JP7048474B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本開示は、超音波センサに関する。

近年、検知対象物の接近を検知したり、検知対象物との距離を測定したりするための超音波センサが種々提案されている。そのような超音波センサとして、超音波を送受信する圧電素子、および圧電素子と空気等の媒質との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部を備えた超音波センサが知られている。例えば、特許文献１は、有底筒状ケースの内部に圧電素子とダンパーとを配設してなり、有底筒状ケースの底部が音響整合部として機能する超音波センサを開示している。

特開２００４－１３５０８９号公報

従来の超音波センサは、ダンパーが、圧電素子におけるダンパーに対向する面の全領域に当接する構造を有している。そのような構造では、音響整合部が単一振動を行わず、音響整合部における複数の領域が別々に振動する分割振動が発生しやすい。分割振動が発生すると、超音波センサが発信する超音波の音圧が弱くなり、また残響時間が長くなるため、超音波センサの検知精度および測定精度が悪化してしまう。

本開示の一つの態様の超音波センサは、有底筒状のケースと、該ケースの一端側開口に挿着された円板状の音響整合部と、該音響整合部の内面に取り付けられた円板状の圧電素子と、ケースの内部に嵌め込まれたダンパーとを備え、
前記ダンパーは前記圧電素子の一主面の周縁部には当接せず、中央部の当接領域に当接しており、
前記当接領域の中心を通るように前記圧電素子および前記ダンパーを切断した断面を見たとき、前記圧電素子の一主面のうち前記ダンパーが当接していない領域が、前記当接領域よりも長さが長いことを特徴とする。

本開示の一つの態様の超音波センサによれば、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができるため、検知対象物の接近を検知する検知精度および検知対象物との距離を測定する測定精度に優れた超音波センサを提供することができる。

本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す斜視図である。 本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す断面図である。 図２Ａの切断面線Ａ－Ａで切断した断面図である。 本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す断面図である。 本開示の超音波センサの実施形態の他の例を示す断面図である。 本開示の超音波センサの実施形態の他の例を示す断面図である。 本開示の超音波センサの実施形態の他の例を示す断面図である。 超音波センサの変形例を示す断面図である。

以下、本開示の超音波センサの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す斜視図であり、図２Ａは、本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの切断面線Ａ－Ａで切断した断面図であり、図３は、本開示の超音波センサの実施形態の一例を示す断面図である。なお、図２Ａは、超音波センサを筒状部の高さ方向に沿って切断した断面を示している。また、図３は、超音波センサを、筒状部の高さ方向に沿って、当接領域の中心を通る切断面で切断した断面を示している。

超音波センサ１は、ケース１０と、音響整合部２０と、圧電素子３０と、ダンパー４０とを備えている。

ケース１０は、有底筒状の形状を有している。ケース１０は、筒状の形状を有する筒状部１１と平板状の形状を有する蓋部１２とを含んでいる。筒状部１１は、三角筒状、四角筒状、円筒状等の形状を有していてもよく、その他の形状を有していてもよい。本実施形態では、例えば図１，２Ａ，２Ｂに示すように、筒状部１１の形状は、円筒状とされている。筒状部１１は、一端側の開口が開放されており、他端側の開口が蓋部１２によって閉塞されている。蓋部１２は、筒状部１１の他端側の開口を塞ぐものであればよく、三角板状、四角板状、円板状等の形状を有していてもよく、その他の形状を有していてもよい。本実施形態では、例えば図１，２Ａに示すように、蓋部１２の形状は、円板状とされている。また、筒状部１１は、開放された一端側の端面１１ｂから内周面１１ａにかけて切り欠かれた切欠き部１３を有している。切欠き部１３は、筒状部１１の内周面１１ａの全周にわたって形成されている。なお、超音波センサ１は、圧電素子３０と外部回路とを電気的に接続する配線導体を備えており、ケース１０は、配線導体を挿通するための孔を有しているが、図では配線導体および孔を省略している。

ケース１０は、金属材料または樹脂材料から成る。ケース１０で用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム等が挙げられる。また、ケース１０で用いられる樹脂材料としては、例えば、ＡＢＳ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂等が挙げられる。ケース１０は、例えば、筒状部１１の高さが５ｍｍ～３０ｍｍであり、内径が５ｍｍ～３０ｍｍであり、筒状部１１および蓋部１２の厚みが０．５ｍｍ～５ｍｍである。また、切欠き部１３は、筒状部１１の高さ方向における長さが１ｍｍ～１０ｍｍであり、筒状部１１の径方向における長さが０．５ｍｍ～５ｍｍである。

