JP3880047B2

JP3880047B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP3880047B2
Application number: JP2002210828A
Authority: JP
Inventors: 克人富山
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: JP2004056450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波信号を送信するとともに障害物からの反射波を受信して障害物の存在を検知する超音波センサに関するものであり、特に自動車のバックソナー、コーナーソナーに好適な防滴型超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行うものであり、圧電振動素子を駆動源として振動板を振動させることにより、超音波パルス信号を間欠的に送信し、前方に存在する被検出物体からの反射波を前記振動板を介し、前記圧電振動素子で受信することによって物体を検知するものである。
【０００３】
従来、この種の超音波センサに関する公知文献としては、特開２００１―１６９３９２がある。該公知文献に記載されている超音波センサの構造を図７に示す。該超音波センサは、アルミニウム等の金属で形成された有底筒状のケース２５の底面が振動板２６になっており、該振動板２６の内面に圧電振動素子２７が接合された構造となっている。前記圧電振動素子２７からの電気的接続は、リード線３２、３３により行われる。一方のリード線３２は、半田付けにより圧電振動素子２７の接合面と対向する素子電極２８ａに接合されている。他方のリード線３３は、金属ケース２５に半田付けされており、該金属ケース２５を介して前記圧電振動素子２７の接合面の素子電極２８ｂと電気的に導通している。有底筒状ケース２５の内部には、圧電振動素子２７を拘束しないようスポンジ等からなる吸音材２９が充填されており、該吸音材２９の上からケース内に雨滴などの進入を防止するためにシリコーン樹脂等の弾性体３０が充填されている。前記リード線３２，３３は、樹脂内部で信号線３４，３５と半田付けにより電気的に接続されている。
【０００４】
超音波センサは、以下の様に動作する。信号線３４，３５から圧電振動素子２７に間欠的に駆動電圧を印加して、圧電振動素子２７を振動させると、振動板２６が膜振動し、振動板から前方へ超音波が放出される。駆動は間欠的に行われているので、送信が停止している時間内で所定の時間が経過した後、被検出物から反射してきた超音波が振動板２６を介して圧電振動素子２７に到達すると、この受波された超音波が圧電振動素子２７によって電圧信号に変換され信号線３４，３５より出力される。ここで、反射波が戻ってくるまでの時間と被検出物までの距離は比例関係にあるので、送信から受信までの経過時間が観測することによって被検出物との距離を計測することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動車の周囲の障害物を検知するのに用いられる超音波センサに要求される事項として、温度差や湿度などの環境変動により超音波センサの感度、指向角が変化しないことが求められている。また、雨滴の進入により上記諸特性が変化劣化しないこと、即ち防滴性が求められている。
【０００６】
しかしながら、特開２００１―１６９３９２にみられるようなアルミニウムなどの金属のケースに圧電振動素子を接着している構造では、熱膨張率が約１０倍異なるアルミニウムと圧電セラミックスを接着するために、実際の使用環境では温度変化の繰り返しにより前記アルミニウムと圧電セラミックスの間の接着層に応力が集中し、接着力が徐々に低下する。この種の超音波センサでは、交流電圧による圧電セラミックスの伸縮を駆動源としてケース底面の振動板を膜振動させ超音波を放出しているため、圧電セラミックスと振動板の接着力が変化すると振動の伝達に変化を生じ、結果として超音波センサの音圧、感度、指向角等の性能が環境変動と時間によって初期値から変化して元に戻らないという問題があった。
【０００７】
また、一般的に、このような金属のケースは削りだし加工により製造されるが、振動板になる有底筒状ケースの底面の厚み、うねりが超音波センサの共振周波数、感度、残響特性等の各種特性に大きな影響を与える。したがって、初期特性のばらつきを小さくするためには、金属ケースの加工を精度良く行う必要があり、結果として高価なものとなるという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、前述の問題点を解決するためになされたもので、初期特性のばらつきが少なく、温度差の影響を受けにくく、環境による劣化を起こすことの少ない、安価な超音波センサ提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、有底筒状ケースの底面を振動板として超音波の送受波を行う超音波センサであって、該有底筒状ケースの底面と円筒部分を圧電セラミックス材料で一体成型し、前記底面の一部分に対向電極を形成し圧電性を付与し、前記底面の一部分を振動の駆動源及び反射波の受波源とした構造を特徴とする超音波センサが得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、有底筒状ケースの底面に、端部にランド電極を有する、３本以上の平行線状または同心円状の交差指電極または一対の渦巻き電極を有することを特徴とする超音波センサが得られる。
【００１１】
本発明では、有底筒状ケースの底面と円筒部分を圧電セラミックスで一体成型し、この圧電セラミックスからなる有底筒状ケースの底面に対向電極を形成し、該対向電極を用いて対向電極間の圧電セラミックスを分極することで圧電性を付与し、振動板を構成し、前記対向電極間に交流電圧を印加して前記振動板を振動させる。該振動板の外面、及び周囲は圧電性が無いため、外周の固定された振動板の内面部にある圧電セラミックスの伸縮により振動板が凹凸に膜振動し外面の前方に超音波を放出、また、反射波を検知する事ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面に基づいて、詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明による超音波センサの一実施の形態を示す断面図である。図１で、外径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの有底筒状ケース１は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス材料の成型体を焼成したもので、有底筒状ケース１の底部には厚さ１.５ｍｍの振動板２が一体に形成され、前記振動板２の内面２ａにスパッタリングによって交差指電極３、４を形成し、該交差指電極３、４の端部に形成したランド電極５、６にリード線９、１０を半田付けし、更に、前記有底筒状ケース１の内部に前記リード線９、１０を通すための穴を設けたスポンジやフェルトなどからなる吸音材７を充填し、該吸音材７の上に、湿度や雨滴の進入を防止するためにシリコーン樹脂やウレタン樹脂の絶縁性の弾性材料８を充填した構造である。
【００１４】
図２は、前記吸音材７や弾性材料８を充填する前の図１に示した有底筒状ケースの平面図である。前記リード線９、１０は、前記弾性材料８の中で信号線１１、１２に半田付けされている。
【００１５】
図１の交差指電極３、４に電圧を印加した時、振動板の分極状態を図３に示した。図３に示す矢印２１のように、振動板２の内面側の圧電セラミックスを分極することで、交差指電極３、４に交流電圧を印加すると、振動板の内面側の圧電セラミックスの伸縮により振動板が凹凸に膜振動し、振動を励起することができる。
【００１６】
前述の実施の形態においては、振動板の内面に形成した電極が交差指電極について説明したが、２本以上の同心円状の交差指電極や一定間隔で配置された２本の渦巻き状の電極でも同じように、交流電圧の印加により振動板の内面側の圧電セラミックスの伸縮により振動板が凹凸に膜振動し、振動を励起する事が可能であり、超音波センサを構成することができる。前記２本以上の同心円状の交差指電極の一例を図４に示した。また、前記一定間隔で配置された２本の渦巻き状の電極の一例を図５に示した。
【００１７】
前述の実施の形態において試作した超音波センサについて、静電容量と感度の初期特性を測定した。比較のため、同じ形状で図７に示した従来構造の超音波センサについても同様の測定を実施した。測定試料数は、それぞれ２０個である。結果を表１に示した。前記静電容量は、圧電セラミックスの誘電率と電極間距離、電極面積で決まる値であるが、接着工程で接着剤の硬化に伴い応力が発生し、該応力が前記圧電セラミックスの誘電率に影響するので、前記静電容量が変化する傾向がある。
【００１８】
【表１】

