JP4081863B2 - 超音波センサ - Google Patents

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。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が貼り付けられた構造となっている。圧電振動素子５に形成された素子電極４ａ，４ｂからケース２外部への電気的引き出しは、入出力端子となるリード線６，６によって行われる。一方のリード線６は、半田付けにより、圧電振動素子５の、振動板３と接しない側の素子電極４ａに接続されている。他方のリード線６は金属製のケース２の所定の位置に半田付けされていて、金属製のケース２を通じて、圧電振動素子５の他方の（振動板３と接する側の）素子電極４ｂに導通している。また、圧電振動素子５よりも外側において、振動板３の内面外周部には、全周にわたって弾性接着剤７が塗布されている。
【０００３】
このような構成の超音波センサ１は、以下のように動作する。すなわち、リード線６，６に駆動電圧を印加し、圧電振動素子５を振動させる。この振動と連動して有底筒状ケース２の振動板３が膜振動し、図１の矢印の方向に超音波を放射する。所定時間経過後、被検出物から反射してきた超音波が振動板３を介して圧電振動素子５に到達し反射信号に変換され、リード線６，６から出力される。ここで、送信（駆動電圧の印加）から受信（反射信号の検知）までの経過時間が計測され、この検出結果から被検出物との距離が測定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構造の超音波センサの検出範囲は、感度、残響特性、指向特性によって決定される。感度は検出範囲に関係し、超音波センサの感度を高くすると、微弱な反射波を検知することができ、その結果検出範囲が広くなる。指向特性は検出範囲を決めるものであって、指向特性を広く、あるいは狭くすることによって所望の方位に位置する被検出物のみを検知することができる。また、残響振動を抑制して残響振動の持続時間を短くすることにより残響特性を向上させれば、超音波を放射してから受信可能になるまでの時間が短くなるので、近距離からの反射波の識別が可能となり、その結果、近距離での検出を正確に行える。
【０００５】
従来の超音波センサ１では、その残響振動を抑制するため、図１に示すように、圧電振動素子５よりも外側において振動板３の内面外周部に、ディスペンサによってリング状に弾性接着剤７を塗布し、付着させている。このように振動板３の内面外周部に弾性接着剤７を塗布する場合には、弾性接着剤７が振動板３の内周側へ広がって圧電振動素子５に付着すると、振動板３の振動振幅が小さくなり、微弱な反射波を検知できなくなって超音波センサ１の感度が低下するので、圧電振動素子５に弾性接着剤７を付着しないように注意する必要がある。また、残響振動を有効に抑制して近距離からの反射波を識別できるようにするためには、ケース２の底面と内周側面との両方に密着するよう、弾性接着剤７を塗布しなければならない。
【０００６】
しかし、有底筒状をしたケース２の内部において、圧電振動素子５の素子電極４ａ，４ｂに付着せず、また振動板３の内面とケース内周面に密着するように、全周にわたって弾性接着剤７を塗布する作業は、非常に難しいという問題があった。
【０００７】
次に、リード線６，６の線材としては、従来の超音波センサ１では、柔らかいＣｕ等の細線が使用されている。リード線６，６としては、剛性の高い線材を用いる方が、取扱いが容易で作業性が良好となり、共振周波数や感度等の特性のばらつきも軽減される。しかし、剛性の高い線材をリード線６，６として使用する場合、その先端部を圧電振動素子５に当接させて電気的に接続することになるが、そうすると、剛性の高い線材が圧電振動素子５に当接するため、圧電振動素子５の振動がリード線６，６を通じてケース２内部に漏れ出す、いわゆる「振動漏れ」が生じ、超音波センサ１の残響特性の劣化を招くことになる。これらの理由から、従来より入出力用のリード線６，６には、柔らかい細線が使用されている。
【０００８】
本発明は上記の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、超音波センサの残響特性を良好にして近距離検知を可能にするとともに超音波センサの製造を容易にすることにある。
【０００９】
【発明の開示】
本発明にかかる超音波センサは、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、ケースに一部を固定された第１の導電部材を圧電振動素子の一方電極に接続し、第１の導電部材とは別な第２の導電部材を圧電振動素子の他方電極に導通させ、ケースに固定された第１の導電部材が、前記圧電振動子の一方電極に接続された側でケースの内周面から離れる部分に弾性材料を付着させたことを特徴としている。ここで、弾性材料としては、例えば弾性接着剤、弾性樹脂、発泡樹脂、ゴム材料などを挙げることができる。
【００１０】
