WO2020095649A1 - 超音波センサ - Google Patents

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WO2020095649A1
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sound absorbing
ultrasonic sensor
absorbing material
piezoelectric element
case
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Inventor
智昭 松下
和博 江原
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • 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
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor.
  • Patent Document 1 JP 2009-267856 A
  • Patent Document 2 JP 2001-326987 A
  • a piezoelectric element is arranged inside the bottom of a bottomed cylindrical case to form a unimorph oscillator.
  • a sound absorbing material made of silicone foam or the like is arranged on the upper surface of the piezoelectric element.
  • a sealant made of an elastic material such as a silicone material or a urethane material is filled in the bottomed cylindrical case so as to cover the piezoelectric element and the sound absorbing material.
  • a piezoelectric vibrator is arranged on the inner bottom surface of the bottom of a bottomed cylindrical case, and the outer bottom surface serves as an ultrasonic wave transmitting / receiving surface.
  • a sound absorbing material is arranged on the side opposite to the inner bottom surface of the case of the piezoelectric vibrating element.
  • the inner bottom surface of the case is filled with a first adhesive such as a silicone adhesive having a relatively high viscosity so as to cover the sound absorbing material and the piezoelectric vibrating element.
  • the sound absorbing material is arranged on the upper surface of the piezoelectric element. Therefore, in the direction in which the peripheral surface of the piezoelectric element faces, the sound absorbing effect of the sound absorbing material is not sufficient, and there is room for enhancing the sound absorbing effect of the sound absorbing material and improving the reverberation characteristics of the ultrasonic sensor. Further, the filler contacting the peripheral surface of the piezoelectric element restrains the piezoelectric element and inhibits the vibration of the piezoelectric element. The restriction of the piezoelectric element by the filler is a factor that shortens the continuous usable time of the ultrasonic sensor.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and improves the reverberation characteristics by increasing the sound absorbing effect by the sound absorbing material in the direction in which the peripheral surface of the piezoelectric element faces, and it is possible to extend the continuous usable time.
  • An object is to provide a sound wave sensor.
  • the ultrasonic sensor according to the present invention includes a bottomed cylindrical case, a piezoelectric element, a sound absorbing material, and a filler.
  • the case has a bottom portion and a peripheral wall portion.
  • the piezoelectric element has a first main surface, a second main surface, and a peripheral surface.
  • the second main surface is joined to the bottom.
  • the peripheral surface connects the first main surface and the second main surface.
  • the sound absorbing material is provided over the first main surface and the peripheral surface so as to cover the first main surface and the peripheral surface of the piezoelectric element.
  • At least a part of the case is filled with the filler so as to cover each of the piezoelectric element and the sound absorbing material inside the case.
  • the sound absorbing material is provided so as to have a gap between it and the peripheral wall of the case.
  • the filler is filled in the gap between the sound absorbing material and the peripheral wall of the case.
  • the present invention it is possible to enhance the sound absorbing effect of the sound absorbing material in the direction in which the peripheral surface of the piezoelectric element faces, improve the reverberation characteristic, and extend the continuous usable time of the ultrasonic sensor.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic sensor of FIG. 1 viewed from the direction of arrows II-II. It is the bottom view which looked at the ultrasonic sensor concerning Embodiment 1 of the present invention from the bottom side.
  • 5 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic sensor according to Comparative Example 1.
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic sensor according to Comparative Example 2.
  • FIG. It is a longitudinal cross-sectional view of the ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view of an ultrasonic sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic sensor of FIG. 1 viewed from the direction of arrows II-II.
  • FIG. 3 is a bottom view of the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention viewed from the bottom side.
  • the ultrasonic sensor 100 includes a bottomed cylindrical case 110, a piezoelectric element 120, a sound absorbing material 130, and a filler 140. There is.
  • the case 110 has a bottom portion 111 and a peripheral wall portion 112.
  • the bottom portion 111 has a disk-shaped outer shape.
  • the outer shape of the bottom portion 111 is not limited to the disk-shaped outer shape, and may be a rectangular plate shape or a polygonal plate shape.
  • the diameter of the bottom portion 111 is, for example, 14.0 mm.
  • the peripheral wall portion 112 is connected to the peripheral portion of the bottom portion 111.
  • the height of the case 110 from the outer bottom surface of the bottom portion 111 opposite to the peripheral wall portion 112 side to the upper end of the peripheral wall portion 112 is, for example, 9.0 mm.
  • the vertical cross section of the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is the vertical cross section in which the inner width of the case 110 is the maximum among the vertical cross sections passing through the central axis of the bottom portion 111.
  • the vertical cross section is also simply referred to as a main cross section.
  • the case 110 is made of a conductive material.
  • the case 110 is made of an aluminum alloy.
