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WO2013051524A1 - 超音波センサおよびその製造方法 - Google Patents

超音波センサおよびその製造方法 Download PDF

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WO2013051524A1
WO2013051524A1 PCT/JP2012/075446 JP2012075446W WO2013051524A1 WO 2013051524 A1 WO2013051524 A1 WO 2013051524A1 JP 2012075446 W JP2012075446 W JP 2012075446W WO 2013051524 A1 WO2013051524 A1 WO 2013051524A1
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case
ultrasonic sensor
side wall
damping
buffer
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PCT/JP2012/075446
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French (fr)
Inventor
磯元真弓
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • 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
    • B06B1/0644—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
    • 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
    • B06B1/0681—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 and a damping structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly to an ultrasonic sensor having a piezoelectric element and an input / output terminal electrically connected to the piezoelectric element, and used for, for example, an automobile corner sonar and back sonar, and It relates to the manufacturing method.
  • the ultrasonic sensor detects an object by intermittently transmitting an ultrasonic pulse signal and receiving a reflected signal reflected after the transmitted ultrasonic pulse signal reaches the object.
  • Ultrasonic sensors are used for back sonars, corner sonars of automobiles, and parking spot sensors that detect distances from obstacles such as side walls when parallel parking. This type of ultrasonic sensor is disclosed in Patent Documents 1 to 3.
  • FIG. 9 is a partially broken front view of the ultrasonic sensor of Patent Document 1.
  • This ultrasonic sensor includes an ultrasonic transducer 1, a buffer member 2, a shield wire 5, a sound absorbing material 6, and a housing 3.
  • the buffer member 2 has an opening for ultrasonic transmission / reception, and surrounds the ultrasonic transducer 1.
  • the housing 3 is a molded product and houses the ultrasonic transducer 1 and the buffer member 2.
  • One end of the shield wire 5 is connected to the ultrasonic transducer 1 inside the housing 3, and the other end is drawn out from the housing 3.
  • An air layer 4 is formed so as to surround the ultrasonic transducer 1 in a portion corresponding to the side surface of the ultrasonic transducer 1 inside the buffer member 2.
  • an ultrasonic transducer an inner casing having an ultrasonic radiation wall bonded to form a bottom surface portion and a cylindrical side wall, and a cylindrical side wall of the inner casing are coaxial.
  • an outer housing having a cylindrical side wall disposed on the outer housing, the outer housing supports the inner housing at a plurality of support locations on the ultrasonic radiation wall side, other than the plurality of support locations.
  • 1 shows a structure in which a gap is formed between the outer wall of the cylindrical side wall of the inner casing and the outer wall of the cylindrical side wall of the outer casing.
  • Patent Document 3 discloses an ultrasonic vibrator, a holding member that has an opening for transmitting and receiving ultrasonic waves and surrounds the ultrasonic vibrator, and is a molded product that houses the ultrasonic vibrator and the holding member.
  • the ultrasonic sensor including the housing, a structure in which a gap is generated in a place other than the convex portion by providing the convex portion inside the holding member is shown.
  • vibration leakage increases the reverberation time (the reverberation characteristics deteriorate). And if the reverberation time is prolonged, when detecting an object located at a short distance, the reflected signal is received within the time when the reverberation by the transmitted ultrasonic pulse signal is continued. It is impossible to detect a positioned object.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor that prevents vibration leakage to a terminal and improves reverberation characteristics due to vibration leakage.
  • the ultrasonic sensor of the present invention A bottomed cylindrical case having a bottom and a side wall; and A piezoelectric element provided on the inner bottom surface of the case; A terminal that is electrically connected to the piezoelectric element via a conducting member in the case and protrudes to the outside of the case; A terminal holding member for holding the terminal; A buffer member for holding the terminal holding member in the case; A damping member provided along the inner peripheral surface of the side wall of the case; A filling member filled in the upper part of the damping member and the buffer member in the case, A gap (air layer) is provided between the damping member and the buffer member.
  • the said filling member has a smaller elastic modulus than the said damping member.
  • a closing member (a cover resin) that closes a boundary portion (opening portion of the air layer) between the gap and the filling member.
  • the side wall portion of the case includes a thin portion on the opening side and a thick portion on the bottom side, It is preferable that a reinforcing material having an acoustic impedance higher than that of the case is provided on the thick portion.
  • a sound absorbing member is provided between the piezoelectric element and the buffer member. With this structure, unnecessary sound waves are absorbed by the sound absorbing material, and unnecessary sound waves transmitted from the piezoelectric element to the inside of the case can be attenuated more efficiently.
