JP2013110570A - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂材料からなる有底筒状ケースの底面に圧電素子を貼り合わせた超音波送受信器において、樹脂材料の強度が従来から使用されてきたアルミニウム合金に比べて劣るために、意匠面に加わる外力によって有底筒状ケースまたは貼り合わせてある圧電素子が破壊されやすくなりという問題があった。
【解決手段】圧電素子を貼り合わせたケース底面に、ケース材料に使用した樹脂よりも弾性率の高い金属の板を貼り合わせることで、ケース天面に外力が加わった際のケース天面の歪みを抑制し、強度の高い樹脂ケースを使用した超音波送受信器を実現する。

【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電素子を樹脂からなる有底筒状ケースに貼り合わせたユニモルフ振動子を基本構造とした空中用の超音波送受波器に関するものである。

近年、自動車（車両）のバックソナー用として防滴型の超音波送受信器が大量に生産されている。現在使用されているこれらの超音波送受信器は金属からなる有底筒状ケースの底面に圧電素子を貼り合わせたものがほとんどである。

図１に一般的に使用されている超音波送受信器の構造を示す。アルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面に折返し電極の施された圧電素子７が接着剤によって接着されている。圧電素子７の＋側の電極７ａとＧＮＤ側の電極７ｂにリード線５が半田付けされている。リード線５の一端は、ワイヤハーネス６の＋側とＧＮＤ側にそれぞれ半田つけされている。圧電素子７は、シリコーン発泡体からなる吸音材３で覆われている。有底筒状ケース２の内部はショアＡ硬度３０〜６０のシリコーンなどの封止剤４によって充填されている。

これらの超音波送受信器に使用される有底筒状ケースは、使用用途にあった超音波の音響特性（音圧、感度、指向性、残響）が得られるように形状が調整されている。例えば、特許文献１に記載の発明では、狭い指向性を得るために有底筒状ケースの底面付近の側面に貫通穴を設けている。

低コスト化を目的として、樹脂材料からなる有底筒状ケースを使用した超音波送受信器の開発が行われている。例えば、特許文献２に記載の発明では、エポキシ樹脂にシリカを９０％以上配合した材料を有底筒状ケースの材料として使用している。金属材料に比べて遜色ない音響特性が得られている。

特許公開２０１０−２６３３８０ 特許公開２０１１−３５４６５

これらの超音波送受信器は、有底筒状ケースの天面が意匠面となる。有底筒状ケースの天面が外部に露出して使用される。
樹脂材料を有底筒状ケースに使用した超音波送受信器では、
樹脂材料の強度が金属材料に比べて劣るため、天面に加わる外力に対して強度が低いという問題がある。所望の音響特性を得るためにケースの底面厚（天面厚）を薄くする必要がある場合は特に、外部からの押し込みや飛び石などの衝撃による破壊が懸念される。

特に前述した有底筒状ケースの側面に貫通穴を設けた超音波送受信器では、樹脂材料にした場合の強度低下が大きい。天面に衝撃が加わった場合にケースが割れてしまう場合がある。

有底筒状ケースの材料を樹脂にした場合の強度対策として、これまで圧電素子と有底筒状ケースの間に金属板を挟むことで強度を高める検討を行ってきた。金属板を樹脂ケースと圧電素子の間に挟むことで天面からの力に対する耐力が大きくなることがわかっている。しかし、
金属板が有る場合と無い場合で音響特性が大きく変わってしまう場合が多く、所望の特性が得られない場合が生じる。例えば、金属板を挟むことで音圧が低下する場合がある。または金属板を挟むと、超音波送受信器の固有振動数が高くなりすぎるという問題が生じる場合がある。固有振動数を下げるために樹脂ケースの底面厚を薄くすると、金属板が無い場合よりも強度が低下する場合がある。

請求項１の発明では、
樹脂材料で成形された有底筒状ケースの底面に圧電素子を貼り合わせ、
有底筒状ケースの底面で圧電素子が貼られていない部分に、
有底筒状ケースの材料よりも弾性率の高い金属材料を接着することで、
ケース天面からの押し込みによるたわみを軽減することができる。
貼り合わせる金属の厚さと寸法を調整することで
圧電素子と有底筒状ケースの間に金属を挟む場合に比べて、超音波特性への影響が少なく、かつ天面へ加わる力に対して耐力のある超音波送受信器を実現する。

