特許 7552933 超音波トランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 1/32 20060101AFI20240910BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

H04R1/32 330

H04R17/00 330L

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023562236

(86)(22)【出願日】2022-11-18

(86)【国際出願番号】 JP2022042880

(87)【国際公開番号】W WO2023203805

(87)【国際公開日】2023-10-26

【審査請求日】2023-10-10

(31)【優先権主張番号】P 2022068487

(32)【優先日】2022-04-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩誠

【審査官】▲高▼橋 真之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－５５２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２９７２１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ １／３２

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

取付面を有する外装部と、
前記取付面に取り付けられ、前記取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記取付面に直交する第１方向から見て前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記金属板部を貫通しつつ前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向に延在するスリットが形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記スリットの中心は、３５％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【請求項2】

取付面を有する外装部と、
前記取付面に取り付けられ、前記取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記取付面に直交する第１方向から見て前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記金属板部における外装部側の第１面とは反対の第２面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向に延在する第１有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記第１有底溝の中心は、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【請求項3】

取付面を有する外装部と、
前記取付面に取り付けられ、前記取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記取付面に直交する第１方向から見て前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記金属板部における外装部側の第１面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向に延在する第２有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記第２有底溝の中心は、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【請求項4】

前記第１面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第３方向に延在する第２有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記第２有底溝の中心は、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項5】

前記第１有底溝として、前記第１方向から見て中心が２５％以上６０％以下の位置に配置されている第１有底溝および中心が８３％以上の位置に配置されている第１有底溝の各々が前記第２面に形成されている、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項6】

前記拘束部の基本モードの共振周波数は、前記超音波振動子の共振周波数に比較して２０％以上低い周波数であり、
前記拘束部の高次モードの共振周波数は、前記超音波振動子の共振周波数に比較して２０％以上高い周波数である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項7】

前記超音波振動子は、積層された２つの圧電体を含み、前記２つの圧電体の各々は、第１電極および第２電極に挟まれて交流電圧を印加可能に構成されており、
前記第１電極は、接地電位に固定されており、
前記筒体および前記拘束部の各々は、金属で構成されており、
前記第１電極、前記筒体、前記金属板部および前記拘束部は、機械的かつ電気的に互いに接続されて電磁シールドを構成している、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記外装部は、ポリプロピレンを主成分とする樹脂で構成されており、
前記金属板部は、アルミニウム合金で構成されており、
前記メイン振動部および前記サブ振動部の各々を構成する部分の前記外装部の厚みに対する、前記金属板部の厚みの比率は１００％以上１６０％以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項9】

前記外装部は、ポリプロピレン主成分とする樹脂で構成されており、
前記金属板部は、ステンレス鋼で構成されており、
前記メイン振動部および前記サブ振動部の各々を構成する部分の前記外装部の厚みに対する、前記金属板部の厚みの比率は６０％以上１００％以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項10】

前記金属板部、前記筒体および前記拘束部は、一体で形成されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

【背景技術】

【0002】

超音波センサの構成を開示した先行文献として、特開２００７－１４２９６７号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された超音波センサは、車両用バンパまたは樹脂部分の内面側に取り付けられる。超音波センサは、超音波振動子と、筐体とを有する。超音波振動子は、超音波を送受信する。筐体は、超音波振動子を収容する。筐体の底面部の内面に超音波振動子を接触させて固定するとともに、当該底面部の外面が、車両用バンパまたは樹脂部分の内面に当接する。

【0003】

筐体の底面部の一部に、超音波伝達部が形成されている。超音波伝達部は、車両用バンパまたは樹脂部分と、超音波振動子とに接触するように配置されている。超音波伝達部は、筐体の材質とは異なる材質であって、超音波振動子の音響インピーダンスと、車両用バンパまたは樹脂部分の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有する材質からなる。超音波センサは、超音波の送受信を、超音波伝達部および車両用バンパまたは樹脂部分を介して行なう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－１４２９６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

超音波トランスデューサにおいては、指向性の角度範囲を広く確保しつつ小型化することが求められている。

【0006】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、指向性の角度範囲を広く確保しつつ小型化することができる、超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１局面に基づく超音波トランスデューサは、外装部と、金属板部と、筒体と、超音波振動子と、拘束部とを備える。外装部は、取付面を有する。金属板部は、上記取付面に取り付けられ、上記取付面に沿って延在している。筒体は、金属板部に取り付けられている。超音波振動子は、筒体に取り付けられており、金属板部に間隔をあけて対向する。拘束部は、金属板部に取り付けられており、筒体に一定の間隔をあけて筒体を挟んでいる。上記取付面に直交する第１方向から見て外装部および金属板部における筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、超音波振動子とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。上記第１方向から見て、上記第１方向と直交する第２方向において外装部および金属板部における筒体の外側かつ拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、メイン振動部とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。上記第１方向から見て、金属板部のサブ振動部となる位置に、金属板部を貫通しつつ筒体の上記第１方向および上記第２方向の各々に直交する第３方向に延在するスリットが形成されている。上記第１方向から見て、筒体と拘束部との間における上記第２方向の位置範囲において筒体の外縁を０％の位置とするとともに拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、スリットの中心は、３５％以上の位置に配置されている。

【0008】

本発明の第２局面に基づく超音波トランスデューサは、外装部と、金属板部と、筒体と、超音波振動子と、拘束部とを備える。外装部は、取付面を有する。金属板部は、上記取付面に取り付けられ、上記取付面に沿って延在している。筒体は、金属板部に取り付けられている。超音波振動子は、筒体に取り付けられており、金属板部に間隔をあけて対向する。拘束部は、金属板部に取り付けられており、筒体に一定の間隔をあけて筒体を挟んでいる。上記取付面に直交する第１方向から見て外装部および金属板部における筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、超音波振動子とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。上記第１方向から見て、上記第１方向と直交する第２方向において外装部および金属板部における筒体の外側かつ拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、メイン振動部とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。金属板部における外装部側の第１面とは反対の第２面において、上記第１方向から見て金属板部のサブ振動部となる位置に、上記第１方向および上記第２方向の各々に直交する第３方向に延在する第１有底溝が形成されている。上記第１方向から見て、筒体と拘束部との間における上記第２方向の位置範囲において筒体の外縁を０％の位置とするとともに拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、第１有底溝の中心は、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている。

【0009】

本発明の第３局面に基づく超音波トランスデューサは、外装部と、金属板部と、筒体と、超音波振動子と、拘束部とを備える。外装部は、取付面を有する。金属板部は、上記取付面に取り付けられ、上記取付面に沿って延在している。筒体は、金属板部に取り付けられている。超音波振動子は、筒体に取り付けられており、金属板部に間隔をあけて対向する。拘束部は、金属板部に取り付けられており、筒体に一定の間隔をあけて筒体を挟んでいる。上記取付面に直交する第１方向から見て外装部および金属板部における筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、超音波振動子とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。上記第１方向から見て、上記第１方向と直交する第２方向において外装部および金属板部における筒体の外側かつ拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、メイン振動部とは上記第１方向において逆位相で共振振動する。金属板部における外装部側の第１面において、上記第１方向から見て金属板部のサブ振動部となる位置に、上記第１方向および上記第２方向の各々に直交する第３方向に延在する第２有底溝が形成されている。上記第１方向から見て、筒体と拘束部との間における上記第２方向の位置範囲において筒体の外縁を０％の位置とするとともに拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、第２有底溝の中心は、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、超音波トランスデューサにおいて指向性の角度範囲を広く確保しつつ小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図2】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。

