JP2008311736A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】導電材の溶接性を改善し、かつ部品点数が少なく組み立てが簡単な超音波センサを提供すること。
【解決手段】本発明による超音波センサは、圧電素子（１１２）と、底面に圧電素子（１１２）の一方の電極が電気的に接続されるように収納されるアルミニウムケース（１１１）と、圧電素子（１１２）の他方の電極に接続される第１導電材（１１３ａ）と、前記ケース（１１１）と溶接性の良い材料を含むクラッド材よりなる第２導電材（１１３ｂ）とを有し、前記ケース（１１１）と前記第２導電材（１１３ｂ）とを溶接により接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を有する超音波センサに関する。

超音波センサは、超音波を発生し、発生した超音波を受信する。超音波センサは、例えば、障害物検知システムなど間欠的に超音波を発生し、周辺に存在する障害物からの反射を受信することで物体を検知するシステムや、対象物までの距離を測定する測距システム等に用いられている。側距システムでは、超音波センサの信号を検出して超音波を送信してから受信するまでの時間を計測し、計測した時間から対象物までの距離を測定する。

図７は、従来の超音波センサの一例の構成図を示す。

超音波センサ１０は、大略するとセンサケース１１、圧電素子１２、一対の端子１３、及び緩衝材１５等により構成されている。センサケース１１はアルミニウムにより形成された有底筒状の部材であり、その底部１１ａが振動板として機能する。

圧電素子１２は、その上面及び下面に電極（上面電極，下面電極という）が形成されている。この一対の電極間に電圧印加されることにより圧電素子１２は圧電変形し、また外力印加することにより一対の電極間には電荷が発生する。この圧電素子１２は、振動板として機能するセンサケース１１の底部１１ａに配設される。

また、圧電素子１２の上面電極は、ワイヤ１４により一方の端子１３に電気的に接続されている。一方、圧電素子１２の下面電極はアルミニウム（導電材料）よりなるセンサケース１１の底面１１ａと電気的に接続されている。このセンサケース１１と他方の端子１３は、配線パターン１６を用いて電気的に接続されている。

これにより、圧電素子１２は、一対の端子１３と電気的に接続される構成とされていた。尚、センサケース１１の内部には超音波の反射を防止するために緩衝材１５が充填されている（特許文献１，２，３，４参照）。
特開平９−２８４８９６号公報 特開平１１−２６６４９８号公報 特開２０００−３２５９４号公報 特開２００２−２０９２９４号公報

従来の超音波センサは、圧電素子による機械的共振により振動させるため、通常、センサケースにはアルミニウムが用いられている。しかしながら、アルミニウムの性質上、はんだ付けは特殊で容易ではなく、導電接着剤は、硬化するのに加熱などの２次工程が必要であり塗布が容易ではないという問題があった。

そのためアルミケースとワイヤ及び端子板とを接続するときには、例えば、センサケースに係合部を形成し、真鍮や銅などの接続ピンや配線パターンを利用してはんだ付けするなどの方法が提案されていたが、係合部を形成する工程が必要となり、ピンのコストもかかり、組み付け性が良くないなどの問題があった。

そこで、本発明は、導電材である端子にクラッド材を用いることにより、上記問題を解決し、溶接性の改善に加え、部品点数を減らして簡単に組み立てが行える超音波センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によれば、圧電素子（１１２）と、底面に前記圧電素子（１１２）の一方の電極が電気的に接続されるように収納されるアルミニウムケース（１１１）と、前記圧電素子（１１２）の他方の電極に接続される第１導電材（１１３ａ）と、前記ケース（１１１）との溶接性の良い材料を含むクラッド材よりなる第２導電材（１１３ｂ）とを有し、前記ケース（１１１）と前記第２導電材（１１３ｂ）とを溶接により接合した超音波センサ（１００）が提供される。

また、前記クラッド材は、更にはんだ付接合性の良い材料を含むものであってもよい。

また、前記クラッド材の一方の面がアルミニウム、該一方の面と対向する他方の面がニッケルから構成されるものであってもよい。

また、前記第１導電材（１１３ａ）は、前記第２導電材（１１３ｂ）と同一のクラッド材から構成されてもよい。

また、前記第１導電材（１１３ａ）の前記他方の面にリード線（１１４）の一端をはんだ付けすると共に、該リード線（１１４）の他端を前記圧電素子（１１２）の他方の電極とはんだ付けしたものであってもよい。

なお、上記参照符号はあくまでも参考であり、これによって、特許請求の範囲が限定されるものではない。

本発明によれば、導電材にアルミニウムケースとの溶接性の良い成分を含むクラッド材を用いることで、溶接性を改善し、かつ、部品点数を減らし、簡単な組み立てにより超音波センサを提供することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例の断面斜視図であり、図２は本発明の一実施例の分解斜視図を示す。

