JP2002188946A

JP2002188946A - 超音波センサ

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Publication number: JP2002188946A
Application number: JP2000388213A
Authority: JP
Inventors: Taku Matsumoto; 卓松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-05
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: JP4857464B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度で、Ｑが低く、かつ広帯域な周波数特
性を有する超音波センサを得る。【解決手段】超音波センサ１０は、圧電素子１２を含
む。圧電素子１２の一方面が、天面を有する円筒状の音
響整合層１４の内部に取り付けられる。音響整合層１４
の天面の端部に、テーパ部１６を形成する。圧電素子１
２の他方面側に、バッキング層１８を形成する。超音波
センサ１０は、圧電素子１２の広がり振動モードと、音
響整合層１４の厚み振動モードおよび撓み振動モードと
を利用する。音響整合層１４の２つの振動モードの共振
周波数は、圧電素子１２の共振周波数の０．８〜１．２
倍の範囲となるように設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波センサに
関し、特に、たとえばガス流量計などに用いられる超音
波センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の超音波センサの一例を示
す図解図である。超音波センサ１は、圧電素子２を含
む。圧電素子２の一方面側には、音響整合層３が形成さ
れる。また、圧電素子２の他方面側には、圧電素子２の
他方面から放出される音波を吸収するためのバッキング
層４が形成される。このような超音波センサ１では、圧
電素子２に信号を入力することにより、圧電素子２が振
動し、音響整合層３を介して超音波が放出される。ま
た、音響整合層３を介して受信した超音波により、圧電
素子２から信号が出力される。なお、音響整合層３は、
超音波センサ外部の超音波が伝播する媒質との音響イン
ピーダンスの整合をとるために形成されている。

【０００３】このような超音波センサ１を用いてガス流
量などを測定する場合、図９に示すように、流路に対し
て斜めとなるようにして、ガス配管５に２つの超音波セ
ンサ１が対向して取り付けられる。そして、一方の超音
波センサ１から超音波が放出され、他方の超音波センサ
１によって受信される。反対に、他方の超音波センサ１
から超音波が放出され、一方の超音波センサ１によって
受信される。これらの２方向の超音波の送受信に要する
時間の差から、ガス流量が測定される。

【０００４】ガス流量計のように高い精度を要求される
用途においては、Ｑが低く、広帯域にわたって安定で、
応答性に優れ、かつ相互の特性ばらつきの小さい超音波
センサが要求される。そのための方法として、圧電振動
子に負荷を与えることによってＱを低くしたり、音響整
合層の表面を曲面にすることで音響整合層のＱを低下さ
せたり、圧電素子の複数の振動モードを使用するという
方法が採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電振
動子に負荷を与える方法では、負荷による損失の増大に
より、感度の低下が著しいという問題がある。また、音
響整合層の表面を曲面にしたり、圧電素子の複数の振動
モードを使用する方法では、センサ間で特性ばらつきが
生じ、ピークの周波数が揃わず、センサ相互の感度差が
生じて正確な測定を行うことができない。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、高
感度で、Ｑが低く、かつ広帯域な周波数特性を有する超
音波センサを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、圧電素子
と、音響インピーダンスの調整のための音響整合層とを
含む超音波センサにおいて、感度を有する周波数帯域内
に、圧電素子の１つの共振モードと、音響整合層の複数
の共振モードとが存在することを特徴とする、超音波セ
ンサである。このような超音波センサにおいて、音響整
合層の共振周波数が、圧電素子の共振周波数の０．８〜
１．２倍の範囲内に存在することが好ましい。特に、音
響整合層の共振周波数が、圧電素子の共振周波数の０．
８〜０．９倍の範囲内と、圧電素子の共振周波数の１．
１〜１．２倍の範囲内に１つずつ存在することが好まし
い。また、このような超音波センサにおいて、音響整合
層は天面を有する筒状に形成され、共振周波数として音
響整合層の天面の厚み振動モードと、音響整合層全体の
撓み振動モードとを使用することができる。さらに、音
響整合層の天面の端部にテーパ部が形成されてもよい。
また、音響整合層の材料として、エポキシ樹脂にガラス
バルーンを混合した材料を用いることができ、その比重
が０．５以下であることが好ましい。このような超音波
センサにおいて、圧電素子の振動モードとして、広がり
振動モードを使用することができる。

