JP2012114540A - Ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の有無や大きさあるいは物体までの距離を検出するのに用いられる超音波センサに関し、より詳細には、圧電素子を用いた超音波センサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic sensor used to detect the presence / absence and size of an object or a distance to the object, and more particularly to an ultrasonic sensor using a piezoelectric element.
物体の有無や大きさあるいは物体までの距離を検出するためのセンサは、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子と、この圧電素子を収納するケースと、を備えている。特に、樹脂ケースに対して圧電素子が直接的に保持された超音波センサは例えば特許文献1に開示されている。
ここで、特許文献1に挙げられている超音波センサの構造を図1に示す。
A sensor for detecting the presence / absence and size of an object or a distance to the object includes a piezoelectric element that vibrates ultrasonically when a driving voltage is applied, and a case that houses the piezoelectric element. In particular, an ultrasonic sensor in which a piezoelectric element is directly held with respect to a resin case is disclosed in Patent Document 1, for example.
Here, the structure of the ultrasonic sensor described in Patent Document 1 is shown in FIG.
図1に示される超音波センサは、圧電素子1の正面および側面には接地電極2が形成され、背面には信号用電極3が形成されている。信号用電極3の右端部には信号端子4が接続され、接地電極2の左下端部には接地端子5が接続されている。信号用電極3の背面側には、圧電素子1を機械的に保持し、かつ不要な超音波信号を減衰させる機能を有する背面負荷材6が設けられている。信号用電極3と背面負荷材6との間には熱伝導材7が設けられている。そして、背面負荷材6の周辺には、熱伝導材7の熱を放熱するための放熱材9が設けられている。圧電素子1の正面には音響整合層8が設けられている。
In the ultrasonic sensor shown in FIG. 1, a ground electrode 2 is formed on the front and side surfaces of the piezoelectric element 1, and a signal electrode 3 is formed on the back surface. A signal terminal 4 is connected to the right end of the signal electrode 3, and a
図1に示される構造の超音波センサにおいては、樹脂ケースの一部である熱伝導材7に対して圧電素子が直接的に保持された構造であるため、圧電素子が樹脂ケースにより拘束される。そのため、圧電素子の振動が抑制されて超音波センサの感度を高め難いという課題がある。
In the ultrasonic sensor having the structure shown in FIG. 1, the piezoelectric element is directly held by the
また、図1に示される超音波センサにおいては、圧電素子が端子に直接接続されるので、圧電素子はこの端子による拘束力をも受けるという課題がある。 Further, in the ultrasonic sensor shown in FIG. 1, since the piezoelectric element is directly connected to the terminal, there is a problem that the piezoelectric element also receives a binding force by the terminal.
そこで、本発明は圧電素子が樹脂ケースに直接的または間接的に保持された構造による課題を解決した超音波センサを提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor that solves the problem caused by a structure in which a piezoelectric element is directly or indirectly held by a resin case.
本発明の超音波センサは、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子と、この圧電素子を収納する樹脂ケースと、を備えた超音波センサにおいて、
前記樹脂ケースは底部を有し、天部が開口された成型体であり、
前記圧電素子は、前記樹脂ケースの開口方向に超音波を放射するように前記樹脂ケースの底部に直接的または間接的に保持されていて、
前記樹脂ケースの底部内に樹脂除去形状部(貫通孔または閉塞穴)が形成されたことを特徴とする。
The ultrasonic sensor of the present invention is an ultrasonic sensor comprising a piezoelectric element that vibrates ultrasonically by application of a drive voltage, and a resin case that houses the piezoelectric element.
The resin case has a bottom and is a molded body with an open top,
The piezoelectric element is directly or indirectly held at the bottom of the resin case so as to emit ultrasonic waves in the opening direction of the resin case,
A resin removal shape portion (through hole or blocking hole) is formed in the bottom portion of the resin case.
例えば前記樹脂ケースには、その底部から外部へ突出する端子が一体成型されていて、前記樹脂除去形状部は、樹脂ケースに端子をインサートモールド成型する際の端子保持用の貫通孔または閉塞穴である。 For example, the resin case is integrally molded with a terminal protruding from the bottom to the outside, and the resin removal shape portion is a through-hole or a blocking hole for holding a terminal when the terminal is insert-molded into the resin case. is there.
