JP4367534B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

この発明は、音響整合部材に圧電素子を装着した超音波センサに関する。

従来から、金属、樹脂材料等の基板に圧電素子を装着した超音波センサが知られている。この超音波センサは、超音波の送信が可能な素子から超音波を送信して、被検出体に当たって反射された超音波を、超音波の受信が可能な素子によって受信することにより、周囲にある物体の位置測定または距離測定や、当該物体の２次元形状または３次元形状の測定などを行う。
このような超音波センサには、使用環境における水分などの環境因子による劣化を防ぐための対策が施されているものがある。例えば、特許文献１には、超音波を送受波する圧電振動子と、送受波する超音波の伝達効率を向上させる音響整合層とを備え、硬度が高いバッキング材を充填して圧電振動子及び音響整合層を被覆した超音波探触子が開示されている。
特開平１１−１７８８２３号公報

ここで、上述の超音波探触子では、バッキング材が圧電振動子及び音響整合層の全面を覆って充填されているため、受信した振動の減衰が大きくなり、検出感度が低下したり、被覆材の共振振動によりノイズが増大し検出誤差が生じたりするという問題があった。また、超音波探触子に衝撃や外力が負荷された場合、バッキング材は硬質に形成されているため衝撃を吸収することができず、破壊に至ることがあるという問題があった。更に、バッキング材の熱膨張・熱収縮に起因して、圧電振動子に応力が負荷されて検出誤差が生じるという問題もあった。

そこで、この発明では、超音波の検出感度の低下を伴わずに、使用環境における環境因子、衝撃などによる劣化や破壊を防ぐことができる超音波センサを実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、超音波センサにおいて、被検出体にて反射された超音波を検出する超音波検出素子と、前記被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が、前記被検出体の存在する空間側に露出し、前記受信面で受信した超音波を、前記受信面と対向する面に取り付けられた前記超音波検出素子に伝達する音響整合部材と、前記超音波検出素子と前記音響整合部材とを収容し、所定の物体に配置するための一端が開口した箱状に形成された筐体と、前記音響整合部材と前記筐体の開口部との間に介在して設けられ、前記音響整合部材を前記筐体に固定するとともに、前記所定の物体から前記音響整合部材へ伝達する振動を減衰させる振動減衰部材と、前記超音波検出素子の表面を被覆して使用環境下における環境因子から保護する被覆材と、前記超音波検出素子と前記筐体の内側面との間にのみ介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第１の緩衝材と、を備え、前記第１の緩衝材は、前記超音波検出素子を挟んで対称に設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、被検出体にて反射された超音波を検出する超音波検出素子と、受信した超音波を超音波検出素子に伝達する音響整合部材と、超音波検出素子と音響整合部材とを収容し、所定の物体に配置するための一端が開口した箱状に形成された筐体と、音響整合部材を筐体に固定するとともに、所定の物体から音響整合部材へ伝達する振動を減衰させる振動減衰部材と、を備えた超音波センサが、超音波検出素子と筐体の内側面との間にのみ介在して設けられた第１の緩衝材を備えているため、超音波センサに衝撃が加えられた場合でも、第１の緩衝材により衝撃を吸収することができるので、超音波センサが破壊されるおそれがない。
また、第１の緩衝材は、超音波検出素子とのみ接触しているため、音響整合部材の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサによる超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
第１の緩衝材は、超音波検出素子を挟んで対称に設けられているため、超音波センサに温度変化が生じた場合でも、第１の緩衝材の熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、超音波検出素子を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。
更に、超音波検出素子の表面を被覆する被覆材により、超音波検出素子の使用環境下において、超音波検出素子を劣化させる水分などの環境因子から超音波検出素子を保護することができる。
つまり、超音波の検出感度の低下を伴わずに、使用環境における環境因子、衝撃などによる劣化や破壊を防ぐことができる超音波センサを実現することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の超音波センサにおいて、複数の前記音響整合部材と前記超音波検出素子との組を備え、前記複数の音響整合部材と超音波検出素子との組は、前記各音響整合部材の間及び前記各音響整合部材と前記筐体との間に前記振動減衰部材を介在してアレイ状に配置されて設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明にように、本発明は、複数の音響整合部材と超音波検出素子との組がアレイ状に配置された超音波センサにも適用することができる。当該超音波センサは、複数の音響整合部材と超音波検出素子との組を有するため、各超音波検出素子で受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記各超音波検出素子の間に介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第２の緩衝材を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、第２の緩衝材が各超音波検出素子の間に介在して設けられているため、各超音波検出素子の間隔を一定に保ち、正確に位置決めをすることができるとともに、超音波センサに衝撃が加えられた場合でも、第２の緩衝材により更に衝撃を吸収することができるので、超音波センサが破壊されるおそれがない。
また、第２の緩衝材は、超音波検出素子とのみ接触しているため、音響整合部材の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサによる超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の超音波センサにおいて、前記各超音波検出素子が、前記各超音波検出素子と前記筐体の内側面との間隔と、前記各超音波検出素子の間隔とがそれぞれ等しくなるように配置されている、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明によれば、各超音波検出素子と筐体の内側面との間隔と、各超音波検出素子の間隔とがそれぞれ等しくなるように、各超音波検出素子が配置されているため、第１の緩衝材の幅と、各超音波検出素子間における第２の緩衝材の幅とがそれぞれ等しくなる。これにより、超音波センサに温度変化が生じた場合でも、第１の緩衝材及び第２の緩衝材の横方向への熱膨張量・熱収縮量を等することができるので、各超音波検出素子を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材は、前記超音波検出素子に生じる定在波の節部近傍にのみ形成されている、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明によれば、第１の緩衝材または第２の緩衝材が、超音波検出素子に生じる定在波の節部近傍にのみ形成されているため、第２の緩衝材または第２の緩衝材の拘束による超音波検出素子の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材は、前記超音波検出素子より弾性率が低い材料により形成されている、という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明によれば、第１の緩衝材または第２の緩衝材は、超音波検出素子より弾性率が低い材料により形成されているため、超音波による超音波検出素子の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。これにより、超音波の検出感度を向上させることができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材の共振周波数は、前記超音波検出素子の共振周波数と略一致する、という技術的手段を用いる。

