JP5273097B2

JP5273097B2 - 超音波センサ

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Publication number: JP5273097B2
Application number: JP2010133488A
Authority: JP
Inventors: 杉浦　　真紀子; 貴彦吉田; 泰行奥田; 孝明河合
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: JP2010249834A

Description

本発明は、送信素子から送信され被検出体にて反射された超音波を受信素子により受信して検出する超音波センサに関するものである。

従来より、送信素子から送信され被検出体にて反射された超音波を受信素子により受信して検出する超音波センサとして、例えば、下記特許文献１に開示される超音波センサ装置がある。この超音波センサ装置は、１個の送信素子と４個の受信素子とを備えている。送信素子は、その圧電振動子の電極金属膜に交流電圧が印加されることにより、当該圧電振動子とともにメンブレンが所定の超音波帯周波数で共振して超音波を送信する。この超音波が障害物に反射して各受信素子にて受信される。この受信に応じて各受信素子から出力される受信信号の時間差および位相差から、超音波センサ装置に対する障害物の距離と方位が演算される。

特開２００６−２４２６５０号公報

ところで、周囲の湿度が変化すると、送信素子から送信される超音波が減衰して到達音波の音圧が変化する。上記特許文献１の超音波センサ装置では、送信素子から異なる２つの周波数の超音波を送信し、両超音波における減衰係数の差から湿度を演算し、この演算された湿度を、予め設定された動作湿度の補正に用いている。

上述した湿度補正機能を、音響整合層と圧電素子とを接合して構成される送信素子および受信素子を有する超音波センサに採用する場合、湿度補償機能として、例えば、受信素子における超音波の受信判定に使用する所定の閾値を湿度に応じて補正することにより、超音波検出における湿度の影響をなくすことが考えられる。

しかしながら、周囲の湿度変化に応じて適切に上記所定の閾値を設定する必要があるため、このように適切に閾値を設定できない場合には、例えば、各受信素子が超音波を検知できない状態が生じてしまい、時間差および位相差に誤差が含まれるために、障害物に対する検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、湿度変化による検出精度の低下を抑制し得る超音波センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の超音波センサでは、超音波を発振可能な第１の圧電素子とこの第１の圧電素子により発振された超音波を伝達可能な第１の音響整合部材とを有し被検出体に対して前記超音波の送信を行う送信素子と、前記被検出体にて反射された前記超音波を検出可能な第２の圧電素子とこの第２の圧電素子に前記被検出体にて反射された前記超音波を伝達可能な第２の音響整合部材とを有し前記被検出体にて反射された前記超音波の受信を行う受信素子と、前記第１の圧電素子に前記超音波を発振するための電圧を印加するとともに、前記第２の圧電素子から出力される出力電圧が第１閾値以上である場合に当該受信素子による前記超音波の受信を検知する回路素子と、前記送信素子および前記受信素子の周囲の湿度を検出する湿度検出手段と、前記被検出体を検出可能に設定される距離の往復に相当する伝播距離を伝播したときの前記超音波の音圧を、前記湿度検出手段により検出される前記湿度に基づいて演算し、この音圧に応じて前記第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値が、前記第１閾値より大きく設定される第２閾値よりも小さい場合には前記第１閾値を下げるように調整する閾値調整手段と、を備え、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子のいずれか一方の表面に表面弾性波素子を設け、前記湿度検出手段は、前記表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて前記湿度を検出することを特徴とする。

請求項１の発明では、回路素子は、第１の圧電素子に超音波を発振するための電圧を印加するとともに、第２の圧電素子から出力される出力電圧が第１閾値以上である場合に当該受信素子による超音波の受信を検知する。そして、閾値調整手段は、被検出体を検出可能に設定される距離の往復に相当する伝播距離を伝播したときの超音波の音圧を、湿度検出手段により検出される湿度に基づいて演算し、この音圧に応じて第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値が、第１閾値より大きく設定される第２閾値よりも小さい場合には第１閾値を下げるように調整する。そして、第１の圧電素子および前記第２の圧電素子のいずれか一方の表面に表面弾性波素子が設けられており、湿度検出手段は、表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて湿度を検出する。

送信素子から送信された超音波は、被検出体にて反射されて上記伝播距離を伝播する際、減衰してその音圧が低下する。特に、湿度の変化に伴い超音波がより減衰してその音圧が低下したときには、減衰した超音波に応じて第２の圧電素子から出力電圧が出力されても、この出力電圧が第１閾値を超えないことから本来検知されるべき超音波の受信を検知することができない場合がある。一方、このような未検出をなくすために第１閾値を単純に下げた場合、第２の圧電素子から出力される出力電圧に含まれるノイズ等が第１閾値以上になってしまうと、超音波を受信していないにも関わらず超音波を検知してしまうことになり、検出精度が低下してしまう。

そこで、上記伝播距離を伝播したときの超音波の音圧を、湿度検出手段により検出される湿度に基づいて演算することにより、その湿度状態を考慮した超音波の減衰度合（音圧の減少度合）を推定することができる。そして、この超音波の減衰度合、すなわち、超音波の音圧に応じて第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値に基づいて第１閾値を下げることにより、湿度変化に応じて第１閾値を適切に調整することができる。

