JPH10206528A

JPH10206528A - 超音波センサ

Info

Publication number: JPH10206528A
Application number: JP9008932A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Izumi; 雅彦和泉; Yoshihiro Sekine; 良浩関根; Seiichi Furusawa; 誠一古沢
Original assignee: Oki Ceramic Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Ceramic Industry Co Ltd
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】近距離や温度変化に影響を受けることなく正
確な位置検知を可能にするとともに、駆動回路が複雑で
無く、広範囲の位置検知に好適な、メンテナンス性の高
い、超音波センサを提供すること。【解決手段】ケース１は、上部に略凹形状の本体部１
ａと、この本体部１ａの底面部からさらに下方向へ突出
するセンサヘッド部１ｂとを備え、全体として凸状を逆
さにした形状になっている。センサヘッド部１ｂは、圧
電振動子２が固着される音響整合部１ｂ１と、この音響
整合部１ｂ１と本体部と１ａの間に形成された振動共鳴
部１ｂ２とにより構成されている。センサヘッド部１ｂ
は上部に設けた本体部１ａの肉厚に比べ薄く形成されて
いる。特に底面部である音響整合部１ｂ１より側面部で
ある振動共鳴部１ｂ２の肉厚を薄く形成することで、圧
電振動子２の残響振動を吸収する弁構造を形成してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波センサに係
り、詳しくは超音波により物体の位置検知を行うことが
できる送受兼用の超音波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波の特性は一定の方向に進む
指向性が強く、人、壁などの被検出物に当たった場合、
ほぼ１００％反射するという性質を持っている。この反
射する周波数を検出する代表的な超音波センサとして、
セラミックにより圧電振動子が形成された超音波センサ
が一般に知られている。この種の超音波センサの中で送
受兼用のものは、振動による容量変化から信号を検出す
るセンサであり、超音波を発信する素子と受信する素子
とが具備されている。

【０００３】このように超音波センサから超音波を発信
して、その超音波が被検出物体から反射して戻ってくる
までの時間を測定することにより、被検出物までの距離
や存在位置を測定する装置として超音波測定装置があ
る。例えば特開昭６１−１２０５９９号公報または特開
平２−１３８８８３号公報にはこの種の装置の従来技術
が記載されている。

【０００４】図２は、このような送信部と受信部とを備
えた送受兼用の従来の超音波センサの構造を示す断面図
である。図２に示すように断面が略凹部形状を有するケ
ース１００内側の底面部には圧電振動子１２０が接着固
定されている。この圧電振動子１２０の上面には電圧を
供給するリード線１３０が半田１５０で接合され、配線
されている。

【０００５】ケース１００上面部の開口部には蓋体１１
０が取り付けられており、この蓋体１１０は、ケース１
００上面部を密閉する蓋部１１０ｂと、この蓋部１１０
ｂの上面中心から垂直上方向に延長し一体形成されたネ
ジ部１１０ａとにより構成されている。

【０００６】蓋体１１０の中心部はネジ部１１０ａ先端
から蓋部１１０ｂの底面まで、貫通した開孔部が穿設さ
れている。圧電振動子１２０の上面に半田付けされたリ
ード線１３０は、蓋体１１０の中心部に設けた開孔部よ
り外部に取り出され、外部に設けられた圧電振動子に電
圧を印加して超音波を発生させる駆動回路（図示せず）
に接続されている。この駆動回路には、圧電振動子に超
音波を発生させる機能の他に温度等によるセンサの特性
変化を補正する補正回路が組み込まれ、残響量およびセ
ンサ感度を一定に保っている。

【０００７】このように構成された従来の超音波センサ
を使用する場合、この超音波センサを蓋体１１０に設け
たネジ部１１０ａにより任意の場所に固定するととも
に、リード線１３０を駆動回路に接続する。そして、所
定の場所に固定されたこの超音波センサを駆動すること
により、ケース１００の底面部に設けた圧電振動子１２
０に振動を発生させ、ケース１００の底面部を介し外側
に超音波を送信する。