  • An ultrasonic sensor manufacturing method of the present invention is the ultrasonic sensor manufacturing method according to any one of (1) to (5), Inserting an annular molded piece having a larger outer diameter than the buffer member into the case; Filling the periphery of the molding piece in the case with the elastic resin for forming the damping member; Removing the molding piece from the case, and mounting the buffer member in the case.
  • vibration transmitted from the case is attenuated (blocked) by the damping member, the buffer member, and the gap (air layer), and hardly transmitted to the terminal through the terminal holding member, so that vibration leakage can be greatly reduced. Therefore, deterioration of the reverberation characteristic due to vibration leakage can be prevented, and an object located at a closer distance can be detected.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic sensor 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view excluding a part of the ultrasonic sensor 101.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating the reverberation characteristics of the ultrasonic sensor 101 according to the first embodiment
  • FIG. 3B is a diagram illustrating the reverberation characteristics of an ultrasonic sensor as a comparative example.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gap 40 between the damping member 39 and the buffer member 33 and the vibration leakage time.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a process of forming the damping member 39 and the gap 40.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 102 according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 103 according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 104 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a partially broken front view of the ultrasonic sensor of Patent Document 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic sensor 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view excluding a part of the ultrasonic sensor 101.
  • the ultrasonic sensor 101 includes a bottomed cylindrical case 31 made of aluminum having a disk-like bottom portion 31b and a cylindrical side wall portion 31a, a piezoelectric element 32 attached to the inner bottom surface of the case 31, a reinforcing material ( A weight) 37, a terminal 43, a terminal holding member 41 for holding the terminal 43, and the like.
  • the terminal 43 and the piezoelectric element 32 are electrically connected by a wiring material (conductive member) not shown in FIG.
  • the wiring material (conductive member) is, for example, a lead wire or a flexible substrate.
  • the piezoelectric element 32 has a flat plate shape and spreads and vibrates in the in-plane direction when a driving voltage is applied.
  • the piezoelectric element 32 is joined to the bottom 31 b of the case 31.
  • the piezoelectric element 32 is made of, for example, piezoelectric ceramics, and includes a disk-shaped piezoelectric substrate and electrodes provided on main surfaces of the piezoelectric substrate facing each other.
  • the case 31 has a bottomed cylindrical shape that is closed on the bottom 31b side and opened on the opposite side to the bottom 31b side, and the opening of the case 31 is circular in plan view.
  • the side wall 31a of the case 31 includes a thin portion 31t on the opening side and a thick portion 31h on the bottom side.
  • a step portion 31ST is formed on the side wall portion 31a of the case 31.
  • the reinforcing member (weight) 37 is a ring-shaped member having an opening 37h at the center, and is disposed on the thick portion 31h of the case 31 and at a position not in contact with the inner peripheral surface of the thin portion 31t of the side wall portion 31a. ing.
  • the reinforcing member 37 may be a member having high acoustic impedance and functioning as a weight.
  • the reinforcing member 37 may be made of the same material as the case 31 by adjusting the size such as thickness, that is, made of aluminum.
  • the reinforcing member 37 is made of a material constituting the case 31 such as stainless steel or zinc. It is preferable that the material is made of a material having high density and high rigidity.
  • the region surrounded by the step portion 31ST in the bottom 31b is the main vibration region.
  • the main vibration region of the case 31 is rectangular in plan view, and since the y-axis direction is long, the y-axis direction is the long axis and the x-axis direction is short, so the x-axis direction is the short axis.
  • the main vibration region has an anisotropic shape, anisotropy occurs in the directivity of ultrasonic waves. That is, the directivity angle in the major axis direction (y-axis direction) is narrow, and the directivity angle in the minor axis direction (x-axis direction) is wide.
  • a flat sound absorbing material 38 is provided on the piezoelectric element 32.
  • the sound absorbing material 38 is disposed in a space surrounded by the step portion 31ST inside the case 31.
  • the sound absorbing material 38 is made of, for example, polyester felt or porous silicone, and absorbs unnecessary ultrasonic waves emitted from the piezoelectric element 32 to the opening side of the case 31.
  • a buffer member 33 made of an elastic material such as silicone rubber or urethane rubber is provided between the reinforcing material 37 and the sound absorbing material 38 and the terminal holding member 41. The buffer member 33 holds the terminal holding member 41 in the case 31.
  • a damping member 39 which is a cylindrical member made of an elastic body such as urethane rubber or silicone rubber and having an opening at the center, is provided along the inner peripheral surface of the side wall portion 31a of the case 31.
  • a gap (air layer) 40 is formed between the damping member 39 and the buffer member 33.
  • the buffer member 33 has a flange-shaped (collar-shaped) portion that comes into contact with the damping member 39, and the flange-shaped (collar-shaped) portion is provided between the damping member 39 and the buffer member 33.
