JP2021016036A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波素子を良好に保護すること。【解決手段】超音波センサ（１）は、超音波素子（５３）と素子収容ケース（４）とを備える。超音波素子は、指向軸（ＤＡ）に沿って伝播する超音波である伝播波を発信または受信可能に設けられている。素子収容ケース（４）は、指向軸に沿った厚さ方向を有する振動膜あるいは振動板であるケースダイアフラム（４４）を有し、ケースダイアフラムから超音波素子を離隔させつつ超音波素子を収容することで、ケースダイアフラムと超音波素子との間を伝播する伝播波の共鳴空間（ＳＣ）をケースダイアフラムと超音波素子との間に形成するように構成されている。素子収容ケースは、指向軸と平行な軸方向に向かうにつれて、指向軸と直交する面内方向における共鳴空間の幅を先細りさせるホーン形状を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波センサに関する。

特許文献１に記載の超音波センサは、ケースと圧電素子とを備えている。ケースは、底部と側壁部とを有する有底筒状に形成されている。圧電素子は、ケースの底部に貼り付けられている。

特開２０１１−２５０３２７号公報

上記のような構成を有する超音波センサにおいて、圧電素子等の超音波素子を収容するケースは、検知対象が存在する外部空間に露出される。具体的には、例えば、超音波センサは、車両に搭載する場合、車載状態にて、車両におけるバンパー等の外板部材に装着される。このため、ケースに小石等の固い異物が衝突する場合がある。

この場合、従来の超音波センサにおいては、ケースに貼り付けられた超音波素子にクラックが発生したり、超音波素子がケースから剥離したりする懸念があった。特に、ＭＥＭＳ型の素子を用いた場合、かかる素子をケースの底部に貼り付けると、素子が破損しやすくなる。ＭＥＭＳはMicro Electro Mechanical Systemの略である。

本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、例えば、超音波素子を良好に保護することが可能な構成を提供する。

請求項１に記載の超音波センサ（１）は、
指向軸（ＤＡ）に沿って伝播する超音波である伝播波を発信または受信可能に設けられた、超音波素子（５３）と、
前記指向軸に沿った厚さ方向を有する振動膜あるいは振動板であるケースダイアフラム（４４）を有し、前記ケースダイアフラムから前記超音波素子を離隔させつつ前記超音波素子を収容することで、前記ケースダイアフラムと前記超音波素子との間を伝播する前記伝播波の共鳴空間（ＳＣ）を前記ケースダイアフラムと前記超音波素子との間に形成するように構成された、素子収容ケース（４）と、
を備え、
前記素子収容ケースは、前記指向軸と平行な軸方向に向かうにつれて、前記指向軸と直交する面内方向における前記共鳴空間の幅を先細りさせるホーン形状を有している。

なお、出願書類中の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付されている場合がある。この場合、参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的構成との対応関係の単なる一例を示すものである。よって、本発明は、参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。

実施形態に係る超音波センサを搭載した車両の外観を示す斜視図である。 図１に示された超音波センサの周囲を拡大して示す部分断面図である。 図２に示された超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 図３に示された共鳴空間の形状による効果を計算機シミュレーションした結果を示すグラフである。 第二実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第三実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第四実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第五実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第六実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第七実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第八実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第九実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第十実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。 第十一実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると、当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中には挿入せず、その後にまとめて説明する。

（車載構成）
図１を参照すると、本実施形態においては、超音波センサ１は、車両Ｖを装着対象とする車載型のクリアランスソナーとしての構成を有している。すなわち、超音波センサ１は、車両Ｖに搭載されることで、当該車両Ｖの周囲に存在する物体を検知可能に構成されている。

車両Ｖは、いわゆる四輪自動車であって、箱状の車体Ｖ１を備えている。車体Ｖ１には、外板を構成する車体部品である、車体パネルＶ２、フロントバンパーＶ３、およびリアバンパーＶ４が装着されている。フロントバンパーＶ３は、車体Ｖ１の前端部に設けられている。リアバンパーＶ４は、車体Ｖ１の後端部に設けられている。

超音波センサ１は、フロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４に装着されることで、車両Ｖの前方および後方に存在する物体を検知するようになっている。超音波センサ１が、車両Ｖにおける車体Ｖ１に設けられたフロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４に装着された状態を、以下「車載状態」と称する。

具体的には、車載状態にて、フロントバンパーＶ３には、複数（例えば４つ）の超音波センサ１が装着されている。フロントバンパーＶ３に装着された複数の超音波センサ１は、それぞれ、車幅方向における異なる位置に配置されている。同様に、リアバンパーＶ４にも、複数（例えば４つ）の超音波センサ１が装着されている。フロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４には、超音波センサ１を装着するための貫通孔である装着孔Ｖ５が設けられている。

（第一実施形態）
図２は、フロントバンパーＶ３に取り付けられた複数の超音波センサ１のうちの１つを、車載状態にて示している。以下、図２および図３を参照しつつ、第一実施形態に係る超音波センサ１の構成について説明する。

図２を参照すると、フロントバンパーＶ３は、バンパー外面Ｖ３１とバンパー裏面Ｖ３２とを有している。バンパー外面Ｖ３１は、フロントバンパーＶ３の外表面であって、車両Ｖの外側の空間である車体外空間ＳＧに面するように設けられている。バンパー裏面Ｖ３２は、バンパー外面Ｖ３１の裏側の面であって、車両ＶすなわちフロントバンパーＶ３の内側の空間である車体内空間ＳＮに面するように設けられている。装着孔Ｖ５は、バンパー外面Ｖ３１およびバンパー裏面Ｖ３２にて開口することで、フロントバンパーＶ３を厚さ方向に貫通するように設けられている。

超音波センサ１は、超音波を送受信可能に構成されている。すなわち、超音波センサ１は、超音波である探査波を指向軸ＤＡに沿って車体外空間ＳＧに向けて発信するように構成されている。「指向軸」とは、超音波センサ１から超音波の送受信方向に沿って延びる仮想直線であって、指向角の基準となるものである。「指向軸」は指向中心軸あるいは検出軸とも称され得る。また、超音波センサ１は、周囲に存在する物体による探査波の反射波を含む受信波を車体外空間ＳＧから受信して、受信波の受信結果に応じた検知信号を発生および出力するように構成されている。

説明の便宜上、図示の通りに、Ｚ軸が指向軸ＤＡと平行となるように右手系ＸＹＺ直交座標系を設定する。このとき、指向軸ＤＡと平行な方向を「軸方向」と称する。「軸方向における先端側」は、探査波の発信方向側であり、図２および図３における上側すなわちＺ軸正方向側に対応する。これに対し、「軸方向における基端側」は、図２および図３における下側すなわちＺ軸負方向側に対応する。

或る構成要素の軸方向における基端側の端部を「基端部」と称し、軸方向における先端側の端部を「先端部」と称する。また、軸方向と直交する任意の方向を「面内方向」と称する。「面内方向」は、図２および図３における、ＸＹ平面と平行な方向である。「面内方向」は、場合によっては、「径方向」とも称され得る。「径方向」は、指向軸ＤＡと直交しつつ当該指向軸ＤＡから離隔する方向である。すなわち、「径方向」は、指向軸ＤＡと直交する仮想平面と指向軸ＤＡとの交点を起点として当該仮想平面内に半直線を描いた場合に、当該半直線が延びる方向である。換言すれば、「径方向」は、指向軸ＤＡと直交する仮想平面と指向軸ＤＡとの交点を中心として当該仮想平面内に円を描いた場合の、当該円の半径方向である。

超音波センサ１は、センサケース２と超音波マイクロフォン３とを備えている。超音波センサ１の筐体を構成するセンサケース２は、絶縁性合成樹脂によって形成されている。具体的には、センサケース２は、ケース本体部２ａと、センサ側コネクタ２ｂと、マイクロフォン収容部２ｃとを有している。

ケース本体部２ａは、箱状に形成されている。ケース本体部２ａの内側には、不図示の制御回路基板等が収容されている。センサ側コネクタ２ｂは、ケース本体部２ａから指向軸ＤＡと交差する方向に延設されている。センサ側コネクタ２ｂは、ＥＣＵ等の外部装置に対する電気接続用ワイヤハーネスに設けられた不図示のワイヤ側コネクタと着脱可能に構成されている。ＥＣＵはElectronic Control Unitの略である。

