JP2007183185A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度による送信（受信）効率の低下を防ぐことができる超音波センサを提供する。
【解決手段】駆動信号を振動に変換するとともに、振動を受信信号に変換する送受信用振動子２０ｃと、送受信用振動子２０ｃを所定周波数で振動させるべく、前記周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部４２と、送受信用振動子２０ｃから出力された信号のうち、前記周波数を含む所定の周波数域を選択的に出力するフィルタ部４４とを備え、送受信用振動子２０ｃにより生じる振動を、ケース１０の底面部１１を介して超音波として外部に出力するとともに、送受信用振動子２０ｃが底面部１１を介して超音波の反射波を受信する構成の超音波センサ１００であって、底面部１１の周囲温度を検出する感温素子４１を含み、駆動信号生成部４２は感温素子４１の出力信号に応じた駆動信号を生成し、フィルタ部４４は感温素子４１の出力信号に応じて周波数域を変化させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波センサに関するものである。

従来、有底筒状のケースに超音波振動子を固定してなる超音波センサが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に示される超音波センサは、金属ケース体の底面に構成された薄肉部の内面に、振動面の一方を密着させる態様で圧電振動子を固定している。従って、送信時には、電気信号を受けた圧電振動子が振動し、金属ケース体の薄肉部を介して外部に超音波を送信し、受信時には、超音波が薄肉部を介して圧電振動子に伝達され、電気信号に変換される。
特開平８−２３７７９６号公報

特許文献１に示すように、ケースの一部を介して超音波を送信乃至受信する構成の場合、送信乃至受信する際の効率を向上するために、ケース（薄肉部）を所定周波数で共振するように構成する必要がある。

しかしながら、ケースを構成する材料のヤング率は、周囲の環境温度によって変化するため、ヤング率の温度特性によりケースの共振周波数が変化する。従って、センサの共振周波数が温度特性をもつこととなり、使用温度によっては送信効率乃至受信効率が低下して、センサが十分な機能を発揮できない恐れがある。

本発明は上記問題点に鑑み、温度による送信効率乃至受信効率の低下を防ぐことができる超音波センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、駆動信号を振動に変換する送信用振動子と、送信用振動子を所定周波数で振動させるべく、周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備え、送信用振動子により生じる振動を、振動伝達部材を介して超音波として外部に出力する構成の超音波センサであって、振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を含み、駆動信号生成部は、感温素子の出力信号に応じた駆動信号を生成することを特徴とする。

このように本発明によれば、温度に応じて振動伝達部材のヤング率が変化し、共振周波数が変化しても、振動伝達部材の共振周波数に応じた駆動信号を送信用振動子に与えることができる。従って、温度による送信効率の低下を防ぐことができる。

請求項２に記載の発明は、振動を受信信号に変換する受信用振動子と、受信用振動子から出力された受信信号のうち、所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部とを備え、受信用振動子が、振動伝達部材を介して超音波を受信する構成の超音波センサであって、振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を備え、フィルタ部は、感温素子の出力信号に応じて周波数域を変化させることを特徴とする。

このように本発明によれば、温度に応じて振動伝達部材のヤング率が変化し、共振周波数が変化しても、フィルタ部は、振動伝達部材の共振周波数に応じた周波数域の信号を選択的に出力することができる。従って、温度による受信効率の低下を防ぐことができる。

請求項３に記載の発明は、駆動信号を振動に変換する送信用振動子と、振動を受信信号に変換する受信用振動子と、送信用振動子を所定周波数で振動させるべく、前記周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、受信用振動子から出力された受信信号のうち、前記周波数を含む所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部とを備え、送信用振動子により生じる振動を、振動伝達部材を介して超音波として外部に出力するとともに、受信用超音波振動子が、振動伝達部材を介して超音波の反射波を受信する構成の超音波センサであって、振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を含み、駆動信号生成部は、感温素子の出力信号に応じた駆動信号を生成し、フィルタ部は、感温素子の出力信号に応じて周波数域を変化させることを特徴とする。

このように本発明によれば、請求項１に記載の発明及び請求項２に記載の発明の作用効果を期待することができる。すなわち、送受信用の超音波センサにおいて、温度による送信効率及び受信効率の低下を防ぐことができる。

尚、請求項３に記載の発明において、請求項４に記載のように、送信用振動子及び受信用振動子を、１つの超音波振動子として構成することもできる。このような構成とすると、超音波センサの体格を小型化することができる。

