(57)【要約】  上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、圧電振動子の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、送信回路と受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして超音波振動体の側面の周囲に、超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置され、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む超音波センサは、自動車のバンパなどの平板状基体の表面に容易に、かつ平板状基体の機械的強度を低下させることなく固定することができ、また平板状基体を通して反対側の空間に超音波信号を好ましい指向性で安定して送受信でき、平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間内に位置する物体の位置を精度よく測定することができる。
2015093571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、該圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、上記圧電振動子の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、該送信回路と該受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして上記超音波振動体の側面の周囲に、該超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置されて、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む超音波センサ。
【請求項２】
前記筒状剛性壁材が樹脂材料から形成されている請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記筒状剛性壁材が相対的に壁厚が大きい基部と該基部から上側に延びる相対的に壁厚が小さい延長部を有する請求項１もしくは２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記筒状剛性壁材の上面が開口し、その開口が蓋体により覆われている請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記超音波振動体の少なくとも一部がその側面を緩衝材で覆われた状態にて筒状ハウジングに収容され、この筒状ハウジングが筒状剛性壁材の内側に配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記柱状圧電セラミック焼結体が多孔質柱状圧電セラミック焼結体である請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記平板状基体が自動車のバンパである請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項８】
平板状基体、該平板状基体の表面に固定されている、上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、該圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、上記圧電振動子の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、該送信回路と該受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして上記超音波振動体の側面の周囲に、該超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置され、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む超音波センサを含む、平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間内に位置する物体の位置の検知装置。
【請求項９】
前記筒状剛性壁材が樹脂材料から形成されている請求項８に記載の検知装置。
【請求項１０】
前記筒状剛性壁材が相対的に壁厚が大きい基部と該基部から上側に延びる相対的に壁厚が小さい延長部を有する請求項８もしくは９に記載の検知装置。
【請求項１１】
前記筒状剛性壁材の上面が開口し、その開口が蓋体により覆われている請求項８乃至１０のいずれかに記載の検知装置。
【請求項１２】
前記超音波振動体の少なくとも一部がその側面を緩衝材で覆われた状態にて筒状ハウジングに収容され、この筒状ハウジングが筒状剛性壁材の内側に配置されている請求項８乃至１１のいずれかに記載の検知装置。
【請求項１３】
前記柱状圧電セラミック焼結体が多孔質柱状圧電セラミック焼結体である請求項８至１２のいずれかに記載の検知装置。
