JP4509207B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、硬質樹脂などの固定材により振動素子が接続されたアレイ型超音波トランスジューサが開示されている。なお、音響整合層を用いた超音波センサは一般に良く知られた構造であり、特に車載用では減衰率の大きな空気中での検知が必要となる。
特に、振動分離部材は、芯材をこの芯材よりも弾性率の高い材料で挟んで形成された積層構造を有するように形成することができる。これによれば、振動分離部材により反射されずに伝達された超音波振動を芯材により減衰させることができるので、振動ノイズを低減することができる。
この発明に係る超音波センサの第1実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、車両に搭載して障害物センサとして使用する超音波センサを例に説明する。
図1は、第1実施形態の超音波センサの説明図である。図1(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A矢視断面図である。図2は、振動分離部材が筐体と一体的に形成された構成を示す縦断面説明図である。図3及び図4は、振動分離部材の変更例を示す縦断面説明図である。
ここで、図1において、図1(A)の手前方向及び、図1(B)の上方向が車両の外部を示す。また、図1(A)の下方向に地面が存在する。
なお、各図では、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。
受信素子12pは、送信素子11から発振され、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子14pに振動を伝達する音響整合部材13pと、超音波を検出する圧電素子14pと、とが接合されて形成されている。
ただし、中心部の間隔は検知エリアの角度に依存するのものであり、間隔dが半波長より大きい場合でも、角度を検知することはできる。
ここで、振動減衰部材18のうち受信面13j及び送信面13sを覆う部分は、超音波の伝達を大きく阻害しないように、例えば、厚さ1mm以下の厚さに形成されている。
また、圧電素子14p及び積層圧電素子16を劣化させる水分など環境因子を遮断することができるので、信頼性を向上させることができる。
振動分離部材90は、送信素子11と隣接する受信素子12p、12rとの間に設けられ、筺体31の底面31aから立設されており、一端が振動減衰部材18により固定されて、筐体31の内部を送信素子11を囲んで区画している。ここで、振動分離部材90の厚さは、積層圧電素子16から各音響整合部材13p〜13rへの超音波の振動の伝達を低減するとともに、振動減衰部材18において、各音響整合部材13p〜13rの振動の阻害を小さくできる厚さに設定されている。
まず、ECUから出力された超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、回路素子が積層圧電素子16に対して電圧信号を出力する。この電圧信号に基づいて積層圧電素子16が振動し、所定の音圧、位相の超音波を発振する。
ここで、各受信素子12p〜12r間には、振動減衰部材18が介在しているため、受信素子13p〜13sごとに超音波を分離して伝達し、検出することができるので、良好なクロストーク特性を得ることができ、超音波の検出精度を向上させることができる。
本実施形態では、振動減衰部材18により受信面13j及び送信面13sが覆われているが、これに限定されるものではない。
例えば、振動減衰部材18は、受信面13j及び送信面13s近傍の側面において、各音響整合部材13、13p〜13rを固定し、受信面13j及び送信面13sを外部に露出させる構成を採用することもできる。また、この構成において露出した受信面13j及び送信面13sを塗料などの別部材により被覆してもよい。
更に、図2に示すように、接合層18aを介して、振動減衰部材18と、筐体31及び振動分離部材90とを接合することもできる。これにより、送信素子11及び各受信素子12p〜12rと、筐体31及び振動分離部材90との位置決め精度を確保することができる。接合層18aは、2色成形、熱圧着、レーザ溶着、加硫接着、接着剤などにより形成することができる。
(1)第1実施形態の超音波センサ10は、送信素子11に、圧電素子が複数層に積層形成され、超音波を発振する積層圧電素子16を用いているため、高い音圧の超音波を発振することができる。また、振動分離部材90を備えているため、送信素子11から各受信素子12p〜12rに超音波が伝達して発生する振動ノイズを低減することができる。つまり、高い音圧と低い振動ノイズを両立することができる超音波センサ10を実現することができる。
第2実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図5は、第2実施形態の超音波センサの縦断面説明図である。図6及び図7は、第2実施形態の超音波センサの変更例の縦断面説明図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
(1)第2実施形態の超音波センサ20では、第1緩衝材19に重ねて第1緩衝材19よりも低弾性率で音響インピーダンスが小さい材料により形成された第2緩衝材21が設けられているため、各音響整合部材13、13p〜13rに印加された衝撃は弾性率の高い第1緩衝材19により吸収することができる。また、超音波の振動が大きい各音響整合部材13、13p〜13r側には低弾性率の第2緩衝材21を配置することにより、振動減衰を小さくするとともに、圧電素子14p及び積層圧電素子16を水分などの環境因子から保護することができる。
