JP2019220911A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低いＱ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有する超音波センサを提供すること。【解決手段】超音波センサ１００は、ケース２００と、支持構造３００と、圧電素子４１０を有する振動子４００とを備えている。ケース２００は、底部２１０と、側部２２０とを有している。側部２２０は、底部２１０から上下方向において上方に延びている。底部２１０及び側部２２０は、収容部２５０を規定している。支持構造３００は、収容部２５０内において、底部２１０上に固定されている。振動子４００は、支持構造３００に支持されており、且つ、収容部２５０内に位置している。上下方向と直交する水平面において、振動子４００は、支持構造３００よりも大きい。支持構造３００のヤング率は、振動子４００のヤング率よりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波センサに関する。

この種の超音波センサとしては、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の超音波センサは、底部に溝を設けたケースと、ケースの底部に貼り付けられた圧電素子とを備えている。特許文献１の超音波センサは、ケースの底部に設けた溝により、複数の共振周波数で駆動可能となっている。

特許５１１１９７７号公報

一般的に、超音波センサで近距離の障害物を検出するためには、残響を短時間で停止させる必要がある。即ち、近距離の障害物を検出するための超音波センサは、できるだけ低いＱ値を有している必要がある。また、超音波センサの駆動回路の調整の容易さから、広い使用可能帯域を有する超音波センサの需要がある。

そこで本発明は、低いＱ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有する超音波センサを提供することを目的とする。

本発明は、第１の超音波センサとして、
ケースと、支持構造と、圧電素子を有する振動子とを備える超音波センサであって、
前記ケースは、底部と、側部とを有しており、
前記側部は、前記底部から上下方向において上方に延びており、
前記底部及び前記側部は、収容部を規定しており、
前記支持構造は、前記収容部内において、前記底部上に固定されており、
前記振動子は、前記支持構造に支持されており、且つ、前記収容部内に位置しており、
前記上下方向と直交する水平面において、前記振動子は、前記支持構造よりも大きく、
前記支持構造のヤング率は、前記振動子のヤング率よりも小さい
超音波センサを提供する。

また、本発明は、第２の超音波センサとして、第１の超音波センサであって、
前記支持構造のヤング率は、前記ケースのヤング率よりも小さい
超音波センサを提供する。

また、本発明は、第３の超音波センサとして、第１又は第２の超音波センサであって、
前記振動子は、基板を更に備えており、
前記基板は弾性を有しており、
前記圧電素子は、前記基板上に設けられており、
前記水平面において、前記基板と前記圧電素子とは互いに等しい大きさを有している
超音波センサを提供する。

また、本発明は、第４の超音波センサとして、第１から第３までのいずれかの超音波センサであって、
前記振動子の固有共振周波数は、前記ケースの固有共振周波数より高い
超音波センサを提供する。

本発明の超音波センサにおいて、支持構造のヤング率は、振動子のヤング率よりも小さくなっている。これにより、本発明の超音波センサは、低いＱ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有している。

本発明の実施の形態による超音波センサを示す斜視図である。 図１の超音波センサを示す一部切り欠き斜視図である。図において支持構造の一部を拡大して示している。 図１の超音波センサの有限要素法（ＦＥＭ）による周波数応答解析結果を示すグラフである。 図１の超音波センサにおける支持構造のヤング率と共振周波数との関係を示すグラフである。 図１の超音波センサの周波数特性の実測結果を示すグラフである。

図１及び図２に示されるように、本発明の実施の形態の超音波センサ１００は、ケース２００と、支持構造３００と、圧電素子４１０を有する振動子４００とを備えている。

図１及び図２に示されるように、本実施の形態のケース２００は、底部２１０と、側部２２０と、収容部２５０とを有している。本実施の形態のケース２００は、上端が開口した有底円筒形を有している。本実施の形態において、上下方向はＺ方向である。また、上方は＋Ｚ方向であり、下方は−Ｚ方向である。なお本発明はこれに限定されず、ケース２００は、有底円筒形以外の形状を有していてもよい。本実施の形態のケース２００のヤング率は、約７０ＧＰａである。

図１及び図２から理解されるように、本実施の形態の底部２１０は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、底部２１０は、上下方向と直交する円板形状を有している。底部２１０は、上下方向においてケース２００の下端を規定している。底部２１０は、上下方向において上方を向いた上面２１２を有している。底部２１０は、上下方向に貫通する溝を有していない。

