JP2014110459A - 超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂材料からなる有底筒状ケースの底面（底壁）に圧電素子を貼り合わせた超音波送受波器において、合成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が破壊されやすくなるという問題があった。
【解決手段】有底筒状ケースの底面（底壁）に長繊維のクロスを埋め込むことで、耐衝撃性の高い超音波送受波器を実現する。有底筒状ケースの底面（底壁）に長繊維のクロスを埋め込むために、合成樹脂をしみ込ませた長繊維クロスを凹型に敷いてから合成樹脂を充填し硬化させた。強化が必要な部分に長繊維のクロスを充填することが出来た。
【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波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波器は金属からなる有底筒状ケースの底面（底壁）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波器の構造を示す。アルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面（底壁）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側にそれぞれ半田付けされている。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波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（底壁）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、合成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波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またはカーボンファイバーを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。

これらの超音波送受波器は、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波器では、樹脂材料の強度が金属材料に比べて劣るため、壊れやすいという問題がある。特に、石などが当たった際の衝撃による破壊が懸念される。

前述した有底筒状ケースの側面（側壁）に貫通穴を設けた超音波送受波器では、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、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た構造、または有底筒状ケースの底面（底壁）に金属板を固着させることで強度をあげる構造を検討してきた（特許文献３）。

超音波に関連した製品で、カーボンファイバーなどのフィラーを充填して部材を強化した技術が例えば特許文献４または特許文献５などで使用されている。

特許公開２００９−１７６８９６ 特許公開２０１１−３５４６５ 出願２０１１−２５３８５３ 出願Ｈ１０−１５１７８０ 出願平３−１４０４５９

従来使用されているアルミ合金と変わらぬ信頼性を得るために、より強度の高い有底筒状ケースが求められている。

これまではベースとなる合成樹脂（エポキシ樹脂など）にあらかじめシリカやカーボンファイバーなのでフィラーを混ぜておき、合成樹脂を金型に流し込んで有底筒状ケースを成形してきた。この方法では長い繊維状のものをフィラーとして充填した場合に、合成樹脂の流動性が低下して成形不良を生む問題があった。そのため、短く切ったカーボンファイバーや、球形に近いシリカなどサイズの小さいフィラーを使用してきた。フィラーを高充填することで硬くすることができるが、すでにシリカの場合では９０％近くの高充填まで行っておりこれ以上の充填が難しくなってきた。フィラーの繊維長を長くして繊維を交叉させることでフィラーが合成樹脂間をつなぎとめる働きが期待できる。しかし、長繊維をあらかじめ入れることは合成樹脂の流動性を悪くするため実施できなかった。

そこで、有底筒状ケースに加わる衝撃が意匠面部分のケース底面（底壁）であることに着目し、底面（底壁）にのみ長繊維のクロス（複数の繊維を交叉させた複合素材）を埋没させる着想に至った。以下の方法で長繊維のクロスをケース底面（底壁）に充填することができた。長繊維を平織りにしたクロスを準備し、クロスに有底筒状ケースのベース合成樹脂をしみ込ませる。ベース合成樹脂のしみ込んだクロスを有底筒状ケースを成形する凹型の底面に敷きつめる。凹型の底面が有底筒状ケースの底面（底壁）にあたる。クロスを敷きつめた凹型にベース合成樹脂を流し込み、凸型をはめ込む。エポキシ樹脂の場合は加熱して樹脂を硬化させる。硬化するのを待って離型する。底面（底壁）部に長繊維を充填した有底筒状ケースを成形することができる。この方法でベース合成樹脂の流動性を悪化させることなく、強度が必要な有底筒状ケースの底面（底壁）部に効率的に長繊維を充填することができる。以上の方法で、耐衝撃性の高い有底筒状ケースを実現した。繊維の形状や状態にかかわらず繊維を充填できるメリットがあった。

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 インピーダンスと反射感度 本発明の形態に関わる超音波送受波器の製造工程略図

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９圧電素子７のみを記載している。有底筒状ケース９の偏平した底面（底壁）に折返し電極を有する圧電素子７を貼り合わせる。有底筒状ケース９は、例えばシリカが充填されたエポキシ樹脂ベースの複合材料を成形したものである。有底筒状ケース９の底面（底壁）部に長繊維クロス８が埋め込まれている。ここでは長繊維クロス８にカーボンファイバーのクロス（平織り）を使用している。例えば、有底筒状ケース９の寸法は外径φ１４、高さ９ｍｍ、偏平したケース底面（底壁）の長手側の幅が１３．０ｍｍ、短い側の幅が７．０ｍｍ、ケース底面（底壁）厚が約１ｍｍである。約１ｍｍ厚のケース底面（底壁）部に円形にカットされた長繊維クロス８（平織のカーボンファイバー）が充填されている。クロス圧電素子７は例えば一辺６．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの正方形の圧電素子が使用される。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ーン等から成る吸音材３を載置して、その上からシリコーン材、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。

