JP5417633B2

JP5417633B2 - 超音波センサ

Info

Publication number: JP5417633B2
Application number: JP2009273729A
Authority: JP
Inventors: 弘樹北川; 春男山森; 祥博青木
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: JP2011119861A

Description

本発明は、超音波振動する振動面を含む圧電セラミックス素子を備え、超音波を放射または受波、或いは、放射及び受波する超音波センサに関し、特に、振動面上に電極層が形成され、この電極層にリード線が電気的に接続された超音波センサに関する。

従来より、超音波振動する振動面を含む圧電セラミックス素子を備え、超音波を放射或いは受波する超音波センサが知られている。このような超音波センサには、振動面上に電極層が形成され、この電極層にリード線が電気的に接続されたものがある。具体的には、このリード線は、電極層に直接、ハンダ付けされることにより、電極層に電気的に接続されていた。
なお、このような超音波センサに関連する技術文献として、例えば特許文献１が挙げられる。

特開平７−２６５３０８

しかしながら、このような超音波センサでは、リード線を圧電セラミックス素子の電極層にハンダ付けする際のヒートショックにより、圧電セラミックス素子に素子割れが生じるおそれがあった。また、ハンダ付けによる熱で、ハンダ付けした近傍において圧電セラミックス素子の分極がとれることがある（脱分極）。このため、超音波センサの使用時に電圧を印加したときに、その周囲との間で変位特性の違いが生じ、これに伴う応力により素子割れが生じることもある。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、製造時及び使用時にリード線のハンダ接合部位から圧電セラミックス素子に素子割れが生じ難く、信頼性の高い超音波センサを提供することを目的とする。

その解決手段は、超音波振動する振動面を含む圧電セラミックス本体、及び、この圧電セラミックス本体の前記振動面上に形成された電極層を有する圧電セラミックス素子と、前記圧電セラミックス素子の前記電極層に電気的に接続されたリード線と、を備える超音波センサであって、前記振動面のうち振動変位が最大となる振動最大部位上を避けて、前記電極層に接着された金属箔を備え、前記リード線は、前記金属箔にハンダ付けされ、この金属箔を介して前記電極層に電気的に接続されてなり、前記圧電セラミックス本体は、自身の中央部が前記振動最大部位となる円形の前記振動面を含む円板状をなし、前記金属箔は、閉じた円環状をなし、前記振動面の前記中央部を囲む配置で、前記電極層に接着されてなる超音波センサである。

この超音波センサでは、リード線は、圧電セラミックス素子の電極層に直接ハンダ付けされるのではなく、電極層に接着された金属箔にハンダ付けされ、この金属箔を介して電極層に電気的に接続されている。このため、リード線をハンダ付けする際に、ヒートショックで圧電セラミックス素子に素子割れが生じることを防止できる。また、圧電セラミックス素子にハンダ付けの熱による脱分極も生じ難いので、超音波センサの使用時に、ハンダ接合部分を起点に圧電セラミックス素子に素子割れが生じることも防止でき、信頼性の高い超音波センサとすることができる。
しかも、金属箔を、振動面のうち振動変位が最大となる振動最大部位上を避けて、電極層に接着している。このため、金属箔の接着により圧電セラミックス素子に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、或いは、超音波の受波感度の低下を防止できる。
更に、この超音波センサでは、圧電セラミックス本体が、自身の中央部が振動最大部位となる円形の振動面を含む円板状をなしている。その一方、金属箔は、この振動面の中央部上を避けて、電極層に接着されているので、金属箔の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
更に、この超音波センサでは、金属箔が、振動面の中央部を囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。

なお、金属箔の厚みは、２００μｍ以下とするのが好ましい。このように薄くすることで、金属箔の接着によって圧電セラミックス素子に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。
また、超音波センサとしては、水中、油中などの液中で使用するものや、大気中など気中で使用するもの、固体に当接させてこれに伝わる超音波を利用するものが挙げられる。また、超音波センサには、超音波を媒体（液体、気体、固体など）に放射するものや、媒体から超音波を受波するもの、超音波の放射と受波の両方を行うものが含まれる。

