JP5267128B2

JP5267128B2 - 超音波センサ

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Publication number: JP5267128B2
Application number: JP2008539798A
Authority: JP
Inventors: 好司村田; 将人小谷; 隆昭浅田; 隆之島本; 裕幸平野; 未央古谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2013-08-21
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Description

本発明は、超音波センサに関し、例えば車載用バックソナーやコーナセンサなどの障害物検知センサとして使用される超音波センサに関するものである。

従来、車載用バックソナーなどの障害物検知センサとして、超音波を送受信する機能を持つ超音波センサが用いられている。この超音波センサは、図１５に示すように、有底筒状のケース１００の底部内側に圧電素子１０１を貼り付け、ケース１００の底部を振動面としたものである。ケース１００の内部には金属端子１０２，１０３を保持した端子ホルダ１０４が固定され、端子ホルダ１０４とケース１００の側壁とで構成される凹部に粘弾性体よりなる充填材１０５が充填されている。端子ホルダ１０４の内側（圧電素子側）には吸音材１０６が配置されている。金属端子１０２，１０３にはそれぞればね端子１０７，１０８が取り付けられ、一方のばね端子１０７は圧電素子１０１の背面電極に接触し、他方のばね端子１０７はケース１００の内面に接触している。圧電素子１０１に電圧が印加されると、圧電素子１０１に広がり振動もしくは厚み振動などが励起され、ケース１００の振動面が振動し、空気中に超音波が放射される。ケース１００が一旦共振すると、圧電素子１０１の電気信号を切っても、ある程度その振動が持続する。これを残響と呼び、この残響が長く続くと、残響信号に埋もれて目的の物体から反射してきた音波を検知することができず、障害物の最短検知距離分解能を上げることができない。

残響現象を抑制するため、特許文献１では、ケース内に充填される封止用シリコーン樹脂の硬度を所定の範囲内にすることによって、残響特性のばらつきを抑制したものがある。しかしながら、シリコーン樹脂のような硬化物は、その物性値のばらつきが大きく、製造後の製品ばらつきを抑えることは困難である。そのため、工程の管理条件が大変困難であり、管理がうまく出来ないと、逆に残響特性を悪化させてしまい、その特性ばらつきも大きくなってしまうという問題がある。

特許文献２では、圧電素子と筒状ケースの内面全体に防振材を設けて残留振動を抑制し、筒状ケース内部に弾性部材を充填させてケース内の空気共振をなくした超音波センサが開示されている。この構造では、筒状ケースの開口部に端子板が固定されているため、ケースと端子板とが一体的に振動してしまい、ケース側面の振動を十分に抑制することができず、残響を十分に低減することができない。

特許文献３には、有底筒状ケースの側壁部を内周壁と外周壁との二重構造とし、内周壁と外周壁との間の同心円状の中空部に弾性材を封入した超音波センサが開示されている。この超音波センサは、ケースの側壁部の中空部に封入された弾性材のダンピング作用により、車体バンパーの振動とケースの側壁部の残響振動との相互干渉を低減させることで、ケースの側壁部の残響振動の増幅を抑制する効果はあるが、ケースの側壁部に伝わる残響振動自体を抑制する効果はあまり高くない。
特開２００４−１４６８７９号特開平２−３６７００号公報特開２００４−３４３６６０号公報

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、ケース側面の不要振動を減衰させ、残響時間を低減して、障害物の最短検知距離分解能を上げることができる超音波センサを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、有底筒状のケースの底部内側に圧電素子を固定し、前記底部を振動面として構成した超音波センサにおいて、前記ケースの側壁部の内側に設けられ、中心部に軸方向に延びる中央穴を有し、前記中央穴の周囲に平面部を有する環状の内側支持体と、前記内側支持体の中央穴内および平面部上に充填された粘弾性体よりなる充填材と、前記内側支持体の平面部上に前記充填材を間にして平面部と対向して配置され、当該充填材よりも剛性の高い板状部材と、を備え、前記板状部材は前記内側支持体又は前記ケースに対して前記充填材のみを介して保持されていることを特徴とする超音波センサを提供する。

