JP2006242650A - 超音波センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・低コストで、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難く、水滴やごみの付着および湿度変化による検出精度劣化の問題を解決できる超音波センサ装置を提供する。
【解決手段】超音波の送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４を備えてなり、送信素子Ｓ１から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を受信素子Ｒ１〜Ｒ４により受信して演算処理する超音波センサ装置１００であって、１個以上の送信素子Ｓ１と２個以上の受信素子Ｒ１〜Ｒ４が、同一基板１０に集積化されてなる超音波センサ装１００とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波の送信素子と受信素子を備えてなり、送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を受信素子により受信して演算処理する超音波センサ装置に関する。

自動車などの車両に搭載され、駐車時や旋回時において、車両と障害物の距離を検出するための超音波センサ装置が、例えば、特開２００１−１６６９４号公報（特許文献１）に開示されている。障害物検出等に用いられる超音波センサ装置は、超音波の送信素子と受信素子（一つの超音波素子で送信と受信を兼用する場合あり）を備えており、送信素子から超音波を送信して、障害物に当たって反射された超音波を受信素子により受信する。この受信素子により受信された超音波の音圧、時間差、位相差により、障害物のある方向や距離を演算処理して検出したり、障害物の凸凹具合を判断したりすることに用いられる。

上記超音波センサ装置に用いられる超音波の受信素子として、近年、基板の薄肉部として形成されたメンブレン上に圧電体薄膜からなる振動子が形成された、超音波センサ素子が注目されている。メンブレン構造を有する上記超音波センサ素子は、半導体のマイクロマシニング技術により形成され、以下、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）型の超音波センサ素子と呼ぶ。このようなＭＥＭＳ型の超音波センサ素子とそれを用いた超音波アレイセンサ装置が、例えば、特開２００３−２８４１８２号公報（特許文献２）に開示されている。

図１３（ａ）は、特許文献２に開示された受信用の超音波センサ素子９０Ｒの構造を示す断面図である。

図１３（ａ）の超音波センサ素子９０Ｒは、強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層２を２つの電極３ａ，３ｂで挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサで構成され、超音波センサ素子９０Ｒの測定動作中において、上記２つの電極３ａ，３ｂ間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子９０Ｒの共振周波数を変化させることができる。

図１３（ｂ）は、特許文献２に開示された超音波を用いた物体の位置測定方法を示す概略図である。

図１３（ｂ）に示す超音波センサ装置９００は、超音波の送信素子である超音波音源４０と、図１３（ａ）の超音波センサ素子９０Ｒがアレイ化された超音波の受信素子である超音波アレイセンサ装置Ａ９０Ｒを備えている。超音波センサ装置９００においては、超音波アレイセンサ装置Ａ９０Ｒの側に設置した超音波音源４０から超音波を発し、被測定物体５１，５２に反射して帰ってきた超音波を超音波アレイセンサ装置Ａ９０Ｒの各超音波センサ素子９０Ｒにより受信することにより、被測定物体の方位角を含む位置を認識する。このとき、超音波の各超音波センサ素子９０Ｒへの各入射方向における伝搬時間（超音波音源２０から発信してから各超音波センサ素子９０Ｒに戻るまでの時間）から、各方向における被測定物体５１，５２の距離の分布（奥行き方向距離）を計測する。
特開２００１−１６６９４号公報 特開２００３−２８４１８２号公報

図１３（ｂ）に示す超音波センサ装置９００は、超音波音源４０と超音波アレイセンサ装置Ａ９０Ｒが別体となっており、それぞれの製造コストが必要である。また、車のバンパー等に装着するに際して、超音波音源４０と超音波アレイセンサ装置Ａ９０Ｒの取り付け精度が障害物の方向や距離の検出精度に影響すると共に、両者の装着間隔も大きくなる。

また、図１３（ｂ）の超音波センサ装置９００に限らず、車のバンパーに直接搭載する超音波センサ装置においては、超音波センサ素子の表面に水滴やごみが付着すると、正確に障害物までの距離を測定できなくなる。さらに、空気中を伝播する超音波の減衰は空気の温度や湿度に依存するが、これらは車の周辺環境により異なる為、温度変化および湿度変化の影響で障害物の検出精度が悪くなるといった問題がある。特に、車の周辺環境の温度については外気温センサ等で環境温度を測定できるが、湿度については車室外に搭載できる適当な湿度センサがなく、上記問題が解決できていない。

