JP3916013B2 - 超音波マイクロホンおよびその周波数調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波センサに使用される超音波マイクロホンおよびその周波数調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、送受波分離型および一体型の超音波マイクロホンは、超音波を送信し、物体に当たってはねかえってきた超音波を受信する。このとき、送信から受信までの時間を計測することにより、送信場所から物体までの距離を計測することができる。このような超音波マイクロホンの用途として、自動車のバックソナー、コーナーセンサあるいは防犯用侵入者検知センサ等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したような超音波マイクロホンは、音圧を効率よく得るため、振動板と圧電素子とを一体的に貼り合わせて振動部を形成し、最適な共振周波数を用いて使用される。
しかしながら、振動板および圧電素子の製造時における加工精度のばらつきや振動体と圧電素子との接着のばらつき等により、共振周波数を調整しなければならない場合がある。
【０００４】
そこで、共振周波数の調整手段を有する超音波マイクロホンとして、振動板を切削して振動板の厚さを変えたり、あるいは例えば特公平５−１２９０号公報ならびに特開平４−５６５９７号公報に開示されているように、振動板の周辺固定部を切削したりすることにより共振周波数の調整を行うようにした超音波マイクロホンが知られている。また、特開平４−３２３９９９号公報に開示されているように、振動部に別部品を付加することにより共振周波数の調整を行うようにした超音波マイクロホンが知られている。
【０００５】
ところが、特公平５−１２９０号公報ならびに特開平４−５６５９７号公報に開示されている超音波マイクロホンでは、振動板の支点を切削しすぎると元にもどせないため、切削しすぎたものは不良品となる場合があった。また、特開平４−３２３９９９号公報に開示されている超音波マイクロホンでは、付加するための別部品を何種類も用意しなければならず、適当な共振周波数が得られる別部品を用意することができない場合、目的の共振周波数からずれた共振周波数の超音波マイクロホンとなる場合があった。
【０００６】
さらに、超音波マイクロホンの検知精度や測定範囲を広げるためには音圧を上げる必要がある。しかしながら、従来の超音波マイクロホンでは、圧電素子の特性、振動板の寸法、圧電素子への印加電圧ならびに周波数等によって音圧は決定されており、検知精度や測定範囲を広げることは困難であった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、共振周波数を容易に調整することができる超音波マイクロホンを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、共振周波数の調整に失敗した場合、共振周波数の再調整が可能な超音波マイクロホンを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、音圧の向上を図ることのできる超音波マイクロホンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の超音波マイクロホンによると、筒状の振動ケースと、その底部を形成する振動板と、その内面に取付けられる圧電素子と、振動ケースの開口部を封止する封止手段と、一方端側が自由端で他方端側が圧電素子の反振動板側に接合される導電性の共振周波数調整手段とを備える。このため、振動板を切削することなく、共振周波数調整手段の一部を削除することにより共振周波数を調整することができる。したがって、安価な設備で短時間で容易に共振周波数を調整することができる。さらに、共振周波数調整手段の重量が付加荷重となり、共振時の振動体の振幅を比較的大きくすることができるので、音圧を向上することができる。
【０００９】
さらに、請求項１記載の超音波マイクロホンによると、共振周波数調整手段は一方端側と他方端側との間に曲線部分を有するピッグテール形状に形成されているので、曲線部分の動吸振器性により振動板の振動が入出力端子に伝わり難くなる。したがって、送信後の残響を早く収束させることができ、計測時のノイズを低減することができる。さらに、共振周波数調整時に共振周波数調整手段の一部を削除するとき、共振周波数調整手段と圧電素子との接合部に外力が伝わり難くなるので、接合部の破損を防止することができる。
