JP2018101924A

JP2018101924A - 超音波振動子

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Publication number: JP2018101924A
Application number: JP2016247425A
Authority: JP
Inventors: 賢志関森; Kenji Sekimori
Original assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd; Ueda Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd; Ueda Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP6927696B2

Abstract

【課題】超音波振動子の小型化と、超音波振動子の接続ピンへの応力集中の抑制とを両立することである。
【解決手段】ケース１１の内部の一端側に配置された圧電素子１３と、ケース１１の内部の他端側に配置され、圧電素子１３と電気的に接続された基板１５ａと、基板１５ａに固定されて、一端がケース１１の外部に導出された接続ピン１５ｂと、ケース１１の内部に充填された樹脂１６とを備えた超音波振動子１０であって、基板１５ａがケース１１に対して非接触状態で樹脂１６により保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子に関し、特に、ケース外部に接続ピンが導出された超音波振動子に関する。

超音波を送信して、その反射波を受信する超音波振動子が様々な用途で利用されている。例えば、医療分野における被検体の検査や、自動車を駐車場に駐車する際の障害物の検出等に超音波振動子が利用されている。

この超音波振動子は、外部の回路基板との間で信号の入出力を行っている。回路基板との接続には、超音波振動子から導出されたリード線を回路基板に接続する構成（例えば、特許文献１参照）や、超音波振動子の接続ピンを回路基板に直接接続する構成（例えば、特許文献２参照）等が知られている。

特開２００６−２０４５５２号公報特開２００６−２７９５６７号公報

特許文献１に記載の構成では、超音波振動子と回路基板との間にリード線が必要であり、超音波振動子と回路基板との間にリード線が介在することから小型化を図ることが困難である。また、特許文献２に記載の構成では、リード線が不要であり、小型化を図ることが可能である。

しかし、一般的に超音波振動子をケース等で基板上に固定するが、この際、超音波振動子と回路基板との位置関係に、製造誤差や組立誤差等により位置ずれが生じた場合、この位置ずれ状態において超音波振動子の接続ピンと回路基板とを接続すると、接続部分に応力が作用し、接続ピンと回路基板との接続不良が発生する可能性がある。また、超音波振動子の振動や、外部からの振動（衝撃を含む）によって、超音波振動子の接続ピンと回路基板と間に応力が作用することもある。

なお、特許文献１に記載の構成であれば、超音波振動子と回路基板との位置関係に製造誤差や組立誤差等による位置ずれが発生しても、超音波振動子のリード線により位置ずれによる応力は吸収されるが、上述したように小型化を図ることは困難である。

そこで、本発明では、超音波振動子の小型化と、超音波振動子の接続部分への応力集中の抑制とを両立する超音波振動子を提供することを目的とする。

本発明の超音波振動子は、筒状のケースと、前記ケースの内部の一端側に配置された圧電素子と、前記ケースの内部の他端側に配置され、前記圧電素子と電気的に接続された基板と、前記基板に固定されて、一端が前記ケースの外部に導出された接続ピンと、前記ケースの内部に充填された樹脂とを備えた超音波振動子であって、前記基板が、前記ケースに対して非接触状態で前記樹脂により保持されていることを特徴とする。

また、前記樹脂は、前記圧電素子の周囲に充填される第１の樹脂と、前記基板の周囲に充填される第２の樹脂とを有し、前記第１の樹脂の弾性率は前記第２の樹脂の弾性率よりも小さい。

また、前記基板は、弾性部材を介して前記ケースに保持されている。さらに、前記弾性部材は、環状のシリコーンゴムである。

本発明によれば、超音波振動子の小型化と、超音波振動子の接続部分への応力集中の抑制とを両立することができる。その結果、小型化により超音波振動子の適用範囲を拡げることができ、また、超音波振動子の接続ピンと回路基板との接続不良の発生を抑制することができる。

第１の実施形態を示す超音波振動子の概略断面図である。第２の実施形態を示す超音波振動子の概略断面図である。第３の実施形態を示す超音波振動子の概略断面図である。

第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１に示すように、超音波振動子１０は、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）からなる円筒形状のケース１１と、ケース１１の一端に固定された整合層１２と、ケース１１の内部において、整合層１２と対向して配置された圧電素子１３と、圧電素子１３に隣接して配置されたバッキング材１４と、ケース１１の内部において、ケース１１の他端側に配置されたピンヘッダー１５と、ケース１１の内部に充填されたシリコーン樹脂１６とを備えている。

