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技術 超音波送受波器

出願人 パナソニック電工株式会社
発明者 宇野真武高木俊昌小田悟朗
出願日 1997年1月27日 (23年11ヶ月経過) 出願番号 1997-012106
公開日 1998年8月7日 (22年4ヶ月経過) 公開番号 1998-206529
状態 特許登録済
技術分野 超音波変換器 音波、超音波を用いた位置、速度等の測定
主要キーワード 残響振動 受波用 前方空間 送波用 残響信号 送受波特性 アース側 組み立て工数
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年8月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

小型化可能で且つ近距離検出能力の向上したものにする。

解決手段

送波用圧電素子を備え筒状体の一端を送波用振動板にて閉塞した送波用ケース部と、受波用圧電素子を備え筒状体の一端を受波用振動板にて閉塞した受波用ケース部と、送波用ケース部と受波用ケース部とを並列に連結する連結片部とを有する超音波振動子22を、ハウジング21内に収納した超音波送受波器20であって、連結片部により、送波用ケース部の開口部近傍と受波用ケース部の開口部近傍とでのみ、送波用ケース部と受波用ケース部とを連結するようにした。また、連結片部により連結した送波用ケース部と受波用ケース部との隙間に緩衝材を介在した。

概要

背景

図5は超音波センサを示す原理説明図、図6は従来の超音波送受波器を示す断面図、図7は従来の超音波送受波器の超音波振動子を示す断面図である。図8は従来の超音波送受波器の送受波信号の説明図であり、図8(a)は送波信号の説明図、図8(b)は受波信号の説明図である。図9は従来の他の超音波送受波器を示す断面図である。

図5に示すように、超音波センサの原理は、前方に障害物Aが存在する場合、超音波送受波器1から前方空間送波した超音波信号Bが障害物Aにて反射し、再び戻ってくるまでの所要時間に基づいて障害物Aまでの距離Lを検出するようにされている。

ところで、従来の超音波センサにあっては、図6に示すような超音波送受波器1が用いられている。すなわち、超音波送受波器1は、樹脂製の成形品で作られたハウジング2と、ハウジング2内に収納する超音波振動子3と回路ブロック4とを備える。ハウジング2は、前方へ効率よくビーム状に超音波を送波するためのホーン部2aを備える。超音波振動子3は、電気信号機械的振動に変換して空気を直接振動したり、空気の振動を機械的振動に変換したうえで電気信号にしたりする部分であり、超音波の入出力する部分が開口するシリコンゴムなどの保持材5を介在してハウジング2内に収納する。回路ブロック4は、シールド線Wを介して電気信号を超音波振動子3へ供給したり、超音波振動子3から入力される電気信号を増幅したりする。

超音波振動子3は、詳しくは図7に示すように、筒状体の一端を薄板部3a1にて閉塞したアルミニウム製のケース3aと、ケース3aの薄板部3a1 の内面に貼着する小さな板状の圧電素子3bと、ケース3aの開口側を施蓋する回路基板3cとから構成される。回路基板3cにはシールド線Wが接続され、回路基板3cからは活線側のリード線3d1 とアース側のリード線3d2 とが引き出され、リード線3d1 は圧電素子3bに接続し、リード線3d2 は圧電素子3bの近傍の薄板部3a1 に接続する。

上述のように構成される従来の超音波送受波器1は、図8に示すような超音波信号の送受波特性を備える。すなわち、図8(a)に示すような駆動信号を圧電素子3bに印加して薄板部3a1 を振動させて超音波を送波すると、図8(b)に示すように残響振動による残響信号が駆動信号の後にあらわれ、圧電素子3bの駆動開始からT=2L/V秒後に障害物Aからの反射波が返ってくる。但し、Vは音速である。

概要

小型化可能で且つ近距離検出能力の向上したものにする。

送波用圧電素子を備え筒状体の一端を送波用振動板にて閉塞した送波用ケース部と、受波用圧電素子を備え筒状体の一端を受波用振動板にて閉塞した受波用ケース部と、送波用ケース部と受波用ケース部とを並列に連結する連結片部とを有する超音波振動子22を、ハウジング21内に収納した超音波送受波器20であって、連結片部により、送波用ケース部の開口部近傍と受波用ケース部の開口部近傍とでのみ、送波用ケース部と受波用ケース部とを連結するようにした。また、連結片部により連結した送波用ケース部と受波用ケース部との隙間に緩衝材を介在した。

