WO2020017511A1 - 超音波センサ - Google Patents

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WO2020017511A1
WO2020017511A1 PCT/JP2019/027971 JP2019027971W WO2020017511A1 WO 2020017511 A1 WO2020017511 A1 WO 2020017511A1 JP 2019027971 W JP2019027971 W JP 2019027971W WO 2020017511 A1 WO2020017511 A1 WO 2020017511A1
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WO
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acoustic matching
matching layer
ultrasonic sensor
piezoelectric element
peripheral surface
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Application number
PCT/JP2019/027971
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English (en)
French (fr)
Inventor
康弘 浅倉
慶介 難波
Original Assignee
京セラ株式会社
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Publication date
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
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    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer
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    • B06B1/0655—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of cylindrical shape
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic sensor.
  • a piezoelectric element is used for the ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensor has a configuration in which an acoustic matching layer is provided between the piezoelectric element and air in order to match the acoustic impedance between the piezoelectric element and air (for example, see Patent Documents 1 to 3). reference).
  • the acoustic matching layer to which the piezoelectric element is attached functions as a diaphragm that emits ultrasonic waves.
  • the ultrasonic sensor includes a cylindrical case, an acoustic matching unit inserted into an opening on one end side of the case, and a piezoelectric element attached to an inner surface of the acoustic matching unit.
  • the acoustic matching section includes at least two acoustic matching layers from the inside to the outside when viewed in a cross section cut along the surface to which the piezoelectric element is attached.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view showing an example of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is a schematic sectional drawing of the ultrasonic sensor shown in FIG. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is a plane see-through view showing another example of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is a plane see-through view showing another example of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is an outline perspective view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. FIG.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 9. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 13. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of an ultrasonic sensor.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the ultrasonic sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. 4 is a perspective plan view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. 6 is a perspective plan view showing another example of the embodiment of the sensor
  • FIG. 6 is a schematic sectional view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the example of.
  • the ultrasonic sensor 100 shown in FIGS. 1 and 2 includes a cylindrical case 1.
  • the case 1 has a cylindrical portion 11 and a lid portion 12 provided as necessary to close the opening at the other end of the cylindrical portion 11.
  • the other end side opening of the cylindrical portion 11 means an opening on the opposite side to the one end side opening of the cylindrical portion 11 on which the acoustic matching portion 3 described later is inserted. .
  • the case 1 is made of, for example, a metal material such as aluminum, titanium, and magnesium, or a resin material such as ABS resin, PBT resin, and PPS resin.
  • the resin material used in the case 1 is, for example, a PPS resin, and may include glass fibers.
  • the cylindrical portion 11 constituting the case 1 has, for example, a cylindrical shape, and functions as a support for supporting the outer periphery of the acoustic matching portion 3 described later.
  • the cylindrical portion 11 may have, for example, a triangular cylindrical shape, a square cylindrical shape, an elliptical cylindrical shape, or the like.
  • the lid portion 12 is made of, for example, the same material as the tubular portion 11.
  • the lid 12 has a hole for inserting a wiring, for example, but is omitted in the figure. Also, the wiring connecting the piezoelectric element 2 to an external circuit is omitted in the figure.
  • the height (length) of the cylindrical portion 11 is, for example, 2 mm to 10 mm.
  • the inner diameter of the cylindrical portion 11 is, for example, 5 mm to 30 mm, and the thickness of the cylindrical portion 11 and the lid 12 is, for example, 0.5 mm to 1.0 mm.
  • ⁇ Acoustic matching section 3 is inserted into one end opening of cylindrical section 11 of case 1.
  • the piezoelectric element 2 is attached to the inner surface of the acoustic matching section 3.
  • the acoustic matching unit 3 functions as a diaphragm that vibrates due to the vibration of the piezoelectric element 2.
  • the piezoelectric element 2 is attached to the acoustic matching section 3 via a fixing member such as an adhesive or a double-sided tape.
  • the piezoelectric element 2 is a plate-like body having a rectangular shape, a square shape, a circular shape, an elliptical shape, or the like in plan view, for example.
  • the piezoelectric element 2 includes a single-plate piezoelectric body made of piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate, and surface electrodes made of a metal such as silver provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body. Good.
  • the piezoelectric element 2 may include, for example, a laminate in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, and surface electrodes provided on the upper and lower surfaces of the laminate.
  • the adhesive for example, an epoxy-based or acrylic-based adhesive can be used.
  • a wiring is connected to the surface electrode of the piezoelectric element 2, and the wiring is drawn out from the opening on the other end side of the cylindrical portion 11 through the lid 12.
  • the piezoelectric element 2 has, for example, a diameter of 5 mm to 20 mm and a thickness of 0.1 mm to 2.0 mm.
  • the piezoelectric element 2 vibrates in response to application of a drive voltage supplied from an external circuit, and emits ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave transmitted by the piezoelectric element 2 is emitted to the outside via the acoustic matching unit 3. Further, the piezoelectric element 2 receives reflected ultrasonic waves from the detection target via the acoustic matching unit 3 and outputs a signal generated according to the received reflected ultrasonic waves to an external circuit.
  • the acoustic matching section 3 has a thickness in a direction perpendicular to the surface to which the piezoelectric element 2 is attached, for example, 1 mm to 5 mm.
  • a material of the acoustic matching section 3 for example, a synthetic resin, a rubber-like elastic body, a carbon material, or the like can be used.
  • the acoustic matching section 3 includes at least two acoustic matching layers (a first acoustic matching layer 31 and a second acoustic matching layer) from the inside to the outside when viewed in a cross section cut along the surface to which the piezoelectric element 2 is attached. 32).
  • the acoustic matching section 3 includes a disc-shaped first acoustic matching layer 31 disposed inside when viewed in a cross section cut along the surface to which the piezoelectric element 2 is attached, and a first acoustic matching layer 31.
  • An annular second acoustic matching layer 32 disposed outside the acoustic matching layer 31.
  • the piezoelectric element 2 may be attached to the inner surface of the first acoustic matching layer 31.
  • the diameter of the disc-shaped first acoustic matching layer 31 is, for example, 5 mm to 10 mm.
  • the annular second acoustic matching layer 32 has an inner diameter of 5 mm to 10 mm, an outer diameter of 10 to 20 mm, and a radial width of, for example, 2.5 mm to 5 mm.
  • the boundary surface 30 exists between the inside and the outside of the acoustic matching unit 3. Since the boundary surface 30 exists between the inside and the outside of the acoustic matching unit 3, components that do not satisfy the boundary condition are attenuated, and only components that satisfy the boundary condition propagate. When unnecessary vibration propagates from the inside to the outside, the unnecessary vibration is attenuated at the boundary surface 30. Therefore, the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 can be shortened, the accuracy of the short distance measurement can be improved, and the short distance measurement can be performed.
  • the acoustic matching portion 3 is fixed by pressing the acoustic matching portion 3 into the opening on one end side, and is fixed by an adhesive or a pressure-sensitive adhesive.
  • the adhesive include acrylic and epoxy adhesives.
  • the pressure-sensitive adhesive include rubber-based, acrylic, silicone-based, and urethane-based pressure-sensitive adhesives.
  • the acoustic matching unit 3 includes, for example, two acoustic matching layers (the first acoustic matching layer 31 and the second acoustic matching layer 32) made of the same material (component) and separately. And these may be formed in layers from the inside to the outside.
