CN103828395A

CN103828395A - 超声波传感器

Info

Publication number: CN103828395A
Application number: CN201280047255.2A
Authority: CN
Inventors: 南部浩司
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: KR20140050749A; KR101528890B1; CN103828395B; JP5672389B2; WO2013047544A1; JPWO2013047544A1

Abstract

实现不经由壳体而将布线部件连接至压电元件的电极，同时可实现压电元件与壳体的高接合精度，还能获得良好的振动特性、灵敏度特性这样的构成的超声波传感器。超声波传感器(1)具备：有底筒状的壳体(2)，其具有凹部(2B1)，该凹部具有作为振动区域的底面部；以及压电元件(3)，其包括具有第1面及与第1面对置的第2面的压电基板(3E)、设置于第1面的第1电极(3A)、设置于第2面的一部分的第2电极(3B)、及与第2电极(3B)隔开地设置于第2面的一部分且与第1电极(3A)连接的第3电极(3C)，第1电极(3A)与凹部(2B1)的底面接合，在俯视底面时该压电元件自身的中心被配置在与振动区域的中心不同的位置。

Description

超声波传感器

技术领域

本发明涉及构成为将压电元件接合到壳体的超声波传感器，例如涉及汽车的角声纳或后声纳等所采用的超声波传感器。

背景技术

超声波传感器间歇地发送超声波脉冲信号，并接收被发送的超声波脉冲信号到达障碍物或目标后反射回来的反射波，由此感测障碍物或目标(例如参照专利文献1。)。汽车的后声纳、角声纳、还有感测纵列泊车时的与侧壁等障碍物的距离的停车位传感器等都采用的是超声波传感器。

图6(A)是表示现有的超声波传感器的构成例的剖视图。超声波传感器101具备壳体102、压电元件103、减振件104、基板105、发泡性树脂106、管脚端子107A、107B和引线108A、108B。壳体102为有底筒状，由金属等具有导电性的材料构成。压电元件103通过导电性粘接剂等而被接合于壳体102的开口内底面。图6(B)是表示压电元件103的构成例的立体图。压电元件103由压电陶瓷构成，具有圆板形状的压电基板103C、以及分别设置于压电基板103C的相互对置的主面上的电极103A、103B。压电元件103按照电极103A与壳体102的开口内底面接触的方式被接合于壳体102。

再有，如图6(A)所示，减振件104被设置成堵塞壳体102的开口。基板105被设置在减振件104上。在基板105及减振件104中设有贯通孔。发泡性树脂106从一个贯通孔向壳体102的开口内注入，填充到壳体102的内部及贯通孔的内部。管脚端子107A、107B分别为直线棒状且分别经由一个贯通孔而被插入壳体102的开口内。在壳体102的开口内，引线108A通过焊锡而被接合于管脚端子107A的前端和壳体102，将管脚端子107A与壳体102进行了电连接。因而，管脚端子107A经由引线108A及壳体102而与电极103A电连接。在壳体102的开口内，引线108B通过焊锡而被接合于管脚端子107B的前端与压电元件103的电极103B，将管脚端子107B的前端与压电元件103的电极103B进行了电连接。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2007／094184号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在上述那样的现有构成的超声波传感器中，俯视时，压电元件以使自身的中心的位置和壳体的开口内底面的中心一致的方式被接合于壳体的开口内底面，但根据压电元件的电极的形状，超声波传感器中的压电元件的振动效率与综合灵敏度有时会下降。再有，在压电元件的一个电极上直接连接有引线，在另一个电极上经由壳体而间接地连接有引线。因而，在制造时需要对压电元件与壳体实施2次布线作业，故作业烦杂。

再有，壳体需要由具有良好导电性的材料构成，可以采用的材料有较大制约，进而在采用了易氧化的金属的情况下需要进行防氧化的处理。

还有，虽然也能将2个引线分别不经由壳体而直接与压电元件的电极连接，但为此在将引线连接到压电元件的电极后需要将压电元件与壳体接合。在该情况下，压电元件与壳体的接合精度下降，存在难以获得良好的振动效率、综合灵敏度的问题。

