JP5592079B2 - 超音波送受信器 - Google Patents

Description

この発明は、有底筒状ケースの振動面の振動によって超音波を発生させることが出来、かつ同面で外部からの超音波を受信することが出来る超音波送受信器に関するものである。

従来から、振動面の振動によって超音波を発生させることが出来、かつ同面で外部からの超音波を受信することが出来る超音波送受信器は広く使用されてきた。近年、特に圧電素子を金属からなる有底状のケースの底面に貼り付けた構造体からなる超音波送受信器が、自動車（車両）のバックソナー用として大量に生産されている。これらの超音波送受信器は、超音波送受信器の振動によって空気中に超音波を発生させる為、これらの超音波送受信器を取り付ける場合は、超音波送受信器の振動の妨げにならない軟らかい材料で超音波送受信器を保持する必要がある。また、超音波送受信器の振動が、超音波送受信器を取り付ける対象物に伝わることで生じるノイズを防ぐために、振動絶縁性の高い材料で超音波送受信器を保持する必要がある。超音波送受信器を保持するために、低硬度のシリコーン材料からなるクッションが多く使用されている。

クッションを必要としない超音波送受信器の開発も行われている。例えば、超音波送受信器を構成する有底状円筒状のケース側面に溝を付けることで、側面を２重構造にした超音波送受信器がある（特許文献１を参照）。しかし、ケースそのものを２重構造にした超音波送受信器では、超音波送受信器から取り付け対象への振動伝達が依然として大きく、顧客要求を満足するだけの性能が得られていない。
特許公開２００４−３４３６６０号公報 谷腰欣司著 「超音波とその使い方−超音波送受波器・超音波モータ」日刊工業新聞

従来から超音波送受信器の保持に使用されてきたクッションは、塗装できない材料であることが多く、超音波送受信器の意匠面と超音波送受信器の取り付け対象物、例えば車両のバンパーが同じ色に塗装されていても、クッションの色を合わせることが出来ないために、意匠性に問題が生じる場合が多くある。クッションの材料を塗装可能な樹脂材料、例えばＰＰ等の樹脂材に変更した場合は、クッションの弾性率の増加によって振動絶縁性が低下し、超音波送受信器の振動がハウジングやバンパーに伝わることで発生する過大なノイズが問題となる。また、硬い材質の材料を使用した場合、シリコーンのクッションに比べて、超音波送受信器に接着した場合の超音波送受信器の特性に与える影響が大きい。共振周波数の低下や振動抑制による感度低下といった問題が生じる。

そこで、この発明では、振動絶縁性を高め、かつ接着した場合の振動抑制を防ぐことのできる構造的特長を有し、塗装可能な樹脂材料からなるカバーを超音波送受信器に取り付けることで、超音波送受信器の機能を損なう事無く、クッションを必要としない超音波送受信器を実現する事を目的とする。

請求項１に記載は発明では、有底筒状のケースの天面振動によって超音波を発生させ、かつ同面で外部からの超音波を受信する超音波送受信器において、
内側の筒と外側の筒を有する少なくとも２つ以上の重ねられた筒
からなり、一番内側の筒と一番外側の筒との少なくとも一端の間が閉じられて、底面を有する振動吸収体を、取り付けた事で、超音波送受信器の機能低下を防ぎながら、超音波送受信器の取り付け部との間にクッションを必要としない超音波送受信器を実現する。

請求項２に記載の発明は、前記振動吸収体の一番内側の筒の一端も閉じられて、底面を有する事を特徴とする。超音波送受信器の意匠面が、振動吸収体によって覆われることで、密閉性と塗装性が飛躍的に向上した超音波送受信器を実現する。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の振動吸収体の底面に段差を設け、有底筒状ケースの天面を接着する部分の底面厚さを、他の部分よりも薄くしたことで、振動吸収体の強度を落とすことなく、感度の高い超音波送受信器を実現する。有底筒状ケースを接着する部分の肉厚は、厚ければ厚いほど超音波送受信器の感度を低下させる為に、極力薄くしなければならない。しかし、底面全体を薄くした場合、振動吸収体の強度が大きく低下してしまう。段差を設けることで、強度と性能を両立させることができる。

