超音波センサ
【課題】残響特性がよい超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサ１０は、アルミニウムや亜鉛などからなる有底筒状のケース１２を含む。ケース１２の内底面には、長方形状の圧電素子１８の一方主面が配置され導電性接着剤で接着される。圧電素子１８の両主面の電極には、入出力端子２０、２２がそれぞれ電気的に接続される。入出力端子２０は、圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される断面Ｌ字状のばね端子２０ａを有する。このばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成される。
【解決手段】超音波センサ１０は、アルミニウムや亜鉛などからなる有底筒状のケース１２を含む。ケース１２の内底面には、長方形状の圧電素子１８の一方主面が配置され導電性接着剤で接着される。圧電素子１８の両主面の電極には、入出力端子２０、２２がそれぞれ電気的に接続される。入出力端子２０は、圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される断面Ｌ字状のばね端子２０ａを有する。このばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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入出力端子を有し、たとえば、自動車のコーナ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。
【背景技術】
【０００２】
自動車の周囲に存在する障害物を検知するためのコーナソナーやバックソナーが、自動車のコーナや後部のバンパなどに取り付けられることがある。これらのコーナソナーやバックソナーには超音波センサが使用され、超音波センサから送信されて障害物から反射された超音波の送受信時間により障害物との距離が検知される。これらの超音波センサでは、自動車から数１０ｃｍ程度の近距離に存在する障害物を検知する必要がある。
【０００３】
従来の超音波センサでは、圧電素子の電極を電気的にケースの外部へ引き出すために圧電素子との導通に関しては細くて柔らかい電線が使用されていたが、電線は手作業により圧電素子に半田付けしなければならなく手間と時間がかかっていた。また、電線の半田付け位置のばらつきにより、センサ特性が変動するという問題もあった。
【０００４】
上述のような問題を改善するために、図２９に示す構造を持つ超音波センサが考え出された。図２９は、従来の超音波センサの一例を示す断面図解図である。図２９に示す超音波センサ１は、絶縁体からなる有底筒状のケース２を含み、ケース２の内底部に圧電素子３が配置され、ケース２の筒部に入出力端子４、５が埋設されている。この構造により、圧電素子３と入出力端子４、５との接続が簡素化され、接続位置のばらつきの低減による特性のばらつきの改善が可能となる（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６６４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、図２９に示す超音波センサ１では、圧電素子３に直接接続されている入出力端子４がケース２の筒部に埋設されているため、圧電素子３の振動が入出力端子４を介してケース２の筒部に漏れて伝わり、ケース２の側面の振動が減衰されず、残響特性が劣化するという問題があった。
さらに、図２９に示す超音波センサ１では、ケース２の側面から圧電素子３までの距離が長くなると入出力端子４の長さが長くなり、入出力端子４の共振周波数と超音波センサの駆動周波数が同じ程度になり、超音波センサ全体の残響特性が悪化したりするという問題があった。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、残響特性がよい超音波センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明にかかる超音波センサは、有底筒状のケースと、一方主面および他方主面を有し、一方主面がケースの内底部に配置される圧電素子と、圧電素子に電気的に接続され、ケースの外部に引き出される入出力端子とを有する超音波センサであって、圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用され、ばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成された、超音波センサである。
この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子は金属で一体的に形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されてもよい。この場合、折り返し構造を持つばね端子を使用し、そのばね端子において支持部材に接触する部分が、支持部材に固定されていることが好ましい。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いことが好ましい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、ばね端子において第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子はケースの所定の位置に接続されてもよい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は筒状ケース部の所定の位置に接続されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
【０００９】
この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用されているので、圧電素子の振動を阻害することなく、圧電素子の振動がばね端子で充分に吸収され、ケースやセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
しかも、この発明にかかる超音波センサでは、そのばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子と超音波センサとの共振現象が発生せず、残響時間が短くなり、すなわち残響特性が改善される。
また、この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子が金属で一体的に形成されると、入出力端子を安価で大量にかつ精度よく容易に作製することができ、超音波センサの製造コストを抑えることができ、しかも、センサ特性の変動も少なくできる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されると、入出力端子を支持部材で支持することができる。この場合、ばね端子において支持部材に接触する部分が支持部材に固定されていると、その部分が支持部材に固定されていない場合に比べて、その部分が安定し、特性も安定する。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いと、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側も広い場合に比べて、ばね端子の共振周波数が高くなり、ばね端子と超音波センサとの共振現象がさらに発生しにくくなる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、ばね端子において第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成されていると、第２の中空部を利用して、ばね端子の端部を圧電素子に容易に接続することができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子がケースの所定の位置に接続されると、ケースを電気的な導通路としても働かせることができる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子が筒状ケース部の所定の位置に接続されると、ケースの有底筒状ケース部および筒状ケース部を電気的な導通路としても働かせることができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられると、高次振動モードによって圧電体基板に発生する電荷を相殺することができ、高次振動モードによる不要振動を防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、残響特性がよい超音波センサが得られる。
【００１１】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、この発明にかかる超音波センサの一例を示す断面図解図である。図１に示す超音波センサ１０は、たとえば有底筒状のアルミニウムや亜鉛などの金属からなるケース１２を含む。ケース１２は、閉塞面を有するアルミニウムなどの金属からなる有底筒状ケース部１４およびそれにはめ込まれる亜鉛などの金属からなる筒状ケース部１６を含む。有底筒状ケース部１４には、筒状ケース部１６がはめ込まれて接着剤で接着される。そのため、ケース１２において有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６は、有底筒状に一体となるように固着されるとともに、電気的に接続されて全体として１つの導通路となる。
【００１３】
ケース１２において有底筒状ケース部１４の内底部には、たとえば長方形状の圧電素子１８の一方主面が配置され、導電性接着剤で接着される。このように一端が開口するとともに他端が閉塞面であるケース１２の閉塞面の内側に圧電素子１８が配置されるので、ケース１２の閉塞面が圧電素子１８と一体となって振動することにより音波の送受を行うことができる。この圧電素子１８は、異方性を有した形状たとえば長方形状に形成された圧電体基板を含み、圧電体基板においてケース１２の閉塞面に対向する主面とその逆の主面との両主面には、それぞれ電極が形成されている。そして、圧電素子１８のこれらの電極などを介して、圧電素子１８の圧電体基板に電気的信号を印加することによって、圧電素子１８などを振動することができる。さらに、この圧電素子１８は、その圧電体基板の長辺がケース１２において閉塞された振動面の振動分布に対して長手方向に合わされ、たとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されている。
【００１４】
圧電素子１８には、金属からなる入出力端子２０および２２が電気的に接続される。また、これらの入出力端子２０および２２は、ケース１２の内部からケース１２の外部に引き出される。
【００１５】
一方の入出力端子２０は、圧電素子１８の他方主面側の電極に電気的に接続されるものであって、ばね性を有するばね端子２０ａを有する。また、ばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成される。この入出力端子２０は、たとえば、フレーム１００からのびて形成された状態を図２に示すように、断面Ｌ字状のばね端子２０ａ、断面Ｌ字状の中間部分２０ｂおよびピン状の引出側部分２０ｃからなる。ばね端子２０ａ、中間部分２０ｂおよび引出側部分２０ｃは、一連にのびて一体的に形成される。また、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される先端部２０ｄは、固着強化および位置固定のために、その中央に円形の中空部２０ｅが形成されることによって円環形状に形成される。さらに、引出側部分２０ｃは、強度を高めるために断面コ字状に形成される。この入出力端子２０は、ばね性を有する１枚の金属板をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００１６】
他方の入出力端子２２は、ケース１２を介して、圧電素子１８の一方主面側の電極に電気的に接続されるものである。この入出力端子２２は、たとえば図２に示すように、一連にのびて形成される接続側部分２２ａ、中間部分２２ｂおよび引出側部分２２ｃからなる。接続側部分２２ａは、図１に示すように、ケース１２の筒状ケース部１６の内面に対向するように折り曲げられ、その先端部が筒状ケース部１６の内面に接続されるものである。また、中間部分２２ｂは、Ｌ字状に形成される。さらに、引出側部分２２ｃは、強度を高めるために断面コ字状に形成される。この入出力端子２２も、ばね性を有する１枚の金属板をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００１７】
これらの入出力端子２０および２２は、絶縁性を有する合成樹脂からなる円柱状の支持部材２４で支持される。この場合、入出力端子２０および２２は、図１および図３に示すように、それらの中間部分２０ｂおよび２２ｂが支持部材２４に埋め込まれて固定され、支持部材２４と一体的に形成される。なお、支持部材２４は、たとえばインサートモールド工法で樹脂成型することによって、入出力端子２０および２２と一体的に形成される。そのため、支持部材２４は、安価に大量に生産することが可能である。入出力端子２０および２２は、支持部材２４に埋め込まれている中間部分２０ｂおよび２２ｂが断面Ｌ字状およびＬ字状にそれぞれ形成されているため、支持部材２４から抜けることがない。なお、入出力端子２０および２２は、図３に示すように支持部材２４に固定された状態において、フレーム１００から切り離される。
【００１８】
支持部材２４は、ケース１２の内部において圧電素子１８の他方主面側に配置され、筒状ケース部１６に固着される。この場合、筒状ケース部１６はケース１２の閉塞面側に凸部１６ａを有し、支持部材２４はその凸部１６ａによって圧電素子１８に当たらないようにケース１２の閉塞面から浮かされる。また、この場合、入出力端子２０および２２は、ばね端子２０ａの先端部２０ｄおよび接続側部分２２ａが圧電素子１８の他方主面側の電極および筒状ケース部１６の内面にそれぞれ対向するように配置され、それらの引出側部分２０ｃおよび２２ｃがケース１２の内部から外部に配置される。ばね端子２０ａの先端部２０ｄは、圧電素子１８の他方主面側の電極に導電性接着剤で接着されて電気的に接続される。この場合、支持部材２４においてばね端子２０ａの先端部２０ｄに対応する部分に貫通孔２４ａが形成されていて、この貫通孔２４ａを通して、ばね端子２０ａの先端部２０ｄと圧電素子１８の電極とが導電性接着剤で接着される。また、入出力端子２２の接続側部分２２ａの先端部は、筒状ケース部１６の内面に導電性接着剤で接着されて電気的に接続される。なお、入出力端子２０および２２は、導電性接着剤で接着される代わりに、他の手段たとえば導電性樹脂、リフロー半田などの半田、溶接、溶着、ワイヤボンダなどによって、所定の部分に接続されてもよい。
【００１９】
ケース１２において圧電素子１８が形成された閉塞面側には、支持部材２４の貫通孔２４ａを通して、ゲル状の合成樹脂材料を塗布して乾燥したり発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡したりすることによって、不要振動や空気中を伝播・反射する音波を吸収するためのダンピング材２６が形成される。