このように、第１の導電部材の、ケースの内周面から離れる部分に弾性材料を付着させると、圧電振動素子の振動が第１の導電部材を伝わって弾性部材に吸収されるので、残響振動を速やかに減衰させることができ、超音波センサの残響特性を良好にすることができる。このためには、第１の導電部材として、残響振動を伝えることができるだけの剛性を必要とし、従来より用いられているような柔らかな細線よりも適度に剛性の高いものを用いる必要がある。例えば、剛性の高い線材からなる導電部材や薄い板材を打ち抜いた導電部材などを用いる必要がある。しかし、第１の導電部材の剛性が大きすぎると、検知動作するための送信時の励起振動までが抑制される。従って、第１の導電部材の剛性は適度な剛性とする必要がある。
【００１１】
よって、本発明によれば、超音波センサの残響特性を良好にし、遠距離はもちろん、近距離についても正確に計測することが可能になる。しかも、従来のように振動板の外周部に弾性接着剤を塗布する方法と比較すると、第１の導電部材の一部に弾性材料を付着させるだけでよく、超音波センサの製造を簡略にすることができる。
【００１２】
また、本発明によれば、比較的剛性の高い第１の導電部材を用いても超音波センサの残響特性を良好にすることができるので、比較的剛性の高い第１の導電部材を用いることにより、製造工程における取扱いが容易で作業性が良好となり、共振周波数や感度等の特性のばらつきも軽減できる。
【００１３】
また、絶縁性材料からなる略筒状のケース本体に第１の導電部材をインサート成形しておき、このケース本体の一方開口部に振動板を固着させてケースを形成し、ケース本体の内周面から露出した第１の導電部材の端部を圧電振動素子の電極に接続した超音波センサでは、超音波センサの製造が簡単になるが、従来のように振動板の外周部に弾性接着剤を塗布する方法では、第１の導電部材に妨げられて弾性接着剤の塗布が困難になる。しかし、このような構造の超音波センサでも、本発明のように第１の導電部材に弾性材料を付着させる方法では、簡単な作業によって超音波センサの残響特性を改善することができる。
【００１４】
また、超音波センサの残響振動を抑制する効果の点では、第１の導電部材の固定部分近傍において第１の導電部材とケースに弾性材料を付着させるのが特に好ましい。また、この部位に弾性材料を塗布すれば、圧電振動素子に弾性材料が付着しにくいという点でも有利である。
【００１５】
さらに、本発明の方法に加えて、従来から行われているように、圧電振動素子よりも外周側の領域で振動板に弾性材料を付着させれば、より一層残響振動を抑制して残響特性を良好にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図３（ａ）（ｂ）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平面図及び断面図である。この超音波センサ１１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は有底筒状をしており、このセンサケース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ケース本体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。ケース本体１４の前端開口の内周には環状の浅い窪み部１６が凹設され、ケース本体１４の後端開口の内周には環状の深い窪み部１７が凹設されており、前端の浅い窪み部１６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。ケース本体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１８，１９がインサートされており、一方の導電部材１８は前端部がケース本体１４の内周面から突出すると共に後端部がケース本体１４の後端面に露出し、他方の導電部材１９は前端部が浅い窪み部１６内に露出すると共に後端部が深い窪み部１７内に露出している。
【００１７】
圧電振動素子１２は両主面に電極２０ａ，２０ｂ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の一方の電極２０ａが導電接着剤により接合されている。このようにしてケース本体１４を導電部材１８，１９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の外周部をケース本体１４の窪み部１６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１８の先端を圧電振動素子１２の電極２０ｂに半田付けする。他方の導電部材１９の先端は振動板１５に圧接して圧電振動素子１２の電極２０ａに導通している（この導電部材１９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１８，１９は圧電振動素子１２の両電極２０ａ，２０ｂに導通することになる。また、導電部材１８の前端部では、ケース本体１４から出ている部分の基部にシリコン樹脂等の弾性接着剤２１が塗布されており、弾性接着剤２１は導電部材１８とケース本体１４の内周面とに付着している。この弾性接着剤２１は、圧電振動素子１２の電極２０ｂに導電部材１８を半田付けした後に塗布してもよく、あるいは、振動板１５をケース本体１４に取り付ける前に塗布しておいてもよい。
