JP2018128256A - Ultrasonic sensor - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic sensor having an exchangeable piezoelectric vibrator and designed to be mounted on the surface of the reverse side of an automobile bumper.SOLUTION: An ultrasonic sensor 10 comprises: a piezoelectric vibrator unit including a piezoelectric vibrator 11 removably fixed to the surface of a tabular substrate (bumper) 16 in an adhered state via or without a buffer layer 13; a rigid ring form 19 arranged contactlessly around the piezoelectric vibrator of the piezoelectric vibrator unit and provided with a junction plane to the surface of the tabular substrate; a cylindrical wall 12 provided with a removable lid 15 at the top where the piezoelectric vibrator unit and the rigid ring form are contactlessly housed together, and provided with a junction plane to the tabular substrate at the bottom; and an elastic member 17 inserted between the top face of the piezoelectric vibrator unit and the underside of the lid.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波センサに関する。本発明は特に、自動車のバンパのような平板状の基体の表面に装着して、その超音波センサの装着面とは反対側の空間内に存在する人間や物体の位置を探知するために有利に用いることのできる超音波センサに関する。本発明はまた、平板状基体及び該平板状基体の表面に装着された超音波センサを含む、超音波センサの装着面とは反対側の表面に接する空間内に存在する人間や物体の位置を探知するために有利に用いることのできる超音波探知装置にも関する。   The present invention relates to an ultrasonic sensor. The present invention is particularly advantageous for detecting the position of a person or an object that is mounted on the surface of a flat substrate such as a bumper of an automobile and exists in a space opposite to the mounting surface of the ultrasonic sensor. The present invention relates to an ultrasonic sensor that can be used for the above. The present invention also provides a position of a human or an object existing in a space in contact with the surface opposite to the mounting surface of the ultrasonic sensor, including the flat substrate and the ultrasonic sensor mounted on the surface of the flat substrate. It also relates to an ultrasonic detection device that can be advantageously used for detection.

自動車の運転中あるいは駐車作業において発生しやすい、自動車と人間または他の自動車あるいは各種設備などの物体との接触を未然に防止するために、自動車のバンパに超音波センサを装着し、その超音波センサから、人間や物体の存在が想定される空間に向けて超音波を送信し、次いで人間や物体から反射された超音波を超音波センサにて受信させることにより、それらの人間や物体の存在や位置を探知するために用いられる超音波探知装置は既に各種開発されており、実際に利用されている。超音波センサとしては、超音波送受信機能を持つ圧電振動子をケーシングに内蔵させた構造のものが一般的に用いられている。   In order to prevent contact between an automobile and an object such as a human being or other automobiles or various facilities, which is likely to occur during driving or parking work, an ultrasonic sensor is attached to the bumper of the automobile and the ultrasonic wave is installed. The presence of humans and objects by transmitting ultrasonic waves from the sensor toward the space where humans and objects are expected, and then receiving the ultrasonic waves reflected from the humans and objects by the ultrasonic sensor Various ultrasonic detectors used for detecting the position of the sensor have already been developed and are actually used. As an ultrasonic sensor, one having a structure in which a piezoelectric vibrator having an ultrasonic transmission / reception function is built in a casing is generally used.

自動車のバンパに超音波センサを装着する方式としては、バンパの前側表面（自動車本体に対向する面とは逆側の表面）に超音波センサを接合固定する方式、バンパに孔を形成して、その孔内に超音波センサを装着する方式、そしてバンパの裏側表面（自動車本体に対向する表面）に超音波センサを接合固定する方式が知られている。この内、超音波センサをバンパの前側表面に接合固定する方式を利用して構成された超音波探知システムは、超音波センサの性能面では特段の問題はないが、バンパの前側表面に超音波センサが突出するため、バンパの外観に美観上の問題が発生する。さらに、バンパ表面から突出している超音波センサが他の自動車などの物体あるいは人間との接触により破損しやすいという実用上の問題もある。また、バンパに孔を形成して、その孔内に超音波センサを装着する方式を利用して構成された超音波探知システムに関しては、バンパに孔を形成すること自体に美観上の抵抗があり、またバンパの機械的強度の低下につながるため、好まれない。   As a method of attaching the ultrasonic sensor to the bumper of the automobile, a method of joining and fixing the ultrasonic sensor to the front surface of the bumper (the surface opposite to the surface facing the automobile body), forming a hole in the bumper, There are known a method in which an ultrasonic sensor is mounted in the hole, and a method in which the ultrasonic sensor is bonded and fixed to the back side surface of the bumper (the surface facing the automobile body). Among these, there is no particular problem with the ultrasonic detection system configured by bonding and fixing the ultrasonic sensor to the front surface of the bumper, but there is no ultrasonic problem on the front surface of the bumper. Since the sensor protrudes, an aesthetic problem occurs in the appearance of the bumper. Furthermore, there is a practical problem that the ultrasonic sensor protruding from the bumper surface is easily damaged by contact with an object such as another automobile or a human being. In addition, regarding an ultrasonic detection system configured using a method in which a hole is formed in a bumper and an ultrasonic sensor is mounted in the hole, the formation of the hole in the bumper itself has aesthetic resistance. Also, it is not preferred because it leads to a decrease in the mechanical strength of the bumper.

一方、超音波センサをバンパの裏側表面に接合固定する方法で構成された超音波探知システムは、通常の位置からの自動車の観察では、超音波センサの存在が目立たず、またバンパの機械的強度の低下という問題も発生しないことから好まれる形態である。しかしながら、超音波センサから発信される超音波がバンパを通過して前方空間に伝播するに際して、バンパの微小の振動をも引き起こすため、超音波センサにて好ましい振動モードと指向性とを示すように調整した上で発信させた超音波の信号特性がバンパの通過により変化して、バンパの前方側の空間に送信される超音波が所望の指向性を示さなくなりやすいという問題がある。   On the other hand, an ultrasonic detection system configured by bonding and fixing an ultrasonic sensor to the backside surface of the bumper does not show the presence of the ultrasonic sensor when the automobile is observed from a normal position, and the mechanical strength of the bumper. This is a preferred form because it does not cause the problem of lowering. However, when the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor passes through the bumper and propagates to the front space, it also causes a minute vibration of the bumper, so that the ultrasonic sensor shows a preferable vibration mode and directivity. There is a problem that the signal characteristics of the ultrasonic wave transmitted after adjustment changes due to the passage of the bumper, and the ultrasonic wave transmitted to the space in front of the bumper does not easily exhibit the desired directivity.

特許文献１には、特に駐車のための補助手段として使用するために適した音響送信または受信装置として、連続的な実質的に平坦な部材と、穴を形成する面を有した構成要素であって、前記面が前記平坦な部材に前記穴の全体の回りに取り付けられ、前記部材の一部分が前記穴を覆うようにする構成要素と、前記部材の前記一部分の動きが電気信号に変換され、またはその逆とされるように、前記一部分に対して取り付けられた音響トランスジューサとを備えることを特徴とする音響送信または受信装置が開示されている。そして、この特許文献１には、上記の構成を持つ音響送信または受信装置は、ある定められたビーム幅を有する音響信号が比較的低損失でバンパなどの部材を通して送信されるようになるとの記載が見られる。   Patent Document 1 discloses a component having a continuous substantially flat member and a surface forming a hole as an acoustic transmission or reception device particularly suitable for use as an auxiliary means for parking. The surface is attached to the flat member around the entire hole, a component that causes a portion of the member to cover the hole, and movement of the portion of the member is converted into an electrical signal; An acoustic transmission or reception device is disclosed, comprising an acoustic transducer attached to the portion so as to be vice versa. And this patent document 1 describes that the acoustic transmission or reception apparatus having the above-described configuration is such that an acoustic signal having a predetermined beam width is transmitted through a member such as a bumper with a relatively low loss. Is seen.

