JPWO2008065959A1 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

有底筒状の外部ケース（１）の内底面に圧電素子（３）を設け、外部ケース（１）の内部に内部ケース（２）を設けて、外部ケース（１）の底面に対向する内部ケース（２）の面（超音波振動作用面）で外部ケース（１）の圧電素子による振動を質量で拘束するように構成する。超音波振動作用面には、圧電素子（３）の配置位置に対向する部分に圧電素子（３）および外部ケース（１）の振動により生じる超音波ビームを偏平化する第１の切欠部（１１）を形成するとともに、この第１の切欠部（１１）と離れた位置に第１の切欠部（１１）の長軸を対称軸とする線対称の関係に第２の切欠部（１２ａ，１２ｂ）を形成する。

Description

この発明は、超音波信号と電気信号との信号変換を行う超音波トランスデューサに関するものである。

超音波トランスデューサとして、筒状の外側ケースの内底面に圧電素子を設け、外側ケースの内部に指向性制御体を設けた構成が特許文献１に開示されている。

ここでは、物体探知や距離計測の目的に応じて超音波ビームを扁平化するために、圧電素子が取り付けられた外側ケースの内底面に超音波ビームの形状を制御する指向性制御体を密着させている。

この指向性制御体は、平面方向に対して一方向を長軸とする孔が形成された部材であり、外側ケースの内底面に密着することによって、指向性制御体の孔の長軸方向への超音波の有効振動領域が広がり、指向性制御体の孔の短軸方向（長軸方向に対して垂直な方向）への超音波の有効振動領域が狭まる。また、外側ケースの底面と、指向性制御体のうち外側ケースの内底面に対向する面（以下、超音波振動作用面とする）との接触面が広いほど、外側ケースの接触部分により多くの質量がかかり、その質量が外側ケースの振動を拘束することになる。以下、この質量を拘束質量という。このように、指向性制御体の孔の長軸方向と短軸方向との有効振動領域に差を設け、上記孔の長軸の両脇部分での外側ケース底面に対する拘束質量が相対的に増大するように構成することによって、外側ケースの振動面である底面に指向性制御体の孔の長軸方向と短軸方向とで異方性が生じ、超音波ビームが扁平化すると考えられる。
特開２００１−１２８２９２号公報

しかしながら、上記のような従来技術においては、指向性制御体の超音波振動作用面による外側ケース底面への拘束質量が任意角度の回転対称形ではない（１８０度回転対称形である。）ので、このことがビーム形状の扁平化に寄与するが、それと同時に大きなベンディングモード（有効振動領域が上記孔の長軸方向と短軸方向とに交互に歪むような振動モード）の振動も生じてしまい、基本振動とは別に不要振動（高次スプリアス）が発生する。この不要振動の周波数は基本振動の共振周波数と近いため、基本振動と共に励起されやすい。その結果、この不要振動モードでの振動がいつまでも振動し続け、残響特性に悪影響が生じる。

このような不要振動モードの残響が長く続くと、残響による振動で圧電素子が電気信号を発生しつづけるため、障害物で反射した超音波による圧電素子の振動に基づく電気信号が残響による振動の電気信号によってかき消されてしまい、障害物で反射した超音波を検出することができなくなってしまう。

このような不要振動の発生を抑制するために、外側ケースの圧電素子が形成された有効振動領域以外の底面に例えばシリコーン樹脂やウレタン樹脂等のダンピング材を塗布することが有効である。しかし、上述のような構成の超音波トランスデューサでは、圧電素子の有効振動領域近辺にダンピング材が付与されることになるので、上記ダンピング材が不要振動だけでなく、基本振動をも吸収してしまい、感度が低下するという問題が生じる。

この発明の目的は、超音波ビームを扁平化するケース構造でありながら、不要振動を防ぎ且つ残響を抑制するだけでなく、優れた基本振動を得られる超音波トランスデューサを提供することにある。

