JP6885839B2

JP6885839B2 - 超音波センサー

Info

Publication number: JP6885839B2
Application number: JP2017186556A
Authority: JP
Inventors: 長岡　聡史; 聡史長岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019062446A

Description

本開示は、超音波センサーに関するものである。

駐車補助のコーナーソナー、バックソナー等の近距離用センサーとして超音波センサーが使用されている。このような超音波センサーとして、筒状部および底部を有する有底筒状のケースと、底部に取り付けられた圧電素子とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

国際公開２０１３／０５１５２５号特開２０１１−２５０３２８号公報

自動運転技術の進化に伴って、超音波センサーの長距離対応が要求されている。

ここで、超音波センサーを長距離対応化するには音圧を上げる必要があるが、音圧を上げると残響時間が長くなってセンサーとしての近距離測距性能の低下が懸念されることから、この残響特性をより向上させる必要がある。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたもので、残響特性を向上させた超音波センサーを提供することを目的とする。

本開示の超音波センサーは、筒状部および底部を有する有底筒状のケースと、前記底部に取り付けられた圧電素子とを備え、前記ケースの前記筒状部の一端に、前記ケースよりも密度の高い錘部材が接続されており、前記錘部材は、前記筒状部の延長方向に延びる第１の部位と、該第１の部位に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位とを有しており、前記第１の部位から前記第２の部位にかけて内壁および外壁のうちの少なくとも一方の角部が丸みを帯びていることを特徴とする。
また、本開示の超音波センサーは、筒状部および底部を有する有底筒状のケースと、前
記底部に取り付けられた圧電素子とを備え、前記ケースの前記筒状部の一端に、前記ケースよりも密度の高い錘部材が接続されており、前記錘部材は、前記筒状部の延長方向に延びる第１の部位と、該第１の部位に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位とを有しており、前記第２の部位には周囲よりも厚い厚肉部があることを特徴とする。

本開示の超音波センサーによれば、残響特性を向上させることができる。

超音波センサーの実施形態の例を示す概略斜視図である。図１に示す超音波センサーの縦断面図である。超音波センサーの実施形態の他の例を示す縦断面図である。超音波センサーの実施形態の他の例を示す縦断面図である。超音波センサーの実施形態の他の例を示す縦断面図である。超音波センサーの実施形態の他の例を示す縦断面図である。

以下、添付図面を参照して、超音波センサーの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により、この発明が限定されるものではない。

図１は超音波センサーの実施形態の例を示す概略斜視図、図２は図１に示す超音波センサーの縦断面図である。

図１および図２に示す例の超音波センサーは、筒状部１１および底部１２を有する有底筒状のケース１と、底部１２に取り付けられた圧電素子２とを備えている。

ケース１は、筒状部１１および底部１２を有する有底筒状の形状である。このケース１は、例えばアルミニウム、チタン、マグネシウムなどの金属材料、またはＡＢＳ樹脂、ＰＢＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂などの樹脂材料からなる。

筒状部１１は、例えば円筒状の形状であり、底部１２の外周を支持する支持体として機能する。底部１２は、圧電素子２が取り付けられており、圧電素子２の振動によって振動する振動板として機能する。筒状部１１および底部１２の厚みは、例えば０．５〜１．０ｍｍである。筒状部１１の内径は、例えば５〜３０ｍｍである。筒状部１１の高さ（長さ）は、例えば２〜１０ｍｍである。なお、底部１２の圧電素子２が取り付けられる部分は、周囲よりも薄くなっていてもよく、図に示すように凹部が設けられていてもよい。

圧電素子２は、例えば接着剤を介して底部１２に取り付けられている。圧電素子２は、例えば平面視長方形状、正方形状、円形状などの形状をした板状体である。この圧電素子２は、圧電セラミックスからなる単板の圧電体と、当該圧電体の上面および下面に設けられた銀などの金属からなる表面電極とを備えたものでよい。また、圧電素子２は、例えば圧電体層と内部電極層とが積層された積層体と、当該圧電体の上面および下面に設けられた表面電極とを備えたものでよい。接着剤には、例えばエポキシ系、アクリル系などの接着剤が用いられる。