本実施例の超音波センサ１００は、超音波を発生し、外部に出力するとともに、外部からの反射波を受波する送受信型の超音波センサであり、アルミニウムケース（以下、「ケース」という。）１１１、圧電素子１１２、第１導電材１１３ａおよび第２導電材１１３ｂを有する導電材１１３、リード線１１４、吸音材１１８、充填材１１９、エポキシ系接着剤（図示せず）等から構成されている。

ケース１１１は、アルミニウムを切削加工などによって、底部１１１ｂを有した略円筒状（有底筒状形状）に形成したものである。圧電素子１１２は底部１１１ｂを振動させることにより超音波を発生し、また超音波を受波することにより振動する底部１１１ｂの振動により電気信号を生成するため、ケース１１１には、振動特性がよいアルミニウムが用いられている。ケース１１１の内周部には、図２にあるように、段差部１１１ａが形成されている。段差部１１１ａは、後述するように第２導電材１１３ｂが溶接される。

圧電素子１１２は、超音波センサにおいて振動−電気の互換変換を行う。圧電素子１１２はセラミックの強誘電体の結晶の両端に銀電極を塗布し、高電圧をかけて分極処理をして生成されたものである。

圧電素子１１２は、ケース１１１の底面に対向するように収納され固定される。圧電素子１１２の下面の電極は、この固定の際にケース１１１に電気的に接続される。そして、後述するように第２導電材１１３ｂの第２の接続部１１７ａ（図４参照、これについては後述する）はケース１１１の段差部１１１ａに溶接により接続される。これにより、第２導電材１１３ｂはケース１１１を介して圧電素子１１２の底面側の電極と電気的に接続される。

圧電素子１１２はアルミケース１１１の底部１１１ｂを振動させることにより超音波を送波し、アルミケース１１１の底部１１１ｂで受波された超音波は圧電素子１１２により電気的な信号に変換される。

圧電素子１１２の上面電極には、リード線１１４の一端が直にはんだ付けや導電接着剤などにより接続される。また、リード線１１４の他端は、第１導電材１１３ａの他の面１１５ｂ（図３参照、これについては後述する）にはんだ付けなどにより接続される。

次に、導電材１１３について説明する。

導電材１１３は、超音波センサの出力兼入力端子である。圧電素子１１２の上下面の電極と導通し、外部回路との接続を可能にする。この導電材１１３は、第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂを有する。

本実施例では、第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂは、プレス打ち抜きにより一体的に形成される。この際、第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂは、連接部１１３ｃにより接続された状態で打ち抜き加工される。この連接部１１３ｃは、充填材１１９をケース１１１に充填後、除去され、これにより第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂは分離する。これにより、充填材１１９の充填処理が終了するまでは、第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂとを一体として取り扱うことができ、製造工程の容易化を図ることができる。なお、第１導電材１１３ａと第２導電材１１３ｂとは、このように一体的に形成するものに限定されるものではなく、別々にプレス打ち抜きなどにより形成してもよい。

本実施例では、導電材１１３として、図３に示すように、一方の面に第１の金属体１１５ａを配設すると共に、この一方の面と対向する他方の面に第２の金属体１１５ｂを配設した構成のクラッド材を用いている。第１の金属体１１５ａは、ケース１１１の材質であるアルミニウムと溶接性の良い材料が選定されており、また第２の金属体１１５ｂははんだ付接合性の良い材料が選定されている。

具体的には、第１の金属体１１５ａの材質としてはアルミニウムが選定され、第２の金属体１１５ｂの材質としてはニッケルが選定されている。尚、第１の金属体１１５ａ及び第２の金属体１１５ｂの材質はこれに限定されるものではなく、上記の特性を有する材料であれば、他の材料を選定することも可能である。また、導電材１１３の層数も本実施例のように二層に限定されるものではなく、三層以上とすることも可能である。

上記のクラッド材よりなる導電材１１３の内、第１導電材１１３ａは、図４に示すように、全体としては、く字形状とされており、図中垂直方向に延出する垂直部１１６ｂと、この垂直部１１６ｂに対して斜め下方に延出する第１接続部１１６ａとが形成されている。

また、導電材１１３の内、第２導電材１１３ｂは、図４（ａ）に示すように、全体としてはＬ字形状とされており、図中垂直方向に延出する垂直部１１７ｂと、この垂直部１１７ｂに対して直角に折り曲げられた第２接続部１１７ａとが形成されている。

上記のように形成された導電材１１３は、直角に折り曲げられた第２接続部１１７ａの底面側が前記したアルミニウムよりなる第１の金属体１１５ａとなるよう設定されている。よって、図４（ａ）に示す状態では、第２接続部１１７ａのアルミニウムよりなる第１の金属体１１５ａが、アルミニウム製のケース１１１の段差部１１１ａと対向した状態となる。