  • the material forming the case 110 is not limited to a conductive material, and may be an insulating material.
  • the case 110 is formed by forging, for example.
  • the piezoelectric element 120 has a first main surface 121, a second main surface 122, and a peripheral surface 123.
  • the piezoelectric element 120 is made of, for example, ceramics.
  • the piezoelectric element 120 is made of PZT (lead zirconate titanate) ceramics.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the material forming the piezoelectric element 120 is not limited to PZT ceramics, and other piezoelectric materials may be used.
  • the second main surface 122 is located on the opposite side of the first main surface 121.
  • the second main surface 122 is located closer to the bottom 111 than the first main surface 121.
  • electrodes are provided on each of the first main surface 121 and the second main surface 122.
  • the second main surface 122 is joined to the bottom portion 111. Therefore, when the piezoelectric element 120 vibrates, the bottom portion 111 vibrates.
  • the piezoelectric element 120 when the bottom portion 111 of the case 110 vibrates by receiving an ultrasonic wave from the outside, the piezoelectric element 120 also vibrates along with this vibration.
  • the piezoelectric element 120 generates an electric charge due to the vibration, whereby the ultrasonic wave is converted into an electric signal by the piezoelectric element 120.
  • the electric signal is transmitted to the outside through electrodes provided on each of the first main surface 121 and the second main surface 122.
  • the outer shape of the ultrasonic sensor 100 when viewed from the side opposite to the bottom 111 side is not particularly limited, and is, for example, a circular shape, a rectangular shape, or a polygonal shape.
  • the peripheral surface 123 connects the first main surface 121 and the second main surface 122.
  • the piezoelectric element 120 is arranged at a substantially central position in the radial direction of the case 110.
  • the shortest distance between the peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120 and the peripheral wall portion 112 is X.
  • X is 3.2 mm, for example.
  • X is preferably 1.0 mm or more.
  • the sound absorbing material 130 and the filler 140 can be easily formed.
  • the bottom portion 111 of the case 110 and the second main surface 122 of the piezoelectric element 120 are joined to each other.
  • the piezoelectric element 120 and the case 110 are adhered by an epoxy resin.
  • the sound absorbing material 130 is provided over the first main surface 121 and the peripheral surface 123 so as to cover the entire first main surface 121 and the entire peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120.
  • the sound absorbing material 130 is provided so as to cover a portion of the first main surface 121 of the piezoelectric element 120 other than a joint with a conductive portion described later and the entire peripheral surface 123.
  • the sound absorbing material 130 is provided so as to have a gap with the peripheral wall portion 112 of the case 110. Further, the sound absorbing material 130 is not in contact with the peripheral wall portion 112 of the case 110. As shown in FIG. 1, in the main cross section of the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention, the sound absorbing material 130 is arranged at a substantially central position in the radial direction of the case 110.
  • the shortest distance between the sound absorbing material 130 and the peripheral wall portion 112 is Y1.
  • the ratio of the shortest distance Y1 between the sound absorbing material 130 and the peripheral wall portion 112 to the shortest distance X between the peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120 and the peripheral wall portion 112 is: , 90%.
  • the sound absorbing material 130 is made of a material having a lower elastic modulus than the filler 140.
  • the sound absorbing material 130 is made of foamed resin. Therefore, the sound absorbing material 130 has a smaller force for restraining the piezoelectric element 120 than the filler 140.
  • the foamed resin forming the sound absorbing material 130 has a closed cell structure.
  • the sound absorbing material 130 is made of foamed silicone foam having a closed cell structure.
  • the filler 140 can be prevented from entering the inside of the sound absorbing material 130, and a filler having a low viscosity can be used as the filler 140.
  • the sound absorbing material 130 made of foamed silicone foam can be formed by potting. In potting, a liquid silicone resin is applied to each of the bottom portion 111 of the case 110 and the piezoelectric element 120, and then the liquid silicone resin is cured. Accordingly, the sound absorbing material 130 can be provided in close contact with the piezoelectric element 120 regardless of the shape of the piezoelectric element 120.
  • the closed cell structure may be formed by gas generated in the curing reaction when the liquid silicone resin is cured, or the liquid silicone resin is preliminarily gasified. May be formed by being mixed with.
  • the foaming silicone foam forming the sound absorbing material 130 in Embodiment 1 of the present invention has a foaming ratio of 3.0 times or less.
  • the expansion ratio is a value represented by ⁇ 1 / ⁇ 2 ( ⁇ 1: density of resin before gas composite, ⁇ 2: density of resin after gas composite) in a foam made of resin and gas.
  • the case 110 is filled with the filler 140 so as to cover the piezoelectric element 120 and the sound absorbing material 130 inside the case 110.
  • the filler 140 is filled in the entire inside of the case 110. That is, the filler 140 is filled so as to fill the gap between the sound absorbing material 130 and the peripheral wall portion 112 of the case 110.