マイクロフォン収容部２ｃは、指向軸ＤＡを囲む略円筒状の部分であって、ケース本体部２ａから軸方向における先端側に向かって突設されている。車載状態にて、マイクロフォン収容部２ｃの先端部は、装着孔Ｖ５の内壁面と密着するように、装着孔Ｖ５内に収容されている。

（超音波マイクロフォン）
マイクロフォン収容部２ｃ内には、超音波マイクロフォン３が収容されている。本実施形態においては、超音波マイクロフォン３は、指向軸ＤＡを中心軸とする略円柱状の外形形状を有するように構成されている。超音波マイクロフォン３の外表面は、側方外壁面３ａと、露出面３ｂと、外側底面３ｃとを有している。側方外壁面３ａは、軸方向に沿った円柱面状に形成されている。

マイクロフォン収容部２ｃの内壁面と、超音波マイクロフォン３の側方外壁面３ａとの間には、不図示のスリーブ部材が設けられている。かかるスリーブ部材は、絶縁性且つゴム弾性を有するシリコーンゴム等によって形成されている。すなわち、マイクロフォン収容部２ｃの内壁面と側方外壁面３ａとの間の隙間は、上記のスリーブ部材によって、水が浸入困難にシールされている。

露出面３ｂは、指向軸ＤＡと交差する外表面であって、平坦な円形の平面状に形成されている。具体的には、本実施形態においては、露出面３ｂは、指向軸ＤＡと直交するように設けられている。超音波マイクロフォン３は、車載状態にて、露出面３ｂが装着孔Ｖ５から車体外空間ＳＧに露出するように、マイクロフォン収容部２ｃに収容されている。

外側底面３ｃは、指向軸ＤＡと交差する外表面であって、平坦な円形の平面状に形成されている。具体的には、本実施形態においては、外側底面３ｃは、指向軸ＤＡと直交するように設けられている。すなわち、外側底面３ｃは、露出面３ｂと平行な平面として形成されている。外側底面３ｃを含む、超音波マイクロフォン３の軸方向における基端部は、組立状態および車載状態にて、センサケース２および上記のスリーブ部材によって覆われている。「組立状態」は、超音波マイクロフォン３をセンサケース２に装着することで超音波センサ１を組み立てた状態である。「車載状態」も「組立状態」に該当する。

図３は、図２に示された超音波センサ１から、超音波マイクロフォン３を取り出した状態を示している。図３を参照すると、超音波マイクロフォン３は、素子収容ケース４と、半導体基板５と、支持基板６とを有している。以下、超音波マイクロフォン３を構成する各部について説明する。なお、図示および説明の簡略化のため、超音波マイクロフォン３の内部における配線等の電気接続構造については、図示および説明を省略する。かかる電気接続構造については、いうまでもなく、本願の出願時点の技術常識に基づき、適宜形成することが可能である。

超音波マイクロフォン３の筐体を構成する素子収容ケース４は、略円柱状の外形形状を有する箱状に形成されている。素子収容ケース４は、その内側の空間である内部空間ＳＩ内に半導体基板５および支持基板６を収容するように構成されている。本実施形態においては、素子収容ケース４は、アルミニウム等の金属材料によって形成されている。なお、後述するように、素子収容ケース４を構成する材料は、アルミニウム等の金属材料に限定されない。

素子収容ケース４は、指向軸ＤＡを囲む筒状に形成された側板部４１を有している。本実施形態においては、側板部４１は、指向軸ＤＡと略平行な中心軸線を有する円筒状に形成されている。側板部４１における、素子収容ケース４の外側の空間である外部空間ＳＤに面する円柱面状の外壁面は、超音波マイクロフォン３における側方外壁面３ａを構成するように設けられている。側板部４１における、内部空間ＳＩに面する内壁面である側方内壁面４１ａは、指向軸ＤＡを囲む円筒内面状に形成されている。

素子収容ケース４は、また、図２に示されたマイクロフォン収容部２ｃの内側に収容される内側底板部４２を有している。内側底板部４２は、側板部４１の一端側すなわち軸方向における基端側を閉塞するように設けられている。内側底板部４２は、側板部４１とは一旦別部材として形成されていて、側板部４１の基端部と溶接等により気密的および液密的に接合されることで側板部４１と一体化されている。

内側底板部４２は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。内側底板部４２は、外部空間ＳＤに面する主面が超音波マイクロフォン３における外側底面３ｃを構成するように設けられている。「主面」は、板状の部分または部材における、厚さ方向と直交する表面である。また、内側底板部４２は、内部空間ＳＩに面する主面である内側底面４２ａを有している。内側底面４２ａは、指向軸ＤＡと交差する平坦な円形の平面状に形成されている。具体的には、本実施形態においては、内側底面４２ａは、指向軸ＤＡと直交するように設けられている。

素子収容ケース４は、さらに、図２に示されたマイクロフォン収容部２ｃから外側に露出する外側底板部４３を有している。外側底板部４３は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。外側底板部４３は、内部空間ＳＩ内に水等の液体が浸入しないように、側板部４１の他端側すなわち軸方向における先端側を液密的に閉塞するように設けられている。外側底板部４３は、「天板部」とも称され得る。本実施形態においては、外側底板部４３は、側板部４１と継ぎ目なく一体に形成されている。

外側底板部４３は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する振動膜あるいは振動板であるケースダイアフラム４４を有している。ケースダイアフラム４４は、外側底板部４３に設けられた薄肉部であって、面内方向における中心部が軸方向に移動する態様で超音波振動するように形成されている。本実施形態においては、ケースダイアフラム４４は、超音波センサ１が車載用であることを考慮して、厚さが０．５ｍｍ以上に形成されている。すなわち、ケースダイアフラム４４は、０．５ｍｍ以上の一定厚さを有する平板状の形状を有している。また、ケースダイアフラム４４は、面内方向における形状、すなわち、指向軸ＤＡと直交する面内における形状が、略円形状に形成されている。

ケースダイアフラム４４は、外側底板部４３の厚さ方向における一端側に設けられている。すなわち、ケースダイアフラム４４における、指向軸ＤＡと交差する主面である送受信面４４ａは、車体外空間ＳＧに面する外表面であって、露出面３ｂの一部を構成するように設けられている。送受信面４４ａおよびその裏側のダイアフラム裏面４４ｂは、指向軸ＤＡと直交する平面状に形成されている。

ケースダイアフラム４４と半導体基板５との間には、共鳴空間ＳＣが設けられている。すなわち、ケースダイアフラム４４は、軸方向について、共鳴空間ＳＣを隔てて半導体基板５と対向するように設けられている。共鳴空間ＳＣは、ケースダイアフラム４４と半導体基板５との間にて指向軸ＤＡに沿って伝播する超音波である伝播波が共鳴しつつ伝播する空間であって、素子収容ケース４によって気密的および液密的に密閉された内部空間ＳＩの一部として形成されている。ケースダイアフラム４４は、半導体基板５による伝播波の発信または受信の際に、撓みながら超音波振動するように構成されている。

ケースダイアフラム４４は、中央部４４ｃとリング状部４４ｄとを有している。ケースダイアフラム４４の面内方向における中心付近の部分である中央部４４ｃは、軸方向と平行な視線による平面視にて、指向軸ＤＡを中心とする略円形状に形成されている。すなわち、中央部４４ｃは、軸方向について空間頂部ＳＣ１に隣接する部分であって、共鳴空間ＳＣにおける頂面形状に対応する平面形状を有している。空間頂部ＳＣ１は、共鳴空間ＳＣの軸方向における先端部すなわちケースダイアフラム４４側の端部である。なお、共鳴空間ＳＣの軸方向における基端部すなわち半導体基板５側の端部を、空間底部ＳＣ２と称する。本実施形態においては、共鳴空間ＳＣは、空間底部ＳＣ２の方が空間頂部ＳＣ１よりも径方向寸法が大きくなるように、略円錐台状に形成されている。

リング状部４４ｄは、ケースダイアフラム４４の、中央部４４ｃよりも径方向における外側の部分であって、軸方向についてスリット部４５と対向するように設けられている。スリット部４５は、空間頂部ＳＣ１から径方向に延設されることで、空間頂部ＳＣ１と連通するように設けられている。スリット部４５は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法よりも大きな径方向寸法を有している。また、本実施形態においては、スリット部４５は、軸方向寸法が伝播波の波長の１／４以下となるように形成されている。

