超音波センサ

【課題】受信素子の振動部を保護するとともに、被検出体にて反射された超音波を効率よく受信素子に伝達することができる超音波センサを実現する。
【解決手段】受信部材３０は、受信部３０ａを車両の外部に露出させた状態で、緩衝材４１を介在して車両のバンパ５２に取り付けられている。受信素子１０は、車両外部から見えない位置に、振動部１５と受信部材３０とが非接触であるように支持部材１１ａを介して受信部材３０に取り付けられている。この構成によれば、超音波を受信部材３０及び支持部材１１ａを介して固体の振動として伝達することができるので、超音波を効率よく振動部１５に伝達することができる。また、受信部材３０に外力が負荷されて振動部１５側に変位したような場合であっても、受信部材３０が振動部１５と接触し、破損するおそれがない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、送信素子から送信され被検出体にて反射された超音波を受信素子により受信して検出する超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の超音波センサとして、例えば、自動車（車両）に搭載されたものが知られている。この超音波センサは、超音波の送受信が可能な素子から超音波を送信して、被検出体に当たって反射された超音波をこの素子によって受信することにより、自動車の周囲にある物体の位置測定または距離測定や、当該物体の２次元形状または３次元形状の測定などを行う。このように超音波センサを利用し、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進められている。
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人間や障害物などに当たって反射された超音波を当該超音波センサで受信して、検知するバックソナーを用い、人間や障害物など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などが実用化されている。
更に、超音波センサの素子としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用して基板の薄肉部として形成された薄膜部上に圧電体薄膜からなる振動部が形成された、超音波センサ素子が注目されている。
【０００３】
ここで、超音波センサの素子を外部に露出させた状態で車両に搭載した場合、素子の表面に水滴やごみが付着すると、被検出体までの距離を正確に測定できなくなる。また、小石の衝突などの外力の負荷により破壊されるおそれがある。
そのため、素子の汚染や外力の負荷による破壊を防止するための保護構造を備えた超音波センサとして、例えば、特許文献１には、素子を外部に露出しないようにアルミケースに内装し、超音波を検出する圧電式振動検出素子を振動板に直接取り付けて、振動板の振動によって超音波を受信する超音波センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００２－５８０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＭＥＭＳ型の素子は、構造上、圧電体薄膜の機械的強度が低いので、振動板に直接取り付けた場合、破損しやすいという問題があった。
また、破損を防止するために、圧電体薄膜を振動板に取り付けずに、圧電体薄膜と振動板との間に空間を設けた場合、超音波を素子に効率よく伝達することができないという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明は、超音波素子の振動部を保護するとともに、被検出体にて反射された超音波を効率よく超音波素子に伝達することができる超音波センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、超音波を送信する送信素子から送信され、被検出体にて反射された超音波が伝達して振動する振動部を有し、所定の物体に配置される超音波センサにおいて、前記振動部の端部を持ち上げて支持する支持部材と、前記被検出体にて反射された超音波を受信する受信部が、前記所定の物体において前記被検出体の存在する空間側に露出する受信部材とを備えており、前記受信部材の前記受信部と異なる部位には、前記振動部と前記受信部材とが非接触であるように前記支持部材が取付けられており、前記受信部により受信された前記超音波が、前記支持部材を介して前記振動部に伝達可能に構成された、という技術的手段を用いる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材及び前記支持部材の音響インピーダンスが等しい、または、ほぼ等しい、という技術的手段を用いる。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記振動部は、前記受信部で受信された超音波により共振する、という技術的手段を用いる。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記振動部は、圧電式振動検出素子である、という技術的手段を用いる。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記振動部は、前記支持部材に片持ち支持されている、という技術的手段を用いる。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記振動部は、容量式振動検出素子である、という技術的手段を用いる。
【００１２】
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記受信部材には複数個の前記振動部がそれぞれ前記支持部材を介して装着され、前記受信部材は、前記各振動部に対応した領域に区画されており、前記各領域の間には、前記受信部で受信した超音波の前記各領域間での伝達を妨げる第１の遮蔽手段が設けられている、という技術的手段を用いる。
【００１３】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の超音波センサにおいて、前記第１の遮蔽手段は、前記受信部に対して垂直方向、または、略垂直方向に形成された溝状の空間である、という技術的手段を用いる。
【００１４】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、複数個の前記振動部が対応する個数の前記受信部材に前記支持部材を介してそれぞれ装着され、前記各受信部材の間には、前記受信部で受信した超音波の前記各受信部材間での伝達を妨げる第２の遮蔽手段がそれぞれ設けられている、という技術的手段を用いる。
【００１５】
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の超音波センサにおいて、前記第２の遮蔽手段は、前記受信部で受信した超音波を減衰させる減衰材料からなる、という技術的手段を用いる。
【００１６】
請求項１１に記載の発明では、請求項７ないし請求項１０のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記受信部で受信した超音波が前記振動部に伝達されるまでの伝達時間がそれぞれ等しい、または、ほぼ等しい、という技術的手段を用いる。
【００１７】
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記所定の物体は、車両である、という技術的手段を用いる。
【００１８】
請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記車両には、前記受信部材を取り付ける取付部が設けられており、前記受信部材は、前記取付部との間に前記超音波の伝達を防止する第３の遮蔽手段を介在して、前記取付部に取り付けられる、という技術的手段を用いる。
