JP7298591B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

従来、圧電振動子を用いて超音波を出力するとともに検知対象物において反射した超音波を受信する超音波トランスデューサが知られている。

特開２０１９－１１４９５３号公報 国際公開２０１８／１９３８９２号

発明者らは、超音波トランスデューサから出力される超音波の指向角について研究を重ね、振動面積を拡大することで指向性が高まる（すなわち指向角が狭まる）との知見を得た。発明者らはさらに研究を重ね、複数の圧電振動子を用いて振動面積の拡大し、それにより指向性を高めることができる技術を新たに見出した。

本発明の一態様は、指向性の向上が図られた超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る超音波トランスデューサは、振動領域が設けられた底蓋を有するケースと、ケース内において底蓋上の振動領域内に配置された複数の圧電振動子と、圧電振動子と電気的に接続された配線部材とを備え、複数の圧電振動子は、振動領域の中心から外れた位置に配置されている。

上記超音波トランスデューサでは、ケースの底蓋の振動領域に設けられた複数の圧電振動子は、振動領域の中心から外れた位置に配置されている。発明者らは、振動領域の中心に圧電振動子が配置されている場合に比べて、振動領域の中心に圧電振動子が配置されていない場合のほうが、振動領域における振動面積が広くなることを新たに見出した。そのため、複数の圧電振動子を振動領域の中心から外れた位置に配置することで、振動領域における振動面積の拡大が図られ、その結果、指向性の向上が図られる。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、複数の圧電振動子の設置位置が、振動領域の中心に対して対称性を有する。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、振動領域のアスペクト比が１：１．２５～１：２．５である。

他の形態に係る超音波トランスデューサは、底蓋の振動領域が出力時に共振振動する。

本発明の一態様によれば、指向性の向上が図られた超音波トランスデューサが提供される。

一実施形態に係る超音波検知システムを示す概略構成図である。 図１の超音波トランスデューサを示す概略斜視図である。 図１に示した超音波トランスデューサの圧電振動子を示した概略斜視図である。 図１に示した超音波トランスデューサの圧電振動子を示した概略平面図である。 シミュレーション解析の結果を示した図である。 シミュレーション解析の結果を示した図である。 シミュレーション解析の結果を示した図である。 振動領域における振動距離と指向角との関係を示したグラフである。 異なる態様の圧電振動子の配置を示した図である。 異なる態様の圧電振動子の配置を示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

本実施形態では、超音波を用いて対象物の検知をおこなう超音波検知システムについて説明する。

図１に示すように、超音波検知システム１は、所定の対象物１０に対して超音波を出力し、かつ、対象物１０において反射した超音波を受信するものである。超音波検知システム１は、受信した超音波から、対象物１０の存在を検知したり、対象物１０までの距離を検知したりすることができる。

超音波検知システム１は、制御回路２０および超音波トランスデューサ３０を備えて構成されている。

制御回路２０は、特定の周波数の信号を生成して、その信号を、信号線２５を介して超音波トランスデューサ３０に入力する回路である。また、制御回路２０は、超音波トランスデューサ３０が受信した超音波信号を、適宜増幅して、検出する回路である。制御回路２０はＬＣ回路を含むことができる。

超音波トランスデューサ３０は、制御回路２０から入力された信号に応じて発振し、超音波信号を出力する。また、超音波トランスデューサ３０は、外部から超音波信号を受信すると、その信号を制御回路２０に送信する。

図２に示すように、超音波トランスデューサ３０は、ケース３２と、ケース３２内に収容された複数の圧電振動子（本実施形態では一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂ）およびフレキシブル基板３６を備えた構成を有する。

ケース３２は、略円筒状の筒部３２ａと、筒部３２ａの下端開口を塞ぐ底蓋部３２ｂ（底蓋）とを含んで構成されたカップ状部材である。ケース３２は、たとえば金属（一例としてアルミニウム合金）で構成されている。

筒部３２ａの内部には収容空間が画成されており、筒部３２ａの延在方向に対して直交する断面における収容空間の断面形状は略楕円環状（または角丸長方形環状）である。すなわち、収容空間は一方向に延びた断面形状を有する。

