JP6971939B2

JP6971939B2 - 超音波センサー

Info

Publication number: JP6971939B2
Application number: JP2018160085A
Authority: JP
Inventors: 聡史長岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2038-08-29
Also published as: JP2020036142A

Description

本開示は、超音波センサーに関するものである。

現在、駐車補助のためのクリアランスソナーには超音波センサーが使用されている。また、今後普及が予想されている自動運転システムや自動駐車システムでは、カメラ、ミリ波レーダー、超音波センサー（クリアランスソナー）を含む複合システムが使用される。このような超音波センサーとして、底部および該底部の外周に接続された筒状部を有する有底筒状のケースと、前記底部の内面に取り付けられた圧電素子と、前記ケースの開口部に固着され、当該開口部を塞いでいる基台（蓋部）とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

特開平５−２４４６９２号公報特開２００７−２８２０５８号公報

超音波センサーが超音波を発するとき、振動板としての底部が圧電素子からの力を受けて振動する。このとき、ケースの側面に位置する筒状部も変形するような力がかかる。ここで、ケースの開口部に基台（蓋部）が固着されていることにより、筒状部の変形は抑えられるが、ケースの底部の振幅も小さくなって音圧および感度が低下するおそれがある。

また、超音波センサーには、より遠距離の障害物を測定できることが求められている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、音圧および感度に優れ、より遠距離まで検知可能な超音波センサーを提供することを目的とする。

本開示の超音波センサーは、底部および該底部の外周に接続された筒状部を有する有底筒状のケースと、前記底部の内面に取り付けられた圧電素子と、前記ケースの開口部に固着され、当該開口部を塞いでいる基台とを備えている。前記筒状部は、上側に位置する相対的に内寸が大きく厚みの薄い第１領域と、下側に位置する相対的に内寸が小さく厚みの厚い第２領域とを有し、前記第１領域の内面から前記第２領域の内面にかけて段差状の内面になっている。前記基台は、平面視したときに外周部の一部において外側に向かって突出する突起部を有しているとともに、平面視したときの前記突起部を除く外周部の外寸が前記第１領域の内寸よりも小さくなっている。前記第１領域は、平面視したときに前記突起部が嵌め込まれるように前記突起部に対応して切り欠かれた切欠き部を有している。前記基台は、当該基台の側面と前記第１領域の内面との間に隙間を有するように、前記第２領域の上端に固定され、前記基台の前記突起部と前記第２領域の上端のうちの前記突起部に面する部位とが第１の接着剤で接合されるとともに、前記基台の前記突起部を除く前記外周部と前記第２領域の上端のうちの前記突起部に面していない部位とが第２の接着剤で接合されていて、前記第１の接着剤のヤング率が前記第２の接着剤のヤング率よりも大きい。

本開示の超音波センサーによれば、音圧および感度を上昇させ、より遠距離まで物体検知を行うことができる。

超音波センサーの一例を示す一部透過概略平面図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断した概略断面図である。超音波センサーの他の例を示す一部透過概略平面図である。図３に示すＩＶ−ＩＶ線で切断した概略断面図である。超音波センサーの他の例を示す一部透過概略平面図である。図５に示すＶＩ−ＶＩ線で切断した概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、超音波センサーの実施形態を説明する。

図１および図２に示す超音波センサーは、底部１１および底部１１の外周に接続された筒状部１２を有する有底筒状のケース１と、底部１１の内面に取り付けられた圧電素子２と、ケース１の開口部に固着され、当該開口部を塞いでいる基台３（蓋部）とを備えている。ケース１の開口部とは、基台３によって塞がれる前の状態のことを意味するものである。

なお、本実施形態におけるケース１は平面視したときの形状が円形状であるとともに、基台３の突起部３１を除く外周部の形状が円形状であるが、特にこの形状に限定されるものではない。

ケース１を構成する筒状部１２は、例えば円筒状の形状であり、底部１１の外周を支持する支持体として機能する。筒状部１２の高さ（長さ）は、例えば２ｍｍ〜１５ｍｍである。また、筒状部１２の内径（後述の第２領域１２２の内径）は例えば５ｍｍ〜３０ｍｍであり、筒状部１２の厚み（後述の第２領域１２２の厚み）は例えば０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである。この筒状部１２は、例えばアルミニウム、チタン、マグネシウムなどの金属材料、またはＡＢＳ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの樹脂材料からなる。