  • a gap (air layer) 40 is formed.
  • a filling member 36 made of an elastic material such as silicone rubber or urethane rubber.
  • the same material can be used for the filling member 36 and the damping member 39.
  • the case 31 is formed by forging, for example.
  • the buffer material 33 is a cup-shaped member, and has a bottom portion having an engaging portion 33e that engages with the opening 37h of the reinforcing material 37, and a cylindrical side wall portion.
  • the terminal holding member 41 is made of a resin such as polybutylene terephthalate (PBT) and holds two pin-shaped terminals 43.
  • the terminal holding member 41 has a flange-like engaging portion (hereinafter referred to as “flange portion”) 41 f that engages with the inner surface of the cylindrical side wall portion of the buffer member 33.
  • flange portion flange-like engaging portion
  • the upper surface 41 s of the flange portion 41 f of the terminal holding member 41 is covered with the filling member 36.
  • the damping member 39 in contact with the inner peripheral surface of the side wall portion 31a of the case 31 is provided, the vibration of the side wall portion 31a of the case 31 is attenuated by the damping member 39. Since the gap (air layer) 40 is formed between the damping member 39 and the buffer member 33, the vibration of the side wall portion 31 a of the case 31 is difficult to propagate to the buffer member 33 through the damping member 39. That is, vibration hardly propagates along the path of the buffer member 33 ⁇ the terminal holding member 41 ⁇ the terminal 43, and vibration leakage is effectively suppressed. In addition, vibration propagating from the case 31 via a portion other than the gap (air layer) 40 is attenuated in the filling member 36 and hardly propagates to the terminal 43 via the terminal holding member 41.
  • vibration leakage that occurs when the ultrasonic sensor 101 is mounted on an external circuit board can be greatly reduced.
  • the upper surface 41 s of the flange portion 41 f of the terminal holding member 41 is covered with the filling member 36, it is possible to prevent the terminal holding member 41 from being detached from the case 31.
  • the buffer member 33 is difficult to propagate vibration, and the damping member 39 and the filling member 36 suppress (dampen) the vibration of the side wall portion 31a of the case 31. That is, the damping member 39 and the filling member 36 preferably have a higher elastic modulus than the buffer member 33. More specifically, the elastic modulus includes a storage elastic modulus and a loss elastic modulus. It is preferable that the damping member 39 and the filling member 36 have a large loss elastic modulus, and that the buffer member 33 has a low storage elastic modulus.
  • FIG. 3A is a diagram showing the reverberation characteristics of the ultrasonic sensor 101 according to the first embodiment
  • FIG. 3B is a diagram showing the reverberation characteristics of the ultrasonic sensor as a comparative example.
  • the ultrasonic sensor of this comparative example does not have the gap 40 shown in FIG. 1, and the buffer member 33 is expanded in that portion, and the ultrasonic sensor according to the first embodiment except that the gap 40 is not provided.
  • the configuration is the same as that of the ultrasonic sensor 101.
  • the horizontal axis is 500 ⁇ s / div
  • the vertical axis is 1 V / div.
  • the terminal 43 is fixed to an external circuit board by soldering, 8 burst waves are transmitted at a transmission time of 0.13 ms, and the voltage waveform appearing on the piezoelectric element is amplified and observed.
  • the attenuation of the amplitude starts immediately after the end of transmission, but since the dynamic range of the amplifier circuit is exceeded for a while, the waveform is saturated during that time.
  • the amplitude converges quickly, vibration leakage is suppressed, and the reverberation time is reduced. Is short.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the gap 40 between the damping member 39 and the buffer member 33 and the vibration leakage time.
  • the “vibration leakage time” is a state in which the normal reverberation time in a state where the terminal 43 is fixed to the external circuit board by soldering and the vibration leaking to the terminal 43 is sandwiched between silicone rubbers to suppress the vibration leakage.
  • the reverberation time is defined as the amount of fluctuation of the reverberation.
  • the gap 40 is not provided, that is, in the case of the comparative example, the fluctuation of the vibration leakage time is large.
  • the vibration leakage time becomes very small and the fluctuation is also reduced. From this result, it can be seen that by providing a gap exceeding 0 mm, the vibration leakage time can be suppressed to a usable level of less than 0.1 ms.
  • FIG. 5 is a diagram showing a process of forming the damping member 39 and the gap 40.
  • the piezoelectric element 32 is joined in the case 31, the reinforcing member 37 is attached, the sound absorbing member 38 is disposed on the piezoelectric element 32, and the molding piece 51 is mounted.
  • the molding piece 51 is disposed so as to have a gap having the same shape as the damping member 39 between the case 31 and the side wall portion 31a of the case 31.
