超声波转换器的制作方法

专利名称：超声波转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进行超声波信号和电信号的信号转换的超声波转换器。
背景技术：
作为超声波转换器，在专利文献1中公开有在筒状的外侧壳体的内底 面设有压电元件、在外侧壳体的内部设有指向性控制体的结构。
在此，为了根据物体探测及距离计测的目的将超声波束扁平化，而在 安装有压电元件的外侧壳体的内底面密接有控制超声波束形状的指向性 控制体。
该指向性控制体是相对于平面方向形成以一方向为长轴的孔的部件， 通过密接在外侧壳体的内底面，超声波向指向性控制体的孔的长轴方向的 有效振动区域扩大，超声波向指向性控制体的孔的短轴方向(相对于长轴 方向垂直的方向)的有效振动区域变窄。此外，外侧壳体的底面和指向性 控制中与外侧壳体的内地面相对的面(以下称为超声波振动作用面)的接 触面越宽，对外侧壳体的接触部分越作用更多的质量，该质量限制外侧壳 体的振动。下面，将该质量称为限制质量。这样，考虑到通过在指向性控 制体的孔的长轴方向和短轴方向的有效振动区域设置差且在上述孔的长 轴的两侧部分的相对外侧壳体底面的限制质量相对地增大，在外侧壳体的 振动面即底面使指向性控制体的孔的长轴方向和短轴方向产生各向异性， 使超声波束扁平化。
专利文献l:(日本)特开2001 — 128292号公报
然而，在上述那样的现有技术中，由于指向性控制体的超声波振动作 用面对外侧壳体底面的限制质量不是任意角度的旋转对称形(180度旋转 对称形)，因此，虽然有助于束形状扁平化，但同时也发生大的副振动模 式(有效振动区域在上述孔的长轴方向和短轴方向上交替歪斜的振动模式)的振动，从而产生了与基本振动不同的不需要振动(高次副振动)。 由于该不需要振动的频率与基本振动的共振频率接近，因此容易与基本振 动同时被激励。其结果，该不需要振动模式的振动长久持续振动，而对混 响特性产生不良影响。
当这样的不需要振动模式的混响长期持续时，因混响产生的振动使压 电元件持续产生电信号，因此，基于由障碍物反射的超声波而产生的压电 元件的振动，电信号由于混响振动的电信号而消失，导致不能够检测到由 障碍物反射的超声波。
为了抑制这样的不需要振动的发生，在外侧壳体的形成有压电元件的 有效振动区域以外的底面涂敷例如有机硅树脂或聚氨酯树脂等减震材料 是有效的。但是，在上述那样构成的超声波转换器中，由于在压电元件的 有效振动区域附近设置减震材料，因此存在如下问题，即，上述减震材料 不仅吸收不需要振动，也吸收了基本振动，而使灵敏度降低。

发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波转换器，其采用将超声波束扁平化 的壳体结构，不仅防止不需要振动且抑制混响，得到优良的基本振动。
本发明提供一种超声波转换器，具备有底筒状的外部壳体；设于所 述外部壳体的内底面的压电元件；内部壳体，其设于所述外部壳体的内部， 在作为与所述外部壳体的内底面相对的面的超声波振动作用面上以质量 限制所述外部壳体的由于所述压电元件引起的振动；以及与所述压电原件 电导通的端子，所述超声波转换器的特征在于，
所述内部壳体在所述超声波振动作用面中与所述压电元件的配置位 置相对的部分具有将由所述压电元件及外部壳体的振动产生的超声波束 扁平化的第一切口部，且在所述超声波振动作用面中离开所述第一切口部 的位置具有第二切口部。
其中，所谓"将超声波束扁平化的第一切口部"是在与外部壳体的振 动面即内底面相对的内部壳体的超声波振动作用面上，在长轴方向和短轴 方向产生各向异性，由此用于将指向性扁平化的切口部。例如是相对于平 面方向以一方向为长轴的椭圆形、长方形等的切口部，由于该第一切口部的存在，外部壳体的有效振动区域的左右上下的纵横比大于1。
