JP4062780B2

JP4062780B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP4062780B2
Application number: JP20271398A
Authority: JP
Inventors: 昭三大寺; 英俊岩谷; 潤一越野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: JP2000023296A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサに関する。特に、自動車のバックソナーやコーナーソナー等に使用される防滴型の超音波センサに関する。
【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、圧電振動素子から超音波パルス信号を間欠的に送信し、周辺に存在する被検出物からの反射波を圧電振動素子で受信することにより物体を検知するものである。この種の超音波センサとしては、従来より図１に示す構造のものが用いられている（実用新案登録第３０１４８００号の登録公報）。すなわち、この超音波センサ１は、金属で形成された有底筒状センサケース２の底面が振動板３となっており、振動板３の内側に、両主面に素子電極４ａ，４ｂの形成された圧電振動素子５が接合された構造となっている。センサケース２の内周面と振動板３の連結部の内面には、全周にわたって段部６が形成されている。また、圧電振動素子５の両素子電極４ａ，４ｂはリード線７やセンサケース２を介して端子８と導通させられている。
【０００３】
このような構成の超音波センサ１は、圧電振動素子５に所定周波数の駆動電圧を印加し、圧電振動素子５によって振動板３を共振させ、振動板３から前方へ超音波を放射する。所要時間経過後、被検出物から反射してきた超音波が振動板３を共振させると、振動板３の振動が圧電振動素子５によって電気信号に変換される。ここで、送信（駆動電圧の印加）から受信（反射信号の検知）までの経過時間から被検出物の距離が演算される。
【０００４】
超音波センサは、上記のような原理によって動作するものであるから、効率的に動作させるためには、超音波センサの感度や音圧に関する中心周波数（以下、単に周波数という）は予め決められた周波数と一致しなければならない。しかし、実際には、センサケースの製造ばらつき等によって振動板の周波数が設計周波数からずれることもある。
【０００５】
そのため、上記超音波センサ１では、センサケース２の内周面と振動板３の連結部の内面に、周波数調整のための段部６を設けてあり、この段部６を図２に矢印Ｂで示す方向へ切削することで超音波センサ組立後の周波数調整を可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、周波数調整のための段部６はセンサケース２の応力集中部分（内隅部）Ａの近傍に位置しているため、周波数調整のために段部６を切削するとケース材料、特に振動板３に疲労劣化が発生し、センサ特性のばらつきや経時的変動が生じ、超音波センサの信頼性を低下させていた。
【０００７】
さらに、段部６を図２の矢印Ｂの方向へ切削するためには、センサケース２の前端面を支持する必要があり、センサケース２の前端面を押さえた状態で切削工具により段部６を矢印Ｂの方向へ切削することになる。よって、段部６の切削時には、振動板３の厚み方向に応力が発生し、最悪の場合には振動板３が変形し、超音波センサ１の振動モードを変化させる恐れがあった。
【０００８】
また、振動板の外面を研磨することによっても超音波センサの周波数調整を行うことができるが、超音波センサの指向性が曲らないようにするためには、振動板の外面を充分平坦に仕上げる必要があり、高度の技術が必要であった。
【０００９】
本発明は上記従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケース材料に疲労劣化を生じさせたり、振動板を変形させたりすることなく、しかも、高度な技術を要することなく超音波センサの周波数調整を行えるようにすることである。
【００１０】
【発明の開示】
本発明の超音波センサは、有底筒状をしたケースの底部を振動板となし、当該振動板の内面に圧電振動素子を接合させた超音波センサにおいて、前記ケースの胴部における前記底部に対して反対側の端部と前記底部との間の中間部分に、周波数調整のための切削部を設けたことを特徴としている。
【００１１】
本発明にあっては、ケースの胴部における底部に対して反対側の端部と前記底部との間の中間部分を切削することによって周波数調整しているので、従来例のようにケースの底部の内隅部分を切削することによって周波数調整を行う場合と比較すると、周波数調整によって超音波センサのケースが疲労劣化しにくく、超音波センサの特性ばらつきや経時的変動が生じにくくなる。よって、超音波センサの周波数調整によって超音波センサの信頼性を損ねることがない。
【００１２】
