JP4542739B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばガスセンサとして使用され得る圧電素子を利用した超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波センサとしては、外部からの電磁波によるノイズの問題を解決するために金属製のケースを使用して内部の圧電素子を磁気シールドする形式のものが種々提案されている。
【０００３】
このような金属製のケースを用いた超音波センサの一例を添付図面の図４に示す。図４に示す超音波センサにおいては、ＳＵＳ製の金属ケース１の内底面に、上下両面にそれぞれ電極２、３を備えた圧電素子４が接着剤層５により固着されている。金属ケース１の開口周縁部１ａには金属ベース板６が密封溶着されている。金属ベース板６には入出力端子７、８が絶縁体９を介して立植されている。
入出力端子７、８はそれぞれ圧電素子４の上下面に形成された電極２、３にリード線１０、１１を介して接続されている。
【０００４】
また、圧電素子４の取付けられている金属ケース１の内底面の外側には、金属ケース１と空気とのインピーダンスの整合を図るためエポキシ樹脂のようなプラスチック材料製のインピーダンス整合層１２が接着剤により固着されている。このインピーダンス整合層１２により金属ケース１と空気とのインピーダンスの整合が図られ、電気音響変換効率が改善され、大きな出力電圧が得られるようにしている。
【０００５】
図５には、金属ケースを用いた従来型の超音波センサの別の例を示す。この例では金属ケース１はＳＵＳの薄板材料でキャップ状に構成されている。その他の部分は図４に示すものと実質的に同様に構成されており、各部分は図４と同じ符号で示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような金属ケースを用いた超音波センサでは、上述のように金属ケースと空気とのインピーダンスの整合を図るためエポキシ樹脂のようなプラスチック材料製のインピーダンス整合層を設ける必要があり、かかるインピーダンス整合層は通常接着層を介して金属ケースの外側に固着されている。しかし金属ケースとインピーダンス整合層との間の接着層がセンサ感度にバラツキを生じさせたり、感度低下を引き起こすという問題がある。
【０００７】
また、かかる超音波センサはどちらかと言えば過酷な環境下で用いられるためインピーダンス整合層を構成しているプラスチック材料の耐候性や耐湿性の点でも問題がある。
【０００８】
さらに、この種の超音波センサの製造においては、金属ケースとインピーダンス整合層とを別個に用意し、それらを接着剤を用いて接合する工程が必要となり、製造に手間がかかる。さらには、上述のような金属ケースの自重によりセンサが重くなる傾向にある。
【０００９】
そこで、本発明は、このような従来構造の問題点を解決して、製造工程を簡略化でき、耐湿性に優れ、寸法設計が容易であり、バラツキのない高感度の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】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、ケースの内底面に、一対の電極を備えた圧電素子を取付け、圧電素子の電極をケースの開口周縁部に密封固着したベース部材に取付けた接続端子に接続してなる超音波センサにおいて、前記ケースを独立気泡性の発泡アルミニウムで構成すると共に独立気泡性の発泡アルミニウム製ケースにインピーダンス整合層を一体に形成し、前記ベース部材の外周縁部を、前記ケースの下方の開放端部に溶着して密封したことを特徴としている。
【００１１】
また本発明の一実施形態による超音波センサにおいては、ベース部材にはアース端子が装着される。
【００１２】
このように構成した本発明による超音波センサにおいては、ケースを発泡アルミニウムで構成したことにより、内部の圧電素子を磁気シールドしてセンサの感度に影響を及ぼす外部からの電磁波によるノイズを除去することができると共に、
耐湿性に優れたセンサが提供できる。
【００１３】