請求項７に記載の発明によれば、第１の緩衝材または第２の緩衝材の共振周波数は、超音波検出素子の共振周波数と略一致するため、超音波検出素子に伝達された超音波振動を増幅することができるので、検出感度を向上させることができる。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材の共振周波数は、前記所定の物体に発生する外乱振動帯域よりも高い、という技術的手段を用いる。

請求項８に記載の発明によれば、第１の緩衝材または第２の緩衝材の共振周波数は、所定の物体に発生する外乱振動帯域よりも高いため、所定の物体から伝達される振動により共振することがなく検出ノイズを低減することができるので、検出精度を向上させることができる。

請求項９に記載の発明では、請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記被覆材と、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材と、が一体的に形成される、という技術的手段を用いる。

請求項９に記載の発明によれば、被覆材と、第１の緩衝材または第２の緩衝材と、を一体的に形成することができる。これによれば、第１の緩衝材または第２の緩衝材が被覆材の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記第１の緩衝材と前記第２の緩衝材とが一体的に形成される、という技術的手段を用いる。

請求項１０に記載の発明によれば、第１の緩衝材と第２の緩衝材とを一体的に形成することができる。これによれば、製造工程を簡略化することができる。

請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記所定の物体は、車両である、という技術的手段を用いる。

請求項１１に記載の発明のように、所定の物体は、車両であり、当該超音波センサを車両に搭載することができる。これにより、超音波センサを車両の周囲にある障害物や人間などを検知する障害物センサなどに適用することができる。

請求項１２に記載の発明では、請求項１１に記載の超音波センサにおいて、前記取付部は、前記車両のヘッドランプカバー、リアランプのカバー、ウインカのカバー、バックランプのカバー、ドアミラー、サイドドア、バックドア、または、バンパに設けられている、という技術的手段を用いる。

請求項１２に記載の発明のように、超音波センサの取付部は、用途に合わせて、各種部材に設けることができる。超音波センサを車両前方の障害物センサなどに適用する場合には、ヘッドランプカバー、または、バンパに設けることができる。超音波センサを車両側方の障害物センサとして用いる場合には、ウインカのカバー、ドアミラー、または、サイドドアに設けることができる。超音波センサを車両後方の障害物センサとして用いる場合には、リアランプのカバー、バックランプのカバー、またはバックドアに設けることができる。

［第１実施形態］
この発明に係る超音波センサの第１実施形態について、図を参照して説明する。ここでは、超音波センサを車両に搭載して障害物センサとして使用する場合を例に説明する。
図１は、超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図２は、緩衝材の変更例の説明図である。
ここで、図１（Ａ）の手前側及び図１（Ｂ）の上方向が車両の外部を示す。なお、各図では、説明のために一部を拡大し、一部を省略して示している。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波センサ１０は、超音波発生素子から車両前方に送信され、車両前方に存在する被検出体（障害物）で反射された超音波を検出する超音波検出素子１１と、超音波を受信し、超音波検出素子１１に対し振動を伝達する音響整合部材１２と、外部からの音響整合部材１２への振動の伝達を防止する振動減衰部材１３と、超音波検出素子１１の表面を被覆して、使用環境下における水分などの環境因子から保護する被覆材１６と、超音波検出素子１１を外力の負荷や衝撃から保護する緩衝材１７と、これらを収容する一端が開口した箱状の筐体３１と、を備えている。

超音波センサ１０は、車両６０（図１０）の所定の位置、本実施形態ではバンパ２０に取り付けられている。バンパ２０には、筐体３１を挿通可能な大きさに貫通形成された取付部２０ａが設けられている。超音波センサ１０は、受信面１２ａをバンパ２０の外部に露出させた状態で、筐体３１の開口部近傍の側面において取付部２０ａに取り付けられている。
音響整合部材１２は、受信面１２ａ近傍の側面１２ｃにおいて、取付部２０ａとの間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材１３を介在して、筐体３１の開口部に固定されている。
超音波検出素子１１は、音響整合部材１２の超音波を受信する受信面１２ａに対向する取付面１２ｂに、接着剤などにより取り付けられている。
緩衝材１７は、超音波検出素子１１と筐体３１の底面３１ａとの間に介在して設けられている。

