WO2020095930A1 - 超音波センサ及び超音波センサの製造方法 - Google Patents

超音波センサ及び超音波センサの製造方法 Download PDF

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WO2020095930A1
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low
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優 佐々木
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Yamaha Corp
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Yamaha Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor and a method for manufacturing the ultrasonic sensor.
  • Ultrasonic sensors are used, for example, to inspect the heat sealability of food packages and the presence or absence of air bubbles in storage batteries and fuel cells.
  • the ultrasonic sensor is provided so as to face the ultrasonic transmitter with the subject in between.
  • This ultrasonic sensor is configured to be able to inspect the adhesive state of the heat seal by detecting the ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic transmitter and transmitted through the subject.
  • This ultrasonic sensor is composed of a piezoelectric element and has an ultrasonic receiving surface facing the ultrasonic transmitter with the subject in between.
  • the ultrasonic wave receiving surface has, for example, a concave curved surface shape whose focus is located on the subject (see Japanese Patent Laid-Open No. 2013-127400).
  • a piezoelectric element is stacked on the upper surface of a back surface addition material curved in a concave shape in one direction, and a pressure plate having an inverted shape of the upper surface of the back surface addition material is pressed from above the piezoelectric element.
  • a piezoelectric element a relatively expensive inorganic piezoelectric body made of lead zirconate titanate (PZT) or the like and having a pair of electrodes laminated on both sides is used.
  • the ultrasonic wave transmitting surface of the ultrasonic wave transmitter and the ultrasonic wave receiving surface of the ultrasonic wave sensor have three-dimensional curved shapes (for example, the same focal point). It is desired to form a bowl shape.
  • the conventional ultrasonic sensor is formed into a three-dimensional curved shape, wrinkles may be generated in the ultrasonic wave detection region, and it may not be possible to perform an appropriate inspection.
  • the present invention has been made under these circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic sensor capable of easily forming a three-dimensional curved shape.
  • An ultrasonic sensor made to solve the above problems is a support member having a curved surface, a film-shaped piezoelectric body provided on the curved surface of the support member, and laminated on the front and back of the piezoelectric body.
  • a vibration detecting element composed of a pair of electrodes, wherein at least a part of the vibration detecting element has a non-vibration detecting section that does not detect vibration,
  • the portion is a portion in which the electrode is not laminated on at least one of the front surface and the back surface of the piezoelectric body, and extends inward from the edge of the curved surface of the support member.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an ultrasonic sensor including a vibration detection element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic AA line end view of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view taken along the line AA of the vibration detecting element of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic front view of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 5 is a schematic rear view showing a bonded state between the vibration detection element and the support member of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic front view showing the arrangement of the through holes of the supporting member of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an ultrasonic sensor including a vibration detection element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic AA line end view of the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view taken along the line AA of the vibration detecting
  • FIG. 7 is a schematic front view showing an ultrasonic sensor according to an embodiment different from the ultrasonic sensor of FIG.
  • FIG. 8 is a schematic front view showing a vibration detecting element of an ultrasonic sensor according to an embodiment different from the ultrasonic sensors of FIGS. 1 and 7.
  • FIG. 9 is a schematic front view showing a vibration detecting element of an ultrasonic sensor according to an embodiment different from the ultrasonic sensors of FIGS. 1, 7 and 8.
  • FIG. 10 is a schematic front view showing the vibration detection element of the ultrasonic sensor according to the comparative embodiment.
  • An ultrasonic sensor includes a support member having a curved surface, a film-shaped piezoelectric body provided on the curved surface of the support member, and a pair of electrodes laminated on the front and back of the piezoelectric body.
  • a vibration detecting element which is an ultrasonic sensor including at least a part of the vibration detecting element, has a non-vibration detecting section that does not detect vibration, and the non-vibration detecting section is a table of the piezoelectric body or It is a portion where the electrode is not laminated on at least one of the back side and extends inward from the edge of the curved surface of the support member.
  • the vibration detecting element has a base portion, and the non-vibration detecting portion may extend radially from the outer peripheral edge of the base portion.
  • the piezoelectric body preferably has a slit in the non-vibration detecting portion.
  • the vibration detection element may be curved or bent in the non-vibration detection part in a direction perpendicular to the extending direction of the non-vibration detection part.
  • the curved surface should be concave.
  • a pleats formed by the piezoelectric body may be formed on the non-vibration detection section.
  • the support member preferably has at least one through hole.
  • the vibration detecting element may be bonded to the supporting member by one or more non-vibration detecting portions.
  • An ultrasonic sensor manufacturing method includes a support member having a curved surface, a film-shaped piezoelectric body, and a pair of electrodes laminated on the front and back surfaces of the piezoelectric body, and at least a part of the piezoelectric body.
  • a vibration detecting element that does not detect vibration wherein the non-vibration detecting portion uses a vibration detecting element that is a portion in which the electrode is not laminated on at least one of the front and back of the piezoelectric body, The step of laminating the detection element on the curved surface, and the step of laminating the vibration detection element such that the non-vibration detection portion extends inward from the edge of the curved surface of the support member after the laminating step or at the same time as the laminating step. And a step of forming a shape according to the shape of.
  • the "front” means the side that receives the vibration
  • the "back” means the opposite side.
  • the “fold” means a wrinkle formed by overlapping, folding, or the like.
  • the ultrasonic sensor can be easily formed into a three-dimensional curved shape.
  • the ultrasonic sensor 1 of FIGS. 1 and 2 includes a vibration detection element 2 and a support member 3 that supports the vibration detection element 2 from the back side.
  • the ultrasonic sensor 1 is used in an inspection device for ultrasonically inspecting the heat sealability of a food package and the presence or absence of bubbles in a storage battery or a fuel cell.
  • the surface on the front side of the vibration detecting element 2 constitutes an ultrasonic receiving surface that faces an ultrasonic transmitter (not shown) with the subject in between.
  • the ultrasonic wave transmitting surface of the ultrasonic wave transmitter is formed as a quadratic curve rotating surface, a rotating parabolic surface, or the like so that the ultrasonic wave can be focused toward one point of the subject.
  • the vibration detecting element 2 includes a film-shaped piezoelectric body 11 and a pair of electrodes laminated on the front and back sides of the piezoelectric body 11 (the first electrode 12a and the piezoelectric body laminated on the front side surface of the piezoelectric body 11). It has a second electrode 12b) laminated on the backside of the body 11.
  • the vibration detecting element 2 has a sheet shape as a whole.
  • the piezoelectric material forming the piezoelectric body 11 may be a flexible polymer piezoelectric material.
  • the polymeric piezoelectric material include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer (P (VDF / TrFE)), vinylidene cyanide-vinyl acetate copolymer (P (VDCN / VAc)) and the like. Further, by using these polymeric piezoelectric materials as the porous film, the flexibility is further increased, and the bendability and bendability of the vibration detection element 2 can be enhanced.
  • the piezoelectric body 11 for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), etc., which do not have piezoelectric characteristics, are formed with a large number of flat pores to form a corona discharge.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • the lower limit of the average thickness of the piezoelectric body 11 is preferably 10 ⁇ m, more preferably 50 ⁇ m.
  • the upper limit of the average thickness of the piezoelectric body 11 is preferably 500 ⁇ m, more preferably 200 ⁇ m. If the average thickness of the piezoelectric body 11 is less than the lower limit, the strength of the piezoelectric body 11 may be insufficient. On the other hand, if the average thickness of the piezoelectric body 11 exceeds the upper limit, it may be difficult to form the vibration detection element 2 into a desired curved or bent shape when the vibration detection element 2 is laminated on the support member 3.
