JP7327637B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサに関する。

超音波センサの構成を開示した文献として、特開平７－１５４８９８号公報(特許文献１)および国際公開第２０１３／０４７５４４号(特許文献２)がある。また、圧電素子の構成を開示した文献として、実開昭６３－５９４９９号公報(特許文献３)がある。

特許文献１に開示された超音波センサは、円板状の音響整合板と、円板状圧電素子板とを備えている。円板状圧電素子板は、円板状の音響整合板の上面に接合されている。円板状圧電素子板の表裏面には２つの電極層が形成されている。音響整合板側に位置する電極層は、電気的引き出し端を有している。電気的引き出し端は表面側に延出している。

特許文献２に開示された超音波センサは、ケースと、圧電素子とを備えている。ケースは、有底筒状であり、底面部を有している。底面部が、振動領域である。圧電素子は、圧電基板と、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極とを有している。圧電基板は、第１の面と、第２の面とを有している。第２の面は、第１の面と対向している。第１の電極は、第１の面に設けられている。第１の電極は、底面部に接合されている。第２の電極は、第２の面の一部に設けられている。第３の電極は、第２の面の一部に第２の電極と離れて設けられている。第３の電極は、第１の電極と接続されている。圧電素子は、底面部を平面視して自らの中心が振動領域の中心と異なる位置に配置されている。

特許文献３に開示された圧電素子は、圧電子本体と、第１の電極部と、第２の電極部と、第３の電極部とを備えている。圧電子本体は、厚み方向に縦振動を行なう。圧電子本体は、振動方向に垂直でかつ互いに対向する第１の面と第２の面とを有している。第１の電極部は、第１の面に設けられている。第２の電極部は、第２の面に配設され第１の電極部に接続されている。第２の電極部は、リード接続部を有している。第３の電極部は、第２の電極部と分離して第２の面に配設されている。第３の電極部は、リード接続部を有している。第２の電極部のリード接続部と第３の電極部のリード接続部とが、第２の面の外縁部に設けられている。第２の電極部と第３の電極部のいずれか一方の外縁部形状は、第１の電極部の外縁部形状と略同一になるように設定されている。

特開平７－１５４８９８号公報 国際公開第２０１３／０４７５４４号 実開昭６３－５９４９９号公報

特許文献１および特許文献２に開示された従来の超音波センサは、ケース等の、圧電素子以外の部材を介さずに、圧電素子の電極に配線を直接接続可能に構成されている。

しかしながら、特許文献１に開示された超音波センサにおいては、圧電体の厚さ方向から見て、圧電素子全体の中心に関して、２つの電極同士が対向している部分、すなわち、電極のうち振動領域を構成する部分の形状の対称性が低い。このため、圧電素子の振動領域の振動に伴う圧電素子全体の振動によって、所望の共振周波数とは異なるスプリアス周波数の振動モードによる振動である、スプリアス振動が発生する。超音波センサは、共振周波数の振動モードによる振動の残響時間が短くなるように設計されている場合であっても、スプリアス振動の残響時間が短くなるようには設計されない。結果として、スプリアス振動の残響によって超音波センサの残響時間が長くなり、超音波センサの残響特性が低下する。

特許文献２に開示された超音波センサにおいては、圧電体の厚さ方向から見て、ケースの中心に関して、圧電素子の電極のうち振動領域を構成する部分の形状の対称性が高くなっている。しかしながら、特許文献１に開示された圧電素子と同様に、圧電素子全体の中心に関しては、圧電素子の振動領域を構成する電極の形状の対称性が低い。このため、超音波センサの残響特性の低下の抑制は十分でない。

また、特許文献３においては、圧電体の厚さ方向から見て、圧電素子全体の中心に関して、電極のうち振動領域を構成する部分の形状の対称性が比較的高い圧電素子が開示されている。しかしながら、電極のうち振動領域を構成する部分の面積が圧電素子全体に対して小さく、この圧電素子の振動の強度は低い。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧電素子の電極に配線を直接接続可能であって、圧電素子による振動の強度を高くしつつ残響特性の低下を抑制できる、超音波センサを提供することを目的とする。

