JP2007104318A - Ultrasonic sensor, its manufacturing method, and its optimal design device - Google Patents

Ultrasonic sensor, its manufacturing method, and its optimal design device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic sensor which can ease stress generated in each component and a component interface at manufacturing time without limiting material of the structure and the composing component. <P>SOLUTION: The sensor is provided with a piezoelectric element 2; a cushion component 7 which covers at least a part of a sound matching layer 1 which is joined and formed with the piezoelectric element 2 and the piezoelectric element 2, and functions to make stress generated according to thermal expansion difference of the piezoelectric element 2 and a component adjoining the piezoelectric element 2 ease; sealing components 3, 4 for sealing the piezoelectric element 2; a reinforcement component 8 which contacts with at least a part of the sealing components 3, 4, and functions to reinforce the piezoelectric element 2; and a case 5 which covers the reinforcement component 8. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電素子を用いた超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置に関し、特に精度や信頼性を向上させる技術に関する。   The present invention relates to an ultrasonic sensor using a piezoelectric element, a manufacturing method thereof, and an optimum design apparatus thereof, and more particularly to a technique for improving accuracy and reliability.

従来、流体の流量を計測する流量計に適用される超音波センサが知られている。この超音波センサは、例えば、流体の流れの方向に対し斜めに対向して配置された2つの超音波センサ(超音波振動子)間を伝搬する超音波の伝搬時間を計測することにより流体の流量を求めるものであり、ns(ナノ秒)オーダの高精度が要求されている。また、流量計の耐用年数は約10年であるため、超音波センサの長期信頼性が求められている。   Conventionally, an ultrasonic sensor applied to a flow meter that measures the flow rate of a fluid is known. For example, this ultrasonic sensor measures the propagation time of an ultrasonic wave propagating between two ultrasonic sensors (ultrasonic transducers) disposed diagonally opposite to the direction of fluid flow. The flow rate is obtained, and high accuracy of the order of ns (nanosecond) is required. Further, since the service life of the flowmeter is about 10 years, long-term reliability of the ultrasonic sensor is required.

しかし、超音波センサは製造時における各構成部品の熱膨張差に起因する内部残留応力や変形などにより、精度や信頼性が低下する。   However, the accuracy and reliability of the ultrasonic sensor are reduced due to internal residual stress and deformation caused by the difference in thermal expansion of each component during manufacture.

このため、超音波センサを構成する圧電素子とケースとを圧電素子やケースよりも軟質で可とう性を有し、硬化ひずみが所定値以下の接着剤により接着し、この接着剤を緩衝材として圧電素子とケースとの間の熱膨張差を緩和させる超音波センサが開示されている(特許文献1)。   For this reason, the piezoelectric element and the case constituting the ultrasonic sensor are softer and more flexible than the piezoelectric element and the case, and are bonded with an adhesive whose curing strain is a predetermined value or less, and this adhesive is used as a buffer material. An ultrasonic sensor that reduces a thermal expansion difference between a piezoelectric element and a case is disclosed (Patent Document 1).

また、音響整合層とケースとの間、及びケースと圧電素子との間をそれぞれ異なる特性(硬さ、熱膨張係数、有機溶剤への反応、吸水性、熱劣化性、硫黄化合物への反応等)の接着剤により接着し、複数の部品間の接続劣化を防止させた構造の超音波センサが開示されている(特許文献2)。
特開2003−270013号公報 特開2004−48241号公報
Also, different characteristics between the acoustic matching layer and the case and between the case and the piezoelectric element (hardness, thermal expansion coefficient, reaction to organic solvents, water absorption, thermal degradation, reaction to sulfur compounds, etc. An ultrasonic sensor having a structure in which connection deterioration between a plurality of components is prevented by using an adhesive) is disclosed (Patent Document 2).
JP 2003-270013 A JP 2004-48241 A

しかしながら、上述した従来の超音波センサは、圧電素子とケース、ケースと圧電素子との間を接着する接着剤により部品界面の熱膨張差により発生する応力を緩和させるものである。即ち、特定のセンサ構造や構成部品材料をベースに検討されたものであり、適用できるセンサ構造や構成部品の材料が限定されている。このため、センサ構造や構成部品の材料が異なると十分な精度や信頼性を得ることが困難である。   However, the above-described conventional ultrasonic sensor relieves stress generated due to the difference in thermal expansion of the component interface by an adhesive that bonds the piezoelectric element and the case and between the case and the piezoelectric element. That is, it has been studied on the basis of a specific sensor structure and component material, and applicable sensor structures and component materials are limited. For this reason, it is difficult to obtain sufficient accuracy and reliability if the materials of the sensor structure and component parts are different.

また、従来の超音波センサの構造改良等の設計は、経験により繰り返し試行されることにより行なわれていたので、簡易的に最適な構造を得ることが困難である。そこで、多様化するセンサ構造や構成部品の材料に対応した設計装置が必要であるが、このような設計装置は存在しない。   In addition, since the design for improving the structure of the conventional ultrasonic sensor has been performed by repeated trials based on experience, it is difficult to easily obtain an optimum structure. Therefore, a design device corresponding to diversifying sensor structures and material of components is necessary, but such a design device does not exist.

本発明の課題は、構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor, a manufacturing method thereof, and an optimal design apparatus thereof that can relieve stress generated at each component part and part interface at the time of manufacture without limiting the material of the structure and the component parts. is there.

本発明は前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項1の発明は、圧電素子と、この圧電素子に接合させて形成された音響整合層と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆い、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材と、前記圧電素子を封止するための封止部材と、前記封止部材の少なくとも一部と接し、前記圧電素子を補強するための補強部材と、前記補強部材を覆うケースとを備えることを特徴とする。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element, an acoustic matching layer formed by bonding to the piezoelectric element, and at least a part of the piezoelectric element, and heat generated between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element. A buffer member for relieving stress generated due to an expansion difference, a sealing member for sealing the piezoelectric element, and a reinforcing member for contacting the at least part of the sealing member and reinforcing the piezoelectric element And a case for covering the reinforcing member.

請求項2の発明は、請求項1記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、前記音響整合層または前記圧電素子または前記補強部材よりも軟質な高分子材料からなることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the ultrasonic sensor according to the first aspect, the buffer member is made of a polymer material that is softer than the acoustic matching layer, the piezoelectric element, or the reinforcing member.

請求項3の発明は、請求項2記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic sensor according to the second aspect, the buffer member is made of silicon resin.

請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、10〜100μmの厚さを有することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the ultrasonic sensor according to any one of the first to third aspects, the buffer member has a thickness of 10 to 100 μm.

請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の超音波センサにおいて、前記緩衝部材は、0.001〜0.01GPaの縦弾性係数を有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the invention, in the ultrasonic sensor according to any one of the first to fourth aspects, the buffer member has a longitudinal elastic modulus of 0.001 to 0.01 GPa.

請求項6の発明は、請求項1記載の超音波センサにおいて、前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な高分子材料からなることを特徴とする。   The invention of claim 6 is the ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member is made of a polymer material harder than the sealing member or the case.

請求項7の発明は、請求項1記載の超音波センサにおいて、前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な金属材料からなることを特徴とする。   The invention according to claim 7 is the ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member is made of a metal material harder than the sealing member or the case.

請求項8の発明は、圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材を、前記圧電素子の少なくとも一部を覆うように形成する工程と、前記圧電素子を補強するための補強部材に前記圧電素子を取り付ける工程と、前記圧電素子と接合させて音響整合層を形成する工程と、前記圧電素子を封止するための封止部材を前記補強材料の少なくとも一部と接するように形成する工程と、前記補強部材を覆うようにケースを取り付ける工程とを有することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a step of forming a buffer member for relaxing stress generated by a difference in thermal expansion between a piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element so as to cover at least a part of the piezoelectric element. Attaching the piezoelectric element to a reinforcing member for reinforcing the piezoelectric element; forming an acoustic matching layer by bonding the piezoelectric element; and a sealing member for sealing the piezoelectric element It has the process of forming so that it may contact | connect at least one part of a reinforcement material, and the process of attaching a case so that the said reinforcement member may be covered, It is characterized by the above-mentioned.

請求項9の発明は、圧電素子及び音響整合層を備える超音波センサを、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和するように最適化設計する最適設計装置であって、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記超音波センサを構成する各構成部品の材料特性データ及び製造条件データ、前記超音波センサを最適化する際の制約条件を示す制約条件データ及び超音波センサに要求される応力の許容範囲を示す要求値データを入力する入力手段と、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記応力との関係を示す第1関係データを記憶する記憶手段と、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第1関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第1関係データに基づいて、前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを最適化する最適化手段と、前記最適化手段により最適化された結果を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。   According to the ninth aspect of the present invention, an ultrasonic sensor including a piezoelectric element and an acoustic matching layer is optimized and optimized so as to relieve stress generated due to a difference in thermal expansion between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element. The design device, the sensor structure data of the ultrasonic sensor, the material property data and manufacturing condition data of each component constituting the ultrasonic sensor, the constraint condition indicating the constraint condition when optimizing the ultrasonic sensor Input means for inputting data and required value data indicating an allowable range of stress required for the ultrasonic sensor, the sensor structure data, the material property data, the manufacturing condition data, and the stress inputted by the input means Storage means for storing the first relation data indicating the relation of the sensor, the sensor structure data input by the input means, the material property data, and the manufacturing conditions When the stress is obtained based on the data and the first relation data stored in the storage means and the stress does not satisfy the required value data, the stress is within the range of the constraint condition given by the constraint condition data. And based on the first relation data, the sensor structure data, the material property data, and the manufacturing condition data are changed, and the sensor structure data, the material property data, and so on, so that the stress satisfies the required value data. An optimization unit that optimizes the manufacturing condition data, and an output unit that outputs a result optimized by the optimization unit.

