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JP7663012B2 - Ultrasonic Sensor - Google Patents
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JP7663012B2 - Ultrasonic Sensor - Google Patents

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Description

本発明は、受信用の超音波素子を複数備える超音波センサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic sensor equipped with multiple ultrasonic receiving elements.

従来、少なくとも1つの送信用の超音波素子(以下「送信素子」という)と、複数の受信用の超音波素子(以下「受信素子」という)とを備え、障害物との距離およびその方向を検出可能な超音波センサが知られている(例えば特許文献1)。特許文献1に記載の超音波センサは、基材と、送信素子と、基材内において所定間隔で配置された複数の受信素子と、基材に設けられ、外部と受信素子の外面との間で超音波を誘導する導波管とを備える。この超音波センサは、基材により超音波素子が保護されており、見栄えの良さと耐衝撃性の確保とを両立しつつも、導波管により外部で反射した超音波を受信素子に誘導することで、障害物等との距離およびその方位を検知可能な物体検知装置を構成している。 Conventionally, ultrasonic sensors that have at least one transmitting ultrasonic element (hereinafter referred to as "transmitting element") and multiple receiving ultrasonic elements (hereinafter referred to as "receiving elements") and can detect the distance to an obstacle and its direction are known (for example, Patent Document 1). The ultrasonic sensor described in Patent Document 1 has a base material, a transmitting element, multiple receiving elements arranged at a predetermined interval within the base material, and a waveguide that is provided on the base material and guides ultrasonic waves between the outside and the outer surface of the receiving element. This ultrasonic sensor configures an object detection device that can detect the distance to an obstacle and its direction by guiding ultrasonic waves reflected outside to the receiving element through the waveguide, while balancing good appearance and impact resistance.

特開2008-89569号公報JP 2008-89569 A

この超音波センサは、送信素子により外部に所定の周波数の超音波を送信すると共に、その反射波を所定間隔で配置された複数の受信素子で受信し、当該反射波の位相差に基づいて、超音波センサに対する外部の障害物等の方位を検出する。 This ultrasonic sensor transmits ultrasonic waves of a specified frequency to the outside using a transmitting element, receives the reflected waves using multiple receiving elements arranged at a specified interval, and detects the direction of external obstacles relative to the ultrasonic sensor based on the phase difference of the reflected waves.

以下、説明の便宜上、受信素子の受信面に対する法線方向に沿った方向を「基準方向(0°)」と、当該受信面に対する反射波の入射方向を「到来方向」と、基準方向と到来方向とのなす角度を「到来角」と、それぞれ称する。 For ease of explanation, the direction normal to the receiving surface of the receiving element will be referred to as the "reference direction (0°)", the direction of incidence of the reflected wave on the receiving surface will be referred to as the "arrival direction", and the angle between the reference direction and the arrival direction will be referred to as the "arrival angle".

具体的には、この超音波センサは、反射波の到来角に応じて、複数の受信素子が受信する各反射波の位相差が変化することを利用し、反射波の到来方向を算出する。 Specifically, this ultrasonic sensor uses the fact that the phase difference between the reflected waves received by multiple receiving elements changes depending on the angle of arrival of the reflected waves to calculate the direction of arrival of the reflected waves.

さて、近年、この種の超音波センサを用いた物体検知においては、物体の方位検知の精度をさらに向上させたいというニーズが存在する。上記の方法による方位検知の精度を向上させるには、到来角に対する反射波の位相差の変化量を大きくし、到来角に対する感度を上げることが考えられる。 Recently, there has been a need to further improve the accuracy of object orientation detection in object detection using this type of ultrasonic sensor. In order to improve the accuracy of orientation detection using the above method, it is possible to increase the amount of change in the phase difference of the reflected wave with respect to the angle of arrival, thereby increasing the sensitivity to the angle of arrival.

ここで、到来角に対する反射波の位相差は、隣接する受信素子同士の間隔および外部に送信する超音波(以下「送信波」という)の波長によって一義的に決まる。そのため、到来角に対する感度を上げるには、受信素子の間隔あるいは送信波の波長を変更する必要がある。 Here, the phase difference of the reflected wave with respect to the angle of arrival is uniquely determined by the distance between adjacent receiving elements and the wavelength of the ultrasound transmitted to the outside (hereinafter referred to as the "transmitted wave"). Therefore, to increase the sensitivity to the angle of arrival, it is necessary to change the distance between the receiving elements or the wavelength of the transmitted wave.

しかしながら、特許文献1に記載の超音波センサは、送信素子および受信素子を基材内に配置しつつ、基材内に配置された、あるいは形成された導波管を通じて、超音波の送受信を行う構成であるため、受信素子同士の間隔を任意に変更することが難しい。また、送信波の波長、すなわち駆動周波数を変更する方法は、到来角に対する感度を改善する一方で、超音波の減衰率の低下や物体との距離計測の分解能低下などが生じるため、到来角に対する感度向上には限界がある。 However, the ultrasonic sensor described in Patent Document 1 is configured such that the transmitting element and the receiving element are disposed within the substrate, and ultrasonic waves are transmitted and received through a waveguide disposed or formed within the substrate, making it difficult to arbitrarily change the spacing between the receiving elements. In addition, while the method of changing the wavelength of the transmitting wave, i.e., the drive frequency, improves the sensitivity to the angle of arrival, it also causes a decrease in the attenuation rate of ultrasonic waves and a decrease in the resolution of measuring the distance to an object, so there is a limit to how much the sensitivity to the angle of arrival can be improved.

本発明は、上記の点に鑑み、送受信用の超音波素子を外部環境から保護しつつも、外部の障害物等の方位検知精度が向上した超音波センサを提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide an ultrasonic sensor that improves the accuracy of detecting the direction of external obstacles while protecting the transmitting and receiving ultrasonic elements from the external environment.

上記目的を達成するため、請求項1、2、4に記載の超音波センサは、所定の駆動周波数で振動可能な振動部(25)を有する超音波素子(2)と、超音波素子が接着材(3)を介して接着され、振動部に対応する位置に形成された貫通孔(41)を有する実装基板(4)と、超音波素子および実装基板が収納される収納空間(54)と、貫通孔および外部の空間を連通する導波管(511)と、を有するケース材(5)と、超音波素子と実装基板との間、または導波管の少なくとも一方に形成された共鳴空間(6、7)、を備え、共鳴空間は、導波管の延設方向に直交する平面の最小寸法が、導波管の直径よりも大きい。
そして、請求項1に記載の超音波センサは、導波管のうち外部の空間の側の端部を外端(511a)とし、外端とは反対側の端部を内端として、導波管は、外端と内端との間において、少なくとも1回は延設方向が変化する形状である。
請求項2に記載の超音波センサは、共鳴空間が導波管に形成されており、導波管のうち共鳴空間よりも超音波素子の側に位置する部分を第1導波管(5111)とし、共鳴空間よりも外部の空間の側に位置する部分を第2導波管(5112)として、第2導波管は、第1導波管の延長線上とは異なる位置に配置されている。
請求項4に記載の超音波センサは、振動部および導波管が互いに離れて複数形成されると共に、少なくとも一方向に沿って配列されており、共鳴空間は、複数の振動部または導波管に跨っており、少なくとも2以上の振動部に対応した共通の空間である。
In order to achieve the above object, the ultrasonic sensor described in claims 1 , 2, and 4 comprises an ultrasonic element (2) having a vibration part (25) capable of vibrating at a predetermined driving frequency, a mounting board (4) to which the ultrasonic element is attached via an adhesive (3) and having a through hole (41) formed at a position corresponding to the vibration part, a case material (5) having a storage space (54) in which the ultrasonic element and the mounting board are stored and a waveguide (511) communicating with the through hole and an external space, and a resonance space (6, 7) formed between the ultrasonic element and the mounting board or in at least one of the waveguides, wherein the minimum dimension of the resonance space in a plane perpendicular to the extension direction of the waveguide is greater than the diameter of the waveguide.
In the ultrasonic sensor described in claim 1, the end of the waveguide facing the external space is defined as the outer end (511a), and the end opposite the outer end is defined as the inner end, and the waveguide has a shape in which the extension direction changes at least once between the outer end and the inner end.
In the ultrasonic sensor described in claim 2, a resonance space is formed in a waveguide, and a portion of the waveguide located closer to the ultrasonic element than the resonance space is designated as a first waveguide (5111), and a portion of the waveguide located closer to the external space than the resonance space is designated as a second waveguide (5112), and the second waveguide is arranged at a position different from an extension line of the first waveguide.
In the ultrasonic sensor described in claim 4, a plurality of vibration parts and waveguides are formed at a distance from each other and are arranged along at least one direction, and the resonance space spans the plurality of vibration parts or waveguides and is a common space corresponding to at least two or more vibration parts.

これにより、超音波素子からの送信波が導波管を通じて外部に送信され、当該導波管を通じてその反射波を受信する超音波センサにおいて、超音波素子と実装基板との間、または導波管に形成された共鳴空間の少なくとも一方を有する。そして、この共鳴空間は、導波管の延設方向を軸とする径方向のなす平面における最小寸法が、導波管の直径よりも大きい。この超音波センサは、超音波の伝搬経路に上記の共鳴空間を備えることで、受信素子の間隔や送信波の波長を変更せずとも、到来角に対する反射波の位相差を調整可能な構造である。したがって、この超音波センサは、送受信用の超音波素子を外部環境から保護しつつも、外部の障害物等の方位検知精度を向上させることができる。 In this ultrasonic sensor, in which the transmission wave from the ultrasonic element is transmitted to the outside through the waveguide and the reflected wave is received through the waveguide, there is at least one resonance space formed between the ultrasonic element and the mounting board or in the waveguide. The minimum dimension of this resonance space in a radial plane with the extension direction of the waveguide as its axis is larger than the diameter of the waveguide. By providing the above-mentioned resonance space in the ultrasonic propagation path, this ultrasonic sensor has a structure that makes it possible to adjust the phase difference of the reflected wave relative to the angle of arrival without changing the spacing between the receiving elements or the wavelength of the transmitted wave. Therefore, this ultrasonic sensor can improve the accuracy of directional detection of external obstacles, etc., while protecting the transmitting and receiving ultrasonic elements from the external environment.

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between the component and the specific components described in the embodiments described below.