長繊維クロス８（平織りのカーボンファイバー）を埋めた超音波送受波器のインピーダンス特性の測定結果を図３に示す。４６ｋＨｚの共振周波数が確認できる。反射感度の測定を行った結果を図３に示す
。超音波送受波器の電極に共振周波数と同じ周波数のパルス電圧を加えて、３０ｃｍ先におかれたアルミ板からの反射波を受信した結果を示す。（途中に増幅回路を用いている。）受信波によって超音波送受波器に発生した電圧をオシロスコープを用いて測定した。反射波によるピークが確認できる。良好な超音波特性が得られている。

ここで使用した有底筒状ケース９はつぎのように成形された。図４に図示する。

市販されている平織のカーボンファイバー（１．５Ｋ 平織 １４０ｇ／ｃｍ２）（以下クロスと呼ぶ）に、シリカが配合された２液熱硬化のエポキシ樹脂をしみ込ませる。エポキシ樹脂をしみ込ませた長繊維クロス８を有底筒状ケース９の底面（底壁）に入るようにφ１３ｍｍの円形に型抜きする。型抜きした長繊維クロス８を有底筒状ケース９の成形型（凹型１０）にいれる。成形型は凹型１０と凸型１１からなり凹型１０の凹み部分が有底筒状ケースの底面（底壁）にあたる。凹型１０の凹み部分に長繊維クロス８を敷く。ここでは３枚のクロスを積層させた。長繊維クロス８を敷いた凹型１０にエポキシ樹脂１２を流し込み凹型１０の中をエポキシ樹脂１２で満たす。つぎに凸型１１を凹型１０にはめ込む。この際、余分なエポキシ樹脂が押し出され、押し出された部分は後で端材１３として切り離す。金型１０、１１を高温乾燥炉に入れてエポキシ樹脂１２を硬化させる。徐熱後に凹型１０から凸型１０をはずして有底筒状ケース９を離型する。図２下にハッチングで示す範囲（有底筒状ケースの意正面のほぼ全面）に長繊維クロス８を埋め込んでいる。特に、底壁に埋め込むことが重要である。

こうして成形された有底筒状ケース９の底面（底壁）には平織のカーボンファンバーが高充填されているために、底面（底壁）に加わった衝撃がカーボンファイバーによって分散し、耐衝撃性が向上する。

この成形では繊維の形状や種類によらず、比較的自由に長繊維を有底筒状ケースの底面（底壁）に充填することができる。繊維として引張強度の高いポリアミド繊維などの合成樹脂繊維、弾性率の高いスレンレスなどの金属繊維、アルミナなどのセラミック繊維などを充填することで有底筒状ケースの特性を変えることができる。カーボンファイバーのクロスの上に、ポリアミド繊維のクロスを敷いた多重構造を容易に実現することができる。

常圧下でこのような作業を実施すると気泡を噛みこむ問題がある。そのために、長繊維クロスに合成樹脂をあらかじめ染み込ませたのちに合成樹脂を型に充填し、凸型に嵌めこむ前に低真空下に置くなどの脱泡作業を行った。型に（合成樹脂を染み込ませる前の）長繊維を置いて、型の入ったチャンバーを高真空にしたのちに合成樹脂を充填することで気泡が噛みこむ問題は低減される。この場合は、凹型と凸型を嵌めこんだ後に合成樹脂を充填してもよい。

図４の成形では樹脂をあらかじめ染み込ませることで、成形品の表面にクロスが露出しない状態を実現している。この点がこの成形の利点であるが、クロスが圧電素子の接着面に露出しても、反対側の天面に露出しても強度の高い超音波送受信器を実現できる。

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 超音波送受波器
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 長繊維のクロス
９ 長繊維を底面（底壁）に充填した有底筒状ケース
１０ 凹型
１１ 凸型
１２ エポキシ樹脂
１３ 端材

Claims (3)

1. 合成樹脂製の有底筒状ケースの底壁に圧電素子を固着してなる超音波送受波器において、前記有底筒状ケースの底壁に複数の繊維を交叉させた補強素材を埋設したことを特徴とする超音波送受波器。
2. 前記補強素材はあらかじめ有底筒状ケースの成形型に設置し、成形型に合成樹脂を充填することにより前記有底筒状ケースを成形しその底壁に前記補強素材を埋設したことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
3. 前記補強素材は、あらかじめ繊維に合成樹脂を浸透させた成形品とし、該成形品を前記有底筒状ケースの前記底壁として埋設形成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。

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