JP2009058298A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】残響を低減できる超音波センサを提供する。
【解決手段】振動部材としての筐体の底面部の内面に、電気信号を振動に変換し、振動を電気信号に変換することで、底面部を介して超音波を送受信する送受信兼用の超音波素子が固定された超音波センサにおいて、超音波素子の表面のうち、振動部材との接触部位を除く部位の少なくとも一部に接触するように、制振材を筐体内に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、送受信兼用の超音波素子を備えた超音波センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１，２に示されるような超音波センサが、車両周辺の障害物を検出する障害物検出装置に適用されている。

特許文献１，２に示される超音波センサは、筐体（ハウジング）の底面部の内面に貼り付けられた超音波素子（圧電素子）が、超音波の送信と受信を兼ねるように構成されている。
特開２００４−１５９３５１号公報 特開２００７−１４２９６７号公報

このように、１つの超音波素子で超音波の送信と障害物からの反射波の受信を行う構成の場合、超音波素子への送信用の電気信号を停止しても、しばらくの間は、筐体の底面部及び超音波素子が振動する。これを残響といい、残響が生じている間は、反射波を検出しても反射波であるか区別することができない。すなわち、障害物の検出においては、送信開始から残響がなくなるまでの所定時間を経過してからでないと、障害物を検出することができない（換言すれば、近距離の障害物を検出することができない）。

本発明は上記問題点に鑑み、残響を低減できる超音波センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の超音波センサは、振動部材に固定され、電気信号を振動に変換し、振動を電気信号に変換することで、振動部材を介して超音波を送受信する送受信兼用の超音波素子と、超音波素子の表面のうち、振動部材との接触部位を除く部位の少なくとも一部に接触して配置され、超音波素子の振動の一部を抑制する制振材と、を備えることを特徴とする。

このように本発明によれば、送受信兼用の超音波素子の一部に接触して、超音波素子の振動の一部を抑制する制振材が配置されている。したがって、制振材が配置されない構成に比べて、送信用の電気信号停止後の超音波素子の振動、すなわち残響を低減することができる。

請求項１に記載の発明においては、請求項２に記載のように、粘着性を有する制振材を採用しても良い。これによれば、制振材自身の粘着性によって、制振材を超音波素子に固定することができる。したがって、残響を効率よく低減することができる。

請求項１又は請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、超音波素子及び制振材を収容する筐体を振動部材として備え、筐体の底面部の内面に超音波素子が接触固定され、超音波素子の表面のうち、筐体の底面部内面との接触面を除く部位の少なくとも一部に制振材が接触する構成とすると良い。これによれば、超音波素子及び制振材を、振動部材としての筐体によって保護することができる。また、制振材を超音波素子に接触した状態で保持し易い。

請求項３に記載の発明においては、請求項４に記載のように、超音波素子の表面のうち、筐体の底面部内面との接触面と接触面の裏面とを除く面である側面の全てに制振材が接触する構成としても良い。これによれば、超音波素子の側面を取り囲んで制振材が位置するので、超音波素子における接触面と裏面との方向（厚さ方向）に垂直な方向の変形を抑制し、残響を低減することができる。

また、請求項５に記載のように、超音波素子の表面のうち、筐体の底面部内面との接触面の裏面全てと、接触面と裏面を除く側面全てに、制振材が接触する構成としても良い。これによれば、側面だけでなく、超音波素子における接触面の裏面にも制振材が接触するので、超音波素子における接触面と裏面との方向（厚さ方向）の変形も抑制することができる。すなわち、残響をより低減することができる。

請求項３〜５いずれかに記載の発明においては、請求項６に記載のように、筐体内に収容されて、超音波素子から筐体の底面部を除く部位への振動の伝達、及び、筐体の底面部を除く部位から超音波素子への振動の伝達を抑制する吸音材を備える構成としても良い。このように、制振材とは別部材として吸音材を備えると、不要振動を吸音材によって低減し、例えば良好な指向性を確保することができる。

請求項３〜６いずれかに記載の発明においては、請求項７に記載のように、移動体における振動部材としての壁部材の内面に筐体が取り付けられ、筐体の底面部及び壁部材を介して、超音波素子が超音波を送受信する構成としても良い。これによれば、超音波センサが壁部材の外面（内面の裏面）側に露出されないので、意匠性を高めることができる。