特許文献１に記載された音響送信または受信装置は、前述のように、主として、超音波センサをバンパ（バンパバー）の裏側表面に装着して構成した超音波探知装置を意図したものであり、バンパの裏面に音響トランスジューサの駆動バーが接着され、かつその縁部の周りが超音波溶接されることにより取り付け固定され、その駆動バーの周囲に駆動バーとは非接触の状態で、厚い壁厚をもつ壁体である平坦な部材が配置され、かつバンパに超音波溶接された構成とされている。特許文献１に示された記載では、このような構成により、音響トランスジューサの駆動バーからバンパに伝播された超音波のような音響エネルギーによるバンパの振動が抑制されて、所定のビーム幅を有する音響信号が比較的低損失でバンパなどの部材を通して送信されるようになると説明されている。   As described above, the acoustic transmission or reception device described in Patent Document 1 is mainly intended for an ultrasonic detection device configured by mounting an ultrasonic sensor on the back surface of a bumper (bumper bar). The drive bar of the acoustic transducer is bonded to the back surface of the sensor and is attached and fixed by ultrasonic welding around its edge, and the wall thickness of the drive bar is not contacted with the drive bar. A flat member, which is a wall body, is disposed, and is ultrasonically welded to the bumper. In the description shown in Patent Document 1, such a configuration suppresses the vibration of the bumper due to the acoustic energy such as the ultrasonic wave propagated from the drive bar of the acoustic transducer to the bumper, and has a predetermined beam width. It is described that the signal is transmitted through a member such as a bumper with relatively low loss.

特許文献２には、超音波センサをハウジング内に収容して、車両用バンパや樹脂部分の裏面に取り付けた場合でも、良好な指向性を確保することが可能な超音波センサとして、超音波を送受信する圧電振動子（超音波振動子）と、該圧電振動子を収容するものであって、当該圧電振動子を底面部の内面に接触させて固定するとともに、当該底面部の外面が、前記車両用バンパあるいは樹脂部分の内面に当接する筐体とを有し、該筐体の底面部の一部に、前記車両用バンパあるいは樹脂部分及び前記圧電振動子と接触するように、前記筐体の材質とは異なる材質であって、前記圧電振動子の音響インピーダンスと前記車両用バンパあるい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伝達部を形成し、前記超音波の送受信を、前記超音波伝達部及び前記車両用バンパあるいは樹脂部分を介して行うことを特徴とする超音波センサが記載されている。   Patent Document 2 discloses an ultrasonic sensor as an ultrasonic sensor capable of ensuring good directivity even when an ultrasonic sensor is housed in a housing and attached to the back surface of a vehicle bumper or a resin portion. A piezoelectric vibrator (ultrasonic vibrator) for transmitting and receiving and housing the piezoelectric vibrator, the piezoelectric vibrator being in contact with the inner surface of the bottom surface portion and being fixed, and the outer surface of the bottom surface portion being A housing that contacts the inner surface of the vehicle bumper or the resin portion, and the housing is in contact with the vehicle bumper or the resin portion and the piezoelectric vibrator at a part of a bottom surface portion of the housing. Forming an ultrasonic transmission portion made of a material different from that of the piezoelectric material and having an intermediate acoustic impedance between the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator and the acoustic impedance of the vehicle bumper or resin portion. The transmission and reception of ultrasonic waves, an ultrasonic sensor which is characterized in that through the ultrasonic transmission unit and said vehicle bumper or the resin portion is described.

特表平９−５００４４８号公報Japanese National Patent Publication No. 9-500448 特開２００７−１４２９６７号公報JP 2007-142967 A

上述のように、特に自動車のバンパに装着される超音波センサはバンパの裏側（内側）に装着することが好ましいが、超音波センサはバンパの裏側に装着されたとしても、常に気温や湿度が変動する厳しい外部環境に接触する状態に置かれるため性能劣化が発生しやすい。また、バンパに装着された超音波センサは自動車の運転時にバンパの振動と共に振動する。このため、精密機器である超音波センサはバンパに装着して使用している間に不具合が生じやすいという問題がある。自動車のバンパに装着した超音波センサに不具合が発生した場合には、その超音波センサが装着されているバンパを交換するか、あるいは超音波センサの修理が必要となるが、超音波センサに不具合が発生する度にバンパを交換するのは不経済であり、またバンパに装着された状態にある特許文献１及び特許文献２に開示の超音波センサの修理は容易ではない。   As described above, it is preferable that an ultrasonic sensor mounted on a bumper of an automobile is mounted on the back side (inside) of the bumper. However, even if the ultrasonic sensor is mounted on the back side of the bumper, the temperature and humidity are always constant. Performance degradation is likely to occur because it is placed in contact with the changing and severe external environment. Further, the ultrasonic sensor mounted on the bumper vibrates together with the vibration of the bumper during driving of the automobile. For this reason, there is a problem that an ultrasonic sensor, which is a precision instrument, is liable to cause a problem while being mounted on a bumper. If a malfunction occurs in the ultrasonic sensor mounted on the bumper of the car, the bumper on which the ultrasonic sensor is mounted must be replaced or the ultrasonic sensor needs to be repaired. It is uneconomical to replace the bumper every time the occurrence of the problem, and repair of the ultrasonic sensors disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 mounted on the bumper is not easy.

従って、本発明の発明者は、自動車のバンパなどの平板状基体に接合した超音波センサに不具合が発生した場合あるいは特性の調整が必要となった場合に容易に交換（取替）することができる超音波センサの開発を目的として研究を行った。そして、その研究の結果、超音波センサを、圧電振動子を含むユニット（圧電振動子ユニット）と圧電振動子ユニットを収容する筒状壁体と蓋体を含むユニット（筒状壁体ユニット）のそれぞれに分離した上で、筒状壁体ユニットをバンパなどの平板状基体の表面に接合固定し、圧電振動子ユニットについては、平板状基体の表面に密着状態にて、かつ着脱可能に固定されるように平板状基体表面に配置することにより、平板状基体の表面に接合固定した筒状壁体を取り外すことなく、不具合が生じた、あるいは不具合の発生が危惧されるような状態となった圧電振動子ユニットの取替が容易に実現できる超音波センサを構成することができるとの新たな知見を得た。   Therefore, the inventor of the present invention can easily replace (replace) an ultrasonic sensor bonded to a flat substrate such as a bumper of an automobile when a problem occurs or when adjustment of characteristics is required. Research was conducted for the purpose of developing an ultrasonic sensor that can be used. As a result of the research, an ultrasonic sensor is composed of a unit including a piezoelectric vibrator (piezoelectric vibrator unit), a cylindrical wall body containing the piezoelectric vibrator unit, and a unit including a lid body (cylindrical wall body unit). After the separation, the cylindrical wall unit is bonded and fixed to the surface of a flat substrate such as a bumper. The piezoelectric vibrator unit is fixed to the surface of the flat substrate in a detachable manner. In this way, by arranging the flat substrate surface on the surface of the flat substrate, there is a problem that the defect has occurred or the occurrence of the defect is feared without removing the cylindrical wall bonded and fixed to the surface of the flat substrate. We obtained new knowledge that an ultrasonic sensor that can easily replace the transducer unit can be constructed.

そして、その上で、本発明の発明者は、さらに研究を続けた結果、圧電振動子ユニットの圧電振動子の基部の周囲で、かつ筒状壁体の内側に剛性材料製の環状体を配置し、平板状基体の表面に接合固定することにより、圧電振動子から発生する超音波振動の平板状基体の表面あるいは内部を伝わる伝播の大部分を該環状体の内側領域に閉じ込めることができ、その結果、超音波センサから発生する超音波振動の平板状基体を突き抜けての反対側の空間へ伝播する超音波振動の指向性が顕著に向上することを見出した。   Then, as a result of further research, the inventors of the present invention arranged an annular body made of a rigid material around the base of the piezoelectric vibrator of the piezoelectric vibrator unit and inside the cylindrical wall body. In addition, by bonding and fixing to the surface of the flat substrate, most of the propagation of ultrasonic vibration generated from the piezoelectric vibrator transmitted on the surface or inside of the flat substrate can be confined in the inner region of the annular body, As a result, it was found that the directivity of the ultrasonic vibration generated from the ultrasonic sensor and propagating through the flat substrate to the space on the opposite side is significantly improved.

