超音波センサ、その調整方法、及びその製造方法
【課題】超音波センサとしての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることのできる超音波センサ、その調整方法、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】超音波センサ１では、トランス３０は、１次側コイル３１に接続される２本の第２接続ピン４１ａと２次側コイルに接続される２本の第２接続ピン４１ｂとを有する接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化され、超音波振動子１０の共振周波数である第１共振周波数ｆと、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数ｆ’との差が小さくなるように、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬが調整された状態にて、ケース６０内に組み付けられて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置される。
【解決手段】超音波センサ１では、トランス３０は、１次側コイル３１に接続される２本の第２接続ピン４１ａと２次側コイルに接続される２本の第２接続ピン４１ｂとを有する接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化され、超音波振動子１０の共振周波数である第１共振周波数ｆと、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数ｆ’との差が小さくなるように、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬが調整された状態にて、ケース６０内に組み付けられて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のバンパ等に配置されて当該車両近傍の障害物を超音波にて検知する超音波センサ、その調整方法、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の超音波センサとして、例えば特許文献１に記載の超音波センサが知られている。この特許文献１に記載の超音波センサを含めた従来の超音波センサについて、図８を参照して説明する。
【０００３】
図８に示すように、超音波センサ１００は、外部に露出した振動面Ｓ１にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子１１０と、この超音波振動子１１０にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板１２０と、開口面を有し、超音波振動子１１０及び回路基板１２０が開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケース１６０とを備えて構成されている。
【０００４】
超音波センサ１００は、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた状態で、回路基板１２０の処理回路が作製された上表面Ｓ２と超音波振動子１１０の振動面Ｓ１とが平行となり、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、接続ピン１１５と、超音波振動子１１０が押し込まれたときに発生する押圧を緩和する中継ピン（押圧緩和機構）１２１とを介して電気的に接続される。
【０００５】
これにより、超音波振動子１１０が外部から押されることで接続ピン１１５が押し込まれても、そのとき発生する押圧を中継ピン１２１にて緩和することが可能となり、超音波振動子１１０が押し込まれたときに超音波振動子１１０と回路基板１２０との電気的な接続が破壊されないようにすることができるようになる。
【０００６】
また、超音波センサ１００は、超音波振動子１１０から出力される電気信号の電圧を増幅するトランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０と反対側の表面に実装されている。このトランス１３０は、回路基板１２０に電気的に接続される図示しない１次側コイルと、超音波振動子１１０に電気的に接続される図示しない２次側コイルと、２次側コイルのインダクタＬを調整する調整機構１３３（例えばねじ式の調整機構）を有して構成されている。調整機構１３３は、トランス１３０の上表面、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０と反対側の表面である上表面Ｓ２側に配置されていることから、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた後、調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することが可能である。調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することにより、超音波振動子１１０から出力した超音波の残響時間が最短となるとともに超音波振動子１１０にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが最大となり、超音波センサ１００としての特性を満足することができるようになる。なお、調整機構１３３による調整前の電気信号の電圧波形を図９（ａ）に示し、調整機構１３３による調整後の電気信号の電圧波形を図９（ｂ）に示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、超音波センサの搭載スペースの制約や超音波センサの軽量化等により、超音波センサのさらなる小型化・薄肉化が求められている。
【０００９】
図８に示した超音波センサ１００では、トランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２に実装されていることから、超音波センサ１００の厚さＨ１はこのトランス１３０の高さ分だけ厚くなってしまう。
【００１０】
そこで、超音波振動子１１０と回路基板１２０との間に中継ピン１２１によって押圧を緩和するために設けられたスペースを有効活用するべく、上記従来技術の改良例として、トランス１３０を回路基板１２０の裏面Ｓ３、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０側の表面に実装することが考えられる。これにより、超音波センサ１００の小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１１】
しかしながら、トランス１３０を回路基板１２０の裏面Ｓ３に実装すると、調整機構１３３も回路基板１２０の裏面Ｓ３側に配置されることから、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた後、調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することができなくなってしまう。そしてひいては、超音波センサ１００としての特性が満足されなくなってしまう。
【００１２】
なお、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、接続ピン１１５だけでなく中継ピン１２１を介して電気的に接続される構成について説明したが、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、中継ピン１２１を介さず接続ピン１１５を介して電気的に接続される構成でも、上記問題が同様に生じる。
【００１３】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超音波センサとしての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることのできる超音波センサ、その調整方法、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、外部に露出して振動する振動面から超音波を送信するとともに、当該振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子と、超音波振動子から超音波を送信させるとともに、超音波振動子にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板と、回路基板に接続される１次側コイルと、超音波振動子に接続される２次側コイルと、これら１次側コイル及び２次側コイルの少なくとも一方のインダクタを調整する調整機構とを有し、超音波振動子から出力された電気信号の電圧を増幅するトランスと、開口面を有し、超音波振動子、トランス、及び回路基板が開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケースとを備える超音波センサであって、トランスは、超音波振動子と一体化され、調整機構による調整が実施された状態にて、回路基板と超音波振動子との間に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
超音波センサとしての上記構成では、トランスが超音波振動子と一体化されて回路基板と超音波振動子との間に配置されることから、トランスが回路基板の上表面に実装されている上記従来技術とは異なり、超音波振動子と回路基板との間のスペースを有効に活用することができ、超音波センサの小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１６】
また、超音波センサとしての上記構成では、調整機構による調整が実施された状態にて回路基板と超音波振動子との間に配置されることから、調整機構によって調整することができない上記改良例とは異なり、超音波センサとしての特性が満足されなくなることはない。
【００１７】
したがって、上記請求項１に記載の構成によれば、超音波センサとしての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１８】
