JP2012060369A

JP2012060369A - 超音波トランスジューサ

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Publication number: JP2012060369A
Application number: JP2010200965A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Sakai; 博紀酒井
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: KR20120025978A; US8779649B2; KR101318709B1; US20120056511A1; JP5339093B2; CN102438198A

Abstract

【課題】本発明は、超音波の送信または受信を行う超音波トランスジューサに関して、従来よりもさらに残響特性を改善することが可能な超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
【解決手段】主軸方向の端部が閉塞した有底筒状のケースと、前記ケースの内底部中央に接着されている圧電素子と、前記圧電素子に対向してケース内に配置されている成型体とを備え、前記成型体は、前記圧電素子に対向する一方主面に、多数の凹凸部が形成されており、少なくとも前記多数の凹凸部が、前記圧電素子に対して離間されて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波の送信または受信を行う超音波トランスジューサに関するものである。

自動車のバックソナーとして超音波トランスジューサが利用されている。従来の超音波トランスジューサは、主軸方向の端部が閉塞した有底筒状のケース、前記ケースの内底面に接着されている圧電素子、及び前記ケースの開口部を塞ぐ樹脂等から構成されている。超音波トランスジューサは、前記圧電素子に駆動電圧を印加することで、前記圧電素子と前記ケースを振動させて前記ケースの外側方向へ超音波を送信し、対象物からはね返ってきた反射波を受信して、反射時間を計測することにより対象物との距離を測定するものである。

このような超音波トランスジューサにおいては、ケースの外側方向だけではなく、ケースの内側方向にも超音波が送信されてしまう。ケースの内側方向に送信された超音波は、前記樹脂に到達すると前記圧電素子の方向にはね返り、再度前記圧電素子を振動させる。これらの余分な振動が残響として認識される。一般的にこのような場合では、超音波が前記樹脂と前記圧電素子との間で数十回に渡り多重反射するため、超音波トランスジューサの残響時間が長くなる傾向がある。残響時間が長くなると、近距離の検知が困難になるという問題が起きる。

このような問題を解決しうる超音波トランスジューサが、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された超音波トランスジューサ７００は、図１２に示すように、ケース体７１、圧電素子７２、ベース基板７３、リード線７４、外部接続端子７５及び吸音材７０から構成されている。

ケース体７１は、主軸方向の端部が閉塞した有底筒状をしており、金属から形成されている。前記ケース体７１は、有底筒状の外部ケース７６及び前記外部ケース７６の内周面に設けられた筒状の内部ケース７７から構成されている。前記圧電素子７２は前記ケース体７１の内底面に接着されている。

前記吸音材７０は、前記圧電素子７２に対向し、前記圧電素子７２の主面に接触しないよう離間されて前記ケース体７１の内側空間に配置されている。前記吸音材７０は多孔質シリコーンから形成されている。

ベース基板７３は、前記吸音材７０の他方主面に設けられている。前記ベース基板７３にはリード線７４が２本接続されており、一方は前記圧電素子７２の一方電極に、もう一方は前記ケース体７１に接続されている。また、前記ベース基板７３には前記リード線７４に接続された外部接続端子７５が２本接続されている。前記外部接続端子７５は、前記ケース体７１の外部に引き出される。

ＷＯ２００７／０２９５５９号公報

図１２に記載の先行技術では、ケースの内部に吸音材を設けることにより、残響特性の改善が行われていた。しかしながら、これらの対策を施しても超音波の残響を完全に無くすことはできず、残響特性のさらなる改善が望まれることがある。

そこで、本発明の目的は、従来よりもさらに残響特性を改善することが可能な超音波トランスジューサを提供することである。

前記問題点を解決するために、本発明は、主軸方向の端部が閉塞した有底筒状のケースと、前記ケースの内底部中央に接着されている圧電素子と、前記圧電素子に対向してケース内に配置されている成型体とを備え、前記成型体は、前記圧電素子に対向する一方主面に、多数の凹凸部が形成されており、少なくとも前記多数の凹凸部が、前記圧電素子に対して離間されて配置されていることを特徴とする。このように構成すると、ケースの内側方向に発生する超音波を乱反射させることができる。乱反射した超音波は、圧電素子の方向に直接はね返りにくいため、成形体と圧電素子との間で多重反射が起こりにくい。また、反射をするたびに超音波信号が減衰するため、ケースの内側方向の残響特性が改善する。

