JP2011135466A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ケースの開口部における不要振動モードを抑制する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。
【解決手段】
底部１ａと側壁部１ｂとを有するケース１と、ケース１の内側に位置する底部１ａに設けられた圧電振動子２と、圧電振動子２と電気的に接続された端子４とを備える超音波センサにおいて、ケース１の側壁部１ｂの開口部側に、側壁部の外周に沿ってフランジ部１ｃが形成されており、フランジ部１ｃの外周部には３個所以上の直線部が形成されている。この直線部は、環状のフランジ部１ｃの外周部を接線方向に平行にカットすることにより形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は超音波センサに関するものであり、特に自動車のバックソナー、コーナーソナー、パーキングスポットセンサ等に用いられる超音波センサに関するものである。

超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行うものであり、圧電振動素子から超音波パルス信号を間欠的に送信し、周囲に存在する障害物からの反射波を圧電振動子で受信することにより物体を検知するものである。

一般的な超音波センサは、底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、有底筒状ケースの内底部に貼りつけられた圧電振動子と、圧電振動子に電気的に接続されている端子とを有している。

このような超音波センサの場合、振動面となるケースの底部だけでなくケースの側壁部も振動してしまい、側壁部に不要振動が発生する。場合によっては、基本波がうち消されてしまう恐れがある。これに対して、特許文献１では、ケースの開口部近辺において、安定リングを設けることが開示されている。これにより、ケースに大きな剛性が得られるため、ケースの底部が主に振動することになり、基本波のみを有利に用いることができるとしている。

特表２００２−５０７３７０

しかしながら、特許文献１の構成では、ケースの開口部周辺の側壁部の振動を十分に抑制することができないことがわかった。ケースの側壁部に生じる不要振動には様々な不要振動モードが存在するが、特に、超音波の指向性に異方性（扁平性）を発現させるために、圧電振動子により振動される振動面が、長軸方向と短軸方向とで異なる長さを有する超音波センサの場合、振動面の振動がケースの開口部付近に波及してしまい、ケースの開口部付近において以下のような不要振動モードが生じることがある。すなわち、ケースの開口部付近のうち、長軸方向に位置するケースの側壁部が広がる方向へ変位した際に、短軸方向に位置するケースの側壁部は狭まる方向へ変位し、長軸方向に位置するケースの側壁部が狭まる方向へ変位した際には、短軸方向に位置するケースの側壁部が広がる方向へ変位し、これらが交互に繰り返される不要振動モードである。上記のような不要振動が生じた場合、本来、圧電振動子が受信するべき超音波に重畳してしまい、大きな残響が生じるという課題がある。

本発明の目的は、長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動モードを抑制することができる超音波センサを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の超音波センサは、底部と側壁部とからなる有底筒状のケースと、ケースの内底部に設けられた圧電振動子と、圧電振動子と電気的に接続された端子と、を有し圧電振動子によって振動する振動面が、長軸と短軸とを有し、ケースの開口部側にケースの外周に沿ってフランジ部が形成されており、フランジ部の外周部分に、３個所以上の直線部を設けたことを特徴とする。

一般的に、特許文献１のように、ケースの外周に沿って形成されたフランジ部は均等に形成され、フランジ部の外周部分は同軸対称となるように設計した方が、質量バランスが得られる。このため、特許文献１のような構造の方が、不要振動を抑制しやすいと考えられる。しかしながら、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、フランジ部の外周部分に敢えて３個所以上の直線部を設けた方が、上述した長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動モードを抑制できるという新たな知見を得た。この新たな知見に基づいて本発明を成すに至ったのである。

また、フランジ部の外周部分に、４個所以上８個所以下の直線部を設けることが好ましい。フランジ部の外周部分に４個所以上８個所以下の直線部を設けた場合、ケースの側壁部の開口部側の変位が最大となった時の変位量が、直線部を設けない場合に比べて、７０％以上減少し、より不要振動を抑制することができる。