【図3】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。

【図4】拘束部が基本モードで共振している状態を第１方向から見た平面図である。

【図5】拘束部が高次モードで共振している状態を第１方向から見た平面図である。

【図6】本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。

【図7】図６の超音波トランスデューサをＶＩＩ－ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。

【図8】メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。

【図9】メイン音源とサブ音源との間の距離を４ｍｍ、６ｍｍおよび８ｍｍの３種類に変化させて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。

【図10】スリットの中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図11】図１０のデータから抽出した、スリットの中心が１９％の位置、６９％の位置または９４％の位置である３つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。

【図12】サブ振動部の共振周波数からメイン振動部の共振周波数を引いた差分と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図13】筒体と拘束部との間隔と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図14】第１変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。

【図15】第１変形例に係る超音波トランスデューサ、および、拘束部が絶縁材料で構成されている点のみ第１変形例に係る超音波トランスデューサとは異なる参考例に係る超音波トランスデューサの、各々における超音波振動子から生ずるノイズの大きさを示すグラフである。

【図16】第２変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。

【図17】第３変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。

【図18】本発明の実施形態１の第４変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図19】本発明の実施形態１の第５変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図20】第１実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。

【図21】第２実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。

【図22】第３実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。

【図23】第４実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。

【図24】超音波振動子の長さに対するスリットの延在長さの比率と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図25】メイン振動部およびサブ振動部の各々を構成する部分の外装部の厚みに対する金属板部の厚みの比率と、超音波振動子の第１方向の単位変位当たりのサブ振動部に作用する応力およびサブ振動部の共振振幅の各々との関係を示すグラフである。

【図26】本発明の実施形態１の第６変形例に係る超音波トランスデューサが備える、金属板部、筒体および拘束部を示す縦断面図である。

【図27】本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図28】第１有底溝の中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図29】図２８のデータから抽出した、第１有底溝の中心が４％の位置、３９％の位置、７５％の位置または８９％の位置である４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。

【図30】本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサにおいて金属板部と拘束部とによって形成された内部空間がダンピング材で埋められた状態を示す断面図である。

【図31】本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図32】第２有底溝の中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。

【図33】第２有底溝の中心が４％の位置、４６％の位置、８２％の位置または９６％の位置である４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。

【図34】第１方向における第２面からの位置と、サブ振動部の共振振動時に金属板部の４６％の位置に生ずる第２方向の応力との関係を示すグラフである。

【図35】本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【図36】金属板部に有底溝が形成されていない超音波トランスデューサ、金属板部に第１有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサ、金属板部に第２有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサ、および、金属板部に第１有底溝および第２有底溝が形成されている超音波トランスデューサの、４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。

【図37】本発明の実施形態４の変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の各実施形態に係る超音波トランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0013】

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサの構成を示す分解斜視図である。図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、外装部１１０と、金属板部１５０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０とを備える。

【0014】

外装部１１０は、たとえば、車両用バンパ、パソコンもしくはスマートホンの筐体、家具、または、家の壁などの外装の一部である。外装部１１０は、内面１１１を有する。外装部１１０は、略平板状の形状を有している。外装部１１０は、ポリプロピレンなどを主成分とする樹脂で構成されている。外装部１１０の内面１１１に、凹部１１２が形成されている。外装部１１０の厚みは、たとえば、３ｍｍであり、凹部１１２が形成されている部分の外装部１１０の厚みは、たとえば、１ｍｍである。なお、凹部１１２は、外装部１１０に必ずしも形成されていなくてもよい。

【0015】

図中においては、外装部１１０の内面１１１に直交する第１方向をＺ軸方向、第１方向に直交する第２方向をＸ軸方向、第１方向および第２方向の各々に直交する第３方向をＹ軸方向として示している。

【0016】

金属板部１５０は、平板状である。金属板部１５０は、外装部１１０の取付面である内面１１１に取り付けられ、外装部１１０の内面１１１に沿って延在している。本実施形態においては、金属板部１５０は、凹部１１２内に取り付けられている。金属板部１５０は、アルミニウムを含むジェラルミンなどのアルミニウム合金、または、ステンレス鋼などの金属で構成されている。金属板部１５０の厚みの寸法は、後述する第２方向(Ｘ軸方向)における筒体１２０と拘束部１４０との間隔の寸法より小さい。金属板部１５０の厚みは、たとえば、１ｍｍである。

【0017】

筒体１２０は、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部１５０の中央部に取り付けられている。本実施形態においては、筒体１２０の第１方向(Ｚ軸方向)の一端が、金属板部１５０に接着されている。筒体１２０は、矩形環状の形状を有している。筒体１２０は、第３方向(Ｙ軸方向)に沿う長手方向を有し、第２方向(Ｘ軸方向)に沿う短手方向を有している。筒体１２０の軸方向は、第１方向(Ｚ軸方向)に沿っている。

【0018】

筒体１２０は、樹脂、ガラスエポキシまたは金属などから形成されている。超音波トランスデューサ１００の温度変化による特性変化を抑制する観点では、筒体１２０は金属で構成されていることが好ましい。一方、超音波トランスデューサ１００が送信または受信する超音波を低周波数化する観点、および、超音波トランスデューサ１００を小型化する観点では、筒体１２０は樹脂で構成されていることが好ましい。本実施形態においては、筒体１２０は、アルミニウムで構成されている。

【0019】

図３は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが備える超音波振動子の構成を示す断面図である。図１に示すように、超音波振動子１３０は、筒体１２０に取り付けられており、金属板部１５０に間隔をあけて対向する。具体的には、超音波振動子１３０は、筒体１２０の第１方向(Ｚ軸方向)の他端に取り付けられており、筒体１２０の内側空間を間に挟んで金属板部１５０と対向している。

【0020】

図１～図３に示すように、超音波振動子１３０は、圧電体１３１を含む圧電素子である。図３に示すように、本実施形態においては、超音波振動子１３０は、積層された２つの圧電体１３１を含む。２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、互いに異なっている。具体的には、２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに向かい合っている。２つの圧電体１３１は、第１電極１３２および第２電極１３３に挟まれており、２つの圧電体１３１の間に中間電極１３４が配置されている。第１電極１３２および第２電極１３３は交流電圧を印加可能な処理回路１０と電気的に接続されている。超音波振動子１３０は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子である。２つの圧電体１３１の厚みの合計は、後述するメイン振動部およびサブ振動部の各々の横波の音速と超音波振動子１３０の横波の音速とを合わせる観点から、たとえば、１．０５ｍｍ以上１．９５ｍｍ以下である。

【0021】

拘束部１４０は、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部２５０の縁部に取り付けられている。拘束部１４０は、筒体１２０に一定の間隔をあけて筒体１２０を挟んでいる。本実施形態においては、拘束部１４０は、環状の形状を有している。具体的には、拘束部１４０は、矩形環状の形状を有している。拘束部１４０は、筒体１２０に間隔をあけつつ筒体１２０を外側から取り囲んでいる。ただし、拘束部１４０は、第２方向(Ｘ軸方向)において筒体１２０に一定の間隔をあけて筒体１２０を挟んでいればよい。拘束部１４０の第１方向(Ｚ軸方向)の一端が、金属板部１５０に接着されている。

【0022】

拘束部１４０は、ステンレス鋼もしくはアルミニウムなどの金属、または、ガラスエポキシなどの剛性の高い材料で構成されている。金属板部１５０を間に挟んで拘束部１４０が取り付けられている部分の外装部１１０が拘束されることによって、後述するサブ振動部の振動をサブ振動部内に閉じ込めて安定させることができる。

【0023】

拘束部１４０の共振周波数が超音波振動子１３０の共振周波数に近い場合、超音波振動子１３０の共振に不要な振動が付加され、超音波トランスデューサ１００の出力特性および入力特性が低下する。図４は、拘束部が基本モードで共振している状態を第１方向から見た平面図である。図５は、拘束部が高次モードで共振している状態を第１方向から見た平面図である。本実施形態においては、図４に示す拘束部１４０の基本モードの共振周波数は、超音波振動子１３０の共振周波数に比較して２０％以上低い周波数である。図５に示す拘束部１４０の高次モードの共振周波数は、超音波振動子１３０の共振周波数に比較して２０％以上高い周波数である。

