JP2022102355A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】ケースに対する導電性端子の相対位置ズレが抑制さ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、底蓋部１２を有するケース１０と、ケース１０内において底蓋部１２上に配置された圧電振動子２０と、ケース１０内において、底蓋部１２から離間した位置においてケース１０に保持された保持部材５０と、圧電振動子２０の厚さ方向に沿う方向に延在し、保持部材５０に保持されたピン端子６０Ａ、６０Ｂと、ケース１０内において圧電振動子２０とピン端子６０Ａ、６０Ｂとを電気的に接続するフレキシブル基板３０とを備える。すなわち、超音波トランスデューサ１は、ピン端子６０Ａ、６０Ｂを保持する保持部材５０がケース１０によって直接的に保持されている。保持部材５０によれば、ケース１０に対するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレ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、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、外部基板と電気的に接続されるピン状の導電性端子を備え、該導電性端子と圧電振動子とがフレキシブル基板を介して接続された構成を有する超音波トランスデューサが開示されている。

特許５６７２３８９号

上述した超音波トランスデューサにおいては、導電性端子の保持が十分ではなく、ケースに対する導電性端子の相対位置ズレが生じる虞があった。

本発明の一態様は、ケースに対する導電性端子の相対位置ズレが抑制さ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、圧電振動子を備える超音波トランスデューサであって、底蓋を有するケースと、ケース内において底蓋上に配置された圧電振動子と、ケース内において、底蓋から離間した位置においてケースに保持された保持部材と、圧電振動子の厚さ方向に沿う方向に延在し、保持部材に保持された導電性端子と、ケース内において圧電振動子と導電性端子とを電気的に接続する配線部材とを備える。

上記超音波トランスデューサにおいては、導電性端子を保持する保持部材がケースに保持されている。そのため、上記保持部材により、ケースに対する導電性端子の相対位置ズレが抑制されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、配線部材がフレキシブル基板である。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、圧電振動子の厚さ方向から見て、保持部材が３点以上でケースに保持されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、圧電振動子の厚さ方向に関して圧電振動子と保持部材との間に介在する制振材をさらに備え、配線部材が制振材の表面に沿って這い回されている。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、保持部材が樹脂で構成されている。

本発明の一態様によれば、ケースに対する導電性端子の相対位置ズレが抑制さ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斜視図である。 図１に示した超音波トランスデューサのケースおよび保持部材を示した概略平面図である。 図１に示した超音波トランスデューサの内部構成を示した概略斜視図である。 図１に示した超音波トランスデューサのＩＶ－ＩＶ線断面図である。 フレキシブル基板が取り付けられた圧電振動子を示した概略斜視図である。 異なる態様の超音波トランスデューサを示した概略平面図である。 異なる態様の超音波トランスデューサを示した概略斜視図である。 図７に示した超音波トランスデューサの概略平面図である。 図７に示した超音波トランスデューサのＩＸ－ＩＸ線断面図である。 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１～５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、ケース１０と、ケース１０内に収容された圧電振動子２０、フレキシブル基板３０、制振材４０および保持部材５０を備えた構成を有する。

ケース１０は、略円筒状の筒部１４と、筒部１４の下端開口を塞ぐ底蓋部１２（底蓋）とを含んで構成されたカップ状部材である。ケース１０は、たとえば金属（一例としてアルミニウム合金）で構成されている。

筒部１４の内部には収容空間が画成されており、筒部１４の延在方向に対して直交する断面における収容空間の断面形状は略楕円環状（または角丸長方形環状）である。すなわち、収容空間は一方向（図２における上下方向）に延びた断面形状を有する。図２に示すように、筒部１４には、上側開口の縁に、３つの窪み部１５Ａ～１５Ｃが設けられている。３つの窪み部１５Ａ～１５Ｃは、上部開口を挟むように配置された、２つの窪み部１５Ａ、１５Ｂと１つの窪み部１５Ｃとで構成されている。３つの窪み部１５Ａ～１５Ｃは、同じ深さを有するように設計されている。

