WO2023119745A1 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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ultrasonic transducer
case
piezoelectric element
bottom portion
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Inventor
康洋 多田
智昭 松下
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G01S7/521—Constructional features
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to ultrasonic transducers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-345271 is a prior art document that discloses the configuration of an ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer disclosed in Patent Document 1 includes a cylindrical case with a bottom and a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is attached to the bottom surface of the case.
  • An opening is provided on the side of the case.
  • a sound absorbing material made of foamed silicone or the like is placed on the upper surface of the piezoelectric element.
  • a sealing material made of silicone material or urethane material is filled in the case from above the sound absorbing material.
  • the opening is filled with a flexible filler such as silicone or urethane material.
  • the filler filled in the opening and the sound absorbing material covering the piezoelectric element are formed separately, the number of parts and the manufacturing process increase.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer having a simple configuration with a small number of parts and manufacturing steps.
  • An ultrasonic transducer based on the present invention includes a case, a piezoelectric element, and a first filler.
  • the case is in the shape of a bottomed cylinder having a bottom and side walls.
  • the piezoelectric element is attached to the bottom inside the case.
  • the first filler fills at least the bottom side of the case and covers the piezoelectric element.
  • An opening is provided in the side wall at a position near the bottom.
  • the first filler is composed of a foamed silicone resin having a closed cell structure. The opening is sealed with a first filler.
  • the number of parts and the manufacturing process of the ultrasonic transducer can be reduced, and the configuration can be simplified.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an ultrasonic transducer according to one embodiment of the invention
  • FIG. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic transducer of FIG. 1 as seen from the direction of arrows on line II-II. It is the bottom view which looked at the ultrasonic transducer which concerns on one Embodiment of this invention from the bottom side. It is a graph which shows the relationship between the foaming ratio of a 1st filler, and the total sensitivity of an ultrasonic transducer from the result of the 2nd experiment example.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to a modification of one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic transducer of FIG. 1 as viewed in the direction of arrows II-II.
  • FIG. 3 is a bottom view of the ultrasonic transducer according to one embodiment of the present invention, viewed from the bottom side.
  • an ultrasonic transducer 100 includes a bottomed cylindrical case 110, a piezoelectric element 120, a first filler 130, and a second filler 140.
  • the case 110 has a bottom portion 111 and side wall portions 112 .
  • the bottom portion 111 has a disk-like shape.
  • the shape of the bottom portion 111 is not limited to the disk shape, and may be rectangular plate shape, polygonal plate shape, or the like.
  • the diameter of bottom portion 111 is, for example, 14.0 mm.
  • the side wall portion 112 extends upward from the peripheral edge of the bottom portion 111 .
  • the height of case 110 from the outer bottom surface of bottom portion 111 located on the outer surface of case 110 to the upper end of side wall portion 112 is, for example, 9.0 mm.
  • An opening 113 is provided at a position of the side wall portion 112 near the bottom portion 111 . Opening 113 extends in the circumferential direction of case 110 . In this embodiment, the opening 113 extends along the top surface of the bottom portion 111 .
  • the height of the opening 113 is, for example, 1 mm, and the length of the opening 113 in the circumferential direction is, for example, 5 mm.
  • the longitudinal section of the ultrasonic transducer 100 is also simply referred to as the main section.
  • the shape of the inner surface of case 110 is, for example, substantially rectangular or substantially oval.
  • the case 110 is made of a conductive material.
  • the case 110 is made of an aluminum alloy.
  • the material forming case 110 is not limited to a conductive material, and may be an insulating material. Case 110 is formed, for example, by forging.
  • the piezoelectric element 120 includes a piezoelectric body made of ceramics, for example.
  • the piezoelectric body included in the piezoelectric element 120 is composed of PZT (lead zirconate titanate) ceramics.
  • the piezoelectric body included in the piezoelectric element 120 is not limited to PZT-based ceramics, and may be other piezoelectric materials.
  • the piezoelectric body of the piezoelectric element 120 is attached to the bottom portion 111 to form a unimorph type piezoelectric vibrator.
  • the piezoelectric element 120 may be a bimorph type piezoelectric vibrator or a multimorph type piezoelectric vibrator.
