DE112021000436T5

DE112021000436T5 - Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE112021000436T5
Application number: DE112021000436.0T
Authority: DE
Inventors: Tomoaki Matsushita; Kazuhiro Ebara
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-10-13
Also published as: JPWO2021171819A1; JP7327637B2; US20220393096A1; WO2021171819A1; CN115023957A

Abstract

Ein Ultraschallsensor (100), bei dem eine piezoelektrische Substanz (130) eine erste Fläche (131) und eine zweite Fläche (132) aufweist. Eine erste Elektrode (140) ist auf der ersten Fläche (131) vorgesehen. Eine zweite Elektrode (150) ist auf der zweiten Fläche (132) vorgesehen. Die zweite Elektrode (150) ist durch die piezoelektrische Substanz (130) der ersten Elektrode (140) zugewandt. Eine dritte Elektrode (160) ist auf der zweiten Fläche (132) vorgesehen. Die dritte Elektrode (160) ist von der zweiten Elektrode (150) beabstandet. Die dritte Elektrode (160) ist mit der ersten Elektrode (140) elektrisch verbunden. Die zweite Elektrode (150) erstreckt sich von einer Dickenrichtung (Z) aus gesehen, in der die erste Fläche (131) und die zweite Fläche (132) in einer Reihe liegen, bis zu beiden Kanten (132A) der zweiten Fläche (132) in einer ersten Richtung (D1) und ist von beiden Kanten (132B) der zweiten Fläche (132) in einer zweiten Richtung (D2) beabstandet, welche die erste Richtung (D1) in rechten Winkeln kreuzt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor.
Hintergrundtechnik
Die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H7-154898 (Patendokument 1) und die Internationale Veröffentlichung Nr. 2013/047544 (Patendokument 2) offenbaren Konfigurationen von Ultraschallsensoren. Daneben offenbart die japanische ungeprüfte Gebrauchsmustereintragungsveröffentlichung Nr. S63-59499 (Patentdokument 3) eine Konfiguration eines piezoelektrischen Elements.
Der in Patentdokument 1 offenbarte Ultraschallsensor umfasst eine scheibenförmige akustische Anpassungsplatte und eine scheibenförmige piezoelektrische Elementplatte. Die scheibenförmige piezoelektrische Elementplatte ist auf eine obere Oberfläche der scheibenförmigen akustischen Anpassungsplatte gebunden. Zwei Elektrodenschichten sind auf der vorderen und hinteren Oberfläche der scheibenförmigen piezoelektrischen Elementplatte gebildet. Die Elektrodenschicht, die sich auf der Seite der akustischen Anpassungsplatte befindet, weist ein elektrisches erweitertes Ende auf. Das elektrische erweiterte Ende erstreckt sich zu der Seite der vorderen Oberfläche.
Der in Patentdokument 2 offenbarte Ultraschallsensor umfasst ein Gehäuse und ein piezoelektrisches Element. Das Gehäuse weist eine zylindrische Form mit Boden auf und hat einen unteren Oberflächenabschnitt. Der untere Oberflächenabschnitt ist ein Schwingungsbereich. Das piezoelektrische Element umfasst ein piezoelektrisches Substrat, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode. Das piezoelektrische Substrat weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die zweite Oberfläche liegt der ersten Oberfläche gegenüber. Die erste Elektrode ist auf der ersten Oberfläche vorgesehen. Die erste Elektrode ist auf den unteren Oberflächenabschnitt gebunden. Die zweite Elektrode ist auf einem Teil der zweiten Oberfläche vorgesehen. Die dritte Elektrode ist getrennt von der zweiten Elektrode auf einem Teil der zweiten Oberfläche vorgesehen. Die dritte Elektrode ist mit der ersten Elektrode verbunden. Das piezoelektrische Element ist so angeordnet, dass eine Position der Mitte desselben sich von einer der Mitte des Schwingungsbereichs in einer Draufsicht des unteren Oberflächenabschnitt unterscheidet.
Das in Patentdokument 3 offenbarte piezoelektrische Element umfasst einen piezoelektrischen Hauptkörper, einen ersten Elektrodenabschnitt, einen zweiten Elektrodenabschnitt und einen dritten Elektrodenabschnitt. Der piezoelektrische Hauptkörper führt eine Längsschwingung in die Dickenrichtung durch. Der piezoelektrische Hauptkörper weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die senkrecht zu einer Schwingungsrichtung sind und einander gegenüberliegen. Der erste Elektrodenabschnitt ist auf der ersten Oberfläche vorgesehen. Der zweite Elektrodenabschnitt ist auf der zweiten Oberfläche angeordnet und mit dem ersten Elektrodenabschnitt verbunden. Der zweite Elektrodenabschnitt umfasst einen Anschlussleitungsverbindungsabschnitt. Der dritte Elektrodenabschnitt ist auf der zweiten Oberfläche getrennt von dem zweiten Elektrodenabschnitt angeordnet. Der dritte Elektrodenabschnitt umfasst einen Anschlussleitungsverbindungsabschnitt. Der Anschlussleitungsverbindungsabschnitt des zweiten Elektrodenabschnitts und der Anschlussleitungsverbindungsabschnitt des dritten Elektrodenabschnitts sind an einem äußeren Kantenabschnitt der zweiten Oberfläche vorgesehen. Eine äußere Kantenform entweder des zweiten Elektrodenabschnitts oder des dritten Elektrodenabschnitts ist so festgelegt, dass sie im Wesentlichen dieselbe ist wie eine äußere Kantenform des ersten Elektrodenabschnitts.
Referenzl iste
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H7-154898
Patentdokument 2: Internationale Veröffentlichung Nr. 2013/047544
Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Gebrauchsmustereintragungsveröffentlichung Nr. S63-59499

