(57)【特許請求の範囲】
【請求項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面し、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を備えたセンサ素子を複数備え、当該複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサにおいて、
前記超音波検出素子を配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する前記超音波検出素子を接着固定する接着部材を備え、
前記接着部材の少なくとも前記超音波検出素子と接触する部分は、超音波検出素子よりも弾性率が低い材料により形成されていることと、
前記接着部材は、前記接着部材より弾性率が高い材料により前記接着部材の厚さと外形寸法が等しく形成されたスペーサーが、隣接する前記超音波検出素子にそれぞれ接するように埋設されて、一体的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】
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面し、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を備えたセンサ素子を複数備え、当該複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサにおいて、
前記超音波検出素子を配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する前記超音波検出素子を接着固定する接着部材を備え、
前記接着部材の少なくとも前記超音波検出素子と接触する部分は、超音波検出素子よりも弾性率が低い材料により形成されていることと、
前記接着部材は、前記各超音波検出素子を接着固定する接着層と、当該接着層の間に介在して設けられた板状の芯材とから構成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、
前記接着部材は、前記各超音波検出素子を接着固定する接着層と、当該接着層の間に介在して設けられた板状の芯材とから構成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の超音波センサにおいて、
前記接着層には、前記超音波検出素子と外部配線とを電気的に接続するための配線が形成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波センサにおいて、
前記芯材は、プリント基板により形成されていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項６】
請求項２または請求項３に記載の超音波センサにおいて、
前記接着部材は、前記音響整合部材側まで延長されて形成されており、前記芯材は、少なくとも隣接する前記音響整合部材の間に設けられていることを特徴とする超音波センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、
前記超音波検出素子の外周面と、前記音響整合部材の外周面の一部とを覆って形成され、前記超音波検出素子及び前記音響整合部材を保護する保護部材を備えたことを特徴とする超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、被検出体にて反射された超音波を受信して超音波検出素子に伝達する音響整合部材と、を備えたセンサ素子を複数備え、当該複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサとして、超音波センサ前方の障害物の位置測定や形状の検出などを行う超音波センサや医療分野で用いられる超音波画像を得るための超音波トランスジューサなどが知られている。
このような超音波センサを用いて物体の位置測定や形状の検出などを行う場合には、超音波の送受信間の時間差および各センサ素子で受信した超音波の時間差または位相差を求める必要がある。
ここで、センサ素子の位置精度が超音波の時間差または位相差の検出精度に影響を及ぼすため、センサ素子の位置精度を向上させることが重要となる。
例えば、特許文献１には、硬質樹脂などの固定材により振動子が位置決めされた超音波トランスジューサが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２３５０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述のような構成の超音波センサでは、固定材が硬質材料であるため、振動子の振動を阻害し、超音波の検出感度が低下するという問題があった。
特に、車両周辺の周辺監視に用いる超音波センサでは、超音波の周波数が小さいため、振幅が大きくなり、位置決めに用いる部材による超音波の減衰がより顕著に生じてしまう。
また、固定材を介して他の振動子に振動が伝達してクロストーク特性が悪化するという問題もあった。
【０００４】
そこで、この発明では、センサ素子を配置する位置精度が高く、超音波の振動の減衰が小さい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】
【０００５】
