JP2022063540A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波成分の残響の低減が図られ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、圧電振動子２０の側面２０ａを覆うように接着された導波部４０が金属材料または圧電セラミック材料で構成することで、圧電振動子２０の振動により生じる超音波成分が圧電振動子２０と導波部４０との間において反射しにくくし、それにより反射した超音波成分が残響となる事態が抑制される。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

従来、ケース内に圧電振動子が配置された超音波トランスデューサが知られている。たとえば、下記特許文献１には、両主面に電極が形成された板状の圧電振動子と、圧電振動子の各電極に信号を入力する配線とを備えた超音波トランスデューサが開示されている。

特許第４１８２１５６号公報

超音波トランスデューサにおいては、超音波成分の残響のさらなる低減が求められている。しかしながら、上述した従来の超音波トランスデューサでは、超音波成分の残響が十分に低減されていなかった。

本発明の一態様は、超音波成分の残響の低減が図られた超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る超音波トランスデューサは、底蓋を有し、樹脂で構成されたケースと、ケースの内において底蓋上に配置された圧電振動子と、圧電振動子の側面の少なくとも一部を覆うように接着され、金属材料または圧電セラミック材料で構成された導波部と、ケース内において、外部から受け付けた圧電振動子を発振させる信号を圧電振動子に入力する配線部とを備える。

上記超音波トランスデューサにおいては、圧電振動子の側面を覆うように接着された導波部が金属材料または圧電セラミック材料で構成されており、圧電振動子の振動により生じる超音波成分が圧電振動子と導波部との間において反射して残響となる事態が抑制されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、導波部が、ケースの底蓋の厚さ方向において対向する第１の主面および第２の主面を有する。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、第１の主面がケースの底蓋と接している。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、導波部が、第２の主面側において圧電振動子の一部を覆うように延びるフランジ部を有する。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、導波部のフランジ部が、圧電振動子と配線部との間に介在して、配線部を保持している。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、ケースの底蓋の厚さ方向に関し、導波部の高さが圧電振動子の高さより低い。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、導波部が、圧電振動子と接着される第１の面と、第１の面と対向する第２の面とを有し、導波部の第２の面が、ケースの内周面に接している。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、ケースが内周面側に肉厚化された肉厚部を有し、該肉厚部に導波部が接している。

本発明の一態様によれば、超音波成分の残響の低減が図られた超音波トランスデューサが提供される。

実施形態に係る超音波トランスデューサを示す概略断面図である。 図１の圧電振動子および導波部を示した概略斜視図である。 図１に示した断面図の要部拡大図である。 異なる態様の導波部を示した概略斜視図である。 異なる態様の導波部を示した概略断面図である。 異なる態様の超音波トランスデューサを示した概略断面図である。 異なる態様の超音波トランスデューサを示した概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１～３を参照して、実施形態に係る超音波トランスデューサ１の構成を説明する。

超音波トランスデューサ１は、外部から入力された電気信号に応じて発振し、超音波信号を出力することができる。また、超音波トランスデューサ１は、外部から超音波信号を受信すると、その信号を電気信号として外部に送信することができる。

超音波トランスデューサ１は、超音波を送受信できる構成を有し、具体的には、収容空間Ｓを画成するハウジング１０を備え、ハウジング１０の収容空間Ｓ内に収容された圧電振動子２０およびフレキシブル基板３０を備えた構成を有する。

ハウジング１０は、カップ部１２と枠部１６と蓋部１８とを備え、これらにより内部に収容空間Ｓが画成されている。

カップ部１２（ケース）は、円筒状の筒部１３と筒部１３の下端開口を塞ぐ底蓋部１４（底蓋）とを含んで構成されたカップ状の部分である。本実施形態では、筒部１３は均一の厚さｔを有する。底蓋部１４は、略円板状の形状を有し、所定の厚さ方向（板厚方向）を有する。カップ部１２は、樹脂で構成されており、本実施形態ではエポキシ樹脂およびガラスビーズを含む複合材料で構成されている。カップ部１２を構成する複合材料の音響インピーダンスは１．３×１０^６ｋｇ・ｍ^－２・ｓ^－１である。

枠部１６は、カップ部１２の上端部に設けられており、円環状の形状を有する。蓋部１８は、枠部１６の内側開口に設けられており、枠部１６と協働してカップ部１２の上部開口を塞いでいる。蓋部１８は、信号線５の端部と結合されており、信号線５の端部を保持することができるように設けられている。枠部１６はたとえばニトリルゴム（ＮＢＲ）で構成することができ、蓋部１８はたとえばウレタンで構成することができる。

