JP6624697B2 - 音響信号を送受信するための音響センサ - Google Patents

Description

本発明は、音響センサに関するものである。

特に超音波センサ技術の環境における音響センサの構成は時として非常に複雑なものがあり、したがって高コストである。音響センサでは、電気音響変換要素として圧電セラミックディスクが使用されることがある。圧電セラミックディスクは２本の導線を介して接触せしめられ、その際１本の導線は圧電セラミックディスクの上面上で、１本の導線は圧電セラミックディスクの下面でそれぞれ圧電セラミックディスクと溶接されて、これを電気的に接触させている。これは、少なくとも、圧電セラミックディスクを音響センサのハウジング（典型的には、アルミニウムから成る容器状の構成物）内へ接着させる前に行われる。その際、このためには、両導線を、典型的には音響センサ内部の回路基板上にある付属の電子制御装置と結合させることが必要である。この場合、音響センサのすべての構成要素を容器状のハウジング内で位置決めし、接触させることは非常に面倒である。このようにして、すべての構成要素とその接触部とを位置決めするために十分な大きさでなければならないような、音響センサの最小構成サイズが特定される。

特許文献１、特許文献２、特許文献３は、電気音響変換要素が回路基板上に載置されている音響センサを開示している。

独国特許出願公開第１０２００４０２２８３８号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０３８５９７号明細書 独国特許出願公開第３１０３３５７号明細書

本発明による音響センサは、電気音響変換器と、電気信号を誘導するために設置された導電体とを含んでいる。電気音響変換器は板状の変換要素を含み、該板状の変換要素は、該板状の変換要素が電気信号によって励起されたときに音響信号を発するように設置され、および／または、該板状の変換要素が音響信号によって励起されたときに電気信号を発するように設置されている。板状の変換要素は、第１の表面と、該第１の表面に対し平行に、板状の変換要素の、該第１の表面に対向する側に配置されている第２の表面と、変換要素の第１の表面を第２の表面と結合させている第３の表面とを含んでいる。電気音響変換器は、さらに、第１の接触部を含み、該第１の接触部は、板状の変換要素の第１または第２の表面の外周と面一になるように終わっている少なくとも１つの部分、または、少なくとも部分的に板状の変換要素の第１または第２の表面の外周の外側に延在する少なくとも１つの部分を有するように、板状の変換要素の前記表面のうちの少なくとも１つの上に配置されている。導電体は、第１の接触部の外周と接触している接触領域を有し、導電体の接触領域は、第１の表面によって定義される面内にして電気音響変換器とオーバーラップしている範囲の外側に配置されている。電気音響変換器を側方から接触させることが可能になる。

このようにして、音響センサの特にフラットな構成が可能になる。電気音響変換器を側方から接触させるので、第１の接触部を第１の表面から第２の表面へ、或いは、第２の表面から第１の表面へ誘導する必要がなく、これにより板状の変換要素の反対側に同じポテンシャルが印加されることが回避され、これによって板状の変換要素の動作面積が拡大される。加えて、導電体によって電気音響変換器の位置が保持されるので、音響センサ内での電気音響変換器の側部安定化が行われる。第１の接触部は、電気音響変換器の位置決めの際の側部ストッパーとして用いられる。

従属請求項は、本発明の有利な更なる構成を示している。

導電体が導電路であれば有利である。導電路は、付属の表面上に装着されてこの表面に沿って延在する導電体である。このようにして、音響センサの特にフラットな構成が可能になる。導電体の付加的な絶縁部は省略できる。

音響センサが膜を含み、電気音響変換器が膜の表面上に配置されているのも有利である。このようにして、板状の変換要素の自由振動が可能になり、この場合板状の変換要素は、該板状の変換要素の折損を阻止するために膜によっても支持される。

導電体が膜上に配置されているのも有利である。このようにして、導電体は膜とともに振動し、導電体と電気音響変換器との間の確実な接触が保証される。

さらに、音響センサが回路基板を含んでいれば有利である。これにより、音響センサの電子装置の簡潔で信頼性のある配置が可能になる。

さらに、導電体が回路基板上に配置されていれば有利である。これにより音響センサの特に簡潔な構成が可能になり、その際特に、回路基板上での電気音響変換器と付属の電子装置の間の電気結合が確保される。

