JP2007189303A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【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】 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、受信部３１ｂが露出した状態でバンパ５２に配置された受信部材３１ａで受信する。受信された超音波は伝達部材２１とワイヤ６１とを介して固体の振動として振動部１６に伝達されるため、空間を介して伝達されるものよりも減衰を小さくすることができるので、超音波の振動を振動部１６に効率よく伝達することができる。振動部１６は直接露出しておらず、受信部材３１ａと振動部１６との間には伝達部材２１及びワイヤ６１が介在されているため、外力を受けた受信部材３１ａが振動部１６側に変位した場合でも、受信部材３１ａが振動部１６と接触し、振動部１６が破損するおそれがない。
【選択図】 図２

Description

この発明は、送信手段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する超音波センサに関する。

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、送信手段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受信手段により受信することにより、自動車の周囲にある物体の位置する方向測定や物体までの距離測定などを行う。このように、超音波センサを利用して、自動車の周囲を監視することにより、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、超音波センサの受信素子としては、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、超音波センサの受信素子が注目されている。

ここで、超音波センサの受信素子を外部に露出させた状態で車両に搭載した場合、受信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、受信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、受信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振動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。
特開２００２−５８０９７号公報

しかし、ＭＥＭＳ型の受信素子は、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、超音波を受信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。

そこで、この発明は、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ことを目的とする。

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手段（１９）から送信され、被検出体（Ｍ）にて反射された超音波が伝達して振動する振動部（１６）を有し、所定の物体（５２）に配置される超音波センサ（６０）において、前記被検出体（Ｍ）にて反射された超音波を受信する受信部（３１ｂ）が、前記所定の物体において前記被検出体（Ｍ）の存在する空間側に露出する受信部材（３１ａ）と、前記受信部材（３１ａ）に連結されて設けられ、前記受信部（３１ｂ）で受信した超音波が伝達される第１の伝達部材（２１）と、前記第１の伝達部材（２１）と前記振動部（１６）との間に介在し、前記第１の伝達部材（２１）に伝達された超音波の振動を前記振動部（１６）へ伝達する第２の伝達部材（６１）と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、超音波を送信する送信手段から送信され、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は、第１の伝達部材と第２の伝達部材とを介して振動部に伝達されるため、従来のように空間を介して伝達されるものよりも超音波の減衰を小さくすることができるので、超音波の振動を振動部に効率よく伝達することができる。
また、振動部は直接露出しておらず、受信部材と振動部との間には、第１及び第２の伝達部材が介在されているため、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、振動部が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。

請求項２に記載の発明では、前記第２の伝達部材（６１）は、前記超音波の振動による前記第１の伝達部材（２１）と前記振動部（１６）との間の変位に合わせて変形可能である、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、第２の伝達部材は、第１の伝達部材と振動部との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部が破壊されるおそれがない。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、線状の部材（６１）からなる、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、例えば、ワイヤボンディングなどにより簡単に第２の伝達部材を形成することができる。
また、線状の部材は振動部に比べて体積が小さいため、全体として剛性が高くない。そのため、振動部に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部が破壊されるおそれがない。

請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、箔状の部材（６２）からなる、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、綿状の部材（６３）からなる、という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、ゲル状物質（６４）からなる、という技術的手段を用いる。

請求項４ないし請求項６に記載の発明によれば、第２の伝達部材が振動部と接触する面積を大きくすることができ、振動の伝達効率を高めることができる。また、振動部に過大な力が負荷されることがないので、振動部が破壊されるおそれがない。

請求項７に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、前記振動部（１６）に接触するように前記第１の伝達部材（２１）に突出して設けられた凸状の第１の突出部材（６５）である、という技術的手段を用いる。

請求項８に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記第２の伝達部材は、前記振動部（１６）の前記第１の伝達部材（２１）側の面に、前記第１の伝達部材（２１）に接触するように突出して設けられた凸状の第２の突出部材（６６）である、という技術的手段を用いる。

請求項７または請求項８に記載の発明によれば、受信部により受信された超音波が、突出部材を介して局所的に固体の振動として伝達されるため、振動部に接触して振動を拘束する領域が小さくなるので、振動部の変位を大きくすることができ、振動の伝達効率を高めることができる。また、振動部に過大な力が負荷されることがないので、振動部が破壊されるおそれがない。

請求項９に記載の発明では、請求項１ないし請求項８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（１６）の端部を支持する支持部材（１１ａ）が備えられた、という技術的手段を用いる。