本発明に基づく超音波センサは、ケースと、圧電素子とを備えている。ケースは、底部および周壁部を有している。圧電素子は、ケース内にて底部上に配置されている。圧電素子は、圧電体と、第１電極と、第２電極と、第３電極とを含んでいる。圧電体は、第１面および第２面を有している。第１面は、底部側に位置している。第２面は、第１面とは反対側に位置している。第１電極は、第１面に設けられている。第２電極は、第２面に設けられている。第２電極は、圧電体を介して第１電極と対向している。第３電極は、第２面に設けられている。第３電極は、第２電極と離間している。第３電極は、第１電極に電気的に接続されている。第１面と第２面とが並ぶ方向である厚さ方向から見て、第２電極は、第１方向において第２面の両端縁まで延びており、第１方向に直交する第２方向において、第２面の両端縁と離間している。

本発明によれば、圧電素子の電極に配線を直接接続可能であって、圧電素子による振動の強度を高くしつつ残響特性の低下を抑制できる。

本発明の実施形態１に係る超音波センサの構成を示す断面図である。 図１の超音波センサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態１の変形例に係る超音波センサの構成を示す断面図である。 比較例１に係る超音波センサの構成を示す断面図である。 比較例２に係る超音波センサの構成を示す断面図である。 実施例１に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。 実施例２に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。 比較例１に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。 比較例２に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。 本発明の実施形態２に係る超音波センサの構成を示す断面図である。 図１０の超音波センサをＸＩ－ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。 本発明の実施形態３に係る超音波センサにおける圧電素子の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態４に係る超音波センサにおける圧電素子の構成を示す平面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る超音波センサについて図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図２は、図１の超音波センサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００は、ケース１１０と、圧電素子１２０とを備えている。

ケース１１０は、底部１１１および周壁部１１２を有している。図２に示すように、超音波センサ１００を、ケース１１０の底部１１１とは反対側に位置する開口端側から見たときに、底部１１１全体は円形状の外形を有している。当該開口端側から見たときの底部１１１全体の直径は、たとえば１５．５ｍｍである。

本発明の実施形態１においては、ケース１１０の底部１１１とは反対側に位置する開口端から見て、底部１１１のケース内に面している部分１１１Ａは、当該部分１１１Ａの中心点Ｃ１を通り、かつ、第１方向Ｄ１に平行な仮想線を対称軸として、線対称の外形を有している。また、上記部分１１１Ａは、上記開口端から見て、上記中心点Ｃ１を通り、かつ、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に平行な仮想線を対称軸として、線対称の外形を有している。

本発明の実施形態１において、具体的には、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａは、ケース１１０の開口端側から見て、矩形状の外形を有している。ケース１１０の開口端側から見て、底部１１１の上記部分１１１Ａの外形は、第１方向Ｄ１に平行な２つの長辺を有し、第２方向Ｄ２に平行な２つの短辺を有している。なお、底部１１１の上記部分１１１Ａの外形は、第２方向Ｄ２に平行な２つの長辺を有し、第１方向Ｄ１に平行な２つの短辺を有していてもよい。

ケース１１０の開口端から見て、底部１１１の上記部分１１１Ａの第１方向Ｄ１の長さは、たとえば１３ｍｍであり、第２方向Ｄ２の長さは、たとえば７ｍｍである。

本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａが、ケース１１０の主な振動領域となる。

図１および図２に示すように、周壁部１１２は、開口方向から見たときの開口端の面積が、上記部分１１１Ａの面積より広い。

本発明の実施形態１においては、ケース１１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの導電性材料で構成されている。なお、ケース１１０は、絶縁性材料で構成されていてもよい。

図２に示すように、圧電素子１２０は、ケース１１０内にて底部１１１上に配置されている。圧電素子１２０は、たとえばエポキシ樹脂などの接着剤により底部１１１上に接合されている。

図１および図２に示すように、圧電素子１２０は、圧電体１３０と、第１電極１４０と、第２電極１５０と、第３電極１６０とを含んでいる。

圧電体１３０は、第１面１３１および第２面１３２を有している。第１面１３１は、底部１１１側に位置している。第２面１３２は、第１面１３１とは反対側に位置している。本発明の実施形態１において、第１面１３１と第２面１３２とは、互いに平行に位置している。

図２に示すように、第１面１３１と第２面１３２とが並ぶ方向である厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０は、圧電体１３０の中心点Ｃ３を通り、かつ、第１方向Ｄ１に平行な仮想線Ｌを対称軸として、線対称の外形を有している。また、圧電体１３０は、圧電体１３０の中心点Ｃ３を通り、かつ、第２方向Ｄ２に平行な仮想線を対称軸として、線対称の外形を有している。なお、上述の厚さ方向Ｚは、開口端側から底部１１１を見たときの方向と同一である。

