特開 2024-161927 超音波送受信器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024161927

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】超音波送受信器

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20241114BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330G

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023076984

(22)【出願日】2023-05-09

(71)【出願人】

【識別番号】000229081

【氏名又は名称】日本セラミック株式会社

(72)【発明者】

【氏名】津野田 修平

(72)【発明者】

【氏名】坂口 誠

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA02

5D019BB13

5D019EE01

5D019EE04

5D019FF01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】メインローブとは別の、意図しないサイドローブを抑制し、品質が安定した超音波センサを提供する。
【解決手段】圧電素子１、吸音材６、封止剤８及び有底筒状ケース９からなる超音波センサ（超音波送受波器）は、有底筒状ケースの底面の厚肉部３の厚みをＡ、有底筒状ケースの側壁５の厚みをＢ、有底筒状ケースの底面の薄肉部２の厚みをＣで表したとき、Ａ／Ｂの比率が１．３３～４．０の範囲において、Ｃ／Ａの比率を０．１～０．６の範囲で設計することにより、有底筒状ケースの側壁と内底面の接合部の剛性が下がり、サイドローブが抑制される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

有底筒状ケースの内側の底面に圧電素子を接着させたユニモルフ振動子を設け、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超音波送受波器において、前記底面には厚肉部と薄肉部を備え、有底筒状ケースの底面の厚肉部の厚みをＡ、有底筒状ケースの側壁の厚みＢとし有底筒状ケースの底面の薄肉部の厚みをＣで表したとき、
Ａ／Ｂの比率が１．３３～４．０の範囲において、Ｃ／Ａの比率が０．１～０．６の範囲であることを特徴とする超音波送受波器。

【請求項2】

前記薄肉部の全部あるいは一部が前記有底筒状ケースの側壁の内側から法線方向に1mm以内にあることを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。

【請求項3】

前記薄肉部は傾斜していることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波送受波器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子を有底筒状ケースに貼り合わせた空中用の超音波センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

超音波センサを用いた距離計ユニットを車両に取り付けて、車両に物体が接近した際に運転者に衝突の危険を知らせる安全装置が広く使用されている。
特に、車両を後退させる際に後方の物体を距離計ユニットで検出し、運転手に物体の接近を知らせる安全装置がよく利用されている。（例えば特許文献１）

【0003】

具体的には、物体の接近を運転手にブザーで知らせる安全装置や車両の前方に障害物があると車両が発進しないようブレーキが動作させるブレーキ連動式の安全装置が発明されている。

【0004】

ここで使用される超音波センサを用いた距離計ユニットでは、主に防滴型の超音波センサが使用されている。
防滴型の超音波センサは、例えば特許文献２で紹介されている（文献中では防滴型の超音波センサを防滴型超音波送受波器とよんでいる）。
防滴型の超音波センサは有底筒状ケースの底面に、両面に電極が施された圧電素子が接着されており、圧電素子の各電極に電気的に接続された端子は外部に取り出されており、圧電素子の上部にはスポンジ状もしくはフェルト状の吸音材をかぶせてから、シリコーンゴムなどの弾性を有する充填剤で密閉した構造である。
有底筒状ケースの開口側の背面がシリコーンゴムなどの充填剤で完全に覆われることで内部に液体が浸入しない構造になっている。前述の構造のため、超音波センサ内部にて圧電素子の各電極同士が短絡することがないため、液体がかかるような屋外でも使用できる。
また、防滴型の超音波センサは圧電素子が金属のケースで覆われるために、比較的強度が高い構造の超音波センサである。

【0005】

車両に搭載される超音波センサは縦方向を検知する垂直指向性と横方向を検知する水平指向性は異なるのが一般的である。特に縦方向の検知は音波の到達距離が伸びた関係で路面を誤検知しやすくなり、近年狭い垂直指向性が求められるようになってきている。狭い垂直指向性を持つ構造の超音波センサは、例えば特許文献３で紹介されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７－１１２２９７

【特許文献2】特開２０１０－１５４０５９

【特許文献3】特開２００６－３４０２５８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来の超音波センサは垂直指向性を狭くするとメインローブとは別に意図しないサイドローブ２０が構造上発生する。
実際に垂直指向性を狭くする場合、有底筒状ケースの側壁を薄くする必要がある。有底筒状ケースの底面の振動が有底筒状ケースの薄い側壁に伝達する際に、有底筒状ケースの底面と側面の接続部４の剛性が高いと有底筒状ケースの側壁部が逆位相の振動１３を発生させて、サイドローブになる。
サイドローブの発生する条件は有底筒状ケースの底面の厚肉部の厚みをＡ、有底筒状ケースの側壁の厚みＢとし有底筒状ケースの底面の薄肉部の厚みをＣで表したとき、図７の通りである。このサイドローブが原因で本来の検知エリア外である場所が検知されてしまい誤検知するという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

今回の発明では、有底筒状ケースの底面の薄肉部２を図７の条件に従い設けることにより有底筒状ケースの底面と側面の接続部４の剛性を下げて有底筒状ケースの側壁部の逆位相の振動１３の発生を解消させた側壁部の振動１４になり、サイドローブの抑制を可能とより品質が安定した上記の特徴を持つ超音波センサも提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の請求項１に関わる実施形態の超音波センサの断面図

