JP5411072B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波を検出する圧電素子と、発振面で受信した超音波を圧電素子に伝達する音響整合部材とを備えた超音波センサに関する。

圧電素子と音響整合部材とを備えた超音波センサ（例えば、特許文献１、２参照）において小型化を図る場合、超音波（音圧）を受信する発振面（受信面）も小さくなる。発振面が小さくなると受信できる音波のエネルギーが小さくなるため、小型化を図りつつ超音波の検出性能を維持することは難しい。このような問題を解決するため、圧電素子と接触する部分（接触面）の面積よりも発振面の面積が相対的に大きくなるように音響整合部材を形成することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。このような構成によれば、発振面が受けたエネルギーが発振面より小さな接触面へと伝達されるため音圧が集中し、検出性能が向上する。従って、発振面および接触面の上記相対関係が得られるように接触面の面積を減少させることで、小型化を図りつつ超音波の検出性能を維持することが可能となる。

特開２００９−０２００８６号公報 特開２００９−０４９７７６号公報

上記従来技術においては、発振面の面積が一定である場合、接触面の面積を小さくするほど超音波の検出性能が向上する。しかし、圧電素子は、製造可能なサイズに限界がある。このため、上記従来技術による検出性能の向上には限界がある。さらに、音響整合部材における圧電素子との接触面を小さくすることは、音響整合部材と圧電素子との接合強度の低下に繋がる。このような点において、上記従来技術には改善の余地があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置全体の小型化を図りつつ、音響整合部材および圧電素子の接合強度の低下を招くことなく超音波の検出性能を高めることができる超音波センサを提供することにある。

請求項１記載の手段によれば、音響整合部材は、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発振面で受信し、その超音波を圧電素子に伝達するものであり、主発振部および補助発振部を備えている。主発振部は、発振面と、圧電素子に超音波を伝達する伝達部とが互いに対向して配置された構成となっている。補助発振部は、伝達部を起点に発振面から遠ざかるように延びている。圧電素子は、伝達部と対向するとともに接触する第１面を備えている。圧電素子は、伝達部から第１面に対して加わる振動（力）、すなわち発振面で受信した超音波（音圧）に応じて振動する。圧電素子は、圧電効果により、その振動に応じた電圧信号を発生する。回路素子は、圧電素子から出力される電圧信号に基づいて所定の演算処理を行う。例えば、送信された超音波と受信された超音波との時間差を求めることにより被検出体との距離測定などが行われる。

また、圧電素子は、第１面と直交する周囲部を備えている。その圧電素子の周囲部は、音響整合部材の補助発振部により覆われている。このような構成により、音響整合部材の発振面で超音波を受信した際、その超音波に応じた振動が伝達部を介して圧電素子の第１面に伝達されるとともに、補助発振部を介して圧電素子の周囲部にも伝達される。圧電素子は、第１面に伝達される振動に加えて周囲部に伝達される振動にも応じて振動する。具体的には、圧電素子は、第１面に伝達される振動により第１面と直交する方向（以下、主方向と称す）に圧縮される場合、周囲部に伝達される振動により主方向に直交する方向（以下、補助方向と称す）に引っ張られる。一方、圧電素子は、第１面に伝達される振動により主方向に引っ張られる場合、周囲部に伝達される振動により補助方向に圧縮される。つまり、圧電素子において、主方向への圧縮および引っ張り動作が補助されるように、補助方向への引っ張りおよび圧縮動作が行われる。

このため、第１面のみから振動が伝達される場合に比べ、振動の大きさ（圧電素子の変形量）が増大する。これに伴い、圧電素子が出力する電圧信号のレベルも高くなる。このように、本手段によれば、超音波の検出性能（受信感度）を向上することができる。また、本手段によれば、圧電素子の周囲部を音響整合部材の一部を構成する補助発振部により覆うことにより、圧電素子と音響整合部材との接合強度を高めることができる。

ただし、補助発振部は、圧電素子の周囲部を覆うものであるため、圧電素子の超音波に応じた振動を妨げる作用も有する。すなわち、補助発振部は、圧電素子の上記補助方向への振動（圧縮動作、引っ張り動作）を妨げ、ひいては主方向への振動を妨げるように作用する。従って、上記した検出性能の向上という効果を得るためには、振動を妨げる作用よりも、振動を補助する作用のほうが高くなるようにすればよい。そこで、本手段では、補助発振部の圧電素子を覆う部分の厚さを、このような関係を満たす所定のしきい値厚さ以下となるようにしている。

