JP2004129063A - 超音波デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】安価に作製可能で、耐湿性に優れ安定して動作可能な超音波デバイスを提供すること。
【解決手段】超音波送受信器１は、金属製で有底筒状構成のケース本体１０に、圧電素子２０を内蔵している。圧電素子は、ケース本体底部内面に固着されている。ケース本体の開口端には、その開口端を閉塞する金属製のベース３０が設けられており、第一端子２３は、絶縁材としてのガラス材３３を介してベースに固着されている。また、ベースには、第二端子２５が接続されている。この他、ケース本体の底部１３の圧電素子が設けられた内面とは反対側の外面には、音響整合材４０が固着されている。音響整合材４０は、気泡が分散配置された内層と、その内層を気密に包囲する疎水性で薄膜状の外層と、からなるカーボン製の単一部材で構成されている。この音響整合材４０は、外層を介してエポキシ樹脂製の接着剤によりケース本体に接着されている。
【選択図】 図２
【解決手段】超音波送受信器１は、金属製で有底筒状構成のケース本体１０に、圧電素子２０を内蔵している。圧電素子は、ケース本体底部内面に固着されている。ケース本体の開口端には、その開口端を閉塞する金属製のベース３０が設けられており、第一端子２３は、絶縁材としてのガラス材３３を介してベースに固着されている。また、ベースには、第二端子２５が接続されている。この他、ケース本体の底部１３の圧電素子が設けられた内面とは反対側の外面には、音響整合材４０が固着されている。音響整合材４０は、気泡が分散配置された内層と、その内層を気密に包囲する疎水性で薄膜状の外層と、からなるカーボン製の単一部材で構成されている。この音響整合材４０は、外層を介してエポキシ樹脂製の接着剤によりケース本体に接着されている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響整合材及び圧電素子を備え、圧電素子を用いて超音波を送信及び／又は受信する超音波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波デバイスとしては、超音波送信器や超音波受信器などが知られている。また、超音波デバイスを備える機器としては、超音波流量計、超音波距離計、超音波プローブ、魚群探知器、など様々なものが知られている。
【０００３】
一般的に、超音波デバイスには、音響インピーダンスの差異をなくして超音波の反射を低減するための音響整合材が用いられている。物体の音響インピーダンスは、密度×音速で求めることができるが、空気中の音響インピーダンス及び、超音波を送受信するための圧電素子の音響インピーダンスは互いに大きく異なる。このため、超音波の伝搬経路に音響整合材を配置して、超音波の反射率を低減するのである。
【０００４】
音響整合材の音響インピーダンスの理想値は、空気中の音響インピーダンスＺａ及び圧電素子の音響インピーダンスＺｂの相乗平均（Ｚａ×Ｚｂ）１／２に一致することが知られている。従来から、この理想値に音響整合材の音響インピーダンスを近づけるために、音響整合材内部には、気泡を形成している。気泡を形成すると、音響整合材内の密度が低下して、音響整合材の音響インピーダンスが理想値に近づくのである。
【０００５】
しかしながら、従来の音響整合材では、内部に連通する気泡が表面に存在する結果、水分が音響整合材の内部に浸入しやすいといった問題があった。音響整合材内部に水分が浸入すると、その水分が音響整合材内部における超音波の伝搬に影響を及ぼすため、そのような音響整合材を用いた超音波デバイスでは、超音波デバイスの特性が水分の浸入と共に変化し、超音波の送受信動作を安定して行うことができなくなってしまうのである。
【０００６】
結果、超音波により種々物理量を計測する計測器においては、正確な計測結果が得られなくなってしまう問題があった。また、従来の音響整合材では、表面に気泡が形成されているため、超音波デバイスのケース表面に音響整合材を接着剤にて接着すると、その接着剤が気泡内部に浸入して、充分な接着強度が得られないといった問題があった。
【０００７】
その他、接着剤が気泡内部に浸入することで、音響整合材の接着面の状態に個体毎のばらつきが生じてしまい、超音波デバイスの特性を揃えて、製品を大量生産することが難しかった。
一方、このような問題への対応策として、下記特許文献１に記載の超音波デバイスでは、空隙（気泡）を有する薄膜構造体を積層して得られる音響整合材の気体と接する面に、空隙のない薄膜構造体を設けて、音響整合材内部に水が浸入しないようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３５８９５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、空隙を有する薄膜構造体を積層した後、空隙のない薄膜構造体を表面に設けるようにして音響整合材を作製するため、その作製にかなりの工程数を必要とし、コストがかかるといった問題があった。
【００１０】
また、積層して音響整合材を作製するため、作製可能な音響整合材の形状が限定されていた。例えば、超音波送受信器としてよく用いられる有底円筒形状に、音響整合材を作製するのは、特許文献１に記載の技術では難しかった。その他、側面には、空隙のない薄膜構造体が設けられていないため、側面から水分が浸透して、音響整合材の特性が変化する場合があった。
【００１１】
一方、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いて音響整合材を形成する場合、音響整合材表面に気泡が存在することは通常ない。しかしながら、このような音響整合材では、音響整合材を構成するエポキシ樹脂に吸湿性があることから、高湿度で超音波デバイスを使用した場合に、音響整合材の特性が変化してしまうことがあった。また、エポキシ樹脂のガラス転移点は６０度付近であることから、上記ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いた音響整合材を備える超音波デバイスでは、使用最高温度がガラス転移点である６０度程度までに制限されていた。
【００１２】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、安価に作製可能で、安定して動作可能な超音波デバイスを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、ケース本体と、気泡が分散配置された第一層とその第一層を気密に包囲する疎水性の第二層とからなる単一部材で構成され、第二層を介してケース本体の外面に固着された音響整合材と、音響整合材とは反対側のケース本体内面に配置された圧電素子と、圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材における疎水性の第二層が、第一層を気密に包囲しているので、第一層には、第二層表面に付着した水分が浸透しない。この結果、本発明の超音波デバイスによれば、第一層が水分を吸収することにより第一層に重量変化などが起こり、それが原因で第一層における超音波の伝搬特性が変化して、超音波デバイスの共振周波数などにずれが生じ、超音波デバイスが安定して動作しなくなるのを防止することができる。
【００１５】
結果、例えば、本発明の超音波デバイスを計測器等に用いる場合には、超音波デバイスから正確な出力信号を得ることができ、超音波を用いて高精度に物理量を計測することができる。
