JP4367534B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
このような超音波センサには、使用環境における水分などの環境因子による劣化を防ぐための対策が施されているものがある。例えば、特許文献1には、超音波を送受波する圧電振動子と、送受波する超音波の伝達効率を向上させる音響整合層とを備え、硬度が高いバッキング材を充填して圧電振動子及び音響整合層を被覆した超音波探触子が開示されている。
また、第1の緩衝材は、超音波検出素子とのみ接触しているため、音響整合部材の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサによる超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
第1の緩衝材は、超音波検出素子を挟んで対称に設けられているため、超音波センサに温度変化が生じた場合でも、第1の緩衝材の熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、超音波検出素子を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。
更に、超音波検出素子の表面を被覆する被覆材により、超音波検出素子の使用環境下において、超音波検出素子を劣化させる水分などの環境因子から超音波検出素子を保護することができる。
つまり、超音波の検出感度の低下を伴わずに、使用環境における環境因子、衝撃などによる劣化や破壊を防ぐことができる超音波センサを実現することができる。
また、第2の緩衝材は、超音波検出素子とのみ接触しているため、音響整合部材の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサによる超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
この発明に係る超音波センサの第1実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、超音波センサを車両に搭載して障害物センサとして使用する場合を例に説明する。
図1は、超音波センサの説明図である。図1(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A矢視断面図である。図2は、緩衝材の変更例の説明図である。
ここで、図1(A)の手前側及び図1(B)の上方向が車両の外部を示す。なお、各図では、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。
音響整合部材12は、受信面12a近傍の側面12cにおいて、取付部20aとの間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材13を介在して、筐体31の開口部に固定されている。
超音波検出素子11は、音響整合部材12の超音波を受信する受信面12aに対向する取付面12bに、接着剤などにより取り付けられている。
緩衝材17は、超音波検出素子11と筐体31の底面31aとの間に介在して設けられている。
これにより、音響整合部材12を設けていない場合に比べて、空気との界面における音響インピーダンスの差を小さくすることができるので、空気との界面における超音波の反射を抑制し、入射する超音波を増大させることができる。
本実施形態では、音響整合部材12は、ポリカーボネート系樹脂またはポリエーテルイミド系樹脂などにより形成されている。ポリカーボネート系樹脂またはポリエーテルイミド系樹脂は弾性率の温度変化が小さいため、温度変化に伴う超音波の波長の変化を小さくすることができる。
なお、音響整合部材12として樹脂材料を例示しているが、音響インピーダンスの関係及び波長と寸法との関係とを満足すれば、例えば、アルミニウムのような金属材料や、セラミックス、ガラスなどを用いることができる。これらの材料は、樹脂材料同様に、耐候性などの耐環境性を備えており、好適に用いることができる。
振動減衰部材13は、接着材などで音響整合部材12の側面12c及び筐体31の内側面に接着固定されている。
このような材料により形成された振動減衰部材13が、バンパ20と音響整合部材12との間に介在することにより、超音波がバンパ20から取付部20aを介して音響整合部材12の側面12cに伝達されてノイズの原因となることを防止することができる。
また、弾性率が低い材料では、超音波による音響整合部材12の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。
これにより、超音波のノイズを低減し、振動の減衰を小さくすることができるので、超音波の検出感度を向上させることができる。
また、被覆材16は、液状の樹脂材料を超音波検出素子11に塗布した後に、固化して形成してもよい。この構成によれば、薄く成形することが容易であり、密着性を向上させることができる。
被覆材16は、環境遮蔽効果を確保できれば、振動の伝達を阻害しないようにできるだけ薄く形成することが好ましい。また、被覆材16は、第1電極14の端面を覆って音響整合部材12側にオーバーラップして形成されているが、振動の減衰を小さくするため、オーバーラップする長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、1mm以下にすることが好ましい。
超音波検出素子11に被覆材16を設けることにより、超音波検出素子11を劣化させる水分など環境因子を遮断することができるので、超音波の検出精度を確保することができ、信頼性を向上させることができる。
また、緩衝材17は超音波検出素子11より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子11とのみ接触しているため、音響整合部材12及び超音波検出素子11の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ10による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
更に、超音波センサ10に温度変化が生じた場合でも、緩衝材17の熱膨張・熱収縮に起因する応力が超音波検出素子11に負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。
緩衝材17は、被覆材16と同じ材料により形成することもできる。これによれば、緩衝材17と被覆材16とを一体的に成形することができ、緩衝材17が被覆材16の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
また、第2電極15と底面31aとの間隔よりも厚く形成された緩衝材17を用意し、圧縮して第2電極15と底面31aとの間に挿入することにより固定することもできる。緩衝材17としてポッティング材を用いる場合には、第2電極15と底面31aとの間隙に充填するだけで形成することができる。
