JP7029588B2

JP7029588B2 - 超音波センサー

Info

Publication number: JP7029588B2
Application number: JP2017233995A
Authority: JP
Inventors: 昌道橋田; 知樹桝田; 英知永原; 祐大石崎
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: JP2019103048A

Description

本発明は、主に超音波の送受信を行うセンサーに関するものである。

一般に、異なる物質間の音響インピーダンス（それぞれの物質の密度と音速の積）の違いが小さければ、超音波はこれらの物質の界面を透過して伝達し、音響インピーダンスの違いが大きければ、これらの界面で反射する。従って、音響インピーダンスの違いが小さくなるに従って、エネルギー伝達効率は高くなる。

しかし、圧電素子はセラミックス（密度と音速が高い）により構成されるのが一般的であり、超音波を伝達させようとする対象である空気等の気体の密度と音速は、セラミックスのそれらより大幅に小さい。従って、圧電素子から空気へのエネルギー伝達効率は非常に低くなる。この問題を解決するため、圧電素子と気体の間に、圧電素子より音響インピーダンスが小さく、空気より音響インピーダンスが大きい音響整合層を介在させ、エネルギー伝達効率を高める対策が行われてきた。

音響インピーダンスの観点からは、圧電素子から音響整合層を経て気体へ超音波が伝達するために最も効率が高くなるのは次式を満たす場合である。

Ｚ２＾２＝Ｚ１×Ｚ３・・・（１）
ここで、Ｚ１：圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ２：音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ３：気体の音響インピーダンスである。

音響整合層の音響インピーダンスの低減は、それを構成する物質を多孔質化することにより密度（と音速）を低減すること等により行われてきた。

更に、固体である圧電素子と気体との音響インピーダンスの差は非常に大きいため、音響整合層１層では充分な効率で超音波を伝達させることができなかった。一般に、固体からなる圧電素子と気体の音響インピーダンスは５桁程度異なることなることから、式（１）を満たすためには、音響整合層の音響インピーダンスは圧電素子の音響インピーダンスの２．５桁程度小さくする必要がある。

しかし、音速と密度の積である音響インピーダンスを小さくするためには、音速は物質固有の値であるため小さくすることは困難であることを考慮すると、密度を小さくする必要がある。この場合、音響整合層は９９％以上が空隙となることにより、強度が確保できないとう問題がある。

そこで、音響整合層を２層用い、圧電素子と一層目の音響インピーダンス、一層目の音響インピーダンスと二層目の音響インピーダンスにおいて式（１）が成立し、一層目の音響インピーダンスと二層目の音響インピーダンスと気体の音響インピーダンスにおいて式（１）が成立する場合に最も伝達効率が高くなることを用いて、充分な効率で超音波を伝達させる事が試みられてきた。

特許第６０３２５１２号公報

しかしながら、超音波発生源から、最も高効率で超音波が発せられる圧電素子の厚さ（超音波が発せられる方向の寸法）は、波長のｎ／２（ｎは整数）であるが、超音波発生源の厚さの適正化に関する詳細な記載はなされていない。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波センサーは、圧電素子と、前記圧電素子と積層された厚さ適正化部材とからなり、前記厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、前記圧電素子の１/２０倍以上、２．５倍以下であり、前記圧電素子と前記厚さ適正化部材の厚さの合計が、圧電素子の振動数と音速から計算される波長の略１／２となるものである。

そして、この超音波センサーによると、あたかも圧電素子の厚さが波長の１／２であるかのような現象、即ち、圧電素子と厚さ適正化部材の音響インピーダンスが同一であるかのような効率で超音波が発せられる。

このように、厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、圧電素子の音響インピーダンスの１／２０から２．５倍程度の差があるにも関わらず、これらの音響インピーダンスは同一であるかのような効率で超音波が発せられる要因は、前記の通り、圧電素子と音響整合層の音響インピーダンスは２．５桁程異なることに比較すると、１／２０から２．５倍程度であれば概ね同一であるとして取り扱うことができるためである。

更に、圧電素子の音響インピーダンスに比較して小さい場合の比は１／２０であるのに対し、大きい場合は２．５であるように、対象性が保たれない要因は次の通りである。

音響インピーダンスの定義は、音速と密度の積である。一方、運動量の定義は、物質の速度と質量の積である。従って、音響インピーダンスは単位体積（微小要素）あたりの運動量と同一である。そのため、圧電素子で生じた超音波（振動）が厚さ適正化部材を振動させる際、圧電素子より音響インピーダンスが小さくなるに従い、振動させることが容易になるためである。

