JP2012191429A - 空中超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で取り付け対象の外観のデザイン性を劣化させずに超音波を良好に送受信する。
【解決手段】空中超音波センサ１は、平板１２と平板１３とを固着させた振動板と、振動板に磁界を発生させる磁界発生部１１と、磁界発生部１１が発生した磁界領域中に電流を流して振動板に渦電流を発生させるコイル１４とを有し、磁界と渦電流の相互作用で前記振動板を振動させ超音波を発生させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば空気中に超音波を送信し、または空気中を伝播してきた超音波を受信する空中超音波センサに関するものである。

空中超音波センサは、空気中に超音波を送信し、空気中を伝搬して障害物等により反射された超音波を受信することにより、障害物等を検知することができ、例えば障害物検知システムに利用されている。空中超音波センサは屋外で用いられる場合もあり、水滴、埃等の付着により不具合が発生する問題があるため、例えば非特許文献１のように、超音波を発生させる圧電素子を金属ケースで密閉した構造が開示されている。
このような空中超音波センサを、例えば車両周辺の障害物を検知する障害物検知システムに用いる場合、車体やバンパに取り付ける必要がある。空中超音波センサは、車体内側やバンパ内部に取り付けられると、超音波が車体またはバンパで反射され送信できなくなったり、受信感度が大きく低下してしまう。そこで、空中超音波センサは、車体またはバンパをくりぬいて形成した取り付け穴に取り付けられ、その超音波放射面を外部に露出させていた。

「超音波とその使い方 超音波センサ・超音波モータ」 谷腰欣司著 日刊工業新聞社発行

しかしながら、従来の空中超音波センサは、取り付け対象の外周に取り付け穴を開口させなければならず、外観のデザイン性が劣化するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で取り付け対象の外観のデザイン性を劣化させることなく、超音波を良好に送受信できる空中超音波センサを提供することを目的とする。

この発明に係る空中超音波センサは、第一の平板と第二の平板とを固着させた振動板と、振動板に磁界を発生させる磁界発生部と、磁界発生部が発生した磁界領域中に交流電流を流して振動板に渦電流を発生させるコイルとを有し、磁界と渦電流の相互作用で前記振動板を振動させ超音波を発生させるものである。

この発明に係る空中超音波センサによれば、上記のように第一の平板と第二の平板とを固着させた振動板を、磁界と渦電流の相互作用で振動させて超音波を発生させる構成にしたことにより、取り付け対象の構成を第二の平板として用いることができ、取り付け対象に取り付け穴を設ける必要が無い。その結果、簡易な構成で取り付け対象の外観のデザイン性を劣化させることなく、超音波を良好に送受信することができる。

この発明の実施の形態１に係る空中超音波センサの構成を示す図（ａ）、（ｂ）である。 空中超音波センサの動作を説明する図（ａ）、（ｂ）である。 空中超音波センサにおける振動板の動作を説明する図（ａ）、（ｂ）である。 この発明の実施の形態２に係る空中超音波センサを説明する図である。 この発明の実施の形態３に係る空中超音波センサを説明する図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１の空中超音波センサ１の構成を示しており、図１（ａ）が空中超音波センサ１を超音波放射方向に見た上面図、図１（ｂ）が図１（ａ）のＡ−Ａ´線の断面図である。

空中超音波センサ１は、磁界発生部１１、平板１２（第一の平板）、平板１３（第二の平板）、コイル１４で構成されている。
磁界発生部１１は、略円柱形状の軸方向両端の面が平板１２と平行になるよう配置されており、振動板に磁界を発生させる。磁界発生部１１は、例えばネオジウム等の保磁力の高い材料で形成された永久磁石であり、軸方向両端のうちの一端がＮ極、他端がＳ極となっている。

平板１２と平板１３は、それぞれ異なる材料で構成され、それぞれの面を合わせて接着剤で固着されて振動板を形成している。平板１２と平板１３は、質量が小さく、高い合成と適度な弾性を有する材料で構成されており、特に平板１２は例えば渦電流を多く発生する導体で構成され、磁界発生部１１およびコイル１４に対向して配置されている。平板１３は、一方の面を平板１２に固着され、他方の面を超音波を放射する外部方向に向けて配置されている。なお、平板１３は、例えば車体またはバンパのように空中超音波センサ１１の外部の別部材で構成されるものであってもよい。
コイル１４は、複数回巻回され略円形に形成され、磁界発生部１１と振動板としての平板１２との間に配置されている。コイル１４は、磁界発生部１１が発生した磁界領域中に電流を流して振動板に渦電流を発生させる。

