JP4048886B2

JP4048886B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP4048886B2
Application number: JP2002264580A
Authority: JP
Inventors: 順司太田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: DE10341900A1; JP2004104521A; DE10341900B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いた超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車においては各種の電子制御化に伴い、様々なセンサが使用されている。特にバックソナーなどの超音波送受波器には超音波センサが用いられている。
【０００３】
この種の超音波センサが、例えば、下記特許文献に開示されている。この超音波センサ４０は、図４に示すように、有底筒状の金属からなるケース３１の底部３１ａの内面に圧電素子３２が接合されている。圧電素子３２の上にはフェルトからなる吸音材３６が充填され、さらにこの上にシリコンゴム３４ａが充填されている。ケース３１の開口部の内側には段部が設けられ、ここには、ゴム材からなる断面Ｌ字状の弾性体３５を介して合成樹脂からなるベース３７が組込まれている。シリコンゴム３４ａの上面は弾性体３５のベース３７支持面と同じ高さにあり、ベース３７の裏面に接している。
【０００４】
圧電素子３２の両面には電極が設けられ、一方はリード３８により、他方はケース３１を介した後リード３９により、ベース３７に設けられた一対の電極にそれぞれ電気的に接続されている。また、ベース３７の一対の電極には外部基板（図示せず）との信号の入出力を担う、例えば０．１φ線を撚った導体からなる２芯被覆線３３が半田付けされている。さらに、ベース３７の上側でケース３１の開口部をシリコンゴム３４ｂで封止している。両シリコンゴム３４ａ、３４ｂによって、このベース３７がケース３１に固定されている。
【０００５】
この超音波センサ４０においては、２芯被覆線３３およびリード３８、３９を介して圧電素子３２の両面の電極に駆動信号を印加し、圧電素子３２を振動させている。この圧電素子３２の振動により、ケース３１の底部３１ａを振動させることによって、底部３１ａから外側に超音波が送信されている。また、所定時間経過後、被検出物から反射してきた超音波を受けて底部３１ａが振動することによって圧電素子３２に電圧が発生し、受信がおこなわれている。
【０００６】
この送信時には通常、ケース３１の底部３１ａの振動に伴い、ケース３１の筒部には不要な横モードの振動が発生する。また、ケース３１の内部には不要な縦モードの振動が発生する。これによって検知用の超音波に続いて検知性能を悪化させる残響波が発生してしまう。しかし、不要な横モードの振動が主としてシリコンゴム３４ａ、３４ｂや弾性体３５によって抑えられ、ケース３１の内部の不要な縦モードの振動が主として吸音材３６によって吸収される。これによって、残響波が小さくなるため、残響波と近距離の物体からの反射波とが重なり、識別不能になることが避けられる。この結果、近距離の物体を検知することができるというものである。
【０００７】
【特許文献】
実公平７−３６２６１号公報（第２ページ、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の超音波センサでは、信号の入出力部に２芯被覆線を使用していた。近年、作業性向上のため入出力部にピン端子を使用した超音波センサの市場要求が強くなっている。これに対応するために、本発明者はこのベースにピン端子を固着した超音波センサを使用することを考えた。しかしながら、２芯被覆線を使用せずにピン端子を使用した場合、残響波が大きくなりしかも長い時間続くという、残響特性の悪化の問題が発生した。これは、主としてケースの筒部からシリコンゴムを介してベースに伝わる縦モードの振動が残っているためであることが判明した。この振動は、ベースに接続された撚り線からなる２芯被覆線では減衰し易い。しかし、ピン端子ではこの振動が減衰せず、ピン端子からこれと半田付けされた外部基板に振動が伝播し、継続して振動するためである。
【０００９】