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Die in Patentdokument 1 und Patentdokument 2 offenbarten Ultraschallsensoren sind so konfiguriert, dass eine Verdrahtung direkt mit den Elektroden des piezoelektrischen Elements verbunden werden kann, ohne dass ein anderes Bauglied als das piezoelektrische Element, wie ein Gehäuse, dazwischen eingefügt ist.
Von der Dickenrichtung eines piezoelektrischen Körpers aus gesehen ist bei dem in Patentdokument 1 offenbarten Ultraschallsensor jedoch die Symmetrie der Form eines Abschnitts, in dem zwei Elektroden einander gegenüberliegen, in Bezug auf die Mitte des gesamten piezoelektrischen Elements, das heißt eines Abschnitts, der den Schwingungsbereich der Elektroden bildet, gering. Deshalb kommt es aufgrund der Schwingung des gesamten piezoelektrischen Elements, die mit der Schwingung des Schwingungsbereichs des piezoelektrischen Elements einhergeht, zu einer Störschwingung, also einer Schwingung in einem Schwingungsmodus einer Störfrequenz, die sich von einer gewünschten Resonanzfrequenz unterscheidet. Selbst wenn der Ultraschallsensor so konzipiert ist, dass eine Nachhallzeit der Schwingung im Schwingungsmodus der Resonanzfrequenz kurz ist, ist der Ultraschallsensor so konzipiert, dass die Nachhallzeit der Störschwingung nicht kurz ist. Im Ergebnis ist die Nachhallzeit des Ultraschallsensors aufgrund des Nachhalls der Störschwingung erhöht und die Nachhallcharakteristika des Ultraschallsensors werden verringert.
Von der Dickenrichtung eines piezoelektrischen Körpers aus gesehen ist bei dem in Patentdokument 2 offenbarten Ultraschallsensor die Symmetrie der Form eines Abschnitts, der die Schwingungsregion der Elektrode des piezoelektrischen Elements bildet, in Bezug auf die Mitte des Gehäuses hoch. Dennoch ist, ähnlich zu dem piezoelektrischen Element, das in Patentdokument 1 offenbart ist, die Symmetrie der Form der Elektrode, die die Schwingungsregion des piezoelektrischen Elements bildet, in Bezug auf die Mitte des gesamten piezoelektrischen Elements niedrig. Daher ist es nicht ausreichend, eine Verschlechterung der Nachhallcharakteristika des Ultraschallsensors zu unterdrücken.
Daneben offenbart Patentdokument 3 das piezoelektrische Element, in dem von der Dickenrichtung des piezoelektrischen Körpers aus gesehen die Symmetrie der Form eines Abschnitts, der eine Schwingungsregion der Elektrode bildet, in Bezug auf die Mitte des gesamten piezoelektrischen Elements relativ hoch ist. Dennoch ist ein Bereich des Abschnitts, der die Schwingungsregion der Elektrode bildet, klein in Bezug auf das gesamte piezoelektrische Element, und die Schwingungsintensität des piezoelektrischen Elements ist gering.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme gemacht, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallsensor bereitzustellen, bei dem eine Verdrahtung direkt mit einer Elektrode eines piezoelektrischen Elements verbunden werden kann und eine Verschlechterung der Nachhallcharakteristika unterdrückt werden kann, während die Schwingungsintensität, die durch das piezoelektrische Element verursacht wird, erhöht ist.
Lösung des Problems
Ein Ultraschallsensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse und ein piezoelektrisches Element. Das Gehäuse weist einen Bodenabschnitt und einen peripheren Wandabschnitt auf. Das piezoelektrische Element ist auf dem Bodenabschnitt in dem Gehäuse angeordnet. Das piezoelektrische Element umfasst einen piezoelektrischen Körper, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dritte Elektrode. Der piezoelektrische Körper weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die erste Oberfläche befindet sich auf der Seite des Bodenabschnitts. Die zweite Oberfläche befindet sich auf der Seite gegenüber der ersten Oberfläche. Die erste Elektrode ist auf der ersten Oberfläche vorgesehen. Die zweite Elektrode ist auf der zweiten Oberfläche vorgesehen. Die zweite Elektrode liegt der ersten Elektrode gegenüber, wobei der piezoelektrischen Körper dazwischen eingefügt ist. Die dritte Elektrode ist auf der zweiten Oberfläche vorgesehen. Die dritte Elektrode ist von der zweiten Elektrode beabstandet. Die dritte Elektrode ist mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden. Von der Dickenrichtung aus gesehen, in der die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche angeordnet sind, erstreckt sich die zweite Elektrode zu beiden Endkanten der zweiten Oberfläche in der ersten Richtung und ist von beiden Endkanten der zweiten Oberfläche in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung getrennt.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß dem Aspekt der Erfindung ist es möglich, die Verdrahtung direkt mit der Elektrode des piezoelektrischen Elements zu verbinden, und es ist möglich, die Verschlechterung der Nachhallcharakteristika zu unterdrücken, während die Schwingungsintensität, die durch das piezoelektrische Element verursacht wird, erhöht wird.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die den Ultraschallsensor in 1 entlang einer Linie II-II aus einer Pfeilrichtung gesehen darstellt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einer Modifikation des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 darstellt.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einem Vergleichsbeispiel 2 darstellt.
6 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz eines Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 1 erhalten wird.
7 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz eines Ultraschallsensors gemäß einem Beispiel 2 erhalten wird.
8 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 erhalten wird.
9 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 erhalten wird.
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist eine Querschnittsansicht, die den Ultraschallsensor in 10 entlang einer Linie Xl-Xl aus einer Pfeilrichtung gesehen darstellt.
12 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines piezoelektrischen Elements bei einem Ultraschallsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung darstellt.
13 ist eine Draufsicht, die eine Konfiguration eines piezoelektrischen Elements bei einem Ultraschallsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend wird ein Ultraschallsensor gemäß jedem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sind gleiche oder entsprechende Abschnitte in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die Beschreibung derselben wird nicht wiederholt.
(Ausführungsbeispiel 1)
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist eine Querschnittsansicht des Ultraschallsensors in 1 entlang einer Linie II-II aus einer Pfeilrichtung gesehen. Wie in 1 und 2 dargestellt, umfasst ein Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 110 und ein piezoelektrisches Element 120.
Das Gehäuse 110 weist einen Bodenabschnitt 111 und einen peripheren Wandabschnitt 112 auf. Wird der Ultraschallsensor 100, wie in 2 dargestellt, von einer Öffnungsendseite aus betrachtet, die sich auf der Seite befindet, die dem Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 gegenüberliegt, weist der gesamte Bodenabschnitt 111 eine kreisförmige äußere Form auf. Ein Durchmesser des gesamten Bodenabschnitts 111 von der Öffnungsendseite aus gesehen beträgt zum Beispiel 15,5 mm.