また、請求項８に記載のように、貫通孔の形成された移動体の壁部材の内面に筐体が取り付けられ、貫通孔から壁部材の外面側に臨む筐体の底面部を介して、超音波素子が超音波を送受信する構成としても良い。これによれば、振動部材が筐体（筐体の底面部）のみであるので、超音波センサの感度を高め易い。

なお、請求項７又は請求項８に記載の発明は、請求項９に記載のように、移動体の壁部材として車両のバンパに好適である。車両のバンパに取り付けられた超音波センサを用いた障害物検出装置によれば、近距離の障害物を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１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。なお、図１においては、超音波センサを移動体としての車両のバンパに取り付けた状態で示している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ７は、車両の周囲に存在する障害物を検出する障害物検出装置の一部として、車両の前方、後方、或いは四隅側のバンパ１（特許請求の範囲に記載の壁部材に相当）に取り付けられている。詳しくは、バンパ１のうち、車外面３の裏面である車内面５に固定されている。

超音波センサ７は、要部として超音波振動子９（所謂マイクロフォン）を有している。この超音波振動子９は、ハウジング１１内に圧電素子１３を収容してなるものである。ハウジング１１は特許請求の範囲に記載の筐体に相当するものであり、例えばアルミニウムなどの導電性部材を用いて有底筒状に構成されている。それ以外にも、樹脂材料から構成されたハウジング１１の内面に金属コーティングがなされたものを採用することもできる。このハウジング１１における底面部１５の内面１７に圧電素子１３が貼り付けられており、底面部１５の外面（内面１７の裏面）が、超音波振動子９の振動面１９となっている。なお、本実施形態においては、図２に示すように、ハウジング１１の外形が、路面に対して水平方向よりも垂直方向に長い有底角筒状となっており、振動面１９も、図示されないが、ハウジング１１の外形に対応して水平方向よりも垂直方向に長い矩形状となっている。これにより、超音波の指向性が、垂直方向に狭く、水平方向に広いものとなっている。

圧電素子１３は、特許請求の範囲に記載の超音波素子に相当するものであり、例えば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ものである。圧電素子１３の表面には電極（図示略）が形成されており、この電極にリード２１の一端が接続されている。そして、リード２１の他端はハウジング１１の外部に引き出されている。これにより、リード２１を介して圧電素子１３に電気信号（交流信号）を印加することができ、この電気信号の印加によって圧電素子１３を駆動振動させ、超音波振動子９の振動面１９を振動させることができる。なお、本実施形態においては、図１及び図２に示すように、圧電素子１３が直方体
ハウジング１１の内部空間には、図１及び図２に示すように、圧電素子１３の表面のうち、底面部１５との固定面と、固定面の裏面とを除く面である側面全面に接触して、制振材２３が配置されている。詳しくは、ハウジング１１の内部空間のうち、底面部１５の内面１７から、圧電素子１３の底面部１５との固定面の裏面の高さまでであって、圧電素子１３を除く領域に制振材２３が配置され、圧電素子１３が制振材２３によって取り囲まれている。

制振材２３は、圧電素子１３の振動の一部を吸収する（すなわち、圧電素子１３の振動を抑制する）部材である。このような制振材２３としては、外部から内部にはいってきた振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、吸収する公知の制振材（換言すれば、ダンピング材、防振材、吸振材）を採用することができる。このような制振材としては、例えばゴム系、樹脂系などのガラス転移点付近の粘弾性を利用した制振材（粘弾性体のせん断変形で振動を抑制するもの）が知られており、本実施形態においては、高ダンピングで反発性が低く、振動減衰が速いブチルゴムを制振材２３として採用している。ブチルゴムは粘着性も有しているため、ブチルゴムによる制振材２３は圧電素子１３の表面に貼着固定されている。

また、ハウジング１１の内部空間には、残りの隙間を閉塞するように吸音材２５が配置されている。詳しくは、ハウジング１１の内部空間のうち、圧電素子１３の底面部１５との固定面の裏面から、底面部１５と離反する側の領域に吸音材２５が配置されている。したがって、吸音材２５は、圧電素子１３における底面部１５との固定面の裏面に接触して配置されている。

