JP2022092858A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】特性の安定化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では、ケース１２の端部１２ａを構成する第２の側壁４２の熱膨張係数が、端部１２ａの開口に埋設された音響整合層３０の熱膨張係数より小さくなっている。そのため、温度上昇に起因して音響整合層３０が熱膨張した際、相対的に熱膨張が小さい第２の側壁４２により、音響整合層３０の熱膨張が抑制される。その結果、熱膨張に伴う音響整合層３０の音響インピーダンスの変化が抑制され、それにより、超音波トランスデューサ１の特性の変化を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

従来、超音波を用いて気体や液体を計測するための超音波トランスデューサが知られている。このような超音波トランスデューサは音響整合層が備えており、たとえば下記特許文献１には、圧電振動体の超音波が出力される側のケース端部に音響整合層が設けられた超音波トランスデューサが開示されている。

特開２００４－４８２４１号公報

上述した音響整合層は、比較的大きな熱膨張係数を有することが多く、温度上昇に起因して膨張が生じやすい。音響整合層は、膨張して密度が低下すると、音響インピーダンスが変化し、その結果、超音波トランスデューサの特性が変化してしまう。

本発明は、特性の安定化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、超音波を出力する圧電振動体を備える超音波トランスデューサであって、圧電振動体が収容される筒状のケースと、ケースのケース端部の開口に埋設されて、該開口を塞ぐ音響整合層とを備え、ケースが、圧電振動体が収容される収容空間を画成する第１の側壁と、該第１の側壁から連続して設けられるとともにケース端部を構成する第２の側壁とを有し、第２の側壁の熱膨張係数が音響整合層の熱膨張係数より小さい。

上記超音波トランスデューサにおいては、圧電振動体の超音波が出力される側のケース端部を構成する第２の側壁の熱膨張係数が、ケース端部の開口に埋設された音響整合層の熱膨張係数より小さいため、温度上昇に起因する音響整合層の膨張が第２の側壁により抑制されている。そのため、膨張に伴う音響整合層の音響インピーダンスの変化が抑制され、それにより、超音波トランスデューサの特性が変化する事態が抑制される。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、ケースが、第１の側壁と第２の側壁とがつながる位置において、ケース端部を塞ぐ隔壁をさらに有し、隔壁が音響整合層と圧電振動体とで挟まれている。音響整合層と圧電振動体とが直接接する場合、音響整合層が膨張すると圧電振動体に応力が加わり、圧電振動体の振動特性が変化してしまう。音響整合層と圧電振動体との間にケースの隔壁が介在する場合、音響整合層が膨張しても圧電振動体に応力が加わらないため、圧電振動体の振動特性が変化する事態が効果的に回避されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、第２の側壁の厚さが隔壁の厚さより厚い。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、第２の側壁の厚さが第１の側壁の厚さ以下である。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、収容空間側において隔壁が第１の側壁につながる箇所に設けられ、隔壁から第１の側壁に向かって厚さが漸増する第１の逃げ部を備える。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、音響整合層側において隔壁が第１の側壁につながる箇所に設けられ、隔壁から第１の側壁に向かって厚さが漸増する第２の逃げ部を備える。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、収容空間側において隔壁が第１の側壁につながる箇所に設けられ、隔壁から第１の側壁に向かって厚さが所定の曲率で漸増する第１の逃げ部と、音響整合層側において隔壁が第２の側壁につながる箇所に設けられ、隔壁から第２の側壁に向かって厚さが所定の曲率で漸増する第２の逃げ部とを備え、第１の逃げ部の曲率半径が、第２の逃げ部の曲率半径より大きい。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、音響整合層が、断面形状が矩形状を呈する本体部と、該本体部と隣り合うとともに断面形状が先端側に向かって漸次幅が狭まる台形状を呈する先端部とを有し、第２の側壁には、音響整合層のうちの本体部のみが埋設されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、ケースの外周を部分的に覆うスリーブをさらに備え、該スリーブは、第１の側壁および第２の側壁のうちの１の側壁のみを覆う。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、第２の側壁の端部の音響整合層側に面取り部を有する。