音響整合部２０は、平板状の形状を有している。音響整合部２０は、ケース１０に取り付けられ、筒状部１１の一端側の開口を塞いでいる。本実施形態では、音響整合部２０は、円板状の形状を有しており、ケース１０の切欠き部１３に挿着されている。音響整合部２０のケース１０への固定方法としては、音響整合部２０をケース１０の切欠き部１３に押し込むことによる圧縮力、摩擦力による固定方法であってもよく、接着剤による固定方法であってもよい。本実施形態では、例えば図２Ａに示すように、音響整合部２０は、接着剤６０を介して、切欠き部１３に挿着されている。接着剤６０としては、例えば、エポキシ系、アクリル系等の接着剤が挙げられる。

音響整合部２０は、ケース１０の内部に臨む内面２０ａを有している。音響整合部２０の内面２０ａには、圧電素子３０が取り付けられている。音響整合部２０は、電圧の印加を受けて変形する圧電素子３０と一体となって振動する振動板として機能する。また、音響整合部２０は、圧電素子３０と空気等の媒質との音響インピーダンスの整合をとっている。

音響整合部２０は、例えば、合成樹脂、ゴム状弾性体、カーボン材料などから成る。音響整合部２０は、例えば、直径が５ｍｍ～２０ｍｍであり、厚みが１ｍｍ～５ｍｍである。

圧電素子３０は、例えば、矩形状、正方形状、円板状等の形状を有する板状体であり、一主面３０ａと他主面３０ｂとを有している。圧電素子３０は、例えば接着剤を介して、音響整合部２０の内面２０ａに取り付けられている。本実施形態では、圧電素子３０の形状は、例えば図２Ｂに示すように、円板状とされており、圧電素子３０の他主面３０ｂが、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を介して、音響整合部２０の内面２０ａに接着されている。なお、圧電素子３０と音響整合部２０とは、平面視において、圧電素子３０の中心と音響整合部２０の中心とが一致するように配置されていてもよい。

圧電素子３０は、一主面３０ａに当接領域３０ｃを有している。当接領域３０ｃは、例えば図２Ｂに示すように、平面視において、圧電素子３０の一主面３０ａの中央部に位置している。当接領域３０ｃは、圧電素子３０の一主面３０ａにおけるダンパー４０に当接されるべき領域である。当接領域３０ｃの形状および寸法は、例えば音圧、周波数等である、送信すべき超音波の物理量、ダンパー４０の形状、例えばヤング率、ポアソン比等であるダンパー４０の物性値等に基づいて、設計することができる。

圧電素子３０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体材料から成る単板の圧電体と、該圧電体の一方主面および他方主面に設けられた、銀等の金属から成る表面電極とを備えている。表面電極は、図示しない配線導体を介して、外部回路に電気的に接続されている。圧電素子３０は、例えば、直径が５ｍｍ～２０ｍｍであり、厚みが０．１ｍｍ～２ｍｍである。なお、圧電素子３０は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された積層体と、該積層体の一方主面および他方主面に設けられた表面電極とを備えたものであってもよい。

圧電素子３０は、表面電極に電圧が印加されると変形し、その結果、音響整合部２０と一体となって振動するように構成されている。例えば、圧電素子３０は、他主面３０ｂが音響整合部２０の内面２０ａに固定された状態で径方向に伸縮し、これにより、音響整合部２０と一体となって振動するように構成されていてもよい。あるいは、圧電素子３０は、それ自体が屈曲振動し、これにより、音響整合部２０と一体となって振動するように構成されていてもよい。

ダンパー４０は、ケース１０の内部に嵌め込まれている。ダンパー４０は、ケース１０の内部において、圧電素子３０よりもケース１０の蓋部１２側に位置している。

ダンパー４０は、例えば図２Ａに示すように、平板部４１と凸部４２とを有している。平板部４１は、円板状の形状を有する板状体である。平板部４１は、圧電素子３０に対向する第１面４１ａと、第１面４１ａとは反対側の第２面４１ｂとを有している。また、平板部４１は、第１面４１ａと第２面４１ｂとを接続する側面がケース１０の筒状部１１の内周面１１ａに当接し、これによってダンパー４０がケース１０に固定されていてもよい。凸部４２は、平板部４１の第１面４１ａの中央に設けられており、圧電素子３０の側に向かって、平板部４１の厚み方向に突出している。ダンパー４０のケース１０への固定方法としては、ダンパー４０の平板部４１をケース１０の内部に押し込むことによる圧縮力、摩擦力による固定方法であってもよく、接着剤による固定方法であってもよい。

