JP5590248B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

この発明は、超音波センサに関し、特に、圧電素子およびそれに電気的に接続されるピン端子を有し、たとえば、自動車のコーナーソナーやバックソナーなどに用いられる超音波センサに関する。

超音波センサは、超音波パルス信号を間欠的に送信し、送信された超音波パルス信号が障害物や物標に到達した後に反射した反射波を受信することにより障害物や物標を検知するものである（例えば特許文献１参照。）。自動車のバックソナー、コーナーソナー、さらには、縦列駐車する際における側壁等の障害物との距離を検知するパーキングスポットセンサ等には超音波センサが用いられている。

図６は従来の超音波センサの構成例を示す断面図である。超音波センサ１０１は、ケース１０２と、圧電素子１０３と、ダンピング材１０４と、基板１０５と、発泡性樹脂１０６と、ピン端子１０７Ａ，１０７Ｂと、リード線１０８Ａ，１０８Ｂと、を備えている。ケース１０２は、有底筒状であり、金属等の導電性を有する材料で構成されている。圧電素子１０３は、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板と、圧電基板の互いに対向する主面にそれぞれ設けられている１対の電極とを有する。圧電素子１０３は、一方の電極がケース１０２の開口内底面に接触してケース１０２と電気的に接続されるように、導電性接着剤などによりケース１０２に接合されている。ダンピング材１０４は、ケース１０２の開口を閉塞するように設けられている。基板１０５は、ダンピング材１０４上に設けられている。基板１０５およびダンピング材１０４には、貫通孔が設けられている。発泡性樹脂１０６は、貫通孔の一つからケース１０２の開口内に注入され、ケース１０２の内部および貫通孔の内部に充填されている。ピン端子１０７Ａ，１０７Ｂは、それぞれ直線棒状であり、それぞれ貫通孔の一つを介してケース１０２の開口内に挿入されている。リード線１０８Ａは、ケース１０２の開口内において、ピン端子１０７Ａの先端とケース１０２とに半田により接合されており、ピン端子１０７Ａとケース１０２とを電気的に接続している。このため、ピン端子１０７Ａは、リード線１０８Ａとケース１０２とを介して圧電素子１０３に電気的に接続されている。リード線１０８Ｂは、ケース１０２の開口内において、ピン端子１０７Ｂの先端と圧電素子１０３とに半田により接合されており、ピン端子１０７Ｂの先端と圧電素子１０３とを電気的に接続している。

国際公開ＷＯ２００７／０９４１８４号公報

図６に示されるような従来構成の超音波センサにおいては、ピン端子に外力が加わることで、リード線が変形する。ピン端子に外力が複数回加わることでリード線が何度も変形すると、ピン端子とリード線との接続部が破断して、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じる可能性がある。また、ピン端子に一度に大きな外力が加わることで、ピン端子とリード線との接続部が破断してピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じたり、発泡性樹脂やダンピング材などの部材が壊れたりする可能性がある。特に、ピン端子をケースから引き抜く方向の大きな外力がピン端子に加わると、ピン端子とリード線との接続部の破断や部材の破壊が生じやすい。そのため、超音波センサは、より外力に対する耐性が高い構成とすることが望まれている。

そこで本発明の目的は、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じにくく、外力に対する耐性の高い超音波センサを実現することにある。

本発明の超音波センサは、ケースと、圧電素子と、ピン端子と、フレキシブル基板と、制振材と、を備えている。ケースは、有底筒状であり、底板と側壁とを有する。圧電素子は、ケース内で底板上に配置されている。ピン端子は、一方の先端部がケースの開口内に配置されており、他方の先端部がケースの外部に配置されている。フレキシブル基板は、帯状であり、ピン端子の一方の先端部に接続されている第一端と、圧電素子に接続されている第二端とを有する。制振材は、ケース内でピン端子の一方の先端部とフレキシブル基板とを封止している。そして、フレキシブル基板は、第一端がピン端子の一方の先端部と同方向に沿って延び、第一端から屈曲してケースの側壁側に延びて第二端に至るように、ケースの開口内に屈曲して配置されている。

