JP2019114953A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】送信音圧や受信感度を向上した超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】超音波トランスデューサ１は、ダイアフラム３に複数の圧電素子１０が接着され、複数の圧電素子１０の夫々が有する一対の電極のうち、一方の電極が互いに短絡され、複数の圧電素子１０のうち、少なくとも一つが超音波の送信時又は受信時にダイアフラム３が変形する際のダイアフラム３の表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着され、複数の圧電素子１０の残りのうち、少なくとも一つが超音波の送信時又は受信時にダイアフラム３が変形する際のダイアフラム３の表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着され、圧縮歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極から他方の電極に向けての分極と、引っ張り歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極から他方の電極に向けての分極とが互いに逆方向である。【選択図】図２

Description

本発明は、弾性体よりなるダイアフラムに接着され、超音波の送信時にダイアフラムを振動させる駆動力を発生、又は、超音波の受信時に電気信号を発生する圧電素子を有する超音波トランスデューサに関する。

従来、超音波の送受信に超音波トランスデューサが利用されてきた。超音波トランスデューサの一例として、有底筒状ケースの底面がダイアフラム状であり、当該底面に圧電素子が一つ接着されたものがある。この種の超音波トランスデューサでは、例えば、超音波を送受信する際にダイアフラムと圧電素子とが振動変形し、当該圧電素子の一対の電極のうちの一方の電極がセンサ回路の接地電位に接続され、他方の電極が信号線として用いられ、信号が入出力される。また、超音波トランスデューサには、複数の圧電素子を備えて構成されているものもある（例えば特許文献１及び２）。

特許文献１には超音波送受波器が開示されている。この超音波送受波器は、圧電素子が接合され、超音波の送受信面となるダイアフラムにリング状の溝を設けることにより２以上の共振点を設け、上記リング状の溝の内外に異なる圧電素子を接合し、上記共振点のダイアフラムの変形に合わせた駆動信号を上記各圧電素子に印加することにより一つのトランスデューサにて複数の周波数で駆動できるようにしている。

特許文献２には超音波送波器が開示されている。この超音波送波器は、平面上に複数の圧電素子を２次元に配置し、駆動時の位相を各圧電素子間で制御して駆動することにより超音波の指向性を制御している。

特開２００９−５５４５８号公報 特開２００６−１７６２９号公報

上述した有底筒状ケースの底面に圧電素子が一つ接着された超音波トランスデューサでは、ダイアフラム表面が歪む部位の一部にのみ圧電素子が接着されているので、送信時にはダイアフラムの一部のみを圧電素子により変形させるため、印加電圧に比べてダイアフラムを変形させる力が弱く、受信時には、ダイアフラムの歪分布に比べて、圧電素子は小さいため、圧電素子の出力信号は小さくなり、送信音圧や受信感度が低くなる。特許文献１に記載の技術は、超音波トランスデューサの共振モードを複数持たせる方法であり、２つの圧電素子に送信時に駆動信号が印加されるが、送信音圧や受信感度の改善については開示されていない。特許文献２に記載の技術は、二次元に配置された圧電素子を送信方向や受信方向を制御するためには個別又はグループ分けして各個又は各グループ毎に位相をずらした信号の印加又は位相をずらした受信を行うものであり、送信音圧の向上、受信感度の向上に関するものではない。

そこで、送信音圧や受信感度を向上した超音波トランスデューサが求められる。

本発明に係る超音波トランスデューサの特徴構成は、弾性体よりなるダイアフラムに接着され、超音波の送信時に前記ダイアフラムを振動させる駆動力を発生、又は、前記超音波の受信時に電気信号を発生する圧電素子を有する超音波トランスデューサであって、前記ダイアフラムに複数の前記圧電素子が接着され、前記複数の圧電素子の夫々が有する一対の電極のうち、一方の電極が互いに短絡され、前記複数の圧電素子のうち、少なくとも一つが前記超音波の送信時又は受信時に前記ダイアフラムが変形する際の前記ダイアフラムのある時点における表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着され、前記複数の圧電素子の残りのうち、少なくとも一つが前記超音波の送信時又は受信時に前記ダイアフラムが変形する際の前記ダイアフラムの前記ある時点における表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着され、前記圧縮歪を受ける部位に接合される前記圧電素子の前記一方の電極から他方の電極に向けての分極と、前記引っ張り歪を受ける部位に接合される前記圧電素子の前記一方の電極から前記他方の電極に向けての分極とが互いに逆方向である点にある。