  • the adjacent acoustic matching layers may be made of the same material (component) and have different densities, for example, so that sufficient attenuation of unnecessary vibration is achieved. The effect of is obtained.
  • the two acoustic matching layers may have different materials (components).
  • the acoustic matching section 3 can be, for example, a combination in which the first acoustic matching layer 31 is made of epoxy resin and the second acoustic matching layer 32 is made of silicone resin. Further, the acoustic matching section 3 can be, for example, a combination in which the first acoustic matching layer 31 is made of a carbon material and the second acoustic matching layer 32 is made of a silicone resin.
  • the first acoustic matching layer 31 and the second acoustic matching layer 32 may include a filler such as hollow glass having a diameter of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example.
  • the materials of the adjacent first acoustic matching layer 31 and the second acoustic matching layer 32 are different, components that do not satisfy the boundary condition increase, and components that satisfy the boundary condition decrease. Therefore, when the unnecessary vibration propagates from the inside to the outside of the acoustic matching unit 3, the vibration is further attenuated at the boundary surface 30. Therefore, the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 can be further shortened, and the accuracy of short-range measurement can be further improved. In addition, the divided vibration is less likely to occur, and it is possible to further suppress the main vibration.
  • the boundary condition becomes more severe and narrow, and the boundary condition is satisfied. Greater effects are obtained because the components are reduced.
  • the acoustic matching section 3 includes a disc-shaped first acoustic matching layer 31 disposed inside when viewed in a cross section cut along the surface to which the piezoelectric element 2 is attached. And the annular second acoustic matching layer 32 disposed outside the first acoustic matching layer 31, the piezoelectric element 2 may be in a region inside the second acoustic matching layer 32. From another viewpoint, the diameter of the piezoelectric element 2 is shorter than the diameter of the first acoustic matching layer 31, and the piezoelectric element 2 is moved so that the center of the first acoustic matching layer 31 and the center of the piezoelectric element 2 are aligned.
  • the diameter of the piezoelectric element 2 is preferably at least 50% of the diameter of the first acoustic matching layer 31 from the viewpoint of increasing the sound pressure of the main vibration.
  • the radius r of the first acoustic matching layer 31 may be larger than the width w (radial width) of the second acoustic matching layer 32.
  • the radius r of the first acoustic matching layer 31 is larger than the width w of the second acoustic matching layer 32, and the first acoustic matching layer 31 occupies 50% or more of the entire diameter of the acoustic matching section 3, the second acoustic matching layer 31 Unnecessary vibrations generated in the matching layer 32 can be suppressed, and the reverberation time can be further shortened.
  • the diameter of the first acoustic matching layer 31 is preferably in the range of 70% to 80% of the entire diameter of the acoustic matching section 3.
  • the acoustic matching section 3 preferably has the outermost acoustic matching layer fixed to the case 1.
  • FIG. 6 shows an example in which the radially outer surface of the second acoustic matching layer 32 is held by the adhesive 4 on the inner wall of the cylindrical portion 11 of the case 1.
  • FIG. 7 shows an example in which an annular convex portion 111 is provided on the inner wall of the cylindrical portion 11 of the case 1, and the upper surface of the second acoustic matching layer 32 in the height direction is held by the adhesive 4 on the convex portion 111. Is shown. Thereby, even if the unnecessary vibration on the first acoustic matching layer 31 propagates to the outer case 1, the unnecessary vibration always passes through the boundary surface 30 of the acoustic matching portion 3, and thus can be attenuated at the boundary surface 30.
  • the acoustic matching section 3 is not limited to the two layers of the first acoustic matching layer 31 and the second acoustic matching layer 32, and a third acoustic matching layer is further provided outside the second acoustic matching layer 32. It may have three or more layers. In this case, a layer outside the second acoustic matching layer 32 may be held by the tubular portion 11.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. 9 is a schematic sectional view taken along a cutting plane line AA in FIG. 8
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 11
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the example of.
  • the schematic sectional views shown in FIGS. 11 and 12 correspond to the schematic sectional views shown in FIG. 10 to 12, the case and the piezoelectric element are omitted.
  • the ultrasonic sensor 100A of the present embodiment includes the case 1, the acoustic matching unit 120, and the piezoelectric element 2.
  • the ultrasonic sensor 100A is different from the ultrasonic sensor 100 of the above embodiment in the configuration of the acoustic matching unit 120, and the other configuration is the same.
  • the same reference numerals are given and detailed description is omitted.
  • the acoustic matching section 120 is a member having a plate shape, and is disposed in the opening on the first end 11a side of the tubular section 11.
  • the acoustic matching section 120 has a function of matching acoustic impedance between the piezoelectric element 2 and a medium such as air. Further, the acoustic matching unit 120 has a function of vibrating due to the vibration of the piezoelectric element 2, emitting ultrasonic waves to the outside, and transmitting ultrasonic waves reflected from the detection target to the piezoelectric element 2.
  • the acoustic matching section 120 may have a triangular plate shape, a rectangular plate shape, a disk shape, an elliptical plate shape, or the like, or may have another shape.
  • the acoustic matching section 120 has a disk shape.
  • the acoustic matching unit 120 has a surface (hereinafter, also referred to as a first surface) 120a facing the inside of the case 1.
  • the piezoelectric element 2 is provided on the first surface 120a.
  • the acoustic matching section 120 has a second surface 120b opposite to the first surface 120a, and an outer peripheral surface 120c connecting the first surface 120a and the second surface 120b.
  • the acoustic matching section 120 has a first acoustic matching layer 121 and a second acoustic matching layer 122.
  • the first acoustic matching layer 121 is a disk-shaped member made of an elastic material, and has a thickness of, for example, 1 mm to 5 mm and a diameter of 5 mm to 20 mm.
  • the first acoustic matching layer 121 is made of, for example, a synthetic resin, a rubber-like elastic body, a carbon material, or the like.
  • the first acoustic matching layer 121 may include a filler such as a hollow glass having a diameter of, for example, 10 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the second acoustic matching layer 122 is a band-shaped member.
  • the second acoustic matching layer 122 has elasticity, and extends on the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 in the circumferential direction of the first acoustic matching layer 121 (hereinafter, also simply referred to as the circumferential direction). It is arranged in a state. As shown in FIG. 3, for example, the second acoustic matching layer 122 is disposed on the outer peripheral surface 121a over at least a half circumference.
  • the second acoustic matching layer 122 has a width of, for example, 1 mm to 5 mm and a thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m in a state of being disposed on the outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121.
  • the second acoustic matching layer 122 is made of, for example, an acetate resin, an acrylic resin, a polyethylene resin, a polyimide resin, or the like.
  • the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122 are formed by attaching a fixing member such as a tape from the outer peripheral surface 122b of the second acoustic matching layer 122 to the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121. It may be fixed.
  • the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122 are provided between the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 and the inner peripheral surface 122a of the second acoustic matching layer 122, for example, with an adhesive, a double-sided tape, or the like.
  • the fixing member may be fixed by disposing the fixing member.
  • the entire inner peripheral surface 122 a facing the outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121 may be fixed to the outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121.
  • only both ends 122 c and 122 d in the circumferential direction may be fixed to the first acoustic matching layer 121.
  • the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122 pass through the second acoustic matching layer 122 from the outer peripheral surfaces 122b at both ends 122c and 122d of the second acoustic matching layer 122, and It may be fixed by piercing a needle-shaped fixing member reaching 121.
  • the acoustic matching section 120 may further include a third acoustic matching layer 123.
