JP6611992B2 - 超音波センサ装置及び障害物検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、超音波センサを備えた超音波センサ装置及び障害物検知装置に係り、特に、一方向に広指向特性を有し、当該一方向と垂直な他方向に狭指向特性を有する超音波センサ装置及び障害物検知装置に関するものである。

超音波センサとして圧電素子を用いた超音波センサが知られている。この超音波センサは、超音波を空気中に送信し、障害物等により反射された超音波を受信することにより、障害物を検知する障害物検知装置に利用されている。
例えば、自動車等の車両に搭載、つまり、当該車両のバンパー等に埋め込み、当該車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置として利用されている。

このような障害物検知装置では、車両の移動の妨げとなる車両周辺の障害物を確実に検知するとともに、車両の移動の妨げとならない、路面等は検知しないようにする必要がある。そのためには、超音波センサの指向特性を水平方向は広指向特性とし、垂直方向は狭指向特性とすることが望ましい。

このため、車両に搭載された障害物検知装置に用いられ、水平方向と垂直方向とで異なる指向特性を有する超音波センサ装置として特許文献1に示されたものが提案されている。
この特許文献1に示された超音波センサ装置は、一方向で比較的長く、別な方向で比較的短くなる様な掘り込みを設けた有底筒状ケースの底面内部に圧電素子を貼り合わせてユニモルフ振動子を構成した超音波送受波器である。超音波の送信、受信は有底筒状ケースの外側面にて行なわれる。有底筒状ケースの比較的短い側の側面に、この幅を超えない様な開口部を設け、指向性を狭くしている。

特開２００６−３４５２７１号公報

特許文献1に示された超音波センサ装置は、有底筒状ケースが、アルミニウム材等からなる金属で形成されている。この有底筒状ケースに掘り込み及び開口部を鍛造加工あるいは切削加工等により形成するのが一般的である。
しかしながら、指向特性を制御するためには、掘り込み及び開口部の寸法精度が重要であり、特別な加工が必要となるという問題点がある。

この発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、特別な加工を施す必要がなく、一方向と垂直な他方向に、当該一方向における指向特性より狭い指向特性を有する超音波センサ装置及び障害物検知装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る超音波センサ装置は、貫通孔を有する取付け部材の貫通孔から放射面が露出し、かつ、側面の全周と取付け部材の貫通孔の壁面との間に振動伝搬防止層を介し、取付け部材に固定される超音波センサを備え、この超音波センサの放射面と、取付け部材とを連結する振動板を、超音波センサの放射面の中心点を通り、放射面と平行な水平面における第１の直線とこの第１の直線と垂直に交わる第２の直線のいずれか一方の直線上に設けたものである。

この発明は、一方向と垂直な他方向に、当該一方向における指向特性より狭い指向特性を有する超音波センサ装置を、特別な加工を施すことなく、得られるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を示す概略構成を示す平面図。 図１に示すII−II線に沿う断面図。 図１に示すＩ−Ｉ線上及びII−II線上の振動変位を示す特性図。 実施の形態１における規格化放射音圧を示す特性図。 この発明の実施の形態２に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を示す概略構成を示す平面図。 この発明の実施の形態３に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を示す概略構成を示す平面図。 図６に示すII−II線に沿う断面図。 この発明の実施の形態４に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を示す概略構成を示す断面図。 この発明の実施の形態５に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を示す概略構成を示す断面図。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を図１及び図２に基づいて説明する。
超音波センサ装置は、取付け部材１と、超音波センサ２と、振動伝搬防止層３と、振動板４１及び４２とを備えている。この超音波センサ装置が自動車等の車両に搭載、つまり、車両のバンパー等に埋め込み、設置されて使用される場合は、車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置として機能する。
障害物検知装置として機能する場合も、基本的には超音波センサ装置を車両周辺の障害物を検出するセンサとして利用したものである。したがって、以下、超音波センサ装置を中心に説明する。

取付け部材１に平面形状が矩形である貫通孔１１が形成されている。取付け部材１は樹脂にて成型される。貫通孔１１の平面形状は正方形である。なお、車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置として使用される場合、取付け部材１は車両のバンパーに取り付けるために、バンパーを構成する部材と別部材で構成される。また、車両のバンパーの一部を取付け部材１とし、バンパーの一部に貫通孔１１を形成するものでも良い。

