JP7331652B2 - 超音波デバイス及び流体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波デバイス及び流体検出装置に関する。

従来の超音波デバイスとして、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載の超音波デバイスは、振動することにより超音波を送波及び／又は受波する音源部分を備えたセンサケースと、センサケースの音源部分の内面に設けられた圧電振動素子と、を備えている。

特開２００２－１１２３９２号公報

従来の超音波デバイスでは、センサケースと圧電素子との界面において、超音波の反射が生じ得る。超音波の反射は、超音波の受波及び送波の感度を低下させる。

本発明の一側面は、感度の向上が図れる超音波デバイス及び流体検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る超音波デバイスは、圧電素子と、圧電素子が収容されている収容空間を形成しているケースと、ケースの収容空間に充填されている充填部材と、圧電素子に接続されている配線部材と、を備え、ケースは、互いに対向している第１主面及び第２主面を有している底部と、第１主面と共に収容空間を形成している側部と、を有する有底筒状のマッチング部を有し、圧電素子は、底部の第１主面に配置されており、圧電素子と底部の第１主面とは、接合部材によって接合されており、圧電素子の音響インピーダンスをＺ１、接合部材の音響インピーダンスをＺ２、マッチング部の音響インピーダンスをＺ３とした場合、Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１の関係を満たす。

本発明の一側面に係る超音波デバイスでは、圧電素子と底部の第１主面とは、接合部材によって接合されており、圧電素子の音響インピーダンスをＺ１、接合部材の音響インピーダンスをＺ２、マッチング部の音響インピーダンスをＺ３とした場合、Ｚ３＞Ｚ２＞Ｚ１の関係を満たす。このように、超音波デバイスでは、マッチング部、接合部材及び圧電素子の順番で、音響インピーダンスが大きくなるように設計されている。これにより、超音波デバイスでは、圧電素子と接合部材との境界、及び、接合部材とマッチング部との境界での超音波の反射を低減することができる。したがって、超音波デバイスでは、圧電素子における超音波の送波及び受波の感度の低下を抑制できる。その結果、超音波デバイスでは、感度の向上が図れる。

一実施形態においては、底部は、第１主面側よりも第２主面側の密度が低くてもよい。言い換えれば、底部は、第２主面側よりも第１主面側の密度が高くてもよい。この構成では、底部において、密度が傾斜している。これにより、超音波デバイスでは、流体（空気等）と第２主面との界面、及び、接合部材と第１主面との界面での超音波の反射を低減させることができる。

一実施形態においては、底部は、第１主面を構成している第１層と、第２主面を構成している第２層と、第１層と第２層との間に配置されており、複数の空孔を含んでいる第３層と、を含んで構成されていてもよい。この構成では、底部において、第１主面側よりも第２主面側の密度が低い構成を実現できる。

一実施形態においては、接合部材は、第１主面と圧電素子とを接合している接合部分と、第１主面と圧電素子とを接合していない非接合部分と、を含んでいてもよい。この構成では、非接合部分を適宜設定することにより、接合部材の音響インピーダンスを調整することができる。

一実施形態においては、第１主面には凹凸が形成されており、接合部材は、第１主面の凹凸に沿って形成されていてもよい。この構成では、凹凸を成す第１主面に接合部材が入り込んでいる。これにより、超音波デバイスでは、マッチング部の底部と接合部材との界面において超音波が反射し難くすることができる。

一実施形態においては、圧電素子は、互いに対向している一対の主面と、一対の主面を連結している側面と、を有している素体と、底部の第１主面と対向して配置されている第１電極及び当該第１電極と対向して配置されている第２電極と、を有し、第１電極の表面には凹凸が形成されており、接合部材は、第１電極の凹凸に沿って形成されていてもよい。この構成では、凹凸を成す第１電極の表面に接合部材が入り込んでいる。これにより、超音波デバイスでは、第１電極と接合部材との界面において超音波が反射し難くすることができる。

一実施形態においては、第１主面の表面粗さＲａ１は、圧電素子の第１電極の表面粗さＲａ２よりも小さくてもよい。言い換えれば、第１電極の表面粗さＲａ２は、第１主面の表面粗さＲａ１よりも大きくてもよい。この構成では、第１電極の表面よりも第１主面の方が滑らかである。これにより、超音波デバイスでは、超音波の受波感度の向上を図ることができる。