実施形態１に係る水中超音波センサを示す断面図である。実施形態１に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線等を示す説明図である。実施形態１に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線等を分解して示す分解斜視図である。実施形態１に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線を前面電極層側（または裏面電極層側）から見た平面図である。実施形態１に係り、圧電セラミックス素子等を周波数５０ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。実施形態１に係り、圧電セラミックス素子等を周波数２００ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。実施形態２に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線を前面電極層側（または裏面電極層側）から見た平面図である。実施形態２に係り、圧電セラミックス素子等を周波数５０ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。実施形態２に係り、圧電セラミックス素子等を周波数２００ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。参考形態１に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線を前面電極層側（または裏面電極層側）から見た平面図である。参考形態１に係り、圧電セラミックス素子等を周波数５０ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。参考形態１に係り、圧電セラミックス素子等を周波数２００ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。参考形態２に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線を前面電極層側（または裏面電極層側）から見た平面図である。参考形態２に係り、圧電セラミックス素子等を周波数５０ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。参考形態２に係り、圧電セラミックス素子等を周波数２００ｋＨｚで駆動した場合の振動速度の分布を示すグラフである。実施形態３に係る水中超音波センサを示す断面図である。実施形態３に係り、圧電セラミックス素子、金属箔及びリード線を裏面電極層側から見た平面図である。実施形態３に係り、圧電セラミックス素子を前面電極層側から見た平面図である。実施形態３に係り、圧電セラミックス素子を裏面電極層側から見た平面図である。実施形態３に係り、圧電セラミックス素子を図１８及び図１９の矢印Ｆから見た側面図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態１の魚群探知装置に用いる水中超音波センサ１００を示す。また、図２〜図４に、この水中超音波センサ（超音波センサ）１００を構成する圧電セラミックス素子１１０、金属箔１２０，１２５及びリード線１３０，１３５等の形態を示す。
本実施形態１の水中超音波センサ１００は、魚群探知装置に用いられ、水中に超音波を放射し、また、水中からの超音波を受波する。この水中超音波センサ１００は、図１に示すように、圧電セラミックス素子１１０、２つの金属箔（第１金属箔１２０及び第２金属箔１２５）、２本のリード線（第１リード線１３０及び第２リード線１３５）、センサケース１４０、周囲絶縁体１５０、バック材１６０等から構成されている。

このうち圧電セラミックス素子１１０は、図１〜図４に示すように、圧電セラミックス本体１１１と２つの電極層（前面電極層１１３及び裏面電極層１１５）とを有し、円板状をなす。その大きさは、直径４３ｍｍ、厚み１０ｍｍである。
圧電セラミックス本体１１１は、超音波振動する円形の前面（振動面）１１１ａ（図１中、下側、図２及び図３中、上側）と、これに平行で、超音波振動する円形の裏面（振動面）１１１ｂ（図１中、上側、図２及び図３中、下側）とを有する円板状をなす。この圧電セラミックス本体１１１は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とし、厚み方向（図１〜図３中、上下方向、図４中、紙面に直交する方向）に分極されている。

そして、この圧電セラミックス本体１１１の前面１１１ａ上には、その全面に、Ａｇからなる前面電極層（電極層）１１３が形成されている。また、圧電セラミックス本体１１１の裏面１１１ｂ上にも、その全面に、Ａｇからなる裏面電極層（電極層）１１５が形成されている。この圧電セラミックス素子１１０は、所定の駆動周波数（本実施形態では５０ｋＨｚと２００ｋＨＺの２つの周波数）で共振し、径方向（５０ｋＨｚ）或いは厚み方向（２００ｋＨＺ）に伸縮（超音波振動）する。

２つの金属箔１２０，１２５は、それぞれ円環状の黄銅からなる（図１〜図４参照）。その大きさは、それぞれ外径４３ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚み１０μｍである。
一方の第１金属箔１２０は、圧電セラミックス素子１１０の前面電極層１１３に接着されている。具体的には、この第１金属箔１２０は、前面１１１ａの中央部（振動最大部位）１１１ａｇ上を避け、かつ、この中央部１１１ａｇを取り囲む形態で、第１金属箔１２０の外周縁と前面電極層１１３の周縁とが互いに重なるようにして、前面電極層１１３に接着されている。第１金属箔１２０と前面電極層１１３とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤：図示しない）により接着されている。

また、他方の第２金属箔１２５は、圧電セラミックス素子１１０の裏面電極層１１５に接着されている。具体的には、この第２金属箔１２５は、裏面１１１ｂの中央部（振動最大部位）１１１ｂｇ上を避け、かつ、この中央部１１１ｂｇを取り囲む形態で、第２金属箔１２５の外周縁と裏面電極層１１５の周縁とが互いに重なるようにして、裏面電極層１１５に接着されている。この第２金属箔１２５と裏面電極層１１５も、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤：図示しない）により接着されている。

