KR20140050749A

KR20140050749A - 초음파 센서

Info

Publication number: KR20140050749A
Application number: KR1020147007993A
Authority: KR
Inventors: 코지 남부
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-29
Also published as: CN103828395A; JP5672389B2; JPWO2013047544A1; KR101528890B1; CN103828395B; WO2013047544A1

Abstract

케이스를 통하지 않고 압전 소자의 전극에 배선 부재를 접속하면서, 압전 소자와 케이스의 높은 접합 정밀도를 실현할 수 있고, 또한 양호한 진동 특성이나 감도 특성을 얻을 수 있는 구성의 초음파 센서를 실현한다. 초음파 센서(1)는 진동 영역인 바닥면부를 가지는 오목부(2B1)를 가지고, 유저 통상의 케이스(2)와, 제1의 면과 제1의 면과 대향하는 제2의 면을 가지는 압전 기판(3E)과, 제1의 면에 마련되어 있는 제1의 전극(3A)과, 제2의 면의 일부에 마련되어 있는 제2의 전극(3B)과, 제2의 면의 일부에 제2의 전극(3B)과 떨어져 마련되어 있고, 제1의 전극(3A)과 접속되어 있는 제3의 전극(3C)을 가지며, 제1의 전극(3A)이 오목부(2B1)의 바닥면에 접합되고, 바닥면을 평면으로 보아 스스로의 중심이 진동 영역의 중심과 다른 위치에 배치되어 있는 압전 소자(3)를 포함한다.

Description

초음파 센서{ULTRASONIC SENSOR}

이 발명은 압전 소자를 케이스에 접합한 구성의 초음파 센서, 예를 들면 자동차의 코너 소나(Corner sonar)나 백 소나(Back sonar) 등에 사용되는 초음파 센서에 관한 것이다.

초음파 센서는, 초음파 펄스 신호를 간헐적으로 송신하여, 송신된 초음파 펄스 신호가 장해물이나 물표(物標)에 도달한 후에 반사된 반사파를 수신함으로써 장해물이나 물표를 검지하는 것이다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 자동차의 백 소나, 코너 소나, 또한 종열(縱列) 주차할 때에 있어서의 측벽 등의 장해물과의 거리를 검지하는 파킹 스팟 센서 등에는 초음파 센서가 사용되고 있다.

도 6(A)는 종래의 초음파 센서의 구성예를 나타내는 단면도이다. 초음파 센서(101)는 케이스(102)와, 압전 소자(103)와, 덤핑재(104)와, 기판(105)과, 발포성 수지(106)와, 핀 단자(107A,107B)와, 리드선(108A,108B)을 포함하고 있다. 케이스(102)는 유저(有底) 통상(筒狀)이며, 금속 등의 도전성을 가지는 재료로 구성되어 있다. 압전 소자(103)는 케이스(102)의 개구 내 바닥면에 도전성 접착제 등에 의해 접합되어 있다. 도 6(B)는 압전 소자(103)의 구성예를 나타내는 사시도(斜視圖)이다. 압전 소자(103)는 압전 세라믹스로 이루어지고, 원판 형상의 압전 기판(103C)과, 압전 기판(103C)의 서로 대향하는 주면에 각각 마련되어 있는 전극(103A,103B)을 가진다. 압전 소자(103)는 전극(103A)이 케이스(102)의 개구 내 바닥면에 접촉하도록 케이스(102)에 접합되어 있다.

또한 도 6(A)에 나타내는 바와 같이, 덤핑재(104)는 케이스(102)의 개구를 폐색(閉塞)하도록 마련되어 있다. 기판(105)은 덤핑재(104)상에 마련되어 있다. 기판(105) 및 덤핑재(104)에는 관통 구멍이 마련되어 있다. 발포성 수지(106)는 관통 구멍의 하나로부터 케이스(102)의 개구 내에 주입되고, 케이스(102)의 내부 및 관통 구멍의 내부에 충전되어 있다. 핀 단자(107A,107B)는 각각 직선 봉상(棒狀)이며, 각각 관통 구멍의 하나를 통해 케이스(102)의 개구 내에 삽입되어 있다. 리드선(108A)은, 케이스(102)의 개구 내에 있어서, 핀 단자(107A)의 선단과 케이스(102)에 솔더에 의해 접합되어 있고, 핀 단자(107A)와 케이스(102)를 전기적으로 접속하고 있다. 이 때문에, 핀 단자(107A)는 리드선(108A)과 케이스(102)를 통해 전극(103A)에 전기적으로 접속되어 있다. 리드선(108B)은, 케이스(102)의 개구 내에 있어서, 핀 단자(107B)의 선단과 압전 소자(103)의 전극(103B)에 솔더에 의해 접합되어 있고, 핀 단자(107B)의 선단과 압전 소자(103)의 전극(103B)을 전기적으로 접속하고 있다.