また、ケースとインピーダンス整合層を一体に形成したことにより、センサの製造の点においては、指向性、不要振動の除去のための寸法設計が容易となり、しかもケースとインピーダンス整合層との接合工程がないため組付けが簡単化され、耐湿性をより向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の一実施の形態による超音波センサを示し、図示センサは、
発泡アルミニウムから成り、外形が切頭円錐台形のケース２０、金属材料から成る円形のベース部材２１及び円板状の圧電素子２２を有している。ケース２０を構成している発泡アルミニウム材は、好ましくは、独立した気泡の薄い膜のセル構造から成るアルミニウムの発泡体であり、比重が非常に軽く、熱的、機械的、電磁的特性（耐高温性、耐食性及び電磁波シールド性）に優れている。発泡アルミニウム材は、通常、アルミニウム材料を熔融し、熔融したアルミニウム材料にカルシウムなどの増粘剤を加えて攪拌し、そして増粘したアルミニウム材料に発泡剤として水素化物を加えて攪拌することにより形成される。
【００１５】
発泡アルミニウムケース２０は、その頂部に、ケース２０と空気とのインピーダンスの整合を図るための円形のインピーダンス整合層２０ａが一体に形成されている。また発泡アルミニウムケース２０の下方の開放端部２０ｂには図示したように円形のベース部材２１の外周縁部２１ａが密封して溶着されている。
【００１６】
円板状の積層型圧電素子２２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体セラミック材料から成り、また圧電素子２２の対向した側部表面には外部導体２３ａ、２３ｂがそれぞれ設けられ、電極を構成している。圧電素子２２は、上面を発泡アルミニウムケース２０の内底面の中央部に接着剤層２４により貼り付けられる。
【００１７】
円形のベース部材２１には、接続端子２５ａ、２５ｂが絶縁体２６を介して密封装着されている。またベース部材２１には、図示していないがアース端子が直接装着されている。アース端子はベース部材２１を介して発泡アルミニウムケース２０に接続され、これにより圧電素子２２に対する外部からの電磁波によるノイズの影響を防止するようにしている。接続端子２５ａ、２５ｂの内方端はそれぞれリード線２７ａ、２７ｂを介して圧電素子２２における外部導体２３ａ、２３ｂに接続されている。
【００１８】
図２には本発明の一実施の形態による超音波センサを示し、この場合、発泡アルミニウムから成るケース３０は円筒形であり、図１の場合と同様な発泡アルミニウム材で構成されている。発泡アルミニウムケース３０は、その頂部に、ケース３０と空気とのインピーダンスの整合を図るための円形のインピーダンス整合層３０ａが一体に形成されている。また発泡アルミニウムケース３０の下方の開放端部３０ｂには図示したように円形のベース部材３１の外周縁部３１ａが密封して溶着されている。
【００１９】
例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体セラミック材料から成る円形の圧電素子３２は、対向した側部表面に、外部導体３３ａ、３３ｂを備え、これらの外部導体３３ａ、３３ｂは電極を構成している。また圧電素子３２は、発泡アルミニウムケース３０の内底面の中央部に接着剤層３４により貼り付けられる。
【００２０】
円形のベース部材３１には、接続端子３５ａ、３５ｂが絶縁体３６を介して密封装着されている。またベース部材３１には、図１の実施の形態と同様に、アース端子が直接装着されている。接続端子３５ａ、３５ｂの内方端はそれぞれリード線３７ａ、３７ｂを介して圧電素子３２の外部導体３３ａ、３３ｂに接続されている。
【００２１】
図３には図２に示す超音波センサの変形例を示し、この場合、発泡アルミニウムから成るケース４０は円筒形であり、ケース４０の頂壁を厚く形成することによりインピーダンス整合層４０ａを画定している。他の構成は図２の場合と実質的に同様であり、すなわち、発泡アルミニウムケース４０の下方の開放端部４０ｂには図示したように円形のベース部材４１の外周縁部４１ａが密封して溶着されている。圧電体セラミック材料から成る円形の圧電素子４２は、対向した側部表面に、外部導体４３ａ、４３ｂを備え、これらの外部導体４３ａ、４３ｂは電極を構成している。また圧電素子４２は、発泡アルミニウムケース４０の内底面の中央部に接着剤層４４により貼り付けられる。