本発明の実施形態１において、具体的には、圧電体１３０は、厚さ方向Ｚから見たときに矩形状の外形を有している。圧電体１３０は、厚さ方向Ｚから見て、第１方向Ｄ１に平行な２つの長辺を有し、第２方向Ｄ２に平行な２つの短辺を有している。圧電体１３０の、厚さ方向Ｚから見たときの第１方向Ｄ１の長さは、たとえば６．５ｍｍであり、第２方向Ｄ２の長さは、たとえば５．２ｍｍ以上５．８ｍｍ以下である。なお、圧電体１３０は、第２方向Ｄ２に平行な長辺を有し、第１方向Ｄ１に平行な短辺を有していてもよい。

本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の中心点Ｃ３と、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１とが互いに一致している。

なお、本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の中心点Ｃ３と、底部１１１のケース内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１とが、必ずしも互いに一致していなくてもよい。図３は、本発明の実施形態１の変形例に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図３においては、図２に示す本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の断面視にて図示している。

図３に示すように、本発明の実施形態１の変形例に係る超音波センサ１００ａにおいては、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の中心点Ｃ３が、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１に対して、第１方向Ｄ１において離れて位置している。本発明の実施形態１の変形例に係る超音波センサ１００ａのその他の構成については、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様である。

本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００において、圧電体１３０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)で構成されている。

図１に示すように、第１電極１４０は、第１面１３１に設けられている。本発明の実施形態１において、第１電極１４０は、第１面１３１の全面に設けられている。すなわち、厚さ方向Ｚから見て第１電極１４０は圧電体１３０と同様の外形を有している。なお、第１電極１４０は、第１面１３１の第２方向Ｄ２における両端縁の少なくとも一方から離間して設けられてもよい。

本発明の実施形態１において、第１電極１４０は、圧電素子１２０を底部１１１に接着させるための接着剤を介して、底部１１１に電気的に接続されている。なお、第１電極１４０は、底部１１１に電気的に接続されていなくてもよい。

図１に示すように、第２電極１５０は、第２面１３２に設けられている。第２電極１５０は、圧電体１３０を介して第１電極１４０と対向している。

図２に示すように、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１において第２面１３２の両端縁１３２Ａまで延びている。これにより、第２電極１５０のうち第１電極１４０と対向する領域の面積を大きくして、圧電素子１２０の振動強度を高めることができる。厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において、第２面１３２の両端縁１３２Ｂと離間している。第２電極１５０と両端縁１３２Ｂとの離間距離は、たとえば１．３ｍｍである。

本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０が、第１方向Ｄ１に平行かつ圧電体１３０の中心点Ｃ３を通る仮想線Ｌを対称軸とする、線対称の外形を有している。また、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第２方向Ｄ２に平行かつ圧電体１３０の中心点Ｃ３を通る仮想線を対称軸とする、線対称の外形を有している。

本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、具体的には矩形状の外形を有している。厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１に平行な２つの辺および第２方向Ｄ２に平行な２つの辺を有している。

図１および図２に示すように、第３電極１６０は、第２面１３２に設けられている。第３電極１６０は、第２電極１５０と離間している。第３電極１６０は、第２方向Ｄ２において第２電極１５０の一方側に位置している。厚さ方向Ｚから見て、第３電極１６０は、第２方向Ｄ２における第２面１３２の両端縁１３２Ｂのうち、第３電極１６０の近くに位置する端縁１３２Ｂに達するまで延びている。厚さ方向Ｚから見て、第３電極１６０は、第１方向Ｄ１において第２面１３２の両端縁１３２Ａに達するまで延びている。

本発明の実施形態１において、第３電極１６０は、厚さ方向から見て矩形状の外形を有している。厚さ方向Ｚから見て、第３電極１６０は，第１方向Ｄ１に平行な２つの辺および第２方向Ｄ２に平行な２つの辺を有している。

第３電極１６０は、第１電極１４０に電気的に接続されている。具体的には、圧電素子１２０が、接続電極１７０をさらに含んでおり、第３電極１６０は、接続電極１７０を介して第１電極１４０に接続されている。

接続電極１７０が設けられる位置は、圧電体１３０上において第２電極１５０と離間して設けられていれば特に限定されない。本発明の実施形態１においては、接続電極１７０は、圧電体１３０の中心点Ｃ３から見て第３電極１６０が位置する側の、圧電体１３０の側面に設けられている。

