(57)【要約】【課題】残響時間を抑制可能なケース材を選定する。【解決手段】各々が異なる加工条件で作製されたアルミニウム合金からなる複数のケース材を準備する。ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を測定する。ケース材を用いて超音波トランスデューサを作製し、各々の特性を測定する。アルミニウム合金の粒径と超音波トランスデューサの特性とを比較する。比較結果に基づいて、超音波トランスデューサのケースを製造するために用いるケース材を選定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状のケースと前記ケースの内底面に設けられた圧電素子とを備えた超音波トランスデューサの前記ケースを製造するために前記ケースの材料として選定されるケース材の選定方法であって、
各々が異なる加工条件で作製されたアルミニウム合金からなる複数のケース材を準備する第１工程と、
複数の前記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を測定する第２工程と、
複数の前記ケース材を用いて複数の超音波トランスデューサを作製し、複数の前記超音波トランスデューサの各々の特性を測定する第３工程と、
前記第２工程で測定結果として得られた複数の前記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径と前記第３工程で測定結果として得られた複数の前記超音波トランスデューサの各々の特性とを比較する第４工程と、
前記第４工程の比較結果に基づいて、超音波トランスデューサのケースを製造するために用いるケース材を選定する第５工程と、を含む、
ケース材の選定方法。
【請求項２】
前記第２工程では、画像解析によりアルミニウム合金の粒径を測定する、
請求項１に記載のケース材の選定方法。
【請求項３】
前記第４工程での比較は、前記第２工程で測定結果として得られた複数の前記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を累積分布により評価することによって行われる、
請求項１または２に記載のケース材の選定方法。
【請求項４】
アルミニウム合金からなる有底筒状のケースと、
前記ケースの内底面に設けられた圧電素子と、を備え、
前記ケースは、前記ケースの所定領域内に含まれるアルミニウム合金の粒子群のうちの任意の複数の粒子について、各々の粒子が有する粒径の最大値を小径側から累積分布として描いたとき、累積５０％となる粒径Ｄ５０が１５０μｍ以下となり、且つ累積９０％となる粒径Ｄ９０が２６０μｍ以下となる条件を満足している、
超音波トランスデューサ。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載のケース材の選定方法によって選定されたケース材を備える、
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およびケース材の選定方法に関し、特に、有底筒状のケースとそのケースの内底面に設けられた圧電素子とを備えた超音波トランスデューサ、およびそのような超音波トランスデューサのケースを製造するためにその材料として選定されるケース材の選定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第４０４８８８６号公報（特許文献１）は、超音波センサに関する発明を開示している。超音波センサは、超音波トランスデューサの一例である。一般的な超音波トランスデューサは、有底筒状のケースと、このケースの内底面に設けられた圧電素子とを備えている。圧電素子が駆動されると、圧電素子は広がり振動を行う。これにより、ケース底面がベンディング振動し、ケース底面は大きな変位を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０４８８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波センサは、残響時間が重要な特性の一つである。超音波センサがたとえば自動車のパーキングアシストシステム等に用いられる場合、残響時間が長いと、障害物に反射して戻ってきた電気信号が残響の電気信号の中に隠れてしまい、近くに存在している障害物を適切に検知することが難しくなる。残響時間が短ければ短いほど、超音波センサはより近くの障害物まで高い精度で検知することが可能となる。
【０００５】
超音波センサは、ベンディングによって超音波を発生させる。ケースの金属材料（ケース材）としては、より超音波で高音圧かつ高感度を達成できるという点に鑑みて、軽くて反発係数が高いものを選定することが好ましい。このようなケース材の中でも、耐候信頼性という点に鑑みると、アルミニウムがよく用いられている。
【０００６】
