(57)【要約】  残響特性および指向性に優れた角型の超音波センサを提供する。  超音波センサ１０は、略４角板状の底面部１４と略４角筒状の側面部１６とで構成される有底略４角筒状のケース１２を含む。側面部１６の厚みは、底面部１４の厚みより厚く形成される。側面部１６において、対向する一方側部分１６ａ，１６ａの厚みは、対向する他方側部分１６ｂ，１６ｂの厚みより薄く形成される。一方側部分１６ａ，１６ａの内周面は、断面円弧状に凹むように形成される。それによって、一方側部分１６ａ，１６ａの厚みは、傾斜的に変化するように形成される。ケース１２の底面部１４には、圧電素子２０が形成される。圧電素子２０には、ケーブル２２の信号線２２ａ，２２ｂが電気的に接続されるとともに、温度補償用のコンデンサ２４が並列に接続される。圧電素子２０上に吸音材２６が配置され、ケース１２内部に絶縁性樹脂２８が充填される。
2007091609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面部および側面部を有する有底略４角筒状のケース、および
前記ケースの底面部の内面に形成される圧電素子を備え、
前記ケースの側面部の厚みが、前記ケースの底面部の厚みより厚く形成され、
前記ケースの開口部が、前記ケースの側面部における対向する一方側部分の厚み方向において長く形成され、その方向と直交する前記ケースの側面部における対向する他方側部分の厚み方向において短く形成され、
前記ケースの側面部において、前記開口部が長く形成される方向における前記一方側部分の厚みが、前記開口部が短く形成される方向における前記他方側部分の厚みより薄く形成され、
前記ケースの側面部において少なくとも前記一方側部分の厚みが、前記ケースの底面部の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成されている、超音波センサ。
【請求項２】
前記ケースの側面部において前記他方側部分の厚みが、前記ケースの底面部の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成されている、請求項１に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【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ーなどに用いられる超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、従来の超音波センサの一例を示す正面図解図であり、図１１は、その超音波センサの側面図解図である。超音波センサ１は、アルミニウムなどで形成された有底略４角筒状のケース２を含む。ケース２は、矩形状もしくは長円状の開口部を有する。ケース２内部の底面には、圧電素子３の一方面が接合される。また、ケーブル４の一方の信号線４ａが、温度補償用のコンデンサ５の一方の電極に半田付けされるとともに、ケース２の内側面に半田付けされる。さらに、ケーブル４の他方の信号線４ｂが、コンデンサ５の他方の電極に半田付けされるとともに、圧電素子３の他方面の電極に半田付けされる。それによって、ケーブル４の信号線４ａ，４ｂ間には、圧電素子３と温度補償用のコンデンサ５とが並列に接続される。また、圧電素子３の他方面上には、たとえばフェルトからなる吸音材６が配置される。さらに、ケース２内部には、シリコンゴムやウレタンゴムなどからなる絶縁性樹脂７が充填される。この絶縁性樹脂７によって、圧電素子３および吸音材６が密閉状態に封止されるとともに、信号線４ａ，４ｂやコンデンサ５が絶縁される。【０００３】
この超音波センサ１を用いて被検出物までの距離を測定する場合、ケーブル４の信号線４ａ，４ｂに駆動電圧を印加することにより、圧電素子３が励振される。圧電素子３の振動により、ケース２の底面も振動し、その底面に直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１に到達すると、圧電素子３が振動して電気信号に変換され、ケーブル４の信号線４ａ，４ｂから電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１から被検出物までの距離を測定することができる。【０００４】
この超音波センサ１では、それをたとえば自動車のバンパーに取り付けて障害物検知のためのバックソナーなどとして用いる場合、近距離の障害物を検知するために残響が小さい残響特性、さらに、地面や縁石を検知しないようにするために、垂直方向において狭く水平方向において広い指向性が要求される。この超音波センサ１では、特に、ケース２の側面部の振動を抑えて残響を小さくするために、ケース２の側面部の厚みＴ１がケース２の底面部の厚みＴ２より厚く形成されている（特許文献１参照）。【０００５】
【特許文献１】特開平９−２８４８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１０に示す角型の超音波センサ１では、ケース２の側面部において厚みの薄い部分の内周面と外周面とが平行であるので、ケース２の側面部の振動が大きくなり、残響特性が悪化するという問題を有する。なお、この角型の超音波センサ１においてアルミニウムからなるケース２、フェルトからなる吸音材６およびシリコンゴムからなる絶縁性樹脂７を用いた場合の残響波形のグラフを図１２に示す。【０００７】