従って、本発明は、圧電振動子の交換が可能な、下記の部材を含む超音波センサにある。
平板状基体の表面に緩衝層を介して又は介さずして密着状態かつ着脱可能に固定される圧電振動子を含む圧電振動子ユニット、
該圧電振動子ユニットの圧電振動子の周囲に非接触状態で配置され、平板状基体の表面への接合面を備えた剛性環状体、
該圧電振動子ユニットと剛性環状体とを共に非接触状態で収容している、頂部に着脱可能な蓋体を備え、底部に前記平板状基体への接合面を備えた筒状壁体、
そして、
該圧電振動子ユニットの頂面と該蓋体下側面との間に挿入されている弾性体。
なお、本明細書において、「着脱可能」とは、部品の取り外しが、当該部品の物理的な損傷を伴うことなく可能であることを意味する。また、剛性環状体は、その周方向の断面の形状が、高さと、底面の幅方向の長さとの比（前者／後者）が３未満（特に好ましくは２未満あるいは１．５未満）の正方形もしは長方形またはその類似形状にあることが好ましい。 Accordingly, the present invention resides in an ultrasonic sensor including the following members capable of exchanging piezoelectric vibrators.
A piezoelectric vibrator unit including a piezoelectric vibrator fixed in a close contact state and detachably with or without a buffer layer on a surface of a flat substrate;
A rigid annular body that is disposed in a non-contact state around the piezoelectric vibrator of the piezoelectric vibrator unit and has a joint surface to the surface of the flat substrate;
A cylindrical wall body that accommodates the piezoelectric vibrator unit and the rigid annular body in a non-contact state, has a detachable lid at the top, and has a joint surface to the flat substrate at the bottom;
And
An elastic body inserted between the top surface of the piezoelectric vibrator unit and the lower surface of the lid.
In the present specification, “detachable” means that a component can be removed without physical damage to the component. Further, the rigid annular body has a circumferential cross-sectional shape in which the ratio of the height to the length in the width direction of the bottom surface (the former / the latter) is less than 3 (particularly preferably less than 2 or less than 1.5). Preferably it is rectangular or similar.

本発明の超音波センサの好ましい態様を以下に記載する。
（１）上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子と該圧電振動子の側面に密着配置されている筒状拘束材を含む。
（２）上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子、該圧電振動子の側面に密着配置されている筒状拘束材、そして該筒状拘束材の周囲に空気層を介して配設されている、頂部が閉じられ底部に開口を持つ筒状容器を含む。
（３）上記（１）あるいは（２）の態様の筒状拘束材が、シリコーンゴム、ウレタンゴムもしくはブチレンゴムから形成されている。
（４）上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子、該圧電振動子を内部に収容している、底面に開口を持ち頂面が閉じられている筒状ハウジング、該圧電振動子の頂面と該筒状ハウジングの頂部の下側面との間に挿入されている弾性材料を含む。
（５）上記圧電振動子が、頂面と底面のそれぞれに電極層を備えた柱状もしくは盤状の圧電セラミック焼結体である。
（６）上記緩衝層が音響整合層である。
（７）上記弾性体がバネ（特にリング状バネ）もしくはゴム材料成形体である。 Preferred embodiments of the ultrasonic sensor of the present invention are described below.
(1) The piezoelectric vibrator unit includes a piezoelectric vibrator and a cylindrical restraining material disposed in close contact with a side surface of the piezoelectric vibrator.
(2) The piezoelectric vibrator unit is provided with a piezoelectric vibrator, a cylindrical restraining material arranged in close contact with a side surface of the piezoelectric vibrator, and an air layer around the cylindrical restraining material. , Including a cylindrical container having a closed top and an opening in the bottom.
(3) The cylindrical restraint material according to the above aspect (1) or (2) is formed from silicone rubber, urethane rubber, or butylene rubber.
(4) The piezoelectric vibrator unit includes a piezoelectric vibrator, a cylindrical housing that houses the piezoelectric vibrator, a bottom surface having an opening, and a top surface that is closed; a top surface of the piezoelectric vibrator; It includes an elastic material inserted between the bottom side of the top of the cylindrical housing.
(5) The piezoelectric vibrator is a columnar or disk-shaped piezoelectric ceramic sintered body having electrode layers on the top surface and the bottom surface, respectively.
(6) The buffer layer is an acoustic matching layer.
(7) The elastic body is a spring (particularly a ring-shaped spring) or a rubber material molded body.

本発明はまた、上記の本発明の超音波センサを装着した下記の超音波探知装置にもある。
平板状基体の表面に、本発明の上記超音波センサを剛性環状体および筒状壁体のそれぞれの底面にて接合してなる超音波探知装置であって、上記超音波センサの内部に収容されている圧電振動体の圧電振動子の底面が、平板状基体の表面に緩衝層を介して又は介さずして密着状態にて、かつ着脱可能に固定されていることを特徴とする圧電振動子の交換が可能な超音波探知装置。 The present invention also resides in the following ultrasonic detector equipped with the ultrasonic sensor of the present invention described above.
An ultrasonic detection device in which the ultrasonic sensor according to the present invention is bonded to the surface of a flat substrate at the bottom surfaces of a rigid annular body and a cylindrical wall body, and is accommodated in the ultrasonic sensor. A piezoelectric vibrator characterized in that the bottom surface of the piezoelectric vibrator of the piezoelectric vibrator is fixed to the surface of the flat substrate in a close contact state with or without a buffer layer therebetween, and detachable Can be exchanged.

本発明の超音波センサは、自動車のバンパなどの表面（特に裏側表面）に容易に装着でき、特に自動車のバンパの裏側表面に装着した場合でも、圧電振動子が発信した超音波振動に起因するバンパの振動が効果的に抑制されるため、バンパを越えて前方側空間に送信される超音波に、その指向性やエネルギー効率の低下が現れにくい。さらに、本発明の超音波センサは、圧電振動子を含むユニット（圧電振動子ユニット）と圧電振動子を収容する筒状壁体と壁体を含むユニット（筒状壁体ユニット）のそれぞれに分離した振動子交換型超音波センサとして構成されているため、バンパなどの平板状基体に装着した場合でも、バンパの表面に接合固定した筒状壁体を取り外すことなく、不具合が生じた、あるいは不具合の発生が危惧されるような状態となった圧電振動子ユニットの取替（交換）を容易に行うことができるという利点がある。さらに、本発明の超音波センサは、圧電振動子ユニットが、バンパ表面に接合固定した剛性環状体で囲まれているため、圧電振動子にて発生した超音波振動のバンパの内部および表面を伝わっての拡散がより効果的に抑制される。   The ultrasonic sensor of the present invention can be easily mounted on the surface (especially the back surface) of an automobile bumper and the like, and particularly when it is mounted on the back surface of an automobile bumper, it is caused by the ultrasonic vibration transmitted by the piezoelectric vibrator. Since the vibration of the bumper is effectively suppressed, the directivity and energy efficiency of the ultrasonic wave transmitted to the front space beyond the bumper are unlikely to appear. Furthermore, the ultrasonic sensor of the present invention is separated into a unit including a piezoelectric vibrator (piezoelectric vibrator unit), a cylindrical wall body containing the piezoelectric vibrator, and a unit including a wall body (cylindrical wall body unit). Because it is configured as a transducer-exchangeable ultrasonic sensor, even when it is mounted on a flat substrate such as a bumper, a defect has occurred or has failed without removing the cylindrical wall bonded and fixed to the bumper surface. There is an advantage that it is possible to easily replace (replace) the piezoelectric vibrator unit in a state in which the occurrence of this is a concern. Furthermore, in the ultrasonic sensor of the present invention, since the piezoelectric vibrator unit is surrounded by a rigid annular body bonded and fixed to the bumper surface, the ultrasonic vibration generated in the piezoelectric vibrator is transmitted through the inside and the surface of the bumper. Are effectively suppressed.

本発明の振動子交換型の超音波センサの代表的な構成例（構成Ａ）を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a typical configuration example (configuration A) of the transducer-exchangeable ultrasonic sensor of the present invention. 本発明の振動子交換型の超音波センサの他の代表的な構成例（構成Ｂ）を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other typical structural example (structure B) of the vibrator | oscillator exchange type ultrasonic sensor of this invention. 本発明の振動子交換型の超音波センサの他の代表的な構成例（構成Ｃ）を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other typical structural example (structure C) of the vibrator | oscillator exchange type ultrasonic sensor of this invention.