  • the filler 140 is made of a resin material such as silicone resin or urethane resin, but is not particularly limited. In the first embodiment of the present invention, the filler 140 is made of silicone resin.
  • the ultrasonic sensor 100 further includes a conductive portion 150.
  • the conductive portion 150 is connected to each of the first main surface 121 and the second main surface 122 of the piezoelectric element 120. Specifically, conductive portion 150 is electrically connected to each of the electrodes provided on first main surface 121 and the electrodes provided on second main surface 122.
  • the conductive part 150 includes a substrate part 151 and two wiring parts 152.
  • the board portion 151 is located so as to penetrate the sound absorbing material 130.
  • the board portion 151 is composed of an FPC (flexible printed circuit) in which wiring is printed on a resin sheet.
  • the resin sheet is made of polyimide and the wiring is made of copper.
  • the wiring of the substrate portion 151 and the electrode provided on the piezoelectric element 120 are connected by using a conductive adhesive material.
  • the adhesive for example, a mixture of epoxy resin and solder is used.
  • Each of the two wiring parts 152 is electrically connected to the wiring of the board part 151.
  • the two wiring parts 152 and the wiring of the board part 151 are connected to each other by soldering.
  • the two wiring parts 152 are drawn out of the ultrasonic sensor 100 from the filler 140.
  • One of the two wiring portions 152 is electrically connected to the electrode provided on the first main surface 121 of the piezoelectric element 120 via the substrate portion 151.
  • the other of the two wiring portions 152 is electrically connected to the electrode provided on the second main surface 122 of the piezoelectric element 120 via the substrate portion 151.
  • the two wiring portions 152 are drawn out of the ultrasonic sensor 100 as one lead wire made of a stranded wire.
  • a power source was connected to the conductive portion 150 of the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention, and a pulse voltage of 120 V was applied to the piezoelectric element 120.
  • the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 at this time was measured using an oscilloscope.
  • the time from when the application of the voltage from the power supply was stopped until the reverberation voltage became 0.5 V or less was defined as the reverberation time in this experimental example.
  • the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention was 1.32 ms.
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic sensor according to Comparative Example 1.
  • FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of an ultrasonic sensor according to Comparative Example 2. Each of FIG. 4 and FIG. 5 shows the same main cross section as FIG.
  • the ultrasonic sensor 800 according to the comparative example 1 is different from the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention only in the joint portion between the sound absorbing material and the piezoelectric element.
  • the sound absorbing material 830 is provided only on the first main surface 121 of the piezoelectric element 120.
  • the peripheral surface of the piezoelectric element 120 is in contact with the filler 840 over the entire surface.
  • the shortest distance X between the peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120 and the peripheral wall portion 112 and the shortest distance Y2 between the sound absorbing material 830 and the peripheral wall portion 112 are substantially the same. is there.
  • the reverberation time was measured under the same experimental conditions as those of the ultrasonic sensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the reverberation time was 1.44 ms.
  • the reverberation time of the ultrasonic sensor 800 according to Comparative Example 1 was 9.09% longer than the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the first sound absorbing material 130 is formed so as to cover the entire first main surface 121 and the entire peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120. It has been confirmed that the reverberation time is shortened and the reverberation characteristic is improved by providing the main surface 121 and the peripheral surface 123.
  • the ultrasonic sensor 900 according to Comparative Example 2 differs from the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention in that the sound absorbing material is in contact with the inner peripheral surface of the peripheral wall portion of the case.
  • the sound absorbing material 930 is in contact with the inner peripheral surface of the peripheral wall portion 112 of the case 110.
  • the shortest distance between the sound absorbing material 930 and the peripheral wall portion 112 is zero. That is, there is no gap between the sound absorbing material 930 and the peripheral wall portion 112. Therefore, the filler 940 is not filled between the sound absorbing material 930 and the case 110.
  • the ultrasonic sensor 900 according to Comparative Example 2 when the reverberation time was measured under the same experimental conditions as those of the ultrasonic sensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention, the ultrasonic sensor 900 according to Comparative Example 2 was measured.
  • the reverberation time was 1.51 ms.
  • the reverberation time of the ultrasonic sensor 900 according to Comparative Example 2 was 14.3% longer than the reverberation time of the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the sound absorbing material 130 is positioned so as to have a gap between it and the peripheral wall portion 112 of the case 110, and the peripheral wall portion 112 of the case 110 is positioned. Since the filler 140 is not in contact with and is filled so as to fill the gap between the sound absorbing material 130 and the peripheral wall portion 112 of the case 110, the reverberation time is shortened and the reverberation characteristic is improved. Was confirmed.