因而，本发明的目的在于实现一种超声波传感器，其构成为：不经由壳体而将布线部件连接至压电元件的电极，同时可实现压电元件与壳体的高接合精度，还能获得良好的压电元件的振动效率、综合灵敏度。

用于解决技术问题的方案

本发明的超声波传感器具备壳体和压电元件。壳体具有作为振动区域的底面部且为有底筒状。压电元件具有压电基板、第1电极、第2电极和第3电极。压电基板具有第1面及与第1面对置的第2面。第1电极设置于第1面。第2电极设置于第2面的一部分。第3电极与第2电极隔开地设置于第2面的一部分、且与第1电极连接。压电元件的第1电极与底面部接合，在俯视底面部时压电元件自身的中心被配置在与振动区域的中心不同的位置。

在上述的超声波传感器中，优选压电基板的第2面中的设置有第2电极的区域的面积与设置有第3电极的区域的面积不同。

在上述的超声波传感器中，优选在俯视压电元件时第2电极与第3电极被设置成非对称。

在上述的超声波传感器中，优选在俯视底面部时振动区域是具有长边方向和短边方向的平面形状，第2电极和第3电极被排列在短边方向上。

发明效果

根据本发明，由于在俯视底面部时压电元件自身的中心被配置在与振动区域的中心不同的位置，因此可提高超声波传感器中的压电元件的振动效率与综合灵敏度，能够改善特性。再有，由于第2电极和第3电极被设置于压电基板的第2面，因此能够不经由壳体而直接连接挠性基板或引线等布线部，使得对作为壳体可利用的材料的制约减少。进而，即便将压电元件接合到壳体后也能实现第2电极及第3电极与布线部的连接，从而可以提高压电元件与壳体的接合精度。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式所涉及的超声波传感器的构成例的图。

图2是对压电元件的构成与配置进行说明的图。

图3是对压电元件的配置与机电耦合系数及综合灵敏度的关系进行说明的图。

图4是表示本发明第2实施方式所涉及的超声波传感器的构成例的图。

图5是表示本发明的变形例所涉及的超声波传感器的构成例的图。

图6是表示现有的超声波传感器的构成例的剖视图及表示现有的超声波传感器所具备的压电元件的构成例的立体图。

具体实施方式

《第1实施方式》

图1(A)是本发明第1实施方式所涉及的超声波传感器1的剖视图。图1(B)是超声波传感器1的俯视图。其中，图1(A)表示在图1(B)中以A-A’所示的位置处的剖面。图1(B)表示超声波传感器1的背面。

超声波传感器1具备壳体2、压电元件3、吸音部件4、加强部件5、支承部件6、缓冲部件7、减振部件8、挠性基板9、端子保持部件10和管脚端子11A、11B。

壳体2是图1(A)中的下端面(正面)堵塞而图1(A)中的上端面(背面)开口的有底筒状，具备筒状的侧壁2A和圆板状的底板2B。如图1(B)所示，壳体2的开口俯视时呈圆形。壳体2例如是由弹性模量高且轻量的铝构成的部件，通过锻造而形成。另外，壳体2的材料并未限于铝这种导电性材料，也可以是绝缘性材料。

在侧壁2A中，背面侧的部分为薄壁且开口部的内径大，底板2B侧的部分为厚壁且开口部的内径小。底板2B具备凹部2B1与台阶部2B2。凹部2B1具有底面部与侧壁部，且被设置成规定方向(图1(B)中的横向)为短边方向、与短边方向正交的方向为长边方向。即，凹部2B1被设置成长边方向的两端抵达至侧壁2A。再有，台阶部2B2被设置于凹部2B1的短边方向的两肋。凹部2B1的底面部成为壳体2的主要的振动区域，超声波传感器1具有在凹部2B1的长边方向窄而在短边方向宽的指向性。