  • the piezoelectric element 120 is provided with a pair of electrodes. By applying a voltage to the pair of electrodes, the piezoelectric element 120 is driven and vibrates. The vibration of the piezoelectric element 120 causes the bottom portion 111 to vibrate.
  • the piezoelectric element 120 when the bottom portion 111 of the case 110 vibrates due to receiving ultrasonic waves from the outside, the piezoelectric element 120 also vibrates along with this vibration. An electric charge is generated as the piezoelectric element 120 vibrates, and the ultrasonic wave is converted into an electric signal by the piezoelectric element 120 . The electrical signal is transmitted to the outside through the pair of electrodes.
  • the external shape of the ultrasonic transducer 100 when viewed from the opening end side of the case 110 opposite to the bottom portion 111 is not particularly limited, and may be circular, rectangular, or polygonal, for example.
  • the piezoelectric element 120 is arranged at the substantially central position of the case 110 in the radial direction.
  • the piezoelectric element 120 is attached to the bottom portion 111 inside the case 110 .
  • the piezoelectric element 120 is adhered to the bottom portion 111 with epoxy resin.
  • the first filler 130 fills at least the bottom 111 side of the case 110 to cover the piezoelectric element 120 .
  • the first filler 130 is filled in the lower portion of the case 110 located on the bottom portion 111 side. Opening 113 is sealed with first filler 130 .
  • the first filler 130 is composed of foamed silicone resin having a closed-cell structure.
  • the first filler 130 is composed of an addition reaction type silicone resin.
  • the first filler 130 can be formed by potting. In the potting, a liquid silicone resin is applied on the bottom portion 111 of the case 110 and on the piezoelectric element 120, and then the liquid silicone resin is cured. Thereby, the first filler 130 can be provided in close contact with the piezoelectric element 120 regardless of the shape of the piezoelectric element 120 .
  • the closed-cell structure of the first filler 130 may be formed by gas generated in the curing reaction when the liquid silicone resin is cured, or may be formed by mixing gas into the liquid silicone resin in advance.
  • the foaming ratio of the foamed silicone foam constituting the first filler 130 in the present embodiment is 1.5 times or more and 2.0 times or less. Note that the expansion ratio is a value represented by ⁇ 1/ ⁇ 2 ( ⁇ 1: density of resin before gas mixture, ⁇ 2: density of resin after gas mixture) in a foam composed of resin and gas.
  • the second filler 140 fills the first filler 130 inside the case 110 .
  • the second filler 140 is filled in the upper part of the case 110 above the first filler 130 .
  • the second filler 140 is composed of a condensation reaction type silicone resin.
  • the second filler 140 may be made of another resin material having a lower elastic modulus than the first filler 130, such as urethane-based resin.
  • the ultrasonic transducer 100 further includes a conductive portion 150.
  • the conductive portion 150 is electrically connected to each of the pair of electrodes.
  • the conductive portion 150 includes a substrate portion 151 and two wiring portions 152 .
  • the substrate portion 151 is positioned so as to penetrate the first filler 130 .
  • the substrate portion 151 is composed of an FPC (flexible printed circuit) in which wiring is printed on a resin sheet.
  • the resin sheet is made of polyimide, and the wiring is made of copper.
  • the wiring of the substrate portion 151 and the electrodes provided on the piezoelectric element 120 are connected using a conductive adhesive.
  • the adhesive for example, a mixture of epoxy resin and solder is used.
  • Each of the two wiring portions 152 is electrically connected to the wiring of the substrate portion 151 .
  • the two wiring portions 152 and the wiring of the substrate portion 151 are connected to each other by solder.
  • the two wiring portions 152 are drawn out from the second filler 140 to the outside of the ultrasonic transducer 100 .
  • One of the two wiring portions 152 is electrically connected to one electrode of the pair of electrodes via the substrate portion 151 .
  • the other of the two wiring portions 152 is electrically connected to the other electrode of the pair of electrodes via the substrate portion 151 .
  • the two wiring portions 152 are drawn out of the ultrasonic transducer 100 as one lead wire made of twisted wires.
  • the piezoelectric element 120 was driven by connecting a power supply to the conductive portion 150 of the ultrasonic transducer and applying 16 waves of a pulse voltage of 200 Vpp to the piezoelectric element 120 .
