(57)【要約】【課題】圧電素子が樹脂ケースによって拘束されることによる課題を解決した超音波センサを提供する。【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を間接的に保持する樹脂ケース１１と、を備えている。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。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樹脂除去形状部Ｈが生じている。樹脂除去形状部Ｈは、樹脂ケース１１の外面の対向する二箇所からそれぞれ端子１２にまで達している。この樹脂除去形状部Ｈによって圧電素子３０に対する拘束力が緩和されて総合感度が向上する。【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、
前記圧電素子は、前記樹脂ケースの開口方向に超音波を放射するように前記樹脂ケースの底部に直接的または間接的に保持されていて、
前記樹脂ケースの底部内に樹脂除去形状部が形成されたことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
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成型されていて、前記樹脂除去形状部は、前記樹脂ケースに前記端子をインサートモールド成型する際の端子保持用の貫通孔または閉塞穴である、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記樹脂除去形状部は貫通孔であり、
前記圧電素子の超音波放射面とは反対側の面と前記樹脂ケースの底部との間に空間が形成され、この空間と前記貫通孔とを連通する縦穴が前記樹脂ケースの底部内に形成された、請求項１または２に記載の超音波センサ。
【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ケースと、を備えている。特に、樹脂ケースに対して圧電素子が直接的に保持された超音波センサは例えば特許文献１に開示されている。
ここで、特許文献１に挙げられている超音波センサの構造を図１に示す。
【０００３】
図１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。信号用電極３と背面負荷材６との間には熱伝導材７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９が設けられている。圧電素子１の正面には音響整合層８が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８４４９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１に示される構造の超音波センサにおいては、樹脂ケースの一部である熱伝導材７に対して圧電素子が直接的に保持された構造であるため、圧電素子が樹脂ケースにより拘束される。そのため、圧電素子の振動が抑制されて超音波センサの感度を高め難いという課題がある。
【０００６】
また、図１に示される超音波センサにおいては、圧電素子が端子に直接接続されるので、圧電素子はこの端子による拘束力をも受けるという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は圧電素子が樹脂ケースに直接的または間接的に保持された構造による課題を解決した超音波センサ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】
【０００８】
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、
前記圧電素子は、前記樹脂ケースの開口方向に超音波を放射するように前記樹脂ケースの底部に直接的または間接的に保持されていて、
前記樹脂ケースの底部内に樹脂除去形状部（貫通孔または閉塞穴）が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
例えば前記樹脂ケースには、その底部から外部へ突出する端子が一体成型されていて、前記樹脂除去形状部は、樹脂ケースに端子をインサートモールド成型する際の端子保持用の貫通孔または閉塞穴である。
【００１０】
また、例えば前記樹脂除去形状部は貫通孔であり、圧電素子の超音波放射面とは反対側の面と樹脂ケースの底部との間に空間が形成され、この空間と前記貫通孔とを連通する縦穴が樹脂ケースの底部内に形成されたものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電素子が直接的または間接的に樹脂ケースに保持された構造でありながら、圧電素子の振動が樹脂ケースで強く拘束されない。そのため、単純な構造で低コスト化できるとともに高感度な超音波センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は特許文献１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の正面図である。図２（Ｂ），図２（Ｃ）はその内部構造を示す図であり、図２（Ｂ）は正面断面図、図２（Ｃ）は左断面図である。
【図３】図３は、金属板の打ち抜きおよび曲げ加工などにより製造された端子１２の正面図および左側面図である。
【図４】図４（Ａ）は圧電素子３０の斜視図、図４（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５】図５は超音波センサ１０１の製造工程を示す図である。
【図６】図６は樹脂除去形状部Ｈの有無による総合感度特性の違いを示す図である。
【図７】図７は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の内部構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《第１の実施形態》
第１の実施形態を図２〜６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の正面図である。図２（Ｂ），図２（Ｃ）はその内部構造を示す図であり、図２（Ｂ）は正面断面図、図２（Ｃ）は左側断面図である。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を間接的に保持する樹脂ケース１１と、を備えている。樹脂ケース１１は底部ＢＰを有し、天部ＡＰ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ＢＰ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。端子１２，１３は金属平板の成型体であり、曲げが加わっている。ここでいう曲げとは平面構造を折り曲げた構造のことをいう。なお、金属平板を折り曲げることで端子１２，１３を伝わる振動の伝播方向を異ならせているが、折り曲げることに限らず、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。
【００１４】