压电元件3为平板状，若被施加驱动电压则在面内方向扩展振动。压电元件3被配置于壳体2的凹部2B1内部且与底板2B接合。具体而言，压电元件3与凹部2B1的底面部接合。压电元件3及底板2B相互接合而构成了双压电晶片振动器，通过压电元件3的扩展振动而底板2B(凹部2B1)在图1(A)中的上下方向上弯曲振动。

吸音部件4例如是由聚酯毡(polyesterfelt)等构成的平板状部件，是为了吸收从压电元件3向壳体2的开口侧放出的不必要的超声波而设置的。吸音部件4被配置于壳体2的凹部2B1内并被粘接于压电元件3之上。

加强部件5是中央具有开口的环状部件，具有较高的声阻抗。加强部件5由不锈钢或锌那样的、较之构成壳体2的材料而密度高且刚性高的材料构成，以便作为锤而起作用。其中，加强部件5也可以通过调整厚度等的尺寸而由与壳体2相同的材料(铝)构成。再有，加强部件5与侧壁2A的底板2B侧的部分、即厚壁部分的内周面和台阶部2B2相接地被配置在壳体2的底板2B上。这样，通过设置有加强部件5，从而壳体2的包围凹部2B1的周围部分的刚性高，可抑制壳体2的底板2B中的振动向壳体2的侧壁2A传播。

支承部件6是在中央具有开口的环状部件，为了使缓冲部件7不与壳体2接触地进行支承而设置于壳体2的侧壁2A与缓冲部件7之间。通过设置有支承部件6，从而可抑制壳体2的底板2B中的振动经由侧壁2A而向缓冲部件7传播。

缓冲部件7是由硅酮橡胶或聚氨基甲酸乙酯树脂等弹性体构成的杯状的部件。缓冲部件7具有被设置在下部且与加强部件5的开口卡合的凸部以及被设置在上部且与端子保持部件10卡合的开口。通过设置有缓冲部件7，从而可抑制壳体2的底板2B中的振动经由侧壁2A而向端子保持部件10传播。

端子保持部件10是由聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等树脂构成的L字状的部件，在沿着通过壳体2的开口的中心的轴的状态下保持管脚端子11A、11B。端子保持部件10的下部弯曲成与设置于缓冲部件7上部的开口卡合。端子保持部件10具有设置在底面的凸部。再有，在端子保持部件10的中央部设置有插通管脚端子11A、11B的2个贯通孔。

管脚端子11A、11B是被施加压电元件3的驱动电压的金属制的直线状管脚，由端子保持部件10保持着。具体而言，管脚端子11A、11B分别插入至端子保持部件10的贯通孔。管脚端子11A、11B的下端部从端子保持部件10的贯通孔突出且被配置于壳体2的开口内。管脚端子11A、11B的上端部从端子保持部件10的上端突出且被配置于壳体2的外部。

挠性基板9是宽幅的带状，是对管脚端子11A、11B与压电元件3进行电连接的布线部。挠性基板9弯曲配置于壳体2的开口内，一部分配置在支承部件6与缓冲部件7之间。挠性基板9具有第一端与第二端。第一端沿着与管脚端子11A、11B的下端部相同的方向延伸且与管脚端子11A、11B连接。第二端通过导电性粘接剂而与压电元件3连接。挠性基板9通过导电性粘接剂而与压电元件3连接，因此与如现有的超声波传感器那样通过焊锡将引线与压电元件连接的情况相比，可以减轻布线部的重量。由此，可以使压电元件3的振动更接近理想的状态。

减振部件8由硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯树脂等弹性体构成。减振部件8被填充在壳体2的内部，对配置于壳体2的开口内的管脚端子11A、11B的下端部及挠性基板9进行密封。但是，因为利用支承部件6与缓冲部件7来覆盖壳体2的底板2B侧的空间，所以减振部件8仅被填充在壳体2的开口侧的空间内。减振部件8具有抑制壳体2的侧壁2A的振动的功能，并且还具有防止支承部件6、缓冲部件7自壳体2脱离的功能。