【0024】

図６は、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサが超音波を送信または受信しているときの、有限要素法を用いてシミュレーション解析した変位状態を示す斜視図である。図７は、図６の超音波トランスデューサをＶＩＩ－ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。シミュレーション解析条件として、凹部１１２が形成されている部分の外装部１１０の厚みを１ｍｍ、金属板部１５０の厚みを１ｍｍ、圧電体１３１の厚みを０．６ｍｍ、筒体１２０の外形の長手寸法を１６ｍｍ、短手寸法を６ｍｍ、筒体１２０の第１方向(Ｚ軸方向)の厚みを０．４ｍｍ、筒体１２０の第２方向(Ｘ軸方向)の幅を０．５ｍｍとした。すなわち、筒体１２０の内形の長手寸法を１５ｍｍ、短手寸法を５ｍｍとした。拘束部１４０の第２方向(Ｘ軸方向)の幅を２ｍｍ、拘束部１４０の第１方向(Ｚ軸方向)の厚みを３ｍｍとした。筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を４ｍｍとした。

【0025】

図６および図７に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、外装部１１０および金属板部１５０における筒体１２０の内側に位置する部分であるメイン振動部１１０ｍ、および、第２方向(Ｘ軸方向)において外装部１１０および金属板部１５０における筒体１２０の外側かつ拘束部１４０の内側に位置する部分であるサブ振動部１１０ｓを有する。メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々は、外装部１１０において凹部１１２が形成されて薄くなっている部分と金属板部１５０とで構成されている。

【0026】

図７に示すように、メイン振動部１１０ｍは、超音波振動子１３０とは第１方向(Ｚ軸方向)において逆位相で共振振動する。すなわち、メイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍの変位方向と、超音波振動子１３０の共振振動Ｂｐの変位方向とは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに反対向きである。

【0027】

サブ振動部１１０ｓは、メイン振動部１１０ｍとは第１方向(Ｚ軸方向)において逆位相で共振振動する。すなわち、サブ振動部１１０ｓの共振振動Ｂｓの変位方向と、メイン振動部１１０ｍの共振振動Ｂｍの変位方向とは、第１方向(Ｚ軸方向)において互いに反対向きである。

【0028】

図７に示すように、メイン振動部１１０ｍが超音波振動子１３０とは第１方向(Ｚ軸方向)において逆位相で共振振動することにより、図６に示すように、外装部１１０におけるメイン振動部１１０ｍの周囲への振動漏れを小さくすることができる。これにより、超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保することができる。また、超音波トランスデューサ１００においては、サブ振動部１１０ｓにおいて上記の共振振動Ｂｓを励起させることによって、高音圧の超音波の送信および高感度の超音波の受信の少なくとも一方を実現しつつ超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保することができる。

【0029】

外装部１１０を構成するポリプロピレンなどの樹脂は、低温で硬く、高温で柔らかくなるため、ヤング率が温度によって大きく変化する。そのため、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数が温度によって変化する。

【0030】

本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々が、温度によるヤング率の変化が外装部１１０より少ない金属板部１５０を含むことにより、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。その結果、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることができる。なお、金属板部１５０を構成する材料のヤング率が大きいほど、金属板部１５０の厚みを薄くすることができる。たとえば、ポリプロピレンを主成分とする樹脂で構成されている、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚み１ｍｍに対して、アルミニウム合金で構成されている金属板部１５０の厚みは１ｍｍまで、ステンレス鋼で構成されている金属板部１５０の厚みは０．６ｍｍまで薄くすることが可能である。

【0031】

また、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する外装部１１０の厚みを薄くすることにより、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数の温度による変化を低減することができる。これによっても、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることができる。たとえば、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みは、金属板部１５０の厚みの２倍以下である。

【0032】

ここで、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した場合のメイン音源とサブ音源との間の距離と指向性との関係について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0033】

図８は、メイン音源の両側に、メイン音源とは逆位相で振動するサブ音源を配置した状態を示す模式図である。図８に示すように、メイン音源ＭＳの両側に、メイン音源ＭＳとは逆位相で振動するサブ音源ＳＳを配置した簡素化したモデルを用いて、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの間の距離Ｄをパラメータとして有限要素法を用いてシミュレーション解析した。メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの音圧比率は、９：１とした。メイン音源ＭＳおよびサブ音源ＳＳの各々の共振周波数は、５４ｋＨｚとした。

【0034】

図９は、メイン音源とサブ音源との間の距離を４ｍｍ、６ｍｍおよび８ｍｍの３種類に変化させて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図９においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン音源の中心からの放射角度(°)を示している。また、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの間の距離Ｄが４ｍｍのときの指向性を実線、距離Ｄが６ｍｍのときの指向性を点線、距離Ｄが８ｍｍのときの指向性を１点鎖線で示している。なお、上記の３つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。

【0035】

図９に示すように、音圧レベルが－３ｄＢまで低下する放射角度の絶対値は、距離Ｄが４ｍｍのときは５４°、距離Ｄが６ｍｍのときは４７°、距離Ｄが８ｍｍのときは３８°であった。このように、メイン音源ＭＳとサブ音源ＳＳとの間の距離Ｄが短いほど、超音波トランスデューサの指向性の角度範囲が広くなる傾向が認められた。

【0036】

以下、本発明の一形態に係る超音波トランスデューサ１００が備える金属板部１５０について詳細に説明する。

【0037】

図１に示すように、本発明の一形態に係る超音波トランスデューサ１００においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部１５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、金属板部１５０を貫通しつつ第３方向(Ｙ軸方向)に延在するスリット１５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、スリット１５１の中心１５１ｃは、３５％以上の位置に配置されている。

【0038】

上記のように、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々が金属板部１５０を含むことにより超音波トランスデューサの温度特性を安定させることができる。超音波トランスデューサの温度特性をより安定させるためには、金属板部１５０が厚いことが好ましいが、金属板部１５０が厚くなるにしたがって、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数が高くなり、超音波トランスデューサの指向性の角度範囲が狭くなる。仮に、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の振動領域の面積を大きくした場合、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々の共振周波数を下げることはできるが、超音波トランスデューサが大型化する。そこで、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１００においては、金属板部１５０の所望の位置にスリット１５１を形成することにより、超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ１００を小型化している。

【0039】

ここで、金属板部１５０に形成されたスリット１５１の中心１５１ｃの位置と、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0040】

図１０は、スリットの中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図１０においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、スリットの中心の位置を示している。また、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサにおける、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率を、点線で示している。

【0041】

シミュレーション解析条件のパラメータとして、図６および図７に示す共振モードの超音波トランスデューサにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、スリット１５１の中心１５１ｃを変位させた。図１に示すように、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置とした。

【0042】

また、金属板部１５０の厚みを１ｍｍ、サブ振動部１１０ｓの振動領域の第２方向(Ｘ軸方向)の長さ、すなわち筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を４ｍｍ、スリット１５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅を０．５ｍｍとした。スリット１５１の中心１５１ｃの位置は、スリット１５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅の中央の位置である。

【0043】

図１０に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、スリット１５１の中心１５１ｃが３４％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度または当該比率以下であったが、スリット１５１の中心１５１ｃが３５％以上の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度である比率を超えて急激に増加し、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置、すなわち、拘束部１４０の内縁の近傍の位置に到達するまで増加した。

【0044】

スリット１５１の中心１５１ｃが７８％以上の位置に配置されているとき、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率を２５％以上確保することができていた。

