JP7139545B1 - 超音波トランスデューサー - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1及び第2板体は厚み方向に積層状態で固着される。
この場合、前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域及び前記支持板の平面視重合幅が0.05mmとなるように形成される。
前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられ、前記圧電素子における一対の第1及び第2電極にそれぞれ接続される第1及び第2配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有する。
前記上側封止板は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部を有する。
図1に本実施の形態に係る超音波トランスデューサー1Aの部分縦断面図を示す。
また、図3に、前記支持板10の平面図を示す。
前記ホーン部18は、前記筒状部17に連通する基端側から前記第2端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されている。
前記支持板10Aをセラミックス材料によって形成することにより、前記支持板10Aの共振周波数を可及的に高めることができる。
図4に、前記支持板10Aの代えて前記支持板10Bを備えた、本実施の形態の変形例に係る超音波トランスデューサー1Bの部分縦断面図を示す。
前記可撓性樹脂膜20は、接着剤又は熱圧着等の種々の方法によって前記支持板10A(10B)に固着される。
前記圧電素子30は、平面視において中央領域が対応する空洞部15と重合し且つ周縁領域が前記支持板10の第1面10-1と重合するように、前記可撓性樹脂膜20の第1面20-1に固着されている。
また、図5(b)に、図5(a)におけるV-V線に沿った断面図を示す。
前記圧電素子30は、圧電素子本体32と、一対の第1及び第2電極とを有し、前記第1及び第2電極の間に電圧が印可されると伸縮するように構成されている。
積層型圧電素子は、単層型圧電素子に比して、同一電圧印可時に電界強度を高めることができ、印可電圧当たりの伸縮変位を大きくすることができる。
従って、振動体として作用する前記複数の圧電素子30が発生する音波の位相を精密に制御することができる。
前述の通り、超音波トランスデューサーを空中音波フェイズドアレイセンサーとして用いる場合には、通常、前記複数の圧電素子には一定数の周期の正弦波からなるバースト波形電圧が印加される。
その結果を図6に示す。
前記圧電素子30への印加電圧(駆動電圧)が所定周波数(駆動周波数)の正弦波のバースト波形を有している場合には、印加開始時点では電圧ゼロから突然に電圧が印加されることになり、印加終了時点では印加されていた電圧が突然にゼロになる。
図7(a)に、本解析(2)において用いたモデル100の平面図を示す。
また、図7(b)に、図7(a)におけるVII-VII線に沿った部分拡大断面図を示す。
圧電素子30:チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)
3×11の矩形配列 ピッチP=4.0mm
密度7.97×102kg/m3(共振周波数が220kHz)
一層の厚さが0.13mmの2層積層型(合計厚さ0.26mm)
一辺の長さA=3.4mmの平面視正方形状
可撓性樹脂膜20:厚さ0.05mmのポリイミドフィルム
第1板体11:厚さhmmのステンレス
空洞部15:一辺の長さB=3.3mmの平面視正方形状、深さhmm
第2板体12:厚さ3.0mmのアルミナ(Al2O3)
筒状部17:直径C1=1.5mm、長さL1=0.25mm
ホーン部18:基端側直径C1=1.5mm、放出側直径C2=3.7mm、
長さL2=2.75mm
その結果を図8に示す。
また、図9に、図8における駆動周波数60~90kHzの領域の拡大図を示す。
図10(a)に、本解析(3)において用いたモデル102の平面図を示す。
また、図10(b)に、図10(a)におけるX-X線に沿った部分拡大断面図を示す。
前記支持板10Cは、前記第1板体11及び第2板体12Cを有している。
前記第2板体12Cは、厚さ0.25mmのアルミナ(Al2O3)とされており、前記第2板体12Cに形成された導波路は前記筒状部17(直径C1=1.5mm、長さL1=0.25mm)のみを有している。
その結果を図8及び図9に併せて示す。
このことから、所定周波数の音波の透過を防止乃至は低減するという作用に関し、前記ホーン部18の有無は影響しないと推測される。
