JP5625498B2

JP5625498B2 - 超音波センサ

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Publication number: JP5625498B2
Application number: JP2010123602A
Authority: JP
Inventors: 浩司南部; 松尾　研志; 研志松尾
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: JP2011250327A

Description

この発明は、超音波センサに関し、特に、圧電素子およびそれに電気的に接続される入出力端子を有し、たとえば、自動車のコーナーソナーやバックソナーなどに用いられる超音波センサに関する。

超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行うものであり、超音波パルス信号を間欠的に送信し、周辺に存在する障害物からの反射波を受信することにより物体を検知するものである。自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車における側壁等の障害物とのスペースの有無を検知するパーキングスポットセンサ等には超音波センサが用いられる。

一般に超音波センサは、圧電素子とこの圧電素子を収納するケースと圧電素子に接続されてケース外部へ引き出される導通部材（リード線）を備えていて、圧電素子の電極に導通部材がはんだ付けされていた。

しかしながら、このはんだ付けの際にはんだが飛散してしまい、周辺の圧電素子表面に付着し、超音波センサとしての感度が低下したり、ノイズが発生したりする課題があった。

これに対して、はんだを用いない構造の超音波センサが特許文献１に開示されている。図１（ａ）は特許文献１に係る超音波センサの断面図、図１（ｂ）は延出部をベース部分から立ち上げた状態のフレキシブル基板を示す斜視図である。この超音波センサＳにおいては、ケース２の振動板部分４に圧電振動素子１が取り付けられている。圧電振動素子１には、その両面に電極層１ａ，１ｂが設けられている。下面側の電極層１ａは、圧電振動素子１の脇箇所で上側に立ちあがり、さらにその先端部分が圧電振動素子１の上面に折り曲げられている。

図１（ｂ）に示すように、圧電振動素子１の上面よりも大面積でその上方を覆うように、フレキシブル基板５のベース部分５Ａを、圧電振動素子１の上に載置している。このフレキシブル基板５は、円板状のベース部分５Ａと、このベース部分５Ａから延出されるように設けられている矩形状の延出部５Ｂとが一体に形成されて構成している。この延出部５Ｂの先端からベース部分５Ａにわたって入出力用の一対の電気配線６，７が形成されているとともに、それぞれの電気配線６，７がベース部分５Ａの上面側に形成されている入出力用の電気配線８，９につながっている。

そして、ベース部分５Ａの一対の電気配線８，９には、上下に貫通するスルーホールＨ，Ｈ，Ｈがそれぞれ設けられているとともに、各スルーホールＨ，Ｈ，Ｈの下端部にはバンプ状にリード電極Ｌ１，Ｌ１，Ｌ２が形成されている。スルーホールＨ，Ｈ，Ｈ内にはその上下にわたって導電性ペーストが充填されており、電気配線８，９と前記バンプ状の各リード電極Ｌ１，Ｌ１，Ｌ２とがそれぞれ電気的に導通する。ベース部分５Ａの圧電振動素子１への搭載および接着に伴い、このバンプ状のリード電極Ｌ１，Ｌ１，Ｌ２と圧電振動素子１の電極層１ａ，１ｂとが圧着され、これによって、電気配線６，７を通して圧電振動素子１に対し電気信号が入出力される。

図中、１０は、圧電振動素子１とベース部分５Ａを接着する接着剤層である。また、ベース部分５Ａを覆う状態でフェルト等の防音層１１を設けているとともに、この防音層１１からセンサケース２の開口近くまで例えばシリコン樹脂等の絶縁性樹脂剤１２を充填して封止している。

特開２００２−１１２３９２号公報

図１に示される構造の超音波センサＳにおいては、バンプ状のリード電極をフレキシブル基板に別途設けなければならず、構造が複雑で大型化するという課題がある。また、圧電素子とフレキシブル基板を接続するためにはスルーホールが必要であり、余分な加工が必要となる。さらに、圧電素子とフレキシブル基板の導通面が向き合って近接していないため、接合部の強度が損なわれる可能性があるうえ、圧電素子との導通を確保するために多量の導電材料が必要になるため、圧電素子の振動が阻害される懸念がある。