  • the weather resin 39P is applied to a part of the gap between the molding piece 51 and the side wall 31a of the case 31 and cured.
  • the weather resin 39P is made of the same material as that of the damping member 39 and later becomes a part of the damping member 39.
  • the resin for the damping member 39 is applied (filled) into the gap between the molding piece 51 and the side wall 31a of the case 31 and cured. Thereafter, the molding piece 51 is removed as shown in FIG. 5D, and the buffer member 33 is mounted as shown in FIG.
  • the gap 40 is provided between the damping member 39 and the buffer member 33.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 102 according to the second embodiment.
  • the structure of the ultrasonic sensor 102 is the same as that of the ultrasonic sensor 101 shown in the first embodiment.
  • the filling member 36 is made of a material different from that of the damping member 39.
  • the elastic modulus of the filling member 36 is smaller than the elastic modulus of the damping member 39.
  • the damping member 39 is made of urethane rubber
  • the filling member 36 is made of silicone rubber.
  • both may be urethane rubber.
  • the damping member 39 is an elastic material having a high damping property with respect to the side wall portion 31 a of the case 31, and the filling member 36 may be an elastic material that hardly propagates the vibration of the side wall portion 31 a to the terminal holding member 41.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 103 according to the third embodiment.
  • the ultrasonic sensor 103 includes a closing member 34 that closes a boundary portion between the gap 40 and the filling member 36.
  • Other configurations are the same as those of the ultrasonic sensor 101 shown in the first embodiment.
  • the closing member 34 can be provided by applying a thixotropic resin with a dispenser so as not to enter the gap 40.
  • the closing member 34 closes (stices) the boundary portion (opening portion of the air layer) between the gap 40 and the filling member 36, thereby preventing the filling resin from flowing into the gap 40 during filling of the filling member 36.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 104 according to the fourth embodiment.
  • the opening of the gap 40 between the damping member 39 and the buffer member 33 is closed with the filling member 36.