一方、図４（ａ）に示されるように、第１接続部１１６ａは第２接続部１１７ａの折り曲げ方向とは反対側の向きに折り曲げられている。このため、第１接続部１１６ａは、はんだ付け性の良好なニッケルよりなる第２の金属体１１５ｂが圧電素子１１２と対向した状態となっている。

図４（ｂ）に示されるように、リード線１１４は、第１接続部１１６ａの第２の金属体１１５ｂに上端部が接続点１２０で、はんだ付けされると共に、図４（ａ）に示されるように、下端部が接続点１２１ではんだ付けされている。上記のように、第１接続部１１６ａの圧電素子１１２と対向する面はニッケルよりなる第２の金属体１１５ｂであるため、クラッド材からなる第１導電材１１３ａにリード線１１４を確実に半田付けすることができる。

第２導電材１１３ｂの第２接続部１１７ａとケース１１１の段差部１１１ａの接続は、図６の接続点１２６で溶接により行われる。溶接は図５に示す溶接治具１２５を用いて行われる。第２導電材１１３ｂの第２接続部１１７ａは、アルミニウムよりなる第１の金属体１１５ａとすることにより、アルミニウムからなるケース１１１の段差部１１１ａと接するため、溶接は、容易に行うことができる。また同種金属からなるため、接合強度も十分に得ることが可能となる。

第２導電材１１３ｂを外部の回路と接続するときには、第２導電材１１３ｂの外部回路との接続面をアルミニウムよりなる第１の金属体１１５ａとすると、外部回路との接続ではんだ付けをする場合は、前述のように、アルミニウムははんだ付けしにくいという問題が生じる。また、コネクタを使用すると、占有面積、体積も必要とされ、さらにアルミニウムは酸化物が絶縁性のため、接続の信頼性が得られない問題を生じることがある。

そこで本実施例においては、第２導電材１１３ｂの外部回路と接続は、はんだ付けしやすいニッケルよりなる第２の金属体１１５ｂとする。これにより外部回路と容易に接合することができる。

このように第２導電材１１３ｂにクラッド材を用いることで、ケース１１１と外部回路のそれぞれに対する接合を容易に行うことができる。

図６（ｂ）は、圧電素子１１２及び導電材１１３をケース１１１内に組み付けて、充填材１１９を充填後、導電材１１３の連接部１１３ｃを切断した図である。

吸音材１１８は、樹脂材から構成されている。吸音材１１８は、ケース１１１に圧電素子１１２に導電材１１３及びリード線１１４を組み立てた後に、配設する。この吸音材１１８を圧電素子１１２上に積層することにより、超音波センサ１００の残響を低減させ、感度の高い特性とすることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

例えば、上記実施例では第１導電材１１３ａと圧電素子１１２の接続にリード線１１４を用いた構成を示したが、第１導電材１１３ａと圧電素子１１２の接続はこれに限定されるものではなく、例えば、第１導電材１１３ａを延出させて、第１導電材１１３ａのニッケルよりなる第２の金属体１１５ｂ側の面を圧電素子１１２とはんだ付けしても良い。

本発明の一実施例の断面斜視図である。 本発明の一実施例の分解斜視図である。 本発明の一実施例のクラッド材の図である。 本発明の一実施例の導電材、リード線、圧電素子とケースの組立状態を示す図である。 本発明の一実施例の導電材と圧電素子をケースに装着した図である。 本発明の一実施例の充填材を充填後に導電材の連接部を切断した図である。（ａ）は、（ｂ）のＡ−Ａ断面図で、吸音材と充填材を除いて示されている。（ｂ）は、充填材を充填後、導電材の連接部を切断した図で、（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示す。 従来の超音波センサの一例の構成図である。

符号の説明

１００ 超音波センサ
１１１ アルミニウムケース
１１２ 圧電素子
１１３ 導電材
１１４ リード線
１１８ 吸音材
１１９ 充填材

Claims (5)

1. 圧電素子と、
   底面に前記圧電素子の一方の電極が電気的に接続されるように収納されるアルミニウムケースと、
   前記圧電素子の他方の電極に接続される第１導電材と、
   前記ケースとの溶接性の良い材料を含むクラッド材よりなる第２導電材とを有し、
   前記ケースと前記第２導電材とを溶接により接合した超音波センサ。
2. 前記クラッド材は、更にはんだ付接合性の良い材料を含む、
   請求項１記載の超音波センサ。
3. 前記クラッド材の一方の面はアルミニウム、該一方の面と対向する他方の面がニッケルから構成される、
   請求項１または２記載の超音波センサ。
4. 前記第１導電材は、前記第２導電材と同一のクラッド材から構成される、
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
5. 前記第１導電材の前記他方の面にリード線の一端をはんだ付けすると共に、該リード線の他端を前記圧電素子の他方の電極とはんだ付けした、
   請求項４記載の超音波センサ。

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