請求項９に記載の発明によれば、振動部は、支持部材により支持されているため、振動部に接触して振動を拘束する領域が小さくなるので、振動部の変位を大きくすることができ、振動の受信感度を高めることができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９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（３１ａ）と前記第１の伝達部材（２１）とが一体的に形成されている、という技術的手段を用いる。

この請求項１０に記載の発明によれば、受信部材から第１の伝達部材に直接振動が伝達するため、振動の減衰を小さくすることができる。

請求項１１に記載の発明では、請求項１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、前記第１の伝達部材（２１）及び前記第２の伝達部材（６１）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。

請求項１１に記載の発明によれば、第１の伝達部材及び第２の伝達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。

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、前記振動部（１６）を収容するための第１の収容部材（２３）を更に備え、前記所定の物体（５２）には、前記第１の収容部材（２３）を取り付ける第１の取付部（５２ａ）が設けられており、前記受信部（３１ｂ）が前記第１の取付部（５２ａ）において前記被検出体（Ｍ）の存在する空間側に露出した状態で、前記第１の収容部材（２３）が前記第１の取付部（５２ａ）に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項１２に記載の発明によれば、振動部は第１の収容部材内に収容されており、超音波センサを所定の物体に取り付ける際は、その第１収容部材を所定の物体の第１の取付部に取り付ければよく、振動部が第１の取付部に衝突などして破損するおそれが少ない。また、各受信部が第１の取付部において被検出体の存在する空間側に露出した状態で、第１の収容部材が第１の取付部に取り付けられるため、第１の収容部材及び受信部の所定の物体に対する位置合わせが容易である。

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、前記振動部（１６）は、前記振動部（１６）を取付可能な前記第１の収容部材（２３）の内面のうち、前記受信部（３１ｂ）で受信した超音波の振動が前記振動部（１６）に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項１３に記載の発明によれば、第１の伝達部材の長さを短くすることができるので、第１の伝達部材内を振動が伝達するときの減衰を小さくすることができる。

請求項１４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、前記振動部（１６）は、前記振動部（１６）を取付可能な前記第１の収容部材（２３）の内面のうち、前記受信部（３１ｂ）で受信した超音波の振動が前記振動部（１６）に伝達されるまでの伝達時間が最も長くなる内面に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項１４に記載の発明によれば、振動部が第１の収容部材内で取付部から最も遠い位置に配置されるため、車両に衝撃が加わった場合においても、振動部が破壊されるおそれが少ない。

請求項１５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、前記振動部（１６）と、前記受信部材（３１ａ）と、前記第１の伝達部材（２１）と、前記第２の伝達部材（６１）とからなる組を、複数組備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１５に記載の発明によれば、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、被検出体との距離及び被検出体の位置を測定することができる。

請求項１６に記載の発明では、請求項１５に記載の超音波センサにおいて、前記各受信部材（３１ａ）の間には、前記受信部（３１ｂ）で受信した超音波の前記各受信部材（３１ａ）間での伝達を妨げる遮蔽手段（４１）がそれぞれ設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項１６に記載の発明によれば、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、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。これにより、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。

請求項１７に記載の発明では、請求項１５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（３１ｂ）で受信した超音波が前記振動部（１６）に伝達されるまでの伝達時間が前記各組毎に等しい、または、ほぼ等しい、という技術的手段を用いる。

請求項１７に記載の発明によれば、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。

請求項１８に記載の発明では、請求項１５ないし請求項１７のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記各振動部（１６）を総て収容するための第２の収容部材（２３）を更に備え、前記所定の物体（５２）には、前記第２の収容部材（２３）を取り付ける第２の取付部（５２ａ）が設けられており、前記各受信部（３１ｂ）が前記第２の取付部（５２ａ）において前記被検出体（Ｍ）の存在する空間側に露出した状態で、前記収容部材（２３）が前記第２の取付部（５２ａ）に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項１８に記載の発明によれば、第２の収容部材内に総ての振動部が収容されており、超音波センサを所定の物体に取り付ける際は、その第２の収容部材を所定の物体の第２の取付部に取り付ければよく、振動部が第２の取付部に衝突などして破損するおそれが少ない。また、各受信部が第２の取付部において被検出体の存在する空間側に露出した状態で、第２の収容部材が第２の取付部に取り付けられるため、第２の収容部材及び受信部の所定の物体に対する位置合わせが容易である。更に、第２の収容部材を所定の物体の第２の取付部に取り付ければ複数の振動部を一度に取り付けたこととなるため、取付作業に要する時間を短縮することができる。