Von dem Öffnungsende aus gesehen, das sich auf der Seite gegenüber von dem Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 befindet, weist bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111, der einer Innenseite des Gehäuses zugewandt ist, eine äußere Form auf, die in Bezug auf eine virtuelle Linie als eine Symmetrieachse, die durch einen Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111 verläuft und parallel zu einer ersten Richtung D1 ist, liniensymmetrisch ist. Daneben weist der oben beschriebene Abschnitt 111A von dem oben beschriebenen Öffnungsende aus gesehen eine äußere Form auf, die in Bezug auf eine virtuelle Linie als Symmetrieachse, die durch den oben beschriebenen Mittelpunkt C1 verläuft und parallel zu einer zweiten Richtung D2 orthogonal zu der ersten Richtung D1 ist, liniensymmetrisch ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist von der Öffnungsendseite des Gehäuses 110 aus gesehen insbesondere der Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, eine rechteckige äußere Form auf. Von der Öffnungsendseite des Gehäuses 110 aus gesehen weist die äußere Form des oben beschriebenen Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111 zwei lange Seiten auf, die parallel zu der ersten Richtung D1 sind, und zwei kurze Seiten, die parallel zu der zweiten Richtung D2 sind. Es ist anzumerken, dass die äußere Form des oben beschriebenen Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111 zwei lange Seiten aufweisen kann, die parallel zu der zweiten Richtung D2 sind, und zwei kurze Seiten, die parallel zu der ersten Richtung D1 sind.
Von dem Öffnungsende des Gehäuses 110 aus gesehen ist eine Länge des oben beschriebenen Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111 in der ersten Richtung D1 zum Beispiel 13 mm, und eine Länge desselben in der zweiten Richtung D2 ist zum Beispiel 7 mm.
Bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist der Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111, der der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, eine Hauptschwingungsregion des Gehäuse 110.
Wie in 1 und 2 dargestellt, ist von der Öffnungsrichtung aus gesehen ein Bereich des Öffnungsendes in dem peripheren Wandabschnitt 112 größer als ein Bereich desselben in dem oben beschrieben Abschnitt 111A.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse 110 aus einem leitfähigen Material wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Es ist anzumerken, dass das Gehäuse 110 aus einem isolierenden Material hergestellt sein kann.
Wie in 2 dargestellt, ist das piezoelektrische Element 120 auf dem Bodenabschnitt 111 in dem Gehäuse 110 angeordnet. Das piezoelektrische Element 120 ist auf den Bodenabschnitt 111 durch ein Haftmittel wie Epoxidharz gebunden.
Wie in 1 und 2 dargestellt, umfasst das piezoelektrische Element 120 einen piezoelektrischen Körper 130, eine erste Elektrode 140, eine zweite Elektrode 150 und eine dritte Elektrode 160.
Der piezoelektrische Körper 130 weist eine erste Oberfläche 131 und eine zweite Oberfläche 132 auf. Die erste Oberfläche 131 befindet sich auf der Seite des Bodenabschnitts 111. Die zweite Oberfläche 132 befindet sich auf der Seite, die der ersten Oberfläche 131 gegenüberliegt. Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung sind die erste Oberfläche 131 und die zweite Oberfläche 132 parallel zueinander positioniert.
Wie in 2 dargestellt, weist der piezoelektrische Körper 130 von einer Dickenrichtung Z aus gesehen, in der die erste Oberfläche 131 und die zweite Oberfläche 132 angeordnet sind, eine äußere Form auf, die in Bezug auf eine virtuelle Linie L als Symmetrieachse, die durch einen Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft und parallel zu der ersten Richtung D1 ist, liniensymmetrisch ist. Daneben weist der piezoelektrische Körper 130 eine äußere Form auf, die in Bezug auf eine virtuelle Linie als Symmetrieachse, die durch den Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft und parallel zu der zweiten Richtung D2 ist, liniensymmetrisch ist. Es ist anzumerken, dass die oben beschriebene Dickenrichtung Z die gleiche ist wie die Richtung, wenn der Bodenabschnitt 111 von der Seite des Öffnungsendes aus betrachtet wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist der piezoelektrische Körper 130 von der Dickenrichtung Z aus gesehen insbesondere eine rechteckige äußere Form auf. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen weist der piezoelektrische Körper 130 zwei lange Seiten auf, die parallel zu der ersten Richtung D1 sind, und zwei kurze Seiten, die parallel zu der zweiten Richtung D2 sind. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen ist eine Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der ersten Richtung D1 zum Beispiel 6,5 mm und eine Länge in der zweiten Richtung D2 zum Beispiel gleich oder größer als 5,2 mm und gleich oder kleiner als 5,8 mm. Es ist anzumerken, dass der piezoelektrische Körper 130 eine lange Seite, die parallel zu der ersten Richtung D2 ist, und eine kurze Seite, die parallel zu der ersten Richtung D1 ist, aufweisen kann.
Von der Dickenrichtung Z aus gesehen fallen bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 und der Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, zusammen.
Es ist anzumerken, dass bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung von der Dickenrichtung Z aus gesehen der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 und der Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses zugewandt ist, nicht unbedingt zusammenfallen müssen.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration eines Ultraschallsensors gemäß einer Modifikation des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 3 ist eine Querschnittsansicht ähnlich zu der des Ultraschallsensors 100 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 dargestellt, ist bei einem Ultraschallsensor 100a gemäß der Modifikation des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 entfernt von dem Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111 positioniert, der der Innenseite des Gehäuses 110 in der ersten Richtung D1 von der Dickenrichtung Z aus gesehen zugewandt ist. Andere Konfigurationen des Ultraschallsensors 100a gemäß der Modifikation des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung sind dieselben wie die des Ultraschallsensors 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Körper 130 zum Beispiel aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) hergestellt.
Wie in 1 dargestellt, ist die erste Elektrode 140 auf der ersten Oberfläche 131 vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist die erste Elektrode 140 auf der gesamten ersten Oberfläche 131 vorgesehen. Das heißt, die erste Elektrode 140 weist eine äußere Form auf, die ähnlich zu der des piezoelektrischen Körpers 130 aus der Dickenrichtung Z gesehen ist. Es ist anzumerken, dass die erste Elektrode 140 entfernt von zumindest einer der beiden Endkanten der ersten Oberfläche 130 in der zweiten Richtung D2 vorgesehen sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist die erste Elektrode 140 mit dem Bodenabschnitt 111 durch ein Haftmittel elektrisch verbunden, um das piezoelektrische Element 120 an den Bodenabschnitt 111 zu binden. Es ist anzumerken, dass die erste Elektrode 140 nicht mit dem Bodenabschnitt 111 elektrisch verbunden sein muss.