국제공개공보 WO2007/094184호

상술한 바와 같은 종래 구성의 초음파 센서에 있어서는, 압전 소자가, 평면으로 보아, 스스로의 중심의 위치와 케이스의 개구 내 바닥면의 중심이 일치하도록 케이스의 개구 내 바닥면에 접합되어 있는데, 압전 소자의 전극의 형상에 따라서는 초음파 센서에 있어서의 압전 소자의 진동 효율과 총합 감도가 저하하는 경우가 있었다. 또한 압전 소자의 한쪽의 전극에는 리드선이 직접 접속되어 있고, 다른 쪽의 전극에는 케이스를 통해 간접적으로 리드선이 접속되어 있다. 그 때문에, 제조시에는 압전 소자와 케이스에 2번의 배선 작업이 필요하여 작업이 번잡하였다.

또한 케이스는 양호한 도전성을 가지는 재료로 이루어질 필요가 있어, 사용할 수 있는 재료에 제약이 크며, 또한 산화하기 쉬운 금속을 사용한 경우에는 산화 방지의 처리를 필요로 하는 경우가 있었다.

또한 2개의 리드선을 각각, 케이스를 통하지 않고 압전 소자의 전극에 직접 접속하는 것도 가능하지만, 그러기 위해서는, 압전 소자의 전극에 리드선을 접속한 후에 압전 소자를 케이스에 접합할 필요가 있다. 그 경우에는, 압전 소자와 케이스의 접합 정밀도가 저하하여, 양호한 진동 효율이나 총합 감도를 얻는 것이 어려워지는 문제가 있었다.

그리하여 본 발명의 목적은, 케이스를 통하지 않고 압전 소자의 전극에 배선 부재를 접속하면서, 압전 소자와 케이스의 높은 접합 정밀도를 실현할 수 있고, 또한 양호한 압전 소자의 진동 효율이나 총합 감도를 얻을 수 있는 구성의 초음파 센서를 실현하는 것에 있다.

본 발명의 초음파 센서는 케이스와, 압전 소자를 포함하고 있다. 케이스는 진동 영역인 바닥면부를 가지고, 유저 통상이다. 압전 소자는 압전 기판과, 제1의 전극과, 제2의 전극과, 제3의 전극을 가진다. 압전 기판은 제1의 면과 제1의 면과 대향하는 제2의 면을 가진다. 제1의 전극은 제1의 면에 마련되어 있다. 제2의 전극은 제2의 면의 일부에 마련되어 있다. 제3의 전극은 제2의 면의 일부에 제2의 전극과 떨어져 마련되어 있고, 제1의 전극과 접속되어 있다. 압전 소자는 제1의 전극이 바닥면부에 접합되고, 바닥면부를 평면으로 보아 스스로의 중심이 진동 영역의 중심과 다른 위치에 배치되어 있다.

상술의 초음파 센서에 있어서, 압전 기판의 제2의 면에 있어서의 제2의 전극이 마련되어 있는 영역의 면적과 제3의 전극이 마련되어 있는 영역의 면적이 다른 것이 바람직하다.

상술의 초음파 센서에 있어서, 압전 소자를 평면으로 보아, 제2의 전극과 제3의 전극이 비대칭으로 마련되어 있는 것이 바람직하다.

상술의 초음파 센서에 있어서, 진동 영역은, 바닥면부를 평면으로 보아, 긴쪽 방향과 짧은쪽 방향을 가지는 평면 형상이며, 제2의 전극과 제3의 전극은 짧은쪽 방향으로 배열되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 압전 소자가, 바닥면부를 평면으로 보아 스스로의 중심이 진동 영역의 중심과 다른 위치에 배치되어 있기 때문에, 초음파 센서에 있어서의 압전 소자의 진동 효율과 총합 감도를 향상시켜, 특성을 개선하는 것이 가능해진다. 또한 제2의 전극과 제3의 전극이 압전 기판의 제2의 면에 마련되어 있기 때문에, 케이스를 통하지 않고 플렉시블(flexible) 기판이나 리드선 등의 배선부를 직접 접속할 수 있어, 케이스로서 이용할 수 있는 재료에 제약이 적어진다. 또한 제2의 전극 및 제3의 전극과 배선부의 접속은 압전 소자를 케이스에 접합한 후에도 가능하여, 압전 소자와 케이스의 접합 정밀도를 높게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 압전 소자의 구성과 배치에 대하여 설명하는 도면이다.
도 3은 압전 소자의 배치와 전기 기계 결합 계수 및 총합 감도의 관계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2의 실시형태에 따른 초음파 센서의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 초음파 센서의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 초음파 센서의 구성예를 나타내는 단면도 및 종래의 초음파 센서가 포함하는 압전 소자의 구성예를 나타내는 사시도이다.