超音波センサ１０は、図示しない超音波送信素子により送信され、被検出体により反射された超音波を、音響整合部材１２の受信面１２ａにおいて受信する。受信面１２ａにおいて受信された超音波は、音響整合部材１２を介して、超音波検出素子１１に伝達される。超音波検出素子１１に伝達された超音波は、超音波検出素子１１により検出され、電圧信号に変換される。

超音波検出素子１１と電気的に接続された回路素子（図示せず）は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）に電気的に接続されており、超音波検出素子１１から出力される電圧信号に基づいて演算処理を行う。例えば、送信した超音波と受信した超音波との時間差や位相差を求めることにより、障害物との距離測定などを行うことができる。

超音波検出素子１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる四角柱状に形成された圧電体を、対向する面において、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た１組の電極により挟んで形成されている。ここで、超音波検出素子１１を音響整合部材１２の取付面１２ｂに取り付ける取付面１１ａに形成された電極を第１電極１４、取付面１１ａに対向する対向面１１ｂに形成された電極を第２電極１５とする。

音響整合部材１２は、空気より音響インピーダンスが大きく、超音波検出素子１１より音響インピーダンスが小さい材料を用いて、横断面が略正方形の四角柱状に形成されている。
これにより、音響整合部材１２を設けていない場合に比べて、空気との界面における音響インピーダンスの差を小さくすることができるので、空気との界面における超音波の反射を抑制し、入射する超音波を増大させることができる。
本実施形態では、音響整合部材１２は、ポリカーボネート系樹脂またはポリエーテルイミド系樹脂などにより形成されている。ポリカーボネート系樹脂またはポリエーテルイミド系樹脂は弾性率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できる。

音響整合部材１２は、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下、厚さＴが超音波の音響整合部材１２中における波長の１／４となるように形成されている。例えば、超音波の周波数が６５ｋＨｚの場合、幅Ｗが２．６ｍｍ、厚さＴが５ｍｍ程度となる。

音響整合部材１２の厚さＴを超音波の波長の１／４となるように形成することにより、音響整合部材１２内で定在波を発生させることができる。これにより、音響整合部材１２内に入射した超音波と、音響整合部材１２と超音波検出素子１１との界面において反射された超音波とが干渉して互いに打ち消し合うことを低減することができるので、超音波検出素子１１に効率よく超音波を伝達することができる。
なお、音響整合部材１２として樹脂材料を例示しているが、音響インピーダンスの関係及び波長と寸法との関係とを満足すれば、例えば、アルミニウムのような金属材料や、セラミックス、ガラスなどを用いることができる。これらの材料は、樹脂材料同様に、耐候性などの耐環境性を備えており、好適に用いることができる。

音響整合部材１２の形状は、横断面が略正方形の四角柱状に限らず、例えば、円柱でもよい。また、音響整合部材１２の幅Ｗを超音波の波長の半分以下となるように形成することにより、後述する第３実施形態に示すように複数の超音波センサ１０をアレイ状に配置して用いる場合に、音響整合部材１２の中央部の間隔が空気中を伝達する超音波の波長の１／２である検出精度が高い配置を行うことができる。超音波センサ１０をアレイ化しない場合には、音響整合部材１２の幅Ｗは超音波の空気中における波長の半分以下でなくてもよい。この場合においても、音響整合部材として作用する。

音響整合部材１２の側面１２ｃと筐体３１との間には、音響整合部材１２を側面１２ｃにおいて筐体３１に固定するとともに、バンパ２０からの振動の伝達を防止する振動減衰部材１３が介在している。
振動減衰部材１３は、接着材などで音響整合部材１２の側面１２ｃ及び筐体３１の内側面に接着固定されている。

振動減衰部材１３は、音響整合部材１２より音響インピーダンスが小さく、減衰定数が高い材料、例えば、シリコンゴムにより形成されている。更に、音響整合部材１２には、弾性率が低い材料及び密度が小さい材料が好適に用いられる。例えば、ゴム系材料、発泡樹脂などの気孔を含む樹脂、スポンジなどを用いることができる。
このような材料により形成された振動減衰部材１３が、バンパ２０と音響整合部材１２との間に介在することにより、超音波がバンパ２０から取付部２０ａを介して音響整合部材１２の側面１２ｃに伝達されてノイズの原因となることを防止することができる。
また、弾性率が低い材料では、超音波による音響整合部材１２の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。
これにより、超音波のノイズを低減し、振動の減衰を小さくすることができるので、超音波の検出感度を向上させることができる。

なお、振動減衰部材１３を接着する接着剤は、耐水性、耐油性、耐薬品性、耐候性などの耐環境性、を有し、振動減衰部材１３の弾性率に近い材料によることが望ましい。更に、接着強度を高めるために、振動減衰部材１３の接着面または音響整合部材１２の接着面に対して、プライマー処理、紫外線（ＵＶ）による表面処理、コーティングを行うこともできる。

