JP2022178083A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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Abstract

【課題】指向性の調整が容易な超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】底部22は、収容空間に臨む内面22aと、内面22aと対向している外面22bと、を有している。圧電素子は、内面22a上に配置されている。底部22は、第一部分22cと、少なくとも一つの第二部分22dと、を含んでいる。第一部分22cは、内面22aと外面22bとが互いに対向する方向において、内面22aと外面22bとの間に第一距離T1を有している。少なくとも一つの第二部分22dは、内面22aと外面22bとが互いに対向する方向において、内面22aと外面22bとの間に第二距離T2を有している。第二距離T2は、第一距離T1より小さい。【選択図】図10

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。
知られている超音波トランスデューサは、圧電素子と、圧電素子を収容するケースと、を備えている(たとえば、特許文献1参照)。ケースは、圧電素子を収容する空間を画成する底部を有している。圧電素子は、底部上に配置されている。
特開2000-32594号公報
発明者らは、超音波トランスデューサから出力される超音波の指向性について研究を重ねた。その結果、発明者らは、圧電素子から振動が伝播する、ケースの底部の形状が超音波の指向性に関わるとの知見を得た。上述した従来技術に関わる超音波トランスデューサでは、圧電素子から伝播する振動によって、底部が略一様に振動する。したがって、出力される超音波は、指向性を有しがたく、超音波の指向性は、調整されがたい。
本発明の一つの態様は、指向性の調整が容易な超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
一つの態様に係る超音波トランスデューサは、収容空間を画成しているケースと、収容空間に配置されている圧電素子と、圧電素子と電気的に接続されている配線部材と、を備えている。ケースは、収容空間に臨む内面と、内面と対向している外面と、を有している底部と、底部に交差する方向に延在しており、底部とで収容空間を画成している側部と、を有している。圧電素子は、内面上に配置されている。底部は、内面と外面とが互いに対向する方向において、内面と外面との間に第一距離を有している第一部分と、内面と外面が互いに対向する方向において、内面と外面との間に第一距離より小さい第二距離を有している少なくとも一つの第二部分と、を含んでいる。
上記一つの態様では、第二部分の第二距離は、第一部分の第一距離より小さい。したがって、圧電素子から底部に伝播する振動は、第二部分では、第一部分に比して、底部の外面に伝播するまでに減衰しがたい。すなわち、圧電素子から底部に伝播する振動は、第一部分では、第二部分に比して、底部の外面に伝播するまでに減衰しやすい。第一部分を伝播する振動は、第二部分を伝播する振動と比して、外面に伝播するまでに減衰する傾向がある。この結果、上記一つの態様では、超音波トランスデューサから出力される超音波は、底部の外面に到達する振動の強弱に対応する指向性を有する。上記一つの態様では、たとえば、第一部分及び第二部分の形状を調整することにより、超音波トランスデューサから出力される超音波の指向性が調整される。
本発明の一つの態様は、指向性の調整が容易な超音波トランスデューサを提供する。
図1は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図2は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサを示す分解斜視図である。 図3は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサの断面構成を示す図である。 図4は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図5は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図6は、第一実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図7は、圧電素子を示す斜視図である。 図8は、音響整合部材を示す平面図である。 図9は、圧電素子及び音響整合部材を示す平面図である。 図10は、図9のX-X線に沿った断面構成を示す図である。 図11は、音響整合部材の一変形例を示す平面図である。 図12は、図11のXXII-XXII線に沿った断面構成を示す図である。 図13は、音響整合部材の別の変形例を示す平面図である。 図14は、図13に示されている音響整合部材の断面構成を示す図である。 図15は、音響整合部材の別の異なる変形例の断面構成を示す図である。 図16は、音響整合部材の更に別の異なる変形例の断面構成を示す図である。 図17は、第二実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。 図18は、第二実施形態に係る超音波トランスデューサを示す分解斜視図である。 図19は、図17のXIX-XIX線に沿った断面構成を示す図である。 図20は、図17のXIX-XIX線に沿った断面構成を示す図である。 図21は、フレキシブル基板及び圧電素子を示す平面図である。 図22は、中継基板及びケースを示す平面図である。
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。
(第一実施形態)
図1~7を参照して、本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。図1は、本実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。図2は、本実施形態に係る超音波トランスデューサを示す分解斜視図である。図3は、本実施形態に係る超音波トランスデューサの断面構成を示す図である。図4~図6は、本実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。図4は、超音波トランスデューサからフレーム部材及び充填部材を除いた状態を示している。図5は、図4に示された状態から音響整合部材をさらに除いた状態を示している。図6は、図5に示された状態から樹脂部材をさらに除いた状態を示している。図7は圧電素子を示す斜視図である。
超音波トランスデューサ1は、音響整合部材2と、フレーム部材3と、圧電素子4と、一対の配線5と、少なくとも一つの端子金具6と、樹脂部材7と、充填部材8と、を備えている。
超音波トランスデューサ1は、圧電素子4によって、超音波を発する、又は、受けた超音波を検出する超音波送受装置である。超音波トランスデューサ1が超音波を発する場合には、たとえば、圧電素子4に交流電圧が印加され、当該交流電圧によって圧電素子4が連続的に変位する。圧電素子4の変位に応じて、超音波トランスデューサ1から超音波が発せられる。超音波トランスデューサ1が超音波を検出する場合には、たとえば、受けた超音波に起因する圧電素子4の変位によって圧電素子4に起電力が発生する。起電力の発生によって超音波を受けたか否かが検出され、発生した起電力の大きさによって超音波の音圧又は音圧レベルなどが検出される。
音響整合部材2は、圧電素子4を収容している収容空間Sを形成している。本実施形態では、たとえば、音響整合部材2が、収容空間Sを画成しているケースを構成する。音響整合部材2は、少なくとも圧電素子4の一部及び端子金具6の少なくとも一部を覆って当該圧電素子4の音響インピーダンスを補整する。音響整合部材2は、その形状、構造、及び材料によって、圧電素子4の音響インピーダンスと、音響整合部材2の周囲に存在する媒質のインピーダンスとの整合を図る。媒質は、たとえば、空気又は空気以外のガスを含む。音響整合部材2は、たとえば、エポキシ樹脂で形成されている。音響整合部材2は、たとえば、エポキシ樹脂にガラスビーズを混入した複合材料の発泡成形によって形成されている。音響整合部材2は、有底筒状を呈している。音響整合部材2は、底部22と、側部23と、を有している。本実施形態では、底部22及び側部23は、一体に形成されている。
