超音波センサ
【課題】残響音および減衰音の影響を回避して検出対象物の位置および距離の高精度な測定が可能な超音波センサを低コストに提供する。
【解決手段】受信部１０は、台座１１と、同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｄとから構成されている。平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから４５゜の等角度で放射状に配置されている。また、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓの法線ｎが、台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｄの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
【解決手段】受信部１０は、台座１１と、同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｄとから構成されている。平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから４５゜の等角度で放射状に配置されている。また、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓの法線ｎが、台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｄの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波センサに係り、詳しくは、受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、音響測深機や魚群探知機などの垂直ソナー、船舶が目標物の方向および自船からの距離を測定するための水平ソナー、臓器を画像化して診断するための超音波診断装置など、様々な分野に超音波センサが広く利用されている。
【０００３】
また、近年、自動車（車両）に超音波センサを搭載し、その超音波センサから発信した人体に無害な超音波の反射を受信することにより、自動車の周囲にある物体の２次元あるいは３次元の位置測定および距離測定を行い、自動車の周囲を監視して安全走行に役立てる技術の開発がすすめられている。
例えば、自動車の後部に超音波センサを搭載し、自動車の後方に存在する物体（人間や障害物など）を検知する装置（一般に「バックソナー」と呼ばれる）を用い、当該物体との衝突を回避してバックでの駐車を支援する自動駐車支援システムが実用化されている。
【０００４】
このような検出対象物の位置測定および距離測定に使用される超音波センサ（超音波探触子）として、例えば、有機高分子を介して連結された複数の圧電体素子からなる複合圧電体と、この複合圧電体の一方の面上に互いに間隙を保って複数個配列されたアレイ電極とを備え、上記アレイ電極の間隙部にあたる上記複合圧電体の部分には上記有機高分子より音波減衰係数の大きい充填材を充填したものが開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−３４７７９７号公報（第２〜４頁 図１〜図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術を含め、従来の超音波センサにおいて、受信（受音）した超音波を電気信号に変換する受信部は、同一寸法形状の複数個の振動板（特許文献１のアレイ電極）を同一平面上にて１方向に整然と並べて配置する１次元配置、または、同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上にて縦横２方向に整然と並べて配置する２次元配置のいずれかの構造をとる。
そして、外部から入力した電気信号を超音波に変換して発信（発音）する超音波センサの発信部が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部の各振動板で受信する。
【０００６】
そこで、受信部が複数個の振動板（受音板）で受信した超音波のタイミングのずれを検出し、その受信した超音波のタイミングのずれと発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
【０００７】
また、従来の超音波センサの発信部は、通常、１個の振動板（発音板）から検出対象物に対して超音波を発信する。
尚、複数個の振動板から超音波を発信するタイプも提案されているが、そのタイプの発信部は、受信部と同様に、同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造をとる。
そして、発信部が複数個の振動板を備える理由は、超音波の発信出力を増大することにある。
【０００８】
ところで、検出対象物から反射した超音波は周囲の物体に何度も跳ね返って空間に残り、その空間に残った音からなる残響音（反射音）が発生することがある。
また、入力した電気信号の停止と同時に発信部の振動板の振動を停止させることは困難であり、振動板の振動は減衰しながら停止するため、発信部の発信した超音波には減衰音が生じる。
【０００９】
この残響音および減衰音により、前記した超音波のタイミングのずれを正確に検出することが難しくなる。そのため、従来の超音波センサでは、以下の方策をとる必要がある。
（ア）受信部が受信した超音波から残響音および減衰音を取り除くため、受信部の生成した電気信号を処理する複雑な信号処理回路を設ける。
（イ）残響音および減衰音が消えてその影響を回避できるくらいの長周期のパルス波または連続波からなる超音波を発信部から発信させるため、発信部が入力する電気信号を処理する複雑な信号処理回路を設ける。
（ウ）減衰音を速やかに低減するため、発信部に特別な制振構造を設ける。
【００１０】
しかし、複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設けるとなると、超音波センサの製品コストが増大するという問題があった。
また、近年、残響音および減衰音の影響を回避し、検出対象物の位置および距離の測定精度を向上させるために、発信部から発信される超音波の指向性を任意に制御することが要求されている。
【００１１】
本発明は上記問題を解決するため又は上記要求を満足するためになされたものであって、以下の目的を有するものである。
（１）残響音および減衰音の影響を回避して検出対象物の位置および距離の高精度な測定が可能な超音波センサを低コストに提供する。
（２）発信する超音波の指向性を任意に制御可能な超音波センサを低コストに提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する複数個の変換手段を備え、各変換手段が立体的に配置されたことを技術的特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段を３個以上の複数個備え、各変換手段は、超音波を受信するための受信面または超音波を発信するための発信面が、それぞれ等角度で放射状に配置されていることを技術的特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段は、各変換手段の一端部を含む平面に対して前記受信面または前記発信面が４５゜の角度を成すように配置されていることを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段を覆う保護カバーを備えたことを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側は前記各変換手段に密着していることを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側と前記各変換手段との間には空隙が設けられていることを技術的特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段は、圧電式または静電容量式であることを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
（請求項１）
請求項１の発明において、受信した超音波を電気信号に変換する受信素子として各変換手段を機能させ、各変換手段から受信部を構成する場合には、受信部とは別に設けた超音波センサの発信部が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部の各受信素子（変換手段）で受信する。
そして、受信部が各受信素子（変換手段）で受信した超音波の音圧差を検出し、その受信した超音波の音圧差と発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
【００２０】
ところで、縦波は、その進行方向と同一方向に圧力を発生させ、その進行方向と垂直方向には圧力を発生させないという特性がある。
超音波は縦波であるため、変換手段が超音波を受信するための受信面に対する超音波の入射角が０゜の場合に受信面が受ける音圧が最大となり、入射角が９０゜に近づくほど音圧が低下して、入射角が９０゜の場合に音圧がゼロになる。
【００２１】
変換手段は、受信面が受ける音圧が大きいほど、生成する電気信号のレベルが増大する。つまり、変換手段が受信した超音波を変換して生成する電気信号のレベルは、各変換手段の受信面に対する超音波の入射角に依存する。
ここで、変換手段が生成する電気信号のレベルは、変換手段の受信感度に対応し、電気信号のレベルが高いほど受信感度も高くなる。言い換えると、変換手段における超音波の受信感度は、受信面が受ける音圧に対応し、受信面に対する超音波の入射角に依存する。
