JP5332056B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、空中などの気中、水中などの液中、金属体などの固体などの媒体に超音波を放射すると共に、反射した超音波を受波して、測定対象物の有無の検知や距離測定などを行う、超音波プローブ、超音波距離計、魚群探知機、水中探査装置、探傷装置などに用いる超音波センサに関する。

従来より、圧電素子を駆動して振動させて超音波を放射（送波）させる、あるいは、受波した超音波により、圧電素子から超音波信号を得る超音波センサが知られている。
このような超音波センサのうち、超音波の放射（送波）と受波の両方を行う送受波共用の超音波センサでは、単一の圧電素子を用い、この素子の共振周波数と反共振周波数の中間の周波数を持つ電気信号でこれを駆動して、この周波数の超音波を発生させ、またこの周波数の超音波を受波するようにして用いる場合が多い。一般に、超音波の放射強度は共振周波数で最大となり、超音波の受波感度は反共振周波数で最大となるため、これらの中間の周波数を用いて、放射強度と受波感度の大きさを両立させるためである。

一方、送波用の超音波センサと受波用の超音波センサの二つの超音波センサを使い分ける場合もある（例えば、特許文献１参照）。この場合には、この二者で厚みなどの異なる圧電素子を用いることができる。すなわち、送波用の超音波センサでは、一方の圧電素子の共振周波数で超音波を発生放射させる一方、受波用の超音波センサは、他方の圧電素子の反共振周波数で超音波を受波する。これにより、送波用の超音波センサで、より良好な放射強度を得ることができる上、受波用の超音波センサで良好な受波感度を得ることができる。

特開平９−５４２７号公報

しかしながら、送波用の超音波センサと受波用の超音波センサの二つを用いると、適切に送波と受波とを行うのに、この二者相互の位置決めを行う必要があるため、両者の配置が面倒である。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、送波と受波を行う超音波センサであって、超音波の良好な放射強度及び受波感度を有しながら、位置決めなどの取り扱いや設置が容易な超音波センサを提供することを目的とする。

そしてその解決手段は、超音波の送受波を行う超音波センサであって、厚みＴａの薄肉部、及び、上記薄肉部と一体とされ、上記薄肉部よりも厚い厚みＴｂの厚肉部を有する圧電素子と、上記薄肉部を挟む薄肉部電極と、上記厚肉部を挟む厚肉部電極と、を備え、上記圧電素子は、上記薄肉部の厚みＴａと上記厚肉部の厚みＴｂとを、上記薄肉部における共振周波数と上記厚肉部における反共振周波数とが等しくなる関係にしてなる超音波センサである。

薄肉部の共振周波数をｆｒａ、厚肉部の反共振周波数をｆａｂとする。
本発明の超音波センサにおいて、共振周波数ｆｒａの電気信号を薄肉部電極に加え、この薄肉部を共振させて超音波（周波数ｆ＝ｆｒａ）を発生させると、薄肉部が共振して、効率よく大きな放射強度で超音波を放射させる（超音波を送波する）ことができる。
その一方、反射等で戻ってきた超音波は、その周波数が厚肉部における反共振周波数である（周波数ｆ＝ｆｒａ＝ｆａｂ）から、この厚肉部で反共振することとなり、厚肉部電極から大きな振幅の電圧（超音波出力）を得る（超音波を受波する）ことが出来る。
かくして、前述した従来の超音波センサのように、所定の厚さの圧電素子を共用して、超音波の送波と受波を行う場合に比して、送波時の放射強度及び受波時の感度の向上を図ることができる。
しかも、この圧電素子は、薄肉部と厚肉部とが一体であるので、１つの超音波センサとして扱うことができ、取り扱いが容易である。また、薄肉部と厚肉部との相対位置決めも不要である点でも、取り扱いが容易である。このため、安価で設置容易な超音波センサとすることができる。

なお、薄肉部電極と厚肉部電極とは、互いに独立させ、薄肉部電極を一対と、厚肉部電極を一対とを形成した、四端子の回路形態することができる。あるいは、薄肉部電極及び厚肉部電極の一方を互いに導通して共通電極とした、三端子の回路形態とすることもできる。
また、超音波センサとしては、空中、液中（例えば水中）あるいは固体中に超音波を放射すると共に、空中、液中あるいは固体中からの超音波を受波して超音波出力を得るものが挙げられる。