そこで本発明は、超音波の送信素子と受信素子を備えてなり、送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を受信素子により受信して演算処理する超音波センサ装置であって、小型・低コストで、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難く、水滴やごみの付着および湿度変化による検出精度劣化の問題を解決できる超音波センサ装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、超音波の送信素子と受信素子を備えてなり、前記送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を前記受信素子により受信して演算処理する超音波センサ装置であって、１個以上の前記送信素子と２個以上の前記受信素子が、同一基板に集積化されてなることを特徴としている。

これによれば、当該超音波センサ装置では超音波の送信素子と受信素子が同一基板に集積化されて製造されるため、送信素子と受信素子を別体として構成した超音波センサ装置に較べて、小型で低コストの超音波センサ装置とすることができる。また、送信素子および受信素子の位置関係が基板上で正確に設定されるため、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難い超音波センサ装置とすることができる。

上記超音波センサ装置においては、同一基板上に形成する送信素子と受信素子の数を増やしても、製造コストはほとんど変わらない。

従って、請求項２に記載のように、前記受信素子を３個以上とし、前記超音波センサ装置が、１個の受信素子の破損や動作不良があっても、他の受信素子の信号を比較することにより、動作不良検知機能を有するように構成することができる。これにより、低コストで、且つ水滴やごみの付着による動作不良に対処した超音波センサ装置とすることができる。

尚、請求項３に記載のように、前記受信素子を４個とすることで、簡単な演算処理により上記動作不良検知機能を持たせることができると共に、フェールセーフ機能も持たせることができる。

また、請求項４に記載のように、前記送信素子が２以上の異なる周波数の超音波を送信するようにして、当該超音波センサ装置が簡単な演算処理により湿度補正機能を有するように構成することができる。これにより、低コストで、且つ湿度変化による検出精度劣化の問題に対処した超音波センサ装置とすることができる。

尚、請求項５に記載のように、前記送信素子を２個とし、両者が異なる周波数の超音波を送信するようにすれば、上記湿度補正機能を有する超音波センサ装置を簡単に構成することができる。

請求項６に記載のように、前記送信素子が１個であり、前記受信素子が偶数個である場合には、前記受信素子が、前記送信素子を取り囲んで、２個ずつ前記送信素子の対称位置に配置されてなることが好ましい。

これによれば、２個ずつ送信素子の対称位置に配置された受信素子では、送信素子から送信され、被検出体で反射されて戻ってきた超音波の音圧をほぼ等しくすることができる。このため、被検出体の精度の高い検出測定が可能となる。

上記超音波センサ装置における同一基板に集積化された送信素子と受信素子の構造については、請求項７に記載のように、前記送信素子と受信素子が、それぞれ、前記基板の薄肉部として形成されたメンブレン上に、圧電体薄膜を電極金属膜でサンドイッチした圧電振動子が形成され、前記圧電振動子が前記メンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子からなるように構成することができる。

この場合には、一般的に送信素子が大きな音圧出力を必要とするため、請求項８に記載のように、前記送信素子における前記メンブレンの平面形状の面積が、前記受信素子における前記メンブレンの平面形状の面積に較べて大きくすることで、送信素子の音圧出力を高めることができる。また、請求項９と１０に記載のように、前記送信素子において、前記メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の前記圧電体薄膜に、部分的な抜きパターンや部分的な窪みパターンが形成されてなるように構成してもよい。

これによれば、上記応力集中領域の剛性が低減され、メンブレンが撓み易くなって、十分な音圧の超音波を出力することができる。従って、検出精度の高い超音波センサ装置とすることができる。

さらに、請求項１１に記載のように、前記送信素子において、前記圧電振動子が、多層に形成されてなるように構成してもよい。

これによれば、電圧が印加された場合の圧電振動子の変形量が大きくなり、メンブレンの振動振幅も大きくなって、十分な音圧の超音波を出力することができる。従って、検出精度の高い超音波センサ装置とすることができる。

また、請求項１２に記載のように、前記送信素子において、前記メンブレンと圧電振動子が、前記基板に片持ち支持されてなるように構成してもよい。

これによれば、メンブレンの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子に電圧が印加されて圧電振動子が変形すると、メンブレンも大きく変形して、十分な音圧の超音波を出力することができる。従って、検出精度の高い超音波センサ装置とすることができる。