一実施形態においては、接合部材は、圧電素子の第１電極が配置されている主面及び側面にわたって配置されていてもよい。超音波デバイスでは、圧電素子の振動に伴って振動する接合部材も超音波の送波に寄与する。超音波デバイスでは、接合部材を圧電素子の側面にも配置することによって、接合部材の領域を大きくできる。したがって、超音波デバイスでは、超音波の送波領域を大きくすることができ、超音波の放射性の向上が図れる。

一実施形態においては、充填部材は、圧電素子を覆うように配置されている第１充填部を有し、第１充填部と接合部材とは、同じ材料で形成されていてもよい。この構成では、音響インピーダンスの反射をより一層抑制することができる。

本発明の一側面に係る流体検出装置は、上記超音波デバイスと、超音波デバイスを制御する制御装置と、を備え、超音波デバイスは、被検出流体の流れ方向において、上流側に配置されている第１の超音波デバイスと、第１の超音波デバイスよりも下流側で且つ第１の超音波デバイスと対向する位置に配置されている第２の超音波デバイスと、を含み、制御装置は、第１の超音波デバイスと第２の超音波デバイスとの間の超音波の伝搬時間に基づいて、被検出流体を検出する。

本発明の一側面に係る流体検出装置では、上記超音波デバイスを備えている。したがって、流体検出装置では、感度の向上が図れる。

本発明の一側面によれば、感度の向上が図れる。

図１は、超音波デバイスの斜視図である。 図２は、図１に示す超音波デバイスの側面図である。 図３は、図１に示す超音波デバイスの上面図である。 図４は、図１に示す超音波デバイスの断面図である。 図５は、マッチング部の底部の断面構成を示す図である。 図６（ａ）は、圧電素子の主面を示す図、図６（ｂ）は、圧電素子の側面を示す図、図６（ｃ）は、圧電素子の主面を示す図である。 図７は、配線部材を示す図である。 図８は、超音波デバイスの断面構成を示す図である。 図９は、流体検出装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１及び図４に示されるように、超音波デバイス１は、ケース３と、圧電素子５と、配線部材７と、接合部材９と、充填部材１１と、を備えている。超音波デバイス１は、超音波を送波すると共に、超音波を受波する。

ケース３は、圧電素子５を収容している収容空間を形成している。図１及び図２に示されるように、ケース３は、マッチング部２０と、ハウジング部２１と、を有している。マッチング部２０は、圧電素子５の音響インピーダンスと、空気やガス等の流体（媒体）の音響インピーダンスとの整合を図るための整合材を構成している。マッチング部２０は、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。マッチング部２０は、例えば、エポキシ樹脂にガラスビーズを混入した複合材料を発泡成形して形成されている。マッチング部２０は、有底筒状を呈している。マッチング部２０は、底部２２と、側部２３と、を有している。底部２２及び側部２３は、一体に形成されている。

底部２２は、円板形状を呈している。底部２２は、超音波を送波、及び、超音波を受波する部分である。底部２２は、互いに対向している第１主面２２ａ及び第２主面２２ｂを有している。第１主面２２ａ及び第２主面２２ｂは、第１主面２２ａと第２主面２２ｂとの対向方向から見て、例えば、円形状を呈している。第１主面２２ａは、ケース３の収容空間を形成している。第１主面２２ａの表面粗さＲａ１は、例えば、１μｍ～２０μｍである。第２主面２２ｂは、超音波デバイス１における超音波の送波面及び受波面を構成している。底部２２には、テーパー部２２ｃが設けられている。テーパー部２２ｃは、第１主面２２ａ側から第２主面２２ｂ側に向かって先細りになっている。底部２２の厚さ（第１主面２２ａと第２主面２２ｂとの間の距離）は、例えば、２．３ｍｍ～２．６ｍｍである。

側部２３は、円筒形状を呈している。側部２３は、底部２２の第１主面２２ａから、第１主面２２ａと第２主面２２ｂとの対向方向に沿って延在している。側部２３の内面２３ａは、底部２２の第１主面２２ａと共に収容空間を形成している。

図５に示されるように、マッチング部２０の底部２２は、第１主面２２ａを構成している第１層２６と、第２主面２２ｂを構成している第２層２７と、第１層２６と第２層２７との間に配置されている第３層２８と、を含んで構成されている。第１層２６及び第２層２７は、ソリッドスキン層である。第３層２８は、複数の空孔を含んでいる。第３層２８は、発泡コア層である。

