JP4086091B2 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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この発明は、超音波トランスデューサに関し、特にたとえば、自動車のバックソナーなどとして用いられる超音波トランスデューサに関する。
図１５は、この発明の背景となる従来の超音波トランスデューサの一例を示す図解図である。超音波トランスデューサ１は、有底筒状の外側ケース２を含む。外側ケース２の内側底面には、圧電素子３が取り付けられる。さらに、外側ケース２内には、筒状の指向特性制御体４が形成される。指向特性制御体４には、図１６に示すように、たとえば六角形の貫通孔が形成されることにより、厚肉部と薄肉部とが形成される。この指向特性制御体４が、外側ケース２の側面および底面に密着するように、外側ケース２内に嵌め込まれる。外側ケース２の開口部側には、バックプレート５が嵌め込まれ、外側ケース２の端部がかしめられて、バックプレート５が固定される。バックプレート５には、２つの端子６ａ，６ｂが形成され、これらの端子６ａ，６ｂにリード線７が接続される。一方の端子６ａは、バックプレート５に形成された金属層および外側ケース２を介して、圧電素子３の一方側に接続される。また、他方の端子６ｂは、リード線８によって、圧電素子３の他方側に接続される。
この超音波トランスデューサ１は、たとえば自動車のバンパーなどに取り付けられ、バックソナーなどとして用いることができる。リード線７に駆動信号が入力されると、圧電素子３が励振され、それにともなって、外側ケース２の底面が振動する。それにより、外側ケース２の底面に直交する向きに、超音波が放射される。このとき、指向特性制御体４の貫通孔の形状により、放射される超音波の指向性が決定される。放射された超音波が障害物で反射すると、反射波が超音波トランスデューサ１で受信され、圧電素子３で電気信号に変換される。この電気信号がリード線７を介して受信回路に伝達され、超音波の送信と受信との時間差から、障害物までの距離が算出される。
この超音波トランスデューサ１では、外側ケース２と指向特性制御体４を別部材とすることにより、それぞれの部材の加工を容易に行うことができる。また、外側ケース２と指向特性制御体４を別部材とすることにより、それぞれの部材を別の材料で形成することができる。そのため、所望の特性に応じて、外側ケース２および指向特性制御体４の材料を選択することができる。
また、図１７に示すように、シリコン樹脂９などが充填された超音波トランスデューサ１もある。この超音波トランスデューサ１では、外側ケース２の底面２ａと側面２ｂとが別部材で構成されている。また、バックプレート５の中央部に貫通孔が形成され、この貫通孔を通して、圧電素子３に接続されたリード線８が直接外部に引き出される。そして、外側ケース２および指向特性制御体４の内側に、発泡性のシリコン樹脂９などが充填される。このシリコン樹脂９によって、外側ケース２から伝わる不要な振動が吸収される。このように、必要に応じて、目的とする機能ごとに各部品を別体とすることにより、超音波トランスデューサ１を精度よく、安価に製造することができる（特許文献１参照）。
特開２００１−１２８２９２号公報
超音波トランスデューサにおいては、圧電素子の振動により外側ケースの底面が振動し、超音波が放射されるが、このとき、外側ケースの側面に振動エネルギーが漏洩する。外側ケースの側面に振動エネルギーが漏洩すると、底面の振動エネルギーが小さくなり、外側に向かって放射される超音波の音圧が低くなってしまう。
さらに、外側ケースの側面に振動エネルギーが漏洩することにより外側ケースに高次スプリアス振動が発生すると、圧電素子への駆動信号がなくなっても、外側ケースの振動が持続することが知られている。このような振動は残響と呼ばれ、残響が長く続くと、圧電素子が残響による振動で電気信号を発生し続けるため、障害物で反射した超音波による圧電素子の振動に基づく電気信号が残響による振動の電気信号によってかき消されて、障害物で反射した超音波を検出することができなくなってしまう。このような外側ケースの振動は、内部に充填されたシリコン樹脂などである程度吸収することができるが、十分に不要振動を吸収することができない。特に、図１７に示すように、外側ケースの端部側がシリコン樹脂に直接接触している場合、高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することはできるが、外側ケースの端部が指向特性制御体と接触していないため、圧電素子によって得られる振動エネルギーの漏洩を防止することができない。そのため、放射される超音波の音圧が低くなってしまう。
