JP7115371B2 - 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(21)を備えた超音波マイクロフォン(2)に設けられた、第一電極(21c;20)と、
前記第一電極との間の電気的特性が前記超音波マイクロフォンに対する付着物(S)の付着状態に応じて変化するように、前記超音波マイクロフォンの外部に設けられた、第二電極(41)と、
前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着以外の要因による前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化を抑制するように設けられた、第三電極(42)と、
を備えている。
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(21)を備えた超音波マイクロフォン(2)に設けられた、第一電極(21c;20)と、
前記第一電極との間の電気的特性が前記超音波マイクロフォンに対する付着物(S)の付着状態に応じて変化するように、前記超音波マイクロフォンの外部に設けられた、第二電極(41)と、
前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着以外の要因による前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化を抑制するように設けられた、第三電極(42)と、
を備えている。
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の電気的特性(例えば静電容量)は、前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着状態に応じて変化する。一方、かかる電気的特性は、前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着以外の要因によっても変化し得る。この点、上記構成においては、前記第三電極が備えられている。前記第三電極は、前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着以外の要因による、前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化を、抑制するように設けられている。したがって、上記構成によれば、前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化に基づいて、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、出願書類において、各要素に括弧付きの参照符号が付される場合がある。しかしながら、この場合であっても、かかる参照符号は、各要素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単なる一例を示すものにすぎない。よって、本発明は、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。このため、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は挿入せず、その後にまとめて説明する。
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。このため、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は挿入せず、その後にまとめて説明する。
(車載構成)
図1を参照すると、本実施形態においては、超音波センサ1は、車両Vを装着対象とする車載センサとして構成されている。車両Vは、いわゆる四輪自動車であって、箱状の車体V1を備えている。車体V1には、外板を構成する車体部品である、車体パネルV2、フロントバンパーV3、およびリアバンパーV4が装着されている。フロントバンパーV3は、車体V1の前端部に設けられている。リアバンパーV4は、車体V1の後端部に設けられている。
図1を参照すると、本実施形態においては、超音波センサ1は、車両Vを装着対象とする車載センサとして構成されている。車両Vは、いわゆる四輪自動車であって、箱状の車体V1を備えている。車体V1には、外板を構成する車体部品である、車体パネルV2、フロントバンパーV3、およびリアバンパーV4が装着されている。フロントバンパーV3は、車体V1の前端部に設けられている。リアバンパーV4は、車体V1の後端部に設けられている。
超音波センサ1は、いわゆるクリアランスソナーであって、車両Vの周囲の物体を検知するように設けられている。具体的には、フロントバンパーV3には、複数(例えば4個)の超音波センサ1が取り付けられている。フロントバンパーV3に装着された複数の超音波センサ1は、それぞれ、車幅方向における異なる位置に配置されている。同様に、リアバンパーV4にも、複数(例えば4個)の超音波センサ1が取り付けられている。
以下、図2~図4を参照しつつ、本実施形態に係る超音波センサ1の構成について説明する。図2を参照すると、超音波センサ1は、超音波を送受信可能に構成されている。すなわち、超音波センサ1は、超音波である探査波を指向軸DAに沿って送信するように構成されている。「指向軸」とは、超音波センサ1から超音波の送受信方向に沿って延びる仮想半直線であって、指向角の基準となるものである。「指向軸」は指向中心軸あるいは検出軸とも称され得る。また、超音波センサ1は、周囲に存在する物体による探査波の反射波を受信して、受信結果に基づく検知信号を発生および出力するように構成されている。
説明の便宜上、図2において、図示の通りに、Z軸が指向軸DAと平行となるように右手系XYZ直交座標系を設定する。このとき、指向軸DAと平行な方向を「指向軸方向」と称する。「指向軸方向における先端側」は、探査波の送信方向側であり、図2における上側すなわちZ軸正方向側に対応する。これに対し、「指向軸方向における基端側」は、図2における下側すなわちZ軸負方向側に対応する。また、或る構成要素を指向軸方向と平行な視線で先端側から基端側に向かって見ることを「正面視」と称し、正面視による図を正面図と称する。或る構成要素の指向軸方向における基端側の端部を「基端部」と称し、指向軸方向における先端側の端部を「先端部」と称する。さらに、指向軸方向と直交する任意の方向を「面内方向」と称する。「面内方向」は、図2における、XY平面と平行な方向である。
図2は、フロントバンパーV3に取り付けられた複数の超音波センサ1のうちの1個を、車載状態にて示している。「車載状態」は、超音波センサ1が装着対象である車両Vの外板を構成するフロントバンパーV3に装着された「装着状態」とも称され得る。
図2を参照すると、フロントバンパーV3は、外表面であるバンパー外面V31と、その裏面であるバンパー裏面V32とを有している。また、フロントバンパーV3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V33を有している。取付孔V33は、フロントバンパーV3を指向軸方向すなわち車両全長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2と、弾性支持部材3と、外部電極4と、電気回路部5と、センサケース6と、緩衝部材7とを備えている。また、超音波センサ1は、補助部品8を介して、フロントバンパーV3に装着されるようになっている。以下、これらの各部の構成について順次説明する。
(超音波マイクロフォン)
以下、図2および図3を参照しつつ、超音波マイクロフォン2の構成について説明する。超音波マイクロフォン2の筐体を構成するマイクケース20は、本実施形態においては、略円柱状の外形形状を有している。具体的には、マイクケース20は、ダイアフラム部20aとダイアフラム支持部20bとを有している。
以下、図2および図3を参照しつつ、超音波マイクロフォン2の構成について説明する。超音波マイクロフォン2の筐体を構成するマイクケース20は、本実施形態においては、略円柱状の外形形状を有している。具体的には、マイクケース20は、ダイアフラム部20aとダイアフラム支持部20bとを有している。
ダイアフラム部20aは、指向軸方向に厚さ方向を有する薄板状に形成されている。ダイアフラム部20aは、面内方向における中央部が指向軸方向に沿って往復移動するような態様で超音波振動する振動板として設けられている。すなわち、ダイアフラム部20aは、面内方向における外縁部20cを固定端として撓み変形するように、外縁部20cにてダイアフラム支持部20bにより支持されている。