底蓋部３２ｂは、略円板状の形状を有し、筒部３２ａの下側開口を塞ぐ略楕円形状領域が振動領域Ｖとなっている。底蓋部３２ｂの振動領域Ｖは、筒部３２ａの収容空間の断面形状と実質的に同じ形状を有し、本実施形態では振動領域Ｖは一方向に延びた略楕円形状を有する。振動領域Ｖは、平面視においてそのアスペクト比が１：１．２５～１：２．５の範囲となるように設計することができる。振動領域Ｖにおいては底蓋部３２ｂの厚さは均一となっている。

以下の説明では、説明の便宜上、底蓋部３２ｂに直交する方向をＺ方向とも称す。また、Ｚ方向に対して直交する２方向であって、互いに直交する方向をＸ方向およびＹ方向とも称す。本実施形態では、Ｘ方向は振動領域Ｖの長軸方向であり、Ｙ方向は振動領域Ｖの短軸方向である。

一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂは、図３に示すように、ケース３２の底蓋部３２ｂの振動領域Ｖ内に配置されている。一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂはいずれも矩形板状の外形を有し、外形寸法は略同一である。一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂは、矩形板状の圧電体層３４ａと一対の端子電極３４ｂ、３４ｃとを備えて構成されている。上側端子電極３４ｂは、圧電体層３４ａの上面の一部の非被覆領域以外を覆っている。本実施形態では、圧電体層３４ａの上面の非被覆領域は、振動領域Ｖの長軸方向（Ｘ方向）に関する端部に設けられている。下側端子電極３４ｃは、圧電体層３４ａの下面の全域を覆うとともに、圧電体層３４ａの側面を通って上側端子電極３４ｂが覆っていない領域の圧電体層３４ａの上面まで引き出されて、引出電極部３４ｄを形成している。そのため、下側端子電極３４ｃの引出電極部３４ｄは、圧電体層３４ａの上面において上側端子電極３４ｂと振動領域Ｖの長軸方向に対向している。

圧電体層２１は、一層の圧電材料層を含む単層構造であってもよく、複数の圧電材料層と内部電極層とが交互に積層された多層構造であってもよい。圧電材料層は、たとえばＰＺＴ等の圧電セラミックス材料で構成することができる。圧電振動子３４Ａ、３４Ｂは、ケース３２の底蓋部３２ｂに直接接合されていてもよく、エポキシ系樹脂等の接着材を介してケース３２の底蓋部３２ｂに接着されていてもよい。

一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂは、底蓋部３２ｂの振動領域Ｖの長軸方向（Ｘ方向）に並んでいる。より具体的には、圧電振動子３４Ａ、３４Ｂのそれぞれの下側端子電極３４ｃの引出電極部３４ｄが、振動領域Ｖの長軸方向（Ｘ方向）において互いに対向するように並んでいる。超音波トランスデューサ３０の超音波出力時に、一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂが振動すると、それに伴って底蓋部３２ｂの振動領域Ｖが振動（共振振動）する。

フレキシブル基板３６（配線部材）は、図１に示すように、シート状を呈しており、一方の端部３６ａが一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂ上に重ねられるようにして配置されている。フレキシブル基板３６は、たとえば、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）又はフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）である。すなわち、フレキシブル基板３６は、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる樹脂シートに複数の配線が設けられている。フレキシブル基板３６は、複数の配線により、一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂの各端子電極（すなわち、上側端子電極３４ｂおよび下側端子電極３４ｃ）と、フレキシブル基板３６の他端部３６ｂに接続される信号線２５とを電気的に接続する。

上述した一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂは、図４に示すように、ケース３２の底蓋部３２ｂの振動領域Ｖの中心Ｃから外れた位置に配置されており、振動領域Ｖの中心Ｃを挟むように配置されている。発明者らは、振動領域Ｖの中心Ｃに圧電振動子３４Ａ、３４Ｂが配置されている場合に比べて、振動領域Ｖの中心Ｃにいずれの圧電振動子３４Ａ、３４Ｂも配置されていない場合のほうが、振動領域Ｖにおける振動面積が広くなることを新たに見出した。