高音圧および高感度を得るために振動の振幅を大きくするような構成を採用することと、残響時間を短くするために振動を早く収束させるような構成を採用することとは、一般的には背反の関係にある。たとえば、より短い残響時間を実現するためには、ケースの形状を工夫したり、ダンピング材を塗布したり、発泡性の樹脂を利用したりするといった手法が用いられているが、これらの手法は高音圧および高感度の特性と背反することが多い。
【０００７】
また、ケースの形状は、周波数および指向性などを決める重要な要因であるため、設計上の制約が多い。ダンピングを強くする手法は、高音圧かつ高感度の実現を難しくしてしまう。発泡性の樹脂は、泡の管理が難しく、特性にバラツキが出やすい。
【０００８】
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであって、従来に比して残響時間を抑制することを実現可能な超音波トランスデューサ、およびそのような超音波トランスデューサのケースを製造するためにケースの材料として選定されるケース材の選定方法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】
【０００９】
本発明に基づくケース材の選定方法は、有底筒状のケースと上記ケースの内底面に設けられた圧電素子とを備えた超音波トランスデューサの上記ケースを製造するために上記ケースの材料として選定されるケース材の選定方法であって、各々が異なる加工条件で作製されたアルミニウム合金からなる複数のケース材を準備する第１工程と、複数の上記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を測定する第２工程と、複数の上記ケース材を用いて複数の超音波トランスデューサを作製し、複数の上記超音波トランスデューサの各々の特性を測定する第３工程と、上記第２工程で測定結果として得られた複数の上記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径と上記第３工程で測定結果として得られた複数の上記超音波トランスデューサの各々の特性とを比較する第４工程と、上記第４工程の比較結果に基づいて、超音波トランスデューサのケースを製造するために用いるケース材を選定する第５工程と、を含む。
【００１０】
好ましくは、上記第２工程では、画像解析によりアルミニウム合金の粒径を測定する。
好ましくは、上記第４工程での比較は、上記第２工程で測定結果として得られた複数の上記ケース材の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を累積分布により評価することによって行われる。
【００１１】
本発明に基づく超音波トランスデューサは、アルミニウム合金からなる有底筒状のケースと、上記ケースの内底面に設けられた圧電素子と、を備え、上記ケースは、上記ケースの所定領域内に含まれるアルミニウム合金の粒子群のうちの任意の複数の粒子について、各々の粒子が有する粒径の最大値を小径側から累積分布として描いたとき、累積５０％となる粒径Ｄ５０が１５０μｍ以下となり、且つ累積９０％となる粒径Ｄ９０が２６０μｍ以下となる条件を満足している。
【００１２】
本発明の他の局面に基づく超音波トランスデューサは、本発明に基づく上記のケース材の選定方法によって選定されたケース材を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来に比して残響時間を抑制することを実現可能な超音波トランスデューサ、およびそのような超音波トランスデューサのケースを製造するためにケースの材料として選定されるケース材の選定方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態における超音波センサを示す断面図である。
【図２】実施の形態におけるケース材の選定方法に関して、ケース材が選定されるに当たってその候補として準備された６種類のケース材の材質、加工条件、および粒径を示す図である。
【図３】ケース材１に対応する観察視野ＲＲ（所定領域）をそれぞれ示す図である。
【図４】ケース材２に対応する観察視野ＲＲ（所定領域）をそれぞれ示す図である。
【図５】ケース材３に対応する観察視野ＲＲ（所定領域）をそれぞれ示す図である。
【図６】ケース材４に対応する観察視野ＲＲ（所定領域）をそれぞれ示す図である。
【図７】ケース材１〜６の各々を用いて作製した６つの超音波トランスデューサの特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に基づいた実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。実施の形態の説明において、個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。実施の形態の説明において、同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００１６】