電気音響変換器が回路基板上に載置されているのも有利である。このようにして、音響センサ内部での電気音響変換器の正確な配置を簡単に達成できる。加えて、音響センサの特にフラットな構成が可能になる。

回路基板が、第１の表面によって定義される面に対し平行に位置し、且つ少なくとも１つの破断部を有し、該破断部が、回路基板の、電気音響変換器とオーバーラップしている領域の内側にあるならば有利である。このようにして、板状の変換要素の自由振動が可能になる。回路基板による音響信号の減衰は最小になり、したがって音響センサの受信感度または送信力が最適化される。

回路基板が、陥凹部を備えた回路基板表面を有し、電気音響変換器が少なくとも部分的にこの陥凹部の内側に配置されているのも有利である。このようにして、音響センサの特にフラットな構成が可能になる。加えて、音響センサ内での電気音響変換器の特に効率的な安定化が行われる。

さらに、第１の接触部が電気音響変換器の第１の表面の全体にわたって延在し、電気音響変換器が、第１の表面によって定義される面内で延在している導電層によって取り囲まれていれば有利である。このようにして、音響センサを電磁放射線から保護する、閉じた導電表面を提供することができる。

同様に、接触領域が、板状の変換要素と共通の面内に配置されていれば有利である。これにより、音響センサの特にフラットな構成が可能になる。

音響センサは、特に、２００ｋＨｚ以下の、特に５０ｋＨｚ以下の周波数範囲で音響信号を送信および／または受信するように設置されている音響センサである。音響センサは、特に超音波センサである。

次に、本発明のいくつかの実施形態を、添付の図面を参照して詳しく説明する。
本発明の第１実施形態による音響センサの横断面図である。 本発明の第２実施形態による音響センサの横断面図である。 本発明の第３実施形態による音響センサの横断面図である。 本発明の第４実施形態による音響センサの横断面図である。 本発明の第５実施形態による音響センサの横断面図である。

図１は、本発明の第１実施形態による音響センサ１を示している。

音響センサ１は板状の変換要素２を含み、板状の変換要素は、電気信号によって励起されたときに音響信号を発するとともに、音響信号によって励起されたときに電気信号を発するように設置されている。板状の変換要素２は、この第１実施形態では、円板状の圧電素子である。板状の変換要素２は、第１の表面２ａと、板状の変換要素の、第１の表面２ａに対向する側で、該第１の表面２ａに対し平行に配置されている第２の表面２ｂと、変換要素２の第１の表面２ａを第２の表面２ｂと結合させている第３の表面２ｃとを含んでいる。第１の表面２ａは、この第１実施形態では、図１に示した板状の変換要素２の配置の場合に上側に位置する円形表面である。第２の表面２ｂは、図１に示した板状の変換要素２の配置の場合に下側に位置する、電気音響変換器２の円形表面である。変換要素２の第３の表面は、円板状の板状変換要素２の非円形表面である。

板状の変換要素２上には、第１の接触部３と第２の接触部１３とが配置されている。第１の接触部３と第２の接触部１３とは導電性材料から形成されている。

第１の接触部３は、第２の表面２ｂの部分範囲と第３の表面２ｃの部分範囲とにわたって延在している。その際、第１の接触部３は第２の表面２ｂの大部分を覆っている。したがって、第１の接触部３は板状の変換要素２の第２の表面２ｂおよび第３の表面２ｃ上に配置されている。第１の接触部３は第２の表面２ｂを越えて延在しているので、すなわち図１で板状の変換要素２の左側に位置している部分を有しているので、第１の接触部３は部分的に第１および第２の表面２ａ，２ｂの外周の外側に延在している。

