JP4193006B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

この発明は、超音波センサに関し、特にたとえば、自動車のバックソナーなどに用いられる超音波センサに関する。

自動車のバックソナーなどに用いられる従来の超音波センサは、自動車のバンパ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ている。超音波センサのバンパ等への取り付けは、圧電素子の固着されたケース体の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行われる。このような用途に用いられる超音波センサにおいては、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ため、水平設置方向と垂直設置方向とにおける指向特性の異方性が求められる。

図９は、上述したような超音波センサに用いられるケース体１の構造の一例を示す図解図である。図９（ａ）は、ケース体１の平断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図（垂直設置方向）、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ断面図（水平設置方向）である。ケース体１は、全体がアルミニウム等の金属材料で形成されており、背面で開口した中空部３を備えている。ケース体１の底部２は、垂直設置方向の中央部が厚肉部２ａとなり、その両側に略三日月状をした薄肉部２ｂが設けられており、底部２中央において厚肉部２ａの内面には、導電性接着剤等によって圧電素子５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９（ｂ）に示すように圧電素子５を実装した厚肉部２ａの両側に薄肉部２ｂが位置しており、ケース体１の中心を通る水平設置方向の断面においては、図９（ｃ）に示すように、底部２全体が厚肉部２ａとなっている。この厚肉部２ａの厚みは、ケース体１の外周側壁部４の最小厚みよりも厚くなっており、薄肉部２ｂの厚みは、ケース体１の外周側壁部４の最小厚みよりも薄くなっている。

上述したような構造を有する超音波センサによれば、垂直設置方向（中空部３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。よって、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設けることができることから、指向特性の異方性をもった超音波センサを得ることができる（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００−３２５９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている超音波センサにおけるケース体１の側壁は、所定の指向特性を得るために厚肉部および薄肉部を設けたものを使用しており、このような複雑な構造のケース体１は、アルミニウムを鍛造、切削、ダイカスト（高圧鋳造）の加工を行うことによって形成され、その構造の複雑さから製作コストが高くなっていた。
また、ケース体１における圧電素子が接着される面は、ある程度振動の自由度が保たれる構造であることが望ましく、特に、ケース体１の底面と側壁の境（角・エッジ）部分については、ある程度振動することが望ましい。しかしながら、従来の超音波センサにおけるケース体１は、厚肉部と薄肉部が設けられているため、特に、厚肉部近傍では振動が阻害されてしまい、結果、顕著な異方性を奏し得ることが困難であるという問題があった。
さらに、従来の超音波センサにおけるケース体１は、該ケース体１の中空部における断面形状を楕円形状にすることで、指向特性の異方性を確保できるようにしていたが、楕円形状に作製されたケース体１では、ケース体１の側壁の厚みが薄い箇所があることから、該部分での側面振動が大きくなり、結果、たとえば自動車等に実装した際には、ゴムクッション、ハウジングの保持状態において超音波センサの特性が変化しやすくなるため、所定の特性を確保することが困難となるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、安定した指向特性の異方性を持つ超音波センサを提供することである。

本願発明は、有底筒状のケース体、ケース体の底部における内面側に設けられる圧電素子、を含む超音波センサにおいて、ケース体は、外部ケース体と外部ケース体の内部に設けられている内部ケース体とを含み、内部ケース体において、外部ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、切り欠きが設けられ、内部ケース体は、外部ケース体よりも密度の高い金属材料で形成されていることを特徴とする、超音波センサである。
また、切り欠きは、内部ケース体において、外部ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、対向して設けられていることを特徴とする、超音波センサである。
このように、切り欠きを、ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に対向して設けることにより、振動面を楕円状にすることができ、さらに、振動面の振幅を大きくすることができる。
また、このように、内部ケース体に外部ケース体よりも高密度の金属材料を用いることで、外部ケース体における側面振動の変動量の小さい超音波センサを供給することが可能となる。

さらに、このように、超音波センサに用いられるケース体を単純な構造により形成された別体とし、それらを組み合わせるとした構成とすることにより、指向特性の異方性が顕著な超音波センサを得ることができる。また、各部品は、単純な構造の部品により形成できるので、低コストでの製造・加工が可能となる。

