(57)【要約】【課題】従来の実施の形態に関わる超音波送受波器においては、有底筒状ケースの内部が長方形状の狭い側の側面中心に開口部を設けた空中用超音波送受波器において、水平方向の指向性が車両幅よりはみ出して必要以上の検出範囲となる問題がある。【解決手段】有底筒状ケースの側壁の2箇所に開口部を設け、有底筒状ケースの中心軸に対して開口部の形状を非線対称になるように設けることで、水平指向性を偏心させて車両幅より検出範囲がはみ出さないようにする事が可能な超音波送受信器を提供する【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状ケースの底面内部に圧電素子を張り合わせてユニモルフ振動子を形成し、
ユニモルフ振動子の振動によって超音波の送受信を行う空中用超音波送受波器において、
有底筒状ケースの側面に２つの開口部を有し、
有底筒状ケースの底面に垂直且つ有底筒状ケース底面の図心を通る中心軸に対して、前記開口部の形状を非線対称となるように設けたことを特徴とする空中用超音波送受波器。
【請求項２】
請求項１の空中用超音波送受波器において、
前述開口部が長方形状もしくは楕円形状からなり、
さらに開口部の長辺もしくは長軸の向きがケース底面に対して５°から２０°の範囲で傾いていることを特徴とする空中用超音波送受波器。
【請求項３】
請求項１の空中用超音波送受波器において、
前述開口部が有底筒状ケースの底面に垂直かつ開口部形状の図心を通る直線に対して非線対称である円弧形状もしくは多角形状からなることを特徴とする空中用超音波送受波器。
【請求項４】
請求項１の空中用超音波送受波器において、
前記開口部が長方形状もしくは楕円形状からなり、
かつ前記開口部の各中心軸間の角度が６０°から１５０°の範囲にあることを特徴とする空中用超音波送受波器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の開口部形状および開口部の配置の特徴を組み合わせた空中用超音波送受波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いた送信、受信を行う空中用超音波送受波器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波送受波器は、車と周囲の障害物との距離を検知するセンサとして利用されている。この時、超音波送受器は、車のバンパー等に埋め込み設置して利用されることが多く、取り付ける位置によって、車の後方の障害物を検知するバックセンサやコーナーの障害物を検知するコーナーセンサと呼ばれている。
【０００３】
この超音波送受器を用いた障害物検出には、超音波送受波器内部に存在する振動と電気信号を変換する材料もしくは機構が用いられている。これを利用し、パルスバースト電気信号を超音波送受器に入力することで超音波送受波器からその入力パルスバースト電気信号に応じた超音波信号が発振され、発振された超音波信号は障害物に到達した後、その障害物で反射し、反射した超音波信号の一部は同じ超音波送受波器に戻ってくる。超音波送受波器はその反射信号を受信することで障害物を検出し、発信して受信するまでの時間差を利用して車と障害物との距離を測定している。
【０００４】
従来の実施の形態に関わる超音波送受波器において、図１にその概略縦断面図を表す。図２は従来の実施の形態に関わる超音波送受波器における有底筒状ケースの概略上面図および断面図を表す。図１において、アルミニウム材等から成る内部が長方形状の有底筒状ケース２の内部底面に圧電素子１を接着しユニモルフ振動子を構成する。圧電素子１は、圧電性を有する絶縁体からなり、表面に銀などの導電材料により２つの互いに独立した電極が形成されている。
【０００５】
圧電素子１と有底筒状状ケース２との接着面側の反対面に存在する圧電素子１表面の一方の電極は、入出力リード５ａと半田付け等により電気的に接続されている。また、入出力リード５ｂは、有底筒状ケース２もしくは圧電素子１表面の他方の電極と半田付け等をして電気的に接続されている。ここで、圧電素子１の有底筒状ケース２との接着面側と有底筒状ケース２とは電気的に接続されている。
【０００６】
入出力リード５ａおよび５ｂはＰＶＣ被覆ワイヤ付きコネクタのワイヤ６にそれぞれ半田付けされている。圧電素子１の上面にシリコーン発泡体等から成る吸音材３を設置し、入出力リード５ａを通すために吸音材３に開けた穴にシリコーン材、ウレタン材等の弾性体からなる充填材８を充填し、更にその上からシリコーン材、ウレタン材等の弾性体から成る封止剤４を有底筒状ケース２内に充填して構成されている。有底筒状ケース２の側面開口部９はすべてシリコーン材、ウレタン材等からなる充填材７を充填しておく必要がある。
