JP2002214009A - 超音波センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価に熱膨張係数の差による影響を少なくす
ることができ、送受信感度の良好な超音波センサを得
る。 【解決手段】 超音波センサ１０は、ケース１２と、そ
の一端に形成される音響整合層１４とを含む。ケース１
２の内部において、音響整合層１４に圧電素子１６を接
着する。圧電素子１６の２つの電極２０ａ，２０ｂを端
子２４ａ，２４ｂに接続する。圧電素子１６との接着面
から対向面に向かって延びるように、音響整合層１４に
スリット２６を形成する。スリット２６の深さは、音響
整合層１４の厚さの８０％以上で、かつ１００％未満と
なるようにする。

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１０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、たとえば円筒状
のケース２を含む。ケース２の一端には、音響整合層３
が形成される。また、ケース２内において、音響整合層
３には、圧電素子４が接着される。圧電素子４は、たと
えば圧電体基板の両面に電極が形成されたものである。
このような超音波センサ１では、圧電素子４に信号を入
力することにより、圧電素子４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４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。このような音響整合層３としては、たとえばガ
ラスバルーンとエポキシ樹脂を混合して硬化したものが
使用される。

【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１１に示すように、流路に対
し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が対向させられる。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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超音波センサでは、音響整合層の熱膨張係数が圧電
素子の約１０倍以上あるため、ヒートサイクルなどの温
度変化を印加すると、音響整合層と圧電素子との界面に
応力が集中し、接着不良が発生する場合がある。また、
接着がうまくいったとしても、熱応力による圧電素子の
割れが発生したり、応力によって圧電体基板の分極状態
が変化し、圧電体基板表面に電荷が発生することで圧電
体基板のデポール（消極）が発生する。このようなデポ
ールに関しては、圧電素子の端子間に負荷抵抗を接続す
ることで軽減はできるが、根本的な解決にはならず、使
用範囲が狭くなるという問題がある。

【０００５】そこで、たとえば圧電素子と音響整合層の
中間の熱膨張係数を有する材料を挟み込むことで、熱応
力を緩和させる方法が考えられるが、部品点数が増え、
適した材料を選定するのに手間がかかる。また、音響整
合層と圧電素子とを接着した超音波センサでは、音響整
合層の主モードである厚み振動モードが利用されている
が、この厚み振動モードの近傍に音響整合層の径寸法に
依存する振動モードが発生し、主モードの振動を妨げる
ため、高感度化が困難である。

【０００６】また、音響整合層の接着面から対向面まで
貫通するスリットを形成することにより、音響整合層の
径寸法に依存する振動モードを低減するとともに、熱膨
張係数による応力を緩和することが考えられる。この場
合、超音波送信時には高感度化して好都合であるが、超
音波受信時には応力感受性が低下し、感度が大幅に低下
する。そのため、送受信感度でみれば、感度低下は避け
られない。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、安
価に熱膨張係数の差による影響を少なくすることがで
き、送受信感度の良好な超音波センサを提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、圧電素子
と、圧電素子に接着されて音響インピーダンスの整合用
として用いられる音響整合層とを含む超音波センサにお
いて、圧電素子との接着面から対向面に向かって音響整
合層にスリットが形成され、スリットの深さが音響整合
層の厚みの８０％以上かつ１００％未満であることを特
徴とする、超音波センサである。

【０００９】圧電素子との接着面から対向面に向かって
音響整合層にスリットが形成されているため、熱サイク
ルが印加されても、音響整合層の伸縮がスリットで吸収
され、音響整合層全体の伸縮量が低減する。また、スリ
ットが形成されることにより、音響整合層の径寸法に依
存する共振が小さくなり、主モードである厚み振動モー
ドが強調される。さらに、接着面の反対側の音響整合層
表面にはスリットがなく、平面状であるため、入射した
平面波に対する感受性が高く、超音波受信時の感度低下
を防ぐことができる。

