JP6879169B2 - 超音波センサ - Google Patents
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Description
本発明は、超音波センサに関する。
超音波の送受信により物体を検知する超音波センサが知られている。具体的には、この種の超音波センサは、圧電素子等の振動素子によってダイアフラム部を励振して超音波を送信する。また、この種の超音波センサは、送信した超音波の物体からの反射波の受信に伴う、ダイアフラム部の振動を、電気信号に変換することで、物体を検知する。
この種の超音波センサにおいて、ダイアフラム部に水、泥、雪等が付着すると、超音波の送信および受信が阻害され、物体の検知性能が低下するという課題がある。このため、超音波センサに付着物が付着したことを検知可能な構成が、従来種々提案されている。例えば、特許文献1には、付着物により超音波振動子のインピーダンスが変化するため、この変化を検出することによって付着物の検知が可能である旨記載されている。
超音波センサは、車両の運転支援、例えば駐車支援等に、広く用いられている。また、超音波センサは、車両の自動運転等への活用が期待されている。さらに、超音波センサは、車両以外の用途についても活用が期待されている。具体的には、例えば、工場等に設けられる搬送機、農業機器(例えば耕耘機等)、小型航空機、等における、無人化あるいは自動化の際に、超音波センサが活用され得る。
上記の通り、超音波センサに対する付着物の付着は、超音波センサにおける検知性能の低下を引き起こす。このため、超音波センサに対する付着物の検知精度を向上することは、超音波センサにおける各種の用途において重要である。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。
請求項1に記載の超音波センサ(1)は、
機械的振動と電気信号との間の変換機能を有する振動素子(3)を備えた超音波マイクロフォン(1a)に設けられた、第一電極(2;201)と、
前記超音波マイクロフォンの指向軸と交差する面内方向について前記第一電極とは異なる位置に設けられた、第二電極(7)と、
前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量変化に基づいて、当該超音波センサに対する付着物(S)の有無を検知するように設けられた、検知部(92)と、
を備える。
機械的振動と電気信号との間の変換機能を有する振動素子(3)を備えた超音波マイクロフォン(1a)に設けられた、第一電極(2;201)と、
前記超音波マイクロフォンの指向軸と交差する面内方向について前記第一電極とは異なる位置に設けられた、第二電極(7)と、
前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量変化に基づいて、当該超音波センサに対する付着物(S)の有無を検知するように設けられた、検知部(92)と、
を備える。
上記構成においては、前記第一電極と前記第二電極との間に、静電容量が形成される。この静電容量は、前記超音波センサに対する前記付着物の付着の有無に応じて変化する。このため、前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量変化に基づいて、前記付着物の付着の有無を、精度よく検知することが可能となる。
なお、上記および特許請求の範囲の欄における、各手段に付された括弧付きの参照符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。よって、本発明の技術的範囲は、上記の参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると当該実施形態の理解が妨げられるおそれがあるため、当該実施形態の説明の後にまとめて記載する。
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると当該実施形態の理解が妨げられるおそれがあるため、当該実施形態の説明の後にまとめて記載する。
(構成)
図1は、本実施形態に係る超音波センサ1の装着対象が、車両である場合の概略構成を示す。以下、説明の簡略化のため、図1における下方向を「第一方向」と称する。第一方向は、図1にて矢印D1で示されている。また、図1における上方向を、「第二方向」と称する。第二方向は、第一方向とは反対方向であって、図1にて矢印D2で示されている。また、対象物を第一方向と平行な視線で見ることを「平面視」と称する。さらに、構成要素における第一方向側の端部を「基端部」と称し、第二方向側の端部を「先端部」と称することがある。
図1は、本実施形態に係る超音波センサ1の装着対象が、車両である場合の概略構成を示す。以下、説明の簡略化のため、図1における下方向を「第一方向」と称する。第一方向は、図1にて矢印D1で示されている。また、図1における上方向を、「第二方向」と称する。第二方向は、第一方向とは反対方向であって、図1にて矢印D2で示されている。また、対象物を第一方向と平行な視線で見ることを「平面視」と称する。さらに、構成要素における第一方向側の端部を「基端部」と称し、第二方向側の端部を「先端部」と称することがある。
図1を参照すると、本実施形態に係る超音波センサ1は、車両に装着されることで、当該車両の周囲の物体を検知するように構成されている。すなわち、本実施形態に係る超音波センサ1は、車載状態にて、板状の車体部品であるバンパーBに装着されるように構成されている。「車載状態」は、ボデー部品であるバンパーBに装着された「装着状態」とも称され得る。
バンパーBは、車両の外表面を構成するバンパー外面B1と、その裏面であるバンパー内面B2とを有している。また、バンパーBは、超音波センサ1を装着するための貫通孔である取付孔B3を有している。取付孔B3は、バンパーBを図中上下方向に貫通するように形成されている。
超音波センサ1は、超音波マイクロフォン1aを備えている。超音波マイクロフォン1aは、素子支持部2と振動素子3とを有している。素子支持部2は、機械的振動と電気信号との間の変換機能を有する振動素子3を支持するように構成されている。また、超音波センサ1は、弾性支持部材4と、センサケース5と、取付部材6と、外側電極7と、配線部8と、回路基板9とを備えている。以下、超音波センサ1の構成要素である各部の具体的構成について説明する。
