JP2023116037A - 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、圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂと第２配線２４Ｂとの間の電気的接続は、音響整合層３０の第１端面３０ａに設けられた導体膜４０を介して実現されている。そのため、超音波トランスデューサ１では、第２配線２４Ｂは圧電振動子２０の動きを拘束せず、そのため、高い送受信感度が実現されている。【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 国際公開第２００３／０６４９８１号

上述した圧電トランスデューサでは、圧電振動体の動きが拘束された場合には送受信感度の低下が招かれ得る。発明者らは、鋭意研究の末、圧電振動体に対する拘束を低減することで送受信感度を高めることができる技術を新たに見出した。

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、第１端面を有する音響整合層と、音響整合層の第１端面に搭載され、第１電極層と第２電極層とを含む圧電振動体と、音響整合層の第１端面を覆い、圧電振動体の第２電極層と電気的に接続された導体膜と、圧電振動体の第１電極層に取り付けられて、第１電極層と電気的に接続された第１配線と、導体膜に取り付けられ、導体膜を介して圧電振動体の第２電極層と電気的に接続された第２配線とを備える。

上記圧電トランスデューサにおいては、圧電振動体の第２電極層と第２配線との間の電気的接続は、音響整合層の第１端面に設けられた導体膜を介して実現されている。そのため、上記圧電トランスデューサでは、第２配線は圧電振動体の動きを拘束せず、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、音響整合層は、第１端面を構成する第１領域と、第１端面から離れた第２領域とを含む。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、音響整合層の第１領域の密度が第２領域の密度より高い。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、音響整合層の第１領域と第２領域とは主材が同一材料である。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、導体膜が金属で構成されており、導体膜を構成する金属と同じ金属成分を音響整合層の第１領域が含んでいる。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、音響整合層の第２領域が第１領域より厚い。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、導体膜の厚さ方向から見たときに、導体膜の面積が圧電振動体の面積より広い。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、圧電振動体の第２電極層は導体膜と一体化している。

他の形態に係る圧電トランスデューサは、導体膜が圧電振動体より薄い。

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。

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を有するケース１２を備えている。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、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。本実施形態では、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の端部１２ａに接着固定されている。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、第１領域３１と第２領域３２とを含んで構成されている。第１領域３１と第２領域３２とは、互いに層を構成するようにして、ケース１２の延在方向に並んでいる。本実施形態においては、第２領域３２が第１領域３１より厚くなるように設計されている。第１領域３１は、第２領域３２より第１端面３０ａ側に位置しており、第１端面３０ａを構成している。第１領域３１は、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。第１領域３１と第２領域３２とでは、構成する材料が異なっている。本実施形態では、第１領域３１と第２領域３２とは、主材は同一であり、添加物が異なっている。より詳しくは、第１領域３１および第２領域３２はいずれもエポキシ樹脂で構成されており、第１領域３１にのみ金属粒子（たとえば、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、Ｆｅ粒子、Ｐｔ粒子、Ｔｉ粒子）が分散配置されている。第１領域３１に含まれる金属の種類は、導体膜４０を構成する金属の種類と同じにすることができる。第１領域３１における金属粒子の含有率は１～１０ｗｔ％（一例として５ｗｔ％）である。第１領域３１にのみ金属粒子が分散配置されているため、第１領域３１の密度は第２領域３２の密度より高くなっている。なお、第１領域３１および第２領域３２はいずれも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てもよい。または、第１領域３１および第２領域３２がいずれも発泡材料で構成されており、第１領域３１にのみ金属を含浸させてもよい。

音響整合層３０の第２領域３２は、第１端面３０ａから離れており、先端部３３を有する。先端部３３は、第２領域３２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３３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３３は円錐台形状を有し、図２に示すように先端部３３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。

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、０．２～１ｍｍ（一例として０．６ｍｍ）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。