  • the third acoustic matching layer 123 may be a substantially annular member having an inner peripheral surface 123a and an outer peripheral surface 123b, for example, as shown in FIGS.
  • the third acoustic matching layer 123 has a thickness of, for example, 1 mm to 5 mm.
  • the width of the third acoustic matching layer 123 in the radial direction (hereinafter, also simply referred to as the radial direction) of the first acoustic matching layer 121 is equal to the width of the first acoustic matching layer 121, the second acoustic matching layer 122, and the cylindrical portion 11. It can be set appropriately according to the dimensions.
  • the third acoustic matching layer 123 is made of, for example, a silicone resin, a urethane resin, or the like.
  • the third acoustic matching layer 123 may include a filler such as hollow glass having a diameter of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, for example.
  • the inner peripheral surface 123a of the third acoustic matching layer 123 is formed on a region of the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 that is exposed from the second acoustic matching layer 122 and an outer peripheral surface 122b of the second acoustic matching layer 122. They may be joined.
  • the bonding material for bonding the third acoustic matching layer 123 to the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122 may be, for example, an acrylic or epoxy-based adhesive, for example, a rubber-based or acrylic-based adhesive. , Silicone-based, urethane-based adhesives and the like.
  • the outer peripheral surface 123b of the third acoustic matching layer 123 may be in contact with the inner peripheral surface 11c of the tubular portion 11.
  • the acoustic matching section 120 may be fixed to the case 1 by a frictional force between the outer peripheral surface 123b and the inner peripheral surface 11c.
  • the outer peripheral surface 123b of the third acoustic matching layer 123 may be joined to the inner peripheral surface 11c of the tubular portion 11.
  • the bonding material for bonding the third acoustic matching layer 123 and the cylindrical portion 11 may be, for example, an adhesive such as an acryl-based or epoxy-based adhesive, for example, an adhesive such as a rubber-based, acryl-based, silicone-based, or urethane-based adhesive. It may be an agent.
  • the second acoustic matching layer 122 is provided on the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 so as to extend in the circumferential direction, the second acoustic matching layer 122 tends to contract in the circumferential direction. Therefore, a compressive stress due to the second acoustic matching layer 122 that is about to contract is generated in a region of the first acoustic matching layer 121 near the outer peripheral surface 121a that is in contact with the second acoustic matching layer 122, and the vicinity region Has a higher density than the central portion of the first acoustic matching layer 121 and is less likely to be deformed.
  • the acoustic matching unit 120 when the piezoelectric element 2 is driven, vibrations over the region where the density is increased are suppressed, and a standing wave of the fundamental vibration is easily generated in the first acoustic matching layer 121. Therefore, according to the ultrasonic sensor 100A, the sound pressure of the transmitted ultrasonic wave can be increased. As a result, it is possible to measure the distance to the detection target located at a long distance with high accuracy.
  • the ultrasonic sensor 100A when the piezoelectric element 2 is not driven, unnecessary vibrations of the acoustic matching unit 120 are scattered in a region where the density is increased and are superimposed as vibrations having different phases. It becomes easy to attenuate. Therefore, according to the ultrasonic sensor 100A, it is possible to prevent the ultrasonic signal generated by the reflected ultrasonic wave from the detection target existing in a short distance from being buried in the reverberation and becoming difficult to detect. As a result, it is possible to measure a distance to a detection target existing in a short distance with high accuracy.
  • the ultrasonic sensor 100A can measure the distance to the detection target with high accuracy over a wide range from a short distance to a long distance.
  • the second acoustic matching layer 122 is provided on the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 over at least a half circumference, the region where the density in the first acoustic matching layer 121 is high is at least half a circumference. It is formed continuously on the outer periphery. Thereby, the region where the density is increased in the first acoustic matching layer 121 can exert the effect of increasing the sound pressure of the transmitted ultrasonic wave and attenuating the reverberation due to unnecessary vibration as described above.
  • the second acoustic matching layer 122 may be wound around the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 one or more times. In this case, mutually facing portions of the second acoustic matching layer 122 may be fixed.
  • the mutually opposing portions of the second acoustic matching layer 122 may be fixed as a whole or partially.
  • the opposing portions of the second acoustic matching layer 122 may be fixed by a fixing member such as an adhesive or a double-sided tape disposed between them.
  • the opposing portions of the second acoustic matching layer 122 are, for example, fixed members such as needle-like members that pass through the opposing portions of the second acoustic matching layer 122 from the outermost peripheral surface 122e of the second acoustic matching layer 122. May be fixed by piercing.
  • the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122 are fixed.
  • the layer 122 may be fixed by a fixing member, or may not be fixed by the fixing member.
  • the region where the density is increased in the first acoustic matching layer 121 is formed near the entire outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121. Therefore, the above-described effect exerted by the region having a high density becomes remarkable. Therefore, it is possible to more accurately measure the distance to the detection target over a wide range from a short distance to a long distance.
  • the second acoustic matching layer 122 may be wound around the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 two or more times.
  • the second acoustic matching layer 122 has a first round portion that is in contact with the first acoustic matching layer 121, and a second round and subsequent portions that are not in contact with the first acoustic matching layer 121.
  • compressive stress is generated by the second and subsequent laps to be shrunk, so that the first lap has a higher density and is less likely to be deformed than the second and subsequent laps. Become.
  • the region where the density is high in the first acoustic matching layer 121 is formed in the vicinity of the entire outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121, and the second acoustic matching layer
  • the region where the density is increased in the region 122 is formed over the entire first round of the second acoustic matching layer 122.
  • the second acoustic matching layer 122 may be wound around the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 three or more times.
  • the second acoustic matching layer 122 includes a first round portion directly in contact with the first acoustic matching layer 121, a second round portion directly in contact with the first round portion, and a first round portion. It has the acoustic matching layer 121 and the part of the first round and the part after the third week which is not in contact.
  • compressive stress is generated by the third and subsequent laps to be contracted, so that the first and second laps are the third and subsequent laps.
  • the density is increased, and deformation is difficult.
  • the region where the density of the first acoustic matching layer 121 is high Regions formed near the entire periphery of the outer peripheral surface 121a and having a high density in the second acoustic matching layer 122 are formed over the entire first and second round portions of the second acoustic matching layer 122. .
  • the standing wave of the fundamental vibration is more easily generated in the first acoustic matching layer 121, and the sound pressure of the transmitted ultrasonic wave can be further increased.
  • the distance to the detection target can be measured with higher accuracy over a wide range from a short distance to a long distance.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing another example of the embodiment of the ultrasonic sensor
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 13, and FIG. It is an outline sectional view showing other examples of an embodiment of a sensor.
  • the schematic sectional view shown in FIG. 13 corresponds to the schematic sectional view shown in FIG.
  • the schematic sectional view shown in FIG. 15 corresponds to the schematic sectional view shown in FIG. 14 and 15, the case is omitted.
  • the ultrasonic sensor 100B of the present embodiment is different from the ultrasonic sensor 100A of the above embodiment in the configuration related to the fixing of the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122. Since the configuration is the same, the same configuration is denoted by the same reference numeral as the ultrasonic sensor 100A, and the detailed description is omitted.
  • the bonding material 40 is disposed at the boundary B1 between the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122.
  • the second acoustic matching layer 122 is fixed to the first acoustic matching layer 121 via the bonding material 40.
  • the bonding material 40 may be provided over the entire area of the boundary B1, as shown in FIGS.