円形のベース部材４１には、接続端子４５ａ、４５ｂが絶縁体４６を介して密封装着されている。またベース部材４１には、図２の実施の形態と同様に、アース端子が直接装着されている。接続端子４５ａ、４５ｂの内方端はそれぞれリード線４７ａ、４７ｂを介して圧電素子４２の外部導体４３ａ、４３ｂに接続されている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による超音波センサにおいては、ケースを発泡アルミニウムで構成すると共に発泡アルミニウム製ケースにインピーダンス整合層を一体に形成しているので、内部の圧電素子を磁気シールドしてセンサの感度に影響を及ぼす外部からの電磁波によるノイズを除去することができると共に、
耐湿性に優れ、過酷な環境下で長期間安定して使用でき、指向性、不要振動の除去のための寸法設計が容易となり、しかも組付けを簡単化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態による超音波センサを示す概略縦断面図。
【図２】 本発明の別の実施の形態による超音波センサを示す概略縦断面図。
【図３】 図２に示す超音波センサの変形例を示す概略縦断面図。
【図４】 従来の超音波センサの一例を示す概略縦断面図。
【図５】 従来の超音波センサの別の例を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
２０ ：発泡アルミニウムケース
２０ａ：インピーダンス整合層
２０ｂ：開放端部
２１ ：ベース部材
２２ ：圧電素子
２３ａ：外部導体（電極）
２３ｂ：外部導体（電極）
２４ ：接着剤層
２５ａ：接続端子
２５ｂ：接続端子
２６ ：絶縁体
２７ａ：リード線
２７ｂ：リード線
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばガスセンサとして使用され得る圧電素子を利用した超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波センサとしては、外部からの電磁波によるノイズの問題を解決するために金属製のケースを使用して内部の圧電素子を磁気シールドする形式のものが種々提案されている。
【０００３】
このような金属製のケースを用いた超音波センサの一例を添付図面の図４に示す。図４に示す超音波センサにおいては、ＳＵＳ製の金属ケース１の内底面に、上下両面にそれぞれ電極２、３を備えた圧電素子４が接着剤層５により固着されている。金属ケース１の開口周縁部１ａには金属ベース板６が密封溶着されている。金属ベース板６には入出力端子７、８が絶縁体９を介して立植されている。
入出力端子７、８はそれぞれ圧電素子４の上下面に形成された電極２、３にリード線１０、１１を介して接続されている。
【０００４】
また、圧電素子４の取付けられている金属ケース１の内底面の外側には、金属ケース１と空気とのインピーダンスの整合を図るためエポキシ樹脂のようなプラスチック材料製のインピーダンス整合層１２が接着剤により固着されている。このインピーダンス整合層１２により金属ケース１と空気とのインピーダンスの整合が図られ、電気音響変換効率が改善され、大きな出力電圧が得られるようにしている。
【０００５】
図５には、金属ケースを用いた従来型の超音波センサの別の例を示す。この例では金属ケース１はＳＵＳの薄板材料でキャップ状に構成されている。その他の部分は図４に示すものと実質的に同様に構成されており、各部分は図４と同じ符号で示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような金属ケースを用いた超音波センサでは、上述のように金属ケースと空気とのインピーダンスの整合を図るためエポキシ樹脂のようなプラスチック材料製のインピーダンス整合層を設ける必要があり、かかるインピーダンス整合層は通常接着層を介して金属ケースの外側に固着されている。しかし金属ケースとインピーダンス整合層との間の接着層がセンサ感度にバラツキを生じさせたり、感度低下を引き起こすという問題がある。
【０００７】
また、かかる超音波センサはどちらかと言えば過酷な環境下で用いられるためインピーダンス整合層を構成しているプラスチック材料の耐候性や耐湿性の点でも問題がある。
【０００８】