上述の超音波センサにおいて、ピン端子の一方の先端部は、フレキシブル基板の第一端にはんだ付けされていると好適である。

これにより、ピン端子の接続を簡易な工程で実現でき、また、接続信頼性を高めることができる。

本発明によれば、塑性変形するリード線ではなく、弾性変形するフレキシブル基板を用いることにより、ピン端子との接続部が破断して、ピン端子と圧電素子との電気的な接続の断線が生じることを防ぐことができる。また、帯状のフレキシブル基板を用いることにより、フレキシブル基板と制振材との接触面積が増え、フレキシブル基板が変形しても制振材が破壊されにくくなる。

また、ピン端子をケースから引き抜く方向の外力がピン端子に加わっても、フレキシブル基板におけるケースの側壁側に延びている部分が撓むので、その外力によるせん断応力がフレキシブル基板とピン端子との接続部に集中することが無い。したがって、フレキシブル基板とピン端子との接続部が破断することを防ぐことができる。その他、ピン端子を倒すような横方向の外力、ピン端子をケースの内部に押しこむ方向の外力がピン端子に加わっても、フレキシブル基板が同様に撓み、フレキシブル基板とピン端子との接続部が破断することを防ぐことができる。

さらには、フレキシブル基板の第一端が延びる方向と、ピン端子の一方の先端部が延びる方向とを同じにすることにより、フレキシブル基板の曲率を低くでき、フレキシブル基板の弾性力を小さくすることができる。このため、ピン端子や、フレキシブル基板とピン端子との接続部の不要な変形や破断、樹脂破壊などの発生をより確実に防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波センサおよび比較例に係る超音波センサのそれぞれにおける接続部に加わる応力について説明する図である。 実機試験における加重方向と破壊モードとの関係について説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る超音波センサの構成例を示す図である。 従来の超音波センサの構成例を示す断面図である。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波センサ１の断面図である。また、図１（Ｂ）は、超音波センサ１の平面図である。なお、図１（Ｂ）は、超音波センサ１の背面を示す。

超音波センサ１は、ケース２と、圧電素子３と、吸音材４と、補強材５と、支持材６と、緩衝材７と、制振材８と、フレキシブル基板９と、端子保持材１０と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと、を備えている。

ケース２は、一方の端面が閉塞し、他方の端面が開口する有底筒状のものであり、筒状の側壁２Ａと、円板状の底板２Ｂとを備えている。図１（Ｂ）に示すように、ケース２の開口は平面視して円形である。側壁２Ａにおいては、開口側の部分は薄肉であって開口の内径が大きく、底板２Ｂ側の部分は厚肉であって開口の内径が小さい。底板２Ｂは、中央近傍に凹部２Ｂ１を備えている。凹部２Ｂ１は、底面部と側壁部とを有する。ケース２は、例えば弾性率が高くて軽量なアルミニウムからなる部材であり、鍛造により形成されている。なお、ケース２の材料は、アルミニウムのような導電性材料に限られず、絶縁性材料であってもよい。

圧電素子３は、圧電セラミックスからなり、円板形状の圧電基板と、圧電基板の互いに対向する主面にそれぞれ設けられている１対の電極とを有する。圧電素子３は、平板状であり、１対の電極に駆動電圧が印加されることにより面内方向に広がり振動する。圧電素子３は、ケース２の凹部２Ｂ１の内部に配置されていて、底板２Ｂに接合されている。具体的には、圧電素子３は、１対の電極の一方が凹部２Ｂ１の底面部に接触するように、ケース２に接合されている。言い換えれば、圧電素子３は、凹部２Ｂ１の底面部に配置されている。圧電素子３および底板２Ｂは、互いに接合されてバイモルフ振動子を構成している。このバイモルフ振動子は、圧電素子３の広がり振動によって、屈曲振動することになる。そのため、凹部２Ｂ１の底面部がケース２の主たる振動領域となる。

吸音材４は、例えばポリエステルフェルトなどからなる平板状のものであり、圧電素子３からケース２の開口側に放出される不要な音波を吸収するために設けられている。吸音材４は、ケース２の凹部２Ｂ１内に配置されていて、圧電素子３の上に接着されている。

補強材５は、中央に開口を設けたリング状の部材であり、高い音響インピーダンスを有する。補強材５は、ステンレス鋼や亜鉛のような、ケース２を構成する材料よりも密度が高くかつ剛性が高い材料からなり、錘として機能する。なお、補強材５は、厚み等のサイズを調整することによってケース２と同じ材料（アルミニウム）からなるものであってもよい。また、補強材５は、側壁２Ａの厚肉の部分の内周面に接して、ケース２の底板２Ｂ上に配置されている。このように補強材５を設けられていることにより、ケース２の凹部２Ｂ１を囲む周囲の部分の剛性が高まり、ケース２の底板２Ｂにおける振動がケース２の側壁２Ａへ伝わることを抑制できる。

