JP4766112B2 - 超音波センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
なお、この超音波センサ1は共振周波数が40kHzであり、超音波センサ1において駆動電圧を印加したときの残響特性を図23のグラフに示す。
まず、圧電素子3をケース2の底面に接着剤を用いて接着しているため、接着剤の量や接着位置がばらつき、超音波の送受信特性にばらつきが発生しやすい。
また、所望の指向性を得るために金属からなるケース2を複雑な形状に形成する必要があり、ケース2の作製ばらつきにより送受信特性がばらついてしまいやすい。
さらに、ケース2が金属からなるので、圧電素子3の接着部においてケース2が酸化することがあり、超音波の送受信特性がばらついてしまいやすい。
この発明にかかる超音波センサでは、外装材が駆動時にベンディング振動することが好ましい。
この発明にかかる超音波センサは、たとえば、ベースの内面に接するようにベースに挿入され、圧電素子に対向する部分に圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成された柱状のウエイトをさらに備えてもよい。また、この発明にかかる超音波センサは、たとえば、ベースの内面に接するようにベースに挿入され、圧電素子に対向する部分に圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成された筒状のウエイトをさらに備えてもよい。これらの場合、ウエイトは、ベースの材料および外装材の材料より密度の大きい材料で形成されることが好ましい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子を複数有し、ベースを複数の圧電素子に対応して複数有し、外装材は、複数の圧電素子の外面および複数のベースの外面を覆うように形成されてもよい。
この発明にかかる超音波センサの製造方法は、圧電素子と、圧電素子を収納するための筒状の側面部および側面部の一端の開口部から側面部の内側に屈曲するように形成された屈曲部を有し、屈曲部の内面側の端部に圧電素子を配置するための凹部が形成され、凹部に配置された圧電素子および屈曲部によりその開口部が塞がれたベースと、ベースの外側から圧電素子の外面およびベースの外面を覆うように形成された外装材とを備えた超音波センサを製造するための超音波センサの製造方法であって、圧電素子およびベースを用意する工程と、ベースの凹部に圧電素子を配置する工程と、凹部に配置された圧電素子の外面およびベースの外面を覆うための有底の充填型に、凹部に配置された圧電素子およびベースを挿入する工程と、圧電素子およびベースと充填型との間に外装材の材料を充填して、圧電素子の外面およびベースの外面と充填型の内面との間に外装材を形成する工程と、外装材から充填型を除去する工程とを備えたことを特徴とする、超音波センサの製造方法である。
この発明にかかる超音波センサの製造方法では、超音波センサは、ベースの内面に接するようにベースに挿入され、圧電素子に対向する部分に圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成されたウエイトをさらに備えた超音波センサであり、ウエイトを用意する工程と、凹部に圧電素子が配置されたベースの内面に接するようにウエイトをベースに挿入して、ウエイトをベースの内面に接着する工程とをさらに備えてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ベースの屈曲部の内面側に形成された凹部に圧電素子が配置されているので、ベースの屈曲部の外面側(送受信側)に圧電素子を配置した場合に比べて、圧電素子の送受信側の面に形成される外装材の厚み(量)が多くなり、圧電素子の表裏面での振動の伝わるバランスが崩れて、たわみが発生しやすくなり、大きな振幅の振動となるベンディング振動が発生して、所望の送受信特性が得られる。なお、ベースの屈曲部の送受信側に圧電素子を配置した場合、圧電素子の送受信側の面に形成される外装材の厚み(量)が少なくなり、十分な特性が得られない。それに対して、この発明にかかる超音波センサのように、圧電素子の表裏面での外装材などの厚み(量)の差を大きくするほど、たわみやベンディング振動が発生しやすくなり、超音波センサとしての音圧や感度の特性が向上し、所望の送受信特性が得られる。
この発明にかかる超音波センサにおいて、ベースに挿入されくぼみ部が形成されたウエイトを備える場合には、ウエイトのくぼみ部の形状を変えることによって指向性を変えることができ、簡単な構造で指向性を制御することができる。また、この場合、ウエイトによってベースの側面部の不要な振動が抑制されるので、必要な振動面だけを効率よく振動することができる。さらに、この場合、ウエイトをベースの材料および外装材の材料より密度の大きい材料で形成することによって、ベースの側面部の不要な振動をさらに抑制することができる。
また、この発明にかかる超音波センサにおいて、くぼみ部が形成されたウエイトを備える場合には、ウエイトのくぼみ部に吸音材を設けることによって、残響特性を改善することができる。この場合、ウエイトが筒状のウエイトであれば、ウエイト内にも吸音材を設けることによって、残響特性をさらに改善することができる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、外装材が複数の圧電素子の外面および複数のベースの外面を覆うように形成されている場合には、複数の圧電素子などを有する複雑なものを容易に製造することができるとともに、障害物などの被検出物までの距離を測定することができるだけでなく被検出物への角度も測定することができるようになる。
12 ベース
14 側面部
16 屈曲部
18 凹部
20 圧電素子
22a、22b リード線
24 ウエイト
26 へこみ部
28 吸音材
30 外装材
この場合、この超音波センサ10では、ベース12の屈曲部16に形成された凹部18に圧電素子20が配置されるので、圧電素子20を精度よく配置することができ、送受信特性のばらつきを小さくすることができる。