また、上述の超音波センサであって、前記薄肉部と前記厚肉部との間に介在し、上記薄肉部よりも厚みの小さい介在部を備える超音波センサとすると良い。

本発明の超音波センサでは、介在部を備えることにより、薄肉部と厚肉部とが縁切りされて、薄肉部と厚肉部との結合がより疎となる。これにより、薄肉部を共振させてこの薄肉部に発生させた超音波振動が厚肉部に伝わり、この厚肉部に反射超音波によらない大きな出力が生じるなどの影響を受けることが少なくなる。また逆に、厚肉部が薄肉部の超音波振動における負荷になって、薄肉部の超音波振動（共振）を抑制することが防止される。このように、薄肉部と厚肉部とが、互いに独立して作動可能となるので、薄肉部から、より効率よく超音波を放射させ、また、厚肉部において、より良好な感度で超音波を検知できる。

介在部は、自身の厚み方向一方側または両側に、溝部を設けて厚みを小さくした形態とすると良い。溝部の形態としては、断面が、半円状、Ｕ字状、コ字状、Ｖ字状などの形態が挙げられる。

さらに、上記いずれかに記載の超音波センサであって、前記薄肉部は円板状とされてなり、前記厚肉部は上記薄肉部を囲みこれと同軸の円環板状とされてなる超音波センサとすると良い。

本発明の超音波センサでは、円板状の薄肉部と円環板状の厚肉部とを同軸としている。このため、薄肉部から放射され軸線上を進む超音波が、対象物に当たり、これに反射されて超音波（反射超音波）が往きとほぼ同じ経路（軸線上）を戻る場合に、円板状の薄肉部と同軸の円環板状の厚肉部で、これを容易に検出することができる。

あるいは、前述のいずれかに記載の超音波センサであって、前記厚肉部は円板状とされてなり、前記薄肉部は上記厚肉部を囲みこれと同軸の円環板状とされてなる超音波センサとすると良い。

本発明の超音波センサでは、円板状の厚肉部と円環板状の薄肉部とを同軸としている。このため、円環板状の薄肉部から放射され軸線上を進む超音波が、対象物に当たり、これに反射されて超音波（反射超音波）が往きとほぼ同じ経路（軸線上）を戻る場合に、円環板状の薄肉部と同軸の円板状の厚肉部で、これを容易に検出することができる。

そのほか、前述のいずれかに記載の超音波センサであって、前記薄肉部のうち、自身の厚さ方向一方側の面であり、超音波を放射する面を放射面とし、前記厚肉部のうち、自身の厚さ方向一方側の面であり、超音波を受波する面を受波面としたとき、上記薄肉部と上記厚肉部とは、上記放射面に直交し、この放射面から外部に向けて延びる仮想の放射法線と、上記受波面に直交し、この受波面から外部に向けて延びる仮想の受波法線とが、交叉する形態とされてなる超音波センサとすると良い。

本発明の超音波センサでは、薄肉部と厚肉部とを上述の形態としている。このため、放射法線と受波法線とが交叉する点（交点）の近傍に対象物が存在する場合、薄肉部の放射面から放射した超音波の反射超音波を、厚肉部の受波面で適切に受波できる。従って、この交点近傍における対象物の有無を、選択的に、かつ、高い感度で検知をすることができる。

（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。図１及び図２は、実施形態１にかかる超音波センサ１０の形態を示す断面図及び平面図である。超音波センサ１０は、ＰＺＴ系の圧電セラミックスからなる圧電素子１１と、この図１中、上下面（厚み方向ＤＴの両面）に形成された電極層１７，１８とからなる。

このうち、圧電素子１１は、円板状の薄肉部１２と、この薄肉部１２の軸線ＪＸと同軸で、薄肉部１２の周囲を取り囲む円環板状の厚肉部１３とを有している。この厚肉部１３は、その厚み方向ＤＴの厚みＴｂ１が、薄肉部１２の厚みＴａ１よりも厚くされている。さらに、薄肉部１２と厚肉部１３との間には、断面コ字状の溝部１６が環状に凹設されて、介在部１５が介在している。この介在部１５の厚みＴｃ１は、薄肉部１２の厚みＴａ１よりも薄くされている（Ｔｃ１＜Ｔａ１＜Ｔｂ１）。この圧電素子１１は、薄肉部１２、介在部１５及び厚肉部１３が一体とされた圧電セラミックスからなっている。その一方で、この介在部１５の存在により、薄肉部１２と厚肉部１３との間で、振動が伝わり難くなっている。

また、薄肉部１２の厚み方向ＤＴ（図１中、上下方向）両側に位置する、平坦な薄肉第１面１２Ａ及び薄肉第２面１２Ｂ上には、それぞれ焼き付け銀電極からなる円板状の薄肉部電極１７が形成されている。一方、厚肉部１３の厚み方向ＤＴ（図１中、上下方向）の両側に位置する平坦な厚肉第１面１３Ａ及び厚肉第２面１３Ｂ上にも、それぞれ焼き付け銀電極からなる円環状の厚肉部電極１８が形成されている。薄肉部電極１７と厚肉部電極１８とは、離間し絶縁されている。

