JP2007036301A - 超音波センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のバックソナーやコーナーソナー等の障害物センサに用いられる超音波センサにおいて、有底筒状ケースに対する圧電振動子の位置精度が向上し、安定した製品特性および製品コストを抑えた超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサ５０は、有底筒状ケース１と、第一の金属部材２と、圧電振動子３と、第二の金属部材４とを備える。更に、有底筒状ケース１には、第一の弾性樹脂５と第二の弾性樹脂６が充填されている。
第一の金属部材２は、一方に金属平面部７と、他方に第一の金属端子８を有する。両主面に電極が形成された（図示せず）圧電振動子３は、その一方主面を金属平面部７の一方面と接合されている。また、金属平面部７は、その他方面において、有底筒状ケース１の底面部と接合されている。また、第二の金属部材４は、第二の金属端子９を有し、一方を圧電振動子３の他方主面に接合されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車のバックソナーやコーナーソナー等の障害物センサに用いられる超音波センサおよびその製造方法に関する。

超音波センサは、超音波を利用してセンシングを行なうものであり、圧電振動子から超音波パルスを間欠的に送信し、被検出物からの反射波を圧電振動子で受信する。この送受波信号により被検出物との距離を測定するものである。
近年、超音波センサの分野においては、センサの送受波面に近接する被検出物を検知するために、近距離タイプの超音波センサの需要が増加している。このような用途の超音波センサにあって、距離測定時の測定誤差の原因として最も大きな問題となるのが、送波信号の残響波と受波信号との干渉である。近接距離の測定に際しては、この残響特性がセンサの測定信頼性を左右することになるので、残響特性の改善が大きな課題となっている。
そこで、このような課題を解決するために、次のような超音波センサが提案されている。この超音波センサは、有底筒状ケースと、有底筒状ケースの内底部に配置される圧電振動子と、圧電振動子と電気的に接続され有底筒状ケースの外部に引き出される入出力端子と、残響波を抑制するための緩衝材とを有してなる超音波センサである（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−２６６４９８号公報

しかしながら、上記に説明した従来技術による超音波センサには、以下の問題が存在する。
特許文献１においては、アルミニウム等からなる金属性の有底筒状ケースの内部底面に、圧電振動子が配置される。有底筒状ケースと圧電振動子は、その一方主面を半田や導電性接着剤、あるいは絶縁性接着剤によって固定され、有底筒状ケースを介して、外部端子へと半田によって接続される。また圧電振動子は、その他方主面に形成された電極とワイヤ等を用いて外部端子へと接続される。
圧電振動子を有底筒状ケースに固定する際、圧電振動子は、ピンセット等により保持され、有底筒状ケースに接着される。小型化が進む中、圧電振動子を保持することは困難である。そのため、接着時に所定の位置からのずれにより、振動に歪が生じ、出力波形が乱れる等の特性がばらつくとの課題を有していた。
また、有底筒状ケースがアルミニウムから構成されることから、半田付けには特殊な半田材料を用いる必要があり、また有底筒状ケースに前処理を施す必要がある。更には、自動化が困難な構造であり、そのため、製造コストがかかるとの課題を有していた。

上記問題を解決すべく本発明の超音波センサは、両主面に電極が形成された圧電振動子と、圧電振動子を収納する有底筒状ケースと、有底筒状ケースに収納され、圧電振動子と電気的に接続する第一の金属端子と第二の金属端子とを備える超音波センサであり、圧電振動子の一方主面と有底筒状ケースの内側底部間に金属平面部を備え、金属平面部は、第一の金属端子と一体化構造をなし、かつ、圧電振動子の一方主面側の電極と電気的に接続され、第二の金属端子は、一方端を圧電振動子の他方主面側の電極に電気的に接続されることを特徴とする超音波センサである。
また、有底筒状ケースは、樹脂が充填されていることを特徴とする。
更に、両主面に電極が形成された圧電振動子を準備する工程と、圧電振動子の一方主面を第一の金属部材の金属平面部に接合する工程と、第一の金属部材に第一の金属端子を形成する工程と、金属平面部を有底筒状ケースの内側底部に接着する工程と、第二の金属部材に第二の金属端子を形成する工程と、圧電振動子の他方主面側の電極に第二の金属端子を接続する工程と、有底筒状ケースに樹脂を充填する工程とを備えることを特徴とする超音波センサの製造方法である。
また、圧電振動子の一方主面を前記第一の金属部材の金属平面部に接合する工程においては、前記複数の第一の金属部材が第一の連結部材で連結されていることを特徴とする。更に、圧電振動子の他方主面に第二の金属部材を接続する工程においては、複数の第二の金属部材が第二の連結部材で連結されていることを特徴とする。