また本発明は、前記多数の凹凸部は、錐体形状に構成されていることが望ましい。この場合は、成形体及び成形体を形成するための金型の製造や加工が簡単になり、管理がしやすい。

また本発明は、前記多数の凹凸部は、截頭錐体形状に構成されていることが望ましい。この場合は、成形体の製造や加工が簡単になる。

また本発明は、前記成型体は、前記多数の凹凸部の外周部に複数の脚部が形成されており、前記脚部は前記ケースの内底部に接触していることが望ましい。この場合は、脚部によりケースの振動を抑えることができるため、残響を減衰させることができる。また、ケースの底面から成型体の多数の凹凸部までの距離の精度を上げることができる。

また本発明は、前記成型体は、前記多数の凹凸部の外周部に突起が形成されており、前記突起は前記圧電素子の主面に接触していることが望ましい。この場合は、圧電素子の振動のレベルをある程度抑えることができるため、残響のレベルも同様に抑えることができる。

また本発明は、前記成型体は、前記多数の凹凸部のうち最も前記圧電素子に遠い箇所と前記圧電素子との距離が、使用する超音波の１／４波長以下であることが望ましい。この場合は、ケースの内側方向に発生する超音波と反射波が相互に打ち消しあう動作を行うために、超音波の減衰が早くなり、より残響を抑制することができる。

本発明によれば、ケースの内側方向に発生する超音波を乱反射させることができる。乱反射した超音波は、圧電素子の方向に直接はね返りにくいため、成形体と圧電素子との間で多重反射が起こりにくい。また、反射をするたびに超音波信号が減衰するため、本発明によれば、ケースの内側方向の残響特性が改善する。

本発明の実施形態１による超音波トランスジューサの断面図である。実施形態１による超音波トランスジューサのケースの斜視図である。実施形態１による超音波トランスジューサの成形体の斜視図である。実施形態１による超音波トランスジューサの成形体の下面図である。実験例１及び比較例１の超音波トランスジューサの断面概略図である。図５の実験例１及び比較例１に基づく残響特性を示す図である。実験例２〜５及び比較例２に基づく残響特性及び総合感度を示す図である。実験例２及び実験例６〜１０に基づく残響特性及び総合感度を示す図である。実施形態１の変形例１による超音波トランスジューサの断面概略図である。本発明の実施形態２による超音波トランスジューサの断面概略図である。実施形態１の変形例１による超音波トランスジューサの断面概略図である。先行技術の断面概略図である。

以下に、本発明の実施形態に係る超音波トランスジューサについて説明する。

（実施形態１）
以下、実施形態１について、図１〜４を参照しながら説明を行う。本実施形態１の超音波トランスジューサ１００は、ケース１、圧電素子２、ベース基板３、リード線４ａ、４ｂ、外部接続端子５ａ、５ｂ及び成型体１０を備える。

図１及び図２に示すように、ケース１は、主軸方向の端部が閉塞した有底筒状であり、例えばアルミニウム等の金属材料から形成されている。ケース１の内底面は、略楕円状に構成されており、長軸方向の両端部分に凹部１ｂがそれぞれ形成されている。また、ケース１の外周面の開口側で短軸方向の両端部分に、切り欠き部１ａがそれぞれ対向して設けられている。

