(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基壁と該基壁を取り囲む周壁とを備えた筐体と、該筐体内に設けられている圧電素子とを有した超音波センサであって、
前記基壁は、前記周壁と共に内部空間を画成していると共に、該内部空間に面している内面と、前記内面の反対面となる外面とを有しており、
前記内面は、第１区画面と、前記第１区画面と前記周壁の間に配置される第２区画面と、前記第１区画面と前記第２区画面を繋ぐ連係面とを有しており、
前記第２区画面と前記外面との間の距離が、前記第１区画面と前記外面との間の距離よりも長くなっていることにより、前記第１区画面と前記連係面とで凹部が画成されており、
前記圧電素子は、前記凹部に収容され且つ前記第１区画面に固定されており、且つ、
前記第２区画面と前記外面との間の距離に対する前記凹部の深さの比率が０％より大きく５０％以下であることを特徴とした超音波センサ。
【請求項２】
前記第１区画面と前記第２区画面を合わせた面積に対する前記第１区画面の面積の比率が、３６％以上９０％以下であること
を特徴とした請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記凹部の深さが、０．０５ｍｍを超えること
を特徴とした請求項１または２に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、特に超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは、超音波を送波してその反射を受波することで対象物体の位置や移動速度を検知するのに用いられることができ、例えば自動車における後方障害物の検知や衝突防止システムに広く利用されている。
【０００３】
図１は、特許文献１に挙げたような、車両に搭載される超音波センサの従来例を示しており、金属製の筐体１１と、筐体１１内に設けられている圧電素子１２を備えている。筐体１１は基壁１１１を有しており、基壁１１１は、その周縁に配置されている肉薄部１１３と、肉薄部１１３に囲まれるように配置され肉薄部１１３から筐体１１の内部空間へ僅かに突出している肉厚部１１２とを備えている。圧電素子１２は肉厚部１１２上に設置されている。
【０００４】
圧電素子１２は電圧が印加されると、圧電効果によりその電圧の変化に応じて変形し、基壁１１１を振動させ、この振動により超音波が発生する。この超音波が検知対象物体に届き反射されると、この反射された超音波が基壁１１１に届き、基壁１１１が共振して再び振動する。この振動により圧電素子１２が変形され、圧電効果により電気信号が発生する。この電気信号は圧電素子１２に電気的に接続されている後端の回路（図示せず）により検出および解析され、センサから検知対象物体までの距離が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３２６９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の超音波センサは一定の指向性を有している。つまり、従来の超音波センサは、超音波を全方向に均等な強度で送波することができず、また受波においても、全方向からの超音波を均等に受波することができない。このように超音波センサは、超音波を送波または受波できる方向ならびに角度、いわゆる指向角を有しているが、センサの使用目的によって求められる指向角は異なる。よって、使用目的に適した指向角を有していることが、超音波センサには望まれている。
【０００７】
そこで本発明は、上記課題を解決するために、筐体の構造を変えることで使用目的に合った指向角を備える超音波センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、
基壁と該基壁を取り囲む周壁とを備えた筐体と、該筐体内に設けられている圧電素子とを有した超音波センサであって、前記基壁は、前記周壁と共に内部空間を画成していると共に、該内部空間に面している内面と、前記内面の反対面となる外面とを有しており、前記内面は、第１区画面と、前記第１区画面と前記周壁の間に配置される第２区画面と、前記第１区画面と前記第２区画面を繋ぐ連係面とを有しており、前記第２区画面と前記外面との間の距離が、前記第１区画面と前記外面との間の距離よりも長くなっていることにより、前記第１区画面と前記連係面とで凹部が画成されており、前記圧電素子は、前記凹部に収容され且つ前記第１区画面に固定されていること
を特徴とした超音波センサを提供する。
【０００９】
上記手段において、前記第２区画面と前記外面との間の距離に対する前記凹部の深さの比率は０％より大きく５０％以下であることが好ましい。
【００１０】
また、前記第１区画面と前記第２区画面を合わせた面積に対する前記第１区画面の面積の比率は、３６％以上９０％以下であることが好ましい。
【００１１】
更に、前記凹部の深さは、０．０５ｍｍを超えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成によれば、圧電素子を配置するための基壁の内面に、所望の指向角が得られるようにその深さと大きさが調整された凹部が画成され、この凹部に圧電素子が収容されることによって、使用目的に適した指向角を有した超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来例の超音波センサの局部断面図である。
