JP2006352829A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内に発泡性樹脂を均一に充填することができ、良好な特性を得ることができる構造の超音波センサを得る。
【解決手段】超音波センサ１０は、有底筒状のケース１２を含む。ケース１２内の底面１２ａに、圧電素子１８を接着し、さらに圧電素子１８上にフェルト２２を接着する。ケース１２の開口部に、固定部２６と、固定部２６より硬質の基板２８とで構成される蓋部材２４を嵌め込む。基板２８に圧入した端子３６ａ，３６ｂにワイヤ３８ａ，３８ｂを接続し、端子３６ａ，３６ｂを圧電素子１８に電気的に接続する。固定部２６に貫通孔４０を形成し、貫通孔４０から発泡前の樹脂を注入して発泡させることにより、貫通孔４０から余分な発泡性樹脂４２を外部に押し出しながら、ケース１２内に発泡性樹脂４２を充填する。
【選択図】図２

Description

この発明は、超音波センサに関し、特にたとえば、自動車のバックソナーなどに用いられる超音波センサに関する。

図６は、従来の超音波センサの一例を示す図解図である。超音波センサ１は、アルミニウムなどで形成された有底筒状のケース２を含む。ケース２内部の底面には、圧電素子３の一方面が接合される。この圧電素子３を覆うようにして、ケース２内部のほぼ全体に、発泡性シリコンなどの発泡性樹脂４が充填されている。さらに、発泡性樹脂４を覆うようにして、ケース２の開口部に、端子５ａ，５ｂを有する基板６が取り付けられる。基板６の両面には、それぞれ端子５ａ，５ｂに接続される電極７ａ，７ｂが形成される。一方の端子５ａは、基板６の内側に形成された電極７ａおよびワイヤ８によって圧電素子３の他方面に接続される。また、他方の端子５ｂは、基板６の外側に形成された電極７ｂおよび半田９によって、ケース２を介して圧電素子２の一方面に接続される。

この超音波センサ１を用いて被検出物までの距離を測定する場合、端子５ａ，５ｂに駆動電圧を印加することにより、圧電素子３が励振される。圧電素子３の振動により、ケース２の底面も振動し、図５に矢印で示すように、底面に直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１に到達すると、圧電素子３が振動して電気信号に変換され、端子５ａ，５ｂから電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１から被検出物までの距離を測定することができる。

この超音波センサ１では、ケース２の内部に発泡性樹脂４が充填されていることにより、ケース２全体の振動を抑制することができる。また、発泡性樹脂４内部に存在する多数の発泡孔によって、ケース２の内側に発生する超音波が散乱・吸収される。それにより、ケース２自体の振動、およびケース２内部にこもる超音波の双方を効率的に抑制することができ、残響特性を改善することができる（特許文献１参照）。

特開平１１−２６６４９８号公報

ケース内に発泡性樹脂を充填するとき、ケースに基板を取り付ける前に、樹脂をケースに入れて発泡させると、発泡性樹脂がケースの開口部側に出てきて、ほとんど内部圧力がかからない。そのため、発泡性樹脂が、ケースの隅部まで均一に充填されない場合がある。ケース内における発泡性樹脂の充填むらが大きいと、残響特性が悪化してしまう。また、ケースに基板を取り付けた後に樹脂を入れて発泡させると、内部圧力が大きくなって発泡性樹脂がケースの内側から基板を押し、基板が変形して、発泡性樹脂が均一に充填されない場合がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、ケース内に発泡性樹脂を均一に充填することができ、良好な特性を得ることができる構造の超音波センサを提供することである。

この発明は、有底筒状のケースと、ケース内部の底面に形成される圧電素子と、圧電素子を覆うようにしてケース内に充填される発泡性樹脂と、ケースの開口部に取り付けられる蓋部材と、圧電素子に電気的に接続されるようにして蓋部材に取り付けられる端子と、蓋部材に形成される貫通孔とを含む、超音波センサである。
蓋部材に貫通孔を形成することにより、圧電素子が形成されたケースに蓋部材を取り付けたのちに、貫通孔から樹脂をケース内に注入することができる。そして、ケース内の樹脂を発泡させることによって、ケース内に発泡性樹脂が充填され、余分な発泡性樹脂は蓋部材に形成された貫通孔から外部に押し出される。それにより、発泡性樹脂には適度な内部圧力がかかってケース内に押し広がり、ケース内に均一に発泡性樹脂を充填することができる。

