專利名稱：超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過驅(qū)動(dòng)壓電體來進(jìn)行超聲波的發(fā)送或者接收的超聲波換能器 (transducer)0背景技術(shù)
作為現(xiàn)有技術(shù)的超聲波換能器，具有將壓電體收容在殼體中之構(gòu)成的超聲波換能器。
圖1 (A)是用于說明現(xiàn)有技術(shù)的超聲波換能器的第一構(gòu)成例的剖面圖。
超聲波換能器100包括殼體101、壓電體102、聲吸收構(gòu)件103、填充劑104、以及引 線105。壓電體102通過粘接劑(沒有圖示)粘接到殼體101的內(nèi)底面。殼體101是有底 筒狀。填充劑104通過被注入固化在殼體101的筒內(nèi)部而堵塞殼體101。聲吸收構(gòu)件103 配置在殼體101的內(nèi)側(cè)空間。引線105連接到壓電體102，并且引線105通過填充劑104被 引出到殼體外部。
根據(jù)這種構(gòu)成，在殼體101的內(nèi)側(cè)空間產(chǎn)生聲波的多重反射。盡管聲波伴隨多重 反射而逐漸衰減，但如果聲波的混響(殘響，reverberation)時(shí)間長，則超聲波換能器的發(fā) 送波的波形因混響而變?nèi)酰邮詹ū换祉戨[藏，從而成為問題。因此，在超聲波換能器100 中，通過在殼體內(nèi)部設(shè)置聲吸收構(gòu)件103，吸收從壓電體102向殼體101的開口方向振動(dòng)的 聲波，從而改善混響特性。
此外，作為現(xiàn)有技術(shù)的超聲波換能器，還具有利用代替引線而使用金屬管腳之構(gòu) 成的超聲波換能器(例如，參考專利文獻(xiàn)1)。
圖1 (B)是用于說明現(xiàn)有技術(shù)的超聲波換能器的第二構(gòu)成例的剖面圖。
超聲波換能器200包括殼體201、壓電體202、固定板203、填充劑204、以及向外部 傳送電信號(hào)的金屬管腳205。該超聲波換能器200不使用引線而使用金屬管腳205，并且具 有用于金屬管腳205的固定的樹脂制的固定板203。
根據(jù)該構(gòu)成，在有底筒狀的殼體201的內(nèi)底面部，隔開規(guī)定的距離來配置固定板 203，固定板203保持用于與壓電體202電連接的彈簧狀金屬端子206。由于當(dāng)彈簧狀金屬 端子206與壓電體202共振時(shí)超聲波換能器200的混響特性降低，因此彈簧狀金屬端子206 的共振頻率被設(shè)定為不與壓電體202共振那樣的條件，由此改善超聲波換能器200的混響 特性。
專利文獻(xiàn)IJP特開2007-318742號(hào)公報(bào)
如上述，通過在殼體內(nèi)部配置聲吸收構(gòu)件，或者適當(dāng)?shù)卦O(shè)定彈簧狀金屬端子的共 振頻率，能夠改善超聲波換能器的混響特性。但是，即使施加了這些對(duì)策，也不能夠完全消 除超聲波的混響，因此仍然存在希望混響特性的進(jìn)一步改善。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠進(jìn)一步改善混響特性的超聲波換能器。
本發(fā)明的超聲波換能器包括殼體、反射部和壓電體。殼體是堵塞了一端的有底筒 狀。壓電體被形成于殼體的內(nèi)底面部。反射部從殼體的內(nèi)底面部離開而配置，并且與壓電 體相對(duì)置。這里，壓電體和反射部之間的間隔比壓電體的最大移位距離更大，并且設(shè)為聲波 的1/4波長的大致奇數(shù)倍或者1/4波長以下。