【００１９】
請求項１４に記載の発明では、請求項１３に記載の超音波センサにおいて、前記取付部は、前記車両の移動方向の端部である、という技術的手段を用いる。
【００２０】
請求項１５に記載の発明では、請求項１３または請求項１４に記載の超音波センサにおいて、前記取付部は、バンパである、という技術的手段を用いる。
【００２１】
請求項１６に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材は、前記車両の移動方向の端部に設けられている、という技術的手段を用いる。
【００２２】
請求項１７に記載の発明では、請求項１２または請求項１６に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材は、バンパである、という技術的手段を用いる。
【００２３】
請求項１８に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材は、フロントガラス、または、リアガラスである、という技術的手段を用いる。
【００２４】
請求項１９に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材は、ヘッドランプのカバー、または、リアランプのカバー、または、ウインカのカバー、または、バックランプのカバーである、という技術的手段を用いる。
【００２５】
請求項２０に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記受信部材は、ボディである、という技術的手段を用いる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、超音波を送信する送信素子から送信され、被検出体にて反射された超音波を、超音波を受信する受信部が被検出体の存在する空間側に露出した状態で所定の物体に配置された受信部材で受信することができる。
この受信部材により受信された超音波が、超音波が伝達して振動する振動部に、振動部の端部を持ち上げて支持する支持部材を介して伝達可能に構成されているため、超音波を固体の振動として伝達することができるので、超音波の減衰が少なく、振動部に効率よく伝達することができる。
また、受信部材の受信部と異なる部位に、振動部と受信部材とが非接触であるように支持部材が取り付けられているため、外力を受けた受信部材が振動部側に変位した場合であっても、受信部材が振動部と接触し、破損するおそれがない。
つまり、振動部を保護するとともに、被検出体で反射された超音波を効率よく振動部に伝達することができる超音波センサを実現することができる。
ところで、受信部材の共振振動を利用する場合には、板厚が受信部材のサイズおよび材質、超音波の振動数によって決定され、素子サイズの小さい超音波センサにおいては、板厚が非常に薄くなってしまうという問題がある。例えば、超音波の振動数が５０ｋＨｚの場合に、受信部材に３ｍｍ角のアルミニウム板を用いると、その厚さは０．１ｍｍ以下にする必要があり、強度が確保できない。また、強度を確保するために、受信部材の厚みを増加させた構造では、反射波による振動の振幅が小さくなり、信号強度が低下するという問題がある。
請求項１に記載の発明によれば、受信部材を共振させるのではなく、固体内部の振動によって超音波伝達を行うため、受信部材の厚みを確保し、強度を確保することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、受信部材及び支持部材の音響インピーダンスが等しい、または、ほぼ等しいため、受信部材及び支持部材の界面における超音波の反射が小さくなるので、超音波の伝達効率を向上させることができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、振動部は、受信部で受信された超音波により共振するため、支持部材に伝達される振動の振幅が増大するので、超音波を効率よく検出することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、振動部は、圧電式振動検出素子で構成することができる。ここで、請求項５に記載するように、振動部を、支持部材に片持ち支持されるように構成すると、振動部の変形を拘束する部分が少ないため、振動が伝達されると大きく変形するので、超音波センサの感度を向上させることができる。
また、請求項６に記載するように、振動部は、容量式振動検出素子で構成することもできる。
【００３０】
請求項７に記載の発明によれば、受信部材には複数個の振動部がそれぞれ支持部材を介して装着され、受信部材は、各振動部に対応した領域に区画されており、各領域の間には、受信部で受信した超音波の各領域間での伝達を妨げる第１の遮蔽手段が設けられているため、受信部材の区画された各領域で受信された超音波は、対応する振動部にだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
従って、超音波の伝達を各領域間で分離して行うことが可能になり、各振動部のクロストーク特性を向上させることができる。
当該超音波センサは、複数個の振動部を有するため、各振動部で受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。ここで、受信部材の区画された各領域で受信された超音波は、対応する振動部にだけ伝達されるため、各振動部で受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、被検出体の位置測定の精度を向上させることができる。
【００３１】
上記第１の遮蔽手段は、請求項８に記載するように、受信部に対して垂直方向、または、略垂直方向に形成された溝状の空間としてもよい。この構成によれば、例えば、受信部材に切り込みを入れる、などの簡単な方法で第１の遮蔽手段を形成することができる。また、溝状の空間では、超音波の伝達媒体が空気となり、減衰が大きくなるので、確実に超音波の各領域間での伝達を妨げることができる。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、複数個の振動部が対応する個数の受信部材に支持部材を介してそれぞれ装着され、受信部材の間には、受信部で受信した超音波の前記各受信部材での伝達を妨げる第２の遮蔽手段がそれぞれ設けられているため、各受信部材で受信された超音波は、対応する振動部にだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
従って、超音波の伝達を各受信部材間で分離して行うことが可能になり、各振動部のクロストーク特性を向上させることができる。
当該超音波センサは、複数個の振動部を有するため、各振動部で受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。ここで、各受信部材で受信された超音波は、対応する振動部にだけ伝達されるため、各振動部で受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、被検出体の位置測定の精度を向上させることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明のように、第２の遮蔽手段は、受信部で受信した超音波を減衰させる減衰材料からなる構成を用いることができる。この構成によれば、減衰材料からなる第２の遮蔽手段を各受信部材間に介在させるだけで、簡単に超音波の伝達を各受信部材間で分離することができる。
【００３４】
