(57)【要約】      （修正有）【課題】銀電極を有する圧電素子を有底筒状ケースの底面に接着した超音波送受信器において、圧電素子の破壊を防ぎ耐久性の高い超音波送受信器を実現する。【解決手段】超音波送受信器は、圧電素子１と、圧電素子１の両面に設けられた導電ペーストを焼結してなる銀電極と、銀電極を有する圧電素子１を底面に接着した金属または樹脂からなる有底筒状ケース２と、銀電極に半田付けされたリード線９と、リード線９を通す貫通穴が設けられた銀電極を有する圧電素子１を覆うように設置された吸音材６と、吸音材６の上から有底筒状ケース２内部に充填された封止材１１と、リード９の一端に接続された外部との導通を確保するためにワイヤ１２と、を有する。有底筒状ケース２に接着する面の銀電極の表面に、表面粗さRzが７μｍ以上になるように凹凸を設ける。【選択図】図１
2018098666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
圧電素子の両面に設けられた銀を主成分とした導電ペーストを焼結してなる銀電極と、
前述銀電極を有する圧電素子を底面に固着した金属または樹脂からなる有底筒状ケースと、
前述銀電極に半田付けされたリード線と、
前述有底筒状ケース内部に充填された封止材と、
前述リードの一端に接続された外部との導通を確保するために金属ワイヤまたは金属端子の少なくとも一方と、
を有する超音波送受信器において、
前述圧電素子に設けられた銀電極の内、有底筒状ケースとの接着される面若しくは両面に、
表面粗さＲｚが７μm以上となるように凹凸を設けたことを特徴とする、超音波送受信器。
【請求項２】
請求項１に記載の銀電極の表面に設けられた凹凸の底面部において、少なくとも一箇所で圧電素子が露出していることを特徴とする、超音波送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子を用いた超音波送受信器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
両面に銀電極を有する圧電セラミックを有底筒状ケースの底面に接着した超音波送受信器が、さまざまな分野で使用されている。
特に、車の周囲の障害物検知用のソナーに大量に生産されている。
ここで使用される超音波送受信器は、車の外装部品として使用される為に、意匠面（振動面）には飛び石や高圧洗浄等に様々な負荷が加わる。
超音波送受信器にはこれらの負荷に耐える耐久性が求められている。
【０００３】
図１に一般的に使用されている超音波送受信器の構造を示す。アルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面に圧電素子１が接着剤によって接着されている。
例えばここで使用される圧電素子１はジルコン・チタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）系圧電セラミックである。
図３に従来の超音波送受信器の拡大断面図を示す。圧電素子１の両面には、銀を主成分とした導電ペーストを焼成した銀電極が設けられており、有底筒状ケース２の底面に接着する面に設けた銀電極を銀電極１ａとし、その反対側の非接着面に設けた銀電極を銀電極１ｂとする。
【０００４】
有底筒状ケース２と圧電素子１に設けられた銀電極１ａは接触することにより電気的に接続されている。
圧電素子１の片面の銀電極１ｂには、リード線９が半田付けされている。リード線９は有底筒状ケース２の底面に対して垂直な向きで圧電素子１に半田付けされている。リード線半田５の形状は逆さにした釣り鐘を銀電極１ｂの上に置いたような形状になっている。有底筒状ケース２の側面に半田７でＧＮＤ側リード線１０が半田付けされている。
【０００５】
リード線９とＧＮＤ側リード線１０の一端は、ワイヤハーネス１２の＋側とＧＮＤ側の一端にそれぞれ半田付けされている。銀電極１ｂの設けられた圧電素子１の上には、シリコーン発泡体からなる吸音材６が配置されている。
吸音材６にはリード線９を通すための貫通穴が設けられている。リード線９を貫通穴に通した後、貫通穴はシリコーン８で塞がれる。有底筒状ケース２の内部はシリコーンなどの封止材１１が充填されている。
【０００６】
前述した構造の超音波送受信器では、車の外装部品として使用される為に高い耐久性が求められている。
その中で、圧電素子１の銀電極１ａと有底筒状ケース２の間の接着層４の平均厚みは、０．５μmから５μmと薄くなっている。
これは、有底筒状ケース２の振動面と圧電素子１との間で振動エネルギーを効率よく変換する目的と、
有底筒状ケース２が金属である場合に銀電極１ａとの導通接点をとり有底筒状ケース２をＧＮＤに接続することで有底筒状ケース２を電磁シールドとして用いる目的とからによる。
このように接着層４の平均厚みが薄いために、振動面に加わった衝撃が圧電素子１に伝達しやすく、圧電素子１が破壊されやすい構造になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−０８２６５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