図１に示すように、本発明の実施形態１において、超音波センサは、導電部材１９１と、充填部材１９２とを備えている。なお、図２において、導電部材１９１および充填部材１９２は図示していない。

導電部材１９１は、具体的には樹脂シートと配線とを有するＦＰＣ(フレキシブルプリント回路基板)と、当該ＦＰＣに接続された２つの配線部とで構成されている。導電部材１９１は、ケース１１０の内部から、ケース１１０の開口端を通ってケース１１０の外部に引き出されて配置されている。ケース１１０の内部において、導電部材１９１は、ＦＰＣを介して、２つの配線部の一方が第２電極１５０に接続され、２つの配線部の他方が第３電極１６０に接続されている。

充填部材１９２は、ケース１１０の内部における他の部材の隙間の全部または一部を埋めている。本発明の実施形態１において、充填部材１９２は、互いに発泡倍率の異なる第１充填部材１９３と、第１充填部材１９３に対してケース１１０の開口端側に位置する第２充填部材１９４とを有している。なお、充填部材１９２は、全体が同一の発泡倍率を有していてもよい。充填部材１９２は、たとえばシリコーン発泡体で構成されている。

本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の超音波の送信および受信のメカニズムについて簡単に説明する。まず、超音波センサ１００を用いて超音波を送信する際には、導電部材１９１を介して第１電極１４０と第３電極１６０との間にパルス電圧を印加することで、第１電極１４０と、第３電極１６０に接続された第２電極１５０との間にパルス電圧が印加される。そして、第１電極１４０と第２電極１５０との間にパルス電圧が印加されることで、第１電極１４０と第２電極１５０との間に位置する圧電体１３０内の電荷が、外部電荷と引き合ったり、退け合う。これにより、圧電体１３０が膨張と収縮を繰り返す。圧電体１３０が膨張収縮を繰り返すことで、圧電素子１２０が振動する。圧電素子１２０が振動することで、圧電素子１２０に接合された底部１１１の上記部分１１１Ａが主に振動する。これにより、底部１１１から、超音波が発信される。

超音波センサ１００を用いて超音波を受信する際には、底部１１１の上記部分１１１Ａに当たった超音波によって、底部１１１の上記部分１１１Ａが振動する。上記部分１１１Ａが振動することにより、圧電素子１２０が振動し、圧電体１３０が膨張および収縮を繰り返す。圧電体１３０が膨張および収縮を繰り返すことで、第１面１３１と第２面１３２において互いに反対の電荷が生じる。これにより、第１電極１４０と第２電極１５０との間に電圧が印加される。第１電極１４０と、第２電極１５０に接続された第３電極１６０との間の電圧を、導電部材１９１を介して検知する。このようにして、超音波センサ１００を用いて超音波を受信できる。

超音波センサ１００において、各電極への電圧印加を停止してから圧電素子１２０およびケース１１０の振動が停止するまでの時間が、残響時間である。超音波センサ１００を用いて送信した超音波が対象物に反射した後、この反射された超音波を同一の超音波センサ１００を用いて受信する場合においては、超音波を送信した後の残響時間が重要となる。上記対象物が超音波センサ１００の近くに位置している場合には超音波の送信から受信までの時間が比較的短いため、残響時間が短くなるほど、超音波センサ１００による受信感度が向上するからである。

以下、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００についての第１の実験例について説明する。第１の実験例においては、まず、実施例１、実施例２、比較例１および比較例２に係る各超音波センサを作製した。

実施例１に係る超音波センサは、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の構成とし、さらに、厚さ方向Ｚから見たときの第１方向Ｄ１における圧電体１３０の長さを６．５ｍｍとし、第２方向Ｄ２における圧電体１３０の長さを５．８ｍｍとした。また、厚さ方向Ｚから見たときの第２方向Ｄ２における両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離を１．３ｍｍとし、厚さ方向Ｚから見たときの底部１１１の直径を１５．５ｍｍとし、底部１１１のケース１１０内部に面している部分１１１Ａの第１方向Ｄ１における長さを１３ｍｍとし、当該部分１１１Ａの第２方向Ｄ２における長さを７ｍｍとした。また、具体的には、実施例１に係る超音波センサにおいては、ケース１１０をアルミニウムで構成して、圧電体をＰＺＴで構成した。圧電素子１２０は、エポキシ樹脂を用いてケース１１０の底部１１１上に接合した。