【請求項１４】
前記平板状基体が自動車のバンパである請求項８乃至１３のいずれかに記載の検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車のバンパのような平板状基体の表面に固定する超音波センサに関する。本発明はまた、自動車のバンパのような平板状基体の表面に超音波センサを配置固定して構成した、平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間内に存在する物体の位置を検知するための検知装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車を駐車場にて駐車する際などの場合に発生しやすい自動車と人もしくは障害物などの物体との接触を未然に防ぐために、自動車のバンパに圧電振動子を備えた超音波センサを固定して、その圧電振動子から送信された超音波信号によって各種物体の有無の確認あるいはその位置の測定を行い、自動車がその物体に予め定められた限度を超えて近づいた場合に警告音を発して運転者に知らせるシステムの開発が進んでいる。【０００３】
自動車のバンパに超音波センサを取り付けるための代表的な方法としては、バンパに貫通孔を設けてその貫通孔に超音波センサを固定する方法と、バンパの内側表面（自動車の車体に対面する側の表面）に超音波センサを固定する方法とが知られている。バンパの内側表面に超音波センサを固定する後者の固定方法はバンパに貫通孔を設ける方法と比較すると、貫通孔を設ける工程が不要となるため超音波センサの取り付け作業が容易になり、また自動車の外部から超音波センサが見えにくいことから自動車の外観が損なわれないとの利点がある。しかし、超音波センサをバンパの内側表面に固定する、すなわち超音波センサの圧電振動子をバンパの内側表面に固定すると、圧電振動子からバンパを通して送信される超音波信号の指向性が狭くなったり、不安定となったりして、バンパの外側の空間に存在する物体の位置を精度よく、かつ高い信頼性にて測定するのが難しくなるという問題がある。このため、バンパの内側表面に固定した場合でも、バンパを通して超音波信号を広い適度な指向性で、高い信頼性をもってバンパの反対側の空間に送受信できる超音波センサが望まれている。【０００４】
特許文献１には、超音波センサをハウジング内に収容して、車両用バンパや樹脂部分の裏面に取り付けた場合でも、良好な指向性を確保することが可能な超音波センサとして、超音波を送受信する圧電振動子（超音波振動子）と、該圧電振動子を収容するものであって、当該圧電振動子を底面部の内面に接触させて固定するとともに、当該底面部の外面が、前記車両用バンパあるいは樹脂部分の内面に当接する筐体とを有し、該筐体の底面部の一部に、前記車両用バンパあるいは樹脂部分及び前記圧電振動子と接触するように、前記筐体の材質とは異なる材質であって、前記圧電振動子の音響インピーダンスと前記車両用バンパあるいは樹脂部分の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを有する材質からなる超音波伝達部を形成し、前記超音波の送受信を、前記超音波伝達部及び前記車両用バンパあるいは樹脂部分を介して行うことを特徴とする超音波センサが記載されている。【０００５】
特許文献２には、意匠性を向上し、且つ、所定の指向性を確保することができる超音波センサの取り付け構造として、超音波素子を備える超音波センサを、車両における樹脂製の壁部材（例、バンパ）の内面に取り付けてなり、前記壁部材を振動の伝達経路とする超音波センサの取り付け構造であって、前記壁部材の内面には、前記超音波センサの取り付け部位に隣接して前記取り付け部位を取り囲むように環状の溝部が設けられ、前記溝部の幅Ｗ１，深さＤ１と、前記壁部材の厚さＴ１との関係が、（Ｄ１／Ｔ１）／（Ｗ１／Ｔ１）1/2≦１の式を満たしている超音波センサの取り付け構造が記載されている。
この文献には、上記の超音波センサの取り付け構造では、バンパにおける超音波センサの取り付け部位に隣接して溝部が設けられており、これにより、バンパにおける溝部形成部位の剛性がバンパの他の部位よりも低くなっていて、バンパにおける溝部形成部位と該部位に囲まれたセンサ取り付け部位が振動しやすくなるため、溝部よりも外側への振動の伝播を抑制することができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４２９６７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明の発明者は、自動車のバンパのような平板状基体の表面に固定する超音波センサに関する開発研究を進めるに際して、上記の各特許文献に開示されている超音波センサの構造とその超音波センサとしての性能を検討した。その結果、それぞれの特許文献に開示されている超音波センサを自動車のバンパのような平板状基体の表面に固定して使用した場合には、以下に述べるような問題点があることを見いだした。【０００８】
