JP2012033989A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子が剥がれ難く、耐衝撃性が高く、量産が容易な超音波センサを構成する。
【解決手段】超音波センサ２０１は、圧電素子２１と、その圧電素子２１が取り付けられた、超音波送受波部材であるバンパー２２と、を備え、圧電素子２１とバンパー２２との間に柔軟部材２３および超音波伝達部材２４が配されている。圧電素子２１は上下面に電極が形成されていて、交番電圧の印加によって径方向に拡がり振動する。超音波伝達部材２４はバンパー２２および圧電素子２１よりヤング率が小さく、圧電素子２１に発生する弾性波をバンパー２２へ伝達する。バンパー２２は比較的広い範囲で屈曲振動するので、狭指向性で且つ高感度特性が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば車両用バンパーや車両の樹脂部分に取り付けられる超音波センサに関するものである。

車両用バンパーや車両の樹脂部分に取り付けられる超音波センサに関して特許文献１が開示されている。図１は特許文献１に示されている超音波センサの断面図である。圧電素子１とバンパー１１との間に介在するハウジング２の底面部３の一部に、ハウジング２の材質とは異なる材質で、超音波伝達部４が形成されている。ハウジング２の内部には振動吸収体６、ストッパ７、スペーサ８、回路基板９、コネクタ１０等が設けられている。超音波センサ１００の取り付け時には、突起１１ａと突起１２ａとが嵌合するようにカバー１２が被せられる。

この超音波伝達部４の音響インピーダンスはハウジング２の音響インピーダンスよりも圧電素子１とバンパー１１の音響インピーダンスの中間値に近い。このことにより、圧電素子１による超音波の送受信時において、ハウジング２の底面部３における超音波の伝達が、主に超音波伝達部４を介して行われる。特許文献１では、上記作用により、バンパー１１における振動部位が制限されて指向性が過度に狭くなったり不規則となったりすることを防止できると記述されている。

特開２００７−１４２９６７号公報

特許文献１に示されている超音波センサにおいては、次のような解決すべき課題がある。
（１）超音波伝達部４の音響インピーダンスが圧電素子１とバンパー１１の音響インピーダンスの中間であるため、少なくともゴム状の弾性部材は使用できない。硬い材料を用いたとき、圧電素子１とバンパー１１の熱膨張係数の違いによって生じる熱衝撃で剥がれるおそれがある。

（２）超音波伝達部にクッション性がないため、異物がバンパーに当たったとき、衝撃が圧電素子に直接加わり、センサの機能を破損するおそれが高い。

（３）特許文献１に示されている超音波センサでは、厚み縦振動を利用することになるが、厚み縦振動では圧電素子であれば、６０ｋＨｚで厚みが２０ｍｍ程度の厚いものが必要になり、量産性が低い。

そこで、本発明は、これらの課題を解決した超音波センサ、すなわち圧電素子が剥がれ難く、耐衝撃性が高く、量産が容易な超音波センサを提供することを目的としている。

本発明の超音波センサは、交番電圧の印加により振動する圧電素子と、その圧電素子が取り付けられた超音波送受波部材と、を備え、
前記圧電素子は前記交番電圧の印加により拡がり振動し、
前記圧電素子と前記超音波送受波部材との間に、前記圧電素子に発生する弾性波（縦波）を超音波送受波部材に伝達する、前記超音波送受波部材よりヤング率の小さな超音波伝達部材を配したことを特徴とする。

この構成により、超音波伝達部材は、圧電素子と超音波送受波部材（バンパーや車両の樹脂部分）との熱膨張係数の違いによる熱衝撃が小さく、剥離の問題が解消される。また、超音波伝達部がクッション材として作用することにより、超音波送受波部材に異物が当たったときの衝撃が緩和されて、圧電素子の破損が回避できる。さらに、圧電素子に必要な厚み寸法が相対的に薄くできるので、量産性が高い。

また、例えば前記超音波送受波部材と前記圧電素子との間に、前記超音波伝達部材とともに、当該超音波伝達部材の周囲を囲む柔軟部材を配する。この構造によれば、圧電素子、バンパー、および柔軟部材による空間に超音波伝達部材を充填により設けることができる。

