JP4656261B2

JP4656261B2 - 超音波送受波器

Info

Publication number: JP4656261B2
Application number: JP2010520357A
Authority: JP
Inventors: 卓松本; 正敏梶原
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: JPWO2010064712A1; CN102227919B; US20110221304A1; KR101201064B1; WO2010064712A1; KR20110082063A; CN102227919A; DE112009003590T5; US8264124B2; DE112009003590B4

Description

本発明は、超音波送受波器に関し、特に、自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車における側壁等の障害物とのスペースの有無を検知するパーキングスポットセンサ等に用いられる超音波送受波器に関するものである。

超音波送受波器は、超音波を利用してセンシングを行うものであり、圧電振動素子から超音波パルス信号を間欠的に送信し、周辺に存在する障害物からの反射波を圧電振動素子で受信することにより物体を検知するものである。

この種の超音波送受波器は特許文献１に示されている。図１は特許文献１の超音波送受波器１のケースの構造を示す断面図である。超音波送受波器のケース１１は、横断面が円形の有底筒状のケースであり、その底部の内面の中央部に圧電素子１２が取り付けられている。ケース１１の底部の厚みは、圧電素子１２が取り付けられている部分で厚く、ケース１１の内壁面に近づくに従って徐々に薄くなるように形成されている。

特開２００６−１７４００３号公報

特許文献１に示されている超音波送受波器は、残響が少なく、指向性が狭い特性を備えている。

ところが、図１においてＡで示す部分（ケース底部の傾斜部と側壁部との角部）は設計上鋭角なエッジとなるが、実際にはこの部分に鋭角なエッジを形成することは加工上困難であった。

また、図１中のＡで示す部分には実際には曲率半径Ｒの丸みが形成されることになるが、この曲率半径Ｒのばらつきによって超音波送受波器の共振周波数が大きく変動し、このことが特性上不安定要因の１つであることが判った。
また、図１の構造の場合、十分な振幅が得られず、感度が不十分であることが判った。

この発明の目的は、ケースの加工性を向上させるとともに共振周波数のばらつきを抑え、振幅の大きい超音波送受波器を提供することにある。

この発明の超音波送受波器は、有底円筒状のケースと、前記ケースの底部の略中央部に設けられた圧電素子と、を含み、前記ケースの底部は、前記圧電素子が設けられている位置から前記ケースの内壁面に近づくにしたがって厚みが徐々に薄くなる傾斜部と、前記傾斜部の周縁から前記ケースの内壁面まで前記傾斜部の周縁部の厚みを保つ平坦部と、を備え、前記傾斜部の内側の端部から前記ケースの内壁面までの径方向の寸法をＤ、前記平坦部の径方向の寸法をｄ１で表したとき、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲内の値であることを特徴とする。

この発明によれば、ケース底部の内面の傾斜部と内壁面までの間に平坦部が存在するためケースの加工時に底部の形状を高精度に加工できる。また、ケース底部の平坦部と内壁面との境界部（角部）に曲率半径Ｒの丸みが付くことになるが、この曲率半径Ｒのばらつきにともなう超音波送受波器の共振周波数の変動が小さい。そのため、特性の安定した超音波送受波器が得られる。

特許文献１の超音波送受波器のケースの構造を示す断面図である。この発明の実施形態に係る超音波送受波器１０１の断面図である。超音波送受波器１０１のケース２１の各部の寸法を示す図である。ｄ１／Ｄに対するケース２１の底部の振幅の関係を示す図である。図３においてＡで示した部分（平坦部と内壁面とのなす角部）の曲率半径Ｒと超音波送受波器の共振周波数との関係を示す図である。ｄ１／Ｄに対する超音波送受波器の残響時間の関係を示す図である。図７（Ａ）は、図２に示した超音波送受波器１０１のケース２１の底部の振動分布を示す図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の縦軸のスケールを拡大した状態での中央部の特性、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の縦軸のスケールを拡大した状態での両サイドの特性である。図８（Ａ）は、超音波送受波器のケースを型鍛造加工する際の素材２１Ｓとダイス（下型）Ｄについて示す図である。図８（Ｂ）は、型鍛造加工の様子と、それによって得られた超音波送受波器のケース２１を示す図である。図９（Ａ）は、超音波送受波器のケース２１の開口面から見た平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）における直線Ａ−Ａ部分での断面図である。図８（Ｂ）に示した型鍛造時の素材変形時の材料の流動の様子を簡略的に表した断面図である。図１１（Ａ）は、前記傾斜角AOGとケース２１の外底面の平面度との関係を示す図である。図１１（Ｂ）は、前記サンプルについて、傾斜角AOGとケース２１の外底面の平面度のばらつきを求めた結果である。第２の実施形態に係る超音波送受波器１０２の指向性を示す図である。指向性測定時の超音波センサと対象物との位置関係を示す図である。

