超声波传感器的制作方法

本发明涉及具备压电元件的超声波传感器。

背景技术：

一般的超声波传感器通过在壳体的内底面粘接压电元件从而构成单压电晶片构造体，使壳体的底部进行弯曲振动来收发超声波。在jp特开2002-204497号公报(专利文献1)中公开了具备层叠型的压电元件的超声波传感器。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2002-204497号公报

技术实现要素：

-发明要解决的课题-

假定在具有导电性的壳体的内底面接合层叠型的压电元件。该情况下，接地电极、以及被施加电压从而与接地电极之间形成电位差的非接地电极(端面电极的端部)位于压电元件的接合面一侧。在现有的超声波传感器，具有导电性的壳体与非接地电极(端面电极的端部)导通，有时无法恰当地形成对电极电路(用于构成超声波传感器的电路)。

本发明的目的在于，提供一种即便在具有导电性的壳体的内底面接合层叠型的压电元件的情况下也能够抑制壳体与非接地电极(端面电极的端部)导通的超声波传感器。

-解决课题的手段-

基于本发明的超声波传感器具备：具有导电性的有底筒状的壳体；以及与上述壳体的内底面接合的层叠型的压电元件，接地电极以及被施加电压而与上述接地电极之间形成电位差的非接地电极位于上述压电元件的接合面的一侧，在上述壳体的上述内底面形成凹部，在沿着相对于上述壳体的上述内底面垂直的方向俯视上述非接地电极以及上述凹部的情况下，上述非接地电极之中的位于上述接合面的一侧的端部位于与上述凹部重叠的位置。

优选地，在沿着相对于上述壳体的上述内底面垂直的方向俯视上述非接地电极以及上述凹部的情况下，上述非接地电极之中的位于上述接合面的一侧的上述端部位于包含在上述凹部的内侧的位置。

优选地，上述压电元件具有包括长边方向和短边方向的长方体状的形状，上述非接地电极之中的位于上述接合面的一侧的上述端部具有沿着上述压电元件的长边方向延伸的形状。

优选地，上述压电元件具有包括长边方向和短边方向的长方体状的形状，上述非接地电极之中的位于上述接合面的一侧的上述端部具有沿着上述压电元件的短边方向延伸的形状。

优选地，在上述壳体的底部设置贯通孔，在上述贯通孔之中埋入树脂，从而形成上述凹部。

优选地，上述压电元件具有：压电体层，其包括发送用区域以及接收用区域；共用电极，具有遍及上述发送用区域以及上述接收用区域的双方而展宽的形状；发送用电极，中间夹着上述发送用区域而与上述共用电极对置；和接收用电极，中间夹着上述接收用区域而与上述共用电极对置，上述发送用区域以及上述接收用区域在上述内底面的表面方向上形成在彼此相邻的位置。