ダイアフラム部20aの外側表面である検出面20dは、指向軸DAと直交する平滑な平面状に形成されている。検出面20dの裏側の素子固定面20eは、検出面20dと平行で平滑な平面状に形成されている。
ダイアフラム支持部20bは、ダイアフラム部20aの振動方向に沿った指向軸DAを中心軸とする筒状に形成されている。具体的には、ダイアフラム支持部20bは、指向軸DAを囲む略円筒形状に形成されている。ダイアフラム支持部20bは、基端部が指向軸方向における基端側に向かって開口するように形成されている。一方、ダイアフラム支持部20bの先端部は、ダイアフラム部20aによって閉塞されている。すなわち、マイクケース20は、指向軸方向における一端部がダイアフラム部20aによって閉塞された有底筒状に形成されている。
本実施形態においては、ダイアフラム部20aは、指向軸DAと直交する面内にて、長手方向と短手方向とを有する形状に形成されている。具体的には、図3を参照すると、ダイアフラム部20aは、指向軸DAと直交する面内にて、角丸長方形状を有している。かかる面内形状に対応して、ダイアフラム支持部20bは、厚肉部20fと薄肉部20gとを有している。
厚肉部20fは、ダイアフラム部20aの長手方向すなわち長辺方向に沿った部分であって、短辺方向と平行な方向にて最大厚さD1を有している。薄肉部20gは、ダイアフラム部20aの短手方向すなわち短辺方向に沿った部分であって、長辺方向と平行な方向にて最大厚さD2を有している。D2<D1である。すなわち、本実施形態においては、厚肉部20fは、ダイアフラム部20aの角丸長方形状における長辺に対応して設けられている。また、薄肉部20gは、ダイアフラム部20aの角丸長方形状における短辺に対応して設けられている。
ダイアフラム支持部20bの外周面20hは、指向軸DAと平行な略円柱面状に形成されている。厚肉部20fにおける外周面20hには、係合溝20kが形成されている。係合溝20kは、弾性支持部材3を介してマイクケース20をセンサケース6に支持する際に用いられる角溝である。係合溝20kは、ダイアフラム部20aの長手方向すなわち長辺方向に沿って延設されている。
本実施形態においては、マイクケース20は、絶縁性の合成樹脂により継ぎ目なく一体に形成されている。また、厚肉部20fにおける外周面20hには、導線部20nが設けられている。導線部20nは、外部電極4への給電路を構成するものであって、銅箔等の良導体膜によって形成されている。
マイクケース20は、車載状態にて、取付孔V33にダイアフラム部20aが挿入されるとともに、検出面20dが車両Vの外側に向けて露出されるようになっている。また、マイクケース20は、車載状態にて、ダイアフラム支持部20bが取付孔V33からバンパー裏面V32側に延出するように設けられている。
マイクケース20の内側には、ダイアフラム部20aとダイアフラム支持部20bとによって囲まれた、略四角柱状の空間が形成されている。かかる空間内には、シリコーンゴム等からなる防振材20pが充填されている。
超音波マイクロフォン2は、マイクケース20と振動素子21とを備えている。すなわち、マイクケース20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21を収容しつつ支持するように構成されている。
振動素子21は、素子固定面20e側にて、ダイアフラム部20aに固定的に支持されている。振動素子21は、ダイアフラム部20aにおける素子固定面20eに対して、絶縁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21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21は、圧電体21aと、駆動電極21bと、基準電極21cとを備えている。
圧電体21aは、指向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。圧電体21aは、指向軸方向について、駆動電極21bと基準電極21cとの間に配置されている。具体的には、振動素子21は、駆動電極21bと、圧電体21aと、基準電極21cとを、この順に指向軸方向に積層しつつ接合することによって形成されている。
駆動電極21bは、導体金属膜によって形成されている。駆動電極21bは、圧電体21a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。「主面」とは、板状あるいは膜状の部分における、厚さ方向と直交する表面をいう。すなわち、本実施形態においては、駆動電極21bは、基準電極21cよりも、指向軸方向における基端側に配置されている。
基準電極21cは、導体金属膜によって形成されている。基準電極21cは、圧電体21a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。具体的には、本実施形態においては、基準電極21cは、不図示の絶縁性接着剤層を介して、ダイアフラム部20aに接合されている。超音波マイクロフォン2に設けられた「第一電極」としての、基準電極21cは、超音波センサ1の使用時にて接地されるようになっている。
振動素子21は、駆動電極21bと基準電極21cとの間に印加される駆動電圧に応じて圧電体21aが変形することで、ダイアフラム部20aを撓み変形させるように構成されている。また、振動素子21は、ダイアフラム部20aの撓み変形に伴う圧電体21aの変形に応じて駆動電極21bと基準電極21cとの間に出力電圧が発生するように構成されている。
(弾性支持部材)
図2を参照すると、弾性支持部材3は、マイクケース20を弾性的に支持するとともに、マイクケース20とセンサケース6との間の振動伝播を抑制するように設けられている。また、弾性支持部材3は、車載状態にてマイクケース20とフロントバンパーV3との間に介在することで、マイクケース20とフロントバンパーV3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3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、指向軸方向に沿った中心軸を有するように形成されている。
図2を参照すると、弾性支持部材3は、マイクケース20を弾性的に支持するとともに、マイクケース20とセンサケース6との間の振動伝播を抑制するように設けられている。また、弾性支持部材3は、車載状態にてマイクケース20とフロントバンパーV3との間に介在することで、マイクケース20とフロントバンパーV3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3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、指向軸方向に沿った中心軸を有するように形成されている。
弾性支持部材3は、支持筒部31と基部32とを有している。支持筒部31は、弾性支持部材3の指向軸方向における先端側の部分であって、マイクケース20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32は、弾性支持部材3の指向軸方向における基端側の部分であって、センサケース6に固定されている。本実施形態においては、弾性支持部材3は、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。
支持筒部31の先端部は、車載状態にて、取付孔V33に挿入されつつ、フロントバンパーV3における取付孔V33の内周面とマイクケース20の外周面20hとの間に挟持されるようになっている。支持筒部31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33が設けられている。「径方向」とは、指向軸方向と直交する方向であって、指向軸DAから放射状に延びる方向である。係合突起33は、マイクケース20に設けられた係合溝20kと係合するように形成されている。
基部32の外周面における基端部には、固定突起34が設けられている。固定突起34は、径方向における外側に突出するように形成されている。また、基部32の外周面における、指向軸方向について固定突起34に隣接する位置には、固定溝35が形成されている。すなわち、固定溝35は、固定突起34よりも指向軸方向における先端側に設けられている。固定突起34および固定溝35は、周方向に延設されている。「周方向」とは、指向軸方向と直交する仮想平面と指向軸DA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。