目的

本発明は上記の問題点を解決するために成されたもので、その目的とするところは、小型化可能で且つ廉価にして近距離検出能力の向上した、優れる超音波送受波器を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

送波用圧電素子を備え筒状体の一端を送波用振動板にて閉塞した送波用ケース部と、受波用圧電素子を備え筒状体の一端を受波用振動板にて閉塞した受波用ケース部と、送波用ケース部と受波用ケース部とを並列に連結する連結片部とを有する超音波振動子を、ハウジング内に収納した超音波送受波器であって、前記連結片部により、送波用ケース部の開口部近傍と受波用ケース部の開口部近傍とでのみ、送波用ケース部と受波用ケース部とを連結するようにしたことを特徴とする超音波送受波器。

請求項2

前記連結片部により連結した送波用ケース部と受波用ケース部との隙間に緩衝材を介在したことを特徴とする請求項1記載の超音波送受波器。

技術分野

0001

本発明は、超音波信号を送信するとともに障害物からの反射波を受信して障害物の存在を検出する超音波センサの、超音波送受波器に関する。

背景技術

0002

図5は超音波センサを示す原理説明図、図6は従来の超音波送受波器を示す断面図、図7は従来の超音波送受波器の超音波振動子を示す断面図である。図8は従来の超音波送受波器の送受波信号の説明図であり、図8(a)は送波信号の説明図、図8(b)は受波信号の説明図である。図9は従来の他の超音波送受波器を示す断面図である。

0003

図5に示すように、超音波センサの原理は、前方に障害物Aが存在する場合、超音波送受波器1から前方空間送波した超音波信号Bが障害物Aにて反射し、再び戻ってくるまでの所要時間に基づいて障害物Aまでの距離Lを検出するようにされている。

0004

ところで、従来の超音波センサにあっては、図6に示すような超音波送受波器1が用いられている。すなわち、超音波送受波器1は、樹脂製の成形品で作られたハウジング2と、ハウジング2内に収納する超音波振動子3と回路ブロック4とを備える。ハウジング2は、前方へ効率よくビーム状に超音波を送波するためのホーン部2aを備える。超音波振動子3は、電気信号機械的振動に変換して空気を直接振動したり、空気の振動を機械的振動に変換したうえで電気信号にしたりする部分であり、超音波の入出力する部分が開口するシリコンゴムなどの保持材5を介在してハウジング2内に収納する。回路ブロック4は、シールド線Wを介して電気信号を超音波振動子3へ供給したり、超音波振動子3から入力される電気信号を増幅したりする。

0005

超音波振動子3は、詳しくは図7に示すように、筒状体の一端を薄板部3a1にて閉塞したアルミニウム製のケース3aと、ケース3aの薄板部3a1 の内面に貼着する小さな板状の圧電素子3bと、ケース3aの開口側を施蓋する回路基板3cとから構成される。回路基板3cにはシールド線Wが接続され、回路基板3cからは活線側のリード線3d1 とアース側のリード線3d2 とが引き出され、リード線3d1 は圧電素子3bに接続し、リード線3d2 は圧電素子3bの近傍の薄板部3a1 に接続する。

0006

上述のように構成される従来の超音波送受波器1は、図8に示すような超音波信号の送受波特性を備える。すなわち、図8(a)に示すような駆動信号を圧電素子3bに印加して薄板部3a1 を振動させて超音波を送波すると、図8(b)に示すように残響振動による残響信号が駆動信号の後にあらわれ、圧電素子3bの駆動開始からT=2L/V秒後に障害物Aからの反射波が返ってくる。但し、Vは音速である。

発明が解決しようとする課題

0007

従って、図5の超音波送受波器1と障害物Aとの距離が短くなればなるほど、図8(b)の障害物Aからの反射波は益々残響信号に近づき、反射波はついにはその残響信号の中に隠れてしまう。そのために、図6に示すような構成の従来の超音波送受波器1を備える超音波センサにあっては、障害物Aと超音波送受波器1との距離があまり接近すると障害物Aを検出できないことになる。

0008

そこで、超音波振動子3の残響振動による近距離検出能力の低下を防止するために、残響振動の生じない送受別体型の超音波振動子を用いる超音波送受波器が考案されており、その超音波送受波器の構造を図9に示す。図9に示す超音波送受波器6は、樹脂製の成形品で作られたハウジング7と、ハウジング7内に収納する送波用の超音波振動子8aと受波用の超音波振動子8bと回路ブロック9とを備える。