本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、信号の入出力部にピン端子を備え、かつ残響特性がよい超音波センサを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の超音波センサは、有底筒状のケースと、当該ケースの底部の内面に接合された圧電素子と、当該ケースの開口部の内側に設けられたベースとで構成された超音波センサであって、前記ベースが発泡性樹脂もしくはバルーンを混ぜた樹脂で形成され、前記ベースの全体もしくは大部分が、前記発泡性樹脂もしくはバルーンを混ぜた樹脂とは密度の異なる樹脂で覆われており、前記ベースの音響インピーダンスが前記樹脂の音響インピーダンスよりも小さく、当該ベースには入出力用のピン端子の一端部が埋設されて固着され、その他端部が前記ケースの開口部の外側に配置され、前記圧電素子と前記端子とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記圧電素子が吸音材で覆われていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、信号の入出力部にピン端子を備え、かつ残響特性がよい超音波センサを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一実施例を図１に基づいて説明する。図１に示すように、超音波センサ１０は、有底筒状の例えばアルミニウムからなるケース１の底部１ａの内面に例えば圧電セラミックスからなる平面視略円形の圧電素子２が接合されている。ケース１の開口部の内側には、例えば発泡シリコンで形成されたベース５が設けられている。ケース１の大きさは、例えば外径が１４ｍｍ、高さが８ｍｍである。また、ベース５の厚さは、例えば４ｍｍである。このベース５には例えば銅を主とした材料からなる一対のピン端子３の一端部が埋設され固着されている。ピン端子３の他端部はケース１の開口部の外側に配置され、信号の入出力部となっている。ピン端子３の太さは例えば０．６ｍｍ×０．６ｍｍである。圧電素子２の両面には電極が設けられ、一方はリード８により、他方はケース１を介した後リード９により一対のピン端子３にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１５】
さらに、ベース５の全体が、発泡シリコンとは樹脂密度の異なる例えばシリコンゴム４で覆われている。また、このシリコンゴム４はケース１の開口部を封止する役目もしており、これによってベース５はケース１に固定されている。また、シリコンゴム４とケース１の底部１ａとの間には例えばフェルトからなる吸音材６が形成され、圧電素子２を覆っている。なお、図示はしていないが、この超音波センサは、さらに、ゴム材からなるケースを介して合成樹脂からなるケースで覆われる。そして後者のケースの開口部に設けた嵌合爪を外部基板にくいこませる方法などによって超音波センサを外部基板に装着し、その強度が保たれている。このため、ピン端子には、過度の負荷がかからない。
【００１６】
次に、この製造方法の一例を説明する。まず、ケース１を準備し、その底部１ａに圧電素子２を接合する。そして、この上に吸音材６を所定の厚さに充填する。次に、所定形状の発泡シリコンからなるベース５を準備し、厚さ方向に貫通した切り込みもしくは孔を形成する。また、所定の長さのリード８、９を準備し、圧電素子２の上面電極およびケース１に一端を半田付けする。さらに、一対のピン端子３を準備し、冶具を用いて吸音材６が充填されたケース１の開口部の上部にぶらさがるように保持する。次に、リード８、９の他端をベース５の切り込みもしくは孔を通した後、一対のピン端子３にそれぞれ半田付けする。そして、ベース５を移動してピン端子３の一端部をベース５に埋設する。次に、冶具を調整して、ベース５をケース１の開口部の所定の位置に保持する。そして、この状態でシリコンゴム４を充填し硬化する。
【００１７】
この超音波センサ１０においては、ピン端子３およびリード８、９を介して圧電素子２の両面の電極に駆動信号を印加し、圧電素子２を振動させている。この圧電素子２の振動により、ケース１の底部１ａを振動させることによって、底部１ａから外側に超音波が送信されている。また、所定時間経過後、被検出物から反射してきた超音波を受けて底部１ａが振動することによって圧電素子２に電圧が発生し、受信がおこなわれている。
