JP5150764B2 - 超音波センサ - Google Patents

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Description

本発明は超音波センサ、超音波センサを備えた車両用駐車支援装置、および超音波センサの製造方法に関する。
超音波センサは、自動車において例えば駐車支援装置のために使用される。駐車支援装置は、駐車時に駐車余地を制限する障害物に対する残りの距離を測定する。このような駐車支援装置は、典型的には1つまたは複数の超音波センサと制御装置を含む。超音波センサは、超音波信号を送信および受信するために使用される超音波変換器を含む。超音波センサに対する重要な機能的要求は、とりわけ30cm未満の距離範囲におけるいわゆる近距離測定能力である。
DE3431684A1は、基面が薄板として構成されているキャップ形ないしポット形のケーシングを備える電気音響変換器を開示している。薄板の上には変換素子としてピエゾ圧電セラミック体が載置されており、このピエゾ圧電セラミック体の前記薄板とは反対の側は、緩衝用のフォーム材層によって被覆されている。垂直面において特に小さい開き角を有する超音波放射を生成し、これに対して水平面においては比較的大きな開き角を有する超音波放射を生成するために、薄板の輪郭および薄板を包囲する側壁の輪郭は、超音波放射方向に対して垂直な面においてほぼ楕円形、すなわち回転非対称に構成されている。このような構造において不利であるのは、とりわけパルス駆動において副振動モードないしスプリアス振動モードの振動に対して薄板だけでなく側壁も励起されることである。
DE19727877A1は、リング形状の壁部と振動板としての底面とを備えたポットに類似した形状のケーシングを有する超音波変換器を開示している。ケーシングにより大きな頑強性を与え、かつ振動板であるポット底部への超音波振動を実質的に制限するために、壁部の外側には安定リングが設けられている。しかしながらとりわけ超音波変換器のパルス化送信励起の場合には、この構造の場合でも、薄板のポット壁部の傾倒運動およびしわ形成運動に相当する副振動モードが励起される。副振動モードは、超音波センサの近距離測定能力を阻害する。なぜなら副振動モードでは送信励起後に振動の減衰時間が必要となり、近距離の対象から反射された小さい超音波信号と唸りパターンとが重なるからである。
したがって、超音波センサの送信動作における副振動モードないしスプリアス振動モードの励起をさらに低減し、近距離測定能力を改善することが望ましい。
したがって、環状の側壁と底面とを有するケーシング、すなわちポット形またはキャップ形状に成型されたケーシングを備える超音波センサが提案される。底面上には、超音波振動を発生するための例えばピエゾ圧電素子のような変換素子が取り付けられている。側壁は側壁下部を含む。側壁下部においては、側壁は、底面に平行な平面において実質的に回転非対称の断面を有する。側壁はさらに側壁上部を含む。側壁上部においては、側壁は、該側壁の上縁部に向かって実質的に回転対称の断面に移行している。
これら2つの側壁部分は、底面を直接包囲している側壁下部における回転非対称な断面、ないしは、側壁の上縁部での回転対称な断面への移行によって区別される。これら2つの側壁部分の構造により、変換素子による底面の主振動モードまたは動作振動モードの励起時における、例えば側壁の傾動振動および/または屈曲振動に起因する副振動モードの不所望な間接励起は、従来の超音波センサに比べて格段に低減される。
妨害となる副振動モードに対する動作振動モードの特性の割合は、フォーム充填材等の材料によって減衰されていないセンサケーシングにおいて既に、とりわけ電気的測定によって検出することができる。個々の振動モードは、それぞれ電気的な等価回路図によって表すことができる。副振動モードの特性は、個々の副振動モードと主振動モードの減衰の割合によって判断することができる。側壁の高さに沿って一定の側壁断面を備えたポット形状のケーシング、および場合によっては側壁の外側に安定リングを有する従来の超音波センサとの比較測定により、副振動モードの減衰は5倍から10倍増加することが示された。
