JPWO2005104615A1 - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

一方端が開口し、他端が底部によって閉塞している複数の有底筒状体およびそれらをつなぐ連結部からなる一体のケースと、複数の有底筒状体の各々の内底面に配置される圧電素子を有する超音波センサにおいて、一方の圧電素子の振動から生じる残響が連結部を通じて他方の圧電素子に影響を与えてしまう可能性がある。有底筒状体１１，１２を、圧電素子５１ａ，５１ｂの振動による変位が最も小さい底部１１ｃ，１２ｃ寄りの側面部１１ｂ，１２ｂの一部で、連結部１３を介して接続する。

Description

本発明は、例えば、自動車のバックソナー等に用いられる超音波センサに関する。

超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行なうセンサである。超音波センサでは、圧電振動子から超音波（送波）が間欠的に送信され、被検出物からの反射波（受波）が圧電振動子で受信される。この送受波信号により被検出物との距離が測定される。圧電振動子は有底状筒状体ケースの底部の内底面に配置されている。振動面となる底部の外底面と被検出物とが略向かい合うように有底筒状体は支持体に設置されている。

従来の超音波センサでは、１個の圧電素子で受信送信の２つの役割が果たされていた。超音波センサと被検出物との距離が短くなればなるほど、一方の信号によって生じる残響によって他方の信号が影響を受け、被検出物を検出できないという問題があった。そこで、２つの圧電素子を受信用と送信用に役割を分け、２つの別体の有底筒状体ケースに各々の圧電素子を配置した構造が提案されている。しかしながら、残響振動による影響は軽減されるものの、部品点数が多くなり、かつ組み立てコストが嵩むという問題が生じることとなった。

そこで、２つの筒状体をつないだ一体のケースの各筒状体内に各々の圧電素子を配置し、各々の信号によって生ずる残響が影響し合わないように構成されている超音波送受波器が提案されている（特許文献１）。

図１０は、この特許文献１の超音波センサ部分を抜き出して示す断面図である。この超音波センサ９０は、一方端を振動面となる底部９２ａ１，９２ｂ１で閉塞し、他端の開口部を回路基板９２ｆ，９２ｇで施蓋した２つの有底筒状体９２ａ，９２ｂと、その２つの有底筒状体９２ａ，９２ｂを側面の開口寄り部分においてつなげる連結部９２ｃとを一体形成した導電性を有するケース９２を有する。ケース９２の底部９２ａ１，９２ｂ１の内底面に圧電素子９２ｄ，９２ｅが配置されている。また、回路基板９２ｆ，９２ｇにはシールド線Ｗ１，Ｗ２が接続され、回路基板９２ｆ，９２ｇからは活線側のリード線９２ｈ１，９２ｉ１とアース側のリード線９２ｈ２，９２ｉ２とが引き出され、リード線９２ｈ１，９２ｉ１は圧電素子９２ｄ，９２ｅに各々接続し、リード線９２ｈ２，９２ｉ２は圧電素子９２ｄ，９２ｅの近傍の底部９２ａ１，９２ｂ１に各々接続されている。

特許文献１の超音波センサのケース構造では、振動が少ない開口部寄りの側面部分において連結部９２ｃによる有底筒状体同士の連結が果たされている。このため、一方の圧電素子から生じる残響が他方の圧電素子に影響を及ぼし難い。開口部寄りが振動が少ないとする理由は、その開口部を回路基板９２ｆ，９２ｇで施蓋しているため、開口部が回路基板９２ｆ，９２ｇによる拘束力を受けるためであると推察される。
特開平１０−２０６５２９号公報

そもそも一般的な超音波センサは、圧電振動子から生じる振動をできるだけ阻害しないケース構造であるのが好ましい。特許文献１のように有底筒状体の開口部を回路基板等の部材で施蓋することは振動の阻害要因となる。開口部を施蓋しない構造の超音波センサの場合、圧電振動子の振動に伴い最も大きく振動する側面部分は開口部付近である。従って、開口部付近の側面部分で有底筒状体同士をつなげると、一方の圧電素子の振動から生じる響が他方の圧電素子に影響を与える可能性が高まることとなる。

