JP6691002B2 - 超音波送受波器 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のコーナーセンサやバックセンサ、自動駐車システム等において、自動車の周囲に存在する障害物との距離やその有無を検知するための超音波送受波器に関する。

超音波送受波器は、周波数が２０ｋHz以上の超音波を利用して超音波の送信と受信を行うものである。超音波の送信は、超音波送受波器に電圧パルス信号を入力し、超音波送受波器内に設けられた圧電振動素子にて超音波パルス信号に変換して送信を行っている。
この送信された超音波パルス信号が、周囲の障害物により反射されて超音波送受波器で受信されると、受信された超音波パルス信号が、前述の圧電振動素子にて再び電圧パルス信号に変換される。
この送信から受信までの時間を計測することで、周囲の障害物までの距離をセンシングすることが出来る。
従来の車載用の超音波送受波器としては、図１に示すような超音波送受波器が知られている。
この超音波送受波器に用いる有底筒状ケース２は、内底面が楕円形状や長方形状となっていることが多い。
ここで、前述の内底面が、楕円形状や長方形状の場合に、内底面の長手方向をX方向とし、短手方向をY方向とする。
前述の内底面が、真円形状の場合には、内底面の全方向をX方向とする。
一般的に、振動面積の広い前述長手方向では前述短手方向と比較して送信される超音波の指向性が狭くなる。
内底面の形状は、この送信する超音波の指向性が深く関わっており、自動車のバンパーに取り付けた際に、超音波送受波器から送信した超音波が路面から反射波してノイズとなることを抑制するために路面に対して垂直な方向には指向性の狭いX方向を用い、路面に対して水平な方向では検出範囲を広げるために指向性の広いY方向を用いている。
有底筒状ケース２の内底面には、電極７ａと折り返し電極７ｂを有する圧電振動素子７が固着されている。
この電極７ａと折り返し電極７ｂは、ハーネス６に接続されたリード線５とそれぞれ半田付により電気的に接続されている。
図中の符号３は、有底筒状ケース２の内底面を覆うシリコーンフォーム等の発泡体からなる吸音材であり、ケース２の底面から内側に放出される超音波が内部で多重反射してノイズとなることを抑制する効果や、超音波送受波器の封止材４に用いるシリコーンゴムやウレタンゴム等の封止材が内底面に付着して超音波振動を阻害することを防ぐ効果を有する。

従来の用途は、自動車が約20km／ｈ以下の低速時に障害物検知を行うため、超音波送受波器に求められる障害物の検知可能距離は長くても５メートルであった。
近年は、自動運転等の用途として20km／ｈ以上の速度での障害物検知も必要となり、検知可能距離として１０メートルが要求されている。
検知可能距離の向上のためには、超音波送受波器における超音波の発信音圧や受信感度を上げることと、発信する超音波の指向性を狭くして超音波エネルギーを収束させること、発信する超音波の周波数を下げることで空気中における超音波の減衰を抑えることが挙げられる。

超音波の指向性を狭くするための方法として、
例えば、特許文献１に記載の超音波送受波器では、有底筒状ケースの内底面の中央に厚肉部を設け、X方向の内底面の両端近傍に薄肉部を設けている。
これにより、前述内底面のX方向の両端近傍の剛性が低下し、X方向の両端近傍までの振動伝達効力が高まり、指向性を狭くすることが出来る。

特許文献２に記載の超音波送受波器では、有底筒状ケースの内底面の厚みを、内底面の中央にある厚肉部からX方向の両端に向かうにつれて線形に薄くしている。
これにより、前述内底面のX方向の両端に向かうにつれて剛性が徐々に低下し、内底面Xの両端近傍までの振動伝達効力が高まり、指向性を狭くすることが出来る。

特許文献３に記載の超音波送受波器では、有底筒状ケースの内底面のX方向両端付近でY方向の幅をダンベル上に広げた構造を有している。
これにより、前述内底面のr中央部の剛性と比較してX方向の両端付近の剛性が低下し、X方向の両端近傍までの振動伝達効力を高めることで指向性を狭くすることが出来る。

