JP2012010312A

JP2012010312A - 超音波センサ

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Publication number: JP2012010312A
Application number: JP2011063512A
Authority: JP
Inventors: Taku Matsumoto; 卓松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: DE102011076399A1; US20110290028A1; KR101231868B1; US9003887B2; CN102353951B; JP5522100B2; KR20110131102A; CN102353951A

Abstract

【課題】振動漏れを防止し、振動漏れによる残響特性を改善した超音波センサを構成する。
【解決手段】超音波センサ１０１は、底部３１ｂと側壁部３１ａとを有する有底筒状のケース３１と、ケース３１の内底面に貼り付けられた圧電素子３２と、外部端子４３及び内部端子４２を保持する端子保持部材４１と、内部端子に接続されて圧電素子３２へ給電する配線材３４，３５と、を有する。ケース３１の側壁部３１ａは、開口側に薄肉部３１ｔ、底部側に厚肉部３１ｈをそれぞれ備えている。厚肉部３１ｈと端子保持部材４１との間に弾性部材３３が設けられている。厚肉部３１ｈに囲まれた開口領域が弾性部材３３で覆われている方が好ましい。ケース３１の内部には充填材３６が充填されていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

この発明は、超音波センサに関し、特に、圧電素子およびそれに電気的に接続される入出力端子を有し、たとえば、自動車のコーナーソナーやバックソナーなどに用いられる超音波センサに関する。

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、超音波パルス信号を間欠的に送信し、周辺に存在する障害物からの反射波を受信することにより物体を検知するものである。自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車における側壁等の障害物とのスペースの有無を検知するパーキングスポットセンサ等には超音波センサが用いられる。

この種の超音波センサは特許文献１に示されている。図１は特許文献１の超音波センサ１０の断面図である。超音波センサ１０はケース１２を含む。このケース１２は、閉塞面を有するアルミニウムなどの金属からなる有底筒状ケース部１４およびそれにはめ込まれる亜鉛などの金属からなる筒状ケース部１６を含む。有底筒状ケース部１４には、筒状ケース部１６がはめ込まれて接着剤で接着される。

ケース１２において有底筒状ケース部１４の内底部には圧電素子１８が導電性接着剤で接着されている。

圧電素子１８には、金属からなる入出力端子２０および２２が電気的に接続される。また、これらの入出力端子２０および２２は、ケース１２の内部からケース１２の外部に引き出される。第１の入出力端子２０は、圧電素子１８の上方主面側の電極に電気的に接続されるものであって、ばね性を有するばね端子２０ａ、中間部分２０ｂおよびピン状の引出側部分２０ｃからなる。

第２の入出力端子２２は、ケース１２を介して、圧電素子１８の下方主面側の電極に電気的に接続されるものである。この入出力端子２２は、接続側部分２２ａ、中間部分２２ｂおよび引出側部分２２ｃからなる。

これらの入出力端子２０および２２は、絶縁性を有する合成樹脂からなる円柱状の支持部材２４で支持される。入出力端子２０および２２は、それらの中間部分２０ｂおよび２２ｂが支持部材２４に埋め込まれて固定され、支持部材２４と一体的に形成される。

支持部材２４は、ケース１２の内部において圧電素子１８の上方主面側に配置され、筒状ケース部１６に固着される。

ケース１２において圧電素子１８が設けられた閉塞面側にはダンピング材２６が配されている。また、ケース１２の内部において支持部材２４の開口側は発泡性を有する充填材（不図示）で封止される。

特開２００７−３１８７４２号公報

図１に示されるような従来の超音波センサにおいては、端子を支持する支持部材２４が、振動する筒状ケース部１６に直接取り付けられるので、筒状ケース部１６の振動が入出力端子２０および２２に伝搬し、その振動が実装先の基板を振動させる問題（以下、「振動漏れ」という。）が発生する。この振動漏れによって残響時間が長くなる（残響特性が悪化する）。そして、残響時間が長引けば近距離の物体検知の際に、送信信号（バースト波）による残響が持続している時間内に反射信号が受信されることになるので、近距離の物体検知ができなくなる。なお、図１に示した構造ではケース１２の側面に有底筒状ケース部１４と筒状ケース部１６との境界部が露出するので、水分の侵入や高湿度中での腐食を防止するための対策も必要となる。

