JPH0836048A - トランスデューサ組立体、近接センサ及び位置検出装置 - Google Patents

トランスデューサ組立体、近接センサ及び位置検出装置

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JPH0836048A
JPH0836048A JP6247267A JP24726794A JPH0836048A JP H0836048 A JPH0836048 A JP H0836048A JP 6247267 A JP6247267 A JP 6247267A JP 24726794 A JP24726794 A JP 24726794A JP H0836048 A JPH0836048 A JP H0836048A
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transducer
piezoelectric film
film
proximity sensor
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Minoru Toda
トダ ミノル
Kyung T Park
テー パーク キュン
Albert Casciotti
カッショッティ アルバート
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Whitaker LLC
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】簡単且つ高信頼性で、トラック等の車両用に好
適な超音波を使用するトランスデューサ組立体、近接セ
ンサ及び位置検出装置を提供する。 【構成】ポリマ圧電フィルム１６の両面にセグメント状
電極１８を配設して弧状面２４，２６に被着支持し、圧
電フィルムから超音波を放射するトランスデューサ組立
体を得る。斯るトランスデューサ組立体を複数使用して
近接センサ及び位置検出が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トランスジューサ、特
に超音波トランスデューサ組立体を使用する、超音波近
接センサ及び位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近接センサは多くの用途がある。例え
ば、乗物に取り付けられた近接センサにより、乗物の経
路にある障害の存在を得ることができる。したがって、
積荷ドックに向かってバックしているトラックの後部に
取り付けられている近接センサにより、積荷ドックまで
の残り距離をトラック運転者に警告することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、かか
る用途に適用可能な近接センサを提供することにある。
【０００４】放射及び反射された超音波を利用する近接
センサは、かかる用途への適用に好適な形態である。障
害物検知応用で望ましいビームパターンは、直線的で幅
広且つ薄いビームである。
【０００５】したがって、本発明の他の目的は、このよ
うな望ましいビームパターンをもつ超音波を発生するた
めのトランスデューサ組立体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ため、本発明による近接センサ用トランスデューサ組立
体は、細長い圧電フィルムと、該圧電フィルムの両面に
配設され、前記圧電フィルムの厚さ方向に電界を加えて
超音波を放射させる電極と、該電極が配置された前記圧
電フィルムを一連の波状表面に被着固定する支持手段と
を具えて構成される。
【０００７】本発明による近接センサは、各々両面に複
数のセグメントを有する電極が配設された細長い圧電フ
ィルムを一連の弧状表面に支持した３個のトランスデュ
ーサと、該３個のトランスデューサを中心位置及び該中
心位置の両側に配置し、前記トランスデューサから放射
される超音波が相互に交差するよう取付ける取付手段
と、前記トランスデューサから離れた位置にある物体か
ら前記トランスデューサに向けて反射される前記超音波
を検知して電気信号を発生する検知手段とを具えて構成
される。
【０００８】本発明による位置検出装置は、両面に複数
のセグメントを有する電極が配設された細長い圧電フィ
ルムを一連の弧状表面に支持して形成されたトランスデ
ューサ組立体と、該トランスデューサ組立体の前記電極
に順次電気信号を印加して一連の超音波放射を生じさせ
る手段と、前記トランスデューサ組立体から離れた位置
の物体から前記トランスデューサ組立体に反射される前