根據(jù)該構(gòu)成，為了提前在殼體的內(nèi)側(cè)空間產(chǎn)生的聲波的多重反射的衰減，設(shè)定反 射部和壓電體之間的間隔。而且，本發(fā)明中反射部的定義是比較聲波的吸收率和反射率、從 而滿足聲波的吸收率<聲波的反射率的關(guān)系的構(gòu)成。在將反射部和壓電體的間隔設(shè)為聲 波的1/4波長的大致奇數(shù)倍的情況下，反射部和壓電體的壁面入射波和壁面反射波相互抵 消，提前超聲波的衰減。在將反射部和壓電體的間隔設(shè)為聲波的1/4波長以下的情況下，每 單位時(shí)間的聲波的反射次數(shù)變得極其多，超聲波的衰減提前。
優(yōu)選地，本發(fā)明的超聲波換能器還具有聲吸收構(gòu)件。優(yōu)選地，聲吸收構(gòu)件在壓電體 和反射部之間從其至少一個(gè)離開而配置。根據(jù)該構(gòu)成，通過聲吸收構(gòu)件加速了進(jìn)行多重反 射的超聲波的衰減。而且，本發(fā)明中吸收構(gòu)件的定義是比較聲波的吸收率和反射率、從而滿 足聲波的吸收率>聲波的反射率的關(guān)系的構(gòu)成。
優(yōu)選地，本發(fā)明的反射部具有連通于殼體內(nèi)部和殼體外部并用聲吸收構(gòu)件堵塞的 開口部。根據(jù)該構(gòu)成，能夠?qū)⒙曃諛?gòu)件設(shè)成不直接接觸壓電體等構(gòu)件。由此，通過在該聲 吸收構(gòu)件上傳播，從而不會(huì)發(fā)生振動(dòng)從壓電體傳到反射部的情況，由此能夠更加改善混響 特性。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，通過將反射部和殼體的內(nèi)底面部之間的距離設(shè)為聲波的1/4波長的 大致奇數(shù)倍，向壁面的入射波和壁面的反射波相互抵消，從而超聲波的衰減提前。通過將 反射部和殼體的內(nèi)底面部之間的距離設(shè)為聲波的1/4波長以下，每個(gè)單位時(shí)間的聲波的反 射次數(shù)變得極其多，從而超聲波的衰減提前。其結(jié)果，能夠更加改善超聲波換能器的混響特 性。


圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的超聲波換能器的構(gòu)成例的概略圖。
圖2是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的超聲波換能器的構(gòu)成例的概略圖。
圖3是說明圖2的超聲波換能器的混響等級(jí)的示意圖。
圖4是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的超聲波換能器的構(gòu)成例的概略圖。
圖5是表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的超聲波換能器的構(gòu)成例的概略圖。
附圖符號(hào)說明
10，20，30超聲波換能器；1殼體；2，12，22壓電體；3，13，23固定構(gòu)件；4，19，29 填充劑；5，15，25外部連接端子；6導(dǎo)電性粘結(jié)劑；7內(nèi)部配線；11，21上蓋；14，M平衡塊 (weight) ；16J6 墊圈(washer) ；17，27A，27B 彈簧狀金屬端子；18，^A，28B 聲吸收構(gòu)件。
具體實(shí)施方式
下面，說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的超聲波換能器30。
圖2(A)是超聲波換能器30在直角坐標(biāo)系Y-Z面的剖面圖。圖2 (B)是超聲波換 能器30包括的固定構(gòu)件23的立體圖。
超聲波換能器30包括上蓋21 ；壓電體22 ；固定構(gòu)件23 ；平衡塊(weight) M ；外 部連接端子25 ；墊圈沈；彈簧狀金屬端子27A、27B ；聲吸收構(gòu)件^AJSB ；以及填充劑四。
