(57)【要約】【課題】リード線を用いることによる問題を解消し、且つ端子への振動漏れの問題を解消する。【解決手段】超音波センサ１０１は、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子３０と、この圧電素子３０を収納する樹脂ケース１１と、を備えている。樹脂ケース１１は底部を有し、天部が開口された成型体である。この樹脂ケース１１に二つの端子１２，１３が一体成型されている。端子１２，１３は樹脂ケース１１の底部から外部へ突出している。圧電素子３０は樹脂ケース１１の開口内で端子１２，１３の内部側の先端に取り付けられている。例えば端子１２，１３は金属平板の成型体であり、曲げまたはひねりが加わっていて、樹脂ケース１１の外部へ突出する外部突出部と圧電素子３０が取り付けられる内部の圧電素子取り付け部との間で、金属板の面の方向が一回以上変化している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子と、この圧電素子を収納する樹脂ケースと、を備えた超音波センサにおいて、
前記樹脂ケースは底部を有し、天部が開口された成型体であり、
前記樹脂ケースに、前記樹脂ケースの底部から外部へ突出する端子が一体化され、
前記圧電素子は、前記樹脂ケースの前記開口内で前記端子に取り付けられたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記端子は金属平板の成型体であり、曲げまたはひねりが加わって、前記樹脂ケースの外部へ突出する外部突出部と前記圧電素子が取り付けられる内部の圧電素子取り付け部との間で、前記金属平板の面の方向が一回以上変化している、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記端子は金属平板の成型体であり、前記樹脂ケース内でクランク形状またはジグザグ形状に屈曲された、請求項１または２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記圧電素子の超音波放射面側に音響整合層が配置され、前記圧電素子の前記超音波放射面とは反対側に空間が形成された、請求項１〜３にいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項５】
端子を成型するステップと、
底部を有し天部が開口された樹脂ケースに前記端子が一体化された端子付き樹脂ケースをインサートモールド成型で構成するステップと、
前記樹脂ケースの前記開口内の前記端子に圧電素子を取り付けるステップと、
前記樹脂ケースの前記開口内に音響整合層を充填するステップと、を含むことを特徴とする超音波センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の有無や大きさあるいは物体までの距離を検出するのに用いられる超音波センサに関し、より詳細には、圧電素子を用いた超音波センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の有無や大きさあるいは物体までの距離を検出するためのセンサとして、圧電素子を用いた超音波センサが例えば特許文献１，特許文献２に開示されている。
ここで、特許文献１の従来例として挙げられている超音波センサの構造を図１（Ａ）に示す。また、特許文献２に挙げられている超音波センサの構造を図１（Ｂ）に示す。
【０００３】
図１（Ａ）に示される超音波センサ２１は、圧電素子２２を備えている。圧電素子２２は、圧電セラミック板２２ａの両面に電極２２ｂ，２２ｃを形成することにより構成されている。圧電素子２２は、電極２２ｂ側から音響整合層２３に固定されている。音響整合層２３には、アルミニウムよりなるケース２４が固定されている。ケース２４は両端に開口を有する筒状の形状を有し、一端側で音響整合層２３に固定されている。従って、圧電素子２２はケース２４内に収納されている。ケース２４の他端開口側には、段差２４ａが形成されていて、段差２４ａに基板２５が配置されている。基板２５には、端子２６ａ，２６ｂが固定されている。一方の端子２６ａは、圧電素子２２の電極２２ｂに、リード線２７ａ，２７ｂ及びケース２４を介して接続されている。他方の端子２６ｂは、リード線２７ｃにより圧電素子２２の電極２２ｃに接続されている。また、基板２５が配置されている外側には、シリコーン接着剤２８が充填されて、ケース２４の他端開口が封止されている。
【０００４】