【０００８】この結果、被検出物にパルス超音波が当た
り反射して戻ってくると、この反射して戻ってきた超音
波を受信し、発信から戻ってくるまでの時間を測定する
ことにより被検出物体までの距離や存在位置を非接触に
より検出する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら図２に示
す従来の送受兼用の超音波センサでは、圧電振動子１２
０により発生した振動はケース１００の側面および蓋体
までも共振させてしまい、超音波が送信された後もケー
スの振動が残響振動として長時間残ってしまう。この結
果、超音波センサにより近距離における物体の位置検知
を行う場合、被検出物体から反射した反射波が残響振動
に埋もれてしまい、位置検知が困難になるという問題が
あった。したがって、もし近距離での位置検知を行う場
合には、駆動回路側で残響振動の影響を取り除く機能を
付加しなければならず、駆動回路が複雑になるという問
題が生じた。

【００１０】また、超音波センサは温度により特性が変
化するので、その補正を駆動回路で行う必要があった。
しかしながら、駆動回路で温度補正を行う場合、一般に
超音波センサから入力したデータを、駆動回路に設けた
温度センサの値に応じて補正処理を行う。このため、駆
動回路が複雑になるとともに、超音波センサと駆動回路
との間に必然的に温度差が生じ、正確な測定結果が得ら
れないという問題が生じることがあった。

【００１１】本発明は、このような従来技術の課題を解
決し、近距離や温度変化に影響を受けることなく正確な
位置検知を可能にするとともに、駆動回路が複雑で無
く、広範囲の位置検知に好適な、メンテナンス性の高
い、超音波センサを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、印加された電圧により超音波を送信する
とともに、この超音波の反射波を受信する送受兼用の圧
電振動子と、圧電振動子が固着されるケースとを有す
る。ケースは本体部とセンサヘッド部とを備え、このセ
ンサヘッド部は圧電振動子が固着される音響整合部とこ
の音響整合部と前記本体部との間に形成された振動共鳴
部とを含む。そして、少なくとも振動共鳴部の肉厚を本
体部の肉厚よりも薄くすることによりセンサヘッド部の
共振性を高め、圧電振動子が超音波送信時に発生する残
響振動の時間を短縮する。

【００１３】また、本発明によれば、印加された電圧に
より超音波を送信するとともに、この超音波の反射波を
受信する送受兼用の圧電振動子と、圧電振動子が固着さ
れるケースとを備えている。そして、ケースは、圧電振
動子の温度補正を行う制御回路が配設された本体部と、
圧電振動子が固着される音響整合部とこの音響整合部と
本体部との間に形成された振動共鳴部とを含む、センサ
ヘッド部とを備えている。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に添付図面を参照して本発明に
よる超音波センサの実施の形態を詳細に説明する。図１
は本発明による超音波センサの第１の実施形態の構造を
示す送受兼用超音波センサの断面図である。また、図３
は図１に示す超音波センサの外観を示す斜視図である。
図３において、図１に示す超音波センサと同じ構成要素
には同一の符号を記している。なお、以下の説明では説
明の便宜上、図面の上の位置を上部、下の位置を下部ま
たは底部としたが、勿論、実際の使用にあたっての上下
を示すものではない。

【００１５】図１に示すように、略円筒状のケース１
は、上部に略凹形状の本体部１ａと、この本体部１ａの
底面部からさらに下方向へ突出するセンサヘッド部１ｂ
とを備え、全体として凸状を逆さにした形状になってい
る。また、センサヘッド部１ｂは、圧電振動子２が固着
される音響整合部１ｂ１と、この音響整合部１ｂ１と本
体部と１ａの間に形成された振動共鳴部１ｂ２とにより
構成されている。このセンサヘッド部１ｂは、上部に設
けた本体部１ａの肉厚に比べ薄く形成されており、特に
底面部である音響整合部１ｂ１より側面部である振動共
鳴部１ｂ２の肉厚が薄く形成されている。