２本のリード線１３０，１３５は、圧電セラミックス素子１１０に電気的に接続されている。一方の第１リード線１３０は、圧電セラミックス素子１１０の前面電極層１１３に電気的に接続されている。具体的には、この第１リード線１３０は、前面電極層１１３に直接ハンダ付けされることなく、第１金属箔１２０のうち、最も振動変位の小さい部位（本実施形態１では、第１金属箔１２０の周縁近傍）にハンダ１３１により接合されており、この第１金属箔１２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。
また、他方の第２リード線１３５は、圧電セラミックス素子１１０の裏面電極層１１５に電気的に接続されている。具体的には、この第２リード線１３５は、裏面電極層１１５に直接ハンダ付けされることなく、第２金属箔１２５のうち、最も振動変位の小さい部位（本実施形態１では、第２金属箔１２５の周縁近傍）にハンダ１３６により接合されており、この第２金属箔１２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。

センサケース１４０は、図１に示すように、圧電セラミックス素子１１０を収容する。このセンサケース１４０は、絶縁性のゴムからなり、底部１４１と側壁部１４３とを有する有底筒状をなす。そして、圧電セラミックス素子１１０は、直接及び第１金属箔１２０を介して、センサケース１４０の底部１４１に固定されている。即ち、圧電セラミックス素子１１０及び第１金属箔１２０とセンサケース１４０とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤：図示しない）により接着されている。

かくして、圧電セラミックス素子１１０を共振させて、径方向（５０ｋＨｚ）或いは厚み方向（２００ｋＨＺ）に伸縮（超音波振動）させると、センサケース１４０の底部１４１も厚み方向に超音波振動し、超音波ＵＳＳを軸線ＡＸ方向の外部（図１中、下方）に向けて放射することができる。また、外部からの超音波ＵＳＲ（反射超音波など）を受波し、センサケース１４０の底部１４１を通じて圧電セラミックス素子１１０に伝え、超音波ＵＳＲに応じた信号をリード線１３０，１３５を通じて出力することができる。

周囲絶縁体１５０は、図１に示すように、圧電セラミックス素子１１０の周囲（径方向外側）で、かつ、センサケース１４０の側壁部１４３の径方向内側に配置されている。この周囲絶縁体１５０は、筒状で絶縁性のスポンジからなり、その径方向内側で圧電セラミックス素子１１０と密着している。

バック材１６０は、図１に示すように、圧電セラミックス素子１１０の裏面電極層１１５側（図１中、上方）に配置されている。このバック材１６０は、円板状で絶縁性のスポンジからなる。バック材１６０は、圧電セラミックス素子１１０の裏面電極層１１５に接着された第２金属箔１２５に密着すると共に、周囲絶縁体１５０とも密着している。
周囲絶縁体１５０及びバック材１６０は、圧電セラミックス素子１１０の防水、絶縁、及び、不要振動や残響振動の吸収の役割を担っている。

ここで、図５に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ１００を、周波数５０ｋＨｚで駆動した場合において、裏面１１１ｂの中心を通る１つの直線ＬＡ（図４参照）上に３ｍｍピッチで並ぶ各測定点（ＮＯ．１〜ＮＯ．１５）における振動速度、即ち、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。
このグラフから明らかなように、圧電セラミックス素子１１０を周波数５０ｋＨｚで駆動した場合には、裏面１１１ｂの中心に位置する測定点ＮＯ．８で振動速度が最も大きくなり、最外側の測定点ＮＯ．１，ＮＯ．１５にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなっている。このことから、圧電セラミックス素子１１０を周波数５０ｋＨｚで駆動したときには、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となり、周縁に近づくほど振動変位が小さくなる振動分布となっている。

また、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔１２０，１２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔１２０，１２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

