JP4900022B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
さらに、図29に示す超音波センサ1では、ケース2の側面から圧電素子3までの距離が長くなると入出力端子4の長さが長くなり、入出力端子4の共振周波数と超音波センサの駆動周波数が同じ程度になり、超音波センサ全体の残響特性が悪化したりするという問題があった。
この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子は金属で一体的に形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されてもよい。この場合、折り返し構造を持つばね端子を使用し、そのばね端子において支持部材に接触する部分が、支持部材に固定されていることが好ましい。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いことが好ましい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第1の中空部が形成され、ばね端子において第1の中空部に対向する所定の位置に第2の中空部が形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子はケースの所定の位置に接続されてもよい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は筒状ケース部の所定の位置に接続されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる2枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
しかも、この発明にかかる超音波センサでは、そのばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子と超音波センサとの共振現象が発生せず、残響時間が短くなり、すなわち残響特性が改善される。
また、この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子が金属で一体的に形成されると、入出力端子を安価で大量にかつ精度よく容易に作製することができ、超音波センサの製造コストを抑えることができ、しかも、センサ特性の変動も少なくできる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されると、入出力端子を支持部材で支持することができる。この場合、ばね端子において支持部材に接触する部分が支持部材に固定されていると、その部分が支持部材に固定されていない場合に比べて、その部分が安定し、特性も安定する。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いと、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側も広い場合に比べて、ばね端子の共振周波数が高くなり、ばね端子と超音波センサとの共振現象がさらに発生しにくくなる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第1の中空部が形成され、ばね端子において第1の中空部に対向する所定の位置に第2の中空部が形成されていると、第2の中空部を利用して、ばね端子の端部を圧電素子に容易に接続することができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子がケースの所定の位置に接続されると、ケースを電気的な導通路としても働かせることができる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子が筒状ケース部の所定の位置に接続されると、ケースの有底筒状ケース部および筒状ケース部を電気的な導通路としても働かせることができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる2枚以上の圧電体基板が用いられると、高次振動モードによって圧電体基板に発生する電荷を相殺することができ、高次振動モードによる不要振動を防止することができる。
ばね端子20aの共振周波数が6kHzである場合の結果を表1に示し、ばね端子20aの共振周波数が72kHzである場合の結果を表2に示し、それらの結果を図4(A)のグラフに示した。
図5に示す支持部材24では、ケース12の閉塞面側に対向する対向部分25が凹凸状に形成されている。そのため、支持部材24においてそのように凹凸状に形成された対向部分25によってケース12の振動面である閉塞面から空気中を伝播する音波の反射を減衰させることができ、残響特性の悪化を防ぐ効果がある。また、このような支持部材24は、ケース12の振動面から一定の距離を離して設置されるため、支持部材24に設けられた切欠部24bに音波吸収効果を持つスポンジやフェルトなどの吸収材を詰めることによって、空気中を伝播する音波を効率よく吸収し、内部空間の確保と封止の効果ももたらすことができる。
さらに、図5に示す入出力端子20では、ばね端子20aの先端部20dが、固着強化および位置固定のために、フォーク型形状に形成されている。
図5に示すように、入出力端子や支持部材の形状などは変更されてもよい。
また、図6に示す超音波センサ10では、支持部材24に、図5に示す支持部材24と同様に切欠部24bが設けられている。
さらに、図6に示す超音波センサ10では、支持部材24上に、音波吸収効果を持つスポンジなどからなる円柱状の音波吸収材28が接着剤で接着される。
なお、図6中の濃く示している部分は、接着剤である。
ばね端子20aの共振モードよりも低い周波数で使用することで疲労が起こりにくいと推測される。以下には、このモデルについて調和解析を行った結果を図12のグラフに示す。
このように、ばね端子の長さを変化させるだけでなく、たとえば、材質、幅、厚みなどを変化させることで、超音波センサの共振周波数とばね端子の共振周波数とを異ならせることができ、超音波センサの残響特性に悪影響を引き起こさないようすることができる。
図16に示す超音波センサ10でも、図8に示す超音波センサ10と同様の効果を奏する。
したがって、図17に示す超音波センサ10では、圧電素子18が、超音波センサ10のたとえば3次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されることなる。そのため、高次の振動モードによる電歪効果で発生する電荷が打ち消しあって、振動として早く減衰することになる。以上の作用により、基本振動よりも高次の不要振動を抑えることができ、その結果、残響の尾引きを低下し、すなわち、残響時間を短くし、障害物を検知することができる最短距離についての分解能を上げることができる。