底部22は、円盤形状を呈している。底部22は、圧電素子4の変位に応じて超音波を発する、又は、外部からの超音波を受けて圧電素子4に振動を伝達する部分である。底部22は、収容空間Sに臨むように位置している内面22aと、上記媒質に臨むように位置している外面22bと、を有している。内面22aと外面22bとは、図3にも示されているように、第一方向D1で互いに対向している。本実施形態では、第一方向D1は、内面22aに直交する方向と一致していると共に、外面22bに直交する方向と一致している。内面22a及び外面22bは、第一方向D1から見て、たとえば、円形状を呈している。内面22aは、音響整合部材2の収容空間Sを画成している。本実施形態では、内面22aは略平坦である。外面22bは、超音波トランスデューサ1における超音波の発信面及び受信面を構成している。底部22には、テーパー部22eが設けられている。テーパー部22eは、内面22aから外面22b側に向かって先細りになっている。
側部23は、筒形状を呈している。本実施形態では、側部23は、円筒形状を呈している。側部23は、底部22から、底部22と交差する方向に延在している。本実施形態では、側部23は、第一方向D1に延在している。側部23の内面23aは、底部22の内面22aと共に収容空間Sを画成している。
フレーム部材3は、音響整合部材2に取り付けられている。フレーム部材3は、たとえば、ゴムで形成されている。フレーム部材3は、音響整合部材2と共に収容空間Sを形成している。フレーム部材3は、本体部31と、フランジ部32と、を有している。本体部31及びフランジ部32は、一体に形成されている。
本体部31は、略円筒形状を呈している。本体部31は、音響整合部材2の側部23に取り付けられている。本体部31は、側部23の上部の外周面を取り囲むと共に、側部23の上部に配置されている。本体部31は、収容空間Sに連通する開口部Kを形成している。本体部31の内径は、音響整合部材2の側部23の内径より小さい。フランジ部32は、本体部31の上端部に設けられている。フランジ部32は、円枠状を呈している。フランジ部32は、本体部31の外周面から径方向の外側に張り出している。
図7に示されるように、圧電素子4は、圧電素体40と、一対の電極41,42と、を有している。圧電素体40は、円板形状を呈している。圧電素体40は、互いに対向している一対の主面40a,40bと、主面40aと主面40bとを連結している側面40cと、を有している。一対の主面40a,40bは、第一方向D1で互いに対向している。主面40a,40bは、円形状を呈している。
圧電素体40は、複数の圧電体層(不図示)が積層されて構成されている。各圧電体層は、圧電材料からなる。本実施形態では、各圧電体層は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料には、たとえば、PZT[Pb(Zr,Ti)O]、PT(PbTiO)、PLZT[(Pb,La)(Zr,Ti)O]、又はチタン酸バリウム(BaTiO)が用いられる。各圧電体層は、たとえば、上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。実際の圧電素体40では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。圧電素体40内には、複数の内部電極(不図示)が配置されていてもよい。各内部電極は、導電性材料からなる。導電性材料には、たとえば、Ag、Pd、又はAg-Pd合金が用いられる。
電極41は、主面40a、主面40b、及び側面40cに配置されている。電極41は、主面40a、側面40c及び主面40bにわたって配置されている。電極41のうち主面40aに配置されている部分は、略円形状を呈している。電極42は、主面40bに配置されている。電極42は、円形が一部切り欠かれた形状を呈している。
電極41と電極42とは、互いに離間している。主面40a,40bの対向方向から見て、電極41のうち主面40bに配置されている部分の面積は、電極42のうち主面40bに配置されている部分の面積より小さい。電極41及び電極42は、導電性材料からなる。導電性材料には、たとえば、Ag、Pd、又はAg-Pd合金が用いられる。電極41及び電極42は、たとえば、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。
一対の配線5は、それぞれ対応する圧電素子4の電極41,42に電気的に間接的に接続されている。一対の配線5のそれぞれは、リード線51,52を含む。リード線51,52は、音響整合部材2及びフレーム部材3によって形成される収容空間Sからフレーム部材3の開口部Kを介して収容空間Sの外部に延在している。リード線51は、電極41に電気的に間接的に接続されている。リード線52は、電極42に電気的に間接的に接続されている。
端子金具6は、圧電素子4と電気的に接続されている。本実施形態では、端子金具6は、2つの端子金具61,62を含む。端子金具61,62は、圧電素子4の主面40bに主面40bの縁に沿って設けられている。端子金具61及び端子金具62の各々は、第一部分63及び第二部分64を有している。第一部分63及び第二部分64は、互いに電気的に接続されている。本実施形態では、第一部分63及び第二部分64は、一体的に接続されている。端子金具61,62の材料は、導電性を有し、金属で構成されている。端子金具61,62を構成する金属は、たとえば、リン青銅、無酸素銅、又は銅合金などである。本実施形態では、端子金具61,62はリードフレームである。
端子金具61,62の第一部分63は、配線5に物理的に接続され、圧電素子4から離間している。第一部分63は、主面40a,40bと交差する方向に延在している。第一部分63は、主面40a,40bの対向方向、又は、当該対向方向から見て圧電素子4の重心から離れる方向に延在している。本実施形態では、第一部分63は、主面40a,40bの対向方向に延在している。配線5は、圧電素子4及び第二部分64から離間して、第一部分63に物理的に接続されている。本実施形態では、端子金具61の第一部分63がリード線51の導線部分に物理的に接続されており、端子金具62の第一部分63がリード線52の導線部分に物理的に接続されている。本明細書において、「物理的に接続されている」とは、直接的に当接している場合に加えてハンダ又は導電性樹脂などの導電性接着材料を介して接続されている場合を含むが、導電性接着材料以外の他の部材を介する場合を含まない。
第一部分63及び第二部分64は、それぞれ板形状を呈する板部65,66を含む。第一部分63は板部65を含み、第二部分64は板部66を含む。板部65と板部66とは、互いに交差する方向に延在している。板部65は、電極41,42から離れる方向に延在している。本実施形態において、板部65と板部66とは、互いに直交する方向に延在している。換言すれば、本実施形態において、端子金具61,62は、L字形状を呈している。板部65は、主面40a,40bの対向方向に延在している。板部66は、主面40bに沿って延在している。第二部分64の板部66は、主面40a,40bの対向方向から見て長方形状を呈する。主面40a,40bの対向方向から見て、板部66の面積は、電極41のうち主面40bに配置された部分の面積より小さい。端子金具61,62の板部66はそれぞれ電極41,42にハンダによって物理的に接続されている。端子金具61は、電極41に物理的かつ電気的に接続されていると共に、端子金具62は、電極42に物理的かつ電気的に接続されている。したがって、配線部材9は、電極41,42に接続されている。すなわち、配線部材9は、圧電素子4と電気的に接続されている。
第一部分63は、板部65に接続された把持部67と、係合部68と、チェック端子部69と、当接部70とをさらに含む。把持部67、係合部68、チェック端子部69、及び、当接部70は、板部65に対して一体に接続されており、板部65に対して折れ曲がっている。換言すれば、把持部67、係合部68、チェック端子部69、及び、当接部70は、板部65から突出している。