ダンパー４０は、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム等のプラスチック材料から成る。平板部４１は、例えば、直径が５ｍｍ～３０ｍｍであり、厚みが１ｍｍ～１０ｍｍである。また、凸部４２は、例えば、直径が２ｍｍ～１０ｍｍであり、厚みが２ｍｍ～１０ｍｍである。

例えば図２Ａ，２Ｂに示すように、ダンパー４０は、圧電素子３０の一主面３０ａの周縁部には当接しておらず、中央部の当接領域３０ｃに当接しており、平面視において、当接領域３０ｃの外形形状と、ダンパー４０における圧電素子３０に当接している面の外形形状とが一致している。換言すると、ダンパー４０は、一体となって振動している音響整合部２０および圧電素子３０に対して、当接領域３０ｃが振動の固定端となるような境界条件を与えるように構成されている。このような構成によれば、一体となって振動している圧電素子３０および音響整合部２０において、境界条件を満たさない分割振動を抑制し、これにより、分割振動が有する、境界条件を満たす単一振動を打ち消す作用を低減することができる。その結果、超音波センサ１が発信する超音波の音圧を向上させることができ、また、減衰しにくい分割振動を抑制することができるため、残響時間を短くすることができる。このように、本実施形態の超音波センサ１によれば、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができる。ひいては、検知対象物の接近を検知する検知精度および検知対象物との距離を測定する測定精度に優れた超音波センサを提供することができる。

超音波センサ１は、例えば図２Ａに示すように、ケース１０の内部に配設された封止材５０を有していてもよい。封止材５０は、例えば、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂等から成り、ダンパー４０とケース１０の蓋部１２との間に配設されている。封止材５０は、ダンパー４０に対向する第１面５０ａと蓋部１２に対向する第２面５０ｂとを有している。封止材５０の第１面５０ａは、平板部４１の第２面４１ｂに当接している。封止材５０の第１面５０ａは、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を介して、平板部４１の第２面４１ｂに接着されていてもよい。封止材５０の第２面５０ｂは、蓋部１２の内面１２ａに当接している。封止材５０の第２面５０ｂは、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を介して、蓋部１２の内面１２ａに接着されていてもよい。また、封止材５０の、第１面５０ａと第２面５０ｂとを接続する側面は、筒状部１１の内周面１１ａに当接していてもよく、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を介して、内周面１１ａに接着されていてもよい。

超音波センサ１が、上記構成の封止材５０を備えている場合、ダンパー４０を、封止材５０を介して、ケース１０に強固に固定することができる。これにより、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件をより厳しくすることができ、その結果、分割振動を効果的に抑制することができる。ひいては、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができる。

超音波センサ１は、例えば図３に示すように、当接領域３０ｃの中心を通るように圧電素子３０およびダンパー４０を切断した断面を見たとき、圧電素子３０の一主面３０ａのうちダンパー４０が当接していない領域の長さ（ｂ１＋ｂ２）が、当接領域３０ｃの長さａよりも長くてもよい。これにより、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件をより厳しく、かつ狭くすることができ、その結果、分割振動を効果的に抑制することができる。ひいては、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができる。

図４は、本開示の超音波センサの実施形態の他の一例を示す断面図である。図４に示す断面図は、図２Ａに示した断面図に対応する。

本実施形態の超音波センサ１Ａは、上記実施形態の超音波センサ１に対して、ダンパー４０の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には超音波センサ１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態の超音波センサ１Ａでは、例えば図４に示すように、筒状部１１の高さ方向（図４における上下方向）において、平板部４１の厚みが凸部４２の厚みよりも大きくされている。換言すると、ダンパー４０は、凸部４２における突出量が、凸部４２以外の周辺部の厚みよりも小さくされている。凸部４２は、厚みが小さくなると変形しにくくなるので、本実施形態の超音波センサ１Ａでは、長期間使用した場合であっても、圧電素子３０の一主面３０ａにおける凸部４２に当接される領域が、当接領域３０ｃからずれにくくなる。換言すると、超音波センサ１Ａは、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件の経時的変化を抑制することができる。このように、本実施形態の超音波センサ１Ａによれば、長期間にわたって、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができる。

