JPH0623118Y2

JPH0623118Y2 - 超音波センサー

Info

Publication number: JPH0623118Y2
Application number: JP1988008314U
Authority: JP
Inventors: 利治伊藤; 学佐藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1994-06-15
Anticipated expiration: 2003-01-25
Also published as: JPH01112931U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、外面を送受波面とした合成樹脂材料からなる
音響整合部材の内面に圧電素子を固着して構成した音響
変換要素を備えてなる超音波センサーに関するものであ
る。

〈考案が解決しようとする問題点〉第４図に示す様に、合成樹脂材料からなる音響整合部材
ａに、接着剤層ｂを介して圧電素子ｃを貼着して成る従
来構造の音響変換要素にあって、合成樹脂材料の音響整
合部材は、セラミック材料である圧電素子ｃに比して、
熱膨張率が大きい。因に、セラミックの熱膨張率は、４
×10-6cm/cm/℃程度であるのに比し、合成樹脂材料は30
×10-6cm/cm/℃程度である。従って、温度変化の著しい
環境中で使用されると、その熱膨張差によって、接合面
で、圧電素子ｃに対して接合面に沿った剪断方向の力が
作用し、前記接着剤層ｂを破壊して圧電素子ｃの剥離を
生じたり、ときには、圧電素子ｃに該接合面に沿った亀
裂を生じたり、気層が発生する。

このため、外圧電素子ｃが剥離し易いばかりではなく、
接着剤層が緩衝層となって、圧電素子と音響整合部材間
の振動の伝播が阻害され、良好な送受波性能を得ること
ができないという問題がある。

またこのような構成にあっては、圧電素子ｃの周囲が保
持されていないため、圧電素子ｃに交番電圧を印加する
と、圧電定数ｄ₃₁により、面方向の歪を生じ、ポアソン
比の関係により、厚み方向の歪が小さくなって、大きな
振幅の送波を実現することができないという欠点もあ
る。

本考案は、かかる従来構成の欠点を是正することを目的
とするものである。

〈問題点を解決するための手段〉本考案は、合成樹脂材料からなる音響整合部材の内面に
嵌着溝を形成し、圧電素子を該嵌着溝に埋入し、その周
囲の材料を使用温度範囲の上限以下（通常の使用温度領
域）で収縮するようにし、該圧電素子に、周側面から圧
縮力を作用させるようにしたものである。

そして、その一手段として、前記嵌着溝に、その内周面
に合成樹脂製保持層を形成してから圧電素子を埋入し、
その埋入状態で、該合成樹脂製保持層を使用温度範囲の
上限付近またはそれ以上の温度で硬化させて構成した。

この合成樹脂製保持層の樹脂材料として熱硬化性樹脂を
用いる場合には、その硬化温度が使用温度範囲の上限付
近またはそれ以上の温度となる材料を選定し、前記嵌着
溝内に、液状の該材料を圧電素子の周囲に充填し、その
全体を前記温度以上に加熱して硬化させる。

また、合成樹脂製保持層として熱可塑性樹脂を用いる場
合には、その溶融温度が使用温度範囲の上限付近または
それ以上の温度となる材料を選定し、あらかじめ、加熱
して溶融状態とし、前記嵌着溝内の圧電素子の周囲に注
入し、室温により徐冷または、強制冷却して硬化させ
る。

この構成にあって、前記硬化温度未満（通常の使用温度
領域）で、該硬化時よりも合成樹脂製保持層が収縮す
る。そして、セラミックの熱膨張率は、合成樹脂材料よ
りも小さいから、合成樹脂製保持層の収縮量は相対的に
大きく、該保持層は、圧電素子の全周縁に環状に配置さ
れているため、その内面の内方収縮を生じ、該内面で圧
電素子の周側面を圧縮する。

この構成にあっては、前記合成樹脂製保持層を接着剤と
して兼用することができる。また別途に、嵌着溝の底面
と、圧電素子間に接着剤層を形成しても良い。

また他の手段として、前記嵌着溝を圧電素子が、密嵌さ
れる内周形状となるように形成し、該音響整合部材を、
使用温度範囲の上限付近またはそれ以上の温度とした状
態で、該嵌着溝にその底面にあらかじめ接着剤を注入
してから、圧電素子を密嵌状に埋入して構成した。