圧電素子２は、両面に電極（図示せず）が設けられており、ケース１の内底面中央に接着されている。

図３に示すように、成形体１０は略楕円状に構成されており、ケース１に嵌まりこむ形状をしている。成形体１０は例えばシリコーン樹脂で形成されている。

図４に示すように、成形体１０の下部は略楕円柱形状に形成されており、多数の錐体形状の凹部１０ａ、脚部１０ｂ及び突起１０ｃが設けられている。

具体的には、多数の錐体形状の凹部１０ａは成形体１０の下部中央の円形領域に設けられており、格子状に等間隔に形成されている。図１に示すように、多数の凹凸部１１が圧電素子２に触れないように、成形体１０がケース１の内部に設置されている。錐体形状の凹部１０ａの形状は四角錐である。

脚部１０ｂは凹凸部１１の外周部に２箇所凸形状に設けられている。脚部１０ｂは、ケース１の内底部に設けられた凹部１ｂに嵌まりこむように形成されている。このように構成されているので、脚部１０ｂによりケース１の振動を抑えることができ、残響を抑制することができる。また、ケース１の内底部から錐体形状の凹部１０ａまでの距離の精度を上げることができる。

突起１０ｃは凹凸部１１の外周に設けられており、本実施例では例えば４箇所に設けられている。突起１０ｃは圧電素子２の外周部の一部に接触するような高さに設定されている。このように構成しているので、超音波トランスジューサ１００の総合感度を実用上問題とならない程度低下させるものの、同時に残響特性を向上させる。

図１に示すように、ベース基板３は、成型体１０の他方主面中央に設置されている。圧電素子２及びベース基板３はリード線４ａによって接続され、ケース１及びベース基板３はリード線４ｂによって接続されている。リード線４ａは外部接続端子５ａ、リード線４ｂは外部接続端子５ｂにそれぞれ接続されている。これらの接続端子５ａ及び５ｂは、ケース１の外部に引き出される。

また、成型体１０の他方主面からケース１の開口部までの空間は充填剤（図示せず）で充填されており、水滴や異物などの侵入を防ぐ防滴型として構成されている。

以下に、超音波トランスジューサ１００の動作を示す。

本発明の超音波トランスジューサ１００は、送信機能と受信機能とを備えたものである。圧電素子２に固有振動数の駆動電圧を印加することで、圧電素子２を励振させる。本実施形態では、４０ＫＨｚ〜４００ＫＨｚの周波数を想定している。まず、ケース１の底面からケース１の外側方向へ超音波が送信される。送信された超音波は障害物に達すると、その一部が反射波として超音波トランスジューサ１００の方向に反射する。ケース１の底面が反射波を受信すると、底面が固有振動し、圧電素子２が振動することで起電力が得られる。このように、超音波を送信してから反射波を受信するまでの時間から、障害物までの距離を検知する。

一方、圧電素子２を励振させた際に、ケース１の内側方向にも超音波が発生する。この超音波が圧電素子２上部の空気を媒体として成形体１０に達すると、空気と成形体１０の音響インピーダンスの違いにより、成形体１０の圧電素子２に対向する一方主面で反射及び吸収作用が働く。このように構成した成形体１０の一方主面に、多数の凹凸部が形成されているため、ケース１より発生する超音波を乱反射する割合が高い。

本実施形態では、圧電素子２に対向する一方主面に、多数の錐体状の凹部１０ａが形成されており、少なくとも多数の凹凸部１１が、圧電素子２に対して離間されて配置されている。このように構成しているので、ケース１の内側方向に発生する超音波が圧電素子２上部の空気を媒体として成形体１０に達し、成形体１０の表面で反射する際に、超音波を乱反射させることができる。乱反射した超音波は、圧電素子の方向に直接はね返りにくいため、成形体と圧電素子との間で多重反射が起こりにくい。また、反射をするたびに超音波信号が減衰するため、ケースの残響特性が改善する。また、成形体及び成形体を形成するための金型の製造や加工が簡単になり、管理がしやすい。

また従来は、成形体１０をケース１よりもひとまわり大きく形成し、ケース１に圧入して高さを調整していたが、本実施形態によれば、成型体１０の多数の凹凸部１１の外周部に複数の脚部１０ｂが形成されており、脚部１０ｂはケース１の内底部に接触しているので、ケース１の振動を抑えることができ、残響を抑制することができる。また、ケース１の内底部から錐体形状の凹部１０ａまでの距離の精度を上げることができる。

