CN102034468A - 超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够改善混响特性的超声波换能器。超声波换能器(10)包括壳体(1)、固定构件(3)和压电体(2)。壳体(1)是堵塞了主轴方向之端部的有底筒状。压电体(2)被形成于壳体(1)的内底面部。固定构件(3)从壳体(1)的内底面部离开而配置，并且与压电体(2)相对置。这里，压电体(2)和固定构件(3)之间的间隔L1比压电体(2)的最大移位距离更大，并且设为声波的1/4波长的大致奇数倍或者1/4波长以下。

Description

超声波换能器

技术领域

本发明涉及一种通过驱动压电体来进行超声波的发送或者接收的超声波换能器(transducer)。

背景技术

作为现有技术的超声波换能器，具有将压电体收容在壳体中之构成的超声波换能器。

图1(A)是用于说明现有技术的超声波换能器的第一构成例的剖面图。

超声波换能器100包括壳体101、压电体102、声吸收构件103、填充剂104、以及引线105。压电体102通过粘接剂(没有图示)粘接到壳体101的内底面。壳体101是有底筒状。填充剂104通过被注入固化在壳体101的筒内部而堵塞壳体101。声吸收构件103配置在壳体101的内侧空间。引线105连接到压电体102，并且引线105通过填充剂104被引出到壳体外部。

根据这种构成，在壳体101的内侧空间产生声波的多重反射。尽管声波伴随多重反射而逐渐衰减，但如果声波的混响(残響，reverberation)时间长，则超声波换能器的发送波的波形因混响而变弱，接收波被混响隐藏，从而成为问题。因此，在超声波换能器100中，通过在壳体内部设置声吸收构件103，吸收从压电体102向壳体101的开口方向振动的声波，从而改善混响特性。

此外，作为现有技术的超声波换能器，还具有利用代替引线而使用金属管脚之构成的超声波换能器(例如，参考专利文献1)。

图1(B)是用于说明现有技术的超声波换能器的第二构成例的剖面图。

超声波换能器200包括壳体201、压电体202、固定板203、填充剂204、以及向外部传送电信号的金属管脚205。该超声波换能器200不使用引线而使用金属管脚205，并且具有用于金属管脚205的固定的树脂制的固定板203。

根据该构成，在有底筒状的壳体201的内底面部，隔开规定的距离来配置固定板203，固定板203保持用于与压电体202电连接的弹簧状金属端子206。由于当弹簧状金属端子206与压电体202共振时超声波换能器200的混响特性降低，因此弹簧状金属端子206的共振频率被设定为不与压电体202共振那样的条件，由此改善超声波换能器200的混响特性。

专利文献1JP特开2007-318742号公报

如上述，通过在壳体内部配置声吸收构件，或者适当地设定弹簧状金属端子的共振频率，能够改善超声波换能器的混响特性。但是，即使施加了这些对策，也不能够完全消除超声波的混响，因此仍然存在希望混响特性的进一步改善。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种与现有技术相比能够进一步改善混响特性的超声波换能器。

本发明的超声波换能器包括壳体、反射部和压电体。壳体是堵塞了一端的有底筒状。压电体被形成于壳体的内底面部。反射部从壳体的内底面部离开而配置，并且与压电体相对置。这里，压电体和反射部之间的间隔比压电体的最大移位距离更大，并且设为声波的1/4波长的大致奇数倍或者1/4波长以下。

根据该构成，为了提前在壳体的内侧空间产生的声波的多重反射的衰减，设定反射部和压电体之间的间隔。而且，本发明中反射部的定义是比较声波的吸收率和反射率、从而满足声波的吸收率＜声波的反射率的关系的构成。在将反射部和压电体的间隔设为声波的1/4波长的大致奇数倍的情况下，反射部和压电体的壁面入射波和壁面反射波相互抵消，提前超声波的衰减。在将反射部和压电体的间隔设为声波的1/4波长以下的情况下，每单位时间的声波的反射次数变得极其多，超声波的衰减提前。

优选地，本发明的超声波换能器还具有声吸收构件。优选地，声吸收构件在压电体和反射部之间从其至少一个离开而配置。根据该构成，通过声吸收构件加速了进行多重反射的超声波的衰减。而且，本发明中吸收构件的定义是比较声波的吸收率和反射率、从而满足声波的吸收率＞声波的反射率的关系的构成。

优选地，本发明的反射部具有连通于壳体内部和壳体外部并用声吸收构件堵塞的开口部。根据该构成，能够将声吸收构件设成不直接接触压电体等构件。由此，通过在该声吸收构件上传播，从而不会发生振动从压电体传到反射部的情况，由此能够更加改善混响特性。

