JP7192510B2 - 超音波センサ - Google Patents

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

超音波センサは、車載状態にて、車両におけるバンパー等の外壁部に装着される。このため、車載状態の超音波センサにおける、圧電素子等の超音波素子を収容するケースに、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。

一方、ケースの厚さを厚くすることで、クラックおよび剥離の発生を抑制することが可能である。しかしながら、この場合、厚いケースを振動させるために超音波素子にて大きな駆動力が必要となり、センサの体格が大型化してしまう。

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、センサの体格の大型化を回避しつつ、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（２）は、
電気信号と超音波振動とを変換するように構成された、超音波素子（２２）と、
気密且つ液密な密閉構造を有していて、内側に前記超音波素子を収容するように構成された、素子収容ケース（２１）と、
を備え、
前記素子収容ケースは、指向中心軸（ＤＡ）を囲む筒状に形成された側板部（２１１）と、前記側板部の指向中心軸方向における一端側を閉塞する底板部（２１２）と、前記超音波素子による超音波の送信または受信の際に撓みながら前記指向中心軸方向に超音波振動するダイアフラム部（２１４）を有していて前記側板部の前記指向中心軸方向における他端側を閉塞する天板部（２１３）とを有し、前記超音波素子と前記天板部とをギャップ（Ｇ）を隔てて対向配置させた状態で前記超音波素子を前記底板部にて支持するように構成され、
前記ギャップは、前記超音波素子と前記ダイアフラム部とが、前記指向中心軸方向について、前記超音波振動における波長の半分の整数倍に相当する間隔を隔てて対向するように形成され、
前記超音波素子は、前記指向中心軸方向における両側が閉塞された背面空間（ＢＳ）の前記指向中心軸方向における前記他端側を閉塞するように設けられ、
前記背面空間は、前記指向中心軸方向における寸法が、前記超音波振動における波長の１／４以下である所定値またはその整数倍であって前記波長の半分の整数倍とは異なる値となるように形成されている。

請求項３に記載の超音波センサ（１）は、
電気信号と超音波振動とを変換するように構成された、超音波素子（２２）と、
気密且つ液密な密閉構造を有していて、内側に前記超音波素子を収容するように構成された、素子収容ケース（２１）と、
を備え、
前記素子収容ケースは、指向中心軸（ＤＡ）を囲む筒状に形成された側板部（２１１）と、前記側板部の指向中心軸方向における一端側を閉塞する底板部（２１２）と、前記超音波素子による超音波の送信または受信の際に撓みながら前記指向中心軸方向に超音波振動するダイアフラム部（２１４）を有していて前記側板部の前記指向中心軸方向における他端側を閉塞する天板部（２１３）とを有し、前記超音波素子と前記天板部とをギャップ（Ｇ）を隔てて対向配置させた状態で前記超音波素子を前記底板部にて支持するように構成され、
前記ダイアフラム部は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって厚さ１ｍｍ以下に形成され、
前記超音波素子は、前記指向中心軸方向における両側が閉塞された背面空間（ＢＳ）の前記指向中心軸方向における前記他端側を閉塞するように設けられ、
前記背面空間は、前記指向中心軸方向における寸法が、前記超音波振動における波長の１／４以下である所定値またはその整数倍であって前記波長の半分の整数倍とは異なる値となるように形成されている。

上記構成においては、前記超音波素子は、気密且つ液密な密閉構造を有する前記素子収容ケースに収容されている。具体的には、前記超音波素子は、前記素子収容ケースの前記指向中心軸方向における一端側の前記底板部にて支持されている。また、前記超音波素子は、前記素子収容ケースにおける、前記指向中心軸方向に超音波振動する前記ダイアフラム部を有する前記天板部と、前記ギャップを隔てて対向配置されている。

すなわち、上記構成においては、前記超音波素子は、前記底板部に支持されていて、前記天板部には貼り付けられていない。このため、仮に前記天板部に小石等の固い異物が衝突した場合であっても、前記超音波素子にクラックが発生したり、前記超音波素子と前記底板部との間に剥離が発生したりする等の不具合が、良好に抑制され得る。

また、上記構成においては、前記超音波素子と前記ダイアフラム部とは、前記指向中心軸方向について、前記超音波振動における波長の半分の整数倍に相当する間隔を隔てて対向配置されている。あるいは、前記ダイアフラム部は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって厚さ１ｍｍ以下に形成されている。

これにより、前記超音波素子と前記ダイアフラム部との間の空間と、前記ダイアフラム部の外側の空間との間で、空気等の気体の授受がない状態で、超音波振動の授受が良好に行われ得る。したがって、かかる構成によれば、前記超音波センサにおける、超音波の送信または受信が、良好に行われ得る。

上記の通り、上記構成によれば、前記天板部を厚く形成しなくても、前記超音波素子におけるクラック、あるいは、前記超音波素子と前記底板部との間の剥離等の、不具合の発生が、良好に回避され得る。また、前記超音波センサにおける、超音波の送信または受信が、良好に行われ得る。したがって、当該超音波センサの体格の大型化を回避しつつ、前記超音波素子を良好に保護することが可能となる。

