JP2014121045A

JP2014121045A - 超音波センサ付きの自動車バンパ

Info

Publication number: JP2014121045A
Application number: JP2012276830A
Authority: JP
Inventors: Koji Hayashi; 浩司林; Teruo Nakamura; 映雄中村; Shigeo Kobayashi; 繁雄小林; Shigemasa Oya; 茂正大矢
Original assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Ueda Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-30
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP6110653B2

Abstract

【課題】高感度でかつ測定範囲が広い超音波センサ付き自動車バンパを提供する。
【解決手段】平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む超音波センサの圧電振動子の下面側電極層が、直接もしくは音響整合層を介して自動車のバンパの内側表面に固定されている超音波センサ付きバンパ、但し、自動車のバンパの内側表面とは、自動車にバンパが装着された場合に、車体に対向する表面である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のバンパなどに固定して人もしくは障害物の有無の確認あるいはその位置の測定を行うのに有用な超音波センサに関する。本発明はまた、超音波センサ付きの自動車バンパにも関する。

自動車を駐車場に駐車する際、自動車を人もしくは障害物に接触させないようにするために、自動車のバンパの内側表面に超音波センサを固定して、人もしくは障害物の有無の確認あるいはその位置の測定を行い、人もしくは障害物が自動車に近づいたら警告音を発して運転者に知らせるシステムが開発されている。なお、本発明において、自動車のバンパの内側表面とは、自動車にバンパが装着された場合に車体に対向する表面を意味する。

特許文献１には、自動車のバンパの内側表面に固定するための超音波センサとして、有底筒状ケースの底面に圧電振動子（圧電素子）を貼り合わせたユニモルフ振動子が記載されている。この超音波センサは、圧電振動子を振動させると、有底筒状ケースの底面も振動して底面に直交する向きに超音波が送信される。

特許文献２には、物体の有無や大きさあるいは物体までの距離を検出するための超音波センサとして、圧電振動子の一面に音響整合層を固定し、その他の圧電振動子の周囲は弾性樹脂で埋めた構成の超音波センサが記載されている。この超音波センサでは、圧電振動子を振動させると、その振動により発生した超音波は音響整合層を伝搬して、音響整合層に直交する向きに超音波が送信される。この文献の実施例には、直径９ｍｍ×厚み３ｍｍの円板型のチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック板に電極を形成した超音波の送受信周波数が２００ｋＨｚ帯の圧電振動子を用いた超音波センサが記載されている。

一方、圧電振動子の圧電材料に、気孔が形成された多孔質圧電セラミック焼結体を用いることによって、圧電振動子の音響インピーダンスが低減することは知られている。特許文献３には、圧電振動子の圧電材料に、気孔径が０．０５〜５ｍｍの球状気孔を有し、且つ空隙率が５０〜８５％の多孔質圧電セラミック焼結体を用いることが記載されている。また、特許文献４には、圧電振動子の圧電材料に、実質的に空孔径が２５μｍ以内の空孔のみからなり、空孔径が５〜２５μｍの範囲内にある空孔の空孔径の平均値がシート厚みに対して１／１０００〜１／１０の範囲内にあって、見掛け密度が真密度に対して５／１０〜９／１０の範囲内にある、厚みが０．１〜２ｍｍの範囲内にある多孔質誘電体シートを用いることが記載されている。なお、特許文献３及び特許文献４には、圧電材料に多孔質圧電セラミック焼結体を用いた圧電振動子を、自動車用の超音波センサに使用することについての記載はない。

特開２００８−１４５３９１号公報特開平１０−２２４８９５号公報特開平７−２３２９７４号公報特開２０００−１１９０６３号公報

自動車用の超音波センサは、高感度でかつ測定範囲が広いことが好ましい。
しかしながら、特許文献１に記載されているような、有底筒状ケースの底面に圧電振動子を貼り合わせた構成の超音波センサは、自動車のバンパに固定すると感度が大きく低下するという問題がある。この感度低下の問題を解消する方法として、バンパに超音波センサを取り付けるための穴を形成して、その穴から超音波センサを外部に露出させる方法がある。しかし、この方法では、超音波センサが外部から見えてしまうため、見栄えが悪いという問題がある。

また、超音波は一般に高周波になると減衰率が大きくなるため、特許文献２に記載されている周波数が２００ｋＨｚ帯の超音波センサは、自動車用の超音波センサとして用いるには測定範囲が狭いという問題がある。圧電振動子の圧電セラミック板の厚さを厚くすることによって、圧電振動子の超音波の送受信周波数を低周波にすることは可能である。しかしながら、本発明者の検討によると、圧電振動子の圧電セラミック板の厚さを厚くすると、圧電振動子の指向角度が狭くなるという問題が発生する。