なお、上記請求項１に記載の構成において、請求項２に記載の発明のように、当該超音波センサは、超音波振動子、トランス、及び回路基板をケースに組み付けた状態で、回路基板の処理回路が作製された表面と超音波振動子の振動面とが平行となり、超音波振動子及びトランスと回路基板とが接続ピン及び押圧緩和機構を介して電気的に接続されているとよい。
【００１９】
また、上記請求項２に記載の構成において、請求項３に記載の発明のように、トランスは、１次側コイル及び２次側コイルが巻き付けられるコアを有しており、コアは、当該コアに巻き付けられた１次側コイルの向き及び２次側コイルの向きが超音波振動子の振動面に対し垂直となる向きに配置されているとよい。
【００２０】
また、上記請求項２または３に記載の構成において、請求項４に記載の発明のように、トランスは、１次側コイルに接続される２本の接続ピンと２次側コイルに接続される２本の接続ピンとを有する接続基板を介して、超音波振動子と一体化されているとよい。これにより、トランスと超音波振動子と容易に一体化することができるようになる。
【００２１】
上記請求項４に記載の構成において、請求項５に記載の発明では、超音波振動子は、その指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成されており、接続ピンは、接続基板の表面に、超音波振動子の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていることとした。これにより、超音波振動子の指向性を接続ピンの配置形状から判別することができるようになる。
【００２２】
上記請求項２〜５のいずれか一項に記載の構成において、請求項６に記載の発明のように、押圧緩和機構は、超音波振動子を開口面に挿入する方向に接続ピンが押し込まれると、この方向に撓む中継ピンであるとよい。これにより、超音波振動子が押し込まれたときに発生する押圧を緩和することができるようになる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、上記請求項１〜６に記載の超音波センサを調整する調整方法であって、超音波振動子の共振周波数である第１共振周波数と、超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数との差が小さくなるように、調整機構によって前記２次側コイルのインダクタを調整する。これにより、超音波振動子から出力される超音波の残響時間が短くなるとともに超音波振動子にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが大きくなるという、超音波センサとしての特性を満足することができるようになる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、上記請求項１〜６に記載の超音波センサを製造する方法であって、ケースには、超音波振動子を挿入するための第１の開口と、回路基板を挿入するための第２の開口とが設けられ、トランスを超音波振動子と一体化し、そのトランスの調整を行い、第１の開口からトランスを先頭側としてケース内に超音波振動子を挿入し、さらに、第２の開口から回路基板をケース内に挿入する。これにより、請求項１〜６に記載の超音波センサを製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る超音波センサ及びその調整方法の一実施の形態について、（ａ）は、超音波振動子とトランスとが一体化された後にケースに組み付けられた状態を示す側面断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図２】本実施の形態を構成する超音波振動子について、（ａ）は超音波振動子の断面図であって（ｃ）におけるＡ−Ａ矢指断面図に相当する図であり、（ｂ）は超音波振動子に備えられる圧電素子を収容したハウジングの裏面図であり、（ｃ）は超音波振動子全体の裏面図である。
【図３】本実施の形態を構成するトランスの内部構造を示す側面図である。
【図４】本実施の形態を構成する超音波振動子とトランスとが一体化された状態を示す側面図である。
【図５】トランスと超音波振動子とが一体化された状態において、（ａ）は、超音波振動子及びトランスの電気的な接続状態を示す図であり、（ｂ）は、超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の等価回路図である。
【図６】超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の周波数特性について、（ａ）は、調整機構による調整前の周波数特性を示す図であり、（ｂ）は調整機構による調整後の周波数特性を示す図である。
【図７】本実施の形態の超音波センサの変形例を示す平面図である。
【図８】従来の超音波センサの側面断面図である。
【図９】従来の超音波センサの調整方法について、（ａ）は調整前の電気信号の電圧波形を示す図であり、（ｂ）は調整後の電気信号の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る超音波センサ、その調整方法、その製造方法の一実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施の形態の超音波センサは、車両のバンパに取り付けられて、バックソナー又はコーナーソナーとして用いられる。
【００２７】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施の形態の超音波センサ１は、外部に露出した振動面１１ｂから超音波を送信するとともに、当該振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波センサである超音波振動子１０と、超音波振動子１０から超音波を送信させるとともに、超音波振動子１０にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板２０と、超音波振動子１０から出力された電気信号の電圧を増幅するトランス３０と、超音波振動子１０とトランス３０とを一体化する接続基板４０と、超音波振動子１０が押圧されたときにその押圧を緩和する中継ピン５０とが、合成樹脂からなる中空状のケース６０内に組み付けられて構成されている。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、超音波振動子１０について詳述する。超音波振動子１０は、図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ハウジング１１、圧電素子１２、スペーサ１３、ベース１４、及び一対の第１接続ピン１５を有して構成されている。
【００２９】
ハウジング１１は、導電性材料（金属材料や表面に導電膜を形成した絶縁材料）で構成され、有底円筒状とされることでハウジング１１の内部に内部空間１６が形成されている。ハウジング１１の底部１１ａの内面に圧電素子１２が貼着されており、この底部１１ａの外側表面が振動面１１ｂとなっている。本実施の形態では、導電性材料としてアルミニウムを用いており、振動面１１ｂを円形状としている。また、内部空間１６の上面形状は、図２（ｂ）に示すように、長辺と短辺が異なる長さで、四隅が丸められた長方形状とされている。内部空間１６をこのような形状とすることにより、超音波振動子１０の指向性を水平方向と垂直方向とで異なるものとすることができる。なお、図２（ｂ）においては、上下方向が指向性の狭い垂直方向、左右方向が指向性の広い水平方向となっている。
【００３０】
圧電素子１２は、圧電セラミックス（例えばチタン酸ジルコン酸鉛系）で構成され、その表裏両面に図示しない電極を備えている。圧電素子１２の一方の電極は、リード１７ａによって一対の第１接続ピン１５の一方に電気的に接続され、他方の電極は、ハウジング１１の底部１１ａに導電性接着剤により貼着され、導電性材料で構成されたハウジング１１を介してリード１７ｂに接続されたのち、一対の第１接続ピン１５の他方に電気的に接続されている。なお、ハウジング１１の内部空間１６には、スペーサ１３及びベース１４に設けられた図示しない注入口を介して、圧電素子１２側から順にフェルト、シリコンが充填されており、振動面から第１接続ピン１５に伝達される不要振動が抑制されている。
【００３１】
スペーサ１３は、ハウジング１１の開口部とベース１４との間に配置されている。スペーサ１３は、ハウジング１１の底部１１ａの振動に伴ってハウジング１１の筒部１１ｃに生じる不要振動が第１接続ピン１５の固定されているベース１４に伝達されるのを抑制する弾性体であり、例えばシリコンゴムから構成されている。なお、ここでは、スペーサ１３を配置する構成としたが、スペーサ１３を無くした構成とすることもできる。
【００３２】
ベース１４は、ハウジング１１の開口部側の外周面にスペーサ１３を介して嵌め込まれることで、ハウジング１１に固定されている。このベース１４は、絶縁材料、例えばＡＢＳ樹脂等の合成樹脂で構成されている。ベース１４には、第１接続ピン１５が貫通配置されている。ベース１４を成形する際に、第１接続ピン１５をインサート成形することで、第１接続ピン１５の一部がベース１４に埋設固定されるようにしている。また、ベース１４には、第１接続ピン１５の長手方向に沿って延設された保護部１８が備えられ、ハウジング１１の外部に引き出された第１接続ピン１５を、ベース１４からハウジング外部の先端に向けて被覆している。この保護部１８にて、一対の第１接続ピン１５が一体的に被覆されている。
【００３３】
また、ベース１４には、第１接続ピン１５が突出する方向に突出する第１の基準部１４ａが形成されている。第１の基準部１４ａの先端位置は、図２（ｃ）に示すように、ベース１４の外周面に対してベース１４（超音波振動子１０）の径方向において部分的に突出させられている。
【００３４】
第１接続ピン１５は、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、例えば太さ０．５ｍｍφの棒状部材で構成される。本実施の形態では、超音波振動子１０（圧電素子１２）の指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成してあるため、第１接続ピン１５および保護部１８を、図２（ｃ）に示すように、超音波振動子１０（ハウジング１１）の中心軸からずれた位置に設けている。