【0045】

スリット１５１の中心１５１ｃが拘束部１４０の内縁に近いほどサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる理由は、サブ振動部１１０ｓは拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)をノード点として共振振動するため、拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)においてサブ振動部１１０ｓに生ずるせん断応力が最も大きくなり、スリット１５１が拘束部１４０の内縁の近くに位置するほど、上記せん断応力によるサブ振動部１１０ｓの変位が大きくなるからである。スリット１５１の中心１５１ｃが筒体１２０の外縁の近傍に位置するときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が小さくなる理由は、超音波振動子１３０の振動がスリット１５１によって緩和されてサブ振動部１１０ｓに伝わりにくくなるためである。

【0046】

図１１は、図１０のデータから抽出した、スリットの中心が１９％の位置、６９％の位置または９４％の位置である３つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図１１においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン振動部の中心からの放射角度(°)を示している。また、スリット１５１の中心１５１ｃが１９％の位置であるときの指向性を実線、スリット１５１の中心１５１ｃが６９％の位置であるときの指向性を点線、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置であるときの指向性を１点鎖線で示している。なお、上記の３つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。

【0047】

図１１に示すように、スリット１５１の中心１５１ｃが拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)に近づくほど、指向性の角度範囲が広くなっていた。すなわち、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が大きくなるにしたがって、指向性の角度範囲が広くなっていた。

【0048】

次に、サブ振動部１１０ｓの共振周波数からメイン振動部１１０ｍの共振周波数を引いた差分と、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0049】

図１２は、サブ振動部の共振周波数からメイン振動部の共振周波数を引いた差分と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図１２においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、サブ振動部の共振周波数からメイン振動部の共振周波数を引いた差分(ｋＨｚ)を示している。また、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置にある本実施形態に係る超音波トランスデューサのデータを実線、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサのデータを点線で示している。

【0050】

図１１に示すように、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置にある本実施形態に係る超音波トランスデューサは、サブ振動部１１０ｓの共振周波数からメイン振動部１１０ｍの共振周波数を引いた差分が１０ｋＨｚ以上大きくなっても、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサよりもサブ振動部１１０ｓの共振振幅を大きく確保することができていた。

【0051】

サブ振動部１１０ｓの共振周波数は、筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔によって変化する。図１３は、筒体と拘束部との間隔と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図１３においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、筒体と拘束部との間隔(ｍｍ)を示している。また、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置にある本実施形態に係る超音波トランスデューサのデータを実線、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサのデータを点線で示している。

【0052】

図１３に示すように、スリット１５１の中心１５１ｃが９４％の位置にある本実施形態に係る超音波トランスデューサは、筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔が狭くなっても、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサよりもサブ振動部１１０ｓの共振振幅を大きく確保することができていた。たとえば、指向性の角度範囲を広く確保するために、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率を４０％にするには、筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を、本実施形態に係る超音波トランスデューサでは４ｍｍにすることができるが、比較例に係る超音波トランスデューサでは８ｍｍ以上にしなければならない。

【0053】

よって、スリット１５１を拘束部１４０の内縁の近くに配置することにより、超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ１００を小型化することができる。

【0054】

また、筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を狭くすることにより、メイン振動部１１０ｍとサブ振動部１１０ｓとの間の距離が短くなるため、これによっても超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保することができる。

【0055】

本実施形態においては、超音波振動子１３０は、いわゆる、シリーズ型のバイモルフ型圧電振動子であったが、超音波振動子１３０は、他の型の圧電振動子であってもよい。以下、本発明の実施形態１の変形例に係る超音波トランスデューサの超音波振動子について説明する。

【0056】

図１４は、第１変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図１４に示すように、第１変形例に係る超音波振動子１３０ａは、積層された２つの圧電体１３１を含む圧電素子である。２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、互いに等しい。超音波振動子１３０ａは、いわゆる、パラレル型のバイモルフ型圧電振動子である。

【0057】

第１変形例に係る超音波トランスデューサにおいては、２つの圧電体１３１の各々は、第１電極１３２および第２電極１３３に挟まれて交流電圧を印加可能に構成されている。第１電極１３２は、接地電位に固定されている。筒体１２０および拘束部１４０の各々は、金属で構成されており、第１電極１３２、筒体１２０、金属板部１５０および拘束部１４０は、機械的かつ電気的に互いに接続されて電磁シールドを構成している。

【0058】

図１５は、第１変形例に係る超音波トランスデューサ、および、拘束部が絶縁材料で構成されている点のみ第１変形例に係る超音波トランスデューサとは異なる参考例に係る超音波トランスデューサの、各々における超音波振動子から生ずるノイズの大きさを示すグラフである。図１５に示すように、参考例に係る超音波トランスデューサのノイズの大きさが１９０ｍＶであったのに対して、第１変形例に係る超音波トランスデューサのノイズの大きさは１６５ｍＶであり、上記の電磁シールドを構成することによりノイズが低減できることが確認できた。

【0059】

図１６は、第２変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図１６に示すように、第２変形例に係る超音波振動子１３０ｂは、積層された４つの圧電体１３１を含む圧電素子である。４つの圧電体１３１のうち外側に位置する２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)の一方を向いており、４つの圧電体１３１のうち内側に位置する２つの圧電体１３１の分極方向Ｄｐは、第１方向(Ｚ軸方向)の他方を向いている。超音波振動子１３０ｂは、いわゆる、マルチモルフ型圧電振動子である。

【0060】

図１７は、第３変形例に係る超音波振動子の構成を示す断面図である。図１７に示すように、第３変形例に係る超音波振動子１３０ｃは、１つの圧電体１３１を含む圧電素子である。具体的には、圧電体１３１は、第１電極１３２および金属からなる振動板１３５に挟まれている。超音波振動子１３０ｃは、いわゆる、ユニモルフ型圧電振動子である。

【0061】

図１８は、本発明の実施形態１の第４変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図１８に示すように、本発明の実施形態１の第４変形例に係る超音波トランスデューサ１００ａは、外装部１１０と、筒体１２０ａと、超音波振動子と、拘束部１４０と、金属板部１５０とを備える。筒体１２０ａは、有底筒状の形状を有している。筒体１２０ａは、金属で構成されている。筒体１２０ａの外側の底面に圧電体１３１が貼り付けられており、ユニモルフ型圧電振動子である超音波振動子が構成されている。

【0062】

図１９は、本発明の実施形態１の第５変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図１９に示すように、本発明の実施形態１の第５変形例に係る超音波トランスデューサ１００ｂは、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部１５０ｂとを備える。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部１５０ｂのスリット１５１の一部は、拘束部１４０と重なっている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部１５０ｂのスリット１５１の幅の半分以上の一部が、拘束部１４０と重なっていてもよい。

【0063】

ここで、スリット１５１の延在長さと、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。図２０は、第１実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。図２１は、第２実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。図２２は、第３実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。図２３は、第４実施例に係る金属板部および拘束部を示す斜視図である。

【0064】

図２４は、超音波振動子の長さに対するスリットの延在長さの比率と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図２４においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、超音波振動子の長さに対するスリットの延在長さの比率(％)を示している。

【0065】

シミュレーション解析条件として、筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を４．５ｍｍ、スリット１５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅を１ｍｍとし、スリット１５１の中心１５１ｃを８９％の位置に配置した。

【0066】

図２０に示すように、第１実施例に係る金属板部１５０ｃにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部に長さが４ｍｍのスリット１５１が形成されている。図２１に示すように、第２実施例に係る金属板部１５０ｄにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが８ｍｍのスリット１５１が形成されている。図２２に示すように、第３実施例に係る金属板部１５０ｅにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが１２ｍｍのスリット1５１が形成されている。図２３に示すように、第４実施例に係る金属板部１５０ｆにおいては、第３方向(Ｙ軸方向)における中央部から両端部に向かって長さが１６ｍｍのスリット1５１が形成されている。