【００１０】
請求項２記載の超音波マイクロホンによると、共振周波数調整手段の少なくとも他方端側は圧電素子に対して脱着可能であるので、共振周波数の調整に失敗した場合、共振周波数調整手段を交換することにより共振周波数の再調整が可能である。したがって、不良品の発生を防止することができる。
請求項３記載の超音波マイクロホンの周波数調整方法によると、共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除することにより共振周波数を調整するので、安価な設備で短時間で容易に共振周波数を調整することができる。
【００１１】
請求項４記載の超音波マイクロホンの周波数調整方法によると、共振周波数調整手段を別な重量の共振周波数調整手段に取り替えることにより共振周波数を調整するので、容易に共振周波数を調整することができ、不良品の発生を防止することができる。
請求項５記載の超音波マイクロホンの周波数調整方法によると、共振周波数を測定した後、共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除し、共振周波数調整手段を過度に削除したとき、共振周波数調整手段を別な重量の共振周波数調整手段に取り替え、この別な重量の共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除することにより共振周波数を調整する。このため、共振周波数を再調整することが可能であるので、不良品の発生を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による超音波マイクロホンを図１に示す。
第１実施例の超音波マイクロホンは、筒状の振動ケース１と、振動ケース１の底部を形成する振動板２と、振動板２の内面２ａに取付けられる圧電素子３と、プラスおよびマイナスのリードワイヤ５および６と電気的に接続される二本の端子７を有し、振動ケース１の開口部１ｂを封止する封止手段としての絶縁栓８と、一方端側４ａが自由端で他方端側４ｂが圧電素子３の反振動板側に接合される導電性の共振周波数調整手段としてのリードピン４とからなる。
【００１３】
振動ケース１と振動板２とは一体で形成されており、有底筒形状をしている。振動ケース１および振動板２の材質はアルミニウムが好ましいが、ステンレス（ＳＵＳ）やコバールであってもよい。振動ケース１は、送受信する超音波の周波数や指向性に応じて寸法が決定される。振動ケース１の内壁面１ａにはマイナスのリードワイヤ６が電気的に接続されている。振動板２は、振動ケース１の側面壁に比べ肉薄に成形されており、送受信する超音波の周波数、必要とする音圧や感度に応じて板厚が決定される。振動板２の内面２ａには圧電素子３が貼着されている。振動ケース１と振動板２との製造方法は、切削、絞り、打抜き、鍛造、ダイキャストあるいはプレス等のいずれであってもよい。
【００１４】
圧電素子３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり、振動板２の内面２ａのほぼ中央に導電性接着剤等で接着されている。圧電素子３の両側面には銀印刷等による電極が形成されている。圧電素子３のマイナス側面の電極は振動板２に貼着されており、ボディアースとなっている。圧電素子３の反振動板側の面すなわちプラス側面の電極にはリードピン４が接合されている。圧電素子３に交流電圧を印加することにより圧電素子３が振動し、このときの圧電素子３の動きによって振動板２が振動する。圧電素子３に印加する交流電圧の周波数は振動板２と、圧電素子３と、プラスおよびマイナスのリードワイヤ５および６とを合わせた系の固有値近傍にあり、このため効率良くマイクの感度を上げることができる。
【００１５】
導電性のリードピン４は、一方端側４ａが自由端で他方端側４ｂが圧電素子３のプラス側面の電極の接合部９にはんだ付けにより接合されている。リードピン４の一方端側４ａにはプラスのリードワイヤ５が接続されている。リードピン４は、０．４〜１．０ｍｍφ程度の単線であって、一方端側４ａと他方端側４ｂとの間に曲線部分４ｃを有するピッグテール形状をしている。リードピン４は、はんだ付け性を考慮した銅線のはんだめっき線を使用するのが好ましいが、導体線であれば何であってもよい。
【００１６】
プラスのリードワイヤ５は、リードピン４と端子７とを電気的に接続するものであって、リードピン４の一方端側４ａと端子７の端面７ａとにはんだ付けにより接続されている。マイナスのリードワイヤ６は、振動ケース１と端子７とを電気的に接続するものであって、振動ケース１の内壁面１ａと端子７の端面７ｂとにはんだ付けにより接続されている。プラスおよびマイナスのリードワイヤ５および６は振動板２および圧電素子３の振動を阻害しないように細線となっている。