本発明の目的は、上述の課題を解決して特性及び信頼性の高い超音波センサを提供することにある。

本発明の超音波センサは、底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、前記ケースの内底面に貼り付けられた圧電素子と、前記圧電素子へ給電する導通部材と、を有する超音波センサであって、前記導通部材の端子と圧電素子の電極との間がはんだで接続されていて、このはんだの周囲が樹脂で覆われており、前記はんだ及び前記樹脂は、はんだ粒と樹脂接着剤とが混合された混合ペーストの加熱によって形成されたものであり、前記圧電素子は、圧電体板と、この圧電体板の互いに対向する第１主面と第２主面に形成された対向電極と、第２主面の電極から前記圧電体板の端面を経由して第１主面に折り返された形状の折り返し電極とを備え、前記導通部材は、単一のフレキシブル基板と、そのフレキシブル基板の一主面に形成された、互いに平行な２本の配線部と、前記配線部の一方の端部に形成された２つの内部端子電極と、他方の端部に形成された２つの外部端子電極とで構成され、前記圧電素子の第１主面の前記対向電極および前記折り返し電極に前記フレキシブル基板の前記２つの内部端子電極がそれぞれ対向した状態で接合されていることを特徴とする。

この構成により、はんだの塗布が多くなることによる感度の低下を防ぎ、またはんだ粒の飛散によるノイズの発生を防止できる。

例えば前記はんだ及び前記樹脂は、はんだ粒と樹脂とが混合された混合ペーストの加熱によって形成されたものである。このことにより、はんだ付け部の構造が容易に形成できる。またはんだ粒の飛散を防ぐことができる。

この構造により、混合ペーストの量を少なくすることができる。

特に、前記混合ペーストは前記樹脂の量が前記はんだ粒の量より多いものとすれば、樹脂によりはんだをより確実に覆うことができ、より飛散を防ぐことができる。そのため、混合ペーストの塗布時にはみ出しても問題が生じにくい。

本発明によれば、はんだの塗布が多くなることによる感度の低下を防ぎ、またはんだ粒の飛散によるノイズの発生を防止できる。

図１（ａ）は特許文献１に係る超音波センサの断面図、図１（ｂ）は延出部をベース部分から立ち上げた状態のフレキシブル基板を示す斜視図である。図２は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図である。図３は第１の実施形態に係る超音波センサに備える圧電素子３２の斜視図である。図４は第１の実施形態に係る超音波センサに備える導通部材５０の平面図である。図５は圧電素子３２に対する導通部材５０の接続構造を示す断面図である。図６（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の残響特性を示す図である。図６（ｂ）は比較例の超音波センサの残響特性を示す図である。図７は、従来のはんだ付けによる超音波センサと第１の実施形態に係る超音波センサ１０１とについて、ケース底面である振動面の振幅特性をＦＥＭ解析した結果である。図８は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図である。図９は第３の実施形態に備えられる圧電素子４３の斜視図である。図１０は第４の実施形態に備えられる圧電素子４４の斜視図である。図１１は第５の実施形態に係る超音波センサに備えられる３種の導通部材の平面図である。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の断面図である。超音波センサ１０１は、底部と側壁部とを有する有底筒状のケース３１、ケース３１の内底面に貼り付けられた圧電素子３２、圧電素子に接続された導通部材５０、吸音材３８、及び充填材３６を備えている。

図３は前記圧電素子３２の斜視図である。この圧電素子３２は、矩形板状の圧電体板３２ｐの第１主面に上面電極３２ｔ，３２ｆ、第２主面に下面電極３２ｂ、端面に端面電極３２ｓがそれぞれ形成されたものである。上面電極３２ｔと下面電極３２ｂが本発明の「対向電極」、端面電極３２ｓ及び上面電極３２ｆが本発明の「折り返し電極」に相当する。

図４は前記導通部材５０の平面図である。導通部材５０は、フレキシブル基板５１の一主面に導体パターンが形成されたものである。その導体パターンは、配線部５２，５３、内部端子電極５４，５５、及び外部端子電極５６，５７で構成されている。

図５は前記圧電素子３２に対する導通部材５０の接続構造を示す断面図である。図５は圧電素子３２の上面電極３２ｔ、３２ｆに導通部材５０の内部端子電極５４，５５がはんだＳ１，Ｓ２で接続された状態である。はんだＳ１，Ｓ２の周囲は樹脂Ｐで覆われている。また、この樹脂Ｐは圧電素子３２と導通部材５０との間隙に充填されている。

このはんだ付け部は、はんだ粒、樹脂接着剤及び溶剤が混合された混合ペーストの加熱によって形成されたものである。すなわち、圧電素子３２の上面電極３２ｔ，３２ｆの所定範囲に混合ペーストを、ディスペンサーを用いて又は印刷により塗布し、その塗布位置に導通部材５０の内部端子電極５４，５５の位置を合わせて仮固定し、リフロー炉に通すことによって全体を加熱する。

