JP7105116B2 - ultrasonic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、超音波センサに関する。 The present invention relates to ultrasonic sensors.
この種の超音波センサとしては、特許文献1に開示されたものがある。特許文献1の超音波センサは、底部に溝を設けたケースと、ケースの底部に貼り付けられた圧電素子とを備えている。特許文献1の超音波センサは、ケースの底部に設けた溝により、複数の共振周波数で駆動可能となっている。
As an ultrasonic sensor of this type, there is one disclosed in
一般的に、超音波センサで近距離の障害物を検出するためには、残響を短時間で停止させる必要がある。即ち、近距離の障害物を検出するための超音波センサは、できるだけ低いQ値を有している必要がある。また、超音波センサの駆動回路の調整の容易さから、広い使用可能帯域を有する超音波センサの需要がある。 In general, in order to detect an obstacle at a short distance with an ultrasonic sensor, it is necessary to stop the reverberation in a short period of time. That is, an ultrasonic sensor for detecting short-range obstacles must have a Q value as low as possible. In addition, there is a demand for an ultrasonic sensor having a wide usable band due to the ease of adjustment of the drive circuit of the ultrasonic sensor.
そこで本発明は、低いQ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有する超音波センサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an ultrasonic sensor that has a low Q value and broadband transmission characteristics.
本発明は、第1の超音波センサとして、
ケースと、支持構造と、圧電素子を有する振動子とを備える超音波センサであって、
前記ケースは、底部と、側部とを有しており、
前記側部は、前記底部から上下方向において上方に延びており、
前記底部及び前記側部は、収容部を規定しており、
前記支持構造は、前記収容部内において、前記底部上に固定されており、
前記振動子は、前記支持構造に支持されており、且つ、前記収容部内に位置しており、
前記上下方向と直交する水平面において、前記振動子は、前記支持構造よりも大きく、
前記支持構造のヤング率は、前記振動子のヤング率よりも小さい
超音波センサを提供する。
The present invention, as a first ultrasonic sensor,
An ultrasonic sensor comprising a case, a support structure, and a transducer having a piezoelectric element,
the case has a bottom and a side, and
The side portion extends upward in the vertical direction from the bottom portion,
the bottom and the sides define a housing;
the support structure is fixed on the bottom within the housing, and
the vibrator is supported by the support structure and positioned within the housing,
In a horizontal plane orthogonal to the vertical direction, the vibrator is larger than the support structure,
The Young's modulus of the support structure is less than the Young's modulus of the transducer to provide the ultrasonic sensor.
また、本発明は、第2の超音波センサとして、第1の超音波センサであって、
前記支持構造のヤング率は、前記ケースのヤング率よりも小さい
超音波センサを提供する。
Further, the present invention provides a first ultrasonic sensor as a second ultrasonic sensor,
The Young's modulus of the support structure is less than the Young's modulus of the case to provide the ultrasonic sensor.
また、本発明は、第3の超音波センサとして、第1又は第2の超音波センサであって、
前記振動子は、基板を更に備えており、
前記基板は弾性を有しており、
前記圧電素子は、前記基板上に設けられており、
前記水平面において、前記基板と前記圧電素子とは互いに等しい大きさを有している
超音波センサを提供する。
The present invention also provides a third ultrasonic sensor, which is the first or second ultrasonic sensor,
The vibrator further comprises a substrate,
The substrate has elasticity,
The piezoelectric element is provided on the substrate,
The ultrasonic sensor is provided in which the substrate and the piezoelectric element have the same size in the horizontal plane.
また、本発明は、第4の超音波センサとして、第1から第3までのいずれかの超音波センサであって、
前記振動子の固有共振周波数は、前記ケースの固有共振周波数より高い
超音波センサを提供する。
Further, according to the present invention, as a fourth ultrasonic sensor, any one of the first to third ultrasonic sensors,
The natural resonant frequency of the transducer provides an ultrasonic sensor that is higher than the natural resonant frequency of the case.
