JP4656261B2 - 超音波送受波器 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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 (3)
- 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。
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