請求項10の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記記憶手段は、前記第1関係データを記憶するとともに前記応力を緩和するために前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入される緩衝部材の材料、形状、寸法、位置と前記応力との関係を示す第2関係データを記憶し、前記最適化手段は、前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第1関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合で且つ前記制約条件データとして、前記緩衝部材を前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入可とする旨のデータが前記入力手段により入力された場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第2関係データに基づいて、前記緩衝部材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記緩衝部材を最適化することを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the storage means stores the first relation data and a member adjacent to the piezoelectric element in order to relieve the stress. Second relational data indicating the relationship between the stress, the material, shape, dimensions, and position of the cushioning member inserted into the interface of the sensor, and the optimization means is the sensor structure data input by the input means, The stress is obtained based on the material property data, the manufacturing condition data, and the first relation data stored in the storage means, and the stress does not satisfy the required value data and as the constraint condition data When the data indicating that the buffer member can be inserted into the interface between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element is input by the input means, the constraint condition data The buffer member is changed so that the stress satisfies the required value data by changing the material, shape, dimension, and position of the buffer member based on the second relational data within the range of the constraint condition given more. It is characterized by optimization.

請求項11の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記超音波センサのセンサ構造データは、前記各構成部品の形状、寸法及び位置を示すデータを有することを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the sensor structure data of the ultrasonic sensor includes data indicating a shape, a dimension, and a position of each component.

請求項12の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記各構成部品の材料特性データは、化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性を示す材質データ、縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性を示す機械的特性データ、線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度を示す熱的特性データ、導電率、静電容量を示す電気的特性データ、比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンスを示す圧電特性データ、構成部品が予め加工されている場合に該加工時の残留応力及び残留ひずみデータを有することを特徴とする。   The invention of claim 12 is the optimum design apparatus according to claim 9, wherein the material property data of each component is material data indicating chemical composition, mass density, hardness, solvent resistance, flexibility, fluidity, Mechanical property data indicating longitudinal elastic modulus, Poisson's ratio, tensile strength, toughness, linear expansion coefficient, thermal conductivity, heat transfer coefficient, specific heat, Curie temperature, glass transition temperature, thermal property data indicating thermal decomposition temperature, Electrical characteristic data indicating conductivity, capacitance, relative dielectric constant, piezoelectric strain constant, piezoelectric stress constant, electromechanical coupling constant, piezoelectric characteristic data indicating acoustic impedance, and processing when components are processed in advance It is characterized by having residual stress and residual strain data.

請求項13の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記製造条件データは、前記各構成部品を接合する際の拘束荷重、拘束変位を示す加圧条件データ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱温度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示す温度条件データの少なくとも1つを有することを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the manufacturing condition data includes a restraint load when joining the component parts, a pressurization condition data indicating a restraint displacement, and a heating time during manufacturing. It has at least one of temperature condition data indicating a temperature before heating, a heating rate, a heating temperature, a heating holding time, a cooling rate, and a temperature after cooling.

請求項14の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記制約条件データは、前記各構成部品の適用材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体、前記各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも1つを有することを特徴とする。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the constraint data includes data indicating a constraint or tolerance of an applied material of each component, the entire ultrasonic sensor, and the shape of each component. -It has at least one of the data which shows the restrictions or tolerance of a dimension and a position, and the data which shows the restrictions or tolerance of manufacturing conditions.

請求項15の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記要求値データは、前記超音波センサ全体、前記各構成部品、前記各構成部品の界面の少なくとも1つに発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータを有することを特徴とする。   According to a fifteenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the required value data is an allowable maximum stress generated in at least one of the entire ultrasonic sensor, the component parts, and the interface of the component parts. And data indicating the allowable minimum stress.

請求項16の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記記憶手段に記憶された関係データは、試験、検査、観察、解析の少なくとも1つによって得られたものであることを特徴とする。   The invention of claim 16 is the optimum design apparatus according to claim 9, wherein the relational data stored in the storage means is obtained by at least one of testing, inspection, observation, and analysis. To do.

請求項17の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記最適化手段は、前記超音波センサに含まれている構成部品を変更することなく前記制約条件データまたは前記要求値データを満たすことができない場合は、前記超音波センサに含まれていない部品を追加または前記超音波センサに含まれている部品を削除することを特徴とする。   According to a seventeenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the optimization means satisfies the constraint condition data or the required value data without changing a component included in the ultrasonic sensor. If this is not possible, a part not included in the ultrasonic sensor is added or a part included in the ultrasonic sensor is deleted.

請求項18の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記各構成部品の材料特性データ、前記製造条件データの少なくとも1つを含むことを特徴とする。   According to an eighteenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the optimized result output from the output means includes sensor structure data of the ultrasonic sensor, material property data of each component, It includes at least one of manufacturing condition data.

請求項19の発明は、請求項9記載の最適設計装置において、前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサの応力分布、ひずみ分布または変形分布の少なくとも1つを含むことを特徴とする。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in the optimum design apparatus according to the ninth aspect, the optimized result output from the output means includes at least one of a stress distribution, a strain distribution or a deformation distribution of the ultrasonic sensor. It is characterized by that.

本発明の超音波センサによれば、圧電素子の少なくとも一部を緩衝部材で覆うことにより、圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させたので、構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる。   According to the ultrasonic sensor of the present invention, the stress generated by the difference in thermal expansion between the piezoelectric element and the member adjacent to the piezoelectric element is reduced by covering at least a part of the piezoelectric element with the buffer member. In addition, the material of the component parts is not limited, and stress generated at each component part and the part interface at the time of manufacture can be relaxed.

また、圧電素子を封止するための封止部材の少なくとも一部を補強部材で覆い、圧電素子を補強したので、圧電素子に発生する応力がさらに低減し、変形が抑制され、精度及び信頼性を向上させることができる。   Moreover, since at least a part of the sealing member for sealing the piezoelectric element is covered with the reinforcing member and the piezoelectric element is reinforced, the stress generated in the piezoelectric element is further reduced, deformation is suppressed, and accuracy and reliability are improved. Can be improved.

また、本発明の最適設計装置によれば、入力手段により最適化前の超音波センサのセンサ構造データ、各構成部品の材料特性データ、製造条件データ、制約条件データ及び要求値データを入力し、最適化手段はセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データと記憶手段に構築された第1関係データに基づいて応力を求め、該応力が要求値データを満たしていない場合は、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ第1関係データに基づいて、センサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データを変更して、該応力が要求値データを満たすようにセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データを最適化するので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和された超音波センサの最適化設計を容易に行うことができる。   Further, according to the optimum design apparatus of the present invention, the sensor structure data of the ultrasonic sensor before optimization, the material property data of each component, the manufacturing condition data, the constraint condition data, and the required value data are input by the input means, The optimization means obtains stress based on the sensor structure data, material characteristic data, manufacturing condition data, and first relation data constructed in the storage means, and if the stress does not satisfy the required value data, The sensor structure data, the material property data is changed so that the stress satisfies the required value data by changing the sensor structure data, the material property data, and the manufacturing condition data within the range of the given constraints and based on the first relation data. In addition, the manufacturing condition data is optimized, so that the sensor structure and the material of the component are not limited. There can easily be performed to optimize the design of the ultrasonic sensor is relaxed.

以下、本発明の実施例に係る超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置を図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an ultrasonic sensor, a manufacturing method thereof, and an optimal design apparatus thereof according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1に係る超音波センサの断面図である。図1に示すように、本発明の実施例1に係る超音波センサは、音響整合層1、圧電素子2、シリコン樹脂3、エポキシ樹脂4、ケース5、接着剤6、緩衝材料7、補強材料8を備えて構成されている。   FIG. 1 is a sectional view of an ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention includes an acoustic matching layer 1, a piezoelectric element 2, a silicon resin 3, an epoxy resin 4, a case 5, an adhesive 6, a buffer material 7, and a reinforcing material. 8 is configured.