底蓋部１２は、略円板状の形状を有し、筒部１４の下側開口を塞ぐ略楕円形状領域が振動領域Ｖとなっている。底蓋部１２の振動領域Ｖは厚さが均一となっている。

圧電振動子２０は、ケース１０の底蓋部１２の底面１１上の振動領域Ｖに配置されている。圧電振動子２０は、図５に示すように、矩形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。本実施形態では、圧電体層２１の上面の非被覆領域は、振動領域Ｖの長軸方向に関する端部に設けられている。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。そのため、一対の端子電極２２、２３は、圧電体層２１の上面において振動領域Ｖの長軸方向に対向している。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。圧電振動子２０は、ケース１０の底蓋部１２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ケース１０の底蓋部１２に接着されていてもよい。

フレキシブル基板３０（配線部材）は、図５に示すように、シート状を呈しており、一方の端部３０ａが圧電振動子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、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、圧電振動子２０の各端子電極２２、２３と後述するピン端子６０Ａ、６０Ｂとを電気的に接続する。フレキシブル基板３０に設けられた複数の配線のうち、配線３２は上側端子電極２２に接続されており、配線３３は下側端子電極２３に接続されている。

制振材４０は、圧電振動子２０上に配置されている。制振材４０は、たとえば、直方体形状を呈している。制振材４０と圧電振動子２０との間には、フレキシブル基板３０の端部３０ａが介在している。制振材４０は、圧電振動子２０から所定距離だけ離間していてもよい。制振材４０は、圧電振動子２０の厚さ方向から見て、圧電振動子２０の全体と重なるように設けることができる。制振材４０は、たとえば、熱可塑性樹脂を主体とする発泡体（気泡構造体）からなる。熱可塑性樹脂は、たとえば、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）を含む。

フレキシブル基板３０は、図４に示すように、制振材４０の表面沿って這い回されている。具体的には、フレキシブル基板３０は、制振材４０の下面側から側面を通って上面側まで引き出されている。そのため、フレキシブル基板３０一方の端部３０ａは制振材４０の下面側に位置し、他方の端部３０ｂは制振材４０の上面側に位置している。

フレキシブル基板３０の端部３０ｂには、一対のピン端子（導電性端子）６０Ａ、６０Ｂが接続されている。一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂは、図示しない外部基板と電気的に接続されており、一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂを介して外部基板と超音波トランスデューサ１との間で信号の送受信がおこなわれる。一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂはいずれも、圧電振動子２０の厚さ方向に沿って延在している。各ピン端子６０Ａ、６０Ｂの下端部６０ａは、制振材４０の上側において起立されたフレキシブル基板３０の端部３０ｂと電気的に接続されている。より詳しくは、一方のピン端子６０Ａの下端部６０ａがフレキシブル基板３０に設けられた配線３２に接続されており、他方のピン端子６０Ｂの下端部６０ａが配線３３に接続されている。ピン端子６０Ａ、６０Ｂの下端部６０ａと、フレキシブル基板３０の配線３２、３３とは、たとえばはんだにより接続することができる。

保持部材５０は、一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂをケース１０に対して保持している。保持部材５０は、制振材４０の上側に位置しており、ケース１０の底蓋部１２から離間している。保持部材５０は、本体部５２と、３本の脚部５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃとを備えて構成されている。保持部材５０は、たとえば樹脂（一例として、ＰＢＴ樹脂）によって構成されている。保持部材５０は、ＰＢＴ樹脂に限らず、ＰＰＳ樹脂やＡＢＳ樹脂等であってもよく、ガラス繊維を含有していてもよい。

本体部５２は、圧電振動子２０の厚さ方向に沿って延在する部分であり、直方体状の外形形状を呈する。本体部５２は、ケース１０の上部開口付近に位置している。本体部５２には、一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂが取り付けられている。具体的には、一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂは本体部５２を貫き、下端部６０ａが本体部５２から露出している。一対のピン端子６０Ａ、６０Ｂは、互いに平行な姿勢で振動領域Ｖの長軸方向に並んでおり、所定距離だけ離間された状態で、本体部５２に取り付けられている。