-发明效果-

根据上述结构，由于非接地电极(端面电极的端部)与壳体导通因凹部的存在而被抑制，因此能够恰当地形成对电极电路(用于构成超声波传感器的电路)。

附图说明

图1是表示具备实施方式1中的超声波传感器的传感器装置的功能模块的图。

图2是表示实施方式1中的超声波传感器的剖视图。

图3是表示实施方式1中的超声波传感器所具备的压电元件以及fpc的俯视图。

图4是表示实施方式1中的超声波传感器所具备的压电元件(取下fpc的状态)的俯视图。

图5是表示实施方式1中的超声波传感器所具备的压电元件的立体图。

图6是表示实施方式1中的超声波传感器所具备的压电元件及其内部构造的立体图。

图7是表示实施方式1中的超声波传感器的压电元件所具备的电极的立体图。

图8是沿着图4中的viii-viii线的向视剖视图。

图9是沿着图4中的ix-ix线的向视剖视图。

图10是沿着图4中的x-x线的向视剖视图。

图11表示沿着与实施方式1中的超声波传感器所使用的壳体的底部(内底面)垂直的方向观察底部时的状态的俯视图。

图12是表示沿着与实施方式2中超声波传感器所使用的壳体的底部(内底面)垂直的方向观察底部时的状态的俯视图。

图13是表示沿着与实施方式3中的超声波传感器所使用的壳体的底部(内底面)垂直的方向观察底部时的状态的俯视图。

图14是表示沿着与实施方式4中的超声波传感器所使用的壳体的底部(内底面)垂直的方向观察底部时的状态的俯视图。

图15是表示实施方式5中的超声波传感器所使用的壳体等的剖视图。

图16是表示实施方式6中的超声波传感器所使用的压电元件的立体图。

具体实施方式

[实施方式]

以下，参照附图来说明基于本发明的实施方式。除了在提及个数以及量等的情况下有特别记载的情况以外，本发明的范围并不限定于该个数以及量。存在对于同一部件以及对应部件付与同一参考序号而不进行重复的说明的情况。

[实施方式1]

图1是表示具备实施方式1中的超声波传感器100的传感器装置1的功能模块的图。传感器装置1具备超声波传感器100、微型计算机101、存储器102、检测电路103、信号生成电路104、电源105以及接收放大器106。超声波传感器100具备压电元件50，该压电元件50具有由电极10、20、30构成的3端子构造。

微型计算机101读出存储器102中所保存的数据，将控制信号输出至信号生成电路104。信号生成电路104基于控制信号，从直流电压生成交流电压。交流电压被提供至超声波传感器100，从超声波传感器100向大气中等进行超声波的发送(发送波)。超声波传感器100在接收到来自目标物的反射波时，由超声波传感器100产生的接收波信号作为电压值而被送至接收放大器106，通过检测电路103被输入至微型计算机101。通过微型计算机101能够掌握与目标物的有无、移动有关的信息。

(超声波传感器100)

图2是表示实施方式1中的超声波传感器100的剖视图。超声波传感器100具备压电元件50、壳体60、吸声材料63、粘接剂64、接合剂65、填充剂71、72、以及fpc80(flexibleprintedcircuits：柔性印刷电路)。壳体60具有导电性，形成为有底筒状。壳体60例如由具有高弹性且重量轻的铝构成。通过对这样的铝例如进行锻造或者切削加工来制作壳体60。

壳体60包含：圆盘状的底部62、沿着底部62的周边而设置的圆筒状的筒状部61。底部62具有内底面62s以及外表面62t。压电元件50例如由锆钛酸铅系陶瓷构成。压电元件50配置在底部62的内底面62s上，利用粘接剂64而接合于内底面62s。粘接剂64例如是环氧系粘接剂。在超声波传感器100进行驱动时，压电元件50与底部62一起进行弯曲振动。

压电元件50具有未图示的3个电极(相当于图1中的电极10～30的部位。详细在后面叙述)。如图3所示，fpc80的前端部80t具有t字形状。fpc80经由接合剂65而与这些电极电接合。作为接合剂65，例如使用添加了金属的树脂材料。fpc80之中的与接合于压电元件50部分相反的一侧的部分被取出至壳体60之外，与信号生成电路104(图1)以及接收放大器106(图1)等电连接。

(压电元件50)

图3是表示压电元件50以及fpc80的俯视图。图4是表示压电元件50(取下fpc80的状态)的俯视图。图5是表示压电元件50的立体图。图6是表示压电元件50及其内部构造的立体图。图7是表示压电元件50中具备的电极10、20、30的立体图。图8是沿着图4中的viii-viii线に的向视剖视图。图9是沿着图4中的ix-ix线的向视剖视图。图10是沿着图4中的x-x线的向视剖视图。

图3～图10中为方便说明示出了箭头x、y、z。箭头x、y、z具有相互正交的关系。以下，存在针对压电元件50的各构成参照箭头x、y、z来进行说明的情况，但是各构成的配置关系(有关正交以及平行的特征)并不限定于箭头x、y、z所示的配置关系。关于这些，在后述的图11～图16中也同样。