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、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面し、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を備えたセンサ素子を複数備え、当該複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサにおいて、前記超音波検出素子を配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する前記超音波検出素子を接着固定する接着部材を備え、前記接着部材の少なくとも前記超音波検出素子と接触する部分は超音波検出素子よりも弾性率が低い材料により形成されていることと、前記接着部材は、前記接着部材より弾性率が高い材料により前記接着部材の厚さと外形寸法が等しく形成されたスペーサーが、隣接する前記超音波検出素子にそれぞれ接するように埋設されて、一体的に形成されていることを技術的特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、超音波検出素子を配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する超音波検出素子を接着固定する接着部材を備えているため、超音波検出素子の配置間隔を正確に保つことができるので、各センサ素子を所定の位置に正確に配置することができる。つまり、センサ素子を配置する位置精度を向上させることができる。
また、接着部材の少なくとも超音波検出素子と接触する部分は超音波検出素子よりも弾性率が低い材料により形成されているため、接着部材が超音波検出素子の振動を大きく拘束しないので、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。
更に、各超音波検出素子間で振動が伝達されにくいので、センサ素子ごとに超音波を分離して伝達することができる。これにより、振動ノイズを低減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る。
【００１４】
そして、請求項１に記載の発明によれば、接着部材は、接着部材より弾性率が高い材料により接着部材の厚さと外形寸法が等しく形成されたスペーサーが埋設されて、一体的に形成されているため、接着部材及びスペーサーの全体としては低い弾性率を保ちつつ、隣接する超音波検出素子にスペーサーがそれぞれ接することにより所定の間隔に保つことができる。これにより、スペーサーがない場合に比べて、各超音波検出素子間の位置精度を向上させることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明では、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面し、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を備えたセンサ素子を複数備え、当該複数のセンサ素子がアレイ状に配置された超音波センサにおいて、前記超音波検出素子を配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する前記超音波検出素子を接着固定する接着部材を備え、前記接着部材の少なくとも前記超音波検出素子と接触する部分は、超音波検出素子よりも弾性率が低い材料により形成されていることと、前記接着部材は、前記各超音波検出素子を接着固定する接着層と、当該接着層の間に介在して設けられた板状の芯材とから構成されていることとを技術的特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、接着部材は、各超音波検出素子を接着固定する接着層と、当該接着層の間に介在して設けられた板状の芯材とから構成されているため、芯材を用いていない構成に比べて形状を保持しやすいので、接着工程などにおける取り扱いが容易である。
また、超音波検出素子間で伝達される超音波の振動は、音響インピーダンスの大きく異なる接着層と芯材との界面において反射されるため、超音波検出素子間の振動の伝達を抑制することができるので、振動ノイズを低減することができ、良好なクロストーク特性を得ることができる。
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、前記接着部材は、前記各超音波検出素子を接着固定する接着層と、当該接着層の間に介在して設けられた板状の芯材とから構成されていることとを技術的特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１，２の発明の前記作用・効果の両方を得られる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の超音波センサにおいて、前記接着層には、前記超音波検出素子と外部配線とを電気的に接続するための配線が形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、接着層には、超音波検出素子と外部配線とを電気的に接続するための配線が形成されているので、ワイヤボンディングなどの配線工程を行わずに、超音波検出素子から外部配線へ電気的に接続することができ、信頼性の高い配線を容易に行うことができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の超音波センサにおいて、前記芯材は、プリント基板により形成されている、という技術的手段を用いる。
【００２０】
請求項５に記載の発明にように、芯材としてプリント基板を用いると、プリント基板に形成された配線を用いて、外部配線との電気的接続を行うことができるので、好適である。
【００２１】
