JP4494493B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
特に、所定の周波数の電圧を第1の圧電素子に印加して送信素子から短時間の超音波を送信すると、この超音波が被検出体にて反射され第2の圧電素子に伝達される。このような超音波の第2の圧電素子への伝達中では、当該第2の圧電素子から出力される信号の周波数は、印加電圧の周波数に一致する。そして、第2の圧電素子への上記超音波の伝達完了後には、当該第2の圧電素子から出力される信号の周波数である残響周波数は、印加電圧の周波数から第2の音響整合部材の共振周波数に等しい周波数に変化する。そこで、第1の圧電素子に印加する電圧の周波数を、超音波の伝達完了後に検出された残響周波数に等しくなるように調整することにより、温度変化による受信感度の低下を確実に抑制することができる。
したがって、温度変化による送受信感度の低下を抑制することができる。
fc=[E/{3×ρ(1−ν)}]1/2/4L ・・・(1)
fc=c/4L ・・・(2)
また、上述した音速cと、ヤング率E、密度ρおよびポアソン比νとでは、以下の式(3)の関係が成立する。
c=[E/{3×ρ(1−ν)}]1/2 ・・・(3)
これにより、上記式(2)および式(3)の関係から上述した式(1)の関係が成立することが判る。
請求項9の発明では、第1の音響整合部材および第2の音響整合部材は、例えば、同一の材料を使用して、両音響整合部材におけるヤング率の温度特性の変化が等しくなるように構成される。これにより、周囲の温度が変化した場合であっても第1の音響整合部材および第2の音響整合部材のヤング率が等しくなるので、温度変化に関わらず両音響整合部材の共振周波数を等しくすることができる。その結果、第1の圧電素子に印加する電圧の周波数を、共振周波数検出手段により検出された共振周波数に等しくするように調整することにより、温度変化による送信感度および受信感度の双方の低下を抑制することができる。
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、車両に搭載して障害物センサとして使用する超音波センサを例に説明する。図1は、第1実施形態の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。ここで、図1において、図1(A)の手前方向および、図1(B)の上方向が車両の外部を示す。また、図1(A)の下方向に地面が存在する。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。
受信素子12pは、送信素子11から発振され、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子14pに振動としての超音波を伝達する音響整合部材13pと、超音波を検出する圧電素子14pとが接合されて形成されている。
したがって、温度変化による送受信感度の低下を抑制することができる。
次に、本発明の第2実施形態に係る超音波センサについて図4および図5を参照して説明する。図4は、第2実施形態における回路素子20による周波数調整処理の流れを示すフローチャートである。図5は、圧電素子14pに伝達される超音波の周波数と当該圧電素子14pのインピーダンスZとの関係を示すグラフである。
まず、図4のステップS101にて、車速Vが検出可能速度Vo以下になりYesと判定されると、ステップS103aにて検出用電圧漸増印加処理がなされる。この処理では、検出用周波数foを漸増させるように調整された電圧が送信素子11の積層圧電素子16に印加される。この電圧印加に応じて積層圧電素子16が振動することにより、検出用周波数foが漸増する超音波が音響整合部材13を介して送信面13sから車両外部へ送信される。なお、この印加処理では、検出用周波数foを漸増させるように調整された電圧を積層圧電素子16に印加することに限らず、検出用周波数foを漸減させるように調整された電圧を積層圧電素子16に印加するようにしてもよい。
次に、本発明の第3実施形態に係る超音波センサについて図6および図7を参照して説明する。図6は、第3実施形態における超音波センサ10の断面図である。図7は、第3実施形態における回路素子20による周波数調整処理の流れを示すフローチャートである。
まず、図7のステップS101にて、車速Vが検出可能速度Vo以下になりYesと判定されると、ステップS103bにて周囲温度測定処理がなされる。この処理では、第1緩衝材19に埋設された両電極41間の静電容量から第1緩衝材19の誘電率を検出する。ポッティング材により構成される第1緩衝材19の誘電率は、周囲温度の上昇にともない所定の傾きで上昇するので、上記誘電率から周囲温度が求められる。なお、この周囲温度と、音響整合部材13および各音響整合部材13pの温度とは等しくなるものとする。
fc=[E/{3×ρ(1−ν)}]1/2/4L ・・・(4)
ここで、ρおよびνは、音響整合部材13pの密度およびポアソン比である。
fc=c/4L ・・・(5)
また、上述した音速cと、ヤング率E、密度ρおよびポアソン比νとでは、以下の式(6)の関係が成立する。
c=[E/{3×ρ(1−ν)}]1/2 ・・・(6)
上記式(5)および式(6)の関係から上述した式(4)の関係が成立することが判る。
次に、本発明の第4実施形態に係る超音波センサについて図8を参照して説明する。図8は、第4実施形態における超音波センサ10の一部断面図である。なお、説明の便宜上、SAW素子50が設けられる圧電素子14pの部位のみ断面でない状態を示している。
まず、図7のステップS101にて、車速Vが検出可能速度Vo以下になりYesと判定されると、ステップS103bにて周囲温度測定処理がなされる。この処理では、上記第3実施形態と異なり、回路素子20からの制御信号に応じてSAW素子50における両電極51、52間にて送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて、周囲温度を測定する。
(1)積層圧電素子16および各圧電素子14pは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)により形成されることに限らず、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)系材料により形成されてもよい。これにより、各音響整合部材13、13pとの音響インピーダンスの差が小さくなるので、超音波振動の減衰を小さくすることができる。また、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)系材料は樹脂材料であるため、各音響整合部材13、13pのインサート成形が容易であり、好適に用いることができる。