被覆材１６は、超音波検出素子１１の表面の露出している部分を覆って形成されている。被覆材１６は、耐水性、耐油性、耐薬品性などの耐環境性を有する弾性率が低い材料により形成されており、例えば、ウレタンなどの軟質樹脂、ゴム、シリコーンなどのポッティング材、などの高分子材料により形成されている。被覆材１６は、上述の材料を用いて板状などの所定の形状に成形して超音波検出素子１１に貼り付けたり、ゲル状の材料を超音波検出素子１１に塗布したりすることにより形成することができる。
また、被覆材１６は、液状の樹脂材料を超音波検出素子１１に塗布した後に、固化して形成してもよい。この構成によれば、薄く成形することが容易であり、密着性を向上させることができる。
被覆材１６は、環境遮蔽効果を確保できれば、振動の伝達を阻害しないようにできるだけ薄く形成することが好ましい。また、被覆材１６は、第１電極１４の端面を覆って音響整合部材１２側にオーバーラップして形成されているが、振動の減衰を小さくするため、オーバーラップする長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、１ｍｍ以下にすることが好ましい。
超音波検出素子１１に被覆材１６を設けることにより、超音波検出素子１１を劣化させる水分など環境因子を遮断することができるので、超音波の検出精度を確保することができ、信頼性を向上させることができる。

緩衝材１７は、超音波検出素子１１より弾性率の低い材料、例えば、ウレタンなどの軟質樹脂、ゴム、シリコーンなどのポッティング材、などの高分子材料により、横断面が超音波検出素子１１の横断面と同じ形状になるように形成されており、超音波検出素子１１の対向面１１ｂと筐体３１の底面３１ａとの間に介在して設けられている。

このような緩衝材１７を設けることにより、音響整合部材１２の受信面１２ａに小石などの飛来物の衝突などにより衝撃が加えられたような場合でも、緩衝材１７が超音波検出素子１１に伝達された衝撃を吸収するとともに、超音波検出素子１１が筐体３１の底面３１ａ側に向かって変位するのを拘束するため、超音波検出素子１１の割れや、超音波検出素子１１が音響整合部材１２の取付面１２ｂから脱離するような破壊を防ぐことができる。
また、緩衝材１７は超音波検出素子１１より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子１１とのみ接触しているため、音響整合部材１２及び超音波検出素子１１の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ１０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
更に、超音波センサ１０に温度変化が生じた場合でも、緩衝材１７の熱膨張・熱収縮に起因する応力が超音波検出素子１１に負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

緩衝材１７は、弾性率が０．１ＭＰａ〜１０ＧＰａである材料により形成することが好ましい。緩衝材１７を弾性率１０ＧＰａ以下に形成することにより、衝撃を有効に吸収することができる。また、弾性率０．１ＭＰａ以上に形成することにより、車両６０の振動により超音波センサ１０に、例えば、曲げ応力が負荷されるような場合においても、超音波検出素子１１を正しい姿勢に保持することができる。
緩衝材１７は、被覆材１６と同じ材料により形成することもできる。これによれば、緩衝材１７と被覆材１６とを一体的に成形することができ、緩衝材１７が被覆材１６の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。

緩衝材１７は、第２電極１５または底面３１ａのいずれか一方と接着されて固定される。これにより、緩衝材１７の位置ずれが生じるおそれがない。
また、第２電極１５と底面３１ａとの間隔よりも厚く形成された緩衝材１７を用意し、圧縮して第２電極１５と底面３１ａとの間に挿入することにより固定することもできる。緩衝材１７としてポッティング材を用いる場合には、第２電極１５と底面３１ａとの間隙に充填するだけで形成することができる。

緩衝材１７は、その共振周波数が、超音波センサ１０を搭載する機器の外乱振動帯域よりも高くなるように形成することが好ましい。例えば、車両６０に搭載する場合には、１ＫＨｚ以下の周波数帯域で大きな外乱振動が発生するので、緩衝材１７の共振周波数が１ＫＨｚ以上となるようにする。これにより、車両６０から伝達される振動により共振することがなく検出ノイズを低減することができるので、検出精度を向上させることができる。

また、緩衝材１７は、その共振周波数が、超音波検出素子１１の共振周波数と略一致するように形成することが好ましい。これにより、超音波検出素子１１に伝達された超音波振動を増幅することができるので、検出感度を向上させることができる。

（変更例）
緩衝材１７は、上述の効果を奏することができれば、図示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、図２（Ａ）に示すように、超音波検出素子１１の横断面より小さくなるように形成することもできるし、図２（Ｂ）に示すように、底面３１ａの全面に接触するように形成することもできる。

被覆材１６は、超音波検出素子１１の側面以外にも第２電極１５を覆って形成することができる。これにより、より確実に第２電極１５を水分などから保護することができる。

図３は、第１実施形態に係る超音波センサの断面説明図である。図４及び図５は、第１緩衝材の変更例の説明図である。図６は、緩衝材及び第１緩衝材を備えた超音波センサの断面説明図である。

図３に示すように、超音波センサ３０では、筐体３１の内側面３１ｂと超音波検出素子１１の側面１１ｃとの間に、超音波検出素子１１を外力の負荷や衝撃から保護する第１緩衝材２７が介在して設けられている。