把持部67は、配線5を把持する。端子金具61の把持部67はリード線51の先端部分を把持し、端子金具62の把持部67はリード線52の先端部分を把持する。本実施形態では、把持部67は、カシメ加工によって、配線5を把持する。把持部67は、複数のピン部分を含み、各ピン部分が折れ曲がることで配線5を把持する。配線5のリード線51の導線部分は、把持部67によって端子金具61の板部65に物理的に接続される。配線5のリード線52の導線部分は、把持部67によって端子金具62の板部65に接続されている。本実施形態では、把持部67は、少なくとも一つのピン部分によって配線5の導線部分を把持し、当該導線部分が少なくとも一つのピン部分にも接続されている。
係合部68は、一対のピン部分を含み樹脂部材7に係合している。樹脂部材7と係合部68との係合によって、端子金具61,62は樹脂部材7に固定されている。本明細書において、「固定」とは、ガタを有するように係合されている状態を含む。
チェック端子部69は、配線5の通電をチェックするための端子である。端子金具61,62が圧電素子4に配置された後にチェック端子部69にテスターなどの端子を接触させることで、端子金具61,62が電極41,42に接続されているか否かが確認され得る。
当接部70は、主面40a,40bの対向方向と交差する方向に突出している。当接部70は、音響整合部材2に向かって突出し、音響整合部材2に弾性的に当接する。本実施形態では、当接部70と音響整合部材2の内面23aとの当接によって、音響整合部材2に対して圧電素子4が端子金具61,62を介して位置決めされる。
樹脂部材7は、音響整合部材2及びフレーム部材3によって形成された収容空間Sに収容されている。樹脂部材7は、枠状を呈している。樹脂部材7の厚さ方向は、主面40a,40bの対向方向と一致する。樹脂部材7は、主面40a,40bの対向方向に延在する軸周りに形成されている。樹脂部材7は、当該樹脂部材7の外周を音響整合部材2に囲まれている。樹脂部材7は、圧電素子4の外周に沿って設けられている。樹脂部材7は、圧電素子4の主面40bの縁に沿って延在している。樹脂部材7は、主面40a,40bの対向方向から見て主面40bの重心を囲うように延在している。
樹脂部材7は、欠落部7a,7bを有している。端子金具61の係合部68が欠落部7aの縁に係合する。端子金具62の係合部68が欠落部7bの縁に係合する。これによって、複数の端子金具61,62は、樹脂部材7に固定される。本実施形態では、樹脂部材7は、係合部68と板部66とに挟まれている。係合部68によって端子金具6に対する樹脂部材7の外周方向における動きが制限されると共に、係合部68と板部66とによって樹脂部材7の厚さ方向における動きが制限される。樹脂部材7の材料は、たとえば、PBT、LCPなどの熱可塑性成形材料を含む。
充填部材8は、音響整合部材2及びフレーム部材3によって形成された収容空間Sに充填されている。したがって、収容空間Sには、圧電素子4、配線5の一部、端子金具6、樹脂部材7、充填部材8が収容されている。充填部材8は、音響整合部材2、フレーム部材3、圧電素子4、配線5の一部、端子金具6、及び樹脂部材7に接する。充填部材8は、収容空間Sに圧電素子4、配線5の一部、端子金具6、及び樹脂部材7が収容された後に充填される。充填部材8は、圧電素子4、配線5の一部、端子金具6、樹脂部材7を覆っている。充填部材8は、例えば、エポキシ樹脂及びウレタン樹脂の少なくとも一つを含む。
次に、図8~図10を参照して、圧電素子4及び底部22の構成を説明する。図8は、音響整合部材を示す平面図である。図9は、音響整合部材及び圧電素子を示す平面図である。図10は、図9のX-X線に沿った断面構成を示す図である。図10では、一対の電極41,42の記載が省略されている。
底部22は、第一部分22cと、複数の第二部分22dと、を含んでいる。本実施形態では、底部22は、二つの第二部分22dを含んでいる。すなわち、底部22は、少なくとも一つの第二部分22dを含んでいる。本実施形態では、第一部分22cの厚みと、各第二部分22dの厚みとが、異なっている。したがって、外面22bは、第一距離T1と第二距離T2との差に対応する段差を有している。
図10に示されるように、第一部分22cは、第一方向D1において、内面22aと外面22bとの間に第一距離T1を有している。二つの第二部分22dは、第一方向D1において、内面22aと外面22bとの間に第一距離T1より小さい第二距離T2を有している。第二距離T2は、各第二部分22dにおいて、略一定である。各第二部分22dでの第二距離T2は、たとえば、同等である。各第二部分22dでの第二距離T2は、互いに異なっていてもよい。第一距離T1及び第二距離T2は、たとえば、内面22aと外面22bとの最短距離で規定される。第一距離T1は、たとえば、1~4mmである。第二距離T2は、たとえば、0.5~3.5mmである。本実施形態では、第一距離T1は、4mmであり、第二距離T2は、3.5mmである。第一距離T1と第二距離T2との比(T2/T1)は、たとえば、0.5~0.875である。本実施形態では、比(T2/T1)は、0.875である。
二つの第二部分22dは、図8に示されるように、第一方向D1から見て、第一部分22cを挟んで離間するように位置している。本実施形態では、二つの第二部分22dは、第二方向D2で離間するように位置している。二つの第二部分22dは、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cに対して互いに点対称となるように位置している。たとえば、二つの第二部分22dは、第一方向D1に対して直交する第二方向D2に沿って中心Cを通る仮想線L1に関して線対称である。二つの第二部分22dは、第一方向D1及び第二方向D2に対して直交する第三方向D3に沿って中心Cを通る仮想線L2に関しても線対称である。二つの第二部分22dは、外面22bの中心Cに関して点対称である。二つの第二部分22dは、第一方向D1から見て、それぞれの全周が第一部分22cに囲まれているように位置している。第一方向D1から見て、外面22bの中心Cの位置は、内面22aの中心の位置と一致している。
二つの第二部分22dの幅は、図8及び図9に示されるように、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cから離れるにしたがって大きくなっている。各第二部分22dの幅は、たとえば、第三方向D3での長さで規定される。二つの第二部分22dの幅は、同等でもよく、互いに異なっていてもよい。二つの第二部分22dの幅は、外面22bの中心Cから離れるにしたがって連続的に増加してもよく、ステップ状に増加してもよい。本実施形態において、二つの第二部分22dは、第一方向D1から見て、底部22の縁側に円弧を有する扇形状を呈している。各第二部分22dは、第一方向D1から見て、三角形状を呈していてもよい。各第二部分22dの中心角は、たとえば、10~45度である。各第二部分22dの半径は、たとえば、2~6mmである。本実施形態では、各第二部分22dの中心角は、45度であり、各第二部分22dの半径は、5.3mmである。
圧電素子4は、図9に示されるように、内面22a上に配置されている。圧電素子4は、たとえば、内面22a上に接合されている。この場合、圧電素子4と内面22aの間には、接着層が存在していてもよい。圧電素子4は、第一方向D1から見て、圧電素子4の中心が外面22bの中心C、すなわち、内面22aの中心と一致するように配置されている。圧電素子4は、側部23の内径より短い直径を有しており、第一方向D1から見て、圧電素子4の側面(すなわち、圧電素体40の側面40c)は側部23から所定距離だけ離間している。主面40aを含む仮想平面と外面22bとの、第一方向D1での間隔は、第一部分22cに比して、第二部分22dにおいて小さい。