本発明によれば、熱衝撃による圧電素子の剥離の問題が解消される。また、超音波送受波部材に異物が当たったときの圧電素子の破損が回避できる。さらに、圧電素子の量産性が高い、という効果を奏する。

図１は特許文献１に示されている超音波センサの断面図である。 図２（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ２０１の平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。 図３は超音波センサ２０１の、圧電素子２１の振動による各部の変位を模式的に表した図である。 図４（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ２０１の反射波形、図４（Ｂ）は比較例であり、金属ケースに圧電素子を接合して、金属ケースの底面をベンディング振動させる従来構造の超音波センサの反射波形である。 図５は超音波センサの振動面の変位をレーザドップラー計測装置で測定した結果である。 図６（Ａ）は実施形態に係る超音波センサが備える圧電素子単体のインピーダンスの周波数特性を示す図、図６（Ｂ）は超音波センサの状態での圧電素子のインピーダンスの周波数特性を示す図である。 図７は超音波センサ２０１の指向特性を示す図である。 図８は第２の実施形態に係る超音波センサ２０２の断面図である。 図９は第３の実施形態に係る超音波センサ２０３の断面図である。

《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態である超音波センサの構成と特性等について各図を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ２０１の平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。この超音波センサ２０１は、圧電素子２１と、その圧電素子２１が取り付けられたバンパー２２と、を備え、圧電素子２１とバンパー２２との間に柔軟部材２３および超音波伝達部材２４が配されている。圧電素子２１は上下面に電極が形成されていて、交番電圧の印加によって径方向に拡がり振動する。超音波伝達部材２４はバンパー２２および圧電素子２１よりヤング率が小さく、圧電素子２１に発生する弾性波（縦波）をバンパー２２へ伝達する。このバンパーは本発明に係る「超音波送受波部材」に相当する。

図２に示した超音波センサ２０１の各部の寸法は次のとおりである。
Ｄ１＝３０．０ｍｍ
Ｄ２＝７０．０ｍｍ
Ｄ３＝４０．０ｍｍ
ｄ３＝２５．０ｍｍ
ｔ１＝６．６ｍｍ
ｔ２＝２．５ｍｍ
ｔ３＝２．０ｍｍ
なお、ここでは定量評価のために、バンパー２２はパンバーとして用いられる樹脂材料であるポリプロピレンにゴムを添加した樹脂を円板状にしたものを用いている。この円板の寸法は、圧電素子の振動に起因して振動する範囲より充分に大きな寸法であると考えられる。

超音波伝達部材２４はシリコーンゴムなどの弾性体で円板状の層を構成している。この超音波伝達部材２４は、リング状の柔軟部材２３の内部に充填されたものである。ここでは、２成分室温硬化型の自己接着性液状シリコーンゴム（ポッティング用シリコーンゴム）であり、その硬度は４０である。柔軟部材２３はスポンジまたはゴムなどをリング状に成型した成型体である。

図２に示されている超音波センサ２０１は、この柔軟部材２３を粘着材として利用し、バンパー２２に圧電素子２１を貼着し、バンパー２２と圧電素子２１との間の空間に超音波伝達部材２４を充填することによって構成される。

図３は超音波センサ２０１の、圧電素子２１の振動による各部の変位を模式的に表した図である。但し、図２に示した柔軟部材２３は動作には無関係であるので図示していない。圧電素子２１はその電極間への交番電圧の印加により、図３中に破線で示すように径方向に拡がり振動する。この拡がり振動に伴い、厚み方向にも振動する。超音波伝達部材２４は圧電素子２１よりもヤング率が小さいので、この超音波伝達部材２４は圧電素子２１の拡がり振動を阻害しない。しかし、厚み寸法は径寸法より相対的に非常に小さい（薄い）ので、圧電素子２１の厚み方向の変位をバンパー２２に効率よく伝達する。そのため、バンパー２２は図３中に破線で示すようにベンディング振動する。

図４（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ２０１の反射波形、図４（Ｂ）は比較例であり、金属ケースに圧電素子を接合して、金属ケースの底面をベンディング振動させる従来構造の超音波センサの反射波形である。この比較例の超音波センサが備える圧電素子の寸法は、直径７ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ、金属ケースの寸法は、外径１４ｍｍ、高さ９ｍｍである。測定に用いた反射ターゲットは直径６０ｍｍのポールであり、距離６０ｃｍの位置に置いた。