さらに、請求項１３に記載のように、前記送信素子において、前記メンブレンが、前記基板の一方の表面側から、犠牲層エッチングにより前記基板に形成された層の一部を刳り抜いて形成されてなるように構成してもよい。

これによっても、メンブレンの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子に電圧が印加されて圧電振動子が変形すると、メンブレンも大きく変形して、十分な音圧の超音波を出力することができる。従って、検出精度の高い超音波センサ装置とすることができる。

上記超音波センサ装置は、小型・低コストで、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難く、水滴やごみの付着および湿度変化による検出精度劣化の問題を解決できる超音波センサ装置となっている。このため、請求項１４に記載のように、車載用の超音波センサ装置に好適である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明の超音波センサ装置の一例で、超音波センサ装置１００の模式的な上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の超音波センサ装置１００を回路基板Ｋに実装した状態を示す斜視図である。

図１（ａ）に示す超音波センサ装置１００では、１個の送信素子Ｓ１と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４が、同一の半導体基板１０に集積化されている。

図２（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）の超音波センサ装置１００における送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４の構造について簡略化して示した図で、図２（ａ）は超音波素子９０（送信素子Ｓ１、受信素子Ｒ１〜Ｒ４）の模式的な上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａにおける断面図である。

図２（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０は、図１３（ａ）に示した受信用の超音波センサ素子９０Ｒと同様の構造を持った素子で、送信素子Ｓ１および受信素子Ｒ１〜Ｒ４共に同じ構造を有している。尚、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子９０において、図１３（ａ）の受信用の超音波センサ素子９０Ｒと同様の部分については、同じ符号を付した。

図２（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。基板１０において、符号１ａは第１半導体層（支持基板）、符号１ｂは埋め込み酸化膜、符号１ｃは第２半導体層、符号１ｄは保護酸化膜である。半導体のマイクロマシニング技術により、基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上には、圧電振動子２０がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。圧電振動子２０は、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。

図２（ａ），（ｂ）の超音波素子９０では、送信素子Ｓ１として用いる場合、圧電振動子２０の電極金属膜３ａ，３ｂに交流電圧を印加して、圧電振動子２０と共にメンブレンＭを所定の超音波帯周波数で共振させ、超音波を送信する。また、受信素子Ｒ１〜Ｒ４として用いる場合、被検出体で反射されて戻ってきた超音波によりメンブレンＭを圧電振動子２０と共に共振させ、圧電振動子２０に電気信号に変換して、超音波を受信する。

尚、超音波センサ装置の送信素子および受信素子として、図２（ａ），（ｂ）の構造の超音波素子９０を用いる場合、一般的に送信素子が大きな音圧出力を必要とするため、送信素子におけるメンブレンＭの平面形状の面積を、受信素子におけるメンブレンの平面形状の面積に較べて大きくすることが好ましい。これにより、送信素子の音圧出力を高めることができる。これに対して、受信素子は十分な感度が得られるのであれば小さくても可能である。

図３は、超音波センサ装置１００ａの模式的な上面図である。上記したように、図３の超音波センサ装置１００ａでは、送信素子Ｓ１ａにおけるメンブレンＭｓの平面形状の面積が、受信素子Ｒ１〜Ｒ４におけるメンブレンＭｒの平面形状の面積に較べて、大きく設定されている。

図４〜８に、送信素子用として適する別の超音波素子９１〜９５の構造を示す。尚、図４〜８に示す超音波素子９１〜９５において、図２に示す超音波素子９０と同様の部分については、同じ符号を付した。

図４（ａ）は、超音波素子９１の模式的な上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の一点鎖線で示したＢ−Ｂにおける断面図である。

図４（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９１も、図２（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９０と同様に、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板１０を用いて形成されている。ＳＯＩ基板１０の薄肉部として形成されたメンブレンＭ上には、圧電振動子２１がメンブレンＭを覆うようにして形成されている。また、図４（ａ），（ｂ）の超音波素子９１における圧電振動子２１も、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と同様に、圧電体薄膜２を電極金属膜３ａ，３ｂでサンドイッチした構造を有している。

一方、図４（ａ），（ｂ）の超音波素子９１における圧電振動子２１は、図２（ａ），（ｂ）の超音波素子９０における圧電振動子２０と異なり、圧電体薄膜２に、部分的な抜きパターン２ａが形成され、圧電体薄膜２が４つに分割されている。この部分的な抜きパターン２ａは、メンブレンＭの径方向振動における応力集中領域上の圧電体薄膜２を除去するパターンとなっている。これにより、図４（ａ），（ｂ）の超音波素子９１においては、上記応力集中領域の剛性が低減され、メンブレンＭが撓み易くなって、十分な音圧の超音波を出力することができる。