本発明の目的は、高感度でかつ測定範囲が広い超音波センサ付き自動車バンパを提供することにある。本発明の目的はまた、自動車バンパに取り付けても感度が低下しにくく、また測定範囲が広い超音波センサを提供することにもある。

本発明者は、超音波センサの圧電振動子の圧電材料に、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体を用いることによって、高感度でかつ測定範囲が広く、さらに自動車バンパの内側（自動車の車体に対向する側）の表面に取り付けても感度が低下しない超音波センサが得られることを見出して、本発明を完成させた。

従って、本発明は、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む超音波センサの圧電振動子の下面側電極層が、直接もしくは音響整合層を介して自動車のバンパの内側表面に固定されている超音波センサ付きバンパ、但し、自動車のバンパの内側表面とは、自動車にバンパが装着された場合に、車体に対向する表面である、にある。

本発明はまた、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む、自動車バンパ固定用の超音波センサにもある。

本発明はさらに、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む超音波センサにもある。

本発明の超音波センサは、自動車バンパの内側表面に固定しても高感度でかつ測定範囲が広いので、超音波を自動車の前方又は後方に送受信することができる。このため、本発明の超音波センサ付きバンパを用いることによって、人もしくは障害物の有無の確認あるいはその位置の測定を高精度かつ確実に行うことができる。また、本発明の超音波センサは、バンパに超音波センサの取り付け用の穴を形成することなく、バンパに装着できるため、見栄えが悪くなることはない。

本発明に従う超音波センサを自動車バンパに固定した状態を示す概念図である。実施例１にて設定した超音波センサの概念図である。

本発明の超音波センサは、圧電振動子に、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を用いる。多孔質柱状圧電セラミック焼結体は、四角以上の多角形の柱状もしくは円柱状であることが好ましく、円柱状であることが特に好ましい。気孔の平均直径は、２０〜１００μｍの範囲にあることが好ましく、２０〜８０μｍの範囲にあることが好ましい。空隙率は８〜４０体積％の範囲にあることが好ましい。下面の直径を１としたときの高さの比は２〜５の範囲にあることが好ましい。多角形の柱状の場合、下面の直径は対角線を意味する。

本発明では、圧電振動子の電極層の表面（自動車バンパに固定した側の電極層の表面）を超音波の送受信面として利用する。圧電振動子の側面と、超音波の送受信面として使用しない側の電極層の表面は吸音材で被覆することが好ましい。吸音材の材料の例としては、コルク、ベーク材、樹脂（例、エポキシ樹脂）及びゴム（例、硬質ゴム）を挙げることができる。これらの材料には、超音波を吸収もしくは反射する物質を分散させてもよい。圧電振動子の超音波の送受信周波数は、一般に４０〜１００ｋＨｚの範囲にある。

多孔質柱状圧電セラミック焼結体の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムを挙げることができる。電極層の材料の例としては、金及び銀を挙げることができる。

本発明の超音波センサは、例えば、圧電セラミック粉末とバインダと気孔形成材料とを含む混合物を柱状に成形して柱状成形体を作成し、次いで柱状成形体を気孔形成材料の加熱分解温度以上の温度に加熱して、気孔形成材料を分解除去すると共に、圧電セラミック粉末を焼結させて多孔質柱状圧電セラミック焼結体を得る工程、得られた多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下の面に電極層を形成する工程、そして多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下の電極層に電圧を印加して、多孔質柱状圧電セラミック焼結体を高さ方向に分極させる工程を含む方法によって製造することができる。

多孔質柱状圧電セラミック焼結体を得る工程において、圧電セラミック粉末とバインダと気孔形成材料との混合は湿式で行うことが好ましい。バインダの例としてはポリビニルアルコールを挙げることができる。気孔形成材料は球状プラスチック材料であることが好ましい。球状プラスチック材料の例としては、ポリメチルメタクリレート及び発砲ポリスチロールを挙げることができる。柱状成形体の成形には加圧成形法を利用することができる。

多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下の面に電極層を形成する方法としては、銀ペーストを塗布し、焼き付ける方法、スパッタ法及び蒸着法を用いることができる。

次に、本発明の超音波センサの使用態様を、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に従う超音波センサを自動車バンパに固定した状態を示す概念図である。