素子支持部2は、ダイアフラム支持部21とダイアフラム部22とを有している。ダイアフラム支持部21は、第一方向と平行な軸方向を有する略円筒形状に形成されている。すなわち、超音波センサ1は、図中上下方向と平行な中心軸を有する略円柱形状に形成されている。以下、説明の簡略化のため、図中上下方向を単に「軸方向」と称する。
ダイアフラム支持部21における基端部には、第一方向に向かって開口する開口部が設けられている。一方、ダイアフラム支持部21における先端部は、ダイアフラム部22によって閉塞されている。すなわち、素子支持部2は、軸方向における一端部がダイアフラム部22によって閉塞された有底筒状に形成されている。また、素子支持部2の内側には、略円柱状の空間が形成されている。この空間内には、シリコーンゴム等の防振材が充填されている。
ダイアフラム部22は、ダイアフラム支持部21における先端部を閉塞するように設けられた略円板状の部分であって、径方向における外縁部を固定端として軸方向に沿って振動可能に形成されている。「径方向」とは、軸方向と直交する方向であって、ダイアフラム支持部21の中心軸から放射状に延びる方向である。すなわち、ダイアフラム部22は、径方向における外縁部がダイアフラム支持部21によって支持されることで、径方向における中央部が軸方向に沿って移動する態様で振動する、振動板部として設けられている。素子支持部2は、車載状態にて、取付孔B3にダイアフラム部22が挿入されるとともに、ダイアフラム支持部21が取付孔B3から第一方向に延出するように設けられている。
ダイアフラム部22は、第一方向側の主面である内表面23と、第二方向側の主面である外表面24とを有している。「主面」とは、板状部材または板状部分における、厚さ方向と直交する表面をいう。すなわち、ダイアフラム部22は、軸方向に厚さ方向を有する板状部として形成されている。内表面23と外表面24とは、ダイアフラム部22における表裏面を構成するように、互いに平行に設けられている。内表面23は、素子支持部2の内側に形成された略円柱状の空間に面するように設けられている。外表面24には、腐食防止のための下地塗装膜と、バンパー外面B1と同色の塗装膜とを含む、絶縁性の被膜25が設けられている。
ダイアフラム支持部21における側面すなわち円柱面状の外周面には、係合溝26が形成されている。係合溝26は、弾性支持部材4を介して素子支持部2をセンサケース5に支持する際に用いられる角溝であって、ダイアフラム支持部21における周方向の全体にわたって設けられている。「周方向」とは、軸方向と直交する仮想平面とダイアフラム支持部21の中心軸との交点を中心とした、当該仮想平面内の円の、円周方向である。
本実施形態においては、素子支持部2は、アルミニウム製の金属部材として形成されている。すなわち、素子支持部2は、アルミニウムによって継ぎ目なく一体に構成されている。具体的には、アルミニウム製のダイアフラム支持部21と、アルミニウム製のダイアフラム部22とは、ダイアフラム部22の径方向における外縁部およびダイアフラム支持部21の第二方向側の端部にて、互いに継ぎ目なく結合されている。
振動素子3は、内表面23側にて、ダイアフラム部22に固定的に支持されている。本実施形態においては、振動素子3は、ダイアフラム部22における内表面23に対して、導電性接着剤により貼着されている。本実施形態においては、振動素子3は、いわゆる圧電素子としての構成を有している。具体的には、振動素子3は、圧電体30と、駆動電極31と、基準電極32とを備えている。
圧電体30は、軸方向に厚さ方向を有する板状あるいは膜状の部材であって、圧電セラミック等の圧電材料によって形成されている。駆動電極31および基準電極32は、導体金属膜によって形成されている。駆動電極31は、圧電体30における一方の主面すなわち図中下側の主面に設けられている。基準電極32は、圧電体30における他方の主面すなわち図中上側の主面に設けられている。すなわち、振動素子3は、駆動電極31と、圧電体30と、基準電極32とを、この順に積層することによって形成されている。
基準電極32は、ダイアフラム部22とほぼ同電位となるように、ダイアフラム部22と電気的に接続されている。具体的には、本実施形態においては、基準電極32は、導電性接着剤を介してダイアフラム部22に接合されている。すなわち、基準電極32は、接地された素子支持部2の一部分を構成するダイアフラム部22と導電性接着剤を介して電気的に接続されることで、接地されるようになっている。このように、超音波マイクロフォン1aに設けられ第一電極を構成する素子支持部2は、振動素子3を構成するとともにダイアフラム部22に固定的に支持された電極層である基準電極32と電気的に接続されている。
振動素子3は、駆動電極31と基準電極32すなわちダイアフラム部22との間の電圧に応じて圧電体30が変形することでダイアフラム部22を軸方向に変形させ、ダイアフラム部22が受けた軸方向の応力が振動素子3に伝わることでその応力に応じて駆動電極31と基準電極32すなわちダイアフラム部22との間に電圧が発生するように構成されている。また、超音波マイクロフォン1aは、軸方向と平行な指向軸を有するように構成されている。
すなわち、振動素子3における一対の電極をなす駆動電極31および基準電極32は、駆動信号が印加されることで圧電体30を超音波振動させるように設けられている。駆動信号は、振動素子3を駆動するための電気信号であって、具体的には矩形波状の電圧信号をトランスフォーマすなわち昇圧器によって昇圧した、正弦波状の電圧信号であるである。また、駆動電極31および基準電極32は、ダイアフラム部22の振動によって振動素子3にて発生した電圧信号である出力信号を出力するように設けられている。すなわち、本実施形態においては、超音波センサ1は、いわゆる送受信兼用の構成を有している。
素子支持部2を弾性的に支持する弾性支持部材4は、素子支持部2とバンパーBとの間の振動伝播、および素子支持部2とセンサケース5との間の振動伝播を抑制するように設けられている。具体的には、弾性支持部材4は、ゴム弾性および非導電性を有する略円筒状の部材であって、シリコーンゴム等によって継ぎ目なく一体に形成されている。弾性支持部材4は、軸方向に沿った中心軸を有するように設けられている。