次に、本発明の振動子交換型の超音波センサの構成例について、添付図面を参照しながら説明する。   Next, a configuration example of the transducer exchange type ultrasonic sensor of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１は、本発明の振動子交換型の超音波センサの代表的な構成例（構成Ａ）を示す模式図（断面図の形式で示す模式図）である。この構成Ａの超音波センサ１０は、平板状基体１６の表面に緩衝層１３を介して又は介さずして密着状態かつ着脱可能に固定される圧電振動子１１、そして圧電振動子１１の側面に密着配置されている筒状の拘束材１４を含む圧電振動子ユニット、圧電振動子ユニットを非接触状態で収容している、頂部に着脱可能な蓋体１５を備え、底部に前記平板状基体への接合面を備えた筒状壁体１２、圧電振動子ユニットの頂面と蓋体１５の下側面との間に挿入されている弾性体１７、そして圧電振動子１１の基部の周囲で、かつ筒状壁体１２と蓋体１５を含む筒状壁体ユニットの内側に配置され、平板状基体の表面に接合固定する剛性材料製の環状体（剛性環状体）１９から構成されている。   FIG. 1 is a schematic diagram (schematic diagram shown in the form of a sectional view) showing a typical configuration example (configuration A) of the transducer-exchangeable ultrasonic sensor of the present invention. The ultrasonic sensor 10 having the configuration A includes a piezoelectric vibrator 11 that is fixed in a close contact and detachable manner on the surface of the flat substrate 16 with or without the buffer layer 13, and on the side surface of the piezoelectric vibrator 11. A piezoelectric vibrator unit including a cylindrical constraining material 14 arranged in close contact, a detachable lid 15 that accommodates the piezoelectric vibrator unit in a non-contact state, and a flat base at the bottom. A cylindrical wall body 12 having a bonding surface, an elastic body 17 inserted between the top surface of the piezoelectric vibrator unit and the lower surface of the lid body 15, and around the base of the piezoelectric vibrator 11, and It is arranged inside a cylindrical wall body unit including the cylindrical wall body 12 and the lid 15 and is composed of an annular body (rigid annular body) 19 made of a rigid material that is bonded and fixed to the surface of the flat substrate.

図１において、本発明の振動子交換型の超音波センサ１０は、圧電振動子１１を主機能部品として含むユニット（圧電振動子ユニット）、該圧電振動子を非接触状態で収容する剛性材料製の筒状壁体１２と蓋体１５を含むユニット（筒状壁体ユニット）、そして圧電振動子１１の基部の周囲で、かつ筒状壁体１２の内側に、圧電振動子１１に接触しない位置に配置され、平板状基体の表面に接合固定する剛性材料製の環状体（剛性環状体）１９を基本部品として構成されている。なお、所望により、筒状壁体１２と剛性環状体１９とは、それぞれの底部にて連結されていても良い。   In FIG. 1, a transducer-exchangeable ultrasonic sensor 10 according to the present invention includes a unit (piezoelectric transducer unit) including a piezoelectric transducer 11 as a main functional component and a rigid material that accommodates the piezoelectric transducer in a non-contact state. The unit (cylindrical wall unit) including the cylindrical wall body 12 and the lid 15 and the position around the base of the piezoelectric vibrator 11 and inside the cylindrical wall body 12 so as not to contact the piezoelectric vibrator 11 An annular body (rigid annular body) 19 made of a rigid material that is disposed and fixed to the surface of the flat substrate is configured as a basic component. If desired, the cylindrical wall body 12 and the rigid annular body 19 may be connected to each other at the bottom.

圧電振動子１１としては、上面（頂面）と下面（底面）のそれぞれに電極層を備えた柱状もしくは盤状の圧電セラミック焼結体が一般的に用いられる。本明細書において「柱状」の圧電セラミック焼結体とは、底面の直径に対する高さが１以上の円柱、楕円柱、角柱などの形状にある圧電セラミック焼結体を意味する。底面の形状が真円でない場合の直径とは、底面の面積を円の面積として換算して得られる直径を意味する。従って、盤状の圧電セラミック焼結体とは、底面の直径に対する高さが１未満の円盤、楕円形状の盤状体、多角形の盤状体などの形状にある圧電セラミック焼結体を意味する。なお、柱状もしくは盤状の圧電セラミック焼結体としては通常、円柱状もしくは円盤状の焼結体が用いられるが、圧電振動子が発生する超音波の指向性を調整するために、底面に沿った断面が正方形あるいは長方形を示す柱状もしくは盤状の焼結体を用いることもある。   As the piezoelectric vibrator 11, a columnar or disk-shaped piezoelectric ceramic sintered body having electrode layers on the upper surface (top surface) and the lower surface (bottom surface) is generally used. In the present specification, the “columnar” piezoelectric ceramic sintered body means a piezoelectric ceramic sintered body having a shape such as a cylinder, an elliptical column, or a rectangular column having a height of 1 or more with respect to the diameter of the bottom surface. The diameter when the shape of the bottom surface is not a perfect circle means the diameter obtained by converting the area of the bottom surface as the area of the circle. Accordingly, the disk-shaped piezoelectric ceramic sintered body means a piezoelectric ceramic sintered body having a shape such as a disk having a height less than 1 with respect to the diameter of the bottom surface, an elliptical disk-shaped body, or a polygonal disk-shaped body. To do. As the columnar or disk-shaped piezoelectric ceramic sintered body, a columnar or disk-shaped sintered body is usually used, but in order to adjust the directivity of ultrasonic waves generated by the piezoelectric vibrator, it is arranged along the bottom surface. A columnar or disk-shaped sintered body having a square or rectangular cross section may be used.

圧電セラミック材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、そしてチタン酸バリウムなどの公知の圧電性セラミック材料を挙げることができる。圧電セラミック材料の焼結体は、多孔質であっても、多孔質でなくても構わないが、圧電振動子としての性能、特に優れた周波数特性そして低音響インピーダンスなどの性能を考えると、多孔質の焼結体であることが好ましい。この多孔質の焼結体としては、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔を分散状態で含み、空隙率（気孔率）が５〜５０体積％である焼結体が好ましく用いられる。このような多孔質のセラミック材料焼結体の圧電振動子の構成材料としての使用は、特開２０００−１１９０６３号公報（＝米国特許第６１１１３３９号）に記載されているところから、その詳細は本明細書に記載しないが、これらの文献の記載内容は本明細書の記載内容とする。   Examples of piezoelectric ceramic materials include known piezoelectric ceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, lead zirconate, and barium titanate. The sintered body of the piezoelectric ceramic material may be porous or non-porous. However, considering the performance as a piezoelectric vibrator, particularly excellent frequency characteristics and low acoustic impedance, it is porous. A high-quality sintered body is preferred. As this porous sintered body, a sintered body including pores in an average diameter of 1 to 100 μm in a dispersed state and having a porosity (porosity) of 5 to 50% by volume is preferably used. The use of such a porous ceramic material sintered body as a constituent material of a piezoelectric vibrator is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-119063 (= US Pat. No. 6,111,339). Although not described in the specification, the content described in these documents is the content described in the present specification.

セラミック材料の焼結体は、その上下面のそれぞれに電極層を付設することにより圧電振動子とされる。そして、上下面のそれぞれの電極層にはセラミック材料焼結体に電気エネルギーを付与して超音波を発生させ、また受信した超音波（反射波）を電気的に取り出すための配線が接続されているが、本明細書の添付図面では、煩雑を避けるため、それらの電極層及び配線の記入は省略してある。   The sintered body of the ceramic material is formed into a piezoelectric vibrator by attaching electrode layers to the upper and lower surfaces thereof. The electrode layers on the upper and lower surfaces are connected to wiring for applying electrical energy to the ceramic material sintered body to generate ultrasonic waves and for electrically extracting received ultrasonic waves (reflected waves). However, in the accompanying drawings of this specification, in order to avoid complication, the entry of those electrode layers and wirings is omitted.

なお、所望により、圧電振動子の構成材料としてセラミック材料以外の各種材料からなる圧電材料を用いることができることは勿論である。   Of course, a piezoelectric material made of various materials other than the ceramic material can be used as a constituent material of the piezoelectric vibrator as desired.

圧電振動子の下面（底面）には、圧電振動子のバンパなどの平板状基体の表面への密着状態での固定を容易にするために有効な軟質の樹脂あるいはゴム材料、シリコーングリース、または油性グリースなどの油性材料を具体例とする材料から形成される緩衝層１３を付設することが好ましい。ただし、この緩衝層１３は、圧電振動子の平板状基体の表面への密着状態での固定を実現するための補助層であって、圧電振動子を平板状基体の表面への接合を行うための補助層ではないため、圧電振動子を平板状基体の表面に接着させて、圧電振動子の平板状基体表面からの離脱を妨げるような材料からなる層であってはならない。なお、緩衝層１３としては、圧電振動子と他の材料との間の音響的な整合のために一般的に用いられる音響整合層を用いることもできる。   The lower surface (bottom surface) of the piezoelectric vibrator is a soft resin or rubber material, silicone grease, or oily that is effective for facilitating fixing of the piezoelectric vibrator to the surface of a flat substrate such as a bumper. It is preferable to provide a buffer layer 13 formed of a material that is an oily material such as grease. However, the buffer layer 13 is an auxiliary layer for realizing fixation of the piezoelectric vibrator to the surface of the flat substrate, and is for joining the piezoelectric vibrator to the surface of the flat substrate. Therefore, it should not be a layer made of a material that prevents the piezoelectric vibrator from being detached from the surface of the flat substrate by bonding the piezoelectric vibrator to the surface of the flat substrate. As the buffer layer 13, an acoustic matching layer generally used for acoustic matching between the piezoelectric vibrator and another material can be used.