  • the sound absorbing material 130 covers the first main surface 121 and the peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120 so as to cover the first main surface 121 and the peripheral surface 123. It is provided across the surface 123.
  • the filler 140 is filled in at least a part of the case 110 so as to cover the piezoelectric element 120 and the sound absorbing material 130 inside the case 110.
  • the sound absorbing material 130 is provided so as to have a gap with the peripheral wall portion 112 of the case 110.
  • the filler 140 is filled in the gap between the sound absorbing material 130 and the peripheral wall portion 112 of the case 110.
  • the sound absorbing effect of the sound absorbing material 130 in the direction in which the peripheral surface 123 of the piezoelectric element 120 faces can be enhanced, and the reverberation characteristic of the ultrasonic sensor 100 can be improved.
  • the piezoelectric element 120 is not constrained by the filler 140, heat generation of the piezoelectric element 120 due to the vibration of the piezoelectric element 120 being limited is suppressed. Therefore, the continuous usable time of the ultrasonic sensor 100 can be extended.
  • the sound absorbing material 130 is made of foamed resin. Accordingly, the sound absorbing material 130 can be brought into direct contact with the piezoelectric element 120 without using an adhesive or the like, so that the sound absorbing material 130 can effectively absorb ultrasonic waves. Further, since the filler 140 can be prevented from entering between the sound absorbing material 130 and the piezoelectric element 120, it is possible to prevent the characteristics of the ultrasonic sensor 100 from changing.
  • the ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention is different from the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention mainly in that a primer layer is arranged between the sound absorbing material and the filler. Therefore, the description of the same configuration as the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment of the present invention will not be repeated.
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of the ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • a main cross section similar to that in FIG. 1 is shown.
  • the ultrasonic sensor 200 according to the second embodiment of the present invention further includes a primer layer 260.
  • the primer layer 260 is provided inside the case 110 so as to cover each of the piezoelectric element 120 and the sound absorbing material 230.
  • the primer layer 260 is positioned so as to have a gap between it and the peripheral wall portion 112 of the case 110, and is not in contact with the peripheral wall portion 112 of the case 110.
  • the filler 240 is provided inside at least part of the case 110 so as to cover the piezoelectric element 120, the sound absorbing material 230, and the primer layer 260 inside the case 110.
  • the filler 240 is filled so as to fill the gap between the primer layer 260 and the case 110.
  • the primer layer 260 is made of a condensation reaction type material.
  • the sound absorbing material 230 is made of an addition reaction type foamed silicone foam
  • the filler 240 is made of an addition reaction type silicone resin.
  • the sound absorbing material 230 and the filling agent 240 are in direct contact with each other. If so, the adhesiveness between the sound absorbing material 230 and the filler 240 is reduced.
  • the molecules on the surface of the primer layer 260 composed of the condensation reaction type material are mutually exchanged with the molecules on the surfaces of the sound absorbing material 230 and the filler 240. React chemically. Therefore, the sound absorbing material 230 and the filler 240 are firmly bonded to each other via the primer layer 260. As a result, each of the piezoelectric element 120 and the sound absorbing material 230 can be held by the filler 240 in the case 110.
  • ultrasonic sensor 110 case, 111 bottom part, 112 peripheral wall part, 120 piezoelectric element, 121 first main surface, 122 second main surface, 123 peripheral surface, 130, 230, 830, 930 sound absorbing material , 140, 240, 840, 940, filler, 150 conductive part, 151 substrate part, 152 wiring part, 260 primer layer.