超音波センサ２は圧電素子を用いたものである。超音波センサ２は表面に超音波を放射する放射面２２を有する円筒状である。超音波センサ２は表面に超音波を放射する放射面２２を有する円筒状の本体ケース２１と、この本体ケース２１の内部に組み込まれた圧電素子とを備えている。超音波センサ２は異方向性の指向特性を持たない、つまり、放射面２２からの超音波の放射は、放射面２２の半径方向全てに対して同じ指向特性を有している。この超音波センサ２は図示しない送信回路から電気信号が印加されると、印加された電気信号に応じて超音波センサ２の放射面２２が振動し、超音波が放射される。送信回路から印加される電気信号はパルスバースト電気信号である。超音波の放射方向に障害物が存在した場合、放射された超音波が障害物で反射し、超音波の一部は同じ超音波センサ２に戻ってくる。障害物から反射された超音波を受信することにより、障害物を検出している。
なお、車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置を想定し、障害物を検出する旨説明したが、障害物ではなく、目的物を検出する用途に用いても良い。

超音波センサ２は超音波センサ２の放射面２２が取付け部材１の貫通孔１１から露出し、かつ、円筒状の本体ケース２１の側面における全周と取付け部材１の貫通孔１１における壁面との間に振動伝搬防止層３を介して取付け部材１に固定される。
この実施の形態１では、超音波センサ２は、取付け部材１の裏面から表面側の端部が取付け部材１の貫通孔１１に挿入され、図示しない固定構造にて取付け部材１に固定されている。超音波センサ２における取付け部材１の貫通孔１１における挿入部分は、図２に示すように放射面２２を含む表面側の端部である。超音波センサ２の取付け部材１に対する固定位置は、超音波センサ２の放射面２２における中心点Oが取付け部材１の貫通孔１１における中心点と一致した位置である。
また、振動伝搬防止層３は、円筒状の超音波センサ２の側面における全周囲と取付け部材１の貫通孔１１における壁面との間に形成される空隙である。

振動板４１及び４２は超音波センサ２の放射面２２の中心点Oを通り、前記放射面と平行な水平面における第２の直線、図示II−II線上に配置される。この第２の直線は車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置として使用される場合、垂直方向を示す直線であり、取付け部材１の下辺に対して垂直な線である。この実施の形態１においては、振動板４１及び４２を第２の直線上に配置したが、用途によっては、第２の直線と垂直に交わる第１の直線、図示Ｉ−Ｉ線上に配置したものでも良い。いずれにしても、振動板４１及び４２は第２の直線II−II線と第１の直線Ｉ−Ｉ線のいずれか一方の直線上に配置され、他方の直線上には配置されない。つまり、第１の直線Ｉ−Ｉ線上における超音波センサ２の側面と取付け部材１の貫通孔１１の壁面との間には振動伝搬防止層３である空隙が介在するだけである。

振動板４１は、図１における上側に位置し、第２の直線II−II線上において、取付け部材１から貫通孔１１の中心点に向かって直線的に延伸されて形成される。すなわち、振動板４１は樹脂である取付け部材１と一体成型される。振動板４１の表面は取付け部材１の表面と面一に形成され、厚さは取付け部材１の厚さの１／２未満である。また、長さは先端部が超音波センサ２の放射面２２の縁部に接する長さである。振動板４１の先端部は超音波センサ２の放射面２２の縁部で連結される。これにより、超音波センサ２の放射面２２での振動が振動板４１に伝搬し、さらに取付け部材１へと伝搬されることになる。

振動板４２は、図１における下側に位置して振動板４１と対向して対をなしている。振動板４２は、第２の直線II−II線上において、取付け部材１から貫通孔１１の中心点に向かって直線的に延伸されて形成される。すなわち、振動板４１は樹脂である取付け部材１と一体成型される。振動板４２の表面は取付け部材１の表面と面一に形成され、厚さは取付け部材１の厚さの１／２未満である。また、長さは先端部が超音波センサ２の放射面２２の縁部に接する長さである。振動板４１の先端部は超音波センサ２の放射面２２の縁部で連結される。これにより、超音波センサ２の放射面２２での振動が振動板４１に伝搬し、さらに取付け部材１へと伝搬されることになる。

