WO2019087634A1

WO2019087634A1 - 超音波センサ

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Publication number: WO2019087634A1
Application number: PCT/JP2018/036272
Authority: WO
Inventors: 拡才畠山
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-05-09
Also published as: CN111279719B; JP6984662B2; CN111279719A; EP3706435B1; EP3706435A1; EP3706435A4; US11486758B2; US20200225081A1; JPWO2019087634A1

Abstract

超音波センサは、筐体（１）と、圧電振動素子（７）とを備える。筐体（１）は、金属からなる第１部分（５）と、樹脂からなる第２部分（６）とを含む。第１部分（５）は、第１方向（９１）に沿って延びる筒状である。第２部分（６）は、第１部分（５）の第１方向（９１）の一方の端に接続されており、第１方向（９１）に沿って延びる筒状部（６１）と、筒状部（６１）の第１方向（９１）における第１部分（５）から遠い側の端を塞ぐ板状部であって圧電振動素子（７）が搭載される底板（６２）とを含む。

Description

超音波センサ

　本発明は、超音波センサに関するものである。

　有底筒状ケースを備える超音波センサが、特開平１１－２６６４９７号公報（特許文献１）に記載されている。有底筒状ケースは、筒部と平板状の振動部とを接着材料によって組み合わせたものとなっている。特許文献１では、筒部にはエンジニアリングプラスチックなどの絶縁材料が用いられ、振動部にはアルミニウムなどの導電部材が用いられている。これと似た構造の超音波センサは、特開２０００－２３２９５号公報（特許文献２）にも記載されている。

特開平１１－２６６４９７号公報特開２０００－２３２９５号公報

　超音波センサにおいては、共振周波数を低下させることなく、音圧をより高くし、かつ、使用周波数帯域幅を広げることが求められている。また、振動部が振動する際には、振動部となる板状の部分の内面と筒部の内周面との幾何学的な変わり目に応力集中が生じやすい。金属からなる平板状の振動部と、樹脂からなる筒部とが接着により接合されている場合には、幾何学的な変わり目と接着の継ぎ目とが一致する。接着の継ぎ目が幾何学的な変わり目と同じ位置にある場合には、超音波センサとしての使用を繰り返していくうちに、応力集中によって継ぎ目が破損するおそれがある。

　そこで、本発明は、共振周波数を低下させることなく、音圧をより高くし、かつ、使用周波数帯域幅を広げることができ、幾何学的な変わり目での応力集中による破損を起こりにくくすることができる超音波センサを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に基づく超音波センサは、筐体と、圧電振動素子とを備える。上記筐体は、金属からなる第１部分と、樹脂からなる第２部分とを含む。上記第１部分は、第１方向に沿って延びる筒状である。上記第２部分は、上記第１部分の上記第１方向の一方の端に接続されており、上記第１方向に沿って延びる筒状部と、上記筒状部の上記第１方向における上記第１部分から遠い側の端を塞ぐ板状部であって上記圧電振動素子が搭載される底板とを含む。

　本発明によれば、共振周波数を低下させることなく、音圧をより高くし、かつ、使用周波数帯域幅を広げることができ、幾何学的な変わり目での応力集中による破損を起こりにくくすることができる超音波センサを実現することができる。

本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの側面図である。本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの平面図である。本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの断面図である。本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの筐体のみを取り出したところの斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの筐体および圧電振動素子のみを表示した状態の断面図である。本発明に基づく実施の形態２における超音波センサの側面図である。本発明に基づく実施の形態２における超音波センサの筐体および圧電振動素子のみを表示した状態の断面図である。本発明に基づく実施の形態３における超音波センサの側面図である。本発明に基づく実施の形態３における超音波センサの筐体および圧電振動素子のみを表示した状態の断面図である。本発明に基づく実施の形態３における超音波センサの、図８における下面が見えるように示した斜視図である。本発明に基づく実施の形態４における超音波センサの側面図である。本発明に基づく実施の形態４における超音波センサの筐体および圧電振動素子のみを表示した状態の断面図である。シミュレーションに用いた１／４モデルの説明図である。シミュレーション結果を示す第１のグラフである。シミュレーション結果を示す第２のグラフである。シミュレーション結果を示す第３のグラフである。筐体に設けられた凹部の形状の第１の例を示す平面図である。筐体に設けられた凹部の形状の第２の例を示す平面図である。筐体に設けられた凹部の形状の第３の例を示す平面図である。