(検出電極・ガード電極)
外部電極4は、超音波マイクロフォン2の外部に設けられている。本実施形態においては、外部電極4として、検出電極41とガード電極42とが備えられている。検出電極41およびガード電極42は、導体、具体的には良導体金属によって形成されている。検出電極41およびガード電極42は、面内方向について、基準電極21cとは異なる位置に設けられている。
外部電極4は、超音波マイクロフォン2の外部に設けられている。本実施形態においては、外部電極4として、検出電極41とガード電極42とが備えられている。検出電極41およびガード電極42は、導体、具体的には良導体金属によって形成されている。検出電極41およびガード電極42は、面内方向について、基準電極21cとは異なる位置に設けられている。
「第二電極」としての検出電極41は、基準電極21cとの間の電気的特性が超音波マイクロフォン2の検出面20dに対する付着物Sの付着状態に応じて変化するように設けられている。ここにいう「電気的特性」とは、具体的には、例えば、インピーダンス、電流、静電容量であり、本実施形態においては、典型的には、静電容量である。より詳細には、検出電極41は、車載状態にて、指向軸方向および径方向について超音波マイクロフォン2の検出面20dに近接するように、マイクケース20の近傍に設けられている。
本実施形態においては、検出電極41は、指向軸方向に厚さ方向を有する平坦な薄板状あるいは薄膜状に形成されている。検出電極41は、フロントバンパーV3におけるバンパー裏面V32に沿って設けられている。すなわち、検出電極41は、車載状態にて、バンパー裏面V32と密着状態で対向しつつ、取付孔V33に近接配置するようになっている。また、検出電極41は、マイクケース20の、径方向における外側に設けられている。具体的には、検出電極41は、車載状態における正面視にて、取付孔V33を囲むリング状に形成されている。
「第三電極」としてのガード電極42は、検出面20dに対する付着物Sの付着以外の要因による基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性の変化を抑制するように設けられている。ここにいう「電気的特性」も、具体的には、例えば、インピーダンス、電流、静電容量であり、本実施形態においては、典型的には、静電容量である。
ガード電極42は、マイクケース20の、径方向における外側に設けられている。また、ガード電極42は、ダイアフラム支持部20bに沿って、指向軸方向に延設されている。具体的には、本実施形態においては、ガード電極42は、径方向に厚さ方向を有する薄板状あるいは薄膜状の部材であって、指向軸DAを囲み指向軸方向に延びる円筒状あるいは部分円筒状に形成されている。ガード電極42は、弾性支持部材3を介して、マイクケース20の外周面20hと対向配置されるようになっている。
ガード電極42は、基準電極21cと検出電極41との間に介在するように設けられている。具体的には、ガード電極42は、基準電極21cよりも径方向における外側に配置されている。また、ガード電極42は、検出電極41よりも径方向における内側に配置されている。すなわち、本実施形態においては、ガード電極42は、径方向について、基準電極21cと検出電極41との間に設けられている。また、本実施形態においては、ガード電極42は、検出電極41よりも、指向軸方向における基端側に配置されている。このように、ガード電極42は、基準電極21cと検出電極41との間のガード電極機能を奏するように、バンパー外面V31よりも指向軸方向における基端側の領域に設けられている。さらに、ガード電極42は、検出電極41と直接的に接触したり短絡したりしないように、検出電極41の径方向における内縁から離隔して配置されている。
(回路構成)
電気回路部5は、回路基板50と、駆動配線51と、検出配線52と、ガード配線53とを備えている。回路基板50および駆動配線51は、センサケース6内に収容されている。検出配線52およびガード配線53の、基端側の部分は、センサケース6内に収容されている。なお、図示の煩雑化を回避するため、駆動配線51、検出配線52、およびガード配線53の図示が、一部省略されている。
電気回路部5は、回路基板50と、駆動配線51と、検出配線52と、ガード配線53とを備えている。回路基板50および駆動配線51は、センサケース6内に収容されている。検出配線52およびガード配線53の、基端側の部分は、センサケース6内に収容されている。なお、図示の煩雑化を回避するため、駆動配線51、検出配線52、およびガード配線53の図示が、一部省略されている。
駆動配線51の一端は、第一コネクタC1により回路基板50と電気接続されている。駆動配線51の他端は、振動素子21と電気接続されている。すなわち、駆動配線51は、振動素子21に駆動電圧を印加するように設けられている。
検出電極41への給電路を構成する検出配線52の一端は、第二コネクタC2により回路基板50と電気接続されている。検出配線52の他端は、検出電極41と電気接続されている。本実施形態においては、検出配線52は、その一部に、図3に示された導線部20nを含むように設けられている。
ガード電極42への給電路を構成するガード配線53の一端は、第三コネクタC3により回路基板50と電気接続されている。ガード配線53の他端は、ガード電極42と電気接続されている。
回路基板50には、制御回路装置54が実装されている。制御回路装置54は、CPU、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、等を備えた、いわゆるワンチップマイクロコンピュータであって、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。CPUはCentral Processing Unitの略である。
図4は、本実施形態に係る超音波センサ1の概略的な回路構成を、ワンチップマイクロコンピュータである制御回路装置54上に実現された機能構成とともに示す。図4に示されているように、制御回路装置54は、制御部54aと、信号授受部54bと、インピーダンス取得部54cとを有している。
制御部54a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設けられている。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V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Vの車速が所定値未満であること、等が含まれる。
具体的には、制御部54aは、信号授受部54b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54aは、信号授受部54bの動作を制御することで、超音波マイクロフォン2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。
信号授受部54bは、駆動信号および出力電圧信号を含む電気信号を振動素子21との間で授受するように、振動素子21と電気接続されている。すなわち、信号授受部54bは、駆動信号を振動素子21に入力するとともに、振動素子21からの出力電圧信号を受信するように設けられている。
信号授受部54bは、送信回路54dと受信波処理回路54eとを有している。送信回路54dは、振動素子21と電気接続されている。送信回路54dは、振動素子21に駆動信号を入力することで、振動素子21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。
受信波処理回路54eは、振動素子21と電気接続されている。受信波処理回路54eは、ダイアフラム部20aが励振されることで振動素子21にて発生する出力電圧信号に対して、増幅等の信号処理を実行するように構成されている。送信回路54dおよび受信波処理回路54eの具体的な回路構成は周知である。よって、本明細書においては、送信回路54dおよび受信波処理回路54eについての、これ以上の説明は省略する。