  • Other configurations are the same as those of the ultrasonic sensor 101 shown in the first embodiment.
  • a resin material having a high thixotropic property is used so that the resin does not flow into the gap 40 at the time of filling.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

　超音波センサ（１０１）は、底部（３１ｂ）と側壁部（３１ａ）とを有する有底筒状のケース（３１）と、ケース（３１）の内底面に設けられた圧電素子（３２）と、ケース（３１）内で導通部材を介して圧電素子（３２）と電気的に接続され、ケース（３１）の外部へ突出する端子（４３）と、端子（４３）を保持する端子保持部材（４１）と、端子保持部材（４１）をケース（３１）内で保持する緩衝部材（３３）と、ケース（３１）の側壁部（３１ａ）の内周面に沿って設けられたダンピング部材（３９）と、ケース（３１）内の、ダンピング部材（３９）および緩衝部材（３３）の上部に充填された充填部材（３６）と、を備え、ダンピング部材（３９）と緩衝部材（３３）との間に間隙（４０）が設けられている。この構造により、端子への振動漏れを防止し、振動漏れによる残響特性を改善する。

Description

超音波センサおよびその製造方法
　この発明は、超音波センサおよびその製造方法に関し、特に、圧電素子およびそれに電気的に接続される入出力端子を有し、たとえば、自動車のコーナーソナーやバックソナーなどに用いられる超音波センサ、およびその製造方法に関する。
　超音波センサは、超音波パルス信号を間欠的に送信し、送信された超音波パルス信号が物体に到達した後に反射した反射信号を受信することにより物体を検知するものである。自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車する際における側壁等の障害物との距離を検知するパーキングスポットセンサ等には超音波センサが用いられる。この種の超音波センサは特許文献１～３に開示されている。
　図９は特許文献１の超音波センサの一部破断正面図である。この超音波センサは、超音波振動子１、緩衝部材２、シールド線５、吸音材６およびハウジング３を備えている。緩衝部材２は、超音波送受信用の開口を有し、超音波振動子１を囲んでいる。ハウジング３は、成型品であり、超音波振動子１と緩衝部材２とを収納している。シールド線５は、一方の端部がハウジング３の内部で超音波振動子１に接続されており、他方の端部がハウジング３から外部へ引き出されている。そして、緩衝部材２の内部であって超音波振動子１の側面に対応する部分に超音波振動子１を取り囲むように空気層４が形成されている。
　特許文献２には、超音波振動子と、超音波振動子が接着されて超音波放射壁をなす底面部と筒状側壁とを有する内側筐体と、内側筐体の筒状側壁と同軸状に配置された筒状側壁を有する外側筐体と、を備える超音波センサにおいて、外側筐体は内側筐体を超音波放射壁側の複数の支持箇所で支持しており、複数の支持箇所以外において内側筐体の筒状側壁の外壁と外側筐体の筒状側壁の外壁との間に隙間が形成されている構造が示されている。
　特許文献３には、超音波振動子と、超音波送受信用の開口を有し、超音波振動子を囲んでいる保持部材と、成型品であり、超音波振動子と保持部材とを収納しているハウジングと、を備える超音波センサにおいて、保持部材の内側に凸部を設けることによって、凸部以外の場所に隙間が生じるようにした構造が示されている。
特開平４－２３８４９７号公報 特開２００３－３１５４４３号公報 特開平５－２０７５９４号公報
　特許文献１～３に示されている従来の超音波センサにおいては、上記空気層および隙間の作用により、超音波振動子の振動がケース（ハウジングや筐体）に伝わり難い。そのため、残響時間の短縮効果がある。
　しかし、電気信号の入出力を行う部材をリード線（もしくはシールド線）ではなくピン端子とした場合には、ケースの振動がピン端子に伝搬し、その振動が超音波センサの実装される外部の回路基板を振動させる問題（以下、「振動漏れ」という。）が発生する。この振動漏れによって残響時間が長くなる（残響特性が悪化する）。そして、残響時間が長引けば近距離に位置する物体の検知の際に、送信された超音波パルス信号による残響が持続している時間内に反射信号が受信されることになるので、近距離に位置する物体の検知ができなくなる。
　本発明の目的は、端子への振動漏れを防止し、振動漏れによる残響特性を改善した超音波センサを提供することにある。
（１）本発明の超音波センサは、
　底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、
　前記ケースの内底面に設けられた圧電素子と、
　前記ケース内で導通部材を介して前記圧電素子と電気的に接続され、前記ケースの外部へ突出する端子と、
　前記端子を保持する端子保持部材と、
　前記端子保持部材を前記ケース内で保持する緩衝部材と、
　前記ケースの側壁部の内周面に沿って設けられたダンピング部材と、
　前記ケース内の、前記ダンピング部材および前記緩衝部材の上部に充填された充填部材と、を備え、
　前記ダンピング部材と前記緩衝部材との間に間隙（空気層）が設けられていることを特徴としている。
　この構造により、ケースから伝わる振動がダンピング部材、緩衝部材および間隙（空気層）で減衰（遮断）されて、端子保持部材を通して端子に殆ど伝搬されなくなるので、端子を外部の回路基板に実装した際に発生する振動漏れを大幅に低減できる。