  • the first electrode 12a and the second electrode 12b are thin films.
  • the first electrode 12a and the second electrode 12b are used to detect the potential difference between the front surface and the back surface of the piezoelectric body 11. Therefore, the first electrode 12a and the second electrode 12b are connected to a detection circuit (not shown).
  • the material of the first electrode 12a and the second electrode 12b may be any material having conductivity, and examples thereof include metals such as aluminum, copper and nickel, and carbon.
  • the method for laminating the first electrode 12a and the second electrode 12b on the piezoelectric body 11 is not particularly limited, and examples thereof include vapor deposition of metal, printing of carbon conductive ink, and coating and drying of silver paste.
  • the average thickness of the first electrode 12a and the second electrode 12b may be, for example, 0.1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, depending on the stacking method. If the average thickness is less than the lower limit, the strength of the first electrode 12a and the second electrode 12b may be insufficient. On the contrary, when the average thickness exceeds the upper limit, there is a possibility that the followability to the curved surface shape in the state where the vibration detecting element 2 is curved or bent is deteriorated.
  • the vibration detecting element 2 has a plurality of belt-shaped low-rigidity portions 13 extending inward from the outer edge thereof.
  • the vibration detecting element 2 is smoothly curved or bent in a direction perpendicular to the extending direction of the low-rigidity portion 13 while absorbing the excess portion of the sheet in the plurality of low-rigidity portions 13.
  • the vibration detecting element 2 is also curved or bent in the direction along the extending direction of the plurality of low-rigidity portions 13. That is, the vibration detecting element 2 is curved or bent three-dimensionally by the plurality of low-rigidity portions 13.
  • the “strip shape” means a shape whose width is smaller than its length.
  • the "extending direction of the low-rigidity portion” means a direction perpendicular to the width of the low-rigidity portion at any point.
  • the low-rigidity portion 13 is a portion of the vibration detection element 2 having a lower rigidity than the portion where the first electrode 12a and the second electrode 12b are laminated on the piezoelectric body 11.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 are formed with the outer edge of the vibration detection element 2 as one end in the extending direction.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 are thin portions in which the first electrode 12a and the second electrode 12b are not laminated on both surfaces of the piezoelectric body 11.
  • the vibration detecting element 2 is patterned in the same shape in plan view so that the first electrode 12a and the second electrode 12b face each other in the thickness direction of the piezoelectric body 11.
  • the non-patterning regions of the first electrode 12a and the second electrode 12b form the low rigidity portion 13. That is, the piezoelectric body 11 has an exposed region where neither the first electrode 12a nor the second electrode 12b is laminated at a position facing each other in the thickness direction, and this exposed region constitutes the low-rigidity portion 13. ing.
  • the ultrasonic sensor 1 has a vibration detection unit in which first electrodes 12a and second electrodes 12b are laminated on both surfaces of a piezoelectric body 11, and a first electrode 12a and second electrodes 12b are laminated on both surfaces of the piezoelectric body 11. And has a non-vibration detection unit that does not detect vibration.
  • the vibration detection element 2 has at least a part of the non-vibration detection part that does not detect vibration, and the non-vibration detection part has electrodes laminated on at least one of the front and back of the piezoelectric body 11. Not the part.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 are non-vibration detecting portions that do not detect vibration.
  • the vibration detecting element 2 Since the vibration detecting element 2 has the low-rigidity portion 13, the low-rigidity portion 13 absorbs the excess portion of the sheet (while the excess portion of the sheet due to the bending or bending is overlapped with the low-rigidity portion 13). Can be curved to More specifically, the vibration detecting element 2 in the expanded state has a surplus portion in the seat surface direction with respect to the curved or bent state. This excess portion is likely to be formed as a fold in a curved or bent state. At this time, if the low-rigidity portion 13 does not exist, a plurality of folds are likely to occur randomly (no principle) in the vibration detection portion in which the first electrode 12a and the second electrode 12b are laminated on the piezoelectric body 11.
  • the vibration detecting element 2 has the low-rigidity part 13 whose rigidity is smaller than that of the vibration detection part is likely to be selectively folded.
  • the vibration detection element 2 since the vibration detection element 2 has the low-rigidity portion 13, it is possible to prevent the low-rigidity portion 13 from forming a fold in the vibration detection portion. Therefore, in the ultrasonic sensor 1, since the vibration detection element 2 has the low-rigidity portion 13, it is possible to suppress a decrease in detection sensitivity due to a fold in the vibration detection portion, and appropriately detect vibration.
  • the low-rigidity portions 13 arranged radially are arranged at a uniform pitch in the circumferential direction. By arranging the low-rigidity portions 13 at a uniform pitch, it is possible to form folds of the same degree on all the low-rigidity portions 13.
  • the low rigidity portion 13 is the thin portion described above.
  • the first electrode 12a and the second electrode 12b are separated by the piezoelectric body 11, and a short circuit between the first electrode 12a and the second electrode 12b can be prevented.
  • a slit penetrating in the thickness direction of the vibration detection element instead of the low-rigidity portion 13.
  • a cutout 103 that penetrates in the thickness direction of the vibration detection element 102 is provided in place of the low-rigidity portion 13, and the cutout 103 is not overlapped even when both sides of the cutout 103 are not overlapped.
  • a conductive member may adhere to the end surface cut by 103, or conductive dust may adhere, resulting in a short circuit between the first electrode and the second electrode.
  • the piezoelectric body 11 is provided with a thin portion where the first electrode 12a and the second electrode 12b are not laminated, thereby preventing a short circuit between the first electrode 12a and the second electrode 12b. can do.
  • the vibration detecting element 2 has a shape corresponding to the shape of the ultrasonic wave transmitting surface of the ultrasonic wave transmitter described above.
  • the vibration detecting element 2 is formed in a concave shape that is depressed on the back side.
  • the vibration detecting element 2 has a bowl shape. Since the vibration detecting element 2 has a bowl shape, the ultrasonic sensor 1 can easily and surely detect defects such as adhesion failure and bubbles by ultrasonic waves.
  • the vibration detecting element 2 has a base portion 2a in a region within its surface.
  • the base 2a has a circular shape in plan view, more specifically, a perfect circular shape in plan view.
  • the base portion 2a constitutes a part of a vibration detecting portion in which the first electrode 12a and the second electrode 12b are laminated on the piezoelectric body 11.
  • the base portion 2a is located at the center portion (that is, the bottom portion) of the vibration detection element 2.
  • the outer peripheral edge of the base portion 2a and the outer peripheral edge of the vibration detecting element 2 are formed in a concentric shape in a plan view.
  • the vibration detecting element 2 has a plurality of low-rigidity portions 13 (that is, non-vibration detecting portions) radially extending from the outer peripheral edge of the base portion 2a.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 extend linearly in the radial direction of the vibration detection element 2.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 radially extend from the outer peripheral edge of the base portion 2a, so that the plurality of low-rigidity portions 13 extend in the extending direction (in the present embodiment, the diameter of the vibration detection element 2).
  • the “circle” includes not only a perfect circle but also an ellipse and an oval.
  • the base portion 2a is not limited to a circular shape in plan view, and may be a polygonal shape, a star shape, or the like.
  • the base portion 2a is a region that does not absorb the excess portion of the sheet in a curved or bent state, and is formed in a relatively small area of the center portion of the vibration detection element 2 as shown in FIG.