前記混合ペーストの加熱によって混合ペースト中のはんだ粒が溶融し、溶融したはんだ粒同士がまとまって圧電素子３２の上面電極３２ｔ，３２ｆ及び導通部材５０の内部端子電極５４，５５の位置に集まり電気的に接続される。このとき、加熱によって混合ペーストに含まれている溶剤が揮発するとともに、はんだ粒の集結により残余成分の樹脂が集まって、樹脂がはんだの周囲を覆うことになる。そのため、この樹脂層がはんだ付けの際のはんだ粒の飛散を防ぐことになる。なお、樹脂中には集結できなかったはんだ粒が残る可能性があるが、樹脂中に捕らえられ固着される状態であるので、電気的機械的に問題とならない。

特に、電極が並んで配置されるフレキシブル基板を圧電素子の同一平面上に接続することになるので、接触面積を小さくすることができ、微量のはんだ層で接合できる。

前記混合ペースト中の樹脂ははんだの溶融温度より高温で硬化する熱硬化性の樹脂であり、リフローはんだの際の温度プロファイルの最高温度がはんだの溶融温度より高温になるようにして、はんだの周囲の樹脂を硬化させる。

なお、前記混合ペーストは加熱前の状態で樹脂の量がはんだ粒の量より多い。そのため、はんだを樹脂層でより確実に覆うことができ、はんだ粒の飛散を効果的に防ぐことができる。そのため、混合ペーストの塗布時に所定の塗布範囲からはみ出しても問題が生じにくい。

図６（ａ）は第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の残響特性を示す図である。図６（ｂ）は比較例の超音波センサの残響特性を示す図である。この比較例の超音波センサは圧電素子上にはんだ粒が飛散した場合の残響特性を示したものである。

いずれもｔ０から所定波数のバースト波を送信し、圧電素子に現れる電圧波形を観測したものである。実際には送信終了直後から振幅の減衰は始まっているが、しばらくは増幅回路のダイナミックレンジを超えているので、その間は波形が飽和している。

図６（ｂ）の例では、はんだ粒の飛散によって圧電素子の振動面に微少なはんだ粒が付着することによって擬似ノイズＮ１，Ｎ２が生じている。第１の実施形態に係る超音波センサ１０１では、図６（ａ）のように擬似ノイズが発生しない。

図７は、従来のはんだ付けによる超音波センサと第１の実施形態に係る超音波センサ１０１とについて、ケース底面である振動面の振幅特性をＦＥＭ解析した結果である。破線Ｂは従来の超音波センサの特性、実線Ａは第１の実施形態に係る超音波センサ１０１の特性である。このように、第１の実施形態に係る超音波センサ１０１では最大振幅が約２％増大する。これは、従来のはんだ付けによる超音波センサでは、圧電素子上のはんだ量が多くて、そのはんだが錘になって振幅を減少させていたが、第１の実施形態に係る超音波センサ１０１では、その現象が無いためであると考えられる。

第１の実施形態によれば次のような効果を奏する。
（ａ）接続にはんだ粒と樹脂接着剤の混合ペーストを用いることにより、微量のはんだ層で接合できるため、センサ感度の向上および圧電素子の振動阻害要因が低減される。

（ｂ）はんだ層の周辺に樹脂層が形成されることで、接続部分が補強され、導通不良の発生が抑制され、超音波センサ自身の耐久性が向上する。

（ｃ）はんだ層の形成と同時に樹脂接着剤の固着により樹脂層が形成されるため、はんだ付け時のはんだ粒の飛散が低減して、センサ感度が向上し、ノイズ要因を抑制できる。

（ｄ）内部配線に単純な２極パターンのフレキシブル基板を用いて前述の接続工法を実施することで、折返し電極を有する圧電素子に対して１工程で２点の電極を同時に接続でき、且つ外部端子の振動漏れを抑制できる。

（ｅ）フレキシブル基板の形状を変更することで、用途に合わせて容易に仕様を変更できる。

《第２の実施形態》
図８は第２の実施形態に係る超音波センサ１０２の断面図である。超音波センサ１０２は、有底筒状のケース３１、ケース３１の内底面に貼り付けられた圧電素子３２、圧電素子に接続された導通部材５０、吸音材３８、外部端子６３、内部端子６２、端子保持部材６１、及び充填材３６を備えている。

端子保持部材６１はＰＢＴなどの樹脂による成形体であり、２本のピンを保持している。これらのピンの一端が外部端子６３、他端が内部端子６２である。内部端子６２と圧電素子３２の上面電極との間は導通部材５０で電気的に接続されている。

このように、フレキシブル基板を用いた導通部材５０をそのまま外部へ引き出さずに、端子保持部材に保持されている端子に中継するように構成してもよい。

《第３の実施形態》
図９は第３の実施形態に備えられる圧電素子４３の斜視図である。この圧電素子４３は、円板状の圧電体板４３ｐの第１主面に上面電極４３ｔ，４３ｆ、第２主面全面に下面電極４３ｂ、端面に端面電極４３ｓがそれぞれ形成されたものである。上面電極４３ｔと下面電極４３ｂが本発明の「対向電極」、端面電極４３ｓ及び上面電極４３ｆが本発明の「折り返し電極」に相当する。