図１（Ｂ）に示される超音波センサは、圧電素子１の正面および側面には接地電極２が形成され、背面には信号用電極３が形成されている。信号用電極３の右端部には信号端子４が接続され、接地電極２の左下端部には接地端子５が接続されている。信号用電極３の背面側には、圧電素子１を機械的に保持し、かつ不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材６が設けられている。そして、背面負荷材６の周辺には、熱伝導材７の熱を放熱するための放熱材１０が設けられている。圧電素子１の正面には音響整合層８，９が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２４８９５号公報
【特許文献２】特開２０００−１８４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１（Ａ）に示される構造の超音波センサにおいては、圧電素子２２に接続されるリード線２７ａ，２７ｂ，２７ｃが細いため、取り扱いが困難であり、手作業によるはんだ付けを行う必要がある。
【０００７】
一方、図１（Ｂ）に示される構造の超音波センサにおいては、圧電素子に端子が直接接続されるので、細いリード線を用いることによる問題は生じないが、圧電素子１の振動が端子に伝搬する振動漏れが生じやすいので残響特性が悪く外部の振動の影響を受けやすい、という問題がある。
【０００８】
そこで、本発明はリード線を用いることによる問題を解消し、且つ端子への振動漏れの問題を解消した超音波センサおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の超音波センサは、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子と、この圧電素子を収納する樹脂ケースと、を備え、前記樹脂ケースは底部を有し、天部が開口された成型体であり、前記樹脂ケースに、前記樹脂ケースの底部から外部へ突出する端子が一体化され、前記圧電素子は、前記樹脂ケースの前記開口内で前記端子に取り付けられたことを特徴とする。
【００１０】
例えば前記端子は金属平板の成型体であり、曲げまたはひねりが加わって、前記樹脂ケースの外部へ突出する外部突出部と前記圧電素子が取り付けられる内部の圧電素子取り付け部との間で、前記金属平板の面の方向が一回以上変化しているように構成される。
【００１１】
また例えば前記端子は金属平板の成型体であり、前記樹脂ケース内でクランク形状またはジグザグ形状に屈曲される。
【００１２】
前記圧電素子の超音波放射面側には音響整合層が配置され、前記圧電素子の前記超音波放射面とは反対側に空間が形成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明の超音波センサの製造方法は、端子を成型するステップと、底部を有し天部が開口された樹脂ケースに前記端子が一体化された端子付き樹脂ケースをインサートモールド成型で構成するステップと、前記樹脂ケースの前記開口内の前記端子に圧電素子を取り付けるステップと、前記樹脂ケースの前記開口内に音響整合層を充填するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、部品点数の削減に伴って低コスト化が図れる。また、作業性に問題のあるリード線を用いる必要がないので製造コストが削減できる。しかも端子への振動漏れの問題が回避されるので、残響特性の優れた超音波センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（Ａ）は特許文献１の従来例として挙げられている超音波センサの断面図、図１（Ｂ）は特許文献２に挙げられている超音波センサの断面図である。
【図２】図２（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の正面図、図２（Ｂ）はその内部構造を示す図である。
【図３】図３は端子１２の展開図である。
【図４】図４は屈曲後の端子１２の正面図および左側面図である。
【図５】図５（Ａ）は圧電素子３０の斜視図、図５（Ｂ）は圧電素子３０を端子に取り付けた状態での断面図である。
【図６】図６は第２の実施形態に係る超音波センサに用いられる端子の正面図および左側面図である。
【図７】図７は、インサートモールド成型前の端子の構造を示す図である。
【図８】図８は、超音波センサの製造工程の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
《第１の実施形態》
第１の実施形態を図２〜５を参照して説明する。
図２（Ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の正面図、図２（Ｂ）はその内部構造を示す図である。この超音波センサ１０１は、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子３０と、この圧電素子３０を収納する樹脂ケース１１と、を備えている。樹脂ケース１１は底部を有し、天部が開口された成型体である。この樹脂ケース１１に二つの端子１２，１３が一体成型されている。端子１２，１３は樹脂ケース１１の底部から外部へ突出している。圧電素子３０は樹脂ケース１１の開口内で端子１２，１３の内部側の先端に取り付けられている。