圧電振動子１１は、その側面を密着状態で被覆する弾性を示すケイ素樹脂（特に、シリコーンゴム）、ウレタン樹脂（特にウレタンゴム）もしくはブチレンゴムなどの可撓性材料から形成されている筒状拘束材１４により拘束されて圧電振動子ユニットを構成している。圧電振動子１１は、この筒状拘束材１４がもたらす拘束により、圧電振動子１１の安定した振動状態が実現し、また圧電振動子１１にて発生した超音波エネルギーの圧電振動子側面からの漏出を効果的に防止することが可能となる。なお、筒状拘束材１４は、図１に見られるように、圧電振動子１１の側面のみならず、頂面にも設けられていることが好ましい。   The piezoelectric vibrator 11 is a cylindrical restraint made of a flexible material such as silicon resin (especially silicone rubber), urethane resin (especially urethane rubber), or butylene rubber, which exhibits elasticity to cover its side surface in a close contact state. The piezoelectric vibrator unit is configured by being restrained by 14. The piezoelectric vibrator 11 realizes a stable vibration state of the piezoelectric vibrator 11 by the restraint provided by the cylindrical restraining material 14, and leaks ultrasonic energy generated by the piezoelectric vibrator 11 from the side face of the piezoelectric vibrator 11. Can be effectively prevented. As shown in FIG. 1, the cylindrical restraining material 14 is preferably provided not only on the side surface of the piezoelectric vibrator 11 but also on the top surface.

筒状拘束材１４の材料として特に好ましいのは、圧電振動子（特にチタン酸ジルコン酸鉛）への密着性に優れ、温度特性が良い（すなわち、各種物性に対する温度変化の影響が少ない）シリコーンゴムである。また、筒状拘束材１４は厚みが２ｍｍ以上あることが好ましい。圧電振動子１１への筒状拘束材１４の被覆方法としては、予めチューブ状に成形した拘束材材料を圧電振動子に被せる方法、あるいはモールドを利用して圧電振動子の周囲に液状の拘束材材料の層を形成する方法などが一般的に利用される。   Particularly preferable as the material of the cylindrical restraint 14 is a silicone rubber that has excellent adhesion to a piezoelectric vibrator (particularly lead zirconate titanate) and good temperature characteristics (that is, little influence of temperature changes on various physical properties). It is. Moreover, it is preferable that the cylindrical restraint material 14 is 2 mm or more in thickness. As a method of covering the piezoelectric vibrator 11 with the cylindrical restraining material 14, a method of covering the piezoelectric vibrator with a restraining material previously formed into a tube shape, or a liquid restraining material around the piezoelectric vibrator using a mold. A method of forming a layer of material is generally used.

筒状拘束材１４は、圧電振動子１１の上端部から下端部近傍までの側面を被覆するように形成されていることが拘束効果の充分な発現のために好ましいが、上端部から圧電振動子の高さの約１／２の位置、好ましくは約２／３の位置までを被覆していれば、実用的には問題のない拘束効果が得られる。また、前述のように、筒状拘束材１４は、図１に見られるように圧電振動子１１の側面のみならず、頂面にも設けられていることが好ましい。   The cylindrical constraining material 14 is preferably formed so as to cover the side surface from the upper end portion to the vicinity of the lower end portion of the piezoelectric vibrator 11 for sufficient expression of the restraining effect. If it covers about 1/2 of the height, preferably about 2/3 of the height, a restraining effect that is practically satisfactory can be obtained. Further, as described above, it is preferable that the cylindrical restraint member 14 is provided not only on the side surface of the piezoelectric vibrator 11 but also on the top surface as seen in FIG.

圧電振動子１１と筒状拘束材１４とを基本構成部品とする圧電振動子ユニットは、頂部に着脱可能な蓋体１５を備え、底部に平板状基体（例、バンパ）１６への接合面を備えた筒状壁体１２の内部に非接触状態で収容される。   The piezoelectric vibrator unit having the piezoelectric vibrator 11 and the cylindrical restraining material 14 as basic components includes a detachable lid 15 at the top and a bonding surface to a flat substrate (eg, bumper) 16 at the bottom. It is accommodated in a non-contact state inside the cylindrical wall body 12 provided.

筒状壁体１２は、図１に示されているように、平板状基体への接合面（筒状壁体の底面）から上に延びる相対的に壁厚が大きい基体固定部と該基体固定部から上方に延びる相対的に小さい壁厚を持つ延長部とから構成することができる。あるいは、筒状壁体１２は底部から頂部まで同一の壁厚にて形成されていてもよい。圧電振動子ユニットを非接触の状態で内部に収容する筒状壁体１２をこのような構造とすることにより、筒状壁体の平板状基体表面への確実な接合が可能となり、また圧電振動子１１にて発生して平板状基体（例、バンパ）を通って反対側の空間に送信される超音波振動により発生する平板状基体の振動を筒状壁体の内部領域に閉じ込めることが可能となり、超音波の指向性の低下が効果的に抑制される。また、超音波の平板状基体１６の内部あるいは表面を介しての超音波センサの外部への伝播が効果的に抑制される。   As shown in FIG. 1, the cylindrical wall body 12 includes a base fixing portion having a relatively large wall thickness extending upward from a joint surface (bottom surface of the cylindrical wall body) to the flat base and the base fixing. And an extension portion having a relatively small wall thickness extending upward from the portion. Alternatively, the cylindrical wall body 12 may be formed with the same wall thickness from the bottom to the top. By adopting such a structure for the cylindrical wall body 12 that accommodates the piezoelectric vibrator unit in a non-contact state therein, the cylindrical wall body can be securely bonded to the surface of the flat substrate, and piezoelectric vibration can be obtained. It is possible to confine the vibration of the flat substrate generated by the ultrasonic vibration generated in the child 11 and transmitted to the opposite space through the flat substrate (eg, bumper) in the inner region of the cylindrical wall body. Thus, a decrease in the directivity of ultrasonic waves is effectively suppressed. Further, the propagation of the ultrasonic wave to the outside of the ultrasonic sensor through the inside or the surface of the flat substrate 16 is effectively suppressed.

筒状壁体１２の頂面には、着脱可能な蓋体１５が装着される。筒状壁体１２と蓋体１５の装着は、例えば、筒状壁体１２の頂部の側面と蓋体１５のフランジ部の内面にそれぞれ設けられたねじ溝あるいは凹部と凸部との係合を利用することにより行われる。筒状壁体１２は剛性材料から形成され、また蓋体１５も剛性材料から形成することが望ましい。剛性材料としては、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂に代表されるポリオレフィン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの硬質樹脂材料あるいは金属材料が用いられる。   A detachable lid 15 is attached to the top surface of the cylindrical wall body 12. For example, the cylindrical wall body 12 and the lid body 15 are mounted by engaging a screw groove or a concave portion and a convex portion respectively provided on the side surface of the top portion of the cylindrical wall body 12 and the inner surface of the flange portion of the lid body 15. It is done by using. The cylindrical wall body 12 is preferably formed from a rigid material, and the lid body 15 is also preferably formed from a rigid material. As the rigid material, a hard resin material or a metal material such as a polyolefin resin typified by polypropylene resin or polyethylene resin, or ABS resin is used.

