WO2013018579A1

WO2013018579A1 - 超音波トランスデューサ

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Publication number: WO2013018579A1
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Inventors: 山本　浩誠; 三谷　彰宏
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Abstract

　温度音圧特性に優れた超音波トランスデューサを提供する。　超音波トランスデューサ１００は、圧電振動子３，４を有する超音波発生素子１と、超音波放出孔８ｂを有し、超音波発生素子１が収容されたケース７，８とを備え、超音波発生素子１とケース７，８とにより、圧電振動子３，４から超音波放出孔８ｂに至る、空気を媒質とする音響経路Ｒ１，Ｒ２が形成され、音響経路Ｒ１，Ｒ２において、圧電振動子３，４で発生した超音波により、超音波放出孔８ｂを開放端として空気の共鳴が発生する超音波トランスデューサであって、空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子３，４の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となる駆動周波数で、圧電振動子３，４が駆動される。

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し、さらに詳しくは、温度音圧特性に優れた超音波トランスデューサに関する。

　超音波センサなどに使用される超音波トランスデューサにおいては、温度音圧特性が極めて重要である。ある温度では十分な出力音圧を備えていても、温度が変化した場合に出力音圧が低下し、超音波が目的物にまで到達しなくなってしまうのでは、使用できる用途が限られてしまうからである。たとえば、温度音圧特性の悪い超音波トランスデューサは、過酷な温度環境への対応が求められる、車載用の距離測定用の超音波センサに使用することができなかった。

　図１６に、特許文献１（特開２００１－２５８０９８号公報）に開示された、温度音圧特性の改善をはかった、従来の超音波トランスデューサ４００を示す。超音波トランスデューサ４００は、金属板１０１の裏面側に接着剤１０２を介して圧電振動子１０３が貼付され、金属板１０１の表面側に円錐漏斗状の共振子（ホーン）１０４が取付けられた構造からなる。圧電振動子１０３の裏面側に緩衝材１０５が設けられた上で、全体が、ベース部材１０６、カバー１０７からなるケース内に収容されている。

　超音波トランスデューサ４００においては、温度音圧特性の改善をはかるために、接着剤１０２の線膨張係数を圧電振動子１０３の線膨張係数よりも大きくし、かつ、金属板１０１の線膨張係数を圧電振動子１０３の線膨張係数よりも小さくしている。超音波トランスデューサ４００においては、温度変化による接着剤１０２の膨張が金属板１０１により抑制され、この結果として、圧電振動子１０３が反るように変形させようとする応力が低減されているため、温度変化による周波数変化量が低減されて、温度音圧特性が改善されている。

特開２００１－２５８０９８号公報

　上述した従来の超音波トランスデューサ４００は、圧電振動子１０３と金属板１０１と両者を接着する接着剤１０２の線膨張係数の整合をはかり、圧電振動子１０３に対する応力の低減をはかったものであり、温度音圧特性の改善に幾分かの効果があるものと考えられる。しかしながら、超音波トランスデューサ４００においては、圧電振動子１０３そのものの共振周波数や、機械的品質係数（Ｑｍ）、静電容量、圧電定数（ｄ定数）などの温度特性に対する対策は行われていないため、抜本的な温度音圧特性の改善にはなっていなかった。

　本発明は、上述した従来の超音波トランスデューサの有する課題を解決するためになされたものである。その手段として、本発明の超音波トランスデューサは、圧電振動子を有する超音波発生素子と、超音波放出孔を有し、超音波発生素子が収容されたケースと、超音波発生素子とケースとにより、圧電振動子から超音波放出孔に至る、空気を媒質とする音響経路が形成され、音響経路において、圧電振動子で発生した超音波により、超音波放出孔を開放端として空気の共鳴が発生する超音波トランスデューサであって、空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となる駆動周波数で、圧電振動子が駆動されるようにした。空気の共鳴は、たとえば、λ／４の共鳴とすることができる。