【００１８】
ケース本体１４にインサートされている両導電部材１８，１９は、金属板材の打抜き加工によって形成されたリード線であって、適度の剛性を備えている。特に、圧電振動素子１２の電極２０ｂに直接に接続されている導電部材１８は、剛性が高過ぎると圧電振動素子１２の励起振動が抑制され、柔らか過ぎると残響振動を弾性接着剤２１へ伝えることができないので、適度の剛性を持たせる必要がある。必要な剛性の程度は、ケースへの固定部分と圧電振動素子１２への接続部分との距離にもよるので、残響振動の抑制に適切な導電部材１８の剛性は、実験的に定めるのが望ましい。また、導電部材１８，１９として洋白、４２ニッケルなどの金属材料を用いることにより導電部材１８，１９の強度が向上し、柔らかな信号線を用いる場合のような断線の恐れが小さくなる。
【００１９】
この後、各導電部材１８，１９の後端部に信号線（図示せず）の端部を半田付けする。なお、必要に応じて後端部の窪み部１７内に温度補償用のチップコンデンサを固定し、圧電振動素子１２と並列になるようにチップコンデンサを接続してもよい。こうして各部品の実装や接続が終わったら、ケース本体１４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、吸音材のあとからケース本体１４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。
【００２０】
しかして、この超音波センサ１１にあっては、導電部材１８，１９及び振動板１５を介して圧電振動素子１２に交流電圧を印加して振動板１５を振動させ、音波を発生させる。逆に、受信した反射音波により振動板１５が変形することによって発生する歪を圧電振動素子１２によって電気信号に変換し、導電部材１８，１９等を介して信号を取り出し、障害物等の被検出物の検出を行なう。
【００２１】
また、導電部材１８の前端部の、ケース本体１４から露出している部分の基部に弾性接着剤２１を塗布して付着させているので、ケースの機械的Ｑが小さくなり、残響振動を抑制することができる。一方、弾性接着剤２１は、振動面や圧電振動素子１２には付着していないので、振動板１５の励起振動には影響を及ぼさず、超音波センサ１１の共振周波数や感度をほとんど変化させることなく残響振動を抑制できる。よって、残響振動の持続時間を短くして、遠距離はもちろん、近距離についても正確に計測することが可能になる。しかも、弾性接着剤２１を導電部材１８の一部に付着させるだけで良いので、弾性接着剤２１の塗布作業を簡単に行うことができる。また、弾性接着剤２１の使用量が減少するので、コストも安価になる。
【００２２】
ここで、従来例の残響特性と当該実施形態の残響特性を比較する。図２に実線で示すものは、振動板１５の外周部全周に弾性接着剤７を塗布した従来の超音波センサ１（図１）の残響特性である。すなわち、横軸は圧電振動素子１２の励振を停止した後の経過時間ｔを示し、縦軸は残響振動の強さを電圧で示している。また、図４は導電部材１８の一部に弾性接着剤２１を付着させた本発明の超音波センサ１１（図３）の残響特性である。この図２と図４の残響特性を比較すると、本発明の超音波センサ１１では、従来例の超音波センサ１と同じ程度の残響特性が得られることが分かる。しかし、従来例の超音波センサ１では、弾性接着剤７を振動板３の全周に塗布しなければならないので、弾性接着剤の塗布が困難である（特に、導電部材１８，１９に妨げられて全周に塗布するのは難しい）のに対し、本発明の超音波センサ１１では、導電部材１８に弾性接着剤２１を塗布するだけでよく、弾性接着剤の塗布作業が簡単になる。
【００２３】
また、図２に破線で示すものは、振動板１５の外周部の１点に弾性接着剤を塗布した超音波センサの残響特性である。この超音波センサでは、弾性接着剤を１点に塗布するだけであるので、本発明の超音波センサ１１と同様、弾性接着剤の塗布作業を簡単にできるが、図２に破線で示す残響特性から分かるように、残響持続時間が長くなり、残響特性が劣化している。
【００２４】
（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３１を示す製造工程途中の断面図である。この実施形態にあっては、導電部材１８の、ケース本体１４から露出している前端部の基部に弾性接着剤２１を塗布して付着させることに加え、従来の超音波センサで用いられているように、圧電振動素子１２の外側において振動板１５の内面外周部にもシリコン樹脂等の弾性接着剤３２を塗布している。
【００２５】