そこで、本願出願人は先に出願した特願２００５−２６２７４２号において、内部ケースを外部ケースよりも密度の高い金属材料で構成する発明を出願している。つまり、密度が高い材料とは音響インピーダンスが大きい材料であり、そのような材料は振動しにくい材料であることから、音響インピーダンスの大きい材料で内部ケースを形成することにより、外部ケースの側面への振動エネルギーの漏洩を低減させることができ、放射される超音波の音圧を高くすることができる。しかし、この場合でも、外部ケースの端部が内部ケースと接触していないと、外部ケースの端部で残響が生じてしまっていた。
それゆえに、この発明の主たる目的は、音圧の高い超音波を放射することができ、かつ残響特性の良好な超音波トランスデューサを提供することである。
この発明は、有底筒状のキャップ体と、キャップ体内部の底面に形成される圧電素子と、キャップ体の材料より音響インピーダンスが大きい材料で形成され、キャップ体内においてキャップ体の端部を含む側面に密着するように形成される内部枠体と、キャップ体の側面の少なくとも一部に直接接触するようにして内部枠体内に充填される制振材を含む、超音波トランスデューサである。
有底筒状のキャップ体内部の底面に圧電素子を形成し、この圧電素子を励振することにより、キャップ体の底面が振動し、超音波が外部に放射される。このとき、キャップ体内においてキャップ体の端部を含む側面に密着するように、内部枠体が形成されることにより、キャップ体側面の振動が抑えられ、振動エネルギーの漏洩が防止される。特に、キャップ体の材料より音響インピーダンスが大きい材料で内部枠体を形成することにより、振動エネルギーの漏洩防止効果が大きくなる。さらに、キャップ体側面の少なくとも一部に直接接触するようにして、制振材が充填されることにより、キャップ体側面に伝達される高次スプリアスによる振動エネルギーが吸収され、残響を抑制することができる。
このような超音波トランスデューサにおいて、内部枠体に貫通孔を形成することにより、貫通孔を通して制振材がキャップ体内の側面の一部に直接接触させることができる。
また、キャップ体の端部において、キャップ体と内部枠体との間の一部に隙間を形成し、内部枠体内に制振材を充填するとともに、キャップ体と内部枠体との間の隙間に制振材を充填してもよい。
キャップ体の内部において、その側面に制振材を直接接触させることにより、高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することができる。
また、この発明は、有底筒状のキャップ体と、キャップ体内部の底面に形成される圧電素子と、キャップ体の材料より音響インピーダンスが大きい材料で形成され、キャップ体内においてキャップ体の端部を含む側面に密着するように形成される内部枠体と、キャップ体の端部において、キャップ体と内部枠体との間の一部に隙間が形成され、キャップ体の内側面に接触するように隙間に充填される制振材とを含む、超音波トランスデューサである。
キャップ体と内部枠体との間の一部に隙間が形成されている場合には、必ずしも内部枠体内に制振材が充填される必要はなく、少なくともキャップ体と内部枠体との間に形成された隙間に制振材が充填され、制振材をキャップ体に直接接触させることにより、高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することができる。
内部枠体に貫通孔が形成された超音波トランスデューサまたはキャップ体と内部枠体との間の一部に隙間が形成された超音波トランスデューサにおいて、キャップ体の底面には、その中央部を含み、かつ一方向に長軸を有するようにして内部枠体の一端側と接触しない部分が形成され、内部枠体の側面であってキャップ体の底面における内部枠体の一端側と接触しない部分の長軸方向およびその長軸方向と直交する方向に貫通孔または隙間が形成されることが好ましい。
キャップ体の底面において、内部枠体の一端側に接触する部分は振動しにくく、内部枠体の一端側に接触しない部分は振動しやすい。したがって、キャップ体の振動しやすい部分が主に振動することにより、超音波が放出される。このキャップ体の底面の振動しやすい部分が長軸を有する形状である場合、超音波に異方性が生じるが、この長軸方向とそれに直交する方向で楕円形状が交互に生じるように、キャップ体が変形するモードが生じる。このように、キャップ体が大きく変形する部分の近傍において、キャップ体の側面に貫通孔または隙間を形成し、制振材を接触させる構成とすることにより、高次スプリアスによる振動エネルギーをより効果的に抑制することができる。