そこで、図１０に示す角型の超音波センサ１において、残響を小さくするために、ケース２の側面部の厚みをさらに厚く形成した場合、ケース２の振動面積が小さくなり、垂直方向における指向性が広くなってしまうという問題を有する。【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、残響特性および指向性に優れた角型の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】
【０００９】
この発明にかかる超音波センサは、底面部および側面部を有する有底略４角筒状のケースと、ケースの底面部の内面に形成される圧電素子とを備え、ケースの側面部の厚みが、ケースの底面部の厚みより厚く形成され、ケースの開口部が、ケースの側面部における対向する一方側部分の厚み方向において長く形成され、その方向と直交するケースの側面部における対向する他方側部分の厚み方向において短く形成され、ケースの側面部において、開口部が長く形成される方向における一方側部分の厚みが、開口部が短く形成される方向における他方側部分の厚みより薄く形成され、ケースの側面部において少なくとも一方側部分の厚みが、ケースの底面部の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成されている、超音波センサである。【００１０】
この発明にかかる超音波センサにおいて、ケースの側面部において他方側部分の厚みも、ケースの底面部の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成されていることが好ましい。【００１１】
この発明にかかる超音波センサでは、ケースの側面部の振動を抑えて残響を小さくするために、ケースの側面部の厚みがケースの底面部の厚みより厚く形成されている。この場合、ケースの側面部において少なくとも厚みの薄い一方側部分の厚みが均一ではなく傾斜的に変化するように形成されているので、ケースの側面部の振動が抑えられ、残響が低減され、残響特性が改善される。このように、この発明にかかる超音波センサでは、残響特性が改善されるため、ケースの側面部において厚みの薄い一方側部分の厚みを任意に設定することができるようになり、必要な指向性を得ることが容易となる。
この発明にかかる超音波センサのように、ケースの側面部において一方側部分の厚みが傾斜的に変化するように形成されていると残響が抑制されるのは、次の理由による。すなわち、ケースの開口部の長手方向における両側にあるケースの側面部の厚みが均一な厚みでその対向する両主面が平行であると、厚みと幅で決まる固有振動周波数でケースが共振してしまい、この共振によって残響が大きくなってしまう。それに対して、本発明者らは、この発明にかかる超音波センサのように敢えてケースの側面部の厚みを傾斜的に変化させることによって共振しないので、残響を抑制できることを見出したからである。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの側面部において厚みの薄い一方側部分がケースの開口部の長手方向における両側にあり、ケースの側面部において厚みの厚い他方側部分がケースの開口部の短手方向における両側にあることによって、指向性をより絞り、残響をより防ぐことができる。【００１２】
また、この発明にかかる超音波センサにおいて、ケースの側面部において厚みの厚い他方側部分の厚みも均一ではなく傾斜的に変化するように形成されていると、ケースの側面部の振動がさらに抑えられ、残響がさらに低減される。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、残響特性および指向性に優れた角型の超音波センサが得られる。【００１４】
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かとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明にかかる超音波センサの一例を示す正面図解図である。
【図２】図１に示す超音波センサの側面図解図である。
【図３】ケースの側面部において薄い側の厚みを不均一にした図１に示す超音波センサとその厚みを均一にした図１０に示す超音波センサとにおけるケースの側面部の位置（高さ）に対する変位量のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】図１に示す超音波センサの残響波形を示すグラフである。
【図５】ケースの側面部において開口部が長く形成される方向における一方側部分の厚みより開口部が短く形成される方向における他方側部分の厚みを厚く形成した超音波センサの振動状態を示すシミュレーションの図である。
【図６】ケースの側面部において開口部が長く形成される方向における一方側部分の厚みと開口部が短く形成される方向における他方側部分の厚みとを同じ寸法に形成した超音波センサの振動状態を示すシミュレーションの図である。