【0067】

図２４に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、超音波振動子１３０の長さに対するスリット１５１の延在長さの比率が１５％以上８５％以下の範囲内で大きくなるにしたがって増加した。この解析結果から、超音波振動子１３０の長さに対するスリット１５１の延在長さの比率を調整することにより、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率を所望の値に変更できることが確認できた。

【0068】

ここで、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率と、超音波振動子１３０の単位変位当たりのサブ振動部１１０ｓに作用する第１方向(Ｚ軸方向)の応力およびサブ振動部１１０ｓの共振振幅の各々との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0069】

図２５は、メイン振動部およびサブ振動部の各々を構成する部分の外装部の厚みに対する金属板部の厚みの比率と、超音波振動子の単位変位当たりのサブ振動部に作用する第１方向の応力およびサブ振動部の共振振幅の各々との関係を示すグラフである。図２５においては、左側の縦軸に、サブ振動部の共振振幅(μｍ)、右側の縦軸に、超音波振動子の単位変位当たりのサブ振動部に作用する第１方向の応力(ＭＰａ／μｍ)、横軸に、メイン振動部およびサブ振動部の各々を構成する部分の外装部の厚みに対する金属板部の厚みの比率(％)を示している。また、サブ振動部の共振振幅を実線で示し、超音波振動子の単位変位当たりのサブ振動部に作用する第１方向の応力を点線で示している。

【0070】

シミュレーション解析条件として、ポリプロピレンを主成分とする樹脂で外装部１１０を構成し、アルミニウム合金で金属板部１５０を構成し、超音波振動子１３０を駆動する電圧の振幅を１Ｖとした。メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みを１ｍｍとした。

【0071】

図２５に示すように、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率が大きくなるにしたがって、超音波振動子１３０の単位変位当たりのサブ振動部１１０ｓに作用する第１方向(Ｚ軸方向)の応力は大きくなった。メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率が１６０％を超えると、超音波振動子１３０の単位変位当たりのサブ振動部１１０ｓに作用する第１方向(Ｚ軸方向)の応力が大きくなっているにも関わらず、サブ振動部１１０ｓ共振振幅は小さくなっていた。

【0072】

ポリプロピレンを主成分とする樹脂で外装部１１０を構成し、アルミニウム合金で金属板部１５０を構成している場合、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率が１００％以上のとき、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることができる。上記のようにサブ振動部１１０ｓの共振振幅を大きくするとともに、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることも考慮すると、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率は、１００％以上１６０％以下であることが好ましい。

【0073】

超音波振動子１３０の質量に対する、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の質量の比率が大きくなるにしたがって、サブ振動部１１０ｓの変位は小さくなる。ステンレス鋼の密度は、アルミニウム合金の密度の約３倍である。そのため、金属板部１５０がステンレス鋼で構成されている場合、超音波振動子１３０の単位変位当たりのサブ振動部１１０ｓの変位が小さくなる。また、ステンレス鋼は、機械的Ｑ値が高いため、金属板部１５０がステンレス鋼で構成されている場合、サブ振動部１１０ｓの変位の帯域が狭くなるので、超音波振動子１３０の駆動周波数とサブ振動部１１０ｓの共振周波数とのずれに対して超音波トランスデューサ１００の特性変動が大きくなる。よって、超音波トランスデューサ１００の特性変動が大きくなることを抑制する観点から、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率は、１００％以下であることが好ましい。

【0074】

ポリプロピレンを主成分とする樹脂で外装部１１０を構成し、ステンレス鋼で金属板部１５０を構成している場合、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率が６０％以上のとき、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることができる。上記のように超音波トランスデューサ１００の特性変動が大きくなることを抑制するとともに、超音波トランスデューサ１００の温度特性を安定させることも考慮すると、メイン振動部１１０ｍおよびサブ振動部１１０ｓの各々を構成する部分の外装部１１０の厚みに対する金属板部１５０の厚みの比率は、６０％以上１００％以下であることが好ましい。

【0075】

図２６は、本発明の実施形態１の第６変形例に係る超音波トランスデューサが備える、金属板部、筒体および拘束部を示す縦断面図である。図２６に示すように、本発明の実施形態１の第６変形例に係る超音波トランスデューサが備える、金属板部１５０、筒体１２０および拘束部１４０は、鍛造などにより一体で形成されている。具体的には、拘束部１４０および金属板部１５０が、有底筒状の金属部材で構成されており、筒体１２０が当該金属部材の底部から突出している。本変形例においては、筒体１２０と金属板部１５０との界面からの振動漏れを抑制しつつ、金属板部１５０、筒体１２０および拘束部１４０からなるシールド構造によるシールド性を高めることができる。

【0076】

本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部１５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、金属板部１５０を貫通しつつ第３方向(Ｙ軸方向)に延在するスリット１５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、スリット１５１の中心１５１ｃは、３５％以上の位置に配置されている。これにより、超音波トランスデューサ１００の指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ１００を小型化することができる。

【0077】

本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサ１００においては、拘束部１４０は、環状の形状を有している。これにより、指向性の角度範囲を広げた第２方向(Ｘ軸方向)に直交する第３方向(Ｙ軸方向)に振動漏れが発生することを抑制することができる。

【0078】

本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、超音波振動子１３０は、圧電体を含む圧電素子である。これにより、超音波トランスデューサ１００を簡易な構成にすることができる。

【0079】

本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサにおいては、サブ振動部１１０ｓの共振振幅は、メイン振動部１１０ｍの共振振幅より小さい。これにより、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルが低くなりすぎることを抑制できる。

【0080】

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサは、金属板部に貫通スリットの代わりに有底溝が形成されている点が本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。

【0081】

図２７は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図２７に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部２５０とを備える。

【0082】

金属板部２５０における外装部１１０側の第１面１Ｓとは反対の第２面２Ｓにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て金属板部２５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第１有底溝２５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第１有底溝２５１の中心２５１ｃは、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている。本実施形態においては、第１有底溝２５１の深さの寸法は、金属板部２５０の厚みの寸法の半分である。

【0083】

ここで、金属板部２５０に形成された第１有底溝２５１の中心２５１ｃの位置と、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0084】

図２８は、第１有底溝の中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図２８においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、第１有底溝の中心の位置を示している。また、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサにおける、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率を、点線で示している。

【0085】

シミュレーション解析条件のパラメータとして、図６および図７に示す共振モードの超音波トランスデューサにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、第１有底溝２５１の中心２５１ｃを変位させた。図２７に示すように、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置とした。

【0086】

また、金属板部２５０の厚みを１ｍｍ、サブ振動部１１０ｓの振動領域の第２方向(Ｘ軸方向)の長さ、すなわち筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を７ｍｍ、第１有底溝２５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅を０．５ｍｍとした。第１有底溝２５１の中心２５１ｃの位置は、第１有底溝２５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅の中央の位置である。

【0087】

図２８に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが２４％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度または当該比率以下であったが、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが２５％以上６０％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度である比率を超えていた。メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが６１％以上８２％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度であったが、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが８３％以上の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度である比率を超えて急激に増加し、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが９６％の位置、すなわち、拘束部１４０の内縁の近傍の位置に到達するまで増加した。

【0088】

第１有底溝２５１の中心２５１ｃが３２％以上４６％の位置または８９％以上の位置に配置されているとき、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率を２５％以上確保することができていた。