特開２０００−３２５９４ 特開２００６ー１７４００３ 特開２０１０ー１５４０５９ 特開２０００−１５２３８７

従来の超音波送受波器（例えば、特許文献１や特許文献２）では、狙いの指向性や残響特性を達成するために、圧電振動素子を固着する厚肉部の厚みは制限されている。
特に、厚肉部の厚みが０．８ｍｍ未満の場合では、自動車の走行時に意匠面であるケース２の外底面に飛び石が衝突した際に、圧電振動素子がひび割れて動作不良を引き起こすリスクが大きくなる。

また、従来の厚肉部と薄肉部のみからなる超音波送受波器では、衝撃耐性の改善として厚肉部の寸法を厚くするとケースの剛性が高くなり、共振周波数はケースの他の箇所の寸法変化と比較して大幅に上昇するため、要求された駆動周波数に共振周波数を合わせるために大きな構造の変更が余儀なくされ、要求される指向性と駆動周波数を兼ね備える超音波送受波器を設計することが困難となる。

さらに、圧電振動素子とケース２との固着に接着剤を用いる場合、接着剤がケース２の底面の薄肉部に流れる恐れがある。流れた接着剤が剛性の低い薄肉部では硬化した場合に、薄肉部の振動を阻害して指向性や残響特性等が損なわれる。特許文献３に記載の超音波送受波器では、内底面Xの両端に接するケース２の側壁の剛性も低下する為に、超音波送受波器を駆動した際にケース２の前述側壁の振動が大きくなり、ノイズの原因となるだけでなく、超音波送受波器の保持をケース２の前述側壁を含む箇所で行う場合に、保持位置や保持力により超音波送受波器の残響時間や受信感度等の特性バラつきが大きくなる。

本発明の主たる目的は、路面に対する垂直方向と水平方向の少なくとも一方の送信される超音波の指向性が比較的狭くしつつ、
共振周波数の小さな変化で飛び石による衝撃への耐性を高く出来て、かつ指向性の調整が容易に出来て、さらに圧電振動素子の接着材やケース２の側壁振動による特性バラつきの影響の少ない超音波送受波器を提供することである。

請求項１の発明では、圧電振動素子と、圧電振動素子の両面に設けられた導電ペーストを焼結してなる銀電極と前述銀電極を有する圧電セラミックを底面に固着した金属もしくは樹脂からなる有底筒状ケースと、前述銀電極に接合されたリード線と、を含む超音波送受信器において、前記有底筒状ケースの内底面は圧電振動素子を固着する厚肉部と、内底面における指向性を狭めたい方向の両端近傍に薄肉部と、前述厚肉部と前述薄肉部との間に１つ以上の中肉部とを設けており、さらに前記厚肉部の厚みをｔ[ｍａｘ]とし、前述中肉部の厚みをｔ[ｍｉｄｄｌｅ]とし、前述薄肉部の厚みをｔ[ｍｉｎ]とすると、ｔ[ｍａｘ]＞ｔ[ｍｉｄｄｌｅ]＞ｔ[ｍｉｎ]となる様に形成された、超音波送受波器である。

本発明の超音波送受波器では、前述中肉部を圧電振動素子の固着した厚肉部と、薄肉部との間に設けることで、圧電振動素子の固着面近傍を限定して厚みを増すことが実現できるため、小さい共振周波数の変化量で衝撃耐性が向上し、さらに前述中肉部の存在により求める指向性を容易に得ることが可能となる。

また、平坦な中肉部を設けることにより固着に使用した接着剤が必要以上に広がってしまった場合に、厚肉部と中肉部の間に存在する段差形状の角部にて、毛細管現象にて接着剤が前記角部に沿って流れるため、段差形状に依存した量の接着剤を留めることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、前述肉薄部や前述中肉部や前述薄肉部により形成される段差部の角にフィレットを設けることで、超音波送受波器の駆動時に前述段差部の角で応力集中が生じて亀裂が発生することを抑制するとともに、段差部の加工時にバリなどの異物が発生する事を抑制する。また、圧電振動素子の固着時に前述厚肉部で広がった接着剤を速やかに中肉部に流し、厚肉部で接着剤が留まって圧電振動素子の非固着面に接着剤が這い上がることを抑制出来る。