本解析(4)においては、導波路が前記筒状部17のみを有する前記モデル102(図10参照)において、前記空洞部15の深さh(即ち、前記第1板体11の厚さ)を0.1mmで一定とした上で、前記筒状部17の長さL1(即ち、前記第2板体12Cの厚さ)を0.25mmで固定しつつ、前記筒状部17の直径C1を1.0mm(モデルB2)、1.5mm(モデルB3)及び2.2mm(モデルB4)に設定して、各モデルB2~B4におけるSPLをFEM解析に基づき算出した。
なお、前記モデルB2~B4は、その他の形状及び寸法については前記モデルB1と同一に設定した。
図11から、前記筒状部17の直径を変更することによっても、SPLの低下を招く周波数領域の変更が可能であることが推測される。
本解析(5)においては、導波路が前記筒状部17のみを有する前記モデル102(図10参照)において、前記空洞部15の深さh(即ち、前記第1板体11の厚さ)を0.1mmで一定とした上で、前記筒状部17の直径C1を1.5mmで固定しつつ、前記筒状部17の長さL1(即ち、前記第2板体12Cの厚さ)を0.25mm(モデルB5)及び0.15mm(モデルB6)に設定して、各モデルB5及びB6におけるSPLをFEM解析に基づき算出した。
なお、前記モデルB5及びB6は、その他の形状及び寸法については前記モデルB1と同一に設定した。
図12から、前記筒状部17の長さL1は、SPLの低下を招く駆動周波数の値の変更には影響しないと推測される。
図13(a)に、本解析(6)において用いたモデル104の平面図を示す。
また、図13(b)に、図13(a)におけるXIII-XIII線に沿った部分拡大断面図を示す。
その結果を図14に示す。
その結果を図15に示す。
前記空洞部15及び前記導波路16を有する前記モデル100(図7(a)及び(b))において、前記空洞部15の深さhを0.1mmに固定した上で、前記圧電素子30の共振周波数を70kHz(モデルA11)、74kHz(モデルA12)、75kHz(モデルA13)、77kHz(モデルA14)、83kHz(モデルA15)に設定して、各モデルA11~A15におけるSPLをFEM解析に基づき算出した。
その結果を図16に示す。
即ち、前記モデルA11~A15において、圧電材の密度を下記の通りに設定した。
モデルA11(共振周波数70kHz):10.76×103kg/m3
モデルA12(共振周波数74kHz):10.12×103kg/m3
モデルA13(共振周波数75kHz): 9.96×103kg/m3
モデルA14(共振周波数77kHz): 9.25×103kg/m3
モデルA15(共振周波数83kHz): 7.97×103kg/m3
・開口幅が一辺の長さB=3.3mmの平面視正方形状とされ且つ深さhが0.1mmとされた前記空洞部15、及び、直径C1が1.5mmで且つ長さL1が0.25mmとされた前記筒状部17が、周波数75kHz近傍の音波の透過を防止乃至は低減する音波フィルターとして作用していること、
・前記圧電素子30の共振周波数が、前記空洞部15及び前記筒状部17が透過を防止乃至は低減する周波数75kHzとは異なっている前記モデルA11(共振周波数70kHz)、前記モデルA14(77kHz)及び前記モデルA15(83kHz)においては、放射音波に圧電素子30の共振周波数成分が重合されていること
が推測される。
前記空洞部15及び前記導波路16を有する前記モデル100(図7(a)及び(b))において、前記圧電素子30の共振周波数を75kHzに固定し且つ前記空洞部15の深さhを0.1mmに固定した上で、前記筒状部17の直径C1を1.2mm(モデルA21)、1.5mm(モデルA22)、1.8mm(モデルA23)及び2.2mm(モデルA24)に設定して、各モデルA21~A24におけるSPLをFEM解析に基づき算出した。
その結果を図17に示す。
これは、駆動周波数75kHzの際に、前記圧電素子30から放射される音波に当該圧電素子30の共振周波数成分が重合されている為と推測される。
前記解析(7)で用いたモデルA22と同一形状、同一材質及び同一寸法の試作品を作成し、この試作品に対して前記解析(1)におけると同一条件(振幅10V及び周波数40kHzの正弦波5周期のバースト波形電圧)で電圧を印加し、放射音波の応答を時間領域で測定した。
測定結果を図18に示す。
前記検証(1)で用いた試作品に前記検証(1)におけると同一条件の駆動電圧を印加した場合の音圧の指向性を測定した。
測定結果を図19に示す。
その結果を図19に併せて示す。
図1に示すように、本実施の形態に係る前記超音波トランスデューサー1Aは、前記支持板10A、前記可撓性樹脂膜20及び前記複数の圧電素子30に加えて、任意構成部材として下側封止板40及び配線アッセンブリ150を有している。
図20に示すように、前記下側封止板40は、前記複数の圧電素子30をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口42を有しており、前記下側封止板40は、平面視において前記複数の圧電素子30が前記複数の圧電素子用開口42内に位置するように前記可撓性樹脂膜20の第1面20-1に接着剤又は熱圧着等によって固着されている。