また、例えば前記樹脂除去形状部は貫通孔であり、圧電素子の超音波放射面とは反対側の面と樹脂ケースの底部との間に空間が形成され、この空間と前記貫通孔とを連通する縦穴が樹脂ケースの底部内に形成されたものとする。 In addition, for example, the resin removal shape portion is a through hole, and a space is formed between the surface opposite to the ultrasonic radiation surface of the piezoelectric element and the bottom portion of the resin case, and the space and the through hole communicate with each other. A vertical hole is formed in the bottom of the resin case.
本発明によれば、圧電素子が直接的または間接的に樹脂ケースに保持された構造でありながら、圧電素子の振動が樹脂ケースで強く拘束されない。そのため、単純な構造で低コスト化できるとともに高感度な超音波センサが得られる。 According to the present invention, although the piezoelectric element is directly or indirectly held by the resin case, the vibration of the piezoelectric element is not strongly restrained by the resin case. Therefore, it is possible to reduce the cost with a simple structure and to obtain a highly sensitive ultrasonic sensor.
《第1の実施形態》
第1の実施形態を図2〜6を参照して説明する。
図2(A)は第1の実施形態に係る超音波センサ101の正面図である。図2(B),図2(C)はその内部構造を示す図であり、図2(B)は正面断面図、図2(C)は左側断面図である。この超音波センサ101は、駆動電圧の印加により超音波振動する圧電素子30と、この圧電素子30を間接的に保持する樹脂ケース11と、を備えている。樹脂ケース11は底部BPを有し、天部APが開口された成型体である。この樹脂ケース11に二つの端子12,13が一体成型されている。端子12,13は樹脂ケース11の底部BPから外部へ突出している。圧電素子30は樹脂ケース11の開口内で端子12,13の内部側の先端に取り付けられている。端子12,13は金属平板の成型体であり、曲げが加わっている。ここでいう曲げとは平面構造を折り曲げた構造のことをいう。なお、金属平板を折り曲げることで端子12,13を伝わる振動の伝播方向を異ならせているが、折り曲げることに限らず、ひねり等を形成することにより振動の伝播方向を異ならせてもよい。
<< First Embodiment >>
A first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2A is a front view of the
樹脂ケース11には、端子12,13の一部をインサートモールド成型時に端子12,13を保持するための樹脂除去形状部Hが生じている。図2(C)に表れているように、樹脂除去形状部Hは、樹脂ケース11の外面の対向する二箇所からそれぞれ端子12にまで達している。端子13側についても同様である。したがって、樹脂除去形状部Hは、樹脂ケース11内部の端子12,13に達する四つの閉塞穴である。端子12,13で完全に閉塞されない場合には、樹脂除去形状部Hは二つの貫通孔ということになる。
The
圧電素子30の超音波放射面側には例えばガラスバルーン等を含有した樹脂からなる音響整合層17が配置され、圧電素子30の超音波放射面とは反対側に下部空間18が形成されている。また、圧電素子30の周囲に周囲空間19が形成されている。端子12,13の先端(圧電素子取り付け部)は周囲空間19に露出している。
この超音波センサ101は、駆動電圧の印加により圧電素子30が振動し、圧電素子30の上面、すなわち音響整合層17が配置されている面が超音波の送信もしくは受信面となる。圧電素子30は円板状の圧電基板31の表裏面に電極32,33が形成されている。圧電素子30は、樹脂ケース11の天部APの開口の内底面から突出する支持部20に載置され、圧電素子30の電極32,33が端子12,13の先端に電気的に接続されている。したがって、圧電素子30は、端子12,13の先端部を介して樹脂ケース11に対して間接的に保持され、樹脂ケース11の支持部20に直接的に保持されている。
An acoustic matching
In the
圧電素子30の超音波放射面とは反対側には下部空間18が形成されている。圧電素子30の周囲には周囲空間19が形成され、端子12,13の圧電素子取り付け部は周囲空間19に露出している。この構造により、圧電素子30の振動は阻害されない。また、端子12,13の先端(圧電素子取り付け部)の周囲に空間19が設けられていることにより、すなわち空洞であるので、樹脂ケース11と端子12,13の線膨張係数の違いによって圧電素子30に掛かる熱応力は緩和される。