この発明は、有底筒状の外部ケースと、外部ケースの内底面に設けた圧電素子と、外部ケースの内部に設けられ、外部ケースの内底面に対向する面である超音波振動作用面で外部ケースの前記圧電素子による振動を質量で拘束する内部ケースと、圧電素子に電気的に導通する端子と、を備えた超音波トランスデューサにおいて、
内部ケースは、超音波振動作用面のうち圧電素子の配置位置に対向する部分に、圧電素子および外部ケースの振動により生じる超音波ビームを扁平化する第１の切欠部を有し、且つ、超音波振動作用面のうち、第１の切欠部とは離れた位置に例えば切欠状または彫り込み形状の第２の切欠部を設けたことを特徴としている。

ここで、「超音波ビームを扁平化する第１の切欠部」とは、外部ケースの振動面である内底面に対向する内部ケースの超音波振動作用面で、長軸方向と短軸方向とで異方性を生じさせて、それによって指向性を扁平化するための切欠部である。例えば、平面方向に対して一方向を長軸とする楕円形、長方形等の切欠部であり、この第１の切欠部の存在によって、外部ケースの有効振動領域の左右上下のアスペクト比を１よりも大きくするものである。

この構造により、例えばビーム形状が扁平化されて、例えば超音波ビームの水平幅と超音波ビーム幅の垂直幅が異なるようになり、第１の切欠部とともに外部ケースを拘束する質量の分布が均一化する位置に第２の切欠部が存在することになる。すなわち、外部ケースを拘束する内部ケースの質量バランスがとれて、ベンディングモード等の不要振動が抑制される。

またこの発明は、例えば前記第１の切欠部は前記外部ケースの内底面に対向する面に沿って一方向に長軸を有する形状を成し、前記第２の切欠部は長軸の両脇の線対称位置に配置する。
この構造により、第１の切欠部だけが存在する場合に外部ケースに対する拘束質量が大きな位置に第２の切欠部が存在することになり、外部ケースを拘束する質量の質量バランスがとれて、ベンディングモード等の不要振動が効果的に抑制される。

またこの発明は、例えば前記第２の切欠部は、当該第２の切欠部の存在によって前記第１の切欠部の周囲に堤部を形成するとともに当該堤部の外側の全面に設ける。
この構造により、外部ケースの内底面と内部ケースの超音波振動作用面との接触部分を最小限とすることができるため、質量バランスのばらつきを抑制することができる。また、内部ケースのコーナー（稜）部分にまで第２の切欠部が広がることになるので、内部ケースと外部ケースとに寸法誤差があっても、内部ケースの超音波振動作用面と外部ケースの内底面との密着度がアンバランスになることもなく、上記質量バランスのくずれによって生じる不要モードの振動を確実に防ぐことができる。

またこの発明は、前記内部ケースの媒質密度は前記外部ケースの媒質密度より高くする。
そのことにより外部ケースの底面の振動を抑制できるだけでなく、外部ケースの側面の共振振動も抑制することができ、残響をより抑制できる。

またこの発明は、前記内部ケースの第２の切欠部と前記外部ケースの内底面とで構成される空間を前記内部ケースおよび前記外部ケースより媒質密度の低い充填材で充填する。
この構造によれば、外部ケースの内底面（特にそのコーナー部分）および外部ケースの側面の不要振動を吸収することができ、不要振動をより効果的に抑制できる。なお、本発明によれば、第１の切欠部と第２の切欠部との間に堤部が形成されているため、ダンピング材として作用する充填材が圧電素子の有効振動領域にまで達することがなく、圧電素子の有効振動領域の基本振動に影響することを防ぐことができる。

またこの発明は、前記第２の切欠部に貫通孔を形成する。
この構造により、内部ケースの内部から貫通孔を通して外部ケースの内底面と第２の切欠部内に充填材等を注入するだけで充填できるようになる。その結果、外部ケースと内部ケースとを上記充填材で接着することができるので、外部ケースと内部ケースとを接着するためだけの接着剤は不要となる。