記超音波の大きさを検出する手段とを具え、前記トラン
スデューサ組立体の前記各セグメントからの電気信号に
より前記物体の位置を二次元的に決定するように構成さ
れる。
【０００９】
【作用】上記及び更なる目的は、細長いポリマ圧電フィ
ルムを有する近接センサ用のトランスデューサ組立体を
与える本発明の原理により得ることができる。この組立
体は、また、一連の細長い弧状セグメントとしてフィル
ムを支持する手段を含んでいる。弧状セグメントのすべ
ては同一方向に曲げられ、同じ曲率をもつ。更に、各弧
状セグメント内でフィルムの厚さ部に変動電界を印加し
て、フィルムから放射される超音波を生じせしめる手段
を有する。本発明の一態様によれば、フィルム保持手段
は、すべてが同一方向に曲げられ、同じ曲率をもつ一連
の細長い弧状セグメントとして形成された支持表面をも
つ剛性後部部材と、後部部材とカバー部材間にフィルム
を配置せしめる剛性カバー部材とを含んでいる。カバー
部材は、後部部材支持表面と相補形状の内面をもつキャ
ビティを有する。フィルム支持部材は、また、後部部材
にカバー部材を固定し、フィルムを後部部材支持表面と
カバー部材キャビティ内面間に緊密に把持せしめる手段
を有する。
【００１０】本発明の他の態様によれば、カバー部材に
は、キャビティと開放連通し、それぞれがフィルムの弧
状セグメントのそれぞれの一つと対応している一連の離
隔開口部が形成されている。トランスデューサ組立体
は、更に、カバー部材の開口部と対応する領域の後部部
材に対して離隔してフィルムを維持する手段を有する。
【００１１】本発明の更に他の態様によれば、後部部材
支持表面は、一対の離隔された比較的狭い支持表面とし
て形成され、スペース維持手段は、カバー部材から離れ
る方向に狭い支持面対と離隔されて略平行な狭い支持表
面対間に後部部材の表面領域を有する。
【００１２】本発明の他の態様によれば、電界印加手段
は、フィルムの両側上の導体エリアとして形成された電
極パターンを含み、フィルムの各側上の導体エリアは隔
離され、それぞれはフィルムの厚さ部を直接に横切るフ
ィルムの他側上の対応する導体エリアと関連付けられ、
一連の離隔対向する電極対を形成している。
【００１３】近接センサ用のトランスデューサ組立体
が、細長いポリマ圧電フィルムとともに開示されてい
る。一連の細長い弧状セグメントとしてフィルムを支持
する手段が設けられている。すべての弧状セグメント
は、予め定められた同じ曲率径をもち、同一方向に曲げ
られている。各弧状セグメント内でフィルムの厚さ部を
横切る変動電界を印加してフィルムから超音波を放射さ
せる手段が設けられている。
【００１４】
【実施例】以下、図面を参照して本発明によるトランス
ジューサ組立体、近接センサ及び位置検出装置を詳細に
説明する。
【００１５】ポリマ圧電フィルムは、広帯域フレキシブ
ル超音波トランスデューサを用いることができる材料と
して知られている。障害物を検出するための所望のビー
ム形状は、直線的で幅広且つ薄いビームである。超音波
源を長くすることにより、発生されるビームは直線状に
なる。図１は本発明によるトランスジューサを示す。図
示の如く、ポリマ圧電フィルム１０は、細長く、一連の
弧状セグメントとして支持されている。すべての弧状セ
グメントは、予め定められた曲率径をもち、同一方向に
曲げられている。フィルム１０は、適切な形状の支持部
材１２上に支持され、スペース１４をフィルム１０の各
弧状セグメントと支持部材１２間に維持している。適切
な周波数の変動電界が圧電フィルム１０の厚さを横切っ
て印加されると、フィルム１０はその周波数で振動し、
そこから放射される超音波が生ずる。スペース１４は、
支持部材１２による干渉がない状態で、上記振動を可能
とする。
【００１６】ポリマ圧電材料、特にポリビニルデン、フ
ルオライド（ＰＶＤＦやＰＶＦ２）は、伸長及びポーリ
ング後であってもフレキシブルフィルムへの形成が可能
であることは知られている。このフィルム１０は、２つ
の領域１３を圧着した状態で、曲面形状に保持されてい
るとき、フィルム厚さ部を横切るＡＣ電圧の印加により
圧着ポイント間の領域が面（半径を減少または増大）に
垂直な方向に振動する。
【００１７】この振動は、分子連鎖方向（矢印１５で示
す）に沿う長さの伸縮により生じる。この方向は、フィ
ルム１０の弧の切線方向に平行に選択される。この原理
は、１９７５年発行のジェイ・オーディオ・イーエヌジ
ー・ソサイエテイ、ボリューム２３、第２１〜第２６頁
の”圧電ハイポリマを用いた電気音響トランスデュー
サ”としてエム・タムラ他により説明されている。駆動
信号周波数が変化すると、前後振動は共振周波数ｆｏで