制御部54a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54cを用いて付着物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54aは、インピーダンス取得部54cとの間で信号授受可能に設けられている。インピーダンス取得部54cは、ドライバ回路54fと、ガード電圧印加部54gと、レシーバ回路54hとを有している。
ドライバ回路54fにおける非接地の出力端子は、検出配線52を介して、検出電極41と電気接続されている。すなわち、ドライバ回路54fは、基準電極21cと検出電極41との間のインピーダンス取得のための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54fにおける非接地の出力端子は、ガード配線53およびガード電圧印加部54gを介して、ガード電極42と電気接続されている。ガード配線53は、ガード電極42とガード電圧印加部54gとを電気接続するように、ガード電極42とガード電圧印加部54gとの間に設けられている。
ガード電圧印加部54gは、ガード電極42とドライバ回路54fとの回路分離を行いつつ、ガード電極42に給電するように設けられている。具体的には、本実施形態においては、ガード電圧印加部54gは、ボルテージフォロワによって構成されている。このように、インピーダンス取得部54cは、検出電極41とガード電極42とに給電する際に、検出電極41とガード電極42とが同電位となるように構成されている。
また、ドライバ回路54fにおける非接地の出力端子は、レシーバ回路54hと電気接続されている。レシーバ回路54hは、周知の積分回路等を有していて、基準電極21cと検出電極41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54fおよびレシーバ回路54hの具体的な回路構成は、周知である。よって、本明細書においては、これらについてのこれ以上の説明は省略する。
上記のように、インピーダンス取得部54cは、基準電極21cと検出電極41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。また、制御部54aは、取得したインピーダンスの変化を取得し、これに基づいて検出面20dにおける付着物Sの付着を検知するように設けられている。すなわち、本実施形態に係る超音波センサ1は、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量に基づいて、検出面20dに対する付着物Sの付着を検知可能に構成されている。
(筐体)
再び図2を参照すると、超音波センサ1の筐体を構成するセンサケース6は、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6の主要部分をなすケース本体部61は、基板収容部62と突出部63とを有している。基板収容部62と突出部63とは、継ぎ目なく一体に形成されている。
再び図2を参照すると、超音波センサ1の筐体を構成するセンサケース6は、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6の主要部分をなすケース本体部61は、基板収容部62と突出部63とを有している。基板収容部62と突出部63とは、継ぎ目なく一体に形成されている。
基板収容部62は、バスタブ状、すなわち、指向軸方向における基端側に向かって開口する箱状に形成されている。突出部63は、指向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62から指向軸方向における先端側に向かって突設されている。ケース本体部61は、基板収容部62の内側の空間と突出部63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。
基板収容部62には、回路基板50が収容されている。基板収容部62および突出部63の内側の空間には、封止樹脂64が充填されている。封止樹脂64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合成樹脂により形成されている。
突出部63は、指向軸方向における先端部にて、弾性支持部材3を保持するように構成されている。具体的には、突出部63の内周面における先端部には、支持溝65と支持突起66とが設けられている。支持溝65は、弾性支持部材3における固定突起34と係合するように形成されている。支持突起66は、弾性支持部材3における固定溝35と係合するように形成されている。
緩衝部材7は、円盤状の部材であって、弾性支持部材3の内径に対応する外径を有している。すなわち、緩衝部材7は、指向軸方向における超音波センサ1を弾性支持する部分よりも基端側にて、弾性支持部材3の内側のシリンダ状の空間内に嵌め込まれている。緩衝部材7は、超音波センサ1からセンサケース6への振動伝達を抑制するように、絶縁性且つ弾性を有する発泡シリコーン等の発泡弾性体によって形成されている。
(装着用部品)
補助部品8は、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形成されている。補助部品8は、超音波センサ1を車両Vに装着するために用いられる部品であって、センサケース6とは別体の部品として形成されている。すなわち、補助部品8は、車載状態にてフロントバンパーV3およびセンサケース6に固定されることで、超音波センサ1をフロントバンパーV3に保持するように構成されている。具体的には、補助部品8は、保持部81とフランジ部82とを有している。
補助部品8は、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形成されている。補助部品8は、超音波センサ1を車両Vに装着するために用いられる部品であって、センサケース6とは別体の部品として形成されている。すなわち、補助部品8は、車載状態にてフロントバンパーV3およびセンサケース6に固定されることで、超音波センサ1をフロントバンパーV3に保持するように構成されている。具体的には、補助部品8は、保持部81とフランジ部82とを有している。
保持部81は、センサケース6における突出部63と弾性支持部材3とを囲む略円筒形状に形成されている。すなわち、保持部81は、センサケース6における突出部63と弾性支持部材3とを保持するように設けられている。フランジ部82は、保持部81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82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裏面V32に固定されるようになっている。
本実施形態においては、補助部品8には、検出電極41が設けられている。具体的には、検出電極41は、フランジ部82における、車載状態にてバンパー裏面V32と対向する表面であるバンパー対向面83と面一となるように、バンパー対向面83側に固定されている。すなわち、検出電極41は、バンパー対向面83に形成された浅い溝であるリング状凹部84に収容あるいは埋設されている。また、検出電極41は、フランジ部82の径方向における内側寄りの位置に配置されている。
また、本実施形態においては、補助部品8には、ガード電極42が設けられている。具体的には、ガード電極42は、保持部81における円筒面状の内周面85と面一となるように、内周面85側に固定されている。すなわち、ガード電極42は、内周面85に形成された浅い溝である筒状凹部86に収容あるいは埋設されている。また、ガード電極42は、保持部81の指向軸方向における先端部寄りの位置に配置されている。
(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。なお、以下の動作例は、本実施形態を簡潔に説明するための、単なる例示的なものである。
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。なお、以下の動作例は、本実施形態を簡潔に説明するための、単なる例示的なものである。