３本の脚部５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃはいずれも、本体部５２と一体的に設けられており、圧電振動子２０の厚さ方向に対して直交する方向に本体部５２から延びている。３本の脚部５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃのうち、２本の脚部５４Ａ、５４Ｂは、振動領域Ｖの短軸方向に沿って延びる長尺状を呈し、互いに平行である。各脚部５４Ａ、５４Ｂの端部５４ａは、ケース１０の窪み部１５Ａ、１５Ｂに入り込んで、ケース１０の筒部１４により下方から支持されている。脚部５４Ｃも、脚部５４Ａ、５４Ｂと同様に振動領域Ｖの短軸方向に沿って延びているが、脚部５４Ｃは、本体部５２に関して、脚部５４Ａ、５４Ｂとは反対側に延びている。脚部５４Ｃは、脚部５４Ａ、５４Ｂより短く設計されており、ケース１０の窪み部１５Ｃに全体的に入り込んで、ケース１０の筒部１４により下方から支持されている。

図２に示すように、ケース１０の窪み部１５Ｃおよび保持部材５０の脚部５４Ｃは、振動領域Ｖの長軸方向に関する略中間に位置しており、脚部５４Ａ、５４Ｂとは振動領域Ｖの長軸方向に関して略等距離だけズレている。そのため、ケース１０によって脚部５４Ａ～５４Ｃが指示される３点（すなわち、窪み部１５Ａ～１５Ｃが設けられた３箇所）の位置関係は、脚部５４Ｃが指示される点を頂点とする二等辺三角形の位置関係となっている。

保持部材５０のケース１０への取り付けは、保持部材５０の各脚部５４Ａ～５４Ｃを窪み部１５Ａ～１５Ｃ内に圧入することによりおこなわれる。窪み部１５Ａ～１５Ｃを、同じ深さになるように設計することで、脚部５４Ａ～５４Ｃの高さ位置（たとえば底面１１を基準にした高さ位置）が互いに同じになり、保持部材５０の姿勢が安定する。保持部材５０がケース１０に取り付けられた状態で、ピン端子６０Ａ、６０Ｂは圧電振動子２０の厚さ方向に延在している。

保持部材５０をケース１０に取り付ける前に、保持部材５０にピン端子６０Ａ、６０Ｂを取り付けることができる。ピン端子６０Ａ、６０Ｂの保持部材５０への取り付けは、たとえばインサート成形によっておこなわれる。

ケース１０の収容空間は、充填材７０によって充たされている。充填材７０は、保持部材５０がケース１０へ取り付けられた後に充填され、充填材７０により収容空間内の隙間が埋められる。図１に示すように、保持部材５０の本体部５２の一部はケース１０の上部開口よりも上側に位置しており充填材７０から露出する。充填材７０はたとえばウレタンで構成することができる。なお、図２の平面図および図４の断面図では、内部構成を見やすくするために、充填材７０の図示は省略している。

圧電振動子２０は、ピン端子６０Ａ、６０Ｂ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。圧電振動子２０の超音波振動に伴い、ケース１０の底蓋部１２の振動領域Ｖも超音波振動して、底蓋部１２側からケース外部に超音波が出力される。

上述したとおり、超音波トランスデューサ１は、底蓋部１２を有するケース１０と、ケース１０内において底蓋部１２上に配置された圧電振動子２０と、ケース１０内において、底蓋部１２から離間した位置においてケース１０に保持された保持部材５０と、圧電振動子２０の厚さ方向に沿う方向に延在し、保持部材５０に保持されたピン端子６０Ａ、６０Ｂと、ケース１０内において圧電振動子２０とピン端子６０Ａ、６０Ｂとを電気的に接続するフレキシブル基板３０とを備える。

すなわち、超音波トランスデューサ１は、ピン端子６０Ａ、６０Ｂを保持する保持部材５０がケース１０によって直接的に保持されている。保持部材５０によれば、ケース１０に対するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレを抑制することができる。特に、保持部材５０は、ケース１０の窪み部１５Ａ～１５Ｃに圧入されているため、保持部材５０はケース１０に対して強固に固定されている。そのため、保持部材５０はケース１０に対して相対位置ズレしにくくなっており、その結果、ケース１０に対するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレがより効果的に抑制されている。なお、保持部材５０は、圧入以外に、接着によってケース１０に保持されてもよい。