本発明の超音波センサにおいて、支持構造のヤング率は、振動子のヤング率よりも小さくなっている。これにより、本発明の超音波センサは、低いQ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有している。 In the ultrasonic sensor of the present invention, the Young's modulus of the support structure is smaller than the Young's modulus of the transducer. As a result, the ultrasonic sensor of the present invention has a low Q value and broadband transmission characteristics.
図1及び図2に示されるように、本発明の実施の形態の超音波センサ100は、ケース200と、支持構造300と、圧電素子410を有する振動子400とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, an
図1及び図2に示されるように、本実施の形態のケース200は、底部210と、側部220と、収容部250とを有している。本実施の形態のケース200は、上端が開口した有底円筒形を有している。本実施の形態において、上下方向はZ方向である。また、上方は+Z方向であり、下方は-Z方向である。なお本発明はこれに限定されず、ケース200は、有底円筒形以外の形状を有していてもよい。本実施の形態のケース200のヤング率は、約70GPaである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1及び図2から理解されるように、本実施の形態の底部210は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、底部210は、上下方向と直交する円板形状を有している。底部210は、上下方向においてケース200の下端を規定している。底部210は、上下方向において上方を向いた上面212を有している。底部210は、上下方向に貫通する溝を有していない。
As understood from FIGS. 1 and 2, the
図1及び図2から理解されるように、本実施の形態の側部220は、上下方向に延びる筒形状を有している。より詳しくは、側部220は、上下方向に延びる円筒形状を有している。側部220は、上下方向において底部210の上方に位置している。即ち、側部220は、底部210から上下方向において上方に延びている。より詳しくは、側部220は、底部210の上下方向と直交する直交方向における外端から上方に延びている。
As understood from FIGS. 1 and 2, the
図2に示されるように、本実施の形態の収容部250は、上下方向に延びる空間である。底部210及び側部220は、収容部250を規定している。より詳しくは、底部210は、収容部250の下端を規定しており、側部220は、収容部250の直交方向における外端を規定している。収容部250の上端は開口している。但し、残響時間を短くするためにウレタン系やシリコーン系の樹脂の制振材や、発泡系の吸音材などを入れて収容部250の上端を閉口してもよい。また、超音波センサ100に指向性を持たせるために、側部220の直交方向における厚みを部分的に変更して、収容部250の上下方向と直交する断面形状を楕円状にしてもよい。
As shown in FIG. 2, the
図2を参照して、本実施の形態の支持構造300は、樹脂製である。より詳しくは、支持構造300は、エンジニアリングプラスチック製又はスーパーエンジニアリングプラスチック製が好ましい。支持構造300は、上下方向に延びる柱形状を有している。より詳しくは、支持構造300は、上下方向に延びる円柱形状を有している。なお本発明はこれに限定されず、支持構造300は円柱形状以外の形状を有していてもよい。
Referring to FIG. 2,
図2に示されるように、本実施の形態の支持構造300は、収容部250内において、底部210上に固定されている。より詳しくは、支持構造300は、収容部250内において、ケース200の底部210の上面212に固定されている。即ち、支持構造300は、収容部250内において、ケース200の底部210の上面212から上方に延びている。
As shown in FIG. 2 , the
図2に示されるように、本実施の形態の支持構造300は、梁310と、2つの接着層320とを有している。梁310は、上下方向において2つの接着層320に挟まれている。接着層320は、梁310の上下方向における両端に夫々位置している。即ち、上側に位置する接着層320の下端は、梁310の上端と接続されており、下側に位置する接着層320の上端は、梁310の下端と接続されている。ケース200の底部210と支持構造300の梁310とは、下側の接着層320を介して接続されている。即ち、ケース200の底部210の上面212は、支持構造300の下側の接着層320の下端と接続されている。また、振動子400と支持構造300の梁310とは、上側の接着層320を介して接続されている。即ち、振動子400の下端は、支持構造300の上側の接着層320の上端と接続されている。
As shown in FIG. 2, the
図2を参照して、ケース200の底部210と支持構造300の梁310とは、シリコーン系接着剤で接着されている。また、振動子400と支持構造300の梁310とは、シリコーン系接着剤で接着されている。即ち、本実施の形態の支持構造300の接着層320は、シリコーン系接着剤が固化したものである。なお本発明はこれに限定されず、接着層320は、シリコーン系以外、例えばウレタン系やその他の樹脂で構成されていてもよい。
Referring to FIG. 2,
本実施の形態の支持構造300のヤング率は、ケース200のヤング率よりも小さい。具体的には、本実施の形態の支持構造300のヤング率は、10~1000MPaである。
