JP6559260B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

独国特許出願公開第１０２００８０５５１１６号明細書（ＤＥ１０２００８０５５１１６Ａ１）から、ケーシングと変換器素子と結合素子とを有する超音波トランスデューサが公知である。さらに、独国特許出願公開第１０２００７０６２４６０号明細書（ＤＥ１０２００７０６２４６０Ａ１）からも超音波トランスデューサが公知である。

独国特許出願公開第１０２００８０５５１１６号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０６２４６０号明細書

このような背景から、本発明の課題は、従来技術を発展させた装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する超音波トランスデューサにより解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。

本発明または方法の対象にしたがえば、上面および下面を有する圧電変換器素子と、開口が形成された上面およびほぼ閉鎖された下面を有するコップ状のケーシング、または、開口が形成された上面および実質的に開放された下面を有する円筒状のケーシングと、前面および後面を有する結合素子とを有する、超音波トランスデューサが提供される。ここで、結合素子の後面は、送信モードで変換器素子が形成した超音波が周囲へ出力され、または、受信モードで結合素子が周囲から受信した超音波が変換器素子へ転送されるように、変換器素子の上面に音響的に結合されている。

さらに、変換器素子と結合素子とはケーシング内に配置されており、超音波トランスデューサは第１の電極および第２の電極を有し、ここで、第１の電極は、変換器素子の下面に形成されたコンタクト面に接続されている。変換器素子は、導電性の金属材料から成るコップ状の遮蔽装置内に配置されており、遮蔽装置の開口には導電性の金属格子が架けわたされており、これにより、遮蔽装置と格子とがファラデーケージを形成している。格子は、変換器素子の上面と結合素子の後面との間に形成されており、ケーシングと遮蔽装置との間に空隙が形成されており、ケーシングは遮蔽装置から音響的に分離されている。

超音波トランスデューサの高い効率を達成するため、変換器素子が完全にファラデーケージ内に配置されており、格子が設けられているにもかかわらず当該変換器素子が結合素子に音響的に強く結合されていることに注意されたい。結合素子は、送信モードでは、形成した超音波を、周囲、例えば空気へ出力し、受信モードでは、捕捉した超音波を変換器素子へ転送するものと解されたい。送信モードでは変換器素子に数メガヘルツまでの交流電圧が印加され、一方、受信モードでは変換器素子が交流電圧を形成する。また、ファラデーケージは、基準電位、特にアース電位に電気的に接続されているものと解されたい。

また、ケーシングはプラスチックおよび／または金属から形成され、円筒状に形成してもよいことに注意されたい。他の形状、特に長方形の形状も可能である。また、ケーシングの下面について、ここでは、端子コンタクトの貫通接続部を除いて閉鎖されたものを、ほぼ閉鎖されたケーシング下面と称する。相応に、好ましくは円筒状の開口を有するものを、実質的に開放されていると称する。

遮蔽装置についても、遮蔽装置が電磁波に対する耐性を有する場合、種々のケーシング形状、特に角形のものが可能である。特に、製造の際に、例えば円筒状の構成においてケーシングとファラデーケージの間の空間を下側および上側から単純に充填できる場合、超音波トランスデューサを容易にかつ確実に製造可能である。

従来技術のこれまでの手段では、特に信号結合が非対称である場合、本発明に比べて不充分なＥＭＶ耐性しか得られないことがわかっている。本発明の格子によって、ＥＭＶ耐性を著しく高めることができる。

ＥＭＶなる語は、ここでは、「電磁波」に対する耐性を意味すると解されたい。研究により、変換器素子は、１００ＭＨｚを超えるＨＦ領域の電界からも有効に遮蔽されることが判明している。特には、より低コストかつより小規模の超音波トランスデューサによって高いＥＭＶ耐性を形成することができる。重要な利点は、格子が音響分離材料に対して透過性を有するということである。

一発展形態では、遮蔽装置と格子間スペースとケーシングとに音響分離材料が充填される。好ましくは、全ての中空室が完全に、特に空隙が完全に、分離材料によって充填される。好ましくは、分離材料として、少なくとも１つの充填物質、特に気泡を有するエラストマー母材が用いられる。好ましくは、ショアＡ硬度は２５未満である。