<<제1의 실시형태>>

도 1(A)는 본 발명의 제1의 실시형태에 따른 초음파 센서(1)의 단면도이다. 도 1(B)는 초음파 센서(1)의 평면도이다. 또한 도 1(A)는 도 1(B) 중에 A-A'로 나타내는 위치에 있어서의 단면을 나타낸다. 도 1(B)는 초음파 센서(1)의 배면(背面)을 나타낸다.

초음파 센서(1)는 케이스(2)와, 압전 소자(3)와, 흡음재(4)와, 보강재(5)와, 지지재(6)와, 완충재(7)와, 제진재(制振材)(8)와, 플렉시블 기판(9)과, 단자 유지재(10)와, 핀 단자(11A,11B)를 포함하고 있다.

케이스(2)는, 도 1(A)에 있어서의 하단면(정면)이 폐색되고, 도 1(A)에 있어서의 상단면(배면)이 개구하는 유저 통상이며, 통상의 측벽(2A)과, 원판상의 바닥판(2B)을 포함하고 있다. 도 1(B)에 나타내는 바와 같이, 케이스(2)의 개구는 평면으로 보아 원형이다. 케이스(2)는 예를 들면 탄성율이 높고 경량인 알루미늄으로 이루어지는 부재이며, 단조(鍛造)에 의해 형성되어 있다. 또한 케이스(2)의 재료는 알루미늄과 같은 도전성 재료에 한정되지 않고, 절연성 재료여도 된다.

측벽(2A)에 있어서는, 배면측의 부분은 얇고 개구부의 내경(內徑)이 크며, 바닥판(2B)측의 부분은 두껍고 개구부의 내경이 작다. 바닥판(2B)은 오목부(2B1)와 단부(段部)(2B2)를 포함하고 있다. 오목부(2B1)는 바닥면부와 측벽부를 가지고, 소정 방향(도 1(B)에 있어서의 가로방향)이 짧은쪽 방향이 되고, 짧은쪽 방향에 직교하는 방향이 긴쪽 방향이 되도록 마련되어 있다. 즉, 오목부(2B1)는 긴쪽 방향의 양단이 측벽(2A)까지 이르도록 마련되어 있다. 또한 단부(2B2)는 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향의 양 옆에 마련되어 있다. 오목부(2B1)의 바닥면부가 케이스(2)의 주된 진동 영역이 되고, 초음파 센서(1)는 오목부(2B1)의 긴쪽 방향으로 좁고, 짧은쪽 방향으로 넓은 지향성을 가지게 된다.

압전 소자(3)는 평판상이며, 구동 전압이 인가되면 면 내 방향으로 확산하여 진동한다. 압전 소자(3)는 케이스(2)의 오목부(2B1)의 내부에 배치되어 있고, 바닥판(2B)에 접합되어 있다. 구체적으로는, 압전 소자(3)는 오목부(2B1)의 바닥면부에 접합되어 있다. 압전 소자(3) 및 바닥판(2B)은 서로 접합되어 바이모르프(bimorph) 진동자를 구성하고 있고, 압전 소자(3)의 확산 진동에 의해, 바닥판(2B)(오목부(2B1))은 도 1(A)에 있어서의 상하방향으로 굴곡 진동한다.

흡음재(4)는 예를 들면 폴리에스테르 펠트 등으로 이루어지는 평판상의 것이며, 압전 소자(3)로부터 케이스(2)의 개구측에 방출되는 불필요한 초음파를 흡수하기 위해 마련되어 있다. 흡음재(4)는 케이스(2)의 오목부(2B1) 내에 배치되어 있고, 압전 소자(3) 위에 접착되어 있다.

보강재(5)는 중앙에 개구를 가지는 링상의 부재이며, 높은 음향 임피던스를 가진다. 보강재(5)는 추(錘)로서 기능하도록 스테인리스스틸이나 아연과 같은, 케이스(2)를 구성하는 재료보다도 밀도가 높으면서 강성이 높은 재료로 이루어진다. 또한 보강재(5)는 두께 등의 사이즈를 조정함으로써 케이스(2)와 같은 재료(알루미늄)로 이루어지는 것이어도 된다. 또한 보강재(5)는 측벽(2A)의 바닥판(2B)측의 부분 즉 두꺼운 부분의 내주면과 단부(2B2)에 접하도록, 케이스(2)의 바닥판(2B)상에 배치되어 있다. 이와 같이, 보강재(5)가 마련되어 있음으로써, 케이스(2)의 오목부(2B1)를 둘러싸는 주위의 부분의 강성이 높아지고, 케이스(2)의 바닥판(2B)에 있어서의 진동이 케이스(2)의 측벽(2A)으로 전달되는 것을 억제할 수 있다.