またこの発明は、前記第１の切欠部の長軸方向の両端は前記ケースの端部にまで達し、前記堤部の長手方向の途中に第３の切欠部を備えた構造とする。

この構造により、残響を抑制したまま、指向性をより向上させることができる。すなわち、超音波ビームをより扁平化させることができる。

この発明によれば、超音波ビームを扁平化するケース構造でありながら、不要振動を防ぎ且つ残響を抑制するだけでなく、優れた基本振動を得られる超音波トランスデューサが構成できる。

第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。 同超音波トランスデューサで用いる内部ケースの斜視図である。 第２の実施形態に係る超音波トランスデューサおよびその比較例としての超音波トランスデューサで用いる内部ケースの斜視図である。 図３に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの周波数に対するインピーダンスの特性を示す図である。 図３に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。 第３の実施形態に係る超音波トランスデューサで用いる内部ケースの斜視図である。 第３の実施形態に係る超音波トランスデューサとその比較例の超音波トランスデューサの外部ケース内底面の振動モードを示す図である。 第３の実施形態に係る超音波トランスデューサとその比較例の超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。 第３の実施形態に係る超音波トランスデューサとその比較例の超音波トランスデューサの指向特性を示す図である。 第４の実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。

符号の説明

１−外部ケース
２−内部ケース
３−圧電素子
４，５−ワイヤ
６，７−ピン
８−吸音材
９−ピン支持基板
１０−充填材
１１−第１の切欠部
１２−第２の切欠部
１３−堤部
１４−貫通孔
１５−第３の切欠部

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの主要部の断面図、図２は内部ケースの上面側から見た斜視図である。この超音波トランスデューサは、外部ケース１と内部ケース２の２つの部材でケースを構成し、これを接合している。外部ケース１は、例えばアルミニウムからなり、その内底面に円板形状の圧電素子３を接合している。この圧電素子３はその両面に電極を備えていて、一方の電極は外部ケース１に対して電気的に導通している。

内部ケース２は外部ケース１の媒質密度より高い材料、例えば亜鉛からなり、外部ケース１の内底面（図における天井面）に対向する面（超音波振動作用面）には長円形の第１の切欠部１１とこの第１の切欠部１１から離れた位置に第２の切欠部１２ａ，１２ｂを形成している。

内部ケース２の中央部には貫通孔を有し、貫通孔から金属製のピン６，７を引き出している。また、この貫通孔には外部ケース１の底面側から順に吸音材８、ピン支持基板９、充填材１０をそれぞれ設けている。また圧電素子３の内部ケース２側の電極とピン６の一端との間をワイヤ４で接続している。さらにもう一方のピン７の一端と内部ケース２との間をワイヤ５で接続している。ピン６およびピン７の他端はそれぞれ内部ケース２の貫通孔を通って内部ケース２の外部へ引き出されている。

図２に示すように内部ケース２の超音波振動作用面（図における上面）には、第１の切欠部１１の長軸を対称軸として線対称に第２の切欠部１２ａ，１２ｂを配置している。そのため第１の切欠部とともに外部ケース１を拘束する質量の分布が均一化し、ベンディングモード等の不要振動が抑制される。この不要振動抑制効果について詳述する。

上記不要振動は、外部ケース１の内底面と接している内部ケース２の超音波振動作用面において、圧電素子３および外部ケース１の有効振動領域の長軸方向と長軸方向に対して垂直な方向である短軸方向とで拘束質量のバランスがとれていないために発生すると考えられる。ここで、有効振動領域とは外部ケース１の底面のうち、圧電素子が接合されており、かつ、内部ケース２の超音波振動作用面の第１の切欠部が対向する部分に相当する。そして、有効振動領域の長軸方向Ｌとは、第１の切欠部１１の長軸方向に相当し、有効振動領域の短軸方向Ｓとは、第１の切欠部１１の長軸方向に対して垂直な方向に相当する。