【００２０】
また、支持部材２４の貫通孔２４ａは、そこに発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡することによって塞がれる。さらに、ケース１２の内部において支持部材２４の外側は、そこに発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡することによって封止される。
【００２１】
この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２に駆動電圧を印加することにより、圧電素子１８が励振される。圧電素子１８の振動により、圧電素子１８はケース１２の閉塞面とともに振動し、圧電素子１８の主面に直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１０から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１０に到達すると、圧電素子１８が振動して電気信号に変換されて、入出力端子２０および２２から電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１０から被検出物までの距離を測定することができる。
【００２２】
この超音波センサ１０では、圧電素子１８に接続される入出力端子２０として断面Ｌ字状のばね端子２２ａが使用されているので、圧電素子１８の振動を阻害することなく、圧電素子１８の振動が入出力端子２０のばね部分（ばね端子２０ａ）で充分に吸収され、ケース１２やセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
【００２３】
また、この超音波センサ１０では、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子２０ａの基本波成分および高調波成分のすべてが超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなり、超音波センサ１０の信号がばね端子２０ａから発生する信号によって妨害されることがなく、また、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象も発生せず、残響特性が改善され、ばね端子２０ａの破損も防止される。
【００２４】
さらに、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２が１枚の金属板からプレス加工などによってそれぞれ一体的に形成されるので、入出力端子２０および２２を安価で大量にかつ精度よく容易に作製することができ、超音波センサ１０の製造コストを抑えることができ、しかも、センサ特性の変動も少なくできる。
【００２５】
また、この超音波センサ１０では、圧電素子１８は、その圧電体基板の長辺がケース１２において閉塞された振動面の振動分布に対して長手方向に合わされ、たとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されているので、すなわち、圧電素子１８の圧電体基板の長さを高調波成分が相殺する程度の長さとしているので、圧電体基板の中央部で発生する電荷と圧電体基板の端部で発生する電荷とを相殺して高調波成分の発生を抑制することができる。そのため、高次振動モードによる不要振動を防止することができ、それによって、残響を抑制することができ、障害物を検知することができる最短距離についての分解能を上げることができる。
【００２６】
さらに、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２において支持部材２４に接触する部分が支持部材２４に固定されているので、それらの部分が支持部材２４に固定されていない場合に比べて、それらの部分が安定し、特性も安定する。
【００２７】
また、この超音波センサ１０では、圧電素子１８への電線の半田付けなどの煩雑な手作業が必要でなくなり、自動化が容易となる。
【００２８】
さらに、この超音波センサ１０では、振動面を支持する側面（ケース１２の側面）が剛性の高い金属で形成されているため、振動漏れを防ぎ残響特性の劣化をもたらす恐れがない。
【００２９】
また、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃがそれぞれ断面コ字状に形成されているため、それらの機械的強度が高い。なお、それらの引出側部分２０ｃおよび２２ｃは、それぞれ断面ロ字状や断面Ｌ字状などに形成されても、同様に、機械的強度が高くなる。
【００３０】
さらに、この超音波センサ１０では、ばね端子２０ａを用いた入出力端子２０で圧電素子１８の振動を阻害することがないため、系の振動モードの共振抵抗値をこれまでより低下させることができ、結果として、全体として電気機械結合係数を上げることができる。
【００３１】
また、この超音波センサ１０では、入出力端子２０としてばね端子２０ａを使用することによって、圧電素子１８の振動を外部へ伝わらせずに閉じ込めるように設計することができる。そのため、圧電素子１８と接するばね端子２０ａに対して圧電素子１８の電歪振動で発生する応力が発生した際にも、ばね端子２０ａが金属疲労を起こさずに、継続的に電気的な接続を保ち続けることが可能となる。
【００３２】
さらに、この超音波センサ１０では、ケース１２の内部に設けられた支持部材２４がケース１２の側面に対していわゆる筋交いの役割を果たし、ケース１２の側面の剛性を上げることに繋がる。このようにケース１２の側面の剛性が上がることによって、ケース１２の側面から漏洩する振動エネルギーを減少させることができるため、この点でもやはり残響特性によい効果をもたらすことができる。
【００３３】
また、この超音波センサ１０では、ケース１２の閉塞面側にダンピング材２６が形成されているので、不要振動や空気中を伝播・反射する音波が吸収されてダンピングされる。
【００３４】
さらに、この超音波センサ１０では、ダンピング材２６となるゲル状の合成樹脂材料や発泡性を有する充填材の量により硬化後における振動面への質量負荷を制御することによって、共振周波数の調整や機械的品質係数Ｑの尖鋭度の調整を行うことができる。
【００３５】
ここで、上述の超音波センサ１０において、圧電素子１８に直接接続されるばね端子２０ａの共振周波数が６ｋＨｚである場合と７２ｋＨｚである場合とのそれぞれの場合について、ケース１２の振動面を削って超音波センサ１０の共振周波数を下げていったときに残響時間がどのようになるかを調べた。
ばね端子２０ａの共振周波数が６ｋＨｚである場合の結果を表１に示し、ばね端子２０ａの共振周波数が７２ｋＨｚである場合の結果を表２に示し、それらの結果を図４（Ａ）のグラフに示した。
【００３６】
【表１】
【表２】
【００３７】
表１、表２および図４（Ａ）のグラフにおいて、残響時間とは、ある駆動回路で測定した際の残響時間の尾引きの程度を表す量であり、図４（Ｂ）に示すように、本実施例においては駆動を停止してから信号が１Ｖにまで低下する時間を示している。
【００３８】
表１、表２および図４（Ａ）のグラフに示す結果から明らかなように、超音波センサの共振周波数がばね端子の共振周波数に近付くと残響時間が長くなりすなわち残響特性が悪くなるのに対して、超音波センサの共振周波数がばね端子の共振周波数から遠くなると残響時間が短くなりすなわち残響特性がよくなることがわかる。また、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの共振周波数よりも高い場合、安定して残響時間が短くなることがわかる。また、ばね端子２０ａの共振周波数が高ければ、残響時間のばらつきも小さいため、超音波センサの共振周波数間に多少のばらつきがあっても問題ないことがわかる。このため、超音波センサの共振周波数に影響を与える超音波センサの各ケース１２および各圧電素子１８の固有振動数に若干のばらつきがあったとしても、残響特性への影響を小さくすることができ、歩留まりを高くすることができる。
【００３９】
図５は、この発明にかかる超音波センサに用いられる入出力端子および支持部材の他の例を示す斜視図である。
図５に示す支持部材２４では、ケース１２の閉塞面側に対向する対向部分２５が凹凸状に形成されている。そのため、支持部材２４においてそのように凹凸状に形成された対向部分２５によってケース１２の振動面である閉塞面から空気中を伝播する音波の反射を減衰させることができ、残響特性の悪化を防ぐ効果がある。また、このような支持部材２４は、ケース１２の振動面から一定の距離を離して設置されるため、支持部材２４に設けられた切欠部２４ｂに音波吸収効果を持つスポンジやフェルトなどの吸収材を詰めることによって、空気中を伝播する音波を効率よく吸収し、内部空間の確保と封止の効果ももたらすことができる。
さらに、図５に示す入出力端子２０では、ばね端子２０ａの先端部２０ｄが、固着強化および位置固定のために、フォーク型形状に形成されている。
図５に示すように、入出力端子や支持部材の形状などは変更されてもよい。
【００４０】
図６は、この発明にかかる超音波センサの他の例を示す分解斜視図である。図６に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、入出力端子２０および２２において部分的に形状や向きが異なる。このように入出力端子２０および２２の形状や向きは変更されてもよい。
また、図６に示す超音波センサ１０では、支持部材２４に、図５に示す支持部材２４と同様に切欠部２４ｂが設けられている。
さらに、図６に示す超音波センサ１０では、支持部材２４上に、音波吸収効果を持つスポンジなどからなる円柱状の音波吸収材２８が接着剤で接着される。
なお、図６中の濃く示している部分は、接着剤である。
【００４１】
図７は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図７に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、特に、入出力端子２０および２２の形状が異なるとともに、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃ間の間隔が狭められている。このように入出力端子２０および２２の形状および位置は変更されてもよい。
【００４２】
上述の図６および図７に示す各超音波センサ１０でも、図１に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏する。
【００４３】
図８は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図８に示す超音波センサ１０でも、圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される入出力端子２０は、折り返し構造を持ちばね性を有するばね端子２０ａを有し、ばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されている。
【００４４】
図８に示す超音波センサ１０では、特に、入出力端子２０のばね端子２０ａが、図９（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、断面コ字状に形成されている。図９（Ａ）は、そのばね端子２０ａを示す斜視図であり、図９（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）および（Ｆ）は、それぞれ、その平面図、底面図、正面図、左側面図および展開図である。図９に示すばね端子２０ａは、圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される先端部２０ｄを含む。先端部２０ｄは、その中央にたとえば直径０．８ｍｍの円形の第１の中空部２０ｅ１が形成されることによって、たとえば外径１．５ｍｍの円環形状に形成される。先端部２０ｄには、その端部から同一平面にのびて、細長い細長部２０ｆが形成される。細長部２０ｆは、先端部２０ｄの中心までの長さＡ（図９（Ｃ）参照）がたとえば４．５ｍｍに形成され、一番細い中間部分などの幅Ｂ（図９（Ｃ）参照）がたとえば０．５ｍｍに形成される。また、細長部２０ｆは、先端部２０ｄ側とは反対側のたとえば０．９ｍｍの部分が、端部に接近するに従って徐々に広がるように形成される。細長部２０ｆには、先端部２０ｄ側とは反対側の端部から垂直方向にのびて、たとえば高さ１．１ｍｍの台形状の垂直部２０ｇが形成される。垂直部２０ｇは、細長部２０ｆ側の端部からその反対側の端部に従って徐々に広がるように形成される。なお、細長部２０ｆと垂直部２０ｇとの間の部分は、たとえば半径２ｍｍの丸みを有するように曲げられている。垂直部２０ｇには、細長部２０ｆ側とは反対側の端部から細長部２０ｆおよび先端部２０ｄに対向するように直角方向にのびて、たとえば長さ６．０ｍｍで幅２．５ｍｍの長方形状の対向部２０ｈが形成される。対向部２０ｈは、細長部２０ｆの幅や先端部２０ｄの幅より広い幅に形成されている。なお、垂直部２０ｇと対向部２０ｈとの間の部分も、たとえば半径２ｍｍの丸みを有するように曲げられている。対向部２０ｈにおいて先端部２０ｄおよび第１の中空部２０ｅ１に対向する部分には、たとえば直径１．５ｍｍの円形の第２の中空部２０ｅ２が形成される。第２の中空部２０ｅ２は、先端部２０ｄを圧電素子１８の他方主面側の電極に接続する際に接続用の材料や工具を通すために用いられるものである。
【００４５】
ばね端子２０ａの対向部２０ｈにおいて垂直部２０ｇ側とは反対側の端部には、図１に示す超音波センサ１０と同様の入出力端子２０の中間部分２０ｂおよび引出側部分２０ｃが一連にのびて形成されている。図８に示す超音波センサ１０における入出力端子２０は、ばね性を有するたとえば厚さ０．１ｍｍのリン青銅Ｃ５２１０Ｈからなる板材をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００４６】
図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａは、先端部２０ｄが圧電素子１８の他方主面側の電極に対向するとともに対向部２０ｈが支持部材２４の下面に対向するように配置される。この場合、対向部２０ｈに形成された第２の中空部２０ｅ２は、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａに対応される。そして、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａおよびばね端子２０ａに形成された第２の中空部２０ｅ２に接続用の材料や工具を通して、ばね端子２０ａの先端部２０ｄが圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される。なお、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａは、板状の蓋３０を接着することにより塞がれる。
【００４７】
また、入出力端子２０において、中間部分２０ｂは支持部材２４にインサートモールド工法などで埋め込まれ、引出側部分２０ｃはケース１２の内部から外部に配置される。
【００４８】