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端子１２，１３を保持するための樹脂除去形状部Ｈが生じている。図２（Ｃ）に表れているように、樹脂除去形状部Ｈは、樹脂ケース１１の外面の対向する二箇所からそれぞれ端子１２にまで達している。端子１３側についても同様である。したがって、樹脂除去形状部Ｈは、樹脂ケース１１内部の端子１２，１３に達する四つの閉塞穴である。端子１２，１３で完全に閉塞されない場合には、樹脂除去形状部Ｈは二つの貫通孔ということになる。
【００１５】
圧電素子３０の超音波放射面側には例えばガラスバルーン等を含有した樹脂からなる音響整合層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、すなわち音響整合層１７が配置されている面が超音波の送信もしくは受信面となる。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の天部ＡＰの開口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。したがって、圧電素子３０は、端子１２，１３の先端部を介して樹脂ケース１１に対して間接的に保持され、樹脂ケース１１の支持部２０に直接的に保持されている。
【００１６】
圧電素子３０の超音波放射面とは反対側には下部空間１８が形成されている。圧電素子３０の周囲には周囲空間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。この構造により、圧電素子３０の振動は阻害されない。また、端子１２，１３の先端（圧電素子取り付け部）の周囲に空間１９が設けられていることにより、すなわち空洞であるので、樹脂ケース１１と端子１２，１３の線膨張係数の違いによって圧電素子３０に掛かる熱応力は緩和される。
【００１７】
図３は、金属板の打ち抜きおよび曲げ加工などにより製造された端子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。
もう一方の端子１３は前記端子１２の左右対称形である。
【００１８】
図４（Ａ）は圧電素子３０の斜視図、図４（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。
【００１９】
図４（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。
【００２０】
図５は超音波センサ１０１の製造工程を示す図である。端子１２，１３は実際にはフープで連結されているが、図５ではフープの図示を省略している。
図５（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したことにより樹脂除去形状部Ｈが生じる。
【００２１】
樹脂ケースの材料としては液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の熱可塑性樹脂等を用いる。液晶ポリマー（ＬＣＰ）は振動吸収性が高いので高い振動減衰効果が得られる。耐熱性の点ではＬＣＰに一般に劣るが、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を用いても良好な振動減衰効果が得られる。端子１２、１３の材料としては、銅、リン青銅等を用いることができる。
【００２２】
次の工程では、図５（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。
【００２３】
その後、図５（Ｃ）に示すように、圧電素子３０の上部の樹脂ケース１１の天部ＡＰの開口内に音響整合層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。
【００２４】
図６は前記樹脂除去形状部Ｈの有無による総合感度特性の違いを示す図である。横軸は周波数、縦軸は総合感度である。ここでいう総合感度とは一つの超音波センサが超音波を送信し、反射超音波を受信する際の入力感度／出力感度である。
【００２５】
測定に用いた反射ターゲットは直径８５ｍｍの金属板であり、超音波センサを反射ターゲットから距離１０ｃｍの位置に置いた。また、樹脂ケース１１の直径９ｍｍ、圧電素子の直径８ｍｍであり、樹脂除去形成部Ｈは断面１．３×１．３ｍｍの空洞を形成した。
【００２６】
図６中の曲線Ａは第１の実施形態の超音波センサ１０１の特性、曲線Ｂは超音波センサ１０１の樹脂除去形状部Ｈを樹脂で充填したものの特性である。このように、樹脂除去形状部Ｈを有する方が高い総合感度が得られる。また、ピーク感度周波数が高くなることがわかる。ピーク感度周波数が高くなるのは、圧電素子の振動を拘束する質量が小さくなったこと、すなわち圧電素子に対する拘束力が小さくなったことに起因しているものと推測される。したがって、樹脂除去形状部Ｈによって圧電素子に対する拘束力が緩和されて総合感度が向上したと見なせる。
【００２７】
なお、第１の実施形態の樹脂除去形状部の形状は、断面矩形形状であるが、例えば断面円形状、断面楕円形状等、他の断面形状で構成されていてもよい。樹脂除去形状部Ｈは必ずしも端子１２、１３を保持するためのものである必要はなく、端子１２，１３が形成されていない領域に樹脂除去形状部Ｈが形成されていてもよい。特に、下部空間１８及び周囲空間１９の近辺に樹脂除去形状部Ｈを形成すると、素子に対する拘束力がより緩和されやすくなり、総合感度が向上する。
【００２８】
《第２の実施形態》
図７は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の内部構造を示す図である。
圧電素子３０の超音波放射面とは反対側の下部空間１８と樹脂除去形状部Ｈとの間に縦穴Ｖが設けられている。この縦穴はインサートモールド成型時に形成される。縦穴Ｖは下部空間１８と樹脂除去形状部Ｈとを連通させている。したがって、音響整合層１７の充填時に、樹脂ケース１１の天部の開口の空気が抜け、音響整合層１７内にボイドが生じることがなく、所期の特性を有する音響整合層として作用する。
【００２９】
縦穴Ｖ以外の構成は第１の実施形態で示したものと同じである。この縦穴Ｖも樹脂ケース１１の剛性を低減するように作用するので、圧電素子３０の拘束力が緩和され、より高感度な超音波センサが得られる。
【００３０】
以上に示したとおり、本発明の超音波センサは、圧電素子が直接的または間接的に樹脂ケースに保持された構造でありながら、圧電素子の振動が樹脂ケースで強く拘束されない。そのため、単純な構造で低コスト化できるとともに高感度な超音波センサが得られる。
【符号の説明】
【００３１】
ＡＰ…天部
ＢＰ…底部
Ｈ…樹脂除去形状部
Ｖ…縦穴
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
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
１０１，１０２…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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