底部２２は、第１主面２２ａ側よりも第２主面２２ｂ側の密度が低い。言い換えれば、底部２２は、第２主面２２ｂ側よりも第１主面２２ａ側の密度が高い。本実施形態では、底部２２の密度は、第３層２８の複数の空孔によって設定（調整）されている。そのため、底部２２の第３層２８において、第１主面２２ａ側よりも第２主面２２ｂ側の密度が低い。底部２２では、第１主面２２ａ側よりも第２主面２２ｂ側に空孔が多く存在している。これより、底部２２では、第２主面２２ｂ側から第１主面２２ａ側に向かって密度が密になるように密度傾斜している。言い換えれば、底部２２では、第１主面２２ａ側から第２主面２２ｂ側に向かって密度が疎になるように密度傾斜している。

図４に示されるように、ハウジング部２１は、マッチング部２０に取り付けられている。ハウジング部２１は、例えば、ゴムで形成されている。ハウジング部２１は、マッチング部２０と共に収容空間を形成している。ハウジング部２１は、本体部２４と、フランジ部２５と、を有している。本体部２４及びフランジ部２５は、一体に形成されている。

本体部２４は、略円筒形状を呈している。本体部２４は、マッチング部２０の側部２３に取り付けられている。本体部２４は、側部２３の上部の外周面を取り囲むと共に、側部２３の上部に配置されている。本体部２４は、収容空間に連通する開口部Ｋを形成している。本体部２４の内径は、マッチング部２０の側部２３の内径よりも小さい。フランジ部２５は、本体部２４の上端部に設けられている。フランジ部２５は、円環状を呈している。フランジ部２５は、本体部２４の外周面から径方向の外側に張り出している。

図６（ａ）、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されるように、圧電素子５は、圧電素体３０と、第１電極３１及び第２電極３２と、を有している。圧電素体３０は、円板形状を呈している。圧電素体３０は、互いに対向している主面３０ａ及び主面３０ｂと、主面３０ａと主面３０ｂとを連結している側面３０ｃと、を有している。主面３０ａ，３０ｂは、円形状を呈している。主面３０ａには、第１電極３１が配置されている。主面３０ｂには、第１電極３１及び第２電極３２が配置されている。主面３０ｂにおいて、第１電極３１と第２電極３２とは、離間して配置されている。側面３０ｃには、第１電極３１が配置されている。

圧電素体３０は、複数の圧電体層（不図示）が積層されて構成されている。各圧電体層は、圧電材料からなる。本実施形態では、各圧電体層は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料には、例えば、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）が用いられる。各圧電体層は、例えば、上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。実際の圧電素体３０では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。圧電素体３０内には、複数の内部電極（不図示）が配置されている。各内部電極は、導電性材料からなる。導電性材料には、例えば、Ａｇ、Ｐｄ、又はＡｇ－Ｐｄ合金が用いられる。

第１電極３１は、主面３０ａ上に配置されている。第１電極３１は、略円形状を呈している。第１電極３１は、主面３０ｂ及び側面３０ｃにも配置されている。すなわち、第１電極３１は、主面３０ａ、側面３０ｃ及び主面３０ｂにわたって配置されている。第２電極３２は、主面３０ｂに配置されている。第２電極３２は、円形が一部切り欠かれた形状を呈している。第１電極３１及び第２電極３２は、導電性材料からなる。導電性材料には、例えば、Ａｇ、Ｐｄ、又はＡｇ－Ｐｄ合金が用いられる。第１電極３１及び第２電極３２は、例えば、上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。

図７に示されるように、第１電極３１の表面３１ａには、凹凸が形成されている。第１電極３１の表面３１ａの表面粗さＲａ２は、例えば、２０μｍ～３０μｍである。第１電極３１の表面３１ａの表面粗さＲａ２は、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａの表面粗さＲａ１よりも大きい。言い換えれば、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａの表面粗さＲａ１は、第１電極３１の表面３１ａの表面粗さＲａ２よりも小さい。すなわち、第１電極３１の表面３１ａは、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａよりも粗い。

圧電素子５は、ケース３のマッチング部２０の底部２２に配置されている。圧電素子５は、接合部材９によって底部２２に接合されている。圧電素子５は、圧電素体３０の主面３０ａが底部２２の第１主面２２ａと対向して配置されている。すなわち、圧電素子５は、第１電極３１が第１主面２２ａと対向して配置されている。