圧電素子2は、上面(超音波送受信面2a)が音響整合層1と接着剤6により接合され、音響整合層1に覆われている。圧電素子2の側面及び下面の一部には、圧電素子2と該圧電素子2に隣接する部品との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝材料7が形成されており、圧電素子2の側面と音響整合層1及び圧電素子2の下面の一部と補強材料8は緩衝材料7を介して接合されている。また、圧電素子2と音響整合層1とは接着剤6を用いずに加圧することにより接合させてもよい。   The piezoelectric element 2 has an upper surface (ultrasonic wave transmission / reception surface 2 a) bonded to the acoustic matching layer 1 with an adhesive 6 and is covered with the acoustic matching layer 1. A buffer material 7 is formed on part of the side surface and the lower surface of the piezoelectric element 2 to relieve stress generated by a difference in thermal expansion between the piezoelectric element 2 and a component adjacent to the piezoelectric element 2. The side surface 2, the acoustic matching layer 1, a part of the lower surface of the piezoelectric element 2, and the reinforcing material 8 are joined together via a buffer material 7. Further, the piezoelectric element 2 and the acoustic matching layer 1 may be joined by applying pressure without using the adhesive 6.

緩衝材料7は、音響整合層1、圧電素子2、補強材料8の中で最も軟質な構成部品よりも軟質な材料であればよく、圧電素子2の少なくとも一部を覆うことにより、超音波センサを構成する各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和されるが、厚さが10〜100μm、縦弾性係数が0.001〜0.01GPaであることが好ましい。緩衝材料7は、例えば80μmの厚さのシリコン樹脂(縦弾性係数:0.0025GPa)からなる。また、緩衝材料7は圧電素子2と音響整合層1とを接合させるための接着剤6と同一の材料を使用してもよい。   The buffer material 7 may be any material that is softer than the softest component of the acoustic matching layer 1, the piezoelectric element 2, and the reinforcing material 8. By covering at least a part of the piezoelectric element 2, the ultrasonic sensor Although the stress which generate | occur | produces in each component and component interface which comprise is relieve | moderated, it is preferable that thickness is 10-100 micrometers and a longitudinal elastic modulus is 0.001-0.01 GPa. The buffer material 7 is made of, for example, a silicon resin (longitudinal elastic modulus: 0.0025 GPa) having a thickness of 80 μm. Further, the buffer material 7 may be made of the same material as the adhesive 6 for bonding the piezoelectric element 2 and the acoustic matching layer 1.

図2は緩衝材料7の厚さと、圧電素子2及びケース5に発生する応力との関係を示した図である。図2に示すように、緩衝材料7の厚さが厚くなるにしたがって、圧電素子2及びケース5に発生する応力が小さくなることが分かる。従って、圧電素子2の少なくとも一部を緩衝材料7で覆うことにより圧電素子2に発生する応力は低減する。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the buffer material 7 and the stress generated in the piezoelectric element 2 and the case 5. As shown in FIG. 2, it can be seen that the stress generated in the piezoelectric element 2 and the case 5 decreases as the thickness of the buffer material 7 increases. Therefore, the stress generated in the piezoelectric element 2 is reduced by covering at least a part of the piezoelectric element 2 with the buffer material 7.

補強材料8は、例えば図1に示すように、上部が内側に突起した側壁を有する中空の部材であり、補強材料8の上面8aは音響整合層1と接合されるとともに緩衝材料7を介して圧電素子2と接合されている。補強材料8は、例えば、10mmの厚さのガラス繊維強化プラスチックや、ステンレス鋼等の金属材料からなる。この補強材料8は、エポキシ樹脂4またはケース5より硬質な材料であればよく、形状、寸法の制限はない。   For example, as shown in FIG. 1, the reinforcing material 8 is a hollow member having a side wall with an upper portion protruding inward, and the upper surface 8 a of the reinforcing material 8 is joined to the acoustic matching layer 1 and through the buffer material 7. Bonded to the piezoelectric element 2. The reinforcing material 8 is made of, for example, a metal material such as glass fiber reinforced plastic having a thickness of 10 mm or stainless steel. The reinforcing material 8 may be any material that is harder than the epoxy resin 4 or the case 5 and is not limited in shape or size.

シリコン樹脂3は、圧電素子2の下面2b及び補強材料8の内側面8bと接するように形成され、エポキシ樹脂4は、シリコン樹脂3及び補強材料8の内側面8cと接するように形成されている。このエポキシ樹脂4とシリコン樹脂3は圧電素子2を封止するためのポッティング材(封止材)である。ケース5は、補強材料8の外側面8dを覆い、ケース5とポッティング材(シリコン樹脂3及びエポキシ樹脂4)との間に補強材料8が設けられている。   The silicon resin 3 is formed so as to be in contact with the lower surface 2 b of the piezoelectric element 2 and the inner side surface 8 b of the reinforcing material 8, and the epoxy resin 4 is formed so as to be in contact with the silicon resin 3 and the inner side surface 8 c of the reinforcing material 8. . The epoxy resin 4 and the silicon resin 3 are potting materials (sealing materials) for sealing the piezoelectric elements 2. The case 5 covers the outer surface 8d of the reinforcing material 8, and the reinforcing material 8 is provided between the case 5 and the potting material (silicon resin 3 and epoxy resin 4).

超音波センサは、ポッティング材の少なくとも一部を補強材料8で覆うことにより圧電素子2が補強されて、従来圧電素子2に発生していた応力が補強材料8に分散されて圧電素子2に発生する応力が低減し、センサ全体の変形が抑制される。   In the ultrasonic sensor, the piezoelectric element 2 is reinforced by covering at least a part of the potting material with the reinforcing material 8, and the stress generated in the piezoelectric element 2 is dispersed in the reinforcing material 8 and generated in the piezoelectric element 2. Stress to be reduced, and deformation of the entire sensor is suppressed.

図3は補強材料8の厚さと、センサの変形の度合(センサ全体の最大変位)との関係を示した図である。図3に示すように、補強材料8の厚さが厚くなるにしたがって、部品界面に発生する応力が小さくなり、センサ全体の変形の度合が小さくなることが分かる。また、補強材料8の剛性を高くするにしたがって、部品界面に発生する応力が小さくなることも確認されている。従って、ポッティング材の少なくとも一部を補強材料8で覆うことにより圧電素子2に発生する応力は低減する。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the reinforcing material 8 and the degree of deformation of the sensor (maximum displacement of the entire sensor). As shown in FIG. 3, it can be seen that as the thickness of the reinforcing material 8 increases, the stress generated at the component interface decreases, and the degree of deformation of the entire sensor decreases. It has also been confirmed that the stress generated at the component interface decreases as the rigidity of the reinforcing material 8 increases. Therefore, the stress generated in the piezoelectric element 2 is reduced by covering at least a part of the potting material with the reinforcing material 8.

次に、本発明の実施例1に係る超音波センサの製造方法を示す。図4は実施例1に係る超音波センサの製造方法の一例を示す工程図である。図4に示すように、まず、圧電素子2に緩衝材料7をコーティングする(図4(a))。次に、緩衝材料7がコーティングされた圧電素子2を補強材料8に取り付ける(図4(b))。次に、補強材料8の内側面8b及び圧電素子2の下面2bと接するようにシリコン樹脂3を充填する(図4(c))。次に、圧電素子2及び緩衝材料7を覆うように音響整合層1を取り付ける(図4(d))。このとき音響整合層1と圧電素子2の超音波送受信面2aとは接着剤6により接合される。次に、補強材料8の内側面8c及びシリコン樹脂3に接するようにエポキシ樹脂4を充填して加熱し、加熱後冷却させることでエポキシ樹脂4を硬化させる(図4(e))。次に、ケース5を取り付ける(図4(f))。   Next, the manufacturing method of the ultrasonic sensor which concerns on Example 1 of this invention is shown. FIG. 4 is a process diagram illustrating an example of a method for manufacturing the ultrasonic sensor according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, first, the buffer material 7 is coated on the piezoelectric element 2 (FIG. 4A). Next, the piezoelectric element 2 coated with the buffer material 7 is attached to the reinforcing material 8 (FIG. 4B). Next, the silicon resin 3 is filled so as to be in contact with the inner surface 8b of the reinforcing material 8 and the lower surface 2b of the piezoelectric element 2 (FIG. 4C). Next, the acoustic matching layer 1 is attached so as to cover the piezoelectric element 2 and the buffer material 7 (FIG. 4D). At this time, the acoustic matching layer 1 and the ultrasonic transmission / reception surface 2 a of the piezoelectric element 2 are joined by the adhesive 6. Next, the epoxy resin 4 is filled and heated so as to be in contact with the inner side surface 8c of the reinforcing material 8 and the silicon resin 3, and the epoxy resin 4 is cured by cooling after the heating (FIG. 4E). Next, the case 5 is attached (FIG. 4 (f)).

上記の工程において、緩衝材料7は、圧電素子2を補強材料8に取り付ける前に圧電素子2にコーティングしたが、圧電素子2を補強材料8に取り付け、音響整合層1を取り付けた後に緩衝材料7を充填するものとしてもよい。   In the above process, the buffer material 7 is coated on the piezoelectric element 2 before the piezoelectric element 2 is attached to the reinforcing material 8. However, the buffer material 7 is attached after the piezoelectric element 2 is attached to the reinforcing material 8 and the acoustic matching layer 1 is attached. It is good also as what fills.