請求項５に記載のように、振動伝達部材として、底部の内面に振動子が固定される有底筒状のケースの底部を含む構成としても良いし、請求項６に記載のように、車両のボディ又はバンパを含む構成としても良い。従って、ケースの底部と車両のボディ及びバンパのいずれかにより振動伝達部材を構成しても良い。

尚、請求項１〜６いずれかに記載の発明は、請求項７に記載のように、振動伝達部材が合成樹脂から構成される場合において、特に効果的である。合成樹脂の場合、金属と比べて、温度によるヤング率の変化量が大きい。すなわち、振動伝達部材の共振周波数の変化幅が大きい。このように、温度による変化が大きい合成樹脂においても、請求項１〜６いずれかに記載の発明を適用することで、温度による送信効率（受信効率）の低下を防ぐことができる。また、構成材料として合成樹脂を採用するので、金属を採用する場合よりも、コストを低減することができる。

感温素子としては、振動伝達部材の周囲温度を検出できるものであれば採用することが可能である。例えば請求項８に記載のように、感温素子として感温抵抗を採用すれば、上述した駆動信号生成部やフィルタ部とともに集積化が可能である。１チップ構成することで、センサの体格を小型化することができる。尚、感温抵抗としては、例えば請求項９に記載のように、基板に形成された拡散抵抗を採用することができる。感温抵抗としては、拡散抵抗以外にも、基板上に形成されたカーボン抵抗等を採用することができる。また、感温素子としては、感温抵抗以外にも、例えばサーミスタ等を採用することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
先ず、図１を用いて、以下に示す本発明の各実施形態に係る（共通の）超音波センサの概略構成について、説明する。図１は、本発明の各実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、超音波センサ１００は、ケース１０と、駆動信号を振動に変換する送信機能、及び、超音波による振動を受信信号に変換する受信機能の少なくとも一方の機能を果たす超音波振動子２０と、超音波振動子２０の機能に合わせて処理回路が構成された回路基板３０と、を含むものである。

ケース１０は例えば合成樹脂からなり、有底筒状に形成されている。そして、ケース１０の底面部１１の内面に超音波振動子２０が例えば接着固定されている。すなわち、ケース１０の底面部１１が特許請求の範囲に示す振動伝達部材に相当する。超音波振動子２０としては、ＰＺＴやチタン酸バリウムなどの圧電セラミックスを焼結体とした圧電振動子等を採用することができる。超音波振動子２０の電極は、リード２１を介して、回路基板３０と電気的に接続されている。尚、本実施形態においては、合成樹脂からなるケース１０の内面に導電材料からなる薄膜が形成されており、一方のリード２１は、一方の電極が接触するケース１０の内面に接続されている。

回路基板３０はプリント基板上に、処理回路が集積化されたＩＣチップ４０を実装してなるものである。ＩＣチップ４０には、超音波振動子２０の機能に合わせて、超音波振動子２０を振動させて超音波を生成するための駆動信号（駆動電圧）を生成する送信用回路や、超音波振動子２０から生じる受信信号を処理する受信用回路が、構成されている。本実施形態に係る処理回路の詳細については後述する。

尚、センサ構成要素として、超音波振動子２０、回路基板３０以外にも、吸音材５０、振動吸収体６０等がケース１０内に配置されている。また、図１に示す符号７０はコネクタであり、回路基板３０の処理回路と、例えば車室内に設けられている報知処理等を行う制御部（ＥＣＵ）とを接続するものである。

このように構成される超音波センサ１００において、超音波振動子２０が送信機能を果たす場合、処理回路によって駆動信号（駆動電圧）が生成され、この駆動信号を受けて超音波振動子２０が振動し、ケース１０の底面部１１を介して外部に超音波が出力される。また、超音波振動子２０が受信機能を果たす場合、外部からの超音波が、ケース１０の底面部１１を介して振動として超音波振動子２０に伝達され、圧電効果によって生じる受信信号が処理回路に出力される。すなわち、いずれの場合も、ケース１０の底面部１１を介して、振動が伝達される。従って、送信（受信）する際の効率を向上するために、ケース１０の底面部１１を所定周波数で共振するように構成する必要がある。

しかしながら、ケース１０を構成する材料のヤング率は、周囲の環境温度によって変化するため、ヤング率の温度特性によりケース１０の底面部１１の共振周波数が変化する。従って、センサの共振周波数が温度特性をもつこととなる。例えば超音波センサ１００が送信機能を果たす場合、超音波振動子２０を所定周波数で振動させるべく、所定の駆動信号を生成したとしても、使用環境の温度によっては、底面部１１の共振周波数が超音波振動子の振動周波数とずれ、外部に出力される超音波が弱くなる恐れがある。すなわち、超音波センサ１００が十分な機能を発揮できない恐れがある。

