(57)【要約】【課題】超音波素子を良好に保護する。【解決手段】超音波センサ（１）は、素子収容ケース（４）と超音波素子（５０）とを備える。素子収容ケースは、内部に閉鎖空間（ＳＣ）を有する箱状に形成されている。超音波素子は、閉鎖空間内に収容されている。素子収容ケースは、指向軸（ＤＡ）を囲む筒状に形成された側板部（４１）と、閉鎖空間内に水が浸入しないように側板部の一端側を閉塞する外側底板部（４２）とを有する。素子収容ケースにおける外側底板部は、指向軸に沿った厚さ方向を有するダイアフラム部（４５）を有する。超音波素子は、閉鎖空間を構成するギャップ（Ｇ）を隔ててダイアフラム部と対向配置されている。超音波センサは、超音波素子の共振周波数である第一共振周波数と、ダイアフラム部の共振周波数である第二共振周波数とが、一致するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサ（１）であって、
内部に閉鎖空間（ＳＣ）を有する箱状に形成されていて、指向軸（ＤＡ）を囲むように形成された側板部（４１）と前記側板部の一端側を閉塞する外側底板部（４２）とを有する、素子収容ケース（４）と、
前記閉鎖空間内に収容されていて、電気信号と超音波振動との変換機能を有する、超音波素子（５０）と、
を備え、
前記素子収容ケースにおける前記外側底板部は、前記指向軸に沿った厚さ方向を有するダイアフラム部（４５）を有し、
前記超音波素子は、前記閉鎖空間を構成するギャップ（Ｇ）を隔てて前記ダイアフラム部と対向配置され、
前記超音波素子の共振周波数である第一共振周波数と、前記ダイアフラム部の共振周波数である第二共振周波数とが、一致するように構成された、
超音波センサ。
【請求項２】
前記素子収容ケースは、前記閉鎖空間を気密且つ液密に密閉するように形成された、
請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記第一共振周波数と前記第二共振周波数との差をΔｆｒとし、前記超音波素子の共振帯である第一共振帯と前記ダイアフラム部の共振帯である第二共振帯とのうちの広い方の帯域幅をＢＷとすると、Δｆｒ≦ＢＷとなるように構成された、
請求項１または２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記超音波素子は、前記指向軸に沿った厚さ方向を有していて前記ギャップを隔てて前記外側底板部と対向配置された半導体基板（５１）に設けられたＭＥＭＳ型素子である、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記半導体基板における前記ギャップと対向する表面であるギャップ対向面（５２）の、前記指向軸と交差する面内方向における全体が、前記外側底板部と非接触となるように、前記半導体基板が前記外側底板部から離隔して配置された、
請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記素子収容ケースは、前記側板部の他端側を閉塞する内側底板部（４３）をさらに備え、
前記半導体基板は、前記内側底板部によって固定的に支持された、
請求項５に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラム部における超音波振動が前記ギャップ内の媒体における超音波振動を介して伝播するように前記ギャップを隔てて前記ダイアフラム部と対向配置されることで、前記ダイアフラム部における前記第二共振周波数の変化を検出するように、前記半導体基板に設けられた検出素子（５０２）をさらに備えた、
請求項４〜６のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記超音波素子は、前記半導体基板に設けられた複数の前記ＭＥＭＳ型素子のうちの１つであり、
前記検出素子は、前記半導体基板に設けられた複数の前記ＭＥＭＳ型素子のうちの他の１つである、
請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記超音波素子は、
前記指向軸に沿った厚さ方向を有していて前記ギャップを隔てて前記ダイアフラム部と対向配置された振動板部（５４）と、
前記振動板部における応力状態に応じた出力を発生するように前記振動板部に設けられた素子側検出部（５７２）と、
を有する、
請求項１〜８のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記超音波素子は、前記ダイアフラム部における前記第二共振周波数の変化を前記素子側検出部により検出するように構成された、
請求項９に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記超音波素子における前記第一共振周波数を可変に構成された素子周波数変更部（５７１）をさらに備えた、
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記ダイアフラム部における応力状態に応じた出力を発生するように前記ダイアフラム部に設けられたダイアフラム側検出部（４９１）をさらに備えた、
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記ダイアフラム部における前記第二共振周波数を可変に構成されたダイアフラム周波数変更部（４９２）をさらに備えた、
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１４】
前記素子収容ケースにおける、前記ギャップに面する表面である内面（４０ａ）には、突起（４７０）が形成された、
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１５】
前記ギャップには、空気よりも粘性が高い粘性流体（４８０）が充填された、
請求項１〜１４のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１６】
車両（Ｖ）における車体（Ｖ１）に装着された車載状態にて、前記外側底板部における前記指向軸と交差する外表面である頂面（３ｂ）が前記車体の外板（Ｖ３）に設けられた貫通孔（Ｖ５）から外部空間（ＳＤ）に露出するように構成され、
前記外側底板部は、厚さが０．５ｍｍ以上に形成された、
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の超音波センサは、ケースと圧電素子とを備えている。ケースは、底部と側壁部とを有する有底筒状に形成されている。圧電素子は、ケースの底部に貼り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５０３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような構成を有する超音波センサにおいて、圧電素子等の超音波素子を収容するケースは、検知対象が存在する外部空間に露出される。具体的には、例えば、超音波センサは、車両に搭載する場合、車載状態にて、車両におけるバンパー等の外壁部に装着される。このため、ケースに小石等の固い異物が衝突する場合がある。
【０００５】
この場合、従来の超音波センサにおいては、ケースに貼り付けられた超音波素子にクラックが発生したり、超音波素子がケースから剥離したりする懸念があった。特に、ＭＥＭＳ型の超音波素子を用いた場合、かかる素子をケースの底部に貼り付けると、素子が破損しやすくなる。ＭＥＭＳはMicro  Electro  Mechanical  Systemの略である。
【０００６】
本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、例えば、超音波素子を良好に保護することが可能な構成を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の超音波センサ（１）は、
内部に閉鎖空間（ＳＣ）を有する箱状に形成されていて、指向軸（ＤＡ）を囲むように形成された側板部（４１）と前記側板部の一端側を閉塞する外側底板部（４２）とを有する、素子収容ケース（４）と、
前記閉鎖空間内に収容されていて、電気信号と超音波振動との変換機能を有する、超音波素子（５０）と、
を備え、
前記素子収容ケースにおける前記外側底板部は、前記指向軸に沿った厚さ方向を有するダイアフラム部（４５）を有し、
前記超音波素子は、前記閉鎖空間を構成するギャップ（Ｇ）を隔てて前記ダイアフラム部と対向配置され、
前記超音波素子の共振周波数である第一共振周波数と、前記ダイアフラム部の共振周波数である第二共振周波数とが、一致するように構成されている。