図５～７は、発明者らがおこなったシミュレーション解析の結果を示した図である。図５は、ケース３２単体（すなわち、圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを備えない構成）で、ケース３２の固有振動数で振動（共振振動）させたときの底蓋部３２ｂの変位量を示した図である。図６は、ケース３２に圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを設けた構成で、超音波トランスデューサ３０の固有振動数より低い周波数で振動（非共振振動）させたときの底蓋部３２ｂの変位量を示した図である。図７は、ケース３２に圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを設けた構成で、超音波トランスデューサ３０の固有振動数で振動（共振振動）させたときの底蓋部３２ｂの変位量を示した図である。

図５～７に示したシミュレーション解析の結果から、ケース３２に圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを設けた構成における変位量（図７）は、ケース３２単体における共振振動の変位（図５）とケース３２に圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを設けた構成における非共振振動の変位量（図６）とが合成されたものとなることが確認された。そして、図５に示すように、ケース３２単体での共振振動での変位量は、底蓋部３２ｂの振動領域Ｖの中心Ｃ付近で最大の変位量となることも確認された。

そのため、振動領域Ｖの中心Ｃに圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを配置した場合には、振動領域Ｖの中心Ｃにおける変位量が顕著に高くなり、その結果、振動面積が狭まることとなる。

超音波トランスデューサ３０においては、一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂを振動領域Ｖの中心Ｃから外れた位置に配置することで、振動領域Ｖにおける振動面積の拡大が図られている。なお、振動領域Ｖにおける振動面の寸法（振動距離）と振動領域Ｖの長軸方向に関する指向角との関係は、図８のグラフに示したとおりとなる。すなわち、振動距離が長くなるほど指向角は狭まる。たとえば、振動領域Ｖにおける振動面のＸ方向に関する寸法が相対的に長くなると、Ｘ方向に係る指向角が相対的に狭まり、Ｘ方向に関する指向性が相対的に向上する。そのため、超音波トランスデューサ３０においては、振動領域Ｖにおける振動面積の拡大が図られて、その結果、指向性の向上が実現されている。

一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂの設置位置は、振動領域Ｖの中心Ｃに対して対称性（点対称または線対称）を有していてもよい。また、図９、１０に示したように、一対の圧電振動子３４Ａ、３４Ｂの向きは適宜変更してもよい。図９に示した圧電振動子３４Ａ、３４Ｂでは、引出電極部３４ｄが互いに遠くなるように配置されている。図９に示した態様では、圧電振動子３４Ａ、３４Ｂの活性部（すなわち、上側端子電極３４ｂと下側端子電極３４ｃとが対面する部分）が中心Ｃ側に偏倚して配置されるため、中心Ｃにおける変位量が増大する。図１０に示した圧電振動子３４Ａ、３４Ｂでは、引出電極部３４ｄが振動領域Ｖの短軸方向（Ｙ方向）に沿って同じ向きとなるように配置されている。図９に示した態様では、圧電振動子３４Ａ、３４Ｂの活性部が近接するため、かつ、フレキシブル基板３６を中心に配置できるため、振動の谷が生じにくい。

３０…超音波トランスデューサ、３２…ケース、３２ｂ…底蓋部、３４Ａ、３４Ｂ…圧電振動子、３６…フレキシブル基板、Ｃ…中心、Ｖ…振動領域。

Claims (3)

1. 振動領域が設けられた底蓋を有するケースと、
   前記ケース内において前記底蓋上の振動領域内に配置された複数の圧電振動子と、
   前記圧電振動子と電気的に接続された配線部材と
   を備え、
   前記振動領域が一方向に沿って延びる形状を有し、
   前記複数の圧電振動子は、前記振動領域の中心から外れた位置に前記一方向に沿って配置されており、
   前記底蓋の前記振動領域が出力時に共振振動する、超音波トランスデューサ。
2. 前記複数の圧電振動子の設置位置が、前記振動領域の中心に対して対称性を有する、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記振動領域のアスペクト比が１：１．２５～１：２．５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。

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