第２の接触部１３は、第１の表面２ａの部分範囲と、第３の表面２ｃの他の部分範囲とにわたって延在し、第３の表面２ｃのこの他の部分範囲は、第１の接触部３が配置されている第３の表面２ｃの部分範囲とは同一でない。その際、第２の接触部１３は第１の表面２ａの大部分を覆っている。したがって、第２の接触部１３は板状の変換要素２の第１の表面２ａおよび第３の表面２ｃ上に配置されている。第２の接触部１３は第２の表面２ｂを越えて延在しているので、すなわち図１で板状の変換要素２の右側にある部分を有しているので、第２の接触部１３は部分的に第１および第２の表面２ａ，２ｂの外周の外側に延在している。

板状の変換要素２と、第１の接触部３と、第２の接触部１３とは、協働して１つの電気音響変換器を形成している。電気音響変換器は、第１の表面２ａによって定義される面内で範囲６にわたって延在している。

音響センサ１は膜７を含んでいる。電気音響変換器はこの膜７の表面上に配置されている。膜７は、板状の変換要素２の第１の表面２ａに対し平行に延在している。その際、第２の接触部１３は、板状の変換要素２とは逆の側の表面でもって膜７と接触している。電気音響変換器は膜７と接着されている。膜７の、電気音響変換器の側にある表面に沿って、第１の導電路４と第２の導電路１４とが延びている。

第１の導電路４と膜７との間には、絶縁部１０が配置されている。第１の導電路４は第１の接触領域５を有し、第１の接触領域は電気音響変換器３の外周と接触し、電気音響変換器はこの個所で第１の接触部３によって形成される。したがって、電気信号が第１の導電路４と第１の接触部３とを介して板状の変換要素２へ流れることが可能になる。第１の表面２ａによって定義され、図１で左側から右側へ延びている面を見ると、第１の導電路４の第１の接触領域５は、電気音響変換器とオーバーラップしている範囲６の外側に配置されている。しかしながら、第１の接触部３と第１の導電路４との間の接触を可能にするため、第１の接触領域５は、第１の表面に垂直な方向において電気音響変換器とオーバーラップしている。したがって、図１によれば、電気音響変換器は側方から、ここでは左側から接触せしめられる。

第２の導電路１４と膜７との間には絶縁部１０は配置されていない。第２の導電路１４は第２の接触領域１５を有し、第２の接触領域は電気音響変換器３の外周と接触し、電気音響変換器はこの個所で第２の接触部１３によって形成される。したがって、電気信号が第２の導電路１４と第２の接触部１３とを介して板状の変換要素２へ流れることが可能になる。第１の表面２ａによって定義される面を見ると、第２の導電路１４の第２の接触領域１５は、電気音響変換器とオーバーラップしている範囲６の外側に配置されている。しかしながら、第２の接触部１３と第２の導電路１４との間の接触を可能にするため、第２の接触領域１５は、第１の表面２ａに垂直な方向において電気音響変換器とオーバーラップしている。したがって、図１によれば、電気音響変換器は側方から、ここでは右側から接触せしめられる。

第１の導電路４と第２の導電路１４とは電子装置と連結され、電子装置により、板状の変換要素２を送信段階で振動させる電気信号を発生させることができる。これに加えて、板状の変換要素２が音響信号によって振動せしめられるときに該板状の変換要素２によって受信段階で発生される電気信号を処理するために電気回路が設置されている。

図２は、本発明の第２実施形態による音響センサ１を示している。第２実施形態の電気音響変換器１は、第１実施形態の電気音響変換器１に対応しており、この場合第２実施形態の電気音響変換器は板状の変換要素２および第１の接触部３のみを含み、第２の接触部１３を含んでいない。電気音響変換器は、第２実施形態でも膜７上に配置されている。その際、板状の変換要素２の第１の表面２ａは全面が膜７と接触している。膜７は、導電性があり、または、電気音響変換器の側に導電性のコーティング部を有している。