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Abstract

吸音材(１３０)は、圧電素子(１２０)の第１主面(１２１)および周面(１２３)を覆うように、第１主面(１２１)および周面(１２３)に渡って設けられている。充填剤(１４０)は、ケース(１１０)の内側にて、圧電素子(１２０)および吸音材(１３０)の各々を覆うように、ケース(１１０)内の少なくとも一部に充填されている。吸音材(１３０)は、ケース(１１０)の周壁部(１２３)との間に隙間を有するように設けられている。充填剤(１４０)は、吸音材(１３０)とケース(１１０)の周壁部(１２３)との間の上記隙間に充填されている。

Description

超音波センサ
　本発明は、超音波センサに関する。
　超音波センサの構成を開示した文献として、特開２００９－２６７８５６号公報(特許文献１)、および、特開２００１－３２６９８７号公報(特許文献２)がある。
　特許文献１に記載された超音波センサは、有底筒状ケースの底部の内部に圧電素子が配置されて、ユニモルフ振動子を構成している。圧電素子の上面にシリコーン発泡体などから成る吸音材が配置されている。更に、シリコーン材またはウレタン材などの弾性体から成る封止剤が圧電素子と吸音材を覆うように有底筒状ケース内に充填されている。
　特許文献２に記載された超音波センサは、有底筒状のケースの底部の内底面に圧電振動子を配置して、外底面を超音波送受波面としている。圧電振動素子のケースの内底面とは反対側には、吸音材が配置されている。ケースの内底面には、粘度の比較的高いシリコーン系接着剤などの第１の接着剤が吸音材および圧電振動素子を覆うように充填されている。
特開２００９－２６７８５６号公報 特開２００１－３２６９８７号公報
　従来の超音波センサにおいては、吸音材が圧電素子の上面に配置されている。そのため、圧電素子の周面の向く方向においては、吸音材による吸音効果が十分ではなく、吸音材による吸音効果を高めて、超音波センサの残響特性を向上させる余地がある。また、圧電素子の周面に接触する充填剤は、圧電素子を拘束して、圧電素子の振動を阻害する。充填剤による圧電素子の拘束が、超音波センサの連続使用可能時間を短くする要因となっている。
　本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧電素子の周面の向く方向における吸音材による吸音効果を高めて残響特性を向上させるとともに、連続使用可能時間を延ばすことができる、超音波センサを提供することを目的とする。
　本発明に基づく超音波センサは、有底筒状のケースと、圧電素子と、吸音材と、充填剤とを備えている。ケースは、底部と、周壁部とを有している。圧電素子は、第１主面、第２主面、および、周面を有している。第２主面は、底部に接合されている。周面は、第１主面と第２主面とを接続している。吸音材は、圧電素子の第１主面および周面を覆うように、第１主面および周面に渡って設けられている。充填剤は、ケースの内側にて、圧電素子および吸音材の各々を覆うように、ケース内の少なくとも一部に充填されている。吸音材は、ケースの周壁部との間に隙間を有するように設けられている。充填剤は、吸音材とケースの周壁部との間の上記隙間に充填されている。
　本発明によれば、圧電素子の周面の向く方向における吸音材による吸音効果を高めて残響特性を向上させるとともに、超音波センサの連続使用可能時間を延ばすことができる。
本発明の実施形態１に係る超音波センサの縦断面図である。 図１の超音波センサについてＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た縦断面図である。 本発明の実施形態１に係る超音波センサを底部側から見た底面図である。 比較例１に係る超音波センサの縦断面図である。 比較例２に係る超音波センサの縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る超音波センサの縦断面図である。
　以下、本発明の各実施形態に係る超音波センサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　(実施形態１)
　図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサの縦断面図である。図２は、図１の超音波センサについてＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た縦断面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る超音波センサを底部側から見た底面図である。
　図１から図３に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００は、有底筒状のケース１１０と、圧電素子１２０と、吸音材１３０と、充填剤１４０とを備えている。
　図１から図３に示すように、ケース１１０は、底部１１１と、周壁部１１２とを有している。図３に示すように、底部１１１は、円板状の外形を有している。ただし、底部１１１の外形は円板状の外形に限られず、矩形板状または多角形板状などでもよい。底部１１１の直径は、たとえば、１４．０ｍｍである。
　周壁部１１２は、底部１１１の周縁部と繋がっている。底部１１１の周壁部１１２側とは反対側の外底面から、周壁部１１２の上端までの、ケース１１０の高さは、たとえば９．０ｍｍである。
　なお、図１に示す本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の縦断面は、底部１１１の中心軸を通る縦断面のうち、ケース１１０の内側の幅が最大となる縦断面である。以下、当該縦断面を単に主断面とも称する。
　ケース１１０は、導電性材料で構成されている。本発明の実施形態１において、ケース１１０は、アルミニウム合金で構成されている。ただし、ケース１１０を構成する材料は導電性材料に限られず、絶縁性材料であってもよい。ケース１１０は、たとえば鍛造により形成される。