請求項６に記載の発明では、請求項２または請求項３に記載の超音波センサにおいて、前記接着部材は、前記音響整合部材側まで延長されて形成されており、前記芯材は、少なくとも隣接する前記音響整合部材の間に設けられている、という技術的手段を用いる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、接着部材は、音響整合部材側まで延長されて形成されており、接着面積を増大させることができるので、接着強度及び位置精度を向上させることができる。また、芯材は、少なくとも隣接する音響整合部材の間に設けられているため、音響整合部材間における振動の伝達を防止することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波センサにおいて、前記超音波検出素子の外周面と、前記音響整合部材の外周面の一部と、を覆って形成され、前記超音波検出素子及び前記音響整合部材を保護する保護部材を備えた、という技術的手段を用いる。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、超音波検出素子の外周面と、音響整合部材の外周面の一部と、を覆って形成され、超音波検出素子及び音響整合部材を保護する保護部材を備えているので、超音波検出素子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、超音波センサの信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［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、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実施形態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。図２は、接着部材の弾性率と振動ノイズの関係を示す説明図である。図３は、接着部材の弾性率と超音波センサの感度の関係を示す説明図である。図４は、接着部材による圧電素子の接着工程を示す横断面説明図である。
ここで、図１において、図１（Ａ）の手前方向及び、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。
【００２６】
（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１０は、縦横方向に２個ずつの計４個がアレイ状に配置されたセンサ素子１３ｐ、１３ｑ、１３ｒ、１３ｓと、センサ素子１３ｐ〜１３ｓと電気的に接続され、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１８とが筐体３１に収容されて形成されている。
超音波センサ１０は、車両のバンパ５１などに取り付けられており、障害物の位置の３次元検出が可能に構成されている。
【００２７】
各センサ素子１３ｐ、１３ｑ、１３ｒ、１３ｓの構造は同じであるので、ここでは、センサ素子１３ｐについて説明する。
センサ素子１３ｐは、超音波を送受信する圧電素子１１ｐと、圧電素子１１ｐから発振される超音波を伝達し車両前方に送信するとともに、障害物で反射された超音波を受信し、圧電素子１１ｐに振動を伝達する音響整合部材１２ｐとが接合されて形成されている。
つまり、センサ素子１３ｐは、超音波の送受信が可能であり、送信素子及び受信素子として作動する。
【００２８】
圧電素子１１ｐ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１２ｐ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組の電極により挟んで形成されている。ここで、音響整合部材１２ｐ側に形成された電極を第１電極１４ｐ、第１電極１４ｐに対向する面に形成された電極を第２電極１５ｐとする。
【００２９】
圧電素子１１ｐの側面には、第１電極１４ｐと電気的に接続されて形成された配線部１１ａが設けられている。圧電素子１１ｐの第１電極１４ｐは、配線部１１ａにおいて電気的に接続されたワイヤ１９を介して、回路素子１８に電気的に接続されている。また、圧電素子１１ｐの第２電極１５ｐは、ワイヤ１９を介して回路素子１８に電気的に接続されている。
【００３０】
音響整合部材１２ｐは、空気より音響インピーダンスが大きく、圧電素子１１ｐ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。
各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓは、互いに隣り合った各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ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配置されており、送受信面１２ａ近傍の側面において、各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ間及び筐体３１の開口部との間に超音波の伝達を防止する振動減衰部材４１を介在して、筐体３１の開口部に固定されている。
【００３１】
音響整合部材１２ｐは、幅Ｗが超音波の空気中における波長の半分以下、厚さが超音波の音響整合部材１２ｐ中における波長の約１／４となるように形成されている。音響整合部材１２ｐの厚さを超音波の波長の約１／４となるように形成することにより、音響整合部材１２ｐ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１２ｐ内に入射した超音波と、音響整合部材１２ｐと圧電素子１１ｐ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１１ｐに効率よく超音波を伝達することができる。
【００３２】
回路素子１８は、車両に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ：図示せず）に電気的に接続されている。回路素子１８は、超音波センサ１０から超音波を送信する時には、ＥＣＵから出力された、発振する超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、圧電素子１１ｐに対して電圧信号を出力する。また、超音波を受信する時には、回路素子１８は、圧電素子１１ｐにより受信した超音波の音圧、位相に応じて、圧電素子１１ｐから入力された電圧信号に基づいて演算処理を行い、ＥＣＵに対して振動信号として出力する。