このような超音波センサにおいて、ケースの開口部断面積をＳｃ、蓋部材に形成される貫通孔の断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ≦５（ｍｍ²）かつ０．０２≦Ｓｈ／Ｓｃ≦０．３の範囲にあることが望ましい。
このような範囲とすることにより、樹脂を発泡させるときに適度な内部圧力がかかり、ケース内に均一に発泡性樹脂を充填することができる。貫通孔の断面積が大きすぎると、ケース内に注入した樹脂を発泡させたとき、貫通孔から発泡性樹脂が容易に押し出され、ケース内の圧力が小さくなって、ケースの隅部まで発泡性樹脂を均一に充填することができない。また、貫通孔の断面積が小さすぎると、ケース内に注入した樹脂を発泡させたとき、貫通孔から発泡性樹脂が押し出されず、内部圧力が大きくなって、蓋部材に変形が生じるとともに、発泡性樹脂が均一に充填されない場合がある。

また、蓋部材は、ケースに固定される軟質の固定部と、固定部内に形成される固定部より硬質の基板とで構成され、基板に端子が取り付けられた構成としてもよい。
蓋部材として硬質の材料を用いれば、端子の固定強度を強くすることができるが、ケースに固定する固定部を比較的軟質の材料で形成しても、端子を取り付ける基板を硬質の材料で形成することにより、端子の固定強度を強くすることができる。

固定部と基板とで蓋部材を構成した場合、ケースと固定部とは嵌合によって固定することができ、固定部と基板とは嵌合によって固定することができる。
ケースと固定部を嵌合によって固定し、固定部と基板とを嵌合によって固定することにより、これらの固定を容易に行うことができる。また、嵌合による固定によって、ケースに対する基板の位置を確定することができ、端子の位置精度を正確なものにすることができる。

また、固定部と基板とで蓋部材を構成した場合、ケースの開口部、固定部および基板を円形に形成し、ケースの開口部、固定部および基板を同心円状に配置することが好ましい。
ケースの開口部、固定部および基板を円形とし、これらを同心円状に配置することにより、固定部から基板に均等な応力が印加される。そのため、ケースおよび固定部に対して基板が位置ずれせず、基板に取り付けられた端子の位置精度が高くなり、設計通りの位置に端子を配置することができる。

この発明によれば、ケース内に樹脂を注入し、発泡させることによって、蓋部材に形成された貫通孔から余分な発泡性樹脂を外部に押し出しながら、適度な内部圧力で発泡性樹脂をケース内部に押し広げることができる。そのため、ケース内において、均一に発泡性樹脂を充填することができ、超音波センサの残響特性を良好なものとすることができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

図１はこの発明の超音波センサの一例を示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。超音波センサ１０は、たとえば有底円筒状のケース１２を含む。したがって、ケース１２は、底面部１２ａと側壁１２ｂとで構成される。ケース１２は、たとえばアルミニウムなどの金属材料で形成される。ケース１２の内側の空洞部１４は、図４に示すように、たとえば両端が円弧状で、その間が直線状の細長い断面形状となるように形成される。したがって、ケース１２の側壁１２ｂの一方の対向部における壁厚は薄く、それと直交する向きの対向部における壁厚は厚くなっている。なお、空洞部１４の形状によって、超音波センサ１０から発せられる超音波の広がり方が決定されるため、所望の特性に応じて、空洞部１４の形状が設計される。

ケース１２の壁厚の厚い部分において、ケース１２の側壁１２ｂの外側に凹部１６が形成される。凹部１６は、ケース１２の開口部側端部から底面部１２ａ側に向かって形成される。凹部１６は、ケース１２の開口部側において浅く形成され、底面部１２ａ側において深く形成される。したがって、凹部１６には、ケース１２の開口部側端部とほぼ平行な段差部１６ａが形成される。この凹部１６は、後述の蓋部材を固定するためのものである。

ケース１２の内部において、底面部１２ａの内面に圧電素子１８が取り付けられる。圧電素子１８は、たとえば円板状や角板状などの圧電体基板の両面に電極を形成したものである。そして、圧電素子１８の一方面側の電極が、導電性接着剤などによって底面部１２ａに接着される。さらに、圧電素子１８の他方面側の電極上には、接着剤層２０を介して、フェルト２２が接着される。フェルト２２は、圧電素子１８からケース１２の内側へ向かう超音波を吸収するために用いられるとともに、後述の発泡性樹脂によって圧電素子１８の振動が妨げられないようにする働きをする。