ケース内部に残響として残った振動エネルギーの機械的減衰を効率よく行なうためには、振動エネルギーの散逸を促進させる必要がある。エネルギーの散逸現象は大きく分けて２つあり、構造物内部で散逸され、熱エネルギーに変換される材料減衰(Material Damping)と、構造部材の接合部間に生ずる摩擦などにより振動エネルギーが媒介物質を通じて外部に逃げる粘弾性減衰(Viscosity Damping）とがある。前者の材料減衰は既存の構造に広く用いられてきており、例えば高ダンピング性能をもつ充填材を選定することにより、効果を発揮できる。しかし、後者の粘弾性減衰には、これまで有効な手法が用いられてこなかった。粘弾性減衰は、適度のせん断変形とせん断力を発生させることで、エネルギーを効率よく消散させる方法である。本発明では、粘弾性体である充填材の粘弾性減衰作用を利用することで、残響振動を減衰させることができる。

充填材のせん断変形についてさらに詳しく説明する。圧電素子の振動はケースに伝達され、ケースが残響によって振動する。これに伴い、ケースの側壁部に設けられている内側支持体も付随的に振動してしまう。内側支持体の振動方向は大別して軸方向振動と半径方向振動とがあり、これらの振動が相互に作用しながら生じている。ここで、軸方向振動については、内側支持体自身の振動抑制効果、および内側支持体の中央穴および平面部上に充填された充填材の材料減衰によってある程度減衰させることができるが、半径方向振動については、内側支持体自身や中央穴に充填された充填材では十分に除去できない。本発明では、内側支持体の平面部上には充填材を間にして板状部材が対向配置されており、内側支持体が半径方向に振動した時、板状部材は平面部と比較して半径方向の変位が小さい。そのため、振動する平面部とほぼ静止している板状部材との間で相対的なずれが生じ、両者の間に挟まれた充填材がせん断変形する。この充填材のせん断変形による粘弾性減衰作用により、振動エネルギーを効率よく消散させ、残響振動を低減できる。なお、内側支持体には軸方向および半径方向だけでなく、他の方向の振動も発生する可能性があるが、これら振動に対しても、少なくとも半径方向成分に対して充填材のせん断変形による粘弾性減衰作用を働かせることができる。

せん断変形効果を得るためには、板状部材の材質は充填材よりも剛性の高い材料でなければならない。剛性が高いとは、曲げやねじりの力に対して寸法変化が小さいことをいう。変形のし難さを示す物性値として弾性率があるが、これはヤング率と剛性率とを総称したものであり、弾性率の高い材料は一般に剛性も高い。充填材をせん断変形させるには、内側支持体が振動したとき、板状部材が充填材と一緒に極力変形しないように構成し、充填材にせん断ひずみを発生させなければならないからである。板状部材としては、例えば金属板のように剛性が高い材料が望ましい。なお、本発明の板状部材とは、内部支持体の平面部に対向する面を有しているものであれば、その側面形状は特に限定されるものではなく、また、その軸方向の厚みは、例えば板材のような薄いものだけでなく、厚みの厚い板材も含まれる。また、板状部材として、金属ワッシャのような薄板状の金属板を使用すれば、超音波センサの高さ寸法の増大を抑制できる。

粘弾性減衰は、充填材のせん断特性を決めるパラメータである粘弾性体のせん断弾性係数および厚みの影響を受ける。また、粘弾性体がどの程度せん断変形するかは、平面部および板状部材の対向面積、物性値（ヤング率、剛性率、密度、共振周波数など）により影響を受け、さらに振動モード（波長）にも影響を受ける。したがって、残響振動を効果的に低減するには、その周波数および振幅に応じて、粘弾性体の種類および厚み、平面部および板状部材の形状や物性値を最適化するのがよい。このように粘弾性減衰を利用することで、従前の粘弾性体の材料減衰だけに頼った残響特性から、より制振機能、機械的減衰機能に優れた特性を持つ超音波センサを作成することが可能となる。

好ましい実施形態によれば、平面部をケースの底部と平行な面とするのがよい。平面部はケースの底部と平行である必要はないが、平行とした場合には、内側支持体が振動したとき、平面部が面と平行に振動し、板状部材との間の充填材に最も効果的にせん断歪みを発生させることができる。

好ましい実施形態によれば、ケースを、有底筒状の外側ケースと、この外側ケースの内側に接合固定された内側ケースとで構成し、内側支持体を内側ケースに設けてもよい。ケースを別体である外側ケースと内側ケースとで形成すれば、外側ケースの側面振動をより効果的に減衰させることができ、各ケース部材をそれぞれの要求条件に応じた材質および形状に選定でき、かつ安価に製造できる。