請求項１９に記載の発明では、請求項１８に記載の超音波センサにおいて、前記各振動部（１６）は、前記各振動部（１６）を取付可能な前記第２の収容部材（２３）の内面のうち、前記各受信部（３１ｂ）で受信した超音波の振動が前記各振動部（１６）に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項１９に記載の発明によれば、第１の伝達部材の長さを短くすることができるので、第１の伝達部材内を振動が伝達するときの減衰を小さくすることができる。

請求項２０に記載の発明では、請求項１８に記載の超音波センサにおいて、前記各振動部（１６）は、前記各振動部（１６）を取付可能な前記第２の収容部材（２３）の内面のうち、前記各受信部（３１ｂ）で受信した超音波の振動が前記各振動部（１６）に伝達されるまでの伝達時間が最も長くなる内面に取り付けられた、という技術的手段を用いる。

請求項２０に記載の発明によれば、各振動部が収容部材内で取付部から最も遠い位置に配置されるため、車両に衝撃が加わった場合においても、振動部が破壊されるおそれが少ない。

請求項２１に記載の発明では、請求項１２ないし請求項１４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の収容部材（２３）と前記車両（５２）との間には、前記車両（５２）に加わった衝撃の前記第１の収容部材（２３）への伝達を妨げる第１の衝撃吸収手段（４２）が設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項２２に記載の発明では、請求項１８ないし請求項２０のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第２の収容部材（２３）と前記車両（５２）との間には、前記車両（５２）に加わった衝撃の前記第２の収容部材（２３）への伝達を妨げる第２の衝撃吸収手段（４２）が設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項２１または請求項２２に記載の発明によれば、第１の衝撃吸収手段または第２の衝撃吸収手段により、車両に加わった衝撃を第１の収容部材または第２の収容部材へ伝達することが妨げられるので、振動部が破壊されるおそれが少ない。

請求項２３に記載の発明では、請求項１ないし請求項２２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（５２）である、という技術的手段を用いる。

請求項２３に記載の発明によれば、当該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、受信部材と振動部との間には、第１及び第２の伝達部材が介在されているため、車両の走行中に、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。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明に係る超音波センサの最良の形態について、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、超音波センサの受信素子の説明図である。図１（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図である。図２は、車両に搭載された超音波センサの説明図である。図２（Ａ）は、超音波センサを車両外側から透視した平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）をＸ方向から見た一部断面図である。図２（Ｂ）において、図中上方が車両の外部を示す。また、超音波の伝達を説明するために、送信素子及び障害物を記載してある。図３は、図２（Ｂ）の一部を拡大した一部断面図である。
なお、各図では、説明のために一部を拡大して示している。

（受信素子の構造）
最初に、超音波センサに備えられた受信素子の構造について説明する。
図１（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ている。これにより、支持部材１１ａは中央部が四角柱にくり抜かれた枠状に、残されたシリコン活性層１１ｃ及び第２絶縁膜１１ｄは、それぞれ四角形の薄膜状に形成されている。

第２絶縁膜１１ｄ上には、薄膜状に形成された部分を覆って、圧電振動子１２が形成されている。圧電振動子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。下面電極１３及び上面電極１４は、圧電体薄膜１２ａを挟み込む四角形状に形成された部分と、半導体基板１１の角部近傍に形成されている電位を取り出すための電極パッド１３ａ、１４ａとからなる。
更に上面電極１４の表面には第３絶縁膜１５が形成されている。シリコン活性層１１ｃ、第２絶縁膜１１ｄ、圧電振動子１２、下面電極１３、上面電極１４及び第３絶縁膜１５が積層された部分のうち、支持部材１１ａに形成された枠状の開口部に対応した部分により、支持部材１１ａにより端部が支持された振動部１６が形成される。

振動部１６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１６の変位を圧電振動子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、振動部１６が、支持部材１１ａにより支持されているため、振動部１６に接触して振動を拘束する領域が小さくなるので、振動部１６の変位を大きくすることができ、振動の受信感度を高めることができる。このため、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。