なお、上記および特許請求の範囲の欄における、各手段に付された括弧付きの参照符号は、同手段と後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。よって、本発明の技術的範囲は、上記の参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る超音波センサを備えたクリアランスソナーを搭載した車両の外観を示す斜視図である。 図１に示されたクリアランスソナーの概略的な装置構成を示す断面図である。 図２に示された超音波センサの概略構成を示す断面図である。 図３に示されたセンサ基板の概略構成を示す断面図である。 一変形例に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 一変形例に係るセンサ基板の概略構成を示す平面図である。 他の変形例に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 さらに他の変形例に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 さらに他の変形例に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 さらに他の変形例に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 さらに他の変形例に係る超音波センサ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。

（クリアランスソナーの全体構成）
図１を参照すると、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の前端部には、車体部品であるフロントバンパーＶ２が装着されている。車体Ｖ１の後端部には、車体部品であるリアバンパーＶ３が装着されている。クリアランスソナー１は、フロントバンパーＶ２およびリアバンパーＶ３に装着されている。

図２を参照すると、クリアランスソナー１は、超音波センサ２と、弾性保持部材３と、ダンパ部材４と、センサケース５と、電気回路６と、シールド部７と、充填材８とを備えている。以下、クリアランスソナー１を構成する各部の概略構成について説明する。

超音波センサ２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２は、印加された駆動信号に基づいて、探査波を指向中心軸ＤＡに沿って送信するように構成されている。「指向中心軸」とは、超音波センサ２から超音波の送受信方向に沿って延びる仮想半直線であって、指向角の基準となるものである。「指向中心軸」は検出軸とも称され得る。また、超音波センサ２は、周囲に存在する物体による反射波を受信して、受信信号を発生するように構成されている。

説明の便宜上、図２において、図示の通りに、Ｚ軸が指向中心軸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、指向中心軸ＤＡと平行な方向を「指向中心軸方向」と称する。「指向中心軸方向における先端側」は、図２における上側、すなわち、Ｚ軸正方向側に対応する。また、「指向中心軸方向における基端側」は、図２における下側、すなわち、Ｚ軸負方向側に対応する。また、指向中心軸方向と直交する任意の方向を「面内方向」と称することがある。「面内方向」は、図２における、ＸＹ平面と平行な方向である。

超音波センサ２は、センサ基板２０と、素子収容ケース２１とを備えている。素子収容ケース２１は、指向中心軸方向における両端部が閉塞された略円筒形状に形成されていて、気密且つ液密な密閉構造を有している。すなわち、素子収容ケース２１は、その内側の密閉空間ＳＳと、素子収容ケース２１の外側の空間との間で、気体および液体の授受が生じないように構成されている。

センサ基板２０は、超音波素子２２を有している。超音波素子２２は、電気信号と超音波振動とを変換するように、半導体基板であるセンサ基板２０に形成されている。センサ基板２０は、素子収容ケース２１内に収容されている。すなわち、素子収容ケース２１は、内側の密閉空間ＳＳ内にて、超音波素子２２を収容するように構成されている。超音波センサ２および超音波素子２２の構成の詳細については後述する。

弾性保持部材３は、絶縁性且つ弾性を有するシリコーンゴム等の合成樹脂系弾性材料によって形成されている。合成樹脂系弾性材料は、粘弾性材料あるいはエラストマとも称される。弾性保持部材３は、略円筒状を有している。弾性保持部材３は、超音波センサ２の指向中心軸方向における先端側を露出させつつ基端側を覆うことで、超音波センサ２を弾性支持するように構成されている。

ダンパ部材４は、円盤状の部材であって、弾性保持部材３の内径に対応する外径を有している。すなわち、ダンパ部材４は、指向中心軸方向における超音波センサ２を弾性支持する部分よりも基端側にて、弾性保持部材３の内側のシリンダ状の空間内に嵌め込まれている。ダンパ部材４は、超音波センサ２からセンサケース５への振動伝達を抑制するように、絶縁性且つ弾性を有する発泡シリコーン等の発泡弾性体によって形成されている。

クリアランスソナー１の筐体を構成するセンサケース５は、弾性保持部材３の指向中心軸方向における基端部を保持するように構成されている。すなわち、超音波センサ２は、弾性保持部材３を介して、センサケース５により支持されている。

本実施形態においては、センサケース５は、ケース本体部５１と、コネクタ部５２と、ケース筒部５３とを有している。センサケース５は、ポリプロピレン等の硬質の合成樹脂によって一体に形成されている。

ケース本体部５１は、略直方体状に形成された箱状部分であって、指向中心軸方向における基端側が開口する有底筒状に形成されている。コネクタ部５２は、クリアランスソナー１を電子制御ユニット等の外部機器と電気接続するために、ケース本体部５１における側壁部から外側に向かって延設されている。

ケース筒部５３は、略円筒状の部分であって、ケース本体部５１から指向中心軸方向における先端側に突設されている。ケース筒部５３の内側のシリンダ状の空間は、ケース本体部５１の内側の略直方体状の空間と連通するように設けられている。以下、ケース筒部５３の内側の空間とケース本体部５１の内側の空間とを総称して、センサケース５の内側の空間と称する。

センサケース５の内側の空間には、電気回路６を構成する制御基板６０および配線部６１と、シールド部７とが収容されている。すなわち、センサケース５は、配線部６１と、かかる配線部６１を介して超音波センサ２と電気接続された制御基板６０とを収容しつつ、超音波センサ２を弾性的に支持するように構成されている。