第1実施形態の超音波センサを示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor according to a first embodiment. 超音波素子、接着材および実装基板を示す斜視分解図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing an ultrasonic element, an adhesive material, and a mounting substrate. 図2のIII-III間の断面構成を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration taken along line III-III in FIG. 2. 超音波素子および接着材を導波管側から見た様子を示す平面図である。4 is a plan view showing the ultrasonic element and the adhesive material as viewed from the waveguide side. FIG. 到来角と位相差との関係を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the arrival angle and the phase difference. 立方体型の導波路の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a cubic waveguide. 立方体型の空間に生じた音響モードの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an acoustic mode generated in a cubic space. 音響シミュレーションにおけるモデルの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a model in an acoustic simulation. 共鳴空間を備えるモデルの音響シミュレーションにより得られた特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing characteristics obtained by acoustic simulation of a model having a resonant space. 第2実施形態の超音波センサを示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor according to a second embodiment. 第2実施形態の超音波センサの変形例の一例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a modified example of the ultrasonic sensor of the second embodiment. 第2実施形態の超音波センサの変形例の他の一例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of a modified example of the ultrasonic sensor of the second embodiment. 第3実施形態の超音波センサに係る導波管の開口部における配置例を示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating an example of an arrangement at an opening of a waveguide in an ultrasonic sensor according to a third embodiment. 第3実施形態の超音波センサに係る導波管の開口部の他の配置例を示す図である。13A and 13B are diagrams illustrating other examples of the arrangement of the openings of the waveguide in the ultrasonic sensor of the third embodiment. 第3実施形態の超音波センサの変形例を説明するための説明図である。13A and 13B are explanatory diagrams for explaining a modified example of the ultrasonic sensor of the third embodiment. 第4実施形態の超音波センサを示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor according to a fourth embodiment. 図16のXVII-XVII間の断面構成を示す断面図である。17 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration taken along line XVII-XVII in FIG. 16 . 第5実施形態の超音波センサを示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor according to a fifth embodiment. 第6実施形態の超音波センサを示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor according to a sixth embodiment. 音響シミュレーションにおけるモデルであって、第6実施形態の超音波センサに対応するものを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a model in an acoustic simulation, which corresponds to the ultrasonic sensor of the sixth embodiment. 図20の解析モデルの音響シミュレーションにより得られた特性であって、共鳴空間の厚み方向の寸法を変化させたものを示す図である。FIG. 21 is a diagram showing characteristics obtained by an acoustic simulation of the analysis model of FIG. 20, in which the dimension in the thickness direction of the resonance space is changed. 図20の解析モデルの音響シミュレーションにより得られた特性であって、共鳴空間の平面方向の寸法を変化させたものを示す図である。FIG. 21 is a diagram showing characteristics obtained by acoustic simulation of the analysis model of FIG. 20, in which the dimensions of the resonance space in the planar direction are changed. 図20の解析モデルの音響シミュレーションにより得られた特性であって、共鳴空間と受信点との距離を変化させたものを示す図である。FIG. 21 is a diagram showing characteristics obtained by an acoustic simulation of the analysis model of FIG. 20, in which the distance between the resonance space and the receiving point is changed. 第6実施形態の超音波センサの第1の変形例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a first modified example of the ultrasonic sensor of the sixth embodiment. 第6実施形態の超音波センサの第2の変形例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a second modified example of the ultrasonic sensor of the sixth embodiment. 第6実施形態の超音波センサの第3の変形例を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing a third modified example of the ultrasonic sensor of the sixth embodiment. 第7実施形態の超音波センサにおける超音波素子、接着材および実装基板を示す斜視分解図である。FIG. 13 is an exploded perspective view showing an ultrasonic element, an adhesive, and a mounting substrate in an ultrasonic sensor according to a seventh embodiment. 第7実施形態の超音波センサに係る超音波素子および接着材を導波管側から見た様子を示す平面図である。FIG. 13 is a plan view showing an ultrasonic element and an adhesive according to an ultrasonic sensor of a seventh embodiment as viewed from the waveguide side.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals.

(第1実施形態)
第1実施形態の超音波センサ1について、図1~図4を参照して説明する。超音波センサ1は、例えば、自動車等の車両に搭載され、外部の障害物等の物体を検知する物体検知装置に用いられると好適であるが、勿論、他の用途にも適用されうる。
First Embodiment
An ultrasonic sensor 1 according to a first embodiment will be described with reference to Figures 1 to 4. The ultrasonic sensor 1 is preferably used in an object detection device that is mounted on a vehicle such as an automobile and detects objects such as external obstacles, but can of course also be used for other purposes.

図1では、後述する超音波素子2、接着材3、実装基板4、基材51のうち別断面における外郭の一部を破線で示している。図2では、実装基板4の一面4aのうち接着材3と接触する領域、および超音波素子2のうち図2に示す角度では見えない後述するダイヤフラム25の外郭をそれぞれ破線で示している。また、図2では、超音波素子2、接着材3および実装基板4の対応位置を示す補助線を二点鎖線で示している。図3では、超音波素子2の構成要素でない接着材3の外郭を二点鎖線で示している。図4では、図4に示す角度では見えない後述する圧電膜26の外郭を破線で示している。 In FIG. 1, dashed lines indicate parts of the outer contours of the ultrasonic element 2, adhesive 3, mounting substrate 4, and base material 51 in another cross section, which will be described later. In FIG. 2, dashed lines indicate the area of one surface 4a of the mounting substrate 4 that is in contact with the adhesive 3, and the outer contour of the diaphragm 25 of the ultrasonic element 2, which is not visible at the angle shown in FIG. 2, which will be described later. Also, in FIG. 2, dashed lines indicate auxiliary lines indicating the corresponding positions of the ultrasonic element 2, adhesive 3, and mounting substrate 4. In FIG. 3, dashed lines indicate the outer contour of the adhesive 3, which is not a component of the ultrasonic element 2. In FIG. 4, dashed lines indicate the outer contour of the piezoelectric film 26, which will be described later, which is not visible at the angle shown in FIG. 4.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図1に示すように、所定の駆動周波数で振動可能な振動部を有する超音波素子2と、接着材3と、振動部に対応する貫通孔41を有する実装基板4と、ケース材5と、導波管511とを備える。超音波センサ1は、例えば図1や図2に示すように、超音波素子2が接着材3を介して実装基板4に接着されたものが、ケース材5の収納空間54に収納されると共に、貫通孔41および外部空間を連通する導波管511を備える。超音波センサ1は、さらに共鳴空間6を有すると共に、本実施形態では、共鳴空間6が超音波素子2と実装基板4との間に形成されている。 As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor 1 of this embodiment includes an ultrasonic element 2 having a vibration part capable of vibrating at a predetermined drive frequency, an adhesive material 3, a mounting substrate 4 having a through hole 41 corresponding to the vibration part, a case material 5, and a waveguide 511. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the ultrasonic sensor 1 includes an ultrasonic element 2 attached to the mounting substrate 4 via the adhesive material 3, which is stored in a storage space 54 of the case material 5, and includes a waveguide 511 that communicates with the through hole 41 and the external space. The ultrasonic sensor 1 further includes a resonance space 6, and in this embodiment, the resonance space 6 is formed between the ultrasonic element 2 and the mounting substrate 4.

超音波素子2は、例えば、図3に示すように、支持基板21、埋込絶縁膜22、半導体層23がこの順に積層されたSOI(Silicon on Insulatorの略)基板を用いて構成されている。超音波素子2は、例えば、支持基板21および埋込絶縁膜22を貫通し、半導体層23を露出させる凹部24が設けられ、半導体層23のうち凹部24に対応する部分がダイヤフラム25となっている。超音波素子2は、例えば、ダイヤフラム25のうち埋込絶縁膜22とは反対側の面に圧電膜26が形成されている。圧電膜26は、例えば、圧電材料が対となる電極に挟持され、電界の印加により所定の方向に収縮あるいは伸展する構成とされる。ダイヤフラム25は、圧電膜26の駆動により、所定の駆動周波数(例えば、限定するものではないが、車載用途であれば30kHz~100kHzなど)で振動することが可能な振動部となっている。超音波素子2は、例えば図2に示すように、ダイヤフラム25(駆動部)を4つ有し、図3に示すように、所定のピッチ間隔P1で2行2列となるように配列されたアレイ素子となっている。超音波素子2は、例えば、複数の駆動部を有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systemsの略)型とされる。超音波素子2は、例えば、ダイヤフラム25が振動部となり、外部に超音波を送信する送信素子、および外部からの音波を受信する受信素子として機能する。 As shown in FIG. 3, the ultrasonic element 2 is configured using an SOI (abbreviation of Silicon on Insulator) substrate in which a support substrate 21, an embedded insulating film 22, and a semiconductor layer 23 are laminated in this order. The ultrasonic element 2 is provided with a recess 24 that penetrates the support substrate 21 and the embedded insulating film 22 and exposes the semiconductor layer 23, and the portion of the semiconductor layer 23 that corresponds to the recess 24 is a diaphragm 25. The ultrasonic element 2 is configured, for example, with a piezoelectric film 26 formed on the surface of the diaphragm 25 opposite the embedded insulating film 22. The piezoelectric film 26 is configured, for example, by sandwiching a piezoelectric material between a pair of electrodes and contracting or expanding in a predetermined direction by application of an electric field. The diaphragm 25 is a vibration part that can vibrate at a predetermined driving frequency (for example, but not limited to, 30 kHz to 100 kHz for vehicle use) by driving the piezoelectric film 26. The ultrasonic element 2 has four diaphragms 25 (drivers) as shown in FIG. 2, and is an array element arranged in two rows and two columns at a predetermined pitch interval P1 as shown in FIG. 3. The ultrasonic element 2 is, for example, a MEMS (abbreviation for Micro Electro Mechanical Systems) type having multiple drive units. The ultrasonic element 2 has, for example, the diaphragm 25 as a vibration unit, and functions as a transmitting element that transmits ultrasonic waves to the outside and a receiving element that receives sound waves from the outside.

以下、説明の簡便化のため、駆動部として機能するダイヤフラム25を「セル」と、セルの直径を「セル径」と、複数のセルを有し、α行β列(α、β:自然数)で配列された素子を「α×βアレイ素子」と、それぞれ称することがある。上記の例では、超音波素子2は、4つのセルを有する2×2アレイ素子となっている。また、超音波素子2から外部に送信する送信波、および外部から導波管511に入射した受信波を総称して「送受信波」と称することがある。 For ease of explanation, hereinafter, the diaphragm 25 functioning as the drive unit may be referred to as a "cell", the diameter of the cell as the "cell diameter", and an element having multiple cells and arranged in α rows and β columns (α, β: natural numbers) as an "α×β array element". In the above example, the ultrasonic element 2 is a 2×2 array element having four cells. In addition, the transmission wave transmitted from the ultrasonic element 2 to the outside and the reception wave incident on the waveguide 511 from the outside may be collectively referred to as the "transmitted and received wave".

接着材3は、超音波素子2を実装基板4に接着固定する部材であり、例えば、任意の接着性樹脂材料が用いられる。接着材3は、例えば図2や図4に示すように、超音波素子2と同じ外形、かつ超音波素子2のダイヤフラム25の直下に位置する領域に、ダイヤフラム25よりも大きい平面サイズとされた開口部31を複数有する格子状の枠体形状となっている。接着材3の厚みは、例えば、10μm~200μm程度とされるが、これに限定されない。 The adhesive 3 is a member that bonds and fixes the ultrasonic element 2 to the mounting substrate 4, and may be, for example, any adhesive resin material. As shown in, for example, Figures 2 and 4, the adhesive 3 has the same external shape as the ultrasonic element 2, and in the area located directly below the diaphragm 25 of the ultrasonic element 2, a lattice-like frame shape having multiple openings 31 with a planar size larger than the diaphragm 25. The thickness of the adhesive 3 is, for example, about 10 μm to 200 μm, but is not limited to this.

開口部31は、超音波素子2のセルと同数設けられると共に、本実施形態では、互いに独立している。複数の開口部31は、例えば図1に示すように、それぞれ、複数のダイヤフラム25のうち対応する1つのダイヤフラム25の全域が収まる配置となっている。複数の開口部31は、それぞれ、基材51に設けられた複数の導波管511のうち対応する1つの導波管511についても、ダイヤフラム25と同様に、その全域が当該開口部31の内側に収まる配置となっている。つまり、複数の開口部31は、超音波素子2のセル径および導波管511の直径よりも最小寸法が大きく、かつ平面視にて対応するセルおよび導波管511を内包する配置となっている。複数の開口部31は、接着材3が超音波素子2および実装基板4に接着することで内部空間となり、送受信波の伝搬経路であると共に、図1に示すように、それぞれ独立した共鳴空間6として機能する。 The openings 31 are provided in the same number as the cells of the ultrasonic element 2, and in this embodiment, they are independent of each other. The multiple openings 31 are arranged so that the entire area of one of the multiple diaphragms 25 corresponding thereto is accommodated in each of the multiple openings 31, as shown in FIG. 1, for example. The multiple openings 31 are arranged so that the entire area of one of the multiple waveguides 511 corresponding thereto in the base material 51 is accommodated inside the opening 31, as in the case of the diaphragm 25. In other words, the multiple openings 31 are arranged so that the minimum dimension is larger than the cell diameter of the ultrasonic element 2 and the diameter of the waveguide 511, and the multiple openings 31 are arranged to include the corresponding cells and waveguides 511 in a plan view. The multiple openings 31 become internal spaces by bonding the adhesive 3 to the ultrasonic element 2 and the mounting substrate 4, and function as propagation paths for transmitted and received waves, as well as independent resonance spaces 6, as shown in FIG. 1.

