JP2013141175A - 超音波送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】
弾性率の低い樹脂材料を樹脂板または有底筒状ケースを使用した反射感度の高い超音波送受信器を実現する。
【解決手段】
樹脂材料からなる有底筒状ケースの底面に金属板を接着し、金属板に圧電素子を接着し超音波送受信器において、有底筒状ケースの底面と金属板との間に、閉じたループ状の隙間を形性する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、圧電素子を用いた空中用の超音波送受信器に関するものである。

従来から、圧電素子を金属からなる板に接着したユニモルフ振動子が広く利用されている。例えば、両面電極の設けられた圧電素子を金属からなる有底筒状ケースの底面に接着したユニモルフ振動子が、自動車のバックセンサー用として大量に生産されている。

低コスト化の為に、有底筒状ケースの材料として樹脂材料が検討されている。例えば、特許文献１に記載の発明では、エポキシ樹脂に多量のシリカを充填した材料を有底筒状ケースの材料に使用している。この材料は金属に近い弾性率を有し、４０ｋＨｚ程度の比較的低い周波数帯では金属（例えばアルミニウム合金）からなる有底筒状ケースを使用した超音波送受信器よりも良好な超音波特性がえられてる。

上記の材料は超音波特性に優れるが、衝撃に対して強度が低いという問題がある。また特殊な材料であるために一般的な樹脂材料に比べると入手性が悪いという問題がある。ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などのより一般的なエンジニアリングプラスチックを有底筒状ケースの材料として使用するための検討を行ってきた。またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などのスーパーエンジニアリングプラスチックを有底筒状ケースの材料として検討してきた。これらの材料の中には衝撃に強く割れにくい、入手性が良いなどのメリットを有する材料があるが、いずれも金属材料に比べて弾性率が著しく低い為に、圧電素子を直接、樹脂材料に接着しても十分な超音波特性を得ることが出来なかった。アルミ合金の弾性率が６０ＧＰａ以上であるのに対して、例えばガラス強化されたＰＢＴの弾性率が４ＧＰａ程度（ＧＦ１５％強化の場合）である。

一般的な樹脂材料を有底筒状ケースの意匠面部に使用する方法として、樹脂からなる有底筒状ケースの底面にアルミニウム合金などの金属材料を貼り合わせた合板構造を検討してきた。しかし、圧電素子を接着した金属板の振動が、接着した樹脂によって妨げられる結果となり、十分な超音波特性を得ることが出来なかった。

図１に樹脂からなる有底筒状ケース１の底面１ａにアルミ合金からなる金属板１４を接着した合板構造の超音波送受信器１５の構造を示す。有底筒状ケースの底面１ａに平坦な金属板１４が接着されている。金属板１４の上に折り返し電極の施された圧電素子３が接着されている。圧電素子３の＋側と−側の電極にリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上にシリコーン発泡体からなる吸音材６が敷かれている。有底筒状ケース１の内部がシリコーン７で充填されている。

別の課題として、車の外装部に超音波送受信器が露出することで車の意匠性が悪くなるという問題がある。この問題の対策として、車のボディーを構成する樹脂板の背面に超音波送受信器を取り付けて、意匠面から超音波送受信器が見えない構造が検討された（例えば特許文献２に記載の発明など）。しかし、ＰＰなどの一般的な樹脂材料に超音波送受信器の振動面を接着すると、超音波送受信器の振動が著しく抑制されて為に、実用化が出来るだけの十分な特性が得られなかった。

特開２０１１−３５４６５ 特開２００８−１４５３９１

金属材料や弾性率の高い特殊な樹脂材料に圧電素子を貼り合わせた構造の超音波送受信器に比べて、弾性率が低い樹脂材料に圧電素子を貼り合わせた構造の超音波送受信器では十分な超音波特性が得られていない。弾性率が低い樹脂材料に金属板を張り合わせた合板に圧電素子を貼り合わせた構造の超音波送受信器でも十分な超音波特性が得られていない。いずれも超音波送受信器も反射感度が低いという問題がある。