請求項１１に記載によれば、受信部で受信した超音波が振動部に伝達されるまでの伝達時間がそれぞれ等しい、または、ほぼ等しいため、例えば、被検出体の位置を測定する場合に、各振動部で受信した超音波の時間差の測定精度を向上させることができるので、被検出体の位置の測定精度を向上させることができる。
【００３５】
請求項１２に記載の発明によれば、所定の物体は、車両であり、当該超音波センサは車両に搭載することができる。この構成によれば、超音波センサを車両の周囲にある障害物や人間などを検知する障害物センサなどに適用することができる。
また、車両の進行中に、例えば、小石などが飛来して受信部材に衝突した場合であっても、受信部材が振動部と接触し、破損するおそれがない。更に、車両が雨やちりなどの異物により汚れた場合であっても、振動部には、水滴や異物が付着しないため、超音波センサを正常な状態で作動させることができる。
つまり、車両に搭載して使用される信頼性の高い超音波センサを実現することができる。
【００３６】
請求項１３に記載の発明によれば、車両には、受信部材を取り付ける取付部が設けられており、受信部材は、取付部との間に超音波の伝達を防止する第３の遮蔽手段を介在して、取付部に取り付けられるため、車両を構成する部材からの振動が受信部材に伝達することを防止することができる。
【００３７】
請求項１４に記載の発明によれば、取付部は、車両の移動方向の端部であるため、車両の進行の妨げになる障害物の検出などに超音波センサを適用する場合に有効である。取付部は、例えば、請求項１５に記載するように、バンパとすることができる。
【００３８】
請求項１６に記載の発明によれば、受信部材は、車両の移動方向の端部に設けられているため、車両の進行の妨げになる障害物の検出などに超音波センサを適用する場合に有効である。この場合、受信部材は、請求項１７に記載するように、バンパとすることができる。この構成を用いると、超音波センサが車両の外部から見えないため、美観を保つことができる。
また、請求項１８に記載するように、受信部材は、フロントガラス、または、リアガラスとすることもできる。この構成を用いると、受信部材が硬いガラスとなるため、超音波の伝達効率を向上させることができる。
更に、請求項１９、または、請求項２０に記載するように、超音波センサの用途に合わせて、受信部材は、ヘッドランプのカバー、リアランプのカバー、ウインカのカバー、バックランプのカバー、ボディとすることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
〈第１実施形態〉
この発明に係る超音波センサの第１実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、超音波センサを車両に搭載し、障害物センサとして使用する場合を例に説明する。図１は、車両に搭載された超音波センサの断面説明図である。図２は、超音波センサの受信素子の説明図である。図２（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、第１実施形態に係る超音波センサの変更例の説明図である。
なお、各図では、説明のために一部を拡大して示している。
【００４０】
（超音波センサの構造）
図１において、図中下方が車両の外部を示す。図１に示すように、超音波を送信する送信素子１９から送信され、車両付近の存在する障害物Ｍなどの被検出体にて反射された超音波を受信する、例えば、四角形の平板状に形成されている受信部材３０は、超音波を受信する受信部３０ａを車両の外部に露出させた状態で、車両のバンパ５２に取り付けられている。ここで、バンパ５２には、受信部材３０を挿通可能な大きさに貫通形成された取付部５２ａが設けられており、受信部材３０は、取付部５２ａとの間に超音波の伝達を防止する緩衝材４１を介在して、取付部５２ａに取り付けられる。
【００４１】
受信素子１０は、支持部材１１ａの取付面１１ｎにおいて受信部材３０の内壁部３０ｂに接合層２４を介して取り付けられ、箱状の収容部材２３内に収容されている。つまり、受信素子１０は、車両外部から見えない位置に、振動部１５と受信部材３０とが非接触であるように支持部材１１ａを介して受信部材３０に取り付けられている。
【００４２】
受信素子１０には、圧電式振動検出素子１２（図２）から出力される電圧信号を検知する回路素子２１が電気的に接続されている。回路素子２１には、ＥＣＵに対して信号を出力するためのターミナル２２が、電気的に接続されている。このターミナル２２は、収容部材２３の外部に露出し、ＥＣＵに電気的に接続されている。なお、回路素子２１は収容部材２３の外部に配置してもよい。
【００４３】
（受信素子の構造）
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、受信素子１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の四角形状の半導体基板１１を用いて形成されている。半導体基板１１は、シリコンからなる支持部材１１ａの上面１１ｍ上に、第１絶縁膜１１ｂ、シリコン活性層１１ｃ、第２絶縁膜１１ｄがこの順番で積層されて形成されている。
半導体基板１１の中央部は、ＭＥＭＳ技術により、支持部材１１ａ及び第１絶縁膜１１ｂの中央部が四角形状に除去される。これにより、支持部材１１ａは中央部が四角形にくり抜かれた平板状に、残されたシリコン活性層１１ｃ及び第２絶縁膜１１ｄは、四角形の薄膜状に形成されている。
【００４４】
第２絶縁膜１１ｄ上には、薄膜状に形成された部分を覆って、圧電式振動検出素子１２が形成されている。圧電式振動検出素子１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体薄膜１２ａを下面電極１３及び上面電極１４で挟んで形成されている。
これにより、支持部材１１ａにより端部が持ち上げられた振動部１５が形成される。振動部１５は、所定の共振周波数を有しており、被検出体で反射されて受信素子１０に伝達された超音波を受信し、共振する。この共振により生じる振動部１５の変位を圧電式振動検出素子１２により電圧信号に変換して、超音波を検出する。
このように、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された受信素子１０は、超音波の受信感度が高いため受信素子として好適である。
【００４５】
（超音波の伝達）
図１に示すように、送信素子１９から送信され、被検出体たる障害物Ｍにて反射された超音波は、受信部材３０の受信部３０ａにて受信され、受信素子１０に向かって、受信部材３０の厚さ方向に伝達される。次に、受信部材３０を伝搬する超音波は、受信部材３０の内壁部３０ｂから接合層２４を介して支持部材１１ａの取付面１１ｎに対して固体内の振動（疎密波）として伝達される。
支持部材１１ａに伝達された超音波は、支持部材１１ａ内を伝達し、振動部１５を振動させる。そして、振動部１５が振動することにより、圧電式振動検出素子１２（図１）から回路素子２１に対して電圧信号が出力される。
つまり、超音波センサ６０は、受信部材３０により受信された超音波が、支持部材１１ａを介して振動部１５に伝達可能に構成されている。
【００４６】
そして、回路素子２１は圧電式振動検出素子１２から出力される電圧信号に基づいて演算処理を行い、例えば、信号の増幅およびノイズの除去、または、送信素子１９から送信した超音波と、受信素子１０が受信した超音波とを比較し、その時間差や位相差を求めることにより、被検出体との距離測定などを行うことができる。
【００４７】
受信部３０ａにおいて受信した超音波の強度に対する振動部１５に伝達される振動の強度の比を示す伝達率Ｔは、受信部材３０におけるエネルギー吸収に起因する伝達率Ｔ１、受信部材３０と支持部材１１ａとの界面における透過、反射に起因する伝達率Ｔ２及び振動の伝達経路である支持部材１１ａの最小断面積Ｄｍｉｎに起因する伝達率Ｔ３より（１）式で表される。