【００１６】このように本実施の形態によれば、センサ
ヘッド部１ｂ内側の底面部に接着された圧電振動子２に
より音響整合部１ｂ１が振動して音響整合層をなし、ま
た、振動共鳴部１ｂ２が音響整合部１ｂ１の振動共鳴層
となっている。そして、センサヘッド部１ｂの音響整合
部１ｂ１の音響整合層より振動共鳴部１ｂ２の振動共鳴
層の肉厚を薄くしたことにより、圧電振動子２への負荷
が低減して振動しやすい構造になっている。このよう
に、図１に示す超音波センサでは、センサヘッド部１ｂ
を突出させ、その部分の肉厚を薄くすることで、圧電振
動子２の残響振動を吸収する弁構造を形成している。

【００１７】センサヘッド部１ｂの内側には、底面に設
けた圧電振動子２上部にシリコン弾性体４が充填され、
このシリコン弾性体４の上部にはガラスファイバー吸音
材６が充填されている。ガラスファイバー吸音材６は、
残響吸収性に優れた特性になるようにガラス素材を繊維
状に加工した吸音材である。シリコン弾性体４とガラス
ファイバー吸音材６により、圧電振動子２の被接着面か
ら発生する超音波は吸収される。

【００１８】センサヘッド部１ｂの上部に形成された本
体部１ａは、略クランク状の段差によりセンサヘッド部
１ｂの径より大きな径で形成されている。このセンサヘ
ッド部１ｂの段差上にはシリコン板１０の外周が取り付
けられている。

【００１９】シリコン板１０の上部には温度補正を行う
制御基板１２が固着されている。この制御基板１２は、
センサの温度変化を検出するサーミスタと、所定の温度
特性と容量値を具備したコンデンサ（何れも図示せず）
とを直列接続した回路である。このようなサーミスタと
コンデンサとを組合せることにより、安定した反射感度
特性や低残響特性を期待でき、高精度かつ広範囲検出を
可能とする超音波センサを実現することができる。

【００２０】制御基板１２は、駆動回路（図示せず）と
接続されるツイストペア線である外部リード線２０が接
続されるとともに、シリコン板１０と制御基板１２に穿
設された孔を通して圧電振動子２と接続されるリード線
１８に接続されている。リード線１８は、一方が圧電振
動子２の＋端子に半田１４により半田付けされ、他方が
圧電振動子２の−端子に半田１４により接続されてい
る。

【００２１】また、センサヘッド部１ｂの内側部には、
シリコン板１０と制御基板１２および外部リード線２０
とを固定するようにシリコン材２２が充填されている。
このシリコン材２２は、シリコンやゴム等により形成さ
れており、ケース１内部の湿気を防ぐ防滴構造を具備し
ている。このように、圧電振動子２を配設したセンサヘ
ッド部１ｂと、制御基板１２を設けた本体部１ａとによ
りケース１内部が構成されている。

【００２２】ケース１の上部および側面には、蓋体３０
が上部より覆うように嵌合されている。この蓋体３０
は、ケース１の側面を覆い樹脂からなるノイズダンパ３
０ｃと、ケース１の上面の金属材からなるフランジ部３
０ｂおよびネジ部３０ａとにより構成されている。

【００２３】フランジ部３０ｂには、２つのフランジ状
の金属が水平に並設されており、このフランジ部３０ｂ
の間にノイズダンパ３０ｃが一体的に嵌合されることに
より蓋体３０が形成される。フランジ部３０ｂとノイズ
ダンパ３０ｃの形状を図１に示す形状とすることによ
り、フランジ部の接着面積を増して密着強度を高めてい
る。

【００２４】また、フランジ部３０ｂ上面には金属材で
あるネジ部３０ａが垂直上方向に延長された形状で配設
され、所望の取付場所にネジにより固定できるようにな
っている。このネジ部３０ａの先端からフランジ部３０
ｂの底面までは、外部リード線２０を通す中空部が形成
されている。このように蓋体３０は構成され、ケース１
のセンサヘッド部１ｂに上面より覆うように嵌合され
る。

