JP5460738B2 - 超音波センサおよび超音波センサの取り付け方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波センサおよび超音波センサをバンパー裏面に取り付ける方法に関する。

従来のこの種の超音波センサとしては、たとえば特許文献１〜特許文献３に開示されたものがある。特許文献１に開示されたものは、バンパー裏面に窪み(凹部)を設け、超音波を発生するセラミック８、金属ベース９および押さえカバー２７あるいは押さえ板バネ３４によって金属ベース９が接していないセラミック８の一方の面(以下セラミックの表面と呼ぶ)をバンパー裏側の窪み面に押し当てる構造である。

特許文献２に開示されたものは、バンパーに凹部を形成し、超音波素子の振動面を直接密着させて接着剤で貼り付け固定する構造である。また、特許文献３に開示されたものは、超音波センサの底部(送信面)に突起部を設け、この突起部を取付け部材に接触させる構造である。

特開平１０−１２３２３６号公報 特開昭６２−２４０８９０号公報 特開２００７−１４７３１９号公報

しかしながら、特許文献１記載の構造では、バンパー裏面とセラミックの表面の接触状態が均一にならないため、空気層ができ超音波の送信効率が低下するという欠点がある。また、バンパー裏面の窪み面の面精度が悪いと送信効率のバラツキが大きくなるなどの課題がある。

また、特許文献２記載の構造では、超音波センサ素子を完全に固定するため、故障などによる超音波センサ素子の交換が出来なくなる。また、バンパーの薄肉部分も超音波の振動面としているため、空中超音波として伝播効率の良い４０ｋHＺ 帯域の周波数を発生するには、超音波センサ素子の厚さおよび口径を大きくする必要があり実用的でないという課題がある。

また、特許文献３記載の構造では、突起部において超音波の伝達範囲を絞り、所望の指向性を確保しているが、接着方法については明確でない。また、バンパー裏面に硬化固定した場合は、振動部分の質量が増大するので共振周波数(超音波の送信周波数)が変動し易く、固定条件によっても変動するという課題がある。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、共振周波数の変動も少なく、送信効率の向上・安定化が図れる超音波センサおよび超音波センサの取り付け方法を提供することを目的とする。

この発明に係る超音波センサは、超音波送信面およびバンパーの相対面に密着し、それぞれの音響インピーダンスより小さな整合部材を設け、整合部材は、第１の音響インピーダンスを有する中央部の第１の部材と第１の音響インピーダンスより小さい第２の音響インピーダンスを有する周辺部の第２の部材で構成し、少なくとも一方の部材とバンパーとの接触面の形状にはアスペクト比を有し、第１の部材に感圧ゴムを用いて超音波センサとバンパーとの加圧状態を監視し、一定の閾値以上あるいは以下になったとき警報を発する機能を有するものである。

この発明に係る超音波センサの取付け方法は、超音波センサをバンパー裏面の所定位置に配置し、前記超音波センサの構成要素である金属ケースの鍔部を固定部材で押圧し、この押圧した状態で前記固定部材を前記バンパーに固定するものである。

この発明に係る超音波センサによれば、超音波送信面にバンパーおよび超音波センサそれぞれの音響インピーダンスより小さな整合部材を設けたので、バンパーに貫通孔を設けることなく、超音波センサをバンパー裏面に直接装着し障害物の検知ができ、バンパー表皮に超音波センサが露出しないため、バンパーのデザイン性が向上する。
また、整合部材に感圧ゴムを用いて超音波センサとバンパーとの加圧状態を監視し、適正な加圧エリア外になったときに警報を発するようにしたので、常に適正な加圧力で整合部材をバンパーの裏面に取り付けることができる。

また、超音波センサとバンパーとの対抗面に整合部材を挟み込むので、両者間の間接的な密着性が向上し、送信効率のバラツキが低減できる。

この発明に係る超音波センサによれば、超音波センサの超音波送信面、整合部材、バンパーおよび空中の音響インピーダンスは以下の関係としたので、超音波の送受信効率が向上する。