また、補助発振部の質量に基づいて上記しきい値厚さを設定する。補助発振部が圧電素子の振動を妨げる作用は、補助発振部の質量に比例する。本発明者らは、実験、シミュレーション等を行うことにより、補助発振部の質量が主発振部の質量に圧電素子の質量を加算した質量と同等以下である場合に上記検出性能向上の効果が得られるということを確認した。そこで、補助発振部の質量が主発振部の質量に圧電素子の質量を加算して得られるしきい値質量以下となるように上記しきい値厚さを設定する。これにより、上記した超音波の検出性能向上の効果を確実に得ることができる。

請求項２記載の手段によれば、圧電素子は、第１面に対向する第２面を備えている。その圧電素子の第２面は、補助発振部により覆われている。このような構成によれば、音響整合部材の発振面で超音波を受信した際、その超音波に応じた振動が補助発振部を介して圧電素子の第２面にも伝達される。圧電素子は、第１面に伝達される振動に加えて第２面に伝達される振動にも応じて上記主方向に振動する。これにより、圧電素子の主方向への振動がさらに補助される。従って、第１面および周囲部のみから振動が伝達される場合に比べ、さらに振動の大きさが増大し、超音波の検出性能をさらに向上することができる。

請求項３記載の手段によれば、音響整合部材および圧電素子は、接着部材により接着されている。すなわち、音響整合部材と、圧電素子とは、一体成形ではなく、別体として成形された後、接着部材により接着される構成となっている。音響整合部材の補助発振部が圧電素子を覆う部分の厚さは、所定のしきい値厚さ以下にする、つまり、上記厚さをある程度薄くするためには、成形圧を高く設定する必要がある。一方、圧電素子の耐圧には、所定の限界がある。従って、音響整合部材および圧電素子を一体成形する構成を採用した場合、成形圧は、補助発振部の厚さをしきい値厚さ以下にするという第１条件と、圧電素子の耐圧以下にするという第２条件との両方を満たすように設定する必要がある。このような場合、成形圧の設定が非常に煩雑になるばかりか、上記２つの条件次第では、製造が不可能になる事態も考えられる。これに対し、本手段によれば、音響整合部材を成形する際の成形圧は、上記第１条件のみを満たすように設定すればよい。このため、成形圧の設定を容易に行い得るようになるという効果が得られる。

請求項４記載の手段によれば、補助発振部は、第１壁部と、第２壁部と、第３壁部と、第４壁部とを備えている。これら第１〜第４壁部は、主発振部の伝達部とともに圧電素子挿入用の空間を形成する。このような構成によれば、製造段階において、音響整合部材および圧電素子を別々に製造した後、補助発振部に形成された上記空間に圧電素子を挿入するという手順を行うだけで、圧電素子の周囲部を補助発振部により覆うことが可能となる。

請求項５記載の手段によれば、補助発振部には、配線用の溝部が形成されている。これにより、圧電素子の周囲部が補助発振部により覆われる状態が維持された上で、圧電素子から出力される電圧信号を回路素子に伝達する信号線を、補助発振部の溝部を通じて配線することができる。

請求項６記載の手段によれば、圧電素子は、超音波を送信する送信素子としても作動可能に構成されている。その圧電素子が送信素子として作動するとき、回路素子は、圧電素子が送信する超音波を制御する電圧信号を圧電素子に対して出力する。また、このとき、音響整合部材は、圧電素子から送信された超音波を発振面から被検出体の存在する空間側に送信する。このように圧電素子を送信素子としても作動可能に構成すれば、送信素子を別途設ける必要がなくなり、装置全体としての小型化を図ることができる。

請求項７記載の手段によれば、音響整合部材は、発振面の面積が、伝達部の第１面と接触する部分の断面積よりも大きくなるように形成されている。このような構成によれば、発振面で受けた超音波のエネルギーが、その発振面の面積よりも小さい面積において伝達されることになり、単位面積当たりのエネルギーが増大し、超音波の伝達効率を向上することができる。