さらに、キャップ体の底面から側面にかけて曲面部が形成されるとともに、曲面部を覆うようにしてキャップ体の外側面を覆う外装材が形成されてもよい。
キャップ体を平板から絞り加工により形成した場合、キャップ体の底面から側面にかけて曲面部が形成される。このようなキャップ体を用いた超音波トランスデューサを自動車のバンパーなどに取り付けると、バンパーとキャップ体との間に隙間が形成され、ごみや汚れがたまりやすくなる。このような隙間にごみや汚れがたまると、キャップ体の振動特性が悪化し、外観上もよくない印象を与える。そこで、キャップ体の曲面部を覆うようにしてキャップ体の外側面を覆う外装材を形成することにより、自動車などに超音波トランスデューサを取り付けたときの隙間をなくすことができ、特性の悪化や外観上の印象の低下を防止することができる。
また、制振材は内部枠体の内部から外部にわたって配置され、キャップ体の外側面に制振材が直接接触するようにしてもよい。
このとき、キャップ体の底面から側面にかけて曲面部が形成されるとともに、キャップ体の外側面における制振材が曲面部を覆うように形成されてもよい。
制振材は、必ずしもキャップ体の内側に直接接触する必要はなく、キャップ体の外側面に直接接触していてもよい。このように、制振材がキャップ体の側面に直接接触していれば、高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することができる。
ここで、キャップ体が絞り加工などで形成されている場合、その曲面部を覆うように制振材を形成することにより、超音波トランスデューサ取り付け部とキャップ体との間の隙間をなくすことができる。
上述のような超音波トランスデューサにおいて、キャップ体の端部において内部枠体の外側面にキャップ体の厚みに相当する段差部を形成し、キャップ体内における内部枠体の外径よりキャップ体外における内部枠体の外径を大きくすることにより、キャップ体と内部枠体との間の段差をなくすことができる。
キャップ体は絞り加工で形成されるもので、深い絞り加工は加工技術が難しいため、浅い絞り加工でキャップ体が形成される。そして、浅く絞り加工されたキャップ体の側面にキャップ体底面での圧電素子による振動が漏洩しようとするが、キャップ体の側面は制振材と接触しているとともにキャップ体の端部を含む側面が内部枠体と接触し、特に、内部枠体に段差を設けてキャップ体の端部に引っかかるように密着することにより、キャップ体端部を内部枠体が押さえる構造となるため、浅い絞り加工のキャップ体においてもキャップ体の側面への振動の漏洩が抑制され、残響が発生しにくくなる。
また、内部枠体にキャップ体の厚み相当の段差を設けてキャップ体の外側面と内部枠体の外側面との間に段差をなくすこと、つまり、キャップ体の外側面と内部枠体の外側面を同一平面上にすることにより、超音波トランスデューサを自動車などに取り付けやすくなり、さらに、外観上の印象の低下も防止することができる。
この発明によれば、キャップ体の端部を含む側面に、キャップ体より音響インピーダンスが大きい材料で形成された内部枠体を密着させることにより、キャップ体側面の振動が抑えられ、圧電素子によって振動するキャップ体底面から側面への振動エネルギーの漏洩を防止することができる。そのため、キャップ体底面から外部に放射される超音波の音圧を高く保つことができる。さらに、キャップ体の側面の少なくとも一部に直接接触するように、制振材が形成されることにより、キャップ体に生じる高次スプリアスによる振動エネルギーが吸収され、残響特性が良好となる。
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
この発明の超音波トランスデューサの第１の例を示す図解図である。 図１に示す超音波トランスデューサのキャップ体と内部枠体とを示す斜視図である。 この発明の超音波トランスデューサの第２の例におけるキャップ体と内部枠体とを示す斜視図である。 この発明の超音波トランスデューサのさらに第３の例におけるキャップ体と内部枠体とを示す斜視図である。 （ａ）（ｂ）は、この発明の超音波トランスデューサにおけるキャップ体の変形モードを示す図解図である。 この発明の超音波トランスデューサの第４の例を示す図解図である。 図６に示す超音波トランスデューサの内部枠体を示す斜視図である。 この発明の超音波トランスデューサの第５の例を示す図解図である。 この発明の超音波トランスデューサの第６の例を示す斜視図である。 この発明の超音波トランスデューサの第７の例を示す斜視図である。 図１０に示す超音波トランスデューサの図解図である。 図３に示すキャップと内部枠体を用いた超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。 図４に示すキャップと内部枠体を用いた超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。 貫通孔のない内部枠体を用いた超音波トランスデューサの残響特性を示す図である。 この発明の背景となる従来の超音波トランスデューサの一例を示す図解図である。 図１５に示す超音波トランスデューサの外側ケースと指向特性制御体とを示す斜視図である。 この発明の背景となる従来の超音波トランスデューサの他の例を示す図解図である。