上記では圧電素子と厚さ適正化部材を接合するとしているが、勿論、厚さ適正化部材を用いず、圧電素子の厚さが波長の１／２であっても高効率で超音波が発せられる。

本発明によると、厚さ適正化部材を用いることにより、圧電素子の厚さが波長の１／２より小さい場合であっても、高効率で超音波を発生させることができる。これにより、波長の１／２と同一の厚さの圧電素子の作製が困難な場合であっても、高効率で超音波の送受信が可能なセンサーを得ることが可能になる。

更に、高価な材料である圧電素子の使用量を低減させることにより、超音波センサーを安価に得ることも可能になる。

実施の形態１における超音波センサーの模式図圧電素子と厚さ適正化部材を接合した部材及び、波長との相関を示す模式図実施の形態１における他の実施例の超音波センサーの模式図実施の形態２における超音波センサーの模式図

第１の発明は、圧電素子と、前記圧電素子と積層された厚さ適正化部材とからなり、前記厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、前記圧電素子の１／２０倍以上、２．５倍以下であり、前記圧電素子と前記厚さ適正化部材の厚さの合計が、圧電素子の振動数と音速から計算される波長の略１／２である超音波センサーである。

以下に示す通り、厚さ適正化部材を用いることにより、高効率で超音波の送受信が可能となる。

まず、超音波センサーが高効率で作用する場合は、圧電素子が高効率で振動する場合である。

一般に、圧電素子の振動は、弦の定常波のように、スケール（例えば、棒状物質の場合は長さ、板状物質の場合は厚さである）が波長の１／２の整数倍の場合に最も高効率となる。

物質の音速は、振動数（周波数）と波長の積であることから、これらの３つの値のうち、２つが定まれば、他の１つが定まる。ここで、物質の音速はぞれぞれ固有の値であることから、振動数と波長のいずれか一方が定まれば、他の一方は自ずと定まることになり、超音波センサーの送受信の振動数を規定して用いる場合、振動数を定めることに相当する。従って、この場合、音速と振動数のいずれもが定まることになり、自ずと波長（従って波長の１／２）の値が決定する。

従って、圧電素子を高効率で振動させるためには、そのスケールを上記にて決定する値とすればよい。しかし、圧電素子は大型化が困難であることや、高価であることを考慮すると、圧電素子のスケールを波長の１／２とすることは必ずしも容易ではない。

そこで、圧電素子の音響インピーダンスの１／２０以上、２．５倍以下である厚さ適正化部材を用いることによりこれらのスケールの合計が波長の１／２となるように圧電素子を作製することにより、高効率で送受信可能な超音波センサーを得ることができる。

第２の発明は、第１の発明において、更に超音波の放射面側に音響整合層が積層されている超音波センサーである。

以下に示す通り、圧電素子或いは厚さ適正化部材の少なくとも一方に、音響整合層が積層されていることにより、高効率で送受信が可能な超音波センサーを得ることができる。圧電素子から気体へ高効率で超音波を伝播するため、音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスより小さく、気体の音響インピーダンスより大きい音響整合層が用いられている。

しかし、最も効率よく超音波が伝播するためには、音響整合層の音響インピーダンスは圧電素子の音響インピーダンスの２．５桁程度小さくする必要がある。

しかし、音速と密度の積である音響インピーダンスを小さくするためには、音速は物質固有の値であるため小さくすることは困難であることを考慮すると、密度を小さくする必要がある。この場合、音響整合層は９９％以上空隙となることにより、強度が確保できないとう問題がある。

従って、音響整合層の強度を確保するため、最も効率よく超音波が伝播する音響インピーダンスより伝播効率は劣るものの、強度を確保するため、より密度が大きい音響整合層
を用いることができれば、超音波センサーの信頼性確保に有効である。

ここで、圧電素子は、厚さ適正化部材により、高効率で振動するため、音響整合層を経て気体へ伝播する効率が低下しても充分な送受信特性を有するセンサーを得ることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、前記圧電素子の音響インピーダンスより小さい超音波センサーである。

以下に示す通り、音響整合層を用いずとも、高効率で送受信を行うことが可能な超音波センサーを得ることができる。

圧電素子と気体間の超音波の伝達効率は、それらの音響インピーダンスが近い程向上する。ここで、厚さ適正化部材の音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスより小さいことから、厚さ適正化部材を気体へ超音波を伝達させる面とすることで、あたかも圧電素子の音響インピーダンスが厚さ適正化部材の音響インピーダンスであるかのような特性を有する超音波センサーを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１における超音波センサーの断面を示す模式図、図２は圧電素子と厚さ適正化部材を接合した部材及び、波長との相関を示す模式図である。