底部１１の内面には圧電素子２が取り付けられていて、底部１１は圧電素子２の振動によって振動する振動板として機能する。また、底部１１は、圧電素子２から超音波を発する際に、圧電素子２と空間との音響インピーダンスを整合する音響整合層として機能する。ここで、図２では底部１１と筒状部１２とが一体に表されているが、一体に形成されたものでなくてもよい。例えば、筒状部１２の開口部に底部１１が挿着された構成とすることができる。底部１１は、圧電素子２の貼り付けられた面に垂直な方向の厚みが例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍとされる。底部１１の材質としては、例えば上述の合成樹脂の他、ゴム状弾性体、カーボン材料などを用いることができる。なお、底部１１が筒状部１２に挿着される場合の固定方法としては、底部１１を開口部に押し込むことによる圧縮力，摩擦力による固定の他、接着剤による固定などが挙げられる。

基台３は、例えば筒状部１２と同様の材料からなる。基台３には、例えば２本の端子４が挿通されていて、この端子４および配線を経て圧電素子２の表面電極と外部回路とが電気的に接続されている。端子４は、例えば直径０．２ｍｍ〜３．０ｍｍ、長さ５．０ｍｍ〜１５．０ｍｍの金属製の棒状体である。

圧電素子２は、例えば接着剤を介して底部１１に貼り付けられている。圧電素子２は、例えば平面視長方形状、正方形状、円形状などの形状をした板状体である。例えば、平面視したときに一辺が４．０ｍｍ〜６．０ｍｍの正方形状で、厚み０．１ｍｍ〜３．０ｍｍ
のものを用いることができる。

この圧電素子２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電セラミックスからなる単板の圧電体と、当該圧電体の上面および下面に設けられた銀などの金属からなる表面電極とを備えたものでよい。また、圧電素子２は、例えば圧電体層と内部電極層とが積層された積層体と、当該積層体の上面および下面に設けられた表面電極とを備えたものでもよい。接着剤には、例えばエポキシ系、アクリル系などの接着剤を用いることができる。

筒状部１２は、上側に位置する相対的に内寸が大きく厚みの薄い第１領域１２１と、下側に位置する相対的に内寸が小さく厚みの厚い第２領域１２２とを有している。そして、第１領域１２１の内面から第２領域１２２の内面にかけて段差状の内面になっている。ここで、第２領域１２２の上端の径方向の幅（（第１領域１２１の内径−第２領域１２２の内径）／２）との差は、例えば０．２５ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。

第１領域１２１の外面と第２領域１２２の外面とは通常は面一にされるが、特に限定はない。また、第１領域１２１の厚みｔ１は、第２領域１２２の厚みｔ２の例えば３０〜７０％の範囲で設定され、第２領域１２２の厚みｔ２と第１領域１２１の厚みｔ１との差（ｔ２−ｔ１）は例えば０．１５〜２．１ｍｍとされる。

基台３は、平面視したときに外周部の一部において外側に向かって突出する突起部３１を有しているとともに、平面視したときの突起部３１を除く外周部の外寸が第１領域１２１の内寸よりも小さくなっている。また、第１領域１２１は、平面視したときに突起部３１が嵌め込まれるように突起部３１に対応して切り欠かれた切欠き部１２１０を有している。さらに、基台３は、当該基台３の側面と第１領域１２１の内面との間に隙間を有するように、第２領域１２２の上端に固定されている。突起部３１は、基台３の周方向に沿った幅が例えば２．０ｍｍ〜４．０ｍｍとされ、突出距離が例えば０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとされる。

ここで、基台３は第２領域１２２の上端に固定されることから、基台３の突起部３１を除く外周部の外径は、第１領域１２１の内径よりも短く、第２領域１２２の内径よりも長くなっている。基台３の側面と第１領域１２１の内面との間に形成される隙間は、例えば第２領域１２２の厚みと第１領域１２１の厚みとの差の５〜５０％の幅とされる。

そして、基台３の突起部３１と第２領域１２２の上端のうちの突起部３１に面する部位とが第１の接着剤５１で接合されている。また、基台３の突起部３１を除く外周部と第２領域１２２の上端のうちの突起部３１に面していない部位とが第２の接着剤５２で接合されている。さらに、第１の接着剤５１のヤング率が第２の接着剤５２のヤング率よりも大きい。

従来、基台３（蓋部）の側面と第１領域１２１の内面との間には隙間がなく、基台３を側面から押さえ込む構造とした従来の超音波センサーにおいては、ケースの変形を妨げるような構造であった。

これに対し、基台３の側面と第１領域１２１の内面との間に隙間を有し、基台３の外周部と第２領域１２２の上端とを接着剤で接合する構造の超音波センサーは、ケースの変形を妨げにくい構造となる。ところが、基台３の側面と第１領域１２１の内面との間に隙間を有し、基台３の外周部と第２領域１２２の上端とを接着剤で接合する構造においては、接合強度が低く、外れやすいという問題もある。

