JP2007196195A - 超音波発生素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発熱体13により、発熱体13上に設けられた振動体14に、所定の周期の温度変化が与えられ、振動体14が温度変化に応じた膨張・収縮を繰り返して振動するので、固体の振動により超音波を発生させることができる。これにより、振動体14の振動面の振動により超音波を発生させるため、振動体14の振動面に水滴やごみが付着しても、超音波の発生効率が低下することがない。従って、超音波発生素子10を外部に露出させた状態で使用する車両搭載用などの用途に用いることもできる。つまり、超音波を効率よく送信することができるとともに、超音波発生素子10の実装形態の自由度の高い超音波発生素子10を実現することができる。
【選択図】 図1
Description
例えば、自動車の後部に超音波センサを搭載し、自動車の後方に存在する人間や障害物などに当たって反射された超音波を当該超音波センサで受信して、人間や障害物などを検知するバックソナーとして、人間や障害物などとの衝突を回避してバックでの駐車を支援する自動駐車支援システムなどが実用化されている。超音波センサに使用する超音波発生素子としては、特許文献1に、MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)技術を利用して、基板表面に形成された熱絶縁層上に電気的に駆動される発熱体薄膜を被着した超音波発生素子が開示されている。
この超音波発生素子によれば、電気的に駆動される発熱体を用いて発熱体表面の空気層に超音波周期の温度変化を与え、熱的に超音波を発生させることができる。
また、破損を防止するために超音波発生素子の前方に空間を介して保護材を設けた場合、空気と保護材の音響インピーダンスの差が大きいため、超音波の減衰が大きくなり、外部まで超音波を伝達することができないので、超音波発生素子の実装形態に制約が大きいという問題があった。
これにより、振動体の表面(振動面)の振動により超音波を発生させるため、従来の発熱体表面の空気層の振動により超音波を発生させる場合と異なり、振動体の表面に水滴やごみが付着しても、超音波の発生効率が低下することがない。 従って、超音波発生素子を外部に露出させた状態で使用する車両搭載用などの用途に用いることもできる。
つまり、超音波を効率よく送信することができるとともに、素子の実装形態の自由度の高い超音波発生素子を実現することができる。
また、超音波発生素子を外部に露出させた状態で使用する場合でも、振動体に水滴やごみが付着するおそれが少なく、小石の衝突などの外力の負荷により振動体が破壊されたりするおそれも少なくすることができる。
また、超音波発生素子が外部に露出しないように取り付けるため、車両の進行中に、例えば、小石などが飛来した場合であっても、それらが振動体と接触し、破損するおそれがない。更に、車両が雨やちりなどの異物により汚れた場合であっても、振動体には水滴や異物が付着しないため、超音波発生素子を正常な状態で作動させることができる。更に、超音波発生素子が車両の外部から見えないため、美観を保つことができる。
また、耐候性が良好であるので、水滴やごみが付着しても腐食などによる劣化が生じないため、耐候性が要求される用途、例えば、車載用として使用することができる。
また、車両の所定の取付位置に用いられている部材を振動体として用いるため、振動体の振動面に超音波を減衰させる部材が存在しないので、超音波の発生効率を向上させることができる。
この発明に係る超音波発生素子の第1実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、超音波発生素子を車両に搭載し、障害物センサに使用する場合を例に説明する。図1は、第1実施形態に係る超音波発生素子の説明図である。図1(A)は、超音波発生素子を振動体側から見た平面説明図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A矢視断面図である。図2は、車両に搭載された超音波発生素子の断面説明図である。図3は、超音波発生素子の車両への取付位置を示す説明図である。
なお、各図では、説明のために一部を拡大して示している。
図1(A)及び(B)に示すように、超音波発生素子10は、シリコンからなる四角形状の基板11を用いて形成されている。基板11の基板面11aには、四角形状のポーラスシリコンからなる熱絶縁層12が形成されている。この熱絶縁層12は、基板11の基板面11aを電気化学エッチングすることによって形成されている。