ここで、音響整合層３０の第１端面３０ａは、全体的に導体膜４０で覆われている。導体膜４０は、導体で構成されており、本実施形態では金属材料（たとえば、Ａｇ）で構成されている。導体膜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、１～２０μｍ（一例として１０μｍ）である。導体膜４０は、たとえば音響整合層３０の第１端面３０ａに成膜される。成膜方法としては、電解めっき、無電解めっき、スパッタリング、蒸着等が採用され得る。本実施形態では、導体膜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。

圧電振動子２０と音響整合層３０との間には導体膜４０が介在しており、圧電振動子２０は導体膜４０上に設けられている。導体膜４０の上面４０ａは圧電振動子２０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。導体膜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。導体膜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。

ケース１２の延在方向から見たときに、圧電振動子２０と、音響整合層３０の第１端面３０ａの形状と一致する導体膜４０とはいずれも円形を呈し、同心の位置関係を有する。導体膜４０の直径は圧電振動子２０の直径より大きく、そのため、導体膜４０の面積は圧電振動子２０の面積より広くなっている。

ハウジング１０内には、圧電振動子２０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、一例としてリード線であり、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いる。第２配線２４Ｂは、一例としてリード線であり、圧電振動子２０から露出している導体膜４０の外縁領域にたとえばはんだ付けで接続されている。第１配線２４Ａおよび第２配線２４Ｂに用いられる部材は、ＦＰＣ、ピン、リードフレーム,板ばね、ＡＣＰ、ＡＣＦ、公知の導電性樹脂等であってもよく、いずれか単体または複数組み合わせで用いられてもよい。上述したとおり、導体膜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は導体膜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と導体膜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、圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂと第２配線２４Ｂとの間の電気的接続は、音響整合層３０の第１端面３０ａに設けられた導体膜４０を介して実現されている。そのため、超音波トランスデューサ１では、第２配線２４Ｂは圧電振動子２０の動きを拘束せず、そのため、高い送受信感度が実現されている。圧電振動子２０の第２電極層２２Ｂは導体膜４０と一体化された態様であってもよい。

導体膜４０は薄化することで、圧電振動子２０に対する拘束をより低減することができる。この場合、受信時において、音響整合層３０から圧電振動子２０まで到達するまでの超音波のロスが低減され、受信感度の向上が図られる。

また、超音波トランスデューサ１は、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は導体膜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を導体膜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。超音波トランスデューサは、ケースがなくても作動する場合には、適宜ケースを省略することができる。

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

Claims (9)

1. 第１端面を有する音響整合層と、
   前記音響整合層の前記第１端面に搭載され、第１電極層と第２電極層とを含む圧電振動体と、
   前記音響整合層の前記第１端面を覆い、前記圧電振動体の前記第２電極層と電気的に接続された導体膜と、
   前記圧電振動体の前記第１電極層に取り付けられて、前記第１電極層と電気的に接続された第１配線と、
   前記導体膜に取り付けられ、前記導体膜を介して前記圧電振動体の前記第２電極層と電気的に接続された第２配線と
   を備える、圧電トランスデューサ。
2. 前記音響整合層は、前記第１端面を構成する第１領域と、前記第１端面から離れた第２領域とを含む、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
3. 前記音響整合層の第１領域の密度が第２領域の密度より高い、請求項２に記載の圧電トランスデューサ。
4. 前記音響整合層の前記第１領域と前記第２領域とは主材が同一材料である、請求項２または３に記載の圧電トランスデューサ。
5. 前記導体膜が金属で構成されており、前記導体膜を構成する金属と同じ金属成分を前記音響整合層の前記第１領域が含んでいる、請求項４に記載の圧電トランスデューサ。
6. 前記音響整合層の前記第２領域が第１領域より厚い、請求項２～５のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
7. 前記導体膜の厚さ方向から見たときに、前記導体膜の面積が前記圧電振動体の面積より広い、請求項１～６のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
8. 前記圧電振動体の前記第２電極層は前記導体膜と一体化している、請求項１～７のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
9. 前記導体膜が前記圧電振動体より薄い、請求項１～８のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
   
   

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