【０００７】
従来の実施の形態に関わる超音波送受波器において、有底筒状ケースの内部が長方形状の広い側が水平方向、狭い側が垂直方向となり、求められる指向特性として水平の指向性は広く、垂直方向は狭くする必要がある。
これは、車両等に設置された場合、路面に平行な水平方向に拡がりのある超音波を送信して広域の障害物を検出し、路面に垂直な方向に拡がりを抑えた超音波を送信して路面からの超音波の反射等の誤検出を抑えるためのものである。
【０００８】
この指向特性を実現するために、図２の様に有底筒状ケースの内部の長方形状の狭い側の側面に開口部を設けることで垂直方向の指向性を狭くするという発明がなされている。この発明による超音波送波器は、市場動向として検出距離の長い用途としての応用が始まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１３２３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の超音波送受波器、つまり有底筒状ケースの内部が円形状もしくは長方形状の狭い側の側面中心に開口部を設けた空中用超音波送受波器では、水平方向の指向性が車両幅よりはみ出し、必要以上の検出範囲となる問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
有底筒状ケースの底面内部に圧電素子を貼り合わせてユニモルフ振動子を構成し、この振動体のケース外側面にて超音波の送信、受信を行う超音波送受波器において、有底筒状ケースの側壁の２箇所に開口部を設け、有底筒状ケースの中心軸に対して開口部の形状を非線対称になるように設ける。
【発明の効果】
【００１２】
開口部の形状が前記ケースの中心軸に対して非線対称になることで、水平指向性が偏心されて車両幅より検出範囲がはみ出さないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載の第１の発明は、前記開口部を有底筒状ケースの中心軸に対して、非線対称となるように前記の２つの開口部を設けることによって、水平指向性を偏心する。
【００１４】
請求項２に記載の第２の発明は、第１の発明における前記開口部を長方形状もしくは楕円形状とし、さらにこの開口部の長辺もしくは長軸の方向をケース底面に対して傾けることにより、振動面において開口部に近い箇所ほど剛性が低下する。このため、開口部における振動面に近い方向に指向性が偏心される。
ただし、開口部の振動面に近い箇所が、有底筒状ケースの内部底面よりも高い位置になる程に指向性の偏心は失われていく。
【００１５】
有底筒状ケースの底面に対する開口部の傾きは、５°から２０°の範囲で指向性の偏心が顕著にみられる。また、９０°に近づく程、開口部において有底筒状ケースの振動面に近い箇所でのみ剛性の低下が生じ易くなり、振動面全体の剛性は上がる。このため、開口部直下の振動面の振動も次第に困難になることで、開口部を設けていない場合の有底筒状ケースの示す指向性に徐々に移り変わり、偏心の観測が難くなる。
【００１６】
請求項３に記載の第３の発明は、第１の発明における前記開口部を円弧形状もしくは多角形状とし、有底筒状ケースの底面に垂直かつ開口部形状の図心を通る直線に対してこの開口部形状が非線対称である様に設けることを特徴としたものである。
【００１７】
この発明の効果は、第２の発明と同様に、開口部において振動面から近い箇所と遠い箇所を形成することで、開口部直下の振動面の剛性分布を制御することが出来る。また、開口部を円弧形状もしくは多角形状にすることで、振動面と開口部の距離が直線的にしか変化できない長方形状よりも自由な設計を行うことが可能となる。さらに、振動面に垂直な方向の開口部の幅は、振動面に平行な方向の幅と比較して指向性に対する影響が小さく、且つ開口部の面積が広くなると超音波送受器の強度の低下や開口部を介した内部への水蒸気の進入等で故障原因となるため、開口部の面積を小さくし易い円弧形状や多角形状の方が楕円形状よりも有利となる。
次に、有底筒状ケースの底面に垂直かつ開口部形状の図心を通る直線に対して開口形状を非線対称にする目的は、各開口部直下の振動面の剛性を開口部の特定の方向に弱くして、その方向へ指向性を偏心させるためである。
【００１８】
請求項４に記載の第４の発明は、
第１の発明における前記開口部を長方形状もしくは楕円形状とし、
さらに有底筒状ケースの底面に平行な面における前記開口部の各中心軸間の角度φを６０°≦φ≦１５０度の範囲とすることで、振動面の剛性が低下する開口部の方向に振動が伝播し易くなる。このため、開口部の存在する方向に指向性が偏心される。