例えば、上記構成の一例として、超音波トランスデューサを有底筒状ケースの底面が超音波の送受信時に変形するダイアフラムで構成し、第１の電極と第２の電極と圧電体とからなる第１の圧電素子（複数の圧電素子のうちの一つの一例）と、第３の電極と第４の電極と圧電体とからなる第２の圧電素子（複数の圧電素子の残りのうちの一つの一例）とを、超音波トランスデューサの超音波の送受信時に、上記有底筒状ケースの底面における互いに逆相の歪が印加される部位に接着すると共に、第１の電極から第２の電極方向への分極と、第３の電極から第４の電極方向への分極とを互いに逆方向とし、第２の電極と第４の電極とが回路の基準電位に接続され、第１の電極と第３の電極とが互いに短絡されて同じ駆動信号が印加される、或いは受信回路に接続されるように構成することができる。このような構成とすることにより、駆動時にはダイアフラムの変形に対して圧縮方向に歪む部位、及び引っ張り方向に歪む部位の双方に駆動力を加えることができ、送信音圧の向上が可能となる。また、超音波の受信時には、信号レベルの増大が期待できる。したがって、送信音圧や受信感度を向上した超音波トランスデューサを実現できる。

また、前記超音波トランスデューサは、前記複数の圧電素子のうち、少なくとも２つの圧電素子が同一の圧電体上に形成されていると好適である。

上記のように、複数の圧電素子を、第１の電極と第２の電極と圧電体とからなる第１の圧電素子（複数の圧電素子のうちの一つの一例）と、第３の電極と第４の電極と圧電体とからなる第２の圧電素子（複数の圧電素子の残りのうちの一つの一例）とで構成した場合、第１の圧電素子の第２の電極と第２の圧電素子の第４の電極とを夫々、圧電体の一方の面に形成し、第１の圧電素子の第１の電極と第２の圧電素子の第３の電極とを夫々、圧電体の他方の面に形成することにより、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを一体化でき、ダイアフラムとの接合工程を簡便にできる。また、第１の圧電素子と第２の圧電素子との互いの位置関係のズレを抑制でき、超音波トランスデューサの特性のバラツキを抑制できる。なお、第２の電極と第４の電極とは、全面電極となるように、圧電体の一方の面に全面に亘って形成しても良い。

超音波トランスデューサの有底筒状ケースの一例、超音波送受信時のケース底部のダイアフラムの変形例、及びケース底面の表面歪分布の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す図である。 超音波トランスデューサ用のセンサ回路の一例を示す図である。 センサ動作時の交流電流源の出力電流と圧電素子の電極間電圧の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを示す図である。

１．第１の実施形態
本発明に係る超音波トランスデューサは、送信音圧や受信感度が向上できるように構成される。以下、本実施形態の超音波トランスデューサ１について説明する。

本実施形態では、超音波トランスデューサ１（図２参照）は、図１の（Ｉ）に示されるような有底筒状ケース（以下「ケース」）２を有して構成される。ケース２の底部には弾性体よりなるダイアフラム３が構成される。ダイアフラム３は、超音波トランスデューサ１が超音波を送信する時、及び超音波を受信する時に変形する。

図１の（ＩＩ）にはケース２のＡ−Ａ線の断面図が示され、図１の（ＩＩＩ）にはＢ−Ｂ線の断面図も示される。また、これらの図には、超音波の送受信時においてダイアフラム３が振動する状態であって、ケース２の底面が突出するように変形した状態が二点鎖線で示される。なお、この二点鎖線は、理解を容易にするために変形量を誇張して示している（実際には、数十μｍ程度の変形量である）。更に、図１の（ＩＶ）及び（Ｖ）には、夫々図１の（ＩＩ）及び（ＩＩＩ）における、ケース２の底面が凹状に変形した状態である時の当該底面のある時点における表面歪分布も示される。

図２には、超音波トランスデューサ１の上面図、及びＡ−Ａ線の断面図が示される。図２に示されるように、超音波トランスデューサ１は、ダイアフラム３に接着され、超音波の送信時にダイアフラム３を振動させる駆動力を発生、又は、超音波の受信時に電気信号を発生する圧電素子１０を有する。

