JP2019042712A - 超音波投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高音圧の超音波を投射可能な超音波投射装置において、大型化を抑制しかつ耐環境性を向上させる。【解決手段】超音波を投射する超音波投射装置１であって、投射する超音波に応じた振動を発生する振動部として機能する、振動子２及び振動伝達部３及びホーン４を設ける。その振動部との間に空洞部６を形成して、振動部と接続された平板状の振動増幅板５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波投射装置に関するものである。

近年、車両用の超音波センサや、音波に指向性を持たせて投射するパラメトリックスピーカとして、小型の超音波投射装置が用いられている。例えば、車両用の超音波センサは、超音波を投射すると共に、反射した超音波を受信して、障害物までの距離を示す信号を出力する。また、パラメトリックスピーカは、アレイ状に配列される複数の超音波投射装置を備え、定められた方向に強力な音波を投射する。

例えば、特許文献１には、超音波を発する圧電部材を備える超音波センサが開示されている。このような特許文献１に示す超音波センサによれば、圧電部材で生成された超音波振動によって超音波を外部に対して投射することができる。ただし、圧電部材で発生可能な超音波の音圧は小さい。このため、特許文献１で開示されたような超音波センサでは、極めて近距離にしか有効な超音波を投射することができない。このため、一般的には、より遠方まで超音波を投射する超音波センサの場合には、圧電部材で生成された超音波振動に共振するホーンを備えている。このようなホーンは、通常は中実の棒状とされているが、より強力な音波を出力する場合には、先端に前方に向けて広がるロート状の金属薄板を備えている。

特開２０１０−２４３４１４号公報

しかしながら、ホーンが上述のようなロート状の金属薄板を備える場合には、金属薄板を保護等するために、ホーンを樹脂ケース等に収容する必要がある。また、音波が遮られないよう、樹脂ケースは例えば超音波を通過させる部位がメッシュ状とされている。このため、樹脂ケースを備えることにより超音波投射装置が大型化すると共に、樹脂ケースの内部に雨水等が侵入しやすく耐環境性が低い。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高音圧の超音波を投射可能な超音波投射装置において、大型化を抑制しかつ耐環境性を向上させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、超音波を投射する超音波投射装置であって、投射する上記超音波に応じた振動を発生する振動部と、上記振動部との間に空洞部を形成して上記振動部と接続された平板状の振動増幅板とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記振動部が発生する振動の周波数が、上記振動増幅板が表面に沿った方向にて節が発生しない周波数であるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記振動部が、上記超音波の投射方向に向けて開口された凹部を有し、上記振動増幅板が上記振動部の凹部を塞いで上記振動部に接続され、上記凹部の内部が上記空洞部であるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記凹部の底部が、上記凹部の開口方向から見て中央部が最も深くなるように窪んでいるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記振動増幅板の外縁部に一体的に固定された取付部を有し、上記取付部と上記振動部とが螺合されることにより上記振動増幅板が上記振動部に接続されているという構成を採用する。

第６の発明は、上記取付部が、一端側が上記振動増幅板に一体的に固定され、他端側が上記振動部に当接され、一端側と他端側との間の側面部が上記振動部と螺合されているという構成を採用する。

本発明によれば、平板状の振動増幅板が空洞部を形成するようにして振動部と接続されている。このような本発明によれば、空洞部の作用によって平板状の振動増幅板が大きく振幅するために、中実の棒状のホーンのみを有する超音波投射装置よりも強力な音圧の超音波を投射することができる。さらに、ロート状の金属薄板を備える必要がないことから、装置の外形形状が大型化することを防止でき、さらには耐環境性を向上させることができる。したがって、本発明によれば、高音圧の超音波を投射可能な超音波投射装置において、大型化を抑制しかつ耐環境性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態における超音波投射装置の概略構成を示す外観図である。 本発明の一実施形態における超音波投射装置が備えるホーンを含む概略構成図であり、（ａ）が軸芯に沿った面で切断した断面図であり、（ｂ）が軸芯に沿った方向から見た正面図であり、（ｃ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 面積比１．０の比較用超音波投射装置と、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置と、面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置とにおいて、アドミタンスループより求めた各値をまとめた表である。 横軸に振動増幅板の半径方向の位置、縦軸に振動変位の実効値をとったグラフである。 横軸に角度、縦軸に音圧をとったグラフである。 本発明の一実施形態における超音波投射装置の変形例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る超音波投射装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の超音波投射装置１の概略構成を示す外観図である。この図に示すように、本実施形態の超音波投射装置１は、振動子２と、振動伝達部３と、ホーン４と、振動増幅板５とを備えている。