　圧電振動子の駆動周波数は、２５℃における空気の共鳴の音圧がピークとなる周波数からずれていても良い。たとえば、常温である２５℃で使用する場合、本来的には、圧電振動子の駆動周波数は、２５℃における空気の共鳴の音圧がピークとなる周波数と一致することが効率的であるが、この効率を落としてでも、温度音圧特性の改善をはかるようにすることができる。

　また、超音波発生素子は、枠体の一方の主面に接合された平板状の第１の圧電振動子と、他方の主面に接合された平板状の第２の圧電振動子からなり、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子は、同じ周波数で互いに逆位相で振動する、座屈音叉振動モードにより駆動され、音響経路は、第１の圧電振動子から超音波放出孔に至る第１の音響経路と、第２の圧電振動子から超音波放出孔に至る第２の音響経路からなる構成するようにしても良い。かかる構成とすれば、第１の音響経路における空気の共鳴と、第２の音響経路における空気の共鳴が重なって出力されるため、出力音圧をより高くすることができる。

　上述した構成からなる本発明の超音波トランスデューサは、空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となる駆動周波数で、圧電振動子が駆動されるため、極めて優れた温度音圧特性を有している。したがって、本発明の超音波トランスデューサは、広い温度範囲において、安定した出力音圧を発現させることができる。

本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００を示す斜視図である。本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００を示す断面図であり、図１の鎖線Ｘ－Ｘ部分を示す。本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００に使用した超音波発生素子１（第１の圧電振動子３，第２の圧電振動子４）を示す分解斜視図である。本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００の駆動状態を示す説明図である。温度別にみた、λ／４の空気の共鳴における周波数音圧特性を示すグラフである。 λ／４の空気の共鳴における共鳴点の温度周波数特性を示すグラフである。５５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性を示すグラフである。６０ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性を示すグラフである。６５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴のおける温度音圧特性を示すグラフである。駆動周波数が５５ｋＨｚにおける、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の温度振幅特性を示すグラフである。駆動周波数が６０ｋＨｚにおける、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の温度振幅特性を示すグラフである。駆動周波数が６５ｋＨｚにおける、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の温度振幅特性を示すグラフである。本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００の温度音圧特性を示すグラフである。本発明の第２実施形態にかかる超音波トランスデューサ２００を示す断面図である。本発明の第３実施形態にかかる超音波トランスデューサ３００を示す断面図である。従来の超音波トランスデューサ４００を示す断面図である。

　以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。

　［第１実施形態］
　図１、図２に、本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００を示す。ただし、図１は斜視図、図２は図１の鎖線Ｘ－Ｘ部分を示す断面図である。また、図３に、超音波トランスデューサ１００に使用した超音波発生素子１を示す。ただし、図３は分解斜視図である。

　超音波トランスデューサ１００は、超音波発生素子１を備える。

　超音波発生素子１は、枠体２と、第１の圧電振動子３と、第２の圧電振動子４とを備える。枠体２は、中央部に直径２．４ｍｍ程度の貫通孔２ａが形成されており、厚み２００μｍ程度のセラミックスなどからなる枠体２を備える。超音波発生素子１は、一辺の長さが２．８ｍｍの正方形の平面形状であり、厚みは０．３２ｍｍである。

　そして、枠体２の一方の主面（下側の主面）には、バイモルフ型の第１の圧電振動子３が接着剤５ａにより取り付けられ、他方の主面（上側の主面）には、バイモルフ型の第２の圧電振動子４が接着剤５ｂにより取り付けられている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。

　第１の圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなり、矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、Ａｇ，Ｐｄなどからなる内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、同じくＡｇなどからなる外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１の圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。

　第２の圧電振動子４も、第１の圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、Ａｇ，Ｐｄなどからなる内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、Ａｇなどからなる外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２の圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。

　第１の圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２の圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。

　超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。（引出電極６ａ，６ｄは図２に示されているが、引出電極６ｂ，６ｃは図示を省略しており、いずれの図にも示されていない。）引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。