図１において、超音波センサー１は、圧電素子２、厚さ適正化部材３、ケース４、音響整合層５からなる。

以下、実施の形態１における超音波センサーの動作を説明する。

圧電素子２はセラミックスからなる板状の部材であり、対向する面（図における上下）に電極６ａ，６ｂが形成されている。厚さ適正化部材３は金属からなる板状の部材であり、導電性接着剤（図示せず）により一方の面が圧電素子の電極６ａ、他方の面がケース４に接合されている。

ケース４は底板４ｂを有する金属製の容器であり、上板４ａの一方の面（内側の面）が厚さ適正化部材３、他方の面（外側の面）がエポキシ系接着剤（図示せず）により音響整合層５に接合されている。従って、ケース４は電極６ａと導通している。

更に、底板４ｂには電極ピン７ａ、電極６ｂには電極ピン７ｂが接続されている。

そして、電極ピン７ａ，７ｂより交流電圧を印加すると、圧電素子２は交流の周波数と同一の周波数で伸張と短縮を繰り返すことにより超音波が発生する。超音波は、音響インピーダンスの違いが大きい物質間では反射し、音響インピーダンスの違いが小さい物質間で透過する性質を有している。従って、圧電素子２にて発生した超音波は、厚さ適正化部材３を接合していない面で反射し、厚さ適正化部材３へ伝播し、更に、ケース４を透過し、ケース４と気体の間で反射する。

従って、超音波は圧電素子２、厚さ適正化部材３、ケース４間のそれぞれを透過し、圧電素子と気体の界面、ケース４と気体の界面で反射するのであるから、図２に示す通り、
あたかも同一の部材であるかのように扱うことができる。

ここで、物質に生じた振動が維持されるためには、振動が定常波であることが必要であり、定常波が存在する物質のスケールは、波長の１／２の整数倍である必要があることから、圧電素子２と厚さ適正化部材３の厚さの合計が、波長の１／２倍となるように設計した。

なお、ケース４の厚みが厚さ適正化部材３の厚みに比べて極薄い場合（例えば、後述する圧電素子の厚み３．８ｍｍに対して、ケースの厚みが０．１～０．２ｍｍ程度の場合）には、ケース４の厚みは無視して扱うことができる。また、ケース４の厚みが厚さ適正化部材３の厚みに比べて無視できない程大きい場合は、圧電素子２とケース４と厚さ適正化部材３のそれぞれの厚みの合計が波長の１／２となるように設定することで同様の効果を得ることができる。

また、圧電素子２と厚さ適正化部材３の厚さの合計が２／２倍、３／２倍等の場合であっても高効率の超音波センサーを得ることができるが、高弾性の材料であるセラミックスからなる圧電素子や、同様に高弾性の材料である金属からなる厚さ適正化部材であっても僅かに超音波減衰することから、上記の通り、１／２倍において最大の効率を有する超音波センサーを得ることができる。

ここで、スケールとは超音波が伝播する物質の大きさを特徴づける大きさであり、例えば板状物質であれば、その厚さを示し、棒状材料であればその長さを示す。板状材料とは、３次元方向の内、一次元方向のスケールが他の２次元方向のスケールに比較して著しく小さいという特徴を有する材料であり、棒状材料とは、３次元方向の内、一次元方向のスケールが他の２次元方向のスケールに比較して著しく小さいという特徴を有する材料である。また、定常波とは、一定の位置で振動しているようにみえる波を示す。

本実施の形態では、圧電素子としてセラミックスを用いたが、セラミックに限定するものではなく、金属等であってもよい。

そして、厚さ適正化部材３を用いることにより、圧電素子の厚さが波長の１／２より小さい場合であっても、高効率で超音波を発生させることができる。これにより、波長の１／２と同一の厚さの圧電素子の作製が困難な場合であっても、高効率で超音波の送受信が可能なセンサーを得ることが可能になる。

また、図３に示す超音波センサー１０のように、圧電素子２の一方の電極６ａをケース４の内側の面に接合し、他方の電極６ｂに厚さ適正化部材３を接合しても、同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図４は実施の形態２における超音波センサー２０の模式図である。