さらに、他方の入出力端子２２は、接続側部分２２ａがケース１２の内面に接続され、中間部分２２ｂが支持部材２４の側面から上面に沿わされ、引出側部分２２ｃがケース１２の内部から外部に配置される。
【００４９】
図８に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８に接続される入出力端子２０として断面コ字状の折り返し構造を持つばね端子２０ａが使用されているので、圧電素子１８の振動を阻害することなく、圧電素子１８の振動が入出力端子２０のばね端子２０ａで充分に吸収され、ケース１２やセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
【００５０】
また、図８に示す超音波センサ１０でも、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子２０ａの基本波成分および高調波成分のすべてが超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなり、超音波センサ１０の信号がばね端子２０ａから発生する信号によって妨害されることがなく、また、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象も発生せず、残響特性が改善され、ばね端子２０ａの破損も防止される。
【００５１】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と同様の他の効果も奏する。
【００５２】
また、図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａにおいて支持部材２４に接触する部分の幅が、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される側よりも広いので、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される側も広い場合に比べて、ばね端子２０ａの共振周波数が高くなり、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象がさらに発生しにくくなる。
【００５３】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａが断面コ字状に形成されているにもかかわらず、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される先端部２０ｄおよび第１の中空部２０ｅ１に対向する所定の位置に第２の中空部２０ｅ２が形成されているので、第２の中空部２０ｅ２を利用して接続用の材料や工具を通すことができ、ばね端子２０ａの先端部２０ｄを圧電素子１８の他方主面側の電極に容易に接続することができる。
【００５４】
ここで、図９に示すばね端子２０ａにおいて、対向部２０ｈを拘束した状態で先端部２０ｄに図９（Ａ）の矢印で示す方向に強制変位を与えたときの応力調和解析を行った。この場合、強制変位は、４８ｋＨｚで０．６ｍ／ｓに相当する２．３９μｍを与えた。この４８ｋＨｚとは、センサ振動面が駆動する駆動周波数と同じ周波数であり、０．６ｍ／ｓとは、実際に超音波センサをある電圧で駆動させレーザ変位計から読み取った振動面中心の最大振幅である。また、その対象となるモデルとして、２つのモデルを選択した。図９（Ｃ）における長さＡを変化させることで共振周波数が変化することから、その長さＡが４．５ｍｍであるモデルとその長さＡが３．０ｍｍであるモデルとの２つのモデルを選択した。
【００５５】
長さＡが４．５ｍｍであるモデルの場合、共振解析を行なうと、一番小さな共振モードが２４．７ｋＨｚに存在することがわかった。
【００５６】
図１０は、長さＡが４．５ｍｍであるモデルの共振周波数２４．７ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【００５７】
図１０から明らかなように、それらの振動は、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆの振動を垂直部２０ｇおよび対向部２０ｈに伝えないような振動であり、腹１つの振動が起きている。このとき、ばね端子２０ａの共振周波数は２４．７ｋＨｚのため、センサの使用周波数（駆動周波数）の４８ｋＨｚを下回っていることがわかる。
【００５８】
次に、長さＡが３．０ｍｍであるモデルの場合、共振解析を行なうと、最初に生じる共振周波数が６１．１ｋＨｚであり、センサの使用周波数（駆動周波数）を上回っている。
【００５９】
図１１は、長さＡが３．０ｍｍであるばね端子２０ａのモデルの共振周波数６１．１ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【００６０】
図１１から明らかなように、それらの振動は、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆの振動を垂直部２０ｇおよび対向部２０ｈに伝えないような振動であり、腹１つの振動が起きている。
【００６１】
このモードで調和解析を行なうと、図１２に示すグラフの結果が得られた。
【００６２】
図１２は、図１１に示すばね端子２０ａにおけるｙ方向座標に対する最大主応力を示すグラフであり、図１３は、そのばね端子２０ａにおけるｙ方向座標を説明するための図解図である。ここで、ｙ方向座標は、図１３に示すライン上の点を取っている。
【００６３】
図１２のグラフより、センサの周波数が高くなるにつれて、すなわち、センサの周波数とばね端子２０ａの周波数が近づくにつれて、最大主応力の最大値が大きくなっていく様子がわかる。ただし、図１２のグラフでは、厚みが０．１ｍｍのばね端子２０ａを考えているが、ばね端子２０ａの先端部２０ｄおよび細長部２０ｆがたわむと、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆ側と対向部２０ｈ側とで異なる場所で引っ張り応力がかかっている。たとえば、図１４（Ａ）は、図１１に示すばね端子２０ａにおいて４８ｋＨｚの調和解析の振動モードを斜め上から見た斜視図であり、図１４（Ｂ）は、その振動モードを斜め下から見た斜視図である。そして、図１２のグラフでは、図１４に示すように先端部２０ｄおよび細長部２０ｆ側と対向部２０ｈ側との両方で発生している応力を合わせて描いている。
ばね端子２０ａの共振モードよりも低い周波数で使用することで疲労が起こりにくいと推測される。以下には、このモデルについて調和解析を行った結果を図１２のグラフに示す。
【００６４】
また、図１２のグラフより、長さＡが３．０ｍｍであるモデルでは、周波数５４ｋＨｚの場合に疲れ限界の１５０ＭＰａを超えてしまっている点が見られるが、５２ｋＨｚ以下であれば疲れ限界の１５０ＭＰａよりも低く、４８ｋＨｚの場合の最大主応力は８０ＭＰａ程度であることがわかる。これより、ばね端子２０ａの共振周波数に対してセンサの周波数が１．１７５倍（６１．１ｋＨｚ／５２ｋＨｚ）以上高い場合、最大主応力が低減され好ましいことがわかる。
【００６５】
以上のようなシミュレーション解析から、ばね端子２０ａの長さが長い方が、ばね端子の最初に生じる共振周波数が低いため、超音波センサの共振周波数より低くなることがわかる。また、ばね端子の共振周波数が超音波センサの共振周波数よりも高くすることによって残響は抑制されるが、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの共振周波数に近い場合、最大主応力が大きいため、金属疲労などが生じやすくなる。しかし、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの周波数の１．１７５倍以上である場合、ばね端子の両端２０ｄ、２０ｇおよび中央部２０ｆにかかる最大主応力を低減することができ、ばね端子の金属疲労を防ぐことができるため、ばね端子としてより好ましいことがわかる。
このように、ばね端子の長さを変化させるだけでなく、たとえば、材質、幅、厚みなどを変化させることで、超音波センサの共振周波数とばね端子の共振周波数とを異ならせることができ、超音波センサの残響特性に悪影響を引き起こさないようすることができる。
【００６６】
たとえば、共振周波数は、ばね端子が短く、狭く、厚いほど高くなる。その長さを３ｍｍとしたときの共振周波数の変化を図１５に示す。なお、図１５（Ａ）は、長さ３ｍｍのばね端子における幅などに対する共振周波数を示すグラフであり、図１５（Ｂ）は、ばね端子の長さおよび幅を示す図解図である。
【００６７】
図１６は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図１６に示す超音波センサ１０では、図８に示す超音波センサ１０と比べて、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃがそれぞれリード線で形成されている。
図１６に示す超音波センサ１０でも、図８に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏する。
【００６８】
図１７（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図１７（Ｂ）は、その平面図解図であり、図１７（Ｃ）は、その側面図解図である。図１７に示す超音波センサ１０では、特に、ケース１２が有底円筒状に形成されている。ケース１２は、有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６を含む。有底筒状ケース部１４は、有底円筒状に形成され、筒状ケース部１６の外側に配置される。また、筒状ケース部１６は、円筒状に形成され、有底筒状ケース部１４の内側に配置される。そして、有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６は、有底円筒状に一体的に接合される。
【００６９】
また、筒状ケース部１６には、ケース１２の振動部側の端部において対向する２つの部分に、たとえば矩形状の切欠１７、１７が形成されている。図１８に超音波センサ１０の基本振動の振動状態を有限要素法により解析した結果を示す。これらの切欠１７、１７によって、超音波センサ１０の基本振動モードの実効振動面積が円形ではなく、図１８に濃く示した部分のように、実効振動面積の大きい方向と小さい方向とが存在する楕円形状となる。この実効振動面積の大きい方向は、２つの切欠１７、１７を直線で結ぶ方向であり、実効振動面積の小さい方向は、２つの切欠１７、１７を直線で結ぶ方向に直交する方向である。このように超音波センサ１０の実効振動面積が異方性を有するのは、たとえば、その超音波センサ１０を自動車のコーナソナーやバックソナーとして用いて、障害物を縦方向には狭く検知し横方向には広く検知したいという場合などに有効である。
【００７０】
さらに、図１７に示す超音波センサ１０では、長方形状の圧電素子１８が用いられ、圧電素子１８は、その長辺が実効振動面積の大きい方向に沿い、かつ、その短辺が実効振動面積の小さい方向に沿うように配置される。なお、図１７に示す超音波センサ１０における実効振動面積や圧電素子１８の配置について、図１に示す超音波センサ１０においても同様な実効振動面積や圧電素子の配置を有している。
【００７１】
図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８に駆動電圧を印加すると、振動面は図１８に濃く示した楕円形状の部分が基本振動モードで振動する。図１９（Ａ）に超音波センサ１０の高次の振動モードの振動状態を有限要素法により解析した結果を示す。それと同時に、その基本振動の高調波も励起されてしまい、たとえば図１９（Ａ）に濃く示した部分が振動し、振動面は振動面に複数の節を持つ高次の振動モードで振動する。このような高次の振動モードの振動は、実効振動面積の大きい方向において振動面に複数の節を持ち、振動面には、たとえば図１９（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図解図である図１９（Ｂ）に示すように、実効振動面積の大きい方向において中心部分が振動する位相とは逆の位相で振動する部分が存在する。
したがって、図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８が、超音波センサ１０のたとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されることなる。そのため、高次の振動モードによる電歪効果で発生する電荷が打ち消しあって、振動として早く減衰することになる。以上の作用により、基本振動よりも高次の不要振動を抑えることができ、その結果、残響の尾引きを低下し、すなわち、残響時間を短くし、障害物を検知することができる最短距離についての分解能を上げることができる。
なお、このような効果は、圧電素子１８の圧電体基板が長方形状の角部を丸くした形状に形成されていても奏する効果であって、圧電素子１８の圧電体基板がそのような形状や長方形状などの略長方形状に形成されていれば奏する効果である。
【００７２】
また、図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８が長方形状に形成されているため、圧電素子１８に用いられる長方形状の圧電体基板は、シート成型された大型の圧電板を個々の片にカットすることで寸法精度よく大量に生産することができ、特性のばらつきを緩和することができる。
【００７３】
ここで、圧電素子を正方形状に（幅および長さをそれぞれ６．２ｍｍに、厚みを０．１５ｍｍに）形成した場合と、圧電素子を長方形状に（幅を５．０ｍｍに、長さを８．０ｍｍに、厚さを０．１５ｍｍに）形成した場合とのそれぞれの場合について、圧電素子における周波数に対するインピーダンスを計算により求めた。圧電素子を正方形状に形成した場合の結果を図２０のグラフに示し、圧電素子を長方形状に形成した場合の結果を図２１のグラフに示す。
【００７４】
図２０のグラフおよび図２１のグラフより、基本周波数４０ｋＨｚの振動に対して、正方形状に形成した圧電素子では、１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚに高次の共振点が見られるが、長方形状に形成した圧電素子では、１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚの振動モードを抑える効果が見られるのがわかる。
【００７５】
また、基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２２（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２２（Ｂ）に示した。図２２より、基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみは、圧電素子の中心が大きくひずんで変位しているのがわかり、また、圧電素子の長さ方向における端はほとんど変位していないことがわかる。
【００７６】