　次に、超音波トランスデューサ１００の駆動状態について説明する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、超音波トランスデューサ１００の超音波発生素子１に、所定の周波数の交流電流を印加した状態を示す。超音波トランスデューサ１００において、超音波発生素子１を構成する第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４は、上述したとおり内部電極３ｂ，４ｂと外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄとが形成され、上述したとおり分極されているため、交流電圧が印加されることにより、同じ周波数で相互に逆位相で振動し、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す状態を繰り返す。すなわち、超音波発生素子１は、座屈音叉振動モードにより駆動され、第１の圧電振動子３、および、第２の圧電振動子４から、それぞれ、超音波を放出する。なお、本実施形態においては、超音波発生素子１を構成する第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の共振周波数は６０ｋＨｚである。

　超音波トランスデューサ１００は、ガラスエポキシなどからなるベース部材７と、洋白などからなる蓋部材８とからなるケースを備える。

　ベース部材７は、矩形で、平板状である。ベース部材７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されており、それらのランド電極に、超音波発生素子１の４つの角部に形成された引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが、音響経路に影響を与えないようになるべく小さく、導電性接着剤９によりそれぞれ接合されている。（図２において、導電性接着剤９は断面ではないが、見やすくするために模様を付している。）このようにして、ベース部材７に超音波発生素子１が搭載されている。ベース部材７は、一辺の長さが４．０ｍｍの正方形の平面形状であり、厚みは０．３ｍｍである。

　蓋部材８には、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、超音波が表出される超音波放出孔８ｂが形成されている。超音波放出孔８ｂの形状、個数は任意であるが、本実施形態においては、平面視で矩形の超音波放出孔８ｂが４個形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、ベース部材７の上側の主面に接合されている。蓋部材８は、一辺の長さが３．６ｍｍの正方形の平面形状であり、高さは０．６５ｍｍである。

　超音波トランスデューサ１００においては、超音波発生素子１と、ベース部材７および蓋部材８からなるケースとにより、空気を媒質とする音響経路が形成されている。具体的には、第１の圧電振動子３の振動面上の変位が最も大きな部分を共鳴の腹Ｆ１とし、超音波放出孔８ｂを共鳴の開放端として、λ／４の共鳴が発生する第１の音響経路Ｒ１が形成されている。また、第２の圧電振動子４の振動面上の変位が最も大きな部分を共鳴の腹Ｆ２とし、超音波放出孔８ｂを共鳴の開放端として、λ／４の共鳴が発生する第２の音響経路Ｒ２が形成されている。なお、図２においては、第１および第２の音響経路Ｒ１，Ｒ２を、破線矢印で示している。なお、本実施形態においては、蓋部材８に４個の超音波放出孔８ｂが形成されているため、第１および第２の音響経路Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ、４方向に、４つの経路を備えていることになる。

　第１および第２の音響経路Ｒ１，Ｒ２の音響特性は、音響経路の高さ（超音波発生素子１とベース部材７や蓋部材８の間隔）、音響経路の幅、音響経路の長さなどにより、自由に調整することができる。第１の音響経路Ｒ１と第２の音響経路Ｒ２は、長さが異なり、位相差が生じるが、音響経路の長さの差は、わずかに超音波発生素子１の厚みである３２０μｍ程度に過ぎず、音響特性に差はほとんどない。すなわち、超音波発生素子１により放出される超音波は６０ｋＨｚであり、波長にして５．７ｍｍであるのに対し、音響経路の長さの差は３２０μｍ程度であり、０．０６λ以下であり、音響特性に差はほとんどない。

　本実施形態においては、超音波発生素子１とベース部材７の間隔が３０μｍ以上、好ましくは１００～２００μｍとされており、超音波発生素子１と蓋部材８の間隔が３０μｍ以上、好ましくは１００～２００μｍとされている。このため、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４から放出された超音波の音波位相をそろえ、音圧を高めることができる。