まず、圧電素子３が外部ケース１の底面を振動変位させる際、その変位は外部ケース１に接触している内部ケース２の超音波振動作用面の質量によって拘束されると考えられる。すなわち、第１の切欠部の短軸方向Ｓは、内部ケース２の超音波振動作用面が外部ケース１の内底面と接触する部分が大きいため、外部ケース１の底面に大きな拘束質量がかかり、振動面である底面全体が拘束されることになる。これにより、第１の切欠部の短軸方向Ｓへは振動エネルギが伝播し難くなる。一方、第１の切欠部の長軸方向Ｌは、内部ケース２の超音波振動作用面が外部ケース１の内底面と接触する部分が小さく、外部ケース１の底面には第１の切欠部の短軸方向Ｓに対して相対的に小さな拘束質量しかかからない。このため、第１の切欠部の長軸方向Ｌへ振動エネルギが集中することになり、第１の切欠部の長軸方向Ｌへ振動エネルギが伝播しやすくなる。その結果、第１の切欠部の長軸方向Ｌと短軸方向Ｓとの間に振動エネルギの差が生じ、異方性が生じる。このような有効振動領域の第１の切欠部の長軸方向Ｌと短軸方向Ｓとでの伝播する振動エネルギの差、および、内部ケース２の超音波振動作用面が外部ケース１の底面を拘束する拘束質量の差が、有効振動領域の長軸方向Ｌと短軸方向Ｓとに交互に歪むベンディングモードを励振するものと考えられる。

そこで、図２に示したように内部ケース２の超音波振動作用面に第１の切欠部１１の長軸を対称軸として線対称に第２の切欠部１２ａ，１２ｂを配置する。このことにより第１の切欠部とともに外部ケース１を拘束する拘束質量の分布が第１の切欠部の長軸方向Ｌと短軸方向Ｓとの間で均一化し、異方性を維持したまま、ベンディングモード等の不要振動を抑制することができる。

またこの例では、内部ケース２の媒質密度は外部ケース１の媒質密度より高い。一般に、外部ケース１の底面に接合された圧電素子の振動は外部ケース１の側面にも伝達され、残響を発生させる。この例のように外部ケース１の媒質密度よりも高い媒質密度を有する内部ケース２を外部ケース１の内部から接合させることによって、外部ケース１の内部から外部ケース１の側面の振動を押さえ込むことが可能となり、外部ケース１の側面の共振振動を抑制することができる。

《第２の実施形態》
図３は第２の実施形態に係る超音波トランスデューサで用いる内部ケースの形状を示す図である。図３（Ａ）はその第２の実施形態に係る超音波トランスデューサで用いる内部ケースの超音波振動作用面側から見た斜視図、（Ｂ）はその参考例としての超音波トランスデューサの内部ケースの斜視図である。

この第２の実施形態では、内部ケース２の超音波振動作用面に、第１の切欠部１１ａ，１１ｂおよび第２の切欠部１２ａ，１２ｂを設けているが、第１の実施形態の場合と異なり、超音波ビームを偏平化することを目的とする第１の切欠部は、中央の貫通孔を挟んで１８０°対向する位置に分離して形成している。また、これに伴って第２の切欠部１２ａ，１２ｂの存在によって第１の切欠部１１ａ，１１ｂの周囲に（さらには貫通孔の周囲にも）堤部を形成している。第２の切欠部１２ａ，１２ｂは、その堤部の外側の全面に形成している。

図４は図３に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの周波数に対するインピーダンスの波形をプロットしたものである。それぞれ３つのサンプルについてプロットしている。ここでのインピーダンス測定は、R-X法（Z=R+jX)によるものである。ここでインピーダンスＲはセンサのインピーダンス特性｜Ｚ｜の実数部分であり、｜Ｚ｜における反共振点に相当する。反共振点が存在するということはその周波数付近で振動モードを持つということであり、よってインピーダンスＲには基本振動以外のピークが存在しないことが望ましい。

図４（Ａ）は図３（Ａ）に示した内部ケースを用いたもの、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）に示した内部ケースを用いたものである。図４（Ａ）および図４（Ｂ）のいずれも５０ｋＨｚ付近にある大きなピークが基本振動モードを示すが、図４（Ｂ）においては６５ｋＨｚ付近に小さなピークが見られ、ベンディングモードによる不要振動モードが生じていることがわかる。一方、本発明の図４（Ａ）では上記不要振動モードがほとんど見られないことがわかる。