図５（ａ）は、超音波素子９２の模式的な上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の一点鎖線で示したＣ−Ｃにおける断面図である。

図５（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９１の圧電振動子２２は、圧電体薄膜２に、部分的な窪みパターン２ｂが形成されている。この部分的な窪みパターン２ｂは、メンブレンＭの径方向振動における応力集中領域上の圧電体薄膜２の厚さを薄くするパターンとなっている。これにより、図５（ａ），（ｂ）の超音波素子９２においては、上記応力集中領域の剛性が低減され、メンブレンＭが撓み易くなって、十分な音圧の超音波を出力することができる。

図６（ａ）は、超音波素子９３の模式的な上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の一点鎖線で示したＤ−Ｄにおける断面図である。

図６（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９３の圧電振動子２３は、図６（ｂ）の右に拡大して示したように、圧電体薄膜２と電極金属膜３ｃが交互に多層に形成された振動子となっている。これにより、図５（ａ），（ｂ）の超音波素子９２においては、電圧が印加された場合の圧電振動子２３の変形量が大きくなり、メンブレンＭの振動振幅も大きくなって、十分な音圧の超音波を出力することができる。

図７（ａ）は、超音波素子９４の模式的な上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の一点鎖線で示したＥ−Ｅにおける断面図である。

図７（ａ），（ｂ）に示す超音波素子９４では、メンブレンＭｄと圧電振動子２４が、基板１０に片持ち支持されている。これにより、メンブレンＭｄの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子２４に電圧が印加されて圧電振動子２４が変形すると、メンブレンＭｄも大きく変形して、十分な音圧の超音波を出力することができる。

図８（ａ）は、超音波素子９５の模式的な上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の一点鎖線で示したＦ−Ｆにおける断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）の一点鎖線で示したＧ−Ｇにおける断面図である。

図８（ａ）〜（ｃ）に示す超音波素子９５では、メンブレンＭｅが、基板１０の一方の表面側から、犠牲層エッチングにより基板１０に形成された埋め込み酸化膜１ｂの一部を刳り抜いて形成されている。超音波素子９５では、犠牲層エッチングのためのエッチング穴ＨがメンブレンＭｅと梁Ｈａの周りに形成されるため、メンブレンＭｅの外周が部分的に梁Ｈａにより基板１０に固定されている。これにより、メンブレＭｅの変形に対して障害となる部分が小さく、圧電振動子２５に電圧が印加されて圧電振動子２５が変形すると、梁Ｈａに歪が発生し変形することでメンブレンＭｅも大きく変形して、十分な音圧の超音波を出力することができる。

以上の図４（ａ），（ｂ）〜図８（ａ），（ｂ）に示した超音波素子９１〜９５は、十分な音圧の超音波を出力することができるため、これを図１に示す超音波センサ装置１００の送信素子Ｓ１として採用することで、検出精度の高い超音波センサ装置とすることができる。尚、図４（ａ），（ｂ）〜図８（ａ），（ｂ）に示した超音波素子９１〜９５は、高出力が要求される送信素子に用いて好適であるが、図１に示す超音波センサ装置１００の受信素子Ｒ１〜Ｒ４として採用することも可能である。

次に、図９（ａ）〜（ｃ）により、図１の超音波センサ装置１００を用いた障害物の測定原理を説明する。尚、図９（ａ）〜（ｃ）では、図１の超音波センサ装置１００を、地面に対して送信素子Ｓ１を上側にして、垂直に保持して使用することを想定している。

図９（ａ）は、地面に平行なＸ−Ｙ面内において、超音波センサ装置１００の受信素子Ｒ１，Ｒ２と、障害物５０で反射され受信素子Ｒ１，Ｒ２に入射する超音波の状態を模式的に示した図である。図９（ｂ）は、地面に垂直な面内において、超音波センサ装置１００の受信素子Ｒ１，Ｒ３と、障害物５０で反射され受信素子Ｒ１，Ｒ３に入射する超音波の状態を模式的に示した図である。図９（ｃ）は、超音波センサ装置１００の送信素子Ｓ１の発信する超音波の交流パルス信号と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。