The Young's modulus of the
図2に示されるように、本実施の形態の振動子400は、支持構造300に支持されており、且つ、収容部250内に位置している。上下方向と直交する水平面において、振動子400は、支持構造300よりも大きい。支持構造300は、振動子400の中心を支持している。なお本発明はこれに限定されず、支持構造300は、振動子400の中心以外の部分を支持していてもよい。例えば、支持構造300は、振動子400の直交方向における両端を支持していてもよく、振動子400の複数個所を支持していてもよい。振動子400のヤング率は、支持構造300のヤング率よりも大きい。即ち、支持構造300のヤング率は、振動子400のヤング率よりも小さい。振動子400の固有共振周波数は、ケース200の固有共振周波数より高い。より詳しくは、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数は、ケース200の屈曲2次モードの共振周波数より高い。
As shown in FIG. 2, the
図2から理解されるように、本実施の形態の振動子400は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、振動子400は、上下方向と直交する円盤形状を有している。なお本発明はこれに限定されず、振動子400は円盤形状以外、例えば矩形の形状を有していてもよい。
As can be understood from FIG. 2, the
図2に示されるように、本実施の形態の振動子400は、基板420を更に備えている。即ち、本実施の形態の振動子400は、圧電素子410と、基板420とを備えている。本実施の形態の振動子400は、ユニモルフ型振動子である。しかしながら、本発明はこれに限定されず、本発明の振動子400は、バイモルフ型振動子等であってもよい。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、本実施の形態の圧電素子410は、上下方向に電圧を印加することにより伸縮運動する圧電セラミックスである。なお、図2において、圧電素子410に電圧を印加するためのリード線や端子は図示していない。圧電素子410は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、圧電素子410は、上下方向と直交する円盤形状を有している。本実施の形態の圧電素子410のヤング率は、約65GPaである。
As shown in FIG. 2, the
図2を参照して、本実施の形態の基板420は、金属製であり、弾性を有している。なお本発明はこれに限定されず、基板420は、金属以外、例えば繊維強化プラスチック等の樹脂で構成されていてもよい。圧電素子410は、基板420上に設けられている。より詳しくは、圧電素子410は、基板420の上面に貼り付けられている。基板420は、上下方向と直交する平板形状を有している。より詳しくは、基板420は、上下方向と直交する円盤形状を有している。上下方向と直交する水平面において、基板420と圧電素子410とは互いに等しい大きさを有している。なお本発明はこれに限定されず、基板420と圧電素子410とが互いに異なる大きさを有していてもよい。本実施の形態の基板420のヤング率は、約100GPaである。上述のように、ケース200のヤング率は約70GPaであり、圧電素子410のヤング率は約65GPaであり、支持構造300のヤング率は10~1000MPaであることを考慮すると、支持構造300のヤング率は、ケース200及び振動子400の何れよりも小さくなっている。
Referring to FIG. 2,
図2を参照して、振動子400の基板420の一部と支持構造300の梁310とは、シリコーン系接着剤で接着されている。即ち、振動子400の基板420の一部と支持構造300の梁310とは、上側の接着層320を介して接続されている。より詳しくは、振動子400の基板420の一部の下端は、支持構造300の上側の接着層320の上端と接続されている。支持構造300の梁310は、上側の接着層320を介して、振動子400の基板420の中央を支持している。
Referring to FIG. 2, a portion of
異なるヤング率の支持構造300を有する超音波センサ100について、有限要素法(FEM)による周波数応答解析を実施した。解析結果を図3に示す。
A frequency response analysis by the finite element method (FEM) was performed for the
図3から理解されるように、ヤング率が4GPaの支持構造300を有する超音波センサ100においては、8kHz及び55kHzに共振モードが存在する。ここで、8kHzの共振モードはケース200の屈曲1次モードと推定され、55kHzの共振モードはケース200の屈曲2次モードと推定された。
As can be seen from FIG. 3, there are resonance modes at 8 kHz and 55 kHz in the
また、図3から理解されるように、ヤング率が500MPaの支持構造300を有する超音波センサ100においては、8kHz及び54kHzに共振モードが存在する。ここで、8kHzの共振モードはケース200の屈曲1次モードと推定され、54kHzの共振モードはケース200の屈曲2次モードと推定された。
Further, as understood from FIG. 3, the
更に、図3から理解されるように、ヤング率が100MPaの支持構造300を有する超音波センサ100においては、7kHz、50kHz及び66kHzに共振モードが存在する。ここで、7kHzの共振モードはケース200の屈曲1次モード、50kHzの共振モードはケース200の屈曲2次モード、66kHzの共振モードは振動子400の屈曲1次モード、と夫々推定された。