Wie in 1 dargestellt, ist die zweite Elektrode 150 auf der zweiten Oberfläche 132 vorgesehen. Die zweite Elektrode 150 liegt der ersten Elektrode 140 gegenüber, wobei der piezoelektrische Körper 130 dazwischen eingefügt ist.
Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich die zweite Elektrode 150 zu beiden Endkanten 132A der zweiten Oberfläche 132 in der ersten Richtung D1 von der Dickenrichtung Z aus gesehen. Dementsprechend ist ein Bereich einer Region der zweiten Elektrode 150, die der ersten Elektrode 140 gegenüberliegt, erhöht, so dass die Schwingungsintensität des piezoelektrischen Elements 120 erhöht werden kann. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen ist die zweite Elektrode 150 getrennt von beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 orthogonal zu der ersten Richtung D1. Ein Trennungsabstand zwischen der zweiten Elektrode 150 und beiden Endkanten 132B ist zum Beispiel 1,3 mm.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist die zweite Elektrode 150 von der Dickenrichtung Z aus gesehen eine äußere Form auf, die in Bezug auf die virtuelle Linie L als eine Symmetrieachse, die parallel zu der ersten Richtung D1 ist und durch den Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft, liniensymmetrisch ist. Daneben weist die zweite Elektrode 150 von der Dickenrichtung Z aus gesehen eine äußere Form auf, die in Bezug auf eine virtuelle Linie L als eine Symmetrieachse, die parallel zu der zweiten Richtung D2 ist und durch den Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft, liniensymmetrisch ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist die zweite Elektrode 150 von der Dickenrichtung Z aus gesehen insbesondere eine rechteckige äußere Form auf. Die zweite Elektrode 150 weist von der Dickenrichtung Z aus gesehen zwei Seiten auf, die parallel zu der ersten Richtung D1 sind, und zwei Seiten, die parallel zu der zweiten Richtung D2 sind.
Wie in 1 und 2 dargestellt, ist die dritte Elektrode 160 auf der zweiten Oberfläche 132 vorgesehen. Die dritte Elektrode 160 ist von der zweiten Elektrode 150 beabstandet. Die dritte Elektrode 160 befindet sich auf einer Seite der zweiten Elektrode 150 in der zweiten Richtung D2. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen erstreckt sich die dritte Elektrode 160 derart, dass dieselbe die Endkante 132B, die sich in der Nähe der dritten Elektrode 160 befindet, der beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 erreicht. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen erstreckt sich die dritte Elektrode 160 derart, dass dieselbe die beiden Endkanten 132A der zweiten Oberfläche 132 in der ersten Richtung D1 erreicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist die dritte Elektrode 160 von der Dickenrichtung aus gesehen eine rechteckige äußere Form auf. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen weist die dritte Elektrode 160 zwei Seiten auf, die parallel zu der ersten Richtung D1 sind, und zwei Seiten, die parallel zu der zweiten Richtung D2 sind.
Die dritte Elektrode 160 ist mit der ersten Elektrode 140 elektrisch verbunden. Insbesondere umfasst das piezoelektrische Element 120 ferner eine Verbindungselektrode 170 und die dritte Elektrode 160 ist über die Verbindungselektrode 170 mit der ersten Elektrode 140 verbunden.
Die Position, an der die Verbindungselektrode 170 vorgesehen ist, ist nicht sonderlich eingeschränkt, solange die Verbindungselektrode 170 von der zweiten Elektrode 150 auf dem piezoelektrischen Körper 130 entfernt vorgesehen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungselektrode 170 auf der Seitenoberfläche des piezoelektrischen Körpers 130 auf der Seite vorgesehen, an der sich die dritte Elektrode 160 vom Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 aus gesehen befindet.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Ultraschallsensor in Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ein leitfähiges Bauglied 191 und ein Füllelement 192. Es ist anzumerken, dass das leitfähige Bauglied 191 und das Füllelement 192 in 2 nicht dargestellt sind.
Insbesondere umfasst das leitfähige Bauglied 191 eine flexible Leiterplatte (FPC), die eine Harzschicht und eine Verdrahtung aufweist, und zwei Verdrahtungsabschnitte, die mit der FPC verbunden sind. Das leitfähige Bauglied 191 ist so angeordnet, dass es sich von der Innenseite des Gehäuses 110 zu der Außenseite des Gehäuses 110 durch das Öffnungsende des Gehäuses 110 erstreckt. Bei dem Gehäuse 110 ist einer der beiden Verdrahtungsabschnitte des leitfähigen Bauglieds191 mit der zweiten Elektrode 150 durch die FPC verbunden und der andere der zwei Verdrahtungsabschnitte ist mit der dritten Elektrode 160 verbunden.
Das Füllelement 192 füllt einen Zwischenraum zwischen anderen Baugliedern im Inneren des Gehäuses 110 ganz oder teilweise aus. Bei dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung umfasst das Füllelement 192 ein erstes Füllelement 193 und ein zweites Füllelement 194, die unterschiedliche Ausdehnungsverhältnisse zueinander aufweisen, wobei das zweite Füllelement 194 sich in Bezug auf das erste Füllelement 193 näher an der Öffnungsendseite des Gehäuses 110 befindet. Es ist anzumerken, dass das Füllelement 192 insgesamt das gleiche Ausdehnungsverhältnis haben kann. Das Füllelement 192 besteht zum Beispiel aus Silikonschaum.
Ein Mechanismus zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen des Ultraschallsensors 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung wird kurz beschrieben. Erstens, wenn Ultraschallwellen mit dem Ultraschallsensors 100 gesendet werden, ist eine Pulsspannung zwischen der ersten Elektrode 140 und der dritten Elektrode 160 über das leitende Bauglied 191 angelegt, so dass eine Pulsspannung zwischen der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 150, die mit der dritten Elektrode 160 verbunden ist, angelegt ist. Wenn eine Pulsspannung zwischen der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 150 angelegt ist, ziehen elektrische Ladungen in dem piezoelektrischen Körper 130, der sich zwischen der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 150 befindet, externe elektrische Ladungen an oder stoßen dieselben ab. Dementsprechend dehnt sich der piezoelektrische Körper 130 wiederholt aus und zieht sich wiederholt zusammen. Wenn sich der piezoelektrische Körper 130 wiederholt ausdehnt und zusammenzieht, schwingt das piezoelektrische Element 120. Wenn das piezoelektrische Element 120 schwingt, schwingt hauptsächlich der oben beschriebene Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111, der an das piezoelektrische Element 120 gebunden ist. Im Ergebnis werden vom Bodenabschnitt 111 Ultraschallwellen gesendet.