最大となる。この共振は、フィルムの質量とその弾性に
より生ずる。共振周波数は次式で与えられる。 ｆo＝（１／２πＲ）×√Ｙ／Ｐ ここで、Ｒは弧状セグメントの半径を、Ｙはヤング係数
を、Ｐは圧電フィルム１０の密度を示す。例えば、Ｒが
５mmのとき、動作周波数的ｆoは４５ｋＨｚとなる。
【００１８】放射された超音波のビーム角度は、図３
（Ａ）と（Ｂ）に示すように、トランスデューサの寸法
により決定される。長さがＬ、幅がＷのトランスデュー
サでは、水平ビーム角度φhが次式で与えられる。 φh＝２ａｒｃｓｉｎ（１．８９５Ｖs／（πｆoＬ）） また、垂直ビーム角度φvは、次式で与えられる。 φv＝２ａｒｃｓｉｎ（１．８９５Ｖs／（πｆoＷ）） ここで、Ｖｓは空気中の音速である。例えば、 φh＝０° Ｌ＝２１３cmの場合 φh＝２．５° Ｌ＝２０cmの場合 φv＝５° Ｗ＝１０cmの場合
【００１９】図４は、図１に示す型のトランスデューサ
組立体の実用構成を示す。図４に示す如く、細長い圧電
フィルム１６には、その表面上に電極１８のパターンが
設けられている。電極１８は、フィルム１６の両側に形
成された導体エリア、好ましくは、シルバーインクであ
る。フィルム１６の各側上の電極１８は、離隔され、略
矩形であり、それぞれは、フィルム１６の厚さを直接横
切り、フィルム１６の両側上の対応導体エリアをもち、
一連の離隔対向電極対を形成している。フィルム１６の
各側上のすべての電極１８は、シルバーインクパターン
により互いに接続され、フィルムの一端でワイヤ２０に
接続されている。ワイヤ２０に供給される適切な周波数
（例えば４５ｋＨｚ）の変動電気信号により圧電フィル
ム１６が振動し、超音波を生成する。
【００２０】後部部材２２は、一連の弧状セグメントと
してフィルム１６を支持するために設けられている。こ
うして、後部部材２２は、第１の支持表面２４と第２の
支持表面２６を含んでいる。支持表面２４，２６は、一
対の後部部材の隔離された幅狭面を有する。これらの各
々は、同一曲率径をもち、同一方向に曲げられている一
連の弧状セグメントとして形成されている。各セグメン
トの曲率半径は、前述したように、トランスデューサ組
立体の所望の動作周波数用に選択されている。フィルム
１６と後部部材２２間を適切な間隔を維持してフィルム
１６を振動させるため、後部部材２２には、支持表面２
４，２６対の間に他の表面領域２８が形成されている。
表面領域２８は、支持表面２４，２６と略平行である
が、表面２４，２６の下方に配設されている。
【００２１】後部部材２２に抗してフィルム１６を保持
し、フィルム１６を所望弧状形状に維持するために、カ
バー部材３０が設けられている。カバー部材３０は、支
持表面２４，２６に相補形状の内面をもつキャビティ３
２を有する。キャビティ３２の内面は、支持表面２４，
２６に相補な部分間で連続であり、その結果、カバー部
材３０が後部部材２２に取り付けられるとき、キャビテ
ィ３２の内面と後部部材２２の置換表面領域２８間にス
ペースがある。
【００２２】カバー部材３０には、内側キャビティ３２
と開放連通する一連の離隔開口部３４が形成されてい
る。開口部３４の各々は、後部部材２２の弧状セグメン
トのそれぞれの一つと対応しており、フィルム１６が振
動して発生された音波は、カバー部材３０からエスケー
プできる。
【００２３】図４に示す組立体は、フィルム１６とカバ
ー部材３０間にフレキシブルガスケット３６を含み、組
立体の他部を素子からシールし、保護する機能を為す。
【００２４】後部部材２２を適切に位置合わせするた
め、フィルム１６、ガスケット３６及びカバー部材３
０、各後部部材２２、フィルム１６及びガスケット３６
には、複数の適切に位置付けられた整合穴３８，４０及
び４２がそれぞれ形成され、カバー部材３０は、内側キ
ャビティ３２内の複数の対応するピン４４とともに成形
される。組み立ての最中、ピン４４は、位置合わせされ
た穴３８，４０及び４２を通して延びている。複数のネ
ジ４６は、カバー部材３０に後部部材２２を、その間に
フィルム１６とガスケット３６がある状態で固定し、ネ
ジ４８は、後部板５０を後部部材２２とカバー部材３０
に、最終組立体の一部として固定される。ワイヤ２０の
ストレイン解放は、ネジ５４により後部部材２２に固定
されているストレイン解放エレメント５２により与えら
れ、ガスケット５６は、ワイヤ２０が延出する後部板５
０内の開口部５８をシーウするために設けられる。
【００２５】図５は、乗物（トラック６２）の後部への
細長いトランスデューサ組立体６０の取付状態を示す。
図示の如く、組立体６０は、図４に示す組立体の細長型