さらに、電気音響変換器の側にある膜７の表面に沿って、回路基板８が配置されている。回路基板８が配置されている、膜７の表面の領域は、電気音響変換器が配置されている膜７の表面の領域と交わっていない。したがって、回路基板８は、第１の表面２ａによって定義される面内において、電気音響変換器とオーバーラップしている範囲６の外側に配置されている。回路基板８は、電気音響変換器の厚さよりも薄い厚さを有している。回路基板８上に第１の導電路４が配置されている。第１の導電路４は、回路基板８の、膜７とは逆の側に配置されている。第１の導電路４は、回路基板８の、電気音響変換器の側にある縁領域まで延在し、回路基板８と面一になって終わっている。その際、回路基板８は、よって第１の導電路４の第１の接触領域５は、第１の接触部３に直接境を接している。第１の接触部３と第１の導電路４とは互いに直接に境を接しているので、これら要素間に電気接触がある。

板状の変換要素２の励起は、或いは、板状の変換要素２が音響信号によって励起されたときの電気信号の転送は、本発明の第１実施形態に対応して行われる。しかしながら、電気音響変換器は第２の接触部を有していないので、第２の接触部１３の課題は、導電性の膜７、または、この膜７の、導電性のコーティング部が受け持つ。

図３は、本発明の第３実施形態による音響センサ１の横断面図である。この場合、電気音響変換器は第１実施形態の電気音響変換器に対応している。電気音響変換器は、第１実施形態に対応して膜７に配置されている。

この第３実施形態では、回路基板８は同様に板状の変換要素２の第１の表面２ａに対し平行に配置されているが、しかし膜７から見て、電気音響変換器後方の面内にある。第１の導電路４と第２の導電路１４とは回路基板８上に配置されている。その際、第１の導電路４と第２の導電路１４とは回路基板８の電気音響変換器側に配置されている。電気音響変換器は、第１の接触部３でもって第１の導電路４上に載置されている。電気音響変換器は、さらに、第１の接触部３によって覆われない、板状の変換要素２の部分領域でもって、第２の導電路１４上に載置されている。この第３実施形態でも、電気音響変換器の側方接触が行われる。これは第１の蝋付け個所１１ａを介して行われ、第１の蝋付け個所は、本発明のこの第３実施形態では、第１の接触部３の外周と接触している導電体４を形成している。対応的に、第２の蝋付け個所１１ｂは、第２の接触部１３の外周と接触している第２の導電体を形成している。

回路基板８はさらに貫通穴１２を有し、貫通穴は、回路基板８の膜７側を、回路基板８の、膜８とは逆の側と結合させている。貫通穴１２は、回路基板８の、膜７から見て電気音響変換器によって覆われる領域にある。このようにして、電気音響変換器が膜７と一緒に自由に振動することが可能になる。

図４は、本発明の第４実施形態による音響センサ１の横断面図である。第４実施形態の電気音響変換器は、第１および第３の実施形態の電気音響変換器に対応している。第４実施形態の電気音響変換器は、第１および第３の実施形態の電気音響変換器に対応して膜７に配置されている。

第４実施形態による音響センサ１は、同様に回路基板８を含んでいる。しかしながら、この第４実施形態での回路基板８は陥凹部を有し、電気音響変換器は少なくとも部分的にこの陥凹部内に配置されている。第１の接触部３の外周と接触している本発明による導電体は、本発明の第１および第２の実施形態におけるように第１の導電路４によって形成される。

回路基板８は、膜７に対し平行に配置され、膜７の、電気音響変換器と同じ側にある。膜７の側にある、回路基板８の表面は、電気音響変換器が設けられている領域で沈下している。回路基板８は、電気音響変換器がその膜７とは逆の側でもって陥凹部９内にあるように配置されている。その際、電気音響変換器は全体または一部のみが回路基板８内に沈降している。