別の発展形態では、変換器素子は、遮蔽装置よりも小さい直径を有する。特に、変換器素子は、上面および／または下面がそれぞれ平坦な平面として形成された、扁平な円筒状の圧電素子として形成される。

一実施形態では、ケーシングの上縁と結合素子の上面と分離材料の上面とが共通の平坦な平面を形成する。好ましくは、個々の要素は、これらの表面に、流体密に形成される。

別の発展形態では、格子は、固定手段によってまたは特にクランプリングによって、遮蔽装置に固定される。なお、他の導電性かつＨＦ耐性を有する固定手段も適するものと解されたい。好ましくは、クランプリングは金属から形成される。固定手段は、別の実施形態では、はんだ点または溶接点も含むものと解されたい。一実施形態では、遮蔽装置および／または格子は、それぞれ１種類の金属から形成される。好ましくは、格子が変換器素子の上面に電気的に接続され、特に第２の電極がファラデーケージに電気的に接続され、これにより、変換器素子の上面とファラデーケージとが同じ基準電位にクランプされる。このために、第２の電極は低オームでケージに接続されるものと解されたい。特には、遮蔽装置が下面にコンタクト領域を有し、第２の電極がこのコンタクト領域に電気的に接続される。

一実施形態では、第１の電極または第２の電極が、ケーシングを通して、好ましくはケーシングの下面を通して、引き出される。

別の実施形態では、格子のメッシュ部分の厚さは好ましくは４０μｍであるが、少なくとも５μｍ、最大で０．７５ｍｍである。さらに好ましくは、格子のメッシュ幅は好ましくは０．４ｍｍであるが、少なくとも０．１ｍｍ、最大で３．０ｍｍである。好ましくは、格子は青銅または銅から形成される。

別の発展形態では、遮蔽装置とケーシングとの間の空隙は少なくとも０．５ｍｍ、最大で２．０ｃｍである。

好ましい一実施形態では、変換器素子が別のコンタクト面を有する。この場合、第２の電極が当該別のコンタクト面に接続され、遮蔽装置と格子とが変換器素子から電気的に絶縁される。遮蔽装置は、第３の電極によって基準電位にクランプされる。

本発明を以下に図を参照しながら詳細に説明する。図では同種の要素に同じ参照番号を記している。図示の各実施形態は著しく模式的なものであり、すなわち、相互間隔ならびに水平方向および垂直方向の広がりは縮尺通りでなく、格別のことわりがないかぎり、導出可能な相互の幾何学的関係を表していない。

超音波トランスデューサの第１の実施形態を示す断面図である。 超音波トランスデューサの第２の実施形態を示す断面図である。

図１には、上面２２および下面２４を有する圧電変換器素子２０を有する超音波トランスデューサ１０の第１の実施形態の断面図が示されている。超音波トランスデューサ１０は、上面３２および下面３４を有するコップ状のケーシング３０を有しており、このケーシング３０の上面３２には開口が形成されている。ケーシング３０は好ましくはプラスチックから形成されている。図示されていない代替的な実施形態では、ケーシング３０を円筒状に形成してもよい。この場合、ケーシングは、その下面に、少なくとも部分的に、ケーシングの一方側とは異なる材料を含む。特に、下面３４が開放されている場合、ケーシング３０とファラデーケージとの間の空間は、上面３２および下面３４から容易に充填可能である。

また、超音波トランスデューサ１０は、前面４２および後面４４を有する結合素子４０を有し、ここで、結合素子４０の後面４４は、送信モードで変換器素子２０が形成した超音波が周囲へ出力され、または、受信モードで結合素子４０が周囲から受信した超音波が変換器素子２０へ転送されるように、変換器素子２０の上面２２に音響的に結合されている。変換器素子２０と結合素子４０とはケーシング３０内に配置されている。