請求項８記載の手段によれば、音響整合部材は、ポリカーボネート系樹脂により形成されている。ポリカーボネート系樹脂は、弾性率の温度変化が小さい。このため、音響整合部材内の音速の温度変化が小さくなり、温度変化に伴う超音波の波長の変化を小さくすることができ、振動の伝達を安定して行うことができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す超音波センサの概略構成図 超音波センサの組み立て方法の説明図 超音波センサの超音波検出時の動作を概略的に示す図 圧電素子が発生する電圧のレベルとカバー厚との関係を示す図 引張強度とカバー厚との関係を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図 本発明の第３の実施形態を示す図１相当図

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図５を参照しながら説明する。
図１は、超音波センサの概略的な構成を示している。図１に示す超音波センサ１は、例えば車両に搭載される障害物センサに用いられるものである。図１（ａ）は、発振面側から見た平面図（上面図）であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断側を含む側面図である。なお、図１（ａ）では一部構成を透過して破線で示している。

超音波センサ１は、圧電素子２と、音響整合部材３とを備えている。図示しないが、本実施形態の超音波センサ１は、車両の所定位置、例えばバンパに取り付けられる筐体に収容されている。超音波センサ１は、超音波を受信する音響整合部材３の発振面４をバンパの外部（被検出体の存在する空間側に相当）に露出させた状態で筐体に固定されている。超音波センサ１は、超音波を送信する機能および超音波を受信する機能を備えている。超音波を受信する際、音響整合部材３は、超音波を受信するとともに受信した超音波に応じた振動を圧電素子２に伝達する。この際、圧電素子２は、超音波を受信する受信素子として作動して超音波（音圧）を検出する。一方、超音波を送信する際、圧電素子２は、超音波を送信する送信素子として作動する。この際、音響整合部材３は、圧電素子２から送信された超音波を発信面４から車両外部に送信する。

音響整合部材３は、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子２より音響インピーダンスが小さい材料を用いて形成されている。これにより、音響整合部材３を設けない場合と比較すると、空気との界面における音響インピーダンスの差が小さくなり、空気との界面における超音波の反射が抑制され、入射する超音波を増大することが可能となる。具体的には、本実施形態では、音響整合部材３は、ポリカーボネート系樹脂により形成されている。ポリカーボネート系樹脂は音響整合部材３内の音速の温度変化が小さいため、温度変化に伴う超音波の波長の変化を小さくすることが可能となる。

音響整合部材３は、図１（ｂ）中の断面が逆台形状をなす主発振部５と、主発振部５の下端部分を起点に発振面４から遠ざかるように延びる補助発振部６とから構成されている。主発振部５の上端面（図１中の上側の面）は発振面４となっている。主発振部５の下端部（図１中の下側の部分）のうち、圧電素子２と接する部分は接触面７（伝達部に相当）となっている。発振面４と接触面７とは互いに対向した配置となっている。

発振面４は、例えば４．３ｍｍ×１０．５ｍｍの矩形となっている。これに対し、接触面７は、例えば１．５ｍｍ×１．５ｍｍの矩形となっている。このように、主発振部５は、発振面４の面積が、圧電素子２と接触する接触面７の面積よりも大きくなるように形成されている。

補助発振部６は、壁部８〜１１および底面板１２から構成されている。壁部８〜１１（第１壁部、第２壁部、第３壁部および第４壁部に相当）は、いずれも矩形板状をなしている。壁部８〜壁部１１は、主発振部５の下端部のうち接触面７を除く部分を起点として図１中の下方向に延びるように設けられている。このような構成により、主発振部５の接触面７と補助発振部６の壁部８〜１１とから、圧電素子２を挿入するための空間（図２に符号１３を付して示す）が形成されている。

底面板１２は、主発振部５の下端部の断面と同じ大きさを有する矩形の板状をなしている。底面板１２は、空間１３（圧電素子挿入用の空間に相当）の図１中の下側に存在する開口を覆うように設けられている。壁部８、９において、主発振部５から遠い側（図１中の下側）の端部には、それぞれ配線用の溝部１４、１５が形成されている。溝部１４、１５は、圧電素子２から出力される電圧信号を回路素子１６に伝達する信号線１７、１８を通すために設けられている。

このような構成の音響整合部材３は、圧電素子２から音響整合部材３を介して車両前方に送信され、車両前方に存在する障害物（被検出体に相当）により反射された超音波を発振面４において受信する。音響整合部材３は、接触面７、壁部８〜壁部１１および底面板１２を介して、発振面４で受信した超音波を圧電素子２に伝達する（詳細は後述する）。