根据该结构，例如超声波束形状被扁平化，例如超声波束的水平宽度
与超声波束宽度的垂直宽度变得不同，在与第一切口部一起限制外部壳体
的质量的分布均匀化的位置存在第二切口部。即，取得限制外部壳体的内
部壳体质量平衡，抑制杂散模式等的不需要振动。
此外，在本发明中，例如所述第一切口部沿与所述外部壳体的内底面
相对的面形成一方向具有长轴的形状，所述第二切口部配置在长轴两侧的
线对称位置。
利用该结构，在只存在第一切口部的情况下，在相对外部壳体的限制 质量大的位置存在第二切口部，取得限制外部壳体质量的质量平衡，有效 抑制副振动模式等不需要振动。
此外，在本发明中，例如所述第二切口部如下形成，即，由于该第二 切口部的存在而在所述第一切口部的周围形成堤部，并且遍及该堤部的外 侧的整个面设置。
利用该结构，由于可以使外部壳体的内底面与内部壳体的超声波振动 作用面的接触部分达到最小限，因此可以抑制质量平衡的偏差。此外，由 于第二切口部扩展到内部壳体的拐角(棱)部分，因此，即使内部壳体和
外部壳体产生尺寸误差，内部壳体的超声波振动作用面和外部壳体的内底 面的密接度也不会失去平衡，从而可以可靠地防止由于上述质量平衡的失 衡而产生的不需要模式的振动。
此外，本发明中，所述内部壳体的介质密度比所述外部壳体的介质密
度咼o
由此，不但可以抑制外部壳体的底面的振动，还可以抑制外部壳体的 侧面的共振振动，从而可以抑制混响。
此外，本发明以中，用比所述内部壳体及所述外部壳体介质密度低的 充填材料充填所述内部壳体的第二切口部与所述外部壳体的内底面构成 的空间。
利用该结构，可以吸收外部壳体的内底面(尤其是其拐角部分)及外 部壳体的侧面的不需要振动，可以更有效抑制不需要振动。此外，根据该 发明，由于在第一切口部和第二切口部之间形成有堤部，因此，作为减震材料发挥作用的充填材料不会到达压电元件的有效振动区域，从而可以防 止对压电元件的有效振动区域的基本振动的影响。
此外，本发明中，在所述第二切口部形成有贯通孔。
利用该结构，从内部壳体的内部经由贯通孔将充填材料等注入外部壳 体的内底面和第二切口部内进行充填即可。其结果，由于能够以所述充填 材料粘接外部壳体和内部壳体，因此，不需要专门用来粘接外部壳体和内 部壳体的粘接剂。
此外，本发明采用如下结构，即，所述第一切口部的长轴方向的两端 到达所述壳体的端部，在所述堤部的长度方向的中途具备第三切口部。
利用该结构，可以在抑制混响的状态下进一步提高指向性。即，可以 使超声波束更扁平化。
根据本发明，可以提供一种超声波转换器，其采用将超声波束扁平化 的壳体结构，并且，不但可以防止不需要振动且抑制混响，而且可以得到 优良的基本振动。


图1是表示第一实施方式的超声波转换器结构的剖面图。
图2是同一超声波转换器所使用的内部壳体的立体图。
图3是第二实施方式的超声波转换器及作为其比较例的超声波转换器
所使用的内部壳体的立体图。
图4是表示相对具备图3所示的内部壳体的超声波转换器的频率的阻
抗特性的图。
图5是表示具备图3所示的内部壳体的超声波转换器的混响特性的图。
图6是第三实施方式的超声波转换器所使用的内部壳体的立体图。
图7是表示第三实施方式的超声波转换器和作为其比较例的超声波转 换器的外部壳体内底面的振动模式的图。
图8是表示第三实施方式的超声波转换器和作为其比较例的超声波转 换器的混响特性的图。
图9是表示第三实施方式的超声波转换器和作为其比较例的超声波转换器的指向特性的图。
图io是表示第四实施方式的超声波转换器结构的剖面图。
标号说明 l一外部壳体
2— 内部壳体
3— 压电元件
4、 5 —导线
6、 7 —针脚
8 —吸音材料
9一针脚支承基板
IO—充填材料
ll一第一切口部
12—第二切口部
13 —堤部
14一贯通孔
15 —第三切口部
具体实施例方式
第一实施方式.