なお、このような効果は、圧電素子18の圧電体基板が長方形状の角部を丸くした形状に形成されていても奏する効果であって、圧電素子18の圧電体基板がそのような形状や長方形状などの略長方形状に形成されていれば奏する効果である。
図25に示す超音波センサ10では、圧電素子18の圧電体基板が楕円形状に形成され、その長辺および短辺が実効振動面積の大きい方向および小さい方向にそれぞれ沿わされているので、圧電素子18の圧電体基板が高次の振動モードで振動する部分に大きく重なるので、最も多くの不要高次振動を抑制することができる。
なお、圧電素子18を他の多角形状に形成し、その一番長い対角線が実効振動面積の大きい方向に沿わされても高次の振動モードを抑制することが可能である。
また、そのように圧電素子18の圧電体基板を6角形状などの多角形状に形成すると、1枚の大きな圧電板から無駄を少なくして多数の圧電体基板を製造することができ、圧電体基板の製造コストを抑えることが可能である。
図27に示す超音波センサ10では、高次モードによって両側の圧電体基板18aおよび18cに発生する電荷と中央の圧電体基板18bに発生する電荷とが相殺される。
このように高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電体基板18a、18bおよび18cを同じ厚み方向に分極するとともに、一方の電極および他方の電極を圧電体基板18a、18bおよび18cごとに分割して形成し、それらの電極を信号線で交互に接続することによって、高次モードによって両側の圧電体基板18aおよび18cに発生する電荷と中央の圧電体基板18bに発生する電荷とを相殺するようにしてもよい。
なお、高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電素子として、3枚の圧電体基板が用いられる代わりに、形状は変形する必要がある場合はあるが、2枚または4枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
図28に超音波センサ10では、図17に示す超音波センサ10と同様の効果を奏するとともに、1枚の大きい圧電板を1枚の大きな金属板に接合した後に個々に切り出すことによって多数の圧電体基板を製造することができるため、圧電体基板の製造工数の削減を図ることができ、また、異種金属からなる金属板19bがケース12と圧電体基板19aとの間に存在するので、ケース12と圧電体基板19aとの線膨張係数差の緩和に繋がり、温度特性が向上する。
12 ケース
14 有底筒状ケース部
16 筒状ケース部
16a 凸部
17 切欠
18 圧電素子
18a、18b、18c、19a 圧電体基板
19b 金属板
20、22 入出力端子
20a ばね端子
20b、22b 中間部分
20c、22c 引出側部分
20d 先端部
20e 中空部
20e1 第1の中空部
20e2 第2の中空部
20f 細長部
20g 垂直部
20h 対向部
22a 接続側部分
24 支持部材
24a 貫通孔
24b 切欠部
25 対向部分
26 ダンピング材
28 音波吸収材
30 蓋
Claims (11)
- 有底筒状のケースと、
一方主面および他方主面を有し、前記一方主面が前記ケースの内底部に配置される圧電素子と、
前記圧電素子に電気的に接続され、前記ケースの外部に引き出される入出力端子とを有する超音波センサであって、
前記圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用され、前記ばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成された、超音波センサ。 - 前記入出力端子は金属で一体的に形成された、請求項1に記載の超音波センサ。
- 前記ケースの内部において前記圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、前記入出力端子と前記支持部材とが一体的に形成された、請求項1または請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記支持部材に接触する部分が、前記支持部材に固定されている、請求項3に記載の超音波センサ。
- 前記ばね端子において前記支持部材に接触する部分の幅が、前記ばね端子において前記圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広い、請求項4に記載の超音波センサ。
- 前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記圧電素子の他方主面に接続される端部に第1の中空部が形成され、前記ばね端子において前記第1の中空部に対向する所定の位置に第2の中空部が形成された、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の超音波センサ。
- 前記ケースは金属で形成され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記ケースの所定の位置に接続された、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の超音波センサ。
- 前記ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および前記有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、前記筒状ケース部の内部に前記支持部材が配置され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記筒状ケース部の所定の位置に接続された、請求項3ないし請求項5のいずれかに記載の超音波センサ。
- 前記圧電素子として長方形状の圧電体基板が用いられた、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の超音波センサ。
- 前記圧電素子として楕円形状の圧電体基板が用いられた、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の超音波センサ。
- 前記圧電振動素子として分極方向の異なる2枚以上の圧電体基板が用いられた、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の超音波センサ。
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