【００１８】
この送信時には通常、ケース１の底部１ａの振動に伴い、ケース１の筒部には不要な横モードの振動が発生する。また、ケース１の内部には不要な縦モードの振動が発生する。これによって検知用の超音波に続いて検知性能を悪化させる残響波が発生してしまう。しかし、ケース１の筒部の不要な横モードの振動が主としてシリコンゴム４のケース１を内側から外側に押す弾性力によって抑えられている。また、ケース１の底部１ａからピン端子３に向かう不要な縦モードの振動が、主として吸音材６によって吸収されている。この振動の吸収は、主として吸音材６の振動が熱に変換されることによっておこなわれている。
【００１９】
さらに、ケース１の筒部からの不要な縦モードの振動は、次のようにして抑えられている。一般に、縦モードの振動は、隣合う構成材料の音響インピ−ダンスが近い場合に振動が伝播しやすい。本実施例のシリコンゴムの音響インピ−ダンス（Ｎ・ｓ／ｍ³）は、１×１０⁶程度である。これに対して、空気は著しく小さく４００程度であるため、空気を含む発泡シリコンは著しく小さい。この音響インピ−ダンスが大きく異なるシリコンゴムと発泡シリコンが隣合っているため、ケース１の筒部からの縦モードの振動が発泡シリコンで反射され、ピン端子３への振動の伝播が抑えられている。
【００２０】
次に、この超音波センサを動作させたときの残響特性について説明する。超音波センサを所定の回路基板に実装し、動作周波数４０ＫＨｚの所定の駆動信号を印加し動作させた。そして、回路の所定の箇所で送信波を測定した。その結果、本発明の超音波センサでは、検知用超音波を送信期間１．０ｍｓで送信することができ、検知用超音波の後に続く残響波はほとんど発生しなかった。これに対して、ピン端子を使用した従来の超音波センサでは、送信期間１．０ｍｓの検知用超音波の後に約１．０ｍｓ続く残響波が発生した。これによって、ピン端子を発泡シリコンで覆うことが残響特性の向上に効果的なことが確認された。
【００２１】
本発明における第一実施例の構成をとれば、信号の入出力用のピン端子が発泡シリコンで覆われているため、動作時、ケースの筒部から一対のピン端子に向かう縦モードの振動の伝播を抑えることができる。この結果、近距離の物体を検知するときに重要となる残響特性がよい超音波センサを提供することができる。また、ピン端子は被覆線に比べて加工しやすく安価であるため、安価な超音波センサを提供することができる。さらに、ピン端子を使用しているため、市場における実装時には省スペースがはかれるとともに作業性を向上させることができる。
【００２２】
次に、本発明の第二実施例を図２に基づいて説明する。図２において、図１と同一の部分には同じ記号を符し、その説明を省略する。
【００２３】
図２に示すように、超音波センサ２０のケース１の開口部の内側には、例えば発泡シリコンで形成された一対のベース１５がほぼ同じ高さに並べて設けられている。この一対のベース１５のそれぞれには例えば銅からなるピン端子３の一端部が埋設され固着されている。ピン端子３の他端部はケース１の開口部の外側に配置され、信号の入出力部となっている。
【００２４】
さらに、ベース１５の全体が、発泡シリコンとは樹脂密度の異なる例えばシリコンゴム４で覆われている。また、このシリコンゴム４はケース１の開口部を封止する役目も果たしており、これによってベース１５はケース１に固定されている。この製造方法は、第一実施例と同様である。
【００２５】
本発明における第二実施例の構成をとれば、信号の入出力部に発泡シリコンで覆われたピン端子を備え、かつ、音響インピ−ダンスが大きく異なるシリコンゴムと発泡シリコンが隣合っている。このため、第一実施例と同様な効果が得られる。
【００２６】
次に、本発明の参考例を図３に基づいて説明する。図３において、図１と同一の部分には同じ記号を符し、その説明を省略する。
【００２７】
図３に示すように、超音波センサ３０の、アルミニウムからなるケース１の開口部には、例えば発泡シリコンで形成されたベース２５が開口部を封止するように設けられている。このベース２５には一対の例えば銅からなるピン端子３の一端部が埋設され固着されている。ピン端子３の他端部はケース１の開口部の外側に配置され、信号の入出力部となっている。また発泡シリコンで形成されたベース２５とケース１の底部１ａとの間には例えばフェルトからなる吸音材６が形成され、圧電素子２を覆っている。
