(57)【要約】【課題】鉛を含まないニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子を用いた場合であっても、送受感度をＰＺＴを用いる場合と同等以上に高くすることができ、かつ、ＰＺＴを用いる場合に比べて周波数帯域を広げることができる超音波センサを提供すること。【解決手段】本発明の超音波センサ１１，１２は、超音波を送受信する円板状の圧電素子１３と、音響整合層１４とを備える。圧電素子１３は、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなり、機械的品質係数Ｑｍが５０以下、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上である。また、圧電素子１３の径方向の共振周波数ｆ、音響整合層１４内を伝搬する縦波の音速ｃ、音響整合層１４内を伝搬する超音波の波長λ、音響整合層１４の厚さｔは、λ＝ｃ／ｆの関係を満たすとともにｔ＝λ／４±２０％の関係を満たしている。【選択図】図２
2020184714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する円板状の圧電素子と、音響整合層とを備え、前記圧電素子をケースに収容した状態で、前記ケースに固定される超音波センサであって、
前記圧電素子は、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなり、機械的品質係数Ｑｍが５０以下、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上であり、
前記音響整合層は、前記圧電素子の外径寸法と同等以上の外径寸法を有しており、
前記圧電素子の径方向の共振周波数をｆとし、前記音響整合層内を伝搬する縦波の音速をｃとし、前記音響整合層内を伝搬する前記超音波の波長をλとし、前記音響整合層の厚さをｔとしたとき、λ＝ｃ／ｆの関係を満たすとともにｔ＝λ／４±２０％の関係を満たす
ことを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記音響整合層の厚さが、λ／４±１％の範囲外であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記圧電素子は、密度が４．４ｇ／ｃｍ３±１０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
最大送受感度から６ｄＢ低減した送受感度での周波数の範囲を周波数帯域とし、前記周波数帯域における下限の周波数を下限周波数とし、前記周波数帯域における上限の周波数を上限周波数とし、前記下限周波数と前記上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍとし、前記下限周波数と前記上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆとし、前記周波数帯域幅Δｆと前記中心周波数ｆｍとの比を比帯域Δｆ／ｆｍとしたとき、前記比帯域Δｆ／ｆｍが１５％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を送受信する圧電素子と、圧電素子に接合される音響整合層とを備えた超音波センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波を用いて距離計測や障害物検知等を行う超音波センサが知られている。超音波センサは、一般的に、円板状の圧電素子と、圧電素子に接合された音響整合層とを備えている。現在、圧電特性に優れた圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などのように鉛化合物を含んだものが実用化されているが、鉛化合物を含む圧電素子は環境への悪影響が懸念されている。このため、近年、鉛化合物を含まない圧電素子が注目され、研究開発が進められている。この鉛化合物を含まない圧電素子として、例えば、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子が提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９３１７号公報（段落［００３１］、図５等）
【特許文献２】特開平９−１００１５６号公報（段落［０００２］、表４，表５等）
【特許文献３】特開２０１６−１３９６４３号公報（段落［００２０］，［００３０］、図１等）
【特許文献４】特許第５７１５３０９号公報（請求項１６、段落［００６０］〜［００６４］、図６等）
【特許文献５】特許第６０７２０２５号公報（請求項５等）
【特許文献６】特許第４８５７４６４号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電素子に比べて、圧電歪定数や電気機械結合係数などの圧電特性が現状では劣っている。このことから、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子を備えた超音波センサは、市場では送受感度が劣ると認識されるため、市場での置き換えが進んでいない。また、環境に悪い鉛を規制するＲｏＨＳ指令においても、圧電セラミックス中の鉛は除外されているが、これは、鉛化合物を含まない圧電素子の性能がＰＺＴに劣るとされているためである。
【０００５】
