JP2016139871A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の指向性の自由度が向上した超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】超音波トランスデューサ１は、圧電素子１０と、ケース２とを備える。ケース２は、平板形状の底板２１と、底板２１の厚さ方向の一面から突出する筒形状の周壁２２とを有している。圧電素子１０は、底板２１のうち周壁２２に囲まれた取付面２１１に取り付けられる。取付面２１１に沿った基準方向１００において、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２からずれた位置にある。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に超音波トランスデューサに関し、より詳細には、圧電素子により超音波の送信と受信との少なくとも一方を行う超音波トランスデューサに関する。

従来、この種の超音波トランスデューサは、自動車等の車両に搭載されて障害物を検知する障害物検知システム等に用いられている（たとえば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の超音波トランスデューサ（空中超音波センサ）は、一端が開口し、他端が底板（閉側面）となるケースと、ケースの底板側の内側に設けられた円形平板形状の圧電素子とからなる。ここで、圧電素子は、ケースの底板の内側の中心位置に接着剤等により固着されている。この超音波トランスデューサでは、圧電素子に電気信号（駆動信号）を印加することにより圧電素子を振動させ、超音波を発生する。

特許文献１に記載の超音波トランスデューサにおいては、ケースの周壁（側面）は、少なくとも一部に開口面側から取り除かれた領域が設けられており、対向する面が非対称な形状となっている。特許文献１には、センサ構造が非対称となることに起因して、正面方向において超音波トランスデューサを中心に左右で非対称な超音波の指向特性が得られることが記載されている。

国際公開第２０１１／０６７８３５号

しかし、特許文献１に記載の構成では、圧電素子は、ケースの底板の中心位置に配置されており、周壁が非対称な構造を採用しているだけであるため、超音波の指向性を偏向させる効果は小さく、超音波の指向性の自由度が低い。

本発明は上記事由に鑑みてなされており、超音波の指向性の自由度が向上した超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

本発明に係る超音波トランスデューサは、平板形状の底板と、前記底板の厚さ方向の一面から突出する筒形状の周壁とを有するケースと、前記底板のうち前記周壁に囲まれた取付面に取り付けられる圧電素子とを備え、前記取付面に沿った基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心からずれた位置にあることを特徴とする。

上記の超音波トランスデューサにおいて、前記周壁の一部には、前記周壁の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されていることが望ましい。

上記の超音波トランスデューサにおいて、前記周壁は、前記基準方向において対向する第１の壁と第２の壁とを有し、前記第１の壁は前記第２の壁に比べて厚さ寸法が小さく形成されており、前記基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心から前記第２の壁側にずれた位置にあることが望ましい。

あるいは、上記の超音波トランスデューサにおいて、前記周壁は、前記基準方向において対向する第１の壁と第２の壁とを有し、前記第１の壁は前記第２の壁に比べて厚さ寸法が小さく形成されており、前記基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心から前記第２の壁側にずれた位置にあり、前記第１の壁の一部には、前記第１の壁の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されていることが望ましい。

本発明によれば、ケースの取付面に沿った基準方向において、圧電素子の中心は取付面の中心からずれた位置にあるので、超音波の指向性に偏りを持たせることができ、超音波の指向性の自由度が向上するという利点がある。

図１Ａは実施形態１に係る超音波トランスデューサの背面図、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ断面図、図１Ｃは図１ＡのＹ−Ｙ断面図である。 実施形態１に係る超音波トランスデューサの動作を示す概念図である。 実施形態１に係る超音波トランスデューサによって送信される超音波の放射強度の角度分布のシミュレーション結果を示す説明図である。 実施形態１に係る超音波トランスデューサによって送信される超音波の放射強度のシミュレーション結果を示す説明図である。 図５Ａは実施形態２に係る超音波トランスデューサの背面図、図５Ｂは図５ＡのＸ−Ｘ断面図、図５Ｃは図５ＡのＹ−Ｙ断面図である。 実施形態２に係る超音波トランスデューサによって送信される超音波の放射強度の角度分布のシミュレーション結果を示す説明図である。 実施形態２に係る超音波トランスデューサによって送信される超音波の放射強度のシミュレーション結果を示す説明図である。