このように基本周波数のすぐ近くに不要振動モードが存在すると、超音波トランスデューサを基本周波数で駆動した時に不要振動も励振させやすくなり、残響特性が悪化する。図３（Ａ）に示したように第２の切欠部１２ａ，１２ｂを形成したことにより上記不要振動が十分に抑制されていることが分かる。

図５は上記２つの超音波トランスデューサの残響特性を測定した結果である。図５（Ａ）はこの第２の実施形態に係る超音波トランスデューサの特性、（Ｂ）はその比較例の超音波トランスデューサの特性である。図５（Ａ）の左側のＴ１期間は発信波（駆動期間）、その後のＴ２期間の振動は反射波によるものである。ここで横軸の一マスは０．１ｍｓである。図５（Ｂ）のように駆動区間が終了した後に残響が長く続くと、反射波が全く検知できないことが分かる。またこの実施形態でも不要振動防止のための従来のようなダンピング材の付与は行わないので、送受感度の大きな特性が得られる。

なお、第２の切欠部は第１および第２の実施形態に記載されている形状に限らず、切欠状、彫り込み状、テーパー状等であってもよい。

《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る超音波トランスデューサで用いる内部ケースの形状を示す図である。

この第３の実施形態では、内部ケース２の超音波振動作用面に、第１の切欠部１１ａ，１１ｂおよび第２の切欠部１２ａ，１２ｂを設けているが、第２の実施形態の場合と異なり、第１の切欠部の長軸方向の両端は内部ケース２の超音波振動作用面の端部にまで達している。また、第１の切欠部１１ａ，１１ｂと第２の切欠部１２ａ，１２ｂとの間に形成される提部１３ａ，１３ｂの長手方向の途中に第３の切欠部１５ａ，１５ｂを備えている。

図７は第３の実施形態に係る超音波トランスデューサとその比較例の超音波トランスデューサの外部ケース内底面の振動モードを示す図である。図７（Ａ）は図６に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの外部ケース内底面の振動モードを示している。また、図７（Ｃ）は図３（Ａ）に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサ（第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ）の外部ケース内底面の振動モードを示している。また、図７（Ｂ）（Ｄ）は提部１３に設けた第３の切欠部１５（１５ａ，１５ｂ）の作用効果について示している。

図７（Ａ）（Ｃ）において楕円で示す範囲は内部ケースの超音波振動作用面に当接する概略位置、矢印Ｓ，Ｈ，Ｖはそれぞれスプリアスモードの振動方向を示している。

いま、図７（Ｃ）において矢印Ｓで示す方向に振動するスプリアスがある場合、提部１３の中央部では振動の逃げ場がないので、矢印Ｈ方向に大きく振動してしまい、さらに矢印Ｖ方向の振動も増大させてしまう。この矢印Ｈ，Ｖ方向の振動モードはベンディングモードであり、これが各種スプリアスモードを引き起こす。

一方、図７（Ａ）（Ｂ）のように、提部１３に第３の切欠部１５がある場合には、図７（Ｂ）に示すように提部の第３の切欠部１５で振動が吸収されるので（長手方向の圧縮・引っ張り応力が逃がされるので）、矢印Ｈ、Ｖ方向の振動はそれほど大きくならず、スプリアスが低減できる。

図６に示した例では第３の切欠部１５ａ，１５ｂを提部１３ａ，１３ｂにそれぞれ１つずつ設けたが、第３の切欠部は提部に複数設けてもよい。

上記第３の切欠部１５ａ，１５ｂは、提部１３ａ，１３ｂの長軸に対して垂直方向に切り込んだ形状であり、且つ、提部の長手方向の中心位置またはその中心位置に対して対称位置に設けるのが良好である。この形状により、外部ケースの振動面である内底面に対向する内部ケースの超音波振動作用面の中心を中心とする質量バランスがとれるからである。

図８（Ａ）は第３の実施形態に係る超音波トランスデューサの残響特性を示す図、図８（Ｂ）は図３（Ａ）に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。