次に、実施の形態１の超音波センサ装置に動作について説明する。
超音波センサ２に送信回路から電気信号が印加されると、超音波センサ２の放射面２２が振動し、その振動により空気が振動させられ、超音波が放射される。超音波センサ２の放射面２２は、振動板４１及び４２を介して取付け部材１と連絡されているため、超音波センサ２の放射面２２での振動は、振動板４１及び４２に伝搬し、さらに取付け部材１へと伝搬する。
その結果、超音波は超音波センサ２の放射面２２、振動板４１及び４２、及び取付け部材１から放射されることになる。

したがって、振動板４１及び振動板４２が設けられた第２の直線II−II線に沿った第２の方向では、超音波センサ２の放射面２２の振動が振動板４１及び４２を介して取付け部材１に伝搬するため、超音波センサ２の放射面２２の振動、振動板４１及び４２の振動、ならびに取付け部材１の振動により超音波が生じ、それぞれが合成され、放射される。
一方、振動板が存在しない第１の直線Ｉ−Ｉ線に沿った第１の方向では、超音波センサ２の放射面２２の振動と取付け部材１の振動により超音波が放射されることとなる。しかし、超音波センサ２の振動が支配的である超音波が放射される。

すなわち、振動板４１が存在しない第１の方向では、振動板４１及び振動板４２が設けられた第２の方向に対して、超音波センサ２の放射面２２の振動が取付け部材１に伝搬しにくいため、取付け部材１における振動の分布は、第２の方向と第１の方向とで異なる。
要するに、第２の方向と第１の方向では超音波の励振源となる振動が異なるため、この実施の形態１における超音波センサ装置は第２の方向と第１の方向とで異なる指向特性を有する超音波を放射することとなる。

この時の第２の直線II−II線上と第１の直線Ｉ−Ｉ線上の振動変位を図３に示す。図３において、横軸は取付け部材１と振動板４１及び４２の表面での位置［ｍｍ］、縦軸は振動変位［μｍ］、実線で示す曲線Ａは超音波センサ２を駆動させたときの取付け部材１と振動板４１及び４２の表面での第２の直線II−II線上の振動変位計算結果、破線で示す曲線Ｂは超音波センサ２を駆動させたときの取付け部材１の表面での第１の直線Ｉ−Ｉ線上の振動変位計算結果を示す。横軸にて示す原点０は超音波センサ２の放射面２２における中心点Ｏの位置を示す。なお、超音波センサ２の放射面２２での振動変位は図示していない。

この図３からも理解されるように、超音波センサ２を駆動することにより生じる放射面２２の振動は、振動板４１及び４２を介して取付け部材１に伝搬するため、取付け部材１も振動する。しかし、第２の直線II−II線上と第１の直線Ｉ−Ｉ線上では、振動変位の分布が異なっている。超音波センサ２の放射面２２における振動は、振動板４１及び４２を経由して取付け部材１に伝搬するため、振動板４１及び４２が存在する第２の方向と、振動板が存在しない第１の方向とでは、伝搬の仕方が異なるため、振動変位の分布の様子も異なることとなる。

次に、この実施の形態１に係る超音波センサ装置の指向特性を、図４を用いて説明する。図４において、横軸は超音波センサ２を基準とした超音波が放射される角度［ｄｅｇ］、縦軸は最大値で規格化した規格化放射音圧、実線で示す曲線Ａは第２の方向における計算により求めた指向特性、破線で示す曲線Ｂは第１の方向における計算により求めた指向特性を示す。

この図４から理解されるように、曲線Ａにて示す第２の方向の指向特性と、曲線Ｂにて示す第１の方向の指向特性は異なっている。第２の方向では、超音波センサ２の放射面２２、振動板４１及び４２、並びに取付け部材１の広範囲で振動しているため、指向特性が狭められる。一方、第１の方向では超音波センサ２の放射面２２の振動が支配的となり、振動範囲が狭いため、指向特性は広くなる。
要するに、この実施の形態１に係る超音波センサ装置は、第１の方向及び第２の方向の指向特性が同じ超音波センサ２を用いて、第２の方向における指向特性が第１の方向における指向特性より狭い指向特性を得られているものである。つまり、第１の方向は広指向特性を、第２の方向は狭指向特性を示している。