本発明の目的は、振動漏れを防止し、振動漏れによる残響特性を改善した超音波センサを提供することにある。

本発明の超音波センサは、底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、前記ケースの内底面に貼り付けられた圧電素子と、前記ケースの外部へ引き出される端子と、
前記端子を保持する端子保持部材と、前記端子に接続されて前記圧電素子へ給電する導通部材と、を有し、前記ケースの側壁部は、前記ケースの開口側に薄肉部、前記底部側に厚肉部をそれぞれ備え、前記厚肉部と前記端子保持部材との間に弾性部材が設けられたことを特徴としている。

この構造により、ケースから伝わる振動が弾性部材の中で減衰し、端子保持部材を通して端子に殆ど伝搬しなくなるので、端子を基板に実装した際に発生する振動漏れを大幅に低減できる。

前記厚肉部に囲まれた開口領域を前記弾性部材によって覆うようにしてもよい。このことにより、圧電素子からケース内部に放射された音波が端子保持部材に直接達するのを緩衝でき、振動漏れをさらに小さくすることができる。

前記側壁部の薄肉部と前記弾性部材の側面との間に充填材を充填してもよい。前記薄肉部と前記弾性部材とを接触させる場合に比べて、ケースの側壁部の広い範囲に充填材が接触することになり、ケースの側壁部の振動が抑制され、残響を小さくできる。

前記厚肉部上には、前記ケースよりも音響インピーダンスの高い補強材（錘）を形成してもよい。この構造によりケース底面の周囲の剛性が高まり、ケース底面の振動がケースの側壁部へ伝わるのが抑制されるとともに、センサとしての感度が向上する。

前記圧電素子と前記弾性部材との間には空間が形成されて、前記弾性部材の前記圧電素子側の面に吸音材が設けられていてもよい。この構造により、不要な音波が吸音材で吸収されて、圧電素子からケース内部へ伝達する不要な音波をより効率よく減衰させることができる。

また、例えば前記ケースの底部に長軸方向と短軸方向の異方性を生じさせる段差部を備え、前記弾性部材に前記ケースの底部の段差部と係合する第１の係合部を備え、前記弾性部材に前記端子保持部材と係合する第２の係合部を備え、前記端子保持部材に前記第２の係合部と係合する係合部を備えることが好ましい。

この構造により、ケース、弾性部材、端子保持部材が互いに位置決めされるので、端子及び端子保持部材が安定して固定される。また、送受する超音波の指向性に異方性を発現させたい（縦方向の指向角と横方向の指向角を異ならせる）場合、ケース底面に長軸及び短軸を有する薄肉部を形成することになるが、その方向性はケース外観からは把握できない。このため、従来はケースの開口側の端面上に端子保持部材を固定していた。しかしながら、前記端面上に端子保持部材を固定した場合、前記端面と端子保持部材との間の境界から、例えば水分が浸入して感度が低下する恐れがある。本構造であれば、ケース、弾性部材、端子の端子保持部材を互いに係合する際に、ケース内部において、ケース振動面の方向性に合わせて端子が固定される。そのため、ケース外部に露出した端子の位置により振動面の方向性を識別できる。

本発明によれば、ケースから伝わる振動が弾性部材の中で減衰し、端子保持部材を通して端子に殆ど伝搬しなくなるので、端子を基板に実装した際に発生する振動漏れを大幅に低減できる。そのため、振動漏れによる残響特性の悪化を防止でき、より近距離の物体検知が可能となる。

図１は特許文献１の超音波センサ１０の断面図である。図２（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図、図２（ｂ）は超音波センサ１０１のケース３１内に充填材を充填する前の平面図である。図３は、第１の実施形態に係る超音波センサのケース３１、弾性部材３３及び端子保持部材４１の構造を示す分解斜視図である。図４（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサの残響特性を示す図、図４（ｂ）は比較例である図１に示した超音波センサ１０の残響特性を示す図である。図５（ａ）は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図、図５（ｂ）は超音波センサ１０２のケース３１内に充填材を充填する前の平面図である。図６は、第２の実施形態に係る超音波センサ１０２のケース３１、補強材３７、弾性部材３３及び端子保持部材４１の構造を示す分解斜視図である。図７は第３の実施形態に係る超音波センサ１０３の断面図である。図８は第４の実施形態に係る超音波センサに用いる端子保持部及び端子の形状を示す斜視図である。