この発明の超音波送受波器は、有底円筒状のケースと、ケースの底部の略中央部に設けられた圧電素子と、を含み、ケースの底部は、圧電素子が設けられている位置からケースの内壁面に近づくにしたがって厚みが徐々に薄くなる傾斜部と、傾斜部の周縁からケースの内壁面まで傾斜部の周縁部の厚みを保つ平坦部と、を備え、傾斜部の内側の端部からケースの内壁面までの径方向の寸法をＤ、平坦部の径方向の寸法をｄ１で表したとき、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲内の値であることを特徴とする。

このように、ケース底部の内面の傾斜部と内壁面までの間に平坦部が存在するためケースの加工時に底部の形状を高精度に加工できる。また、ケース底部の平坦部と内壁面との境界部（角部）に曲率半径Ｒの丸みが付くことになるが、この曲率半径Ｒのばらつきにともなう超音波送受波器の共振周波数の変動が小さい。そのため、特性の安定した超音波送受波器が得られる。

ｄ１／Ｄが０．１未満の場合、ケース底部の平坦部と内壁面との境界部に曲率半径Ｒの丸みが付きやすく、共振周波数の変動を十分に小さくすることができない。また、ｄ１／Ｄが０．９よりも大きい場合、ケース底部のうち、平坦部の外周部（ケース内壁面側）の振幅が大きくなるため、ケース内壁面へ振動が伝播しやすくなり、残響が生じやすくなる。

また、超音波送受波器は自動車の駐車支援装置に使用されることがあり、その際、地面や縁石などからの反射による影響を受けないようにするために、垂直軸・水平軸のうち、一方の軸に狭く、他方の軸に広い指向性が求められる。

そのためには、超音波送受波器のケースの内部に、一方の軸が長く他方の軸が短い凹みを設けられる場合がある。
しかし、このようなケースを鍛造加工で製造する場合、従来の加工方法では次のような問題があった。

（ａ）ケースの内底面の段差部の形成時に、段差部分で材料の流れが阻害されるために大きな負荷が掛かり、ケースの外底面が歪んで、見栄えを損なうおそれがあった。

（ｂ）また、ケースの外底面の変形はばらつきが大きいので、このことが指向性のばらつきの原因となる。

（ｃ）そのため、従来の鍛造加工では、鍛造の後に切削工程を付加して底面外側を平滑に加工する必要があり、安価に製造することが困難であった。また、切削加工を行うことで、ケースの底部の厚みにばらつきが生じるので、このことも指向性のばらつきの原因となる。さらに、切削加工を追加することで加工痕が残るため、やはり外観を損ねる。そこで、垂直軸・水平軸の指向性に差をもたせた超音波送受波器のケースを鍛造加工で製造できるようにして、特性ばらつきが少なく美観に優れた低コストな超音波送受波器が求められている。

そこで、傾斜部の傾斜角は、圧電素子が設けられている上部平坦部の法線に対して、例えば４５度以上とすることが好ましい。このように、傾斜部の傾斜角を、ケースの内底面の圧電素子が設けられている面の法線に対して４５度以上とすることにより、鍛造加工が可能となり、特性ばらつきが少なく美観に優れた低コストな超音波送受波器が得られる。

なお、傾斜部の傾斜角は９０度未満である。

特に、ケースの内壁面は、長径と短径を備え（底面に平行な面での内壁面の断面形状が長円形であり）、圧電素子が設けられている上部平坦部の一部が前記内壁面にほぼ接していて、上部平坦部と傾斜部との境界線（稜線）に接する接線に対して垂直な面でケースを切断したときの傾斜部の傾斜角が、圧電素子が設けられている面の法線に対して４５度以上とすることが好ましい。ケースの内壁面に長軸と短軸を備え、振動面であるケース底面が実質的に長円形状又は楕円形状である場合、鍛造加工の際に、ケースの底部の厚みにばらつきが生じやすい。その結果、外底面に歪みや指向性のばらつきが生じやすいが、本発明によれば特性ばらつきが少なく美観に優れた低コストな超音波送受波器が得られる。