好ましい実施形態によれば、ケースを別体の外側ケースと内側ケースとで形成した場合、内側ケースを外側ケースより密度の高い金属材料で形成してもよい。密度が高い材料とは音響インピーダンスが大きい材料のことであり、そのような材料は振動しにくい材料であることから、音響インピーダンスが大きい材料で内側ケースを形成することにより、外側ケースの側面への振動エネルギーの漏洩を低減することができ、残響を小さくすることができるとともに、放射される超音波の音圧を高くすることができる。

好ましい実施形態によれば、内側支持体の圧電素子側と反対側の端部に凹部が形成され、凹部の底面に平面部が形成され、凹部に板状部材が収納されている構造としてもよい。この場合には、板状部材を内側支持体の背面側の凹部に収納できるので、板状部材を簡単に位置決めでき、かつ板状部材がケース外部に突出することがない。

好ましい実施形態によれば、内側支持体の圧電素子側と反対側の端部には平面部のみが形成され、板状部材の外周は内側支持体の外周とほぼ同一形状に形成されている構造としてもよい。この場合には、板状部材およびこの板状部材と対向する平面部の面積を拡大できるので、充填材のせん断変形をより有効に働かせることができ、振動減衰効果を高めることができる。

好ましい実施形態によれば、板状部材の中心部には、内側支持体の中央穴と対応する貫通穴が形成され、圧電素子に接続された接続端子が、内側支持体の中央穴および板状部材の貫通穴を介し、非接触で外部に導出されている構造としてもよい。この場合には、接続端子を内側支持体および板状部材と接触せずに外部に導出できるので、端子を通じて振動が伝わるのを防止でき、残響抑制効果を高めることができる。ここで、接続端子とは金属端子でもよいし、リード線などでもよい。

好ましい実施形態によれば、ケースの側壁部の内側に内側支持体を一体に形成してもよい。この場合には、振動面である底部と側壁部とが一体構造であるため、ケースの製造が簡単となる。このようなケースは、鋳造（ダイカストを含む）、切削、鍛造などの公知の方法で製造できる。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明によれば、有底筒状ケースの側壁部の内側に環状の内側支持体を設け、この内側支持体の中央穴に粘弾性体よりなる充填材を充填したので、振動エネルギーを粘弾性体の材料減衰および内側支持体によって減衰させることができる。また、内側支持体に設けた平面部上に充填材を間にして板状部材を対向して配置したので、内側支持体と板状部材との間で挟まれた充填材のせん断変形による粘弾性減衰により、ケースの側面振動を減衰させることができる。その結果、ケースに残る残響振動を効果的に抑制でき、障害物の最短検知距離分解能に優れた超音波センサを実現できる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図１，図２は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第１実施例を示す。この超音波センサＡは、外側ケース１と、内側ケース２と、圧電素子３と、金属端子４ａ，４ｂと、音波吸収材５と、充填材６と、板状部材７とを備えている。

外側ケース１は、金属板により有底筒状（断面Ｕ字形）にプレス成形されたものであり、その底部１ａの内側に円板状の圧電素子３が貼り付けられ、ユニモルフ振動子を構成している。圧電素子３は圧電セラミック板の表裏面に電極を形成し、これら電極間に電圧を印加することにより、広がり振動または厚み振動を発生するものである。外側ケース１の背面側には開口した円筒状の側壁部１ｂが形成されている。外側ケース１は音響インピーダンスの小さい材料、すなわち振動しやすい金属材料で形成するのがよい。圧電素子３の底部１ａと接する面及びその逆の面とにはそれぞれ電極（図示せず）が設けられている。

外側ケース１の開口した側壁部１ｂの内側には、内側ケース２が接合固定され、これら外側ケース１と内側ケース２とでケース１０を構成している。内側ケース２は内側支持体の一例を構成するものであり、金属材料により外側ケース１より厚肉な環状または筒状に形成されている。内側ケース２は、外側ケース１から放射される超音波の指向特性を制御する機能や、外側ケース１から伝達された側面振動を減衰させる機能などを有している。内側ケース２の材質は、望ましくは、外側ケース１より音響インピーダンスの大きな金属材料、つまり振動しにくい金属材料を用いるのがよい。内側ケース２の圧電素子３と対向する前面側の中央部には、振動空間を形成するための凹部２ａが設けられ、凹部２ａの周壁部２ｅが外側ケース１の底部１ａの外周部に密着している。凹部２ａの形状や深さは、超音波センサＡの超音波指向特性に応じて設定される。内側ケース２の中心部には軸方向に貫通する中央穴２ｂが形成されており、この実施例では中央穴２ｂの内径は圧電素子３の外径より小さいが、圧電素子３の外径より大きくてもよい。内側ケース２の圧電素子３と反対側の端部（背面側）には、中央穴２ｂを取り囲む凹部２ｃが形成されており、この凹部２ｃの底面には平面部２ｄが形成されている。この平面部２ｄは振動面である底部１ａと平行である。内側ケース２の外周部には、外側ケース１の厚みに相当する段差部２ｆが形成されており、この段差部に外側ケース１の開口端が当接している。この例では、内側ケース２の背面部が外側ケース１の開口端より外部へ突出しているが、内側ケース２の背面と外側ケース１の開口端とが同一面にあってもよい。

