WO2016133016A1 - 超音波センサ - Google Patents

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WO2016133016A1
WO2016133016A1 PCT/JP2016/054115 JP2016054115W WO2016133016A1 WO 2016133016 A1 WO2016133016 A1 WO 2016133016A1 JP 2016054115 W JP2016054115 W JP 2016054115W WO 2016133016 A1 WO2016133016 A1 WO 2016133016A1
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WO
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piezoelectric element
case
ultrasonic sensor
recess
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English (en)
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Inventor
浩司 南部
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株式会社村田製作所
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/101—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical and mechanical input and output, e.g. having combined actuator and sensor parts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor provided with a piezoelectric element.
  • a general ultrasonic sensor forms a unimorph structure by adhering a piezoelectric element to the inner bottom surface of a case, and transmits and receives ultrasonic waves by bending vibration of the bottom of the case.
  • Patent Document 1 discloses an ultrasonic sensor including a stacked piezoelectric element.
  • a laminated piezoelectric element is bonded to the inner bottom surface of a conductive case.
  • a ground electrode and a non-ground electrode an end portion of the end face electrode that forms a potential difference between the ground electrode and the ground electrode when a voltage is applied are positioned on the bonding surface side of the piezoelectric element.
  • the conductive case and the non-grounded electrode end portion of the end face electrode
  • the counter electrode circuit electrical circuit for constituting the ultrasonic sensor
  • the present invention provides an ultrasonic wave capable of suppressing electrical conduction between a case and a non-grounded electrode (an end portion of an end face electrode) even when a laminated piezoelectric element is bonded to the inner bottom surface of a conductive case.
  • An object is to provide a sensor.
  • An ultrasonic sensor includes a bottomed cylindrical case having conductivity, and a laminated piezoelectric element bonded to the inner bottom surface of the case, and on the side of the bonding surface of the piezoelectric element.
  • the ground electrode and a non-ground electrode that forms a potential difference between the ground electrode when a voltage is applied are positioned, and a concave portion is formed on the inner bottom surface of the case.
  • the non-grounded electrode and the recess are viewed in a plan view along a direction perpendicular to the inner bottom surface of the case, the end of the non-grounded electrode located on the side of the bonding surface is the recess. It is located so as to overlap.
  • the end located on the joint surface side of the non-grounded electrode is positioned so as to be included inside the recess.
  • the piezoelectric element has a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction and a short direction, and the end portion located on the side of the joining surface of the non-grounded electrode has the piezoelectric element It has a shape extending along the longitudinal direction.
  • the piezoelectric element has a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction and a short direction, and the end portion located on the side of the joining surface of the non-grounded electrode has the piezoelectric element It has the shape extended along the transversal direction.
  • a through hole is provided in the bottom of the case, and the recess is formed by embedding resin in the through hole.
  • the piezoelectric element includes a piezoelectric layer including a transmission region and a reception region, a common electrode having a shape extending over both the transmission region and the reception region, and the transmission region.
  • the non-grounded electrode (the end of the end face electrode) is prevented from conducting to the case due to the presence of the recess, so that the counter electrode circuit (electric circuit for constituting the ultrasonic sensor) is appropriately formed. It becomes possible to do.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of a sensor device including the ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a plan view showing a piezoelectric element and an FPC provided in the ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a plan view showing a piezoelectric element (with the FPC removed) provided in the ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a piezoelectric element provided in the ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a piezoelectric element provided in the ultrasonic sensor according to Embodiment 1 and an internal structure thereof.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ultrasonic sensor according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a plan view showing a piezoelectric element and an FPC provided in the ultras
  • FIG. 3 is a perspective view showing electrodes provided in the piezoelectric element of the ultrasonic sensor in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 4.
  • FIG. 3 is a plan view showing a state when the bottom is viewed along a direction perpendicular to the bottom (inner bottom) of the case used in the ultrasonic sensor in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view showing a state when the bottom is viewed along a direction perpendicular to the bottom (inner bottom) of the case used in the ultrasonic sensor in the second embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view showing a state when the bottom is viewed along a direction perpendicular to the bottom (inner bottom surface) of the case used in the ultrasonic sensor in the third embodiment. It is a top view which shows a mode when a bottom part is seen along the direction perpendicular
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a case used for the ultrasonic sensor in the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a piezoelectric element used for an ultrasonic sensor in a sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating functional blocks of a sensor device 1 including an ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment.
  • the sensor device 1 includes an ultrasonic sensor 100, a microcomputer 101, a memory 102, a detection circuit 103, a signal generation circuit 104, a power source 105, and a reception amplifier 106.
  • the ultrasonic sensor 100 includes a piezoelectric element 50, and the piezoelectric element 50 has a three-terminal structure including electrodes 10, 20, and 30.
  • the microcomputer 101 reads data stored in the memory 102 and outputs a control signal to the signal generation circuit 104.
  • the signal generation circuit 104 generates an AC voltage from the DC voltage based on the control signal.
  • the AC voltage is supplied to the ultrasonic sensor 100, and ultrasonic waves are transmitted (transmitted) from the ultrasonic sensor 100 toward the air.
  • the received signal generated by the ultrasonic sensor 100 is sent to the reception amplifier 106 as a voltage value and input to the microcomputer 101 through the detection circuit 103.
  • the microcomputer 101 can grasp information regarding the presence / absence of a target and movement.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment.
  • the ultrasonic sensor 100 includes a piezoelectric element 50, a case 60, a sound absorbing material 63, an adhesive 64, a bonding agent 65, fillers 71 and 72, and an FPC 80 (Flexible Printed Circuits).
  • the case 60 has conductivity and is formed in a bottomed cylindrical shape.
  • the case 60 is made of, for example, aluminum having high elasticity and light weight.
  • the case 60 is manufactured by forging or cutting such aluminum, for example.
  • the case 60 includes a disc-shaped bottom portion 62 and a cylindrical tubular portion 61 provided along the periphery of the bottom portion 62.
  • the bottom 62 has an inner bottom surface 62S and an outer surface 62T.
  • the piezoelectric element 50 is made of, for example, lead zirconate titanate ceramic.
  • the piezoelectric element 50 is disposed on the inner bottom surface 62S of the bottom 62, and is bonded to the inner bottom surface 62S using an adhesive 64.
  • the adhesive 64 is, for example, an epoxy adhesive.
  • the piezoelectric element 50 has three electrodes (not shown) corresponding to the electrodes 10 to 30 in FIG. 1 (details will be described later). As shown in FIG. 3, the tip portion 80T of the FPC 80 has a T shape. The FPC 80 is electrically bonded to these electrodes via a bonding agent 65. As the bonding agent 65, for example, a resin material to which a metal is added is used. The part of the FPC 80 opposite to the part joined to the piezoelectric element 50 is taken out of the case 60 and electrically connected to the signal generation circuit 104 (FIG. 1) and the reception amplifier 106 (FIG. 1). Has been.