図８（Ａ）（Ｂ）において左側のＴ１期間は発信波（駆動期間）、それに連続するＴｒ期間の振動は残響によるものである。図８（Ａ）（Ｂ）において、その後のＴ２期間の振動は反射波によるものである。ここで横軸の一マスは０．１ｍｓである。図８（Ａ）の残響時間Ｔｒは図８（Ｂ）の残響時間Ｔｒとほぼ同程度であることが分かる。これにより、第３切欠部１５ａ，１５ｂを形成した場合でも、図８（Ｂ）と同程度に残響を抑制することができる。

図９は、第３の実施形態に係る超音波トランスデューサと、その比較対象である図３（Ａ）に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの音圧の指向特性を示す図である。図９（Ａ）は垂直方向音圧特性であり、−９０，９０度は第１の切欠部の長軸方向である。図９（Ｂ）は、水平方向音圧特性であり、−９０，９０度は第１の切欠部の短軸方向である。

また、図９において、実線は第３の実施形態に係る超音波トランスデューサの特性、破線は図３（Ａ）に示した内部ケースを備えた超音波トランスデューサの特性である。

このように、第３の実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、第１の切欠部の長軸方向の両端をケースの端部にまで達するようにしたので、指向性をより向上させることができる。

以上に示したように、第３の実施形態に係る超音波トランスデューサによれば、残響を抑制したまま超音波ビームをより扁平化させることができる。

《第４の実施形態》
第１・第２の実施形態では第２の切欠部を第１の切欠部と同様に空気媒質の空間部として設けたが、第４の実施形態では第２の切欠部と外部ケース１の内底面との間に生じる空間内に外部ケース１および内部ケース２より媒質密度の低い充填材を充填したものである。

図１０は第４の実施形態に係る超音波トランスデューサの断面図である。内部ケース２には第２の切欠部１２ａ，１２ｂに対してそれぞれ貫通する貫通孔１４ａ，１４ｂを形成している。この貫通孔１４ａ，１４ｂを介して内部ケース２の背面側から充填材を注入し、第２の切欠部１２ａ，１２ｂを充填材で充填する。これにより外部ケース１の内底面のコーナー部および外部ケース１の側面部の不要振動が吸収され不要振動モードによる影響が更に改善できる。

Claims (7)

1. 有底筒状の外部ケースと、前記外部ケースの内底面に設けた圧電素子と、前記外部ケースの内部に設けられ、前記外部ケースの内底面に対向する面である超音波振動作用面で前記外部ケースの前記圧電素子による振動を質量で拘束する内部ケースと、前記圧電素子に電気的に導通する端子と、を備えた超音波トランスデューサにおいて、
   前記内部ケースは、前記超音波振動作用面のうち前記圧電素子の配置位置に対向する部分に、前記圧電素子および外部ケースの振動により生じる超音波ビームを扁平化する第１の切欠部を有し、且つ、前記超音波振動作用面のうち、前記第１の切欠部とは離れた位置に第２の切欠部を有してなる超音波トランスデューサ。
2. 前記第１の切欠部は前記外部ケースの内底面に対向する面に沿って一方向に長軸を有する形状を成し、前記第２の切欠部は前記長軸を対称軸として線対称に配置したものである請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記第２の切欠部は、当該第２の切欠部の存在によって前記第１の切欠部の周囲に堤部を形成するとともに当該堤部の外側の全面に亘って切欠かれたものである請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記内部ケースの媒質密度は前記外部ケースの媒質密度より高い、請求項１〜３のうちいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記内部ケースの第２の切欠部と前記外部ケースの内底面とで構成される空間を前記内部ケースおよび前記外部ケースより媒質密度の低い充填材で充填した請求項１〜４のうちいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記第２の切欠部に貫通孔を形成した請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記第１の切欠部の長軸方向の両端は前記ケースの端部にまで達し、前記堤部の長手方向の途中に第３の切欠部を備えた請求項３に記載の超音波トランスデューサ。

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