さらに、近年のデジタル信号処理技術の進展は、超音波センサのニーズにも変化をもたらすことが予想される。例えば、ＣＨＩＲＰ発信を行って周波数解析を行うことにより、Ｓ／Ｎ比や分解能が向上することが知られているが、これには広帯域の超音波センサが必要とされている。広帯域の超音波センサは、送信時の残響が短くなるという特徴を有している。また、単一の超音波センサで送受信を行う場合には不感帯が短くなり、より近距離の検知が可能となる。従って、今後は、送受感度以上に広帯域性に重きを置いた超音波センサの需要が増すものと予想される。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉛を含まないニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子を用いた場合であっても、送受感度をＰＺＴを用いる場合と同等以上に高くすることができ、かつ、ＰＺＴを用いる場合に比べて周波数帯域を広げることができる超音波センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を送受信する円板状の圧電素子と、音響整合層とを備え、前記圧電素子をケースに収容した状態で、前記ケースに固定される超音波センサであって、前記圧電素子は、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなり、機械的品質係数Ｑｍが５０以下、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上であり、前記音響整合層は、前記圧電素子の外径寸法と同等以上の外径寸法を有しており、前記圧電素子の径方向の共振周波数をｆとし、前記音響整合層内を伝搬する縦波の音速をｃとし、前記音響整合層内を伝搬する前記超音波の波長をλとし、前記音響整合層の厚さをｔとしたとき、λ＝ｃ／ｆの関係を満たすとともにｔ＝λ／４±２０％の関係を満たすことを特徴とする超音波センサをその要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子の機械的品質係数Ｑｍが５０以下と低いため、超音波の送信後に圧電素子の振動が素早く収まるようになる。また、圧電素子は、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上であり、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる場合の周波数定数Ｎｐよりも大きい。この場合、所望の周波数の超音波を出力するためには、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合よりも圧電素子の外径を大きくする必要があるが、結果として、圧電素子の音響放射面の面積が大きくなるため、超音波センサの送受感度を高くすることができる。また、音響放射面の面積が大きくなることにより、圧電素子から出力される超音波の指向性も高くなる。さらに、圧電素子は、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上であり、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の圧電定数ｄ３３（３８０ｐＣ／Ｎ程度）には劣るものの、径方向振動を利用することで、上記のように周波数定数Ｎｐを規定することにより得られる効果から、超音波センサの送受感度を、チタン酸ジルコン酸鉛を用いる場合と同等以上とすることが可能となる。
【０００９】
ところで、圧電素子に接合される音響整合層の厚さｔを、同音響整合層内を伝搬する超音波の波長λの１／４にすると、共振周波数がｆとなる超音波が音響整合層内を伝搬する際に透過波と反射波との位相が合うため、送受感度が最適（最大）になる。しかしながら、音響整合層の厚さは、λ／４±２０％の範囲内であることが良く（請求項１）、特には、λ／４±２０％の範囲内であって、かつλ／４±１％の範囲外であることが好ましい（請求項２）。このようにすれば、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合と比べて、超音波センサの周波数帯域を広げることができる。また、超音波センサの温度特性を改善することもできる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記圧電素子は、密度が４．４ｇ／ｃｍ３±１０％であることをその要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合よりも圧電素子の密度が低くなるため、圧電素子の固有音響インピーダンスを音響整合層の固有音響インピーダンスに近付けることができる。その結果、圧電素子の固有音響インピーダンスが低くなるため、圧電素子から照射される超音波が音響整合層に伝わりやすくなる。つまり、超音波が圧電素子内を伝搬しやすくなるため、超音波センサの送受感度がよりいっそう高くなる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、最大送受感度から６ｄＢ低減した送受感度での周波数の範囲を周波数帯域とし、前記周波数帯域における下限の周波数を下限周波数とし、前記周波数帯域における上限の周波数を上限周波数とし、前記下限周波数と前記上限周波数との中間値を中心周波数ｆｍとし、前記下限周波数と前記上限周波数との差を周波数帯域幅Δｆとし、前記周波数帯域幅Δｆと前記中心周波数ｆｍとの比を比帯域Δｆ／ｆｍとしたとき、前記比帯域Δｆ／ｆｍが１５％以上であることをその要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、圧電素子の比帯域Δｆ／ｆｍが１５％以上となるため、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の比帯域Δｆ／ｆｍ（６％）よりも大幅に広くなる。