지지재(6)는, 중앙에 개구를 가지는 링상의 부재이며, 완충재(7)를 케이스(2)에 접촉시키지 않고 지지하기 위해, 케이스(2)의 측벽(2A)과 완충재(7)의 사이에 마련되어 있다. 지지재(6)가 마련되어 있음으로써, 케이스(2)의 바닥판(2B)에 있어서의 진동이 측벽(2A)을 통해 완충재(7)에 전달되는 것을 억제할 수 있다.

완충재(7)는 실리콘 고무나 우레탄 수지 등의 탄성체로 이루어지는 컵상의 부재이다. 완충재(7)는 하부에 마련되어 있고, 보강재(5)의 개구에 걸어 맞추는 볼록부와, 상부에 마련되어 있고, 단자 유지재(10)가 걸어 맞춰지는 개구를 가진다. 완충재(7)가 마련되어 있음으로써, 케이스(2)의 바닥판(2B)에 있어서의 진동이 측벽(2A)을 통해 단자 유지재(10)에 전달되는 것을 억제할 수 있다.

단자 유지재(10)는, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등의 수지로 이루어지는 L자상의 부재이며, 핀 단자(11A,11B)를 케이스(2)의 개구의 중심을 통과하는 축에 따르는 상태로 유지하고 있다. 단자 유지재(10)의 하부는 완충재(7)의 상부에 마련되어 있는 개구에 걸어 맞춰지도록 굴곡되어 있다. 단자 유지재(10)는 바닥면에 마련되어 있는 볼록부를 가진다. 또한 단자 유지재(10)의 중앙부에는 핀 단자(11A,11B)가 삽통되는 2개의 관통 구멍이 마련되어 있다.

핀 단자(11A,11B)는 압전 소자(3)의 구동 전압이 인가되는 금속제의 직선상 핀이며, 단자 유지재(10)에 의해 유지되어 있다. 구체적으로는, 핀 단자(11A,11B)는 단자 유지재(10)의 관통 구멍에 각각 삽입되어 있다. 핀 단자(11A,11B)의 하단부는 단자 유지재(10)의 관통 구멍으로부터 돌출되어 있고, 케이스(2)의 개구 내에 배치되어 있다. 핀 단자(11A,11B)의 상단부는 단자 유지재(10)의 상단으로부터 돌출되어 있고, 케이스(2)의 외부에 배치되어 있다.

플렉시블 기판(9)은 폭 넓은 띠상이며, 핀 단자(11A,11B)와 압전 소자(3)를 전기적으로 접속하고 있는 배선부이다. 플렉시블 기판(9)은 케이스(2)의 개구 내에 굴곡하여 배치되어 있고, 일부가 지지재(6)와 완충재(7) 사이에 배치되어 있다. 플렉시블 기판(9)은 제1단과 제2단을 가진다. 제1단은 핀 단자(11A,11B)의 하단부와 동 방향을 따라 연장되어, 핀 단자(11A,11B)에 접속되어 있다. 제2단은 압전 소자(3)에 도전성 접착제에 의해 접속되어 있다. 플렉시블 기판(9)이 도전성 접착제에 의해 압전 소자(3)에 접속되어 있기 때문에, 종래의 초음파 센서와 같이 리드선이 솔더에 의해 압전 소자에 접속되어 있는 경우보다도 배선부의 중량을 저감할 수 있다. 이것에 의해, 압전 소자(3)의 진동을 보다 이상적인 것에 근접시킬 수 있다.

제진재(8)는 실리콘 수지나 우레탄 수지 등의 탄성체로 이루어진다. 제진재(8)는 케이스(2)의 내부에 충전되어 있고, 케이스(2)의 개구 내에 배치되어 있는 핀 단자(11A,11B)의 하단부 및 플렉시블 기판(9)을 봉지(封止)하고 있다. 단, 지지재(6)와 완충재(7)에 의해, 케이스(2)의 바닥판(2B)측의 공간이 덮여 있으므로, 제진재(8)는 케이스(2)의 개구측의 공간에만 충전되어 있다. 제진재(8)는 케이스(2)의 측벽(2A)의 진동을 억제하는 기능을 가지고 있는 동시에, 지지재(6)나 완충재(7)가 케이스(2)로부터 이탈하는 것을 방지하는 기능을 가지고 있다.