この発明によれば、超音波センサのケース体において、切り欠きが該ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に対向して設けられたものを用いることによって、超音波センサの振動面において、楕円形状の振動面の振幅を形成することができる。そのため、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が顕著な超音波センサを提供することができる。
また、超音波センサの内部ケース体が、外部ケース体よりも高密度の金属材料により形成されることで、超音波センサの側面振動を小さくすることができる。そのため、超音波センサを取り付けた際に、超音波センサにおける特性の変化の小さい超音波センサを提供することができる。
さらに、この発明による超音波センサにおけるケース体は、単純な構造により形成されることから、製造・加工が容易なケース体を提供することができる。

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。

この発明にかかる超音波センサにかかる外部ケース体における（ａ）は、平面図、（ｂ）は、断面図である。 この発明にかかる超音波センサにかかる内部ケース体における（ａ）は、上上平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）下平面図である。 この発明にかかる（ａ）外部ケース体の斜視図および（ｂ）内部ケース体の斜視図である。 この発明にかかる超音波センサの（ａ）垂直設置方向の断面図および（ｂ）水平設置方向の断面図である。 この発明にかかる超音波センサのＸ側面およびＹ側面における側面振動の変位量の大きさを示す図である。 この発明にかかる超音波センサのＸ側面およびＹ側面の位置を示した図である。 超音波センサにおける現行品のケース体を示す斜視図である。 この発明にかかる超音波センサの内部ケース体における別の実施形態を示した斜視図である。 従来の超音波センサの一例にかかる（ａ）は、ケース体を示す平断面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１０ 外部ケース体
１２ 開口部
１４ 空洞部
１６ 底面部
１８ 側壁
２０ 振動面
２２ 振動の範囲
３０ 内部ケース体
３２ 側壁
３４ 空洞部
３６ 切り欠き部
４０ 超音波センサ
４２ 圧電素子
４４ 吸音材
４６ 基板
４８ ケーブル

（実施例１）
本発明の一実施形態にかかる超音波センサを図１、図２および図３に示す。図１および図２は、本実施形態の超音波センサに用いられている外部ケース体１０および内部ケース体３０を示したものである。図１（ａ）は、外部ケース体１０の平面図、図１（ｂ）は、断面図である。また、図２（ａ）は、内部ケース体３０の上平面図、図２（ｂ）は、断面図、図２（ｃ）は、下平面図を示したものである。また、図３（ａ）および図３（ｂ）は、本発明にかかる超音波センサの外部ケース体１０および内部ケース体３０の斜視図である。超音波センサは、たとえば有底円筒状の外部ケース体１０と円筒形の内部ケース体３０を含む。

外部ケース体１０は、開口部１２および空洞部１４が設けられており、さらに、底面部１６と側壁１８とで構成されている。底面部１６の外面に振動面２０が位置している。外部ケース体１０における底面部１６の内面に圧電素子が取り付けられる。
外部ケース体１０は、たとえばアルミニウムなどの金属材料で形成される。
外部ケース体１０は、たとえば全体の高さが９ｍｍ、外径が１４ｍｍ、内径が１３ｍｍで形成されている。外部ケース体１０の底面部１６は、０．５ｍｍの均一な板厚で形成されており、外部ケース体１０の側壁１８は０．５ｍｍの均一な板厚で形成されている。
外部ケース体１０は、たとえば表面処理、塗装された板材をプレスして加工したものが使用される。

