JPS62254600A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、超音波の送波と受波機能を有し、物体の検知
・計数を行う超音波センサに関する。

〔従来技術とその問題点〕

物体の検知・計数を目的とした検出スイッチとしては、
従来より光電スイッチが多用されている。

この光電スイッチは、光Ｃ主として赤外線）の反射と透
過を利用して物体の検知を行うので、検出体の光学的性
質（色、透明度による反射・透過率のちがい）の変化に
よって検出精度にバラツキを生じやすいという問題をも
っている。一方、超音波センサは空気中の超音波伝搬・
反射を利用したものであり、検出体の光学的性質や表面
の汚れなどの影響を受けずに高精度の検出が可能である
ので、検知センサ、近接スイッチ等の民生機器として、
近年その有用性が認識されてきている。

物体の検知・計数に関する精度および耐ノイズ性などを
向上させる観点から、超音波センサが具備すべき要件は
以下の通りである。

＋１１超音波の指向性が尖鋭で、狙った場所・物だけを
とらえられる（狭指向性であること）。

（２１超音波の到達距離を十分長くできる（印加電圧と
出力音圧の比、すなわち音圧特性に優れていること）。

（３）短い時間間隔で正確な情報が得られる（超音波パ
ルスの豆ち上がり９文ち下がりが速かで、かつ超音波を
受波したときの変換効率が高いこと）。

（４）小型、軽量であること。

上記の特性はそれぞれ相反する性質をもっている。すな
わち、指向性は使用周波数と振動発生源として用いる圧
電素子の直径に反比例するので、指向性の尖鋭化のため
に周波数を上げると減衰が大きくなり％（２）項の超音
波の到達距離が低下してしまう。一方、圧電素子の直径
拡大は（４１項の小形。

軽量化に反する。（２）項の超音波の到達距離に着目し
て周波数を下げると（１１項の指向性が劣ってくる。

（３１項に関しては、センサを機械的品質係数（Ｑｍ　
’）の低い材料で構成すれば好しい結果を得るが、＋１
１（２１項の特性は低下してしまう。したがって、所要
の性能をもつ超音波センサを提供するためには、構成材
料の組み合せおよびその形状等を実験的に検証して、そ
の結果から最適構成を決定する必要がある。

超音波センサの先行技術による構造例を第２図に示す。

第２図において、ｌは発泡プラスチ、りで作られた有底
筒状のケースであり、２は該ケースの底面に貼り合され
た圧電磁器の円板よりなる圧電素子で１表裏面には電極
３ａ、３ｂが形成されている。４は前記ケースの内部に
圧電素子２を封入するようケースの開口面に配設した蓋
板で、電気絶縁性をもつ材料で作られている。５ａ、５
ｂは端子ピンであり、リード線６　ａ　、　６　ｂを介
して電極３ａ、３ｂと電気的に導通している。

この糧の構造を有する超音波センサにあっては。

所要周波数の交番電圧あるいはパルス状電圧を端子ピン
５ａ、５ｂを通して圧電素子２の表＆面に形成された電
極３ａ、３ｂに印加すると、圧電素子２はこれと貼着し
てなる有底筒状ケース底面中央部１ａと一体となって振
動し、底面ＩＪＩがら空中に向けて放射する送波器とし
て、また逆に空中に放射されている超音波が前記ケース
の底面１ａに轟ると該底面に接合された圧電素子２に歪
を生じ、超音波強度に比例した電気信号を誘起し、これ
を端子ピンｓａ、ｓｂより取り出す受波器として使用さ
れる。

このような構成の超音波センサは、物体の検知センサあ
るいは近接スイッチとして使用できるものであるが、一
般民生用機器としてより一層の普及を図るためには送受
波感度の向上および指向性の尖鋭化などが求められてい
る。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、先行技術によって構成された超音波
センサより送受波感度、指向性などに優れた超音波セン
サを提供することにある。

〔発明の要点〕

この目的は本発明によれば、有底筒状をなす振動ケース
の底部を音波送受部として、その内面に圧電素子を貼着
してなるものにおいて、前記底部の外面に環状の凸部を
設けることにより達成される。