熱絶縁層12の表面には、タングステンの薄膜を被着して形成された発熱体13が設けられている。発熱体13は、めっきやスパッタなどの薄膜プロセスにより、熱絶縁層12の表面の四角形状の領域内にジグザグに形成されている。
発熱体13は、端部から外方に張り出して設けられている電極パッド13a、13aにおいて、発熱体13を駆動するための駆動電源21と電気的に接続されている。発熱体13の表面には、電極パッド13a、13a以外の部分を覆って、振動体14が形成されている。振動体14は、めっきやスパッタなどの薄膜プロセスにより形成される。また、アルミニウム箔などの箔状部材を発熱体13の表面に貼り付けて形成される。
駆動電源21により発熱体13に超音波周期で変化する電流を流して、発熱体13を駆動すると、発熱体13による発熱量が電流の周波数に追従して周期的に変化する。
発熱体13で発生した周期的な熱は、振動体14に伝達され、振動体14の温度が周期的に変化する。これにより、振動体14がその温度に応じて厚さ方向に周期的に熱膨張及び収縮を繰り返し、発熱体13に印加した電流の周波数に応じた周波数にて振動する。
つまり、振動体14の振動面が印加された電流の周波数に応じて振動し、その振動により、振動体14の振動面から超音波が発生する。
本実施形態では、振動体14の振動面がバンパ52の内面52bに接触しているため、振動体14の振動面で発生した超音波は、バンパ52の内部を内面52b側から外面52a側に向かって伝達し、バンパ52の外面52aから外部に送信される。
超音波発生素子10から送信され、車両の周囲にある障害物にて反射された超音波は、障害物センサの受信素子(図示せず)で受信される。障害物センサは、受信素子から出力される受信信号に基づいて、車両に備えられたECUにより所定の演算処理を行い、例えば、超音波発生素子10から送信した超音波及び受信素子で受信した超音波の時間差、位相差を求め、その各差に基づいて、障害物との距離及び位置を測定する。
このように、超音波発生素子10を障害物センサの超音波送信源として適用することができる。
このような材料として、振動体14には、アルミニウム、ガラス、ポリイミド、シリコンゴム、ポリカーボネートなどを用いることができる。
また、耐候性が良好であるので、水滴やごみが付着しても腐食などによる劣化が生じないため、耐候性が要求される用途、例えば、車載用として外部に露出して使用することができる。
基板11:シリコン基板(厚さ400μm)
熱絶縁層12:ポーラスシリコン(30μm)
発熱体13:タングステン薄膜(30nm)
振動体14:アルミニウム(5mm角、厚さ0.5mm)
基板11は、例えば、アルミニウムなどのシリコン以外の金属やセラミックス、ガラス基板を用いてもよい。
熱絶縁層12は、他の熱伝導度の低い材料を用いることもできる。例えば、ポーラスアルミニウムなどの多孔体金属や高分子材料などを用いることができる。ここで、金属系の材料を使用する場合には、発熱体13と電気的に絶縁するために、表面を酸化する、または、表面に絶縁層を設けるとよい。発熱体13は、アルミニウムなどのジュール熱を発生する電気抵抗体でもよいし、ペルチェ素子で構成してもよい。
更に、超音波センサの用途に合わせて、超音波発生素子10を車両60の外部に取り付けられた発光部材のカバーに取り付けることもできる。例えば、超音波発生素子10を車両60側方の障害物センサに用いる場合には、ウインカ63のカバーに超音波発生素子10を取り付けることもできる。その他、ヘッドランプ64、リアランプ65、バックランプ66などのカバーに超音波発生素子10を取り付けることもできる。
(1)発熱体13により、発熱体13上に設けられた振動体14に、所定の周期の温度変化が与えられるため、振動体14が温度変化に応じた膨張・収縮を繰り返して振動するので、固体の振動により超音波を発生させて送信することができる。
これにより、振動体14の振動面の振動により超音波を発生させるため、従来の発熱体表面の空気層の振動により超音波を発生させる場合と異なり、振動体14の振動面に水滴やごみが付着しても、超音波の発生効率が低下することがない。
従って、超音波発生素子10を外部に露出させた状態で使用する車両搭載用などの用途に用いることもできる。
つまり、超音波を効率よく送信することができるとともに、超音波発生素子10の実装形態の自由度の高い超音波発生素子10を実現することができる。
また、超音波発生素子10が外部に露出しないように取り付けるため、車両の進行中に、例えば、小石などが飛来した場合であっても、それらが、振動体14と接触し、破損するおそれがない。更に、車両が雨やちりなどの異物により汚れた場合であっても、振動体14には水滴や異物が付着しないため、超音波発生素子10を正常な状態で作動させることができる。更に、超音波発生素子10が車両の外部から見えないため、美観を保つことができる。