【００２２】
従って、請求項１の発明において、各変換手段を受信素子として機能させた場合には、各受信素子（変換手段）を立体的に配置することで、各受信素子の受信感度の入射角依存性を利用し、各受信素子で受信した超音波の音圧差に基づいて、検出対象物の位置測定および距離測定を正確に行うことができる。
【００２３】
そして、請求項１の発明では、従来技術（同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造）のように、複数個の振動板で受信した超音波のタイミングのずれに基づいて前記測定を行うのではなく、各受信素子（変換手段）で受信した超音波の音圧差に基づいて前記測定を行うため、残響音および減衰音の影響を回避して測定精度を向上させることができる。
【００２４】
さらに、請求項１の発明によれば、従来技術のように複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設ける必要がないため、超音波センサの製品コストを低下させることができる。
ここで、受信部を構成する各受信素子（変換手段）は、必要な前記測定精度および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その受信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００２５】
また、請求項１の発明において、外部から入力した電気信号を超音波に変換して発信する発信素子として各変換手段を機能させ、各変換手段から発信部を構成する場合には、発信部を構成する発信素子の個数は超音波の発信出力（音響出力）に対応し、その発信素子の個数を増やすほど発信出力を大きくすることができる。
【００２６】
そして、発信部を構成する発信素子（変換手段）の配置状態を適宜設定することにより、超音波の発信方向の指向性を適宜設定することができる。
ここで、発信部を構成する各発信素子（変換手段）は、必要な発信出力および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その発信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００２７】
（請求項２）
請求項２の発明によれば、前記変換手段を３個以上の複数個設け、各変換手段の受信面または発信面を等角度で放射状に配置することにより、請求項１の発明の作用・効果を確実に得ることが可能になる。
【００２８】
（請求項３）
請求項３の発明によれば、各変換手段の一端部を含む平面に対して受信面または発信面が４５゜の角度を成すように配置することにより、請求項２の発明の作用・効果を更に確実に得ることが可能になる。
【００２９】
（請求項４：第２実施形態に該当）
請求項４の発明によれば、各変換手段を覆う保護カバーを設けることにより、各変換手段を周辺環境から保護して超音波センサの耐候性を高めると共に、各変換手段の破損を防止できる。
【００３０】
（請求項５：第２実施形態の第１構造例に該当）
請求項５の発明によれば、保護カバーの裏面側を各変換手段に密着させることにより、保護カバーと各変換手段の間で振動が直接伝達されることから、保護カバーを設けることによる各変換手段の受信感度または発信感度の低下を回避できる。
【００３１】
ここで、保護カバーには、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波の高い伝達性と、各変換手段の振動を阻害しない程度の低い剛性とが要求される。このような要求を満たす材料として、例えば、各種金属（アルミニウム合金など）の薄膜、各種合成樹脂膜、ゴム膜などがある。
【００３２】
（請求項６：第２実施形態の第２構造例に該当）
請求項６の発明によれば、保護カバーの裏面側と各変換手段との間に空隙を設けることにより、超音波センサに外力が加わっても、その外力は保護カバーに印加されるだけで、各変換手段には外力が直接印加されないため、各変換手段の破損を確実に防止できる。
【００３３】
ここで、保護カバーには、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波により振動しやすく、超音波を屈折させずに透過させる性質が要求される。
また、保護カバーと各変換手段との空隙に液体，ゾル，ゲルのいずれかの充填材料を充填した場合には、その充填材料の音響インピーダンスを保護カバーの音響インピーダンスに近づけることにより、保護カバーと各変換手段との間の振動の伝達を確実に行うことが可能になり、各変換手段の受信感度または発信感度の低下を回避できる。
【００３４】
（請求項７）
請求項７の発明によれば、圧電式または静電容量式の超音波センサを得ることができる。
【００３５】
（用語の説明）
尚、上述した［課題を解決するための手段］に記載した構成要素と、後述する［発明を実施するための最良の形態］に記載した構成部材との対応関係は以下のようになっている。
「変換手段」は、受信素子（発信素子）１２ａ〜１２ｆに該当する。
請求項３の「各変換手段の一端部を含む平面」は、台座１１の表面に該当する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部材については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略してある。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における超音波センサの受信部１０の斜視図である。
図２（Ａ）は、受信部１０の平面図である。図２（Ｂ）は、受信部１０の正面図である。
【００３８】
受信部１０は、台座１１と、４個の同一寸法形状で同一構成の受信素子（変換手段）１２ａ〜１２ｄとから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから４５゜の等角度で放射状に配置されている。
【００３９】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ（前記放射状の中心軸）上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓが台座１１の表面（各受信素子１２ａ〜１２ｄの一端部を含む平面）に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｄの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、一直線上に配置された各受信素子１２ａ，１２ｄおよび各受信素子１２ｂ，１２ｃの受信面Ｓが９０゜の等角度を成すように配置されている。
【００４０】
［受信素子の構造］
図３〜図５は、各受信素子１２ａ〜１２ｄの第１〜第３構造例を示す概略縦断面図である。尚、図３〜図５では高さ方向（板厚方向）を誇張して図示してある。
【００４１】
＜第１構造例＞
図３に示す第１構造例において、圧電式の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、複合圧電体２３などから構成されている。
平板矩形状の各電極２１，２２は平行に配置され、各電極２１，２２間には複合圧電体２３が挟設されている。
複合圧電体２３は、複数個の柱状の圧電体素子２４と、有機高分子層２５とから構成されている。
【００４２】
各圧電体素子２４は、その上下端部が各電極２１，２２に接続されている。
有機高分子層２５は、各圧電体素子２４の間隙に充填され、各圧電体素子２４を互いに結合する。つまり、各圧電体素子２４は有機高分子層２５中に埋め込まれている。
尚、各圧電体素子２４は、強誘電体（例えば、ＰＺＴなど）からなる。
また、有機高分子層２５は、例えば、シリコンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などからなる。
【００４３】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、その振動は複合圧電体２３に伝達され、複合圧電体２３が振動すると圧電効果により電気信号が生成され、その電気信号は各電極２１，２２に接続された配線（図示略）を介して出力される。
つまり、第１構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、各電極２１，２２および複合圧電体２３の積層構造から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４４】
＜第２構造例＞
図４に示す第２構造例において、圧電式の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、誘電体層３１などから構成されている。
各電極２１，２２間には、強誘電体（例えば、ＰＺＴなど）からなる誘電体層３１が挟設されている。
【００４５】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、その振動は誘電体層３１に伝達され、誘電体層３１が振動すると圧電効果により電気信号が生成され、その電気信号は各電極２１，２２に接続された配線（図示略）を介して出力される。
つまり、第２構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、各電極２１，２２および誘電体層３１の積層構造から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４６】
＜第３構造例＞
図５に示す第３構造例において、静電容量式（コンデンサ式）の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、保持部材４１などから構成されている。