振動子２は、振動（超音波振動）を発生させるユニットであり、電力を供給することによって振動する複数の圧電素子２ａと、これらの圧電素子２ａを支持するホルダ２ｂとを備えている。なお、圧電素子２ａに換えて、磁歪素子、電歪素子などの電気機械変換素子を用いることも可能である。このような振動子２としては、例えば、強力な超音波を発生させるボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ：Bolt-clamped Langevin type Transducer）を好適に用いることができる。このような振動子２は、図示を省略する電源回路（電源）から供給される電力によって駆動される。

振動伝達部３は、振動子２とホーン４との間に配置されており、振動子２で生成された超音波振動をホーン４に対して伝達する。この振動伝達部３は、中実な断面が一様な棒部３ａと、棒部３ａの周面に接続されたフランジ３ｂとを備えている。棒部３ａは、一方の端部が振動子２に接続され、他方の端部がホーン４に接続されている。フランジ３ｂは、棒部３ａの節（超音波振動が伝達された場合に変位しない部位）に接続されており、本実施形態の超音波投射装置１を外部部材に対して取り付ける場合の取付部とされる部位である。

ホーン４は、振動伝達部３を介して振動子２から伝達される超音波振動に対して共振することによって超音波振動を増幅し、強力な音圧の超音波を外部に向けて放射（投射）するための部位である。

図２は、ホーン４を含む概略構成図であり、（ａ）が軸芯に沿った面で切断した断面図であり、（ｂ）が軸芯に沿った方向から見た正面図であり、（ｃ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図である。これらの図に示すように、ホーン４は、円柱の一方の平らな端面に対して、軸芯に沿った方向に向けて窪んだ凹部４ａが形成された形状とされている。凹部４ａは、ホーン４の径方向の中央に一定の深さで形成されており、ホーン４の軸芯と同心状の略円柱形状とされている。この凹部４ａによってホーン４の先端側は径方向において薄肉化された筒形状とされている。なお、このような凹部４ａによって筒形状とされたホーン４の先端部を、説明の便宜上、筒状先端部４ｂと称し、筒状先端部４ｂを除く部位を根元部４ｃと称する。

なお、凹部４ａは、ホーン４に対してドリル等の工具によって形成するため、図２（ａ）に示すように底部が円錐状に窄む形状となっている。ただし、凹部４ａの底部は平坦状であっても良い。凹部４ａの深さ寸法を円錐状に窄んだ底部を除いた部位の深さ寸法とした場合に、凹部４ａの深さ寸法は、例えばホーン４の全長ｘの半分とされる。この場合、図２（ａ）に示すように、円錐状に窄んだ底部を無視した場合の根元部４ｃの長さ寸法は、ホーン４の全長ｘの半分となる。このように凹部４ａの深さ寸法（すなわち後述の空洞部６の長さ寸法）がホーン４の全長ｘの半分とされることによって、振動増幅板５を強く振動させることができる。

振動増幅板５は、ホーン４の外径と同一の直径寸法とされた円板状（平板状）の部位であり、ホーン４との間に空洞部６を形成し、凹部４ａの開放端を塞ぐようにして筒状先端部４ｂに接続されている。つまり、本実施形態では、ホーン４と振動増幅板５とによって囲まれた密閉空間が空洞部６となっている。この振動増幅板５は、空洞部６が形成されているため、超音波振動が伝達されることによって大きく振幅することができる。