在这种构成的超声波传感器1中，壳体2的底板2B中的振动因吸音部件4、支承部件6、缓冲部件7而衰减，因此几乎不会向端子保持部件10及管脚端子11A、11B传播。因此，能大幅地减轻将超声波传感器1安装到外部基板之际产生的从管脚端子11A、11B向外部基板的振动泄漏。

另外，优选支承部件6、缓冲部件7是难以传播振动的部件，减振部件8是抑制(减振)壳体2的侧壁2A的振动的部件。优选支承部件6、缓冲部件7的弹性模量低于减振部件8。更详细而言，优选弹性模量包括储存弹性模量与损耗弹性模量，支承部件6、缓冲部件7的储存弹性模量小而减振部件8的损耗弹性模量大。例如，优选支承部件6、缓冲部件7由硅酮树脂(硅酮橡胶)构成，而减振部件8由聚氨基甲酸乙酯树脂构成。

图2(A)是用于说明压电元件3的详细构成的立体图。图2(B)是透视了压电元件3被接合至壳体2的状态下的超声波传感器1的俯视图。

压电元件3具备电极3A～3D和压电基板3E。压电基板3E由锆钛酸铅系压电陶瓷构成，在俯视时为长方形的平板状。电极3A相当于本实施方式中的第1电极，设置于压电基板3E的第1面、即下表面的整个面上。电极3A与壳体2的底板2B接合。具体而言，电极3A与凹部2B1的底面部接合。电极3B相当于本实施方式中的第2电极，设置于压电基板3E的第2面、即上表面的一部分。电极3C相当于本实施方式中的第3电极，设置于压电基板3E的第2面、即上表面的一部分。电极3D设置于压电基板3E的1个侧面，且与电极3A及电极3C连接。因而，电极3A与电极3C被电连接在一起。在压电基板3E的上表面中的设置有电极3B的区域与设置有电极3C的区域之间，设置着与压电基板3E的长边方向平行的直线状的压电基板露出区域。由此，电极3B与电极3C隔开规定的间隔，排列设置于压电基板3E的上表面的短边方向上，而且相互并未电连接。压电基板3E的上表面中的设置有电极3B的区域与设置有电极3C的区域相互之间面积并不同，设置有电极3B的区域的面积要比设置有电极3C的区域的面积还大。即，电极3B的面积要比电极3C的面积还大。

这样，通过将电极3B与电极3C隔开规定的间隔排列设置，从而电极3B与电极3C被直接连接至挠性基板9的第二端的连接区域9A。连接区域9A在压电元件3的长边方向的中心、且电极非形成区域的周边区域中，与电极3B及电极3C连接。通过如上述那样构成电极3A～3D，由此在将压电元件3与壳体的底板2B接合后，挠性基板9的连接区域9A与压电元件3连接。由此，可以提高压电元件3与壳体2的接合精度。

这种构成的压电元件3，通过在电极3A与电极3B之间施加驱动电压而使压电基板3E中的被电极3A与电极3B夹持的区域变形，由此进行振动。另一方面，由于压电基板3E中的被电极3A与电极3C夹持的区域几乎不变形，故几乎无助于振动。压电基板3E的第2面、即上表面中的设置有电极3B的区域的面积与设置有电极3C的区域的面积不同，在俯视压电元件3时电极3B与电极3C被设置成非对称，因此压电元件3中有助于振动的区域是非对称的。

压电元件3按照在俯视凹部2B1时自身的长边方向与凹部2B1的长边方向一致而自身的短边方向与凹部2B1的短边方向一致的方式与凹部2B1接合。而且，压电元件3被配置成：在俯视凹部2B1时自身的短边方向的中心的位置与凹部2B1的短边方向的中心的位置不同，即自身的短边方向的中心自凹部2B1的短边方向的中心起向台阶部2B2的一侧偏置。另外，压电元件3被配置成：自身的长边方向的中心与凹部2B1的长边方向的中心一致。