【００１０】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。

【００１１】

【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、たと
えば円筒状のケース１２を含む。ケース１２の一端側に
は、断面形状が円形の音響整合層１４が形成される。音
響整合層１４の材料としては、たとえばガラスバルーン
とエポキシ樹脂とを混合し、硬化したものが用いられ
る。さらに、ケース１２の内部において、音響整合層１
４に圧電素子１６が接着される。圧電素子１６は、たと
えば円板状の圧電体基板１８の両面に電極２０ａ，２０
ｂが形成されたものである。ケース１２の他端側には、
蓋部材２２が形成され、蓋部材２２から２つの端子２４
ａ，２４ｂが延びるように形成される。これらの端子２
４ａ，２４ｂには、それぞれ圧電素子１６の電極２０
ａ，２０ｂが接続される。

【００１２】音響整合層１４には、圧電素子１６との接
着面から対向面に向かって、複数のスリット２６が形成
される。スリット２６は、音響整合層１４の厚みの８０
％以上で、１００％未満の深さとなるように形成され
る。スリット２６の形状としては、図２（ａ）に示すよ
うに、音響整合層１４の全面に縦横のスリット２６が形
成されてもよいし、図２（ｂ）に示すように、圧電素子
１６との接着面にのみ縦横のスリット２６が形成されて
もよい。また、図２（ｃ）に示すように、穴状のスリッ
ト２６が形成されてもよいし、図２（ｄ）に示すよう
に、同心円状のスリット２６が形成されてもよい。さら
に、図２（ｅ）に示すように、十字状のスリット２６と
円弧状のスリット２６とが組み合わさった形状としても
よく、スリット２６の形状は任意に設定可能である。さ
らに、図３に示すように、音響整合層１４の厚みの８０
％以上で１００％未満の範囲であれば、複数のスリット
２６の深さは異なっていてもよい。

【００１３】このような超音波センサ１０では、圧電素
子１６に信号を入力することにより、音響整合層１４を
介して超音波が放出される。また、音響整合層１４を介
して受信した超音波によって、圧電素子１６から信号が
出力される。このとき、音響整合層１４によって、圧電
素子１６と外部の媒質との音響インピーダンスの整合が
とられる。

【００１４】このような超音波センサ１０において、音
響整合層１４の熱膨張係数は圧電素子１６の熱膨張係数
の約１０倍以上あるため、温度変化により音響整合層１
４のほうが圧電素子１６より大きく伸縮する。しかしな
がら、音響整合層１４にはスリット２６が形成されてい
るため、音響整合層１４の伸縮がスリット２６によって
吸収され、音響整合層１４全体としての伸縮は小さくな
る。そのため、音響整合層１４と圧電素子１６との界面
にかかる応力が小さく、圧電素子１６が破損することを
防止することができる。また、応力によって圧電素子１
６の圧電体基板１８表面に電荷が発生することが少な
く、このような電荷による圧電体基板１８のデポールを
防止することができる。

【００１５】また、スリットの形成されていない従来の
超音波センサでは、図４に示すように、音響整合層１４
の主モードである厚み振動モードの近傍に、径寸法に依
存する振動モードが発生するが、スリット２６を形成し
た超音波センサ１０では、図５に示すように、音響整合
層１４の径寸法に依存する振動モードが小さくなり、主
モードが強調される。それによって、送信時の音響整合
層１４の振動速度が増加する。さらに、スリット２６の
深さは、音響整合層１４の厚みの１００％未満であるた
め、音響整合層１４の外面にはスリットが形成されてお
らず一様な平面状であり、入射した平面波に対する応力
感受性が高くなる。それによって、受信時の音響整合層
１４の振動速度が増加する。このように、送受信時にお
ける音響整合層１４の振動速度が大きいため、送受信時
の両方において、高感度な超音波センサとすることがで
きる。

【００１６】また、この超音波センサ１０では、音響整
合層１４にスリット２６を形成するだけなので、他の部
品を使用する必要がなく、安価に製造することができ
る。

【００１７】スリット２６の効果を調べるために、図６
に示すようなモデルを使ってシミュレーションを行っ
た。使用したモデルは、断面形状が半円形の音響整合層
１４と圧電素子１６とを接着したものである。つまり、
実際の超音波センサを半分に切断した形状のものであ
り、その切断面において、音響整合層１４と圧電素子１
６の界面における応力を調べた。