内側ケース２の中央穴２ｂの圧電素子側の端部には、外側ケース１の側壁部１ｂ及びこれと付随して振動する内側ケース２と導通部材との残留振動を抑制しかつ圧電素子３の周囲の空気共振を抑制するため、スポンジ等の音波吸収材５が配置されている。この例の音波吸収材５は中央穴２ｂ内に収納されているが、振動空間つまり凹部２ａの中に収納してもよい。中央穴２ｂの音波吸収材５の背後には、一対の金属端子４ａ，４ｂを保持した樹脂製の端子ホルダ４ｃが挿入されている。中央穴２ｂの端子ホルダ４ｃの背後には、粘弾性体よりなる充填材６が充填されており、振動空間が封止されている。充填材６としては、シリコーン樹脂やウレタン樹脂、ブチルゴム等の粘弾性体が使用される。充填材６は中央穴２ｂから凹部２ｃにかけて連続的に充填されている。

一方の金属端子４ａの先端部にはばね端子４ｄが設けられ、このばね端子４ｄは圧電素子３の背面側の電極面上に形成された半田や導電性接着剤などの導電部３ａに対して接触導通している。この実施例では、ばね端子４ｄがＵ字状に湾曲しているので、圧電素子３の振動が金属端子４ａに伝わりにくくなっている。他方の金属端子４ｂは、ばね端子４ｅを介して内側ケース２の中央穴２ｂの内面に接触導通している。内側ケース２および外側ケース１は導電材よりなるので、ばね端子４ｅは内側ケース２および外側ケース１を介して圧電素子３の前面側の電極と電気的に接続される。金属端子４ａ，４ｂの周囲は充填材６によって保持されているので、金属端子４ａ，４ｂを伝って振動が外部へ漏れ出るのが抑制される。

内側ケース２の背面側の凹部２ｃには板状部材７が収納され、充填材６の中に埋設されている。すなわち、板状部材７は充填材６によって完全に覆われている。上述のように凹部２ｃの底面には、振動面である底部１ａと平行な平面部２ｄが形成されている。この平面部２ｄと板状部材７とは平行に対向しており、両者の間には充填材６が挟み込まれている。板状部材７の中心部には貫通穴７ａが形成されており、金属端子４ａ，４ｂは内側ケース２の中央穴２ｂおよび板状部材７の貫通穴７ａを介して外部へ非接触で導出されている。板状部材７は、少なくとも充填材６より剛性の高い材料で形成された板材であり、例えば金属板、セラミック板、硬質樹脂板などを使用することができる。ここではリング状の金属ワッシャを用いた。

次に、充填材６および板状部材７による振動減衰作用について説明する。圧電素子３に電圧が印加されると、圧電素子３に広がり振動もしくは厚み振動などが励起され、振動面である外側ケース１の底部１ａが振動し、空気中に超音波が放射される。外側ケース１が一旦共振すると、圧電素子３の電気信号を切っても、ある程度その振動が持続し、その振動は外側ケース１の側壁部１ｂを介して内側ケース２に伝えられる。内側ケース２に伝達される振動には、大別して軸方向の振動Ｖ_L と半径方向の振動Ｖ_R （図１参照）とがある。軸方向の振動Ｖ_L は、充填材６の持つ粘弾性体の材料減衰作用や、内側ケース２の制振作用により減衰される傾向にあるが、半径方向の振動Ｖ_R は、図３に示すように内側ケース２の半径方向の対向する２箇所が内側に変位したとき、これと９０度位相の異なる２箇所では外側へ変位して全体として楕円形に変形し、これが交互に発生するモードや、半径方向に全体が拡縮変形するモードが発生すると考えられる。一方、内側ケース２の平面部２ｄに対して充填材６を介して対向配置された板状部材７は、平面方向に極力変形しないように構成されている。つまり、図３に示すように内側ケース２の半径方向に変形に対して、板状部材７はほとんど変形しないので、内側ケース２と板状部材７との間に挟まれた充填材６にせん断変形が生じる。その結果、充填材６の内部で発生するせん断変形に伴う粘弾性減衰作用によって、内側ケース２の主に半径方向の振動Ｖ_R を効果的に消散させることができる。