図６は、この超音波センサ３１の残響特性を示している。この実施形態では、弾性接着剤３２の塗布作業は面倒になるが、図６の残響特性から分かるように、残響振動持続時間が短くなり、残響特性がより良好となる。よって、より一層近距離まで正確に検知でき、検知範囲を近距離まで延ばすことが可能になる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図７は本発明のさらに別な実施形態による超音波センサ４１を示す断面図である。これまでに説明した実施形態は、いずれもケース本体１４と振動板１５が別個に形成されたものであったが、本発明は有底筒状のケース１３がアルミニウム等の金属材料で一体成形されたものにも適用できる。すなわち、この実施形態では、ケース本体１４と振動板１５とがアルミニウム等の金属材料によって一体物として製作されており、ケース本体１４の内周面に導電部材４２を接着し、導電部材４２の、ケース本体１４から離れた端部を圧電振動素子１２の電極２０ｂにはんだ付けしている。そして、導電部材４２の、ケース本体１４内周面への固定部分の端において導電部材４２にシリコン等の弾性接着剤２１を塗布している。
【００２７】
導電部材４２とケース１３とは電気的に絶縁されており、そのためには、導電部材４２のケース１３と接触している部分は絶縁被膜で覆ってあってもよく、あるいはケース内周面に絶縁処理を施してあってもよい。一方のリード線４３は導電部材４２に接続されており、他方のリード線４３はケース１３に接続されており、両リード線４３は導電部材４２及びケース１３を通じてそれぞれ圧電振動素子１２の各電極２０ａ，２０ｂに導通している。
【００２８】
このような一体型ケースを用いた構造の超音波センサ４１においても、弾性接着剤２１により、残響振動を抑制することができる。
【００２９】
（その他）
なお、上記各実施形態では、導電部材のケース本体から露出している部分に弾性接着剤を塗布したが、弾性接着剤は、導電部材のケース本体への固定部分と圧電振動素子への接続部分との任意の位置に塗布してもよい。もっとも、残響振動を抑制する効果の点では、図３に示したように導電部材とケース本体に付着する位置が望ましい。また、導電部材に塗布する弾性材料は、弾性接着剤に限らず、弾性樹脂、発泡樹脂、ゴム材料などでもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の超音波センサによれば、残響特性を低下させることなく、弾性接着剤の塗布作業を簡単にすることができ、超音波センサの生産性を高めることができる。あるいは、残響特性を従来の超音波センサよりも一層良好にすることができる。よって、近距離まで正確に計測することができる超音波センサを製作することができる。
【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断面図である。
【図２】同上の超音波センサの残響特性図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態による超音波センサの構造を示す平面図及び断面図である。
【図４】同上の超音波センサの残響特性図である。
【図５】本発明の別な実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【図６】同上の超音波センサの残響特性図である。
【図７】本発明のさらに別な実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１２ 圧電振動素子
１３ ケース
１５ 振動板
１８，１９，４２ 導電部材
２１，３２ 弾性接着剤

Claims (4)

1. 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、ケースに一部を固定された第１の導電部材を圧電振動素子の一方電極に接続し、第１の導電部材とは別な第２の導電部材を圧電振動素子の他方電極に導通させ、ケースに固定された第１の導電部材が、前記圧電振動子の一方電極に接続された側でケースの内周面から離れる部分に弾性材料を付着させたことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記ケースは、絶縁性材料からなる略筒状のケース本体と、当該ケース本体の一方開口部に固着された振動板とからなるものであり、前記第１の導電部材は前記ケース本体内にインサート成形され、第１の導電部材の、ケース本体の内周面から露出した端部が前記圧電振動素子の電極に接続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。
3. 前記弾性材料は、前記第１の導電部材の固定部分近傍において、第１の導電部材と前記ケースとに付着していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波センサ。
4. 前記振動板の、前記圧電振動素子よりも外周側の領域に弾性材料を付着させたことを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の超音波センサ。

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