(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞を有するケースの底部に振動板を形成し、当該振動板の内面に圧電振動素子を接合させた超音波センサにおいて、
前記ケースの外周部の内周面のうち前記振動板と接する領域の少なくとも一部に、前記振動板の内面と平行な方向に沿って凹部を設けることにより、前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域の厚みを均一にするとともに、前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域の、前記凹部を設けた方向での直径をケースの外周部の内径よりも大きくしたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記凹部の断面は、前記ケースの外周面に向かうに従って高さが次第に小さく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。
【請求項３】
前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域は、ある方向において最大直径となり、最大直径となる方向と直交する方向において最小直径となることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記最小直径は、前記ケースの外周部の内径に等しいことを特徴とする、請求項３に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波センサ関し、特に防滴型の超音波センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行うものであり、圧電振動素子から超音波パルス信号を間欠的に送信し、前方に存在する被検出物体からの反射波を圧電振動素子で受信することにより物体を検知するものである。この種の超音波センサとしては、従来より図１に示す構造のものが用いられている。すなわち、この超音波センサ１は、金属で形成された有底筒状ケース２の底面が振動板３となっており、振動板３の内面に圧電振動素子４が貼り付けられた構造となっている。圧電振動素子４からの電気的引き出しは、リード線５、６によって行われる。一方のリード線５は、半田付けにより、圧電振動素子４の一方の素子電極に接続されている。他方のリード線６は金属製のケース２の所定の位置に半田付けされていて、ケース２を通じて圧電振動素子４の他方の素子電極に導通している。
【０００３】
ケース２内の底部にはフェルト７が納められ、フェルト７の上からケース２内には樹脂８が充填され、内部に雨滴などが浸入しない防滴型構造となっている。また、樹脂８内には、ケース２から浮かせるようにして中継基板９が封入されており、中継基板９を介してリード線５、６は入出力用の信号線１０、１１に接続されている。
【０００４】
このような構成の超音波センサ１は、以下のように動作する。すなわち、信号線１０、１１から圧電振動素子４に駆動電圧を印加し、圧電振動素子４を振動させると、ケース２の振動板３が膜振動し、振動板３から前方へ超音波を放射する。所定時間経過後、被検出物から反射してきた超音波が振動板３を介して圧電振動素子４に到達すると、この受波された超音波は反射信号に変換され、信号線１０、１１から出力される。ここで、送信（駆動電圧の印加）から受信（反射信号の検知）までの経過時間が計測され、この検出結果から被検出物との距離を計測することができる。あるいは、検知領域や所定の距離範囲内における被検出物の有無を判定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
超音波センサの特性の１つに指向特性（検知領域の広狭）があり、振動面積（振動板３の面積）Ｓを大きくすると超音波センサの指向特性が狭くなり、振動面積Ｓを小さくすると超音波センサの指向特性が広くなることが知られている。
【０００６】
このような超音波センサは、前方車両や障害物の検知用、防犯用など種々の用途があるが、その用途によっては指向特性の狭いものが必要とされる場合がある。例えば、車両内部の天井などに設置し、各乗車位置における乗員の有無を判別したいような場合には指向特性を狭くする必要がある。
【０００７】