  • the reverberation time in this experimental example was defined as the elapsed time from the stop of the voltage application by the power supply until the falling waveform of the driving vibration of the piezoelectric element 120 in the signal obtained by amplifying the detection signal of the ultrasonic transducer to 48 dB became 2 V or less.
  • Voltage values were measured using an oscilloscope.
  • Table 1 summarizes the relationship between the foaming ratio of the first filler and the reverberation time of the ultrasonic transducer based on the results of the first experimental example.
  • the main vibration is resonance vibration at the drive frequency of the piezoelectric element 120 .
  • Spurious vibration is vibration at a resonance frequency different from the driving frequency of the piezoelectric element 120 .
  • the expansion ratio of the first filler must be 2 times or less. I found out.
  • the piezoelectric element 120 was driven by connecting a power supply to the conductive portion 150 of the ultrasonic transducer and applying 16 waves of a pulse voltage of 200 Vpp to the piezoelectric element 120 .
  • a pole made of polyvinyl carbonate having a diameter of 75 mm and a height of 1 m was installed as an object to be detected.
  • the ultrasonic transducer was placed so that the bottom 111 faced the pole at a height of 60 cm and 60 cm apart.
  • the maximum voltage value of the reflected waveform in the signal obtained by amplifying the detection signal of the ultrasonic transducer to 48 dB was taken as the overall sensitivity in this experimental example. Voltage values were measured using an oscilloscope.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the foaming ratio of the first filler and the overall sensitivity of the ultrasonic transducer, based on the results of the second experimental example.
  • the vertical axis indicates the overall sensitivity (Vo-p) of the ultrasonic transducer
  • the horizontal axis indicates the expansion ratio of the first filler.
  • the overall sensitivity of the ultrasonic transducer increased. It should be noted that as the foaming ratio of the first filler increases, the angle range of the directivity characteristic in the vertical direction of the ultrasonic transducer narrows. In general, when the overall sensitivity is less than 1.6, the long-range detection performance of the ultrasonic transducer deteriorates. From the results of this experiment, it was found that the expansion ratio of the first filler needs to be 1.5 times or more in order to maintain the overall sensitivity (Vo-p) at 1.6 or more.
  • the expansion ratio of the first filler should be 1.5 times or more and 2 times. It was found that it was necessary to:
  • An ultrasonic transducer 100 includes a case 110, a piezoelectric element 120, and a first filler 130.
  • the case 110 has a bottomed cylindrical shape having a bottom portion 111 and side wall portions 112 .
  • the piezoelectric element 120 is attached to the bottom portion 111 inside the case 110 .
  • the first filler 130 fills at least the bottom 111 side of the case 110 to cover the piezoelectric element 120 .
  • An opening 113 is provided in the side wall portion 112 at a position closer to the bottom portion 111 .
  • the first filler 130 is composed of foamed silicone resin having a closed-cell structure. The opening 113 is sealed with a first filler 130 .
  • the number of parts and the manufacturing process of the ultrasonic transducer 100 can be reduced, and the configuration can be simplified.
  • the opening 113 by sealing the opening 113 with a foamed silicone resin having a closed-cell structure, the water resistance and design of the opening 113 can be improved.
  • the expansion ratio of the first filler 130 is 1.5 times or more and 2.0 times or less. As a result, both short-range detection performance and long-range detection performance of the ultrasonic transducer 100 can be ensured.
  • the ultrasonic transducer 100 further includes a second filler 140 filled so as to fill the first filler 130 in the case 110 .
  • the first filler 130 is composed of an addition reaction type silicone resin.
  • the second filler 140 is composed of a condensation reaction type silicone resin. As a result, it is possible to prevent inhibition of curing of the addition-reactive silicone resin forming the second filler 140 at the interface between the first filler 130 and the second filler 140 . If the condensation reaction type silicone resin is filled before the addition reaction type silicone resin, the curing inhibition of the addition reaction type silicone resin may occur.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to a modification of one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in the ultrasonic transducer 100a according to the modification of one embodiment of the present invention, the second filler 140 is not provided, and the inside of the case 110 is filled with the first filler 130. ing.
  • the second filler 140 is not provided in the ultrasonic transducer 100a according to the modification of one embodiment of the present invention, the number of parts and the manufacturing process of the ultrasonic transducer 100a are reduced compared to the ultrasonic transducer 100. can be configured in a simple manner.

