(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底板および側壁を有する有底筒状のケースと、
前記ケース内で前記底板上に配置されている圧電素子と、
前記ケース内で前記圧電素子を覆うように前記ケース内の少なくとも一部に充填されている充填樹脂とを備え、
前記ケースの内面のうち少なくとも前記充填樹脂が接している面が粗面となっており、前記側壁の内面が粗面となっており、前記充填樹脂が前記側壁の内面に接している、超音波センサ。
【請求項２】
底板および側壁を有する有底筒状のケースと、
前記ケース内で前記底板上に配置されている圧電素子と、
前記ケース内で前記圧電素子を覆うように前記ケース内の少なくとも一部に充填されている充填樹脂とを備え、
前記ケースの内面のうち少なくとも前記充填樹脂が接している面が粗面となっており、前記粗面の表面粗さＲａは１．３μｍ以上２．２μｍ以下である、超音波センサ。
【請求項３】
前記側壁の内面が粗面となっている、請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記底板の内面が粗面となっている、請求項１から３のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記粗面はサンドブラスト加工によって形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記ケースはアルミニウム合金によって形成されている、請求項１から５のいずれかに記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象物の接近の有無や、対象物との距離の測定に超音波センサが使用される場合がある。従来技術に基づく超音波センサの一例が国際公開ＷＯ２０１３／０５１５２５Ａ１（特許文献１）に記載されている。この超音波センサにおいては、有底筒状のケースの内部に圧電素子が配置されている。圧電素子は平板状であり、ケースの底面に配置されている。圧電素子の両面に電圧を印加することができるように配線が施されている。この種の超音波センサは、超音波の送信と受信とを行なうことができる。超音波の送信時には、平板状の圧電素子に電圧が印加されることで圧電素子が面方向に振動し、この振動が伝わることによってケースの底板が面に垂直な方向に振動する。ケースの底板の振動によって超音波が外部に放出される。超音波の受信時には、外部から到達した超音波によってケースの底板が振動し、この振動が圧電素子における面方向の振動として圧電素子に伝わる。これによって電位変化が生じ、電気的に検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３／０５１５２５Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、この種の超音波センサが使用される際には、一定時間の送信時間の後に、休止時間が設けられ、この間に受信が行なわれる。すなわち、一定時間にわたって圧電素子に電位変化を与えて圧電素子を振動させ続けた後、電位変化を与えることをやめ、その後は、受信によって圧電素子に生じる振動を電気的に検出することとなる。しかし、送信時に圧電素子から発生する振動は、ケースの底板を振動させるだけでなく、同時にケースの側壁も振動させる。圧電素子への電位変化供給をやめた後も、ケースの側壁は振動を続けている場合がある。このようにケースに残存する振動を「余韻振動」ともいう。余韻振動が続く時間のことを「残響時間」ともいう。対象物との距離が短い状態で超音波センサによる測定を行なう場合には、超音波センサから放出されて対象物で反射して返ってくる超音波が早期に超音波センサに到達するので、残響時間が終わらないうちに受信が行なわれる場合がある。受信の際に、本来検出すべきは対象物で反射して戻ってきた超音波（以下、「反射波」という。）によって底板に生じた振動であるが、残響時間が経過しないうちに反射波が底板に到達すると、反射波によって生じた振動が元々あった余韻振動に埋もれてしまう。こうなると、超音波センサの検知特性は劣化し、最悪の場合には、反射波が検知できなくなってしまう。【０００５】
対象物までの距離が短くても超音波センサによって良好な検知特性を得るためには、残響時間をできるだけ短くすることが求められる。【０００６】
そこで、本発明は、感度を維持しつつ、残響時間を短くした超音波センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に基づく超音波センサは、底板および側壁を有する有底筒状のケースと、上記ケース内で上記底板上に配置されている圧電素子と、上記ケース内で上記圧電素子を覆うように上記ケース内の少なくとも一部に充填されている充填樹脂とを備え、上記ケースの内面のうち少なくとも上記充填樹脂が接している面が粗面となっている。これにより、超音波センサの感度を維持しつつ、残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。【０００８】
上記発明において好ましくは、上記側壁の内面が粗面となっている。これにより、ケースの側壁の制振性が向上し、残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。【０００９】