この超音波センサ１０（圧電素子１１）のうち、薄肉部１２及び厚肉部１３は、ぞれぞれ厚み方向に分極されている。
このため、２つの薄肉部電極１７の間に、高周波の交流電圧を印加すると、薄肉部１２は、それに応じて振動する。特に、この薄肉部１２を、その厚みＴａ１に応じた共振周波数ｆｒａで駆動した場合には、共振して厚み方向ＤＴに大きく振動すると共に、インピーダンスが極小となる。従って、この共振周波数ｆｒａで、薄肉部１２を駆動すれば、振幅の大きい（強度の高い）超音波を放射（送波）させることができる。
また、薄肉部１２は、この共振周波数ｆｒａよりも高い周波数領域のうち、その厚みＴａ１に応じた反共振周波数ｆａａで反共振して、そのインピーダンスが極大となる（図３参照）。

同様に、２つの厚肉部電極１８の間に、高周波の交流電圧を印加すると、厚肉部１３は、その厚みＴｂ１に応じた共振周波数ｆｒｂで共振して、インピーダンスが極小となると共に、厚み方向に大きく振動する。また、厚肉部１３は、この共振周波数ｆｒｂよりも高い周波数領域のうち、その厚みＴｂ１に応じた反共振周波数ｆａｂで反共振して、そのインピーダンスが極大となる（図３参照）。従って、この反共振周波数ｆａｂの超音波振動を、厚肉部１３に加えると、大きな振幅の（電圧の高い）出力電圧を得ること、つまり、感度良く超音波振動を受波することができる。
なお、厚肉部１３の共振周波数ｆｒｂ及び反共振周波数ｆａｂは、その厚みが相対的に厚いために、それぞれ、薄肉部１２の共振周波数ｆｒａ及び反共振周波数ｆａａに比して低い値となる。

本実施形態１の超音波センサ１０では、薄肉部１２の共振周波数ｆｒａと厚肉部１３の反共振周波数ｆａｂとが一致する（ｆｒａ＝ｆａｂ）ように、薄肉部１２の厚みＴａ１と厚肉部１３の厚みＴｂ１とを調整してある（図３参照）。

この超音波センサ１０について、例えば、図４に示すように、高周波電源ＨＰ、スイッチＳＷ１，ＳＷ２等を接続する。具体的には、高周波電源ＨＰの両端子を、スイッチＳＷ１を介して、２つの薄肉部電極１７にそれぞれ接続する。一方、２つの厚肉部電極１８間の超音波出力ＵＯＵＴを、スイッチＳＷ２を介して出力させる。なお、スイッチＳＷ１とＳＷ２とは、連動しており、一方がオンのとき他方がオフとなる。

ここで、スイッチＳＷ１をオン（スイッチＳＷ２がＯＦＦ）とした場合、薄肉部１２が、高周波電源ＨＰからの出力（周波数ｆ＝ｆｒａ）によって駆動される。すると、この薄肉部１２は共振して、大きく振動するため、薄肉部１２の薄肉第１面１２Ａから、周波数ｆ＝ｆｒａで、高い強度の（振幅の大きな）放射超音波ＵＳ１が放射される。
放射された超音波は、検出対象物（図示しない）に当たって反射して、周波数ｆ＝ｆｒａの受波超音波ＵＳ２として、超音波センサ１０に戻ってくる。
これに対して、スイッチＳＷ２をオン（スイッチＳＷ１をＯＦＦ）としておくと、外部からの受波超音波ＵＳ２が厚肉部１３に届いた場合に、厚肉部１３が振動させられ、厚肉部１３から超音波出力が得られる。しかも、受波超音波ＵＳ２の周波数ｆが、厚肉部１３の反共振周波数ｆａｂとなっている（周波数ｆ＝ｆｒａ＝ｆｂａ）ため、感度が高く、電圧振幅の大きな超音波出力ＵＯＵＴを得ることができる。

かくして、本実施形態１の超音波センサ１０によれば、所定の厚さの圧電素子を共用して、超音波の送波と受波を行う従来の形態の超音波センサを用いた場合に比して、送波時の放射強度を増大させ、さらに、受波時の感度も向上させることができる。