　図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

　（実施の形態１）
　図１～図５を参照して、本発明に基づく実施の形態１における超音波センサについて説明する。本実施の形態における超音波センサ１０１の側面図を図１に示す。超音波センサ１０１の平面図を図２に示す。超音波センサ１０１は有底筒状の筐体１と、筐体１から突出する２本の端子８とを備える。超音波センサ１０１の断面図を図３に示す。超音波センサ１０１は圧電振動素子７を備える。筐体１は凹部２を有する。筐体１は第１部分５と第２部分６とを含む。第１部分５と第２部分６とは接着されている。筐体１のみを取り出したところを図４に示す。筐体１および圧電振動素子７のみを表示した状態の断面図を図５に示す。

　第１部分５は、金属で形成され、第１方向９１に沿って延びる筒状である。第２部分６は、樹脂で形成され、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されている。第２部分６は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂で形成されていることが好ましい。このように、筐体１は互いに異なる材料からなる第１部分５と第２部分６とを含む。第２部分６は、筒状部６１と、底板６２とを含む。筒状部６１は、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されており、第１方向９１に沿って延びる筒状である。底板６２は、筒状部６１の第１方向９１における第１部分５から遠い側の端を塞ぐ円板状部である。圧電振動素子７は、第２部分６に搭載されており、具体的には底板６２の第１部分５に近い側の表面１６に搭載されている。

　図３に示すように、圧電振動素子７と端子８とは、配線９によって電気的に接続されている。凹部２の内部には充填材１２が充填されている。圧電振動素子７および配線９は充填材１２によって封止されている。凹部２の入口を塞ぐように蓋１１が配置されている。充填材１２は蓋１１によって覆い隠されている。なお、ここで蓋１１がある構成を示したのはあくまで一例である。蓋１１がない構成であってもよい。

　超音波センサ１０１では、筐体１における幾何学的な変わり目は、底板６２にある。すなわち、筐体１における幾何学的な変わり目は、第１部分５と第２部分６との接着の継ぎ目と異なる位置にある。このため、超音波センサ１０１を繰り返して使用しても、幾何学的な変わり目での応力集中によって継ぎ目が破損するという事態が生じにくい。本実施の形態によれば、共振周波数を低下させることなく、音圧をより高くし、かつ、使用周波数帯域幅を広げることができ、幾何学的な変わり目での応力集中による破損を起こりにくくすることができる超音波センサを実現することができる。効果を示すシミュレーションの結果については後述する。

　本実施の形態における超音波センサでは、互いに異なる材料からなる２つの部分を含む筐体における互いに異なる材料同士の接合面に作用する応力を低減することができるので、接合面に起因する故障の発生を抑制することができる。

　第１部分５の材料としての金属は、たとえばアルミニウムなどであってよい。以下の実施の形態においても同様である。

　本実施の形態では、端子８を円柱形状のものとして表示したが、これはあくまで一例であり、端子は他の形状のものであってもよい。端子は必ずしも直立していなくてもよい。端子は、第１部分５の表面に沿って延在する金属膜であってもよい。端子は、フレキシブルな配線であってもよい。以下の実施の形態においても同様である。

　（実施の形態２）
　図６～図７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における超音波センサについて説明する。本実施の形態における超音波センサ１０２の側面図を図６に示す。超音波センサ１０２は、有底筒状の筐体１ｃと、筐体１ｃから突出する２本の端子８とを備える。筐体１ｃおよび圧電振動素子７のみを表示した状態の断面図を図７に示す。超音波センサ１０２は圧電振動素子７を備える。筐体１ｃは凹部２を有する。筐体１ｃは第１部分５と第２部分６ｃとを含む。第１部分５と第２部分６ｃとは接着されている。

　第１部分５は、アルミニウムなどの金属で形成され、第１方向９１に沿って延びる筒状である。第２部分６ｃは、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック：ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ）で形成され、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されている。第２部分６ｃは、筒状部６１ｃと、底板６２ｃとを含む。筒状部６１ｃは、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されており、第１方向９１に沿って延びる筒状である。底板６２ｃは、筒状部６１ｃの第１方向９１における第１部分５から遠い側の端を塞ぐ板状部である。圧電振動素子７は、第２部分６ｃに搭載されており、具体的には底板６２ｃの第１部分５に近い側の表面１６に搭載されている。第２部分６ｃはＣＦＲＰで一体的に形成されている。ＣＦＲＰの母材は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂であることが好ましい。ＣＦＲＰの炭素繊維は、連続繊維と不連続繊維とのいずれであってもよい。底板６２ｃを含む第２部分６ｃに用いるＣＦＲＰは弾性率が高いことが好ましい。本実施の形態では、第２部分６ｃは、弾性率が２０Ｇｐａ以上のＣＦＲＰで形成されている。このように、筐体１は互いに異なる材料からなる第１部分５と第２部分６ｃとを含む。