特許文献１に記載されている超音波センサでは、超音波センサに内蔵される圧電振動子が、車両用バンパあるいは樹脂部分の内面に当接する筐体に接触した状態で固定されている。本願発明者の検討によると、このような構造にて超音波センサに内蔵されている圧電振動子では、その圧電振動子から発生する超音波振動が筐体へも直接伝播することが確認された。すなわち、圧電振動子から発生する超音波振動のバンパへの伝播は超音波伝達部を介してのみ行われるのでは無く、筐体を介しても行われる。そして、この筐体を介して伝播した超音波振動は、次いでバンパにも伝播する。これらの二通りの経路を介してバンパに伝播した超音波振動は、互いの干渉をも含めて、バンパに複雑な振動の発生をもたらす。従って、圧電振動子から発生した超音波振動は、バンパを通過し、その反対側に送信される際にバンパの複雑な振動の影響を受けることになる。このため、バンパの超音波センサとは反対側の空間に対して、指向性に優れたメインローブを持ち、目立ったサイドローブの発生を伴わないような所望の形状の超音波信号パターンを送信することが困難となる。【０００９】
特許文献２に記載されている超音波センサの固定方法、すなわち超音波センサの取り付け部位を取り囲むように、バンパに環状の溝部を設ける方法では、超音波センサの取り付け時にバンパに溝部を設ける工程が必要となるため、超音波センサの取り付け作業が煩雑になる。またバンパの溝部を設けた部分は肉厚が薄く機械的強度が低くなるため、破損し易くなるという問題がある。さらに、このように厚み方向に加工したバンパでは、超音波センサから付与される超音波振動により、予測ができない振動を発生する傾向があり、従って、圧電振動子が発生した超音波振動がバンパの反対側の空間に伝播する際に、異常なパターンの超音波信号となる傾向がある。さらにまた、特許文献２に記載された超音波センサの取り付け構造では、超音波センサのバンパへの固定は、アルミニウムなどの導電性部材からなるハウジングの底部を介して行われている。このため、超音波センサの圧電振動子から発生する超音波はバンパのみならず、周囲のハウジングにも伝播し、超音波振動の伝播効率が低下しやすくなる。【００１０】
従って、本発明の目的は、バンパなどの平板状基体の表面に容易に、かつ平板状基体の機械的強度を低下させることなく固定することができ、かつ平板状基体に固定しても、好適な広がりを持つ指向性とパターンの超音波信号を送受信することができ、このため平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間内に存在する物体の位置を高い信頼性にて精度よく測定することができる超音波センサを提供することにある。本発明の目的はまた、平板状基体に固定されていて、平板状基体を介して超音波センサと反対側の空間内に存在する物体の位置を高い信頼性にて精度よく測定することができる検知装置を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、超音波センサの圧電振動子の底面、あるいは圧電振動子に音響整合材料層が備えられている場合には、その音響整合材料層の底面、を平板状基体の表面に固定し、その超音波振動体の側面の下部の周囲に間隙を介して、筒状剛性壁材を固定配置することによって、圧電振動子から平板状基体に超音波信号を送信したときに、その超音波信号のパターンにはサイドローブが発生しにくくなり、メインローブの範囲が適度に広くなることを見出して、この新たな知見に基づき、本発明を完成させた。【００１２】
従って、本発明は、上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、該圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、該超音波振動体の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、該送信回路と該受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして上記超音波振動体の側面の周囲に、該超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置され、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む超音波センサにある。【００１３】
本発明の超音波センサの好ましい態様は、次の通りである。
（１）筒状剛性壁材が樹脂材料から形成されている。
（２）筒状剛性壁材が相対的に壁厚が大きい基部と該基部から上側に延びる相対的に壁厚が小さい延長部を有する。
（３）筒状剛性壁材の上面が開口し、その開口が蓋体により覆われている。
（４）超音波振動体の少なくとも一部がその側面を緩衝材で覆われた状態にて筒状ハウジングに収容され、この筒状ハウジングが筒状剛性壁材の内側に配置されている。
（５）柱状圧電セラミック焼結体が多孔質柱状圧電セラミック焼結体である。
（６）平板状基体が自動車のバンパである。【００１４】