筒状壁体１２の頂面に着脱可能に装着されている蓋体１５の下面と前記の圧電振動子ユニットとの間には、コイルバネなどの弾性材料からなる弾性体１７が挿入される。なお、圧電振動子ユニットの頂面と弾性体１７との間には、合成樹脂製あるいは金属製の板体を介在させてもよい。弾性体１７は、圧電振動子ユニット内の圧電振動子１１の底面の平板状基体１６への密着固定を実現するために機能する。弾性体１７としては通常、図１に示されているように、コイルバネが用いられるが、その上下には一般に座金（シムリング）が装着される。あるいは板バネにより構成される。また、ゴム材料（例、シリコーンゴム）や発泡プラスチックなどの高分子弾性材料から形成してもよい。   An elastic body 17 made of an elastic material such as a coil spring is inserted between the lower surface of the lid 15 detachably mounted on the top surface of the cylindrical wall body 12 and the piezoelectric vibrator unit. A synthetic resin or metal plate may be interposed between the top surface of the piezoelectric vibrator unit and the elastic body 17. The elastic body 17 functions to realize close contact and fixing of the bottom surface of the piezoelectric vibrator 11 in the piezoelectric vibrator unit to the flat substrate 16. As shown in FIG. 1, a coil spring is usually used as the elastic body 17, but a washer (shim ring) is generally attached above and below the elastic body 17. Or it comprises a leaf spring. Moreover, you may form from polymeric materials, such as rubber materials (for example, silicone rubber) and foamed plastics.

剛性環状体１９は、圧電振動子ユニットの圧電振動子１１の基部の周囲で、かつ筒状壁体１２の内側に、圧電振動子１１及び筒状壁体１２のいずれにも接触しない位置に配置され、平板状基体の表面に接合固定される。剛性環状体１９は、その内側領域が真円であっても良く、あるいは、長円、多角形、長方形などの様々な形状にあっても良い。また、剛性環状体１９は、筒状壁体１２とは異なり、延長部を備えることのない、断面（垂直断面）が正方形あるいは長方形であることが望ましい。剛性環状体１９を形成する剛性材料としては、ポリプロピレン樹脂やポリエチレン樹脂に代表されるポリオレフィン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの硬質樹脂材料あるいは金属材料が用いられる。この剛性環状体１９の設置により、圧電振動子１１にて発生して平板状基体（例、バンパ）を通って反対側の空間に送信される超音波振動により発生しやすい平板状基体の振動を剛性環状体１９の内部領域に閉じ込めることができ、超音波の指向性の低下がさらに効果的に抑制される。また、超音波の平板状基体１６の内部あるいは表面を介しての超音波センサの外部への伝播もさらに効果的に抑制される。   The rigid annular body 19 is disposed around the base of the piezoelectric vibrator 11 of the piezoelectric vibrator unit and inside the cylindrical wall body 12 at a position where it does not contact either the piezoelectric vibrator 11 or the cylindrical wall body 12. And bonded and fixed to the surface of the flat substrate. The rigid annular body 19 may have a perfect circle in its inner region, or may have various shapes such as an ellipse, a polygon, and a rectangle. Further, unlike the cylindrical wall 12, the rigid annular body 19 is preferably square or rectangular in cross section (vertical cross section) without an extension. As the rigid material for forming the rigid annular body 19, a hard resin material or a metal material such as polyolefin resin typified by polypropylene resin or polyethylene resin, ABS resin, or the like is used. By installing the rigid annular body 19, the vibration of the flat substrate that is likely to be generated by the ultrasonic vibration generated in the piezoelectric vibrator 11 and transmitted to the opposite space through the flat substrate (eg, bumper) is caused. It can be confined in the inner region of the rigid annular body 19, and the deterioration of the directivity of the ultrasonic wave is further effectively suppressed. Further, the propagation of the ultrasonic wave to the outside of the ultrasonic sensor via the inside or the surface of the flat substrate 16 is further effectively suppressed.

図１に関してのこれまでの説明から明らかなように、本発明の超音波センサを構成する部品の多くは、互いに独立した部品として用意されている。そのなかで中心的な機能を果たすのは、圧電振動子１１を含む圧電振動子ユニット（図１に示した超音波センサでは、圧電振動子１１、緩衝層１３、そして筒状拘束材１４からなるユニット）、筒状壁体１２と蓋体１５とを含む筒状壁体ユニット、剛性環状体１９、そして圧電振動子ユニットの圧電振動子１１の底面を平板状基体の表面に密着固定させる押圧力を付与する弾性体１７である。   As is clear from the above description regarding FIG. 1, many of the parts constituting the ultrasonic sensor of the present invention are prepared as parts independent of each other. Among them, the central function is achieved by a piezoelectric vibrator unit including the piezoelectric vibrator 11 (in the ultrasonic sensor shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator 11, the buffer layer 13, and the cylindrical restraining material 14. Unit), a cylindrical wall body unit including the cylindrical wall body 12 and the lid body 15, a rigid annular body 19, and a pressing force for tightly fixing the bottom surface of the piezoelectric vibrator 11 of the piezoelectric vibrator unit to the surface of the flat substrate. It is the elastic body 17 which provides.

図１に示した超音波センサ１０について何らかの不具合が生じた場合（超音波センサの破損、作動異常など）あるいは経年使用により超音波センサの正常な作動に不安が発生した場合には、筒状壁体１２の頂部の蓋体１５を取り外した上で、内部に収容されている圧電振動子ユニットを取り出し、新しい、あるいは正常な作動が確認されている同型の圧電振動子ユニットを筒状壁体ユニット内に装着することにより、圧電振動子ユニットが容易に交換できる。   When some trouble occurs in the ultrasonic sensor 10 shown in FIG. 1 (damage of the ultrasonic sensor, abnormal operation, etc.) or when anxiety occurs in the normal operation of the ultrasonic sensor due to use over time, the cylindrical wall After removing the lid 15 at the top of the body 12, the piezoelectric vibrator unit accommodated in the body 12 is taken out, and a new or normal type piezoelectric vibrator unit whose operation has been confirmed is replaced with a cylindrical wall body unit. By mounting inside, the piezoelectric vibrator unit can be easily replaced.

図２は、本発明の振動子交換型の超音波センサの別の代表的な構成例（構成Ｂ）を示す模式図（断面図の形式で示す模式図）である。この構成Ｂの超音波センサは、平板状基体１６の表面に緩衝層１３を介して又は介さずして密着状態かつ着脱可能に固定される圧電振動子１１そして該圧電振動子１１の側面に密着配置されている筒状拘束材１４と該筒状拘束材の周囲に空気層を介して配設されている、頂部が閉じられ底部に開口を持つ筒状容器１８を含む圧電振動子ユニット、該圧電振動子ユニットを非接触状態で収容している、頂部に着脱可能な蓋体１５を備え、底部に前記平板状基体への接合面を備えた筒状壁体１２、そして、圧電振動子１１の基部の周囲で、かつ筒状壁体１２の内側に、圧電振動子１１に接触しない位置に配置され、平板状基体の表面に接合固定される剛性環状体１９、圧電振動子ユニットの頂面と該蓋体１５の下側面との間に挿入されている弾性体１７から構成されている。筒状容器１８は通常、合成樹脂材料あるいは金属材料から形成される。   FIG. 2 is a schematic diagram (schematic diagram shown in the form of a sectional view) showing another typical configuration example (configuration B) of the transducer-exchangeable ultrasonic sensor of the present invention. The ultrasonic sensor having the configuration B is in close contact with the surface of the flat substrate 16 with or without the buffer layer 13 in a close contact and detachable manner, and in close contact with the side surface of the piezoelectric vibrator 11. A piezoelectric vibrator unit including a cylindrical constraining member 14 disposed and a tubular container 18 disposed around the tubular constraining material via an air layer, the top portion being closed and the bottom portion having an opening; A cylindrical wall body 12 that accommodates the piezoelectric vibrator unit in a non-contact state, has a lid 15 that can be attached and detached at the top, a joint surface to the flat substrate at the bottom, and the piezoelectric vibrator 11. The rigid annular body 19 that is disposed around the base of the substrate and inside the cylindrical wall body 12 at a position that does not contact the piezoelectric vibrator 11 and is bonded and fixed to the surface of the flat substrate, the top surface of the piezoelectric vibrator unit And the elasticity inserted between the lower surface of the lid 15 And a 17. The cylindrical container 18 is usually formed from a synthetic resin material or a metal material.

図１の構成Ａの超音波センサと図２の構成Ｂの超音波センサとの構成上の主たる相違点は、圧電振動子ユニットの構成にあるので、次にこの点を詳しく説明する。   The main difference in configuration between the ultrasonic sensor of configuration A in FIG. 1 and the ultrasonic sensor of configuration B in FIG. 2 is in the configuration of the piezoelectric vibrator unit, and this will be described in detail next.

