(57)【要約】【課題】  指向性を制御することができる超音波センサを実現する。【解決手段】  超音波検出素子１０と、受信面３２ａで受信した超音波を、底面３２ｄに取り付けられた超音波検出素子１０に伝達する振動伝達部材３２とを備えた超音波センサ１において、受信面３２ａが被検出体に対して凸形状に形成されているため、受信面３２ａが平面状に形成されている場合に比べて指向性を広くすることができる。また、振動伝達部材３２は、受信面３２ａの形状により、超音波の検出範囲を制御することができ、超音波の検出範囲を被検出体の存在する空間側の所定の角度範囲に設定することが可能に構成されているため、被検出体を検出する必要がある方向から伝達される超音波のみを検出することができる。つまり、指向性を制御することができる超音波センサ１を実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送信する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、前記受信面と異なる面に取り付けられた前記超音波検出素子に伝達する振動伝達部材とを備えた超音波センサにおいて、
前記振動伝達部材は、前記受信面が前記被検出体に対して凸形状に形成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記振動伝達部材は、超音波の検出範囲を前記被検出体の存在する空間側の所定の角度範囲に設定することが可能に構成さ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。
【請求項３】
前記受信面は、曲面により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記受信面は、半球面状に形成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。
【請求項５】
前記受信面は、複数の平面により構成され、凸多面体の表面を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記各平面の二面角（Ｘ）と、超音波が各平面から前記振動伝達部材の内部に伝達可能な最大入射角（θｍａｘ）とが、下式の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
Ｘ≧１８０°−２θｍａｘ    （１）
【請求項７】
前記振動伝達部材は、樹脂系材料により形成された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。
【請求項８】
前記樹脂系材料は、ポリカーボネート系樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記超音波検出素子は、前記基板の薄肉部に圧電材料を用いて構成され、振動によって生じる歪みにより振動を検出する圧電式の振動検出部を備えた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。
【請求項１０】
前記超音波検出素子は、前記基板の薄肉部に一対の電極を有し、振動によって生じる容量変化によって振動を検出する容量式の振動検出部を備えた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。
【請求項１１】
前記超音波検出素子は、基板を用いてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により形成された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。
【請求項１２】
複数の前記振動伝達部材と前記超音波検出素子との組がアレイ状に配置されて形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記各振動伝達部材は、前記各振動伝達部材の中央部間の距離が、空気中を伝達する超音波の波長の１／２に等しい、または、ほぼ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１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
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、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１ないし請求項１３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】
この発明は、超音波を受信する可能な超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の超音波センサとして、例えば、自動車（車両）に搭載されたものが知られている。この超音波センサは、送信手段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受信手段により受信することにより、自動車の周囲にある物体の位置する方向測定や物体までの距離測定などを行う。このように、超音波センサを利用して、自動車の周囲を監視することにより、安全走行に役立てる技術の開発が進められている。
例えば、自動車の後部に超音波センサを搭載し、自動車の後方に存在する人間や障害物などに当たって反射された超音波を当該超音波センサで受信して検知するバックソナーを用い、人間や障害物などとの衝突を回避してバックでの駐車を支援する自動駐車支援システムなどが実用化されている。
更に、超音波センサの超音波検出素子としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用して基板の薄肉部として形成された薄膜部上に圧電体薄膜からなる振動部が形成された、超音波センサの超音波検出素子が注目されている。