0009

ハウジング7は、前方へ効率よくビーム状に超音波を送波するためのホーン部7aと、前方から効率よく超音波を受波するためのホーン部7bとを備える。超音波振動子8aは電気信号を機械的振動に変換して空気を直接振動するものであり、超音波振動子8bは空気の振動を機械的振動に変換したうえで電気信号にするものである。超音波振動子8a,8bのそれぞれは、図7に示した超音波振動子と同様に構成されおり、超音波の入出力する部分が開口するシリコンゴムなどの保持材10を介在してハウジング7内に収納する。回路ブロック9は、シールド線Wを介して電気信号を超音波振動子8aへ供給したり、超音波振動子8bから入力される電気信号を増幅したりする。

0010

しかしながら、図9に示すような超音波送受波器6にあっては、図6に示すような送受兼用構成の超音波振動子3を用いた超音波送受波器1と比較して、超音波振動子8aと超音波振動子8bとが別体であるぶん残響振動による影響が軽減されるため近距離検出能力は向上するものの、超音波振動子、保持材およびホーン部をそれぞれ2づつ設ける必要があり、組み立て難くコストが嵩むだけでなく形状も大きくなってしまうという問題点があった。

0011

本発明は上記の問題点を解決するために成されたもので、その目的とするところは、小型化可能で且つ廉価にして近距離検出能力の向上した、優れる超音波送受波器を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

本発明は上記の問題点を解決するため、請求項1記載の発明にあっては、送波用圧電素子を備え筒状体の一端を送波用振動板にて閉塞した送波用ケース部と、受波用圧電素子を備え筒状体の一端を受波用振動板にて閉塞した受波用ケース部と、送波用ケース部と受波用ケース部とを並列に連結する連結片部とを有する超音波振動子を、ハウジング内に収納した超音波送受波器であって、前記連結片部により、送波用ケース部の開口部近傍と受波用ケース部の開口部近傍とでのみ、送波用ケース部と受波用ケース部とを連結するようにしたことを特徴とする。

0013

また、請求項2記載の発明にあっては、前記連結片部により連結した送波用ケース部と受波用ケース部との隙間に緩衝材を介在したことを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、本発明に係る超音波送受波器の一実施の形態を図1図3に基づいて、他の実施の形態を図4に基づいて、それぞれ詳細に説明する。

0015

図1は超音波送受波器を示す断面図である。図2は超音波振動子を示す図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は断面図である。図3は振動モードを説明する側面図である。図4は他の実施の形態の超音波送受波器の超音波振動子を示す図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は断面図である。

0016

超音波送受波器20は、樹脂製の成形品で作られたハウジング21と、ハウジング21内に収納する超音波振動子22と回路ブロック23とを備える。ハウジング21は、前方へ効率よくビーム状に超音波を送波するためのホーン部21aを備える。超音波振動子22は、電気信号を機械的振動に変換して空気を直接振動したり、空気の振動を機械的振動に変換したうえで電気信号に変換したりする部分であり、超音波の入出力する部分が開口するシリコンゴムなどの保持材24を介在してハウジング21内に収納する。回路ブロック23は、シールド線W1を介して電気信号を超音波振動子22へ供給したり、シールド線W2 を介して超音波振動子22から入力される電気信号を増幅したりする。

0017

超音波振動子22は、詳しくは図2に示すように、筒状体の一端を送波用振動板22a1 にて閉塞したアルミニウム製の送波用ケース部22aと、筒状体の一端を受波用振動板22b1 にて閉塞したアルミニウム製の受波用ケース部22bと、送波用ケース部22aと受波用ケース部22bとを連結する連結片部22cと、送波用ケース部22aの送波用振動板22a1 の内面に貼着する小さな板状の送波用圧電素子22dと、受波用ケース部22bの受波用振動板22b1 の内面に貼着する小さな板状の受波用圧電素子22eと、送波用ケース部22aの開口部を施蓋する回路基板22fと、受波用ケース部22bの開口部を施蓋する回路基板22gとから構成される。