发明效果

根据本发明，通过将反射部和壳体的内底面部之间的距离设为声波的1/4波长的大致奇数倍，向壁面的入射波和壁面的反射波相互抵消，从而超声波的衰减提前。通过将反射部和壳体的内底面部之间的距离设为声波的1/4波长以下，每个单位时间的声波的反射次数变得极其多，从而超声波的衰减提前。其结果，能够更加改善超声波换能器的混响特性。

附图说明

图1是表示现有技术构成的超声波换能器的构成例的概略图。

图2是表示本发明的第一实施方式的超声波换能器的构成例的概略图。

图3是说明图2的超声波换能器的混响等级的示意图。

图4是表示本发明的第二实施方式的超声波换能器的构成例的概略图。

图5是表示本发明的第三实施方式的超声波换能器的构成例的概略图。

附图符号说明

10，20，30超声波换能器；1壳体；2，12，22压电体；3，13，23固定构件；4，19，29填充剂；5，15，25外部连接端子；6导电性粘结剂；7内部配线；11，21上盖；14，24平衡块(weight)；16，26垫圈(washer)；17，27A，27B弹簧状金属端子；18，28A，28B声吸收构件。

具体实施方式

下面，说明本发明的第一实施方式的超声波换能器30。

图2(A)是超声波换能器30在直角坐标系Y-Z面的剖面图。图2(B)是超声波换能器30包括的固定构件23的立体图。

超声波换能器30包括：上盖21；压电体22；固定构件23；平衡块(weight)24；外部连接端子25；垫圈26；弹簧状金属端子27A、27B；声吸收构件28A、28B；以及填充剂29。

在将该超声波换能器30作为波发送器使用时，通过在外部连接端子25上施加驱动信号，压电体22在X-Y面上展开振动。这样，在上盖21的底面激励沿着Z轴的弯曲振动，发送超声波。在作为波接收器使用时，上盖21的底面通过接收超声波而进行振动，压电体22展开振动，从而在外部连接端子25上产生波接收信号。

上盖21是堵塞Z轴正方向的端部的有底筒状。

而且，尽管为了方便在附图中记载为盖21的底面位于图的上方，但是，可以将筒状体的一端被封闭的结构称为有底筒状，被封闭的面设为底面。

平衡块24是中心轴沿着Z轴的筒状，Z轴正方向的端部被插入和嵌合在上盖21的筒内。该平衡块24包括用于保持固定构件23的保持部24A和用于配置垫圈26的凹部24B。保持部24A在X-Y面在壳体中心轴方向上突出。该上盖21和平衡块24组合而构成有底筒状的壳体。而且，上盖21相当于壳体的底面部。垫圈26是具有开口的平板，并被插入平衡块24的凹部24B。

优选地，上盖21使用例如铝等金属材料，平衡块24使用例如锌或铁、不锈钢等与上盖21所用的材料相比比重更高的金属材料。在上盖21的制作时，通过使用预先喷涂了高分子聚酯的板材的拉深(絞り，drawing)加工和锻造之类的方法，能够改善喷涂质量和降低成本。上盖21和平衡块24用焊接、热压接、铆接、粘结、嵌合等方法连接，但是例如在粘结嵌合的情况下平衡块24的表面通过进行电镀或者喷砂处理(sandblasting)、底面涂覆(primer coating)，也可以获得耐蚀性和粘结性的提高。尽管没有图示，通过在平衡块的Z轴正方向的头部部分上设为R或者锥形，也可以改善嵌合的容易性(しゃすさ)。而且，在平衡块24的表面施加的电镀的种类中，适合于铜底层镍、或者在与上盖21之间难以发生不同种金属接触腐蚀的材料、例如铬或者锡系。在平衡块24的Z轴负方向侧还可以设置安装时的搬送用夹具(chucking)和安装后用于防止抽去的凸缘(flange)部。这种情况下的凸缘部可以是与平衡块24的开口同心圆状的圆形状，也可以是多角形状。平衡块24在Z轴方向或者X-Y轴方向上可以分割成2块结构等多个块。平衡块24通过介入弹簧状金属端子27B被连接到地电极，但是，作为其他连接方法，也可以使用焊接、热压接、铆接、粘结等各种方法。

填充剂29与平衡块24的筒内部中的固定构件23和声吸收构件28A相比被填充在Z轴负方向的空间中。

压电体22具有沿着Z轴正方向的极化轴，通过粘结剂粘接到上盖21的内底面。压电体22的驱动电极(没有图示)通过介入弹簧状金属端子27A、27B被连接到外部连接端子25。