図４に示されるように、配線部材７は、圧電素子５に接続されている。配線部材７には、リード線１７が接続されている。リード線１７は、ケース３の開口部Ｋを介してケース３の外部に延びている。図７に示されるように、配線部材７は、ベース４０と、第１導電層４１と、第２導電層４２と、補強板４３と、カバー４４と、を有している。配線部材７は、可撓性を有し、例えば、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）又はフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）である。

ベース４０は、帯状を呈している。ベース４０は、電気絶縁性を有している。ベース４０は、例えば、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる樹脂層である。第１導電層４１及び第２導電層４２は、ベース４０上に配置されている。第１導電層４１及び第２導電層４２は、接着層（不図示）によって、ベース４０に接合（接着）されている。第１導電層４１及び第２導電層４２は、例えば、Ｃｕからなる。第１導電層４１及び第２導電層４２は、例えば、Ｃｕ層上にＮｉメッキ層及びＡｕメッキ層がこの順に設けられた構成であってもよい。第１導電層４１と第２導電層４２とは、互いに離間して配置されている。

第１導電層４１は、圧電素子５の第１電極３１に接続されている端部４１ａと、リード線１７に接続されている端部４１ｂと、を有している。第２導電層４２は、圧電素子５の第２電極３２に接続されている端部４２ａと、リード線１７に接続されている端部４２ｂと、を有している。

補強板４３は、ベース４０において第１導電層４１及び第２導電層４２が配置されている主面とは反対側の主面に配置されている。補強板４３は、例えば、矩形状を呈している。補強板４３は、例えば、ポリイミドからなる樹脂層である。

カバー４４は、ベース４０上に配置されている。カバー４４は、第１導電層４１及び第２導電層４２及びベース４０を覆っている。カバー４４は、第１導電層４１の端部４１ａ及び端部４１ｂ、及び、第２導電層４２の端部４２ａ及び端部４２ｂを露出させている。カバー４４は、例えば、ポリイミド樹脂等の樹脂からなる樹脂層である。

図４に示されるように、配線部材７は、略Ｕ字形状を成して配置されている。配線部材７の第１導電層４１の端部４１ａは、圧電素体３０の主面３０ｂ上に配置されている第１電極３１に接続されている。第１導電層４１の端部４１ａと第１電極３１とは、導通部４５によって電気的に接続されている。配線部材７の第２導電層４２の端部４２ａは、圧電素体３０の主面３０ｂ上に配置されている第２電極３２に接続されている。第２導電層４２の端部４２ａと第２電極３２とは、導通部４５によって電気的に接続されている。導通部４５は、例えば、異方性導電ペーストで形成されている。

配線部材７の一部は、カバー４４が圧電素子５の第２電極３２に沿うように配置されている。図３に示されるように、配線部材７は、第１導電層４１の端部４１ｂ及び第２導電層４２の端部４２ｂが開口部Ｋによって形成されている開口を臨むように配置されている。第１導電層４１の端部４１ｂには、リード線１７の一方の極性の導電線が接続されており、第２導電層４２の端部４２ｂには、リード線１７の他方の極性の導電線が接続されている。

図８に示されるように、接合部材９は、圧電素子５とマッチング部２０とを接合している。接合部材９は、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。接合部材９は、圧電素子５とマッチング部２０の底部２２との間に配置されている。接合部材９は、圧電素子５の第１電極３１（主面３０ａ）及び圧電素体３０の側面３０ｃにわたって配置されている。接合部材９は、圧電素子５の周囲を囲うように配置されている。接合部材９は、圧電素子５の主面３０ａ側よりも主面３０ｂ側の厚みが大きくなるように、末広がりに形成されている。接合部材９の厚さは、例えば、１０μｍ～２０μｍである。本実施形態では、接合部材９の厚さは、圧電素子５とマッチング部２０の底部２２との間の距離に相当する。

接合部材９は、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａの凹凸に沿って形成されている。すなわち、接合部材９は、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａの凹部に入り込んでいる。接合部材９は、圧電素子５の第１電極３１の表面３１ａの凹凸に沿って形成されている。すなわち、接合部材９は、圧電素子５の第１電極３１の表面の凹部に入り込んでいる。