である。
【００２６】図６（Ａ）と（Ｂ）は、ビームパターンを
示すトランスデューサ組立体６０（図５）の上面図と側
面図である。トランスデューサ組立体６０の長さが略２
１３cmであり、図６（Ａ）の上面図は直線状のビームパ
ターンを示し、図６（Ｂ）の側面図は、組立体６０用に
略１０cmの高さに対して、垂直ビームの広がりは５°で
あることを示している。システム効率を最大化するため
に、組立体６０を構成する圧電フィルムのすべての弧状
セグメントは、伝送モードのときアクティブであり、１
つまたは２つの弧状セグメントだけが受信モードのとき
アクティブである。
【００２７】図７は、３個の別々のトランスデューサ組
立体６４，６６及び６８を利用する近接センサの一実施
例の上面図である。各組立体は、図４に示すように、構
成されている。但し、中央トランスデューサ組立体６６
は、直線ではなく曲げられている。こうして、図７に示
すように、組立体６４，６６及び６８は、単一水平面に
ある主軸で取り付けられている。フランキングトランス
デューサ組立体６４と６８は、、中央トランスデューサ
組立体６６から等間隔で離隔されており、各々が中央ト
ランスデューサ組立体６６に向かって反対方向に角度付
けられている。組立体６４，６６及び６８は、比較的短
いので、これらは広がりのあるビームをもっている。し
かしながら、図７に示す如く、フランキング組立体６４
と６８に対して適切な取付角度を利用することにより、
ビームの重なりで生成される全体ビームは比較的直線で
あると考えられる。更に、注意すべきは、トランスデュ
ーサ組立体６４，６６及び６８の対の間に２つのブライ
ンド領域があるが、これらのブラインド領域は、フラン
キング組立体６４と６８に対して、適切に取付角度を設
定することにより最小化できる。トランスデューサ組立
体６４，６８の各々は、送信機と受信機として動作す
る。
【００２８】図８は、他の実施例の上面図である。本実
施例では、単一弧状セグメントトランスデューサ組立体
７０が受信機と、一対の送信トランスデューサ組立体７
２と７４として利用されており、各々は、略９０°のビ
ームパターンを生成し、トランスデューサ組立体７０の
どちらかの側の上に等間隔で離隔されている。図８に示
す構成では、検出領域は制限されており、トランスデュ
ーサ組立体７２と７４間の間隔と略同じであるが、測定
精度は非常に高い。
【００２９】図９は、障害物７６と図８の近接センサ間
の距離が、トランスミッタ７２，７４から受信機７０に
達するまでの測定時間からどのように計算されるかを示
す。すなわち、超音波が組立体７２から送信され、障害
物７６から反射され、受信機６０により受信されたと
き、フライトＫ1の測定時間は、 Ｋ1＝（Ｘ＋Ｚ）／Ｖs 更に、トランスミッタ７４からのフライトＫ2の時間
は、 Ｋ2＝（Ｙ＋Ｚ）／Ｖs ; ここで、Ｖsは空気中の音速である。Ｘ，Ｙ及びＺは、
次の方程式を解くことにより得られる。 Ａ2＝Ｘ2＋Ｚ2−２ＸＺ cosθ1 Ａ2＝Ｙ2＋Ｚ2−２ＹＺ cosθ2 （２Ａ）2＝Ｘ2＋Ｙ2−２ＸＹ cos（θ1＋θ2） ここで、Ａは各トランスミッタ７２，７４と受信機７０
の間の既知の間隔である。距離Ｈは、既知の三角法や幾
何関係を用いて、Ｘ，Ｙ及びＺから計算することができ
る。
【００３０】図１０は本発明の応用例を示す。本例で
は、前述のトランスデューサ組立体７８が超音波パルス
の伝送と受信間の時間を測定する回路８０に接続されて
いる。この測定は、障害物までの距離を求め、運転者に
音声情報を与える音声合成器８４に与える距離計算器８
２に供給される。また、図１１に示すように、測定回路
８０と計算回路８２は、送信機８６と受信機８８から成
るワイヤレス送信機を介して接続することもできる。こ
れは、乗物の前部と後部間にワイヤを配設するよりも便
利なときに用いられる。
【００３１】前述のトランスデューサ組立体内の圧電フ
ィルムを用いた利点は、自己診断機能が設計できること
である。したがって、図１２に示すように、トランスデ
ューサ組立体９０は、送信エレメント９２と受信エレメ
ント９４から構成される。パルスがリード９６を介して
送信エレメント９２に供給されると、発生した音波は、
空気中を通り、受信エレメント９４に直接供給される。
図１３は、受信機エレメント９４のリード９８上の入力
パルスと出力を示し、障害物からの反射信号に応答する
パルス１０２に続き、空気中を通る直接供給に応答する
パルス１００を含んでいる。第１のパルス１００は、シ
ステムが動作していることを示す診断目的のために用い
られているが、第２のパルス１０２だけが考慮されてい
るとき、測定距離に対して無視される。
