JP2019135809A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】受信感度を維持しつつ圧電素子が破損し難い超音波トランスデューサを提供する。【解決手段】一端２が開口され他端３に底面５を有する筒状のケース体１と、ケース体１に収容される圧電素子１０と、を備え、底面５は、直交二軸座標系において長軸方向と短軸方向とを有する振動面５であって、振動面５は、圧電素子１０が固着される第１領域１１と、短軸方向の両端側において第１領域１１に隣接し長軸方向に沿って延在する一対の第２領域１２とを有し、第２領域１２は第１領域１１よりも剛性が低くなるように構成された。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波トランスデューサに関する。

車両等に用いられ、超音波を利用して障害物を検出したり障害物までの距離を測定したりする超音波トランスデューサが存在する（例えば特許文献１及び２）。特許文献１に示される超音波トランスデューサでは、筒状のケース体（文献では支持体）の一端面に圧電素子（文献では圧電振動子）が固着される振動面が設けられ、振動面は長軸方向と短軸方向とを有する。車両に搭載される超音波トランスデューサは、振動面のうち、長軸方向が車両の高さ方向に合わせられ、短軸方向が車両の横幅方向に合わせられる。これにより、超音波トランスデューサは、車高方向に狭く車幅方向に広い指向性を持たせることができ、路面等の不要な検出を抑制しつつ広範囲の障害物検出と測距が可能になる。

特許文献２には、断面が円形であって一端に底面を有する筒状のケース体（文献ではセンサ筐体）に圧電振動子が収容された超音波トランスデューサが示されている。ケース体は開口部及び底面が小判状であって、底面は圧電素子（文献では圧電振動子）が配置されており、圧電素子により底面が振動面として振動する。当該振動面において長軸方向と短軸方向とが存在する。これにより、振動面の長軸方向の指向性を狭くすることができ、超音波トランスデューサを、振動面の長軸方向が車両の高さ方向になるように設置することで、路面や路面上の物体（例えば駐車用縁石等）を障害物として検出する誤検出を抑制することができる。

特開昭６１−２３４６９８号公報 特開２００２−５８０９１号公報

特許文献１の超音波トランスデューサでは、上述の通り、振動面に短軸方向と長軸方向とを有する縦長形状であるので、車両に搭載された場合に、車高方向に狭く車幅方向に広い指向性を得ることができる。ここで、上記トランスデューサは、車両において車両外部から視認可能な位置に搭載されるため、小型化が求められる。しかし、トランスデューサの小型化は、振動面の寸法の狭小化を招き、振動板は変形しにくくなり、共振周波数が高くなる。そのため、振動面の共振周波数を実用的な共振周波数にするために、振動面を有する振動板の厚みを薄くする必要がある。振動板の厚みを薄くすると、振動板において振動面とは反対側の面（外面）に外力が作用した場合に、当該外力が振動板から圧電素子に伝達し易くなる。このため、車両に搭載された超音波トランスデューサは、外方から飛び石等による振動、衝撃を受けた場合に圧電素子が破損し易い。

一方、特許文献２の超音波トランスデューサでは、振動面の長軸方向（垂直方向寄与方向）の中央部に圧電素子が配置され、振動面を有する振動板は長軸方向において両端部の厚みが中央部の厚みよりも薄く構成されている。したがって、同一共振周波数であり、同一形状である振動面が均一な厚みの場合に比べて、圧電素子の配置される部位の厚みは厚くなり、振動面の長軸方向において圧電素子が配置されている中央部は、振動面の厚みが均一な場合に比べて変形しにくい。また、振動面は短軸方向では振動板の厚みが一定であり、圧電素子が配置される部位の厚みは、長軸方向の中央部と同じ厚みである。このため、振動面の短軸方向において、圧電素子が配置されている中央部は、振動面の厚みが均一な場合に比べて変形しにくい。また、上記のように、圧電素子は振動面において中央寄りに固着されている。これらにより、圧電素子が駆動することで発生する力を受ける振動面は変形しにくくなるため、圧電素子から外方に高音圧を出力することができない。また、圧電素子の受信時においても、振動面の変形が小さくなることで圧電素子の変形が小さくなり、受信感度が低下する。