接合部材９は、接合部分９ａと、非接合部分９ｂと、を含んでいる。接合部分９ａは、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａと圧電素子５とを接合している。非接合部分９ｂは、第１主面２２ａと圧電素子５とを接合していない。接合部分９ａ及び非接合部分９ｂは、接合部材９において混在している。接合部分９ａは、第１主面２２ａと第１電極３１の表面３１ａとの間にわたって配置されている。すなわち、第１主面２２ａと第１電極３１の表面３１ａとの間を満たしている。非接合部分９ｂは、第１主面２２ａと第１電極３１の表面３１ａとの間に形成されている空隙（空間）である。非接合部分９ｂは、接合部分９ａによって画成されている。非接合部分９ｂは、接合部材９において、一又は複数設けられている。

充填部材１１は、ケース３の収容空間に充填されている。充填部材１１は、第１充填部１１ａと、第２充填部１１ｂと、第３充填部１１ｃと、を含んでいる。第１充填部１１ａは、圧電素子５を覆うように配置（充填）されている。第１充填部１１ａは、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。第１充填部１１ａは、接合部材９と同じ材料で形成されている。

第２充填部１１ｂは、第１充填部１１ａを覆うように配置（充填）されている。第２充填部１１ｂは、吸音材として機能する。第２充填部１１ｂは、例えば、ウレタン樹脂で形成されている。第３充填部１１ｃは、第２充填部１１ｂを覆うように配置（充填）されている。第３充填部１１ｃは、封止材として機能する。第３充填部１１ｃは、電気絶縁性を有している。第３充填部１１ｃは、例えば、エポキシ樹脂で形成されている。第３充填部１１ｃは、配線部材７を覆うように配置されている。配線部材７の第１導電層４１の端部４１ｂ、第２導電層４２の端部４２ｂ及び補強板４３は、第３充填部１１ｃに位置している。

超音波デバイス１では、圧電素子５の音響インピーダンスをＺ１、接合部材９の音響インピーダンスをＺ２、マッチング部２０の音響インピーダンスをＺ３とした場合、
Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１
の関係を満たす。音響インピーダンスは、以下の式で定義される。
音響インピーダンスＺ＝物質の密度Ｐ×物質固有の音速Ｃ

圧電素子５の音響インピーダンスＺ１は、例えば、２．５×１０^７ｋｇ／ｍ^２・ｓ～３．０×１０^７ｋｇ／ｍ^２・ｓである。具体的には、圧電素子５の音響インピーダンスＺ１とは、圧電素子５の全体としての音響インピーダンスである。接合部材９の音響インピーダンスＺ２は、例えば、３．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓ～１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓである。マッチング部２０の音響インピーダンスＺ３は、例えば、０．８×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓ～１．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓである。

図９に示されるように、流体検出装置１００は、第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂと、制御装置１１０と、を備えている。流体検出装置１００は、例えば、ガス管１２０を流れるガス（被検出流体）を検査する。第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂは、超音波デバイス１と同じ構成を有している。

第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂは、ガス管１２０の側部１２０ａに配置されている。第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂは、マッチング部２０がガス管１２０の内部に露出するように配置されている。第１の超音波デバイス１Ａは、ガスの流れ方向Ｆにおいて、第２の超音波デバイス１Ｂよりも上流側に配置されている。第２の超音波デバイス１Ｂは、第１の超音波デバイス１Ａよりも下流側に配置されている。第１の超音波デバイス１Ａと第２の超音波デバイス１Ｂとは、ガス管１２０の内部空間を挟んで対向する位置に配置されている。

制御装置１１０は、第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂから出力される電圧に基づいて、ガス管１２０を流れるガスの流量を検出する。制御装置１１０は、第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂの動作を制御する部分であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成されている。

流体検出装置１００では、第１の超音波デバイス１Ａを超音波送波器として用い、第２の超音波デバイス１Ｂを超音波受波器として用いる。制御装置１１０は、第１の超音波デバイス１Ａの圧電素子５に交流電圧を印加する。これにより、第１の超音波デバイス１Ａは、ガス管１２０内に超音波を放射する。第２の超音波デバイス１Ｂは、第１の超音波デバイス１Ａから放射されてガス管１２０内を伝搬してきた超音波を受波する。第２の超音波デバイス１Ｂの圧電素子５は、受波した超音波を電圧に変換する。制御装置１１０は、圧電素子５において変換された電圧の電圧値を取得し、超音波の第１伝搬時間を算出する。