符号の説明
１０ 超音波トランスデューサ
１２ キャップ体
１２ａ キャップ体の底面部
１２ｂ キャップ体の側面部
１２ｃ キャップ体の曲面部
１４ 圧電素子
１６ 内部枠体
１６ａ 内部枠体の段差部
１６ｂ 内部枠体の平面部
２２ 貫通孔
２６ 吸音材
２８ 制振材
３０ 隙間
３２ 溝部
３４ 外装材
図１は、この発明の超音波トランスデューサの一例を示す図解図である。超音波トランスデューサ１０は、有底筒状のキャップ体１２を含む。キャップ体１２は、振動しやすいように、たとえばアルミニウムなどのような、軽くて剛性の高い材料で形成される。キャップ体１２は、アルミニウムなどの平板を用いて、絞り加工により有底の円筒状に形成される。このような絞り加工は、浅く絞る加工方法を採用することにより、キャップ体１２の製造がより容易となり、キャップ体１２は浅い絞り加工により、底面部１２ａと側面部１２ｂとそれらの間の曲面部１２ｃから構成される円筒状に形成される。なお、キャップ体１２は、切削、鍛造、鋳造などの方法により形成されてもよい。
キャップ体１２の内面において、底面部１２ａに圧電素子１４が形成される。圧電素子１４は、たとえば円板状の圧電体基板の両面に電極が形成されたものである。この圧電素子１４の一方面側が、キャップ体１２の底面１２ａに導電接着剤などで貼着される。
さらに、キャップ体１２の内側には、内部枠体１６が形成される。内部枠体１６は、図２に示すように、円筒状に形成され、キャップ体１２の内側面に密着するように嵌め込まれる。内部枠体１６の一端側において、内側に向かって張り出すように、リング状の張出し部１８が形成される。張出し部１８が形成された内部枠体１６の端部には、互いに対向する位置に凹部２０が形成される。そして、張出し部１８が形成された一端側をキャップ体１２の底面部１２ａ側として、内部枠体１６がキャップ体１２内に嵌め込まれる。したがって、キャップ体１２内において、内部枠体１６の一端側がキャップ体１２の底面部１２ａに密着するが、凹部２０が形成された部分においては、内部枠体１６はキャップ体１２の底面部１２ａには接触しない。
キャップ体１２の開放端部側においては、内部枠体１６は、キャップ体１２から外側に向かって突き出すように形成される。キャップ体１２の端部に対応する位置において、内部枠体１６に段差部１６ａが形成される。そして、キャップ体１２内部に嵌め込まれた部分の内部枠体１６の直径が小さく、キャップ体１２から外に突き出した部分の内部枠体１６の直径が大きくなるように形成される。この段差部１６ａは、キャップ体１２の厚みに対応するように形成される。したがって、キャップ体１２の端部は、内部枠体１６に密着し、キャップ体１２と内部枠体１６の表面に段差が生じない。つまり、キャップ体１２の外側面と内部枠体１６の外側面とが、同一平面上にある構造となる。このような構造とすることにより、内部枠体１６の段差部１６ａがキャップ体１２の端部に引っかかるように密着して、キャップ体１２端部を内部枠体１６が押さえる構造となる。
また、内部枠体１６のキャップ体１２から外側に突き出した部分の側面において、内部枠体１６の一端側に形成された対向する凹部２０を挟む位置に、平面部１６ｂが形成される。この平面部１６ｂにより、超音波トランスデューサ１０の外側から凹部２０の位置を知ることができる。
さらに、キャップ体１２の内側面に向かって、内部枠体１６に複数の貫通孔２２が形成される。貫通孔２２は、たとえば内部枠体１６の側面の円周に沿って等間隔で形成される。貫通孔２２の形状は、たとえば長孔となるように形成されるが、それ以外に丸孔や角孔であってもよい。内部枠体１６は、キャップ体１２より音響インピーダンスが大きい材料で形成される。キャップ体１２がアルミニウムで形成される場合、内部枠体１６は、アルミニウムより重くて剛性のある材料、たとえば亜鉛などで形成される。
圧電素子１４の他方面側には、リード線２４ａが接続される。また、内部枠体１６には、別のリード線２４ｂが接続される。リード線２４ｂは、亜鉛で形成された内部枠体１６およびアルミニウムで形成されたキャップ体１２を介して、圧電素子１４の一方面側に電気的に接続される。