【００３３】
隣接する各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ、図中では圧電素子１１ｐの側面１１ｍと圧電素子１１ｑの側面１１ｎとは、テープ状に形成され、両面に接着剤が塗布された接着部材６１を介して接着固定されている。
接着部材６１は、センサ素子１３ｐ〜１３ｓの配置間隔に応じて、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓの間隔Ｌが所定の値となるようにその厚みが制御されている。ここでは、接着部材６１は厚さが１ｍｍとなるように形成されている。つまり、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓは、接着部材６１より間隔Ｌが１ｍｍとなるように接着固定されている。
【００３４】
ここで、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓは、接着部材６１により互いに接着固定されているため、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間において接着部材６１を介して振動が伝達してクロストーク特性が低下するおそれがある。例えば、センサ素子１３ｐで受信した超音波の振動が圧電素子１１ｐから接着部材６１を介して圧電素子１１ｑに伝達するおそれがある。
このように超音波センサ１０においてクロストーク特性が低下することを防ぐために、接着部材６１は、圧電素子１１ｐ〜１１ｓより弾性率が低く振動が伝達されにくい材料で形成されている。
【００３５】
図２は、接着部材６１の弾性率と振動ノイズの関係を示す説明図であり、横軸が接着部材６１の弾性率、縦軸が振動ノイズを示す。ここで、間隔Ｌは０．５ｍｍ、１ｍｍである。
図２に示すように、接着部材６１の弾性率を低くすることにより振動ノイズを低減することができる。接着部材６１は、例えば間隔Ｌが１ｍｍの場合に弾性率が３０ＭＰａ以下の材料で形成すると、振動ノイズを１０％以下にすることができるので好適である。例えば、シリコーンゴム、シリコン樹脂などにより形成されたテープの両面に接着剤を塗布した接着層が形成された接着テープなどを用いることができる。
【００３６】
また、図３に示すように、接着部材６１の弾性率を低くすると、超音波センサ１０の感度を向上させることができる。例えば、接着部材６１を弾性率が３０ＭＰａ以下の材料により形成すると、感度低下を２０％以下に抑えることができる。更に、接着部材６１を弾性率が１０ＭＰａ以下の材料により形成すると、感度低下を１０％以下に抑えることができる。
なお、間隔Ｌが０．５ｍｍの場合も同様の傾向が認められる。
【００３７】
接着部材６１により各圧電素子１１ｐ〜１１ｓを接着するためには、図４（Ａ）に示すように、まず、圧電素子１１ｐと圧電素子１１ｑ、圧電素子１１ｒと圧電素子１１ｓとをそれぞれの側面において接着部材６１ａ、６１ｂにより接着固定する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、接着部材６１ａにより接着された圧電素子１１ｐ及び圧電素子１１ｑと、接着部材６１ｂにより接着された圧電素子１１ｒ及び圧電素子１１ｓとを接着部材６１ｃにより接着固定する。これにより、４つの圧電素子１１ｐ〜１１ｓを、接着部材６１ａ〜６１ｃを介して所定の配置間隔を保持して固定することができる。
【００３８】
次に、超音波センサ１０による障害物の検出について、センサ素子１３ｐから超音波を送信する場合を例に説明する。
まず、ＥＣＵから出力された超音波の音圧、位相を制御する制御信号に基づいて、回路素子１８が圧電素子１１ｐに対して電圧信号を出力する。この電圧信号に基づいて圧電素子１１ｐが振動し、所定の音圧、位相の超音波を発振する。圧電素子１１ｐにより発振された超音波は、音響整合部材１２ｐに伝達され、送受信面１２ａから車両外部へ送信される。送受信面１２ａから送信された超音波は、障害物により反射され、反射された超音波は、音響整合部材１２ｐの送受信面１２ａにおいて受信される。送受信面１２ａにおいて受信された超音波は、音響整合部材１２ｐを介して、圧電素子１１ｐに伝達される。圧電素子１１ｐに伝達された超音波は、圧電素子１１ｐにより検出され、電圧信号に変換される。圧電素子１１ｐから出力された電圧信号は、回路素子１８を経て、ＥＣＵに伝達される。回路素子１８は、圧電素子１１ｐから出力される電圧信号に基づいて演算処理を行う。
【００３９】
各センサ素子１３ｐ〜１３ｓ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受信素子間での時間差、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、障害物の位置などの測定を行うことができる。
ここで、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓ間には、振動減衰部材４１が介在しているため、センサ素子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。
更に、各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓは、互いに隣り合った各音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ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配置されているため、受信した超音波の位相差からも角度を検出することができる。これにより、受信した超音波の角度を精度良く検出することができるので、障害物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。