【図７】ケースの側面部において開口部が長く形成される方向における一方側部分の厚みより開口部が短く形成される方向における他方側部分の厚みを薄く形成した超音波センサの振動状態を示すシミュレーションの図である。
【図８】この発明にかかる超音波センサの他の例を示す正面図解図である。
【図９】図８に示す超音波センサの側面図解図である。
【図１０】従来の超音波センサの一例を示す正面図解図である。
【図１１】図１０に示す超音波センサの側面図解図である。
【図１２】図１０に示す超音波センサの残響波形を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１６】
１０  超音波センサ
１２  ケース
１４  底面部
１４ａ  端側部分
１６  側面部
１６ａ  一方側部分
１６ｂ  他方側部分
１８  開口部
２０  圧電素子
２２  ケーブル
２２ａ，２２ｂ  信号線
２４  コンデンサ
２６  吸音材
２８  絶縁性樹脂
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、この発明にかかる超音波センサの一例を示す正面図解図であり、図２は、その超音波センサの側面図解図である。この超音波センサ１０は、たとえばアルミニウムなどの金属で形成された有底略４角筒状のケース１２を含む。このケース１２は、略４角板状の底面部１４と略４角筒状の側面部１６とで構成される。ケース１２の内部の開口部１８は、たとえば断面略長円形状に形成される。【００１８】
すなわち、このケース１２では、底面部１４の外形が、正方形の４隅を丸くした略４角形状に形成されるとともに、側面部１６の外形も、底面部１４の外形に対応した略４角形状に形成される。【００１９】
また、このケース１２では、側面部１６において厚みの一番薄い部分の厚みＴ１が、底面部１４の厚みＴ２より厚く形成される。すなわち、このケース１２では、側面部１６の厚みが底面部１４の厚みより厚く形成される。【００２０】
さらに、このケース１２では、側面部１６において対向する一方側部分１６ａ，１６ａの厚みが、側面部１６において対向する他方側部分１６ｂ，１６ｂの厚みＴ３より薄く形成される。そのため、ケース１２の側面部１６において、対向する一方側部分１６ａ，１６ａに厚みの一番薄い部分が存在する。【００２１】
また、このケース１２では、側面部１６において、厚みの薄い一方側部分１６ａ，１６ａの内周面が断面円弧状に凹むように形成されるとともに、これらの一方側部分１６ａ，１６ａの外周面が平面状に形成される。それによって、それらの一方側部分１６ａ，１６ａの厚みは、均一ではなく、中央から両側の他方側部分１６ｂ，１６ｂに接近するに従って徐々に厚くなるように形成され、すなわちケース１２の底面部１４の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成される。【００２２】
さらに、このケース１２では、側面部１６において、厚みの厚い他方側部分１６ｂ，１６ｂの内周面および外周面がそれぞれ平面状に形成され、それによって、これらの他方側部分１６ｂ，１６ｂの厚みＴ３は均一に形成される。【００２３】
また、このケース１２では、開口部１８は、側面部１６の一方側部分１６ａの厚み方向において長く形成され、その方向と直交する側面部１６の他方側部分１６ｂの厚み方向において短く形成される。【００２４】
このケース１２の内部において、底面部１４の内面には、圧電素子２０が取り付けられる。圧電素子２０は、たとえば円板状の圧電体基板の両主面に電極を形成したものである。そして、圧電素子２０の一方主面側の電極が、導電性接着剤などによって底面部１４に接着される。【００２５】
また、ケーブル２２の一方の信号線２２ａの中間部が温度補償用のコンデンサ２４の一方の電極に半田付けされるとともに、その信号線２２ａの先端部がケース１２の側面部１６の内面に半田付けされる。さらに、ケーブル２２の他方の信号線２２ｂの中間部がコンデンサ２４の他方の電極に半田付けされるとともに、その信号線２２ｂの先端部が圧電素子２０の他方主面側の電極に半田付けされる。それによって、ケーブル２２の信号線２２ａ，２２ｂ間には、圧電素子２０と温度補償用のコンデンサ２４とが並列に接続される。【００２６】
また、圧電素子２０の他方主面上には、たとえばフェルトからなる吸音材２６が配置される。さらに、ケース１２内部には、たとえばシリコンゴムやウレタンゴムなどからなる絶縁性樹脂２８が充填される。この絶縁性樹脂２８によって、圧電素子２０および吸音材２６が密閉状態に封止されるとともに、ケーブル２２の信号線２２ａ，２２ｂや温度補償用のコンデンサ２４が絶縁される。【００２７】
この超音波センサ１０では、ケーブル２２の信号線２２ａ，２２ｂに駆動電圧を印加することにより、圧電素子２０が励振される。圧電素子２０の振動により、ケース１２の底面部１４も振動し、底面部１４に直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１０から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１０に到達すると、圧電素子２０が振動して電気信号に変換されて、ケーブル２２の信号線２２ａ，２２ｂから電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１０から被検出物までの距離を測定することができる。【００２８】