しかも、この超音波センサ１０では、圧電素子１１の薄肉部１２と厚肉部１３とが一体であるので、つまり、超音波センサ１０は、薄肉部１２と厚肉部１３とが一体の１つの超音波センサとして取り扱うことができるので、取り扱いが容易である。しかも、薄肉部１２と厚肉部１３との相対位置決めが不要である点でも、取り扱いが容易である。このため、安価で設置容易な超音波センサとすることができる。
特に、本実施形態１の超音波センサ１０では、薄肉部１２と厚肉部１３とが同軸とされているので、超音波を放射する放射面である薄肉第１面１２Ａ、及び超音波を受波する受波面である厚肉第１面１３Ａの向き（軸線ＪＸの延びる方向）を容易に決めうる。

また、本実施形態１の超音波センサ１０では、薄肉第１面１２Ａと厚肉第１面１３Ａとを、面一にしている。つまり、放射超音波ＵＳ１の放射面（薄肉第１面１２Ａ）と受波超音波ＵＳ２の受波面（厚肉第１面１３Ａ）とが面一になっている。このため、薄肉第１面１２Ａ及び厚肉第１面１３Ａを露出させつつ、圧電素子１１の外周を包囲する場合に、薄肉第１面１２Ａ及び厚肉第１面１３Ａで、水などの超音波の媒体に対するシールを施しやすい。

（変形形態１）
次いで、実施形態１の変形形態にかかる駆動手法について、図５を参照して説明する。
本変形形態１は、前述した実施形態１に係る超音波センサ１０を用いるが、放射面及び受波面が異なる（図４参照）点で、実施形態１と異なる。
すなわち、実施形態１では、図４に示すように、超音波センサ１０を使用するに当たり、薄肉部１２の薄肉第１面１２Ａを、放射超音波ＵＳ１を放射する放射面とした。また、厚向き部１３の厚肉第１面を、受波超音波ＵＳ２を受波する受波面とした。

これに対し、本変形形態１では、図５に示すように、超音波センサ１０を使用するに当たり、薄肉部１２の薄肉第２面１２Ｂを、放射超音波ＵＳ１を放射する放射面とした。また、厚肉部１３の厚肉第２面１３Ｂを、受波超音波ＵＳ２を受波する受波面とした。そして、高周波電源ＨＰの両端子を、スイッチＳＷ１を介して、２つの薄肉部電極１７にそれぞれ接続している。一方、２つの厚肉部電極１８間の超音波出力ＵＯＵＴを、スイッチＳＷ２を介して出力させている。

このようにして超音波センサ１０を駆動しても、スイッチＳＷ１がオンの場合には、薄肉第２面１２Ｂ（放射面）から放射超音波ＵＳ１が放射される。また、スイッチＳＷ２がオンの場合には、厚肉第２面１３Ｂ（受波面）に届いた受波超音波ＵＳ２により、超音波出力ＵＯＵＴが得られる。

（実施形態２）
次いで、第２の実施形態にかかる超音波センサ２０について、図６及び図７を参照して説明する。
前述した実施形態１の超音波センサ１０は、薄肉部１２が円板状で、これより厚い厚肉部１３がこれに同軸で、これを囲む円環板状をなしており、全体として、断面が、凹字形状とされていた。
これに対し、本実施形態２の超音波センサ２０は、厚みの厚い厚肉部２３が円板状で、薄肉部２２がこれに同軸で、これを囲む円環板状をなしており、全体として、断面が、凸字形状とされている点で異なる。

超音波センサ２０について、詳細に説明する。超音波センサ２０も、ＰＺＴ系の圧電セラミックスからなる圧電素子２１と、この図６中、上下面（厚み方向ＤＴの両面）に形成された電極層２７，２８とからなる。

このうち、圧電素子２１は、円板状の厚肉部２３と、この厚肉部２３の軸線ＪＸと同軸で、厚肉部２３の周囲を取り囲む円環板状の薄肉部２２とを有している。この薄肉部２２は、その厚み方向ＤＴの厚みＴａ２が、厚肉部２３の厚みＴｂ２よりも薄くされている。さらに、薄肉部２２と厚肉部２３との間にも、断面コ字状の溝部２６が環状に凹設されて、介在部２５が介在している。この介在部２５の厚みＴｃ２は、薄肉部２２の厚みＴａ２よりも薄くされている（Ｔｃ２＜Ｔａ２＜Ｔｂ２）。この圧電素子２１も、薄肉部２２、介在部２５及び厚肉部２３が一体とされた圧電セラミックスからなっている。その一方で、この介在部２５の存在により、薄肉部２２と厚肉部２３との間で、振動が伝わり難くなっている。