  • the lower limit of the ratio of the average radius R2 of the base 2a (the length along the curved or bent surface) to the average radius R1 of the vibration detection element 2 (the length along the curved or bent surface, that is, the average radius in the deployed state) is: 0.1 is preferable and 0.3 is more preferable.
  • the upper limit of the ratio is preferably 0.5, more preferably 0.4.
  • the ratio is less than the lower limit, the area ratio of the plurality of low-rigidity portions 13 becomes relatively large, which may unnecessarily reduce the area of the vibration detection portion.
  • the ratio exceeds the upper limit, the plurality of low-rigidity portions 13 cannot sufficiently absorb the excess portion of the sheet, and there is a possibility that the vibration detection portion may be pleated.
  • the plurality of low-rigidity portions 13 are arranged at equal angular intervals from the outer peripheral edge of the base portion 2a. By arranging the plurality of low-rigidity portions 13 at equal angular intervals, the plurality of low-rigidity portions 13 can effectively absorb the excess portion of the sheet, and it is easy to prevent the vibration detection portion from being pleated.
  • the low-rigidity portion 13 has a strip shape and has a constant width. Since the low-rigidity portion 13 has a constant width, it is possible to absorb the excess portion of the sheet.
  • the average width of the plurality of low-rigidity portions 13 can be set according to the size of the vibration detection element 2, but can be set to, for example, 0.5 mm or more and 3 mm or less.
  • the low-rigidity portion 13 has a fold 13a. That is, it is preferable that the non-vibration detecting portion is formed with the pleats 13 a formed of the piezoelectric body 11.
  • the folds 13a are formed by overlapping the excess sheet portions when the vibration detecting element 2 is formed into a curved shape from the expanded state.
  • the folds 13a are formed in the low-rigidity portion 13, so that the vibration detection element 2 can be easily formed into a desired curved surface shape.
  • the ultrasonic sensor 1 is formed with the folds in the low-rigidity portion 13, it becomes easy to keep the front side surface of the vibration detecting section in a desired smooth curved surface shape, and the vibration detecting section detects the vibration. A decrease in sensitivity can be suppressed.
  • the support member 3 has an inverted shape of the surface on the back side of the vibration detection element 2 and has a mounting surface 3a on which the vibration detection element 2 is mounted from the back side.
  • the mounting surface 3a is a curved surface. That is, the vibration detection element 2 is provided on the curved surface of the support member 3.
  • the curved surface is a concave surface.
  • the mounting surface 3a is curved three-dimensionally and has a bowl shape in the present embodiment.
  • the non-vibration detecting portion extends inward from the edge of the curved surface of the support member 3.
  • the support member 3 has a plurality of through holes 3b penetrating in the thickness direction (front and back direction).
  • the vibration detection element 2 can be easily formed in a shape along the curved surface shape of the mounting surface 3a.
  • the “bowl shape” means a shape that is three-dimensionally concave and has a blunt bottom (rounded or flat bottom).
  • the non-vibration detecting section extendends from the edge of the curved surface” means that the end of the non-vibration detecting section is located at the edge of the curved surface, and It includes a structure in which a curved surface region of the support member exists.
  • the support member 3 is formed of, for example, a synthetic resin as a main component.
  • this synthetic resin include polyethylene terephthalate and polypropylene.
  • a "main component” means a component with the largest content in terms of mass.
  • the ultrasonic sensor 1 has a plurality of adhesive portions 14 (a plurality of first adhesive portions 14 a and a plurality of second adhesive portions 14 b) that adhere the vibration detection element 2 and the support member 3.
  • the plurality of adhesive portions 14 can be formed by, for example, a well-known double-sided tape or adhesive.
  • the plurality of first adhesive portions 14a are laminated on the plurality of low-rigidity portions 13. That is, the vibration detecting element 2 is bonded to the support member 3 at the plurality of non-vibration detecting portions. As a result, the vibration detection element 2 is partially bonded to the mounting surface 3a by the plurality of low-rigidity portions 13. In the ultrasonic sensor 1, the resonance frequency of the vibration detection element 2 is affected by the support member 3 because the vibration detection element 2 is partially bonded to the mounting surface 3a by the plurality of low-rigidity portions 13. It is possible to suppress the change.
  • the plurality of second adhesive portions 14b are laminated on the outer peripheral edge portion of the vibration detection element 2.
  • the plurality of second adhesive portions 14b are laminated on the outer peripheral edge portion of the second electrode 12b (that is, the vibration detection portion).
  • the vibration detection element 2 is partially bonded to the mounting surface 3a at the outer peripheral edge portion of the vibration detection element 2 in addition to the plurality of low-rigidity portions 13.
  • the resonance frequency of the vibration detection element 2 is affected by the support member 3 because the vibration detection element 2 is partially bonded to the mounting surface 3a at the outer peripheral edge portion of the vibration detection element 2. It is possible to easily suppress the peeling of the vibration detection element 2 from the mounting surface 3a while suppressing such a change.
  • the plurality of through holes 3b are provided so as to reach the vibration detection element 2.
  • the plurality of through holes 3b are provided so as to reach the vibration detection element 2 at a position not overlapping the plurality of low-rigidity portions 13.
  • the ultrasonic sensor 1 can communicate the space on the back side of the vibration detection portion of the vibration detection element 2 with the space on the back side of the support member 3.
  • the ultrasonic sensor 1 can suppress the resonance frequency of the vibration detection element 2 from being affected by the sealing with the mounting surface 3a.
  • the ultrasonic sensor 1 includes the vibration detection unit in which the plurality of low-rigidity portions 13 that are non-vibration detection units and the first electrode 12a and the second electrode 12b are laminated on both surfaces of the piezoelectric body 11. 15 and.
  • the vibration detecting unit 15 has a base portion 2a and a plurality of peripheral edge portions 2b defined by a plurality of low-rigidity portions 13 outside the outer peripheral edge of the base portion 2a.
  • the ultrasonic sensor 1 is provided with through holes 3b corresponding to the base portion 2a and the plurality of peripheral portions 2b.
  • the through holes 3b are provided in the base portion 2a and the peripheral portions 2b, and preferably, the through holes 3b are provided in a one-to-one correspondence with the base portion 2a and the peripheral portions 2b.
  • the ultrasonic sensor 1 can communicate the space on the back side of each section of the vibration detection unit 15 with the space on the back side of the support member 3.
  • the ultrasonic sensor 1 can more reliably suppress the resonance frequency of the vibration detection element 2 from being affected by the sealing with the mounting surface 3a.
  • the ultrasonic sensor 1 fixes the vibration detection element 2 on the mounting surface 3a while allowing the flat film-shaped (developed state) vibration detection element 2 to follow the curved surface shape of the mounting surface 3a of the support member 3. It is formed by The method of manufacturing the ultrasonic sensor 1 includes a step of stacking the vibration detection element 2 on the mounting surface 3a (that is, a curved surface) of the support member 3 (a stacking step), and vibration detection after or at the same time as the stacking step. And a step (forming step) of forming the element 2 into a shape along the curved surface shape of the mounting surface 3a.
  • the vibration detecting element 2 can be formed into a shape along the curved surface shape of the mounting surface 3a by suction from the back side of the supporting member 3.
  • the vibration detecting element 2 may be pressed from the front side by a convex member.
  • the vibration detecting element 2 is formed in a shape along the curved surface so that the non-vibration detecting portion extends inward from the edge of the curved surface of the support member 3.
