JP4193582B2

JP4193582B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP4193582B2
Application number: JP2003143960A
Authority: JP
Inventors: 卓松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: JP2004349973A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサ、例えば、ガス流量計などに用いられ、超音波を送受信する超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−１８８９４６号
【０００３】
従来、ガス流量計のように高い精度を要求される超音波センサとして、特許文献１に記載のものが本出願人によって提案されている。この超音波センサは、図６に示すように、天面部１ａと開口部１ｂを有する筒状の音響整合層１と圧電素子２とバッキング層３とからなり、圧電素子２は音響整合層１の天面部１ａの内側に接着されており、バッキング層３は音響整合層１の開口部１ｂの全体に充填されている。
【０００４】
この超音波センサにおいては、圧電素子２を拡がりモードで振動させることによって、音響整合層１の天面部１ａの厚み振動モードと、音響整合層１の全体の撓み振動モードを発生させる。バッキング層３は圧電素子２や音響整合層１の不要振動を抑えるためのものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の超音波センサにおいては、バッキング層３が必ずしも十分に機能せず、応答性や残響特性に問題を有していた。即ち、バッキング層３に硬い材料を用いると圧電素子２と接触しているためにその振動を阻害し、感度が低下してしまう。そこで柔らかい材料を用いることになるが、これでは制動効果が少なく十分な応答性が得られず、残響が残ることになる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、応答性や残響を改善した超音波センサを提供することにある。本発明の他の目的は、前記目的を達成することに加えて、圧電素子に接続されるリード線や半田付け部分での断線を未然に防止できる超音波センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】
以上の目的を達成するため、本発明に係る超音波センサは、一方に天面部を有し他方に開口部を有する略筒状の音響整合材と、該音響整合材の天面部の内側に設けられた圧電素子とを備え、共振モードとして天面部の厚み振動モードと音響整合材全体の撓み振動モードを使用する超音波センサにおいて、前記音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を前記圧電素子とは接触しないように設けたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る超音波センサにおいては、略筒状の音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を圧電素子とは接触しないように設けたため、音響整合材の天面部の内側に設けた圧電素子の振動を阻害することなく、音響整合材の振動を効果的に制動することができる。
【０００９】
本発明に係る超音波センサにおいて、前記音響整合材と前記制動材との音響インピーダンスは、１：１．５〜１：４０の比に設定されていることが好ましい。
【００１０】
音響インピーダンスは、材料の密度とその内部を伝播する音速との積で表される。一般に、音速は硬い材料や比重の大きい材料のほうが速くなる。制動材は音響整合材よりも音響インピーダンスが大きい場合に、音響整合材の振動を抑制する効果が得られる。従って、制動材は音響整合材よりも硬度の高い材料及び／又は比重の大きい材料からなることが好ましい。
【００１１】
前記圧電素子は拡がりモードで振動するものを好適に使用することができる。さらに、リード線は圧電素子の電極にたるみを持って接続されていることが好ましい。通常、リード線は前記制動材を通じて外部に導出されるが、材質が硬い制動材の中をリード線が張りを持った状態で引き出されると、制動材の熱変形でリード線やその半田付け部分が断線するおそれがある。リード線にたるみを持たせることで、このような断線を未然に防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波センサの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１実施形態、図１〜図３参照）
本発明の第１実施形態である超音波センサ１０Ａは、図１に示すように、略円筒形状の音響整合材１１と、圧電素子１２と、ベース基板１３と、弾性材１４と、制動材１５とで構成されている。
【００１４】
音響整合材１１は、一方に天面部１１ａを有し他方に開口部１１ｂを有するもので、圧電素子１２と外部の媒質との音響インピーダンスのマッチングをとるために用いられている。材料としては、例えば、エポキシ樹脂とガラスバルーンとを混合して硬化させたものが用いられ、比重は０．５以下が好ましい。
【００１５】
圧電素子１２は、円板状の圧電基板の表裏面に振動電極を形成したもので、拡がりモードで振動する。この圧電素子１２は音響整合材１１の天面部１１ａの内側にエポキシ接着剤などで貼り付けられている。また、圧電素子１２の振動電極にはリード線１６ａ，１６ｂの一端が半田付けされており、該リード線１６ａ，１６ｂは以下に説明する弾性材１４及び制動材１５を通じてベース基板１３の裏面に半田付けされている。さらに、この半田付け部分を中継して被覆タイプのリード線１７ａ，１７ｂが制動材１５を通じて外部に引き出されている。