上記実情に鑑み、受信感度を維持しつつ圧電素子が破損し難い超音波トランスデューサが求められている。

本発明に係る超音波トランスデューサの特徴構成は、一端が開口され他端に底面を有する筒状のケース体と、前記ケース体に収容される圧電素子と、を備え、前記底面は、直交二軸座標系において長軸方向と短軸方向とを有する振動面であって、前記振動面は、前記圧電素子が固着される第１領域と、前記短軸方向の両端側において前記第１領域に隣接し前記長軸方向に沿って延在する一対の第２領域とを有し、前記第２領域は前記第１領域よりも剛性が低くなるように構成された点にある。

本構成のように、超音波トランスデューサの振動面が、短軸方向において圧電素子を挟む両側に、圧電素子が固着される第１領域よりも剛性が低い一対の第２領域を有することで、振動面において第２領域を容易に変形させることができる。これにより、振動面は短軸方向においても変形し易くなるため、振動面を有する振動板において圧電素子が固着される第１領域の厚みを厚くすることができる。この結果、振動板において振動面とは反対の側の外面に外力が作用したとしても、当該外力が振動板から圧電素子に伝達し難くなるため、圧電素子は破損し難くなり、超音波トランスデューサの信頼性が向上する。また、振動面が長軸方向に沿って延在する第２領域を有することで、超音波が送受信される際の圧電素子及び振動面は、長軸方向の曲げ変形が主となり、短軸方向の曲げ変形が抑制される。この結果、振動面の第１領域の短軸における曲げ変形は小さくなるため、圧電素子に加わる曲げ応力を低減することができ、高音圧の超音波を送受信した場合においても、曲げ応力による圧電素子の破損を抑制することができる。

他の特徴構成は、前記第２領域は、前記振動面に形成された溝部によって構成されている点にある。

本構成によれば、振動面に溝部を形成するだけで振動面は剛性の低い第２領域を有することができる。これにより、振動面に容易に第２領域を設けることができる。

他の特徴構成は、前記第２領域は、前記長軸方向において前記圧電素子よりも長い点にある。

本構成によれば、第２領域は、振動面の長軸方向において圧電素子よりも長いので、振動面の振動時における歪分布は、短軸方向の歪に比べて長軸方向の歪が一層大きくなる。これにより、超音波トランスデューサは、振動面の短軸方向における圧電素子の曲げ変形をより確実に抑制することができる。

第１実施形態の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。 短軸方向における歪分布を示す図である。 図１のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 長軸方向における歪分布を示す図である。 比較例の平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図である。 比較例の短軸方向における歪分布を示す図である。 比較例の長軸方向における歪分布を示す図である。 別形態を示す断面図である。 別形態を示す平面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ矢視断面図である。

以下に、本発明に係る超音波トランスデューサの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図３に、本発明に係る超音波トランスデューサ１００を示す。図１は、超音波トランスデューサ１００を後方から視た平面図である。超音波トランスデューサ１００は、一端２が開口され他端３に底面５を有する円筒状のケース体１と、ケース体１に収容される圧電素子１０と、を備える。ケース体１は外形の横断面が円形状であり、ケース体１の内部に横断面が楕円形状の中空部４が形成されている。ケース体１の外形の軸心Ｚと中空部４の軸心とは一致している。

底面５は、中空部４の横断面と同形状であって、直交二軸座標系において長軸方向Ｙと短軸方向Ｘとを有する振動面である。振動面（底面）５に圧電素子１０が固着されている。ケース体１において、振動面５を含む振動板６は外面７を有する。外面７は振動板６のうち、振動面５と反対側の面である。圧電素子１０は、矩形平板状であって、超音波の送信及び受信が可能に構成されている。振動面５を含むケース体１は、高弾性なアルミニウム等の軽合金又は合成樹脂等により形成される。