【００２８】
次に、この製造方法の一例を説明する。まず、ケース１を準備し、その底部１ａに圧電素子２を接合する。そして、この上に吸音材６を所定の厚さに充填する。次に、所定の長さのリード８、９を準備し、圧電素子２の上面電極およびケース１に一端を半田付けする。また、一対のピン端子３を準備し、冶具を用いて吸音材６が充填されたケース１の開口部の上部にぶらさがるように保持する。そして、リード８、９の他端を一対のピン端子３にそれぞれ半田付けする。次に、冶具を調整して、一対のピン端子３をケース１の開口部の所定の位置に保持する。そして、この状態で発泡シリコンを充填し硬化する。これによって、ピン端子３の一端部が発泡シリコンからなるベース５に埋設される。
【００２９】
参考例のケースを形成するアルミニウムの音響インピ−ダンス（Ｎ・ｓ／ｍ３）は、１７×１０６程度である。音響インピ−ダンスが大きく異なるアルミニウムと発泡シリコンが隣合っているため、動作時、ケース１の筒部からの縦モードの振動が発泡シリコンで反射され、ピン端子３への振動の伝播が抑えられている。また、発泡シリコンが発泡によってその体積が大きくなっているため、ケース１を内側から外側に押す力が働く。これによって、動作時、ケース１の筒部の不要な横モードの振動が抑えられている。
【００３０】
本発明の参考例の構成をとれば、信号の入出力部に発泡シリコンで覆われたピン端子を備え、かつ、音響インピ−ダンスが大きく異なるアルミニウムと発泡シリコンが隣合っている。このため、第１実施例と同様な効果が得られる。
【００３１】
なお、本実施例においては、ベース材が発泡シリコンの例を示したが、他の発泡性樹脂、もしくは気体を含有する中空のガラス粒子などのバルーンを混ぜた樹脂であってもよい。この樹脂密度は０．０１〜０．９ｇ／ｃｍ³の範囲内のものであることが望ましく、要求仕様などによって適宜選択される。
【００３２】
また、第一実施例、第二実施例においては、ベースの全体がシリコンゴムで覆われている例を示したが、ベースの上部がケースの開口部に露出するような構成など、ベースの一部がシリコンゴムで覆われていない構成であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、超音波センサの信号の入出力用のピン端子が発泡シリコンで覆われているため、ケースの筒部から一対のピン端子に向かう縦モードの振動の伝播を抑えることができる。この結果、近距離の物体を検知するときに重要となる残響特性がよい超音波センサを提供することができる。また、ピン端子を使用しているため、作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例である超音波センサの、概略の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第二実施例である超音波センサの、概略の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の参考例である超音波センサの、概略の構成を示す断面図である。
【図４】従来の超音波センサの、概略の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ −−−−−− ケース
２ −−−−−− 圧電素子
３ −−−−−− ピン端子
４ −−−−−− シリコンゴム
５、１５、２５ −−−−−− 発泡シリコンで形成されたベース
６ −−−−−− 吸音材
１０、２０、３０ −−−−−− 超音波センサ

Claims

有底筒状のケースと、当該ケースの底部の内面に接合された圧電素子と、当該ケースの開口部の内側に設けられたベースとで構成された超音波センサであって、
前記ベースが発泡性樹脂もしくはバルーンを混ぜた樹脂で形成され、
前記ベースの全体もしくは大部分が、前記発泡性樹脂もしくはバルーンを混ぜた樹脂とは密度の異なる樹脂で覆われており、
前記ベースの音響インピーダンスが前記樹脂の音響インピーダンスよりも小さく、
当該ベースには入出力用のピン端子の一端部が埋設されて固着され、その他端部が前記ケースの開口部の外側に配置され、
前記圧電素子と前記端子とが電気的に接続されていることを特徴とする超音波センサ。
前記圧電素子が吸音材で覆わ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。