そこで図２を用いて、上記問題点を解決する、第１実施形態に係る超音波センサ１００の特徴部分を説明する。図２は、第１実施形態に係る超音波センサ１００において、処理回路の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波センサ１００は、超音波を送信する送信用の超音波センサとして構成されている。

図２に示すように、ＩＣチップ４０には送信用の処理回路が構成されており、ケース１０（底面部１１）の周囲温度を検出する感温素子４１と、送信用振動子２０ａ（超音波振動子２０）を所定周波数で振動させるべく、周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部４２を含んでいる。

感温素子４１は、基板に感温抵抗を形成してなるものである。本実施形態においては、半導体基板に不純物を拡散してなる拡散抵抗を形成し、感温抵抗としている。尚、感温抵抗としては、拡散抵抗以外にも、例えば基板上に形成されたカーボン抵抗等を採用することができる。このように感温抵抗を採用すると、一般的な半導体プロセスを用いて、駆動信号生成部４２とともに同一の半導体基板に集積化することができる。

駆動信号生成部４２は、周波数決定部４２ａ、発振回路４２ｂ、及び駆動回路４２ｃから構成される。周波数決定部４２ａは感温素子４１からの信号に基づいて、送信用振動子２０ａの振動周波数を決定する。すなわち、送信用振動子２０ａの振動周波数と、ケース１０の底面部１１の共振周波数が略一致するように、振動周波数を決定する。発振回路４２ｂは、周波数決定部４２ａから指示された周波数のパルス信号を駆動回路４２ｃに送信し、駆動回路部４２ｃは、超音波センサ１００に入力される電源電圧の供給を受けて駆動し、発振回路４２ｂからのパルス信号により送信用振動子２０ａを駆動させる。

このように本実施形態に係る超音波センサ１００によれば、温度に応じてケース１０の底面部１１のヤング率が変化し、共振周波数が変化しても、底面部１１の共振周波数に応じた駆動信号（パルス信号）を送信用振動子２０ａに与えることができる。すなわち、それぞれの温度に適した駆動信号（パルス信号）を送信用振動子２０ａに与えることができる。従って、温度による送信効率の低下を防ぐことができる。

尚、本実施形態においては、上述したように振動伝達部材であるケース１０の底面部１１を合成樹脂により構成している。合成樹脂の場合、金属と比べて、温度によるヤング率の変化量が大きい。すなわち、共振周波数の変化幅が大きい。しかしながら本実施形態に係る構成によれば、温度による変化が大きい合成樹脂を底面部１１の構成材料としながらも、温度による送信効率の低下を防ぐことができる。また、構成材料として合成樹脂を採用するので、金属を採用する場合よりも、コストを低減することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図３に基づいて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサ１００において、処理回路の概略構成を示すブロック図である。

第２実施形態に係る超音波センサ１００は、第１実施形態に示した超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態に係る超音波センサ１００は、超音波を受信する受信用の超音波センサとして構成されている。上述したように、ヤング率の温度特性によりケース１０の底面部１１の共振周波数が変化するため、センサの共振周波数が温度特性をもつこととなる。超音波センサ１００が受信機能を果たす場合、使用温度によっては、底面部１１の共振周波数と、処理回路を構成するフィルタ部から選択的に出力される周波数域が異なることとなり、超音波センサ１００から出力されるセンサ信号が弱くなる恐れがある。すなわち、超音波センサ１００が十分な機能を発揮できない恐れがある。

これに対し、図３に示すように、本実施形態に係るＩＣチップ４０は、受信用の処理回路として、ケース１０（底面部１１）の周囲温度を検出する感温素子４１と、増幅回路４３と、振動を受信信号に変換する受信用振動子２０ｂ（超音波振動子２０）から出力された信号のうち、所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部４４と、信号処理回路４５を含んでいる。

感温素子４１としては、第１実施形態同様、感温抵抗である拡散抵抗を採用している。従って、増幅回路４３、フィルタ部４４、及び処理回路４５とともに同一の半導体基板に集積化することができる。