이와 같은 구성의 초음파 센서(1)에서는, 케이스(2)의 바닥판(2B)에 있어서의 진동이 흡음재(4)나 지지재(6), 완충재(7)에 의해 감쇠하기 때문에, 단자 유지재(10) 및 핀 단자(11A,11B)에 거의 전파하지 않는다. 따라서, 초음파 센서(1)를 외부 기판에 실장했을 때에 발생하는 핀 단자(11A,11B)로부터 외부 기판에의 진동 누설이 대폭으로 저감된다.

또한 지지재(6)나 완충재(7)는 진동을 전파하기 어려운 것, 제진재(8)는 케이스(2)의 측벽(2A)의 진동을 억제(제진)하는 것이면 적합하다. 지지재(6)나 완충재(7)는 제진재(8)에 비해 탄성율이 낮은 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 탄성율에는 저장 탄성율과 손실 탄성율이 있고, 지지재(6)나 완충재(7)는 저장 탄성율이 작으며, 제진재(8)는 손실 탄성율이 큰 것이 바람직하다. 예를 들면, 지지재(6)나 완충재(7)는 실리콘 수지(실리콘 고무)로 이루어지고, 제진재(8)는 우레탄 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 2(A)는 압전 소자(3)의 상세 구성을 설명하기 위한 사시도이다. 도 2(B)는 압전 소자(3)가 케이스(2)에 접합되어 있는 상태를 투시한 초음파 센서(1)의 평면도이다.

압전 소자(3)는 전극(3A~3D)과, 압전 기판(3E)을 포함하고 있다. 압전 기판(3E)은 티탄산지르콘산납계 압전 세라믹스로 이루어지고, 평면으로 보아 직사각형의 평판상이다. 전극(3A)은 본 실시형태에 있어서의 제1의 전극에 상당하는 것이며, 압전 기판(3E)의 제1의 면인 하면의 전면에 마련되어 있다. 전극(3A)은 케이스(2)의 바닥판(2B)에 접합된다. 구체적으로는, 전극(3A)은 오목부(2B1)의 바닥면부에 접합되어 있다. 전극(3B)은 본 실시형태에 있어서의 제2의 전극에 상당하는 것이며, 압전 기판(3E)의 제2의 면인 상면의 일부에 마련되어 있다. 전극(3C)은 본 실시형태에 있어서의 제3의 전극에 상당하는 것이며, 압전 기판(3E)의 제2의 면인 상면의 일부에 마련되어 있다. 전극(3D)은 압전 기판(3E)의 하나의 측면에 마련되어 있고, 전극(3A)과 전극(3C)에 접속되어 있다. 이 때문에, 전극(3A)과 전극(3C)은 전기적으로 접속되어 있다. 압전 기판(3E)의 상면에 있어서의 전극(3B)이 마련되어 있는 영역과 전극(3C)이 마련되어 있는 영역의 사이에는, 압전 기판(3E)의 긴쪽 방향에 평행한 직선상의 압전 기판 노출 영역이 마련되어 있다. 이것에 의해, 전극(3B)과 전극(3C)은 소정의 간격 떨어져, 압전 기판(3E)의 상면의 짧은쪽 방향으로 나열되어 마련되어 있고, 서로 전기적으로 접속되어 있지 않다. 압전 기판(3E)의 상면에 있어서의 전극(3B)이 마련되어 있는 영역과 전극(3C)이 마련되어 있는 영역은 서로 면적이 다르고, 전극(3B)이 마련되어 있는 영역의 면적은 전극(3C)이 마련되어 있는 영역의 면적보다도 크다. 즉, 전극(3B)의 쪽이 전극(3C)보다도 면적이 크다.

이와 같이, 전극(3B)과 전극(3C)이 소정의 간격 떨어져 나열되어 마련되어 있음으로써, 전극(3B)과 전극(3C)은 플렉시블 기판(9)의 제2단의 접속 영역(9A)과 직접 접속된다. 접속 영역(9A)은 압전 소자(3)의 긴쪽 방향의 중심이면서, 전극 비형성 영역의 주변의 영역에 있어서, 전극(3B)과 전극(3C)과 접속된다. 전극(3A~3D)이 상기와 같이 구성되어 있음으로써, 압전 소자(3)가 케이스의 바닥판(2B)에 접합된 후에, 플렉시블 기판(9)의 접속 영역(9A)이 압전 소자(3)에 접속된다. 이것에 의해, 압전 소자(3)와 케이스(2)의 접합 정밀도를 높게 할 수 있다.