また、補強材料8は、補強材料8及びエポキシ樹脂4以外の部品を取り付けた後で補強材料8を取り付け、その後エポキシ樹脂4を充填するものとしても、予め補強材料8を挿入する隙間を残した状態で他の部品を取り付け、エポキシ樹脂4を充填した後で、補強材料8を挿入するものとしてもよい。   Further, the reinforcing material 8 is attached with the reinforcing material 8 after attaching the parts other than the reinforcing material 8 and the epoxy resin 4 and then filled with the epoxy resin 4, leaving a gap for inserting the reinforcing material 8 in advance. It is good also as what inserts the reinforcement material 8 after attaching other components in a state and filling the epoxy resin 4. FIG.

このように、実施例1に係る超音波センサは、圧電素子2の少なくとも一部を緩衝材料7で覆うことにより、圧電素子2と圧電素子2に隣接する部品との熱膨張差により発生する応力を緩和させたので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力を緩和できる。   Thus, in the ultrasonic sensor according to the first embodiment, the stress generated by the thermal expansion difference between the piezoelectric element 2 and the component adjacent to the piezoelectric element 2 by covering at least a part of the piezoelectric element 2 with the buffer material 7. Since the sensor structure and the material of the component parts are not limited, the stress generated at each component part and the part interface at the time of manufacture can be relaxed.

また、実施例1に係る超音波センサは、圧電素子2を封止するためポッティング材の少なくとも一部を補強材料8で覆い、圧電素子2を補強したので、圧電素子2に発生する応力がさらに低減し、センサ全体の変形が抑制され、精度及び信頼性を向上させることができる。   Further, in the ultrasonic sensor according to Example 1, since the piezoelectric element 2 is reinforced by covering at least a part of the potting material with the reinforcing material 8 in order to seal the piezoelectric element 2, the stress generated in the piezoelectric element 2 is further increased. And the deformation of the entire sensor is suppressed, and the accuracy and reliability can be improved.

本発明の実施例2に係る最適設計装置は、超音波センサのセンサ構造(各部の寸法や形状や位置)、各構成部品の材料、製造条件等を最適化する装置である。   The optimum design apparatus according to the second embodiment of the present invention is an apparatus that optimizes the sensor structure (size, shape, and position of each part) of the ultrasonic sensor, the material of each component, manufacturing conditions, and the like.

図5は本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置の機能構成を示した図である。図5に示すように、本発明の実施例2に係る最適設計装置は、入力部10、記憶部11、最適化計算部12及び出力部13を備えて構成されている。   FIG. 5 is a diagram illustrating a functional configuration of the optimum design apparatus for an ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the optimal design apparatus according to the second embodiment of the present invention includes an input unit 10, a storage unit 11, an optimization calculation unit 12, and an output unit 13.

入力部10は、最適化前の超音波センサ(以下、試作センサという)の構造を示すデータ(以下、センサ構造データという)、試作センサを構成する各構成部品の材料特性を示すデータ(以下、材料特性データという)、試作センサを製造する際の製造条件を示すデータ(以下、製造条件データという)の各設計データと、最適化する際の制約条件を示すデータ(以下、制約条件データという)と、超音波センサに要求される応力の許容範囲(要求値)を示すデータ(以下、要求値データという)とを入力する。   The input unit 10 includes data (hereinafter referred to as sensor structure data) indicating the structure of an ultrasonic sensor (hereinafter referred to as a prototype sensor) before optimization, and data (hereinafter referred to as material characteristics) of each component constituting the prototype sensor. Design data of manufacturing conditions (hereinafter referred to as manufacturing condition data) and data indicating the constraint conditions for optimization (hereinafter referred to as constraint data) And data indicating an allowable range (required value) of stress required for the ultrasonic sensor (hereinafter referred to as required value data).

センサ構造データは、各構成部品の形状、寸法、位置を示すデータであり、センサ構造データが入力される試作センサは、圧電素子と音響整合層を備えていればよい。図6は試作センサの構造の一例を示した断面図である。図6に示す試作センサは、音響整合層14、圧電素子15、シリコン樹脂16、エポキシ樹脂17、基板18、ケース19を備えて構成されている。センサ構造データは、例えば図6に示す試作センサの構造を図7に示すように座標化したときの座標情報であり、入力部10には、この座標情報がセンサ構造データとして入力される。   The sensor structure data is data indicating the shape, size, and position of each component, and the prototype sensor to which the sensor structure data is input only needs to include a piezoelectric element and an acoustic matching layer. FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the prototype sensor. The prototype sensor shown in FIG. 6 includes an acoustic matching layer 14, a piezoelectric element 15, a silicon resin 16, an epoxy resin 17, a substrate 18, and a case 19. The sensor structure data is, for example, coordinate information when the structure of the prototype sensor shown in FIG. 6 is coordinated as shown in FIG. 7, and this coordinate information is input to the input unit 10 as sensor structure data.

このセンサ構造データは、試作センサの構造を示す図面等をスキャナ等で読み込み、座標値を取得した後で各構成部品の形状、寸法、位置が明確になるように手入力しても、試作センサの構造を示すCADデータ等のデジタルデータを入力してもよい。   This sensor structure data can be obtained by reading the drawings showing the structure of the prototype sensor with a scanner, etc., and obtaining the coordinate values, and then manually inputting the shape, dimensions, and position of each component to clarify the prototype sensor. Digital data such as CAD data indicating the structure may be input.

材料特性データは、試作センサを構成する各構成部品の材質(化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性等)、機械的特性(縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性等)、熱的特性(線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度等)、電気的特性(導電率、静電容量等)、圧電特性(比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンス)を示すデータである。   Material property data includes material (chemical composition, mass density, hardness, solvent resistance, flexibility, fluidity, etc.) and mechanical properties (longitudinal elastic modulus, Poisson's ratio, tensile strength) of the prototype sensor. Thickness, toughness, etc.), thermal characteristics (linear expansion coefficient, thermal conductivity, heat transfer coefficient, specific heat, Curie temperature, glass transition temperature, pyrolysis temperature, etc.), electrical characteristics (conductivity, capacitance, etc.), It is data showing piezoelectric characteristics (relative permittivity, piezoelectric strain constant, piezoelectric stress constant, electromechanical coupling constant, acoustic impedance).

この材料特性データとしては、例えば図8に示すように、音響整合層14、圧電素子15、ケース19の縦弾性係数、ポアソン比、線膨張係数を入力する。また、予め加工した構成部品の影響を加味したい場合は、該加工時の残留応力、残留ひずみ等を入力してもよい。なお、シリコン樹脂16、エポキシ樹脂17、基板18の材料特性データは、記憶部11に記憶されている材料データテーブル(後述)から読み出される。また、音響整合層14、圧電素子15、ケース19の材料特性データも材料データテーブルから読み出すものとしてもよい。この場合、入力部10には、各構成部品の材料が何であるかを入力するだけでよい。   As the material characteristic data, for example, as shown in FIG. 8, the longitudinal elastic modulus, Poisson's ratio, and linear expansion coefficient of the acoustic matching layer 14, the piezoelectric element 15, and the case 19 are input. In addition, when it is desired to take into account the influence of components that have been processed in advance, residual stress, residual strain, and the like during the processing may be input. Note that the material characteristic data of the silicon resin 16, the epoxy resin 17, and the substrate 18 is read from a material data table (described later) stored in the storage unit 11. The material characteristic data of the acoustic matching layer 14, the piezoelectric element 15, and the case 19 may also be read from the material data table. In this case, it is only necessary to input to the input unit 10 what the material of each component is.

製造条件データは、試作センサ製造時の各工程における温度条件、加圧条件等であり、各構成部品を接合する際の拘束荷重または拘束変位を示すデータ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示すデータの少なくとも1つを有する。   Manufacturing condition data are temperature conditions, pressurizing conditions, etc. in each process at the time of manufacturing the prototype sensor, data indicating the restraint load or restraint displacement when joining each component, the temperature before heating when heating during manufacture, At least one of data indicating a heating rate, a heating holding time, a cooling rate, and a temperature after cooling is included.

この製造条件データは、例えばエポキシ樹脂17を充填して加熱硬化させる工程の温度条件として、図9に示すように、加熱前温度を25℃、加熱速度を10℃/分、加熱温度を150℃、加熱保持時間を1時間、冷却速度を10℃/分、冷却後温度を25℃と入力する。また、この製造条件データは、加圧条件として、例えば図10に示すように、センサ拘束荷重を0kg、拘束変位を0mmと入力する。この製造条件データは、エポキシ樹脂17の替わりに加熱を必要としない常温硬化樹脂や接着剤を使用する場合、温度条件を未入力とし、加圧条件として、拘束荷重及び拘束変位(各構成部品間を接着させる際に加圧する力及び変位)を入力してもよい。   As shown in FIG. 9, the manufacturing condition data includes, for example, a temperature condition of a step of filling and curing the epoxy resin 17 as shown in FIG. The heating holding time is input for 1 hour, the cooling rate is 10 ° C./min, and the temperature after cooling is 25 ° C. In this manufacturing condition data, as a pressurizing condition, for example, as shown in FIG. 10, a sensor restraint load of 0 kg and a restraint displacement of 0 mm are input. This manufacturing condition data is obtained when the room temperature curing resin or adhesive that does not require heating is used in place of the epoxy resin 17, the temperature condition is not input, and the restraint load and restraint displacement (between each component) You may input the force and displacement which are pressurized when adhering.