実施の形態１では圧電素子２、厚さ適正化部材３、ケース４の順に配置した。この順序において圧電素子２に電圧を印加するために、厚さ適正化部材３として金属を用いたが、本実施の形態では、図４に示すように、圧電素子２、ケース４、厚さ適正化部材３の順に配置している。この場合、圧電素子２の電極６ａとケース４とが導電性接着剤（図示せず）により接合されて電気回路が形成される。

従って、厚さ適正化部材３は導電体である金属に限定するものではなく、セラミックスや樹脂を用いることも可能である。樹脂の場合、金属に比較して超音波が伝播し難い特性を有するため、高弾性のものが望ましい。高弾性の樹脂としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂等が望ましい。更に、弾性率を向上するため、ガラス繊維や炭素繊維等により強化したものであってもよい。

以下、実施の形態２における超音波センサー２０の動作を説明する。

圧電素子２はセラミックスからなる板状の部材であり、対向する面（図における上下）に電極６ａ，６ｂが形成されており、電極６ａが導電性接着剤（図示せず）により、ケース４の内側の面に接合されている。

厚さ適正化部材３は樹脂からなる板状の部材であり、エポキシ系の接着剤（図示せず）によりケース４の外側の面に接合されている。

ケース４は底板４ｂを有する金属製の容器である。更に、底板４ｂには電極ピン７ａ、電極６ｂには電極ピン７ｂが接続されている。

実施の形態２において、厚さ適正化部材３は樹脂であるため、圧電素子に比較して音響インピーダンスが小さく、弾性率が高いエンジニアリングプラスチックにおいて１／８から１／１０程度である。従って、金属やセラミックスに比較して圧電素子との音響インピーダンスの違いが大きく、圧電素子２と厚さ適正化部材３の界面での超音波の反射が生じ、幾分効率が低下する。

一方、樹脂は音響インピーダンスが小さいため、気体との界面での反射が少なくなる。圧電素子２の音響インピーダンスに比較して厚さ適正化部材３の音響インピーダンスが１／２０以上であれば、前者に比較して後者の効果が大きいため、圧電素子２で発生した超音波の気体への伝達効率が向上する。

以上の通り、実施の形態２では圧電素子２に対して、厚さ適正化部材の３の音響インピーダンスが小さいことにより、空気へ振動を効率的に伝播することが可能となるため、金属性であるために厚さ適正化部材より音響インピーダンスが大きいケース４は、圧電素子２と厚さ適正化部材３の間にあることが望ましい。

一方、ケース４として、導電性樹脂等を用いた場合は、圧電素子２、厚さ適正化部材３、ケース４の順に配置しても、効率的に超音波を伝播することができる。

そして、厚さ適正化部材を用いることにより、圧電素子の厚さが波長の１／２より小さい場合であっても、高効率で超音波を発生させることができる。これにより、波長の１／２と同一の厚さの圧電素子の作製が困難な場合であっても、高効率で超音波の送受信が可能なセンサーを得ることが可能になる。

更に、実施の形態２では音響整合層を用いないため、より安価に超音波センサーを得ることができる。

以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明する。実施例では超音波センサーの特性の評価指標として、超音波センサーを対にして大気中で１００ｍｍ離して設置し、一方の超音波センサーから発した超音波（発振周波数は５００ｋＨｚ）が、他方の超音波センサーに伝播して起電力が発生するようにする。更に、オシロスコープによりこの起電力を測定することにより、超音波センサーの特性が明らかとなる。

（実施例１）
実施の形態１において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のアルミニウムを用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、アルミニウムの密度は２．７ｇ／ｃｍ^３、音速は６４２０ｍ／ｓであることから、音響インピーダンスは１７．３×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は０．５９である。

音響整合層としてポリメタクリルイミド樹脂の独立気泡発泡させたものを厚さ適正化部材に積層して作製した。密度を測定したところ０．０７ｇ／ｃｍ^３であった。音響整合層の音速を測定したところ、１６００ｍ／ｓであった。音響整合層の厚さが波長の１／４倍の場合に最も伝播効率が高くなることから、厚さは０．８ｍｍとした。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は１５０ｍＶであった。

（実施例２）
実施の形態１において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタンを用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、チタンの密度は４．５ｇ／ｃｍ^３、音速は６０００ｍ／ｓ
であることから、音響インピーダンスは２７．０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は０．９１である。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は１８０ｍＶであった。

（実施例３）
実施の形態１において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のステンレスを用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、ステンレスの密度は７．８ｇ／ｃｍ^３、音速は６０００ｍ／ｓであることから、音響インピーダンスは２７．０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は１．５８である。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は２００ｍＶであった。