上述した実施形態では、保持部材５０が３点でケース１０に支持された態様を示し、３点支持によれば、ケース１０に対するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレが効果的に抑制される。ただし、保持部材５０は、１点、２点または４点以上でケース１０に支持された態様であってもよい。

図６～１０は、保持部材５０が１点でケース１０に支持された態様を示している。図６に示した態様では、保持部材５０の脚部５４Ｃがケース１０の窪み部１５Ｃで支持され、他の脚部５４Ａ、５４Ｂはケース１０に支持されておらず、脚部５４Ａ、５４Ｂの端部５４ａはケース１０の筒部１４の内側面に当接している。このような態様によれば、筒部１４の内側面に当接する脚部５４Ａ、５４Ｂが、脚部５４Ｃを窪み部１５Ｃの向きに押す方向の力が働き、特に振動領域Ｖの短軸方向に関するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレが抑制される。図７～１０に示した態様では、保持部材５０は脚部５４Ｃのみを備え、上述した脚部５４Ａ、５４Ｂを備えない。このような態様によれば、脚部５４Ｃを窪み部１５Ｃに圧入するだけで保持部材５０がケース１０に保持されるため、保持部材５０が３点支持された態様に比べて、圧入に必要な力が小さく作業性が向上する。図６～１０に示したいずれの態様においても、保持部材５０により、ケース１０に対するピン端子６０Ａ、６０Ｂの相対位置ズレを抑制することができる。

図７～９に示した態様と図１０に示した態様とでは、ピン端子６０Ａ、６０Ｂの形状、および、ピン端子６０Ａ、６０Ｂとフレキシブル基板３０との接続形態が異なる。図７～９に示した態様では、ピン端子６０Ａ、６０Ｂの下端部６０ａが同じ側に直角に屈曲されている。そして、ピン端子６０Ａ、６０Ｂの下端部６０ａと平行に延在するフレキシブル基板３０の端部３０ａと電気的に接続されている。図１０に示した態様では、図４に示した態様と同じように、圧電振動子２０の厚さ方向に沿って延びる下端部６０ａが、制振材４０の上側において起立されたフレキシブル基板３０の端部３０ｂと電気的に接続されている。このような態様によれば、圧電振動子２０の厚さ方向に関してフレキシブル基板３０の端部３０ａ、３０ｂ間距離を長くすることができるので、より大きな制振材４０を用いることができる。

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、配線部材は、フレキシブル基板に限らず、リードフレームやリード線であってもよい。また、圧電振動子は、矩形板状に限らず、たとえば円形板状や楕円形板状であってもよい。

１…超音波トランスデューサ、１０…ケース、１２…底蓋部、１４…筒部、２０…圧電振動子、３０…フレキシブル基板、４０…制振材、５０…保持部材、６０Ａ、６０Ｂ…ピン端子。

Claims (5)

1. 圧電振動子を備える超音波トランスデューサであって、
   底蓋を有するケースと、
   前記ケース内において前記底蓋上に配置された圧電振動子と、
   前記ケース内において、前記底蓋から離間した位置において前記ケースに保持された保持部材と、
   前記圧電振動子の厚さ方向に沿う方向に延在し、前記保持部材に保持された導電性端子と、
   前記ケース内において前記圧電振動子と前記導電性端子とを電気的に接続する配線部材と
   を備える、超音波トランスデューサ。
2. 前記配線部材がフレキシブル基板である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記圧電振動子の厚さ方向から見て、前記保持部材が３点以上で前記ケースに保持されている、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記圧電振動子の厚さ方向に関して前記圧電振動子と前記保持部材との間に介在する制振材をさらに備え、
   前記配線部材が前記制振材の表面に沿って這い回されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記保持部材が樹脂で構成されている、請求項１～４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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