【０００８】
上記構成において、前記超音波素子は、前記素子収容ケースの内部に形成された前記閉鎖空間内に収容されている。前記素子収容ケースにおける前記側板部の前記一端側は、前記ダイアフラム部を有する前記外側底板部によって閉塞されている。このため、前記超音波素子は、前記外側底板部によって良好に保護される。
【０００９】
また、前記超音波素子は、前記閉鎖空間を構成する前記ギャップを隔てて前記ダイアフラム部と対向配置されている。このため、超音波振動は、前記ギャップ内の媒体（例えば空気）を介して、前記超音波素子と前記ダイアフラムとの間を伝播する。ここで、前記超音波センサは、前記超音波素子の共振周波数である前記第一共振周波数と、前記ダイアフラム部の共振周波数である前記第二共振周波数とが、一致するように構成されている。したがって、前記超音波素子と前記ダイアフラム部との間の超音波振動の伝播効率が良好となる。
【００１０】
このように、上記構成によれば、前記超音波素子を良好に保護しつつ、前記超音波センサの外部空間と前記超音波素子との間の超音波振動の伝播を良好に実現することが可能となる。
【００１１】
なお、出願書類中の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付されている場合がある。この場合、参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的構成との対応関係の単なる一例を示すものである。よって、本発明は、参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る超音波センサを搭載した車両の外観を示す斜視図である。
【図２】図１に示された超音波センサの周囲を拡大して示す部分断面図である。
【図３】図２に示された超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図４Ａ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図４Ｃ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図４Ｄ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図４Ｅ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ａ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ｃ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ｄ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ｅ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図５Ｆ】ダイアフラム部の共振周波数と超音波素子の共振周波数とのズレ量に関する計算結果を示すグラフである。
【図６】第二実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図７】第三実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図８】第四実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図９】第五実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１０】第六実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１１】第七実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１２】第八実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１３】第九実施形態に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１４】第十実施形態に係る超音波素子の概略構成を示す断面図である。
【図１５】第十一実施形態に係る超音波素子の概略構成を示す断面図である。
【図１６】一変形例に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【図１７】他の一変形例に係る超音波マイクロフォンの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると、当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中には挿入せず、その後にまとめて説明する。
【００１４】
（車載構成）
図１を参照すると、本実施形態においては、超音波センサ１は、車両Ｖを装着対象とする車載型のクリアランスソナーとしての構成を有している。すなわち、超音波センサ１は、車両Ｖに搭載されることで、当該車両Ｖの周囲に存在する物体を検知可能に構成されている。
【００１５】
車両Ｖは、いわゆる四輪自動車であって、箱状の車体Ｖ１を備えている。車体Ｖ１には、外板を構成する車体部品である、車体パネルＶ２、フロントバンパーＶ３、およびリアバンパーＶ４が装着されている。フロントバンパーＶ３は、車体Ｖ１の前端部に設けられている。リアバンパーＶ４は、車体Ｖ１の後端部に設けられている。
【００１６】
超音波センサ１は、フロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４に装着されることで、車両Ｖの前方および後方に存在する物体を検知するようになっている。超音波センサ１が、車両Ｖにおける車体Ｖ１に設けられたフロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４に装着された状態を、以下「車載状態」と称する。
【００１７】
具体的には、車載状態にて、フロントバンパーＶ３には、複数（例えば４個）の超音波センサ１が装着されている。フロントバンパーＶ３に装着された複数の超音波センサ１は、それぞれ、車幅方向における異なる位置に配置されている。同様に、リアバンパーＶ４にも、複数（例えば４個）の超音波センサ１が装着されている。フロントバンパーＶ３およびリアバンパーＶ４には、超音波センサ１を装着するための貫通孔である装着孔Ｖ５が設けられている。
【００１８】
（第一実施形態）
図２は、フロントバンパーＶ３に取り付けられた複数の超音波センサ１のうちの１個を、車載状態にて示している。以下、図２および図３を参照しつつ、第一実施形態に係る超音波センサ１の構成について説明する。
【００１９】
図２を参照すると、フロントバンパーＶ３は、バンパー外面Ｖ３１とバンパー裏面Ｖ３２とを有している。バンパー外面Ｖ３１は、フロントバンパーＶ３の外表面であって、車両Ｖの外側の空間である外部空間ＳＤに面するように設けられている。バンパー裏面Ｖ３２は、バンパー外面Ｖ３１の裏側に設けられている。装着孔Ｖ５は、バンパー外面Ｖ３１およびバンパー裏面Ｖ３２にて開口することで、フロントバンパーＶ３を厚さ方向に貫通するように設けられている。
【００２０】
超音波センサ１は、超音波を送受信可能に構成されている。すなわち、超音波センサ１は、超音波である探査波を指向軸ＤＡに沿って外部空間ＳＤに向けて送信するように構成されている。「指向軸」とは、超音波センサ１から超音波の送受信方向に沿って延びる仮想直線であって、指向角の基準となるものである。「指向軸」は指向中心軸あるいは検出軸とも称され得る。また、超音波センサ１は、周囲に存在する物体による探査波の反射波を含む受信波を外部空間ＳＤから受信して、受信結果に基づく検知信号を発生および出力するように構成されている。
【００２１】
説明の便宜上、図示の通りに、Ｚ軸が指向軸ＤＡと平行となるように右手系ＸＹＺ直交座標系を設定する。このとき、指向軸ＤＡと平行な方向を「指向軸方向」と称する。「指向軸方向における先端側」は、探査波の送信方向側であり、図２および図３における上側すなわちＺ軸正方向側に対応する。これに対し、「指向軸方向における基端側」は、図２および図３における下側すなわちＺ軸負方向側に対応する。
【００２２】
或る構成要素の指向軸方向における基端側の端部を「基端部」と称し、指向軸方向における先端側の端部を「先端部」と称する。また、指向軸方向と直交する任意の方向を「面内方向」と称する。「面内方向」は、図２および図３における、ＸＹ平面と平行な方向である。「面内方向」は、場合によっては、「径方向」とも称され得る。「径方向」は、指向軸ＤＡと直交する仮想平面と指向軸ＤＡとの交点を起点として当該仮想平面内に半直線を描いた場合に、当該半直線が延びる方向である。