また、ケースは、底部と側壁部とを有する外側ケースと、外側ケースよりも剛性が高い内側ケースとを有し、内側ケースの開口部側に内側ケースの外周に沿ってフランジ部が形成されており、内側ケースのフランジ部は、外側ケースの側壁部の外周よりも外側へ延びるように形成され、フランジ部の外周部分に、３個所以上の直線部を有することが好ましい。このように、外側ケースよりも剛性が高い内側ケースの外周部にフランジ部を設け、内側ケースのフランジ部の外周部分に３個所以上の直線部を有した場合に、外側ケースの側壁に伝わる振動を、剛性の高い内側ケースにより内側から固定することにより、外側ケースの振動部の振動自体が外側ケースの側壁を伝わって外部へ漏洩することを防ぐとともに、長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動を抑制することができる。

ケースの開口部側にケースの外周に沿ってフランジ部が形成されており、フランジ部の外周部分に、３個所以上の直線部を設けたことにより、ケースの開口部の長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動モードを抑制することができる。

本発明に係る超音波センサの第１実施形態の横断面図である。 （ａ）本発明に係る超音波センサの第１実施形態のケース１の平面図である。（ｂ）本発明に係る超音波センサの第１実施形態のケース１の斜視図である。 本発明に係る超音波センサの第１実施形態に用いられるケース１の変形例の斜視図である。 比較例１の超音波センサのケースの斜視図である。 比較例２の超音波センサのケースの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における実験例１の超音波センサのケースの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における実験例２の超音波センサのケースの斜視図である。 本発明の第１の実施形態における実験例３の超音波センサのケースの斜視図である。 フランジ部に設けられた直線部の数と、ケースの側壁部の振動面側と開口部側とにおける変位量との関係を示すグラフである。 フランジ部に設けられた直線部の数と、ケースの側壁部の開口端面における最大振動変位量との関係を示したグラフである。 本発明に係る超音波センサの第２実施形態の横断面図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を説明する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明にかかる超音波センサ１０の第１実施形態を示す。図２の（ａ）は、本発明に係る超音波センサの第１実施形態のケース１の平面図であり、（ｂ）は本発明にかかる超音波センサ１０の第１実施形態のケースの斜視図である。この超音波センサは、底部１ａと側壁部１ｂとを有するケース１と、ケース１の内底部１ａに設けられた圧電振動子２と、圧電振動子２とリード端子３ａ,３ｂを介して接続されている端子４ａ,４ｂと、圧電振動子２と所定の距離を離間して配置された吸音材５と、ケース１の内部を充填している充填材６と、で形成されている。

ケース１は、例えばアルミニウム等の金属板を有底筒状に成形されたものであり、その底部１ａの内側に円板状の圧電振動子２が貼り付けられている。圧電振動子２は圧電セラミック板の表裏面に外部電極（図示せず）が形成されおり、これらの電極間に電圧を印加することにより、広がり振動または厚み縦振動を発生するものである。リード端子３ａは圧電振動子２に形成された外部電極にはんだ又は導電性接着剤等の接着手段で接続されており、リード端子３ａは端子４ａと接続されている。リード端子３ｂはケース１に接続されており、ケース１は金属等の導電材により形成されているため、リード端子３ａは実質的にケース１の側壁部１ｂ及び底部１ａを介して圧電素子１の振動面側の外部電極に電気的に接続されている。

ケース１の底部１ａからケース１の開口部へ向かって円筒状の側壁部１ｂが形成されている。ケース１は、図２（ａ）で示されるように、圧電振動子２の振動面に長軸と短軸とを有するように、底部１ａが長軸及び短軸を有する形状、ここでは楕円形状を有しており、振動面の形状が底部１ｂと一致している。これに伴い、ケース１の側壁部１ｃの厚みは、長軸方向Ｌの厚みが薄く、短軸方向Ｓの厚みが厚くなるように設定されており、ケース１の開口部も楕円形状を有している。

ケース１の側壁部１ｂの開口部側に、側壁部の外周に沿ってフランジ部１ｃが形成されている。フランジ部１ｃは、側壁部の直径よりも大きな直径を有する環状のつば部であり、図２（ａ）に示されるように、フランジ部１ｃの外周部には４個所の直線部が形成されている。この直線部は、環状のフランジ部１ｃの外周部を接線方向に平行にカットし、切り欠くことによって形成される。ここでは、フランジ部１ｃの外周部のうち、ケース１の振動面の長軸方向Ｌに平行に２個所カットされており、短軸方向Ｓに平行に２個所カットされて、合計４個所の直線部が形成されている。