クリアランスソナー１の内部に形成された電気回路６は、制御基板６０および配線部６１によって構成されている。制御基板６０には、制御回路部６２を含む、複数の電気回路素子が実装されている。

制御回路部６２は、クリアランスソナー１の動作を制御するように設けられている。すなわち、制御回路部６２は、電子制御ユニット等の外部機器から受信した制御信号に基づいて、超音波センサ２における送受信動作を制御するようになっている。また、制御回路部６２は、超音波センサ２における送受信動作によって得られた受信信号に対応する物体検知信号を、外部機器に向けて送信するようになっている。

シールド部７は、電気回路６の少なくとも一部を電磁シールドするように、センサケース５に設けられている。具体的には、シールド部７は、制御基板６０と配線部６１とを覆うように、センサケース５の内面に固定されている。センサケース５の内側の空間には、絶縁性且つ弾性を有するシリコーンゴム等の充填材８が充填されている。

（超音波センサの構成）
図３を参照しつつ、超音波センサ２の構成の詳細について説明する。なお、図３に示された右手系ＸＹＺ直交座標系は、図２に示された右手系ＸＹＺ直交座標系に対応している。

素子収容ケース２１は、アルミニウム等の金属によって形成されている。具体的には、素子収容ケース２１は、側板部２１１と、底板部２１２と、天板部２１３とを有している。

側板部２１１は、指向中心軸ＤＡを囲む筒状に形成されている。本実施形態においては、側板部２１１は、指向中心軸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。底板部２１２は、略平板状の部分であって、側板部２１１の指向中心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。天板部２１３は、側板部２１１の指向中心軸方向における先端側を閉塞するように設けられている。

素子収容ケース２１は、超音波素子２２と天板部２１３とをギャップＧを隔てて対向配置させた状態で、超音波素子２２を有するセンサ基板２０を底板部２１２にて支持するように構成されている。また、ギャップＧを構成する密閉空間ＳＳには、乾燥窒素ガス等の乾燥不活性ガスが、１気圧以上の圧力で封入されている。

天板部２１３は、ダイアフラム部２１４と支持部２１５とを有している。ダイアフラム部２１４は、超音波素子２２による超音波の送信または受信の際に、撓みながら指向中心軸方向に超音波振動するように設けられている。支持部２１５は、ダイアフラム部２１４の外縁を支持する部分であって、ダイアフラム部２１４よりも厚く形成されている。すなわち、ダイアフラム部２１４は、ダイアフラム部２１４の面内方向における中央部を自由端とし且つ支持部２１５によって固定的に支持された外縁部を固定端として、励振されるようになっている。

本実施形態においては、ダイアフラム部２１４は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって、厚さが１ｍｍ以下（例えば０．１ｍｍ程度）に形成されている。音響インピーダンスは、好ましくは、５０×１０^５以上且つ５００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下である。厚さは、好ましくは、０．１５ｍｍ以下である。すなわち、ダイアフラム部２１４は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって、厚さが０．１５ｍｍ以下に形成されていることが好ましい。一方、支持部２１５は、ダイアフラム部２１４の厚さの倍以上（例えば０．４ｍｍ程度）の厚さに形成されている。

本実施形態においては、天板部２１３は、継目なく一体に形成されている。すなわち、ダイアフラム部２１４の外縁部と支持部２１５とは、継目なく結合されている。また、ダイアフラム部２１４と支持部２１５とは、同一の材料によって形成されている。

ダイアフラム部２１４は、面内方向について、超音波素子２２に対応する位置に配設されている。すなわち、ダイアフラム部２１４は、指向中心軸方向に透視した場合に、超音波素子２２と重なるように設けられている。また、ギャップＧは、超音波素子２２とダイアフラム部２１４とが、指向中心軸方向について、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分の整数倍に相当する間隔を隔てて対向するように形成されている。具体的には、本実施形態においては、ギャップＧにおいて、超音波素子２２とダイアフラム部２１４とは、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分に相当する間隔を隔てて対向配置されている。なお、超音波素子２２の超音波振動における波長は、所定の基準温度（例えば室温）における密閉空間ＳＳ内の伝播速度に基づいて算出されたものが用いられ得る。

本実施形態においては、天板部２１３は、外側表面すなわち指向中心軸方向における先端側の表面が平面状となるように形成されている。換言すれば、ダイアフラム部２１４と支持部２１５とは、互いの外側表面が面一となるように設けられている。

支持部２１５における、ダイアフラム部２１４と隣接する端面２１６は、超音波素子２２に面する傾斜面状に形成されている。すなわち、端面２１６は、外向き法線がセンサ基板２０と交差するように、センサ基板２０に向けられている。具体的には、本実施形態においては、端面２１６は、四角錐台状の空間の側面を構成するように形成されている。

また、端面２１６は、母線延長線ＬＥと指向中心軸ＤＡとのなす角θが２０度以上となるように形成されている。母線延長線ＬＥは、図３において、ＸＺ平面と平行で指向中心軸ＤＡを通る仮想平面と端面２１６との交線を延長した仮想半直線である。