一方、超音波センサは小型化が要求されているため、外形を小さく保ったままで振動板の面積を大きくしようとすると、ケースの大きさが許す範囲でケース外周部の内径を大きくすることになる。こうしてケース２の外径寸法を保ったままでケース２の内径を大きくすると、図２に示すように、ケース外周部２ａの肉厚Ｔが薄くなる。ケース外周部２ａの肉厚Ｔが薄くなると、振動板３からケース外周部２ａへ振動の漏れが大きくなるので、ケース外周部２ａの振動板３近傍までが振動してしまい、振動のノード点（節点）が不明瞭になる。また、超音波センサは、ケース外周部２ａを保持して取り付けられるので、振動がケース外周部２ａへ漏れると、超音波センサの保持位置によってセンサ特性が影響を受け易くなり、センサ特性が安定せず、実用的でなくなる。
【０００８】
さらに、ケース外周部２ａの肉厚Ｔが薄くなると、ケース２の機械的強度が低下するので、ケース２の加工時や超音波センサの取り付け時などに大きな外力が加わり、ケース２が変形する恐れがある。
【０００９】
このため従来の超音波センサ１では、図１に示すように、振動板３の振動をケース外周部２ａへ伝達しないようにするため、振動板３の板厚ｔに対してケース外周部２ａの肉厚Ｔを３倍以上にしておく必要があり（図１のような超音波センサ１では、ケース２の外径が１４ｍｍ、内径が１ｍｍ、ケース外周部２ａの肉厚Ｔが２ｍｍ、振動板の板厚ｔが０.６ｍｍとなっている。）、超音波センサの指向特性の狭さとケース外周部の肉厚の薄さ（超音波センサの外径寸法）とは、トレードオフの関係になり、いずれかを犠牲にするしかなかった。
【００１０】
本発明は上記従来例の解決課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケース外周部の肉厚を薄くすることなく、振動面の面積を広くすることができる超音波センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の超音波センサは、内部に空洞を有するケースの底部に振動板を形成し、当該振動板の内面に圧電振動素子を接合させた超音波センサにおいて、前記ケースの外周部の内周面のうち前記振動板と接する領域の少なくとも一部に、前記振動板の内面と平行な方向に沿って凹部を設けることにより、前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域の厚みを均一にするとともに、前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域の、前記凹部を設けた方向での直径をケースの外周部の内径よりも大きくしたことを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した超音波センサは、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記凹部の断面が、前記ケースの外周面に向かうに従って高さが次第に小さくなっていることを特徴としている。
また、請求項３に記載した超音波センサは、請求項１又は２に記載の超音波センサにおいて、前記振動板のうち前記ケースの外周部に固定されていない領域が、ある方向において最大直径となり、最大直径となる方向と直交する方向において最小直径となることを特徴としている。
請求項４に記載した超音波センサは、請求項３に記載の超音波センサにおいて、前記最小直径が、前記ケースの外周部の内径に等しいことを特徴としている。
【００１３】
【作用】
請求項１に記載の超音波センサにあっては、ケースの外周部の内周面のうち振動板と接する領域の少なくとも一部に、振動板の内面と平行な方向に沿って凹部を設けることにより、振動板のうちケースの外周部に固定されていない領域の厚みを均一にするとともに、振動板のうちケースの外周部に固定されていない領域の、凹部を設けた方向での直径をケースの外周部の内径よりも大きくしているので、少なくともいずれかの断面では、振動板の直径がケースの内径よりも大きくなっているので、振動板の直径を大きくしても（例えば、振動板の直径をケースの外径とほぼ等しくしても）、ケース外周部の肉厚を薄くする必要がない。
【００１４】
よって、請求項１に記載した超音波センサによれば、ケースを大型化することなく、かつケース外周部の肉厚を薄くすることなく、振動板の寸法を大きくすることができ、センサ特性を悪くしたり、取り扱いを困難にしたりすることなく、超音波センサの指向特性を狭くすることができる。
【００１５】
請求項２に記載の超音波センサにあっては、凹部の断面がケースの外周面に向かうに従って高さが次第に小さくなっていてテーパーがついているので、凹部の中ぐり加工が容易になる。
【００１６】