また、図６に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ１００を、周波数２００ｋＨｚで駆動した場合において、裏面１１１ｂの中心を通る１つの直線ＬＡ（図４参照）上に３ｍｍピッチで並ぶ各測定点（ＮＯ．１〜ＮＯ．１５）における振動速度、即ち、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。
このグラフから明らかなように、圧電セラミックス素子１１０を周波数２００ｋＨｚで駆動した場合にも、裏面１１１ｂの中心に位置する測定点ＮＯ．８で振動速度が最も大きくなる。但し、この測定点ＮＯ．８から外側にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなるが、測定点ＮＯ．４，ＮＯ．１２に小さなピークが現れる。更に、測定点ＮＯ．４，ＮＯ．１２から外側にそれぞれ向かうにつれて振動速度が徐々に小さくなるが、測定点ＮＯ．１，ＮＯ．１５で更に小さなピークが現れる振動分布となる。このことから、圧電セラミックス素子１１０を周波数２００ｋＨｚで駆動したときも、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となっている。

また、この周波数２００ｋＨｚの場合も、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔１２０，１２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔１２０，１２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

以上で説明したように、本実施形態１の水中超音波センサ１００では、第１リード線１３０は、圧電セラミックス素子１１０の前面電極層１１３に直接ハンダ付けされるのではなく、前面電極層１１３に接着された第１金属箔１２０にハンダ１３１により接合され、この第１金属箔１２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。このため、第１リード線１３０をハンダ付けする際に、ヒートショックで圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止できる。また、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けの熱による脱分極も生じ難いので、水中超音波センサ１００の使用時に、ハンダ接合部分を起点に圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることも防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ１００とすることができる。

しかも、第１金属箔１２０を、前面１１１ａのうち振動変位が最大となる振動最大部位１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３に接着している。このため、第１金属箔１２０の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。
特に、本実施形態１では、圧電セラミックス本体１１１が、自身の中央部１１１ａｇが振動最大部位となる円形の前面１１１ａを含む円板状をなしている。その一方、第１金属箔１２０は、この中央部１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３に接着されているので、第１金属箔１２０の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
また、本実施形態１では、第１金属箔１２０が、前面１１１ａの中央部１１１ａｇを囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。

同様に、本実施形態１では、第２リード線１３５は、圧電セラミックス素子１１０の裏面電極層１１５に直接ハンダ付けされるのではなく、裏面電極層１１５に接着された第２金属箔１２５にハンダ１３６により接合され、この第２金属箔１２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。このため、第２リード線１３５をハンダ付けする際に、ヒートショックで圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止できる。また、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けの熱による脱分極も生じ難いので、水中超音波センサ１００の使用時に、ハンダ接合部分を起点に圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることも防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ１００とすることができる。

しかも、第２金属箔１２５を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる振動最大部位１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５に接着している。このため、第２金属箔１２５の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。
特に、本実施形態１では、圧電セラミックス本体１１１が、自身の中央部１１１ｂｇが振動最大部位となる円形の裏面１１１ｂを含む円板状をなしている。その一方、第２金属箔１２５は、この中央部１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５に接着されているので、第２金属箔１２５の接着が超音波振動に与える影響を少なくできる。
また、本実施形態１では、第２金属箔１２５が、裏面１１１ｂの中央部１１１ｂｇを囲む円環状をなす。このため、周方向に形態が均等であるため、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動も周方向に均一にすることができる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。本実施形態２の水中超音波センサ２００は、金属箔２２０，２２５の形態が、上記実施形態１の水中超音波センサ１００の金属箔１２０，１２５の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態１と同様であるので、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図７に、本実施形態２の水中超音波センサ２００を構成する、圧電セラミックス素子１１０、金属箔２２０，２２５及びリード線１３０，１３５等を前面電極層１１３側（または裏面電極層１１５側）から見た平面図を示す。

本実施形態２の水中超音波センサ２００では、金属箔（第１金属箔２２０及び第２金属箔２２５）がそれぞれ円環状の黄銅からなるが、その内径が上記実施形態１の金属箔（第１金属箔１２０及び第２金属箔１２５）より大きい。具体的には、上記実施形態１の金属箔１２０，１２５の内径がそれぞれ２０ｍｍであるのに対し、本実施形態２の金属箔２２０，２２５の内径はそれぞれ３５ｍｍであり、内径が大きく、金属箔全体の面積が小さくなっている。

第１金属箔２２０は、上記実施形態１と同様に、前面１１１ａの中央部１１１ａｇ上を避け、かつ、この中央部１１１ａｇを取り囲む形態で、第１金属箔２２０の外周縁と前面電極層１１３の周縁とが互いに重なるようにして、前面電極層１１３に接着されている。第１金属箔２２０と前面電極層１１３とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第１リード線１３０は、第１金属箔２２０にハンダ１３１により接合されており、この第１金属箔２２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。