（実施形態１）
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃに示すように、本実施形態の超音波トランスデューサ１は、圧電素子１０と、ケース２とを備える。

ケース２は、平板形状の底板２１と、底板２１の厚さ方向の一面から突出する筒形状の周壁２２とを有している。圧電素子１０は、底板２１のうち周壁２２に囲まれた取付面２１１に取り付けられる。詳しくは後述するが、取付面２１１に沿った基準方向１００において、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２からずれた位置にある。

本実施形態の超音波トランスデューサ１は、圧電素子１０にて電気信号（交流電圧）と機械振動とを相互に変換することにより、超音波の送信（送波）と受信（受波）との両方が可能に構成されている。

超音波トランスデューサ１が超音波の送信に用いられる場合には、圧電素子１０は、所定周波数の電気信号を出力する駆動回路に電気的に接続され、駆動回路からの電気信号を機械振動に変換する。つまり、超音波トランスデューサ１では、駆動回路から圧電素子１０に電気信号が印加されることにより、圧電素子１０が振動する。この振動がケース（底板２１）２に伝わることで、超音波トランスデューサ１は、底板２１の送受波面２１２から超音波を出射する。

一方、超音波トランスデューサ１が超音波の受信に用いられる場合には、圧電素子１０は、圧電素子１０の出力に対してノイズの除去や増幅等の信号処理を施す信号処理回路に電気的に接続され、機械振動を電気信号に変換して信号処理回路に出力する。つまり、超音波トランスデューサ１では、底板２１の送受波面２１２に入射した超音波でケース（底板２１）２が振動し、この振動が圧電素子１０で電気信号に変換されて、超音波の強度や周波数に対応した電気信号が信号処理回路に入力される。

本実施形態では、超音波トランスデューサ１が、自動車等の車両に搭載されて障害物を検知する障害物検知システムに用いられる場合を例示する。すなわち、超音波トランスデューサ１は、たとえば車両のバンパー等に取り付けられる。障害物検知システムは、超音波トランスデューサ１から対象物に向けて超音波を送信し、対象物で反射された超音波を超音波トランスデューサ１で受信する。これにより、障害物検知システムでは、超音波トランスデューサ１からの超音波が届く範囲の対象物（障害物）の有無や、超音波トランスデューサ１から対象物までの距離が検知可能となる。なお、超音波トランスデューサ１は、車両に搭載される障害物検知システムに限らず、その他の用途、たとえば探傷検査装置などに用いられてもよい。また、超音波トランスデューサ１は、超音波の送信のみ、あるいは超音波の受信のみに用いられてもよい。

以下、本実施形態に係る超音波トランスデューサ１について詳しく説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は、下記実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

なお、以下では、基準方向（図１Ａでの上下方向）１００を上下方向とし、取付面２１１に沿う方向のうち基準方向１００と直交する方向（図１Ａでの左右方向）を左右方向として説明する。ただし、これらの方向は、超音波トランスデューサ１の取り付けの向きを限定する趣旨ではない。

本実施形態の超音波トランスデューサ１において、圧電素子１０は、平板形状であって、厚さ方向に直交する板面が正方形状に形成されている。圧電素子１０の材料としては、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）や、チタン酸バリウムなどの材料が用いられる。圧電素子１０はケース２の底板２１に対してたとえば接着などの手段により固定されている。圧電素子１０は電極を有しており、上述した駆動回路および信号処理回路が電極に電気的に接続される。

ケース２は、円板形状の底板２１と、底板２１の外周端部から底板２１の厚さ方向の一方側に突出する筒形状の周壁２２とを有し、全体として有底筒形状となっている。ケース２は、底板２１と周壁２２とで囲まれた空間を収納室２０とし、収納室２０内に圧電素子１０を収納する。