流体検出装置１００では、第２の超音波デバイス１Ｂを超音波送波器として用い、第１の超音波デバイス１Ａを超音波受波器として用いる。制御装置１１０は、第２の超音波デバイス１Ｂの圧電素子５に交流電圧を印加する。これにより、第２の超音波デバイス１Ｂは、ガス管１２０内に超音波を放射する。第１の超音波デバイス１Ａは、第２の超音波デバイス１Ｂから放射されてガス管１２０内を伝搬してきた超音波を受波する。第１の超音波デバイス１Ａの圧電素子５は、受波した超音波を電圧に変換する。制御装置１１０は、圧電素子５において変換された電圧の電圧値を取得し、超音波の第２伝搬時間を算出する。

制御装置１１０は、第１伝搬時間及び第２伝搬時間に基づいて、ガス管１２０内のガスの流量を検出する。具体的には、制御装置１１０は、第１伝搬時間と第２伝搬時間との差から、ガス管１２０内のガスの流量を検出する。制御装置１１０は、第１伝搬時間と第２伝搬時間との差が所定時間以上である場合には、ガス管１２０内にガスが流通していることを検出する。制御装置１１０は、第１伝搬時間と第２伝搬時間との差が所定時間よりも短い場合には、ガス管１２０内にガスが流通していないことを検出する。制御装置１１０は、検出結果を出力する。

以上説明したように、本実施形態に係る超音波デバイス１では、圧電素子５とマッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａとは、接合部材９によって接合されている。超音波デバイス１では、圧電素子５の音響インピーダンスをＺ１、接合部材９の音響インピーダンスをＺ２、マッチング部２０の音響インピーダンスをＺ３とした場合、Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１の関係を満たす。このように、超音波デバイスでは、マッチング部２０、接合部材９及び圧電素子５の順番で、音響インピーダンスが大きくなるように設計されている。これにより、超音波デバイス１では、圧電素子５と接合部材９との境界、及び、接合部材９とマッチング部２０との境界での超音波の反射を低減することができる。したがって、超音波デバイス１では、圧電素子５における超音波の送波及び受波の感度の低下を抑制できる。その結果、超音波デバイス１では、感度の向上が図れる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、マッチング部２０の底部２２は、第１主面２２ａ側よりも第２主面２２ｂ側の密度が低い。言い換えれば、底部２２は、第２主面２２ｂ側よりも第１主面２２ａ側の密度が高い。この構成では、底部２２において、密度が傾斜している。これにより、超音波デバイス１では、流体（空気等）と第２主面２２ｂとの界面、及び、接合部材９と第１主面２２ａとの界面での超音波の反射を低減させることができる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、マッチング部２０の底部２２は、第１主面２２ａを構成している第１層２６と、第２主面２２ｂを構成している第２層２７と、第１層２６と第２層２７との間に配置されており、複数の空孔を含んでいる第３層２８と、を含んで構成されている。この構成では、マッチング部２０の底部２２において、第１主面２２ａ側よりも第２主面２２ｂ側の密度が低い構成を実現できる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、接合部材９は、第１主面２２ａと圧電素子５とを接合している接合部分９ａと、第１主面２２ａと圧電素子５とを接合していない非接合部分９ｂと、を含んでいる。この構成では、非接合部分９ｂを適宜設定することにより、接合部材９の音響インピーダンスを調整することができる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａには凹凸が形成されている。接合部材９は、第１主面２２ａの凹凸に沿って形成されている。この構成では、凹凸を成す第１主面２２ａに接合部材９が入り込んでいる。これにより、超音波デバイス１では、マッチング部２０の底部２２と接合部材９との界面において超音波が反射し難くすることができる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、圧電素子５は、互いに対向している一対の主面３０ａ，３０ｂと、一対の主面３０ａ，３０ｂを連結している側面３０ｃと、を有している圧電素体３０と、マッチング部２０の底部２２の第１主面２２ａと対向して配置されている第１電極３１及び第１電極３１と対向して配置されている第２電極３２と、を有している。超音波デバイス１では、第１電極３１の表面３１ａには凹凸が形成されている。接合部材９は、第１電極３１の凹凸に沿って形成されている。この構成では、凹凸を成す第１電極３１の表面３１ａに接合部材９が入り込んでいる。これにより、超音波デバイス１では、第１電極３１と接合部材９との界面において超音波が反射し難くすることができる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、第１主面の表面粗さＲａ１は、圧電素子５の第１電極３１の表面粗さＲａ２よりも大きくてもよい。言い換えれば、第１電極３１の表面粗さＲａ２は、第１主面２２ａの表面粗さＲａ１よりも大きくてもよい。この構成では、第１電極３１の表面３１ａよりも第１主面２２ａの方が滑らかである。これにより、超音波デバイス１では、超音波の受波感度の向上を図ることができる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、接合部材９は、圧電素子５の第１電極３１が配置されている主面３０ａ及び側面３０ｃにわたって配置されている。超音波デバイス１では、圧電素子５の振動に伴って振動する接合部材９も超音波の送波に寄与する。超音波デバイス１では、接合部材９を圧電素子５の側面３０ｃにも配置することによって、接合部材９の領域を大きくできる。したがって、超音波デバイス１では、超音波の送波領域を大きくすることができ、超音波の放射性の向上が図れる。