請求項１の発明では、樹脂板と、樹脂板に固着された金属板と、金属板に固着された両面に電極の施された圧電素子と、からなる超音波送受信器において、金属板が樹脂板と固着される面に閉じたループ状の溝を有し、金属板の外周部と閉じたループ内の少なくとも一部が樹脂板に固着されて、金属板の閉じたループ状の溝部と樹脂板の間に隙間があることを特徴とする。

請求項２の発明では、樹脂板と、樹脂板に固着された金属板と、金属板に固着された両面に電極の施された圧電素子と、からなる超音波送受信器において、金属板が樹脂板と固着される面に凹みを有する有底筒状で、樹脂板が金属板に固着される面に突出した突出部を有し、樹脂板の突出部の端面が有底筒状の金属板の内側底面部に固着され、有底筒状の金属板の開口部側の端面が樹脂板に固着され、固着された金属板の開口部側の端面部と中央部の間に隙間があることを特徴とする。

請求項３の発明では、前述樹脂板が、有底筒状ケースの底面部であることを特徴とする。

請求項１の発明では、平坦な接着面を有する金属板を樹脂板に固着した超音波送受信器に比べて、高い反射感度を得ることができる。

請求項２の発明では、平坦な接着面を有する金属板を樹脂板に固着した超音波送受信器に比べて、高い反射感度を得ることができる。

請求項３の発明では、樹脂板を有底筒状ケースにすることで意正面側が樹脂からなる密閉型の超音波送受信器を実現する。

従来の平坦は金属板を接着した超音波送受信器（比較例） 実施例１の構造の超音波送受信器 比較例と実施例の（ａ）周波数−インピーダンス特性と（ｂ）反射波形 測定回路 実施例２の構造の超音波送受信器 実施例３の構造の超音波送受信器 実施例４の構造の超音波送受信器 楕円状の金属板を用いた超音波送受信器の例

図２に本発明の実施例を示す。ガラス強化されたポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる有底筒状ケース１の底面１ａに、アルミ合金からなる金属板２が接着剤で接着されている。金属板２の上に折り返し銀電極の施された圧電素子３が接着剤で接着されている。どちらもエポキシ接着剤で接着されている。寸法例をつぎに示す。有底筒状ケース１は外径Φ１６．４ｍｍ、内径Φ１５ｍｍ、高さ９ｍｍで、厚さ０．６ｍｍの平坦で均一な底面を有する。
金属板２は外径Φ１４ｍｍ、厚さ１ｍｍの円盤形である。圧電素子３を接着する面２ａは平坦である。有底筒状ケースに接着する面に、外径φ１３ｍｍ、内径φ１ｍｍ、深さ０．２５ｍｍのリング状の溝２ｃを有する。圧電素子３はφ５．０ｍｍの薄い円盤形状である。折り返し電極が設けられている。
有筒状ケースの底面１ａに金属板２と圧電素子３が、下から有底筒状ケースの底面１ａ、金属板２、圧電素子３の順で有底筒状ケース２の同心円上に接着されている。このとき、金属板２の接着面に設けられた溝２ｃによって、有底筒状ケース１と金属板２の間に閉じた１本のループ状の隙間４が形成される。圧電素子３の＋側の電極と−側の電極にはそれぞれリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上に外径Φ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシリコーン発泡体からなる吸音材６がしかれている。有底筒状ケースの内部にはシリコーン７が充填されて硬化している。

実施例の接着面に溝２ｃがある金属板２を使用した超音波送受信器８と、平坦な金属板を使用した超音波送受信器で、超音波送受信器の電気特性と音響特性の比較を行った。

比較に使用した平坦な金属板１４を使用した超音波送受信器１５の構造図を図１に示す。実施例と同じ有底筒状ケース１の底面１ａに、平坦な金属板１４が接着されている。平坦な金属板１４は、アルミ合金からなるφ１４ｍｍ、均一な厚さ０．７５ｍｍをもつ円盤形である。金属板１４の上に実施例と同じ圧電素子３が接着されている。実施例と同じく、圧電素子３の＋側の電極と−側の電極にはそれぞれリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上に外径Φ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシリコーン発泡体からなる吸音材６がしかれ、有底筒状ケースの内部はシリコーン７が充填されている。