また、本発明の超音波デバイスでは、音響整合材として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、超音波デバイスを作製する際の工程数を少なくすることができる。さらに、本発明の音響整合材は、主材料と、主材料を内包する補助材料と、を混合した後、その混合物をプレス成形や押出し成形などにより成形し、焼結時に補助材料を蒸発させることにより作製することが可能なため切削加工が不要である。したがって、低コストに超音波デバイスを作製することが可能である。
【００１６】
このように、主材料及び気泡を形成するための補助材料の混合物の焼成によって、気泡が分散配置された第一層と、第一層を気密に包囲する疎水性の第二層と、を形成してなる単一部材で構成された音響整合材を、ケース本体の外面に固着すれば、耐湿性に優れた超音波デバイスを安価に作製することができて、超音波デバイスを安定して動作させることが可能である。尚、水分の吸収による音響整合材の特性変化を更に抑制するためには、第二層の厚みを、音響整合材を伝搬する超音波の波長よりも充分小さくすると良い。
【００１７】
次に、請求項２に記載の超音波デバイスは、請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、音響整合材における第二層に、気泡が独立気泡として分散配置されていることを特徴とする。気泡が独立気泡として（即ち、隣り合う気泡が連通していない状態で）分散配置されるようにして第二層を形成すれば、音響整合材表面の第二層において外部に開口された気泡を通じ、第一層に水分が浸透することがなく、第一層を気密に保つことができる。
【００１８】
したがって、請求項２に記載の発明によれば、音響整合材の第一層に水分が吸収されて、音響整合材の特性が変化してしまうのを防止することができ、耐湿性に優れ安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することが可能である。
請求項３に記載の超音波デバイスは、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、ケース本体と、気泡が分散配置された第一層とその第一層を気密に包囲する第二層とからなる単一部材で構成され、第二層を介してケース本体の外面に固着された音響整合材と、音響整合材とは反対側のケース本体内面に配置された圧電素子と、圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、を備え、音響整合材における第二層が、無気泡層であることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の超音波デバイスによれば、第二層が無気泡層であることから、第一層を気密に包囲することができる。また、第二層に気泡を形成すると、音響整合材を第二層を介してケース本体に接着する際、接着剤が第二層表面に開口した気泡に浸入したりする可能性があるが、本発明によれば、第二層が無気泡層であるので、気泡に接着剤が浸入することがない。したがって、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、接着剤を第二層表面にムラ無く均一に塗布することができ、音響整合材をケース本体にしっかり接着することができる。
【００２０】
したがって、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材とケース本体外面との間の接着強度を高めることができ、接着不良による超音波デバイスの性能劣化を抑えることができる。この結果、本発明によれば、長期にわたり安定動作可能な超音波デバイスを提供することができる。その他、本発明によれば、ケース本体と音響整合材との接着が、個体毎にばらつくのを抑制することができ、製品を大量生産する場合に、製品の品質を一定に保つことができる。
【００２１】
また、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、超音波デバイスを作製する際の工程数を少なくすることができる。
【００２２】
さらに、請求項３記載の音響整合材は、主材料と、主材料を内包する補助材料と、を混合した後、その混合物をプレス成形や押出し成形などにより成形し、焼結時に補助材料を蒸発させることにより作製することが可能なため切削加工が不要である。
【００２３】
また、このように、主材料及び気泡を形成するための補助材料の混合物の焼成によって、気泡が分散配置された第一層と、第一層を気密に包囲する第二層としての無気泡層と、を形成してなる単一部材で構成された音響整合材を、ケース本体の外面に固着すれば、安定動作可能な超音波デバイスを安価に作製することができる。また、音響整合材における第一層と第二層とを同一材料で生成することができるので、音響整合材にかかる材料費等を抑えることができる。
【００２４】
請求項４に記載の超音波デバイスは、請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、音響整合材における第二層が、疎水性の無気泡層であることを特徴とする。請求項４に記載の超音波デバイスによれば、第二層が疎水性を有しているから、第二層表面に付着した水分が、第二層を通じて第一層側に浸透したりすることがなく、第一層が水分を吸収することがない。したがって、請求項４に記載の発明によれば、耐湿性に優れ安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することができる。
【００２５】
請求項５に記載の超音波デバイスは、音響整合材が、カーボン製であることを特徴とする。請求項５に記載の超音波デバイスでは、疎水性を有するカーボン（炭素）を用いて音響整合材を作製しているため、第二層表面から第一層内に、水が浸透することがない。また、熱膨張率が小さくガラス転移点が高いため、幅広い温度範囲で温度変化による音響整合材の特性変化が少なく、更には、有機材料の音響整合材に比べて、ケース本体と音響整合材との熱膨張率の差が小さいため、音響整合材とケース本体との間に位置する接着層に及ぶ温度変化に伴う発生応力が小さく、接着層の劣化を防止することができる。
【００２６】
さらにカーボンは、無機物質のなかでも化学反応を起こし難い安定した物質であるため耐ガス性、耐候性に優れている。したがって、請求項５に記載の発明によれば、耐湿性に優れると共に、幅広い温度範囲で温度依存性が少なく、耐ガス性・耐候性に優れ、長期的に安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することが可能である。
【００２７】
尚、請求項１〜請求項５に記載の発明は、超音波デバイスとしての超音波送信器、又は超音波受信器、又はその両機能を備える超音波送受信器に適用することが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について、図面とともに説明する。尚、図１は、本発明が適用された超音波を送受信するための超音波デバイスとしての超音波送受信器１の構成を概略的に表す上面図（同図（ａ））、側面図（同図（ｂ））、底面図（同図（ｃ））である。また、図２は、超音波送受信器１のＡ−Ａ断面図である。
【００２９】
本実施例の超音波送受信器１は、金属製のケース本体１０に、圧電素子２０を内蔵している。ケース本体１０は、有底筒状構成にされており、円筒状の筒部１１と、その筒部１１の一方の開口端を閉塞する底部１３と、底部１３が形成された側とは反対側の筒部１１の開口端に形成された筒部１１の径方向に延びる鍔部１５と、からなっている。