本実施形態に係る超音波デバイス１では、充填部材１１は、圧電素子５を覆うように配置されている第１充填部１１ａを有している。第１充填部１１ａと接合部材９とは、同じ材料で形成されている。この構成では、音響インピーダンスの反射をより一層抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態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様々な変更が可能である。

上記実施形態では、超音波デバイス１（第１の超音波デバイス１Ａ及び第２の超音波デバイス１Ｂ）が流体検出装置１００に適用される形態を一例に説明した。しかし、超音波デバイス１は、車両のバックソナー、コーナーソナー等に適用されてもよい。

上記実施形態では、ケース３のマッチング部２０がエポキシ樹脂で形成されている形態を一例に説明した。しかし、マッチング部２０は、他の材料で形成されていてもよい。

上記実施形態では、ケース３のハウジング部２１がゴムで形成されている形態を一例に説明した。しかし、ハウジング部２１は、他の材料（例えば、金属等）で形成されていてもよい。

上記実施形態では、接合部材９が、圧電素子５の第１電極３１が配置されている主面３０ａ及び側面３０ｃにわたって配置されている形態を一例に説明した。しかし、接合部材９は、主面３０ｂを覆うように、すなわち主面３０ｂの外縁部側にも配置されていてもよい。この構成では、圧電素子５のダンピングの向上を図ることができる。

上記実施形態では、充填部材１１において、第１充填部１１ａがエポキシ樹脂、第２充填部１１ｂがウレタン樹脂、及び、第３充填部１１ｃがエポキシ樹脂で形成されている形態を一例に説明した。しかし、第１充填部１１ａ、第２充填部１１ｂ及び第３充填部１１ｃの材料は、適宜設定されればよい。

上記実施形態では、充填部材１１が、第１充填部１１ａ、第２充填部１１ｂ及び第３充填部１１ｃを有している形態を一例説明した。しかし、充填部材１１は、１つの充填部で構成されていてもよいし、４以上の充填部で構成されていてもよい。

上記実施形態では、底部２２が、第１層２６、第２層２７及び第３層２８を含んで構成されている形態を一例に説明した。しかし、底部２２の構成はこれに限定されない。

上記実施形態では、接合部材９が、接合部分９ａ及び非接合部分９ｂを含む形態を一例に説明した。しかし、接合部材９は、非接合部分９ｂを含んでいなくてもよい。

上記実施形態では、底部２２の第１主面２２ａの表面粗さＲａ１が、圧電素子５の第１電極３１の表面粗さＲａ２よりも大きい形態を一例に説明した。しかし、底部２２の第１主面２２ａの表面粗さＲａ１が、圧電素子５の第１電極３１の表面粗さＲａ２よりも小さくてもよいし、底部２２の第１主面２２ａの表面粗さＲａ１と圧電素子５の第１電極３１の表面粗さＲａ２とが同等であってもよい。

１…超音波デバイス、１Ａ…第１の超音波デバイス、１Ｂ…第２の超音波デバイス、３…ケース、５…圧電素子、７…配線部材、９…接合部材、９ａ…接合部分、９ｂ…非接合部分、１１…充填部材、１１ａ…第１充填部、２０…マッチング部、２２…底部、２２ａ…第１主面、２２ｂ…第２主面、２３…側部、２６…第１層、２７…第２層、２８…第３層、３０…圧電素体、３０ａ，３０ｂ…主面、３０ｃ…側面、３１…第１電極、３１ａ…表面、３２…第２電極、１００…流体検出装置、１１０…制御装置。