さらに、この種の超音波センサの製造においては、金属ケースとインピーダンス整合層とを別個に用意し、それらを接着剤を用いて接合する工程が必要となり、製造に手間がかかる。さらには、上述のような金属ケースの自重によりセンサが重くなる傾向にある。
【０００９】
そこで、本発明は、このような従来構造の問題点を解決して、製造工程を簡略化でき、耐湿性に優れ、寸法設計が容易であり、バラツキのない高感度の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】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、ケースの内底面に、一対の電極を備えた圧電素子を取付け、圧電素子の電極をケースの開口周縁部に密封固着したベース部材に取付けた接続端子に接続してなる超音波センサにおいて、前記ケースを独立気泡性の発泡アルミニウムで構成すると共に独立気泡性の発泡アルミニウム製ケースにインピーダンス整合層を一体に形成し、前記ベース部材の外周縁部を、前記ケースの下方の開放端部に溶着して密封したことを特徴としている。
【００１１】
また本発明の一実施形態による超音波センサにおいては、ベース部材にはアース端子が装着される。
【００１２】
このように構成した本発明による超音波センサにおいては、ケースを発泡アルミニウムで構成したことにより、内部の圧電素子を磁気シールドしてセンサの感度に影響を及ぼす外部からの電磁波によるノイズを除去することができると共に、
耐湿性に優れたセンサが提供できる。
【００１３】
また、ケースとインピーダンス整合層を一体に形成したことにより、センサの製造の点においては、指向性、不要振動の除去のための寸法設計が容易となり、しかもケースとインピーダンス整合層との接合工程がないため組付けが簡単化され、耐湿性をより向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の一実施の形態による超音波センサを示し、図示センサは、
発泡アルミニウムから成り、外形が切頭円錐台形のケース２０、金属材料から成る円形のベース部材２１及び円板状の圧電素子２２を有している。ケース２０を構成している発泡アルミニウム材は、好ましくは、独立した気泡の薄い膜のセル構造から成るアルミニウムの発泡体であり、比重が非常に軽く、熱的、機械的、電磁的特性（耐高温性、耐食性及び電磁波シールド性）に優れている。発泡アルミニウム材は、通常、アルミニウム材料を熔融し、熔融したアルミニウム材料にカルシウムなどの増粘剤を加えて攪拌し、そして増粘したアルミニウム材料に発泡剤として水素化物を加えて攪拌することにより形成される。
【００１５】
発泡アルミニウムケース２０は、その頂部に、ケース２０と空気とのインピーダンスの整合を図るための円形のインピーダンス整合層２０ａが一体に形成されている。また発泡アルミニウムケース２０の下方の開放端部２０ｂには図示したように円形のベース部材２１の外周縁部２１ａが密封して溶着されている。
【００１６】
円板状の積層型圧電素子２２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体セラミック材料から成り、また圧電素子２２の対向した側部表面には外部導体２３ａ、２３ｂがそれぞれ設けられ、電極を構成している。圧電素子２２は、上面を発泡アルミニウムケース２０の内底面の中央部に接着剤層２４により貼り付けられる。
【００１７】
円形のベース部材２１には、接続端子２５ａ、２５ｂが絶縁体２６を介して密封装着されている。またベース部材２１には、図示していないがアース端子が直接装着されている。アース端子はベース部材２１を介して発泡アルミニウムケース２０に接続され、これにより圧電素子２２に対する外部からの電磁波によるノイズの影響を防止するようにしている。接続端子２５ａ、２５ｂの内方端はそれぞれリード線２７ａ、２７ｂを介して圧電素子２２における外部導体２３ａ、２３ｂに接続されている。
【００１８】
図２には本発明の一実施の形態による超音波センサを示し、この場合、発泡アルミニウムから成るケース３０は円筒形であり、図１の場合と同様な発泡アルミニウム材で構成されている。発泡アルミニウムケース３０は、その頂部に、ケース３０と空気とのインピーダンスの整合を図るための円形のインピーダンス整合層３０ａが一体に形成されている。また発泡アルミニウムケース３０の下方の開放端部３０ｂには図示したように円形のベース部材３１の外周縁部３１ａが密封して溶着されている。