従来構造の超音波センサの総合感度は０．９７Ｖｐｐ、１Ｖクロス残響時間は０．９ｍｓであった。実施形態に係る超音波センサの総合感度は２．１９Ｖｐｐ、１Ｖクロス残響時間は１．３５ｍｓであった。このように、実施形態に係る超音波センサでは残響が或る態度長いものの、反射信号の強度が約２倍に大きい。

ちなみに、圧電素子の厚み寸法を３．０ｍｍにすると総合感度は１／１０となった。また圧電素子の厚み寸法を１５ｍｍにすると、残響時間が長くなって総合感度の測定が不能となった。したがって圧電素子の厚み寸法には最良点があるものと予想される。

また、超音波伝達部材の厚み寸法を１ｍｍにしたときと５ｍｍにしたときにそれぞれ総合感度は１／１０となった。超音波伝達部材の厚み寸法は２ｍｍまたはその近傍に最良点がある。

超音波伝達部材の硬度を２５にすると、総合感度は約１／４になり、超音波伝達部材の硬度を８０にすると、総合感度は約１／１０になった。したがって、超音波伝達部材の硬度はその中間の４０程度がよい。

柔軟部材２３の内径を１５ｍｍにすると、つまり超音波伝達部材２４の直径を１５ｍｍにすると、総合感度は１／１０となった。圧電素子２１の振動エネルギーをバンパー２２に伝達するには圧電素子２１の直径に見合った大きさが必要であり、この例では２５ｍｍまたはその近傍が最良である。

図５は超音波センサの振動面の変位をレーザドップラー計測装置で測定した結果である。図５（Ａ）は実施形態に係る超音波センサ２０１の振動面（バンパー）の変位を示している。図５（Ａ）の右側は測定範囲の円とその円内の変位量を濃度で表した図である。測定範囲は直径約２５ｍｍである。図５（Ａ）の左側は、右側に示した測定範囲の中央横断線部分での変位を示す図であり、横軸は位置、縦軸は変位量である。図５（Ｂ）は上記金属ケースを備えた従来構造の超音波センサの振動面の変位を比較例として示している。図５（Ｂ）の右側は測定範囲の円とその円内の変位量を濃度で表した図である。この測定範囲は直径約１３ｍｍである。図５（Ｂ）の左側は、右側に示した測定範囲の中央横断線部分での変位を示す図であり、横軸は位置、縦軸は変位量である。

いずれも実効電圧１０Ｖの連続正弦波を印加して測定した。従来構造の超音波センサによれば、振動面に変位は±１．６μｍであるのに対し、実施形態に係る超音波センサ２０１の振動面の変位は±０．１５μｍである。このように変位量が約１／１０程度であるにもかかわらず、図４に示したように総合感度では２倍以上が得られた。このことは、図３に示したように、本発明の超音波センサが従来の超音波センサとは異なったメカニズムで動作しているものと予想される。音波は振動面の振幅の大きさだけでなく振動エネルギーの流れとしてとらえることも重要なことを示唆している。

図６（Ａ）は実施形態に係る超音波センサが備える圧電素子単体のインピーダンスの周波数特性を示す図、図６（Ｂ）は超音波センサの状態での圧電素子のインピーダンスの周波数特性を示す図である。曲線Ｚはインピーダンスの絶対値、曲線Ｐは位相を表している。

圧電素子単体での径方向の拡がり振動の共振周波数は６６ｋＨｚであるが、超音波伝達部材であるシリコーンゴムを介して、超音波送受波部材であるバンパーに取り付けたことにより、５８ｋＨｚに僅かなピークが生じている。この周波数は超音波センサの共振周波数であり、この周波数５８ｋＨｚで駆動することにより、図３に示した振動が生じる。

図７は超音波センサ２０１の指向特性を示す図である。横軸は振動面に垂直な方向（正面）を０°とする方位角、縦軸はピークを０ｄＢとして表した総合感度である。総合感度が−６ｄＢまで低下する方位角は±８°、すなわち半値角は１６°である。前記比較対照である従来構造の超音波センサの半値角が４０°であるから、良好な狭指向性が得られることが分かる。これは、超音波送受波部材であるバンパーの同位相で振動する振動面が従来構造の超音波センサより大きいことに起因しているものと推察される。
また、図７から明らかなように、指向性が鋭いだけでなく、サイドローブが小さいこともわかる。