图1是第一实施方式的超声波转换器的主要部分的剖面图，图2是从 内部壳体的上面侧看到的立体图。该超声波转换器由外部壳体1和内部壳 体2两个部件构成壳体，并将它们接合。外部壳体l例如由铝构成，在其 内底面接合有圆板形状的压电元件3。该压电元件3在其两面具备电极， 一电极相对于外部壳体1电导通。
内部壳体2由比外部壳体1的介质密度高的材料例如锌构成，在与外 部壳体1的内底面(图中顶面)相对的面(超声波振动作用面)形成有椭 圆形的第一切口部11，在离开该第一切口部11的位置形成第二切口部 12a、 12b。
在内部壳体2的中央部具有贯通孔，从贯通孔引出金属制的针脚6、7。 此外，在该贯通孔从外部壳体1的底面侧按顺序分别设有吸音材料8、针
7脚支承基板9、充填材料IO。此外，压电元件3的内部壳体2侧的电极和
针脚6的一端之间用导线4连接。此外，另一针脚7的一端和内部壳体2 之间用导线5连接。针脚6及针脚7的另一端分别穿过内部壳体2的贯通 孔向内部壳体2的外部引出。
如图2所示，在内部壳体2的超声波振动作用面(图中上面)，以第 一切口部11的长轴为对称轴线对称地配置有第二切口部12a、 12b。因此， 与第一切口部一起限制外部壳体l的质量的分布均匀化，抑制副振动模式 (7 7， 77千一 K、)等不需要振动。对该不需要振动抑制效果进行详述。 考虑到上述不需要振动是如下产生的，即，在与外部壳体l的内底面 相接的内部壳体2的超声波振动作用面，在压电元件3及外部壳体1的有 效振动区域的长轴方向和相对于长轴方向垂直方向即短轴方向没有取得 限制质量的平衡。在此，所谓有效振动领域相当于外部壳体1的底面中接 合有压电元件且内部壳体2的超声波振动作用面的第一切口部相对的部 分。而且，所谓有效振动区域的长轴方向L相当于第一切口部11的长轴 方向，所谓有效振动区域的短轴方向S相当于相对第一切口部11的长轴 方向垂直的方向。
首先，考虑压电元件3使外部壳体1的底面振动位移时，该位移由于 与外部壳体1接触的内部壳体2的超声波振动作用面的质量被限制。艮卩， 在第一切口部的短轴方向S，由于内部壳体2的超声波振动作用面与外部 壳体1的内底面接触的部分大，因此，在外部壳体1的底面作用大的限制 质量，限制作为振动面的底面整体。由此，难以向第一切口部的短轴方向 S传播振动能量。另一方面，在第一切口部的长轴方向L，由于内部壳体 2的超声波振动作用面与外部壳体1的内底面接触的部分小，因此，在外 部壳体1的底面只作用相对于第一切口部的短轴方向S相对较小的限制质 量。因此，向第一切口部的长轴方向L集中振动能量，容易向第一切口部 的长轴方向L传播振动能量。其结果，在第一切口部的长轴方向L和短轴 方向S之间产生振动能量的差，产生各向异性。认为在这样的有效振动区 域的第一切口部的长轴方向L和短轴方向S传播的振动能量的差、及内部 壳体2的超声波振动面限制外部壳体1的底面的限制质量的差，在有效振 动区域的长轴方向L和短轴方向S交替激励歪斜的副振动模式。因此，如图2所示，在内部壳体2的超声波振动作用面以第一切口部
11的长轴为对称轴线对称地配置第二切口部12a、 12b。由此，与第一切 口部一起限制外部壳体1的限制质量的分布在第一切口部的长轴方向L和 短轴方向S之间均匀化，维持各向异性，同时能够抑制副振动模式等不需
要振动。
此外，在该例中，内部壳体2的介质密度比外部壳体1的介质密度高。 通常，与外部壳体1的底面接合的压电元件的振动也传递到外部壳体1的 侧面，发生混响(残響)。如该例那样，通过将具有比外部壳体1的介质 密度高的介质密度的内部壳体2从外部壳体1的内部接合，可以从外部壳 体1的内部抑制外部壳体1的侧面的振动，可以抑制外部壳体1的侧面的 共振振动。
第二实施方式.