特に、閾値調整手段は、上記伝播距離を伝播した超音波の音圧に応じて第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値が、第１閾値より大きく設定される第２閾値よりも小さい場合に、第１閾値を下げるように調整する。出力電圧の振幅値と第１閾値とを直接比較してしまうと、出力電圧が低下した場合に第１閾値を調整する前に検知すべき超音波を検出できない未検出状態が起こりうる。そこで、上述のように第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値と、第１閾値より大きく設定される第２閾値とを比較することにより、上記未検出状態をなくすことができる。
したがって、湿度変化による検出精度の低下を抑制することができる。

特に、表面弾性波素子が第１の圧電素子および第２の圧電素子のいずれか一方の表面に設けられており、湿度検出手段は、上記表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて送信素子および受信素子の周囲の湿度を測定する。表面弾性波素子には通常湿度に応じて変化する膜が設けられており、湿度上昇に伴いこの膜に表面弾性波が吸収されて当該表面弾性波の振幅値が小さくなる。このため、湿度上昇に伴い一方の電極から送信された表面弾性波の振幅値に対して他方の電極にて受信された表面弾性波の振幅値が小さくなる。すなわち、表面弾性波素子における送信時の表面弾性波の振幅値と受信時の表面弾性波の振幅値との差から湿度を測定することができる。

請求項２の発明では、第１の圧電素子は、複数の圧電素子が積層されて形成される。これにより、第１の圧電素子は、高い音圧の超音波を発振することができる。

請求項３の発明では、第２の圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料により形成されている。これにより、音圧が低い超音波の受信をすることができ、受信感度を向上させることができる。

請求項４の発明では、第１の圧電素子および第２の圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系材料により形成されている。これにより、音響整合部材との音響インピーダンスの差が小さくなるので、超音波振動の減衰を小さくすることができる。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系材料は樹脂材料であるため、音響整合部材のインサート成形が容易であり、好適に用いることができる。

請求項５の発明では、受信素子を複数備え、これら複数の受信素子がアレイ状に配置される。これにより、各受信素子にて受信される超音波に基づいて被検出体までの距離や方位角が検出できるので、被検出体の位置の３次元検知を行うことができる。

第１参考例の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。圧電素子からの出力電圧と閾値との関係を示す説明図である。第１参考例における回路素子による閾値調整処理の流れを示すフローチャートの一部である。第１参考例における回路素子による閾値調整処理の流れを示すフローチャートの一部である。第２参考例における超音波センサの断面図である。第２参考例における回路素子による周波数調整処理の流れを示すフローチャートである。第１実施形態における超音波センサの一部断面図である。

［第１参考例］
この発明に係る超音波センサの第１参考例について、図を参照して説明する。ここでは、車両に搭載して障害物センサとして使用する超音波センサを例に説明する。図１は、第１参考例の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。ここで、図１において、図１（Ａ）の手前方向および、図１（Ｂ）の上方向が車両の外部を示す。また、図１（Ａ）の下方向に地面が存在する。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）および（Ｂ）に示すように、超音波センサ１０は、超音波を送信する送信素子１１と、送信素子１１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受信素子１２ｐ、１２ｑ、１２ｒと、超音波の伝達を防止する振動減衰部材１８と、送信素子１１および受信素子１２ｐ、１２ｑ、１２ｒを外力の負荷や衝撃から保護する第１緩衝材１９と、送信素子１１を受信素子１２ｐ〜１２ｒから区画し、超音波の伝達を遮蔽する振動分離部材９０と、超音波の送受信に関する電圧信号の入出力を行う回路素子２０と、受信素子１２ｐ、１２ｑ、１２ｒ、送信素子１１、第１緩衝材１９および振動分離部材９０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。

各受信素子１２ｐ〜１２ｒの構造は同じであるので、ここでは、受信素子１２ｐについて説明する。
受信素子１２ｐは、送信素子１１から発振され、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子１４ｐに振動としての超音波を伝達する音響整合部材１３ｐと、超音波を検出する圧電素子１４ｐとが接合されて形成されている。

圧電素子１４ｐは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、横断面の外形が音響整合部材１３ｐの横断面の外形と等しい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やＡｇ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１５ｐにより挟んで形成されている。

音響整合部材１３ｐは、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子１４ｐより音響インピーダンスが小さいポリカーボネート系樹脂などの耐久性に優れた樹脂材料を用いて形成されている。

音響整合部材１３ｐは、厚さ（超音波の伝達方向の長さ）Ｌが超音波の音響整合部材１３ｐ中における波長λの約１／４となるように形成されている。音響整合部材１３ｐの厚さＬを超音波の波長λの約１／４となるように形成することにより、音響整合部材１３ｐ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１３ｐ内に入射した超音波と、音響整合部材１３ｐと圧電素子１４ｐ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、圧電素子１４ｐに効率よく超音波を伝達することができる。また、音響整合部材１３ｐの幅を、超音波の空気中における波長の半分以下とすることが望ましい。