【００４０】
ここで、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓは、接着部材６１により配置間隔が正確に保たれた状態で接着固定されているので、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓを所定の位置に正確に配置することができる。これにより、障害物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。
また、接着部材６１は圧電素子１１ｐ〜１１ｓより弾性率の低い材料により構成されているため、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間で振動が伝達しにくく、センサ素子１３ｐ〜１３ｓごとに超音波を分離して伝達することができる。これにより、ノイズ成分を低減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る。
【００４１】
接着部材６１は圧電素子１１ｐ〜１１ｓとのみ接触しているため、音響整合部材１２を伝達する超音波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、センサ素子１３ｐ〜１３ｓを振動減衰部材４１のみで固定する場合に比べて、正確な位置決めが可能であるとともに、超音波センサ１０に振動など外力が負荷された場合でも圧電素子１１ｐ〜１１ｓが位置ずれを起こしにくい。
【００４２】
（変更例）
（１）各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間に十分な接着強度を発現することができるならば、接着部材６１は圧電素子１１ｐ〜１１ｓの側面の全面ではなく、一部にのみ設けてもよい。これにより、接着部材６１による接着面積を小さくすることができるため、振動の拘束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。
また、接着材を接着部材６１の全面ではなく、一部にのみ塗布することもできる。
【００４３】
（２）接着部材６１は、例えば、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間の接着強度を向上させるために、第１電極１４の端面を覆って音響整合部材１２側に延長して設けることもできる。このとき、振動の減衰を小さくするため、延長する長さはできるだけ短い方がよい。具体的には、音響整合層の厚みの１／３以下にすることが好ましい。音響整合層の節部にあたるため、感度低下を押さえることができる。
【００４４】
（３）横断面が十字型の一体化された接着部材６１を形成することもできる。この構成によれば、圧電素子１１ｐ〜１１ｓを接着する工程が１回ですむので、工程を簡略化することができるとともに、位置ずれが起こりにくく、位置精度を向上させることができる。
【００４５】
［第１実施形態の効果］
圧電素子１１ｐ〜１１ｓを配置する間隔と等しい厚さに形成され、隣接する各圧電素子１１ｐ〜１１ｓを接着固定する接着部材６１により、配置間隔が正確に保たれた状態で各圧電素子１１ｐ〜１１ｓが接着固定されているので、各センサ素子１３ｐ〜１３ｓを所定の位置に正確に配置することができる。これにより、障害物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。
また、接着部材６１は圧電素子１１ｐ〜１１ｓより弾性率の低い材料により構成されているため、接着部材６１が圧電素子１１ｐ〜１１ｓの振動を大きく拘束しないので、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。例えば、接着部材６１を弾性率が３０ＭＰａ以下の材料により形成すると、感度低下を２０％以下に抑えることができる。更に、接着部材６１を弾性率が１０ＭＰａ以下の材料により形成すると、感度低下を１０％以下に抑えることができる。
更に、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間で振動が伝達されにくいので、センサ素子１３ｐ〜１３ｓごとに超音波を分離して伝達することができる。これにより、振動ノイズを低減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る。
【００４６】
［第２実施形態］
第２実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図５は、第２実施形態の超音波センサの説明図である。図５（Ａ）は、第２実施形態の超音波センサの縦断面説明図であり、図５（Ｂ）は、接着部材を接着面から見た平面説明図である。
【００４７】
第２実施形態の超音波センサ２０では、接着部材の構成において、第１実施形態の超音波センサ１０と異なっている。
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波センサ２０の接着部材６２には、接着部材６２よりも弾性率が高い材料により接着部材６２の厚さと外形寸法が等しく形成されたスペーサー６３が埋設されて、一体的に形成されている。
【００４８】
スペーサー６３は、例えばガラスや硬質樹脂製のビーズにより、直径が約１ｍｍの球形に形成されており、縦横２個ずつ並んで配置されている。つまり、スペーサー６３の外径は、接着部材６２の厚さと等しく形成されており、接着部材６２により圧電素子１１ｐの側面１１ｍと圧電素子１１ｑの側面１１ｎと接着すると、側面１１ｍと側面１１ｎとにスペーサー６３が接することになる。
【００４９】