  • the vibration detecting element 2 is sucked toward the mounting surface 3a side by vacuuming from the plurality of through holes 3b of the supporting member 3.
  • a plurality of folds 13a are selectively formed in the plurality of low-rigidity portions 13 of the vibration detecting element 2, whereby the vibration detecting element 2 is formed into a desired curved surface shape while absorbing the excess portion of the sheet.
  • the vibration detecting element 2 has a plurality of belt-shaped low-rigidity portions 13 extending inward from the outer edge thereof, and the plurality of low-rigidity portions 13 are arranged in a direction perpendicular to the extending direction of the low-rigidity portions 13. It can be curved or bent. Furthermore, since the vibration detection element 2 has the plurality of belt-shaped low-rigidity portions 13, the vibration-detection element 2 is easily bent or bent in the direction along the extending direction of the low-rigidity portions 13. Therefore, the vibration detecting element 2 can be easily formed into a three-dimensional curved shape.
  • the vibration detection element 2 has a plurality of belt-shaped low-rigidity portions 13 extending inward from the outer edge thereof.
  • the low-rigidity portion 13 can be curved or bent in a direction perpendicular to the extending direction.
  • the vibration detection element 2 since the vibration detection element 2 has the plurality of belt-shaped low-rigidity portions 13, the vibration detection element 2 is curved or bent in a direction along the extending direction of the low-rigidity portions 13. It's easy to do. Therefore, the ultrasonic sensor 1 can easily form the vibration detecting element 2 having a three-dimensional curved shape.
  • the ultrasonic wave detecting element 2 is used as a pair with the ultrasonic wave transmitter. It is preferably used as a sensor for detecting sound waves.
  • the method of manufacturing the ultrasonic sensor can easily and reliably manufacture the ultrasonic sensor 1 in which the vibration detecting element 2 can be easily formed into a three-dimensional curved shape.
  • the ultrasonic sensor 21 of FIG. 7 includes a vibration detection element 22 and a support member 3 that supports the vibration detection element 22 from the back side.
  • the vibration detection element 22 has a plurality of belt-shaped low-rigidity portions 23 (that is, non-vibration detection portions) extending inward from the outer edge thereof.
  • the low-rigidity portion 23 has a slit 13b. That is, the vibration detecting element 22 has the slit 13b in the non-vibration detecting portion.
  • the ultrasonic sensor 21 may have the same configuration as the ultrasonic sensor 1 of FIG. 1 except that the low-rigidity portion 23 has the slit 13b. Therefore, only the slit 13b will be described below.
  • the slit 13b extends inward from the outer edge of the vibration detecting element 22.
  • the slit 13b extends along the extending direction of the low-rigidity portion 23 at an intermediate position in the width direction of the low-rigidity portion 23 (a position that does not include both ends in the width direction).
  • the slits 13b may be provided only in a part of the low-rigidity portions 23, it is preferable that the slits 13b be provided in each low-rigidity portion 23 in a one-to-one correspondence.
  • the vibration detection element 22 Since the low-rigidity portion 23 has the slit 13b, the vibration detection element 22 is easily bent or bent by the slit 13b.
  • the vibration detecting element 22 since the slit 13b is formed at an intermediate position in the width direction of the low-rigidity portion 23, at least one of the first electrode 12a and the second electrode 12b is provided in a certain range on both sides of the slit 13b. A non-vibration detection part is formed in which one does not exist. Therefore, the vibration detection element 22 easily suppresses a short circuit between the first electrode 12a and the second electrode 12b.
  • the vibration detection element 22 since the vibration detection element 22 has the slit 13b in the low-rigidity portion 23, it is easy to bend or bend the vibration detection element 22 with the slit 13b.
  • the slit 13b is formed at the intermediate position in the width direction of the low-rigidity portion 23, it is easy to suppress a short circuit between the first electrode 12a and the second electrode 12b.
  • the base portion of the vibration detecting element does not necessarily have to be a perfect circle shape in plan view.
  • the base 32a may have an oval shape.
  • the plurality of low-rigidity portions 33 may extend radially only from the circumferential portion of the outer peripheral edge of the base portion 32a.
  • the vibration detection element may have only one low-rigidity portion extending inward from the outer edge thereof.
  • the vibration detecting element 42 of FIG. 9 has only one low-rigidity portion 43 extending inward from its outer edge.
  • the low-rigidity portion 43 is formed in a spiral shape from the outer edge of the vibration detection element 42 toward the inside. That is, the low-rigidity portion 43 does not extend radially from the outer peripheral edge of the base portion that is circular in plan view. Even with this configuration, the vibration detection element can bend or bend in the low-rigidity portion 43 in the direction perpendicular to the extending direction of the low-rigidity portion 43.
  • the curved surface shape of the vibration detecting element can be set according to the application, and the vibration detecting element does not necessarily have to be bowl-shaped.
  • the vibration detection element may be configured in a dome shape or the like that is raised on the front side.
  • the one or more low-rigidity portions may be composed of a thin portion in which electrodes are laminated only on one surface of the piezoelectric body.
  • the difference in rigidity between the low-rigidity portion and the other portion (vibration detection portion) is large. Therefore, it is more preferable that the low-rigidity portion is a thin portion in which electrodes are not laminated on both surfaces of the piezoelectric body.
  • the pair of electrodes may not be patterned in the same shape in plan view.
  • a region where at least one electrode is not laminated on the piezoelectric body can be configured as a thin portion.
  • a slit may be formed in the low rigidity portion. Further, the slit may be formed in an inner region apart from the outer edge of the vibration detecting element. Further, in the vibration detecting element, two or more slits may be formed for one low rigidity portion.
  • the vibration detecting element may be provided with a low-rigidity portion between the base portion and the plurality of peripheral portions.
  • a thin portion where at least one electrode is not laminated on the piezoelectric body may be formed between the base portion and the plurality of peripheral portions.
  • the width of the one or more low-rigidity portions may not be constant along the extending direction.
  • the width of these low-rigidity portions may be gradually reduced toward the outer side in the radial direction, may be gradually increased, and the width may be gradually increased. Both the gradually decreasing area and the gradually increasing area may be included.
  • the ultrasonic sensor does not necessarily need to have pleats formed on the one or more low-rigidity portions as long as the curved shape of the vibration detecting element can be appropriately maintained.
  • the ultrasonic sensor does not necessarily have to have the above-mentioned supporting member as long as the curved surface shape of the vibration detecting element can be maintained.
  • the vibration detection element may be partially bonded to the mounting surface only at the one or more low-rigidity portions. Further, in the case where the ultrasonic sensor has this supporting member, the vibration detecting element and the supporting member can be adhered and fixed at an arbitrary laminated region of the electrode if the detection accuracy is not insufficient. ..
  • the ultrasonic sensor may have a structure in which a plurality of vibration detecting elements are laminated on a supporting member.
  • the ultrasonic sensor according to one aspect of the present invention can be easily formed into a three-dimensional curved shape, it is preferably used as an ultrasonic detection sensor.