内部枠体１６内において、張出し部１８の内側の段差部には、吸音材２６が挿入される。吸音材２６としては、たとえばフェルトなどが用いられる。張出し部１８の内側に吸音材２６が形成される。張出し部１８の内側に吸音材２６を配置することにより、圧電素子１４と吸音材２６との間に隙間が形成され、圧電素子１４の振動領域が確保される。さらに、吸音材２６部分から内部枠体１６の開口部側には、制振材２８が充填される。制振材２８としては、たとえば発泡性のシリコン樹脂などが用いられる。ここで、内部枠体１６には、貫通孔２２が形成されているため、貫通孔２２を通して、制振材２８が直接キャップ体１２内の側面に接触している。これらの吸音材２６および制振材２８によって、キャップ体１２および内部枠体１６の内側に放射された音波や振動が吸収される。
この超音波トランスデューサ１０は、たとえば自動車のバンパーなどに取り付けられ、バックソナーとして使用される。リード線２４ａ，２４ｂに駆動信号を入力することにより、圧電素子１４が励振され、それにともなって、キャップ体１２の底面部１２ａが振動する。キャップ体１２の底面部１２ａが振動することによって、底面部１２ａに直交する向きに、超音波が放射される。放射された超音波は、障害物で反射して、再度超音波トランスデューサ１０で受信される。受信した超音波によって、キャップ体１２の底面部１２ａが振動し、それにともなって圧電素子１４も振動する。そして、圧電素子１４の振動が電気信号に変換され、リード線２４ａ，２４ｂを介して、電気信号が受信回路に伝達される。したがって、超音波の送信から受信までの時間を測定することにより、超音波トランスデューサ１０から障害物までの距離を算出することができる。
この超音波トランスデューサ１０では、キャップ体１２の底面部１２ａにおいて、内部枠体１６の一端側が接触している部分は振動しにくい。それに対して、凹部２０が形成された部分においては、キャップ体１２の底面部１２ａに内部枠体１６が接触していないため、底面部１２ａは振動しやすい。したがって、キャップ体１２の底面部１２ａの向きによって、振動しやすい部分の幅が異なる。キャップ体１２の底面部１２ａの振動しやすい部分が狭いと、放射される超音波の広がり方が大きく、底面部１２ａの振動しやすい部分が広いと、放射される超音波の広がり方が小さい。したがって、凹部２０を挟む向き、つまり内部枠体１６に形成された平面部１６ｂが形成された向きを自動車の幅方向に配置すれば、自動車の幅方向に超音波が広がるが、上下方向には超音波が広がらないようにすることができる。このように、内部枠体１６に凹部２０を形成することにより、超音波トランスデューサ１０の指向特性を調整することができる。このように、超音波トランスデューサ１０の指向特性を調整することにより、自動車の幅方向においては障害物を検出することができ、路面のタイヤ止めなどのような上下方向の障害物を検出しないようにすることができる。ここで、内部枠体１６の側面に形成された平面部１６ｂによって、超音波トランスデューサ１０の指向特性を考慮した取り付けが可能となる。
また、この超音波トランスデューサ１０では、音響インピーダンスが大きい材料、すなわち振動しにくい材料で形成された内部枠体１６がキャップ体１２の内側面に密着するように嵌め込まれているため、キャップ体１２の側面部１２ｂの振動が抑制される。そのため、キャップ体１２の底面部１２ａの振動エネルギーが側面部１２ｂに漏洩しにくくなり、底面部１２ａから放射される超音波の音圧を高く保つことができる。特に、キャップ体１２の端部にも内部枠体１６が密着し、内部枠体１６の段差部１６ａがキャップ体１２の端部を押さえる構造であるため、振動しやすいキャップ体１２の端部の振動が抑えられ、効果的に振動エネルギーの漏洩を低減することができる。
さらに、圧電素子１４によってキャップ体１２の底面部１２ａが振動すると、高次スプリアス振動が発生し、圧電素子１４を駆動するための駆動信号がなくなった後も、キャップ体１２の振動が持続する。このような残響が長く続くと、圧電素子１４が残響による振動で電気信号を発生し続けるため、障害物で反射した超音波による圧電素子の振動に基づく電気信号が残響による振動の電気信号によってかき消されて、障害物で反射した超音波を検出することができない。しかしながら、この超音波トランスデューサ１０では、内部枠体１６に形成された貫通孔２２を通して、キャップ体１２の側面部１２ｂに制振材２８が直接接触しているため、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーが制振材２８によって吸収される。したがって、この超音波トランスデューサ１０では、残響特性を良好にすることができる。