《第１の実施形態》
図２（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図、図２（ｂ）は超音波センサ１０１のケース３１内に充填材を充填する前の平面図である。超音波センサ１０１は、底部３１ｂと側壁部３１ａとを有する有底筒状のケース３１と、ケース３１の内底面に貼り付けられた圧電素子３２と、外部端子４３及び内部端子４２を保持する端子保持部材４１と、内部端子４２に接続されて圧電素子３２へ給電する配線材（導通部材）３４，３５と、を有する。

前記ケース３１の側壁部３１ａは、開口側に薄肉部３１ｔ、底部側に厚肉部３１ｈをそれぞれ備えている。ケースの側壁部３１ａには段差部３１ＳＴが形成されている。図２（ｂ）の破線はケース底部の段差部３１ＳＴの位置を示している。厚肉部３１ｈと端子保持部材４１との間には弾性部材３３が設けられている。すなわち、厚肉部３１ｈに囲まれた開口領域が弾性部材３３で覆われている。

ケース底部の段差部３１ＳＴ（図２（ｂ）に示す破線）と、段差部３１ＳＴが形成されていないケース３１の内周とで囲まれた領域が主たる振動領域であり、実質的にケース３１の内底面形状である。ケース３１の主たる振動領域は、図２（ｂ）に示す破線に平行な方向が長いのでこの方向が長軸、破線に垂直な方向が短いのでこの方向が短軸である。このように主たる振動領域が異方性を有するため、超音波の指向性に異方性が生じる。すなわち、前記長軸方向（図２（ｂ）の向きで縦方向）の指向角は狭く、前記短軸方向（図２（ｂ）の向きで横方向）の指向角は広い。

ケース３１の内部にはシリコーン樹脂やウレタン樹脂などの弾性体からなる充填材３６が充填されていて、ケース３１の内面に接着されている。但し、厚肉部３１ｈに囲まれた開口領域が弾性部材３３で覆われているので、圧電素子３２と弾性部材３３との間には空間が形成されている。

弾性部材３３の外径はケース３１の側壁部の薄肉部３１ｔの内径より小さいので、この薄肉部３１ｔと弾性部材３３の側面との間には充填材３６が存在している。

ケース３１は例えばアルミニウムの鍛造成形体である。弾性部材３３はシリコーンゴムやウレタン樹脂などの弾性体の成形体であり、その下部にはケース３１側の段差部３１ＳＴに係合する第１の係合部３３ｅが形成されている。また弾性部材３３の上部には端子保持部材４１が係合する第２の係合部３３ｄが形成されている。この弾性部材３３の中央部は開口していない。

端子保持部材４１はＰＢＴなどの樹脂による成形体であり、２本のピンを保持している。これらのピンの一端が外部端子４３、他端が内部端子４２である。端子保持部材４１の下端にフランジ状の係合部（以下、「フランジ部」という。）４１ｆが形成されていて、このフランジ部４１ｆは弾性部材３３の上面の第２の係合部３３ｄに係合する。端子保持部材４１のフランジ部４１ｆの上面４１ｓは充填材３６で覆われている。

このように、ケース３１の厚肉部３１ｈと端子保持部材４１との間に弾性部材３３が設けられたことにより、ケース３１から伝わる振動が弾性部材３３の中で減衰し、端子保持部材４１を通して外部端子４３に殆ど伝搬しなくなるので、外部端子４３を基板に実装した際に発生する振動漏れを大幅に低減できる。特に、弾性部材３３の中央部が開口していないので、圧電素子３２からケース３１内部に放射された音波が端子保持部材４１に直接当たることなく、弾性部材３３に当たるため、圧電素子３２からケース３１内部に放射された音波が弾性部材３３の中で減衰されて、振動漏れをより効果的に防止することができる。

また、端子保持部材４１のフランジ部４１ｆの上面４１ｓが充填材３６で覆われていることにより、端子保持部材４１の抜け止めがなされ、端子保持部材４１の抜けや剥離に対する耐久性が向上する。

弾性部材３３と充填材３６の物性を比較すると、弾性部材３３は振動を伝搬し難いもの、充填材３６はケース３１の振動を抑制（制振）するものである。すなわち弾性部材３３は充填材３６に比べて弾性率が低いことが好ましい。さらに詳しくは、弾性率には貯蔵弾性率と損失弾性率があり、弾性部材３３は貯蔵弾性率が小さく、充填材３６は損失弾性率が大きいことが好ましい。例えば、弾性部材３３はシリコーン樹脂（シリコーンゴム）、充填材３６はウレタン樹脂であることが好ましい。