そこで、本発明の目的は、上述の課題を解決し得るケース構造を有する超音波センサを提供することにある。

本発明の超音波センサは、一方端が開口し、他端が底部によって閉塞しており、一方端と他端とを結ぶ側面を有する複数の有底筒状体と、前記複数の有底筒状体をつなぐ連結部とを有する一体のケースと、前記複数の有底筒状体の各々の底部の内底面に配置される圧電素子とを備える超音波センサにおいて、前記ケースは、前記複数の有底筒状体の底部の外底面が１つの面上に位置する状態で各々の側面の底部寄りの側面部分同士が前記連結部を介してつながっており、前記ケースを支持している弾性部材をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の超音波センサのある特定の局面では、前記連結部の共振周波数が前記圧電素子の駆動周波数と異なっている。

また、本発明の超音波センサの他の特定の局面では、前記有底筒状体における前記連結部を介してつながっている他の有底筒状体の方向に位置する側面部の厚みが、それと垂直な方向に位置する側面部の厚みよりも大きくされている。

また、本発明の超音波センサは、前記有底筒状体の外底面の外郭形状が角形である。

また、本発明の超音波センサのさらに別の特定の局面では、前記複数の有底筒状体の外底面が前記連結部とともに平坦な一つの面をなしていることを特徴とする。

本発明の超音波センサを用いれば、有底筒状体の側面部の中でも圧電振動子の振動による変位が最も小さい底部寄りの側面部で複数の有底筒状体をつなげるため、一方の圧電振動子の振動から生じる残響が連結部を通じて他方の圧電振動子に影響を与えにくくなる。その結果、近距離にある被検出物も正しく検出され得る。

また、連結部の共振周波数を圧電素子の駆動周波数と異ならせることにより、圧電振動子の振動から生じる残響をさらに低減することができる。

また、有底筒状体と隣り合う他の有底筒状体の方向に位置する側面部の厚みを、それと垂直な方向に位置する側面部の厚みよりも大きくすることにより、圧電振動子の振動から生じる残響をさらに低減することができる。特に、有底筒状体の外底面の外郭形状を角形、例えば四角形とすると、連結部と側面部との接する線は直線状となり、隣り合う有底筒状体の方向に位置する側面部の位置に関係なく均等に厚みをもたせることでき、残響を低減できるので、特に好ましい。

また、複数の有底筒状体の底部の外底面を、その外底面と隣接する連結部とともに平坦な一つの面をなすようにすることにより、例えば車両のバンパー部分にこの超音波センサを取り付けると、段差ない一つの面が露出することとなり、外観上好ましくなる。

図１は本発明の第１の実施例を説明するための、超音波センサ１の外観斜視図である。 図２は超音波センサ１を別方向から見た外観斜視図である。 図３は超音波センサ１の断面図である。 図４は超音波センサ２が振動する状態を示す模式的断面図とその変位量を示すグラフである。 図５は車両５２の後部バンパー５３に超音波センサ１を設置した状態の部分斜視図である。 図６は車両５２の部分断面図である。 図７は本発明の第２の実施例を説明するための、超音波センサ３の外観斜視図である。 図８は本発明の第３の実施例を説明するための、超音波センサ４の外観斜視図である。 図９は超音波センサ３の正面図である。 図１０は従来の超音波センサ９０の外観斜視図である。

符号の説明

１〜４…超音波センサ
１０、２０、３０…ケース
１１、１２、４１、４２…有底筒状体
１１ａ、１２ａ…開口部
１１ｂ、１２ｂ…側面部
１１ｃ、１２ｃ…底部
１１ｄ、１２ｄ、４１ｄ、４２ｄ…外底面
１１ｅ、１２ｅ、４１ｅ、４２ｅ…内底面
１３、３３…連結部
１４…接線
５１ａ、５１ｂ…圧電素子
５２…車両
５３…バンパー
５４…弾性部材