制約条件データは、超音波センサを最適化設計する際に与える制約条件を示すデータである。即ち、試作センサを最適化する際に、超音波センサの各構成部品として適用可能な材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体及び各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、超音波センサを製造する際の製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも1つを有する。   The constraint data is data indicating constraint conditions given when the ultrasonic sensor is optimized. That is, when optimizing the prototype sensor, data indicating the constraints or tolerances of materials applicable as each component of the ultrasonic sensor, the constraints or tolerances of the shape, size, and position of the entire ultrasonic sensor and each component At least one of data indicating the degree, and data indicating a restriction or tolerance of manufacturing conditions when the ultrasonic sensor is manufactured.

この制約条件データは、試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置及び製造条件の変更可否、部品界面に部材(緩衝材料、補強材料等)挿入の可否及び挿入する部材の材料、寸法、形状、位置及び製造条件の制約または裕度を入力する。この制約条件データは、例えば図11に示すように、(1)音響整合層14及び圧電素子15の寸法、形状、位置は変更しない、(2)部品界面に部材を挿入しない、(3)各構成部品の材料及び製造条件は変更しないこと等を示すデータを入力する。   This constraint data includes the possibility of changing the material, dimensions, shape, position and manufacturing conditions of each component of the prototype sensor, the possibility of inserting a member (buffer material, reinforcing material, etc.) at the part interface, and the material and dimensions of the member to be inserted. Enter constraints, tolerances, shape, position and manufacturing conditions. As shown in FIG. 11, for example, (1) the dimensions, shape, and position of the acoustic matching layer 14 and the piezoelectric element 15 are not changed, (2) no member is inserted at the component interface, (3) Data indicating that the material and manufacturing conditions of the component parts are not changed is input.

要求値データは、超音波センサに要求される性能(要求値)を示すデータであり、対象部位に発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータまたは超音波センサに発生する応力による変形変位量の許容値を示すデータである。   The required value data is data indicating performance (required value) required for the ultrasonic sensor, and data indicating allowable maximum stress and allowable minimum stress generated in the target region or deformation displacement amount due to stress generated in the ultrasonic sensor. This is data indicating the permissible value.

この要求値データは、例えば図12に示すように、圧電素子15に発生する許容最大応力を0MPa、許容最小応力を−120MPaと入力する。要求値データの対象部位は、センサ全体、センサを構成する各構成部品、各構成部品の界面のいずれにしてもよい。   As the required value data, for example, as shown in FIG. 12, an allowable maximum stress generated in the piezoelectric element 15 is input as 0 MPa, and an allowable minimum stress is −120 MPa. The target part of the request value data may be any of the whole sensor, each component constituting the sensor, and the interface of each component.

記憶部11は、入力部10で入力されたセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データの各設計データと応力との関係を示すデータテーブル等の複数のデータテーブルが記憶されたデータベースである。この複数のデータテーブルは、例えば各構成部品の材料毎の特性(線膨張係数等)を示す材料データテーブル、各構成部品間の線膨脹係数差と応力との関係を示す線膨脹係数差データテーブル、圧電素子15と該圧電素子15に隣接する部品との界面に形成される緩衝材料の厚さと応力変動値との関係を示す緩衝材膜厚データテーブル等である。記憶部11は、最適化計算部12からの要求により、これらのデータテーブルを最適化計算部12に出力する。   The storage unit 11 is a database in which a plurality of data tables such as a data table indicating a relationship between design data and stress of sensor structure data, material property data, and manufacturing condition data input by the input unit 10 are stored. The plurality of data tables include, for example, a material data table indicating characteristics (linear expansion coefficient, etc.) for each material of each component, and a linear expansion coefficient difference data table indicating a relationship between a linear expansion coefficient difference and a stress between each component. And a buffer material film thickness data table showing the relationship between the thickness of the buffer material formed at the interface between the piezoelectric element 15 and a component adjacent to the piezoelectric element 15 and the stress fluctuation value. The storage unit 11 outputs these data tables to the optimization calculation unit 12 in response to a request from the optimization calculation unit 12.

図13は圧電素子15とケース19との線膨脹係数差と、圧電素子15及びケース19に発生する応力との関係を示した図である。図14は圧電素子15とケース19との線膨脹係数差と、圧電素子15とケース19との部品界面に発生する応力との関係を示した図である。図13及び図14に示すように一般に隣接する2つの部品間の線膨脹係数差が大きいと発生する応力も大きくなる。これらの関係は、試験、検査、観察、解析等によって得られたものであり、記憶部11に構築されたデータベースは、試験、検査、観察、解析等によって得られたデータが蓄積されたものである。   FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric element 15 and the case 19 and the stress generated in the piezoelectric element 15 and the case 19. FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric element 15 and the case 19 and the stress generated at the component interface between the piezoelectric element 15 and the case 19. As shown in FIGS. 13 and 14, generally, when the difference in linear expansion coefficient between two adjacent parts is large, the generated stress also increases. These relationships are obtained by testing, inspection, observation, analysis, etc., and the database constructed in the storage unit 11 is a storage of data obtained by testing, inspection, observation, analysis, etc. is there.

最適化計算部12は、入力部10でセンサ構造データ、材料特性データ、製造条件データ、制約条件データ、要求値データの各入力データが入力されると、入力された各入力データに関連したデータテーブルを記憶部11に構築されたデータベースから検索して、各入力データに関連した複数のデータテーブルを抽出する。最適化計算部12は、抽出された複数のデータテーブルに基づき、入力部10で入力された要求値データを満たすように試作センサのセンサ構造データ、材料特性データ、製造条件データを最適化する。   When the input data of sensor structure data, material property data, manufacturing condition data, constraint condition data, and required value data is input to the optimization calculation unit 12 by the input unit 10, data related to the input data input A table is searched from the database constructed in the storage unit 11, and a plurality of data tables related to each input data are extracted. The optimization calculation unit 12 optimizes the sensor structure data, material property data, and manufacturing condition data of the prototype sensor so as to satisfy the required value data input by the input unit 10 based on the extracted plurality of data tables.

また、最適化計算部12は、試作センサに含まれている構成部品を変更することなく要求値を満たすことができない場合は、試作センサに含まれていない部品を追加または試作センサに含まれている部品を削除して、試作センサを最適化する。例えば、図6に示す試作センサには緩衝材料が含まれていないが、該試作センサに含まれている構成部品を変更することなく要求値を満たすことができない場合は、緩衝材料を追加することにより要求値を満たすように最適化する。   In addition, the optimization calculation unit 12 adds a part not included in the prototype sensor or is included in the prototype sensor when the required value cannot be satisfied without changing the component included in the prototype sensor. Optimize the prototype sensor by deleting existing parts. For example, if the prototype sensor shown in FIG. 6 does not contain a buffer material, but the required value cannot be satisfied without changing the components included in the prototype sensor, a buffer material is added. To optimize to meet the required value.

出力部13は、最適化計算部12により最適化されたセンサ構造データ、材料特性データ及び製造条件データの各設計データと、最適化された超音波センサに発生する応力を示す応力データまたは該応力による変形変位を示す変形データとを出力する。この応力データ、変形データはそれぞれ応力分布、変形分布を示すデータを有するものとしてもよい。   The output unit 13 includes design data of sensor structure data, material property data, and manufacturing condition data optimized by the optimization calculation unit 12, stress data indicating stress generated in the optimized ultrasonic sensor, or the stress The deformation data indicating the deformation displacement due to is output. The stress data and deformation data may include data indicating the stress distribution and the deformation distribution, respectively.

次に、本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置を用いて超音波センサを最適化設計する方法を、図15に示すフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、一例として、図6に示した超音波センサを最適化設計する場合を説明する。   Next, a method for optimizing the ultrasonic sensor using the ultrasonic sensor optimal design apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. Here, as an example, the case of optimizing the ultrasonic sensor shown in FIG. 6 will be described.

まず、最適化前の超音波センサ(試作センサ)のセンサ構造データ、構成部品の材料特性データ及び製造条件データの各設計データを、入力部10により入力する(ステップS1)。最適化計算部12は、記憶部11に構築されたデータベースを検索して、各設計データに関連したデータテーブルを抽出し、抽出されたデータテーブルに基づいて試作センサに発生する応力を求める(ステップS2)。   First, the design data of the ultrasonic sensor (prototype sensor) before optimization, the material characteristic data of the component parts, and the design data of manufacturing condition data are input by the input unit 10 (step S1). The optimization calculation unit 12 searches the database constructed in the storage unit 11, extracts a data table related to each design data, and obtains stress generated in the prototype sensor based on the extracted data table (step) S2).