【0089】

第１有底溝２５１の中心２５１ｃが拘束部１４０の内縁の近傍に位置するときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる理由は、サブ振動部１１０ｓは拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)をノード点として共振振動するため、拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)においてサブ振動部１１０ｓに生ずるせん断応力が最も大きくなり、第１有底溝２５１が拘束部１４０の内縁の近くに位置するほど、上記せん断応力によるサブ振動部１１０ｓの変位が大きくなるからである。第１有底溝２５１の中心２５１ｃが２５％以上６０％以下の位置に配置されているときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる理由は、金属板部２５０の第２面２Ｓの２５％以上６０％以下の位置においてサブ振動部１１０ｓに共振振動時に生ずる引張応力が最も大きくなり、金属板部２５０の第２面２Ｓの２５％以上６０％以下の位置に第１有底溝２５１が形成されていることによってサブ振動部１１０ｓの第２方向(Ｘ軸方向)の剛性が小さくなってサブ振動部１１０ｓの変位が大きくなるからである。

【0090】

第１有底溝２５１の中心２５１ｃが筒体１２０の外縁の近傍に位置するときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が小さくなる理由は、超音波振動子１３０の振動が第１有底溝２５１によって緩和されてサブ振動部１１０ｓに伝わりにくくなるためである。第１有底溝２５１の中心２５１ｃが６１％以上８２％以下の位置に配置されているときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が小さくなる理由は、金属板部２５０の第２面２Ｓの６１％以上８２％以下の位置においてサブ振動部１１０ｓに共振振動時に生ずる引張応力が比較的小さいため、６１％以上８２％以下の位置に第１有底溝２５１が形成されていることによるサブ振動部１１０ｓの変位を大きくする効果が少なくなるためである。

【0091】

図２９は、図２８のデータから抽出した、第１有底溝の中心が４％の位置、３９％の位置、７５％の位置または８９％の位置である４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図２９においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン振動部の中心からの放射角度(°)を示している。また、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが４％の位置であるときの指向性を実線、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが３９％の位置であるときの指向性を点線、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが７５％の位置であるときの指向性を１点鎖線、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが８９％の位置であるときの指向性を２点鎖線で示している。なお、上記の４つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。

【0092】

図２９に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が比較的大きかった、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが３９％または８９％の位置にあるときは、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が比較的小さかった、第１有底溝２５１の中心２５１ｃが４％または７５％の位置にあるときに比べて、指向性の角度範囲が広くなっていた。すなわち、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が大きくなるにしたがって、指向性の角度範囲が広くなっていた。

【0093】

本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部２５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第１有底溝２５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第１有底溝２５１の中心２５１ｃは、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている。これにより、超音波トランスデューサ２００の指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ２００を小型化することができる。

【0094】

図３０は、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサにおいて金属板部と拘束部とによって形成された内部空間がダンピング材で埋められた状態を示す断面図である。図３０に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサ２００においては、金属板部２５０と拘束部１４０とによって形成された内部空間が、シリコーンなどのダンピング材２６０によって埋められた場合でも、第１有底溝２５１が金属板部２５０を貫通していないため、ダンピング材２６０が金属板部２５０の第１面１Ｓに漏れ出ることがない。そのため、金属板部２５０に、筒体１２０、超音波振動子１３０および拘束部１４０を取り付けてダンピング材２６０で封止したユニットを、外装部１１０の内面１１１に取り付ける場合に、金属板部２５０と外装部１１０の内面１１１との間にダンピング材２６０が入り込むことにより生ずる上記ユニットの外装部１１０への取り付け不良を防止することができる。

【0095】

なお、ダンピング材２６０のヤング率は、たとえば、０．１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下である。外装部側とは反対側への不要な超音波の放射を抑制する観点では、ダンピング材２６０のヤング率は０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下であることが好ましく、残響を抑制する観点では、ダンピング材２６０のヤング率は１０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることが好ましい。

【0096】

(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサは、金属板部の第１面に有底溝が形成されている点が本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態２に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。

【0097】

図３１は、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図３１に示すように、本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ３００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部３５０とを備える。

【0098】

金属板部３５０における外装部１１０側の第１面１Ｓにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て金属板部３５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第２有底溝３５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第２有底溝３５１の中心３５１ｃは、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている。本実施形態においては、第２有底溝３５１の深さの寸法は、金属板部３５０の厚みの寸法の半分である。

【0099】

ここで、金属板部３５０に形成された第２有底溝３５１の中心３５１ｃの位置と、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率との関係について、有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。

【0100】

図３２は、第２有底溝の中心の位置と、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率との関係を示すグラフである。図３２においては、縦軸に、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率(％)、横軸に、第２有底溝の中心の位置を示している。また、金属板部にスリットが形成されていない比較例に係る超音波トランスデューサにおける、メイン振動部の共振振幅に対するサブ振動部の共振振幅の比率を、点線で示している。

【0101】

シミュレーション解析条件のパラメータとして、図６および図７に示す共振モードの超音波トランスデューサにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、第２有底溝３５１の中心３５１ｃを変位させた。図３１に示すように、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において、筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置とした。

【0102】

また、金属板部３５０の厚みを１ｍｍ、サブ振動部１１０ｓの振動領域の第２方向(Ｘ軸方向)の長さ、すなわち筒体１２０と拘束部１４０との第２方向(Ｘ軸方向)における間隔を７ｍｍ、第２有底溝３５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅を０．５ｍｍとした。第２有底溝３５１の中心３５１ｃの位置は、第２有底溝３５１の第２方向(Ｘ軸方向)における幅の中央の位置である。

【0103】

図３２に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが１５％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度または当該比率以下であったが、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが１６％以上７６％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度である比率を超えていた。メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率は、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが７７％以上９３％以下の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度であったが、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが９４％以上の位置に配置されているとき、金属板部にスリットが形成されていない比較例における当該比率と同程度である比率を超えていた。

【0104】

第２有底溝３５１の中心３５１ｃが２１％以上６８％以下の位置に配置されているとき、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率を２５％以上確保することができていた。

【0105】

第２有底溝３５１の中心３５１ｃが拘束部１４０の内縁の近傍に位置するときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる理由は、サブ振動部１１０ｓは拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)をノード点として共振振動するため、拘束部１４０の内縁の位置(１００％の位置)においてサブ振動部１１０ｓに生ずるせん断応力が最も大きくなり、第２有底溝３５１が拘束部１４０の内縁の近くに位置するほど、上記せん断応力によるサブ振動部１１０ｓの変位が大きくなるからである。ただし、第２有底溝３５１は金属板部３５０の第１面１Ｓに形成されているため、実施形態２に係る金属板部２５０の第２面２Ｓに形成されている第１有底溝２５１に比較して、上記せん断応力によるサブ振動部１１０ｓの変位を大きくする効果が少なくなっている。

【0106】

第２有底溝３５１の中心３５１ｃが１６％以上７６％以下の位置に配置されているときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる理由は、金属板部３５０の第１面１Ｓの１６％以上７６％以下の位置においてサブ振動部１１０ｓに共振振動時に生ずる引張応力が最も大きくなり、１６％以上７６％以下の位置に第２有底溝３５１が形成されていることによってサブ振動部１１０ｓの第２方向(Ｘ軸方向)の剛性が小さくなってサブ振動部１１０ｓの変位が大きくなるからである。

【0107】

第２有底溝３５１の中心３５１ｃが筒体１２０の外縁の近傍に位置するときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が小さくなる理由は、超音波振動子１３０の振動が第２有底溝３５１によって緩和されてサブ振動部１１０ｓに伝わりにくくなるためである。第２有底溝３５１の中心３５１ｃが７７％以上９３％以下の位置に配置されているときにサブ振動部１１０ｓの共振振幅が小さくなる理由は、金属板部３５０の第１面１Ｓの７７％以上９３％以下の位置においてサブ振動部１１０ｓに共振振動時に生ずる引張応力が比較的小さいため、７７％以上９３％以下の位置に第２有底溝３５１が形成されていることによるサブ振動部１１０ｓの変位を大きくする効果が少なくなるためである。