そして、ケース１の筒状部１１の一端に錘部材３が接続されている。ここで、筒状部１１の一端とは、底部１２に接続される側とは反対側の端部のことであり、図における上端部のことである。錘部材３は、例えばケース１の筒状部１１と同じ内径および厚さの筒状体とされ、筒状部１１の一端に接続される。錘部材３の接続には、例えばエポキシ系接着剤、アクリル系接着剤が用いられる。この錘部材３は、ケース１を構成する筒状部１１および底部１２よりも密度が高い。

通常、錘部材３がケース１を構成する筒状部１１および底部１２の密度よりも高い密度のとき、錘部材３はケース１を構成する筒状部１１および底部１２よりも質量が大きくなる。このとき、錘部材３は、ケース１を構成する筒状部１１および底部１２よりも質量の大きな材料で形成される。ケース１がアルミニウムからなる場合に、錘部材３はモリブデン銅合金、ステンレス、真鍮などで形成される。

なお、錘部材３の密度がケース１２の密度よりも高いかどうかは、錘部材３およびケース１のそれぞれの部位を取り出したうえで、アルキメデス法を用いて測定し、比較することで判別できる。

錘部材３を振動板としての底部に接触する部分に設ける方法では、底部の反作用を抑える効果はあるものの、筒状部の端面での振動の反射を抑える効果はないため、十分な残響特性の改善は得られにくい。また、ケースの開口部を塞ぐように内部損失の大きいダンピング材を設ける方法では、ケースの内部損失を大きくし、超音波センサーの共振周波数のＱを低くするため、音圧が下がってしまう傾向がある。

これに対し、本開示の超音波センサーのように、ケース１の筒状部１１の一端に錘部材３が接続されている構成によれば、残響特性を向上させることができる。

振動が水中や空気中の媒質を伝達するとき、振動の波は疎密波となる。一方、振動が金
属等の個体の媒質を伝わるとき、振動の波は横波として伝達される。底部１２（振動板）を動かした振動の一部は、筒状部１１を伝わり、筒状部１１の上端で反射して、底部１２に返ってきて再び底部１２を振動させる。

このとき、ケース１の筒状部１１の一端に錘部材３が接続されていると、振動は筒状部１１の上端で反射せずに錘部材３の方へ伝達する。そして、密度の大きな錘部材３に振動が伝わると、振動は小さくなる。これは、密度の高い、質量の大きな錘部材３を振動させようとするとより大きな振動エネルギーが必要だからである。振動は、錘部材３の端面で反射してケース１へ返ってくるが、錘部材３の中で残響特性に影響を与えないくらい小さくなっている。これにより、超音波センサーの残響特性が向上する。

この残響特性は、例えば次のようにして測定できる。測定を行う第１の超音波センサーに対向するように第２の超音波センサーを配置し、第１の超音波センサーに矩形波を数パルス入力する。入力が無くなってからも第１の超音波センサーには振動が残っているため、超音波を発している。その超音波がどのくらいの時間で小さくなるかを測定することによって、残響特性が優れているかどうかを判別できる。

ここで、錘部材３は、ケース１の筒状部１１と同じ内径および厚さの筒状体に限られず、筒状部１１に接続されるものであれば、内径や厚さが筒状部１１とは若干異なるものであってもよい。

また、図３に示すように、錘部材３は、筒状部１１の延長方向に延びる第１の部位３１と、第１の部位３１に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位３２とを有する形状であってもよい。これにより、超音波センサーが小型でありながら、錘部材３における振動の減衰する距離を稼ぐことができる。