  • the bonding material 40 may be, for example, an adhesive such as acrylic or epoxy, or may be an adhesive such as rubber, acrylic, silicone, urethane, or the like.
  • the ultrasonic sensor 100B As in the case of the ultrasonic sensor 100A, the vibration across the region where the density is increased in the first acoustic matching layer 121 is suppressed, and the first acoustic matching layer 121 has the stationary vibration. Since a wave is easily generated, the sound pressure of the transmitted ultrasonic wave can be effectively increased. As a result, it is possible to measure the distance to the detection target located at a long distance with high accuracy. Further, according to the ultrasonic sensor 100B, the unnecessary vibration of the acoustic matching unit 120 is scattered not only in the region of the first acoustic matching layer 121 where the density is increased but also in the boundary B1 where the bonding material 40 is provided. Therefore, reverberation due to unnecessary vibration can be effectively attenuated. As a result, it is possible to measure a distance to a detection target existing in a short distance with high accuracy.
  • the second acoustic matching layer 122 is wound around the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 one or more times. What is necessary is that it is wound at least half a round around the outer peripheral surface 121a of the layer 121. Since the second acoustic matching layer 122 is provided on the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 over at least half of the circumference, the region where the density of the first acoustic matching layer 121 is high is at least a half of the outer peripheral part. Formed continuously. Thereby, the region where the density is high in the first acoustic matching layer 121 can exert the effect of increasing the sound pressure of the transmitted ultrasonic wave and attenuating the reverberation due to unnecessary vibration as described above.
  • the bonding material 40 forms the boundary B1 between the first acoustic matching layer 121 and the second acoustic matching layer 122.
  • the second acoustic matching layer 122 may be provided at the boundary B2 between mutually facing portions.
  • the bonding material 40 may be provided at the boundary B1. It does not have to be provided at the boundary B1.
  • the bonding material 40 protrudes from the one main surface 121 b and the other main surface 121 c of the first acoustic matching layer 121 in the thickness direction of the first acoustic matching layer 121 (the vertical direction in FIG. 13).
  • the acoustic matching unit 120 may have a portion where the thickness changes at the boundary B1 and the boundary B2. Thereby, unnecessary vibrations of the acoustic matching unit 120 are more easily scattered at the boundary B1 and the boundary B2, so that reverberation is more easily attenuated. As a result, it is possible to more accurately measure the distance to a detection target existing in a short distance.
  • the bonding material 40 may be provided not only on the boundary B1 and the boundary B2 but also on the outermost peripheral surface 122e of the second acoustic matching layer 122, as shown in FIGS.
  • the bonding material 40 provided on the outermost peripheral surface 122e may be used for bonding the second acoustic matching layer 122 and the third acoustic matching layer 123.
  • the bonding material 40 is further provided on the outer peripheral surface 121 a of the first acoustic matching layer 121. It may be.
  • the bonding material 40 provided on the outer peripheral surface 121a of the first acoustic matching layer 121 may be used for bonding the first acoustic matching layer 121 and the third acoustic matching layer 123.
  • the bonding material 40 may have a thickness in a radial direction that is different in a circumferential direction of the first acoustic matching layer 121 as shown in FIG. 15, for example. That is, the joining material 40 changes in thickness in the circumferential direction, and thick portions and thin portions may alternately exist. As a result, in the acoustic matching unit 120, portions having different Young's modulus, thickness, and the like are alternately present at the boundary B1 and the boundary B2. Therefore, the vibration propagating along the first surface 120a of the acoustic matching section 120 is easily attenuated. According to the ultrasonic sensor 100B shown in FIG.
  • the thickness of the bonding material 40 may change regularly or irregularly, as shown in FIG. 15, for example. Further, the thickness of the bonding material 40 may be substantially 0 in at least one region at the boundary B1 and the boundary B2, for example, as illustrated in FIG.
  • the centroid C2 of the piezoelectric element 2 and the centroid C121 of the first acoustic matching layer 121 are arranged as shown in FIGS. It may be shifted.
  • the assembly of the acoustic matching unit 120 and the piezoelectric element 130 has reduced symmetry with respect to the rotation of the case 1 about the axis. Is less likely to occur. Therefore, reverberation due to unnecessary vibration of the acoustic matching unit 120 can be attenuated in a shorter time. As a result, it is possible to more accurately measure the distance to a detection target existing in a short distance.
  • a piezoelectric element 2 made of, for example, lead zirconate titanate as a piezoelectric material and having a diameter of 5 mm to 20 mm and a thickness of 0.1 mm to 2.0 mm, and an acoustic matching part 3 and 120 having a diameter of 5 mm to 20 mm and a thickness of 1 mm to 5 mm are provided. Is bonded with an epoxy resin.
  • the acoustic matching units 3 and 120 prepare the first acoustic matching layers 31 and 121 in a disk shape, and then provide the second acoustic matching layers 32 and 121 on the outer periphery (side surfaces) of the first acoustic matching layers 31 and 121.
  • 122 are arranged.
  • the acoustic matching sections 3 and 120 may be formed by fitting the disc-shaped first acoustic matching layer 31 inside the annular second acoustic matching layer 32, and may include the disc-shaped first acoustic matching layer 121.
  • a belt-like second acoustic matching layer 122 may be wound around the outer periphery of the first acoustic matching layer 122.
  • a cylindrical portion 11 of the cylindrical resin case 1 having a diameter of 5 mm to 20 mm and a height of 5 mm to 10 mm is formed by cutting, and the piezoelectric element 2 and the acoustic matching portions 3 and 120 are formed at one end side opening. Is inserted and attached with an epoxy adhesive.
  • the wiring is soldered to the surface electrode of the piezoelectric element 2, the wiring is taken out from the opening at the other end of the cylindrical portion 11, and the lid 12 is covered.
  • the ultrasonic sensors 100, 100A, 100B can be manufactured by the above method.