なお、ケースの側壁部の薄肉部３１ｔと弾性部材３３の側面との間に充填材３６が充填されていることにより、充填材３６がケースの側壁部３１ａの広い範囲（深い範囲）に亘って接着されることになりケースの側壁部３１ａの制振効果が高まる。そのため残響を小さくできる。

図３は、ケース３１、弾性部材３３及び端子保持部材４１の構造を示す分解斜視図である。既に述べたように、ケース３１の主たる振動領域に異方性をもたせるために、ケース３１の底部には一対の段差部３１ＳＴを備えている。図３では片方の段差部３１ＳＴが表れている。弾性部材３３の下部にはケース底部の段差部３１ＳＴに係合する一対の第１の係合部３３ｅを備えている。弾性部材３３の上部には端子保持部材４１のフランジ部４１ｆが係合する第２の係合部３３ｄが形成されている。この第２の係合部３３ｄの一部に突起部３３ｂが形成されている。

端子保持部材４１のフランジ部４１ｆの一部には前記弾性部材３３の突起部３３ｂが係合する凹部４１ｄが形成されている。

ケース３１の段差部３１ＳＴに弾性部材３３の第１の係合部３３ｅが係合し、弾性部材３３の第２の係合部３３ｄに端子保持部材４１のフランジ部４１ｆが係合する。このように３体を順次係合させることによって、ケース３１に対する端子保持部材４１の向きを一定にすることができる。そのため、端子保持部材４１をケース３１の開口側の端面上に設けなくても、ケース３１の外部に露出した外部端子４３の位置により振動面の方向性を識別できる。

また、ケース３１の段差部３１ＳＴと弾性部材３３の第１の係合部３３ｅとの係合、弾性部材３３の第２の係合部３３ｄと端子保持部材４１のフランジ部４１ｆとの係合が嵌め合わせであれば、ケース３１、弾性部材３３、及び端子保持部材４１が仮固定されるので、その状態で充填材３６を容易に充填できることになる。

なお、端子保持部材４１が保持する２本のピン（一端が外部端子４３、他端が内部端子４２であるピン）はＬ字状に成形されているので、充填材３６の充填前において内部端子４２の周囲の空間が広く、その内部端子４２に対する配線材の接続が容易である。

図４（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサの残響特性を示す図、図４（ｂ）は比較例である図１に示した超音波センサ１０の残響特性を示す図である。いずれも横軸を５００μｓ／ｄｉｖ、縦軸を１Ｖ／ｄｉｖで表している。また、いずれも外部端子４３を基板（図示せず）上にはんだ付けで固定し、送信時間に８波のバースト波を送信し、圧電素子に現れる電圧波形を増幅して観測したものである。実際には送信終了直後から振幅の減衰は始まっているが、しばらくは増幅回路のダイナミックレンジを超えているので、その間は波形が飽和している。

図４の（ａ）と（ｂ）を対比すれば明らかなように、第１の実施形態に係る超音波センサ１０１では、振幅が早く収束していて、振動漏れが抑制されて残響が少ない。

なお、第１の実施形態によれば、図１に示した構造とは異なり、ケース３１の外周に境界面が存在しないので、境界部から水が内部に侵入して感度が低下したり、異種金属間で腐食が発生したりする問題がない。

《第２の実施形態》
図５（ａ）は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図、図５（ｂ）は超音波センサ１０２のケース３１内に充填材３６を充填する前の平面図である。
この超音波センサ１０２は、ケース３１の厚肉部３１ｈ上であって側壁部３１ａの薄肉部３１ｔの内周面に接しない位置に補強材（錘）３７が形成されている。この補強材（錘）３７は、音響インピーダンスが高い成形体であればよく、厚み等のサイズを調整することによってケース３１と同じ材料（アルミニウム）の成形体を用いてもよいが、例えばSUS、亜鉛等、ケース３１よりも密度の高い材料の成形体であることが好ましい。なお図５（ｂ）の破線はケース底部の段差部３１ＳＴの位置を示している。ケース底部の段差部３１ＳＴの破線と、段差部３１ＳＴが形成されていないケース３１の内周とで囲まれた領域が主たる振動領域であり、実質的にケース３１の内底面形状である。ケース３１の主たる振動領域は、図５（ｂ）に示す破線に平行な方向に長く、破線に垂直な方向に短い形状を有するため、超音波の指向性に異方性が生じる。