時刻t0にて車両V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にて、探査波の発信および反射波の受信が行われることで、物体検知動作が実行される。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、物体検知動作が停止される。さらにその後、駐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再度成立すると、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。付着物検知動作は、超音波センサ1に対する付着物Sの有無を検知する動作である。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である、時刻t0~t1間、および/または、t2~t3間にて行われる。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、反射波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および図2を参照すると、典型的には、超音波センサ1は、指向軸方向が車高方向と略直交するように、フロントバンパーV3に装着される。このため、マイクケース20の検出面20dに付着した付着物Sに作用する重力において、ダイアフラム部20a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、超音波マイクロフォン2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。特に、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、全くと言ってよいほど変化しない。よって、機械的振動の等価回路のインピーダンスによっては、雪、水等の軽量物の付着検知は困難である。また、残響時間を利用した従来周知の超音波センサ1に対する付着物Sの付着物検知方式では、雪、水等の軽量物の付着検知は困難である。
この点、本実施形態の構成においては、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性、具体的には静電容量は、検出面20dに対する付着物Sの付着状態に応じて変化する。このため、制御部54aは、基準電極21cと検出電極41との間のインピーダンスを取得する。これにより、基準電極21cと検出電極41との間の静電容量の変化が取得される。したがって、かかる構成によれば、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量の変化に基づいて、付着物Sの有無を検知することが可能である。
本実施形態の構成によれば、検出面20dに付着した付着物Sに作用する重力における、ダイアフラム部20a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、マイクケース20の表面には、腐食防止等のために、絶縁性被膜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よれば、基準電極21cと検出電極41との間の静電容量の変化に基づいて、付着物Sの有無を検知することができる。したがって、かかる構成によれば、マイクケース20の表面に絶縁性被膜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。
上記の通り、本実施形態のような、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量の変化に基づく付着物検知方式によれば、他の方式よりも、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。しかしながら、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性は、検出面20dに対する付着物Sの付着以外の要因によっても変化し得る。このため、以下の問題が考えられる。
例えば、付着物Sが水である場合、重力あるいは蒸発等により、比較的短時間で検出面20dにおける付着状態が解消され得る。これに対し、付着物Sが雪である場合、付着状態の継続時間は比較的長い。したがって、水の付着よりも雪の付着を検知することが重要となる。
この点、水の比誘電率は約80である。一方、雪の比誘電率は約3である。このため、ガード電極42が無い構成においては、例えば、検出面20dに雪が付着した場合よりも、バンパー裏面V32側にて結露が生じた場合の方が、基準電極21cと検出電極41との間の静電容量の変化が大きい。同様に、補助部品8における保持部81とマイクケース20との間には、水が浸入可能な隙間が、2か所存在する。具体的には、マイクケース20の外周面20hと弾性支持部材3との間に、水が浸入し得る。また、弾性支持部材3と保持部81との間に、水が浸入し得る。これらの隙間に水が浸入した場合の方が、検出面20dに雪が付着した場合よりも、基準電極21cと検出電極41との間の静電容量の変化が大きい。
また、フロントバンパーV3を含む、車体V1の外板を構成する部品の内側に、ワイヤハーネスが存在していることがある。かかるワイヤハーネスは、車両Vの走行中に、不規則に移動したり振動したりし得る。かかる移動あるいは振動に伴い、基準電極21cと検出電極41との間の寄生容量が変化し得る。
これに対し、本実施形態の構成においては、検出電極41とともにガード電極42が備えられている。ガード電極42は、検出面20dに対する付着物Sの付着以外の要因による、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性(すなわち静電容量)の変化を、抑制するように設けられている。すなわち、ガード電極42は、基準電極21cと検出電極41との間に介在するように設けられている。なお、ここにいう「介在」とは、車体V1の外板を構成する部品の内側における水あるいはワイヤハーネス等の要因による、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性の変化を抑制するように、静電的に介在することをいう。よって、ガード電極42は、基準電極21cと検出電極41との間にてガード電極機能を奏するように介在していれば、側断面視にて基準電極21cと検出電極41とを結ぶ仮想直線上に配置される必要はない。
図5は、本実施形態の構成による効果を計算機シミュレーションにより実証するためのシミュレーション条件を示す。本シミュレーションにおいては、計算条件の簡略化のため、上記構成に対して、以下の通りの変容を施した。まず、後述する変形例のように、アルミニウム等の良導体金属製のマイクケース20の全体を、基準電極21cとした。また、検出電極41を、車両Vの外表面に露出させた。さらに、基準電極21cの側方の全体を、ガード電極42により覆った。
図5に示された計算モデルにおいて、マイクケース20すなわち基準電極21cを構成する略円柱状の領域の全体を0Vに設定した。また、検出電極41およびガード電極42を1Vに設定した。そして、以下の3つの状態について、基準電極21cと検出電極41との間の静電容量を算出した。
・状態1:付着物なし
・状態2:検出面20dに雪S1付着
・状態3:補助部品8の裏側に水S2付着
・状態1:付着物なし
・状態2:検出面20dに雪S1付着
・状態3:補助部品8の裏側に水S2付着
図6Aは、ガード電極42が無い場合のシミュレーション結果を示す。図6Bは、ガード電極42が有る場合のシミュレーション結果を示す。図6Aおよび図6Bにおいて、「SIT1」は状態1を示し、「SIT2」は状態2を示し、「SIT3」は状態3を示す。また、縦軸CAは静電容量を示す。
図6Aに示されているように、ガード電極42が無い場合、検出面20dへの雪S1の付着よりも、補助部品8の裏側における水S2の付着の方が、静電容量の変化が大きい。これに対し、図6Bに示されているように、ガード電極42が有る場合、補助部品8の裏側における水S2の付着よりも、検出面20dへの雪S1の付着の方が、静電容量の変化が大きい。
上記の通り、本実施形態の構成によれば、バンパー裏面V32における結露の発生等の場合の、水による基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性の変化が、良好に抑制され得る。また、かかる構成によれば、ワイヤハーネスによる寄生容量の影響が、良好に抑制され得る。したがって、かかる構成によれば、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量の変化を用いた付着物検知が、よりいっそう良好な精度で実行され得る。
本実施形態の構成においては、ガード電極42は、検出電極41と同電位となるように設けられている。したがって、検出電極41およびガード電極42への給電が容易化され得る。また、基準電極21cは、車体V1のグラウンドと同電位とされることで、電気的特性すなわち静電容量の取得が安定的に行われ得る。