这样，考虑到压电元件3中对振动有效作用的区域是非对称的，使压电元件3的中心自凹部2B1的中心起偏置以使压电元件3的中心的位置与凹部2B1的中心的位置不同，适当地确定压电元件3的偏置尺寸、即压电元件3的中心的位置与凹部2B1的中心的位置之间的距离，由此能提高超声波传感器1中的压电元件3的振动效率与综合灵敏度，能够改善特性。

再有，通过使压电元件3的短边方向与凹部2B1的短边方向一致，从而可以将几乎无助于振动的压电基板3E中的被电极3A和电极3C夹持的区域配置成接近壳体的底板2B中的成为振动的节点的台阶部2B2，因此能够防止压电元件3的振动被阻碍，可以使超声波传感器1的振动更接近理想的状态。

再有，挠性基板9的第二端的连接区域9A，在压电元件3的长边方向的中心、且电极非形成区域的周边区域中，通过与电极3B及电极3C连接，从而可以将连接区域9A配置成接近壳体的底板2B中的成为振动的节点的台阶部2B2，因此能够防止压电元件3的振动被阻碍，可以使超声波传感器1的振动更接近理想的状态。另外，在此将挠性基板9(未图示)从连接区域9A向电极3C侧引出。由此，可以提高压电元件3的振动的对称性，使超声波传感器1的振动更接近理想的状态。

其中，若对具体尺寸的设定例进行说明，则有凹部2B1的短边方向的尺寸为7.0mm。压电元件3的短边方向的尺寸为5.2mm、长边方向的尺寸为6.5mm。电极3C的短边(宽度)方向的尺寸为0.9mm。电极3C与电极3B的边界的电极非形成区域的短边(宽度)方向的尺寸为0.4mm。电极3B的短边(宽度)方向的尺寸为3.9mm。而且，压电元件3的中心与凹部2B1的中心的偏置尺寸为0.4mm。即，凹部2B1的中心位于距压电元件3的电极3B侧的端部为2.2mm且距电极3C侧的端部为3.0mm的位置。

在此，基于FEM解析结果对超声波传感器1的振动特性进行说明。图3(A)是表示上述的尺寸设定例中的、由壳体2和压电元件3构成的双压电晶片振动器中的机电耦合系数Kp／％与压电元件3的偏置尺寸(元件偏离量)的关系的图。

如图3(A)所示，较之压电元件3的中心与凹部2B1的中心一致、即压电元件3的偏置尺寸为0的构成，在压电元件3的偏置尺寸更大的构成中，机电耦合系数Kp／％较大。机电耦合系数Kp／％在压电元件3的偏置尺寸为规定值(0.4mm)时最大，在压电元件3的偏置尺寸比该规定值还大的构成中，机电耦合系数Kp／％成为比最大值小的值。因此可知，至少在超声波传感器的振动效率方面，通过将压电元件3设为规定的偏置尺寸，从而可使振动效率最大化。

接着，基于取样试验结果(n=3)对超声波传感器1的灵敏度特性进行说明。图3(B)是表示上述的尺寸设定例中的、超声波传感器1的综合灵敏度Vpp与压电元件3的偏置尺寸的关系的图。

超声波传感器1的综合灵敏度Vpp与压电元件3的偏置尺寸之间具有正的相关关系，如果偏置尺寸大则综合灵敏度Vpp高。因此可知，至少在超声波传感器1的综合灵敏度Vpp方面，期望压电元件3的偏置尺寸大(例如为0.5mm)。

其中，在现实中如果压电元件3的偏置尺寸过大，则与压电元件3连接的挠性基板9的配置也较大程度地偏置，挠性基板9易与壳体2的侧壁2A发生干涉。若挠性基板9与壳体2的侧壁2A发生干涉，则不必要的振动从挠性基板9向侧壁2A传播，存在特性劣化的担忧。因此，为了在防止这种干涉的同时使振动特性与灵敏度特性良好，作为上述的压电元件3的偏置尺寸的设定例而示出偏置尺寸设为0.4mm的设定例。

另外，如果将挠性基板9的引出方向设为压电元件3的长边方向，则挠性基板9与壳体2的侧壁2A的干涉难以发生。在该情况下，也可以将偏置尺寸增大到界限值，能够使超声波传感器1的综合灵敏度更良好。