第一方向D1から見て、各端子金具61,62は、第二部分22dに重ならないように位置している。すなわち、各端子金具61,62は、第一部分22cに重なるよう位置している。したがって、各端子金具61,62は、第二部分22dに重ならない位置で、対応する電極41、42と接続されている。すなわち、配線部材9は、第二部分22dに重ならない位置で、各電極41、42と接続されている。本実施形態では、電極41も、第二部分22dに重ならないよう位置している。したがって、圧電素子4は、第一方向D1から見て、電極41が第二部分22dに重ならないように、内面22a上に配置されている。
超音波トランスデューサ1では、第二距離T2は第一距離T1より小さい。したがって、圧電素子4から底部22に伝播する振動は、第二部分22dでは、第一部分22cに比して、外面22bに伝播するまでに減衰しがたい。すなわち、圧電素子4から底部22に伝播する振動は、第一部分22cでは、第二部分22dに比して、外面22bに伝播するまでに減衰しやすい。第一部分22cを伝播する振動は、第二部分22dを伝播する振動と比して、外面22bに伝播するまでに減衰する傾向がある。この結果、超音波トランスデューサ1から出力される超音波は、外面22bに到達する振動の強弱に対応する指向性を有する。超音波トランスデューサ1では、たとえば、第一部分22c及び第二部分22dの形状を調整することにより、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性が調整される。第二部分22dの形状には、第一方向D1から見たときの第二部分22dの輪郭形状だけでなく、第一方向D1から見たときの第二部分22dの位置も含まれる。
本実施形態では、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向角は、各第二部分22dの形状に対応する。超音波トランスデューサ1から出力される超音波での、第二方向D2における指向角は、第三方向D3における指向角より大きい。すなわち、超音波トランスデューサ1から出力される超音波は、第三方向D3より第二方向D2で広がりを有している。
底部22が第一部分22c及び第二部分22dを有していない構成においても、たとえば、圧電素子4の形状を変更することによっても、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性が変更される。この場合、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性を調整するためには、平面形状が異なる様々な圧電素子4を準備する必要がある。したがって、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性を調整するために圧電素子4の形状を変更することは、現実的でなく、指向性の調整を容易に行わせがたい。
底部22が第一部分22c及び第二部分22dを有している構成では、上述したように、底部22(第二部分22d)の形状を変更することにより、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性が容易に調整される。底部22の形状変更は、たとえば、切削加工により、容易に実現される。射出成形により、底部22の形状が異なる音響整合部材2を準備してもよい。いずれにしても、平面形状が異なる様々な圧電素子4を準備することよりも、底部22が第一部分22c及び第二部分22dを有している音響整合部材2を準備することが容易である。もちろん、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向性を調整するために、底部22が第一部分22c及び第二部分22dを有している音響整合部材2を備える超音波トランスデューサ1において、圧電素子4の形状を変更してもよい。
超音波トランスデューサ1では、配線部材9は、第二部分22dに重ならない位置で、各電極41、42と接続されている。
上述したように、圧電素子4から底部22に伝播する振動は、第二部分22dでは、第一部分22cに比して、外面22bに伝播するまでに減衰しがたい。したがって、配線部材9が、第二部分22dに重ならない位置で、各電極41、42と接続されている構成は、配線部材9が、第二部分22dに重なる位置で、各電極41、42と接続されている構成と比して、超音波トランスデューサ1の振動特性に与える影響は小さい。
比(T2/T1)が0.875より大きい構成では、第二部分22dを伝播する振動が、第一部分22cを伝播する振動と同様に、外面22bに伝播するまでに減衰するおそれがある。
これに対し、比(T2/T1)が0.875以下である構成では、第二部分22dを伝播する振動は、第一部分22cを伝播する振動に比して、外面22bに伝播するまでに確実に減衰する。したがって、比(T2/T1)が0.875以下である構成では、超音波トランスデューサ1から出力される超音波は、外面22bに到達する振動の強弱に対応する指向性を確実に有する。
比(T2/T1)が0.5より小さい構成では、第二部分22dから出力される超音波が、次の理由により、減衰しやすい。第二部分22dに含まれる外面22bから出力される超音波が、外面22bが有する段差で反射する。外面22bが有する段差で反射した超音波は、第二部分22dに含まれる外面22bから出力される超音波と干渉し、減衰するおそれがある。
これに対し、比(T2/T1)が0.5以上である構成では、第二部分22dに含まれる外面22bから出力される超音波が、外面22bが有する段差で反射する場合でも、上述した干渉が生じがたい。外面22bが有する段差で反射した超音波は、減衰しがたい。したがって、比(T2/T1)が0.5以上である構成では、超音波トランスデューサ1から出力される超音波は、外面22bに到達する振動の強弱に対応する指向性を確実に有する。
図11及び図12を参照して、音響整合部材2の一変形例の構成を説明する。図11は、音響整合部材の一変形例を示す平面図である。図12は、図11のXXII-XXII線に沿った断面構成を示す図である。図12では、一対の電極41,42の記載が省略されている。本変形例は、底部22の構成に関して、第一実施形態と相違する。以下、第一実施形態と本変形例との相違点を主として説明する。
底部22は、一つの第一部分22cと、一つの第二部分22dと、を含んでいる。図11に示されるように、第二部分22dは、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cを中心とした円形状を呈している。第二部分22dは、第一方向D1から見て、第二部分22dの全周が第一部分22cに囲まれているように位置している。すなわち、第一部分22cは、第一方向D1から見て、第二部分22dの全周を囲むように位置している。
本変形例でも、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向角は、第二部分22dの形状に対応する。超音波トランスデューサ1から出力される超音波での、第二方向D2及び第三方向D3における指向角が小さい。すなわち、本変形例では、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向角は、底部22が第二部分22dを有していない構成に比して、全体的に狭められている。
図13及び図14を参照して、音響整合部材2の別の変形例の構成を説明する。図13は、音響整合部材の別の変形例を示す平面図である。図14は、図13に示されている音響整合部材の断面構成を示す図である。図14では、一対の電極41,42の記載が省略されている。本変形例は、底部22の構成に関して、第一実施形態と異なる。以下、第一実施形態と本変形例との相違点を主として説明する。