ケース１２の開口部には、蓋部材２４が取り付けられる。蓋部材２４は、ケース１２に固定するための固定部２６と、固定部２６の中間部に形成される基板２８とで構成される。固定部２６は、たとえばシリコンゴムなどの比較的軟質の樹脂材料で形成される。固定部２６は、ケース１２の外径とほぼ同じ外径を有する円板状に形成される。そして、円板状の固定部２６の対向する部分において、固定部２６の厚み方向に延びるようにして、凸部３０が形成される。凸部３０は、固定部２６側が薄く形成され、固定部２６から離れた部分が厚く形成される。したがって、凸部３０の中間部に、段差部３０ａが形成される。

この固定部２６は、ケース１２の開口部に取り付けられる。このとき、固定部２６をケース１２の開口部に向かって押し当てることにより、固定部２６の凸部３０がケース１２の凹部１６に嵌合される。ここで、凹部１６の段差部１６ａと凸部３０の段差部３０ａとが噛み合うことによって、固定部２６がケース１２に固定される。このとき、固定部２６をシリコンゴムなどの比較的軟質な樹脂材料で形成することにより、固定部２６の凸部３０とケース１２の凹部１６との嵌合が容易となる。

固定部２６の中間部には、たとえば四角形の穴３２が形成される。固定部２６の厚み方向の中間部において、穴３２の内壁部に凸条部２６ａが形成される。凸条部２６ａは、穴３２の周囲を一周するように形成される。この穴３２内に、基板２８が嵌合される。基板２８は、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などのシリコンゴムより硬質の材料で形成される。基板２８は、固定部２６の穴３２の形状に対応した四角形に形成される。そして、凸条部２６ａに対応して、基板２８の周囲に凹条部２８ａが形成される。したがって、基板２８を固定部２６の穴３２に押し込むことにより、固定部２６の凸条部２６ａと基板２８の凹条部２８ａとが嵌まり合い、基板２８が固定部２６に固定される。このような基板２８と固定部２６との嵌合についても、固定部２６を比較的軟質の樹脂材料で形成することにより、容易に行うことができる。

基板２８には、２つの端子孔３４が形成され、これらの端子孔３４に端子３６ａ，３６ｂが圧入される。端子３６ａ，３６ｂは、金属などの導電材料で形成され、蓋部材２４の外側においてクランク状に折り曲げられる。端子３６ａ，３６ｂの折り曲げ部は、超音波センサ１０をプリント基板などに実装するときに、プリント基板に形成された貫通孔に端子３６ａ，３６ｂが落ち込むことを防止し、ケース１２部分がプリント基板から浮いた状態となるようにするためのものである。

ケース１２の内部においては、一方の端子３６ａがワイヤ３８ａを介してケース１２に接続され、ケース１２を介して圧電素子１８の一方面側の電極に電気的に接続される。また、他方の端子３６ｂは、ワイヤ３８ｂを介して、圧電素子１８の他方面側の電極に電気的に接続される。ケース１２、圧電素子１８、端子３６ａ，３６ｂとワイヤ３８ａ，３８ｂとは、たとえば半田付けなどによって接続される。

さらに、固定部２６には、基板２８の両側に、たとえば円形の２つの貫通孔４０が形成される。ここで、ケース１２の開口部断面積をＳｃとし、蓋部材２４の固定部２６に形成される貫通孔４０の断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ≦５（ｍｍ²）かつ０．０２≦Ｓｈ／Ｓｃ≦０．３の範囲となるように形成される。

ケース１２の内部および固定部２６に形成された貫通孔４０の内部には、たとえば発泡性シリコンなどの発泡性樹脂４２が充填される。発泡性樹脂４２は、発泡前の樹脂を貫通孔４０の一方から注入し、加熱発泡硬化させることにより充填される。このとき、貫通孔４０の断面積を上述のような範囲となるように形成しておくことにより、余分な発泡性樹脂４２は貫通孔４０から外側に押し出され、ケース１２内部においては、適当な内部圧力で発泡性樹脂４２が押し広げられる。そのため、ケース１２内部の隅部まで、発泡性樹脂４２を充填することができるとともに、ケース１２内で均一に発泡性樹脂４２を充填することができる。

