JP3399403B2

JP3399403B2 - 超音波送受波器

Info

Publication number: JP3399403B2
Application number: JP11313299A
Authority: JP
Inventors: 信二天池; 順司太田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: JP2000032594A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のバックソ
ナーやコーナーソナー等の障害物検知センサなどに用い
られる超音波送受波器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波送受波器は、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、周辺に存在する障害物から
の反射波を圧電振動素子で受信することにより物体を検
知するものである。この種の超音波のうち車載用として
は、図１に示すような超音波送受波器１が知られてい
る。この超音波送受波器１は、ケース体２に横断面が真
円状をした円柱状の中空部３を設け、この中空部３内に
納めた平板状の圧電振動素子４をケース体２の底部２ａ
内面に固着させ、コネクタケーブル５の片方の信号線６
を圧電振動素子４の一方電極に接続し、コネクタケーブ
ル５の他方の信号線６を金属製のケース体２を介して圧
電振動素子４の他方電極に電気的に導通させたものであ
る。なお、図中の符号７は、圧電振動素子４を覆うフェ
ルトなどのような吸音材であり、８はシリコンゴムやウ
レタンゴムなどのような弾性を有する絶縁性樹脂で、圧
電振動素子４及び吸音材７を密封している。

【０００３】ところで、車載用の超音波送受波器は、自
動車のバンパー（図示せず）などに取り付けられ、バッ
クソナーやコーナセンサのような障害物検知センサとし
て使用されるものであり、バンパーへの取り付け時に
は、圧電振動素子の固着されたケース体底部を路面とほ
ぼ垂直とし、超音波放射方向に向けて位置決め調整した
うえで配置される。このような用途に用いられる超音波
送受波器にあっては、水平設置方向における超音波の送
受波範囲が狭すぎると検知範囲に死角が生じ、また、垂
直方向における超音波の送受波範囲が広すぎると地面か
らの反射波がノイズとなる。そのため、上記超音波送受
波器１にあっては、ケース体２の外側にラッパ状をした
超音波ホーン９を外嵌することによって超音波の送受波
範囲を規制し、水平設置方向における超音波の送受波範
囲が広く、かつ、垂直設置方向における超音波の送受波
範囲が狭くなるように超音波送受波器１の指向特性を制
御している。

【０００４】しかしながら、超音波ホーンを取り付けて
超音波送受波器の指向特性を制御する方法であると、タ
イヤにより道路から跳ね上げられた雨水や土砂、塵埃な
どが超音波ホーン内に溜まって詰まることがあり、超音
波送受波器の誤動作が発生する問題があった。また、超
音波ホーンの変形によって指向特性が変化したり、超音
波ホーンのために超音波送受波器が大きくなってしまう
問題があった。

【０００５】そこで、超音波ホーンを用いることなく超
音波送受波器の指向特性を制御する方法が提案されてい
る。この超音波送受波器１１は、図２（ケース体のみを
示す）に示すように、横断面視が略長方形状もしくは略
長円状をした中空部１３をケース体１２に設け、このケ
ース体１２の底部１４に円板状の圧電振動素子１５を固
着させたものである。このような構造のケース体１２を
用いれば、中空部１３の幅の小さな方向には超音波が広
がり易くなるので、水平設置方向における超音波の送受
波範囲を広くすると共に垂直設置方向における超音波の
送受波範囲を狭くすることができる。

【０００６】例えば、外径Ｄが１８ｍｍの超音波送受波
器では、水平設置方向の送受波範囲が８０゜であるのに
対して垂直設置方向の送受波範囲は６０゜と狭く、かな
りの異方性が見られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構造の超音波送受波器では、超音波送受波器が小
型になると、垂直設置方向の送受波範囲が広くなり、水
平設置方向と垂直設置方向とで送受波範囲の差が小さく
なり、あまり異方性が見られなかった。

【０００８】例えば、図２に示すように、全体の高さＨ
が１３ｍｍ、幅Ｗが８ｍｍとなるように中空部１３の上
下内壁面を垂直設置方向に拡張した外径Ｄが１４ｍｍの
ケース体１２に直径ｄが７ｍｍの圧電振動素子１５を納
め、底部１４の内面に圧電振動素子１５を固着したもの
である。また、このケース体１２の底部１４は均一な厚
みで、その板厚Ｔは０.７ｍｍとなっており、ケース体
１２の側壁部の最小厚みは０.５ｍｍである。このよう
な寸法の超音波送受波器の指向特性は、水平設置方向と
垂直設置方向とでそれぞれ図３に示すようになり、水平
設置方向の送受波範囲（半減全角）が８０゜であるのに
対して垂直設置方向の送受波範囲（半減全角）は７０゜
と広く、外径Ｄが１８ｍｍの超音波送受波器ほど水平設
置方向と垂直設置方向で指向特性の異方性があまり見ら
れなかった。なお、送受波範囲の評価に用いた半減全角
とは、正面（０゜の方向）の送受感度よりも２０log０.
５ｄＢ（約６０ｄＢ）減となる方向間の角度である。