振動面５は、圧電素子１０が固着される第１領域１１と、短軸方向Ｘの両端側において第１領域１１に隣接し長軸方向Ｙに沿って延在する一対の第２領域１２とを有する。圧電素子１０は、第１領域１１の短軸方向Ｘと同じ幅を有する。第２領域１２は第１領域１１よりも剛性が低くなるように構成されている。具体的には、第２領域１２には振動板６に振動面５の側から溝部１３が形成されている。この結果、第１領域１１における振動板６の軸心Ｚ方向に沿う厚みＴ１よりも、第２領域１２における厚みＴ２の方が薄くなっている。

振動面５の形状は、長軸方向Ｙと短軸方向Ｘとを有する楕円形状である。これにより、超音波トランスデューサ１００は、長軸方向Ｙに狭く短軸方向Ｘに広い指向性を有する超音波を放出する。同様に、振動面５が楕円形状であることで、超音波トランスデューサ１００は、長軸方向Ｙに狭く短軸方向Ｘに広い受信感度を有する。

このように構成された超音波トランスデューサ１００では、リード線（不図示）を介して所定の周波数の電気信号が圧電素子１０に送信されると、圧電素子１０が振動面５に対して平行な方向に伸縮する力を上記電気信号に応じて発生し、それに伴い振動面５が振動し、超音波が外気中に放射される。超音波は短時間送出され、その残響時間の経過後に送受信切替手段（図示せず）を用いて送信から受信に切り替えられる。外気中に放射された超音波は、対象物（障害物）に当たりその反射波が超音波トランスデューサ１００に到達する。そして、その反射波は振動面５とあわせて圧電素子１０を振動変形させたうえで圧電素子１０から電圧として取り出すことで受信される。超音波が圧電素子１０から送信されてから対象物（障害物）に当たりその反射波が圧電素子１０で受信されるまでの時間を測定することで、振動面５と対象物（障害物）との距離を算出することができる。

圧電素子１０は、矩形状に形成されている。圧電素子１０は、短軸方向Ｘにおいて第１領域１１と同じ幅を有し、第１領域１１の両側に一対の溝部１３（第２領域１２）が隣接する。圧電素子１０は、振動面５が変形して凹面になったときに、長軸方向Ｙに沿う断面（図５）における歪が圧縮歪となる領域内に収まるように配置されている。振動面５を含む振動板６において第２領域１２の厚みＴ２は第１領域１１の厚みＴ１の半分以下にしてもよい。第２領域１２の厚みＴ２は第１領域１１の厚みＴ１の半分以下になると、第１領域１１と第２領域１２との剛性の差が大きくなるため、振動面５は第１領域１１において高い剛性を維持しつつ第２領域１２の変形を容易にすることができる。

図６及び図７は、本実施形態の超音波トランスデューサ１００の比較例としての従来の超音波トランスデューサＡを示す図である。超音波トランスデューサＡは、振動面５を含む振動板６が一定の板厚で構成されている。その他は、図１〜図３に示される超音波トランスデューサ１００の構造と同じである。

図８は、超音波トランスデューサＡの振動面５の短軸方向Ｘにおける歪分布を示す。図９は、超音波トランスデューサＡの振動面５の長軸方向Ｙにおける歪分布を示す。図８及び図９に示されるように、振動面５の中央部分において、短軸方向Ｘにおける歪が長軸方向Ｙにおける歪より大きくなる。このため、振動面５の歪を受けて圧電素子１０は変形による応力を受け易くなる。

一方、本実施形態の超音波トランスデューサ１００では、振動面５は第２領域１２として一対の溝部１３を有するので、振動面５において第２領域１２は、軸心Ｚ方向の変位に対してせん断変形し易くなるので（図３参照）、振動板６の共振周波数を変えることなく、圧電素子１０が配置された第１領域１１の厚みＴ１を厚くすることができる。この結果、振動板６において振動面５とは反対の側の外面７に外力が作用したとしても、当該外力が振動板６から圧電素子１０に伝達し難くなるため、圧電素子１０は破損し難くなり、超音波トランスデューサ１００の信頼性が向上する。