【０００３】
ここで、超音波センサの素子を外部に露出させた状態で車両に搭載した場合、素子の表面に水滴やごみが付着すると、被検出体までの距離を正確に測定できなくなる。また、小石の衝突などの外力の負荷により破壊されるおそれがある。
そのため、素子の汚染や外力の負荷による破壊を防止するための保護構造を備えた超音波センサとして、例えば、特許文献１には、素子を外部に露出しないようにアルミケースに内装し、超音波を検出する圧電式振動検出素子を振動板を兼ねた保護部材に直接取り付けて、この保護部材の振動によって超音波を受信する超音波センサが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−５８０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような超音波センサにおいて、超音波の受信可能な範囲（以下、「指向性」と表す）は、振動板の面積に依存し、振動板前方の法線方向を中心とした狭い範囲に限定されてしまい、方向、広さともに指向性を自由に制御できないという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明は、指向性を制御する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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、超音波を送信する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、前記受信面と異なる面に取り付けられた前記超音波検出素子に伝達する振動伝達部材とを備えた超音波センサにおいて、前記振動伝達部材は、前記受信面が前記被検出体に対して凸形状に形成されている、という技術的手段を用いる。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、超音波検出素子と、受信面で受信した超音波を、受信面と異なる面に取り付けられた超音波検出素子に伝達する振動伝達部材とを備えた超音波センサにおいて、受信面が被検出体に対して凸形状に形成されているため、受信面が平面状に形成されている場合に比べて指向性を広くすることができる。また、受信面の形状により、超音波の検出範囲を制御することができるので、指向性を制御することができる超音波センサを実現することができる。
【０００８】
請求項２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、前記振動伝達部材は、超音波の検出範囲を前記被検出体の存在する空間側の所定の角度範囲に設定することが可能に構成されている、という技術的手段を用いる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、振動伝達部材は、超音波の検出範囲を被検出体の存在する空間側の所定の角度範囲に設定することが可能に構成されているため、被検出体を検出する必要がある方向から伝達される超音波のみを検出することができる。
これにより、超音波センサの用途に合わせて超音波の検出範囲を設定することができるとともに、ノイズを低減することができ、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記受信面は、曲面により形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、受信面は、曲面により形成されているため、法線方向が連続的に変化して、超音波の検出範囲が重なり合うので、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。
【００１２】
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、前記受信面は、半球面状に形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、受信面は、半球面状に形成されているため、受信面が露出している前方の全方位に対して法線を有するので、超音波センサは１８０°の指向性を有し、超音波センサ前方の全方位の被検出体を検出することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記受信面は、複数の平面により構成され、凸多面体の表面を形成する、という技術的手段を用いる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、複数の平面により構成され、凸多面体の表面を形成するように受信面を構成することができる。これにより、各平面が法線方向を中心とした指向性を有するため、各平面の配置により、超音波の検出範囲を制御することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の超音波センサにおいて、前記各平面の二面角（Ｘ）と、超音波が各平面から振動伝達部材の内部に伝達可能な最大入射角（θｍａｘ）とが、下式の関係を満たす、という技術的手段を用いる。
Ｘ≧１８０°−２θｍａｘ    （１）
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、各平面の二面角（Ｘ）と、超音波が各平面から前記振動伝達部材の内部に伝達可能な最大入射角（θｍａｘ）とが（１）式を満たす。このように各平面を配置することにより、各平面における超音波の検出範囲を重なり合わせることができ、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。
【００１８】