Ｔ＝Ｔ１×Ｔ２×Ｔ３（１）

ここで、超音波センサ６０において、振動部１５に伝達される振動に基づいて、回路素子２１に対して電圧信号を精度よく出力するためには、受信部３０ａにおいて受信した超音波の１／１０以上の強度の信号が振動部１５に伝達される必要がある。つまり、伝達率Ｔが０．１以上となるように、伝達率Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を調整する必要がある。
【００４８】
受信部材３０におけるエネルギー吸収に起因する伝達率Ｔ１は、受信部材３０を構成する材料の振動の吸収率αと受信部材３０の厚さｔとから（２）式で表される。

Ｔ１＝１－α×ｔ（２）

つまり、受信部材３０は、薄くて振動の吸収率が低い、例えば、硬い材料により構成することが好ましい。また、受信部材３０は、外気に晒されることに加え、外力の負荷から受信素子１０を保護しなければならないため、耐候性の高い堅牢な材料を用いて形成する必要がある。
【００４９】
受信部材３０と支持部材１１ａとの界面における透過、反射に起因する伝達率Ｔ２は、受信部材３０の音響インピーダンスＺ１と支持部材１１ａの音響インピーダンスＺ２とから（３）式で表される。

Ｔ２＝４×Ｚ１×Ｚ２／（Ｚ１＋Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）（３）

つまり、受信素子１０に効率よく超音波を伝達するためには、受信部材３０の音響インピーダンスＺ１を支持部材１１ａの音響インピーダンスＺ２に近づけることが有効である。
また、受信部材３０は、外気に晒されることに加え、外力の負荷から受信素子１０を保護しなければならないため、耐候性の高い堅牢な材料を用いて形成する必要がある。
以上より、受信部材３０を構成する材料としては、ステンレスやアルミニウム合金などの各種金属材料が好ましい。また、各種合成樹脂、ガラス、セラミックス、ゴムなども用いることができる。
【００５０】
伝達経路である支持部材１１ａの最小断面積Ｄｍｉｎに起因する伝達率Ｔ３は、支持部材１１ａの最小断面積Ｄｍｉｎと振動部１５の面積Ｓとにより（４）式で表される。