Furthermore, as understood from FIG. 3, the
加えて、図3から理解されるように、ヤング率が10MPaの支持構造300を有する超音波センサ100においては、4kHz、37kHz及び61kHzに共振モードが存在する。ここで、4kHzの共振モードはケース200の屈曲1次モード、37kHzの共振モードはケース200の屈曲2次モード、61kHzの共振モードは振動子400の屈曲1次モード、と夫々推定された。
In addition, as can be seen from FIG. 3, there are resonance modes at 4 kHz, 37 kHz and 61 kHz in the
これらの周波数応答解析結果から、支持構造300のヤング率を調節することにより、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数とを狭い周波数範囲内に収められることが理解される。
From these frequency response analysis results, by adjusting the Young's modulus of the
振動子400の屈曲1次モード及びケース200の屈曲2次モードにおける、支持構造300のヤング率と共振周波数との関係の一例を図4に示す。
FIG. 4 shows an example of the relationship between the Young's modulus of the
図4から理解されるように、支持構造300のヤング率が10~1000MPaである場合、振動子400の固有共振周波数とケース200の固有共振周波数との差(Δf)を29KHz以下に設定することができる。即ち、図4から、支持構造300のヤング率が10~1000MPaである場合、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数との差(Δf)を29KHz以下に設定できることが理解される。
As understood from FIG. 4, when the Young's modulus of the
また、図4から理解されるように、支持構造300のヤング率が10~500MPaである場合、振動子400の固有共振周波数とケース200の固有共振周波数との差(Δf)を26KHz以下に設定することができる。即ち、図4から、支持構造300のヤング率が10~500MPaである場合、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数との差(Δf)を26KHz以下に設定できることが理解される。
Further, as understood from FIG. 4, when the Young's modulus of the
更に、図4から理解されるように、支持構造300のヤング率が100MPaである場合、振動子400の固有共振周波数とケース200の固有共振周波数との差(Δf)を17KHz以下に設定することができる。即ち、図4から、支持構造300のヤング率が100MPaである場合、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数との差(Δf)を17KHz以下に設定できることが理解される。
Furthermore, as understood from FIG. 4, when the Young's modulus of the
これらの解析から、支持構造300のヤング率を振動子400のヤング率及びケース200のヤング率より小さくなるように支持構造300を構成することにより、振動子400の固有共振周波数とケース200の固有共振周波数との差(Δf)を調整できることを見出した。また、支持構造300のヤング率を調整して振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数を近づけることにより、振動子400の屈曲1次モードの共振周波数とケース200の屈曲2次モードの共振周波数の間の周波数における振幅の変化を緩やかにすることができ、振幅から換算された音圧レベルにおいてもブロードな周波数特性が得られることが分かった。
From these analyses, by configuring the
上記解析を踏まえて、支持構造300のヤング率を100MPa付近に調整した超音波センサ100の周波数特性を実測した。測定結果を図5に示す。なお、測定結果は、マイク距離が40cm、入力電圧が150Vppである音圧値に換算された結果を示している。
Based on the above analysis, the frequency characteristics of the
図5に示されるように、支持構造300のヤング率を100MPa付近に調整した超音波センサ100は、ケース200の屈曲2次モードの共振周波数(45kHz)から振動子400の屈曲1次モードの共振周波数(55kHz)までの間においてブロードな周波数特性を有しており、即ち、広帯域な送波特性を有していることが分かる。
As shown in FIG. 5, the
上記周波数特性の実測結果から、共振周波数45kHz及び55kHzにおけるQ値を算出した。また、比較例として、支持構造300を有さずに振動子400をケース200の底部210の上面212に直接張り付けた超音波センサについて、周波数特性の実測を行い、共振周波数におけるQ値を算出した。これにより、支持構造300のヤング率を100MPa付近に調整した本実施の形態の超音波センサ100においては、共振周波数45kHzにおけるQ値が17であり、共振周波数55kHzにおけるQ値が8であることが夫々分かった。また、上記比較例の超音波センサは、単一の共振モードのみを有しており、この共振モードにおけるQ値が58であることが分かった。これらのことから、本実施の形態の超音波センサ100は、上記比較例と比べて、低いQ値を有すると共に、広帯域な送波特性を有していることが理解される。