11…送信素子
12p、12q、12r…受信素子
13…音響整合部材(第1の音響整合部材)
13p…音響整合部材(第2の音響整合部材)
14p…圧電素子(第2の圧電素子)
16…積層圧電素子(第1の圧電素子)
20…回路素子(共振周波数検出手段、インピーダンス測定手段)
41…電極(第1の温度測定手段、第2の温度測定手段)
50…SAW素子(表面弾性波素子)
fc…共振周波数
E…ヤング率
Claims (13)
- 超音波を発振可能な第1の圧電素子とこの第1の圧電素子により発振された超音波を伝達可能な第1の音響整合部材とを有し被検出体に対して前記超音波の送信を行う送信素子と、
前記被検出体にて反射された前記超音波を検出可能な第2の圧電素子とこの第2の圧電素子に前記被検出体にて反射された前記超音波を伝達可能な第2の音響整合部材とを有し前記被検出体にて反射された前記超音波の受信を行う受信素子と、
前記第1の圧電素子に前記超音波を発振するための電圧を印加する回路素子と、
前記第2の音響整合部材の共振周波数を、前記送信素子から送信された短時間の超音波が前記被検出体にて反射され前記第2の圧電素子に伝達完了後に当該第2の圧電素子から出力される信号の周波数である残響周波数に応じて検出する共振周波数検出手段と、
を備える超音波センサであって、
前記回路素子は、前記第1の圧電素子に印加する電圧の周波数を前記共振周波数検出手段により検出される前記共振周波数に等しくするように調整することを特徴とする超音波センサ。 - 前記第1の圧電素子における電圧の周波数が変化するときの当該第1の圧電素子のインピーダンスと、前記第2の圧電素子における電圧の周波数が変化するときの当該第2の圧電素子のインピーダンスとのいずれか一方を測定するインピーダンス測定手段を備え、
前記共振周波数検出手段は、前記インピーダンス測定手段により測定される前記第1の圧電素子のインピーダンスの極小値に対応する前記周波数を前記第1の音響整合部材の共振周波数として検出するか前記第2の圧電素子のインピーダンスの極小値に対応する前記周波数を前記第2の音響整合部材の共振周波数として検出することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。 - 前記第1の音響整合部材の温度を測定する第1の温度測定手段を備え、
前記共振周波数検出手段は、前記第1の音響整合部材の共振周波数(f c )を、前記第1の温度測定手段により測定される前記第1の音響整合部材の温度から求められる当該第1の音響整合部材のヤング率をE、前記第1の音響整合部材の密度およびポアソン比をρおよびν、前記第1の音響整合部材における前記超音波の伝達方向の長さをLとしたとき、以下の式に基づいて検出することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
f c =[E/{3×ρ(1−ν)}] 1/2 /4L - 前記第1の音響整合部材を外力の負荷から保護するゲル状の緩衝材を備え、
前記第1の温度測定手段は、前記緩衝材の誘電率に基づいて前記第1の音響整合部材の温度を測定す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の圧電素子の表面に表面弾性波素子を設け、
前記第1の温度測定手段は、前記表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて前記第1の音響整合部材の温度を測定す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2の音響整合部材の温度を測定する第2の温度測定手段を備え、
前記共振周波数検出手段は、前記第2の音響整合部材の共振周波数(f c )を、前記第2の温度測定手段により測定される前記第2の音響整合部材の温度から求められる当該第2の音響整合部材のヤング率をE、前記第2の音響整合部材の密度およびポアソン比をρおよびν、前記第2の音響整合部材における前記超音波の伝達方向の長さをLとしたとき、以下の式に基づいて検出することを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。
f c =[E/{3×ρ(1−ν)}] 1/2 /4L - 前記第2の音響整合部材を外力の負荷から保護するゲル状の緩衝材を備え、
前記第2の温度測定手段は、前記緩衝材の誘電率に基づいて前記第2の音響整合部材の温度を測定することを特徴とする請求項6に記載の超音波センサ。 - 前記第2の圧電素子の表面に表面弾性波素子を設け、
前記第2の温度測定手段は、前記表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて前記第2の音響整合部材の温度を測定することを特徴とする請求項6に記載の超音波センサ。 - 前記第1の音響整合部材および前記第2の音響整合部材は、両音響整合部材におけるヤング率の温度特性の変化が等しくなるように構成されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 前記第1の圧電素子は複数の圧電素子が積層されて形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 前記第2の圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系材料により形成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 前記第1の圧電素子および前記第2の圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)系材料により形成されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の超音波センサ。
- 前記受信素子を複数備え、これら複数の前記受信素子がアレイ状に配置されることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の超音波センサ。
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