Ｔ３＝Ｄｍｉｎ／Ｓ（４）

但し、（４）式は、Ｄｍｉｎ／Ｓが１に近い大きな値でない場合、例えば、Ｄｍｉｎ／Ｓが０．５以下の場合に成立する。上記の式の成立範囲は構造に依存する。
Ｔ１及びＴ２は１以下の値をとるため、（１）式よりＴ３は少なくとも０．１以上である必要がある。つまり、取付面１１ｎの面積を振動部１５の面積Ｓの１／１０以上、更には、取付面１１ｎに平行な支持部材１１ａの断面の面積を振動部１５の面積Ｓの１／１０以上とすることが好ましい。
【００５１】
受信部３０ａで受信した超音波により振動部１５が共振するような構成を採用すると、伝達される振動が増幅されるので好ましい。共振振動は、振動部１５の材質、面積、厚さ、形状によって決まる。これらのパラメータにより、振動部１５の共振を設計することができる。
また、信号強度を上げる方法として、受信部材３０の音波伝達方向の厚さを１／４波長の整数倍とすることで超音波が受信部材３０内で共鳴することによって強度が増加する。
【００５２】
受信部材３０は、超音波の伝達を防止する緩衝材４１を介して、バンパ５２に取り付けられているため、横方向からの振動の伝達が遮蔽されるので、ノイズの影響を低減することができ、超音波センサ６０の感度を向上させることができる。この効果を奏するためには、緩衝材４１には振動遮断性の高い材料を用いることが望ましく、そのような材料として、例えば、ゴムなどがある。
【００５３】
受信部材３０の内壁部３０ｂから支持部材１１ａの取付面１１ｎに対して、超音波による振動を効率よく伝達するためには、内壁部３０ｂと取付面１１ｎとの界面における超音波の反射などによる減衰を小さくする必要がある。そのためには、内壁部３０ｂと取付面１１ｎとの接触状態を良好にするため、振動の減衰が小さい材料で接合することが好ましい。
例えば、接合層２４として、グリース、ガラス接合層、接着剤、ろう付け部などを採用し、内壁部３０ｂと取付面１１ｎとを密着させることが好ましい。また、内壁部３０ｂと取付面１１ｎとを平滑な面に仕上げて機械的に接触させてもよい。
【００５４】
（変更例）
図３に示すように、樹脂、または、金属製のバンパ５２を受信部材として利用し、受信素子１０をバンパ５２に直接取り付ける構成を使用することもできる。この構成を使用すると、バンパ５２から受信部が露出することがないため、意匠的に優れた車両を製造することができる。
【００５５】
超音波センサ６０は、バンパ５２以外の車両の移動方向の端部、例えば、バンパ５２の直上、または、直下の車両のボディに取り付けることができる。
この構成を用いると、障害物などで反射した超音波が車両の一部に遮られることがないので、確実に超音波センサ６０で検出することができ、障害物センサなどに超音波センサ６０を適用する場合に有効である。
また、フロントガラス、または、リアガラスを受信部材３０として利用し、受信素子１０を取り付けることもできる。この構成を用いると、受信部材３０が硬いガラスとなるため、超音波の伝達効率を向上させることができる。
更に、超音波センサの用途に合わせて、他の部材を受信部材３０として利用することもできる。例えば、超音波センサを車両側方の障害物センサとして用いる場合には、ウインカのカバーなどを受信部材３０として利用し、受信素子１０を取り付けることもできる。その他、ヘッドランプのカバー、リアランプのカバー、バックランプのカバー、または、ボディなどを受信部材３０として利用し、受信素子１０を取り付けることもできる。
【００５６】
受信部材３０を構成する材料として、一方向に優先的に音波を伝達する異方性材料、例えば、厚さ方向にメタルファイバーやガラスファイバーを配列した樹脂材料などを用いることができる。この構成を用いると、超音波の伝達方向が受信部材３０の厚さ方向に制限され、面方向への散逸が防止できるため、超音波の減衰を小さくすることができる。
【００５７】
［第１実施形態の効果］
（１）送信素子１９から送信され、障害物Ｍにて反射された超音波を、超音波を受信する受信部３０ａが障害物Ｍの存在する空間側、つまり、車両の外部に露出した状態でバンパ５２に配置された受信部材３０で受信することができる。
この受信部材３０により受信された超音波が、超音波が伝達して振動する振動部１５に、振動部１５の端部を持ち上げて支持する支持部材１１ａを介して伝達可能に構成されているため、超音波を固体内部の振動として伝達することができるので、超音波の減衰が少なく、超音波を効率よく振動部１５に伝達することができる。また、受信部材３０を共振させるのではなく、固体内部の振動によって超音波伝達を行うため、受信部材３０の厚みを確保し、強度を確保することができる。
受信部材３０の内壁部３０ｂに、振動部１５と受信部材３０とが非接触であるように支持部材１１ａが取り付けられているため、車両の進行中に、例えば、小石などが飛来して受信部材３０に衝突し、受信部材３０が振動部１５側に変位したような場合であっても、受信部材３０が振動部１５と接触し、破損するおそれがない。
更に、車両が雨やちりなどの異物により汚れた場合であっても、振動部１５には、水滴や異物が付着しないため、超音波センサ６０を正常な状態で作動させることができる。
つまり、振動部１５を保護するとともに、障害物Ｍで反射された超音波を効率よく振動部に伝達することができる超音波センサ６０を実現することができる。
【００５８】
（２）受信部材３０及び支持部材１１ａの音響インピーダンスを等しく、または、ほぼ等しくすることにより、受信部材３０及び支持部材１１ａの界面における超音波の反射が小さくなるので、超音波の伝達効率を向上させることができる。
【００５９】
（３）振動部１５は、受信部３０ａで受信された超音波により共振するため、受信素子１０に伝達される振動の振幅が増大するので、超音波を効率よく検出することができる。
【００６０】
（４）受信部材３０は、取付部５２ａとの間に超音波の伝達を防止する緩衝材４１を介在して、取付部５２ａに取り付けられるため、車両を構成する部材からの振動が受信部材３０に伝達することを防止することができる。
【００６１】
〈第２実施形態〉
この発明に係る超音波センサの第２実施形態について、図を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る超音波センサにおける受信素子の配置の説明図である。図５は、第２実施形態に係る超音波センサの断面説明図である。図６は、第２実施形態に係る超音波センサの変更例の説明図である。
なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。また、以下の各図において、送信素子１９及び障害物Ｍを省略する。
【００６２】
（超音波センサの構造）