底板２１は、収納室２０側となる厚さ方向の一面のうち、周壁２２に囲まれた部分を取付面２１１とする。つまり、ケース２の開口面側からみたときに収納室２０の底面となる部分が、圧電素子１０が取り付けられる取付面２１１を構成する。底板２１の厚さ方向の他面（取付面２１１の裏面）は、ケース２のうちで主に超音波が出射あるいは入射される送受波面２１２を構成する。

底板２１の取付面２１１には、上述したように圧電素子１０が固定される。ここで、圧電素子１０の厚さ方向は、底板２１の厚さ方向に揃えられる。圧電素子１０は接着剤によって底板２１に接着されていてもよいし、収納室２０に充填される樹脂により固定されていてもよい。ケース２の材料としてはたとえばアルミニウムのような金属が用いられる。ケース２の材料として導電材料が用いられる場合、ケース２は、圧電素子１０の一方の電極と上記の駆動回路や信号処理回路との間の電路として利用可能である。

ここにおいて、ケース２の周壁２２は円筒形状の外周面を有している。本実施形態では、取付面２１１に沿う面内における圧電素子１０の中心２０１が周壁２２の外周面の中心軸２００上に位置するように、ケース２と圧電素子１０との位置関係が設定されている。つまり、基準方向（上下方向）１００および左右方向の両方向において、圧電素子１０の中心２０１とケース（周壁２２）２の中心軸２００とは同じ位置にある。なお、ここでいう圧電素子１０の中心２０１は、上下方向および左右方向の両方向についての圧電素子１０の中心点を指す。

また、周壁２２は、基準方向（上下方向）１００において対向する第１の壁２２１と第２の壁２２２とを有している。第１の壁２２１は第２の壁２２２に比べて厚さ寸法が小さく形成されている。言い換えれば、第１の壁２２１は、底板２１からの突出方向の全長にわたって、第２の壁２２２よりも薄く形成されている。つまり、周壁２２の厚み（厚さ寸法）は一定ではなく、周壁２２の一部（第１の壁２２１）は他の部位よりも薄く形成されている。そのため、収納室２０の形状は、周壁２２の外周面と同軸の円柱形状の穴の一部が、基準方向１００の一方側（図１Ａでの下側）に拡張されたような形状となる。

これにより、収納室２０の底面である取付面２１１の中心２０２は、周壁２２の外周面の中心軸２００より第１の壁２２１側（図１Ａでの下側）にずれた位置となる。つまり、左右方向においては、取付面２１１の中心２０２と周壁２２の中心軸２００とは同じ位置にあるが、基準方向（上下方向）１００においては取付面２１１の中心２０２は周壁２２の中心軸２００から一方側（第１の壁２２１側）にずれた位置にある。なお、ここでいう取付面２１１の中心２０２は、上下方向および左右方向の両方向についての取付面２１１の中心点を指す。

ここで、上述したように圧電素子１０の中心２０１は周壁２２の外周面の中心軸２００上に位置する。したがって、取付面２１１に沿った基準方向１００においては、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２からずれた位置に位置することになる。具体的には、基準方向１００において、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２から第２の壁２２２側（図１Ａでの上側）にずれた位置にある。この結果、本実施形態の超音波トランスデューサ１では、全体として、図１ＡのＸ−Ｘ断面に関してのみ面対称となり、図１ＡのＹ−Ｙ断面に関しては非対称となる。

また、周壁２２の一部には、周壁２２の厚さ方向に貫通する貫通孔２３が形成されている。ここでは、貫通孔２３は、周壁２２のうちの第１の壁２２１の一部に形成されている。つまり、第１の壁２２１の一部には、第１の壁２２１の厚さ方向に貫通する貫通孔２３が形成されている。