図２の構成Ｂの超音波センサ１０の圧電振動子ユニットは、圧電振動子１１そして圧電振動子１１の側面に密着配置されている筒状拘束材１４と筒状拘束材の周囲に空気層を介して配設されている、頂部が閉じられ底部に開口を持つ筒状容器１８を含む。筒状拘束材１４の周囲の空気層を介しての筒状容器１８の配設は、例えば、図２に示されている様に、筒状拘束材１４の下端部にフランジ１４ａを形成し、このフランジ１４ａの上面に筒状容器１８の下端部を配設もしくは接合することにより行われる。また、図２の構成Ｂの超音波センサ１０では、筒状壁体１２と蓋体１５との係合が、筒状壁体１２の外側面に形成された凹部と蓋体１５の下方に延びた延長部の内側面に形成された凸部あるいはフックとの係合により行われている。   The piezoelectric vibrator unit of the ultrasonic sensor 10 having the configuration B in FIG. 2 includes a piezoelectric vibrator 11 and a cylindrical restraining material 14 that is closely attached to the side surface of the piezoelectric vibrator 11 and an air layer around the tubular restraining material. And a cylindrical container 18 having a top closed and an opening at the bottom. The arrangement of the cylindrical container 18 through the air layer around the cylindrical restraining material 14 is, for example, as shown in FIG. 2, forming a flange 14 a at the lower end of the cylindrical restraining material 14, This is done by arranging or joining the lower end of the cylindrical container 18 to the upper surface of the flange 14a. In the ultrasonic sensor 10 having the configuration B shown in FIG. 2, the engagement between the cylindrical wall body 12 and the lid body 15 extends below the concave portion formed on the outer surface of the cylindrical wall body 12 and the lid body 15. This is done by engagement with a convex portion or a hook formed on the inner surface of the extended portion.

図２の構成Ｂの超音波センサは、構成部品の数が増加する点では不利であるが、筒状拘束材１４と筒状容器１８との間に空気層が形成され、この空気層が圧電振動子１１から発振された超音波の背面（図２では上側面）への伝播（漏出となる）が抑制されるとの利点がある。   The ultrasonic sensor of the configuration B in FIG. 2 is disadvantageous in that the number of components increases, but an air layer is formed between the cylindrical restraining material 14 and the cylindrical container 18, and this air layer is piezoelectric. There is an advantage that the propagation (leakage) of the ultrasonic wave oscillated from the vibrator 11 to the back surface (upper side surface in FIG. 2) is suppressed.

図３は、本発明の振動子交換型の超音波センサの別の代表的な構成例（構成Ｃ）を示す模式図（断面図の形式で示す模式図）である。この構成Ｃの超音波センサ１０は、圧電振動子１１、圧電振動子１１を内部に収容している、底面に開口を持ち頂面が閉じられている筒状ハウジング２０、圧電振動子１１の頂面と筒状ハウジング２０の頂部の下側面との間に挿入されている弾性材料２１を含む圧電振動子ユニット、圧電振動子ユニットを非接触状態で収容している、頂部に着脱可能な蓋体１５を備え、底部に前記平板状基体への接合面を備えた筒状壁体１２を含む筒状壁体ユニット、圧電振動子１１の基部の周囲で、かつ筒状壁体１２の内側に、圧電振動子１１に接触しない位置に配置され、平板状基体の表面に接合固定される剛性環状体１９、そして弾性体１７を基本部品として構成されている。   FIG. 3 is a schematic diagram (schematic diagram shown in the form of a cross-sectional view) showing another typical configuration example (configuration C) of the transducer-exchangeable ultrasonic sensor of the present invention. The ultrasonic sensor 10 of this configuration C includes a piezoelectric vibrator 11, a cylindrical housing 20 that houses the piezoelectric vibrator 11, has an opening on the bottom surface and has a closed top surface, and the top of the piezoelectric vibrator 11. A piezoelectric vibrator unit including an elastic material 21 inserted between the surface and the lower side surface of the top portion of the cylindrical housing 20; a lid body that accommodates the piezoelectric vibrator unit in a non-contact state; 15, a cylindrical wall body unit including a cylindrical wall body 12 having a bonding surface to the flat substrate at the bottom, around the base of the piezoelectric vibrator 11 and inside the cylindrical wall body 12, A rigid annular body 19 and an elastic body 17 which are arranged at a position not in contact with the piezoelectric vibrator 11 and are bonded and fixed to the surface of the flat substrate are configured as basic parts.

図１の構成Ａの超音波センサと図３の構成Ｃの超音波センサとの構成上の主たる相違点は、圧電振動子ユニットの構成にあるので、次にこの点を詳しく説明する。   The main difference in configuration between the ultrasonic sensor of configuration A in FIG. 1 and the ultrasonic sensor of configuration C in FIG. 3 is in the configuration of the piezoelectric vibrator unit. This point will be described in detail next.

構成Ｃの超音波センサの圧電振動子ユニットは、圧電振動子１１、圧電振動子１１を内部に収容している、底面に開口を持ち頂面が閉じられている筒状ハウジング１６、圧電振動子１１の頂面と筒状ハウジングの頂部の下側面との間に挿入されている弾性材料２１を含む。   The piezoelectric vibrator unit of the ultrasonic sensor of configuration C includes the piezoelectric vibrator 11, the cylindrical vibrator 16 that houses the piezoelectric vibrator 11, has an opening on the bottom surface and is closed on the top surface, and a piezoelectric vibrator. 11 and an elastic material 21 inserted between the top surface of 11 and the bottom surface of the top of the cylindrical housing.

圧電振動子１１の側面は、シリコーンゴムなどの弾性材料（特に弾性樹脂、ゴム材料）からなる筒状緩衝シート２２で被覆されていることが望ましい。この筒状緩衝シート２２による圧電振動子１１の側面の被覆により、圧電振動子１１の安定した振動状態が実現し、また圧電振動子１１にて発生した超音波エネルギーの圧電振動子側面からの漏出を効果的に防止することが可能となる。圧電振動子１１の側面には、上記の筒状緩衝シート２２に加えて、筒状緩衝シートを構成する弾性材料とは異なる特性を持つ弾性材料からなる弾性シート（弾性チューブ）２３を付設することが望ましい。この弾性シート（弾性チューブ）２３もまた、圧電振動子１１の安定した振動状態の実現に寄与し、また圧電振動子１１にて発生した超音波エネルギーの圧電振動子側面からの漏出の防止にも有効である。弾性シート（弾性チューブ）２３は、内部に多数の独立気泡を有するスポンジ状の材料であることが望ましい。   The side surface of the piezoelectric vibrator 11 is preferably covered with a cylindrical buffer sheet 22 made of an elastic material such as silicone rubber (especially elastic resin or rubber material). By covering the side surface of the piezoelectric vibrator 11 with the cylindrical buffer sheet 22, a stable vibration state of the piezoelectric vibrator 11 is realized, and leakage of ultrasonic energy generated in the piezoelectric vibrator 11 from the side face of the piezoelectric vibrator 11 is realized. Can be effectively prevented. In addition to the cylindrical buffer sheet 22 described above, an elastic sheet (elastic tube) 23 made of an elastic material having characteristics different from the elastic material constituting the cylindrical buffer sheet is attached to the side surface of the piezoelectric vibrator 11. Is desirable. This elastic sheet (elastic tube) 23 also contributes to the realization of a stable vibration state of the piezoelectric vibrator 11 and also prevents leakage of ultrasonic energy generated by the piezoelectric vibrator 11 from the side of the piezoelectric vibrator. It is valid. The elastic sheet (elastic tube) 23 is desirably a sponge-like material having a large number of closed cells inside.

図３において、圧電振動子１１、筒状緩衝シート２２、そして弾性シート（弾性チューブ）２３からなる複合体は、筒状ハウジング２０の内部に、弾性シート（弾性チューブ）２３の外側表面に接した状態で収容されている。筒状ハウジング２０は、底面に開口を持ち、頂面が閉じられている。筒状ハウジング２０は通常、アルミニウムなどの金属あるいはポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂などの硬質の樹脂材料から形成される。   In FIG. 3, the composite composed of the piezoelectric vibrator 11, the cylindrical buffer sheet 22, and the elastic sheet (elastic tube) 23 is in contact with the outer surface of the elastic sheet (elastic tube) 23 inside the cylindrical housing 20. Contained in state. The cylindrical housing 20 has an opening on the bottom surface, and the top surface is closed. The cylindrical housing 20 is usually formed from a metal such as aluminum or a hard resin material such as polypropylene resin or ABS resin.

