JP5988818B2 - 超音波送受信器 - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子を用いた空中用の超音波送受信器に関するものである。

両面に銀電極を有する圧電セラミックを有底筒状ケースの底面に装着した超音波送受信器が、さまざまな分野で使用されている。特に、車のバックソナー用に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、車の外装品として使用される為に、意匠面にはさまざまな負荷が加わる。超音波送受信器にはこれらのストレスに耐える耐久性が求められている。

図１に一般的に使用されている超音波送受信器の構造を示す。アルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面に両面に銀電極１ａを有する圧電セラミック１が接着剤によって接着されている。例えばここで使用される圧電セラミック２はジルコン・チタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）系圧電セラミックである。圧電セラミック１の両面には、銀を主成分とした導電ペーストを焼成した銀電極１ａが設けられている。

有底筒状ケース２と圧電セラミック１に設けられた銀電極１ａは接触することで電気的に接続されている。圧電セラミック１の片面の銀電極１ａにリード線９が半田付けされている。リード線９は有底筒状ケース２の底面に対して垂直な向きで圧電セラミック１に半田付けされている。リード線半田５の形状は逆さにした釣鐘を銀電極１ａの上に置いたような形状になっている。有底筒状ケース２の側面に半田７でＧＮＤ側リード線１０が半田付けされている。

リード線９とＧＮＤ側リード線１０の一端は、ワイヤハーネス１２の＋側とＧＮＤ側の一端にそれぞれ半田付けされている。銀電極１ａの設けられた圧電セラミック１の上には、シリコーン発泡体からなる吸音材６が敷かれている。吸音材６にはリード線を通すための貫通穴が設けられている。リード線９を貫通穴に通した後、貫通穴はシリコーン８で塞がれる。有底筒状ケース２の内部はシリコーンなどの封資材１１が充填されている。

前述した構造の超音波送受信器では、車の外装部品として使用される為に高い耐久性が求められている。

得開２００６−３４０２５８

意匠面側からの外力から超音波送受信器の破壊を防ぐ方法として、有底筒状ケースに耐力（降伏応力）の高い材料を使用することが有効であると検証の結果わかっている。しかし、有底筒状ケースの材料と形状を変えることは他の特性面で難しい場合がある。そこで、材料を変えることなく有底筒状ケースの耐力を増加させる方法を検討してきた。

請求項１の発明では、圧電セラミックと、圧電セラミックの両面に設けられた導電ペーストを焼結してなる銀電極と、前述銀電極を有する圧電セラミックを底面に固着した金属からなる有底筒状ケースと、前述銀電極に半田付けされたリード線と、前述リード線を通す貫通穴が設けられた前述銀電極を有する圧電セラミックを覆うように設置された吸音材と、前述有底筒状ケース内部に充填された封止材と、前述リード線の一端に接続された外部との導通を確保するために金属ワイヤまたは金属端子の少なくとも一方と、からなる超音波送受信器において、前述金属からなる有底筒状ケースの表面に加工硬化層を有することで、アルミ表面の耐力（降伏応力）を高めることで外力に強い超音波送受信器を実現する。

請求項２の発明では、前述金属からなる有底筒状ケースの表面に形成された加工硬化層が、ショットピーニング加工で形成されたことを特徴とする。ショットピーニング加工を有底筒状ケースの天面または圧電セラミックを接着する底面に施すことで、アルミ表面の耐力（降伏応力）を高めることで外力に対して強い超音波送受信器を実現する。

請求項３の発明では、前述金属からなる有底筒状ケースの表面に形成された加工硬化層が、前述圧電セラミックを接着する面に剣山上の圧子でプレスすることで形成されたことを特徴とする。効率的に管理された加工硬化層を形成するために、有底筒状ケースに底面をプレスする圧子に無数の突起を設けた。有底筒状ケースの天面側を平らで剛性の高い材料で固定し、底面側から無数の突起を擁する圧子でプレスして有底筒状ケースの底面に無数の凹みと凹みに伴う加工硬化層を形成する。均一で制御された加工硬化層を効率的に形成することが出来る。ガラスビーズをあてるショットピーニングに比べて処理後の戦場が容易になるため、工数を減らすことが出来る。