なお、貫通孔４０の断面積が大きすぎると、ケース１２内に注入した樹脂を発泡させる際に、容易に発泡性樹脂４２が貫通孔４２から外部に押し出され、適当な内部圧力がかからないため、ケース１２内の隅部まで発泡性樹脂４２が充填されない場合がある。また、貫通孔４２の断面積が小さすぎると、ケース１２内に注入した樹脂を発泡させる際に、余分な発泡性樹脂４２が貫通孔４０から押し出されず、蓋部材２４が持ち上げられたり、変形したりして、均一に発泡性樹脂４２が充填されない場合がある。

この超音波センサ１０を自動車のバックソナーなどとして用いる場合、端子３６ａ，３６ｂに駆動電圧を印加することにより、圧電素子１８が励振される。このとき、圧電素子１８の周囲が発泡性樹脂４２で覆われていても、圧電素子１８に接着されたフェルト２２によって、圧電素子１８の振動領域が確保されている。圧電素子１８の振動により、ケース１２の底面部１２ａも振動し、底面部１２ａに直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１０から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１０に到達すると、圧電素子１８が振動して電気信号に変換されて、端子３６ａ，３６ｂから電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１０から被検出物までの距離を測定することができる。

この超音波センサ１０では、ケース１２の内部に発泡性樹脂４２が均一に充填されていることにより、ケース１２全体の振動を抑制することができる。また、圧電素子１８からケース１２の内側に向かう超音波はフェルト２２で吸収されるが、フェルト２２を通り抜けた超音波は、発泡性樹脂４２内部に存在する多数の発泡孔によって散乱・吸収される。それにより、ケース１２自体の振動、およびケース１２内部にこもる超音波の双方を効率的に抑制することができ、残響特性を改善することができる。

このような超音波センサ１０において、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ケース１２の開口部を円形とし、この開口部に比較的軟質の固定部２６を嵌め込むことにより、蓋部材２４を取り付けてもよい。固定部２６は円板状に形成され、周縁部とその内周側に、同心円状の嵌合用凸部２６ｂ，２６ｃが形成される。嵌合用凸部２６ｂ，２６ｃが同心円状に形成されることにより、これらの嵌合用凸部２６ｂ，２６ｃの間に円形の溝が形成される。この溝にケース１２の側壁１２ｂの開口側端部を嵌め込むことにより、固定部２６がケース１２に取り付けられる。なお、ケース１２内部の空洞部１４が円形以外の形状である場合、円形のケース１２の側壁１２ｂの開口側端部から内部へ入り込んだ部分に空洞部１４を形成することにより、ケース１２の側壁１２ｂの開口側端部の形状を円形にすることができる。したがって、空洞部１４の形状にかかわらず、円形の固定部２６をケース１２に取り付けることができる。

さらに、固定部２６の穴３２および固定部２６に取り付けられる基板２８も円形に形成される。また、図５に示す超音波センサ１０では、基板の中央部に貫通孔４０が形成されている。そして、ケース１２の開口部、固定部２６および基板２８が同心円状に配置される。

このように、ケース１２の開口部、固定部２６および基板２８を円形に形成し、かつこれらを同心円状に配置することにより、固定部２６から基板２８にかかる応力が均等になる。そのため、ケース１２および固定部２６に対して基板２８が位置ずれせず、基板２８に取り付けられた端子３６ａ，３６ｂの位置精度が良好となる。したがって、端子３６ａ，３６ｂが設計通りの位置にある超音波センサ１０を得ることができ、超音波センサ１０の自動実装が可能となる。

なお、上述の例では、比較的軟質の固定部２６と、固定部２６より硬質の基板２８とを組み合わせることにより蓋部材２４を形成したが、１種類の材料で蓋部材２４を構成してもよい。この場合、端子３６ａ，３６ｂの固定強度を強くするために、比較的硬質の材料で蓋部材２４を形成することが望ましい。

図１ないし図４に示す構造の超音波センサを作製した。まず、アルミニウム製のケース１２の内側底面に、圧電素子１８を貼り付けた。そして、圧電素子１８とケース１２の側壁にワイヤ３８ａ，３８ｂの一端を半田付けした。また、圧電素子１８には、フェルト２２を接着した。一方、ＰＰＳ製の基板２８に形成した端子孔３４に端子３６ａ，３６ｂを圧入し、基板２８をシリコンゴム製の固定部２６に嵌め込んだ。基板２８に圧入した端子３６ａ，３６ｂにワイヤ３８ａ，３８ｂの他端を半田付けし、ケース１２に固定部２６を嵌め込んだ。そして、固定部２６に形成した貫通孔４０から発泡性シリコンをケース１２内に注入し、６０℃で加熱発泡硬化させた。このとき、貫通孔４０から押し出された発泡性シリコンを取り除き、超音波センサを作製した。このような超音波センサについて、蓋部材２４の固定部２６に形成される貫通孔４０の断面積を変えて、ケース１２内における発泡性シリコンの充填状態を観察し、その良否を判定した。その結果を、表１に示す。