上記発明において好ましくは、上記底板の内面と上記側壁の内面との全面が粗面となっている。これにより、より残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。【００１０】
上記発明において好ましくは、上記粗面の表面粗さＲａは１．３μｍ以上２．２μｍ以下である。これにより、超音波センサの感度を低下せずに、残響特性を向上させることができる。【００１１】
上記発明において好ましくは、上記粗面はサンドブラスト加工によって形成されている。これにより、ケースに所望の粗面を容易に形成することができる。【００１２】
上記発明において好ましくは、上記ケースはアルミニウム合金によって形成されている。これにより、ケースが加工しやすくなり、所望の粗面を容易に形成することができる。また、ケースをこのような材料で形成することにより、超音波センサ全体としての軽量化も図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、感度を維持しつつ、残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に基づく実施の形態１における超音波センサの断面図である。
【図２】ケース内面にサンドブラスト加工を行なわない場合のケース底面のプロファイルを示すグラフである。
【図３】ケース内面にサンドブラスト加工を行なって表面粗さＲａを２．０２μｍとした場合のケース底面のプロファイルを示すグラフである。
【図４】表面粗さと残響時間との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に基づく実施の形態２における超音波センサの断面図である。
【図６】表面粗さと共振周波数の基準からの変動値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施の形態１）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１における超音波センサについて説明する。以下では図１における上下関係を基準に説明するが、ここでいう上下は絶対的な上下を意味するものではなく、あくまで説明の便宜のためのものであり、図１に示した姿勢の中での上下である。
【００１６】
本実施の形態における超音波センサ１０１は、ケース２と、圧電素子３と、吸音材４と、補強材５と、ダンパ７と、充填樹脂８と、フレキシブル基板９と、端子保持部材１０と、ピン端子１１，１１と、リード線１２，１２とを備えている。
【００１７】
ケース２は、たとえば弾性率が高くて軽量なアルミニウムからなる。ケース２は、たとえば鍛造により形成されている。ケース２は、一方の端面が閉塞し、他方の端面が開口する有底筒状である。ケース２の外形は、底面は直径１５．５ｍｍであり、高さが９．０ｍｍである。ケース２は、たとえば円板状の底板２ａと、筒状の側壁２ｂとを有する。ケース２の開口はたとえば平面視したとき円形である。側壁２ｂは薄肉の部分と厚肉の部分とを含む。側壁２ｂのうち開口側の部分は薄肉であって、底板２ａ側の部分は厚肉である。したがって、側壁２ｂにおける開口側の部分の内径（直径１４．５ｍｍ）よりも側壁２ｂにおける底板２ａ側の部分の内径（直径１２．０ｍｍ）のほうが小さい。底板２ａは、中央近傍に凹部を有する。凹部の深さは、たとえば０．４９ｍｍである。なお、ケース２の材料は、アルミニウムのような導電性材料に限られず、絶縁性材料であってもよい。ケース２の底板２ａの内面およびケースの側壁２ｂの内面には、ケースの側壁の外面よりも表面粗さが大きい粗面となるように、微細な凹凸が形成されている。ケースの内面のうち少なくとも充填樹脂が接している面が粗面となっている。
【００１８】
圧電素子３は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子３は、円板形状の圧電体と、圧電体の互いに反対を向く主面にそれぞれ設けられている１対の電極とを有する。圧電素子３は、平板状であり、１対の電極に駆動電圧が印加されることにより面内方向に「広がり振動」をする。圧電素子３は、ケース２の凹部に配置されていて、底板２ａに接合されている。具体的には、圧電素子３は、１対の電極の一方が凹部の底面部に接触するように、ケース２に接合されている。
【００１９】
圧電素子３および底板２ａは、互いに接合されてバイモルフ振動子を構成している。このバイモルフ振動子は、圧電素子３の広がり振動によって、屈曲振動することになる。そのため、底板２ａがケース２の主たる振動領域となる。
【００２０】
吸音材４は、たとえばポリエステルフェルトからなる。吸音材４は、たとえば平板状である。吸音材４は、圧電素子３を覆うように設けられている。吸音材４は、圧電素子３からケース２の開口側に放出される不要な音波を吸収するために設けられている。
【００２１】
補強材５は、中央に開口が設けられているリング状の部材であり、高い音響インピーダンスを有する。補強材５は、ケース２を構成する材料よりも密度が高くかつ剛性が高い材料からなり、おもりとして機能する。補強材５の材料としては、たとえばステンレス鋼や亜鉛などであってもよい。なお、補強材５は、厚みなどのサイズを調整することによってケース２と同じ材料（アルミニウム）からなるものであってもよい。補強材５は、吸音材４から離間して、吸音材４の上方に設けられている。補強材５は、ケース２の内面に設けられた段差によって保持されている。具体的には、補強材５は、側壁２ｂの厚肉の部分の内面に接して配置されている。このように補強材５が設けられていることにより、ケース２の剛性が高まり、ケース２の底板２ａにおける振動がケース２の側壁２ｂへ伝わることを抑制できる。補強材５によってケース２の内部空間が区画されることによって吸音材４の周囲は空洞１３となっている。