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Abstract

本発明は、３次元湾曲形状を容易に形成することが可能な超音波センサの提供を課題とする。本発明の一態様に係る超音波センサ１は、曲面を有する支持部材３と、支持部材３の曲面に設けられる、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成される振動検出素子２とを備え、振動検出素子２の少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、非振動検出部は、圧電体の表または裏の少なくとも一方に電極１２ａが積層されていない部分であり、支持部材３の曲面の縁から内側に延在している。

Description

超音波センサ及び超音波センサの製造方法
　本発明は、超音波センサ及び超音波センサの製造方法に関する。
　例えば食品パッケージのヒートシール性、蓄電池や燃料電池等の中の気泡の有無等を検査するために超音波センサが用いられる。この超音波センサは、被検体を挟んで超音波発信器と対向して設けられる。この超音波センサは、超音波発信器から発信され、被検体を透過した超音波を検出することでヒートシールの接着状態等を検査可能に構成される。
　この超音波センサは、圧電素子から構成され、被検体を挟んで超音波発信器と対向する超音波受信面を有している。この超音波受信面は、例えば被検体に焦点が位置する凹曲面形状を有している（特開２０１３－１２７４００号公報参照）。
　この超音波センサは、例えば一方向に弓なりに凹状に湾曲した背面付加材の上面に圧電素子を積層し、この圧電素子の上方から背面付加材の上面の反転形状を有する加圧板を押圧することで形成される（特開２０１０－２５８６０２号公報参照）。また、この圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等から構成される比較的高価な無機圧電体の両面に一対の電極を積層したものが用いられている。
特開２０１３－１２７４００号公報 特開２０１０－２５８６０２号公報
　一方、被検体のヒートシール性等を高精度で検査するためには、超音波発信器の超音波発信面及び超音波センサの超音波受信面をそれぞれ焦点位置が一致する３次元湾曲形状（例えば椀状）に形成することが望まれる。
　しかしながら、前記従来の超音波センサを３次元湾曲形状に形成すると、超音波を検出する領域に皺が生じたりすることで適切な検査を行えないおそれがある。
　本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、本発明の課題は、３次元湾曲形状を容易に形成することが可能な超音波センサを提供することにある。
　前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る超音波センサは、曲面を有する支持部材と、前記支持部材の曲面に設けられる、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成される振動検出素子と、を備えた超音波センサであって、前記振動検出素子の少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、前記非振動検出部は、前記圧電体の表または裏の少なくとも一方に前記電極が積層されていない部分であり、前記支持部材の曲面の縁から内側に延在する。
図１は、本発明の一実施形態に係る振動検出素子を備える超音波センサの模式的斜視図である。 図２は、図１の超音波センサの模式的Ａ－Ａ線端面図である。 図３は、図１の超音波センサの振動検出素子の模式的Ａ－Ａ線拡大断面図である。 図４は、図１の超音波センサの模式的正面図である。 図５は、図１の超音波センサの振動検出素子と支持部材との接着状態を示す模式的背面図である。 図６は、図１の超音波センサの支持部材の貫通孔の配置を示す模式的正面図である。 図７は、図１の超音波センサとは異なる実施形態に係る超音波センサを示す模式的正面図である。 図８は、図１及び図７の超音波センサとは異なる実施形態に係る超音波センサの振動検出素子を示す模式的正面図である。 図９は、図１、図７及び図８の超音波センサとは異なる実施形態に係る超音波センサの振動検出素子を示す模式的正面図である。 図１０は、比較実施形態に係る超音波センサの振動検出素子を示す模式的正面図である。
　本発明の一態様に係る超音波センサは、曲面を有する支持部材と、前記支持部材の曲面に設けられる、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成される振動検出素子と、を備えた超音波センサであって、前記振動検出素子の少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、前記非振動検出部は、前記圧電体の表または裏の少なくとも一方に前記電極が積層されていない部分であり、前記支持部材の曲面の縁から内側に延在する。
　前記振動検出素子は基部を有し、前記非振動検出部はこの基部の外周縁から放射状に延びているとよい。
　前記圧電体は前記非振動検出部にスリットを有するとよい。
　前記振動検出素子は、前記非振動検出部において、当該非振動検出部の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲しているとよい。
　前記曲面が凹面であるとよい。
　前記非振動検出部に前記圧電体によるひだが形成されるとよい。
　前記支持部材は少なくとも１つの貫通孔を有するとよい。
　前記振動検出素子は１又は複数の前記非振動検出部で前記支持部材と接着されているとよい。
　本発明の他の一態様に係る超音波センサの製造方法は、曲面を有する支持部材と、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成され、少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、前記非振動検出部は、前記圧電体の表または裏の少なくとも一方に前記電極が積層されていない部分である振動検出素子とを用い、前記振動検出素子を前記曲面に積層する工程と、前記積層工程後又は前記積層工程と同時に、前記非振動検出部が前記支持部材の曲面の縁から内側に延在するように前記振動検出素子を前記曲面の形状に沿った形状に形成する工程とを備える。
　なお、本発明において、「表」とは振動を受信する側をいい、「裏」とはその反対側をいう。「ひだ」とは、重なり合い、折り返し等によって形成された皺を意味する。
　当該超音波センサは、３次元湾曲形状に容易に形成することができる。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
［第一実施形態］
＜超音波センサ＞
　図１及び図２の超音波センサ１は、振動検出素子２と、振動検出素子２を裏側から支持する支持部材３とを備える。当該超音波センサ１は、食品パッケージのヒートシール性、蓄電池や燃料電池の中の気泡の有無等を超音波によって検査するための検査装置に用いられる。当該超音波センサ１は、振動検出素子２の表側の面が、被検体を挟んで超音波発信器（不図示）と対向する超音波受信面を構成する。前記超音波発信器の超音波発信面は、被検体の一点に向けて超音波を集束できるよう二次曲線回転面、回転放物面等に形成されている。
（振動検出素子）
　図３に示すように、振動検出素子２は、フィルム状の圧電体１１及び圧電体１１の表裏に積層される一対の電極（圧電体１１の表側の面に積層される第１電極１２ａ及び圧電体１１の裏側の面に積層される第２電極１２ｂ）を有する。振動検出素子２は、全体としてシート状である。
　圧電体１１を形成する圧電材料としては、可撓性を有する高分子圧電材料が挙げられる。前記高分子圧電材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン－３フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、シアン化ビニリデン－酢酸ビニル共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ））等が挙げられる。また、これらの高分子圧電材料を多孔性フィルムとすることによって、より可撓性が大きくなり、振動検出素子２の湾曲性及び屈曲性を高めることができる。
　また、圧電体１１としては、圧電特性を有しない例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等に多数の扁平な気孔を形成し、コロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものを使用することもできる。　
　圧電体１１の平均厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、圧電体１１の平均厚さの上限としては、５００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。圧電体１１の平均厚さが前記下限に満たないと、圧電体１１の強度が不十分となるおそれがある。逆に、圧電体１１の平均厚さが前記上限を超えると、振動検出素子２を支持部材３に積層する際に、所望の湾曲又は屈曲形状に形成し難くなるおそれがある。