本発明はまた、平板状基体、そして上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、該圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、該超音波振動体の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、該送信回路と該受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして上記超音波振動体の側面の周囲に、該超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置され、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む超音波センサを含む、平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間内に位置する物体の位置の検知装置にもある。【００１５】
本発明の検知装置の好ましい態様は、次の通りである。
（１）筒状剛性壁材が樹脂材料から形成されている。
（２）筒状剛性壁材が相対的に壁厚が大きい基部と該基部から上側に延びる相対的に壁厚が小さい延長部を有する。
（３）筒状剛性壁材の上面が開口し、その開口が蓋体により覆われている。
（４）超音波振動体の少なくとも一部がその側面を緩衝材で覆われた状態にて筒状ハウジングに収容され、この筒状ハウジングが筒状剛性壁材の内側に配置されている。
（５）柱状圧電セラミック焼結体が多孔質柱状圧電セラミック焼結体である。
（６）平板状基体が自動車のバンパである。【００１６】
本発明の超音波センサと検知装置において、バンパなどの平面状基体の反対側の空間に対して、メインローブの範囲が適度に広く、かつサイドローブの発生が抑制されるパターンの超音波信号が伝播する理由としては、下記の三点が考えられる。
第一に、圧電振動子、あるいは圧電振動子と音響整合材料層との複合体（本明細書では、これらをまとめて超音波振動体という）が、バンパなどの平面状基体の表面に直接接触した状態で固定されていることにより、圧電振動子から発生する超音波振動は、直接あるいは音響整合材料層を介してバンパなどの平面状基体に伝播するため、その超音波振動の伝播効率が良く、また他の共振を起こすような周辺部材の影響による超音波振動の複雑化を回避することができる。
第二に、超音波振動体の周囲に、超音波振動体と接触することなく、バンパなどの平板状基体に固定されている筒状剛性壁材により、平板状基体内をその表面に沿って伝搬する一般にラム波と呼ばれる横波の、筒状剛性壁材の固定位置を越えての平板状基体内の伝播を抑制することが可能となる。
第三に、平板状基体の表面に筒状剛性壁材を固定配置することによって超音波振動体の周囲の領域における平板状基体の剛性が高くなるため、平板状基体に伝播した超音波振動が平板状基体の振動によって複雑なパターンの超音波信号となりにくい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の超音波センサは、バンパなどの平板状基体の表面に固定した場合でも、平板状基体を通して、その反対側の空間に、サイドローブが発生しにくく、メインローブの範囲が適度に広い好適なパターンの超音波信号を伝播するため、超音波信号を適度に広い指向性にて高い信頼性にて送受信できる。従って、本発明の超音波センサを平板状基体の表面に固定した検知装置を用いることにより、平板状基体に対して超音波センサと反対側の空間の広い範囲に存在する物体の位置を精度よく測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に従う超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置の一例の断面図および電気信号系統（制御装置）の接続状態を概略的に表す図である。
【図２】図１に示した検知装置から送信される好適な広がりを持った超音波信号の指向性を示すチャート図である。
【図３】（ａ）は、本発明に従う超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置の別の構成の例を示す断面図（但し、電気信号系統の図示は省略してある）であり、（ｂ）は、（ａ）の検知装置から送信される超音波信号の指向性を示すチャート図である。
【図４】（ａ）は、筒状剛性壁材を含まない超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置の一例の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の検知装置から送信される超音波信号の指向性（サイドローブが大きい）を示すチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の超音波センサは、上面と下面のそれぞれに電極層を備えた柱状圧電セラミック焼結体である圧電振動子を含み、その圧電振動子の下部に音響整合材料層を備えていてもよい、底面にて平板状基体の表面に固定される超音波振動体、その超音波振動体の電極層の各々に電気的に接続している送信回路と受信回路、送信回路と受信回路の各々に電気的に接続している演算回路、そして上記の超音波振動体の側面の周囲に、該超音波振動体と接触することなく、間隙を介して配置され、平板状基体の表面に固定される筒状剛性壁材を含む。