前記導体層170は、前記ベース層160上に積層された厚さ12~25μm程度のCu箔に対して不要部分をエッチング除去することによって形成可能である。
好ましくは、前記導体層170を形成するCuの露出部分にNi/Auメッキを施すことができる。
前記上側封止板60は、前記複数の圧電素子30のそれぞれに対応した位置に開口部65を有している。
10A、10B 支持板
10-1 支持板の第1面
10-2 支持板の第2面
15 空洞部
16 導波路
17 筒状部
18 ホーン部
20 可撓性樹脂膜
Claims (9)
- 厚み方向一方側の第1面及び厚み方向他方側の第2面を有する剛性の支持板であって、前記第1面に開口された複数の空洞部及び前記空洞部よりも開口幅が小とされた一端側の第1端部が対応する前記空洞部の底面に開口され且つ他端側の第2端部が前記第2面に開口された複数の導波路が設けられた剛性の支持板と、
前記複数の空洞部を覆うように前記支持板の第1面に固着された可撓性樹脂膜と、
平面視において中央領域が対応する空洞部と重合し且つ周縁領域が前記支持板の第1面と重合するように前記可撓性樹脂膜の第1面に固着された前記複数の空洞部と同数の圧電素子とを備え、
前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域と前記支持板との平面視重合幅が前記圧電素子の全周に亘って0.05mm~0.1mmとなるように前記圧電素子の平面視相似形状とされ、
前記導波路は、前記第1端部を含む筒状部と前記第2端部を含むホーン部とを有し、
前記筒状部は、前記支持板の厚み方向に亘って同一開口幅を有し、
前記ホーン部は、前記筒状部に連通する基端側から前記第2端部に近接するに従って、開口幅が大きくなるように構成されていることを特徴とする超音波トランスデューサー。 - 前記支持板は、前記複数の空洞部のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第1板体と、前記複数の導波路のそれぞれと同一開口幅の複数の貫通孔が形成された第2板体とを含み、
前記第1及び第2板体は厚み方向に積層状態で固着されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記支持板は、前記複数の空洞部及び前記複数の導波路が形成された単一部材とされていることを特徴とする請求項1に記載の超音波トランスデューサー。
- 前記圧電素子は、平面視縦横寸法の最大値が3.4mmの平面視矩形状、直径が3.4mm以下の平面視円形状、又は、長径が3.4mm以下の平面視楕円形状とされ、配列ピッチ4.0mmで配列され、
前記空洞部は、前記圧電素子の周縁領域及び前記支持板の平面視重合幅が0.05mmとなるように形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の超音波トランスデューサー。 - 前記導波路の第1端部は直径1.5mmの円形とされていることを特徴とする請求項4に記載の超音波トランスデューサー。
- 前記複数の圧電素子をそれぞれ囲む大きさの複数の圧電素子用開口を有し且つ前記圧電素子よりも厚みが大とされた下側封止板であって、平面視において前記複数の圧電素子が前記複数の圧電素子用開口内に位置するように前記可撓性樹脂膜に固着された下側封止板と、
前記下側封止板に固着された配線アッセンブリとを備え、
前記配線アッセンブリは、絶縁性のベース層と、前記ベース層に設けられ、前記圧電素子における一対の第1及び第2電極にそれぞれ接続される第1及び第2配線を含む導体層と、前記導体層を囲繞する絶縁性のカバー層とを有し、
前記ベース層には、前記第1配線を対応する前記圧電素子の第1電極に接続する為の第1配線/圧電素子接続用開口と、前記第2配線を対応する前記圧電素子の第2電極に接続する為の第2配線/圧電素子接続用開口とが設けられていることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の超音波トランスデューサー。 - 前記下側封止板及び前記配線アッセンブリに柔軟性樹脂を介して固着された上側封止板を備え、
前記上側封止板は、前記複数の圧電素子のそれぞれに対応した位置に開口部を有していることを特徴とする請求項6に記載の超音波トランスデューサー。 - 前記上側封止板の複数の開口部を覆うように前記上側封止板に固着された吸音材を備えていることを特徴とする請求項7に記載の超音波トランスデューサー。
- 前記吸音材に固着された補強板を備えていることを特徴とする請求項8に記載の超音波トランスデューサー。
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