本実施形態においては、天板部２１３は、２個のダイアフラム部２１４を有している。これに対応して、センサ基板２０には、２個の超音波素子２２が設けられている。

２個のダイアフラム部２１４のうちの一方と対向配置された超音波素子２２は、電気信号を超音波振動に変換する送信用素子２２１として設けられている。２個のダイアフラム部２１４のうちの他方と対向配置された超音波素子２２は、超音波振動を電気信号に変換する受信用素子２２２として設けられている。

（超音波素子の構成）
図４を参照しつつ、センサ基板２０の構成の詳細について説明する。なお、図４に示された右手系ＸＹＺ直交座標系は、図２および図３に示された右手系ＸＹＺ直交座標系に対応している。

本実施形態においては、センサ基板２０は、いわゆるＳＯＩ基板として構成されている。ＳＯＩはSilicon On Insulatorの略である。すなわち、送信用素子２２１および受信用素子２２２は、シリコン基板からなる支持基板部２３０上に形成されている。

本実施形態においては、送信用素子２２１は、いわゆる熱音響素子であって、断熱層２４１とヒータ２４２とを有している。すなわち、送信用素子２２１は、発熱体薄膜としてのヒータ２４２を電気的に駆動して、ヒータ２４２の表面に隣接する空気層に超音波周期の温度変化を与えて圧力波を生じさせることで、超音波を発振するように構成されている。

断熱層２４１は、支持基板部２３０の表面側に形成された多孔質シリコン層であって、例えば、支持基板部２３０を構成するシリコンウエハを陽極酸化することによって形成されている。ヒータ２４２は、金属アルミニウム等の薄膜であって、断熱層２４１の上に形成されている。なお、この種の熱音響素子は、本願の出願時点において既に周知となっている。このため、熱音響素子である送信用素子２２１の構成に関する、これ以上の詳細な説明は省略する。

受信用素子２２２は、機械的振動と電気信号との間の変換機能を有するＭＥＭＳ素子であって、指向中心軸方向に超音波振動する振動部２５１を有している。ＭＥＭＳはMicro Electro Mechanical Systemsの略である。

図４は、受信用素子２２２が圧電素子として形成されている場合の例を示す。図４に示されているように、受信用素子２２２においては、振動部２５１に対応する位置に孔２５２が設けられている。孔２５２は、センサ基板２０における裏面に対してエッチング等の処理を行うことで、当該裏面側にのみ開口するように形成されている。

センサ基板２０における、振動部２５１に対応する位置には、第一絶縁膜２５３と、シリコン活性層２５４と、第二絶縁膜２５５とが設けられている。支持基板部２３０と、第一絶縁膜２５３と、シリコン活性層２５４と、第二絶縁膜２５５とは、この順に図中下から上に向かって指向中心軸方向に配列されつつ互いに接合されている。孔２５２は、支持基板部２３０と第一絶縁膜２５３とを貫通するように形成されている。孔２５２の指向中心軸方向における一方の端部は、シリコン活性層２５４によって閉塞されている。

シリコン活性層２５４と第二絶縁膜２５５との積層体における、孔２５２に対応する部分によって、メンブレン部２５６が形成されている。メンブレン部２５６上においては、下部電極２５７と、圧電層２５８と、上部電極２５９とが、この順に図中下から上に向かって指向中心軸方向に配列されつつ互いに接合されている。メンブレン部２５６は、下部電極２５７と上部電極２５９との間に高周波電圧が印加された際に、撓みながら指向中心軸方向に超音波振動可能に設けられている。なお、この種のＭＥＭＳ素子は、本願の出願時点において既に周知となっている。このため、ＭＥＭＳ素子である受信用素子２２２の構成に関する、これ以上の詳細な説明は省略する。

（効果）
以下、本実施形態の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。

本実施形態の構成においては、超音波素子２２を有するセンサ基板２０は、気密且つ液密な密閉構造を有する素子収容ケース２１に収容されている。具体的には、センサ基板２０は、素子収容ケース２１の指向中心軸方向における一端側の底板部２１２にて支持されている。また、センサ基板２０は、素子収容ケース２１における、指向中心軸方向に超音波振動するダイアフラム部２１４を有する天板部２１３と、ギャップＧを隔てて対向配置されている。

すなわち、本実施形態の構成においては、センサ基板２０は、底板部２１２に支持されていて、車載状態にて外部に露出する天板部２１３には貼り付けられていない。このため、仮に天板部２１３に小石等の固い異物が衝突した場合であっても、センサ基板２０にクラックが発生したり、センサ基板２０と底板部２１２との間に剥離が発生したりする等の不具合が、良好に抑制され得る。

また、本実施形態の構成においては、超音波素子２２とダイアフラム部２１４とは、指向中心軸方向について、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分の整数倍（すなわち１倍）に相当する間隔を隔てて対向配置されている。また、ダイアフラム部２１４は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって厚さ１ｍｍ以下に形成されている。

これにより、超音波素子２２とダイアフラム部２１４との間の空間であるギャップＧと、ダイアフラム部２１４の外側の空間との間で、空気等の気体の授受がない状態で、超音波振動の授受が良好に行われ得る。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ２における、超音波の送信または受信が、良好に行われ得る。