（実施例４）
実施の形態２において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂を用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、ＰＥＥＫ樹脂の密度は１．３ｇ／ｃｍ^３、音速は２５００ｍ／ｓであることから、音響インピーダンスは３．２５×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は０．１１である。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は４３ｍＶであった。

音響整合層を用いていないにも関わらず、比較的高い起電力が得られた要因は、次の通りである。圧電素子と厚さ適正化部材の音響インピーダンスの比は０．１１であり比較的
大きいため、これらの界面では幾分の超音波の反射がある一方、厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、金属やセラミックスの音響インピーダンスに比較して小さい。このため、音響インピーダンスが非常に小さい空気との界面での超音波の反射が小さく押さえられたためである。即ち、厚さ適正化部材の音響インピーダンスが圧電素子の音響インピーダンスよりも小さい場合、圧電素子による伝播効率の低減を厚さ適正化部材により補うことができたためであり、言うなれば、厚さ適正化部材が音響整合層としての機能も発現したためである。

（実施例５）
実施の形態２において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂にフィラーとしてガラス繊維を添加したものを用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、ＰＥＥＫ樹脂の密度は１．５ｇ／ｃｍ^３、音速は２５００ｍ／ｓであることから、音響インピーダンスは３．７５×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は０．１３である。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は４５ｍＶであった。

音響整合層を用いていないにも関わらず、比較的高い起電力が得られた要因は、実施例４と同様である。実施例５と比較すると僅かな起電力の差があるが、この差は特に有意なものではないと考える。

（実施例６）
実施の形態２において、下記の通り評価を行った。

更に、音響整合層としてポリメタクリルイミド樹脂の独立気泡発泡させたものを厚さ適正化部材に積層して作成した。音速を測定したところ、１６００ｍ／ｓであった。密度を測定したところ０．１ｇ／ｃｍ^３であった。音響整合層の厚さが波長の１／４倍の場合に最も伝播効率が高くなることから、厚さは０．８ｍｍとした。これらから計算される音響インピーダンスは、０．１６×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は１２０ｍＶであった。

実施例４と比較すると起電力が大幅に大きくなっていることが判る。これは、音響整合層の音響インピーダンスが厚さ適正化部材の１／２０程度と小さいため、厚さ適正化部材と空気のインピーダンスの違いによる反射を更に低減されたためである。

（実施例７）
実施の形態２において、下記の通り評価を行った。

更に、音響整合層としてポリメタクリルイミド樹脂の独立気泡発泡させたものを厚さ適正化部材に積層して作成した。音速を測定したところ、１６００ｍ／ｓであった。密度を測定したところ０．０７ｇ／ｃｍ^３であった。音響整合層の厚さが波長の１／４倍の場合に最も伝播効率が高くなることから、厚さは０．８ｍｍとした。密度と音速から計算される音響インピーダンスは、０．１１×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。

実施例６と比較すると起電力が大きくなっていることが判る。これは、音響整合層の音響インピーダンスが厚さ適正化部材の１／３０程度と小さいため、厚さ適正化部材と空気のインピーダンスの違いによる反射の低減高価が高まったためである。

（実施例８）
実施の形態２において、下記の通り評価を行った。

更に、音響整合層としてポリメタクリルイミド樹脂の独立気泡発泡させたものを厚さ適正化部材に積層して作成した。音速を測定したところ、１６００ｍ／ｓであった。密度を測定したところ０．０５ｇ／ｃｍ^３であった。音響整合層の厚さが波長の１／４倍の場合に最も伝播効率が高くなることから、厚さは０．８ｍｍとした。これらから計算される音響インピーダンスは、０．０８×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。

実施例７と比較すると起電力が大きくなっていることが判る。これは、音響整合層の音響インピーダンスが厚さ適正化部材の１／４０程度と小さいため、厚さ適正化部材と空気のインピーダンスの違いによる反射の低減高価が高まったためである。

更に、実施例１と実施例７を比較すると、厚さ適正化部材の音響インピーダンスが５倍程度と大きく異なるのに対し、起電力が同一になっており、この要因は以下の通り考えられる。

即ち、超音波を発振する強度は、圧電素子と厚さ適正化部材の音響インピーダンスが近いこと、厚さ適正化部材と音響整合層間での超音波の反射が少ないことが必要である。

実施例１では前者の寄与度が大きく、実施例７では後者の寄与度が大きく、それぞれの複合効果においては同一となるためである。

（比較例１）
実施の形態１において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のタングステンを含む合金を用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、タングステンを含む合金の密度を測定した結果、１４．０ｇ／ｃｍ^３、音速測定した結果、６０００ｍ／ｓであった。従って、音響インピーダンスは８４．０×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は２．８３である。