  • the bonding agent 65 for example, a resin material to which a metal is added is used.
  • the part of the FPC 80 opposite to the part joined to the piezoelectric element 50 is taken out of the case 60 and electrically connected to the signal generation circuit 104 (FIG. 1) and the reception amplifier 106 (FIG. 1). Has been.
  • FIG. 3 is a plan view showing the piezoelectric element 50 and the FPC 80.
  • FIG. 4 is a plan view showing the piezoelectric element 50 (with the FPC 80 removed).
  • FIG. 5 is a perspective view showing the piezoelectric element 50.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the piezoelectric element 50 and its internal structure.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the electrodes 10, 20, 30 provided in the piezoelectric element 50.
  • 8 is a cross-sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIGS. 3 to 10 arrows X, Y, and Z are shown for convenience of explanation.
  • the arrows X, Y, and Z have a relationship orthogonal to each other.
  • each configuration of the piezoelectric element 50 may be described with reference to the arrows X, Y, and Z, but the arrangement relationship (features related to orthogonality and parallelism) of each configuration is not necessarily the arrangement indicated by the arrows X, Y, and Z. It is not limited to relationships. The same applies to FIGS. 11 to 16 described later.
  • the piezoelectric element 50 is a laminated piezoelectric element and is attached to the inner bottom surface 62S of the case 60 using an adhesive 64.
  • the piezoelectric element 50 has a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction and a lateral direction.
  • the piezoelectric element 50 includes a piezoelectric layer 40 (FIGS. 3 to 6, FIG. 8 to FIG. 10), an electrode 10 (FIG. 7), an electrode 20 (FIG. 7) as a non-ground electrode, And an electrode 30 (FIG. 7) as a ground electrode.
  • the outer shape of the piezoelectric layer 40 is a substantially rectangular parallelepiped (see FIGS. 5 and 6), and the piezoelectric layer 40 has an upper surface 41, side surfaces 42 to 45, and a lower surface 46.
  • the upper surface 41 is a surface located on the arrow Z direction side of the piezoelectric layer 40
  • the lower surface 46 is a surface located on the opposite side of the piezoelectric layer 40 in the arrow Z direction.
  • the side surfaces 42 and 44 are surfaces of the piezoelectric layer 40 that are perpendicular to the direction of the arrow X, and have a positional relationship facing each other.
  • the side surfaces 43 and 45 are surfaces of the piezoelectric layer 40 that are orthogonal to the arrow Y direction and have a positional relationship facing each other.
  • the electrode 10 includes a disk part 11 and an extension part 12 (see FIG. 7).
  • the electrode 10 functions as a receiving electrode.
  • the extending part 12 has a shape that extends outward from the outer edge of the disk part 11.
  • the extending portion 12 is disposed so as to extend from the side where the disk portion 11 is located toward the side where the side surface 42 of the piezoelectric layer 40 is located.
  • the electrode 10 and the FPC 80 are electrically connected at a portion (connection portion 10 ⁇ / b> C) between the wiring pattern 81 provided on the FPC 80 and the extending portion 12 of the electrode 10. (See also FIGS. 4 and 5).
  • the electrode 20 as a non-grounded electrode includes an end surface portion 21, an upper surface portion 22, and intermediate portions 23 and 24 (see FIG. 7).
  • the electrode 20 functions as a transmission electrode. That is, when a voltage is applied to the electrode 20, the electrode 20 forms a potential difference with the electrode 30 (ground electrode).
  • the end surface portion 21 faces the side surface 42 (FIG. 5) of the piezoelectric layer 40 and contacts the side surface 42.
  • the end portion 21T of the end surface portion 21 is a portion located on the bonding surface side (the adhesive 64 side) of the electrode 20.
  • the end portion 21 ⁇ / b> T has a shape extending along a part of the lower end portion of the side surface 42 in the longitudinal direction of the piezoelectric element 50.
  • the above-described bonding surface corresponds to a bonding surface in claims.
  • the upper surface portion 22 of the electrode 20 is connected to the end portion on the arrow Z direction side of the end surface portion 21, and is disposed on the upper surface 41 of the piezoelectric layer 40.
  • the intermediate portions 23 and 24 are portions of the electrode 20 that are disposed inside the piezoelectric layer 40, and these are not visually recognized when the piezoelectric element 50 is completed (see FIG. 5).
  • An intermediate portion 33 of the electrode 30 is disposed between the intermediate portion 23 and the intermediate portion 24 (see FIGS. 8 to 10 and the like).
  • Cutout portions 23H and 24H (FIG. 7) and cutout portions 23T and 24T are provided inside the intermediate portions 23 and 24, respectively.
  • the end portions of the intermediate portions 23 and 24 in the direction opposite to the arrow X (specifically, the end portion on the side where the end surface portion 21 is located) are located on the end surface portion 21. Connected.
  • the end portions in the arrow X direction of the intermediate portions 23 and 24 are not connected to the end surface portion 31 of the electrode 30 described later, and are separated from the end surface portion 31. As shown in FIG.
  • the electrode 20 and the FPC 80 are electrically connected at a portion (connection portion 20 ⁇ / b> C) between the wiring pattern 82 provided on the FPC 80 and the upper surface portion 22 of the electrode 20. (See also FIGS. 4 and 5).
  • the electrode 30 as the ground electrode includes an end surface portion 31, an upper surface portion 32, an intermediate portion 33, and a lower surface portion 34 (see FIG. 7).
  • the electrode 30 functions as a common electrode.
  • the end surface portion 31 faces the side surface 44 (FIG. 5) of the piezoelectric layer 40 and contacts the side surface 44.
  • the lower surface portion 34 faces the lower surface 46 of the piezoelectric layer 40 and contacts the lower surface 46.
  • the upper surface portion 32 is connected to the end portion on the arrow Z direction side of the end surface portion 31 and is disposed on the upper surface 41 of the piezoelectric layer 40.
  • the intermediate portion 33 is a portion of the electrode 30 that is disposed inside the piezoelectric layer 40, and the intermediate portion 33 is not visually recognized when the piezoelectric element 50 is completed (see FIG. 5).
  • Cutout portions 32H and 33H are provided inside the upper surface portion 32 and the intermediate portion 33, respectively.
  • the disk portion 11 of the electrode 10 is disposed inside the cutout portion 32H (see FIG. 5).
  • Notch portions 32T and 33T are also provided inside the upper surface portion 32 and the intermediate portion 33, respectively.
  • the extension part 12 of the electrode 10 is arranged inside the notch part 32T (see FIG. 5).