なお、板状部材７が充填材６を介して内側ケース２に対して非接触で保持されているので、前記とは別の効果を期待できる。すなわち、超音波センサＡを車載機器などに取り付けた場合、車体振動などによる外部振動が超音波センサＡに伝達される。このような外部振動は、内側ケース２に充填された充填材６によってある程度減衰するが、一部が圧電素子３に伝わり、誤差信号として検出される場合がある。これに対し、内側ケース２に充填材６を介して板状部材７が相対変位自在に配置されているので、外部振動によって振動する内側ケース２と板状部材７とが同一モードで振動しない。そのため、両者の間に配置された充填材６にせん断変形が生じ、粘弾性減衰作用によって振動を減衰させることができる。このせん断変形は、板状部材７の音響インピーダンスが大きいほど効果が大きい。

粘弾性によるエネルギーロスを効率良く発生させるには、図３に示すように、内側ケース２の半径方向の変形に対してできるだけ板状部材７は変形しないこと、つまり板状部材（ワッシャ）７の剛性が内側ケース２の剛性より大きい方が望ましい。なぜなら、内側ケース２と板状部材７との間に挟まれた充填材６にせん断変形を生じさせることで、粘弾性減衰作用によるエネルギーロスを発生させ、半径方向の振動Ｖ_R を効率よく消散させることができるからである。板状部材７が内側ケース２よりも剛性が低い場合、充填材６のせん断変形に対して共に振動してしまい、不要振動エネルギーの消散効率が十分でなくなる。そのため、振動している内側ケース２よりも板状部材７の剛性が高いことが望まれる。

また、板状部材７の大きさは圧電素子３よりも大きい方がよい。圧電素子３を有底筒状ケースの底部内側に配置し、振動面として構成した超音波センサでは、圧電素子の大きさは、振動面の振動分布、圧電素子を貼り付けた振動面を含めた電気機械結合係数を考慮すると、送波感度、受波感度などの特性において、最適な大きさがある。一方、残響振動は、ケースの寸法設計、材質などによってその強度、周波数などが異なり、不要振動を抑えるためにできるだけその振動を消散させることが望まれる。このために、反対側に配置された板状部材と充填材との間で効率よく機械的エネルギーの消散を行う必要があるが、板状部材の大きさが圧電素子の大きさよりも小さいと、十分な機械的減衰機能を得られない場合がある。そこで、板状部材７の大きさを圧電素子３よりも大きくすることが望ましい。

硬化前の充填材６の粘度は、１〜１０００（Ｐａ・ｓ）が好ましい。この範囲の充填材を使用すると、媒質を伝わる横波の伝播速度が遅いので、粘性体中で機械的エネルギーの減衰作用を効果的に発揮できる。粘度が高過ぎると、充填作業性が悪く、扱い難いという理由で好ましくない。逆に、粘度が低過ぎると、減衰作用が乏しくなるため、好ましくない。

図４の（ａ）は図１に示す第１実施例の超音波センサＡの残響特性であり、図４の（ｂ）は図１６に示す比較例の残響特性である。前部の波形は発振波であり、後部の波形は対象物からの反射波形である。この比較例は、図１に示す超音波センサＡのうち、内側ケース２の背面側の凹部２ｃと板状部材７とを省略したものである。その他の構成は図１と同様であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。なお、センサの直径は１５．５ｍｍ、高さは９ｍｍ、板状部材７の厚みは１．６ｍｍ、凹部２ｃの直径は１２ｍｍとした。比較例の場合も、第１実施例と同様に厚肉な内側ケース２の制振効果により、発振波の残響信号の持続時間を従来の超音波センサ（図１５参照）に比べてある程度短縮できるが、図４から明らかなように、超音波センサＡでは内側ケース２と板状部材７との間に充填された充填材６の作用により、比較例に比べて発振波の残響信号の持続時間がさらに短縮され、優れた結果が得られた。前記の結果から、充填材のせん断変形による粘弾性減衰効果の有効性が確かめられた。