実地例１

図２−ａに本発明の実施例を示す。例えば、φ１２の円を意匠面１ａとする高さ９ｍｍのアルミケース１の底面１ｂに、両面２ａに独立した銀電極が設けられたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円形の圧電素子２を接着した構造からなる超音波送受信器３に、外径φ１６、内径φ１２、高さ９ｍｍの有底状の振動吸収体４を接着する。アルミケース内部の寸法とＰＺＴの寸法は、共振周波数が６８ｋＨｚになるように設計されている。振動吸収体４は同心円上の２つ円筒からなり、外側の円筒４ａと内側の円筒４ｂの厚さは０．５ｍｍである。外側の円筒４ａと内側の円筒４ｂは厚さ０．５ｍｍの底面によって完全につながっている。振動吸収体４は振動絶縁性を高めるためにＡＢＳ相当の軟らかい弾性率をもつ樹脂材料で成形されている。振動吸収体４の外周には位置だしの為の鍔状のリブが設けてある。振動吸収体４の外側の円筒４ａと内側の円筒４ｂの間は、硬度４０程度のシリコーン５によって充填されている。シリコーン以外でもウレタン、低硬度のエラストマー、ゴムを埋めることで内部の反響を抑えることができる。超音波送受信器３と振動吸収体４は、超音波送受信器３の意匠面１ａと振動吸収体４の意匠面４ｃの間に段差ができないように側面が接着剤によって接着されている。超音波送受信器３の意匠面１ａと振動吸収体４の意匠面４ａは同じ色に塗装されている。振動吸収体４を接着した超音波送受信器３を、外形φ１８、内径φ１６の取り付け部をもつハウジング６にはめ込む。さらにこれを、樹脂材料からなるバンパー７に金属バネ８を介して取り付けられた樹脂製のバンパーカバー９に取り付ける。

比較の為に、従来の方法であるクッション１３を使用して超音波送受信器を組み付けた超音波送受信装置の様子を図２−ｂに示す。従来の方法では、クッション１３の色が、超音波送受信器３、バンパーカバー９、バンパー７の色と異なるために、意匠性が悪いという問題がある。一方、本発明を実施した超音波送受信装置では、振動吸収体４の意匠面４ａが超音波送受信器３、バンパーカバー９、バンパー７と同じ色に塗装されているために、従来の方法のようにクッションが目立つことは無く、意匠性が改善されている。

つぎに本発明の振動吸収体４を取り付けた状態での反射感度・残響特性を示す。本発明の振動吸収体４を接着した超音波送受信器３をバンパー７に取り付けた状態で、超音波送受信器３の感度・残響測定を行った。比較の為に、本発明の振動吸収体４を、外径φ１６、内径φ１２のパイプ状のカバー１４に置き換えた場合の結果をあわせて示す。カバー１４と超音波送受信器３は接着されている。振動吸収体４とカバー１４は同じＡＢＳ相当の樹脂で出来ている。図３に超音波送受信装置を６８ｋＨｚで駆動させた場合の反射感度と残響の波形を示す。図３−ａはカバー１４を使用した場合、図３−ｂは本発明の振動吸収体４を使用した場合の波形を示す。カバー１４を使用した装置に比べて、本発明の振動吸収体４を使用した装置は反射感度が高く、残響が短い、余計なノイズも観測されない。本発明の振動吸収体４とカバー１４を使用した場合の反射波形を比較すると、振動吸収体４の反射波形に比べて、カバー１４の反射波形は半分近くまで小さくなっている。カバー４の接着による超音波送受信機３への影響が大きい為に、反射波形が小さくなっている。一方、本発明の振動吸収体４を取り付けた場合は、接着による影響が少ない為に、超音波送受信器の前方６０ｃｍのところに設置されたポールからの反射波形がはっきり観測されている。