また、振動面５が長軸方向Ｙに沿って延在する一対の溝部１３（第２領域１２）を有することで、超音波が送受信される際の圧電素子１０及び振動面５は、長軸方向Ｙの曲げ変形が主となり、短軸方向Ｘの第１領域１１の曲げ変形が抑制される。この結果、短軸方向Ｘにおける振動面５の第１領域１１の振動振幅と圧電素子１０の曲げ変形とは共に小さくなるため、圧電素子１０に加わる曲げ応力を低減することができ、高音圧の超音波を送受信した場合においても、曲げ応力による圧電素子１０の破損を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、第２領域１２としての一対の溝部１３は、振動面５の長軸方向Ｙにおいて圧電素子１０よりも長く形成されている。本構成により、振動面５の振動時における歪分布は、短軸方向Ｘの歪に比べて長軸方向Ｙの歪が一層大きくなる。その結果、超音波トランスデューサ１００は、振動面５の短軸方向Ｘにおける圧電素子１０の曲げ変形をより確実に抑制することができる。

図４において、破線は振動面５の長軸方向Ｙの振動時の一状態を示したものである。図５は、振動面５の圧電素子１０の接着面における長軸方向Ｙの表面歪を示す。長軸方向Ｙの中央部では圧縮歪が発生し、長軸方向Ｙの両端部では引っ張り歪が発生している。このように振動面５が変形した場合、長軸方向Ｙにおいて圧縮歪と引っ張り歪との境界線は、短軸方向Ｘに沿うようになる。このため、図４のように振動面５が振動により変形した場合には、振動面５において圧電素子１０が接着される面（第１領域１１）において、圧縮歪が印加される領域は略長方形になる。その結果、圧電素子１０を長方形状に形成することで、第１領域１１において圧電素子１０が効率よく駆動するようになるため、受信感度を向上させることができる。また、圧電素子１０が長方形状であると、圧電素子１０を製造する上で歩留まりがよくなるため、超音波トランスデューサ１００の製造コストを低くすることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態では、振動面５に一対の溝部１３を形成して第２領域１２とする構成を示したが、図１０に示すように、第２領域１２は振動面５とは反対の側の外面７に一対の溝部１４を形成して構成してもよい。また、図１１及び図１２に示すように、第２領域１２は長軸方向Ｙに沿って振動面５に複数の凹部１５を設けて構成してもよい。これにより、第２領域１２は、凹部１５を有する厚み部分（厚みＴ２）と、第１領域１１と同じ厚み部分１６（厚みＴ１）によって構成される。なお、複数の凹部１５の形状並びに配置は適宜変更してもよい。

（２）超音波トランスデューサ１００の振動板６において、第２領域１２は、例えば弾性部材等、ケース体１とは別材料によって構成してもよい。

本発明は、超音波トランスデューサに広く用いることができる。

１ ：ケース体
２ ：一端
３ ：他端
４ ：中空部
５ ：振動面（底面）
６ ：振動板
７ ：外面
１０ ：圧電素子
１１ ：第１領域
１２ ：第２領域
１３ ：溝部
１４ ：溝部
１５ ：孔部
１００ ：超音波トランスデューサ
Ｔ１ ：第１領域の厚み
Ｔ２ ：第２領域の厚み
Ｘ ：短軸方向
Ｙ ：長軸方向
Ｚ ：軸心

Claims (3)

1. 一端が開口され他端に底面を有する筒状のケース体と、
   前記ケース体に収容される圧電素子と、を備え、
   前記底面は、直交二軸座標系において長軸方向と短軸方向とを有する振動面であって、
   前記振動面は、前記圧電素子が固着される第１領域と、前記短軸方向の両端側において前記第１領域に隣接し前記長軸方向に沿って延在する一対の第２領域とを有し、
   前記第２領域は前記第１領域よりも剛性が低くなるように構成された超音波トランスデューサ。
2. 前記第２領域は、前記振動面に形成された溝部によって構成されている請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記第２領域は、前記長軸方向において前記圧電素子よりも長い請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。

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