図５は、板状部材７の厚みと、残響尾引きとの関係を示す。ここで、凹部２ｃの直径を１２ｍｍ、凹部２ｃの厚みを２．０ｍｍとした。残響尾引きとは、センサ駆動電圧を印加してから入力信号を切ってもなお尾引く残響波形の信号レベル（振幅）のことであり、ここでは測定時間１．２ｍｓｅｃ後の信号レベルの最大値及び最小値で評価した。その信号レベルはできるだけ小さい方が好ましい。板状部材がない場合（厚み＝０ｍｍ）は、残響尾引きの平均値は１．０１９Ｖｐｐと大きく、かつばらつきも大きいが、板状部材を設けることにより残響尾引きを小さくでき、板状部材の厚みが厚くなるほど残響尾引きは小さくなる。特に、板状部材の厚みが１．０ｍｍ以上になると、残響尾引きは０．１Ｖｐｐ以下となり、ばらつきも小さいため、良好な結果が得られることがわかる。

図６は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第２実施例を示す。この超音波センサＢは、内側ケース２Ａの背面全面を平面部２ｄとし、この平面部２ｄ上に充填材６を介して板状部材７を対向配置したものである。板状部材７の外径寸法は内側ケース２Ａの外径寸法とほぼ等しい。なお、第１実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

この実施例では、第１実施例に比べて、内側ケース２Ａと板状部材７との対向面積を外周側へ拡大できるので、充填材６に対してせん断変形をより効果的に作用させることができる。すなわち、内側ケース２Ａの平面部２ｄの外周部は内周部に比べて変位が大きいので、平面部２ｄの外周部と板状部材７の外周部との間に位置する充填材６のせん断変形量も大きくなり、粘弾性減衰をより効果的に発揮することができる。

図７は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第３実施例を示す。第１実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＣでは、外側ケース１の底部１ａの内側に貼り付けられた圧電素子３の背面に一方のリード線４ｇを接続するとともに、内側ケース２Ｂの中央穴２ｂの内面に他方のリード線４ｈを接続し、これらリード線４ｇ，４ｈを中央穴２ｂおよび板状部材７の貫通穴７ａを介して外部へ導出したものである。この実施例の場合も、内側ケース２Ｂの背面に形成された凹部２ｃに板状部材７が収納され、凹部２ｃの底面である平面部２ｄと板状部材７との間に充填材６が挟み込まれているので、内側ケース２Ｂが振動すると、板状部材７との間で相対変位が生じ、両者の間に介在した充填材６がせん断変形して粘弾性減衰効果を得ることができる。

図８は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第４実施例を示す。第３実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＤは、第３実施例の超音波センサＣの変形例であり、内側ケース２Ｃの背面全面を平面部２ｄとし、この平面部２ｄ上に充填材６を介して板状部材７を対向配置したものである。板状部材７の外径寸法は内側ケース２Ｃの外径寸法とほぼ等しい。この実施例では、第２実施例と同様に、内側ケース２Ｃと板状部材７との対向面積を拡大できるので、充填材６に対してせん断変形をより効果的に作用させることができる。

図９は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第５実施例を示す。第１実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＥは、内側ケース２Ｄの前面側の凹部２ａの深さを深くし、その中に音波吸収材５を配置するとともに、充填材６の一部が凹部２ａの中に入るように構成してある。なお、凹部２ａの内面には、吸音材５が圧電素子２に接触しないように、吸音材５の前面を位置決めする内周突起２ｇが形成されている。内側ケース２Ｄの背面側には凹部２ｃが形成され、この凹部２ｃの底面である平面部２ｄ上に充填材６を介して板状部材７が対向配置されている。図９には、圧電素子３に電気信号を印加しかつ出力信号を取り出すための接続端子が図示されていないが、接続端子として、第１，第２実施例に示す金属端子を用いてもよいし、第３，第４実施例に示すリード線を用いてもよい。

図１０は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第６実施例を示す。第５実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＦは、第５実施例と同様に、内側ケース２Ｅの前面側（圧電素子側）の凹部２ａの深さを深くし、その中に音波吸収材５を配置するとともに、充填材６の一部を凹部２ａの中に充填してある。凹部２ａの底面には平面部２ｄが形成され、この平面部２ｄ上に板状部材７が充填材６を間にして対向配置されている。