Wenn Ultraschallwellen mit dem Ultraschallsensor 100 empfangen werden, schwingt der oben beschriebene Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111 aufgrund der Ultraschallwellen, die auf den oben beschriebenen Abschnitt 111A des Bodenabschnitts 111 treffen. Wenn der oben beschriebene Abschnitt 111A schwingt, schwingt das piezoelektrische Element 120 und der piezoelektrische Körper 130 dehnt sich wiederholt aus und zieht sich wiederholt zusammen. Wenn sich der piezoelektrische Körper 130 wiederholt ausdehnt und zusammenzieht, werden an der ersten Oberfläche 131 und der zweiten Oberfläche 132 einander entgegengesetzte Ladungen erzeugt. Dementsprechend wird eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 150 angelegt. Eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 140 und der dritten Elektrode 160, die mit der zweiten Elektrode 150 verbunden ist, wird über das leitende Bauglied 191 erfasst. Auf diese Weise können mit dem Ultraschallsensor 100 Ultraschallwellen empfangen werden.
Bei dem Ultraschallsensor 100 ist die Zeit zwischen dem Anhalten der Spannungsanlegung an jeder Elektrode und dem Anhalten der Schwingungen des piezoelektrischen Elements 120 und des Gehäuses 110 eine Nachhallzeit. In einem Fall, in dem eine mit dem Ultraschallsensor 100 gesendete Ultraschallwelle von einem Objekt reflektiert wird und dann die reflektierte Ultraschallwelle mit demselben Ultraschallsensor 100 empfangen wird, ist die Nachhallzeit nach dem Senden der Ultraschallwelle wichtig. Der Grund dafür ist, dass die die Zeit von dem Senden bis zum Empfang von Ultraschallwellen relativ kurz, wenn sich das oben beschriebene Objekt in der Nähe des Ultraschallsensors 100 befindet, und so wird die Empfangsempfindlichkeit des Ultraschallsensors 100 verbessert, wenn die Nachhallzeit kürzer wird.
Nachfolgend wird ein erstes Versuchsbeispiel des Ultraschallsensors 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem ersten Versuchsbeispiel wurden Ultraschallsensoren gemäß dem Beispiel 1, dem Beispiel 2, dem Vergleichsbeispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 erstellt.
Der Ultraschallsensor gemäß dem Beispiel 1 wies die gleiche Konfiguration wie die des Ultraschallsensors 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung auf, und ferner wurde die Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der ersten Richtung D1 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 6,5 mm und die Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der zweiten Richtung D2 auf 5,8 mm festgelegt. Daneben wurde ein Trennungsabstand zwischen der zweiten Elektrode 150 und der Endkante 132B auf der Seite der dritten Elektrode 160 der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 1,3 mm festgelegt, ein Durchmesser des Bodenabschnitts 111 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 15,5 mm festgelegt, eine Länge des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 in der ersten Richtung D1 zugewandt war, auf 13 mm festgelegt und eine Länge des Abschnitts 111A in der zweiten Richtung D2 auf 7 mm festgelegt. Insbesondere wurde bei dem Ultraschallsensor gemäß Beispiel 1 das Gehäuse 110 aus Aluminium hergestellt und der piezoelektrische Körper aus PZT hergestellt. Das piezoelektrische Element 120 wurde mit einem Epoxidharz an den Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 gebunden.
Der Ultraschallsensor gemäß Beispiel 2 wies die gleiche Konfiguration wie der Ultraschallsensor 100a gemäß der ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung auf, und ferner war das piezoelektrische Element 120 so angeordnet, dass der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 0,3 mm entfernt vom Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A entfernt war, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 des Bodenabschnitts 111 zugewandt war, in Richtung der Seite der dritten Elektrode in der zweiten Richtung D2 positioniert war. Ein Material, aus dem das Gehäuse 110 besteht, ein Material des piezoelektrischen Körpers 130 und das Verfahren zum Binden des piezoelektrischen Elements 120 an den Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 sind ähnlich wie beim Ultraschallsensor gemäß Beispiel 1.
Der Ultraschallsensor gemäß Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor gemäß Beispiel 1 nur in der Konfiguration der zweiten Elektrode und in der Anordnungsposition des piezoelektrischen Elements. 4 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration des Ultraschallsensors gemäß Vergleichsbeispiel 1 darstellt. 4 ist die Querschnittsansicht, die ähnlich zu der des Ultraschallsensors 100 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist.
Wie in 4 dargestellt, erstreckt sich die zweite Elektrode 150 bei einem Ultraschallsensor 800 gemäß Vergleichsbeispiel 1 von der Dickenrichtung Z aus gesehen bis zur Endkante 132B der zweiten Oberfläche 132 auf der Seite, die der Seite der dritten Elektrode 160 gegenüberliegt, der beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2. Daneben ist beim Ultraschallsensor 800 gemäß Vergleichsbeispiel 1 das piezoelektrische Element 120 von der Dickenrichtung Z aus gesehen an einer Position angeordnet, an der die Mitte der zweiten Elektrode 150 im Wesentlichen mit dem Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111 zusammenfällt, der dem Inneren des Gehäuses 110 zugewandt ist. Daher ist der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 0,3 mm entfernt von dem Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, in Richtung der Seite der dritten Elektrode 160 in der zweiten Richtung D2 positioniert.
Der Ultraschallsensor gemäß Vergleichsbeispiel 2 unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 800 gemäß Vergleichsbeispiel 1 nur durch die Anordnungsposition des piezoelektrischen Elements. 5 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration des Ultraschallsensors gemäß Vergleichsbeispiel 2 darstellt. 5 ist die Querschnittsansicht, die der in 4 dargestellten Querschnittsansicht des Ultraschallsensors 800 gemäß Vergleichsbeispiel 1 entspricht.
Wie in 5 dargestellt, ist bei einem Ultraschallsensor 900 gemäß Vergleichsbeispiel 2 der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 0,3 mm entfernt von dem Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, in Richtung der Seite der dritten Elektrode 160 in der zweiten Richtung D2 positioniert und 0,2 mm entfernt in Richtung einer Seite in der ersten Richtung D1 positioniert.
Für jeden der Ultraschallsensoren gemäß Beispiel 1, Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 wurde eine Spannung zwischen die erste Elektrode und die mit der zweiten Elektrode verbundene dritte Elektrode angelegt und die Impedanz gemessen. Die Impedanz wurde mit einem Impedanzanalysator (Keysight 4194A, gefertigt von Keysight Technologies) gemessen. Bei der Impedanzmessung wurde die Impedanz durch Anlegen einer konstanten Spannung bei kontinuierlicher Änderung der Leistungsversorgungsfrequenz gemessen. Die 6 bis 9 zeigen für jedes Beispiel und jedes Vergleichsbeispiel Impedanzkurven, die Messergebnisse der Impedanz in Bezug auf die Leistungsversorgungsfrequenz darstellen.
6 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 1 erhalten wurde. 7 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß dem Beispiel 2 erhalten wurde. 8 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurde. 9 ist ein Graph, der eine Impedanzkurve darstellt, die durch Messung der Impedanz des Ultraschallsensors gemäß Vergleichsbeispiel 2 erhalten wurde.