吸音材２５は、圧電素子１３（圧電素子１３を含むハウジング１１の底面部１５）からハウジング１１の底面部１５を除く部位への振動の伝達、及び、ハウジング１１の底面部１５を除く部位から圧電素子１３への振動の伝達を抑制する（ハウジング１１内に放射される不要な超音波を吸収する）部材である。このような吸音材２５としては、多孔体などの音のエネルギーを吸収する公知の吸音材を採用することができる。本実施形態においては、吸音性能に優れたシリコンスポンジを吸音材２５として採用している。

このように構成される超音波振動子９は、回路基板２７とともに樹脂などの絶縁材料からなるケース２９内に組み付けられ、超音波センサ１００が構成されている。

回路基板２７は、リード２１を介して圧電素子１３と電気的に接続されており、圧電素子１３を振動させて超音波を発生するための電気信号を出力したり、圧電素子１３に超音波が伝達されて圧電素子１３に歪みが生じた場合に、圧電効果によって生じる電気信号（電圧信号）を入力処理する回路が形成されている。この回路基板２７は、コネクタ３１を介して図示しないコントローラに接続され、このコントローラにて車両後方及びコーナ部の障害物検出が行われる。

ケース２９内には、超音波振動子９（圧電素子１３）からケース２９への不要振動の伝達を抑制する振動伝達抑制部材３３が、超音波振動子９の周囲（底面部１５を除く周囲）に設けられている。また、ケース２９内を封止するために、例えばシリコン樹脂からなる封止部材３５が回路基板２７の後部に充填されている。

ケース２９は筒状に構成されており、筒内部の途中に、振動伝達抑制部材３３の被着された超音波振動子９を一方の開口部から挿入して固定し、回路基板２７を他方の開口部から挿入して固定するためのストッパ３７が形成されている。そして、振動伝達抑制部材３３の被着された超音波振動子９がケース２９に組み付けられた状態で、ケース２９の開口端と超音波振動子９の振動面１９とが、図１に示すように略面一（面を同一とする位置）となっている。また、ケース２９の開口端と超音波振動子９の振動面１９だけでなく、振動伝達抑制部材３３の端部も略面一となっている。

このように構成される超音波センサ７は、図１に示すように、バンパ１の車内面５に対してケース２９の開口端と超音波振動子９の振動面１９が接するように固定されている。本実施形態においては、バンパ１の車内面５に固定されたセンサ装置固定用のホルダ３９の嵌合孔４１に、嵌合孔４１に対応してケース２９の外周面に設けられた突起部４３が嵌合され、超音波センサ１００がバンパ１に固定されている。すなわち、本実施形態においては、超音波振動子９を構成するハウジング１１の底面部１５とバンパ１を介して、超音波が送受信される構成となっており、ハウジング１１の底面部１５とバンパ１が特許請求の範囲に記載の振動部材となっている。そして、超音波センサ１００は、バンパ１の車外面３側に露出されない構成となっている。

次に、このように構成される超音波センサ１００の効果について、図３を用いて説明する。図３は、駆動信号と送信波（圧電素子１３の振動）との時間的な関係を示す図である。図３には、参考例として、圧電素子１３に制振材２３が接触配置されない構成の送信波についても示している。

回路基板２７に形成された処理回路から駆動信号が印加されると、圧電素子１３には誘電分極によって歪が生じ、縦方向（厚さ方向）に振動する。この振動は、ハウジング１１の底面部１５を介して車両のバンパ１に伝播し、バンパ１から車外へと送信される。また、圧電素子１３は、バンパ１及びハウジング１１の底面部１５を介して超音波による振動を受けると、圧電効果によって電圧信号を発生し、リード２１を介して処理回路に出力する。

ところで、駆動信号を停止した後でも、振動部材であるバンパ１及びハウジング１１の底面部１５と圧電素子１３が振動する。この現象が残響である。これに対し、本実施形態においては、制振材２３を圧電素子１３の側面全面に接触させている。したがって、制振材２３によって、圧電素子１３の厚さ方向とは直交する方向への変形の振動エネルギーを吸収する（圧電素子１３の振動を抑制する）ことができる。したがって、図３に示すように、駆動信号停止後の残響（駆動信号停止後において超音波（送信波）が送信される状態）の時間を、制振材２３が配置されない比較例よりも短くすることができる。このように、残響を低減（残響時間を短縮）することができるので、制振材２３が配置されない構成に比べて、近距離の障害物を検出することが可能となっている。特に本実施形態においては、粘着性を有する制振材２３を、圧電素子１３に貼着固定しているので、駆動信号停止後の圧電素子１３の振動を効果的に抑制することができる。しかしながら、粘着性のない制振材２３を圧電素子１３に接着固定した構成においても、構成は複雑となるが、同様の効果を期待することができる。また、粘着性のない制振材２３を貼着せずに接触させた構成としても、本実施形態の構成の効果と同様乃至それに準ずる効果を期待することができる。