第3実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図8は、第3実施形態の超音波センサの平面説明図である。図8において、図中の下方向に地面が存在する。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
第3実施形態の超音波センサ30は、異なる指向性を有する送信素子の組、または、受信素子の組を備えているため、道路の状況などに応じて指向性を使い分けることにより、広い検出エリアで障害物を感度よく検出することができる。
第4実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図9は、第4実施形態の超音波センサの縦断面説明図である。図10及び図11は、第4実施形態の超音波センサの変更例の縦断面説明図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
(1)第4実施形態の超音波センサ40では、振動分離部材90に代えて振動分離部材91が設けられおり、この振動分離部材91には、芯材91cをこの芯材91cよりも音響インピーダンスが高い一側部材91aおよび他側部材91bで挟むように積層されて形成されているため、一側部材91aおよび芯材91c間と芯材91cおよび他側部材91b間とにおける音響インピーダンスの差がそれぞれ大きくなるので、各界面において送信素子11からの超音波を反射しやすくなり、振動ノイズを低減することができる。
第5実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図12は、第5実施形態の超音波センサの縦断面説明図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
(1)第5実施形態の超音波センサ50では、筐体31および振動分離部材90に代えて筐体31bおよび振動分離部材94が設けられており、振動分離部材94は、その突出部94aが筐体31bのスリット31cを挿通して外方に突出するように形成されているため、振動分離部材94の共振周波数を低下させるとともに、このように突出する突出部94aにより振動を外部に引き出して減衰させることができるので、振動ノイズを低減することができる。
第6実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図13は、第6実施形態の超音波センサの縦断面説明図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
第6実施形態の超音波センサ60では、振動分離部材90の振動に対する逆位相の振動をこの振動分離部材90に与えることにより当該振動分離部材90の振動を減衰させるアクチュエータ61を設けているため、アクチュエータ61によって逆位相の振動を与えることにより振動分離部材90の振動を減衰させることができるので、振動ノイズを低減することができる。
第7実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図14は、第7実施形態の超音波センサの説明図である。図14(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図14(B)は、図14(A)のA−A矢視断面図である。なお、第1実施形態に対して、受信素子12pを1つ採用する構成について示しているが、第1実施形態と同様に3つの受信素子12p、12q、12rを採用する構成に適用することもできる。また、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
第7実施形態の超音波センサ70では、振動分離部材95の側面が凹凸状に形成されているため、その凹凸形状に応じて振動分離部材95の共振周波数を変更することができるので、振動分離部材95の共振を抑制することができる。
第8実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図15は、第8実施形態の超音波センサの説明図である。図15(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図15(B)は、図15(A)のA−A矢視断面図である。なお、第1実施形態に対して、受信素子12pを1つ採用する構成について示しているが、第1実施形態と同様に3つの受信素子12p、12q、12rを採用する構成に適用することもできる。また、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
第8実施形態の超音波センサ80では、振動分離部材96は、筐体31に支持される周縁部96aの厚さが中央部96bの厚さに対して薄くなるように形成されているため、送信素子11からの振動が振動分離部材96に伝達されるとき、比較的厚さの薄い周縁部96aのみが振動し、この周縁部96aを除く中央部96bは送信素子11および各受信素子12p,12q、12rの側面に対して平面として平行に往復動するだけなので、各受信素子12p,12q、12rへの振動による影響を抑制することができる。
第9実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図16は、第9実施形態の超音波センサの説明図である。図16(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図16(B)は、図16(A)のA−A矢視断面図である。なお、第1実施形態に対して、受信素子12pを1つ採用する構成について示しているが、第1実施形態と同様に3つの受信素子12p、12q、12rを採用する構成に適用することもできる。また、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
