WO2013051525A1 - 超音波センサ - Google Patents

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川妻雅人
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株式会社村田製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • G01S2015/932—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles for parking operations

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor, and more particularly to an ultrasonic sensor having a piezoelectric element and a pin terminal electrically connected to the piezoelectric element, and used for, for example, a corner sonar or a back sonar of an automobile.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conventional ultrasonic sensor.
  • the ultrasonic sensor 101 includes a case 102, a piezoelectric element 103, a damping material 104, a substrate 105, a foamable resin 106, pin terminals 107A and 107B, and lead wires 108A and 108B.
  • the case 102 has a bottomed cylindrical shape and is made of a conductive material such as metal.
  • the piezoelectric element 103 is made of piezoelectric ceramics, and has a disk-shaped piezoelectric substrate and a pair of electrodes provided on the principal surfaces of the piezoelectric substrate facing each other.
  • the piezoelectric element 103 is bonded to the case 102 with a conductive adhesive or the like so that one electrode contacts the bottom surface of the opening of the case 102 and is electrically connected to the case 102.
  • the damping material 104 is provided so as to close the opening of the case 102.
  • the substrate 105 is provided on the damping material 104.
  • the substrate 105 and the damping material 104 are provided with through holes.
  • the foamable resin 106 is injected from one of the through holes into the opening of the case 102 and filled in the case 102 and the through holes.
  • Each of the pin terminals 107A and 107B has a straight bar shape, and is inserted into the opening of the case 102 through one of the through holes.
  • the lead wire 108 ⁇ / b> A is joined to the tip of the pin terminal 107 ⁇ / b> A and the case 102 by solder in the opening of the case 102, and electrically connects the pin terminal 107 ⁇ / b> A and the case 102.
  • the pin terminal 107 ⁇ / b> A is electrically connected to the piezoelectric element 103 via the lead wire 108 ⁇ / b> A and the case 102.
  • the lead wire 108B is joined to the tip of the pin terminal 107B and the piezoelectric element 103 by solder, and electrically connects the tip of the pin terminal 107B and the piezoelectric element 103.
  • the lead wire is deformed by applying an external force to the pin terminal. If the lead wire is deformed many times due to external force applied to the pin terminal multiple times, the connection between the pin terminal and the lead wire may be broken, and the electrical connection between the pin terminal and the piezoelectric element may be broken There is.
  • the ultrasonic sensor has a configuration with higher resistance to external force.
  • an object of the present invention is to realize an ultrasonic sensor that is less likely to cause disconnection of electrical connection between a pin terminal and a piezoelectric element and that has high resistance to external force.
  • the ultrasonic sensor of the present invention includes a case, a piezoelectric element, a pin terminal, a flexible substrate, and a damping material.
  • the case has a bottomed cylindrical shape and has a bottom plate and a side wall.
  • the piezoelectric element is disposed on the bottom plate in the case.
  • One end of the pin terminal is disposed in the opening of the case, and the other end is disposed outside the case.
  • the flexible substrate is strip-shaped and has a first end connected to one tip of the pin terminal and a second end connected to the piezoelectric element.
  • the vibration damping material seals one end portion of the pin terminal and the flexible substrate within the case.
  • the flexible substrate has a first end extending along the same direction as one of the tip ends of the pin terminal, bent from the first end, extended to the side wall of the case, and reached the second end. It is bent inside.
  • one end portion of the pin terminal is soldered to the first end of the flexible substrate.
  • the connecting portion with the pin terminal is broken, and the electrical connection between the pin terminal and the piezoelectric element is broken. Can be prevented.
  • the contact area between the flexible substrate and the damping material increases, and the damping material is not easily destroyed even when the flexible substrate is deformed.
  • the curvature of the flexible substrate can be lowered and the elastic force of the flexible substrate can be reduced. it can. For this reason, generation
  • 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.
  • FIG. 1B shows the back surface of the ultrasonic sensor 1.