この発明に係る超音波発生素子の第2実施形態について、図を参照して説明する。図4は、第2実施形態に係る超音波発生素子の断面説明図である。図5は、第2実施形態に係る超音波発生素子の車両への取付方法を示す断面説明図である。図6及び図7は、第2実施形態に係る超音波発生素子の変更例の説明図である。図6(A)及び図7(A)は、超音波発生素子を振動体側から見た平面説明図であり、図6(B)は、図6(A)のB−B矢視断面図、図7(B)は、図7(A)のC−C矢視断面図、である。
なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
錘15は、振動体14の振動面を覆う板状のステンレスにより形成されている。駆動電源21により発熱体13に超音波周期で変化する電流を流して、発熱体13を駆動すると、振動体14が振動し、周波数に応じて錘15が変位する。これにより、錘15の表面が振動し、超音波が発生する。このとき、錘15により振動の慣性が増大し、振動体14が錘15により引っ張られて変形するため、錘15を設けない場合に比べて、振動体14の振幅が増大する。
これにより、錘15の表面の変位を大きくすることができるので、錘15を設けない場合に比べて、超音波の発生効率を増大させることができる。
更に、後述のように、錘15を車両の外部に露出させる場合には、外気に晒されることに加え、外力の負荷から振動体14を保護しなければならないため、耐候性の高い堅牢な材料を用いて形成する必要がある。
以上より、錘15を構成する材料としては、密度が高く、硬く、耐候性を有することが好ましい。このような材料として、ステンレスやアルミニウム合金などの各種金属材料、セラミックス、ゴムなどを用いることができる。
これにより、超音波発生素子30の表面を車両の外部に露出させた状態で使用することもできるので、超音波発生素子30の実装形態の自由度を高くすることができる。
本実施形態では、振動体14が、発熱体13上の一部にのみ形成されている構成を用いることもできる。図6(A)及び図6(B)に示すように、複数の帯状の振動体14を所定の間隔で発熱体13上に配置して超音波発生素子31を構成してもよい。
この構成を用いると、発熱体13上の振動体14が形成されていない部分からは、放熱しやすくなるので、発熱体13による熱の付加に対する応答性が良好となり、安定して超音波を発生させることができる。
この構成を用いると、発熱体13上の振動体14が形成されていない部分からは、放熱しやすくなるので、発熱体13による熱の付加に対する応答性が良好となり、安定して超音波を発生させることができる。更に、錘15の表面の面積が振動体14の振動面の面積より大きく形成されているため、超音波を発生させるための振動面積を大きくすることができ、超音波の音圧を大きくすることができる。
振動体14上に設けられた錘15により振動の慣性が増大するため、振動体14の振幅を増大させることができ、錘15を設けていない場合に比べて超音波の発生効率を増大させることができる。
また、超音波発生素子30を車両の外部に露出させた状態で使用する場合でも、振動体14に水滴やごみが付着するおそれが少なく、小石の衝突などの外力の負荷により振動体14が破壊されたりするおそれも少なくすることができる。
この発明に係る超音波発生素子の第3実施形態について、図を参照して説明する。図8は、第3実施形態に係る超音波発生素子の断面説明図である。
なお、第1実施形態及び第2実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
図8に示すように、本実施形態の超音波発生素子40は、弾性を有しており、振動体14の振動を増幅する振動増幅部材16が、振動体14と錘15との間に設けられている点において、第2実施形態の超音波発生素子30と異なっている。
振動増幅部材16は、振動体14と錘15との間に介在し、弾性を有する柔らかい材料、例えば、ゴムや樹脂などの材料からなる。
駆動電源21により発熱体13に超音波周期で変化する電流を流して、発熱体13を駆動すると、周波数に応じて、振動体14が振動し、錘15が厚さ方向に変位する。このとき、錘15により振動の慣性が増大し、振動増幅部材16が、錘15の慣性により変形するため、振動増幅部材16を形成しない場合に比べて、錘15の表面の変位を大きくすることができる。これにより、錘15の表面の変位を更に大きくすることができるので、超音波の発生効率を高めることができる。
