(57)【要約】【課題】狭指向特性、残響特性を劣化させることなく、サイドロブの小さい超音波振動装置を提供する。【解決手段】ケース外周に溝が設けられており、支持部によって内領域と外領域に区分されて支えられている天板を有し、内領域と外領域を略同位相で振動させる超音波振動装置において、前記天板のノード点がケース側壁に位置するように構成することにより、狭指向特性を劣化させずにサイドロブの低減を図る。また、前記溝に柔軟性材料からなる充填材を充填し、さらに溝の内部の天板と対向する側に充填材が充填されていない空間を設けることにより、共振周波数のばらつきを抑えつつ残響特性の改善を図る。【選択図】　　　　図１
2004097851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁と天板とからなるケースと、前記ケースの天板に貼り付けられた圧電素子とからなり、前記側壁の外周面には溝が設けられており、前記側面の前記溝が設けられている部分によって天板は内領域と外領域とに区分されており、前記内領域と外領域とを略同位相で振動させるようにした超音波振動装置において、
前記ケースの側壁の前記溝より下の部分を振動のノード点として前記ケースを振動させることを特徴とする超音波振動装置。
【請求項２】
前記溝には前記ケースよりも硬度の低い柔軟性充填材が充填されており、前記溝の前記天板と対向する側には空間が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波振動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送受波して物体を探知するために用いられる超音波センサなどの超音波振動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波によって対象物との距離などを測定する超音波センサにおいては、高い測定制度を実現するため、指向性を狭くする必要がある。センサの形状を大きくすることなく挟指向性を実現する構造として、たとえば特許文献１において開示されている技術がある。
【０００３】
図６（ａ）にこの技術の構造を示す。ケースは、円筒形状の側壁１と天板２とが一体に形成されている。天板２付近のケース側壁１の外周上には溝が設けられており、側壁１が薄くなっていて、この薄くなった部分は天板２を支持する支持部４となっている。そして、天板２は支持部４によって内領域５と外領域６とに区分されている。天板２の内側の中央には、圧電体板の両主面に電極を設けた圧電素子７が取り付けられており、両電極間に電圧が印加されることによって圧電素子７は天板２と一体となってベンディング振動する。天板２は支持部４を振動のノード点とし、内領域５の中心部および外領域６の外周部分を振動の腹としてベンディング振動する。このとき、図６（ｂ）のように内領域と外領域が略同位相で振動するように設計する。図７は、超音波振動装置の振動時における、天板２、支持部４、ケースの側壁１の変形の様子を有限要素法によって計算した結果を示す図である。天板２の内領域５と外領域６とは同位相で共振し、振動のノード点は支持部４上にあることがわかる。また、ケースの側壁１はほとんど振動していない。このように振動させることによって、内領域５の振動による音波と外領域６の振動による音波との干渉により、天板２に垂直な前方方向に強い音圧を得るとともに、前方から所定方位角以上ずれた方向の音圧が弱まり、狭指向特性を得る。超音波振動装置においては一般に、振動面を大きくし、また共振周波数を高めれば狭指向性が得られるが、この技術によれば、装置を大型化することなく、また、共振周波数を高めることなく狭指向性を得ることができる。
【０００４】
また、溝に柔軟性充填材８を充填することにより、外領域６の振動がダンピングされて残響特性が改善される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１９７５９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、狭指向特性は得られるものの、前方のメインロブの中心から左右に３０度から４５度付近に−１５ｄＢ程度のサイドロブが発生するという問題点があった。このサイドロブは、天板２の内領域５の振動源からの音波と外領域６の振動源からの音波との干渉によって、左右３０度から４５度付近に音波を強め合う領域が生じて発生するものである。
【０００７】
このような超音波振動装置は一般に自動車のバックソナーなどとして用いられている。自動車のバックソナーは自動車の後方にある障害物を検知する装置であるが、サイドロブが大きいと誤って地面を探知してしまうなどの誤作動を起こす可能性がある。
【０００８】
