WO2007029559A1 - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

　安定した指向特性の異方性を持つ超音波センサを提供することである。 　本発明にかかる超音波センサにかかるケース体は、有底円筒状の外部ケース体１０および内部ケース体３０を含む。内部ケース体３０の側壁３２の下部には、所定の大きさの切り欠き部３６を対向して設けられている。また、内部ケース体３０は、外部ケース体１０よりも高い密度の金属材料により形成されている。その結果、超音波センサの振動面２０において、楕円形状の振動面の振幅を形成することができ、指向特性の異方性が顕著な超音波センサを提供することができる。また、超音波センサにおける側面振動の変位量の小さい超音波センサを提供することができる。

Description

明 細 書

超音波センサ

技術分野

[0001] この発明は、超音波センサに関し、特にたとえば、自動車のバックソナ一などに用 いられる超音波センサに関する。

背景技術

[0002] 自動車のバックソナ一などに用いられる従来の超音波センサは、自動車のパンパ などに取り付けられ、ノ ックソナ一やコーナセンサのような障害物検知センサとして使 用されている。超音波センサのパンパ等への取り付けは、圧電素子の固着されたケ ース体の底部を路面とほぼ垂直とし、超音波放射方向に向けて位置決め調整したう えで行われる。このような用途に用いられる超音波センサにおいては、水平設置方向 における超音波の送受波範囲が狭すぎると検知範囲に死角が生じ、また、垂直方向 における超音波の送受波範囲が広すぎると地面力 の反射波がノイズとなるため、水 平設置方向と垂直設置方向とにおける指向特性の異方性が求められる。

[0003] 図 9は、上述したような超音波センサに用いられるケース体 1の構造の一例を示す 図解図である。図 9 (a)は、ケース体 1の平断面図、図 9 (b)は、図 9 (a)の B— B断面 図 (垂直設置方向）、図 9 (c)は、図 9 (a)の C C断面図 (水平設置方向）である。ケ ース体 1は、全体がアルミニウム等の金属材料で形成されており、背面で開口した中 空部 3を備えている。ケース体 1の底部 2は、垂直設置方向の中央部が厚肉部 2aとな り、その両側に略三日月状をした薄肉部 2bが設けられており、底部 2中央において 厚肉部 2aの内面には、導電性接着剤等によって圧電素子 5の一方電極面が固着さ れている。従って、垂直設置方向の断面においては、図 9 (b)に示すように圧電素子 5を実装した厚肉部 2aの両側に薄肉部 2bが位置しており、ケース体 1の中心を通る 水平設置方向の断面においては、図 9 (c)に示すように、底部 2全体が厚肉部 2aとな つている。この厚肉部 2aの厚みは、ケース体 1の外周側壁部 4の最小厚みよりも厚く なっており、薄肉部 2bの厚みは、ケース体 1の外周側壁部 4の最小厚みよりも薄くな つている。 [0004] 上述したような構造を有する超音波センサによれば、垂直設置方向（中空部 3の幅 の長い方向）における送受波範囲を狭くすることができる。よって、水平設置方向の 送受波範囲と垂直設置方向の送受波範囲との差を設けることができることから、指向 特性の異方性をもった超音波センサを得ることができる (たとえば、特許文献 1参照）

[0005] 特許文献 1 :特開 2000— 32594号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、特許文献 1に記載されている超音波センサにおけるケース体 1の側 壁は、所定の指向特性を得るために厚肉部および薄肉部を設けたものを使用してお り、このような複雑な構造のケース体 1は、アルミニウムを鍛造、切肖 ij、ダイカスト (高圧 铸造)の加工を行うことによって形成され、その構造の複雑さから製作コストが高くな つていた。

また、ケース体 1における圧電素子が接着される面は、ある程度振動の自由度が保 たれる構造であることが望ましぐ特に、ケース体 1の底面と側壁の境 (角 'エッジ)部 分については、ある程度振動することが望ましい。し力しながら、従来の超音波セン サにおけるケース体 1は、厚肉部と薄肉部が設けられているため、特に、厚肉部近傍 では振動が阻害されてしまい、結果、顕著な異方性を奏し得ることが困難であるとい う問題があった。

さらに、従来の超音波センサにおけるケース体 1は、該ケース体 1の中空部におけ る断面形状を楕円形状にすることで、指向特性の異方性を確保できるようにしていた 力 楕円形状に作製されたケース体 1では、ケース体 1の側壁の厚みが薄い箇所が あることから、該部分での側面振動が大きくなり、結果、たとえば自動車等に実装した 際には、ゴムクッション、ハウジングの保持状態において超音波センサの特性が変化 しゃすくなるため、所定の特性を確保することが困難となるという問題があった。