実施例２に係る超音波センサは、本発明の実施形態１の第１変形例に係る超音波センサ１００ａと同様の構成とし、さらに、圧電体１３０の中心点Ｃ３が、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１から、第２方向Ｄ２において第３電極側に０．３ｍｍ離れて、圧電素子１２０を配置した。ケース１１０を構成する材料、圧電体１３０の材料、圧電素子１２０をケース１１０の底部１１１上に接合する方法は、実施例１に係る超音波センサと同様である。

比較例１に係る超音波センサは、実施例１に係る超音波センサとは、第２電極の構成、および、圧電素子の配置位置のみが異なる。図４は、比較例１に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図４においては、図２に示す本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の断面視にて図示している。

図４に示すように、比較例１に係る超音波センサ８００においては、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０が、第２方向Ｄ２における第２面１３２の両端縁１３２Ｂのうち、第２面１３２の第３電極１６０側とは反対側の端縁１３２Ｂに達するまで延びている。また、比較例１に係る超音波センサ８００においては、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０の中心が、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１と略一致する位置に圧電素子１２０が配置されている。このため、圧電体１３０の中心点Ｃ３は、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１から、第２方向Ｄ２において第３電極１６０側に０．３ｍｍ離れて位置している。

比較例２に係る超音波センサは、比較例１に係る超音波センサ８００とは、圧電素子の配置位置のみが異なっている。図５は、比較例２に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図５においては、図４に示す比較例１に係る超音波センサ８００と同様の断面視にて図示している。

図５に示すように、比較例２に係る超音波センサ９００は、圧電体１３０の中心点Ｃ３が、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１から、第２方向Ｄ２において第３電極１６０側に０．３ｍｍ離れて位置し、かつ、第１方向Ｄ１の一方側に０．２ｍｍ離れて位置している。

そして、実施例１、実施例２、比較例１および比較例２に係る各超音波センサについて、第１電極と、第２電極に接続された第３電極との間に電圧を印加して、インピーダンスを測定した。インピーダンスの測定には、インピーダンスアナライザ(Keysight 4194A、キーサイト・テクノロジー社製)を用いた。インピーダンスの測定においては、電源周波数を連続的に変化させつつ定電圧を印加することで、インピーダンスを測定した。各実施例および各比較例について、電源周波数に対するインピーダンスの測定結果であるインピーダンスカーブを、以下の図６から図９に示す。

図６は、実施例１に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。図７は、実施例２に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。図８は、比較例１に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。図９は、比較例２に係る超音波センサをインピーダンス測定することで得られたインピーダンスカーブを示すグラフである。

図６から図９に示すように、各実施例および各比較例に係る超音波センサにおいては、電源周波数が６５ｋＨ近傍の時に、２０００Ω以上の高いインピーダンスを示している。すなわち、各実施例および各比較例においては、共振周波数が６５ｋＨｚ近傍となるよう超音波センサの構造が設計されている。このため、これらの超音波センサにおいては、周波数が６５ｋＨｚ近傍の超音波を送信する際に、残響時間が短くなるように設計されている。

図８および図９に示すように、比較例１に係る超音波センサ８００および比較例２に係る超音波センサ９００においては、電源周波数が７５ｋＨ近傍の時に、インピーダンスの値が約２００Ωとなっている。このため、比較例１および比較例２においては、超音波センサが６５ｋＨｚ近傍の周波数で振動したときに、７５ｋＨｚ近傍の周波数で比較的大きく振動するスプリアス振動が発生する。これにより、超音波センサによる６５ｋＨｚ近傍の周波数の超音波の送信時に、超音波センサの残響振動にスプリアス振動が混在してうなりが生じ、残響時間が長くなる。

一方、図６および図７に示すように、実施例１および実施例２に係る超音波センサは、電源周波数が６５ｋＨｚ近傍とは異なる周波数帯域程度において、インピーダンスの値が２００Ω程度となる電源周波数がない。すなわち、実施例１および実施例２においては、超音波センサが６５ｋＨｚ近傍の周波数で振動したときに、大きなスプリアス振動は発生しない。このため、超音波センサの残響振動に混在するスプリアス振動も小さくなり、残響時間が短くなる。