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Abstract

超音波トランスデューサは、ケース(１１０)と、圧電素子(１２０)と、第１充填剤(１３０)とを備える。ケース(１１０)は、底部(１１１)および側壁部(１１２)を有する有底筒状である。圧電素子(１２０)は、ケース(１１０)の内側において底部(１１１)に貼り付けられている。第１充填剤(１３０)は、ケース(１１０)内の少なくとも底部(１１１)側を埋めるように充填されて圧電素子(１２０)を覆っている。側壁部(１１２)における底部(１１１)寄りの位置に開口(１１３)が設けられている。第１充填剤(１３０)は、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で構成されている。上記開口(１１３)は、第１充填剤(１３０)によって封止されている。

Description

超音波トランスデューサ
　本発明は、超音波トランスデューサに関する。
　超音波送受波器の構成を開示した先行技術文献として、特開２００６－３４５２７１号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超音波送受波器は、有底筒状のケースと、圧電素子とを備える。圧電素子は、ケースの底面に貼り合わされている。ケースの側面に開口部が設けられている。圧電素子の上面に発泡シリコーンなどからなる吸音材が載置されている。吸音材の上方からシリコーン材またはウレタン材などからなる封止材がケース内に充填されている。開口部には、シリコーン材またはウレタン材などの柔軟性充填剤が充填されている。
特開２００６－３４５２７１号公報
　開口部に充填される充填剤と圧電素子を覆う吸音材とを別々に形成する場合、部品点数および製造工程が多くなる。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、部品点数および製造工程が少なく簡易な構成を有する、超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく超音波トランスデューサは、ケースと、圧電素子と、第１充填剤とを備える。ケースは、底部および側壁部を有する有底筒状である。圧電素子は、ケースの内側において底部に貼り付けられている。第１充填剤は、ケース内の少なくとも底部側を埋めるように充填されて圧電素子を覆っている。側壁部における底部寄りの位置に開口が設けられている。第１充填剤は、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で構成されている。上記開口は、第１充填剤によって封止されている。
　本発明によれば、超音波トランスデューサの部品点数および製造工程を少なくして簡易な構成にすることができる。
本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの縦断面図である。 図１の超音波トランスデューサのＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサを底部側から見た底面図である。 第２実験例の結果から、第１充填剤の発泡倍率と超音波トランスデューサの総合感度との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサの縦断面図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　図１は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサの縦断面図である。図２は、図１の超音波トランスデューサのＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た縦断面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサを底部側から見た底面図である。
　図１から図３に示すように、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、有底筒状のケース１１０と、圧電素子１２０と、第１充填剤１３０と、第２充填剤１４０とを備えている。
　図１から図３に示すように、ケース１１０は、底部１１１と、側壁部１１２とを有している。図３に示すように、底部１１１は、円板状の形状を有している。ただし、底部１１１の形状は、円板状に限られず、矩形板状または多角形板状などでもよい。底部１１１の直径は、たとえば、１４．０ｍｍである。
　側壁部１１２は、底部１１１の周縁から上方に延設されている。ケース１１０の外面に位置する底部１１１の外底面から、側壁部１１２の上端までの、ケース１１０の高さは、たとえば９．０ｍｍである。
　側壁部１１２における底部１１１寄りの位置に、開口１１３が設けられている。開口１１３は、ケース１１０の周方向に延在している。本実施形態においては、開口１１３は、底部１１１の上面に沿って延在している。開口１１３の高さは、たとえば、１ｍｍであり、開口１１３の上記周方向の長さは、たとえば、５ｍｍである。開口１１３の上記周方向の長さを長くすると、超音波トランスデューサ１００における鉛直方向の指向特性の角度範囲を狭めることができる。