衝撃耐久性の向上のために、接着層４の厚みを変えて圧電素子１を接着した有底筒状ケース２の意匠面中央に、石を衝突させて圧電素子１の耐久性評価を行った。
その結果、接着層４を厚くするに従い圧電素子１の割れや剥離の発生率が低下したが、有底筒状ケース２と銀電極１ａとの間の接点の消失が生じた。
【０００９】
衝撃耐久性の向上の他の方法として、特許文献１に記載の圧電素子の非接着面の銀電極１ｂの表面をエポキシ接着剤やアクリル接着剤でコーティングし、圧電素子１の補強を行う方法がある。
この場合、前述の圧電素子１の補強により圧電素子１と有底筒状ケース２で構成されるユニモルフ振動子のユニモルフ振動が阻害され超音波の送信出力の低下が生じる問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明では、
圧電素子と、圧電素子の両面に設けられた導電ペーストを焼結してなる銀電極と、前述銀電極を有する圧電素子を底面に接着した金属または樹脂からなる有底筒状ケースと、前述銀電極に半田付けされたリード線と、前述リード線を通す貫通穴が設けられた前述銀電極を有する圧電素子を覆うように設置された吸音材と、前述吸音材の上から有底筒状ケース内部に充填された封止材と、前述リードの一端に接続された外部との導通を確保するためにワイヤと、からなる超音波送受信器において、有底筒状ケースに接着する面の前述銀電極の表面に、表面粗さRzが７μｍ以上になるように凹凸を設けている。
前記凹凸の凹部に接着剤が充填されることで接着層の平均厚みが増し、有底筒状ケースに加わった衝撃の接着層における緩和効果が大きくなり、圧電素子の耐衝撃性が向上する。
また、前記凹凸の凸部にて有底筒状ケースとの接点を維持することが出来る。
【００１１】
請求項２の発明では、
請求項１に記載の圧電素子の耐衝撃性を有しつつ、
請求項１に記載の凹部の底面部において、前記底面部の圧電素子を露出させて銀電極の面積を減らすことで、圧電素子の静電容量を減少させることが出来る。
前記凹部の底面部で露出する圧電素子の面積は、凹部のパターン形状や作製条件により調整できるため、圧電素子の静電容量を制御することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の超音波送受信器の断面図
【図２】本発明を実施した形態の超音波送受信器の断面図
【図３】従来の超音波送受信器の拡大断面図
【図４】本発明を実施した形態の超音波送受信器の拡大断面図
【図５】銀電極の表面粗さRzと圧電素子の破壊確率の関係図
【図６】レーザーの照射強度と圧電素子の静電容量の関係図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
図２に本発明を実施した形態の超音波送受信器を示す。外径がφ１４のアルミ合金からなる有底筒状ケース２の底面中央部に、両面電極１ａの施された厚みが約０．２ｍｍの圧電素子１が接着されている。
ここで使用される圧電素子１はジルコン・チタン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）系圧電セラミックである。
図４に本発明を実施した形態の超音波送受信器の拡大断面図を示す。圧電素子１の両面には、銀を主成分とした導電ペーストを焼成して圧電素子１に固着させた銀電極が設けられており、有底筒状ケース２の底面に接着する面に設けた銀電極を銀電極１ａとし、その反対側の非接着面に設けた銀電極を銀電極１ｂとする。
銀電極１ａと銀電極１ｂとは電気的に独立している。圧電素子１と有底筒状ケース２を接着する接着剤には、エポキシ接着剤が使用されている。
ここでは、接着剤の材質をエポキシ系に限定するものでなく、アクリル系の接着剤等を用いても構わない。
圧電素子１の銀電極１ａとアルミ合金からなる有底筒状ケース２は、接触により導通を確保するために、接着層４の平均厚みを５μｍ以下としている。
【００１４】
圧電素子１の銀電極１ａは、有底筒状ケース２に接着する前に、銀電極１ａ表面にパルス発信させたレーザーを照射することで直径２０μｍから７０μｍのクレーター形状の凹凸３を散在させた。
ここで、クレーター形状の凹凸３は、中央部が円形に窪んだ凹部３ａと、凹部３ａを取り囲む凸部３ｂと、から構成される。
凹部３ａの直径は、レーザーの照射強度や照射時間により制御している。
銀電極１ａの表面に空気中でレーザーを照射する場合、銀電極１ａの表面に酸化銀が生成されるため、レーザーの照射後に300度付近での加熱等により還元処理を行うか、酸化を抑制する窒素等のガス雰囲気下でレーザーを照射することが好ましい。レーザーの照射には、キーエンス製のレーザーマーカ（MD−V９６００）を用いた
【００１５】
