JPWO2013047544A1 - Ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
ケースを介さずに圧電素子の電極に配線部材を接続しながら、圧電素子とケースとの高い接合精度を実現でき、また、良好な振動特性や感度特性を得ることができる構成の超音波センサを実現する。超音波センサ(1)は、振動領域である底面部を有する凹部(2B1)を有し、有底筒状のケース(2)と、第1の面と第1の面と対向する第2の面とを有する圧電基板(3E)と、第1の面に設けられている第1の電極(3A)と、第2の面の一部に設けられている第2の電極(3B)と、第2の面の一部に第2の電極(3B)と離れて設けられており、第1の電極(3A)と接続されている第3の電極(3C)とを有し、第1の電極(3A)が凹部(2B1)の底面に接合され、底面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圧電素子(3)と、を備える。An ultrasonic sensor having a configuration capable of realizing high bonding accuracy between the piezoelectric element and the case and obtaining good vibration characteristics and sensitivity characteristics while connecting the wiring member to the electrode of the piezoelectric element without passing through the case. Realize. The ultrasonic sensor (1) has a concave portion (2B1) having a bottom surface portion that is a vibration region, a bottomed cylindrical case (2), and a second surface facing the first surface and the first surface. A piezoelectric substrate (3E) having a surface, a first electrode (3A) provided on the first surface, a second electrode (3B) provided on a part of the second surface, A third electrode (3C) which is provided apart from the second electrode (3B) and is connected to the first electrode (3A) on a part of the second surface; The electrode (3A) is bonded to the bottom surface of the recess (2B1), and includes a piezoelectric element (3) disposed in a position different from the center of the vibration region when the bottom surface is viewed in plan.
Description
この発明は、圧電素子をケースに接合した構成の超音波センサ、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。 The present invention relates to an ultrasonic sensor having a structure in which a piezoelectric element is bonded to a case, for example, an ultrasonic sensor used for a corner sonar, a back sonar, etc. of an automobile.
超音波センサは、超音波パルス信号を間欠的に送信し、送信された超音波パルス信号が障害物や物標に到達した後に反射した反射波を受信することにより障害物や物標を検知するものである(例えば特許文献1参照。)。自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車する際における側壁等の障害物との距離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ている。 The ultrasonic sensor detects an obstacle or target by intermittently transmitting an ultrasonic pulse signal and receiving a reflected wave reflected after the transmitted ultrasonic pulse signal reaches the obstacle or target. (For example, refer to Patent Document 1). Ultrasonic sensors are used for back sonars, corner sonars of automobiles, and parking spot sensors for detecting distances from obstacles such as side walls in parallel parking.
図6(A)は、従来の超音波センサの構成例を示す断面図である。超音波センサ101は、ケース102と、圧電素子103と、ダンピング材104と、基板105と、発泡性樹脂106と、ピン端子107A,107Bと、リード線108A,108Bと、を備えている。ケース102は、有底筒状であり、金属等の導電性を有する材料で構成されている。圧電素子103は、ケース102の開口内底面に、導電性接着剤などによって接合されている。図6(B)は、圧電素子103の構成例を示す斜視図である。圧電素子103は、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板103Cと、圧電基板103Cの互いに対向する主面にそれぞれ設けられている電極103A,103Bとを有する。圧電素子103は、電極103Aがケース102の開口内底面に接触するように、ケース102に接合されている。
FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a conventional ultrasonic sensor. The
また、図6(A)に示すように、ダンピング材104は、ケース102の開口を閉塞するように設けられている。基板105は、ダンピング材104上に設けられている。基板105およびダンピング材104には、貫通孔が設けられている。発泡性樹脂106は、貫通孔の一つからケース102の開口内に注入され、ケース102の内部および貫通孔の内部に充填されている。ピン端子107A,107Bは、それぞれ直線棒状であり、それぞれ貫通孔の一つを介してケース102の開口内に挿入されている。リード線108Aは、ケース102の開口内において、ピン端子107Aの先端とケース102とに半田により接合されており、ピン端子107Aとケース102とを電気的に接続している。このため、ピン端子107Aは、リード線108Aとケース102とを介して電極103Aに電気的に接続されている。リード線108Bは、ケース102の開口内において、ピン端子107Bの先端と圧電素子103の電極103Bとに半田により接合されており、ピン端子107Bの先端と圧電素子103の電極103Bとを電気的に接続している。
Further, as shown in FIG. 6A, the