底部22は、二つの第一部分22cと、第二部分22dと、を含んでいる。図13で示されている第一部分22cと二つの第二部分22dとの位置関係が、図8で示されている第一部分22cと第二部分22dとの位置関係と入れ替わっている。具体的には、二つの第一部分22cは、第一方向D1から見て、第二部分22dを挟んで離間するように位置している。二つの第一部分22cは、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cに対して互いに点対称となるように位置している。第二部分22dは、外面22bの中心Cを挟む位置に配置されている。二つの第一部分22cの幅は、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cから離れるにしたがって大きくなっている。二つの第一部分22cの幅は、外面22bの中心Cから離れるにしたがって連続的に増加してもよく、ステップ状に増加してもよい。各第一部分22cの幅は、たとえば、第三方向D3での長さで規定される。本変形例において、二つの第一部分22cは、底部22の縁側に円弧を有する扇形状を呈している。各第一部分22cは、第一方向D1から見て、三角形状を呈していてもよい。二つの第一部分22cは、第一方向D1から見て、それぞれの全周が第二部分22dに囲まれているように位置している。すなわち、第二部分22dは、第一方向D1から見て、第一部分22cの全周を囲むように位置している。
本変形例でも、超音波トランスデューサ1から出力される超音波の指向角は、第二部分22dの形状に対応する。超音波トランスデューサ1から出力される超音波での、第三方向D3における指向角は、第二方向D2における指向角より大きい。すなわち、超音波トランスデューサ1から出力される超音波は、第二方向D2より第三方向D3で拡がりを有している。
図15を参照して、音響整合部材2の別の異なる変形例の構成を説明する。図15は、音響整合部材の別の異なる変形例の断面構成を示す図である。図15では、一対の電極41,42の記載が省略されている。本変形例は、底部22の構成に関して、第一実施形態と異なる。以下、第一実施形態と本変形例との相違点を主として説明する。
図15に示されているように、第二部分22dにおいて、第二距離T2が変化している。具体的には、第二距離T2が外面22bの中心Cから離れるにしたがって、増加している。図10に示されるように、第一実施形態では、外面22bの中心Cからの距離にかかわらず、第二距離T2は、略一定である。
図16を参照して、音響整合部材2の更に別の異なる変形例の構成を説明する。図16は、音響整合部材の更に別の異なる変形例の断面構成を示す図である。図16では、一対の電極41,42の記載が省略されている。本変形例は、底部22の構成に関して、第一実施形態と異なる。以下、第一実施形態と本変形例との相違点を主として説明する。
図16に示されているように、第二部分22dにおいて、第二距離T2が変化している。具体的には、第二距離T2が外面22bの中心Cから離れるにしたがって、減少している。
(第二実施形態)
図17~図21を参照して、第二実施形態に係る超音波トランスデューサ101の構成を説明する。図17は、本実施形態に係る超音波トランスデューサを示す斜視図である。図18は、本実施形態に係る超音波トランスデューサを示す分解斜視図である。図19は、図17のXIX-XIX線に沿った断面構成を示す図である。図20は、図17のXIX-XIX線に沿った断面構成の拡大部を示す図である。図21は、フレキシブル基板及び圧電素子を示す平面図である。
超音波トランスデューサ101は、ケース110、圧電素子120、吸音材180、及び、防振材190を備えている。超音波トランスデューサ101は、超音波を送受信できる構成を有している。
ケース110は、圧電素子120を収容している収容空間Sを画成している。ケース110は、有底筒状を呈している。ケース110は、底部111と、側部113と、を有している。本実施形態では、底部111及び側部113は、一体に形成されており、同一材料で構成されている。ケース110は、たとえば、アルミニウム(Al)からなる。ケース110は、Al以外の金属からなっていてもよい。ケース110は、たとえば、アルミニウム合金、ステンレス鋼、又は銅合金からなっていてもよい。アルミニウム合金は、たとえば、ジュラルミンを含む。銅合金は、たとえば真鍮を含む。
底部111は、収容空間Sに臨むように位置している内面111aと、内面111aに対向している外面111bと、を有している。内面111aと外面111bとは、第一方向D1で互いに対向している。本実施形態では、第一方向D1は、内面111aに直交する方向と一致していると共に、外面111bに直交する方向と一致している。内面111aは、第一方向D1から見て、長径と短径とを有する円形状を呈している。本実施形態では、内面111aは、長円形状を呈している。内面111aでは、短径に沿う第二方向D2と長径に沿う第三方向D3とが互いに交差している。長径に沿う方向と短径に沿う方向とは、たとえば、直交している。本実施形態では、内面111aは略平坦である。
側部113は、筒形状を呈している。本実施形態では、側部113は、円筒形状を呈している。側部113は、底部111から、底部111と交差する方向に延在している。本実施形態では、側部113は、第一方向D1に延在している。側部113は、内側面114を有している。内側面114は、底部の内面111aと共に収容空間Sを形成している。内側面114には、複数の段差部115が形成されている。本実施形態では、3つの段差部分15が形成されている。段差部115は、ケース110に対する防振材190の位置決めに用いられている。
圧電素子120は、ケース110の収容空間S内に収容されている。圧電素子120は、圧電素体121と、圧電素体121に対して電荷を印可するための一対の電極123,125と、を有している。圧電素子120は、図19に示されるように、内面111a上に配置されている。圧電素子120は、たとえば、接着により内面111a上に固定されている。圧電素子120と内面111aとの間には、接着層が存在してもよい。
圧電素子120は、圧電素体121内に配置されている一つ又は複数の内部電極を有していてもよい。この場合、圧電素体121は複数の圧電体層を有していてもよく、内部電極と圧電体層とが交互に配置されていてもよい。
圧電素体121は、直方体形状を呈し、平面視で正方形状を有する。本明細書での「直方体形状」は、角部及び稜線部が面取りされている直方体の形状、及び、角部及び稜線部が丸められている直方体の形状を含む。圧電素体121は、互いに対向する正方形状の一対の主面121a,121bと、互いに対向する一対の側面121c,121dとを有する。側面121c,121dは、一対の主面121a,121bを連結するように、一対の主面121a,121bが対向する方向、すなわち第一方向D1に延在している。主面121bは、内面111aと対向している。圧電素子120は、主面121bと内面111aとが対向するように、底部111上に配置されている。一対の主面121a,121bが対向している方向は、内面111aと交差する方向である。一対の主面121a,121bが対向している方向は、内面111aと直交する方向であってもよい。
圧電素体121は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料は、たとえば、PZT[Pb(Zr,Ti)O]、PT(PbTiO)、PLZT[(Pb,La)(Zr,Ti)O]、又はチタン酸バリウム(BaTiO)を含む。圧電素体121は、たとえば、上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体により構成される。圧電素体121の厚さは、たとえば、150~500μmである。本実施形態では、圧電素体121の厚さは、200μmである。
各電極123,125は、圧電素体121の各面121a~121cと直接的に接している。各電極123,125の厚さは、1.5μm以下である。各電極123,125は、たとえば、クロム(Cr)層、ニッケル銅合金(Ni-Cu)層、及び金(Au)層からなる積層体を含む。各電極123,125は銀(Ag)、チタン(Ti)、白金(Pt)、銀パラジウム合金(Ag-Pd)、又はニッケルクロム合金(Ni-Cr)を含んでいてもよい。各電極123,125は、たとえば、スパッタリング法により圧電素体121の表面に形成される。
フレキシブル基板140、一対の第1のピン150、中継基板160、及び、一対の第2のピン170は、圧電素子120と電気的に接続されている配線部材を構成する。