【００３０】
圧電素子２０は、圧電効果及び電歪効果を示す周知の圧電性セラミックスで円盤状に構成され、その一平坦面が、ケース本体１０の底部１３内面に固着されている。また、圧電素子２０には電極が両面に形成されており、一方の電極はケース本体１０に接続され、他方の電極はより線２１を介して第一端子２３に電気的に接続されている。
【００３１】
ケース本体１０には、鍔部１５側の開口端に、そのケース本体１０の開口端を閉塞する金属製の板状部材であるベース３０が設けられており、第一端子２３は、そのベース３０に設けられた孔部に挿通され、絶縁材としてのガラス材３３を介してベース３０に電気的に絶縁された状態で固着されている。また、ベース３０には、第二端子２５が固着されている。
【００３２】
その他、ケース本体１０の底部１３に対向するベース３０の内面には、ケース本体１０に包囲されるベース３０内面を被覆する絶縁ラベル３５が設けられている。また、ケース本体１０の外面には、樹脂製カバー３７が、ケース本体１０の筒部１１側面を被覆するようにして、そのケース本体１０側面に巻回されている。また、ケース本体底部１３の圧電素子２０が設けられた内面とは反対側の外面には、音響整合材４０が固着されている。
【００３３】
音響整合材４０は、図３（ａ）に示すように、気泡４１が分散配置された内層４３と、その内層４３を気密に包囲する疎水性で薄膜状の外層４５と、からなる板状の単一部材で構成されている。この音響整合材４０は、疎水性を有するカーボンにて構成されており、音響整合材４０の厚みは、送受信する超音波の波長に応じて設定されている。尚、図３（ａ）は、音響整合材４０の断面構成を概略的に表す概略断面図である。
【００３４】
具体的に音響整合材４０の外層４５は、気泡４１を有する内層４３とは異なり、気泡４１が存在しない無気泡層となっている。また、この外層４５の厚みは、超音波送受信器１で送受信する超音波の波長より十分短い寸法にされている。また、外層４５は、気泡４１を有する内層４３を完全に周囲から包囲し被覆している。結果、音響整合材４０の表面には、気泡４１による窪部がない状態にされ、音響整合材４０の表面全体は、滑らかな平坦状にされている。
【００３５】
本実施例では、このように外層４５を内層４３と同じ疎水性を有するカーボンで構成し、更に、外層４５を無気泡層にすることで、気泡４１などを通じて水分が外部から内層４３に浸入しないようにしている。尚、図３（ａ）では、音響整合材４０の断面構成を理解しやすいように、内層４３内の構成を簡素に表現したが、実際の音響整合材４０の内層４３では、気泡４１の大きさにばらつきが生じたり、気泡４１が隣り合う気泡と連通する場合がある。図３（ｂ）は、そのような状態の音響整合材４０の構成を表した断面図である。本実施例の音響整合材４０では、外層４５が内層４３を完全に被覆しているので、連通した気泡を通じて内層４３に水分が吸収されないのである。
【００３６】
また、この音響整合材４０の一面は、エポキシ樹脂製の接着剤４７により底部１３外面に接着されており、これにより音響整合材４０は、外層４５を介してケース本体１０に固着されている。ただし、音響整合材４０とケース本体１０との固着については、接着剤４７による接着に限らず、例えば、音響整合材４０の一面にニッケルめっきを施した後、その音響整合材４０をケース本体１０に、はんだ等で接合する方法もある。
【００３７】
ところで、上記構成の音響整合材４０は、具体的に次のように作製することができる。まず、主材料であるペースト状のフラン樹脂剤（例えば、日立化成製の商品名：ＶＦ−３０２）に、気泡４１を形成するための補助材料として、粉末状のポリスチレン樹脂剤（例えば、積水化学製の商品名：ＳＢＸ−８）を混ぜ合わせ、混合物を生成する。この混合時において、補助材料は、主材料を吸収して、内部に少量の主材料を内包する状態にされる。
【００３８】
次に、その混合物を仮成形した後、仮成形した混合物を高温焼成して、主材料を焼結させる。この際、補助材料は、沸点が低いので、主材料が結合する前に蒸気化する。結果、内部には、微小な気泡４１が形成される。また、補助材料が蒸気化する際に、補助材料内部に吸収されていた主材料が、表面に外層４５としてのカーボン膜を形成する。このような工程により、表面には外層４５として気泡のない無気泡層が形成され、本実施例の音響整合材４０は完成する。
【００３９】
この他、別の方法として、音響整合材４０は、次のように作製することが可能である。まず、上記方法と同様に、主材料及び補助材料の混合物を生成する。次に、混合物を圧縮成形する。この圧縮成形の際には、加圧により、主材料が表面に押し出されて、表面に主材料のみの層が形成される。その後、加熱により、主材料を焼結させると共に補助材料を蒸発させる。このような工程により、表面には外層４５として上記方法より厚い無気泡層が形成され、音響整合材４０は完成する。
【００４０】
以上、本実施例の超音波送受信器１について説明したが、上記構成の超音波送受信器１では、端子２３，２５から駆動電力を入力すると、圧電素子２０が振動して、超音波が発生し、音響整合材４０を介して外部に超音波が送信される。また、上記構成の超音波送受信器１では、外部から音響整合材４０を介して超音波がケース本体１０内に伝達されてくると、圧電素子２０が振動し、圧電効果による電気信号が端子２３，２５より出力される。
【００４１】
本実施例の超音波送受信器１では、音響整合材４０として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、また成形後焼成することにより作製可能であり切削加工が必要ないため、製品を製造する際の工程数を少なくすることができる。したがって、本実施例によれば、低コストに超音波送受信器１を作製することができる。
【００４２】
また、本実施例の超音波送受信器１では、表面に気泡４１が存在せず表面が平坦である音響整合材４０を用いているので、そのケース本体１０表面と音響整合材４０とをムラ無く均一に接着することができ、音響整合材４０をケース本体１０にしっかりと固定することができる。つまり、音響整合材４０とケース本体１０との間の接着強度を高めることができる。
【００４３】
また、音響整合材４０の表面が平坦でケース本体１０の表面と音響整合材４０とを均一にしっかりと接着できる結果、接着面における超音波の伝搬ロスが小さく、出力信号において圧電素子２０の共振点付近で高いＱ値が得られ、高い感度で超音波を受信することができる。
【００４４】
尚、図４（ａ）は、本実施例の超音波送受信器１に関して、超音波の受信周波数と、端子２３，２５から得られる出力信号のインピーダンスとの関係を表したグラフである。また、図４（ｂ）では、音響整合材４０とケース本体１０との間の接着面に無気泡層を有しない従来の超音波送受信器における超音波の受信周波数とインピーダンスの関係を比較例として示す。
【００４５】
図４に示すように比較例（同図（ｂ））では圧電素子の共振点（本実施例では、２３０ｋＨｚ）付近においてもインピーダンスの高いピークが見られず、圧電素子２０の振動が適切に音響整合材４０に伝達されていないことが理解できる。一方、本実施例の超音波送受信器１では、圧電素子２０の共振点（本実施例では、２３０ｋＨｚ）付近において、インピーダンスの高いピークが見られる。これは、圧電素子２０の振動が音響整合材４０に良好に伝達されてることを意味し、本実施例の超音波送受信器１では、音響整合材４０を均一にしっかりとケース本体１０に接着できる結果、音響整合材４０を介して超音波を高感度で送受信できるといえる。