実装基板4は、例えば、ガラスエポキシ樹脂やセラミック等の任意の絶縁性材料によりなる基板に、図示しない配線や回路が形成され、各種の電子部品等が搭載されうる回路基板である。実装基板4は、例えば、超音波素子2の外郭外側に位置する領域において、超音波素子2とワイヤ等により電気的に接続されると共に、図示しない制御部や電源等に接続され、超音波素子2の駆動制御や電気信号のやり取りを可能にする。実装基板4は、例えば図2に示すように、ダイヤフラム25に対応する位置に貫通孔41が複数形成されている。複数の貫通孔41は、互いに独立した送受信波の伝搬経路であり、例えば、円形状となっているが、これに限られず、楕円形状や多角形状等の任意の形状とされ得る。複数の貫通孔41は、例えば、連通する導波管511と同じ形状・寸法とされる。 The mounting board 4 is a circuit board on which wiring and circuits (not shown) are formed on a board made of any insulating material such as glass epoxy resin or ceramic, and on which various electronic components and the like can be mounted. The mounting board 4 is electrically connected to the ultrasonic element 2 by wires or the like in an area located outside the outer periphery of the ultrasonic element 2, and is also connected to a control unit and a power supply (not shown), enabling drive control of the ultrasonic element 2 and exchange of electrical signals. As shown in FIG. 2, the mounting board 4 has a plurality of through holes 41 formed at positions corresponding to the diaphragm 25. The plurality of through holes 41 are propagation paths for transmitting and receiving waves that are independent of each other, and are, for example, circular, but are not limited to this, and can be any shape such as an elliptical shape or a polygonal shape. The plurality of through holes 41 are, for example, the same shape and dimensions as the waveguide 511 that communicates with them.

ケース材5は、例えば、複数の導波管511が形成された基材51と、超音波素子2、接着材3および実装基板4から離れた状態でこれらを囲む枠体部52と、枠体部52上に配置される蓋部53とを備える。ケース材5は、基材51、枠体部52および蓋部53に囲まれてなる空間が、超音波素子2、接着材3および実装基板4を収納する収納空間54となっている。ケース材5は、例えば、金属、樹脂、セラミックまたはこれらの一部もしくは全部を組み合わせた複合材で構成される。 The case material 5 includes, for example, a base material 51 on which a plurality of waveguides 511 are formed, a frame body part 52 that surrounds the ultrasonic element 2, adhesive material 3, and mounting board 4 while being spaced apart from them, and a lid part 53 that is placed on the frame body part 52. The space surrounded by the base material 51, frame body part 52, and lid part 53 of the case material 5 forms a storage space 54 that stores the ultrasonic element 2, adhesive material 3, and mounting board 4. The case material 5 is made of, for example, metal, resin, ceramic, or a composite material that combines some or all of these.

基材51は、例えば図1に示すように、実装基板4が図示しない接着剤等により実装されるベース部材であり、複数の導波管511が形成されている。基材51のうち導波管511の外部空間側の開口部が形成される一面を外面51aとして、基材51は、例えば、車載用途の場合、外面51aが車体の外装やバンパー等に面する、あるいは接する配置とされる。 As shown in FIG. 1, for example, the substrate 51 is a base member on which the mounting board 4 is mounted with an adhesive or the like (not shown), and a plurality of waveguides 511 are formed. One surface of the substrate 51 on which the opening of the waveguide 511 facing the external space is formed is the outer surface 51a, and in the case of an in-vehicle application, for example, the substrate 51 is arranged so that the outer surface 51a faces or is in contact with the exterior of the vehicle body, a bumper, etc.

導波管511は、基材51に複数形成され、送受信波の伝搬経路となる貫通孔であり、例えば、円形筒状とされるが、これに限定されるものではなく、楕円形筒状や多角形筒状などの任意の形状とされ得る。複数の導波管511は、互いに独立すると共に、それぞれ対応する1つの貫通孔41、開口部31およびセルに連通している。複数の導波管511は、例えば、導波管511のうち外部空間側の端部(開口部)を外端511aとし、その反対側の端部を内端として、外端511aと内端とが直線状に繋がった貫通穴となっている。導波管511が延設された方向を「延設方向」として、複数の導波管511は、本実施形態では、延設方向が揃った状態となっている。言い換えると、基材51は、直線状に延設された複数の導波管511が平行配置された構成となっている。複数の導波管511は、例えば、超音波素子2のセルの数と同数とされ、超音波素子2のセル配列がα×βである場合には、外端511aがα×βのアレイ配列とされる。 The waveguides 511 are formed in the base material 51 in a plurality of through holes that serve as a propagation path for the transmitted and received waves. For example, the waveguides 511 are circular cylindrical, but are not limited thereto, and may be any shape such as an elliptical cylindrical or polygonal cylindrical shape. The plurality of waveguides 511 are independent of each other and communicate with a corresponding one of the through holes 41, the opening 31, and the cell. For example, the end (opening) of the waveguide 511 on the external space side is the outer end 511a, and the end on the opposite side is the inner end, and the outer end 511a and the inner end are connected in a straight line to form a through hole. The direction in which the waveguide 511 is extended is defined as the "extension direction", and in this embodiment, the plurality of waveguides 511 are in a state in which their extension directions are aligned. In other words, the base material 51 is configured such that the plurality of waveguides 511 extending in a straight line are arranged in parallel. The number of waveguides 511 is, for example, the same as the number of cells of the ultrasonic element 2, and when the cell arrangement of the ultrasonic element 2 is α×β, the outer end 511a is arranged in an array of α×β.

枠体部52は、ケース材5のうち超音波素子2、接着材3および実装基板4を囲む部分であり、例えば、実装基板4の外形に沿った内郭形状となっている。 The frame portion 52 is the portion of the case material 5 that surrounds the ultrasonic element 2, adhesive material 3, and mounting board 4, and has an inner shape that follows the outer shape of the mounting board 4, for example.

蓋部53は、枠体部52のうち基材51とは反対側の端部に配置され、枠体部52を閉塞する部材である。 The lid portion 53 is a member that is disposed at the end of the frame portion 52 opposite the base material 51 and closes the frame portion 52.

なお、上記では、ケース材5を構成する基材51、枠体部52および蓋部53が別体である例について説明したが、これに限定されず、基材51と枠体部52、あるいは枠体部52と蓋部53が一体であってもよく、その構成は適宜変更され得る。 In the above, an example has been described in which the base material 51, the frame body 52, and the lid portion 53 constituting the case material 5 are separate bodies, but this is not limited thereto, and the base material 51 and the frame body 52, or the frame body 52 and the lid portion 53, may be integrated, and the configuration may be modified as appropriate.

共鳴空間6は、超音波センサ1の到来角に対する反射波の位相差を調整するために、送受信波の伝搬経路上に設けられた空間であり、本実施形態では、超音波素子2と実装基板4との間に設けられる。共鳴空間6は、例えば、超音波素子2のセルと同じ数だけ設けられ、互いに独立している。共鳴空間6は、複数の導波管511のうち連通する1つの導波管511を「連通導波管」として、連通導波管の延設方向に対して直交する平面の最小寸法が、連通導波管の直交よりも大きいサイズとなっている。具体的には、共鳴空間6は、上記した平面のサイズが連通導波管の直径より大きく、連通導波管の延設方向から見て、連通導波管の外郭を内包する状態となっている。また、導波管511の直径は例えばセル径と略同一とされるため、共鳴空間6は、超音波素子2のセル径よりも大きく、対応するセルを内包する状態となっている。なお、共鳴空間6に対する貫通孔41や導波管511の位置関係については、後述する音響共振モードに応じて適宜され得る。 The resonance space 6 is a space provided on the propagation path of the transmission and reception waves in order to adjust the phase difference of the reflected wave with respect to the arrival angle of the ultrasonic sensor 1, and in this embodiment, it is provided between the ultrasonic element 2 and the mounting board 4. The resonance spaces 6 are provided, for example, in the same number as the cells of the ultrasonic element 2, and are independent of each other. In the resonance space 6, one of the multiple waveguides 511 that communicates with each other is considered to be a "communicating waveguide", and the minimum dimension of the plane perpendicular to the extension direction of the communicating waveguide is larger than the perpendicular dimension of the communicating waveguide. Specifically, the size of the above-mentioned plane of the resonance space 6 is larger than the diameter of the communicating waveguide, and is in a state in which the outer hull of the communicating waveguide is included when viewed from the extension direction of the communicating waveguide. In addition, since the diameter of the waveguide 511 is approximately the same as the cell diameter, for example, the resonance space 6 is larger than the cell diameter of the ultrasonic element 2 and is in a state in which the corresponding cell is included. The positional relationship of the through hole 41 and the waveguide 511 to the resonance space 6 can be appropriately determined according to the acoustic resonance mode described below.

以上が、本実施形態の超音波センサ1の基本的な構成である。超音波センサ1は、超音波素子2と外部空間との送受信波の伝搬経路に、所定の寸法とされた共鳴空間6を備えることで、反射波の到来角に対する位相差の変化量を大きくすることが可能な構造となっている。 The above is the basic configuration of the ultrasonic sensor 1 of this embodiment. The ultrasonic sensor 1 has a structure that can increase the amount of change in phase difference with respect to the angle of arrival of the reflected wave by providing a resonance space 6 of a predetermined dimension in the propagation path of the transmitted and received waves between the ultrasonic element 2 and the external space.

なお、超音波センサ1は、ダイヤフラム25から導波管511の外端511aまでの直線距離をLとし、駆動周波数の波長換算値をλとして、送信性能の向上の観点から、Lがnλ/2(n:1以上の奇数)で表される値の±10%以内であることが好ましい。 In addition, in terms of improving transmission performance, it is preferable that the ultrasonic sensor 1 has a linear distance from the diaphragm 25 to the outer end 511a of the waveguide 511 of L, and a wavelength equivalent value of the drive frequency of λ, such that L is within ±10% of the value expressed by nλ/2 (n: odd number equal to or greater than 1).

〔共鳴空間〕
次に、共鳴空間6の効果について、図5~図7を参照して説明する。
[Resonant Space]
Next, the effect of the resonance space 6 will be described with reference to FIGS.

まず、反射波の到来角および位相差について、図5を参照して説明する。 First, the arrival angle and phase difference of the reflected wave will be explained with reference to Figure 5.

例えば図5に示すように、直線状に延設された2つの導波管がピッチdで配置され、外部から波長λの反射波が到来角θで入射する場合において、2つの導波管511に入射する反射波にΔxの位相差が生じているとする。この場合、到来角θは、下記の(1)式で表される。 For example, as shown in Fig. 5, when two linearly extending waveguides are arranged at a pitch d0 and a reflected wave of wavelength λ is incident from the outside at an arrival angle θ, a phase difference of Δx occurs between the reflected waves incident on the two waveguides 511. In this case, the arrival angle θ is expressed by the following formula (1).