上述したような従来構成の超音波センサにおいては、圧電素子が、平面視して、自らの中心の位置とケースの開口内底面の中心とが一致するように、ケースの開口内底面に接合されているが、圧電素子の電極の形状によっては超音波センサにおける圧電素子の振動効率と総合感度とが低下することがあった。また、圧電素子の一方の電極には、リード線が直接接続されていて、他方の電極には、ケースを介して間接的にリード線が接続されている。そのため、製造時には圧電素子とケースとに2度の配線作業が必要であり、作業が煩雑であった。 In the ultrasonic sensor having the conventional configuration as described above, the piezoelectric element is joined to the inner bottom surface of the case opening so that the center position of the piezoelectric element coincides with the center of the inner bottom surface of the case opening. However, depending on the shape of the electrode of the piezoelectric element, the vibration efficiency and the overall sensitivity of the piezoelectric element in the ultrasonic sensor may decrease. In addition, a lead wire is directly connected to one electrode of the piezoelectric element, and a lead wire is indirectly connected to the other electrode via a case. For this reason, it is necessary to perform wiring work twice between the piezoelectric element and the case at the time of manufacture, and the work is complicated.
また、ケースは良好な導電性を有する材料からなる必要があり、用いることができる材料に制約が大きく、さらに、酸化しやすい金属を用いた場合には酸化防止の処理を必要とすることがあった。 In addition, the case needs to be made of a material having good conductivity, and there are significant restrictions on the materials that can be used. Further, when an easily oxidizable metal is used, an anti-oxidation treatment may be required. It was.
また、2つのリード線をそれぞれ、ケースを介さずに圧電素子の電極に直接接続することも可能であるが、そのためには、圧電素子の電極にリード線を接続した後で圧電素子をケースに接合する必要がある。その場合には、圧電素子とケースとの接合精度が低下し、良好な振動効率や総合感度を得ることが難しくなる問題があった。 It is also possible to connect the two lead wires directly to the electrode of the piezoelectric element without going through the case. For this purpose, after connecting the lead wire to the electrode of the piezoelectric element, the piezoelectric element is attached to the case. It is necessary to join. In this case, there is a problem that the accuracy of joining the piezoelectric element and the case is lowered, and it is difficult to obtain good vibration efficiency and overall sensitivity.
そこで本発明の目的は、ケースを介さずに圧電素子の電極に配線部材を接続しながら、圧電素子とケースとの高い接合精度を実現でき、また、良好な圧電素子の振動効率や総合感度を得ることができる構成の超音波センサを実現することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to realize high bonding accuracy between the piezoelectric element and the case while connecting the wiring member to the electrode of the piezoelectric element without going through the case, and to improve the vibration efficiency and overall sensitivity of the piezoelectric element. It is to realize an ultrasonic sensor having a configuration that can be obtained.
本発明の超音波センサは、ケースと、圧電素子と、を備えている。ケースは、振動領域である底面部を有し、有底筒状である。圧電素子は、圧電基板と、第1の電極と、第2の電極と、第3の電極とを有する。圧電基板は、第1の面と第1の面と対向する第2の面とを有する。第1の電極は、第1の面に設けられている。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おり、第1の電極と接続されている。圧電素子は、第1の電極が底面部に接合され、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。 The ultrasonic sensor of the present invention includes a case and a piezoelectric element. The case has a bottom surface portion that is a vibration region and has a bottomed cylindrical shape. The piezoelectric element has a piezoelectric substrate, a first electrode, a second electrode, and a third electrode. The piezoelectric substrate has a first surface and a second surface facing the first surface. The first electrode is provided on the first surface. The second electrode is provided on a part of the second surface. The third electrode is provided apart from the second electrode on a part of the second surface, and is connected to the first electrode. In the piezoelectric element, the first electrode is joined to the bottom surface, and the center of the piezoelectric element is arranged at a position different from the center of the vibration region in plan view.