従来の超音波送受信器の断面図 本発明を実施した形態の超音波送受信器の断面図 ショットピーニングによって形成された加工硬化層の様子（アルミ板断面図） 先端が尖った圧子と圧子によってプレスされたアルミ合金板に形成される凹みと加工硬化層の様子（断面） 本発明を実施した有底筒状ケースの上面図（先端が尖った圧子でプレスして形成した整列した凹み）

図２に本発明を実施した形態の超音波送受信器を示す。

アルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面に、両面電極１ａの施された圧電セラミック１が接着剤で接着されている。ここで使用される圧電セラミック１はジルコン・チタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）系圧電セラミックである。圧電セラミック１の両面に設けられた銀電極１ａは、銀を主成分とした導電ペーストを両面に塗布し、焼成することで圧電セラミック１に固着されている。両面の銀電極１ａは電気的に独立している。有底筒状ケース２の底面と天面に加工硬化層２ａが形成されている。（底面は有底筒状ケースの開口部側から見た底面を示す。天面は開口部側と逆側から見た底面を示す。）

有底筒状ケース２の形状の例を説明する。有底筒状ケース２の外形は外径φ１５ｍｍ、高さ８ｍｍの片面が開口した円筒形である。開口した面と反対側の面（有底筒状ケース２のそこにあたる部分）が意匠面となる。意匠面は完成した超音波送受信器を車に取り付けた際に、車の外側に露出する部分となる。有底筒状ケース２は、有底筒状ケース２の中心からＲ７ｍｍの２つの円弧と８ｍｍ幅の平行な線からなる、対称な位置が欠けた円形の底面を有する。有底筒状ケース２の底面厚は圧電セラミック１を張り合わせた後で、天面振動モード（有底筒状ケース２の側壁を縁として天面中心が一番振動するモード）の固有振動数が６０ｋＨｚになるように調整されている。有底筒状ケース２の底面圧は例えば１ｍｍ程度と薄くなる。固有振動数は、アルミ合金からなる有底筒状ケース２と圧電セラミック１の形状とヤング率、密度、ポアソン比で決まる。

圧電セラミック１と有底筒状ケース２を接着する接着剤にはエポキシ接着剤が使用されている。圧電セラミック１の銀電極１ａとアルミ合金からなる有底筒状ケース２は接触して導通が確保されている。（圧電セラミック１に設ける銀電極１ａは他に折返し電極が使用される。銀電極１ａの形状は両面電極でも折返し電極でもよい。）圧電セラミック１の銀電極１ａにリード線９が半田付けされている。リード線９は有底筒状ケース２の底面に対して垂直な向きで圧電セラミック１の銀電極１ａに半田付けされている。半田５は、逆さにした釣り鐘を銀電極１ａの上に置いたような形状をしている。シリコーン発泡体からなる吸音材６が銀電極１ａを有する圧電セラミック１の上に敷かれている。吸音材６はリード線９を通す貫通穴が設けられている。貫通穴にリード線９を通した後で、貫通穴の部分はシリコーン８で目止めされている。有底筒状ケース２の側面にＧＮＤ側リード線１０が半田７で半田付けされている。有底筒状ケース２に半田付けされたＧＮＤリード線１０と、圧電セラミック１の銀電極１ａに半田付けされたリード線９の一端は外部の回路と接続するためにワイヤハーネス１２に半田付けされている。

有底筒状ケース２の天面と底面に加工硬化層２ａがショットピーニング加工で形成されている。
有底筒状ケース２の天面と底面に加工硬化層２ａを形成するためのショットピーニングの条件を次に示す。例えば有底筒状ケース２の側面を治具に固定する。２つのショットピーニング装置を有底筒状ケース２の天面と底面の両面にそれぞれ配置する。ショットピーニング装置から空気圧で発射されたガラスビーズが有底筒状ケース２の天面と底面に当たる。空気圧で高速に加速されたガラスビーズが有底筒状ケース２の底面に当たることで、有底筒状ケース２を形成するアルミ合金が凹む。凹んだ部分に加工硬化層２ａが形成される。加工硬化層２ａを形成するためには、ガラスビーズの衝突によって発生する力がアルミ合金の降伏応力を超える必要がある。ガラスビーズの大きさと発射する空気圧を調整することで、アルミ合金の降伏応力を超える力を有底筒状ケース２に加えることが出来る。例えば中心粒径２５０μｍのガラスビーズを使用した。ガラスビーズ以外に、アルミナビーズ、ナイロンビーズなどが使用出来る。