θ=sin-1(Δx×λ/(2π×d))・・・(1)
なお、2つの導波管の延長線上に超音波素子のセルが配置されている場合、導波管のピッチdは、受信素子のピッチと実質的に同じである。入射する反射波の波長λ〔単位:mm〕は、超音波素子2から送信する送信波の波長、すなわちセルの駆動周波数に依存する。また、ピッチdは、図5に示すように、導波管の外端が面する平面を受信面として、受信面における外端の配置によって決まる。そして、ピッチdおよび反射波の波長λがある1つの値で固定された場合には、(1)式によれば、位相差Δxは、到来角θに依存する。つまり、到来角θと位相差Δxとの関係は、基本的に、受信面におけるピッチdの間隔と駆動周波数によって一義的に決定される。したがって、超音波センサにおける到来角θに対する感度を向上させ、方位検知の精度をより高めるためには、到来角1°あたりの位相差Δxの変化量を大きくする必要がある。
θ=sin -1 (Δx×λ/(2π×d 0 ))...(1)
In addition, when the cells of the ultrasonic elements are arranged on the extension lines of the two waveguides, the pitch d 0 of the waveguides is substantially the same as the pitch of the receiving elements. The wavelength λ [unit: mm] of the incident reflected wave depends on the wavelength of the transmission wave transmitted from the ultrasonic element 2, that is, the driving frequency of the cell. Also, as shown in FIG. 5, the pitch d 0 is determined by the arrangement of the outer end on the receiving surface, with the plane facing the outer end of the waveguide being the receiving surface. And, when the pitch d 0 and the wavelength λ of the reflected wave are fixed at a certain value, according to the formula (1), the phase difference Δx depends on the arrival angle θ. In other words, the relationship between the arrival angle θ and the phase difference Δx is basically uniquely determined by the interval of the pitch d 0 on the receiving surface and the driving frequency. Therefore, in order to improve the sensitivity of the ultrasonic sensor to the arrival angle θ and to further increase the accuracy of azimuth detection, it is necessary to increase the amount of change in the phase difference Δx per 1° of arrival angle.

共鳴空間6を有しない従来の超音波センサ(以下、単に「従来の超音波センサ」という)は、設計自由度が小さく、到来角θに対する感度を向上させることが困難である。具体的には、従来の超音波センサでは、超音波素子の受信素子の間隔あるいは受信面における導波管の間隔(すなわちピッチd)、もしくは駆動周波数(すなわち波長λ)またはこれらの両方を調整する必要がある。 A conventional ultrasonic sensor that does not have a resonance space 6 (hereinafter simply referred to as a "conventional ultrasonic sensor") has a small degree of freedom in design, and it is difficult to improve the sensitivity to the arrival angle θ. Specifically, in a conventional ultrasonic sensor, it is necessary to adjust the spacing between the receiving elements of the ultrasonic element or the spacing between the waveguides on the receiving surface (i.e., the pitch d 0 ), or the driving frequency (i.e., the wavelength λ), or both.

しかしながら、受信素子の間隔または導波管の間隔を変更する場合、超音波素子または導波管の構造や配置等を変更する必要があり、大幅な設計変更となるため、現実的に実施することが困難である。また、受信素子の間隔d<λ/2の条件式を満たす必要がある。具体的には、d>λ/2の場合、(1)式に基づき、到来角θが所定の範囲から外れると位相差Δxの符号が反転してしまい、ある1つの位相差Δxに対応する到来角θが2つ以上存在する状態(いわゆる二値化)となり、到来角θの推定が困難となってしまう。そのため、d<λ/2の制約上の観点からも受信素子の間隔を自由に変更することは困難である。 However, when changing the interval between receiving elements or the interval between waveguides, it is necessary to change the structure or arrangement of ultrasonic elements or waveguides, which is a major design change, and is difficult to implement in practice. In addition, the conditional expression of the interval between receiving elements d 0 < λ/2 must be satisfied. Specifically, when d 0 > λ/2, based on the formula (1), if the arrival angle θ falls outside a predetermined range, the sign of the phase difference Δx is inverted, and there are two or more arrival angles θ corresponding to one phase difference Δx (so-called binarization), making it difficult to estimate the arrival angle θ. Therefore, it is difficult to freely change the interval between receiving elements from the viewpoint of the constraint of d 0 < λ/2.

また、超音波素子の駆動周波数を変更する場合、構造や配置等を変更する必要がないものの、超音波の減衰率の低下や物体との距離計測の分解能低下などが生じるため、到来角に対する感度を向上できても、他の特性が低下してしまう。 In addition, when changing the drive frequency of the ultrasonic element, although there is no need to change the structure or arrangement, etc., this causes a decrease in the attenuation rate of the ultrasonic waves and a decrease in the resolution of measuring the distance to the object, so even if the sensitivity to the arrival angle can be improved, other characteristics will be degraded.

これに対して、本実施形態の超音波センサ1は、送受信波の伝搬経路に反射波の共振モードが生じる共鳴空間6が設けられている。 In contrast, the ultrasonic sensor 1 of this embodiment has a resonance space 6 in the propagation path of the transmitted and received waves, where a resonance mode of the reflected wave occurs.

ここで、立方体型の導波路における音響共振モードについて、図6を参照して説明する。例えば図6に示すように、導波路の一方向の寸法がa〔単位:m〕、これに直交する方向の寸法がb〔単位:m〕である立方体型の導波路において、当該導波路内に存在し得る音響共振モードは、下記の式で表される。 Here, the acoustic resonance mode in a cubic waveguide will be described with reference to Fig. 6. For example, as shown in Fig. 6, in a cubic waveguide in which the dimension in one direction of the waveguide is a0 (unit: m) and the dimension in the direction perpendicular thereto is b0 (unit: m), the acoustic resonance mode that can exist in the waveguide is expressed by the following formula.

Figure 0007663012000001
上記の式において、fmnはモードm、n(m、n:自然数)の共振周波数〔単位:kHz〕であり、cは媒体(例えば空気など)の音速〔単位:m/s〕である。つまり、構造体により内包された空間(例えば壁に囲まれた空間など)である導波路が、空気等の気体媒体で満たされている場合、当該空間の大きさと媒体を伝搬する音波の波長に応じて、気体が音響的に共振する周波数・モードが存在する。そして、導波路を伝搬する音波の周波数fがf>fmnの場合、共振モードm、nは存在する。
Figure 0007663012000001
In the above formula, f mn is the resonance frequency (unit: kHz) of modes m and n (m, n: natural numbers), and c is the sound speed (unit: m/s) of the medium (e.g., air, etc.). In other words, when a waveguide, which is a space enclosed by a structure (e.g., a space surrounded by walls, etc.), is filled with a gas medium such as air, there exists a frequency/mode in which the gas acoustically resonates depending on the size of the space and the wavelength of the sound wave propagating through the medium. And, when the frequency f of the sound wave propagating through the waveguide is f>f mn , the resonance modes m and n exist.

共鳴空間6は、伝搬する反射波の周波数において、例えば図7に示すように、位相差のある音響モードが生じる寸法となっている。 The dimensions of the resonant space 6 are such that acoustic modes with phase differences occur at the frequency of the propagating reflected wave, as shown in FIG. 7, for example.

なお、共鳴空間6の寸法に対応する音響モードについては、例えば、有限要素法を用いた音響解析ソフト(例えば、アンシス社のAnsys(登録商標)など)を用いたシミュレーションにより算出可能である。図7では、空間に生じた音響モードにおいて位相差の異なる領域を分かり易くするため、断面を示すものではないが、位相が異なる領域には異なる種類のハッチングを施している。 The acoustic mode corresponding to the dimensions of the resonance space 6 can be calculated, for example, by simulation using acoustic analysis software that uses the finite element method (such as Ansys (registered trademark) by Ansys, Inc.). In Fig. 7, in order to make it easier to understand the regions with different phase differences in the acoustic modes generated in the space, different types of hatching are used in the regions with different phases, although a cross section is not shown.

図7に示す例では、例えば、A点、B点に最も大きい位相差が生じている。共鳴空間6は、音響解析のシミュレーション等により音響モードが生じる寸法とされ、かつ当該音響モードにおける位相差が最も大きい箇所に導波管511が接続されている。超音波センサ1は、複数の導波管511それぞれが、互いに独立した異なる共鳴空間6に接続されると共に、共鳴空間6のうち所定の駆動周波数にて生じる音響モードでの位相差が最大となる位置に導波管511が接続された構造となっている。例えば、図7の場合、1つの導波管511がある共鳴空間6のA点に相当する位置に接続されている場合、当該導波管511に隣接する他の1つの導波管511は、他の共鳴空間6のB点に相当する位置に接続される。 In the example shown in FIG. 7, for example, the largest phase difference occurs at points A and B. The resonance space 6 is dimensioned to generate an acoustic mode by acoustic analysis simulation, and the waveguide 511 is connected to a location where the phase difference in the acoustic mode is largest. The ultrasonic sensor 1 has a structure in which each of the multiple waveguides 511 is connected to a different resonance space 6 that is independent of each other, and the waveguide 511 is connected to a position in the resonance space 6 where the phase difference in the acoustic mode generated at a predetermined drive frequency is maximum. For example, in the case of FIG. 7, when one waveguide 511 is connected to a position corresponding to point A in a certain resonance space 6, another waveguide 511 adjacent to the waveguide 511 is connected to a position corresponding to point B in another resonance space 6.

これにより、導波管511の外端511aで生じた位相差をΔx1として、共鳴空間6における位相差Δx2がさらに上乗せされることとなり、最終的には、超音波素子2が受信する反射波の位相差がΔx1よりも大きくなる。その結果、共鳴空間6を備える超音波センサ1は、到来角1°の変化に対する位相差Δxが、従来の超音波センサに比べて大きくなり、到来角θに対する感度が向上する。なお、超音波素子2が受信する反射波の位相差は、音響シミュレーションにより算出可能であり、導波管511と共鳴空間6との間に相互作用が生じるため、Δx1+Δx2となるわけではないが、少なくともΔx1よりも大きくなる。 As a result, the phase difference generated at the outer end 511a of the waveguide 511 is Δx1, and the phase difference Δx2 in the resonance space 6 is further added to this, so that the phase difference of the reflected wave received by the ultrasonic element 2 is ultimately greater than Δx1. As a result, the phase difference Δx for a change in the arrival angle of 1° in the ultrasonic sensor 1 equipped with the resonance space 6 is greater than that of a conventional ultrasonic sensor, and the sensitivity to the arrival angle θ is improved. Note that the phase difference of the reflected wave received by the ultrasonic element 2 can be calculated by acoustic simulation, and since an interaction occurs between the waveguide 511 and the resonance space 6, it is not Δx1 + Δx2, but is at least greater than Δx1.

次に、音響シミュレーションの結果を図8、図9を参照して説明する。 Next, the results of the acoustic simulation will be explained with reference to Figures 8 and 9.

本発明者らは、例えば図8に示すように、本実施形態の超音波センサ1に対応する音響解析のシミュレーションモデルを設計した。 The inventors designed a simulation model for acoustic analysis corresponding to the ultrasonic sensor 1 of this embodiment, as shown in FIG. 8, for example.

以下、説明の便宜上、図8に示すように、紙面上下方向に沿った方向をz、zを法線方向とする平面の一方向をx、当該平面においてxに直交する方向をyとして、x、yのなす平面における共鳴空間6のサイズを「平面サイズ」と称する。また、z方向における共鳴空間6の寸法を「厚み」と称し、音響解析のシミュレーションモデルを単に「解析モデル」と称する。また、図8では、外端における導波管の延設方向の延長線を二点鎖線で示している。図8に示す導波管に入射する音波の方向と当該延長線とのなす角度が到来角θに相当し、受信点が超音波素子2のセル(受信素子)の位置に相当する。 For ease of explanation, as shown in FIG. 8, the direction along the vertical direction of the paper is z, one direction of the plane normal to z is x, and the direction perpendicular to x on the plane is y. The size of the resonance space 6 on the plane formed by x and y is referred to as the "plane size". The dimension of the resonance space 6 in the z direction is referred to as the "thickness", and the simulation model of the acoustic analysis is simply referred to as the "analysis model". In addition, in FIG. 8, the extension line of the extension direction of the waveguide at the outer end is shown by a two-dot chain line. The angle between the direction of the sound wave incident on the waveguide shown in FIG. 8 and the extension line corresponds to the arrival angle θ, and the receiving point corresponds to the position of the cell (receiving element) of the ultrasonic element 2.

