JP4900066B2 - 超音波センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を有する超音波センサの製造方法に関する。

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１１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、主に、センサケース１１と、センサケース１１の底部を振動板とし、そのセンサケースの底部上に配置された圧電素子１２と、圧電素子１２の上下両電極に導電接続されるとともに、センサケースの外部回路に接続される、導電材である端子１３と、端子１３と圧電素子１２を接続するワイヤ１４とを有し、センサケース１１には防滴用の充填材１５が充填される構成となっていた（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

超音波センサにおいて超音波を発生する圧電素子は、通常、素子を製造する段階で圧電性を持たせるために、直流強電界を加える分極処理が施される。この分極は、圧電セラミクス内の電気双極子を一定方向に揃えるもので、圧電セラミクスの強誘電性の性質により、電界を取り去った後も双極子モーメントが残り圧電性を有する。しかしながら、この分極処理された圧電素子は、熱を加えるなどの熱変化が生じると電圧を発生し、分極劣化を起こす性質を有する。超音波センサを製造する際、センサケースにはケースを保護するための防滴用の充填材を充填するが、この充填材をケースに充填するときに、熱が加わるため、圧電素子が分極劣化を起こす問題があった。

本発明は、上記問題を解決するために、連接部を設けた導電材を一体的に形成し、ケースに充填材を充填後、連接部を切断するという方法を用いることで、圧電素子の分極劣化を防ぐことができる超音波センサの製造方法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、第１及び第２の導電材（１１３ａ，１１３ｂ）を形成する第１の工程と、ケース（１１１）の底面に配設される圧電素子（１１２）の一対の電極に、前記第１及び第２の導電材（１１３ａ，１１３ｂ）を接続する第２の工程と、前記ケース（１１１）に充填材（１１９）を充填する第３の工程とを有する超音波センサ（１００）の製造方法であって、前記第１の工程では、前記第１及び第２の導電材（１１３ａ，１１３ｂ）を連接させる連接部（１１３ｃ）を形成し、前記第３の工程では、前記連接部（１１３ｃ）が前記充填材（１１９）の外部に位置するよう前記充填材（１１９）を充填し、前記第３の工程が終了した後、前記連接部（１１３ｃ）を除去する第４の工程を実施する超音波センサ（１００）の製造方法を提供する。

また、前記第１及び第２の導電材（１１３ａ，１１３ｂ）がクラッド材から構成されている、超音波センサの製造方法であってもよい。

また、前記第１及び第２の導電材（１１３ａ，１１３ｂ）は、一枚の板をプレスから打ち抜いて形成される、超音波センサ（１００）の製造方法であってもよい。

また、前記連接部（１１３ｃ）には、あらかじめ切り込み（１２０）をいれておき、切断は前記切り込み部分（１２０）を切り離すことにより行う超音波センサの製造方法であってもよい。

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、導電材をあらかじめ連接部により一体的に形成し、ケースに充填材を充填後にこの連接部を切断することにより、簡単に圧電素子の分極劣化を防ぐという超音波センサの製造方法を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

まず、説明の便宜上、本発明に係る超音波センサの製造方法の説明に先立ち、本実施例により製造される超音波センサの構成について説明する。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。

本実施例に係る製造方法により製造される超音波センサ１００は、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の導電材１１３ａ及び第２の導電材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、アルミニウム材の有底の略円筒状にからなる。圧電素子１１２は振動により超音波を発生するため、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を有する。段差部１１１ａは、第２の導電材１１３ｂを取り付ける時の位置決めなどに用いられる。

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からなり、予め結晶の両端に銀電極を塗布し、高電圧をかけて分極処理される。圧電素子１１２は上下面に電極を有する。

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る。圧電素子１１２の下面の電極は、この接着の際、ケース１１１に電気的に接続される。そして、後述する第２の導電材１１３ｂの一端がケース１１１に溶接により接続されることで、第２の導電材１１３ｂの他端から外部回路と接続できるようになる。