【0108】

図３３は、第２有底溝の中心が４％の位置、４６％の位置、８２％の位置または９６％の位置である４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図２８においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン振動部の中心からの放射角度(°)を示している。また、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが４％の位置であるときの指向性を実線、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが４６％の位置であるときの指向性を点線、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが８２％の位置であるときの指向性を１点鎖線、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが９６％の位置であるときの指向性を２点鎖線で示している。なお、上記の４つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。

【0109】

図３３に示すように、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が比較的大きかった、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが４６％または９６％の位置にあるときは、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が比較的小さかった、第２有底溝３５１の中心３５１ｃが４％または８２％の位置にあるときに比べて、指向性の角度範囲が広くなっていた。すなわち、メイン振動部１１０ｍの共振振幅に対するサブ振動部１１０ｓの共振振幅の比率が大きくなるにしたがって、指向性の角度範囲が広くなっていた。

【0110】

本発明の実施形態３に係る超音波トランスデューサ３００においては、第１方向(Ｚ軸方向)から見て、金属板部３５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第２有底溝３５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第２有底溝３５１の中心３５１ｃは、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている。これにより、超音波トランスデューサ３００の指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ３００を小型化することができる。

【0111】

ここで、サブ振動部１１０ｓの共振振動時に金属板部の４６％の位置に生ずる第２方向(Ｘ軸方向)の応力の第１方向(Ｚ軸方向)における分布について有限要素法を用いてシミュレーション解析した結果について説明する。シミュレーション解析条件として、凹部１１２が形成されている部分の外装部１１０の厚みを１ｍｍ、金属板部の厚みを１ｍｍ、外装部１１０の材質をポリプロピレン、金属板部の材質をアルミニウム合金とした。

【0112】

図３４は、第１方向における第２面からの位置と、サブ振動部の共振振動時に金属板部の４６％の位置に生ずる第２方向の応力との関係を示すグラフである。図３４においては、縦軸に、サブ振動部の共振振動時に金属板部の４６％の位置に生ずる第２方向の応力(ｋＰａ)、横軸に、第１方向における第２面からの位置(ｍｍ)を示している。

【0113】

第１方向(Ｚ軸方向)における第２面２Ｓからの位置が０ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲における第２方向(Ｘ軸方向)の応力Ｌａは、金属板部に生じた応力である。第１方向(Ｚ軸方向)における第２面２Ｓからの位置が１ｍｍ超２ｍｍ以下の範囲における第２方向(Ｘ軸方向)の応力Ｌｂは、外装部１１０に生じた応力である。上記の応力Ｌｂは、略０であり、サブ振動部１１０ｓの共振振動時に生ずる応力のほとんどが金属板部で生じていた。

【0114】

図７に示すように、サブ振動部１１０ｓの共振振動は、ベンディングモードであるため、サブ振動部１１０ｓの上側と下側とで応力の極性が反対になる。図３４に示すように、上記の応力Ｌａは、金属板部の厚みの略中央である、第１方向(Ｚ軸方向)における第２面２Ｓから０．５５ｍｍの位置を境にして、極性が反対になっていた。極性が正である応力Ｌａは、引張応力であり、極性が負である応力Ｌａは、圧縮応力である。すなわち、第１方向(Ｚ軸方向)における第２面２Ｓからの位置が０ｍｍ以上０．５５ｍｍ以下の範囲の金属板部に引張応力が生じ、第１方向(Ｚ軸方向)における第２面２Ｓからの位置が０．５５ｍｍ超１ｍｍ以下の範囲の金属板部に圧縮応力が生じていた。

【0115】

この金属板部内の第１方向(Ｚ軸方向)における応力分布にしたがって、金属板部に形成される有底溝の深さによってサブ振動部１１０ｓの共振振幅が変動するが、引張応力が生ずる領域と圧縮応力が生ずる領域とのいずれに有底溝が主に位置しているかによってサブ振動部１１０ｓの共振振幅の変動傾向が決まる。

【0116】

たとえば、実施形態２に係る第１有底溝２５１の深さが０．３ｍｍである場合、第１有底溝２５１は引張応力が生ずる領域にのみ形成されているため、当該引張応力による曲げ変位の増加によってサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる。実施形態２に係る第１有底溝２５１の深さが０．７ｍｍである場合、第１有底溝２５１は引張応力が生ずる領域および圧縮応力が生ずる領域の両方に形成されているが、引張応力が生ずる領域に形成されている部分が第１有底溝２５１の大部分を占めるため、当該引張応力による曲げ変位の増加によってサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる。

【0117】

たとえば、実施形態３に係る第２有底溝３５１の深さが０．３ｍｍである場合、第２有底溝３５１は圧縮応力が生ずる領域にのみ形成されているため、当該圧縮応力による曲げ変位の増加によってサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる。実施形態３に係る第２有底溝３５１の深さが０．７ｍｍである場合、第２有底溝３５１は圧縮応力が生ずる領域および引張応力が生ずる領域の両方に形成されているが、圧縮応力が生ずる領域に形成されている部分が第２有底溝３５１の大部分を占めるため、当該圧縮応力による曲げ変位の増加によってサブ振動部１１０ｓの共振振幅が大きくなる。

【0118】

このように、第１有底溝２５１の深さの寸法は、金属板部２５０の厚みの寸法の半分に限定されず、金属板部２５０の厚みの寸法の３０％以上７０％以下であってもよい。同様に、第２有底溝３５１の深さの寸法は、金属板部３５０の厚みの寸法の半分に限定されず、金属板部３５０の厚みの寸法の３０％以上７０％以下であってもよい。

【0119】

第１有底溝２５１および第２有底溝３５１の各々の第２方向(Ｘ軸方向)の幅の寸法が大きくなるにしたがって、サブ振動部１１０ｓの共振振幅を大きくする効果は上がるが、超音波トランスデューサの温度特性を安定させる効果は下がる。超音波トランスデューサの温度特性を安定させつつサブ振動部１１０ｓの共振振幅を大きくすることができる、第１有底溝２５１または第２有底溝３５１を金属板部に容易に形成するためには、有底溝の幅と深さとが同程度、または、有底溝の幅と金属板部の厚みとが同程度であることが好ましい。

【0120】

(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサは、金属板部に第１有底溝および第２有底溝の両方が形成されている点が本発明の実施形態２または実施形態３に係る超音波トランスデューサと異なるため、本発明の実施形態２または実施形態３に係る超音波トランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。

【0121】

図３５は、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図３５に示すように、本発明の実施形態４に係る超音波トランスデューサ４００は、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部４５０とを備える。

【0122】

金属板部４５０の第２面２Ｓにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て金属板部４５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第１有底溝２５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第１有底溝２５１の中心２５１ｃは、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている。本実施形態においては、第１有底溝２５１の深さの寸法は、金属板部４５０の厚みの寸法の半分である。

【0123】

金属板部４５０の第１面１Ｓにおいて、第１方向(Ｚ軸方向)から見て金属板部４５０のサブ振動部１１０ｓとなる位置に、第３方向(Ｙ軸方向)に延在する第２有底溝３５１が形成されている。第１方向(Ｚ軸方向)から見て、筒体１２０と拘束部１４０との間における第２方向(Ｘ軸方向)の位置範囲において筒体１２０の外縁を０％の位置とするとともに拘束部１４０の内縁を１００％の位置としたとき、第２有底溝３５１の中心３５１ｃは、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている。本実施形態においては、第２有底溝３５１の深さの寸法は、金属板部４５０の厚みの寸法の半分である。