解析モデルは、共鳴空間6が立方体型であって、x、y、zの各方向の寸法がそれぞれa、b、cである。音響シミュレーションにおいては、超音波素子2の駆動周波数に対応する波長をλとし、a、bをそれぞれ4λ/4、5λ/4で固定し、共鳴空間6の厚みcごとの到来角θおよび位相差Δxを算出したところ、図9に示す結果が得られた。ここでは、代表値として、c=4mm、c=8mmの2つの結果を示す。 In the analytical model, the resonance space 6 is cubic, with dimensions a, b, and c in the x, y, and z directions, respectively. In the acoustic simulation, the wavelength corresponding to the drive frequency of the ultrasonic element 2 is set to λ, and a and b are fixed at 4λ/4 and 5λ/4, respectively, and the arrival angle θ and phase difference Δx for each thickness c of the resonance space 6 are calculated, resulting in the results shown in Figure 9. Here, two results are shown as representative values: c = 4 mm and c = 8 mm.

図9では、c=4mmのシミュレーション結果を二点鎖線で、c=8mmのシミュレーション結果を実線で、到来角θが0°~20°の範囲における位相差Δxの傾きを破線で、それぞれ示している。 In Figure 9, the simulation results for c = 4 mm are shown by a two-dot chain line, the simulation results for c = 8 mm are shown by a solid line, and the slope of the phase difference Δx when the arrival angle θ is in the range of 0° to 20° is shown by a dashed line.

図9に示す到来角θの1°に対する位相差Δxの変化量、すなわち破線で示す傾きが大きいほど、到来角θに対する感度が大きいことを意味する。シミュレーションの結果、c=4mmの場合に比べて、c=8mmの場合のほうがΔxの傾き、すなわち、到来角θに対する感度が大きいことが判明した。これは、共鳴空間6の厚みcの調整により、到来角θに対する感度の向上が可能であることを示している。 The greater the change in phase difference Δx per 1° of the arrival angle θ shown in Figure 9, i.e., the greater the slope shown by the dashed line, the greater the sensitivity to the arrival angle θ. As a result of the simulation, it was found that the slope of Δx, i.e., the sensitivity to the arrival angle θ, is greater when c = 8 mm compared to when c = 4 mm. This shows that it is possible to improve the sensitivity to the arrival angle θ by adjusting the thickness c of the resonance space 6.

したがって、共鳴空間6を設けることにより、超音波素子2の駆動周波数、および導波管511の外端511aのピッチを変えることなく、到来角θに対する位相差Δxの変化量を大きくでき、方位検知の精度を向上させることができる。 Therefore, by providing the resonance space 6, the amount of change in the phase difference Δx relative to the arrival angle θ can be increased without changing the drive frequency of the ultrasonic element 2 or the pitch of the outer end 511a of the waveguide 511, thereby improving the accuracy of azimuth detection.

なお、共鳴空間6は、複数設けられる場合、平面寸法a、bや厚みcがすべて同一であってもよいし、一部または全部の平面寸法、厚み寸法や形状が異なっていてもよい。複数の共鳴空間6それぞれへの導波管511の接続位置は、異なる導波管511同士の位相差が大きくなればよく、上記した音響共振モードに対応して適宜変更される。 When multiple resonance spaces 6 are provided, the planar dimensions a, b and thickness c may all be the same, or some or all of the planar dimensions, thickness dimensions and shapes may be different. The connection positions of the waveguides 511 to each of the multiple resonance spaces 6 are changed as appropriate in accordance with the acoustic resonance modes described above, as long as the phase difference between the different waveguides 511 is large.

本実施形態によれば、超音波素子2がケース材5に収納されると共に、超音波素子2と外部空間とを繋ぐ送受信波の伝搬経路に共鳴空間6が設けられ、反射波の到来角θに対する位相差Δxの変化量が大きくなった超音波センサ1となる。そのため、超音波素子2を保護しつつも、設計の自由度が高く、方位検知の精度がより向上する効果が得られる。 According to this embodiment, the ultrasonic element 2 is housed in the case material 5, and a resonance space 6 is provided in the propagation path of the transmitted and received waves connecting the ultrasonic element 2 with the external space, resulting in an ultrasonic sensor 1 with a large amount of change in phase difference Δx relative to the arrival angle θ of the reflected wave. Therefore, while protecting the ultrasonic element 2, the design has a high degree of freedom, and the accuracy of azimuth detection is improved.

(第2実施形態)
第2実施形態の超音波センサ1について、図10を参照して説明する。
Second Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

図10では、図1と同様に、超音波素子2、接着材3、実装基板4、基材51のうち別断面における外郭の一部を破線で示している。これは、後述する図11、12についても同様である。 In FIG. 10, like FIG. 1, parts of the outer contours of the ultrasonic element 2, adhesive 3, mounting substrate 4, and base material 51 in another cross section are shown by dashed lines. This is also the case for FIGS. 11 and 12, which will be described later.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図10に示すように、導波管511が連続的にその径が変化した形状である点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment differs from the first embodiment in that the waveguide 511 has a shape in which the diameter changes continuously, as shown in FIG. 10, for example. This difference will be mainly described in this embodiment.

導波管511は、本実施形態では、導波管511の端部のうち外部の空間側を外端511aとし、その反対側の端部を内端として、外端511aの直径が内端の直径よりも大きい形状となっている。導波管511は、例えば、断面視にて、内端から外端511aに向かうにつれて、直径が連続的に大きくなるテーパー形状となっている。この場合、超音波センサ1は、上記第1実施形態に比べて、送信波の範囲が狭くなり、指向性が鋭くなる構成となる。 In this embodiment, the waveguide 511 has an outer end 511a that is the end facing the external space and an inner end on the opposite side, with the diameter of the outer end 511a being larger than the diameter of the inner end. The waveguide 511 has a tapered shape in which the diameter increases continuously from the inner end to the outer end 511a, for example, in a cross-sectional view. In this case, the ultrasonic sensor 1 has a configuration in which the range of the transmitted wave is narrower and the directivity is sharper than in the first embodiment.

本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。また、導波管511の径が連続的に変化する形状であることで、送信波の指向性を鋭くする効果も得られる。 This embodiment provides the same effects as the first embodiment. In addition, the shape of the waveguide 511, in which the diameter changes continuously, provides the effect of sharpening the directionality of the transmission wave.

(第2実施形態の変形例)
第2実施形態の超音波センサ1は、例えば図11に示すように、断面視にて、導波管511のほか、実装基板4の貫通孔41も導波管511と連続性を有するテーパー形状であってもよい。この場合、貫通孔41は、例えば、超音波素子2側から導波管511側に向かって連続的に直径が大きくなると共に、導波管511側の端部における開口部の直径が、導波管511の内端の直径と略同一となっている。
(Modification of the second embodiment)
11 , in the ultrasonic sensor 1 of the second embodiment, in addition to the waveguide 511, the through hole 41 of the mounting substrate 4 may also have a tapered shape having continuity with the waveguide 511 in a cross-sectional view. In this case, the diameter of the through hole 41 increases continuously from the ultrasonic element 2 side toward the waveguide 511 side, and the diameter of the opening at the end on the waveguide 511 side is approximately the same as the diameter of the inner end of the waveguide 511.

また、第2実施形態の超音波センサ1は、例えば図12に示すように、断面視にて、導波管511が外端511aから内端に向かって連続的に直径が大きくなるテーパー形状とされてもよい。この場合、実装基板4の貫通孔41は、例えば、導波管511側の開口部における直径が導波管511の内端の直径と略同一とされ、超音波素子2側に向かって連続的に直径が大きくなる形状とされる。また、貫通孔41は、例えば、超音波素子2側の開口部における直径が、ダイヤフラム25の直径と略同一になっている。なお、貫通孔41は、直径が一定の形状であってもよい。この場合、超音波センサ1は、上記第1実施形態に比べて、送信波の送信範囲が広くなる効果が得られる。 In addition, as shown in FIG. 12, the ultrasonic sensor 1 of the second embodiment may have a tapered shape in which the waveguide 511 has a diameter that increases continuously from the outer end 511a toward the inner end in a cross-sectional view. In this case, the through hole 41 of the mounting substrate 4 has a diameter at the opening on the waveguide 511 side that is substantially the same as the diameter at the inner end of the waveguide 511, and a diameter that increases continuously toward the ultrasonic element 2 side. In addition, the through hole 41 has a diameter at the opening on the ultrasonic element 2 side that is substantially the same as the diameter of the diaphragm 25. The through hole 41 may have a constant diameter. In this case, the ultrasonic sensor 1 has an effect of widening the transmission range of the transmission wave compared to the first embodiment.

本変形例によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。また、図11に示す場合には、上記第2実施形態と同様の指向性が得られ、図12に示す場合には、送信波の送信範囲が広くなる効果が得られる。つまり、上記第2実施形態およびその変形例では、送信指向性の制御が可能となる。 This modified example also provides the same effect as the first embodiment. In the case shown in FIG. 11, directivity similar to that of the second embodiment is obtained, and in the case shown in FIG. 12, the effect of widening the transmission range of the transmission wave is obtained. In other words, in the second embodiment and its modified example, it is possible to control the transmission directivity.

なお、上記第2実施形態およびその変形例では、導波管511および貫通孔41の壁面が断面視にて直線状である例について説明したが、これに限定されるものではなく、曲線状であってもよく、形状や直径の変化度合い等については適宜変更されてもよい。 In the above second embodiment and its modified example, an example was described in which the wall surfaces of the waveguide 511 and the through hole 41 are linear in cross section, but this is not limited thereto, and they may be curved, and the degree of change in shape and diameter, etc. may be changed as appropriate.

(第3実施形態)
第3実施形態の超音波センサ1について、図13を参照して説明する。
Third Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.

図13では、ケース材5を外面51aに対する法線方向から見た状態を示すと共に、見易くするため、導波管511の外端511a近傍の一部領域のみを示し、他の領域については省略している。 Figure 13 shows the case material 5 as viewed from the normal direction to the outer surface 51a, and for ease of viewing, only a portion of the area near the outer end 511a of the waveguide 511 is shown, with other areas omitted.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図13に示すように、複数の導波管511の外端511aが一方向に沿って直線状に配列されている点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment differs from the first embodiment in that the outer ends 511a of the multiple waveguides 511 are linearly arranged in one direction, as shown in FIG. 13, for example. This difference will be mainly described in this embodiment.

複数の導波管511は、本実施形態では、例えばn1個(n1:2以上の自然数)以上とされ、これらの外端511aが一方向に沿って配列された、いわば「1Dアレイ」の配置となっている。 In this embodiment, the number of waveguides 511 is, for example, n1 or more (n1 is a natural number equal to or greater than 2), and the outer ends 511a of the waveguides 511 are arranged in one direction, forming a so-called "1D array."

本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。また、この超音波センサ1は、超音波センサ1に対する外部の障害物等の方向(方位・高度)のうち少なくとも1つを検知することが可能な構成となる。 According to this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained. In addition, this ultrasonic sensor 1 is configured to be able to detect at least one of the directions (azimuth and altitude) of external obstacles, etc., relative to the ultrasonic sensor 1.

(第3実施形態の変形例)
第3実施形態の超音波センサ1は、例えば図14に示すように、複数の導波管511の外端511aが直交する2つの方向に沿って配列された、いわば「2Dアレイ」の配置であってもよい。この場合、超音波センサ1は、超音波センサ1に対する外部の障害物等の方向(方位・高度)の2つを検知することが可能となる。
(Modification of the third embodiment)
The ultrasonic sensor 1 of the third embodiment may be arranged in a so-called "2D array" in which the outer ends 511a of a plurality of waveguides 511 are arranged along two directions that are perpendicular to each other, as shown in Fig. 14. In this case, the ultrasonic sensor 1 can detect two directions (azimuth and altitude) of an external obstacle relative to the ultrasonic sensor 1.

なお、図14における左右方向に沿った一行における導波管511の外端511aの数をn1(n1:2以上の自然数)とし、当該左右方向に直交する方向に沿った一列における導波管511の外端511aの数をn2(n2:2以上の自然数)とする。このとき、n1、n2の数については、適宜変更されてもよい。 The number of outer ends 511a of the waveguides 511 in a row along the left-right direction in FIG. 14 is n1 (n1 is a natural number equal to or greater than 2), and the number of outer ends 511a of the waveguides 511 in a row along a direction perpendicular to the left-right direction is n2 (n2 is a natural number equal to or greater than 2). In this case, the numbers n1 and n2 may be changed as appropriate.