ダイアフラム３には、複数の圧電素子１０が接着される。本実施形態では、複数の圧電素子１０が３つの圧電素子１０からなり、夫々、第１の圧電素子１１、第２の圧電素子２１、第３の圧電素子３１であるとして説明する。第１の圧電素子１１は、第１の電極１２と第２の電極１３と第１の圧電体１４とからなる。第２の圧電素子２１は、第３の電極２２と第４の電極２３と第２の圧電体２４とからなる。第３の圧電素子３１は、第５の電極３２と第６の電極３３と第３の圧電体３４とからなる。

複数の圧電素子１０の夫々が有する一対の電極のうち、一方の電極が互いに短絡される。複数の圧電素子１０の夫々が有する一対の電極とは、第１の圧電素子１１が有する第１の電極１２及び第２の電極１３と、第２の圧電素子２１が有する第３の電極２２及び第４の電極２３と、第３の圧電素子３１が有する第５の電極３２及び第６の電極３３である。本実施形態では、図示はしないが、第１の圧電素子１１が有する第２の電極１３と、第２の圧電素子２１が有する第４の電極２３と、第３の圧電素子３１が有する第６の電極３３とが互いに短絡され、共通電位に接続される。

複数の圧電素子１０のうち、少なくとも一つが超音波の送信時又は受信時にダイアフラム３が変形する際のダイアフラム３のある時点における表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着され、複数の圧電素子１０の残りのうち、少なくとも一つが超音波の送信時又は受信時にダイアフラム３が変形する際のダイアフラム３の上記ある時点における表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着される。図１の（ＩＶ）及び（Ｖ）に示されるように、超音波の送受信時においてケース２の底面が突出するようにダイアフラム３が変形する場合には、第１の圧電素子１１がダイアフラム３のある時点における表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着されることになり、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１がダイアフラム３のある時点における表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着されることになる。

一方、図示はしないが、超音波の送受信時においてケース２の底面がケース２内に引っ張られるようにダイアフラム３が変形する場合には、第１の圧電素子１１がダイアフラム３のある時点における表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着されることになり、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１がダイアフラム３のある時点における表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着されることになる。したがって、第１の圧電素子１１と、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１とは、ダイアフラム３の変形時におけるダイアフラム３のある時点における表面歪分布に対して歪の極性が互いに逆となるケース２の底面の表面に接着されることになる。

なお、ケース２の底面が筒状の軸方向一方側の面とすると、圧電素子１０は、ケース２の底面における軸方向他方側を向く面に接着される。また、図１及び図２では、圧電素子１０の夫々の電極と超音波トランスデューサ１の外部との間の配線や、超音波トランスデューサ１の残響を調整する吸音材や、水分等の浸入を防ぐ封止材は省略して示される。

超音波トランスデューサ１は、圧縮歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極から他方の電極に向けての分極と、引っ張り歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極から他方の電極に向けての分極とが互いに逆方向となるように構成される。図２の例では、圧縮歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極とは、第１の圧電素子１１が有する第２の電極１３であり、圧縮歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の他方の電極とは、第１の電極１２である。一方、引っ張り歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の一方の電極とは、第２の圧電素子２１が有する第４の電極２３及び第３の圧電素子３１が有する第６の電極３３であり、引っ張り歪を受ける部位に接合される圧電素子１０の他方の電極とは、第２の圧電素子２１が有する第３の電極２２及び第３の圧電素子３１が有する第５の電極３２である。

したがって、超音波トランスデューサ１は、第１の圧電素子１１が有する第２の電極１３から第１の電極１２に向けての分極と、第２の圧電素子２１が有する第４の電極２３及び第３の圧電素子３１が有する第６の電極３３の夫々から第２の圧電素子２１が有する第３の電極２２及び第３の圧電素子３１が有する第５の電極３２の夫々に向けての分極とが互いに逆方向となるように構成される。

換言すれば、第２の電極１３、第４の電極２３、及び第６の電極３３に対する他方の電極間で分極されており、分極の極性は第２の電極１３から第１の電極１２への分極と、第４の電極２３から第３の電極２２への分極、及び第６の電極３３から第５の電極３２への分極とは、互いに逆方向となるように構成される。第２の電極１３、第４の電極２３、及び第６の電極３３に対して、第１の電極１２、第３の電極２２、及び第５の電極３２に対して同じ極性の電圧を印加すると第１の圧電体１４によるダイアフラム３の変形と、第２の圧電体２４及び第３の圧電体３４によるダイアフラム３の変形とはダイアフラム３の表面に対し垂直方向で同じ方向の変形となり、低電圧でダイアフラム３の大きな変移を得ることができる。また、超音波の受信時におけるダイアフラム３の変形に対して、第２の電極１３、第４の電極２３、及び第６の電極３３に対する第１の電極１２、第３の電極２２、及び第５の電極３２に誘起される電圧は同じ極性となり、受信レベルの向上が可能となる。

