JP2023116035A - 圧電トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】送受信感度の向上が図られた圧電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においては、圧電振動ユニット１８の振動は、音響整合層３０においてある程度減衰されるため、ケース１２まで到達しにくくなっている。それにより、超音波トランスデューサ１では送受信感度の向上を図ることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電トランスデューサに関する。

従来、圧電振動体を備え、気体や液体を計測するための圧電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、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圧電トランスデューサが開示されている。

特開２０２１－８２８８５号公報 特許６６６７０８０号

上述した圧電トランスデューサでは、たとえば特許文献２の圧電トランスデューサのようにケースを金属等の比較的密度が高い材料で構成することができる。この場合、圧電振動体の振動がケースに伝達され、それにより圧電トランスデューサにおいて高い送受信感度を実現することが困難になる。

本発明は、送受信感度の向上が図られた圧電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圧電トランスデューサは、圧電振動ユニットと、圧電振動ユニットが収容される筒状のケースと、ケースの延在方向において対面する第１端面および第２端面を有し、第１端面においてケースのケース端部の開口を塞ぐ音響整合層とを備え、ケースの密度が音響整合層の密度より高く、圧電振動ユニットの振動が音響整合層を介してケースに伝達される。

上記圧電トランスデューサにおいては、圧電振動ユニットの振動は、音響整合層においてある程度減衰されるため、ケースまで到達しにくくなっている。それにより、上記圧電トランスデューサでは送受信感度の向上を図ることができる。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、ケース内が樹脂体で充たされている。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、ケースと音響整合層とが接着固定されている。

本発明によれば、送受信感度の向上が図られた圧電トランスデューサを提供することができる。

一実施形態に係る圧電トランスデューサを示す概略斜視図である。 図１に示した圧電トランスデューサのＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図２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、２を参照して、実施形態に係る超音波トランスデューサ１（圧電トランスデューサ）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ユニット１８と、圧電振動ユニット１８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を有するケース１２を備えている。ケース１２は、比較的密度の高い材料で構成されている。ケース１２は、アルミニウムやステンレス鋼等の金属で構成することができ、ＰＢＴ樹脂やＰＣ樹脂、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料で構成することもできる。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１４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１４とにより画成されている。

音響整合層３０は、ケース１２の端部１２ａの開口に、開口を完全に塞ぐように設けられている。音響整合層３０は、略円柱状の外形を有し、互いに対面する第１端面３０ａおよび第２端面３０ｂを有する。音響整合層３０の第１端面３０ａは、ハウジング１０の収容空間Ｓ側を向いており、ハウジング１０の収容空間Ｓの底面を画成している。本実施形態では、音響整合層３０は、ケース１２の端部１２ａ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、一部がケース１２内に埋め込まれており、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の厚さは、１．５～５ｍｍ（一例として２．５ｍｍ）である。

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１端面３０ａ側に位置しており、ケース１２の端部１２ａによって画成された領域を埋める部分である。本実施形態では、本体部３１は円柱形状を有し、図２に示すように本体部３１の断面形状は略矩形状を呈する。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、第２端面３０ｂ側）に位置している。本実施形態では、先端部３２にはＣ面取り部３０ｃが設けられており、Ｃ面取り部３０ｃは第２端面３０ｂの外縁に設けられている。先端部３２は円錐台形状を有し、図２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。Ｃ面取り部３０ｃにより、ケース１２の延在方向から見たときに、第１端面３０ａの面積が第２端面３０ｂの面積より広くなっている。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いる。本実施形態では、音響整合層３０は、ケース１２の端部１２ａに接着固定されている。図３に示すように、音響整合層３０とケース１２との接着にはエポキシ系樹脂等の接着材６０を用いることができる。

圧電振動ユニット１８は、圧電振動子２０を含んで構成されている。圧電振動子２０は、ケース１２内に位置する音響整合層３０の第１端面３０ａ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を有する。本実施形態では、圧電振動子２０は円板状の外形を有し、その厚さ方向（すなわち、ケース１２の延在方向）から見たときに円形を呈する。また、本実施形態では、圧電振動子２０の厚さより、音響整合層３０の厚さのほうが厚くなるように設計されており、０．４～１．４ｍｍ（一例として０．４ｍｍ）である。さらに、本実施形態では、圧電振動子２０は圧電材料層２１を第１電極層２２Ａと第２電極層２２Ｂとで挟んだ構成を有する。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。

本実施形態における圧電振動ユニット１８はさらに振動板４０を含んでいる。振動板４０は、圧電振動子２０と音響整合層３０の第１端面３０ａとの間に介在しており、圧電振動子２０は振動板４０上に搭載されている。本実施形態では、振動板４０の縁はケース１２から所定距離だけ離間している。振動板４０の上面４０ａは圧電振動子２０に接しており、振動板４０の下面４０ｂは音響整合層３０に接している。圧電振動子２０は、音響整合層３０上に直接設けられておらず、音響整合層３０とは接していない。振動板４０は、音響整合層３０の第１端面３０ａ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音響整合層３０の第１端面３０ａに接着されていてもよい。