이와 같은 구성의 압전 소자(3)는, 전극(3A)과 전극(3B) 사이에 구동 전압이 인가됨으로써, 압전 기판(3E)에 있어서의 전극(3A)과 전극(3B)에 끼이는 영역이 변형함으로써 진동하게 된다. 한편, 압전 기판(3E)에 있어서의 전극(3A)과 전극(3C)에 끼이는 영역은 거의 변형하지 않기 때문에, 진동에 거의 기여하지 않는다. 압전 기판(3E)의 제2의 면인 상면에 있어서의 전극(3B)이 마련되어 있는 영역의 면적과 전극(3C)이 마련되어 있는 영역의 면적이 다르고, 압전 소자(3)를 평면으로 보아 전극(3B)과 전극(3C)이 비대칭으로 마련되어 있기 때문에, 압전 소자(3)에 있어서의 진동에 기여하는 영역은 비대칭이다.

압전 소자(3)는, 오목부(2B1)를 평면으로 보아, 스스로의 긴쪽 방향이 오목부(2B1)의 긴쪽 방향과 일치하고, 스스로의 짧은쪽 방향이 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향과 일치하도록 오목부(2B1)에 접합되어 있다. 그리고, 압전 소자(3)는, 오목부(2B1)를 평면으로 보아, 스스로의 짧은쪽 방향의 중심의 위치가 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향의 중심의 위치와 다르도록, 즉, 스스로의 짧은쪽 방향의 중심이, 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향의 중심으로부터, 단부(2B2)의 한쪽 측에 오프셋(offset)하도록 배치되어 있다. 또한 압전 소자(3)는 스스로의 긴쪽 방향의 중심이 오목부(2B1)의 긴쪽 방향의 중심과 일치하도록 배치되어 있다.

이와 같이, 압전 소자(3)에 있어서의 진동에 유효하게 작용하는 영역이 비대칭인 것을 고려하여, 압전 소자(3)의 중심의 위치와 오목부(2B1)의 중심의 위치가 다르도록, 압전 소자(3)의 중심을 오목부(2B1)의 중심으로부터 오프셋시키고, 압전 소자(3)의 오프셋 치수, 즉, 압전 소자(3)의 중심의 위치와 오목부(2B1)의 중심의 위치 사이의 거리를 적절하게 정함으로써, 초음파 센서(1)에 있어서의 압전 소자(3)의 진동 효율과 총합 감도를 향상시켜, 특성을 개선하는 것이 가능해진다.

또한 압전 소자(3)의 짧은쪽 방향과, 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향을 일치시켜 둠으로써, 진동에 거의 기여하지 않는 압전 기판(3E)에 있어서의 전극(3A)과 전극(3C)에 끼이는 영역을, 케이스의 바닥판(2B)에 있어서의 진동의 마디가 되는 단부(2B2)에 근접하여 배치할 수 있기 때문에, 압전 소자(3)의 진동이 저해되는 것을 방지하여, 초음파 센서(1)의 진동을 보다 이상적인 것에 가깝게 할 수 있다.

또한 플렉시블 기판(9)의 제2단의 접속 영역(9A)이, 압전 소자(3)의 긴쪽 방향의 중심이면서, 전극 비형성 영역의 주변의 영역에 있어서, 전극(3B)과 전극(3C)과 접속됨으로써, 접속 영역(9A)을 케이스의 바닥판(2B)에 있어서의 진동의 마디가 되는 단부(2B2)에 가깝게 배치할 수 있기 때문에, 압전 소자(3)의 진동이 저해되는 것을 방지하여, 초음파 센서(1)의 진동을 보다 이상적인 것에 가깝게 할 수 있다. 또한 여기서는 플렉시블 기판(9)(도시하지 않음)을 접속 영역(9A)으로부터 전극(3C)측으로 인출하도록 하고 있다. 이것에 의해, 압전 소자(3)의 진동의 대칭성을 높여, 초음파 센서(1)의 진동을 보다 이상적인 것에 가깝게 할 수 있다.

또한 구체적인 치수의 설정예에 대하여 설명해 두면 오목부(2B1)는 짧은쪽 방향의 치수가 7.0mm이다. 압전 소자(3)는 짧은쪽 방향의 치수가 5.2mm이며, 긴쪽 방향의 치수가 6.5mm이다. 전극(3C)은 짧은쪽(폭) 방향의 치수가 0.9mm이다. 전극(3C)과 전극(3B)의 경계의 전극 비형성 영역의 짧은쪽(폭) 방향의 치수가 0.4mm이다. 전극(3B)은 짧은쪽(폭) 방향의 치수가 3.9mm이다. 그리고, 압전 소자(3)의 중심과 오목부(2B1)의 중심의 오프셋 치수는 0.4mm이다. 즉, 압전 소자(3)의 전극(3B)측의 단부(端部)로부터 2.2mm이고, 전극(3C)측의 단부(端部)로부터 3.0mm의 위치에 오목부(2B1)의 중심이 위치한다.