【００４６】
また、本実施例の超音波送受信器１は、温度依存性が低く、周囲の温度変化に対しても安定して動作する。ここで、本実施例の音響整合材４０を用いた超音波送受信器１の温度依存性に関する各種実験結果を表１及び図５，６を用いて説明することにする。
【００４７】
【表１】
【００４８】
図５に示すグラフは、マイナス−３５°Ｃにおける超音波送受信器１の共振周波数を基準とした時の各温度（−３５°Ｃ，−５°Ｃ，２５°Ｃ，５５°Ｃ，８５°Ｃ）における超音波送受信器１の共振周波数の変化量を表すものである。図５では、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を音響整合材として用いた従来の超音波送受信器を比較例として挙げる。尚、ここでいう超音波送受信器の共振周波数とは、超音波送受信器１のインピーダンスがピーク（極大）値を示す周波数（本実施例では、２３０ｋＨｚ近傍でインピーダンスがピーク値を示すように設定してある。）のことである。
【００４９】
また、表１の左欄には、図５に示した実験結果における−３５°Ｃでの共振周波数ｆ１と８５°Ｃでの共振周波数ｆ２とを用いて式１にしたがって算出した周波数変化率Ｆを示す。
Ｆ＝（ｆ２−ｆ１）／△Ｔ／ｆ１ …式１
ここで△Ｔは、温度差であり、本実施例では、△Ｔ＝１２０°Ｃである。
【００５０】
比較例の超音波送受信器では、１°Ｃ当たりの周波数変化率が−５．１４×１０−４であるのに対して、本実施例の超音波送受信器１では、１°Ｃ当たりの周波数変化率が−１．４３×１０−４となった。このことからも理解できるように、本実施例の超音波送受信器１は、比較例の超音波送受信器と比較して、共振周波数の温度依存性が低く、温度変化に対して安定して動作する。
【００５１】
尚、このように温度依存性が低いのは、音響整合材４０の主成分をカーボンとしていることにある。カーボンは、無機物質のなかでも熱膨張率が低いため温度変化によって音響整合材４０の変形が少ない。このため、音響整合材４０内部においては、光路長の変化や音速の変化などが少なく、結果として超音波送受信器１における共振周波数の温度依存性が小さくなるのである。これは、インピーダンスの温度依存性に関しても、同様のことがいえる。
【００５２】
図６に示すグラフは、マイナス−３５°Ｃにおける超音波送受信器１のインピーダンスを基準とした時の各温度（−３５°Ｃ，−５°Ｃ，２５°Ｃ，５５°Ｃ，８５°Ｃ）におけるインピーダンス変化量を表すものである。尚、図６では、図５と同様に、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を音響整合材４０として用いた従来の超音波送受信器を比較例として挙げる。また、表１の右欄には、図６に示したインピーダンスに関する実験結果を用いて算出した１°Ｃ当たりのインピーダンス変化率を示す。
【００５３】
比較例の超音波送受信器では、１°Ｃ当たりのインピーダンス変化率が３．８４×１０−３であるのに対して、本実施例の超音波送受信器１では、６．７４×１０−４と小さい。このことからも理解できるように、本実施例の超音波送受信器１は、比較例の超音波送受信器と比較して、インピーダンスに関する温度依存性が低く、温度変化に対して安定して動作する。
【００５４】
この他、本実施例の超音波送受信器１によれば、水分の浸透・吸湿のない音響整合材４０を用いているので、水分の吸収と共に音響整合材４０の特性が変化するのを抑制することができる。したがって、本発明によれば、高湿度下でも高精度に安定して動作可能な超音波送受信器１を提供することができる。
【００５５】
尚、表２は高湿度下における超音波送受信器１の性能実験の結果を示すものである。表２においては、実験前における超音波送受信器１の共振周波数及びインピーダンスを基準として、本実施例の超音波送受信器１を温度６０°Ｃ、相対湿度９０％ＲＨの雰囲気下で２００時間放置した後の共振周波数変化量（ｋＨｚ）、及びインピーダンス変化量（ｄＢ）を示す。また、表２においては、ケース本体との接触面及びその対面には、外層としてのカーボン膜が形成されているが側面にはカーボン膜が形成されていない音響整合材を用いた超音波送受信器を、上記条件下で放置した際の実験結果を、比較例として示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】
表２からも理解できるように、比較例の超音波送受信器では、水分の吸湿によって音響整合材の特性が大きく変化するため、超音波送受信器の共振周波数が実験前後で３．７５ｋＨｚ変化し、インピーダンスが６．０９ｄＢ変化する結果となった。一方、本実施例の超音波送受信器１では、共振周波数が実験前後で０．２５ｋＨｚほどしか変化せず、また、インピーダンスは実験前後で０．７５ｄＢほどしか変化しなかった。この実験結果からも理解できるように、本実施例の超音波送受信機１は、高湿度下においても音響整合材４０の特性がほとんど変化しないと言える。
【００５８】
以上、本実施例の超音波送受信器１とその実験結果について説明したが、本実施例の音響整合材４０における内層４３は、本発明の音響整合材における第一層に相当し、本実施例の音響整合材における外層４５は、本発明の音響整合材における第二層に相当する。また、本実施例において圧電素子２０に電気的に接続された第一端子２３、第二端子２５は、本発明における超音波デバイスが備える一対の端子に相当する。
【００５９】
尚、本発明の超音波デバイスは、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、外層４５を無気泡層としたが、外層４５を無気泡層としなくとも、外層４５の気泡を低密度化して、周囲の気泡が互いに連通しないように、気泡を独立気泡として分散配置することで、本発明の効果を相応に得ることができる。外層４５において、気泡を独立気泡として分散配置するには、外層４５の気泡を低密度化すればいいので、上述した音響整合材４０と同様の方法で、主材料を内包する補助材料の粒径や焼成温度カーブ等の各種パラメータを変更すれば、外層４５に気泡を独立気泡として分散配置することが可能である。
【００６０】
図７は、外層５５が独立気泡の音響整合材５０の構成を表す説明図である。気泡が独立して分散配置された外層５５を有する音響整合材５０によれば、外層５５表面に位置する気泡が外部に開口された状態にあっても、内層５３の気泡５１と連通していないので、内部に水分が浸透して内層５３における特性が変化するのを防止することができ、結果として、耐水・耐湿性のある安定した超音波送受信器１を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の超音波送受信器１の概略構成を表す説明図である。
【図２】本実施例の超音波送受信器１の断面構成を表す概略断面図である。
【図３】音響整合材４０の断面構成を表す概略断面図である。
【図４】超音波の受信周波数と、超音波送受信器１のインピーダンスとの関係を表したグラフである。
【図５】超音波送受信器１における共振周波数の温度依存性を表すグラフである。
【図６】超音波送受信器１におけるインピーダンスの温度依存性を表すグラフである。
【図７】音響整合材５０の断面構成を表す概略断面図である。
【符号の説明】
１…超音波送受信器、１０…ケース本体、１１…筒部、１３…底部、１５…鍔部、２０…圧電素子、２１…より線、２３，２５…端子、３０…ベース、３３…ガラス材、３５…絶縁ラベル、３７…樹脂製カバー、４０，５０…音響整合材、４１，５１…気泡、４３，５３…内層、４５，５５…外層、４７…接着剤