素子収容ケース４は、ケース厚肉部４６を有している。ケース厚肉部４６は、径方向についてケースダイアフラム４４の周囲に形成された厚肉部であって、共鳴空間ＳＣを径方向について外側から囲むように設けられている。すなわち、ケース厚肉部４６は、ケースダイアフラム４４の径方向における外縁部を固定的に支持するように構成されている。ケース厚肉部４６は、スリット部４５を有している。具体的には、スリット部４５は、ケース厚肉部４６の軸方向における先端側にて径方向に切り欠くことで形成された、略円柱状の空間として形成されている。

上記のように、外側底板部４３は、薄肉部であるケースダイアフラム４４と、ケース厚肉部４６とを有している。ケースダイアフラム４４とケース厚肉部４６とは、継ぎ目なく一体に形成されている。

ケース厚肉部４６における、内部空間ＳＩに面する内表面は、基板対向面４６ａとホーン内面４６ｂとを有している。基板対向面４６ａは、軸方向について半導体基板５および支持基板６と対向するように設けられている。基板対向面４６ａは、軸方向と直交する平面状に形成されている。基板対向面４６ａは、平面視にて略リング状に形成されていて、径方向についてホーン内面４６ｂよりも外側に設けられている。

ホーン内面４６ｂは、共鳴空間ＳＣに面することで共鳴空間ＳＣを構成するように設けられている。ホーン内面４６ｂは、空間底部ＳＣ２の方が空間頂部ＳＣ１よりも径方向寸法が大きくなるように、ケースダイアフラム４４に向かうにつれて先細りする錐体内面状に形成されている。具体的には、本実施形態においては、ホーン内面４６ｂは、円錐台状の空間である共鳴空間ＳＣにおける、径方向の外縁を形成するように設けられている。すなわち、素子収容ケース４は、軸方向における先端側に向かうにつれて、面内方向における共鳴空間ＳＣの幅を先細りさせるホーン形状を有している。

スリット部４５には、弾性体であるスペーサ４７が充填されている。スペーサ４７は、ケースダイアフラム４４の弾性率よりも低い弾性率を有している。具体的には、スペーサ４７は、シリコーンゴム等のエラストマによって形成されている。弾性率は、例えば、ヤング率である。

半導体基板５は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有するＳＯＩ基板であって、素子収容ケース４に固定的に支持されている。ＳＯＩはSilicon On Insulatorの略である。具体的には、半導体基板５は、支持基板６側の表面である基板底面５１と、ケースダイアフラム４４側の表面である基板上面５２とを有している。基板底面５１は、内側底板部４２における内側底面４２ａに固定された支持基板６と接合されている。すなわち、半導体基板５は、支持基板６を介して内側底板部４２と固定的に接合されている。

基板上面５２は、半導体基板５の一主面であって、軸方向と直交する略平面状に形成されている。基板上面５２は、軸方向について、ケース厚肉部４６における基板対向面４６ａと非接触状態で近接対向するように設けられている。具体的には、半導体基板５は、軸方向における超音波素子５３すなわち基板上面５２とケース厚肉部４６との隙間が伝播波の波長の１／４以下となるように配置されている。

半導体基板５は、電気信号と超音波振動との変換機能を有する超音波素子５３を有している。本実施形態においては、超音波素子５３は、半導体基板５に設けられたＭＥＭＳ型素子であって、指向軸ＤＡに沿って伝播する伝播波を発信および受信可能に設けられている。すなわち、半導体基板５は、ＭＥＭＳ型の圧電トランスデューサとしての構成を有している。

具体的には、超音波素子５３は、素子ダイアフラム５４と回路素子部５５とを有している。素子ダイアフラム５４は、半導体基板５に形成された振動膜あるいは振動板であって、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有している。素子ダイアフラム５４は、半導体基板５における薄肉部として形成されている。

素子ダイアフラム５４は、半導体基板５による伝播波の発信および受信の際に、撓みながら超音波振動するように設けられている。すなわち、素子ダイアフラム５４は、面内方向における中心部が軸方向に移動する態様で、ケースダイアフラム４４と同一方向に超音波振動するように形成されている。

素子ダイアフラム５４は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法に対応する径方向寸法を有している。具体的には、素子ダイアフラム５４は、軸方向と平行な視線による平面視にて、空間底部ＳＣ２の径と同一、あるいは、空間底部ＳＣ２の径よりも若干大きな径の円形状に形成されている。このように、本実施形態においては、素子ダイアフラム５４は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法と略一致する径方向寸法を有している。

回路素子部５５は、素子ダイアフラム５４の径方向における略中央部に設けられている。本実施形態においては、回路素子部５５は、圧電膜と薄膜電極とを積層した圧電素子であって、素子ダイアフラム５４における共鳴空間ＳＣに面する表面である基板上面５２側に形成されている。

すなわち、超音波素子５３は、ＰＭＵＴとしての構成を有している。ＰＭＵＴはPiezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducersの略である。具体的には、超音波素子５３は、回路素子部５５に印加された交流電圧である駆動電圧に基づいて、素子ダイアフラム５４が超音波振動するように構成されている。また、超音波素子５３は、素子ダイアフラム５４の振動状態に応じた出力電圧を、回路素子部５５にて発生するように構成されている。

このように、超音波素子５３は、素子収容ケース４の内側に収容されつつ、ケースダイアフラム４４から離隔して配置されている。ケースダイアフラム４４と超音波素子５３との間には、共鳴空間ＳＣが形成されている。共鳴空間ＳＣは、伝播波の波長をλとし、Ｎを０以上の整数とし、Ｋ＝０．９〜１．１とすると、軸方向寸法がＫ・（λ／２＋Ｎλ）となるように形成されている。共鳴空間ＳＣの軸方向寸法は、本実施形態においては、ダイアフラム裏面４４ｂと基板対向面４６ａとの間の、軸方向における距離である。

本実施形態においては、超音波素子５３、共鳴空間ＳＣ、およびケースダイアフラム４４は、共振周波数が３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚとなるように構成されている。また、超音波素子５３、共鳴空間ＳＣ、およびケースダイアフラム４４は、共振周波数がほぼ一致するように構成されている。具体的には、超音波素子５３における共振周波数を第一共振周波数とし、共鳴空間ＳＣにおける共振周波数を第二共振周波数とし、ケースダイアフラム４４における共振周波数を第三共振周波数とする。第一共振周波数は、超音波素子５３における構造共振周波数である。第二共振周波数は、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数である。第三共振周波数は、ケースダイアフラム４４における構造共振周波数である。また、第一共振周波数と第二共振周波数の差、第二共振周波数と第三共振周波数との差、および、第一共振周波数と第三共振周波数との差のうちの、最大値をΔｆｒとする。さらに、超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとケースダイアフラム４４とのうちの最も共振帯が広いものにおける、当該共振帯の帯域幅をＢＷとする。このとき、超音波素子５３、共鳴空間ＳＣ、およびケースダイアフラム４４は、Δｆｒ≦ＢＷとなるように構成されている。

「共振帯」とは、共振周波数をピークとする出力曲線あるいは特性曲線において、ピーク値から３ｄＢ低下する二つの周波数ｆａ，ｆｂ間の周波数帯域である。「ピーク値から３ｄＢ低下」は、「ピーク値の１／√２倍」とも言い換えられ得る。「共振帯」は、「構造体共振の共振帯」、あるいは、「共振ピークの３ｄＢ帯」とも称され得る。帯域幅は、「−３ｄＢ帯域幅」、「３ｄＢ帯域幅」、あるいは単に「周波数帯域幅」とも称され得る。Δｆｒは、ケースダイアフラム４４、超音波素子５３、および共鳴空間ＳＣの間の、共振周波数のズレ量の最大値である。

上記の通り、半導体基板５は、ケースダイアフラム４４と素子ダイアフラム５４との間に共鳴空間ＳＣが形成されるように配置されつつ、素子収容ケース４に固定的に支持されている。共鳴空間ＳＣは、素子収容ケース４内に設けられた音響共鳴空間としての機能を有している。すなわち、共鳴空間ＳＣは、伝播波の超音波振動がケースダイアフラム４４と素子ダイアフラム５４との間で連成共振により伝播するように設けられている。

支持基板６は、超音波素子５３を有する半導体基板５を固定的に支持する部材であって、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。支持基板６は、一主面であるケース固定面６１が内側底板部４２における内側底面４２ａと接合されることで、内側底板部４２に固定されている。

