JP4062780B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
【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 (3)
- 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。
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