（超音波センサの構造）
図２（Ａ）に示すように、本実施形態の超音波センサ６０では、縦横方向に２個ずつ計４個の受信素子１０がアレイ状に並べて配置され、各受信素子１０は、収容部材２３に収容されている。図２（Ｂ）に示すように、収容部材２３は車両の走行方向に設けられたバンパ５２の裏面５２ｂに取り付けられている。なお、受信素子の数は例示であり、４個に限らない。また配置についても、縦横２個とは限らない。
図２（Ｂ）及び図３に示すように、収容部材２３は、箱状に形成されており、振動部１６を取付可能な内面を複数有する。それら複数の内面のうち、バンパ５２の裏面５２ｂに対応する内面２３ｃには、電極１８、１８が取り付けられている。受信素子１０の下面電極１３上には電極パッド１３ａが、上面電極１４上には電極パッド１４ａが電気的に接続されており、各電極パッド１３ａ、１４ａは、それぞれ導電性のバンプ１７を介して電極１８、１８と電気的に接続されている。つまり、受信素子１０は、受信素子１０を取付可能な収容部材２３の内面のうち、後述する受信部３１ｂで受信した超音波の振動が振動部１６に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面２３ｃに取り付けられている。ここで、バンプ１７は、例えば、金属製の球形部材であり、熱圧接により、各電極パッド１３ａ、１４ａと各電極１８とをそれぞれ接合する。
各電極１８は、圧電振動子１２から出力される電圧信号を検知する回路（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されており、その回路は、車両に備えられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に電気的に接続されている。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、収容部材２３は、収容部材２３をバンパ５２に取付けるための取付部２３ｂを備える。取付部２３は、縦断面が四角形の角柱状に形成されており、バンパ５２の裏面５２ｂから前方に向けて突出形成されている。また、図２（Ａ）に示すように、取付部２３ｂは、４つの受信素子１０によって囲まれた領域の中心に形成されている。
バンパ５２には、取付部２３ｂを挿通可能な大きさに前後方向に貫通形成された取付部５２ａが設けられており、この取付部５２ａに収容部材２３の取付部２３ｂが、バンパ５２の裏面５２ｂから挿通される。また、バンパ５２の裏面５２ｂと収容部材２３の外側面２３ａとの間には、衝撃吸収部材４２が介在している。これにより、バンパ５２に衝撃が加わった場合でも、収容部材２３に伝わる力を小さくすることができるので、収容されている受信素子１０が破損するおそれが少ない。

収容部材２３の取付部２３ｂには、送信素子１９から送信され、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４個の受信部材３１ａが設けられている。各受信部材３１ａは、いずれもステンレスにより、四角柱状に形成されている。
各受信部材３１ａは、超音波を受信する四角形状の受信部３１ｂをそれぞれ備える。各受信部３１ｂは、それぞれ車両の外部であって、被検出体たる障害物Ｍが存在する空間側に露出しており、バンパ５２の前方から見て縦横方向に２個ずつの計４個配置されている。各受信部材３１ａの隣接する側面間と、各受信部材３１及び取付部２３ｂ間とには、超音波の伝達を防止する遮蔽材４１がそれぞれ介在されている。
ここで、受信部材３１ａは、互いに隣り合った受信部材３１ａの受信部３１ｂの中心部の間隔が、超音波の半波長に等しくなるように配置されている。

このように、各受信部材３１ａの配置は決定されるが、受信素子１０の配置は任意であるため、受信素子１０の大きさに制約がなくなり、自由に設計することができる。このため、受信素子１０の大きさを変えることにより共振設計の自由度を上げることができる。また、受信素子１０は半導体ウエハ上に振動部１６などを形成した後に分割して作製するが、受信素子１０を小型化することにより、１枚の半導体ウエハから作製される受信素子１０の収量を増やすことができるので、生産性を向上することができる。

各受信部材３１ａの裏面には、受信部３１ｂで受信した超音波を伝達するための伝達部材２１の一端がそれぞれ連結されている。各伝達部材２１の他端は、それぞれ取付部２３ｂの内面と、受信素子１０の取付面である内面２３ｃとに沿った経路を通り、振動部１６の上方を横切った位置まで達している。
各伝達部材２１は、それぞれ受信された超音波を個体の振動として伝達可能な材料、例えば、金属箔により形成されている。
伝達部材２１は、受信部３１ｂと異なる位置であれば、例えば、受信部材３１ａの側面において連結してもよい。

図３に示すように、伝達部材２１は、受信素子１０の振動部１６に対向して設けられており、伝達部材２１と振動部１６との間には、１本のワイヤ６１が第３絶縁膜１５に接触した状態で伝達部材２１の長手方向に平行に設けられている。つまり、ワイヤ６１は、車両の前方から見て直線状に形成されている。ワイヤ６１は、伝達部材２１にアーチ状になるように３点でワイヤボンドされており、アーチ状の先端部が第３絶縁膜１５に接触している。ワイヤ６１はアーチ状に形成されているため剛性が高くないので、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能である。
本実施形態では、ワイヤ６１は、伝達部材２１の長手方向に平行に設けられているが、伝達部材２１の長手方向に対して斜め方向に設けてもよいし、車両の前方から見て直線状でなくてもよい。
ワイヤ６１が、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であれば、アーチを形成するための接点の数は任意である。
また、複数本のワイヤ６１を設けてもよい。このとき、複数本のワイヤ６１は平行に設けてもよいし、交差してもよい。