（２）前記充填部材は、前記ダンピング部材より弾性率が小さいことが好ましい。この構造により、ダンピング部材より弾性率が小さい充填部材から端子に直接伝わる振動漏れを低減できる。また、ダンピング部材が端子に直接接しない構造となり、ダンピング部材の弾性率が振動漏れ特性に影響しにくくなるのでダンピング部材の選択肢が広がる。
（３）前記間隙と前記充填部材との境界部（空気層の開口部）を閉塞する閉塞部材（目張り樹脂）を備えることが好ましい。この構造により、緩衝部材の構造を簡素化できる。
（４）前記ケースの側壁部は、開口側に薄肉部、底部側に厚肉部をそれぞれ備え、
　厚肉部上に、ケースよりも音響インピーダンスの高い補強材が設けられていることが好ましい。この構造により、ケースの底面の周囲の剛性が高まり、ケースの底面の振動がケースの側壁部へ伝わるのが抑制されるとともに、センサとしての感度が向上する。
（５）前記圧電素子と前記緩衝部材との間に吸音部材が設けられていることが好ましい。この構造により、不要な音波が吸音材で吸収されて、圧電素子からケース内部へ伝達する不要な音波をより効率よく減衰させることができる。
（６）本発明の超音波センサの製造方法は、（１）～（５）の何れかに記載の超音波センサの製造方法であって、
　前記緩衝部材より外径の大きな円環状の成型コマを前記ケース内に挿入する工程と、
　前記ダンピング部材形成用の弾性樹脂を前記ケース内の前記成型コマの周囲に充填する
工程と、
　前記成型コマを前記ケースから除去し、前記ケース内に前記緩衝部材を搭載する工程と、を備えたことを特徴としている。
　本発明によれば、ケースから伝わる振動がダンピング部材、緩衝部材および間隙（空気層）で減衰（遮断）されて、端子保持部材を通して端子に殆ど伝搬されなくなるので、振動漏れを大幅に低減できる。そのため、振動漏れによる残響特性の悪化を防止でき、より近距離に位置する物体の検知が可能となる。
図１は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図である。 図２は超音波センサ１０１の一部を除く分解斜視図である。 図３（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の残響特性を示す図、図３（Ｂ）は比較例である超音波センサの残響特性を示す図である。 図４はダンピング部材３９と緩衝部材３３との間の間隙４０と振動漏れ時間との関係を示す図である。 図５はダンピング部材３９および間隙４０を形成する工程を示す図である。 図６は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図である。 図７は第３の実施形態に係る超音波センサ１０３の断面図である。 図８は第４の実施形態に係る超音波センサ１０４の断面図である。 図９は特許文献１の超音波センサの一部破断正面図である。
《第１の実施形態》
　図１は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図である。図２は超音波センサ１０１の一部を除く分解斜視図である。
　超音波センサ１０１は、円板状の底部３１ｂと筒状の側壁部３１ａとを有するアルミニウム製の有底筒状のケース３１、ケース３１の内底面に貼り付けられた圧電素子３２、補強材（錘）３７、端子４３、端子４３を保持する端子保持部材４１等を備えている。端子４３と圧電素子３２とは図１に示されていない配線材（導通部材）で電気的に接続されている。配線材（導通部材）は、例えば、リード線やフレキシブル基板などである。圧電素子３２は、平板状であり、駆動電圧が印加されると面内方向に広がり振動する。圧電素子３２は、ケース３１の底部３１ｂに接合されている。圧電素子３２は、例えば、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板と、圧電基板の互いに対向する主面にそれぞれ設けられている電極とを有する。
　図２に示すように、ケース３１は、底部３１ｂ側が閉塞し、底部３１ｂ側と反対側が開口する有底筒状であり、ケース３１の開口は平面視して円形である。ケース３１の側壁部３１ａは、開口側に薄肉部３１ｔ、底部側に厚肉部３１ｈをそれぞれ備えている。ケース３１の側壁部３１ａには段差部３１ＳＴが形成されている。
　補強材（錘）３７は、中央に開口３７ｈを有するリング状の部材であり、ケース３１の厚肉部３１ｈ上であって側壁部３１ａの薄肉部３１ｔの内周面に接しない位置に配置されている。補強材３７は、音響インピーダンスが高く、錘として機能する部材であればよい。このため、補強材３７は、厚み等のサイズを調整することによってケース３１と同じ材料、すなわちアルミニウムからなるものであってもよいが、ステンレス鋼や亜鉛のような、ケース３１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るものであることが好ましい。
　図２に表れているように、底部３１ｂにおける段差部３１ＳＴによって囲まれている領域が主たる振動領域となる。ケース３１の主たる振動領域は、平面視して長方形であり、ｙ軸方向が長いのでｙ軸方向が長軸、ｘ軸方向が短いのでｘ軸方向が短軸である。このように、主たる振動領域が異方性の形状を有するため、超音波の指向性に異方性が生じる。すなわち、前記長軸方向（ｙ軸方向）の指向角は狭く、前記短軸方向（ｘ軸方向）の指向角は広い。