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、前記振動伝達部材は、樹脂系材料により形成された、という技術的手段を用いる。
【００１９】
請求項７に記載の発明によれば、振動伝達部材は、樹脂系材料により形成されているため、振動伝達部材の音響インピーダンスを空気と素子の中間にできるため、音響マッチングを取ることができ、反射音を低減することができるため、高感度化が可能になる。更に、金属系材料を用いた場合に比べて、指向性を広くすることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の超音波センサにおいて、前記樹脂系材料は、ポリカーボネート系樹脂である、という技術的手段を用いる。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、ポリカーボネート系樹脂は、表面加工を施すことによって、堅牢で耐候性に優れているため、例えば、車載用の超音波センサに好適に用いることができる。
【００２２】
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、前記超音波検出素子は、前記基板の薄肉部に圧電材料を用いて構成され、振動によって生じる歪みにより振動を検出する圧電式の振動検出部を備えた、という技術的手段を用いる。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、振動検出部は、圧電材料を用いて構成され、振動により生じる歪みにより振動を検出する圧電式の振動検出部であるため、歪みの変化による電圧信号の変化が大きいので、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００２４】
請求項１０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、前記超音波検出素子は、前記基板の薄肉部に一対の電極を有し、振動によって生じる容量変化によって振動を検出する容量式の振動検出部を備えた、という技術的手段を用いる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明によれば、振動検出部は、一対の電極を有し、振動によって生じる容量変化によって振動を検出する容量式の振動検出部であるため、容量変化の変化を電圧信号へ変換する際の係数値を設定できるため、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００２６】
請求項１１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、基板を用いてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により形成された、という技術手段を用いる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明によれば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により振動検出部が薄肉に形成されているため、振動検出部の変位を増大させ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。
【００２８】
請求項１２に記載の発明では、請求項１ないし請求項１１のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、複数の前記振動伝達部材と前記超音波検出素子との組がアレイ状に配置されて形成された、という技術的手段を用いる。
【００２９】
請求項１２に記載の発明によれば、超音波センサは、複数の前記振動伝達部材と前記超音波検出素子との組がアレイ状に配置されて形成されているので、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。
【００３０】
請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の超音波センサにおいて、前記各振動伝達部材は、前記各振動伝達部材の中央部間の距離が、空気中を伝達する超音波の波長の１／２に等しい、または、ほぼ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。
【００３１】
請求項１３に記載の発明によれば、各振動伝達部材は、各振動伝達部材の中央部間の距離が、空気中を伝達する超音波の波長の１／２に等しい、または、ほぼ等しくなるように配置されているため、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。
【００３２】
請求項１４に記載の発明では、請求項１ないし請求項１３のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、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、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。
【００３３】
請求項１４に記載の発明によれば、超音波センサは、車両に搭載して用いることができ、用途に合わせて、各種部材に設けることができる。例えば、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、または、ドアミラー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、または、バックランプのカバーに設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