送信素子１１は、受信素子１２ｐの音響整合部材１３ｐと同一材料を用いて同様に構成された音響整合部材１３と、超音波を発振する積層圧電素子１６とが接合されて形成されている。

積層圧電素子１６は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、横断面の外形が音響整合部材１３の横断面の外形と等しい四角柱状に形成された圧電体に、１組の電極１７が互い違いに櫛歯状に積層形成されて構成されている。これにより、積層圧電素子１６は、複数層の圧電素子が積層形成された形状と等価となり、本参考例では、５層の圧電素子が積層形成された形状となっている。ここで、圧電素子の積層数は、要求する音圧に合わせて可変である。

各圧電素子１４ｐの電極１５ｐおよび積層圧電素子１６の電極１７は、ワイヤ１４ａ、１７ａを介して、それぞれ回路素子２０に電気的に接続されている。この回路素子２０は、車両に設けられたＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：図示せず）に電気的に接続されている。

当該回路素子２０は、超音波を送信する時には、ＥＣＵから出力された、発信する超音波の音圧、位相を制御するための制御信号に基づいて、積層圧電素子１６に対して所定の周波数の電圧信号を出力する（電圧を印加する）。また、回路素子２０は、各圧電素子１４ｐから出力される出力電圧が後述する閾値調整処理により調整された閾値Ｖｓ以上になる場合に、超音波の受信を検知して所定の演算処理を行い、ＥＣＵに対して振動信号として出力する。

回路素子２０による超音波の検知について図２を用いて説明する。図２は、圧電素子１４ｐからの出力電圧Ｖｏと閾値Ｖｓとの関係を示す説明図である。
図２に示すように、回路素子２０から積層圧電素子１６に所定の周波数の入力電圧Ｖｉが印加されることにより送信素子１１から超音波が送信されると、この超音波が被検出体で反射されて各圧電素子１４ｐに受信される。各圧電素子１４ｐは、受信した超音波の音圧に応じた出力電圧をそれぞれ出力する。回路素子２０は、圧電素子１４ｐから出力される出力電圧Ｖｏが閾値Ｖｓ以上になる場合（図２にて点Ｘの位置）に、その圧電素子１４ｐに対する超音波の受信を検知する。なお、閾値Ｖｓは、ノイズ等に影響されないようにノイズ等に起因する電圧よりも十分大きな値に設定される。

送信素子１１の音響整合部材１３および各受信素子１２ｐ〜１２ｒの音響整合部材１３ｐは、超音波の伝達を防止する振動減衰部材１８を介在して、互いに隣り合った各音響整合部材１３、１３ｐの中心部の間隔ｄが、超音波の半波長にほぼ等しくなるようにアレイ状に配置されている。ただし、中心部の間隔は検知エリアの角度に依存するものであり、間隔ｄが半波長より大きい場合でも、角度を検知することはできる。

振動減衰部材１８は、各音響整合部材１３ｐの受信面１３ｊと、音響整合部材１３の送信面１３ｓとを覆って、筐体３１の開口部に固定されている。この構成を用いると、各音響整合部材１３、１３ｐと振動減衰部材１８との界面が外部に露出しないため、接合面を介して水などが侵入することを防止することができるので、超音波センサ１０の信頼性を向上させることができる。筐体３１は、車両の所定の位置、例えば、バンパ１００に各音響整合部材１３、１３ｐが外方に面するように取り付けられている。

振動減衰部材１８は、各音響整合部材１３、１３ｐ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、振動減衰部材１８には、弾性率が低い材料およ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１８が、各音響整合部材１３、１３ｐの間に介在することにより、超音波が各音響整合部材１３、１３ｐの間で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。ここで、振動減衰部材１８のうち受信面１３ｊおよび送信面１３ｓを覆う部分は、超音波の伝達を大きく阻害しないように、例えば、厚さ１ｍｍ以下の厚さに形成されている。

第１緩衝材１９は、積層圧電素子１６および各圧電素子１４ｐより弾性率の低い材料、例えば、ポッティング材により構成されている。この第１緩衝材１９は、送信素子１１の積層圧電素子１６および音響整合部材１３の一部と、各受信素子１２ｐ〜１２ｒの圧電素子１４ｐおよび音響整合部材１３ｐの一部とを囲んで、筐体３１との間に介在して設けられている。なお、第１緩衝材１９は、ウレタンや、ゴム、シリコーンなどの高分子材料により構成されてもよい。

このような第１緩衝材１９を設けることにより、各音響整合部材１３、１３ｐ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１９が送信素子１１および各受信素子１２ｐ〜１２ｒに伝達された衝撃を吸収するとともに、送信素子１１および各受信素子１２ｐ〜１２ｒ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、送信素子１１および受信素子１２ｐ〜１２ｒを保護し、破壊を防ぐことができる。また、積層圧電素子１６および各圧電素子１４ｐ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、信頼性を向上させることができる。