　なお、図１に示す本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の縦断面は、底部１１１の中心軸を通る縦断面のうち、ケース１１０の内側の幅が最大となる縦断面である。以下、当該縦断面を単に主断面とも称する。底部１１１の中心軸方向から見て、ケース１１０の内側面の形状は、たとえば、略矩形または略長円形である。
　ケース１１０は、導電性材料で構成されている。本実施形態においては、ケース１１０は、アルミニウム合金で構成されている。ただし、ケース１１０を構成する材料は導電性材料に限られず、絶縁性材料であってもよい。ケース１１０は、たとえば鍛造により形成される。
　圧電素子１２０は、たとえばセラミックスで構成された圧電体を含む。本実施形態においては、圧電素子１２０が含む圧電体は、ＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)系セラミックスで構成されている。ただし、圧電素子１２０が含む圧電体は、ＰＺＴ系セラミックスに限られず、その他の圧電材料であってもよい。底部１１１に圧電素子１２０の圧電体が貼り付けられていることにより、ユニモルフ型圧電振動子が構成されている。なお、圧電素子１２０は、バイモルフ型圧電振動子またはマルチモルフ型圧電振動子であってもよい。
　圧電素子１２０には、一対の電極が設けられている。一対の電極に電圧が印加されることにより、圧電素子１２０が駆動されて振動する。圧電素子１２０が振動することにより、底部１１１が振動する。
　また、ケース１１０の底部１１１が外部から超音波を受けることによって振動すると、この振動に伴って圧電素子１２０も振動する。圧電素子１２０の振動に伴って電荷を生じることにより、超音波が圧電素子１２０にて電気信号に変換される。当該電気信号は、一対の電極を通じて外部に伝送される。
　超音波トランスデューサ１００を底部１１１とは反対側のケース１１０の開口端側から見たときの外形は、特に限定されず、たとえば、円状、矩形状または多角形状である。
　図１に示すように、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００の主断面において、圧電素子１２０は、ケース１１０の径方向の略中央の位置に配置されている。
　圧電素子１２０は、ケース１１０の内側において、底部１１１に貼り付けられている。本実施形態においては、圧電素子１２０は、エポキシ樹脂によって底部１１１に接着されている。
　図１および図２に示すように、第１充填剤１３０は、ケース１１０内の少なくとも底部１１１側を埋めるように充填されて圧電素子１２０を覆っている。本実施形態においては、第１充填剤１３０は、ケース１１０内における底部１１１側に位置する下部に充填されている。開口１１３は、第１充填剤１３０によって封止されている。
　第１充填剤１３０は、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で構成されている。第１充填剤１３０は、付加反応型シリコーン樹脂で構成されている。第１充填剤１３０は、ポッティングによって形成することができる。ポッティングにおいては、液状のシリコーン樹脂をケース１１０の底部１１１上および圧電素子１２０上の各々に塗布した後、液状のシリコーン樹脂を硬化させる。これにより、圧電素子１２０の形状にかかわらず、圧電素子１２０に第１充填剤１３０を密着して設けることができる。
　第１充填剤１３０の独立気泡構造は、液状のシリコーン樹脂が硬化する際に、硬化反応において発生する気体によって形成されてもよいし、液状のシリコーン樹脂に予め気体が混入されることによって形成されてもよい。本実施形態における第１充填剤１３０を構成する発泡シリコーンフォームの発泡倍率は、１．５倍以上２．０倍以下である。なお、発泡倍率とは、樹脂と気体とからなる発泡体においてρ１／ρ２(ρ１：気体複合前の樹脂の密度、ρ２：気体複合後の樹脂の密度)で表される値である。
　図１および図２に示すように、第２充填剤１４０は、ケース１１０内の第１充填剤１３０を埋めるように充填されている。第２充填剤１４０は、ケース１１０内における第１充填剤１３０上に位置する上部に充填されている。
　第２充填剤１４０は、縮合反応型シリコーン樹脂で構成されている。なお、第２充填剤１４０は、ウレタン系樹脂などの第１充填剤１３０より弾性率の低い他の樹脂材料で構成されていてもよい。
　図１および図２に示すように、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、導電部１５０をさらに備えている。導電部１５０は、上記一対の電極の各々と、電気的に互いに接続されている。導電部１５０は、基板部１５１と２つの配線部１５２とを含んでいる。基板部１５１は、第１充填剤１３０を貫通するように位置している。本実施形態においては、基板部１５１は、樹脂シートに配線がプリントされたＦＰＣ(フレキシブルプリント回路)で構成されている。本実施形態においては、樹脂シートがポリイミドで構成されており、配線が銅で構成されている。基板部１５１の配線と圧電素子１２０に設けられた電極とは、導電性を有する接着材を用いて接続されている。当該接着剤としては、たとえば、エポキシ樹脂と半田との混合物が使用される。