在將該超聲波換能器30作為波發(fā)送器使用時(shí)，通過在外部連接端子25上施加驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，壓電體22在X-Y面上展開振動(dòng)。這樣，在上蓋21的底面激勵(lì)沿著Z軸的彎曲振動(dòng)， 發(fā)送超聲波。在作為波接收器使用時(shí)，上蓋21的底面通過接收超聲波而進(jìn)行振動(dòng)，壓電體 22展開振動(dòng)，從而在外部連接端子25上產(chǎn)生波接收信號(hào)。
上蓋21是堵塞Z軸正方向的端部的有底筒狀。
而且，盡管為了方便在附圖中記載為蓋21的底面位于圖的上方，但是，可以將筒 狀體的一端被封閉的結(jié)構(gòu)稱為有底筒狀，被封閉的面設(shè)為底面。
平衡塊M是中心軸沿著Z軸的筒狀，Z軸正方向的端部被插入和嵌合在上蓋21 的筒內(nèi)。該平衡塊M包括用于保持固定構(gòu)件23的保持部24A和用于配置墊圈沈的凹部 24B.保持部24A在X-Y面在殼體中心軸方向上突出。該上蓋21和平衡塊M組合而構(gòu)成 有底筒狀的殼體。而且，上蓋21相當(dāng)于殼體的底面部。墊圈沈是具有開口的平板，并被插 入平衡塊M的凹部MB。
優(yōu)選地，上蓋21使用例如鋁等金屬材料，平衡塊M使用例如鋅或鐵、不銹鋼等與 上蓋21所用的材料相比比重更高的金屬材料。在上蓋21的制作時(shí)，通過使用預(yù)先噴涂了高 分子聚酯的板材的拉深(絞D，drawing)加工和鍛造之類的方法，能夠改善噴涂質(zhì)量和降 低成本。上蓋21和平衡塊M用焊接、熱壓接、鉚接、粘結(jié)、嵌合等方法連接，但是例如在粘 結(jié)嵌合的情況下平衡塊M的表面通過進(jìn)行電鍍或者噴砂處理(sandblasting)、底面涂覆 (primer coating)，也可以獲得耐蝕性和粘結(jié)性的提高。盡管沒有圖示，通過在平衡塊的Z 軸正方向的頭部部分上設(shè)為R或者錐形，也可以改善嵌合的容易性(L·，tS )。而且，在 平衡塊M的表面施加的電鍍的種類中，適合于銅底層鎳、或者在與上蓋21之間難以發(fā)生不 同種金屬接觸腐蝕的材料、例如鉻或者錫系。在平衡塊M的Z軸負(fù)方向側(cè)還可以設(shè)置安裝 時(shí)的搬送用夾具(chucking)和安裝后用于防止抽去的凸緣(flange)部。這種情況下的凸 緣部可以是與平衡塊M的開口同心圓狀的圓形狀，也可以是多角形狀。平衡塊M在Z軸方 向或者X-Y軸方向上可以分割成2塊結(jié)構(gòu)等多個(gè)塊。平衡塊M通過介入彈簧狀金屬端子 27B被連接到地電極，但是，作為其他連接方法，也可以使用焊接、熱壓接、鉚接、粘結(jié)等各種 方法。
填充劑四與平衡塊M的筒內(nèi)部中的固定構(gòu)件23和聲吸收構(gòu)件28A相比被填充 在Z軸負(fù)方向的空間中。
壓電體22具有沿著Z軸正方向的極化軸，通過粘結(jié)劑粘接到上蓋21的內(nèi)底面。壓 電體22的驅(qū)動(dòng)電極(沒有圖示)通過介入彈簧狀金屬端子27A、27B被連接到外部連接端 子25。
圖2(B)中表示詳細(xì)結(jié)構(gòu)的固定構(gòu)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2!3B是在一部分上具有缺口的大 致圓板狀。上部基座23A是與下部基座2 相比在X-Y面上的外形更小的大致角板狀，并 且被設(shè)置在下部基座23B的Z軸正方向上。端子保持部23C是與下部基座2 和上部基座23A相比在X-Y面上的外形更小的角柱狀，并且被設(shè)置在下部基座2 的Z軸負(fù)方向上。這 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被設(shè)置為使得從下部基座23B的Z軸正方向的主面的與上部基座 23A的連接部附近開始，其前端與上部基座23A相比向Z軸正方向的位置突出，并且在Z軸 正方向的前端包括送回部。接收部33A、3!3B是在Y軸正方向延伸的三角柱狀，設(shè)置在上部 基座23A的Z軸正方向的主面上。