《第2实施方式》

接着，对本发明第2实施方式所涉及的超声波传感器21进行说明。

图4是本实施方式所涉及的超声波传感器21的示意剖视图。

超声波传感器21取代前述实施方式所涉及的超声波传感器1的挠性基板9而具备引线29A、29B。超声波传感器21的其他构成与前述实施方式所涉及的超声波传感器1相同。引线29A、29B分别与压电元件3的电极3B、3C(未图示)直接连接。这样，也可以构成超声波传感器21。在该情况下，也不经由壳体2而将压电元件3与管脚端子11A、11B之间直接连接，并且通过偏置配置压电元件3，从而可适当地实施本发明。

《变形例》

接下来，对本发明变形例所涉及的超声波传感器31～51进行说明。

在压电元件33中，电极3B与电极3C隔开规定的间隔而排列设置在压电元件33的长边方向上。压电元件33在凹部2B1的长边方向上偏置配置。这种构成中，在凹部2B1的短边方向上可以提高指向性波束的对称性。此外，几乎无助于振动的压电基板3E(未图示)中的被电极3A(未图示)和电极3C夹持的区域，不会与侧壁2A、台阶部2B2发生干涉，可以增大压电元件33的尺寸。

超声波传感器41取代前述实施方式的压电元件3而具备压电元件43。超声波传感器41的其他构成与前述实施方式所涉及的超声波传感器1相同。图5(B)是透视了压电元件43被接合到壳体2的状态下的超声波传感器41的俯视图。

在压电元件43中，电极3B和电极3C隔开规定的间隔而排列设置在压电元件43的短边方向上。压电元件43将自身的长边方向作为凹部2B1的短边方向且在凹部2B1的长边方向上偏置配置。

超声波传感器51取代前述实施方式的压电元件3而具备压电元件53。超声波传感器51的其他构成与前述实施方式所涉及的超声波传感器1相同。图5(C)是透视了压电元件53被接合到壳体2的状态下的超声波传感器51的俯视图。

在压电元件53中，电极3B和电极3C隔开规定的间隔而排列设置在压电元件53的长边方向上。压电元件53将自身的长边方向作为凹部2B1的短边方向且在凹部2B1的短边方向上偏置配置。

如以上的各实施方式所说明过的那样，虽然可以实施本发明，但超声波传感器的具体构成并未限于上述内容。例如，缓冲部件、支承部件、加强部件、支承部件、吸音部件等的具体形状或材料也可以是任意的，此外缓冲部件、支承部件、加强部件、支承部件、吸音部件分别可以并不一定非要设置。

符号说明

1、21、31、41、51...超声波传感器

2...壳体

2A...侧壁

2B...底板

2B1...凹部

2B2...台阶部

3、33、43、53...压电元件

3A～3D...驱动电极

3E...压电基板

4...吸音部件

5...加强部件

6...支承部件

7...缓冲部件

8...减振部件

9...挠性基板

9A...连接区域

10...端子保持部件

11A、11B...管脚端子

29A、29B...引线

Claims

1.一种超声波传感器，具备：

壳体，具有作为振动区域的底面部、且为有底筒状；和

压电元件，包括：具有第1面及与所述第1面对置的第2面的压电基板；设置于所述第1面的第1电极；设置于所述第2面的一部分的第2电极；及与所述第2电极隔开地设置于所述第2面的一部分且与所述第1电极连接的第3电极，该压电元件的所述第1电极与所述底面部接合，在俯视所述底面部时该压电元件自身的中心被配置在与所述振动区域的中心不同的位置。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，

所述压电基板的所述第2面中的设置有所述第2电极的区域的面积与设置有所述第3电极的区域的面积不同。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其中，

在俯视所述压电元件时，所述第2电极与所述第3电极被设置成非对称。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的超声波传感器，其中，

在俯视所述底面部时，所述振动区域是具有长边方向和短边方向的平面形状，

所述第2电极和所述第3电极被排列在所述短边方向上。