弾性支持部材4は、支持筒部41と基部42とを有している。支持筒部41は、弾性支持部材4の先端側すなわち第二方向側の部分であって、素子支持部2を収容しつつ弾性的に支持するように構成されている。基部42は、弾性支持部材4の基端側すなわち第一方向側の部分であって、センサケース5に固定されている。
支持筒部41の先端部は、車載状態にて、取付孔B3に挿入されつつ、バンパーBにおける取付孔B3の内周面と素子支持部2の側面との間に挟持されている。支持筒部41の内周面における基端側には、径方向における内側に向かって突出する係合突起43が設けられている。係合突起43は、係合溝26と係合するように形成されている。
基部42の外周面における基端部には、径方向における外側に突出する固定突起44が設けられている。また、基部42の外周面における、軸方向について固定突起44に隣接する位置には、固定溝45が設けられている。固定突起44および固定溝45は、周方向に延設されている。
弾性支持部材4を保持するセンサケース5は、超音波センサ1のケーシングを構成する部材であって、ポリブチレンテレフタレート等の硬質な絶縁性合成樹脂によって一体に形成されている。具体的には、センサケース5の主要部分をなすケース本体部51は、基板収容部52と突出部53とを有している。基板収容部52と突出部53とは、継ぎ目なく一体に形成されている。
基板収容部52は、第一方向に向かって開口するバスタブ状に形成されている。突出部53は、軸方向と平行な中心軸を有する略円筒状の部分であって、基板収容部52から軸方向に沿って突設されている。ケース本体部51は、基板収容部52の内側の空間と突出部53の内側の空間とが互いに連通するように形成されている。
突出部53は、先端部にて弾性支持部材4を保持するように構成されている。具体的には、突出部53の内周面における先端部には、弾性支持部材4における固定突起44と係合する支持溝54と、弾性支持部材4における固定溝45と係合する支持突起55とが設けられている。
取付部材6は、車載状態にてバンパーBおよびセンサケース5に固定されることで、超音波センサ1をバンパーBに保持するように構成されている。具体的には、取付部材6は、保持部61とフランジ部62とを有している。
保持部61は、センサケース5における突出部53と弾性支持部材4とを囲む略円筒形状に形成されている。フランジ部62は、保持部61の先端部から、径方向における外側に向かって延設されている。フランジ部62は、径方向における外側の部分にて、両面テープ等の不図示の粘着層によりバンパー内面B2に固定されるようになっている。
第二電極を構成する外側電極7は、超音波マイクロフォン1aの指向軸と交差する面内方向について、第一電極を構成する素子支持部2とは異なる位置に設けられている。「面内方向」は、典型的には、上記の径方向とほぼ同義である。すなわち、外側電極7は、平面視にて、本実施形態において第一電極を構成する素子支持部2の、径方向における外側に設けられている。また、外側電極7は、素子支持部2の近傍に設けられている。
外側電極7は、車載状態にてバンパーBに沿って設けられた沿面電極部71と、車載状態にて素子支持部2の側面に沿って設けられた筒面電極部72とを有している。沿面電極部71および筒面電極部72は、導体膜、具体的には金属薄膜によって形成されている。
沿面電極部71は、バンパーBにおける第一方向側の表面であるバンパー内面B2に沿って設けられている。具体的には、沿面電極部71は、フランジ部62における、バンパー内面B2と対向する表面に固定されている。沿面電極部71は、フランジ部62における径方向における内側の部分に対応して設けられている。本実施形態においては、沿面電極部71は、平面視にて略リング状に形成されている。
筒面電極部72は、ダイアフラム支持部21に沿って、軸方向に延設されている。筒面電極部72は、保持部61における円筒面状の内周面に固定されている。筒面電極部72は、保持部61の先端部に対応して設けられている。本実施形態においては、筒面電極部72は、円筒状に形成されている。
上記の通り、本実施形態においては、外側電極7は、取付部材6に設けられている。具体的には、外側電極7は、取付部材6の内面側に設けられている。また、本実施形態においては、筒面電極部72の先端部は、沿面電極部71の径方向における内縁部と結合されている。すなわち、沿面電極部71と筒面電極部72とは、継ぎ目なく一体に形成されている。
配線部8は、超音波マイクロフォン1aおよび外側電極7と、回路基板9とを電気的に接続するように設けられている。配線部8における回路基板9側の部分は、ケース本体部51の内側に収容されている。なお、ケース本体部51の内側の、配線部8と回路基板9とを収容した空間には、絶縁性が高く、低誘電率であり、化学的に安定であり、耐候性を有する、シリコーンゴム等の封止樹脂Rが充填されている。
具体的には、配線部8は、駆動電極線81と、基準電極線82と、第二電極線83とを有している。駆動電極線81の一端は、振動素子3における駆動電極31と電気的に接続されている。駆動電極線81の他端は、コネクタ84を介して、回路基板9と電気的に接続されている。基準電極線82の一端は、素子支持部2、具体的にはダイアフラム支持部21と電気的に接続されている。基準電極線82の他端は、コネクタ84を介して、回路基板9と電気的に接続されている。第二電極線83の一端は、外側電極7と電気的に接続されている。第二電極線83の他端は、コネクタ84を介して、回路基板9と電気的に接続されている。
回路基板9は、基板収容部52に収容されている。回路基板9には、温度センサ91と制御回路素子92とを含む、複数の回路要素が実装されている。温度センサ91は、環境温度に対応する出力を発生するように設けられている。「環境温度」とは、超音波センサ1の周囲の外気温に対応する温度である。
制御回路素子92は、ASICまたはCPUであって、超音波センサ1の動作を制御するように設けられている。ASICはApplication Specific Integrated Circuitの略である。CPUはCentral Processing Unitの略である。
図2を参照すると、第一電極を構成する素子支持部2と、外側電極7とによって、静電容量C1が形成されている。この静電容量C1は、振動素子3と並列に設けられている。
本発明の検知部を構成する制御回路素子92は、ASICまたはCPU上にて実現される機能上の構成として、信号授受部92aと、インピーダンス取得部92bと、制御部92cとを有している。