（超音波の伝達）
図２（Ｂ）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を受信部３１ｂにて受信すると、受信された超音波は、受信部材３１ａから伝達部材２１に固体の振動として伝達される。伝達部材２１に伝達された超音波は、ワイヤ６１内を伝達し、ワイヤ６１と接触している振動部１６を振動させる。
ここで、受信部３１ｂにより受信された超音波は、伝達部材２１によって固体の振動として伝達されるため、振動の減衰が少ない状態で振動部１６に伝達することができる。
ワイヤ６１は、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部１６に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部１６が破壊されるおそれがない。

また、受信素子１０は、受信素子１０を取付可能な収容部材２３の内面のうち、受信部３１ｂで受信した超音波の振動が振動部１６に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面２３ｃに取り付けられているため、受信部１０ｅと振動部１６との距離を短くすることができるので、振動の減衰をより一層小さくすることができる。

伝達部材２１からワイヤ６１を介して振動部１６に超音波の振動が伝達され、振動部１６が振動すると、圧電振動子１２（図１）から回路に対して電圧信号が出力される。
そして、上記回路は圧電振動子１２から出力される電圧信号をＥＣＵにて処理可能な信号に変換してＥＣＵへ出力し、ＥＣＵは、入力された信号に基づいて所定の演算処理を行い、例えば、送信素子１９から送信した超音波及び各受信素子１０で受信した超音波の時間差、位相差を求め、その各差に基づいて、障害物Ｍとの距離及び位置を測定する。
ここで、本実施形態のように、互いに隣り合った各受信部材３１ａの受信部３１ｂの中心部の間隔が、超音波の半波長に等しくなるように配置すると、受信した超音波の位相差からも時間差を検出することができるので、各受信部３１ｂにおいて受信した超音波の時間差を精度良く検出することができる。
従って、障害物Ｍとの距離及び位置の測定精度を向上させることができる。

本実施形態では、各受信部材３１ａ間には遮蔽材４１が介在するため、超音波が受信部材３１ａから他の受信部材に伝搬されない。
従って、図中左側の受信部３１ａにて受信した超音波は、図中左側の受信素子１０ａの振動部１６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３１ａ間で分離して行うことが可能になり、各振動部１６のクロストーク特性を向上することができる。
従って、各受信部３１ｂ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Ｍの位置測定の精度を向上させることができる。

受信部３１ｂで受信した超音波が振動部１６に伝達されるまでの伝達時間が、受信部３１ｂと振動部１６とからなる組の各組でそれぞれ等しくなるように構成されているため、障害物Ｍの位置を測定する場合に、各受信部３１ｂ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Ｍの位置の測定精度を向上させることができる。
各受信部３１ｂと振動部１６とからなる組の各組で伝達時間がそれぞれ等しくなるようにするためには、例えば、受信素子１０ａに対応する受信部３１ｂから振動部１６までの距離が各組でそれぞれ等しくなるように構成するとよい。

受信部材３１ａは、外気に晒されるため、耐候性の高い材料を用いて形成する必要がある。また、振動の伝達率を向上するためには、振動減衰率の低い材料を用いることが有効である。
以上より、受信部材３１ａを構成する材料としては、本実施形態のステンレス以外には、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。

伝達部材２１は、受信部材３１ａの振動を効率よく伝達できれば、材質、形状は問わない。例えば、ガラス、セラミックス、樹脂などで形成してもよいし、棒状や板状などの部材で構成してもよい。更に、伝達部材２１とワイヤ６１の音響インピーダンスが等しくなるように、例えば、同じ材質で構成すると、伝達部材２１とワイヤ６１との界面での振動の減衰を小さくすることができる。
また、高伝達率化のために、伝達部材の取り回しを行う際に可能な限り直線形状で取り回す、角にＲをつけるなどすることが有効である。

（変更例１）
本実施形態の変更例について、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４及び図５は、伝達部材から振動部に振動を伝達する部材の変更例を示す説明図である。図６は、受信部材の変更例を示す説明図である。図７は、受信素子の配置の変更例を示す説明図である。