フレキシブル基板140は、収容空間S内において、圧電素子120上に重ねられるようにして配置している。フレキシブル基板140は、板状またはシート状を呈しており、平面視で内面111aと略同形状を有する。より詳しくは、フレキシブル基板140は、平面視で内面111aより一回り小さくなるように設計されており、ケース110の内側面114から離間して配置されている。フレキシブル基板140は、後述する中継基板160と対面する上面と、ケース110の内面111aと対面する下面とを有する。フレキシブル基板140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140は、複数の配線を備えている。フレキシブル基板140は、複数の配線により、1対の第1のピン150と圧電素子120とをそれぞれ電気的に接続する。本実施形態では、フレキシブル基板140は、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる樹脂シート内に一対の配線141,142が設けられた構成を有する。
図19,20に示すように、フレキシブル基板140は、ベース部143と一対の接触部144,145とを有する。
ベース部143は、フレキシブル基板140の中央に位置している平板部分であり、第一方向D1において互いに対向する一対の主面143a,143bを有する。フレキシブル基板140は、ベース部143の主面143bが圧電素体121と対向するように、収容空間Sに配置されている。
ベース部143の中央領域には矩形状の開口143cが設けられており、開口143cから圧電素子120が一部露出している。開口143cは、フレキシブル基板140が圧電素子120の振動を抑制しないために設けられ得る。フレキシブル基板140は、第二方向D2に沿って延在する開口143cの縁143dにおいて圧電素子120の電極123、125と重なっている。
接触部144,145は、ベース部143から連続して延びており、第三方向D3においてベース部143を挟む位置に設けられている。各接触部144,145は、第二方向D2に延びる長尺平板状を呈し、ベース部143の厚さより主面143b側に厚くなるように設計されている。一方の接触部144は、圧電素体121の側面121c側に位置し、他方の接触部145は、圧電素体121の側面121d側に位置している。各接触部144,145と底部111との間には圧電素子120は介在しておらず、各接触部144、145は内面111aと直接接している。
一対の配線141、142は、圧電素子120と重なるベース部143の開口143cの縁143dから各接触部144,145まで配設されている。一対の配線141,142は、第1の端部141a,142aと、第2の端部141b,142bとを有する。一方の配線141の第1の端部141aは、圧電素子120の電極123と重なるベース部143の開口143cの縁143dの全幅に亘って設けられており、その縁143dの下面、すなわち主面143bにおいて樹脂シートから露出して、圧電素子120の電極123と電気的に接続されている。一方の配線141の第2の端部141bは、接触部144に位置しており、接触部144の上面において樹脂シートから露出して、後述する第1のピン150と電気的に接続されている。他方の配線142の第1の端部142aは、圧電素子120の電極125と重なるベース部143の開口143cの縁143dの全幅に亘って設けられており、その縁143dの下面、すなわち主面143bにおいて樹脂シートから露出して、圧電素子120の電極125と電気的に接続されている。他方の配線142の第2の端部142bは、接触部145に位置しており、接触部145の上面において樹脂シートから露出して、後述する第1のピン150と電気的に接続されている。配線141は、電極123に物理的かつ電気的に接続されていると共に、配線142は、電極125に物理的かつ電気的に接続されている。したがって、上述した配線部材は、電極123,125に接続されている。
フレキシブル基板140には、さらに一対のダンパー部147,149が、圧電素子120に隣接して設けられている。各ダンパー部147,149は、フレキシブル基板140のベース部143の主面143b上に設けられており、フレキシブル基板140と底部111との間に介在している。各ダンパー部147,149は、圧電素子120と接触部144,145との間の主面143bに、圧電素子120と接触部144,145との間に横断するように、それぞれ設けられている。より具体的には、各ダンパー部147,149は、第二方向D2に沿って、フレキシブル基板140の全幅に亘って、それぞれ設けられている。一方のダンパー部147は、圧電素子120と接触部144との間に設けられ、他方のダンパー部149は、圧電素子120と接触部145との間に設けられている。換言すると、第一方向D1から見て、フレキシブル基板140の接触部144,145は、ダンパー部147,149より外側に位置している。各ダンパー部147,149は、絶縁材料で構成されており、たとえば絶縁性樹脂で構成されている。本実施形態では、各ダンパー部147,149は熱圧着樹脂フィルムで構成されており、この場合、各ダンパー部147,149は表層部分が加熱溶融された状態で圧着形成される。上記熱圧着樹脂フィルムは、たとえば、ニトリルゴム系樹脂フィルムを含む。本実施形態では、各ダンパー部147,149は、フレキシブル基板140の主面143bおよび底部111の内面111aの両方に接着されており、それによりフレキシブル基板140を底部111に固定している。
第1のピン150は、導電部材であり、たとえば金属からなる。第1のピン150は、たとえば、真鍮からなる。第1のピン150の表面には、めっき層(不図示)が形成されていてもよい。めっき層は、たとえば、ニッケルめっき及び錫めっきにより形成されていてもよい。この場合、めっき層は二層構造である。
一対の第1のピン150それぞれのフレキシブル基板140側の部分は、図18,19に示すように、一対のスリーブ152によってそれぞれ保持されている。一対のスリーブ152のうち、一方のスリーブ152aが第1のピン150aを保持し、他方のスリーブ152bが第1のピン150bを保持している。各スリーブ152a,152bは、両端にフランジを有する円筒部材である。本実施形態では、スリーブ152a,152bは、互いに同形状を呈している。各スリーブ152a、152bは、樹脂からなる。各スリーブ152a,152bは、たとえば、金属からなる。各スリーブ152a,152bは、たとえば、リン脱酸銅(PDC)、又は黄銅からなる。スリーブ152a,152bが金属からなる場合、第1のピン150a、150bだけではなくスリーブ152a,152bもフレキシブル基板140の導体層と接合させることができるので、接続信頼性が増す。各スリーブ152a,152bは、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂(PBT樹脂)又はポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂からなってもよい。
各スリーブ152a,152bの一端側のフランジは、フレキシブル基板140と接合されている。各スリーブ152a,152bは、軸方向、すなわち第一方向D1から見て、接触部144,145と重なる位置に配置されている。各スリーブ152a,152bの軸方向の長さは、第1のピン150の軸方向の長さより短い。
吸音材180は、圧電素子120上に配置されている。吸音材180は、一対の第1のピン150の間に配置されている。吸音材180は、収容空間Sに配置されている。吸音材180は、たとえば、直方体形状を呈している。吸音材180は、圧電素子120の厚さ方向、すなわち第一方向D1から見て、圧電素子120の全体と重なっている。すなわち、圧電素子120は、第一方向D1から見て、吸音材180の外縁の内側に位置している。これにより、超音波成分の残響が更に低減される。圧電素子120は、第一方向D1から見て、吸音材180の第二方向D2及び第三方向D3の略中央に位置している。吸音材180は、たとえば、熱可塑性樹脂を主体とする発泡体からなる。発泡体は、たとえば、気泡構造体を含む。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。