圧電素子１３の両面には、図示しない電極が形成されている。これら電極は、リード線１７ａ，１７ｂによりピンヘッダー１５に接続されている。ピンヘッダー１５は、リード線１７ａ，１７ｂが接続される基板１５ａと、この基板１５ａに接続される複数の接続ピン１５ｂと、接続ピン１５ｂを基板１５ａに固定する固定樹脂１５ｃとを備えている。

接続ピン１５ｂは、ケース１１の外部に導出する長さを有しており、超音波振動子１０が取り付けられる回路基板ＫＢに、例えば、はんだ付け等により固定される。また、回路基板ＫＢは回路基板固定部ＦＰａに固定されている。

ケース１１の内部には、圧電素子１３、バッキング材１４、ピンヘッダー１５が配置された後に、シリコーン樹脂１６が充填される。シリコーン樹脂１６には硬化後も弾性を有するものを使用する。すなわち、シリコーン樹脂１６の硬化後もピンヘッダー１５がシリコーン樹脂１６において動くことが可能な弾性を有するものを使用する。また、シリコーン樹脂１６の充填時には、冶具等を用いてピンヘッダー１５をケース１１の内周面から離間させた位置に保持して、ケース１１の内部にシリコーン樹脂１６を充填する。そして、シリコーン樹脂１６の硬化後に、超音波振動子１０を回路基板ＫＢに取り付ける。

超音波振動子１０を回路基板ＫＢに取り付けたときに、ピンヘッダー１５の接続ピン１５ｂと回路基板ＫＢとの位置関係に製造誤差や組立誤差等により位置ずれが生じた場合や、外部から、超音波振動子１０を固定している超音波振動子固定部ＦＰｂを介して超音波振動子１０に振動が加わって位置ずれが生じた場合、あるいは、超音波振動子１０が振動して位置ずれが生じた場合でも、ピンヘッダー１５がケース１１の内部で動くことができるので、それら位置ずれを吸収することができ、接続部分への応力集中が抑制される。

このため、接続ピン１５ｂと回路基板ＫＢとの接続不良の発生を抑制することができる。また、超音波振動子１０は、回路基板ＫＢに直接取り付けられるので、超音波振動子１０と回路基板ＫＢとの間のリード線を不要にすることができ、部品点数を削減して小型化を図ることができる。

なお、圧電素子１３とピンヘッダー１５との間のリード線１７ａ，１７ｂの長さは、ピンヘッダー１５が動いても、このリード線１７ａ，１７ｂに張力が作用しないように、余裕を持った長さとすることが好ましい。

次に、第２の実施形態について図２を参照して説明する。以下に説明する各実施形態において、第１の実施形態において説明した構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、超音波振動子２０では、ケース１１に充填するシリコーン樹脂に、第１のシリコーン樹脂１８と第２のシリコーン樹脂１９との２種類のシリコーン樹脂を使用している。

ケース１１の内部において、圧電素子１３及びバッキング材１４の周囲には、第１のシリコーン樹脂１８が充填されている。また、ケース１１の内部において、ピンヘッダー１５の基板１５ａの周囲には、第２のシリコーン樹脂１９が充填されている。

第１のシリコーン樹脂１８の弾性率は、第２のシリコーン樹脂１９の弾性率よりも小さい。すなわち、第１のシリコーン樹脂１８及び第２のシリコーン樹脂１９の充填後、圧電素子１３及びバッキング材１４の周囲の第１のシリコーン樹脂１８の方が、ピンヘッダー１５の基板１５ａの周囲の第２のシリコーン樹脂１９よりも柔らかくなっている。

このように、圧電素子１３及びバッキング材１４の周囲の第１のシリコーン樹脂１８と、ピンヘッダー１５の基板１５ａの周囲の第２のシリコーン樹脂１９とを異なる弾性率とすることによって、ケース１１の内部において、圧電素子１３やピンヘッダー１５の基板１５ａに対して最適な保持を行うことができる。