【００２３】
超音波センサ１は、センサケース２と超音波マイクロフォン３とを備えている。センサケース２は、超音波センサ１の筐体を構成する部品あるいは部品群であって、絶縁性合成樹脂によって形成されている。具体的には、センサケース２は、ケース本体部２ａと、センサ側コネクタ２ｂと、マイクロフォン収容部２ｃとを有している。
【００２４】
ケース本体部２ａは、箱状に形成されている。ケース本体部２ａの内側には、不図示の制御回路基板等が収容されている。センサ側コネクタ２ｂは、ケース本体部２ａから指向軸ＤＡと交差する方向に延設されている。センサ側コネクタ２ｂは、ＥＣＵ等の外部装置に対する電気接続用ワイヤハーネスに設けられた不図示のワイヤ側コネクタと着脱可能に構成されている。ＥＣＵはElectronic  Control  Unitの略である。
【００２５】
マイクロフォン収容部２ｃは、指向軸ＤＡを囲む略円筒状の部分であって、ケース本体部２ａから指向軸方向における先端側に向かって突設されている。車載状態にて、マイクロフォン収容部２ｃの先端部は、装着孔Ｖ５の内壁面と密着するように、装着孔Ｖ５内に収容されている。
【００２６】
（超音波マイクロフォン）
マイクロフォン収容部２ｃ内には、超音波マイクロフォン３が収容されている。超音波マイクロフォン３は、略円柱状の外形形状を有するように構成されている。すなわち、超音波マイクロフォン３の側方外壁面３ａは、円柱面状に形成されている。
【００２７】
マイクロフォン収容部２ｃの内壁面と、超音波マイクロフォン３の側方外壁面３ａとの間には、不図示のスリーブ部材が設けられている。かかるスリーブ部材は、絶縁性且つゴム弾性を有するシリコーンゴム等によって形成されている。すなわち、マイクロフォン収容部２ｃの内壁面と側方外壁面３ａとの間の隙間は、上記のスリーブ部材によって、水が浸入困難にシールされている。
【００２８】
超音波マイクロフォン３は、車載状態にて、頂面３ｂが装着孔Ｖ５から外部空間ＳＤに露出するように、マイクロフォン収容部２ｃに収容されている。超音波マイクロフォン３の頂面３ｂは、指向軸ＤＡと交差する外表面であって、平坦な円形の平面として形成されている。具体的には、本実施形態においては、頂面３ｂは、指向軸ＤＡと直交するように設けられている。頂面３ｂは、探査波が外部空間ＳＤに放射される表面であり、且つ、受信波が当たる表面でもある。このため、頂面３ｂは、「送受信面」とも称される。
【００２９】
図３を参照すると、超音波マイクロフォン３は、素子収容ケース４と、トランスデューサユニット５と、支持基板６と、配線７と、第一接着層８と、第二接着層９とを有している。以下、超音波マイクロフォン３を構成する各部について説明する。
【００３０】
素子収容ケース４は、内部に閉鎖空間ＳＣを有する箱状に形成されていて、閉鎖空間ＳＣ内にトランスデューサユニット５を収容するように構成されている。閉鎖空間ＳＣは、素子対向面４０ａと側方内壁面４０ｂと基板固定面４０ｃとによって、閉じられた（すなわち囲まれた）空間である。すなわち、「閉鎖空間」は、外部との連通孔を有しない、閉じられた空間を意味する。素子対向面４０ａは、閉鎖空間ＳＣの天井面を構成する内壁面であって、指向軸方向における基端側を向くように設けられている。側方内壁面４０ｂは、円筒内面状の内壁面であって、指向軸ＤＡを囲むように設けられている。基板固定面４０ｃは、トランスデューサユニット５を支持する支持基板６を固定するための底壁面であって、指向軸方向における先端側を向くように設けられている。
【００３１】
素子収容ケース４は、側板部４１と、外側底板部４２と、内側底板部４３とを有している。側板部４１は、指向軸ＤＡを囲む筒状に形成されている。本実施形態においては、側板部４１は、指向軸ＤＡと略平行な中心軸線を有する円筒状に形成されている。
【００３２】
外側底板部４２は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。外側底板部４２は、厚さ方向と直交する主面である頂面３ｂを有している。すなわち、素子対向面４０ａは、頂面３ｂの裏面である。外側底板部４２は、天板部とも称され得る。「主面」とは、板状部における厚さ方向と直交する表面をいう。外側底板部４２は、閉鎖空間ＳＣ内に水が浸入しないように、側板部４１の一端側すなわち指向軸方向における先端側を閉塞するように設けられている。
【００３３】
内側底板部４３は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。内側底板部４３は、側板部４１の他端側すなわち指向軸方向における基端側を閉塞するように設けられている。
【００３４】
本実施形態においては、素子収容ケース４は、閉鎖空間ＳＣを気密且つ液密に密閉するように形成されている。すなわち、素子収容ケース４は、その内側の閉鎖空間ＳＣと、素子収容ケース４の外側の外部空間ＳＤとの間で、気体および液体の授受が生じないように構成されている。具体的には、側板部４１と外側底板部４２とは、アルミニウム等の金属材料によって、継ぎ目なく一体に形成されている。内側底板部４３は、側板部４１および外側底板部４２と同一の材料によって形成されている。側板部４１の指向軸方向における基端部と、内側底板部４３とは、溶接部であるケース接合部４４によって、液密的且つ気密的に接合されている。なお、後述するように、素子収容ケース４を構成する材料は、アルミニウム等の金属材料に限定されない。
【００３５】
外側底板部４２は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有するダイアフラム部４５を有している。ダイアフラム部４５は、トランスデューサユニット５による超音波の送信または受信の際に、撓みながら超音波振動するように設けられている。すなわち、ダイアフラム部４５は、面内方向における中心部が指向軸方向に移動する態様で超音波振動するように形成されている。ダイアフラム部４５は、「ケース側ダイアフラム」とも称され得る。
【００３６】
本実施形態においては、ダイアフラム部４５は、外側底板部４２の面内方向における中央部に設けられた薄肉部として形成されている。すなわち、外側底板部４２は、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６とを有している。ダイアフラム支持部４６は、ダイアフラム部４５よりも径方向における外側に形成された、外側底板部４２における厚肉部である。ダイアフラム支持部４６は、ダイアフラム部４５の径方向における外縁部を固定的に支持するように設けられている。
【００３７】
超音波センサ１が車載用であることを考慮して、側板部４１および外側底板部４２は、厚さが０．５ｍｍ以上に形成されている。すなわち、ダイアフラム部４５は、０．５ｍｍ以上の一定厚さを有する平板状に形成されている。本実施形態においては、外側底板部４２は、外側表面すなわち指向中心軸方向における先端側の表面である頂面３ｂが平面状となるように形成されている。換言すれば、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６とは、互いの外側表面が面一となるように設けられている。また、ダイアフラム部４５は、外側底板部４２の厚さ方向における一端側に設けられている。
【００３８】
閉鎖空間ＳＣ内に収容されたトランスデューサユニット５は、電気信号と超音波振動との変換機能を有する超音波素子５０を有している。すなわち、超音波素子５０は、閉鎖空間ＳＣ内に収容されている。超音波素子５０は、閉鎖空間ＳＣを構成するギャップＧを隔てて、ダイアフラム部４５と対向配置されている。ギャップＧは、閉鎖空間ＳＣのうちの、超音波素子５０とダイアフラム部４５との間に位置する部分である。
【００３９】
本実施形態においては、トランスデューサユニット５は、ＭＥＭＳ型の圧電トランスデューサとしての構成を有している。すなわち、超音波素子５０は、半導体基板５１に設けられたＭＥＭＳ型素子である。半導体基板５１は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有するＳＯＩ基板であって、ギャップＧを隔てて外側底板部４２と対向配置されている。ＳＯＩはSilicon  On  Insulatorの略である。トランスデューサユニット５には、複数の超音波素子５０が設けられている。複数の超音波素子５０は、面内方向に二次元的に配列されている。
【００４０】
半導体基板５１は、一対の主面である、ギャップ対向面５２と接着面５３とを有している。ギャップ対向面５２は、半導体基板５１におけるギャップＧと対向する表面であって、平面状に形成されている。接着面５３は、第一接着層８を介して、支持基板６と接合されている。