各電極２１，２２の両端部間には保持部材４１が挟設され、各電極２１，２２は間隙Ｋを設けて対向されている。
下部電極２１は振動不能に固定されて固定電極を構成し、受信電極２２は振動可能で可動電極を構成する。
【００４７】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、各電極２１，２２間の距離が変化し、各電極２１，２２間の静電容量も変化する。そこで、配線（図示略）を介して各電極２１，２２に接続された変換回路（図示略）を用い、各電極２１，２２間の静電容量の変化を電気信号に変換する。
つまり、第３構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、受信電極２２から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４８】
［第１実施形態の作用・効果］
第１実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
【００４９】
［１］
受信部１０とは別に設けられた超音波センサの発信部（図示略）が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部１０の各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信する。
【００５０】
そして、受信部１０が各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差を検出し、その受信した超音波の音圧差と発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
尚、超音波センサの発信部には、どのような型式（例えば、圧電式や静電容量式など）を用いてもよい。
【００５１】
［２］
図６は、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θを説明するための説明図である。
受信面Ｓに対する超音波の入射角θとは、受信面Ｓの法線ｎと超音波の進入方向とがなす角度である。
【００５２】
図７は、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θと、受信面Ｓが受ける音圧との関係を示す特性図である。尚、音圧は、最大値を「１」として表示してある。
縦波は、その進行方向と同一方向に圧力を発生させ、その進行方向と垂直方向には圧力を発生させないという特性がある。
超音波は縦波であるため、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θが０゜の場合に受信面Ｓが受ける音圧が最大となり、入射角θが９０゜に近づくほど音圧が低下して、入射角θが９０゜の場合に音圧がゼロになる。
【００５３】
各受信素子１２ａ〜１２ｄは、受信面Ｓが受ける音圧が大きいほど受信電極２２の撓みも大きくなるため、生成する電気信号のレベルが増大する。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｄが受信した超音波を変換して生成する電気信号のレベルは、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θに依存する。
【００５４】
ここで、各受信素子１２ａ〜１２ｄが生成する電気信号のレベルは、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度に対応し、電気信号のレベルが高いほど受信感度も高くなる。
言い換えると、各受信素子１２ａ〜１２ｄにおける超音波の受信感度は、受信面Ｓが受ける音圧に対応し、受信面Ｓに対する超音波の入射角θに依存する。
【００５５】
［３］
図１および図２に示すように各受信素子１２ａ〜１２ｄを配置することで、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の入射角依存性を利用し、各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差に基づいて、検出対象物の位置測定および距離測定を正確に行うことができる。
【００５６】
ところで、検出対象物から反射した超音波は周囲の物体に何度も跳ね返って空間に残り、その空間に残った音からなる残響音（反射音）が発生することがある。
また、入力した電気信号の停止と同時に発信部の振動板の振動を停止させることは困難であり、振動板の振動は減衰しながら停止するため、発信部の発信した超音波には減衰音が生じる。
【００５７】
しかし、第１実施形態の受信部１０は、従来技術（同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造）のように、複数個の振動板で受信した超音波のタイミングのずれに基づいて前記測定を行うのではなく、各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差に基づいて前記測定を行うため、残響音および減衰音の影響を回避して測定精度を向上させることができる。
そして、第１実施形態によれば、従来技術のように複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設ける必要がないため、超音波センサの製品コストを低下させることができる。
【００５８】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態における超音波センサの受信部５０の斜視図である。
受信部５０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、各受信素子１２ａ〜１２ｄを覆う略円錐形状の保護カバー５１が台座１１の表面上に取付固定されている点だけである。
このように、各受信素子１２ａ〜１２ｄを覆う保護カバー５１を設けることにより、各受信素子１２ａ〜１２ｄを周辺環境から保護して受信部５０の耐候性を高めると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの破損を防止できる。
【００５９】
図９は、保護カバー５１の第１構造例を説明するための一部縦断面図である。
保護カバー５１の裏面側は各受信素子１２ａ〜１２ｄに密着している。
そのため、超音波によって保護カバー５１が振動すると、その保護カバー５１の振動は各受信素子１２ａ〜１２ｄに直接伝達されることから、保護カバー５１を設けることによる各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の低下を回避できる。
【００６０】
ここで、保護カバー５１には、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波の高い伝達性と、各受信素子１２ａ〜１２ｄの振動を阻害しない程度の低い剛性とが要求される。このような要求を満たす材料として、例えば、各種金属（アルミニウム合金など）の薄膜、各種合成樹脂膜、ゴム膜などがある。
【００６１】
図１０は、保護カバー５１の第２構造例を説明するための一部縦断面図である。
保護カバー５１の裏面側と各受信素子１２ａ〜１２ｄとの間には、空隙Ｌが設けられている。
そのため、受信部５０に外力が加わっても、その外力は保護カバー５１に印加されるだけで、各受信素子１２ａ〜１２ｄには外力が直接印加されないため、各受信素子１２ａ〜１２ｄの破損を確実に防止できる。
ここで、保護カバー５１には、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波により振動しやすく、超音波を屈折させずに透過させる性質が要求される。
【００６２】
また、保護カバー５１と各受信素子１２ａ〜１２ｄとの空隙Ｌに液体，ゾル，ゲルのいずれかの充填材料を充填した場合には、その充填材料の音響インピーダンスを保護カバー５１の音響インピーダンスに近づけることにより、保護カバー５１の振動を当該充填材料を介して各受信素子１２ａ〜１２ｄへ確実に伝達させることが可能になり、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の低下を回避できる。
【００６３】
尚、物質の音響インピーダンスは、その物質の密度と伝搬音速との積である。そして、物質間の音響インピーダンスが異なるほど、その物質間における音波の伝搬特性は悪化する。つまり、空隙Ｌの充填材料と保護カバー５１の音響インピーダンスが異なるほど、超音波は保護カバー５１で反射して充填材料に伝搬し難くなる。
【００６４】
そのため、保護カバー５１として合成樹脂膜を用いる場合には、当該合成樹脂の微粒子を液体中に分散させたゾルや、当該合成樹脂からなる高分子ゲルを充填材料として用いればよい。また、充填材料は各受信素子１２ａ〜１２ｄを侵さないものである必要がある。このような要求を満たす充填材料として、例えば、シリコンゲル、フッ素ゲルなどがある。
【００６５】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態における超音波センサの受信部６０の斜視図である。
図１２（Ａ）は、受信部６０の平面図である。図１２（Ｂ）は、受信部６０の正面図である。
【００６６】
受信部６０は、台座１１と、６個の同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｆから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｆは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから３０゜の等角度で放射状に配置されている。