振動分離部材９０は、第１緩衝材１９より弾性率および音響インピーダンスが高い材料により板状に形成されている。当該振動分離部材９０は、送信素子１１と隣接する受信素子１２ｐ、１２ｒとの間に設けられ、筺体３１の底面３１ａから立設されており、一端が振動減衰部材１８により固定されて、送信素子１１を囲むように筐体３１の内部を区画している。ここで、振動分離部材９０の厚さは、積層圧電素子１６から各音響整合部材１３ｐへの超音波の振動の伝達を低減するとともに、振動減衰部材１８において、各音響整合部材１３ｐの振動を阻害しない厚さに設定されている。

このように構成される超音波センサ１０を作動状態にすると、回路素子２０は、ＥＣＵから入力される制御信号に基づいて、各音響整合部材１３、１３ｐの共振周波数ｆ_ｃに等しくなるように調整された周波数の電圧を、送信素子１１の積層圧電素子１６に印加する。この電圧印加に応じて積層圧電素子１６が振動することにより、共振周波数ｆ_ｃに等しい周波数の超音波が音響整合部材１３を介して送信面１３ｓから車両外部へ送信される。

ここで、送信素子１１の積層圧電素子１６は５層に積層形成されているので、例えば、１層だけの圧電素子に比べて、同じ電圧を印加した場合に、５倍の変位、即ち５倍の音圧を得ることができる。つまり、積層圧電素子１６は、高い音圧の超音波を発振することができる。

また、送信素子１１を区画する振動分離部材９０は第１緩衝材１９より弾性率および音響インピーダンスが高い材料により形成されているので、積層圧電素子１６から第１緩衝材１９を介して伝達される超音波を、振動分離部材９０と第１緩衝材１９との界面において反射することができる。これにより、送信素子１１から高い音圧の超音波を発振しても、送信素子１１から各受信素子１２ｐ〜１２ｒに超音波が伝達して発生する振動ノイズを低減することができる。

上述のように送信素子１１から送信された超音波は、被検出体で反射された後、各受信素子１２ｐ〜１２ｒの音響整合部材１３ｐの受信面１３ｊにおいて受信される。例えば、受信素子１２ｐの音響整合部材１３ｐの受信面１３ｊにおいて受信された超音波は、当該音響整合部材１３ｐを介して、圧電素子１４ｐに伝達される。

各圧電素子１４ｐは、伝達された超音波の音圧に応じた出力電圧を回路素子２０にそれぞれ出力する。回路素子２０は、各圧電素子１４ｐから出力される出力電圧の振幅値が後述する閾値調整処理により調整された閾値Ｖｓ以上になる場合に、超音波の受信を検知して所定の演算処理を行い、ＥＣＵに対して振動信号として出力する。

このとき、各受信素子１２ｐ〜１２ｒはアレイ状に配置されているため、送受信間の時間差および受信した超音波の各受信素子１２ｐ〜１２ｒ間での時間差、または位相差を求めることによって、その各差に基づいて、障害物等の被検出体の位置の３次元検知を行うことができる。

また、各受信素子１２ｐ〜１２ｒ間には、振動減衰部材１８が介在しているため、受信素子１３ｐ〜１３ｓごとに超音波を分離して伝達し、検出することができるので、良好なクロストーク特性を得ることができ、超音波の検出精度を向上させることができる。

ここで、上述した回路素子２０により実行される閾値調整処理の流れについて、図３および図４を用いて詳細に説明する。図３および図４は、回路素子２０における閾値調整処理の流れを示すフローチャートである。

まず、図３のステップＳ１０１にて図略の温度センサおよび大気圧センサ等から温度Ｔ、大気圧Ｇおよび飽和蒸気圧Ｇｏを取得すると、ステップＳ１０３において、第１検出用電圧印加処理がなされる。この処理では、送信素子１１の音響整合部材１３および各受信素子１２ｐ〜１２ｒの音響整合部材１３ｐの共通の共振周波数ｆ_ｃよりも僅かに低い周波数（以下、第１周波数ｆ_１ともいう）の第１検出用電圧が送信素子１１の積層圧電素子１６に短い時間の間だけ印加される。この電圧印加に応じて積層圧電素子１６が振動することにより、第１周波数ｆ_１の超音波が音響整合部材１３を介して送信面１３ｓから車両外部へ送信される。なお、第１周波数ｆ_１は、例えば、共振周波数ｆ_ｃに対して３ｋＨｚ低くなるように設定されている。

次に、ステップＳ１０５において、第１振幅値取得処理がなされる。この処理では、ステップＳ１０３にて超音波が送信された後に被検出体にて反射され各音響整合部材１３ｐを介して圧電素子１４ｐに伝達されることによりこの圧電素子１４ｐから出力される出力電圧の振幅値を第１振幅値Ｖ_１として取得する。

圧電素子１４ｐに伝達される超音波の音圧Ｐと、圧電素子１４ｐから出力される出力電圧の振幅値Ｖとの間には、Ｓを素子感度とすると、以下に示す式（４）の関係が成立する。
Ｖ＝Ｓ×Ｐ・・・（４）
そして、超音波は、超音波センサ１０として被検出体を検出可能に設定される距離の往復に相当する伝播距離（以下、伝播距離ｒともいう）を伝播する際に減衰することから、吸収係数ｍと音圧Ｐとの間には以下の式（３）の関係が成立する。
Ｐ＝Ａｅ^−ｍｒ／ｒ・・・（３）
ここで、Ａは、所定の係数であり、例えば、伝播距離ｒ＝０．２ｍにおける既知の初期発振音圧に基づいて設定される。