第１緩衝材２７は、緩衝材１７と弾性率などの特性が同様の材料により形成されており、被覆材１６を介して筐体３１の内側面３１ｂと超音波検出素子１１の側面１１ｃとの間に設けられている。
第１緩衝材２７は、超音波検出素子１１を挟んで、対向する位置に設けられている。本実施形態のように、超音波検出素子１１が角柱状に形成されている場合には、超音波検出素子１１の対向する１組の側面１１ｃと筐体３１の内側面３１ｂとの間にそれぞれ介在して設けられている。
ここで、超音波検出素子１１の対向する側面１１ｃと筐体３１の内側面３１ｂとの間隙がそれぞれ等しくなることが好ましい。これによれば、第１緩衝材２７の厚さが等しくなり、超音波検出素子１１を挟んで対称に設けられるため、超音波センサ３０に温度変化が生じた場合でも、第１緩衝材２７の熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、超音波検出素子１１を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

このような第１緩衝材２７を設けることにより、音響整合部材１２の受信面１２ａに小石などの飛来物の衝突などにより衝撃が加えられたような場合でも、第１緩衝材２７が超音波検出素子１１に伝達された衝撃を側面１１ｃから吸収するとともに、音響整合部材１２または超音波検出素子１１が、超音波の伝達方向と交差する横方向に変位するのを拘束するため、超音波検出素子１１の割れや、超音波検出素子１１が音響整合部材１２の取付面１２ｂから脱離するような破壊を防ぐことができる。
また、第１緩衝材２７は、超音波検出素子１１より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子１１とのみ接触しているため、音響整合部材１２及び超音波検出素子１１の超音波による振動を大きく阻害することがないので、超音波センサ３０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。

第１緩衝材２７は、緩衝材１７と同様に、弾性率が０．１ＭＰａ〜１０ＧＰａである材料により形成することが好ましい。また、共振周波数に関しても緩衝材１７と同様である。

第１緩衝材２７は、内側面３１ｂまたは被覆材１６を介して超音波検出素子１１のいずれか一方と接着されて固定される。これにより、第１緩衝材２７の位置ずれが生じるおそれがない。
また、超音波検出素子１１と内側面３１ｂとの間隔よりも厚く形成された第１緩衝材２７を用意し、圧縮して超音波検出素子１１と内側面３１ｂとの間に挿入することにより固定することもできる。
第１緩衝材２７として、ポッティング材を用いる場合には、超音波検出素子１１と内側面３１ｂとの間隙に充填するだけで形成することができる。

（変更例）
第１緩衝材２７は、上述の効果を奏することができれば、図３に示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、超音波検出素子１１の側面１１ｃに沿って周状に取り囲む形状に形成することもできる。ここで、第１緩衝材２７は、内周の寸法が超音波検出素子１１の側面１１ｃよりわずかに小さく、外周の寸法が内側面３１ｂよりもわずかに大きい断面「ロ」の字状に形成してもよい。これにより、内周に超音波検出素子１１の側面１１ｃを嵌め込み、外周を筐体３１の内側面３１ｂに嵌め込むことにより、第１緩衝材２７を固定することができる。この構成によれば、第１緩衝材２７を接着する工程が不要である。

図４に示すように、超音波振動により超音波検出素子１１の第２電極１５近傍に生じる定在波の振動の節Ｎの近傍において、第１緩衝材２７を配置することができる。ここで、節Ｎの位置は、超音波振動の伝達方向の振幅が最小となる位置であり、シミュレーションや振幅の実測などにより特定する。
この構成を用いると、第１緩衝材２７の拘束による超音波検出素子１１の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。

超音波検出素子１１の側面１１ｃに突出部または凹部を形成し、第１緩衝材２７に超音波検出素子１１の突出部または凸部に係合する形状の凹部または突出部をそれぞれ形成する構成を採用することもできる。
例えば、図５に示すように、超音波検出素子１１の側面１１ｃに、外方に向かって突出形成された突出部１１ｔが全周にわたり設けられており、この突出部１１ｔを、第１緩衝材２７の内表面に設けられた凹部２７ａにおいて係合する構成を用いることができる。
この構成を用いると、第１緩衝材２７の位置決めの精度を向上させることができるとともに、固定のための接着剤が劣化した場合においても、第１緩衝材２７が超音波検出素子１１から外れるおそれがない。

第１緩衝材２７は、被覆材１６と同じ材料により形成することもできる。これによれば、第１緩衝材２７と被覆材１６とを一体的に成形することができ、第１緩衝材２７が被覆材１６の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
被覆材１６は、第１電極１４の端面を覆って音響整合部材１２側にオーバーラップして形成することもできる。このとき、振動の減衰を小さくするため、オーバーラップする長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、１ｍｍ以下にすることが好ましい。
また、第１緩衝材２７を超音波検出素子１１の側面１１ｃに取り付けた後に、表面が露出した部分にのみ被覆材１６を形成してもよい。

図６（Ａ）に示すように、超音波センサに緩衝材１７及び第１緩衝材２７の両者を設けてもよい。第１緩衝材２７は、緩衝材１７と同じ材料により形成することもできる。
また、図６（Ｂ）に示すように、緩衝材１７及び第１緩衝材２７は一体的に成形することができる。このとき、緩衝材１７と第１緩衝材２７とを同じ材料により形成すると、製造工程を簡略化することができる。