上記の通り、本実施形態の構成によれば、天板部２１３を厚く形成しなくても、センサ基板２０におけるクラック、あるいは、センサ基板２０と底板部２１２との間の剥離等の不具合の発生が、良好に回避され得る。また、超音波センサ２における、超音波の送信または受信が、良好に行われ得る。したがって、超音波センサ２の体格の大型化を回避しつつ、超音波素子２２を良好に保護することが可能となる。

本実施形態においては、ダイアフラム部２１４の外縁が、厚肉の支持部２１５によって支持されている。また、ダイアフラム部２１４と支持部２１５とは、継目なく一体に形成されている。したがって、かかる構成によれば、天板部２１３の剛性が、良好に確保され得る。すなわち、センサ基板２０および超音波素子２２が、良好に保護され得る。

本実施形態においては、ダイアフラム部２１４の外縁を支持する支持部２１５における、ダイアフラム部２１４と隣接する端面２１６は、超音波素子２２に面する傾斜面状に形成されている。かかる構成によれば、送信用素子２２１から発信された探査波が、指向中心軸ＤＡを囲む端面２１６によって、良好に絞り込まれる。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ２における探査波の送信能力が向上する。

本実施形態においては、超音波素子２２は、半導体素子として、半導体基板であるセンサ基板２０に形成されている。かかる構成によれば、超音波素子２２における送受信性能を維持しつつ、超音波素子２２を良好に小型化することが可能となる。したがって、超音波センサ２の体格を大型化させることなく、複数の超音波素子２２を設けて超音波センサ２を高機能化することが可能となる。

本実施形態においては、超音波素子２２として、送信用素子２２１と受信用素子２２２とが別々に設けられている。かかる構成においては、送信用素子２２１における探査波の発信終了直後にて残響が発生していても、受信用素子２２２における受信能力は残響の影響を受けない。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ２との距離が近い物体に対しても、良好な検知能力が得られる。また、送信用素子２２１と受信用素子２２２とを、半導体基板であるセンサ基板２０に形成することで、超音波センサ２が良好に小型化され得る。

本実施形態においては、送信用素子２２１として熱音響素子が用いられており、受信用素子２２２としてＭＥＭＳ素子が用いられている。送信用素子２２１を熱音響素子とすることで、探査波の送信性能が良好となる。また、受信用素子２２２をＭＥＭＳ素子とすることで、良好な受信性能が得られる。すなわち、本実施形態の構成によれば、送信性能と感度とが、高いレベルで両立され得る。

本実施形態においては、ギャップＧを構成する、素子収容ケース２１の内部の密閉空間ＳＳには、乾燥窒素ガス等の乾燥不活性ガスが、１気圧以上の圧力で封入されている。これにより、超音波素子２２における各部の、水分または酸化による劣化の発生が、良好に抑制され得る。また、超音波素子２２とダイアフラム部２１４との間の疎密波の強度を高めることができ、以て送受信性能を高めることが可能となる。

（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２は、車載用に限定されない。また、超音波センサ２は、クリアランスソナー１に搭載されるものに限定されない。すなわち、超音波センサ２は、他の用途にも用いられ得る。

超音波センサ２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２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２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２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、超音波センサ２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。また、密閉空間ＳＳには、乾燥不活性ガス以外の気体、例えば、乾燥空気が封入されていてもよい。密閉空間ＳＳ内の圧力も、特段の限定はない。

ギャップＧの寸法は、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分に限定されない。すなわち、ギャップＧは、超音波素子２２の超音波振動における波長をλとすると、ｎ・λ／２に相当する間隔となるように形成され得る。ｎは１以上の整数すなわち自然数であり、偶数であってもよく、奇数であってもよい。上記実施形態においてはｎ＝１であったが、ｎ≧２であってもよい。ｎが偶数の場合、ギャップＧは、超音波素子２２とダイアフラム部２１４とが、指向中心軸方向について、超音波振動における波長の整数倍に相当する間隔を隔てて対向するように形成され得る。上記の基準温度も、室温（例えば２０℃あるいは２５℃）に限定されない。

また、ギャップＧの寸法は、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分の整数倍と完全に一致するとは限らない。すなわち、ギャップＧの寸法値と、超音波素子２２の超音波振動における波長の半分の整数倍の値との間には、所定の偏差が生じ得る。かかる偏差は、超音波素子２２とダイアフラム部２１４とで良好に共振するような適宜の値となり得る。具体的には、密閉空間ＳＳが構造共振系を構成していて所定のＱ値を有する場合、１／Ｑに相当する長さのズレは許容され得る。よって、例えば、ｎ＝１の場合、ギャップＧの寸法は、略λ／２と言い得る。

ダイアフラム部２１４の面内方向における形状も、略矩形に限定されず、略円形、略楕円形、略正六角形、略正八角形、等であってもよい。これに対応して、端面２１６も、例えば、円錐台の周面を構成するように形成され得る。

ダイアフラム部２１４の断面形状も、上記具体例に限定されない。具体的には、例えば、図５に示されているように、ダイアフラム部２１４は、素子収容ケース２１の外側に向かって突出する曲板状に形成されていてもよい。

ダイアフラム部２１４を構成する材料も、上記の具体例に限定されない。すなわち、例えば、ダイアフラム部２１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金とは異なる種類の金属によっても形成され得る。あるいは、ダイアフラム部２１４は、ポリカーボネート、ポリスチレン、等の合成樹脂によっても形成され得る。あるいは、ダイアフラム部２１４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。