以上のような本発明の超音波センサおよびその製造方法によれば、超音波センサにおいて、自動機での製造が可能となり、精度よく超音波センサを形成することが可能となる。
よって、有底筒状ケースに対する圧電振動子の位置精度が向上し、安定した製品特性および製品コストを抑えた超音波センサを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例について添付図に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明の超音波センサの一実施例における概略断面図を示す。
図１において、超音波センサ５０は、有底筒状ケース１と、第一の金属部材２と、圧電振動子３と、第二の金属部材４とを備える。更に、有底筒状ケース１には、第一の弾性樹脂５と第二の弾性樹脂６が充填されている。
有底筒状ケース１は、金属材料で形成されており、例えば、軽量で加工性がよく、錆び難いアルミニウム、またはアルミニウム合金で形成されている。また、有底筒状ケース１は、底面部が振動可能な薄肉状とされている。
第一の金属部材２は、一方に金属平面部７と、他方に第一の金属端子８を有する。両主面に電極が形成された（図示せず）圧電振動子３は、その一方主面を金属平面部７の一方面と接合されている。また、金属平面部７は、その他方面において、有底筒状ケース１の底面部と接合されている。また、第二の金属部材４は、第二の金属端子９を有し、一方を圧電振動子３の他方主面に接合されている。
超音波センサ５０においては、圧電振動子３に交流電圧を印加することで、金属板平面部７および有底筒状ケース１の底面部が振動し、音波を発生する。逆に、被検出部で反射した反射波を受信することにより、金属板平面部７および有底筒状ケース１の底面部が振動し、これにより発生する歪を圧電振動子３が電気信号に変換し、被検出部の検出を行なう。
また、充填された第一の弾性樹脂５と第二の弾性樹脂６が残響振動を抑制して、受信時の残響時間を短くし、残響特性を良好にする。

上記した本発明の超音波センサの一実施例における製造方法の詳細を図２に示す概略プロセスフローを用いて説明する。

先ず、図２（ａ）に示すように、両主面に電極部が形成された（図示せず）圧電振動子３を、第一の連結部１０に連結された第一の金属部材２の金属平面部７の一方面に接着剤を用いて接合する。また、第一の金属部材２は、その後第一の金属端子８となる箇所を有する。この際、圧電振動子３の一方主面に形成された電極部と金属平面部７は、電気的に接続される。接着剤は、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂等を用いて、圧着することにより電気的な接続を形成し、接合される。また、接着剤は、特に限定するものではなく、導電性接着剤を用いても構わない。

また、第一の金属部材２は、圧電振動子３の熱膨張係数と近い値を有する材料が望ましく、Ｎｉ合金等が好ましい。また、金属平面部７の厚みは、０．０２〜０．３ｍｍの範囲で設定されることが好ましい。

図３に、図１にて示した有底筒状ケースの底面部の厚みが約０．５ｍｍで、圧電振動子３の電極間に１Ｖの電圧を加えた時の金属平面部７の厚みと有底筒状ケース１の振幅との関係を示す。

図３より、金属平面部７の金属厚みが増加するにつれ、振幅が減少する傾向が確認できる。この結果からも、基本的に金属平面部７の厚みが薄い方が好ましい。しかし、その取り扱い等の関係から厚みの下限値が決定される。ここでは、機械的な強度を考慮し、今回の値を設定した。金属平面部７の厚みついては、特に限定するものではなく、求める特性およびその強度からその値を設定して構わない。

図２（ａ）の状態を更に明確にするために、図４に、連結部１０で連結された第一の金属部材２の平面図を示す。

図４に示すように、複数の第一の金属部材２を構成する第一の金属端子部８、金属平面部７および金属平面部７上に接合された圧電振動子３が第一の連結部１０で連結されている。