図３に片面にショットピーニング加工を施したアルミ合金板の断面図を示す。ショットピーニング加工を施された面は表面に凹凸が出来る、凹凸の周りに加工硬化層が形成される。

加工硬化層が形成された部分では、他の（ガラスビーズが当たっていない）部分に比べて降伏応力が高くなる。加工硬化層はアルミ合金の表面にのみ形成される。加工硬化層によって高い強度の超音波送受信器を実現する。

有底筒状ケース２の天面と底面から同時にショットピーニング加工を行うことで、底面部に圧縮方向の残留応力を残すことで応力腐食割れに対して強い表面状態を作ることが出来る。

次に本発明を実施した別の形態の超音波送受信器を示す。アルミ合金からなる有底筒状ケース２以外の部材構成は図２に示した実施例１と同じである。

有底筒状ケース２の底面に加工硬化層２ａを形成する過程を説明する。有底筒状ケース２の開口部側から圧子を入れて、プレス機で圧子の先端を有底筒状ケース２の底面に押し込むことで有底筒状ケース２の底面に凹みを形成する。このとき、有底筒状ケース２の外形と同じ形状の取り付け部を有する治具に有底筒状ケース２を設置する。有底筒状ケース２の天面に接する治具の部分は平坦である。
治具は合成の高い材料からなる。図４の概略図を示す。圧子の先端（有底筒状ケース２の底面に押し当てる部分）は、正四角錘が並べられた形状になっている。並べられた正四角柱の先端が有底筒状ケース２の底面にプレス機で押し当てられることで先端が当たった部分に、降伏応力を超える圧力が加わり凹みが残る。凹んだ部分に加工硬化層２ａが形成される。

図５に先端の尖った圧子でプレスして凹みを設けた有底筒状ケース２の（開口部側から見た）上面図を示す。圧電セラミック１を接着する面（底面）に、圧子をプレスすることで整列した凹みが一面に形成されている。例えば凹みと凹みは縦横に０．４ｍｍ間隔である。凹み２ｂは深さ０．１μｍ程度に設定されている。凹んだ部分はプレスによって強い力が加わった為に塑性変形している。一面に凹みのある有底筒状ケース２の底面に加工硬化層２が形成される。

圧子が先端の尖った正四角錘が並べられた形状であることで、先端が平坦な圧子でプレスする場合に比べて小さな力で深い加工硬化層２ａを形成することが出来る。ショットピーニングに比べてガラスビーズのような異物が付着することが無いため洗浄の必要が少なく工数が削減できる。凹みの四方に凹みがあると、凹みと凹みの間は常に圧縮方向の残留応力が残るため、引張方向の残留応力によるアルミ合金の応力腐食割れを防ぐことが出来る。

１ 圧電セラミック
１ａ 銀電極
２ 有底筒状ケース
２ａ 加工硬化層
４ エポキシ接着剤
５ 半田
６ 吸音材
７ 半田
８ シリコーン
９ リード線
１０ ＧＮＤ側リード線
１１ 封止材
１２ ワイヤハーネス

Claims (3)

1. 圧電セラミックと、
   圧電セラミックの両面に設けられた導電ペーストを焼結してなる銀電極と、
   前述銀電極を有する圧電セラミックを底面に固着した金属からなる有底筒状ケースと、
   前述銀電極に半田付けされたリード線と、
   前述リード線を通す貫通穴が設けられた前述銀電極を有する圧電セラミックを覆うように設置された吸音材と、
   前述有底筒状ケース内部に充填された封止材と、
   前述リード線の一端に接続された外部との導通を確保するために金属ワイヤまたは金属端子の少なくとも一方と、
   からなる超音波送受信器において、
   前述金属からなる有底筒状ケースの表面に加工硬化層を有することを特徴とする前述超音波送受信器
2. 前述金属からなる有底筒状ケースに形成された加工硬化層が、
   ショットピーニング加工で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器
3. 前述金属からなる有底筒状ケースに形成された加工硬化層が、
   突起が設けられた圧子をプレスして形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器

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