【００６７】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓが台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｆの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、一直線上に配置された各受信素子１２ａ，１２ｅ、各受信素子１２ｂ，１２ｆ、各受信素子１２ｃ，１２ｄの受信面Ｓが９０゜の等角度を成すように配置されている。
【００６８】
このように、第３実施形態の受信部６０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、２個の受信素子１２ｅ，１２ｆを追加すると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの平面配置を変更した点だけである。
第３実施形態によれば、各受信素子１２ｅ，１２ｆを追加した分だけ、超音波の受信方向の指向性を広くすると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信感度の入射角依存性を用いた検出対象物の位置および距離の測定精度を向上させることが可能になるため、第１実施形態の前記作用・効果を更に高めることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態における超音波センサの受信部７０の斜視図である。
図１４（Ａ）は、受信部７０の平面図である。図１４（Ｂ）は、受信部７０の正面図である。
【００７０】
受信部７０は、台座１１と、３個の同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｃから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｃは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから６０゜の等角度で放射状に配置されている。
【００７１】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｃは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｃの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｃの受信面Ｓが台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｃの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
【００７２】
このように、第４実施形態の受信部７０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、１個の受信素子１２ｄを省くと共に、各受信素子１２ａ〜１２ｃの平面配置を変更した点だけである。
第４実施形態によれば、受信素子１２ｄを省いた分だけ、第１実施形態の前記作用・効果が若干低下するものの、超音波センサの製品コストを削減することができる。
【００７３】
［別の実施形態］
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００７４】
［別例１］
各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃからそれぞれ適宜な角度で放射状に配置してもよく、適宜な形状（例えば、渦巻き状など）に配置してもよい。
また、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を横方向から見て、台座１１の表面に対して適宜な等角度を成すように配置してもよく、台座１１の表面に対して各受信素子１２ａ〜１２ｆが別々の角度を成すように配置してもよい。
そして、各受信素子の個数は４個（第１実施形態），６個（第３実施形態），３個（第４実施形態）に限らず、３個以上の適宜な個数にしてもよい。
【００７５】
すなわち、受信部を構成する各受信素子は、必要な前記測定精度および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その受信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００７６】
［別例２］
上記各実施形態は超音波センサの受信部に適用したものであるが、本発明は電気信号を超音波に変換して発信する超音波センサの発信部に適用してもよい。
すなわち、受信部１０，５０，６０，７０の各受信素子１２ａ〜１２ｆを、発信部の各発信素子として機能させてもよい。この場合、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓは、発信素子から超音波を発信する発信面となる。
【００７７】
例えば、各発信素子を図３に示す第１構造例（圧電式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、複合圧電体２３が圧電効果により振動して電極２２から超音波が発信する。
また、各発信素子を図４に示す第２構造例（圧電式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、誘電体層３１が圧電効果により振動して電極２２から超音波が発信する。
また、各発信素子を図５に示す第３構造例（コンデンサ式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、各電極２１，２２間に静電引力が発生し、その静電引力により電極２２が振動して超音波が発生する。
【００７８】
ところで、発信部を構成する発信素子の個数は超音波の発信出力（音響出力）に対応し、その発信素子の個数を増やすほど発信出力を大きくすることができる。
また、発信部を構成する発信素子の配置状態を適宜設定することにより、超音波の発信方向の指向性を適宜設定することができる。
【００７９】
従って、各受信素子１２ａ〜１２ｆを発信部の各発信素子として機能させた場合も、前記［別例１］と同様に、発信部を構成する各発信素子は、必要な発信出力および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その発信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００８０】
例えば、発信部の各発信素子を受信部１０，６０，７０の各受信素子１２ａ〜１２ｆと同様に配置した場合には、台座１１を底面とする半球状の広い指向性が得られる。
また、各受信部１０，６０，７０と同一構成の２個の発信部を用い、各発信部の台座１１を裏面側同士貼り合わせて組み立てれば、完全な球状の無指向性が得られる。
図１５は、受信部１０と同一構成の２個の発信部８０ａ，８０ｂを用い、各発信部８０ａ，８０ｂの台座１１を裏面側同士貼り合わせて組み立てた構成例を示す斜視図である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態における超音波センサの受信部１０の斜視図。
【図２】図２（Ａ）は受信部１０の平面図。図２（Ｂ）は受信部１０の正面図。
【図３】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第１構造例を示す概略縦断面図。
【図４】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第２構造例を示す概略縦断面図。
【図５】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第３構造例を示す概略縦断面図。
【図６】受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θを説明するための説明図。
【図７】受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θと、受信面Ｓが受ける音圧との関係を示す特性図。
【図８】本発明を具体化した第２実施形態における超音波センサの受信部５０の斜視図。
【図９】第２実施形態の保護カバー５１の第１構造例を説明するための一部縦断面図。
【図１０】第２実施形態の保護カバー５１の第２構造例を説明するための一部縦断面図。
【図１１】本発明を具体化した第３実施形態における超音波センサの受信部６０の斜視図。
【図１２】図１２（Ａ）は受信部６０の平面図。図１２（Ｂ）は受信部６０の正面図。
【図１３】本発明を具体化した第４実施形態における超音波センサの受信部７０の斜視図。
【図１４】図１４（Ａ）は受信部７０の平面図。図１４（Ｂ）は受信部７０の正面図。
【図１５】本発明を具体化した別例２における超音波センサの発信部８０ａ，８０ｂの斜視図。
【符号の説明】
【００８２】
１０，５０，６０，７０…超音波センサの受信部（発信部）
１１…台座
１２ａ〜１２ｆ…受信素子（発信素子）
Ｓ…受信面（発信面）
５１…保護カバー
Ｌ…空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波センサに係り、詳しくは、受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、音響測深機や魚群探知機などの垂直ソナー、船舶が目標物の方向および自船からの距離を測定するための水平ソナー、臓器を画像化して診断するための超音波診断装置など、様々な分野に超音波センサが広く利用されている。
【０００３】