〈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、第１実施形態に係る超音波センサの縦断面説明図である。図２は、超音波検出素子の説明図である。図２（Ａ）は、超音波検出素子を車両内部側から見た平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図である。図３は、第１実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。図４は、第１実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。図４（Ａ）は、上下（Ｕ−Ｄ）方向の縦断面説明図であり、図４（Ｂ）は、左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面説明図である。図５は、第１実施形態に係る超音波センサの車両への搭載位置の説明図である。
ここで、図１〜４において、図中の上方向が車両の外部を示す。また、図４において、図４（Ａ）の右方向が車両の上方向、左方向が車両の下方、図４（Ｂ）の右方向が車両の運転席側から見た右方向、左方向が車両の運転席側から見た左方向にそれぞれ対応する。
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。
【００３５】
（超音波センサの構造）
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波センサ１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１０と、超音波検出素子１０が取り付けられており、超音波を受信し、超音波検出素子１０に振動を伝達する振動伝達部材３２とを備えている。
超音波センサ１は、振動伝達部材３２は、車両６０の所定の位置、本実施形態ではバンパ２０（図５）に取り付けられている。
【００３６】
（超音波検出素子の構造）
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波検出素子１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の四角形状の半導体基板１１を用いて形成されている。半導体基板１１は、シリコンからなる支持部材１１ａの上面１１ｍ上に、第１絶縁膜１１ｂ、シリコン活性層１１ｃ、第２絶縁膜１１ｄがこの順番で積層されて形成されている。
半導体基板１１の中央部は、ＭＥＭＳ技術により、支持部材１１ａ及び第１絶縁膜１１ｂの中央部が四角形状に除去される。これにより、支持部材１１ａは中央部が四角形にくり抜かれた平板状に、残されたシリコン活性層１１ｃ及び第２絶縁膜１１ｄは、四角形の薄膜状に形成されている。
【００３７】
第２絶縁膜１１ｄ上には、薄膜状に形成された部分を覆って、圧電式の振動検出部１２が形成されている。振動検出部１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体薄膜１２ａを下面電極１３及び上面電極１４で挟んで形成されている。下面電極１３及び上面電極１４は回路素子（図示せず）にバンプにより電気的に接続されている。
これにより、支持部材１１ａにより端部が持ち上げられた振動部１５が形成される。振動部１５は、所定の共振周波数を有しており、被検出体で反射されて超音波検出素子１０に伝達された超音波を受信し、共振する。この共振により生じる振動部１５の変位を振動検出部１２により電圧信号に変換して、超音波を検出する。
圧電式の振動検出部１２は、歪みの変化による電圧信号の変化が大きいので、超音波の検出感度を向上させることができる。また、ＭＥＭＳ技術により振動検出部１２が薄肉に形成されているため、振動検出部１２の変位を増大させ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。
このように、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された超音波検出素子１０は、超音波の受信感度が高いため超音波検出素子として好適である。
【００３８】
振動伝達部材３２は、樹脂系材料により、半球状の受信面３２ａを有する受信部３２ｂと、受信部３２ｂと同じ径に形成された円板形状の取付部３２ｃとにより形成されている。樹脂系材料は、音響インピーダンスは空気より大きく、検出素子より小さいために、空気との音響マッチングをとることによって、受信感度を大きくすることができる。
本実施形態では、振動伝達部材３２は、ポリカーボネート系樹脂により形成されている。振動伝達部材３２は、切削加工や射出成形などにより形成することができる。ポリカーボネート系樹脂は、表面加工を行うことによって堅牢で耐候性に優れているため、車載用の超音波センサ１に好適に用いることができる。
【００３９】
バンパ２０には、振動伝達部材３２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。振動伝達部材３２は、取付部３２ｃの側面部において、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３３を介して、受信面３２ａの全面をバンパ２０の外部に露出させた状態で、接着剤などで取付部２０ａに取り付けられている。
超音波検出素子１０は、支持部材１１ａの取付面１１ｎにおいて取付部３２ｃの底面３２ｄに取り付けられている。
超音波検出素子１０は、バンパ２０の外部から視認できない位置に取り付けられているため、振動伝達部材３２は、異物や水分などから超音波検出素子１０を保護する保護部材としても作用する。
【００４０】