また、第3実施形態の超音波センサ1は、例えば図15に示すように、超音波素子2のダイヤフラム25の配列と導波管511の外端511aの配列とが異なる構造であってもよい。具体的には、例えば、超音波素子2のセルおよび導波管511がそれぞれ4つである場合において、超音波素子2の4つのセルが一方向に沿った1Dアレイの配列であるのに対し、導波管511の外端511aが2×2のアレイ配置とされていてもよい。この場合、複数の導波管511のうち一部または全部の導波管511は、内端から外端511aに向かう途中で、その延設方向が少なくとも1回変更された形状(例えば、折れ曲がる、湾曲するなど)とされる。これにより、超音波素子2の複数のセルが1Dアレイの配列であっても、外端511aが直交する2つの方向に沿って配列されているため、二方向の方位検知が可能となる。 In addition, the ultrasonic sensor 1 of the third embodiment may have a structure in which the arrangement of the diaphragm 25 of the ultrasonic element 2 and the arrangement of the outer end 511a of the waveguide 511 are different, for example, as shown in FIG. 15. Specifically, for example, in a case where the ultrasonic element 2 has four cells and the waveguide 511 has four cells, the four cells of the ultrasonic element 2 may be arranged in a 1D array along one direction, while the outer end 511a of the waveguide 511 may be arranged in a 2×2 array. In this case, some or all of the multiple waveguides 511 are shaped such that the extension direction is changed at least once (for example, bent, curved, etc.) on the way from the inner end to the outer end 511a. As a result, even if the multiple cells of the ultrasonic element 2 are arranged in a 1D array, the outer end 511a is arranged along two orthogonal directions, making it possible to detect the azimuth in two directions.

なお、図15では、超音波素子2のセル配列と導波管511の外端511aの配列との関係を分かり易くするため、セルと外端511aとを結ぶ導波管511を破線で示している。また、図15では、4つの導波管511のうち2つの導波管511が内端から外端511aに向かう途中で折れ曲がった形状とされた例を示したが、これに限定されるものではなく、延設方向が変化する導波管511の数やその形状等については適宜変更され得る。 In FIG. 15, the waveguides 511 connecting the cells and the outer ends 511a are shown with dashed lines to make it easier to understand the relationship between the cell arrangement of the ultrasonic elements 2 and the arrangement of the outer ends 511a of the waveguides 511. Also, in FIG. 15, an example is shown in which two of the four waveguides 511 are bent midway from the inner ends to the outer ends 511a, but this is not limited to this, and the number and shapes of the waveguides 511 whose extension direction changes can be changed as appropriate.

本変形例によっても、上記第3実施形態と同様の効果が得られる。また、複数の導波管511の外端511aをn1×n2のアレイ配置とすることで、超音波素子2のセル配列に関わらず、外部の障害物等の方向の2つを検知可能な構造の超音波センサ1となる。 This modified example also provides the same effect as the third embodiment. In addition, by arranging the outer ends 511a of the multiple waveguides 511 in an n1 x n2 array, the ultrasonic sensor 1 can be structured to detect two directions of an external obstacle, etc., regardless of the cell arrangement of the ultrasonic elements 2.

(第4実施形態)
第4実施形態の超音波センサ1について、図16、図17を参照して説明する。
Fourth Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

図16では、図1と同様に、超音波素子2、接着材3、実装基板4、基材51のうち別断面における外郭の一部を破線で示している。図17では、後述する第2の共鳴空間7とこれが設けられた導波管511との位置関係を分かり易くするため、他の断面における導波管511のうち第2の共鳴空間7に連通する部分の外郭を破線で示している。 In FIG. 16, like FIG. 1, a part of the outer contour of the ultrasonic element 2, adhesive 3, mounting substrate 4, and base material 51 in another cross section is shown by a dashed line. In FIG. 17, in order to easily understand the positional relationship between the second resonance space 7 described below and the waveguide 511 in which it is provided, the outer contour of the part of the waveguide 511 that communicates with the second resonance space 7 in another cross section is shown by a dashed line.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図16に示すように、超音波素子2の直下に位置する共鳴空間6に加えて、導波管511にも共鳴空間7を備える点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment differs from the first embodiment in that, as shown in FIG. 16, in addition to the resonance space 6 located directly below the ultrasonic element 2, the waveguide 511 also has a resonance space 7. This difference will be mainly described in this embodiment.

複数の導波管511は、超音波素子2の直下の共鳴空間6を「第1の共鳴空間」として、内端と外端との間に第2の共鳴空間7がそれぞれ形成されている。 The multiple waveguides 511 each have a resonance space 6 directly below the ultrasonic element 2 as a "first resonance space," and a second resonance space 7 formed between the inner end and the outer end.

第2の共鳴空間7は、例えば図17に示すように、複数の導波管511と同数設けられ、互いに独立すると共に、図17に示す平面方向における最小寸法が、導波管511の他の部位の直径よりも大きくなっている。言い換えると、複数の第2の共鳴空間7は、第1の共鳴空間6と同様に、平面サイズが導波管511よりも大きく、その内郭内側に導波管511の連通部分の外郭を内包する配置となっている。複数の第2の共鳴空間7は、第1の共鳴空間6と同様に、それぞれ音響共振モードが生じる平面寸法および厚みとなっている。第2の共鳴空間7は、例えば、基材51を2つの部材、すなわち導波管511の一部およびこれに連通する凹部を有する一方の部材と、導波管511の残部を有する他方の部材とにより構成し、これらを連結することにより形成される。 As shown in FIG. 17, for example, the second resonance spaces 7 are provided in the same number as the multiple waveguides 511, are mutually independent, and have a minimum dimension in the planar direction shown in FIG. 17 that is larger than the diameter of the other parts of the waveguide 511. In other words, like the first resonance space 6, the multiple second resonance spaces 7 have a planar size larger than the waveguide 511, and are arranged so that the outer periphery of the communicating part of the waveguide 511 is enclosed inside the inner periphery. Like the first resonance space 6, the multiple second resonance spaces 7 each have a planar dimension and thickness that generate an acoustic resonance mode. The second resonance space 7 is formed, for example, by configuring the substrate 51 with two members, that is, one member having a part of the waveguide 511 and a recess communicating therewith, and the other member having the remaining part of the waveguide 511, and connecting them.

第1の共鳴空間6が接着材3の開口部31で構成され、超音波素子2の平面サイズより大きくできないのに対し、第2の共鳴空間7は、基材51に設けられるため、平面サイズが超音波素子2よりも大きくされうる。そのため、第2の共鳴空間7の図17に示す平面方向における一方の寸法をaとし、これに直交する他方の寸法をbとして、a、bの寸法は、超音波素子2の平面サイズに制限されない。 While the first resonance space 6 is formed by the opening 31 of the adhesive 3 and cannot be larger than the planar size of the ultrasonic element 2, the second resonance space 7 is provided in the base material 51 and can therefore have a planar size larger than the ultrasonic element 2. Therefore, one dimension of the second resonance space 7 in the planar direction shown in FIG. 17 is a, and the other dimension perpendicular to this is b, and the dimensions a and b are not limited by the planar size of the ultrasonic element 2.

なお、到来角に対する感度向上の観点から、a、bは、異なる寸法とされると共に、短いほうの寸法が少なくとも3λ/2よりも大きいことが好ましい。また、第2の共鳴空間7の厚み方向の寸法をcとして、同様の観点から、cの寸法は、0.3λよりも小さいことが好ましい。 From the viewpoint of improving sensitivity to the angle of arrival, it is preferable that a and b are different dimensions, and that the shorter dimension is at least greater than 3λ/2. Also, assuming that the dimension of the second resonance space 7 in the thickness direction is c, from the same viewpoint, it is preferable that the dimension c is smaller than 0.3λ.

本実施形態によれば、上記第1実施形態の効果が得られる超音波センサ1となる。また、この超音波センサ1は、導波管511の外端511aおよび第1の共鳴空間6における位相差に加えて、第2の共鳴空間7で生じる位相差がさらに上乗せされるため、反射波の到来角に対する感度の調整範囲が広くなる効果が得られる。また、第2の共鳴空間7の平面サイズが超音波素子2よりも大きくされうるため、設計の自由度がより高くなる構造となる。 According to this embodiment, the ultrasonic sensor 1 has the same effect as the first embodiment. Furthermore, in addition to the phase difference at the outer end 511a of the waveguide 511 and the first resonance space 6, the ultrasonic sensor 1 further has a phase difference generated in the second resonance space 7, which results in a wider adjustment range of the sensitivity to the angle of arrival of the reflected wave. Furthermore, the planar size of the second resonance space 7 can be made larger than that of the ultrasonic element 2, resulting in a structure with greater design freedom.

(第5実施形態)
第5実施形態の超音波センサ1について、図18を参照して説明する。
Fifth Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.

図18では、図1と同様に、超音波素子2、接着材3、実装基板4、基材51のうち別断面における外郭の一部を破線で示している。 In Figure 18, like Figure 1, parts of the outer periphery of the ultrasonic element 2, adhesive 3, mounting substrate 4, and base material 51 in another cross section are shown with dashed lines.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図18に示すように、複数の導波管511に第2の共鳴空間7が形成されている。また、超音波センサ1は、導波管511のうち第2の共鳴空間7よりも超音波素子2側の部分を第1導波管5111とし、第2の共鳴空間7よりも外部の空間側を第2導波管5112として、これらが断面視にて軸をずらして配置された構成となっている。超音波センサ1は、上記した点で上記第1実施形態と相違する。前者の相違点である第2の共鳴空間7については上記第4実施形態と同様であるため、本実施形態では、後者の相違点について主に説明する。 In the ultrasonic sensor 1 of this embodiment, as shown in FIG. 18, for example, second resonance spaces 7 are formed in multiple waveguides 511. In addition, in the ultrasonic sensor 1, the portion of the waveguide 511 closer to the ultrasonic element 2 than the second resonance space 7 is the first waveguide 5111, and the portion closer to the external space than the second resonance space 7 is the second waveguide 5112, and these are arranged with their axes shifted in a cross-sectional view. The ultrasonic sensor 1 differs from the first embodiment in the above-mentioned points. The second resonance space 7, which is the former difference, is the same as in the fourth embodiment, so in this embodiment, the latter difference will be mainly described.

複数の導波管511は、本実施形態では、第1導波管5111と第2導波管5112とを有してなり、断面視にて、これらの導波管がそれぞれの軸(すなわち導波管の中心位置)をずらした、いわばオフセット配置された構成となっている。このように、複数の導波管511は、第2の共鳴空間7に接続された2つの開口部分の位置がずらされた状態で配置された構成であってもよい。 In this embodiment, the multiple waveguides 511 include a first waveguide 5111 and a second waveguide 5112, and in cross-sectional view, these waveguides are offset in that their axes (i.e., the center positions of the waveguides) are shifted. In this way, the multiple waveguides 511 may be configured to be arranged with the positions of the two openings connected to the second resonance space 7 shifted.

本実施形態によっても、上記第4実施形態と同様の効果が得られる。また、超音波センサ1は、超音波素子2のセルのピッチによらず、基材51の外面51aにおける導波管511のピッチを任意に調整可能な構造となっている。 This embodiment also provides the same effect as the fourth embodiment. Furthermore, the ultrasonic sensor 1 is structured so that the pitch of the waveguides 511 on the outer surface 51a of the substrate 51 can be adjusted as desired, regardless of the cell pitch of the ultrasonic element 2.

(第6実施形態)
第6実施形態の超音波センサ1について、図19~図23を参照して説明する。
Sixth Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS.