  • the ultrasonic sensor 1 includes a case 2, a piezoelectric element 3, a sound absorbing material 4, a reinforcing material 5, a support material 6, a buffer material 7, a vibration damping material 8, a flexible substrate 9, and a terminal holding material 10. And pin terminals 11A and 11B.
  • the case 2 has a bottomed cylindrical shape in which one end surface is closed and the other end surface is open, and includes a cylindrical side wall 2A and a disk-shaped bottom plate 2B. As shown in FIG. 1B, the opening of the case 2 is circular in plan view. In the side wall 2A, the portion on the opening side is thin and the inside diameter of the opening is large, and the portion on the bottom plate 2B side is thick and the inside diameter of the opening is small.
  • the bottom plate 2B includes a recess 2B1 near the center. Recess 2B1 has a bottom surface portion and a side wall portion.
  • the case 2 is a member made of lightweight aluminum having a high elastic modulus, for example, and is formed by forging.
  • the material of the case 2 is not limited to a conductive material such as aluminum, and may be an insulating material.
  • the piezoelectric element 3 is made of piezoelectric ceramics, and includes a disk-shaped piezoelectric substrate and a pair of electrodes provided on main surfaces of the piezoelectric substrate facing each other.
  • the piezoelectric element 3 has a flat plate shape and spreads in the in-plane direction and vibrates when a driving voltage is applied to a pair of electrodes.
  • the piezoelectric element 3 is disposed inside the recess 2B1 of the case 2 and joined to the bottom plate 2B. Specifically, the piezoelectric element 3 is joined to the case 2 so that one of the pair of electrodes is in contact with the bottom surface of the recess 2B1. In other words, the piezoelectric element 3 is disposed on the bottom surface of the recess 2B1.
  • the piezoelectric element 3 and the bottom plate 2B are joined together to form a bimorph vibrator.
  • This bimorph vibrator is bent and vibrated by the spreading vibration of the piezoelectric element 3. Therefore, the bottom surface portion of the recess 2 ⁇ / b> B ⁇ b> 1 becomes the main vibration region of the case 2.
  • the sound absorbing material 4 is a flat plate made of polyester felt, for example, and is provided to absorb unnecessary sound waves emitted from the piezoelectric element 3 to the opening side of the case 2.
  • the sound absorbing material 4 is disposed in the recess 2 ⁇ / b> B ⁇ b> 1 of the case 2 and is bonded onto the piezoelectric element 3.
  • the reinforcing material 5 is a ring-shaped member having an opening at the center, and has high acoustic impedance.
  • the reinforcing material 5 is made of a material having higher density and higher rigidity than the material constituting the case 2 such as stainless steel or zinc, and functions as a weight.
  • the reinforcing material 5 may be made of the same material (aluminum) as the case 2 by adjusting the size such as thickness.
  • the reinforcing material 5 is disposed on the bottom plate 2B of the case 2 so as to contact the inner peripheral surface of the thick portion of the side wall 2A.
  • the reinforcing material 5 By providing the reinforcing material 5 in this way, the rigidity of the surrounding portion surrounding the recess 2B1 of the case 2 is increased, and the vibration in the bottom plate 2B of the case 2 can be prevented from being transmitted to the side wall 2A of the case 2.
  • the support member 6 is a ring-shaped member having an opening in the center, and is provided between the side wall 2 ⁇ / b> A of the case 2 and the buffer material 7 in order to support the buffer material 7 without contacting the case 2. .
  • the support member 6 is formed by filling the space between the mold and the case 2 with a mold placed inside the case 2 and curing the resin before removing the mold.
  • the support member 6 may be formed inside the case 2 using the mold and the case 2 as described above, or a support member 6 formed in a desired shape in advance inside the case 2. You may arrange.
  • the buffer material 7 is a cup-shaped member made of an elastic body such as silicone rubber or urethane resin.