Claims (8)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子が収容されている収容空間を形成しているケースと、
   前記ケースの前記収容空間に充填されている充填部材と、
   前記圧電素子に接続されている配線部材と、を備え、
   前記ケースは、互いに対向している第１主面及び第２主面を有している底部と、前記第１主面と共に前記収容空間を形成している側部と、を有する有底筒状のマッチング部を有し、
   前記圧電素子は、前記底部の前記第１主面に配置されており、
   前記圧電素子と前記底部の前記第１主面とは、接合部材によって接合されており、
   前記圧電素子の音響インピーダンスをＺ１、前記接合部材の音響インピーダンスをＺ２、前記マッチング部の音響インピーダンスをＺ３とした場合、
   Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１
   の関係を満たし、
   前記圧電素子は、
   互いに対向している一対の主面と、一対の前記主面を連結している側面と、を有している素体と、
   前記底部の前記第１主面と対向して配置されている第１電極及び当該第１電極と対向して配置されている第２電極と、を有し、
   前記第１電極の表面には凹凸が形成されており、
   前記接合部材は、前記第１電極の前記凹凸に沿って形成されており、
   第１主面の表面粗さＲａ１は、前記圧電素子の前記第１電極の表面粗さＲａ２よりも大きい、超音波デバイス。
2. 圧電素子と、
   前記圧電素子が収容されている収容空間を形成しているケースと、
   前記ケースの前記収容空間に充填されている充填部材と、
   前記圧電素子に接続されている配線部材と、を備え、
   前記ケースは、互いに対向している第１主面及び第２主面を有している底部と、前記第１主面と共に前記収容空間を形成している側部と、を有する有底筒状のマッチング部を有し、
   前記圧電素子は、前記底部の前記第１主面に配置されており、
   前記圧電素子と前記底部の前記第１主面とは、接合部材によって接合されており、
   前記圧電素子の音響インピーダンスをＺ１、前記接合部材の音響インピーダンスをＺ２、前記マッチング部の音響インピーダンスをＺ３とした場合、
   Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１
   の関係を満たし、
   前記圧電素子は、
   互いに対向している一対の主面と、一対の前記主面を連結している側面と、を有している素体と、
   前記底部の前記第１主面と対向して配置されている第１電極及び当該第１電極と対向して配置されている第２電極と、を有し、
   前記第１電極の表面には凹凸が形成されており、
   前記接合部材は、前記第１電極の前記凹凸に沿って形成されており、
   前記接合部材は、前記圧電素子の前記第１電極が配置されている前記主面及び前記側面にわたって配置されている、超音波デバイス。
3. 圧電素子と、
   前記圧電素子が収容されている収容空間を形成しているケースと、
   前記ケースの前記収容空間に充填されている充填部材と、
   前記圧電素子に接続されている配線部材と、を備え、
   前記ケースは、互いに対向している第１主面及び第２主面を有している底部と、前記第１主面と共に前記収容空間を形成している側部と、を有する有底筒状のマッチング部を有し、
   前記圧電素子は、前記底部の前記第１主面に配置されており、
   前記圧電素子と前記底部の前記第１主面とは、接合部材によって接合されており、
   前記圧電素子の音響インピーダンスをＺ１、前記接合部材の音響インピーダンスをＺ２、前記マッチング部の音響インピーダンスをＺ３とした場合、
   Ｚ３＜Ｚ２＜Ｚ１
   の関係を満たし、
   前記充填部材は、前記圧電素子を覆うように配置されている第１充填部を有し、
   前記第１充填部と前記接合部材とは、同じ材料で形成されている、超音波デバイス。
4. 前記底部は、前記第１主面側よりも前記第２主面側の密度が低い、請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波デバイス。
5. 前記底部は、
   前記第１主面を構成している第１層と、
   前記第２主面を構成している第２層と、
   前記第１層と前記第２層との間に配置されており、複数の空孔を含んでいる第３層と、を含んで構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波デバイス。
6. 前記接合部材は、
   前記第１主面と前記圧電素子とを接合している接合部分と、
   前記第１主面と前記圧電素子とを接合していない非接合部分と、を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波デバイス。
7. 前記第１主面には凹凸が形成されており、
   前記接合部材は、前記第１主面の前記凹凸に沿って形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波デバイス。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスを制御する制御装置と、を備え、
   前記超音波デバイスは、被検出流体の流れ方向において、上流側に配置されている第１の超音波デバイスと、前記第１の超音波デバイスよりも下流側で且つ前記第１の超音波デバイスと対向する位置に配置されている第２の超音波デバイスと、を含み、
   前記制御装置は、前記第１の超音波デバイスと前記第２の超音波デバイスとの間の超音波の伝搬時間に基づいて、前記被検出流体を検出する、流体検出装置。

Images