【０００８】超音波センサの感度を有する周波数帯域内
に複数の振動モードが存在することより、それぞれの振
動モードによる感度が互いに重なり合い、全体として損
失が少なく、広い周波数帯域を有する超音波センサとす
ることができる。このような超音波センサにおいて、複
数の振動モードの共振周波数の位置を適当に配置するこ
とにより、感度特性にピークをもたず、応答性に優れ、
特性ばらつきが小さく、高感度で低残響の超音波センサ
を得ることができる。このような振動モードの共振周波
数の配置としては、圧電素子の共振周波数の０．８〜
１．２倍の範囲内に、音響整合層の複数の共振周波数が
存在するときに、このような効果を得ることができる。
特に、圧電素子の共振周波数の０．８〜０．９倍の範囲
内と、圧電素子の共振周波数の１．１〜１．２倍の範囲
内に、音響整合層の共振周波数が１つずつ存在するとき
に、顕著にこのような効果が現れる。音響整合層として
は、天面を有する筒状のものを使用することができ、音
響整合層の天面の厚み振動モードと、音響整合層全体の
撓み振動モードとを用いることができる。そして、これ
らの振動モードを上述のような範囲内に配置することに
より、感度特性にピークをもたず、応答性に優れ、特性
ばらつきが小さく、高感度で低残響の超音波センサを得
ることができる。音響整合層の天面の厚み振動モードの
共振周波数は、天面の厚みを調整することにより調整す
ることができる。また、音響整合層全体の撓み振動モー
ドの共振周波数は、音響整合層の天面端部にテーパ部を
形成し、このテーパ部の大きさによって調整することが
できる。音響整合層の材料としては、エポキシ樹脂にガ
ラスバルーンを混合した材料を用いることができ、その
比重を０．５以下にしたときに高効率の超音波センサを
得ることができる。また、圧電素子の振動モードとして
厚み振動を利用することもできるが、Ｑを低くするため
に圧電体を細長くする必要があるため、薄板状の圧電体
を用いた圧電素子の広がり振動を利用したほうが、設計
が容易で、小型化が可能である。

【０００９】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の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の超音波センサ
の一例を示す図解図である。超音波センサ１０は、圧電
素子１２を含む。圧電素子１２は、たとえば円板状の圧
電体基板を含み、この圧電体基板の両面に電極が形成さ
れたものである。この超音波センサ１０では、たとえば
圧電素子１２の広がりモードの振動が利用される。圧電
素子１２の広がりモードの共振周波数は、圧電体基板の
径によって決まる。そこで、使用する周波数帯の中央付
近に共振周波数が存在するように、圧電体基板の径が決
定される。

【００１１】圧電素子１２の一方面は、音響整合層１４
の内側に取りつけられる。音響整合層１４は、圧電素子
１２と、外部の媒質との音響インピーダンスのマッチン
グをとるために用いられる。音響整合層１４は、たとえ
ばエポキシ樹脂にガラスバルーンを混合して硬化するこ
とにより形成され、比重が０．５以下となるように形成
される。音響整合層１４は、天面を有する円筒状に形成
され、天面の端部にテーパ部１６が形成される。さら
に、音響整合層１４の天面の反対側において、圧電素子
１２の他方面側にバッキング層１８が形成される。バッ
キング層１８は、圧電素子１２の他方面側から放出され
る超音波を吸収するためのものである。

【００１２】このような形状の音響整合層１４では、天
面の厚み振動モードと、音響整合層１４全体の撓み振動
モードとが存在する。音響整合層１４の厚み振動モード
の共振周波数は、図２（１）（２）に示すように、天面
の厚みによって調整することができる。また、音響整合
層１４全体の撓み振動モードの共振周波数は、図３
（１）（２）に示すように、天面端部に形成されたテー
パ部１６の大きさによって調整するのが最も容易であ
る。この超音波センサ１０では、図４に示すように、音
響整合層１４の厚み振動モードが、圧電素子１２の共振
周波数の０．８〜０．９倍の周波数となるように調整さ
れる。また、音響整合層１４全体の撓み振動モードは、
圧電素子１２の共振周波数の１．１〜１．２倍の周波数
となるように調整される。なお、周波数が適正に設定さ
れるのであれば、必ずしもテーパ部が形成される必要は
ない。

【００１３】この超音波センサ１０では、圧電素子１２
の共振周波数と音響整合層１４の共振周波数の両方が存
在するため、図５に示すように、それぞれの振動モード
による感度が重なり合って、全体として広帯域の周波数
特性を有し、高感度でかつ高応答性を有する超音波セン
サとすることができる。