信号授受部92aは、駆動信号および出力信号を含む電気信号を振動素子3との間で授受するように、駆動電極31および基準電極32と電気的に接続されている。すなわち、信号授受部92aは、駆動信号を振動素子3に入力するとともに、振動素子3からの出力信号を受信するように設けられている。インピーダンス取得部92bは、素子支持部2と外側電極7との間のインピーダンスを取得するように設けられている。
制御部92cは、温度センサ91と電気的に接続されている。また、制御部92cは、信号授受部92aおよびインピーダンス取得部92bとの間で信号授受可能に設けられている。すなわち、制御部92cは、信号授受部92aの動作を制御することで、超音波マイクロフォン1aにおける超音波の送受信動作を制御するようになっている。また、制御部92cは、インピーダンス取得部92bにて取得したインピーダンス変化に伴う静電容量C1の変化に基づいて、外表面24側から超音波センサ1に付着した付着物Sの有無を検知するように設けられている。具体的には、制御部92cは、温度センサ91の出力と静電容量C1の変化とに基づいて、付着物Sの有無を検知するように構成されている。
制御部92cは、所定の物体検知条件が成立した場合に、超音波センサ1の周囲の物体を検知する物体検知動作を実行するようになっている。物体検知条件には、例えば、超音波センサ1を搭載した車両におけるシフトポジションが走行可能ポジションであること、同車両の車速が所定値未満であること、等が含まれる。また、制御部92cは、物体検知動作が行われていないタイミングで、インピーダンス取得部92bによる付着物Sの有無の検知を実行するようになっている。
さらに、制御部92cは、温度センサ91の出力によって取得された環境温度を考慮して、付着物Sの有無を検知するように構成されている。具体的には、制御部92cは、ドライバ回路97における出力周波数fを設定するようになっている。また、制御部92cは、所定の基準温度例えば摂氏18度におけるリファレンスデータと、温度センサ91の出力によって取得された環境温度とに基づいて、静電容量変化を補正するようになっている。さらに、制御部92cは、補正後の静電容量変化ΔCが閾値ΔCth(f)を超えた場合に、付着物Sの付着を判定するようになっている。閾値ΔCth(f)は、出力周波数fに応じて異なる値であって、出力周波数fと閾値ΔCth(f)との関係を規定するルックアップテーブルまたはマップが予め格納されている。
信号授受部92aは、超音波送信回路95と、反射波受信回路96とを有している。インピーダンス取得部92bは、ドライバ回路97とレシーバ回路98とを有している。
超音波送信回路95は、振動素子3に駆動信号を入力することで、振動素子3にて超音波帯域の探査波の発信動作を実行させるように構成されている。反射波受信回路96は、超音波センサ1の周囲に存在する物体による探査波の反射波によってダイアフラム部22が励振されることによって振動素子3にて発生する出力信号を受信して、増幅等の処理を実行するように構成されている。超音波送信回路95および反射波受信回路96の具体的な回路構成は周知であるので、本明細書においては、これ以上の説明は省略する。
ドライバ回路97およびレシーバ回路98は、外側電極7と電気的に接続されている。ドライバ回路97は、付着物Sを含む素子支持部2と外側電極7との間のインピーダンス取得のための交流電源電圧を出力するように設けられている。また、ドライバ回路97は、交流電源電圧の出力周波数を可変に構成されている。レシーバ回路98は、周知の積分回路等を有していて、素子支持部2と外側電極7との間のインピーダンスに対応する出力を発生するように構成されている。インピーダンスの取得すなわち測定の原理、並びにドライバ回路97およびレシーバ回路98の具体的な回路構成は周知であるので、本明細書においては、これ以上の説明は省略する。
(動作概要)
以下、本実施形態の構成による動作の概要について、同構成による効果とともに、各図面を参照しつつ説明する。図3は、超音波センサ1の例示的な一動作例に対応するタイムチャートである。
以下、本実施形態の構成による動作の概要について、同構成による効果とともに、各図面を参照しつつ説明する。図3は、超音波センサ1の例示的な一動作例に対応するタイムチャートである。
図3を参照すると、時刻t0にて車両のイグニッションスイッチがONされた後、時刻t1にて物体検知条件が成立するまでの間は、超音波センサ1からの探査波の発信も、超音波センサ1による反射波の受信も行われない。時刻t1にて物体検知条件が成立すると、超音波センサ1からの探査波の発信と、超音波センサ1による反射波の受信とが、交互に行われる。その後、車速が上昇することで、時刻t2にて物体検知条件が成立しなくなると、探査波の発信および反射波の受信が停止される。さらにその後、停車のために車速が低下することで、時刻t3にて物体検知条件が成立すると、探査波の発信および反射波の受信が再開される。
本実施形態においては、付着物検知動作、すなわち、超音波センサ1に対する付着物Sの有無の検知動作は、物体検知条件が成立して物体検知動作が行われているタイミングである時刻t1〜t2間は行われない。同様に、付着物検知動作は、時刻t3以降は、物体検知条件が再度不成立となるまで行われない。
一方、付着物検知動作は、物体検知動作が行われていないタイミング、すなわち、発信モードでも受信モードでもないタイミングである、時刻t0〜t1間の時刻ta、および/または、t2〜t3間の時刻tbにて行われる。「発信モード」とは、振動素子3を駆動する駆動信号の振動素子3への入力が行われている動作モードである。「受信モード」とは、振動素子3からの出力信号に基づく当該超音波センサ1の周囲の物体検知動作を行う動作モードである。すなわち、本実施形態においては、探査波の発信が行われておらず、且つ、受信派の受信も行われていないタイミングで、付着物検知動作が実行される。これにより、良好な物体検知精度を維持しつつ、付着物検知を行うことが可能となる。
図1を参照すると、典型的には、超音波センサ1は、第一方向D1および第二方向D2が車高方向と略直交するように、バンパーBに装着される。このため、素子支持部2の外表面24側から超音波センサ1に付着した付着物Sに作用する重力の、ダイアフラム部22の振動方向と平行な成分は、ほとんど生じない。したがって、素子支持部2と振動素子3とによって構成されるマイクロフォンにおける、機械的振動の等価回路のインピーダンスは、付着物Sの有無によってはほとんど変化しない。さらに、付着物Sが雪、水等の軽量物である場合も、機械的振動の等価回路のインピーダンスは、付着物Sの有無によってはほとんど変化しない。