ダイアフラム部２１４と支持部２１５とは、異なる材料によって形成されていてもよい。

支持部２１５は、省略され得る。すなわち、天板部２１３におけるほぼ全体は、ダイアフラム部２１４によって構成され得る。

送信用素子２２１と受信用素子２２２とは、ともにＭＥＭＳ素子であってもよい。この場合、送信用素子２２１と受信用素子２２２とは、同種の素子であってもよいし、異種の素子であってもよい。ＭＥＭＳ素子は、圧電素子に限定されない。すなわち、例えば、ＭＥＭＳ素子として、いわゆる静電容量型素子が用いられ得る。

超音波素子２２の個数および種類についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、送信用素子２２１と受信用素子２２２とは、それぞれ２個ずつ設けられていてもよい。あるいは、超音波センサ２は、超音波素子２２を１個のみ有するものであってもよい。

図６に示されているように、超音波素子２２は、面内方向に二次元的に複数個配列され得る。かかる構成によれば、送受信方向の制御が可能なフェーズドアレイ型の超音波センサ２を、良好に小型化することが可能となる。この場合、ダイアフラム部２１４もまた、超音波素子２２の面内方向位置と対応するように、面内方向に二次元的に複数個配列され得る。

図７を参照すると、超音波素子２２は、背面空間ＢＳの指向中心軸方向における先端側を閉塞するように設けられていてもよい。背面空間ＢＳは、超音波素子２２の背面側すなわち指向中心軸方向における基端側に配設されるとともに、指向中心軸方向における所定の寸法を有するように形成された空間である。背面空間ＢＳは、その指向中心軸方向における両側が閉塞されている。具体的には、図７の例においては、背面空間ＢＳの指向中心軸方向における基端側は、底板部２１２によって閉塞されている。

本変形例においては、超音波素子２２は、図４に示されている受信用素子２２２と同様の構成を有している。すなわち、超音波素子２２は、薄板部２６０を有している。薄板部２６０は、図４に示されたメンブレン部２５６と同様の、ダイアフラム状あるいはメンブレン状の部分であって、指向中心軸方向に振動するように面内方向に延設されている。背面空間ＢＳは、底板部２１２と薄板部２６０とによって囲まれた空間である。

背面空間ＢＳは、その指向中心軸方向における寸法Ｈが、超音波素子２２の超音波振動における波長の１／４以下である所定値またはその整数倍であって当該波長の半分の整数倍とは異なる値となるように形成されている。典型的には、所定値は、超音波素子２２の超音波振動における波長をλとすると、λ／４あるいはこれ以下である。また、典型的には、整数倍は、１倍である。すなわち、好適には、寸法Ｈは、超音波振動における波長の１／４、あるいはこれ以下である。

かかる構成によれば、背面空間ＢＳの寸法Ｈの設定により超音波素子２２の指向中心軸方向における不用意な位置変動あるいは振動を良好に抑制しつつ、ダイアフラム部２１４の超音波振動を良好に促進することができる。これにより、超音波素子２２における音圧効率が向上する。したがって、かかる構成によれば、超音波センサ２における、超音波の送信または受信が、よりいっそう良好に行われ得る。また、寸法Ｈを、λ／４あるいはこれ以下とすることで、装置の小型化を図ることが可能となる。但し、寸法Ｈがλ／４である場合、Ｈの値は、λ／４と完全に一致するとは限らず、例えば、所定の偏差を含み得る。具体的には、背面空間ＢＳが構造共振系を構成していて所定のＱ値を有する場合、１／Ｑに相当する長さのズレは許容され得る。よって、この場合、寸法Ｈは、略λ／４であると言い得る。

なお、背面空間ＢＳは、センサ基板２０の内部空間として形成されていてもよい。すなわち、背面空間ＢＳの指向中心軸方向における両側が、センサ基板２０を構成する材料によって閉塞されていてもよい。また、超音波素子２２は、図４に示されている送信用素子２２１と同様の構成を有していてもよい。

図７に示されているように、センサ基板２０に複数の超音波素子２２が設けられている場合がある。この場合、背面空間ＢＳは、複数の超音波素子２２のすべてに対応して設けられていてもよいし、複数の超音波素子２２のうちの一部に対応して設けられていてもよい。背面空間ＢＳが複数の超音波素子２２のうちの一部に対応して設けられる場合、背面空間ＢＳは、送信用の超音波素子２２のみに対応して設けられ得る。あるいは、背面空間ＢＳは、受信用の超音波素子２２のみに対応して設けられ得る。

図８および図９を参照すると、素子収容ケース２１には、スリット２６１が形成されていてもよい。スリット２６１は、素子収容ケース２１の内側に形成された密閉空間ＳＳの内壁面ＳＮから素子収容ケース２１の外壁面ＳＧまで設けられている。スリット２６１は、ダイアフラム部２１４を振動しやすくすることで、超音波センサ２における指向性を高めるように形成されている。

図８に示されているように、スリット２６１は、側板部２１１の上端部に形成されていてもよい。この場合、スリット２６１は、複数のダイアフラム部２１４に対して共通に設けられる。すなわち、この場合、複数のダイアフラム部２１４を有する天板部２１３が全体的に振動しやすくなる。