【０００９】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、小型の超音
波送受波器の場合にも、水平設置方向と垂直設置方向に
おける指向特性の異方性を大きくすることができる超音
波送受波器を提供することにある。

【００１０】

【発明の開示】請求項１に記載した超音波送受波器は、
ケース体の底部と平行な断面において、一方向で比較的
長く、別な方向で比較的短くなった中空部をケース体に
設け、この中空部内に納めた圧電振動素子を中空部底面
に位置する前記ケース体底部の内面に配置した超音波送
受波器において、前記底部に厚肉部と薄肉部とを設け、
前記圧電振動素子を厚肉部に配置したことを特徴として
いる。

【００１１】請求項１に記載した超音波送受波器によれ
ば、一方向における差渡し距離が比較的長く、他方向に
おける差渡し距離が比較的短い中空部を設けたケース体
の底部に薄肉部を設けているので、超音波ホーンを用い
ることなく、中空部が比較的長い方向における超音波送
受波器の指向特性を狭くすることができ、中空部が比較
的長い方向と比較的短い方向とでの指向特性の異方性を
高くすることができる。特に、超音波送受波器を小型化
した場合にも高い異方性を得ることができる。しかも、
圧電振動素子は、ケース体底面の薄肉部でなく厚肉部に
固着させているので、外部からの衝撃によって圧電振動
素子が割れることがない。よって、異方性の高い指向特
性を備えた超音波送受波器の耐衝撃性が向上し、その実
用化が可能になる。また、厚肉部によってケース体底面
の強度を保持させることができるので、薄肉部の厚みを
より薄くすることができ、指向特性の異方性をより顕著
にすることができる。

【００１２】前記薄肉部は、請求項２に記載した実施態
様のように、ケース体底部の厚肉部に対して、中空部が
比較的長い方向に位置していることが望ましい。薄肉部
を中空部の比較的長い方向に位置させることにより、中
空部の比較的長い方向における送受波範囲を狭くするこ
とができ、超音波送受波器の指向特性の異方性を高くす
るのにより効果がある。また、ケース体底部の薄肉部
は、請求項３に記載した実施態様のように、ケース体の
側壁の最小厚みよりも薄くすることが望ましい。

【００１３】請求項４に記載の実施態様は、請求項１，
２又は３に記載の超音波送受波器において、前記ケース
体の底部の外面を平坦にしたことを特徴としている。本
発明の超音波送受波器はケース体の底部に厚肉部と薄肉
部を設けたことを特徴としているが、ケース体底部は超
音波送受波面となるものであるから、ケース体底部の外
面に凹凸があると、超音波送受波器の指向特性が乱れ
る。請求項４に記載した超音波送受波器では、超音波送
受波面となるケース底部の外面を平坦にしているので、
良好な超音波送受波特性を得ることができる。

【００１４】請求項５に記載の実施態様は、請求項１，
２，３又は４に記載の前記薄肉部上に絶縁性材料を有す
ることを特徴としている。この実施態様による超音波送
受波器にあっては、薄肉部上の絶縁性材料により薄肉部
の不要な振動を減衰させることができるから、超音波送
受波器の残響を抑制することにより、検出距離の下限値
を短くすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態に係る超音波
送受波器３０を図４及び図５を参照して説明する。本実
施形態の超音波送受波器３０に用いられているケース体
３１の構造を図５に示す。図５（ａ）はケース体３１の
平断面図、図５（ｂ）は垂直設置方向の断面図、図５
（ｃ）は水平設置方向の断面図である。ケース体３１は
全体がアルミニウム等の金属材料で形成されていて背面
で開口した中空部３３を備えており、中空部３３は超音
波送受波器３０の垂直設置方向において両側壁部３４を
削るようにして拡張されており、垂直設置方向の差渡し
長さが水平設置方向の差渡し長さよりも長くなってい
る。この中空部３３内には圧電振動素子３５が納められ
ており、その底部３２内面に圧電振動素子３５が固着さ
れている。