Q values at resonance frequencies of 45 kHz and 55 kHz were calculated from the results of the actual measurement of the frequency characteristics. Further, as a comparative example, an ultrasonic sensor in which the
以上、本発明について実施の形態を掲げて具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。 Although the present invention has been specifically described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these, and various modifications and changes are possible.
本実施の形態の支持構造300は、樹脂製であるが、本発明はこれに限定されず、支持構造300全体が所望のヤング率を有する限り、その他の材質から構成されていてもよい。
The
100 超音波センサ
200 ケース
210 底部
212 上面
220 側部
250 収容部
300 支持構造
310 梁
320 接着層
400 振動子
410 圧電素子
420 基板
REFERENCE SIGNS
Claims (4)
前記ケースは、底部と、側部とを有しており、
前記側部は、前記底部から上下方向において上方に延びており、
前記底部及び前記側部は、収容部を規定しており、
前記支持構造は、前記収容部内において、前記底部上に固定されており、
前記振動子は、前記支持構造に支持されており、且つ、前記収容部内に位置しており、
前記上下方向と直交する水平面において、前記振動子は、前記支持構造よりも大きく、
前記支持構造のヤング率は、前記振動子のヤング率よりも小さ く、
前記支持構造は、梁と、2つの接着層とを有しており、
前記梁は、前記上下方向において前記2つの接着層に挟まれている
超音波センサ。 An ultrasonic sensor comprising a case, a support structure, and a transducer having a piezoelectric element,
the case has a bottom and a side, and
The side portion extends upward in the vertical direction from the bottom portion,
the bottom and the sides define a housing;
the support structure is fixed on the bottom within the housing, and
the vibrator is supported by the support structure and positioned within the housing,
In a horizontal plane orthogonal to the vertical direction, the vibrator is larger than the support structure,
A Young's modulus of the support structure is less than a Young's modulus of the transducer. nine,
the support structure comprises a beam and two adhesive layers;
The beam is sandwiched between the two adhesive layers in the vertical direction.
ultrasonic sensor.
前記支持構造のヤング率は、前記ケースのヤング率よりも小さい
超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 1,
The ultrasonic sensor, wherein the Young's modulus of the support structure is less than the Young's modulus of the case.
前記振動子は、基板を更に備えており、
前記基板は弾性を有しており、
前記圧電素子は、前記基板上に設けられており、
前記水平面において、前記基板と前記圧電素子とは互いに等しい大きさを有している
超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 1 or claim 2,
The vibrator further comprises a substrate,
The substrate has elasticity,
The piezoelectric element is provided on the substrate,
The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the substrate and the piezoelectric element have the same size in the horizontal plane.
前記振動子の固有共振周波数は、前記ケースの固有共振周波数よりも高い
超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3,
The ultrasonic sensor, wherein the natural resonance frequency of the transducer is higher than the natural resonance frequency of the case.
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