Ｚ１＞Ｚ２＜Ｚ３
Ｚ２＞Ｚair

ここで
Ｚ１・・・超音波センサの送信面(金属ケース)の音響インピーダンス
Ｚ２・・・整合部材の音響インピーダンス
Ｚ３・・・バンパーの音響インピーダンス
Ｚair・・・空中の音響インピーダンス

この発明に係る超音波センサの取付け方法は、超音波センサをバンパー裏面の所定位置に配置し、前記超音波センサの構成要素である金属ケースの鍔部を固定部材で押圧し、この押圧した状態で前記固定部材を前記バンパーに固定するので、バンパー裏面と超音波センサの超音波送信面間の距離すなわち整合部材の厚みが一定距離になる。また、加圧状態が管理できるので、超音波の送受信効率が安定して信頼性が向上する。

この発明に係る超音波センサの取り付け状態を示す原理図である。 この発明の実施の形態１による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示す断面図である。 実施の形態１による超音波センサに用いている整合部材の平面図である。 この発明の実施の形態２による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示す断面図である。 実施の形態３による超音波センサに用いている整合部材の平面図である。 この発明の実施の形態４による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態５による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示す断面図である。 超音波センサとバンパーとの加圧状態を監視する回路図である。 加圧圧力に対する出力電圧の変化を示す特性図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明に係る超音波センサを示す原理図であり、カップ型の金属ケース１の底面中央にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）２を設け、金属ケース１とバンパー４の相対面に密着し、それぞれの音響インピーダンスより小さな整合部材３を設けた構成である。

上記構成の超音波センサは、金属ケース１の送信／受信面から放出された超音波が整合部材３、バンパー４を通過して矢印ａ方向に進行する。そして、不図示の障害物等に当たって反射した反射波は矢印ｂ方向に進行し、整合部材３、バンパー４を通過して金属ケース１の受信面からＰＺＴ２に入射する。

この場合、超音波の送受信効率を向上させるために、超音波センサの超音波送信面、整合部材、バンパーおよび空中の音響インピーダンスは以下の関係にする。
Ｚ１＞Ｚ２＜Ｚ３
Ｚ２＞Ｚair
ここで
Ｚ１・・・超音波センサの送信面(金属ケース)の音響インピーダンス
Ｚ２・・・整合部材の音響インピーダンス
Ｚ３・・・バンパーの音響インピーダンス
Ｚair・・・空中の音響インピーダンス

図２は実施の形態１による超音波センサをバンパー裏面に取り付けた状態を示すもので、バンパー４の裏面に形成された凹部４ａに整合部材３を勘合させて、金属ケース１の鍔部１ａをバンパー４の裏面に当接させる。次いで、金属ケース１を貫通させる穴６ｂを有する固定リング６を該金属ケースに嵌め、穴６ｂ周辺の鍔部６ａを金属ケース１の鍔部１ａに当接させた状態で、固定リング６をバンパー４の裏面に接着剤７により接着固定する。

整合部材３は２種類の音響インピーダンスを有する整合部材３ａ,３ｂで構成するもので、それぞれの整合部材３ａ,３ｂの音響インピーダンスは下記の関係にある。
Ｚ２１≫Ｚ２２
ここで
Ｚ２１・・・中央部の第１の整合部材の音響インピーダンス
Ｚ２２・・・周辺部の第２の整合部材の音響インピーダンス

この場合、中央部の第１の整合部材３ａは脱泡シリコーン、周辺部の第２の整合部材３ｂは発泡スチロールあるいは発泡シリコーンを用いる。または、同質の材料であっても音響インピーダンスの異なる部材で実現できる。この場合、整合部材３に密着性、チクソ性（表面張力による形状変化が小さい材料）があればなおよい。

そして、第１の整合部材３ａとバンパー４の裏面との接触面との形状にはアスペクト比を有する。図３（ａ），（ｂ）は周辺部の第２の整合部材３ｂに対し中央部の第１の整合部材３ａの形状を変えたもので、図３（ａ）は四角形、図３（ｂ）は楕円形としたもので、それぞれバンパー４の裏面との接触面とのアスペクト比が異なる。
周辺部の第２の整合部材３ｂには、略等間隔に丸形状あるいは多角形状の固形物５、例えばガラス、金属を混入している。