图3是表示该第二实施方式的超声波转换器所使用的内部壳体的形状 的图。图3 (A)是从该第二实施方式的超声波转换器所使用的内部壳体 的超声波振动作用面侧看到的立体图，(B)是作为其参考例的超声波转换 器的内部壳体的立体图。
在该第二实施方式中，在内部壳体2的超声波振动作用面设有第一切 口部lla、 llb及第二切口部12a、 12b，但与第一实施方式的情况不同， 以扁平化超声波束为目的的第一切口部夹着中央的贯通孔在180°相对的 位置分离形成。此外，随之，由于第二切口部12a、 12b的存在而在第一 切口部lla、 lib的周围(进而在贯通孔的周围)形成堤部。第二切口部 12a、 12b形成在该堤部的外侧的整个面。
图4是描绘阻抗相对具备图3所示的内部壳体的超声波转换器的频率 的波形的图。分别对三个试样进行描绘。在此的阻抗测定是通过R-X法 (Z=R+jX)进行。在此，阻抗R是传感器的阻抗特性IZI的实数部分，相 当于IZI的反共振点。反共振点存在是由于在该频率附近具有振动模式，因 此，期望在阻抗R不存在基本振动以外的波峰。
图4 (A)是使用图3 (A)所示的内部壳体的图，图4 (B)是使用 图3 (B)所示的内部壳体的图。图4 (A)及图4 (B)均以50Hz附近的 大的波峰表示基本振动模式，但在图4 (B)中，在65Hz附近发现小的波峰，可以看出产生了副振动模式造成的不需要振动模式。另一方面，可以 看出在本发明的图4 (A)中，几乎没有发现上述不需要振动模式。
当在基本频率的附近存在不需要振动模式时，在将超声波转换器用基
本频率驱动时，容易激发不需要振动，使混响特性恶化。如图3 (A)所 示，可以看出通过形成第二切口部12a、 12b可以充分抑制上述不需要振 动。
图5是测定了上述两个超声波转换器的混响特性的结果。图5 (A) 表示该第二实施方式的超声波转换器的特性，(B)表示其比较例的超声波 转换器的特性。图5 (A)的左侧的T1期间为发送波(驱动期间)引起的， 其后的T2期间的振动为反射波引起的。在此，横轴的一单位为O.lms。如 图5 (B)所示，可以看出当驱动区间结束后混响长久持续时，完全不能 检测出反射波。此外，在该实施方式中也没有附加用于防止不需要振动的 现有技术那样的减震材料，因此得到发送接收灵敏度大的特性。
此外，第二切口部不限于第一及第二实施方式记载的形状，可以为切 口状、嵌入状、锥状等。
第三实施方式.
图6是表示第三实施方式的超声波转换器所使用的内部壳体的形状的图。
在该第三实施方式中，在内部壳体2的超声波作用面设有第一切口部 lla、 llb及第二切口部12a、 12b，与第二实施方式的情况不同，第一切口 部的长轴方向的两端到达内部壳体2的超声波振动作用面的端部。此外， 形成在第一切口部lla、 llb和第二切口部12a、 12b之间的堤部13a、 13b 的长度方向的中途具备第三切口部15a、 15b。
图7是表示第三实施方式的超声波转换器和其比较例的超声波转换器 的外部壳体内底面的振动模式的图。图7 (A)是表示具备图6所示的内 部壳体的超声波转换器的外部壳体内底面的振动模式。此外，图7 (C) 是表示具备图3 (A)所示的内部壳体的超声波转换器(第二实施方式的 超声波转换器)的外部壳体内底面的振动模式。此外，图7 (B)、 (D)对 设于堤部13的第三切口部15 (15a、 15b)的作用效果进行表示。
在图7 (A)、 (C)中，椭圆表示的范围表示抵接于内部壳体的超音波振动作用面的大致位置，箭头S、 H、 V分别表示副振动模式的振动方向。 目前，在存在图7 (C)中箭头S所示的方向振动的副振动的情况下，
在堤部13的中央部没有振动的避开部位，因此，在箭头H方向大幅度振 动，进而在箭头V方向的振动也增大。该箭头H、 V方向的振动模式为杂 散模式(《yfV:/y千一K)，其引起各种副振动模式。
一方面，如图7 (A)、 (B)所示，在堤部13具有第三切口部15的情 况下，如图7 (B)所示，由堤部的第三切口部15吸收振动(由于长度方 向的压縮、牵引应力被削弱)，因此，箭头H、 V方向的振动不会那样大， 可以降低副振动。
在图6所示的例中，将第三切口部15a、 15b在堤部13a、 13b各设置 一个，但第三切口部也可以在堤部设有多个。
上述第三切口部15a、 15b是在相对于堤部13a、 13b的长轴向垂直的 方向切开的形状，且优选地设置在堤部的长度方向的中心位置或相对其中 心位置对称的位置。这是因为，利用该形状可以得到将与作为外部壳体的 振动面的内底面相对的内部壳体的超音波振动作用面的中心作为中心的 质量平衡。
图8 (A)是表示第三实施方式的超声波转换器的混响特性的图，图8 (B)是具备图3 (A)所示的内部壳体的超声波转换器的混响特性的图。
图8 (A)、 (B)中，左侧的T1期间为发送波(驱动期间)引起的， 与此连续的Tr期间的振动为混响引起的。图8 (A)、 (B)中，其后的T2 期间的振动为反射波引起的。在此，横轴的一单位为O.lms。可以看出图 8 (A)的混响时间Tr几乎与图8 (B)的混响时间Tr程度相同。由此， 即使在形成第三切口部15a、 15b的情况下，也可以与图8 (B)同程度地 抑制混响。
图9是表示第三实施方式的超声波转换器和作为其比较对象的具有图 3 (A)所示的内部壳体的超声波转换器的音压的指向特性的图。图9 (A) 是垂直方向音压特性，一90度、90度是第一切口部的长轴方向。图9 (B) 是水平方向音压特性，一90度、90度是第一切口部的短轴方向。
此外，在图9中，实线是第三实施方式的超声波转换器的特性，虚线 是具备图3 (A)所示的内部壳体的超声波转换器的特性。这样，根据第三实施方式的超声波转换器，由于第一切口部的长轴方 向的两端到达壳体的端部，因此可以进一步提高指向性。
如上所述，根据第三实施方式的超声波转换器，可以在抑制混响的状 态下使超声波束进一步扁平化。
第四实施方式.