　その他の部分の構成は、実施の形態１で示したものと同様である。
　本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。共振周波数を維持するためには、振動変位の大きい箇所に弾性率が高い材料が用いられていることが好ましいが、本実施の形態では、振動変位の大きい箇所である第２部分６ｃの底板６２ｃは、弾性率が高い材料であるＣＦＲＰで形成されているので、好ましい。

　（実施の形態３）
　図８～図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態３における超音波センサについて説明する。本実施の形態における超音波センサ１０３の側面図を図８に示す。超音波センサ１０３は、有底筒状の筐体１ｄと、筐体１ｄから突出する２本の端子８とを備える。筐体１ｄおよび圧電振動素子７のみを表示した状態の断面図を図９に示す。超音波センサ１０３は、圧電振動素子７を備える。筐体１ｄは凹部２を有する。筐体１ｄは第１部分５と第２部分６ｄとを含む。第１部分５と第２部分６ｄとは接着されている。

　第１部分５は、アルミニウムなどの金属で形成され、第１方向９１に沿って延びる筒状である。第２部分６ｄは、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されている。第２部分６ｄは、筒状部６１ｄと、底板６２ｄとを含む。筒状部６１ｄは、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されており、第１方向９１に沿って延びる筒状である。底板６２ｄは、筒状部６１ｄの第１方向９１における第１部分５から遠い側の端を塞ぐ板状部である。底板６２ｄは、ＣＦＲＰと、ＣＦＲＰとは異なる樹脂とで形成されている。具体的には、底板６２ｄにおける圧電素子７が搭載される部分はＣＦＲＰで形成されており、他の部分はＣＦＲＰとは異なる樹脂で形成されている。筒状部６１ｄはＣＦＲＰとは異なる樹脂で形成されている。ＣＦＲＰの母材は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂であることが好ましい。ＣＦＲＰの炭素繊維は、連続繊維と不連続繊維とのいずれであってもよい。底板６２ｄにおける圧電素子７が搭載される部分に用いるＣＦＲＰは弾性率が高いことが好ましい。本実施の形態では、底板６２ｄにおける圧電素子７が搭載される部分は、弾性率が２０Ｇｐａ以上のＣＦＲＰで形成されている。底板６２ｄの一部および筒状部６１ｄを形成する「ＣＦＲＰとは異なる樹脂」は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂であることが好ましい。このように、筐体１ｄは互いに異なる材料からなる第１部分５と第２部分６ｄとを含む。圧電振動素子７は、第２部分６ｄに搭載されており、具体的には底板６２ｄの第１部分５に近い側の表面１６に搭載されている。超音波センサ１０３を、図８における下面、すなわち、超音波を送信および受信する面が見えるように示した斜視図を図１０に示す。図１０では、第２部分６ｄにおける樹脂で形成された部分とＣＦＲＰで形成された部分との境界線が見えている。

　その他の部分の構成は、実施の形態１で示したものと同様である。
　本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。共振周波数を維持するためには、振動時の応力が大きい箇所に弾性率が高い材料が用いられていることが好ましいが、本実施の形態では、振動変位の大きい箇所である「第２部分６ｄの底板６２ｄにおける圧電素子７が搭載される部分」は、弾性率が高い材料であるＣＦＲＰで形成されているので、好ましい。ＣＦＲＰは材料として比較的高価であり、樹脂は安価である。本実施の形態では、第２部分６ｄを実現するに当たって、底板６２ｄの一部のみに限定的にＣＦＲＰを用いることとしているので、コストを低減することができる。