【００３５】
超音波振動子１０には、例えば発泡シリコン等で構成された発泡弾性体１９が備えられている。この発泡弾性体１９は、保護部１８に対向するようにスペーサ１３に設けられ、第１接続ピン１５などの振動を抑制する弾性体として機能するもので、第１接続ピン１５は発泡弾性体１９も貫通するように配置されている。なお、ここでは発泡弾性体１９を備えた構成としているが、備えていない構造とすることもできる。
【００３６】
そして、ハウジング１１、スペーサ１３、ベース１４、発泡弾性体１９が、それぞれ接着剤（例えばシリコン系接着剤）等で接着されることで、一体構造とされた超音波振動子１０が構成されている。
【００３７】
回路基板２０は、第１接続ピン１５、第２接続ピン４１、及び中継ピン５０を介して超音波振動子１０と電気的に接続されている。回路基板２０には、超音波振動子１０（詳しくは圧電素子１２）に超音波を発生させる駆動電圧を中継ピン５０、第２接続ピン４１、第１接続ピン１５を介して印加するとともに、超音波振動子１０から第２接続ピン４１、第１接続ピン１５、及び中継ピン５０を介して入力された、圧電素子１２の逆起電圧効果により発生した電圧を処理する処理回路が作製されている。なお、第２接続ピン４１及び中継ピン５０については後述するが、第２接続ピン４１には、トランス３０の１次側コイル３１に接続される第２接続ピン４１ａと２次側コイル３２に接続される第２接続ピン４１ｂがあり、これらを総称する場合に単に第２接続ピン４１と記載する。
【００３８】
トランス３０は、図３に示すように、１次側コイル３１と、２次側コイル３２と、これら１次側コイル３１及び２次側コイル３２が巻き付けられたコア３３と、２次側コイル３２のインダクタＬを調整するネジ式の調整機構３４とを有して構成されており、図４に示すように、接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化される。
【００３９】
１次側コイル３１は、コア３３の図３において下方に所定巻数Ｎ１にて巻き付けられており、当該トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されると、接続基板４０の第２接続ピン４１ａに電気的に接続される。
【００４０】
２次側コイル３２は、コア３３の図３において上方に所定巻数Ｎ２（＞巻数Ｎ１）にて巻き付けられている。２次側コイル３２は、当該トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されると、第１接続ピン１５を介して超音波振動子１０（正確には圧電素子１２）の電極及び第２接続ピン４１ｂにそれぞれ電気的に接続される。
【００４１】
コア３３は、いわゆるＥＩコアによって構成されており、当該コア３３に巻き付けられた１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向き、すなわち図３に矢印にて示す向きが、超音波振動子１０の振動面１１ｂに対し垂直となる向きとなるように、接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化される。
【００４２】
ねじ式の調整機構３４は、本実施の形態では、コア３３の図３において上面に設けられている。トランス３０の上方からねじを回すことにより、２次側コイル３２のインダクタＬを増減することが可能であり、２次側コイル３２のインダクタＬを増減することにより、当該トランス３０と一体化された超音波振動子１０の特性、すなわち超音波センサ１の特性を調整することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向きが超音波振動子１０の振動面１１ｂに対し垂直となる向きとなるように、トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されていたため、ねじ式の調整機構３４がトランス３０の上面に配置されることとなっていたが、これに限らない。１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向きが超音波振動子１０の振動面１１ｂと平行になる向きとなるように、トランス３０を接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化してもよく、この場合、ねじ式の調整機構３４はトランス３０の側面に配置されることになる。
【００４４】
次に、超音波振動子１０とトランス３０とを一体化する接続基板４０について説明する。接続基板４０は、図１（ｂ）及び図４に示すように、平面視正方形状の基板によって構成され、計「４本」の第２接続ピン４１と、超音波振動子１０の一対の第１接続ピン１５の各々に対応するスルーホールＨ４２と、配線Ｌ４１と、配線Ｌ４２と、これら図１（ｂ）及び図４では図示しないコンデンサＣ２とを有して構成されている。
【００４５】
第２接続ピン４１は、第１接続ピン１５と同様に、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、例えば太さ０．５ｍｍφの棒状部材で構成される。第２接続ピン４１は、図４に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１に対し垂直に、且つ、図１（ｂ）に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１において一列に配置されている。
【００４６】
超音波振動子１０の静電容量が温度に起因して変化することから、コンデンサＣ２は、この温度変化に起因する静電容量の変化を調整するために設けられている。コンデンサＣ２については、省略して構成することも可能であるため、後述する図５では破線にて示している。
【００４７】
超音波振動子１０の上面の所定位置に接続基板４０が載置されるとともに、この接続基板４０の上表面Ｓ４１の所定位置にトランス３０が載置されると、超音波振動子１０の第１接続ピン１５はスルーホールＨ４２を介して接続基板４０を貫通し、この状態ではんだ付け等されることにより、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化される。
【００４８】
図５（ａ）は、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化された状態において、超音波振動子１０、接続基板４０、及びトランス３０の電気的な接続状態を示した図である。
【００４９】
超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化されると、計４本の第２接続ピン４１のうち２本の第２接続ピン４１ｂは、超音波振動子１０、コンデンサＣ２、及び２次側コイル３２の各々と第１接続ピン１５を介して電気的に並列接続され、計４本の第２接続ピンのうち残りの２本の第２接続ピン４１ａは、１次側コイル３１と電気的に接続される。
【００５０】
ここで、超音波振動子１０とトランス３０とを接続基板４０によって一体化した後そのままケース６０に組み付けると、調整機構３４が回路基板２０の裏面Ｓ３側に配置されることから、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬを調整することができなくなってしまう。そしてひいては、超音波センサ１としての特性が満足されなくなってしまう。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、超音波振動子１０とトランス３０とを接続基板４０によって一体化した後、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬを調整した上で、ケース６０に組み付けることとした。したがって、超音波振動子１１０を超音波センサ１００に組み付けた後にトランス１３０の２次側コイルを調整する従来の調整方法とは異なる調整方法となる。
【００５２】
以下、超音波センサ１の調整方法について具体的に説明する。図５（ｂ）は、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化された状態において、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の等価回路図である。超音波振動子１０は、コンデンサＣ１とインダクタＬ１と抵抗Ｒ１とが直列接続された直列回路とコンデンサＣ０との並列回路１０ａとしてその周波数特性を表すことができ、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路は、この並列回路１０ａとコンデンサＣ２と２次側コイル３２に相当するインダクタＬ２との並列回路としてその周波数特性を表すことができる。
【００５３】
図５（ｂ）に示す等価回路では、第２接続ピン４１ｂに印加する電圧の周波数を変化させると、並列回路１０ａの一部を構成する直列回路の共振周波数ｆにて共振が発生するとともに、並列回路１０ａの一部を構成するコンデンサＣ０、コンデンサＣ２、及びインダクタＬ２にて構成される並列回路の共振周波数ｆ’にて共振が発生する。
【００５４】
そして、本実施の形態の調整方法では、調整機構３４にてインダクタＬ２を増減して共振周波数ｆと共振周波数ｆ’との差が最小となるように調整する。
【００５５】
図６（ａ）に、調整機構３４による調整前の等価回路の周波数特性を示し、図６（ｂ）に、調整機構３４による調整後の等価回路の周波数特性を示す。これら図６（ａ）及び（ｂ）のように、共振周波数ｆと共振周波数ｆ’との差が小さくなるようにインダクタＬ２を調整機構３４にて調整すると、ケース６０に組み付けた後、超音波振動子１０から出力される超音波の残響時間が短くなるとともに超音波振動子１０にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが大きくなるという、超音波センサ１としての特性を満足することができるようになる。なお、共振周波数ｆ及び共振周波数ｆ’はそれぞれ特許請求の範囲に記載の第１共振周波数及び第２共振周波数に相当する。