この構成は、いわゆる『焼きばめ』を応用したものであ
って、音響整合部材を、使用温度範囲の上限付近または
それ以上の温度とした状態で、圧電素子を密嵌する。こ
れにより、通常の使用温度領域で、音響整合部材が、該
嵌着時よりも収縮し、圧電素子は、周囲の音響整合部材
により周側面から圧縮力を受ける。この構成にあって
は、圧電素子は嵌着溝の底面に形成した接着剤と、音響
整合部材からの圧縮力により保持される。

〈作用〉上述の構成により、前記圧電素子は、使用温度領域で、
その周縁から、常に圧縮力が付与される。尚、セラミッ
クの特性として、周囲からの圧縮力に対しては強く、従
って、合成樹脂材料による圧縮によっては、破損，亀裂
を生じない。

従って、圧電素子の下面で、音響整合部材との熱膨張差
により、剪断方向の力が付与されても、前記圧縮力によ
り、内部緊張が与えられているから、前記剪断力に打ち
勝ち、亀裂を生じない。

また、圧電素子の周面は前記圧縮力により保持されてい
るため、面方向の歪が低減しポアソン比の関係で厚み方
向の歪が大きくなって、大きな振幅を得ることができ、
送波性能が向上する。

〈実施例〉第１図につき、第一考案の実施例を説明する。

１はセラミック材料からなる圧電素子であって、熱膨張
率の大きな音響整合部材２ａの、接合面に形成された嵌
着溝３ａに埋入される。前記嵌着溝３ａは、圧電素子１
が幾分余裕を持って埋入し得る形状とされる。

前記圧電素子１と嵌着溝３ａの底面間には接着剤層４が
形成され、さらに、圧電素子１の周側面と、嵌着溝３ａ
の内側面間には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂材料か
ら成る合成樹脂製保持層５が注入される。前記保持層５
は、圧電素子１の使用温度雰囲気に対応して、その上限
付近で硬化するものが用いられ、実際には接着剤層４と
保持層５とは同一材料で、同時に形成される。

かかる注入後に、その全体を硬化温度まで上昇させ、硬
化させる。

この構成にあっては、その使用温度雰囲気では硬化温度
以下となり、保持層５は収縮状態となっているから、圧
電素子１の周側面を矢印の様に圧縮することとなる。こ
のため、圧電素子１と、嵌着溝３ａの底面間に剪断応力
が作用しても、該圧電素子１はその周側面から圧縮力を
付与されているから、該剪断力に打ち勝って亀裂を生じ
ない。尚、圧電素子１は、圧縮力に対して強いことは良
く知られており、かかる力によっては破損しない。

一方、低温度下では、前記保持層５の収縮に伴い、強い
圧縮力が作用し、上下面で外方への膨隆を生ずるが、そ
の下面にあっては、接着剤層４がこれを吸収することと
なる。

第２図は、第二考案の一実施例である。

音響整合部材２ｂには、圧電素子１が密嵌される内周形
状とした嵌着溝３ｂが形成される。この嵌着溝３ｂは、
使用温度範囲の上限付近またはそれ以上の温度で、該嵌
着溝３ｂの形状が拡開し、圧電素子１の埋入が可能とな
る。そこで、該３ｂ下面に使用温度範囲の上限付近また
はそれ以上の温度で硬化する接着剤層４を形成しておい
てから、音響整合部材２ｂを該温度に加熱し、圧電素子
１を嵌着する。

これにより、通常の使用温度領域で、音響整合部材２ｂ
は、該嵌着時よりも収縮し、圧電素子１は、周囲の音響
整合部材２ｂにより周側面から圧縮力を受ける。また、
圧電素子１は嵌着溝の底面に形成した接着剤層４と、音
響整合部材２ｂからの圧縮力により保持される。

次に、上述の構成からなる音響変換要素１５を備えた超
音波センサー１０を第３図について説明する。

ここで、中空筒状ケース１１は円筒状をしており、第３
図上面に開口部１２を有する。さらにケース１１の内部
中央には、プリント基板１３が中仕切板として固定され
ている。そして前記開口部１２の周縁１４と、プリント
基板１３間には、音響変換要素１５と、押え板１６とが
収納されている。前記押え板１６は音響変換要素１５の
保持部材の役割をするものである。

前記音響変換要素１５は、その外面を中央が膨隆した送
受波面とした合成樹脂材料からなる音響整合部材２の内
面に形成した嵌着溝３に表裏に電極が形成された圧電素
子１を埋入して成るものであって、前記圧電素子１の周
縁には保持層５が形成され、圧電素子１と嵌着溝３の奥
面間には接着剤層４が形成されて、該圧電素子１は嵌着
溝３内に保持されている。