在第一、第二实施方式中，与第一切口部同样地将第二切口部作为空 气介质的空间部进行设置，但在第四实施方式中，在第二切口部和外部壳 体1的内底面之间产生的空间内充填了比外部壳体1及内部壳体2介质密
度低的充填材料。
图IO是第四实施方式的超声波转换器的剖面图。在内部壳体2上形
成有相对第二切口部12a、 12b分别贯通的贯通孔14a、 14b。经由该贯通 孔14a、 14b从内部壳体2的背面侧注入充填材料，并由充填材料充填第 二切口部12a、 12b。由此，可以吸收外部壳体l的内底面的拐角部及外部 壳体的侧面部的不需要振动，进一步改善不需要振动模式的影响。
1权利要求
1、一种超声波转换器，具备有底筒状的外部壳体；设于所述外部壳体的内底面的压电元件；内部壳体，其设于所述外部壳体的内部，在作为与所述外部壳体的内底面相对的面的超声波振动作用面上以质量限制所述外部壳体的由于所述压电元件引起的振动；以及与所述压电原件电导通的端子，所述超声波转换器的特征在于，所述内部壳体在所述超声波振动作用面中与所述压电元件的配置位置相对的部分具有将由所述压电元件及外部壳体的振动产生的超声波束扁平化的第一切口部，且在所述超声波振动作用面中离开所述第一切口部的位置具有第二切口部。
2、 如权利要求1所述的超声波转换器，其中，所述第一切口部沿与 所述外部壳体的内底面相对的面形成在一方向具有长轴的形状，所述第二 切口部以所述长轴为对称轴配置成线对称。
3、 如权利要求1或2所述的超声波转换器，其中，由于所述第二切 口部的存在而在所述第一切口部的周围形成堤部并且通过对该堤部的外 侧的整个面施切而形成所述第二切口部。
4、 如权利要求1 3中任一项所述的超声波转换器，其中，所述内部 壳体的介质密度比所述外部壳体的介质密度高。
5、 如权利要求1 4中任一项所述的超声波转换器，其中，利用比所述内部壳体及所述外部壳体介质密度低的充填材料充填由所述内部壳体 的第二切口部和所述外部壳体的内底面构成的空间。
6、 如权利要求5所述的超声波转换器，其中，在所述第二切口部形 成有贯通孔。
7、 如权利要求3所述的超声波转换器，其中，所述第一切口部的长 轴方向的两端到达所述壳体的端部，在所述堤部的长度方向的中途具备第 三切口部。
全文摘要
本发明提供一种超声波转换器，其构成为，在有底筒状的外部壳体(1)的内底面设有压电元件(3)，在外部壳体(1)的内部设有内部壳体(2)，在与外部壳体(1)的底面相对的内部壳体(2)的面(超声波振动作用面)以质量限制外部壳体(1)由于压电元件引起的振动。在超声波振动作用面上，在与压电元件(3)的配置位置相对的部分形成将由压电元件(3)及外部壳体(1)的振动产生的超声波束扁平化的第一切口部(11)，并且，在离开该第一切口部(11)的位置按照以第一切口部(11)的长轴为对称轴的线对称关系形成第二切口部(12a、12b)。
文档编号H04R17/00GK101543095SQ20078004388
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月22日 优先权日2006年11月27日
发明者古谷未央, 平野裕幸, 浅田隆昭, 西江纯一 申请人:株式会社村田制作所