緩衝材17は、上述の効果を奏することができれば、図示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、図2(A)に示すように、超音波検出素子11の横断面より小さくなるように形成することもできるし、図2(B)に示すように、底面31aの全面に接触するように形成することもできる。
第1緩衝材27は、超音波検出素子11を挟んで、対向する位置に設けられている。本実施形態のように、超音波検出素子11が角柱状に形成されている場合には、超音波検出素子11の対向する1組の側面11cと筐体31の内側面31bとの間にそれぞれ介在して設けられている。
ここで、超音波検出素子11の対向する側面11cと筐体31の内側面31bとの間隙がそれぞれ等しくなることが好ましい。これによれば、第1緩衝材27の厚さが等しくなり、超音波検出素子11を挟んで対称に設けられるため、超音波センサ30に温度変化が生じた場合でも、第1緩衝材27の熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、超音波検出素子11を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。
また、第1緩衝材27は、超音波検出素子11より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子11とのみ接触しているため、音響整合部材12及び超音波検出素子11の超音波による振動を大きく阻害することがないので、超音波センサ30による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
また、超音波検出素子11と内側面31bとの間隔よりも厚く形成された第1緩衝材27を用意し、圧縮して超音波検出素子11と内側面31bとの間に挿入することにより固定することもできる。
第1緩衝材27として、ポッティング材を用いる場合には、超音波検出素子11と内側面31bとの間隙に充填するだけで形成することができる。
第1緩衝材27は、上述の効果を奏することができれば、図3に示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、超音波検出素子11の側面11cに沿って周状に取り囲む形状に形成することもできる。ここで、第1緩衝材27は、内周の寸法が超音波検出素子11の側面11cよりわずかに小さく、外周の寸法が内側面31bよりもわずかに大きい断面「ロ」の字状に形成してもよい。これにより、内周に超音波検出素子11の側面11cを嵌め込み、外周を筐体31の内側面31bに嵌め込むことにより、第1緩衝材27を固定することができる。この構成によれば、第1緩衝材27を接着する工程が不要である。
この構成を用いると、第1緩衝材27の拘束による超音波検出素子11の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。
例えば、図5に示すように、超音波検出素子11の側面11cに、外方に向かって突出形成された突出部11tが全周にわたり設けられており、この突出部11tを、第1緩衝材27の内表面に設けられた凹部27aにおいて係合する構成を用いることができる。
この構成を用いると、第1緩衝材27の位置決めの精度を向上させることができるとともに、固定のための接着剤が劣化した場合においても、第1緩衝材27が超音波検出素子11から外れるおそれがない。
被覆材16は、第1電極14の端面を覆って音響整合部材12側にオーバーラップして形成することもできる。このとき、振動の減衰を小さくするため、オーバーラップする長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、1mm以下にすることが好ましい。
また、第1緩衝材27を超音波検出素子11の側面11cに取り付けた後に、表面が露出した部分にのみ被覆材16を形成してもよい。
また、図6(B)に示すように、緩衝材17及び第1緩衝材27は一体的に成形することができる。このとき、緩衝材17と第1緩衝材27とを同じ材料により形成すると、製造工程を簡略化することができる。
(1)本実施形態の超音波センサ30によれば、超音波検出素子11と筐体31の内側面31bとの間に介在して設けられた第1緩衝材27を備えているため、超音波センサに衝撃が加えられた場合でも、第1緩衝材27により衝撃を吸収することができるので、超音波センサ30が破壊されるおそれがない。
また、第1緩衝材27は、超音波検出素子11とのみ接触しているため、音響整合部材12の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ30による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
第1緩衝材27は、超音波検出素子11より弾性率が低い材料により形成されているため、超音波による超音波検出素子11の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。これにより、超音波の検出感度を向上させることができる。
第1緩衝材27の共振周波数が超音波検出素子11の共振周波数と略一致するように形成すると、超音波検出素子11に伝達された超音波振動を増幅することができるので、検出感度を向上させることができる。
第1緩衝材27の共振周波数が車両60に発生する外乱振動帯域よりも高くなるように形成すると、車両60から伝達される振動により共振することがなく検出ノイズを低減することができるので、検出精度を向上させることができる。
この発明に係る超音波センサの第2実施形態について、図を参照して説明する。図7は、第2実施形態に係る超音波センサの説明図である。図7(A)は、第2実施形態に係る超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図7(B)は、図7(A)のB−B矢視断面図であり、図7(C)は、図7(B)のC−C矢視断面図である。図8及び図9は、第2緩衝材の変更例の説明図である。
なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
本実施形態においても、第1緩衝材27は、後述する第2緩衝材37との組合せにより、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
また、第2緩衝材37は、超音波検出素子11より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子11とのみ接触しているため、音響整合部材12及び超音波検出素子11の超音波による振動を大きく阻害することがないので、超音波センサ40による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
また、第2緩衝材37の幅を各超音波検出素子11p〜11sの間隔よりも厚く形成して、各超音波検出素子11の間隙に圧縮して挿入することにより固定することもできる。
第2緩衝材37として、ポッティング材を用いる場合には、各超音波検出素子11の間隙に充填するだけで形成することができる。