　第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂは薄膜状である。第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂは圧電体１１の表裏の電位差を検出するために用いられる。このため、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂは、不図示の検出回路に接続される。
　第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばアルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボン等が挙げられる。
　第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの圧電体１１への積層方法としては、特に限定されず、例えば金属の蒸着、カーボン導電インクの印刷、銀ペーストの塗布乾燥等が挙げられる。
　第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの平均厚さとしては、積層方法にもよるが、例えば０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。前記平均厚さが前記下限に満たないと、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの強度が不十分となるおそれがある。逆に、前記平均厚さが前記上限を超えると、振動検出素子２を湾曲又は屈曲した状態での曲面形状への追従性が低下するおそれがある。
　振動検出素子２は、その外縁から内側に延びる複数の帯状の低剛性部１３を有する。振動検出素子２は、複数の低剛性部１３においてシートの余剰部分を吸収しながら滑らかに低剛性部１３の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲している。また、振動検出素子２は、複数の低剛性部１３の延在方向に沿う方向でも湾曲又は屈曲している。つまり、振動検出素子２は、複数の低剛性部１３で３次元的に湾曲又は屈曲している。なお、「帯状」とは、長さに対して幅が小さい形状をいう。また、「低剛性部の延在方向」とは、低剛性部の任意の点における幅と垂直な方向をいう。
　低剛性部１３は、振動検出素子２において、圧電体１１に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層されている部分よりも剛性の小さい部分である。複数の低剛性部１３は、振動検出素子２の外縁をその延在方向の一端として形成されている。複数の低剛性部１３は、圧電体１１の両面に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層されていない肉薄部である。振動検出素子２は、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが圧電体１１の厚さ方向に対向するよう平面視略同一形状にパターニングされている。振動検出素子２は、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの非パターニング領域が低剛性部１３を構成している。つまり、圧電体１１は、厚さ方向に対向する位置に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂがいずれも積層されていない露出領域を有しており、この露出領域が低剛性部１３を構成している。当該超音波センサ１は、圧電体１１の両面に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層された振動検出部と、圧電体１１の両面に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層されておらず、振動を検出しない非振動検出部とを有する。つまり、振動検出素子２は、少なくとも一部に、振動を検出しない前記非振動検出部を有しており、この非振動検出部は、圧電体１１の表または裏の少なくとも一方に電極が積層されていない部分である。当該超音波センサ１において、複数の低剛性部１３は、振動を検出しない非振動検出部である。
　当該振動検出素子２は、低剛性部１３を有することによって、シートの余剰部分を低剛性部１３で吸収しつつ（湾曲又は屈曲に伴うシートの余剰部分を低剛性部１３で重なり合わせながら）容易に湾曲することができる。詳しく説明すると、展開状態の振動検出素子２は、湾曲又は屈曲した状態に対してシート面方向において余剰部分を有している。この余剰部分は、湾曲又は屈曲した状態でひだとして形成されやすい。この際、低剛性部１３が存在しないと、圧電体１１に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層された前記振動検出部にランダム（無原則）で複数のひだが生じやすい。これに対し、振動検出素子２が低剛性部１３を有する場合、前記振動検出部よりも剛性が小さい低剛性部１３に選択的にひだが生じやすくなる。換言すると、振動検出素子２が低剛性部１３を有することで、この低剛性部１３が前記振動検出部にひだが発生することを抑制する。従って、当該超音波センサ１は、振動検出素子２が低剛性部１３を有することで、前記振動検出部にひだが生じることに起因する検出感度の低下を抑制し、振動を適切に検出することができる。前記振動検出部にひだが発生することを更に抑制するには、放射状に配置された低剛性部１３が周回方向に均一のピッチで配置されるのが好ましい。均一なピッチで低剛性部１３が配置されることで、全ての低剛性部１３に同程度のひだを形成することができる。
　また、当該振動検出素子２は、低剛性部１３が前述の肉薄部である。これにより、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂは圧電体１１によって分離され、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂ間の短絡を防止することができる。詳しく説明すると、例えば第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂの両方が形成されているところ（つまり、前述の振動検出部）に低剛性部１３に代えて振動検出素子の厚さ方向を貫通するスリットを設け、このスリットを挟む両側の部分を重ね合わせることで湾曲又は屈曲形状を形成した場合、重ね合わせた部分で第１電極と第２電極が接続され、短絡を生じる。また、図１０に示すように、低剛性部１３に代えて振動検出素子１０２の厚さ方向に貫通する切欠き１０３を設け、切欠き１０３を挟む両側の部分を重ね合わせない場合でも、切欠き１０３による切断端面に導電性の部材が付着したり、導電性のゴミが付着することで第１電極及び第２電極間が短絡するおそれがある。これに対し、当該振動検出素子２は、圧電体１１に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層されていない肉薄部を設けることで、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂ間の短絡を防止することができる。
　振動検出素子２は、前述の超音波発信器の超音波発信面の形状に対応した形状を有する。振動検出素子２は、裏側に陥没した凹状に形成される。本実施形態において、振動検出素子２は椀状である。当該超音波センサ１は、振動検出素子２が椀状であることによって、接着不良や気泡等の不具合を超音波によって容易かつ確実に検出することができる。
　図４に示すように、振動検出素子２は、その面内の領域に基部２ａを有する。基部２ａは、平面視円形、より詳しくは平面視真円状である。基部２ａは、圧電体１１に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層された振動検出部の一部分を構成する。基部２ａは、振動検出素子２の中心部（つまり底部）に位置する。基部２ａの外周縁と振動検出素子２の外周縁とは平面視同心円状に形成されている。振動検出素子２は、複数の低剛性部１３（すなわち非振動検出部）が基部２ａの外周縁から放射状に延びている。複数の低剛性部１３は振動検出素子２の径方向に直線状に延びている。当該振動検出素子２は、複数の低剛性部１３が基部２ａの外周縁から放射状に延びていることによって、複数の低剛性部１３の延在方向（本実施形態では当該振動検出素子２の径方向）に亘ってシートの余剰部分を吸収しつつ、複数の低剛性部１３の延在方向と垂直な方向に容易に湾曲又は屈曲することができる。なお、「円形」とは、真円形のみならず、楕円形及び長円形を含む。また、基部２ａは平面視円形に限らず、多角形、星型等であってもよい。