請求項２の発明では、車載用の超音波送受信器のケースで広く使用されている有底筒状ケースの偏平した底面に、圧電素子を貼り合わせた構造において、
有底筒状ケースに貼り合わせた圧電素子の両側の対称な位置に金属板を貼り合わせることで、ケース天面からの押し込みによるたわみが軽減され、かつ金属板を貼り合わせたことによる音響特性（音圧、残響）への影響の小さい超音波送受信器を実現する。
圧電素子の両側の対称な位置に金属板を貼り合わせることで超音波送受信器の特性への影響を小さくすることができる。
金属板を有底筒状ケースと圧電素子の間に挟む場合に比べて、共振周波数の変化が小さく、また音圧などの音響特性への影響を小さく抑えることができる。音響特性の変化が小さく、天面からの外力に対して強固な超音波送受信器を実現する。

従来の超音波送受波器の概略縦断面図と上面図 本発明の形態に関わる超音波送受波器の概略縦断面図と上面図 インピーダンス波形 反射波形 ケース天面に加わった圧力によるケースの歪み 本発明の形態に関わる超音波送受波器の概略縦断面図と上面図２ 本発明の形態に関わる超音波送受波器の上面図３

図２に本発明の実施の形態の関わる超音波送受波器の概略縦断面と上面図を表す。上面図では有底筒状ケース２、圧電素子７、金属板８のみを記載している。有底筒状ケース２の偏平した底面に折返し電極を有する圧電素子７を貼り合わせ、ユニモルフ振動子を構成する。有底筒状ケース２は、例えば二酸化珪素の結晶（石英粉）の含有率が約９０％、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の含有率が約１０％のエポキシ樹脂ベースの複合材料を成形したものである。または他の樹脂材料でもよい。例えば、有底筒状ケース２の寸法は外径φ１４、高さ９ｍｍ、偏平したケース底面の長手側の幅が１３．０ｍｍ、短い側の幅が７．０ｍｍ、ケース底面厚は共振周波数が４５ｋＨｚになるように調整されている。圧電素子７の形状と寸法は音響特性に合わせて調整される。圧電素子７の形状として正方形、丸、または六角形などの多角形が一般的である。例えば、一辺５．８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの正方形圧電素子が使用される。圧電素子７の貼り合わされた有底筒状ケース２の底面に金属板８が接着剤で接着されている。例えばケース中央に一辺５．８ｍｍの正方形の圧電素子７を接着し、圧電素子７から少し離して、２枚のアルミニウム合金からなる金属板８（例えば幅１ｍｍ、奥行き５．８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）が圧電素子８の両側の対称の位置に接着されている。金属板の材質はアルミニウム合金以外の金属でも良い。例えば、メッキ処理された真鍮、ＳＵＳ材などを用いることができる。金属板の寸法は、強度と音響特性への影響を見て決定される。厚く、幅がある方が高い強度が得られるが、音響特性への影響が大きくなる。

折返し電極を有する圧電素子７に設けられた＋側電極７ａと−側電極７ｂにはリード線５が半田付けによって接続されている。リード線５の一端は、ワイヤーハーネス６に半田付けされている。圧電素子７の上面に発泡シリコン等から成る吸音材３を載置して、その上からシリコン材、ウレタン材等から成る封止剤４が有底筒状ケース２内部に充填されている。外部に接続する端子はワイヤハーネス６以外でもよい。金属ピンを端子とした構造や、リード線を直接回路に接続した構造などが考えられる。

金属板８で有底筒状ケース２の底面を補強することで、
有底筒状ケース２の天面に押し込む力が加わった場合の歪みが軽減され、押し込みに対して強度のある樹脂ケースからなる超音波送受信器を実現する。

図３に金属板８を貼り合わせる前後のインピーダンス特性を示す。インピーダンスの極小値が小さいほど感度と音圧の高い超音波送受信器特性が得られる傾向にある。図４に金属板８を貼り合わせた超音波送受信器の反射波形を示す。（反射波形の測定は、超音波送受信器の天面から６０ｃｍの位置に置かれたφ６０ｍｍのポールからの反射を駆動回路に接続して測定した。）