【0124】

図３６は、金属板部に有底溝が形成されていない超音波トランスデューサ、金属板部に第１有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサ、金属板部に第２有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサ、および、金属板部に第１有底溝および第２有底溝が形成されている超音波トランスデューサの、４つのケースについて、有限要素法を用いてシミュレーション解析した指向性を示すグラフである。図３６においては、縦軸に、音圧レベル(ｄＢ)、円周軸に、メイン振動部の中心からの放射角度(°)を示している。また、金属板部に有底溝が形成されていない超音波トランスデューサの指向性を実線、金属板部に第１有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサの指向性を点線、金属板部に第２有底溝のみが形成されている超音波トランスデューサの指向性を１点鎖線、金属板部に第１有底溝および第２有底溝が形成されている超音波トランスデューサの指向性を２点鎖線で示している。なお、上記の４つのケースの各々において、放射角度θ＝０°の正面方向における音圧レベルを０ｄＢとして、放射角度θと音圧レベルとの推移を示している。

【0125】

図３６に示すように、金属板部４５０に第１有底溝２５１および第２有底溝３５１が形成されている本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００の指向性の角度範囲が他の３つの超音波トランスデューサよりも広くなっていた。

【0126】

本実施形態に係る超音波トランスデューサ４００においても、指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ４００を小型化することができる。

【0127】

図３７は、本発明の実施形態４の変形例に係る超音波トランスデューサの構成を示す縦断面図である。図３７に示すように、本発明の実施形態４の変形例に係る超音波トランスデューサ４００ａは、外装部１１０と、筒体１２０と、超音波振動子１３０と、拘束部１４０と、金属板部４５０ａとを備える。

【0128】

金属板部４５０ａには、第１有底溝として、第１方向(Ｚ軸方向)から見て中心２５１ｃが２５％以上６０％以下の位置に配置されている第１有底溝２５１および中心２５１ｃが８３％以上の位置に配置されている第１有底溝２５１の各々が、第２面２Ｓに形成されている。

【0129】

金属板部４５０ａの第１面１Ｓには、第１方向(Ｚ軸方向)から見て中心３５１ｃが１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている第２有底溝３５１が形成されている。なお、金属板部４５０ａに、第２有底溝として、第１方向(Ｚ軸方向)から見て中心３５１ｃが１６％以上７６％以下の位置に配置されている第２有底溝３５１および中心３５１ｃが９４％以上の位置に配置されている第２有底溝３５１の各々が、第１面１Ｓに形成されていてもよい。

【0130】

本変形例に係る超音波トランスデューサ４００ａにおいても、指向性の角度範囲を広く確保しつつ超音波トランスデューサ４００ａを小型化することができる。

【0131】

(付記)
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0132】

＜１＞
内面取付面を有する外装部と、
前記内面取付面に取り付けられ、前記内面取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記内面取付面に直交する第１方向から見て、前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記金属板部を貫通しつつ前記筒体の外縁に並行前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向に延在するスリットが形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記スリットの中心は、３５％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【0133】

＜２＞
内面取付面を有する外装部と、
前記内面取付面に取り付けられ、前記内面取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記内面取付面に直交する第１方向から見て、前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記金属板部における外装部側の第１面とは反対の第２面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向前記筒体の外縁に並行に延在する第１有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記第１有底溝の中心は、２５％以上６０％以下の位置または８３％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【0134】

＜３＞
内面取付面を有する外装部と、
前記内面取付面に取り付けられ、前記内面取付面に沿って延在している金属板部と、
前記金属板部に取り付けられた筒体と、
前記筒体に取り付けられており、前記金属板部に間隔をあけて対向する超音波振動子と、
前記金属板部に取り付けられており、前記筒体に一定の間隔をあけて前記筒体を挟んでいる拘束部とを備え、
前記内面取付面に直交する第１方向から見て、前記外装部および前記金属板部における前記筒体の内側に位置する部分であるメイン振動部は、前記超音波振動子とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記第１方向から見て、前記第１方向と直交する第２方向において前記外装部および前記金属板部における前記筒体の外側かつ前記拘束部の内側に位置する部分であるサブ振動部は、前記メイン振動部とは前記第１方向において逆位相で共振振動し、
前記金属板部における外装部側の第１面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第１方向および前記第２方向の各々に直交する第３方向前記筒体の外縁に並行に延在する第２有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記筒体と前記拘束部との間における前記第２方向の位置範囲において前記筒体の外縁を０％の位置とするとともに前記拘束部の内縁を１００％の位置としたとき、前記第２有底溝の中心は、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている、超音波トランスデューサ。

【0135】

＜４＞
前記第１面において、前記第１方向から見て前記金属板部の前記サブ振動部となる位置に、前記第３方向前記筒体の外縁に並行に延在する第２有底溝が形成されており、
前記第１方向から見て、前記第２有底溝の中心は、１６％以上７６％以下の位置または９４％以上の位置に配置されている、＜２＞に記載の超音波トランスデューサ。

【0136】

＜５＞
前記第１有底溝として、前記第１方向から見て中心が２５％以上６０％以下の位置に配置されている第１有底溝および中心が８３％以上の位置に配置されている第１有底溝の各々が前記第２面に形成されている、＜４＞に記載の超音波トランスデューサ。

【0137】

＜６＞
前記拘束部の基本モードの共振周波数は、前記超音波振動子の共振周波数に比較して２０％以上低い周波数であり、
前記拘束部の高次モードの共振周波数は、前記超音波振動子の共振周波数に比較して２０％以上高い周波数である、＜１＞から＜５＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。

【0138】

＜７＞
前記超音波振動子は、積層された２つの圧電体を含み、
前記２つの圧電体の各々は、第１電極および第２電極に挟まれて交流電圧を印加可能に構成されており、
前記第１電極は、接地電位に固定されており、
前記筒体および前記拘束部の各々は、金属で構成されており、
前記第１電極、前記筒体、前記金属板部および前記拘束部は、機械的かつ電気的に互いに接続されて電磁シールドを構成している、＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。

【0139】

＜８＞
前記外装部は、ポリプロピレンを主成分とする樹脂で構成されており、
前記金属板部は、アルミニウム合金で構成されており、
前記メイン振動部および前記サブ振動部の各々を構成する部分の前記外装部の厚みに対する、前記金属板部の厚みの比率は１００％以上１６０％以下である、＜１＞から＜７＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。

【0140】

＜９＞
前記外装部は、ポリプロピレン主成分とする樹脂で構成されており、
前記金属板部は、ステンレス鋼で構成されており、
前記メイン振動部および前記サブ振動部の各々を構成する部分の前記外装部の厚みに対する、前記金属板部の厚みの比率は６０％以上１００％以下である、＜１＞から＜７＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。

【0141】

＜１０＞
前記金属板部、前記筒体および前記拘束部は、一体で形成されている、＜１＞から＜９＞のいずれか１つに記載の超音波トランスデューサ。

【0142】

上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

【0143】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0144】

１Ｓ 第１面、２Ｓ 第２面、１０ 処理回路、１００，１００ａ，１００ｂ，２００，３００，４００，４００ａ 超音波トランスデューサ、１１０ 外装部、１１０ｍ メイン振動部、１１０ｓ サブ振動部、１１１ 内面、１１２ 凹部、１２０，１２０ａ 筒体、１３０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ 超音波振動子、１３１ 圧電体、１３２ 第１電極、１３３ 第２電極、１３４ 中間電極、１３５ 振動板、１４０ 拘束部、１５０，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ，１５０ｆ，２５０，３５０，４５０，４５０ａ 金属板部、１５１ スリット、２５１ 第１有底溝、２６０ ダンピング材、３５１ 第２有底溝、ＭＳ メイン音源、ＳＳ サブ音源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】