【図２】本発明に係る超音波センサの一実施形態を示す上視図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿った局部拡大図である。
【図４】図３における各部の面積を示した図である。
【図５】本発明に係る超音波センサの水平指向角の変化を示したグラフである。
【図６】本発明に係る超音波センサの共振周波数の変化を示したグラフである。
【図７】本発明に係る超音波センサと従来例の超音波センサそれぞれの水平指向角を示す極座標図である。
【図８】本発明に係る超音波センサの水平指向角の変化を示すグラフである。
【図９】本発明に係る超音波センサの共振周波数の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について詳しく説明する。
【００１５】
図２および図３に示したように、本発明の実施例に係る超音波センサは、筐体２と、圧電素子３と、封止材４とから構成されている。
【００１６】
筐体２は基壁２１と、基壁２１の周囲に設けられている周壁２２とを有しており、基壁２１と周壁２２とにより筐体２内に内部空間２０が画成されている。なお、本実施例では筐体２の材料としてアルミニウムを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
基壁２１は振動して超音波を生成することができるように作成されたものであり、内部空間２０に面する内面２１１と、内面２１１の反対面となる外面２１２とを有している。
【００１８】
内面２１１は、略中央に配置される第１区画面２１３と、第１区画面２１３と周壁２２との間に配置される第２区画面２１４と、第１区画面２１３と第２区画面２１４とを繋ぐ連係面２１５とを有している。また、第１区画面２１３と外面２１２との間の距離が、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離よりも短くなっていることにより、第１区画面２１３と連係面２１５とで基壁２１の内面２１１側に凹部２１０が画成されており、圧電素子３は、この凹部２１０に収容され且つ第１区画面２１３に固定されている。なお、本実施例においては第２区画面２１４を略楕円形となるように設けた。
【００１９】
ここで、凹部２１０の深さをｈ１とし、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離をｈ２とすると、筐体２の共振周波数を超音波センサに適したものに保ちながら同時に良好な水平指向角を得るためには、ｈ２に対するｈ１の比率は０％より大きく且つ５０％以下であることが好ましい。また、良好なセンサ効果を得るために、凹部２１０の深さｈ１は０．０５ｍｍを超えることが好ましい。
【００２０】
図４は、凹部２１０の上面図であり、第１区画面２１３の面積と、第２区画面２１４の面積とを概略的に示している。ここで第１区画面２１３の面積をＡ１、第２区画面２１４の面積をＡ２とすると、筐体２の共振周波数を超音波センサに適したものに保ちながら同時に良好な水平指向角を得るためには、Ａ１＋Ａ２（第１区画面２１３と第２区画面２１４の面積を合わせた面積）に対するＡ１（第１区画面２１３の面積）の比率は３６％以上であり且つ９０％以下であることが好ましい。また、凹部２１０の底面面積（即ちＡ１）は、凹部２１０が圧電素子３を収納できるようにするため圧電素子３の底面よりも大であることが必須であるが、凹部２１０の存在が本発明にとって重要であるため、Ａ１はＡ１とＡ２の和と同値であってはならない。
【００２１】
圧電素子３はセラミックス材料によって、印加された電界に応じて変形することができるように作成されたものである。
【００２２】
封止材４は内部空間２０を充填して圧電素子３を覆っており、これにより圧電素子３が第１区画面２１３に固定される。
【００２３】
以上の構成により、本発明に係る超音波センサは、電界が印加されることで圧電素子３が変形するのに伴い基壁２１が振動し、基壁２１の振動により超音波が送波される。或いは逆に、超音波を受波することで基壁２１が振動し、基壁２１の振動に伴い圧電素子３が変形し電界が発生する。
【００２４】
なお、本発明に係る超音波センサは上記構成の他に、例えばキャパシタやワイヤ等の電子部品を含んでいるが、これらは周知の技術なのでここでは説明を省く。
【００２５】
以下、本発明に係る超音波センサにおいて、上記ｈ１、ｈ２、Ａ１、Ａ２各パラメータを変化させることで、指向角及び共振周波数がどのように変化するかを調べた各種実験結果を、図５〜図９を参照に説明する。
【００２６】
図５は本発明に係る超音波センサにおいて、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離（ｈ２）に対する凹部２１０の深さ（ｈ１）の比率を変えることで水平指向角がどのように変化するかを調べた実験結果を示すグラフである。
【００２７】
上記実験では、第２区画面２１４から３０ｃｍ離れたところにマイクを設置し音圧を計った。本実験例における構成では、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離（ｈ２）を０．８ｍｍ、第１区画面２１３の面積（Ａ１）を３５ｍｍ２、第２区画面２１４の面積（Ａ２）を４５ｍｍ２とした。
【００２８】
