JP2011055292A - 超音波送受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動絶縁性を高めた超音波送受信器を提供する。
【解決手段】金属または樹脂からなる有底筒状ケースの底面に小さなケースの開口部を接着した２重底を有するケースに、圧電素子を貼り付けた超音波送受信器に、同心円に重ねられた２重側壁と底面とを有する振動絶縁体を取り付けることで、外部への振動伝達の少ない超音波送受信器を実現する。
【選択図】図６

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、これらを取り付ける場合は、超音波送受信器の振動を妨げ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発生す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広く使用されている。クッションは塗装できない材料からなる事が多く、意匠性が悪いという問題が生じる。

クッションを必要としない超音波送受信器の開発が行われている。例えば、特許文献１に記載の超音波送受信器では、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、超音波送受信器の側面振動を抑えている。特許文献２に記載の超音波送受信器では、超音波送受信器の外側に、樹脂からなる振動絶縁体を取り付けることで、外部への振動伝達の少ない超音波送受信器を実現している。振動絶縁体は、例えば２重の側壁と、底面とを持ち、２重に設けられた側壁の間は低硬度のシリコーンによって埋められている。振動絶縁体をＰＢＴなどの塗装可能で耐久性にすぐれる樹脂材料で成形することで、クッションを必要としない超音波送受信器を実現している。
特許公開２００４−３４３６６０号公報 特許出願２００９−１０９７８３ 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

しかし、振動絶縁体を取り付けても外部への振動伝達が十分に抑えられない場合がある。取り付け部が小さく、振動絶縁体を十分に効果のある寸法に設計できな場合は、取り付け部からの反射ノイズが発生する。取り付け部からの反射ノイズは、長距離にある物体検知を目的として使用する場合に特に問題となる。限られた寸法のなかで要求される音響特性を満足するためには、内部に設置する超音波送受信器にも外部への振動伝達の少ない構造が求められる。

そこで、この発明では超音波送受信器を外部への振動伝達の少ない構造へ改良することで、振動絶縁性を高めた超音波送受信器の実現を目的とする。

請求項１の発明では、金属または樹脂からなる底面内部に空間を有する２重底筒状ケースと、２重底筒状ケースの底面に接着された圧電素子と、からなる２つの底面振動モードを有する事を特徴とする超音波送受信器に、内側の筒よりも大きな内径を持ち、外側の筒よりも小さな内径を持つ少なくとも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の少なくとも一端が閉じられて、底面を有する事を特徴とする樹脂材料からなる振動吸収体を、取り付けることで、振動絶縁性を高めた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、金属または樹脂からなる底面内部に空間を有する２重底筒状ケースと、２重底筒状ケースの底面に接着された圧電素子と、からなる２つの底面振動モードを有する事を特徴とする超音波送受信器に、超音波送受信器よりも大きな内径を持つ樹脂からなる有底筒状の筒を取り付けることで、振動絶縁性を高めた超音波送受信器を実現する

請求項４に記載の発明では、請求項１〜３に記載の振動吸収体の内部が、フェルトおよびシリコーンおよびウレタンの少なくとも１つからなる吸音材、およびシリコーン、およびウレタンの少なくとも１つによって埋められていることで、振動吸収体内部で発生する超音波の反響を防ぐ事ができる。よりノイズの少ない超音波送受信器を実現する。

請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の振動吸収体を構成する少なくとも１つの筒が、前記超音波送受信器の受信信号の処理に関わる回路を収めるハウジングと、一体となっている事を特徴とする。ハウジングと振動吸収体を一体にすることで、部品数を減らすことができる。