また、従来例のように振動板の外面を切削することによって周波数調整を行う場合と比較すると、振動板に応力が加わって振動板が変形することがなく、振動モードが変化する恐れがない。しかも、振動板を切削する方法のように、周波数調整によって振動板の平坦性が損われる恐れもなく、高度な技術を要することなく周波数調整を可能にすることができる。
【００１３】
また、周波数調整用の切削部をケースの胴部内周面に設ける場合には、胴部内周面から外周方向へ向けて切削するのが好ましい。あるいは、切削部をケースの胴部外周面に設ける場合には、胴部外周面から内周方向へ向けて切削するのが好ましい。このような方向に切削部を加工すれば、振動板に応力が加わらないように切削部を加工することができるので、振動板が変形して振動モードを変化させる恐れもなくなる。
【００１４】
しかも、周波数調整のための切削部をケースの胴部外周面に設ければ、ケース内に吸音材や絶縁性樹脂などを充填して超音波センサを完成した後においても、超音波センサの周波数調整をすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図３は本発明の一実施形態による超音波センサ１１の製造工程途中の構造を示す断面図である。この超音波センサ１１の構造と周波数調整方法を説明する。圧電振動素子１２を収納するセンサケース１３は、アルミニウム等の金属材料によって、背面が開口した有底筒状に形成されている。センサケース１３は、略筒状をした胴部１４の前端に底面を有しており、この底面が、振動を発生し反射波を受信する薄板状の振動板１５となっており、胴部１４の後端部内周面には段部１７が周設されている。
【００１６】
圧電振動素子１２は、圧電セラミック材料からなる圧電板の両主面に素子電極１６ａ，１６ｂを形成したものである。この圧電振動素子１２は、振動板１５の内面中央部に取り付けられ、圧電振動素子１２の一方の素子電極１６ａが導電接着剤により振動板１５に接合されている。一方のリード線１８はセンサケース１３の段部１７に接続され、センサケース１３を介して圧電振動素子１２の一方の素子電極１６ａに導通されており、他方のリード線１８は圧電振動素子１２の他方の素子電極１６ｂに直接はんだ付けされる。
【００１７】
こうして、図３に示すように、センサケース１３の振動板１５内面に圧電振動素子１２を取り付けてリード線１８を配線した後、この超音波センサ１１の周波数を計測する。計測した周波数が設計値と異なっていた場合には、図４に示すように、切削工具を用いてセンサケース１３の胴部１４内周面を切削加工して溝状をした切削部１９を周設する。このときセンサケース１３の段部１７の内隅部や振動板１５の外周部の内隅部は応力集中部分Ｃとなっているので、この応力集中部分Ｃを避けて切削する。また、この切削加工時には、例えばセンサケース１３の胴部外周面をチャックで掴んで保持し、切削工具により胴部１４の内周面から外周面へ向けて（図４に矢印Ｄで示す方向）彫り進めるように加工する。超音波センサ１１の周波数は、この切削部１９の幅や深さを変えることによって調整することができる。
【００１８】
こうして超音波センサ１１の周波数調整が完了したら、センサケース１３内にフェルト等の吸音材（図示せず）を入れて圧電振動素子１２の近傍を吸音材で覆い、吸音材のあとからセンサケース１３内にシリコンゴムやウレタンゴム等の弾性を有する絶縁性樹脂（図示せず）を充填し硬化させる。この絶縁性樹脂としては、合成樹脂発泡体を用いてもよい。
【００１９】
本発明の超音波センサ１１にあっては、センサケース１３の胴部１４内周面において、応力集中部分Ｃから離れた位置を切削しているので、周波数調整のためにセンサケース１３を切削してもセンサケース１３、特に振動板１５に疲労劣化が発生しにくく、センサ特性のばらつきや経時的変動を抑制することができ、超音波センサ１１の信頼性を向上させることができる。
【００２０】
さらに、切削部１９は内周面から外周方向へ向けて切削されるので、センサケース１３の外周面を保持すればよく、振動板１５に応力を加える必要がない。よって、振動板１５が変形して超音波センサ１１の振動モードが変化する恐れがなくなる。また、振動板１５の外面を研磨する従来方法と比較しても、高度な技術を要することなく超音波センサ１１の周波数調整を行うことができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
図５は本発明の別な実施形態による超音波センサ２１の構造を示す断面図である。この超音波センサ２１では、センサケース１３の振動板１５に圧電振動素子１２を接合し、リード線１８を配線した後、センサケース１３内にフェルト等の吸音材２２とシリコンゴムやウレタンゴム等の弾性を有する絶縁性樹脂２３を充填している。
【００２２】
ついで、センサケース１３の胴部１４外周面に周波数調整用の切削部１９を加工する。この場合もセンサケース１３の外周面をチャックで掴んだ状態で、センサケース１３の外周面から内周に向けて切削する。
【００２３】
この実施形態にあっても、センサケース１３の外周面の、応力集中部分から離れた位置を切削しているので、周波数調整のためにセンサケース１３を切削してもセンサケース１３、特に振動板１５に疲労劣化が発生しにくく、センサ特性のばらつきや経時的変動を抑制することができ、超音波センサ２１の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