振動減衰部材３３は、振動伝達部材３２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、振動伝達部材３２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３３が、バンパ２０と振動伝達部材３２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を介して振動伝達部材３２の側面部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。
【００４１】
（超音波の伝達）
超音波センサ１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、振動伝達部材３２の受信面３２ａにおいて受信する。受信面３２ａにおいて受信された超音波のうち、後述する入射角の関係を満たすものが、振動伝達部材３２の内部に進行し、底面３２ｄから支持部材１１ａを介して超音波検出素子１０に伝達される。
【００４２】
超音波が空気から振動伝達部材３２の受信面３２ａに入射する入射角（空気と振動伝達部材３２との界面の法線方向に対する角度）をθ１、振動伝達部材３２に入射角θ１で入射した超音波が進行する透過角をθ２、超音波の空気中での音速をｖ１、超音波の振動伝達部材３２中での音速をｖ２とすると、屈折率Ｎは次式で表される。
【００４３】
Ｎ＝ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２＝ｖ１／ｖ２            （１）
【００４４】
入射角θ１が大きくなると、透過角θ２も大きくなる。θ２が９０°になるときの入射角θ１を最大入射角θｍａｘとすると、θ１がθｍａｘより大きい場合には、超音波は振動伝達部材３２の内部に進行できない。
このように、振動伝達部材３２により超音波を受信すると、検出可能な超音波は、受信面３２ａの法線方向を中心に、最大入射角θｍａｘの範囲に限定される。つまり、受信面３２ａの法線方向を中心に、最大入射角θｍａｘの範囲で超音波を検出することができる。
【００４５】
振動伝達部材３２を金属系材料、例えば、アルミニウムで形成した場合、最大入射角θｍａｘは約４°となる。一方、樹脂系材料、例えば、ポリカーボネートを用いた場合には、入射角θｍａｘは約７°となり、金属系材料を用いた場合に比べて、指向性を広くすることができる。
【００４６】
ここで、受信面３２ａは半球面状に形成されているため、受信面３２ａに沿って法線方向が連続的に変化し、受信面３２ａが露出している車両６０前方の全方位に対して法線を有する。このため、超音波の検出範囲が重なり合うため、検出できない方向が存在しない。つまり、超音波センサ１は１８０°の指向性を有し、車両６０前方の全方位の障害物を検出することができる。
【００４７】
振動伝達部材３２の内部に進行した超音波は、振動伝達部材３２を伝搬する超音波は、振動伝達部材３２の取付部３２ｃの底面３２ｄから支持部材１１ａの取付面１１ｎに対して固体内の振動として伝達される。
支持部材１１ａに伝達された超音波は、支持部材１１ａ内を伝達し、振動部１５を振動させる。そして、振動部１５が振動することにより、振動検出部１２から回路素子（図示せず）に対して電圧信号が出力される。
回路素子は、ＥＣＵに電気的に接続されており、超音波検出素子１０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。
【００４８】
ここで、受信面３０ａで受信した超音波により振動部１５が共振するような構成を採用すると、伝達される振動が増幅されるため、検出感度を高くすることができるので好ましい。共振振動は、振動部１５の材質、面積、厚さ、形状によって決まる。これらのパラメータにより、振動部１５の共振を設計することができる。
【００４９】
なお、振動伝達部材３２として樹脂材料を例示しているが、屈折率が小さく、堅牢であれば、各種金属材料、ガラス、セラミックス、ゴムなども用いることができる。
振動伝達部材３２の材料の選択や塗装によりバンパ２０と色調を揃えることにより、超音波センサ１の存在を目立たなくすることができる。従って、意匠性に優れた超音波センサ１を作製することができ、バンパ２０の美観を保つことができる。
【００５０】
（変更例）
図３に示すように、受信面３２ａを半球面より小さい形状に形成することもできる。なお、図３では、超音波検出素子１０は、支持部材１１ａの一部のみ示してある。これにより、超音波を受信する指向性は、受信面３２ａの端部における法線方向Ｖより最大入射角θｍａｘだけ広角なＡＤとなり、受信面３２ａが半球面に形成されている場合に比べて超音波の検出範囲を制限することができる。また、バンパ２０の表面から突出する受信部３０ｂの高さを小さくすることができるため、超音波センサ１の存在を目立たなくすることができる。
【００５１】
受信面３２ａは、球面に限らず、外側に凸形状の曲面により形成してもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、上下（Ｕ−Ｒ）方向の縦断面が被検出体側の端部が面取りされた略長方形状であり、図４（Ｂ）に示すように、受信部３２ｂの左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面が半円状、つまり、円柱を軸を含んだ面で切断した半円柱状となるように形成してもよい。
この構成を用いると、左右（Ｌ−Ｒ）方向には、１８０°の指向性を有し、上下（Ｕ−Ｄ）方向には、２θｍａｘの指向性を有する超音波センサ１を作製することができる。このような、超音波センサ１を用いると、上下方向に検出する必要のないもの、例えば、地面などが存在する場合に、上下方向の指向性を狭くすることにより、検出しないようにすることができる。
【００５２】
その他、受信面３２ａを種々の形状の曲面により形成することにより、指向性を制御することができる。ここで、曲面では法線方向が連続的に変化するため、超音波の検出範囲が重なり合うので、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。