【００１９】
例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体セラミック材料から成る円形の圧電素子３２は、対向した側部表面に、外部導体３３ａ、３３ｂを備え、これらの外部導体３３ａ、３３ｂは電極を構成している。また圧電素子３２は、発泡アルミニウムケース３０の内底面の中央部に接着剤層３４により貼り付けられる。
【００２０】
円形のベース部材３１には、接続端子３５ａ、３５ｂが絶縁体３６を介して密封装着されている。またベース部材３１には、図１の実施の形態と同様に、アース端子が直接装着されている。接続端子３５ａ、３５ｂの内方端はそれぞれリード線３７ａ、３７ｂを介して圧電素子３２の外部導体３３ａ、３３ｂに接続されている。
【００２１】
図３には図２に示す超音波センサの変形例を示し、この場合、発泡アルミニウムから成るケース４０は円筒形であり、ケース４０の頂壁を厚く形成することによりインピーダンス整合層４０ａを画定している。他の構成は図２の場合と実質的に同様であり、すなわち、発泡アルミニウムケース４０の下方の開放端部４０ｂには図示したように円形のベース部材４１の外周縁部４１ａが密封して溶着されている。圧電体セラミック材料から成る円形の圧電素子４２は、対向した側部表面に、外部導体４３ａ、４３ｂを備え、これらの外部導体４３ａ、４３ｂは電極を構成している。また圧電素子４２は、発泡アルミニウムケース４０の内底面の中央部に接着剤層４４により貼り付けられる。円形のベース部材４１には、接続端子４５ａ、４５ｂが絶縁体４６を介して密封装着されている。またベース部材４１には、図２の実施の形態と同様に、アース端子が直接装着されている。接続端子４５ａ、４５ｂの内方端はそれぞれリード線４７ａ、４７ｂを介して圧電素子４２の外部導体４３ａ、４３ｂに接続されている。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明による超音波センサにおいては、ケースを発泡アルミニウムで構成すると共に発泡アルミニウム製ケースにインピーダンス整合層を一体に形成しているので、内部の圧電素子を磁気シールドしてセンサの感度に影響を及ぼす外部からの電磁波によるノイズを除去することができると共に、
耐湿性に優れ、過酷な環境下で長期間安定して使用でき、指向性、不要振動の除去のための寸法設計が容易となり、しかも組付けを簡単化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態による超音波センサを示す概略縦断面図。
【図２】 本発明の別の実施の形態による超音波センサを示す概略縦断面図。
【図３】 図２に示す超音波センサの変形例を示す概略縦断面図。
【図４】 従来の超音波センサの一例を示す概略縦断面図。
【図５】 従来の超音波センサの別の例を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
２０ ：発泡アルミニウムケース
２０ａ：インピーダンス整合層
２０ｂ：開放端部
２１ ：ベース部材
２２ ：圧電素子
２３ａ：外部導体（電極）
２３ｂ：外部導体（電極）
２４ ：接着剤層
２５ａ：接続端子
２５ｂ：接続端子
２６ ：絶縁体
２７ａ：リード線
２７ｂ：リード線
Claims (2)
- ケースの内底面に、一対の電極を備えた圧電素子を取付け、圧電素子の電極をケースの開口周縁部に密封固着したベース部材に取付けた接続端子に接続してなる超音波センサにおいて、前記ケースを独立気泡性の発泡アルミニウムで構成すると共に独立気泡性の発泡アルミニウム製ケースにインピーダンス整合層を一体に形成し、前記ベース部材の外周縁部を、前記ケースの下方の開放端部に溶着して密封したことを特徴とする超音波センサ。
- 前記ベース部材にアース端子が装着されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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