図９（ａ）に示す地面に平行なＸ−Ｙ面内における障害物５０までの距離Ｄｘは、図１の上側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ２を用いて、図９（ｃ）に示す発信信号１と受信信号１，２の平均時間値の時間差から演算することができる。

図９（ａ）に示す地面に平行なＸ−Ｙ面内におけるＸ軸に対する障害物５０の方位角Θｘは、図１の上側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ２を用いて、図９（ｃ）に示す受信信号１と受信信号２の位相差から演算することができる。

同様にして、図９（ｂ）に示す地面に垂直な面内における障害物５０までの距離Ｄｚは、図１の左側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ３を用いて、図９（ｃ）に示す発信信号１と受信信号１，３の平均時間値の時間差から演算することができる。

図９（ｂ）に示す地面に平行な垂直な面内における地面に水平な面に対する障害物５０の方位角Θｚは、図１の左側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ３を用いて、図９（ｃ）に示す受信信号１と受信信号３の位相差から演算することができる。

上記の距離Ｄｘ，Ｄｚと方位Θｘ，Θｚより、超音波センサ装置１００に対する障害物５０の距離と方位を定めることができる。以上のようにして、図１に示す超音波センサ装置１００は、超音波の送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４を備えてなり、送信素子Ｓ１から超音波を送信して、障害物（被検出体）５０で反射された超音波を受信素子Ｒ１〜Ｒ４により受信して演算処理し、障害物（被検出体）５０を検出する。

図１の超音波センサ装置１００は、超音波の送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４が同一基板１０に集積化されて製造されるため、図１３（ｂ）に示す送信素子（超音波音源）４０と受信素子（超音波アレイセンサ装置）Ａ９０Ｒを別体として構成した超音波センサ装置９００に較べて、小型で低コストの超音波センサ装置とすることができる。また、図１の超音波センサ装置１００では、送信素子Ｓ１および受信素子Ｒ１〜Ｒ４の位置関係が基板１０上で正確に設定されるため、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難い超音波センサ装置とすることができる。

また、上記超音波センサ装置においては、同一基板１０上に形成する送信素子と受信素子の数を増やしたり、送信素子と受信素子の大きさを変更したりしても、マスクを変更するだけで対応可能であり、得られる超音波センサ装置に製造コストはほとんど変わらない。

ところで、図１の超音波センサ装置１００は、４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４を有しているが、図１０に示した障害物（被検出体）５０の検出にあたっては、３個の受信素子Ｒ１〜Ｒ３の組み合わせしか用いていない。すなわち、図９（ａ）の地面に平行なＸ−Ｙ面内における障害物５０までの距離ＤｘとＸ軸に対する障害物５０の方位角Θｘの測定では、図１の上側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ２を用いており、図９（ｂ）に示す地面に垂直な面内における障害物５０までの距離Ｄｚと地面に水平な面に対する障害物５０の方位角Θｚは、図１の左側にある２つの受信素子Ｒ１，Ｒ３を用いている。

一方、上記と同様にして、図９（ａ）の地面に平行なＸ−Ｙ面内における障害物５０までの距離ＤｘとＸ軸に対する障害物５０の方位角Θｘを、図１の下側にある２つの受信素子Ｒ３，Ｒ４を用いて測定し、図９（ｂ）に示す地面に垂直な面内における障害物５０までの距離Ｄｚと地面に水平な面に対する障害物５０の方位角Θｚを、図１の右側にある２つの受信素子Ｒ２，Ｒ４を用いて測定することができる。言い換えれば、３個の受信素子Ｒ２〜Ｒ４の組み合わせを用いて、障害物（被検出体）５０を検出することができる。

従って、４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４を有する図１の超音波センサ装置１０では、上記２通りの組み合わせにより測定された障害物（被検出体）５０のデータを比較することで、これらが一致しない場合には、４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４のいずれかに動作不良があると判断することができる。このようにして、図１の超音波センサ装置１００に動作不良検知機能を持たせることができる。

また、動作不良の受信素子が１個だけの場合には、それを除いた３個の受信素子の組み合わせで、上記のように障害物（被検出体）５０を検出することができる。このため、図１の超音波センサ装置１００にフェールセーフ機能も持たせることができる。