実施例と比較例の超音波送受信器の周波数−インピーダンス特性図と反射感度の測定結果を図３に示す。平坦な金属板を接着した比較例に比べて、実施例の超音波送受信器には顕著な共振特性を見ることができる。実施例は３８ｋＨｚに共振ピークを有する。比較例は４８ｋＨｚ付近にわずかな共振ピークを有する。

実施例と比較例の超音波送受信器を使用して超音波の反射感度を測定した。測定条件を図４に示す。超音波送受信器を構成する有底筒状ケースの天面１ｂから３０ｃｍの位置に平板を設置し、超音波送受信器にパルス数１６発のバースト電圧の印加する。電圧を印加することで超音波送受信器の天面（有底筒状ケースの天面１ｂ）から超音波が発信される。発信された超音波が前方に設置された平板に反射して天面１ｂに返ってくることで超音波送受信器の圧電素子に電位差が生じる。反射して返ってきた超音波によって超音波送受信器に生じる電位差（反射感度）を測定した。バースト電圧の周波数は、それぞれの超音波送受信器の反射感度が最大になる周波数で測定を行った。実施例は４１ｋＨｚ、比較例は４８ｋＨｚの電圧を加えて測定を行った。比較例では１．０ｍＶｐ−ｐの反射感度が得られたのに対して、実施例では５．０ｍＶｐ−ｐの反射感度が得られた（図３ｂにそれぞれの測定結果をしめす）。実施例の超音波送受信器は、比較例に比べた高い反射感度を得ることができる。これは、実施例の超音波送受信器は比較例の超音波送受信器より遠距離の物体を検知できることを示している。

実施例の超音波送受信器８で比較例の超音波送受信器１５に比べて高い反射感度が得られる理由をつぎのように考察している。まず、実施例の超音波送受信器８は、金属板２の接着面側に溝２ｃがあるために、比較例の超音波送受信器１５に比べて振動源である圧電素子３が接着された金属板２と、振動の負荷である有底筒状ケース１との接触面積が小さい。このため、金属板２と圧電素子３に有底筒状ケースの底面１ａを接着した状態でも顕著の共振特性（周波数−インピーダンス特性）が得られていると考えられる。また、金属板の外周部２ｂと中央部２ｄが有底筒状ケースの底面１ａに固定されて、金属板２と有底筒状ケースの間に閉じたループ状の溝４を有するという形状的な特徴がつぎの効果を生んでいると考えられる。金属板の外周部２ｂが有底筒状ケースの底面１ａに接着されることで、金属板２の厚さ０．７５ｍｍの円盤部２ｅに外周部２ｂを節とした振動モードが発生する。このモードの振動は、金属板の中央にあるφ１ｍｍの円柱部２ｄを介して有底筒状ケースの底面１ａに伝達される。φ１ｍｍの円柱部２ｄが、有底筒状ケースの底面１ａを押し引きすることで有底筒状ケースの底面１ａに天面振動が発生する。金属板２の接着面に溝２ｃがあることで、金属板２の円盤部２ｅが単純な円盤で有る場合より自由に振動し、その振動が単純な円盤が接着されている場合よりも自由に振動できる有底筒状ケースの底面１ａに、φ１ｍｍの円柱部２ｄを介して効率的に伝達される。これらによって、超音波を外部に放出するために有利な結果が得られていると考えられる。また逆に、超音波を受信することにおいても、単純な円盤を接着した場合よりも容易に振動できる有底筒状ケースの底面１ａに伝達した超音波振動が、φ１．０ｍｍの金属板の円柱部２ｄに集約されて、金属板の振動部２ｅに伝達するために、高い感度が得られていると考えら得る。結果として単純な円盤を接着した場合に比べて高い反射感度が得られたと考えられる。