さらに、３次高調波振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２３（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２３（Ｂ）に示した。図２３より、３次高調波振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみは、圧電素子の中心の変位方向と圧電素子の長さ方向における端の変位方向とは互いに逆方向である。このような場合、ひずみによって圧電素子全体に発生する電荷の正負が中心と端とで異なるため、圧電素子の片面全体を覆っている電極を伝わって発生電荷が互いに相殺され、振動モードとして抑制されることになる。
【００７７】
また、高次の振動モードにおける正方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２４（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２４（Ｂ）に示した。図２４より、圧電素子が正方形状の場合、長方形状の場合と異なり、圧電素子の中心の変位方向と長さ方向における端の変位方向とは互いに逆方向であるが、それらの変位量が異なる。このため、ひずみによって圧電素子全体に発生する電荷の相殺量が異なり、振動モードとして残ってしまうことになる。
【００７８】
図２５（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２５（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２５（Ｃ）は、その側面図解図である。図２５に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、特に圧電素子１８の圧電体基板が楕円形状に形成され、圧電素子１８は、その長辺が実効振動面積の大きい方向に沿い、かつ、その短辺が実効振動面積の小さい方向に沿うように配置される。
図２５に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８の圧電体基板が楕円形状に形成され、その長辺および短辺が実効振動面積の大きい方向および小さい方向にそれぞれ沿わされているので、圧電素子１８の圧電体基板が高次の振動モードで振動する部分に大きく重なるので、最も多くの不要高次振動を抑制することができる。
【００７９】
図２６（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２６（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２６（Ｃ）は、その側面図解図である。図２６に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、特に圧電素子１８の圧電体基板が６角形状に形成され、圧電素子１８の一番長い対角線が実効振動面積の大きい方向に沿わされることによって、高次の振動モードが抑制される。
なお、圧電素子１８を他の多角形状に形成し、その一番長い対角線が実効振動面積の大きい方向に沿わされても高次の振動モードを抑制することが可能である。
また、そのように圧電素子１８の圧電体基板を６角形状などの多角形状に形成すると、１枚の大きな圧電板から無駄を少なくして多数の圧電体基板を製造することができ、圧電体基板の製造コストを抑えることが可能である。
【００８０】
図２７（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２７（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２７（Ｃ）は、その側面図解図である。図２７に示す超音波センサ１０では、特に、圧電素子１８として、３枚の圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃが用いられる。これらの圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃは、実効振動面積の大きい方向に間隔を隔てて配置される。また、両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃは小さく形成され、中央の圧電体基板１８ｂは大きく形成される。さらに、両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃと中央の圧電体基板１８ｂとは、互いに逆の厚み方向に分極され、分極方向が異なる。また、これらの圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃには、それらの一方主面側に一方の電極が共通に形成され、それらの他方主面側に他方の電極が共通に形成される。
図２７に示す超音波センサ１０では、高次モードによって両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃに発生する電荷と中央の圧電体基板１８ｂに発生する電荷とが相殺される。
このように高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃを同じ厚み方向に分極するとともに、一方の電極および他方の電極を圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃごとに分割して形成し、それらの電極を信号線で交互に接続することによって、高次モードによって両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃに発生する電荷と中央の圧電体基板１８ｂに発生する電荷とを相殺するようにしてもよい。
なお、高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電素子として、３枚の圧電体基板が用いられる代わりに、形状は変形する必要がある場合はあるが、２枚または４枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
【００８１】
図２８（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２８（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２８（Ｃ）は、その側面図解図であり、図２８（Ｄ）は、その超音波センサに用いられる圧電素子を示す拡大図である。図２８に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、圧電素子１８が、長方形状の圧電体基板１９ａを、ケース１２の材料と異なる異種金属からなる金属板１９ｂに接合することによって形成されている。なお、圧電体基板１９ａにおいて、金属板１９ｂ側の主面とは反対側の主面には、電極が形成されている。この圧電素子１８は、金属板１９ｂがケース１２の振動面に導電性接着剤などで接続される。
図２８に超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏するとともに、１枚の大きい圧電板を１枚の大きな金属板に接合した後に個々に切り出すことによって多数の圧電体基板を製造することができるため、圧電体基板の製造工数の削減を図ることができ、また、異種金属からなる金属板１９ｂがケース１２と圧電体基板１９ａとの間に存在するので、ケース１２と圧電体基板１９ａとの線膨張係数差の緩和に繋がり、温度特性が向上する。
【００８２】
なお、上述の各超音波センサ１０では、各部が特定の大きさ、形状、配置、材料、数で規定されているが、この発明では、それらは任意に変更されてもよく、このように変更することによって、残響特性などの特性がさらに改善されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
この発明にかかる超音波センサは、たとえば、自動車のコーナソナーやバックソナーなどに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】この発明にかかる超音波センサの一例を示す断面図解図である。
【図２】図１に示す超音波センサに用いられる入出力端子を示す斜視図である。
【図３】図２に示す入出力端子に支持部材を形成した状態を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）は超音波センサの共振周波数に対する残響時間を示すグラフであり、（Ｂ）は残響時間を説明するためのグラフである。
【図５】この発明にかかる超音波センサに用いられる入出力端子および支持部材の他の例を示す斜視図である。
【図６】この発明にかかる超音波センサの他の例を示す分解斜視図である。
【図７】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図８】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図９】（Ａ）は図８に示す超音波センサに用いられるばね端子を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）および（Ｆ）はそれぞれその平面図、底面図、正面図、左側面図および展開図である。
【図１０】図９に示すばね端子において長さＡが４．５ｍｍの場合の共振周波数２４．７ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１１】図９に示すばね端子において長さＡが３．０ｍｍの場合の共振周波数６１．１ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１２】図１１に示すばね端子におけるｙ方向座標に対する最大主応力を示すグラフである。
【図１３】図１１に示すばね端子のｙ方向座標を説明するための図解図である。
【図１４】（Ａ）は図１１に示すばね端子において４８ｋＨｚの調和解析の振動モードを斜め上から見た斜視図であり、（Ｂ）はその振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１５】（Ａ）は長さ３ｍｍのばね端子における幅などに対する共振周波数を示すグラフであり、（Ｂ）はばね端子の長さおよび幅を示す図解図である。
【図１６】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図１７】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図１８】超音波センサにおける基本振動モードを示す斜視図である。
【図１９】（Ａ）は超音波センサにおける高次の振動モードを示す斜視図であり、（Ｂ）はその高調波の振動モードを示す（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図解図である。
【図２０】６．２ｍｍ×６．２ｍｍの正方形状の圧電素子の周波数−インピーダンス特性を示すグラフである。
【図２１】５．０ｍｍ×８．０ｍｍの長方形状の圧電素子の周波数−インピーダンス特性を示すグラフである。
【図２２】（Ａ）は基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２３】（Ａ）は３次高調振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２４】（Ａ）は高次の振動モードにおける正方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２５】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２６】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２７】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２８】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図であり、（Ｄ）はその超音波センサに用いられる圧電素子を示す部分拡大図である。
【図２９】従来の超音波センサの一例を示す断面図解図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０ 超音波センサ
１２ ケース
１４ 有底筒状ケース部
１６ 筒状ケース部
１６ａ 凸部
１７ 切欠
１８ 圧電素子
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ 圧電体基板
１９ｂ 金属板
２０、２２ 入出力端子
２０ａ ばね端子
２０ｂ、２２ｂ 中間部分
２０ｃ、２２ｃ 引出側部分
２０ｄ 先端部
２０ｅ 中空部
２０ｅ１ 第１の中空部
２０ｅ２ 第２の中空部
２０ｆ 細長部
２０ｇ 垂直部
２０ｈ 対向部
２２ａ 接続側部分
２４ 支持部材
２４ａ 貫通孔
２４ｂ 切欠部
２５ 対向部分
２６ ダンピング材
２８ 音波吸収材
３０ 蓋
【技術分野】
【０００１】
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入出力端子を有し、たとえば、自動車のコーナ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。
【背景技術】
【０００２】
自動車の周囲に存在する障害物を検知するためのコーナソナーやバックソナーが、自動車のコーナや後部のバンパなどに取り付けられることがある。これらのコーナソナーやバックソナーには超音波センサが使用され、超音波センサから送信されて障害物から反射された超音波の送受信時間により障害物との距離が検知される。これらの超音波センサでは、自動車から数１０ｃｍ程度の近距離に存在する障害物を検知する必要がある。
【０００３】
従来の超音波センサでは、圧電素子の電極を電気的にケースの外部へ引き出すために圧電素子との導通に関しては細くて柔らかい電線が使用されていたが、電線は手作業により圧電素子に半田付けしなければならなく手間と時間がかかっていた。また、電線の半田付け位置のばらつきにより、センサ特性が変動するという問題もあった。
【０００４】
上述のような問題を改善するために、図２９に示す構造を持つ超音波センサが考え出された。図２９は、従来の超音波センサの一例を示す断面図解図である。図２９に示す超音波センサ１は、絶縁体からなる有底筒状のケース２を含み、ケース２の内底部に圧電素子３が配置され、ケース２の筒部に入出力端子４、５が埋設されている。この構造により、圧電素子３と入出力端子４、５との接続が簡素化され、接続位置のばらつきの低減による特性のばらつきの改善が可能となる（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６６４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、図２９に示す超音波センサ１では、圧電素子３に直接接続されている入出力端子４がケース２の筒部に埋設されているため、圧電素子３の振動が入出力端子４を介してケース２の筒部に漏れて伝わり、ケース２の側面の振動が減衰されず、残響特性が劣化するという問題があった。