この点、本実施形態の構成においては、素子支持部2と外側電極7との間に、静電容量C1が形成される。この静電容量C1は、素子支持部2における外表面24側からの、超音波センサ1への付着物Sの付着の有無に応じて変化する。このため、制御部92cは、素子支持部2と外側電極7との間の静電容量C1の変化に基づいて、付着物Sの有無を検知することが可能である。
かかる構成によれば、素子支持部2の外表面に付着した付着物Sに作用する重力の、ダイアフラム部22の振動方向と平行な成分がほとんど生じなくても、付着物Sの付着の有無を、精度よく検知することが可能となる。また、かかる構成によれば、付着物Sが雪、水等の軽量物である場合であっても、付着物Sの付着の有無を、精度よく検知することが可能となる。
ところで、超音波センサ1に対する付着物Sの付着物検知方式として、電極間の抵抗値を利用したものが考えられる。しかしながら、かかる方式は、電極の酸化、周囲の人間の感電防止、意匠上の問題、等のため、採用が困難である。実際上、本実施形態のように、超音波マイクロフォン1aの表面には、腐食防止等のために、絶縁性の被膜25が形成されることが通常である。
この点、本実施形態の構成においては、制御部92cは、素子支持部2と外側電極7との間の静電容量C1の変化に基づいて、付着物Sの有無を検知する。したがって、かかる構成によれば、超音波マイクロフォン1aの表面に絶縁性の被膜25が形成されている場合であっても、付着物Sの付着の有無を精度よく検知することが可能となる。
また、超音波センサ1に対する付着物Sの付着物検知方式として、残響時間を利用したものが、従来知られている。しかしながら、かかる方式においては、気温変化、天候変化、等の気候変動により、検知精度に影響が生じる場合がある。
この点、本実施形態の構成においては、制御部92cは、温度センサ91の出力によって取得された環境温度を考慮して、付着物Sの有無を検知する。したがって、かかる構成によれば、気候変動にかかわらず、付着物Sの付着の有無を精度よく検知することが可能となる。
本実施形態の構成においては、第一電極を構成する素子支持部2は、ダイアフラム支持部21とダイアフラム部22とを一体に成形した金属部材として形成されている。また、素子支持部2は、振動素子3における基準電極32と電気的に接続されている。したがって、かかる構成によれば、良好な感度の付着物Sの検知が、可及的に簡易な構造によって実現され得る。
本実施形態の構成においては、外側電極7は、超音波センサ1の構成部品である取付部材6に設けられている。このため、外側電極7を設置するための特別な作業工程は、不要である。したがって、かかる構成によれば、従来の超音波センサと同様のセンサ装着工程により、付着物Sの検知のための構成が実現される。
本実施形態の構成においては、外側電極7は、沿面電極部71と筒面電極部72とを有している。筒面電極部72は、ダイアフラム支持部21に沿って配置されている。換言すれば、第一電極を構成する素子支持部2におけるダイアフラム支持部21と、第二電極を構成する筒面電極部72との間には、ダイアフラム支持部21と支持筒部41とが対向する部分、および、支持筒部41と保持部61とが対向する部分が設けられている。したがって、かかる構成によれば、付着物Sが水等の流体であって、外表面24上に存在せずに、ダイアフラム支持部21と支持筒部41との間、または支持筒部41と保持部61との間に侵入した場合であっても、付着物Sを良好に検知することが可能となる。
図4Aおよび図4Bは、ドライバ回路97における出力周波数fを変化させたときの、素子支持部2と外側電極7との間のインピーダンス変化を示す。図4Aおよび図4Bにおいて、破線は付着物Sの付着前のインピーダンス測定結果を示し、実線は付着物Sとして水が付着した場合のインピーダンス測定結果を示す。
図4Aに示されているように、高周波数領域、具体的には100kHz以上の周波数領域においては、付着物Sの付着によるインピーダンス変化が小さいため、付着物検知精度が低い。一方、かかる周波数領域においては、初期のインピーダンスが低いため、ノイズの影響を受けにくい。
これに対し、図4Bに示されているように、低周波数領域、具体的には100kHz未満の周波数領域においては、付着物Sの付着によるインピーダンス変化が大きい。また、かかる周波数領域においては、付着物Sにおけるインダクタンス成分が無視できる。このため、かかる周波数領域においては、付着物検知精度が高い。但し、かかる周波数領域においては、初期のインピーダンスが高いため、ノイズの影響を受けやすい。
したがって、高周波数領域、具体的には100kHz以上の周波数領域に含まれる第一周波数による第一インピーダンス変化と、低周波数領域、具体的には100kHz未満の周波数領域に含まれる第二周波数による第二インピーダンス変化とに基づいて、付着物検知を行うことが好適である。具体的には、例えば、第一周波数f1にて静電容量変化ΔC(f1)が閾値ΔCth(f1)を超えるか、または、第二周波数f2にて静電容量変化ΔC(f2)が閾値ΔCth(f2)を超えた場合に、付着物Sの付着が判定され得る。これにより、付着物Sの付着の有無を、よりいっそう精度よく検知することが可能となる。
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
超音波センサ1の装着対象は、バンパーBに限定されない。すなわち、例えば、超音波センサ1は、車両のボディパネルに装着され得る。この場合、沿面電極部71は、ボディパネルに沿って設けられ得る。
超音波センサ1の装着対象は、車両に限定されない。すなわち、例えば、超音波センサ1は、工場等に設けられる搬送機、農業機器(例えば耕耘機等)、小型航空機、等にも装着され得る。
超音波センサ1は、いわゆる送受信兼用の構成に限定されない。すなわち、探査波の発信専用の超音波センサ1と、反射波の受信専用の超音波センサ1とが、別々に車両に搭載され得る。本発明は、このような場合であっても、良好に適用され得る。