次に、図２（ｂ）示すように、第一の金属部材２の金属平面部７と第一の金属端子８間にて折り曲げる。この際、次工程となる有底筒状ケース１への挿入および金属端子８の最終的な位置等を考慮して、所定の形状に形成される。折り曲げ加工には、自動機を用いることが好ましい。また、折り曲げ加工は、圧電振動子３が金属平面部７に接着される前でも構わない。

次に、図２（ｃ）に示すように、圧電振動子３が構成された金属平板部７と、折り曲げ加工された第一の金属端子８とを備える第一の金属部材２を有底筒状ケース１に挿入する。有底筒状ケース１の内側底部と金属平面部７の他方面を、接着剤を用いて接合させる。用いる接着剤は、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂を用いて、接合される。また、接着剤は、限定するものではなく、導電性接着剤を用いても構わない。

次に、図２（ｄ）に示すように、連結部１１に連結された第二の金属端子９を、圧電振動子３の他方主面の電極（図示せず）に、その一方端を半田付け（図示せず）により接合する。第二の金属部材４は、半田付けおよび電気的な接続を考慮して、その材料が設定される。また、半田付けにより接続される先端部には、所定の形状が形成されている。また、その材料および厚みは、第一の金属部材２と同様とされることが好ましいが、第一の金属部材２の第一の金属端子８と第二の金属部材４の第二の金属端子部９との極性を明確にするために、他方端での厚みはその限りではない。

図５に、連結部１１に連結された第二の金属部材４の平面図を示す。

図５に示すように、複数の第二の金属部材４を構成する第二の金属端子部９が連結部１１に構成されている。

第一の金属部材２および第二の金属部材４は、それぞれ連結部１０および連結部１１に連結されていることから、自動機を用いて供給することが可能である。更に、有底筒状ケース１への金属平面部７の接着、また圧電振動子３の他方主面への第二の金属端子９の接着も自動機を用いることが好ましい。更に、圧電振動子３は、有底筒状ケース１に挿入前に、第一の金属部材２の金属平面部７に接合されるが、これも自動機を用いて、所定の位置に接合されることが好ましい。これにより、それぞれの位置決めについても、安定した精度が維持される。

次に、有底筒状ケース１に、第一の弾性樹脂５を充填する。第一の弾性樹脂５は、その比重が０．０１〜０．９の空隙部を有する樹脂、例えば、発泡性シリコーンを充填する。充填量は、少なくとも圧電振動子３と第二の金属部材４が接合された半田付け部分が完全に埋まる状態まで充填する。次に第二の樹脂６、例えば、ゴム状の弾性樹脂で硬度が２０〜８０（ＪＩＳＡ）のシリコンゴム等を充填する。

以上により、図１に示した超音波センサ５０が構成される。

次に、本発明の別の実施例について添付図に基いて詳細に説明する。
図６は、本発明の超音波センサの別の実施例における概略断面図を示す。図１と同様の構成については同符号を用いて説明するものとする。
図６において、超音波センサ６０は、有底筒状ケース１と、第一の金属部材１２と、圧電振動子３と、第二の金属部材１３とを備える。更に、有底筒状ケース１には、第一の弾性樹脂５と第二の弾性樹脂６が充填されている。
第一の金属部材１２は、一方に金属平面部７と、他方に第一の金属端子８を有する。圧電振動子３は、その一方主面を金属平面部７の一方面と接合されている。また、金属平面部７は、その他方面において、有底筒状ケース１の底面部と接合されている。
また、第二の金属部材１３は、第二の金属端子９を有し、一方を圧電振動子３の他方主面に接合されている。また、第一の金属端子８および第二の金属端子９は、リード線１４および１５にそれぞれ接続される。リード線１４および１５は、コネクター１６に接続されることもある。外部端子にリード線等を用いて接続することにより、外部との所望する接続に対応することが可能となる。
超音波センサ６０の製造方法については、図２にて示した内容とほぼ同様であることから記載は省略する。