【００２２】
ダンパ７は、シリコーンゴムやウレタン樹脂などの弾性体からなるカップ状の部材である。ダンパ７は、補強材５の開口に係合する凸部と、凸部から上側に延在して設けられており、端子保持部材１０が係合する開口とを有する。
【００２３】
リード線１２，１２の一端部は、後述のフレキシブル基板９と接続されており、ダンパ７の中に挿入され、ケース２の開口内に配置されている。リード線１２，１２の他端部は、ケース２の外部に配置され、端子保持部材１０が接続されている。
【００２４】
端子保持部材１０は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの樹脂からなるＬ字状の部材である。端子保持部材１０の中央部には、ピン端子１１，１１が挿通される２つの貫通孔が設けられている。
【００２５】
ピン端子１１，１１は、圧電素子３の駆動電圧が印加される金属製の直線状ピンであり、端子保持部材１０によって保持されている。具体的には、ピン端子１１，１１は端子保持部材１０の貫通孔にそれぞれ挿入され、リード線１２，１２とそれぞれ接続されている。
【００２６】
フレキシブル基板９は、幅広な帯状であり、リード線１２，１２と圧電素子３とを電気的に接続している。フレキシブル基板９は、第一端と第二端とを有する。第一端は、リード線１２，１２に接続されている。第二端は、圧電素子３の電極に導電性接着剤により接続されている。フレキシブル基板９は、ケース２の開口内に屈曲して配置されている。
【００２７】
充填樹脂８は、シリコーン樹脂やウレタン樹脂などの弾性体からなる。充填樹脂８は、ケース２の内部で圧電素子３を覆うようにケース２の内部の少なくとも一部に充填されている。具体的には、充填樹脂８は、ケース２の内部空間のうち補強材５よりも上側の全体に充填されている。充填樹脂８は、ケース２の開口内に配置されている補強材５、ダンパ７、リード線１２，１２の一方の先端部およびフレキシブル基板９を封止している。
【００２８】
充填樹脂８は、ケース２の側壁２ｂの振動を抑制する機能を有しているとともに、リード線１２，１２およびダンパ７がケース２から離脱することを防止する機能も有している。
【００２９】
なお、ダンパ７は振動を伝搬し難いものであればさらに好適である。充填樹脂８はケース２の側壁２ａの振動を抑制（制振）するものであればさらに好適である。ダンパ７は、充填樹脂８に比べて弾性率が低いことが好ましい。さらに詳しくは、弾性率には貯蔵弾性率と損失弾性率があり、ダンパ７は貯蔵弾性率が小さく、充填樹脂８は損失弾性率が大きいことが好ましい。たとえば、ダンパ７はシリコーン樹脂（シリコーンゴム）からなることが好ましい。充填樹脂８はウレタン樹脂からなることが好ましい。
【００３０】
本実施の形態によれば、ケースの内面のうち少なくとも充填樹脂が接している面が粗面となっているので、超音波センサの感度を維持しつつ、残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。この効果を検証するために、実験１として以下の実験を行なった。
【００３１】
（実験１）
実験１としては、粗面形成の有無および程度による効果を確認する。以下に、本実験で用いた試料である条件番号１〜６の超音波センサについて詳述する。
【００３２】
まず、同じ条件で製造した複数のケースを用意した。このうち、条件番号１のケースには追加工は行なわなかった。条件番号２〜６のケースの底板における内面およびケースの側壁における内面（以下、単に「ケースの内面」という。）には、それぞれ異なる条件でサンドブラスト加工により粗面の形成を行なった。表１に各条件番号におけるケースへのサンドブラスト条件と表面粗さＲａとを示す。ここでいう表面粗さは、ケースの内面の粗さである。条件番号１の表面粗さＲａは、１．０μｍであった。条件番号２〜６の表面粗さＲａは、それぞれ、順に１．３μｍ、１．６μｍ、２．０μｍ、２．２μｍ、２．５μｍであった。
【００３３】
【表１】
0006493415.tif 000002
【００３４】
図２に、条件番号１のケースの底板における内面の位置に対する表面粗さプロファイルを示す。図３に、条件番号５のケースの底板における内面の位置に対する表面粗さプロファイルを示す。横軸は、図１において、ケースの底板における内面の距離Ｔ１である。図１におけるＴ１の左端が位置０μｍに相当し、図１におけるＴ１の右端が位置１２００μｍに相当する。図２と図３とを比較すると、サンドブラスト加工を行った条件番号５のほうが、条件番号１よりも、ケースの底板における内面の凹凸の幅が細かく、凹凸の深さのばらつきも大きいことがわかる。次に、上述のケースを用いて実施の形態１の超音波センサと同じ構成の超音波センサ（条件番号１〜６）を組み立てた。これらの超音波センサをたとえば周波数４０．０ｋＨｚで駆動し、オシロスコープで残響時間を計測した。条件番号１〜６の超音波センサは、ケース以外の部材に関しては同一である。また、測定条件についても全て同一である。