このような振動増幅板５は、径方向における全域が同相で振動されることが望ましい。例えば、振動増幅板５は、径方向の中心部が超音波の投射方向に変位する場合には、径方向の中心部を除く他の領域も超音波の投射方向に変位し、径方向の中心部が超音波の投射方向と反対側に変位する場合には、径方向の中心部を除く他の領域も超音波の投射方向と反対側に変位するように振動することが好ましい。つまり、振動子２が発生する超音波振動の周波数は、振動増幅板５が表面に沿った方向にて節が発生しない周波数であることが好ましい。なお、振動増幅板５は、ホーン４と同様に超音波振動に対して共振することでたわみ振動し、これによって強力な音波を放射する。

なお、本実施形態において、超音波投射装置１の構成要素のうち、振動増幅板５を除く、振動子２及び振動伝達部３及びホーン４は、投射する超音波に応じた振動を発生する振動部として機能する。つまり、本実施形態の超音波投射装置１は、上記振動部と、この振動部と間に空洞部を形成して接続される振動増幅板５とを備える構成とされている。

このような本実施形態の超音波投射装置１では、外部の電源回路（電源）から電力が振動子２の圧電素子２ａに供給されると、圧電素子２ａが振動し、超音波振動が生成される。この超音波振動は、振動伝達部３を介してホーン４及び振動増幅板５に伝達され、これによって強力な超音波が射出される。

続いて、本実施形態の超音波投射装置１を用いた基礎検討について説明する。
本検討では、振動子２として、６０ｋＨｚ用ボルト締めランジュバン型振動子を用いた。振動子２は、直径寸法を１５ｍｍ、長さ寸法を３９ｍｍとした。また、振動伝達部３において、棒部３ａの直径寸法を１５ｍｍ、棒部３ａの長さ寸法を４２．５ｍｍとした。また、振動伝達部３において、フランジ３ｂは、直径寸法を２５ｍｍ、厚さ寸法を１ｍｍとし、棒部３ａの振動子２側の端部から１９．５ｍｍの位置に設置した。また、振動伝達部３の材質は、アルミニウム合金（Ａ２０１７）とした。

ホーン４は、２種類のものを用いた。第１のホーン４は、外径寸法を１５ｍｍ、空洞部６の内径寸法を１０．６ｍｍ、長さ寸法を３４ｍｍとした。第２のホーン４は、外径寸法を１５ｍｍ、空洞部６の内径寸法を１２．２ｍｍ、長さ寸法を４１ｍｍとした。また、いずれのホーン４に対しても、直径寸法が１５ｍｍで厚さ寸法が１ｍｍの振動増幅板５を、凹部４ａを塞ぐように固定した。第１のホーン４を用いた場合における、振動増幅板５の面積（図２（ｂ）で示された面積）と筒状先端部４ｂの振動増幅板５に対する接触面積（図２（ｃ）で示された面積）との比率（以下、面積比と称する）は、２．０となる。また、第２のホーン４を用いた場合における、面積比は３．０となる。

また、本検討においては、本実施形態の超音波投射装置１と比較するために、空洞部６が形成されていない超音波投射装置（比較用超音波投射装置）についても検討を行った。なお、比較用超音波投射装置における、面積比は１．０となる。

図３は、面積比１．０の比較用超音波投射装置と、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１と、面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置１とにおいて、アドミタンスループより求めた各値をまとめた表である。なお、図３において、ホーン４の長さ寸法ｘは、超音波投射装置の共振周波数が５８ｋＨｚ付近となるように有限要素法によって求めた値である。図３により、いずれの超音波投射装置も約５８ｋＨｚの共振を得られることが分かった。

