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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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521Constructional features
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric 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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