ここで、例えば、図３に示されるように、フランジ部１ｃの外周部のうち、ケースの振動面の長軸方向Ｌと短軸方向Ｌに対して４５度傾けた位置をそれぞれカットしてもよく、種々の変形例が考えられる。

また、直線部が形成されていれば、円周部分が残っていてもよいし、外周部の全てが直線部で形成され、フランジ部の外周が多角形状となるように構成されてもよい。特に、円筒状のケース１の中心軸を通り、ケースの振動面の短手方向を通る中心線に対して線対称となるように直線部を設けた方が、前記中心線の左右で質量バランスが取れるため、さらなる不要振動が生じないため好ましい。また、フランジ部１ｃにおける直線部は３個所以上であれば何個所形成されていてもよいが、後述するシミュレーション結果から４個所以上８個所以下が好ましい。また、フランジ部１ｃと側壁部１ｂとは一体構造で形成されているが、別体であってもよい。また、フランジ部１ｃは必ずしも側壁部の開口部側の端面に位置している必要はなく、開口部側に位置していれば、開口側の端面よりも若干離れている位置に設けられていてもよい。

また、本発明の超音波センサ１０は製造工程においても有利な点がある。製造工程時の部品搬送時にロボットハンドによりケース１の側壁部１ｂの外周を挟持することになるが、フランジ部１ｃの外周部に直線部を設けることによって、ロボットハンドによってフランジ部１ｃの直線部を挟持することができるので、搬送が安定的に行える。また、例えば鋳造製法、射出成型等を用いてケース１を作製する際には、直線部を射出するゲートに用いることができ、量産性を高めることができる。

なお、このフランジ部１ｃは、超音波センサ１０を筺体等へ取り付ける際に、筺体等に設けられた孔部に嵌合して安定して固定させることができ、超音波センサ１０の取り付け性を向上させることができる。

ケース１の内部には、圧電振動子２と対向する位置に離間してスポンジ等の吸音材５が設けられている。本発明において、吸音材５を設けることは必須ではないが、吸音材５を設けることによって、圧電振動子３の振動面からケース１の内部側へ放出された不要な超音波を吸収することができる。また、ケース１の内部であって、吸音材５よりもケース１の開口部側の領域には、充填材６が形成されている。充填材６としては、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂材料を用いることができる。本発明において、充填材６は必須ではないが、充填材６が側壁部１ｂの不要振動を吸収する効果を有するため、充填材６を設けた方がより好ましい。

〔実験例１〕
続いて、フランジ部１ｃの外周部に設けられた直線部の数と、ケース１の側壁部の振動面側と開口部側とにおける変位量との関係を説明する。比較対象として、図４〜図８で示されるケース１の試料をそれぞれ用意した。図４で示される、フランジ部１ｃがケース１の開口部の端面からそのまま延びるように形成されており、フランジ部１ｃの外周部に直線部が形成されていない構成を比較例１とした。図５で示される、フランジ部１ｃが形成される位置は図４と同じであるが、フランジ部１ｃの外周部に直線部が２個所形成されている構成を比較例２とした。図６で示される、フランジ部１ｃが形成される位置は図４と同じであるが、フランジ部１ｃの外周部に直線部が４個所形成されている構成を実験例１とした。図７で示される、フランジ部１ｃが形成される位置は図４と同じであるが、フランジ部１ｃの外周部に直線部が８個所形成されている構成を実験例２とした。図８で示される、フランジ部１ｃが形成される位置は図４と同じであるが、フランジ部１ｃの外周部に直線部が１６個所形成されている構成を実験例３とした。