上述の超音波センサにおいて、圧電基板の第2の面における第2の電極が設けられている領域の面積と第3の電極が設けられている領域の面積とが異なることが好ましい。 In the above-described ultrasonic sensor, it is preferable that the area of the region where the second electrode is provided on the second surface of the piezoelectric substrate is different from the area of the region where the third electrode is provided.
上述の超音波センサにおいて、圧電素子を平面視して、第2の電極と第3の電極とが非対称に設けられていることが好ましい。 In the above-described ultrasonic sensor, it is preferable that the second electrode and the third electrode are provided asymmetrically in a plan view of the piezoelectric element.
上述の超音波センサにおいて、振動領域は、底面部を平面視して、長手方向と短手方向とを有する平面形状であり、第2の電極と第3の電極とは短手方向に配列されていることが好ましい。 In the ultrasonic sensor described above, the vibration region has a planar shape having a longitudinal direction and a short direction when the bottom surface portion is viewed in plan, and the second electrode and the third electrode are arranged in the short direction. It is preferable.
本発明によれば、圧電素子が、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ため、超音波センサにおける圧電素子の振動効率と総合感度とを向上させ、特性を改善することが可能になる。また、第2の電極と第3の電極とが圧電基板の第2の面に設けられているため、ケースを介さずにフレキシブル基板やリード線などの配線部を直接接続することができ、ケースとして利用できる材料に制約が少なくなる。さらに、第2の電極および第3の電極と配線部との接続は、圧電素子をケースに接合した後であっても可能であり、圧電素子とケースとの接合精度の高くすることができる。 According to the present invention, since the piezoelectric element is arranged at a position where the center of the piezoelectric element is different from the center of the vibration region in plan view of the bottom surface portion, the vibration efficiency and the overall sensitivity of the piezoelectric element in the ultrasonic sensor are improved. And the characteristics can be improved. In addition, since the second electrode and the third electrode are provided on the second surface of the piezoelectric substrate, a wiring portion such as a flexible substrate or a lead wire can be directly connected without passing through the case. As a result, there are fewer restrictions on the materials that can be used. Furthermore, the connection between the second electrode and the third electrode and the wiring portion can be performed even after the piezoelectric element is bonded to the case, and the bonding accuracy between the piezoelectric element and the case can be increased.
《第1の実施形態》
図1(A)は、本発明の第1の実施形態に係る超音波センサ1の断面図である。図1(B)は、超音波センサ1の平面図である。なお、図1(A)は、図1(B)中にA−A’で示す位置における断面を示す。図1(B)は、超音波センサ1の背面を示す。<< First Embodiment >>
FIG. 1A is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a plan view of the ultrasonic sensor 1. 1A shows a cross section at a position indicated by AA ′ in FIG. FIG. 1B shows the back surface of the ultrasonic sensor 1.