【００４１】
本実施形態においては、半導体基板５１は、外側底板部４２から離隔して配置されている。すなわち、半導体基板５１は、ギャップ対向面５２の面内方向における全体が、外側底板部４２と非接触となるように設けられている。また、半導体基板５１は、内側底板部４３によって固定的に支持されている。具体的には、内側底板部４３における基板固定面４０ｃには、第二接着層９を介して、支持基板６が固定されている。また、支持基板６には、第一接着層８を介して、半導体基板５１が固定されている。
【００４２】
超音波素子５０は、振動板部５４と素子部５５とを有している。振動板部５４は、半導体基板５１に設けられた薄肉部であって、面内方向に対向する厚肉部５６の間を架け渡すように設けられている。すなわち、振動板部５４は、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する薄板状に形成されている。
【００４３】
振動板部５４は、トランスデューサユニット５による超音波の送信または受信の際に、撓みながら超音波振動するように設けられている。すなわち、振動板部５４は、面内方向における中心部が指向軸方向に移動する態様で、ダイアフラム部４５と同一方向に超音波振動するように形成されている。振動板部５４は、「素子側ダイアフラム」とも称され得る。
【００４４】
振動板部５４は、ギャップＧを隔ててダイアフラム部４５と対向配置されている。振動板部５４は、ギャップ対向面５２を平面状に形成するように、半導体基板５１の厚さ方向における一端側に設けられている。また、本実施形態においては、半導体基板５１には、複数の振動板部５４が設けられている。複数の振動板部５４は、面内方向に二次元的に配列されている。
【００４５】
素子部５５は、振動板部５４に設けられている。本実施形態においては、素子部５５は、圧電膜と薄膜電極とを積層した圧電素子であって、ギャップＧと対向する表面であるギャップ対向面５２上に固定されている。すなわち、超音波素子５０は、ＰＭＵＴとしての構成を有している。ＰＭＵＴはPiezoelectric  Micro-machined  Ultrasonic  Transducersの略である。
【００４６】
超音波素子５０は、素子部５５に印加された交流電圧である駆動電圧に基づいて、振動板部５４が超音波振動するように構成されている。また、超音波素子５０は、振動板部５４の振動状態に基づいて、素子部５５にて出力電圧が発生するように構成されている。
【００４７】
超音波マイクロフォン３は、超音波素子５０の共振周波数である第一共振周波数とダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数とが一致するように構成されている。第一共振周波数は、振動板部５４と素子部５５との積層体を半導体基板５１で支持した構造における共振周波数である。第二共振周波数は、ダイアフラム部４５をダイアフラム支持部４６および側板部４１で支持した構造における共振周波数である。
【００４８】
具体的には、超音波マイクロフォン３は、Δｆｒ≦ＢＷとなるように構成されている。Δｆｒは、第一共振周波数と第二共振周波数との差である。すなわち、Δｆｒは、ダイアフラム部４５の共振周波数と超音波素子５０の共振周波数とのズレ量である。ＢＷは、超音波素子５０の共振帯である第一共振帯と、ダイアフラム部４５の共振帯である第二共振帯とのうちの、広い方の帯域幅である。「共振帯」とは、共振周波数をピークとする出力曲線あるいは特性曲線において、ピーク値から３ｄＢ低下する二つの周波数ｆ１，ｆ２間の周波数帯域である。「ピーク値から３ｄＢ低下」は、「ピーク値の１／√２倍」とも言い換えられ得る。「共振帯」は、「構造体共振の共振帯」、あるいは、「共振ピークの３ｄＢ帯」とも称され得る。帯域幅は、「−３ｄＢ帯域幅」、「３ｄＢ帯域幅」、あるいは単に「周波数帯域幅」とも称され得る。
【００４９】
支持基板６は、超音波素子５０を有するトランスデューサユニット５を固定的に支持する部材であって、指向軸ＤＡに沿った厚さ方向を有する板状に形成されている。本実施形態においては、支持基板６は、回路基板であって、信号処理のための各種回路部品が実装面６１上に実装されている。実装面６１は、支持基板６における、ギャップＧに面する側の主面である。
【００５０】
支持基板６は、凹部６２と凸部６３とを有している。凹部６２は、ギャップＧ側に向かって開口するように形成されている。凹部６２内には、トランスデューサユニット５が収容されている。凸部６３は、トランスデューサユニット５の周囲を囲むように、ギャップＧ側に向かって指向軸方向に突設されている。凸部６３に設けられた不図示の電極パッドと、トランスデューサユニット５に設けられた不図示の電極パッドとは、ボンディングワイヤである配線７を介して電気接続されている。
【００５１】
実装面６１の裏面であるケース固定面６４は、第二接着層９を介して、基板固定面４０ｃと接合されている。ケース固定面６４から指向軸方向における基端側に突出するように、端子６５が設けられている。端子６５は、図２に示されたケース本体部２ａ内に収容された不図示の制御回路基板と超音波マイクロフォン３とを電気接続するための接続端子である。端子６５は、金属製の棒状部であって、内側底板部４３を貫通するように設けられている。端子６５が内側底板部４３を貫通する部分は、気密的且つ液密的にシールされている。
【００５２】
（効果）
以下、本実施形態の構成による動作概要を、同構成により奏される効果とともに、各図面を参照しつつ説明する。
【００５３】
上記構成において、超音波素子５０は、素子収容ケース４の内部に形成された閉鎖空間ＳＣ内に収容されている。素子収容ケース４における側板部４１の一端側は、閉鎖空間ＳＣ内に水が浸入しないように、ダイアフラム部４５を有する外側底板部４２によって閉塞されている。このため、超音波素子５０は、外側底板部４２と内側底板部４３によって良好に保護される。なお、素子収容ケース４の指向軸方向における基端側の部分は、センサケース２におけるマイクロフォン収容部２ｃによって覆われている。このため、素子収容ケース４の指向軸方向における基端側の部分から、素子収容ケース４の内部に、水あるいは異物（例えば埃等）が侵入することが、良好に抑制され得る。
【００５４】
また、超音波素子５０は、閉鎖空間ＳＣを構成するギャップＧを隔ててダイアフラム部４５と対向配置されている。このため、超音波振動は、ギャップＧ内の媒体（例えば空気）を介して、超音波素子５０とダイアフラム部４５との間を伝播する。すなわち、探査波の送信時においては、駆動電圧の印加により超音波素子５０にて発生した超音波振動が、ギャップＧ内の媒体に伝播する。ギャップＧ内の媒体に伝播した超音波振動は、ダイアフラム部４５に伝播する。ダイアフラム部４５に伝播した超音波振動により、外部空間ＳＤに向けて探査波が送信される。逆に、受信時においては、ダイアフラム部４５の振動が、ギャップＧ内の媒体に伝播する。ギャップＧ内の媒体に伝播した振動は、振動板部５４に伝播する。これにより、素子部５５にて出力電圧が発生する。このように、超音波振動は、ギャップＧ内の媒体を介した連成共振により伝播する。
【００５５】
ここで、超音波センサ１は、超音波素子５０の共振周波数である第一共振周波数と、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数とが、一致するように構成されている。したがって、超音波素子５０とダイアフラム部４５との間の超音波振動の伝播効率が良好となる。このように、上記構成によれば、超音波素子５０を良好に保護しつつ、超音波センサ１の外部空間ＳＤと超音波素子５０との間の超音波振動の伝播を良好に実現することが可能となる。特に、超音波素子５０として、バルク型よりも大出力が得られにくいＭＥＭＳ型の構成を用いても、振動が連成共振により効率的に伝播することで、良好な送受信性能が実現され得る。また、車載用の超音波センサ１として、素子収容ケース４の強度確保のために外側底板部４２を厚さが０．５ｍｍ以上となるように厚めに形成しても、良好な送受信性能が実現され得る。
【００５６】
但し、製造上、第一共振周波数と第二共振周波数とを完全に一致させることは困難である。そこで、第一共振周波数と第二共振周波数とが実質的に一致しているものとするために、第一共振周波数と第二共振周波数との差をどの程度に収めるかが問題となる。
【００５７】