【００５６】
中継ピン５０は、第１接続ピン１５や第２接続ピン４１と同様に、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、平行部５０ａ、折曲部５０ｂ、垂直部５０ｃ、孔５０ｄを有して構成されている。平行部５０ａは、中継ピン５０のうちケース６０に組み付けられると回路基板２０の表面に平行となる部分であり、折曲部５０ｂは、ケース６０に組み付けられると超音波振動子１０が押し込まれたときに発生する押圧によって撓み、この押圧を緩和する部分であり、垂直部５０ｃは、中継ピン５０のうちケース６０に組み付けられると回路基板２０の表面と垂直となる部分であり、孔５０ｄは、ケース６０に組み付けられると第２接続ピン４１が挿入されて電気的な接続を取る部分である。このように構成されることで、中継ピン５０は、ケース６０に組み付けられると、接続基板４０によってトランス３０と一体化された超音波振動子１０と回路基板２０とを電気的に接続しつつ、押し込まれたときに発生する押圧を緩和することができる。なお、本実施の形態では、押圧緩和機構として中継ピン５０を採用することで、超音波振動子１０と回路基板２０との電気的な接続を取るとともに押圧を吸収していたが、これに限らず、ハーネスによって行なうこととしてもよい。ちなみに、中継ピン５０が特許請求の範囲に記載の押圧緩和機構に相当する。
【００５７】
ケース６０には、図１（ａ）において下方に、接続基板４０によってトランス３０と一体化された超音波振動子１０を挿入するための開口６０ｂが設けられているとともに、図１（ａ）において上方に、回路基板２０をケース６０内に挿入するための開口６０ａとが設けられている。接続基板４０によってトランス３０と一体化されインダクタＬ２が調整された超音波振動子１０は、開口６０ｂからトランス３０を先頭側としてケース６０内に挿入され、その後、回路基板２０及び中継ピン５０は、開口６０ａからケース６０内に挿入されて、当該超音波センサ１が製造される。このようにして製造された超音波センサ１では、回路基板２０と超音波振動子１０の振動面１１ｂとは平行となり、超音波振動子１０及びトランス３０と回路基板２０とは、第１接続ピン１５、第２接続ピン４１、及び中継ピン５０を介して電気的に接続されることとなる。なお、開口６０ａが特許請求の範囲に記載の第２の開口に相当し、開口６０ｂが特許請求の範囲に記載の第１の開口に相当する。
【００５８】
以上説明した本実施の形態の超音波センサ１では、トランス３０は、１次側コイル３１に接続される２本の第２接続ピン４１ａと２次側コイルに接続される２本の接続ピン４２ｂとを有する接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化され、超音波振動子１０の共振周波数である第１共振周波数ｆと、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数ｆ’との差が小さくなるように、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬが調整された状態にて、ケース６０内に組み付けられて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されている。
【００５９】
上記構成によれば、トランス３０が超音波振動子１０と一体化されて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されることから、トランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２に実装されている背景技術の欄に記載した上記従来技術とは異なり、超音波振動子１０と回路基板２０との間のスペースを有効に活用することができ、超音波センサ１の小型化・薄肉化を図ることができるようになる（すなわち、超音波センサ１（図１）の厚さＨは、超音波センサ１００（図８）の厚さＨ１よりも薄くなる）。また、上記構成によれば、調整機構３４によって調整された状態にて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されることから、調整機構３４によって調整することができない課題の欄に記載した改良例とは異なり、超音波センサ１としての特性が満足されなくなることはない。したがって、超音波センサ１としての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００６０】
なお、本発明に係る超音波センサ１及びその調整方法は、上記実施の形態にて例示した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々に変形して実施することが可能である。すなわち、上記実施の形態を適宜変更した例えば次の形態として実施することもできる。
【００６１】
上記実施の形態では、接続基板４０の第２接続ピン４１は、図１（ｂ）に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１において一列に配置されていたが、これに限らない。第２接続ピン４１は、接続基板４０の上表面Ｓ４１に、超音波振動子１０の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていてもよい。具体的には、図１（ｂ）に対応する図として図７に示すように、第２接続ピン４１ｂに対応する第２接続ピン４１ｄ及び第２接続ピン４１ａに対応する第２接続ピン４１ｃは、第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離と第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離とが同一であり、且つ、第２接続ピン４１ｄと第２接続ピン４１ｃとの離間距離が第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離及び第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離よりも長い平面視矩形状に配置されていてもよい。ちなみに、この矩形の長辺に沿った方向が超音波センサ１の水平方向に対応付けられており、この矩形の短辺に沿った方向が超音波センサ１ａの垂直方向に対応付けられているものとする。このような構成によれば、超音波センサ１ａの指向性を第２接続ピン４１ｃ及び４１ｄの配置形状から判別することができるようになる。なお、この矩形の長辺に沿った方向を超音波センサ１の垂直方向に対応付け、且つ、この矩形の短辺に沿った方向を超音波センサ１ａの水平方向に対応付けてもよく、第２接続ピン４１ｄと第２接続ピン４１ｃとの離間距離が第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離及び第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離よりも短い平面視矩形状に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…超音波センサ、１０…超音波振動子、１０ａ…並列回路、１１…ハウジング、１２…圧電素子、１３…スペーサ、１４…ベース、１５…第１接続ピン、２０…回路基板、２０ａ…孔、３０…トランス、３１…１次側コイル、３２…２次側コイル、３３…コア、３４…調整機構、Ｃ２…コンデンサ、４０…接続基板、４１ａ〜４１ｄ…第２接続ピン、Ｌ４１、Ｌ４２…配線、Ｈ４２…スルーホール、５０…押圧緩和機構、５０ａ…平行部、５０ｂ…折曲部、５０ｃ…垂直部、５０ｄ…孔、６０…ケース、６０ａ…（第２の）開口、６０ｂ…（第１の）開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のバンパ等に配置されて当該車両近傍の障害物を超音波にて検知する超音波センサ、その調整方法、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の超音波センサとして、例えば特許文献１に記載の超音波センサが知られている。この特許文献１に記載の超音波センサを含めた従来の超音波センサについて、図８を参照して説明する。
【０００３】
図８に示すように、超音波センサ１００は、外部に露出した振動面Ｓ１にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子１１０と、この超音波振動子１１０にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板１２０と、開口面を有し、超音波振動子１１０及び回路基板１２０が開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケース１６０とを備えて構成されている。
【０００４】
超音波センサ１００は、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた状態で、回路基板１２０の処理回路が作製された上表面Ｓ２と超音波振動子１１０の振動面Ｓ１とが平行となり、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、接続ピン１１５と、超音波振動子１１０が押し込まれたときに発生する押圧を緩和する中継ピン（押圧緩和機構）１２１とを介して電気的に接続される。
【０００５】
これにより、超音波振動子１１０が外部から押されることで接続ピン１１５が押し込まれても、そのとき発生する押圧を中継ピン１２１にて緩和することが可能となり、超音波振動子１１０が押し込まれたときに超音波振動子１１０と回路基板１２０との電気的な接続が破壊されないようにすることができるようになる。
【０００６】