そこで、基台３の外周部の一部において外側に向かって突出する突起部３１を有し、突
起部３１と切欠き部１２１０とを対応させて接合させ、その部分だけ他の部分よりもヤング率の大きな（硬い）接着剤で接合することで、部分的に強固な接合にして接合強度を高められるとともに、それ以外の部位を変形しやすくすることができる。

相対的にヤング率の大きな硬化後に硬い第１の接着剤５１としては、例えばエポキシ系接着剤、アクリル系接着剤などを用いることができる。第１の接着剤５１としては、例えばヤング率が１ＧＰａ以上のものを用いるのがよい。

一方、相対的にヤング率の小さな硬化後に柔らかい第２の接着剤５２としては、例えばブチルゴム系粘着剤、アクリル系粘着剤、変性シリコーン系接着剤などを用いることができる。第２の接着剤５２としては、例えばヤング率が１００ＭＰａ以下のものを用いるのがよい。

ここで、図３および図４に示すように、第２領域１２２の上端は突起部３１に面していない部位に周方向に沿って第１の溝１２２１を有しており、第２の接着剤５２が第１の溝１２２１に埋め込まれるように設けられていてもよい。このとき、第２の接着剤５２が第１の溝１２２１に埋め込まれるとともに、第１の溝１２２１の周囲に当該第１の溝１２２１に沿って設けられるのがよい。第１の溝１２２１の開口幅（径方向の幅）は、例えば０．１ｍｍ〜１．８ｍｍとされる。また、第１の溝１２２１の深さは、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍとされる。

第１の溝１２２１に第２の接着剤５２が埋め込まれるように設けられることにより、ヤング率の小さな硬化後に柔らかい第２の接着剤５２をより多く設けることができ、またケース１を変形させやすくすることができる。

また、図５および図６に示すように、突起部３１に面していない部位に周方向に沿って設けられた第１の溝１２２１と分離されて、突起部３１に面する部位にも第２の溝１２２２が設けられており、突起部３１に面する部位に設けられた第２の溝１２２２に第１の接着剤５１が設けられ、突起部３１に面していない部位に設けられた第１の溝１２２１に第２の接着剤５２が設けられていてもよい。第２の溝１２２２の開口幅（径方向の幅）は、例えば０．１ｍｍ〜２．５ｍｍとされる。また、第２の溝１２２２の深さは、例えば０．１ｍｍ〜１．５ｍｍとされる。

この構成により、第１の接着剤５１の設けられる領域と第２の接着剤５２の設けられる領域とを区画でき、ヤング率の大きな硬い接着剤とヤング率の小さな柔らかい接着剤とが混ざり合うのを抑制し、より変形ばらつきのない精度が高い超音波センサーを実現することができる。

１ケース
１１底部
１２筒状部
１２１第１領域
１２２第２領域
１２２１第１の溝
１２２２第２の溝
２圧電素子
３基台
３１突起部
４端子
５１第１の接着剤
５２第２の接着剤

Claims

底部および該底部の外周に接続された筒状部を有する有底筒状のケースと、前記底部の内面に取り付けられた圧電素子と、前記ケースの開口部に固着され、当該開口部を塞いでいる基台とを備え、前記筒状部は、上側に位置する相対的に内寸が大きく厚みの薄い第１領域と、下側に位置する相対的に内寸が小さく厚みの厚い第２領域とを有し、前記第１領域の内面から前記第２領域の内面にかけて段差状の内面になっており、前記基台は、平面視したときに外周部の一部において外側に向かって突出する突起部を有しているとともに、平面視したときの前記突起部を除く外周部の外寸が前記第１領域の内寸よりも小さくなっており、前記第１領域は、平面視したときに前記突起部が嵌め込まれるように前記突起部に対応して切り欠かれた切欠き部を有しており、前記基台は、当該基台の側面と前記第１領域の内面との間に隙間を有するように、前記第２領域の上端に固定され、前記基台の前記突起部と前記第２領域の上端のうちの前記突起部に面する部位とが第１の接着剤で接合されるとともに、前記基台の前記突起部を除く前記外周部と前記第２領域の上端のうちの前記突起部に面していない部位とが第２の接着剤で接合され、前記第１の接着剤のヤング率が前記第２の接着剤のヤング率よりも大きいことを特徴とする超音波センサー。
前記第２領域の上端は前記突起部に面していない部位に周方向に沿って溝を有しており、前記第２の接着剤が前記溝に埋め込まれるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
前記突起部に面していない部位に周方向に沿って設けられた溝と分離されて、前記突起部に面する部位にも溝が設けられており、前記突起部に面する部位に設けられた溝に前記第１の接着剤が設けられ、前記突起部に面していない部位に設けられた溝に前記第２の接着剤が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサー。
前記ケースは平面視したときの形状が円形状であるとともに、前記基台の前記突起部を除く外周部の形状が円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の超音波センサー。