［実施の形態］
図１を参照して、実施の形態における超音波トランスデューサ１００について説明する。図１は、超音波トランスデューサ１００を示す断面図である。超音波トランスデューサ１００は、ケース１０、圧電素子２０、吸音材３０、基板４０、外部接続端子５１，５２、内部配線５３，５４、および充填剤６０を備える。
【００１７】
ケース１０は、円板状の底板と、底板の周縁に沿って設けられている円筒状の側壁とを備える。ケース１０は、下端１１側が閉塞し、上端１２側が開口する有底筒状の形状を有する。底板の内側の表面は、内底面１３とする。ケース１０は、高い弾性を有し且つ軽量なアルミニウム合金からなる。ケース１０は、このようなアルミニウム合金からなるケース材を、切削加工をすることによって作製される。
【００１８】
圧電素子２０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子２０は、ケース１０の内底面１３上に配置され、接着剤などを用いて内底面１３に固定されている。圧電素子２０は、平板状の形状を有し、両平板面に駆動電極対が設けられている。吸音材３０はフェルトなどからなり、一方の主面が圧電素子２０に接触し、他方の主面が充填剤６０に接触している。この構成に限られず、吸音材３０は、圧電素子２０に接触せず、圧電素子２０に離間対向するように設けられていてもよい。
【００１９】
基板４０は、ケース１０の中に配置され、充填剤６０によって封止されている。充填剤６０は、ケース１０の筒内部における吸音材３０よりも上端１２の側の空間内に充填される。外部接続端子５１，５２は、図１中の下方の端部が基板４０に電気的に接続され、図１中の上方の端部がケース１０の筒内部から引き出されている。内部配線５３は、外部接続端子５１と圧電素子２０とを導通させる。内部配線５４は、外部接続端子５２と圧電素子２０とを導通させる。
【００２０】
圧電素子２０は、駆動電圧を印加されることにより、径方向に広がって振動する。超音波トランスデューサ１００を送波器として利用する際には、外部接続端子５１，５２を通して圧電素子２０に駆動信号が印加される。圧電素子２０は広がり振動し、ケース１０の底面にベンディング振動が励起することにより、超音波トランスデューサ１００は超音波を送波する。一方で、超音波トランスデューサ１００を受波器として利用する際には、ケース１０の底面が超音波を受波して振動することで、圧電素子２０が広がり振動して外部接続端子５１，５２に受波信号が生じる。これらの駆動信号および重波信号の関係により、超音波トランスデューサ１００は超音波センサとして機能することもできる。
【００２１】
（選定方法）
超音波トランスデューサ１００のケース１０を製造するために、ケース１０の材料として、最適なケース材が選定される。以下、ケース材の選定方法の一例について説明する。図２は、最適なケース材が選定されるに当たって、まずはその候補として準備された６種類のケース材（ケース材１〜６）の材質、加工条件、および粒径を示す図である。
【００２２】
図２に示すように、ケース材１〜６の材質は、いずれもアルミニウム合金Ａ５０５２（Ａの後の数値はＪＩＳによる種類を示す）である。ケース材１〜６を製造するときに各々のアルミニウム合金に加える熱処理の時間は、それぞれ、４時間、８時間、１６時間、３２時間、１６時間、１６時間である。ケース材１〜６のそれぞれから、切削加工により同一の形状および同一の大きさを有する６種類のケース１０を作製する。これらの６つのケース１０は、各々が異なる加工条件で作製されたアルミニウム合金からなるものであり、それぞれ異なる粒径を有している。
【００２３】
次に、６つのケース１０の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を測定する。当該測定は、たとえば次のように行われる。まず、６つのケース１０の表面にエッチング処理をそれぞれ施して観察しやすいものとした後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてケース１０の表面を観察する。この時、ケース１０の表面のうち、任意の所定領域を観察視野ＲＲ（図３〜図６参照）とし、観察視野ＲＲ内に２本の対角線Ｌ１，Ｌ２を描く。
【００２４】
図３〜図６は、例示として、図２中のケース材１〜４に対応するケース１０の観察視野ＲＲをそれぞれ示している。図３〜図６には、ケース材１〜４に対応するケース１０の粒子群Ｍ１〜Ｍ４がそれぞれ描かれている。ケース材１に対応するケース１０の粒子群Ｍ１について、対角線Ｌ１，Ｌ２に交差した（差しかかった）粒子の中から任意に１００個を選び出す。
【００２５】
より具体的には、ケース材１に対応するケース１０の粒子群Ｍ１（図３）について、対角線Ｌ１，Ｌ２に交差する粒子群の中から１００個の粒子を任意に選び出す。ケース材２に対応するケース１０の粒子群Ｍ２（図４）についても、対角線Ｌ１，Ｌ２に交差する粒子群の中から１００個の粒子を任意に選び出す。これをケース材３〜６に対応するケース１０について同様に行なう。