図19では、図1と同様に、超音波素子2、接着材3、実装基板4、基材51のうち別断面における外郭の一部を破線で示している。 In Figure 19, like Figure 1, parts of the outer periphery of the ultrasonic element 2, adhesive 3, mounting substrate 4, and base material 51 in another cross section are shown with dashed lines.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図19に示すように、共鳴空間6が複数の導波管511に跨っており、複数の導波管511に共通した1つの共鳴空間6となっている点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment differs from the first embodiment in that the resonance space 6 spans multiple waveguides 511, as shown in FIG. 19, and is a single resonance space 6 common to the multiple waveguides 511. This difference will be mainly described in this embodiment.

共鳴空間6は、本実施形態では、例えば、導波管511が4つである場合、4つの導波管511すべてに跨り、すべての導波管511に連通している。つまり、本実施形態では、接着材3が1つの開口部のみを有する枠体形状とされ、超音波素子2と実装基板4とに囲まれることで、1つの共通した共鳴空間6を構成している。 In this embodiment, for example, when there are four waveguides 511, the resonance space 6 spans all four waveguides 511 and is connected to all of the waveguides 511. In other words, in this embodiment, the adhesive 3 is in the shape of a frame having only one opening, and is surrounded by the ultrasonic element 2 and the mounting substrate 4 to form one common resonance space 6.

本発明者らは、共鳴空間6が連通した共通の空間である場合についても、音響解析のシミュレーションを行い、反射波の到来角に対する感度を向上できるか検証した。 The inventors also performed acoustic analysis simulations when the resonant space 6 is a common, interconnected space to verify whether the sensitivity to the angle of arrival of the reflected wave can be improved.

具体的には、音響解析において、例えば図20に示す解析モデルを設計した。この解析モデルは、直線状に延設された2つの導波管が互いに離れて平行配置されると共に、これらの受信点と外部空間との間に共通する共鳴空間が設けられ、2つの導波管が当該共鳴空間を通じて連通している。この解析モデルでは、共鳴空間のx、y、z方向の寸法がそれぞれa、b、cであり、導波管のうち共鳴空間と受信点とのz方向の寸法がdである。この解析モデルにおいて、駆動周波数を46.4kHz(波長7.4mm)、気体媒質を空気として、上記第1実施形態と同様に、有限要素法を用いた音響解析のシミュレーションを行った。 Specifically, in the acoustic analysis, for example, the analytical model shown in FIG. 20 was designed. In this analytical model, two linearly extending waveguides are arranged in parallel apart from each other, and a common resonance space is provided between the receiving point of these waveguides and the external space, and the two waveguides communicate through the resonance space. In this analytical model, the dimensions of the resonance space in the x, y, and z directions are a, b, and c, respectively, and the dimension of the waveguide in the z direction between the resonance space and the receiving point is d. In this analytical model, a simulation of acoustic analysis was performed using the finite element method, as in the first embodiment, with a drive frequency of 46.4 kHz (wavelength 7.4 mm) and air as the gas medium.

厚みcを変化させた場合のシミュレーション結果を図21に示す。図21では、横軸が到来角、縦軸が位相差であり、共鳴空間がない場合における理論値に基づく曲線を二点鎖線で示している。これは、後述する図22、図23についても同様である。 Figure 21 shows the simulation results when the thickness c is changed. In Figure 21, the horizontal axis is the angle of arrival, the vertical axis is the phase difference, and the curve based on the theoretical value in the absence of a resonance space is shown by a two-dot chain line. This is also true for Figures 22 and 23 described below.

図21に示すように、到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、c=2mmの場合には、理論値のそれと同程度であった。到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、c=3mmの場合にはc=2mmの場合や理論値に比べて小さいのに対し、c=1mmの場合にはc=2mmの場合や理論値に比べて大きかった。これは、c=1mmに設計することで、反射波の到来角に対する感度を共鳴空間のない場合よりも高くできることを示している。なお、反射波の到来角に対する感度を向上させる観点から、共鳴空間6の厚みcは、0.3λ〔単位:m〕以下であって、導波管511の長さよりも短いことが好ましい。 As shown in FIG. 21, the gradient of the phase difference in the range of arrival angles from 0° to 20° was similar to that of the theoretical value when c = 2 mm. The gradient of the phase difference in the range of arrival angles from 0° to 20° was smaller when c = 3 mm than when c = 2 mm and the theoretical value, whereas it was larger when c = 1 mm than when c = 2 mm and the theoretical value. This shows that by designing c = 1 mm, the sensitivity to the arrival angle of the reflected wave can be made higher than when there is no resonance space. From the viewpoint of improving the sensitivity to the arrival angle of the reflected wave, it is preferable that the thickness c of the resonance space 6 is 0.3 λ [unit: m] or less and shorter than the length of the waveguide 511.

次に、平面寸法a、bを変化させた場合のシミュレーション結果を図22に示す。このシミュレーションでは、a=bとし、a(=b)を5λ/4~7λ/4の範囲で変更した。図22に示すように、到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、a=b=6λ/4の場合には、理論値のそれと同程度であった。到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、a=b=5λ/4の場合には理論値に比べて小さいのに対し、a=b=7λ/4の場合には理論値に比べて大きかった。これは、a=b=7λ/4に設計することで、反射波の到来角に対する感度を共鳴空間のない場合よりも高くできることを示している。 Next, the simulation results when the planar dimensions a and b are changed are shown in Figure 22. In this simulation, a = b, and a (= b) was changed in the range of 5λ/4 to 7λ/4. As shown in Figure 22, the gradient of the phase difference in the arrival angle range of 0° to 20° was similar to that of the theoretical value when a = b = 6λ/4. The gradient of the phase difference in the arrival angle range of 0° to 20° was smaller than the theoretical value when a = b = 5λ/4, whereas it was larger than the theoretical value when a = b = 7λ/4. This shows that by designing for a = b = 7λ/4, the sensitivity to the arrival angle of the reflected wave can be made higher than in the case of no resonant space.

次に、共鳴空間6と受信点との距離dをλ/8~λ/2の範囲で変化させた場合のシミュレーション結果を図23に示す。図23に示すように、到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、d=λ/2およびλ/4の場合には、ほぼ同じであり、理論値よりも小さかった。到来角0°~20°の範囲における位相差の傾きは、d=λ/8の場合には理論値に比べて大きかった。これは、d=λ/8に設計することで、反射波の到来角に対する感度を共鳴空間のない場合よりも高くできることを示している。 Next, Figure 23 shows the simulation results when the distance d between the resonant space 6 and the receiving point is changed in the range of λ/8 to λ/2. As shown in Figure 23, the slope of the phase difference in the arrival angle range of 0° to 20° is almost the same when d = λ/2 and λ/4, and is smaller than the theoretical value. The slope of the phase difference in the arrival angle range of 0° to 20° is larger than the theoretical value when d = λ/8. This shows that by designing for d = λ/8, the sensitivity to the arrival angle of the reflected wave can be made higher than in the case of no resonant space.

上記したように、共鳴空間6が複数の導波管511に連通した1つの共通の空間である場合においても、共鳴空間6の平面サイズ、厚み、受信素子との距離の各パラメータを適宜設計することにより、反射波の到来角に対する感度を高めることが可能である。 As described above, even when the resonant space 6 is a common space connected to multiple waveguides 511, it is possible to increase the sensitivity to the angle of arrival of the reflected wave by appropriately designing the parameters of the planar size, thickness, and distance from the receiving element of the resonant space 6.

本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の効果が得られる超音波センサ1となる。また、接着材3に1つの共通の開口部31が設けられ、開口部31が超音波素子2および実装基板4に囲まれて生じる空間が共通の共鳴空間6となっているため、上記第1実施形態よりも製造が容易な構造になる効果も得られる。 According to this embodiment, the ultrasonic sensor 1 can achieve the same effect as the first embodiment. In addition, since one common opening 31 is provided in the adhesive 3, and the space created when the opening 31 is surrounded by the ultrasonic element 2 and the mounting substrate 4 becomes the common resonance space 6, it also has the effect of being easier to manufacture than the first embodiment.

(第6実施形態の変形例)
第6実施形態の超音波センサ1は、例えば図24に示すように、第1の共鳴空間6に加えて、導波管511においても複数の導波管511に連通する共通の第2の共鳴空間7を備える構成であってもよい。この場合、上記第4実施形態と同様に、反射波の到来角に対する感度をより高める効果が得られる。
(Modification of the sixth embodiment)
24, the ultrasonic sensor 1 of the sixth embodiment may be configured to include a common second resonance space 7 in the waveguide 511 that communicates with the multiple waveguides 511 in addition to the first resonance space 6. In this case, similar to the fourth embodiment, the effect of further increasing the sensitivity to the arrival angle of the reflected wave can be obtained.

また、この場合において、超音波センサ1は、例えば図25に示すように、第2の共鳴空間7に音波を透過する多孔部材8が配置されていてもよい。多孔部材8は、例えば、任意の樹脂または金属材料によりなり、限定するものではないが、空隙率が90%程度とされる。多孔部材8は、例えば図示しない接着剤などにより、第2の共鳴空間7に固定される。多孔部材8が第2の共鳴空間7に配置されることで、外部からの異物が導波管511に侵入したとしても、当該異物が超音波素子2に付着することを抑制でき、信頼性が向上した超音波センサ1となる。 In this case, the ultrasonic sensor 1 may have a porous member 8 that transmits sound waves disposed in the second resonance space 7, as shown in FIG. 25, for example. The porous member 8 is made of, for example, any resin or metal material, and has a porosity of about 90%, although this is not limited thereto. The porous member 8 is fixed to the second resonance space 7, for example, by an adhesive (not shown). By disposing the porous member 8 in the second resonance space 7, even if a foreign object from the outside enters the waveguide 511, the foreign object can be prevented from adhering to the ultrasonic element 2, resulting in an ultrasonic sensor 1 with improved reliability.

なお、多孔部材8は、音波を透過する部材であればよく、構成材料や構造については適宜変更されてもよい。また、多孔部材8は、音波を透過するため、第2の共鳴空間7における音響モードへの影響が少なく、到来角に対する感度の調整に支障はない。 The porous member 8 may be any material that transmits sound waves, and the constituent materials and structure may be changed as appropriate. In addition, since the porous member 8 transmits sound waves, it has little effect on the acoustic mode in the second resonance space 7, and there is no problem in adjusting the sensitivity to the angle of arrival.

超音波センサ1は、例えば図26に示すように、第1の共鳴空間6を有さず、第2の共鳴空間7のみを有する構成であってもよい。この場合であっても、導波管511の外端における位相差に、共鳴空間7で生じる位相差を上乗せできる構造であるため、到来角に対する感度の向上が可能である。 As shown in FIG. 26, for example, the ultrasonic sensor 1 may have only the second resonance space 7 without the first resonance space 6. Even in this case, the structure allows the phase difference at the outer end of the waveguide 511 to be added to the phase difference generated in the resonance space 7, so that it is possible to improve the sensitivity to the angle of arrival.

これらの変形例によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。また、これに加えて、第2の共鳴空間7を有することによる感度調整の範囲拡大や多孔部材8による異物影響の低減の効果も得られる。 These modified examples also provide the same effects as the first embodiment. In addition, the second resonance space 7 provides an expanded range of sensitivity adjustment and the porous member 8 provides a reduced effect of foreign matter.

(第7実施形態)
第7実施形態の超音波センサ1について、図27、図28を参照して説明する。
Seventh Embodiment
The ultrasonic sensor 1 according to the seventh embodiment will be described with reference to FIGS.

図27では、図2と同様に、ダイヤフラム25の外郭を破線で示すと共に、超音波素子2、接着材3および実装基板4の対応位置を示す補助線を二点鎖線で示している。 In Figure 27, as in Figure 2, the outer contour of the diaphragm 25 is shown by a dashed line, and auxiliary lines indicating the corresponding positions of the ultrasonic element 2, adhesive 3, and mounting board 4 are shown by two-dot chain lines.