〔発明の実施例〕

従来、超音波センサのケースは金属材料で裏作されてい
たが、金属は機械的品質係数（Ｑｍ　”）が高いため、
超音波パルス特性（パルスの文ち上がり。

豆ち下がり）に問題があり、送受波感度が鈍感であった
。これに対し、エポキシ樹脂のごとき有機物を基体とし
てその内部にガラスバルーン、シラスバルーンなどの微
粒の中空球を無数分散した発泡プラスチ、りは、微粒中
空球の種類、添加量を制御することによってその音響イ
ンピーダンスを金属、セラミック等より小さくすること
ができ、突気との整合性が良好となるので送受波感度も
向止し、超音波センサ用途の振動ケースとして最近多用
されつつある。

以上の経緯から、本発明者らはセンサ構成材料としてこ
の発泡プラスチ、りを使用しで、形状に工夫することで
超音波センサとしての送受波感度の向上および指向性の
尖鋭化することを意図して夾験に取組み、以下の構成で
その目的を達成した。

第１図は本発明によって構成した超音波センサの断面図
を示したものである。第１［３において１１は有底筒状
の形状をもつ発泡プラスチックケースで、その音響イン
ピーダンスは１５５×１ＯＮＳ／ｍｓである。１２はＰ
ｂ　（Ｚｒ　、　Ｔｉ　）　０３の組成を有する円板の
圧電磁器で作られた圧電素子であり、その表裏面には１
３ａ、１３ｂのＡｇｌ！極が形成され、これは有底筒状
の発泡プラスチックケース１１の底部の円面に貼着され
ている。ｌｌａは音波送受部であるが、この底部の外面
にはケース１１と一体を成す環状の凸部１１ｂが形成さ
れている。縞１図に示す超音仮センサのその他の構成は
先行技術による第２図と同様である。第１図および第２
図のごとく構成した超音波センサにおいてパルスの文ち
上がり、豆ち下がりを測定すると第１表のようになり、
第１図に示した本発明品の方がやや優れており、送受波
感度特性に問題のないことを示している。

さらに指向特性を測定した結果を第４図に示す。

第４図の実線は先行技術で構成した第２図のものであり
、点線は第１図にその構成を示した本発明の実施例によ
る結果である。先行技術によるものは、主極の両側にレ
ベルの大きい副極を伴った指向特性になっている。この
副極のレベルが大であると、所定方向以外からのノイズ
を拾いやすいという欠点の原因となる。これに対し、実
施例によるものは副極レベルは小さくその指向性は良好
で、耐ノイズ性に優れていることが明らかである。これ
は、圧電素子から横方向に派生する振動を前記環状凸部
１１ｂで分散、吸収してしまうため、良好な指向性を示
したものと考える。

第１図において、環状凸部１１ｂの音波送受部１１ａか
らの突出長さは２〜１０龍の範囲が最適であること、そ
して音波送受部１１ａの内径は圧電素子１２の直径より
は大であれば、指向性は先行技術より良好になることが
実験的に確認できた。

なお、第３図に示したごとく、有底筒状の発泡プラスチ
、りの底部に段差を設けても本発明の意図する結果を得
ることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば。

振動ケースの底部の外面に譲状の凸部を設けたことによ
り、超音波パルスのＶち上がり、−ｉち下がり時間が短
く副極レベルが小さく耐ノイズ性に優れているので、検
知センサや近接スイッチとしての使用が十分可能である
という効果をもっている。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は本発明の実施例を示す超音波セン
サの縦断面図、第２図は先行技術に係る超音波センサを
示す縦断面図、第４図は先行技術と本発明の実施例によ
る指向特性を示す線図である。 １：有底筒状ケース、２：圧電素子、３ａ、３ｂ：電極
、４：ｍ板、５ａ、５ｂ　：端子ピン、５ａ、５ｂ：リ
ード線、ｌａ：音波送受部、１１：発泡プラスチ、り、
１２：圧電素子、１３ａ、１３ｂ：電極％１４：蓄板、
１５ａ、１５ｂ：端子ピン、１６ａ、１６ｂ：リード線
、１１ａ：音波送受部、１】ｂ＝環状凸部。 χ１（２） １２四 竿３１５１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　有底筒状をなす振動ケースの底部を音波送受部として
   のの内面に圧電素子を貼着してなるものにおいて、前記
   底部の外面に環状の凸部を設けたことを特徴とする超音
   波センサ。