　圧電素子３２の上には、平板状の吸音材３８が設けられている。吸音材３８は、ケース３１の内部における段差部３１ＳＴによって囲まれている空間内に配置されている。吸音材３８は、例えばポリエステルフェルトや多孔質シリコーンなどからなり、圧電素子３２からケース３１の開口側に放出される不要な超音波を吸収する。補強材３７および吸音材３８と端子保持部材４１との間には、シリコーンゴムやウレタンゴムなどの弾性体からなる緩衝部材３３が設けられている。緩衝部材３３は、端子保持部材４１をケース３１内で保持している。ケース３１の側壁部３１ａの内周面に沿って、ウレタンゴムやシリコーンゴムなどの弾性体からなり、中央に開口を有する筒状の部材であるダンピング部材３９が設けられている。そして、ダンピング部材３９と緩衝部材３３との間には間隙（空気層）４０が形成されている。具体的には、緩衝部材３３はダンピング部材３９と接触するフランジ状（つば状）の部分を有しており、このフランジ状（つば状）の部分によってダンピング部材３９と緩衝部材３３との間に間隙（空気層）４０が形成されている。
　ケース３１の内部で、ダンピング部材３９および緩衝部材３３の上部の空間には、シリコーンゴムやウレタンゴムなどの弾性体からなる充填部材３６が充填されている。充填部材３６とダンピング部材３９とは同じ材料を用いることができる。
　ケース３１は例えば、鍛造により形成されている。緩衝材３３は、カップ状の部材であり、補強材３７の開口３７ｈに係合する係合部３３ｅを有する底部と、筒状の側壁部とを有する。緩衝材３３が設けられていることにより、ケース３１の底部３１ｂにおける振動が端子保持材４１に伝わることを抑制できる。
　端子保持部材４１は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの樹脂からなり、２本のピン状の端子４３を保持している。端子保持部材４１は、緩衝部材３３の筒状の側壁部の内面に係合するフランジ状の係合部（以下、「フランジ部」という。）４１ｆを有する。端子保持部材４１のフランジ部４１ｆの上面４１ｓは充填部材３６で覆われている。
　このように、ケース３１の側壁部３１ａの内周面に接するダンピング部材３９が設けられているので、ケース３１の側壁部３１ａの振動はダンピング部材３９で減衰される。そして、ダンピング部材３９と緩衝部材３３との間に間隙（空気層）４０が形成されていることにより、ケース３１の側壁部３１ａの振動がダンピング部材３９を介して緩衝部材３３に伝搬しにくい。すなわち、緩衝部材３３→端子保持部材４１→端子４３の経路で振動が伝搬することは殆ど無く、振動漏れが効果的に抑制される。また、間隙（空気層）４０以外の部分を介してケース３１から伝搬する振動は充填部材３６の中で減衰し、端子保持部材４１を介して端子４３に殆ど伝搬しない。
　上記作用により、超音波センサ１０１を外部の回路基板に実装した際に発生する振動漏れを大幅に低減できる。
　また、端子保持部材４１のフランジ部４１ｆの上面４１ｓが充填部材３６で覆われていることにより、端子保持部材４１がケース３１から離脱することを防止することができる。
　緩衝部材３３は振動を伝搬し難いもの、ダンピング部材３９および充填部材３６はケース３１の側壁部３１ａの振動を抑制（制振）するものである。すなわちダンピング部材３９および充填部材３６は緩衝部材３３に比べて弾性率が高いことが好ましい。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、ダンピング部材３９および充填部材３６は損失弾性率が大きいこと、緩衝部材３３は貯蔵弾性率が小さいことが好ましい。
　図３（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の残響特性を示す図、図３（Ｂ）は比較例である超音波センサの残響特性を示す図である。この比較例の超音波センサは図１に示した間隙４０が無く、その部分に緩衝部材３３が拡がったものであり、間隙４０を有していない点を除いては第１の実施形態に係る超音波センサ１０１と同じ構成である。図３（Ａ）と図３（Ｂ）では、いずれも横軸を５００μｓ／ｄｉｖ、縦軸を１Ｖ／ｄｉｖで表している。また、いずれも端子４３を外部の回路基板上にはんだ付けで固定し、送信時間０．１３ｍｓに８波のバースト波を送信し、圧電素子に現れる電圧波形を増幅して観測したものである。実際には送信終了直後から振幅の減衰は始まっているが、しばらくは増幅回路のダイナミックレンジを超えているので、その時間は波形が飽和している。
　図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを対比すれば明らかなように、第１の実施形態に係る超音波センサ１０１では、振幅が早く収束していて、振動漏れが抑制されて残響時間が短い。
　図４はダンピング部材３９と緩衝部材３３との間の間隙４０と振動漏れ時間との関係を示す図である。ここで、「振動漏れ時間」は端子４３を外部の回路基板上にはんだ付けで固定した状態での通常の残響時間と端子４３に漏れた振動をシリコーンゴムなどで挟んで振動漏れを抑制した状態の残響時間との残響の変動量として定義される時間である。間隙４０を設けない場合、すなわち比較例の場合には振動漏れ時間のばらつきが大きく、間隙４０を設けることによって振動漏れ時間は非常に小さくなり、且つばらつきも小さくなる。この結果から、０ｍｍを超える間隙を設けることで、振動漏れ時間は、使用可能なレベルである０．１ｍｓ未満に抑えられることがわかる。
　なお、第１の実施形態によれば、ケース３１の開口部が端子保持部材４１と充填部材３６とで密閉されているので、ケース３１の内部に水が内部に侵入して感度が低下したり、異種金属間で腐食が発生したりする問題がない。
　以上に示した超音波センサ１０１内に間隙４０を設けるための製造方法について図５を参照して説明する。