また、薄肉部２２の厚み方向ＤＴ（図１中、上下方向）両側の、平坦な薄肉第１面２２Ａ及び薄肉第２面２２Ｂ上には、それぞれ焼き付け銀電極からなる円環状の薄肉部電極２７が形成されている。一方、厚肉部２３の厚み方向ＤＴ（図１中、上下方向）の両側の、平坦な厚肉第１面２３Ａ及び厚肉第２面２３Ｂ上にも、それぞれ焼き付け銀電極からなる円板状の厚肉部電極２８が形成されている。

この超音波センサ２０（圧電素子２１）のうち、薄肉部２２及び厚肉部２３は、ぞれぞれ厚み方向に分極されている。
このため、実施形態１と同じく、２つの薄肉部電極２７の間に、高周波の交流電圧を印加すると、薄肉部２２は、それに応じて振動する。薄肉部２２は、共振周波数ｆｒａで共振し、反共振周波数ｆａａで反共振する。従って、この薄肉部２２を、共振周波数ｆｒａで駆動した場合には、インピーダンスが極小となると共に、振幅の大きい（強度の高い）超音波を放射させることができる。

また、厚肉部２３は、その厚みＴｂ２が薄肉部２２の厚みＴａ２よりも厚いため、薄肉部２２の共振周波数ｆｒａ及び反共振周波数ｆａａよりもそれぞれ低い周波数が、共振周波数ｆｒｂ及び反共振周波数ｆａｂとなる。この厚肉部２３でも、反共振周波数ｆａｂの超音波を加えた場合には、そのインピーダンスが極大となる（図３参照）と共に、大きな振幅の（電圧の高い）出力電圧を得ること、つまり、感度良く超音波振動を受波することができる。

そして、本実施形態２の超音波センサ２０でも、薄肉部２２の共振周波数ｆｒａと厚肉部２３の反共振周波数ｆａｂとが一致する（ｆｒａ＝ｆａｂ）ように、薄肉部２２の厚みＴａ２と厚肉部２３の厚みＴｂ２とを調整してある（図３参照）。

この超音波センサ２０について、例えば、図８に示すように、高周波電源ＨＰの両端子を、スイッチＳＷ１を介して、２つの薄肉部電極２７にそれぞれ接続する。一方、２つの厚肉部電極２８間の超音波出力ＵＯＵＴを、スイッチＳＷ２を介して出力させる。なお、スイッチＳＷ１とＳＷ２とは、連動しており、一方がオンのとき他方がオフとなる。

ここで、スイッチＳＷ１をオン（スイッチＳＷ２がＯＦＦ）すると、薄肉部２２が、高周波電源ＨＰからの出力（周波数ｆ＝ｆｒａ）によって駆動されて共振し、大きく振動する。このため、薄肉部２２の薄肉第１面２２Ａから、周波数ｆ＝ｆｒａで、高い強度の（振幅の大きな）放射超音波ＵＳ１が放射される。
放射された超音波は、検出対象物（図示しない）に当たって反射して、周波数ｆ＝ｆｒａの受波超音波ＵＳ２として、超音波センサ２０に戻ってくる。
これに対して、スイッチＳＷ２をオン（スイッチＳＷ１をＯＦＦ）としておくと、外部からの受波超音波ＵＳ２が厚肉部２３に届いた場合に、厚肉部２３が振動して、超音波出力が得られる。しかも、受波超音波ＵＳ２の周波数ｆが、厚肉部２３の反共振周波数ｆａｂとなっている（周波数ｆ＝ｆｒａ＝ｆｂａ）ため、感度が高く、電圧振幅の大きな超音波出力ＵＯＵＴを得ることができる。

かくして、本実施形態２の超音波センサ２０によっても、所定の厚さの圧電素子を共用して、超音波の送波と受波を行う従来の形態の超音波センサを用いた場合に比して、送波時の放射強度を増大させ、さらに、受波時の感度も向上させることができる。

しかも、この超音波センサ２０でも、圧電素子２１の薄肉部２２と厚肉部２３とが一体であり、薄肉部２２と厚肉部２３とが一体の１つの超音波センサとして取り扱うことができるので、取り扱いが容易である。しかも、薄肉部２２と厚肉部２３との相対位置決めが不要である点でも、取り扱いが容易であり、安価で設置容易な超音波センサとなる。
特に、本実施形態２の超音波センサ２０では、薄肉部２２と厚肉部２３とが同軸とされているので、超音波の放射面である薄肉第１面２２Ａ、及び超音波の受波面である厚肉第１面２３Ａの向き（軸線ＪＸの延びる方向）を容易に決めうる。