【００２０】
上記の柱状圧電セラミック焼結体は、円柱状あるいは底面が四角以上の多角形の柱状であることが好ましく、円柱状あるいは底面が長方形の四角柱状であることが特に好ましい。柱状圧電セラミック焼結体が円柱状である場合には、下面の直径よりも厚さ（高さ）が小さくてもよいが、下面の直径よりも厚さ（高さ）が大きい方が好ましく、下面の直径を１としたときの厚さの比が１．５〜５の範囲にあることが特に好ましい。柱状圧電セラミック焼結体は、高さが１０〜３０ｍｍの範囲にあることが好ましい。
【００２１】
柱状圧電セラミック焼結体の材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムを挙げることができる。柱状圧電セラミック焼結体は、多孔質であっても、多孔質でなくてもかまわないが、多孔質であることが好ましい。多孔質柱状圧電セラミック焼結体は、平均直径が１〜１００μｍの範囲にある気孔が分散されていて、空隙率が５〜５０体積％の範囲にあることが好ましい。多孔質柱状圧電セラミック焼結体は、圧電セラミック粉末とバインダと気孔形成材料とを含む混合物を柱状に成形して柱状成形体を作成し、次いで柱状成形体を気孔形成材料の加熱分解温度以上の温度に加熱して、気孔形成材料を分解除去すると共に、圧電セラミック粉末を焼結させることによって製造することができる。バインダの例としてはポリビニルアルコールを挙げることができる。気孔形成材料は球状樹脂材料であることが好ましい。球状樹脂材料の例としては、ポリメチルメタクリレート及び発砲ポリスチロールを挙げることができる。柱状圧電セラミック焼結体は、厚さ方向に分極された圧電振動子であることが好ましい。電極層の材料の例としては、金及び銀を挙げることができる。
【００２２】
前述のように、本発明の超音波センサに含まれる圧電振動子（超音波振動子とも云う）は、その底部にて直接、平板状基体の表面に固定されていてもよく、あるいは圧電振動子と平板状基体との間に音響整合材料層を介在させてもよい。音響整合材料層の材料の例としては、合成樹脂（例、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂）及びゴム（例、硬質ゴム）を挙げることができる。
【００２３】
圧電振動子の側面及び上面は緩衝材で覆われていてもよい。緩衝材の例としては、コルク、ベーク材、樹脂（例、エポキシ樹脂）及びゴム（例、硬質ゴム）を挙げることができる。緩衝材は、超音波を吸収もしくは反射する物質を分散させてもよい。圧電振動子は筒体ハウジングに収容されていてもよい。筒体ハウジングの材料の例としては、金属（アルミニウム）及び合成樹脂（例、エポキシ樹脂）を挙げることができる。
【００２４】
本発明の超音波センサでは、筒状剛性壁材が、超音波振動体の側面の周囲（特に側面下部の周囲）に超音波振動体と直接接触すること無く，間隙を介して配置されていて、平板状基体の表面に固定される。この筒状剛性壁材は、圧電振動子から送信された超音波振動によりバンパなどの平板状基体に発生するラム波を吸収し、筒状剛性壁材の内部に閉じ込める効果をもたらし、これにより圧電振動子から送信された超音波振動は、平板状基体の反対側の空間にて、サイドローブが少なく、かつ好適な広さのメインローブをもつ好ましいパターンの超音波信号として現れると考えられる。
【００２５】
筒状剛性壁材の材料は、平板状基体の材料と同じ材料であるか、平板状基体の材料よりも剛性が高い材料であることが好ましい。筒状剛性壁材の材料の例としては、金属（例、アルミニウム、ステンレススチール）及び合成樹脂（例、オレフィン樹脂）を挙げることができる。筒状剛性壁材の材料が平板状基体の材料と同じ材料である場合、筒状剛性壁材の高さは平板状基体の２倍以上であることが好ましく、２〜５０倍の範囲にあることが特に好ましい。超音波振動体の側面下部と筒状剛性壁材との間隙は、一般に２ｍｍ以下、好ましくは０．０１〜２ｍｍの範囲、特に好ましくは０．１〜１ｍｍの範囲である。
【００２６】
筒状剛性壁材で囲まれている平板状基体の領域の直径（最長径）は、平板状基体内を伝播するたて波超音波信号の波長λの１／２以下であってもよい。例えば、平板状基体内の超音波の伝播速度が２０００ｍ／秒で、超音波信号の周波数が６０ｋＨｚである場合、筒状剛性壁材で囲まれている平板状基体の領域の直径（最長径）は１６．５ｍｍ［＝（２０００×１０００）／（６０×１０００）×１／２］以下である。
【００２７】