超音波センサ1は、ケース2と、圧電素子3と、吸音材4と、補強材5と、支持材6と、緩衝材7と、制振材8と、フレキシブル基板9と、端子保持材10と、ピン端子11A,11Bと、を備えている。
The ultrasonic sensor 1 includes a
ケース2は、図1(A)における下端面(正面)が閉塞し、図1(A)における上端面(背面)が開口する有底筒状であり、筒状の側壁2Aと、円板状の底板2Bとを備えている。図1(B)に示すように、ケース2の開口は平面視して円形である。ケース2は、例えば弾性率が高くて軽量なアルミニウムからなる部材であり、鍛造により形成されている。なお、ケース2の材料は、アルミニウムのような導電性材料に限られず、絶縁性材料であってもよい。
The
側壁2Aにおいては、背面側の部分は薄肉であって開口部の内径が大きく、底板2B側の部分は厚肉であって開口部の内径が小さい。底板2Bは、凹部2B1と段部2B2とを備えている。凹部2B1は、底面部と側壁部とを有し、所定方向(図1(B)における横方向)が短手方向となり、短手方向に直交する方向が長手方向となるように設けられている。即ち、凹部2B1は、長手方向の両端が側壁2Aまで至るように設けられている。また、段部2B2は、凹部2B1の短手方向の両脇に設けられている。凹部2B1の底面部が、ケース2の主たる振動領域となり、超音波センサ1は、凹部2B1の長手方向に狭く、短手方向に広い指向性を持つことになる。
In the
圧電素子3は、平板状であり、駆動電圧が印加されると面内方向に広がり振動する。圧電素子3は、ケース2の凹部2B1の内部に配置されていて、底板2Bに接合されている。具体的には、圧電素子3は、凹部2B1の底面部に接合されている。圧電素子3および底板2Bは、互いに接合されてバイモルフ振動子を構成していて、圧電素子3の広がり振動によって、底板2B(凹部2B1)は、図1(A)における上下方向に屈曲振動する。
The
吸音材4は、例えばポリエステルフェルトなどからなる平板状のものであり、圧電素子3からケース2の開口側に放出される不要な超音波を吸収するために設けられている。吸音材4は、ケース2の凹部2B1内に配置されていて、圧電素子3の上に接着されている。
The
補強材5は、中央に開口を有するリング状の部材であり、高い音響インピーダンスを有する。補強材5は、錘として機能するように、ステンレス鋼や亜鉛のような、ケース2を構成する材料よりも密度が高くかつ剛性が高い材料からなる。なお。補強材5は、厚み等のサイズを調整することによってケース2と同じ材料(アルミニウム)からなるものであってもよい。また、補強材5は、側壁2Aの底板2B側の部分すなわち厚肉の部分の内周面と段部2B2とに接するように、ケース2の底板2B上に配置されている。このように、補強材5が設けられていることにより、ケース2の凹部2B1を囲む周囲の部分の剛性が高まり、ケース2の底板2Bにおける振動がケース2の側壁2Aへ伝わることを抑制できる。
The reinforcing
支持材6は、中央に開口を有するリング状の部材であり、緩衝材7をケース2に接触させずに支持するために、ケース2の側壁2Aと緩衝材7との間に設けられている。支持材6が設けられていることにより、ケース2の底板2Bにおける振動が側壁2Aを介して緩衝材7に伝わることを抑制できる。
The
緩衝材7は、シリコーンゴムやウレタン樹脂などの弾性体からなるカップ状の部材である。緩衝材7は、下部に設けられており、補強材5の開口に係合する凸部と、上部に設けられており、端子保持材10が係合する開口とを有する。緩衝材7が設けられていることにより、ケース2の底板2Bにおける振動が側壁2Aを介して端子保持材10に伝わることを抑制できる。
The
端子保持材10は、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などの樹脂からなるL字状の部材であり、ピン端子11A,11Bを、ケース2の開口の中心を通る軸に沿う状態で保持している。端子保持材10の下部は、緩衝材7の上部に設けられている開口に係合するように屈曲している。端子保持材10は、底面に設けられている凸部を有する。また、端子保持材10の中央部には、ピン端子11A,11Bが挿通される2つの貫通孔が設けられている。
The
ピン端子11A,11Bは、圧電素子3の駆動電圧が印加される金属製の直線状ピンであり、端子保持材10によって保持されている。具体的には、ピン端子11A,11Bは端子保持材10の貫通孔にそれぞれ挿入されている。ピン端子11A,11Bの下端部は、端子保持材10の貫通孔から突出しており、ケース2の開口内に配置されている。ピン端子11A,11Bの上端部は、端子保持材10の上端から突出しており、ケース2の外部に配置されている。
The pin terminals 11 </ b> A and 11 </ b> B are metal linear pins to which the driving voltage of the