【００１６】ケース体３１の底部３２は、垂直設置方向
の中央部が厚肉部３２ａとなり、その両側に略三日月状
をした薄肉部３２ｂが設けられており、底部３２中央に
おいて厚肉部３２ａの内面には、導電性接着剤等によっ
て圧電振動素子３５の一方電極面が固着されている。従
って、垂直設置方向の断面においては、図５（ｂ）に示
すように圧電振動素子３５を実装された厚肉部３２ａの
両側に薄肉部３２ｂが位置しており、ケース体３１の中
心を通る水平設置方向の断面においては、図５（ｃ）に
示すように、底部３２全体が厚肉部３２ａとなってい
る。この厚肉部３２ａの厚みは、ケース体３１の外周側
壁部３４の最小厚みよりも厚くなっており、薄肉部３２
ｂの厚みは、ケース体３１の外周側壁部３４の最小厚み
よりも薄くなっている。

【００１７】超音波送受波器３０にあっては、図４に示
すように、上記のようなケース体３１の内部にフェルト
等の吸音材３６と、シリコンゴムやウレタンゴム等の弾
性を有する絶縁性材料３７とを充填し、ケース体３１の
内部を封止している。絶縁性材料３７内には、温度補償
用の単板コンデンサ３８が埋め込まれており、単板コン
デンサ３８の一方外部電極をリード線３９によって圧電
振動素子３５の一方電極面と導通したケース体３１に接
続し、単板コンデンサ３８の他方外部電極をリード線３
９によって圧電振動素子３５の他方電極に接続してい
る。さらに、ケーブル４０を構成する信号入出力用の２
本の信号線４１は、単板コンデンサ３８の各外部電極に
接続している。

【００１８】この超音波送受波器３０は、例えば車載用
に用いられるものであって、中空部３３の幅の長い方向
を路面とほぼ垂直な方向に向け、中空部３３の幅の短い
方向を路面とほぼ平行な水平方向に向け、ケース体３１
の底部３２を検知方向に向けて車両等に取り付けられ
る。

【００１９】上記のような構造を有する本発明の超音波
送受波器３０によれば、垂直設置方向（中空部３３の幅
の長い方向）における送受波範囲を狭くすることができ
る。特に、超音波送受波器３０を小型化した場合にも、
垂直設置方向の送受波範囲が広くなりにくく、垂直設置
方向で小さな送受波範囲を維持することができる。この
結果、水平設置方向の送受波範囲と垂直設置方向の送受
波範囲との差を大きくすることができ、小型の超音波送
受波器３０の場合にも指向特性の異方性を大きくするこ
とができる。

【００２０】垂直設置方向における送受波範囲を狭く
し、指向特性の異方性を大きくするためには、厚肉部を
設けることなく、超音波送受波器のケース体底部全体の
厚みを薄くしてもよい。図６及び表１は、外径（Ｄ）が
１８ｍｍの超音波送受波器において、ケース体底部（全
体が均一な厚みの底部）の厚みを０.７ｍｍ〜０.３ｍｍ
まで変化させた時の垂直設置方向における送受波範囲
（半減全角）の変化を示している。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、図７及び表２は、外径（Ｄ）が１４
ｍｍの超音波送受波器において、ケース体底部（全体が
均一な厚みの底部）の厚みを０.７ｍｍ〜０.３ｍｍまで
変化させた時の垂直設置方向における送受波範囲（半減
全角）の変化を示している。

【００２３】

【表２】

【００２４】図６、図７、表１及び表２によれば、外径
１８ｍｍの超音波送受波器においても外径１４ｍｍの超
音波送受波器においても、ケース体底部の厚みを薄くす
ることによって送受波範囲を狭くすることができるのが
分かる。しかも、超音波送受波器が小型になって外径寸
法が小さいほうが送受波範囲が広がることも分かる。例
えば、底部の厚みが０.７ｍｍの各従来例では、外径１
８ｍｍと１４ｍｍのもので、それぞれ送受波範囲は６０
゜、７０゜であるが、底部の厚みを０.３ｍｍにすれ
ば、送受波範囲はそれぞれ３０゜、４０゜まで狭くな
る。