実地例１

請求項１に記載の本発明の実施例を図１に示す。例えば、φ１４の円を意匠面１ａとする高さ９ｍｍのアルミ材料からなるアルミケース１の底面１ｂに、同じくアルミ材料からなる小さなケース３の開口部を接着剤によって接着することで、２重底筒状ケース１３を作成する。小さなケース３の天面にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる円形の圧電素子２を接着する。アルミケース１と小さなケース３の間の空間は、シリコーンまたはウレタンの発泡体を成形してなる遮音体１１によって埋められている。遮音体１１は、２つのケースを接着する際に入れることができる。２重底筒状ケースの底面部に圧電素子を貼り合わせてなる超音波送受信器は、２つの異なる底面振動モードを有することが知られている。このとき２重底筒状ケース１３と圧電素子２の寸法は、低い周波数での底面振動モードの共振周波数が５０ｋＨｚ、高い周波数での底面振動モードの共振周波数が６８ｋＨｚになるように寸法設計されている。２重底筒状ケースは、底面部に２層の振動面を有する構造をもつケースをさす。

圧電素子２に設けられた銀電極２ａの一方と２重底筒状ケース１３は電気的に結合されている。圧電素子２の一方の電極に半田付けによってリード線１２を取り付け、２重底筒状ケース１３にアルミット半田によってリード線１２を半田付けする。リード線１２の一端はワイヤーハーネス１４に半田付けされている。圧電素子２は、シリコーンまたはウレタンの発泡体を成形してなる吸音材１０で覆われている。アルミケース１の内側は、シリコーンまたはウレタンからなる封止剤９によって充填されている。（図１の上面図では、吸音材１０、リード線１２、封止剤９、ワイヤーハーネス１４を省略している。図２、図６、図７の上面図では、吸音材１０、リード線１２、封止剤９、ワイヤーハーネス１４を省略する。）

２重底筒状ケース１３の外側に、振動吸収体４が取り付けられている。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０．３ｍｍである。外側の円筒４ａと内側の円筒４ｂは厚さ０．３ｍｍの意匠面となる底面４ｃ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を成形して作成できる。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、ゴムまたはそれらからなる発泡体を成形した遮音体を埋めることでも振動伝達を抑えることができる。２重底筒状ケース１３と振動吸収体４は、２重底筒状ケース１３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。

比較の為に、従来の振動絶縁体を組み付けた超音波送受信装置の様子を図２に示す。アル材料からなる有底筒状ケース６の底面６ｂに圧電素子２が接着されている。有底筒状ケース６は、底面振動モードの共振周波数が６８ＫＨｚになるように寸法設計されている。その他の部分は図１と同じ構造をしている。

図３に、６８ｋＨｚで超音波送受信器を駆動させた場合に観測される反射感度と残響の波形を示す。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を見ることができる。測定は図１に示す本発明の超音波送受信器と図２に示す従来の超音波送受信器を、開口部の設けられたジグに設置して行った。図３ａは図１に示す本発明の実地例の場合、図３ｂは図２示す従来の実施例の場合を示す。本発明の場合では、外部反射によるノイズがほとんど観測されない。一方、従来の場合では、外部（ハウジング、バンパーカバーなど）への振動伝達による反射ノイズが多数観測されている。振動絶縁体の外径と、内部の超音波送受信器の外径に制限が有る場合、振動絶縁体のみでは外部への振動伝達が抑えられない場合がある。本発明の構造を採用することで、高い振動絶縁性を実現できる。

図４に、超音波送受信器の底面変位量を示す。２重底筒状ケースを使用した超音波送受信器と、従来の有底筒状ケースを使用した超音波送受信器の変位量を比較した。測定は、レーザー変位計で行った。２重底筒状ケースを使用した超音波送受信器は、従来構造の超音波送受信器に比べて、底面の縁（７ｍｍの位置）での変位量の低下が大きい事がわかる。２重底筒状ケースがもつこの特徴を利用することで、従来構造の超音波送受信器では得られなかった大きな効果（取り付け時の反射ノイズの大幅な低減）が得られている。