貫通孔２３は、周壁２２の周方向に長く、厚さ方向（径方向）に貫通したスリット状の孔である。本実施形態では、貫通孔２３は、周壁２２の突出方向において、底板２１の近傍となる位置に形成されており、貫通孔２３の内周面の一部は取付面２１１に連続した平面となっている。

また、周壁２２のうち収納室２０の開口面付近の内周面において、圧電素子１０の中心２０１に対して左右方向の両側となる位置には、それぞれ、収納室２０の開口面を左右方向に広げる形状の第１凹部２４が設けられている。また、周壁２２のうち収納室２０の開口面付近の外周面において、圧電素子１０の中心２０１に対して左右方向の両側となる位置には、周壁２２の左右方向の幅寸法を狭める形状の第２凹部２５が設けられている。上記の第１凹部２４や第２凹部２５には、ケース２が固定される固定対象の一部が挿入される。これにより、固定対象に対するケース２の回転（周壁２２の外周面の中心軸２００周りの回転）が防止される。

次に、上述したように構成される超音波トランスデューサ１の超音波の指向性（指向特性）について説明する。超音波トランスデューサ１が超音波の受信に用いられる場合における感度の指向性（指向特性）は、超音波トランスデューサ１が超音波の送信に用いられる場合に超音波トランスデューサ１から送波される超音波の指向性（指向特性）と同様である。そのため、以下では、超音波トランスデューサ１における超音波の指向性について、超音波トランスデューサ１から送波される超音波の指向性を例に説明するが、超音波の受信感度の指向性についても同様である。

図２は、超音波トランスデューサ１からの超音波の送信の様子を表している。図２においては、底板２１の振動強度（振幅）の分布を二点鎖線１０１で示し、超音波トランスデューサ１から出射される超音波を点線矢印１０２で示し、超音波が届く範囲（エリア）を一点鎖線１０３で示している。なお、二点鎖線１０１は、送受波面２１２から離れるほど振動強度が大きいことを表している。

超音波トランスデューサ１は、圧電素子１０に電気信号が印加されると、底板２１が振動することで、図２に示すように送受波面２１２から超音波を出射（送信）する。ここで、基準方向１００においては、圧電素子１０の中心２０１は底板２１の取付面２１１の中心２０２から、第２の壁２２２側（図２での上側）にずれている。言い換えれば、底板２１は、振動の発生源となる圧電素子１０から周壁２２までの距離が、第１の壁２２１側よりも第２の壁２２２側において近く（短く）なる。そのため、底板２１の振動強度は、基準方向１００において、圧電素子１０に対して第２の壁２２２側よりも第１の壁２２１側において大きくなる（図２の二点鎖線１０１参照）。

さらに、周壁２２は、底板２１の剛性を高めることにより底板２１の振動を抑制する作用があるため、第１の壁２２１が第２の壁２２２よりも薄い、つまり低剛性であることも、上記の底板２１の振動強度の分布に影響する。さらに、本実施形態の超音波トランスデューサ１によれば、貫通孔２３が形成されることにより、底板２１において貫通孔２３付近の部位は他の部位よりも周壁２２による拘束力が弱まって振動強度が大きくなる。つまり、貫通孔２３が形成されることにより、底板２１の一部（貫通孔２３に面した部分）が自由端となり、この部分での振動強度が大きくなる。

以上のことから、底板２１の振動で発生する超音波の指向性は基準方向１００の一方側、つまり圧電素子１０から周壁２２までの距離が近い側（ここでは第２の壁２２２側）へ偏る（図２の点線矢印１０２参照）。したがって、圧電素子１０からみて第１の壁２２１側（図２での下側）においては、反対側（第２の壁２２２側）よりも超音波の放射強度や受信感度が低くなる。