圧電素子１１２の上面電極には、第１の導電材１１３ａまたはリード線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。外部回路には、第１の導電材１１３ａの他端から接続できる。

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。

導電材１１３は、第１の導電材１１３ａと第２の導電材１１３ｂを有する。後に詳述するように、第１の導電材１１３ａと第２の導電材１１３ｂは、製造段階においては連接部１１３ｃにより接続されているが、加熱処理を含む充填材１１９の充填処理が終了した後、この連接部１１３ｃは切り離される。

本実施例では、導電材１１３は、図３に示されるような、一面１１５ａはアルミニウム、他面１１５ｂはニッケルから構成される板状のクラッド材を用いている。この導電材１１３は、図４（ａ）に示すように、全体的にはＬ字型からなり、垂直面からなる垂直部と９０度に折り曲げられた折曲面からなる折り曲げ部を有する。

第１の導電材１１３ａは、垂直部と、垂直部の一部を圧電素子１１２に対向するよう折り曲げた面である対向部１１６を有する。また第２の導電材１１３ｂは、垂直部と折り曲げ部を有する。折り曲げ部は、ケース１１１と接続する接続部１１７を有する。

第１の導電材１１３ａの対向部１１６は、リード線１１４を用いて圧電素子１１２の上面の電極と接続される。これによって第１の導電材１１３ａは、圧電素子１１２の上面の電極と接続される。一方、第２の導電材１１３ｂとケース１１１の接続は、本実施例では第２の導電材１１３ｂの接続部１１７とケース１１１の段部１１１ａとを溶接することにより行っている。このため、本実施例ではクラッド材として、アルミニウム（ケース１１１）との接合性の良好さのため、アルミニウムを片面に配設したものを用いている。

吸音材１１８は、樹脂材から構成されている。この吸音材１１８は圧電素子１１２上に積層される。これ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。

この吸音材１１８の上部には充填材１１９が配設される。この充填材１１９は、熱硬化性樹脂であり加熱することにより硬化する。このため、充填材１１９の形成時には加熱処理が行われ、この熱は圧電素子１１２にも印加され、よって圧電素子１１２に分極劣化が発生するおそれがあることは前述した通りである。

次に上記構造を有する超音波センサ１００の製造方法について説明する。

まず、ケース１１１は、アルミニウムを切削加工などによって有底の略円筒状に形成する。ケース１１１内には、段差部１１１ａを形成する。

次に、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する。

次に、図５に示すように、導電材１１３をプレス加工により一体的に形成する。導電材１１３は、第１の導電材１１３ａ、第２の導電材１１３ｂ、第１の導電材と第２の導電材を連接する連接部１１３ｃ、圧電素子１１２の上面電極と接続する対向部１１６、ケース１１１の段差部１１１ａと接続する接続部１１７から構成されている。尚、図５及び図７に示すように、連接部１１３ｃの両端に、充填材１１９をケース１１１に充填後、切断しやすいように切り込み部１２０を構成してもよい。

次に、一体的に形成された第２の導電材１１３ｂの接続部１１７をＬ字型に折り曲げる。このとき、Ｌ字型の接続部１１７のケース１１１との接続面は、アルミニウム面１１５ａとなるように折り曲げる。第１の導電材１１３ａの対向部１１６は、圧電素子１１２に対向するよう接続部１１７と反対方向に折り曲げる。このとき、対向部１１６の対向面がニッケル面１１５ｂとなるように折り曲げる。

上記のように形成された第１の導電材１１３ａ及び第２導電材１１３ｂを、ケース１１１の内部に挿入するため、まず、第１の導電材１１３ａの対向部１１６とリード線１１４の一端をはんだ付けする。次に、リード線１１４の他端と圧電素子１１２の上面の電極をはんだ付けする。