さらにまたその筒側部２１の下端を蓋板２２で覆い、蓋
板２２から圧電素子１の電極と接続する導線２３を挿通
させている。

前記音響整合部材２の段鍔部２０上にはシリコンゴム等
の音響遮蔽リング２５が嵌着され、さらに押え板１６の
筒状部上端に形成された環状溝内にも音響遮蔽リング２
６が嵌合され、プリント基板１３と周縁１４間で、音響
変換要素１５，押え板１６が密接状に収納された状態
で、前記音響変換要素１５の段鍔部２０は音響遮蔽リン
グ２５，２６に弾接される。

さらに前記中空筒状ケース１１内にあって、プリント基
板１３の下面側には、トランジスタ，抵抗，コンデンサ
等の送受波回路部品２７が搭載さ、中空筒状ケース１１
の下面を遮断する遮閉板２８からケース１内に挿入され
た電線２９の所要導線を、プリント基板１３上の導電路
に接続し、送受波回路部品２７と接続するようにしてな
るものである。

そしてかかる構成の超音波センサー１０は、送波器とし
て機能する場合には、電線２９から送受波回路部品２７
を経由して圧電素子１の電極に所定周波数の交番電圧が
印加されると、音響整合部材２が振動し、その送受波面
から超音波を放射する。また超音波センサー１０が受波
器として機能する場合には、音響整合部材２の送受波面
から受波した反射波は圧電素子１により信号電圧に変換
され、送受波回路部品２７で所要の信号処理がなされ
て、電線２９から出力が取出される。

この構成にあって、その温度変化があった場合に、前記
圧電素子１は、保持層５により嵌着溝３の周側面から圧
縮力を受けているため、圧電素子１の奥面との間で、熱
膨張差による剪断力を生じても、これに対抗して、その
影響による破損を生じず、耐久性が向上すると共に、合
成樹脂製保持層５に亀裂を生じたり、気層が発生するこ
とが可及的に防止され、このため、該保持層５を介した
圧電素子１と音響整合部材２との間の波動の伝播が良好
になされる。

また、圧電素子１の周面は前記圧縮力により保持されて
いるため、両方向の歪が低減しポアソン比の関係で厚み
方向の歪が大きくなって、大きな振幅を得ることができ
る。このため、送波性能が向上する。

〈考案の効果〉本考案は、上述のように、音響整合部材に形成した嵌着
溝に圧電素子を嵌着し、通常の使用温度領域で、該圧電
素子に周側面から圧縮力を作用させるようにしたもので
あるから、圧電素子の下面で、音響整合部材との熱膨張
差により、剪断方向の力が付与されても、前記圧縮力に
よる内部緊張によって、前記剪断力に打ち勝ち、圧電素
子の剥離、亀裂を生じず、その耐用寿命を延長し得る。

また熱膨張差による剪断力によって合成樹脂製保持層５
に亀裂を生じたり、気層が発生することが可及的に防止
され、このため、該保持層を介した圧電素子１と音響整
合部材２との間の波動の伝播が良好になされる。さらに
は、圧電素子１の周面は前記圧縮力により保持されてい
るため、面方向の歪が低減しポアソン比の関係で厚み方
向の歪が大きくなって、大きな振幅を得ることができ、
送波性能が向上する。このため、超音波センサーの特性
を向上し得ることとなる、等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一考案の縦断側面図、第２図は第二考案の縦
断側面図、第３図は本考案を適用した超音波センサーの
縦断側面図、第４図は従来の音響変換要素の縦断側面図
である。１；圧電素子、２，２ａ，２ｂ；音響整合部材、３，３
ａ，３ｂ；嵌着溝、４；接着剤層、５；合成樹脂製保持
層、１０；超音波センサー、１５；音響変換要素

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】外面を送受波面とした合成樹脂材料からな
る音響整合部材１７の内面に嵌着溝１９を形成し、該嵌
着溝１９に、その内周面に合成樹脂製保持層５を形成し
てから圧電素子１８を埋入し、その埋入状態で、該合成
樹脂製保持層５を使用温度範囲の上限付近またはそれ以
上の温度で硬化させて構成した音響変換要素を備えてな
る超音波センサー。
【請求項２】外面を送受波面とした合成樹脂材料からな
る音響整合部材１７の内面に嵌着溝１９を形成し、該音
響整合部材１７を、使用温度範囲の上限付近またはそれ
以上の温度として、その状態で、該嵌着溝にその底面に
あらかじめ接着剤を注入してから、圧電素子１８を密嵌
状に埋入して構成した音響変換要素を備えてなる超音波
センサー。