また、第２金属箔２２５も、裏面１１１ｂの中央部１１１ｂｇ上を避け、かつ、この中央部１１１ｂｇを取り囲む形態で、第２金属箔２２５の外周縁と裏面電極層１１５の周縁とが互いに重なるようにして、裏面電極層１１５に接着されている。この第２金属箔２２５と裏面電極層１１５も、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第２リード線１３５も、第２金属箔２２５にハンダ１３６により接合されており、この第２金属箔２２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。

図８に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ２００を、周波数５０ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。本実施形態２でも、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図５参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となり、周縁に近づくほど振動変位が小さくなる振動分布となっている。

また、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔２２０，２２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔２２０，２２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

また、図９に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ２００を、周波数２００ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。この場合も、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図６参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となっている。

また、この場合も、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔２２０，２２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔２２０，２２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

以上で説明したように、本実施形態２の水中超音波センサ２００でも、第１リード線１３０は、前面電極層１１３に接着された第１金属箔２２０にハンダ１３１により接合され、この第１金属箔２２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ２００とすることができる。しかも、第１金属箔２２０を、前面１１１ａのうち振動変位が最大となる中央部１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３に接着している。このため、第１金属箔２２０の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本実施形態２では、第１金属箔２２０は、上記実施形態１の第１金属箔１２０に比して、内径が大きく面積が小さくされているので、前面電極層１１３との接着面積も小さくなっており、第１金属箔２２０の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。

また、第２リード線１３５は、裏面電極層１１５に接着された第２金属箔２２５にハンダ１３６により接合され、この第２金属箔２２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ２００とすることができる。しかも、第２金属箔２２５を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる中央部１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５に接着している。このため、第２金属箔２２５の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本実施形態２では、第２金属箔２２５は、上記実施形態１の第２金属箔１２５に比して、内径が大きく面積が小さくされているので、裏面電極層１１５との接着面積も小さくなっており、第２金属箔２２５の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。その他、上記実施形態１と同様な部分は、上記実施形態１と同様な作用効果を奏する。

（参考形態１）
次いで、第１の参考形態について説明する。本参考形態１の水中超音波センサ３００は、金属箔３２０，３２５の形態が、上記実施形態１等の金属箔１２０，１２５等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態１と同様であるので、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図１０に、本参考形態１の水中超音波センサ３００を構成する、圧電セラミックス素子１１０、金属箔３２０，３２５及びリード線１３０，１３５等を前面電極層１１３側（または裏面電極層１１５側）から見た平面図を示す。

本参考形態１の水中超音波センサ３００では、金属箔（第１金属箔３２０及び第２金属箔３２５）は、それぞれ上記実施形態１の円環状の金属箔（第１金属箔１２０及び第２金属箔１２５）を４分の１に切断した形態とされている。これらの金属箔３２０，３２５の大きさは、具体的には、外径４３ｍｍ、内径２０ｍｍ、中心角９０度、厚み１０μｍである。

第１金属箔３２０は、前面１１１ａの中央部１１１ａｇ上を避け、第１金属箔３２０の外周縁の円弧部分と前面電極層１１３の周縁とが互いに重なるようにして、前面電極層１１３に接着されている。第１金属箔３２０と前面電極層１１３とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第１リード線１３０は、第１金属箔３２０にハンダ１３１により接合されており、この第１金属箔３２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。

また、第２金属箔３２５は、裏面１１１ｂの中央部１１１ｂｇ上を避け、第２金属箔３２５の外周縁の円弧部分と裏面電極層１１５の周縁とが互いに重なるようにして、裏面電極層１１５に接着されている。この第２金属箔３２５と裏面電極層１１５も、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第２リード線１３５は、第２金属箔３２５にハンダ１３６により接合されており、この第２金属箔３２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。

図１１に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ３００を、周波数５０ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。本参考形態１でも、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図５参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となり、周縁に近づくほど振動変位が小さくなる振動分布となっている。

また、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔３２０，３２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔３２０，３２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

また、図１２に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ３００を、周波数２００ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。この場合も、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図６参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となっている。

また、この場合も、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔３２０，３２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔３２０，３２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