ホーン４の先端部に取り付けられた振動増幅板５の振動モードを明らかにするために振動増幅板５の中央を通る半径方向の各位置における振動変位の測定を行なった。測定は入力電力が０．１Ｗで一定とし、共振周波数にて駆動させた。なお、振動変位はレーザードップラ振動計を用いて測定した。図４は、その結果であり、横軸に振動増幅板５の半径方向の位置、縦軸に振動変位の実効値をとっている。なお、図４において、白丸が面積比１．０の比較用超音波投射装置の結果を示し、白四角が面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１の結果を示し、白三角が面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置１の結果を示している。

図４に示すように、面積比１．０の比較用超音波投射装置の場合、振動変位分布は各位置においてほぼ一定の値で同相となり、ピストン振動することがわかった。一方、面積比２．０、３．０の本実施形態の超音波投射装置１の場合、振動変位分布は中心部分（位置０．０ｍｍ）において極大値となっていることがわかる。これは、振動増幅板５がたわみ振動しているためである。また、面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置１の振動変位分布は、直径方向の外周位置付近で振動変位がほぼ０になり、振動の位相が反転し、節円があることがわかる。しかし、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１の振動変位分布は、振動変位が０になることはなかった。これより、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１における振動増幅板５は、全域で同相、かつ大きな振動変位が得られるということがわかつた。

放射される音波の指向性を明らかにするために、振動増幅板５に対して垂直方向の各角度における音圧の測定を行い、音波の指向性を求めた。測定は入力電力０．ｌＷ一定とし、共振周波数にて駆動させた。なお、音圧の測定は１／８インチマイクロホンを用いて、音源からの距離３００ｍｍにおいて行なった。なお、音圧の測定角度は、振動増幅板５に対して垂直な角度を０° とし、−９０〜９０°の範囲とした。図５は、その結果であり、横軸に角度、縦軸に音圧をとっている。なお、図５においても、白丸が面積比１．０の比較用超音波投射装置の結果を示し、白四角が面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１の結果を示し、白三角が面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置１の結果を示している。

図５に示すように、面積比１．０の比較用超音波投射装置の場合、及び、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１の場合の音圧は、超音波投射装置の正面で最大値となり、単一の指向性となっていることがわかった。その際の音圧は、面積比２．０の本実施形態の超音波投射装置１が約２３Ｐａ（約１２１ｄＢ）、面積比１．０の比較超音波投射装置が約７Ｐａ（約１１ｌｄＢ）であった。一方、面積比３．０の本実施形態の超音波投射装置１の場合は、正面以外で最大値となり、その際の音圧は、面積比１．０の比較用超音波投射装置を下回った。この理由は、図４の結果より、振動増幅板５上に節円が形成され、位相の反転した音波が射出されたことで弱め合ったためと考えられる。

以上のような本実施形態の超音波投射装置１によれば、平板状の振動増幅板５が空洞部６を形成するようにしてホーン４と接続されている。このような本実施形態の超音波投射装置１によれば、空洞部６の作用によって平板状の振動増幅板５が大きく振幅するために、中実の棒状のホーンのみを有する超音波投射装置（上述の比較用超音波投射装置）よりも強力な音圧の超音波を投射することができる。さらに、ロート状の金属薄板を備える必要がないことから、装置の外形形状が大型化することを防止でき、さらには耐環境性を向上させることができる。

また、本実施形態の超音波投射装置１においては、振動子２が発生する超音波振動の周波数が、振動増幅板５が表面に沿った方向にて節（節円）が発生しない周波数とされていることが好ましい。振動子２が発生する超音波振動の周波数を振動増幅板５が表面に沿った方向にて節（節円）が発生しない周波数とした場合には、図５に示す結果から明らかなように、超音波の音圧と指向性を高めことが可能となる。

また、本実施形態の超音波投射装置１においては、ホーン４が、超音波の投射方向に向けて開口された凹部４ａを有し、振動増幅板５がホーン４の凹部４ａを塞いでホーン４に接続され、凹部４ａの内部が空洞部６とされている。このような本実施形態の超音波投射装置１によれば、簡易な構造にて強力な音圧の超音波を放射することが可能となる。