さらに、超音波トランスデューサ１０は第１の電極５０と第２の電極６０とを有しており、ここで、第１の電極５０は、変換器素子２０の下面２４に形成されたコンタクト面７０に接続されている。変換器素子２０は、導電性の金属材料から形成されたコップ状の遮蔽装置８０内に配置されており、ここで、遮蔽装置８０の開口には導電性の金属格子９０が架けわたされている。ここでは、格子９０は、固定装置、特にクランプリング９２によって遮蔽装置８０に固定されている。格子９０は、複数の格子間スペース９５を有する。格子間スペース９５なる概念は、格子９０のメッシュ間の小さな幅を意味する。

ここでは、遮蔽装置８０は、結合素子４０の厚さの方向でケーシング３０内に導入されている。格子９０は、変換器素子２０の上面に電気的に接続されている。遮蔽装置８０と格子９０とはファラデーケージを形成しており、ここで、格子９０は、変換器素子２０の上面２２と結合素子４０の後面４４との間に形成されている。

さらに、第２の電極６０は、ここではコップ状の遮蔽装置８０の下面８２側のコンタクト領域８５のファラデーケージに接続されているので、変換器素子２０の上面２２とファラデーケージとはアース電位にクランプされている。遮蔽装置８０は下面８２に貫通接続部８６を有する。貫通接続部８６を通して、第１の電極５０は、遮蔽装置８０に対して電気的に絶縁された状態で、導通される。ケーシング３０は、下面３４に２つの電極５０，６０に対する２つの貫通接続部８８を有している。つまり、第１の電極５０および第２の電極６０は、下面３４側で、ケーシング３０を通して引き出されている。

ケーシング３０と遮蔽装置８０との間には空隙ＳＰが形成されており、これにより、ケーシング３０は遮蔽装置８０から音響的に分離されている。変換器素子２０と結合素子４０とは遮蔽装置８０よりも小さい直径を有する。２つの素子２０，４０は、好ましくは同じ直径を有する。遮蔽装置８０、および、遮蔽装置８０の格子間スペース９５は、音響分離材料１００、特にエラストマーフォームによって充填されている。

全体として、ケーシング３０の上縁１０５と結合素子４０の前面４２と分離材料１００の上面とは、共通の平坦な平面１１０を形成している。

図２には、超音波トランスデューサ１０の第２の実施形態が断面図で示されている。以下では、図１に示されている実施形態との相違点のみを説明する。変換器素子２０は、第２のコンタクト面２７０を有する。第２の電極７０は、第２のコンタクト面２７０に接続されている。さらに、遮蔽装置８０は、下面８２に、別の貫通接続部８６を有する。

別の貫通接続部８６を通して、第２の電極６０は、遮蔽装置８０に対して電気的に絶縁された状態で、導通される。双方の電極５０，６０とも、好ましくは可撓性のワイヤを含み、回路板２３０で終端する。回路板２３０は、ケーシング３０の内側で、遮蔽装置８０とケーシング底部２００との間に形成されている。回路板２３０は第１のコンタクトピン２４０および第２のコンタクトピン２５０を有しており、ここで、２つのコンタクトピン２４０，２５０は、ケーシング３０の２つの貫通接続部８８を通して引き出されている。ケーシング３０は縁面１０５に接続した突出部２８０を有する。

図１に示されている第１の実施形態では、第２の電極６０が格子９０によって変換器素子２０に接続されており、ファラデーケージへ通じる端子が基準電位にクランプされていることで非対称の信号出力が生じるのに対して、図２の本発明の実施形態では、第２の電極６０が直接に、図２に示されている実施形態の変換器素子２０に接続されている。双方の電極５０，６０ともアース電位にクランプされていないため、このようにすれば対称の信号出力を生じさせることができる。格子９０が変換器素子２０に電気的に接続されていない場合、格子９０を基準電位にクランプすることができる。この場合、第１の電極と第２の電極との間に生じる交流信号は、基準電位から解放される。

Claims (15)