また、本実施形態２の超音波センサ２０でも、薄肉第１面２２Ａと厚肉第１面２３Ａとを面一にして、放射超音波ＵＳ１の放射面（薄肉第１面２２Ａ）と受波超音波ＵＳ２の受波面（厚肉第１面２３Ａ）とが面一としている。このため、薄肉第１面２２Ａ及び厚肉第１面２３Ａを露出させつつ、圧電素子２１の外周を包囲する場合に、薄肉第１面２２Ａ及び厚肉第１面２３Ａで、水などの超音波の媒体に対するシールを施しやすい。

なお、図示しないが、変形形態１と同様、超音波センサ２０を使用するに当たり、薄肉部２２の薄肉第２面２２Ｂを、放射超音波ＵＳ１を放射する放射面とし、厚肉部２３の厚肉第２面２３Ｂを、受波超音波ＵＳ２を受波する受波面として、この超音波センサ２０を使用しても良い。

（実施形態３）
次いで、第３の実施形態にかかる超音波センサ３０について、図９及び図１０を参照して説明する。
前述した実施形態１の超音波センサ１０は、薄肉部１２が円板状で、これより厚い厚肉部１３がこれを囲む円環板状をなして、全体として、断面が、凹字形状とされていた。また、本実施形態２の超音波センサ２０は、厚肉部２３が円板状で、厚みの薄い薄肉部２２がこれを囲む円環板状をなして、全体として、断面が、凸字形状とされていた。

これに対し、本実施形態３の超音波センサ３０は、矩形板状の薄肉部３２と同じく矩形板状の厚肉部３３とが、互いに斜めに結合しており、全体として、断面がＶ字形状とされている点で異なる。

超音波センサ３０について、詳細に説明する。超音波センサ３０も、ＰＺＴ系の圧電セラミックスからなる圧電素子３１と、この図９中、薄肉部３２及び厚肉部３３の上下面に形成された電極層３７，３８とからなる。

このうち、圧電素子３１は、矩形板状の薄肉部３２と、この薄肉部３２と斜めに結合する矩形板状の厚肉部３３とを有している。この厚肉部３２は、自身の厚みＴｂ３が、薄肉部３２の厚みＴａ２よりも厚くされている。さらに、薄肉部３２と厚肉部３３との間、ちょうど、Ｖ字の底部分に、断面がコ字状の溝部３６が直線状に凹設されて、介在部３５が介在している。この介在部３５の厚みＴｃ３は、薄肉部３２の厚みＴａ３よりも薄くされている（Ｔｃ３＜Ｔａ３＜Ｔｂ３）。この圧電素子３１も、薄肉部３２、介在部３５及び厚肉部３３が一体とされた圧電セラミックスからなっている。その一方で、この介在部３５の存在により、薄肉部３２と厚肉部３３との間で、振動が伝わり難くなっている。

また、薄肉部３２の厚み方向ＤＴ２の両側に位置する、平坦な薄肉第１面３２Ａ及び薄肉第２面３２Ｂ上にも、それぞれ焼き付け銀電極からなる矩形状の薄肉部電極３７が形成されている。一方、厚肉部３３の厚み方向ＤＴ３の両側に位置する平坦な厚肉第１面３３Ａ及び厚肉第２面３３Ｂ上にも、それぞれ焼き付け銀電極からなる矩形状の厚肉部電極３８が形成されている。

この超音波センサ３０（圧電素子３１）のうち、薄肉部３２及び厚肉部３３は、ぞれぞれ厚み方向に分極されている。
従って、この実施形態３の超音波センサ３０でも、実施形態１，２と同じく、２つの薄肉部電極３７の間に、共振周波数ｆｒａの交流電圧を印加すると、薄肉部２２が共振する。従って、この薄肉部２２を、共振周波数ｆｒａで駆動した場合には、インピーダンスが極小となると共に、振幅の大きい（強度の高い）超音波を放射させることができる。
また、厚肉部３３は、反共振周波数ｆａｂの超音波を加えた場合に、そのインピーダンスが極大となる（図３参照）と共に、大きな振幅の（電圧の高い）出力電圧を得ること、つまり、感度良く超音波振動を受波することができる。

そして、本実施形態３の超音波センサ３０でも、薄肉部３２の共振周波数ｆｒａと厚肉部３３の反共振周波数ｆａｂとが一致する（ｆｒａ＝ｆａｂ）ように、薄肉部３２の厚みＴａ３と厚肉部３３の厚みＴｂ３とを調整してある（図３参照）。

かくして、本実施形態３の超音波センサ３０によっても、所定の厚さの圧電素子を共用して、超音波の送波と受波を行う従来の形態の超音波センサを用いた場合に比して、送波時の放射強度を増大させ、さらに、受波時の感度も向上させることができる。
しかも、この超音波センサ３０でも、薄肉部３２と厚肉部３３とが一体の１つの超音波センサとして取り扱うことができるので、取り扱いが容易である。しかも、薄肉部３２と厚肉部３３との相対位置決めが不要である点でも、取り扱いが容易であり、安価で設置容易な超音波センサとなる。