フィルタ部４４は、フィルタ定数決定部４４ａとフィルタ回路４４ｂから構成される。フィルタ定数決定部４４ａは感温素子４１からの信号に基づいて、フィルタ定数を決定する。すなわち、ケース１０の底面部１１の共振周波数をフィルタ回路４４ｂから選択的に出力される周波数域に含むように、フィルタ定数を決定する。フィルタ回路４４ｂは、フィルタ定数決定部４４ａから指示されたフィルタ定数に基づいて、増幅回路４３を介して入力された受信用振動子２０ｂからの受信信号をフィルタリングし、信号処理回路４５を経て、センサ信号として外部（ＥＣＵ）に出力される
このように本実施形態に係る超音波センサ１００によれば、温度に応じてケース１０の底面部１１のヤング率が変化し、共振周波数が変化しても、フィルタ部４４が、底面部１１の共振周波数に応じたフィルタ定数でフィルタリングすることができる。従って、温度による受信効率の低下を防ぐことができる。

尚、第１実施形態同様、振動伝達部材であるケース１０の底面部１１を合成樹脂により構成しているが、金属と比べて、温度によるヤング率の変化が大きい合成樹脂を底面部１１の構成材料としながらも、温度による受信効率の低下を防ぐことができる。また、構成材料として合成樹脂を採用するので、金属を採用する場合よりも、コストを低減することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図４に基づいて説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサ１００において、処理回路の概略構成を示すブロック図である。

第３実施形態に係る超音波センサ１００は、第１実施形態及び第２実施形態に示した超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態に係る超音波センサ１００は、第１実施形態と第２実施形態に示す構成を組み合わせて構成されている。すなわち、送受信用の超音波センサとして構成されている。具体的には、送受信用振動子２０ｃを備え、１つの超音波振動子２０によって、超音波を送信し、障害物による反射波を検出するように構成されている。

図４に示すように、ＩＣチップ４０には送受信用の処理回路が構成されており、ケース１０（底面部１１）の周囲温度を検出する感温素子４１と、送信用振動子２０ａ（超音波振動子２０）を所定周波数で振動させるべく、周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部４２と、増幅回路４３と、振動を受信信号に変換する受信用振動子２０ｂ（超音波振動子２０）から出力された信号のうち、所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部４４と、信号処理回路４５を含んでいる。これらは、それぞれ第１実施形態及び第２実施形態に示した構成と同様である。また、本実施形態においては、送信用振動子２０ｃに対する、送信用の処理回路部と受信用の処理回路部との接続を切り替えるスイッチ４６も含んでいる。

従って、図示されない制御部からの送信指示を受けると、周波数決定部４２ａは、感温素子４１からの信号に基づいて送受信用振動子２０ｃの振動周波数を決定し、発振回路４２ｂは、周波数決定部４２ａから指示された周波数のパルス信号を駆動回路４２ｃに送信する。また、スイッチ４６は駆動回路４２ｃ側に接続される。そして、駆動回路部４２ｃは、超音波センサ１００に入力される電源電圧の供給を受けて駆動し、発振回路４２ｂからのパルス信号により送受信用振動子２０ｃを駆動させる。これにより、超音波センサ１００から超音波が出力される。

図示されない制御部からの受信指示を受けると、フィルタ定数決定部４４ａは、感温素子４１からの信号に基づいてフィルタ定数を決定し、スイッチ４６は増幅回路４３側に接続される。尚、本実施形態においては、１つの送受信用振動子２０ｃによって、超音波を送信し、障害物による反射波を検出するように構成されているので、送受信用振動子２０ｃを駆動させる振動周波数と同じ周波数を含む周波数域を選択的に出力するように、フィルタ定数が決定される。そして、フィルタ回路４４ｂは、フィルタ定数決定部４４ａから指示されたフィルタ定数に基づいて、増幅回路４３を介して入力された受信用振動子２０ｂからの受信信号をフィルタリングし、信号処理回路４５にて、例えば超音波の送信から受信までの時間に基づいて、障害物までの距離等を算出されて、センサ信号として外部（ＥＣＵ）に出力される。

このように本実施形態に係る超音波センサ１００によれば、第１実施形態に示す構成の作用効果と第２実施形態に示す構成の作用効果を期待することができる。すなわち、送受信用の超音波センサ１００において、温度による送信効率及び受信効率の低下を防ぐことができる。