支持材６は、中央に開口を有するリング状の部材であり、緩衝材７をケース２に接触させずに支持するために、ケース２の側壁２Ａと緩衝材７との間に設けられている。支持材６は、ケース２の内部に金型を配置した状態で金型とケース２との間の空間に樹脂を充填し、樹脂を硬化させてから金型を取り除くことで形成されている。なお、支持材６は、このように金型とケース２とを用いてケース２の内部で形成されたものであってもよいし、予め所望の形状に形成されたものをケース２の内部に配置してもよい。支持材６が設けられていることにより、ケース２の底板２Ｂにおける振動が側壁２Ａを介して緩衝材７に伝わることを抑制できる、また、ケース２の側壁２Ａにおける振動を抑制することができる。

緩衝材７は、シリコーンゴムやウレタン樹脂などの弾性体からなるカップ状の部材である。緩衝材７は、下部に設けられており、補強材５の開口に係合する凸部と、上部に設けられており、端子保持材１０が係合する開口とを有する。緩衝材７を設けられていることにより、ケース２の底板２Ｂにおける振動が側壁２Ａを介して端子保持材１０に伝わることを抑制できる。

端子保持材１０は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの樹脂からなるＬ字状の部材であり、ピン端子１１Ａ，１１Ｂを、ケース２の開口の中心を通る軸に沿う姿勢で保持している。端子保持材１０の下部は、緩衝材７の上部に設けられている開口に係合するように屈曲している。端子保持材１０は、底面に設けられている凸部を有する。また、端子保持材１０の中央部には、ピン端子１１Ａ，１１Ｂが挿通される２つの貫通孔が設けられている。

ピン端子１１Ａ，１１Ｂは、圧電素子３の駆動電圧が印加される金属製の直線状ピンであり、端子保持材１０によって保持されている。具体的には、ピン端子１１Ａ，１１Ｂは端子保持材１０の貫通孔にそれぞれ挿入されている。ピン端子１１Ａ，１１Ｂの一方の先端部は、端子保持材１０の貫通孔から露出しており、ケース２の開口内に配置されている。ピン端子１１Ａ，１１Ｂの他方の先端部は、端子保持材１０の上端から突出して、ケース２の外部に配置されている。

フレキシブル基板９は、幅広な帯状であり、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３とを電気的に接続している。フレキシブル基板９は、第一端と第二端とを有する。第一端は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂの一方の先端部と同方向に沿って延び、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに接続されている。第二端は、圧電素子３の電極に導電性接着剤により接続されている。フレキシブル基板９は、第一端から屈曲してケース２の側壁２Ａ側に延び、支持材６の内部を通過して、第二端に至るように、ケース２の開口内に屈曲して配置されている。支持材６は、ケース２の開口内に圧電素子３やフレキシブル基板９が配置された状態で、充填および硬化されて設けられる。なお、図１（Ａ）では、ピン端子１１Ａのみが図示されているが、ピン端子１１Ｂもピン端子１１Ａと同様に、フレキシブル基板９と接続されている。

制振材８は、シリコーン樹脂やウレタン樹脂などの弾性体からなる。制振材８は、ケース２の内部に充填されており、ケース２の開口内に配置されているピン端子１１Ａ，１１Ｂの一方の先端部およびフレキシブル基板９を封止している。但し、支持材６と緩衝材７とにより、ケース２の底板２Ｂ側の空間が覆われているので、制振材８は、ケース２の開口側の空間のみに充填されている。制振材８は、ケース２の側壁２Ａの振動を抑制する機能を有しているとともに、支持材６や緩衝材７のケース２から離脱することを防止する機能も有している。

このような構成の超音波センサ１では、ケース２の底板２Ｂにおける振動が、吸音材４や支持材６、緩衝材７により減衰するため、端子保持材１０およびピン端子１１Ａ，１１Ｂに殆ど伝搬することがない。したがって、超音波センサ１を外部基板に実装した際に発生するピン端子１１Ａ，１１Ｂから外部基板への振動漏れが大幅に低減される。