支持基板６には、超音波マイクロフォン３と図２に示されたセンサケース２側の制御回路基板等との電気接続のための、接続端子６２が設けられている。接続端子６２は、ケース固定面６１から軸方向に沿って突設されている。接続端子６２は、内側底板部４２を貫通することで、内側底板部４２から突出するようになっている。接続端子６２が内側底板部４２を貫通する部分は、シール剤によって液密的にシールされている。

支持基板６における、ケース固定面６１とは反対側の実装面６３は、内部空間ＳＩに面するように設けられている。実装面６３上には、半導体基板５が固定されている。具体的には、実装面６３には、凹部６４が設けられている。半導体基板５は、凹部６４の内側に収容されつつ、支持基板６に固定されている。実装面６３における凹部６４の周囲に設けられた不図示の電極パッドと、半導体基板５に設けられた不図示の電極パッドとは、ボンディングワイヤ等の配線を介して電気接続されている。

（効果）
以下、本実施形態の構成による動作概要を、同構成により奏される効果とともに、各図面を参照しつつ説明する。

車載状態にて、外側底板部４３に設けられたケースダイアフラム４４の外表面である送受信面４４ａを含む、超音波マイクロフォン３における露出面３ｂは、車体外空間ＳＧに露出される。このため、車両Ｖの走行中等において、露出面３ｂすなわち送受信面４４ａに、小石等の固い異物が衝突する場合がある。

この点、上記構成においては、超音波素子５３は、箱状に形成された素子収容ケース４の内側に収容されつつ、ケースダイアフラム４４から離隔して配置されている。すなわち、超音波素子５３は、車載状態にて車体外空間ＳＧに露出する外側底板部４３には貼り付けられていない。

このため、露出面３ｂに小石等の固い異物が衝突しても、かかる衝突による衝撃は、超音波素子５３には直接的には作用しない。したがって、超音波素子５３におけるクラック等の発生が、良好に防止され得る。特に、外側底板部４３を厚く形成しなくても、超音波素子５３におけるクラック等の不具合の発生が、良好に回避され得る。したがって、超音波センサ１の体格の大型化を回避しつつ、超音波素子５３を良好に保護することが可能となる。

また、超音波マイクロフォン３における筐体を構成する素子収容ケース４の、軸方向における先端部は、液密的に閉塞されている。このため、露出面３ｂ側すなわち車体外空間ＳＧ側からの、素子収容ケース４内への水等の液体の浸入が、良好に抑制される。

さらに、超音波マイクロフォン３における筐体を構成する素子収容ケース４の、軸方向における基端側の部分は、組立状態にて、センサケース２および上記のスリーブ部材によって覆われている。このため、車体内空間ＳＮ側からの、素子収容ケース４内への水等の液体の浸入が、良好に抑制される。

このように、上記構成によれば、超音波素子５３および共鳴空間ＳＣは、水等の浸入から良好に保護される。したがって、水等の浸入による、超音波素子５３における故障あるいは共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数の変動等の、不具合の発生が、良好に抑制される。

また、超音波素子５３が設けられた素子ダイアフラム５４は、共鳴空間ＳＣを隔ててケースダイアフラム４４と対向配置されている。すなわち、半導体基板５における薄肉部である素子ダイアフラム５４と、外側底板部４３における薄肉部であるケースダイアフラム４４との間には、共鳴空間ＳＣが設けられている。共鳴空間ＳＣは、液密的且つ気密的な空間として形成されている。このため、伝播波の超音波振動は、共鳴空間ＳＣ内の媒体（例えば空気）を介して、素子ダイアフラム５４すなわち超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間を良好に伝播する。

具体的には、探査波の発信時においては、駆動電圧の印加により超音波素子５３にて発生した超音波振動が、伝播波として、共鳴空間ＳＣ内の媒体に伝播する。共鳴空間ＳＣ内の媒体に伝播した伝播波の超音波振動は、ケースダイアフラム４４に伝播する。ケースダイアフラム４４への伝播波の伝播に伴うケースダイアフラム４４の超音波振動により、車体外空間ＳＧに向けて探査波が発信される。逆に、受信時においては、車体外空間ＳＧからの受信波により励振されたケースダイアフラム４４の超音波振動が、伝播波として、共鳴空間ＳＣ内の媒体に伝播する。共鳴空間ＳＣ内の媒体に伝播した伝播波の超音波振動は、素子ダイアフラム５４に伝播する。これにより、回路素子部５５にて出力電圧が発生する。

このように、超音波素子５３とケースダイアフラム４４とのうちの一方に生じた超音波振動は、共鳴空間ＳＣ内の媒体を介した連成共振により、他方に伝播する。特に、本実施形態においては、伝播波の波長をλとし、Ｎを０以上の整数とし、Ｋ＝０．９〜１．１とすると、共鳴空間ＳＣは、軸方向寸法がＫ・（λ／２＋Ｎλ）となるように形成されている。したがって、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間を伝播する伝播波の伝播効率が良好となる。

ここで、超音波センサ１は、第一共振周波数と第二共振周波数と第三共振周波数とが一致するように構成されている。第一共振周波数は、超音波素子５３における、共振周波数すなわち構造共振周波数である。第二共振周波数は、共鳴空間ＳＣにおける、共振周波数すなわち共鳴周波数である。第三共振周波数は、ケースダイアフラム４４における、共振周波数すなわち構造共振周波数である。したがって、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間の伝播波の伝播効率が良好となる。

このように、上記構成によれば、超音波素子５３を良好に保護しつつ、車体外空間ＳＧと超音波素子５３との間の超音波振動の伝播を良好に実現することが可能となる。特に、超音波素子５３として、バルク型よりも大出力が得られにくいＭＥＭＳ型の構成を用いても、超音波振動が連成共振により効率的に伝播することで、良好な送受信性能が実現され得る。また、車載用の超音波センサ１として、素子収容ケース４の強度確保のために、車体外空間ＳＧに露出されるケースダイアフラム４４を厚さが０．５ｍｍ以上となるように厚めに形成しても、良好な送受信性能が実現され得る。

但し、製造上、第一共振周波数と第二共振周波数と第三共振周波数とを完全に一致させることは困難である。そこで、第一共振周波数と第二共振周波数と第三共振周波数とが実質的に一致しているものとするために、これらの差をどの程度に収めるかが問題となる。

この点、本発明の筆頭発明者を含む共同発明者は、鋭意検討の結果、第一共振周波数と第二共振周波数と第三共振周波数とが実質的に一致しているものと評価できる条件を見出した。その条件とは、Δｆｒ≦ＢＷである。Δｆｒは、第一共振周波数と第二共振周波数の差、第二共振周波数と第三共振周波数との差、および、第一共振周波数と第三共振周波数との差のうちの、最大値である。ＢＷは、超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとケースダイアフラム４４とのうちの最も共振帯が広いものにおける、当該共振帯の帯域幅である。これにより、良好な送受信特性が得られる。

本実施形態においては、素子収容ケース４は、軸方向に向かうにつれて、面内方向における共鳴空間ＳＣの幅を先細りさせるホーン形状を有している。具体的には、素子収容ケース４は、径方向についてケースダイアフラム４４の周囲に形成された厚肉部であって共鳴空間ＳＣを外側から囲むように設けられたケース厚肉部４６を有している。ケース厚肉部４６は、共鳴空間ＳＣに面することで当該共鳴空間ＳＣを構成するホーン内面４６ｂを有している。ホーン内面４６ｂは、空間底部ＳＣ２の方が空間頂部ＳＣ１よりも径方向寸法が大きくなるように、ケースダイアフラム４４に向かうにつれて先細りする錐体内面状に形成されている。

かかる構成によれば、探査波の発信時における、超音波素子５３からケースダイアフラム４４への伝播波の伝播方向に向かって、共鳴空間ＳＣの断面積が絞り込まれる。これにより、当該伝播波およびこれによる探査波の音圧を高めることが可能となる。

図４は、共鳴空間ＳＣの形状変化による音圧の変化を計算機シミュレーションした結果を示す。図４において、横軸ｒｔ／ｒｂは、共鳴空間ＳＣの円錐台形状における頂面径ｒｔと底面径ｒｂとの比であって、これを半径比と称する。頂面径ｒｔは、共鳴空間ＳＣにおける、空間頂部ＳＣ１側の頂面の半径である。底面径ｒｂは、共鳴空間ＳＣにおける、空間底部ＳＣ２側の底面の半径である。半径比ｒｔ／ｒｂ＝１の場合、共鳴空間ＳＣは、略円柱状となる。