中継基板160は、一対の第1のピン150の間に架け渡されている。中継基板160は、吸音材180を挟んで圧電素子120と平行に配置されている。中継基板160は、収容空間S内に配置されている。図22に示すように、中継基板160は、第三方向D3に延びる略I字状の板状部材であり、たとえばガラスエポキシ基板からなる。中継基板160は、複数の導体層を有し、本実施形態では略I字状の一対の導体層162A,162Bを有する。
中継基板160は、第一方向D1において互いに対向している一対の主面160a,160bを有し、主面160bが吸音材180と対向している。中継基板160の両端部における各主面160a,160bは、外側に膨らむように湾曲し、円弧状を呈している。
一対の導体層162a,162bはそれぞれ、貫通孔164a、164bと貫通孔166a,166bとの間をつなぐように設けられて、第1のピン150a,150bと第2のピン170a,170bとを導通している。一対の導体層162a,162bのうち、一方の導体層162aは第1のピン150aと第2のピン170aとを接続しており、他方の導体層162bは第1のピン150bと第2のピン170bとを接続している。
第2のピン170a,170bは、第三方向D3において互いに離間した状態で主面160aに配置されている。第2のピン170a,170bは、主面160aから第一方向D1に延在し、防振材190を貫通している。一対の第2のピン170は、第三方向D3において一対の第1のピン150a,150bの間に配置されている。本実施形態では、第2のピン170a,170bは、互いに同形状を呈している。第2のピン170は、たとえば、金属からなる。第2のピン170は、たとえば、真鍮からなる。第2のピン170の表面には、めっき層(不図示)が形成されていてもよい。めっき層は、たとえば、ニッケルめっき及び錫めっきにより形成されていてもよい。この場合、めっき層は、二層構造である。
防振材190は、ケース110の内面、すなわち内側面114と接して配置され、ケース110の振動を抑制する。防振材190は、吸音材180の周囲に配置されている。防振材190は、蓋体191と、枠体193と、を有している。蓋体191は、圧電素子120、フレキシブル基板140、第1のピン150、スリーブ152、吸音材180、及び中継基板160がケース110内に収容されている状態で、ケース110の開口を封止している。蓋体191は、収容空間Sを封止している。蓋体191からは、第2のピン170のそれぞれの先端が突出している。
枠体193は、蓋体191と交差する方向に延在している。蓋体191と交差する方向は、たとえば、蓋体191と直交する方向であってもよい。蓋体191と枠体193とは、一体形成されている。防振材190は、軸方向の一端が塞がれ、他端が開口している筒状の部材である。防振材190は、ケース110の内部に嵌め込まれている。防振材190は、ケース110の内部に圧入されている。枠体193は、蓋体91から第一方向D1に沿ってケース110の内側に延在している。枠体193は、内面111aから離間している。枠体193は、ケース110の内側面114と接している。
枠体193は、吸音材180の周りを取り囲んでいる。吸音材180は、圧電素子120の厚さ方向、すなわち第一方向D1において、防振材190(枠体193)より圧電素子120側に突出している。枠体193と圧電素子120との間の第一方向D1における距離は、吸音材180と圧電素子120との間の第一方向D1における距離より長い。
枠体193は、一対の側部195と、一対の側部197とを有している。一対の側部195は、吸音材80を挟んで第三方向D3において互いに対向している。一対の側部197は、吸音材180を挟んで第二方向D2において互いに対向している。各側部195は、吸音材180の各側面180cと互いに対向している。各側部195は、吸音材180から離間している。
一対の側部197は、吸音材180を挟み込んで保持している。一対の側部197の間には、吸音材180がはめ込まれている。一対の側部197は、吸音材180を圧縮している。吸音材180は、圧縮に対する反発力によって一対の側部197を押圧している。各側部197は、吸音材180の各側面180dと接している。
防振材190は、蓋体191から内側面114側に張り出す複数の張出部199を更に有している。張出部199は、蓋体191において、ケース110の段差部115に対応する位置に設けられている。張出部199は、対応する段差部115に配置される。防振材190は、張出部199が段差部115に係止されることで、ケース110に対して位置決めされている。
防振材190は、弾性体であり、弾性により残響を抑制する。防振材190は、樹脂からなる。防振材190は、非発泡体であり、吸音材180の密度より高い密度を有している。防振材190は、たとえば、シリコーンゴムからなる。防振材190は、たとえば、RTV(Room Temperature Vulcanizing)シリコーンゴムからなる。
次に、図22を参照して、底部111の構成を説明する。図22は、中継基板及びケースを示す平面図である。
底部111は、第一実施形態での底部22と同様に、第一部分111cと、複数の第二部分111dと、を含んでいる。本実施形態では、二つの第二部分111dを含んでいる。すなわち、底部111は、少なくとも一つの第二部分111dを有している。本実施形態では、第一部分111cの厚みと、各第二部分111dの厚みとが、異なっている。
第一部分111cは、第一部分22cと同様に、第一方向D1において、内面111aと外面111bとの間に第一距離を有している。二つの第二部分111dは、第二部分22dと同様に、第一方向D1において、内面111aと外面111bとの間に第一距離より小さい第二距離を有している。第二距離は、各第二部分111dにおいて、略一定である。各第二部分111dでの第二距離は、たとえば、同等である。各第二部分111dでの第二距離は、互いに異なっていてもよい。第一距離及び第二距離は、たとえば、内面111aと外面111bとの最短距離で規定される。第一距離は、たとえば、0.9~2mmである。第二距離は、たとえば、0.3~0.6mmである。本実施形態では、第一距離は、0.9mmであり、第二距離は、0.3mmである。本実施形態でも、第一距離及び第二距離が異なることにより、外面111bは、第一距離と第二距離との差に対応する段差を有している。
二つの第二部分111dは、図22に示されるように、第一方向D1から見て、第一部分111cを挟んで離間するように位置している。本実施形態では、二つの第二部分111dは、第二方向D2で離間するように位置している。二つの第二部分111dは、第一方向D1から見て、外面111bの中心に対して互いに点対称となるように位置している。二つの第二部分111dは、第一方向D1から見て、それぞれの全周が第一部分111cに囲まれているように位置している。第一方向D1から見て、外面111bの中心の位置は、内面111aの中心の位置と一致している。
二つの第二部分111dの幅は、第一方向D1から見て、外面111bの中心から離れるにしたがって大きくなっている。各第二部分111dの幅は、たとえば、第三方向D3での長さで規定される。二つの第二部分111dの幅は、同等でもよく、互いに異なっていてもよい。二つの第二部分111dの幅は、外面22bの中心から離れるにしたがって連続的に増加してもよく、ステップ状に増加してもよい。本実施形態においても、二つの第二部分111dは、第一方向D1から見て、底部111の縁側に円弧を有する扇形状を呈している。各第二部分111dは、第一方向D1から見て、三角形状を呈していてもよい。各第二部分111dの中心角は、たとえば、10~45度である。各第二部分111dの半径は、たとえば、2~6mmである。本実施形態では、各第二部分111dの中心角は、45度であり、各第二部分111dの半径は、5.3mmである。
第一方向D1から見て、各配線141,142は、第二部分111dに略重ならないように位置している。すなわち、各配線141,142は、第一部分111cに略重なるよう位置している。したがって、各配線141,142は、第二部分111dに略重ならない位置で、対応する電極123,125と接続されている。すなわち、配線部材(フレキシブル基板140)は、第二部分111dに略重ならない位置で、各電極123,125と接続されている。本実施形態では、電極123も、第二部分111dに略重ならないよう位置している。したがって、圧電素子120は、第一方向D1から見て、電極123が第二部分111dに略重ならないように、内面111a上に配置されている。