また、本実施形態の超音波投射装置１においては、凹部４ａの底部が、凹部４ａの開口方向から見て中央部が最も深くなるように窪んでいる。このため、凹部４ａの底面と側面との接続角度を大きくすることが可能となり、底面と側面との接続箇所に作用する応力を低減することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、接着剤等によって振動増幅板５がホーン４に対して取り付けられた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図６に示すように振動増幅板５の外縁部に一体的に固定された取付部７を設け、取付部７とホーン４とを螺合することにより振動増幅板５がホーン４に対して固定する構成を採用することも可能である。このような場合には、振動増幅板５の外縁部に沿って環状とされた取付部７の内周面に雌ネジ部７ａを形成し、ホーン４の外周面に雄ネジ部４ｄを形成し、これらの雌ネジ部７ａと雄ネジ部４ｄとを螺合する。このような構成を採用することによって、振動増幅板５をより強固にホーン４に固定することができ、強力な音波の発生によっても振動増幅板５がホーン４から脱離することを防止することができる。

なお、図６に示すように、取付部７は、振動増幅板５に固定される側の端部（一端）と反対側の端部（他端）の間の側面部がホーン４に螺合されているが、他端がホーン４に対して突き当てられることによって当接していることが好ましい。これによって、取付部７とホーン４との接触面積が広くなり、より確実に超音波振動を振動増幅板５に伝達することが可能となる。

また、上記実施形態においては、振動増幅板５がホーン４と同一材料によって形成された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。振動増幅板５をホーン４と別の材料によって形成することも可能である。また、振動増幅板５及びホーン４を樹脂材料等によって形成することも可能である。さらに、振動増幅板５を、超音波が投射される先側に露出して配置された表層部と、表層部と異なる材料で形成されると共にホーン４側に位置する底層部とに分かれた構成を採用することも可能である。例えば、底層部が剛性を高めるための金属で形成され、表層部が車両の塗料と同一色の樹脂材料で形成された構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、ホーン４を備え、ホーン４が凹部４ａを備える構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ホーン４を備えずに、振動子２に対して凹部を形成し、振動増幅板５を振動子２に対して直接接続する構成を採用することも可能である。また、ホーン４を備えずに、振動伝達部３に対して凹部を形成し、振動増幅板５を振動伝達部３に対して直接接続する構成を採用することも可能である。

１……超音波投射装置、２……振動子、３……振動伝達部、４……ホーン、４ａ……凹部、４ｂ……筒状先端部、４ｃ……根元部、４ｄ……雄ネジ部、５……振動増幅板、６……空洞部、７……取付部、７ａ……雌ネジ部

Claims (6)

1. 超音波を投射する超音波投射装置であって、
   投射する前記超音波に応じた振動を発生する振動部と、
   前記振動部との間に空洞部を形成して前記振動部と接続された平板状の振動増幅板と
   を備えることを特徴とする超音波投射装置。
2. 前記振動部が発生する振動の周波数が、前記振動増幅板が表面に沿った方向にて節が発生しない周波数であることを特徴とする請求項１記載の超音波投射装置。
3. 前記振動部は、前記超音波の投射方向に向けて開口された凹部を有し、
   前記振動増幅板が前記振動部の凹部を塞いで前記振動部に接続され、
   前記凹部の内部が前記空洞部である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の超音波投射装置。
4. 前記凹部の底部が、前記凹部の開口方向から見て中央部が最も深くなるように窪んでいることを特徴とする請求項３記載の超音波投射装置。
5. 前記振動増幅板の外縁部に一体的に固定された取付部を有し、
   前記取付部と前記振動部とが螺合されることにより前記振動増幅板が前記振動部に接続されている
   ことを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の超音波投射装置。
6. 前記取付部は、一端側が前記振動増幅板に一体的に固定され、他端側が前記振動部に当接され、一端側と他端側との間の側面部が前記振動部と螺合されていることを特徴とする請求項５記載の超音波投射装置。

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