如图3～图10所示，压电元件50是层叠型的压电元件，使用粘接剂64而贴附于壳体60的内底面62s。压电元件50是具有具备长边方向和短边方向的长方体状的形状。具体而言，压电元件50包括：压电体层40(图3～图6、图8～图10)、电极10(图7)、作为非接地电极的电极20(图7)、以及作为接地电极的电极30(图7)。压电体层40的外形形状是大致长方体(参照图5、图6)，压电体层40具有上表面41、侧表面42～45以及下表面46。

上表面41是压电体层40之中的位于箭头z方向的一侧的表面，下表面46是压电体层40之中的位于与箭头z方向相反方向的一侧的表面。侧表面42、44是压电体层40之中的与箭头x方向正交的表面，具有相互对置的位置关系。侧表面43、45是压电体层40之中的与箭头y方向正交的表面，具有相互对置的位置关系。

(电极10)

电极10包含圆盘部11以及延伸部12(参照图7)。电极10作为接收用电极而发挥作用。延伸部12具有从圆盘部11的外缘向外侧延伸的形状。延伸部12被配置为：从圆盘部11所在的一侧向压电体层40的侧表面42所在的一侧延伸。如图3所示，在fpc80中设置的布线图案81与电极10的延伸部12之间的部分(连接部位10c)，电极10与fpc80(布线图案81)被电连接(也可参照图4、图5)。

(电极20(非接地电极))

作为非接地电极的电极20包括端面部21、上面部22以及中间部23、24(参照图7)。电极20作为发送用电极而发挥作用。也就是说，对电极20施加电压，从而在电极20与电极30(接地电极)之间形成电位差。端面部21与压电体层40的侧表面42(图5)对置，与侧表面42相接。端面部21的端部21t是位于电极20之中的粘接面的一侧(粘接剂64一侧)的部位。端部21t具有沿着压电元件50的长边方向的侧表面42的下端部的一部分进行延伸的形状。再有，在本实施方式以及以下的实施方式中，上述粘接面相当于权利要求书中的接合面。

电极20的上面部22连接设置在端面部21的箭头z方向的一侧的端部，被配置于压电体层40的上表面41上。中间部23、24是电极20之中的配置在压电体层40的内部的部位，在压电元件50已完成的状态下看不到它们(参照图5)。在中间部23与中间部24之间，配置电极30的中间部33(参照图8～图10等)。

在中间部23、24的内侧，分别设置挖空部23h、24h(图7)和缺口部23t、24t。如图7以及图9所示，中间部23、24的与箭头x相反方向的端部(具体而言，端面部21所在一侧的端部)连接于端面部21。另一方面，中间部23、24的箭头x方向的端部未连接于后述的电极30的端面部31，与端面部31分离。如图3所示，在fpc80中设置的布线图案82与电极20的上面部22之间的部分(连接部位20c)，电极20与fpc80(布线图案82)电连接(也可参照图4、图5)。

(电极30(接地电极))

作为接地电极的电极30包含端面部31、上面部32、中间部33以及下面部34(参照图7)。电极30作为共用电极而发挥作用。端面部31与压电体层40的侧表面44(图5)对置，与侧表面44相接。下面部34与压电体层40的下表面46对置，与下表面46相接。上面部32连接设置在端面部31的箭头z方向一侧的端部，被配置于压电体层40的上表面41上。中间部33是电极30之中的被配置在压电体层40的内部的部位，在压电元件50已完成的状态下看不到中间部33(参照图5)。

在上面部32以及中间部33的内侧，分别设置挖空部32h、33h(图7)。在挖空部32h的内侧，配置电极10的圆盘部11(参照图5)。在上面部32以及中间部33的内侧，也分别设有缺口部32t、33t。在缺口部32t的内侧，配置电极10的延伸部12(参照图5)。在上面部32之中的与箭头y相反方向的部分，设有后退部32f。后退部32f是用于容许电极20的上面部22的配置的部位。