本実施形態では、成型体１０の多数の凹凸部１１の外周に突起１０ｃが形成されており、突起１０ｃは圧電素子２の主面に接触している。このように構成しているので、圧電素子２の振動のレベルをある程度抑えることができ、圧電素子２から発生する残響のレベルも同様に抑えることができる。

本実施形態では、成型体１０の多数の凹凸部１１のうち最も圧電素子２に遠い箇所と前記圧電素子２との距離が、使用する超音波の１／４波長以下である。このように構成しているので、発生する超音波と反射波が相互に打ち消しあう動作を行うために、超音波の減衰が早くなり、より残響を抑制することができる。

本実施形態では、成型体１０を図２のような略楕円形状に成形しているが、これに限るものではない。

本実施形態では、成型体１０の圧電素子に対向する一方主面に、錐体形状の凹部１０ａを設けて多数の凹凸部１１を形成しているが、これに限るものではない。例えば、半円形状の凹部を設けてもよいし、凸部を設けて多数の凹凸部１１を形成してもよい。

本実施形態では、錐体形状の凹部１０ａの形状を四角錐としているが、これに限るものではない。例えば、円錐や三角錐、八角錐等としてもよい。

（実験例１と比較例１）
実験例１として、図５（Ａ）に示すトランスジューサ１００Ａを用い、比較例１として図５（Ｂ）に示すトランスジューサ４００を用いて実験を行った。ここで、実験例１は、前述した実施形態１における成形体１０のうち、突起１０ｃを省略した構成をしている。成形体１０以外の実施形態１と同一の部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。

図５（Ａ）に示すように、実験例１のトランスジューサ１００Ａは、実施形態１と同様に、成形体２０に脚部２０ｂが形成されたものであり、成形体２０の主面に多数の錐体形状の凹部２０ａを設けて多数の凹凸部２１を形成している。錐体形状の凹部２０ａは四角錐形状に設けられている。また、距離ｈ１は、多数の凹凸部２１の最も圧電素子２に遠い箇所から、圧電素子２までの距離を示す。このときの距離は０．６５ｍｍである。

図５（Ｂ）に示すように、比較例１のトランスジューサ４００は、成形体４０に脚部４０ｂが形成されたものであり、成形体４０の主面は凹凸のない平面である。距離ｈ２は、成形体４０の圧電素子４２に対向する主面から、圧電素子４２までの距離を示す。このときの距離は０．６５ｍｍである。

表１に示す条件で実験を行った。本実験では、これら２つの条件のもとで、常温の残響特性を測定して比較を行った。ここで、常温は２５℃である。残響特性は、超音波を出力してから圧電素子の振動がおさまるまでの時間である。

図６に実験結果を示す。実験に用いたサンプル数は５である。図中の数値は平均値を示す。実験例１の残響特性の平均値は０．９８ｍｓ、比較例１の残響特性の平均値は１．３６ｍｓである。なお、超音波トランスジューサとして求められる残響特性の値は、例えば常温で１．４ｍｓ以下である。

以上の結果から、実験例１、比較例１ともに残響特性の値は所望の値を満たしている。しかし、実験例１と比較例１とを比較すると、実験例１のほうが比較例よりも常温での残響特性が優れていることがわかる。すなわち、成形体の一方主面に、多数の凹凸部が形成されていると、残響特性がより向上するといえる。

（実験例２〜１０と比較例２）
実験例２の構造は、実施形態１に係る超音波トランスジューサ１００と同一の形状である。図１に示すように、成形体１０の主面に多数の錐体状の凹部１０ａを設けて多数の凹凸部１１を形成している。錐体形状の凹部１０ａは四角錐形状に設けられている。また、成形体１０には脚部１０ｂと突起１０ｃが形成されている。図４に示すように、突起１０ｃは錐体形状の凹部１０ａの外周に４箇所設けられている。距離ｈは、錐体形状の凹部１０ａの最も圧電素子２に遠い箇所から、圧電素子２までの距離を示す。このときの距離は０．６５ｍｍである。