여기서, 초음파 센서(1)의 진동 특성에 대하여, FEM 해석 결과에 근거하여 설명한다. 도 3(A)는 상기한 치수 설정예에 있어서의 케이스(2)와 압전 소자(3)로 이루어지는 바이모르프 진동자에 있어서의 전기 기계 결합 계수 Kp/%와, 압전 소자(3)의 오프셋 치수(소자 어긋남 량)의 관계를 나타내는 도면이다.

도 3(A)에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(3)의 중심이 오목부(2B1)의 중심과 일치하는, 즉 압전 소자(3)의 오프셋 치수가 0인 구성보다도, 압전 소자(3)의 오프셋 치수가 보다 큰 구성에서는 전기 기계 결합 계수 Kp/%가 큰 것이 된다. 전기 기계 결합 계수 Kp/%는 압전 소자(3)의 오프셋 치수가 소정값(0.4mm)으로 최대가 되고, 압전 소자(3)의 오프셋 치수가 그 소정값보다도 더 큰 구성에서는, 전기 기계 결합 계수 Kp/%는 최대값보다도 작은 것이 된다. 따라서, 적어도 초음파 센서의 진동 효율의 면에서는, 압전 소자(3)를 소정의 오프셋 치수로 함으로써, 진동 효율을 최대화할 수 있는 것을 알 수 있다.

다음으로, 초음파 센서(1)의 감도 특성에 대하여, 샘플 시험 결과(n=3)에 근거하여 설명한다. 도 3(B)는 상술한 치수 설정예에 있어서의 초음파 센서(1)의 총합 감도(Vpp)와, 압전 소자(3)의 오프셋 치수의 관계를 나타내는 도면이다.

초음파 센서(1)의 총합 감도(Vpp)는 압전 소자(3)의 오프셋 치수와 정(正)의 상관 관계를 가지고, 오프셋 치수가 크면 총합 감도(Vpp)가 높은 것이 되었다. 따라서, 적어도 초음파 센서(1)의 총합 감도(Vpp)의 면에서는, 압전 소자(3)의 오프셋 치수는 큰 편이(예를 들면 0.5mm이면) 바람직한 것을 알 수 있다.

단, 현실적으로는 압전 소자(3)의 오프셋 치수가 너무 크면, 압전 소자(3)와 접속되는 플렉시블 기판(9)의 배치도 크게 오프셋되고, 플렉시블 기판(9)이 케이스(2)의 측벽(2A)과 간섭하기 쉬워진다. 플렉시블 기판(9)이 케이스(2)의 측벽(2A)에 간섭하면, 불필요한 진동이 플렉시블 기판(9)으로부터 측벽(2A)에 전달되게 되어, 특성이 열화할 우려가 있다. 따라서, 그러한 간섭을 방지하면서, 진동 특성과 감도 특성을 양호한 것으로 하기 위해, 상술한 압전 소자(3)의 오프셋 치수의 설정예로서는, 오프셋 치수 0.4mm로 한 설정예를 나타내었다.

또한 플렉시블 기판(9)의 인출방향을 압전 소자(3)의 긴쪽 방향으로 하면, 플렉시블 기판(9)과 케이스(2)의 측벽(2A)의 간섭은 생기기 어려워진다. 그 경우에는 오프셋 치수를 한계까지 크게 해도 되고, 초음파 센서(1)의 총합 감도를 더 양호한 것으로 하는 것이 가능해진다.

<<제2의 실시형태>>

다음으로, 본 발명의 제2의 실시형태에 따른 초음파 센서(21)에 대하여 설명한다.

도 4는 본 실시형태에 따른 초음파 센서(21)의 모식 단면도이다.

초음파 센서(21)는 상술의 실시형태에 따른 초음파 센서(1)의 플렉시블 기판(9)을 대신하여, 리드선(29A,29B)을 포함한다. 초음파 센서(21)는 그 외의 구성은 상술의 실시형태에 따른 초음파 센서(1)와 같다. 리드선(29A,29B)은 각각 압전 소자(3)의 전극(3B,3C)(도시하지 않음)에 직접 접속되어 있다. 이와 같이 초음파 센서(21)는 구성해도 된다. 그 경우에도, 케이스(2)를 통하지 않고, 압전 소자(3)와 핀 단자(11A,11B) 사이를 직접적으로 접속하는 동시에, 압전 소자(3)를 오프셋 배치함으로써 본 발명은 적합하게 실시할 수 있다.