さらに、図２９に示す超音波センサ１では、ケース２の側面から圧電素子３までの距離が長くなると入出力端子４の長さが長くなり、入出力端子４の共振周波数と超音波センサの駆動周波数が同じ程度になり、超音波センサ全体の残響特性が悪化したりするという問題があった。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、残響特性がよい超音波センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明にかかる超音波センサは、有底筒状のケースと、一方主面および他方主面を有し、一方主面がケースの内底部に配置される圧電素子と、圧電素子に電気的に接続され、ケースの外部に引き出される入出力端子とを有する超音波センサであって、圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用され、ばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成された、超音波センサである。
この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子は金属で一体的に形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されてもよい。この場合、折り返し構造を持つばね端子を使用し、そのばね端子において支持部材に接触する部分が、支持部材に固定されていることが好ましい。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いことが好ましい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、ばね端子において第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子はケースの所定の位置に接続されてもよい。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は筒状ケース部の所定の位置に接続されてもよい。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
【０００９】
この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用されているので、圧電素子の振動を阻害することなく、圧電素子の振動がばね端子で充分に吸収され、ケースやセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
しかも、この発明にかかる超音波センサでは、そのばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子と超音波センサとの共振現象が発生せず、残響時間が短くなり、すなわち残響特性が改善される。
また、この発明にかかる超音波センサでは、入出力端子が金属で一体的に形成されると、入出力端子を安価で大量にかつ精度よく容易に作製することができ、超音波センサの製造コストを抑えることができ、しかも、センサ特性の変動も少なくできる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースの内部において圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、入出力端子と支持部材とが一体的に形成されると、入出力端子を支持部材で支持することができる。この場合、ばね端子において支持部材に接触する部分が支持部材に固定されていると、その部分が支持部材に固定されていない場合に比べて、その部分が安定し、特性も安定する。また、ばね端子において支持部材に接触する部分の幅が、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広いと、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される側も広い場合に比べて、ばね端子の共振周波数が高くなり、ばね端子と超音波センサとの共振現象がさらに発生しにくくなる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ばね端子において圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、ばね端子において第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成されていると、第２の中空部を利用して、ばね端子の端部を圧電素子に容易に接続することができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが金属で形成され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子がケースの所定の位置に接続されると、ケースを電気的な導通路としても働かせることができる。
さらに、この発明にかかる超音波センサでは、ケースが、金属で形成された有底筒状ケース部および有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、筒状ケース部の内部に支持部材が配置され、圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子が筒状ケース部の所定の位置に接続されると、ケースの有底筒状ケース部および筒状ケース部を電気的な導通路としても働かせることができる。
また、この発明にかかる超音波センサでは、圧電素子として、たとえば、長方形状の圧電体基板、楕円形状の圧電体基板、または、分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられると、高次振動モードによって圧電体基板に発生する電荷を相殺することができ、高次振動モードによる不要振動を防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、残響特性がよい超音波センサが得られる。
【００１１】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、この発明にかかる超音波センサの一例を示す断面図解図である。図１に示す超音波センサ１０は、たとえば有底筒状のアルミニウムや亜鉛などの金属からなるケース１２を含む。ケース１２は、閉塞面を有するアルミニウムなどの金属からなる有底筒状ケース部１４およびそれにはめ込まれる亜鉛などの金属からなる筒状ケース部１６を含む。有底筒状ケース部１４には、筒状ケース部１６がはめ込まれて接着剤で接着される。そのため、ケース１２において有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６は、有底筒状に一体となるように固着されるとともに、電気的に接続されて全体として１つの導通路となる。
【００１３】
ケース１２において有底筒状ケース部１４の内底部には、たとえば長方形状の圧電素子１８の一方主面が配置され、導電性接着剤で接着される。このように一端が開口するとともに他端が閉塞面であるケース１２の閉塞面の内側に圧電素子１８が配置されるので、ケース１２の閉塞面が圧電素子１８と一体となって振動することにより音波の送受を行うことができる。この圧電素子１８は、異方性を有した形状たとえば長方形状に形成された圧電体基板を含み、圧電体基板においてケース１２の閉塞面に対向する主面とその逆の主面との両主面には、それぞれ電極が形成されている。そして、圧電素子１８のこれらの電極などを介して、圧電素子１８の圧電体基板に電気的信号を印加することによって、圧電素子１８などを振動することができる。さらに、この圧電素子１８は、その圧電体基板の長辺がケース１２において閉塞された振動面の振動分布に対して長手方向に合わされ、たとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されている。
【００１４】
圧電素子１８には、金属からなる入出力端子２０および２２が電気的に接続される。また、これらの入出力端子２０および２２は、ケース１２の内部からケース１２の外部に引き出される。
【００１５】
一方の入出力端子２０は、圧電素子１８の他方主面側の電極に電気的に接続されるものであって、ばね性を有するばね端子２０ａを有する。また、ばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成される。この入出力端子２０は、たとえば、フレーム１００からのびて形成された状態を図２に示すように、断面Ｌ字状のばね端子２０ａ、断面Ｌ字状の中間部分２０ｂおよびピン状の引出側部分２０ｃからなる。ばね端子２０ａ、中間部分２０ｂおよび引出側部分２０ｃは、一連にのびて一体的に形成される。また、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される先端部２０ｄは、固着強化および位置固定のために、その中央に円形の中空部２０ｅが形成されることによって円環形状に形成される。さらに、引出側部分２０ｃは、強度を高めるために断面コ字状に形成される。この入出力端子２０は、ばね性を有する１枚の金属板をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００１６】
他方の入出力端子２２は、ケース１２を介して、圧電素子１８の一方主面側の電極に電気的に接続されるものである。この入出力端子２２は、たとえば図２に示すように、一連にのびて形成される接続側部分２２ａ、中間部分２２ｂおよび引出側部分２２ｃからなる。接続側部分２２ａは、図１に示すように、ケース１２の筒状ケース部１６の内面に対向するように折り曲げられ、その先端部が筒状ケース部１６の内面に接続されるものである。また、中間部分２２ｂは、Ｌ字状に形成される。さらに、引出側部分２２ｃは、強度を高めるために断面コ字状に形成される。この入出力端子２２も、ばね性を有する１枚の金属板をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００１７】
これらの入出力端子２０および２２は、絶縁性を有する合成樹脂からなる円柱状の支持部材２４で支持される。この場合、入出力端子２０および２２は、図１および図３に示すように、それらの中間部分２０ｂおよび２２ｂが支持部材２４に埋め込まれて固定され、支持部材２４と一体的に形成される。なお、支持部材２４は、たとえばインサートモールド工法で樹脂成型することによって、入出力端子２０および２２と一体的に形成される。そのため、支持部材２４は、安価に大量に生産することが可能である。入出力端子２０および２２は、支持部材２４に埋め込まれている中間部分２０ｂおよび２２ｂが断面Ｌ字状およびＬ字状にそれぞれ形成されているため、支持部材２４から抜けることがない。なお、入出力端子２０および２２は、図３に示すように支持部材２４に固定された状態において、フレーム１００から切り離される。
【００１８】
支持部材２４は、ケース１２の内部において圧電素子１８の他方主面側に配置され、筒状ケース部１６に固着される。この場合、筒状ケース部１６はケース１２の閉塞面側に凸部１６ａを有し、支持部材２４はその凸部１６ａによって圧電素子１８に当たらないようにケース１２の閉塞面から浮かされる。また、この場合、入出力端子２０および２２は、ばね端子２０ａの先端部２０ｄおよび接続側部分２２ａが圧電素子１８の他方主面側の電極および筒状ケース部１６の内面にそれぞれ対向するように配置され、それらの引出側部分２０ｃおよび２２ｃがケース１２の内部から外部に配置される。ばね端子２０ａの先端部２０ｄは、圧電素子１８の他方主面側の電極に導電性接着剤で接着されて電気的に接続される。この場合、支持部材２４においてばね端子２０ａの先端部２０ｄに対応する部分に貫通孔２４ａが形成されていて、この貫通孔２４ａを通して、ばね端子２０ａの先端部２０ｄと圧電素子１８の電極とが導電性接着剤で接着される。また、入出力端子２２の接続側部分２２ａの先端部は、筒状ケース部１６の内面に導電性接着剤で接着されて電気的に接続される。なお、入出力端子２０および２２は、導電性接着剤で接着される代わりに、他の手段たとえば導電性樹脂、リフロー半田などの半田、溶接、溶着、ワイヤボンダなどによって、所定の部分に接続されてもよい。
【００１９】
ケース１２において圧電素子１８が形成された閉塞面側には、支持部材２４の貫通孔２４ａを通して、ゲル状の合成樹脂材料を塗布して乾燥したり発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡したりすることによって、不要振動や空気中を伝播・反射する音波を吸収するためのダンピング材２６が形成される。
【００２０】
また、支持部材２４の貫通孔２４ａは、そこに発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡することによって塞がれる。さらに、ケース１２の内部において支持部材２４の外側は、そこに発泡性を有するシリコン樹脂などの充填材を充填して発泡することによって封止される。
【００２１】
この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２に駆動電圧を印加することにより、圧電素子１８が励振される。圧電素子１８の振動により、圧電素子１８はケース１２の閉塞面とともに振動し、圧電素子１８の主面に直交する向きに超音波が発せられる。超音波センサ１０から発せられた超音波が被検出物で反射し、超音波センサ１０に到達すると、圧電素子１８が振動して電気信号に変換されて、入出力端子２０および２２から電気信号が出力される。したがって、駆動電圧を印加してから電気信号が出力されるまでの時間を測定することにより、超音波センサ１０から被検出物までの距離を測定することができる。
【００２２】
この超音波センサ１０では、圧電素子１８に接続される入出力端子２０として断面Ｌ字状のばね端子２２ａが使用されているので、圧電素子１８の振動を阻害することなく、圧電素子１８の振動が入出力端子２０のばね部分（ばね端子２０ａ）で充分に吸収され、ケース１２やセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
【００２３】
また、この超音波センサ１０では、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子２０ａの基本波成分および高調波成分のすべてが超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなり、超音波センサ１０の信号がばね端子２０ａから発生する信号によって妨害されることがなく、また、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象も発生せず、残響特性が改善され、ばね端子２０ａの破損も防止される。
【００２４】
さらに、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２が１枚の金属板からプレス加工などによってそれぞれ一体的に形成されるので、入出力端子２０および２２を安価で大量にかつ精度よく容易に作製することができ、超音波センサ１０の製造コストを抑えることができ、しかも、センサ特性の変動も少なくできる。
【００２５】