Wie in 6 bis 9 dargestellt, zeigt der Ultraschallsensor gemäß jedem der Beispiele und der Vergleichsbeispiele eine hohe Impedanz von gleich oder mehr als 2000 Ω, wenn die Leistungsquellenfrequenz nahe bei 65 kH liegt. Das heißt, in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele ist die Struktur des Ultraschallsensors so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenz nahe bei 65 kHz liegt. Aus diesem Grund sind diese Ultraschallsensoren so konzipiert, dass die Nachhallzeit kurz ist, wenn Ultraschallwellen mit Frequenzen gesendet werden, die nahe bei 65 kHz liegen.
Wie in 8 und 9 dargestellt, ist der Impedanzwert des beim Ultraschallsensor 800 gemäß Vergleichsbeispiel 1 und beim Ultraschallsensor 900 gemäß Vergleichsbeispiel 2 etwa 200 Ω, wenn die Leistungsquellenfrequenz nahe 75 kH liegt. Wenn der Ultraschallsensor mit einer Frequenz nahe 65 kHz schwingt, treten deshalb in dem Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 die Störschwingungen auf, die relativ stark mit einer Frequenz nahe 75 kHz schwingen. Wenn der Ultraschallsensor Ultraschallwellen mit Frequenzen nahe 65 kHz sendet, wird im Ergebnis eine Nachhallschwingung des Ultraschallsensors mit der Störschwingung gemischt, um eine Schwebung zu verursachen und die Nachhallzeit wird länger.
Auf der anderen Seite weisen die Ultraschallsensoren gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 wie in 6 und 7 dargestellt in einem anderen Frequenzbereich als dem Bereich, der nahe bei 65 kHz liegt, nicht die Leistungsversorgungsfrequenz auf, bei welcher der Impedanzwert etwa 200 Ω beträgt. Das heißt im Beispiel 1 und Beispiel 2 treten keine großen Störschwingungen auf, wenn der Ultraschallsensor mit einer Frequenz nahe 65 kHz schwingt. Daher wird die Störschwingung, die in der Nachhallschwingung des Ultraschallsensors gemischt ist, auch reduziert und die Nachhallzeit wird verkürzt.
Daneben ist, wie in 6 und 8 dargestellt, beim Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1, bei denen die Positionen der Mittelpunkte der zweiten Elektrode 150 im Wesentlichen zusammenfallen, zu erkennen, dass das Auftreten von Störschwingungen bei der Frequenz nahe 75 kHz in Beispiel 1 im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 reduziert ist.
Wie in 7 und 9 dargestellt, ist ferner beim Vergleich von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel 2, bei denen die Positionen der Mittelpunkte der zweiten Elektroden 150 im Wesentlichen zusammenfallen, zu erkennen, dass das Auftreten von Störschwingungen bei der Frequenz nahe 75 kHz in Beispiel 2 im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 reduziert ist. Wie oben beschrieben, kann in Beispiel 2, obwohl die Position des Mittelpunkts C3 des piezoelektrischen Körpers 130 in der ersten Richtung D1 nicht mit dem oben beschriebenen Mittelpunkt C1 zusammenfällt, da die Symmetrie der zweiten Elektrode 150 in Bezug auf das gesamte piezoelektrische Element 120 verbessert ist, das Auftreten von Störfrequenzen bei dem Ultraschallsensor gemäß Beispiel 2 reduziert werden.
Wie in 6 und 7 dargestellt, ist ferner die Impedanz bei der Frequenz nahe 75 kHz in Beispiel 1 weiter reduziert, wenn Beispiel 1 und Beispiel 2 miteinander verglichen werden. Dadurch, dass die Position des Mittelpunkts C3 des piezoelektrischen Körpers 130 mit dem oben beschriebenen Mittelpunkt C1 zusammenfällt, können Störschwingungen bei Frequenzen nahe 75 kHz weiter reduziert werden, und die Nachhallzeit kann weiter reduziert werden.
Als Nächstes wird ein zweites Versuchsbeispiel für den Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem zweiten Versuchsbeispiel wurde für jeden der Ultraschallsensoren gemäß den Beispielen 3 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 3 und 4 eine Änderung der Störschwingungsintensität bei Änderung des Trennungsabstands zwischen der zweiten Elektrode 150 und der Endkante 132B auf der Seite, die der dritten Elektrode 160 gegenüberliegt, der beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 mittels Simulation analysiert. Insbesondere wurde die Störschwingungsintensität durch eine piezoelektrische Resonanzanalyse auf der Grundlage einer Finite-Elemente-Analyse-Simulation gemessen.
Jeder der Ultraschallsensoren gemäß den Beispielen 3 bis 5 hatte die gleiche Konfiguration wie die des Ultraschallsensors 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung, und ferner wurde die Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der ersten Richtung D1 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 6,5 mm festgelegt und die Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der zweiten Richtung D2 auf 5,8 mm festgelegt. Daneben wurde der Trennungsabstand zwischen der zweiten Elektrode 150 und der Endkante 132B auf der Seite der dritten Elektrode 160 der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 1,3 mm festgelegt, der Durchmesser des Bodenabschnitts 111 wurde auf 15,5 mm festgelegt, die Länge eines Abschnitts des Bodenabschnitts 111, der dem Inneren des Gehäuses 110 in der ersten Richtung zugewandt ist, wurde auf 13 mm festgelegt und die Länge des Abschnitts in der zweiten Richtung wurde auf 7 mm festgelegt. Daneben wurde das Gehäuse 110 aus Aluminium hergestellt und der piezoelektrische Körper wurde aus PZT hergestellt. Das piezoelektrische Element 120 ist mit einem Epoxidharz an den Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 gebunden.
Von der Dickenrichtung Z aus gesehen wurden die Trennungsabstände zwischen der zweiten Elektrode 150 und der Endkante 132B auf der der dritten Elektrode 160 gegenüberliegenden Seite der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 auf 1 mm in Beispiel 3, auf 1,3 mm in Beispiel 4 beziehungsweise auf 1,8 mm in Beispiel 5 festgelegt.
Bei jedem der Ultraschallsensoren gemäß den Beispielen 6 bis 8 wurde die Länge des piezoelektrischen Körpers 130 in der zweiten Richtung D2 von der Dickenrichtung Z aus gesehen auf 5,2 mm festgelegt. Die anderen Konfigurationen der Beispiele 6 bis 8 waren die gleichen wie die der Beispiele 3 bis 5.
Bei dem Ultraschallsensor gemäß Vergleichsbeispiel 3 erstreckte sich die zweite Elektrode von der Dickenrichtung Z aus gesehen bis zu einer Endkante auf der Seite, die der dritten Elektrode der beiden Endkanten des piezoelektrischen Körpers in der zweiten Richtung gegenüberlag, und andere Konfigurationen waren die gleichen wie die der Beispiele 3 bis 5.
Bei dem Ultraschallsensor gemäß Vergleichsbeispiel 4 erstreckte sich die zweite Elektrode von der Dickenrichtung Z aus gesehen bis zu einer Endkante auf der Seite, die der dritten Elektrode der beiden Endkanten des piezoelektrischen Körpers in der zweiten Richtung gegenüberlag, und andere Konfigurationen waren die gleichen wie in den Beispielen 6 bis 8.
Die untenstehende Tabelle 1 zeigt das Verhältnis der Störschwingungsintensität bei der Frequenz von 72 kHz jedes der Ultraschallsensoren gemäß den Beispielen 3 bis 5 in Bezug auf eine Amplitudenintensität (Größe der Amplitude) der Störschwingung bei der Frequenz von 72 kHz des Ultraschallsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel 3, gemessen durch die oben beschriebene Simulation. Daneben zeigt die untenstehende Tabelle 2 das Verhältnis der Störschwingungsintensität bei der Frequenz von 72 kHz jedes der Ultraschallsensoren gemäß den Beispielen 6 bis 8 in Bezug auf die Störschwingungsintensität bei der Frequenz von 72 kHz des Ultraschallsensors gemäß dem Vergleichsbeispiel 4, gemessen durch die oben beschriebene Simulation. Tabelle 1