【００１７】
樹脂ケース１１は例えばＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等が好ましい。これらの樹脂は振動吸収率が高く、残響特性を向上させることができる。
【００１８】
端子１２，１３は金属平板の成型体であり、後に詳述するとおり、曲げが加わっている。この例では、樹脂ケース１１の外部へ突出する外部突出部の面と圧電素子３０が取り付けられる内部の圧電素子取り付け部の面の方向が異なっている。
【００１９】
圧電素子３０の超音波放射面側には音響整合層１７が配置され、圧電素子３０の超音波放射面とは反対側に下部空間１８が形成されている。また、圧電素子３０の周囲に周囲空間１９が形成されている。端子１２，１３の先端（圧電素子取り付け部）は周囲空間１９に露出している。
この超音波センサ１０１は、駆動電圧の印加により圧電素子３０が振動し、圧電素子３０の上面が超音波の振動面となる。圧電素子３０は円板状の圧電基板３１の表裏面に電極３２，３３が形成されている。圧電素子３０は、樹脂ケース１１の開口ＡＰの内底面から突出する支持部２０に載置され、圧電素子３０の電極３２，３３が端子１２，１３の先端に電気的に接続されている。
【００２０】
圧電素子３０の超音波放射面とは反対側には、端子１２，１３と圧電素子３１との接続部分が樹脂ケース１１で拘束されないようにした円柱状の下部空間１８が形成されているので、さらには、圧電素子３０の一方主面に圧電素子よりも直径の小さい円板状の周囲空間１９が形成され、端子１２，１３の圧電素子取り付け部は周囲空間１９に露出しているので、圧電素子３０の振動が阻害されない。特に、周囲空間１９が形成された場合成形樹脂の熱による膨張および収縮ストレスが端子１２，１３に直接加わることを防ぐことができる。また、端子１２，１３に接続された圧電素子３０へ加わる応力を緩和することができる。
【００２１】
例えば、ケースがＬＣＰ（線膨張係数が４５×１０−６／Ｋ、ヤング率が１０ＧＰａ、ポアソン比が０．３５）である場合、下部空間１８が設けられていなければ０．３８ＧＰａの熱応力が発生するが、下部空間１８が設けられていれば０．２５ＧＰａの熱応力となり、熱応力が２／３以下に低減する。
【００２２】
図３は前記端子１２の展開図である。また、図４は屈曲後の端子１２の正面図および左側面図である。端子１２は金属平板の成型体であり、柱部１２ａ、係合部１２ｂ、中継部１２ｃ、梁部１２ｄ、束部１２ｅを備えている。図中の破線は折り曲げライン（谷折り）であり、これらの折り曲げラインで所定Ｒ（ラウンド）をもって直角に屈曲される。端子１２の束部１２ｅ（本願発明でいう圧電素子取り付け部）が圧電素子３０に接続され、端子の柱部１２ａ（本願発明でいう外部突出部）が外部の実装基板（図示せず）へ接続される。
もう一方の端子１３は前記端子１２の左右対称形である。
【００２３】
図２、図４に示した直交座標で、また、柱部１２ａの両側部および束部１２ｅはｚ軸方向に延びているが、途中の梁部１２ｄはｘ軸方向に延びているので、端子１２，１３はｚ軸方向への振動の伝搬が抑制される。また、梁部１２ｄと束部１２ｅとの境界では、９０°の折り曲げがあるので、このことによって、梁部１２ｄと束部１２ｅの振動方向が直交している。また、柱部１２ａの中央部はｙ軸方向に延びているが、梁部１２ｄはｘ軸方向に延びているので、端子１２，１３はｙ軸方向への振動の伝播が抑制される。このように端子１２，１３の金属平板の面の方向が一回以上変化し、各部位の主たる振動方向が異なり不連続であるので、例えばｚ軸方向の振動がそのままｘ軸方向の振動として伝搬することはなく減衰される。その結果、端子１２，１３を伝搬しようとする振動が抑制される。特に、本願発明のように、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の３軸に曲げが形成されている場合、金属平板の面の方向が３次元的に異なり変化するので、より振動抑制効果が高まる。
【００２４】
図５（Ａ）は圧電素子３０の斜視図、図５（Ｂ）は圧電素子３０を端子に取り付けた状態での断面図である。圧電素子３０は円板状の圧電基板３１の表裏面に電極３２，３３が形成されている。また端縁の二箇所に半円筒状の切欠部が形成され、その切欠部の端子電極３２ｔ，３３ｔが形成されている。
【００２５】
図５（Ｂ）に表れているように、端子１２，１３の内部の先端部である束部１２ｅ，１３ｅの先端に前記端子電極３２ｔ，３３ｔがはんだＳＯによって電気的・機械的に接合される。
【００２６】