Abstract

本開示の超音波センサは、筒状のケースと、ケースの一端側開口に挿着された音響整合部と、音響整合部の内面に貼り付けられた圧電素子とを備え、音響整合部は、圧電素子の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときに内側から外側にかけて少なくとも２層の音響整合層を含んでいる。

Description

超音波センサ
　本開示は、超音波センサに関するものである。
　超音波センサには、圧電素子が使用されている。また、超音波センサは、圧電素子と空気との音響インピーダンスの整合をとるため、圧電素子と空気との間に音響整合層が設けられた構成になっている（例えば、特許文献１～３を参照）。ここでは、圧電素子が貼り付けられた音響整合層が、超音波を発する振動板として機能している。
　上記の超音波センサにおいては、不要振動が残響として残り、近距離測定の精度が出にくいという問題があった。
　また、近年、車両技術の分野において、ドライバによる車両の運転を支援する、または車両の自動運転を実行する車両制御システムの開発が進められている。これに伴って、検知対象物との距離を近距離から遠距離まで広範囲にわたって測定できる超音波センサが求められている。
特開平２－１２７８９７号公報 特開平９－９３９５号公報 特開平１０－２２４８９５号公報
　本開示の超音波センサは、筒状のケースと、該ケースの一端側開口に挿着された音響整合部と、該音響整合部の内面に貼り付けられた圧電素子とを備える。前記音響整合部は、前記圧電素子の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときに内側から外側にかけて少なくとも２層の音響整合層を含む。
　本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
超音波センサの実施形態の一例を示す概略斜視図である。 図１に示す超音波センサの概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す平面透視図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す平面透視図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略斜視図である。 図８の切断面線Ａ－Ａで切断した概略断面図である。 図９の切断面線Ｂ－Ｂで切断した概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。 図１３の切断面線Ｃ－Ｃで切断した概略断面図である。 超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。
　以下、添付図面を参照して、超音波センサの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。
　図１は、超音波センサの実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図２は、図１に示す超音波センサの概略断面図である。図３は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図であり、図４は、超音波センサの実施形態の他の例を示す平面透視図であり、図５は、超音波センサの実施形態の他の例を示す平面透視図であり、図６は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図であり、図７は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。
　図１および図２に示す超音波センサ１００は、筒状のケース１を備えている。ケース１は、筒状部１１および必要により筒状部１１の他端側開口を塞ぐように設けられた蓋部１２を有する。ここで、筒状部１１の他端側開口とは、後述する音響整合部３が挿着された側の開口である筒状部１１の一端側開口とは反対側の開口のことを意味する。
　ケース１は、例えばアルミニウム、チタン、マグネシウム等の金属材料、またはＡＢＳ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂等の樹脂材料からなる。ケース１で用いられる樹脂材料は、例えばＰＰＳ樹脂であって、ガラス繊維を含んでいてもよい。ケース１を構成する筒状部１１は、例えば円筒状の形状であり、後述する音響整合部３の外周を支持する支持体として機能する。筒状部１１は、例えば三角筒状、四角筒状、楕円筒状等の形状であってもよい。蓋部１２は、例えば筒状部１１と同様の材料からなる。なお、蓋部１２には、例えば配線を挿通するための孔があるが、図では省略している。また、圧電素子２と外部回路とを接続する配線についても、図では省略している。
　筒状部１１の高さ（長さ）は、例えば２ｍｍ～１０ｍｍである。また、筒状部１１の内径は例えば５ｍｍ～３０ｍｍであり、筒状部１１および蓋部１２の厚みは例えば０．５ｍｍ～１．０ｍｍである。
　ケース１の筒状部１１の一端側開口には、音響整合部３が挿着されている。そして、音響整合部３の内面には、圧電素子２が取り付けられている。ここで、音響整合部３は、圧電素子２の振動によって振動する振動板として機能する。
　圧電素子２は、例えば接着剤、両面テープ等の固定部材を介して音響整合部３に貼り付けられている。圧電素子２は、例えば平面視長方形状、正方形状、円形状、楕円形状等の形状をした板状体である。この圧電素子２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスからなる単板の圧電体と、当該圧電体の上面および下面に設けられた銀等の金属からなる表面電極とを備えたものでよい。また、圧電素子２は、例えば圧電体層と内部電極層とが積層された積層体と、当該積層体の上面および下面に設けられた表面電極とを備えたものでもよい。接着剤には、例えばエポキシ系、アクリル系等の接着剤を用いることができる。図示しないが、圧電素子２の表面電極に配線が接続され、筒状部１１の他端側開口から蓋部１２を通過して配線が引き出される。
　圧電素子２は、例えば、直径が５ｍｍ～２０ｍｍであり、厚みが０．１ｍｍ～２．０ｍｍである。
　圧電素子２は、外部回路から供給される駆動電圧の印加を受けて振動し、超音波を発信する。圧電素子２によって発信された超音波は、音響整合部３を介して外部に発せられる。また、圧電素子２は、音響整合部３を介して検知対象物からの反射超音波を受信し、受信した反射超音波に応じて生じる信号を外部回路に出力する。
　音響整合部３は、圧電素子２の貼り付けられた面に垂直な方向の厚みが例えば１ｍｍ～５ｍｍとされる。音響整合部３の材質としては、例えば合成樹脂、ゴム状弾性体、カーボン材料等を用いることができる。
　音響整合部３は、圧電素子２の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときに内側から外側にかけて少なくとも２層の音響整合層（第一音響整合層３１，第二音響整合層３２）を含んでいる。具体的には、音響整合部３は、圧電素子２の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときの内側に配置された円板状の第一音響整合層３１と、第一音響整合層３１の外側に配置された環状の第二音響整合層３２とを含んでいる。圧電素子２は、第一音響整合層３１の内面に貼り付けられていてもよい。
　円板状の第一音響整合層３１の直径は例えば５ｍｍ～１０ｍｍとされる。また、環状の第二音響整合層３２は内径５ｍｍ～１０ｍｍ、外径１０～２０ｍｍで、径方向の幅は例えば２．５ｍｍ～５ｍｍとされる。
　この構成により、音響整合部３の内側から外側までの間に境界面３０が存在することとなる。そして、音響整合部３の内側から外側までの間に境界面３０が存在することで、境界条件を満たさない成分が減衰し、境界条件を満たす成分のみが伝播することから、音響整合部３の内側から外側に向かって不要振動が伝播するときに当該境界面３０で減衰するようになる。したがって、超音波センサ１００の残響時間を短くすることができ、近距離測定の精度を向上させ、より近距離測定を可能とすることができる。
　また、音響整合部３の内側から外側までの間に境界面３０があることで、分割振動が起きにくくなり、分割振動がメイン振動を阻害するのを抑えることができる。したがって、超音波センサ１００の送信強度があがり、より長距離測定も可能となる。
　なお、音響整合部３の筒状部１１の一端側開口への固定方法としては、音響整合部３を一端側開口に押し込むことによる圧縮力、摩擦力による固定の他、接着剤または粘着剤による固定等が挙げられる。接着剤としては、例えば、アクリル系、エポキシ系等の接着剤が挙げられる。粘着剤としては、例えば、ゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤が挙げられる。
　ここで、図２に示すように、音響整合部３は、例えば２層の音響整合層（第一音響整合層３１と第二音響整合層３２）を同じ材質（構成成分）のもので別体に形成し、これらを内側から外側にかけて層状になるように構成したものでもよい。
　このとき、隣り合う音響整合層（第一音響整合層３１と第二音響整合層３２）が同じ材質（構成成分）であって例えば密度が異なっていてもよく、これにより不要振動の十分な減衰の効果が得られる。
　また、図３に示すように、音響整合部３は、２層の音響整合層（第一音響整合層３１と第二音響整合層３２）は材質（構成成分）が異なっていてもよい。音響整合部３は、例えば、第一音響整合層３１がエポキシ樹脂で第二音響整合層３２がシリコーン樹脂からなる組合せとすることができる。また、音響整合部３は、例えば、第一音響整合層３１がカーボン材で第二音響整合層３２がシリコーン樹脂からなる組合せとすることができる。なお、第一音響整合層３１および第二音響整合層３２には、例えば直径１０μｍ～１００μｍの中空ガラス等のフィラーが含まれていてもよい。