圧電素子２は、四角柱状をなす圧電体１９と、圧電体１９を図１中における左右の両面から挟むように設けられた一対の電極２０、２１とを備えている。圧電体１９は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて形成されている。ＰＺＴは、圧電定数が大きいため、音圧の小さな超音波を受信可能であり、以って超音波の検出感度が高い。電極２０、２１は、ＰｔやＣｕのスパッタ、めっき、導電ペーストの焼き付けなどにより形成されている。

圧電素子２の上面２２（第１面に相当）は、主発振部５の接触面７に接触している。圧電素子２の下面２３（第２面に相当）は、補助発振部６の底面板１２に接触している。圧電素子２の４つの側面２４ａ〜２４ｄ（周囲部に相当）は、補助発振部６の壁部８〜１１に接触している。すなわち、圧電素子２は、主発振部５および補助発振部６からなる音響整合部材３に覆われている。

補助発振部６の圧電素子２を覆う部分の厚さ、つまり、壁部８〜１１および底面板１２の厚さは、所定のしきい値厚さ以下になっている。このしきい値厚さの設定は、以下の条件を満たすように行う。すなわち、主発振部５の質量ｍ１、補助発振部６の質量ｍ２および圧電素子２の質量ｍ３が下記（１）式の関係を満たすようにしきい値厚さを設定する。
ｍ２≦ｍ１＋ｍ３ …（１）

つまり、補助発振部６の質量ｍ２が主発振部５の質量ｍ１に圧電素子２の質量ｍ３を加算して得られる質量（しきい値質量に相当）以下となるように、所定のしきい値厚さが設定されている。本実施形態では、例えば、しきい値厚さを１ｍｍとしている。なお、このしきい値厚さは、質量ｍ１〜ｍ３が上記（１）式の関係を満たす範囲であれば、圧電素子２および音響整合部材３の形状や質量に応じて適宜変更すればよい。

圧電素子２は、受信素子として作動するとき、音響整合部材３から伝達される超音波に応じて振動する。圧電素子２は、圧電効果により、その振動に応じた電圧信号を発生する。圧電素子２の電極２０、２１から出力される電圧信号は、信号線１７、１８を介して回路素子１６に与えられる。回路素子１６は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）に電気的に接続されており、圧電素子２から与えられる電圧信号に基づいて演算処理を行い、その結果を示す信号をＥＣＵに出力する。このような構成により、回路素子１６およびＥＣＵは、例えば、超音波の送信から受信までの時間を求めることにより、障害物との距離測定などを行うようになっている。

また、回路素子１６は、圧電素子２が送信素子として作動するとき、ＥＣＵから出力される制御信号に基づいて送信する超音波を制御する電圧信号を圧電素子２に対して出力する。これにより、圧電素子２は、上記電圧信号に基づいて振動し、所定の音圧、位相の超音波を発振する。そして、音響整合部材３は、圧電素子２から送信された超音波を発振面４から車両外部に送信する。

続いて、上記構成の超音波センサ１の製造方法について図２も参照して説明する。
音響整合部材３のうち、主発振部５および補助発振部６の壁部８〜１１は、例えば射出成形により、一体成形された単一の部材として製作される。補助発振部６の底面板１２は、例えば射出成形により、上記部材とは別の単一の部材として製作される。圧電素子２の電極２０、２１には、それぞれ信号線１７、１８の一端が、例えばはんだ（図示せず）などにより接続される。

本実施形態では、上述した各部材を用いて次のように超音波センサ１が組み立てられる。図２は、超音波センサ１の組み立て方法を説明するための図である。この図２に示すように、信号線１７の他端が、空間１３側から溝部１４を通されて音響整合部材３の外側に引き出される。また、信号線１８の他端が、空間１３側から溝部１５を通されて音響整合部材３の外側に引き出される。このようにして信号線１７、１８が引き出されながら、圧電素子２が音響整合部材３の空間１３内に収容される。この際、接触面７および壁部８〜１１の空間１３側の面には、図示しない接着剤（接着部材に相当）が塗布されている。そして、図２中の上面側に上記接着剤が塗布された底面板１２が、空間１３の下側の開口を塞ぐように取り付けられる。図示しないが、信号線１７、１８の他端は、回路素子１６に接続される。