【００５３】
超音波センサ１は、バンパ２０以外の車両の部材に取り付けて使用することができる。例えば、図５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１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１を適用する場合に有効である。
更に、超音波センサ１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１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２２、ドアミラー２３などに取り付けることもできる。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２４、バックランプのカバー２５などに取り付けることもできる。
【００５４】
本実施形態では、支持部材１１ａは中央部が四角形にくり抜かれた平板状に、残されたシリコン活性層１１ｃ及び第２絶縁膜１１ｄは、四角形の薄膜状に形成されているが、支持部材１１ａ及び第１絶縁膜１１ｂの中央部を四角形状に除去せずに、平板状のまま用いることもできる。
また、振動伝達部材３２は、中空に形成することもできる。
超音波センサ１は、車両６０以外にも、例えば、室内で使用するロボットなどに搭載することもできる。
【００５５】
〈第１実施形態の効果〉
（１）超音波検出素子１０と、受信面３２ａで受信した超音波を、底面３２ｄに取り付けられた超音波検出素子１０に伝達する振動伝達部材３２とを備えた超音波センサ１において、受信面３２ａが被検出体に対して凸形状に形成されているため、受信面３２ａが平面状に形成されている場合に比べて指向性を広くすることができる。
また、振動伝達部材３２は、受信面３２ａの形状により、超音波の検出範囲を制御することができ、超音波の検出範囲を被検出体の存在する空間側の所定の角度範囲に設定することが可能に構成されているため、被検出体を検出する必要がある方向から伝達される超音波のみを検出することができる。つまり、指向性を制御することができる超音波センサ１を実現することができる。また、ノイズを低減することができ、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００５６】
（２）受信面３２ａは、曲面により形成されているため、法線方向が連続的に変化して、超音波の検出範囲が重なり合うので、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。
受信面３２ａを半球面状に形成した場合には、受信面３２ａが露出している前方の全方位に対して法線を有するので、超音波センサは１８０°の指向性を有し、車両６０前方の全方位の被検出体を検出することができる。
【００５７】
（３）振動伝達部材３２は、樹脂系材料により形成されているため、金属系材料などに比べて音響インピーダンスが小さいため、空気との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。また、超音波検出素子１０に比べて音響インピーダンスが小さいため、振動伝達部材３２から伝達する振動の減衰を小さくすることができる。つまり、超音波が空気から直接超音波検出素子１０に伝達する場合に比べて、空気から樹脂系材料で形成された振動伝達部材３２を介して超音波検出素子１０の場合に伝達する場合の方が、超音波検出素子１０に伝達される超音波を増大させることができ、検出感度を向上させることができる。更に、金属系材料を用いた場合に比べて、指向性を広くすることができる。
特に、ポリカーボネート系樹脂は、堅牢で耐候性に優れているため、例えば、車載用の超音波センサ１に好適に用いることができる。
【００５８】
（４）振動部１５が薄肉に形成されているため、振動部１５の変位を増大させ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。また、振動検出部１２は、圧電材料を用いて構成され、振動により生じる歪みにより振動を検出する圧電式の振動検出部１２であるため、歪みの変化による電圧信号の変化が大きいので、超音波の検出感度を向上させることができる。
【００５９】
（５）本実施形態の超音波センサ１は、車両６０に搭載して用いることができ、用途に合わせて、各種部材に設けることができる。例えば、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２１、または、バンパ２０に設けることができる。超音波センサ１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２２、または、ドアミラー２３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２４、または、バックランプのカバー２５に設けることができる。
【００６０】
〈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６は、第２実施形態に係る超音波センサの縦断面説明図である。図７は、超音波の検出範囲と二面角との関係を示す説明図である。図８は、第２実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。図８（Ａ）は、上下（Ｕ−Ｄ）方向の縦断面説明図であり、図８（Ｂ）は、左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面説明図である。図９は、第２実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。