また、図６および図８に示すように、第２電極１５０の中心の位置が互いに略一致している実施例１と比較例１とを対比すると、比較例１に対して、実施例１においては、７５ｋＨｚ近傍の周波数のスプリアス振動の発生が低減していることがわかる。

また、図７および図９に示すように、第２電極１５０の中心の位置が互いに略一致している実施例２と比較例２とを対比すると、比較例２に対して、実施例２においては、７５ｋＨｚ近傍の周波数のスプリアス振動の発生が低減していることがわかる。このように、実施例２においては、第１方向Ｄ１における圧電体１３０の中心点Ｃ３の位置が、上記中心点Ｃ１に対して一致していないが、圧電素子１２０全体に対する第２電極１５０の対称性が向上しているため、実施例２に係る超音波センサにおいては、スプリアス周波数の発生が低減することができる。

さらに、図６および図７に示すように、実施例１と実施例２とを対比すると、実施例１においては、７５ｋＨｚ近傍の周波数のインピーダンスがより低減されている。このように、圧電体１３０の中心点Ｃ３の位置を、上記中心点Ｃ１に一致させることで、７５ｋＨｚ近傍の周波数のスプリアス振動をさらに小さくすることができ、残響時間をより小さくすることができる。

次に、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００についての第２の実験例について説明する。第２の実験例においては、実施例３～８および比較例３，４に係る各超音波センサついて、第２方向Ｄ２における第２面１３２の両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０とは反対側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離を変更した際の、スプリアス振動強度の変化をシミュレーションにより解析した。スプリアス振動強度は、具体的には、有限要素解析シミュレーションによる圧電共振解析により計測した。

実施例３～５に係る各超音波センサは、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の構成とし、さらに、厚さ方向Ｚから見たときの第１方向Ｄ１における圧電体１３０の長さを６．５ｍｍとし、第２方向Ｄ２における圧電体１３０の長さを５．８ｍｍとした。また、厚さ方向Ｚから見たときの第２方向Ｄ２における両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離を１．３ｍｍとし、底部１１１の直径を１５．５ｍｍとし、底部１１１のケース１１０内部に面している部分の第１方向における長さを１３ｍｍとし、当該部分の第２方向における長さを７ｍｍとした。また、ケース１１０をアルミニウムで構成して、圧電体をＰＺＴで構成した。圧電素子１２０は、エポキシ樹脂を用いてケース１１０の底部１１１上に接合されている。

そして、厚さ方向Ｚから見たときに第２方向Ｄ２における両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０とは反対側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離は、実施例３においては１ｍｍ、実施例４においては１．３ｍｍ、実施例５においては１．８ｍｍとした。

実施例６～８に係る各超音波センサは、厚さ方向Ｚから見たときの第２方向Ｄ２における圧電体１３０の長さを５．２ｍｍとした。実施例６～８について、その他の構成については、それぞれ、実施例３～５と同様とした。

比較例３に係る超音波センサは、厚さ方向Ｚから見て、第２電極が、第２方向における圧電体の両端縁のうち第３電極側とは反対側の端縁まで延びており、その他の構成については、実施例３～５と同様とした。

比較例４に係る超音波センサは、厚さ方向Ｚから見て、圧電体の、第２方向における両端縁のうち第３電極とは反対側の端縁まで、第２電極が延びており、その他の構成については、実施例６～８と同様とした。

下記表１において、上記シミュレーションにより計測した比較例３に係る超音波センサの７２ｋＨｚの周波数のスプリアス振動の振幅強度(振幅の大きさ)に対する、実施例３～５に係る各超音波センサの７２ｋＨｚの周波数のスプリアス振動強度の比について示す。また、下記表２において、上記シミュレーションにより計測した比較例４に係る超音波センサの７２ｋＨｚの周波数のスプリアス振動強度に対する、実施例６～８に係る各超音波センサの７２ｋＨｚの周波数のスプリアス振動強度の比について示す。

上記表１に示すように、実施例３～５においては、厚さ方向Ｚから見たときに第２方向Ｄ２における両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０とは反対側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離が１．３ｍｍに近いほど、振動強度比が小さくなった、すなわち、上記離間距離が１．３ｍｍに近いほど、スプリアス振動が小さくなることがわかる。ここで、実施例３～５においては、厚さ方向Ｚから見たときの第２方向Ｄ２における両端縁１３２Ｂのうち第３電極１６０側の端縁１３２Ｂと、第２電極１５０との離間距離が１．３ｍｍある。したがって、圧電体１３０上における第２方向Ｄ２の第２電極１５０の対称性が高くなるほど、スプリアス振動が小さくなることがわかる。さらに、実施例４のように、第２方向Ｄ２における、第２電極１５０と、両端縁１３２Ｂの各々との離間距離が互いに等しいときに、スプリアス振動が最も小さくなることがわかる。上記表２の実施例６～８においても、実施例３～５と同様の傾向が示されている。