　基部２ａは、湾曲又は屈曲状態でシートの余剰部分を吸収しない領域であり、図４に示すように、振動検出素子２の中心部の比較的小さい範囲に形成される。振動検出素子２の平均半径Ｒ１（湾曲又は屈曲面に沿う長さ。すなわち、展開状態における平均半径）に対する基部２ａの平均半径Ｒ２（湾曲又は屈曲面に沿う長さ）の比の下限としては、０．１が好ましく、０．３がより好ましい。一方、前記比の上限としては、０．５が好ましく、０．４がより好ましい。前記比が前記下限に満たないと、複数の低剛性部１３の面積割合が相対的に大きくなることで、振動検出部の面積が不必要に小さくなるおそれがある。逆に、前記比が前記上限を超えると、複数の低剛性部１３によってシートの余剰部分を十分に吸収することができず、振動検出部にひだが生じるおそれがある。
　複数の低剛性部１３は、基部２ａの外周縁から等角度間隔で配置されることが好ましい。複数の低剛性部１３が等角度間隔で配置されることによって、複数の低剛性部１３によってシートの余剰部分を効果的に吸収し、振動検出部にひだが生じることを防止しやすい。
　前述のように、低剛性部１３は帯状であり、一定の幅を有する。低剛性部１３は一定の幅を有することで、シートの余剰部分を吸収することができる。複数の低剛性部１３の平均幅としては、振動検出素子２のサイズに対応して設定可能であるが、例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることができる。
　図４に示すように、低剛性部１３にはひだ１３ａが形成されていることが好ましい。つまり、前記非振動検出部には、圧電体１１によるひだ１３ａが形成されることが好ましい。ひだ１３ａは、振動検出素子２を展開状態から曲面形状に形成する際に、余剰なシート部分が重なり合うこと等によって形成される。当該超音波センサ１は、低剛性部１３にひだ１３ａが形成されることで、振動検出素子２を所望の曲面形状に形成しやすい。また、当該超音波センサ１は、低剛性部１３にひだが形成されることで、前記振動検出部の表側の面を平滑な所望の曲面形状に保つことが容易となり、前記振動検出部の検出感度の低下を抑制することができる。
（支持部材）
　支持部材３は、図２に示すように、振動検出素子２の裏側の面の反転形状を有し、振動検出素子２が裏側から載置される載置面３ａを有する。載置面３ａは曲面である。つまり、振動検出素子２は支持部材３の前記曲面に設けられている。前記曲面は、凹面である。載置面３ａは、３次元に湾曲しており、本実施形態では椀状である。前記非振動検出部は、支持部材３の前記曲面の縁から内側に延在している。また、支持部材３は厚さ方向（表裏方向）に貫通する複数の貫通孔３ｂを有する。当該超音波センサ１は、支持部材３を備えることによって、振動検出素子２を載置面３ａの曲面形状に沿った形状に容易に形成することができる。なお、「椀状」とは、３次元で凹状に形成され、底点が尖っていない（底点が丸められた又は平坦な）形状をいう。また、非振動検出部が「曲面の縁から延在する」とは、非振動検出部の端部が曲面の縁に位置する構成の他、非振動検出部の端部と曲面の縁との間に支持部材の曲面領域が存在する構成を含む。
　支持部材３は、例えば合成樹脂を主成分として形成される。この合成樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン等が挙げられる。なお、「主成分」とは、質量換算で最も含有量の大きい成分をいう。
　図５に示すように、当該超音波センサ１は、振動検出素子２及び支持部材３を接着する複数の接着部１４（複数の第１接着部１４ａ及び複数の第２接着部１４ｂ）を有する。複数の接着部１４は、例えば公知の両面テープや接着剤によって形成することができる。
　複数の第１接着部１４ａは、複数の低剛性部１３に積層されている。つまり、振動検出素子２は、複数の前記非振動検出部で支持部材３と接着されている。これにより、振動検出素子２は、複数の低剛性部１３で載置面３ａと部分的に接着されている。当該超音波センサ１は、振動検出素子２が複数の低剛性部１３で載置面３ａと部分的に接着されていることによって、振動検出素子２の共振周波数が支持部材３の影響を受けて変化することを抑制することができる。
　複数の第２接着部１４ｂは、振動検出素子２の外周縁部に積層されている。本実施形態では、複数の第２接着部１４ｂは、第２電極１２ｂ（つまり振動検出部）の外周縁部に積層されている。これにより、振動検出素子２は、複数の低剛性部１３に加え、振動検出素子２の外周縁部でも載置面３ａと部分的に接着されている。当該超音波センサ１は、振動検出素子２が振動検出素子２の外周縁部で載置面３ａと部分的に接着されることによって、振動検出素子２の共振周波数が支持部材３の影響を受けて変化することを抑制しつつ、振動検出素子２の載置面３ａからの剥離を容易に抑制することができる。
　複数の貫通孔３ｂは、振動検出素子２に至るよう設けられている。特に、本実施形態では、図５に示すように、複数の貫通孔３ｂは、複数の低剛性部１３と重ならない位置で振動検出素子２に至るよう設けられている。これにより、当該超音波センサ１は、振動検出素子２の前記振動検出部の裏側の空間を支持部材３の裏側の空間に連通することができる。その結果、当該超音波センサ１は、振動検出素子２の共振周波数が載置面３ａとの密閉によって影響を受けることを抑制することができる。
　図６を参照して、複数の貫通孔３ｂの配置について詳説する。まず、前述のように、当該超音波センサ１は、非振動検出部である複数の低剛性部１３と、圧電体１１の両面に第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂが積層された振動検出部１５とを有している。この振動検出部１５は、基部２ａと、基部２ａの外周縁の外側で複数の低剛性部１３によって区画される複数の周縁部２ｂとを有している。当該超音波センサ１は、基部２ａ及び複数の周縁部２ｂに対応して貫通孔３ｂが設けられている。詳しくは、基部２ａ及び各周縁部２ｂに対して貫通孔３ｂが設けられており、好ましくは基部２ａ及び各周縁部２ｂに対して１対１対応で貫通孔３ｂが設けられている。これにより、当該超音波センサ１は、振動検出部１５の各区画の裏側の空間を支持部材３の裏側の空間に連通することができる。その結果、当該超音波センサ１は、振動検出素子２の共振周波数が載置面３ａとの密閉によって影響を受けることをより確実に抑制することができる。
＜超音波センサの製造方法＞
　当該超音波センサ１は、平膜状（展開状態）の振動検出素子２を支持部材３の載置面３ａの曲面形状に追従させつつ、この振動検出素子２を載置面３ａ上に固定することで形成される。当該超音波センサ１の製造方法は、振動検出素子２を支持部材３の載置面３ａ（すなわち曲面）に積層する工程（積層工程）と、この積層工程後又はこの積層工程と同時に、振動検出素子２を載置面３ａの曲面形状に沿った形状に形成する工程（形成工程）とを備える。前記形成工程では、支持部材３の裏側からの吸引により振動検出素子２を載置面３ａの曲面形状に沿った形状に形成することができる。また、前記形成工程では、支持部材３の裏側からの吸引に代えて、振動検出素子２を表側から凸部材で押さえ付けてもよい。
　前記形成工程では、前記非振動検出部が支持部材３の前記曲面の縁から内側に延在するように振動検出素子２を前記曲面の形状に沿った形状に形成する。前記形成工程では、例えば支持部材３の複数の貫通孔３ｂからの真空引きにより振動検出素子２を載置面３ａ側に吸引する。この際、振動検出素子２の複数の低剛性部１３に選択的に複数のひだ１３ａが形成され、これによりシートの余剰な部分を吸収しつつ振動検出素子２を所望の曲面形状に形成することができる。
＜利点＞
　当該振動検出素子２は、その外縁から内側に延びる複数の帯状の低剛性部１３を有しており、複数の低剛性部１３で、これらの低剛性部１３の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲することができる。さらに、当該振動検出素子２は、複数の帯状の低剛性部１３を有することで、これらの低剛性部１３の延在方向に沿う方向にも湾曲又は屈曲しやすい。そのため、当該振動検出素子２は、３次元湾曲形状に容易に形成することができる。
　当該超音波センサ１は、振動検出素子２が、その外縁から内側に延びる複数の帯状の低剛性部１３を有しているので、振動検出素子２を、複数の低剛性部１３で、これらの低剛性部１３の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲することができる。さらに、当該超音波センサ１は、振動検出素子２が複数の帯状の低剛性部１３を有することで、振動検出素子２をこれらの低剛性部１３の延在方向に沿う方向にも湾曲又は屈曲しやすい。そのため、当該超音波センサ１は、３次元湾曲形状の振動検出素子２を容易に形成することができる。
　当該超音波センサ１は、振動検出素子２を超音波発信器の超音波発信面に対応する所望の３次元湾曲形状に形成することが容易であるので、超音波発信器と対として用いられる超音波検出用のセンサとして好適に用いられる。
　当該超音波センサの製造方法は、振動検出素子２を３次元湾曲形状に容易に形成可能な当該超音波センサ１を容易かつ確実に製造することができる。