上記実施形態においては、素子支持部2の全体が、金属部材として一体に形成されていた。しかしながら、本発明は、かかる構成に限定されない。具体的には、例えば、素子支持部2は、導電性合成樹脂によって一体に形成されていてもよい。かかる構成においても、素子支持部2の全体が、第一電極として機能する。
上記実施形態においては、素子支持部2の全体が、第一電極として機能するように構成されていた。しかしながら、本発明は、かかる構成に限定されない。具体的には、例えば、ダイアフラム支持部21は、絶縁性合成樹脂によって形成されていてもよい。すなわち、合成樹脂製のダイアフラム支持部21の先端部に、第一電極として機能する金属製の板状部材であるダイアフラム部22が装着されていてもよい。逆に、ダイアフラム部22は、絶縁性合成樹脂によって形成されていてもよい。すなわち、第一電極として機能する金属製のダイアフラム支持部21の先端部に、絶縁性合成樹脂製の板状部材であるダイアフラム部22が装着されていてもよい。
素子支持部2の全体が、絶縁性合成樹脂部材として一体に形成されていてもよい。この場合、図5および図6に示されているように、基準電極32は、圧電体30における駆動電極31が設けられた主面に一部が露出するように設けられて得る。
かかる構成によれば、駆動電極31と基準電極32とが、圧電体30における同一主面側にて、第一方向に露出する。このため、駆動電極31と駆動電極線81との電気的接続部と、基準電極32と基準電極線82との電気的接続部とを、圧電体30における同一主面側に設けることができる。したがって、かかる構成によれば、振動素子3に対する配線の電気的接続が、良好に行われ得る。
図5および図6に示されているように、素子支持部2の全体が絶縁性合成樹脂部材として一体に形成されている場合、素子支持部2には、第一電極を構成する内側電極201が設けられ得る。内側電極201は、例えば、金属または導電性合成樹脂によって形成され得る。
内側電極201は、ダイアフラム支持部21またはダイアフラム部22に設けられ得る。具体的には、例えば、図5に示されているように、内側電極201は、ダイアフラム支持部21の上端部またはダイアフラム部22の外縁部に設けられた、リング状電極であってもよい。かかるリング状電極は、素子支持部2の内部に埋設されていてもよいし、素子支持部2の外部に露出するように設けられていてもよい。
あるいは、例えば、内側電極201は、ダイアフラム支持部21に設けられた円筒状電極であってもよい。かかる円筒状電極は、素子支持部2の内部に埋設されていてもよいし、素子支持部2の外部に露出するように設けられていてもよい。
あるいは、例えば、内側電極201は、図6に示されているように、ダイアフラム部22における内表面23の少なくとも外縁部に設けられた導体膜であってもよい。図6に示された導体膜は、典型的には、導体金属膜によって形成されている。
図1に示された上記実施形態においては、第一電極を構成する素子支持部2は、装置構成上でも、回路構成上でも、基準電極32と一体化されていた。これに対し、図5および図6に示された構成においては、内側電極201は、装置構成上でも、回路構成上でも、基準電極32とは別体化されている。この場合、内側電極201が接地されていても、これに伴って基準電極32が間接的に接地されるとは限らない。
具体的には、図7Aに示されているように、内側電極201を接地するとともに、基準電極32も接地することが可能である。この場合、図2と同様の回路構成が実現される。なお、図7Aにおいては、図示の簡略化のため、図2における信号授受部92a等の図示が省略されているものとする。後述する図7B等においても同様である。
これに対し、図7Bに示されているように、内側電極201を接地する一方で、基準電極32を接地しないようにすることが可能である。すなわち、内側電極201は、振動素子3を構成するとともにダイアフラム部22に固定的に支持された電極層である基準電極32と電気的に絶縁されつつ接地され得る。
かかる構成によれば、超音波送信回路95と反射波受信回路96とを完全に差動化することで、コモンモードノイズ等のノイズをアンプが増幅することによるS/N比の低下を良好に抑制することができる。また、内側電極201を接地することで、超音波マイクロフォン1aの筐体をなす素子支持部2に電磁シールドを設けることができ、超音波センサ1のノイズに対するロバストネスが向上する。具体的には、EMC耐力およびESD耐力の低下を良好に抑制することができる。EMCはElectromagnetic Compatibilityの略である。ESDはElectrostatic Dischargeの略である。すなわち、かかる構成によれば、物体検知動作における良好なS/N比、EMC耐力、およびESD耐力を実現しつつ、付着物Sの付着の有無をよりいっそう精度よく検知することが可能となる。
ダイアフラム部22における内表面上に設けられた基準電極32は、第一電極として用いることが可能である。図5および図6に示されている内側電極201に代えて、基準電極32を第一電極として用いた構成を、図8および図9に示す。
図8は、図5および図6に示されている構成から内側電極201を省略した構成に対応する。図9は、基準電極32を、圧電体30における駆動電極31が設けられた主面に露出させない一方で、ダイアフラム部22の内表面23上に圧電体30よりも広い面積で設けた構成に対応する。図9に示された構成においては、駆動電極31および基準電極32を、可及的に広い面積で設けることが可能となる。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ1における物体検知感度と付着物検知感度とが、可及的に向上され得る。
図10に示されているように、ダイアフラム部22が金属板であって、且つ、圧電体30の両面に基準電極32が設けられる場合があり得る。この場合、ダイアフラム部22と基準電極32との間には、絶縁層303が設けられる。絶縁層303は、典型的には、絶縁性接着剤層によって形成され得る。
かかる構成においては、第一電極を構成する素子支持部2と基準電極32とが、良好に電気的に絶縁され得る。したがって、かかる構成によれば、図7Bの回路構成による効果が得られる。すなわち、かかる構成によれば、物体検知動作における良好なS/N比、EMC耐力、およびESD耐力を実現しつつ、付着物Sの付着の有無をよりいっそう精度よく検知することが可能となる。
