JP5590248B2 - 超音波センサ - Google Patents
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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。
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。
《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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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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