次に、上記構成の作用および効果について図３〜図５も参照して説明する。
図３は、超音波センサ１の超音波検出時の動作を概略的に示している。図３において、（ａ）は圧縮時を示し、（ｂ）は通常時を示し、（ｃ）は引張時を示している。音響整合部材３の発振面４で受信された超音波は、以下のようにして圧電素子２に伝達される。

すなわち、音響整合部材３の発振面４で超音波が受信されると、その超音波に応じた振動（力）が接触面７を介して圧電素子２の上面２２に伝達されるとともに、補助発振部６を介して圧電素子２の下面２３および側面２４ａ〜２４ｄにも伝達される。圧電素子２は、上面２２に伝達される振動に加えて下面２３および側面２４ａ〜２４ｄに伝達される振動にも応じて振動する。

具体的には、図３（ａ）に示すように、圧電素子２は、上面２２に伝達される振動により上面２２と直交する主方向（図３中の上下方向）に圧縮される場合、側面２４ａ〜２４ｄに伝達される振動により主方向に直交する補助方向（図３中の左右方向）に引っ張られる。つまり、圧電素子２において、主方向への圧縮動作が補助されるように、補助方向への引っ張り動作が行われる。また、このとき、下面２３に伝達される振動により主方向に圧縮する力が加えられる。

また、図３（ｃ）に示すように、圧電素子２は、上面２２に伝達される振動により主方向に引っ張られる場合、側面２４ａ〜２４ｄに伝達される振動により補助方向に圧縮される。つまり、圧電素子２において、主方向への引っ張り動作が補助されるように、補助方向への圧縮動作が行われる。また、このとき、下面２３に伝達される振動により主方向に引っ張る力が加えられる。

音響整合部材３の発振面４で超音波が受信された際、圧電素子２は、図３（ａ）の圧縮状態から図３（ｂ）の通常状態（超音波を受信していないときと同様の状態）を経て図３（ｃ）の引張状態に移行する。その後、圧電素子２は、図３（ｃ）の引張状態から図３（ｂ）の通常状態を経て図３（ａ）の圧縮状態に移行する。圧電素子２では、このような状態の移行が繰り返し行われる。圧電素子２は、このようにして振動を繰り返し、圧電効果により、その振動に応じた電圧信号を発生する。なお、ここでは、受信時の動作について説明したが、送信時には、圧電素子２は、逆圧電効果により、与えられる電圧信号に応じて上記した受信時と同様の振動を繰り返すことになる。

以上説明したように、本実施形態の超音波センサ１は、圧電素子２が主発振部５および補助発振部６からなる音響整合部材３に覆われた構成となっている。このような構成により、音響整合部材３の発振面４で超音波を受信した際、その超音波に応じた振動が接触面７を介して上面２２に伝達されるとともに、補助発振部６を介して圧電素子２の下面２３および側面２４ａ〜２４ｄにも伝達される。このため、上面２２のみから振動が伝達される場合に比べ、振動の大きさ（圧電素子２の変形量）が増大する。これに伴い、圧電素子２が出力する電圧信号のレベルも高くなる。つまり、超音波の受信感度を向上することができる。また、送信時、圧電素子２により発振された超音波は、音響整合部材３の接触面７のみならず、補助発振部６を通じて伝達されるため、受信時と同様の作用により、超音波の送信性能を向上することができる。すなわち、本実施形態の超音波センサ１によれば、超音波の検出性能（送受信性能）を向上することができる。

ただし、補助発振部６は、圧電素子２を覆うものであるため、圧電素子２の超音波に応じた振動を妨げる作用も有する。従って、超音波の検出性能の向上という効果を得るためには、振動を妨げる作用よりも、振動を補助する作用のほうが高くなるようにする必要がある。補助発振部６が圧電素子２の振動を妨げる作用は、運動方程式に基づけば、補助発振部６の質量ｍ２に比例する。本発明者らは、実験、シミュレーション等を行うことにより、補助発振部６の質量ｍ２が主発振部５の質量ｍ１に圧電素子２の質量ｍ３を加算した質量と同等以下である場合に上記検出性能向上の効果が得られるということを確認した。そこで、補助発振部６の質量ｍ２が上記した（１）式を満たすように補助発振部６の壁部８〜１１および底面板１２の厚さを設定する。具体的には、本実施形態では、壁部８〜１１および底面板１２の厚さを１ｍｍに設定した。これにより、上記した超音波の検出性能向上の効果を確実に得ることができる。