　隣り合う第一音響整合層３１と第二音響整合層３２との材質が異なることで、境界条件を満たさない成分が増えて、境界条件を満たす成分が減る。それゆえ、音響整合部３の内側から外側に向かって不要振動が伝播するときに当該境界面３０でより減衰するようになる。したがって、超音波センサ１００の残響時間をさらに短くすることができ、近距離測定の精度をさらに向上させることができる。また、分割振動がより起きにくくなり、メイン振動を阻害するのをさらに抑えることもできる。
　隣り合う音響整合層（第一音響整合層３１と第二音響整合層３２）のヤング率／ポアソン比／密度の差が大きければ大きいほど、境界条件がより厳しくなり狭くなって、境界条件を満たす成分が減少することから、より大きな効果が得られる。
　また図４に示すように、音響整合部３は、圧電素子２の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときの内側に配置された円板状の第一音響整合層３１と、第一音響整合層３１の外側に配置された環状の第二音響整合層３２とを含んでいる場合において、圧電素子２は第二音響整合層３２よりも内側の領域にあってもよい。別の見方をすると、圧電素子２の直径が第一音響整合層３１の直径よりも短く、第一音響整合層３１の中央と圧電素子２の中央との位置を合わせるように圧電素子２を第一音響整合層３１に貼り付けてもよい。これにより、第二音響整合層３２での不要振動の発生を抑制できる。なお、メイン振動の音圧を大きくするとの点から、圧電素子２の直径は第一音響整合層３１の直径の５割以上の長さであるのがよい。
　また図５に示すように、第一音響整合層３１の半径ｒは、第二音響整合層３２の幅ｗ（径方向の幅）よりも大きくてもよい。第一音響整合層３１の半径ｒが第二音響整合層３２の幅ｗよりも大きく、第一音響整合層３１が音響整合部３の全体の直径の５割以上を占めることで、第二音響整合層３２で発生する不要振動を抑制することができ、より残響時間が短くなる為、さらに近距離測定を可能とする。なお、第一音響整合層３１の直径は、音響整合部３の全体の直径の７割～８割の範囲であるのがよい。
　また図６および図７に示すように、音響整合部３は、最も外側にある音響整合層がケース１に固定されているのがよい。ここで、図６は、第二音響整合層３２の径方向の外側面がケース１の筒状部１１の内壁に接着材４で保持された例を示している。また、図７はケース１の筒状部１１の内壁に環状の凸部１１１が設けられ、第二音響整合層３２の高さ方向の上面が凸部１１１に接着材４で保持された例を示している。これにより、第一音響整合層３１にのった不要振動が外側のケース１へ伝播するとしても、必ず音響整合部３の境界面３０を通る為、境界面３０で減衰させることができる。
　なお、音響整合部３は、第一音響整合層３１、および第二音響整合層３２の２層に限られず、第二音響整合層３２の外側にさらに第三の音響整合層が設けられる等、３層以上の層構成であってよい。この場合、第二音響整合層３２の外側にある層で筒状部１１に保持されていてもよい。
　次に、超音波センサの実施形態の他の例について説明する。
　図８は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略斜視図であり、図９は、図８の切断面線Ａ－Ａで切断した概略断面図であり、図１０は、図９の切断面線Ｂ－Ｂで切断した概略断面図であり、図１１は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図であり、図１２は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。図１１，１２に示す概略断面図は、図１０に示す概略断面図に対応する。図１０～１２では、ケースおよび圧電素子を省略して図示している。
　本実施形態の超音波センサ１００Ａは、ケース１と、音響整合部１２０と、圧電素子２とを備える。超音波センサ１００Ａは、上記実施形態の超音波センサ１００に対して、音響整合部１２０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１００と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
　音響整合部１２０は、板状の形状を有する部材であり、筒状部１１の第１端１１ａ側の開口部に配設されている。音響整合部１２０は、圧電素子２と空気等の媒質との音響インピーダンスの整合をとる機能を有している。また、音響整合部１２０は、圧電素子２の振動によって振動し、外部に超音波を発するとともに、検知対象物からの反射超音波を圧電素子２に伝達する機能を有している。
　音響整合部１２０は、三角板状、矩形板状、円板状、楕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。超音波センサ１００Ａでは、例えば図１～３に示すように、音響整合部１２０の形状は、円板状とされている。
　音響整合部１２０は、ケース１の内部に臨む面（以下、第１面ともいう）１２０ａを有している。第１面１２０ａには、圧電素子２が配設される。また、音響整合部１２０は、第１面１２０ａとは反対側の第２面１２０ｂ、および第１面１２０ａと第２面１２０ｂとを接続する外周面１２０ｃを有している。
　音響整合部１２０は、第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２とを有している。第一音響整合層１２１は、弾性材料から成る円板状の部材であり、例えば、厚みが１ｍｍ～５ｍｍであり、直径が５ｍｍ～２０ｍｍである。第一音響整合層１２１は、例えば合成樹脂、ゴム状弾性体、カーボン材料等から成る。第一音響整合層１２１には、例えば直径１０μｍ～１００μｍの中空ガラス等のフィラーが含まれていてもよい。
　第二音響整合層１２２は、帯状の部材である。第二音響整合層１２２は、伸縮性を有しており、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに、第一音響整合層１２１の周方向（以下、単に、周方向ともいう）に伸長した状態で配設されている。第二音響整合層１２２は、例えば図３に示すように、外周面１２１ａに少なくとも半周にわたって配設されている。第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに配設されている状態で、例えば、幅が１ｍｍ～５ｍｍであり、厚みが１０μｍ～５００μｍである。第二音響整合層１２２は、例えばアセテート樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリイミド樹脂等から成る。
　第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２とは、第二音響整合層１２２の外周面１２２ｂから第一音響整合層１２１の外周面１２１ａにかけて、例えばテープ等の固定部材を貼付することで固定されていてもよい。
　第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２とは、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａと第二音響整合層１２２の内周面１２２ａとの間に、例えば接着剤、両面テープ等の固定部材を配設することによって、固定されていてもよい。第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに臨む内周面１２２ａの全域が、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに固定されていてもよい。第二音響整合層１２２は、周方向における両端部１２２ｃ，１２２ｄのみが、第一音響整合層１２１に固定されていてもよい。
　第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２とは、第二音響整合層１２２の、両端部１２２ｃ，１２２ｄにおける外周面１２２ｂから、第二音響整合層１２２を貫通し、第一音響整合層１２１に達する針状の固定部材を突き刺すことによって、固定されていてもよい。
　音響整合部１２０は、第三音響整合層１２３をさらに有していてもよい。第三音響整合層１２３は、例えば図１～３に示すように、内周面１２３ａおよび外周面１２３ｂを有する、略円環状の部材であってもよい。第三音響整合層１２３は、例えば、厚みが１ｍｍ～５ｍｍである。第三音響整合層１２３の、第一音響整合層１２１の径方向（以下、単に、径方向ともいう）における幅は、第一音響整合層１２１、第二音響整合層１２２および筒状部１１の寸法に応じて、適宜設定することができる。第三音響整合層１２３は、例えばシリコーン樹脂、ウレタン樹脂等から成る。第三音響整合層１２３には、例えば直径１０μｍ～１００μｍの中空ガラス等のフィラーが含まれていてもよい。
　第三音響整合層１２３の内周面１２３ａは、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａのうち第二音響整合層１２２から露出している領域、および第二音響整合層１２２の外周面１２２ｂに接合されていてもよい。第三音響整合層１２３と第一音響整合層１２１および第二音響整合層１２２とを接合する接合材は、例えばアクリル系、エポキシ系等の接着剤であってもよく、例えばゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤であってもよい。
　第三音響整合層１２３の外周面１２３ｂは、筒状部１１の内周面１１ｃに当接していてもよい。この場合、音響整合部１２０は、外周面１２３ｂと内周面１１ｃとの間の摩擦力によりケース１に固定されていてもよい。第三音響整合層１２３の外周面１２３ｂは、筒状部１１の内周面１１ｃに接合されていてもよい。第三音響整合層１２３と筒状部１１とを接合する接合材は、例えばアクリル系、エポキシ系等の接着剤であってもよく、例えばゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤であってもよい。
　超音波センサ１００Ａでは、第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに周方向に伸長した状態で配設されているため、周方向に収縮しようとする。それゆえ、第一音響整合層１２１の、第二音響整合層１２２に接触している外周面１２１ａの近傍領域には、収縮しようとする第二音響整合層１２２による圧縮応力が生じ、該近傍領域は、第一音響整合層１２１の中心部と比べて、密度が高くなり、変形しにくくなる。これにより、音響整合部１２０では、圧電素子２の駆動時に、密度が高くなった領域を跨ぐ振動が抑制され、第一音響整合層１２１に基本振動の定在波が発生しやすくなる。したがって、超音波センサ１００Ａによれば、発信する超音波の音圧を増大させることができる。ひいては、遠距離に存在する検知対象物との距離を高精度に測定することが可能になる。
　また、超音波センサ１００Ａでは、圧電素子２の非駆動時に、音響整合部１２０の不要振動が、密度が高くなった領域において散乱され、異なる位相の振動として重畳されるため、不要振動による残響が減衰しやすくなる。したがって、超音波センサ１００Ａによれば、近距離に存在する検知対象物からの反射超音波によって生じる超音波信号が、残響に埋もれ、検出困難になることを抑制できる。ひいては、近距離に存在する検知対象物との距離を高精度に測定することが可能になる。
　上記のように、超音波センサ１００Ａは、検知対象物との距離を、近距離から遠距離まで広範囲にわたって、高精度に測定できる。ここで、第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに少なくとも半周にわたって配設されていることで、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域は、少なくとも半周の外周部に連続的に形成される。これにより、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域は、前述した、発信する超音波の音圧を増大させ、不要振動による残響を減衰させる効果を発揮することができる。
　超音波センサ１００Ａは、例えば図１１に示すように、第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに１周以上巻回されていてもよい。この場合、第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士が固定されていてもよい。
　第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士は、全体的に固定されていてもよく、部分的に固定されていてもよい。第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士は、それらの間に配設された、例えば接着剤、両面テープ等の固定部材によって固定されていてもよい。第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士は、例えば、第二音響整合層１２２の最外周面１２２ｅから、第二音響整合層１２２の互いに対向する部分を貫通する針状部材等の固定部材を突き刺すことによって、固定されていてもよい。なお、第二音響整合層１２２が外周面１２１ａに１周以上巻回され、第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士が固定されている場合、第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２とは、固定部材によって固定されていてもよく、固定部材によって固定されていなくてもよい。
　図１１に示す超音波センサ１００Ａによれば、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａ全周の近傍に形成される。そのため、密度が高くなった領域によって発揮される前述の効果が顕著になる。したがって、検知対象物との距離を、近距離から遠距離まで広範囲にわたって、より高精度に測定することが可能になる。
　超音波センサ１００Ａは、例えば図１２に示すように、第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに２周以上巻回されていてもよい。この場合、第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１と接触している１周目の部分と、第一音響整合層１２１と非接触である２周目以降の部分とを有する。１周目の部分には、収縮しようとする２周目以降の部分による圧縮応力が生じるため、１周目の部分は、２周目以降の部分と比べて、密度が高くなり、変形しにくくなる。
　図１２に示す超音波センサ１００Ａによれば、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域が、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａ全周の近傍に形成され、第二音響整合層１２２における密度が高くなった領域が、第二音響整合層１２２の１周目の部分全体に形成される。これにより、第一音響整合層１２１に基本振動の定在波がより発生しやすくなるため、発信する超音波の音圧をより増大させることができる。また、音響整合部１２０の不要振動がより散乱されやすくなるため、残響がより減衰しやすくなる。ひいては、検知対象物との距離を、近距離から遠距離まで広範囲にわたって、より高精度に測定することが可能になる。
　第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに３周以上巻回されていてもよい。この場合、第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１と直接接触している１周目の部分と、１周目の部分に直接接触している２周目の部分と、第一音響整合層１２１および１周目の部分と非接触である３週目以降の部分とを有する。１周目の部分および２周目の部分には、収縮しようとする３周目以降の部分による圧縮応力が生じるため、１周目の部分および２周目の部分は、３周目以降の部分と比べて、密度が高くなり、変形しにくくなる。
　第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに３周以上巻回されている場合、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域が、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａ全周の近傍に形成され、第二音響整合層１２２における密度が高くなった領域が、第二音響整合層１２２の１周目の部分全体および２周目の部分全体に形成される。これにより、第一音響整合層１２１に基本振動の定在波がより発生しやすくなるため、発信する超音波の音圧をより増大させることができる。また、音響整合部１２０の不要振動がより散乱されやすくなるため、残響がより減衰しやすくなる。ひいては、検知対象物との距離を、近距離から遠距離まで広範囲にわたって、より高精度に測定することが可能になる。
　図１３は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図であり、図１４は、図１３の切断面線Ｃ－Ｃで切断した概略断面図であり、図１５は、超音波センサの実施形態の他の例を示す概略断面図である。図１３に示す概略断面図は、図９に示す概略断面図に対応する。図１５に示す概略断面図は、図１４に示す概略断面図に対応する。図１４，１５では、ケースを省略して図示している。
　本実施形態の超音波センサ１００Ｂは、上記実施形態の超音波センサ１００Ａに対して、第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２との固定に係る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１００Ａと同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。
　超音波センサ１００Ｂでは、第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２との境界Ｂ１に接合材４０が配設されている。第二音響整合層１２２は、接合材４０を介して、第一音響整合層１２１に固定されている。接合材４０は、例えば図１３，１４に示すように、境界Ｂ１の全域に配設されていてもよい。接合材４０は、例えば、アクリル系、エポキシ系等の接着剤であってもよく、例えばゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤であってもよい。
　超音波センサ１００Ｂによれば、超音波センサ１００Ａの場合と同様に、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域を跨ぐ振動が抑制され、第一音響整合層１２１に基本振動の定在波が発生しやすくなるため、発信する超音波の音圧を効果的に増大させることができる。ひいては、遠距離に存在する検知対象物との距離を高精度に測定することが可能になる。また、超音波センサ１００Ｂによれば、音響整合部１２０の不要振動を、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域だけでなく、接合材４０が配設された境界Ｂ１においても散乱することができるため、不要振動による残響を効果的に減衰させることが可能になる。ひいては、近距離に存在する検知対象物との距離を高精度に測定することが可能になる。