［第二実施形態］
　図７の超音波センサ２１は、振動検出素子２２と、振動検出素子２２を裏側から支持する支持部材３とを備える。振動検出素子２２は、その外縁から内側に延びる複数の帯状の低剛性部２３（すなわち非振動検出部）を有する。低剛性部２３はスリット１３ｂを有する。つまり、振動検出素子２２は、前記非振動検出部にスリット１３ｂを有する。当該超音波センサ２１は、低剛性部２３がスリット１３ｂを有する以外、図１の超音波センサ１と同様の構成とすることができる。そのため、以下ではスリット１３ｂについてのみ説明する。
　スリット１３ｂは、振動検出素子２２の外縁から内側に延びている。スリット１３ｂは、低剛性部２３の幅方向の中間位置（幅方向の両端を含まない位置）で低剛性部２３の延在方向に沿って延びている。スリット１３ｂは、一部の低剛性部２３にのみ設けられてもよいが、各低剛性部２３に例えば１対１対応で設けられることが好ましい。
＜利点＞
　当該振動検出素子２２は、低剛性部２３がスリット１３ｂを有するので、このスリット１３ｂで湾曲又は屈曲させやすい。当該振動検出素子２２は、スリット１３ｂが低剛性部２３の幅方向の中間位置に形成されているので、スリット１３ｂを挟む両側の一定範囲には少なくとも第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂのいずれか一方が存在しない非振動検出部が形成される。そのため、当該振動検出素子２２は、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂ間の短絡を抑制しやすい。
　当該超音波センサ２１は、振動検出素子２２が低剛性部２３にスリット１３ｂを有するので、振動検出素子２２をこのスリット１３ｂで湾曲又は屈曲させやすい。当該超音波センサ２１は、スリット１３ｂが低剛性部２３の幅方向の中間位置に形成されているので、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂ間の短絡を抑制しやすい。
［その他の実施形態］
　前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
　例えば当該振動検出素子は、基部が平面視円形である場合でも、この基部は必ずしも平面視真円状でなくてもよい。例えば図８に示すように、当該超音波センサは、振動検出素子３２が椀状である場合、基部３２ａは長円状であってもよい。またこの場合、複数の低剛性部３３は、基部３２ａの外周縁の円周部分のみから放射状に延びていてもよい。
　当該振動検出素子は、その外縁から内側に延びる前記低剛性部を１つのみ有していてもよい。例えば図９の振動検出素子４２は、その外縁から内側に延びる１つの低剛性部４３のみを有している。この低剛性部４３は、振動検出素子４２の外縁から内側に向けて渦巻き状に形成されている。つまり、この低剛性部４３は、平面視円形の基部の外周縁から放射状に延びていない。当該振動検出素子は、この構成によっても、低剛性部４３で、この低剛性部４３の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲することができる。
　当該超音波センサにおいて、振動検出素子の曲面形状は用途に応じて設定可能であり、振動検出素子は必ずしも椀状でなくてもよい。例えば振動検出素子は、表側に隆起したドーム状等に構成されてもよい。
　前記１又は複数の低剛性部は、圧電体の一方の面にのみ電極が積層された肉薄部から構成されてもよい。但し、１又は複数の低剛性部に選択的にひだを形成する観点からは、低剛性部とその他の部分（振動検出部）とで剛性の差が大きい方が好ましい。そのため、低剛性部は、圧電体の両面に電極が積層されていない肉薄部であることがより好ましい。
　当該振動検出素子は、前記一対の電極が平面視同一形状でパターニングされていなくてもよい。この場合、少なくとも一方の電極が圧電体に積層されていない領域を肉薄部として構成することができる。
　当該振動検出素子は、例えば図８及び図９の構成において、低剛性部にスリットが形成されてもよい。また、前記スリットは、当該振動検出素子の外縁から離れた内側の領域に形成されてもよい。さらに、当該振動検出素子は、１つの低剛性部に対して２以上のスリットが形成されてもよい。
　当該振動検出素子は、前記基部と複数の周縁部との間に低剛性部を設けてもよい。換言すると、前記基部と複数の周縁部との間に、圧電体に少なくとも一方の電極が積層されていない肉薄部を形成してもよい。この構成によると、複数の振動検出部を低剛性部で分割したアレイ状のセンサを形成することができる。
　前記１又は複数の低剛性部は、延在方向に沿って幅が一定でなくてもよい。例えば当該振動検出素子が放射状に配設される複数の低剛性部を有する場合、これらの低剛性部は、放射方向外側に向けて幅が漸減してもよく、漸増してもよく、幅が漸減する領域と幅が漸増領域とを共に有していてもよい。
　当該超音波センサは、前記振動検出素子の曲面形状が適切に維持可能な場合であれば、前記１又は複数の低剛性部には必ずしもひだが形成されていなくてもよい。
　当該超音波センサは、前記振動検出素子の曲面形状が維持できる限り、必ずしも前述の支持部材を有していなくてもよい。
　当該超音波センサは、前記支持部材を有する場合、前記振動検出素子が前記１又は複数の低剛性部でのみ前記載置面と部分的に接着されていてもよい。また、当該超音波センサがこの支持部材を有する場合、検出精度が不十分とならない場合であれば、前記振動検出素子と支持部材とを電極の任意の積層領域で接着固定することも可能である。
　当該超音波センサは、支持部材上に複数の振動検出素子が積層された構成とすることも可能である。
　以上説明したように、本発明の一態様に係る超音波センサは、３次元湾曲形状に容易に形成することができるので、超音波検出用のセンサとして好適に用いられる。
１，２１　超音波センサ
２，２２，３２，４２　振動検出素子
２ａ，３２ａ　基部
２ｂ　周縁部
３　支持部材
３ａ　載置面
３ｂ　貫通孔
１１　圧電体
１２ａ　第１電極
１２ｂ　第２電極
１３，２３，３３，４３　低剛性部
１３ａ　ひだ
１３ｂ　スリット
１４　接着部
１４ａ　第１接着部
１４ｂ　第２接着部
１５　振動検出部
１０２　振動検出素子
１０３　切欠き
 

Claims (9)

  1. 　曲面を有する支持部材と、
    　前記支持部材の曲面に設けられる、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成される振動検出素子と、を備えた超音波センサであって、
    　前記振動検出素子の少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、前記非振動検出部は、前記圧電体の表または裏の少なくとも一方に前記電極が積層されていない部分であり、前記支持部材の曲面の縁から内側に延在する、超音波センサ。
  2. 　前記振動検出素子は基部を有し、前記非振動検出部はこの基部の外周縁から放射状に延びている請求項１に記載の超音波センサ。
  3. 　前記圧電体は前記非振動検出部にスリットを有する請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
  4. 　前記振動検出素子は、前記非振動検出部において、当該非振動検出部の延在方向と垂直な方向に湾曲又は屈曲している請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波センサ。
  5. 　前記曲面が凹面である請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波センサ。
  6. 　前記非振動検出部に前記圧電体によるひだが形成される請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波センサ。
  7. 　前記支持部材は少なくとも１つの貫通孔を有する請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波センサ。
  8. 　前記振動検出素子は１又は複数の前記非振動検出部で前記支持部材と接着されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波センサ。
  9. 　曲面を有する支持部材と、フィルム状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される一対の電極から構成され、少なくとも一部に、振動を検出しない非振動検出部を有し、前記非振動検出部は、前記圧電体の表または裏の少なくとも一方に前記電極が積層されていない部分である振動検出素子とを用い、
    　前記振動検出素子を前記曲面に積層する工程と、
    　前記積層工程後又は前記積層工程と同時に、前記非振動検出部が前記支持部材の曲面の縁から内側に延在するように前記振動検出素子を前記曲面の形状に沿った形状に形成する工程と
    　を備える超音波センサの製造方法。
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