請求項３に記載の超音波センサにあっては、振動板のうちケースの外周部に固定されていない領域が、ある方向において最大直径となり、最大直径となる方向と直交する方向において最小直径（請求項４では、ケースの外周部の内径に等しい）となっているので、超音波センサの指向特性に異方性を持たせることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図３は本発明の一実施形態による超音波センサ２１の構造を示す断面図、図４はこの超音波センサ２１に用いられているケース２２の平面図である。この超音波センサ２１の構造を説明する。圧電振動素子２５を収納するケース２２は有底筒状をしており、円筒状をしたケース外周部２２ａの先端（底部）には、振動を発生し反射波を受信する円板状の振動板２３が一体に設けられている。また、ケース２２の内周面のうち振動板２３と接する箇所、すなわちケース外周部２２ａの先端部内周には、中ぐり加工により断面がテーパー状をした凹部２４が円環状に設けられている。このケース２２は、金属材料によって形成されており、例えば軽量で加工性がよく、錆びにくいアルミニウムあるいはアルミニウム合金等で形成するのが好ましい。
【００１８】
圧電振動素子２５は圧電基板の両主面に素子電極２６ａ、２６ｂを形成したものであり、圧電振動素子２５は導電性接着剤により一方素子電極２６ｂを振動板２３の内面中央部に接合される。ケース２２内に納められた圧電振動素子２５の他方の素子電極２６ａには、リード線２７の一端が半田付けされる。また、振動板２３の内面の圧電振動素子２５の外側領域と凹部２４内には、シリコンゴムやウレタンゴム、弾性接着剤等の弾性材料２８が充填される。
【００１９】
さらに、ケース２２の内部にフェルト等の吸音材２９を入れて圧電振動素子２５の近傍を吸音材２９で覆い、吸音材２９のあとからケース２２内にシリコンゴムやウレタンゴム、合成樹脂発泡体（独立気泡発泡体）等の弾性を有する絶縁性樹脂３０を充填し、ケース２２の内部を封止する。絶縁性樹脂３０内には、中継基板３１が埋め込まれており、圧電振動素子２５の素子電極２６ａに接続されているリード線２７の他端は中継基板３１上に半田付けされ、同じく中継基板３１に接続された信号線３４に導通させられている。
【００２０】
また、ケース２２の内周面に設けられた凹穴３２内には、リード線３３の一端が挿入されて導電性接着剤３２ａにより固定されており、従って、リード線３３はケース２２を通じて圧電振動素子２５の他方素子電極２６ｂに導通している。このリード線３３の他端も中継基板３１上に半田付けされ、同じく中継基板３１に接続された信号線３５に導通させられている。このように中継基板３１を介して信号線３４、３５とリード線２７、３３とを接続しているのは、信号線３４、３５に加わった外力がリード線２７、３３やリード線２７と圧電振動素子２５との接続部などに伝わらないようにするためである。なお、中継基板３１には、必要に応じて温度補償用のチップコンデンサ等を実装してもよい。
【００２１】
しかして、この超音波センサ２１にあっては、信号線３４、３５、リード線２７、３３及びケース２２を通じて圧電振動素子２５に交流電圧を印加し、振動板２３を振動させると音波が発生して前方へ出射される。逆に、受信した反射音波により振動板２３が振動させられることによって発生する歪を圧電振動素子２５によって電気信号に変換し、リード線２７、３３や信号線３４、３５等を介して信号を取り出し、障害物等の被検出物の検出を行なう。
【００２２】
さらに、凹部２４内に弾性材料２８を充填しているので、ケース２２の機械的Ｑが小さくなり、残響振動を抑制して受信時の残響時間を短くし、残響特性を良好にすることができる。一方、弾性材料２８は、圧電振動素子２５には付着していないので、振動板２３の励起振動には影響を及ぼさず、超音波センサ２１の共振周波数や感度をほとんど変化させることなく残響振動を抑制できる。
【００２３】
また、この超音波センサ２１では、ケース２２の内周面の先端部に凹部２４を形成しているので、振動板２３の直径Ａはケース２２の内径Ｄ２よりも大きくなる。従って、ケース２２の外径寸法Ｄ１を大きくすることなく、かつケース外周部２２ａの肉厚（Ｄ１−Ｄ２）／２を必要な厚みに保ったままで、振動板２３の直径Ａを大きくすることができ、超音波センサ２１の指向特性を狭くすることができる。例えば、外径Ｄ１＝１４ｍｍ、内径Ｄ２＝１０ｍｍ、高さＨ＝１０ｍｍのケース２２を考えると、凹部２４の深さを変えることによって振動板２３の直径Ａは１０ｍｍから１４ｍｍの間で変化させることができる。
【００２４】