　図１３，１４では、第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに１周以上巻回されている例を示したが、第二音響整合層１２２は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに少なくとも半周巻回されていればよい。第二音響整合層１２２が、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに少なくとも半周にわたって配設されていることで、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域は、少なくとも半周の外周部に連続的に形成される。これにより、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域は、前述した、発信する超音波の音圧を増大させ、不要振動による残響を減衰させる効果を発揮することができる。
　第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに１周以上巻回されている場合、接合材４０は、第一音響整合層１２１と第二音響整合層１２２との境界Ｂ１だけでなく、第二音響整合層１２２の互いに対向する部分同士の境界Ｂ２にも配設されていてもよい。これにより、音響整合部１２０の不要振動を、第一音響整合層１２１における密度が高くなった領域、接合材４０が配設された境界Ｂ１および境界Ｂ２において散乱することができるため、不要振動による残響をより効果的に減衰させることができる。ひいては、近距離に存在する検知対象物との距離をより高精度に測定することが可能になる。なお、第二音響整合層１２２が外周面１２１ａに１周以上巻回され、接合材４０が境界Ｂ２に配設されている場合、接合材４０は、境界Ｂ１に配設されていてもよく、境界Ｂ１に配設されていなくてもよい。
　接合材４０は、例えば図１３に示すように、第一音響整合層１２１の厚み方向（図１３における上下方向）において、第一音響整合層１２１の一方主面１２１ｂおよび他方主面１２１ｃから突出していてもよい。すなわち、音響整合部１２０は、境界Ｂ１および境界Ｂ２において、厚みが変化する部位を有していてもよい。これにより、音響整合部１２０の不要振動が、境界Ｂ１および境界Ｂ２においてより散乱されやすくなるため、残響がより減衰しやすくなる。ひいては、近距離に存在する検知対象物との距離をより高精度に測定することが可能になる。
　接合材４０は、例えば図１３，１４に示すように、境界Ｂ１および境界Ｂ２だけでなく、第二音響整合層１２２の最外周面１２２ｅにも配設されていてもよい。最外周面１２２ｅに配設された接合材４０は、第二音響整合層１２２と第三音響整合層１２３とを接合するために用いられてもよい。第二音響整合層１２２が第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに半周以上１周未満巻回されている場合、接合材４０は、第一音響整合層１２１の外周面１２１ａにもさらに配設されていてもよい。第一音響整合層１２１の外周面１２１ａに配設された接合材４０は、第一音響整合層１２１と第三音響整合層１２３とを接合するために用いられてもよい。
　接合材４０は、例えば図１５に示すように、径方向における厚みが、第一音響整合層１２１の周方向において異なっていてもよい。すなわち、接合材４０は、周方向において厚みが変化しており、厚みが厚い部分と厚みが薄い部分とが交互に存在していてもよい。これにより、音響整合部１２０では、境界Ｂ１および境界Ｂ２において、ヤング率、厚み等が異なる部分が交互に存在することになる。それゆえ、音響整合部１２０の第１面１２０ａに沿って伝播する振動が減衰しやすくなる。図１５に示す超音波センサ１００Ｂによれば、検知対象物との距離を、近距離から遠距離まで広範囲にわたって、より高精度に測定することが可能になる。なお、接合材４０の厚みは、例えば図１５に示すように、規則的または不規則的に変化していてもよい。また、接合材４０の厚みは、例えば図１５に示すように、境界Ｂ１および境界Ｂ２における少なくとも１つの領域で実質的に０であってもよい。
　超音波センサ１００Ｂは、例えば図１４，１５に示すように、第１面１２０ａに垂直な方向に見たときに、圧電素子２の図心Ｃ２と第一音響整合層１２１の図心Ｃ１２１とがずれていてもよい。図１４，１５に示す超音波センサ１００Ｂでは、音響整合部１２０と圧電素子１３０との組立体が、ケース１の軸線回りの回転に対する対称性が低下したものとなるため、組立体における定在波が発生しにくくなる。それゆえ、音響整合部１２０の不要振動による残響をより短時間で減衰させることができる。ひいては、近距離に存在する検知対象物との距離をより高精度に測定することが可能になる。
　以下、超音波センサ１００，１００Ａ，１００Ｂの製造方法の例について説明する。
　例えばチタン酸ジルコン酸鉛を圧電体材料とする例えば直径５ｍｍ～２０ｍｍ、厚み０．１ｍｍ～２．０ｍｍの圧電素子２と、例えば直径５ｍｍ～２０ｍｍ、厚み１ｍｍ～５ｍｍの音響整合部３，１２０とをエポキシ樹脂で接着させる。
　ここで、音響整合部３，１２０は、円板状の第一音響整合層３１，１２１を準備したうえで、第一音響整合層３１，１２１の外周（側面）に第二音響整合層３２，１２２を配置したものである。音響整合部３，１２０は、環状の第二音響整合層３２の内側に円板状の第一音響整合層３１を嵌め込んだものであってもよく、円板状の第一音響整合層１２１の外周に帯状の第二音響整合層１２２を巻き付けたものであってもよい。
　次に、切削加工にて直径５ｍｍ～２０ｍｍ、高さ５ｍｍ～１０ｍｍの筒状の樹脂のケース１の筒状部１１を作製し、その一端側開口に圧電素子２と音響整合部３，１２０とを接着したものを挿入し、エポキシ系接着剤で貼り付ける。
　次に、圧電素子２の表面電極に配線を半田付けし、筒状部１１の他端側開口から配線を取り出し、蓋部１２を被せる。
　以上の方法で、超音波センサ１００，１００Ａ，１００Ｂ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、また、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。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
　１００，１００Ａ，１００Ｂ　超音波センサ
　１　　　ケース
　１１　　筒状部
　１１ａ　第１端
　１１ｃ　内周面
　１１１　凸部
　１２　　蓋部
　２，１３０　圧電素子
　３，１２０　音響整合部
　３０　　境界面
　１２０ａ　第１面
　１２０ｂ　第２面
　１２０ｃ　外周面
　３１，１２１　第一音響整合層
　１２１ａ　外周面
　１２１ｂ　一方主面
　１２１ｃ　他方主面
　３２，１２２　第二音響整合層
　１２２ａ　内周面
　１２２ｂ　外周面
　１２２ｃ，１２２ｄ　両端部
　１２２ｅ　最外周面
　１２３　第三音響整合層
　１２３ａ　内周面
　１２３ｂ　外周面
　４　　　接着材
　４０　　接合材

Claims (12)

  1. 　筒状のケースと、該ケースの一端側開口に挿着された音響整合部と、該音響整合部の内面に貼り付けられた圧電素子とを備え、前記音響整合部は、前記圧電素子の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときに内側から外側にかけて少なくとも２層の音響整合層を含むことを特徴とする超音波センサ。
  2. 　前記２層の音響整合層は材質が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 　前記音響整合部は、前記圧電素子の貼り付けられた面に沿って切断した断面で見たときの内側に配置された円板状の第一音響整合層と、該第一音響整合層の外側に配置された環状の第二音響整合層とを含み、前記圧電素子は前記第二音響整合層よりも内側の領域に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. 　前記第一音響整合層の半径は前記第二音響整合層の幅よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
  5. 　前記音響整合部は、円板状の第一音響整合層と、伸縮性を有する帯状の第二音響整合層とを含み、前記第二音響整合層は、前記第一音響整合層の外周面に、周方向に伸長した状態で少なくとも半周にわたって配設されている、請求項１に記載の超音波センサ。
  6. 　前記第二音響整合層は、前記第一音響整合層の前記外周面に１周以上巻回され、前記第二音響整合層の互いに対向する部分同士が固定されている、請求項５に記載の超音波センサ。
  7. 　前記第二音響整合層は、前記第一音響整合層の前記外周面に２周以上巻回されている、請求項６に記載の超音波センサ。
  8. 　前記第一音響整合層の互いに対向する部分同士の境界に接合材が配設されている、請求項６または７に記載の超音波センサ。
  9. 　前記第一音響整合層と前記第二音響整合層との境界に接合材が配設されている、請求項５～８のいずれかに記載の超音波センサ。
  10. 　前記接合材の、前記第一音響整合層の径方向における厚みが、前記第一音響整合層の周方向において変化している、請求項８または９に記載の超音波センサ。
  11. 　前記音響整合部の内面に垂直な方向に見たときに、前記圧電素子の図心と、前記第一音響整合層の図心とがずれている、請求項５～１０のいずれかに記載の超音波センサ。
  12. 　前記音響整合部は、最も外側にある音響整合層が前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の超音波センサ。
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