Vergleichsbeispiel 3 Beispiel 3 Beispiel 4 Beispiel 5

Trennungsabstand zwischen zweiter Elektrode und Endkante [mm] 0 1 1,3 1,8

Schwingungsintensitätsverhältnis 1 0,6 0,2 0,6

Tabelle 2

Vergleichsbeispiel 4 Beispiel 6 Beispiel 7 Beispiel 8

Trennungsabstand zwischen zweiter Elektrode und Endkante [mm] 0 1 1,3 1,8

Schwingungsintensitätsverhältnis 1 0,7 0,1 0,6
Wie in der obigen Tabelle gezeigt, war in den Beispielen 3 bis 5 das Schwingungsintensitätsverhältnis klein, da der Trennungsabstand zwischen der zweiten Elektrode 150 und der Endkante 132B auf der Seite, die der dritten Elektrode 160 gegenüberlag, der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 von der Dickenrichtung Z aus gesehen näher bei 1,3 mm lag, das heißt, es ist zu sehen, dass die Störschwingung reduziert ist, wenn der oben beschriebene Trennungsabstand näher bei 1,3 mm liegt. Bei den Beispielen 3 bis 5 hier beträgt der Trennungsabstand zwischen der Endkante 132B auf der Seite der dritten Elektrode 160 der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 von der Dickenrichtung Z aus gesehen und der zweiten Elektrode 150 1,3 mm. Daher wird darauf hingewiesen, dass je höher die Symmetrie der zweiten Elektrode 150 in der zweiten Richtung D2 in Bezug auf den piezoelektrischen Körpers 130 ist, desto kleiner ist die Störschwingung. Weiterhin wird wie in Beispiel 4 darauf hingewiesen, dass die Störschwingungen minimiert werden, wenn die Trennungsabstände zwischen der zweiten Elektrode 150 und jeder der beiden Endkanten 132B in der zweiten Richtung D2 gleich groß sind. Auch in den Beispielen 6 bis 8 in der obigen Tabelle 2 wird die gleiche Tendenz wie in den Beispielen 3 bis 5 gezeigt.
Wie oben beschrieben, umfasst der Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung das Gehäuse 110 und das piezoelektrische Element 120. Das Gehäuse 110 weist den Bodenabschnitt 111 und den peripheren Wandabschnitt 112 auf. Das piezoelektrische Element 120 ist auf dem Bodenabschnitt 111 des Gehäuses 110 angeordnet. Das piezoelektrische Element 120 umfasst den piezoelektrischen Körper 130, die erste Elektrode 140, die zweite Elektrode 150 und die dritte Elektrode 160. Der piezoelektrische Körper 130 weist die erste Oberfläche 131 und die zweite Oberfläche 132 auf. Die erste Oberfläche 131 befindet sich auf der Seite des Bodenabschnitts 111. Die zweite Oberfläche 132 befindet sich auf der Seite, die der ersten Oberfläche 131 gegenüberliegt. Die erste Elektrode 140 ist auf der ersten Oberfläche 131 vorgesehen. Die zweite Elektrode 150 befindet sich auf der zweiten Oberfläche 132. Die zweite Elektrode 150 liegt der ersten Elektrode 140 gegenüber, der piezoelektrische Körper 130 ist dazwischen eingefügt. Die dritte Elektrode 160 ist auf der zweiten Oberfläche 132 vorgesehen. Die dritte Elektrode 160 ist von der zweiten Elektrode 150 beabstandet. Die dritte Elektrode 160 ist mit der ersten Elektrode 140 elektrisch verbunden. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen, in der die erste Oberfläche 131 und die zweite Oberfläche 132 angeordnet sind, erstreckt sich die zweite Elektrode 150 bis zu beiden Endkanten 132A der zweiten Oberfläche 132 in der ersten Richtung D1 und ist von beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 orthogonal zur ersten Richtung D1 getrennt.
Dementsprechend kann bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung die Verdrahtung mit der ersten Elektrode 140 und der zweiten Elektrode 150 elektrisch verbunden werden, ohne dass ein anderes Element als das piezoelektrische Element 120, wie das Gehäuse 110, dazwischen eingefügt ist, und die Schwingungsintensität durch das piezoelektrische Element 120 kann erhöht werden. Da von der Dickenrichtung Z des piezoelektrischen Körpers 130 aus gesehen die Symmetrie der äußeren Form der zweiten Elektrode 150 in Bezug auf die äußere Form des piezoelektrischen Körpers 130 verbessert ist, wird daneben auch die Störschwingung unterdrückt und es ist möglich, eine Verschlechterung der Nachhallcharakteristika aufgrund des Nachhalls der Schwingung zu unterdrücken.
In Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung weist die zweite Elektrode 150 von der Dickenrichtung Z aus gesehen eine äußere Form auf, die in Bezug auf die virtuelle Linie L als Symmetrieachse, die parallel zu der ersten Richtung D1 und durch den Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft, liniensymmetrisch ist.
Dementsprechend ist die Symmetrie der äußeren Form der zweiten Elektrode 150 von der Dickenrichtung Z aus gesehen in Bezug auf die äußere Form des piezoelektrischen Körpers 130 weiter verbessert, und somit ist es möglich, die Verschlechterung der Nachhallcharakteristika des Ultraschallsensors 100 weiter zu unterdrücken.
In Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung fallen von der Dickenrichtung Z aus gesehen der Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 und der Mittelpunkt C1 des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, der der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, zusammen.
Da die Symmetrie der äußeren Form der zweiten Elektrode 150 in Bezug auf die äußere Form des Abschnitts 111A des Bodenabschnitts 111, welcher der Innenseite des Gehäuses 110 zugewandt ist, verbessert ist, ist es dementsprechend möglich, die Verschlechterung der Nachhallcharakteristika des Ultraschallsensors 100 weiter zu unterdrücken.
In Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse 110 aus einem leitfähigen Material hergestellt. Die erste Elektrode 140 ist mit dem Bodenabschnitt 111 elektrisch verbunden.
Durch Verbinden des Gehäuses 110 mit dem Massepotential kann die erste Elektrode 140 als Masseelektrode in dem piezoelektrischen Element 120 verwendet werden.
(Ausführungsbeispiel 2)
Nachfolgend wird ein Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung darin, dass das piezoelektrische Element ferner eine vierte Elektrode umfasst. Daher wird die Beschreibung der gleichen Konfiguration wie die des Ultraschallsensors 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt.
10 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration des Ultraschallsensors gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. 11 ist eine Querschnittsansicht des Ultraschallsensors in 10 entlang einer Linie XI-XI aus einer Pfeilrichtung gesehen. Wie in 10 und 11 dargestellt, umfasst bei einem Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung das piezoelektrische Element 120 ferner eine vierte Elektrode 280. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen ist die vierte Elektrode 280 von der zweiten Elektrode 150 auf der zweiten Oberfläche 132 getrennt. Die vierte Elektrode 280 befindet sich auf der Seite, die der dritten Elektrode 160 in Bezug auf die zweite Elektrode 150 in der zweiten Richtung D2 gegenüberliegt.
Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration wird, da das Paar von Elektroden auf der zweiten Oberfläche 132 so angeordnet ist, dass dieselben zueinander benachbart sind, wobei die zweite Elektrode 150 in einer im Wesentlichen symmetrischen Weise dazwischen eingefügt ist, eine Innenspannung des piezoelektrischen Körpers 130 auf der Seite der zweiten Oberfläche 132 reduziert, das Auftreten von Rissen in dem piezoelektrischen Körper 130 wird unterdrückt und die mechanische Zuverlässigkeit des Ultraschallsensors 200 kann verbessert werden.
Daneben hat die vierte Elektrode 280 beim Ultraschallsensor 200 gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung, von der Dickenrichtung Z aus gesehen, insbesondere eine äußere Form, die in Bezug auf die virtuelle Linie L als Symmetrieachse, die durch den Mittelpunkt C3 des piezoelektrischen Körpers 130 verläuft und parallel zur ersten Richtung D1 ist, liniensymmetrisch zu der dritten Elektrode 160 ist. Dementsprechend ist die Symmetrie der Elektrode auf der zweiten Oberfläche 132 weiter verbessert und die Innenspannung des piezoelektrischen Körpers 130 kann weiter reduziert werden.
(Ausführungsbeispiel 3)
Nachfolgend wird ein Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Ultraschallsensor gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung hauptsächlich durch die äußere Form des piezoelektrischen Elements von der Dickenrichtung aus gesehen. Daher wird die Beschreibung der gleichen Konfiguration wie die des Ultraschallsensors 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt.
12 ist eine Draufsicht, welche die Konfiguration des piezoelektrischen Elements in dem Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung darstellt. In 12 ist nur ein piezoelektrisches Element 320 des Ultraschallsensors gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung aus derselben Richtung wie das piezoelektrische Element 120 in Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung in 12 dargestellt.
Wie in 12 dargestellt, weist das piezoelektrische Elemente 320 bei dem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung von der Dickenrichtung Z des piezoelektrischen Körpers 130 aus gesehen eine im Wesentlichen kreisförmige äußere Form auf. Der piezoelektrische Körper 130 weist von der Dickenrichtung Z aus gesehen eine kreisförmige äußere Form auf.
Auch bei dem Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung ist die dritte Elektrode 160 auf der zweiten Oberfläche 132 vorgesehen, ähnlich wie bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Die dritte Elektrode 160 ist von der zweiten Elektrode 150 beabstandet. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen erstreckt sich die zweite Elektrode 150 bis zu den beiden Endkanten 132A der zweiten Oberfläche 132 in der ersten Richtung D1 und ist von den beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 orthogonal zu der ersten Richtung D1 getrennt. Dementsprechend kann die Verdrahtung mit der Elektrode verbunden werden, ohne dass ein anderes Element, wie ein Gehäuse, dazwischen eingefügt ist und es ist möglich, die Verschlechterung der Nachhallcharakteristika zu unterdrücken, während die Schwingungsintensität durch das piezoelektrische Element 320 erhöht wird.
(Ausführungsbeispiel 4)
Nachfolgend wird ein Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Ultraschallsensor gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem Ultraschallsensor 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung hauptsächlich durch die äußere Form des piezoelektrischen Elements von der Dickenrichtung aus gesehen. Daher wird die Beschreibung derselben Konfiguration wie die des Ultraschallsensors 200 gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung nicht wiederholt.
13 ist eine Draufsicht, welche die Konfiguration des piezoelektrischen Elements bei dem Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung darstellt. In 13 ist das piezoelektrische Element aus der gleichen Richtung dargestellt wie das piezoelektrische Element 120 bei dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung, das in 11 dargestellt ist.
Wie in 13 dargestellt, weist ein piezoelektrisches Element 420 in Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung von der Dickenrichtung Z des piezoelektrischen Körpers 130 aus gesehen eine kreisförmige äußere Form auf. Der piezoelektrische Körper 130 hat von der Dickenrichtung Z aus gesehen eine kreisförmige äußere Form.
Auch bei dem Ultraschallsensor gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung ist die dritte Elektrode 160 auf der zweiten Oberfläche 132 vorgesehen, ähnlich wie bei dem Ultraschallsensor 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Die dritte Elektrode 160 ist von der zweiten Elektrode 150 beabstandet. Von der Dickenrichtung Z aus gesehen erstreckt sich die zweite Elektrode 150 bis zu den beiden Endkanten 132A der zweiten Oberfläche 132 in der ersten Richtung D1 und ist von den beiden Endkanten 132B der zweiten Oberfläche 132 in der zweiten Richtung D2 orthogonal zu der ersten Richtung D1 getrennt. Dementsprechend kann die Verdrahtung mit der Elektrode verbunden werden, ohne dass ein anderes Element, wie ein Gehäuse, dazwischen einfügt ist, und es ist möglich, die Verschlechterung der Nachhallcharakteristika zu unterdrücken, während die Schwingungsintensität durch das piezoelektrische Element 420 erhöht wird.
Die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele sind in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht restriktiv zu betrachten. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die obige Beschreibung, sondern durch die Ansprüche definiert und soll Bedeutungen umfassen, die den Ansprüchen und allen Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs entsprechen.
Bezugszeichenliste