　図１および図２に示すように、圧電素子１２０は、第１主面１２１、第２主面１２２、および、周面１２３を有している。
　圧電素子１２０は、たとえばセラミックスで構成されている。本発明の実施形態１において、圧電素子１２０は、ＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)系セラミックスで構成されている。ただし、圧電素子１２０を構成する材料は、ＰＺＴ系セラミックスに限られず、その他の圧電材料であってもよい。
　図１および図２に示すように、第２主面１２２は、第１主面１２１とは反対側に位置している。第２主面１２２は、第１主面１２１より底部１１１側に位置している。圧電素子１２０においては、第１主面１２１および第２主面１２２の各々に電極が設けられている。第１主面１２１および第２主面１２２の各々に設けられた一対の電極に電圧が印加されることにより、圧電素子１２０が駆動されて振動する。第２主面１２２は底部１１１と接合されている。このため、圧電素子１２０が振動することにより、底部１１１が振動する。
　また、ケース１１０の底部１１１が外部から超音波を受けることによって振動すると、この振動に伴って圧電素子１２０も振動する。圧電素子１２０が振動に伴って電荷を生じることにより、超音波が圧電素子１２０にて電気信号に変換される。当該電気信号は、第１主面１２１および第２主面１２２の各々に設けられた電極を通じて外部に伝送される。
　超音波センサ１００を底部１１１側とは反対側から見たときの外形は、特に限定されず、たとえば、円状、矩形状または多角形状である。
　周面１２３は、第１主面１２１と第２主面１２２とを接続している。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の主断面において、圧電素子１２０は、ケース１１０の径方向の略中央の位置に配置されている。
　図１に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の主断面において、圧電素子１２０の周面１２３と周壁部１１２との最短距離は、Ｘである。Ｘは、たとえば３．２ｍｍである。Ｘは１．０ｍｍ以上であることが好ましい。Ｘが１．０ｍｍ以上であれば、吸音材１３０および充填剤１４０の形成が容易となる。
　ケース１１０の内側にて、ケース１１０の底部１１１と圧電素子１２０の第２主面１２２とが、互いに接合されている。本発明の実施形態１においては、圧電素子１２０と、ケース１１０とは、エポキシ樹脂によって接着されている。
　図１および図２に示すように、吸音材１３０は、圧電素子１２０の第１主面１２１の全体および周面１２３の全体を覆うように、第１主面１２１および周面１２３に渡って設けられている。具体的には、吸音材１３０は、圧電素子１２０の第１主面１２１における後述する導電部との接合部以外の部分、および、周面１２３の全体にを覆うように設けられている。
　本発明の実施形態１においては、吸音材１３０は、ケース１１０の周壁部１１２との間に隙間を有するように設けられている。また、吸音材１３０は、ケース１１０の周壁部１１２と接触していない。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の主断面において、吸音材１３０は、ケース１１０の径方向の略中央の位置に配置されている。
　図１に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の主断面において、吸音材１３０と周壁部１１２との最短距離は、Ｙ１である。
　本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の主断面において、吸音材１３０と周壁部１１２との最短距離Ｙ１の、圧電素子１２０の周面１２３と周壁部１１２との最短距離Ｘに対する比率は、９０％である。
　吸音材１３０は、充填剤１４０より弾性率が低い材料で構成されている。本発明の実施形態１においては、吸音材１３０は、発泡樹脂で構成されている。よって、吸音材１３０は、充填剤１４０と比較して圧電素子１２０を拘束する力が小さい。
　本発明の実施形態１において、吸音材１３０を構成する発泡樹脂は、独立気泡構造を有している。具体的には、吸音材１３０は、独立気泡構造を有する発泡シリコーンフォームで構成されている。これにより、充填剤１４０が、吸音材１３０の内部に侵入することを防止することができ、充填剤１４０として、粘度の低い充填剤を使用することができる。
　発泡シリコーンフォームで構成されている吸音材１３０は、ポッティングによって形成することができる。ポッティングにおいては、液状のシリコーン樹脂をケース１１０の底部１１１上および圧電素子１２０上の各々に塗布した後、液状のシリコーン樹脂を硬化させる。これにより、圧電素子１２０の形状にかかわらず、圧電素子１２０に吸音材１３０を密着して設けることができる。
　吸音材１３０が発泡シリコーンフォームで構成されている場合、独立気泡構造は、液状のシリコーン樹脂が硬化する際に、硬化反応において発生する気体によって形成されてもよいし、液状のシリコーン樹脂に予め気体が混入されることによって形成されてもよい。本発明の実施形態１における吸音材１３０を構成する発泡シリコーンフォームの発泡倍率は、３．０倍以下である。なお、発泡倍率とは、樹脂と気体とからなる発泡体においてρ１／ρ２（ρ１：気体複合前の樹脂の密度、ρ２：気体複合後の樹脂の密度）で表される値である。
　図１および図２に示すように、充填剤１４０は、ケース１１０の内側にて、圧電素子１２０および吸音材１３０の各々を覆うように、ケース１１０内の少なくとも一部に充填されている。本発明の実施形態１においては、充填剤１４０は、ケース１１０の内側全体に充填されている。すなわち、充填剤１４０は、吸音材１３０とケース１１０の周壁部１１２との間の上記隙間を埋めるように充填されている。