  • the shock-absorbing material 7 is provided at the lower portion, and has a convex portion that engages with the opening of the reinforcing member 5, and an opening that is provided at the upper portion and engages with the terminal holding material 10.
  • the terminal holding material 10 is an L-shaped member made of a resin such as polybutylene terephthalate (PBT), and holds the pin terminals 11A and 11B in a posture along an axis passing through the center of the opening of the case 2.
  • the lower portion of the terminal holding member 10 is bent so as to engage with an opening provided in the upper portion of the cushioning member 7.
  • the terminal holding material 10 has a convex portion provided on the bottom surface. Further, two through holes through which the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B are inserted are provided in the central portion of the terminal holding material 10.
  • the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B are metal linear pins to which the drive voltage of the piezoelectric element 3 is applied, and are held by the terminal holding material 10. Specifically, the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B are inserted into the through holes of the terminal holding material 10, respectively. One end of each of the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B is exposed from the through hole of the terminal holding member 10 and is disposed in the opening of the case 2. The other tip ends of the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B protrude from the upper end of the terminal holding member 10 and are arranged outside the case 2.
  • the flexible substrate 9 has a wide band shape, and electrically connects the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3.
  • the flexible substrate 9 has a first end and a second end. The first end extends along the same direction as one end of the pin terminals 11A and 11B and is connected to the pin terminals 11A and 11B. The second end is connected to the electrode of the piezoelectric element 3 by a conductive adhesive.
  • the flexible substrate 9 is bent from the first end, extends toward the side wall 2A of the case 2, passes through the inside of the support member 6, and is bent and disposed in the opening of the case 2 so as to reach the second end. ing.
  • the support member 6 is provided by being filled and cured in a state where the piezoelectric element 3 and the flexible substrate 9 are disposed in the opening of the case 2.
  • FIG. 1A only the pin terminal 11A is shown, but the pin terminal 11B is also connected to the flexible substrate 9 in the same manner as the pin terminal 11A.
  • the vibration damping material 8 is made of an elastic body such as silicone resin or urethane resin.
  • the damping material 8 is filled in the case 2 and seals one end portion of the pin terminals 11 ⁇ / b> A and 11 ⁇ / b> B disposed in the opening of the case 2 and the flexible substrate 9.
  • the vibration damping material 8 is filled only in the space on the opening side of the case 2.
  • the damping material 8 has a function of suppressing vibration of the side wall 2 ⁇ / b> A of the case 2 and also has a function of preventing the support material 6 and the cushioning material 7 from being detached from the case 2.
  • the vibration in the bottom plate 2B of the case 2 is attenuated by the sound absorbing material 4, the support material 6, and the buffer material 7, and thus almost propagates to the terminal holding material 10 and the pin terminals 11A and 11B. There is nothing. Therefore, vibration leakage from the pin terminals 11A and 11B to the external substrate that occurs when the ultrasonic sensor 1 is mounted on the external substrate is greatly reduced.
  • the support material 6 and the buffer material 7 are difficult to propagate vibration, and the vibration damping material 8 is one that suppresses (vibrates) the vibration of the side wall 2A of the case 2.
  • the support material 6 and the buffer material 7 preferably have a lower elastic modulus than the vibration damping material 8. More specifically, the elastic modulus includes a storage elastic modulus and a loss elastic modulus. It is preferable that the support material 6 and the buffer material 7 have a small storage elastic modulus, and the damping material 8 has a large loss elastic modulus.
  • the support material 6 and the buffer material 7 are preferably made of a silicone resin (silicone rubber), and the vibration damping material 8 is preferably made of a urethane resin.
  • the flexible substrate 9 since the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3 are connected by the flexible substrate 9, even if an external force is applied to the pin terminals 11A and 11B a plurality of times, the flexible substrate is provided each time the external force is applied to the pin terminals 11A and 11B. 9 is elastically deformed, the connecting portion between the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B is not broken, and the electrical connection between the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3 is not broken.