図５から見て取れるように、ｈ２に対するｈ１の比率が０％の場合、つまり内面２１１に凹部２１０が形成されていない場合、水平指向角は８３度であった。また、凹部２１０の深さ（ｈ１）が大きくなるにつれて、水平指向角も大きくなり、ｈ２に対するｈ１の比率が５０％に達した場合、水平指向角は１４０度に達する。なお、５５％を超えた場合には、水平指向角はほぼ１８０度になり、つまり水平指向角が得られなくなった。この結果が示すとおり、超音波センサの基壁２１の内面２１１に、圧電素子３を収容するための凹部２１０を形成し、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離（ｈ２）に対する凹部２１０の深さ（ｈ１）の比率（ｈ１／ｈ２）を適宜調整することにより、使用目的に合った水平指向角を備える超音波センサを提供することができる。
【００２９】
図６は本発明に係る超音波センサにおいて、第２区画面２１４と外面２１２との間の距離（ｈ２）に対する凹部２１０の深さ（ｈ１）の比率を変えることで筐体２の共振周波数がどのように変化するかを調べた実験結果を示すグラフである。一般に、超音波センサは周波数が４０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚの範囲内の音波を用いるが、このうち周波数が低いほうが伝搬に伴う減衰が少ないため、超音波を長距離に伝搬させることができる。
【００３０】
図６から見て取れるように、ｈ２に対するｈ１の比率が０％の場合、つまり内面２１１に凹部２１０が形成されていない場合、筐体２の共振周波数はおよそ６５ｋＨｚである。ｈ２に対するｈ１の比率が上がるにつれて、つまり凹部２１０がより深くなるにつれて、筐体２の共振周波数は下がり、ｈ２に対するｈ１の比率が５０％に達すると、共振周波数はおよそ５０ｋＨｚにまで下がる。
【００３１】
図７は本発明に係る超音波センサを実験例とし、従来例に示したような凹部を備えていない超音波センサを比較例とし、それぞれの水平指向角を比較して示した極座標図である。基壁２１と直交する線を原線（図示における０度）とし、音圧強度の減衰量（単位ｄＢ）を−９０度から９０度に渡って計測した結果を動径座標で示した。
【００３２】
本実験例では上記ｈ１、ｈ２、Ａ１、Ａ２の各数値を以下のように定めた。
ｈ１＝０．１１ｍｍ
ｈ２＝０．６４ｍｍ
Ａ１＝４０ｍｍ２
Ａ２＝４０ｍｍ２
【００３３】
図７から見て取れるように、本発明に係る実験例は比較例よりも大きな指向角を有している。
【００３４】
図８は本発明に係る超音波センサにおいて、第１区画面２１３と第２区画面２１４の面積を合わせた面積（Ａ１＋Ａ２）に対する第１区画面２１３の面積（Ａ１）の比率を変えることで水平指向角がどのように変化するかを調べた実験結果を示すグラフである。なお本実験例においてはｈ１を０．１１ｍｍ、ｈ２を０．６４ｍｍとし、またＡ１とＡ２の和は固定のものとし、Ａ１の値を変化させた。
【００３５】
図８から見て取れるように、Ａ１とＡ２の和に対するＡ１の比率が大きくなるにつれ、水平指向角も大きくなる。このように、第１区画面２１３と第２区画面２１４の面積を合わせた面積に対する第１区画面２１３の面積の比率を調整することによっても、使用目的に合った所望の指向角を備える超音波センサを提供することができる。
【００３６】
図９は本発明に係る超音波センサにおいて、第１区画面２１３と第２区画面２１４の面積を合わせた面積（Ａ１＋Ａ２）に対する第１区画面２１３の面積（Ａ１）の比率を変えることで筐体２の共振周波数がどのように変化するかを調べた実験結果を示すグラフである。
【００３７】
図９が示すとおり、Ａ１とＡ２の和に対するＡ１の比率と共振周波数とはほぼ反比例するが、当該比率が３６％〜９０％の範囲内であれば、共振周波数は常に６１．５ｋＨｚ以下である。
【００３８】
以上、総括すると、本発明に係る超音波センサは、基壁２１の内面２１１に外面２１２との距離がそれぞれ異なる第１区画面２１３と第２区画面２１４とを設けることにより凹部２１０を画成し、圧電素子３をこの凹部２１０に配置することにより、更には上述のように第２区画面２１４と外面２１２との間の距離に対する凹部２１０の深さの比率、および第１区画面２１３と第２区画面２１４の面積を合わせた面積に対する第１区画面２１３の面積の比率をそれぞれ適宜調整することにより、超音波センサに使用目的に適した所望の指向角を持たせることができる。
【００３９】
以上、本発明を具体的な実施例に則して詳細に説明したが、本発明は上記実施例及び添付図面に限定されるものではなく、最も広い解釈の範囲に含まれる種々の変更を網羅していることが意図されていると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係る超音波センサは、用途に適した指向角を有することができるので、例えば車両に備えられる衝突防止センサやパーキングセンサ等各種対象物検知センサとして利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
２  筐体
２０  内部空間
２１  基壁
２１０  凹部
２１１  内面
２１２  外面
２１３  第１区画面
２１４  第２区画面
２１５  連係面
２２  周壁
３  圧電素子
４  封止材
Ａ１  第１区画面の面積
Ａ２  第２区画面の面積
ｈ１  凹部の深さ
ｈ２  第２区画面と外面との間の距離
【図１】
0005340432.tif 000002
【図２】
0005340432.tif 000003
【図３】
0005340432.tif 000004
【図４】
0005340432.tif 000005
【図５】
0005340432.tif 000006
【図６】
0005340432.tif 000007
【図７】
0005340432.tif 000008
【図８】
0005340432.tif 000009
【図９】
0005340432.tif 000010