【００３２】図１４は、障害物１０４の２次元位置座標
の求め方を示す。こうして、図１４に示す如く、トラン
スデューサ組立体１０６は複数の個別送信機エレメント
から構成される。各エレメントは、逐次駆動され、各受
信機エレメントへの音波のフライト時間を計算すること
により、障害物１０４の位置座標が２次元的に求めるこ
とができる。
【００３３】以上、トランスデューサ組立体内の圧電フ
ィルムを利用する改良超音波近接センサを説明したが、
上述の説明は、本発明の好適実施例に関するものであ
り、本発明は何ら斯る実施例のみに限定されるべきでな
く、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が
可能である。
【００３４】
【発明の効果】前述したように、ポリマ圧電フィルム構
造を用いた本発明のトランスデューサ組立体、近接セン
サ及び位置検出装置によれば、乗物への併用や他の適切
な応用の際、改良された検知能力を得ることができる。
また、これらは、製造が容易であり、コスト的にも有利
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により構成され、ポリマ圧電フィルムを
利用して直線超音波ビームを発生する超音波発生トラン
スデューサを示す斜視図である。
【図２】トランスデューサ組立体の動作周波数決定を説
明するために有益なポリマ圧電フィルムの側面図であ
る。
【図３】水平及び垂直ビーム拡大角度を示す本発明にお
けるトランスデューサを示す図である。
【図４】本発明における実用トランスデューサ組立体の
分解斜視図である。
【図５】図４に示す組立体用の取付体を示す図である。
【図６】送受用の単一トランスデューサ組立体を用いた
近接センサの第１の実施例を示す図である。
【図７】本発明による近接センサの第２の実施例を示す
上面図である。
【図８】本発明による近接センサの第３の実施例を示す
上面図である。
【図９】図８のセンサと障害物間距離の計算方法を説明
するための図である。
【図１０】本発明における距離決定の第１の実施例のブ
ロック図である。
【図１１】本発明における距離決定の第２の実施例のブ
ロック図である。
【図１２】本発明によるセンサの自己診断能力を有する
トランスデューサ組立体を示す図である。
【図１３】本発明によるセンサの自己診断能力を示すの
に有効な波形図である。
【図１４】本発明における障害物の２次元位置の決定方
法を示す図である。
【符号の説明】
１６ ポリマ圧電フィルム １８ セグメント電極 ２４，２６ 弧状面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルバート カッショッティ 米国 ペンシルバニア州 17033 ハーシ ー ビーチアベニュー 1037

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】細長い圧電フィルムと、 該圧電フィルムの両面に配設され、前記圧電フィルムの
    厚さ方向に電界を加えて超音波を放射させる電極と、 該電極が配置された前記圧電フィルムを一連の弧状表面
    に被着固定する支持手段と、を具えることを特徴とする
    近接センサ用トランスデューサ組立体。
  2. 【請求項２】各々両面に複数のセグメントを有する電極
    が配設された細長い圧電フィルムを一連の弧状表面に支
    持した３個のトランスデューサと、 該３個のトランスデューサを中心位置及び該中心位置の
    両側に配置し、前記トランスデューサから放射される超
    音波が相互に交差するよう取付ける取付手段と、 前記トランスデューサから離れた位置にある物体から前
    記トランスデューサに向けて反射される前記超音波を検
    知して電気信号を発生する検知手段とを具えることを特
    徴とする近接センサ。
  3. 【請求項３】両面に複数のセグメントを有する電極が配
    設された細長い圧電フィルムを一連の弧状表面に支持し
    て形成されたトランスデューサ組立体と、 該トランスデューサ組立体の前記電極に順次電気信号を
    印加して一連の超音波放射を生じさせる手段と、 前記トランスデューサ組立体から離れた位置の物体から
    前記トランスデューサ組立体に反射される前記超音波の
    大きさを検出する手段とを具え、 前記トランスデューサ組立体の前記各セグメントからの
    電気信号により前記物体の位置を二次元的に決定するこ
    とを特徴とする位置検出装置。
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