また、この超音波センサ１０では、圧電素子１８は、その圧電体基板の長辺がケース１２において閉塞された振動面の振動分布に対して長手方向に合わされ、たとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されているので、すなわち、圧電素子１８の圧電体基板の長さを高調波成分が相殺する程度の長さとしているので、圧電体基板の中央部で発生する電荷と圧電体基板の端部で発生する電荷とを相殺して高調波成分の発生を抑制することができる。そのため、高次振動モードによる不要振動を防止することができ、それによって、残響を抑制することができ、障害物を検知することができる最短距離についての分解能を上げることができる。
【００２６】
さらに、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２において支持部材２４に接触する部分が支持部材２４に固定されているので、それらの部分が支持部材２４に固定されていない場合に比べて、それらの部分が安定し、特性も安定する。
【００２７】
また、この超音波センサ１０では、圧電素子１８への電線の半田付けなどの煩雑な手作業が必要でなくなり、自動化が容易となる。
【００２８】
さらに、この超音波センサ１０では、振動面を支持する側面（ケース１２の側面）が剛性の高い金属で形成されているため、振動漏れを防ぎ残響特性の劣化をもたらす恐れがない。
【００２９】
また、この超音波センサ１０では、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃがそれぞれ断面コ字状に形成されているため、それらの機械的強度が高い。なお、それらの引出側部分２０ｃおよび２２ｃは、それぞれ断面ロ字状や断面Ｌ字状などに形成されても、同様に、機械的強度が高くなる。
【００３０】
さらに、この超音波センサ１０では、ばね端子２０ａを用いた入出力端子２０で圧電素子１８の振動を阻害することがないため、系の振動モードの共振抵抗値をこれまでより低下させることができ、結果として、全体として電気機械結合係数を上げることができる。
【００３１】
また、この超音波センサ１０では、入出力端子２０としてばね端子２０ａを使用することによって、圧電素子１８の振動を外部へ伝わらせずに閉じ込めるように設計することができる。そのため、圧電素子１８と接するばね端子２０ａに対して圧電素子１８の電歪振動で発生する応力が発生した際にも、ばね端子２０ａが金属疲労を起こさずに、継続的に電気的な接続を保ち続けることが可能となる。
【００３２】
さらに、この超音波センサ１０では、ケース１２の内部に設けられた支持部材２４がケース１２の側面に対していわゆる筋交いの役割を果たし、ケース１２の側面の剛性を上げることに繋がる。このようにケース１２の側面の剛性が上がることによって、ケース１２の側面から漏洩する振動エネルギーを減少させることができるため、この点でもやはり残響特性によい効果をもたらすことができる。
【００３３】
また、この超音波センサ１０では、ケース１２の閉塞面側にダンピング材２６が形成されているので、不要振動や空気中を伝播・反射する音波が吸収されてダンピングされる。
【００３４】
さらに、この超音波センサ１０では、ダンピング材２６となるゲル状の合成樹脂材料や発泡性を有する充填材の量により硬化後における振動面への質量負荷を制御することによって、共振周波数の調整や機械的品質係数Ｑの尖鋭度の調整を行うことができる。
【００３５】
ここで、上述の超音波センサ１０において、圧電素子１８に直接接続されるばね端子２０ａの共振周波数が６ｋＨｚである場合と７２ｋＨｚである場合とのそれぞれの場合について、ケース１２の振動面を削って超音波センサ１０の共振周波数を下げていったときに残響時間がどのようになるかを調べた。
ばね端子２０ａの共振周波数が６ｋＨｚである場合の結果を表１に示し、ばね端子２０ａの共振周波数が７２ｋＨｚである場合の結果を表２に示し、それらの結果を図４（Ａ）のグラフに示した。
【００３６】
【表１】
【表２】
【００３７】
表１、表２および図４（Ａ）のグラフにおいて、残響時間とは、ある駆動回路で測定した際の残響時間の尾引きの程度を表す量であり、図４（Ｂ）に示すように、本実施例においては駆動を停止してから信号が１Ｖにまで低下する時間を示している。
【００３８】
表１、表２および図４（Ａ）のグラフに示す結果から明らかなように、超音波センサの共振周波数がばね端子の共振周波数に近付くと残響時間が長くなりすなわち残響特性が悪くなるのに対して、超音波センサの共振周波数がばね端子の共振周波数から遠くなると残響時間が短くなりすなわち残響特性がよくなることがわかる。また、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの共振周波数よりも高い場合、安定して残響時間が短くなることがわかる。また、ばね端子２０ａの共振周波数が高ければ、残響時間のばらつきも小さいため、超音波センサの共振周波数間に多少のばらつきがあっても問題ないことがわかる。このため、超音波センサの共振周波数に影響を与える超音波センサの各ケース１２および各圧電素子１８の固有振動数に若干のばらつきがあったとしても、残響特性への影響を小さくすることができ、歩留まりを高くすることができる。
【００３９】
図５は、この発明にかかる超音波センサに用いられる入出力端子および支持部材の他の例を示す斜視図である。
図５に示す支持部材２４では、ケース１２の閉塞面側に対向する対向部分２５が凹凸状に形成されている。そのため、支持部材２４においてそのように凹凸状に形成された対向部分２５によってケース１２の振動面である閉塞面から空気中を伝播する音波の反射を減衰させることができ、残響特性の悪化を防ぐ効果がある。また、このような支持部材２４は、ケース１２の振動面から一定の距離を離して設置されるため、支持部材２４に設けられた切欠部２４ｂに音波吸収効果を持つスポンジやフェルトなどの吸収材を詰めることによって、空気中を伝播する音波を効率よく吸収し、内部空間の確保と封止の効果ももたらすことができる。
さらに、図５に示す入出力端子２０では、ばね端子２０ａの先端部２０ｄが、固着強化および位置固定のために、フォーク型形状に形成されている。
図５に示すように、入出力端子や支持部材の形状などは変更されてもよい。
【００４０】
図６は、この発明にかかる超音波センサの他の例を示す分解斜視図である。図６に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、入出力端子２０および２２において部分的に形状や向きが異なる。このように入出力端子２０および２２の形状や向きは変更されてもよい。
また、図６に示す超音波センサ１０では、支持部材２４に、図５に示す支持部材２４と同様に切欠部２４ｂが設けられている。
さらに、図６に示す超音波センサ１０では、支持部材２４上に、音波吸収効果を持つスポンジなどからなる円柱状の音波吸収材２８が接着剤で接着される。
なお、図６中の濃く示している部分は、接着剤である。
【００４１】
図７は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図７に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と比べて、特に、入出力端子２０および２２の形状が異なるとともに、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃ間の間隔が狭められている。このように入出力端子２０および２２の形状および位置は変更されてもよい。
【００４２】
上述の図６および図７に示す各超音波センサ１０でも、図１に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏する。
【００４３】
図８は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図８に示す超音波センサ１０でも、圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される入出力端子２０は、折り返し構造を持ちばね性を有するばね端子２０ａを有し、ばね端子２０ａは、その材質、幅、厚み、長さなどを調整することによって、その共振周波数が超音波センサ１０から発生する信号の共振周波数すなわち超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されている。
【００４４】
図８に示す超音波センサ１０では、特に、入出力端子２０のばね端子２０ａが、図９（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、断面コ字状に形成されている。図９（Ａ）は、そのばね端子２０ａを示す斜視図であり、図９（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）および（Ｆ）は、それぞれ、その平面図、底面図、正面図、左側面図および展開図である。図９に示すばね端子２０ａは、圧電素子１８の他方主面側の電極に直接接続される先端部２０ｄを含む。先端部２０ｄは、その中央にたとえば直径０．８ｍｍの円形の第１の中空部２０ｅ１が形成されることによって、たとえば外径１．５ｍｍの円環形状に形成される。先端部２０ｄには、その端部から同一平面にのびて、細長い細長部２０ｆが形成される。細長部２０ｆは、先端部２０ｄの中心までの長さＡ（図９（Ｃ）参照）がたとえば４．５ｍｍに形成され、一番細い中間部分などの幅Ｂ（図９（Ｃ）参照）がたとえば０．５ｍｍに形成される。また、細長部２０ｆは、先端部２０ｄ側とは反対側のたとえば０．９ｍｍの部分が、端部に接近するに従って徐々に広がるように形成される。細長部２０ｆには、先端部２０ｄ側とは反対側の端部から垂直方向にのびて、たとえば高さ１．１ｍｍの台形状の垂直部２０ｇが形成される。垂直部２０ｇは、細長部２０ｆ側の端部からその反対側の端部に従って徐々に広がるように形成される。なお、細長部２０ｆと垂直部２０ｇとの間の部分は、たとえば半径２ｍｍの丸みを有するように曲げられている。垂直部２０ｇには、細長部２０ｆ側とは反対側の端部から細長部２０ｆおよび先端部２０ｄに対向するように直角方向にのびて、たとえば長さ６．０ｍｍで幅２．５ｍｍの長方形状の対向部２０ｈが形成される。対向部２０ｈは、細長部２０ｆの幅や先端部２０ｄの幅より広い幅に形成されている。なお、垂直部２０ｇと対向部２０ｈとの間の部分も、たとえば半径２ｍｍの丸みを有するように曲げられている。対向部２０ｈにおいて先端部２０ｄおよび第１の中空部２０ｅ１に対向する部分には、たとえば直径１．５ｍｍの円形の第２の中空部２０ｅ２が形成される。第２の中空部２０ｅ２は、先端部２０ｄを圧電素子１８の他方主面側の電極に接続する際に接続用の材料や工具を通すために用いられるものである。
【００４５】
ばね端子２０ａの対向部２０ｈにおいて垂直部２０ｇ側とは反対側の端部には、図１に示す超音波センサ１０と同様の入出力端子２０の中間部分２０ｂおよび引出側部分２０ｃが一連にのびて形成されている。図８に示す超音波センサ１０における入出力端子２０は、ばね性を有するたとえば厚さ０．１ｍｍのリン青銅Ｃ５２１０Ｈからなる板材をプレス加工などで所定の形状に打抜くとともに曲げることによって形成される。
【００４６】
図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａは、先端部２０ｄが圧電素子１８の他方主面側の電極に対向するとともに対向部２０ｈが支持部材２４の下面に対向するように配置される。この場合、対向部２０ｈに形成された第２の中空部２０ｅ２は、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａに対応される。そして、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａおよびばね端子２０ａに形成された第２の中空部２０ｅ２に接続用の材料や工具を通して、ばね端子２０ａの先端部２０ｄが圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される。なお、支持部材２４に形成された貫通孔２４ａは、板状の蓋３０を接着することにより塞がれる。
【００４７】
また、入出力端子２０において、中間部分２０ｂは支持部材２４にインサートモールド工法などで埋め込まれ、引出側部分２０ｃはケース１２の内部から外部に配置される。
【００４８】
さらに、他方の入出力端子２２は、接続側部分２２ａがケース１２の内面に接続され、中間部分２２ｂが支持部材２４の側面から上面に沿わされ、引出側部分２２ｃがケース１２の内部から外部に配置される。
【００４９】
図８に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８に接続される入出力端子２０として断面コ字状の折り返し構造を持つばね端子２０ａが使用されているので、圧電素子１８の振動を阻害することなく、圧電素子１８の振動が入出力端子２０のばね端子２０ａで充分に吸収され、ケース１２やセンサ内部への振動漏れがなくなり、残響特性が向上する。
【００５０】
また、図８に示す超音波センサ１０でも、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなるように形成されているので、ばね端子２０ａの基本波成分および高調波成分のすべてが超音波センサ１０の駆動周波数よりも高くなり、超音波センサ１０の信号がばね端子２０ａから発生する信号によって妨害されることがなく、また、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象も発生せず、残響特性が改善され、ばね端子２０ａの破損も防止される。
【００５１】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、図１に示す超音波センサ１０と同様の他の効果も奏する。
【００５２】
また、図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａにおいて支持部材２４に接触する部分の幅が、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される側よりも広いので、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される側も広い場合に比べて、ばね端子２０ａの共振周波数が高くなり、ばね端子２０ａと超音波センサ１０との共振現象がさらに発生しにくくなる。
【００５３】
さらに、図８に示す超音波センサ１０では、ばね端子２０ａが断面コ字状に形成されているにもかかわらず、ばね端子２０ａにおいて圧電素子１８の他方主面側の電極に接続される先端部２０ｄおよび第１の中空部２０ｅ１に対向する所定の位置に第２の中空部２０ｅ２が形成されているので、第２の中空部２０ｅ２を利用して接続用の材料や工具を通すことができ、ばね端子２０ａの先端部２０ｄを圧電素子１８の他方主面側の電極に容易に接続することができる。
【００５４】
ここで、図９に示すばね端子２０ａにおいて、対向部２０ｈを拘束した状態で先端部２０ｄに図９（Ａ）の矢印で示す方向に強制変位を与えたときの応力調和解析を行った。この場合、強制変位は、４８ｋＨｚで０．６ｍ／ｓに相当する２．３９μｍを与えた。この４８ｋＨｚとは、センサ振動面が駆動する駆動周波数と同じ周波数であり、０．６ｍ／ｓとは、実際に超音波センサをある電圧で駆動させレーザ変位計から読み取った振動面中心の最大振幅である。また、その対象となるモデルとして、２つのモデルを選択した。図９（Ｃ）における長さＡを変化させることで共振周波数が変化することから、その長さＡが４．５ｍｍであるモデルとその長さＡが３．０ｍｍであるモデルとの２つのモデルを選択した。