表１の試料番号３，６，７からわかるように、貫通孔４０の断面積Ｓｈが５（ｍｍ²）を超えたり、貫通孔４０の断面積Ｓｈとケース１２の開口部の断面積Ｓｃの比Ｓｈ／Ｓｃが０．３を超えると、発泡性シリコンを発泡させる際に、貫通孔４０から発泡性シリコンが容易に押し出され、ケース１２内の内部圧力が十分に得られないため、ケース１２内において均一に発泡性シリコンを充填することができなかった。また、表１の試料番号１からわかるように、Ｓｈ／Ｓｃが０．０２より小さくなると、余分な発泡性シリコンが貫通孔４０から押し出されず、ケース１２内の内部圧力が高くなって、発泡性シリコンの充填が不均一となり、蓋部材２４の固定部２６が変形した。それに対して、Ｓｈ≦５（ｍｍ²）、０．０２≦Ｓｈ／Ｓｃ≦０．３の範囲では、ケース１２内において、発泡性シリコンが均一に充填された。

図５に示す構造の超音波センサを作製した。ケース１２の開口部、固定部２６および基板２８を円形に形成し、これらを同心円状に配置する以外は、実施例１と同様にして超音波センサを作製した。比較例として、基板２８の形状を楕円形とし、基板２８の長手方向に端子３６ａ，３６ｂを並べて配置した超音波センサを作製した。これらの超音波センサについて、端子３６ａ，３６ｂの位置精度について測定を行なった。端子３６ａ，３６ｂの位置精度については、ケース１２の中心を基準とし、この基準からの端子３６ａ，３６ｂの設計位置に対するずれ量を測定した。ずれ量の測定は、端子３６ａ，３６ｂが並んだ向きと、それに直交する向きの２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）で行なった。測定のサンプル数としては、本発明の超音波センサおよび比較例とも１０個とし、平均値および標準偏差（σｎ−１）を算出して、表２に示した。

表２からわかるように、本発明の超音波センサでは、シリコンゴムで形成された固定部２６に基板２８を嵌め込むだけの簡易な組み立て方法であるにもかかわらず、非常に高い位置精度で端子３６ａ，３６ｂを配置することができた。

この発明の超音波センサの一例を示す平面図である。 図１に示す超音波センサのＡ−Ａ断面図である。 図１に示す超音波センサのＢ−Ｂ断面図である。 図１に示す超音波センサの分解斜視図である。 （Ａ）はこの発明の超音波センサの他の例を示す断面図であり、（Ｂ）はそれに用いられる固定部の平面図であり、（Ｃ）はそれに用いられる基板の平面図である。 従来の超音波センサの一例を示す図解図である。

符号の説明

１０ 超音波センサ
１２ ケース
１４ 空洞部
１６ 凹部
１８ 圧電素子
２４ 蓋部材
２６ 固定部
２８ 基板
３０ 凸部
３６ａ，３６ｂ 端子
４０ 貫通孔
４２ 発泡性樹脂

Claims (5)

1. 有底筒状のケース、
   前記ケース内部の底面に形成される圧電素子、
   前記圧電素子を覆うようにして前記ケース内に充填される発泡性樹脂、
   前記ケースの開口部に取り付けられる蓋部材、
   前記圧電素子に電気的に接続されるようにして前記蓋部材に取り付けられる端子、および
   前記蓋部材に形成される貫通孔を含む、超音波センサ。
2. 前記ケースの開口部断面積をＳｃ、前記蓋部材に形成される前記貫通孔の断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ≦５（ｍｍ²）かつ０．０２≦Ｓｈ／Ｓｃ≦０．３の範囲に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. 前記蓋部材は、前記ケースに固定される軟質の固定部と、前記固定部内に形成される前記固定部より硬質の基板とで構成され、
   前記基板に前記端子が取り付けられた、請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記ケースと前記固定部とは嵌合によって固定され、前記固定部と前記基板とは嵌合によって固定される、請求項３に記載の超音波センサ。
5. 前記ケースの開口部、前記固定部および前記基板は円形に形成され、前記ケースの開口部、前記固定部および前記基板が同心円状に配置された、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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