  • the flexible substrate 9 has a strip shape and has a larger contact area with the damping material 8 than the lead wire, even if a large external force is applied to the pin terminals 11A and 11B at a time, the damping material 8 is locally loaded. However, the damping material 8 is not broken.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining the stress applied to the connecting portion in the ultrasonic sensor 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the stress applied to the connecting portion in the ultrasonic sensor 111 according to the comparative example. 2A and 2B, only the pin terminal 11A is shown, but the pin terminal 11B is also connected to the flexible substrate 9 like the pin terminal 11A.
  • the first end of the flexible substrate 9 and the tip ends of the pin terminals 11A and 11B extend in the same direction and are connected by solder (not shown) or the like. Since the flexible substrate 9 extends from the first end, which is a connection portion with the pin terminals 11A and 11B, to the side wall 2A side of the case 2, it is bent with a certain curvature.
  • the ultrasonic sensor 111 according to the comparative example is different from the ultrasonic sensor 1 according to the present embodiment in the connection portion between the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B, and the other configurations are the same.
  • the first end of the flexible substrate 9 and the tip portions of the pin terminals 11A and 11B extend in the opposite direction and are connected by solder (not shown) or the like.
  • the flexible substrate 9 extends in the axial direction of the case 2 from a first end that is a connection portion with the pin terminals 11A and 11B.
  • the ultrasonic sensor 1 according to the present embodiment is more piezoelectric than the ultrasonic sensor 111 according to the comparative example, because the connecting portion between the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B is broken. Disconnection of electrical connection with the element 3 is unlikely to occur.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the loading direction and the destruction mode.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a weighting direction applied to the pin terminals 11A and 11B.
  • FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the weighting direction and the destruction mode for the ultrasonic sensor 1 according to this embodiment.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating the relationship between the weighting direction and the destruction mode for the ultrasonic sensor 111 according to the comparative example.
  • the weight corresponds to the external force.
  • the resin destruction means that a member made of resin such as the vibration damping material 8 is destroyed.
  • both the ultrasonic sensor 1 and the ultrasonic sensor 111 are The resin breakage occurred before the disconnection of the electrical connection between the terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3.
  • the ultrasonic sensor 1 when a weight in the direction (+ Z direction) in which the pin terminals 11A and 11B are pulled out from the case 2 is applied to the pin terminals 11A and 11B, the ultrasonic sensor 1 has an electrical connection between the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3. The resin breakage occurred prior to the disconnection of a typical connection. On the other hand, in the ultrasonic sensor 111, disconnection of the electrical connection between the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3 occurred before the resin breakage.
  • the ultrasonic sensor 1 is different from the ultrasonic sensor 111 of the comparative example in the configuration of the connection portion between the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B.
  • disconnection of the electrical connection between the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3 hardly occurs.
  • the direction in which the first end of the flexible substrate 9 extends and the direction in which the tip ends of the pin terminals 11A and 11B extend are the same, and the first end of the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B Even though the tip ends are connected, even when their extending directions are opposite to each other, they extend from the first end, which is the connecting portion with the pin terminals 11A and 11B, to the side wall 2A side of the case 2 and bend with a certain curvature.
  • the connection portion between the flexible substrate 9 and the pin terminals 11A and 11B is not broken, and the electrical connection between the pin terminals 11A and 11B and the piezoelectric element 3 is disconnected. It can be prevented from occurring.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 21 according to the second embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic sensor 21 includes two flexible substrates 29A and 29B.
  • the flexible substrate 29A is for electrically connecting the pin terminal 11A and one of the pair of electrodes of the piezoelectric element 3.
  • the flexible substrate 29B is for electrically connecting the pin terminal 11B (not shown) and the other of the pair of electrodes of the piezoelectric element 3.
  • a plurality of flexible substrates 29A and 29B may be provided and each may be electrically connected to the electrode of the piezoelectric element 3.