　超音波トランスデューサ１００において、超音波発生素子１（第１の圧電振動子３，第２の圧電振動子４）を駆動することにより、第１の音響経路Ｒ１および第２の音響経路Ｒ２において、それぞれ、第１の圧電振動子３から放出された超音波、および、第２の圧電振動子４から放出された超音波により、λ／４の空気の共鳴が発生する。そして、第１の音響経路Ｒ１における空気の共鳴と、第２の音響経路Ｒ２における空気の共鳴とが重なり、超音波放出孔８ｂから、出力音圧の高い超音波が放出される。なお、超音波発生素子１（第１の圧電振動子３，第２の圧電振動子４）を駆動する周波数と、第１の圧電振動子３、第２の圧電振動子４で発生する超音波の周波数はほぼ一致する。

　空気の共鳴は音速に支配され、音速は温度により変化する（音速（ｍ／ｓ）＝３３１．５+０．６１ｔ（ｔは摂氏温度））ため、λ／４の空気の共鳴における周波数音圧特性は、図５に示すように、温度ごとに固有の特性を示す。各温度の周波数音圧特性は、それぞれ、特定の周波数で音圧のピーク点をもつ。このピーク点を共鳴点とすると、共鳴点の温度周波数特性は、図６に示すように直線状になる。図６から分かるように、たとえば、２５℃のときの共鳴点は６２ｋＨｚ付近であるため、超音波トランスデューサ１００を２５℃で使用する場合には、６２ｋＨｚ付近で圧電振動子１を駆動すれば、音圧が最も高くなり効率が良い。

　図５に示した、温度ごとの周波数音圧特性から、特定の周波数での、λ／４の空気の共鳴における温度音圧特性を導き出すと、図７～図９に示すようになる。ただし、図７は５５ｋＨｚでの温度音圧特性を、図８は６０ｋＨｚでの温度音圧特性を、図９は６５ｋＨｚでの温度音圧特性をそれぞれ示す。

　５５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性は、図７に示すように、温度が上がると音圧が低くなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「Ｎ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）傾向」と定義する。

　６０ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性は、図８に示すように、所定の温度（２０℃前後）までは、温度が上がると音圧が高くなり、上記所定の温度からは、温度が上がると音圧が低くなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「山傾向」と定義する。

　６５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性は、図９に示すように、ほとんどの領域（０℃以下の低温から８０℃付近までの領域）において、温度が上がると音圧が高くなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「Ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）傾向」と定義する。

　一方、超音波発生素子１を構成する第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４は、駆動周波数ごと（駆動周波数を変更するごと）に、固有の温度振幅特性を示す。なお、駆動周波数が一定であれば、振幅が大きいほど、発生する超音波の音圧は高くなる。図１０～図１２に、特定の駆動周波数における、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の温度振幅特性を示す。ただし、図１０は駆動周波数が５５ｋＨｚにおける温度振幅特性を、図１１は駆動周波数が６０ｋＨｚにおける温度振幅特性を、図１２は駆動周波数が６５ｋＨｚにおける温度振幅特性をそれぞれ示す。

　駆動周波数が５５ｋＨｚにおける温度振幅特性は、図１０に示すように、温度が上がると振幅が大きくなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「Ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）傾向」と定義する。

　駆動周波数が６０ｋＨｚにおける温度振幅特性は、図１１に示すように、所定の温度（２５℃前後）までは、温度が上がると振幅が大きくなり、上記所定の温度からは、温度が上がると振幅が小さくなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「山傾向」と定義する。

　駆動周波数が６５ｋＨｚにおける温度振幅特性は、図１２に示すように、温度が上がると振幅が小さくなる。本明細書においては、便宜上、この傾向を「Ｎ傾向（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）」と定義する。

　本実施形態における超音波トランスデューサ１００においては、図７～図９に示した特定の周波数（５５ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、６５ｋＨｚ）でのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性と、図１０～図１２に示した特定の駆動周波数（５５ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、６５ｋＨｚ）における第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の温度振幅特性を考慮して、超音波発生素子１（第１の圧電振動子３，第２の圧電振動子４）の駆動周波数を６５ｋＨｚに設定している。すなわち、超音波トランスデューサ１００は、超音波発生素子１（第１の圧電振動子３，第２の圧電振動子４）の駆動周波数を６５ｋＨｚに設定し、互いに逆傾向である図９に示した６５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性の「Ｐ傾向」と、図１２に示した駆動周波数が６５ｋＨｚにおける温度振幅特性の「Ｎ傾向」とを相殺させることにより、温度音圧特性を改善している。　図１３に、本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００の温度音圧特性を示す。図１３に示すように、超音波トランスデューサ１００においては、－２０℃付近から８０℃付近まで、優れた温度音圧特性になっている。すなわち、超音波トランスデューサ１００は、使用する温度環境が変化しても、出力音圧の変化が小さい。