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例を説明するための、超音波センサの外観斜視図である。図２は、図１に示した超音波センサ１を上下反転させた状態での外観斜視図である。図３は、図２の状態での超音波センサ１の図２中のＡ−Ａ線で切断したと仮定した断面図である。本実施例の超音波センサ１では、アルミ製のケース１０の内部に、振動を発生する圧電素子５１ａ，５１ｂが配置されている。ケース１０では、一方端が開口し、他端が底部１１ｃ，１２ｃによって閉塞している２つの有底筒状体１１，１２が、各々の側面１１ｂ，１２ｂの中でも底部１１ｃ，１２ｃ側の側面末端部分で連結部１３を介してつながれている。すなわち、ケース１０は、筒状体１１，１２が一体化された一体の部材である。連結部１３は厚みが均一の板状の形状をなし、側面１１ｂ，１２ｂの厚みも均一である。図１に示すように、有底筒状体１１，１２の外底面１１ｄ，１２ｄは、それと隣接する連結部１３の外側面とともに平坦な一つの面をなしている。この有底筒状体１１，１２の内底面１１ｅ，１２ｅには圧電素子５１ａ，５１ｂが各々配置されている。また、圧電素子５１ａ，５１ｂにはリード線（図示せず）が装着され、開口部１１ａ，１２ａからセンサ外部へと引き出される。

本発明は、有底筒状体の側面部の底部寄りの一部で連結部を介してつながっているケース構造に特徴を有するものであるが、以下にそのような構造を採用した理由を説明する。

図４（ａ）は、１つの有底筒状体１１をケース構造とする超音波センサ２に電圧をかけ、圧電素子５１ａの駆動に連動して側面部１１ｂが振動する状態を示す模式的断面図である。図上、電源やリード線等の電圧をかけるための部材は省略し、有底筒状体１１のケースと圧電素子５１ａのみを模式的に図示している。

図４（ｂ）は、電圧をかけて振動した側面部１１ｂの変位量（横揺れ幅）をグラフ化したものである。横軸が側面中の位置を表し、底部１１ｃをゼロとして開口部１１ａまでを示している。縦軸は変位量を示している。図４（ａ），（ｂ）から、側面１１ｂにおいては開口部１１ａに近づくほど変位量が大きくなることがわかる。これは、側面１１ｂの中でも底部１１ｃ寄りの部分ほど、底部１１ｃからの拘束を受けて振動が抑えられ、開口部１１ａに近い部分ほどその拘束から開放されるためである。この理由により、本発明では複数の有底筒状体と連結部とをつなげるための側面の接続位置を変位量の少ない底部寄り側面部分にすることとしている。実施例１では、変位量の最も小さい外底面１１ｄ，１２ｄが連結部１３の外側面とともに一つの平坦な面となる位置に連結部１３を設けている。

超音波センサ１は、例えば車両のバンパー部分に搭載されて、バックソナーとして機能するように用いられる。

図５は、車両５２の後部バンパー５３に超音波センサ１を設置した状態の部分斜視図である。超音波センサ１は外底面１１ｄ，１２ｄ側が露出し、側面部１１ｂ，１２ｂや開口部１１ａ，１２ａを埋設された状態で設置されている。

図６は、車両５２を図５に示すＢ−Ｂ線で切断し、上方から超音波センサ１を見たと仮定した場合の部分断面図である。側面１１ｂ，１２ｂはゴム等の弾性部材５４で覆われた状態でバンパー３２に埋設されている。このようにケース１０を弾性部材２３で支持すれば、圧電素子５１ａ，５１ｂが駆動されても有底筒状体１１，１２の振動を実質阻害することなく自由に振動し、本発明の作用効果が発揮されることとなる。

また、以上のような機能面での効果に加えて、超音波センサ１の露出面が平坦な一つの面をなしているため、外観上美しくなるという効果も併せ持つ。

（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例を説明するための、超音波センサの外観斜視図である。実施例１では連結部１３は厚みが均一な板状の形状であったが、本実施例の連結部３３は凹部３３ａを有し、厚みが部分的に薄くなっている。凹部３３ａは筒状体１１，１２の外底面１１ｄ，１２ｄと面一な外側面ではなく、外側面とは反対の内側面に形成されている。これ以外の部材の形状は実施例１と同じである。