本実施形態では、振動板４０は円板状を有し、その厚さ方向（すなわち、ケース１２の延在方向）から見たときに円形を呈する。振動板４０は、圧電振動子２０の径より大きい径を有し、かつ、圧電振動子２０と同心配置されている。振動板４０の厚さは、圧電振動子２０の厚さより薄くなるように設計されており、０．０５～０．３ｍｍ（一例として０．３ｍｍ）である。

振動板４０は、導体で構成されており、真鍮、ステンレス鋼、インバー等の金属材料で構成することができる。本実施形態では、振動板４０の音響インピーダンスは、音響整合層３０の音響インピーダンスより大きく、かつ、圧電振動子２０の音響インピーダンスより小さくなるように設計されている。振動板４０は、圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂと重なっており、第２電極層２２Ｂと電気的に接続されている。振動板４０は、圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂに直接接合されていてもよく、導電性を有する接着材を介して圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂに接着されていてもよい。

ハウジング１０内には、圧電振動ユニット１８に対して電圧を印加する一対の配線２４Ａ、２４Ｂが引き込まれている。第１配線２４Ａは圧電振動子２０の第１電極層２２Ａにたとえばはんだ付けで接続されており、第２配線２４Ｂは圧電振動子２０から露出している振動板４０の外縁領域にたとえばはんだ付けで接続されている。上述したとおり、振動板４０と圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂとは電気的に接続されているため、第２配線２４Ｂは振動板４０を介して圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂと間接的に電気的に接続されている。圧電振動子２０は、一対の配線２４Ａ、２４Ｂ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、その厚さ方向に超音波周期の機械的振動が生じるともに、厚さ方向および厚さ方向に直交する方向に超音波振動が生じる。振動モードに関しては、圧電振動子２０単体では径方向共振のモードとなるが、本実施形態では圧電振動子２０と振動板４０とが一体的に振動してベンディング振動のモードとなる。

スリーブ１４は、ケース１２の端部１２ｂに設けられており、図２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１４は、ゴム（一例としてニトリルゴム）やシリコーン、ウレタン樹脂等で構成することができる。スリーブ１４は、ケース１２の端部１２ｂの外周を覆っている。ケース１２とスリーブ１４とにより画成された収容空間Ｓは、防振材５０（樹脂体）で充たされている。防振材としては、たとえばウレタン樹脂を採用することができる。

超音波トランスデューサ１においては、圧電振動ユニット１８の振動は、音響整合層３０においてある程度減衰されるため、ケース１２まで到達しにくくなっている。それにより、超音波トランスデューサ１では送受信感度の向上を図ることができる。

また、超音波トランスデューサ１は、振動板４０が導体で構成されており、第１配線２４Ａは圧電振動子２０の第１電極層２２Ａに取り付けられて圧電振動子２０と直接的に電気的接続されるとともに、第２配線２４Ｂは振動板４０に取り付けられて圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂと間接的に電気的接続されている。圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂに第２配線２４Ｂを直接取り付ける場合には、圧電振動子２０に取り付け用スペースを設ける必要がある上、第２配線２４Ｂの引き回しが複雑になるため、超音波トランスデューサ１の構造の複雑化が招かれ得る。超音波トランスデューサ１では、第２配線２４Ｂを振動板４０に取り付けたシンプルな構成であるため、超音波トランスデューサ１の構造の複雑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、ケース１２と音響整合層３０とが接着固定されており、接着材６０においても振動の減衰が生じ得る。そのため、圧電振動ユニット１８の振動がケース１２までより到達しにくくなっており、送受信感度のさらなる向上が図られている。

超音波トランスデューサ１では、ケース１２の端部１２ｂを覆うスリーブ１４を備えており、スリーブ１４により残響が減少される。

なお、本発明は、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、圧電振動子、振動板および音響整合層の形状は適宜変更することができ、円形に限らず、矩形状や楕円形状とすることができる。また、圧電振動子、振動板および音響整合層の形状は、相似の関係であってもよく、相似の関係でなくてもよい。圧電振動ユニットは、必ずしも圧電振動子と振動板とで構成されている必要はなく、圧電振動子のみで構成されていてもよい。

１…超音波トランスデューサ、１０…ハウジング、１２…ケース、１８…圧電振動ユニット、２０…圧電振動子、３０…音響整合層、４０…振動板。

Claims (3)

1. 圧電振動ユニットと、
   前記圧電振動ユニットが収容される筒状のケースと、
   前記ケースの延在方向において対面する第１端面および第２端面を有し、前記第１端面において前記ケースのケース端部の開口を塞ぐ音響整合層と
   を備え、
   前記ケースの密度が前記音響整合層の密度より高く、
   前記圧電振動ユニットの振動が前記音響整合層を介して前記ケースに伝達される、圧電トランスデューサ。
2. 前記ケース内が樹脂体で充たされている、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
3. 前記ケースと前記音響整合層とが接着固定されている、請求項１または２に記載の圧電トランスデューサ。
   
   

Images