　なお、図７に示した５５ｋＨｚでのλ／４の空気の共鳴における温度音圧特性の「Ｎ傾向」と、図１０に示した駆動周波数が５５ｋＨｚにおける温度振幅特性の「Ｐ傾向」とを相殺させ、超音波トランスデューサ１００の温度音圧特性を改善することもできる。

　かかる構造からなる超音波トランスデューサ１００は、たとえば、次の方法で製造される。

　まず、第１の圧電振動子３、および、第２の圧電振動子４を作製する。具体的には、所定の形状からなる複数枚の圧電セラミックグリーンシートを準備し、それらの表面に、内部電極３ｂ，４ｂ、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄを形成するための、導電性ペーストを所定の形状に印刷する。次に、所定の圧電セラミックグリーンシートどうしを積層し、加圧したうえ、所定のプロファイルで焼成して、内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄの形成された第１の圧電振動子３、および、内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄの形成された第２の圧電振動子４を得る。なお、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄは、積層した圧電セラミックグリーンシートを焼成した後に、印刷またはスパッタなどによって形成してもよい。

　次に、予め所定の形状に作製された枠体２を準備し、枠体２の両主面に、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とを、接着剤５ａ、５ｂによりそれぞれ接合して、超音波発生素子１を得る。

　次に、超音波発生素子１の４つの角部に、たとえば、スパッタリングなどの技術を用いて、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを形成する。

　次に、予め所定の形状に作製されたベース部材７と蓋部材８とを準備し、導電性接着剤９を用いて、ベース部材７に超音波発生素子１を搭載したうえで、接着剤（図示せず）を用いて、ベース部材７の上側の主面に蓋部材８を接合し、超音波トランスデューサ１００を完成させる。

　以上、本発明の第１実施形態にかかる超音波トランスデューサ１００の構造、製造方法の一例について説明した。しかしながら、本発明の超音波トランスデューサが上記の内容に限定されることはなく、発明の主旨に沿って、種々の変更をなすことができる。

　たとえば、超音波トランスデューサ１００では、超音波発生素子１を構成する第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４に、バイモルフ型圧電振動子を用いているが、これに代えて、たとえば、ユニモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子など、他の種類の振動子を用いることもできる。なお、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４がバイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子である場合、振動子の端面に形成した電極によって外部と接続することができるため、ボンディングワイヤを用いる必要がない。このため、ボンディングワイヤを接続するための空間が不要になり、小型化を実現することができるとともに、圧電振動子とベース部材または蓋部材とにより構成される隙間が小さくなり、振動子から放出された超音波がより圧縮されて、音圧をより高めることができる。また、バイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子は、圧電セラミックスに印加される電界が強いため、ユニモルフ型圧電振動子と比べて駆動力が大きい。このため、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４がバイモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子である場合、音圧をより高めることができる。

　また、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とを有する超音波発生素子１に代えて、１つの圧電振動子を有する超音波発生素子を用いるようにしても良い。

　また、ベース部材７や蓋部材８の形状、大きさなども任意であり、変更することができる。

　さらに、蓋部材８に形成される超音波放出孔８ｂの形状、個数、形成位置なども任意であり、変更することができる。

　［第２実施形態］
　図１４に、本発明の第２実施形態にかかる超音波トランスデューサ２００を示す。ただし、図１４は断面図である。

　上述した第１実施形態の超音波トランスデューサ１００では、超音波発生源として、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とを有する超音波発生素子１を用いているが、本実施形態の超音波トランスデューサ２００においては、超音波発生源として、１つの圧電振動子１３を有する超音波発生素子１１を用いた。