超音波センサがフォーム充填材によって上述のように減衰され、かつ用途に応じて場合によって動作中にケーシングを包囲する別の外囲器内に取り付けられる場合には、個々の振動モードの固有振動モード、ならびに動作振動モードと比較して向上した副振動モードの減衰は、レーザ干渉法によって証明可能である。向上した副振動モードの減衰はさらに、近距離の対象から反射された小さな超音波信号と競合する、電気増幅された超音波センサの受信信号における妨害的な唸りを、直接証明可能に改善して低減する。これによって本発明の超音波センサの近距離測定能力が改善される。
本発明の超音波センサの有利な発展形態によれば、側壁上部における側壁は、側壁下部に比べて少なくとも大部分が肉厚が薄くなっている。すなわち側壁上部における側壁の平均壁厚は、側壁下部よりも薄くなっている。別の1つの有利な実施形態によれば、側壁上部は、ケーシングの全体高さの50%よりも多くに亘って延在している。有利には、側壁上部は、ケーシングの全体高さの80%未満に亘って延在している。これらの発展形態においては、妨害的な副振動モードが特に著しく減衰される。
1つの有利な発展形態によれば、ケーシングは、側壁下部および側壁上部において実質的にシリンダ形状の外部輪郭を有する。このような超音波センサは特に簡単に取り付けることが可能である。なぜなら、側壁下部および側壁上部は、ケーシングの内部輪郭の経過によって構成されており、その一方で外部輪郭は、例えば従来形式の超音波センサと同一形状に設けることが可能だからである。このようにすれば、例えば車両の周辺部材の形状を適合させる必要がなくなる。
有利な発展形態によれば、側壁は、側壁上部にて環状の外側の肥厚部を有する。この肥厚部はケーシングの剛性を高める安定リングとして機能し、これによって、側壁の方向が偏向される副振動モードの発生が低下する。さらにケーシングの機械的なロバスト性が改善される。有利には外側の肥厚部は、側壁の上縁部に沿って経過している。
有利な発展形態によれば、側壁上部は、底面に対して垂直な平面において斜めに経過する、ケーシングの内部輪郭を含む。この底面に対して垂直な平面は、例えばケーシングの外部輪郭がシリンダ形状である場合、または一般的に回転対称である場合に、外部輪郭の対称軸を通る平面とすることができ、ここでは底面に対して垂直な平面と内部輪郭との交線の一部分が、外部輪郭の対称軸に対して傾いた直線を形成している。有利には、この交線の一部分は底面に対して約45°傾斜して経過しており、したがって円錐の側面に沿った内部輪郭は、部分的に90°の開き角を以て経過している。
別の1つの有利な発展形態によれば、側壁上部は、底面に対して垂直な平面において曲線状に経過する、ケーシングの内部輪郭を含む。この底面に対して垂直な平面は、例えばケーシングの外部輪郭がシリンダ形状である場合、または一般的に回転対称である場合に、外部輪郭の対称軸を通る平面とすることができ、ここでは底面に対して垂直な平面と内部輪郭との交線の一部分が曲線を形成している。有利には内部輪郭は、実質的に4分円形の経過を含む。すなわち底面に対して垂直な平面と内部輪郭との交線の一部分が、4分円の形態で経過している。これら2つの発展形態においては、副振動モードの減衰が非常に大きい特に有利なケーシングの振動特性を達成することができる。
有利な発展形態によれば、側壁上部は、底面に対して垂直な平面において階段状に経過する、ケーシングの内部輪郭を含む。この底面に対して垂直な平面は、例えばケーシングの外部輪郭がシリンダ形状である場合、または一般的に回転対称である場合に、外部輪郭の対称軸を通る平面とすることができ、ここでは底面に対して垂直な平面と内部輪郭との交線の一部分が水平線、つまり底面に平行な線を形成している。このような経過は、非常に簡単に製造することが可能である。
以下、本願発明を有利な実施形態および添付図面に基づいてより詳細に説明する。
図1Aは、本発明の超音波センサの平面図である。図1BおよびCは、図1Aの超音波センサの2つの異なる断面図である。 図2は、4分円形の内部輪郭経過部を備えた別の1つの実施形態による超音波センサの断面図である。 図3は、区分線形の内部輪郭経過部を備えた別の1つの実施形態による超音波センサの断面図である。 図4は、本発明の1つの実施形態による超音波センサによって受信された信号推移と、比較推移を示す線図である。 図5Aは、従来の超音波センサから送信された超音波信号の周波数スペクトルを示す図である。図5Bは、本発明の1つの実施形態による超音波センサによって送信された超音波信号の周波数スペクトルを示す図である。