上述のように、接着部材６２にはスペーサー６３が埋設されているため、接着部材６２及びスペーサー６３の全体としては低い弾性率を保ちつつ、圧電素子１１ｐの側面１１ｍと圧電素子１１ｑの側面１１ｎとがスペーサー６３に接することにより所定の間隔に保つことができる。これにより、スペーサー６３がない場合に比べて、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間の位置精度を向上させることができる。
【００５０】
また、ガラスや硬質樹脂製のビーズからなるスペーサー６３は接着部材６２よりも熱膨張係数が小さいため、接着部材６２の熱膨張及び熱収縮を拘束することができる。これにより、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの間隔の変化を抑制することができるので、超音波の検出精度の温度特性を向上させることができる。
【００５１】
（変更例）
スペーサー６３は、球状以外にも柱状、板状など種々の形状に形成することができる。
また、スペーサー６３は接着部材６２よりも弾性率が高い材料であればよく、例えば、ステンレス鋼などの金属材料を用いることもできる。
【００５２】
［第２実施形態の効果］
第２実施形態の超音波センサ２０では、第１実施形態の超音波センサ１０と同様の効果を奏することができるとともに、接着部材６２は、接着部材６２より弾性率が高い材料により接着部材６２の厚さと外形寸法が等しく形成されたスペーサー６３が埋設されて、一体的に形成されているため、接着部材６２及びスペーサー６３の全体としては低い弾性率を保ちつつ、圧電素子１１ｐの側面１１ｍと圧電素子１１ｑの側面１１ｎとがスペーサー６３に接することにより所定の間隔に保つことができる。これにより、スペーサー６３がない場合に比べて、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間の位置精度を向上させることができる。
【００５３】
［第３実施形態］
第３実施形態の超音波センサについて、図を参照して説明する。図６は、第２実施形態の超音波センサの説明図である。図６（Ａ）は縦断面図であり、図６（Ｂ）は、圧電素子における横断面図である。図７及び図８は、第３実施形態の超音波センサの接着部材の変更例を示す説明図である。図９及び図１０は、第３実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【００５４】
図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第３実施形態の超音波センサ３０では、接着部材６４は、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓを接着固定する接着層６５と、接着層６５の間に接着して設けられる板状の芯材６６とから構成されている。ここで、芯材６６の厚さは０．２ｍｍであり、接着層６５の厚さはそれぞれ０．５ｍｍに形成されている。
【００５５】
接着層６５は、第１実施形態の接着部材６１と同様に、接着部材６１は、圧電素子１１ｐ〜１１ｓより弾性率が低く振動が伝達されにくい材料で形成されている。例えば、シリコーンゴム、シリコン樹脂などにより形成されたテープの両面に接着剤を塗布した接着層が形成された接着テープなどを用いることができる。つまり、接着部材６４の各圧電素子１１ｐ〜１１ｓと接触する接着層６５は、圧電素子１１ｐ〜１１ｓよりも弾性率が低い材料により形成されていることになる。
【００５６】
芯材６６は、接着層６５より弾性率が高く、音響インピーダンスが大きい材料、例えば硬質樹脂により形成されている。芯材６６は、横断面が十字型であり、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓの側面間を区画するように形成されている。
【００５７】
接着部材６４は、硬質樹脂からなる芯材６６に接着層６５を担持して形成されているため、芯材６６を用いていない構成に比べて形状を保持しやすいので、接着工程などにおける取り扱いが容易である。
【００５８】
また、例えば、圧電素子１１ｐから圧電素子１１ｓに向かって伝達される超音波の振動は、音響インピーダンスの大きく異なる接着層６５と芯材６６との界面において反射されるため、圧電素子１１ｓへの振動の伝達を抑制することができるので、振動ノイズを低減することができ、良好なクロストーク特性を得ることができる。
【００５９】
また、硬質樹脂からなる芯材６６は、接着層６５に比べて熱膨張係数が小さいため、接着部材６４の熱膨張及び熱収縮を小さくすることができる。これにより、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの間隔の変化を抑制することができるので、超音波の検出精度の温度特性を向上させることができる。
【００６０】
（変更例）
（１）上述した実施形態では、接着層６５は、芯材６６の全面に形成されているが、一部だけに設けてもよい。図７（Ａ）に接着部材６４の変形例の平面図を、図７（Ｂ）に図７（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図を示す。図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、「ロ」字状に形成した接着層６５を用いて芯材６６を介して圧電素子１１ｐ〜１１ｑを固定することもできる。
これにより、接着部材６４が各圧電素子１１ｐ〜１１ｓの側面に接触する面積を低減することができるので、接着部材６４が圧電素子１１ｐ〜１１ｓの振動を大きく拘束せずに、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。また、各圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間で振動が伝達されにくいので、センサ素子１３ｐ〜１３ｓごとに超音波を分離して伝達することができる。これにより、ノイズ成分を低減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る。