また、この超音波センサ１０では、ケース１２の開口部１８が、ケース１２の側面部１６の一方側部分１６ａの厚み方向において長く形成され、その方向と直交する側面部１６の他方側部分１６ｂの厚み方向において短く形成されているので、一方側部分１６ａの厚み方向において狭く他方側部分１６ｂの厚み方向において広い指向性を有する。そのため、この超音波センサ１０は、たとえば自動車のバックソナーなどとして用いられる場合、ケース１２の側面部１６において一方側部分１６ａの厚み方向が垂直方向となり他方側部分１６ｂの厚み方向が水平方向となるように配置される。【００２９】
この超音波センサ１０では、ケース１２の側面部１６の振動を抑えて残響を小さくするために、ケース１２の側面部１６の厚みがケース１２の底面部１４の厚みより厚く形成されている。この場合、この超音波センサ１０では、ケース１２の側面部１６において厚みの薄い一方側部分１６ａ，１６ａの厚みが均一ではなく傾斜的に変化するように形成されているので、ケース１２の側面部１６の振動が抑えられ、残響が低減され、残響特性が改善される。【００３０】
図３は、このようにケースの側面部において薄い側の厚みを不均一にした図１に示す超音波センサ１０とその厚みを均一にした図１０に示す超音波センサ１とにおけるケースの側面部の位置（高さ）に対する変位量のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図３は、アルミニウムからなる高さ１０ｍｍのケース、フェルトからなる吸音材およびシリコンゴムからなる絶縁性樹脂を用いた超音波センサ１０，１についてのグラフである。【００３１】
図３のグラフから明らかなように、その厚みを不均一にした図１に示す超音波センサ１０では、ケース１２の側面部１６全体にわたって変位量が非常に小さい。それに対して、その厚みを均一にした図１０に示す超音波センサ１では、ケース２の側面部において圧電素子３とは反対側の部分での変位量が非常に大きい。【００３２】
また、図４は、図３のグラフに変位量の結果を示した図１の超音波センサ１０の残響波形を示すグラフであり、図１２は、図３のグラフに変位量の結果を示した図１０の超音波センサ１の残響波形を示すグラフである。【００３３】
図４のグラフおよび図１２のグラフから、図１に示す超音波センサ１０では、図１０に示す超音波センサ１と比べて、残響の振幅が短時間で小さくなることがわかる。【００３４】
また、この超音波センサ１０では、上述の結果から、ケース１２の側面部１６の一番薄い部分の厚みＴ１を任意の厚みに設定することができるため、必要な指向性を得ることが容易である。【００３５】
さらに、この超音波センサ１０では、ケース１２の側面部１６において厚みの薄い一方側部分１６ａがケース１２の開口部１８の長手方向における両側にあり、ケース１２の側面部１６において厚みの厚い他方側部分１６ｂがケース１２の開口部１８の短手方向における両側にあることによって、指向性をより絞り、残響をより防ぐことができる。【００３６】
さらに、この超音波センサ１０では、圧電素子２０に温度補償用のコンデンサ２４が並列に接続されているので、温度追随性が良好となり、温度ドリフトを低減することができる。【００３７】
また、ケース１２の開口部１８の長手方向の最大長さを１２ｍｍとし、短手方向の長さを６ｍｍとし、それぞれ対向する側面部１６の厚みを変更した際の振動状態のシミュレーションを行った。図５は、ケース１２の側面部１６において開口部１８が長く形成される方向における一方側部分１６ａの厚み（その最小の厚みはたとえば０．５ｍｍである）より開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みをたとえば４ｍｍに厚く形成した超音波センサ１０の振動状態を示すシミュレーションの図である。また、図６は、ケース１２の側面部１６において開口部１８が長く形成される方向における一方側部分１６ａの最小の厚みと開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みとを同じ寸法たとえば０．５ｍｍに形成した超音波センサ１０の振動状態を示すシミュレーションの図である。さらに、図７は、ケース１２の側面部１６において開口部１８が長く形成される方向における一方側部分１６ａの最小の厚みたとえば０．５ｍｍより開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みをたとえば０．２５ｍｍに薄く形成した超音波センサ１０の振動状態を示すシミュレーションの図である。なお、図５、図６および図７において、ケース１２が振動によって最も変形している状態を実線で示し、ケース１２が変形していない状態を２点鎖線で示す。【００３８】
図５に示すように、ケース１２の側面部１６において開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みを一方側部分１６ａの厚みより厚く形成すると、ケース１２の端部において振動がほとんどみられないのに対して、図６および図７に示すように、ケース１２の側面部１６において開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みを一方側部分１６ａの厚み以下の厚みに形成すると、ケース１２の端部において振動が大きくなり、その振動により残響が大きくなることがわかる。