内部ケース体３０は、超音波センサの指向特性の異方性を因果付けるための機能を有するものである。内部ケース体３０は、外部ケース体１０の空洞部１４に配置される。内部ケース体３０は、空洞部３４を備えた筒状に形成されている。そして、内部ケース体３０の側壁３２の下部において２箇所に切り欠き部３６が、対向して設けられた構造となっている。
内部ケース体３０は、たとえば亜鉛などの金属材料で形成される。この内部ケース体３０に用いられる金属材料の密度の大きさは、外部ケース体１０よりも大きな密度の金属材料を用いるのが望ましい。
内部ケース体３０は、たとえば全体の高さが７ｍｍ、外径が１３ｍｍ、内径が９ｍｍで形成されている。内部ケース体３０の側壁３２の厚みは２ｍｍである。また、切り欠き部３６の大きさは、たとえば切り欠け幅８ｍｍ、切り欠け深さ２ｍｍで形成される。
外部ケース体１０の空洞部１４に内部ケース体３０を配置させることで、振動面２０に内部ケース体３０が接触していない部分が生ずることから、振動面２０が楕円形状に振幅を形成して振動し、結果、超音波センサにおける指向特性の異方性が得られる。

図４に、本発明にかかる外部ケース体１０および内部ケース体３０を用いた超音波センサ４０の断面図を示す。図４（ａ）は、垂直設置方向の断面図であり、図４（ｂ）は、水平設置方向の断面図である。
外部ケース体１０の底面部１６の内面には、圧電素子４２が取り付けられる。内部ケース体３０の空洞部３４において、吸音材４４が配置され、該吸音材４４の上面に基板４６が配置される。基板４６には、ケーブル４８が接続される。
また、基板４６と内部ケース体３０とがワイヤ５０ａを介して接続され、内部ケース体３０および外部ケース体１０を介して圧電素子４２の一方面側の電極に電気的に接続される。一方、基板４６と圧電素子４２の他方面側の電極とが、ワイヤ５０ｂを介して電気的に接続される。
外部ケース体１０および内部ケース体３０により構成された超音波センサにおける固有振動数の駆動電圧を圧電素子４２に印加することで、圧電素子４２が励振され、振動面２０が振動して超音波が送信される。また、振動面２０が音波を受けると振動面２０が固有振動し電気信号が得られる。

この超音波センサでは、内部ケース体３０の側壁３２に切り欠き部３６を対向して設けることで、外部ケース体１０の振動面２０において、楕円形状の振動を形成することができる。そのため、水平設置方向と垂直設置方向とにおける指向特性の異方性を顕著に得ることができる。
また、内部ケース体３０に外部ケース体１０よりも高密度の金属材料を用いることによって、外部ケース体１０の側壁１８における側面振動の変位量を小さくすることができる。そのため、当該超音波センサを自動車等に取り付けた際における超音波センサの特性の変化を小さくすることができる。
さらに、この超音波センサによる各ケース体は、従来のような複雑な構造により形成する必要はなく、単純な構造により形成できることから、製造・加工も容易である。

（実験例１）
図５は、ケース体として図１の外部ケース体１０と図２に示される内部ケース体３０とを用い、内部ケース体３０の材料を変化させた場合における、各内部ケース体のＸ側面およびＹ側面の側面振動の変位量の大きさの数値計算結果を示している。横軸は、振動側面の座標を示し、縦軸は、側面振動の変位量を示している。数値計算は、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を使用した。有限要素法は、物体の形状にあまり左右されず、複雑な形状における物体に対しても数値計算の対象として扱えるといった利点がある。ここで、図６に示すとおり、Ｘ側面とは、振動面２０に形成された楕円形状である振動の範囲２２の短軸方向の延長上における側面をいい、Ｙ側面とは、振動面２０に形成された楕円形状である振動の範囲２２の長軸方向の延長上における側面をいう。また、振動の範囲２２の中で、色が濃い程、振幅の大きさが大きいことを示している。
また、比較のために、現行品による超音波センサのケース体１ａにおける側面振動の変位量の大きさの数値計算結果も示す。現行品における超音波センサのケース体１ａは、図７に示した形状に作製されたものである。
今回の数値計算には、図７に示された現行品は、アルミニウムを金属材料として使用し、本願発明による内部ケース体３０は、金属材料として、アルミニウム、亜鉛およびタングステンをそれぞれ使用した。また、外部ケース体１０は、金属材料としてアルミニウムを使用した。