フレキシブル基板9は、幅広な帯状であり、ピン端子11A,11Bと圧電素子3とを電気的に接続している配線部である。フレキシブル基板9は、ケース2の開口内に屈曲して配置されており、一部が支持材6と緩衝材7との間に配置されている。フレキシブル基板9は、第一端と第二端とを有する。第一端は、ピン端子11A,11Bの下端部と同方向に沿って延び、ピン端子11A,11Bに接続されている。第二端は、圧電素子3に導電性接着剤により接続されている。フレキシブル基板9が導電性接着剤により圧電素子3に接続されているため、従来の超音波センサのようにリード線が半田により圧電素子に接続されている場合よりも配線部の重量を低減することができる。これにより、圧電素子3の振動をより理想的なものに近付けることができる。
The flexible substrate 9 has a wide band shape, and is a wiring portion that electrically connects the pin terminals 11 </ b> A and 11 </ b> B and the
制振材8は、シリコーン樹脂やウレタン樹脂などの弾性体からなる。制振材8は、ケース2の内部に充填されており、ケース2の開口内に配置されているピン端子11A,11Bの下端部およびフレキシブル基板9を封止している。但し、支持材6と緩衝材7とにより、ケース2の底板2B側の空間が覆われているので、制振材8は、ケース2の開口側の空間のみに充填されている。制振材8は、ケース2の側壁2Aの振動を抑制する機能を有しているとともに、支持材6や緩衝材7がケース2から離脱することを防止する機能も有している。
The damping
このような構成の超音波センサ1では、ケース2の底板2Bにおける振動が、吸音材4や支持材6、緩衝材7により減衰するため、端子保持材10およびピン端子11A,11Bに殆ど伝搬することがない。したがって、超音波センサ1を外部基板に実装した際に発生するピン端子11A,11Bから外部基板への振動漏れが大幅に低減される。
In the ultrasonic sensor 1 having such a configuration, the vibration in the
なお、支持材6や緩衝材7は振動を伝搬し難いもの、制振材8はケース2の側壁2Aの振動を抑制(制振)するものであると好適である。支持材6や緩衝材7は、制振材8に比べて弾性率が低いことが好ましい。さらに詳しくは、弾性率には貯蔵弾性率と損失弾性率があり、支持材6や緩衝材7は貯蔵弾性率が小さく、制振材8は損失弾性率が大きいことが好ましい。例えば、支持材6や緩衝材7はシリコーン樹脂(シリコーンゴム)からなり、制振材8はウレタン樹脂からなることが好ましい。
Note that it is preferable that the
図2(A)は、圧電素子3の詳細構成を説明するための斜視図である。図2(B)は、圧電素子3がケース2に接合されている状態を透視した、超音波センサ1の平面図である。
FIG. 2A is a perspective view for explaining a detailed configuration of the
圧電素子3は、電極3A〜3Dと、圧電基板3E、とを備えている。圧電基板3Eは、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、平面視して長方形の平板状である。電極3Aは、本実施形態における第1の電極に相当するものであり、圧電基板3Eの第1の面である下面の全面に設けられている。電極3Aは、ケース2の底板2Bに接合される。具体的には、電極3Aは、凹部2B1の底面部に接合されている。電極3Bは、本実施形態における第2の電極に相当するものであり、圧電基板3Eの第2の面である上面の一部に設けられている。電極3Cは、本実施形態における第3の電極に相当するものであり、圧電基板3Eの第2の面である上面の一部に設けられている。電極3Dは、圧電基板3Eの1つの側面に設けられており、電極3Aと電極3Cとに接続されている。このため、電極3Aと電極3Cとは、電気的に接続されている。圧電基板3Eの上面における電極3Bが設けられている領域と電極3Cが設けられている領域との間には、圧電基板3Eの長手方向に平行する直線状の圧電基板露出領域が設けられている。これにより、電極3Bと電極3Cとは、所定の間隔離れて、圧電基板3Eの上面の短手方向に並べて設けられており、互いに電気的に接続されていない。圧電基板3Eの上面における電極3Bが設けられている領域と電極3Cが設けられている領域とは互いに面積が異なり、電極3Bが設けられている領域の面積は、電極3Cが設けられている領域の面積よりも大きい。すなわち、電極3Bの方が電極3Cよりも面積が大きい。
The
このように、電極3Bと電極3Cとが所定の間隔離れて並べて設けられていることにより、電極3Bと電極3Cとはフレキシブル基板9の第二端の接続領域9Aと直接接続される。接続領域9Aは、圧電素子3の長手方向の中心、かつ、電極非形成領域の周辺の領域において、電極3Bと電極3Cと接続される。電極3A〜3Dが上記のように構成されていることにより、圧電素子3がケースの底板2Bに接合された後で、フレキシブル基板9の接続領域9Aが圧電素子3に接続される。これにより、圧電素子3とケース2との接合精度を高くすることができる。
Thus, the