また、近年、自動車（車両）に超音波センサを搭載し、その超音波センサから発信した人体に無害な超音波の反射を受信することにより、自動車の周囲にある物体の２次元あるいは３次元の位置測定および距離測定を行い、自動車の周囲を監視して安全走行に役立てる技術の開発がすすめられている。
例えば、自動車の後部に超音波センサを搭載し、自動車の後方に存在する物体（人間や障害物など）を検知する装置（一般に「バックソナー」と呼ばれる）を用い、当該物体との衝突を回避してバックでの駐車を支援する自動駐車支援システムが実用化されている。
【０００４】
このような検出対象物の位置測定および距離測定に使用される超音波センサ（超音波探触子）として、例えば、有機高分子を介して連結された複数の圧電体素子からなる複合圧電体と、この複合圧電体の一方の面上に互いに間隙を保って複数個配列されたアレイ電極とを備え、上記アレイ電極の間隙部にあたる上記複合圧電体の部分には上記有機高分子より音波減衰係数の大きい充填材を充填したものが開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−３４７７９７号公報（第２〜４頁 図１〜図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術を含め、従来の超音波センサにおいて、受信（受音）した超音波を電気信号に変換する受信部は、同一寸法形状の複数個の振動板（特許文献１のアレイ電極）を同一平面上にて１方向に整然と並べて配置する１次元配置、または、同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上にて縦横２方向に整然と並べて配置する２次元配置のいずれかの構造をとる。
そして、外部から入力した電気信号を超音波に変換して発信（発音）する超音波センサの発信部が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部の各振動板で受信する。
【０００６】
そこで、受信部が複数個の振動板（受音板）で受信した超音波のタイミングのずれを検出し、その受信した超音波のタイミングのずれと発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
【０００７】
また、従来の超音波センサの発信部は、通常、１個の振動板（発音板）から検出対象物に対して超音波を発信する。
尚、複数個の振動板から超音波を発信するタイプも提案されているが、そのタイプの発信部は、受信部と同様に、同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造をとる。
そして、発信部が複数個の振動板を備える理由は、超音波の発信出力を増大することにある。
【０００８】
ところで、検出対象物から反射した超音波は周囲の物体に何度も跳ね返って空間に残り、その空間に残った音からなる残響音（反射音）が発生することがある。
また、入力した電気信号の停止と同時に発信部の振動板の振動を停止させることは困難であり、振動板の振動は減衰しながら停止するため、発信部の発信した超音波には減衰音が生じる。
【０００９】
この残響音および減衰音により、前記した超音波のタイミングのずれを正確に検出することが難しくなる。そのため、従来の超音波センサでは、以下の方策をとる必要がある。
（ア）受信部が受信した超音波から残響音および減衰音を取り除くため、受信部の生成した電気信号を処理する複雑な信号処理回路を設ける。
（イ）残響音および減衰音が消えてその影響を回避できるくらいの長周期のパルス波または連続波からなる超音波を発信部から発信させるため、発信部が入力する電気信号を処理する複雑な信号処理回路を設ける。
（ウ）減衰音を速やかに低減するため、発信部に特別な制振構造を設ける。
【００１０】
しかし、複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設けるとなると、超音波センサの製品コストが増大するという問題があった。
また、近年、残響音および減衰音の影響を回避し、検出対象物の位置および距離の測定精度を向上させるために、発信部から発信される超音波の指向性を任意に制御することが要求されている。
【００１１】
本発明は上記問題を解決するため又は上記要求を満足するためになされたものであって、以下の目的を有するものである。
（１）残響音および減衰音の影響を回避して検出対象物の位置および距離の高精度な測定が可能な超音波センサを低コストに提供する。
（２）発信する超音波の指向性を任意に制御可能な超音波センサを低コストに提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する複数個の変換手段を備え、各変換手段が立体的に配置されたことを技術的特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段を３個以上の複数個備え、各変換手段は、超音波を受信するための受信面または超音波を発信するための発信面が、それぞれ等角度で放射状に配置されていることを技術的特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段は、各変換手段の一端部を含む平面に対して前記受信面または前記発信面が４５゜の角度を成すように配置されていることを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段を覆う保護カバーを備えたことを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側は前記各変換手段に密着していることを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側と前記各変換手段との間には空隙が設けられていることを技術的特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段は、圧電式または静電容量式であることを技術的特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
（請求項１）
請求項１の発明において、受信した超音波を電気信号に変換する受信素子として各変換手段を機能させ、各変換手段から受信部を構成する場合には、受信部とは別に設けた超音波センサの発信部が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部の各受信素子（変換手段）で受信する。
そして、受信部が各受信素子（変換手段）で受信した超音波の音圧差を検出し、その受信した超音波の音圧差と発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
【００２０】
ところで、縦波は、その進行方向と同一方向に圧力を発生させ、その進行方向と垂直方向には圧力を発生させないという特性がある。
超音波は縦波であるため、変換手段が超音波を受信するための受信面に対する超音波の入射角が０゜の場合に受信面が受ける音圧が最大となり、入射角が９０゜に近づくほど音圧が低下して、入射角が９０゜の場合に音圧がゼロになる。
【００２１】
変換手段は、受信面が受ける音圧が大きいほど、生成する電気信号のレベルが増大する。つまり、変換手段が受信した超音波を変換して生成する電気信号のレベルは、各変換手段の受信面に対する超音波の入射角に依存する。
ここで、変換手段が生成する電気信号のレベルは、変換手段の受信感度に対応し、電気信号のレベルが高いほど受信感度も高くなる。言い換えると、変換手段における超音波の受信感度は、受信面が受ける音圧に対応し、受信面に対する超音波の入射角に依存する。
【００２２】
従って、請求項１の発明において、各変換手段を受信素子として機能させた場合には、各受信素子（変換手段）を立体的に配置することで、各受信素子の受信感度の入射角依存性を利用し、各受信素子で受信した超音波の音圧差に基づいて、検出対象物の位置測定および距離測定を正確に行うことができる。
【００２３】
そして、請求項１の発明では、従来技術（同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造）のように、複数個の振動板で受信した超音波のタイミングのずれに基づいて前記測定を行うのではなく、各受信素子（変換手段）で受信した超音波の音圧差に基づいて前記測定を行うため、残響音および減衰音の影響を回避して測定精度を向上させることができる。
【００２４】
さらに、請求項１の発明によれば、従来技術のように複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設ける必要がないため、超音波センサの製品コストを低下させることができる。
ここで、受信部を構成する各受信素子（変換手段）は、必要な前記測定精度および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その受信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００２５】
また、請求項１の発明において、外部から入力した電気信号を超音波に変換して発信する発信素子として各変換手段を機能させ、各変換手段から発信部を構成する場合には、発信部を構成する発信素子の個数は超音波の発信出力（音響出力）に対応し、その発信素子の個数を増やすほど発信出力を大きくすることができる。
【００２６】
そして、発信部を構成する発信素子（変換手段）の配置状態を適宜設定することにより、超音波の発信方向の指向性を適宜設定することができる。
ここで、発信部を構成する各発信素子（変換手段）は、必要な発信出力および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その発信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００２７】