【００１７】
二本の端子７は、金属製のピンであって、図示しない外部回路と電気信号の受渡しを行う入出力端子である。
絶縁栓８は、二本の端子７をそれぞれ固定、絶縁するとともに、振動ケース１の内部を密封している。絶縁栓８は、樹脂で成形されており、振動ケース１の開口部１ｂに接着、固定されて開口部１ｂを封止している。
【００１８】
次に、超音波マイクロホンの共振周波数の調整方法を以下に説明する。
▲１▼まず図２に示すように、振動ケース１の内壁面１ａにマイナスのリードワイヤ６をはんだ付けしておく。
▲２▼次に図３に示すように、分極され、両側面に電極が形成された圧電素子３のマイナス側が振動板２に密着するように、振動板２の内面２ａのほぼ中央に圧電素子３を接着する。
【００１９】
▲３▼次に図４に示すように、リードピン４０の他方端側４０ｂを圧電素子３のプラス側面の電極の接合部９にはんだ付けにより接合する。共振周波数の測定は、マイナスのリードワイヤ６とリードピン４０とを用いて行う。このとき、振動板２の寸法やリードピン４０の寸法は、測定される共振周波数が目標値より低くなるように設定されている。測定された共振周波数と予め決定されている調整マップとより、削除するリードピンの長さが概ね決まるので、その長さだけリードピン４０の一方端側４０ａを削除する。ここで、リードピン４０の一方端側４０ａを削除することにより、リードピンの重量が小さくなり、付加荷重が小さくなることにより、測定される共振周波数は高くなる。
【００２０】
▲４▼その後、再度共振周波数を測定し、測定された共振周波数が目標範囲に入っていることを確認する。ここで、測定された共振周波数が目標値よりも低ければ、再度調整マップから削除する長さを求め、再度リードピンの端部を削除する。測定された共振周波数が目標値より高くなった場合、リードピンを取り外し、新しいリードピンを用いて上述の▲３▼を繰り返す。このとき、リードピン取り替え用の別な調整マップを用いる。
【００２１】
▲５▼次に図１に示すように、長さが調整されたリードピン４の一方端側４ａにプラスのリードワイヤ５を取り付ける。二本の端子７と絶縁板８とは予め一体に成形されており、端子７の端面７ａとプラスのリードワイヤ５とをはんだ付けにより接続し、端子７の端面７ｂとマイナスのリードワイヤ６とをはんだ付けにより接続する。その後、絶縁板８を振動ケース１の開口部１ｂに接着、固定する。以上の方法により、共振周波数が調整された超音波マイクロホンを得ることができる。
【００２２】
本発明の第１実施例によれば、リードピンの一部を削除することにより、振動板２を切削することなく、安価な設備で短時間で容易に共振周波数を調整することができる。さらに、周波数調整に失敗した場合、削除しすぎたリードピンを別のリードピンと取り替えることによりやり直しが効くため、不良品の発生を防止することができる。さらにまた、リードピン４の重量が付加荷重となり、共振時の振動板２および圧電素子３の振幅を比較的大きくすることができるので、音圧を向上することができる。
【００２３】
さらに第１実施例によれば、リードピン４は一方端側４ａと他方端側４ｂとの間に曲線部分４ｃを有するピッグテール形状をしているので、曲線部分４ｃの動吸振器性により振動板２の振動が端子７に伝わり難くなる。したがって、送信後の残響を早く収束させることができ、計測時のノイズを低減することができる。さらに、共振周波数調整時にリードピンの一部を削除するとき、リードピンと圧電素子３との接合部９に応力が伝わり難くなるので、接合部分の破損を防止することができる。さらに、リードピンを圧電素子３にはんだ付けにより接合するので、共振周波数調整時に周波数調整に失敗した場合、容易に別なリードピンと交換することができる。
【００２４】
第１実施例では、リードピン４はピッグテール形状としたが、渦巻き形状あるいはＳ字形状であってもよいのはもちろんのことである。
また第１実施例では、リードピンの一部を削除すること、すなわち共振周波数を高くすることにより周波数調整を行ったが、リードピンを重量の大きいものと交換すること、すなわち共振周波数を低くすることにより周波数調整を行うことも可能である。
【００２５】
（第２実施例）本発明とは異なる構造の参考例としての第２実施例を図５に示す。
リードピン１４は直線形状をしており、一方端側１４ａが自由端で他方端側１４ｂが圧電素子３のプラス側面の電極の接合部９にはんだ付けにより接合されている。その他、第１実施例と実質的に同一部分に同一符号を付す。