上記ステップＳ１０５により第１振幅値Ｖ_１が取得されると、ステップＳ１０７において、第１吸収係数演算処理がなされる。この処理では、第１振幅値Ｖ_１に基づいて上記式（３）および式（４）により第１吸収係数ｍ_１を演算する。

このように第１吸収係数ｍ_１が演算されると、ステップＳ１０９において、第２検出用電圧印加処理がなされる。この処理では、共振周波数ｆ_ｃよりも僅かに高い周波数（以下、第２周波数ｆ_２ともいう）の第２検出用電圧が送信素子１１の積層圧電素子１６に短い時間の間だけ印加される。この電圧印加に応じて積層圧電素子１６が振動することにより、第２周波数ｆ_２の超音波が音響整合部材１３を介して送信面１３ｓから車両外部へ送信される。なお、第２周波数ｆ_２は、例えば、共振周波数ｆ_ｃに対して３ｋＨｚ高くなるように設定されている。

上述した第１周波数ｆ_１および第２周波数ｆ_２は、送受信感度を向上させるために、共振周波数ｆ_ｃ近傍にする必要がある。本第１参考例においては、送信素子１１は、音響整合層１３と積層圧電素子１６とを接合して構成されており、この音響整合層１３は、樹脂材料でありＱ値が１０程度である。そのため、例えば、シリコン基板を用いたメンブレン構造の送信素子（上記特許文献１参照）と比べて、Ｑ値が低くなり共振ピークを低くすることができる。このようにして、１つの送信素子１１から共振周波数ｆ_ｃ近傍の異なる２つの周波数（第１周波数ｆ_１および第２周波数ｆ_２）の超音波を送信し易くしている。

次に、ステップＳ１１１において、第２振幅値取得処理がなされる。この処理では、ステップＳ１０９にて超音波が送信された後に被検出体にて反射され各音響整合部材１３ｐを介して圧電素子１４ｐに伝達されることによりこの圧電素子１４ｐから出力される出力電圧の振幅値を第２振幅値Ｖ_２として取得する。

そして、ステップＳ１１３において、第２吸収係数演算処理がなされる。この処理では、上述した第１吸収係数演算処理と同様に、第２振幅値Ｖ_２に基づいて上記式（３）および式（４）により第２吸収係数ｍ_２を演算する。

次に、図４のステップＳ１１５にて湿度演算処理がなされる。この処理では、以下に示す式（２）に第１周波数ｆ_１および第１吸収係数ｍ_１と、第２周波数ｆ_２および第２吸収係数ｍ_２と、温度Ｔとを代入した結果の２式から変数ｋを演算し、この変数ｋおよび大気圧Ｇおよび飽和蒸気圧Ｇｏに基づいて以下に示す式（１）により湿度ｈを演算する。
ｍ＝（３３＋０．２Ｔ）ｆ^２×１０^−１２
＋Ｍｆ／｛ｋ／（２πｆ）＋（２πｆ）／ｋ｝・・・（２）
ｋ＝１．９２×（Ｇｏ／Ｇ×ｈ）^１．３×１０^５・・・（１）
なお、Ｍは、所定の係数である。

上述のように第１周波数ｆ_１および第１吸収係数ｍ_１と、第２周波数ｆ_２および第２吸収係数ｍ_２とから湿度ｈが演算されると、ステップＳ１１７において、吸収係数演算処理がなされる。この処理では、ＥＣＵからの制御信号に基づいて回路素子２０から積層圧電素子１６に印加される電圧の周波数毎に、湿度ｈに基づいて式（１）および式（２）により、吸収係数ｍを演算する。

次に、ステップＳ１１９において、最小出力電圧演算処理がなされる。この処理では、上記ステップＳ１１７にて演算された吸収係数ｍに基づいて、超音波が伝播距離ｒを伝播して圧電素子１４ｐに伝達されたときの音圧Ｐを、上記式（３）により演算する。そして、この音圧Ｐに基づいて上記式（４）により最小出力電圧Ｖｕを演算する。このように、最小出力電圧Ｖｕは、その湿度状態を考慮した超音波の減衰度合（音圧Ｐの減少度合）を推定するように演算される。

上述のように最小出力電圧Ｖｕが演算されると、ステップＳ１２１において、最小出力電圧Ｖｕが閾値Ｖｓに係数αを乗算して大きくした値以下であるか否かについて判定される。最小出力電圧Ｖｕと閾値Ｖｓに係数αを乗算した値とを比較する理由は、最小出力電圧Ｖｕと閾値Ｖｓとを直接比較してしまうと、最小出力電圧Ｖｕが低下した場合に閾値Ｖｓを調整する前に検知すべき超音波を検出できない状態が起こりうるからである。なお、本第１参考例においては、係数αは、２．０に設定されている。また、閾値Ｖｓに係数αを乗算して大きくした値は、特許請求の範囲に記載の「第２閾値」に相当する。