尚、本実施形態においては、１つの超音波振動子２０（送受信用振動子２０ｃ）により、送信及び受信を行う構成を示した。このように構成すると、超音波センサ１００の体格を小型化することができる。しかしながら、送信用振動子２０ａと受信用振動子２０ｂを、別個に備え、それぞれの振動子２０ａ，２０ｂに対して、対応する処理回路を接続した構成としても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態において、感温素子４１が、ＩＣチップ４０に含まれる例を示した。しかしながら、ＩＣチップ４０とは別に感温素子４１を構成しても良い。感温素子４１としては、感温抵抗以外にも、例えばサーミスタ等を採用することができる。また、感温素子４１以外の処理回路構成要素も、集積化されていなくとも良い。回路基板３０の基板部位に電子部品の実装等により構成することもできる。

本実施形態においては、振動伝達部材として、ケース１０の底面部１１を採用する例を示した。しかしながら、振動伝達部材は上記例に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、車両のバンパ８０を採用しても良い。尚、図５において、バンパ８０は合成樹脂から構成されており、バンパ８０に超音波振動子２０の一面が直接配置されている。従って、車両のバンパ８０に対して、上述の実施形態に示す構成を適用すれば、効果的である。また、車両のバンパ８０にケース１０の底面部１１の外面を接触させて固定し、車両のバンパ８０を、振動伝達部材としても良い。

本実施形態において、振動伝達部材が合成樹脂から構成される例を示した。しかしながら、合成樹脂以外の材料を用いて構成されても良い。例えば、アルミニウムや鉄等の金属材料を用いて構成することもできる。従って、図５において、車両のバンパ８０に代えて、車両のボディを採用することもできる。

尚、図１及び図５にする超音波センサ１００の概略構成は、あくまで一例を示すものである。本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

各実施形態に共通の超音波センサの概略構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る超音波センサにおいて、処理回路の概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る超音波センサにおいて、処理回路の概略構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る超音波センサにおいて、処理回路の概略構成を示すブロック図である。 変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・ケース
１１・・・底面部（振動伝達部材）
２０・・・超音波振動子
２０ａ・・・送信用振動子
２０ｂ・・・受信用振動子
２０ｃ・・・送受信用振動子
３０・・・回路基板
４０・・・ＩＣチップ
４１・・・感温素子
４２・・・駆動信号生成部
４４・・・フィルタ部
１００・・・超音波センサ

Claims (9)

1. 駆動信号を振動に変換する送信用振動子と、
   前記送信用振動子を所定周波数で振動させるべく、前記周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部とを備え、
   前記送信用振動子により生じる振動を、振動伝達部材を介して超音波として外部に出力する構成の超音波センサであって、
   前記振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を含み、
   前記駆動信号生成部は、前記感温素子の出力信号に応じた前記駆動信号を生成することを特徴とする超音波センサ。
2. 振動を受信信号に変換する受信用振動子と、
   前記受信用振動子から出力された前記受信信号のうち、所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部とを備え、
   前記受信用振動子が、振動伝達部材を介して超音波を受信する構成の超音波センサであって、
   前記振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を備え、
   前記フィルタ部は、前記感温素子の出力信号に応じて前記周波数域を変化させることを特徴とする超音波センサ。
3. 駆動信号を振動に変換する送信用振動子と、
   振動を受信信号に変換する受信用振動子と、
   前記送信用振動子を所定周波数で振動させるべく、前記周波数に対応する駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記受信用振動子から出力された前記受信信号のうち、前記周波数を含む所定の周波数域のみを選択的に出力するフィルタ部とを備え、
   前記送信用振動子により生じる振動を、振動伝達部材を介して超音波として外部に出力するとともに、前記受信用超音波振動子が、前記振動伝達部材を介して前記超音波の反射波を受信する構成の超音波センサであって、
   前記振動伝達部材の周囲温度を検出する感温素子を含み、
   前記駆動信号生成部は、前記感温素子の出力信号に応じた前記駆動信号を生成し、
   前記フィルタ部は、前記感温素子の出力信号に応じて前記周波数域を変化させることを特徴とする超音波センサ。
4. 前記送信用振動子及び前記受信用振動子は、１つの超音波振動子として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
5. 前記振動伝達部材は、底部の内面に前記振動子が固定される有底筒状のケースの前記底部を含むことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の超音波センサ。
6. 前記振動伝達部材は、車両のボディ又はバンパを含むことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の超音波センサ。
7. 前記振動伝達部材は、合成樹脂を用いて構成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の超音波センサ。
8. 前記感温素子は、感温抵抗であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の超音波センサ。
9. 前記感温抵抗は、基板に形成された拡散抵抗であることを特徴とする請求項８に記載の超音波センサ。

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