例えば、図16に示すように、圧電素子15の材料がA2であり、ケース19の材料がB1である旨が入力部10により入力された場合、最適化計算部12は、圧電素子15を構成する材料及びケース19を構成する材料の線膨張係数を示す材料データテーブル100a及び100bを記憶部11から抽出する。次に、最適化計算部12は、抽出された材料データテーブル100aから圧電素子15を構成する材料A2の線膨張係数K2を取得し、材料データテーブル100bからケース19を構成する材料B1の線膨張係数L1を取得する。次に、最適化計算部12は圧電素子15の線膨張係数K2とケース19の線膨張係数L1との差分(線膨脹係数差)を求める。次に、最適化計算部12は、線膨脹係数差と応力との関係を示す線膨張係数差データテーブル101を抽出して、求められた線膨脹係数差と線膨張係数差データテーブル101とに基づいて試作センサに発生する応力を求める。この場合、圧電素子15とケース19との線膨脹係数差はα2であるとすれば、最適化計算部12は、線膨脹係数差データテーブル101に基づいて、試作センサに発生する応力F2を求めることができる。   For example, as shown in FIG. 16, when the input unit 10 inputs that the material of the piezoelectric element 15 is A2 and the material of the case 19 is B1, the optimization calculation unit 12 configures the piezoelectric element 15. Material data tables 100 a and 100 b indicating the material to be used and the linear expansion coefficient of the material constituting the case 19 are extracted from the storage unit 11. Next, the optimization calculation unit 12 acquires the linear expansion coefficient K2 of the material A2 constituting the piezoelectric element 15 from the extracted material data table 100a, and linear expansion of the material B1 constituting the case 19 from the material data table 100b. The coefficient L1 is acquired. Next, the optimization calculation unit 12 obtains a difference (linear expansion coefficient difference) between the linear expansion coefficient K2 of the piezoelectric element 15 and the linear expansion coefficient L1 of the case 19. Next, the optimization calculation unit 12 extracts the linear expansion coefficient difference data table 101 indicating the relationship between the linear expansion coefficient difference and the stress, and obtains the obtained linear expansion coefficient difference and the linear expansion coefficient difference data table 101. Based on this, the stress generated in the prototype sensor is obtained. In this case, if the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric element 15 and the case 19 is α2, the optimization calculation unit 12 obtains the stress F2 generated in the prototype sensor based on the linear expansion coefficient difference data table 101. be able to.

次に、入力部10に要求値データを入力する(ステップS3)。最適化計算部12は、試作センサの応力が要求値を満たしているかどうかを判定し(ステップS4)、要求値を満たしている場合は、その旨を出力部13に出力する(ステップS10)。要求値を満たしていない場合は、入力部10により制約条件データを入力する(ステップS5)。   Next, the required value data is input to the input unit 10 (step S3). The optimization calculation unit 12 determines whether or not the stress of the prototype sensor satisfies the required value (step S4), and if it satisfies the required value, outputs that fact to the output unit 13 (step S10). If the required value is not satisfied, the constraint condition data is input by the input unit 10 (step S5).

次に、最適化計算部12は、制約条件データとして緩衝材料を挿入可とする旨が入力されたかどうかを判定する(ステップS6)。緩衝材料を挿入可とする旨が入力された場合、緩衝材料の最適化が行われる(ステップS7)。   Next, the optimization calculation unit 12 determines whether or not the fact that the buffer material can be inserted is input as the constraint condition data (step S6). When it is input that the buffer material can be inserted, the buffer material is optimized (step S7).

緩衝材料の最適化は、与えられた制約条件の範囲内で緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を変化させていき、応力が要求値を満たすような緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を求める。   The optimization of the buffer material changes the material, size, shape, position, etc. of the buffer material within the range of given constraints, and the buffer material, size, shape, Find position etc.

例えば、入力部10により、緩衝材料の制約条件として、材料をシリコン樹脂とし、形状を厚さが均一な薄膜状とし、挿入位置を圧電素子15とケース19との界面とする旨が入力された場合、即ち緩衝材料の寸法(厚さ)のみを変更可とする制約条件が入力された場合、最適化計算部12は、図16に示すように、緩衝材料の厚さと応力補正量との関係を示す緩衝材膜厚データテーブル102を抽出する。最適化計算部12は、緩衝材膜厚データテーブル102に基づいて、緩衝材料の厚さを変化させていき、このときの応力補正量を求める。また、最適化計算部12は、求められた応力補正量と試作センサの応力とに基づいて、緩衝材料を挿入後の応力を求める。最適化計算部12は求められた緩衝材料挿入後の応力と要求値とを比較して、緩衝材料挿入後の応力が要求値を満たす緩衝材厚さを探す。この場合、応力補正量がFx3のときに緩衝材料を挿入後の応力が要求値を満たすものとすると、最適化計算部12は、緩衝材膜厚データテーブル102に基づいて、緩衝材厚さの最適値D3を求めることができる。   For example, the input unit 10 inputs that the material is silicon resin, the shape is a thin film with a uniform thickness, and the insertion position is the interface between the piezoelectric element 15 and the case 19 as a constraint condition of the buffer material. In this case, that is, when the constraint condition that only the size (thickness) of the buffer material can be changed is input, the optimization calculation unit 12 has a relationship between the thickness of the buffer material and the stress correction amount as shown in FIG. Buffer material film thickness data table 102 is extracted. The optimization calculating unit 12 changes the thickness of the buffer material based on the buffer material film thickness data table 102, and obtains the stress correction amount at this time. Moreover, the optimization calculation part 12 calculates | requires the stress after inserting buffer material based on the calculated | required stress correction amount and the stress of a prototype sensor. The optimization calculation unit 12 compares the obtained stress after insertion of the buffer material with the required value, and searches for the buffer material thickness at which the stress after insertion of the buffer material satisfies the required value. In this case, if the stress after insertion of the buffer material satisfies the required value when the stress correction amount is Fx3, the optimization calculation unit 12 calculates the buffer material thickness based on the buffer material film thickness data table 102. The optimum value D3 can be obtained.

なお、緩衝材料の最適化は、与えられた制約条件の範囲内で緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を変化させても応力が要求値を満たすことができない場合、応力が要求値に最も近い値になったときの緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を最適値とする。   It should be noted that the optimization of the buffer material is that if the stress cannot satisfy the required value even if the material, dimensions, shape, position, etc. of the buffer material are changed within the range of the given constraints, the stress will be reduced to the required value. The material, size, shape, position, etc., of the cushioning material when the closest value is reached shall be the optimum value.

次に、最適化計算部12は、ステップS7で求められた最適値を有する緩衝材料を挿入後の応力が要求値を満たしているかどうかを判定する(ステップS8)。要求値を満たしている場合は、応力が要求値を満たす緩衝材の材料、寸法、形状、位置等を示すデータと、このときの応力を示すデータを出力部13に出力する(ステップS10)。要求値を満たしていない場合は、試作センサの各設計データを最適化する(ステップS9)。   Next, the optimization calculation part 12 determines whether the stress after inserting the buffer material which has the optimal value calculated | required by step S7 satisfy | fills the required value (step S8). If the required value is satisfied, data indicating the material, size, shape, position, etc. of the buffer material whose stress satisfies the required value, and data indicating the stress at this time are output to the output unit 13 (step S10). If the required value is not satisfied, each design data of the prototype sensor is optimized (step S9).

各設計データの最適化は、与えられた制約条件の範囲内で試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を変化させていき、応力が要求値を満たすような各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を求める。   Each design data is optimized by changing the material, dimensions, shape, position, and manufacturing conditions of each component of the prototype sensor within the range of the given constraint conditions, so that the stress meets the required values. Find the material, dimensions, shape, position, and manufacturing conditions of the part.

例えば、入力部10により、各設計データの制約条件として、圧電素子15及びケース19の材料のみを変更可とする制約条件が入力された場合、最適化計算部12は、図17に示す材料データテーブル100a及び100bに基づいて、圧電素子15の材料をA1、A2、・・・と変化させていき、ケース19の材料をB1、B2、・・・と変化させていき、圧電素子15とケース19との線膨脹係数差を求める。最適化計算部12は、求められた線膨脹係数差と線膨張係数差データテーブル101とに基づいて応力を求める。最適化計算部12は求められた応力と要求値とを比較して、応力が要求値を満たす圧電素子15及びケース19の材料を探す。この場合、応力F3が要求値を満たすものとし、このときの線膨脹係数差α3は圧電素子15の材料をA1、ケース19の材料をB2としたときに得られるものとすれば、最適化計算部12は、圧電素子15の材料をA1、ケース19の材料をB2に最適化する。   For example, when the input unit 10 inputs a constraint condition that only the material of the piezoelectric element 15 and the case 19 can be changed as a constraint condition of each design data, the optimization calculation unit 12 displays the material data shown in FIG. Based on the tables 100a and 100b, the material of the piezoelectric element 15 is changed to A1, A2,..., And the material of the case 19 is changed to B1, B2,. 19 is obtained. The optimization calculation unit 12 obtains the stress based on the obtained linear expansion coefficient difference and the linear expansion coefficient difference data table 101. The optimization calculation unit 12 compares the obtained stress with the required value and searches for the material of the piezoelectric element 15 and the case 19 where the stress satisfies the required value. In this case, if the stress F3 satisfies the required value, and the linear expansion coefficient difference α3 at this time is obtained when the material of the piezoelectric element 15 is A1 and the material of the case 19 is B2, the optimization calculation is performed. The unit 12 optimizes the material of the piezoelectric element 15 to A1 and the material of the case 19 to B2.