次に、このように構成された超音波センサ装置を、車両周辺の障害物を検出する障害物検知装置として使用した場合について説明する。この場合、第２の方向が垂直方向に、第１の方向が水平方向になるように、超音波センサ装置を車両のバンパー等に埋め込み、設置する。
この結果、障害物検知装置は、水平方向に広指向特性を、垂直方向に狭指向特性を示す検知システムになる。
したがって、水平方向が広指向特性であるため、車両の移動の妨げとなる車両周辺の障害物を確実に検知できる。また、垂直方向が狭指向特性であるため、移動の妨げとならない、路面等は検知しないことになる。
要するに、正面感度が良く、長距離を検知でき、かつ、長距離を検知する場合の地面等による誤検知を防ぐことができる。長距離から近距離まで安定した障害物検知を誤作動無く、高い信頼性で実現できることになる。

以上述べたように、この実施の形態１に係る超音波センサ装置にあっては、貫通孔を有する取付け部材の貫通孔から放射面が露出し、かつ、側面の全周と取付け部材の貫通孔の壁面との間に振動伝搬防止層を介し、超音波センサが取付け部材に固定され、超音波センサの放射面の中心点を通り、放射面と平行な水平面における第１の直線とこの第１の直線と垂直に交わる第２の直線のいずれか一方の直線上に、超音波センサの放射面と取付け部材とを連結する振動板を設けたので、振動板が設けられた一方の方向が、振動板が存在しない他方の方向に対して指向特性を狭くできるという効果を有する。

また、振動板４１及び４２が超音波センサ２の放射面２２と連結されているため、超音波センサ２が取付け部材１の表面から飛び出すことを防止できるという効果も有する。
さらに、超音波センサ２の放射面２２における中心点Oと取付け部材１の貫通孔１１における中心点と一致させて、超音波センサ２を取付け部材１の裏面側から貫通孔１１に挿入し、超音波センサ２を取付け部材１に固定するという特別な加工を施すことなく簡単な方法によって、第１の方向に広指向特性を、第２の方向に狭指向特性を精度高く得られるという効果を有する。

また、この実施の形態１に係る障害物検知装置にあっては、水平方向が広指向特性を、垂直方向が狭指向特性を示すので、車両の移動の妨げとなる車両周辺の障害物を確実に検知でき、かつ、移動の妨げとならない路面等は検知せず、長距離から近距離まで安定した障害物検知を誤作動無く、高い信頼性で実現できるという効果を有する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を図５に基づいて説明する。
この実施の形態２は実施の形態１に対して、実施の形態１が取付け部材１の貫通孔１１における形状が矩形であるのに対して、実施の形態２では取付け部材１の貫通孔１２における形状を円形にした点が相違する。その他の点は同じである。
このように構成した実施の形態２にあっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお、図５中、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。
また、取付け部材１の貫通孔１２における形状を円形に限ることなく、８角形などの多角形でも良い。なお、多角形のうちでも、点対称となる形状が良い。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を図６及び図７に基づいて説明する。
この実施の形態３は実施の形態１に対して、実施の形態１が振動伝搬防止層３を超音波センサ２の側面と取付け部材１の貫通孔１１の壁面との間に形成される空隙としているのに対して、実施の形態３ではこの空隙に振動板４１及び４２より超音波が伝搬しにくい材料からなる部材を挿入して振動伝搬防止層３１となしている点が相違する。その他の点は同じである。
なお、図６及び図７中、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

振動伝搬防止層３１は振動板４１及び４２より超音波が伝搬しにくい材料であれば良く、取付け部材１と異なる樹脂でよい。すなわち、超音波センサ２の放射面の振動が振動板４１及び４２以外から取付け部材１に伝搬しないようにすればよく、振動伝搬防止層３１は、振動板４１及び４２より超音波が伝搬しにくい材料であればよい。
このように構成した実施の形態３にあっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
さらに、振動伝搬防止層３１が超音波センサ２の側面と取付け部材１の貫通孔１１の壁面との間に密着する構成にすることにより、超音波センサ２の取付け部材１への固定を振動伝搬防止層３にて行うことができ、他の固定構造を必要としないものである。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を図８に基づいて説明する。
この実施の形態４は実施の形態１に対して、実施の形態１が振動板４１及び４２を取付け部材１と一体成型により形成したものであるのに対して、実施の形態４では取付け部材１とは異なる部材にて振動板４３及び４４を設けた点が相違する。その他の点は同じである。
なお、図８中、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