図３は本実施形態の超音波トランスデューサ１用のセンサ回路の一例を示す図であり、図４はセンサ動作時の交流電流源の出力電流と圧電素子の電極間電圧の一例が示される。図３に示されるように、センサ回路は、第１の圧電素子１１、第２の圧電素子２１、及び第３の圧電素子３１が互いに並列に接続されて駆動回路及び検出回路に接続されており、図４に示されるように、駆動時のみ交流電流源は設定された周波数及び振幅の交流電流を出力し、それ以外は出力を停止し、絶縁状態となる。なお、図３では、交流電流源による電流駆動となっているが、駆動時のみ交流電圧源と接続される構成による電圧駆動でも良い。

超音波トランスデューサ１を超音波送信専用に用いる場合は検出回路を省略しても良く、超音波トランスデューサ１を受信専用に用いる場合は図３における交流電流源とトランスに代えて、インダクタンスとしても良い。

２．第２の実施形態
次に、超音波トランスデューサ１の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、第１の圧電素子１１の第１の圧電体１４、第２の圧電素子２１の第２の圧電体２４、及び第３の圧電素子３１の第３の圧電体３４が夫々別体で構成されているものとして説明したが、本実施形態では、第１の圧電素子１１の第１の圧電体１４、第２の圧電素子２１の第２の圧電体２４、及び第３の圧電素子３１の第３の圧電体３４に代えて、一つの圧電体９０で構成されている点で第１の実施形態と異なる。その他の点については、同様であるので説明は省略する。

図５には、第２の実施形態の超音波トランスデューサ１が示される。本実施形態では、複数の圧電素子１０のうち、少なくとも２つの圧電素子１０が同一の圧電体９０上に形成されている。具体的には、第１の圧電素子１１、第２の圧電素子２１、及び第３の圧電素子３１が、同一の圧電体上に形成される。第２の電極１３、第４の電極２３、及び第６の電極３３は、共通電極として一体化される。このように一つの圧電体上に複数の圧電素子１０を形成することにより、圧電素子１０の取り扱いが簡便となり、圧電素子１０間の位置関係のバラツキを抑制することが可能となる。

３．その他の実施形態
上記第１の実施形態、及び第２の実施形態では、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１が別体で構成されているように示したが、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１は、一体で構成しても良い。この場合、第２の圧電素子２１及び第３の圧電素子３１は、環状に構成すると良い。

本発明は、弾性体よりなるダイアフラムに接着され、超音波の送信時にダイアフラムを振動させる駆動力を発生、又は、超音波の受信時に電気信号を発生する圧電素子を有する超音波トランスデューサに用いることが可能である。

１：超音波トランスデューサ
３：ダイアフラム
１０：圧電素子

Claims (2)

1. 弾性体よりなるダイアフラムに接着され、超音波の送信時に前記ダイアフラムを振動させる駆動力を発生、又は、前記超音波の受信時に電気信号を発生する圧電素子を有する超音波トランスデューサであって、
   前記ダイアフラムに複数の前記圧電素子が接着され、
   前記複数の圧電素子の夫々が有する一対の電極のうち、一方の電極が互いに短絡され、
   前記複数の圧電素子のうち、少なくとも一つが前記超音波の送信時又は受信時に前記ダイアフラムが変形する際の前記ダイアフラムのある時点における表面歪分布において圧縮歪を受ける部位に接着され、前記複数の圧電素子の残りのうち、少なくとも一つが前記超音波の送信時又は受信時に前記ダイアフラムが変形する際の前記ダイアフラムの前記ある時点における表面歪分布において引っ張り歪を受ける部位に接着され、
   前記圧縮歪を受ける部位に接合される前記圧電素子の前記一方の電極から他方の電極に向けての分極と、前記引っ張り歪を受ける部位に接合される前記圧電素子の前記一方の電極から前記他方の電極に向けての分極とが互いに逆方向である超音波トランスデューサ。
2. 前記複数の圧電素子のうち、少なくとも２つの圧電素子が同一の圧電体上に形成されている請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

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