　充填剤１４０は、シリコーン系樹脂またはウレタン系樹脂などの樹脂材料で構成されるが、特に限定されない。本発明の実施形態１において、充填剤１４０は、シリコーン系樹脂で構成されている。
　図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００は、導電部１５０をさらに備えている。導電部１５０は、圧電素子１２０の第１主面１２１および第２主面１２２の各々に接続されている。具体的には、導電部１５０は、第１主面１２１に設けられた電極および第２主面１２２に設けられた電極の各々と、電気的に互いに接続されている。
　導電部１５０は、基板部１５１と２つの配線部１５２とを含んでいる。基板部１５１は、吸音材１３０を貫通するように位置している。本発明の実施形態１において、基板部１５１は、樹脂シートに配線がプリントされたＦＰＣ(フレキシブルプリント回路)で構成されている。本発明の実施形態１においては、樹脂シートがポリイミドで構成されており、配線が銅で構成されている。基板部１５１の配線と圧電素子１２０に設けられた電極とは、導電性を有する接着材を用いて接続されている。当該接着剤としては、たとえば、エポキシ樹脂と半田との混合物が使用される。
　２つの配線部１５２の各々は、基板部１５１の配線と電気的に接続されている。本発明の実施形態１において、２つの配線部１５２と基板部１５１の配線とは、半田で互いに接続されている。２つの配線部１５２は、充填剤１４０から、超音波センサ１００の外部へ引き出されている。
　２つの配線部１５２のうちの一方は、基板部１５１を介して、圧電素子１２０の第１主面１２１に設けられた電極と電気的に互いに接続されている。２つの配線部１５２のうちの他方は、基板部１５１を介して、圧電素子１２０の第２主面１２２に設けられた電極と電気的に互いに接続されている。
　本発明の実施形態１において、２つの配線部１５２は、撚り線からなる１本のリード線として、超音波センサ１００の外部に引き出されている。
　(実験例)
　ここで、吸音材１３０を、圧電素子１２０の第１主面１２１の全体および周面１２３の全体を覆うように、第１主面１２１および周面１２３に渡って設けたときの、超音波センサ１００の残響特性の向上効果を確認した実験例について説明する。
　まず、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の導電部１５０に電源を接続して、圧電素子１２０に１２０Ｖのパルス電圧を印加した。このときの超音波センサ１００の残響時間を、オシロスコープを用いて計測した。なお、本実験例では、電源による電圧の印加を停止した時から残響電圧が０．５Ｖ以下となるまでの時間を、本実験例における残響時間とした。この結果、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００の残響時間は、１．３２ｍｓであった。
　次に、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００とは吸音材の構成が異なる比較例に係る超音波センサについて、残響時間を測定した。図４は、比較例１に係る超音波センサの縦断面図である。図５は、比較例２に係る超音波センサの縦断面図である。図４および図５の各々においては、図１と同様の主断面を示している。
　まず、比較例１に係る超音波センサの構成および残響時間の計測結果について説明する。比較例１に係る超音波センサ８００は、吸音材と圧電素子との接合部位のみ、本発明の実施形態１に係る超音波センサと異なる。
　図４に示すように、比較例１に係る超音波センサ８００において、吸音材８３０は、圧電素子１２０のうち第１主面１２１にのみ設けられている。圧電素子１２０の周面は、全面に渡って充填剤８４０と接触している。
　比較例１に係る超音波センサ８００の主断面において、圧電素子１２０の周面１２３と周壁部１１２との最短距離Ｘと、吸音材８３０と周壁部１１２との最短距離Ｙ２とは、略同一である。
　比較例１に係る超音波センサ８００について、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００における上記実験条件と同じ条件にて、残響時間を計測したところ、比較例１に係る超音波センサ８００の残響時間は１．４４ｍｓであった。比較例１に係る超音波センサ８００の残響時間は、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００における残響時間に対して９．０９％長かった。
　上記の実験結果から、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、吸音材１３０が、圧電素子１２０の第１主面１２１の全体および周面１２３の全体を覆うように、第１主面１２１および周面１２３に渡って設けられていることにより、残響時間が短くなり、残響特性が向上することが確認できた。
　次に、比較例２に係る超音波センサの構成および残響時間の計測結果について説明する。比較例２に係る超音波センサ９００は、吸音材がケースの周壁部の内周面と接触している点が、本発明の実施形態１に係る超音波センサと異なる。
　図５に示すように、比較例２に係る超音波センサ９００において、吸音材９３０は、ケース１１０の周壁部１１２の内周面と接触している。比較例２に係る超音波センサ９００の主断面において、吸音材９３０と周壁部１１２との最短距離は０である。すなわち、吸音材９３０と周壁部１１２との間に隙間がない。このため、充填剤９４０は、吸音材９３０とケース１１０との間には充填されていない。
　比較例２に係る超音波センサ９００について、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００における上記実験条件と同じ条件にて、残響時間を計測したところ、比較例２に係る超音波センサ９００の残響時間は１．５１ｍｓであった。比較例２に係る超音波センサ９００の残響時間は、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００における残響時間に対して１４．３％長かった。