如图7以及图9所示，上面部32、中间部33以及下面部34的箭头x方向的端部连接于端面部31。另一方面，上面部32、中间部33以及下面部34的与箭头x相反方向的端部未连接于电极20的端面部21，而与端面部21分离。如图3所示，在fpc80中设置的布线图案83与电极30的上面部32之间的部分(连接部位30c)，电极30与fpc80(布线图案83)电连接(也可参照图4、图5)。

(发送用区域以及接收用区域)

参照图8～图10，在压电体层40的内部，形成发送用区域40n以及接收用区域40m。发送用区域40n具有由第1单位压电体层n1～n4构成的4层构造。第1单位压电体层n1～n4在与壳体60的底部62远离的方向上被层叠，通过电极20以及电极30而电并联连接。图8～图10中的白色箭头表示各压电体层的极化方向。另一方面，接收用区域40m具有第2单位压电体层m1的1层构造。

电极30的下面部34遍及发送用区域40n以及接收用区域40m的双方而具有展宽的形状。电极20的上面部22与电极30的下面部34对置，中间夹着包含第1单位压电体层n1～n4的发送用区域40n。电极10的圆盘部11与电极30的下面部34对置，中间夹着包含第2单位压电体层m1的接收用区域40m。

也就是说，压电体层40之中、位于电极20的上面部22与电极30的下面部34之间的区域、位于电极20的中间部23与电极30的上面部32之间的区域、以及位于电极20的中间部23与电极30的下面部34之间的区域作为发送用区域40n而发挥作用。另一方面，压电体层40之中的位于电极10的圆盘部11与电极30的下面部34之间的区域作为接收用区域40m而发挥作用。

如图8以及图10所示，发送用区域40nと接收用区域40m在壳体60的底部62的内底面62s的表面方向(x-y面方向)上形成在彼此相邻的位置。具体而言，在压电体层40的中心部设有接收用区域40m，在比接收用区域40m靠径向的外侧的周边部设有发送用区域40n，以使得包围接收用区域40m。

如图9以及图10所示，在以上那样构成的压电元件50中，电极30(接地电极)的下面部34、电极20(非接地电极)的端面部21的端部21t位于压电元件50的粘接面的一侧(压电元件50之中的与壳体60的底部62粘接的面的一侧)。电极30的下面部34通过粘接剂64而被贴附于壳体60的底部62(内底面62s)。如上所述，通过对电极20施加电压，在电极20与电极30(接地电极)之间形成电位差。由此，超声波传感器100能够发送超声波。

图11是表示沿着与壳体60的底部62(内底面62s)垂直的方向观察底部62时的状态的俯视图。为了方便图示，图11中利用虚线对压电元件50以及电极20的端面部21(端部21t)进行图示。

在本实施方式的壳体60的底部62，形成凹部68(也可参照图9以及图10)。凹部68具有直线状延伸的沟槽状的形状。本实施方式中，设有剖视为矩形形状的凹部68，但是也可以是剖视为半圆形状、三角形状、梯型形状、半椭圆形状。

在此，在沿着与壳体60的底部62(内底面62s)垂直的方向俯视电极20的情况下，电极20的端面部21之中的位于粘接面的一侧的端部21t，位于与凹部68重叠的位置。换言之，沿着与壳体60的底部62(内底面62s)垂直的方向对端部21t进行投影的情况下，通过该投影所形成的投影像位于与凹部68重叠的位置。在沿着与壳体60的底部62(内底面62s)垂直的方向俯视电极20的情况下，优选如图11所示那样端部21t位于包含在凹部68的内侧的位置(该情况下，上述投影像的全部包含在凹部68的内侧)。

(作用以及效果)

在具备层叠型的压电元件的一般的超声波传感器中，示出了如下特性：压电元件的层叠数越多，则发送时的声压越提高，但是接收时的灵敏度越是下降。这是因为：在一般的层叠型的压电元件中，压电元件的供发送的部分与供接收的部分形成在同一部位内。