第１の導電路４は、陥凹部の外側で回路基板８の表面上に延在しており、回路基板の表面８に従って陥凹部９の中へ入り込んでいる。導電路４は、陥凹部の最深点に達する個所に終端を有している。したがって、陥凹部の縁領域のみが導電路４によって覆われる。陥凹部９の反対側には、第２の導電路１４が適当な態様で配置されている。なお、陥凹部９は、電気音響変換器の横で第１の導電路４および第２の導電路１４の接触領域もこの場所に位置を占めるような大きさに選定されていることに留意すべきである。電気音響変換器は陥凹部９内に次のように配置され、すなわち第１の接触部３が第１の導電路４と接触し、第２の接触部１３が第２の導電路１４と接触するように、配置されている。第３実施形態と同様に、回路基板８は、膜７から見て電気音響変換器によって覆われる破断部を有している。

したがって、第１の接触領域５と第２の接触領域１５とは、板状の変換要素２と共通の面内に配置されている。

図５は、本発明の第５実施形態による音響センサ１を示している。第５実施形態の板状の変換要素２は、第１ないし第４実施形態の板状の変換要素２に対応している。

板状の変換要素２上には、第１の接触部３と第２の接触部１３とが配置されている。第１の接触部３は、この第５実施形態では、第１の表面２ａの全体と第３の表面２ｃの部分範囲とにわたって延在している。第２の接触部１３は、第２の表面２ｂの部分範囲と、第３の表面２ｃの前記部分範囲とは異なる第３の表面２ｃの他の部分範囲とにわたって延在し、この他の部分範囲内に第１の接触部１３が配置されている。第１の接触部３は第２の接触部１３と接触していない。

板状の変換要素２と、第１の接触部３と、第２の接触部１３とは、協働して１つの電気音響変換器を形成している。電気音響変換器は、第１の表面２ａによって定義される面内で範囲６にわたって延在している。電気音響変換器は、膜７の表面上に配置されている。その際第１の接触部３は、板状の変換要素２とは逆の側の表面でもって膜７と接触している。

音響センサ１は、この第５実施形態では、板状の変換要素２と共通の面内にある回路基板８を含んでいる。このため、回路基板８は、膜７側にある側面と、膜７とは逆の側にある側面との間に、貫通穴１２を有している。貫通穴１２は電気音響変換器２の周部に対応して実施されており、電気音響変換器はこの貫通穴１２内に正確に嵌合するように、または小さな遊びをもって配置されている。したがって、回路基板８は範囲６の外側に延在している。

回路基板８の、膜７側にある側面は、導電層で完全に覆われている。回路基板８上には第１の導電路４が配置されている。第１の導電路４は、回路基板８の、膜７とは逆の側に配置されている。スルーホール接触部１７により、第１の導電路４と導電層１６との間に導電性結合部がある。第１の導電路４は、回路基板８の、電気音響変換器側にある縁領域まで延在して、回路基板８と面一になって終わっている。その際回路基板８は、よって第１の導電路４は、直接第１の接触部３に境を接している。第１の接触部３と第１の導電路４とはこの個所で互いに蝋付けされている。したがって、第１の接触部３と第１の導電路４との間の電気接点は、この実施形態の接触領域５にある。

回路基板８上には、さらに第２の導電路１４が配置されている。第２の導電路１４は、同様に回路基板８の、膜７とは逆の側に配置されている。第２の導電路１４は、回路基板８の、電気音響変換器側にある縁領域まで延在して、回路基板８と面一になって終わっている。その際、回路基板８と第２の導電路１４とは直接第２の接触部１３に境を接している。第２の接触部１３と第２の導電路１４とはこの個所で互いに蝋付けされている。したがって、第２の接触部１３と第２の導電路１４との間の電気接点は、この実施形態の接触領域１５にある。

したがって、導電層１６が第１の接触部３とともに、膜７に沿って延在する連続的な導電面を生じさせることは明らかである。電気音響変換器が回路基板８に境を接している領域にのみ小さな隙間が発生し得る。というのは、第１の接触領域５と第２の接触領域１５とが、回路基板８の、膜７とは逆の側に配置されているからである。したがって、膜７の側から音響センサ１内へ放射される電磁放射線から音響センサ１を保護するような保護層が提供される。この場合、第１の導電路が導電層１６とともにシャーシグラウンドに接続されていれば特に有利である。