【００２５】ネジ部３０ａにより超音波センサを取り付
る際、ネジ部３０ａが押されて本体部１ａ内に悪影響を
与えることがある。また、外部リード線２０からの曲げ
応力により制御基板１２に負荷が加わることもある。こ
のため、ケース１と蓋体３０との間に吸収ダンパ２４を
備え、制御基板１２もしくはケース１内側部に加わる応
力を吸収している。

【００２６】次に、図４を参照して本発明による超音波
センサの第２の実施形態を詳細に説明する。図４は、本
発明による超音波センサの第２の実施形態を示す断面図
である。図４において、図１に示す超音波センサと同じ
構成要素には同一番号を記している。

【００２７】図４に示す超音波センサは、図１に示す超
音波センサのケース部にテーパ角度を設けた以外は、図
１に示す超音波センサと同一構造なので重複する説明は
省略する。

【００２８】図４に示すように円筒状で側面の断面形状
が凸形状を有したケース４０は、上部に凹形状の回路部
４０ａと、この回路部４０ａの底面部からさらに下方向
へ突出するセンサヘッド部４０ｂとを備えている。

【００２９】ケース１の回路部４０ａとセンサヘッド部
４０ｂとの間には、内側にクランク状の段差４０ｄと、
外側に１０度〜６０度のテーパ角度を有したテーパ４０
ｅとを具備している。

【００３０】このような構造からなる本発明による超音
波センサの第２の実施形態は、図１に示す超音波センサ
と同様の効果が期待できるとともに、ケース１外側にテ
ーパ４０ｅを設けたことにより段差に汚れが付着しにく
くなるとともに、付着した汚れの清掃が容易になる。ま
た、テーパ角度を設けたことにより、センサヘッド部４
０ｂより発信する超音波が広範囲に拡散され、より広い
範囲の検知が可能となる。

【００３１】次に図５を参照して本発明による超音波セ
ンサの第３の実施形態を詳細に説明する。図５は本発明
の第３の実施形態による狭角型の超音波センサを示す断
面図である。図５において、図１に示す第１の超音波セ
ンサと同じ構成要素には同一番号を記載している。

【００３２】図５に示すように、蓋体５０および外部ケ
ース５５以外は、図１に示す構成と同一のものであり重
複する説明は省略する。図５に示すように、この実施の
形態では、ケース１が蓋体５０と嵌合されており、この
ケース１と蓋体５０は、更に外部ケース５５内に収納さ
れ、外部から保護される構造になっている。

【００３３】蓋体５０は、ケース１の上面に金属の材質
からなる板状のフランジ部５０ｂと、このフランジ部５
０ｂの中心から垂直に延長されたネジ部５０ａとを具備
し、このフランジ部５０ｂの底部にケース１の側面を覆
うノイズダンパ５０ｃとを具備し蓋体５０を構成してい
る。

【００３４】蓋体５０は、フランジ部５０ｂの中心から
ネジ部５０ａ先端まで貫通さけており、その内部に外部
リード線２０が設けられている。蓋体５０のノイズダン
パ５０ｃは、ケース１の周囲の振動を吸収するよう、上
面および外周部に充填されている。このような蓋体５０
は、周囲を外部ケース６０により覆われ保護されてい
る。

【００３５】外部ケース６０は、凹形状を有しており、
ケース１底面部より蓋体５０のフランジ部５０ｂまで覆
うように嵌合され、フランジ部５０ｂの外周縁部で周囲
を絞り加工することにより固定している。

【００３６】このとき外部ケース６０の底面には、ケー
ス１底面より径の大きい開口部が形成されており、この
外部ケース６０の底面開口部よりケース１の底面を外部
に露出させている。

【００３７】このような構造による本発明による超音波
センサの第３の実施形態は、常にノイズダンパ５０ｃで
被われているため、超音波発生時の残響振動を低減させ
る高い減衰効果が得られるとともに、センサヘッド部１
ｂ側面に直接外部応力が加わることを緩和することがで
きる。また、センサヘッド部１ｂは第１の実施の形態と
同じ構造であるため、図１に示す超音波センサと同様の
効果も期待できる。