図４Ａ〜図４Ｅは、第一共振周波数と第二共振周波数との差を変更した場合の計算結果を示す。図４Ａ〜図４Ｅにおいて、破線は超音波素子５０の周波数特性を示し、実線はダイアフラム部４５の周波数特性を示し、点線は両者の積を示す。また、横軸は周波数を示し、縦軸は音圧を示す。縦軸および横軸は、それぞれ任意単位で示されている。横軸における「１」は７０ｋＨｚである。縦軸における「１」は、ダイアフラム部４５および超音波素子５０の周波数特性におけるピーク値に対応する。
【００５８】
図４Ａ〜図４Ｅの計算条件として、超音波素子５０の共振帯である第一共振帯、および、ダイアフラム部４５の共振帯である第二共振帯は、ともに３ｋＨｚの帯域幅を有しているものとする。すなわち、ＢＷ１＝ＢＷ２＝ＢＷ＝３ｋＨｚである。ＢＷ１は第一共振帯の帯域幅である。ＢＷ２は第二共振帯の帯域幅である。
【００５９】
図４Ａは、第一共振周波数と第二共振周波数とが完全に一致する場合、すなわち、Δｆｒ＝０の場合を示す。図４Ｂは、第二共振周波数を低周波数側に１ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝１ｋＨｚの場合を示す。図４Ｃは、第二共振周波数を低周波数側に３ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝３ｋＨｚの場合を示す。図４Ｄは、第二共振周波数を低周波数側に４ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝４ｋＨｚの場合を示す。図４Ｅは、第二共振周波数を低周波数側に６ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝６ｋＨｚの場合を示す。
【００６０】
Δｆｒが４ｋＨｚ以上となる場合、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の超音波振動の伝播が不良となる。これに対し、Δｆｒが３ｋＨｚ以下となる場合、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の超音波振動の伝播が良好となる。この点、超音波素子５０の周波数特性とダイアフラム部４５の周波数特性との積を示す点線の周波数特性を見ると、Δｆｒが４ｋＨｚ以上となる図４Ｄおよび図４Ｅにて、ピークスプリットが発生している。ピークスプリットが発生すると、例えば、製品の工場出荷時の調整時に最大音圧となる周波数の回路での設定が煩雑になる。ピークスプリットが発生しない限界あるいはその近傍である、図４Ｃに対応するΔｆｒ＝３ｋＨｚの場合、Δｆｒ／ＢＷ＝１となる。よって、ピークスプリットが発生しない条件は、Δｆｒ／ＢＷ≦１であるということが可能である。
【００６１】
図５Ａ〜図５Ｆは、図４Ａ〜図４Ｅにおける計算条件の一部を変更したものである。図５Ａ〜図５Ｆにおいて、超音波素子５０の共振帯である第一共振帯は３ｋＨｚの帯域幅を有しており、ダイアフラム部４５の共振帯である第二共振帯は６ｋＨｚの帯域幅を有しているものとする。すなわち、ＢＷ１＝３ｋＨｚ，ＢＷ２＝６ｋＨｚである。
【００６２】
図５Ａは、第一共振周波数と第二共振周波数とが完全に一致する場合、すなわち、Δｆｒ＝０の場合を示す。図５Ｂは、第二共振周波数を低周波数側に１ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝１ｋＨｚの場合を示す。図５Ｃは、第二共振周波数を低周波数側に３ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝３ｋＨｚの場合を示す。図５Ｄは、第二共振周波数を低周波数側に４ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝４ｋＨｚの場合を示す。図５Ｅは、第二共振周波数を低周波数側に６ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝６ｋＨｚの場合を示す。図５Ｆは、第二共振周波数を低周波数側に７ｋＨｚシフトした場合、すなわち、Δｆｒ＝７ｋＨｚの場合を示す。
【００６３】
Δｆｒが７ｋＨｚ以上となる場合、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の超音波振動の伝播が不良となる。これに対し、Δｆｒが６ｋＨｚ以下となる場合、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の超音波振動の伝播が良好となる。この点、超音波素子５０の周波数特性とダイアフラム部４５の周波数特性との積を示す点線の周波数特性を見ると、Δｆｒが７ｋＨｚとなる図５Ｆにて、ピークスプリットが発生している。ピークスプリットが発生しない限界あるいはその近傍である、図５Ｅに対応するΔｆｒ＝６ｋＨｚの場合、Δｆｒ／ＢＷ１＝２，Δｆｒ／ＢＷ２＝１となる。ピークよって、スプリットが発生しない条件は、Δｆｒ／ＢＷ１≦２，Δｆｒ／ＢＷ２≦１であるということが可能である。
【００６４】
上記の結果を総合すると、超音波マイクロフォン３を、Δｆｒ≦ＢＷとなるように構成することで、良好な送受信特性が得られる。ＢＷは、ＢＷ１とＢＷ２とのうちの大きい方である。この場合、第一共振周波数と第二共振周波数とは、実質的に一致しているものと評価することが可能である。
【００６５】
上記構成においては、素子収容ケース４は、ギャップＧを含む閉鎖空間ＳＣを、気密且つ液密に密閉するように形成されている。すなわち、超音波素子５０を有するＭＥＭＳ型のトランスデューサユニット５は、気密且つ液密な密閉構造を有する素子収容ケース４に収容されている。超音波素子５０は、閉鎖空間ＳＣを構成するギャップＧを隔てて、ダイアフラム部４５と対向配置されている。このため、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の、ギャップＧ内の媒体（例えば空気）は、超音波振動を伝播する流体バネとして良好に機能する。すなわち、ギャップＧを気密的に形成することで、超音波素子５０とダイアフラム部４５との間の疎密波の強度、つまり圧力を高めることができる。したがって、かかる構成によれば、良好な送受信特性が得られる。
【００６６】
ところで、超音波センサ１は、車載状態にて、頂面３ｂが外部空間ＳＤに露出される。このため、素子収容ケース４における外側底板部４２の外表面である頂面３ｂに、小石等の固い異物が衝突する場合がある。
【００６７】
この点、上記構成においては、超音波素子５０を有する半導体基板５１は、素子収容ケース４の指向中心軸方向における一端側の内側底板部４３によって、固定的に支持されている。一方、頂面３ｂを有する外側底板部４２は、素子収容ケース４の指向中心軸方向における他端側に設けられている。さらに、半導体基板５１は、ギャップＧと対向するギャップ対向面５２の面内方向における全体が、外側底板部４２と非接触となるように、外側底板部４２から離隔して配置されている。すなわち、超音波素子５０は、車載状態にて外部空間ＳＤに露出する外側底板部４２には貼り付けられていない。
【００６８】
このため、仮に超音波マイクロフォン３の頂面３ｂに小石等の固い異物が衝突した場合であっても、かかる衝突に伴う衝撃は、超音波素子５０には伝達されない。よって、超音波素子５０におけるクラック等の発生が、良好に防止され得る。
【００６９】
このように、上記構成においては、外側底板部４２を厚く形成しなくても、超音波素子５０におけるクラック等の不具合の発生が、良好に回避され得る。また、超音波センサ１における、超音波の送受信が、良好に行われ得る。したがって、超音波センサ１の体格の大型化を回避しつつ、超音波素子５０を良好に保護することが可能となる。
【００７０】
上記構成においては、ダイアフラム部４５の径方向における外縁が、厚肉のダイアフラム支持部４６によって支持されている。また、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６とは、継ぎ目なく一体に形成されている。したがって、かかる構成によれば、外側底板部４２の剛性が、良好に確保され得る。すなわち、半導体基板５１および超音波素子５０が、良好に保護され得る。
【００７１】
ところで、超音波マイクロフォン３の指向性は、駆動周波数と、ダイアフラム部４５の振動範囲とによって変化する。すなわち、指向角は、駆動周波数と振動範囲との積が小さくなるほど大きくなる。
【００７２】
この点、上記構成においては、外側底板部４２は、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６とを有している。ダイアフラム部４５は、外側底板部４２の面内方向における中央部に設けられた薄肉部として形成されている。このため、ダイアフラム部４５の面内方向におけるサイズを調整することで、指向性を良好に制御することが可能となる。