1. 上面（２２）および下面（２４）を有する圧電変換器素子（２０）と、
   開口が形成された上面（３２）およびほぼ閉鎖された下面（３４）を有するコップ状のケーシング（３０）、または、開口が形成された上面（３２）および開放された下面（３４）を有する円筒状のケーシング（３０）と、
   前面（４２）および後面（４４）を有する結合素子（４０）と、
   第１の電極および第２の電極と、
   を有する、超音波トランスデューサ（１０）であって、
   前記結合素子（４０）の前記後面（４４）は、送信モードで前記圧電変換器素子（２０）が形成した超音波が周囲へ出力され、または、受信モードで前記結合素子（４０）が周囲から受信した超音波が前記圧電変換器素子（２０）へ転送されるように、前記圧電変換器素子（２０）の前記上面（２２）に音響的に結合されており、
   前記圧電変換器素子（２０）と前記結合素子（４０）とは、前記ケーシング（３０）内に配置されており、
   前記第１の電極は、前記圧電変換器素子（２０）の前記下面（２４）に形成されたコンタクト面（７０）に接続されており、
   前記圧電変換器素子（２０）は、導電性の金属材料から成るコップ状の遮蔽装置（８０）内に配置されており、前記遮蔽装置（８０）の開口には導電性の金属格子（９０）が架けわたされており、これにより、前記遮蔽装置（８０）と前記金属格子（９０）とはファラデーケージを形成しており、
   前記ケーシング（３０）と前記遮蔽装置（８０）との間に空隙（ＳＰ）が形成されており、前記ケーシング（３０）は前記遮蔽装置（８０）から音響的に分離されている、
   超音波トランスデューサ（１０）において、
   前記金属格子（９０）は、前記圧電変換器素子（２０）の前記上面（２２）と前記結合素子（４０）の前記後面（４４）との間に形成されており、
   前記圧電変換器素子（２０）は前記下面（３４）から間隔を置いて配置されており、
   前記圧電変換器素子（２０）と前記下面（３４）との間に音響分離材料（１００）が設けられており、
   前記結合素子（４０）は、前記遮蔽装置（８０）より小さい直径を有しており、これにより、前記ケーシング（３０）と前記結合素子（４０）との間に音響分離材料（１００）が設けられている
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ（１０）。
2. 前記遮蔽装置と前記金属格子（９０）の格子間スペースと前記ケーシングとに、音響分離材料（１００）が充填されている、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
3. 前記圧電変換器素子（２０）は、前記遮蔽装置よりも小さい直径を有する、
   請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
4. 前記ケーシングの上縁と前記結合素子の上面と前記音響分離材料（１００）の上面とが共通の平坦な平面を形成している、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
5. 前記金属格子（９０）は、固定手段によってまたはクランプリングによって、前記遮蔽装置に固定されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
6. 前記遮蔽装置および／または前記金属格子（９０）は、それぞれ１種類の金属から形成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
7. 前記金属格子（９０）は、前記圧電変換器素子（２０）の前記上面に電気的に接続されており、
   前記第２の電極は、前記ファラデーケージに接続されており、
   これにより、前記圧電変換器素子（２０）の前記上面と前記ファラデーケージとが同じ基準電位にクランプされている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
8. 前記第１の電極および／または前記第２の電極は、前記ケーシングを通して引き出されている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
9. 前記遮蔽装置（８０）は、下面にコンタクト領域（８５）を有し、
   前記第２の電極（６０）は、前記コンタクト領域（８５）に電気的に接続されている、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
10. 前記金属格子（９０）のメッシュ部分の厚さは、少なくとも５μｍ、最大で０．７５ｍｍである、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
11. 前記金属格子（９０）のメッシュ幅は、少なくとも０．１ｍｍ、最大で３．０ｍｍである、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
12. 前記遮蔽装置（８０）と前記ケーシング（３０）との間の前記空隙（ＳＰ）は、少なくとも０．５ｍｍである、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
13. 前記金属格子（９０）のメッシュ幅は、少なくとも０．１ｍｍ、最大で３．０ｍｍである、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
14. 前記金属格子（９０）は、青銅または銅から形成されている、
    請求項１から１３までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。
15. 前記圧電変換器素子（２０）は、別のコンタクト面（２７０）を有し、
    前記第２の電極（６０）が、前記別のコンタクト面（２７０）に接続されており、
    前記遮蔽装置（８０）と前記金属格子（９０）とが、前記圧電変換器素子（２０）から電気的に絶縁されており、
    前記遮蔽装置（８０）は、第３の電極によって基準電位にクランプされている、
    請求項１から１４までのいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ（１０）。

Images