  • a receding portion 32F is provided in a portion of the upper surface portion 32 in the direction opposite to the arrow Y.
  • the receding part 32F is a part for allowing the arrangement of the upper surface part 22 of the electrode 20.
  • the end portions in the arrow X direction of the upper surface portion 32, the intermediate portion 33, and the lower surface portion 34 are connected to the end surface portion 31.
  • the end portions of the upper surface portion 32, the intermediate portion 33, and the lower surface portion 34 in the direction opposite to the arrow X are not connected to the end surface portion 21 of the electrode 20 and are separated from the end surface portion 21.
  • the electrode 30 and the FPC 80 are electrically connected at a portion (connection portion 30 ⁇ / b> C) between the wiring pattern 83 provided on the FPC 80 and the upper surface portion 32 of the electrode 30. (See also FIGS. 4 and 5).
  • a transmission region 40N and a reception region 40M are formed in the piezoelectric layer 40.
  • the transmission region 40N has a four-layer structure including first unit piezoelectric layers N1 to N4.
  • the first unit piezoelectric layers N1 to N4 are stacked in a direction away from the bottom 62 of the case 60, and are electrically connected in parallel by the electrode 20 and the electrode 30.
  • the white arrows in FIGS. 8 to 10 indicate the polarization directions of the piezoelectric layers.
  • the receiving area 40M has a one-layer structure of the second unit piezoelectric layer M1.
  • the lower surface portion 34 of the electrode 30 has a shape that extends over both the transmission region 40N and the reception region 40M.
  • the upper surface portion 22 of the electrode 20 faces the lower surface portion 34 of the electrode 30 with the transmission region 40N including the first unit piezoelectric layers N1 to N4 interposed therebetween.
  • the disk portion 11 of the electrode 10 faces the lower surface portion 34 of the electrode 30 with the receiving region 40M including the second unit piezoelectric layer M1 interposed therebetween.
  • a region located between the disk portion 11 of the electrode 10 and the lower surface portion 34 of the electrode 30 functions as a receiving region 40M.
  • the transmission region 40N and the reception region 40M are formed at positions adjacent to each other in the surface direction (XY plane direction) of the inner bottom surface 62S of the bottom portion 62 of the case 60. Yes. Specifically, a receiving area 40M is provided at the center of the piezoelectric layer 40, and the transmitting area 40M is disposed on the outer periphery in the radial direction of the receiving area 40M so as to surround the receiving area 40M. A region 40N is provided.
  • the bonding surface side of the piezoelectric element 50 (the side of the surface of the piezoelectric element 50 bonded to the bottom 62 of the case 60). ), The lower surface portion 34 of the electrode 30 (ground electrode) and the end portion 21T of the end surface portion 21 of the electrode 20 (non-ground electrode) are located.
  • the lower surface portion 34 of the electrode 30 is attached to the bottom portion 62 (inner bottom surface 62S) of the case 60 with an adhesive 64.
  • the electrode 20 forms a potential difference with the electrode 30 (ground electrode).
  • the ultrasonic sensor 100 can transmit ultrasonic waves.
  • FIG. 11 is a plan view showing a state when the bottom portion 62 is viewed along a direction perpendicular to the bottom portion 62 (inner bottom surface 62S) of the case 60.
  • FIG. 11 For convenience of illustration, in FIG. 11, the piezoelectric element 50 and the end surface portion 21 (end portion 21T) of the electrode 20 are illustrated using dotted lines.
  • a recess 68 is formed in the bottom 62 of the case 60 of the present embodiment (see also FIGS. 9 and 10).
  • the recess 68 has a groove shape extending linearly.
  • the concave portion 68 having a rectangular shape in sectional view is provided, but the sectional view may have a semicircular shape, a triangular shape, a trapezoidal shape, or a semi-elliptical shape.
  • the electrode 20 when the electrode 20 is viewed in a plan view along a direction perpendicular to the bottom 62 (inner bottom surface 62S) of the case 60, the end of the end surface 21 of the electrode 20 that is located on the bonding surface side. 21T is positioned so as to overlap the recess 68.
  • the projection image formed by the projection is positioned so as to overlap the recess 68. .
  • the end 21T is preferably positioned so as to be included inside the recess 68 as shown in FIG. (In this case, the entire projected image is included inside the recess 68).
  • the portion used for transmitting the piezoelectric element 50 (transmission region 40N) and the portion used for receiving the wave (receiving region 40M) are formed separately.
  • the number of layers of the piezoelectric element 50 used for transmission (transmission region 40N) has a four-layer structure, but the portion used for reception (reception region) 40M) remains a one-layer structure.
  • the ultrasonic sensor according to the present embodiment a decrease in sensitivity at the time of wave reception is suppressed as compared with the conventional configuration. Therefore, it can be said that the ultrasonic sensor of the present embodiment has a structure capable of independently adjusting both the sound pressure during transmission and the sensitivity during reception.
  • the bonding surface of the piezoelectric element 50 is bonded.
  • the electrode 30 (ground electrode) and the end portion 21T of the electrode 20 (non-ground electrode) that forms a potential difference between the electrode 30 and the ground electrode when a voltage is applied are located on the side of the electrode.
  • a counter electrode circuit configures an ultrasonic sensor. In some cases, the electrical circuit) is not properly formed.
  • the conduction of the electrode 20 (ungrounded electrode) to the case 60 is suppressed by the presence of the recess 68. Therefore, when the case 60 and the electrode 20 are insulated and a counter electrode circuit is formed, the ultrasonic sensor 100 can function properly, and the probability of an initial failure occurring immediately after manufacturing can be reduced.
  • the electrode 30 as the ground electrode may be electrically connected to the bottom 62 of the case 60.
  • the piezoelectric element 50 bends and vibrates together with the bottom 62. If the concave portion 68 is not provided, the case 60 and the electrode 20 are electrically connected to each other under the influence of bending vibration after the use is started, which may lead to a defect. According to the ultrasonic sensor 100 of the present embodiment, such a problem can be suppressed by the presence of the recess 68. Since the presence of the recess 68 can affect the vibration mode of the ultrasonic sensor 100, the depth, length, width, etc. of the recess 68 can be adjusted so as to obtain an optimal vibration mode while preventing unnecessary conduction. It is good to optimize.
  • the countermeasure for preventing the conduction described in the first embodiment can be obtained by devising the shape of the piezoelectric element (for example, the electrode 20), but when using a thin laminated element, It can be said that the countermeasure of providing the recess 68 in the case 60 as described in the present embodiment can be easily implemented. In addition to providing the recess 60 in the case 60, it is also effective to devise the shape of the piezoelectric element (for example, the electrode 20) to prevent unnecessary conduction.
  • a metal case 60 having a diameter of 14 mm and a height of 9 mm was prepared.