ただし、有底筒状ケースの内部底面よりも開口部の下部の位置が高くなるにつれて、開口部直下の振動面の剛性が上がり、開口部の方向への振動の伝播が抑制されて偏心の効果は失われていく。
【００１９】
請求項５に記載の第５の発明は、第１から第４の発明の少なくとも一つの発明における前記開口部形状と配置とを有底筒状ケースに設けることで、指向性の偏心を容易に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来の実施の形態に関わる超音波送受波器の概略縦断面図
【図２】従来の実施の形態に関わる有底筒状ケースの概略図および断面図
【図３】本発明の実施の形態に関わる超音波送受波器の概略縦断面図
【図４】開口部に傾斜角を設けた有底筒状ケースの概略図
【図５】従来品と開口部に１０°の傾斜角を設けた場合との水平指向性の比較図
【図６】開口部の傾斜角と水平指向性の偏心の関係図
【図７】円弧形状の開口部を設けた有底筒状ケースの概略図
【図８】多角形状の開口部を設けた有底筒状ケースの概略図
【図９】開口部の中心軸間の交差角を非平行にした有底筒状ケースの概略側面図
【図１０】従来品と１２０°の交差角を設けた場合との水平指向製の比較
【図１１】開口部の中心軸間の交差角と水平指向性の偏心の関係
【図１２】従来の実施の形態に関わる超音波送受信器を用いたバックセンサの検知範囲の模式図
【図１３】本発明の実施の形態に関わる超音波送受信器を用いたバックセンサの検知範囲の模式図
【実施例１】
【００２１】
図３は本発明の実施の形態に関わる超音波送受波器の概略縦断面図を表す。図３において、アルミニウム材等から成る有底筒状ケース２の内部底面に圧電素子１を接着しユニモルフ振動子を構成する。圧電素子１は、圧電性を有する絶縁体からなり、表面に銀などの導電材料により２つの互いに独立した電極が形成されている。
【００２２】
圧電素子１と有底筒状状ケース２との接着面側の反対面に存在する圧電素子１表面の一方の電極は、入出力リード５ａと半田付け等により電気的に接続されている。
また、入出力リード５ｂは、有底筒状ケース２もしくは圧電素子１表面の他方の電極と半田付け等をして電気的に接続されている。ここで、圧電素子１の有底筒状ケース２との接着面側と有底筒状ケース２とは電気的に接続されている。入出力リード５ａおよび５ｂはＰＶＣ被覆ワイヤ付きコネクタのワイヤ６にそれぞれ半田付けされている。圧電素子１の上面にシリコーン発泡体等から成る吸音材３を設置し、入出力リード５ａを通すために吸音材３に開けた穴にシリコーン材、ウレタン材等の弾性体からなる充填材８を充填し、更にその上からシリコーン材、ウレタン材等の弾性体から成る封止剤４を有底筒状ケース２内に充填して構成されている。有底筒状ケース２の側面開口部９はすべてシリコーン材、ウレタン材等からなる充填材７を充填しておく必要がある。
【００２３】
図４は本発明の実施の形態に関わる有底筒状ケースの概略側面図を表す。図４おいて、アルミニウム材等から成る有底筒状ケースの側面に２つの開口部Ｏａ、Ｏｂが設けられている。例えば図４に示した開口部Ｏａ、Ｏｂの形は、いずれも長辺と短辺をもち、四隅にＲ形状が設けられた長方形である。開口部Ｏａと開口部Ｏｂは有底筒状ケース２の底面Ｖに対して斜めに（傾斜角θで）設けられている。また、開口部Ｏａと開口部Ｏｂは開口部Ｏａと開口部Ｏｂの振動面に近い箇所が有底筒状ケースの内部底面に接するように設けられている。ここで、水平方向の指向性の偏心が最大になるように、開口部Ｏａと開口部Ｏｂの形状は、底面Ｖの図心Ｐを通る中心軸Ｐ１を通る断面Ａに対して鏡面対称の関係となるように設計した。ただし、他方向への指向性の偏心が必要であれば、開口部Ｏａと開口部Ｏｂの傾斜角は必ずしも同じでなくてもよく、開口部Ｏａと開口部Ｏｂの形状もまた断面Ａに対して鏡面対称でなくとも良い。尚、開口部はアルミニウム材等から成る有底筒状ケースの内部底面から離れていても良く、また開口部はケース上面付近まで完全に達していても良い。
【００２４】
図５は、図４の有底筒状ケースを利用して開口部の傾斜角をθ＝１０°とした場合と従来の傾斜のない場合との水平方向の指向性を比較した結果である。指向性の測定はつぎのように行った。超音波送受波器の意匠面から６０ｃｍの位置にφ５０ｃｍのポールを設置する。超音波送受信器の意匠面に垂直な位置、つまり超音波送受信器の正面にポールがある場合を９０°として、ポールの位置を同心円上に動かして反射感度の測定した。ここで、底面Ｖと断面Ａの交差線の方向を指向性の水平方向とする。傾斜のある場合にのみ水平方向で有底筒状ケース底面と開口部の間の距離が近い方向に指向性の偏心が見られる。指向性の測定はつぎのように行った。超音波送受波器の意匠面から６０ｃｍの位置にφ５０ｃｍのポールと設置する。超音波送受信器の意匠面に垂直な位置、つまり超音波送受信器の正面にポールがある場合を９０°として、ポールの位置を同心円上に動かして反射感度の測定を行った。