なお、支持材６や緩衝材７は振動を伝搬し難いもの、制振材８はケース２の側壁２Ａの振動を抑制（制振）するものであると好適である。支持材６や緩衝材７は、制振材８に比べて弾性率が低いことが好ましい。さらに詳しくは、弾性率には貯蔵弾性率と損失弾性率があり、支持材６や緩衝材７は貯蔵弾性率が小さく、制振材８は損失弾性率が大きいことが好ましい。例えば、支持材６や緩衝材７はシリコーン樹脂（シリコーンゴム）からなり、制振材８はウレタン樹脂からなることが好ましい。

また、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３とをフレキシブル基板９により接続しているので、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が複数回加わっても、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が加わるたびにフレキシブル基板９が弾性変形し、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断することはなく、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じることが無い。また、フレキシブル基板９は帯状であり、リード線よりも制振材８との接触面積が大きいため、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに一度に大きな外力が加わっても、制振材８に局所的な加重が加わるが無く、制振材８が壊れることも無い。

ここで、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに外力が加わった場合に、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に加わる応力について説明する。

図２（Ａ）は、本実施形態に係る超音波センサ１において接続部に加わる応力について説明する図である。また、図２（Ｂ）は、比較例に係る超音波センサ１１１において接続部に加わる応力について説明する図である。なお、図２（Ａ），（Ｂ）では、ピン端子１１Ａのみが図示されているが、ピン端子１１Ｂもピン端子１１Ａと同様に、フレキシブル基板９と接続されている。

超音波センサ１においては、フレキシブル基板９の第一端と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの先端部とが同方向に沿って延び、はんだ（不図示）等で接続されている。フレキシブル基板９は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の側壁２Ａ側に延びているため、一定の曲率で屈曲している。

このような超音波センサ１の構成では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向の外力がピン端子１１Ａ，１１Ｂに加わると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部で、フレキシブル基板９に外力と同方向の力が加わる。すると、フレキシブル基板９におけるケース２の側壁２Ａ側に延びている部分が撓んで、フレキシブル基板９の曲率が変化する。このとき、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に加わるせん断応力は、フレキシブル基板９のばね弾性により打ち消される（低減される）。

比較例に係る超音波センサ１１１は、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が本実施形態に係る超音波センサ１と異なっており、その他の構成は同じである。超音波センサ１１１においては、フレキシブル基板９の第一端と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの先端部とが逆方向に沿って延び、はんだ（不図示）等で接続されている。フレキシブル基板９は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の軸方向に延びている。

このような超音波センサ１１１の構成では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向の外力がピン端子１１Ａ，１１Ｂに加わると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部で、フレキシブル基板９に外力と逆方向の力が加わる。すると、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部に、せん断応力が集中して加わることになる。このため、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断して、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じやすくなる。

このように、本実施形態の超音波センサ１は、比較例の超音波センサ１１１よりも、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断することによる、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じにくい。

ここで、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じにくいことを確認するために行った実機試験について説明する。実機試験においては、本実施形態の超音波センサ１と、比較例の超音波センサ１１１とのそれぞれに対して、何らかの破壊が生じるまでピン端子１１Ａ，１１Ｂに一点荷重を加え、加重方向毎に破壊モード（破壊箇所）を調査した。

図３は、加重方向と破壊モードとの関係について説明する図である。図３（Ａ）は、ピン端子１１Ａ，１１Ｂに加える加重方向について説明する図である。図３（Ｂ）は、本実施形態に係る超音波センサ１についての加重方向と破壊モードとの関係を示す図である。図３（Ｃ）は、比較例に係る超音波センサ１１１についての加重方向と破壊モードとの関係を示す図である。ここでは、加重が外力に相当するものとする。

ピン端子１１Ａ，１１Ｂを倒すように、横方向（＋Ｘ方向、−Ｘ方向、＋Ｙ方向、−Ｙ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合、超音波センサ１と超音波センサ１１１とのいずれも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。樹脂破壊とは、制振材８などの樹脂からなる部材が破壊されることである。

また、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２の内部に押しこむ方向（−Ｚ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合も、超音波センサ１と超音波センサ１１１とのいずれも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。

一方、ピン端子１１Ａ，１１Ｂをケース２から引き抜く方向（＋Ｚ方向）の加重をピン端子１１Ａ，１１Ｂに加えた場合には、超音波センサ１では、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線よりも先に、樹脂破壊が生じた。これに対して、超音波センサ１１１では、樹脂破壊よりも先に、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じた。