【００６１】
（２）接着部材６４は、第２実施形態のスペーサー６３と組み合わせて用いることができる。図８（Ａ）及び（Ｃ）に接着部材６４の変形例の平面図を、図８（Ｂ）に図８（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図を、図８（Ｄ）に図８（Ｃ）のＤ−Ｄ矢視断面図を示す。例えば、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、円柱形状のスペーサー６３を上下２本平行に配置することもできる。また、図８（Ｂ）に示すように、球状のスペーサー６３を縦横２個ずつ配置することもできる。
スペーサー６３の形状は任意であり、芯材６６と別部材として形成してもよいし、一体的に形成することもできる。
このような構成を用いると、芯材６６によりクロストーク特性を向上させることができるとともに、スペーサー６３により圧電素子１１ｐ〜１１ｓの位置精度を向上させることができる。
【００６２】
（３）接着層６５の一部に導電性の領域を形成することにより、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの外部配線への接続を行うこともできる。
例えば、図９に示すように、芯材は配線構造を有する板状部材、例えばプリント基板６７により形成されており、圧電素子１１ｐ、１１ｑの第１電極１４ｐ、１４ｑ及び第２電極１５ｐ、１５ｑと接触する領域には、導電性テープにより形成された導電性接着層６５ａが形成されている。ここで、第１電極１４ｐ及び第２電極１５ｐは、それぞれ圧電素子１１ｐの側面１１ｍに回り込んで形成されており、第１電極１４ｑ及び第２電極１５ｑは、それぞれ圧電素子１１ｑの側面１１ｎに回り込んで形成されている。
圧電素子１１ｐ、１１ｑの各電極は、導電性接着層６５ａを介して、プリント基板６７の配線に電気的に接続されている。プリント基板６７は圧電素子１１ｐ、１１ｑの間隙の下方から外部に突出しており、端部に形成された接続部においてコネクタ１８ａに差し込まれ、回路素子１８に電気的に接続されている。この構成を用いると、ワイヤボンディングなどの配線工程を行わずに、圧電素子１１ｐ〜１１ｓを回路素子１８へ電気的に接続することができ、信頼性の高い配線を容易に行うことができる。
【００６３】
（４）図１０に示すように、接着部材６４は、センサ素子１３ｐ〜１３ｓの対向する側面全体、つまり、圧電素子１１ｐ〜１１ｓ及び音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの対向する側面全体を接着することもできる。この構成を用いる場合には、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ間における振動の伝達を防止するために、芯材６６を音響整合部材１２ｐ〜１２ｓを区画分離するように配置することが好ましい。これにより、接着面積が増大するため、接着強度及び位置精度を向上することができるとともに、振動ノイズを効率的に抑制することができる。
【００６４】
［第３実施形態の効果］
（１）接着部材６４は、圧電素子１１ｐ〜１１ｓを接着固定する接着層６５と、当該接着層６５の間に介在して設けられた硬質樹脂からなる板状の芯材６６とから構成されているため、芯材６６を用いていない構成に比べて形状を保持しやすいので、接着工程などにおける取り扱いが容易である。
また、圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間で伝達される超音波の振動は、音響インピーダンスの大きく異なる接着層６５と芯材６６との界面において反射されるため、圧電素子１１ｐ〜１１ｓ間の振動の伝達を抑制することができるので、振動ノイズを低減することができ、良好なクロストーク特性を得ることができる。
【００６５】
（２）接着層６５には、圧電素子１１ｐ〜１１ｓと外部配線とを電気的に接続するための配線６５ａが形成されているので、ワイヤボンディングなどの配線工程を行わずに、圧電素子１１ｐ〜１１ｓから回路素子１８へ電気的に接続することができ、信頼性の高い配線を容易に行うことができる。
特に、芯材としてプリント基板６７を用いると、プリント基板６７に形成された配線を用いて、外部配線との電気的接続を行うことができるので、好適である。
【００６６】
（３）接着部材６４が音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ側まで延長されて形成されている構成を用いると、接着面積を増大させることができるので、接着強度及び位置精度を向上させることができる。また、プリント基板６７（芯材）は、少なくとも隣接する音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの間に設けられているため、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓ間における振動の伝達を防止することができる。
【００６７】
［その他の実施形態］
（１）図１１に示すように、接着部材６１中に硬質樹脂などからなる例えば球状の分散材６８を分散させてもよい。
この構成を用いると、硬質樹脂からなる分散材６８は、接着部材６１に比べて熱膨張係数が小さいため、接着部材６１の熱膨張及び熱収縮を小さくすることができる。これにより、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの間隔の変化を抑制することができるので、超音波の検出精度の温度特性を向上させることができる。
また、気泡を含む発泡材料などの材料を用いる場合、気泡の存在により全体の弾性率を低下させることができる。また、気泡におけるダンピングにより振動を低減できるため、良好なクロストーク特性を得ることができる。