本実施形態の超音波センサ1は、例えば図27に示すように、接着材3が分離した2つの部材により構成され、超音波素子2の直下に位置する共鳴空間6が収納空間54に連通する構成である点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 The ultrasonic sensor 1 of this embodiment differs from the first embodiment in that, as shown in FIG. 27, for example, the adhesive 3 is made of two separate members, and the resonance space 6 located directly below the ultrasonic element 2 is connected to the storage space 54. This difference will be mainly described in this embodiment.

接着材3は、本実施形態では、例えば図28に示すように、平面視にて、超音波素子2の外郭のうち対抗する二辺に沿って平行配置される。これにより、超音波素子2と実装基板4とに挟まれた接着材3によりなる共鳴空間6は、超音波素子2が収納されたケース材5の収納空間54に連通する構成となっている。この超音波センサ1は、収納空間54も共鳴空間6として機能する構成となっており、収納空間54の平面サイズや厚み寸法により、音響共振モードを適宜変更することが可能である。 In this embodiment, the adhesive 3 is arranged in parallel along two opposing sides of the outer periphery of the ultrasonic element 2 in a plan view, as shown in FIG. 28, for example. As a result, the resonance space 6 formed by the adhesive 3 sandwiched between the ultrasonic element 2 and the mounting board 4 is configured to communicate with the storage space 54 of the case material 5 in which the ultrasonic element 2 is stored. In this ultrasonic sensor 1, the storage space 54 also functions as the resonance space 6, and the acoustic resonance mode can be changed as appropriate depending on the planar size and thickness dimensions of the storage space 54.

本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られると共に、超音波素子2や導波管511の配置等によらず、収納空間54の寸法調整により音響共振モードを変更でき、設計の自由度が高い構造の超音波センサ1となる。 This embodiment also provides the same effects as the first embodiment, and allows the acoustic resonance mode to be changed by adjusting the dimensions of the storage space 54, regardless of the arrangement of the ultrasonic element 2 and the waveguide 511, resulting in an ultrasonic sensor 1 with a structure that allows for high design freedom.

(他の実施形態)
なお、上記した各実施形態に示した超音波センサは、本発明の超音波センサの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明の超音波センサは、上記各実施形態の様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態などに適宜変更されうる。
Other Embodiments
The ultrasonic sensor shown in each of the above-mentioned embodiments is an example of the ultrasonic sensor of the present invention, and is not limited to the above-mentioned embodiments. For example, the ultrasonic sensor of the present invention can be modified as appropriate to various combinations and forms of the above-mentioned embodiments, and further to other combinations and forms including only one element thereof, more than one element thereof, or less than one element thereof.

例えば、上記各実施形態およびその変形例については、可能な範囲内において、適宜自由に組み合わせてもよい。 For example, the above embodiments and their variations may be freely combined as appropriate within the limits of what is possible.

2・・・超音波素子、25・・・振動部(ダイヤフラム)、3・・・接着材、
4・・・実装基板、41・・・貫通孔、5・・・ケース材、51・・・基材、
511・・・導波管、511a・・・外端、5111・・・第1導波管、
5112・・・第2導波管、54・・・収納空間、6・・・(第1の)共鳴空間、
7・・・(第2の)共鳴空間
2: ultrasonic element, 25: vibration part (diaphragm), 3: adhesive,
4: mounting substrate, 41: through hole, 5: case material, 51: base material,
511... Waveguide, 511a... Outer end, 5111... First waveguide,
5112: second waveguide; 54: storage space; 6: (first) resonance space;
7... (Second) Resonance Space

Claims (13)

所定の駆動周波数で振動可能な振動部(25)を有する超音波素子(2)と、
前記超音波素子が接着材(3)を介して接着され、前記振動部に対応する位置に形成された貫通孔(41)を有する実装基板(4)と、
前記超音波素子および前記実装基板が収納される収納空間(54)と、前記貫通孔および外部の空間を連通する導波管(511)と、を有するケース材(5)と、
前記超音波素子と前記実装基板との間、または前記導波管の少なくとも一方に形成された共鳴空間(6、7)、を備え、
前記共鳴空間は、前記導波管の延設方向に直交する平面における最小寸法が、前記導波管の直径よりも大きく、
前記導波管のうち前記外部の空間の側の端部を外端(511a)とし、前記外端とは反対側の端部を内端として、前記導波管は、前記外端と前記内端との間において、少なくとも1回は前記延設方向が変化する形状である、超音波センサ。
An ultrasonic element (2) having a vibration part (25) capable of vibrating at a predetermined drive frequency;
a mounting substrate (4) to which the ultrasonic element is bonded via an adhesive (3) and which has a through hole (41) formed at a position corresponding to the vibration portion;
A case material (5) having a storage space (54) in which the ultrasonic element and the mounting board are stored, and a waveguide (511) that communicates with the through hole and an external space;
A resonance space (6, 7 ) formed between the ultrasonic element and the mounting substrate or in at least one of the waveguide,
The minimum dimension of the resonance space in a plane perpendicular to the extension direction of the waveguide is greater than a diameter of the waveguide,
An ultrasonic sensor, wherein the end of the waveguide facing the external space is an outer end (511a) and the end opposite the outer end is an inner end, and the waveguide has a shape in which the extension direction changes at least once between the outer end and the inner end .
所定の駆動周波数で振動可能な振動部(25)を有する超音波素子(2)と、
前記超音波素子が接着材(3)を介して接着され、前記振動部に対応する位置に形成された貫通孔(41)を有する実装基板(4)と、
前記超音波素子および前記実装基板が収納される収納空間(54)と、前記貫通孔および外部の空間を連通する導波管(511)と、を有するケース材(5)と、
前記超音波素子と前記実装基板との間、または前記導波管の少なくとも一方に形成された共鳴空間(6、7)と、を備え、
前記共鳴空間は、前記導波管の延設方向に直交する平面における最小寸法が、前記導波管の直径よりも大きく、前記導波管に形成されており、
前記導波管のうち前記共鳴空間よりも前記超音波素子の側に位置する部分を第1導波管(5111)とし、前記共鳴空間よりも前記外部の空間の側に位置する部分を第2導波管(5112)として、前記第2導波管は、前記第1導波管の延長線上とは異なる位置に配置されている超音波センサ。
An ultrasonic element (2) having a vibration part (25) capable of vibrating at a predetermined drive frequency;
a mounting substrate (4) to which the ultrasonic element is bonded via an adhesive (3) and which has a through hole (41) formed at a position corresponding to the vibration portion;
A case material (5) having a storage space (54) in which the ultrasonic element and the mounting board are stored, and a waveguide (511) that communicates with the through hole and an external space;
A resonance space (6, 7) formed between the ultrasonic element and the mounting substrate or in at least one of the waveguide,
The resonance space is formed in the waveguide, and a minimum dimension of the resonance space in a plane perpendicular to an extension direction of the waveguide is larger than a diameter of the waveguide ,
An ultrasonic sensor in which a portion of the waveguide located closer to the ultrasonic element than the resonance space is designated as a first waveguide (5111), and a portion of the waveguide located closer to the external space than the resonance space is designated as a second waveguide (5112), and the second waveguide is positioned at a position different from an extension line of the first waveguide.
前記振動部および前記導波管は、互いに離れて複数形成されると共に、少なくとも一方向に沿って配列されている、請求項1または2に記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 1 , wherein the vibration portion and the waveguide are arranged in a plurality of positions spaced apart from each other and aligned in at least one direction. 所定の駆動周波数で振動可能な振動部(25)を有する超音波素子(2)と、
前記超音波素子が接着材(3)を介して接着され、前記振動部に対応する位置に形成された貫通孔(41)を有する実装基板(4)と、
前記超音波素子および前記実装基板が収納される収納空間(54)と、前記貫通孔および外部の空間を連通する導波管(511)と、を有するケース材(5)と、
前記超音波素子と前記実装基板との間、または前記導波管の少なくとも一方に形成された共鳴空間(6、7)と、を備え、
前記振動部および前記導波管は、互いに離れて複数形成されると共に、少なくとも一方向に沿って配列されており、
前記共鳴空間は、前記導波管の延設方向に直交する平面における最小寸法が、前記導波管の直径よりも大きく、かつ複数の前記振動部または前記導波管に跨っており、少なくとも2以上の前記振動部に対応した共通の空間である超音波センサ。
An ultrasonic element (2) having a vibration part (25) capable of vibrating at a predetermined drive frequency;
a mounting substrate (4) to which the ultrasonic element is bonded via an adhesive (3) and which has a through hole (41) formed at a position corresponding to the vibration portion;
A case material (5) having a storage space (54) in which the ultrasonic element and the mounting board are stored, and a waveguide (511) that communicates with the through hole and an external space;
A resonance space (6, 7) formed between the ultrasonic element and the mounting substrate or in at least one of the waveguide,
The vibration portion and the waveguide are formed in a plurality of locations spaced apart from each other and arranged along at least one direction,
An ultrasonic sensor, wherein the resonance space has a minimum dimension in a plane perpendicular to the extension direction of the waveguide that is greater than the diameter of the waveguide, spans a plurality of the vibration parts or the waveguides, and is a common space corresponding to at least two or more of the vibration parts.
前記共鳴空間は、複数の前記振動部のそれぞれに対応して複数設けられており、
複数の前記共鳴空間のうち少なくとも1つは、他の前記共鳴空間とは形状または寸法が異なっている、請求項3または4に記載の超音波センサ。
The resonance spaces are provided in a plurality of spaces corresponding to the plurality of vibration sections,
5. The ultrasonic sensor according to claim 3 , wherein at least one of the plurality of resonance spaces has a shape or size different from the other resonance spaces.
前記共鳴空間は、前記超音波素子と前記実装基板との間に設けられると共に、前記収納空間に連通している、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の超音波センサ。 An ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the resonance space is provided between the ultrasonic element and the mounting board and is connected to the storage space. 前記共鳴空間のうち前記延設方向に沿った方向の寸法を厚みとし、前記駆動周波数に対応する波長をλとして、前記共鳴空間の厚みは、0.3λ以下である、請求項1ないしのいずれか1つに記載の超音波センサ。 7. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein a dimension of the resonance space in a direction along the extension direction is defined as a thickness, and a wavelength corresponding to the drive frequency is defined as λ, and the thickness of the resonance space is 0.3λ or less. 前記共鳴空間は、前記接着材に形成されている、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の超音波センサ。The ultrasonic sensor according to claim 1 , wherein the resonant space is formed in the adhesive. 前記共鳴空間は、前記導波管に形成されている、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の超音波センサ。8. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the resonant space is formed in the waveguide. 前記共鳴空間には、音波を透過する多孔部材(8)が配置されている、請求項9に記載の超音波センサ。10. The ultrasonic sensor according to claim 9, wherein a porous member (8) that transmits sound waves is disposed in the resonance space. 前記ケース材は、前記導波管を有する基材(51)を備え、
前記基材は、樹脂、金属、セラミックからなる群のうち少なくとも1つまたは2つ以上を組み合わせた複合材である、請求項1ないし10のいずれか1つに記載の超音波センサ。
The case material includes a base material (51) having the waveguide,
11. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the substrate is a composite material made of at least one material selected from the group consisting of resin, metal, and ceramic, or a combination of two or more materials.
前記導波管のうち前記外部の空間の側の端部を外端(511a)とし、前記駆動周波数に対応する波長をλとして、前記外端と前記振動部との直線距離は、nλ/2の式(n:1以上の奇数)で表される値に対して、±10%以内である、請求項1ないし11のいずれか1つに記載の超音波センサ。 12. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein an end of the waveguide facing the external space is an outer end (511a), a wavelength corresponding to the drive frequency is λ, and a linear distance between the outer end and the vibration portion is within ±10% of a value expressed by the formula nλ/ 2 (n: odd number equal to or greater than 1). 前記駆動周波数は、30kHz~100kHzの範囲内である、請求項1ないし12のいずれか1つに記載の超音波センサ。 13. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the drive frequency is in the range of 30 kHz to 100 kHz.
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