図４の計算機シミュレーション結果に示されているように、半径比ｒｔ／ｒｂ＝０．５にて、伝播波の発信時における、共鳴空間ＳＣの断面積の絞り込みによる音圧向上効果が最大限に得られる。したがって、半径比ｒｔ／ｒｂは、０．２５〜０．７５が好適であり、０．２５〜０．５５がさらに好適であり、０．５およびその近傍が最も好適である。「０．５およびその近傍」となる半径比は、０．５・βである。βは１に近い実数であって、例えば０．９〜１．１である。すなわち、「０．５およびその近傍」とは、例えば、０．５±１０％、具体的には、０．４５〜０．５５である。特に、０．５前後の音圧変化の勾配を考慮すると、半径比ｒｔ／ｒｂを０．５およびその近傍に設定する場合、頂面径ｒｔの寸法公差をマイナス公差とする一方で、底面径ｒｂの寸法公差をプラス公差とすることが好適である。

本実施形態においては、超音波素子５３は、半導体基板５に形成された振動膜あるいは振動板であって指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する素子ダイアフラム５４を有している。また、素子ダイアフラム５４は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法に対応する径方向寸法、すなわち、空間底部ＳＣ２の径方向寸法と略一致する径方向寸法を有している。

かかる構成によれば、素子ダイアフラム５４の振動により発信された伝播波は、ほぼ平面波の状態で空間底部ＳＣ２に進入する。これにより、当該伝播波およびこれによる探査波の音圧を高めることが可能となる。

本実施形態においては、半導体基板５は、軸方向における超音波素子５３とケース厚肉部４６との隙間が伝播波の波長の１／４以下となるように、素子収容ケース４に固定的に支持されている。すなわち、ケース厚肉部４６における基板対向面４６ａと、半導体基板５における基板上面５２との隙間は、伝播波の波長よりも充分小さく設定されている。

かかる構成によれば、共鳴空間ＳＣの外部への超音波振動の漏出が、可及的に抑制され得る。したがって、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３との間の、伝播波の伝播効率が向上し得る。

本実施形態においては、ケース厚肉部４６は、空間頂部ＳＣ１から径方向に延設されることで空間頂部ＳＣ１と連通するように設けられたスリット部４５を有している。また、ケースダイアフラム４４は、軸方向について空間頂部ＳＣ１と対向する中央部４４ｃと、軸方向についてスリット部４５と対向するリング状部４４ｄとを有している。さらに、スリット部４５は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法よりも大きな径方向寸法を有している。

かかる構成によれば、共鳴空間ＳＣの断面積をケースダイアフラム４４に向かって絞り込むことによる音圧集中効果を確保しつつ、ケースダイアフラム４４における振動面積を可及的に大きくすることができる。したがって、良好な送受信感度を達成することが可能となる。

本実施形態においては、スリット部４５は、軸方向寸法が伝播波の波長の１／４以下となるように形成されている。かかる構成によれば、スリット部４５の音響インピーダンスが大きくなり、共鳴空間ＳＣ内の媒体（例えば空気）がスリット部４５内に侵入し難くなる。したがって、共鳴空間ＳＣの断面積をケースダイアフラム４４に向かって絞り込むことによる音圧集中効果が、良好に確保され得る。

本実施形態においては、スリット部４５には、弾性体であるスペーサ４７が充填されている。このスペーサ４７は、ケースダイアフラム４４の弾性率よりも低い弾性率を有している。かかる構成によれば、共鳴空間ＳＣからスリット部４５への超音波振動の漏出が、可及的に抑制され得る。また、スペーサ４７の存在によりケースダイアフラム４４における超音波振動が阻害されることが、良好に抑制され得る。したがって、ケースダイアフラム４４における振動面積を可及的に大きくしつつ、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３との間の伝播波の伝播効率を良好に維持することが可能となる。

本実施形態においては、素子収容ケース４は、共鳴空間ＳＣを気密且つ液密に密閉するように形成されている。このため、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３との間の、共鳴空間ＳＣ内の媒体（例えば空気）は、超音波振動を伝播する流体バネとして良好に機能する。すなわち、共鳴空間ＳＣを気密的に形成することで、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間の疎密波の強度を高めることができる。したがって、かかる構成によれば、良好な送受信特性が得られる。

上記構成においては、超音波素子５３は、ＭＥＭＳ型の半導体素子として、半導体基板５に形成されている。かかる構成によれば、超音波素子５３における送受信性能を維持しつつ、半導体基板５を良好に小型化することが可能となる。したがって、例えば、後述の第八実施形態等のように、超音波素子５３を面内方向に複数配列形成して超音波センサ１を高機能化する場合において、超音波センサ１の体格の大型化を可及的に抑制することが可能となる。

（第二実施形態）
以下、第二実施形態について、図５を参照しつつ説明する。なお、以下の第二実施形態の説明においては、主として、上記第一実施形態と異なる部分について説明する。また、第一実施形態と第二実施形態とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の第二実施形態の説明において、第一実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記第一実施形態における説明が適宜援用され得る。

図５に示されているように、本実施形態においては、図３に示されたスリット部４５およびスペーサ４７が省略されている。すなわち、ケースダイアフラム４４は、外側底板部４３の面内方向における中心付近に設けられた薄肉部として形成されている。

かかる構成においては、上記第一実施形態の場合よりも、ケースダイアフラム４４の振動面積は減少する。しかしながら、伝播波の発信時における、共鳴空間ＳＣの断面積の絞り込みによる音圧向上効果は、充分に発揮され得る。

（第三実施形態）
以下、第三実施形態について、図６を参照しつつ説明する。なお、以下の第三実施形態の説明においては、主として、上記第二実施形態と異なる部分について説明する。また、第二実施形態と第三実施形態とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の第三実施形態の説明において、先に説明した他の実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、当該他の実施形態における説明が適宜援用され得る。後述の第四実施形態以降の他の実施形態についても同様である。

超音波マイクロフォン３における送受信周波数によっては、図６に示されているように、ホーン内面４６ｂを曲面状に形成することが好適である。ホーン内面４６ｂにおける曲面形状は、送受信周波数に応じて、例えば、断面視にて、双曲線状、放物線状、指数関数状、等とされ得る。また、ホーン内面４６ｂにおける曲面形状は、送受信周波数に応じて、共鳴空間ＳＣに向かって凹状あるいは凸状に設定され得る。

（第四実施形態）
以下、第四実施形態について、図７を参照しつつ説明する。本実施形態においては、共鳴空間ＳＣ内には、制振材４０１が収容されている。制振材４０１は、ケースダイアフラム４４における振動に対するダンパー効果を奏するように設けられている。具体的には、図９に示された例においては、制振材４０１は、合成ゴム等の合成樹脂によって形成された板状部材であって、ダイアフラム裏面４４ｂに貼り付けられている。

かかる構成によれば、超音波マイクロフォン３における残響の発生が、良好に低減される。これにより、超音波センサ１における不感帯時間が短縮され、以て近距離検知性能が向上する。

（第五実施形態）
以下、第五実施形態について、図８を参照しつつ説明する。本実施形態においては、素子収容ケース４は、通気口４０２を有している。通気口４０２は、内側底板部４２に設けられている。具体的には、通気口４０２は、内側底板部４２を厚さ方向に貫通する貫通孔であって、素子収容ケース４の内側の内部空間ＳＩと素子収容ケース４の外側の外部空間ＳＤとを連通させるように設けられている。

通気口４０２は、空気が通過可能な一方で液体の通過が抑制されるように、液密的に封止されている。具体的には、図８に示された例においては、通気口４０２には、通気口シール材４０３が装着されている。通気口シール材４０３は、空気が通過可能な一方で液体の通過が困難な多孔質材料によって形成されている。

かかる構成においては、素子収容ケース４の内側の内部空間ＳＩと、素子収容ケース４の外側の外部空間ＳＤとの間の気体の授受が可能となる。これにより、接着剤の揮発成分等を素子収容ケース４の外側に排出することが可能となる。

また、内部空間ＳＩにおける、素子ダイアフラム５４を挟んで共鳴空間ＳＣの反対側に位置する部分を外気と連通させることができる。これにより、素子ダイアフラム５４の変形の際の抵抗が低減し、受信感度が向上する。さらに、通気口シール材４０３を設けることで、通気口４０２にて水等の液体が素子収容ケース４の内部に浸入することを良好に抑制することができる。