　なお、底板６２ｄと筒状部６１を含む部分とが溶着していることが好ましい。筒状部６１を含む部分は樹脂で形成された部分である。底板６２ｄはＣＦＲＰで形成されているが、ＣＦＲＰにも樹脂成分が含まれている。ここでは、「筒状部６１を含む部分」とは、第２部分６ｄのうち底板６２ｄ以外の部分を指す。筒状部６１を含む部分と底板６２ｄとが溶着していれば、両者は強固に接合されたものとなるので、筐体１ｄの信頼性が高まる。ひいては超音波センサ１０３の信頼性が高まる。

　（実施の形態４）
　図１１～図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態４における超音波センサについて説明する。本実施の形態における超音波センサ１０４の側面図を図１１に示す。超音波センサ１０４は、有底筒状の筐体１ｅと、筐体１ｅから突出する２本の端子８とを備える。筐体１ｅおよび圧電振動素子７のみを表示した状態の断面図を図１２に示す。超音波センサ１０４は圧電振動素子７を備える。筐体１ｅは凹部２を有する。筐体１ｅは第１部分５と第２部分６ｅとを含む。第１部分５と第２部分６ｅとは接着されている。

　第１部分５は、アルミニウムなどの金属で形成され、第１方向９１に沿って延びる筒状である。第２部分６ｅは、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されている。第２部分６ｅは、筒状部６１ｅと、底板６２ｅとを含む。筒状部６１ｅは、第１部分５の第１方向９１の一方の端に接続されており、第１方向９１に沿って延びる筒状である。底板６２ｅは、筒状部６１ｅの第１方向９１における第１部分５から遠い側の端を塞ぐ板状部である。圧電振動素子７は、第２部分６ｅに搭載されており、具体的には底板６２ｅの第１部分５に近い側の表面１６に搭載されている。底板６２ｅは、底板第１層１３と、底板第２層１４とを含む。底板第１層１３は、底板６２ｅの第１方向９１における第１部分５から近い側にある。底板第１層１３は、ＣＦＲＰで形成されている。底板第２層１４は、底板６２ｅの第１方向９１における第１部分５から遠い側にあり、底板第１層１３に重なるように配置されている。底板第２層１４は、ＣＦＲＰとは異なる樹脂で形成されている。このように、底板６２ｅは、ＣＦＲＰと、ＣＦＲＰとは異なる樹脂とで形成されている。具体的には、底板６２ｅにおける圧電素子７が搭載される底板第１層１３はＣＦＲＰで形成されており、底板第２層１４はＣＦＲＰとは異なる樹脂で形成されている。筒状部６１ｅは底板第２層１４と同じ樹脂で形成されている。ＣＦＲＰの母材は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂であることが好ましい。ＣＦＲＰの炭素繊維は、連続繊維と不連続繊維とのいずれであってもよい。底板第１層１３に用いるＣＦＲＰは弾性率が高いことが好ましい。本実施の形態では、底板第１層１３は弾性率が２０Ｇｐａ以上のＣＦＲＰで形成されている。底板第２層１４の一部および筒状部６１ｅを形成する「ＣＦＲＰとは異なる樹脂」は、耐熱性および耐薬品性に優れるとともに、機械的強度が高い樹脂、たとえば、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリノナメチレンテレフタルアミドなどの樹脂であることが好ましい。このように、筐体１ｅは互いに異なる材料からなる第１部分５と第２部分６ｅとを含む。

　その他の部分の構成は、実施の形態１で示したものと同様である。
　本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、筐体１ｅの外表面は、ＣＦＲＰとは異なる樹脂で形成されている部分となるので、外観上優れたものとなる。超音波を送信および受信する面に現れるのは、ＣＦＲＰとは異なる樹脂によって形成された部分のみとなるので、塗装が容易となる。

　なお、本実施の形態で示したように、底板第２層１４と筒状部６１ｅとは、一体的に形成されていることが好ましい。底板第２層１４と筒状部６１ｅとが直接接している構造とは限らず、底板第２層１４と筒状部６１ｅとの間に他の部分が介在していてもよい。このように、底板第２層１４と筒状部６１ｅとが一体的に形成されていることによって、超音波を送信および受信する面に部品同士の継ぎ目が現れないようにすることができるので、外観を良好にすることができる。