このように、キャップ体１２の内側面に音響インピーダンスが大きい材料で形成された内部枠体１６を密着させることにより、音圧の高い超音波を放射させることができ、キャップ体１２の内側面の一部に制振材２８を直接接触させることにより、残響特性を良好にすることができる。
なお、図３に示すように、内部枠体１６の側面の円周に沿って、丸孔状の貫通孔２２が等間隔に形成されてもよい。このように、貫通孔２２の形状にかかわらず、貫通孔２２を通して、制振材２８が直接キャップ体１２内の側面に接触することにより、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーが制振材２８によって吸収される。
ここで、貫通孔２２は、内部枠体１６の側面において、必ずしも等間隔に形成される必要はない。特に、図４に示すように、内部枠体１６の一端側の対向部に形成された凹部２０に対応した側面と、凹部２０を結ぶ方向に直交する方向の側面に、貫通孔２２が集中して形成されることが好ましい。このような配置とすることにより、貫通孔２２は、内部枠体１６の側面であって、キャップ体１２の底面の内部枠体１６に接触しない部分における長軸方向と、この長軸方向に直交する方向に集中して配置される。
キャップ体１２の底面において、上述のように、内部枠体１６に接触しない部分は、振動しやすい部分である。このキャップ体１２の底面の振動しやすい部分は、キャップ体１２の底面の中央部を含み、かつ長軸を有する形状となる。このような形状となることにより、キャップ体１２の底面の振動領域に異方性が生じる。つまり、キャップ体１２の底面の振動しやすい部分の長軸方向への振動領域が広がり、長軸方向に直交する方向への振動領域が狭まることにより、キャップ体１２の振動面に異方性が生じ、放出される超音波が扁平化する。このように、キャップ体１２の振動面に異方性が生じることにより、キャップ体１２の底面および側面に伝わる振動は同心円状に同等に伝播するのではなく、振動しやすい部分の長軸方向とそれに直交する方向に特に大きく伝播し、これらの方向でキャップ体１２が交互に変形するモードが生じる。図５（ａ）（ｂ）は、このキャップ体１２の変形モードをわかりやすくするために、変形した形状を誇張して示したものである。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、キャップ体１２の振動しやすい部分の長軸方向とそれに直交する方向のそれぞれにおいて楕円形状が交互に生じるように、キャップ体１２が変形するモードが生じる。
そこで、キャップ体１２の側面が特に大きく変形する部分、つまりキャップ体１２の底面が振動しやすい部分の長軸方向とそれに直交する方向に対向する内部枠体１６の側面に、貫通孔２２が形成される。そのため、キャップ体１２の特に大きくベンディングする部分に対応する位置で、キャップ体１２の側面に制振材２８が直接接触する。それにより、高次スプリアスの振動エネルギーをより効果的に抑制することができ、残響を抑制することができる。このように、キャップ体１２の底面の振動しやすい部分における長軸方向と、この長軸方向に直交する方向に集中して内部枠体１６の側面に貫通孔２２を形成することにより、より効果的に残響特性を向上させることができる。
また、図６に示すように、キャップ体１２の端部から底面部１２ａに向かって延びるように、側面部１２ｂと内部枠体１６との間に隙間３０を形成し、この隙間３０に制振材２８を充填してもよい。このような隙間３０を形成するために、図７に示すように、内部枠体１６の外側面の端部から軸方向に延びるように、溝部３２が形成される。溝部３２は、内部枠体１６の周囲において、たとえば等間隔で４箇所に形成される。この内部枠体１６をキャップ体１２内に嵌め込むことにより、キャップ体１２の開放端部において、キャップ体１２の側面部１２ｂと内部枠体１６との間に隙間３０が形成される。
このような超音波トランスデューサ１０においても、溝部３２以外の部分において、キャップ体１２の端部まで内部枠体１６が密着しているため、キャップ体１２の側面部１２ｂへの振動エネルギーの漏洩を小さくすることができる。そのため、超音波トランスデューサ１０から放射される超音波の音圧を高く保つことができる。また、内部枠体１６の溝部３２が形成された部分においては、キャップ体１２の側面部１２ｂと内部枠体１６との間に隙間３０が形成され、この隙間３０に充填された制振材２８によって、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーが吸収される。そのため、超音波トランスデューサ１０の残響特性を良好にすることができ、障害物で反射した超音波を効果的に検出することができる。なお、必要に応じて、内部枠体１６内部に充填される制振材２８と隙間３０に充填される制振材２８の材料を変えてもよい。さらに、このような隙間３０に制振材２８が充填されている場合、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーは、隙間３０内の制振材２８によって吸収されるため、内部枠体１６内には制振材が充填されなくてもよい。