【００１９】
実施の形態は、従来構造と電極構成が異なるために、同じ値の静電容量と感度は得られないが、静電容量と感度のそれぞれの平均値に対するばらつきの大きさの比を比較すると、実施の形態は比較例の半分以下で、ばらつきが小さいことが分かる。
【００２０】
また、前述の超音波センサについて、マイナス４０℃とプラス１００℃の温度を繰り返す熱衝撃試験を実施し、超音波センサの静電容量の変化を観測した。前記静電容量は、圧電セラミックスの誘電率と電極間距離、電極面積よって決まる値であるが、熱衝撃試験にて接着層に劣化があると振動子と振動板の間の拘束に変化が生じるため、前記静電容量が下がる傾向がある。比較のため、図７に示した従来構造の超音波センサについても、同様の試験を実施した。熱衝撃試験経過に伴う静電容量の変化率を図６に示す。
【００２１】
図６から、従来構造では、５００サイクル経過時点で５％程度の静電容量の変化があるのに対し、本発明による構造では、ほとんど劣化は見られなかった。この実験結果から、本構造では温度差による特性の劣化は従来構造に比し少ないことが確認された。
【００２２】
更に、前述の超音波センサを１０００個試作するときの１個当りの製造時間とコストを従来構造品と比較し、比較結果を表２に示した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２から、本発明の超音波センサは比較例に比べ、約６０％の低コストで製造することが可能であることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、ケースの底面と円筒部分を圧電セラミックスで一体成型することで、初期特性のばらつきが少ない超音波センサを安価に提供すると同時に、底面に交差指電極や渦巻き状の電極を形成して、電極間の圧電セラミックスを分極して駆動源とすることによって、温度差の影響を受けにくく、環境による劣化を起こすことの少ない超音波センサを得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波センサの一実施の形態を示す断面図。
【図２】吸音材や弾性材料を充填する前の図１に示した有底筒状ケースの平面図。
【図３】交差指電極に電圧を印加した時の振動板の分極状態を示す図。
【図４】２本以上の同心円状の交差指電極を示す図。
【図５】一定間隔で２本の渦巻き状の電極を示す図。
【図６】熱衝撃試験経過に伴う静電容量の変化率を示す図。
【図７】公知文献に記載されている超音波センサの構造を示す図。
【符号の説明】
１，２５有底筒状ケース
２振動板
２ａ振動板の内面
３，４交差指電極
５，６ランド電極
７吸音材
８弾性材料
９，１０リード線
１１，１２信号線
２１分極方向を示す矢印
２６振動板
２７圧電振動素子
２８ａ，２８ｂ素子電極
２９吸音材
３０弾性体
３１はんだ点
３２，３３リード線
３４，３５信号線

Claims

有底筒状ケースの底面を振動板として超音波の送波、受波を行う超音波センサであって、該有底筒状ケースの底面と円筒部分を圧電セラミックス材料で一体成型し、前記底面の一部分に対向電極を形成し圧電性を付与し、前記底面の一部分を振動の駆動源及び反射波の受波源とした構造を特徴とする超音波センサ。
請求項１に記載の超音波センサであって、前記有底筒状ケースの底面に３本以上の平行線状の交差指電極を有することを特徴とする超音波センサ。
請求項１に記載の超音波センサであって、前記有底筒状ケースの底面に２本以上の同心円状の交差指電極を有することを特徴とする超音波センサ。
請求項１に記載の超音波センサであって、前記有底筒状ケースの底面に一定間隔で２本の渦巻き状の電極を有することを特徴とする超音波センサ。
請求項２乃至４に記載の超音波センサであって、前記有底筒状ケースの底面に形成した電極の端部にランド電極を有することを特徴とする超音波センサ。