本実施形態の超音波センサ１Ａでは、例えば、平板部４１の厚みが１ｍｍ～１０ｍｍである。ダンパー４０は、凸部４２の厚みが薄くなり過ぎると、圧電素子３０および音響整合部２０が振動した場合に、圧電素子３０の一主面３０ａにおける周縁部がダンパー４０に接触することがある。圧電素子３０の周縁部とダンパー４０とが接触すると、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件が変化したり、緩くなったりして、分割振動が発生しやすくなる。そのため、超音波センサ１Ａでは、凸部４２の厚みを０．５ｍｍ～１０ｍｍとして、圧電素子３０の周縁部とダンパー４０との接触を抑制している。

図５は、本開示の超音波センサの実施形態の他の一例を示す断面図である。図５に示す断面図は、図２Ａ，４に示した断面図に対応する。

本実施形態の超音波センサ１Ｂは、上記実施形態の超音波センサ１，１Ａに対して、ダンパー４０の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には超音波センサ１，１Ａと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態の超音波センサ１Ｂでは、例えば図５に示すように、ダンパー４０の凸部４２が、円柱状部分４３と球台状部分４４とを有している。円柱状部分４３は、筒状部１１の高さ方向（図５における上下方向）に延びており、一方の端面が平板部４１の第１面４１ａに接続されている。円柱状部分４３の他方の端面には、球台状部分４４が接続されている。球台状部分４４は、円柱状部分４３側とは反対側の端部が、圧電素子３０の当接領域３０ｃに当接している。球台状部分４４は、筒状部１１の高さ方向に垂直な面で切断したときの断面積が、円柱状部分４３から圧電素子３０に向かって徐々に小さくなる形状とされている。本実施形態の超音波センサ１Ｂでは、当接領域３０ｃの面積を小さく設計することができるため、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件をより厳しく、かつより狭くすることが可能になる。その結果、分割振動を効果的に抑制することが可能になる。このように、本実施形態の超音波センサ１Ｂによれば、発信する超音波の音圧を効果的に向上させることができ、また残響時間を効果的に短くすることができる。

なお、ダンパー４０は、球台状部分４４に替えて、筒状部１１の高さ方向に垂直な面で切断したときの断面積が円柱状部分４３から圧電素子３０に向かって徐々に小さくなる円錐台状部分を有する構成であってもよい。このような構成であっても、当接領域３０ｃの面積を小さく設計することができるため、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件をより厳しく、かつより狭くすることが可能になる。その結果、分割振動を効果的に抑制することが可能になり、ひいては、発信する超音波の音圧を効果的に向上させることができ、また残響時間を効果的に短くすることができる。

図６は、本開示の超音波センサの実施形態の他の一例を示す断面図である。図６に示す断面図は、図２Ａ，４，５に示した断面図に対応する。

本実施形態の超音波センサ１Ｃは、上記実施形態の超音波センサ１，１Ａ，１Ｂに対して、ダンパー４０の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には超音波センサ１，１Ａ，１Ｂと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態の超音波センサ１Ｃでは、例えば図６に示すように、ダンパー４０の凸部４２が、球台状部分４４だけから成る。球台状部分４４は、筒状部１１の高さ方向に垂直な面で切断したときの断面積が、円柱状部分４３から圧電素子３０に向かって徐々に小さくなる形状とされている。本実施形態の超音波センサ１Ｃでは、当接領域３０ｃの面積を小さく設計することができるため、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件をより厳しく、かつより狭くすることが可能になる。その結果、分割振動を効果的に抑制することが可能になる。このように、本実施形態の超音波センサ１Ｃによれば、発信する超音波の音圧を効果的に向上させることができ、また残響時間を効果的に短くすることができる。

また、超音波センサ１Ｃによれば、凸部４２が変形しにくくなる。そのため、超音波センサ１Ｃを長期間使用した場合であっても、圧電素子３０の一主面３０ａにおける凸部４２に接触する領域が、当接領域３０ｃからずれにくくなり、圧電素子３０および音響整合部２０に与えられる境界条件の経時的変化を抑制することができる。そのため、本実施形態の超音波センサ１Ｃによれば、長期間にわたって、発信する超音波の音圧を効果的に向上させることができ、また残響時間を効果的に短くすることができる。