図９に示されているように、スリット２６１は、ダイアフラム部２１４の面内方向における両端部に形成されていてもよい。この場合、スリット２６１は、複数のダイアフラム部２１４の各々に対して個別に設けられる。

素子収容ケース２１における気密性および液密性を保持するため、スリット２６１は、封止材２６２によって気密且つ液密に封止されている。封止材２６２は、例えば、合成樹脂等によって形成されている。また、密閉空間ＳＳ内には、吸湿材２６３が収容されている。かかる構成によれば、スリット２６１の形成に伴う密閉空間ＳＳ内への水分の浸入による特性変化を、可及的に抑制することが可能となる。

超音波センサ２の動作環境温度が変化すると、共振周波数がシフトする。このため、超音波センサ２には、温度変化に伴う特性変化を補正するための構成を有していることが好適である。

具体的には、例えば、図１０に示された超音波センサ２は、温度検知部２６４と間隔調整部２６５とを備えている。温度検知部２６４は、超音波センサ２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。具体的には、図１０の例においては、温度検知部２６４は、素子収容ケース２１の内側に形成された密閉空間ＳＳ内の温度に対応する出力を発生するように、密閉空間ＳＳ内に収容されている。間隔調整部２６５は、超音波素子２２とダイアフラム部２１４と間隔を可変に設けられている。

間隔調整部２６５は、超音波センサ２の動作環境温度の変化に応じて、超音波素子２２とダイアフラム部２１４と間隔を可変に構成されている。具体的には、間隔調整部２６５は、温度検知部２６４の出力に基づいて、かかる間隔を可変に構成されている。例えば、間隔調整部２６５は、圧電素子等によって構成され得る。

図１１に示された超音波センサ２は、温度検知部２６４と周波数調整部２６６とを備えている。周波数調整部２６６は、超音波素子２２の超音波振動における周波数を可変に設けられている。

周波数調整部２６６は、超音波センサ２の動作環境温度の変化に応じて、超音波素子２２の超音波振動における周波数を可変に構成されている。具体的には、周波数調整部２６６は、温度検知部２６４の出力に基づいて、かかる周波数を可変に構成されている。

温度検知部２６４の配置は、密閉空間ＳＳ内に限定されない。すなわち、例えば、温度検知部２６４は、素子収容ケース２１の外壁面ＳＧに設けられていてもよい。あるいは、温度検知部２６４は、制御基板６０に設けられていてもよい。あるいは、間隔調整部２６５および周波数調整部２６６を制御するための温度情報は、クリアランスソナー１の外部（例えばＥＣＵ）から入手してもよい。

なお、図７に示された構成は、図８～図１１に示された構成にも適用されている。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８～図１１に示された構成において、背面空間ＢＳは、省略され得る。

図７に示された構成において、寸法Ｈは、上記の効果が得られる範囲内において、略λ／４から変更され得る。すなわち、寸法Ｈは、略λ／４に限定されない。具体的には、例えば、寸法Ｈは、略λ／６であってもよい。あるいは、寸法Ｈは、略λ／３であってもよい。λ／３＝２×λ／６である。図８～図１１においても同様である。

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。また、複数の変形例が、互いに組み合わされ得る。すなわち、例えば、図８または図９に示されたスリット２６１は、図１０および図１１に示された構成にも設けられ得る。また、図１１に示された周波数調整部２６６は、図１０に示された構成にも設けられ得る。更に、上記実施形態の全部または一部と、変形例の全部または一部とが、互いに組み合わされ得る。すなわち、図８または図９に示されたスリット２６１は、図３および図５に示されている構成にも適用され得る。図１０に示された間隔調整部２６５、および、図１１に示された周波数調整部２６６についても同様である。

２ 超音波センサ
２１ 素子収容ケース
２１１ 側板部
２１２ 底板部
２１３ 天板部
２１４ ダイアフラム部
２１５ 支持部
２２ 超音波素子
ＤＡ 指向中心軸
Ｇ ギャップ

Claims (19)