本実施形態の構成においては、検出電極41およびガード電極42は、超音波センサ1を車両Vに装着するために用いられる部品である補助部品8に設けられている。このため、検出電極41およびガード電極42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1と同様の装着工程により、付着物Sの検知のための構成が実現される。また、基準電極21cと検出電極41とガード電極42との位置関係が安定化され得る。このため、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性の変化を用いた付着物検知が、よりいっそう良好な精度で実行され得る。
本実施形態の構成においては、検出電極41は、バンパー裏面V32に沿って設けられている。また、ガード電極42は、ダイアフラム支持部20bに沿って設けられている。かかる構成においては、バンパー裏面V32に沿った結露が発生しても、かかる結露に伴う静電容量の変化の影響が、ガード電極42により良好に抑制され得る。また、ダイアフラム支持部20bに沿った結露が発生しても、かかる結露に伴う静電容量の変化の影響が、ガード電極42により良好に抑制され得る。さらに、補助部品8における保持部81とマイクケース20との間への水の浸入に伴う静電容量の変化の影響が、ガード電極42により良好に抑制され得る。
本実施形態の構成においては、ダイアフラム部20aは、指向軸DAと直交する面内にて、長手方向と短手方向とを有する形状に形成されている。また、ダイアフラム支持部20bにおける、長手方向に沿った部分である厚肉部20fには、検出電極41への給電路を構成する導線部20nが設けられている。
厚肉部20fは、薄肉部20gよりも、溝あるいは付加物を設けることによってダイアフラム部20aの振動特性に与える影響が少ない。このため、係合溝20kは、薄肉部20gではなく厚肉部20fに設けられている。これと同様に、検出電極41への給電路を構成する導線部20nもまた、薄肉部20gではなく厚肉部20fに設けられている。したがって、かかる構成によれば、ダイアフラム部20aの振動特性への影響を与えることを可及的に抑制しつつ、検出電極41への給電路を設ける際の製造コストを良好に低減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が装着される車体V1の部品は、フロントバンパーV3およびリアバンパーV4に限定されない。すなわち、例えば、超音波センサ1は、車体パネルV2にも装着され得る。この場合、検出電極41は、車体パネルV2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V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)、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Vに搭載され得る。本発明は、このような場合に対しても、良好に適用され得る。
上記実施形態においては、マイクケース20は、絶縁性の合成樹脂により継ぎ目なく一体に形成されていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、マイクケース20は、それぞれ別体に形成されたダイアフラム部20aとダイアフラム支持部20bとを接合することによって構成されていてもよい。この場合、ダイアフラム部20aとダイアフラム支持部20bとは、同一の材料によって形成されていてもよいし、異なる材料によって形成されていてもよい。
マイクケース20の全体または一部は、導電性あるいは半導電性の材料によって形成されていてもよい。具体的には、例えば、マイクケース20における少なくともダイアフラム部20aは、アルミニウム等の良導体金属によって形成され得る。この場合、「第一電極」としての、上記実施形態における基準電極21cは、マイクケース20と一体化され得る。ここにおける「一体化」は、2個の構成要素を互いに接合することに限定されない。すなわち、2個の構成要素を融合すること、換言すれば、1個の部材を2個の構成要素として兼用することも、「一体化」に含まれる。
具体的には、例えば、基準電極21cは、導電性接着剤を介してダイアフラム部20aに接合されることで、マイクケース20と一体化され得る。すなわち、基準電極21cは、導電性接着剤を介してダイアフラム部20aと電気接続されることで、接地され得る。かかる構成においては、基準電極21cとダイアフラム部20aとの接合体が「第一電極」として機能し得る。
あるいは、ダイアフラム部20aを、振動素子21の接地側電極と、付着物検知用の「第一電極」として兼用することができる。すなわち、基準電極21cと同一視されるダイアフラム部20aが「第一電極」として機能し得る。この場合、圧電体21aは、ダイアフラム部20aの素子固定面20eに対して、接着剤により貼着され得る。
マイクケース20の全体が、アルミニウム等の良導体金属によって形成された場合の一例について説明する。この例においては、図7に示されているように、マイクケース20は、基準電極21cを構成するものとして、基準電極21cと一体化されている。
すなわち、図7を参照すると、本変形例においては、マイクケース20は、アルミニウム等の良導体金属によって、継ぎ目なく一体に形成されている。この場合、圧電体21aは、ダイアフラム部20aの素子固定面20eに対して、導電性接着剤により貼着され得る。
かかる構成によれば、マイクケース20を「第一電極」として用いることができる。よって、「第一電極」としてのマイクケース20と検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量の取得が、安定的に行われ得る。また、マイクケース20を「第一電極」と振動素子21の接地側電極とを兼ねるものとして用いることができる。したがって、部品点数の低減による製造コストの低減が図られる。
振動素子21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2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。
検出電極41の構成も、上記具体例に限定されない。すなわち、例えば、検出電極41の形状は、板状あるいは膜状に限定されず、メッシュ状、棒状、あるいはコイル状等であってもよい。また、検出電極41は、フランジ部82の厚さ方向における略中央部に配置されることで、フランジ部82の内部に埋設されていてもよい。換言すれば、検出電極41は、フランジ部82のバンパー対向面83から指向軸方向について離間するように配置されていてもよい。
複数の検出電極41が、所定方向(例えば面内方向)に配列されていてもよい。具体的には、例えば、径方向および/または周方向に配列された複数の検出電極41が、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54aは、複数の検出電極41の各々と基準電極21cとの間の電気的特性(すなわち静電容量)の変化に基づいて、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。
上記実施形態においては、検出電極41およびガード電極42の双方が、補助部品8に設けられていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば検出電極41およびガード電極42のうちの一方のみが、補助部品8に設けられていてもよい。
検出電極41は、補助部品8に設けられていなくてもよい。すなわち、例えば、検出電極41は、バンパー裏面V32に固定されるようになっていてもよい。具体的には、例えば、検出電極41は、フロントバンパーV3における取付孔V33の周囲に埋設されていてもよい。あるいは、検出電極41は、フロントバンパーV3における取付孔V33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、フロントバンパーV3の一部であってもよい。
検出電極41は、弾性支持部材3に設けられていてもよい。すなわち、例えば、リング状の検出電極41が、弾性支持部材3の指向軸方向における先端部に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、弾性支持部材3の全体または少なくとも指向軸方向における先端部を導電性にすることで、これを検出電極41として用いることが可能である。なお、上記の通り、検出電極41の形状は、特定の形状に限定されるものではなく、リング状以外の任意の形状を用いることが可能である。