本発明の目的は、一体のケースが有する複数の有底筒状体に各々配置される圧電素子の振動から生じる残響の影響をお互いに受けないようにすることであり、このため、振動による変位量が最も小さい位置にて２つの有底筒状体をつないだケース構造を提案するものである。これに加え、圧電素子５１ａ，５１ｂの駆動周波数と連結部３３の共振周波数とを異ならせると、さらに振動を伝えにくくなり好ましい。この周波数を異ならせるには、図７のように連結部３３の形状を凹状にしたり、また逆に凸状にしたりなど、連結部の形状を工夫することで可能となる。また連結部の厚みや長さを調整することによっても可能である。

（実施例３）
図８は、本発明の第３の実施例を説明するための、超音波センサを開口部側から見た外観斜視図である。図９は、超音波センサ４の正面図である。実施例１の超音波センサ１と本実施例の超音波センサ４とは、有底筒状体の側面部の厚みの点で異なる。その他の部材の形状は、実施例１と同じである。

本実施例の超音波センサ４では、角筒状の有底筒状体４１，４２が用いられており、かつ筒状体４１，４２の側面の厚みは均一ではない。有底筒状体４１，４２において連結部に接続されている側面部分の厚みＣが、それと垂直な方向に位置する側面部分の厚みＤよりも大きくされている。より具体的には、外底面４１ｄ，４２ｄの外郭形状を四角形とし、連結部１３と側面との接点１４の位置に関係なく内底面４１ｅ，４２ｅの外郭までの距離、すなわち連結部１３寄りの側面部分の厚みを均等に大きくしている（厚みＣ１＝Ｃ＝Ｃ２＞Ｄ）。圧電素子５１ａ，５１ｂの駆動から生じるケースの振動は、厚みの薄い部分で大きくなり、厚い部分で小さくなるため、連結部１３と接する位置の側面部の厚みを接しない側の位置の側面部よりも厚くしておけば、さらに振動の影響が低減され好ましい。

以上の実施例では、有底筒状体のケースの開口部の形状は図上矩形として記載しているが、本発明はその形状に限定するものではなく、例えば円形でも構わない。同様に、圧電素子の形状も円型として記載しているが矩形でも構わず、その形状に限定されるものではない。

また、連結部は側面の中でも最も底部寄りの側面部分でつなぐことが好ましいが、その位置が開口部方向へ多少ずれて段差があっても構わない。

また、有底筒状体の数は２つに限定されるものではなく、例えば３つの有底筒状体が２つの連結部を介してつながるケース構造に対しても適用される。

また、有底筒状体の内部にも弾性部材を充填しても、ケースの振動を実質阻害する要因とはならないので、本発明の効果を損なうことはない。

Claims (5)

1. 一方端が開口し、他端が底部によって閉塞しており、一方端と他端とを結ぶ側面を有する複数の有底筒状体と、前記複数の有底筒状体をつなぐ連結部とを有する一体のケースと、前記複数の有底筒状体の各々の底部の内底面に配置される圧電素子とを備える超音波センサにおいて、
   前記ケースは、前記複数の有底筒状体の底部の外底面が１つの面上に位置する状態で各々の側面の底部寄りの側面部分同士が前記連結部を介してつながっており、
   前記ケースを支持している弾性部材をさらに備えることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記連結部の共振周波数は、前記圧電素子の駆動周波数と異なっていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記有底筒状体における前記連結部を介してつながっている他の有底筒状体の方向に位置する側面部分の厚みは、それと垂直な方向に位置する側面部分の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記有底筒状体の外底面の外郭形状が角形であることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
5. 前記複数の有底筒状体の外底面は、前記連結部の外側面とともに平坦な一つの面をなしていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波センサ。

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