この場合、超音波センサの温度特性改善に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上詳述したように、請求項１〜４に記載の発明によると、鉛を含まないニオブ酸アルカリ系セラミックスからなる圧電素子を用いた場合であっても、送受感度をＰＺＴを用いる場合と同等以上に高くすることができ、かつ、ＰＺＴを用いる場合に比べて周波数帯域を広げることができる超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の超音波センサシステムを示す概略構成図。
【図２】超音波センサを示す断面図。
【図３】超音波センサシステムの電気的構成を示すブロック図。
【図４】障害物を検知したときの超音波センサシステムを示す概略構成図。
【図５】実施例Ａ及び比較例Ａにおいて、周波数と送受感度との関係を示すグラフ。
【図６】実施例Ａにおいて、０℃，２０℃，４０℃，６０℃における周波数と送受感度との関係を示すグラフ。
【図７】比較例Ａにおいて、０℃，２０℃，４０℃，６０℃における周波数と送受感度との関係を示すグラフ。
【図８】実施例Ａ及び比較例Ａにおいて、温度と送受感度との関係を示すグラフ。
【図９】実施例Ｂ１０，Ｂ２０，Ｂ２６において、周波数と送受感度との関係を示すグラフ。
【図１０】実施例Ｂ１〜Ｂ３７において、Δｆ／ｆｍとｔ／λとの関係を示すグラフ。
【図１１】実施例Ｂ１〜Ｂ３７において、最大送受感度とｔ／λとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を超音波センサシステムに具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１に示されるように、本実施形態の超音波センサシステム１は、超音波Ｗ１を空気中に照射することにより、障害物Ｓ１（図４参照）の有無を検知する装置である。超音波センサシステム１は、互いに対向配置された一対の超音波センサ１１，１２を備えている。具体的に言うと、第１の超音波センサ１１は超音波センサシステム１の上流側位置に設けられ、第２の超音波センサ１２は超音波センサシステム１の下流側位置に設けられている。なお、両超音波センサ１１，１２は、ともに同じ構造を有するセンサである。
【００１８】
図２に示されるように、超音波センサ１１，１２は、超音波Ｗ１を送受信する圧電素子１３と、同圧電素子１３に接合される音響整合層１４とを備えている。本実施形態の圧電素子１３は、外径が１６ｍｍ、厚さが２．５ｍｍの円板状をなしている。音響整合層１４は、エポキシ樹脂にガラスバルーンを混合した材料からなり、比重が０．５以下となっている。また、音響整合層１４は、外径が２４ｍｍ、厚さが３．０ｍｍの円板状をなしている。つまり、本実施形態の音響整合層１４は、圧電素子１３の外径寸法よりも大きい外径寸法を有し、圧電素子１３の厚さ寸法よりも大きい厚さ寸法を有する板状物である。
【００１９】
また、圧電素子１３は、音響整合層１４に対して接合された前面１５と、前面１５の反対側にある背面１６とを有している。圧電素子１３の前面１５には前面側電極層（図示略）が形成され、圧電素子１３の背面１６には背面側電極層（図示略）が形成されている。なお、本実施形態では、圧電素子１３の前面１５の全体が、前面側電極層及び接着剤層（図示略）を介して音響整合層１４に接合されている。そして、音響整合層１４に接合される前面１５が、圧電素子１３が径方向に振動したときに超音波Ｗ１を照射（送信）するための音響放射面として機能する。また、本実施形態では、圧電素子１３の径方向の共振周波数ｆ、音響整合層１４内を伝搬する縦波（超音波Ｗ１）の音速ｃ、音響整合層１４内を伝搬する超音波Ｗ１の波長λ、音響整合層１４の厚さｔが、λ＝ｃ／ｆの関係を満たすとともにｔ＝λ／４±２０％の関係を満たしている。つまり、音響整合層１４の厚さｔは、超音波Ｗ１の波長λの１／４倍の±２０％となっている。
【００２０】
本実施形態の圧電素子１３は、無鉛のセラミックス圧電材料を用いて形成され、具体的にはニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成されている。ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料の好適例としては、ペロブスカイト構造を持つ、ニオブ酸カリウムとニオブ酸ナトリウムとの固溶体であるニオブ酸カリウムナトリウム系（ＫＮＮ系）のセラミックス圧電材料などがある。ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料とは、少なくともＫ（カリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｎｂ（ニオブ）を主な金属成分として含むものをいい、その組成中にはＰｂ（鉛）をはじめとする他の有毒有害な元素は殆どあるいは全く含有されていない。このようなＫＮＮ系のセラミックス圧電材料は、Ｋ（カリウム）やＮａ（ナトリウム）のほかに、Ｌｉ（リチウム）等のアルカリ金属を含んでいてもよく、またＮｂ（ニオブ）のほかに、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｓｂ（アンチモン）等のアルカリ土類金属を含んでいてもよい。さらに、ＫＮＮ系のセラミックス圧電材料は、少量のＢｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）等を含んでいてもよい。