振動板２３の直径Ａが１０ｍｍの場合（従来例）には、図５に示すように指向半値角はほぼ４５°となるが、振動板２３の直径をＡ＝１４ｍｍとすることによって指向半値角はほぼ３０°となり、非常に狭い指向特性を得ることができる。外径Ｄ１が１４ｍｍの超音波センサ２１では振動板２３の直径を１４ｍｍにすることはできないが、凹部２４の位置で必要な強度が得られる程度に凹部２４の深さを深くして振動板２３の直径Ａを１４ｍｍに近づけることにより、図５に示すような指向特性に近づけることができ、超音波センサ２１の外径を大きくすることなく、指向特性を狭くすることができる。従って、例えば車両内の天井に設置して各乗車席に人がいるかいないかといったピンポイントセンシングも可能になる。しかも、ケース２２の肉厚も薄くする必要がないので、ノード点が不明確になったりすることもなく、加工や取り付け時に必要な強度をケース２２に持たせることもできる。
【００２５】
なお、ケース２２の凹部２４は、図６に示す超音波センサ４１のように、テーパーを付けることなく断面コ字形にしても差し支えないが、図３に示した超音波センサ２１の凹部２４のように片側にテーパーを付けるようにする方が、凹部２４の中ぐり加工が容易になる。
【００２６】
図７は本発明のさらに別な実施形態による超音波センサ４２の構造を示す断面図である。この超音波センサ４２では、ケース２２の外周面の先端を削って少し細くすることによって段部４３を設けている。超音波センサ４２は、外部からの振動を遮断するためにゴム等からなる防振用カバー４４で外周面を覆われることがあるが、この超音波センサ４２のように先端部外周に段部４３を設けておけば、円筒状をした防振用カバー４４の先端部内周に設けた凸部４５を段部４３と嵌合させることによって防振用カバー４４の位置決めを行うことができる。
【００２７】
また、図８は本発明のさらに別な実施形態による超音波センサ４６の構造を示す断面図である。この超音波センサ４６にあっては、振動板２３の内周面において、圧電振動素子２５を囲むようにして連続した、あるいは不連続な溝４７を凹設している。この超音波センサ４６では、溝４７の位置や深さ等によって超音波センサ４６の共振周波数を調整することができる。特に、ケース２２に圧電振動素子２５を取り付けた後からでも、共振周波数の微調整を行うことができる。なお、溝４７に代えて共振周波数調整用の凸部を設けてもよい。
【００２８】
図９は本発明のさらに別な実施形態による超音波センサに用いられるケース２２の平面図である。この実施形態にあっては、一方の断面（Ｘ−Ｘ断面）では凹部２４が深くなっており、他方の断面（Ｙ−Ｙ断面）では凹部２４が浅く（あるいは、凹部２４がなくてもよい）なっている。例えば、図９では、ケース２２の円形の内周に対して平面視で楕円状の輪郭を有する凹部２４を設けている。このように断面によって振動板２３の直径が異なるようにすれば、指向特性に異方性を持たせることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ケースの外形寸法を大きくすることなく、かつケース外周部の肉厚を保ったままで振動板の寸法を大きくすることができ、センサ特性を悪くしたり、取り扱いを困難にしたりすることなく、指向特性の狭い超音波センサを製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波センサの構造を示す断面図である。
【図２】超音波センサの指向特性を狭くするための一方法を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【図４】同上の超音波センサに用いられているケースの平面図である。
【図５】同上の超音波センサの指向特性を説明する図である。
【図６】本発明の別な実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに別な実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【図８】本発明のさらに別な実施形態による超音波センサの構造を示す断面図である。
【図９】本発明のさらに別な実施形態による超音波センサに用いられるケースの平面図である。
【符号の説明】
２２  ケース
２２ａ  ケース外周部
２３  振動板
２４  凹部
２５  圧電振動素子
２８  弾性材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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