実施例の金属板２は、アルミ合金を切削またはプレスすることで成形できる。より安価にするためにプレスによる成形が望ましい。

プレスによる金属板の成形工程を示す。均一な厚さにカットされた円盤形のアルミ合金を用意する。円盤を金型に設置し上下からプレスする。プレスすることでアルミ合金の円盤に溝２ｃをつける。

図５に本発明の実施例を示す。ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）からなる有底筒状ケース９の底面９ａに、実施例１と同じく接着面に閉じたループ状の溝１０ｃを有する金属板１０が接着剤で接着されている。金属板の接着面に設けられた溝１０ｃによって、有底筒状ケースと金属板の間に閉じた１本のループ状の隙間１１が形成される。隙間に、シリコーンの発泡体１２が挿入されている。金属板１０の上に折り返し銀電極の施された圧電素子３が接着剤で接着されている。寸法例をつぎに示す。有底筒状ケース９は外径Φ１６．４ｍｍ、内径Φ１５ｍｍ、高さ９ｍｍで、厚さ０．７ｍｍの平坦で均一な底面を有する。金属板１０は外径φ１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤形である。圧電素子を接着する面１０ａは平坦である。有底筒状ケースに接着する面に、外径φ１３ｍｍ、内径φ１ｍｍ、深さ２．２５ｍｍのリング状の溝１０ｃを有する。圧電素子３はφ５．０、厚さ０．１５ｍｍである。折り返し電極が設けられている。金属板の接着面に設けられた溝１０ｃによって、有底筒状ケース９と金属板１０の間に閉じた１本のループ状の隙間１１が形成される。隙間内はシリコーンの発泡体１２で埋められている。圧電素子３の＋側の電極と−側の電極にはそれぞれリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上に外径Φ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシリコーン発泡体からなる吸音材６がしかれている。有底筒状ケースの内部にはシリコーン７が充填されて硬化している。

隙間に埋められたシリコーンの発泡体１２によって、隙間内で発生する超音波の乱反射を防ぐことができる。

図６に本発明の実施例を示す。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる有底筒状ケース１６の底面１６ａに、金属板１７が接着剤で接着されている。金属板の上に折り返し銀電極の施された圧電素子３が接着剤で接着されている。寸法例をつぎに示す。有底筒状ケース１６は外径Φ１６．４ｍｍ、内径Φ１５ｍｍ、高さ９ｍｍである。有底筒状ケースの底面１６ａの中央にφ１ｍｍ、底面から高さ０．５ｍｍの円柱形の突起部１６ｃを有する。突起部１６ｃを除いた有底筒状ケースの底面１６ａは、０．７ｍｍの平坦な底面である。金属板１７は外径φ１４ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍの円盤形である。圧電素子３を接着する面１７ａは平坦である。有底筒状ケース１６に接着する面に、内径φ１３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹み１７ｃを有する。圧電素子３はφ５．０、厚さ０．１５ｍｍである。折り返し電極が設けられている。有筒状ケースの底面１６ａに金属板１７と圧電素子３が、下から有底筒状ケースの底面１６ａ、金属板１７、圧電素子３の順で有底筒状ケース１６の同心円上に接着されている。このとき、金属板１７と有底筒状ケース１６の間に外径φ１３ｍｍ、内径φ１ｍｍ、幅０．５ｍｍの閉じた１本のループ状の隙間１９が形成される。。圧電素子３の＋側の電極と−側の電極にはそれぞれリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上に外径Φ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシリコーン発泡体からなる吸音材６がしかれている。有底筒状ケースの内部にはシリコーン７が充填されて硬化している。

