JP4081863B2 - 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。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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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