【００２６】
１００個の粒子のそれぞれについて、各々の粒子が有する粒径の最大値を最小測定単位（たとえば５μｍ）で測定する。走査型電子顕微鏡を用いた場合には、２次元画像（写真）が得られる。この２次元画像中において描かれている１つの粒子に着目し、その粒子の外縁を形成している外形線上の任意の点と、その粒子の外縁を形成している外形線上の他の任意の点とを結ぶ直線のうち、最も長いものを粒径の最大値とする。これを、１００個の粒子のそれぞれについて同様に行なう。アルミニウム合金の粒径の最大値は、走査型電子顕微鏡を用いたこのような画像解析により、容易に測定することができる。
【００２７】
上記の測定により得られた１００個の粒子の各々が有する粒径の最大値を、小径側（値の小さいもの）から累積分布として順に描く。これを、ケース材１〜６に対応するケース１０のそれぞれについて行なう。図２には、ケース材１〜６に対応するケース１０のそれぞれについて、累積１０％となる粒径Ｄ１０の値と、累積５０％となる粒径Ｄ５０の値と、累積９０％となる粒径Ｄ９０の値とを示している。ケース材５およびケース材６については、基本的な材質はＡ５０５２で共通しているものの、詳細な組成値（図示せず）が異なっているために、粒径Ｄ１０の値と粒径Ｄ９０の値とにおいて互いに異なっている。
【００２８】
図７を参照して、次に、ケース材１〜６の各々を用いて６つの超音波トランスデューサを作製する。ケース材１からなる超音波トランスデューサを作製した後は、その超音波トランスデューサについて、残響時間、音圧、感度、共振周波数、および指向性（半値全角）などの各特性を測定する。これらをケース材２〜６についても同様に行なう。図７には、これらの測定結果を示している。
【００２９】
図７に示すように、ケース材１〜６の各々を用いて作製した６つの超音波トランスデューサは、音圧、感度、共振周波数および指向性（半値全角）においては、略同一の特性を有している。一方で、残響時間については、ケース材１〜３，５を用いたものに比べて、ケース材４，６を用いたものの方が長くなっている。図２（測定結果として得られたケース材１〜６の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径）と図７（測定結果として得られた６つの超音波トランスデューサの各々の特性）とを比較すると、次のような比較結果が得られる。
【００３０】
ケース材１〜４を比較すると、ケース材４については、累積５０％となる粒径Ｄ５０の値が１５０μｍを超えており、ケース材１〜６の中で最も大きいことがわかる。すなわち、アルミニウム合金の粒径は、ケース製造時の熱処理時間によって変化することが読み取れる。また、ケース材３及びケース材５，６を比較すると、ケース材６については、累積９０％となる粒径Ｄ９０の値が２６０μｍを超えており、ケース材１〜６の中で最も大きいことがわかる。さらに、ケース材６については、粒径のばらつきも他のケース材に比べて大きいことが読み取れる。ケース材１〜３，５は、いずれも、累積５０％となる粒径Ｄ５０が１５０μｍ以下となり、且つ累積９０％となる粒径Ｄ９０が２６０μｍ以下となる条件を満足している。
【００３１】
したがって、図２と図７との比較結果より、ケース材１〜３，５を用いることにより、残響時間を１．２ｍｓ以下とすることが可能となることがわかる。換言すると、累積５０％となる粒径Ｄ５０が１５０μｍ以下となり、且つ累積９０％となる粒径Ｄ９０が２６０μｍ以下となる条件を満足するケース材を選定し、そのようなケース材からなるケース１０を用いることによって、超音波トランスデューサ１００の残響時間を１．２ｍｓ以下とすることが可能であることがわかる。
【００３２】
ケース材１〜６は、いずれも異なる粒径を有しているが、音圧、感度、共振周波数および指向性（半値全角）においては略同一の特性を有している。粒径の相違は、これらの特性にはほとんど影響しないものと考えられる。一方で、残響時間を短くすることを考えた場合には、アルミニウムケースの振動を短い時間で小さくしなければならない。振動を早く小さくするためには、振動のエネルギーを早く消費することが必要であり、このためには、振動による運動エネルギーを何らかの形で消費することで振動を早く収束させることができる。
【００３３】
このような結果となったのは、アルミニウムの粒径を小さくすることにより、粒界（グレインとグレインとの接触面積）が大きくなり、粒界で発生する摩擦熱が大きくなるためであると考えられる。すなわち、粒径を小さくして粒界を大きくすることで、短時間の間に運動エネルギーを熱エネルギーに効率的に変換することができるので、振動が早く収束し、残響時間を短くすることが可能となると考えられる。粒径を小さくするのみならず、粒径のばらつきも小さい方が好ましい。
【００３４】