緩衝材１７と第１緩衝材２７とを異なる材料で形成する場合には、別々に成形した緩衝材１７と第１緩衝材２７とを接着剤などにより固定してもよいし、２色成形により一体成形してもよい。ここで、２色成形による成形は、超音波検出素子１１を所定の型の内部に設置し、樹脂材料の射出成形により一体的に形成することにより行われる。これにより、緩衝材１７と第１緩衝材２７とを強固に接合することができる。また、超音波検出素子１１と緩衝材１７及び第１緩衝材２７との接着工程を省略することもできる。

［第１実施形態の効果］
（１）本実施形態の超音波センサ３０によれば、超音波検出素子１１と筐体３１の内側面３１ｂとの間に介在して設けられた第１緩衝材２７を備えているため、超音波センサに衝撃が加えられた場合でも、第１緩衝材２７により衝撃を吸収することができるので、超音波センサ３０が破壊されるおそれがない。
また、第１緩衝材２７は、超音波検出素子１１とのみ接触しているため、音響整合部材１２の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ３０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。
第１緩衝材２７は、超音波検出素子１１より弾性率が低い材料により形成されているため、超音波による超音波検出素子１１の振動を拘束する力が小さいため、超音波振動の減衰を小さくすることができる。これにより、超音波の検出感度を向上させることができる。
第１緩衝材２７の共振周波数が超音波検出素子１１の共振周波数と略一致するように形成すると、超音波検出素子１１に伝達された超音波振動を増幅することができるので、検出感度を向上させることができる。
第１緩衝材２７の共振周波数が車両６０に発生する外乱振動帯域よりも高くなるように形成すると、車両６０から伝達される振動により共振することがなく検出ノイズを低減することができるので、検出精度を向上させることができる。

（２）第１緩衝材２７は、超音波検出素子１１を挟んで対称に設けられているため、超音波センサ３０に温度変化が生じた場合でも、第１緩衝材２７の熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、超音波検出素子１１を偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

（３）第１緩衝材２７が、超音波検出素子１１に生じる定在波の節部Ｎ近傍にのみ形成されているため、第１緩衝材２７の拘束による超音波検出素子１１の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。

［第２実施形態］
この発明に係る超音波センサの第２実施形態について、図を参照して説明する。図７は、第２実施形態に係る超音波センサの説明図である。図７（Ａ）は、第２実施形態に係る超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図であり、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。図８及び図９は、第２緩衝材の変更例の説明図である。
なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を使用するとともに説明を省略する。

本実施形態の超音波センサ４０では、複数組の音響整合部材１２及び超音波検出素子１１がアレイ状に並んで配置されている。図７（Ａ）ないし（Ｃ）に示すように、本実施形態では、縦横方向に２個ずつ計４個の音響整合部材１２（１２ｐ〜１２ｓ）及び超音波検出素子１１（１１ｐ〜１１ｓ）が配置され、被検出体の位置の３次元検知が可能な超音波センサ４０が構成されている。各音響整合部材１２は、各音響整合部材１２間及び各音響整合部材１２と筐体３１との間隙に振動減衰部材１３を介在させて、筐体３１に取り付けられている。各超音波検出素子１１は、図示しない同一の回路素子に電気的に接続されている。

図７（Ｂ）に示すように、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓと底面３１ａとの間には緩衝材１７が設けられている。ここで、緩衝材１７は、図示のように共通な１つの緩衝材として形成しても良いし、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓに対応して個々に形成してもよい。

図７（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓと内側面３１ｂとの間には第１緩衝材２７が設けられている。第１緩衝材２７は、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの側面１１ｃのうち、筐体３１の内側面３１ｂと対向する面を囲んで四角形の環状に形成されている。ここで、第１緩衝材２７は、図示のように共通な１つの緩衝材として形成しても良いし、各超音波検出素子１１に対応して個々に形成してもよい。
本実施形態においても、第１緩衝材２７は、後述する第２緩衝材３７との組合せにより、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間隙には、各間隙の少なくとも一部に、第２緩衝材３７が介在して設けられている。第２緩衝材３７は、緩衝材１７及び第１緩衝材２７と同様の特性を有する材料により、横断面が十字形となるように形成されている。

このような第２緩衝材３７を設けることにより、各超音波検出素子１１を第１緩衝材２７と第２緩衝材３７とにより挟み込んで、各超音波検出素子１１の間隔を一定に保ち、正確な位置決めを行った状態で保持することができる。また、音響整合部材１２の受信面１２ａに小石などの飛来物の衝突などにより衝撃が加えられたような場合でも、第１緩衝材２７及び第２緩衝材３７が超音波検出素子１１に伝達された衝撃を側面１１ｃから吸収するとともに、音響整合部材１２または超音波検出素子１１が、超音波の伝達方向と交差する横方向に変位するのを拘束するため、超音波検出素子１１の割れや、超音波検出素子１１が音響整合部材１２の取付面１２ｂから脱離するような破壊を防ぐことができる。
また、第２緩衝材３７は、超音波検出素子１１より弾性率が低い材料により形成されており、超音波検出素子１１とのみ接触しているため、音響整合部材１２及び超音波検出素子１１の超音波による振動を大きく阻害することがないので、超音波センサ４０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。

第２緩衝材３７は、緩衝材１７及び第１緩衝材２７と同様に、弾性率が０．１ＭＰａ〜１０ＧＰａである材料により形成することが好ましい。また、共振周波数に関しても緩衝材１７及び第１緩衝材２７と同様である。