次に空中超音波センサ１の動作について図２と図３を用いて説明する。
空中超音波センサ１は、外部の電源からコイル１４に交流電圧が印加されると、図２（ａ）に示すようにコイル１４中に各周波数ωである交流電流Ｉ（ω）が流れる。この交流電流Ｉ（ω）により、平板１２には交流電流Ｉ（ω）と逆向きの渦電流Ｊ（ω）が発生する。ここで、磁界発生部１１は、平板１２の面に対して垂直方向に一様な静磁界Ｂを与えている。このとき、平板１２には、渦電流Ｊ（ω）と静磁界Ｂとの相互作用により、面に平行な方向に伸長するようなローレンツ力Ｆ（ω）が発生する。
一方、コイル１４に流れる交流電流Ｉ（ω）は、角周波数ωにより、図２（ｂ）に示すように流れる向きが変わる。それに従って平板１２に発生する渦電流Ｊ（ω）の向きが変化して、平板１２には、面に平行な方向に収縮するようなローレンツ力Ｆ（ω）が発生する。これらの動きが繰り返されて、平板１２は面に平行な方向に伸縮を繰り返す。

ここで、平板１２と平板１３は固着されているため、図２（ａ）に示すローレンス力Ｆ（ω）が発生すると図３（ａ）に示すように平板１３にはローレンス力Ｆ（ω）と逆向きの力が生じ、図２（ｂ）に示すローレンス力Ｆ（ω）が発生すると図３（ｂ）に示すように平板１３にはローレンス力Ｆ（ω）と逆向きの力が生じ、平板１２と平板１３からなる振動板を撓ませる力に変換させる。このようにして、振動板は交互に湾曲して振動し、超音波を空気中に放射する。

なお、ここでは超音波を放射する動作について説明したが、空中超音波センサ１の動作は可逆であるため、詳細に説明するまでもなく、障害物等で反射され空気中を伝搬してきた超音波を受信することも可能である。

なお、実施の形態１の空中超音波センサ１は、磁界発生部１１を略円柱形状、平板１２と平板１３、コイル１４を略円形として説明しているが、それに限るものではなく、それぞれ直方体および矩形としてもよい。

以上のように、実施の形態１の空中超音波センサ１は、それぞれ異なる材料の平板１２と平板１３とを固着させた振動板を、磁界と渦電流の相互作用で振動させて超音波を発生させる構成にしたことにより、平板１３を車両（取り付け対象）の車体、バンパ、ナンバープレートで構成して空気中に超音波を放射することができる。その結果、空中超音波センサ１を取り付け対象に取り付けても外観のデザイン性を損なうことがないという効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の空中超音波センサ１と同様の構造であるが、平板１２と平板１３のそれぞれの材料の条件について説明する。図４は、実施の形態２に係る空中超音波センサ２の構成を示す図である。なお、実施の形態２の説明において、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。

空中超音波センサ２は、磁界発生部１１、平板２２（第一の平板）、平板２３（第二の平板）、コイル１４で構成されている。ここで、磁界発生部１１とコイル１４は実施の形態１の空中超音波センサと同様であるため、図１と同一の符号を付して説明を省略する。
平板２２と平板２３は、空気の音響インピーダンスＺ_ａ、平板２２の音響インピーダンスＺ_１、平板２３の音響インピーダンスＺ_２とした場合、次式（１）を満たす材料でそれぞれ構成されている。

ここで、音響インピーダンスＺについて説明する。音響インピーダンスＺは、音速Ｖ、密度ρとすると、Ｚ＝ρＶと定義される。したがって密度ρが異なる媒質間では音響インピーダンスＺも異なる。二つの媒質の音響インピーダンスＺが同程度の場合、超音波はよく透過し、反射波は少ないが、音響インピーダンスＺが異なる媒質間で超音波が伝達される場合、媒質間で超音波の反射、透過が生じる。例えば二つの媒質の音響インピーダンスＺの差が大きい場合、音響インピーダンスＺの不整合により透過波が少なく、反射波が非常に大きくなる。一般的に、気体と固体の音響インピーダンスＺの差は非常に大きいため、空気中へ超音波を放射させる空中超音波センサでは、振動板と空気の境界で反射波が多くなり、透過波が少なくなる。したがって、空中超音波センサのセンサ効率が低下する。