【００３８】次に図６を参照し、本発明による超音波セ
ンサの第４の実施形態を詳細に説明する。図６は、本発
明による超音波センサの第４の実施形態を示す一部断面
図である。図６に示すように、蓋体６０に設けたナット
頭６０ｂ以外は、図５に示す構成と同一のものであり重
複する説明は省略する。

【００３９】図６に示す超音波センサは、蓋体６０に金
属の材質からなる板状のフランジ部６０ｃと、このフラ
ンジ部６０ｃの中心から垂直に延長されたネジ部６０ａ
とを具備し、このフランジ部６０ｃ底部にはケース１の
側面を覆うノイズダンパ５０ｃが充填されている。フラ
ンジ部６０ｃの上面には、Ｉカット部（図示せず）また
はナット部８０ｂの頭部を具備している。

【００４０】このような構造からなる本発明の第４の実
施形態による超音波センサは、図５に示す超音波センサ
と同様の効果が期待できるとともにナット頭６０ｂを設
けることで取付作業の向上を期待することができる。

【００４１】すなわち、ナット頭６０ｂとネジ部６０ａ
とを設けることにより、取り付け時の負荷によりフラン
ジ部６０ｃとノイズダンパとの係合部が外れ、空回りし
てしまい、超音波センサを所定の場所に固定しにくくな
るという不具合がなくなる。

【００４２】図７は、温度補償を行う制御基板１２を備
えた本実施の形態による超音波センサと従来の超音波セ
ンサとの残響温度特性の比較を示すグラフである。図７
に示すように、−３０〜６５℃の温度範囲においてこれ
ら超音波センサの残響率の変化を曲線で示している。横
軸は温度を、縦軸は温度変化による残響変化率を各々示
している。

【００４３】矢印Ｃに示す曲線は、本実施の形態による
超音波センサの補正理論値を表している。また、矢印Ｂ
に示す曲線は、従来の超音波センサの温度変化による残
響率の変化を表している。さらに、矢印Ａに示す曲線
は、本実施の形態による超音波センサの温度変化による
残響率の変化を表している。

【００４４】図７に示すように従来の超音波センサで
は、−３０℃〜＋６５℃の全温度範囲に対して温度変化
による残響量の変化率の幅は２００％もあり、温度によ
る最小検知距離の差が著しく大きくなる。このように温
度によって変化する残響レベルを補正する際、従来技術
では回路基板上のインダクタンスと抵抗とを任意に組み
合わせることにより、残響量およびセンサ感度を一定に
保っていた。このため、回路構成の複雑化や処理スピー
ドの低下を招いていた。

【００４５】これに対し、本実施の形態による超音波セ
ンサでは、−３０℃〜＋６５℃の範囲の温度変化による
残響量の変化率の幅は一定に抑えられ、理論的に５０％
以下（実験データでは２０％以下）まで抑えられる。し
たがって、本実施の形態による超音波センサは、周囲温
度に関係なく安定した近距離からの距離検出が可能とな
る。

【００４６】このように本実施の形態では、温度変化に
よる残響量の変化率の幅を補正する制御基板を内蔵する
ことにより、外部駆動回路の構成をより簡略化すること
ができ、コスト削減化および処理スピードの高速化が可
能になるとともに、物体までの距離の高速検知が可能に
なる（低温、常温、高温用の最低３種類のインタクダン
スおよび、抵抗の切り替え用スイッチ等のコストも同時
に削減できた。）。

【００４７】また、残響量の温度補正部が、サーミスタ
とコンデンサのみの簡単なチップ部品で実現でき、回路
実装スペースを従来型の約１０％程度削減できる為、モ
ジュール全体での小型化か可能となる。さらに、ケース
内のセンサヘツド部に備えたサーミスタを、温度モニタ
ー用としてマイコンと合わせて補正処理を行わさせるこ
とで、より高精度で安定な距離測定を実現できる。