本実施形態の超音波トランスデューサ１によって送信される超音波の放射強度のシミュレーション結果を図３および図４に示す。図３および図４は、超音波トランスデューサ１からみて水平方向に対する下方（図２での下方）側を正とする基準方向（上下方向）１００の角度（俯角）と、超音波の放射強度との関係を表している。図３では、横軸が角度、縦軸が超音波の放射強度であって、放射強度の角度分布を表している。図４では、送受波面２１２が向けられた方向（前方）を左方向にとり、超音波トランスデューサ１から受信される超音波の強度が互いに等しくなる点の集合となる曲線が３通りの強度についてそれぞれ示されている。つまり、図４によれば、超音波トランスデューサ１の超音波の指向性は、送受波面２１２の真正面（０°）よりもθだけ基準方向１００の一方側（図４での上方側）に偏っている。これらのシミュレーション結果は一例であるが、これらのシミュレーション結果からも、超音波トランスデューサ１の超音波の指向性が基準方向１００の一方側（図３および図４での負の角度側）に偏っていることが明らかである。

上述したような超音波トランスデューサ１が、車両のバンパー等に取り付けられ、自動車等の車両に搭載されて障害物を検知する障害物検知システムに用いられる場合、下記のような利点がある。

すなわち、超音波トランスデューサ１は、基準方向１００において指向性が偏っている側（第２の壁２２２側）を上方とする向きで、車両に取り付けられると仮定する。この場合に、障害物の検知範囲の形状は、上記の指向性に依存し、つまり図２に一点鎖線１０３で示したような形状となる。なお、上記の検知範囲の大きさは、送信される超音波（以下、「送信波」と呼ぶ。）の強度に依存し、つまり超音波の送信のために圧電素子１０に入力される電力や圧電素子１０の材料や寸法形状などに依存する。

本実施形態の超音波トランスデューサ１が上記のように使用されることで、超音波トランスデューサ１が傾くことなく車両に取り付けられた状態で、検知範囲が上向きに偏向されることになる。この種の障害物検知システムでは、地面（路面）が障害物として検知されることを避けるため、地面が検知範囲から外れるように検知範囲が設定されることが望ましい。本実施形態の超音波トランスデューサ１を用いることで、超音波トランスデューサ１の取付位置（地上高）が比較的低くても、地面が検知範囲から外れることになるため、超音波トランスデューサ１の取付位置の自由度が高くなる。

以上説明した本実施形態の超音波トランスデューサ１によれば、取付面２１１に沿った基準方向１００において、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２からずれた位置にあるので、超音波の指向性に偏りを持たせることができる。つまり、上述したように、超音波の指向性は、圧電素子１０の中心２０１と取付面２１１の中心２０２との位置関係に応じて、基準方向１００の一方側（圧電素子１０から周壁２２までの距離が近い側）へ偏ることになる。したがって、本実施形態の超音波トランスデューサ１によれば、特許文献１に記載のように、圧電素子がケースの底板の中心位置に配置されており、周壁が非対称な構造を採用しているだけの構成に比べて、超音波の指向性を偏向させる効果が大きくなる。その結果、本実施形態の超音波トランスデューサ１によれば、超音波の指向性の自由度が向上するという利点がある。

また、本実施形態のように、周壁２２の一部には、周壁２２の厚さ方向に貫通する貫通孔２３が形成されていることが好ましい。この構成によれば、底板２１において貫通孔２３付近の部位は他の部位よりも周壁２２による拘束力が弱まるため、超音波の指向性にさらに偏りを持たせることができ、超音波の指向性の自由度がさらに向上する。なお、貫通孔２３は、２個以上設けられてもよいし、第２の壁２２２に設けられてもよい。また、上記のように貫通孔２３の内周面の一部が取付面２１１に連続した平面であることは必須ではないが、貫通孔２３が指向性に与える影響を大きくするためには、貫通孔２３は可能な限り底板２１の近くに設けられることが望ましい。