なお、制振材２３は、圧電素子１３の振動エネルギーを吸収するため、駆動信号印加時の振動や受信時の振動も一部抑制されることとなる。したがって、必要に応じて感度調整すれば良い。

また、本実施形態においては、ハウジング１１の内部空間に、制振材２３とともに吸音材２５を配置している。したがって、例えば送信時において、圧電素子１３からハウジング１１の底面部１５以外の部位への不要振動の伝達を抑制することができる。これにより、例えばバンパ１の広い範囲に不要振動が伝播され、各部の不要振動が互いに干渉したり打ち消しあったりして、超音波センサ７の指向性が狭く絞られたり、不規則となるのを抑制することができる。したがって、良好な指向性を確保することができる。

また、本実施形態においては、バンパ１も振動部材の一部となっており、超音波センサ７が、バンパ１の車外面３側に露出されていない。このような構成とすると、意匠性を高めることができる。

なお、本実施形態においては、制振材２３を、圧電素子１３の側面全面に接触させる例を示した。しかしながら、圧電素子１３に対する制振材２３の配置としては、上記例に限定されるものではなく、振動部材（ハウジング１１の底面部１５）との接触面を除く表面の少なくとも一部と接触する構成であれば良い。例えば図４に示すように、圧電素子１３の表面のうち、ハウジング１１の底面部１５との接触面を除く部位全て（側面全面と接触面の裏面前面）と接触する構成としても良い。このような構成とすると、制振材２３によって、圧電素子１３の厚さ方向とは直交する方向への変形の振動エネルギーだけでなく、圧電素子１３の厚さ方向への変形の振動エネルギーも吸収することができる。したがって、本実施形態に示した構成よりも、残響を効果的に低減（残響時間をより短縮）することができる。図４は、変形例を示す断面図である。なお、図４においても、ハウジング１１の内部空間に、吸音材２５が配置されている。したがって、制振材２３を介して圧電素子１３から伝播された不要振動のエネルギーを吸音材２５にて吸収することができる。

また、図５に示すように、圧電素子１３の表面のうち、側面の一部（例えば側面の４面のうちの１面）のみと接触する構成としても良い。このような構成においては、圧電素子１３と制振材２３との接触面積が本実施形態の構成よりも小さい分、残響を低減する効果も小さくなるが、圧電素子１３に接する制振材２３によって、圧電素子１３の厚さ方向とは直交する方向への変形の振動エネルギーを吸収することができる。図５は、変形例を示す断面図である。なお、図５においては、本実施形態の構成よりも吸音材２５と圧電素子１３の接触面積を大きくしているので、不要振動のエネルギーを吸音材２５にて効率よく吸収することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、第２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り、第１実施形態に示した図１に対応している。

第２実施形態に係る超音波センサは、第１実施形態によるもの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。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、ハウジング１１の底面部１５とバンパ１が特許請求の範囲に記載の振動部材となっており、超音波振動子９を構成するハウジング１１の底面部１５とバンパ１を介して超音波が送受信される構成（超音波センサ１００がバンパ１の車外面３側に露出されない構成）例を示した。

これに対し、本実施形態においては、図６に示すように、バンパ１に貫通孔４５が形成されており、ハウジング１１の底面部１５が貫通孔４５からバンパ１の車外面３側に臨んでいる。詳しくは、超音波振動子９を構成するハウジング１１の底面部１５が、バンパ１の車外面３と略面一となる状態で、バンパ１の車内面５に固定されたセンサ装置固定用のホルダ３９の嵌合孔４１に、嵌合孔４１に対応してケース２９の外周面に設けられた突起部４３が嵌合され、超音波センサ７がバンパ１に固定されている。なお、本実施形態においては、取り付け公差や製造誤差に基づいて、貫通孔４５の壁面（バンパ１）と超音波センサ７の貫通孔４５内の配置部位との間には、僅かな隙間が存在しているが、意匠性の点からは隙間が小さいほど良く、隙間の無い構成としても良い。それ以外の点については、第１実施形態に示した構成（図１及び図２参照）と同じ構成となっている。