以上のように、この実施の形態１によれば、バンパー４に貫通孔を設けることなく、超音波センサをバンパー４の裏面に直接装着し障害物の検知ができるので、バンパー表皮に超音波センサが露出せず、バンパー４のデザイン性が向上する。

また、超音波センサの送信面(金属ケース)の音響インピーダンスＺ１、整合部材の音響インピーダンスＺ２、バンパー４の音響インピーダンスＺ３、空中の音響インピーダンスＺairを
Ｚ１＞Ｚ２＜Ｚ３
Ｚ２＞Ｚair
の関係とすることにより、超音波の送受信効率を向上させることができる。

また、整合部材３を２種類の音響インピーダンスを有する中央部の第１の整合部材３ａと周辺部の第２の整合部材３ｂとで構成し、中央部の第１の整合部材３ａの音響インピーダンスＺ２１、周辺部の第２の整合部材３ｂの音響インピーダンスＺ２２を
Ｚ２１≫Ｚ２２
の関係とすることにより、超音波の送受信効率を上げ、超音波の指向性を変えることができる。
なお、超音波センサの設置環境によっては、超音波センサの送信面(金属ケース)の音響インピーダンスＺ１、整合部材の音響インピーダンスＺ２、バンパー４の音響インピーダンスＺ３、空中の音響インピーダンスＺairの関係が、
Ｚ１＞Ｚ２＞Ｚ３
あるいは、
Ｚ１＜Ｚ２＜Ｚ３
でも良い。

また、整合部材３に固形物５を混入したことにより、バンパー４の裏面と金属ケース１の超音波送信面間距離すなわち整合部材３の厚みが一定距離になるので、超音波の送受信効率が安定して信頼性が向上する。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による超音波センサをバンパー４の裏面に取り付けた状態を示すもので、周辺部の第２の整合部材３ｂをカップ型に形成して、金属ケース１の超音波送信／受信面に覆いかぶさる構造（キャップ構造）としたものである。
この実施の形態２によれば、金属ケース１の超音波送信／受信面を第２の整合部材３ｂで覆うので、バンパー４の裏面の凹部４ａへの取り付けが容易となる。
さらに、バンパーの厚み方向に伝播する超音波成分を低減する効果があり、不用な超音波の放射を無くすことができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３による超音波センサをバンパー４の裏面に取り付けた状態を示すもので、金属ケース１の超音波送信／受信面の周囲に整合部材３の厚みと略等しい高さの突起８を設けた構成である。この突起８は図６（ａ）に示すように、金属ケース１の超音波送信／受信面の周囲に等間隔に設ける。あるいは図６（ｂ）に示すように、整合部材３の周囲を囲むように該整合部材の厚みと略同じ高さにリング状に設ける。また、図６（ｃ）に示すように、整合部材３を楕円形に形成した場合あるいは図６（ｄ）に示すように、整合部材３を四角形に形成した場合は、その整合部材３の周囲を囲むように該整合部材の厚みと略同じ高さに形成する。
この実施の形態３によれば、バンパー４の裏面と金属ケース１の超音波送信／受信面１ａ間距離すなわち整合部材３の厚みを一定に保持できるので、整合部材３の加圧状態が管理でき、超音波の送受信効率が安定して信頼性が向上する。

実施の形態４．
図７は実施の形態４による超音波センサをバンパー４の裏面に取り付けた状態を示すもので、バンパー４の裏面に形成した凹部４ａの底面に該凹部４ａより小径の凹部４ｂを整合部材の厚みと略同じ深さに設け、その凹部４ｂ周囲の突起部４ｃ、つまり凹部４ａの底面で金属ケース１の超音波送信／受信面１ａの周囲を受けるように構成したものである。この場合、整合部材３の平面形状は、図６（ａ）〜（ｄ）に示したと同様に円形、楕円形、四角形、その他の形状等いずれでもよい。
この実施の形態４によれば、金属ケース１の超音波送信／受信面は、凹部周囲の突起部４ｃで受けられ、組み付け時に整合部材３を必要以上に加圧することがないので、整合部材３の加圧状態が管理でき、超音波の送受信効率が安定して信頼性が向上する。