以上に示したように、本発明によればリード線が不要であるため、部品点数が少なく、製造時の作業性が高い。また、端子１２，１３は、金属平板の成型体であり、曲げが加わって、樹脂ケース１１の外部へ突出する柱部１２ａと圧電素子３０が取り付けられる束部１２ｅとの間で、金属平板の面の方向が一回以上変化しているように構成される。圧電素子３０から伝搬する振動を吸収（減衰）するので、端子やケースへの振動漏れを抑制できる。そのため、良好な残響特性が得られる。
【００２７】
《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る超音波センサに用いられる端子の正面図および左側面図である。この図６は第１の実施形態で示した図４に対比して表した図である。図４に示した端子１２と異なるのは、束部１２ｅの形状である。端子１２は、柱部１２ａ、係合部１２ｂ、中継部１２ｃ、梁部１２ｄ、束部１２ｅを備えている。束部１２ｅはｘ方向を厚みとし、ｙ−ｚ面に拡がる形状であり、ｙ−ｚ面内でジグザグ形状に屈曲した形状を有している。この屈曲形状はジグザグ形状以外にクランク形状であってもよい。
【００２８】
このように、端子の所定部位が板材の面内で屈曲する形状であってもよい。この形状により、長手方向（ｚ軸方向）の振動の伝搬を効果的に抑制できる。
【００２９】
なお、第１及び第２の実施形態では、金属平板の曲げによって振動の伝播方向を異ならせているが、本発明はこれに限らず、ひねり等を形成することにより振動の伝播方向を異ならせてもよい。ここで「曲げ」とは金属平板を折り曲げることによって面の方向を変えた構造であり、「ひねり」とは、金属平板を完全に屈曲させるのではなくて、カーブをもってひねった（ねじった）構造である。
【００３０】
《第３の実施形態》
第３の実施形態では超音波センサの製造方法について示す。
図７は、インサートモールド成型前の端子の構造を示す図である。図７では単一の部品部分について示しているが、フープ１４に端子１２，１３が等間隔に複数組連結されている。図７は端子１２，１３が既に成型された状態である。この工程の前はロール状金属板を打ち抜き加工して、図３に示したように平板状の端子１２，１３がフープ１４に連結されたものを製造する。この平板状の端子１２，１３に対して曲げを加える板金加工を施すことにより、図７に示した端子１２，１３を形成する。
【００３１】
図８は上述の工程に続く製造工程を示す図である。実際には、図７に示したフープ１４で連結されているが、図８ではフープ１４の図示を省略している。
図８（Ａ）は端子１２，１３の端部に樹脂ケース１１をインサートモールド成型（フープインサートモールド成型）した後の状態を示している。樹脂ケース１１には、端子１２，１３の一部をインサートモールド成型時に保持するための窓Ｗが生じる。
【００３２】
超音波センサの製造に際して、先ずこのようにフープ１４から突出している端子１２，１３に樹脂をインサートモールド成型する。このことによって、フープ１４を介して連結された、複数の端子付き樹脂ケースを製造する。
【００３３】
次の工程では、図８（Ｂ）に示すように、端子１２，１３の端部である束部１２ｅ，１３ｅの先端に圧電素子３０をはんだ付けする。具体的には、樹脂ケース１１の天部の開口ＡＰから圧電素子３０を挿入し、樹脂ケース１１の開口ＡＰの内底面から突出する支持部２０に載置する。この状態で束部１２ｅ，１３ｅの先端に圧電素子３０をはんだ付けする。
【００３４】
その後、図８（Ｃ）に示すように、圧電素子３０の上部の樹脂ケース１１の開口ＡＰ内に音響整合層１７を形成する。具体的には、音響整合層として作用する樹脂材料を充填する。この音響整合層１７は、圧電素子３０と樹脂ケース１１とを実質的に接着固定する接着剤としての機能を有する。
【００３５】
最後に、フープ（図７に示したフープ１４）から各超音波センサを順次分離する。
【００３６】
以上に示したとおり、本発明の超音波センサの製造方法によれば、少ない部品点数で製造が容易であり、リードタイムも短くなるので製造コストを大幅に低減できる。
【符号の説明】
【００３７】
ＡＰ…開口
Ｗ…窓
１１…樹脂ケース
１２，１３…端子
１２ａ…柱部
１２ｂ…係合部
１２ｃ…中継部
１２ｄ…梁部
１２ｅ，１３ｅ…束部
１４…フープ
１７…音響整合層
１８…下部空間
１９…周囲空間
２０…支持部
３０…圧電素子
３１…圧電基板
３２，３３…電極
３２ｔ，３３ｔ…端子電極
１０１…超音波センサ
【図１】
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【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】
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【図８】
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