【００１８】音響整合層１４に形成されるスリット２６
としては、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、同心
円状のスリット２６を形成した。スリット２６の数は、
１本、３本および５本である。これらの３種類の超音波
センサにおいて、スリット２６の深さを変えて最大応力
を測定し、その結果を図８に示した。図８では、スリッ
トが形成されていない超音波センサにかかる応力に比べ
て、最大応力の変化量を示した。

【００１９】図８から、スリット２６の深さが音響整合
層１４の厚みの０〜２０％の範囲では、音響整合層１４
と圧電素子１６の界面にかかる最大応力が、スリットが
形成されていない場合に比べて大きくなり、スリット２
６が深くなるにしたがって、最大応力が小さくなってい
るのがわかる。そして、スリット２６の深さが音響整合
層１４の厚みの８０％以上になると、最大応力がスリッ
トのないときよりも小さくなっている。

【００２０】また、スリット２６が３本形成された超音
波センサについて、スリットがない場合と、スリットの
深さが音響整合層１４の厚みの１５％の場合と、スリッ
トの深さが音響整合層１４の厚みの９０％の場合につい
て、音響整合層１４と圧電素子１６の界面にかかる応力
をシミュレーションし、その結果を図９に示した。図９
において、縦方向に延びる６つの白い柱上部分がスリッ
トを示し、中央付近において横方向に延びる白い部分
が、応力のかかっている部分であることを示している。
図９からも、スリットのない場合やスリットが浅い場合
に応力が界面に集中し、スリットが深い場合に、応力が
ほとんど見られないことがわかる。

【００２１】このように、この発明の超音波センサ１０
では、音響整合層１４に所定の深さのスリット２６を形
成することにより、音響整合層１４と圧電素子１６との
熱膨張係数の差による影響を小さくすることができる。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、音響整合層と圧電素
子の熱膨張係数の差によって生じる応力の影響が少な
く、圧電素子が破損したり、圧電体基板のデポールなど
の問題を解決することができる。また、音響整合層にス
リットを形成しても、受信時の応力感受性が低下せず、
送受信時において高感度な超音波センサとすることがで
きる。さらに、従来の超音波センサに比べて、音響整合
層にスリットを形成するだけでよく、他の部品を使用す
る必要がないため、低コストで超音波センサを作製する
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】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す超音波センサの
音響整合層に形成されるスリットのパターンを示す図解
図である。

【図３】図１に示す超音波センサの音響整合層に形成さ
れるスリットの深さを示す図解図である。

【図４】音響整合層にスリットが形成されていない場合
における超音波センサのインピーダンスの周波数特性を
示すグラフである。

【図５】音響整合層にスリットが形成されている場合に
おける超音波センサのインピーダンスの周波数特性を示
すグラフである。

【図６】シミュレーションに用いられる超音波センサの
モデルと観測の視点とを示す図解図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、図６に示すモデルに形成さ
れるスリットを示す図解図である。

【図８】図７に示す３つの超音波センサのスリットの深
さと最大応力との関係を示すグラフである。

【図９】スリットの深さと応力との関係をシミュレーシ
ョンした結果を示す図解図である。

【図１０】従来の超音波センサの一例を示す図解図であ
る。

【図１１】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 ケース １４ 音響整合層 １６ 圧電素子 １８ 圧電体基板 ２０ａ，２０ｂ 電極 ２２ 蓋部材 ２４ａ，２４ｂ 端子 ２６ スリット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子と、前記圧電素子に接着されて
   音響インピーダンスの整合用として用いられる音響整合
   層とを含む超音波センサにおいて、 前記圧電素子との接着面から対向面に向かって前記音響
   整合層にスリットが形成され、前記スリットの深さが前
   記音響整合層の厚みの８０％以上かつ１００％未満であ
   ることを特徴とする、超音波センサ。