このような構成の圧電素子3は、電極3Aと電極3Bとの間に駆動電圧が印加されることにより、圧電基板3Eにおける電極3Aと電極3Bとに挟まれる領域が変形することで、振動することになる。一方、圧電基板3Eにおける電極3Aと電極3Cとに挟まれる領域はほとんど変形しないため、振動にほとんど寄与しない。圧電基板3Eの第2の面である上面における電極3Bが設けられている領域の面積と電極3Cが設けられている領域の面積とが異なっており、圧電素子3を平面視して電極3Bと電極3Cとが非対称に設けられているため、圧電素子3における振動に寄与する領域は非対称である。
The
圧電素子3は、凹部2B1を平面視して、自らの長手方向が凹部2B1の長手方向と一致し、自らの短手方向が凹部2B1の短手方向と一致するように、凹部2B1に接合されている。そして、圧電素子3は、凹部2B1を平面視して、自らの短手方向の中心の位置が凹部2B1の短手方向の中心の位置と異なるように、すなわち、自らの短手方向の中心が、凹部2B1の短手方向の中心から、段部2B2の一方側にオフセットするように配置されている。なお、圧電素子3は、自らの長手方向の中心が、凹部2B1の長手方向の中心と一致するように配置されている。
The
このように、圧電素子3における振動に有効に作用する領域が非対称であることを考慮して、圧電素子3の中心の位置と凹部2B1の中心の位置とが異なるように、圧電素子3の中心を凹部2B1の中心からオフセットさせ、圧電素子3のオフセット寸法、すなわち、圧電素子3の中心の位置と凹部2B1の中心の位置との間の距離を適切に定めることで、超音波センサ1における圧電素子3の振動効率と総合感度とを向上させ、特性を改善することが可能になる。
Thus, in consideration of the fact that the region that effectively acts on the vibration in the
また、圧電素子3の短手方向と、凹部2B1の短手方向とを一致させておくことで、振動にほとんど寄与しない圧電基板3Eにおける電極3Aと電極3Cとに挟まれる領域を、ケースの底板2Bにおける振動の節となる段部2B2に近付けて配置することができるため、圧電素子3の振動が阻害されることを防いで、超音波センサ1の振動をより理想的なものに近付けることができる。
Further, by making the short direction of the
また、フレキシブル基板9の第二端の接続領域9Aが、圧電素子3の長手方向の中心、かつ、電極非形成領域の周辺の領域において、電極3Bと電極3Cと接続されることにより、接続領域9Aをケースの底板2Bにおける振動の節となる段部2B2に近付けて配置することができるため、圧電素子3の振動が阻害されることを防いで、超音波センサ1の振動をより理想的なものに近付けることができる。なお、ここでは、フレキシブル基板9(不図示)を、接続領域9Aから、電極3C側に引き出すようにしている。これにより、圧電素子3の振動の対称性を高めて、超音波センサ1の振動をより理想的なものに近付けることができる。
In addition, the
なお、具体的な寸法の設定例について説明しておくと、凹部2B1は、短手方向の寸法が7.0mmである。圧電素子3は、短手方向の寸法が5.2mmであり、長手方向の寸法が6.5mmである。電極3Cは短手(幅)方向の寸法が0.9mmである。電極3Cと電極3Bとの境界の電極非形成領域の短手(幅)方向の寸法が0.4mmである。電極3Bは、短手(幅)方向の寸法が3.9mmである。そして、圧電素子3の中心と凹部2B1の中心とのオフセット寸法は0.4mmである。即ち、圧電素子3の電極3B側の端部から2.2mmで、電極3C側の端部から3.0mmの位置に、凹部2B1の中心が位置する。
A specific example of setting the dimensions will be described. The recess 2B1 has a dimension in the short side direction of 7.0 mm. The
ここで、超音波センサ1の振動特性について、FEM解析結果に基づいて説明する。図3(A)は、上記した寸法設定例における、ケース2と圧電素子3とからなるバイモルフ振動子における電気機械結合係数Kp/%と、圧電素子3のオフセット寸法(素子ずらし量)との関係を示す図である。
Here, the vibration characteristic of the ultrasonic sensor 1 will be described based on the FEM analysis result. FIG. 3A shows the relationship between the electromechanical coupling coefficient Kp /% in the bimorph vibrator including the
図3(A)に示すように、圧電素子3の中心が凹部2B1の中心と一致する、すなわち圧電素子3のオフセット寸法が0である構成よりも、圧電素子3のオフセット寸法がより大きい構成では、電気機械結合係数Kp/%が大きなものになる。電気機械結合係数Kp/%は、圧電素子3のオフセット寸法が所定値(0.4mm)で最大となり、圧電素子3のオフセット寸法がその所定値よりもさらに大きい構成では、電気機械結合係数Kp/%は最大値よりも小さいものになる。したがって、少なくとも超音波センサの振動効率の面では、圧電素子3を所定のオフセット寸法とすることで、振動効率を最大化できることが分かる。