図１において、超音波センサ１０は、バンパ２０の内側表面に固定されている。超音波センサ１０は、気孔１１が分散されている多孔質柱状圧電セラミック焼結体１２と、多孔質柱状圧電セラミック焼結体１２の上下面に付設された電極層１３ａ、１３ｂとからなる圧電振動子１４からなる。圧電振動子１４の多孔質柱状圧電セラミック焼結体１２の側面と上面側電極層１３ａの表面は、吸音材１５で被覆されている。圧電振動子１４の上下の電極層１３ａ、１３ｂはそれぞれリード線１６ａ、１６ｂと接続しており、リード線１６ａ、１６ｂの他方の端部はそれぞれ端子１７ａ、１７ｂとに電気的に接続している。端子１７ａ、１７ｂは端部が吸音材１５から突出していて、制御装置３０と電気的に接続している。吸音材１５は、端子１７ａ、１７ｂが突出している部分を除いて、固定用カバー１８で覆われている。固定用カバー１８の下方外側面にはおねじ部１９が設けられている。

バンパ２０の内側表面には、筒状の支持台２１が固定されている。筒状支持台２１の内側面にはめねじ部２２が設けられていて、筒状支持台２１のめねじ部２２に超音波センサ１０の固定用カバー１８のおねじ部１９を嵌め合わせることによって、超音波センサ１０はバンパ２０の内側表面に固定されている。なお、図１では、圧電振動子１４の下面側電極層１３ｂは、自動車バンパ２０の内側表面に直接接触するように固定されているが、圧電振動子１４の下面側電極層１３ｂと自動車バンパ２０の内側表面との間に音響整合層を設けてもよい。音響整合層の材料としては、樹脂（例、エポキシ樹脂）及びゴム（例、硬質ゴム）を挙げることができる。

制御装置３０は、超音波センサの圧電振動子に電気的に接続する送信系３１と受信系３２、送信系３１と受信系３２とに電気的に接続する演算器３３、そして送信系３１、受信系３２、演算器３３に電気的に接続する電源３４を含む。

図１の超音波センサ付きバンパでは、次のようにしてバンパから人もしくは障害物までの距離を測定することができる。先ず、演算器３３が時間Ｔ₀をカウントしたときに、送信系３１はパルス状の電気エネルギーを、超音波センサ１０の圧電振動子１４に発信する。圧電振動子１４は、電気エネルギーを超音波に変換する。圧電振動子１４にて発生した超音波はバンパ２０を伝搬して、バンパ２０の外側表面に放射される。放射された超音波は人もしくは障害物が存在する場合には、その人もしくは障害物の表面で反射する。反射した超音波はバンパ２０を伝搬して圧電振動子１４に到達する。圧電振動子１４は超音波を電気エネルギーに変換する。圧電振動子にて発生した電気エネルギーは受信系３２に送られ、受信系３２は電気エネルギーのノイズを除去して人もしくは障害物の表面で反射した超音波に起因して発生した電気エネルギーのみを演算器３３に送る。演算器３３は電気エネルギーを受けた時間Ｔ₁をカウントし、下記の式（Ｉ）より、バンパから人もしくは障害物までの距離（ｍ）を求める。

バンパから人もしくは障害物までの距離（ｍ）＝｛空気中の超音波の伝搬速度（ｍ／秒）×（Ｔ₁−Ｔ₀）｝／２・・・・（Ｉ）

以上本発明の超音波センサを、自動車バンパに固定した場合を例に取り説明したが、本発明の超音波センサは、侵入者警報装置や自動ドアなどの人の検知用センサとして利用することができる。

［実施例１］
（１）超音波センサ
図２に示すように、サイズが、直径６．４ｍｍ、高さ１６．１ｍｍで、平均直径が３０μｍの気孔１１が分散された、空隙率が１０体積％の多孔質円柱状圧電セラミック焼結体１２と、その多孔質円柱状圧電セラミック焼結体１２の上下面に備えられた電極層１３ａ、１３ｂとからなる圧電振動子１４、圧電振動子１４の上面側電極層１３ａ及び側面を覆う厚さ３．８ｍｍのコルク製吸音材１５、さらにそのコルク製吸音材１５を覆う厚さ１ｍｍのアルミニウム製固定用カバー１８から構成された超音波センサ１０の構造を設定した。
（２）超音波センサ付きバンパ
次いで、図２の超音波センサ１０の下面側電極層１３ｂを、厚さ２．６ｍｍのポリプロピレン樹脂製バンパ２０に固定した超音波センサ付きバンパの構造を設定した。