第２緩衝材３７は、被覆材１６と同じ材料により形成することもできる。これによれば、第２緩衝材３７と被覆材１６とを一体的に成形することができ、第２緩衝材３７が被覆材１６の作用・効果を奏することができるとともに、製造工程を簡略化することができる。

第２緩衝材３７は、超音波検出素子１１の側面１１ｃに接着されて固定される。これにより、第２緩衝材３７の位置ずれが生じるおそれがない。
また、第２緩衝材３７の幅を各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間隔よりも厚く形成して、各超音波検出素子１１の間隙に圧縮して挿入することにより固定することもできる。
第２緩衝材３７として、ポッティング材を用いる場合には、各超音波検出素子１１の間隙に充填するだけで形成することができる。

ここで、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓと筐体３１の内側面３１ｂとの間隔と、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間隔とがそれぞれ等しくなるように、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓを配置することが好ましい。これによれば、第１緩衝材２７の幅と、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓ間における第２緩衝材３７の幅とがそれぞれ等しくなるため、超音波センサ４０に温度変化が生じた場合でも、第１緩衝材２７及び第２緩衝材３７の横方向への熱膨張量・熱収縮量が等しくなるので、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓを偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

超音波センサ４０は、複数組の音響整合部材１２及び超音波検出素子１１を備えることにより、各超音波検出素子１１で受信した超音波の時間差、位相差を求めることによって、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。
ここで、第２緩衝材３７は、弾性率の低い材料により構成されているため、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓ間のクロストークによるノイズ成分を低減することができる。

各音響整合部材１２は、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下となるように形成され、互いに隣り合った各音響整合部材１２の中心部の間隔ｄが、超音波の半波長に等しくなるように配置されている。
このように各音響整合部材１２を構成すると、受信した超音波の位相差からも時間差を検出することができるので、受信した超音波の時間差を精度良く検出することができ、被検出体との距離及び位置の測定精度を向上させることができる。
なお、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下でない場合においても、被検出体の位置の３次元検知に用いることができる。

音響整合部材１２及び超音波検出素子１１の数及び配置は、用途に応じて任意である。例えば、２次元検知を行うなら、音響整合部材１２及び超音波検出素子１１の組を２組用意すればよい。

（変更例）
第２緩衝材３７は、上述の効果を奏することができれば、図７に示した形状に限定されるものではなく、種々の形状に形成することができる。例えば、図８に示すように、隣接する超音波検出素子１１の間隙に個別に設けてもよい。

また、第２緩衝材３７は、緩衝材１７または第１緩衝材２７と一体的に成形することができる。図９（Ａ）は、第２緩衝材３７を緩衝材１７と一体的に成形した例であり、図９（Ｂ）は、第２緩衝材３７を第１緩衝材２７と一体的に成形した例である。このとき、同じ材料により形成すると、製造工程を簡略化することができる。

本実施形態では、緩衝材１７、第１緩衝材２７及び第２緩衝材３７のすべてを備えた超音波センサ４０について示したが、これに限定されるものではない。緩衝材１７、第１緩衝材２７及び第２緩衝材３７のうち、２つの緩衝材を組み合わせて設けてもよい。

第１実施形態の超音波センサ３０の変更例は、第２実施形態の超音波センサ４０にも適用することができる。例えば、第２緩衝材３７を、超音波検出素子１１に生じる定在波の節部Ｎ近傍にのみ形成することができる。これによれば、第２緩衝材３７の拘束による超音波検出素子１１の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。

［第２実施形態の効果］
（１）本実施形態の超音波センサ４０によれば、複数の音響整合部材１２ｐ〜１２ｓと超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓとの組を有するため、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓで受信した超音波の時間差、位相差を求めることにより、その各差に基づいて、被検出体との距離だけでなく、被検出体の位置も測定することができる。
また、第１実施形態の超音波センサ３０と同様の効果を奏することができるとともに、第２緩衝材３７が各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間に介在して設けられているため、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間隔を一定に保ち、正確に位置決めをすることができるとともに、超音波センサ４０に衝撃が加えられた場合でも、第２緩衝材３７により更に衝撃を吸収することができるので、超音波センサ４０が破壊されるおそれがない。
第２緩衝材３７は、超音波検出素子１１とのみ接触しているため、音響整合部材１２の超音波による振動を阻害することがないので、超音波センサ４０による超音波の検出感度を良好な状態に維持することができる。

（２）各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓと筐体３１の内側面３１ｂとの間隔と、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓの間隔とがそれぞれ等しくなるように、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓを配置すると、第１緩衝材２７の幅と、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓ間における第２緩衝材３７の幅とがそれぞれ等しくなるため、超音波センサ４０に温度変化が生じた場合でも、第１緩衝材２７及び第２緩衝材３７の横方向への熱膨張量・熱収縮量を等しくすることができるので、各超音波検出素子１１ｐ〜１１ｓを偏心させる応力が負荷されて検出誤差が生じるおそれがない。

（３）第２緩衝材３７を、超音波検出素子１１に生じる定在波の節部Ｎ近傍にのみ形成すると、第２緩衝材３７の拘束による超音波検出素子１１の振動の減衰を小さくすることができ、超音波の検出感度を向上させることができる。