尚、動作不良検知機能を持たせるだけであれば、３個の受信素子Ｒ１〜Ｒ３でも可能である。すなわち、障害物（被検出体）５０のデータは、受信素子Ｒ１，Ｒ２の組み合わせデータと受信素子Ｒ１，Ｒ３の組み合わせデータから算出されているが、受信素子Ｒ２，Ｒ３の組み合わせデータを障害物（被検出体）５０のデータの検算に用いることができる。これによって、３個の受信素子Ｒ１〜Ｒ３を有する超音波センサ装置に動作不良検知機能を持たせることができる。

以上のようにして、受信素子を３個以上とした超音波センサ装置では、１個の受信素子の破損や動作不良があっても、他の受信素子の信号を比較することにより、動作不良検知機能を有するように構成することができる。また、受信素子を４個以上とした超音波センサ装置では、フェールセーフ機能も持たせることができる。これにより、低コストで、且つ水滴やごみの付着による動作不良に対処した超音波センサ装置とすることができる。

また、図１の超音波センサ装置１００では、送信素子Ｓ１に印加する交流パルス信号の周波数を時間的に切り替えて、送信素子Ｓ１が２以上の異なる周波数の超音波を送信するようにすることができる。これによって、図１の超音波センサ装置１００に対して、簡単な演算処理により、湿度補正機能を有するように構成することができる。尚、１個の送信素子Ｓ１で異なる周波数の超音波を送信させるためには、図２に示したメンブレンＭの共振とならない周波数で、入力電圧を制御して、異なる周波数の超音波を発信させる。

図１０は、上記湿度補正機能を説明する図である。図１０（ａ）は、図１の超音波センサ装置１００の送信素子Ｓ１が２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２の超音波を送信するようにした場合において、送信素子Ｓ１の発信する超音波の交流パルス信号と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。図１０（ｂ）は、超音波の減衰損失Ｐおよび超音波の吸収係数ｍを表す式である。

図１０（ａ）に示すように、超音波センサ装置１００における送信素子Ｓ１が周波数ｆ１の超音波と周波数ｆ２の超音波を周期的に切り替えて送信した場合、４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信素子において、それぞれ周波数ｆ１の超音波と周波数ｆ２の超音波に対応した受信信号があらわれる。周波数ｆ１における送信素子Ｓ１の交流パルス信号と受信素子Ｒ１〜Ｒ４の交流パルス信号の関係、および周波数ｆ２における送信素子Ｓ１の交流パルス信号と受信素子Ｒ１〜Ｒ４の交流パルス信号の関係は、それぞれ、図９（ｃ）と同様である。

一方、図１０（ａ）では、送信素子Ｓ１の発信する周波数ｆ１と周波数ｆ２の交流パルス信号レベルが同じであっても、受信素子Ｒ１〜Ｒ４で受信した周波数ｆ２の交流パルス信号レベルは、周波数ｆ１の超音波の交流パルス信号レベルに較べて、大きな減衰となっている。

図１０（ｂ）に示すように、超音波の減衰損失Ｐ（吸収係数ｍ）は、超音波の周波数ｆに依存し、周波数ｆの高い超音波ほど減衰が大きくなる。また、超音波の減衰損失Ｐ（吸収係数ｍ）は、周波数だけでなく、伝播環境の温度Ｔや湿度ｈに依存した値となる。

ここで、超音波の周波数ｆは、送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４に予め設定された値である。また、伝播環境の温度Ｔは、例えば超音波センサ装置１００が車載用の場合、外気温センサ等で測定することができる。これに対して、伝播環境の湿度ｈについては車室外に搭載できる適当な湿度センサがない。

しかしながら、図１０（ａ）では、２つの周波数ｆ１と周波数ｆ２で超音波測定されているため、その減衰係数の差から湿度ｈを逆算することができる。この演算された湿度ｈを、超音波センサ装置１００に対して予め設定された動作湿度の補正に用いることで、超音波センサ装置１００に対して、湿度補正機能を持たせることができる。これにより、低コストで、且つ湿度変化による検出精度劣化の問題に対処した超音波センサ装置とすることができる。

尚、上記のように超音波センサ装置に湿度補正機能を持たせる場合には、送信素子を２個とするのが好ましい。この場合には、１個の送信素子をもちいる場合と異なり、それぞれの送信素子において、図２に示したメンブレンＭの共振周波数を用いて、異なる周波数のＱ値が高い超音波を発信させることができる。