以上で説明したように、本参考形態１の水中超音波センサ３００でも、第１リード線１３０は、前面電極層１１３に接着された第１金属箔３２０にハンダ１３１により接合され、この第１金属箔３２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ３００とすることができる。しかも、第１金属箔３２０を、前面１１１ａのうち振動変位が最大となる中央部１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３に接着している。このため、第１金属箔３２０の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本参考形態１では、上記実施形態１の第１金属箔１２０に比して、第１金属箔３２０の面積が小さく、前面電極層１１３との接着面積も小さくなっているので、第１金属箔３２０の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。

また、第２リード線１３５は、裏面電極層１１５に接着された第２金属箔３２５にハンダ１３６により接合され、この第２金属箔３２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ３００とすることができる。しかも、第２金属箔３２５を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる中央部１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５に接着している。このため、第２金属箔３２５の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本参考形態１では、上記実施形態１の第２金属箔１２５に比して、第２金属箔３２５の面積が小さく、裏面電極層１１５との接着面積も小さくなっているので、第２金属箔３２５の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。その他、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用効果を奏する。

（参考形態２）
次いで、第２の参考形態について説明する。本参考形態２の水中超音波センサ４００は、金属箔４２０，４２５の形態が、上記実施形態１等の金属箔１２０，１２５等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態１と同様であるので、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図１３に、本参考形態２の水中超音波センサ４００を構成する、圧電セラミックス素子１１０、金属箔４２０，４２５及びリード線１３０，１３５等を前面電極層１１３側（または裏面電極層１１５側）から見た平面図を示す。

本参考形態２の水中超音波センサ４００では、金属箔４２０（第１金属箔４２０及び第２金属箔４２５）がそれぞれ４ｍｍ×４ｍｍの矩形状をなす。
第１金属箔４２０は、前面１１１ａの中央部１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３の周縁近傍において前面電極層１１３に接着されている。第１金属箔４２０と前面電極層１１３とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第１リード線１３０は、第１金属箔４２０にハンダ１３１により接合されており、この第１金属箔４２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。

また、第２金属箔４２５は、裏面１１１ｂの中央部１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５の周縁近傍において裏面電極層１１５に接着されている。第２金属箔４２５と裏面電極層１１５とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤）により接着されている。そして、第２リード線１３５は、裏面電極層１１５に直接ハンダ付けされることなく、第２金属箔４２５にハンダ１３６により接合されており、この第２金属箔４２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。

ここで、図１４に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ４００を、周波数５０ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。本参考形態２でも、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図５参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となり、周縁に近づくほど振動変位が小さくなる振動分布となっている。

また、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔４２０，４２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔４２０，４２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

また、図１５に、バック材１６０を取り除いた状態の水中超音波センサ４００を、周波数２００ｋＨｚで駆動した場合における、裏面１１１ｂの振動速度の径方向分布を示す。この場合も、上記実施形態１と同様な振動速度分布（図６参照）が現れており、裏面１１１ｂ（または前面１１１ａ）の中央部１１１ｂｇ（または中央部１１１ａｇ）が、振動変位が最大の振動最大部位となっている。

また、この場合も、振動速度の大きさは、圧電セラミックス素子１１０に金属箔４２０，４２５を接着しないで、リード線１３０，１３５を直接、圧電セラミックス素子１１０にハンダ付けしたものと同等であった。金属箔４２０，４２５を、振動最大部位（中央部）１１１ａｇ，１１１ｂｇ上を避けて、圧電セラミックス素子１１０に接着しているので、圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されるのを防止できる。

以上で説明したように、本参考形態２の水中超音波センサ４００でも、第１リード線１３０は、前面電極層１１３に接着された第１金属箔４２０にハンダ１３１により接合され、この第１金属箔４２０を介して前面電極層１１３に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ４００とすることができる。しかも、第１金属箔４２０を、前面１１１ａのうち振動変位が最大となる中央部１１１ａｇ上を避けて、前面電極層１１３に接着している。このため、第１金属箔４２０の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本参考形態２では、上記実施形態１，２及び参考形態１の第１金属箔１２０，２２０，３２０に比して、第１金属箔４２０の面積が小さく、前面電極層１１３との接着面積も小さくなっているので、第１金属箔４２０の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。