図４は、圧電素子２が発生する電圧信号の電圧レベルとカバー厚との関係を示している。このカバー厚とは、補助発振部６の圧電素子２を覆う部分の厚さ、つまり壁部８〜１１および底面板１２の厚さのことである。また、図４の縦軸は、カバー厚がゼロ（０ｍｍ）のときの電圧レベルを「１」とした場合の比で表している。

この図４に示すように、カバー厚が０．２ｍｍの手前のところから電圧レベルが上昇し、０．３ｍｍの手前あたりで「１．３」を超え、０．５ｍｍのところで最大の「１．４」程度になっている。０．５ｍｍ〜１ｍｍの間では、電圧レベルが若干低下するものの、「１．３」以上の値を示している。このように、カバー厚が０．３ｍｍ〜１ｍｍの間では、電圧レベルは概ね「１．３」以上になっている。つまり、カバー厚がゼロのとき（従来の構成）に比べ、圧電素子２が発生する電圧信号の電圧レベルが１．３倍以上になっている。このように、電圧レベルが上昇するということは、超音波の検出性能（送受信性能）が向上することを意味する。一方、図示しないが、カバー厚が１ｍｍを超えると、電圧信号の電圧レベルが一層低下する。従って、カバー厚を１ｍｍ以下に設定することで、超音波の検出性能が向上するという効果を確実に得ることができる。

また、圧電素子２の上面２２および側面２４ａ〜２４ｄを主発振部５と壁部８〜１１とからなる単一の部材で覆う構成を採用したので、圧電素子２と音響整合部材３との接合強度を高めることができる。図５は、超音波センサ１を組み立てた状態での引っ張り試験の結果を示すものであり、引張強度（接合強度）とカバー厚との関係を示している。この引張り試験は、主発振部５の上部と補助発振部６の下部との両方から力を加えて引張り、どの程度の力で音響整合部材３および圧電素子２の接着（接合）部分が離間するかを確認するものである。

図５に示すように、引張強度は、カバー厚に比例して高くなっている。つまり、音響整合部材３の壁部８〜１１の厚さを厚くするほど、接合強度を高めることができる。しかし、前述したとおり、カバー厚は、超音波の検出性能に影響するため、本実施形態では、１ｍｍに設定している。このようにカバー厚を１ｍｍに設定した場合、図５に示すとおり、カバー厚がゼロのとき（従来の構成）に比べ、接合強度が大幅に向上していることが分かる（約７０［Ｎ］→約７００［Ｎ］）。
このように、本実施形態の超音波センサ１によれば、その小型化を図るために接触面７の面積を小さくしたとしても、音響整合部材３および圧電素子２の接合強度の低下を招くことなく、且つ、超音波の検出性能を高めることができるという優れた効果が得られる。

壁部８〜１１の厚さは、上記（１）式を満たす厚さに設定しなければならない。壁部８〜１１の厚さをある程度薄くするためには、成形圧を高く設定する必要がある。一方、圧電素子２の耐圧には、所定の限界がある。従って、音響整合部材３および圧電素子２を一体成形する構成を採用した場合、成形圧は、壁部８〜１１の厚さをしきい値厚さ以下にするという第１条件と、圧電素子２の耐圧以下にするという第２条件との両方を満たすように設定する必要がある。このような場合、成形圧の設定が非常に煩雑になるばかりか、上記２つの条件次第では、製造が不可能になる事態も考えられる。

これに対し、本実施形態では、音響整合部材３と圧電素子２とは、一体成形ではなく、別体として成形された後、接着部材により接着される構成となっている。すなわち、音響整合部材３は、耐圧に限界のある圧電素子２とは別体として成形されるため、圧電素子２の耐圧の制約を受けることなく、壁部８〜１１を容易に所望の厚さに成形することができる。

音響整合部材３において、主発振部５の接触面７と補助発振部６の壁部８〜１１とから、圧電素子２を挿入するための空間１３が形成されている。このため、製造段階において、音響整合部材３および圧電素子２を別々に製造した後、空間１３に圧電素子２を挿入するという手順を行うだけで、圧電素子２の周囲部を補助発振部６により覆うことが可能となる。

補助発振部６において、壁部８、９の下端部には、配線用の溝部１４、１５が形成されている。これにより、圧電素子２の側面２４ａ〜２４ｄが壁部８〜１１により覆われる状態が維持された上で、圧電素子２から出力される電圧信号を回路素子１６に伝達する信号線１７、１８を配線することができる。