図９は、フランジ部の外周部に設けられた直線部の数と、ケース１の側壁部１ｂの振動面側と開口部側とにおける変位量との関係を示すシミュレーション結果である。フランジ部１ｃの形状以外のケース１の構成は、第１の実施形態に用いたケース１ｃと同一である。図９の横軸は、ケース１の側壁部１ｃのうち長軸方向において最も振動しやすい部分（最も側壁部の厚みが薄い部分）における、側壁部１ｂの開口側と側壁部１ｂの振動面側との位置を示しており、開口部端面の位置が０に相当し、ケース１の外底面が９に相当する。また、図９の縦軸は図４に示される比較例１の開口端面における変位を１とした場合の、ケース１の側壁部１ｂのそれぞれの位置における変位量を示している。なお、図９に示されるグラフは、開口部側の変位が最大となった時の変位量の大きさを相対値で示している。図８に示されるように、フランジ部１ｃの外周部に直線部が設けられていない比較例１では、ケース１の側壁部の振動面側に比べれば、開口部が広がる方向へ大きく変位していることがわかる。また、フランジ部１ｃの外周部に直線部が２個所形成されている比較例２に関しては、比較例１に比べて、開口部が広がる方向へより大きく変位していることがわかる。比較例２における直線部が、ケース１の振動面の長軸方向と平行に形成されており、比較例２のフランジ部にはこのような直線部しか形成されていないことから、ケース１の側壁部１ｂが薄いため、振動しやすい長軸方向に広がる変位を助長してしまったものと思われる。一方、本発明である実験例１〜実験例３については、比較例１に比べて開口部が変位しにくくなっていることがわかる。特に、実験例１及び実験例２については、ケース１の側壁部の振動面側に比べてもさほど広がらず、長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動モードを十分に抑制できていることがわかる。

図１０は、図９で示された関係のうち、特に、フランジ部１ｃの直線部の数と、ケース１の側壁部１ｂの開口部のうち開口端面における最大振動変位量との関係を示したグラフである。フランジ部１ｃの直線部の数が０個所である比較例１を、相対比較の基準とし、１としている。これより、フランジ部１ｃの外周部に直線部が２個所形成された比較例２の場合、比較例１に比べて最大振動変位量が約１．２倍程度大きくなっている。一方、実験例１〜３に関しては、比較例１に比べて最大振動変位量が小さくなっており、特に、フランジ部１ｃの外周部に直線部が４個所以上８個所以下である実験例１及び実験例２については、最大振動変位量が約７０％程度と小さくなっており、ケース１の開口部付近の変位が十分に小さいことがわかる。

〔第２実施形態〕
図１１は本発明の実施の形態に係る超音波センサ２０の第２実施形態を示す。この超音波センサは、ケース１の代わりに外側ケース２１と、外側ケース２１よりも剛性の高い内側ケース２２と設け、内側ケース２２の開口部付近にフランジ部２２ｃを設けたものである。なお、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

外側ケース２１は、底部２１ａと側壁部２１ｂとを有し、例えばアルミニウム等の金属板を有底筒状に成形されたものであり、その底部１ａの内側に円板状の圧電振動子２が貼り付けられている。外側ケース２１の開口した側壁部２１ｂの内部には、内側ケース２２が接合固定されており、これらの外側ケース２１と内側ケース２２とでケース２３を構成している。

内側ケース２２は外側ケース２１よりも剛性が高くなるように設計されている。具体的には、内側ケース２２として外側ケース２１よりも音響インピーダンスが大きな材料を選定することができる。例えば、外側ケース２１としてアルミニウム材を用いる場合、内側ケース２２としては亜鉛材、ステンレス鋼、タングステン材等の高比重、高剛性材を用いることで実現できる。また、内側ケース２２に、外側ケース２１と同じ材料を用いたとしても外側ケース２１よりも厚みを格段に厚くし、剛性差を大きくすることにより実現することができる。