また、第２リード線１３５は、裏面電極層１１５に接着された第２金属箔４２５にハンダ１３６により接合され、この第２金属箔４２５を介して裏面電極層１１５に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ４００とすることができる。しかも、第２金属箔４２５を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる中央部１１１ｂｇ上を避けて、裏面電極層１１５に接着している。このため、第２金属箔４２５の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本参考形態２では、上記実施形態１，２及び参考形態１の第２金属箔１２５，２２５，３２５に比して、第２金属箔４２５の面積が小さく、裏面電極層１１５との接着面積も小さくなっているので、第２金属箔４２５の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。その他、上記実施形態１，２及び参考形態１のいずれかと同様な部分は、上記実施形態１，２及び参考形態１のいずれかと同様な作用効果を奏する。

（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について説明する。本実施形態３の水中超音波センサ５００は、圧電セラミック素子５１０の形態、及び、これに接着された金属箔５２０，５２５の形態が、上記実施形態１等の圧電セラミック素子１１０及び金属箔１２０，１２５等の形態と異なる。それ以外は、基本的に上記実施形態１と同様であるので、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。図１６に、本実施形態３の水中超音波センサ５００を示す。また、図１７に、この水中超音波センサ５００を構成する、圧電セラミックス素子５１０、金属箔５２０，５２５及びリード線１３０，１３５等を裏面電極層５１５，５１７側から見た平面図を示す。また、図１８〜図２０に、圧電セラミックス素子５１０を示す。

本実施形態３に係る圧電セラミックス素子５１０は、図１８〜図２０に示すように、圧電セラミックス本体１１１と前面電極層５１３と裏面電極層５１５，５１７と側面電極層５１６とを有し、円板状をなす。圧電セラミックス本体１１１は、上記実施形態１，２及び参考形態１，２と同様な円板状をなし、その前面１１１ａ上には、その全面に、前面電極層（電極層）５１３が形成されている（図１８参照）。一方、裏面１１１ｂ上には、第１裏面電極層（電極層）５１５と第２裏面電極層（電極層）５１７とが形成されている（図１９参照）。第１裏面電極層５１５は、裏面１１１ｂの大部分の面積を占める形態とされている。また、第２裏面電極層５１７は、第１裏面電極層５１３と間隙を介して第１裏面電極層５１３と絶縁して配置され、裏面１１１ｂの周縁近傍に小さい面積で形成されている。更に、圧電セラミックス本体１１１の側面１１１ｃ上には、第２裏面電極層５１７と前面電極層５１３との間を接続する平面視矩形状の側面電極層５１６が形成されている（図２０参照）。

２つの金属箔５２０，５２５のうち、一方の第２金属箔５２５は、外側の一部が凹んだ円環状をなし、圧電セラミックス素子１１０の第１裏面電極層５１５に接着されている（図１７参照）。具体的には、この第２金属箔５２５は、裏面１１１ｂの中央部（振動最大部位）１１１ｂｇ上を避け、かつ、この中央部１１１ｂｇを取り囲む形態で、第２金属箔５２５の外周縁と第１裏面電極層５１５の周縁とが互いに重なるようにして、第１裏面電極層５１５に接着されている。第２金属箔５２５と第１裏面電極層５１５とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤：図示しない）により接着されている。

また、他方の第１金属箔５２０は、第２裏面電極層５１７と平面視同形状をなし、第２裏面電極層５１７に接着されている。具体的には、この第１金属箔５２０は、裏面１１１ｂの中央部（振動最大部位）１１１ｂｇ上を避け、第１金属箔５２０の周縁と第２裏面電極層５１７の周縁とが互いに重なるようにして、第２裏面電極層５１７に接着されている。第１金属箔５２０と第２裏面電極層５１７とは、非導電性の接着剤（具体的にはエポキシ樹脂系接着剤：図示しない）により接着されている。

２本のリード線１３０，１３５のうち、一方の第２リード線１３５は、第１裏面電極層５１５に直接ハンダ付けされることなく、第２金属箔５２５にハンダ１３６により接合されており、この第２金属箔５２５を介して第１裏面電極層５１５に電気的に接続されている。
また、他方の第１リード線１３０は、前面電極層５１３に直接ハンダ付けされることなく、かつ、側面電極層５１６を介して前面電極層５１３と接続する第２裏面電極層５１７に直接ハンダ付けされることもない。この第１リード線１３０は、第１金属箔５２０にハンダ１３１により接合されており、この第１金属箔５２０を介して第２裏面電極層５１７に電気的に接続されている。