錘15が振動する時の慣性により、振動増幅部材16が変形するため、振動体14の振動が増幅されるので、超音波の発生効率を更に増大させることができる。
(1)振動体14は、発熱体13と、例えば、同じ材質で一体的に形成してもよい。この構成を用いると、発熱体13において生じた熱が、直接、振動体14に伝達されるため、熱の伝達効率と応答性を向上させることができる。また、発熱体13と振動体14とを一度に形成する工程を採用すれば、振動体14を形成する工程を減らすことができる。
ここで、振動体14に発熱体13の電流がリークすると発熱体13の発熱量が低下する恐れがある場合には、例えば、発熱体13の表面に酸化膜を形成する、などの手段により、振動体14と発熱体13との間に両者を電気的に絶縁する絶縁層を介在させて、発熱体13と振動体14とを電気的に絶縁することが望ましい。
この構成を用いると、バンパ52を振動体14として用いるため、振動体14の振動面に超音波を減衰させる部材が存在しないので、超音波の発生効率を向上させることができる。更に、車両の外部から見えないため、美観を保つことができる。
また、用途に合わせて、フロントガラス、リアガラスなどのガラス部材を振動体14として利用したり、ヘッドランプ、リアランプ、ウインカ、バックランプなどのカバーなどのガバー部材を振動体14として利用することもできる。
11 基板
11a 基板面
12 熱絶縁層
13 発熱体
14 振動体
15 錘
16 振動増幅部材
30、31、32、40 超音波発生素子
52 バンパ
60 車両
61 フロントガラス
62 リアガラス
Claims (13)
- 基板と、
この基板の基板面に設けられた熱絶縁層と、
この熱絶縁層上に設けられ、電気的に駆動可能な薄膜状の発熱体と、
この発熱体上に設けられ、当該発熱体から付加される熱により表面が変位して振動する薄膜状の振動体と、を備え、
前記発熱体を所定の周期で駆動し、前記振動体に前記所定の周期の温度変化を与えることにより、前記振動体から超音波を発生させることを特徴とする超音波発生素子。 - 前記振動体を保護するとともに振幅を増幅させる錘が、前記振動体上に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の超音波発生素子。
- 弾性を有しており、前記振動体の振動を増幅する振動増幅部材が、前記振動体と前記錘との間に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の超音波発生素子。
- 車両に設けられた所定の取付位置に前記振動体の振動面を接触させて、超音波発生素子が外部に露出しないように取り付けることを特徴とする請求項1に記載の超音波発生素子。
- 車両に設けられた所定の取付位置から前記錘を車両の外部に露出させて取り付けることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の超音波発生素子。
- 前記所定の取付位置は、バンパであることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の超音波発生素子。
- 前記所定の取付位置は、フロントガラス、または、リアガラスであることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の超音波発生素子。
- 前記所定の取付位置は、車両の外部に取り付けられた発光部材のカバーであることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の超音波発生素子。
- 前記振動体は、前記発熱体と一体的に形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1つに記載の超音波発生素子。
- 前記振動体と前記発熱体との間には両者を電気的に絶縁する絶縁層が介在していることを特徴とする請求項9に記載の超音波発生素子。
- 前記振動体は、前記発熱体上の一部にのみ形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1つに記載の超音波発生素子。
- 前記振動体は、主成分がアルミニウムである金属薄膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか1つに記載の超音波発生素子。
- 前記所定の取付位置に用いられている部材を前記振動体として用いることを特徴とする請求項4に記載の超音波発生素子。
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