図１及び図２から理解されるように、本実施の形態の側部２２０は、上下方向に延びる筒形状を有している。より詳しくは、側部２２０は、上下方向に延びる円筒形状を有している。側部２２０は、上下方向において底部２１０の上方に位置している。即ち、側部２２０は、底部２１０から上下方向において上方に延びている。より詳しくは、側部２２０は、底部２１０の上下方向と直交する直交方向における外端から上方に延びている。

図２に示されるように、本実施の形態の収容部２５０は、上下方向に延びる空間である。底部２１０及び側部２２０は、収容部２５０を規定している。より詳しくは、底部２１０は、収容部２５０の下端を規定しており、側部２２０は、収容部２５０の直交方向における外端を規定している。収容部２５０の上端は開口している。但し、残響時間を短くするためにウレタン系やシリコーン系の樹脂の制振材や、発泡系の吸音材などを入れて収容部２５０の上端を閉口してもよい。また、超音波センサ１００に指向性を持たせるために、側部２２０の直交方向における厚みを部分的に変更して、収容部２５０の上下方向と直交する断面形状を楕円状にしてもよい。

図２を参照して、本実施の形態の支持構造３００は、樹脂製である。より詳しくは、支持構造３００は、エンジニアリングプラスチック製又はスーパーエンジニアリングプラスチック製が好ましい。支持構造３００は、上下方向に延びる柱形状を有している。より詳しくは、支持構造３００は、上下方向に延びる円柱形状を有している。なお本発明はこれに限定されず、支持構造３００は円柱形状以外の形状を有していてもよい。

図２に示されるように、本実施の形態の支持構造３００は、収容部２５０内において、底部２１０上に固定されている。より詳しくは、支持構造３００は、収容部２５０内において、ケース２００の底部２１０の上面２１２に固定されている。即ち、支持構造３００は、収容部２５０内において、ケース２００の底部２１０の上面２１２から上方に延びている。

図２に示されるように、本実施の形態の支持構造３００は、梁３１０と、２つの接着層３２０とを有している。梁３１０は、上下方向において２つの接着層３２０に挟まれている。接着層３２０は、梁３１０の上下方向における両端に夫々位置している。即ち、上側に位置する接着層３２０の下端は、梁３１０の上端と接続されており、下側に位置する接着層３２０の上端は、梁３１０の下端と接続されている。ケース２００の底部２１０と支持構造３００の梁３１０とは、下側の接着層３２０を介して接続されている。即ち、ケース２００の底部２１０の上面２１２は、支持構造３００の下側の接着層３２０の下端と接続されている。また、振動子４００と支持構造３００の梁３１０とは、上側の接着層３２０を介して接続されている。即ち、振動子４００の下端は、支持構造３００の上側の接着層３２０の上端と接続されている。

図２を参照して、ケース２００の底部２１０と支持構造３００の梁３１０とは、シリコーン系接着剤で接着されている。また、振動子４００と支持構造３００の梁３１０とは、シリコーン系接着剤で接着されている。即ち、本実施の形態の支持構造３００の接着層３２０は、シリコーン系接着剤が固化したものである。なお本発明はこれに限定されず、接着層３２０は、シリコーン系以外、例えばウレタン系やその他の樹脂で構成されていてもよい。

本実施の形態の支持構造３００のヤング率は、ケース２００のヤング率よりも小さい。具体的には、本実施の形態の支持構造３００のヤング率は、１０〜１０００ＭＰａである。

図２に示されるように、本実施の形態の振動子４００は、支持構造３００に支持されており、且つ、収容部２５０内に位置している。上下方向と直交する水平面において、振動子４００は、支持構造３００よりも大きい。支持構造３００は、振動子４００の中心を支持している。なお本発明はこれに限定されず、支持構造３００は、振動子４００の中心以外の部分を支持していてもよい。例えば、支持構造３００は、振動子４００の直交方向における両端を支持していてもよく、振動子４００の複数個所を支持していてもよい。振動子４００のヤング率は、支持構造３００のヤング率よりも大きい。即ち、支持構造３００のヤング率は、振動子４００のヤング率よりも小さい。振動子４００の固有共振周波数は、ケース２００の固有共振周波数より高い。より詳しくは、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数は、ケース２００の屈曲２次モードの共振周波数より高い。

図２から理解されるように、本実施の形態の振動子４００は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、振動子４００は、上下方向と直交する円盤形状を有している。なお本発明はこれに限定されず、振動子４００は円盤形状以外、例えば矩形の形状を有していてもよい。