実験例３〜５、及び比較例２は、表２に示すように、実験例２に比べて成形体１０と圧電素子２との距離ｈが異なるサンプルである。これらの常温の残響特性、及び総合感度を測定して比較を行う。ここで、常温は２５℃である。残響特性は、超音波を出力してから圧電素子の振動がおさまるまでの時間である。総合感度は受信した反射波の電圧のピークの値である。

距離ｈは、錐体形状の凹部１０ａの最も圧電素子２に遠い箇所から、圧電素子２までの距離のことを示す。本実験例では、使用する超音波トランスジューサの１／４波長である２．１３ｍｍから、成形体１０が圧電素子２に接触する０．５０ｍｍまで条件を変更して検証を行う。

図７に表２の条件下での実験結果を示す。実験に用いたサンプル数は５である。図中の数値は平均値を示す。なお、超音波トランスジューサとして求められる残響特性の値は、例えば常温で１．４ｍｓ以下である。また、求められる総合感度の値は、例えば常温で１．２Ｖｏｐ以上である。

実験例２、実験例３〜５、及び比較例２を比較すると、距離ｈがλ／４から短くなるほど残響特性が改善することがわかる。すなわち、錐体形状の凹部１０ａの最も圧電素子２に遠い箇所から圧電素子２までの距離ｈが、残響特性に関与しているといえる。これは、距離ｈがλ／４以下の時には共鳴が起こらない条件となり、超音波を減衰させるのに有利なためである。

しかし、比較例２のように成形体１０と圧電素子２が接触した場合では、残響特性は向上するが、総合感度が１．６０Ｖｏｐとなり著しく低下する。これより、距離ｈは、圧電素子２の動作を阻害しない距離からλ／４までの区間に設定すると効果的であるといえる。

実験例６〜１０は、表２に示すように、実験例２に比べて突起１０ｃの数が異なるサンプルである。錐体形状の凹部１０ａの外周に、突起１０ｃを点対称になるように一定の空隙を空けて設け、圧電素子２を抑える面積を変更する。これらの常温の残響特性、及び総合感度を測定して比較を行う。

図８に表２の条件下での実験結果を示す。実験に用いたサンプル数は５である。図中の数値は平均値を示す。なお、超音波トランスジューサとして求められる残響特性の値は、例えば常温で１．４ｍｓ以下である。また、求められる総合感度の値は、例えば常温で１．２Ｖｏｐ以上である。

実験例２、及び実験例６〜１０を比較すると、突起１０ｃの数を外周全面、１２箇所、８箇所、６箇所、４箇所、０箇所と減らしていくことで総合感度が段階的に上昇していくことが分かる。これは、圧電素子２の振動を抑える面積が少なくなることが要因である。ここで、突起１０ｃの数が０箇所の場合には、総合感度が最もよいが、残響特性が最も悪くなっている。これは残響特性と総合感度がトレードオフの関係になっているためである。

一方で、突起の数が４箇所の場合には、総合感度が２．２３Ｖｏｐと比較的高く、低温残響も０．９４ｍｓであり十分抑えられている。これより、突起１０ｃの数は４箇所が望ましいといえる。

本実験では、突起１０ｃの個数を０箇所、４箇所、６箇所、８箇所、１２箇所、及び外周全面を抑えることとして実験を行ったが、これに限るものではない。例えば、２箇所でも構わないし、奇数箇所でもよい。

（実施形態１の変形例１）
図９は本実施形態１の変形例１に係る超音波トランスジューサ１００Ｂの断面図である。実施形態１と同一の部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