該固定構(gòu)件23被收容在平衡塊M的筒內(nèi)，下部基座23B的Z軸正方向的主面與 保持部24A的Z軸負(fù)方向的主面接觸，從而決定相對(duì)于平衡塊M的位置?？ㄗ?2A、32B與 保持部24A相比向Z軸正方向的位置插入，送回部與保持部24A的Z軸正方向的主面接觸。 由此，下部基座2 和卡爪32A、32B夾持保持部24A。端子保持部23C穿過墊圈沈的開口 內(nèi)在Z軸負(fù)方向上突出。
外部連接端子25，其Z軸正方向的端部被插入和固定到固定構(gòu)件23的端子保持部 23C，其Z軸負(fù)方向的端部從固定構(gòu)件23突出。聲吸收構(gòu)件^A，其Z軸正方向的主面接觸 接收部33A，其Z軸負(fù)方向的主面接觸固定構(gòu)件23的下部基座23B，從而被支撐。聲吸收構(gòu) 件28B被離間設(shè)置，使得其Z軸正方向的主面沒有接觸壓電體22，而其Z軸負(fù)方向的主面粘 結(jié)到固定構(gòu)件23的上部基座23A。
聲吸收構(gòu)件^A、28B通過在殼體的內(nèi)側(cè)空間設(shè)置的內(nèi)容使聲波的衰減有進(jìn)展。本 發(fā)明的聲吸收構(gòu)件，是滿足聲波的吸收率>聲波的反射率之關(guān)系的構(gòu)成。作為聲吸收材料， 例如能夠使用毛氈、海綿等。但是，還存在下述情況當(dāng)聲吸收構(gòu)件^A、28B接觸彈簧狀金 屬端子27A和壓電體22時(shí)，振動(dòng)通過介入聲吸收構(gòu)件^A、28B傳輸?shù)焦潭?gòu)件23，從而使 得混響特性顯著惡化。因此，在與固定構(gòu)件23的彈簧狀金屬端子27A的下方相當(dāng)?shù)奈恢蒙?設(shè)置了部分的切缺口(開口)，并且分割聲吸收構(gòu)件觀4、觀隊(duì)將聲吸收構(gòu)件284配置于開 口內(nèi)。
根據(jù)以上構(gòu)成，固定構(gòu)件23起作為與壓電體22相對(duì)置的反射部之功能。而且，本 發(fā)明中的反射部的定義是滿足聲波的吸收率<聲波的反射率的關(guān)系的構(gòu)成，例如使用環(huán)氧 樹脂等樹脂、陶瓷、金屬等。通過作為該反射部之功能的固定構(gòu)件23，按照固定構(gòu)件23和 壓電體22之間的間隔L，超聲波換能器30的混響特性變化。因此，通過設(shè)定使得滿足將間 隔L成為超聲波1/4波長的奇數(shù)倍的條件或者成為超聲波1/4波長以下的條件，從而能夠 改善超聲波換能器30的混響特性。
圖3是說明所述間隔L和超聲波換能器30的混響等級(jí)的關(guān)系的示意圖。這里設(shè) 殼體材料鋁；殼體外徑Φ 14mm ；由壓電體引起的進(jìn)行實(shí)質(zhì)振動(dòng)的殼體內(nèi)徑Φ8πιπι ；反射 部ΡΒΤ ；反射部面積8mm2 ；壓電體直徑Φ6πιπι ；驅(qū)動(dòng)條件48kHz、3. 75Vp-p。
該超聲波換能器30的混響等級(jí)，用固定構(gòu)件23和壓電體22之間的間隔L進(jìn)行超 聲波半波長份變化的周期進(jìn)行振動(dòng)，在間隔L成為超聲波1/4波長的奇數(shù)倍的條件下進(jìn)行 極小化。而且，在間隔L成為超聲波1/4波長以下的條件下，成為與在間隔L成為超聲波 1/4波長奇數(shù)倍的條件下的情況相同程度的混響等級(jí)。
由此知道，通過設(shè)定超聲波換能器30中的固定構(gòu)件23和壓電體22之間的間隔L， 使得滿足成為超聲波1/4波長的奇數(shù)倍的條件、或者成為超聲波1/4波長以下的條件，從而 能夠改善超聲波換能器30的混響特性。