図４（Ａ）に示すように、ワイヤ６１の代わりに、伝達部材２１と振動部１６との間に金属や樹脂などからなる箔状部材６２を波状の面を有する形状に形成し、各波の頂部が振動部１６の一部と接するように介在させてもよい。また、箔状部材６２を波状に以外の形状、例えば、筒状に形成することもできる。この場合、筒の外周面が伝達部材２１に沿うように配置するとよい。
これらの構成を使用すると、箔状部材６２はワイヤ６１より幅が広いため、接触面積が大きくなるので、振動の伝達効率を高めることができる。また、箔状部材６２は、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部１６に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部１６が破壊されるおそれがない。

（変更例２）
図４（Ｂ）に示すように、伝達部材２１と振動部１６との間に金属や樹脂などからなる弾性を有する綿状部材６３を介在させてもよい。また、図４（Ｃ）に示すように、伝達部材２１と振動部１６との間にゲル状物質、例えば、高分子系のゲルからなるゲル状部材６４を介在させてもよい。
上記の構成を使用すると、接触面積を大きくすることができ、振動の伝達効率を高めることができる。また、綿状部材６３及びゲル状部材６４は、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部１６に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部１６が破壊されるおそれがない。

（変更例３）
図５（Ａ）に示すように、伝達部材２１から振動部１６の中心近傍に接触するように突出した半球状の突出部材６５を設けてもよい。突出部材６５は、伝達部材２１の一部を突出させて形成してもよいし、樹脂や接着剤などで形成してもよい。また、突出部材６５は、半球状に限らず、角柱状、円柱状などでもよい。更に、突出部材６５は１箇所だけでなく、複数箇所に設けてもよい。
また、図５（Ｂ）に示すように、振動部１６を構成する第３絶縁膜１５の中心近傍から伝達部材２１に接触するように突出した半球状の突出部材６６を設けてもよい。突出部材６６は、樹脂や接着剤などで形成することができる。突出部材６６は、半球状に限らず、角柱状、円柱状などでもよい。更に、突出部材６６は１箇所だけでなく、複数箇所に設けてもよい。
突出部材６５、または、突出部材６６を介して局所的に固体の振動として伝達されるため、振動部１６に接触して振動を拘束する領域が小さくなるので、振動部１６の変位を大きくすることができ、振動の伝達効率を高めることができる。また、突出部材６５及び突出部材６６は、超音波の振動による伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部１６に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部１６が破壊されるおそれがない。

（変更例４）
図６には、受信部材３１ａを車両外側から見た平面説明図と縦断面説明図とを示す。図６（Ａ）に示すように、受信部材３１ａと伝達部材２１とをそれぞれ同一材料により一体的に形成してもよい。この構成を用いると、受信部材３１ａから伝達部材２１に、直接、振動が伝達するため、振動の減衰を小さくすることができる。また、部品点数を減らすことができる。
受信部３１ｂは、縦断面が四角形状に限らず、図６（Ｂ）に示すように円形でもよいし、星形など他の形状でもよい。これにより、受信部３１ｂの意匠性を向上することができる。
また、図６（Ｃ）に示すように、伝達部材２１を連結する部分の断面積より受信部３１ｂの面積を大きくする構成を用いることもできる。これにより、超音波を受信する面積が大きくなるので、超音波の受信感度を向上させることができる。
いずれの場合においても、隣接する各受信部３１ｂの中心部の間隔を超音波の半波長分離して配置するとよい。

（変更例５）
図７（Ａ）に示すように、複数の受信素子、例えば４個の受信素子を一体形成したチップ７０を用いてもよい。この構成を使用すると、受信素子が分割されず一体化されているので、配置スペースを小さくすることができる。また、一度分割された受信素子を再度配置する必要がないので、超音波センサを作製するため工程が少なくすることができる。

（変更例６）
図７（Ｂ）に示すように、受信素子１０の取り付け位置は、内面２３ｃに限らず、収容部材２３の内面のうち、受信部３１ｂで受信した超音波の振動が振動部１６に伝達されるまでの伝達時間が最も長くなる内面２３ｄとすることもできる。
この構成を使用すると、受信素子１０が収容部材内でバンパ５２から最も距離が遠い位置に配置されるため、バンパ５２に衝撃が加わった場合においても、受信素子１０が破壊されるおそれが少ない。