実施例の超音波送受信器２０は、金属板１７と有底筒状ケース１６の間に閉じた１本のループ状の隙間１９が形成されるために、比較例の超音波送受信器１５に比べて振動源である圧電素子３を接着された金属板１７と、振動の負荷である有底筒状ケース１６との接触面積が小さい。このため、金属板１７と圧電素子３に有底筒状ケース１６を接着した状態でも顕著の共振特性（インピーダンス波形に見られる共振ピーク）が得られる。また、金属板の外周部１７ｂと中央部が有底筒状ケースの底面１６ａと突起部１６ｃに固定されて、金属板１７と有底筒状ケース１６の間に閉じたループ状の隙間１９を有するという形状的な特徴がつぎの効果を生んでいると考えられる。金属板の外周部１７ｂが有底筒状ケースの底面１６ａに接着されることで、金属板１７の厚さ０．７５ｍｍの円盤部１７ｄに外周部１７ｂを節とした振動モードが発生する。このモードの振動は、金属板１７の中央に接着されたφ１ｍｍの円柱部１６ｃを介して有底筒状ケースの底面１６ａに伝達される。φ１ｍｍの円柱部１６ｃが、有底筒状ケースの底面１６ａを押し引きすることで天面振動が発生する。金属板１７と有底筒状ケース１６の間に閉じた１本のループ状の隙間１８が形成されることで、金属板１７の円盤部１７ｄが単純な円盤で有る場合より自由に振動し、その振動が単純な円盤が接着されている場合よりも自由に振動できる有底子筒状ケースの底面１６ａに、φ１ｍｍの円柱部１６ｃを介して効率的に伝達されるために、超音波を外部に放出するために有利な結果が得られていると考えられる。また逆に、超音波を受信することにおいても、単純な円盤を接着した場合よりも容易に振動できる有底筒状ケースの天面１６ｂに伝達した超音波振動が、φ１．０ｍｍの樹脂からなる円柱部１６ｃに集約されて、金属板の振動部１７ｄに伝達するために、高い感度が得られていると考えら得る。結果として単純な円盤を接着した場合に比べて高い反射感度が得られると考えられる。

実施例の金属板１７は、アルミ合金を切削またはプレスすることで成形できる。より安価にするためにプレスによる成形が望ましい。

プレスによる金属板の成形工程を示す。均一な厚さにカットされた円盤形のアルミ合金を用意する。円盤を金型に設置し上下からプレスする。プレスすることでアルミ合金の内側に凹み１７ｃを形成する。

ループ状の隙間１９にシリコーンの発泡体からなる吸音材を入れることで、ループ状の隙間１９の内部での超音波の反射を防ぎ、ノイズの発生を抑えることができる。

図７に本発明の実施例を示す。ガラス強化されたポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる樹脂板２１に、アルミ合金からなる金属板１０が接着剤で接着されている。金属板１０の上に折り返し銀電極の施された圧電素子３が接着剤で接着されている。どちらもエポキシ接着剤で接着されている。寸法例をつぎに示す。樹脂板２１の意匠面２１ｂは平坦で、背面２１ａには外径Φ１６．４ｍｍ、内径Φ１５ｍｍ、高さ９ｍｍの筒２１ｃが突出している。樹脂板２１の厚さは筒２１ｃの内部では０．７ｍｍである。筒２１ｃの外側では０．７ｍｍより厚い。例えば厚さ３ｍｍである。金属板１０は外径φ１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤形である。圧電素子３を接着する面１０ａは平坦である。樹脂板の背面２１ａに接着する面に、外径φ１３ｍｍ、内径φ１ｍｍ、深さ２．２５ｍｍのリング状の溝１０ｃを有する。圧電素子３はφ５．０、厚さ０．１５ｍｍである。折り返し電極が設けられている。金属板１０の接着面に設けられた溝１０ｃによって、樹脂板２１と金属板１０の間に閉じた１本のループ状の隙間２２が形成される。隙間内はシリコーンの発泡体１２で埋められている。圧電素子３はΦ５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍである。金属板２１の同心円上の位置に接着されている。圧電素子３の＋側の電極と−側の電極にはそれぞれリード線５が半田付けされている。圧電素子３の上に外径Φ１５ｍｍ、厚さ２ｍｍのシリコーン発泡体６からなる吸音材がしかれている。樹脂板の円筒内はシリコーン７が充填されている。

広い樹脂板２１の一部分を使用した樹脂からなる超音波送受信器２３を構成する。

樹脂板の材料として
ポリエチレン、ポリプロピレン 、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、シンジオタクチックポリスチレン、非晶ポリアリレート、ポリスルホン、ポリイミドなどが考えられる。