　超音波トランスデューサ２００は、超音波発生素子１１と、ガラスエポキシなどからなるベース部材１７と、洋白などからなる蓋部材１８とからなるケースを備える。超音波発生素子１１は、台座１２と、圧電振動子１３とを備える。

　台座１２は、中央部に貫通孔が形成されており、枠状である。台座１２の一方の主面（上側の主面）には、バイモルフ型の圧電振動子１３が接着剤（図示せず）により取り付けられている。台座１２の他方の主面（下側の主面）は、ベース部材１７に接合されている。

　圧電振動子１３は、矩形で平板状の圧電セラミックス１３ａを備える。そして、圧電セラミックス１３ａの内部には内部電極１３ｂが形成され、圧電セラミックス１３ａの両主面には外部電極１３ｃ，１３ｄが形成されている。内部電極１３ｂは、圧電セラミックス１３ａの隣合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極１３ｃ，１３ｄは、内部電極１３ｂが引出されていない、圧電セラミックス１３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。圧電セラミックス１３ａは、内部において分極されている。圧電振動子１３の４つの角部には、それぞれ、引出電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが形成されている。

　ベース部材１７は、矩形で、平板状である。ベース部材１７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されており、それらのランド電極に、圧電振動子１３の４つの角部に形成された引出電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが、音響経路に影響を与えないようになるべく小さく、導電性接着剤１９によりそれぞれ接合されている。（図１４において、導電性接着剤１９は断面ではないが、見やすくするために模様を付している。）このようにして、ベース部材１７に超音波発生素子１１が搭載されている。

　蓋部材１８には、超音波発生素子１１を収容するための開口１８ａが形成され、さらに天板部分に、超音波放出孔１８ｂが形成されている。蓋部材１８は、開口１８ａに超音波発生素子１１を収容したうえで、開口１８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、ベース部材１７の上側の主面に接合されている。

　超音波トランスデューサ２００においては、超音波発生素子１１と、ベース部材１７および蓋部材１８からなるケースとにより、空気を媒質とする音響経路が形成されている。具体的には、圧電振動子１３の振動面上の変位が最も大きな部分を共鳴の腹Ｆとし、超音波放出孔１８ｂを共鳴の開放端として、λ／４の共鳴が発生する音響経路Ｒが形成されている。なお、図１４においては、音響経路Ｒを破線矢印で示している。

　第２実施形態にかかる超音波トランスデューサ２００においても、超音波発生素子１１（圧電振動子１３）は、λ／４の空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子１３の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となり、λ／４の空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子１３の駆動周波数における温度振幅特性とが相殺させるような駆動周波数で駆動される。したがって、超音波トランスデューサ２００も、優れた温度音圧特性を備える。

　［第３実施形態］
　図１５に、本発明の第３実施形態にかかる超音波トランスデューサ３００を示す。ただし、図１５は断面図である。

　上述した第１実施形態の超音波トランスデューサ１００では、超音波発生源として、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とを有する超音波発生素子１を用いているが、本実施形態の超音波トランスデューサ３００においては、超音波発生源として、１つの圧電振動子２３を有する超音波発生素子２１を用いた。

　超音波トランスデューサ３００は、超音波発生素子２１と、ガラスエポキシなどからなるベース部材２７と、洋白などからなる蓋部材２８とからなるケースを備える。超音波発生素子２１は、キャビティ２２と、圧電振動子２３とを備える。

　キャビティ２２は、凹部２２ａが形成されている。キャビティ２２の一方の主面（下側の主面）には、バイモルフ型の圧電振動子２３が接着剤（図示せず）により取り付けられている。

　圧電振動子２３は、矩形で平板状の圧電セラミックス２３ａを備える。そして、圧電セラミックス２３ａの内部には内部電極２３ｂが形成され、圧電セラミックス２３ａの両主面には外部電極２３ｃ，２３ｄが形成されている。内部電極２３ｂは、圧電セラミックス２３ａの隣合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極２３ｃ，２３ｄは、内部電極２３ｂが引出されていない、圧電セラミックス２３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。圧電セラミックス２３ａは、内部において分極されている。圧電振動子２３の４つの角部には、それぞれ、引出電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが形成されている。