【００４８】また、周囲温度変化による共振点周波数の
変動量が大きなセンサの場合でも、温度変化率に合った
サーミスタ及びコンデンサの値を選定し組み合わせるこ
とで、安定した反射感度特性およぴ、低残響特性が期待
できるため、高精度かつ広範囲検出を可能とする超音波
センサが実現できる。

【００４９】なお、以上説明した超音波センサの実施の
形態は空中超音波センサについて説明したが、温度補正
機能を内蔵することは特にこれに限定されるものではな
い。すなわち、水中超音波センサおよび、固体中での振
動、深傷用センサにおいても、センサヘツド部にこのよ
うに簡単な補正回路部品を内臓し外部回路と組み合わせ
ることで、高精度で広範囲の検出か可能となる。

【００５０】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
れば、圧電振動子に電圧を印加して発生した振動の残響
振動を効果的に吸収することができるため、近距離にお
ける物体の位置検知であっても被検出物で反射した反射
波が残響振動で埋もれてしまうということが無くなり、
駆動回路を複雑にすること無く、広範囲の物体検知が可
能となる。また、本発明によれば、温度変化による超音
波センサの特性変化をセンサ側で補正できるので、駆動
回路を複雑にすること無く、温度変化による誤差の小さ
い超音波センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波センサの第１の実施形態の
構造を示す断面図。

【図２】従来の超音波センサの構造を示す断面図。

【図３】図１に示す超音波センサの外観を示す斜視図。

【図４】本発明による超音波センサの第２の実施形態を
示す断面図。

【図５】本発明による超音波センサの第３の実施形態を
示す断面図。

【図６】本発明による超音波センサの第４の実施形態を
示す断面図。

【図７】本発明による超音波センサの実施の形態と従来
の超音波センサとの残響温度特性の比較を示すグラフ。

【符号の説明】

ｌ，４０ケース１ａ本体部１ｂセンサーヘッド部１ｂ１音響整合部１ｂ２振動共鳴部１ｄ段差２圧電端子４シリコン弾性体６ガラスファイバー吸音材１０シリコン板１２制御基板１８リード線２０外部リード線２２シリコン材２４吸収ダンパ３０，５０，６０蓋体３０ａネジ部３０ｂ，５０ｂフランジ部３０ｃノイズダンパ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古沢誠一群馬県佐波郡境町大字伊与久3344−１伊勢崎佐波工業団地沖セラミック工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加された電圧により超音波を送信する
とともに、この超音波の反射波を受信する送受兼用の圧
電振動子と、前記圧電振動子が固着されるケースとを有し、前記ケースは、本体部と、前記圧電振動子が固着される音響整合部とこの音響整合
部と前記本体部との間に形成された振動共鳴部とを含
む、センサヘッド部とを備え、少なくとも前記振動共鳴部の肉厚を前記本体部の肉厚よ
りも薄くすることにより前記センサヘッド部の共振性を
高め、前記圧電振動子が前記超音波送信時に発生する残
響振動の時間を短縮することを特徴とする超音波セン
サ。
【請求項２】請求項１に記載の超音波センサにおい
て、前記センサヘッド部は円柱状の形状であることを特
徴とする超音波センサ。
【請求項３】請求項１に記載の超音波センサにおい
て、前記振動共鳴部の少なくとも本体部との接合部はテ
ーパ状に広がっていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】印加された電圧により超音波を送信する
とともに、この超音波の反射波を受信する送受兼用の圧
電振動子と、前記圧電振動子が固着されるケースとを有し、前記ケースは、前記圧電振動子の温度補正を行う制御回路が配設された
本体部と、前記圧電振動子が固着される音響整合部とこの音響整合
部と前記本体部との間に形成された振動共鳴部とを含
む、センサヘッド部とを備えたことを特徴とする超音波
センサ。
【請求項５】請求項４に記載の超音波センサにおい
て、前記温度補正を行う制御回路は、前記圧電振動子の
温度変化を検出するサーミスタと、所定の温度特性と容
量値とを備えたコンデンサとが直列接続された回路を有
することを特徴とする超音波センサ。