この実施例では、平面部２ｄが内側ケース２Ｅの前面側（圧電素子側）に設けられ、板状部材７が平面部２ｄの前面側に配置されている。すなわち、板状部材７がケース（外側ケース１および内側ケース２Ｅ）の中に完全に収納されており、板状部材７が熱や外気の影響を受けにくいため、好ましい。図１０には、圧電素子３に電気信号を印加しかつ出力信号を取り出すための接続端子が図示されていないが、接続端子として、第１，第２実施例に示す金属端子を用いてもよいし、第３，第４実施例に示すリード線を用いてもよい。

図１１〜図１３は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第７実施例を示す。第１実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＧでは、外側ケースと内側ケースとが同じ材料で一体に形成されたケース８を備えたものである。ケース８の底部８ａの内側に圧電素子３の前面が貼り付けられ、圧電素子３の背面に一方の金属端子４ａの先端に取り付けたばね端子４ｄが接続されるとともに、ケース８の中央穴８ｃの内面に他方の金属端子４ｂのばね端子４ｅが接続されている。金属端子４ａ，４ｂは中央穴８ｃおよび板状部材７の貫通穴７ａを介して外部へ導出されている。なお、圧電素子３の形状は円板形状に限らず、長円形状や長方形状としてもよい。

この例では、ケース８の中央穴８ｃは有底の長円形に形成されており、ケース８の外周形状が円筒形であるため、ケース８の側壁部（内側支持体）８ｂは厚肉部８ｂ₁ と薄肉部８ｂ₂ とで構成されている。ケース８の側壁部８ｂの端面には平面部８ｄが形成され、その平面部８ｄ上には、ケース８の外径寸法とほぼ同一の外径寸法を持つ板状部材７が充填材６を介して対向配置されている。この例では、厚肉部８ｂ₁ によって板状部材７との対向面積を確保できる。

この実施例の場合、外側ケースと内側ケースとが一体構造である一体ケース８となっており、ケース全体として音響インピーダンスの小さい材料を用いるため、残響の影響を受けやすい。しかし、一体ケース８の背面に形成された平面部８ｄと板状部材７との間に充填材６が挟み込まれているので、一体ケース８の側壁部８ｂが振動すると、板状部材７との間で相対変位が生じ、両者の間に介在した充填材６がせん断変形して粘弾性減衰効果を得ることができ、本発明を適用することが効果的である。また、外側ケースと内側ケースとが一体で形成されているため、製造コスト的に有利である。

図１４は本発明の実施の形態に係る超音波センサの第８実施例を示す。第７実施例と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例の超音波センサＨの場合も、外側ケースと内側ケースとが同じ材料で一体に形成された一体ケース８Ａを備えているが、第７実施例の超音波センサＧと異なる点は、ケース８Ａの背面側に凹部８ｅが形成され、この凹部８ｅ内に板状部材７が収納されている点である。板状部材７は充填材６によって覆われている。凹部８ｅの底面である平面部８ｄと板状部材７との間に充填材６が挟み込まれているので、一体ケース８Ａが振動すると、板状部材７との間で相対変位が生じ、両者の間に介在した充填材６がせん断変形して粘弾性減衰効果を得ることができる。この場合も、ケース８Ａが一体構造であるため、製造コスト的に有利である。