[0007] それゆえに、この発明の主たる目的は、安定した指向特性の異方性を持つ超音波 センサを提供することである。

課題を解決するための手段 [0008] 本願発明は、有底筒状のケース体、ケース体の底部における内面側に設けられる 圧電素子、を含む超音波センサにおいて、ケース体の側壁の内面側における底部と の接触部分に、切り欠きが設けられていることを特徴とする、超音波センサである。 また、切り欠きは、ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、対向し て設けられていることを特徴とする、超音波センサである。

このように、切り欠きを、ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に対 向して設けることにより、振動面を楕円状にすることができ、さらに、振動面の振幅を 大きくすることができる。

[0009] また、本願発明にかかる超音波センサにより使用されるケース体は、外部ケース体 と外部ケース体の内部に設けられる内部ケース体とを含み、切り欠きは、内部ケース 体に設けられて 、ることが望まし 、。

このように、超音波センサに用いられるケース体を単純な構造により形成された別 体とし、それらを組み合わせるとした構成とすることにより、指向特性の異方性が顕著 な超音波センサを得ることができる。また、各部品は、単純な構造の部品により形成 できるので、低コストでの製造'力卩ェが可能となる。

[0010] さらに、本願発明にかかる超音波センサは、内部ケース体は、外部ケース体よりも 密度の高 、金属材料で形成されて 、ることが望ま 、。

このように、内部ケース体に外部ケース体よりも高密度の金属材料を用いることで、 ケース体における側面振動の変動量の小さい超音波センサを供給することが可能と なる。

発明の効果

[0011] この発明によれば、超音波センサのケース体において、切り欠きが該ケース体の側 壁の内面側における底部との接触部分に対向して設けられたものを用いることによつ て、超音波センサの振動面において、楕円形状の振動面の振幅を形成することがで きる。そのため、水平設置方向と垂直設置方向における指向特性の異方性が顕著な 超音波センサを提供することができる。

また、超音波センサの内部ケース体が、外部ケース体よりも高密度の金属材料によ り形成されることで、超音波センサの側面振動を小さくすることができる。そのため、超 音波センサを取り付けた際に、超音波センサにおける特性の変化の小さい超音波セ ンサを提供することができる。

さらに、この発明による超音波センサにおけるケース体は、単純な構造により形成さ れることから、製造'加工が容易なケース体を提供することができる。

[0012] この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う 以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明ら力となろう。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]この発明に力かる超音波センサに力かる外部ケース体における（a)は、平面図 、 (b)は、断面図である。

[図 2]この発明に力かる超音波センサに力かる内部ケース体における（a)は、上上平 面図、（b)断面図、（c)下平面図である。

[図 3]この発明にかかる（a)外部ケース体の斜視図および (b)内部ケース体の斜視図 である。

[図 4]この発明にかかる超音波センサの (a)垂直設置方向の断面図および (b)水平 設置方向の断面図である。

[図 5]この発明にかかる超音波センサの X側面および Y側面における側面振動の変 位量の大きさを示す図である。

[図 6]この発明に力かる超音波センサの X側面および Y側面の位置を示した図である

[図 7]超音波センサにおける現行品のケース体を示す斜視図である。

[図 8]この発明にかかる超音波センサの内部ケース体における別の実施形態を示し た斜視図である。

[図 9]従来の超音波センサの一例に力かる（a)は、ケース体を示す平断面図、（b)は 、（a)の B— B線断面図、（c)は、（a)の C— C線断面図である。

符号の説明

[0014] 10 外部ケース体

12 開口部 18 側壁

20 振動面

22 振動の範囲

30 内部ケース体

32 側壁

34 空洞部

36 切り欠き部

40 超音波センサ

42 圧電素子

44 吸音材

46 基板

48 ケーブル

発明を実施するための最良の形態

[0015] (実施例 1)

本発明の一実施形態に力かる超音波センサを図 1、図 2および図 3に示す。図 1お よび図 2は、本実施形態の超音波センサに用いられている外部ケース体 10および内 部ケース体 30を示したものである。図 1 (a)は、外部ケース体 10の平面図、図 1 (b) は、断面図である。また、図 2 (a)は、内部ケース体 30の上平面図、図 2 (b)は、断面 図、図 2 (c)は、下平面図を示したものである。また、図 3 (a)および図 3 (b)は、本発 明に力かる超音波センサの外部ケース体 10および内部ケース体 30の斜視図である 。超音波センサは、たとえば有底円筒状の外部ケース体 10と円筒形の内部ケース体 30を含む。

[0016] 外部ケース体 10は、開口部 12および空洞部 14が設けられており、さらに、底面部 16と側壁 18とで構成されている。底面部 16の外面に振動面 20が位置している。外 部ケース体 10における底面部 16の内面に圧電素子が取り付けられる。