音響整合部材３は、発振面４の面積が、圧電素子２の上面２２と接触する接触面７の面積よりも大きくなるように形成されている。このような構成によれば、発振面４で受けた超音波のエネルギーが、その発振面４の面積よりも小さい面積において伝達されることになり、単位面積当たりのエネルギーが増大し、超音波の伝達効率を向上することができる。

音響整合部材３は、ポリカーボネート系樹脂により形成されている。ポリカーボネート系樹脂は、弾性率の温度変化が小さい。このため、音響整合部材３内の音速の温度変化が小さくなり、温度変化に伴う超音波の波長の変化を小さくすることができ、振動の伝達を安定して行うことができるという効果が得られる。

圧電素子２は、超音波を受信する受信素子として作動可能に構成されているだけでなく、超音波を送信する送信素子としても作動可能に構成されている。このため、超音波を送信する送信素子を別途設ける必要がなくなり、超音波センサ１の小型化を図ることが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、第１の実施形態に対し、音響整合部材の主発振部の構成を変更した本発明の第２の実施形態について図６を参照しながら説明する。
図６は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図６に示す本実施形態の超音波センサ３１は、図１に示した第１の実施形態に対し、音響整合部材３に代えて音響整合部材３２を備えている点が異なる。

音響整合部材３２は、図６（ｂ）中の断面が矩形状をなす主発振部３３と、補助発振部６とから構成されている。主発振部３３の上端面（図６中の上側の面）は発振面３４となっている。主発振部３３の下端部（図６中の下側の部分）のうち、圧電素子２と接する部分は接触面７となっている。発振面３４は、例えば２ｍｍ×２ｍｍの矩形となっている。

本実施形態の超音波センサ３１によれば、第１の実施形態に比べ、発振面３４の面積と接触面７との面積の差が小さいため、超音波の伝達効率向上の効果（すなわち、超音波の検出性能を向上する効果）は若干小さくなるものの、第１の実施形態の超音波センサ１と同様の作用および効果が得られる。つまり、音響整合部材を構成する主発振部の形状にかかわらず、圧電素子２の下面２３および側面２４ａ〜２４ｄが補助発振部６により覆われる構成であれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。

（第３の実施形態）
以下、第１の実施形態に対し、音響整合部材の補助発振部の構成を変更した本発明の第３の実施形態について図７を参照しながら説明する。
図７は、第１の実施形態における図１相当図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図７に示す本実施形態の超音波センサ４１は、図１に示した第１の実施形態に対し、音響整合部材３に代えて音響整合部材４２を備えている点が異なる。

音響整合部材４２は、主発振部５と補助発振部４３とから構成されている。補助発振部４３は、壁部４４〜４７から構成されている。壁部４４〜４７（第１壁部、第２壁部、第３壁部および第４壁部に相当）は、いずれも矩形板状をなしている。壁部４４〜壁部４７は、主発振部５の下端部のうち接触面７を除く部分を起点として図７中の下方向に延びるように設けられている。壁部４４〜４７の長さ（図７中の上下方向の長さ）は、図１に示した壁部８〜１１の長さに比べて短くなっている。このような構成により、主発振部５の接触面７と補助発振部４３の壁部４４〜４７とから、圧電素子２の上側の一部を挿入するための空間が形成されている。

圧電素子２の上面２２は、主発振部５の接触面７に接触している。圧電素子２の４つの側面２４ａ〜２４ｄの図７中における上側の一部分は、補助発振部４３の壁部４４〜４７に接触している。すなわち、圧電素子２は、上側の一部分のみが、主発振部５および補助発振部４３からなる音響整合部材４２に覆われている。