  • the thickness of the bottom 62 of the case 60 was 0.9 mm.
  • the shape of the recess 68 provided on the bottom 62 of the case 60 was 6.5 mm in length, 0.5 mm in width, and 0.05 mm in depth.
  • the laminated piezoelectric element 50 having a length of 6 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.2 mm was prepared.
  • a lead wire was used instead of FPC, an epoxy resin (insulating adhesive) was used as the adhesive 64, and silicone was used as the fillers 71 and 72 (see FIG. 2).
  • the bottom 62 may be provided with two recesses 68A and 68B.
  • the recesses 68A and 68B have the same shape and are parallel to each other. According to this configuration, since it is not necessary to consider the directionality of the piezoelectric element 50 when the piezoelectric element 50 is attached to the bottom 62, an improvement in production efficiency can be expected.
  • the end portion 21T of the electrode 20 has a shape extending along the lower end portion of the side surface (the side surface 42 of the piezoelectric layer 40) in the longitudinal direction of the piezoelectric element 50.
  • end portion 21 ⁇ / b> T of electrode 20 extends along the lower end portion of the side surface (side surface 43 of piezoelectric layer 40) in the lateral direction of piezoelectric element 50 ⁇ / b> A. It has an extending shape. Even when such a piezoelectric element 50A is used, the end portion 21T located on the bonding surface side of the end surface portion 21 of the electrode 20 is positioned so as to overlap the recess 68A of the case 60B. Thus, unnecessary conduction can be prevented.
  • the end portion 21T may be positioned so as to be included inside the recess 68A.
  • end portion 21T of electrode 20 has a shape extending along the lower end portion of the side surface (side surface 43 of piezoelectric layer 40) in the lateral direction of piezoelectric element 50A. is doing.
  • the bottom portion 62 is provided with two concave portions 68A and 68B.
  • the recesses 68A and 68B have the same shape and are parallel to each other. According to this configuration, since it is not necessary to consider the directionality of the piezoelectric element 50A when the piezoelectric element 50A is attached to the bottom 62, an improvement in production efficiency can be expected.
  • the transmission region 40N and the reception region 40M are adjacent to each other in the surface direction of the inner bottom surface 62S of the bottom portion 62 of the case. It is formed at a matching position.
  • the idea disclosed in each of the above embodiments is not limited to an ultrasonic sensor provided with such a piezoelectric element.
  • the present invention can also be applied to an ultrasonic sensor provided with the illustrated piezoelectric element 50B.
  • the piezoelectric element 50B does not include the electrode 10, and the part used for transmission and the part used for reception are not separated. Even when such a piezoelectric element 50B is used, the concave portion 68 is formed in the bottom 62 of the case (not shown), thereby preventing the electrode 20 from conducting through the end 21T. Is possible.
  • the piezoelectric element is made of lead zirconate titanate ceramics, but is not limited to this.
  • the piezoelectric element may be made of a lead-free piezoelectric ceramic piezoelectric material such as potassium sodium niobate or alkaline niobate ceramic.
  • the piezoelectric element has a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction and a short direction, but is not limited thereto.
  • the piezoelectric element may have a disk shape.
  • the fillers 71 and 72 are made of silicone resin, but are not limited thereto. As long as it consists of resin, it may consist of urethane resin and silicone foam resin, for example.