本実施形態の超音波センサ７０では、複数個の受信素子がアレイ状に並べて配置されている。図４は、超音波センサ７０における受信素子のみの配置を示している。図４に示すように、本実施形態では、縦横方向に２個ずつ計４個の受信素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが配置されている。このように受信素子を配置すると、各受信素子１０ａ～１０ｄで受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。
【００６３】
図５に示すように、受信部材３１は、緩衝材４１を介して、車両のバンパ５２に取り付けられている。受信部材３１には、面方向の中央部から車両の外部に向かって溝状の空間である遮蔽部３１ｉが形成されており、この遮蔽部３１ｉにより、受信部材３１は領域３１ａと領域３１ｂとに区画されている。受信素子１０ａは、領域３１ａの内壁部３１ｇに装着されており、受信素子１０ｂは、領域３１ｂの内壁部３１ｈに装着されている。つまり、受信部材３１は、遮蔽部３１ｉにより、受信素子１０ａ、１０ｂに対応した領域３１ａ、３１ｂにそれぞれ区画される。
ここで、遮蔽部３１ｉは、内壁部３１ｇ、３１ｈ側で開口し、受信部３１ｅ、３１ｆ側で閉口している。また、受信素子１０ａ及び受信素子１０ｂは、ともに回路素子２１に電気的に接続されている。
なお、受信素子１０ａ～１０ｄのいずれの隣接する２つの受信素子においても上述の受信素子１０ａ、１０ｂの断面構造と同様の構造となる。
【００６４】
超音波センサ７０をこのように構成すると、超音波を受信部３１ｅにて受信した場合、超音波は、受信部材３１の領域３１ａを伝搬する。ここで、受信部材３１には、遮蔽部３１ｉが形成されており、遮蔽部３１ｉでは超音波の伝達媒体が空気となり、減衰が大きくなるので、超音波が領域３１ａから領域３１ｂに伝搬することはない。従って、受信部３１ｅにて受信した超音波は、受信素子１０ａの振動部１５ａにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
超音波を受信部３１ｆにて受信した場合も同様に、受信した超音波は受信素子１０ｂの振動部１５ｂにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
これにより、超音波の伝達を各領域３１ａ、３１ｂ間で分離して行うことが可能になり、各振動部１５ａ、１５ｂのクロストーク特性を向上することができる。更に、各受信部３１ｅ、３１ｆで受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、障害物の位置測定の精度を向上させることができる。
【００６５】
本実施形態では、遮蔽部３１ｉは、内壁部３１ｇ、３１ｈ側で開口し、受信部３１ｅ、３１ｆ側で閉口しているが、内壁部３１ｇ、３１ｈ側で閉口し、受信部３１ｅ、３１ｆ側で開口していてもよいし、両側とも閉口していてもよい。また、遮蔽部３１ｉには、超音波の伝達を妨げる材料、例えばゴムなどを介在させてもよい。
また、受信素子の数は４個に限らない。隣接する複数個の受信素子を１グループとし、そのグループ毎に遮蔽部３１ｉを設けて当該グループを他のグループから分離してもよい。
【００６６】
図６に示すように、バンパ５２を受信部材として利用し、受信素子１０ａ、１０ｂをバンパ５２に直接取り付ける構成を使用することもできる。この構成を使用すると、バンパ５２から受信部が露出することがないため、美観を保つことができる。ここで、バンパ５２において、例えば、隣接する受信素子１０ａと受信素子１０ｂとの間と、収容部材２３の幅方向の外側とに、遮蔽部３１ｉと同様の構造の５２ｂなどの面方向からの振動の伝達を遮蔽する構造を設けておくと、各振動部１５ａ、１５ｂのクロストーク特性を向上することができる。
また、第１実施形態と同様に、フロントガラス、または、リアガラスを受信部材３１して利用し、受信素子１０ａ～１０ｄを取り付けることもできる。
その他、ヘッドランプのカバー、リアランプのカバー、バックランプのカバー、ウインカのカバー、またはボディなどを受信部材３１として利用し、受信素子１０ａ～１０ｄを取り付けることもできる。
【００６７】
［第２実施形態の効果］
受信部材３１には複数個の振動部１５ａ、１５ｂが支持部材１１ａを介して装着され、受信部材３１は、各振動部１５ａ、１５ｂに対応した領域３１ａ、３１ｂに区画されており、各領域３１ａ、３１ｂの間には、受信部３１ｅ、３１ｆで受信した超音波の各領域３１ａ、３１ｂ間での伝達を妨げる遮蔽部３１ｉが設けられているため、区画された各領域３１ａ、３１ｂで受信された超音波は、対応する振動部１５ａ、１５ｂにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
従って、超音波の伝達を各領域３１ａ、３１ｂ間で分離して行うことが可能になり、各振動部１５ａ、１５ｂのクロストーク特性を向上することができる。
当該超音波センサ７０は、複数個の振動部１５ａ、１５ｂを有するため、各振動部１５ａ、１５ｂで受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、障害物との距離だけでなく、障害物の位置も測定することができる。ここで、受信部材３１の区画された各領域３１ａ、３１ｂで受信された超音波は、対応する振動部１５ａ、１５ｂにだけ伝達されるため、各振動部１５ａ、１５ｂで受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、障害物の位置測定の精度を向上させることができる。
【００６８】
〈第３実施形態〉
この発明に係る超音波センサの第３実施形態について、図を参照して説明する。図７は、第３実施形態に係る複数個の受信素子を備えた超音波センサの断面説明図である。
なお、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。
【００６９】
（超音波センサの構造）
図７に示すように、本実施形態の超音波センサ８０は、各振動部１５ａ、１５ｂ毎に対応して受信部材３２、３３が設けられている点において、第２実施形態の受信部材３１と異なっている。
各振動部１５ａ、１５ｂは支持部材１１ａを介して受信部材３２、３３にそれぞれ装着されている。受信部材３２と受信部材３３との間には、超音波の伝達を妨げる、例えば、ゴムなどの減衰材料からなる減衰部材４２が介在している。
【００７０】
超音波センサ８０をこのように構成すると、超音波を受信部３２ａにて受信した場合、超音波は、受信部材３２を伝搬する。ここで、受信部材３２と受信部材３３との間には減衰部材４２が介在するため、超音波が受信部材３２から受信部材３３に伝搬しにくい。従って、受信部３２ａにて受信した超音波は、受信素子１０ａの振動部１５ａにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