空中超音波センサ２は、平板２２の音速Ｖ_１、密度ρ_１、音響インピーダンスＺ_１、平板２３の音速Ｖ_２、密度ρ_２、音響インピーダンスＺ_２、空気の音速Ｖ_ａ、密度ρ_ａ、音響インピーダンスＺ_ａとした場合、音響インピーダンスＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_ａの関係を上記式（１）を満たすように平板２２、平板２３の材料が選択されている。このように平板２２の材料と平板２３の材料を選択すれば、平板２３は、空気の音響インピーダンスＺ_ａと平板２２の音響インピーダンスＺ_１との不整合を緩和する音響整合層として機能する。

以上のように、実施の形態２の空中超音波センサ２は、平板２３が空気の音響インピーダンスＺ_ａと平板２２の音響インピーダンスＺ_１との不整合を緩和するよう構成したことにより、その不整合に起因する反射波を低減し、センサ効率の低下を抑制することができるという効果が得られる。

なお、平板２３は、平板２３から空気中（外部）へ向けて放射される超音波の波長の１／４の厚さｄ_２で構成することで、平板２３から空気中への透過波が反射波により打ち消されないため、より効率よく超音波を放射することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の空中超音波センサ１と同様の構造であるが、空中超音波センサ１における平板１２の厚さを設定する構成について説明する。

図５は、実施の形態３の空中超音波センサ３の構成を示している。なお、実施の形態３の説明において、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。
空中超音波センサ３は、磁界発生部１１、平板３２（第一の平板）、平板３３（第二の平板）、コイル１４で構成されている。ここで、磁界発生部１１とコイル１４は実施の形態１の空中超音波センサと同様であるため説明を省略する。

平板３２は、その材料の抵抗率ｒ_１、透磁率μ_１とすると、平板３２の厚さｄ_１が平板３２の抵抗率ｒ_１、透磁率μ_１、渦電流の角周波数ωに対して下記式（２）を満たすよう構成されている。

上記式（２）は、表皮効果により渦電流の角周波数ωが高周波数になるに従って渦電流が平板３２の表面に集中することを用いたものであり、平板３２の厚さｄ_１が渦電流の流れる深さ（表皮深さ）以上になるように設定する式である。この式を用いて平板３２の厚さｄ_１を設定して構成することにより、渦電流が平板３２のみに生じ、平板３３には生じない。そのため、渦電流と磁界発生部１１により生じる静磁界Ｂとの相互作用であるローレンツ力Ｆ（ω）が平板３２にのみ生じ、平板３２と平板３３からなる振動板の撓みがより大きくなる。

以上のように、実施の形態３の空中超音波センサ３は、平板３２の厚さｄ_１を表皮効果による表皮深さ以上にすることにより、平板３２がローレンス力Ｆ（ω）により伸長、圧縮する際、平板３３にローレンス力Ｆ（ω）を生じさせず、平板３２と平板３３からなる振動板の撓みがより大きくなる。その結果、空中超音波センサ３における振動板の振動効率を高くすることができ、センサ効率を向上させることができるという効果が得られる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，２，３ 空中超音波センサ、１１ 磁界発生部、１２，２２，３２ 平板（第一の平板）、１３，２３，３３ 平板（第二の平板）、１４ コイル。

Claims (4)

1. 第一の平板と第二の平板とを固着させた振動板と、
   前記振動板に磁界を発生させる磁界発生部と、
   前記磁界発生部が発生した磁界領域中に交流電流を流して前記振動板に渦電流を発生させるコイルとを有し、
   前記磁界と前記渦電流の相互作用で前記振動板を振動させ超音波を発生させる空中超音波センサ。
2. 第一の平板と第二の平板は、空気の音響インピーダンスＺ_ａと前記第一の平板の音響インピーダンスＺ_１と前記第二の平板の音響インピーダンスＺ_２が次式（１）を満たす材料でそれぞれ構成されることを特徴とする請求項１記載の空中超音波センサ。
   

   
3. 第二の平板は、その第二の平板が発生する超音波の波長の１／４の厚さであることを特徴とする請求項２記載の空中超音波センサ。
4. 第一の平板の厚さｄ_１は、その第一の平板の抵抗率ｒ_１、透磁率μ_１、渦電流の角周波数ωに対して次式（２）を満たすことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の空中超音波センサ。
   

   

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