【００２５】
図６は、図４の有底筒状ケースを利用して開口部の傾斜角を０°から２５°の間で変化させたときの偏心の度合いを示す。上記の方法で指向性を測定し、反射感度が最大となるポールの位置（角度）を確認する。図６の縦軸に（９０°）−（反射感度が最大の角度）の値をしめす。ポールが９０°の位置（つまりポールの超音波送受波器の正面）にあるとき反射感度が最大になると、反射感度が最大の角度が９０°となる。縦軸の値は０となる。指向性が偏芯して９０°以外で反射感度が最大になる場合は、縦軸の値が大きくなる。開口部の傾斜角θの範囲を５°≦θ≦２０°として超音波送受波器を設計した際に実用上有効であると考えられる１０°以上の偏心が得られる。
【００２６】
図６の結果から、開口部の形状により近傍の振動面の剛性が変化し、この剛性の分布を特定の方向に偏らせることで指向性の偏心が生じていることが理解できる。このため、図７と図８に示すような円弧形状や多角形状の開口部を用いることでも同様に指向性を偏心させることが可能である
【００２７】
図７に示す開口部の形状は、２つ以上の円弧を有し、円弧の両端が繋がれたことを特徴とする。
【００２８】
図８に示す開口部の形状は、多角形状からなり、各角（すみ）が曲面（Ｒ面）であることを特徴とする。
【００２９】
図９は本発明の実施の形態に関わる別の有底筒状ケースの概略側面図を表す。図９おいて、アルミニウム材等から成る有底筒状ケースは、各開口部ＯａとＯｂのそれぞれの中心軸をＰａとＰｂとしたときにＰａとＰｂが非平行となる交差角φで交わるように開口部を設けた。このとき、有底筒状ケースの中心軸はＰ１で示している。尚、開口部はアルミニウム材等から成る有底筒状ケースの底面から離れていても良く、また開口部はケース上面まで完全に達していても良い。ここで、φ／２の角度の方向を水平方向とし、この水平指向性の偏心を大きくするために、開口部Ｏａと開口部Ｏｂの形状と有底筒状ケースの底面からの高さを等しくなるように開口部を設けた。ただし、異なる方向での指向性を偏心させる場合には、開口部Ｏａと開口部Ｏｂの形状や有底筒状ケースの底面からの高さは等しくなくても良い。
【００３０】
図１０は、交差角をφ＝１２０°とした図９の有底筒状ケースを用いた場合と従来のφ＝１８０°かつ２つの開口部形状が有底筒状ケースの中心軸に対して２回対称である場合との水平指向性を比較した結果である。
【００３１】
図１１は、図９の有底筒状ケースを用いて開口部の中心軸間の交差角φを０°≦φ≦１８０°の間で変化させたときの偏心の度合いを、測定した指向性の最大反射感度の角度を９０°から差し引いた角度によりプロットした結果である。交差角φの範囲を６０°≦φ≦１５０°として超音波送受波器を設計した際に実用上有効であると考えられる１０°以上の偏心が得られる。図１１における、φ＝０°の値は開口部を一つのみ設けたものである。また、図１１の測定で用いた有底筒状ケースは、開口部の中心軸が互いに有底筒状ケースの中心軸上で交差するように設計したため、φ＝１８０°において偏心が生じていない。ただし、本発明の効果は、開口部の中心軸が互いに有底筒状ケースの中心軸上以外で交差していても同様に得られる。
【００３２】
図１２は従来の実施の形態に関わる超音波送受信器を用いたバックセンサの検知範囲の模式図、図１３は従来の実施の形態に関わる超音波送受信器と本発明の実施の形態に関わる超音波送受信器を用いたバックセンサの検知範囲の比較模式図を示したものである。図１の様に従来の実施の形態に関わる超音波送受信器を用いたバックセンサは水平方向の検知範囲が広すぎて車両幅より広くなり余計な部分まで検知してしまっている。これに比べて本発明の実施の形態に関わる各超音波送受信器を用いたバックセンサでは水平方向の指向性を車両の内側に偏心させる事で検知範囲が車両幅よりもはみ出さないようにすることが可能となり、意図した理想的な検知範囲を得ることが出来る。
【符号の説明】
【００３３】
１    音響整合層
２    圧電素子
３    吸音材
４    封止材
５    両端に開口を有する筒状ケース
５ａ  入出力リード
５ｂ  入出力リード
Ｖ    底面
Ｐ    有底筒状ケース底面の図心
Ｐ１  有底筒状ケースの中心軸
Ｐａ   開口部
Ｐｂ   開口部
Ｏａ   開口部Ｐａの中心軸
Ｏｂ   開口部Ｐｂの中心軸
θ      開口部の傾斜角
φ     ＯａとＯｂの交差角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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