【００２５】このように垂直設置方向の送受波範囲を狭
くするためには、ケース体底部の厚みをできるだけ薄く
すればよい。しかし、ケース体の底部全体を薄肉部と
し、薄肉部に圧電振動素子を固着すると、圧電振動素子
が外部からの衝撃を受け易くなり、外部からの衝撃によ
って圧電振動素子が割れ易くなる。このため、ケース体
の底部全体を薄肉部とした場合には、異方性の大きな小
型超音波送受波器の実用化が困難になる。あるいは、超
音波送受波器の耐衝撃性を考慮すれば、ケース体底部の
厚みを薄くするにも限度があり、充分な異方性を得るこ
とができない。

【００２６】これに対し、本発明の超音波送受波器３０
では、ケース体底部３２に厚肉部３２ａと薄肉部３２ｂ
を設け、厚肉部３２ａに圧電振動素子３５を固着させて
いるので、圧電振動素子３５の振動によってケース体底
部３２が破損しにくくなり、薄肉部３２ｂの厚みを薄く
することができる。よって、水平設置方向と垂直設置方
向とでの異方性の高い超音波送受波器３０を実用化する
ことができる。例えば、図８に示すように、ケース体３
１の外径Ｄが１４ｍｍ、外周側壁部３４の最小厚みｔが
０.５ｍｍ、厚肉部３２ａの厚みＴ２が０.７ｍｍ、薄肉
部３２ｂの厚みＴ１が０.３ｍｍの超音波送受波器３０
において、半径Ｒ＝６.５ｍｍの底部３２に対して厚肉
部３２ａの半径が（Ｒ−Ｌ）ｍｍであるとするとき、薄
肉部３２ｂの比率Ｌ／Ｒに対する超音波送受波器３０の
送受波範囲（半減全角）の変化は、図９及び表３のとお
りであった。

【００２７】

【表３】

【００２８】図９又は表３から分かるように、ケース体
底部３２における薄肉部３２ｂの比率Ｌ／Ｒが大きくな
るにつれて、超音波送受波器３０の送受波範囲（半減全
角）は次第に狭くなることが分かる。圧電振動素子３５
の直径は０.７ｍｍであるから、Ｌ／Ｒが０〜０.４の範
囲であれば圧電振動素子３５を厚肉部３２ａの上に固着
させることができ、特に薄肉部の比率がＬ／Ｒ＝０.４
の場合には、底部３２全体を薄肉部３２ｂにした場合に
近い送受波範囲を達成することができた。

【００２９】図１０は、従来の超音波送受波器との比較
を示す図であって、直径が１８ｍｍ（φ１８）の従来の
超音波送受波器（底部の厚みが０.７ｍｍ）の垂直設置
方向における送受波範囲と、直径が１４ｍｍ（φ１４）
の従来の超音波送受波器（底部の厚みが０.７ｍｍ）の
垂直設置方向における送受波範囲と、薄肉部の比率Ｌ／
Ｒが約０.４の場合の本発明による超音波送受波器３０
の垂直設置方向における送受波範囲を示している。この
図からは、本発明によれば、直径１４ｍｍの超音波送受
波器３０でも、従来例の直径１８ｍｍの超音波送受波器
よりも小さな送受波範囲を実現できることが分かる。

【００３０】また、図１１は、図５のような構造のケー
ス体３１を用いた超音波送受波器３０で、直径が１４ｍ
ｍで、厚肉部３２ａの厚みが０.７５ｍｍ、薄肉部３２
ｂの厚みが０.３ｍｍで、Ｌ／Ｒ＝２.５ｍｍ／６.５ｍ
ｍ＝０.３８の場合における、水平設置方向における指
向特性と垂直設置方向における指向特性とを示してお
り、かなり強い異方性を実現できることが分かる。

【００３１】図１２（ａ）は本発明の別な実施形態によ
る超音波送受波器に用いられるケース体３１の構造を示
す平面図、図１２（ｂ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ線断面図
である。この超音波送受波器のケース体３１は垂直設置
方向に長い中空部３３を有しており、ケース体３１の底
部３２の中央部には、水平設置方向に長い厚肉部３２ａ
が設けられている。厚肉部３２ａの中央部には圧電振動
素子３５が導電性接着剤により固着されており、厚肉部
３２ａの垂直設置方向に位置する両側には三日月状をし
た薄肉部３２ｂが設けられている。薄肉部３２ｂの上面
には、シリコン樹脂やウレタン樹脂、合成ゴム等の樹脂
材料からなる板状の絶縁性材料４２が設けられている。

【００３２】ケース体３１の薄肉部３２ｂに不要な振動
が生じると、超音波送受波器の残響が増大し、そのよう
な残響が超音波送受波器に近接した物体から反射された
超音波と干渉するので、薄肉部３２ｂの不要振動が大き
くなると近接した物体の存在を検知できなくなったり、
近接した物体までの距離を測定できなくなったりする。