在本实施方式中，压电元件50的供发送的部分(发送用区域40n)和供接收的部分(接收用区域40m)分离而形成。为了提高发送时的声压，将压电元件50的供发送的部分(发送用区域40n)的层叠数设为4层构造，但是供接收的部分(接收用区域40m)依然是1层构造。在本实施方式的超声波传感器中，相比于现有的结构，接收时的灵敏度下降得到抑制。因此，可以说本实施方式的超声波传感器具备能够分别独立地调整发送时的声压以及接收时的灵敏度的双方的构造。

参照图9以及图10，如开头所述那样，在具有导电性的壳体60的底部62的内底面62s粘接有层叠型的压电元件50的情况下，电极30(接地电极)、以及被施加电压而与接地电极之间形成电位差的电极20(非接地电极)的端部21t位于压电元件50的粘接面的一侧。在现有的超声波传感器中，由于具有导电性的壳体60与电极20的端部之间的距离短而导致它们导通(短路)，无法恰当地形成对电极电路(用于构成超声波传感器的电路)。

限定于此，在本实施方式的超声波传感器100中，由于凹部68的存在而使得电极20(非接地电极)与壳体60的导通得到抑制。因此，壳体60与电极20被绝缘，形成对电极电路，由此超声波传感器100能够恰当地发挥功能，能够降低刚刚制造之后便产生初始故障的概率。再有，作为接地电极的电极30也可以与壳体60的底部62导通。

在超声波传感器100处于驱动时，压电元件50与底部62一起进行弯曲振动。在未设置凹部68的情况下，在开始使用之后受到弯曲振动的影响而壳体60与电极20导通，有可能引起故障的产生。根据本实施方式的超声波传感器100，这种不良情况的产生因为凹部68的存在而能够被抑制。由于凹部68的存在可能会影响到超声波传感器100的振动模式，因此可以优化凹部68的深度、长度、宽度等，使得在防止产生不必要的导通的同时获得最佳的振动模式。

对于实施方式1中所阐述的防止上述导通的对策，通过针对压电元件(例如电极20)的形状下功夫也可获得同样的效果，但是在使用厚度较薄的层叠元件的情况下，可以说本实施方式中所说明的、在壳体60设置凹部68的这种对策能够比较容易实施。再有，除了在壳体60设置凹部68以外，进一步针对压电元件(例如电极20)的形状下功夫以防止产生不必要的导通也是有效的。

[实验例]

为了验证上述实施方式1所带来的效果，进行了如下的实验。也就是说，作为金属制的壳体60，准备了具有直径14mm、高度9mm的壳体。壳体60的底部62的厚度设为0.9mm。在壳体60的底部62所设置的凹部68的形状设为长度6.5mm、宽度0.5mm、深度0.05mm。

作为层叠型的压电元件50，准备了具有长度6mm、宽度5mm、厚度0.2mm的元件。作为布线部件，取代fpc而使用引线，作为粘接剂64而使用环氧树脂(绝缘性粘接剂)，作为填充剂71、72而使用硅酮(参照图2)。

制造了10个具有以上这种结构的超声波传感器100，产生了初始故障的传感器(在刚刚制造之后便产生导通的传感器)为零个。即便仅变更凹部68的深度，设为深度0.035mm、深度0.06mm，也获得同样的结果。只要凹部68的深度相对于壳体60的底部62的厚度(900μm)为3％以上且6％以下，就可获得良好的结果。此外，取代凹部68而将贯通孔设置在壳体60的底部62并进行了同样的实验，尽管初始故障率得以改善，但是取而代之超声波传感器的频率、指向性、振动模式发生变化，与设置凹部的情况相比难以得到声压。

[实施方式2]

在上述实施方式1中(参照图11)，在壳体60的底部62设置1个凹部68。

也可以如图12所示的壳体60a那样，在底部62设置2个凹部68a、68b。凹部68a、68b彼此具有相同的形状，且相互平行。根据该结构，由于在将压电元件50贴附在底部62时在压电元件50的方向性上无需考虑，因此能够期待生产效率的提高。