振動板４３及び４４の表面は取付け部材１の表面と面一にされて、一端面にて取付け部材１に結合される。厚さは取付け部材１の厚さの１／２未満である。他端面側に位置する先端部が超音波センサ２の放射面２２の縁部で連結される。これにより、超音波センサ２の放射面２２での振動が振動板４３及び４４に伝搬し、さらに取付け部材１へと伝搬されることになる。振動板４３及び４４の材料は、超音波が伝搬する材料であれば良く、金属又は取付け部材１とは異なる樹脂であっても良い。
このように構成した実施の形態４にあっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る超音波センサ装置及び障害物検知装置を図９に基づいて説明する。
この実施の形態５は実施の形態４に対して、実施の形態４が振動板４３及び４４をその表面が取付け部材１の表面と面一にして一端面にて取付け部材１に結合される構造としたのに対して、実施の形態５では振動板４５及び４６をその後端部の裏面にて取付け部材１の表面に結合される構造とした点が相違する。その他の点は同じである。
なお、図９中、図１及び図２と同一符号は同一又は相当部分を示す。

振動板４５及び４６の厚さは取付け部材１の厚さの１／２未満である。振動板４５及び４６の先端部の裏面が超音波センサ２の放射面２２の縁部で連結される。これにより、超音波センサ２の放射面２２での振動が振動板４５及び４６に伝搬し、さらに取付け部材１へと伝搬されることになる。振動板４５及び４６の材料は、超音波が伝搬する材料であれば良く、取付け部材１と同じ樹脂または金属又は取付け部材１とは異なる樹脂であっても良い。
このように構成した実施の形態５にあっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 取付け部材、１１，１２ 貫通孔、２ 超音波センサ、２１ 本体ケース、２２ 放射面、３，３１ 振動伝搬防止層、４１〜４６ 振動板。

Claims (13)

1. 貫通孔を有する取付け部材、
   側面と超音波を放射する放射面とを有し、この放射面が前記取付け部材の貫通孔から露出し、かつ、前記側面の全周と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に振動伝搬防止層を介し、前記取付け部材に固定される超音波センサ、
   前記超音波センサの放射面の中心点を通り、前記放射面と平行な水平面における第1の直線とこの第1の直線と垂直に交わる第２の直線のいずれか一方の直線上に設けられ、前記超音波センサの放射面と前記取付け部材とを連結する振動板、
   を備えた超音波センサ装置。
2. 前記超音波センサは、表面に放射面を有する円筒状であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
3. 前記超音波センサは、表面側の端部が前記取付け部材の貫通孔に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
4. 前記取付け部材の貫通孔は、平面形状が矩形であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
5. 前記取付け部材の貫通孔は、平面形状が円形であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
6. 前記振動伝搬防止層は、前記超音波センサの側面と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に形成される空隙であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
7. 前記振動伝搬防止層は、前記超音波センサの側面と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に挿入された、前記振動板より超音波が伝搬しにくい樹脂材からなる層であることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
8. 前記振動板は前記取付け部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ装置。
9. 貫通孔を有する取付け部材、
   側面と超音波を放射する放射面とを有し、この放射面が前記取付け部材の貫通孔から露出し、かつ、前記側面の全周と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に振動伝搬防止層を介し、前記取付け部材に固定される、圧電素子を用いた超音波センサ、
   前記超音波センサの放射面の中心点を通り、前記放射面と平行な水平面における第1の直線とこの第1の直線と垂直に交わる第２の直線のいずれか一方の直線上に設けられ、前記超音波センサの放射面と前記取付け部材とを連結する振動板、
   を備えた障害物検知装置。
10. 前記超音波センサは、表面に放射面を有する円筒状であることを特徴とする請求項９記載の障害物検知装置。
11. 前記超音波センサは、表面側の端部が前記取付け部材の貫通孔に挿入されていることを特徴とする請求項９記載の障害物検知装置。
12. 前記振動伝搬防止層は、前記超音波センサの側面と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に形成される空隙であることを特徴とする請求項９記載の障害物検知装置。
13. 前記振動伝搬防止層は、前記超音波センサの側面と前記取付け部材の貫通孔の壁面との間に挿入された樹脂材からなる層であることを特徴とする請求項９記載の障害物検知装置。

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