図５に、有限要素法によって計算された２重底筒状の構造を有する超音波送受信器の変形図を示す。図５ａは、低い周波数（実施例では５０ｋＨｚ）の底面振動モードでの変位の様子を示す。低い周波数の底面振動モードでは振動面１と振動面２が同位相で振動している。底面振動は大きなケースの内壁を節として、ケース全体で振動していることがわかる。従来の構造の場合でも同様に、ケースの内壁を節として、ケース全体で振動する。図５ｂに、高い周波数（実施例では６８ｋＨｚ）の底面振動モードでの変位の様子を示す。低い周波数の場合とは反対に、振動面１と振動面２が逆位相で振動していることがわかる。また大きなケースと小さなケースの結合部を節として振動することがわかる。この結果から、周波数が高い側の底面振動モードは、小さなケースと大きなケースの底面の一部がやや独立した形で振動するために、大きなケースの外壁の振動は小さく、よって外部への振動伝達も小さいと推定される。

実地例２

つぎに請求項２の発明の実施例を図６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７ａを設けた振動吸収体７に置き換える。最内郭の円筒に設けられた底面７ａ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７はＡＢＳ相当の弾性率をもつ樹脂材料で成形されている。２重底筒状ケースの天面１ａは、振動吸収体７に接着剤によって接着されている。振動吸収体７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。

実地例３

つぎに請求項３の発明の実施例を図７に示す。先ほどの実施中の振動吸収体４を外径φ１６、内径φ１５．４、高さ９ｍｍの有底円筒状の振動吸収体８に置き換える。振動吸収体８の底面と２重底筒状ケースの天面１ａが接着剤によって接着されている。振動吸収体８の底面の厚さは０．３である。振動吸収体８はＡＢＳ相当の弾性率をもつ樹脂材料で成形されている。振動吸収体８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。

請求項１を実施した超音波送受信器の例 従来形態の超音波送受信器の例 反射感度と残響の波形 レーザー変位計による測定結果の比較 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器の例 請求項３を実施した超音波送受信器の例

１ アルミケース
１ａ アルミケース天面
１ｂ アルミケース底面
２ ＰＺＴ
２ａ ＰＺＴ両面（銀電極部）
３ 小さなケース
４ 振動吸収体（請求項１の場合）
４ａ 最外郭の円筒
４ｂ 最内郭の円筒
５ シリコーン
６ 有底筒状ケース
６ｂ 有底筒状ケースの底面部
７ 底を有する振動吸収体（請求項２の場合）
７ａ 底を有する振動吸収体の底面
８ 振動吸収体（請求項３の場合）
９ 封止剤
１０ 吸音材
１１ 遮音体
１２ リード線（電極）
１３ ２重底筒状ケース
１４ ワイヤーハーネス

Claims (5)

1. 金属または樹脂からなる底面部内部に空間を有する２重底筒状ケースと、２重底筒状ケースの底面に接着された圧電素子と、からなる２つの底面振動モードを有する事を特徴とする超音波送受信器に、内側の筒よりも大きな内径を持ち、外側の筒よりも小さな内径を持つ少なくとも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の少なくとも一端が閉じられて、底面を有する事を特徴とする樹脂材料からなる振動吸収体を、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. 金属または樹脂からなる底面内部に空間を有する２重底筒状ケースと、２重底筒状ケースの底面に接着された圧電素子と、からなる２つの底面振動モードを有する事を特徴とする超音波送受信器に、超音波送受信器よりも大きな内径を持つ樹脂からなる有底筒状の筒を取り付けたことを特徴とする超音波送受信器
4. 前記振動吸収体の内部が、フェルトおよびシリコーンおよびウレタンの少なくとも１つからなる吸音材、およびシリコーン、およびウレタンの少なくとも１つによって埋められていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波送受信器
5. 前記振動吸収体を構成する少なくとも１つの筒が、前記超音波送受信器の受信信号の処理に関わる回路を収めた樹脂からなるハウジングと、一体になっている事を特徴とする請求項４に記載の超音波送受信器

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