最小出力電圧Ｖｕが閾値Ｖｓにαを乗算した値を超える場合には、閾値Ｖｓの調整の必要がないことから、ステップＳ１２１にてＮｏと判定されて、車両のイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ：図略）がＯＮ状態であり車両が始動状態であれば（Ｓ１２５でＮｏ）、ステップＳ１０１以降の処理が繰り返される。

一方、湿度ｈが変化することにより、最小出力電圧Ｖｕが閾値Ｖｓに係数αを乗算した値以下になると（ステップＳ１２１でＹｅｓ）、ステップＳ１２３にて閾値減少処理がなされる。この処理では、閾値Ｖｓが最小出力電圧Ｖｕを係数βで除算した値と等しくなるように、減少して設定される。なお、本第１参考例では、係数βは、係数αに等しくなるように設定されているが、これに限らず、係数βは、係数αと異なるように設定されてもよい。

このように、湿度ｈを考慮して調整された閾値Ｖｓに基づいて超音波を検知することにより、湿度ｈの変化による超音波センサ１０の検出精度の低下を抑制している。なお、ステップＳ１２３にて閾値Ｖｓを減少させるように設定して所定時間が経過した場合に、閾値Ｖｓを初期値に戻すか、初期値まで漸増させてもよい。そして、ＩＧＳＷがＯＦＦ状態になると、ステップＳ１２５にてＹｅｓと判定されて閾値調整処理を終了する。

以上説明したように、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、回路素子２０は、積層圧電素子１６に超音波を発振するための電圧を印加するとともに、圧電素子１４ｐから出力される出力電圧が閾値Ｖｓ以上である場合に当該受信素子１２ｐ〜１２ｒによる超音波の受信を検知する。そして、回路素子２０は、伝播距離ｒを伝播したときの超音波の音圧Ｐを、上記湿度演算処理により演算される湿度ｈに基づいて演算し、この音圧Ｐから求められる最小出力電圧Ｖｕが、閾値Ｖｓに係数αを乗算した値よりも小さい場合には閾値Ｖｓを下げるように調整する。

これにより、その湿度状態を考慮した超音波の減衰度合（音圧Ｐの減少度合）を推定することができる。そして、この超音波の減衰度合、すなわち、超音波の音圧Ｐから求められる最小出力電圧Ｖｕに応じて閾値Ｖｓを下げるように調整することにより、湿度変化に応じた閾値Ｖｓの適切な調整をすることができる。

特に、上述した閾値調整処理では、伝播距離ｒを伝播した超音波の音圧Ｐから求められる最小出力電圧Ｖｕが、閾値Ｖｓに係数αを乗算して大きくした値よりも小さい場合に、閾値Ｖｓを下げるように調整する。これにより、最小出力電圧Ｖｕと閾値Ｖｓとを直接比較することで、最小出力電圧Ｖｕが低下した場合に閾値Ｖｓを調整する前に検知すべき超音波を検出できない状態をなくすことができる。
したがって、湿度変化による検出精度の低下を抑制することができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、上述した閾値調整処理において、湿度演算処理により演算される湿度ｈに基づいて上記式（１）により変数ｋを演算し、この変数ｋに基づいて上記式（２）により吸収係数ｍを演算し、この吸収係数ｍに基づいて上記式（３）により超音波の音圧Ｐを演算し、この音圧Ｐから求められる最小出力電圧Ｖｕが、閾値Ｖｓに係数αを乗算して大きくした値よりも小さい場合には閾値Ｖｓを下げるように調整する。

このように、上記湿度演算処理により演算される湿度ｈに加えて超音波の周波数ｆ、温度Ｔ、飽和蒸気圧Ｇｏ、大気圧Ｇ等に基づいて、上記式（１）〜（３）により上記伝播距離ｒを伝播した超音波の音圧Ｐを演算することにより、超音波の減衰度合（音圧の減少度合）を推定することができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、回路素子２０は、第１周波数ｆ_１の電圧を短時間積層圧電素子１６に印加し、この印加により送信素子１１から送信された超音波が圧電素子１４ｐに伝達されたときの第１振幅値Ｖ_１から求められる音圧Ｐから上記式（３）により第１吸収係数ｍ_１を演算する。また、回路素子２０は、第２周波数ｆ_２の電圧を短時間積層圧電素子１６に印加し、この印加により送信素子１１から送信された超音波が圧電素子１４ｐに伝達されたときの第２振幅値Ｖ_２から求められる音圧Ｐから上記式（３）により第２吸収係数ｍ_２を演算する。そして、回路素子２０は、第１周波数ｆ_１および第１吸収係数ｍ_１を上記式（２）に代入して得られる変数ｋに関する式と、第２周波数ｆ_２および第２吸収係数ｍ_２を上記式（２）に代入して得られる変数ｋとに関する式と、上記式（１）に基づいて湿度ｈを演算する。