由于擔(dān)心當(dāng)壓電體22和固定構(gòu)件23接觸時(shí)混響特性降低，因此優(yōu)選地，通過確保 固定構(gòu)件23和壓電體22之間的間隔L為壓電體22的最大移位距離以上例如50微米以上， 能夠防止壓電體22和固定構(gòu)件23的接觸。
下面，說明本發(fā)明第二實(shí)施方式的超聲波換能器10。
圖4是超聲波換能器10的剖面圖。
超聲波換能器10包括殼體1 ；壓電體2 ；固定構(gòu)件3 ；填充劑4 ；外部連接端子5 ； 導(dǎo)電性粘結(jié)劑6 ；以及內(nèi)部配線7。
在將該超聲波換能器10使用作為波發(fā)送器時(shí)，通過在外部連接端子5施加驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，壓電體2在水平面上展開振動(dòng)，在殼體1的底面激勵(lì)沿著垂直方向的彎曲振動(dòng)，從而發(fā) 送超聲波。在作為波接收器使用時(shí)，通過殼體1的底面接收超聲波和沿著垂直方向振動(dòng)，從 而壓電體2展開振動(dòng)，從而在外部連接端子5上產(chǎn)生波接收信號(hào)。
殼體1是將垂直方向設(shè)為中主軸方向的有底筒狀，堵塞垂直上方向的端部。在殼 體1的筒內(nèi)部，包括用于保持固定構(gòu)件3的保持部1A。保持部IA在X-Y面在殼體中心軸 方向上突出。壓電體2具有沿著垂直方向的極化軸，用粘結(jié)劑(沒有圖示)粘結(jié)于殼體1 的內(nèi)底面。固定構(gòu)件3被收容于殼體1的筒內(nèi)部，接觸到保持部IA的垂直下方向的主面， 從而決定位置。填充劑4與殼體1的筒內(nèi)部的固定構(gòu)件3相比被填充在垂直下方向的空間 中。外部連接端子5，其垂直上方向的端部被插入和固定到固定構(gòu)件3，其垂直下方向的端 部從殼體1的筒內(nèi)部突出。內(nèi)部配線7使外部連接端子5和壓電體2導(dǎo)通。導(dǎo)電性粘結(jié)劑 6連接內(nèi)部配線7和壓電體2。
在以上構(gòu)成中，固定構(gòu)件3也起作為與壓電體2相對(duì)置的反射部之功能，通過該固 定構(gòu)件3，按照固定構(gòu)件3和壓電體2之間的間隔Li，超聲波換能器10的混響特性變化。因 此，通過設(shè)定使得滿足將間隔Ll成為超聲波1/4波長的奇數(shù)倍的條件或者成為超聲波1/4 波長以下的條件，能夠改善超聲波換能器30的混響特性。通過確保間隔L為壓電體2的最 大移位距離以上，能夠防止壓電體2和固定構(gòu)件3的接觸。
下面，說明本發(fā)明第三實(shí)施方式的超聲波換能器20。
圖5是超聲波換能器20的部分剖面圖。
超聲波換能器20包括上蓋11 ；壓電體12 ；固定構(gòu)件13 ；平衡塊14 ；外部連接端 子15 ；墊圈16 ；彈簧狀金屬端子17 ；聲吸收構(gòu)件18 ；以及填充劑19。
在將該超聲波換能器20作為波發(fā)送器使用時(shí)，通過在外部連接端子15上施加驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，壓電體12在水平面上展開振動(dòng)。這樣，在上蓋11的底面激勵(lì)沿著垂直上方向的彎 曲振動(dòng)，發(fā)送超聲波。在作為波接收器使用時(shí)，通過上蓋11的底面接收超聲波而進(jìn)行振動(dòng)， 壓電體12展開振動(dòng)，從而在外部連接端子15上產(chǎn)生波接收信號(hào)。