なお、このような超音波トランスデューサ１０においても、溝部３２は、内部枠体１６の側面のうち、キャップ体１２の底面の内部枠体１６に接触しない部分の長軸方向およびそれに直交する方向に形成されることが好ましい。このような位置に溝部３２が形成されることにより、キャップ体１２の振動部の大きくベンディングする位置に対応した部分において、キャップ体１２と内部枠体１６との間に隙間３０が形成される。それにより、この隙間３０に充填された制振材２８によって、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーが効果的に吸収される。
また、図８に示すように、内部枠体１６内部に充填された制振材２８が、内部枠体１６の端部を超えて、キャップ体１２および内部枠体１６の外側面に回り込むようにしてもよい。この超音波トランスデューサ１０では、キャップ体１２の側面部１２ｂの外側に制振材２８が接触している。このように、キャップ体１２の側面部１２ｂの外側において制振材２８が直接接触していても、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することができ、残響特性を良好にすることができる。もちろん、キャップ体１２の内部においては、内部枠体１６がキャップ体１２の端部まで密着しており、キャップ体１２の端部における振動を抑えることができ、効果的に振動エネルギーの漏洩を防止することができる。
なお、キャップ体１２の側面部１２ｂの外側の制振材２８は、キャップ体１２の側面部１２ｂ全体を覆うように形成されてもよい。超音波トランスデューサ１０を自動車などに取り付ける場合、通常、超音波トランスデューサ１０の側面を覆うように、ゴムなどで形成された外装材が設けられる。そこで、制振材２８で超音波トランスデューサ１０の外側面を覆っておけば、キャップ体１２の不要振動の吸収とともに、外装材の役割ももたせることができる。
また、これらの超音波トランスデューサ１０において、図２〜図４および図７に示すように、内部枠体１６の側面に段差部１６ａを形成しておくことにより、図９に示すように、キャップ体１２内に内部枠体１６を嵌め込んだときに、キャップ体１２の端部が内部枠体１６の段差部１６ａで押さえられるとともに、キャップ体１２と内部枠体１６との間に段差をなくすことができる。そのため、キャップ体１２端部の振動を抑えて振動エネルギーの漏洩を防止するとともに、超音波トランスデューサ１０の外観上の印象を良好にすることができる。さらに、内部枠体１６に段差部１６ａを形成して、キャップ体１２の側面部１２ｂの高さを低くすれば、側面部１２ｂの剛性が高くなり、側面部１２ｂが振動しにくくなる。また、キャップ体１２の側面部１２ｂの高さが低くなれば、振動しにくい内部枠体１６の体積比率が大きくなり、振動を抑制する効果をより大きくすることができる。
上述のように、超音波トランスデューサ１０を自動車などに取り付ける際には、キャップ体１２および内部枠体１６の側面を覆うように、ゴムなどで形成された外装材が設けられる。このとき、図１０および図１１に示すように、外装材３４を超音波トランスデューサ１０の側面の全面を覆うように形成し、キャップ体１２の曲面部１２ｃに外装材３４が密着するようにすれば、キャップ体１２と外装材３４との間に隙間が発生しない。そのため、超音波トランスデューサ１０を自動車のバンパーなどに取り付けたとき、キャップ体１２とバンパーとの間に隙間が生じない。キャップ体１２とバンパーとの間に隙間が発生すると、この隙間にごみや汚れがたまりやすくなり、超音波トランスデューサ１０の特性に悪影響を与える恐れがあるし、外観上も好ましくない。そこで、キャップ体１２の曲面部１２ｃを覆うように、外装材３４を設けることにより、このような隙間をなくすことができ、特性や外観の悪化を防止することができる。また、図８に示すような制振材２８で覆われた超音波トランスデューサ１０においても、その側面全面に制振材２８を設ける場合には、キャップ体１２の曲面部１２ｃを覆うように制振材２８を形成することが好ましい。
このように、この発明の超音波トランスデューサ１０では、キャップ体１２より音響インピーダンスが大きい材料で形成された内部枠体１６が、キャップ体１２に嵌め込まれている。そして、キャップ体１２の側面部１２ｂの端部まで内部枠体１６を密着させることにより、振動エネルギーの漏洩を抑制して、放射される超音波の音圧レベルを高く保つことができる。さらに、キャップ体１２の側面部１２ｂの少なくとも一部に、制振材２８を直接接触させることにより、キャップ体１２の高次スプリアスによる振動エネルギーを吸収することができ、残響特性を良好にすることができる。