次に、本発明の超音波センサそしてその超音波センサを平板状基体の表面に固定した検知装置について、平板状基体が自動車用のバンパである場合を例にとって添付図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は、本発明に従う超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置の一例の断面図を示す。図１において、検知装置は、バンパ４０とそのバンパの表面に固定された超音波センサ１０とを含む。超音波センサ１０は、上面と下面のそれぞれに電極層１３ａ、１３ｂ、そしてさらに折返電極層１３ｃを備えた柱状圧電セラミック焼結体１２である圧電振動子（超音波振動子ともいう）１４を含む。この図１の超音波センサでは、圧電振動子１４の下部に音響整合材料層１９が備えられていて、これにより超音波振動体を構成しており、超音波振動体は音響整合材料層１９の底面にてバンパ４０の表面に固定されている。圧電振動子１４の電極層の各々には、送信回路２８と受信回路２９が電気的に接続され、送信回路２８と受信回路２９の各々には演算回路３０がリード線１５により電気的に接続している。なお、この電気的な接続は、リード線を介する有線接続であってもよいが、無線接続であってもよい。図１において、超音波振動体の下部に備えられている音響整合材料層１９側面の周囲には、超音波振動体（圧電振動子１４と音響整合材料層１９とから構成されている）と接触することなく、間隙２５を介して筒状剛性壁材２１が配置されていて、バンパ４０の表面に固定されている。
【００２９】
図１において、圧電振動子１４は、側面及び上面が緩衝材１６で覆われ、上部が閉じて下部が開口した筒状ハウジング１７に収容されている。筒状ハウジング１７の下部の開口は底板１８で閉じられている。
【００３０】
超音波振動体（圧電振動子１４＋音響整合材料層１９）の周囲に間隙を介して配置されている筒状剛性壁材２１は、下部に外側延長部２２と内側延長部２３とが備えられている。筒状剛性壁材２１はバンパ４０の表面に接着などの方法によって固定してもよいし、筒状剛性壁材２１をバンパ４０と一体的に成形してもよい。
【００３１】
図１において、圧電振動子１４と緩衝材１６とを収容した筒状ハウジング１７の底面は、底板１８と環状平板状金属材２４を介して筒状剛性壁材２１の内側延長部２３に支持されている。筒状ハウジング１７の上面は、筒状剛性壁材２１の上部に着脱可能に固定されたねじ蓋２６により固定されている。すなわち、圧電振動子１４と緩衝材１６とを収容している筒状ハウジング１７は筒状剛性壁材２１の内側延長部２３とねじ蓋２６とに挟まれた状態で固定されている。内側延長部２３と筒体ハウジング１７との間に環状平板状金属材２４を介在させるのは、内側延長部２３の剛性を補強するためである。すなわち、音響整合材料層１９を介在させた場合、その音響整合材料層１９内での超音波信号の減衰を抑えるためには、音響整合材料層１９の厚さを薄くする、すなわち内側延長部２３の厚さを薄く（高さを低く）する方が好ましい。しかし、内側延長部２３は、その厚さを薄くすると、剛性が低下して筒状剛性壁材としての効果が低減する。このため環状平板状金属材２４を介在させて、内側延長部２３の剛性を補強している。
【００３２】
制御装置２７は、圧電振動子１４の電極層１３ａ、１３ｃの各々に電気的に接続している送信回路２８と受信回路２９、そして送信回路２８と受信回路２９の各々に電気的に接続している演算回路３０を含む。送信回路２８、受信回路２９及び演算回路３０はそれぞれ電源３１に電気的に接続している。
【００３３】
図１の検知装置では、次のようにしてバンパ４０に対して超音波センサ１０と反対側の空間内に存在する人もしくは障害物などの物体の位置を測定することができる。
先ず、演算回路３０が時間Ｔ0をカウントしたときに、送信回路２８はパルス状の電気エネルギーを、超音波振動体の圧電振動子１４に発信する。圧電振動子１４は、電気エネルギーを超音波信号に変換する。圧電振動子１４にて発生した超音波はバンパ４０を通過して、バンパ４０の外側表面に超音波信号として放射される。放射された超音波信号は、その外側空間に存在する物体の表面で反射する。反射された超音波信号は再びバンパ４０を伝播して圧電振動子１４に到達する。反射された超音波信号は圧電振動子１４にて電気エネルギーに変換される。圧電振動子にて変換された電気エネルギーは次いで受信回路２９に送られ、受信回路２９は電気エネルギーのノイズを除去して、物体の表面で反射した超音波信号に起因して発生した電気エネルギーのみを演算回路３０に送る。演算回路３０は電気エネルギーを受けた時間Ｔ1をカウントし、下記の式（Ｉ）より、バンパ４０と物体との距離（ｍ）を求める。
バンパと物体との距離（ｍ）＝｛空気中の超音波の伝播速度（ｍ／秒）×（Ｔ1−Ｔ0）｝／２・・・・（Ｉ）
【００３４】
図２は、図１に示した検知装置から送信される超音波信号の指向性を示すチャート図である。なお、検知装置の各部の材料及びサイズは下記のとおりである。なお、図２中の実線は実測値に基づく超音波信号のパターンを表し、破線はシミュレーションで得られた計算値に基づく超音波信号のパターンを表す。
【００３５】
圧電振動子（１４）：共振周波数６２．５ｋＨｚ
柱状圧電セラミック焼結体（１２）：多孔質円柱状チタン酸ジルコニウム焼結体（空隙率２７体積％、気孔の平均直径：３０μｍ）、直径６．４ｍｍ、高さ１７ｍｍ
上側電極層（１３ａ）、下側電極層（１３ｂ）、折返電極層（１３ｃ）：焼付銀製、厚さ１０μｍ
緩衝材（１６）：コルク製、幅３．８ｍｍ