(1)第9実施形態の超音波センサ80aでは、振動分離部材90の受信素子側の側面に複数の補強部材97が設けられているため、振動分離部材90による振動ノイズの低減とともに、当該振動分離部材90の強度をも高めることができる。
第10実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図17は、第10実施形態の超音波センサの説明図である。図17(A)は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図17(B)は、図17(A)のA−A矢視断面図である。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
第10実施形態の超音波センサ80bでは、振動減衰部材18には、音響整合部材13と音響整合部材13p,13q,13rとの間に切欠部18bが形成されているため、音響整合部材13からの振動が振動減衰部材18を介して音響整合部材13p,13q,13rに伝達されるまでに切欠部18bにて分散されるので、振動ノイズを低減することができる。
第11実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図18は、第11実施形態の超音波センサの平面説明図である。図19および図20は、第11実施形態の超音波センサの変更例の平面説明図である。図18〜図20において、図中の下方向に地面が存在する。なお、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
(1)第11実施形態の超音波センサ80cでは、送信素子11を1つと受信素子を複数備え、各受信素子は、送信素子11および振動分離部材90に対する離間距離が互いに等しくなるように配置されているため、各受信素子には同一のタイミングで送信素子11による振動の影響がでることとなるので、信号処理をすることで容易に振動ノイズを低減することができる。
本発明の超音波センサは、自動車の障害物センサ以外にも、ロボットなどの衝撃が印加される可能性が高い部分に搭載し、周辺の障害物を検知する超音波センサとして用いることができる。
11、11a、11b 積層圧電素子
12p、12q、12r 音響整合部材
13 音響整合部材(第1の音響整合部材)
13p 音響整合部材(第2の音響整合部材)
13j 受信面
13s 送信面
14p 圧電素子
16 積層圧電素子
18 振動減衰部材
18b 切欠部
19 第1緩衝材
21 第2緩衝材
22 第3緩衝材
31 筐体
31a 底面
90〜98 振動分離部材
90a 芯材
90b 板材
Claims (7)
- 圧電素子が複数層に積層形成され、超音波を発振する積層圧電素子と、前記積層圧電素子により発振された超音波を伝達する第1の音響整合部材とを備え、被検出体に対して超音波の送信を行う送信素子と、
前記被検出体にて反射された超音波を検出する圧電素子と、前記圧電素子に前記被検出体にて反射された超音波を伝達する第2の音響整合部材とを備え、前記被検出体にて反射された超音波の受信を行う受信素子と、をそれぞれ少なくとも1個備え、前記送信素子と前記受信素子とがアレイ状に配置されており、
前記送信素子と前記受信素子とを収容し、少なくとも所定の物体に配置するための一端が開口した箱状に形成された筐体と、
前記各音響整合部材と前記筐体の開口部との間に介在して設けられ、前記音響整合部材を前記筐体に固定するとともに、前記各音響整合部材の間で伝達する振動を減衰させる振動減衰部材と、
前記送信素子と隣接する受信素子との間に設けられ、前記筐体の内部を前記送信素子を囲んで区画し、前記送信素子から前記受信素子への超音波振動の伝達を低減する振動分離部材と、
を備え、
前記振動分離部材は、芯材をこの芯材よりも弾性率の高い材料で挟んで形成された積層構造を有することを特徴とする超音波センサ。 - 前記圧電素子及び前記積層圧電素子と前記筐体の底面及び内側面との間に介在して設けられ、前記送信素子及び前記受信素子を外力の負荷から保護する第1の緩衝材を備え、
前記第1の緩衝材よりも弾性率が低い材料により、前記第1の緩衝材に重ねて設けられ、前記圧電素子及び前記積層圧電素子とを覆うように形成された第2の緩衝材を備えたことを特徴とする請求項1に記載の超音波センサ。 - 前記積層圧電素子側に設けられている前記第1緩衝材に代えて、前記第1緩衝材よりも弾性率が高い材料により形成された第3の緩衝材を用いることを特徴とする請求項2に記載の超音波センサ。
- 前記第3の緩衝材は、前記第1の緩衝材よりも高く形成されており、前記第1の緩衝材が前記圧電素子を覆う高さより、前記第3の緩衝材が前記積層圧電素子を覆う高さの方が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項3に記載の超音波センサ。
- 前記振動減衰部材は、前記第1の音響整合部材の超音波を送信する送信面と、前記第2の音響整合部材の超音波を受信する受信面とを覆って形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 異なる指向性を有する送信素子の組、または、受信素子の組を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の超音波センサ。
- 前記振動減衰部材には、前記第1の音響整合部材と前記第2の音響整合部材との間に1または複数の切欠部が形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1つに記載の超音波センサ。
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