（第六実施形態）
以下、第六実施形態について、図９を参照しつつ説明する。本実施形態においては、超音波マイクロフォン３は、温度センサ４０４と周波数変更部４０５とを備えている。

温度センサ４０４は、超音波センサ１の動作環境温度に対応する出力を発生するように設けられている。図９に示された例においては、温度センサ４０４は、内部空間ＳＩ内に収容されている。すなわち、温度センサ４０４は、超音波素子５３の周囲の空間の温度に対応する出力を発生するようになっている。具体的には、温度センサ４０４は、半導体基板５上に固定されている。

周波数変更部４０５は、超音波センサ１の動作環境温度に応じて、ケースダイアフラム４４または共鳴空間ＳＣにおける振動周波数を変更するように設けられている。周波数変更部４０５は、図２に示されたケース本体部２ａの内側に収容された不図示の制御回路基板に実装された制御ＩＣによって、動作が制御されるようになっている。

図９に示された例においては、周波数変更部４０５は、温度センサ４０４の出力に基づいて、ケースダイアフラム４４における構造共振周波数を変更するように設けられている。具体的には、周波数変更部４０５は、バルクＰＺＴ等のバルク圧電セラミックからなる圧電素子であって、電圧印加により歪を発生するように構成されている。ＰＺＴはチタン酸ジルコン酸鉛の略称である。すなわち、周波数変更部４０５は、電圧印加時の歪によりケースダイアフラム４４における内部応力すなわち張力を調整するように、素子収容ケース４におけるケースダイアフラム４４またはその近傍位置に貼り付けられている。

超音波センサ１の動作環境温度が変化すると、ケースダイアフラム４４における共振周波数がシフトする。ケースダイアフラム４４における共振周波数がシフトすると、ケースダイアフラム４４における共振周波数と超音波素子５３における共振周波数との差が大きくなる。すると、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間の振動伝播効率が低下する。

そこで、本実施形態においては、温度センサ４０４と周波数変更部４０５とが設けられている。かかる構成においては、温度センサ４０４は、超音波センサ１の動作環境温度に対応する出力を発生する。これにより、超音波センサ１の動作環境温度が検出可能となる。周波数変更部４０５は、検出された動作環境温度に応じて、ケースダイアフラム４４における共振周波数を変更する。具体的には、検出された動作環境温度に応じて、周波数変更部４０５に制御電圧が印加される。周波数変更部４０５は、印加された制御電圧に応じて歪を発生することで、ケースダイアフラム４４における内部応力すなわち張力を調整する。

かかる構成によれば、動作環境温度の変化による共振条件のズレが、良好に補償され得る。また、ケースダイアフラム４４における共振周波数を、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数および超音波素子５３における共振周波数とは独立に制御することが可能となる。

なお、図９に示された周波数変更部４０５は、共鳴空間ＳＣの容積を変更することで、共鳴空間ＳＣにおける振動周波数を変更するように構成されていてもよい。この場合、周波数変更部４０５は、検出された動作環境温度に応じて、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数を変更する。また、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数を、ケースダイアフラム４４および超音波素子５３における共振周波数とは独立に制御することが可能となる。

（第七実施形態）
以下、第七実施形態について、図１０を参照しつつ説明する。本実施形態においては、周波数変更部４０５は、超音波素子５３における振動周波数を変更するように設けられている。具体的には、周波数変更部４０５は、温度センサ４０４の出力に基づいて、超音波素子５３における構造共振周波数を変更するように構成されている。

具体的には、周波数変更部４０５は、ＭＥＭＳ型の圧電素子であって、電圧印加により歪を発生するように形成されている。すなわち、周波数変更部４０５は、電圧印加時の歪により素子ダイアフラム５４における内部応力すなわち張力を調整するように、半導体基板５における素子ダイアフラム５４またはその近傍位置に設けられている。

超音波センサ１の動作環境温度が変化すると、ケースダイアフラム４４における共振周波数がシフトする。ケースダイアフラム４４における共振周波数がシフトすると、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間の振動伝播効率が低下する。

そこで、本実施形態においては、温度センサ４０４と周波数変更部４０５とが設けられている。かかる構成においては、周波数変更部４０５は、検出された動作環境温度に応じて、超音波素子５３における共振周波数を変更する。具体的には、検出された動作環境温度に応じて、周波数変更部４０５に制御電圧が印加される。周波数変更部４０５は、印加された制御電圧に応じて歪を発生することで、素子ダイアフラム５４における内部応力すなわち張力を調整する。

かかる構成によれば、動作環境温度の変化による共振条件のズレが、良好に補償され得る。また、超音波素子５３における共振周波数を、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数およびケースダイアフラム４４における共振周波数とは独立に制御することが可能となる。

（第八実施形態）
以下、第八実施形態について、図１１を参照しつつ説明する。本実施形態においては、ケースダイアフラム４４、超音波素子５３、および共鳴空間ＳＣが、面内方向に複数配列形成されている。

なお、図１１においては、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとの組が、２組、Ｙ軸方向に配列された構成が図示されている。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、図１１は、例えば、ＸＹ２次元方向に多数配列された、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとの組のうちの、任意の２組を図示するものであり得る。図１２等においても同様である。

図１１に示された例においては、外側底板部４３は、面内方向に配列された複数のケースダイアフラム４４を有している。また、素子収容ケース４には、ケースダイアフラム４４と同数の複数の超音波素子５３が、面内方向に配列された状態で収容されている。なお、１つの半導体基板５には、１つの超音波素子５３が設けられている。

複数の超音波素子５３の各々は、互いに異なるケースダイアフラム４４と対向配置されている。すなわち、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３とが一対一に対応するようになっている。また、１つのケースダイアフラム４４と、これに対応する１つの超音波素子５３との間には、１つの共鳴空間ＳＣが設けられている。

かかる構成によれば、複数の超音波素子５３の各々を良好に保護しつつ、これらを用いたセンサアレイとしての機能、例えば、角度検知機能等を、良好に実現することが可能となる。また、超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとケースダイアフラム４４との組が複数設けられる。このとき、各組における周波数特性を個別設計することで、広帯域化等の高機能化が実現され得る。

（第九実施形態）
以下、第九実施形態について、図１２を参照しつつ説明する。なお、以下の第九実施形態の説明においては、主として、上記第八実施形態と異なる部分について説明する。

本実施形態においても、上記第八実施形態と同様に、共鳴空間ＳＣが面内方向に複数配列形成されている。そして、図１２に示されているように、超音波マイクロフォン３は、振動分離材４０６をさらに備えている。振動分離材４０６は、隣接する共鳴空間ＳＣ同士の振動伝達を抑制するように、隣接する共鳴空間ＳＣの間に介在して設けられている。

具体的には、振動分離材４０６は、ケース厚肉部４６に対応する部分に設けられている。振動分離材４０６は、制振機能あるいは振動吸収性の高い材料、例えば、シリコーンゴム等のエラストマ材料によって形成されている。この場合、外側底板部４３は、例えば、ケース厚肉部４６と振動分離材４０６とを面内方向に配列しつつ、これらと、ケースダイアフラム４４を形成するための金属製の薄板とを貼り合わせることによって形成され得る。

かかる構成によれば、面内方向に隣接する共鳴空間ＳＣの間の振動伝達が、良好に抑制され得る。したがって、超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとケースダイアフラム４４との組が複数設けられた場合における、各組同士の混信が、良好に抑制され得る。

（第十実施形態）
以下、第十実施形態について、図１３を参照しつつ説明する。本実施形態においては、超音波マイクロフォン３は、１つのケースダイアフラム４４および共鳴空間ＳＣに対して、複数の超音波素子５３が対応するように構成されている。

具体的には、複数の送受信部７００に対して、共通のケースダイアフラム４４および共鳴空間ＳＣが設けられている。一方、複数の送受信部７００の各々に対して、少なくとも１つ以上の超音波素子５３が設けられている。また、図１３に示された例においては、１つの半導体基板５に対して、複数の超音波素子５３が設けられている。すなわち、複数の超音波素子５３を有する１つの半導体基板５が、１つのケースダイアフラム４４および共鳴空間ＳＣに対応するように設けられている。