図６は、図５に示した超音波センサ１０２のケース３１、補強材３７、弾性部材３３及び端子保持部材４１の構造を示す分解斜視図である。補強材３７は中央に矩形の開口３７ｈを備えたリング状の成形体である。弾性部材３３の下部には補強材３７の開口３７ｈに係合する係合部３３ｅを備えている。その他の構成は第１の実施形態で示したとおりである。

前記補強材３７の作用により、ケース３１の内底面の周囲の剛性が高まり、ケース３１の底面の振動がケース３１の側壁部３１ａ側へ伝わるのが抑制されるとともに、振動面であるケース３１の底面部３１ｂが効率よく振動するため、センサとしての感度が向上する。

なお、補強材３７の開口３７ｈ及び弾性部材３３の第１の係合部３３ｅは非円形であるので、ケース３１に対する端子保持部材４１の方向性を保つことができる。

《第３の実施形態》
図７は第３の実施形態に係る超音波センサ１０３の断面図である。この超音波センサ１０３は、有底筒状のケース３１、圧電素子３２、外部端子４３及び内部端子４２を保持する端子保持部材４１、内部端子４２に接続されて圧電素子３２へ給電する配線材（導通部材）３４，３５、補強材３７、吸音材３８、及び充填材３６を備えている。この超音波センサ１０３は、図５に示した超音波センサ１０２の弾性部材３３の下面（圧電素子３２側の面）に吸音材３８が設けられたものである。吸音材３８は例えばポリエステルフェルトなどであり、接着剤で弾性部材３３に接着されている。

このように弾性部材３３の圧電素子３２側の面に吸音材３８が設けられていることによって、不要な音波が弾性部材３３に到達して弾性部材３３の内部で減衰される前に、吸音材３８に吸収されてさらに減衰するため、圧電素子３２からケース３１内部へ伝達する不要な音波をより効率よく減衰させることができる。また、吸音材３８の位置決めも容易である。

《第４の実施形態》
図８は第４の実施形態に係る超音波センサに用いる端子保持部及び端子の形状を示す斜視図である。端子保持部材４１に保持される２つのピンの一端が外部端子４３、他端が内部端子４２である。このように、内部端子４２は端子保持部４１の内部で屈曲している必要はなく、配線材が接続可能なように露出していればよい。

３１…ケース
３１ａ…側壁部
３１ｂ…底部
３１ｈ…厚肉部
３１ＳＴ…段差部
３１ｔ…薄肉部
３２…圧電素子
３３…弾性部材
３３ｂ…突起部
３３ｄ…第２の係合部
３３ｅ…第１の係合部
３４，３５…配線材
３６…充填材
３７…補強材
３７ｈ…開口
３８…吸音材
４１…端子保持部材
４１ｄ…凹部
４１ｆ…フランジ部（フランジ状の係合部）
４１ｓ…上面
４２…内部端子
４３…外部端子
１０１〜１０３…超音波センサ

Claims

底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内底面に貼り付けられた圧電素子と、
前記ケースの外部へ引き出される端子と、
前記端子を保持する端子保持部材と、
前記端子に接続されて前記圧電素子へ給電する導通部材と、を有し、
前記ケースの側壁部は、開口側に薄肉部、前記底部側に厚肉部をそれぞれ備え、
前記厚肉部と前記端子保持部材との間に弾性部材が設けられた超音波センサ。
前記厚肉部に囲まれた開口領域が、前記弾性部材により覆われている、請求項１に記載の超音波センサ。
前記側壁部の薄肉部と前記弾性部材の側面との間に充填材が充填されている、請求項１又は２に記載の超音波センサ。
前記厚肉部上に、前記ケースよりも音響インピーダンスの高い補強材が形成されている、請求項１乃至３の何れかに記載の超音波センサ。
前記圧電素子と前記弾性部材との間に空間が形成され、前記弾性部材の前記圧電素子側の面に吸音材が設けられている、請求項１乃至４の何れかに記載の超音波センサ。
前記ケースの底部に長軸方向と短軸方向の異方性を生じさせる段差部を備え、
前記弾性部材に前記段差部と係合する第１の係合部を備え、
前記弾性部材に前記端子保持部材と係合する第２の係合部を備え、
前記端子保持部材に前記第２の係合部と係合するフランジ状の係合部を備えた、請求項１乃至５の何れかに記載の超音波センサ。