　（シミュレーション）
　図１３に示すように、筐体および圧電振動素子７を組み合わせたものの１／４だけを取り出したモデルを想定する。ここでは、説明の便宜のために実施の形態１で示した超音波センサ１０１を例にとって説明し、実施の形態１で用いたとおりの符号を付して説明する。第１部分５はアルミニウムからなるものとする。筐体１の外径は１５．５ｍｍとする。底板６２の厚みＴは１．０ｍｍとする。超音波の送信または受信に伴って底板６２が振動する際には、点Ａに特に応力が作用する。第１部分５と第２部分６との界面のうち最も内側の点である点Ｂにおける最大主応力をシミュレーションによって求めた。点Ａに対する点Ｂのずれ量をＤとする。このモデルを用いてシミュレーションを行なった結果を図１４～図１６に示す。図１４は、超音波センサ１０１におけるシミュレーション結果である。横軸の「接合位置ずらし量」とはＤを意味する。「ケース外径」とは筐体１の外径を意味する。図１４においては、Ｄ＝０のときの最大主応力を１００％として、これに対する最大主応力の比、すなわち、最大主応力比率をパーセントで表して縦軸とした。図１４に示すように、接合位置ずらし量Ｄを大きくすることによって、点Ｂにおける最大主応力比率は低減することができている。

　実施の形態２で示した超音波センサ１０２についても同様にモデルを想定した。図１５は、超音波センサ１０２におけるシミュレーション結果である。実施の形態３で示した超音波センサ１０３についても同様にモデルを想定した。図１６は、超音波センサ１０３におけるシミュレーション結果である。これらのモデルにおいても、図１５、図１６に示すように、接合位置ずらし量Ｄを大きくすることによって、点Ｂにおける最大主応力比率は低減することができている。

　（凹部の形状）
　筐体に設けられた凹部の形状のバリエーションについて説明する。図２では平面視したときの凹部２の形状として、平行な２本の直線と２つの半円形とを組み合わせた形状を有する凹部を例示した。平面視したときの凹部の形状はこのような形状に限らず他の形状であってもよい。たとえば図１７に示す筐体１ｉは凹部２ｉを有する。凹部２ｉは平面視したとき円形である。凹部２ｉの形状は筐体１ｉの外径に対して同心状である。超音波センサの筐体はこのような構成であってもよい。

　図１８に示す筐体１ｊは凹部２ｊを有する。凹部２ｊは平面視したとき２本の直線と２つの円弧とを組み合わせた形状である。円弧の部分は、筐体１ｊの外形と同心状となっている。超音波センサの筐体はこのような構成であってもよい。

　図１９に示す筐体１ｋは凹部２ｋを有する。凹部２ｋは平面視したとき楕円形である。超音波センサの筐体はこのような構成であってもよい。

　ここでは、凹部の形状の若干の例を示したが、平面視したときの凹部の形状はここで例示したものに限らず、他の形状であってもよい。平面視したときの筐体についても円形に限らず他の形状であってもよい。

　なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

　１，１ｃ，１ｄ，１ｅ　筐体、２　凹部、５　第１部分、６，６ｃ，６ｄ，６ｅ　第２部分、７　圧電振動素子、８　端子、９　配線、１１　蓋、１２　充填材、１３　底板第１層、１４　底板第２層、１６　表面、６１，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ　筒状部、６２，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ　底板、９１　第１方向、１０１，１０２，１０３，１０４　超音波センサ。

Claims

　筐体と、
　圧電振動素子とを備え、
　前記筐体は、金属からなる第１部分と、樹脂からなる第２部分とを含み、
　前記第１部分は、第１方向に沿って延びる筒状であり、
　前記第２部分は、前記第１部分の前記第１方向の一方の端に接続されており、前記第１方向に沿って延びる筒状部と、前記筒状部の前記第１方向における前記第１部分から遠い側の端を塞ぐ板状部であって前記圧電振動素子が搭載される底板とを含む、超音波センサ。
　前記第２部分はＣＦＲＰからなる、請求項１に記載の超音波センサ。
　前記底板はＣＦＲＰからなり、前記筒状部はＣＦＲＰとは異なる樹脂からなる、請求項１に記載の超音波センサ。
　前記底板と前記筒状部を含む部分とが溶着している、請求項３に記載の超音波センサ。
　前記底板は、底板第１層と底板第２層とを含み、
　前記底板第１層は、ＣＦＲＰからなり、前記底板の前記第１方向における前記第１部分から近い側にあり、
　前記底板第２層は、ＣＦＲＰとは異なる樹脂からなり、前記底板の前記第１方向における前記第１部分から遠い側にある、請求項１に記載の超音波センサ。
　前記底板第２層と前記筒状部とは、一体的に形成されている、請求項５に記載の超音波センサ。