【００３３】図１２に示した実施形態では、薄肉部３２
ｂの上に絶縁性材料４２を設けることにより薄肉部３２
ｂの不要な振動を減衰させている。このようなケース体
３１を用いた超音波送受波器によれば、薄肉部３２ｂ上
に設けられた絶縁性材料４２により不要振動を減衰させ
ることができるので、その残響時間を短くすることがで
きる。そのため、超音波送受波器に近接した物体から反
射された超音波と超音波送受波器で発生した残響との干
渉を防ぐことができ、近接した物体の存在を検知でき、
また検出距離の下限値を短くすることができる。

【００３４】図１３は、図１２のケース体を用いた超音
波送受波器の残響特性を示す図であって、横軸は絶縁性
材料４２の厚みを示し、縦軸は残響時間を表わしてい
る。この残響特性図から分かるように、絶縁性材料４２
の厚みが大きくなるにつれて残響時間は短くなる。した
がって、超音波送受波器に要求される特性が決まれば、
その特性を満たすような残響時間となるように絶縁性材
料４２の厚みを設定すればよい。

【００３５】実用上、超音波送受波器の残響時間は１ミ
リ秒以下が好ましいことがあるが、この場合には絶縁性
材料４２の厚みを約０.９ｍｍかそれ以上に設定すれば
よいことになる。一方、絶縁性材料４２の厚みがあまり
大きくなりすぎると、検知または計測用の超音波までが
減衰してしまい、好ましくない。したがって、絶縁性材
料４２の厚みは約２.１ｍｍ以下であることが望まし
い。

【００３６】なお、上記実施形態においては、厚肉部と
薄肉部の境界は階段状に形成されているが、この境界は
滑らかな傾斜となっていてもよい。ただし、超音波送受
波器の送受特性を損ねないよう、ケース体の外面は平面
にするのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の超音波送受波器の構造を示す断面図であ
る。

【図２】（ａ）は従来の超音波送受波器の要部構造を示
す平断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図２に示す従来の超音波送受波器の指向特性を
示す図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る超音波送受波器の構
造を示す断面図である。

【図５】（ａ）は同上の超音波送受波器のケース体を示
す平断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図（垂直設
置方向の断面）、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図（水
平設置方向の断面）である。

【図６】従来の超音波送受波器によりケース体底部の厚
みに対する垂直設置方向の半減全角の変化を示す図であ
る。

【図７】従来の別な超音波送受波器によりケース体底部
の厚みに対する垂直設置方向の半減全角の変化を示す図
である。

【図８】指向特性の測定に用いた本発明の超音波送受波
器のケース体を示す断面図である。

【図９】同上の超音波送受波器において薄肉部の比率を
変化させたときの半減全角の変化を示す図である。

【図１０】従来の超音波送受波器と本発明の超音波送受
波器との指向特性を比較する図である。

【図１１】本発明の超音波送受波器の、水平設置方向と
垂直設置方向における指向特性を比較する図である。

【図１２】（ａ）は本発明の別な実施形態による超音波
送受波器のケース体の構造を示す平面図、（ｂ）は
（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。

【図１３】同上のケース体を用いた超音波送受波器の残
響特性を示す図である。

【符号の説明】

１ケース体底部３２ａ厚肉部３２ｂ薄肉部２中空部３５圧電振動素子

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 17/00 330 B60R 21/00 621 G01S 7/521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ケース体の底部と平行な断面において、
一方向で比較的長く、別な方向で比較的短くなった中空
部をケース体に設け、この中空部内に納めた圧電振動素
子を中空部底面に位置する前記ケース体底部の内面に配
置した超音波送受波器において、前記底部に厚肉部と薄肉部とを設け、前記圧電振動素子
を厚肉部に配置したことを特徴とする超音波送受波器。
【請求項２】前記薄肉部は、前記厚肉部に対して、中
空部が比較的長い方向に位置していることを特徴とす
る、請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】前記ケース体底部の薄肉部は、ケース体
の側壁の最小厚みよりも薄いことを特徴とする、請求項
１又は２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】前記ケース体の底部の外面は、平坦とな
っていることを特徴とする、請求項１，２又は３に記載
の超音波送受波器。
【請求項５】前記薄肉部上に絶縁性材料を有すること
を特徴とする、請求項１，２，３又は４に記載の超音波
送受波器。