【００１６】
ベース基板１３は音響整合材１１の開口部１１ｂに設けられている。
【００１７】
弾性材１４は音響整合材１１の天面部１１ａ側に圧電素子１２と接触する部分に充填されている。この弾性材１４は圧電素子１２から放出される超音波を吸収するものであるが、圧電素子１２の振動を阻害するものであってはならない。それゆえ、弾性材１４としては、例えば、硬度（ＪＩＳＡ）５０以下のシリコン樹脂が用いられている。
【００１８】
制動材１５は音響整合材１１の開口部１１ｂの全体に前記ベース基板１３を含むように、かつ、圧電素子１２とは接触しないように、充填されている。この制動材１５は音響整合材１１の不要振動を抑制するものであり、音響整合材１１よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。例えば、硬度（ＪＩＳＤ）８０以上のエポキシ樹脂が用いられている。
【００１９】
以上の構成からなる超音波センサ１０Ａは、一対のものが互いの天面部１１ａを対向させてガス流路に配置され、圧電素子１２に信号を入力することにより、圧電素子１２の振動に基づいて音響整合材１１を介して超音波が放出される。また、音響整合材１１を介して受信した超音波により、圧電素子１２から受信信号が出力される。
【００２０】
この場合、圧電素子１２は拡がりモードで振動し、音響整合材１１の天面部１１ａは厚みモードで振動し、音響整合材１１の全体、特に開口部１１ｂは撓みモードで振動する。円板状の圧電素子１２の拡がり振動モードの共振周波数は、圧電基板の径によって決まる。そこで、使用する周波数帯の中央付近に共振周波数が存在するように、圧電基板の径が決定される。
【００２１】
天面部１１ａの厚み振動モードの共振周波数は、天面部１１ａの厚さ寸法によって調整することができる。また、音響整合材１１の全体の撓み振動モードの共振周波数は、天面部１１ａの稜線部に形成されたテーパ部１１ｃの大きさによって調整するのが最も容易である。
【００２２】
ところで、本第１実施形態では、音響整合材１１の開口部１１ｂに、該音響整合材１１よりも音響インピーダンスの大きい制動材１５が設けられており、天面部１１ａの内側に設けた圧電素子１２の振動を阻害することなく、音響整合材１１の撓みモードの振動、特に開口部１１ｂの撓みモードの振動を効果的に制動することができる。
【００２３】
図２に音響整合材１１の側面における振動速度分布を示す。図２（Ａ）は本第１実施形態である超音波センサ１０Ａの測定データであり、図２（Ｂ）は比較例として制動材１５を取り除いた状態での測定データである。図２（Ａ），（Ｂ）を比較すると明らかなように、本発明例においては音響整合材１１の下部付近の振動が制限され、振動漏れが除去されている。
【００２４】
また、図３に残響特性（超音波受信後、一定時間経過したときの残響レベル）をヒストグラムで示す。図３（Ａ）は本第１実施形態である超音波センサ１０Ａの測定データであり、図３（Ｂ）は比較例として制動材１５を取り除いた状態での測定データである。図３（Ａ），（Ｂ）を比較すると明らかなように、本発明例においては平均値で２．３ｄＢ（約３０％）の残響改善効果が得られた。
【００２５】
なお、図２及び図３のデータを得た超音波センサにおいて、音響整合材１１の音響インピーダンスは０．５×１０^６〜１．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓ、制動材１５の音響インピーダンスは２．０×１０^６〜５．０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓであった。
【００２６】
ところで、音響インピーダンスは、前述のように、材料の密度とその内部を伝播する音速との積で表され、音速は硬い材料や比重の大きい材料のほうが速くなる。そこで、制動材１５は音響整合材１１よりも硬度の高い材料及び／又は比重の大きい材料を使用すればよい。
【００２７】
しかし、制動材１５の音響インピーダンスが大きすぎると（音響整合材１１との音響インピーダンスの差が大きすぎると）、界面で音波が反射してしまい、かえって残響が大きくなりかねない。音響整合材１１の音響インピーダンスは、圧電素子１２の音響インピーダンスが約１．５×１０⁷ｋｇ／ｍ^２・ｓ、外部媒質である空気の音響インピーダンスが約４．４×１０^２ｋｇ／ｍ^２・ｓであることを考慮すると、その幾何平均である約８×１０^４ｋｇ／ｍ^２・ｓが理想的である。
【００２８】
音響整合材１１の音響インピーダンスが約８×１０^４ｋｇ／ｍ^２・ｓであると想定すると、制動材１５の音響インピーダンスは約１．２×１０^５〜３．２×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓが好ましい。換言すれば、音響整合材１１と制動材１５との音響インピーダンスの比は１：１．５〜１：４０が好ましい。高分子材料はこのような条件を満たすものであり、制動材１５として好適な材料である。
【００２９】
また、前記超音波センサ１０Ａにおいて、リード線１６ａ，１６ｂは圧電素子１２の電極にたるみを持って接続されている。リード線１６ａ，１６ｂは前記制動材１５に埋め込まれているが、材質が硬い制動材１５の中をリード線１６ａ，１６ｂが張りを持った状態で引き出されると、制動材１５の熱変形でリード線１６ａ，１６ｂやその半田付け部分が断線するおそれがある。リード線１６ａ，１６ｂにたるみを持たせることで、このような断線を未然に防止することができる。