【００３５】
各条件につき、用意した試料で５回の実験を行ない、得られた残響時間の平均値を当該条件に対応する残響時間の長さとした。結果をまとめると、図４のようになった。条件番号１〜６の残響時間は、それぞれ、順に１．７７ｍｓｅｃ、１．７１ｍｓｅｃ、１．６３ｍｓｅｃ、１．６０ｍｓｅｃ、１．５７ｍｓｅｃ、１．５２ｍｓｅｃであった。したがって、ケースの内面の表面粗さＲａが大きくなればなるほど残響時間が短くなることがわかった。
【００３６】
このことから、超音波センサにおいて、ケース２の内面を粗面化しないものに比べて粗面化したものにおいては、残響時間が短くなるといえる。ケース２の内面のうち充填樹脂８が接している面が粗面となっていることにより、ケース２における制振性が向上して、残響を早期に抑えることができていると考えられる。したがって、本実施の形態における超音波センサは、残響時間を短くした超音波センサとなる。
【００３７】
（実験２）
発明者は、実験１の試料を利用して、実験２として各表面粗さにおける共振周波数を調べた。なお、基準となる共振周波数は条件番号１の共振周波数である。その結果、ケース２の内面に設ける粗面の表面粗さと共振周波数との関係は、図６に示すようになった。条件番号２〜６の共振周波数の基準からの変動値は、それぞれ、順に−０．１０ｋＨｚ、−０．２８ｋＨｚ、−０．３６ｋＨｚ、−０．５０ｋＨｚ、−１．０３ｋＨｚであった。発明者は、表面粗さＲａを大きくした試料においては、共振周波数が本来の値である４０．０ｋＨｚから外れて変動していることを見出した。図６に示すように、表面粗さＲａを大きくすればするほど共振周波数は小さくなることがわかった。また、表面粗さＲａを順に上げていったときに表面粗さＲａが２．２μｍ以下の試料に比べて、表面粗さＲａが２．２μｍより大きくなっている試料、たとえば表面粗さＲａが２．５μｍである試料においては、共振周波数が特に大幅に変動して小さくなっていることがわかった。共振周波数が小さくなると、感度が低下するので、残響特性が向上したとしても、超音波センサ全体としての特性は劣化してしまう。
【００３８】
図４からすれば、残響時間を短くするためにはケース２の内面の表面粗さＲａは大きくすればよいことがわかっているが、図６に示される傾向からすると、表面粗さＲａを大きくしすぎた場合には、共振周波数の変動幅の拡大という弊害をもたらすことがわかる。したがって、超音波センサの感度を維持しつつ、残響時間が短くなった超音波センサを実現するためには、粗面の表面粗さＲａは１．３μｍ以上２．２μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
（実施の形態２）
図５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における超音波センサについて説明する。本実施の形態における超音波センサ１０２の構成は、基本的には実施の形態１で説明した超音波センサ１０１の構成と同様であるが、以下の点で異なる。
【００４０】
超音波センサ１０２においては、ケース２の内部に、吸音材４、補強材５、およびダンパ７が配置されていない。また、ケース２の内部に空洞１３が設けられていない。ケース２の内部で底板２ａに接するように配置された圧電素子３を覆うように充填樹脂８が充填されている。ケース２の内面のうち少なくとも充填樹脂８が接している面が粗面となっている。したがって、本実施の形態では、ケース２の内面の少なくともほとんど全てが粗面となっている。
【００４１】
たとえば底板２ａの内面と側壁２ｂの内面との両方にわたって粗面となっていることが好ましい。
【００４２】
本実施の形態では、実施の形態１よりも残響時間が短くなった超音波センサを実現することができる。
【００４３】
なお、前記粗面はサンドブラスト加工によって形成されていることが好ましい。実施の形態１の実験で既に示したように、サンドブラスト加工を採用した場合、ケース２の内面に簡単に粗面を形成することができるからである。
【００４４】
ケース２はアルミニウム合金によって形成されていることが好ましい。この構成を採用することにより、ケース２は加工しやすいものとなり、所望の粗面を形成しやすいからである。また、ケース２をこのような材料で形成することにより、超音波センサ全体としての軽量化も図ることができる。
【００４５】
なお、上記各実施の形態では、ケース２からの電気的引出しがリード線１２、ピン端子１１などによって行なわれている例を示したが、電気的引出しは他の構成によって実現されていてもよい。
【００４６】
なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００４７】
２  ケース、２ａ  底板、２ｂ  側壁、３  圧電素子、４  吸音材、５  補強材、７  ダンパ、８  充填樹脂、９  フレキシブル基板、１０  端子保持部材、１１  ピン端子、１２  リード線、１３  空洞、１０１，１０２  超音波センサ。
【図１】
0006493415.tif 000003
【図２】
0006493415.tif 000004
【図３】
0006493415.tif 000005
【図４】
0006493415.tif 000006
【図５】
0006493415.tif 000007
【図６】
0006493415.tif 000008