また、本実施形態のように、周壁２２は、基準方向１００において対向する第１の壁２２１と第２の壁２２２とを有し、第１の壁２２１は第２の壁２２２に比べて厚さ寸法が小さく形成されていることが好ましい。この場合、基準方向１００において、圧電素子１０の中心２０１は取付面２１１の中心２０２から第２の壁２２２側にずれた位置にある。この構成によれば、底板２１において第１の壁２２１付近は第２の壁２２２付近よりも低剛性となるため、超音波の指向性にさらに偏りを持たせることができ、超音波の指向性の自由度がさらに向上する。

また、この場合において、第１の壁２２１の一部には、本実施形態のように、第１の壁２２１の厚さ方向に貫通する貫通孔２３が形成されていることが好ましい。この構成によれば、底板２１において貫通孔２３が設けられた第１の壁２２１付近の部位は他の部位よりも周壁２２による拘束力が弱まるため、超音波の指向性にさらに偏りを持たせることができ、超音波の指向性の自由度がさらに向上する。

なお、周壁２２に設けられた第１凹部２４や第２凹部２５は、ケース２の回り止めの機能の他、超音波の指向性への影響もある。ただし、第１凹部２４や第２凹部２５は、周壁２２のうち収納室２０の開口面付近（つまり底板２１から離れた位置）に設けられているので、貫通孔２３に比べて指向性に与える影響が小さい。

本実施形態では、基準方向（上下方向）１００についてのみ、圧電素子１０の中心２０１が取付面２１１の中心２０２からずれた構成を例示したが、この構成に限定する趣旨ではない。すなわち、圧電素子１０の中心２０１は、基準方向（上下方向）１００だけでなく、左右方向についても、取付面２１１の中心２０２からずれた位置に位置してもよい。

（実施形態２）
本実施形態の超音波トランスデューサ１は、図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示すように、周壁２２に貫通孔２３（図１Ｂ参照）が設けられない点で、実施形態１の超音波トランスデューサ１と相違する。以下では、実施形態１と同様の構成については、共通の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態の超音波トランスデューサ１によって送信される超音波の放射強度のシミュレーション結果を図６および図７に示す。図６および図７は、それぞれ実施形態１で示した図３および図４に対応する図である。

これらのシミュレーション結果は一例であるが、これらのシミュレーション結果からも、貫通孔２３がなくても、超音波トランスデューサ１の超音波の指向性が基準方向１００の一方側（図６および図７での負の角度側）に偏っていることが明らかである。

本実施形態の構成によれば、周壁２２に貫通孔２３がない分だけ、ケース２の収納室２０内の気密性等を容易に確保できる。また、本実施形態のように貫通孔２３がない構成であっても、実施形態１と同様に、超音波の指向性に偏りを持たせることができ、超音波の指向性の自由度が向上するという利点がある。

１ 超音波トランスデューサ
２ ケース
１０ 圧電素子
２１ 底板
２２ 周壁
２３ 貫通孔
１００ 基準方向
２０１ 圧電素子の中心
２０２ 取付面の中心
２１１ 取付面
２２１ 第１の壁
２２２ 第２の壁

Claims (4)

1. 平板形状の底板と、前記底板の厚さ方向の一面から突出する筒形状の周壁とを有するケースと、
   前記底板のうち前記周壁に囲まれた取付面に取り付けられる圧電素子とを備え、
   前記取付面に沿った基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心からずれた位置にある
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記周壁の一部には、前記周壁の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記周壁は、前記基準方向において対向する第１の壁と第２の壁とを有し、
   前記第１の壁は前記第２の壁に比べて厚さ寸法が小さく形成されており、
   前記基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心から前記第２の壁側にずれた位置にある
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記周壁は、前記基準方向において対向する第１の壁と第２の壁とを有し、
   前記第１の壁は前記第２の壁に比べて厚さ寸法が小さく形成されており、
   前記基準方向において、前記圧電素子の中心は前記取付面の中心から前記第２の壁側にずれた位置にあり、
   前記第１の壁の一部には、前記第１の壁の厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

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