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響整合材及び圧電素子を備え、圧電素子を用いて超音波を送信及び／又は受信する超音波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波デバイスとしては、超音波送信器や超音波受信器などが知られている。また、超音波デバイスを備える機器としては、超音波流量計、超音波距離計、超音波プローブ、魚群探知器、など様々なものが知られている。
【０００３】
一般的に、超音波デバイスには、音響インピーダンスの差異をなくして超音波の反射を低減するための音響整合材が用いられている。物体の音響インピーダンスは、密度×音速で求めることができるが、空気中の音響インピーダンス及び、超音波を送受信するための圧電素子の音響インピーダンスは互いに大きく異なる。このため、超音波の伝搬経路に音響整合材を配置して、超音波の反射率を低減するのである。
【０００４】
音響整合材の音響インピーダンスの理想値は、空気中の音響インピーダンスＺａ及び圧電素子の音響インピーダンスＺｂの相乗平均（Ｚａ×Ｚｂ）１／２に一致することが知られている。従来から、この理想値に音響整合材の音響インピーダンスを近づけるために、音響整合材内部には、気泡を形成している。気泡を形成すると、音響整合材内の密度が低下して、音響整合材の音響インピーダンスが理想値に近づくのである。
【０００５】
しかしながら、従来の音響整合材では、内部に連通する気泡が表面に存在する結果、水分が音響整合材の内部に浸入しやすいといった問題があった。音響整合材内部に水分が浸入すると、その水分が音響整合材内部における超音波の伝搬に影響を及ぼすため、そのような音響整合材を用いた超音波デバイスでは、超音波デバイスの特性が水分の浸入と共に変化し、超音波の送受信動作を安定して行うことができなくなってしまうのである。
【０００６】
結果、超音波により種々物理量を計測する計測器においては、正確な計測結果が得られなくなってしまう問題があった。また、従来の音響整合材では、表面に気泡が形成されているため、超音波デバイスのケース表面に音響整合材を接着剤にて接着すると、その接着剤が気泡内部に浸入して、充分な接着強度が得られないといった問題があった。
【０００７】
その他、接着剤が気泡内部に浸入することで、音響整合材の接着面の状態に個体毎のばらつきが生じてしまい、超音波デバイスの特性を揃えて、製品を大量生産することが難しかった。
一方、このような問題への対応策として、下記特許文献１に記載の超音波デバイスでは、空隙（気泡）を有する薄膜構造体を積層して得られる音響整合材の気体と接する面に、空隙のない薄膜構造体を設けて、音響整合材内部に水が浸入しないようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３５８９５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の超音波デバイスでは、空隙を有する薄膜構造体を積層した後、空隙のない薄膜構造体を表面に設けるようにして音響整合材を作製するため、その作製にかなりの工程数を必要とし、コストがかかるといった問題があった。
【００１０】
また、積層して音響整合材を作製するため、作製可能な音響整合材の形状が限定されていた。例えば、超音波送受信器としてよく用いられる有底円筒形状に、音響整合材を作製するのは、特許文献１に記載の技術では難しかった。その他、側面には、空隙のない薄膜構造体が設けられていないため、側面から水分が浸透して、音響整合材の特性が変化する場合があった。
【００１１】
一方、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いて音響整合材を形成する場合、音響整合材表面に気泡が存在することは通常ない。しかしながら、このような音響整合材では、音響整合材を構成するエポキシ樹脂に吸湿性があることから、高湿度で超音波デバイスを使用した場合に、音響整合材の特性が変化してしまうことがあった。また、エポキシ樹脂のガラス転移点は６０度付近であることから、上記ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いた音響整合材を備える超音波デバイスでは、使用最高温度がガラス転移点である６０度程度までに制限されていた。
【００１２】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、安価に作製可能で、安定して動作可能な超音波デバイスを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、ケース本体と、気泡が分散配置された第一層とその第一層を気密に包囲する疎水性の第二層とからなる単一部材で構成され、第二層を介してケース本体の外面に固着された音響整合材と、音響整合材とは反対側のケース本体内面に配置された圧電素子と、圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材における疎水性の第二層が、第一層を気密に包囲しているので、第一層には、第二層表面に付着した水分が浸透しない。この結果、本発明の超音波デバイスによれば、第一層が水分を吸収することにより第一層に重量変化などが起こり、それが原因で第一層における超音波の伝搬特性が変化して、超音波デバイスの共振周波数などにずれが生じ、超音波デバイスが安定して動作しなくなるのを防止することができる。
【００１５】
結果、例えば、本発明の超音波デバイスを計測器等に用いる場合には、超音波デバイスから正確な出力信号を得ることができ、超音波を用いて高精度に物理量を計測することができる。
また、本発明の超音波デバイスでは、音響整合材として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、超音波デバイスを作製する際の工程数を少なくすることができる。さらに、本発明の音響整合材は、主材料と、主材料を内包する補助材料と、を混合した後、その混合物をプレス成形や押出し成形などにより成形し、焼結時に補助材料を蒸発させることにより作製することが可能なため切削加工が不要である。したがって、低コストに超音波デバイスを作製することが可能である。
【００１６】
このように、主材料及び気泡を形成するための補助材料の混合物の焼成によって、気泡が分散配置された第一層と、第一層を気密に包囲する疎水性の第二層と、を形成してなる単一部材で構成された音響整合材を、ケース本体の外面に固着すれば、耐湿性に優れた超音波デバイスを安価に作製することができて、超音波デバイスを安定して動作させることが可能である。尚、水分の吸収による音響整合材の特性変化を更に抑制するためには、第二層の厚みを、音響整合材を伝搬する超音波の波長よりも充分小さくすると良い。
【００１７】
次に、請求項２に記載の超音波デバイスは、請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、音響整合材における第二層に、気泡が独立気泡として分散配置されていることを特徴とする。気泡が独立気泡として（即ち、隣り合う気泡が連通していない状態で）分散配置されるようにして第二層を形成すれば、音響整合材表面の第二層において外部に開口された気泡を通じ、第一層に水分が浸透することがなく、第一層を気密に保つことができる。
【００１８】