【００７３】
上記構成においては、超音波素子５０は、ＭＥＭＳ型の半導体素子として、半導体基板５１に形成されている。かかる構成によれば、超音波素子５０における送受信性能を維持しつつ、超音波素子５０を良好に小型化することが可能となる。したがって、超音波センサ１の体格を大型化させることなく、複数の超音波素子５０を設けて超音波センサ１を高機能化することが可能となる。
【００７４】
（第二実施形態）
以下、第二実施形態について、図６を参照しつつ説明する。なお、以下の第二実施形態の説明においては、主として、第一実施形態と異なる部分について説明する。また、第一実施形態と第二実施形態とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の第二実施形態の説明において、第一実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記の第一実施形態における説明が適宜援用され得る。
【００７５】
図６に示されているように、本実施形態においては、ダイアフラム部４５は、外側底板部４２の面内方向におけるほぼ全部を占めるように設けられている。すなわち、素子収容ケース４は、外側底板部４２の面内方向におけるほぼ全体がダイアフラム部４５となるように形成されている。
【００７６】
周知の通り、ダイアフラム部４５の共振周波数は、厚さを大きくすれば高くなり、径を大きくすれば低くなる。よって、共振周波数が一定の条件において、径を大きくすれば、ダイアフラム部４５の厚さを大きくすることができる。すなわち、かかる構成によれば、所定の第二共振周波数を実現するための、ダイアフラム部４５における厚さを、図３の場合よりも厚くすることができる。したがって、素子収容ケース４の強度が向上する。具体的には、例えば、素子収容ケース４を合成樹脂等の軽量の材料で形成した場合における、素子収容ケース４の強度を、良好に向上することが可能となる。
【００７７】
（第三実施形態）
以下、第三実施形態について、図７を参照しつつ説明する。なお、以下の第三実施形態の説明においては、主として、第二実施形態と異なる部分について説明する。また、第二実施形態と第三実施形態とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の第三実施形態の説明において、先に説明した他の実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、当該他の実施形態における説明が適宜援用され得る。後述の第四実施形態以降の他の実施形態についても同様である。
【００７８】
図７に示されているように、本実施形態においては、素子収容ケース４には、突起４７０が形成されている。突起４７０は、素子収容ケース４におけるギャップＧに面する表面である内面、具体的には素子対向面４０ａに設けられている。すなわち、突起４７０は、外側底板部４２における頂面３ｂの裏面である素子対向面４０ａから、閉鎖空間ＳＣ側に向かって突設されている。
【００７９】
素子収容ケース４には、複数の突起４７０が設けられている。複数の突起４７０は、素子対向面４０ａ上にて、面内方向に二次元的に配列されている。なお、突起４７０は、側方内壁面４０ｂにも設けられ得る。
【００８０】
かかる構成においては、ギャップＧ内の媒体の流れの発生が、突起４７０によって良好に抑制される。これにより、第一共振周波数と第二共振周波数とのズレによる影響が可及的に抑制され、第二共振帯の帯域幅ＢＷ２を大きくでき、以て送受信効率が向上する。
【００８１】
突起４７０は、第一共振周波数に影響しない程度のサイズおよび量で設けられ得る。なお、突起４７０は、典型的には、素子収容ケース４を構成する材料と同一の材料によって形成され得る。また、突起４７０は、典型的には、素子収容ケース４を構成する部分（例えば外側底板部４２）と継ぎ目なく一体に形成され得る。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、突起４７０は、素子収容ケース４を構成する材料とは異なる材料によって形成され得る。
【００８２】
（第四実施形態）
以下、第四実施形態について、図８を参照しつつ説明する。図８に示されているように、本実施形態においては、閉鎖空間ＳＣには、空気よりも粘性が高い粘性流体４８０が充填されている。粘性流体４８０としては、例えば、粘度の温度依存性が小さいシリコーンオイル等が好適に用いられ得る。
【００８３】
かかる構成においては、ギャップＧには、粘性流体４８０が充填される。これにより、ギャップＧ内の媒体の流れの発生が、良好に抑制され、第二共振帯の帯域幅ＢＷ２を大きくできる。したがって、第一共振周波数と第二共振周波数とのズレによる影響が可及的に抑制され、以て送受信効率が向上する。
【００８４】
（第五実施形態）
以下、第五実施形態について、図９を参照しつつ説明する。図９に示されているように、本実施形態においては、超音波マイクロフォン３は、ダイアフラム側検出部４９１とダイアフラム周波数変更部４９２とを備えている。
【００８５】
ダイアフラム側検出部４９１は、ダイアフラム部４５における応力状態に応じた出力を発生するように、ダイアフラム部４５に設けられている。具体的には、ダイアフラム側検出部４９１は、いわゆる歪ゲージであって、頂面３ｂにおける、ダイアフラム部４５の外縁部に対応する位置に貼り付けられている。
【００８６】
ダイアフラム周波数変更部４９２は、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数を可変に構成されている。具体的には、ダイアフラム周波数変更部４９２は、バルクＰＺＴ等のバルク圧電セラミックからなる圧電素子であって、電圧印加により歪を発生するように形成されている。ＰＺＴはチタン酸ジルコン酸鉛の略称である。ダイアフラム周波数変更部４９２は、電圧印加時の歪によりダイアフラム部４５における内部応力すなわち張力を調整するように、素子収容ケース４におけるダイアフラム部４５またはその近傍位置に貼り付けられている。
【００８７】
超音波センサ１の動作環境温度が変化すると、ダイアフラム部４５の共振周波数がシフトする。また、ダイアフラム部４５に異物が付着すると、ダイアフラム部４５の共振周波数がシフトする。そこで、本実施形態においては、ダイアフラム側検出部４９１とダイアフラム周波数変更部４９２とが設けられている。
【００８８】
ダイアフラム側検出部４９１は、ダイアフラム部４５における応力状態に応じた出力を発生する。このため、超音波振動を超音波素子５０から発振してダイアフラム部４５に伝播させたときの、ダイアフラム側検出部４９１の出力をモニタすることで、温度変化あるいは異物付着に伴う共振周波数シフトを検知することが可能となる。また、共振周波数シフトを検知した場合に、ダイアフラム周波数変更部４９２を用いて、かかる周波数シフトを補償することが可能となる。
【００８９】
（第六実施形態）
以下、第六実施形態について、図１０を参照しつつ説明する。図１０に示されているように、本実施形態においては、トランスデューサユニット５は、送受信素子５０１と検出素子５０２とを有している。
【００９０】
送受信素子５０１は、半導体基板５１に設けられた複数のＭＥＭＳ型素子のうちの１つである。検出素子５０２は、半導体基板５１に設けられた複数のＭＥＭＳ型素子のうちの他の１つである。すなわち、本実施形態においては、送受信素子５０１は、トランスデューサユニット５に設けられた複数の超音波素子５０のうちの一部であって、超音波の送受信動作を実行するようになっている。検出素子５０２は、トランスデューサユニット５に設けられた複数の超音波素子５０のうちの一部であって、超音波の受信動作のみを実行するようになっている。
【００９１】
かかる構成において、検出素子５０２は、ダイアフラム部４５における超音波振動がギャップＧ内の媒体における超音波振動を介して伝播するように、ギャップＧを隔ててダイアフラム部４５と対向配置されている。すなわち、検出素子５０２は、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数の変化を検出するように、半導体基板５１に設けられている。
【００９２】
かかる構成によれば、異物付着に伴うダイアフラム部４５の共振周波数シフトを、検出素子５０２を用いて検知することが可能となる。特に、送受信素子５０１と検出素子５０２とで共振周波数を合わせることで、異物付着の検知を高感度で行うことが可能となる。なお、送受信素子５０１と検出素子５０２との区別は、固定的であってもよいし、変更可能であってもよい。すなわち、複数の超音波素子５０のうち、送受信素子５０１としての機能が割り当てられたものについては、その機能は固定的であってもよい。あるいは、複数の超音波素子５０のうちの１つは、送受信素子５０１として用いられた後、検出素子５０２として用いられてもよい。また、複数の超音波素子５０のうちの他の１つは、検出素子５０２として用いられた後、送受信素子５０１として用いられてもよい。