　２つの配線部１５２の各々は、基板部１５１の配線と電気的に接続されている。本実施形態においては、２つの配線部１５２と基板部１５１の配線とは、半田で互いに接続されている。２つの配線部１５２は、第２充填剤１４０から、超音波トランスデューサ１００の外部へ引き出されている。
　２つの配線部１５２のうちの一方は、基板部１５１を介して、上記一対の電極のうちの一方の電極と電気的に互いに接続されている。２つの配線部１５２のうちの他方は、基板部１５１を介して、上記一対の電極のうちの他方の電極と電気的に互いに接続されている。
　本実施形態においては、２つの配線部１５２は、撚り線からなる１本のリード線として、超音波トランスデューサ１００の外部に引き出されている。
　(実験例)
　ここで、第１充填剤の発泡倍率と超音波トランスデューサの残響時間との関係について検証した第１実験例について説明する。実験条件としては、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００と同様の部品構成を有する超音波トランスデューサにおいて、第１充填剤の発泡倍率を変えて、超音波トランスデューサの残響時間を計測した。
　具体的には、超音波トランスデューサの導電部１５０に電源を接続して、圧電素子１２０に２００Ｖｐｐのパルス電圧を１６波印加することにより、圧電素子１２０を駆動した。超音波トランスデューサの検出信号を４８ｄＢに増幅した信号における圧電素子１２０の駆動振動の立ち下り波形が２Ｖ以下となるまでの電源による電圧印加停止時からの経過時間を、本実験例における残響時間とした。電圧値は、オシロスコープを用いて計測した。
　表１は、第１実験例の結果から、第１充填剤の発泡倍率と超音波トランスデューサの残響時間との関係をまとめたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　メイン振動とは、圧電素子１２０の駆動周波数での共振振動である。スプリアス振動とは、圧電素子１２０の駆動周波数とは異なる共振周波数での振動である。
　表１から分かるように、第１充填剤の発泡倍率が高くなるにしたがって、メイン振動のＱ値は高くなり、スプリアス振動のＱ値も高くなり、残響時間は長くなった。これは、第１充填剤の発泡倍率が高くなるにしたがって、第１充填剤において樹脂が占める体積が減少して、第１充填剤によるダンピング効果が減少するためと考えられる。
　残響時間が１．４ｍｓを超えると、超音波トランスデューサの所望の近距離検出性能を維持することができなくなる。本実験結果から、スプリアス振動のＱ値を３９．５以下にして残響時間を１．４ｍｓ以下に維持するために、第１充填剤の発泡倍率は、２倍以下であることが必要であることが分かった。
　次に、第１充填剤の発泡倍率と超音波トランスデューサの総合感度との関係について検証した第２実験例について説明する。実験条件としては、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００と同様の部品構成を有する超音波トランスデューサにおいて、第１充填剤の発泡倍率を変えて、超音波トランスデューサの総合感度を計測した。
　具体的には、超音波トランスデューサの導電部１５０に電源を接続して、圧電素子１２０に２００Ｖｐｐのパルス電圧を１６波印加することにより、圧電素子１２０を駆動した。被検出体として、直径が７５ｍｍ、高さが１ｍのポリビニルカーボネート製のポールを設置した。当該ポールの高さが６０ｃｍの位置に対して６０ｃｍ離れて底部１１１が対向するように、超音波トランスデューサを配置した。超音波トランスデューサの検出信号を４８ｄＢに増幅した信号における反射波形の最大電圧値を、本実験例における総合感度とした。電圧値は、オシロスコープを用いて計測した。
　図４は、第２実験例の結果から、第１充填剤の発泡倍率と超音波トランスデューサの総合感度との関係を示すグラフである。図４においては、縦軸に、超音波トランスデューサの総合感度(Ｖo-p)、横軸に、第１充填剤の発泡倍率を示している。
　図４に示すように、第１充填剤の発泡倍率が高くなるにしたがって、超音波トランスデューサの総合感度が高くなった。なお、第１充填剤の発泡倍率が高くなるにしたがって、超音波トランスデューサにおける鉛直方向の指向特性の角度範囲は狭くなる。一般的に、総合感度が１．６未満になると、超音波トランスデューサの長距離検出性能が低下する。本実験結果から、総合感度(Ｖo-p)を１．６以上に維持するために、第１充填剤の発泡倍率は、１．５倍以上であることが必要であることが分かった。
　第１実験例と第２実験例の結果から、超音波トランスデューサの近距離検出性能および長距離検出性能の両方を確保するために、第１充填剤の発泡倍率は、１．５倍以上２倍以下であることが必要であることが分かった。