図２に示されるように、本実施の形態の振動子４００は、基板４２０を更に備えている。即ち、本実施の形態の振動子４００は、圧電素子４１０と、基板４２０とを備えている。本実施の形態の振動子４００は、ユニモルフ型振動子である。しかしながら、本発明はこれに限定されず、本発明の振動子４００は、バイモルフ型振動子等であってもよい。

図２に示されるように、本実施の形態の圧電素子４１０は、上下方向に電圧を印加することにより伸縮運動する圧電セラミックスである。なお、図２において、圧電素子４１０に電圧を印加するためのリード線や端子は図示していない。圧電素子４１０は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、圧電素子４１０は、上下方向と直交する円盤形状を有している。本実施の形態の圧電素子４１０のヤング率は、約６５ＧＰａである。

図２を参照して、本実施の形態の基板４２０は、金属製であり、弾性を有している。なお本発明はこれに限定されず、基板４２０は、金属以外、例えば繊維強化プラスチック等の樹脂で構成されていてもよい。圧電素子４１０は、基板４２０上に設けられている。より詳しくは、圧電素子４１０は、基板４２０の上面に貼り付けられている。基板４２０は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、基板４２０は、上下方向と直交する円盤形状を有している。上下方向と直交する水平面において、基板４２０と圧電素子４１０とは互いに等しい大きさを有している。なお本発明はこれに限定されず、基板４２０と圧電素子４１０とが互いに異なる大きさを有していてもよい。本実施の形態の基板４２０のヤング率は、約１００ＧＰａである。上述のように、ケース２００のヤング率は約７０ＧＰａであり、圧電素子４１０のヤング率は約６５ＧＰａであり、支持構造３００のヤング率は１０〜１０００ＭＰａであることを考慮すると、支持構造３００のヤング率は、ケース２００及び振動子４００の何れよりも小さくなっている。

図２を参照して、振動子４００の基板４２０の一部と支持構造３００の梁３１０とは、シリコーン系接着剤で接着されている。即ち、振動子４００の基板４２０の一部と支持構造３００の梁３１０とは、上側の接着層３２０を介して接続されている。より詳しくは、振動子４００の基板４２０の一部の下端は、支持構造３００の上側の接着層３２０の上端と接続されている。支持構造３００の梁３１０は、上側の接着層３２０を介して、振動子４００の基板４２０の中央を支持している。

異なるヤング率の支持構造３００を有する超音波センサ１００について、有限要素法（ＦＥＭ）による周波数応答解析を実施した。解析結果を図３に示す。

図３から理解されるように、ヤング率が４ＧＰａの支持構造３００を有する超音波センサ１００においては、８ｋＨｚ及び５５ｋＨｚに共振モードが存在する。ここで、８ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲１次モードと推定され、５５ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲２次モードと推定された。

また、図３から理解されるように、ヤング率が５００ＭＰａの支持構造３００を有する超音波センサ１００においては、８ｋＨｚ及び５４ｋＨｚに共振モードが存在する。ここで、８ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲１次モードと推定され、５４ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲２次モードと推定された。

更に、図３から理解されるように、ヤング率が１００ＭＰａの支持構造３００を有する超音波センサ１００においては、７ｋＨｚ、５０ｋＨｚ及び６６ｋＨｚに共振モードが存在する。ここで、７ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲１次モード、５０ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲２次モード、６６ｋＨｚの共振モードは振動子４００の屈曲１次モード、と夫々推定された。

加えて、図３から理解されるように、ヤング率が１０ＭＰａの支持構造３００を有する超音波センサ１００においては、４ｋＨｚ、３７ｋＨｚ及び６１ｋＨｚに共振モードが存在する。ここで、４ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲１次モード、３７ｋＨｚの共振モードはケース２００の屈曲２次モード、６１ｋＨｚの共振モードは振動子４００の屈曲１次モード、と夫々推定された。

これらの周波数応答解析結果から、支持構造３００のヤング率を調節することにより、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数とを狭い周波数範囲内に収められることが理解される。

振動子４００の屈曲１次モード及びケース２００の屈曲２次モードにおける、支持構造３００のヤング率と共振周波数との関係の一例を図４に示す。

図４から理解されるように、支持構造３００のヤング率が１０〜１０００ＭＰａである場合、振動子４００の固有共振周波数とケース２００の固有共振周波数との差（Δｆ）を２９ＫＨｚ以下に設定することができる。即ち、図４から、支持構造３００のヤング率が１０〜１０００ＭＰａである場合、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数との差（Δｆ）を２９ＫＨｚ以下に設定できることが理解される。