<<변형예>>

다음으로, 본 발명의 변형예에 따른 초음파 센서(31~51)에 대하여 설명한다.

압전 소자(33)에서는, 전극(3B)과 전극(3C)은 소정의 간격 떨어져, 압전 소자(33)의 긴쪽 방향으로 나열되어 마련되어 있다. 압전 소자(33)는 오목부(2B1)의 긴쪽 방향으로 오프셋하여 배치되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향으로 지향성 빔(beam)의 대칭성을 높일 수 있다. 또한 진동에 거의 기여하지 않는 압전 기판(3E)(도시하지 않음)에 있어서의 전극(3A)(도시하지 않음)과 전극(3C)에 끼이는 영역이, 측벽(2A)이나 단부(2B2)에 간섭하지 않고, 압전 소자(33)의 사이즈를 크게 할 수 있다.

초음파 센서(41)는 상술의 실시형태의 압전 소자(3)를 대신하여, 압전 소자(43)를 포함한다. 초음파 센서(41)는 그 외의 구성은 상술의 실시형태에 따른 초음파 센서(1)와 같다. 도 5(B)는 압전 소자(43)가 케이스(2)에 접합되어 있는 상태를 투시한 초음파 센서(41)의 평면도이다.

압전 소자(43)에서는, 전극(3B)과 전극(3C)은 소정의 간격 떨어져, 압전 소자(43)의 짧은쪽 방향으로 나열되어 마련되어 있다. 압전 소자(43)는 스스로의 긴쪽 방향을 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향으로 하고, 오목부(2B1)의 긴쪽 방향으로 오프셋하여 배치되어 있다.

초음파 센서(51)는 상술의 실시형태의 압전 소자(3)를 대신하여, 압전 소자(53)를 포함한다. 초음파 센서(51)는 그 외의 구성은 상술의 실시형태에 따른 초음파 센서(1)와 같다. 도 5(C)는 압전 소자(53)가 케이스(2)에 접합되어 있는 상태를 투시한 초음파 센서(51)의 평면도이다.

압전 소자(53)에서는, 전극(3B)과 전극(3C)은 소정의 간격 떨어져, 압전 소자(53)의 긴쪽 방향으로 나열되어 마련되어 있다. 압전 소자(53)는 스스로의 긴쪽 방향을 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향으로 하고, 오목부(2B1)의 짧은쪽 방향으로 오프셋하여 배치되어 있다.

이상의 각 실시형태에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실시할 수 있는데, 초음파 센서의 구체적인 구성은 상술한 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 완충재나, 지지재, 보강재, 지지재, 흡음재 등의 구체적 형상이나 재료는 어떠한 것이어도 되고, 또한 완충재나, 지지재, 보강재, 지지재, 흡음재는 각각 반드시 마련하지 않아도 된다.

1, 21, 31, 41, 51: 초음파 센서
2: 케이스
2A: 측벽
2B: 바닥판
2B1: 오목부
2B2: 단부
3, 33, 43, 53: 압전 소자
3A~3D: 구동 전극
3E: 압전 기판
4: 흡음재
5: 보강재
6: 지지재
7: 완충재
8: 제진재
9: 플렉시블 기판
9A: 접속 영역
10: 단자 유지재
11A, 11B: 핀 단자
29A, 29B: 리드선

Claims

진동 영역인 바닥면부를 가지는 유저(有底) 통상(筒狀)의 케이스와,
제1의 면과 상기 제1의 면과 대향하는 제2의 면을 가지는 압전 기판과, 상기 제1의 면에 마련되어 있는 제1의 전극과, 상기 제2의 면의 일부에 마련되어 있는 제2의 전극과, 상기 제2의 면의 일부에 상기 제2의 전극과 떨어져 마련되어 있고, 상기 제1의 전극과 접속되어 있는 제3의 전극을 가지며, 상기 제1의 전극이 상기 바닥면부에 접합되고, 상기 바닥면부를 평면으로 보아 스스로의 중심이 상기 진동 영역의 중심과 다른 위치에 배치되어 있는 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
상기 압전 기판의 상기 제2의 면에 있어서의 상기 제2의 전극이 마련되어 있는 영역의 면적과 상기 제3의 전극이 마련되어 있는 영역의 면적이 다른 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항에 있어서,
상기 압전 소자를 평면으로 보아, 상기 제2의 전극과 상기 제3의 전극이 비대칭으로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 영역은 상기 바닥면부를 평면으로 보아, 긴쪽 방향과 짧은쪽 방향을 가지는 평면 형상이며,
상기 제2의 전극과 상기 제3의 전극은 상기 짧은쪽 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 센서.