【００２６】
第２実施例では、リードピンによる動吸振器性を得ることはできないが、リードピンの一部を削除することにより、安価な設備で短時間で容易に共振周波数を調整することができる。さらに、周波数調整に失敗した場合、削除しすぎたリードピンを別のリードピンと取り替えることによりやり直しが効くため、不良品の発生を防止することができる。
【００２７】
本発明の複数の実施例では、振動ケース１と振動板２とを一体に形成したが、本発明では、振動ケースと振動板とは二つの部品の組合せであってもよく、二つの部品の組合せである場合の製造方法は、ロウ付け、圧入、溶接あるいは接着等のいずれであってもよい。
また本発明では、プラスのリードワイヤをリードピンに接続するのではなく、圧電素子のプラス側面の電極に直接接続し、リードピンに導体の役割をもたせず、共振周波数調整用としての役割のみをもたせた構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による超音波マイクロホンを示す断面図である。
【図２】第１実施例の共振周波数の調整方法を説明するための断面図である。
【図３】第１実施例の共振周波数の調整方法を説明するための断面図である。
【図４】第１実施例の共振周波数の調整方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第２実施例による超音波マイクロホンを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 振動ケース
１ａ 内壁面
１ｂ 開口部
２ 振動板
２ａ 内面
３ 圧電素子
４ リードピン（共振周波数調整手段）
４ａ 一方端側
４ｂ 一方端側
４ｃ 曲線部分
５ プラスのリードワイヤ
６ マイナスのリードワイヤ
７ 端子
８ 絶縁栓（封止手段）
９ 接合部

Claims (6)

1. 筒状の振動ケースと、
   前記振動ケースの底部を形成する振動板と、
   前記振動板の内面に取付けられる圧電素子と、
   前記振動ケースの開口部を封止する封止手段と、
   一方端側が自由端で他方端側が前記圧電素子の反振動板側に接合され、前記一方端側と前記他方端側との間に曲線部分を有するピッグテール形状に形成された導電性の共振周波数調整手段と、
   前記圧電素子と外部回路との間で電気信号の受渡しを行う入出力端子と、
   を備えることを特徴とする超音波マイクロホン。
2. 前記共振周波数調整手段の前記一方端側と前記入出力端子とを電気的に接続するリードワイヤを備え、
   前記入出力端子と前記圧電素子とは、前記共振周波数調整手段および前記リードワイヤを通じて前記電気信号の受渡しを行うことを特徴とする請求項１記載の超音波マイクロホン。
3. 前記共振周波数調整手段の少なくとも前記他方端側は、前記圧電素子に脱着可能に接合されることを特徴とする請求項１または２記載の超音波マイクロホン。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の超音波マイクロホンの共振周波数を調整する方法であって、前記共振周波数調整手段を前記圧電素子の反振動板側に接合する工程と、共振周波数を測定する工程と、前記共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除する工程とを含むことを特徴とする超音波マイクロホンの周波数調整方法。
5. 請求項３記載の超音波マイクロホンの共振周波数を調整する方法であって、前記共振周波数調整手段を前記圧電素子の反振動板側に接合する工程と、共振周波数を測定する工程と、前記共振周波数調整手段を別な重量の共振周波数調整手段に取り替える工程とを含むことを特徴とする超音波マイクロホンの周波数調整方法。
6. 請求項３記載の超音波マイクロホンの共振周波数を調整する方法であって、前記共振周波数調整手段を前記圧電素子の反振動板側に接合する工程と、共振周波数を測定する工程と、前記共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除する工程と、前記共振周波数調整手段を過度に削除したとき、前記共振周波数調整手段を別な重量の共振周波数調整手段に取り替え、前記別な重量の共振周波数調整手段の少なくとも一部を削除する工程とを含むことを特徴とする超音波マイクロホンの周波数調整方法。

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