超音波トランスデューサ101でも、超音波トランスデューサ1と同様に、第二距離は第一距離より小さい。したがって、圧電素子120から底部111に伝播する振動は、第二部分111dでは、第一部分111cに比して、外面111bに伝播するまでに減衰しがたい。すなわち、圧電素子120から底部111に伝播する振動は、第一部分111cでは、第二部分111dに比して、外面111bに伝播するまでに減衰しやすい。第一部分111cを伝播する振動は、第二部分111dを伝播する振動と比して、外面111bに伝播するまでに減衰する傾向がある。この結果、超音波トランスデューサ101から出力される超音波は、外面111bに到達する振動の強弱に対応する指向性を有する。超音波トランスデューサ101では、たとえば、第一部分111c及び第二部分111dの形状を調整することにより、超音波トランスデューサ101から出力される超音波の指向性が調整される。第二部分111dの形状には、第一方向D1から見たときの第二部分111dの輪郭形状だけでなく、第一方向D1から見たときの第二部分111dの位置も含まれる。
本実施形態でも、第一実施形態と同様に、超音波トランスデューサ101から出力される超音波の指向角は、各第二部分111dの形状に対応する。超音波トランスデューサ101から出力される超音波での、第二方向D2における指向角は、第三方向D3における指向角より大きい。すなわち、超音波トランスデューサ101から出力される超音波は、第三方向D3より第二方向D2で広がりを有している。
底部111が第一部分111c及び第二部分111dを有している構成では、上述したように、底部111(第二部分111d)の形状を変更することにより、超音波トランスデューサ101から出力される超音波の指向性が容易に調整される。
超音波トランスデューサ101では、配線部材(フレキシブル基板140)は、第二部分111dに略重ならない位置で、各電極123,125と接続されている。
上述したように、圧電素子120から底部111に伝播する振動は、第二部分111dでは、第一部分111cに比して、外面111bに伝播するまでに減衰しがたい。したがって、配線部材が、第二部分111dに略重ならない位置で、各電極123、125と接続されている構成も、配線部材が、第二部分111dに重なる位置で、各電極123、125と接続されている構成と比して、超音波トランスデューサ101の振動特性に与える影響は小さい。
底部111(第一部分111c及び第二部分111d)の構成は、上述した構成に限定されない。たとえば、底部111(第一部分111c及び第二部分111d)は、たとえば、図11~図16に示されている底部22(第一部分22c及び第二部分22d)と同じ構成を有していてもよい。
以上、本発明の実施形態及び変形例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及び変形例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。
第二部分22dの数は、一つ又は二つに限定されない。たとえば、第二部分22dの数は、三つ以上であってもよい。第二部分111dの数は、二つに限定されない。たとえば、第二部分111dの数は、一つであってもよく、三つ以上であってもよい。
超音波トランスデューサ1では、配線部材9は、第二部分22dに重なる位置で、各電極41、42と接続されていてもよい。配線部材9が、第二部分22dに重ならない位置で、各電極41、42と接続されている構成では、上述したように、超音波トランスデューサ1の振動特性に与える影響は小さい。
超音波トランスデューサ101では、配線部材(フレキシブル基板140)は、第二部分111dに重なる位置で、各電極123、125と接続されていてもよい。配線部材(フレキシブル基板140)が、第二部分111dに略重ならない位置で、各電極123、125と接続されている構成では、上述したように、超音波トランスデューサ101の振動特性に与える影響が小さい。
複数の第二部分22dは、第一方向D1から見て、外面22bの中心Cに対して互いに点対称となるように位置されていなくてもよい。
複数の第二部分111dは、第一方向D1から見て、外面111bの中心に対して互いに点対称となるように位置されていなくてもよい。
第二部分22d,111dの各幅は、第一方向D1から見て、一定であってもよい。この場合、各第二部分22d,111dは、第一方向D1から見て、矩形状を呈していてもよい。
超音波トランスデューサ1,101は、超音波の送信のみを行う超音波送信装置であってもよい。
1,101…超音波トランスデューサ、2…音響整合部材、4,120…圧電素子、9…配線部材、22,111…底部、22a,111a…内面、22b,111b…外面、22c,111c…第一部分、22d,111d…第二部分、40,121…圧電素体、40a,40b,121a,121b…主面、41,42,123,125…電極、110…ケース、140…フレキシブル基板、150…第1のピン、160…中継基板、170…第2のピン、C…外面の中心、D1…第一方向、D2…第二方向、D3…第三方向、S…収容空間、T1…第一距離、T2…第二距離。

Claims (7)

  1. 収容空間を画成しているケースと、
    前記収容空間に配置されている圧電素子と、
    前記圧電素子と電気的に接続されている配線部材と、を備え、
    前記ケースは、
    前記収容空間に臨む内面と、前記内面と対向している外面と、を有している底部と、
    前記底部に交差する方向に延在しており、前記底部とで前記収容空間を画成する側部と、を有し、
    前記圧電素子は、前記内面上に配置されており、
    前記底部は、
    前記内面と前記外面とが互いに対向する方向において、前記内面と前記外面との間に第一距離を有している第一部分と、
    前記内面と前記外面とが互いに対向する方向において、前記内面と前記外面との間に前記第一距離より小さい第二距離を有している少なくとも一つの第二部分と、を含んでいる、超音波トランスデューサ。
  2. 前記圧電素子は、
    前記内面と前記外面が互いに対向する前記方向において互いに対向している一対の主面を有する圧電素体と、
    前記一対の主面のうち一方の主面上に配置されている一対の電極と、を有しており、
    前記配線部材は、前記内面に直交する方向から見て、前記少なくとも一つの第二部分と重ならない位置で、前記一対の電極に接続されている、請求項1に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 前記底部は、前記少なくとも一つの第二部分を含む複数の第二部分を有しており、
    前記複数の第二部分は、前記外面に直交する方向から見て、前記第一部分を挟んで互いに離間するように位置している、請求項1又は2に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 前記複数の第二部分は、前記外面に直交する前記方向から見て、前記外面の中心に対して点対称に位置している、請求項3に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 各前記第二部分の幅は、前記外面に直交する前記方向から見て、前記外面の前記中心から離れるにしたがって大きくなっている、請求項4に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 前記少なくとも一つの第二部分は、前記外面に直交する方向から見て、前記少なくとも一つの第二部分の全周が前記第一部分に囲まれているように位置している、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. 前記少なくとも一つの第二部分では、前記第二距離が変化している、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。
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