　図５はダンピング部材３９および間隙４０を形成する工程を示す図である。先ず、図５（Ａ）に示すように、ケース３１内に圧電素子３２を接合し、補強材３７を取り付け、吸音部材３８を圧電素子３２上に配置し、成型コマ５１を装着する。成型コマ５１は、ケース３１の側壁部３１ａとの間に、ダンピング部材３９と同じ形状を有する隙間を有するように配置される。次に、図５（Ｂ）に示すように目張り樹脂３９Ｐを成型コマ５１とケース３１の側壁部３１ａと間の隙間の一部に塗布し硬化させる。目張り樹脂３９Ｐは、ダンピング部材３９と同じ材料からなり、後にダンピング部材３９の一部となる。次に、図５（Ｃ）に示すようにダンピング部材３９用の樹脂を成型コマ５１とケース３１の側壁部３１ａと間の隙間に塗布（充填）し硬化させる。その後、図５（Ｄ）のように成型コマ５１を取り除き、図５（Ｅ）のように緩衝部材３３を装着する。
　以上の工程により、ダンピング部材３９と緩衝部材３３との間に間隙４０が設けられる。
《第２の実施形態》
　図６は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図である。超音波センサ１０２の構造は、第１の実施形態で示した超音波センサ１０１と同じである。但し、充填部材３６はダンピング部材３９とは異なる材料からなる。第２の実施形態の超音波センサ１０２では、充填部材３６の弾性率はダンピング部材３９の弾性率より小さい。
　例えばダンピング部材３９はウレタンゴムからなり、充填部材３６はシリコーンゴムからなる。また、充填部材３６の弾性率をダンピング部材３９の弾性率を異ならせれば、両者がウレタンゴムであってもよい。ダンピング部材３９はケース３１の側壁部３１ａに対して制振性の高い弾性材であり、充填部材３６は側壁部３１ａの振動を端子保持部材４１に伝搬し難い弾性材であればよい。
《第３の実施形態》
　図７は第３の実施形態に係る超音波センサ１０３の断面図である。超音波センサ１０３においては、間隙４０と充填部材３６との境界部を閉塞する閉塞部材３４を備えている。その他の構成は第１の実施形態で示した超音波センサ１０１と同じである。
　閉塞部材３４は、間隙４０内に浸入しない程度にチクソトロピック性の高い樹脂をディスペンサで塗布することで設けることができる。
　このように閉塞部材３４で間隙４０と充填部材３６との境界部（空気層の開口部）を閉塞（目張り）することによって、充填部材３６の充填時に間隙４０への充填樹脂の流入が防止される。
　また、このように閉塞部材３４を用いることによって、緩衝部材３３にダンピング部材３９と接触するフランジ状（つば状）の部分を形成する必要がなくなるので、緩衝部材３３の形状を簡素化できる。
《第４の実施形態》
　図８は第４の実施形態に係る超音波センサ１０４の断面図である。超音波センサ１０４においては、ダンピング部材３９と緩衝部材３３との間の間隙４０の開口を充填部材３６で閉塞したものである。その他の構成は第１の実施形態で示した超音波センサ１０１と同じである。
　充填部材３６には、その充填時に間隙４０内に樹脂が流入しない程度にチクソトロピック性の高い樹脂材料を用いる。
３１…ケース
３１ａ…側壁部
３１ｂ…底部
３１ｈ…厚肉部
３１ＳＴ…段差部
３１ｔ…薄肉部
３２…圧電素子
３３…緩衝部材
３３ｅ…係合部
３４…閉塞部材
３６…充填部材
３７…補強材
３７ｈ…開口
３８…吸音部材
３９…ダンピング部材
４０…間隙
４１…端子保持部材
４１ｆ…フランジ部
４１ｓ…上面
４３…端子
５１…成型コマ
１０１～１０４…超音波センサ

Claims (6)

  1. 　底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、
    　前記ケースの内底面に設けられた圧電素子と、
    　前記ケース内で導通部材を介して前記圧電素子と電気的に接続され、前記ケースの外部へ突出する端子と、
    　前記端子を保持する端子保持部材と、
    　前記端子保持部材を前記ケース内で保持する緩衝部材と、
    　前記ケースの側壁部の内周面に沿って設けられたダンピング部材と、
    　前記ケース内の、前記ダンピング部材および前記緩衝部材の上部に充填された充填部材と、を備え、
    　前記ダンピング部材と前記緩衝部材との間に間隙が設けられていることを特徴とする超音波センサ。
  2. 　前記充填部材は、前記ダンピング部材より弾性率が小さい、請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 　前記間隙と前記充填部材との境界部を閉塞する閉塞部材を備えた、請求項１または２に記載の超音波センサ。
  4. 　前記ケースの側壁部は、開口側に薄肉部、前記底部側に厚肉部をそれぞれ備え、
    　前記厚肉部上に、前記ケースよりも音響インピーダンスの高い補強材が設けられている、請求項１～３の何れかに記載の超音波センサ。
  5. 　前記圧電素子と前記緩衝部材との間に吸音部材が設けられている、請求項１～４の何れかに記載の超音波センサ。
  6. 　請求項１～５の何れかに記載の超音波センサの製造方法であって、
    　前記緩衝部材より外径の大きな円環状の成型コマを前記ケース内に挿入する工程と、
    　前記ダンピング部材形成用の弾性樹脂を前記ケース内の前記成型コマの周囲に充填する工程と、
    　前記成型コマを前記ケースから除去し、前記ケース内に前記緩衝部材を搭載する工程と、を備えた、超音波センサの製造方法。
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