上記具体例において、ガード電極42が検出電極41と同電位となるように設けられることは、両者の電位が結果として完全に一致することを意味しない。すなわち、例えば、両者が配線を介して共通の電源と電気接続されることで給電されていれば、両者の間にわずかな電位差が生じていてもよい。また、ガード電極42は、「第一電極」としての基準電極21cまたはマイクケース20と同電位となるように設けられていてもよい。この場合、ガード電極42は、接地され得る。この場合の「同電位」も、両者の電位が結果として完全に一致することを意味しない。よって、「同電位」は、「実質的に同電位」とも称され得る。
ガード電極42の構成も、上記具体例に限定されない。すなわち、例えば、ガード電極42の形状は、板状あるいは膜状に限定されず、メッシュ状、棒状、あるいはコイル状等であってもよい。また、複数のガード電極42が、所定方向、例えば、指向軸方向および/または周方向に配列されていてもよい。
ガード電極42は、補助部品8に設けられていなくてもよい。すなわち、例えば、ガード電極42は、絶縁性材料によって形成されたダイアフラム支持部20bの外周面20h上に固定されていてもよい。あるいは、例えば、ガード電極42は、導電性材料によって形成されたダイアフラム支持部20bの外周面20h上に、絶縁層を介して接合されていてもよい。
ガード電極42は、弾性支持部材3に設けられていてもよい。かかる構成においても、ガード電極42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、指向軸方向に沿った中心軸を有するリング状または円筒状のガード電極42が、絶縁性合成樹脂製の弾性支持部材3に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、弾性支持部材3の全体または一部を導電性ゴムによって形成することで、これをガード電極42として用いることが可能である。
ガード電極42は、検出電極41に沿って設けられていてもよい。すなわち、例えば、図8および図9に示されているように、ガード電極42は、絶縁層87を介して検出電極41と積層されていてもよい。なお、図8および図9の例においては、図7の例と同様に、マイクケース20の全体が、アルミニウム等の良導体金属によって形成されているものとする。
図8の例においては、検出電極41は、指向軸方向に厚さ方向を有する平坦な薄板状あるいは薄膜状に形成されている。すなわち、検出電極41は、フロントバンパーV3におけるバンパー裏面V32に沿って設けられている。具体的には、検出電極41は、車載状態にて、バンパー裏面V32と密着状態で対向しつつ、取付孔V33に近接配置するようになっている。
ガード電極42は、薄板状あるいは薄膜状に形成されている。ガード電極42は、指向軸DAを含む平面による断面視にて、検出電極41を指向軸方向における基端側から囲む略U字状の形状を有している。具体的には、ガード電極42は、リング電極部421と、内側突出部422と、外側突出部423とを有している。
リング電極部421は、指向軸方向に厚さ方向を有する薄板状あるいは薄膜状の部分であって、検出電極41と平行に配置されている。内側突出部422は、リング電極部421の径方向における内縁から、指向軸方向における先端側に突設されている。内側突出部422は、指向軸方向における先端が、検出電極41よりも径方向における内側にて、バンパー対向面83と面一となる位置まで延設されている。外側突出部423は、リング電極部421の径方向における外縁から、指向軸方向における先端側に突設されている。外側突出部423は、指向軸方向における先端が、検出電極41よりも径方向における外側にて、バンパー対向面83と面一となる位置まで延設されている。
絶縁層87は、検出電極41とガード電極42との間に設けられている。すなわち、絶縁層87は、指向軸DAを含む平面による断面視にて、検出電極41を指向軸方向における基端側から覆う略U字状の形状を有している。絶縁層87は、補助部品8を構成する絶縁性合成樹脂により形成されている。
かかる構成においては、ガード電極42が絶縁層87を介して検出電極41と固定的に積層されることで、検出電極41とガード電極42との位置関係が固定化され得る。また、検出電極41と絶縁層87とガード電極42との接合体が、補助部品8におけるフランジ部82に固定的に支持される。したがって、かかる構成によれば、組み付け誤差等による検出誤差が良好に抑制され得る。
図9は、図8に示されている検出電極41と絶縁層87とガード電極42との接合体を、補助部品8における保持部81に固定的に支持させた例を示す。すなわち、図9の例は、図8の構成の一部変容であるとともに、図7の構成の一部変容でもある。
図9の例においては、検出電極41は、径方向に厚さ方向を有する薄板状あるいは薄膜状の部材であって、指向軸DAを囲み指向軸方向に延びる円筒状あるいは部分円筒状に形成されている。検出電極41は、ガード電極42よりも径方向における外側に配置されている。すなわち、検出電極41は、径方向に厚さ方向を有する保持部81の、厚さ方向における中間位置に配置されるように、保持部81の内部に埋設されている。
ガード電極42は、径方向に厚さ方向を有する薄板状あるいは薄膜状の部材であって、指向軸DAを囲み指向軸方向に延びる円筒状あるいは部分円筒状に形成されている。ガード電極42は、マイクケース20と検出電極41との間に配置されている。具体的には、ガード電極42は、保持部81における円筒面状の内周面85と面一となるように、内周面85側に固定されている。
絶縁層87は、径方向に厚さ方向を有する薄板状あるいは薄膜状の部分であって、指向軸DAを囲み指向軸方向に延びる円筒状あるいは部分円筒状に形成されている。ガード電極42と、絶縁層87と、検出電極41とは、この順に径方向における外側に向かって並ぶように、同心状に配列されている。絶縁層87は、補助部品8を構成する絶縁性合成樹脂により形成されている。
かかる構成においては、ガード電極42が絶縁層87を介して検出電極41と固定的に積層されることで、検出電極41とガード電極42との位置関係が固定化され得る。また、検出電極41と絶縁層87とガード電極42との接合体が、補助部品8における保持部81に固定的に支持される。したがって、かかる構成によれば、組み付け誤差等による検出誤差が良好に抑制され得る。
図9に示された構成において、ガード電極42は、絶縁性材料によって形成されたダイアフラム支持部20bの外周面20h上に固定されていてもよい。あるいは、例えば、ガード電極42は、導電性材料によって形成されたダイアフラム支持部20bの外周面20h上に、絶縁層を介して接合されていてもよい。あるいは、例えば、ガード電極42は、弾性支持部材3に設けられていてもよい。
図8および図9においては、図7の例と同様に、マイクケース20の全体が、アルミニウム等の良導体金属によって形成されていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、図8および図9に示された構成において、マイクケース20の全体または一部が絶縁性を有していてもよい。
上記実施形態においては、図3に示された導線部20nは、検出配線52の一部を構成するように設けられていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、導線部20nは、ガード配線53の一部を構成するように設けられていてもよい。あるいは、例えば、導線部20nは、検出配線52の一部と、ガード配線53の一部とを構成するように設けられていてもよい。
制御回路装置54は、ASIC等によって、ハードウェア的に構成され得る。ASICはApplication Specific Integrated Circuitの略である。
ガード電極42は、水の浸入あるいは結露の検知用に用いられ得る。すなわち、例えば、補助部品8における保持部81とマイクケース20との間に、水の浸入が発生し得る。あるいは、バンパー裏面V32に沿って、結露が発生し得る。これらの発生により、基準電極21cとガード電極42との間の電気的特性すなわち静電容量が変化する。そこで、かかる電気的特性の変化を検知することで、これらの発生が良好に検知され得る。
上記の通り、フロントバンパーV3の内側の領域における、ワイヤハーネスの動き、水の浸入、結露の発生、等は、検出面20dに対する付着物Sの検知の際に、誤差要因あるいはノイズ成分となる。かかる誤差要因あるいはノイズ成分は、ガード電極42を用いて測定可能である。