請求項３に記載の発明では、前記有底筒状ケースの内底面の形状を前記有底筒状ケースの軸に対して非対称とすることにより、前記有底筒状ケースの内底面の剛性も前記有底筒状ケースの軸に対して非対称とすることが可能となり、ケースの内底面の一方に厚肉部を設けて他方に向かうにつれて厚みが薄くなる特許文献４に記載の超音波送受波器と同様に指向性を偏心させることを実現出来る。

以上説明したように本発明は、有底筒状ケースの底面において厚肉部と薄肉部と１箇所以上の中肉部とが設けられているため、
厚肉部を厚くしたとしても中肉部により振動伝達効力を高めることが可能であり、飛び石等の外的衝撃に強く、狭指向性で長距離の障害物まで検出できる超音波送受波器が得られる。

また、中肉部を設けることで、圧電振動素子の固着に用いる接着剤の広がりを制御可能となり、薄肉部への接着剤付着が抑制されて音響特性を安定させることが可能となる。

従来の超音波送受波器の概略図である。 本発明の第一の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと圧電振動素子の概略図 本発明と従来の超音波送受波器での接着剤の広がり方の模式図 本発明の第二の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと圧電振動素子の概略図 本発明の第三の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと圧電振動素子の概略図 本発明の第四の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと圧電振動素子の概略図

図２に本発明の第一の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと固着された圧電素子の概略図を示す。
この超音波送受波器は、底面形状が長方形状である外径φ１４で高さが９ｍｍで有底筒状のケース２と、ケース２の底面の厚肉部１０に固着された外径６ｍｍの圧電振動素子７と、を含んでおり、ケース２の底面における長手方向の両端に底面の厚みが最も薄くなる薄肉部８を弧状に設けており、
かつ厚肉部と薄肉部との間において厚肉部と薄肉部の間の厚みをとる中肉部９を有することを特徴とする。

ケース２の底面の上には発泡シリコーンからなる吸音材が配置され、圧電振動素子７の表面に設けられた電極７ａと折り返し電極７ｂにそれぞれリード線が接合されており、
リード線のもう一方の端はそれぞれ外部の駆動基板と接続するためのピン端子に接続されている。
ケース２の内部において、吸音材から上の空間は樹脂が充填されている。

前記ケース２は、アルミ合金のプレス成型で作製されたアルミケースである。他に使用できるケース２の材質は、マグネシウム合金やステンレスやチタン合金等の金属材料や、エンジニアリングプラスチックや金属フィラーもしくはガラスフィラーを高充填したエポキシ樹脂のように耐熱性と高剛性に優れた樹脂材料が挙げられる。ケース２の他の加工方法としては、切削加工や射出成形が挙げられる。

電極７ａと折り返し電極７ｂは、導電材料として主として銀を用いて形成されている。

ケース２の内部形状は、短手方向の幅が８ｍｍで、長手方向ではケース２の側壁の厚みが０．５ｍｍである。
ケース２の底面形状は、中央に厚さ０．８ｍｍの厚肉部１０を設け、長手方向の両側に厚さ０．３ｍｍに薄肉部８と０．６ｍｍの中肉部９とを１箇所ずつ長手方向の左右で対称になるように設けている。

下記の表１は、薄肉部の厚みを０．３ｍｍとし、中肉部の厚みを０．６ｍｍとして厚肉部の値を０．６ｍｍから０．９ｍｍまで変化させた際の、超音波送受波器の共振周波数の共振周波数とケース外底面の振動分布を等高線で示したものである。本発明のケースとして図２の形状を用い、比較として図２の中肉部９を厚肉部１０と同じ厚みとした厚肉部と薄肉部のみからなる従来形状のケースを用いた。共振周波数とケース外底面の振動分布は、有限要素法CAEのANSYSを用いて評価を行った。