  • 1 sensor device 10 electrode (common electrode), 10C, 20C, 30C connection location, 11 disc part, 12 extension part, 20 electrode (non-grounded electrode), 21, 31 end face part, 21T end part, 22, 32 top face Part, 23, 24, 33 intermediate part, 23H, 23T, 24H, 24T, 32H, 32T, 33H, 33T part, 30 electrode (ground electrode), 32F receding part, 34 bottom face part, 40, M1, N1, N4 piezoelectric Body layer, 40M reception area, 40N transmission area, 41 upper surface, 42, 43, 44, 45 side surface, 46 lower surface, 50, 50A, 50B piezoelectric element, 60, 60A, 60B, 60C, 60D case, 61 cylindrical shape Part, 62 bottom part, 62S inner bottom face, 62T outer face, 63 sound absorbing material, 64 adhesive, 65 bonding agent, 67 resin, 68, 68A, 68 Recess, 69 through hole, 71, 72 filler, 80T tip, 81, 82,

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Abstract

　超音波センサは、ケースと積層型の圧電素子（５０）とを備える。圧電素子の接合面の側には、接地電極（３０）と、電圧が印加されることで接地電極との間に電位差を形成する非接地電極（２０）とが位置している。ケースの内底面（６２Ｓ）には、凹部（６８）が形成されており、内底面（６２Ｓ）に対して垂直な方向に沿って非接地電極（２０）および凹部（６８）を平面視した場合、非接地電極（２０）のうちの接合面の側に位置している端部（２１Ｔ）は、凹部（６８）に重なるように位置している。

Description

超音波センサ
　本発明は、圧電素子を備えた超音波センサに関する。
　一般的な超音波センサは、ケースの内底面に圧電素子を接着することによりユニモルフ構造体を構成し、ケースの底部をベンディング振動させることで超音波を送受信する。特開２００２－２０４４９７号公報（特許文献１）には、積層型の圧電素子を備えた超音波センサが開示されている。
特開２００２－２０４４９７号公報
　導電性を有するケースの内底面に積層型の圧電素子を接合したとする。この場合、圧電素子の接合面の側に、接地電極と、電圧が印加されることで接地電極との間に電位差を形成する非接地電極（端面電極の端部）とが位置することになる。従来の超音波センサにおいては、導電性を有するケースと非接地電極（端面電極の端部）とが導通してしまい、対極回路（超音波センサを構成するための電気回路）が適切に形成されないことがあった。
　本発明は、導電性を有するケースの内底面に積層型の圧電素子を接合する場合であっても、ケースと非接地電極（端面電極の端部）とが導通することを抑制可能な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、導電性を有する有底筒状のケースと、上記ケースの内底面に接合された積層型の圧電素子と、を備え、上記圧電素子の接合面の側には、接地電極と、電圧が印加されることで上記接地電極との間に電位差を形成する非接地電極とが位置しており、上記ケースの上記内底面には、凹部が形成されており、上記ケースの上記内底面に対して垂直な方向に沿って上記非接地電極および上記凹部を平面視した場合、上記非接地電極のうちの上記接合面の側に位置している端部は、上記凹部に重なるように位置している。
　好ましくは、上記ケースの上記内底面に対して垂直な方向に沿って上記非接地電極および上記凹部を平面視した場合、上記非接地電極のうちの上記接合面の側に位置している上記端部は、上記凹部の内側に含まれるように位置している。
　好ましくは、上記圧電素子は、長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状を有し、上記非接地電極のうちの上記接合面の側に位置している上記端部は、上記圧電素子の長手方向に沿って延びる形状を有している。
　好ましくは、上記圧電素子は、長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状を有し、上記非接地電極のうちの上記接合面の側に位置している上記端部は、上記圧電素子の短手方向に沿って延びる形状を有している。
　好ましくは、上記ケースの底部には貫通孔が設けられ、上記貫通孔の中に樹脂が埋め込まれることで、上記凹部が形成されている。
　好ましくは、上記圧電素子は、送信用領域および受信用領域を含む圧電体層と、上記送信用領域および上記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、上記送信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する送信用電極と、上記受信用領域を間に挟んで上記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、上記送信用領域および上記受信用領域は、上記内底面の表面方向において互いに隣り合う位置に形成されている。
　上記構成によれば、非接地電極（端面電極の端部）がケースに導通することは凹部の存在によって抑制されるため、対極回路（超音波センサを構成するための電気回路）を適切に形成することが可能となる。
実施の形態１における超音波センサを備えたセンサ装置の機能ブロックを示す図である。 実施の形態１における超音波センサを示す断面図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子およびＦＰＣを示す平面図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子（ＦＰＣを取り外した状態）を示す平面図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子を示す斜視図である。 実施の形態１における超音波センサに備えられる圧電素子およびその内部構造を示す斜視図である。 実施の形態１における超音波センサの圧電素子に備えられる電極を示す斜視図である。 図４中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。 図４中のＩＸ－ＩＸ線に沿った矢視断面図である。 図４中のＸ－Ｘ線に沿った矢視断面図である。 実施の形態１における超音波センサに用いられるケースの底部（内底面）に対して垂直な方向に沿って底部を見たときの様子を示す平面図である。 実施の形態２における超音波センサに用いられるケースの底部（内底面）に対して垂直な方向に沿って底部を見たときの様子を示す平面図である。 実施の形態３における超音波センサに用いられるケースの底部（内底面）に対して垂直な方向に沿って底部を見たときの様子を示す平面図である。 実施の形態４における超音波センサに用いられるケースの底部（内底面）に対して垂直な方向に沿って底部を見たときの様子を示す平面図である。 実施の形態５における超音波センサに用いられるケースなどを示す断面図である。 実施の形態６における超音波センサに用いられる圧電素子を示す斜視図である。
　［実施の形態］
　本発明に基づいた実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数および量などに限定されない。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１における超音波センサ１００を備えたセンサ装置１の機能ブロックを示す図である。センサ装置１は、超音波センサ１００、マイコン１０１、メモリ１０２、検出回路１０３、信号生成回路１０４、電源１０５、および受信アンプ１０６を備える。超音波センサ１００は、圧電素子５０を備え、この圧電素子５０は電極１０，２０，３０からなる３端子構造を有している。