かかる構成によれば、混信抑制機能については上記第十四実施形態には若干劣るものの、上記第八実施形態と同様の効果が奏され得る。

このように、ケースダイアフラム４４、超音波素子５３、または共鳴空間ＳＣを、面内方向に複数配列形成することで、超音波マイクロフォン３における高機能化が図られる。

ケースダイアフラム４４が面内方向に複数配列形成されている場合、複数のケースダイアフラム４４の各々は、互いに異なる共振周波数を有していてもよい。また、超音波素子５３が面内方向に複数配列形成されている場合、複数の超音波素子５３の各々は、互いに異なる共振周波数を有していてもよい。また、共鳴空間ＳＣが面内方向に複数配列形成されている場合、複数の共鳴空間ＳＣの各々は、互いに異なる共鳴周波数を有していてもよい。

（第十一実施形態）
以下、第十一実施形態について、図１４を参照しつつ説明する。本実施形態においては、超音波マイクロフォン３は、発信部７０１と受信部７０２とを有している。

発信専用の発信部７０１は、探査波を発信する機能のみを奏するように設けられている。受信専用の受信部７０２は、受信波を受信する機能のみを奏するように設けられている。発信部７０１と受信部７０２とは、面内方向に配列されている。発信部７０１および受信部７０２は、それぞれ、ケースダイアフラム４４と超音波素子５３と共鳴空間ＳＣとを有している。

発信部７０１における共鳴空間ＳＣは、図３等と同様に、送波方向すなわち図中Ｚ軸正方向に向かうにつれて断面積が絞り込まれるように形成されている。これにより、探査波の発信時における伝播波の音圧を高めることが可能となる。すなわち、探査波の音圧が向上する。

一方、受信部７０２における共鳴空間ＳＣは、受波方向すなわち図中Ｚ軸負方向に向かうにつれて断面積が絞り込まれるように形成されている。これにより、受信波の受信時における伝播波の音圧を高めることが可能となる。すなわち、受信感度が向上する。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。

超音波センサ１の装着対象は、フロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４に限定されない。具体的には、例えば、超音波センサ１は、車体パネルＶ２にも装着され得る。すなわち、装着孔Ｖ５は、車体パネルＶ２にも設けられ得る。また、超音波センサ１は、車載用に限定されない。また、超音波センサ１は、クリアランスソナーに限定されない。すなわち、超音波センサ１は、他の用途にも用いられ得る。

超音波センサ１は、超音波を送受信可能な構成に限定されない。すなわち、例えば、超音波センサ１は、超音波の発信のみが可能な構成を有していてもよい。あるいは、超音波センサ１は、他の超音波発信器から発信された超音波である探査波の、周囲に存在する物体による反射波を受信する機能のみを有するものであってもよい。

超音波センサ１における各部の構成も、上記具体例に限定されない。具体的には、例えば、超音波マイクロフォン３すなわち素子収容ケース４の外形形状は、略円柱状に限定されず、略正六角柱状、略正八角柱状、等であってもよい。すなわち、素子収容ケース４は、略柱状あるいは略錐台状に形成され得る。

素子収容ケース４を構成する材料は、アルミニウム等の金属材料に限定されない。すなわち、例えば、素子収容ケース４は、ポリカーボネート、ポリスチレン、等の合成樹脂材料によっても形成され得る。あるいは、素子収容ケース４は、炭素繊維、炭素繊維含有樹脂、等によっても形成され得る。あるいは、素子収容ケース４のうちの少なくとも一部、例えば、ケースダイアフラム４４は、形状記憶機能あるいは超弾性機能を有する材料によって形成され得る。これにより、温度変化、外力、等による変形に起因する共振周波数変化が、良好に抑制され得る。

素子収容ケース４の構造についても、技術的な不都合が生じない限り、特段の限定はない。具体的には、例えば、側板部４１と外側底板部４３とは、上記のように、同一材料によって継ぎ目なく一体に形成されていてもよい。あるいは、側板部４１と外側底板部４３とは、互いに異なる材料によって形成されていてもよい。

ケースダイアフラム４４の面内方向における形状も、上記具体例のような略円形に限定されない。すなわち、ケースダイアフラム４４の面内方向における形状としては、例えば、略矩形、略楕円形、略正六角形、略正八角形、等の任意の形状が採用可能である。同様に、共鳴空間ＳＣの形状も、上記具体例のような円錐台形に限定されない。すなわち、共鳴空間ＳＣは、例えば、四角錐台形、六角錐台形、八角錐台形、等に形成されていてもよい。特に、図３に示されたスリット部４５を有する構成においては、ケースダイアフラム４４と共鳴空間ＳＣとは、互いに異なる形状を有していてもよい。具体的には、例えば、共鳴空間ＳＣが八角錐台形に形成されていても、ケースダイアフラム４４は円形に形成され得る。

ケースダイアフラム４４の断面形状も、平板状に限定されない。具体的には、例えば、ケースダイアフラム４４は、車体外空間ＳＧに向かって突出する曲板状に形成されていてもよい。あるいは、例えば、ケースダイアフラム４４は、車体外空間ＳＧに向かって凹設された曲板状に形成されていてもよい。

スリット部４５の径方向寸法は、空間底部ＳＣ２の径方向寸法と同程度であってもよい。あるいは、スリット部４５の径方向寸法は、空間頂部ＳＣ１の径方向寸法よりも大きく、且つ空間底部ＳＣ２の径方向寸法よりも小さくてもよい。

ケース厚肉部４６は、側板部４１の一部を構成するものであってもよいし、外側底板部４３の一部を構成するものであってもよい。あるいは、ケース厚肉部４６は、側板部４１および外側底板部４３とは別部材として形成されていて、側板部４１または外側底板部４３に接着等により固定されていてもよい。

図３に示された第一実施形態において、スペーサ４７は、省略され得る。すなわち、スリット部４５には、何も充填されていなくてもよい。

スリット部４５は、図６以降に示された構成にも設けられ得る。この場合、スリット部４５には、スペーサ４７が充填されていることが好適である。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。

図７に示された第四実施形態における制振材４０１は、他の実施形態にも適用可能である。但し、スリット部４５にスペーサ４７が充填されている場合、このスペーサ４７は、図７に示された制振材４０１と同様の機能を奏し得る。したがって、スペーサ４７と制振材４０１とは、選択的に適用され得る。もっとも、スペーサ４７と制振材４０１とを併用しても問題はない。

図８に示された第五実施形態における、通気口４０２および通気口シール材４０３は、他の実施形態にも適用可能である。

温度センサ４０４の設置態様についても、特段の限定はない。具体的には、例えば、温度センサ４０４は、素子収容ケース４に取り付けられていてもよい。あるいは、温度センサ４０４は、半導体基板５に形成された温度検出素子であってもよい。あるいは、超音波センサ１の動作環境温度は、超音波センサ１の外部から入手可能である。具体的には、動作環境温度は、車両Ｖに搭載された別の温度検出部によって検出され得る。よって、動作環境温度は、ＥＣＵから受信することも可能である。このため、温度センサ４０４は、省略され得る。

周波数変更部４０５の構造および設置位置についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、周波数変更部４０５は、ヒータであってもよい。

ケースダイアフラム４４における共振周波数を変更する周波数変更部４０５と、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数を変更する周波数変更部４０５とは、互いに併存し得る。また、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数を変更する周波数変更部４０５と、超音波素子５３における共振周波数を変更する周波数変更部４０５とは、互いに併存し得る。また、ケースダイアフラム４４における共振周波数を変更する周波数変更部４０５と、超音波素子５３における共振周波数を変更する周波数変更部４０５とは、互いに併存し得る。また、ケースダイアフラム４４における共振周波数を変更する周波数変更部４０５と、共鳴空間ＳＣにおける共鳴周波数を変更する周波数変更部４０５と、超音波素子５３における共振周波数を変更する周波数変更部４０５とは、互いに併存し得る。

超音波素子５３の種類を含む、半導体基板５の構成についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、超音波素子５３は、ＰＭＵＴに限定されない。具体的には、超音波素子５３は、ＣＭＵＴとしての構成を有していてもよい。ＣＭＵＴはCapacitive Micro-machined Ultrasound Transducerの略である。あるいは、例えば、超音波素子５３は、バルク型の構成を有していてもよい。

支持基板６の素子収容ケース４に対する固定は、側板部４１にて行われてもよい。あるいは、支持基板６の素子収容ケース４に対する固定は、ケース厚肉部４６にて行われてもよい。