上記のように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００は、ケース１１０と、圧電素子１２０とを備えている。ケース１１０は、底部１１１および周壁部１１２を有している。圧電素子１２０は、ケース１１０内にて底部１１１上に配置されている。圧電素子１２０は、圧電体１３０と、第１電極１４０と、第２電極１５０と、第３電極１６０とを含んでいる。圧電体１３０は、第１面１３１および第２面１３２を有している。第１面１３１は、底部１１１側に位置している。第２面１３２は、第１面１３１とは反対側に位置している。第１電極１４０は、第１面１３１に設けられている。第２電極１５０は、第２面１３２に設けられている。第２電極１５０は、圧電体１３０を介して第１電極１４０と対向している。第３電極１６０は、第２面１３２に設けられている。第３電極１６０は、第２電極１５０と離間している。第３電極１６０は、第１電極１４０に電気的に接続されている。第１面１３１と第２面１３２とが並ぶ方向である厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１において第２面１３２の両端縁１３２Ａまで延びており、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において、第２面１３２の両端縁１３２Ｂと離間している。

これにより、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、ケース１１０などの圧電素子１２０以外の部材を介することなく第１電極１４０および第２電極１５０に配線を電気的に接続可能であって、かつ、圧電素子１２０による振動の強度を高くできる。さらには、圧電体１３０の厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の外形形状に対する第２電極１５０の外形形状の対称性が向上するため、スプリアス振動が抑制され、当該振動の残響による残響特性の低下を抑制できる。

本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０が、第１方向Ｄ１に平行かつ圧電体１３０の中心点Ｃ３を通る仮想線Ｌを対称軸とする、線対称の外形を有している。

これにより、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の外形形状に対する第２電極１５０の外形形状の対称性がさらに向上するため、超音波センサ１００の残響特性の低下をより抑制できる。

本発明の実施形態１においては、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の中心点Ｃ３と、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの中心点Ｃ１とが互いに一致している。

これにより、厚さ方向Ｚから見て、底部１１１のケース１１０内に面している部分１１１Ａの外形形状に対する第２電極１５０の外形形状の対称性が向上するため、超音波センサ１００の残響特性の低下をより抑制できる。

本発明の実施形態１においては、ケース１１０が、導電性材料で構成されている。第１電極１４０は、底部１１１に電気的に接続されている。

これにより、ケース１１０を接地電位に接続することで、圧電素子１２０において第１電極１４０を接地電極とすることが可能となる。

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る超音波センサについて説明する。本発明の実施形態２に係る超音波センサは、圧電素子が第４電極をさらに含んでいる点で、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

図１０は、本発明の実施形態２に係る超音波センサの構成を示す断面図である。図１１は、図１０の超音波センサをＸＩ－ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図１０および図１１に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００において、圧電素子１２０は、第４電極２８０をさらに含んでいる。厚さ方向Ｚから見て、第４電極２８０は、第２面１３２において第２電極１５０とは離間している。第４電極２８０は、第２方向Ｄ２において第２電極１５０に関して第３電極１６０とは反対側に位置している。

上記の構成により、第２面１３２において、第２電極１５０を介して互いに隣り合って１対の電極がおよそ対称的に配置されるため、第２面１３２側における圧電体１３０の内部応力が小さくなり、圧電体１３０のクラックの発生が抑制され、超音波センサ２００の機械的信頼性を向上できる。

また、本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００においては、具体的には、第４電極２８０は、厚さ方向Ｚから見て、圧電体１３０の中心点Ｃ３を通り、かつ、第１方向Ｄ１に平行な仮想線Ｌを対称軸として、第３電極１６０と線対称となるような外形を有している。これにより、第２面１３２における電極の対称性がより向上し、圧電体１３０の内部応力をより小さくできる。

(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係る超音波センサについて説明する。本発明の実施形態３に係る超音波センサは、厚さ方向から見たときの圧電素子の外形形状が主に、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と異なっている。よって、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様の構成については説明を繰り返さない。