圧電振動子２０は、ハウジング１０の底蓋部１４の底面１４ａ上に配置されている。圧電振動子２０は、図２に示すように、円板状の外形を有する。圧電振動子２０は、圧電体層２１と一対の端子電極２２、２３とを備えて構成されている。上側端子電極２２は、圧電体層２１の上面の一部の非被覆領域以外を覆っている。下側端子電極２３は、圧電体層２１の下面の全域を覆うとともに、上側端子電極２２が覆っていない領域の圧電体層２１の上面を覆い、かつ、圧電体層２１の上面および下面を覆う下側端子電極２３同士をつなぐように圧電体層２１の側面を覆っている。圧電体層２１は、一層の圧電材料層を含む単層構造であってもよく、複数の圧電材料層と内部電極層とが交互に積層された多層構造であってもよい。圧電材料層は、たとえばＰＺＴ等の圧電セラミックス材料で構成することができる。圧電材料層を構成する圧電セラミックス材料の音響インピーダンスは２．９×１０^７ｋｇ・ｍ^－２・ｓ^－１である。圧電振動子２０は、ハウジング１０の底蓋部１４に直接接合されていてもよく、エポキシ系樹脂等の接着材を介してハウジング１０の底蓋部１４に接着されていてもよい。圧電振動子２０を底蓋部１４に接着する場合、接着材の塗布厚さは超音波の波長に対して非常に薄く、その厚さは無視することができる。

フレキシブル基板３０（配線部）は、収容空間Ｓ内において、圧電振動子２０上に重ねられるようにして配置されている。フレキシブル基板３０は、シート状を呈しており、平面視で底面１４ａと略同形状を有する。より詳しくは、フレキシブル基板３０は、平面視で底面１４ａよりも一回り小さくなるように設計されており、ハウジング１０の筒部１３から離間して配置されている。フレキシブル基板３０は、たとえば、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）又はフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）である。すなわち、フレキシブル基板３０は、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる樹脂シートに複数の配線が設けられている。フレキシブル基板３０は、複数の配線により、信号線５と圧電振動子２０とを電気的に接続する。すなわち、フレキシブル基板３０は、一対の配線（またはリード）３１、３２を介して信号線５と電気的に接続されており、かつ、圧電振動子２０の一対の端子電極２２、２３と電気的に接続されている。

圧電振動子２０は、信号線５から入力された信号に応じて振動する。圧電振動子２０が振動した際、板厚方向に超音波周期の機械的振動が生じるともに、板厚方向および板厚方向に直交する方向に超音波振動が生じる。

超音波トランスデューサ１は、圧電振動子２０の全周を囲むように設けられた導波部４０をさらに備える。導波部４０は、圧電振動子２０の外径よりもわずかに大きな内径を有する円環状を有し、図３に示すように矩形断面を有する。導波部４０の高さｈは、圧電体層２１の高さＨよりも低くなるように設計されている。導波部４０の高さｈは、たとえば３５０～９００μｍであり、本実施形態では４００μｍである。圧電体層２１の高さＨは、たとえば４００～１０００μｍであり、本実施形態では４８５μｍである。導波部４０の内側面４０ａ（第１の面）は、圧電振動子２０の側面２０ａと対面し、導波部４０が圧電振動子２０の側面２０ａを部分的に覆っている。導波部４０の内側面４０ａと圧電振動子２０の側面２０ａとの間には接着材５０が介在しており、この接着材５０を介して導波部４０と圧電振動子２０とが接着されている。接着材５０には、比較的硬い樹脂材料（たとえば、エポキシ系樹脂）の接着材を採用することができる。接着材５０の塗布厚さは、たとえば２０～５０μｍである。本実施形態では、導波部４０の内側面４０ａと対向する外側面４０ｂ（第２の面）は、カップ部１２の筒部１３とは所定距離だけ離間している。本実施形態では、導波部４０は、圧電振動子２０の厚さ方向（すなわち、底蓋部１４の厚さ方向）において対向する下面４０ｃ（第１の主面）および上面４０ｄ（第２の主面）を有し、接着材５０を介して下面４０ｃとハウジング１０の底蓋部１４とが接している。本実施形態では、導波部４０の上面４０ｄは、フレキシブル基板３０とは所定距離だけ離間している。

導波部４０は、カップ部１２の構成材料より、音響インピーダンスが高い材料で構成され得る。導波部４０は、たとえば金属材料や圧電セラミック材料で構成され得る。導波部４０は、圧電体層２１の圧電材料層と同じ材料で構成され得る。本実施形態では、導波部４０は金属材料であるアルミニウムで構成されており、その音響インピーダンスは、１．８×１０^７ｋｇ・ｍ^－２・ｓ^－１である。

発明者らは、上述した超音波トランスデューサ１のように、圧電振動子２０の側面２０ａを覆うように接着された導波部４０が金属材料または圧電セラミック材料で構成することで、圧電振動子２０の振動により生じる超音波成分が圧電振動子２０と導波部４０との間において反射しにくくし、それにより反射した超音波成分が残響となる事態が抑制されることを新たに見出した。