また、このような超音波振動装置は例えばスマートエアバッグシステムなどに用いられる。スマートエアバッグシステムとは、複数のセンサによって乗員の状態を認識し、エアバッグの作動レベルを制御するシステムである。超音波振動装置は乗員の状態を認識するためのセンサとして用いられるが、サイドロブが大きいと乗員の状態を正しく検知することができず、システムの誤作動を招くという問題が発生していた。このスマートエアバッグシステムにおいて誤作動を起こさないサイドロブのレベルは−２０ｄＢ以下であり、従来の超音波振動装置のサイドロブのレベルでは実現できないサイドロブのレベルであった。
【０００９】
本発明の目的は、従来の超音波振動装置と同等の狭指向特性や残響特性を保ちつつ、サイドロブを低減し、スマートエアバッグシステムに用いることができる超音波振動装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の超音波振動装置は、側壁と天板とからなるケースと、前記ケースの天板に貼り付けられた圧電素子とからなり、前記側壁の外周面には溝が設けられており、前記側面の前記溝が設けられている部分によって天板は内領域と外領域とに区分されており、前記内領域と外領域とを略同位相で振動させるようにした超音波振動装置において、前記ケースの側壁の前記溝より下の部分を振動のノード点として前記ケースを振動させることを特徴とする。
【００１１】
振動のノード点をケース側壁の溝より下の部分とすることによって、側壁を含めたケース全体が振動することとなり、振動の際に支持部も大きく変形して天板の振動モードが変わり、サイドロブの発生が抑えられる。
【００１２】
また、前記溝には前記ケースよりも硬度の低い柔軟性充填材が充填されており、前記溝の前記天板と対向する側には空間が設けられていることが望ましい。
【００１３】
溝に柔軟性充填材を充填することによって残響特性が向上する。また、溝の天板と対向する側に充填材が充填されていない空間を設けることによって、ケース側壁の振動と天板の振動とが結合して共振周波数がばらつくことを防ぐことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、本発明の超音波振動装置の構成を示す断面図である。ケースはアルミニウムからなり、円筒形状の側壁１と天板２とが一体に形成されている。天板２付近の側壁１の外周部には溝３が設けられており、溝３には柔軟性充填材８が充填されていて、溝３の天板２と対向する側には充填材８が充填されていない空間９が形成されている。空間９は、溝３の全体に充填材８を充填してから充填材８の一部を取り除いて形成してもよいし、あるいは空間９を残して充填材８を充填する方法であってもよい。溝３が形成されているため、天板２付近の側壁１の厚みが薄くなっており、この部分が支持部４として天板２を支えている。また、天板２は支持部４によって内領域５と外領域６とに区分されている。
【００１６】
天板２の内側の中心部には、円盤状の圧電体板の両主面に電極を設けた圧電素子７が貼り付けられている。圧電素子７は、両電極間に交番電圧が印加されることによって、天板２と一体となってベンディング振動する。図１（ｂ）に振動の様子を示す。
【００１７】
ケースおよび圧電素子７の寸法を調整すると、内領域５と外領域６が同位相で共振する構成を得ることができる。
【００１８】
ここで、前記先行技術によって狭指向特性を得る構成として、例えば、図６（ａ）に示すようにケースの寸法をＣ＝９．０ｍｍ、Ｄ＝１６．０ｍｍ、ｔ＝１．０ｍｍ、Ａ＝０．５ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍとすると、この超音波振動装置は８０ｋＨｚで共振し、内領域５と外領域６は同位相で共振する。なお、Ｃはケースの内径、Ｄはケースの外径、ｔは天板２の厚み、Ａは支持部４の厚み、Ｂは溝の幅を示す。圧電素子は、直径７．０ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍである。このときの半減角、すなわち音圧が−６．０ｄＢまで低下するために要する、天板２に垂直な線からの角度は２１度、サイドロブは−１５ｄＢである。図７において示したように、振動のノード点は支持部４上にある。
【００１９】
本発明の超音波振動装置では、支持部４の厚みＡおよび溝３の幅Ｂの寸法を調整して振動のノード点をケースの側壁１に移動させることにより、ケースの外径Ｄおよび共振周波数を変化させずにサイドロブの低減を試みる。超音波振動装置においては一般に、振動面を大きくし、すなわち外径を大きくし、また共振周波数を高めれば狭指向性が得られるが、本発明では外径および共振周波数を変えずに狭指向性を得ることを目的としている。
【００２０】
なぜなら、本発明のような超音波振動装置を超音波センサとして用いる場合には、外径寸法および用いる超音波の周波数に制約があるためである。すなわち、外径を大きくすると装置全体が大きくなってしまうし、また共振周波数を高めると減衰率が大きくなって、超音波の到達距離が短くなってしまうのである。
【００２１】