したがって、請求項２に記載の発明によれば、音響整合材の第一層に水分が吸収されて、音響整合材の特性が変化してしまうのを防止することができ、耐湿性に優れ安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することが可能である。
請求項３に記載の超音波デバイスは、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、ケース本体と、気泡が分散配置された第一層とその第一層を気密に包囲する第二層とからなる単一部材で構成され、第二層を介してケース本体の外面に固着された音響整合材と、音響整合材とは反対側のケース本体内面に配置された圧電素子と、圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、を備え、音響整合材における第二層が、無気泡層であることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の超音波デバイスによれば、第二層が無気泡層であることから、第一層を気密に包囲することができる。また、第二層に気泡を形成すると、音響整合材を第二層を介してケース本体に接着する際、接着剤が第二層表面に開口した気泡に浸入したりする可能性があるが、本発明によれば、第二層が無気泡層であるので、気泡に接着剤が浸入することがない。したがって、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、接着剤を第二層表面にムラ無く均一に塗布することができ、音響整合材をケース本体にしっかり接着することができる。
【００２０】
したがって、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材とケース本体外面との間の接着強度を高めることができ、接着不良による超音波デバイスの性能劣化を抑えることができる。この結果、本発明によれば、長期にわたり安定動作可能な超音波デバイスを提供することができる。その他、本発明によれば、ケース本体と音響整合材との接着が、個体毎にばらつくのを抑制することができ、製品を大量生産する場合に、製品の品質を一定に保つことができる。
【００２１】
また、請求項３に記載の超音波デバイスによれば、音響整合材として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、超音波デバイスを作製する際の工程数を少なくすることができる。
【００２２】
さらに、請求項３記載の音響整合材は、主材料と、主材料を内包する補助材料と、を混合した後、その混合物をプレス成形や押出し成形などにより成形し、焼結時に補助材料を蒸発させることにより作製することが可能なため切削加工が不要である。
【００２３】
また、このように、主材料及び気泡を形成するための補助材料の混合物の焼成によって、気泡が分散配置された第一層と、第一層を気密に包囲する第二層としての無気泡層と、を形成してなる単一部材で構成された音響整合材を、ケース本体の外面に固着すれば、安定動作可能な超音波デバイスを安価に作製することができる。また、音響整合材における第一層と第二層とを同一材料で生成することができるので、音響整合材にかかる材料費等を抑えることができる。
【００２４】
請求項４に記載の超音波デバイスは、請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、音響整合材における第二層が、疎水性の無気泡層であることを特徴とする。請求項４に記載の超音波デバイスによれば、第二層が疎水性を有しているから、第二層表面に付着した水分が、第二層を通じて第一層側に浸透したりすることがなく、第一層が水分を吸収することがない。したがって、請求項４に記載の発明によれば、耐湿性に優れ安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することができる。
【００２５】
請求項５に記載の超音波デバイスは、音響整合材が、カーボン製であることを特徴とする。請求項５に記載の超音波デバイスでは、疎水性を有するカーボン（炭素）を用いて音響整合材を作製しているため、第二層表面から第一層内に、水が浸透することがない。また、熱膨張率が小さくガラス転移点が高いため、幅広い温度範囲で温度変化による音響整合材の特性変化が少なく、更には、有機材料の音響整合材に比べて、ケース本体と音響整合材との熱膨張率の差が小さいため、音響整合材とケース本体との間に位置する接着層に及ぶ温度変化に伴う発生応力が小さく、接着層の劣化を防止することができる。
【００２６】
さらにカーボンは、無機物質のなかでも化学反応を起こし難い安定した物質であるため耐ガス性、耐候性に優れている。したがって、請求項５に記載の発明によれば、耐湿性に優れると共に、幅広い温度範囲で温度依存性が少なく、耐ガス性・耐候性に優れ、長期的に安定した動作が可能な超音波デバイスを提供することが可能である。
【００２７】
尚、請求項１〜請求項５に記載の発明は、超音波デバイスとしての超音波送信器、又は超音波受信器、又はその両機能を備える超音波送受信器に適用することが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について、図面とともに説明する。尚、図１は、本発明が適用された超音波を送受信するための超音波デバイスとしての超音波送受信器１の構成を概略的に表す上面図（同図（ａ））、側面図（同図（ｂ））、底面図（同図（ｃ））である。また、図２は、超音波送受信器１のＡ−Ａ断面図である。
【００２９】
本実施例の超音波送受信器１は、金属製のケース本体１０に、圧電素子２０を内蔵している。ケース本体１０は、有底筒状構成にされており、円筒状の筒部１１と、その筒部１１の一方の開口端を閉塞する底部１３と、底部１３が形成された側とは反対側の筒部１１の開口端に形成された筒部１１の径方向に延びる鍔部１５と、からなっている。
【００３０】
圧電素子２０は、圧電効果及び電歪効果を示す周知の圧電性セラミックスで円盤状に構成され、その一平坦面が、ケース本体１０の底部１３内面に固着されている。また、圧電素子２０には電極が両面に形成されており、一方の電極はケース本体１０に接続され、他方の電極はより線２１を介して第一端子２３に電気的に接続されている。
【００３１】
ケース本体１０には、鍔部１５側の開口端に、そのケース本体１０の開口端を閉塞する金属製の板状部材であるベース３０が設けられており、第一端子２３は、そのベース３０に設けられた孔部に挿通され、絶縁材としてのガラス材３３を介してベース３０に電気的に絶縁された状態で固着されている。また、ベース３０には、第二端子２５が固着されている。
【００３２】
その他、ケース本体１０の底部１３に対向するベース３０の内面には、ケース本体１０に包囲されるベース３０内面を被覆する絶縁ラベル３５が設けられている。また、ケース本体１０の外面には、樹脂製カバー３７が、ケース本体１０の筒部１１側面を被覆するようにして、そのケース本体１０側面に巻回されている。また、ケース本体底部１３の圧電素子２０が設けられた内面とは反対側の外面には、音響整合材４０が固着されている。
【００３３】
音響整合材４０は、図３（ａ）に示すように、気泡４１が分散配置された内層４３と、その内層４３を気密に包囲する疎水性で薄膜状の外層４５と、からなる板状の単一部材で構成されている。この音響整合材４０は、疎水性を有するカーボンにて構成されており、音響整合材４０の厚みは、送受信する超音波の波長に応じて設定されている。尚、図３（ａ）は、音響整合材４０の断面構成を概略的に表す概略断面図である。
【００３４】