As shown in FIG. 3A, in the configuration in which the center of the
次に、超音波センサ1の感度特性について、サンプル試験結果(n=3)に基づいて説明する。図3(B)は、上記した寸法設定例における、超音波センサ1の総合感度Vppと、圧電素子3のオフセット寸法との関係を示す図である。
Next, sensitivity characteristics of the ultrasonic sensor 1 will be described based on sample test results (n = 3). FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the total sensitivity Vpp of the ultrasonic sensor 1 and the offset dimension of the
超音波センサ1の総合感度Vppは、圧電素子3のオフセット寸法と正の相関関係を持ち、オフセット寸法が大きければ総合感度Vppが高いものになった。したがって、少なくとも超音波センサ1の総合感度Vppの面では、圧電素子3のオフセット寸法は大きいほうが(例えば、0.5mmであれば)望ましいことが分かる。
The total sensitivity Vpp of the ultrasonic sensor 1 has a positive correlation with the offset dimension of the
ただし、現実的には、圧電素子3のオフセット寸法が大きすぎると、圧電素子3と接続されるフレキシブル基板9の配置も大きくオフセットされて、フレキシブル基板9がケース2の側壁2Aと干渉し易くなる。フレキシブル基板9がケース2の側壁2Aに干渉すると、不要な振動がフレキシブル基板9から側壁2Aに伝わることになり、特性が劣化する恐れがある。したがって、そのような干渉を防ぎながら、振動特性と感度特性とを良好なものにするために、上述の圧電素子3のオフセット寸法の設定例としては、オフセット寸法0.4mmとした設定例を示した。
However, in reality, if the offset dimension of the
なお、フレキシブル基板9の引き出し方向を圧電素子3の長手方向とすれば、フレキシブル基板9とケース2の側壁2Aとの干渉は生じにくくなる。その場合には、オフセット寸法を限界まで大きくしても良く、超音波センサ1の総合感度をさらに良好なものにすることが可能になる。
If the direction in which the flexible substrate 9 is pulled out is the longitudinal direction of the
≪第2の実施形態≫
次に、本発明の第2の実施形態に係る超音波センサ21について説明する。<< Second Embodiment >>
Next, an
図4は、本実施形態に係る超音波センサ21の模式断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the
超音波センサ21は、前述の実施形態に係る超音波センサ1のフレキシブル基板9に替えて、リード線29A,29Bを備える。超音波センサ21は、その他の構成は前述の実施形態に係る超音波センサ1と同じである。リード線29A,29Bはそれぞれ、圧電素子3の電極3B、3C(不図示)に直接接続されている。このように超音波センサ21は構成してもよい。その場合にも、ケース2を介することなく、圧電素子3とピン端子11A,11Bとの間を直接的に接続するとともに、圧電素子3をオフセット配置することにより、本発明は好適に実施できる。
The
≪変形例≫
次に、本発明の変形例に係る超音波センサ31〜51について説明する。≪Modification≫
Next,
圧電素子33では、電極3Bと電極3Cとは、所定の間隔離れて、圧電素子33の長手方向に並べて設けられている。圧電素子33は、凹部2B1の長手方向にオフセットして配置されている。このような構成では、凹部2B1の短手方向で指向性ビームの対称性を高めることができる。また、振動にほとんど寄与しない圧電基板3E(図示せず)における電極3A(図示せず)と電極3Cとに挟まれる領域が、側壁2Aや段部2B2に干渉することが無く、圧電素子33のサイズが大きくすることができる。
In the piezoelectric element 33, the
超音波センサ41は、前述の実施形態の圧電素子3に替えて、圧電素子43を備える。超音波センサ41は、その他の構成は前述の実施形態に係る超音波センサ1と同じである。図5(B)は、圧電素子43がケース2に接合されている状態を透視した、超音波センサ41の平面図である。
The
圧電素子43では、電極3Bと電極3Cとは、所定の間隔離れて、圧電素子43の短手方向に並べて設けられている。圧電素子43は、自らの長手方向を凹部2B1の短手方向とし、凹部2B1の長手方向にオフセットして配置されている。
In the
超音波センサ51は、前述の実施形態の圧電素子3に替えて、圧電素子53を備える。超音波センサ51は、その他の構成は前述の実施形態に係る超音波センサ1と同じである。図5(C)は、圧電素子53がケース2に接合されている状態を透視した、超音波センサ51の平面図である。