第１の実施形態で示した超音波センサによれば、超音波伝達部材は、圧電素子とバンパーとの熱膨張係数の違いによる熱衝撃が小さく、剥離の問題が解消される。また、超音波伝達部がクッション材として作用することにより、バンパーに異物が当たったときの衝撃が緩和されて圧電素子の破損が回避できる。さらに、圧電素子に必要な厚み寸法が相対的に薄くできるので、量産性が高い。

《第２の実施形態》
図８は第２の実施形態に係る超音波センサ２０２の断面図である。この超音波センサ２０２は、圧電素子２１と、その圧電素子２１が取り付けられたバンパー２２と、を備え、圧電素子２１とバンパー２２との間に柔軟部材２３および超音波伝達部材２４が配されている。また、バンパー２２が湾曲していて、バンパー２２と柔軟部材２３との間に隙間が生じているが、この隙間はシリコーンゴム充填材２５で充填されている。この充填材は空気中の湿気（水分）と反応し、ゴム状弾性体に硬化する脱アルコールタイプの１成分形液状シリコーンゴムである。

圧電素子２１は上下面に電極が形成されていて、交番電圧の印加によって径方向に拡がり振動する。超音波伝達部材２４はバンパー２２および圧電素子２１よりヤング率（音響インピーダンス）が小さく、圧電素子２１に発生する弾性波（縦波）をバンパー２２へ伝達する。このとき充填材２５はバンパー２２の振動を殆ど阻害しないので、第１の実施形態で示した超音波センサと同様に作用する。
このように、超音波送受波部材であるバンパーの曲面に圧電素子を取り付けて超音波センサを構成することもできる。

《第３の実施形態》
図９は第３の実施形態に係る超音波センサ２０３の断面図である。この超音波センサ２０３は、圧電素子２１と、その圧電素子２１が取り付けられたバンパー２２と、を備え、圧電素子２１とバンパー２２との間に超音波伝達部材２４が配されている。また、圧電素子２１と超音波伝達部材２４は緩衝材２６を介してフック２２Ｆでバンパー２２に取り付けられている。すなわち、超音波伝達部材２４、圧電素子２１、および緩衝材２６の積層体がバンパー２２の内面とフック２２Ｆとの間に挟持されている。この例ではフック２２Ｆはバンパー２２の内面方向に突出していて、バンパー２２と一体成型されている。

緩衝材２６は弾性を備え、圧電素子２１と超音波伝達部材２４とをバンパー２２の内面に対して必要な押圧力で押しつける。このように充填でなく、予め成型した超音波伝達部材２４を配置することによって超音波センサを構成することもできる。

なお、バンパー２２と超音波伝達部材２４との間や、超音波伝達部材２４と圧電素子２１との間にオイルやグリスを介在させてもよい。

《他の実施形態》
以上に示した実施形態では車両のバンパーに圧電素子および超音波伝達部材を設けて超音波センサを構成したが、車両やその他の機器に備えられる化粧ボードに圧電素子および超音波伝達部材を設けて超音波センサを構成することも同様にできる。

また、超音波送受波部材に対して複数の圧電素子を超音波伝達部材を介して取り付けてアレイ状にしてもよい。そのことにより、合成開口面が広くなり、指向性ビームの幅を更に狭めることができる。

２１…圧電素子
２２…バンパー（超音波送受波部材）
２２Ｆ…フック
２３…柔軟部材
２４…超音波伝達部材
２５…充填材
２６…緩衝材
２０１〜２０３…超音波センサ

Claims (2)

1. 交番電圧の印加により振動する圧電素子と、その圧電素子が取り付けられた超音波送受波部材と、を備えた超音波センサにおいて、
   前記圧電素子は前記交番電圧の印加により拡がり振動し、
   前記圧電素子と前記超音波送受波部材との間に、前記圧電素子に発生する弾性波を超音波送受波部材に伝達する、前記超音波送受波部材および前記圧電素子よりヤング率の小さな超音波伝達部材が配されたことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記超音波送受波部材と前記圧電素子との間で、前記超音波伝達部材の周囲を囲む柔軟部材を配した、請求項１に記載の超音波センサ。