本発明によれば、特性の安定化が図られた超音波トランスデューサを提供することができる。

一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に示したケースの要部拡大図である。

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、気体や液体を計測するために用いることができ、たとえばガススマートメータに採用され得る。

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と、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（圧電振動体）と、圧電振動子２０の超音波が出力される側のハウジング１０の端部に設けられた音響整合層３０とを備えた構成を有する。

ハウジング１０は、一方向に延びる円筒状外形を有するケース１２を備えている。ケース１２は、圧電振動子２０の超音波が出力される側の端部１２ａと、それとは反対側の端部１２ｂとを有する。ハウジング１０は、ケース１２の端部１２ｂの外周を覆うように設けられた円筒状のスリーブ１６をさらに備えている。本実施形態では、ハウジング１０の収容空間Ｓはケース１２とスリーブ１６とにより画成されている。

ケース１２は、円筒状の側壁１３と、側壁１３の開口を塞ぐ隔壁１４とを含んで構成されている。ケース１２は、たとえば金属（一例として、アルミニウム）で構成されており、その熱膨張係数はおよそ２３．６×１０^－６／Ｋである。

側壁１３は、図２に示すように、第１の側壁４１と第２の側壁４２とを含んで構成されている。

第１の側壁４１は、収容空間Ｓの一部を画成している。本実施形態において、第１の側壁４１は側壁１３の延在方向（図２の紙面上下方向）における全域にわたって均一の厚さＴ１を有する。

第２の側壁４２は、第１の側壁４１から連続して設けられており、側壁１３の延在方向において第１の側壁４１と隣り合っている。第２の側壁４２は、第１の側壁４１に関し、圧電振動子２０の超音波が出力される側（すなわち、ケース１２の端部１２ａ側）に位置しており、ケース１２の端部１２ａ（ケース端部）を構成している。本実施形態において、第２の側壁４２は側壁１３の延在方向における全域にわたって均一の厚さＴ２を有する。本実施形態では、第２の側壁４２の厚さＴ２は、第１の側壁４１の厚さＴ１より薄くなるように設計されている（Ｔ２＜Ｔ１）。第２の側壁４２の厚さＴ２は第１の側壁４１の厚さＴ１以下であってもよく、すなわち、第２の側壁４２の厚さＴ２と第１の側壁４１の厚さＴ１とが同じであってもよい。

第２の側壁４２の端部には、全周にわたって、内側（すなわち、後述する音響整合層３０側）に面取り部４２ａが設けられている。本実施形態において、第２の側壁４２の面取り部４２ａはＣ面取りされている。

隔壁１４は、第１の側壁４１と第２の側壁４２とがつながる位置に設けられており、側壁１３の延在方向に対して直交する方向に延在している。隔壁１４は、円板状を有し、側壁１３の開口を完全に塞いでいる。より具体的には、隔壁１４は、ケース１２の端部１２ａ近傍において、ケース１２の側壁１３の開口を完全に塞いでいる。本実施形態において、隔壁１４は全域にわたって均一の厚さＴ３を有する。本実施形態では、隔壁１４の厚さＴ３は、第２の側壁４２の厚さＴ２より薄くなるように設計されている（Ｔ３＜Ｔ２）。

隔壁１４の上面１４ａ側において隔壁１４が第１の側壁４１につながる箇所には、第１の逃げ部５１が設けられている。第１の逃げ部５１は、隔壁１４と第１の側壁４１との間の隅部であり、所定の曲率半径Ｒ１で湾曲している。そのため、第１の逃げ部５１では、隔壁１４から第１の側壁４１に向かって厚さが漸増している。第１の逃げ部５１により、隔壁１４と第１の側壁４１との間の隅部が直角である場合に比べて、隔壁１４が振動したときの節の位置Ｐが側壁１３から遠ざかる側にシフトする。第１の逃げ部５１の曲率半径Ｒ１が大きいほど、隔壁１４が振動したときの節の位置Ｐが側壁１３から遠ざかる。