　ベース部材２７は、矩形で、平板状である。ベース部材２７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されており、それらのランド電極に、圧電振動子２３の４つの角部に形成された引出電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが、音響経路に影響を与えないようになるべく小さく、導電性接着剤２９によりそれぞれ接合されている。（図１５において、導電性接着剤２９は断面ではないが、見やすくするために模様を付している。）このようにして、ベース部材２７に超音波発生素子２１が搭載されている。

　蓋部材２８には、超音波発生素子２１を収容するための開口２８ａが形成され、さらに天板部分に、超音波放出孔２８ｂが形成されている。蓋部材２８は、開口２８ａに超音波発生素子２１を収容したうえで、開口２８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、ベース部材２７の上側の主面に接合されている。

　超音波トランスデューサ３００においては、超音波発生素子２１と、ベース部材２７および蓋部材２８からなるケースとにより、空気を媒質とする音響経路が形成されている。具体的には、圧電振動子２３の振動面上の変位が最も大きな部分を共鳴の腹Ｆとし、超音波放出孔２８ｂを共鳴の開放端として、λ／４の共鳴が発生する音響経路Ｒが形成されている。なお、図１５においては、音響経路Ｒを破線矢印で示している。

　第３実施形態にかかる超音波トランスデューサ３００においても、超音波発生素子２１（圧電振動子２３）は、λ／４の空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子１３の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となり、λ／４の空気の共鳴における温度音圧特性と、圧電振動子１３の駆動周波数における温度振幅特性とが相殺させるような駆動周波数で駆動される。したがって、超音波トランスデューサ３００も、優れた温度音圧特性を備える。

１，１１，２１：超音波発生素子
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：第１の圧電振動子
３ａ，４ａ，１３ａ，２３ａ：圧電セラミックス
３ｂ，４ｂ，１３ｂ，２３ｂ：内部電極
３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ，１３ｃ，１３ｄ，２３ｃ，２３ｄ：外部電極
４：第２の圧電振動子
５ａ，５ｂ：接着剤
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ：引出電極
７，１７，２７：ベース部材
８，１８，２８：蓋部材
８ａ，１８ａ，２８ａ：開口
８ｂ，１８ｂ，２８ｂ：超音波放出孔
９，１９，２９：導電性接着剤
１２：台座
１３，２３：圧電振動子
２２：キャビティ
２２ａ：凹部
１００，２００，３００：超音波トランスデューサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ：音響経路
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ：λ／４の空気の共鳴の腹

Claims

　圧電振動子を有する超音波発生素子と、
　超音波放出孔を有し、前記超音波発生素子が収容されたケースとを備え、
　前記超音波発生素子と前記ケースとにより、前記圧電振動子から前記超音波放出孔に至る、空気を媒質とする音響経路が形成され、
　前記音響経路において、前記圧電振動子で発生した超音波により、前記超音波放出孔を開放端として空気の共鳴が発生する超音波トランスデューサであって、
　前記空気の共鳴における温度音圧特性と、前記圧電振動子の駆動周波数における温度振幅特性とが逆傾向となる駆動周波数で、前記圧電振動子が駆動される、超音波トランスデューサ。
　前記空気の共鳴がλ／４の共鳴である、請求項１に記載された超音波トランスデューサ。
　前記圧電振動子の前記駆動周波数が、２５℃における前記空気の共鳴の音圧がピークとなる周波数からずれている、請求項１または２に記載された超音波トランスデューサ。
　前記超音波発生素子は、枠体の一方の主面に接合された平板状の第１の圧電振動子と、他方の主面に接合された平板状の第２の圧電振動子からなり、
　前記第１の圧電振動子と前記第２の圧電振動子は、同じ周波数で互いに逆位相で振動する、座屈音叉振動モードにより駆動され、
　前記音響経路は、前記第１の圧電振動子から前記超音波放出孔に至る第１の音響経路と、前記第２の圧電振動子から前記超音波放出孔に至る第２の音響経路からなる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載された超音波トランスデューサ。