また、超音波センサ１００は、超音波振動子１１０から出力される電気信号の電圧を増幅するトランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０と反対側の表面に実装されている。このトランス１３０は、回路基板１２０に電気的に接続される図示しない１次側コイルと、超音波振動子１１０に電気的に接続される図示しない２次側コイルと、２次側コイルのインダクタＬを調整する調整機構１３３（例えばねじ式の調整機構）を有して構成されている。調整機構１３３は、トランス１３０の上表面、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０と反対側の表面である上表面Ｓ２側に配置されていることから、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた後、調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することが可能である。調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することにより、超音波振動子１１０から出力した超音波の残響時間が最短となるとともに超音波振動子１１０にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが最大となり、超音波センサ１００としての特性を満足することができるようになる。なお、調整機構１３３による調整前の電気信号の電圧波形を図９（ａ）に示し、調整機構１３３による調整後の電気信号の電圧波形を図９（ｂ）に示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、超音波センサの搭載スペースの制約や超音波センサの軽量化等により、超音波センサのさらなる小型化・薄肉化が求められている。
【０００９】
図８に示した超音波センサ１００では、トランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２に実装されていることから、超音波センサ１００の厚さＨ１はこのトランス１３０の高さ分だけ厚くなってしまう。
【００１０】
そこで、超音波振動子１１０と回路基板１２０との間に中継ピン１２１によって押圧を緩和するために設けられたスペースを有効活用するべく、上記従来技術の改良例として、トランス１３０を回路基板１２０の裏面Ｓ３、すなわち回路基板１２０の超音波振動子１１０側の表面に実装することが考えられる。これにより、超音波センサ１００の小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１１】
しかしながら、トランス１３０を回路基板１２０の裏面Ｓ３に実装すると、調整機構１３３も回路基板１２０の裏面Ｓ３側に配置されることから、超音波振動子１１０及び回路基板１２０がケース１６０に組み付けられた後、調整機構１３３によって２次側コイルのインダクタＬを調整することができなくなってしまう。そしてひいては、超音波センサ１００としての特性が満足されなくなってしまう。
【００１２】
なお、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、接続ピン１１５だけでなく中継ピン１２１を介して電気的に接続される構成について説明したが、超音波振動子１１０と回路基板１２０とが、中継ピン１２１を介さず接続ピン１１５を介して電気的に接続される構成でも、上記問題が同様に生じる。
【００１３】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、超音波センサとしての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることのできる超音波センサ、その調整方法、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、外部に露出して振動する振動面から超音波を送信するとともに、当該振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子と、超音波振動子から超音波を送信させるとともに、超音波振動子にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板と、回路基板に接続される１次側コイルと、超音波振動子に接続される２次側コイルと、これら１次側コイル及び２次側コイルの少なくとも一方のインダクタを調整する調整機構とを有し、超音波振動子から出力された電気信号の電圧を増幅するトランスと、開口面を有し、超音波振動子、トランス、及び回路基板が開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケースとを備える超音波センサであって、トランスは、超音波振動子と一体化され、調整機構による調整が実施された状態にて、回路基板と超音波振動子との間に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
超音波センサとしての上記構成では、トランスが超音波振動子と一体化されて回路基板と超音波振動子との間に配置されることから、トランスが回路基板の上表面に実装されている上記従来技術とは異なり、超音波振動子と回路基板との間のスペースを有効に活用することができ、超音波センサの小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１６】
また、超音波センサとしての上記構成では、調整機構による調整が実施された状態にて回路基板と超音波振動子との間に配置されることから、調整機構によって調整することができない上記改良例とは異なり、超音波センサとしての特性が満足されなくなることはない。
【００１７】
したがって、上記請求項１に記載の構成によれば、超音波センサとしての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００１８】
なお、上記請求項１に記載の構成において、請求項２に記載の発明のように、当該超音波センサは、超音波振動子、トランス、及び回路基板をケースに組み付けた状態で、回路基板の処理回路が作製された表面と超音波振動子の振動面とが平行となり、超音波振動子及びトランスと回路基板とが接続ピン及び押圧緩和機構を介して電気的に接続されているとよい。
【００１９】
また、上記請求項２に記載の構成において、請求項３に記載の発明のように、トランスは、１次側コイル及び２次側コイルが巻き付けられるコアを有しており、コアは、当該コアに巻き付けられた１次側コイルの向き及び２次側コイルの向きが超音波振動子の振動面に対し垂直となる向きに配置されているとよい。
【００２０】
また、上記請求項２または３に記載の構成において、請求項４に記載の発明のように、トランスは、１次側コイルに接続される２本の接続ピンと２次側コイルに接続される２本の接続ピンとを有する接続基板を介して、超音波振動子と一体化されているとよい。これにより、トランスと超音波振動子と容易に一体化することができるようになる。
【００２１】
上記請求項４に記載の構成において、請求項５に記載の発明では、超音波振動子は、その指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成されており、接続ピンは、接続基板の表面に、超音波振動子の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていることとした。これにより、超音波振動子の指向性を接続ピンの配置形状から判別することができるようになる。
【００２２】
上記請求項２〜５のいずれか一項に記載の構成において、請求項６に記載の発明のように、押圧緩和機構は、超音波振動子を開口面に挿入する方向に接続ピンが押し込まれると、この方向に撓む中継ピンであるとよい。これにより、超音波振動子が押し込まれたときに発生する押圧を緩和することができるようになる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、上記請求項１〜６に記載の超音波センサを調整する調整方法であって、超音波振動子の共振周波数である第１共振周波数と、超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数との差が小さくなるように、調整機構によって前記２次側コイルのインダクタを調整する。これにより、超音波振動子から出力される超音波の残響時間が短くなるとともに超音波振動子にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが大きくなるという、超音波センサとしての特性を満足することができるようになる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、上記請求項１〜６に記載の超音波センサを製造する方法であって、ケースには、超音波振動子を挿入するための第１の開口と、回路基板を挿入するための第２の開口とが設けられ、トランスを超音波振動子と一体化し、そのトランスの調整を行い、第１の開口からトランスを先頭側としてケース内に超音波振動子を挿入し、さらに、第２の開口から回路基板をケース内に挿入する。これにより、請求項１〜６に記載の超音波センサを製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る超音波センサ及びその調整方法の一実施の形態について、（ａ）は、超音波振動子とトランスとが一体化された後にケースに組み付けられた状態を示す側面断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図２】本実施の形態を構成する超音波振動子について、（ａ）は超音波振動子の断面図であって（ｃ）におけるＡ−Ａ矢指断面図に相当する図であり、（ｂ）は超音波振動子に備えられる圧電素子を収容したハウジングの裏面図であり、（ｃ）は超音波振動子全体の裏面図である。
【図３】本実施の形態を構成するトランスの内部構造を示す側面図である。
【図４】本実施の形態を構成する超音波振動子とトランスとが一体化された状態を示す側面図である。
【図５】トランスと超音波振動子とが一体化された状態において、（ａ）は、超音波振動子及びトランスの電気的な接続状態を示す図であり、（ｂ）は、超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の等価回路図である。
【図６】超音波振動子及び２次側コイルによって構成される電気回路の周波数特性について、（ａ）は、調整機構による調整前の周波数特性を示す図であり、（ｂ）は調整機構による調整後の周波数特性を示す図である。