特に、本実施形態３の超音波センサ３０では、薄肉部３２と厚肉部３３とが互いに斜めに結合され、Ｖ字状に配置されている。ここで、薄肉部３２の一方側の薄肉第１面３２Ａを、超音波を放射する面を放射面ＳＯとし、厚肉部３３の一方側の厚肉第１面３３Ａを、超音波を受波する面を受波面ＳＩとする。すると、薄肉部３２と厚肉部３３とは、放射面ＳＯ（薄肉第１面３２Ａ）の中央において、これに直交し、この放射面ＳＯから外部に向けて延びる仮想の放射法線Ｎｈと、受波面ＳＩ（厚肉第１面３３Ａ）の中央において、これに直交し、この受波面ＳＩから外部に向けて延びる仮想の受波法線Ｎｊとが、交点Ｋで交叉する形態とされてなる。

この超音波センサ３０では、放射法線Ｎｈと受波法線Ｎｊとが交叉する交点Ｋの近傍に対象物が存在する場合、薄肉部３２の放射面ＳＯ（薄肉第１面３２Ａ）から放射した放射超音波ＵＳ１の反射超音波（受波超音波）ＵＳ２を、厚肉部３３の受波面ＳＩ（厚肉第１面３３Ａ）で適切に受波できる。従って、この交点近傍における対象物の有無を、選択的に、かつ、高い感度で検知をすることができる。

（変形形態２）
次いで、実施形態３の変形形態にかかる超音波センサについて、図１１、図１２を参照して説明する。
上述の実施形態３の超音波センサ３０では、圧電素子３１を、薄肉部３２と厚肉部３３とが、互いに斜めに結合され、Ｖ字状に配置される形態とした。そして、薄肉第１面３２Ａと厚肉第１面３３Ａとが、図９において、中心面ＫＸに対して左右非対称となる形態とした。

これに対し、本変形形態２の超音波センサ４０では、薄肉部４２と厚肉部４３とが、互いに斜めに結合され、Ｖ字状に配置されている点で、実施形態３と同様である。しかし、薄肉第１面４２Ａと厚肉第１面４３Ａとが、図１１において、中心面ＫＸに対して左右対称でＶ字形をなす形態とした点で実施形態３と異なる。
このようにすることにより、超音波放射面ＳＯである薄肉第１面４２Ａと、超音波受波面ＳＩである厚肉第１面４３Ａの間に段差が生じないため、薄肉第１面４２Ａ及び厚肉第１面４３Ａを露出させつつ、圧電素子４１の外周を包囲する場合に、薄肉第１面４２Ａ及び厚肉第１面４３Ａで、水などの超音波の媒体に対するシールを施しやすい。

（実施形態４）
次いで、実施形態４にかかる超音波センサ５０について、図１３を参照して説明する。
前述した実施形態１の超音波センサ１０では、薄肉第１面１２Ａ上に形成した薄肉部電極１７と、厚肉第１面１３Ａ上に形成した厚肉部電極１８とは、互いに離間し、絶縁されている。また、介在部１５をなす溝部１６も介在している。

これに対し、本実施形態の超音波センサ５０では、薄肉部５２及び厚肉部５３の形態は、実施形態１の薄肉部１２及び厚肉部１３と同様としながら、薄肉第１面５２Ａ及び厚肉第１面５３Ａにまたがって共通電極５９を形成している。また、介在部５５をなす溝部５６を、薄肉第１面５２Ａと厚肉第１面５３Ａとの間には形成しない形態としている。このため、実施形態１の超音波センサ１０とは、薄肉部５２の厚みＴａ１及び厚肉部５３の厚みＴｂ１は同じであるが、介在部５５の厚みは、Ｔｃ１より若干厚いＴｃ５とされている。

このようにしても、例えば、図１４の回路を用いて、超音波センサ１０と同様、薄肉部５２を共振させて、この薄肉部５２から高い強度の放射超音波ＵＳ１を放射（送波）し、厚肉部５３を反共振させて、この厚肉部５３で受波超音波ＵＳ２を高い感度で受波することができる。

以上において、本発明を実施形態１〜５及び変形形態１，２に即して説明した。しかし、本発明は上記の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、前述の実施形態１等では、薄肉部と厚肉部との間に、溝部を設けることで、これらの間に介在する介在部が存在する形態を示した。しかし、薄肉部と厚肉部との間に、介在部（溝部）を設けない形態としても良い。但し、介在部（溝部）の存在により、薄肉部と厚肉部との間の縁切りがなされて、一方の振動が他方に伝わりにくいなど、一方の挙動が他方に影響しにくいようにできるので、介在部を設ける方が好ましい。