隔壁１４の下面１４ｂ側において隔壁１４が第２の側壁４２につながる箇所には、第２の逃げ部５２が設けられている。第２の逃げ部５２は、隔壁１４と第２の側壁４２との間の隅部であり、所定の曲率半径Ｒ２で湾曲している。そのため、第２の逃げ部５２では、隔壁１４から第２の側壁４２に向かって厚さが漸増している。本実施形態では、第１の逃げ部５１の曲率半径Ｒ１が、第２の逃げ部５２の曲率半径Ｒ２より大きくなるように設計されている。

音響整合層３０は、ケース１２の端部１２ａの開口に、開口を塞ぐように埋設されている。本実施形態では、音響整合層３０は、隔壁１４の下面１４ｂ側（すなわち、圧電振動子２０の超音波が出力される側）において、一部が第２の側壁４２によって画成された領域を埋めており、かつ、残部が端部１２ａの開口から突出している。

音響整合層３０は、本体部３１と先端部３２とを有する。本体部３１は、第２の側壁４２によって画成された領域を埋める部分である。第２の側壁４２は、音響整合層３０の本体部３１の全長にわたって本体部３１の側面を覆ってもよく、本体部３１の一部の側面を覆ってもよい。第２の側壁４２は、たとえば本体部３１の５０～７５％の側面を覆ってもよい。本実施形態では、本体部３１は円柱形状を有し、図１に示すように本体部３１の断面形状は矩形状を呈する。先端部３２は、本体部３１から連続して設けられており本体部３１の先端側（すなわち、圧電振動子２０の超音波が出力される側）に位置している。本実施形態では、先端部３２はＣ面取り部３０ａを有する円錐台形状を有し、図１に示すように先端部３２の断面形状は先端側に向かって漸次幅が狭まる台形状を呈する。

音響整合層３０は、たとえばエポキシ樹脂とガラスビーズとを含む複合材料で構成されており、その熱膨張係数はおよそ３９×１０^－６／Ｋである。音響整合層３０は、エポキシ系樹脂等の接着材を用いて、ケース１２と接着することができる。

圧電振動子２０は、隔壁１４の上面１４ａ上に配置されている。圧電振動子２０は、たとえば板状の外形（本実施形態では円板状の外形）を有する。圧電振動子２０は、図示しない一対の端子電極を有し、各端子は信号線５から延びる一対の配線（またはリード）２１、２２を介して信号線５と電気的に接続されている。圧電振動子２０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。圧電振動子２０は、隔壁１４の上面１４ａ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隔壁１４の上面１４ａに接着されていてもよい。

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。

スリーブ１６は、ケース１２の端部１２ｂに設けられており、図１に示すように、端部１２ｂの外周を覆うとともに端部１２ｂから上方に延びている。スリーブ１６は、たとえばニトリルゴム（ＮＢＲ）で構成することができる。スリーブ１６は、ケース１２の側壁１３のうちの第１の側壁４１の外周のみを覆っており、第２の側壁４２までは達していない。ケース１２とスリーブ１６とにより画成された収容空間Ｓは、図示しない防振材で充たされている。防振材としては、たとえばウレタンを採用することができる。

上述したとおり、超音波トランスデューサ１では、ケース１２の端部１２ａを構成する第２の側壁４２の熱膨張係数が、端部１２ａの開口に埋設された音響整合層４０の熱膨張係数より小さくなっている。そのため、温度上昇に起因して音響整合層３０が熱膨張した際、相対的に熱膨張が小さい第２の側壁４２により、音響整合層３０の熱膨張が抑制される。その結果、熱膨張に伴う音響整合層３０の音響インピーダンスの変化が抑制され、それにより、超音波トランスデューサ１の特性の変化を抑制することができる。