图2(B)中表示详细结构的固定构件23包括：上部基座23A；下部基座23B；端子保持部23C；卡爪32A、32B；和接收部33A、33B。下部基座23B是在一部分上具有缺口的大致圆板状。上部基座23A是与下部基座23B相比在X-Y面上的外形更小的大致角板状，并且被设置在下部基座23B的Z轴正方向上。端子保持部23C是与下部基座23B和上部基座23A相比在X-Y面上的外形更小的角柱状，并且被设置在下部基座23B的Z轴负方向上。这些上部基座23A、下部基座23B、以及端子保持部23C在X-Y面上的中心大致一致。

卡爪32A、32B被设置为使得从下部基座23B的Z轴正方向的主面的与上部基座23A的连接部附近开始，其前端与上部基座23A相比向Z轴正方向的位置突出，并且在Z轴正方向的前端包括送回部。接收部33A、33B是在Y轴正方向延伸的三角柱状，设置在上部基座23A的Z轴正方向的主面上。

该固定构件23被收容在平衡块24的筒内，下部基座23B的Z轴正方向的主面与保持部24A的Z轴负方向的主面接触，从而决定相对于平衡块24的位置。卡爪32A、32B与保持部24A相比向Z轴正方向的位置插入，送回部与保持部24A的Z轴正方向的主面接触。由此，下部基座23B和卡爪32A、32B夹持保持部24A。端子保持部23C穿过垫圈26的开口内在Z轴负方向上突出。

外部连接端子25，其Z轴正方向的端部被插入和固定到固定构件23的端子保持部23C，其Z轴负方向的端部从固定构件23突出。声吸收构件28A，其Z轴正方向的主面接触接收部33A，其Z轴负方向的主面接触固定构件23的下部基座23B，从而被支撑。声吸收构件28B被离间设置，使得其Z轴正方向的主面没有接触压电体22，而其Z轴负方向的主面粘结到固定构件23的上部基座23A。

声吸收构件28A、28B通过在壳体的内侧空间设置的内容使声波的衰减有进展。本发明的声吸收构件，是满足声波的吸收率＞声波的反射率之关系的构成。作为声吸收材料，例如能够使用毛毡、海绵等。但是，还存在下述情况：当声吸收构件28A、28B接触弹簧状金属端子27A和压电体22时，振动通过介入声吸收构件28A、28B传输到固定构件23，从而使得混响特性显著恶化。因此，在与固定构件23的弹簧状金属端子27A的下方相当的位置上设置了部分的切缺口(开口)，并且分割声吸收构件28A、28B，将声吸收构件28A配置于开口内。

根据以上构成，固定构件23起作为与压电体22相对置的反射部之功能。而且，本发明中的反射部的定义是满足声波的吸收率＜声波的反射率的关系的构成，例如使用环氧树脂等树脂、陶瓷、金属等。通过作为该反射部之功能的固定构件23，按照固定构件23和压电体22之间的间隔L，超声波换能器30的混响特性变化。因此，通过设定使得满足将间隔L成为超声波1/4波长的奇数倍的条件或者成为超声波1/4波长以下的条件，从而能够改善超声波换能器30的混响特性。

图3是说明所述间隔L和超声波换能器30的混响等级的关系的示意图。这里设：壳体材料：铝；壳体外径：Φ14mm；由压电体引起的进行实质振动的壳体内径：Φ8mm；反射部：PBT；反射部面积：8mm²；压电体直径：Φ6mm；驱动条件：48kHz、3.75Vp-p。

该超声波换能器30的混响等级，用固定构件23和压电体22之间的间隔L进行超声波半波长份变化的周期进行振动，在间隔L成为超声波1/4波长的奇数倍的条件下进行极小化。而且，在间隔L成为超声波1/4波长以下的条件下，成为与在间隔L成为超声波1/4波长奇数倍的条件下的情况相同程度的混响等级。

由此知道，通过设定超声波换能器30中的固定构件23和压电体22之间的间隔L，使得满足成为超声波1/4波长的奇数倍的条件、或者成为超声波1/4波长以下的条件，从而能够改善超声波换能器30的混响特性。

由于担心当压电体22和固定构件23接触时混响特性降低，因此优选地，通过确保固定构件23和压电体22之间的间隔L为压电体22的最大移位距离以上例如50微米以上，能够防止压电体22和固定构件23的接触。

下面，说明本发明第二实施方式的超声波换能器10。

图4是超声波换能器10的剖面图。

超声波换能器10包括：壳体1；压电体2；固定构件3；填充剂4；外部连接端子5；导电性粘结剂6；以及内部配线7。

在将该超声波换能器10使用作为波发送器时，通过在外部连接端子5施加驱动信号，压电体2在水平面上展开振动，在壳体1的底面激励沿着垂直方向的弯曲振动，从而发送超声波。在作为波接收器使用时，通过壳体1的底面接收超声波和沿着垂直方向振动，从而压电体2展开振动，从而在外部连接端子5上产生波接收信号。