実施形態１にかかる超音波センサの断面図である。 実施形態１にかかる超音波センサの平面図である。 超音波センサの薄肉部と厚肉部との、周波数−インピーダンス特性の関係を示すグラフである。 実施形態１にかかる超音波センサの駆動手法を示す回路図である。 変形形態１にかかり、上述の実施形態１にかかる超音波センサの放射面および受波面を変えて駆動する駆動手法を示す回路図である。 実施形態２にかかる超音波センサの断面図である。 実施形態２にかかる超音波センサの平面図である。 実施形態２にかかる超音波センサの駆動手法を示す回路図である。 実施形態３にかかる超音波センサの断面図である。 実施形態３にかかる超音波センサの平面図である。 変形形態２にかかる超音波センサの断面図である。 変形形態２にかかる超音波センサの平面図である。 実施形態４にかかる超音波センサの断面図である。 実施形態４にかかる超音波センサの駆動手法を示す回路図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０ 超音波センサ
１１，２１，３１，４１，５１ 圧電素子
１２，２２，３２，４２，５２ （圧電素子の）薄肉部
１２Ａ，２２Ａ，３２Ａ，４２Ａ，５２Ａ （薄肉部の）薄肉第１面
１２Ｂ，２２Ｂ，３２Ｂ，４２Ｂ，５２Ｂ （薄肉部の）薄肉第２面
１３，２３，３３，４３，５３ （圧電素子の）厚肉部
１３Ａ，２３Ａ，３３Ａ，４３Ａ，５３Ａ （厚肉部の）厚肉第１面
１３Ｂ，２３Ｂ，３３Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂ （厚肉部の）厚肉第２面
１５，２５，３５，４５，５５ 介在部
１６，２６，３６，４６，５６ 溝部
１７，２７，３７，４７，５７ 薄肉部電極
１８，２８，３８，４８，５８ 厚肉部電極
５９ 共通電極
Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔａ３，Ｔａ４ 薄肉部の厚み
Ｔｂ１，Ｔｂ２，Ｔｂ３，Ｔｂ４ 厚肉部の厚み
Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３，Ｔｃ４，Ｔｃ５ 介在部の厚み
ｆｒａ （薄肉部の厚み方向の）共振周波数
ｆａａ （薄肉部の厚み方向の）反共振周波数
ｆｒｂ （厚肉部の厚み方向の）共振周波数
ｆａｂ （厚肉部の厚み方向の）反共振周波数
ＳＯ 放射面
ＳＩ 受波面
Ｎｈ 放射法線
Ｎｊ 受波法線
Ｋ 交点

Claims (5)

1. 超音波の送受波を行う超音波センサであって、
   厚みＴａの薄肉部、及び、
   上記薄肉部と一体とされ、上記薄肉部よりも厚い厚みＴｂの厚肉部を有する
   圧電素子と、
   上記薄肉部を挟む薄肉部電極と、
   上記厚肉部を挟む厚肉部電極と、を備え、
   上記圧電素子は、
   上記薄肉部の厚みＴａと上記厚肉部の厚みＴｂとを、上記薄肉部における共振周波数と上記厚肉部における反共振周波数とが等しくなる関係にしてなる
   超音波センサ。
2. 請求項１に記載の超音波センサであって、
   前記薄肉部と前記厚肉部との間に介在し、上記薄肉部よりも厚みの小さい介在部を備
   える
   超音波センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波センサであって、
   前記薄肉部は円板状とされてなり、
   前記厚肉部は上記薄肉部を囲みこれと同軸の円環板状とされてなる
   超音波センサ。
4. 請求項１または請求項２に記載の超音波センサであって、
   前記厚肉部は円板状とされてなり、
   前記薄肉部は上記厚肉部を囲みこれと同軸の円環板状とされてなる
   超音波センサ。
5. 請求項１または請求項２に記載の超音波センサであって、
   前記薄肉部のうち、自身の厚さ方向一方側の面であり、超音波を放射する面を放射面とし、
   前記厚肉部のうち、自身の厚さ方向一方側の面であり、超音波を受波する面を受波面としたとき、
   上記薄肉部と上記厚肉部とは、
   上記放射面に直交し、この放射面から外部に向けて延びる仮想の放射法線と、
   上記受波面に直交し、この受波面から外部に向けて延びる仮想の受波法線とが、交叉する形態とされてなる
   超音波センサ。

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