図１１に、このような超音波センサ装置１０１を示す。図１１（ａ）は、超音波センサ装置１０１の模式的な上面図であり、図１１（ｂ）は、送信素子Ｓ１，Ｓ２の発信する超音波の交流パルス信号と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。

図１１（ａ）に示す超音波センサ装置１０１では、異なる周波数ｆ１，ｆ２を発信する２個の送信素子Ｓ１，Ｓ２を用いることで、図１１（ｂ）に示すように、２つの周波数ｆ１，ｆ２の超音波を同時に発信することができる。これにより、車の動きに対する補正等が不要となる。尚、異なる周波数ｆ１，ｆ２の超音波は伝播速度は同じであるため、同時刻に各受信素子Ｒ１〜Ｒ４に反射波が到達する。そのため、各受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信信号を周波数ｆ１とｆ２の成分で分解する周波数分析が必要になる。

図１２は、別の超音波センサ装置の例で、超音波センサ装置１０２の模式的な上面図である。図１２の超音波センサ装置１０２では、１個の送信素子Ｓ１が中央にあり、８個の受信素子Ｒ１〜Ｒ８がその周りを取り囲んでいる。

このように、送信素子が１個であり、受信素子が偶数個である場合には、受信素子が送信素子を取り囲んで、２個ずつ送信素子の対称位置に配置されてなることが好ましい。図１２の超音波センサ装置１０２においては、受信素子Ｒ１とＲ８の組、受信素子Ｒ２とＲ７の組、受信素子Ｒ３とＲ６の組、および受信素子Ｒ４とＲ５の組が、それぞれ、送信素子Ｓ１の対称位置に配置されている。

これにより、２個ずつ送信素子の対称位置に配置された受信素子では、送信素子から送信され、被検出体で反射されて戻ってきた超音波の音圧をほぼ等しくすることができる。このため、被検出体の精度の高い検出測定が可能となる。

以上示した超音波センサ装置は、小型・低コストで、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難く、水滴やごみの付着および湿度変化による検出精度劣化の問題を解決できる超音波センサ装置となっている。このため、車載用の超音波センサ装置に好適である。

以上示したように、本発明の超音波センサ装置は、超音波の送信素子と受信素子を備えてなり、送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を受信素子により受信して演算処理する超音波センサ装置であって、小型・低コストで、車のバンパー等に装着するに際して取り付け精度の影響を受け難く、水滴やごみの付着および湿度変化による検出精度劣化の問題を解決できる超音波センサ装置となっている。

尚、本発明の超音波センサ装置においては、同一基板に集積化される送信素子と受信素子の個数は上記した超音波センサ装置のそれに限らず、１個以上の送信素子と２個以上の受信素子であればよい。受信素子の個数を増やすことで、高解像度な情報を得ることができる。また、送信素子を２個以上に増やすことも可能である。これによって、送信する超音波の音圧を上げたり、指向性を制御することも可能である。

また、送信素子と受信素子を一つの基板に構成すると、送信信号が受信素子に入力して、ノイズとなる可能性がある。受信素子をアレイ化することで、送信時の信号を複数個の受信素子で受信し、これをキャンセルすることができる。これにより、近い障害物に対して、信号のＳ／Ｎを上げて検出可能とすることができる。

さらに、各受信素子の検出方式は、上記のように圧電体と用いた圧電式に限らず、電極間の容量変化を検出する容量式を用いたものであってもよい。更に、圧力によるゲージの出力を検出するピエゾ式であってもよい。またこれらの各方式を組み合わせた超音波センサ装置とすることもできる。