壳体1是将垂直方向设为中主轴方向的有底筒状，堵塞垂直上方向的端部。在壳体1的筒内部，包括用于保持固定构件3的保持部1A。保持部1A在X-Y面在壳体中心轴方向上突出。压电体2具有沿着垂直方向的极化轴，用粘结剂(没有图示)粘结于壳体1的内底面。固定构件3被收容于壳体1的筒内部，接触到保持部1A的垂直下方向的主面，从而决定位置。填充剂4与壳体1的筒内部的固定构件3相比被填充在垂直下方向的空间中。外部连接端子5，其垂直上方向的端部被插入和固定到固定构件3，其垂直下方向的端部从壳体1的筒内部突出。内部配线7使外部连接端子5和压电体2导通。导电性粘结剂6连接内部配线7和压电体2。

在以上构成中，固定构件3也起作为与压电体2相对置的反射部之功能，通过该固定构件3，按照固定构件3和压电体2之间的间隔L1，超声波换能器10的混响特性变化。因此，通过设定使得满足将间隔L1成为超声波1/4波长的奇数倍的条件或者成为超声波1/4波长以下的条件，能够改善超声波换能器30的混响特性。通过确保间隔L为压电体2的最大移位距离以上，能够防止压电体2和固定构件3的接触。

下面，说明本发明第三实施方式的超声波换能器20。

图5是超声波换能器20的部分剖面图。

超声波换能器20包括：上盖11；压电体12；固定构件13；平衡块14；外部连接端子15；垫圈16；弹簧状金属端子17；声吸收构件18；以及填充剂19。

在将该超声波换能器20作为波发送器使用时，通过在外部连接端子15上施加驱动信号，压电体12在水平面上展开振动。这样，在上盖11的底面激励沿着垂直上方向的弯曲振动，发送超声波。在作为波接收器使用时，通过上盖11的底面接收超声波而进行振动，压电体12展开振动，从而在外部连接端子15上产生波接收信号。

上盖11是堵塞垂直上方向的端部的有底筒状。平衡块14是中心轴沿着垂直轴的筒状，在垂直下方向的开口部的圆周设置凹部，垂直上方向的端部被插入和嵌合在上盖11的筒内。该上盖11和平衡块14组合而构成有底筒状的壳体。而且，上盖11相当于壳体的底面部。

压电体12具有沿着垂直方向的极化轴，通过粘结剂粘接到上盖11的内底面。压电体12的驱动电极(没有图示)通过介入弹簧状金属端子17被电连接到外部连接端子15。固定构件13被收容在平衡块14的筒内，固定弹簧状金属端子17和外部连接端子15。外部连接端子15，其垂直上方向的端部被插入到固定构件13，其垂直下方向的端部从固定构件13突出。声吸收构件18被配置于固定构件13的垂直上方向。垫圈16是具有插入外部连接端子15之开口的平板，被插入到平衡块14的垂直下方向侧的凹部。填充剂19与平衡块14的筒内部的固定构件13相比被填充在垂直下方向侧的空间中。

根据该构成，固定构件13和平衡块14的一部分起作为与压电体12相对置的反射部之功能。因此，通过适当地设定固定构件13与压电体12之间的间隔L2和平衡块14与压电体12之间的间隔L3，能够改善超声波换能器20的混响特性。优选地，例如，设定为使得满足将间隔L2成为超声波的1/4波长奇数倍的条件，以及设定为使得满足将间隔L3成为超声波1/4波长以下的条件。通过确保间隔L2和L3为压电体12的最大移位距离以上，能够防止压电体12与固定构件13和声吸收构件18的接触。

这样，通过将间隔L2和L3设为声波1/4波长的大致奇数倍、或者声波1/4波长以下，能够改善混响特性。而且，通过在上盖11和固定构件13之间设置声吸收构件18，能够更加改善混响特性。

Claims (3)

1.一种超声波换能器，包括：

堵塞了主轴方向之端部的有底筒状的壳体；

形成于所述壳体的内底面部的压电体；以及

从所述壳体的内底面部离开配置并且与所述压电体相对置的反射部，

所述压电体和所述反射部之间的间隔比所述压电体的最大移位距离大，并且是声波的1/4波长的大致奇数倍或者1/4波长以下。

2.权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，

在所述压电体和所述反射部之间还具有声吸收构件。

3.权利要求1或者2所述的超声波换能器，其特征在于，

所述反射部具有开口部，该开口部与壳体内部和壳体外部连通，并用声吸收构件堵塞。

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