（請求項２）
請求項２の発明によれば、前記変換手段を３個以上の複数個設け、各変換手段の受信面または発信面を等角度で放射状に配置することにより、請求項１の発明の作用・効果を確実に得ることが可能になる。
【００２８】
（請求項３）
請求項３の発明によれば、各変換手段の一端部を含む平面に対して受信面または発信面が４５゜の角度を成すように配置することにより、請求項２の発明の作用・効果を更に確実に得ることが可能になる。
【００２９】
（請求項４：第２実施形態に該当）
請求項４の発明によれば、各変換手段を覆う保護カバーを設けることにより、各変換手段を周辺環境から保護して超音波センサの耐候性を高めると共に、各変換手段の破損を防止できる。
【００３０】
（請求項５：第２実施形態の第１構造例に該当）
請求項５の発明によれば、保護カバーの裏面側を各変換手段に密着させることにより、保護カバーと各変換手段の間で振動が直接伝達されることから、保護カバーを設けることによる各変換手段の受信感度または発信感度の低下を回避できる。
【００３１】
ここで、保護カバーには、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波の高い伝達性と、各変換手段の振動を阻害しない程度の低い剛性とが要求される。このような要求を満たす材料として、例えば、各種金属（アルミニウム合金など）の薄膜、各種合成樹脂膜、ゴム膜などがある。
【００３２】
（請求項６：第２実施形態の第２構造例に該当）
請求項６の発明によれば、保護カバーの裏面側と各変換手段との間に空隙を設けることにより、超音波センサに外力が加わっても、その外力は保護カバーに印加されるだけで、各変換手段には外力が直接印加されないため、各変換手段の破損を確実に防止できる。
【００３３】
ここで、保護カバーには、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波により振動しやすく、超音波を屈折させずに透過させる性質が要求される。
また、保護カバーと各変換手段との空隙に液体，ゾル，ゲルのいずれかの充填材料を充填した場合には、その充填材料の音響インピーダンスを保護カバーの音響インピーダンスに近づけることにより、保護カバーと各変換手段との間の振動の伝達を確実に行うことが可能になり、各変換手段の受信感度または発信感度の低下を回避できる。
【００３４】
（請求項７）
請求項７の発明によれば、圧電式または静電容量式の超音波センサを得ることができる。
【００３５】
（用語の説明）
尚、上述した［課題を解決するための手段］に記載した構成要素と、後述する［発明を実施するための最良の形態］に記載した構成部材との対応関係は以下のようになっている。
「変換手段」は、受信素子（発信素子）１２ａ〜１２ｆに該当する。
請求項３の「各変換手段の一端部を含む平面」は、台座１１の表面に該当する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。
尚、各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部材については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略してある。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における超音波センサの受信部１０の斜視図である。
図２（Ａ）は、受信部１０の平面図である。図２（Ｂ）は、受信部１０の正面図である。
【００３８】
受信部１０は、台座１１と、４個の同一寸法形状で同一構成の受信素子（変換手段）１２ａ〜１２ｄとから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから４５゜の等角度で放射状に配置されている。
【００３９】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ（前記放射状の中心軸）上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓが台座１１の表面（各受信素子１２ａ〜１２ｄの一端部を含む平面）に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｄの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｄは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、一直線上に配置された各受信素子１２ａ，１２ｄおよび各受信素子１２ｂ，１２ｃの受信面Ｓが９０゜の等角度を成すように配置されている。
【００４０】
［受信素子の構造］
図３〜図５は、各受信素子１２ａ〜１２ｄの第１〜第３構造例を示す概略縦断面図である。尚、図３〜図５では高さ方向（板厚方向）を誇張して図示してある。
【００４１】
＜第１構造例＞
図３に示す第１構造例において、圧電式の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、複合圧電体２３などから構成されている。
平板矩形状の各電極２１，２２は平行に配置され、各電極２１，２２間には複合圧電体２３が挟設されている。
複合圧電体２３は、複数個の柱状の圧電体素子２４と、有機高分子層２５とから構成されている。
【００４２】
各圧電体素子２４は、その上下端部が各電極２１，２２に接続されている。
有機高分子層２５は、各圧電体素子２４の間隙に充填され、各圧電体素子２４を互いに結合する。つまり、各圧電体素子２４は有機高分子層２５中に埋め込まれている。
尚、各圧電体素子２４は、強誘電体（例えば、ＰＺＴなど）からなる。
また、有機高分子層２５は、例えば、シリコンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などからなる。
【００４３】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、その振動は複合圧電体２３に伝達され、複合圧電体２３が振動すると圧電効果により電気信号が生成され、その電気信号は各電極２１，２２に接続された配線（図示略）を介して出力される。
つまり、第１構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、各電極２１，２２および複合圧電体２３の積層構造から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４４】
＜第２構造例＞
図４に示す第２構造例において、圧電式の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、誘電体層３１などから構成されている。
各電極２１，２２間には、強誘電体（例えば、ＰＺＴなど）からなる誘電体層３１が挟設されている。
【００４５】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、その振動は誘電体層３１に伝達され、誘電体層３１が振動すると圧電効果により電気信号が生成され、その電気信号は各電極２１，２２に接続された配線（図示略）を介して出力される。
つまり、第２構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、各電極２１，２２および誘電体層３１の積層構造から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４６】
＜第３構造例＞
図５に示す第３構造例において、静電容量式（コンデンサ式）の各受信素子１２ａ〜１２ｄは、下部電極２１、受信電極２２、保持部材４１などから構成されている。
各電極２１，２２の両端部間には保持部材４１が挟設され、各電極２１，２２は間隙Ｋを設けて対向されている。
下部電極２１は振動不能に固定されて固定電極を構成し、受信電極２２は振動可能で可動電極を構成する。
【００４７】
そして、受信電極２２の表面が超音波の受信面Ｓとなり、超音波により受信電極２２が振動すると、各電極２１，２２間の距離が変化し、各電極２１，２２間の静電容量も変化する。そこで、配線（図示略）を介して各電極２１，２２に接続された変換回路（図示略）を用い、各電極２１，２２間の静電容量の変化を電気信号に変換する。
つまり、第３構造例の各受信素子１２ａ〜１２ｄでは、受信電極２２から振動板（受音板）が構成され、その振動板の受信した超音波が電気信号に変換される。
【００４８】
［第１実施形態の作用・効果］
第１実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
【００４９】
［１］
受信部１０とは別に設けられた超音波センサの発信部（図示略）が、検出対象物に対して超音波を発信し、その超音波が検出対象物に反射した反射音を受信部１０の各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信する。
【００５０】
そして、受信部１０が各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差を検出し、その受信した超音波の音圧差と発信部が発射した超音波とを比較することにより、検出対象物の２次元あるいは３次元の位置測定、超音波センサと検出対象物との距離測定などを行うことができる。
尚、超音波センサの発信部には、どのような型式（例えば、圧電式や静電容量式など）を用いてもよい。
【００５１】
［２］
図６は、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θを説明するための説明図である。