また、図４から理解されるように、支持構造３００のヤング率が１０〜５００ＭＰａである場合、振動子４００の固有共振周波数とケース２００の固有共振周波数との差（Δｆ）を２６ＫＨｚ以下に設定することができる。即ち、図４から、支持構造３００のヤング率が１０〜５００ＭＰａである場合、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数との差（Δｆ）を２６ＫＨｚ以下に設定できることが理解される。

更に、図４から理解されるように、支持構造３００のヤング率が１００ＭＰａである場合、振動子４００の固有共振周波数とケース２００の固有共振周波数との差（Δｆ）を１７ＫＨｚ以下に設定することができる。即ち、図４から、支持構造３００のヤング率が１００ＭＰａである場合、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数との差（Δｆ）を１７ＫＨｚ以下に設定できることが理解される。

これらの解析から、支持構造３００のヤング率を振動子４００のヤング率及びケース２００のヤング率より小さくなるように支持構造３００を構成することにより、振動子４００の固有共振周波数とケース２００の固有共振周波数との差（Δｆ）を調整できることを見出した。また、支持構造３００のヤング率を調整して振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数を近づけることにより、振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数とケース２００の屈曲２次モードの共振周波数の間の周波数における振幅の変化を緩やかにすることができ、振幅から換算された音圧レベルにおいてもブロードな周波数特性が得られることが分かった。

上記解析を踏まえて、支持構造３００のヤング率を１００ＭＰａ付近に調整した超音波センサ１００の周波数特性を実測した。測定結果を図５に示す。なお、測定結果は、マイク距離が４０ｃｍ、入力電圧が１５０Ｖｐｐである音圧値に換算された結果を示している。

図５に示されるように、支持構造３００のヤング率を１００ＭＰａ付近に調整した超音波センサ１００は、ケース２００の屈曲２次モードの共振周波数（４５ｋＨｚ）から振動子４００の屈曲１次モードの共振周波数（５５ｋＨｚ）までの間においてブロードな周波数特性を有しており、即ち、広帯域な送波特性を有していることが分かる。

上記周波数特性の実測結果から、共振周波数４５ｋＨｚ及び５５ｋＨｚにおけるＱ値を算出した。また、比較例として、支持構造３００を有さずに振動子４００をケース２００の底部２１０の上面２１２に直接張り付けた超音波センサについて、周波数特性の実測を行い、共振周波数におけるＱ値を算出した。これにより、支持構造３００のヤング率を１００ＭＰａ付近に調整した本実施の形態の超音波センサ１００においては、共振周波数４５ｋＨｚにおけるＱ値が１７であり、共振周波数５５ｋＨｚにおけるＱ値が８であることが夫々分かった。また、上記比較例の超音波センサは、単一の共振モードのみを有しており、この共振モードにおけるＱ値が５８であることが分かった。これらのことから、本実施の形態の超音波センサ１００は、上記比較例と比べて、低いＱ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有していることが理解される。

以上、本発明について実施の形態を掲げて具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。

本実施の形態の支持構造３００は、樹脂製であるが、本発明はこれに限定されず、支持構造３００全体が所望のヤング率を有する限り、その他の材質から構成されていてもよい。

１００ 超音波センサ
２００ ケース
２１０ 底部
２１２ 上面
２２０ 側部
２５０ 収容部
３００ 支持構造
３１０ 梁
３２０ 接着層
４００ 振動子
４１０ 圧電素子
４２０ 基板

Claims (4)

1. ケースと、支持構造と、圧電素子を有する振動子とを備える超音波センサであって、
   前記ケースは、底部と、側部とを有しており、
   前記側部は、前記底部から上下方向において上方に延びており、
   前記底部及び前記側部は、収容部を規定しており、
   前記支持構造は、前記収容部内において、前記底部上に固定されており、
   前記振動子は、前記支持構造に支持されており、且つ、前記収容部内に位置しており、
   前記上下方向と直交する水平面において、前記振動子は、前記支持構造よりも大きく、
   前記支持構造のヤング率は、前記振動子のヤング率よりも小さい
   超音波センサ。
2. 請求項１記載の超音波センサであって、
   前記支持構造のヤング率は、前記ケースのヤング率よりも小さい
   超音波センサ。
3. 請求項１又は請求項２記載の超音波センサであって、
   前記振動子は、基板を更に備えており、
   前記基板は弾性を有しており、
   前記圧電素子は、前記基板上に設けられており、
   前記水平面において、前記基板と前記圧電素子とは互いに等しい大きさを有している
   超音波センサ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の超音波センサであって、
   前記振動子の固有共振周波数は、前記ケースの固有共振周波数よりも高い
   超音波センサ。

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