  • FIG. 5 is a sectional view of an ultrasonic sensor 31 according to the third embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic sensor 31 includes two flexible substrates 39A and 39B.
  • the flexible substrate 39A electrically connects the pin terminal 11A and one of the pair of electrodes of the piezoelectric element 3.
  • the flexible substrate 39B electrically connects the pin terminal 11B (not shown) and the case 2.
  • the pin terminal 11B is electrically connected to the other (ground potential) of the pair of electrodes of the piezoelectric element 3 via the flexible substrate 39B and the case 102.
  • the present invention can be implemented, but the specific configuration of the ultrasonic sensor is not limited to the above.
  • 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.

Abstract

　超音波センサ（１）は、底板（２Ｂ）と側壁（２Ａ）とを有する、有底筒状のケース（２）と、ケース（２）内で底板（２Ｂ）上に配置されている圧電素子（３）と、一方の先端部がケース（２）の開口内に配置されており、他方の先端部がケース（２）の外部に配置されているピン端子（１１Ａ，１１Ｂ）と、ピン端子（１１Ａ，１１Ｂ）の一方の先端部に接続されている第一端と、圧電素子（３）に接続されている第二端とを有する、帯状のフレキシブル基板（９）と、ケース（２）内でピン端子（１１Ａ，１１Ｂ）の一方の先端部とフレキシブル基板（９）とを封止している制振材（８）と、を備える。フレキシブル基板（９）は、第一端がピン端子（１１Ａ，１１Ｂ）の一方の先端部と同方向に沿って延び、第一端から屈曲してケース（２）の側壁（２Ａ）側に延びて第二端に至るように、ケース（２）の開口内に屈曲して配置されている。

Description

超音波センサ
　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ピン端子を有し、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。
　図６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、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板と、圧電基板の互いに対向する主面にそれぞれ設けられている１対の電極とを有する。圧電素子１０３は、一方の電極がケース１０２の開口内底面に接触してケース１０２と電気的に接続されるように、導電性接着剤などによりケース１０２に接合されている。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とを介して圧電素子１０３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とを電気的に接続している。
国際公開ＷＯ２００７／０９４１８４号公報
　図６に示されるような従来構成の超音波センサにおいては、ピン端子に外力が加わることで、リード線が変形する。ピン端子に外力が複数回加わることでリード線が何度も変形すると、ピン端子とリード線との接続部が破断して、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じる可能性がある。また、ピン端子に一度に大きな外力が加わることで、ピン端子とリード線との接続部が破断してピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じたり、発泡性樹脂やダンピング材などの部材が壊れたりする可能性がある。特に、ピン端子をケースから引き抜く方向の大きな外力がピン端子に加わると、ピン端子とリード線との接続部の破断や部材の破壊が生じやすい。そのため、超音波センサは、より外力に対する耐性が高い構成とすることが望まれている。
　そこで本発明の目的は、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じにくく、外力に対する耐性の高い超音波センサを実現することにある。
　本発明の超音波センサは、ケースと、圧電素子と、ピン端子と、フレキシブル基板と、制振材と、を備えている。ケースは、有底筒状であり、底板と側壁とを有する。圧電素子は、ケース内で底板上に配置されている。ピン端子は、一方の先端部がケースの開口内に配置されており、他方の先端部がケースの外部に配置されている。フレキシブル基板は、帯状であり、ピン端子の一方の先端部に接続されている第一端と、圧電素子に接続されている第二端とを有する。制振材は、ケース内でピン端子の一方の先端部とフレキシブル基板とを封止している。そして、フレキシブル基板は、第一端がピン端子の一方の先端部と同方向に沿って延び、第一端から屈曲してケースの側壁側に延びて第二端に至るように、ケースの開口内に屈曲して配置されている。
　上述の超音波センサにおいて、ピン端子の一方の先端部は、フレキシブル基板の第一端にはんだ付けされていると好適である。
　これにより、ピン端子の接続を簡易な工程で実現でき、また、接続信頼性を高めることができる。
　本発明によれば、塑性変形するリード線ではなく、弾性変形するフレキシブル基板を用いることにより、ピン端子との接続部が破断して、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じることを防ぐことができる。また、帯状のフレキシブル基板を用いることにより、フレキシブル基板と制振材との接触面積が増え、フレキシブル基板が変形しても制振材が破壊されにくくなる。