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Ｍ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。
更に、超音波センサ６０の用途に合わせて、他の部材にも装着可能である。例えば、超音波センサ６０を車両側方の障害物センサとして用いる場合には、ドアミラーや車両側面に設けられたウインカーのカバーなどに装着することができる。

ワイヤ６１、箔状部材６２、綿状部材６３、ゲル状部材６４、突出部材６５、突出部材６６がそれぞれ絶縁体である場合には、受信素子１０に第３絶縁膜１５を形成しなくてもよい。

受信素子としては、圧電型受信素子を用いたが、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型受信素子などを用いることもできる。また、片持ち式の素子を用いることもできる。

［最良の形態の効果］
（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、受信部３１ｂが障害物Ｍの存在する空間側に露出した状態でバンパ５２に配置された受信部材３１ａで受信することができる。
この受信部材３１ａにより受信された超音波は、伝達部材２１とワイヤ６１とを介して、固体の振動として振動部１６に伝達されるため、従来のように空間を介して伝達されるものよりも超音波の減衰を小さくすることができるので、超音波の振動を振動部１６に効率よく伝達することができる。
また、振動部１６は直接露出しておらず、受信部材３１ａと振動部１６との間には、伝達部材２１及びワイヤ６１が介在されているため、外力を受けた受信部材３１ａが振動部１６側に変位した場合であっても、受信部材３１ａが振動部１６と接触し、振動部１６が破損するおそれがない。
つまり、振動部１６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１６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。

（２）ワイヤ６１などの振動を伝達する部材は、伝達部材２１と振動部１６との間の変位に合わせて変形可能であるため、振動部１６に過大な力が負荷されることがないので、超音波の振動により振動部１６が破壊されるおそれがない。

（３）超音波センサ６０は、複数個の振動部１６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、障害物Ｍとの距離及び被検出体の位置を測定することができる。

（４）各受信部材３１ａ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、超音波の伝達を各受信部材３１ａ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。これにより、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、障害物Ｍの位置測定の精度を向上させることができる。

（５）収容部材２３内に総ての振動部１６が収容されており、超音波センサ６０を車両に取り付ける際は、その収容部材２３をバンパ５２の取付部５２ａに取り付ければよく、振動部１６が取付部５２ａに衝突などして破損するおそれが少ない。また、各受信部３１ｂが取付部２３ｂにおいて障害物Ｍの存在する空間側に露出した状態で、収容部材２３が取付部５２ａに取り付けられるため、収容部材２３及び受信部３１ｂの車両に対する位置合わせが容易である。更に、収容部材２３をバンパ５２の取付部５２ａに取り付ければ、複数の振動部１６を一度に取り付けたこととなるため、取付作業に要する時間を短縮することができる。

（６）超音波センサ６０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、受信部材３１ａと振動部１６との間には、伝達部材２１及びワイヤ６１が介在されているため、車両の走行中に、例えば、小石などが飛来して受信部材３１ａに衝突した場合であっても、受信部材３１ａが振動部１６などに接触し、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１６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、車両に搭載して使用される信頼性の高い超音波センサ６０を実現することができる。

［各請求項と実施形態との対応関係］
送信素子１９が請求項１に記載の送信手段に、受信部材３１ａが受信手段に、伝達部材２１が第１の伝達部材に、ワイヤ６１、箔状部材６２、綿状部材６３、ゲル状部材６４、突出部材６５、突出部材６６が第２の伝達部材にそれぞれ対応する。遮蔽材４１が請求項１６に記載の遮蔽手段に、衝撃吸収部材４２が請求項２１に記載の第１の衝撃吸収手段及び請求項２２に記載の第２の衝撃吸収手段にそれぞれ対応する。

超音波センサの受信素子の説明図である。図１（Ａ）は、受信素子の平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図である。 車両に搭載された超音波センサの説明図である。図２（Ａ）は、超音波センサを車両外側から透視した平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）をＸ方向から見た一部断面図である。 図２（Ｂ）の一部を拡大した一部断面図である。 伝達部材から振動部に振動を伝達する部材の変更例を示す説明図である。 伝達部材から振動部に振動を伝達する部材の変更例を示す説明図である。 受信部材の変更例を示す説明図である。 受信素子の配置の変更例を示す説明図である。