前記各実施例では、内側ケースを円環または円筒形状とし、板状部材を円板形状としたが、ケースを角筒形状としてもよく、板状部材を角板形状としてもよい。内側ケース（内側支持体）に形成された平面部は平滑面である必要はなく、凹凸が形成されていてもよい。同様に、板状部材の表面も平滑面である必要はなく、凹凸面であってもよい。また、平面部は振動面である底部と平行である必要はなく、内側支持体が振動したとき、充填材にせん断変形を発生させ得る面であればよく、例えば底部に対して傾斜した傾斜面あるいは曲面を有していてもよい。この場合において、平面部と対向する板状部材の表面は、平面部とほぼ平行、つまり平面部と板状部材との間に挟まれる充填材の厚みをほぼ均一とするのがよい。さらに、中央穴と平面部とが連続している必要はなく、分離されていてもよい。その場合には、中央穴に充填される充填材と平面部上に充填される充填材の種類を変えることもできる。板状部材として円環状の平板を用いたが、穴のない平板であってもよく、また内側ケースの背面側を覆うキャップ形状など、形状は任意である。また板状部材は複数重ねて設けてもよい。さらに、板状部材は一定厚みの板材に限らない。
−備考−
（請求項９）
有底筒状のケースの底部内側に圧電素子を固定し、前記底部を振動面として構成した超音波センサにおいて、
前記ケースの側壁部の内側に設けられ、中心部に軸方向に延びる中央穴を有し、前記中央穴の周囲に平面部を有する環状の内側支持体と、
前記内側支持体の中央穴内および平面部上に充填された粘弾性体よりなる充填材と、前記内側支持体の平面部上に前記充填材を間にして平面部と対向して配置され、当該充填材よりも剛性の高い板状部材と、を備え、
前記ケースは、有底筒状の外側ケースと、この外側ケースの内側に接合固定され、前記外側ケースより密度の高い金属材料で形成されている内側ケースとで構成され、
前記内側支持体は前記内側ケースに設けられていることを特徴とする超音波センサ。
（請求項１０）
前記平面部は前記ケースの底部と平行な面であることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。
（請求項１１）
前記内側支持体の前記圧電素子側と反対側の端部に凹部が形成され、前記凹部の底面に前記平面部が形成され、前記凹部に前記板状部材が収納されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の超音波センサ。
（請求項１２）
前記内側支持体の前記圧電素子側と反対側の端部には前記平面部のみが形成され、前記板状部材の外周は前記内側支持体の外周とほぼ同一形状に形成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の超音波センサ。
（請求項１３）
前記板状部材の中心部には、前記内側支持体の中央穴と対応する貫通穴が形成され、前記圧電素子に接続された接続端子が、前記内側支持体の中央穴および前記板状部材の貫通穴を介し、非接触で外部に導出されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の超音波センサ。

本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第１実施例の断面図である。図１の超音波センサの本体部と板状部材との分解斜視図である。図１の内側ケース（内側支持体）の側面振動の様子を示す底面図である。本発明と比較例の各残響特性の比較図である。板状部材の厚みと残響尾引きとの関係を示す表とグラフである。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第２実施例の断面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第３実施例の断面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第４実施例の断面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第５実施例の断面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第６実施例の断面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第７実施例の断面図である。図１１に示す超音波センサのケースと板状部材の斜視図である。図１１に示す超音波センサの板状部材を省略したケースの背面図である。本発明の実施の形態にかかる超音波センサの第８実施例の断面図である。従来構造の超音波センサの断面図である。比較例の超音波センサの断面図である。

符号の説明

Ａ〜Ｆ超音波センサ
１外側ケース
１ａ底部（振動面）
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ内側ケース（内側支持体）
２ａ凹部（前面側）
２ｂ中央穴
２ｃ凹部（背面側）
２ｄ平面部
３圧電素子
４ａ，４ｂ金属端子
５音波吸収材
６充填材
７板状部材
７ａ貫通穴
８，８Ａケース
８ａ底部
８ｃ中央穴
８ｄ平面部

Claims

有底筒状のケースの底部内側に圧電素子を固定し、前記底部を振動面として構成した超音波センサにおいて、
前記ケースの側壁部の内側に設けられ、中心部に軸方向に延びる中央穴を有し、前記中央穴の周囲に平面部を有する環状の内側支持体と、
前記内側支持体の中央穴内および平面部上に充填された粘弾性体よりなる充填材と、
前記内側支持体の平面部上に前記充填材を間にして平面部と対向して配置され、当該充填材よりも剛性の高い板状部材と、を備え、
前記板状部材は前記内側支持体又は前記ケースに対して前記充填材のみを介して保持されていることを特徴とする超音波センサ。
前記平面部は前記ケースの底部と平行な面であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
前記ケースは、有底筒状の外側ケースと、この外側ケースの内側に接合固定された内側ケースとで構成され、前記内側支持体は前記内側ケースに設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波センサ。
前記内側ケースは、前記外側ケースより密度の高い金属材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
前記内側支持体の前記圧電素子側と反対側の端部に凹部が形成され、前記凹部の底面に前記平面部が形成され、前記凹部に前記板状部材が収納されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波センサ。
前記内側支持体の前記圧電素子側と反対側の端部には前記平面部のみが形成され、前記板状部材の外周は前記内側支持体の外周とほぼ同一形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波センサ。
前記板状部材の中心部には、前記内側支持体の中央穴と対応する貫通穴が形成され、前記圧電素子に接続された接続端子が、前記内側支持体の中央穴および前記板状部材の貫通穴を介し、非接触で外部に導出されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波センサ。
前記ケースの側壁部の内側に前記内側支持体が一体に形成されていることを特徴とする請求項１、２、５〜７のいずれかに記載の超音波センサ。