音響整合層としてポリメタクリルイミド樹脂の独立気泡発泡させたものを厚さ適正化部材に積層して作製した。密度を測定したところ０．０７ｇ／ｃｍ^３であった。音速を測定したところ、１６００ｍ／ｓであった。音響整合層の厚さが波長の１／４倍の場合に最も伝播効率が高くなることから、厚さは０．８ｍｍとした。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は１１０ｍＶであった。

実施例１～３、比較例１から次のことが判る。厚さ適正化部材の音響インピーダンスが、圧電素子の音響インピーダンスに近い（比が１程度）か僅かに大きい場合に最も起電力が大きくなる。

この理由は必ずしも明らかではないが、次の通り考えられる。即ち、圧電素子と厚さ適正化部材の音響インピーダンスが同一（比が１）の場合に最も効率よく超音波が発信される。超音波センサーが自由に振動しうる状態（圧電素子と厚さ適正化部材に何も接合されていない状態）とは異なり、厚さ適正化部材には音響整合層が接合されているため、厚さ適正化部材は、圧電素子に比較して振動が抑えられる状態になっている。

ここで、厚さ適正化部材の音響インピーダンスが圧電素子より僅かに大きい場合、音響整合層により振動を抑えられ難くなる（従って、接合されている音響整合層の振動が大きくなり、気体へ伝播する超音波も強くなる）ことにより、最も大きな起電力が得られる。厚さ適正化部材の音響インピーダンスが、最適値を超えて大きくなるため、音響整合層を振動させる効果に比較して、圧電素子の振動を抑える効果が大きくなってしまうことにより、起電力が低減するものと考えられる。

以上から、厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、圧電素子の２．５倍以下であることが好ましいと判断できる。

（比較例２）
実施の形態１において、下記の通り評価を行った。

圧電素子として、厚さ３ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。チタン酸ジルコン酸鉛の音速は３８００ｍｍであることから、厚さ方向が波長の１／２となる厚さは３．８ｍｍである。従って、厚さ適正化部材は厚さ０．８ｍｍのものが必要であることから、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のポリアミドを用いた。

圧電素子の密度は、７．７ｇ／ｃｍ^３であることから、音響インピーダンスは２９．２×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）、ポリアミドの密度は０．８７ｇ／ｃｍ^３、音速は２２００ｍ／ｓであることから、音響インピーダンスは１．９×１０^５ｇ／（ｃｍ^２・ｓ）である。従って、音響インピーダンスの比は０．０６６である。

音響整合層として、ガラスバルーン冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて１２０℃で熱硬化させたものを切削して作製したものを用いた。その密度は０．５２ｇ／ｃｍ３であった。音速は２５００ｍ／ｓであったことから、その厚さを波長の１／４になるよう、１．２５ｍｍとした。

上記の通り作製した超音波センサーの特性を評価した結果、起電力は３０ｍＶであった。

実施例１と比較して起電力が低減しているが、これは厚適正化部材の音響インピーダンスが小さいため、圧電素子と厚さ適正化部材の界面で超音波の反射が著しくなるためである。

以上から、厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、少なくとも圧電素子の１／２０倍以上であることが必要であり、本実験において１５０ｍＶ以上の電力が得られた０．５９、即ち、約１／２以上であることがより好ましいと判断できる。

以上のように、本発明にかかる超音波センサーは、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。

１、１０、２０超音波センサー
２圧電素子
３厚さ適正化部材
４ケース
５音響整合層

Claims

金属製のケースと、圧電素子と、前記圧電素子と積層された導電性を有する厚さ適正化部材とからなり、
前記厚さ適正化部材は、一方の面が前記圧電素子の電極に接合され、他方の面が前記ケースの一方の面に接合されており、
前記厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、前記圧電素子の１／２０倍以上、２．５倍以下であり、前記ケースと前記圧電素子と前記厚さ適正化部材の厚さの合計が、圧電素子の振動数と音速から計算される波長の略１／２である超音波センサー。
更に、超音波の放射面側である前記ケースの他方の面に音響整合層が積層されている請求項１に記載の超音波センサー。
前記厚さ適正化部材の音響インピーダンスは、前記圧電素子の音響インピーダンスより小さい請求項１または２に記載の超音波センサー。