さらに、切削部１９は外周面から内周面へ向けて切削されるので、センサケース１３の外周面を保持すればよく、振動板１５に応力を加える必要がない。よって、振動板１５が変形して超音波センサ２１の振動モードが変化する恐れがなくなる。また、振動板１５の外面を研磨する従来方法と比較しても、高度な技術を要することなく簡単な作業によって超音波センサ２１の周波数調整を行うことができる。
【００２５】
また、第１の実施形態と第２の実施形態とを比較すると、第１の実施形態では、センサケース１３の表面に腐食防止用塗料などが塗装されている場合でも、外面の腐食防止用塗料が切削されないので、腐食防止用塗料を切削部１９内に再塗装する必要がない利点がある。これに対し、第２の実施態様では、吸音材や絶縁性樹脂を充填した後で周波数調整することができるので、周波数調整後に周波数ずれが起きにくいという利点がある。
【００２６】
（第３の実施形態）
また、本発明は、センサケース１３の胴部１４と振動板１５を別個に形成した超音波センサにも適用することができる。このような超音波センサ３１の構造を図６に示す。この超音波センサ３１の構造を組み立て手順をまじえて説明する。圧電振動素子１２を収納するセンサケース１３は、絶縁性樹脂例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や液晶ポリマー等のエンジニアリングプラスチックからなる略円筒状の胴部１４と、円板状をしたアルミニウム等の金属からなる振動板１５とから構成されている。胴部１４の前端開口の内周には環状の浅い窪み部３３が凹設され、胴部１４の後端開口の内周には環状の段部１７が形成されており、前端の浅い窪み部３３には、振動を発生し反射波を受信する振動板１５が嵌合して有底筒状のセンサケース１３が構成されている。胴部１４内には、洋白、４２ニッケルなどの金属材料からなる導電部材３２がインサートされており、一方の導電部材３２は前端部が胴部１４の内周面から突出すると共に後端部が胴部１４の後端面に露出し、他方の導電部材３２は前端部が浅い窪み部３３内に露出すると共に後端部が段部１７に露出している。
【００２７】
圧電振動素子１２は両主面に素子電極１６ａ，１６ｂを形成されており、振動板１５の内面中央部には、圧電振動素子１２の一方の素子電極１６ａが導電接着剤により接合されている。このようにして胴部１４を導電部材３２と一体成形すると共に振動板１５に圧電振動素子１２を一体化した後、圧電振動素子１２を接合された振動板１５の外周部を胴部１４の窪み部３３に嵌めて接着剤で接着し、それによってセンサケース１３を組み立てると共にセンサケース１３内に圧電振動素子１２を納める。ついで、一方の導電部材３２の先端を圧電振動素子１２の素子電極１６ｂに半田付けする。他方の導電部材３２の先端は振動板１５に圧接して圧電振動素子１２の素子電極１６ａに導通している（この導電部材３２の先端と振動板１５も導電接着剤などで接合させてもよい）ので、２本の導電部材３２は圧電振動素子１２の両素子電極１６ａ，１６ｂに導通することになる。
【００２８】
この後、センサケース１３の胴部１４の内周面もしくは外周面を切削して切削部１９を設け、超音波センサ３１の周波数調整を行う。さらに、各導電部材３２の後端部に信号線（図示せず）の端部を半田付けする。こうして各部品の実装や接続が終わったら、胴部１４内にフェルト等の吸音材（図示せず）やシリコンゴム、ウレタンゴム等の弾性を有する絶縁性樹脂（図示せず）を充填する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波センサの構造を示す概略断面図である。
【図２】同上の超音波センサの周波数調整方法を説明する部分拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波センサの周波数調整前の状態を示す断面図である。
【図４】同上の超音波センサの周波数調整後の状態を示す断面図である。
【図５】本発明の別な実施形態による超音波センサの周波数調整後の状態を示す断面図である。
【図６】本発明のさらに別な実施形態による超音波センサの周波数調整後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１２圧電振動素子
１３センサケース
１４胴部
１５振動板
１９切削部
Ｃ応力集中部分

Claims

有底筒状をしたケースの底部を振動板となし、当該振動板の内面に圧電振動素子を接合させた超音波センサにおいて、
前記ケースの胴部における前記底部に対して反対側の端部と前記底部との間の中間部分に、周波数調整のための切削部を設けたことを特徴とする超音波センサ。
前記切削部は、前記ケースの胴部内周面から外周方向へ向けて切削されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
前記切削部は、前記ケースの胴部外周面から内周方向に向けて切削されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。