本発明は、外側電極7が取付部材6の内面側に設けられる構成に限定されない。具体的には、例えば、外側電極7は、取付部材6の外面側に設けられていてもよい。あるいは、例えば、外側電極7は、取付部材6の一部として、取付部材6と一体化されていてもよい。すなわち、外側電極7は、導電性合成樹脂によって形成された、取付部材6そのものまたはその一部であってもよい。あるいは、例えば、外側電極7は、取付部材6の内部に埋設されていてもよい。
外側電極7は、弾性支持部材4に設けられていてもよい。かかる構成においても、外側電極7を設置するための特別な作業工程は、不要となる。具体的には、例えば、図11に示されているように、軸方向に沿った中心軸線を有するリング状または円筒状の外側電極7が、絶縁性合成樹脂製の弾性支持部材4に埋設されていてもよい。
あるいは、例えば、弾性支持部材4を導電性ゴムによって形成することで、弾性支持部材4を第二電極として用いることが可能である。この場合、図1における外側電極7は、省略され得る。
図12に示されているように、外側電極7は、バンパー内面B2に設けられていてもよい。あるいは、外側電極7は、バンパーBにおける取付孔B3の周囲に埋設されていてもよい。あるいは、外側電極7は、バンパーBにおける取付孔B3に面する部分に導電性フィラーを添加することによって形成された、バンパーBの一部であってもよい。
図13および図14に示されているように、沿面電極部71と筒面電極部72とは、互いに導通しないように別体に構成されていてもよい。換言すれば、沿面電極部71と筒面電極部72とは、それぞれが別個の外側電極7として機能するように設けられていてもよい。この場合、制御部92cは、素子支持部2と沿面電極部71との間の静電容量変化、および、素子支持部2と筒面電極部72との間の静電容量変化に基づいて、付着物Sの有無および付着位置を検知することが可能である。
図13および図14を参照すると、複数の沿面電極部71が、周方向に配列されていて、互いに導通しないように設けられていてもよい。この場合、制御部92cは、複数の沿面電極部71の各々と素子支持部2との間の静電容量変化に基づいて、付着物Sの有無および付着位置を検知することが可能である。
同様に、複数の筒面電極部72が、周方向に配列されていて、互いに導通しないように設けられていてもよい。この場合、制御部92cは、複数の筒面電極部72の各々と素子支持部2との間の静電容量変化に基づいて、付着物Sの有無および付着位置を検知することが可能である。
回路構成も、上記具体例に限定されない。具体的には、上記具体例においては、図2、図7Aおよび図7Bに示されているように、第一電極としての素子支持部2または内側電極201は、接地されていた。しかしながら、本発明は、かかる回路構成に限定されない。
図15Aは、図1と同様に、第一電極が素子支持部2によって構成される場合を示す。一方、図15Bは、図5等と同様に、内側電極201が設けられる場合を示す。後述する図16A、図16B等も同様である。
例えば、図15Aおよび図15Bに示されているように、外側電極7が接地されてもよい。この場合、第一電極としての素子支持部2または内側電極201には、ドライバ回路97およびレシーバ回路98が電気的に接続される。また、ドライバ回路97およびレシーバ回路98は、振動素子3における駆動電極31と対になって用いられる電極として機能する素子支持部2、または基準電極32と、電気的に接続される。
かかる構成においては、振動素子3よりも外側に位置する外側電極7の電位は、常時接地電位となる。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ1のノイズに対するロバストネスが向上する。また、ドライバ回路97の出力電圧を、振動素子3に印加することが可能となる。すなわち、図2に示された超音波送信回路95の機能を、ドライバ回路97に持たせることが可能となる。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ1における回路構成の複雑化を可及的に抑制しつつ、付着物検知を行うことが可能となる。
図16Aおよび図16Bに示されているように、第一電極としての素子支持部2または内側電極201にドライバ回路97が電気的に接続される一方で、外側電極7にレシーバ回路98が電気的に接続されてもよい。逆に、図17Aおよび図17Bに示されているように、第一電極としての素子支持部2または内側電極201にレシーバ回路98が電気的に接続される一方で、外側電極7にドライバ回路97が電気的に接続されてもよい。
図18は、図16Aの回路構成の一部を変更したものである。同様に、図19は、図17Aの回路構成の一部を変更したものである。図18および図19に示されているように、第一電極としての素子支持部2と接地端との間には、スイッチ991が設けられていてもよい。すなわち、素子支持部2側に設けられた第一電極は、スイッチ991がONの場合に、スイッチ991を介して接地されるようになっていてもよい。
スイッチ991は、図2に示された制御部92cの制御下で、インピーダンス測定が行われないときにONされる一方で、インピーダンス測定時にはOFFされる。これにより、インピーダンス測定が行われない期間、典型的には、探査波の発信処理中および反射波の受信処理中にて、素子支持部2側に設けられた第一電極が接地される。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ1のノイズに対するロバストネスが向上する。
圧電体30は、ダイアフラム部22の内表面23に対して、導電性接着剤により貼着され得る。これにより、ダイアフラム部22それ自体が、圧電素子を構成する一対の電極を構成し得る。すなわち、この場合、基準電極32は省略され得る。
振動素子3は、圧電素子に限定されない。すなわち、例えば、超音波マイクロフォン1aは、静電容量式マイクロフォンの構成を有していてもよい。
温度センサ91は、車載通信ネットワークを介して制御回路素子92と電気的に接続されていてもよい。車載通信ネットワークは、CAN(国際登録商標)等の車載LAN規格に準拠して構成される。CAN(国際登録商標)は、Controller Area Networkの略である。LANはLocal Area Networkの略である。あるいは、温度センサ91は、制御回路素子92に内蔵され得る。