0018

回路基板22fにはシールド線W1 が接続され、回路基板22gにはシールド線W2 が接続される。回路基板22fからは活線側のリード線22h1 とアース側のリード線22h2 とが引き出され、リード線22h1 は送波用圧電素子22dに接続し、リード線22h2 は送波用圧電素子22dの近傍の送波用振動板22a1 に接続する。また、回路基板22gからは活線側のリード線22i1 とアース側のリード線22i2 とが引き出され、リード線22i1 は受波用圧電素子22eに接続し、リード線22i2 は受波用圧電素子22eの近傍の受波用振動板22b1 に接続する。

0019

ところで、この超音波振動子22が特徴となるのは次の構成である。すなわち、送波用振動板22a1 から超音波を送波するには、使用する周波数の超音波で送波用ケース部22aを振動させなければならず、送波用ケース部22aの共振周波数近傍で送波用圧電素子22dを振動する必用がある。また、反射して返ってくる超音波を受波用振動板22b1 にて受波するには、使用する周波数の超音波で受波用ケース部22bを振動させなければならならない。

0020

そこで、使用する超音波の周波数に基づいて送波用ケース部22aと受波用ケース部22bとを設計することになるが、送波用ケース部22aと受波用ケース部22bとのそれぞれは、使用する周波数の超音波で、図3に示すように、開口部がちょうど節(振幅が最小)になるモードで共振する。従って、連結片部22cを以て、送波用ケース部22aの開口部近傍と受波用ケース部22bの開口部近傍とを連結すると、使用する周波数の超音波で共振するときに節(振幅が最小)になる部分で連結することになり、送波用振動板22a1 から超音波を送波するときの送波用ケース部22aの振動は連結片部22cを介して受波用ケース部22bに伝わらず、残響振動による影響を軽減することができ、近距離検出能力の向上したものにできる。

0021

また、近距離検出能力を向上した従来の超音波送受波器にあっては、超音波振動子、超音波振動子を保持するシリコンゴムなどの保持材、および、ハウジングに設けるホーン部は、それぞれ2つづつ設ける必要があった。それに対し、この超音波送受波器20にあっては、送波用ケース部22aと受波用ケース部22bとは連結片部22cを介して一体に連結しているので、超音波振動子22、超音波振動子22を保持するシリコンゴムなどの保持材24、および、ハウジング21に設けるホーン部21aは1づつ設けるだけで良いので部品数および組み立て工数を減少することができ、コストダウンが可能で形状も小型にできる。

0022

また、図4に示すように、超音波や振動を吸収遮断するスポンジゴムのような緩衝材25を、送波用ケース部22aと受波用ケース部22bとの隙間に介在すると、更に送波用ケース部22aの振動を受波用ケース部22bに伝わり難くすることができ、小型化可能で且つ廉価にして更に近距離検出能力の向上した優れる超音波送受波器を提供できる。

発明の効果

0023

請求項1記載の発明によれば、連結片部を介して送波用ケース部と受波用ケース部とを連結するので、部品数および組み立て工数を減少することができ、コストダウンが可能で形状も小型にでき、しかも、使用する周波数の超音波による送波用ケース部の振動モードの節の部分で、連結片部を介して、送波用ケース部と受波用ケース部とを連結することになるので、送波用ケース部の送波時の振動が受波用ケース部に伝わり難く、小型化可能で且つ廉価にして近距離検出能力の向上した、優れる超音波送受波器を提供できるという効果を奏する。

0024

請求項2記載の発明によれば、送波用ケース部と受波用ケース部との隙間に緩衝材を介在するので、請求項1記載の発明の効果に加えて、更に送波用ケース部の振動を受波用ケース部に伝わり難くすることができ、更に近距離検出能力を向上した、優れる超音波送受波器を提供できるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0025

図1本発明に係る一実施の形態の超音波送受波器を示す断面図である。
図2上記超音波送受波器の超音波振動子を示す図である。
図3上記超音波送受波器の超音波振動子の振動モードを説明する側面図である。
図4本発明に係る他の実施の形態の超音波送受波器の超音波振動子を示す断面図である。
図5超音波センサを示す原理説明図である。
図6従来の超音波送受波器を示す断面図である。
図7従来の超音波送受波器の超音波振動子を示す断面図である。
図8従来の超音波送受波器の送受波信号の説明図である。
図9従来の他の超音波送受波器を示す断面図である。

--

0026

20超音波送受波器
21ハウジング
22a送波用ケース部
22a1 送波用振動板
22b受波用ケース部
22b1 受波用振動板
22d送波用圧電素子
22e受波用圧電素子
22c連結片部
25 緩衝材

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