図５（ａ）は、現行品における結果、図５（ｂ）は、内部ケース体３０の金属材料にアルミニウムを使用した結果、図５（ｃ）は、内部ケース体３０の金属材料に亜鉛を使用した結果、図５（ｄ）は、内部ケース体３０の金属材料にタングステンを使用した結果をそれぞれ示している。
現行品の側面振動の変位量の大きさは、Ｘ側面では、４０．０ｎｍ付近であったが、Ｙ側面では、６０．０ｎｍ以上であった。
また、内部ケース体３０の材料に外部ケース体１０の材料と同じであるアルミニウムを使用した場合の側面振動の変位量の大きさは、Ｘ側面では、８０．０ｎｍ付近であり、Ｙ側面では、４０．０から６０．０ｎｍであった。
対して、内部ケース体３０の材料に外部ケース体１０より高密度の亜鉛を使用した場合の側面振動の変位量の大きさは、Ｘ側面では、２０．０から４０．０ｎｍであり、Ｙ側面では、４０．０から６０．０ｎｍであった。
また、内部ケース体３０の材料に外部ケース体１０より高密度のタングステンを使用した場合の側面振動の変位量の大きさは、Ｘ側面では、２０．０から４０．０ｎｍであり、Ｙ側面では、１０．０から４０．０ｎｍであった。
以上の結果から、現行品および内部ケース体３０の材料にアルミニウムを使用した場合と内部ケース体３０の材料に亜鉛およびタングステンを使用した場合とを比較したとき、亜鉛およびタングステンを使用した方が、各ケース体のＸ側面およびＹ側面における側面振動の変位量が抑制されていることがわかる。すなわち、内部ケース体３０の金属材料として、外部ケース体１０に用いられる金属材料よりも高密度の金属材料を用いることで、側面振動の変位量の大きさが抑制されることが確認された。
また、外部ケース体１０の密度と内部ケース体の密度との差が大きいほど、側面振動の変位量の大きさが抑制されることが確認された。

（実験例２）
内部ケース体３０における内径および切り欠き部３６における切り欠け幅および切り欠け深さの大きさをそれぞれ変化させた場合の数値計算結果を行った。数値計算には、実験例１と同様に有限要素法（ＦＥＭ）を使用した。切り欠け幅および切り欠け深さの条件およびその条件における結果を表１に示す。

現行量産されている超音波センサは、４０ｋＨｚ付近に共振周波数をもつ超音波センサが用いられている。すなわち、超音波センサは、４０ｋＨｚ付近に振動面が固有振動を持つように設計しておき、電気的にそれに近い信号を加えて固有振動を励振させたものが使用されている。したがって、超音波センサに用いられるケース体においては、４０ｋＨｚで固有振動を持つことが重要になるが、表１に示すとおり、モデル３およびモデル５は、共振周波数が４０ｋＨｚ付近であることから、この点において適用可能であることが確認できる。
また、モデル３およびモデル５では、振動面の形状が楕円に近い形状になっていることが確認され（図示せず）、他のモデルでは、振動面の形状が菱形に近い形状になっていることが確認された（図示せず）。菱形形状では、安定して振動面が振動せず、顕著な指向特性の異方性が得られないが、通常励振で安定して楕円形状の振動を行うモデル３およびモデル５によると、超音波センサとして顕著な指向特性の異方性を得ることができる。

なお、上述の実施例においては、内部ケース体３０の切り欠き部３６の形状は、矩形としたが、それに限られるものではなく、図８に示した内部ケース体３０ａにおける切り欠き部３６ａのような上に凸の半円形であってもよい。

Claims (2)

1. 有底筒状のケース体、
   前記ケース体の底部における内面側に設けられる圧電素子、
   を含む超音波センサにおいて、
   前記ケース体は、外部ケース体と前記外部ケース体の内部に設けられている内部ケース体とを含み、
   前記内部ケース体において、前記外部ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、切り欠きが設けられ、
   前記内部ケース体は、前記外部ケース体よりも密度の高い金属材料で形成されていることを特徴とする、超音波センサ。
2. 前記切り欠きは、前記内部ケース体において、前記外部ケース体の側壁の内側面における底部との接触部分に、対向して設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。

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