支持基板６は、回路基板であってもよい。すなわち、信号処理のための各種回路部品が実装面６３上に実装されていてもよい。

支持基板６は、回路基板ではなくてもよい。すなわち、信号処理のための各種回路部品は、半導体基板５上に実装されていてもよい。あるいは、かかる回路部品は、ケース本体部２ａの内側に設けられた不図示の制御回路基板上に実装されていてもよい。

支持基板６は、半導体基板５と一体化され得る。すなわち、支持基板６は、省略され得る。

図３および図６〜図１０に示された構成は、図１１〜図１４に示されたアレイ型の構成に適用され得る。

図８に示された第五実施形態についての記載からも明らかなように、共鳴空間ＳＣは、気密且つ液密に密閉された空間に限定されない。すなわち、超音波素子５３とケースダイアフラム４４との間の、超音波振動の伝播性能が良好に得られていれば、共鳴空間ＳＣにおける厳密な気密性は要求されない。但し、共鳴空間ＳＣ内に水等の液体が浸入すると、共鳴空間ＳＣの体積が減少し、これにより共鳴周波数が変動する。また、浸入した水等の液体により、劣化が発生し得る。このため、共鳴空間ＳＣは、少なくとも液密に密閉された空間として形成されていることが好適である。

上記の説明において、互いに継ぎ目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継ぎ目無く一体に形成されてもよい。

上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。

上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。

変形例も、上記の例示に限定されない。すなわち、例えば、上記に例示した以外で、複数の実施形態同士が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。同様に、複数の変形例が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。

１ 超音波センサ
４ 素子収容ケース
４４ ケースダイアフラム
４５ スリット部
４６ ケース厚肉部
４７ スペーサ
５ 半導体基板
５３ 超音波素子
５４ 素子ダイアフラム
ＳＣ 閉鎖空間

Claims (21)

1. 超音波センサ（１）であって、
   指向軸（ＤＡ）に沿って伝播する超音波である伝播波を発信または受信可能に設けられた、超音波素子（５３）と、
   前記指向軸に沿った厚さ方向を有する振動膜あるいは振動板であるケースダイアフラム（４４）を有し、前記ケースダイアフラムから前記超音波素子を離隔させつつ前記超音波素子を収容することで、前記ケースダイアフラムと前記超音波素子との間を伝播する前記伝播波の共鳴空間（ＳＣ）を前記ケースダイアフラムと前記超音波素子との間に形成するように構成された、素子収容ケース（４）と、
   を備え、
   前記素子収容ケースは、前記指向軸と平行な軸方向に向かうにつれて、前記指向軸と直交する面内方向における前記共鳴空間の幅を先細りさせるホーン形状を有する、
   超音波センサ。
2. 前記超音波素子における共振周波数である第一共振周波数と、前記共鳴空間における共振周波数である第二共振周波数と、前記ケースダイアフラムにおける共振周波数である第三共振周波数とが、一致するように構成された、
   請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記第一共振周波数と前記第二共振周波数の差、前記第二共振周波数と前記第三共振周波数との差、および、前記第一共振周波数と前記第三共振周波数との差のうちの、最大値をΔｆｒとし、
   前記超音波素子と前記共鳴空間と前記ケースダイアフラムとのうちの最も共振帯が広いものにおける、当該共振帯の帯域幅をＢＷとすると、
   Δｆｒ≦ＢＷとなるように構成された、
   請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記素子収容ケースは、前記指向軸と直交しつつ前記指向軸から離隔する径方向について前記ケースダイアフラムの周囲に形成された厚肉部であって前記共鳴空間を外側から囲むように設けられたケース厚肉部（４６）を有し、
   前記ケース厚肉部は、前記共鳴空間に面することで当該共鳴空間を構成するホーン内面（４６ｂ）を有し、
   前記ホーン内面は、前記共鳴空間の前記軸方向における前記超音波素子側の端部である空間底部（ＳＣ２）の方が前記ケースダイアフラム側の端部である空間頂部（ＳＣ１）よりも径方向寸法が大きくなるように、前記ケースダイアフラムに向かうにつれて先細りする錐体内面状に形成された、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
5. 前記超音波素子は、半導体基板（５）に形成された振動膜あるいは振動板であって前記指向軸に沿った厚さ方向を有する素子ダイアフラム（５４）を有し、
   前記素子ダイアフラムは、前記空間底部の径方向寸法と略一致する径方向寸法を有する、
   請求項４に記載の超音波センサ。
6. 前記超音波素子は、前記軸方向における前記超音波素子と前記ケース厚肉部との隙間が前記伝播波の波長の１／４以下となるように、前記素子収容ケースに固定的に支持された、
   請求項４または５に記載の超音波センサ。
7. 前記ケース厚肉部は、前記空間頂部から前記径方向に延設されることで前記空間頂部と連通するように設けられた、スリット部（４５）を有し、
   前記ケースダイアフラムは、前記軸方向について前記空間頂部と対向する中央部（４４ｃ）と、前記軸方向について前記スリット部と対向するリング状部（４４ｄ）とを有し、
   前記スリット部は、前記空間底部の径方向寸法よりも大きな径方向寸法を有する、
   請求項４〜６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
8. 前記スリット部は、軸方向寸法が前記伝播波の波長の１／４以下となるように形成された、
   請求項７に記載の超音波センサ。
9. 前記スリット部に充填された弾性体であるスペーサ（４７）をさらに備えた、
   請求項７または８に記載の超音波センサ。
10. 前記スペーサは、前記ケースダイアフラムの弾性率よりも低い弾性率を有する、
    請求項９に記載の超音波センサ。
11. 前記ホーン内面は、曲面状に形成された、
    請求項４〜１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
12. 前記伝播波の波長をλとし、Ｎを０以上の整数とし、Ｋ＝０．９〜１．１とすると、前記共鳴空間の軸方向寸法がＫ・（λ／２＋Ｎλ）となるように構成された、
    請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波センサ。
13. β＝０．９〜１．１とすると、前記共鳴空間の頂面の前記面内方向における幅と、前記共鳴空間の底面の前記面内方向における幅との比が、０．５・βとなるように構成された、
    請求項１〜１２のいずれか１つに記載の超音波センサ。
14. 前記共鳴空間内に収容された制振材（４０１）をさらに備えた、
    請求項１〜１３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
15. 前記素子収容ケースは、内部空間（ＳＩ）と外部空間（ＳＤ）とを連通させるように設けられた通気口（４０２）を有し、
    前記通気口は、空気が通過可能な一方で液体の通過が抑制されるように液密的に封止された、
    請求項１〜１４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
16. 前記素子収容ケースは、
    前記指向軸を囲む筒状に形成された側板部（４１）と、
    前記軸方向における前記側板部の一端側を閉塞する内側底板部（４２）と、
    前記軸方向における前記側板部の他端側を液密的に閉塞する外側底板部（４３）と、
    を有し、
    前記ケースダイアフラムは、前記外側底板部に設けられた薄肉部として形成され、
    前記通気口は、前記内側底板部に設けられた、
    請求項１５に記載の超音波センサ。
17. 当該超音波センサの動作環境温度に応じて、前記超音波素子、前記共鳴空間、または前記ケースダイアフラムにおける振動周波数を変更するように設けられた、周波数変更部（４０５）をさらに備えた、
    請求項１〜１６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
18. 前記ケースダイアフラム、前記超音波素子、または前記共鳴空間が、前記面内方向に複数配列形成された、
    請求項１〜１７のいずれか１つに記載の超音波センサ。
19. 前記共鳴空間が前記面内方向に複数配列形成されている場合における、隣接する前記共鳴空間同士の振動伝達を抑制するように、隣接する前記共鳴空間の間に介在して設けられた、振動分離材（４０６）をさらに備えた、
    請求項１８に記載の超音波センサ。
20. 前記超音波素子、前記共鳴空間、および前記ケースダイアフラムにおける共振周波数が、３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚとなるように構成された、
    請求項１〜１９のいずれか１つに記載の超音波センサ。
21. 車両（Ｖ）における車体（Ｖ１）に装着された車載状態にて、前記ケースダイアフラムにおける前記指向軸と交差する外表面である送受信面（４４ａ）が前記車体の外板（Ｖ３）に設けられた貫通孔（Ｖ５）から前記車体の外側の空間（ＳＧ）に露出するように構成され、
    前記ケースダイアフラムは、厚さが０．５ｍｍ以上に形成された、
    請求項１〜２０のいずれか１つに記載の超音波センサ。

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