このように、バンパ１に貫通孔４５が形成され、ハウジング１１の底面部１５のみを振動部材とする構成においても、第１実施形態に示した構成と同様の効果を期待することができる。なお、本実施形態において、第１実施形態の変形例として示した構成も適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記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は、車両のバンパ１を移動体としての車両における壁部材とする例を示した。しかしながら、移動体は車両に限定されるものではない。また、車両の壁部材も、バンパに限定されるものではなく、例えば車両ボディなどを採用しても良い。さらには、超音波センサ１００の用途としても、障害物検出装置に限定されるものではない。

本実施形態においては、ハウジング１１内に圧電素子１３が収容してなる超音波振動子９が、回路基板２７などとともにケース２９内に収容されて、超音波センサ７が構成される例を示した。しかしながら、超音波センサ７としては、少なくとも、振動部材に固定される圧電素子１３（超音波素子）と、圧電素子１３の表面のうち、振動部材との接触部位を除く部位の少なくとも一部に接する制振材２３とを備えたものであれば良い。例えば、ハウジング１１がケース２９も兼ねる構造とすることで、ケース２９や振動伝達抑制部材３３のない構成としても良い。また、バンパ１を振動部材とする構成においては、圧電素子１３がバンパ１の車内面５に直接固定される構成としても良い。また、吸音材２５のない構成としても良いし、回路基板２７が超音波センサ７とは別とされた構成としても良い。

本実施形態においては、ホルダ３９への嵌合によって、超音波センサ７がバンパ１に固定される例を示した。しかしながら、バンパ１への超音波センサ７の固定構造は特に限定されるものではない。

本実施形態においては、圧電素子１３が固定されたハウジング１１の底面部１５が、水平方向よりも垂直方向に長い矩形状であり、超音波の指向性が、垂直方向に狭く、水平方向に広いものとなっている例を示した。しかしながら、ハウジング１１の形状や、指向性は本実施形態に示した例に特に限定されるものではない。また、圧電素子１３の形状も、本実施形態に示した例に特に限定されるものではない。

第１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のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 駆動信号と送信波との時間的な関係を示す図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第２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。

符号の説明

１・・・バンパ
５・・・車内面
９・・・超音波振動子
１１・・・ハウジング（筐体）
１３・・・圧電素子（超音波素子）
１５・・・底面部
１７・・・内面
２３・・・制振材
２５・・・吸音材
１００・・・超音波センサ

Claims (9)

1. 振動部材に固定され、電気信号を振動に変換し、振動を電気信号に変換することで、前記振動部材を介して超音波を送受信する送受信兼用の超音波素子と、
   前記超音波素子の表面のうち、前記振動部材との接触部位を除く部位の少なくとも一部に接触して配置され、前記超音波素子の振動の一部を抑制する制振材と、を備えることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記制振材は、粘着性を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記振動部材として、前記超音波素子及び前記制振材を収容する筐体を備え、
   前記超音波素子は、前記筐体の底面部の内面に接触固定され、
   前記制振材は、前記超音波素子の表面のうち、前記筐体の底面部内面との接触面を除く部位の少なくとも一部に接触していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記制振材は、前記超音波素子の表面のうち、前記筐体の底面部内面との接触面と前記接触面の裏面とを除く側面の全てに接触し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. 前記制振材は、前記超音波素子の表面のうち、前記筐体の底面部内面との接触面の裏面全てと、前記接触面と前記裏面を除く側面全てに接触し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。
6. 前記筐体内に収容されて、前記超音波素子から前記筐体の底面部を除く部位への振動の伝達、及び、前記筐体の底面部を除く部位から前記超音波素子への振動の伝達を抑制する吸音材を備えることを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の超音波センサ。
7. 前記筐体は、移動体における前記振動部材としての壁部材の内面に取り付けられ、
   前記超音波素子は、前記筐体の底面部及び前記壁部材を介して、超音波を送受信することを特徴とする請求項３〜６いずれか１項に記載の超音波センサ。
8. 前記筐体は、貫通孔の形成された移動体の壁部材の内面に取り付けられ、
   前記超音波素子は、前記貫通孔から前記壁部材の外面側に臨む前記筐体の底面部を介して、超音波を送受信することを特徴とする請求項３〜６いずれか１項に記載の超音波センサ。
9. 前記移動体の壁部材は、車両のバンパであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の超音波センサ。

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