これにより、湿度センサ等の特別な部材を設けることなく、湿度ｈを検出することができる。また、第１周波数ｆ_１および第２周波数ｆ_２は、音響整合部材１３の共振周波数ｆ_ｃ近傍になっているので、湿度検出の際の送信感度を向上させることができる。その結果、湿度を検出するための製造コストの増大を抑制することができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、送信素子１１の音響整合部材１３は、樹脂材料により形成される。このため、例えば、シリコン基板を用いたメンブレン構造の送信素子（上記特許文献１参照）と比べて、Ｑ値が低くなり共振ピークを低くすることができる。これにより、１つの送信素子１１から音響整合部材１３の共振周波数ｆ_ｃ近傍の異なる２つの周波数（第１周波数ｆ_１および第２周波数ｆ_２）の超音波を送信し易くすることができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、積層圧電素子１６は複数の圧電素子が積層されて形成されている。これにより、積層圧電素子１６は、高い音圧の超音波を発振することができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０では、圧電素子１４ｐは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料により形成されている。これにより、音圧が低い超音波の受信をすることができ、受信感度を向上させることができる。

また、本第１参考例に係る超音波センサ１０は、複数の受信素子１２ｐ〜１２ｒを備え、各受信素子１２ｐ〜１２ｒがアレイ状に配置される。これにより、各受信素子１２ｐ〜１２ｒにて受信される超音波に基づいて被検出体までの距離や方位角が検出できるので、被検出体の位置の３次元検知を行うことができる。

［第２参考例］
次に、本発明の第２参考例に係る超音波センサについて図５および図６を参照して説明する。図５は、第２参考例における超音波センサ１０の断面図である。図６は、第２参考例における回路素子２０による周波数調整処理の流れを示すフローチャートである。

本第２参考例に係る超音波センサ１０では、第１緩衝材１９の誘電率を検出するための一対の電極４１が新たに設けられるとともに、回路素子２０における閾値調整処理を図３および図４に示すフローチャートに代えて、図６に示すフローチャートに基づいて行う点が、上記第１参考例に係る超音波センサと異なる。したがって、第１参考例の超音波センサと実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、第１緩衝材１９内には一対の電極４１の一部が互いに離間した状態で埋設されている。両電極４１は、ワイヤ４１ａを介して、回路素子２０にそれぞれ電気的に接続されており、当該回路素子２０は、両電極４１間の静電容量から第１緩衝材１９の誘電率を検出する機能を有する。

以下、本第２参考例における回路素子２０における閾値調整処理を図６に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図６のステップＳ１０１にて、温度Ｔ、大気圧Ｇおよび飽和蒸気圧Ｇｏを取得すると、ステップＳ１１５ａにおいて、湿度測定処理がなされる。この処理では、第１緩衝材１９に埋設された両電極４１間の静電容量から第１緩衝材１９の誘電率を検出する。第１緩衝材１９を構成するポッティング材の誘電率は、３〜６程度であり、水の誘電率は８０程度である。そうすると、湿度ｈが上昇すると、この湿度上昇に応じて誘電率も上昇する。このため、第１緩衝材１９の誘電率に基づいて湿度ｈを測定することができる。

このように湿度ｈが測定されると、この湿度ｈに基づいて、上記第１参考例と同様に、ステップＳ１１７以降の処理がなされて、閾値Ｖｓが湿度ｈに応じて適切に調整されることとなる。

以上説明したように、本第２参考例に係る超音波センサ１０では、第１緩衝材１９に埋設された両電極４１間の誘電率に基づいて湿度ｈを測定する。このように、湿度センサ等の特別な部材を設けることなく当該第１緩衝材１９に互いに離間した状態で埋設させた一対の電極を設けるだけでよく、湿度測定に関する製造コストの増大を抑制することができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る超音波センサについて図７を参照して説明する。図７は、第１実施形態における超音波センサ１０の一部断面図である。なお、説明の便宜上、ＳＡＷ素子５０が設けられる圧電素子１４ｐの部位のみ断面でない状態を示している。

本第１実施形態に係る超音波センサ１０では、上述した一対の電極４１に代えて、表面弾性波素子（以下、ＳＡＷ素子５０ともいう）を採用している点が、上記第２参考例に係る超音波センサと異なる。したがって、第２参考例の超音波センサと実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

図７に示すように、ＳＡＷ素子５０は、櫛歯状の一対の電極である電極５１および電極５２を備え、両電極５１、５２が所定の距離離間するように圧電素子１４ｐの表面に設けられている。両電極５１、５２は、図略のワイヤを介して、回路素子２０にそれぞれ電気的に接続されている。

ＳＡＷ素子５０は、回路素子２０からの制御信号に応じて、電極５１から所定の周波数の表面弾性波を発生させ、圧電素子１４ｐの表面を伝わる表面弾性波を電極５２にて受信して所定の電気信号を出力する機能を有する。また、ＳＡＷ素子５０には通常湿度に応じて変化する膜が設けられており、湿度上昇に伴いこの膜に表面弾性波が吸収されて当該表面弾性波の振幅値が小さくなる。

以下、本第１実施形態における回路素子２０における閾値調整処理を図６に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図６のステップＳ１０１にて、温度Ｔ、大気圧Ｇおよび飽和蒸気圧Ｇｏを取得すると、ステップＳ１１５ａにおいて、湿度測定処理がなされる。この処理では、上記第２参考例と異なり、回路素子２０からの制御信号に応じてＳＡＷ素子５０における両電極５１、５２間にて送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて、湿度ｈを測定する。