具体的に音響整合材４０の外層４５は、気泡４１を有する内層４３とは異なり、気泡４１が存在しない無気泡層となっている。また、この外層４５の厚みは、超音波送受信器１で送受信する超音波の波長より十分短い寸法にされている。また、外層４５は、気泡４１を有する内層４３を完全に周囲から包囲し被覆している。結果、音響整合材４０の表面には、気泡４１による窪部がない状態にされ、音響整合材４０の表面全体は、滑らかな平坦状にされている。
【００３５】
本実施例では、このように外層４５を内層４３と同じ疎水性を有するカーボンで構成し、更に、外層４５を無気泡層にすることで、気泡４１などを通じて水分が外部から内層４３に浸入しないようにしている。尚、図３（ａ）では、音響整合材４０の断面構成を理解しやすいように、内層４３内の構成を簡素に表現したが、実際の音響整合材４０の内層４３では、気泡４１の大きさにばらつきが生じたり、気泡４１が隣り合う気泡と連通する場合がある。図３（ｂ）は、そのような状態の音響整合材４０の構成を表した断面図である。本実施例の音響整合材４０では、外層４５が内層４３を完全に被覆しているので、連通した気泡を通じて内層４３に水分が吸収されないのである。
【００３６】
また、この音響整合材４０の一面は、エポキシ樹脂製の接着剤４７により底部１３外面に接着されており、これにより音響整合材４０は、外層４５を介してケース本体１０に固着されている。ただし、音響整合材４０とケース本体１０との固着については、接着剤４７による接着に限らず、例えば、音響整合材４０の一面にニッケルめっきを施した後、その音響整合材４０をケース本体１０に、はんだ等で接合する方法もある。
【００３７】
ところで、上記構成の音響整合材４０は、具体的に次のように作製することができる。まず、主材料であるペースト状のフラン樹脂剤（例えば、日立化成製の商品名：ＶＦ−３０２）に、気泡４１を形成するための補助材料として、粉末状のポリスチレン樹脂剤（例えば、積水化学製の商品名：ＳＢＸ−８）を混ぜ合わせ、混合物を生成する。この混合時において、補助材料は、主材料を吸収して、内部に少量の主材料を内包する状態にされる。
【００３８】
次に、その混合物を仮成形した後、仮成形した混合物を高温焼成して、主材料を焼結させる。この際、補助材料は、沸点が低いので、主材料が結合する前に蒸気化する。結果、内部には、微小な気泡４１が形成される。また、補助材料が蒸気化する際に、補助材料内部に吸収されていた主材料が、表面に外層４５としてのカーボン膜を形成する。このような工程により、表面には外層４５として気泡のない無気泡層が形成され、本実施例の音響整合材４０は完成する。
【００３９】
この他、別の方法として、音響整合材４０は、次のように作製することが可能である。まず、上記方法と同様に、主材料及び補助材料の混合物を生成する。次に、混合物を圧縮成形する。この圧縮成形の際には、加圧により、主材料が表面に押し出されて、表面に主材料のみの層が形成される。その後、加熱により、主材料を焼結させると共に補助材料を蒸発させる。このような工程により、表面には外層４５として上記方法より厚い無気泡層が形成され、音響整合材４０は完成する。
【００４０】
以上、本実施例の超音波送受信器１について説明したが、上記構成の超音波送受信器１では、端子２３，２５から駆動電力を入力すると、圧電素子２０が振動して、超音波が発生し、音響整合材４０を介して外部に超音波が送信される。また、上記構成の超音波送受信器１では、外部から音響整合材４０を介して超音波がケース本体１０内に伝達されてくると、圧電素子２０が振動し、圧電効果による電気信号が端子２３，２５より出力される。
【００４１】
本実施例の超音波送受信器１では、音響整合材４０として単一部材からなるものを用いているので、従来のように薄膜構造体を積層して音響整合材を作製する必要がなく、また成形後焼成することにより作製可能であり切削加工が必要ないため、製品を製造する際の工程数を少なくすることができる。したがって、本実施例によれば、低コストに超音波送受信器１を作製することができる。
【００４２】
また、本実施例の超音波送受信器１では、表面に気泡４１が存在せず表面が平坦である音響整合材４０を用いているので、そのケース本体１０表面と音響整合材４０とをムラ無く均一に接着することができ、音響整合材４０をケース本体１０にしっかりと固定することができる。つまり、音響整合材４０とケース本体１０との間の接着強度を高めることができる。
【００４３】
また、音響整合材４０の表面が平坦でケース本体１０の表面と音響整合材４０とを均一にしっかりと接着できる結果、接着面における超音波の伝搬ロスが小さく、出力信号において圧電素子２０の共振点付近で高いＱ値が得られ、高い感度で超音波を受信することができる。
【００４４】
尚、図４（ａ）は、本実施例の超音波送受信器１に関して、超音波の受信周波数と、端子２３，２５から得られる出力信号のインピーダンスとの関係を表したグラフである。また、図４（ｂ）では、音響整合材４０とケース本体１０との間の接着面に無気泡層を有しない従来の超音波送受信器における超音波の受信周波数とインピーダンスの関係を比較例として示す。
【００４５】
図４に示すように比較例（同図（ｂ））では圧電素子の共振点（本実施例では、２３０ｋＨｚ）付近においてもインピーダンスの高いピークが見られず、圧電素子２０の振動が適切に音響整合材４０に伝達されていないことが理解できる。一方、本実施例の超音波送受信器１では、圧電素子２０の共振点（本実施例では、２３０ｋＨｚ）付近において、インピーダンスの高いピークが見られる。これは、圧電素子２０の振動が音響整合材４０に良好に伝達されてることを意味し、本実施例の超音波送受信器１では、音響整合材４０を均一にしっかりとケース本体１０に接着できる結果、音響整合材４０を介して超音波を高感度で送受信できるといえる。
【００４６】
また、本実施例の超音波送受信器１は、温度依存性が低く、周囲の温度変化に対しても安定して動作する。ここで、本実施例の音響整合材４０を用いた超音波送受信器１の温度依存性に関する各種実験結果を表１及び図５，６を用いて説明することにする。
【００４７】
【表１】
図５に示すグラフは、マイナス−３５°Ｃにおける超音波送受信器１の共振周波数を基準とした時の各温度（−３５°Ｃ，−５°Ｃ，２５°Ｃ，５５°Ｃ，８５°Ｃ）における超音波送受信器１の共振周波数の変化量を表すものである。図５では、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を音響整合材として用いた従来の超音波送受信器を比較例として挙げる。尚、ここでいう超音波送受信器の共振周波数とは、超音波送受信器１のインピーダンスがピーク（極大）値を示す周波数（本実施例では、２３０ｋＨｚ近傍でインピーダンスがピーク値を示すように設定してある。）のことである。
【００４９】
また、表１の左欄には、図５に示した実験結果における−３５°Ｃでの共振周波数ｆ１と８５°Ｃでの共振周波数ｆ２とを用いて式１にしたがって算出した周波数変化率Ｆを示す。
Ｆ＝（ｆ２−ｆ１）／△Ｔ／ｆ１ …式１
ここで△Ｔは、温度差であり、本実施例では、△Ｔ＝１２０°Ｃである。
【００５０】
比較例の超音波送受信器では、１°Ｃ当たりの周波数変化率が−５．１４×１０−４であるのに対して、本実施例の超音波送受信器１では、１°Ｃ当たりの周波数変化率が−１．４３×１０−４となった。このことからも理解できるように、本実施例の超音波送受信器１は、比較例の超音波送受信器と比較して、共振周波数の温度依存性が低く、温度変化に対して安定して動作する。
【００５１】