超音波を受信部３３ａにて受信した場合も同様に、受信した超音波は受信素子１０ｂの振動部１５ｂにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
これにより、超音波の伝達を各受信部材３２、３３間で分離して行うことが可能になり、各振動部１５ａ、１５ｂのクロストーク特性を向上することができる。
更に、各受信部３２ａ、３３ａで受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、障害物の位置測定の精度を向上させることができる。
【００７１】
［第３実施形態の効果］
複数個の振動部１５ａ、１５ｂが対応する個数の受信部材３２、３３に支持部材１１ａを介してそれぞれ装着され、受信部材３２、３３の間には、受信部３２ａ、３３ａで受信した超音波の各受信部材３２、３３での伝達を妨げる減衰部材４２が設けられているため、各受信部材３２、３３で受信された超音波は、対応する振動部１５ａ、１５ｂにだけ伝達され、他の振動部には伝達されない。
従って、超音波の伝達を各受信部材３２、３３間で分離して行うことが可能になり、各振動部１５ａ、１５ｂのクロストーク特性を向上することができる。
当該超音波センサ８０は、複数個の振動部１５ａ、１５ｂを有するため、各振動部１５ａ、１５ｂで受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、障害物の位置も測定することができる。ここで、各受信部材３２、３３で受信された超音波は、対応する振動部１５ａ、１５ｂにだけ伝達されるため、各振動部１５ａ、１５ｂで受信した超音波の時間差、位相差を正確に求めることができるので、障害物の位置測定の精度を向上させることができる。
【００７２】
〈その他の実施形態〉
（１）受信素子として、振動部が支持部材に片持ち支持された受信素子を採用することもできる。図８は、振動部が支持部材に片持ち支持された受信素子の説明図である。図８（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。図９は、振動部が支持部材に片持ち支持された受信素子を用いた超音波センサの断面説明図である。
図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、受信素子２０の振動部８５は、シリコン活性層１１ｃ、第２絶縁膜１１ｄ、圧電体薄膜８２ａを下面電極８３及び上面電極８４で挟んで形成されている圧電式振動検出素子８２がこの順番で積層されて形成されており、支持部材１１ａにより片持ち支持されている。
図９に示すように、複数の受信素子、例えば、受信素子２０ａ、２０ｂを受信部材３１に取り付けるときは、振動部８５ａ、８５ｂを片持ち支持している方の支持部材１１ａが中央側に設けられる配置で超音波センサ９０を構成してもよい。また、支持部材１１ａが外側に設けられる配置としてもよいし、支持部材１１ａの方向を揃えてもよい。
この構成を使用すると、振動部の両端を支持されている場合に比べて、振動部の変形を拘束する部分が少ないため、振動が伝達されると大きく変形するので、超音波センサの感度を向上させることができる。
【００７３】
（２）受信部３４ｅで受信した超音波が振動部１５ａに伝達されるまでの伝達時間と、受信部３４ｆで受信した超音波が振動部１５ｂに伝達されるまでの伝達時間とが等しくなるように構成すると、障害物の位置を測定する場合に、各受信部３４ｅ、３４ｆで受信した超音波の時間差の測定精度を向上させることができるので、障害物の位置の測定精度を向上させることができる。例えば、受信素子１０ａに対応する受信部３４ｅから振動部１５ａまでの距離と受信素子１０ｂに対応する受信部３４ｆから振動部１５ｂまでの距離とが等しくなるように構成するとよい。
【００７４】
（３）受信部材３０～３３は、平板形状でなくてもよい。図１０は、受信部材の変更例を示す説明図である。図１０に示すように、超音波センサ１００の受信部材として、例えば、受信部３４ａの反対側の面から車両の内部方向に突出した突出部３４ｊが形成されており、その突出部３４ｊの幅方向の中央部近傍に溝状の空間である遮蔽部３４ｉを備えた受信部材３４を用いることができる。受信素子１０ａ、１０ｂは、受信部３４ａと垂直に形成された面３４ｇ及び面３４ｈにそれぞれ装着されている。この実施形態では、回路素子２１及びターミナル２２は、受信素子１０ａ、１０ｂにそれぞれ設けられている。この構成を使用すると、受信部３４ａの幅を小さくすることができ、車両の美観を保つことができるとともに、配置の自由度が増大する。
【００７５】
（４）受信素子の振動部としては、圧電式振動検出素子を用いたが、これに限定されるものではなく、電極間の容量変化により超音波を検出する容量式振動検出素子などを用いることもできる。
【００７６】
［各請求項と実施形態との対応関係］
遮蔽部３１ｉが請求項６に記載の第１の遮蔽手段に、緩衝材４１が請求項８に記載の第２の遮蔽手段に、減衰部材４２が請求項１２に記載の第３の遮蔽手段にそれぞれ対応する。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】車両に搭載された超音波センサの断面説明図である。
【図２】超音波センサの受信素子の説明図である。図２（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ－Ａ矢視断面図である。
【図３】第１実施形態に係る超音波センサの変更例の説明図である。
【図４】第２実施形態に係る超音波センサにおける受信素子の配置の説明図である。
【図５】第２実施形態に係る超音波センサの断面説明図である。
【図６】第２実施形態に係る超音波センサの変更例の説明図である。
【図７】第３実施形態に係る複数個の受信素子を備えた超音波センサの断面説明図である。
【図８】振動部が支持部材に片持ち支持された受信素子の説明図である。図８（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。
【図９】振動部が支持部材に片持ち支持された受信素子を用いた超音波センサの断面説明図である。
【図１０】受信部材の変更例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ受信素子
１１ａ支持部材
１１ｎ取付面
１５、１５ａ、１５ｂ、８５振動部
１９送信素子
３０、３１、３２、３３受信部材
３０ａ、３１ｅ、３１ｆ、３２ａ、３３ａ受信部
３１ａ、３１ｂ領域
３１ｉ遮蔽部（第１の遮蔽手段）
４１緩衝材（第２の遮蔽手段）
４２減衰部材（第３の遮蔽手段）
５２バンパ
５２ａ取付部
６０、７０、８０、９０、１００超音波センサ
Ｍ障害物