《第１の実施形態》
この発明の第１の実施形態に係る超音波送受波器について図２〜図７を参照して説明する。
図２は、この発明の実施形態に係る超音波送受波器１０１の断面図である。超音波送受波器１０１は、有底円筒状のケース２１と、このケース２１の内底面のほぼ中央部に設けられた圧電素子２２と、を備えている。

ケース２１の内底面は、圧電素子２２が設けられている部分からケース２１の内壁面に近づくに従って厚みが徐々に薄くなる傾斜部Ｓと、この傾斜部Ｓの周縁からケース２１の内壁面まで傾斜部Ｓの周縁部の厚みを保つ平坦部Ｆとを備えている。

圧電素子２２の上部には空間３０を隔てて吸音材２３が設けられ、この吸音材２３の上部に基板２４が配置されている。基板上の電極とケース２１との間は内部リード線２５で接続され、基板２４の電極と圧電素子２２の電極との間は内部リード線２６を介して接続されている。また、基板２４の接続電極には外部リード線２７，２８の第１の端部が接続され、外部リード線２７，２８の第２の端部にコネクタ２９が接続されている。外部リード線２７と内部リード線２５との間、及び外部リード線２８と内部リード線２６との間が基板２４を介してそれぞれ接続されている。ケース２１の内部は前記空間３０を除く部分に樹脂３１が充填されている。

前記ケース２１はアルミニウムケースであり、切削加工によって製造される。吸音材２３は、例えばポリエステル繊維からなるフェルトを円板状に成形したものである。前記樹脂３１は弾性シリコーン樹脂である。

図３は前記ケース２１の各部の寸法を示す図である。ここでケース２１の底部の圧電素子２２の設けられている部分の厚みをｔ２、平坦部の厚みをｔ１、圧電素子２２の設けられている部分の直径をＤ２、ケース２１の内径をＤＩ、ケース２１の外径をＤＯ、Ａで示す部分の曲率半径をＲ、としたとき、各部の寸法は次のとおりである。

ｔ１＝１．０ｍｍ
ｔ２＝１．５ｍｍ
ＤＯ＝１４ｍｍ
ＤＩ＝１１ｍｍ
Ｄ２＝８ｍｍ
Ｒ＝０．２ｍｍ
なお、圧電素子２２の直径は７ｍｍ、厚み寸法は０．１５ｍｍである。

次に、前記の条件で傾斜部の内側の端部から前記ケースの内壁面までの径方向の寸法Ｄに対する平坦部の径方向の寸法ｄ１を変化させた時の特性変化について示す。
図４は、ｄ１／Ｄに対するケース２１の底部の振幅の関係を示す図である。ここで、圧電素子２２に対する信号は、電圧１Ｖ、周波数６７ｋＨｚの正弦波信号である。図４の縦軸は振幅［ｎｍ］である。ｄ１／Ｄ＝０のときはｄ１＝０であり、従来構造の場合の特性である。ｄ１／Ｄ＝０のとき、振幅は８１．６であるのに対し、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲では、振幅は８１．９を上回る。またその振幅が安定したものとなる。ｄ１／Ｄが０．９を超えると振幅は８１．９より低下する。

振幅が０．１だけ変化する毎に超音波センサとしての感度は約３％ずつ変化するので、本願発明は特許文献１であるｄ１／Ｄ＝０のときに比べて９％以上高くなっているといえる。また、従来知られている超音波センサであるｄ１／Ｄ＝１のときに比べても３％以上高くなることがわかった。単に、ケース底部、特に図３のＡ付近に平坦部を設ければ、振幅が大きくなるというわけではなく、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９であることが振幅を大きくし、感度の向上につながることがわかる。

図５は、図３においてＡで示した部分（平坦部と内壁面とのなす角部）に丸みが生じた際に、その曲率半径Ｒと超音波送受波器の共振周波数との関係を示す図である。ここではｄ１／Ｄ＝０，ｄ１／Ｄ＝０．１，ｄ１／Ｄ＝０．２，ｄ１／Ｄ＝０．３３，ｄ１／Ｄ＝０．６７の５つの例を特性曲線Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で示している。ｄ１／Ｄ＝０のとき、前記曲率半径Ｒの増大に伴って共振周波数が比較的大きく変化するのに対し、ｄ１／Ｄの値が０．１以上であれば、曲率半径Ｒの変動に対する共振周波数の変動が小さいことが分かる。