【図2】本発明の請求項２に関わる実施形態の超音波センサの断面図

【図3】本発明の請求項３に関わる実施形態の超音波センサの断面図

【図4】従来型の超音波センサの断面図

【図5】従来型と発明型における超音波センサの有底筒状ケースの側面の振動の様子(シミュレーション)

【図6】従来型と発明型における超音波センサの垂直指向性のサイドローブの様子

【図7】サイドローブが抑制できるA、B、Cの関係を示した図

【発明を実施するための形態】

【本発明の請求項１に関わる実施形態】

【0010】

図１は本発明の請求項１に関わる実施形態の超音波センサの構造図の一例である。超音波センサの構成は、アルミ合金からなる有底筒状ケース９の内底面に、PZT系セラミックと折り返し電極とを構成に含む圧電素子１が接着されており、圧電素子1の上に成形されたスポンジ６が配置され、リード線７が圧電素子上1の各電極とピン端子１０の各端子とが半田付けにより電気的に接続されており、有底筒状ケース９内部の開口側を非多孔質のシリコーン樹脂からなる弾性体８を充填することにより封止されている。
アルミ合金からなる有底筒状ケース９の内底面には、図１の通り内壁に沿うように薄肉部２と厚肉部３が配置される。このとき、有底筒状ケースの底面厚肉部の厚みをＡ、有底筒状ケースの側壁をＢとし有底筒状ケースの底面薄肉部の厚みをＣで表したとき、図７の「サイドローブを抑制できる領域」に入るようにＡ／Ｂの比率が１．３３～４．０、Ｃ／Ａの比率が０．１～０．６の範囲に調整する。

【本発明の請求項２に関わる実施形態】

【0011】

図２は本発明の請求項２に関わる実施形態の超音波センサの構造図の一例である。本発明の請求項２に関わる実施形態においては、有底筒状ケースの底面の薄肉部は必ずしも内壁に沿う必要はなく、図２の通り内壁から法線方向に1mm以内の範囲に有底筒状ケースの底面の薄肉部１１があればよい。

【本発明の請求項３に関わる実施形態】

【0012】

図３は本発明の請求項３に関わる実施形態の超音波センサの構造図の一例である。本発明の請求項３に関わる実施形態においては、有底筒状ケースの底面の薄肉部は必ずしも平坦である必要はなく、図３の１２に示す通り傾斜していてもよい。

【0013】

図５は有底筒状ケースの底面に薄肉部２がない図４に示す構造の従来型と第１の実施形態の超音波センサの超音波センサの振動の様子を示した図である。従来型は有底筒状ケースの側壁部の逆位相の振動１３が大きく、発明型は逆位相の振動１４が小さい様子が確認される。
図６は本発明の請求項１に関わる実施形態の垂直指向性１５とそのサイドローブ１９、有底筒状ケースの底面に薄肉２がない従来型の場合の垂直指向性１６とサイドローブ２０、本発明の請求項２に関わる実施形態の垂直指向性１７とそのサイドローブ２１、
本発明の請求項３に関わる実施形態の垂直指向性１８とそのサイドローブ２２を示したグラフである。
有底筒状ケースの底面に薄肉がない従来型のサイドローブ２０と比較して、本発明の請求項１に関わる実施形態のサイドローブ１９、本発明の請求項２に関わる実施形態のサイドローブ２１、本発明の請求項３に関わる実施形態のサイドローブ２２が小さいことが確認される。そのため本発明に関わる実施の形態においてはサイドローブが少なく誤検知が少ない超音波センサを提供することができる。
図７は本発明に関わる超音波センサと従来型の超音波センサにおいて、有底筒状ケースの底面の厚肉部の厚みをＡ、有底筒状ケースの側壁をＢとし有底筒状ケースの底面薄肉部の厚みをＣで表したときに、「サイドローブが出現する領域」、「サイドローブを抑制できる領域」とＡ、B、Cの関係を示した図ある。この表を用いて、サイドローブが出現しないような有底筒状ケースで超音波センサを設計することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0014】

本発明は、車両向けのバックセンサやコーナーセンサ、自動駐車システムのみならず、超音波センサが利用されている様々な分野に適用できる。

【符号の説明】

【0015】

１ 圧電素子
２ 有底筒状ケースの底面の薄肉部
３ 有底筒状ケースの底面の厚肉部
４ 有底筒状ケースの底面と側面の接続部
５ 有底筒状ケースの側壁
６ 吸音材
７ リード線
８ 封止剤
９ 有底筒状ケース
１０ ピン端子
１１ 有底筒状ケースの底面の薄肉部の全部あるいは一部が前記有底筒状ケースの側壁の内側から法線方向に1mm以内にある場合の有底筒状ケースの底面の薄肉部
１２ 有底筒状ケースの底面の薄肉部が傾斜している場合の薄肉部
１３ 側壁が逆位相で振動
１４ 側壁が通常の位相で振動
１５ 本発明の請求項１の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性
１６ 従来の超音波センサにおける垂直指向性
１７ 本発明の請求項２の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性
１８ 本発明の請求項３の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性
１９ 本発明の請求項１の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性のサイドローブ
２０ 従来の超音波センサにおける垂直指向性のサイドローブ
２１ 本発明の請求項２の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性のサイドローブ
２２ 本発明の請求項３の実施の形態にかかわる超音波センサにおける垂直指向性のサイドローブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】