ＳＡＷ素子５０には湿度に応じて変化する膜が設けられていることから、湿度上昇に伴い電極５１から送信された表面弾性波の振幅値に対して電極５２にて受信された表面弾性波の振幅値が小さくなる。すなわち、ＳＡＷ素子５０における送信時の表面弾性波の振幅値と受信時の表面弾性波の振幅値との差から湿度ｈを測定することができる。

このように湿度ｈが測定されると、上記第２参考例と同様にステップＳ１１７以降の処理がなされ、閾値Ｖｓが湿度ｈに応じて適切に調整されることとなる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る超音波センサ１０では、ＳＡＷ素子５０が圧電素子１４ｐの表面に設けられている。ＳＡＷ素子５０の両電極５１、５２間において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて湿度ｈが測定される。このように湿度ｈを測定してもよい。

なお、ＳＡＷ素子５０を圧電素子１４ｐ以外の素子等の表面に設けて、ＳＡＷ素子５０において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて湿度ｈを測定してもよい。

なお、本発明は上記実施形態および参考例に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記実施形態および参考例と同等の作用・効果が得られる。
（１）積層圧電素子１６および各圧電素子１４ｐは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により形成されることに限らず、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系材料により形成されてもよい。これにより、各音響整合部材１３、１３ｐとの音響インピーダンスの差が小さくなるので、超音波振動の減衰を小さくすることができる。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系材料は樹脂材料であるため、各音響整合部材１３、１３ｐのインサート成形が容易であり、好適に用いることができる。

（２）上記実施形態および参考例では、振動減衰部材１８により受信面１３ｊおよび送信面１３ｓが覆われているが、これに限定されるものではない。例えば、振動減衰部材１８は、受信面１３ｊおよび送信面１３ｓ近傍の側面において、各音響整合部材１３、１３ｐを固定し、受信面１３ｊおよび送信面１３ｓを外部に露出させる構成を採用することもできる。また、この構成において露出した受信面１３ｊおよび送信面１３ｓを塗料などの別部材により被覆してもよい。

（３）振動分離部材９０は、筐体３１と一体的に形成することもできる。これによれば、部品点数を低減することができるとともに、振動分離部材９０の位置精度を向上させることができる。

（４）各音響整合部材１３、１３ｐ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。これによれば、各音響整合部材１３、１３ｐの不要振動を抑制することができる。

（５）送信素子および受信素子の数および配置は、用途に応じて任意である。例えば、距離検知を行うなら、送信素子と受信素子を１個ずつ配置すればよい。また、角度検知を行うなら、送信素子１個と受信素子２個を配置すればよい。これにより、受信素子を配置した方向の角度検知を行うことができる。

１０…超音波センサ
１１…送信素子
１２ｐ、１２ｑ、１２ｒ…受信素子
１３…音響整合部材（第１の音響整合部材）
１３ｐ…音響整合部材（第２の音響整合部材）
１４ｐ…圧電素子（第２の圧電素子）
１６…積層圧電素子（第１の圧電素子）
２０…回路素子（湿度検出手段、閾値調整手段）
４１…電極（湿度検出手段）
５０…ＳＡＷ素子（表面弾性波素子）
ｈ…湿度
Ｐ…音圧
ｒ…伝播距離
Ｖｓ…閾値
Ｖｕ…最小出力電圧

Claims

超音波を発振可能な第１の圧電素子とこの第１の圧電素子により発振された超音波を伝達可能な第１の音響整合部材とを有し被検出体に対して前記超音波の送信を行う送信素子と、
前記被検出体にて反射された前記超音波を検出可能な第２の圧電素子とこの第２の圧電素子に前記被検出体にて反射された前記超音波を伝達可能な第２の音響整合部材とを有し前記被検出体にて反射された前記超音波の受信を行う受信素子と、
前記第１の圧電素子に前記超音波を発振するための電圧を印加するとともに、前記第２の圧電素子から出力される出力電圧が第１閾値以上である場合に当該受信素子による前記超音波の受信を検知する回路素子と、
前記送信素子および前記受信素子の周囲の湿度を検出する湿度検出手段と、
前記被検出体を検出可能に設定される距離の往復に相当する伝播距離を伝播したときの前記超音波の音圧を、前記湿度検出手段により検出される前記湿度に基づいて演算し、この音圧に応じて前記第２の圧電素子から出力される出力電圧の振幅値が、前記第１閾値より大きく設定される第２閾値よりも小さい場合には前記第１閾値を下げるように調整する閾値調整手段と、を備え、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子のいずれか一方の表面に表面弾性波素子を設け、
前記湿度検出手段は、前記表面弾性波素子において送受信される表面弾性波の周波数変化に基づいて前記湿度を検出することを特徴とする超音波センサ。
前記第１の圧電素子は、複数の圧電素子が積層されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
前記第２の圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波センサ。
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波センサ。
前記受信素子を複数備え、これら複数の前記受信素子がアレイ状に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波センサ。