図１２は、本発明の実施形態３に係る超音波センサにおける圧電素子の構成を示す平面図である。図１２においては、本発明の実施形態３に係る超音波センサの圧電素子３２０のみを、図２に示した本発明の実施形態１における圧電素子１２０と同様の方向から図示している。

図１２に示すように、本発明の実施形態３において、圧電素子３２０は、圧電体１３０の厚さ方向Ｚから見て略円形状の外形を有している。圧電体１３０は、厚さ方向Ｚから見て円形状の外形を有している。

本発明の実施形態３に係る超音波センサにおいても、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様に、第３電極１６０は、第２面１３２に設けられている。第３電極１６０は、第２電極１５０と離間している。厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１において第２面１３２の両端縁１３２Ａまで延びており、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において、第２面１３２の両端縁１３２Ｂと離間している。これにより、ケースなどの他の部材を介することなく電極に配線を接続可能であって、圧電素子３２０による振動の強度を高くしつつ残響特性の低下を抑制できる。

(実施形態４)
以下、本発明の実施形態４に係る超音波センサについて説明する。本発明の実施形態４に係る超音波センサは、厚さ方向から見たときの圧電素子の外形形状が主に、本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００と異なっている。よって、本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００と同様の構成については説明を繰り返さない。

図１３は、本発明の実施形態４に係る超音波センサにおける圧電素子の構成を示す平面図である。図１３においては、圧電素子を、図１１に示した本発明の実施形態２における圧電素子１２０と同様の方向から図示している。

図１３に示すように、本発明の実施形態４において、圧電素子４２０は、圧電体１３０の厚さ方向Ｚから見て円形状の外形を有している。圧電体１３０は、厚さ方向Ｚから見て円形状の外形を有している。

本発明の実施形態４に係る超音波センサにおいても、本発明の実施形態２に係る超音波センサ１００と同様に、第３電極１６０は、第２面１３２に設けられている。第３電極１６０は、第２電極１５０と離間している。厚さ方向Ｚから見て、第２電極１５０は、第１方向Ｄ１において第２面１３２の両端縁１３２Ａまで延びており、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２において、第２面１３２の両端縁１３２Ｂと離間している。これにより、ケースなどの他の部材を介することなく電極に配線を接続可能であって、圧電素子４２０による振動の強度を高くしつつ残響特性の低下を抑制できる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００，１００ａ，２００，８００，９００ 超音波センサ、１１０ ケース、１１１ 底部、１１１Ａ 部分、１１２ 周壁部、１２０，３２０，４２０ 圧電素子、１３０ 圧電体、１３１ 第１面、１３２ 第２面、１３２Ａ，１３２Ｂ 端縁、１４０ 第１電極、１５０ 第２電極、１６０ 第３電極、１７０ 接続電極、１９１ 導電部材、１９２ 充填部材、１９３ 第１充填部材、１９４ 第２充填部材、２８０ 第４電極。

Claims (5)

1. 底部および周壁部を有するケースと、
   前記ケース内にて前記底部上に配置されている圧電素子とを備え、
   前記圧電素子は、底部側に位置する第１面および該第１面とは反対側に位置する第２面を有する圧電体と、前記第１面に設けられている第１電極と、前記第２面に設けられている第２電極と、該第２電極と離間して前記第２面に設けられ、かつ、前記第１電極に電気的に接続されている第３電極とを含み、
   前記第２電極は、前記圧電体を介して前記第１電極と対向しており、
   前記第１面と前記第２面とが並ぶ方向である厚さ方向から見て、前記第２電極は、第１方向において前記第２面の両端縁まで延びており、前記第１方向に直交する第２方向において、前記第２面の両端縁と離間している、超音波センサ。
2. 前記厚さ方向から見て、前記第２電極は、前記第１方向に平行かつ前記圧電体の中心点を通る仮想線を対称軸とする、線対称の外形を有している、請求項１に記載の超音波センサ。
3. 前記厚さ方向から見て、前記圧電体の中心点と、前記底部の前記ケース内に面している部分の中心点とが互いに一致している、請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記ケースは、導電性材料で構成されており、
   前記第１電極は、前記底部に電気的に接続されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波センサ。
5. 前記厚さ方向から見て、前記圧電素子は、前記第２面において前記第２電極とは離間している第４電極をさらに含み、
   前記第４電極は、前記第２方向において前記第２電極に関して前記第３電極とは反対側に位置している、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波センサ。

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