受信面Ｓに対する超音波の入射角θとは、受信面Ｓの法線ｎと超音波の進入方向とがなす角度である。
【００５２】
図７は、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θと、受信面Ｓが受ける音圧との関係を示す特性図である。尚、音圧は、最大値を「１」として表示してある。
縦波は、その進行方向と同一方向に圧力を発生させ、その進行方向と垂直方向には圧力を発生させないという特性がある。
超音波は縦波であるため、受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θが０゜の場合に受信面Ｓが受ける音圧が最大となり、入射角θが９０゜に近づくほど音圧が低下して、入射角θが９０゜の場合に音圧がゼロになる。
【００５３】
各受信素子１２ａ〜１２ｄは、受信面Ｓが受ける音圧が大きいほど受信電極２２の撓みも大きくなるため、生成する電気信号のレベルが増大する。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｄが受信した超音波を変換して生成する電気信号のレベルは、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θに依存する。
【００５４】
ここで、各受信素子１２ａ〜１２ｄが生成する電気信号のレベルは、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度に対応し、電気信号のレベルが高いほど受信感度も高くなる。
言い換えると、各受信素子１２ａ〜１２ｄにおける超音波の受信感度は、受信面Ｓが受ける音圧に対応し、受信面Ｓに対する超音波の入射角θに依存する。
【００５５】
［３］
図１および図２に示すように各受信素子１２ａ〜１２ｄを配置することで、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の入射角依存性を利用し、各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差に基づいて、検出対象物の位置測定および距離測定を正確に行うことができる。
【００５６】
ところで、検出対象物から反射した超音波は周囲の物体に何度も跳ね返って空間に残り、その空間に残った音からなる残響音（反射音）が発生することがある。
また、入力した電気信号の停止と同時に発信部の振動板の振動を停止させることは困難であり、振動板の振動は減衰しながら停止するため、発信部の発信した超音波には減衰音が生じる。
【００５７】
しかし、第１実施形態の受信部１０は、従来技術（同一寸法形状の複数個の振動板を同一平面上に１次元配置または２次元配置した構造）のように、複数個の振動板で受信した超音波のタイミングのずれに基づいて前記測定を行うのではなく、各受信素子１２ａ〜１２ｄで受信した超音波の音圧差に基づいて前記測定を行うため、残響音および減衰音の影響を回避して測定精度を向上させることができる。
そして、第１実施形態によれば、従来技術のように複雑な信号処理回路や特別な制振構造を設ける必要がないため、超音波センサの製品コストを低下させることができる。
【００５８】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態における超音波センサの受信部５０の斜視図である。
受信部５０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、各受信素子１２ａ〜１２ｄを覆う略円錐形状の保護カバー５１が台座１１の表面上に取付固定されている点だけである。
このように、各受信素子１２ａ〜１２ｄを覆う保護カバー５１を設けることにより、各受信素子１２ａ〜１２ｄを周辺環境から保護して受信部５０の耐候性を高めると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの破損を防止できる。
【００５９】
図９は、保護カバー５１の第１構造例を説明するための一部縦断面図である。
保護カバー５１の裏面側は各受信素子１２ａ〜１２ｄに密着している。
そのため、超音波によって保護カバー５１が振動すると、その保護カバー５１の振動は各受信素子１２ａ〜１２ｄに直接伝達されることから、保護カバー５１を設けることによる各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の低下を回避できる。
【００６０】
ここで、保護カバー５１には、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波の高い伝達性と、各受信素子１２ａ〜１２ｄの振動を阻害しない程度の低い剛性とが要求される。このような要求を満たす材料として、例えば、各種金属（アルミニウム合金など）の薄膜、各種合成樹脂膜、ゴム膜などがある。
【００６１】
図１０は、保護カバー５１の第２構造例を説明するための一部縦断面図である。
保護カバー５１の裏面側と各受信素子１２ａ〜１２ｄとの間には、空隙Ｌが設けられている。
そのため、受信部５０に外力が加わっても、その外力は保護カバー５１に印加されるだけで、各受信素子１２ａ〜１２ｄには外力が直接印加されないため、各受信素子１２ａ〜１２ｄの破損を確実に防止できる。
ここで、保護カバー５１には、空気，塵埃，液体などを透過させない高い耐候性に加えて、超音波により振動しやすく、超音波を屈折させずに透過させる性質が要求される。
【００６２】
また、保護カバー５１と各受信素子１２ａ〜１２ｄとの空隙Ｌに液体，ゾル，ゲルのいずれかの充填材料を充填した場合には、その充填材料の音響インピーダンスを保護カバー５１の音響インピーダンスに近づけることにより、保護カバー５１の振動を当該充填材料を介して各受信素子１２ａ〜１２ｄへ確実に伝達させることが可能になり、各受信素子１２ａ〜１２ｄの受信感度の低下を回避できる。
【００６３】
尚、物質の音響インピーダンスは、その物質の密度と伝搬音速との積である。そして、物質間の音響インピーダンスが異なるほど、その物質間における音波の伝搬特性は悪化する。つまり、空隙Ｌの充填材料と保護カバー５１の音響インピーダンスが異なるほど、超音波は保護カバー５１で反射して充填材料に伝搬し難くなる。
【００６４】
そのため、保護カバー５１として合成樹脂膜を用いる場合には、当該合成樹脂の微粒子を液体中に分散させたゾルや、当該合成樹脂からなる高分子ゲルを充填材料として用いればよい。また、充填材料は各受信素子１２ａ〜１２ｄを侵さないものである必要がある。このような要求を満たす充填材料として、例えば、シリコンゲル、フッ素ゲルなどがある。
【００６５】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態における超音波センサの受信部６０の斜視図である。
図１２（Ａ）は、受信部６０の平面図である。図１２（Ｂ）は、受信部６０の正面図である。
【００６６】
受信部６０は、台座１１と、６個の同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｆから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｆは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから３０゜の等角度で放射状に配置されている。
【００６７】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓが台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｆの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
つまり、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、一直線上に配置された各受信素子１２ａ，１２ｅ、各受信素子１２ｂ，１２ｆ、各受信素子１２ｃ，１２ｄの受信面Ｓが９０゜の等角度を成すように配置されている。
【００６８】
このように、第３実施形態の受信部６０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、２個の受信素子１２ｅ，１２ｆを追加すると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｄの平面配置を変更した点だけである。
第３実施形態によれば、各受信素子１２ｅ，１２ｆを追加した分だけ、超音波の受信方向の指向性を広くすると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信感度の入射角依存性を用いた検出対象物の位置および距離の測定精度を向上させることが可能になるため、第１実施形態の前記作用・効果を更に高めることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態における超音波センサの受信部７０の斜視図である。
図１４（Ａ）は、受信部７０の平面図である。図１４（Ｂ）は、受信部７０の正面図である。
【００７０】
受信部７０は、台座１１と、３個の同一寸法形状で同一構成の受信素子１２ａ〜１２ｃから構成されている。
平板矩形状の各受信素子１２ａ〜１２ｃは、円盤形状の台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃから６０゜の等角度で放射状に配置されている。
【００７１】