すなわち、導波部４０を金属材料または圧電セラミック材料で構成することで、導波部４０の音響インピーダンスと圧電振動子２０の音響インピーダンスとが近くなるように設計されている。導波部４０と圧電振動子２０の音響インピーダンスの差は、カップ部１２の底蓋部１４と圧電振動子２０の音響インピーダンスの差より小さい。そのため、導波部４０と圧電振動子２０との間では、底蓋部１４と圧電振動子２０との間に比べて、超音波成分が反射しにくく（すなわち、伝達されやすく）なっている。つまり、導波部４０の内側面４０ａにおける超音波成分の反射が抑制されている。そのため、反射した超音波成分が、残響として圧電振動子２０に伝播される事態が抑制されている。

圧電振動子２０から導波部４０へ伝達された超音波成分は、導波部４０内である程度減衰すると考えられる。導波部４０の外側面４０ｂにおいて、超音波成分はある程度反射すると考えられるが、その反射した超音波成分もやはり導波部４０内である程度減衰すると考えられ、圧電振動子２０へは影響しにくい。上記観点から、導波部４０の幅ｗは、広いほうが好ましく、たとえば圧電体層２１の高さより長くなるように設計することができる。導波部４０の幅ｗは、たとえば５００～１０００μｍであり、本実施形態では５００μｍである。

上述した導波部４０は、図４、５に示すような導波部４０Ａであってもよい。図４、５に示した導波部４０Ａは、上述した導波部４０と同様の本体部４１と、フランジ部４２とを備えて構成されている。導波部４０Ａのフランジ部４２は、上面４０ｄ側において圧電振動子２０側に延びて、圧電振動子２０の一部を覆う。導波部４０Ａは、その上面４０ｄがフレキシブル基板３０に接しており、下方からフレキシブル基板３０を保持している。より詳しくは、フランジ部４２は、圧電振動子２０とフレキシブル基板３０との間にも介在している。導波部４０Ａにおいては、フランジ部４２により、フレキシブル基板３０の配線が容易となり、超音波トランスデューサの量産性向上が図られる。その上、導波部４０Ａにおいては、フランジ部４２により、導波部上側における超音波成分の減衰が図られる。

上述したカップ部１２は、図６、７に示すような肉厚部１５を有する形態であってもよい。肉厚部１５は、カップ部１２の筒部１３が、底蓋部１４近傍において内周面側に肉厚化された部分である。

図６に示したカップ部１２では、肉厚部１５は、その内周面において導波部４０の外側面４０ｂと接している。このような形態は、圧電振動子２０および導波部４０が、底蓋部１４に埋め込まれた形態と捉えることもできる。図６に示した形態によれば、圧電振動子２０および導波部４０の位置ズレが抑制され、位置安定性が高まる。

図７に示したカップ部１２では、肉厚部１５は、その内周面において圧電振動子２０の側面２０ａと接している。このような形態は、圧電振動子２０が、底蓋部１４に埋め込まれた形態と捉えることもできる。図７に示した形態によれば、圧電振動子２０の位置ズレが抑制され、位置安定性が高まる。また、肉厚部１５において、圧電振動子２０の側面２０ａとカップ部１２とが直接接するため、振動伝達が向上し得る。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、導通部は、必ずしも圧電振動子の全周を囲む必要はなく、部分的に囲んでもよい。また、圧電振動子は、円形状に限らず、たとえば矩形状であってもよい。

１…超音波トランスデューサ、１０…ハウジング、１２…カップ部、１３…筒部、１４…底蓋部、１５…肉厚部、２０…圧電振動子、３０…フレキシブル基板、４０、４０Ａ…導波部、４２…フランジ部。

Claims (8)

1. 底蓋を有し、樹脂で構成されたケースと、
   前記ケースの内において底蓋上に配置された圧電振動子と、
   前記圧電振動子の側面の少なくとも一部を覆うように接着され、金属材料または圧電セラミック材料で構成された導波部と、
   前記ケース内において、外部から受け付けた前記圧電振動子を発振させる信号を前記圧電振動子に入力する配線部と
   を備える、超音波トランスデューサ。
2. 前記導波部が、前記ケースの底蓋の厚さ方向において対向する第１の主面および第２の主面を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記第１の主面が前記ケースの底蓋と接している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記導波部が、前記第２の主面側において前記圧電振動子の一部を覆うように延びるフランジ部を有する、請求項２または３に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記導波部の前記フランジ部が、前記圧電振動子と前記配線部との間に介在して、前記配線部を保持している、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記ケースの底蓋の厚さ方向に関し、前記導波部の高さが前記圧電振動子の高さより低い、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記導波部が、前記圧電振動子と接着される第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面とを有し、
   前記導波部の前記第２の面が、前記ケースの内周面に接している、請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記ケースが内周面側に肉厚化された肉厚部を有し、該肉厚部に前記導波部が接している、請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
   
   

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