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。また、図面を見やすくするために、図中の各平面の二面角は、以下の文中に記載している数値とは、必ずしも一致しない。
【００６１】
図６に示すように、超音波センサ２では、振動伝達部材４２は、樹脂系材料により、受信面４２ａを有する受信部４２ｂと、受信部４２ｂと一体的に形成された取付部４２ｃとから構成されている。振動伝達部材４２の受信部４２ｂの受信面４２ａは、四角形状の複数の平面により構成され、凸多面体の表面を形成している。本実施形態では、受信面４２ａの中央部から上下方向、左右方向にそれぞれ３つの平面が存在し、それぞれ左右対称に配置されている。また、各平面は、隣接する２つの面がなす角度である二面角（Ｘ）が１６６°になるように配置されている。
超音波検出素子１０は、支持部材１１ａの取付面１１ｎにおいて取付部４２ｃの底面４２ｄに取り付けられている。
【００６２】
各平面は、各平面においる超音波の検出範囲が受信可能な角度が重なり合うように配置されている。図７に示すように、隣接する平面４２ｍと平面４２ｎにおいて、超音波の検出範囲は、それぞれの法線Ｖｍ、Ｖｎを中心に最大入射角θｍａｘの範囲である。それぞれの検出範囲が重なり合うためには、次式の関係が成立すればよい。
【００６３】
Ｘ≧１８０°−２θｍａｘ    （１）
【００６４】
ここで、ポリカーボネートでは、２θｍａｘは約１４°となるため、二面角Ｘは１６６°以上であれば、超音波センサ１の検出範囲を重なり合わせることができる。これにより、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。本実施形態では、各平面における指向性は１４°であり、受信面３２ａは縦断面が７つの平面により構成されているので、９０°の指向性を得ることができる。
このように、各平面を（１）式の関係を満足するように配置することにより、超音波センサ２の検出範囲を重なり合わせることができ、指向性を制御することができる。
【００６５】
（変更例）
上述の超音波センサ２では、受信面４２ａを構成する各平面を対称に配置したが、受信面４２ａは各平面を特定の方向に対しては非対称に配置して構成してもよい。
例えば、図８に示すように、振動伝達部材４２は、受信部４２ｂの左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面が長方形状、上下（Ｕ−Ｒ）方向の縦断面では、３つの平面が上方に向かって車両側に徐々に傾斜した形状に形成されている。ここで、二面角Ｘは１６６°である。
この構成を用いると、左右（Ｌ−Ｒ）方向には、２θｍａｘ（約１４°）の狭い指向性を有し、上下（Ｕ−Ｄ）方向には、車両６０正面から上方に約４５°の指向性を有する超音波センサ２を作製することができる。
振動伝達部材４２をこのように構成した超音波センサ２では、車両６０正面から下方向に検出する必要のないもの、例えば、地面などが存在する場合に、下方向からの超音波を検出しないようにすることができるので、ノイズを低減することができ、検出感度を向上させることができる。
【００６６】
また、特定方向の超音波のみ検出する構成を用いることもできる。例えば、図９に示すように、車両６０正面方向の法線を有する平面と、この平面の左右方向に二面角１５２°をなす２つの平面とから構成される受信面４２ａを有する振動伝達部材４２を採用することができる。これによれば、車両６０正面、右３０°、左３０°を法線方向とし、それぞれ２θｍａｘ（約１４°）の狭い指向性を有した超音波センサ３を作製することができる。
この構成を用いると、超音波の検出方向を特定方向のみに限定することができる。
【００６７】
超音波センサ２が、車両６０前方の全方位を検出範囲とするように構成してもよい。ポリカーボネート系樹脂で構成した場合、二面角Ｘを１６６°以上とし、縦断面が１２面以上で構成されるように各平面を配置すればよい。
なお、超音波センサ２の用途に応じて、平面の数、二面角は任意である。また、各平面の二面角が同一であるように構成する必要はなく、受信面４２ａが異なる二面角を有する平面からなる構成を採用することもできる。
【００６８】
〈第２実施形態の効果〉
（１）超音波センサ２の振動伝達部材４２の受信面４２ａは、複数の平面により構成され、凸多面体の表面を形成するように構成されているため、各平面が法線方向を中心とした指向性を有するので、各平面の配置により、超音波の検出範囲を制御することができる。
【００６９】
（２）各平面の二面角（Ｘ）と、超音波が各平面から振動伝達部材４２の内部に伝達可能な最大入射角（θｍａｘ）とが（１）式を満たすように各平面を配置することにより、各平面における超音波の検出範囲を重なり合わせることができ、指向性が制御された所定の角度範囲内において、超音波が検出できない方向が存在しないようにすることができる。
【００７０】
〈第３実施形態〉
この発明に係る超音波センサの第３実施形態について、図を参照して説明する。図１０は、第３実施形態に係る超音波センサの説明図である。図１０（Ａ）は、第３実施形態に係る超音波センサを振動伝達部材側から見た平面説明図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
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。
【００７１】
本実施形態の超音波センサ３では、複数組の振動伝達部材３２及び超音波検出素子１０がアレイ状に並んで配置されている。図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態では、縦横方向に２個ずつ計４個の振動伝達部材３２及び超音波検出素子１０（うち２個を図示）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３が構成されている。本実施形態では、各振動伝達部材３２は、角板状に形成された取付部３２ｃにおいて一体的に形成されているが、個別に配置してもよい。