【００３０】
（第２実施形態、図４参照）
本発明の第２実施形態である超音波センサ１０Ｂは、図４に示すように、基本的には前記第１実施形態と同じ部品を用いて同様の構成としたものであり、図１と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３１】
第１実施形態と異なるのは、ベース基板を省略し、リード線１６ａ，１６ｂを弾性材１４及び制動材１５を通じて直接外部へ引き出した点にある。本第２実施形態においても、音響整合材１１の開口部１１ｂに設けた制動材１５は音響整合材１１よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。従って、その作用効果は第１実施形態と同様である。
【００３２】
さらに、本第２実施形態においても、リード線１６ａ，１６ｂやその半田付け部分の断線を防止するために、リード線１６ａ，１６ｂは圧電素子１２の電極にたるみを持って接続されることが重要である。リード線１６ｂは圧電素子１２の上面側から下方に回り込むため、自然にたるみが形成される。しかし、リード線１６ａは真っ直ぐに張りを持たせて下方に引き出すことも可能であり、仮にこのように引き出すと制動材１５の熱変形でリード線１６ａに応力が発生し、断線のおそれがある。従って、リード線１６ａに関しては人為的にたるみを持たせることが必要となり、そのためには圧電素子１２の電極への半田付け部分の角度が４５°以下となるように接続することが好ましい。
【００３３】
（第３実施形態、図５参照）
本発明の第３実施形態である超音波センサ１０Ｃは、図５に示すように、基本的には前記第２実施形態と同じ部品を用いて同様の構成としたものであり、図２と同じ部品には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３４】
第２実施形態と異なるのは、弾性材１４を省略した点にあり、制動材１５が圧電素子１２に接触しないように音響整合材１１の内部には空間部１８が形成されている。本第３実施形態においても、音響整合材１１の開口部１１ｂに設けた制動材１５は音響整合材１１よりも音響インピーダンスの大きい材料からなる。従って、その作用効果は前記第１及び第２実施形態と同様である。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る超音波センサは、前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００３６】
例えば、音響整合材、圧電素子、制動材などの細部の構造は任意である。また、本発明に係る超音波センサはガス流量計以外にも種々の用途に使用されることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る超音波センサによれば、音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を圧電素子とは接触しないように設けたため、圧電素子の振動を阻害することなく、音響整合材の振動が効果的に制動され、応答性や残響除去に優れた超音波センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図２】音響整合材の側面における振動速度分布を示すグラフであり、（Ａ）は本発明例（第１実施形態）、（Ｂ）は比較例を示す。
【図３】超音波センサの残響特性を示すグラフであり、（Ａ）は本発明例（第１実施形態）、（Ｂ）は比較例を示す。
【図４】本発明の第２実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態である超音波センサを示す断面図である。
【図６】従来の超音波センサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…超音波センサ
１１…音響整合材
１１ａ…天面部
１１ｂ…開口部
１２…圧電素子
１４…弾性材
１５…制動材
１６ａ，１６ｂ…リード線
１８…空間部

Claims

一方に天面部を有し他方に開口部を有する略筒状の音響整合材と、該音響整合材の天面部の内側に設けられた圧電素子とを備え、共振モードとして天面部の厚み振動モードと音響整合材全体の撓み振動モードを使用する超音波センサにおいて、
前記音響整合材の開口部に、該音響整合材よりも音響インピーダンスの大きい制動材を前記圧電素子とは接触しないように設けたこと、
を特徴とする超音波センサ。
前記圧電素子と接触する部分に弾性材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
前記音響整合材と前記制動材との音響インピーダンスは、１：１．５〜１：４０の比に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
前記制動材は前記音響整合材よりも硬度の高い材料からなることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の超音波センサ。
前記制動材は前記音響整合材よりも比重の大きい材料からなることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の超音波センサ。
前記圧電素子は拡がりモードで振動することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の超音波センサ。
リード線が前記圧電素子の電極にたるみを持って接続されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６に記載の超音波センサ。