【図７】本実施の形態の超音波センサの変形例を示す平面図である。
【図８】従来の超音波センサの側面断面図である。
【図９】従来の超音波センサの調整方法について、（ａ）は調整前の電気信号の電圧波形を示す図であり、（ｂ）は調整後の電気信号の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係る超音波センサ、その調整方法、その製造方法の一実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施の形態の超音波センサは、車両のバンパに取り付けられて、バックソナー又はコーナーソナーとして用いられる。
【００２７】
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、本実施の形態の超音波センサ１は、外部に露出した振動面１１ｂから超音波を送信するとともに、当該振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波センサである超音波振動子１０と、超音波振動子１０から超音波を送信させるとともに、超音波振動子１０にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板２０と、超音波振動子１０から出力された電気信号の電圧を増幅するトランス３０と、超音波振動子１０とトランス３０とを一体化する接続基板４０と、超音波振動子１０が押圧されたときにその押圧を緩和する中継ピン５０とが、合成樹脂からなる中空状のケース６０内に組み付けられて構成されている。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、超音波振動子１０について詳述する。超音波振動子１０は、図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ハウジング１１、圧電素子１２、スペーサ１３、ベース１４、及び一対の第１接続ピン１５を有して構成されている。
【００２９】
ハウジング１１は、導電性材料（金属材料や表面に導電膜を形成した絶縁材料）で構成され、有底円筒状とされることでハウジング１１の内部に内部空間１６が形成されている。ハウジング１１の底部１１ａの内面に圧電素子１２が貼着されており、この底部１１ａの外側表面が振動面１１ｂとなっている。本実施の形態では、導電性材料としてアルミニウムを用いており、振動面１１ｂを円形状としている。また、内部空間１６の上面形状は、図２（ｂ）に示すように、長辺と短辺が異なる長さで、四隅が丸められた長方形状とされている。内部空間１６をこのような形状とすることにより、超音波振動子１０の指向性を水平方向と垂直方向とで異なるものとすることができる。なお、図２（ｂ）においては、上下方向が指向性の狭い垂直方向、左右方向が指向性の広い水平方向となっている。
【００３０】
圧電素子１２は、圧電セラミックス（例えばチタン酸ジルコン酸鉛系）で構成され、その表裏両面に図示しない電極を備えている。圧電素子１２の一方の電極は、リード１７ａによって一対の第１接続ピン１５の一方に電気的に接続され、他方の電極は、ハウジング１１の底部１１ａに導電性接着剤により貼着され、導電性材料で構成されたハウジング１１を介してリード１７ｂに接続されたのち、一対の第１接続ピン１５の他方に電気的に接続されている。なお、ハウジング１１の内部空間１６には、スペーサ１３及びベース１４に設けられた図示しない注入口を介して、圧電素子１２側から順にフェルト、シリコンが充填されており、振動面から第１接続ピン１５に伝達される不要振動が抑制されている。
【００３１】
スペーサ１３は、ハウジング１１の開口部とベース１４との間に配置されている。スペーサ１３は、ハウジング１１の底部１１ａの振動に伴ってハウジング１１の筒部１１ｃに生じる不要振動が第１接続ピン１５の固定されているベース１４に伝達されるのを抑制する弾性体であり、例えばシリコンゴムから構成されている。なお、ここでは、スペーサ１３を配置する構成としたが、スペーサ１３を無くした構成とすることもできる。
【００３２】
ベース１４は、ハウジング１１の開口部側の外周面にスペーサ１３を介して嵌め込まれることで、ハウジング１１に固定されている。このベース１４は、絶縁材料、例えばＡＢＳ樹脂等の合成樹脂で構成されている。ベース１４には、第１接続ピン１５が貫通配置されている。ベース１４を成形する際に、第１接続ピン１５をインサート成形することで、第１接続ピン１５の一部がベース１４に埋設固定されるようにしている。また、ベース１４には、第１接続ピン１５の長手方向に沿って延設された保護部１８が備えられ、ハウジング１１の外部に引き出された第１接続ピン１５を、ベース１４からハウジング外部の先端に向けて被覆している。この保護部１８にて、一対の第１接続ピン１５が一体的に被覆されている。
【００３３】
また、ベース１４には、第１接続ピン１５が突出する方向に突出する第１の基準部１４ａが形成されている。第１の基準部１４ａの先端位置は、図２（ｃ）に示すように、ベース１４の外周面に対してベース１４（超音波振動子１０）の径方向において部分的に突出させられている。
【００３４】
第１接続ピン１５は、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、例えば太さ０．５ｍｍφの棒状部材で構成される。本実施の形態では、超音波振動子１０（圧電素子１２）の指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成してあるため、第１接続ピン１５および保護部１８を、図２（ｃ）に示すように、超音波振動子１０（ハウジング１１）の中心軸からずれた位置に設けている。
【００３５】
超音波振動子１０には、例えば発泡シリコン等で構成された発泡弾性体１９が備えられている。この発泡弾性体１９は、保護部１８に対向するようにスペーサ１３に設けられ、第１接続ピン１５などの振動を抑制する弾性体として機能するもので、第１接続ピン１５は発泡弾性体１９も貫通するように配置されている。なお、ここでは発泡弾性体１９を備えた構成としているが、備えていない構造とすることもできる。
【００３６】
そして、ハウジング１１、スペーサ１３、ベース１４、発泡弾性体１９が、それぞれ接着剤（例えばシリコン系接着剤）等で接着されることで、一体構造とされた超音波振動子１０が構成されている。
【００３７】
回路基板２０は、第１接続ピン１５、第２接続ピン４１、及び中継ピン５０を介して超音波振動子１０と電気的に接続されている。回路基板２０には、超音波振動子１０（詳しくは圧電素子１２）に超音波を発生させる駆動電圧を中継ピン５０、第２接続ピン４１、第１接続ピン１５を介して印加するとともに、超音波振動子１０から第２接続ピン４１、第１接続ピン１５、及び中継ピン５０を介して入力された、圧電素子１２の逆起電圧効果により発生した電圧を処理する処理回路が作製されている。なお、第２接続ピン４１及び中継ピン５０については後述するが、第２接続ピン４１には、トランス３０の１次側コイル３１に接続される第２接続ピン４１ａと２次側コイル３２に接続される第２接続ピン４１ｂがあり、これらを総称する場合に単に第２接続ピン４１と記載する。
【００３８】
トランス３０は、図３に示すように、１次側コイル３１と、２次側コイル３２と、これら１次側コイル３１及び２次側コイル３２が巻き付けられたコア３３と、２次側コイル３２のインダクタＬを調整するネジ式の調整機構３４とを有して構成されており、図４に示すように、接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化される。
【００３９】
１次側コイル３１は、コア３３の図３において下方に所定巻数Ｎ１にて巻き付けられており、当該トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されると、接続基板４０の第２接続ピン４１ａに電気的に接続される。
【００４０】
２次側コイル３２は、コア３３の図３において上方に所定巻数Ｎ２（＞巻数Ｎ１）にて巻き付けられている。２次側コイル３２は、当該トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されると、第１接続ピン１５を介して超音波振動子１０（正確には圧電素子１２）の電極及び第２接続ピン４１ｂにそれぞれ電気的に接続される。
【００４１】
コア３３は、いわゆるＥＩコアによって構成されており、当該コア３３に巻き付けられた１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向き、すなわち図３に矢印にて示す向きが、超音波振動子１０の振動面１１ｂに対し垂直となる向きとなるように、接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化される。
【００４２】
ねじ式の調整機構３４は、本実施の形態では、コア３３の図３において上面に設けられている。トランス３０の上方からねじを回すことにより、２次側コイル３２のインダクタＬを増減することが可能であり、２次側コイル３２のインダクタＬを増減することにより、当該トランス３０と一体化された超音波振動子１０の特性、すなわち超音波センサ１の特性を調整することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向きが超音波振動子１０の振動面１１ｂに対し垂直となる向きとなるように、トランス３０が接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化されていたため、ねじ式の調整機構３４がトランス３０の上面に配置されることとなっていたが、これに限らない。１次側コイル３１の向き及び２次側コイル３２の向きが超音波振動子１０の振動面１１ｂと平行になる向きとなるように、トランス３０を接続基板４０によって超音波振動子１０と一体化してもよく、この場合、ねじ式の調整機構３４はトランス３０の側面に配置されることになる。
【００４４】