なお、各設定データの最適化は、与えられた制約条件の範囲内で試作センサの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を変化させても応力が要求値を満たすことができない場合、応力が要求値に最も近い値になったときの各構成部品の材料、寸法、形状、位置、製造条件を最適値とする。   Note that the optimization of each setting data does not satisfy the required value even if the material, dimensions, shape, position, and manufacturing conditions of each component of the prototype sensor are changed within the range of the given constraints. In this case, the material, size, shape, position, and manufacturing condition of each component when the stress is the closest to the required value are set as the optimum values.

ステップS5で入力部10により制約条件データとして緩衝材料を挿入不可とする旨が入力された場合は、ステップS6で緩衝材料挿入不可と判断してステップS9に進み、各設計データの最適化のみが行われる。   If the input unit 10 inputs that the buffer material cannot be inserted as constraint data in step S5, it is determined in step S6 that the buffer material cannot be inserted, and the process proceeds to step S9, where only the design data is optimized. Done.

図18はステップS5で制約条件データとして、緩衝材料を挿入可とする旨が入力され且つ緩衝材料はシリコン樹脂を用い、緩衝材料の形状は薄膜状、緩衝材料の挿入位置は圧電素子15とケース19との界面とする旨が入力された場合の最適化後の超音波センサを示す断面図である。この場合、ステップS7で上記したように緩衝材料の最適化が行われ、最適化計算部12は緩衝材料の厚さの最適値を50μm以上とすることで要求値を満たすことができると求めたため、図18に示すように、最適化後の超音波センサは圧電素子15とケース19との界面に厚さ50μmの緩衝材料20が挿入された構造になっている。   In FIG. 18, in step S5, the fact that the buffer material can be inserted is input as the constraint condition data, and the buffer material is made of silicon resin. The buffer material is thin, and the buffer material is inserted at the piezoelectric element 15 and the case. 19 is a cross-sectional view showing an ultrasonic sensor after optimization in a case where it is input that an interface with 19 is used. FIG. In this case, the buffer material is optimized as described above in step S7, and the optimization calculation unit 12 determines that the required value can be satisfied by setting the optimum value of the thickness of the buffer material to 50 μm or more. As shown in FIG. 18, the optimized ultrasonic sensor has a structure in which a buffer material 20 having a thickness of 50 μm is inserted at the interface between the piezoelectric element 15 and the case 19.

このように、本発明の実施例2に係る最適設計装置は、入力部10に最適化前の超音波センサのセンサ構造データ、各構成部品の材料特性データ、製造条件データの各設計データと、制約条件データと、要求値データとを入力し、最適化計算部12は各設計データと記憶部11に構築されたデータベースとに基づいて応力を求め、該応力が要求値データを満たしていない場合は、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つデータベースに基づいて、各設計データを変更して、該応力が要求値データを満たすように設計データを最適化する。   As described above, the optimum design apparatus according to the second embodiment of the present invention includes, in the input unit 10, the design data of the ultrasonic sensor before optimization, the material characteristic data of each component, the design data of manufacturing conditions data, When the constraint condition data and the required value data are input, the optimization calculation unit 12 obtains stress based on each design data and the database constructed in the storage unit 11, and the stress does not satisfy the required value data Changes the design data within the range of the constraint condition given by the constraint condition data and based on the database, and optimizes the design data so that the stress satisfies the required value data.

また、最適化計算部12は、圧電素子15と該圧電素子15に隣接する部品の界面に緩衝材料を挿入可とする制約条件データが入力部10により入力された場合、制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つデータベースに基づいて、緩衝材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が要求値データを満たすように緩衝材料を最適化する。出力部13は最適化された結果を出力するので、センサ構造や構成部品の材料が限定されずに、製造時に各構成部品及び部品界面に発生する応力が緩和された超音波センサの最適化設計を容易に行うことができる。   Further, the optimization calculation unit 12 is given by the constraint condition data when the constraint condition data allowing the buffer material to be inserted into the interface between the piezoelectric element 15 and the part adjacent to the piezoelectric element 15 is input by the input unit 10. Within the constraints and based on the database, the material, shape, dimensions, and position of the buffer material are changed to optimize the buffer material so that the stress satisfies the required value data. Since the output unit 13 outputs the optimized result, the optimization structure of the ultrasonic sensor in which stress generated at each component part and component interface is relaxed at the time of manufacture is not limited to the material of the sensor structure and the component part. Can be easily performed.

なお、本発明の最適設計装置は、超音波センサ以外のセンサの最適設計装置として使用してもよい。   In addition, you may use the optimal design apparatus of this invention as an optimal design apparatus of sensors other than an ultrasonic sensor.

また、実施例2に係る最適設計装置を用いて、実施例1に係る超音波センサの設計ができるのは勿論である。   Of course, the ultrasonic sensor according to the first embodiment can be designed using the optimum design apparatus according to the second embodiment.

本発明は、流量計用、欠陥検出用、距離測定用等の種々の超音波センサ及びその製造方法ならびにその最適設計装置として利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as various ultrasonic sensors for flowmeters, defect detection, distance measurement, and the like, a manufacturing method thereof, and an optimum design apparatus thereof.

本発明の実施例1に係る超音波センサの断面図である。It is sectional drawing of the ultrasonic sensor which concerns on Example 1 of this invention. 緩衝材料の厚さと圧電素子またはケースに発生する応力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of buffer material, and the stress which generate | occur | produces in a piezoelectric element or a case. 補強材料の厚さとセンサ変形の変位との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of a reinforcing material, and the displacement of a sensor deformation. 本発明の実施例1に係る超音波センサの製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the ultrasonic sensor which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置の機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure of the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置による最適化を行う前のセンサ構造を示す図である。It is a figure which shows the sensor structure before performing optimization by the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に最適化前のセンサ構造データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting the sensor structure data before optimization to the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に構成部品の材料特性データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting the material characteristic data of a component into the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に製造条件データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting manufacturing condition data into the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に製造条件データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting manufacturing condition data into the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に制約条件データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting constraint data into the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置に要求値データを入力する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of inputting required value data into the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention. 線膨脹係数差と、圧電素子またはケースに発生する応力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the linear expansion coefficient difference and the stress which generate | occur | produces in a piezoelectric element or a case. 線膨張係数差と部品界面の応力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a linear expansion coefficient difference and the stress of a component interface. 本発明の実施例2に係る最適設計装置を用いて超音波センサを最適化設計する方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the method of optimizing and designing an ultrasonic sensor using the optimal design apparatus based on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る最適設計装置を用いて緩衝材料を最適化する方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the method of optimizing a buffer material using the optimal design apparatus which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る最適設計装置を用いて圧電素子及びケースの材料を最適化する方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the method of optimizing the material of a piezoelectric element and a case using the optimal design apparatus based on Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に係る超音波センサの最適設計装置により最適化されたセンサ構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the sensor structure optimized by the optimal design apparatus of the ultrasonic sensor which concerns on Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、14 音響整合層
2、15 圧電素子
3、16 シリコン樹脂
4、17 エポキシ樹脂
5、19 ケース
6 接着剤
7 緩衝材料
8 補強材料
9 超音波送受信方向
10 入力部
11 記憶部
12 最適化計算部
13 出力部
18 基板
20 緩衝材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 14 Acoustic matching layer 2, 15 Piezoelectric element 3, 16 Silicon resin 4, 17 Epoxy resin 5, 19 Case 6 Adhesive 7 Buffer material 8 Reinforcement material 9 Ultrasonic transmission / reception direction 10 Input part 11 Storage part 12 Optimization calculation part 13 Output unit 18 Substrate 20 Buffer material

Claims (19)