[实施方式3]

在上述实施方式1中，电极20的端部21t具有沿着压电元件50的长边方向的侧表面(压电体层40的侧表面42)的下端部延伸的形状。

参照图13，在本实施方式的压电元件50a中，电极20的端部21t具有沿着压电元件50a的短边方向的侧表面(压电体层40的侧表面43)的下端部延伸的形状。即便在使用这种的压电元件50的情况下，电极20的端面部21之中的位于粘接面的一侧的端部21t位于与壳体60b的凹部68a重叠的位置，由此也能够防止不必要的导通。优选，如图13所示的壳体60b那样，端部21t可以位于包含在凹部68a的内侧的位置。

[实施方式4]

参照图14，本实施方式中，电极20的端部21t也具有沿着压电元件50a的短边方向的侧表面(压电体层40的侧表面43)的下端部而延伸的形状。在壳体60c中，也与上述实施方式2的情况同样地，在底部62设置有2个凹部68a、68b。凹部68a、68b彼此具有相同的形状，且相互平行。根据该结构，在将压电元件50a贴附于底部62时在压电元件50a的方向性上无需考虑，因此能够期待生产效率的提高。

[实施方式5]

参照图15，在本实施方式的壳体60d中，在壳体60d的底部62设置贯通孔69，在贯通孔69之中埋入树脂67(环氧树脂等)来形成凹部68。根据该结构，也能够获得与上述各实施方式大致同样的作用以及效果。

[实施方式6]

上述各实施方式中的超声波传感器所具备的压电元件(例如参照图8)的发送用区域40n和接收用区域40m在壳体的底部62的内底面62s的表面方向上形成在彼此相邻的位置。上述各实施方式所公开的思想(即在壳体的内底面设置凹部的思想)并不是限于具备这种压电元件的超声波传感器进行应用，也能够应用于具备图16所示的压电元件50b的超声波传感器。

如图16所示，本实施方式中的压电元件50b并不具备电极10，供发送的部分和供接收的部分没有分离。在使用这种的压电元件50b的情况下，通过在壳体(未图示)的底部62形成凹部68，也能够抑制电极20经由端部21t而导通。

[其他的实施方式]

在上述各实施方式中，压电元件由锆钛酸铅系陶瓷构成，但并不限于此。例如，压电元件也可以由铌酸钾钠系、碱金属铌酸盐系陶瓷等的非铅系压电陶瓷的压电材料等构成。在上述各实施方式中，压电元件是具备长边方向和短边方向的长方体状的形状，但是并不限于此。例如，压电元件也可以是圆板形状。在上述各实施方式中，填充剂71、72(图2)由硅酮树脂构成，但并不限于此。只要由树脂构成即可，例如可以由聚氨酯树脂、硅酮发泡树脂构成。

以上，对基于本发明的各实施方式以及实验例进行了说明，但是上述公开内容的全部仅仅是例示，而并不是限制性的。本发明的技术范围由权利要求书示出，意图包含与权利要求书等同的意义以及范围内的全部变更。

符号说明

1传感器装置，10电极(共用电极)，10c、20c、30c连接部位，11圆盘部，12延伸部，20电极(非接地电极)，21、31端面部，21t端部，22、32上面部，23、24、33中间部，23h、23t、24h、24t、32h、32t、33h、33t部，30电极(接地电极)，32f后退部，34下面部，40、m1、n1、n4压电体层，40m接收用区域，40n发送用区域，41上表面，42、43、44、45侧表面，46下表面，50、50a、50b压电元件，60、60a、60b、60c、60d壳体，61筒状部，62底部，62s内底面，62t外表面，63吸声材料，64粘接剂，65接合剂，67树脂，68、68a、68b凹部，69贯通孔，71、72填充剂，80t前端部，81、82、83布线图案，100超声波传感器，101微型计算机，102存储器，103检测电路，104信号生成电路，105电源，106接收放大器。