【００９３】
（第七実施形態）
以下、第七実施形態について、図１１を参照しつつ説明する。本実施形態は、上記第六実施形態の一部を変容したものに相当する。具体的には、図１１に示されているように、本実施形態においては、検出素子５０２には、貫通部５２１と振動梁部５２２とが設けられている。
【００９４】
貫通部５２１は、振動板部５４を厚さ方向に貫通するように設けられている。振動梁部５２２は、振動板部５４に貫通部５２１を設けることによって形成された、面内方向に延びる片持ち梁状の部分である。すなわち、振動梁部５２２は、面内方向について貫通部５２１に隣接する遠位端である自由端が指向軸方向に沿って移動する態様で振動するように設けられている。
【００９５】
かかる構成によれば、上記第六実施形態と同様の効果が奏され得る。また、かかる構成によれば、振動梁部５２２における形状を調整することで、検出素子５０２の共振周波数を任意に設定することが可能となる。よって、例えば、トランスデューサユニット５における検出素子５０２の占有面積を抑制することで、製造プロセスを変更することなくチップサイズの小型化が可能となる。
【００９６】
（第八実施形態）
以下、第八実施形態について、図１２を参照しつつ説明する。図１２に示されているように、本実施形態においては、検出素子５０２は、複数の超音波素子５０とは異なる素子として設けられている。
【００９７】
検出素子５０２は、半導体基板５１における厚肉部５６に設けられている。具体的には、検出素子５０２は、厚肉部５６に対応する位置に形成された圧電積層体５２３によって構成されている。圧電積層体５２３は、圧電素子であって、圧電膜と薄膜電極とを積層することによって形成されている。
【００９８】
かかる構成においては、ギャップＧ内の媒体に伝播した超音波振動により、圧電積層体５２３に応力が作用する。具体的には、ギャップＧ内の媒体の超音波振動が、圧電積層体５２３に直接作用することで、圧電積層体５２３に圧縮応力が発生する。また、ギャップＧ内の媒体の超音波振動が、面内方向について検出素子５０２に隣接する振動板部５４に伝播することで、かかる振動板部５４が振動する。かかる振動板部５４の振動に伴い、圧電積層体５２３が設けられた厚肉部５６における、ギャップ対向面５２の近傍部分に、曲げ応力が作用する。かかる曲げ応力は、圧電積層体５２３に作用する。
【００９９】
圧電積層体５２３に作用した応力により、圧電積層体５２３に出力電圧が発生する。かかる出力電圧に基づいて、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数の変化を検出することが可能となる。したがって、温度変化あるいは異物付着に伴う、ダイアフラム部４５の共振周波数シフトを、可及的に簡略な装置構成により検知することが可能となる。
【０１００】
（第九実施形態）
以下、第九実施形態について、図１３を参照しつつ説明する。本実施形態は、上記の第七実施形態と第八実施形態とを複合適用したものに相当する。
【０１０１】
具体的には、図１３に示されているように、本実施形態においては、検出素子５０２は、素子部５５が設けられていない振動板部５４と、これに面内方向について隣接する厚肉部５６に設けられた圧電積層体５２３とによって形成されている。かかる構成によれば、上記第七実施形態と同様の効果が奏され得る。
【０１０２】
（第十実施形態）
以下、第十実施形態について、図１４を参照しつつ説明する。図１４に示されているように、本実施形態においては、超音波素子５０は、振動板部５４と、素子部５５と、素子周波数変更部５７１とを有している。
【０１０３】
素子周波数変更部５７１は、超音波素子５０の共振周波数である第一共振周波数を可変に構成されている。具体的には、素子周波数変更部５７１は、例えば、半導体基板５１に設けられた薄膜状のヒータによって構成され得る。あるいは、素子周波数変更部５７１は、例えば、半導体基板５１に設けられた圧電素子によって構成され得る。
【０１０４】
素子周波数変更部５７１は、面内方向について、素子部５５の周囲に設けられ得る。具体的には、素子周波数変更部５７１は、ギャップ対向面５２上に形成され得る。
【０１０５】
かかる構成によれば、素子周波数変更部５７１を用いて、超音波素子５０の共振周波数である第一共振周波数を変更することが可能となる。したがって、第一共振周波数と、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数との差を、可及的に小さくすることが可能となる。
【０１０６】
（第十一実施形態）
以下、第十一実施形態について、図１５を参照しつつ説明する。図１５に示されているように、本実施形態においては、超音波素子５０は、振動板部５４と、素子部５５と、素子周波数変更部５７１と、素子側検出部５７２とを有している。
【０１０７】
素子側検出部５７２は、振動板部５４における応力状態に応じた出力を発生するように、振動板部５４に設けられている。具体的には、素子側検出部５７２は、いわゆる歪ゲージであって、振動板部５４の面内方向における外縁部に設けられている。すなわち、超音波素子５０は、ダイアフラム部４５の共振周波数である第二共振周波数の変化を、素子側検出部５７２により検出するように構成されている。
【０１０８】
上記の通り、ダイアフラム部４５と超音波素子５０との間の、ギャップＧ内の媒体（例えば空気）は、超音波振動を伝播する流体バネとして機能する。すなわち、ダイアフラム部４５と超音波素子５０とは、ギャップＧ内の媒体に対応する流体バネを介して弾性的に接続された状態となっている。このため、異物付着等によってダイアフラム部４５の共振周波数が変化すると、かかる変化の影響は、ギャップＧ内の媒体に対応する流体バネを介して、超音波素子５０にも作用する。
【０１０９】
そこで、本実施形態においては、超音波素子５０における振動板部５４には、素子側検出部５７２が設けられている。素子側検出部５７２は、振動板部５４における応力状態に応じた出力を発生する。したがって、素子側検出部５７２の出力に基づいて、ダイアフラム部４５の共振周波数シフトを検知することが可能となる。
【０１１０】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。
【０１１１】
超音波センサ１は、車載用に限定されない。また、超音波センサ１は、クリアランスソナーに限定されない。すなわち、超音波センサ１は、他の用途にも用いられ得る。
【０１１２】
超音波センサ１は、超音波を送受信可能な構成に限定されない。すなわち、例えば、超音波センサ１は、超音波の発信のみが可能な構成を有していてもよい。あるいは、超音波センサ１は、他の超音波発信器から発信された超音波である探査波の、周囲に存在する物体による反射波を受信する機能のみを有するものであってもよい。
【０１１３】
超音波センサ１における各部の構成も、上記具体例に限定されない。具体的には、例えば、超音波マイクロフォン３すなわち素子収容ケース４の外形形状は、略円柱状に限定されず、略正六角柱状、略正八角柱状、等であってもよい。
【０１１４】
ギャップＧを構成する、素子収容ケース４の内部の閉鎖空間ＳＣには、乾燥空気が封入されていてもよい。これにより、超音波マイクロフォン３内部の各部、例えば、超音波素子５０における、水分の存在による劣化の発生が、良好に抑制され得る。
【０１１５】
あるいは、例えば、閉鎖空間ＳＣには、乾燥窒素ガス等の乾燥不活性ガスが、１気圧以上の圧力で封入されていてもよい。これにより、超音波マイクロフォン３内部の各部の、水分または酸化による劣化の発生が、良好に抑制され得る。また、超音波素子５０とダイアフラム部４５との間の疎密波の強度を高めることができ、以て送受信性能を高めることが可能となる。
【０１１６】
なお、閉鎖空間ＳＣ内の媒体種類および圧力についても、特段の限定はない。
【０１１７】
素子収容ケース４を構成する材料は、上記の具体例に限定されない。すなわち、例えば、素子収容ケース４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成され得る。あるいは、素子収容ケース４は、他の種類の金属材料によっても形成され得る。あるいは、素子収容ケース４は、ポリカーボネート、ポリスチレン、等の合成樹脂材料によっても形成され得る。あるいは、素子収容ケース４は、炭素繊維、炭素繊維含有樹脂、等によっても形成され得る。