　また、ピン端子をケースから引き抜く方向の外力がピン端子に加わっても、フレキシブル基板におけるケースの側壁側に延びている部分が撓むので、その外力によるせん断応力がフレキシブル基板とピン端子との接続部に集中することが無い。したがって、フレキシブル基板とピン端子との接続部が破断することを防ぐことができる。その他、ピン端子を倒すような横方向の外力、ピン端子をケースの内部に押しこむ方向の外力がピン端子に加わっても、フレキシブル基板が同様に撓み、フレキシブル基板とピン端子との接続部が破断することを防ぐことができる。
　さらには、フレキシブル基板の第一端が延びる方向と、ピン端子の一方の先端部が延びる方向とを同じにすることにより、フレキシブル基板の曲率を低くでき、フレキシブル基板の弾性力を小さくすることができる。このため、ピン端子や、フレキシブル基板とピン端子との接続部の不要な変形や破断、樹脂破壊などの発生をより確実に防ぐことができる。
本発明の第１の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波センサおよび比較例に係る超音波センサのそれぞれにおける接続部に加わる応力について説明する図である。 実機試験における加重方向と破壊モードとの関係について説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 従来の超音波センサの構成例を示す断面図である。
《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。また、図１（Ｂ）は、超音波センサ１の平面図である。なお、図１（Ｂ）は、超音波センサ１の背面を示す。
　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。
　ケース２は、一方の端面が閉塞し、他方の端面が開口する有底筒状のものであり、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。側壁２Ａにおいては、開口側の部分は薄肉であって開口の内径が大きく、底板２Ｂ側の部分は厚肉であって開口の内径が小さい。底板２Ｂは、中央近傍に凹部２Ｂ１を備えている。凹部２Ｂ１は、底面部と側壁部とを有する。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。
　圧電素子３は、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板と、圧電基板の互いに対向する主面にそれぞれ設けられている１対の電極とを有する。圧電素子３は、平板状であり、１対の電極に駆動電圧が印加されることにより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、１対の電極の一方が凹部２Ｂ１の底面部に接触するように、ケース２に接合されている。言い換えれば、圧電素子３は、凹部２Ｂ１の底面部に配置されている。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る。このバイモルフ振動子は、圧電素子３の広がり振動によって、屈曲振動することになる。そのため、凹部２Ｂ１の底面部がケース２の主たる振動領域となる。
　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。
　補強材５は、中央に開口を設けた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、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り、錘として機能する。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の厚肉の部分の内周面に接して、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を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。
　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は、ケース２の内部に金型を配置した状態で金型とケース２との間の空間に樹脂を充填し、樹脂を硬化させてから金型を取り除くことで形成されている。なお、支持材６は、このように金型とケース２とを用いてケース２の内部で形成されたものであってもよいし、予め所望の形状に形成されたものをケース２の内部に配置してもよい。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、また、ケース２の側壁２Ａにおける振動を抑制することができる。
　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を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。
　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姿勢で保持している。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。
　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の一方の先端部は、端子保持材１０の貫通孔から露出しており、ケース２の開口内に配置されている。ピン端子１１Ａ，１１Ｂの他方の先端部は、端子保持材１０の上端から突出して、ケース２の外部に配置されている。
　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。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の一方の先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の電極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は、第一端から屈曲してケース２の側壁２Ａ側に延び、支持材６の内部を通過して、第二端に至るように、ケース２の開口内に屈曲して配置されている。支持材６は、ケース２の開口内に圧電素子３やフレキシブル基板９が配置された状態で、充填および硬化されて設けられる。なお、図１（Ａ）では、ピン端子１１Ａのみが図示されているが、ピン端子１１Ｂもピン端子１１Ａと同様に、フレキシブル基板９と接続されている。
