JP2004040614A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】金属ケースの底面に段差等の複雑な機械加工の必要が無く、製造が容易で、特性のばらつきが少なく、指向特性が向上した、安価な超音波センサを得る。
【解決手段】凹部を設けた吸音材を圧電振動素子に非接触に係合するように振動板上に接合することによって、吸音材の接触や弾性材の流れ込みによる圧電振動子の振動阻害を回避し、圧電振動子の共振周波数やインピーダンス特性を安定化することができ、その結果、超音波センサの半値角度が小さく、指向特性が改善した超音波センサを提供することが可能である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波信号を送波するとともに障害物からの反射波を受波して障害物の存在を検知する超音波センサに関するものであり、特に自動車のバックソナーやコーナーソナーに好適な防滴型超音波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の超音波センサを図６（ａ）に示す。図６（ｂ）には、図中、上から見た図６（ａ）のＥＥ断面平面図を示す。該超音波センサは、アルミニウム等の金属で形成された有底筒状ケース６１の底面が長円形の振動板６２になっており、該振動板６２の内側には圧電振動子６３が接合された構造となっている。該圧電振動子６３は表裏面がメタライズ処理されており、電気的接続はリード線６４、６５により行われる。一方のリード線６４は、前記圧電振動子の表面電極に半田付けされている。他方のリード線６５は、前記有底筒状のケース６１に接合されており、前記振動板６２を通して前記圧電振動子との接合面で表面電極と導通している。前記有底筒状ケース６１の内部には、圧電振動子６３に接触しないスポンジ等からなる吸音材層６６が形成されており、該吸音材層６６の外側に前記有底筒状ケース６１内に雨滴や湿気などの進入を防止するために、シリコン樹脂等の弾性体６７が充填されている。該弾性体６７内部でリード線６４，６５と信号線６８，６９が半田付けで接続されている。
【０００３】
前述の超音波センサは、以下の様に動作する。信号線６８，６９から圧電振動子６３に間欠的に駆動交流電圧を印加すると、前記圧電振動子６３は圧電効果により振動し、それに伴い該圧電振動子６３に接合した有底筒状ケースの振動板６２が振動し、該振動板６２から超音波が空気中に放出される。前記圧電振動子６３の駆動は間欠的に行われ、駆動が停止している時間内に、被検出物から反射してきた超音波が前記振動板６２を介して前記圧電振動子６３に達し、該圧電振動子６３の圧電効果によって電圧信号に変換され前記信号線６８，６９より出力される。
【０００４】
ここで、超音波を放出してから反射波が戻ってくるまでの時間と被検出物までの距離は比例関係にあるので、送波から受波までの経過時間を観測することによって被検出物までの距離を計測することができる。
【０００５】
特に、自動車のバックソナーやコーナーソナーに用いられる超音波センサーには、障害物の存在を検知するため、横方向（水平方向）の検知エリアを広くし、検出する必要の無い路面や縁石等の検知をさけるために、縦方向（垂直方向）の検知エリアを狭くする事が要求されるので、使用される超音波センサには、水平方向いは広く、垂直方向に狭い指向特性が求められる。
【０００６】
超音波センサの指向特性は、振動面積を大きくすると狭くなり、振動面積を小さくすると広くなることが知られている。したがって、従来の超音波センサにおいては、図６に示したように、縦方向と横方向の指向特性を変えるために振動板を長円形とし、該長円形の長軸方向を垂直方向に、短軸方向を水平方向になるよう超音波センサを設置する方法が採られている。
【０００７】
ところで、一方では、外観上や取り付けスペースの理由から、超音波センサには小型化が求められており、前述のように、超音波センサの指向特性と振動面積、即ち外形は相反する関係にあるために、外形を小さく保ったまま縦方向の指向特性を狭くすることが困難であるという問題点がある。
【０００８】
この問題点の解決手段の一例として、特開２０００−３２５９４号公報がある。該公報では、図７（ａ）に示したように、有底筒状ケース７１の底面に長円形の振動板７２を有し、該振動板７２には薄肉部７４と肉厚部７３とを設け、該肉厚部７３上に圧電振動子７５を固着することによって、水平方向と垂直方向の指向特性を制御しようという試みがなされている。図７（ｂ）には、図中、上から見た図７（ａ）のＧＧ断面平面図を示す。
【０００９】
また、他の解決手段の一例を図８に示した。図８では、有底筒状ケース８１の底部を振動板８２とし、該振動板８２の内面に接合された圧電振動子８３上に吸音材８４を配し、さらに、有底筒状ケース８１の内側を弾性体８５で充填した構造で、振動面の拘束力を部分的に変化させ、指向特性を制御する考案がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７（ａ）の構造では、振動面の短軸方向（図における水平方向）と長軸方向（図における垂直方向）で厚みが異なるために振動モードが近接した２つの共振周波数を持つことになる。しかしながら、駆動回路の周波数は一定であるために、どちらか一方の共振周波数で駆動することになり、近接したもう一つの共振周波数の振動モードの影響を受け、指向特性が不安定になるという問題点がある。