【００１４】なお、圧電素子１２の共振周波数に対する
音響整合層１４の共振周波数の比率や順序が変化して
も、広帯域化の効果を得ることができる。しかしなが
ら、各共振周波数の位置関係や順序によっては、超音波
センサのＱが上昇し、感度特性にピークが生じる場合が
ある。これらの共振周波数の関係を調べたところ、音響
整合層１４の振動モードの共振周波数が、圧電素子１２
の共振周波数の０．８〜１．２倍の範囲にあるときに、
良好な特性が得られることがわかった。特に、音響整合
層１４の厚み振動モードの共振周波数が圧電素子１２の
共振周波数の０．８〜０．９倍の範囲にあり、音響整合
層１４全体の撓み振動モードの共振周波数が圧電素子１
２の共振周波数の１．１〜１．２倍の範囲にあるとき
に、最も広帯域で安定した超音波センサが得られること
がわかった。また、この場合、感度特性にほとんどピー
クが生じないため、複数の超音波センサ１０の間におい
て、感度特性のばらつきを小さくすることができる。た
とえば、図６に示すように、矩形波状の超音波を受信し
たとき、従来の超音波センサでは中央部にピークを有す
る信号が出力されるが、この発明の超音波センサ１０で
は、受信波形に近い形状の信号が出力される。

【００１５】また、音響整合層１４の比重は０．５以下
であるときに最も効率がよくなるが、音響整合層１４の
音響インピーダンスが圧電素子１２の音響インピーダン
スと、超音波が伝播する媒質の音響インピーダンスとの
間にあれば、効率のよい超音波センサを得ることができ
る。

【００１６】圧電素子１２の共振モードとしては、広が
り振動以外に、厚み振動を利用することもできる。ただ
し、厚み振動を用いた場合、図７に示すように、Ｑを低
くするために圧電体を長くする必要がある。したがっ
て、薄板状の圧電体基板の広がり振動を利用したほう
が、設計が容易で、かつ小型化が可能である。

【００１７】また、音響整合層１４の共振モードは、厚
み振動や広がり振動以外、たとえば高次の振動モードを
用いてもよい。さらに、圧電素子１２から放出される超
音波を吸収するためのバッキング層１８は必ずしも形成
される必要はないが、バッキング層１８を形成すること
により、超音波センサ１０の応答性を改善することがで
きる。

【００１８】

【発明の効果】この発明によれば、圧電素子の振動モー
ドによる感度と音響整合層の複数の振動モードによる感
度とが重なり合うことにより、高感度で、高応答性、広
帯域、低残響な超音波センサを得ることができる。さら
に、超音波センサのＱが低いため、感度にピークが発生
せず、超音波センサ間における特性ばらつきを小さくす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の超音波センサの一例を示す図解図で
ある。

【図２】音響整合層の厚みと共振周波数との関係を示す
グラフである。

【図３】テーパ部の大きさと共振周波数との関係を示す
グラフである。

【図４】この発明の超音波センサの周波数特性を示すグ
ラフである。

【図５】この発明の超音波センサと従来の超音波センサ
の感度特性を示すグラフである。

【図６】この発明の超音波センサと従来の超音波センサ
について、矩形波状の超音波を受信したときの出力信号
を示す波形図である。

【図７】圧電素子の厚み振動を利用した場合と広がり振
動を利用した場合の圧電素子の形状を示す図解図であ
る。

【図８】従来の超音波センサの一例を示す図解図であ
る。

【図９】超音波センサをガス流量計として用いた場合を
示す図解図である。

【符号の説明】

１０超音波センサ１２圧電素子１４音響整合層１６テーパ部１８バッキング層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子と、音響インピーダンスの調整
のための音響整合層とを含む超音波センサにおいて、感度を有する周波数帯域内に、前記圧電素子の１つの共
振モードと、前記音響整合層の複数の共振モードとが存
在することを特徴とする、超音波センサ。
【請求項２】前記音響整合層の共振周波数が、前記圧
電素子の共振周波数の０．８〜１．２倍の範囲内に存在
することを特徴とする、請求項１に記載の超音波セン
サ。
【請求項３】前記音響整合層の共振周波数が、前記圧
電素子の共振周波数の０．８〜０．９倍の範囲内と、前
記圧電素子の共振周波数の１．１〜１．２倍の範囲内に
１つずつ存在することを特徴とする、請求項２に記載の
超音波センサ。
【請求項４】前記音響整合層は天面を有する筒状に形
成され、共振周波数として前記音響整合層の天面の厚み
振動モードと、前記音響整合層全体の撓み振動モードと
を使用したことを特徴とする、請求項１ないし請求項３
のいずれかに記載の超音波センサ。
【請求項５】前記音響整合層の天面の端部にテーパ部
を形成したことを特徴とする、請求項４に記載の超音波
センサ。
【請求項６】前記音響整合層の材料として、エポキシ
樹脂にガラスバルーンを混合した材料が用いられ、その
比重が０．５以下であることを特徴とする、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】前記圧電素子の振動モードとして、広が
り振動モードが使用される、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。