次に、上記のように接合した導電材１１３とリード線１１４及び圧電素子１１２を、図４に示すように、ケース１１１の内部に挿入する。

次に、図６に示すように、第２の導電材１１３ｂの接続部１１７とケース１１１の段差部１１１ａとを、例えば溶接治具１２１を使用してスポット溶接する。このとき、第１の導電材１１３ａと第２の導電材１１３ｂは連接部１１３ｃにより連接されているため、新たに第１導電材１１３ａをケース１１１内に配置するための位置を決める必要がない。

このように、接続部１１７がケース１１１の段差部１１１aに当接することにより、第１の導電材１１３ａ及び第２の導電材１１３ｂの位置決めが同時に行えるため、精度の高い実装処理が行える。

図７は、導電材１１３と圧電素子１１２がケース１１１に装着されたときの図である。

次に、図８に示すように、ケース１１１に吸音材１１８を配設する。

次に、図８及び図９に示すように、ケース１１１に充填材１１９を充填する。この充填された状態において、導電材１１３の連接部１１３ｃは、ケース１１１に充填された充填材１１９の外部に位置した構成となっている。充填材１１９の充填処理が終了した後、この連接部１１３ｃを切断し、切り離すためである。充填材１１９は、ケース１１１に充填後、紫外線をケース１１１の開口面から照射される紫外線により、硬化させる。この充填材１１９を充填するとき、圧電素子１１２にも熱が加わるので、熱変化により電圧を発生する。しかしながら、圧電素子１１２と接続された第１の導電材１１３ａと第２の導電材１１３ｂは、連接部１１３ｃにより連接され、電気的に短絡状態となっている。このため、圧電素子１１２に熱変化が生じ、焦電効果により分極電荷が発生しても連接部１１３ｃによりリークされるので、分極劣化が生じない。これにより、圧電素子１１２の損傷が防止され、信頼性の高い超音波センサ１００を製造できる。

次に、充填材１１９を充填後、圧電素子１１２に熱変化が生じなくなった状態になったときに、図８及び図１０に示すように、導電材１１３の連接部１１３ｃを切断、除去する。

以上で、超音波センサ１００が完成する。
このように、第１の導電材１１３ａと第２の導電材１１３ｂをあらかじめ連接部１１３ｃにより一体的に形成し、ケース１１１に充填材１１９を充填後にこの連接部１１３ｃを切断することにより、簡単に分極劣化を防ぐことができる。

なお、他の熱処理工程（圧電素子が加熱されるおそれがある工程）が存在する場合には、これらの全ての熱処理工程が終了した後に連接部１１３ｃを切断する。熱変化による圧電素子１１２の分極劣化を防ぐためである。

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圧電素子、リード線、導電材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一体的に形成された導電材の図である。 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導電材と圧電素子をケースに装着した正面図である。 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。 本発明の一実施例のケースに充填材を充填した斜視図である。 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斜視図である。 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 (4)

1. 第１及び第２の導電材を形成する第１の工程と、
   ケース底面に配設される圧電素子の一対の電極に、前記第１及び第２の導電材を接続する第２の工程と、
   前記ケースに充填材を充填する第３の工程とを有する超音波センサの製造方法であって、
   前記第１の工程では、前記第１及び第２の導電材を連接させる連接部を形成し、
   前記第３の工程では、前記連接部が前記充填材の外部に位置するよう前記充填材を充填し、
   前記第３の工程が終了した後、前記連接部を除去する第４の工程を実施する超音波センサの製造方法。
2. 前記第１及び第２の導電材がクラッド材から構成されている、
   請求項１記載の超音波センサの製造方法。
3. 前記第１及び第２の導電材は、一枚の板をプレスから打ち抜いて形成される、
   請求項１または２記載の超音波センサの製造方法。
4. 前記連接部には、あらかじめ切り込みをいれておき、切断は前記切り込み部分を切り離すことにより行う、
   請求項３記載の超音波センサの製造方法。

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