The
圧電素子53では、電極3Bと電極3Cとは、所定の間隔離れて、圧電素子53の長手方向に並べて設けられている。圧電素子53は、自らの長手方向を凹部2B1の短手方向とし、凹部2B1の短手方向にオフセットして配置されている。
In the
以上の各実施形態で説明したように本発明は実施することができるが、超音波センサの具体的な構成は、上述のものに限られるものではない。例えば、緩衝材や、支持材、補強材、支持材、吸音材などの具体的形状や材料はどのようなものでもよく、また、緩衝材や、支持材、補強材、支持材、吸音材はそれぞれ必ずしも設けなくてもよい。 As described in the above embodiments, the present invention can be implemented, but the specific configuration of the ultrasonic sensor is not limited to the above-described one. For example, any specific shape or material such as cushioning material, support material, reinforcement material, support material, sound absorbing material may be used, and cushioning material, support material, reinforcement material, support material, sound absorption material may be It is not always necessary to provide each.
1,21,31,41,51…超音波センサ
2…ケース
2A…側壁
2B…底板
2B1…凹部
2B2…段部
3,33,43,53…圧電素子
3A〜3D…駆動電極
3E…圧電基板
4…吸音材
5…補強材
6…支持材
7…緩衝材
8…制振材
9…フレキシブル基板
9A…接続領域
10…端子保持材
11A,11B…ピン端子
29A,29B…リード線1, 2, 31, 41, 51 ...
Claims (4)
第1の面と前記第1の面と対向する第2の面とを有する圧電基板と、前記第1の面に設けられている第1の電極と、前記第2の面の一部に設けられている第2の電極と、前記第2の面の一部に前記第2の電極と離れて設けられており、前記第1の電極と接続されている第3の電極とを有し、前記第1の電極が前記底面部に接合され、前記底面部を平面視して自らの中心が前記振動領域の中心と異なる位置に配置されている圧電素子と、
を備える、超音波センサ。A bottomed cylindrical case having a bottom surface which is a vibration region;
A piezoelectric substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a first electrode provided on the first surface, and a portion of the second surface A second electrode that is provided, and a third electrode that is provided apart from the second electrode on a part of the second surface and is connected to the first electrode, A piezoelectric element in which the first electrode is bonded to the bottom surface portion, and the center of the first electrode is arranged at a position different from the center of the vibration region in plan view of the bottom surface portion;
An ultrasonic sensor.
前記第2の電極と前記第3の電極とは前記短手方向に配列されている、請求項1〜3のいずれかに記載の超音波センサ。The vibration region is a planar shape having a longitudinal direction and a lateral direction when the bottom surface portion is viewed in plan view,
The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the second electrode and the third electrode are arranged in the short direction.
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