外部ケース体 10は、たとえばアルミニウムなどの金属材料で形成される。 外部ケース体 10は、たとえば全体の高さが 9mm、外径が 14mm、内径が 13mmで 形成されている。外部ケース体 10の底面部 16は、 0. 5mmの均一な板厚で形成さ れており、外部ケース体 10の側壁 18は 0. 5mmの均一な板厚で形成されている。 外部ケース体 10は、たとえば表面処理、塗装された板材をプレスしてカ卩ェしたもの が使用される。

[0017] 内部ケース体 30は、超音波センサの指向特性の異方性を因果付けるための機能 を有するものである。内部ケース体 30は、外部ケース体 10の空洞部 14に配置される 。内部ケース体 30は、空洞部 34を備えた筒状に形成されている。そして、内部ケー ス体 30の側壁 32の下部において 2箇所に切り欠き部 36が、対向して設けられた構 造となっている。

内部ケース体 30は、たとえば亜鉛などの金属材料で形成される。この内部ケース 体 30に用いられる金属材料の密度の大きさは、外部ケース体 10よりも大きな密度の 金属材料を用いるのが望まし 、。

内部ケース体 30は、たとえば全体の高さが 7mm、外径が 13mm、内径が 9mmで 形成されている。内部ケース体 30の側壁 32の厚みは 2mmである。また、切り欠き部 36の大きさは、たとえば切り欠け幅 8mm、切り欠け深さ 2mmで形成される。

外部ケース体 10の空洞部 14に内部ケース体 30を配置させることで、振動面 20に 内部ケース体 30が接触していない部分が生ずることから、振動面 20が楕円形状に 振幅を形成して振動し、結果、超音波センサにおける指向特性の異方性が得られる

[0018] 図 4に、本発明に力かる外部ケース体 10および内部ケース体 30を用いた超音波セ ンサ 40の断面図を示す。図 4 (a)は、垂直設置方向の断面図であり、図 4 (b)は、水 平設置方向の断面図である。

外部ケース体 10の底面部 16の内面には、圧電素子 42が取り付けられる。内部ケ ース体 30の空洞部 34において、吸音材 44が配置され、該吸音材 44の上面に基板 46が配置される。基板 46には、ケーブル 48が接続される。

また、基板 46と内部ケース体 30とがワイヤ 50aを介して接続され、内部ケース体 30 および外部ケース体 10を介して圧電素子 42の一方面側の電極に電気的に接続さ れる。一方、基板 46と圧電素子 42の他方面側の電極とが、ワイヤ 50bを介して電気 的に接続される。

外部ケース体 10および内部ケース体 30により構成された超音波センサにおける固 有振動数の駆動電圧を圧電素子 42に印加することで、圧電素子 42が励振され、振 動面 20が振動して超音波が送信される。また、振動面 20が音波を受けると振動面 2 0が固有振動し電気信号が得られる。

[0019] この超音波センサでは、内部ケース体 30の側壁 32に切り欠き部 36を対向して設け ることで、外部ケース体 10の振動面 20において、楕円形状の振動を形成することが できる。そのため、水平設置方向と垂直設置方向とにおける指向特性の異方性を顕 著に得ることができる。

また、内部ケース体 30に外部ケース体 10よりも高密度の金属材料を用いることによ つて、外部ケース体 10の側壁 18における側面振動の変位量を小さくすることができ る。そのため、当該超音波センサを自動車等に取り付けた際における超音波センサ の特性の変化を小さくすることができる。

さらに、この超音波センサによる各ケース体は、従来のような複雑な構造により形成 する必要はなぐ単純な構造により形成できることから、製造'加工も容易である。

[0020] (実験例 1)

図 5は、ケース体として図 1の外部ケース体 10と図 2に示される内部ケース体 30とを 用い、内部ケース体 30の材料を変化させた場合における、各内部ケース体の X側面 および Y側面の側面振動の変位量の大きさの数値計算結果を示して 、る。横軸は、 振動側面の座標を示し、縦軸は、側面振動の変位量を示している。数値計算は、有 限要素法 (Finite Element Method)を使用した。有限要素法は、物体の形状に あまり左右されず、複雑な形状における物体に対しても数値計算の対象として扱える といった利点がある。ここで、図 6に示すとおり、 X側面とは、振動面 20に形成された 楕円形状である振動の範囲 22の短軸方向の延長上における側面をいい、 Y側面と は、振動面 20に形成された楕円形状である振動の範囲 22の長軸方向の延長上に おける側面をいう。また、振動の範囲 22の中で、色が濃い程、振幅の大きさが大きい ことを示している。

また、比較のために、現行品による超音波センサのケース体 laにおける側面振動 の変位量の大きさの数値計算結果も示す。現行品における超音波センサのケース体 laは、図 7に示した形状に作製されたものである。