内側ケース２２は円筒状または環状の側壁部２２ｂとフランジ部２２ｃとを有する。内側ケース２２の側壁部２２ｂのうち、外側ケース２１の底部２１ａに接する部分２２ａが、長軸と短軸とを有する形状（例えば、楕円形状及び長円形状等）になっている。このような構成を有する内側ケース２２を設けることによって、外側ケース２１の底部２１の振動面以外の部分の振動を抑え込むことができ、実質的に、長軸と短軸とが存在する領域のみが外側ケース２１の振動部として機能する。これにより、外側ケース２１の底部２１ａは円状であったとしても、超音波センサの指向性に異方性を発現させることができる。
なお、内側ケース２２の側壁部２２ｂのうち、外側ケース２１の底部２１ａに接する部分２２ａの形状のみ、長軸と短軸とを有する形状に設計されていれば、内側ケース２２の側壁部２２ｂの開口形状は外側ケース２１の円状の底部２１ａと同心円状であってもよい。
また、フランジ部２２ｃは内側ケース２２の側壁部２２ｂの開口部側に側壁部２２ｂの外周に沿って形成されている。フランジ部２２ｃは、内側ケース２２の側壁部２２ｂの直径及び外側ケース２１の側壁部２１ｂよりも大きな直径を有する環状のつば部であり、フランジ部２２ｃの外周部には４個所の直線部が形成されている。この直線部は、環状のフランジ部２２ｃの外周部を、接線方向に平行にカットし、切り欠くことによって形成される。このような内側ケース２２のフランジ部２２ｃは外側ケース２１の側壁部２１ｂよりも外周側へ延びており、外側ケース２１に内側ケース２２が嵌合されることによって固定されている。このように内側ケース２２にフランジ部２２ｃを設けることによって、振動面（外側ケース２１の底部２２ａ）からの振動が、筺体への取り付け位置となる内側ケースのフランジ部２２ｃに伝わりにくくなるため、車体又は筺体への取り付けによる特性変動をより防ぐことができる。具体的に説明すると、外側ケース２１の底部２１ａには圧電振動子２が形成され振動部を構成しているが、この振動部における振動が外側ケース２１の側壁部２１ｂを伝わって、筺体へも伝わる恐れがある。その結果、残響の影響が大きくなる恐れがある。このため、従来は外側ケース２１と筺体との間にゴム材等を設けることにより振動部からの振動の漏洩を防いでいた。しかしながら、本発明のように、外側ケース２１よりも剛性が高い内側ケース２２を用い、外側ケース２１の側壁部２１ｂを乗り越えるように内側ケース２２の側壁部２２ｂにフランジ部２２ｃを設けて、このフランジ部２２ｃを筺体に嵌合することにより、外側ケース２１が直接筺体と接続されていないため、外側ケース２１の振動部の振動は筺体に伝わりにくいばかりか、剛性の高い内側ケース２２により減衰させられるため、振動が筺体へ漏洩することをより防ぐことができる。その結果、外側ケース２１と筺体との間にゴム材等を設ける必要がなくなる。また、本発明のような、外側ケース２１の他に制振性を有する内側ケース２２を設けた構造であっても、外側ケース２１の縦軸と横軸とを有する振動部における振動が、長軸方向と短軸方向とに位置するケース開口部付近の側壁部の位相が反転して交互に振動する不要振動モードの振動を生じさせてしまう。しかしながら、本発明の場合、内側ケース２２のフランジ部２２ｃの外周部に３個所以上の直線部が形成されているため、内側ケース２２の開口部付近における上述の不要振動が抑制できているため、内側ケース２２のフランジ部２２ｃから筺体への不要振動の漏洩は防ぐことができる。

１ ケース
１ａ 底部
１ｂ 側壁部
１ｃ フランジ部
２ 圧電振動子
３ リード端子
４ 端子
５ 吸音材
６ 充填材
１０ 超音波センサ
２０ 超音波センサ
２１ 外側ケース
２１ａ 底部
２２ｂ 側壁部
２２ 内側ケース
２２ｂ 側壁部
２２ｃ フランジ部
２３ ケース

Claims (3)

1. 底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、
   前記ケースの内底部に設けられた圧電振動子と、
   前記圧電振動子と電気的に接続された端子と、を有し
   前記圧電振動子によって振動する振動面が、長軸と短軸とを有し、
   前記ケースの開口部側に前記ケースの外周に沿ってフランジ部が形成されており、
   前記フランジ部の外周部分に、３個所以上の直線部を設けたことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記フランジ部の外周部分に４個所以上８個所以下の直線部を設けることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記ケースは、底部と側壁部とを有する外側ケースと、前記外側ケースよりも剛性が高い内側ケースとを有し、前記内側ケースの開口部側に前記内側ケースの外周に沿ってフランジ部が形成されており、
   前記内側ケースのフランジ部は、前記外側ケースの側壁部の外周よりも外側へ延びるように形成され、
   前記フランジ部の外周部分に、３個所以上の直線部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。