したがって、図１に示した従来構造の超音波送受波器に比べて、ケース２１の製造上の誤差によって生じる共振周波数のばらつきが少ないことが分かる。

図６は、ｄ１／Ｄに対する超音波送受波器の残響時間の関係を示す図である。ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲では時残響時間は１．２ｍｓ未満であるので車載用の超音波センサとして十分な残響特性が得られる。すなわち図２及び図３に示したようにケース２１の底部の傾斜部Ｓを備えた構造による短い残響時間特性が維持できる。

図７（Ａ）は、図２に示した超音波送受波器１０１のケース２１の底部の振動分布を示す図であり、横軸は中心からの距離（ｍｍ）、縦軸は振幅［ｎｍ］である。また図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の縦軸のスケールを拡大した状態での中央部の特性、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）の縦軸のスケールを拡大した状態での両サイドの特性である。

ここでｄ１／Ｄ＝０．５の特性は、ｄ１／Ｄ＝０．１〜０．９の範囲の代表特性である。ｄ１／Ｄ＝１のとき、両サイドの平坦部の振幅が小さくなっている。これは圧電素子２２の径方向の振動が平坦部にうまく伝わらずに振幅が小さくなっているものと推測される。

また、ｄ１／Ｄ＝０（平坦部無し）のとき、両サイドの振幅はそのままで、中央部のみ振幅が小さくなっている。これは、ケース２１の底部の剛性が高くて振動しにくくなっているものと推測される。

したがってｄ１／Ｄを０．１〜０．９の範囲内で選ぶことによって、ケース２１の底部の振幅を大きくして、超音波センサとしての高感度化を図ることができる。

《第２の実施形態》
この発明の第２の実施形態に係る超音波送受波器について図８〜図１３を参照して説明する。
この第２の実施形態は、互いに直交する面内のビーム幅が異なる指向性を有する超音波送受波器に関するものである。また、この第２の実施形態は、超音波送受波器のケースを鍛造加工により製造するものである。

図８（Ａ）は、超音波送受波器のケースを鍛造加工（型鍛造）で製造する際の素材２１Ｓとダイス（下型）Ｄについて示している。図８（Ａ）の下部の図はダイスＤの内部に素材２１を嵌め込んだ状態示している。素材２１Ｓは例えば円板状のアルミニウム板である。

図８（Ｂ）の下部の図は、図８（Ｂ）に示した状態からパンチ（上型）Ｐをエアーハンマー等で叩いた状態を示している。その後、型から素材を取り出すと、図８（Ｂ）の上部の図のように、超音波送受波器のケース２１が得られる。
パンチＰの先端面は、ケース２１の内底面が所定形状になるように、予め加工しておく。

図９（Ａ）は、超音波送受波器のケース２１の開口面から見た平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）における直線Ａ−Ａ部分での断面図である。超音波送受波器１０２は、有底筒状のケース２１と、このケース２１の内底面の中央部に設けられた圧電素子２２と、を備えている。図９（Ａ）、図９（Ｂ）ではケース２１内に設ける吸音材、空間、リード線等については図示を省略している。

ケース２１の内底面は、圧電素子２２が設けられている上部平坦部ＦＴからケース２１の内壁面に近づくに従って厚みが徐々に薄くなる傾斜部Ｓと、この傾斜部Ｓの周縁からケース２１の内壁面まで傾斜部Ｓの周縁部の厚みを保つ平坦部Ｆとを備えている。

傾斜部Ｓの内側の端部からケース２１の内壁面までの径方向の寸法をＤ、平坦部Ｆの径方向の寸法をｄ１で表したとき、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲内の値であることは第１の実施形態の超音波送受波器と同様である。

第２の実施形態の超音波送受波器１０２では、傾斜部Ｓの傾斜角AOGは、圧電素子２２が設けられている上部平坦部ＦＴの法線に対して４５度以上である。ケース２１の内底面が同心円形状であれば、前記傾斜角AOGは中心軸を通る平面で切断した断面での傾斜角と言える。しかし、この超音波送受波器１０２は、ケース２１の内底面が同心円形状ではない。前記傾斜角AOGは、上部平坦部ＦＴと傾斜部Ｓとの境界線（稜線）に接する接線に対して垂直な面でケース２１を切断した断面での傾斜角である。