圧電素子と、
この圧電素子に接合させて形成された音響整合層と、
前記圧電素子の少なくとも一部を覆い、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材と、
前記圧電素子を封止するための封止部材と、
前記封止部材の少なくとも一部と接し、前記圧電素子を補強するための補強部材と、
前記補強部材を覆うケースと、
を備えることを特徴とする超音波センサ。
A piezoelectric element;
An acoustic matching layer formed by bonding to the piezoelectric element;
A buffer member for covering at least a part of the piezoelectric element and relieving stress generated by a difference in thermal expansion between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element;
A sealing member for sealing the piezoelectric element;
A reinforcing member that is in contact with at least a portion of the sealing member and reinforces the piezoelectric element;
A case covering the reinforcing member;
An ultrasonic sensor comprising:
前記緩衝部材は、前記音響整合層または前記圧電素子または前記補強部材よりも軟質な高分子材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the buffer member is made of a polymer material that is softer than the acoustic matching layer, the piezoelectric element, or the reinforcing member. 前記緩衝部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする請求項2記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 2, wherein the buffer member is made of silicon resin. 前記緩衝部材は、10〜100μmの厚さを有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の超音波センサ。   4. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the buffer member has a thickness of 10 to 100 μm. 前記緩衝部材は、0.001〜0.01GPaの縦弾性係数を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the buffer member has a longitudinal elastic modulus of 0.001 to 0.01 GPa. 前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な高分子材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member is made of a polymer material harder than the sealing member or the case. 前記補強部材は、前記封止部材または前記ケースよりも硬質な金属材料からなることを特徴とする請求項1記載の超音波センサ。   The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member is made of a metal material harder than the sealing member or the case. 圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和させるための緩衝部材を、前記圧電素子の少なくとも一部を覆うように形成する工程と、
前記圧電素子を補強するための補強部材に前記圧電素子を取り付ける工程と、
前記圧電素子と接合させて音響整合層を形成する工程と、
前記圧電素子を封止するための封止部材を前記補強材料の少なくとも一部と接するように形成する工程と、
前記補強部材を覆うようにケースを取り付ける工程と、
を有することを特徴とする超音波センサの製造方法。
Forming a buffer member for relieving stress generated by a difference in thermal expansion between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element so as to cover at least a part of the piezoelectric element;
Attaching the piezoelectric element to a reinforcing member for reinforcing the piezoelectric element;
Bonding with the piezoelectric element to form an acoustic matching layer;
Forming a sealing member for sealing the piezoelectric element so as to be in contact with at least a part of the reinforcing material;
Attaching a case so as to cover the reinforcing member;
A method for producing an ultrasonic sensor, comprising:
圧電素子及び音響整合層を備える超音波センサを、前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との熱膨張差により発生する応力を緩和するように最適化設計する最適設計装置であって、
前記超音波センサのセンサ構造データ、前記超音波センサを構成する各構成部品の材料特性データ及び製造条件データ、前記超音波センサを最適化する際の制約条件を示す制約条件データ及び超音波センサに要求される応力の許容範囲を示す要求値データを入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記応力との関係を示す第1関係データを記憶する記憶手段と、
前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第1関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第1関係データに基づいて、前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データを最適化する最適化手段と、
前記最適化手段により最適化された結果を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする最適設計装置。
An optimum design apparatus for optimizing an ultrasonic sensor including a piezoelectric element and an acoustic matching layer so as to relieve stress generated by a difference in thermal expansion between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element,
Sensor structure data of the ultrasonic sensor, material property data and manufacturing condition data of each component constituting the ultrasonic sensor, constraint data indicating a constraint condition when the ultrasonic sensor is optimized, and the ultrasonic sensor An input means for inputting required value data indicating an allowable range of required stress;
Storage means for storing first relationship data indicating a relationship between the sensor structure data, the material property data, the manufacturing condition data, and the stress inputted by the input means;
The stress is obtained based on the sensor structure data, the material property data and the manufacturing condition data inputted by the input means, and the first relation data stored in the storage means, and the stress is the required value data. Is not satisfied, the sensor structure data, the material property data, and the manufacturing condition data are changed within the range of the constraint condition given by the constraint condition data and based on the first relation data, An optimization means for optimizing the sensor structure data, the material property data, and the manufacturing condition data so that a stress satisfies the required value data;
Output means for outputting the result optimized by the optimization means;
An optimal design apparatus characterized by comprising:
前記記憶手段は、
前記第1関係データを記憶するとともに前記応力を緩和するために前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入される緩衝部材の材料、形状、寸法、位置と前記応力との関係を示す第2関係データを記憶し、
前記最適化手段は、
前記入力手段により入力された前記センサ構造データ、前記材料特性データ及び前記製造条件データと前記記憶手段に記憶された前記第1関係データとに基づいて前記応力を求め、該応力が前記要求値データを満たしていない場合で且つ前記制約条件データとして、前記緩衝部材を前記圧電素子と該圧電素子に隣接する部材との界面に挿入可とする旨のデータが前記入力手段により入力された場合は、前記制約条件データにより与えられる制約条件の範囲内で且つ前記第2関係データに基づいて、前記緩衝部材の材料、形状、寸法、位置を変更して、該応力が前記要求値データを満たすように前記緩衝部材を最適化することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。
The storage means
Relationship between the stress, the material, shape, dimensions, and position of the buffer member inserted in the interface between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element in order to store the first relation data and relieve the stress Storing second relational data indicating
The optimization means includes
The stress is obtained based on the sensor structure data, the material property data and the manufacturing condition data inputted by the input means, and the first relation data stored in the storage means, and the stress is the required value data. And when the data indicating that the buffer member can be inserted into the interface between the piezoelectric element and a member adjacent to the piezoelectric element is input by the input unit as the constraint condition data, The material, shape, size, and position of the buffer member are changed within the range of the constraint condition given by the constraint condition data and based on the second relation data so that the stress satisfies the required value data. The optimal design apparatus according to claim 9, wherein the buffer member is optimized.
前記超音波センサのセンサ構造データは、前記各構成部品の形状、寸法及び位置を示すデータを有することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   The optimal design apparatus according to claim 9, wherein the sensor structure data of the ultrasonic sensor includes data indicating a shape, a dimension, and a position of each component. 前記各構成部品の材料特性データは、化学成分、質量密度、硬さ、溶剤耐性、可とう性、流動性を示す材質データ、縦弾性係数、ポアソン比、引張強さ、靭性を示す機械的特性データ、線膨張係数、熱伝導率、熱伝達率、比熱、キュリー温度、ガラス転移温度、熱分解温度を示す熱的特性データ、導電率、静電容量を示す電気的特性データ、比誘電率、圧電ひずみ定数、圧電応力定数、電気機械結合定数、音響インピーダンスを示す圧電特性データ、構成部品が予め加工されている場合に該加工時の残留応力及び残留ひずみデータを有することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   The material property data of each of the above components includes chemical data, chemical properties, mass density, hardness, solvent resistance, flexibility, material data indicating fluidity, longitudinal elastic modulus, Poisson's ratio, tensile strength, and toughness. Data, linear expansion coefficient, thermal conductivity, heat transfer coefficient, specific heat, Curie temperature, glass transition temperature, thermal characteristic data indicating thermal decomposition temperature, electrical characteristics data indicating conductivity, capacitance, relative dielectric constant, A piezoelectric strain constant, a piezoelectric stress constant, an electromechanical coupling constant, piezoelectric characteristic data indicating acoustic impedance, and residual stress and residual strain data at the time of processing when a component is processed in advance. 9. Optimal design apparatus according to 9. 前記製造条件データは、前記各構成部品を接合する際の拘束荷重、拘束変位を示す加圧条件データ、製造時に加熱する際の加熱前温度、加熱速度、加熱温度、加熱保持時間、冷却速度、冷却後温度を示す温度条件データの少なくとも1つを有することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   The manufacturing condition data includes a restraint load when joining each component, a pressurization condition data indicating restraint displacement, a pre-heating temperature, a heating rate, a heating temperature, a heating holding time, a cooling rate when heating during manufacturing, 10. The optimum design apparatus according to claim 9, further comprising at least one of temperature condition data indicating a temperature after cooling. 前記制約条件データは、前記各構成部品の適用材料の制約または裕度を示すデータ、超音波センサ全体、前記各構成部品の形状・寸法・位置の制約または裕度を示すデータ、製造条件の制約または裕度を示すデータの少なくとも1つを有することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   The constraint condition data includes data indicating the constraint or tolerance of the applied material of each component, the entire ultrasonic sensor, data indicating the shape, size, position, or tolerance of each component, and manufacturing condition constraint. The optimal design apparatus according to claim 9, further comprising at least one of data indicating tolerance. 前記要求値データは、前記超音波センサ全体、前記各構成部品、前記各構成部品の界面の少なくとも1つに発生する許容最大応力及び許容最小応力を示すデータを有することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   The required value data includes data indicating an allowable maximum stress and an allowable minimum stress generated in at least one of the entire ultrasonic sensor, each component, and an interface of each component. The optimum design device described. 前記記憶手段に記憶された関係データは、試験、検査、観察、解析の少なくとも1つによって得られたものであることを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   10. The optimum design apparatus according to claim 9, wherein the relation data stored in the storage means is obtained by at least one of testing, inspection, observation, and analysis. 前記最適化手段は、前記超音波センサに含まれている構成部品を変更することなく前記制約条件データまたは前記要求値データを満たすことができない場合は、前記超音波センサに含まれていない部品を追加または前記超音波センサに含まれている部品を削除することを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   When the optimization means cannot satisfy the constraint condition data or the required value data without changing the component parts included in the ultrasonic sensor, the optimization means selects a part not included in the ultrasonic sensor. The optimal design apparatus according to claim 9, wherein parts added or deleted from the ultrasonic sensor are deleted. 前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサのセンサ構造データ、前記各構成部品の材料特性データ、前記製造条件データの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9記載の最適設計装置。   10. The optimized result output from the output means includes at least one of sensor structure data of the ultrasonic sensor, material property data of each component, and manufacturing condition data. The optimum design device described. 前記出力手段から出力される最適化された結果は、前記超音波センサの応力分布、ひずみ分布または変形分布の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9記載の最適設計
装置。
The optimized design apparatus according to claim 9, wherein the optimized result output from the output unit includes at least one of a stress distribution, a strain distribution, and a deformation distribution of the ultrasonic sensor.
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