　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の一方の先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のケース２から離脱することを防止する機能も有している。
　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。
　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。
　また、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３とをフレキシブル基板９により接続しているので、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が複数回加わっても、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が加わるたびにフレキシブル基板９が弾性変形し、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断することはなく、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じることが無い。また、フレキシブル基板９は帯状であり、リード線よりも制振材８との接触面積が大きいため、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに一度に大きな外力が加わっても、制振材８に局所的な加重が加わるが無く、制振材８が壊れることも無い。
　ここで、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が加わった場合に、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に加わる応力について説明する。
　図２（Ａ）は、本実施形態に係る超音波センサ１において接続部に加わる応力について説明する図である。また、図２（Ｂ）は、比較例に係る超音波センサ１１１において接続部に加わる応力について説明する図である。なお、図２（Ａ），（Ｂ）では、ピン端子１１Ａのみが図示されているが、ピン端子１１Ｂもピン端子１１Ａと同様に、フレキシブル基板９と接続されている。
　超音波センサ１においては、フレキシブル基板９の第一端と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの先端部とが同方向に沿って延び、はんだ（不図示）等で接続されている。フレキシブル基板９は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の側壁２Ａ側に延びているため、一定の曲率で屈曲している。
　このような超音波センサ１の構成では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向の外力がピン端子１１Ａ，１１Ｂに加わると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部で、フレキシブル基板９に外力と同方向の力が加わる。すると、フレキシブル基板９におけるケース２の側壁２Ａ側に延びている部分が撓んで、フレキシブル基板９の曲率が変化する。このとき、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に加わるせん断応力は、フレキシブル基板９のばね弾性により打ち消される（低減される）。
　比較例に係る超音波センサ１１１は、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が本実施形態に係る超音波センサ１と異なっており、その他の構成は同じである。超音波センサ１１１においては、フレキシブル基板９の第一端と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの先端部とが逆方向に沿って延び、はんだ（不図示）等で接続されている。フレキシブル基板９は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の軸方向に延びている。
　このような超音波センサ１１１の構成では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向の外力がピン端子１１Ａ，１１Ｂに加わると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部で、フレキシブル基板９に外力と逆方向の力が加わる。すると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に、せん断応力が集中して加わることになる。このため、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断して、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じやすくなる。
　このように、本実施形態の超音波センサ１は、比較例の超音波センサ１１１よりも、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断することによる、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じにくい。
　ここで、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じにくいことを確認するために行った実機試験について説明する。実機試験においては、本実施形態の超音波センサ１と、比較例の超音波センサ１１１とのそれぞれに対して、何らかの破壊が生じるまでピン端子１１Ａ，１１Ｂに一点荷重を加え、加重方向毎に破壊モード（破壊箇所）を調査した。
　図３は、加重方向と破壊モードとの関係について説明する図である。図３（Ａ）は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに加える加重方向について説明する図である。図３（Ｂ）は、本実施形態に係る超音波センサ１についての加重方向と破壊モードとの関係を示す図である。図３（Ｃ）は、比較例に係る超音波センサ１１１についての加重方向と破壊モードとの関係を示す図である。ここでは、加重が外力に相当するものとする。