1. 超音波センサ（２）であって、
   電気信号と超音波振動とを変換するように構成された、超音波素子（２２）と、
   気密且つ液密な密閉構造を有していて、内側に前記超音波素子を収容するように構成された、素子収容ケース（２１）と、
   を備え、
   前記素子収容ケースは、指向中心軸（ＤＡ）を囲む筒状に形成された側板部（２１１）と、前記側板部の指向中心軸方向における一端側を閉塞する底板部（２１２）と、前記超音波素子による超音波の送信または受信の際に撓みながら前記指向中心軸方向に超音波振動するダイアフラム部（２１４）を有していて前記側板部の前記指向中心軸方向における他端側を閉塞する天板部（２１３）とを有し、前記超音波素子と前記天板部とをギャップ（Ｇ）を隔てて対向配置させた状態で前記超音波素子を前記底板部にて支持するように構成され、
   前記ギャップは、前記超音波素子と前記ダイアフラム部とが、前記指向中心軸方向について、前記超音波振動における波長の半分の整数倍に相当する間隔を隔てて対向するように形成され、
   前記超音波素子は、前記指向中心軸方向における両側が閉塞された背面空間（ＢＳ）の前記指向中心軸方向における前記他端側を閉塞するように設けられ、
   前記背面空間は、前記指向中心軸方向における寸法が、前記超音波振動における波長の１／４以下である所定値またはその整数倍であって当該波長の半分の整数倍とは異なる値となるように形成された、
   超音波センサ。
2. 前記ダイアフラム部は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって厚さ１ｍｍ以下に形成された、
   請求項１に記載の超音波センサ。
3. 超音波センサ（２）であって、
   電気信号と超音波振動とを変換するように構成された、超音波素子（２２）と、
   気密且つ液密な密閉構造を有していて、内側に前記超音波素子を収容するように構成された、素子収容ケース（２１）と、
   を備え、
   前記素子収容ケースは、指向中心軸（ＤＡ）を囲む筒状に形成された側板部（２１１）と、前記側板部の指向中心軸方向における一端側を閉塞する底板部（２１２）と、前記超音波素子による超音波の送信または受信の際に撓みながら前記指向中心軸方向に超音波振動するダイアフラム部（２１４）を有していて前記側板部の前記指向中心軸方向における他端側を閉塞する天板部（２１３）とを有し、前記超音波素子と前記天板部とをギャップ（Ｇ）を隔てて対向配置させた状態で前記超音波素子を前記底板部にて支持するように構成され、
   前記ダイアフラム部は、音響インピーダンスが５０×１０^５以上且つ５０００×１０^５Ｐａ・ｓ／ｍ以下の材料によって厚さ１ｍｍ以下に形成され、
   前記超音波素子は、前記指向中心軸方向における両側が閉塞された背面空間（ＢＳ）の前記指向中心軸方向における前記他端側を閉塞するように設けられ、
   前記背面空間は、前記指向中心軸方向における寸法が、前記超音波振動における波長の１／４以下である所定値またはその整数倍であって当該波長の半分の整数倍とは異なる値となるように形成された、
   超音波センサ。
4. 前記天板部は、前記ダイアフラム部よりも厚く形成されていて前記ダイアフラム部の外縁を支持する支持部（２１５）を有し、継目なく一体に形成された、
   請求項１～３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
5. 前記支持部における、前記ダイアフラム部と隣接する端面（２１６）は、前記超音波素子に面する傾斜面状に形成された、
   請求項４に記載の超音波センサ。
6. 前記天板部は、２個の前記ダイアフラム部を有し、
   ２個の前記ダイアフラム部のうちの一方と対向配置された前記超音波素子は、電気信号を超音波振動に変換する送信用素子（２２１）として設けられ、
   ２個の前記ダイアフラム部のうちの他方と対向配置された前記超音波素子は、超音波振動を電気信号に変換する受信用素子（２２２）として設けられた、
   請求項４または５に記載の超音波センサ。
7. 前記送信用素子は、断熱層（２４１）と、前記断熱層の上に形成されたヒータ（２４２）とを有する、熱音響素子であり、
   前記受信用素子は、前記指向中心軸方向に超音波振動する振動部（２５１）を有する、ＭＥＭＳ素子である、
   請求項６に記載の超音波センサ。
8. 前記ダイアフラム部は、前記素子収容ケースの外側に向かって突出する曲板状に形成された、
   請求項１～７のいずれか１つに記載の超音波センサ。
9. 前記ギャップには、乾燥不活性ガスが、１気圧以上の圧力で封入されている、
   請求項１～８のいずれか１つに記載の超音波センサ。
10. 前記超音波素子は、半導体基板であるセンサ基板（２０）に形成されていて、前記指向中心軸方向と交差する面内方向に二次元的に複数個配列された、
    請求項１～９のいずれか１つに記載の超音波センサ。
11. 前記側板部の上端部、または、前記ダイアフラム部の前記指向中心軸方向と交差する面内方向における両端部には、スリット（２６１）が形成された、
    請求項１～１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
12. 前記スリットは、前記素子収容ケースの内側に形成された密閉空間（ＳＳ）の内壁面（ＳＮ）から前記素子収容ケースの外壁面（ＳＧ）まで設けられるとともに、封止材（２６２）によって気密且つ液密に封止された、
    請求項１１に記載の超音波センサ。
13. 前記密閉空間内には、吸湿材（２６３）が収容された、
    請求項１２に記載の超音波センサ。
14. 前記超音波素子と前記ダイアフラム部との間隔を可変に設けられた間隔調整部（２６５）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. 前記間隔調整部は、当該超音波センサの動作環境温度の変化に応じて前記間隔を可変に構成された、
    請求項１４に記載の超音波センサ。
16. 前記動作環境温度に対応する出力を発生する温度検知部（２６４）をさらに備え、
    前記間隔調整部は、前記温度検知部の前記出力に基づいて、前記間隔を可変に構成された、
    請求項１５に記載の超音波センサ。
17. 前記超音波振動における周波数を可変に設けられた周波数調整部（２６６）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. 前記周波数調整部は、当該超音波センサの動作環境温度の変化に応じて前記周波数を可変に構成された、
    請求項１７に記載の超音波センサ。
19. 前記動作環境温度に対応する出力を発生する温度検知部（２６４）をさらに備え、
    前記周波数調整部は、前記温度検知部の前記出力に基づいて、前記周波数を可変に構成された、
    請求項１８に記載の超音波センサ。

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