次に、本発明の更に別の実施例について添付図に基いて詳細に説明する。
図７は、本発明の超音波センサの更に別の実施例における概略断面図を示す。図１と同様の構成については同符号を用いて説明するものとする。
図７において、超音波センサ７０は、有底筒状ケース１と、第一の金属部材２と、圧電振動子３と、第二の金属部材４と、発泡弾性体１７を備える。更に、有底筒状ケース１には、第二の弾性樹脂６が充填されている。
第一の金属部材２は、一方に金属平面部７と、他方に第一の金属端子８を有する。圧電振動子３は、その一方主面を金属平面部７の一方面と接合されている。また、金属平面部７は、その他方面において、有底筒状ケース１の底面部と接合されている。また、第二の金属部材６は、第二の金属端子９を有し、一方を圧電振動子３の他方主面に接合されている。
更に、圧電振動子３の他方主面の上部には、発泡弾性体１７が構成されている。第一の金属端子８および第二の金属端子９は、構成された発泡弾性体１７および充填された第二の弾性樹脂６から外部へと取り出される。第二の弾性体６は、有底筒状ケース１の内底部と連続して構成されることになり、一体の振動となる。よって、減衰振動の更なる安定が可能となる。なお、本実施例では圧電振動子３と発泡弾性体１７の間も含めて有底筒状ケース１内全体に第二の弾性樹脂６を充填するとしているが、圧電振動子３と発泡弾性体１７の間を除いて第二の弾性樹脂６を充填することでも構わない。
超音波センサ７０の製造方法については、図２にて示した内容とほぼ同様であることから記載は省略する。

本発明の超音波センサの一実施例における概略断面図である。（実施例１） 本発明の超音波センサの製造方法の一実施例における概略プロセスフローである。（実施例１） 本発明の超音波センサの一実施例における金属平面部の厚みと振幅量との関係を示すグラフである。（実施例１） 本発明の超音波センサの一実施例の第一の金属部材における概略平面図である。（実施例１） 本発明の超音波センサの一実施例の第二の金属部材における概略平面図である。（実施例１） 本発明の超音波センサの別の実施例における概略断面図である。（実施例２） 本発明の超音波センサの更に別の実施例における概略断面図である。（実施例３）

符号の説明

１ 有底筒状ケース
２、１２ 第一の金属部材
３ 圧電振動子
４、１３ 第二の金属部材
５ 第一の弾性樹脂
６ 第二の弾性樹脂
７ 金属平面部
８ 第一の金属端子
９ 第二の金属端子
１０ 第一の連結部
１１ 第二の連結部
１４、１５ リード線
１６ コネクター
１７ 発泡弾性体
５０、６０、７０ 超音波センサ

Claims (5)

1. 両主面に電極が形成された圧電振動子と、前記圧電振動子を収納する有底筒状ケースと、前記有底筒状ケースに収納され、前記圧電振動子と電気的に接続する第一の金属端子と第二の金属端子とを備える超音波センサであって、
   前記圧電振動子の一方主面と前記有底筒状ケースの内側底部間に金属平面部を備え、前記金属平面部は、前記第一の金属端子と一体化構造をなし、かつ、前記圧電振動子の一方主面側の電極と電気的に接続され、前記第二の金属端子は、一方端を前記圧電振動子の他方主面側の電極に電気的に接続されることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記有底筒状ケースは、樹脂が充填されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
3. 両主面に電極が形成された圧電振動子を準備する工程と、前記圧電振動子の一方主面を第一の金属部材の金属平面部に接合する工程と、前記第一の金属部材に第一の金属端子を形成する工程と、前記金属平面部を有底筒状ケースの内側底部に接着する工程と、第二の金属部材に第二の金属端子を形成する工程と、前記圧電振動子の他方主面側の電極に前記第二の金属端子を接続する工程と、前記有底筒状ケースに樹脂を充填する工程とを備えることを特徴とする超音波センサの製造方法。
4. 前記圧電振動子の一方主面を前記第一の金属部材の金属平面部に接合する工程においては、前記複数の第一の金属部材が第一の連結部材で連結されていることを特徴とする、請求項３に記載の超音波センサの製造方法。
5. 前記圧電振動子の他方主面に第二の金属部材を接続する工程においては、前記複数の第二の金属部材が第二の連結部材で連結されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の超音波センサの製造方法。

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