次に、超音波振動子１０とトランス３０とを一体化する接続基板４０について説明する。接続基板４０は、図１（ｂ）及び図４に示すように、平面視正方形状の基板によって構成され、計「４本」の第２接続ピン４１と、超音波振動子１０の一対の第１接続ピン１５の各々に対応するスルーホールＨ４２と、配線Ｌ４１と、配線Ｌ４２と、これら図１（ｂ）及び図４では図示しないコンデンサＣ２とを有して構成されている。
【００４５】
第２接続ピン４１は、第１接続ピン１５と同様に、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、例えば太さ０．５ｍｍφの棒状部材で構成される。第２接続ピン４１は、図４に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１に対し垂直に、且つ、図１（ｂ）に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１において一列に配置されている。
【００４６】
超音波振動子１０の静電容量が温度に起因して変化することから、コンデンサＣ２は、この温度変化に起因する静電容量の変化を調整するために設けられている。コンデンサＣ２については、省略して構成することも可能であるため、後述する図５では破線にて示している。
【００４７】
超音波振動子１０の上面の所定位置に接続基板４０が載置されるとともに、この接続基板４０の上表面Ｓ４１の所定位置にトランス３０が載置されると、超音波振動子１０の第１接続ピン１５はスルーホールＨ４２を介して接続基板４０を貫通し、この状態ではんだ付け等されることにより、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化される。
【００４８】
図５（ａ）は、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化された状態において、超音波振動子１０、接続基板４０、及びトランス３０の電気的な接続状態を示した図である。
【００４９】
超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化されると、計４本の第２接続ピン４１のうち２本の第２接続ピン４１ｂは、超音波振動子１０、コンデンサＣ２、及び２次側コイル３２の各々と第１接続ピン１５を介して電気的に並列接続され、計４本の第２接続ピンのうち残りの２本の第２接続ピン４１ａは、１次側コイル３１と電気的に接続される。
【００５０】
ここで、超音波振動子１０とトランス３０とを接続基板４０によって一体化した後そのままケース６０に組み付けると、調整機構３４が回路基板２０の裏面Ｓ３側に配置されることから、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬを調整することができなくなってしまう。そしてひいては、超音波センサ１としての特性が満足されなくなってしまう。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、超音波振動子１０とトランス３０とを接続基板４０によって一体化した後、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬを調整した上で、ケース６０に組み付けることとした。したがって、超音波振動子１１０を超音波センサ１００に組み付けた後にトランス１３０の２次側コイルを調整する従来の調整方法とは異なる調整方法となる。
【００５２】
以下、超音波センサ１の調整方法について具体的に説明する。図５（ｂ）は、超音波振動子１０とトランス３０とが接続基板４０によって一体化された状態において、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の等価回路図である。超音波振動子１０は、コンデンサＣ１とインダクタＬ１と抵抗Ｒ１とが直列接続された直列回路とコンデンサＣ０との並列回路１０ａとしてその周波数特性を表すことができ、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路は、この並列回路１０ａとコンデンサＣ２と２次側コイル３２に相当するインダクタＬ２との並列回路としてその周波数特性を表すことができる。
【００５３】
図５（ｂ）に示す等価回路では、第２接続ピン４１ｂに印加する電圧の周波数を変化させると、並列回路１０ａの一部を構成する直列回路の共振周波数ｆにて共振が発生するとともに、並列回路１０ａの一部を構成するコンデンサＣ０、コンデンサＣ２、及びインダクタＬ２にて構成される並列回路の共振周波数ｆ’にて共振が発生する。
【００５４】
そして、本実施の形態の調整方法では、調整機構３４にてインダクタＬ２を増減して共振周波数ｆと共振周波数ｆ’との差が最小となるように調整する。
【００５５】
図６（ａ）に、調整機構３４による調整前の等価回路の周波数特性を示し、図６（ｂ）に、調整機構３４による調整後の等価回路の周波数特性を示す。これら図６（ａ）及び（ｂ）のように、共振周波数ｆと共振周波数ｆ’との差が小さくなるようにインダクタＬ２を調整機構３４にて調整すると、ケース６０に組み付けた後、超音波振動子１０から出力される超音波の残響時間が短くなるとともに超音波振動子１０にて受信した超音波を変換した電気信号の電圧のピークが大きくなるという、超音波センサ１としての特性を満足することができるようになる。なお、共振周波数ｆ及び共振周波数ｆ’はそれぞれ特許請求の範囲に記載の第１共振周波数及び第２共振周波数に相当する。
【００５６】
中継ピン５０は、第１接続ピン１５や第２接続ピン４１と同様に、例えば銅を主成分とする導電性材料からなり、平行部５０ａ、折曲部５０ｂ、垂直部５０ｃ、孔５０ｄを有して構成されている。平行部５０ａは、中継ピン５０のうちケース６０に組み付けられると回路基板２０の表面に平行となる部分であり、折曲部５０ｂは、ケース６０に組み付けられると超音波振動子１０が押し込まれたときに発生する押圧によって撓み、この押圧を緩和する部分であり、垂直部５０ｃは、中継ピン５０のうちケース６０に組み付けられると回路基板２０の表面と垂直となる部分であり、孔５０ｄは、ケース６０に組み付けられると第２接続ピン４１が挿入されて電気的な接続を取る部分である。このように構成されることで、中継ピン５０は、ケース６０に組み付けられると、接続基板４０によってトランス３０と一体化された超音波振動子１０と回路基板２０とを電気的に接続しつつ、押し込まれたときに発生する押圧を緩和することができる。なお、本実施の形態では、押圧緩和機構として中継ピン５０を採用することで、超音波振動子１０と回路基板２０との電気的な接続を取るとともに押圧を吸収していたが、これに限らず、ハーネスによって行なうこととしてもよい。ちなみに、中継ピン５０が特許請求の範囲に記載の押圧緩和機構に相当する。
【００５７】
ケース６０には、図１（ａ）において下方に、接続基板４０によってトランス３０と一体化された超音波振動子１０を挿入するための開口６０ｂが設けられているとともに、図１（ａ）において上方に、回路基板２０をケース６０内に挿入するための開口６０ａとが設けられている。接続基板４０によってトランス３０と一体化されインダクタＬ２が調整された超音波振動子１０は、開口６０ｂからトランス３０を先頭側としてケース６０内に挿入され、その後、回路基板２０及び中継ピン５０は、開口６０ａからケース６０内に挿入されて、当該超音波センサ１が製造される。このようにして製造された超音波センサ１では、回路基板２０と超音波振動子１０の振動面１１ｂとは平行となり、超音波振動子１０及びトランス３０と回路基板２０とは、第１接続ピン１５、第２接続ピン４１、及び中継ピン５０を介して電気的に接続されることとなる。なお、開口６０ａが特許請求の範囲に記載の第２の開口に相当し、開口６０ｂが特許請求の範囲に記載の第１の開口に相当する。
【００５８】
以上説明した本実施の形態の超音波センサ１では、トランス３０は、１次側コイル３１に接続される２本の第２接続ピン４１ａと２次側コイルに接続される２本の接続ピン４２ｂとを有する接続基板４０を介して超音波振動子１０と一体化され、超音波振動子１０の共振周波数である第１共振周波数ｆと、超音波振動子１０及び２次側コイル３２によって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数ｆ’との差が小さくなるように、調整機構３４によって２次側コイル３２のインダクタＬが調整された状態にて、ケース６０内に組み付けられて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されている。
【００５９】
上記構成によれば、トランス３０が超音波振動子１０と一体化されて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されることから、トランス１３０が回路基板１２０の上表面Ｓ２に実装されている背景技術の欄に記載した上記従来技術とは異なり、超音波振動子１０と回路基板２０との間のスペースを有効に活用することができ、超音波センサ１の小型化・薄肉化を図ることができるようになる（すなわち、超音波センサ１（図１）の厚さＨは、超音波センサ１００（図８）の厚さＨ１よりも薄くなる）。また、上記構成によれば、調整機構３４によって調整された状態にて回路基板２０と超音波振動子１０との間に配置されることから、調整機構３４によって調整することができない課題の欄に記載した改良例とは異なり、超音波センサ１としての特性が満足されなくなることはない。したがって、超音波センサ１としての特性を満足しながらも、小型化・薄肉化を図ることができるようになる。
【００６０】
なお、本発明に係る超音波センサ１及びその調整方法は、上記実施の形態にて例示した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々に変形して実施することが可能である。すなわち、上記実施の形態を適宜変更した例えば次の形態として実施することもできる。
【００６１】