そこで、制御部54aは、基準電極21cとガード電極42との間の電気的特性すなわち静電容量の変化を考慮して、付着物検知を行ってもよい。すなわち、超音波センサ1は、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性と、検出電極41とガード電極42との間の電気的特性とに基づいて、検出面20dに対する付着物Sの付着を検知可能に構成されている。
かかる構成によれば、制御部54aは、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性すなわち静電容量の変化を取得する。また、制御部54aは、検出電極41とガード電極42との間の電気的特性すなわち静電容量の変化を取得する。そして、制御部54aは、これらの取得結果に基づいて、検出面20dに対する付着物Sの付着を検知する。これにより、基準電極21cと検出電極41との間の電気的特性の変化を用いた付着物検知が、よりいっそう良好な精度で実行され得る。
図10に示されているように、「第三電極」としてのガード電極42は、絶縁層97を介して、「第一電極」としてのマイクケース20と積層されていてもよい。具体的には、例えば、図10を参照すると、ガード電極42は、ダイアフラム支持部20bに沿って設けられている。また、ガード電極42は、ダイアフラム支持部20bの、指向軸方向における基端側の略半分を覆うように設けられている。絶縁層97は、ガード電極42とダイアフラム支持部20bとの間に設けられている。絶縁層97は、例えば、絶縁性の接着剤等によって形成され得る。
かかる構成においては、「第三電極」としてのガード電極42と、「第一電極」を構成するマイクケース20との位置関係が、良好に固定化され得る。このため、ガード電極42によるガード効果が安定的に奏され得る。また、ガード電極42が、「第一電極」を構成するマイクケース20の、指向軸方向における基端側の略半分を覆うことで、超音波マイクロフォン2に対する付着物Sの付着以外の要因による電気的特性の変化が良好に抑制される。したがって、付着物検知が、よりいっそう良好な精度で実行され得る。
なお、「第一電極」と「第三電極」とを絶縁層97を介して積層する構成は、図10に示された具体例に限定されない。すなわち、例えば、図2に示された構成において、圧電体21aと駆動電極21bとの積層体の周囲を囲むように、絶縁層97とガード電極42との積層体を設けてもよい。
上記具体例においては、付着物検知動作は、制御回路装置54すなわち制御部54aにより実行されていた。よって、制御回路装置54すなわち制御部54aは、「第一電極と第二電極との間の電気的特性に基づいて付着物Sの付着状態を検知する検知部」と評価することができる。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、付着物検知動作は、超音波センサ1と電気接続された車載のECUによって実行され得る。ECUはElectronic Control Unitの略である。
ガード電圧印加部54gは、ボルテージフォロワに限定されない。すなわち、例えば、ガード電圧印加部54gとして、いわゆるアイソレーションアンプが用いられ得る。
補助部品8の構成についても、特段の限定はない。すなわち、上記具体例における補助部品8の形状および構造は、説明の複雑化を避けるために、簡略化されている。したがって、本発明は、上記具体例における補助部品8の形状および構造に限定されない。よって、例えば、補助部品8は、「リテーナ」と称される部品であってもよいし、「ベゼル」と称される部品であってもよい。また、補助部品8の全体または一部は、センサケース6と一体化されてもよい。
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
2 超音波マイクロフォン
20 マイクケース
20a ダイアフラム部
20b ダイアフラム支持部
21 振動素子
21c 基準電極(第一電極)
41 検出電極(第二電極)
42 ガード電極(第三電極)
S 付着物
2 超音波マイクロフォン
20 マイクケース
20a ダイアフラム部
20b ダイアフラム支持部
21 振動素子
21c 基準電極(第一電極)
41 検出電極(第二電極)
42 ガード電極(第三電極)
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(21)を備えた超音波マイクロフォン(2)に設けられた、第一電極(21c;20)と、
前記第一電極との間の電気的特性が前記超音波マイクロフォンに対する付着物(S)の付着状態に応じて変化するように、前記超音波マイクロフォンの外部に設けられた、第二電極(41)と、
前記超音波マイクロフォンに対する前記付着物の付着以外の要因による前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化を抑制するように設けられた、第三電極(42)と、
を備えた超音波センサ。 - 前記第三電極は、前記第一電極と前記第二電極との間に介在するように設けられた、
請求項1に記載の超音波センサ。 - 前記第三電極は、前記第一電極または前記第二電極と同電位となるように設けられた、
請求項1または2に記載の超音波センサ。 - 前記第二電極または前記第三電極は、前記超音波センサを装着対象(V)に装着するために用いられる部品である補助部品(8)に設けられた、
請求項1~3のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記第三電極は、絶縁層(87;97)を介して前記第一電極または前記第二電極と積層された、
請求項1~4のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記超音波マイクロフォンは、超音波振動するように薄板状に形成されたダイアフラム部(20a)と、前記ダイアフラム部の振動方向に沿った指向軸(X)を中心軸とする筒状に形成されていて前記ダイアフラム部の外縁部(20c)にて前記ダイアフラム部を支持するように設けられたダイアフラム支持部(20b)とを有するマイクケース(20)を備え、
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た、
請求項1~5のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記マイクケースは、導電性材料により形成され、
前記第一電極は、前記マイクケースと一体化された、
請求項6に記載の超音波センサ。 - 前記第三電極は、前記ダイアフラム部の外表面であって前記超音波センサが装着対象(V)の外板(V3)に装着された状態で前記装着対象の外側に向けて露出される検出面(20d)に対する前記付着物の付着以外の要因による前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性の変化を抑制するように設けられ、
前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性に基づいて、前記検出面に対する前記付着物の付着を検知可能に構成された、
請求項6または7に記載の超音波センサ。 - 前記第二電極は、前記外板の裏面(V32)に沿って設けられた、
請求項8に記載の超音波センサ。 - 前記第三電極は、前記ダイアフラム支持部に沿って設けられた、
請求項8または9に記載の超音波センサ。 - 前記第一電極と前記第二電極との間の電気的特性と、前記第二電極と前記第三電極との間の電気的特性とに基づいて、前記検出面に対する前記付着物の付着を検知可能に構成された、
請求項8~10のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記ダイアフラム部は、前記指向軸と直交する面内にて、長手方向と短手方向とを有する形状に形成され、
前記ダイアフラム支持部における、前記長手方向に沿った部分である厚肉部(20f)には、前記第二電極または前記第三電極への給電路を構成する導線部(20n)が設けられた、
請求項6~11のいずれか1つに記載の超音波センサ。 - 前記電気的特性は、静電容量である、
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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