実施例１および実施例２として、それぞれ図３および図４に示すようなキャップ体および内部枠体を有する超音波トランスデューサを作製した。また、比較例として、図３および図４に示す内部枠体と同じ形状で貫通孔のない内部枠体を有する超音波トランスデューサを作製した。これらの超音波トランスデューサについて、駆動時間０．６０ｍｓで６０Ｖの電圧を圧電素子に印加し、残響特性を測定した。そして、実施例１、実施例２および比較例について、それぞれ、図１２、図１３、図１４に示した。図１２〜図１４において、横軸の１目盛は、０．２ｍｓである。
駆動電圧を印加してから残響がおさまるまでの時間は、実施例１では０．７８ｍｓ、実施例２では０．６９ｍｓ、比較例では１．２３ｍｓであった。この結果から、貫通孔を形成した内部枠体を用いた超音波センサでは、残響特性が向上していることがわかる。特に、キャップ体の底面の内部枠体に接触していない部分の長軸方向とそれに直交する方向に集中して内部枠体の側面に貫通孔を形成することにより、より優れた残響特性が得られることがわかる。

Claims (9)

  1. 有底筒状のキャップ体、
    前記キャップ体内部の底面に形成される圧電素子、
    前記キャップ体の材料より音響インピーダンスが大きい材料で形成され、前記キャップ体内において前記キャップ体の端部を含む側面に密着するように形成される内部枠体、および
    前記キャップ体の側面の少なくとも一部に直接接触するようにして前記内部枠体内に充填される制振材を含む、超音波トランスデューサ。
  2. 前記内部枠体に貫通孔を形成することにより、前記貫通孔を通して前記制振材が前記キャップ体内の側面の一部に直接接触するようにした、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 前記キャップ体の端部において、前記キャップ体と前記内部枠体との間の一部に隙間が形成され、前記内部枠体内に前記制振材が充填されるとともに前記隙間に前記制振材が充填された、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 有底筒状のキャップ体、
    前記キャップ体内部の底面に形成される圧電素子、
    前記キャップ体の材料より音響インピーダンスが大きい材料で形成され、前記キャップ体内において前記キャップ体の端部を含む側面に密着するように形成される内部枠体、および
    前記キャップ体の端部において、前記キャップ体と前記内部枠体との間の一部に隙間が形成され、前記キャップ体の内側面に接触するように前記隙間に充填される制振材を含む、超音波トランスデューサ。
  5. 前記キャップ体の底面には、その中央部を含み、かつ一方向に長軸を有するようにして前記内部枠体の一端側と接触しない部分が形成され、
    前記内部枠体の側面であって前記キャップ体の底面における前記内部枠体の一端側と接触しない部分の長軸方向および前記長軸方向と直交する方向に前記貫通孔または前記隙間が形成される、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
  6. 前記キャップ体の底面から側面にかけて曲面部が形成されるとともに、前記曲面部を覆うようにして前記キャップ体の外側面を覆う外装材が形成された、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
  7. 前記制振材は前記内部枠体の内部から外部にわたって配置され、前記キャップ体の外側面に前記制振材が直接接触するようにした、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  8. 前記キャップ体の底面から側面にかけて曲面部が形成されるとともに、前記キャップ体の外側面における前記制振材が前記曲面部を覆うように形成された、請求項７に記載の超音波トランスデューサ。
  9. 前記キャップ体の端部において前記内部枠体の外側面に前記キャップ体の厚みに相当する段差部を形成し、前記キャップ体内における前記内部枠体の外径より前記キャップ体外における前記内部枠体の外径を大きくすることにより、前記キャップ体と前記内部枠体との間に段差をなくした、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波トランスデューサ。
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