of a material having a higher hardness than the acoustic matching material. 前記制動材は前記音響整合材よりも比重の大きい材料からなることを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3に記載の超音波センサ。4. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the damping material is made of a material having a specific gravity greater than that of the acoustic matching material. 5. 前記圧電素子は拡がりモードで振動することを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4に記載の超音波センサ。5. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric element vibrates in a spreading mode. 6. リード線が前記圧電素子の電極にたるみを持って接続されていることを特徴とする請求項1、請求項2、請求項3、請求項4又は請求項5に記載の超音波センサ。The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein a lead wire is connected to the electrode of the piezoelectric element with a slack.
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