ここで、第2緩衝材37は、弾性率の低い材料により構成されているため、各超音波検出素子11p〜11s間のクロストークによるノイズ成分を低減することができる。
このように各音響整合部材12を構成すると、受信した超音波の位相差からも時間差を検出することができるので、受信した超音波の時間差を精度良く検出することができ、被検出体との距離及び位置の測定精度を向上させることができる。
なお、幅Wが超音波の空気中における波長の半分以下でない場合においても、被検出体の位置の3次元検知に用いることができる。
第2緩衝材37は、上述の効果を奏することができれば、図7に示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、図8に示すように、隣接する超音波検出素子11の間隙に個別に設けてもよい。
(1)本実施形態の超音波センサ40によれば、複数の音響整合部材12p〜12sと超音波検出素子11p〜11sとの組を有するため、各超音波検出素子11p〜11sで受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。
また、第1実施形態の超音波センサ30と同様の効果を奏することができるとともに、第2緩衝材37が各超音波検出素子11p〜11sの間に介在して設けられているため、各超音波検出素子11p〜11sの間隔を一定に保ち、正確に位置決めをすることができるとともに、超音波センサ40に衝撃が加えられた場合でも、第2緩衝材37により更に衝撃を吸収することができるので、超音波センサ40が破壊されるおそれがない。
第2緩衝材37は、超音波検出素子11とのみ接触しているため、音響整合部材12の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ40による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
(1)超音波センサ10、30、40は、バンパ20以外の車両60の部材に取り付けて使用することができる。例えば、図10に示すように、ヘッドランプカバー21に取り付けることができる。この構成を用いると、障害物などで反射した超音波が車両の一部に遮られることがないので、確実に超音波センサで検出することができ、障害物センサなどに超音波センサを適用する場合に有効である。
更に、超音波センサの用途に合わせて、他の部材に取り付けることもできる。例えば、超音波センサを車両60の側方の障害物センサとして用いる場合には、ウインカのカバー22、ドアミラー23、サイドドア28などに取り付けることもできる。車両60の後方の障害物センサとして用いる場合には、リアランプのカバー24、バックランプのカバー25、バックドア29などに取り付けることもできる。
取付面12bが請求項1に記載の対向する面に、第1緩衝材27が第1の緩衝材にそれぞれ対応する。また、第2緩衝材37が請求項3に記載の第2の緩衝材に対応する。
11 超音波検出素子
12 音響整合部材
12a 受信面
12b 取付面(対向する面)
13 振動減衰部材
16 被覆材
17 緩衝材
20 バンパ
20a 取付部
27 第1緩衝材(第1の緩衝材)
31 筐体
31a 底面
31b 内側面
37 第2緩衝材(第2の緩衝材)
60 車両
Claims (12)
- 被検出体にて反射された超音波を検出する超音波検出素子と、
前記被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が、前記被検出体の存在する空間側に露出し、前記受信面で受信した超音波を、前記受信面と対向する面に取り付けられた前記超音波検出素子に伝達する音響整合部材と、
前記超音波検出素子と前記音響整合部材とを収容し、所定の物体に配置するための一端が開口した箱状に形成された筐体と、
前記音響整合部材と前記筐体の開口部との間に介在して設けられ、前記音響整合部材を前記筐体に固定するとともに、前記所定の物体から前記音響整合部材へ伝達する振動を減衰させる振動減衰部材と、
前記超音波検出素子の表面を被覆して使用環境下における環境因子から保護する被覆材と、
前記超音波検出素子と前記筐体の内側面との間にのみ介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第1の緩衝材と、を備え、前記第1の緩衝材は、前記超音波検出素子を挟んで対称に設けられていることを特徴とする超音波センサ。 - 複数の前記音響整合部材と前記超音波検出素子との組を備え、前記複数の音響整合部材と超音波検出素子との組は、前記各音響整合部材の間及び前記各音響整合部材と前記筐体との間に前記振動減衰部材を介在してアレイ状に配置されて設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
- 前記各超音波検出素子の間に介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第2の緩衝材を備えたことを特徴とする請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記各超音波検出素子が、前記各超音波検出素子と前記筐体の内側面との間隔と、前記各超音波検出素子の間隔とがそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の超音波センサ。
- 前記第1の緩衝材または前記第2の緩衝材は、前記超音波検出素子に生じる定在波の節部近傍にのみ形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記第1の緩衝材または前記第2の緩衝材は、前記超音波検出素子より弾性率が低い材料により形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記第1の緩衝材または前記第2の緩衝材の共振周波数は、前記超音波検出素子の共振周波数と略一致することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記第1の緩衝材または前記第2の緩衝材の共振周波数は、前記所定の物体に発生する外乱振動帯域よりも高いことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記被覆材と、前記第1の緩衝材または前記第2の緩衝材と、が一体的に形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記第1の緩衝材と前記第2の緩衝材とが一体的に形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記所定の物体は、車両であることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記取付部は、前記車両のヘッドランプカバー、リアランプのカバー、ウインカのカバー、バックランプのカバー、ドアミラー、サイドドア、バックドア、またはバンパに設けられていることを特徴とする請求項11に記載の超音波センサ。
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