これにより、各超音波検出素子１０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。
【００７２】
また、各振動伝達部材３２は、互いに隣り合った各振動伝達部材３２の中央部の間隔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。
このように各振動伝達部材３２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、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。
【００７３】
振動伝達部材３２及び超音波検出素子１０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、振動伝達部材３２及び超音波検出素子１０の組を２組用意すればよい。
【００７４】
〈第３実施形態の効果〉
（１）複数の振動伝達部材３２と超音波検出素子１０との組がアレイ状に配置されているため、各超音波検出素子１０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。
【００７５】
（２）各振動伝達部材３２は、互いに隣り合った各振動伝達部材３２の中央部の間隔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ため、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。
【００７６】
〈その他の実施形態〉
（１）底面３２ｄと支持部材１１ａとから形成される空間に、空気と超音波検出素子１０の間の音響インピーダンスを有し、振動部１５の振動を妨げない物質、例えば、シリコンオイルを充填することができる。この構成によれば、空気と底面３２ｄとの界面における振動の減衰、反射を抑制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。
【００７７】
（２）超音波検出素子１０として、ＭＥＭＳ技術を利用して形成された一対の電極を備え、この電極間の容量変化により振動を検出する容量式の振動検出部を備えた容量式の超音波検出素子を用いることができる。
容量式の振動検出部は、容量変化の変化を電圧信号へ変換する際の係数値を設定できるため、超音波の検出感度を向上させることができる。
また、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料などバルク状の圧電体材料を上下面から電極で挟んで形成された超音波検出素子を用いることもできる。
【００７８】
（３）各実施形態では、超音波を受信可能な超音波検出素子について示したが、超音波検出素子は、超音波を送信可能な素子を用いてもよい。この構成を用いると、振動伝達部材３２を介して、超音波を所定の角度範囲で送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１実施形態に係る超音波センサの縦断面説明図である。
【図２】超音波検出素子の説明図である。図２（Ａ）は、超音波検出素子を車両内部側から見た平面説明図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面説明図である。
【図３】第１実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。
【図４】第１実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。図４（Ａ）は、上下（Ｕ−Ｄ）方向の縦断面説明図であり、図４（Ｂ）は、左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面説明図である。
【図５】第１実施形態に係る超音波センサの車両への搭載位置の説明図である。
【図６】第２実施形態に係る超音波センサの縦断面説明図である。
【図７】超音波の検出範囲と二面角との関係を示す説明図である。
【図８】第２実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。図８（Ａ）は、上下（Ｕ−Ｄ）方向の縦断面説明図であり、図８（Ｂ）は、左右（Ｌ−Ｒ）方向の縦断面説明図である。
【図９】第２実施形態に係る超音波センサの変更例の縦断面説明図である。
【図１０】第３実施形態に係る超音波センサの説明図である。図１０（Ａ）は、第３実施形態に係る超音波センサを振動伝達部材側から見た平面説明図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１、２、３  超音波センサ  
１０    超音波検出素子
１１ａ  支持部材
１２    振動検出部
１５    振動部
２０    バンパ
２０ａ  取付部
２１    ヘッドランプカバー
２２    ウインカのカバー
２３    ドアミラー
２４    リアランプのカバー
２５    バックランプのカバー
３２    振動伝達部材
３２ａ  受信面
３２ｂ  受信部材
３２ｄ  底面
６０    車両
ＡＤ    指向性
Ｘ    二面角
θｍａｘ  最大入射角
【図１】
2008099049.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008099049.tif 000009
【図８】
2008099049.tif 000010
【図９】
2008099049.tif 000011
【図１０】
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