［その他の実施形態］
（１）超音波センサ１０、３０、４０は、バンパ２０以外の車両６０の部材に取り付けて使用することができる。例えば、図１０に示すように、ヘッドランプカバー２１に取り付けることができる。この構成を用いると、障害物などで反射した超音波が車両の一部に遮られることがないので、確実に超音波センサで検出することができ、障害物センサなどに超音波センサを適用する場合に有効である。
更に、超音波センサの用途に合わせて、他の部材に取り付けることもできる。例えば、超音波センサを車両６０の側方の障害物センサとして用いる場合には、ウインカのカバー２２、ドアミラー２３、サイドドア２８などに取り付けることもできる。車両６０の後方の障害物センサとして用いる場合には、リアランプのカバー２４、バックランプのカバー２５、バックドア２９などに取り付けることもできる。

（２）超音波センサ１０、３０、４０は、自動車以外の用途、例えば、室内で使用するロボットの障害物センサなどに用いることができる。ここで、水分などが超音波センサ１０、３０、４０内に侵入する可能性が低い環境下で用いる場合には、被覆材１６を設けなくてもよい。

（３）超音波検出素子１１として、受信だけでなく、送受信可能な超音波検出素子を用いることもできる。

［各請求項と実施形態との対応関係］
取付面１２ｂが請求項１に記載の対向する面に、第１緩衝材２７が第１の緩衝材にそれぞれ対応する。また、第２緩衝材３７が請求項３に記載の第２の緩衝材に対応する。

超音波センサの説明図である。図１（Ａ）は、超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 第１緩衝材の変更例の説明図である。 第１実施形態に係る超音波センサの断面説明図である。 第１緩衝材の変更例の説明図である。 第１緩衝材の変更例の説明図である。 緩衝材及び第１緩衝材を備えた超音波センサの断面説明図である。 第２実施形態に係る超音波センサの説明図である。図７（Ａ）は、第２実施形態に係る超音波センサを音響整合部材側から見た平面説明図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 第２緩衝材の変更例の説明図である。 第２緩衝材の変更例の説明図である。 超音波センサの車両への搭載位置の説明図である。

符号の説明

１０、３０、４０ 超音波センサ
１１ 超音波検出素子
１２ 音響整合部材
１２ａ 受信面
１２ｂ 取付面（対向する面）
１３ 振動減衰部材
１６ 被覆材
１７ 緩衝材
２０ バンパ
２０ａ 取付部
２７ 第１緩衝材（第１の緩衝材）
３１ 筐体
３１ａ 底面
３１ｂ 内側面
３７ 第２緩衝材（第２の緩衝材）
６０ 車両

Claims (12)

1. 被検出体にて反射された超音波を検出する超音波検出素子と、
   前記被検出体にて反射された超音波を受信する受信面が、前記被検出体の存在する空間側に露出し、前記受信面で受信した超音波を、前記受信面と対向する面に取り付けられた前記超音波検出素子に伝達する音響整合部材と、
   前記超音波検出素子と前記音響整合部材とを収容し、所定の物体に配置するための一端が開口した箱状に形成された筐体と、
   前記音響整合部材と前記筐体の開口部との間に介在して設けられ、前記音響整合部材を前記筐体に固定するとともに、前記所定の物体から前記音響整合部材へ伝達する振動を減衰させる振動減衰部材と、
   前記超音波検出素子の表面を被覆して使用環境下における環境因子から保護する被覆材と、
   前記超音波検出素子と前記筐体の内側面との間にのみ介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第１の緩衝材と、を備え、前記第１の緩衝材は、前記超音波検出素子を挟んで対称に設けられていることを特徴とする超音波センサ。
2. 複数の前記音響整合部材と前記超音波検出素子との組を備え、前記複数の音響整合部材と超音波検出素子との組は、前記各音響整合部材の間及び前記各音響整合部材と前記筐体との間に前記振動減衰部材を介在してアレイ状に配置されて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記各超音波検出素子の間に介在して設けられ、前記超音波検出素子を外力の負荷から保護する第２の緩衝材を備えたことを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記各超音波検出素子が、前記各超音波検出素子と前記筐体の内側面との間隔と、前記各超音波検出素子の間隔とがそれぞれ等しくなるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
5. 前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材は、前記超音波検出素子に生じる定在波の節部近傍にのみ形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
6. 前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材は、前記超音波検出素子より弾性率が低い材料により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波センサ。
7. 前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材の共振周波数は、前記超音波検出素子の共振周波数と略一致することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
8. 前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材の共振周波数は、前記所定の物体に発生する外乱振動帯域よりも高いことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の超音波センサ。
9. 前記被覆材と、前記第１の緩衝材または前記第２の緩衝材と、が一体的に形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の超音波センサ。
10. 前記第１の緩衝材と前記第２の緩衝材とが一体的に形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１つに記載の超音波センサ。
11. 前記所定の物体は、車両であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
12. 前記取付部は、前記車両のヘッドランプカバー、リアランプのカバー、ウインカのカバー、バックランプのカバー、ドアミラー、サイドドア、バックドア、またはバンパに設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波センサ。

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