実施の形態５．
図８は実施の形態５による超音波センサをバンパー４の裏面に取り付けた状態を示すもので、バンパー４の裏面に形成された凹部４ａに整合部材３を勘合させて、金属ケース１の鍔部１ａをバンパー４の裏面に当接させる。固定リング６は、金属ケース１を貫通させる穴６ｂを有し、この穴６ｂ周辺の鍔部６ａは金属ケース１の鍔部１ａとの間に隙間１０を形成するとともに、その鍔部６ａの周辺を断面Ｕ字型に折り曲げて弾性を持たせ、このＵ字型の折り曲げ先端部で鍔部１ａをバンパー４の裏面に押圧させる構成である。
この実施の形態５によれば、固定リング６側の弾性で金属ケース１の鍔部１ａをバンパー４の裏面に押圧させるので、バンパー４の裏面と金属ケース１の超音波送信／受信面間距離すなわち整合部材３の厚みを一定に保持でき、整合部材３の加圧状態が管理でき、超音波の送受信効率が安定して信頼性が向上する。

なお、上記の実施の形態１，２，５に示したように、整合部材３を２種類の音響インピーダンスを有する整合部材３ａ,３ｂで構成し、その周辺部の整合部材３ｂに感圧ゴムを用い、その周辺部の整合部材３ｂを固定リング６の鍔部６ａで加圧してバンパー４の裏面に取り付け、その加圧を適正にすることができる。

図９はこの加圧状態を監視する回路の一例を示すもので、加圧ゴムである周辺部の整合部材３ｂは、図１０に示すように、一定の電圧Ｅが印加された状態において、加圧力Ｐに対して出力電圧Ｖが変化するので、その出力電圧Ｖが適正な加圧エリア内になるように加圧力Ｐを決定する。もし、適正な加圧エリア外になったときには、出力電圧Ｖを用いて警報を発するようにすれば、常に適正な加圧力で周辺部の整合部材３ｂをバンパー４の裏面に取り付けることができる。

なお、上記の各実施の形態において、固定リング６の鍔部６ａを少なくとも２分割し、その各分割片の合わせ部を互いに連結可能とするとともに、各分割片の基部を折り曲げ可能に構成することにより、超音波センサの交換を容易に行うことができる。

Claims (9)

1. バンパーの裏面に取り付ける超音波センサにおいて、この超音波センサの超音波送信面および前記バンパーの相対面に密着し、それぞれの音響インピーダンスより小さな整合部材を設け、
   前記整合部材は、第１の音響インピーダンスを有する中央部の第１の部材と前記第１の音響インピーダンスより小さい第２の音響インピーダンスを有する周辺部の第２の部材で構成し、少なくとも一方の部材とバンパーとの接触面の形状にはアスペクト比を有し、
   前記第１の部材に感圧ゴムを用いて超音波センサとバンパーとの加圧状態を監視し、一定の閾値以上あるいは以下になったとき警報を発する機能を有することを特徴とする超音波センサ。
2. 前記第２の部材は発泡スチロールあるいは発泡シリコーンであることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 前記第２の部材は超音波送信面に覆いかぶさるカップ構造であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超音波センサ。
4. 前記第２の部材に丸形状あるいは多角形形状の固形物を混入したことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の超音波センサ。
5. 超音波センサの構成要素である金属ケースの超音波送信面と前記バンパーの当接面のいずれか一方の面に突起部を設け、この突起部によって前記当接面に介在させた整合部材の厚みを一定に保持することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の超音波センサ。
6. 前記突起部の形状で前記整合部材のアスペクト比を変えることを特徴とする請求項５記載の超音波センサ。
7. 請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項記載の超音波センサを前記バンパー裏面の所定位置に配置し、前記超音波センサの構成要素である金属ケースの鍔部を固定部材で押圧し、この押圧した状態で前記固定部材を前記バンパーに固定することを特徴とする超音波センサの取付け方法。
8. 前記固定部材が前記金属ケースの鍔部を常時押圧する付勢部材を備えたことを特徴とする請求項７記載の超音波センサの取付け方法。
9. 付勢部材は前記固定部材に形成されていることを特徴とする請求項７記載の超音波センサの取付け方法。

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