図１０は、図８（Ｂ）に示した型鍛造時の素材変形時の材料の流動の様子を簡略的に表した断面図である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示したように、ダイスＤとパンチＰとの間でケース２１の素材が変形する際、素材２１Ｓの材料は、図１０中の矢印で示すように、ケース２１の内底面の中央から周辺へ延びる。ケース２１の内底面の形状を上記のとおりにしたことにより、上部平坦部ＦＴから傾斜部Ｓ及び平坦部Ｆにかけてスムーズに展延する。そのため、傾斜部Ｓと平坦部Ｆとの境界部などに歪みが生じ難く、ケース２１の外底面の平面の美観を損ねることもない。

図１１（Ａ）は、前記傾斜角AOGとケース２１の外底面の平面度との関係を示す図である。ここでは５個のサンプルについて、平面度の平均値を求めた。また、図１１（Ｂ）は、前記サンプルについて、傾斜角AOGとケース２１の外底面の指向性のばらつきを求めた結果である。

なお、図１２は図１１（Ｂ）に示される指向性を示す図である。また、図１３は指向性測定時の超音波センサと対象物との位置関係を示す図である。図１３に示されるようにセンサの対象物に対する角度θを徐々に変化させた場合に、センサから送信された音波が対象物により反射され、反射した音波をセンサが受信し、出力する電圧の減衰量の関係を示すものである。ここでは減衰量が−６ｄＢとなる角度θのばらつきを示している。

図１１（Ａ）から明らかなように、傾斜角AOGが４５度以上で、ケース２１の外底面の平面度が１５μｍ以下となり、良好な外観が得られることが分かる。また、傾斜角AOGを５０度以上とした場合、平面度が１０μｍ以下となりさらに好ましい。また、図１１（Ｂ）から明らかなように、傾斜角AOGが４５度以上で、前記指向性のばらつきが±１．５μｍ以下となり、高精度なケースが得られることが分かる。

なお、第２の実施形態では、ケース２１の内底面が同心円形状ではないものを用いたが、同心円形状の場合にも本発明を採用できることは言うまでもない。

《他の実施形態》
第２の実施形態では、素材の材料をアルミニウムとしたが、鍛造に適した材料としては、アルミニウム以外に、アルミニウムにMg,Si,Mn,Fe,Znなどを選択的に添加した合金を用いてもよい。また、MgやMgにAl，Znなど添加した合金を用いることもできる。

鍛造加工の工法としては、円板状の素材を金型で一回の鍛造加工で加工する方法や、円板状の素材を搬送しながら複数回に亘って鍛造加工する方法、等を用いることができる。

１０１，１０２…超音波送受波器
１１…ケース
１２…圧電素子
２１…ケース
２２…圧電素子
２３…吸音材
２４…基板
２５，２６…内部リード線
２７，２８…外部リード線
２９…コネクタ
３０…空間
３１…樹脂
Ｆ…平坦部
ＦＴ…上部平坦部
Ｓ…傾斜部
Ｄ…ダイス
Ｐ…パンチ

Claims

有底円筒状のケースと、
前記ケースの底部の略中央部に設けられた圧電素子と、
を含む超音波送受波器であって、
前記ケースの底部は、前記圧電素子が設けられている位置から前記ケースの内壁面に近づくにしたがって厚みが徐々に薄くなる傾斜部と、前記傾斜部の周縁から前記ケースの内壁面まで前記傾斜部の周縁部の厚みを保つ平坦部と、を備え、
前記傾斜部の内側の端部から前記ケースの内壁面までの径方向の寸法をＤ、前記平坦部の径方向の寸法をｄ１で表したとき、ｄ１／Ｄが０．１〜０．９の範囲内の値であることを特徴とする超音波送受波器。
前記傾斜部の傾斜角は、前記圧電素子が設けられている上部平坦部の法線に対して４５度以上である、請求項１に記載の超音波送受波器。
前記ケースの内壁面は、長径と短径を備え、前記圧電素子が設けられている上部平坦部の一部が前記内壁面にほぼ接していて、
前記上部平坦部と前記傾斜部との境界線に接する接線に対して垂直な面で前記ケースを切断したときの前記傾斜部の傾斜角が、前記圧電素子が設けられている面の法線に対して４５度以上である、請求項２に記載の超音波送受波器。