すなわち、外部から、超音波振動子１０を固定している超音波振動子固定部ＦＰｂを介して超音波振動子１０に振動が作用した場合、第１のシリコーン樹脂１８によって、圧電素子１３及びバッキング材１４への振動の伝達が抑制される。圧電素子１３はそれ自身が振動するため、外部からの振動伝達の抑制により、超音波振動子２０の動作精度の向上に繋がる。

なお、第２のシリコーン樹脂１９は、基板１５ａと回路基板ＫＢとの位置ずれを吸収できればよく、また、基板１５ａがケース１１の内部において所定位置に保持されるだけの弾性率があれば良い。

次に、第３の実施形態について図３を参照して説明する。図３に示すように、超音波振動子３０のケース３１の内周面には段部３２が形成されている。

ケース３１は、圧電素子１３及びバッキング材１４を収容する第１の収容部３１ａと、ピンヘッダー１５を収容する第２の収容部３１ｂとを有している。第１の収容部３１ａの内径Ｒ１は、第２の収容部３１ｂの内径Ｒ２より小さく設定されている。すなわち、第１の収容部３１ａと第２の収容部３１ｂとの境において段部３２が形成されている。この段部３２には、シリコーンゴムからなるＯリング３３が載置されている。Ｏリング３３の弾性率としては、ケース３１の内部に充填するシリコーン樹脂１６よりも低いものを選択することが好ましい。なお、Ｏリング３３の材質をシリコーン樹脂１６と同様のものとしてもよい。

Ｏリング３３の上には、ピンヘッダー１５の基板１５ａが載置されている。この状態で、ケース３１の内部にシリコーン樹脂１６が充填される。すなわち、第３の実施形態では、ピンヘッダー１５が、Ｏリング３３を介してケース３１の段部３２に載置されている。

このように、ピンヘッダー１５を、Ｏリング３３を介してケース３１の段部３２に載置することによって、ピンヘッダー１５の接続ピン１５ｂと回路基板ＫＢとの位置関係に製造誤差や組立誤差等により位置ずれが生じた場合や、外部から、超音波振動子１０を固定している超音波振動子固定部ＦＰｂを介して超音波振動子１０に振動が加わって位置ずれが生じた場合、あるいは、超音波振動子１０が振動して位置ずれが生じた場合でも、ピンヘッダー１５がＯリング３３を押し潰すことによりケース３１の内部で動くことができるので、それらの位置ずれを吸収することができ、接続ピン１５ｂへの応力集中が抑制される。その結果、接続ピン１５ｂと回路基板ＫＢとの接続不良の発生を抑制することができる。

また、ピンヘッダー１５をＯリング３３に載置することでピンヘッダー１５の位置決めを行うことができ、シリコーン樹脂１６の充填時に冶具を不要とすることができる。

１０，２０，３０超音波振動子、１１，３１ケース、１２整合層、１３圧電素子、１４バッキング材、１５ピンヘッダー、１５ａ基板、１５ｂ接続ピン、１５ｃ固定樹脂、１６シリコーン樹脂、１７ａ，１７ｂリード線、１８第１のシリコーン樹脂、１９第２のシリコーン樹脂、３１ａ第１の収容部、３１ｂ第２の収容部、３２段部、３３Ｏリング、ＫＢ回路基板、ＦＰａ回路基板固定部、ＦＰｂ超音波振動子固定部。

Claims

筒状のケースと、前記ケースの内部の一端側に配置された圧電素子と、前記ケースの内部の他端側に配置され、前記圧電素子と電気的に接続された基板と、前記基板に固定されて、一端が前記ケースの外部に導出された接続ピンと、前記ケースの内部に充填された樹脂とを備えた超音波振動子であって、
前記基板が、前記ケースに対して非接触状態で前記樹脂により保持されていることを特徴とする超音波振動子。
請求項１に記載の超音波振動子であって、
前記樹脂は、前記圧電素子の周囲に充填される第１の樹脂と、前記基板の周囲に充填される第２の樹脂とを有し、
前記第１の樹脂の弾性率は、前記第２の樹脂の弾性率よりも小さいことを特徴とする超音波振動子。
請求項１または２に記載の超音波振動子であって、
前記基板は、弾性部材を介して前記ケースに保持されていることを特徴とする超音波振動子。
請求項３に記載の超音波振動子であって、
前記弾性部材は、環状のシリコーンゴムであることを特徴とする超音波振動子。