また、図５、図６および図７に示す各超音波センサ１０のケース１２の底面部１４の変位量およびケース１２の側面部１６の開口部付近の変位量をシミュレーションで測定し、ケース１２の底面部１４の変位量に対するケース１２の側面部１６の開口部付近の変位量を相対的に比較した。なお、ここでの変位量は、ケース１２の底面部１４に対して垂直方向への変位と平行方向への変位とのそれぞれの変位量を合成したものを示す。その結果、図５に示す超音波センサ１０では、ケース１２の底面部１４に対する側面部１６の開口部付近の変位量は０．０６７と小さく、ケース１２の側面部１６の振動はケース１２の底面部１４の振動に対し無視できる程度の振動しか生じていないことがわかった。これに対して、図６に示す超音波センサ１０ではケース１２の底面部１４に対する側面部１６の開口部付近の変位量は０．８と大きく、また、図７に示す超音波センサ１０でもケース１２の底面部１４に対する側面部１６の開口部付近の変位量は１．０と大きく、それぞれ、ケース１２の側面部１６の振動はケース１２の側面部１４と同程度の振動を生じていることがわかった。これより、開口部１８が長く形成される方向における一方側部分１６ａの厚みが、開口部１８が短く形成される方向における他方側部分１６ｂの厚みよりも薄い構造にすることによって、ケース１２の側面部１６の振動が抑制でき、残響が低減できることがわかる。【００３９】
図８は、この発明にかかる超音波センサの他の例を示す正面図解図であり、図９は、その超音波センサの側面図解図である。図８に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、ケース１２の側面部１６において、他方側部分１６ｂ，１６ｂの内周面の中間部分が断面円弧状に凹むように形成されている。それによって、ケース１２の側面部１６において、他方側部分１６ｂ，１６ｂの中間部分の厚みも中央から両側の一方側部分１６ａ，１６ａに接近するに従って徐々に厚くなるように形成され、すなわち、ケース１２の底面部１４の主面に平行する方向において傾斜的に変化するように形成されている。【００４０】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、ケース１２の底面部１４において、圧電素子２０が設けられる中央部分とケース１２の側面部１６の厚みの薄い一方側部分１６ａ，１６ａとの間における略楕円形板状の端側部分１４ａ，１４ａの厚みが、ケース１２の底面部１４の中央部分の厚みＴ２より薄く形成されている。【００４１】
なお、図８に示す超音波センサ１０では、コンデンサが設けられておらず、信号線２２ａ，２２ｂにはコンデンサが接続されていない。【００４２】
このように図８に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、ケース１２の側面部１６において厚みの厚い他方側部分１６ｂ，１６ｂの厚みも均一ではなく傾斜的に変化するように形成されているので、ケース１２の側面部１６の振動がさらに抑えられ、残響がさらに低減される。【００４３】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、ケース１２の底面部１４において、ケース１２の側面部１６の厚みの薄い一方側部分１６ａ，１６ａ側の部分である端側部分１４ａ，１４ａの厚みが薄く形成されているので、指向性や残響特性などの特性を改善することが可能である。【００４４】
なお、上述の各超音波センサ１０では、各部が特定の大きさ、形状、配置、材料および数で規定されているが、この発明では、それらは任意に変更されてもよく、このように変更することによって、指向性や残響特性などの特性がさらに改善されてもよい。【００４５】
また、上述の各超音波センサ１０では、外部との電気的な接続のために信号線２２ａ，２２ｂが用いられるが、外部との電気的な接続のためにはピン端子が用いられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この発明にかかる超音波センサは、たとえば、自動車のバックソナーなどに利用される。
【図１】
2007091609.tif 000003
【図２】
2007091609.tif 000004
【図３】
2007091609.tif 000005
【図４】
2007091609.tif 000006
【図５】
2007091609.tif 000007
【図６】
2007091609.tif 000008
【図７】
2007091609.tif 000009
【図８】
2007091609.tif 000010
【図９】
2007091609.tif 000011
【図１０】
2007091609.tif 000012
【図１１】
2007091609.tif 000013
【図１２】
2007091609.tif 000014
【国際調査報告】
2007091609.tif 000015
2007091609.tif 000016