本実施形態の超音波センサ４１によれば、第１の実施形態に比べ、圧電素子２が音響整合部材４２の補助発振部４３に覆われる部分が小さいため、補助発振部４３による振動伝達の効果（すなわち、超音波の検出性能を向上する効果）は若干小さくなるものの、第１の実施形態の超音波センサ１と同様の作用および効果が得られる。つまり、圧電素子２の側面２４ａ〜２４ｄの少なくとも一部分が音響整合部材を構成する補助発振部により覆われる構成であれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
圧電素子２は、受信のみ行う素子として用いることも可能である。また、圧電素子２は、送信のみ行う素子として用いることも可能である。複数の素子を用いる場合に、特定の素子を送信素子とすることにより、送信および受信の回路を分けることができる。このため、回路構成を単純化できるという効果が得られる。また、送信と受信とを分けることで、受信素子が送信時の残響の影響を受けないため、近距離の障害物からの反射波を良好に受信することができる。
図１（ｂ）における主発振部５は、その断面が逆台形状をなすように構成されていたが、これに限らずともよい。例えば、主発振部５は、台形の斜辺に相当する部分を弧状にしてもよい。また、主発振部５は、その断面が矩形状をなすように構成されてもよい。また、主発振部５は、円柱状に構成してもよい。

第１および第２の実施形態において、超音波の検出性能や、装置としての耐環境性能および耐衝撃性能に問題が無ければ、底面板１２を省略することが可能である。また、壁部８、９に設けた溝部１４、１５の位置は適宜変更可能である。さらに、信号線１７、１８を回路素子１６に配線可能にする構成であれば、溝部１４、１５を設ける構成に限らず適用可能である。
上記各実施形態では、本発明を車載用の障害物センサに用いた例を示したが、これに限らず、各種のセンサに適用することができる。例えば、本発明は、車両に搭載される排ガス用流量計（エアフローメータ）などに用いることも可能である。また、本発明は、車載用途に限らず、例えばロボットに搭載されるクリアランスソナー、転倒防止用センサなどに用いることも可能である。さらに、エアコン、ＴＶなどに搭載される人感センサに用いることも可能である。

図面中、１、３１、４１は超音波センサ、２は圧電素子（送信素子）、３、３２、４２は音響整合部材、４、３４は発振面、５、３３は主発振部、６、４３は補助発振部、７は接触面（伝達部）、８〜１１、４４〜４７は壁部（第１〜第４壁部）、１４、１５は溝部、１６は回路素子、１７、１８は信号線、２２は上面（第１面）、２３は下面（第２面）、２４ａ〜２４ｄは側面（周囲部）を示す。

Claims (8)

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を検出する圧電素子と、
   前記被検出体の存在する空間側に露出するとともに前記被検出体にて反射された超音波を受信する発振面を備え、前記発振面で受信した超音波を前記圧電素子に伝達する音響整合部材と、
   前記圧電素子から出力される電圧信号を処理する回路素子と、
   を備え、
   前記音響整合部材は、前記発振面および前記圧電素子に前記超音波を伝達する伝達部が互いに対向して配置された主発振部と、前記伝達部を起点に前記発振面から遠ざかるように延びる補助発振部とから構成され、
   前記圧電素子は、前記伝達部と対向するとともに接触する第１面および前記第１面に直交する周囲部を備え、
   前記圧電素子の前記周囲部は、前記補助発振部により覆われており、
   前記補助発振部の前記圧電素子を覆う部分の厚さは、所定のしきい値厚さ以下になっており、
   前記補助発振部の質量が前記主発振部の質量に前記圧電素子の質量を加算して得られるしきい値質量以下となるように、前記所定のしきい値厚さが設定されていることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記圧電素子は、前記第１面に対向する第２面を備え、
   前記圧電素子の前記第２面は、前記補助発振部により覆われていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 前記音響整合部材および前記圧電素子は、接着部材により接着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波センサ。
4. 前記補助発振部は、第１壁部、第２壁部、第３壁部および前記主発振部の伝達部と前記第１〜３壁部とともに前記圧電素子挿入用の空間を形成する第４壁部を備え、
   前記圧電素子は、前記空間に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
5. 前記圧電素子から出力される電圧信号を前記回路素子に伝達する信号線を備え、
   前記補助発振部には、配線用の溝部が形成されており、
   前記信号線は、前記溝部を通じて配線されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波センサ。
6. 前記圧電素子は、超音波を送信する送信素子としても作動可能であり、
   前記圧電素子が送信素子として作動するとき、前記回路素子は、前記圧電素子が送信する超音波を制御する電圧信号を前記圧電素子に対して出力し、前記音響整合部材は、前記圧電素子から送信された超音波を前記発振面から前記被検出体の存在する空間側に送信することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波センサ。
7. 前記音響整合部材は、前記発振面の面積が、前記伝達部の前記第１面と接触する部分の断面積よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波センサ。
8. 前記音響整合部材は、ポリカーボネート系樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波センサ。

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