ここで使用した有底筒状ケース２は、材料が９０％のシリカを配合したエポキシ樹脂、ケース寸法が外径φ１４ｍｍ、高さ９ｍｍ、ケース底面は長手側が１３．０ｍｍ、短い側が７ｍｍの偏平形状である。圧電素子７は折返し電極が施された一辺５．８ｍｍの正方形（厚さ０．２ｍｍ）のものを使用されている。金属板８は幅１ｍｍ、奥行き５．８ｍｍ、高さ０．５ｍｍのアルミニウム合金の板が使用されている。圧電素子７から０．８ｍｍ離した対称な位置に２枚の金属板８がエポキシ接着剤で接着されている。接着剤による接着以外に、インサート成形によって金属板を埋め込む方法が考えられる。超音波送受信器の共振周波数は４５ｋＨｚに調整されている。金属板を接着したことでインピーダンスの極小値の値が上昇する傾向にあるが、変化が小さい。金属板８を接着したことによる共振周波数の変化は１ｋＨｚ程度と小さい。駆動回路に接続して測定した反射波形もノイズに比べて十分に大きく、対象を検知するに十分な感度が得られている。

金属板８が対称な位置に無いと底面振動のバランスが崩れるために残響特性が悪化する事がわかってる。対称な位置に設置することで超音波送受信器の特性を損なうことなく、超音波送受信器の強度をあげることができる。

金属板８による補強の効果を確認するために、有限要素法による解析を行った。
図５に有底筒状ケース２の天面に一様に１Ｍｐａの面圧力を加えた場合の変形の様子を示す。有底筒状ケース２の天面の歪みは金属板８が無い場合に比べて１１％低下する結果が得られている。また、有底筒状ケース２の天面の中心に１ｋｇｆの加重を加えた場合、ケース底面の歪みが金属板８が無い場合に比べて５％低下する結果が得られている。金属板８によって、ケース天面に外力が加わった際の天面の歪みが軽減され、天面の過大な歪みによる有底筒状ケース２と圧電素子７の破壊が抑制されていると考えられる。

図６に側面に穴のある有底筒状ケース９に本発明を実施した例を示す。
圧電素子７が底面に接着された有底筒状ケース９は、側面の対称な位置に穴９ａが設けられている。穴９ａは有底筒状ケース９の底面のすれすれの位置に設けられている。ケース底面付近に設けられた穴９ａによって、狭指向性が実現されている。中央に正方形の圧電素子７が接着されている。圧電素子７の両側に長方形の金属板８が対称な位置に接着されている。他の寸法は前述の実施例を同じである。金属板８が無い場合は、有底筒状ケース９の天面からの押し込みに対して天面が大きくたわみ、比較的小さな力で有底筒状ケース９が破壊される。金属板８を接着した場合は、天面が金属板８で支えられることで天面の破壊が抑制される。圧電素子７から少し離した両側に金属板８を接着することで、金属板８による超音波特性への影響を小さく抑えることができる。

図７に本発明を実施した別の例を示す。
有底筒状ケース２の底面に、圧電素子７が接着されている。圧電素子７のまわりに
、圧電素子７が内部におさまる寸法の貫通穴１０ａが設けられた金属板１０が接着剤で接着されている。金属板１０の貫通穴１０ａの内側の有底筒状ケース２の底面に圧電素子７が接着されている。前述した圧電素子２の対称な位置に金属板８を接着した場合に比べて、超音波特性への影響が少し大きくなるが、部材が１つですむというメリットがある。

本発明は、車のバックセンサのみならず、防滴型超音波送受波器が利用されている様々な分野に適用できる。

１ 圧電素子
２ 有底筒状ケース
３ 吸音材
４ 封止材
５ リード線
６ ワイヤーハーネス
７ 折返し電極を有する圧電素子
７ａ ＧＮＤ側電極
７ｂ ＋側電極
８ 金属板
９ 側面に穴を有する有底筒状ケース
９ａ 側面の穴
１０ 金属板の別の形態
１０ａ 金属板の貫通穴

Claims (2)

1. 樹脂からなる有底筒状ケースの底面に圧電素子を貼り合わせてなるユニモルフ振動子を基本構造とした樹脂ケースからなる超音波送受信器において、樹脂からなる有底筒状ケースの底面に有底筒状ケースの材質よりも弾性率が高い金属板を貼り合わせて、有底筒状ケースの底面を補強したことを特徴とする樹脂ケースからなる超音波送受信器
2. 前記樹脂からなる有底筒状ケースが偏平した底面をもち、
   前記圧電素子が有底筒状ケースの底面の中央部に貼り合わされ、
   前記金属板が圧電素子を挟んで対称な位置に固着されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂ケースからなる超音波送受信器

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