この圧電素子４３に図４に示した導通部材５０を接続する際、上面電極４３ｔ，４３ｆに跨るように導通部材５０の内部端子電極５４，５５を接続すればよい。

《第４の実施形態》
図１０は第４の実施形態に備えられる圧電素子４４の斜視図である。この圧電素子４４は、円板状の圧電体板４４ｐの第１主面に上面電極４４ｔ，４４ｆ、第２主面に下面電極４４ｂ、端面に端面電極４４ｓがそれぞれ形成されたものである。上面電極４４ｔと下面電極４４ｂが本発明の「対向電極」、端面電極４４ｓ及び上面電極４４ｆが本発明の「折り返し電極」に相当する。このように、端面電極４４ｓは円板状の圧電体板４４ｐの端面の全周に亘って形成されていてもよい。

この圧電素子４４に図４に示した導通部材５０を接続する際、上面電極４４ｔ，４４ｆに跨るように導通部材５０の内部端子電極５４，５５を接続すればよい。

第３及び第４の実施形態のように、円板状の圧電体板４３，４４であっても折り返し電極を形成することができる。円板状の圧電体板４３，４４の場合、ケース３１の内底面である振動面の形状により近くなるので、超音波への変換効率が高くなり、感度が上がる。

《第５の実施形態》
図１１は第５の実施形態に係る超音波センサに備えられる３種の導通部材の平面図である。図１１中の（ａ）は図４に示した導通部材５０と比べて外部端子電極５６，５７の間隔を広げ、内部端子電極５４，５５の間隔も広げた例である。図１１中の（ｂ）は外部端子電極５６，５７を半円形状にした例である。図１１中の（ｃ）は外部端子電極５６，５７の裏面の電極に導通するスルーホール電極を設けた例である。上述のように導通部材のパターンは種々のパターンを用いることができる。なお、内部端子電極５４，５５が近接して並んでいる場合、はんだ量が多いと、はんだ粒の飛散が多くなり導通してしまうおれがある。しかし、はんだ接続にはんだ粒と樹脂接着剤の混合ペーストを用いて形成された場合、内部端子電極５４，５５との間に樹脂層が形成されることになり、はんだ粒は樹脂層の内部に固着されるので、導通することを防ぐことができる。

Ｐ…樹脂
３１…ケース
３２…圧電素子
３２ｂ…下面電極
３２ｐ…圧電体板
３２ｓ…端面電極
３２ｔ，３２ｆ…上面電極
３６…充填材
３８…吸音材
４３…圧電素子
４３ｂ…下面電極
４３ｐ…圧電体板
４３ｓ…端面電極
４３ｔ，４３ｆ…上面電極
４４…圧電素子
４４ｂ…下面電極
４４ｐ…圧電体板
４４ｓ…端面電極
４４ｔ，４４ｆ…上面電極
５０…導通部材
５１…フレキシブル基板
５２，５３…配線部
５４，５５…内部端子電極
５６，５７…外部端子電極
６１…端子保持部材
６２…内部端子
６３…外部端子
１０１，１０２…超音波センサ

Claims

底部と側壁部とを有する有底筒状のケースと、
前記ケースの内底面に貼り付けられた圧電素子と、
前記圧電素子に接続された導通部材と、を備え、
前記導通部材の端子と圧電素子の電極との間がはんだで接続されていて、このはんだの周囲が樹脂で覆われており、
前記はんだ及び前記樹脂は、はんだ粒と樹脂接着剤とが混合された混合ペーストの加熱によって形成されたものであり、
前記圧電素子は、圧電体板と、この圧電体板の互いに対向する第１主面と第２主面に形成された対向電極と、第２主面の電極から前記圧電体板の端面を経由して第１主面に折り返された形状の折り返し電極とを備え、
前記導通部材は、単一のフレキシブル基板と、そのフレキシブル基板の一主面に形成された、互いに平行な２本の配線部と、前記配線部の一方の端部に形成された２つの内部端子電極と、他方の端部に形成された２つの外部端子電極とで構成され、
前記圧電素子の第１主面の前記対向電極および前記折り返し電極に前記フレキシブル基板の前記２つの内部端子電極がそれぞれ対向した状態で接合された、ことを特徴とする超音波センサ。
前記混合ペーストは前記樹脂接着剤の量が前記はんだ粒の量より多い、請求項１に記載の超音波センサ。