表１より、厚肉部を０．６ｍｍから０．９ｍｍにした場合、従来のケースでは共振周波数が１３．２ｋHz上昇するのに対して本発明の形状では、７．９ｋHzの上昇に抑えることができた。さらに、中肉部を設けた本発明のケースでは、従来のケースと厚肉部が同じ厚みの場合で比較して、ケース外底面の中心付近の振動分布が、内底面の長手方向に相当する左右方向に広がっている。これは、振動伝達効力が向上し、長手方向の指向性が狭くなっていることを意味しており、想定以上に指向性を狭める効果が有ることが判明した。

図３に中肉部９の有無による接着材１２の拡がりの様子の模式図を示す。
図２で示す中肉部９を設けた場合と、図２で示す中肉部の厚みを厚肉部と同じ厚みとした従来の厚肉部１０と薄肉部８のみの場合とを比較すると、従来のケースは厚肉部１０から直接薄肉部８に接着剤が流れるのに対し、
図２で示す本発明のケースは厚肉部１０から中肉部９に流れた接着剤が厚肉部１０と中肉部９の境界に沿って移動するため従来のケースよりも接着剤が薄肉部８に付着しにくい構造となっている。

図４に本発明の第二の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと固着された圧電素子との概略図を示す。
図４に示す超音波送受波器は、実施例１で示した超音波送受波器における厚肉部１０の全周が中肉部９に囲まれた構造となっている。
これにより、圧電振動素子の固着時に圧電振動素子の周囲で広がった接着剤が厚肉部１０と中肉部９の境界に留まりやすくなり、
接着剤の拡がりを全方位で制御することが可能となる。

図５に本発明の第三の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと固着された圧電素子との概略図を示す。
図５に示す超音波送受波器は、実施例２で示した超音波送受波器における中肉部１０の全周が薄肉部８に囲まれた構造となっている。
これにより、ケース２の底面の全周近傍まで振動伝達効力を高めることができるため、高い耐衝撃性を有しつつ、全方位の指向性を狭めることが実現できる。

図６に本発明の第四の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースと固着された圧電素子との概略図を示す。
図６に示す超音波送受波器は、実施例１で示した超音波送受波器において、ケース２の底面における長手方向の一方に中肉部を２箇所設け、もう一方に中肉部を１箇所設けた構造となっている。これにより、中肉部を２か所設けた側の剛性が高まるため、ケース２の底面の長手方向の左右にて振動伝達効力が非対称となり、外底面から送信される超音波の指向性を偏心させることが可能となる。

本発明は、車のバックセンサやコーナーセンサや自動駐車システムのみならず、防滴型超音波送受波器が利用されている様々な分野に適用できる。

１ 超音波送受波器
２ 有底筒状ケース
３ 吸音材
４ 封止材
５ リード線
６ ハーネス
７ 圧電振動素子
７ａ 電極
７ｂ 折り返し電極
８ 薄肉部
９ 中肉部
１０ 厚肉部
１１ 段差部
１２ 接着剤

Claims (3)

1. 有底筒状ケースの内底面に圧電振動子を固着して、外底面を超音波の送受波面とした超音波送受波器において、
   前記ケースの内底部は、前記圧電振動子の固着される厚肉部と、前記厚肉部に比べて厚みの薄い2箇所以上の平坦部を備えており、
   前記平坦部は、厚みが最も薄い平坦部である薄肉部と、前記薄肉部より厚みの厚い平坦部である中肉部と、を有しており、
   前記厚肉部の両側もしくは全周に、前記薄肉部もしくは前記中肉部が設けられており、
   前記中肉部が前記厚肉部と前記薄肉部の間に１箇所以上設けられていることを特徴とする超音波送受波器。
   
2. 前記有底筒状ケースの内底面に設けられた前記厚肉部と前記中肉部との間と、前記中肉部と前記薄肉部との境界に形成される段差部において、段差部の角にフィレットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。
   
3. 前記有底筒状ケースの内底面の形状を前記有底筒状ケースの軸に対して非対称としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波送受波器。

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