各図面において同一の参照符号は、明示的に異なる指示がない限り、同一の特徴または同機能の特徴を表す。
図1Aは、自動車用の駐車支援システムに使用するために適当な超音波センサ100の平面図である。超音波センサは、底面104および該底面をリング形状に包囲する側壁102とを備えたポット形のケーシング101を含む。ケーシング101は例えばアルミニウムのような金属材料から成型されているか、または金属材料からフライス加工されており、腐食および塗装の理由から下塗りによって被覆されている。
図面の観察者の視点は上からケーシング101内部へと向けられるので、底面104の内側は観察者の方に向いている。底面104の内側には、ここでは例えばシリンダ円盤形のピエゾ素子のような電気機械的な変換素子106が載置され、例えば接着されており、コンタクト接続されている。見やすさの理由からこのコンタクト接続の図示は省略されている。ケーシング101の内部の残りの空間は、図示しない緩衝材料によって充填されている。図示したケーシング101をさらに、例えば柔軟なエラストマのような別の被覆部によって包囲することができる。
底面104は、丸み付けられた短辺を備えるほぼ長方形形状を有する。この長方形はその中央部において、変換素子106の取り付け位置を包囲している円形セグメント状の凸部132によって拡張されている。図1Aの観察者の視点が向けられる側壁102の上縁部は、図平面および底面104に平行に位置している縁部面を有する。この縁部面は2つの同心円状の円周によって画定されており、これらの円周の中心点は対称軸134上にあり、この縁部面はケーシング101の外側輪郭120に対して回転対称に形成されている。
図1Bは、図1Aの超音波センサ100を、図1Aの外部輪郭120の対称軸134を通るB−B線に沿って切断した断面図である。外部輪郭120は、ケーシング101の全体高さ118の大部分に亘って外径136を有するシリンダ形状に経過するよう形成されており、この際シリンダ軸は対称軸134上に位置している。外側輪郭120は、以下の点ではシリンダ形状とは相違している。すなわち、ケーシング116の上縁部116に安定リングとして機能する肥厚部122が形成されており、さらに、側壁120が底面104の外側と合流している側壁102の下側角部138が丸み付けされているという点である。
外部輪郭120が図示の実施形態において対称軸134に関して回転対称に形成されている一方で、内部輪郭124は回転対称形状とは実質的に相違している。内部輪郭124は、底面104に直接接続する側壁下部108において垂直経過部144を有している。したがって側壁102は、この側壁下部108においては押出成型体の形式で成型されている。つまり側壁102は、側壁下部108内で任意に選択可能な、底面104に対して平行な平面であってかつ底面の上側に経過する平面では、一定の断面形状を有する。側壁102の側壁下部における断面形状は回転非対称である。なぜなら内部輪郭124は、図1Aに図示されている回転非対称の底面104の輪郭に沿っているからである。この実施例においては、側壁下部108における側壁102の厚さは一定ではない。
側壁下部108に続いている側壁102の側壁上部114においては、内部輪郭124は、側壁下部108における回転非対称の断面形状から上縁部116における回転対称形状へと漸次に移行している。側壁上部114は、この実施例では移行部分110と縁部部分112とを含む。縁部部分112においては内部輪郭12が垂直に経過しており、かつ外部輪郭120の対称軸134に対して回転対称に経過している、つまりシリンダ面142に沿っている。シリンダ面のシリンダ軸は対称軸134と一致している。シリンダ面142の内径は、対称軸134に沿って投影したときに、該シリンダ面142が底面104の回転非対称の輪郭を完全に包囲するように選択される。図1Aから明らかなように、底面104のほぼ長方形形状の輪郭の短辺130は、対称軸134に沿って投影したときに、該短辺130が縁部部分112におけるシリンダ形状の内部輪郭124と一致するように丸み付けられている。