【０１１８】
素子収容ケース４の構造についても、技術的な不都合が生じない限り、特段の限定はない。具体的には、例えば、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６とは、異なる材料によって形成されていてもよい。
【０１１９】
ダイアフラム部４５の面内方向における形状としては、略矩形、略円形、略楕円形、略正六角形、略正八角形、等の任意の形状が採用可能である。同様に、ダイアフラム部４５の断面形状も、平板状に限定されない。具体的には、例えば、ダイアフラム部４５は、外部空間ＳＤに向かって突出する曲板状に形成されていてもよい。
【０１２０】
上記の各実施形態において、半導体基板５１は、内側底板部４３によって固定的に支持されていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、半導体基板５１は、側板部４１によって固定的に支持されていてもよい。具体的には、例えば、支持基板６の素子収容ケース４に対する固定は、側板部４１にて行われ得る。
【０１２１】
上記の各実施形態において、半導体基板５１は、外側底板部４２から離隔して配置されていた。しかしながら、本発明は、かかる態様に限定されない。すなわち、例えば、図１６に示されているように、半導体基板５１は、外側底板部４２におけるダイアフラム支持部４６と当接していてもよい。この場合、ギャップＧは、ダイアフラム部４５とダイアフラム支持部４６と半導体基板５１とによって囲まれた閉鎖的な空間によって形成される。
【０１２２】
かかる構成においても、超音波素子５０それ自体は、ギャップＧを挟んで外側底板部４２と対向しつつ、外側底板部４２から離隔している。すなわち、超音波素子５０は、車載状態にて外部空間ＳＤに露出する外側底板部４２には貼り付けられていない。このため、仮に超音波マイクロフォン３の頂面３ｂに小石等の固い異物が衝突した場合であっても、超音波素子５０におけるクラック等の発生が、良好に防止され得る。
【０１２３】
例えば、半導体基板５１の一主面であるギャップ対向面５２における、ダイアフラム支持部４６と対向する部分は、ダイアフラム支持部４６と気密的に接合され得る。この場合、閉鎖空間ＳＣのうちのギャップＧのみが気密空間であってもよい。
【０１２４】
図７に示された第三実施形態に係る超音波マイクロフォン３に設けられた突起４７０は、他の実施形態にも適用可能である。すなわち、例えば、突起４７０は、上記第一実施形態にも適用可能である。また、例えば、突起４７０は、上記第四実施形態〜第十一実施形態にも適用可能である。
【０１２５】
図９を参照すると、温度変化は、ダイアフラム側検出部４９１の出力を用いなくても、センサケース２または素子収容ケース４内に設けられる不図示の温度センサの出力を用いて補償可能である。あるいは、温度変化は、ＥＣＵ等の外部装置から温度情報を入手することで補償可能である。よって、ダイアフラム側検出部４９１は、省略され得る。あるいは、ダイアフラム側検出部４９１は、異物付着検知のために設けられていてもよい。これにより、ダイアフラム周波数変更部４９２を用いて温度補償を行いつつ、ダイアフラム側検出部４９１を用いて異物付着検知を行うことが可能となる。
【０１２６】
トランスデューサユニット５の構成についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、図１７に示されているように、超音波素子５０は、バルクＰＺＴ等のバルク圧電セラミックからなる圧電素子であってもよい。これにより、探査波発進時にて大きな音圧を得ることが可能となる。
【０１２７】
トランスデューサユニット５に設けられる超音波素子５０の個数についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、各図に示されているように、超音波素子５０は、面内方向に二次元的に複数個配列され得る。かかる構成によれば、送受信方向の制御が可能なフェーズドアレイ型の超音波センサ１を、良好に小型化することが可能となる。なお、この場合、ダイアフラム部４５もまた、超音波素子５０の面内方向位置と対応するように、面内方向に二次元的に複数個配列され得る。すなわち、ダイアフラム部４５は、複数に分割され得る。
【０１２８】
あるいは、トランスデューサユニット５には、超音波素子５０が１個のみ設けられていてもよい。これにより、超音波マイクロフォン３の小型化が可能となる。
【０１２９】
超音波素子５０の種類についても、特段の限定はない。すなわち、例えば、超音波素子５０は、ＰＭＵＴに限定されない。超音波素子５０は、ＣＭＵＴとしての構成を有していてもよい。ＣＭＵＴはCapacitive  Micro-machined  Ultrasound  Transducerの略である。
【０１３０】
支持基板６は、回路基板ではなくてもよい。すなわち、信号処理のための各種回路部品は、半導体基板５１上に実装されていてもよい。あるいは、かかる回路部品は、ケース本体部２ａの内側に設けられた不図示の制御回路基板上に実装されていてもよい。
【０１３１】
トランスデューサユニット５と支持基板６との電気接続は、配線７を用いた方式に限定されない。すなわち、例えば、第一接着層８は、ハンダ等の導電性接合層であってもよい。
【０１３２】
支持基板６は、省略され得る。すなわち、半導体基板５１は、素子収容ケース４に直接的に固定され得る。
【０１３３】
上記の説明において、互いに継ぎ目無く一体に形成されていた複数の構成要素は、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されてもよい。同様に、互いに別体の部材を貼り合わせることによって形成されていた複数の構成要素は、互いに継ぎ目無く一体に形成されてもよい。
【０１３４】
上記の説明において、互いに同一の材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに異なる材料によって形成されてもよい。同様に、互いに異なる材料によって形成されていた複数の構成要素は、互いに同一の材料によって形成されてもよい。
【０１３５】
上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。
【０１３６】
変形例も、上記の例示に限定されない。すなわち、例えば、複数の実施形態が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。同様に、複数の変形例が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。
【符号の説明】
【０１３７】
１      超音波センサ
３      超音波マイクロフォン
４      素子収容ケース
４１    側板部
４２    外側底板部
４５    ダイアフラム部
５０    超音波素子
ＤＡ    指向軸
Ｇ      ギャップ
ＳＣ    閉鎖空間
【図１】
2020161888.tif 000003
【図２】
2020161888.tif 000004
【図３】
2020161888.tif 000005
【図４Ａ】
2020161888.tif 000006
【図４Ｂ】
2020161888.tif 000007
【図４Ｃ】
2020161888.tif 000008
【図４Ｄ】
2020161888.tif 000009
【図４Ｅ】
2020161888.tif 000010
【図５Ａ】
2020161888.tif 000011
【図５Ｂ】
2020161888.tif 000012
【図５Ｃ】
2020161888.tif 000013
【図５Ｄ】
2020161888.tif 000014
【図５Ｅ】
2020161888.tif 000015
【図５Ｆ】
2020161888.tif 000016
【図６】
2020161888.tif 000017
【図７】
2020161888.tif 000018
【図８】
2020161888.tif 000019
【図９】
2020161888.tif 000020
【図１０】
2020161888.tif 000021
【図１１】
2020161888.tif 000022
【図１２】
2020161888.tif 000023
【図１３】
2020161888.tif 000024
【図１４】
2020161888.tif 000025
【図１５】
2020161888.tif 000026
【図１６】
2020161888.tif 000027
【図１７】
2020161888.tif 000028