本発明は、上記の具体的動作例に限定されない。すなわち、例えば、受信モードは、物体検知条件が成立している間、常時実行されてもよい。また、付着物検知動作は、探査波の発信が行われておらず、且つ、受信派の受信も行われていないタイミングに限定されない。具体的には、例えば、付着物検知動作は、探査波の発信が行われていないタイミングであれば、付着物検知動作中であっても実行され得る。
付着物検知動作は、インピーダンス取得部92bにて行われてもよい。
上記の説明において、互いに継ぎ目なく一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継ぎ目なく一体に形成されてもよい。
上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。
変形例も、上記の例示に限定されない。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。更に、上記実施形態の全部または一部と、任意の変形例の全部または一部とが、互いに組み合わされ得る。
1 超音波センサ
1a 超音波マイクロフォン
2 素子支持部(第一電極)
21 ダイアフラム支持部
22 ダイアフラム部
201 内側電極(第一電極)
3 振動素子
7 外側電極(第二電極)
92 制御回路素子
B バンパー
S 付着物
1a 超音波マイクロフォン
2 素子支持部(第一電極)
21 ダイアフラム支持部
22 ダイアフラム部
201 内側電極(第一電極)
3 振動素子
7 外側電極(第二電極)
92 制御回路素子
B バンパー
S 付着物
Claims (13)
- 超音波センサ(1)であって、
機械的振動と電気信号との間の変換機能を有する振動素子(3)を備えた超音波マイクロフォン(1a)に設けられた、第一電極(2;201)と、
前記超音波マイクロフォンの指向軸と交差する面内方向について前記第一電極とは異なる位置に設けられた、第二電極(7)と、
前記第一電極と前記第二電極との間の静電容量変化に基づいて、当該超音波センサに対する付着物(S)の有無を検知するように設けられた、検知部(92)と、
を備えた超音波センサ。 - 前記超音波マイクロフォンは、ダイアフラム部(22)と、前記ダイアフラム部の外縁を支持するように設けられたダイアフラム支持部(21)とを有し、
前記振動素子は、前記ダイアフラム部に固定的に支持され、
前記第一電極は、前記ダイアフラム部、前記ダイアフラム支持部、または前記振動素子に設けられた、
請求項1に記載の超音波センサ。 - 前記第一電極は、
導体によって形成された前記ダイアフラム部または前記ダイアフラム支持部であり、
前記振動素子を構成するとともに前記ダイアフラム部に固定的に支持された電極層と電気的に接続された、
請求項2に記載の超音波センサ。 - 前記第一電極は、前記振動素子を構成するとともに前記ダイアフラム部に固定的に支持された電極層と電気的に絶縁されつつ接地された、
請求項2に記載の超音波センサ。 - 前記超音波センサの装着対象におけるボデー部品(B)に装着されるように構成された、
請求項1〜4のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記ボデー部品に装着された装着状態にて、前記第二電極は、前記ボデー部品に沿って配置されるように設けられた、
請求項5に記載の超音波センサ。 - 前記超音波マイクロフォンは、
前記指向軸と平行な第一方向(D1)に軸方向を有し前記第一方向側の端部にて開口する筒状に形成されたダイアフラム支持部(21)と、前記ダイアフラム支持部における前記第一方向の反対方向である第二方向(D2)側の端部を閉塞するように設けられた板状部であって前記第一方向側の主面である内表面(23)と前記第二方向側の主面である外表面(24)とを有するダイアフラム部(22)と、を備えた素子支持部(2)と、
前記ダイアフラム部に固定的に支持された前記振動素子と、
を有し、
前記ボデー部品は、板状に形成されるとともに、前記軸方向に貫通する貫通孔である取付孔(B3)を有し、
前記素子支持部は、前記取付孔に前記ダイアフラム部が挿入されるとともに、前記ダイアフラム支持部が前記取付孔から前記第一方向に延出するように設けられた、
請求項5または6に記載の超音波センサ。 - 前記第二電極は、前記ダイアフラム支持部に沿って設けられた、
請求項7に記載の超音波センサ。 - 前記素子支持部を弾性的に支持する弾性支持部材(4)と、
前記弾性支持部材を保持するセンサケース(5)と、
前記ボデー部品に装着された装着状態にて前記ボデー部品および前記センサケースに固定されることで、当該超音波センサを前記ボデー部品に保持するように構成された、取付部材(6)と、
をさらに備え、
前記第二電極は、前記弾性支持部材または前記取付部材に設けられた、
請求項7または8に記載の超音波センサ。 - 前記検知部は、複数の前記第二電極の各々と前記第一電極との間の静電容量変化に基づいて、前記付着物の付着位置を検知するように設けられた、
請求項1〜9のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記検知部は、前記振動素子を駆動する駆動信号の前記振動素子への入力が行われていないタイミング、または、前記振動素子からの出力信号に基づく当該超音波センサの周囲の物体検知動作が行われていないタイミングで、前記付着物の有無を検知するように設けられた、
請求項1〜10のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記検知部は、前記第一電極と前記第二電極との間に第一周波数を有する第一検知電圧を印加した場合の第一インピーダンス変化と、前記第一電極と前記第二電極との間に前記第一周波数とは異なる第二周波数を有する第二検知電圧を印加した場合の第二インピーダンス変化とに基づいて、前記付着物の有無を検知するように設けられた、
請求項1〜11のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 環境温度に対応する出力を発生するように設けられた、温度センサ(91)をさらに備え、
前記検知部は、前記温度センサの出力と前記静電容量変化とに基づいて、前記付着物の有無を検知するように設けられた、
請求項1〜12のいずれか1つに記載の超音波センサ。
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