これに対して移行部分110においては、内部輪郭124は、対称軸134に沿って投影したときに底面104の輪郭の外側に位置するような部分において、尖端が対称軸134上に位置しており下へと延びる円錐の側面140に沿って経過している。これは、対称軸134を通って経過する図1Bの垂直の断面において、対称軸134ないし底面104に対して斜めに傾いて経過する直線状の断面輪郭に相当する。円錐の開き角146は例えば90°とすることができ、円錐の側面は対称軸134に対して45°の角度だけ傾いている。これに対して、対称軸134に沿って投影したときに底面104の輪郭内に位置するような部分においては、内部輪郭124は、側壁下部108における内部輪郭の垂直経過部に引き続き垂直に経過している。
側壁上部114は、側壁102ないしケーシング101の全体高さ118の50%より多くに亘って延在している。内部輪郭124の経過が、側壁上部114においては上縁部116に向かって漸次拡大している一方で、外側輪郭120は、上縁部116に形成された肥厚部122を除いて実質的にシリンダ形状であるので、すなわち一定の外径136を以て経過しているので、総じて側壁上部114では外壁102は漸次に肉厚が薄くなっている。
図1Cは、図1Aの超音波センサ100を、図1Aの外部輪郭120の対称軸134を通るC−C線に沿って切断した断面図である。択一的実施形態においては、側壁102の内部輪郭124がシリンダ形状に経過している縁部部分112を省略することができる。こうすることによって側壁上部108は専ら移行部分110のみを含み、側壁102は上縁部116においてようやく回転対称の形状を有することとなる。
図2および3は、それぞれ超音波センサ100の別の実施形態の断面図を図示しており、ここでは移行部分110における内部輪郭124の経過が、図1Bに図示した上述の実施形態の円錐側面形状140とは異なる構成になっている。図2および3の断面図の断面は、それぞれケーシング101の外部輪郭120の対称軸134を通って経過している。ケーシング101の底面104は、図1A−Cの実施形態と同様にほぼ長方形形状を有する。したがって図1Aと実質的に同じ平面図が形成されるので、図2および3の実施形態の平面図に相応する別個の図示は省略する。図2および3の断面は、図1Bの図面に相応して、ほぼ長方形形状の底面104の長手方向軸に沿って経過している。
図2の実施形態においては、移行部分110における内部輪郭124が、図示の断面図にて図1Bの直線状の傾いた断面輪郭140の代わりに曲線状の断面輪郭600を有するように形成されている。この曲線状の断面輪郭600は、縁部部分112における内部輪郭124のシリンダ形状の経過142に滑らかに続いており、下に向かって底面104に対して連続的に増加する勾配を以て続いている。曲線状の断面輪郭600は、曲線の経過に亘って一定の曲率半径602を有している。曲率半径602は、曲線状の断面輪郭600の下側端部が、底面104に対して平行な勾配になるように、つまり全体として4分円形に経過するように選択することができる。
図3の実施形態においては、移行部分110における内部輪郭124が、図示する断面図にて部分毎に直線状の輪郭部分140,700,140’から組み合わされた断面輪郭を有する。第1輪郭部分140は、縁部部分112における内部輪郭124のシリンダ形状の経過142に続いており、底面104に対して45°だけ傾いて経過している。第1輪郭部分140には、底面104に対して平行に経過する第2輪郭部分700と、底面104に対して45°だけ傾いて経過する第3輪郭部分140’とが続いている。
択一的実施形態において、縁部部分112と側壁下部108との間に純粋な階段状の移行部を設けることも可能である。こうすることによって縁部部分112は、有限の高さの移行部分110無しに直接に側壁下部108に続く。さらに内部輪郭124の経過を、図3とは異なる方式で区分毎に複数の部分から組み合わせることもできる。これらの部分は、階段状に形成されている、すなわち図1Bのような垂直の断面図において水平の断面輪郭を有するように形成されている、および/または、円錐状に形成されている、すなわち同様の断面図において直線状の傾いた断面輪郭を有するように形成されている、および/または、円形等の曲線状の断面輪郭を有するように形成されている。例えば4分円形の断面輪郭を有する経過を、区分毎に円錐状および/または階段状の部分から組み合わされた内部輪郭124の経過によって近似させることもできる。