【００６８】
（２）超音波振動により圧電素子１１ｐ〜１１ｓの第２電極１５近傍に生じる定在波の振動の節近傍において接着部材６１を配置してセンサ素子１３ｐ〜１３ｓを接着固定することもできる。ここで、節の位置は、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。この構成を用いても、接着部材６１の拘束による振動の減衰を小さくすることができる。
【００６９】
（３）図１２に示すように、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの外周面を覆う保護部材７０を設けることができる。保護部材７０は、発泡ゴムやポッティング材など振動伝達を阻害しない低弾性率材料で形成されている。ここで、保護部材７０を圧電素子１１ｐ〜１１ｓの中心方向に圧縮圧力が負荷されるように構成すると、圧電素子１１ｐ〜１１ｓが位置ずれしにくくなり位置精度を向上させることができる。
また、保護部材７０により圧電素子１１ｐ〜１１ｓ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。
圧電素子１１ｐ〜１１ｓと回路素子１８との接続は、例えば、保護部材７０の一部に導電材料からなり、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの電極と電気的に接続される導電層７０ａを設けることにより行うことができる。また、圧電素子１１ｐ〜１１ｓの電極の一部のみ露出させるための配線孔７０ｂを設けてもよい。
また、図１３に示すように、筐体３１、回路素子１８及び圧電素子１１ｐ〜１１ｓの間と、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓの下方から１／５（約１ｍｍ）程度の部分と筐体３１との間と、に保護部材７０を設けることもできる。この場合、ポッティング材を好適に用いることができる。
更に、図１４に示すように、振動減衰部材４１が、音響整合層１２ｐ〜１２ｓの表面を覆う構成を用いることもできる。ここで、振動減衰部材４１のうち受信面１２ａを覆う部分は、受信した超音波を音響整合部材１２の受信面１２ａに十分な強度で伝達するために、例えば、厚さ１ｍｍ以下の厚さに形成されている。この構成を用いると、音響整合部材１２ｐ〜１２ｓと振動減衰部材４１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、超音波センサの信頼性を向上させることができる。
【００７０】
（４）上述した各実施形態において、超音波の送受信が可能な素子な圧電素子１１ｐ〜１１ｓを採用したが、超音波送信素子を別に設けて、圧電素子１１ｐ〜１１ｓに代えて超音波の受信のみが可能な超音波検出素子を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１実施形態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。
【図２】接着部材の弾性率と振動ノイズの関係を示す説明図である。
【図３】接着部材の弾性率と超音波センサの感度の関係を示す説明図である。
【図４】接着部材による圧電素子の接着工程を示す横断面説明図である。
【図５】第２実施形態の超音波センサの説明図である。図５（Ａ）は、第２実施形態の超音波センサの縦断面説明図であり、図５（Ｂ）は、接着部材を接着面から見た平面説明図である。
【図６】第３実施形態の超音波センサの説明図である。図６（Ａ）は縦断面図であり、図６（Ｂ）は、圧電素子における横断面図である。
【図７】第３実施形態の超音波センサの接着部材の変更例を示す説明図である。
【図８】第３実施形態の超音波センサの接着部材の変更例を示す説明図である。
【図９】第３実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【図１０】第３実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【図１１】その他の実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【図１２】その他の実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【図１３】その他の実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【図１４】その他の実施形態の超音波センサの変更例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０、２０、３０  超音波センサ
１１ｐ〜１１ｓ  圧電素子（超音波検出素子）
１２ｐ〜１２ｓ  音響整合部材
１２ａ  送受信面（受信面）
１３ｐ〜１３ｓ  センサ素子
６１、６４  接着部材
６３    スペーサー
６５    接着層
６５ａ  導電性接着層（配線）
６６    芯材
６７    プリント基板
【図１】
0004544285.tif 000002
【図２】
0004544285.tif 000003
【図３】
0004544285.tif 000004
【図４】
0004544285.tif 000005
【図５】
0004544285.tif 000006
【図６】
0004544285.tif 000007
【図７】
0004544285.tif 000008
【図８】
0004544285.tif 000009
【図９】
0004544285.tif 000010
【図１０】
0004544285.tif 000011
【図１１】
0004544285.tif 000012
【図１２】
0004544285.tif 000013
【図１３】
0004544285.tif 000014
【図１４】
0004544285.tif 000015