筒状ハウジング（１７）：アルミニウム製、厚さ１ｍｍ
底板（１８）：エポキシ樹脂製、厚さ０．６ｍｍ
音響整合材料層（１９）：ポリウレタン製、厚さ３．０ｍｍ
筒状剛性壁材（２１）：ポリプロピレン製、幅（Ｗ1）２．５ｍｍ
外側延長部（２２）：高さ６．６ｍｍ、幅（Ｗ2）４．９ｍｍ
内側延長部（２３）：高さ１．５ｍｍ、幅（Ｗ3）５．８ｍｍ
環状平板状金属材（２４）：ステンレススチール製、厚さ１ｍｍ
音響整合材料層１９と内側延長部２３との間隙（２５）：０．５ｍｍ
バンパ（４０）：ポリプロピレン製、厚さ２．６ｍｍ、超音波の伝播速度２０００ｍ／秒
【００３６】
図２のチャート図から、本発明に従う検知装置は、実測値と計算値ともに、後述の図４に示す筒状剛性壁材を含まない超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置と比較して、サイドローブが発生しにくくなり、メインローブの範囲が適度に広くなることが分かる。
【００３７】
なお、図１の検知装置では、超音波振動体が音響整合材料層を含み、その音響整合材料層の底面にてバンパ４０の表面に固定されているが、超音波振動体が音響整合材料層を含まない（超音波振動子が音響整合材料層を備えていない）場合には、圧電振動子は、その底面にてバンパ４０の表面に固定される。圧電振動子１４の底面にてバンパ４０の表面に固定されている例を図３に示す。
【００３８】
図３の（ａ）の検知装置において、圧電振動子１４は、その底面にて直接バンパ４０の表面に固定されていて、超音波振動体の周囲には、緩衝材１６と間隙を介して、筒状剛性壁材２１が固定配置されている。図３において、検知装置の各部の材料及びサイズは下記のとおりである。
【００３９】
圧電振動子（１４）：図１の装置の圧電振動子と同一
緩衝材（１６）：図１の装置の緩衝材と同じ
筒状剛性壁材（２１）：ポリプロピレン製、幅７．７８ｍｍ、高さ６．５７ｍｍ
緩衝材（１６）と筒状剛性壁材（２１）との間隙：０．３６６ｍｍ
バンパ（４０）：図１の装置のバンパと同じ
【００４０】
図３の（ｂ）は、（ａ）の検知装置から送信される超音波信号のパターンの指向性を示すチャート図である。なお、図３（ｂ）のデータはシミュレーションで得られた計算値に基づく。このチャート図から、音響整合材料層を介在させずに、圧電振動子１４をその底面にてバンパ４０の表面に固定した場合でも、後述の図４に示す筒状剛性壁材を含まない超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置と比較して、サイドローブが発生しにくくなることが分かる。
【００４１】
図４の（ａ）は、筒状剛性壁材を含まない超音波センサをバンパの表面に固定した検知装置の一例の断面図である。図４の（ａ）の検知装置では、圧電振動子１４は、その底面にて直接バンパ４０の表面に固定されていて、その周囲には緩衝材１６が備えられているが、筒状剛性壁材が付設されていない。そして、それ以外の構成は、図３（ａ）の検知装置の構成と同じである。
【００４２】
図４の（ｂ）は、（ａ）の検知装置から送信される超音波信号のパターンの指向性を示すチャート図である。なお、図４（ｂ）のデータはシミュレーションで得られた計算値に基づく。このチャート図から、筒状剛性壁材を含まない超音波センサでは、バンパの反対側に現れる超音波信号のパターンでは、大きなサイドローブが発生することが分かる。
【００４３】
これまでの説明では、本発明の超音波センサ及びその超音波センサを平板状基体の表面に固定した検知装置を、平板状基体が自動車用のバンパである場合を例にとった説明としたが、本発明の超音波センサの使用は、自動車のバンパのみに限られるのではない。たとえば、本発明の超音波センサを液体タンクの蓋の外側に固定して、液体タンク内の液体の液面検知装置、特に腐食性ガス（例、硫化水素、亜硫酸、亜硝酸、塩素）が発生する液体あるいはガソリンなどの液体燃料の液面検知装置として使用してもよい。また、本発明の超音波センサを建物の外壁や室内の壁の内側面に固定して侵入者の検知装置として使用することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  超音波センサ
１２  柱状圧電セラミック焼結体
１３ａ  上面電極層
１３ｂ  下面電極層
１３ｃ  折返電極層
１４  圧電振動子（超音波振動子）
１５  リード線
１６  緩衝材
１７  筒状ハウジング
１８  底板
１９  音響整合材料層
２０  底面
２１  筒状剛性壁材
２２  外側延長部
２３  内側延長部
２４  環状平板状金属材
２５  間隙
２６  ねじ蓋
２７  制御装置
２８  送信回路
２９  受信回路
３０  演算回路
３１  電源
４０  平板状基体（バンパ）
【図１】
2015093571.tif 000003
【図２】
2015093571.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015093571.tif 000006
【国際調査報告】
2015093571.tif 000007
2015093571.tif 000008