　本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００は、ケース１１０と、圧電素子１２０と、第１充填剤１３０とを備える。ケース１１０は、底部１１１および側壁部１１２を有する有底筒状である。圧電素子１２０は、ケース１１０の内側において底部１１１に貼り付けられている。第１充填剤１３０は、ケース１１０内の少なくとも底部１１１側を埋めるように充填されて圧電素子１２０を覆っている。側壁部１１２における底部１１１寄りの位置に開口１１３が設けられている。第１充填剤１３０は、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で構成されている。上記開口１１３は、第１充填剤１３０によって封止されている。これにより、超音波トランスデューサ１００の部品点数および製造工程を少なくして簡易な構成にすることができる。また、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で開口１１３を封止することにより、開口１１３における耐水性および意匠性を向上することができる。
　本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００においては、第１充填剤１３０の発泡倍率は、１．５倍以上２．０倍以下である。これにより、超音波トランスデューサ１００の近距離検出性能および長距離検出性能の両方を確保することができる。
　本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサ１００においては、ケース１１０内の第１充填剤１３０を埋めるように充填された第２充填剤１４０をさらに備える。第１充填剤１３０は、付加反応型シリコーン樹脂で構成されている。第２充填剤１４０は、縮合反応型シリコーン樹脂で構成されている。これにより、第１充填剤１３０と第２充填剤１４０との界面で第２充填剤１４０を構成する付加反応型シリコーン樹脂の硬化阻害が生じることを抑制することができる。仮に、縮合反応型シリコーン樹脂が付加反応型シリコーン樹脂より先に充填されている場合、付加反応型シリコーン樹脂の硬化阻害が生じることがある。
　なお、第２充填剤１４０は必ずしも設けられていなくてもよい。図５は、本発明の一実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサの縦断面図である。図５に示すように、本発明の一実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサ１００ａにおいては、第２充填剤１４０が設けられておらず、第１充填剤１３０によってケース１１０の内側が埋められている。
　本発明の一実施形態の変形例に係る超音波トランスデューサ１００ａにおいては、第２充填剤１４０を設けないため、超音波トランスデューサ１００に比較して、超音波トランスデューサ１００ａの部品点数および製造工程を少なくして簡易な構成にすることができる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。
　１００，１００ａ　超音波トランスデューサ、１１０　ケース、１１１　底部、１１２　側壁部、１１３　開口、１２０　圧電素子、１３０　第１充填剤、１４０　第２充填剤、１５０　導電部、１５１　基板部、１５２　配線部。

Claims (3)

  1. 　底部および側壁部を有する有底筒状のケースと、
    　前記ケースの内側において前記底部に貼り付けられた圧電素子と、
    　前記ケース内の少なくとも底部側を埋めるように充填されて前記圧電素子を覆う第１充填剤とを備え、
    　前記側壁部における前記底部寄りの位置に開口が設けられており、
    　前記第１充填剤は、独立気泡構造を有する発泡シリコーン樹脂で構成されており、
    　前記開口は、前記第１充填剤によって封止されている、超音波トランスデューサ。
  2. 　前記第１充填剤の発泡倍率は、１．５倍以上２．０倍以下である、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 　前記ケース内の前記第１充填剤を埋めるように充填された第２充填剤をさらに備え、
    　前記第１充填剤は、付加反応型シリコーン樹脂で構成されており、
    　前記第２充填剤は、縮合反応型シリコーン樹脂で構成されている、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014027516A (ja) * 2012-07-27 2014-02-06 Nippon Ceramic Co Ltd 超音波送受波器
WO2020153099A1 (ja) * 2019-01-23 2020-07-30 株式会社村田製作所 超音波センサ

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