また、各受信素子１２ａ〜１２ｃは、台座１１を横方向から見て、各受信素子１２ａ〜１２ｃの受信面Ｓの法線ｎが台座１１の中心軸Ｃ上の１つの点Ｐにて交わると共に、各受信素子１２ａ〜１２ｃの受信面Ｓが台座１１の表面に対して４５゜の等角度を成すように、各受信素子１２ａ〜１２ｃの長手方向の一端部が台座１１の周縁に沿って台座１１の表面上に取付固定されている。
【００７２】
このように、第４実施形態の受信部７０において、第１実施形態の受信部１０と異なるのは、１個の受信素子１２ｄを省くと共に、各受信素子１２ａ〜１２ｃの平面配置を変更した点だけである。
第４実施形態によれば、受信素子１２ｄを省いた分だけ、第１実施形態の前記作用・効果が若干低下するものの、超音波センサの製品コストを削減することができる。
【００７３】
［別の実施形態］
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００７４】
［別例１］
各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を上方向から見て、台座１１の中心軸Ｃからそれぞれ適宜な角度で放射状に配置してもよく、適宜な形状（例えば、渦巻き状など）に配置してもよい。
また、各受信素子１２ａ〜１２ｆは、台座１１を横方向から見て、台座１１の表面に対して適宜な等角度を成すように配置してもよく、台座１１の表面に対して各受信素子１２ａ〜１２ｆが別々の角度を成すように配置してもよい。
そして、各受信素子の個数は４個（第１実施形態），６個（第３実施形態），３個（第４実施形態）に限らず、３個以上の適宜な個数にしてもよい。
【００７５】
すなわち、受信部を構成する各受信素子は、必要な前記測定精度および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その受信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００７６】
［別例２］
上記各実施形態は超音波センサの受信部に適用したものであるが、本発明は電気信号を超音波に変換して発信する超音波センサの発信部に適用してもよい。
すなわち、受信部１０，５０，６０，７０の各受信素子１２ａ〜１２ｆを、発信部の各発信素子として機能させてもよい。この場合、各受信素子１２ａ〜１２ｆの受信面Ｓは、発信素子から超音波を発信する発信面となる。
【００７７】
例えば、各発信素子を図３に示す第１構造例（圧電式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、複合圧電体２３が圧電効果により振動して電極２２から超音波が発信する。
また、各発信素子を図４に示す第２構造例（圧電式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、誘電体層３１が圧電効果により振動して電極２２から超音波が発信する。
また、各発信素子を図５に示す第３構造例（コンデンサ式）にした場合には、各電極２１，２２に印加される電気信号に応じて、各電極２１，２２間に静電引力が発生し、その静電引力により電極２２が振動して超音波が発生する。
【００７８】
ところで、発信部を構成する発信素子の個数は超音波の発信出力（音響出力）に対応し、その発信素子の個数を増やすほど発信出力を大きくすることができる。
また、発信部を構成する発信素子の配置状態を適宜設定することにより、超音波の発信方向の指向性を適宜設定することができる。
【００７９】
従って、各受信素子１２ａ〜１２ｆを発信部の各発信素子として機能させた場合も、前記［別例１］と同様に、発信部を構成する各発信素子は、必要な発信出力および指向性に応じて立体的に配置すればよく、その発信素子の個数および配置状態はカット・アンド・トライで実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
【００８０】
例えば、発信部の各発信素子を受信部１０，６０，７０の各受信素子１２ａ〜１２ｆと同様に配置した場合には、台座１１を底面とする半球状の広い指向性が得られる。
また、各受信部１０，６０，７０と同一構成の２個の発信部を用い、各発信部の台座１１を裏面側同士貼り合わせて組み立てれば、完全な球状の無指向性が得られる。
図１５は、受信部１０と同一構成の２個の発信部８０ａ，８０ｂを用い、各発信部８０ａ，８０ｂの台座１１を裏面側同士貼り合わせて組み立てた構成例を示す斜視図である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態における超音波センサの受信部１０の斜視図。
【図２】図２（Ａ）は受信部１０の平面図。図２（Ｂ）は受信部１０の正面図。
【図３】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第１構造例を示す概略縦断面図。
【図４】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第２構造例を示す概略縦断面図。
【図５】受信部１０を構成する受信素子１２ａ〜１２ｄの第３構造例を示す概略縦断面図。
【図６】受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θを説明するための説明図。
【図７】受信素子１２ａ〜１２ｄの受信面Ｓに対する超音波の入射角θと、受信面Ｓが受ける音圧との関係を示す特性図。
【図８】本発明を具体化した第２実施形態における超音波センサの受信部５０の斜視図。
【図９】第２実施形態の保護カバー５１の第１構造例を説明するための一部縦断面図。
【図１０】第２実施形態の保護カバー５１の第２構造例を説明するための一部縦断面図。
【図１１】本発明を具体化した第３実施形態における超音波センサの受信部６０の斜視図。
【図１２】図１２（Ａ）は受信部６０の平面図。図１２（Ｂ）は受信部６０の正面図。
【図１３】本発明を具体化した第４実施形態における超音波センサの受信部７０の斜視図。
【図１４】図１４（Ａ）は受信部７０の平面図。図１４（Ｂ）は受信部７０の正面図。
【図１５】本発明を具体化した別例２における超音波センサの発信部８０ａ，８０ｂの斜視図。
【符号の説明】
【００８２】
１０，５０，６０，７０…超音波センサの受信部（発信部）
１１…台座
１２ａ〜１２ｆ…受信素子（発信素子）
Ｓ…受信面（発信面）
５１…保護カバー
Ｌ…空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する複数個の変換手段を備え、各変換手段が立体的に配置されたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段を３個以上の複数個備え、
各変換手段は、超音波を受信するための受信面または超音波を発信するための発信面が、それぞれ等角度で放射状に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段は、各変換手段の一端部を含む平面に対して前記受信面または前記発信面が４５゜の角度を成すように配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段を覆う保護カバーを備えたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側は前記各変換手段に密着していることを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側と前記各変換手段との間には空隙が設けられていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段は、圧電式または静電容量式であることを特徴とする超音波センサ。
【請求項１】
受信した超音波を電気信号に変換するか又は電気信号を超音波に変換して発信する複数個の変換手段を備え、各変換手段が立体的に配置されたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段を３個以上の複数個備え、
各変換手段は、超音波を受信するための受信面または超音波を発信するための発信面が、それぞれ等角度で放射状に配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段は、各変換手段の一端部を含む平面に対して前記受信面または前記発信面が４５゜の角度を成すように配置されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記各変換手段を覆う保護カバーを備えたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側は前記各変換手段に密着していることを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記保護カバーの裏面側と前記各変換手段との間には空隙が設けられていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記変換手段は、圧電式または静電容量式であることを特徴とする超音波センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−２０３４２３（Ｐ２００６−２０３４２３Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１４８５（Ｐ２００５−１１４８５）
【出願日】平成１７年１月１９日（２００５．１．１９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１９日（２００５．１．１９）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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