　マイコン１０１は、メモリ１０２に格納されているデータを読み出し、制御信号を信号生成回路１０４に出力する。信号生成回路１０４は、制御信号に基づいて直流電圧から交流電圧を生成する。交流電圧は、超音波センサ１００に供給され、超音波センサ１００から気中などに向けて超音波が送信（送波）される。超音波センサ１００が物標からの反射波を受信した際、超音波センサ１００にて発生した受波信号は電圧値として受信アンプ１０６に送られ、検出回路１０３を通してマイコン１０１に入力される。マイコン１０１により、物標の有無や移動に関する情報を把握することが可能となる。
　（超音波センサ１００）
　図２は、実施の形態１における超音波センサ１００を示す断面図である。超音波センサ１００は、圧電素子５０、ケース６０、吸音材６３、接着剤６４、接合剤６５、充填剤７１，７２、およびＦＰＣ８０（Flexible　Printed　Circuits）を備える。ケース６０は、導電性を有し、有底筒状に形成される。ケース６０は、たとえば、高い弾性を有し且つ軽量なアルミニウムからなる。ケース６０は、このようなアルミニウムをたとえば鍛造または切削加工をすることによって作製される。
　ケース６０は、円盤状の底部６２と、底部６２の周縁に沿って設けられた円筒状の筒状部６１とを含む。底部６２は、内底面６２Ｓおよび外面６２Ｔを有する。圧電素子５０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子５０は、底部６２の内底面６２Ｓ上に配置され、接着剤６４を用いて内底面６２Ｓに接合される。接着剤６４は、たとえばエポキシ系接着剤である。超音波センサ１００が駆動している際には、圧電素子５０は、底部６２とともにベンディング振動する。
　圧電素子５０は、図示しない３つの電極（図１における電極１０～３０に相当する部位。詳細は後述する）を有している。図３に示すように、ＦＰＣ８０の先端部８０ＴはＴ字形状を有する。ＦＰＣ８０は、接合剤６５を介してこれらの電極に電気的に接合される。接合剤６５としては、たとえば金属が添加された樹脂材料が用いられる。ＦＰＣ８０のうちの圧電素子５０に接合された部分とは反対側の部分は、ケース６０の外に取り出され、信号生成回路１０４（図１）および受信アンプ１０６（図１）などに電気的に接続されている。
　（圧電素子５０）
　図３は、圧電素子５０およびＦＰＣ８０を示す平面図である。図４は、圧電素子５０（ＦＰＣ８０を取り外した状態）を示す平面図である。図５は、圧電素子５０を示す斜視図である。図６は、圧電素子５０およびその内部構造を示す斜視図である。図７は、圧電素子５０に備えられる電極１０，２０，３０を示す斜視図である。図８は、図４中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。図９は、図４中のＩＸ－ＩＸ線に沿った矢視断面図である。図１０は、図４中のＸ－Ｘ線に沿った矢視断面図である。
　図３～図１０においては、説明上の便宜のため矢印Ｘ，Ｙ，Ｚを示している。矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは、互いに直交する関係を有する。以下、圧電素子５０の各構成について矢印Ｘ，Ｙ，Ｚを参照しつつ説明する場合があるが、各構成の配置関係（直交および平行に関する特徴）は、必ずしも矢印Ｘ，Ｙ，Ｚに示す配置関係に限定されるものではない。これらについては、後述する図１１～図１６においても同様である。
　図３～図１０に示すように、圧電素子５０は、積層型の圧電素子であり、接着剤６４を用いてケース６０の内底面６２Ｓに貼り付けられる。圧電素子５０は、長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状を有する。具体的には、圧電素子５０は、圧電体層４０（図３～図６，図８～図１０）と、電極１０（図７）と、非接地電極としての電極２０（図７）と、接地電極としての電極３０（図７）とを含む。圧電体層４０の外形形状は略直方体であり（図５，図６参照）、圧電体層４０は、上面４１、側面４２～４５、および下面４６を有している。
　上面４１は、圧電体層４０のうちの矢印Ｚ方向の側に位置する表面であり、下面４６は、圧電体層４０のうちの矢印Ｚ方向とは反対方向の側に位置する表面である。側面４２，４４は、圧電体層４０のうちの矢印Ｘ方向に対して直交する表面であり、互いに対向する位置関係を有している。側面４３，４５は、圧電体層４０のうちの矢印Ｙ方向に対して直交する表面であり、互いに対向する位置関係を有している。
　（電極１０）
　電極１０は、円盤部１１および延出部１２を含む（図７参照）。電極１０は、受信用電極として機能する。延出部１２は、円盤部１１の外縁から外方に向かって延出する形状を有する。延出部１２は、円盤部１１が位置している側から圧電体層４０の側面４２が位置している側に向かって延びるように配置される。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８１と電極１０の延出部１２との間の部分（接続箇所１０Ｃ）において、電極１０とＦＰＣ８０（配線パターン８１）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。
　（電極２０（非接地電極））
　非接地電極としての電極２０は、端面部２１、上面部２２、および中間部２３，２４を含む（図７参照）。電極２０は、送信用電極として機能する。すなわち、電極２０に電圧が印加されることで、電極２０は電極３０（接地電極）との間に電位差を形成する。端面部２１は、圧電体層４０の側面４２（図５）に対向し、側面４２に接する。端面部２１の端部２１Ｔは、電極２０のうちの接着面の側（接着剤６４の側）に位置する部位である。端部２１Ｔは、圧電素子５０の長手方向における側面４２の下端部の一部に沿って延びる形状を有している。なお、本実施の形態および以下の実施の形態において、上述の接着面が請求項における接合面に相当する。
　電極２０の上面部２２は、端面部２１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。中間部２３，２４は、電極２０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位であり、圧電素子５０が完成した状態ではこれらは視認されない（図５参照）。中間部２３と中間部２４との間には、電極３０の中間部３３が配置される（図８～図１０等参照）。
　中間部２３，２４の内側には、くり抜き部２３Ｈ，２４Ｈ（図７）と、切り欠き部２３Ｔ，２４Ｔとがそれぞれ設けられる。図７および図９に示すように、中間部２３，２４の矢印Ｘとは反対方向における端部（具体的には、端面部２１が位置している側の端部）は、端面部２１に接続している。一方で、中間部２３，２４の矢印Ｘ方向における端部は、後述する電極３０の端面部３１に接続しておらず、端面部３１から離れている。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８２と電極２０の上面部２２との間の部分（接続箇所２０Ｃ）において、電極２０とＦＰＣ８０（配線パターン８２）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。
　（電極３０（接地電極））
　接地電極としての電極３０は、端面部３１、上面部３２、中間部３３および下面部３４を含む（図７参照）。電極３０は、共通電極として機能する。端面部３１は、圧電体層４０の側面４４（図５）に対向し、側面４４に接する。下面部３４は、圧電体層４０の下面４６に対向し、下面４６に接する。上面部３２は、端面部３１の矢印Ｚ方向の側の端部に連設され、圧電体層４０の上面４１上に配置される。中間部３３は、電極３０のうちの圧電体層４０の内部に配置される部位であり、圧電素子５０が完成した状態では中間部３３は視認されない（図５参照）。
　上面部３２および中間部３３の内側には、くり抜き部３２Ｈ，３３Ｈ（図７）がそれぞれ設けられる。くり抜き部３２Ｈの内側に、電極１０の円盤部１１が配置される（図５参照）。上面部３２および中間部３３の内側には、切り欠き部３２Ｔ，３３Ｔもそれぞれ設けられる。切り欠き部３２Ｔの内側に、電極１０の延出部１２が配置される（図５参照）。上面部３２のうちの矢印Ｙとは反対方向における部分には、後退部３２Ｆが設けられる。後退部３２Ｆは、電極２０の上面部２２の配置を許容するための部位である。