【００１１】
また、図７（ａ）に示した有底筒状ケース７１は、機械加工の削り出しにより製造されるが、有底筒状ケース７１の底面の振動板７２に、薄肉部７４と肉厚部７３とを設ける機械加工は、コストが高く、かつ各部に寸法のばらつきが生じ易く、該寸法のばらつきは超音波センサの共振周波数、感度、残響特性等の各種特性に大きな影響を与えるため、特性の均一な超音波センサを作製することが難しいという問題点もある。
【００１２】
また、図８のような構造の場合には、圧電振動子８３上の吸音材８４が圧電振動子８３の振動を拘束し、吸音材８４を配置したときの圧力や弾性体８５の接触圧によって、この拘束力がばらつくため、超音波センサの共振周波数やインピーダンス特性がばらつき、その結果、センサ感度、指向特性、残響特性等の各種特性がばらつくという問題点がある。
【００１３】
そこで、本発明は、製造が容易で、特性のばらつきが少なく、指向特性が向上した、安価な超音波センサを得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、底部が長円形の振動板となる有底筒状ケースと、該有底筒状ケースの底部の内側に接合されてなる圧電振動子と、該圧電振動子に非接触に係合する凹部を有し前記有底筒状ケースの底部に接合されてなる吸音材と、前記筒状ケースの内側に充填されてなる弾性体からなることを特徴とする超音波センサが得られる。
【００１５】
また、前記超音波センサにおいて、前記振動板の長軸方向で前記吸音材の凹部の内側の寸法の半分をｒ１、前記振動板の長軸方向の長さの半分をＲとした時、ｒ１／Ｒの値が０．３≦ｒ１／Ｒ＜１の範囲にあることを特徴とする超音波センサが得られる。
【００１６】
また、前記超音波センサにおいて、前記振動板の長軸方向で前記吸音材の凹部の長軸方向の内側の寸法の半分をｒ１、外側の寸法の半分をｒ２とした時、ｒ１／ｒ２の値が０．４≦ｒ１／ｒ２＜１の範囲にあることを特徴とする超音波センサが得られる。
【００１７】
本発明では、凹部を設けた吸音材を圧電振動素子に非接触に係合するように振動面上に接合することによって、吸音材の接触や弾性材の流れ込みによる圧電振動子の振動阻害を回避し、圧電振動子の共振周波数やインピーダンス特性を安定化することができ、その結果、超音波センサの感度、指向角度、残響特性等の各種特性もばらつきが小さくなり安定化することが可能である。
【００１８】
また、吸音材の外側のケース内部には、弾性材を充填することによって、振動面を拘束し、振動時の変位形態を制御することで、超音波センサの指向特性の狭角化の実現を可能としている。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１（ａ）は、本発明による一実施例による超音波センサの構造を示す断面図、および図１（ｂ）には、図中、上から見た図１（ａ）のＡＡ断面平面図を示す。アルミニウムを機械加工してなる外径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの有底筒状ケース１１の底面には、超音波振動を放出、受波する長円形状の厚み１ｍｍの振動板１２が、一体に設けられている。次に、表裏面に電極を形成し厚み方向に分極した外径６ｍｍ、厚さ１ｍｍの円板状の圧電振動子１３を、エポキシ系接着剤により振動板１２の内面中央部に接合し、表面電極にはリード線１４の一端を接続した。
【００２１】
更に、図２に示すような発泡ポリウレタンの材質からなる吸音材１６には、圧電振動子１３の外形より大きく厚さより深い、深さ１．５ｍｍの円筒状の凹部２１を成型し、前記吸音材１６を、圧電振動子１３上に非接触で係合するように、耐熱性の接着剤にて振動板２に接着した。この吸音材１６は、振動板１２の振動により発生した超音波がケース内部で反射して感度や指向特性に影響を及ぼすのを防止するために配置される。また、図２に示すように、吸音材１６には、リード線１４を通すための穴２２が設けられており、該穴２２にリード線１４を通した後に振動板１２に接着した。
【００２２】
しかる後に、超音波センサの指向特性の狭角化のため、振動面を拘束するシリコーン樹脂１７を有底筒状ケース１１の内部に充填し、超音波センサーを試作した。
【００２３】
試作した超音波センサを用いて、吸音材の寸法を変化させたときの指向特性を調査した。図３（ａ）は、試作した超音波センサの寸法を示す断面図である。また、図３（ｂ）には、図中、上から見た図３（ａ）のＣＣ断面平面図を示す。振動面の長軸方向の長さの半分をＲ、吸音材の凹部の長軸側の内側の寸法の半分をｒ１として、ｒ１とＲとの比をパラメータとして、超音波センサから６０ｃｍ離れた物体に対し、垂直方向の超音波の反射波が半減する角度（半値角）を測定した。結果を図４に示した。