本発明の超音波センサ装置の一例で、（ａ）は超音波センサ装置１００の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の超音波センサ装置１００を回路基板に実装した状態を示す斜視図である。 図１（ａ）の超音波センサ装置１００における送信素子Ｓ１と受信素子Ｒ１〜Ｒ４の構造について簡略化して示した図で、（ａ）は超音波素子９０（送信素子Ｓ１、受信素子Ｒ１〜Ｒ４）の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＡ−Ａにおける断面図である。 超音波センサ装置１００ａの模式的な上面図である。 送信素子用として適する別の超音波素子の構造で、（ａ）は、超音波素子９１の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＢ−Ｂにおける断面図である。 送信素子用として適する別の超音波素子の構造で、（ａ）は、超音波素子９２の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＣ−Ｃにおける断面図である。 送信素子用として適する別の超音波素子の構造で、（ａ）は、超音波素子９３の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＤ−Ｄにおける断面図である。 送信素子用として適する別の超音波素子の構造で、（ａ）は、超音波素子９４の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＥ−Ｅにおける断面図である。 送信素子用として適する別の超音波素子の構造で、（ａ）は、超音波素子９５の模式的な上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線で示したＦ−Ｆにおける断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の超音波センサ装置１００を用いた障害物の測定原理を説明する図である。（ａ）は、地面に平行なＸ−Ｙ面内において、受信素子Ｒ１，Ｒ２と入射する超音波の状態を模式的に示した図である。（ｂ）は、地面に垂直な面内において、受信素子Ｒ１，Ｒ３と入射する超音波の状態を模式的に示した図である。（ｃ）は、送信素子Ｓ１の発信する超音波の交流パルス信号と受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。 湿度補正機能を説明する図で、（ａ）は、図１の送信素子Ｓ１が２つの異なる周波数ｆ１，ｆ２の超音波を送信する場合において、送信素子Ｓ１の発信する超音波の交流パルス信号と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。（ｂ）は、超音波の減衰損失Ｐおよび超音波の吸収係数ｍを表す式である。 （ａ）は、超音波センサ装置１０１の模式的な上面図であり、（ｂ）は、送信素子Ｓ１，Ｓ２の発信する超音波の交流パルス信号と４個の受信素子Ｒ１〜Ｒ４の受信する超音波の交流パルス信号のタイムチャートを、模式的に示した図である。 別の超音波センサ装置の例で、超音波センサ装置１０２の模式的な上面図である。 （ａ）は、特許文献２に開示された受信用の超音波センサ素子９０Ｒの構造を示す断面図である。（ｂ）は、特許文献２に開示された超音波を用いた物体の位置測定方法を示す概略図である。

符号の説明

１００，１００ａ，１０１，１０２，９００ 超音波センサ装置
１０ 基板
Ｓ１，Ｓ１ａ，Ｓ２ 送信素子
Ｒ１〜Ｒ８ 受信素子
９０〜９５ 超音波素子
５０〜５２ 障害物（被検出体）

Claims (14)

1. 超音波の送信素子と受信素子を備えてなり、前記送信素子から超音波を送信して、被検出体で反射された超音波を前記受信素子により受信して演算処理する超音波センサ装置であって、
   １個以上の前記送信素子と２個以上の前記受信素子が、同一基板に集積化されてなることを特徴とする超音波センサ装置。
2. 前記受信素子が、３個以上であり、
   前記超音波センサ装置が、動作不良検知機能を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ装置。
3. 前記受信素子が、４個であることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ装置。
4. 前記送信素子が、２以上の異なる周波数の超音波を送信し、
   当該超音波センサ装置が、湿度補正機能を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波センサ装置。
5. 前記送信素子が、２個であることを特徴とする請求項４に記載の超音波センサ装置。
6. 前記送信素子が、１個であり、
   前記受信素子が、偶数個であって、
   前記受信素子が、前記送信素子を取り囲んで、２個ずつ前記送信素子の対称位置に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波センサ装置。
7. 前記送信素子と受信素子が、それぞれ、
   前記基板の薄肉部として形成されたメンブレン上に、圧電体薄膜を電極金属膜でサンドイッチした圧電振動子が形成され、前記圧電振動子が前記メンブレンと共に所定の超音波帯周波数で共振する超音波素子からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波センサ装置。
8. 前記送信素子における前記メンブレンの平面形状の面積が、前記受信素子における前記メンブレンの平面形状の面積に較べて、大きいことを特徴とする請求項７に記載の超音波センサ装置。
9. 前記送信素子において、
   前記メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の前記圧電体薄膜に、部分的な抜きパターンが形成されてなることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ装置。
10. 前記送信素子において、
    前記メンブレンの径方向振動における応力集中領域上の前記圧電体薄膜に、部分的な窪みパターンが形成されてなることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ装置。
11. 前記送信素子において、
    前記圧電振動子が、多層に形成されてなることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ装置。
12. 前記送信素子において、
    前記メンブレンと圧電振動子が、前記基板に片持ち支持されてなることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ装置。
13. 前記送信素子において、
    前記メンブレンが、前記基板の一方の表面側から、犠牲層エッチングにより前記基板に形成された層の一部を刳り抜いて形成されてなることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波センサ装置。
14. 前記超音波センサ装置が、車載用の超音波センサ装置であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の超音波センサ装置。

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