　図７および図９に示すように、上面部３２、中間部３３および下面部３４の矢印Ｘ方向における端部は、端面部３１に接続している。一方で、上面部３２、中間部３３および下面部３４の矢印Ｘとは反対方向における端部は、電極２０の端面部２１に接続しておらず、端面部２１から離れている。図３に示すように、ＦＰＣ８０に設けられた配線パターン８３と電極３０の上面部３２との間の部分（接続箇所３０Ｃ）において、電極３０とＦＰＣ８０（配線パターン８３）とは電気的に接続される（図４，図５も参照）。
　（送信用領域および受信用領域）
　図８～図１０を参照して、圧電体層４０の内部には、送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍが形成される。送信用領域４０Ｎは、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４からなる４層構造を有している。第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４は、ケース６０の底部６２から遠ざかる方向に積層され、電極２０および電極３０によって電気的に並列接続される。図８～図１０中の白色矢印は、各圧電体層の分極方向を示している。一方で、受信用領域４０Ｍは、第２単位圧電体層Ｍ１の１層構造を有している。
　電極３０の下面部３４は、送信用領域４０Ｎおよび受信用領域４０Ｍの双方に及んで広がる形状を有している。電極２０の上面部２２は、第１単位圧電体層Ｎ１～Ｎ４を含む送信用領域４０Ｎを間に挟んで電極３０の下面部３４に対向している。電極１０の円盤部１１は、第２単位圧電体層Ｍ１を含む受信用領域４０Ｍを間に挟んで電極３０の下面部３４に対向している。
　すなわち、圧電体層４０のうち、電極２０の上面部２２と電極３０の下面部３４との間に位置する領域、電極２０の中間部２３と電極３０の上面部３２との間に位置する領域、および電極２０の中間部２３と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が、送信用領域４０Ｎとして機能する。一方で、圧電体層４０のうち、電極１０の円盤部１１と電極３０の下面部３４との間に位置する領域が受信用領域４０Ｍとして機能する。
　図８および図１０に示すように、送信用領域４０Ｎと受信用領域４０Ｍとは、ケース６０の底部６２の内底面６２Ｓの表面方向（Ｘ－Ｙ面方向）において互いに隣り合う位置に形成されている。具体的には、圧電体層４０の中心部に受信用領域４０Ｍが設けられており、受信用領域４０Ｍを囲むように、受信用領域４０Ｍよりも径方向の外側である周辺部に、送信用領域４０Ｎが設けられている。
　図９および図１０に示すように、以上のように構成される圧電素子５０においては、圧電素子５０の接着面の側（圧電素子５０のうちのケース６０の底部６２に接着される面の側）に、電極３０（接地電極）の下面部３４と、電極２０（非接地電極）の端面部２１の端部２１Ｔとが位置している。電極３０の下面部３４は、接着剤６４によりケース６０の底部６２（内底面６２Ｓ）に貼り付けられている。上述のとおり、電極２０に電圧が印加されることで、電極２０は電極３０（接地電極）との間に電位差を形成する。これにより、超音波センサ１００は超音波を送波することが可能となる。
　図１１は、ケース６０の底部６２（内底面６２Ｓ）に対して垂直な方向に沿って底部６２を見たときの様子を示す平面図である。図示上の便宜のため、図１１においては、圧電素子５０および電極２０の端面部２１（端部２１Ｔ）については点線を用いて図示している。
　本実施の形態のケース６０の底部６２には、凹部６８が形成されている（図９および図１０も参照）。凹部６８は、直線状に延びる溝状の形状を有する。本実施の形態では、断面視が矩形状の凹部６８を設けているが、断面視は半円形状や三角形状、台形形状、半楕円形状であっても構わない。
　ここで、ケース６０の底部６２（内底面６２Ｓ）に対して垂直な方向に沿って電極２０を平面視した場合、電極２０の端面部２１のうちの接着面の側に位置している端部２１Ｔは、凹部６８に重なるように位置している。換言すると、ケース６０の底部６２（内底面６２Ｓ）に対して垂直な方向に沿って端部２１Ｔを投影した場合、その投影により形成される投影像は、凹部６８に重なるように位置している。ケース６０の底部６２（内底面６２Ｓ）に対して垂直な方向に沿って電極２０を平面視した場合、好ましくは、図１１に示すように端部２１Ｔは凹部６８の内側に含まれるように位置しているとよい（この場合、上記の投影像の全部が凹部６８の内側に含まれることになる）。
　（作用および効果）
　積層型の圧電素子を備えた一般的な超音波センサにおいては、圧電素子の積層数が多ければ多いほど、送波の際の音圧が上がるが、受波の際の感度が下がるという特性が示される。これは、一般的な積層型の圧電素子においては、圧電素子の送波に供される部分と受波に供される部分とが同一の部位内に形成されているからである。
　本実施の形態においては、圧電素子５０の送波に供される部分（送信用領域４０Ｎ）と受波に供される部分（受信用領域４０Ｍ）とが、分離して形成されている。送波の際の音圧を上げるために圧電素子５０の送波に供される部分（送信用領域４０Ｎ）の積層数を４層構造としているが、受波に供される部分（受信用領域４０Ｍ）は１層構造のままである。本実施の形態の超音波センサにおいては、受波の際の感度が低下することが、従来の構成に比べて抑制されている。したがって、本実施の形態の超音波センサは、送信時における音圧および受信時における感度の双方をそれぞれ独立して調整することが可能な構造を備えていると言える。
　図９および図１０を参照して、冒頭で述べたように、導電性を有するケース６０の底部６２の内底面６２Ｓに積層型の圧電素子５０を接着した場合には、圧電素子５０の接着面の側に、電極３０（接地電極）と、電圧が印加されることで接地電極との間に電位差を形成する電極２０（非接地電極）の端部２１Ｔとが位置することになる。従来の超音波センサにおいては、導電性を有するケース６０と電極２０の端部との間の距離が短いことに起因してこれらが導通（短絡）してしまい、対極回路（超音波センサを構成するための電気回路）が適切に形成されないことがあった。
　これに対して本実施の形態の超音波センサ１００においては、電極２０（非接地電極）がケース６０に導通することは凹部６８の存在によって抑制される。したがって、ケース６０と電極２０とが絶縁され、対極回路が形成されることにより、超音波センサ１００は適切に機能することができ、製造直後に初期不良が発生する確率を低減可能となる。なお、接地電極としての電極３０は、ケース６０の底部６２と導通していても構わない。
　超音波センサ１００が駆動している際には、圧電素子５０は底部６２とともにベンディング振動する。凹部６８が設けられていない場合には、使用を開始したのちにベンディング振動の影響を受けてケース６０と電極２０とが導通してしまい、不良の発生につながることがあり得る。本実施の形態の超音波センサ１００によれば、このような不具合が生じることも凹部６８の存在によって抑制することが可能である。凹部６８の存在は、超音波センサ１００の振動モードに影響し得るため、不要な導通の発生を防止しつつ、最適な振動モードが得られるように凹部６８の深さ、長さ、幅などを最適化するとよい。
　実施の形態１で述べた上記の導通を防止するという対策は、圧電素子（たとえば電極２０）の形状を工夫することでも同様な効果が得られるが、厚みの薄い積層素子を用いる場合には、本実施の形態で説明したような、ケース６０に凹部６８を設けるという対策の方が容易に実施できると言える。なお、ケース６０に凹部６８を設けることに加えて、さらに、圧電素子（たとえば電極２０）の形状を工夫して不要な導通の発生を防止するということも有効である。
　［実験例］
　上述の実施の形態１による効果を検証するため、次のような実験を行なった。すなわち、金属製のケース６０として、直径１４ｍｍ、高さ９ｍｍを有するものを準備した。ケース６０の底部６２の厚さは、０．９ｍｍとした。ケース６０の底部６２に設けた凹部６８の形状は、長さ６．５ｍｍ、幅０．５ｍｍ、深さ０．０５ｍｍとした。
　積層型の圧電素子５０として、長さ６ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．２ｍｍを有するものを準備した。配線部材としては、ＦＰＣの代わりにリード線を用い、接着剤６４としてはエポキシ樹脂（絶縁性接着剤）を用い、充填剤７１，７２としてはシリコーンを用いた（図２参照）。