【００５５】
長さＡが４．５ｍｍであるモデルの場合、共振解析を行なうと、一番小さな共振モードが２４．７ｋＨｚに存在することがわかった。
【００５６】
図１０は、長さＡが４．５ｍｍであるモデルの共振周波数２４．７ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【００５７】
図１０から明らかなように、それらの振動は、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆの振動を垂直部２０ｇおよび対向部２０ｈに伝えないような振動であり、腹１つの振動が起きている。このとき、ばね端子２０ａの共振周波数は２４．７ｋＨｚのため、センサの使用周波数（駆動周波数）の４８ｋＨｚを下回っていることがわかる。
【００５８】
次に、長さＡが３．０ｍｍであるモデルの場合、共振解析を行なうと、最初に生じる共振周波数が６１．１ｋＨｚであり、センサの使用周波数（駆動周波数）を上回っている。
【００５９】
図１１は、長さＡが３．０ｍｍであるばね端子２０ａのモデルの共振周波数６１．１ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【００６０】
図１１から明らかなように、それらの振動は、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆの振動を垂直部２０ｇおよび対向部２０ｈに伝えないような振動であり、腹１つの振動が起きている。
【００６１】
このモードで調和解析を行なうと、図１２に示すグラフの結果が得られた。
【００６２】
図１２は、図１１に示すばね端子２０ａにおけるｙ方向座標に対する最大主応力を示すグラフであり、図１３は、そのばね端子２０ａにおけるｙ方向座標を説明するための図解図である。ここで、ｙ方向座標は、図１３に示すライン上の点を取っている。
【００６３】
図１２のグラフより、センサの周波数が高くなるにつれて、すなわち、センサの周波数とばね端子２０ａの周波数が近づくにつれて、最大主応力の最大値が大きくなっていく様子がわかる。ただし、図１２のグラフでは、厚みが０．１ｍｍのばね端子２０ａを考えているが、ばね端子２０ａの先端部２０ｄおよび細長部２０ｆがたわむと、先端部２０ｄおよび細長部２０ｆ側と対向部２０ｈ側とで異なる場所で引っ張り応力がかかっている。たとえば、図１４（Ａ）は、図１１に示すばね端子２０ａにおいて４８ｋＨｚの調和解析の振動モードを斜め上から見た斜視図であり、図１４（Ｂ）は、その振動モードを斜め下から見た斜視図である。そして、図１２のグラフでは、図１４に示すように先端部２０ｄおよび細長部２０ｆ側と対向部２０ｈ側との両方で発生している応力を合わせて描いている。
ばね端子２０ａの共振モードよりも低い周波数で使用することで疲労が起こりにくいと推測される。以下には、このモデルについて調和解析を行った結果を図１２のグラフに示す。
【００６４】
また、図１２のグラフより、長さＡが３．０ｍｍであるモデルでは、周波数５４ｋＨｚの場合に疲れ限界の１５０ＭＰａを超えてしまっている点が見られるが、５２ｋＨｚ以下であれば疲れ限界の１５０ＭＰａよりも低く、４８ｋＨｚの場合の最大主応力は８０ＭＰａ程度であることがわかる。これより、ばね端子２０ａの共振周波数に対してセンサの周波数が１．１７５倍（６１．１ｋＨｚ／５２ｋＨｚ）以上高い場合、最大主応力が低減され好ましいことがわかる。
【００６５】
以上のようなシミュレーション解析から、ばね端子２０ａの長さが長い方が、ばね端子の最初に生じる共振周波数が低いため、超音波センサの共振周波数より低くなることがわかる。また、ばね端子の共振周波数が超音波センサの共振周波数よりも高くすることによって残響は抑制されるが、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの共振周波数に近い場合、最大主応力が大きいため、金属疲労などが生じやすくなる。しかし、ばね端子２０ａの共振周波数が超音波センサの周波数の１．１７５倍以上である場合、ばね端子の両端２０ｄ、２０ｇおよび中央部２０ｆにかかる最大主応力を低減することができ、ばね端子の金属疲労を防ぐことができるため、ばね端子としてより好ましいことがわかる。
このように、ばね端子の長さを変化させるだけでなく、たとえば、材質、幅、厚みなどを変化させることで、超音波センサの共振周波数とばね端子の共振周波数とを異ならせることができ、超音波センサの残響特性に悪影響を引き起こさないようすることができる。
【００６６】
たとえば、共振周波数は、ばね端子が短く、狭く、厚いほど高くなる。その長さを３ｍｍとしたときの共振周波数の変化を図１５に示す。なお、図１５（Ａ）は、長さ３ｍｍのばね端子における幅などに対する共振周波数を示すグラフであり、図１５（Ｂ）は、ばね端子の長さおよび幅を示す図解図である。
【００６７】
図１６は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。図１６に示す超音波センサ１０では、図８に示す超音波センサ１０と比べて、入出力端子２０および２２の引出側部分２０ｃおよび２２ｃがそれぞれリード線で形成されている。
図１６に示す超音波センサ１０でも、図８に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏する。
【００６８】
図１７（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図１７（Ｂ）は、その平面図解図であり、図１７（Ｃ）は、その側面図解図である。図１７に示す超音波センサ１０では、特に、ケース１２が有底円筒状に形成されている。ケース１２は、有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６を含む。有底筒状ケース部１４は、有底円筒状に形成され、筒状ケース部１６の外側に配置される。また、筒状ケース部１６は、円筒状に形成され、有底筒状ケース部１４の内側に配置される。そして、有底筒状ケース部１４および筒状ケース部１６は、有底円筒状に一体的に接合される。
【００６９】
また、筒状ケース部１６には、ケース１２の振動部側の端部において対向する２つの部分に、たとえば矩形状の切欠１７、１７が形成されている。図１８に超音波センサ１０の基本振動の振動状態を有限要素法により解析した結果を示す。これらの切欠１７、１７によって、超音波センサ１０の基本振動モードの実効振動面積が円形ではなく、図１８に濃く示した部分のように、実効振動面積の大きい方向と小さい方向とが存在する楕円形状となる。この実効振動面積の大きい方向は、２つの切欠１７、１７を直線で結ぶ方向であり、実効振動面積の小さい方向は、２つの切欠１７、１７を直線で結ぶ方向に直交する方向である。このように超音波センサ１０の実効振動面積が異方性を有するのは、たとえば、その超音波センサ１０を自動車のコーナソナーやバックソナーとして用いて、障害物を縦方向には狭く検知し横方向には広く検知したいという場合などに有効である。
【００７０】
さらに、図１７に示す超音波センサ１０では、長方形状の圧電素子１８が用いられ、圧電素子１８は、その長辺が実効振動面積の大きい方向に沿い、かつ、その短辺が実効振動面積の小さい方向に沿うように配置される。なお、図１７に示す超音波センサ１０における実効振動面積や圧電素子１８の配置について、図１に示す超音波センサ１０においても同様な実効振動面積や圧電素子の配置を有している。
【００７１】
図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８に駆動電圧を印加すると、振動面は図１８に濃く示した楕円形状の部分が基本振動モードで振動する。図１９（Ａ）に超音波センサ１０の高次の振動モードの振動状態を有限要素法により解析した結果を示す。それと同時に、その基本振動の高調波も励起されてしまい、たとえば図１９（Ａ）に濃く示した部分が振動し、振動面は振動面に複数の節を持つ高次の振動モードで振動する。このような高次の振動モードの振動は、実効振動面積の大きい方向において振動面に複数の節を持ち、振動面には、たとえば図１９（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図解図である図１９（Ｂ）に示すように、実効振動面積の大きい方向において中心部分が振動する位相とは逆の位相で振動する部分が存在する。
したがって、図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８が、超音波センサ１０のたとえば３次振動モードなどの高次振動モードの振動分布で電界分布が正負逆転する部分を跨ぐように配置されることなる。そのため、高次の振動モードによる電歪効果で発生する電荷が打ち消しあって、振動として早く減衰することになる。以上の作用により、基本振動よりも高次の不要振動を抑えることができ、その結果、残響の尾引きを低下し、すなわち、残響時間を短くし、障害物を検知することができる最短距離についての分解能を上げることができる。
なお、このような効果は、圧電素子１８の圧電体基板が長方形状の角部を丸くした形状に形成されていても奏する効果であって、圧電素子１８の圧電体基板がそのような形状や長方形状などの略長方形状に形成されていれば奏する効果である。
【００７２】
また、図１７に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８が長方形状に形成されているため、圧電素子１８に用いられる長方形状の圧電体基板は、シート成型された大型の圧電板を個々の片にカットすることで寸法精度よく大量に生産することができ、特性のばらつきを緩和することができる。
【００７３】
ここで、圧電素子を正方形状に（幅および長さをそれぞれ６．２ｍｍに、厚みを０．１５ｍｍに）形成した場合と、圧電素子を長方形状に（幅を５．０ｍｍに、長さを８．０ｍｍに、厚さを０．１５ｍｍに）形成した場合とのそれぞれの場合について、圧電素子における周波数に対するインピーダンスを計算により求めた。圧電素子を正方形状に形成した場合の結果を図２０のグラフに示し、圧電素子を長方形状に形成した場合の結果を図２１のグラフに示す。
【００７４】
図２０のグラフおよび図２１のグラフより、基本周波数４０ｋＨｚの振動に対して、正方形状に形成した圧電素子では、１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚに高次の共振点が見られるが、長方形状に形成した圧電素子では、１００ｋＨｚ、１２０ｋＨｚの振動モードを抑える効果が見られるのがわかる。
【００７５】
また、基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２２（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２２（Ｂ）に示した。図２２より、基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみは、圧電素子の中心が大きくひずんで変位しているのがわかり、また、圧電素子の長さ方向における端はほとんど変位していないことがわかる。
【００７６】
さらに、３次高調波振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２３（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２３（Ｂ）に示した。図２３より、３次高調波振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみは、圧電素子の中心の変位方向と圧電素子の長さ方向における端の変位方向とは互いに逆方向である。このような場合、ひずみによって圧電素子全体に発生する電荷の正負が中心と端とで異なるため、圧電素子の片面全体を覆っている電極を伝わって発生電荷が互いに相殺され、振動モードとして抑制されることになる。
【００７７】
また、高次の振動モードにおける正方形状の圧電素子のひずみを有限要素法を用いて調べ、それを示す斜視図を図２４（Ａ）に示し、それを示す側面図を図２４（Ｂ）に示した。図２４より、圧電素子が正方形状の場合、長方形状の場合と異なり、圧電素子の中心の変位方向と長さ方向における端の変位方向とは互いに逆方向であるが、それらの変位量が異なる。このため、ひずみによって圧電素子全体に発生する電荷の相殺量が異なり、振動モードとして残ってしまうことになる。
【００７８】
図２５（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２５（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２５（Ｃ）は、その側面図解図である。図２５に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、特に圧電素子１８の圧電体基板が楕円形状に形成され、圧電素子１８は、その長辺が実効振動面積の大きい方向に沿い、かつ、その短辺が実効振動面積の小さい方向に沿うように配置される。
図２５に示す超音波センサ１０では、圧電素子１８の圧電体基板が楕円形状に形成され、その長辺および短辺が実効振動面積の大きい方向および小さい方向にそれぞれ沿わされているので、圧電素子１８の圧電体基板が高次の振動モードで振動する部分に大きく重なるので、最も多くの不要高次振動を抑制することができる。
【００７９】
図２６（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２６（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２６（Ｃ）は、その側面図解図である。図２６に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、特に圧電素子１８の圧電体基板が６角形状に形成され、圧電素子１８の一番長い対角線が実効振動面積の大きい方向に沿わされることによって、高次の振動モードが抑制される。
なお、圧電素子１８を他の多角形状に形成し、その一番長い対角線が実効振動面積の大きい方向に沿わされても高次の振動モードを抑制することが可能である。
また、そのように圧電素子１８の圧電体基板を６角形状などの多角形状に形成すると、１枚の大きな圧電板から無駄を少なくして多数の圧電体基板を製造することができ、圧電体基板の製造コストを抑えることが可能である。
【００８０】