超音波センサ100の作動時には、ピエゾ圧電式変換素子106には制御装置によってパルス状に交流的に電気的な励起信号が印加され、この励起信号が底面104に対して垂直に相応の電界を発生する。分極が適切に調整されている場合には、電界は、例えば変換素子106の収縮を印加電界に対して横断するよう生成する。底面104に対して接線に沿って働くこの変換素子106の収縮により、いわゆるフレキシブルベンドの原理に従って底面104の撓みが生じる。
この際できるだけ最大の変位を達成するために、機械的に可能な、例えばほぼ回転対称の、底面の基本振動モード、動作振動モード、またはオーバートーン振動モードに一致する周波数を有する制御信号を印加すると有利である。制御装置内の変換素子106の適当な電気接続によって、動作振動モードの機械的な帯域は、広帯域を必要とする短い超音波パルスを送信できるよう充分に拡大されている。変換素子106のパルス化送信励起の場合、典型的には側壁102の傾倒運動およびしわ形成運動に相当する別の副振動モードが励起される。これらのモードは電気的に補償されておらず、これによって小さな帯域しか得られず大きな時定数を有する。
図5Aは、レーザ干渉計によって記録された従来の超音波センサから送信される超音波信号の周波数スペクトルを、20kHzと80kHzの間の周波数領域において図示している。ここでは周波数はkHz単位で、水平軸312に沿って線形にプロットされている。その一方で対数スペクトル強度は、dB単位で比較出力1mWに関連して垂直軸310に沿ってプロットされている。図示したスペクトルにおいては、異なるストローク幅で図示された複数の個別の曲線が重なっており、これらの個別の曲線は、振動する超音波センサの底面の異なる点における測定によって得られたものである。周波数スペクトルは、48kHzにおける動作振動モードの領域にて明確な最大値300を有し、さらに別の副振動モード最大値302,304,306も有する。これらの副振動モード最大値302,304,306は、超音波センサの作動に邪魔な33kHz,67kHz,75kHzにおける副振動モードに相当する。
図5Bは、本発明の1つの実施形態による超音波センサによって送信された同様の形式で得られる超音波信号の周波数スペクトルを図示している。48kHzにおける動作振動モードの領域での最大値300は、直接隣接する側帯域320,322を含めて、図3Aと比較して不変の強度を以て存在する。これに対して、不所望の副振動モード最大値302,304,306の強度は、5分の1から10分の1に格段に低減されている。
図4は、共通の時間軸204に亘って異なるストローク幅で図示された2つの受信信号の2つの信号推移200,202を示す線図である。ここで第1の受信信号202は従来の構造形式の超音波センサによって受信されたものであり、第2の受信信号200は本発明の1つの実施形態による超音波センサによって受信されたものである。垂直軸206は、得られた電圧信号のそれぞれの信号レベルを示している。受信信号202において明らかに認識できるように、受信信号202には、副振動モードによって引き起こされる唸り208が存在し、この唸り208は従来の超音波センサの近距離測定能力を阻害するものである。このような唸りは、第2の受信信号200においては効果的に阻止されている。

Claims (9)

  1. 環状の側壁(102)と底面(104)を備えるケーシング(101)を備える超音波センサ(100)であって、
    前記底面(104)上に超音波振動を発生するための変換素子(106)が取り付けられている、
    超音波センサにおいて、
    前記側壁(102)は、側壁下部(108)と側壁上部(114)を有し、
    前記底面(104)に隣接する前記側壁下部(108)においては、前記側壁(102)は、前記底面(104)に平行な平面において転非対称の断面を有し、
    前記側壁下部(108)に隣接する前記側壁上部(114)においては、前記側壁(102)は、該側壁(102)の上縁部(116)に向かって前記底面(104)に平行な平面において回転対称な断面に移行しており
    前記側壁下部(108)に隣接する前記側壁上部(114)の内部輪郭(124)は、側壁下部(108)における回転非対称の断面形状から上縁部116における回転対称形状へと漸次に移行しており、