さらに、図４に示すように、錘部材３は、筒状部１１の延長方向に延びる第１の部位３１と、第１の部位３１に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位３２とを有している場合において、第１の部位３１から第２の部位３２にかけて内壁および外壁のうちの少なくとも一方の角部が丸みを帯びていてもよい。図４は外壁のみが丸みを帯びた形状を示しているが、この形状に限られず、内壁および外壁の両方の角部が丸みを帯びていてもよい。言い換えると、第１の部位３１と第２の部位３２との境界の角が丸くなっているのがよい。

振動の伝達路に角があると振動の一部が途中で反射することがあり、十分に減衰されないでケースに返ってくるおそれがある。そこで、角に丸みをつけることにより、錘部材３の端面まで振動が届きやすくなり、途中で反射しにくくすることができる。

なお、丸みの曲率半径は、例えばＲ０．３〜２．０ｍｍ程度に設定される。

また、図５に示すように、錘部材３は、筒状部１１の延長方向に延びる第１の部位３１と、第１の部位３１に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位３２とを有している場合において、第２の部位３２には周囲よりも厚い厚肉部３３があってもよい。例えば、錘部材３の振動を伝達する経路の途中に、厚肉部３３として上方向および下方向の少なくとも一方に向けて突出する突起があってもよい。厚肉部３３があることによって、振動エネルギーをより大きく減衰させることができる。

また、図６に示すように、厚肉部３３は第２の部位３２の内側の端部にあってもよい。例えば、厚肉部３３がケース１の内方へ延びていてもよい。これにより、振動の経路が長くなるため、振動エネルギーをより大きく減衰させることができる。

次に、本実施形態の超音波センサーの製造方法の例について説明する。

例えばφ１４ｍｍ高さ４ｍｍの有底筒状のアルミニウムのケース１を切削加工にて作製する。

次に、このケース１の底部１２の内側にチタン酸ジルコン酸鉛を圧電体材料とする例えば一辺５ｍｍ厚み０．２ｍｍの圧電素子２をエポキシ接着剤で接着する。

次に、圧電素子２の表面電極に配線を半田付けし、アルミニウムのケース１の内側に発泡ポリウレタン樹脂を材料とする吸音剤を入れる。

次に、モリブテン銅合金を材料とし、φ１４ｍｍ高さ５ｍｍの筒状形状の錘部材３をケース１の筒状部１１にエポキシ接着剤で接着する。

必要により、錘部材３の開口部から配線をケース１外側に引き出し、錘部材３の開口部にシリコンゴム、ブチルゴム等のゴムを材料とする蓋部材をエポキシ接着剤で接着してもよい。

以上の方法で、本実施形態の超音波センサーを製造することができる。

１ケース
１１筒状部
１２底部
２圧電素子
３錘部材
３１第１の部位
３２第２の部位
３３厚肉部

Claims

筒状部および底部を有する有底筒状のケースと、前記底部に取り付けられた圧電素子とを備え、前記ケースの前記筒状部の一端に、前記ケースよりも密度の高い錘部材が接続されており、前記錘部材は、前記筒状部の延長方向に延びる第１の部位と、該第１の部位に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位とを有しており、前記第１の部位から前記第２の部位にかけて内壁および外壁のうちの少なくとも一方の角部が丸みを帯びていることを特徴とする超音波センサー。
前記錘部材は、前記筒状部の延長方向に延びる第１の部位と、該第１の部位に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位とを有しており、前記第２の部位には周囲よりも厚い厚肉部があることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
筒状部および底部を有する有底筒状のケースと、前記底部に取り付けられた圧電素子とを備え、前記ケースの前記筒状部の一端に、前記ケースよりも密度の高い錘部材が接続されており、前記錘部材は、前記筒状部の延長方向に延びる第１の部位と、該第１の部位に連続するとともに内側に向かって延びる第２の部位とを有しており、前記第２の部位には周囲よりも厚い厚肉部があることを特徴とする超音波センサー。
前記厚肉部は、前記第２の部位の内側の端部にあることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波センサー。