符号の説明

１０ 受信素子
１１ａ 支持部材
１６ 振動部
１９ 送信素子（送信手段）
２１ 伝達部材（第１の伝達部材）
２３ 収容部材
３１ａ 受信部材（受信手段）
３１ｂ 受信部
４１ 遮蔽材（遮蔽手段）
４２ 衝撃吸収部材（衝撃吸収手段）
５２ バンパ
５２ａ 取付部
６０ 超音波センサ
６１ ワイヤ（第２の伝達部材）
６２ 箔状部材（第２の伝達部材）
６３ 綿状部材（第２の伝達部材）
６４ ゲル状部材（第２の伝達部材）
６５、６６ 突出部材（第２の伝達部材）
Ｍ 障害物

Claims (23)

1. 超音波を送信する送信手段から送信され、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手段と、
   前記受信手段に連結されて設けられ、前記受信部で受信した超音波の振動が伝達される第１の伝達部材と、
   前記第１の伝達部材と前記振動部との間に介在し、前記第１の伝達部材に伝達された超音波の振動を前記振動部へ伝達する第２の伝達部材と、を備えたことを特徴とする超音波センサ。
2. 前記第２の伝達部材は、前記超音波の振動による前記第１の伝達部材と前記振動部との間の変位に合わせて変形可能であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記第２の伝達部材は、線状の部材からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記第２の伝達部材は、箔状の部材からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
5. 前記第２の伝達部材は、綿状の部材からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
6. 前記第２の伝達部材は、ゲル状物質からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
7. 前記第２の伝達部材は、前記振動部に接触するように前記第１の伝達部材から突出して設けられた凸状の第１の突出部材であることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
8. 前記第２の伝達部材は、前記振動部の前記第１の伝達部材側の面に、前記第１の伝達部材に接触するように突出して設けられた凸状の第２の突出部材であることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
9. 前記振動部の端部を支持する支持部材が備えられたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波センサ。
10. 前記受信手段と前記第１の伝達部材とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の超音波センサ。
11. 前記第１の伝達部材及び前記第２の伝達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ないし請求項１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
12. 前記振動部を収容するための第１の収容部材を更に備え、
    前記所定の物体には、前記第１の収容部材を取り付ける第１の取付部が設けられており、
    前記受信部が前記第１の取付部において前記被検出体の存在する空間側に露出した状態で、前記第１の収容部材が前記第１の取付部に取り付けられた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。
13. 前記振動部は、前記振動部を取付可能な前記第１の収容部材の内面のうち、前記受信部で受信した超音波の振動が前記振動部に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面に取り付けられたことを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
14. 前記振動部は、前記振動部を取付可能な前記第１の収容部材の内面のうち、前記受信部で受信した超音波の振動が前記振動部に伝達されるまでの伝達時間が最も長くなる内面に取り付けられたことを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
15. 前記振動部と、前記受信手段と、前記第１の伝達部材と、前記第２の伝達部材とからなる組を、複数組備えた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。
16. 前記各受信手段の間には、前記受信部で受信した超音波の振動の前記各受信手段間での伝達を妨げる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１５に記載の超音波センサ。
17. 前記各受信部で受信した超音波の振動が前記各振動部に伝達されるまでの伝達時間が前記各組毎に等しい、または、ほぼ等しいことを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載の超音波センサ。
18. 前記各振動部を総て収容するための第２の収容部材を更に備え、
    前記所定の物体には、前記第２の収容部材を取り付ける第２の取付部が設けられており、
    前記各受信手段の受信部が前記第２の取付部においてそれぞれ前記被検出体の存在する空間側に露出した状態で、前記第２の収容部材が前記第２の取付部に取り付けられたことを特徴とする請求項１５ないし請求項１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。
19. 前記各振動部は、前記各振動部を取付可能な前記第２の収容部材の内面のうち、前記各受信部で受信した超音波の振動が前記各振動部に伝達されるまでの伝達時間が最も短くなる内面にそれぞれ取り付けられたことを特徴とする請求項１８に記載の超音波センサ。
20. 前記各振動部は、前記各振動部を取付可能な前記第２の収容部材の内面のうち、前記各受信部で受信した超音波の振動が前記各振動部に伝達されるまでの伝達時間が最も長くなる内面にそれぞれ取り付けられたことを特徴とする請求項１８に記載の超音波センサ。
21. 前記第１の収容部材と前記所定の物体との間には、前記所定の物体に加わった衝撃の前記第１の収容部材への伝達を妨げる第１の衝撃吸収手段が設けられていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
22. 前記第２の収容部材と前記所定の物体との間には、前記所定の物体に加わった衝撃の前記第２の収容部材への伝達を妨げる第２の衝撃吸収手段が設けられていることを特徴とする請求項１８ないし請求項２０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
23. 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２２のいずれか１つに記載の超音波センサ。

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