上記実施の形態では、接続基板４０の第２接続ピン４１は、図１（ｂ）に示されるように、接続基板４０の上表面Ｓ４１において一列に配置されていたが、これに限らない。第２接続ピン４１は、接続基板４０の上表面Ｓ４１に、超音波振動子１０の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていてもよい。具体的には、図１（ｂ）に対応する図として図７に示すように、第２接続ピン４１ｂに対応する第２接続ピン４１ｄ及び第２接続ピン４１ａに対応する第２接続ピン４１ｃは、第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離と第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離とが同一であり、且つ、第２接続ピン４１ｄと第２接続ピン４１ｃとの離間距離が第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離及び第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離よりも長い平面視矩形状に配置されていてもよい。ちなみに、この矩形の長辺に沿った方向が超音波センサ１の水平方向に対応付けられており、この矩形の短辺に沿った方向が超音波センサ１ａの垂直方向に対応付けられているものとする。このような構成によれば、超音波センサ１ａの指向性を第２接続ピン４１ｃ及び４１ｄの配置形状から判別することができるようになる。なお、この矩形の長辺に沿った方向を超音波センサ１の垂直方向に対応付け、且つ、この矩形の短辺に沿った方向を超音波センサ１ａの水平方向に対応付けてもよく、第２接続ピン４１ｄと第２接続ピン４１ｃとの離間距離が第２接続ピン４１ｄ同士の離間距離及び第２接続ピン４１ｃ同士の離間距離よりも短い平面視矩形状に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１…超音波センサ、１０…超音波振動子、１０ａ…並列回路、１１…ハウジング、１２…圧電素子、１３…スペーサ、１４…ベース、１５…第１接続ピン、２０…回路基板、２０ａ…孔、３０…トランス、３１…１次側コイル、３２…２次側コイル、３３…コア、３４…調整機構、Ｃ２…コンデンサ、４０…接続基板、４１ａ〜４１ｄ…第２接続ピン、Ｌ４１、Ｌ４２…配線、Ｈ４２…スルーホール、５０…押圧緩和機構、５０ａ…平行部、５０ｂ…折曲部、５０ｃ…垂直部、５０ｄ…孔、６０…ケース、６０ａ…（第２の）開口、６０ｂ…（第１の）開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に露出して振動する振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子と、
前記超音波振動子にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板と、
前記回路基板に接続される１次側コイルと、前記超音波振動子に接続される２次側コイルと、これら１次側コイル及び２次側コイルの少なくとも一方のインダクタを調整する調整機構とを有し、前記超音波振動子から出力された電気信号の電圧を増幅するトランスと、
開口面を有し、前記超音波振動子、前記トランス、及び前記回路基板が前記開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケースとを備える超音波センサであって、
前記トランスは、前記超音波振動子と一体化され、前記調整機構による調整が実施された状態にて、前記回路基板と前記超音波振動子との間に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、
当該超音波センサは、前記超音波振動子、前記トランス、及び前記回路基板を前記ケースに組み付けた状態で、前記回路基板の前記処理回路が作製された表面と前記超音波振動子の振動面とが平行となり、前記超音波振動子及び前記トランスと前記回路基板とが接続ピン及び押圧緩和機構を介して電気的に接続されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記トランスは、前記１次側コイル及び前記２次側コイルが巻き付けられるコアを有しており、
前記コアは、当該コアに巻き付けられた前記１次側コイルの向き及び前記２次側コイルの向きが前記超音波振動子の振動面に対し垂直となる向きに配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項２または３に記載の超音波センサにおいて、
前記トランスは、前記１次側コイルに接続される２本の接続ピンと前記２次側コイルに接続される２本の接続ピンとを有する接続基板を介して、前記超音波振動子と一体化されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記超音波振動子は、その指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成されており、
前記接続ピンは、前記接続基板の表面に、前記超音波振動子の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載の超音波センサにおいて、
前記押圧緩和機構は、前記超音波振動子を前記開口面に挿入する方向に前記接続ピンが押し込まれると、この方向に撓む中継ピンであることを特徴とする超音波センサ。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の超音波センサを調整する調整方法であって、
前記超音波振動子の共振周波数である第１共振周波数と、前記超音波振動子及び前記２次側コイルによって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数との差が小さくなるように、前記調整機構によって前記２次側コイルのインダクタを調整することを特徴とする超音波センサの調整方法。
【請求項８】
請求項１〜６に記載の超音波センサを製造する方法であって、
前記ケースには、前記超音波振動子を挿入するための第１の開口と、前記回路基板を挿入するための第２の開口とが設けられ、
前記トランスを前記超音波振動子と一体化し、そのトランスの調整を行い、第１の開口からトランスを先頭側としてケース内に超音波振動子を挿入し、さらに、第２の開口から回路基板をケース内に挿入することを特徴とする超音波センサの製造方法。
【請求項１】
外部に露出して振動する振動面にて受信した超音波を電気信号に変換する超音波振動子と、
前記超音波振動子にて変換された電気信号に基づいて障害物を検知する処理回路が作製された回路基板と、
前記回路基板に接続される１次側コイルと、前記超音波振動子に接続される２次側コイルと、これら１次側コイル及び２次側コイルの少なくとも一方のインダクタを調整する調整機構とを有し、前記超音波振動子から出力された電気信号の電圧を増幅するトランスと、
開口面を有し、前記超音波振動子、前記トランス、及び前記回路基板が前記開口面から挿入されて内部に組み付けられる中空状のケースとを備える超音波センサであって、
前記トランスは、前記超音波振動子と一体化され、前記調整機構による調整が実施された状態にて、前記回路基板と前記超音波振動子との間に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、
当該超音波センサは、前記超音波振動子、前記トランス、及び前記回路基板を前記ケースに組み付けた状態で、前記回路基板の前記処理回路が作製された表面と前記超音波振動子の振動面とが平行となり、前記超音波振動子及び前記トランスと前記回路基板とが接続ピン及び押圧緩和機構を介して電気的に接続されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記トランスは、前記１次側コイル及び前記２次側コイルが巻き付けられるコアを有しており、
前記コアは、当該コアに巻き付けられた前記１次側コイルの向き及び前記２次側コイルの向きが前記超音波振動子の振動面に対し垂直となる向きに配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項２または３に記載の超音波センサにおいて、
前記トランスは、前記１次側コイルに接続される２本の接続ピンと前記２次側コイルに接続される２本の接続ピンとを有する接続基板を介して、前記超音波振動子と一体化されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記超音波振動子は、その指向性が水平方向と垂直方向とで異なるように構成されており、
前記接続ピンは、前記接続基板の表面に、前記超音波振動子の指向性の水平方向及び垂直方向に対応付けられた離間距離をもって平面視矩形状に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか一項に記載の超音波センサにおいて、
前記押圧緩和機構は、前記超音波振動子を前記開口面に挿入する方向に前記接続ピンが押し込まれると、この方向に撓む中継ピンであることを特徴とする超音波センサ。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の超音波センサを調整する調整方法であって、
前記超音波振動子の共振周波数である第１共振周波数と、前記超音波振動子及び前記２次側コイルによって構成される電気回路の共振周波数である第２共振周波数との差が小さくなるように、前記調整機構によって前記２次側コイルのインダクタを調整することを特徴とする超音波センサの調整方法。
【請求項８】
請求項１〜６に記載の超音波センサを製造する方法であって、
前記ケースには、前記超音波振動子を挿入するための第１の開口と、前記回路基板を挿入するための第２の開口とが設けられ、
前記トランスを前記超音波振動子と一体化し、そのトランスの調整を行い、第１の開口からトランスを先頭側としてケース内に超音波振動子を挿入し、さらに、第２の開口から回路基板をケース内に挿入することを特徴とする超音波センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２３９０８９（Ｐ２０１１−２３９０８９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７５４７（Ｐ２０１０−１０７５４７）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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