A
図3は、金属板の打ち抜きおよび曲げ加工などにより製造された端子12の正面図および左側面図である。端子12は金属平板の成型体であり、柱部12a、係合部12b、中継部12c、梁部12d、束部12eを備えている。図中の破線は折り曲げライン(谷折り)であり、これらの折り曲げラインで所定R(ラウンド)をもって直角に屈曲される。
もう一方の端子13は前記端子12の左右対称形である。
FIG. 3 is a front view and a left side view of the terminal 12 manufactured by punching and bending a metal plate. The terminal 12 is a molded metal plate, and includes a
The
図4(A)は圧電素子30の斜視図、図4(B)は圧電素子30を端子に取り付けた状態での断面図である。圧電素子30は円板状の圧電基板31の表裏面に電極32,33が形成されている。また端縁の二箇所に半円筒状の切欠部が形成され、その切欠部の端子電極32t,33tが形成されている。
4A is a perspective view of the
図4(B)に表れているように、端子12,13の内部の先端部である束部12e,13eの先端に前記端子電極32t,33tがはんだSOによって電気的・機械的に接合される。
As shown in FIG. 4B, the
図5は超音波センサ101の製造工程を示す図である。端子12,13は実際にはフープで連結されているが、図5ではフープの図示を省略している。
図5(A)は端子12,13の端部に樹脂ケース11をインサートモールド成型(フープインサートモールド成型)した後の状態を示している。樹脂ケース11には、端子12,13の一部をインサートモールド成型時に保持したことにより樹脂除去形状部Hが生じる。
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the
FIG. 5A shows a state after the
樹脂ケースの材料としては液晶ポリマー(LCP)等の熱可塑性樹脂等を用いる。液晶ポリマー(LCP)は振動吸収性が高いので高い振動減衰効果が得られる。耐熱性の点ではLCPに一般に劣るが、ポリブチレンテレフタレート(PBT)を用いても良好な振動減衰効果が得られる。端子12、13の材料としては、銅、リン青銅等を用いることができる。
As the material of the resin case, a thermoplastic resin such as a liquid crystal polymer (LCP) is used. Since the liquid crystal polymer (LCP) has high vibration absorption, a high vibration damping effect can be obtained. Although generally inferior to LCP in terms of heat resistance, a good vibration damping effect can be obtained even when polybutylene terephthalate (PBT) is used. As a material for the
次の工程では、図5(B)に示すように、端子12,13の端部である束部12e,13eの先端に圧電素子30をはんだ付けする。具体的には、樹脂ケース11の天部の開口APから圧電素子30を挿入し、樹脂ケース11の開口APの内底面から突出する支持部20に載置する。この状態で束部12e,13eの先端に圧電素子30をはんだ付けする。
In the next step, as shown in FIG. 5B, the
その後、図5(C)に示すように、圧電素子30の上部の樹脂ケース11の天部APの開口内に音響整合層17を形成する。具体的には、音響整合層として作用する樹脂材料を充填する。
Thereafter, as shown in FIG. 5C, the
図6は前記樹脂除去形状部Hの有無による総合感度特性の違いを示す図である。横軸は周波数、縦軸は総合感度である。ここでいう総合感度とは一つの超音波センサが超音波を送信し、反射超音波を受信する際の入力感度/出力感度である。 FIG. 6 is a diagram showing the difference in the overall sensitivity characteristics depending on the presence or absence of the resin removal shape portion H. FIG. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is total sensitivity. The total sensitivity here is input sensitivity / output sensitivity when one ultrasonic sensor transmits ultrasonic waves and receives reflected ultrasonic waves.