    前記側壁(102)は、前記側壁上部(114)にて環状の外側の肥厚部(122)を有する、
    ことを特徴とする超音波センサ(100)。
  2. 前記側壁上部(114)における側壁(102)は、側壁下部(108)に比べて少なくとも大部分が肉厚が薄くなっている、
    ことを特徴とする請求項1記載の超音波センサ(100)。
  3. 前記側壁上部(114)は、前記ケーシング(101)の全体高さ(118)の50%より多く、80%未満に亘って延在している、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の超音波センサ(100)。
  4. 前記ケーシング(101)は、前記側壁下部(108)および前記側壁上部(114)において実質的にシリンダ形状の外部輪郭(120)を有する、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の超音波センサ(100)。
  5. 前記側壁上部(114)は、前記底面(104)に対して垂直な平面において斜めに経過している、ケーシング(101)の内部輪郭(124)を含む、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の超音波センサ(100)。
  6. 前記側壁上部(114)は、前記底面(104)に対して垂直な平面において曲線状に経過している、ケーシング(101)の内部輪郭(124)を含む、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の超音波センサ(100)。
  7. 前記側壁上部(114)は、前記底面(104)に対して垂直な平面において階段状に経過している(700)、ケーシング(101)の内部輪郭(124)を含む、
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の超音波センサ(100)。
  8. 超音波センサ(100)と制御装置とを備えた車両用駐車支援装置において、
    前記超音波センサ(100)は、環状の側壁(102)と底面(104)を備えるケーシング(101)を備えており、
    前記底面(104)上に超音波振動を発生するための変換素子(106)が取り付けられており、
    前記側壁(102)は、側壁下部(108)と側壁上部(114)を有し、
    前記底面(104)に隣接する前記側壁下部(108)においては、前記側壁(102)は、前記底面(104)に平行な平面において実質的に回転非対称の断面を有し、
    前記側壁下部108に隣接する前記側壁上部(114)においては、前記側壁(102)は、該側壁(102)の上縁部(116)に向かって前記底面(104)に平行な平面において回転対称な断面に移行しており、
    前記側壁下部(108)に隣接する前記側壁上部(114)の内部輪郭124は、側壁下部(108)における回転非対称の断面形状から上縁部116における回転対称形状へと漸次に移行しており、
    前記側壁(102)は、前記側壁上部(114)にて環状の外側の肥厚部(122)を有する、
    ことを特徴とする車両用駐車支援装置。
  9. 超音波センサ(100)の製造方法において、
    ・環状の側壁(102)と底面(104)を備えるケーシング(101)を形成するステップであって、前記底面(104)に隣接し、前記底面に平行な平面において転非対称の断面を有する側壁下部(108)と、前記側壁下部(108)に隣接し前記側壁(102)の上縁部(116)に向かって転対称の断面に移行している側壁上部(114)とを、前記側壁(102)が有し、前記側壁下部(108)に隣接する前記側壁上部(114)の内部輪郭(124)は、側壁下部(108)における回転非対称の断面形状から上縁部(116)における回転対称形状へと漸次に移行しており、
    前記側壁(102)は、前記側壁上部(114)にて環状の外側の肥厚部(122)を有するように、前記ケーシング(101)を形成するステップと、
    ・前記底面(104)上に超音波振動を発生するための変換素子(106)を取り付けるステップ
    とを有することを特徴とする製造方法。
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