支持部４の厚みＡおよび溝３の幅Ｂを変化させると共振周波数が変化してしまうため、共振周波数を８０ｋＨｚとするようにその都度天板２の厚みｔを調整する。図２（ａ）に支持部４の厚みＡおよび溝３の幅Ｂを変化させたときのサイドロブ値のシミュレーション値を、図２（ｂ）に支持部４の厚みＡおよび溝３の幅Ｂを変化させたときの半減角の変化のシミュレーション値を示す。図２（ａ）からわかるように、支持部４の厚みＡの値を小さく、溝３の幅Ｂの値を大きくするとサイドロブ値が低減する方向に変化する。例えば、Ａ＝０．３ｍｍ、Ｂ＝３．０ｍｍとするとサイドロブ値はおよそ−２８ｄＢに低減される。図２（ｂ）が示すように、このときの半減角はおよそ２４度であり、Ａ＝０．５ｍｍ、Ｂ＝１．０ｍｍとした場合よりもおよそ２度劣化するにすぎず、この半減角の値は実用レベルにおいて十分な値である。
【００２２】
Ａの値を小さくすること、あるいはＢの値を大きくすること、あるいはその両方によって振動のノード点は下方に移動していく。振動のノード点が移動することに伴って天板２の振動モードが変化し、サイドロブ値が低減していく。
【００２３】
図３は、本発明の超音波振動装置の振動時における、天板２、支持部４、ケースの側壁１の変形の様子を有限要素法によって計算した結果を示す図である。なお、このときの寸法は、Ａ＝０．４ｍｍ、Ｂ＝２．２ｍｍである。図７に示す超音波振動装置における振動のノード点は支持部４上にあるのに対し、図３に示す本発明の超音波振動装置における振動のノード点はケース側壁１上にあり、ケース側壁１も振動している。
【００２４】
また、本発明では天板２の外領域６の変形は小さくなっており、一方、支持部４が大きく変形している。従って本発明の超音波振動装置は、支持部４が変形することにより、天板２の振動が、ベンディング振動に加えてピストン振動することとなり、かつ外領域５の振動が減ることとによって、狭指向性を維持しつつサイドロブを低減させることができる。
【００２５】
また、従来の超音波振動装置では、溝３に柔軟性充填材８を充填することにより、外領域６の振動がダンピングされて残響特性が改善される。しかし、本発明の超音波振動装置のように支持部４が大きく変形し、ケース側壁１も振動する場合には、溝３をすべて埋めるように充填材８を充填すると、天板２の振動とケース側壁１の振動とが結合することによって共振周波数が大きくばらつく。そこで、溝３の天板２と対向する側に充填材８が充填されていない空間９を形成することによって振動の結合を防ぎ、共振周波数のばらつきを抑えることができる。
【００２６】
図４に、溝３に充填材８が充填されていない空間９を設けた場合と設けなかった場合の共振周波数のばらつきを比較した結果を示す。溝３内に充填剤８が充填されていない空間９を設けたものと、空間９を設けず溝３の全体に充填剤８が充填されているものとでそれぞれ１６個の試料をもって共振周波数を測定し、共振周波数の平均値と標準偏差を求めた。図４に示されるように、共振周波数の標準偏差の値がおよそ半分となっており、空間９を設けることによって共振周波数のばらつきが改善されていることがわかる。
【００２７】
なお、図５に実験結果を示したように、溝３に空間９を設けても残響特性は劣化しない。すなわち、溝３内に充填剤８が充填されていない空間９を設けたものと、空間９を設けず溝３の全体に充填剤８が充填されているものとでそれぞれ１６個の試料をもって残響時間を測定し、残響時間の平均値および標準偏差を算出したところ、平均値、標準偏差ともに差はほとんど見られなかった。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、振動のノード点をケース側壁に位置させることによって、天板の振動にピストン振動が加わり、さらに外領域の振動が減ることにより、狭指向性を損なうことなくサイドロブを低減することができる。
【００２９】
また、請求項２に記載の発明によれば、ケース側壁に形成された溝に柔軟性材料からなる充填材を充填し、充填材に切り込みを入れて溝の天板と対向する側に空間を設けることにより、共振周波数のばらつきを抑えつつ残響特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波振動装置を示す断面図である。
【図２】サイドロブ値および半減角の変化を示す図である。
【図３】本発明の超音波振動装置の振動の様子を有限要素法によって表した図である。
【図４】溝に、柔軟性充填材を充填しない空間を形成した場合と形成しない場合の、共振周波数のバラツキを示す図である。
【図５】溝に、柔軟性充填材を充填しない空間を形成した場合と形成しない場合の、残響特性を示す図である。
【図６】従来の超音波振動装置を示す断面図である。
【図７】従来の超音波振動装置の振動の様子を有限要素法によって表した図である。
【符号の説明】
１　　側壁
２　　天板
３　　溝
４　　支持部
５　　内領域
６　　外領域
７　　圧電素子
８　　充填材
９　　空間
【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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