　ピン端子１１Ａ，１１Ｂを倒すように、横方向（＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、－Ｙ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合、超音波センサ１と超音波センサ１１１とのいずれも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。樹脂破壊とは、制振材８などの樹脂からなる部材が破壊されることである。
　また、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２の内部に押しこむ方向（－Ｚ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合も、超音波センサ１と超音波センサ１１１とのいずれも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。
　一方、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向（＋Ｚ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合には、超音波センサ１では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。これに対して、超音波センサ１１１では、樹脂破壊よりも先に、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じた。
　この実機試験からも確認できたように、超音波センサ１は、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部の構成が比較例の超音波センサ１１１と異なっており、超音波センサ１１１よりも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じ難い。
　なお、本実施形態では、フレキシブル基板９の第一端が延びる方向と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部が延びる方向とを同じにして、フレキシブル基板９の第一端とピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部とを接続したが、それらの延びる方向を互いに逆方向にした場合でも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の側壁２Ａ側に延びて一定の曲率で屈曲しているようにフレキシブル基板９を配置することにより、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断せず、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じることが無いようにすることができる。しかしながら、その場合には、フレキシブル基板９をより大きな曲率で屈曲させる必要があり、フレキシブル基板９の弾性力が大きくなってしまう。すると、ピン端子１１Ａ，１１Ｂや、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部の不要な変形や破断、樹脂破壊などが発生する可能性がある。そのため、フレキシブル基板９の第一端が延びる方向と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部が延びる方向とを同じにして、フレキシブル基板９の第一端とピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部とを接続することが好適である。
《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の構成例について説明する。
　図４は、本発明の第２の実施形態に係る超音波センサ２１の断面図である。超音波センサ２１は、２つのフレキシブル基板２９Ａ，２９Ｂを備える。フレキシブル基板２９Ａは、ピン端子１１Ａと圧電素子３の１対の電極の一方とを電気的に接続するものである。フレキシブル基板２９Ｂは、ピン端子１１Ｂ（不図示）と圧電素子３の１対の電極の他方とを電気的に接続するものである。このように、複数のフレキシブル基板２９Ａ，２９Ｂを設けて、それぞれを圧電素子３の電極に電気的に接続してもよい。
《第３の実施形態》
　次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波センサ３１の構成例について説明する。
　図５は、本発明の第３の実施形態に係る超音波センサ３１の断面図である。超音波センサ３１は、２つのフレキシブル基板３９Ａ，３９Ｂを備える。フレキシブル基板３９Ａは、ピン端子１１Ａと圧電素子３の１対の電極の一方とを電気的に接続するものである。フレキシブル基板３９Ｂは、ピン端子１１Ｂ（不図示）とケース２とを電気的に接続している。ピン端子１１Ｂは、フレキシブル基板３９Ｂとケース１０２とを介して圧電素子３の１対の電極の他方（グランド電位）に電気的に接続されている。
　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。
１，２１，３１…超音波センサ
２…ケース
２Ａ…側壁
２Ｂ…底板
２Ｂ１…凹部
３…圧電素子
４…吸音材
５…補強材
６…支持材
７…緩衝材
８…制振材
９，２９Ａ，２９Ｂ，３９Ａ，３９Ｂ…フレキシブル基板
１０…端子保持材
１１Ａ，１１Ｂ…ピン端子

Claims (2)

  1. 　底板と側壁とを有する、有底筒状のケースと、
    　前記ケース内で前記底板上に配置されている圧電素子と、
    　一方の先端部が前記ケースの開口内に配置されており、他方の先端部が前記ケースの外部に配置されているピン端子と、
    　前記ピン端子の一方の先端部に接続されている第一端と、前記圧電素子に接続されている第二端とを有する、帯状のフレキシブル基板と、
    　前記ケース内で前記ピン端子の一方の先端部と前記フレキシブル基板とを封止している制振材と、を備え、
    　前記フレキシブル基板は、前記第一端が前記ピン端子の一方の先端部と同方向に沿って延び、前記第一端から屈曲して前記ケースの側壁側に延びて前記第二端に至るように、前記ケースの開口内に屈曲して配置されている、超音波センサ。
  2. 　前記ピン端子の一方の先端部は、前記フレキシブル基板の第一端にはんだ付けされている、請求項１に記載の超音波センサ。
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