以上で説明したように、本実施形態３の水中超音波センサ５００では、第２リード線１３５は、第１裏面電極層５１５に接着された第２金属箔５２５にハンダ１３６により接合され、この第２金属箔５２５を介して第１裏面電極層５１５に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ５００とすることができる。しかも、第２金属箔５２５を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる中央部１１１ｂｇ上を避けて、第１裏面電極層５１５に接着している。このため、第２金属箔５２５の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。

また、第１リード線１３０は、第２裏面電極層５１７に接着された第１金属箔５２０にハンダ１３１により接合され、この第１金属箔５２０を介して第２裏面電極層５１７に電気的に接続されている。このため、その製造の際にも使用の際にも、圧電セラミックス素子１１０に素子割れが生じることを防止でき、信頼性の高い水中超音波センサ５００とすることができる。しかも、第１金属箔５２０を、裏面１１１ｂのうち振動変位が最大となる中央部１１１ｂｇ上を避けて、第２裏面電極層５１７に接着している。このため、第１金属箔５２０の接着により圧電セラミックス素子１１０に生じる超音波振動が抑制されることが少なく、発生する超音波の強度の低下を防止し、また、超音波の受波感度の低下を防止できる。特に、本実施形態３では、上記実施形態１，２及び参考形態１の第１金属箔１２０，２２０，３２０に比して、第１金属箔５２０の面積が小さく、第２裏面電極層５１７との接着面積も小さくなっているので、第１金属箔５２０の接着により超音波振動に与える影響をより少なくできる。その他、上記実施形態１，２及び参考形態１，２のいずれかと同様な部分は、上記実施形態１，２及び参考形態１，２のいずれかと同様な作用効果を奏する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１〜３に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態１〜３及び参考形態１，２では、前面電極層１１３と金属箔１２０，２２０，３２０，４２０とを非導電性の接着剤により接着しているが、両者を導電性接着剤で接着してもよい。また、裏面電極層１１５，５１５，５１７と金属箔１２５，２２５，３２５，４２５，５２０，５２５とを非導電性の接着剤により接着しているが、両者を導電性接着剤で接着してもよい。

また、上記実施形態１，２及び参考形態１，２では、圧電セラミックス素子１１０の前面１１１ａ側と裏面１１１ｂ側の各々に、金属箔１２０，１２５等を接着しているが、この形態に限られない。例えば、上記実施形態３で説明したように、前面１１１ａ側には金属箔を接着しないで、裏面１１１ｂ側にのみ、金属箔５２０，５２５を接着する形態としてもよい。また例えば、裏面１１１ｂ側には金属箔を接着しないで、前面１１１ａ側にのみ、金属箔を接着する形態としてもよい。このようにしても、水中超音波センサの信頼性を向上させることができる。

１００，２００，３００，４００，５００水中超音波センサ（超音波センサ）
１１０，５１０圧電セラミックス素子
１１１圧電セラミックス本体
１１１ａ前面（振動面）
１１１ａｇ中央部（振動最大部位）
１１１ｂ裏面（振動面）
１１１ｂｇ中央部（振動最大部位）
１１３，５１３前面電極層（電極層）
１１５裏面電極層（電極層）
５１５第１裏面電極層（電極層）
５１７第２裏面電極層（電極層）
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０第１金属箔（金属箔）
１２５，２２５，３２５，４２５，５２５第２金属箔（金属箔）
１３０第１リード線（リード線）
１３１ハンダ
１３５第２リード線（リード線）
１３６ハンダ
ＵＳＳ超音波
ＵＳＲ超音波

Claims

超音波振動する振動面を含む圧電セラミックス本体、及び、この圧電セラミックス本体の前記振動面上に形成された電極層を有する圧電セラミックス素子と、
前記圧電セラミックス素子の前記電極層に電気的に接続されたリード線と、を備える
超音波センサであって、
前記振動面のうち振動変位が最大となる振動最大部位上を避けて、前記電極層に接着された金属箔を備え、
前記リード線は、前記金属箔にハンダ付けされ、この金属箔を介して前記電極層に電気的に接続されてなり、
前記圧電セラミックス本体は、自身の中央部が前記振動最大部位となる円形の前記振動面を含む円板状をなし、
前記金属箔は、閉じた円環状をなし、前記振動面の前記中央部を囲む配置で、前記電極層に接着されてなる
超音波センサ。