　以上のような構成を有する超音波センサ１００を１０個製造したところ、初期不良が発生したもの（製造の直後において導通が発生したもの）はゼロであった。凹部６８の深さのみを変更し、深さ０．０３５ｍｍ、深さ０．０６ｍｍにしても、同様の結果が得られた。ケース６０の底部６２の厚み（９００μｍ）に対して、凹部６８の深さが３％以上６％以下であれば、良好な結果が得られた。また、凹部６８の代わりに貫通孔をケース６０の底部６２に設けて同様な実験を行なったところ、初期不良率は改善したが、代わりに超音波センサの周波数、指向性、振動モードが変化し、凹部を設ける場合に比べると音圧が得られにくくなった。
　［実施の形態２］
　上述の実施の形態１では（図１１参照）、ケース６０の底部６２に１つの凹部６８が設けられる。
　図１２に示すケース６０Ａのように、底部６２には、２つの凹部６８Ａ，６８Ｂが設けられていてもよい。凹部６８Ａ，６８Ｂは、互いに同一の形状を有しており、互いに平行である。当該構成によれば、圧電素子５０を底部６２に貼り付ける際に圧電素子５０の方向性に配慮しなくて済むため、生産効率の向上が期待できる。
　［実施の形態３］
　上述の実施の形態１では、電極２０の端部２１Ｔは、圧電素子５０の長手方向における側面（圧電体層４０の側面４２）の下端部に沿って延びる形状を有している。
　図１３を参照して、本実施の形態の圧電素子５０Ａにおいては、電極２０の端部２１Ｔは、圧電素子５０Ａの短手方向における側面（圧電体層４０の側面４３）の下端部に沿って延びる形状を有している。このような圧電素子５０Ａが用いられる場合であっても、電極２０の端面部２１のうちの接着面の側に位置している端部２１Ｔがケース６０Ｂの凹部６８Ａに重なるように位置していることで、不要な導通を防止できる。好ましくは、図１３に示すケース６０Ｂのように、端部２１Ｔは凹部６８Ａの内側に含まれるように位置しているとよい。
　［実施の形態４］
　図１４を参照して、本実施の形態においても、電極２０の端部２１Ｔは、圧電素子５０Ａの短手方向における側面（圧電体層４０の側面４３）の下端部に沿って延びる形状を有している。ケース６０Ｃにおいても、上述の実施の形態２の場合と同様、底部６２には、２つの凹部６８Ａ，６８Ｂが設けられている。凹部６８Ａ，６８Ｂは、互いに同一の形状を有しており、互いに平行である。当該構成によれば、圧電素子５０Ａを底部６２に貼り付ける際に圧電素子５０Ａの方向性に配慮しなくて済むため、生産効率の向上が期待できる。
　［実施の形態５］
　図１５を参照して、本実施の形態のケース６０Ｄにおいては、ケース６０Ｄの底部６２には貫通孔６９が設けられ、貫通孔６９の中に樹脂６７（エポキシ樹脂など）が埋め込まれることで凹部６８が形成されている。当該構成によっても、上述の各実施の形態と略同様の作用および効果を得ることができる。
　［実施の形態６］
　上述の各実施の形態における超音波センサに備えられている圧電素子は（たとえば図８参照）、送信用領域４０Ｎと受信用領域４０Ｍとがケースの底部６２の内底面６２Ｓの表面方向において互いに隣り合う位置に形成されている。上記の各実施の形態で開示した思想（すなわち、ケースの内底面に凹部を設けるという思想）は、このような圧電素子を備えた超音波センサに限って適用されるものではなく、図１６に示す圧電素子５０Ｂを備えた超音波センサにも適用することができる。
　図１６に示すように、本実施の形態における圧電素子５０Ｂは、電極１０を備えておらず、送波に供される部分と受波に供される部分とは分離されていない。このような圧電素子５０Ｂが用いられる場合であっても、ケース（図示せず）の底部６２に凹部６８が形成されることで、電極２０が端部２１Ｔを介して導通してしまうことを抑制することが可能である。
　［他の実施の形態］
　上述の各実施の形態においては、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなっているが、これに限られるものではない。たとえば、圧電素子は、ニオブ酸カリウムナトリウム系やアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電セラミックスの圧電材料などからなっていてもよい。上述の各実施の形態においては、圧電素子は長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状であるが、これに限られるものではない。たとえば、圧電素子は円板形状でもよい。上述の各実施の形態においては、充填剤７１，７２（図２）は、シリコーン樹脂からなっているが、これに限るものではない。樹脂からなるものであれば、たとえば、ウレタン樹脂やシリコーン発泡樹脂からなっていてもよい。
　以上、本発明に基づいた各実施の形態および実験例について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は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。
　１　センサ装置、１０　電極（共通電極）、１０Ｃ，２０Ｃ，３０Ｃ　接続箇所、１１　円盤部、１２　延出部、２０　電極（非接地電極）、２１，３１　端面部、２１Ｔ　端部、２２，３２　上面部、２３，２４，３３　中間部、２３Ｈ，２３Ｔ，２４Ｈ，２４Ｔ，３２Ｈ，３２Ｔ，３３Ｈ，３３Ｔ　部、３０　電極（接地電極）、３２Ｆ　後退部、３４　下面部、４０，Ｍ１，Ｎ１，Ｎ４　圧電体層、４０Ｍ　受信用領域、４０Ｎ　送信用領域、４１　上面、４２，４３，４４，４５　側面、４６　下面、５０，５０Ａ，５０Ｂ　圧電素子、６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ　ケース、６１　筒状部、６２　底部、６２Ｓ　内底面、６２Ｔ　外面、６３　吸音材、６４　接着剤、６５　接合剤、６７　樹脂、６８，６８Ａ，６８Ｂ　凹部、６９　貫通孔、７１，７２　充填剤、８０Ｔ　先端部、８１，８２，８３　配線パターン、１００　超音波センサ、１０１　マイコン、１０２　メモリ、１０３　検出回路、１０４　信号生成回路、１０５　電源、１０６　受信アンプ。

Claims (6)

  1. 　導電性を有する有底筒状のケースと、
    　前記ケースの内底面に接合された積層型の圧電素子と、を備え、
    　前記圧電素子の接合面の側には、接地電極と、電圧が印加されることで前記接地電極との間に電位差を形成する非接地電極とが位置しており、
    　前記ケースの前記内底面には、凹部が形成されており、
    　前記ケースの前記内底面に対して垂直な方向に沿って前記非接地電極および前記凹部を平面視した場合、前記非接地電極のうちの前記接合面の側に位置している端部は、前記凹部に重なるように位置している、
    超音波センサ。
  2. 　前記ケースの前記内底面に対して垂直な方向に沿って前記非接地電極および前記凹部を平面視した場合、前記非接地電極のうちの前記接合面の側に位置している前記端部は、前記凹部の内側に含まれるように位置している、
    請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 　前記圧電素子は、長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状を有し、
    　前記非接地電極のうちの前記接合面の側に位置している前記端部は、前記圧電素子の長手方向に沿って延びる形状を有している、
    請求項１または２に記載の超音波センサ。
  4. 　前記圧電素子は、長手方向と短手方向とを備える直方体状の形状を有し、
    　前記非接地電極のうちの前記接合面の側に位置している前記端部は、前記圧電素子の短手方向に沿って延びる形状を有している、
    請求項１または２に記載の超音波センサ。
  5. 　前記ケースの底部には貫通孔が設けられ、前記貫通孔の中に樹脂が埋め込まれることで、前記凹部が形成されている、
    請求項１から４のいずれかに記載の超音波センサ。
  6. 　前記圧電素子は、
    　送信用領域および受信用領域を含む圧電体層と、
    　前記送信用領域および前記受信用領域の双方に及んで広がる形状を有する共通電極と、
    　前記送信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する送信用電極と、
    　前記受信用領域を間に挟んで前記共通電極に対向する受信用電極と、を有し、
    　前記送信用領域および前記受信用領域は、前記内底面の表面方向において互いに隣り合う位置に形成されている、
    請求項１から５のいずれかに記載の超音波センサ。
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