JP5537322B2 - 超音波送受信器 - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子の収縮運動と、圧電素子を接着したケースの固有振動を利用して、外部に超音波を発信または外部の超音波を受信できる超音波送受信器に関するものである。

圧電素子と金属または樹脂からなるケースを使用した空中用の防滴型超音波送受信器が広く使用されている。近年では特に、自動車（車両）のバックソナー用として大量に生産されている。ここで使用される超音波送受信器は、有底筒状ケースの底面に貼り付けられた圧電素子の収縮運動と、有底筒状ケースの固有振動によって超音波を発生させることができる。有底筒状ケースは、ケースの側壁を縁とした天面振動モードをもち、ケースの天面振動モードと同じ周波数のパルス電圧を圧電素子に加えることで、ケースの天面から超音波を発信することができる。アルミ合金のケースを使用した超音波送受信器が一般的であるが、樹脂材料を使用した超音波送受信器も開発されている。例えば特許文献１に記載の発明では、ケース材料にシリカを９０％以上配合したエポキシ樹脂を使用することで、４０ｋＨｚ程度の低い周波数ではアルミ合金を使用した超音波送受信器と同等以上の性能が得られている。

有底筒状ケースのケース側壁を縁とする天面振動モードを利用した超音波送受信器が一般的であるが、有底筒状ケースの側面の一部に貫通穴を開けることで、天面振動の振動部をケース外周まで広げた超音波送受信器が開発されている。図１に特許文献１に記載の側面に貫通穴を設けたケースの例を示す。径φ１４のケース１の側面に貫通穴１ａが設けられている。貫通穴はケース１の底面に沿うように２カ所に設けられている。
図２に貫通穴の無い場合の天面振動モードの節の位置（ａ）と貫通穴の有る場合の天面振動モードの節の位置（ｂ）を示す。貫通穴の無い場合は、ケース側壁が振動の節となるのに対して、貫通穴を設けることで振動の節をケース外径まで広げている。振動の節が外側にあることで、振動面積が広がり、より狭い指向性を得ることができる。また穴の位置をかえる事で、従来の有底筒状ケースでは実現しなかった指向性を実現することができる。
貫通穴にはシリコーンなどのエラストマーが充填されている。

特願２００９−１７８９６ 特願２００９−１１２２４８

特許文献１に記載の発明ではケース側面に貫通穴を設けることでケースの振動部をケースの外周まで広げることが出来る。しかし、圧電素子とケースの接着部の近くに貫通穴を設けるために、穴のない場合に比べて外部からの水または湿気の影響影響を受けやすく、接着部の信頼性が低下すると考えられる。貫通穴はシリコーンなどの撥水性のある材料で充填されているが、小さな穴を完全に充填することは難しく、充填部に穴があいていれば圧電素子とケースの接着面に水が浸入する。浸入した水によって接着剤が分解され、圧電素子が剥がれてしまう懸念がある。また圧電素子に使用している銀電極にマイグレーションが発生し、導通不良が発生する可能性がある。車用として使用される場合は、バンパーに取り付けられた超音波送受信器の天面が車外が露出し、水、湿気の影響を受けやすい状況
になる。例えば高圧洗浄機などによって高圧の水が超音波送受信器に当てられた場合に、ケースの貫通穴に充填されたシリコーンが剥離してしまう可能性もある。

本発明はケース外周まで振動し、内部に水の浸入する可能性の無い超音波送受信器を実現する。

請求項１の発明では、
金属または樹脂からなるケースに圧電素子を貼り付けてなる超音波送受信器において、
ケースが有底筒状ケース部と、その下に重ねられたもう一つの底面をもち、有底筒状ケース部の底面ともう一つの底面の中心を連結する棒部と有底筒状ケース部の底面ともう一つの底面の縁を繋ぐ側面連結部を有する２重底ケースで、２重底ケースの有底筒状ケース部の底面に圧電素子を接着
することでケース外周まで振動部を有し、かつ圧電素子の接着剤がケースによって完全に囲まれた信頼性の高い防水型の超音波送受信器を実現する。