また、この場合、この超音波センサ10では、ベース12の屈曲部16の内面側に形成された凹部18に圧電素子20が配置されているので、ベース12の屈曲部16の外面側(送受信側)に圧電素子20を配置した場合に比べて、圧電素子20の送受信側の面に形成される外装材30の厚み(量)が多くなり、圧電素子20の表裏面での振動の伝わるバランスが崩れて、たわみやベンディング振動が発生しやすくなり、超音波センサとしての音圧や感度の特性が向上し、所望の送受信特性が得られる。
また、この超音波センサ10のように、リング状の凹部18の高さは、圧電素子20の厚みと略同一であることが好ましい。このようにすれば、圧電素子20が屈曲部16の凹部18と吸音材28とでしっかり固定されることになり、より安定した送受信特性が得られる。
さらに、この超音波センサ10において、圧電素子20の振動周波数と、その上の外装材30の固有振動数とが一致し、両者が共振するように、圧電素子20および外装材30の材質に合わせてリング状の凹部18の高さ(厚み)を選択することが好ましい。これにより、より大きなベンディング振動が得られ、送受信特性が安定する。
すなわち、この超音波センサ10では、ケース2に圧電素子3を接着剤で接着するために接着剤量の管理や接着時の加圧力などの管理が必要である図21に示す超音波センサ1に比べて、圧電素子20を接着剤で接着しないので、それらの管理が必要でなく、圧電素子の接着に関する接着剤量、加圧力、接着対象物の表面粗さや平面度などの硬化条件の影響を受けず、しかも、接着による部材のそりも生じない。
さらに、この超音波センサ10では、圧電素子20の外面に樹脂からなる外装材30がモールドで形成されるので、圧電素子20と外装材30との接合部の平面度が粗くてもよい。
このように、超音波センサに用いられるウエイト24の形状により、超音波センサの指向性を制御することができる。
すなわち、図16に示す超音波センサ10は、図1に示す超音波センサ10における外装材30以外のベース12、圧電素子20、リード線22a,22b、ウエイト24および吸音材28を2組有し、2組のベース12,12および圧電素子20,20の外面に、平面形状が横長の長方形状である1つの外装材30が形成されている。
また、図16に示す超音波センサ10では、2つの圧電素子20,20が同一平面内に存在するように配置されるとともに、2つのくぼみ26,26の長手方向が外装材30の長手方向に直交するように2つのウエイト24,24が配置されている。
Claims (8)
- 圧電素子と、
前記圧電素子を収納するための筒状の側面部および前記側面部の一端の開口部から前記側面部の内側に屈曲するように形成された屈曲部を有し、前記屈曲部の内面側の端部に前記圧電素子を配置するための凹部が形成され、前記凹部に配置された前記圧電素子および前記屈曲部により前記開口部が塞がれたベースと、
前記ベースの外側から前記圧電素子の外面および前記ベースの外面を覆うように形成された外装材とを備え、
前記外装材は樹脂を充填して硬化されることにより前記圧電素子に固定されていることを特徴とする、超音波センサ。 - 前記外装材は駆動時にベンディング振動する、請求項1に記載の超音波センサ。
- 前記ベースの内面に接するように前記ベースに挿入され、前記圧電素子に対向する部分に前記圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成された柱状のウエイトをさらに備えた、請求項1または請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記ベースの内面に接するように前記ベースに挿入され、前記圧電素子に対向する部分に前記圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成された筒状のウエイトをさらに備えた、請求項1または請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記ウエイトは、前記ベースの材料および前記外装材の材料より密度の大きい材料で形成された、請求項3または請求項4に記載の超音波センサ。
- 前記圧電素子を複数有し、
前記ベースを前記複数の圧電素子に対応して複数有し、
前記外装材は、前記複数の圧電素子の外面および前記複数のベースの外面を覆うように形成された、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の超音波センサ。 - 圧電素子と、前記圧電素子を収納するための筒状の側面部および前記側面部の一端の開口部から前記側面部の内側に屈曲するように形成された屈曲部を有し、前記屈曲部の内面側の端部に前記圧電素子を配置するための凹部が形成され、前記凹部に配置された前記圧電素子および前記屈曲部により前記開口部が塞がれたベースと、前記ベースの外側から前記圧電素子の外面および前記ベースの外面を覆うように形成された外装材とを備えた超音波センサを製造するための超音波センサの製造方法であって、
前記圧電素子および前記ベースを用意する工程と、
前記ベースの前記凹部に前記圧電素子を配置する工程と、
前記凹部に配置された前記圧電素子の外面および前記ベースの外面を覆うための有底の充填型に、前記凹部に配置された前記圧電素子および前記ベースを挿入する工程と、
前記圧電素子および前記ベースと前記充填型との間に前記外装材の材料を充填して、前記圧電素子の外面および前記ベースの外面と前記充填型の内面との間に外装材を形成する工程と、
前記外装材から前記充填型を除去する工程とを備えたことを特徴とする、超音波センサの製造方法。 - 前記超音波センサは、前記ベースの内面に接するように前記ベースに挿入され、前記圧電素子に対向する部分に前記圧電素子に接しないようにするためのくぼみ部が形成されたウエイトをさらに備えた超音波センサであり、
前記ウエイトを用意する工程と、
前記凹部に前記圧電素子が配置された前記ベースの内面に接するように前記ウエイトを前記ベースに挿入して、前記ウエイトを前記ベースの内面に接着する工程とをさらに備えた、請求項7に記載の超音波センサの製造方法。
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