次に、超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃの製造方法の例について説明する。

先ず、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を圧電体材料とする圧電素子３０と、例えば合成樹脂材料から成る音響整合部２０とを、例えばエポキシ系の接着剤を用いて接着する。

次に、例えばＡＢＳ樹脂材料を切削加工することにより、一端側の開口部に切欠き部１３が形成された筒状部１１を作製する。続いて、筒状部１１の切欠き部１３の内面に、例えばエポキシ系接着剤を用いて、圧電素子３０と音響整合部２０とを接着したものを挿着する。

次に、圧電素子３０の表面電極に配線導体をはんだ付けし、筒状部１１の他端側の開口から配線導体を取り出す。続いて、筒状部１１の他端側の開口から、筒状部１１の内部に、例えばシリコーンゴムから成り、所定の形状に成形されたダンパー４０を嵌め込む。その後、例えばアクリル系樹脂材料にて封止材５０を形成した後、筒状部１１の他端側の開口に蓋部１２を被せる。

以上の方法で、超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃを製造することができる。

以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、図７は、超音波センサの変形例を示す断面図である。図７に示す断面図は、図２Ａ，４，５，６に示した断面図に対応する。

変形例の超音波センサ１Ｄは、上記実施形態の超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃに対して、ダンパー４０の構成が異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

上記実施形態の超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、ダンパー４０が、平板部４１と凸部４２とを有し、ケース１０の内部に嵌め込まれている。それに対して、変形例の超音波センサ１Ｄでは、例えば図７に示すように、ダンパー４０は、筒状部１１の高さ方向に延びる柱部４５だけを有している。柱部４５は、一方の端面が、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を介して、封止材５０の第１面５０ａに接着されている。また、柱部４５は、他方の端面が、当接領域３０ｃに当接している。柱部４５は、例えば、筒状部１１の高さ方向に垂直な面で切断したときの断面が円形の外形形状を有する、円柱形状であってもよい。

変形例の超音波センサ１Ｄによっても、上記実施形態の超音波センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃと同様に、ダンパー４０が、圧電素子３０の一主面３０ａにおける周縁部に当接せず、中央部に位置する当接領域３０ｃに当接している構成の超音波センサとすることができる。このように、変形例の超音波センサ１Ｄによっても、発信する超音波の音圧を向上させることができ、また残響時間を短くすることができる。

なお、上記では柱部４５が円柱形状である例について説明したが、これに限定されず、例えば、柱部４５が、筒状部１１の高さ方向に垂直な面で切断したときの断面積が圧電素子３０に向かって徐々に小さくなる球台状、円錐台状等の形状であってもよいことは言うまでもない。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 超音波センサ
１０ ケース
１１ 筒状部
１１ａ 内周面
１１ｂ 端面
１２ 蓋部
１２ａ 内面
１３ 切欠き部
２０ 音響整合部
２０ａ 内面
３０ 圧電素子
３０ａ 一主面
３０ｂ 他主面
３０ｃ 当接領域
４０ ダンパー
４１ 平板部
４１ａ 第１面
４１ｂ 第２面
４２ 凸部
４３ 円柱状部分
４４ 球台状部分
４５ 柱部
５０ 封止材
５０ａ 第１面
５０ｂ 第２面
６０ 接着剤

Claims (5)

1. 有底筒状のケースと、該ケースの一端側開口に挿着された円板状の音響整合部と、該音響整合部の内面に取り付けられた円板状の圧電素子と、ケースの内部に嵌め込まれたダンパーとを備え、
   前記ダンパーは前記圧電素子の一主面の周縁部には当接せず、中央部の当接領域に当接しており、
   前記当接領域の中心を通るように前記圧電素子および前記ダンパーを切断した断面を見たとき、前記圧電素子の一主面のうち前記ダンパーが当接していない領域が、前記当接領域よりも長さが長いことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記当接領域の外形形状は円形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。
3. 前記ダンパーは、前記圧電素子の側に向かって突出する凸部を中央に有する形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記ダンパーは、前記凸部以外の周辺部の厚みよりも前記凸部における突出距離が短いことを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
5. 前記凸部は、突出方向に垂直な面で切断したときの断面積が前記圧電素子に向かって徐々に小さくなる部分を有する請求項３または請求項４に記載の超音波センサ。

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