アルミニウム合金自体は熱伝導率の大きな材料であり、変換された熱はすばやく拡散して消滅する。したがって、ケース１０の底面で発生した運動エネルギーを短時間で熱エネルギーに変換することが、残響時間の短縮に大きな影響を及ぼすと考えられる。本実施の形態では、運動エネルギーを短時間で熱エネルギーに変換するための一つの要素であるアルミニウム合金の粒径に着目し、残響時間と粒径とを比較して、より小さな粒径を有するケース材を選定する。
【００３５】
したがって、粒径と残響時間とに着目する選定方法により選定されたケース材からなるケース１０を備える超音波トランスデューサ１００は、従来に比して残響時間を確実に抑制することを実現できることとなる。
【００３６】
本実施の形態のケース材の選定方法では、ケース材１〜６の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を累積分布（１０％，５０％，９０％）により評価することによって行われるが、他の手法によって、ケース材１〜６の各々に含まれるアルミニウム合金の粒径を評価し、より残響時間の小さくなるものを選定してもよい。ケース材１〜６の６つに限られず、他の複数のケース材を準備して選定を行なってもよい。
【００３７】
本実施の形態では、アルミニウム合金の粒径を走査型電子顕微鏡を用いた画像解析により測定しているが、アルミニウム合金の粒径は、画像解析法に限られず、インターセプト法などにより測定してもよい。インターセプト法とは、画像中に任意の直線を数本引き、その直線に交差する粒子の数（インターセプト数）を測定して粒子の平均粒子径を求める方法である。
【００３８】
粒径の測定は、上述の方法に限るものではなく、たとえばふるい径、マーチン径、定方向径等の幾何学的径や、体積相当径、円相当径、球相当径等の相当径（何らかの物理量と等価な球の直径に置き換えたもの）によって測定するものであってもよい。粒径の大きさの評価方法は、上述の方法に限るものではなく、たとえば個数平均、長さ平均、面積平均等の種々の平均粒子径の定義式によって算出されていてもよい。平均粒子径については、ＪＩＳ  Ｚ  ８９０１：２００６「試験用粉体及び試験用粒子」で定義されている「粒子の直径の算術平均値」を採用してもよいし、算術平均、中央値および代表径といった統計手法により評価してもよい。
【００３９】
本実施の形態では、Ａ５０５２を含むＡ５０００系のアルミニウム合金を選定対象のケース材として用いている。Ａ５０００系のアルミニウム合金は、純度が９９％以上であるＡ１０００系のアルミニウムに比べて強度が強く、外的要因を受けたとしても変形することは少ない。なお、Ａ５０００系のアルミニウム合金に限られず、本実施の形態は、ケース材の選定対象として他の種類のアルミニウム合金を用いる場合にも上記同様に適用できるものである。
【００４０】
上述の超音波トランスデューサ１００では、圧電素子２０はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるものであるが、これに限るものではない。たとえば、圧電素子２０はニオブ酸カリウムナトリウム系およびアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などからなっていてもよい。上述の超音波トランスデューサ１００では、外部接続端子５１，５２はピン端子形状を有しているが、これに限るものではない。たとえば、各々のピン端子がリード線であっても構わない。
【００４１】
以上、本発明に基づいた実施の形態について説明したが、今回開示された実施の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。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許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。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
この発明に基づく超音波トランスデューサは、たとえば、自動車のバックソナー、自動車のコーナーソナー、および、縦列駐車における側壁等の障害物と自動車とのスペースの有無を検知するパーキングスポットセンサ等に用いられることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ケース、１１  下端、１２  上端、１３  内底面、２０  圧電素子、３０  吸音材、４０  基板、５１，５２  外部接続端子、５３，５４  内部配線、６０  充填剤、１００  超音波トランスデューサ、Ｌ１，Ｌ２  対角線、Ｍ１〜Ｍ４  粒子群、ＲＲ  観察視野。
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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