　上記の実験結果から、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、吸音材１３０が、ケース１１０の周壁部１１２との間に隙間を有するように位置してケース１１０の周壁部１１２と接触しておらず、充填剤１４０が、吸音材１３０とケース１１０の周壁部１１２との間の隙間を埋めるように充填されていることにより、残響時間が短くなり、残響特性が向上することが確認できた。
　上記のように、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、吸音材１３０は、圧電素子１２０の第１主面１２１および周面１２３を覆うように、第１主面１２１および周面１２３に渡って設けられている。充填剤１４０は、ケース１１０の内側にて、圧電素子１２０および吸音材１３０の各々を覆うように、ケース１１０内の少なくとも一部に充填されている。吸音材１３０は、ケース１１０の周壁部１１２との間に隙間を有するように設けられている。充填剤１４０は、吸音材１３０とケース１１０の周壁部１１２との間の上記隙間に充填されている。
　これにより、圧電素子１２０の周面１２３の向く方向における吸音材１３０による吸音効果を高めて、超音波センサ１００の残響特性を向上させることができる。また、圧電素子１２０が充填剤１４０によって拘束されていないため、圧電素子１２０の振動が制限されることによる圧電素子１２０の発熱が抑制される。そのため、超音波センサ１００の連続使用可能時間を延ばすことができる。
　本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００においては、吸音材１３０は、発泡樹脂で構成されている。これにより、接着剤などを用いることなく、吸音材１３０を圧電素子１２０に直接接触させることができるため、吸音材１３０によって超音波を効果的に吸収することができる。また、吸音材１３０と圧電素子１２０との間に充填剤１４０が入り込むことを抑制できるため、超音波センサ１００の特性が変化することを抑制できる。
　(実施形態２)
　以下、本発明の実施形態２に係る超音波センサについて説明する。本発明の実施形態２に係る超音波センサは、主に、吸音材と充填剤との間に、プライマ層が配置される点で、本発明の実施形態１に係る超音波センサと異なる。そのため、本発明の実施形態１に係る超音波センサ１００と同様である構成については説明を繰り返さない。
　図６は、本発明の実施形態２に係る超音波センサの縦断面図である。図６においては、図１と同様の主断面を示している。図６に示すように、本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００は、プライマ層２６０をさらに備えている。
　プライマ層２６０は、ケース１１０の内側にて、圧電素子１２０および吸音材２３０の各々を覆うように設けられている。本発明の実施形態２において、プライマ層２６０は、ケース１１０の周壁部１１２との間に隙間を有するように位置してケース１１０の周壁部１１２と接触していない。
　充填剤２４０は、ケース１１０の内側にて、圧電素子１２０、吸音材２３０およびプライマ層２６０の各々を覆うように、ケース１１０内の少なくとも一部に設けられている。本発明の実施形態２においては、充填剤２４０は、プライマ層２６０とケース１１０との間の上記隙間を埋めるように充填されている。プライマ層２６０は、縮合反応型の材料で構成されている。
　たとえば、吸音材２３０が、付加反応型の発泡シリコーンフォームで構成され、かつ、充填剤２４０が、付加反応型のシリコーン系樹脂で構成されており、吸音材２３０と充填剤２４０とが直接接触している場合、吸音材２３０と充填剤２４０との接着性が低下する。
　本発明の実施形態２に係る超音波センサ２００においては、縮合反応型の材料で構成されているプライマ層２６０の表面における分子が、吸音材２３０および充填剤２４０の各々の表面における分子と、互いに化学反応する。このため、吸音材２３０および充填剤２４０がプライマ層２６０を介して互いに強固に接合される。その結果、ケース１１０内において圧電素子１２０および吸音材２３０の各々を充填剤２４０によって保持することができる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１００，２００，８００，９００　超音波センサ、１１０　ケース、１１１　底部、１１２　周壁部、１２０　圧電素子、１２１　第１主面、１２２　第２主面、１２３　周面、１３０，２３０，８３０，９３０　吸音材、１４０，２４０，８４０，９４０　充填剤、１５０　導電部、１５１　基板部、１５２　配線部、２６０　プライマ層。

Claims (3)

  1. 　底部と、周壁部とを有する有底筒状のケースと、
    　第１主面、前記底部に接合された第２主面、および、前記第１主面と前記第２主面とを接続する周面を有する圧電素子と、
    　前記圧電素子の前記第１主面および前記周面を覆うように、前記第１主面および前記周面に渡って設けられた吸音材と、
    　前記ケースの内側にて、前記圧電素子および前記吸音材の各々を覆うように、前記ケース内の少なくとも一部に充填された充填剤とを備え、
    　前記吸音材は、前記ケースの前記周壁部との間に隙間を有するように設けられており、
    　前記充填剤は、前記吸音材と前記ケースの前記周壁部との間の前記隙間に充填されている、超音波センサ。
  2. 　前記吸音材は、発泡樹脂で構成されている、請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 　前記吸音材と前記充填剤との間にプライマ層が設けられている、請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
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