実地例１

請求項１に記載の本発明の実施した超音波送受信器に使用するケースの例を図３に示す。
２重底ケース２は、高さ７ｍｍ外径φ１２の内側に小判型の穴のあいた底面厚が１ｍｍ以下の有底筒状ケース部２ｅと、有底筒状ケース部の下に設けられた厚さが１ｍｍ以下のもう一つの小判型の底面２ａと、底面２ｅと底面２ａの中心を繋ぐように設けられた円柱形の連結棒部２ｂと、
２つの底面を繋ぐ側面連結部２ｃからなる。側面連結部２ｃは、小判型の底面２ａの直線部の２端と、有底筒状ケース部の側面の繋ぐ板状の形状をしている。２つの底面を繋ぐ側面連結部２ｃは、対称な位置に２カ所設けられている。
ケース２は、シリカが９０％以上配合されたヤング率３５Ｇｐａのエポキシ樹脂を射出成形して作られている。

図４に、図３のケース２を使用した超音波送受信器の例を示す。２重底ケース２の底面２ｄに折返し電極が設けられた圧電素子３がエポキシ接着剤によって接着されている。圧電素子３の折返し電極には、それぞれ＋側リード線４とＧＮＤ側リード線５が、鉛フリー半田で半田付けされている。圧電素子３の上に、シリコーン発泡体からなる吸音材６が置かれ、ケースの内部はシリコーンからなる封止剤７によって充填されている。

ここで２重底筒状ケース２はエポキシ樹脂以外のヤング率が３０〜７０Ｇｐａの樹脂材料で成形されたものでもよい。またはアルミニウム合金などの金属でもよい。２重底筒状ケース２の連結部２ｂ、２ｃは、要求される指向性に応じて寸法設計される。底面と底面の間に設けられた連結棒２ｂは、１本で無くともよい。また底面と底面の中央で無くともよい。２つの底面２ａ、２ｄの大きさは、圧電素子３が接着された面２ｄの方が面積が広くてもよいし、逆に接着された面２ｄの方が狭くてもよい。底面２ａと底面２ｄの縁を連結する側面連結部２ｃは、少なくとも振動面外周の１部を連結する必要があるが、連結部２ｃは要求指向性を満たすように変更しても良い。吸音材６は、シリコーン発泡体以外にウレタン発泡体、化学繊維からなるフェルトでも良い。封止剤７は、ウレタンでも良い。

図４の実施例では、圧電素子３がケース２の有底筒状ケース部２ｅによって完全にシールドされている。ケース意匠面側から水の浸入は、有底筒状ケース部２ｅによって完全に防ぐことができる。

図５と図６に実施例の超音波送受信器を駆動させた場合の天面振動モードを示す。図５の断面では、側面連結部２ｃによって底面２ａの両端が固定されているために、側面連結部２ｃを節として底面２ａが振動する。一方、図４の断面では、底面２ａの両端が自由に振動することで、ケース底面２ａの全体を使った底面振動が生じる。有底筒状ケースを使用した超音波送受信器では実現しなかった指向性を得るこことが出来る。

従来の側面に貫通穴を設けたケース 貫通穴があるケースと無いケースの天面振動モードの節 請求項１を実施した超音波送受信器のケース 請求項１を実施した超音波送受信器 天面振動モードの断面（縦） 天面振動モードの断面（横）

１ 側面に貫通穴のあるケース
１ａ 側面の貫通穴
２ ２重底筒状ケース
２ａ 底面（意匠部）
２ｂ 連結棒部
２ｃ 側面連結部
２ｄ 底面（素体貼り合わせ面）
２ｅ 有底筒状ケース部
３ 圧電素子
４ ＋側リード線
５ ＧＮＤ側リード線
６ 吸音材
７ 封止材

Claims (1)

1. 金属または樹脂からなるケースに圧電素子を貼り付けてなる超音波送受信器において、
   ケースが有底筒状ケース部と、その下に重ねられたもう一つの底面をもち、有底筒状ケース部の底面ともう一つの底面の中心を連結する棒部と有底筒状ケース部の底面ともう一つの底面の縁を繋ぐ側面連結部を有する２重底ケースで、２重底ケースの有底筒状ケース部の底面に圧電素子が接着されていることを特徴とする超音波送受信器

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