また、超音波トランスデューサ１では、隔壁１４が音響整合層３０と圧電振動子２０とで挟まれた構成を有する。音響整合層３０と圧電振動子２０とが直接接する場合には、音響整合層３０が熱膨張すると圧電振動子２０に応力が加わり、圧電振動子２０の振動特性が変化してしまう。超音波トランスデューサ１では、隔壁１４が音響整合層３０と圧電振動子２０との間に介在しているため、音響整合層３０が膨張しても圧電振動子２０に応力が加わらず、圧電振動子２０の振動特性の変化が効果的に回避されている。

さらに、超音波トランスデューサ１では、第１の逃げ部５１により、隔壁１４と第１の側壁４１との間の隅部が直角である場合に比べて、隔壁１４が振動したときの節の位置Ｐが側壁１３から遠ざかる側にシフトしている。それにより、隔壁１４の振動が、側壁１３（特に、第２の側壁４２）に伝播しにくくなっており、残響の発生が低減される。

また、超音波トランスデューサ１では、ケース１２の第１の側壁４１を覆うスリーブ１６を備えており、スリーブ１６により残響が減少される。

さらに、超音波トランスデューサ１では、第２の側壁４２が面取り部４２ａを有するため、ケース１２とは別に準備した音響整合層３０をケース１２の端部１２ａに取りつける際、取り付け時の相対位置ズレを面取り部４２ａが許容し、取り付けの容易化が図られている。

１…超音波トランスデューサ、１０…ハウジング、１２…ケース、１３…側壁、１４…隔壁、２０…圧電振動子、３０…音響整合層、３１…本体部、３２…先端部、４１…第１の側壁、４２…第２の側壁、５１…第１の逃げ部、５２…第２の逃げ部。

Claims (10)

1. 圧電振動体を備える超音波トランスデューサであって、
   前記圧電振動体が収容される筒状のケースと、
   前記ケースのケース端部の開口に埋設されて、該開口を塞ぐ音響整合層と
   を備え、
   前記ケースが、前記圧電振動体が収容される収容空間を画成する第１の側壁と、該第１の側壁から連続して設けられるとともに前記ケース端部を構成する第２の側壁とを有し、
   前記第２の側壁の熱膨張係数が前記音響整合層の熱膨張係数より小さい、超音波トランスデューサ。
2. 前記ケースが、前記第１の側壁と前記第２の側壁とがつながる位置において、前記ケース端部を塞ぐ隔壁をさらに有し、
   前記隔壁が前記音響整合層と前記圧電振動体とで挟まれている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記第２の側壁の厚さが前記隔壁の厚さより厚い、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記第２の側壁の厚さが前記第１の側壁の厚さ以下である、請求項２または３に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記収容空間側において前記隔壁が前記第１の側壁につながる箇所に設けられ、前記隔壁から前記第１の側壁に向かって厚さが漸増する第１の逃げ部を備える、請求項２～４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記音響整合層側において前記隔壁が前記第１の側壁につながる箇所に設けられ、前記隔壁から前記第１の側壁に向かって厚さが漸増する第２の逃げ部を備える、請求項２～５のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記収容空間側において前記隔壁が前記第１の側壁につながる箇所に設けられ、前記隔壁から前記第１の側壁に向かって厚さが所定の曲率で漸増する第１の逃げ部と、
   前記音響整合層側において前記隔壁が前記第２の側壁につながる箇所に設けられ、前記隔壁から前記第２の側壁に向かって厚さが所定の曲率で漸増する第２の逃げ部と
   を備え、
   前記第１の逃げ部の曲率半径が、前記第２の逃げ部の曲率半径より大きい、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記音響整合層が、断面形状が矩形状を呈する本体部と、該本体部と隣り合うとともに断面形状が先端側に向かって漸次幅が狭まる台形状を呈する先端部とを有し、
   前記第２の側壁には、前記音響整合層のうちの前記本体部のみが埋設されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記ケースの外周を部分的に覆うスリーブをさらに備え、該スリーブは、前記第１の側壁および前記第２の側壁のうちの前記１の側壁のみを覆う、請求項１～８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記第２の側壁の端部の前記音響整合層側に面取り部を有する、請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

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