図２７（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２７（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２７（Ｃ）は、その側面図解図である。図２７に示す超音波センサ１０では、特に、圧電素子１８として、３枚の圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃが用いられる。これらの圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃは、実効振動面積の大きい方向に間隔を隔てて配置される。また、両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃは小さく形成され、中央の圧電体基板１８ｂは大きく形成される。さらに、両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃと中央の圧電体基板１８ｂとは、互いに逆の厚み方向に分極され、分極方向が異なる。また、これらの圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃには、それらの一方主面側に一方の電極が共通に形成され、それらの他方主面側に他方の電極が共通に形成される。
図２７に示す超音波センサ１０では、高次モードによって両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃに発生する電荷と中央の圧電体基板１８ｂに発生する電荷とが相殺される。
このように高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃを同じ厚み方向に分極するとともに、一方の電極および他方の電極を圧電体基板１８ａ、１８ｂおよび１８ｃごとに分割して形成し、それらの電極を信号線で交互に接続することによって、高次モードによって両側の圧電体基板１８ａおよび１８ｃに発生する電荷と中央の圧電体基板１８ｂに発生する電荷とを相殺するようにしてもよい。
なお、高次モードによって発生する電荷を相殺するためには、圧電素子として、３枚の圧電体基板が用いられる代わりに、形状は変形する必要がある場合はあるが、２枚または４枚以上の圧電体基板が用いられてもよい。
【００８１】
図２８（Ａ）は、この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、図２８（Ｂ）は、その平面図解図であり、図２８（Ｃ）は、その側面図解図であり、図２８（Ｄ）は、その超音波センサに用いられる圧電素子を示す拡大図である。図２８に示す超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と比べて、圧電素子１８が、長方形状の圧電体基板１９ａを、ケース１２の材料と異なる異種金属からなる金属板１９ｂに接合することによって形成されている。なお、圧電体基板１９ａにおいて、金属板１９ｂ側の主面とは反対側の主面には、電極が形成されている。この圧電素子１８は、金属板１９ｂがケース１２の振動面に導電性接着剤などで接続される。
図２８に超音波センサ１０では、図１７に示す超音波センサ１０と同様の効果を奏するとともに、１枚の大きい圧電板を１枚の大きな金属板に接合した後に個々に切り出すことによって多数の圧電体基板を製造することができるため、圧電体基板の製造工数の削減を図ることができ、また、異種金属からなる金属板１９ｂがケース１２と圧電体基板１９ａとの間に存在するので、ケース１２と圧電体基板１９ａとの線膨張係数差の緩和に繋がり、温度特性が向上する。
【００８２】
なお、上述の各超音波センサ１０では、各部が特定の大きさ、形状、配置、材料、数で規定されているが、この発明では、それらは任意に変更されてもよく、このように変更することによって、残響特性などの特性がさらに改善されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
この発明にかかる超音波センサは、たとえば、自動車のコーナソナーやバックソナーなどに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】この発明にかかる超音波センサの一例を示す断面図解図である。
【図２】図１に示す超音波センサに用いられる入出力端子を示す斜視図である。
【図３】図２に示す入出力端子に支持部材を形成した状態を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）は超音波センサの共振周波数に対する残響時間を示すグラフであり、（Ｂ）は残響時間を説明するためのグラフである。
【図５】この発明にかかる超音波センサに用いられる入出力端子および支持部材の他の例を示す斜視図である。
【図６】この発明にかかる超音波センサの他の例を示す分解斜視図である。
【図７】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図８】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図９】（Ａ）は図８に示す超音波センサに用いられるばね端子を示す斜視図であり、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）および（Ｆ）はそれぞれその平面図、底面図、正面図、左側面図および展開図である。
【図１０】図９に示すばね端子において長さＡが４．５ｍｍの場合の共振周波数２４．７ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１１】図９に示すばね端子において長さＡが３．０ｍｍの場合の共振周波数６１．１ｋＨｚにおける振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１２】図１１に示すばね端子におけるｙ方向座標に対する最大主応力を示すグラフである。
【図１３】図１１に示すばね端子のｙ方向座標を説明するための図解図である。
【図１４】（Ａ）は図１１に示すばね端子において４８ｋＨｚの調和解析の振動モードを斜め上から見た斜視図であり、（Ｂ）はその振動モードを斜め下から見た斜視図である。
【図１５】（Ａ）は長さ３ｍｍのばね端子における幅などに対する共振周波数を示すグラフであり、（Ｂ）はばね端子の長さおよび幅を示す図解図である。
【図１６】この発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す断面図解図である。
【図１７】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図１８】超音波センサにおける基本振動モードを示す斜視図である。
【図１９】（Ａ）は超音波センサにおける高次の振動モードを示す斜視図であり、（Ｂ）はその高調波の振動モードを示す（Ａ）の線Ｂ−Ｂにおける断面図解図である。
【図２０】６．２ｍｍ×６．２ｍｍの正方形状の圧電素子の周波数−インピーダンス特性を示すグラフである。
【図２１】５．０ｍｍ×８．０ｍｍの長方形状の圧電素子の周波数−インピーダンス特性を示すグラフである。
【図２２】（Ａ）は基本振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２３】（Ａ）は３次高調振動モードにおける長方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２４】（Ａ）は高次の振動モードにおける正方形状の圧電素子のひずみを示す斜視図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図２５】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２６】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２７】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図である。
【図２８】（Ａ）はこの発明にかかる超音波センサのさらに他の例を示す斜視図解図であり、（Ｂ）はその平面図解図であり、（Ｃ）はその側面図解図であり、（Ｄ）はその超音波センサに用いられる圧電素子を示す部分拡大図である。
【図２９】従来の超音波センサの一例を示す断面図解図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０ 超音波センサ
１２ ケース
１４ 有底筒状ケース部
１６ 筒状ケース部
１６ａ 凸部
１７ 切欠
１８ 圧電素子
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ 圧電体基板
１９ｂ 金属板
２０、２２ 入出力端子
２０ａ ばね端子
２０ｂ、２２ｂ 中間部分
２０ｃ、２２ｃ 引出側部分
２０ｄ 先端部
２０ｅ 中空部
２０ｅ１ 第１の中空部
２０ｅ２ 第２の中空部
２０ｆ 細長部
２０ｇ 垂直部
２０ｈ 対向部
２２ａ 接続側部分
２４ 支持部材
２４ａ 貫通孔
２４ｂ 切欠部
２５ 対向部分
２６ ダンピング材
２８ 音波吸収材
３０ 蓋
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状のケースと、
一方主面および他方主面を有し、前記一方主面が前記ケースの内底部に配置される圧電素子と、
前記圧電素子に電気的に接続され、前記ケースの外部に引き出される入出力端子とを有する超音波センサであって、
前記圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用され、前記ばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成された、超音波センサ。
【請求項２】
前記入出力端子は金属で一体的に形成された、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記ケースの内部において前記圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、前記入出力端子と前記支持部材とが一体的に形成された、請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記支持部材に接触する部分が、前記支持部材に固定されている、請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記ばね端子において前記支持部材に接触する部分の幅が、前記ばね端子において前記圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広い、請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、前記ばね端子において前記第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成された、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記ケースは金属で形成され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記ケースの所定の位置に接続された、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および前記有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、前記筒状ケース部の内部に前記支持部材が配置され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記筒状ケース部の所定の位置に接続された、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記圧電素子として長方形状の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記圧電素子として楕円形状の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記圧電振動素子として分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項１】
有底筒状のケースと、
一方主面および他方主面を有し、前記一方主面が前記ケースの内底部に配置される圧電素子と、
前記圧電素子に電気的に接続され、前記ケースの外部に引き出される入出力端子とを有する超音波センサであって、
前記圧電素子の他方主面に接続される入出力端子としてばね端子が使用され、前記ばね端子の共振周波数が超音波センサから発生する信号の共振周波数よりも高くなるように形成された、超音波センサ。
【請求項２】
前記入出力端子は金属で一体的に形成された、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記ケースの内部において前記圧電素子の他方主面側に合成樹脂からなる支持部材が配置され、前記入出力端子と前記支持部材とが一体的に形成された、請求項１または請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記支持部材に接触する部分が、前記支持部材に固定されている、請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記ばね端子において前記支持部材に接触する部分の幅が、前記ばね端子において前記圧電素子の他方主面に接続される側の幅よりも広い、請求項４に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記ばね端子は折り返し構造を持つばね端子であって、前記ばね端子の前記圧電素子の他方主面に接続される端部に第１の中空部が形成され、前記ばね端子において前記第１の中空部に対向する所定の位置に第２の中空部が形成された、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記ケースは金属で形成され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記ケースの所定の位置に接続された、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記ケースは、金属で形成された有底筒状ケース部および前記有底筒状ケース部に接合される金属で形成された筒状ケース部を含み、前記筒状ケース部の内部に前記支持部材が配置され、前記圧電素子の一方主面側に接続される入出力端子は前記筒状ケース部の所定の位置に接続された、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記圧電素子として長方形状の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記圧電素子として楕円形状の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記圧電振動素子として分極方向の異なる２枚以上の圧電体基板が用いられた、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の超音波センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２００７−３１８７４２（Ｐ２００７−３１８７４２Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１５８４９（Ｐ２００７−１１５８４９）
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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