この実機試験からも確認できたように、超音波センサ１は、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部の構成が比較例の超音波センサ１１１と異なっており、超音波センサ１１１よりも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じ難い。

なお、本実施形態では、フレキシブル基板９の第一端が延びる方向と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部が延びる方向とを同じにして、フレキシブル基板９の第一端とピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部とを接続したが、それらの延びる方向を互いに逆方向にした場合でも、ピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部である第一端からケース２の側壁２Ａ側に延びて一定の曲率で屈曲しているようにフレキシブル基板９を配置することにより、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部が破断せず、ピン端子１１Ａ，１１Ｂと圧電素子３との電気的な接続の断線が生じることが無いようにすることができる。しかしながら、その場合には、フレキシブル基板９をより大きな曲率で屈曲させる必要があり、フレキシブル基板９の弾性力が大きくなってしまう。すると、ピン端子１１Ａ，１１Ｂや、フレキシブル基板９とピン端子１１Ａ，１１Ｂとの接続部の不要な変形や破断、樹脂破壊などが発生する可能性がある。そのため、フレキシブル基板９の第一端が延びる方向と、ピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部が延びる方向とを同じにして、フレキシブル基板９の第一端とピン端子１１Ａ，１１Ｂの先端部とを接続することが好適である。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波センサ２１の構成例について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る超音波センサ２１の断面図である。超音波センサ２１は、２つのフレキシブル基板２９Ａ，２９Ｂを備える。フレキシブル基板２９Ａは、ピン端子１１Ａと圧電素子３の１対の電極の一方とを電気的に接続するものである。フレキシブル基板２９Ｂは、ピン端子１１Ｂ（不図示）と圧電素子３の１対の電極の他方とを電気的に接続するものである。このように、複数のフレキシブル基板２９Ａ，２９Ｂを設けて、それぞれを圧電素子３の電極に電気的に接続してもよい。

《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波センサ３１の構成例について説明する。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る超音波センサ３１の断面図である。超音波センサ３１は、２つのフレキシブル基板３９Ａ，３９Ｂを備える。フレキシブル基板３９Ａは、ピン端子１１Ａと圧電素子３の１対の電極の一方とを電気的に接続するものである。フレキシブル基板３９Ｂは、ピン端子１１Ｂ（不図示）とケース２とを電気的に接続している。ピン端子１１Ｂは、フレキシブル基板３９Ｂとケース１０２とを介して圧電素子３の１対の電極の他方（グランド電位）に電気的に接続されている。

以上の各実施形態で説明したように本発明は実施することができるが、超音波センサの具体的な構成は、上述のものに限られるものではない。例えば、緩衝材や、支持材、補強材、支持材、吸音材などの具体的形状や材料はどのようなものでもよく、また、緩衝材や、支持材、補強材、支持材、吸音材はそれぞれ必ずしも設けなくてもよい。

１，２１，３１…超音波センサ
２…ケース
２Ａ…側壁
２Ｂ…底板
２Ｂ１…凹部
３…圧電素子
４…吸音材
５…補強材
６…支持材
７…緩衝材
８…制振材
９，２９Ａ，２９Ｂ，３９Ａ，３９Ｂ…フレキシブル基板
１０…端子保持材
１１Ａ，１１Ｂ…ピン端子

Claims (2)

1. 底板と側壁とを有する、有底筒状のケースと、
   前記ケース内で前記底板上に配置されている圧電素子と、
   一方の先端部が前記ケースの開口内に配置されており、他方の先端部が前記ケースの外部に配置されているピン端子と、
   前記ピン端子の一方の先端部に接続されている第一端と、前記圧電素子に接続されている第二端とを有する、帯状のフレキシブル基板と、
   前記ケース内で前記ピン端子の一方の先端部と前記フレキシブル基板とを封止している制振材と、を備え、
   前記フレキシブル基板は、前記第一端が前記ピン端子の一方の先端部と同方向に沿って延び、前記第一端から屈曲して前記ケースの側壁側に延びて前記第二端に至るように、前記ケースの開口内に屈曲して配置されている、超音波センサ。
2. 前記ピン端子の一方の先端部は、前記フレキシブル基板の第一端にはんだ付けされている、請求項１に記載の超音波センサ。

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