図４に有限要素法で計算した振動吸収体４とカバー１４の変形図を示す。図２で説明したハウジング６の一端６ｂの変位量を０に固定し、圧電素子２の電極面２ａに６８ｋＨｚの電位差を荷重として加えた場合の周波数応答解析の結果を示す。カバー１４を使用した結果を図４−ａに、本発明の振動吸収体４を使用した結果を図４−ｂに示す。カバー１４では、超音波送受信器３の変形によって生じたカバー内側の変形がカバー外側まで伝わっている。一方、本発明の振動吸収体４では、超音波送受信器３の変形によって振動吸収体内側の円筒部４ｂと底面は大きく変形するが、振動吸収体外側の円筒部４ａの変化は抑えられている。この様に本発明の振動吸収体４の形状的特徴によって、内側の円筒４ｂと底面が容易に変形することで超音波送受信器３の振動を妨げる事無く、振動吸収体４を接着したことによる感度低下を防ぐことができる。さらに、この形状的特性によって超音波送受信器３で発生した変形が外側のハウジング６に伝えにくくなっている。振動吸収体４を超音波送受信器３、バンパーカバー９、バンパー７を同じ色に塗装することで、意匠性を向上させることができる。

実地例２

つぎに請求項２の発明の実施例を図５に示す。先ほどの実施例中の、振動吸収体４を最内郭の円筒にも薄い底１５ａを設けた振動吸収体１５に置き換える。最内郭の円筒に設けられた底面の厚さは０．３ｍｍである。それ以外の寸法は、実施例１と同じである。振動吸収体１５はＡＢＳ相当の軟らかい弾性率をもつ樹脂材料で成形されている。超音波送受信器３の意匠面は、振動吸収体１５に設けられた最内郭の円筒の底面に接着剤によって接着されている。振動吸収体１５の内部は、硬度４０程度のシリコーン５によって充填されている。振動吸収体１５の意匠面１５ａはバンパーカバー９、バンパー７を同じ色に塗装されている。

本発明の振動吸収体１５の形状的特徴によって、内側の円筒４ｂと底面が容易に変形することで超音波送受信器３の振動を妨げる事無く、振動吸収体１５を接着したことによる感度低下を防ぐことができる。さらに、この形状的特性によって超音波送受信器３で発生した変形が外側のハウジング６に伝えにくくなっている。振動吸収体４を用いた先ほどの実施例に比べて、反射感度がやや低くなるが、意匠面が完全に覆われることで、密閉性と塗装性が向上されている。

本発明を施した超音波送受信器と本発明のカバーの一例 本発明の実施例と従来構造の超音波送受信装置 反射感度と残響の波形 有限要素法による解析結果 請求項２を実施した超音波送受信装置の例 請求項５を実施した超音波送受信装置の例

１ アルミケース
１ａ アルミケース天面（意匠面）
１ｂ アルミケース底面
２ ＰＺＴ
２ａ ＰＺＴ両面（銀電極部）
３ 超音波送受信器
４ 請求項１の本発明を実施した振動吸収体
４ａ 最外郭の円筒
４ｂ 最内郭の円筒
５ シリコーン
６ ハウジング
７ バンパー
８ 金属バネ
９ バンパーカバー
１０ 吸音材
１１ 封止剤
１２ リード線（電極）
１３ クッション
１４ 比較の為に設置したパイプ状のカバー
１５ 請求項３の本発明を実施した振動吸収体
１６ 請求項５の本発明を実施した振動吸収体

Claims (3)

1. 有底筒状のケースの天面振動によって超音波を発生させ、かつ同面で外部からの超音波を受信する超音波送受信器において、
   有底筒状ケースの側面に、
   樹脂材料からなる内側の筒と外側の筒を有する少なくとも２つ以上の重ねられた筒からなり、一番内側の筒と一番外側の筒との少なくとも一端の間が閉じられて、底面を有する振動吸収体を、取り付けた事を特徴とする超音波送受信器。
2. 前記振動吸収体の一番内側の筒の一端も閉じられて、底面を有する事を特徴とする請求項１に記載の超音波送受信器。
3. 前記振動吸収体の一番内側の筒の底面と、超音波送受信器の底面が接着され、
   前記振動吸収体の底面に段差を設け、有底筒状ケースの天面を接着する部分の底面厚さを、
   他の部分よりも薄くしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波送受信器。

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