上蓋11是堵塞垂直上方向的端部的有底筒狀。平衡塊14是中心軸沿著垂直軸的 筒狀，在垂直下方向的開口部的圓周設(shè)置凹部，垂直上方向的端部被插入和嵌合在上蓋11 的筒內(nèi)。該上蓋11和平衡塊14組合而構(gòu)成有底筒狀的殼體。而且，上蓋11相當(dāng)于殼體的 底面部。
壓電體12具有沿著垂直方向的極化軸，通過粘結(jié)劑粘接到上蓋11的內(nèi)底面。壓電 體12的驅(qū)動(dòng)電極(沒有圖示)通過介入彈簧狀金屬端子17被電連接到外部連接端子15。 固定構(gòu)件13被收容在平衡塊14的筒內(nèi)，固定彈簧狀金屬端子17和外部連接端子15。外部連接端子15，其垂直上方向的端部被插入到固定構(gòu)件13，其垂直下方向的端部從固定構(gòu)件 13突出。聲吸收構(gòu)件18被配置于固定構(gòu)件13的垂直上方向。墊圈16是具有插入外部連 接端子15之開口的平板，被插入到平衡塊14的垂直下方向側(cè)的凹部。填充劑19與平衡塊 14的筒內(nèi)部的固定構(gòu)件13相比被填充在垂直下方向側(cè)的空間中。
根據(jù)該構(gòu)成，固定構(gòu)件13和平衡塊14的一部分起作為與壓電體12相對(duì)置的反射 部之功能。因此，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定固定構(gòu)件13與壓電體12之間的間隔L2和平衡塊14與 壓電體12之間的間隔L3，能夠改善超聲波換能器20的混響特性。優(yōu)選地，例如，設(shè)定為使 得滿足將間隔L2成為超聲波的1/4波長奇數(shù)倍的條件，以及設(shè)定為使得滿足將間隔L3成 為超聲波1/4波長以下的條件。通過確保間隔L2和L3為壓電體12的最大移位距離以上， 能夠防止壓電體12與固定構(gòu)件13和聲吸收構(gòu)件18的接觸。
這樣，通過將間隔L2和L3設(shè)為聲波1/4波長的大致奇數(shù)倍、或者聲波1/4波長以 下，能夠改善混響特性。而且，通過在上蓋11和固定構(gòu)件13之間設(shè)置聲吸收構(gòu)件18，能夠 更加改善混響特性。
權(quán)利要求
1.一種超聲波換能器，包括堵塞了主軸方向之端部的有底筒狀的殼體； 形成于所述殼體的內(nèi)底面部的壓電體；以及 從所述殼體的內(nèi)底面部離開配置并且與所述壓電體相對(duì)置的反射部， 所述壓電體和所述反射部之間的間隔比所述壓電體的最大移位距離大，并且是聲波的 1/4波長的大致奇數(shù)倍或者1/4波長以下。
2.權(quán)利要求1所述的超聲波換能器，其特征在于， 在所述壓電體和所述反射部之間還具有聲吸收構(gòu)件。
3.權(quán)利要求1或者2所述的超聲波換能器，其特征在于，所述反射部具有開口部，該開口部與殼體內(nèi)部和殼體外部連通，并用聲吸收構(gòu)件堵塞。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠改善混響特性的超聲波換能器。超聲波換能器(10)包括殼體(1)、固定構(gòu)件(3)和壓電體(2)。殼體(1)是堵塞了主軸方向之端部的有底筒狀。壓電體(2)被形成于殼體(1)的內(nèi)底面部。固定構(gòu)件(3)從殼體(1)的內(nèi)底面部離開而配置，并且與壓電體(2)相對(duì)置。這里，壓電體(2)和固定構(gòu)件(3)之間的間隔L1比壓電體(2)的最大移位距離更大，并且設(shè)為聲波的1/4波長的大致奇數(shù)倍或者1/4波長以下。
文檔編號(hào)G10K9/122GK102034468SQ20101029705
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者古谷未央, 島本隆之, 江原和博, 淺田隆昭, 西江純一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所