有底筒状ケース２の材料としてアルミ合金などの金属の他に、エポキシ樹脂をベースとした複合材料などが使用出来る。電気抵抗の高い材料を有底筒状ケース２の材料として使用する場合は、圧電素子１に設ける銀電極１ａを折返し電極にする場合が多い。銀電極１ａの形状は両面電極でも折返し電極でもよい。
【００１６】
圧電素子１の接着後に、圧電素子１の銀電極１ｂにリード線９が半田付けされている。リード線９は有底筒状ケース２の底面に対して垂直な向きで圧電素子１の銀電極１ｂに半田付けされている。半田５は、逆さにした釣り鐘を銀電極１ｂの上に置いたような形状をしている。
リード線９を圧電素子１の銀電極１ｂに半田付けした後、吸音材６を圧電素子１の上に配置する。
吸音材６はリード線９を通す貫通穴が設けられている。貫通穴にリード線９を通した後で、貫通穴の部分はシリコーン８で目止めされている。有底筒状ケース２の側面にＧＮＤ側リード１０が半田７で半田付けされている。有底筒状ケース２に半田付けされたＧＮＤリード線１０と、圧電素子１の銀電極１ｂに半田付けされたリード線９の一端は外部の回路と接続するためにワイヤハーネス１２に半田付けされている。
有底筒状ケース２の内部はシリコーン系の封止材１１により充填されている。
【００１７】
圧電素子１と有底筒状ケース２とを接着する際に、銀電極１ａ表面に設けられた凹凸３の凹部３ａにエポキシ接着剤が充填されることで、硬化後の接着層４の平均厚みが増加する。
前述の平均厚みの増した接着層４で、有底筒状ケース２を介して伝達する衝撃が緩和されることにより、圧電素子１に加わる衝撃が減少し、耐衝撃性の高い超音波送受信器を実現する
さらに、銀電極１ａ表面に設けられた凹凸３の凸部３ｂと有底筒状ケース２とを接触させることで接点をとることが可能となる。
【００１８】
図５に銀電極１ａの表面粗さＲｚの値を、レーザーの照射条件により５μｍから１０μｍにした場合の圧電素子１の破壊確率の結果を示す。
なお、レーザー照射前の、銀電極１ａの表面粗さＲｚの値は４．５μｍから５．５μｍである。
評価は、有底筒状ケース２の意匠面中央部にφ３のジルコニアビーズを８０ｋｍ／ｈで衝突させ、
圧電素子１の表面での１ｍｍ以上のヒビ割れの発生率により行った。
表面粗さのＲｚが６．５μｍ以下では、圧電素子１の破壊確率が９０％程度以上であり衝撃耐性の改善効果が少ない。
表面粗さのＲｚが７μｍから７．５μｍでは、圧電素子１の破壊確率が６０％〜７０％と衝撃耐性の明らかな改善効果が確認できる。
表面粗さのＲｚが９μｍ以上では、圧電素子１の破壊確率が１０％以下と衝撃耐性の大幅な改善を実現できた。
【００１９】
図６に銀電極１ａの表面に凹凸３を形成する際のレーザーの照射強度と圧電素子１の静電容量の関係図を示す。
レーザーの照射強度が３０％までは、凹凸３の底面部の大部分が銀電極１ａにより覆われているため、静電容量の変化が見られない。
レーザーの照射強度が５０％や８０％では、レーザーの照射強度が上昇するにつれて凹凸３の底面部を覆う銀電極１ａが減少して圧電素子１のセラミックの露出量が増えるために、圧電素子１の静電容量が４０ｐＦから７０ｐＦ程度減少している。
圧電素子１の静電容量は、圧電素子１の組成ばらつきや寸法ばらつき、銀電極１ａや銀電極１ｂの厚みや面積ばらつき等により変化する。
圧電素子１の静電容量がばらつくと、超音波送受信器の駆動回路との電気的な整合がずれるため、超音波の送受信特性が低下する。
このため、静電容量の安定化も超音波送受信器では重要と考えられている。
圧電素子１の静電容量を調節する従来の手法として、圧電素子１の表面に銀電極１ａと銀電極１ｂを固着した後に、銀電極１ａや銀電極１ｂの一部を数１００μｍ以上の幅で切削等により機械的に削り取る手法がとられていたが、
圧電素子１にひび割れが生じることが問題となっていた。
本実施の形態では、レーザーの熱を用いた微小領域の加工のため、圧電素子１へのダメージを抑えつつ、圧電素子１の静電容量を調節することが実現できる。
なお、凹凸３を銀電極１ｂの面に設けることでも同様に、圧電素子１の静電容量の調節が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、車のバックセンサやコーナーセンサ、自動駐車システムのみならず、超音波送受信器が利用されている様々な分野に適用できる。
【符号の説明】
【００２１】
１  圧電素子
１ａ  銀電極（有底筒状ケースとの接着面）
１ｂ  銀電極（有底筒状ケースとの非接着面）
２  有底筒状ケース
３  凹凸
３ａ  凹凸の凹部 
３ｂ  凹凸の凸部
４  接着層
５  半田
６  吸音材
７  半田
８  シリコーン
９  リード線
１０  ＧＮＤ側リード線
１１  封止剤
１２  ワイヤハーネス
【図１】
2018098666.tif 000003
【図２】
2018098666.tif 000004
【図３】
2018098666.tif 000005
【図４】
2018098666.tif 000006
【図５】
2018098666.tif 000007
【図６】
2018098666.tif 000008