本変形例の超音波トランスジューサ１００Ｂは、ケース１、圧電素子２、ベース基板３、リード線４、外部接続端子５及び成型体３０を備える。

成形体３０の圧電素子３２に対向する主面には多数の截頭錐体形状の凹部３０ａ、脚部３０ｂ及び突起３０ｃが設けられている。

具体的には、多数の截頭錐体形状の凹部３０ａは成形体３０の主面中央の円形領域に設けられており、格子状に等間隔に形成されている。截頭錐体形状の凹部３０ａが設けられている多数の凹凸部３１が、圧電素子２に触れないように成形体３０が設置されている。截頭錐体形状の凹部３０ａの形状は四角錐台である。このように構成されているので、成型体の製造や加工が簡単になる。

上記実施形態では、成型体とケースの内側に隙間を残して、充填シリコーンが入り込みやすいような工夫を加えているが、これに限るものではない。例えば、成型体をケースよりもひとまわり大きく形成して嵌めこむ等してもよい。

上記実施形態では、成型体の材料としてシリコーン樹脂を用いたが、これに限るものではない。例えば、ウレタンのような単泡・連泡品や、フェルトのような合成繊維を用いてもよい。

（実施形態２）
図１０は本実施形態２に係る超音波トランスジューサ５００の断面図である。本実施形態の超音波トランスジューサ５００は、ケース５１、圧電素子５２、ベース基板５３、リード線５４、外部接続端子５５及び成型体５０を備える。

成形体５０の圧電素子５２に対向する主面には多数の錐体形状の凸部５０ａによる多数の凹凸部５６、脚部５０ｂ及び突起５０ｃが設けられている。

実施形態２における実施形態１との異なる箇所は、成形体５０の形状である。

具体的には、多数の錐体形状の凸部５０ａは成形体５０の主面中央の円形領域に設けられており、格子状に等間隔に形成されている。錐体形状の凸部５０ａが圧電素子５２に触れないように、成形体５０が設置されている。錐体形状の凸部５０ａの形状は四角錐である。このように構成されているので、実施形態１と同様の効果が得られる。

（実施形態２の変形例１）
図１１は本実施形態２の変形例１に係る超音波トランスジューサ５００Ａの断面図である。実施形態２と同一の部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

本変形例の超音波トランスジューサ５００Ａは、ケース５１、圧電素子５２、ベース基板５３、リード線５４、外部接続端子５５及び成型体６０を備える。

成形体６０の圧電素子５２に対向する主面には多数の截頭錐体形状の凸部６０ａによる多数の凹凸部６１、脚部６０ｂ及び突起６０ｃが設けられている。
具体的には、多数の截頭錐体形状の凸部６０ａは成形体６０の主面中央の円形領域に設けられており、格子状に等間隔に形成されている。截頭錐体形状の凸部６０ａが圧電素子５２に触れないように、成形体６０が設置されている。截頭錐体形状の凸部６０ａの形状は四角錐台である。このように構成されているので、成型体の製造や加工が簡単になる。

１００…超音波トランスジューサ
１…ケース
２…圧電素子
３…ベース基板
４ａ、４ｂ…リード線
５ａ、５ｂ…外部接続端子
１０…成型体
１０ａ…錐体形状の凹部
１０ｂ…脚部
１０ｃ…突起
１１…凹凸部

Claims

主軸方向の端部が閉塞した有底筒状のケースと、前記ケースの内底部中央に接着されている圧電素子と、前記圧電素子に対向してケース内に配置されている成型体とを備え、
前記成型体は、前記圧電素子に対向する一方主面に、多数の凹凸部が形成されており、少なくとも前記多数の凹凸部が、前記圧電素子に対して離間されて配置されていることを特徴とする超音波トランスジューサ。
前記多数の凹凸部は、錐体形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
前記多数の凹凸部は、截頭錐体形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
前記成型体は、前記多数の凹凸部の外周部に複数の脚部が形成されており、前記脚部は前記ケースの内底部に接触していることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。
前記成型体は、前記多数の凹凸部の外周部に突起が形成されており、前記突起は前記圧電素子の主面に接触していることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。
前記成型体は、前記多数の凹凸部のうち最も前記圧電素子に遠い箇所と前記圧電素子との距離が、使用する超音波の１／４波長以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか１項に記載の超音波トランスジューサ。