今回の数値計算には、図 7に示された現行品は、アルミニウムを金属材料として使 用し、本願発明による内部ケース体 30は、金属材料として、アルミニウム、亜鉛およ びタングステンをそれぞれ使用した。また、外部ケース体 10は、金属材料としてアル ミニゥムを使用した。

図 5 (a)は、現行品における結果、図 5 (b)は、内部ケース体 30の金属材料にアルミ -ゥムを使用した結果、図 5 (c)は、内部ケース体 30の金属材料に亜鉛を使用した結 果、図 5 (d)は、内部ケース体 30の金属材料にタングステンを使用した結果をそれぞ れ示している。

現行品の側面振動の変位量の大きさは、 X側面では、 40. Onm付近であつたが、 Y側面では、 60. Onm以上であった。

また、内部ケース体 30の材料に外部ケース体 10の材料と同じであるアルミニウムを 使用した場合の側面振動の変位量の大きさは、 X側面では、 80. Onm付近であり、 Y 側面では、 40. 0力も 60. Onmであった。

対して、内部ケース体 30の材料に外部ケース体 10より高密度の亜鉛を使用した場 合の側面振動の変位量の大きさは、 X側面では、 20. 0力ら 40. Onmであり、 Y側面 では、 40. 0力も 60. Onmであった。

また、内部ケース体 30の材料に外部ケース体 10より高密度のタングステンを使用 した場合の側面振動の変位量の大きさは、 X側面では、 20. 0力ら 40. Onmであり、 Y佃 J面では、 10. 0力ら 40. Onmであった。

以上の結果から、現行品および内部ケース体 30の材料にアルミニウムを使用した 場合と内部ケース体 30の材料に亜鉛およびタングステンを使用した場合とを比較し たとき、亜鉛およびタングステンを使用した方力 各ケース体の X側面および Y側面 における側面振動の変位量が抑制されていることがわかる。すなわち、内部ケース体 30の金属材料として、外部ケース体 10に用いられる金属材料よりも高密度の金属材 料を用いることで、側面振動の変位量の大きさが抑制されることが確認された。

また、外部ケース体 10の密度と内部ケース体の密度との差が大きいほど、側面振 動の変位量の大きさが抑制されることが確認された。

[0022] (実験例 2)

内部ケース体 30における内径および切り欠き部 36における切り欠け幅および切り 欠け深さの大きさをそれぞれ変化させた場合の数値計算結果を行った。数値計算に は、実験例 1と同様に有限要素法 (FEM)を使用した。切り欠け幅および切り欠け深 さの条件およびその条件における結果を表 1に示す。

[0023] [表 1]

[0024] 現行量産されている超音波センサは、 40kHz付近に共振周波数をもつ超音波セン サが用いられている。すなわち、超音波センサは、 40kHz付近に振動面が固有振動 を持つように設計しておき、電気的にそれに近い信号を加えて固有振動を励振させ たものが使用されている。したがって、超音波センサに用いられるケース体において は、 40kHzで固有振動を持つことが重要になる力 表 1に示すとおり、モデル 3およ びモデル 5は、共振周波数力 OkHz付近であることから、この点において適用可能 であることが確認できる。

また、モデル 3およびモデル 5では、振動面の形状が楕円に近い形状になっている ことが確認され（図示せず）、他のモデルでは、振動面の形状が菱形に近い形状にな つていることが確認された（図示せず)。菱形形状では、安定して振動面が振動せず 、顕著な指向特性の異方性が得られないが、通常励振で安定して楕円形状の振動 を行うモデル 3およびモデル 5によると、超音波センサとして顕著な指向特性の異方 '性を得ることができる。

[0025] なお、上述の実施例においては、内部ケース体 30の切り欠き部 36の形状は、矩形 としたが、それに限られるものではなぐ図 8に示した内部ケース体 30aにおける切り 欠き部 36aのような上に凸の半円形であってもよい。

Claims

請求の範囲

[1] 有底筒状のケース体、

前記ケース体の底部における内面側に設けられる圧電素子、

を含む超音波センサにお 、て、

前記ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、切り欠きが設けられ ていることを特徴とする、超音波センサ。

[2] 前記切り欠きは、前記ケース体の側壁の内面側における底部との接触部分に、対 向して設けられて!/、ることを特徴とする、請求項 1に記載の超音波センサ。

[3] 前記ケース体は、外部ケース体と前記外部ケース体の内部に設けられて 、る内部 ケース体とを含み、前記切り欠きは、前記内部ケース体に設けられていることを特徴 とする、請求項 1または 2に記載の超音波センサ。

[4] 前記内部ケース体は、前記外部ケース体よりも密度の高 、金属材料で形成されて いることを特徴とする、請求項 3に記載の超音波センサ。