【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する送信素子から送信され、被検出体にて反射された超音波が伝達して振動する振動部を有し、所定の物体に配置される超音波センサにおいて、
前記振動部の端部を持ち上げて支持する支持部材と、
前記被検出体にて反射された超音波を受信する受信部が、前記所定の物体において前記被検出体の存在する空間側に露出する受信部材とを備えており、
前記受信部材の前記受信部と異なる部位には、前記振動部と前記受信部材とが非接触であるように前記支持部材が取り付けられており、
前記受信部により受信された前記超音波が、前記支持部材を介して前記振動部に伝達可能に構成されたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記受信部材及び前記支持部材の音響インピーダンスが等しい、または、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記振動部は、前記受信部で受信された超音波により共振することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記振動部は、圧電式振動検出素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記振動部は、前記支持部材に片持ち支持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記振動部は、容量式振動検出素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記受信部材には複数個の前記振動部がそれぞれ前記支持部材を介して装着され、前記受信部材は、前記各振動部に対応した領域に区画されており、
前記各領域の間には、前記受信部で受信した超音波の前記各領域間での伝達を妨げる第１の遮蔽手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記第１の遮蔽手段は、前記受信部に対して垂直方向、または、略垂直方向に形成された溝状の空間であることを特徴とする請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
複数個の前記振動部が対応する個数の前記受信部材に前記支持部材を介してそれぞれ装着され、前記各受信部材の間には、前記受信部で受信した超音波の前記各受信部材間での伝達を妨げる第２の遮蔽手段がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記第２の遮蔽手段は、前記受信部で受信した超音波を減衰させる減衰材料からなることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記受信部で受信した超音波が前記振動部に伝達されるまでの伝達時間がそれぞれ等しい、または、ほぼ等しいことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記所定の物体は、車両であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記車両には、前記受信部材を取り付ける取付部が設けられており、
前記受信部材は、前記取付部との間に前記超音波の伝達を防止する第３の遮蔽手段を介在して、前記取付部に取り付けられることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記取付部は、前記車両の移動方向の端部であることを特徴とする請求項１３に記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記取付部は、バンパであることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の超音波センサ。
【請求項１６】
前記受信部材は、前記車両の移動方向の端部に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１７】
前記受信部材は、バンパであることを特徴とする請求項１２または請求項１６に記載の超音波センサ。
【請求項１８】
前記受信部材は、フロントガラス、または、リアガラスであることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１９】
前記受信部材は、ヘッドランプのカバー、または、リアランプのカバー、または、ウインカのカバー、または、バックランプのカバーであることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項２０】
前記受信部材は、ボディであることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

[ Back to top ]

超音波センサ

Site menu:

次の公報 »

« 前の公報