測定に用いた反射ターゲットは直径85mmの金属板であり、超音波センサを反射ターゲットから距離10cmの位置に置いた。また、樹脂ケース11の直径9mm、圧電素子の直径8mmであり、樹脂除去形成部Hは断面1.3×1.3mmの空洞を形成した。
The reflective target used for the measurement was a metal plate having a diameter of 85 mm, and an ultrasonic sensor was placed at a distance of 10 cm from the reflective target. The
図6中の曲線Aは第1の実施形態の超音波センサ101の特性、曲線Bは超音波センサ101の樹脂除去形状部Hを樹脂で充填したものの特性である。このように、樹脂除去形状部Hを有する方が高い総合感度が得られる。また、ピーク感度周波数が高くなることがわかる。ピーク感度周波数が高くなるのは、圧電素子の振動を拘束する質量が小さくなったこと、すなわち圧電素子に対する拘束力が小さくなったことに起因しているものと推測される。したがって、樹脂除去形状部Hによって圧電素子に対する拘束力が緩和されて総合感度が向上したと見なせる。
A curve A in FIG. 6 is a characteristic of the
なお、第1の実施形態の樹脂除去形状部の形状は、断面矩形形状であるが、例えば断面円形状、断面楕円形状等、他の断面形状で構成されていてもよい。樹脂除去形状部Hは必ずしも端子12、13を保持するためのものである必要はなく、端子12,13が形成されていない領域に樹脂除去形状部Hが形成されていてもよい。特に、下部空間18及び周囲空間19の近辺に樹脂除去形状部Hを形成すると、素子に対する拘束力がより緩和されやすくなり、総合感度が向上する。
In addition, although the shape of the resin removal shape part of 1st Embodiment is a cross-sectional rectangular shape, you may be comprised by other cross-sectional shapes, such as cross-sectional circular shape and cross-sectional elliptical shape, for example. The resin removal shape portion H is not necessarily required to hold the
《第2の実施形態》
図7は第2の実施形態に係る超音波センサ102の内部構造を示す図である。
圧電素子30の超音波放射面とは反対側の下部空間18と樹脂除去形状部Hとの間に縦穴Vが設けられている。この縦穴はインサートモールド成型時に形成される。縦穴Vは下部空間18と樹脂除去形状部Hとを連通させている。したがって、音響整合層17の充填時に、樹脂ケース11の天部の開口の空気が抜け、音響整合層17内にボイドが生じることがなく、所期の特性を有する音響整合層として作用する。
<< Second Embodiment >>
FIG. 7 is a diagram showing an internal structure of the
A vertical hole V is provided between the
縦穴V以外の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。この縦穴Vも樹脂ケース11の剛性を低減するように作用するので、圧電素子30の拘束力が緩和され、より高感度な超音波センサが得られる。
The configuration other than the vertical hole V is the same as that shown in the first embodiment. Since the vertical hole V also acts to reduce the rigidity of the
以上に示したとおり、本発明の超音波センサは、圧電素子が直接的または間接的に樹脂ケースに保持された構造でありながら、圧電素子の振動が樹脂ケースで強く拘束されない。そのため、単純な構造で低コスト化できるとともに高感度な超音波センサが得られる。 As described above, the ultrasonic sensor of the present invention has a structure in which the piezoelectric element is directly or indirectly held by the resin case, but the vibration of the piezoelectric element is not strongly restrained by the resin case. Therefore, it is possible to reduce the cost with a simple structure and to obtain a highly sensitive ultrasonic sensor.
AP…天部
BP…底部
H…樹脂除去形状部
V…縦穴
11…樹脂ケース
12,13…端子
12a…柱部
12b…係合部
12c…中継部
12d…梁部
12e,13e…束部
17…音響整合層
18…下部空間
19…周囲空間
20…支持部
30…圧電素子
31…圧電基板
32,33…電極
101,102…超音波センサ
AP ... Top part BP ... Bottom part H ... Resin removal shape part V ...
Claims (3)
前記樹脂ケースは底部を有し、天部が開口された成型体であり、
前記圧電素子は、前記樹脂ケースの開口方向に超音波を放射するように前記樹脂ケースの底部に直接的または間接的に保持されていて、
前記樹脂ケースの底部内に樹脂除去形状部が形成されたことを特徴とする超音波センサ。 In an ultrasonic sensor comprising a piezoelectric element that vibrates ultrasonically by application of a drive voltage, and a resin case that houses the piezoelectric element,
The resin case has a bottom and is a molded body with an open top,
The piezoelectric element is directly or indirectly held at the bottom of the resin case so as to emit ultrasonic waves in the opening direction of the resin case,
An ultrasonic sensor, wherein a resin removal shape portion is formed in a bottom portion of the resin case.
前記圧電素子の超音波放射面とは反対側の面と前記樹脂ケースの底部との間に空間が形成され、この空間と前記貫通孔とを連通する縦穴が前記樹脂ケースの底部内に形成された、請求項1または2に記載の超音波センサ。 The resin removal shape portion is a through hole,
A space is formed between the surface of the piezoelectric element opposite to the ultrasonic radiation surface and the bottom of the resin case, and a vertical hole communicating the space with the through hole is formed in the bottom of the resin case. The ultrasonic sensor according to claim 1 or 2.
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