（１）の超音波センサと（２）の超音波センサ付きバンパの各々の構造について、圧電振動子の共振周波数、送信感度及び指向角度を圧電解析ソフトウェア（ＰＺＦｌｅｘ、ＷｅｉｄｉｎｇｅｒＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ社製）を用いてシミュレーションにより求めた。その結果を表１に示す。なお、送信感度及び指向角度は、測定距離を３００ｍｍ、作動電圧を１００Ｖp-pとしたときの値である。指向角度は、送信感度に対する感度が−３ｄＢ、−６ｄＢ、−１２ｄＢとなる角度を求めた。

［比較例１］
実施例１の超音波センサにおいて、多孔質円柱状圧電セラミック焼結体の代わりに、サイズが、直径６．４ｍｍ、高さ２０．７８ｍｍで、空隙率が０体積％の円柱状圧電セラミック焼結体としたこと以外は実施例１と同様にして、（１）超音波センサと（２）超音波センサ付きバンパのそれぞれの場合について、超音波センサの圧電振動子の共振周波数、送信感度及び指向角度をシミュレーションにより求めた。その結果を表１に示す。

［参考例１］
市販のアルミニウム製の有底筒状ケースの底面に圧電振動子を貼り合わせた構成の超音波センサを用いて、（１）超音波センサ単独の状態と（２）超音波センサをバンパに固定した状態のそれぞれの場合について、超音波センサの共振周波数、送信感度及び指向角度を実際に測定した。その結果を表１に示す。

表１
────────────────────────────────────────
指向角度（度）
共振周波数送信感度 ───────────────────
（ｋＨｚ）（ｄＢ） −３ｄＢ −６ｄＢ −１２ｄＢ
────────────────────────────────────────
実施例１（シミュレーションにより求めた値）
（１）６２．９０１０６．８７１１．７８１４．９９２０．８０
（２）５９．８６１０６．６９１０．８９１５．４８２６．４３
────────────────────────────────────────
比較例１（シミュレーションにより求めた値）
（１）６２．９０１１５．２９９．２６１２．９４１８．５５
（２）６０．４７１１４．４７９．６５１４．０７１７．５９
────────────────────────────────────────
参考例１（実測値）
（１）４０．７５１１６．１９４６．２４６１．２９７９．９４
（２）５２．２６９４．０５１１．２５１７．５９測定不可
────────────────────────────────────────
（１）超音波センサ単独の状態での値。
（２）超音波センサをバンパに固定した状態での値。

表１の結果から、本発明に従う超音波センサ（実施例１）と、気孔を有しない圧電セラミック焼結体を用いた超音波センサ（比較例１）とで、超音波センサをバンパに固定した状態を比較すると、送信感度は比較例１の超音波センサの方が若干高いが、指向角度は実施例１の超音波センサの方が顕著に広いこと、すなわち測定範囲が広いことが分かる。また。アルミニウム製の有底筒状ケースの底面に圧電振動子を貼り合わせた構成の市販の超音波センサ（参考例１）は、バンパに固定した状態での送信感度の低下が大きく、バンパに固定した状態では、送信感度が実施例１の超音波センサよりも低く、また指向角度（−１２ｄＢ）は測定することができなかった。

１０超音波センサ
１１気孔
１２多孔質柱状圧電セラミック焼結体
１３ａ、１３ｂ電極層
１４圧電振動子
１５吸音材
１６ａ、１６ｂリード線
１７ａ、１７ｂ端子
１８固定用カバー
１９おねじ部
２０バンパ
２１筒状支持台
２２めねじ部
３０制御装置
３１送信系
３２受信系
３３演算器
３４電源

Claims

平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む超音波センサの圧電振動子の下面側電極層が、直接もしくは音響整合層を介して自動車のバンパの内側表面に固定されている超音波センサ付きバンパ、但し、自動車のバンパの内側表面とは、自動車にバンパが装着された場合に、車体に対向する表面である。
多孔質柱状圧電セラミック焼結体が円柱状である請求項１に記載の超音波センサ付きバンパ。
平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む、自動車バンパ固定用の超音波センサ。
平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあり、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあって、下面の直径を１としたときの高さの比が１．５〜５の範囲にある多孔質柱状圧電セラミック焼結体と、該多孔質柱状圧電セラミック焼結体の上下面に付設された電極層とからなり、多孔質柱状圧電セラミック焼結体が高さ方向に分極されている圧電振動子を含む超音波センサ。