金属板の材料として真鍮、ステンレスなどが考えられる。

金属板の他の形状として例えばつぎの形状が考えられる。金属板２５は、外周がφ１４ｍｍ、幅８ｍｍの楕円状である。有底筒状ケース２４は内径φ１５ｍｍ、幅１２ｍｍの楕円状の底面を有する。有底筒状ケース２４と接する面に外周にそった凹みを有し、中央に円柱形の突起を有する。楕円状の外周部２５ａと中央の突起が有底筒状ケース２４の底面に接着されている。有底筒状ケース２４の楕円状の底面と金属板の楕円状の外周部２５ａによって、異方性のある指向性を実現する。

１ 有底筒状ケース
１ａ 有底筒状ケースの底面
１ｂ 有底筒状ケースの天面（意匠面）
２ 金属板
２ａ 金属板の圧電素子の貼り合わせ面
２ｂ 金属板の外周部
２ｃ 金属板の溝
２ｄ 金属板の突起部
２ｅ 金属板の振動部
３ 圧電素子
４ 閉じたループ状の隙間
５ リード線
６ 吸音材
７ シリコーン
８ 実施例１の超音波送受信器
９ 有底筒状ケース
９ａ 有底筒状ケースの底面
９ｂ 有底筒状ケースの天面（意匠面）
１０ 金属板
１０ａ 金属板の圧電素子の貼り合わせ面
１０ｂ 金属板の外周部
１０ｃ 金属板の溝
１０ｄ 金属板の突起部
１０ｅ 金属板の振動部
１１ 閉じたループ状の隙間
１２ シリコーンからなる発泡体
１３ 実施例２の超音波送受信器
１４ 平坦な金属板
１５ 平坦は金属板を使用した超音波送受信器（比較例）
１６ 有底筒状ケース
１６ａ 有底筒状ケースの底面
１６ｂ 有底筒状ケースの天面（意匠面）
１６ｃ 有底筒状ケースの突出した円柱部
１７ 金属板
１７ａ 金属板の圧電素子の貼り合わせ面
１７ｂ 金属板の外周部
１７ｃ 金属板の凹み部
１７ｄ 金属板の振動部
１９ 閉じたループ状の隙間
２０ 実施例３の超音波送受信器
２１ 樹脂板
２１ａ 樹脂板の意匠面
２１ｂ 樹脂板の背面
２１ｃ 樹脂板の筒部
２２ 閉じたループ状の隙間
２３ 実施例４の超音波送受信器
２４ 有底筒状ケース
２５ 楕円状の金属板
２５ａ 楕円状の金属板の外周部

Claims (3)

1. 樹脂板と、
   前述樹脂板に固着された金属板と、
   前述金属板に固着された両面に電極の施された圧電素子と
   からなる超音波送受信器において、
   前述金属板が前述樹脂板と固着される面に少なくとも１つの閉じたループ状の溝を有し、
   前述金属板の外周部の面と閉じたループの内側の面とが前述樹脂板に固着されて、
   前述金属板の閉じたループ状の溝部で前述金属板と前述樹脂板との間に隙間があることを特徴とする超音波送受信器
2. 樹脂板と、
   前述樹脂板に固着された金属板と、
   前述金属板に固着された両面に電極の施された圧電素子と
   からなる超音波送受信器において、
   前述金属板が前述樹脂板と固着される面に凹みを有する有底筒状で、
   前述樹脂板が前述金属板に固着される面に突出した突出部を有し、
   前述樹脂板に設けられた突出部の端面が有底筒状の前述金属板の内側底面部に固着され、
   有底筒状の前述金属板の開口部側の端面が前述樹脂板に固着され、
   固着された前述金属板の開口部側の端面部と突出部が固着部分との間に少なくとも一つの閉じたループ状の隙間を有することを特徴とする超音波送受信器
3. 前述樹脂板が、有底筒状ケースの底面部であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波送受信器

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