筒状ハウジング２０の頂部の下側表面と圧電振動子１１の頂面との間には、ゴム材料などの弾性材料２１が挿入されている。この弾性材料２１は、圧電振動子１１の底面の平板状基体表面への密着固定を効果的に実現するために機能する。弾性材料２１はまた、圧電振動子１１の安定した振動状態の実現にも寄与し、さらに圧電振動子１１にて発生した超音波エネルギーの圧電振動子頂面からの漏出の防止にも有効である。弾性材料２１は、ゴム材料（例、シリコーンゴム）などの高分子弾性材料またはコルク材から形成してもよく、あるいはコイルバネ、板バネなどのバネ材料から形成してもよい。   An elastic material 21 such as a rubber material is inserted between the lower surface of the top of the cylindrical housing 20 and the top surface of the piezoelectric vibrator 11. This elastic material 21 functions in order to effectively realize the tight fixation of the bottom surface of the piezoelectric vibrator 11 to the flat substrate surface. The elastic material 21 also contributes to the realization of a stable vibration state of the piezoelectric vibrator 11 and is also effective in preventing leakage of ultrasonic energy generated by the piezoelectric vibrator 11 from the top surface of the piezoelectric vibrator. . The elastic material 21 may be formed of a polymer elastic material such as a rubber material (eg, silicone rubber) or a cork material, or may be formed of a spring material such as a coil spring or a leaf spring.

筒状ハウジング２０の底面は、図１に示されているように開口を有する。圧電振動子１１は、その底面が筒状ハウジング２０の底面の開口面と略同一の平面上に、もしくは僅かに下側に突き出るような位置に配置される。なお、図３では筒状ハウジング２０の底部にワッシャ２４が配置されている。このワッシャ２４は、平板状基体表面にて筒状ハウジング２０を接合させることなく、安定した状態で固定するために有効に機能する。ワッシャ２４はまた、その内周内の領域を圧電振動子１１の底面の領域の近くまで限定することにより、圧電振動子１１から発生する超音波の指向性を向上させる効果（すなわち、指向角度を狭くならないようにする効果）も与える。   The bottom surface of the cylindrical housing 20 has an opening as shown in FIG. The piezoelectric vibrator 11 is disposed at a position where the bottom surface of the piezoelectric vibrator 11 protrudes substantially on the same plane as the opening surface of the bottom surface of the cylindrical housing 20 or slightly below. In FIG. 3, a washer 24 is disposed at the bottom of the cylindrical housing 20. This washer 24 functions effectively in order to fix it in a stable state without joining the cylindrical housing 20 on the surface of the flat substrate. The washer 24 also has an effect of improving the directivity of the ultrasonic wave generated from the piezoelectric vibrator 11 by limiting the area in the inner periphery to the area near the bottom surface of the piezoelectric vibrator 11 (that is, the directivity angle is changed). It also gives the effect of preventing narrowing.

１０ 超音波センサ
１１ 圧電振動子
１２ 筒状壁体
１３ 緩衝層
１４ 筒状拘束材
１５ 蓋体
１６ 平板状基体（バンパ）
１７ 弾性体
１８ 筒状容器
１９ 剛性環状体
２０ 筒状ハウジング
２１ 弾性材料
２２ 筒状緩衝シート
２３ 弾性シート（弾性チューブ）
２４ ワッシャ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic sensor 11 Piezoelectric vibrator 12 Cylindrical wall body 13 Buffer layer 14 Cylindrical restraint material 15 Cover body 16 Flat base body (bumper)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 17 Elastic body 18 Cylindrical container 19 Rigid annular body 20 Cylindrical housing 21 Elastic material 22 Cylindrical shock absorbing sheet 23 Elastic sheet (elastic tube)
24 washer

Claims (10)

圧電振動子の交換が可能な下記の部材を含む超音波センサ：
平板状基体の表面に緩衝層を介して又は介さずして密着状態かつ着脱可能に固定される圧電振動子を含む圧電振動子ユニット、
該圧電振動子ユニットの圧電振動子の周囲に非接触状態で配置され、平板状基体の表面への接合面を備えた剛性環状体、
該圧電振動子ユニットと剛性環状体とを共に非接触状態で収容している、頂部に着脱可能な蓋体を備え、底部に前記平板状基体への接合面を備えた筒状壁体、
そして、
該圧電振動子ユニットの頂面と該蓋体の下側面との間に挿入されている弾性体。 An ultrasonic sensor including the following members capable of exchanging piezoelectric vibrators:
A piezoelectric vibrator unit including a piezoelectric vibrator fixed in a close contact state and detachably with or without a buffer layer on a surface of a flat substrate;
A rigid annular body that is disposed in a non-contact state around the piezoelectric vibrator of the piezoelectric vibrator unit and has a joint surface to the surface of the flat substrate;
A cylindrical wall body that accommodates the piezoelectric vibrator unit and the rigid annular body in a non-contact state, has a detachable lid at the top, and has a joint surface to the flat substrate at the bottom;
And
An elastic body inserted between the top surface of the piezoelectric vibrator unit and the lower surface of the lid. 上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子と該圧電振動子の側面に密着配置されている筒状拘束材を含む請求項１に記載の超音波センサ。   2. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator unit includes a piezoelectric vibrator and a cylindrical constraining material disposed in close contact with a side surface of the piezoelectric vibrator. 上記筒状拘束材が、シリコーンゴム、ウレタンゴムもしくはブチレンゴムから形成されている請求項２に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 2, wherein the cylindrical restraining material is formed of silicone rubber, urethane rubber, or butylene rubber. 上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子、該圧電振動子の側面に密着配置されている筒状拘束材、そして該筒状拘束材の周囲に空気層を介して配設されている、頂部が閉じられ底部に開口を持つ筒状容器を含む請求項１に記載の超音波センサ。   The piezoelectric vibrator unit is provided with a piezoelectric vibrator, a cylindrical restraining material arranged in close contact with a side surface of the piezoelectric vibrator, and an air layer around the cylindrical restraining material. The ultrasonic sensor according to claim 1, comprising a cylindrical container that is closed and has an opening at the bottom. 上記筒状拘束材が、シリコーンゴム、ウレタンゴムもしくはブチレンゴムから形成されている請求項４に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 4, wherein the cylindrical restraining material is formed from silicone rubber, urethane rubber, or butylene rubber. 上記圧電振動子ユニットが、圧電振動子、該圧電振動子を内部に収容している、底面に開口を持ち頂面が閉じられている筒状ハウジング、該圧電振動子の頂面と該筒状ハウジングの頂部の下側面との間に挿入されている弾性材料を含む請求項１に記載の超音波センサ。   The piezoelectric vibrator unit includes a piezoelectric vibrator, a cylindrical housing that houses the piezoelectric vibrator, a bottom surface having an opening and a top surface closed, and the top surface of the piezoelectric vibrator and the cylindrical shape. The ultrasonic sensor according to claim 1, comprising an elastic material inserted between the lower surface of the top of the housing. 上記圧電振動子が、頂面と底面のそれぞれに電極層を備えた柱状もしくは盤状の圧電セラミック焼結体である請求項１に記載の超音波センサ。   2. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a columnar or disk-shaped piezoelectric ceramic sintered body provided with an electrode layer on each of a top surface and a bottom surface. 上記緩衝層が音響整合層である請求項１に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the buffer layer is an acoustic matching layer. 上記弾性体がリング状バネもしくはゴム材料成形体である請求項１に記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the elastic body is a ring-shaped spring or a rubber material molded body. 平板状基体の表面に、請求項１に記載の超音波センサを剛性環状体および筒状壁体のそれぞれの底面にて接合してなる超音波探知装置であって、上記超音波センサの内部に収容されている圧電振動体の圧電振動子の底面が、平板状基体の表面に緩衝層を介して又は介さずして密着状態にて、かつ着脱可能に固定されていることを特徴とする圧電振動子の交換が可能な超音波探知装置。   An ultrasonic detection device comprising the ultrasonic sensor according to claim 1 bonded to the surface of a flat substrate at the bottom surface of each of a rigid annular body and a cylindrical wall body, wherein the ultrasonic sensor is disposed inside the ultrasonic sensor. A piezoelectric device characterized in that a bottom surface of a piezoelectric vibrator of a contained piezoelectric vibrating body is fixed to a surface of a flat substrate in a close contact state with or without a buffer layer therebetween and detachable. Ultrasonic detector capable of exchanging transducers.

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