【００２４】
図４に示したように、ｒ１／Ｒ＝１の場合、吸音材が振動面に接着されないので、図６に示した従来例と同じ構造となり、その半値角が４０°であるのに対し、ｒ１／Ｒ＝０．３になるよう吸音材を構成した場合には、半値角が３０°に減少することが確認された。そして、ｒ１／Ｒ＝１からｒ１／Ｒ＝０．３まで半値角が暫減するので、ｒ１／Ｒの値が０．３≦ｒ１／Ｒ＜１の範囲にあることが超音波センサの指向性の改善に必要である。
【００２５】
また、吸音材の内側の寸法の半分をｒ１を一定とし、吸音材の長軸方向の外側の寸法の半分をｒ２とした時、ｒ１とｒ２との比、即ち吸音材の接着面積に対する垂直方向の半減角の測定結果を図８に示した。図８から、ｒ１／ｒ２＝０．９の時に約３０°の半減角となりｒ１／ｒ２が減少、即ちｒ２が大きくなり吸音材の接着面積が増えると、半減角は拡がっていくことが確認できた。したがって、ｒ１／ｒ２の値が０．４≦ｒ１／ｒ２＜１の範囲にあることが超音波センサの指向性の改善に必要である。
【００２６】
この結果より、凹部を設けた吸音材を圧電振動子に非接触に係合するように、振動面上に接合し、吸音材内部の空間を圧電振動子の振動を拘束しない範囲で小さくし、かつ吸音材の接着面積を少なくすることで半減角が狭くなることになる。これは、内部からのシリコーン樹脂の拘束範囲が大きい方が狭い指向特性を示すことを示している。振動面の変位形状を測定結果、シリコーン樹脂の拘束の範囲が増えるに従って平坦に振動面変位形状が平坦になっている事が確認され、したがって、この吸音材の形状により指向角を狭くすることが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
上述の様に、本発明によれば、凹部を設けた吸音材を圧電振動子に非接触に係合し、振動面に接合することにより、振動特性を制御し、指向特性を向上することが可能である。また、金属ケースの底面に段差等の複雑な機械加工の必要が無く、特性のばらつきが少なく、安価な超音波センサを得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波センサの構造を示す図。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ断面の平面図。
【図２】本発明による超音波センサの吸音材を示す図。
【図３】本発明の構造を示す図。図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣＣ断面の平面図。
【図４】振動板の長軸半径に対する吸音材内半径の比と半値角の関係を示す図。
【図５】吸音材内半径と吸音材外半径の比と半値角の関係を示す図。
【図６】従来構成の超音波センサの構造を示す図。図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＥＥ断面の平面図。
【図７】特開報２０００―３２５９４による超音波センサの構造を示す図、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＧＧ断面の平面図。
【図８】指向特性制御の一例の超音波センサの断面図。
【符号の説明】
１１　　有底筒状ケース
１２　　振動板
１３　　圧電振動子
１４，１５　　リード線
１６　　吸音材
１７　　シリコーン樹脂
１８，１９　　信号線
２１　　吸音材に形成した凹部
２２　　穴
６１　　有底筒状ケース
６２　　振動板
６３　　圧電振動子
６４，６５　　リード線
６６　　吸音材層
６７　　弾性体
６８，６９　　信号線
７１　　有底筒状ケース
７２　　振動板
７３　　肉厚部
７４　　薄肉部
７５　　圧電振動子
８１　　有底筒状ケース
８２　　振動板
８３　　圧電振動子
８４　　吸音材
８５　　弾性体

Claims (3)

1. 底部がランニングトラック形の振動板となる有底筒状ケースと、該有底筒状ケースの底部の内側に接合されてなる圧電振動子と、該圧電振動子に非接触で係合する凹部を有し前記有底筒状ケースの底部に接合されてなる吸音材と、前記筒状ケースの内側に充填されてなる弾性体からなることを特徴とする超音波センサ。
2. 請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記振動板の長軸方向で前記吸音材の凹部の内側の寸法の半分をｒ１、前記振動板の長軸方向の長さの半分をＲとした時、ｒ１／Ｒの値が０．３≦ｒ１／Ｒ＜１の範囲にあることを特徴とする超音波センサ。
3. 請求項１及び２に記載の超音波センサにおいて、前記振動板の長軸方向で吸音材の凹部の長軸方向の内側の寸法の半分をｒ１、外側の寸法の半分をｒ２とした時、ｒ１／ｒ２の値が０．４≦ｒ１／ｒ２＜１の範囲にあることを特徴とする超音波センサ。

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