100, 100a, 200, 800, 900: ULTRASCHALLSENSOR
110: GEHÄUSE
111: BODENABSCHNITT
111A: ABSCHNITT
112: PERIPHERER WANDABSCHNITT
120, 320, 420: PIEZOELEKTRISCHES ELEMENT
130: PIEZOELEKTRISCHER KÖRPER
131: ERSTE OBERFLÄCHE
132: ZWEITE OBERFLÄCHE
132A, 132B: ENDKANTE
140: ERSTE ELEKTRODE
150: ZWEITE ELEKTRODE
160: DRITTE ELEKTRODE
170: VERBINDUNGSELEKTRODE
191: LEITFÄHIGES BAUGLIED
192: FÜLLELEMENT
193: ERSTES FÜLLELEMENT
194: ZWEITES FÜLLELEMENT
280: VIERTE ELEKTRODE

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H7154898 [0002]
WO 2013/047544 [0002]
JP S6359499 [0002, 0005]

Claims

Ein Ultraschallsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuse, das einen Bodenabschnitt und einen peripheren Wandabschnitt aufweist; und ein piezoelektrisches Element, das auf dem Bodenabschnitt in dem Gehäuse angeordnet ist; wobei das piezoelektrisches Element einen piezoelektrischen Körper, der eine erste Oberfläche, die sich auf einer Seite des Bodenabschnitts befindet, und eine zweite Oberfläche, die sich auf einer Seite gegenüber der ersten Oberfläche befindet, aufweist, sowie eine erste Elektrode, die auf der ersten Oberfläche vorgesehen ist, eine zweite Elektrode, die auf der zweiten Oberfläche vorgesehen ist, und eine dritte Elektrode umfasst, die auf der zweiten Oberfläche vorgesehen ist, so dass dieselbe von der zweiten Elektrode beabstandet ist und mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist, die zweite Elektrode der ersten Elektrode gegenüberliegt, wobei der piezoelektrische Körper zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode eingefügt ist, und sich von einer Dickenrichtung aus gesehen, in der die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche angeordnet sind, die zweite Elektrode zu beiden Endkanten der zweiten Oberfläche in einer ersten Richtung erstreckt und von beiden Endkanten der zweiten Oberfläche in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung getrennt ist.
Der Ultraschallsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Elektrode von der Dickenrichtung aus gesehen eine äußere Form aufweist, die in Bezug auf eine virtuelle Linie als Symmetrieachse, die parallel zur ersten Richtung ist und durch einen Mittelpunkt des piezoelektrischen Körpers verläuft, liniensymmetrisch ist.
Der Ultraschallsensor gemäß Anspruch 2, bei dem von der Dickenrichtung aus gesehen ein Mittelpunkt des piezoelektrischen Körpers und ein Mittelpunkt eines Abschnitts des Bodenabschnitts, der einer Innenseite des Gehäuses zugewandt ist, zusammenfallen.
Der Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse aus leitfähigem Material hergestellt ist und die erste Elektrode mit dem Bodenabschnitt elektrisch verbunden ist.
Der Ultraschallsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei aus der Dickenrichtung gesehen das piezoelektrische Element ferner eine vierte Elektrode umfasst, die von der zweiten Elektrode auf der zweiten Oberfläche getrennt ist, und die vierte Elektrode sich auf einer Seite gegenüber der dritten Elektrode in Bezug auf die zweite Elektrode in der zweiten Richtung befindet.