尚、このように温度依存性が低いのは、音響整合材４０の主成分をカーボンとしていることにある。カーボンは、無機物質のなかでも熱膨張率が低いため温度変化によって音響整合材４０の変形が少ない。このため、音響整合材４０内部においては、光路長の変化や音速の変化などが少なく、結果として超音波送受信器１における共振周波数の温度依存性が小さくなるのである。これは、インピーダンスの温度依存性に関しても、同様のことがいえる。
【００５２】
図６に示すグラフは、マイナス−３５°Ｃにおける超音波送受信器１のインピーダンスを基準とした時の各温度（−３５°Ｃ，−５°Ｃ，２５°Ｃ，５５°Ｃ，８５°Ｃ）におけるインピーダンス変化量を表すものである。尚、図６では、図５と同様に、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂を音響整合材４０として用いた従来の超音波送受信器を比較例として挙げる。また、表１の右欄には、図６に示したインピーダンスに関する実験結果を用いて算出した１°Ｃ当たりのインピーダンス変化率を示す。
【００５３】
比較例の超音波送受信器では、１°Ｃ当たりのインピーダンス変化率が３．８４×１０−３であるのに対して、本実施例の超音波送受信器１では、６．７４×１０−４と小さい。このことからも理解できるように、本実施例の超音波送受信器１は、比較例の超音波送受信器と比較して、インピーダンスに関する温度依存性が低く、温度変化に対して安定して動作する。
【００５４】
この他、本実施例の超音波送受信器１によれば、水分の浸透・吸湿のない音響整合材４０を用いているので、水分の吸収と共に音響整合材４０の特性が変化するのを抑制することができる。したがって、本発明によれば、高湿度下でも高精度に安定して動作可能な超音波送受信器１を提供することができる。
【００５５】
尚、表２は高湿度下における超音波送受信器１の性能実験の結果を示すものである。表２においては、実験前における超音波送受信器１の共振周波数及びインピーダンスを基準として、本実施例の超音波送受信器１を温度６０°Ｃ、相対湿度９０％ＲＨの雰囲気下で２００時間放置した後の共振周波数変化量（ｋＨｚ）、及びインピーダンス変化量（ｄＢ）を示す。また、表２においては、ケース本体との接触面及びその対面には、外層としてのカーボン膜が形成されているが側面にはカーボン膜が形成されていない音響整合材を用いた超音波送受信器を、上記条件下で放置した際の実験結果を、比較例として示す。
【００５６】
【表２】
表２からも理解できるように、比較例の超音波送受信器では、水分の吸湿によって音響整合材の特性が大きく変化するため、超音波送受信器の共振周波数が実験前後で３．７５ｋＨｚ変化し、インピーダンスが６．０９ｄＢ変化する結果となった。一方、本実施例の超音波送受信器１では、共振周波数が実験前後で０．２５ｋＨｚほどしか変化せず、また、インピーダンスは実験前後で０．７５ｄＢほどしか変化しなかった。この実験結果からも理解できるように、本実施例の超音波送受信機１は、高湿度下においても音響整合材４０の特性がほとんど変化しないと言える。
【００５８】
以上、本実施例の超音波送受信器１とその実験結果について説明したが、本実施例の音響整合材４０における内層４３は、本発明の音響整合材における第一層に相当し、本実施例の音響整合材における外層４５は、本発明の音響整合材における第二層に相当する。また、本実施例において圧電素子２０に電気的に接続された第一端子２３、第二端子２５は、本発明における超音波デバイスが備える一対の端子に相当する。
【００５９】
尚、本発明の超音波デバイスは、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、外層４５を無気泡層としたが、外層４５を無気泡層としなくとも、外層４５の気泡を低密度化して、周囲の気泡が互いに連通しないように、気泡を独立気泡として分散配置することで、本発明の効果を相応に得ることができる。外層４５において、気泡を独立気泡として分散配置するには、外層４５の気泡を低密度化すればいいので、上述した音響整合材４０と同様の方法で、主材料を内包する補助材料の粒径や焼成温度カーブ等の各種パラメータを変更すれば、外層４５に気泡を独立気泡として分散配置することが可能である。
【００６０】
図７は、外層５５が独立気泡の音響整合材５０の構成を表す説明図である。気泡が独立して分散配置された外層５５を有する音響整合材５０によれば、外層５５表面に位置する気泡が外部に開口された状態にあっても、内層５３の気泡５１と連通していないので、内部に水分が浸透して内層５３における特性が変化するのを防止することができ、結果として、耐水・耐湿性のある安定した超音波送受信器１を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の超音波送受信器１の概略構成を表す説明図である。
【図２】本実施例の超音波送受信器１の断面構成を表す概略断面図である。
【図３】音響整合材４０の断面構成を表す概略断面図である。
【図４】超音波の受信周波数と、超音波送受信器１のインピーダンスとの関係を表したグラフである。
【図５】超音波送受信器１における共振周波数の温度依存性を表すグラフである。
【図６】超音波送受信器１におけるインピーダンスの温度依存性を表すグラフである。
【図７】音響整合材５０の断面構成を表す概略断面図である。
【符号の説明】
１…超音波送受信器、１０…ケース本体、１１…筒部、１３…底部、１５…鍔部、２０…圧電素子、２１…より線、２３，２５…端子、３０…ベース、３３…ガラス材、３５…絶縁ラベル、３７…樹脂製カバー、４０，５０…音響整合材、４１，５１…気泡、４３，５３…内層、４５，５５…外層、４７…接着剤
Claims (5)
- 超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、
ケース本体と、
気泡が分散配置された第一層と、該第一層を気密に包囲する疎水性の第二層と、からなる単一部材で構成され、該第二層を介して前記ケース本体の外面に固着された音響整合材と、
該音響整合材とは反対側の前記ケース本体内面に配置された圧電素子と、
該圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、
を備えることを特徴とする超音波デバイス。 - 前記音響整合材における前記第二層には、気泡が独立気泡として分散配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波デバイス。
- 超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うための超音波デバイスであって、
ケース本体と、
気泡が分散配置された第一層と、該第一層を気密に包囲する第二層と、からなる単一部材で構成され、該第二層を介して前記ケース本体の外面に固着された音響整合材と、
該音響整合材とは反対側の前記ケース本体内面に配置された圧電素子と、
該圧電素子と電気的に接続された一対の端子と、
を備え、
前記音響整合材における第二層は、無気泡層であることを特徴とする超音波デバイス。 - 前記音響整合材における前記第二層は、疎水性の無気泡層であることを特徴とする請求項３に記載の超音波デバイス。
- 前記音響整合材は、カーボン製であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の超音波デバイス。
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