すべての実施形態において、膜７はオプションで先細り部１８を有していてよい。先細り部は、膜７が電気音響変換器を周回するように膜７の表面にわたって延在する。したがって膜の減衰が小さくなり、音響センサ１の効率が上昇する。なお、複数の実施形態で説明した蝋付けの代わりに他の結合も実施されていてよいことを指摘しておく。択一的な例は、たとえばボンド結合または溶接である。

１ 音響センサ
２ 板状の変換要素
２ａ 板状の変換要素の第１の表面
２ｂ 板状の変換要素の第２の表面
２ｃ 板状の変換要素の第３の表面
３ 第１の接触部
４ 導電体
５ 接触領域
６ 電気音響変換器とオーバーラップしている範囲
７ 膜
８ 回路基板
９ 陥凹部
１２ 貫通穴
１６ 導電層

Claims (8)

1. 電気音響変換器を含む音響センサ（１）であって、
   前記電気音響変換器が、板状の変換要素（２）を含み、該板状の変換要素は、該板状の変換要素が電気信号によって励起されたときに音響信号を発するように設置され、および／または、該板状の変換要素が音響信号によって励起されたときに電気信号を発するように設置され、
   前記板状の変換要素が、
   −第１の表面（２ａ）と、
   −前記第１の表面（２ａ）に対し平行に、前記板状の変換要素（２）の、該第１の表面（２ａ）に対向する側に配置されている第２の表面（２ｂ）と、
   −前記変換要素（２）の前記第１の表面（２ａ）を前記第２の表面（２ｂ）と結合させている第３の表面（２ｃ）と、
   を含み、
   前記電気音響変換器が、さらに、第１の接触部（３）を含み、該第１の接触部は、前記板状の変換要素（２）の前記第１または第２の表面（２ａ，２ｂ）の外周と面一になるように終わっている少なくとも１つの部分、または、少なくとも部分的に前記板状の変換要素（２）の前記第１または第２の表面（２ａ，２ｂ）の外周の外側に延在する少なくとも１つの部分を有するように、前記板状の変換要素（２）の前記表面（２ａ，２ｂ，２ｃ）のうちの少なくとも１つの上に配置され、
   前記音響センサ（１）が、さらに、前記第１の表面（２ａ）と平行に配置された回路基板（８）と、前記電気信号を誘導するために前記回路基板（８）上に設置された導電体（４）と、表面が前記電気音響変換器に接触する膜（７）と、を含み、
   前記導電体（４）が、前記第１の接触部（３）の外周に側方から接触している接触領域（５）を有し、
   前記膜（７）から前記電気音響変換器、前記回路基板（８）、及び前記導電体（４）を見て、前記回路基板（８）の少なくとも一部及び前記導電体（４）の前記接触領域（５）が、前記膜（７）が前記電気音響変換器とオーバーラップしている範囲（６）の外側に配置されているとともに、前記膜（７）によってオーバーラップされている
   ことを特徴とする音響センサ（１）。
2. 前記導電体（４）が導電路である
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響センサ（１）。
3. 前記導電体（４）が前記膜（７）上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の音響センサ（１）。
4. 前記電気音響変換器（２）が前記回路基板（８）上に載置されている
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の音響センサ（１）。
5. 前記回路基板（８）が、少なくとも１つの貫通穴（１２）を有し、該貫通穴が、前記回路基板（８）の、前記電気音響変換器とオーバーラップしている領域の内側にある
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の音響センサ（１）。
6. 前記回路基板（８）が、陥凹部（９）を備えた回路基板表面を有し、前記電気音響変換器が少なくとも部分的にこの陥凹部（９）の内側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の音響センサ（１）。
7. 前記第１の接触部（３）が前記電気音響変換器（２）の前記第１の表面（２ａ）の全体にわたって延在し、前記電気音響変換器（２）が、前記第１の表面（２ａ）によって定義される面内で延在している導電層（１６）によって取り囲まれている
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の音響センサ（１）。
8. 前記接触領域（５）が、前記板状の変換要素（２）と共通の面内に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の音響センサ（１）。
   

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