【００２１】
特に本実施形態では、以下の組成式（１）で表されるＫＮＮ系のセラミックス圧電材料であって、添加物である金属元素として少量のＢｉ（ビスマス）及びＦｅ（鉄）を含むものを用いて、圧電素子１３を形成している。
｛Ｌｉｘ（Ｋ１−ｙＮａｙ）１−ｘ｝（Ｎｂ１−ｚＳｂｚ）Ｏ３・・・（１）
【００２２】
ここで、Ｂｉの添加量（ｍｏｌ比）をｖ、Ｆｅの添加量（ｍｏｌ比）をｗとしたとき、０．０３≦ｘ≦０．０４５、０．５≦ｙ≦０．５８、０．０３≦ｚ≦０．０４５、０．００６≦ｖ＜ｗ≦０．０１０の範囲を満たす組成を有するものとしている。このような組成範囲を満たすＫＮＮ系のセラミックス圧電材料とした場合には、良好な圧電特性（例えば、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上、キュリー温度Ｔｃが３３０℃以上）や、良好な電気的特性（例えば、径方向の電気機械結合係数Ｋｐが０．４４以上、比誘電率ε３３Ｔ／ε０が１３９０以上、誘電損失ｔａｎδが０．０３以下）が得やすくなる。
【００２３】
さらに、本実施形態の圧電素子１３では、機械的品質係数Ｑｍが５０以下であり、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる場合の機械的品質係数Ｑｍ（＝７５）よりも小さくなっている。また、圧電素子１３では、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上となっている。一方、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる従来技術においては、径方向の周波数定数Ｎｐが２０９５Ｈｚ・ｍとなっている。よって、圧電素子１３の周波数定数Ｎｐは、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の周波数定数Ｎｐの１．３倍（１３０％）以上となる。
【００２４】
なお、「径方向の周波数定数Ｎｐ」とは、特定の周波数の超音波Ｗ１を出力する際に必要となる圧電素子１３の外径の大きさを示すものである。例えば、本実施形態の圧電素子１３において１００ｋＨｚの超音波Ｗ１を出力する際には、２８．００ｍｍ（＝２８００／１００）以上の外径が必要となる。一方、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる従来技術において１００ｋＨｚの超音波Ｗ１を出力する際には、２０．９５ｍｍ（＝２０９５／１００）の外径が必要となる。よって、圧電素子１３の外径は、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の外径と比較して、例えば３０％以上大きくなる。
【００２５】
さらに、本実施形態の圧電素子１３は、密度が４．４ｇ／ｃｍ３±１０％、即ち、３．９６ｇ／ｃｍ３以上４．８４ｇ／ｃｍ３以下となっている。一方、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる従来技術においては、密度が７．５ｇ／ｃｍ３となっている。よって、圧電素子１３の密度は、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の密度よりも低くなっている。
【００２６】
そして、図２に示されるように、超音波センサ１１，１２は、圧電素子１３をケース２０に収容した状態で、ケース２０に固定されている。詳述すると、ケース２０は、アルミニウムを用いて略円筒状に形成され、上端及び下端にて開口する収容孔２１を有している。収容孔２１は、小径部２２と、小径部２２よりも下端側に位置する大径部２３とからなっている。小径部２２と大径部２３との接続部分には、仕切り板２４を係止させるための段差面２５が形成されている。仕切り板２４は、エポキシ樹脂などの樹脂材料を用いて円板状に形成されており、大径部２３内に収容された状態で段差面２５に当接することにより、収容孔２１の下端側開口部を閉塞するようになっている。なお、仕切り板２４は、エポキシ樹脂によって形成されているが、変形しない程度の強度を有する材料であれば、他の材料によって形成されていてもよい。そして、仕切り板２４とケース２０とによって形成された空間（凹部）内には、シリコーン樹脂からなる封止材２６が充填されている。一方、収容孔２１の小径部２２内には、超音波センサ１１，１２の圧電素子１３が収容されている。そして、収容孔２１の上端側開口は、超音波センサ１１，１２の音響整合層１４によって閉塞されている。
【００２７】
図２に示されるように、圧電素子１３の前面側電極層には第１のリード線３１の第１端が接続され、圧電素子１３の背面側電極層には第２のリード線３２の第１端が接続されている。第１のリード線３１の第１端は、前面側電極層から外側に延出された側面端子（図示略）に対してはんだ付けにより接続されている。第２のリード線３２の第１端は、背面側電極層に対してはんだ付けにより接続されている。そして、第１のリード線３１の第２端及び第２のリード線３２の第２端は、１芯シールド線からなるケーブル３３に対してはんだ付けにより接続され、ケーブル３３は、仕切り板２４の中央部に設けられた貫通孔２７を挿通してケース２０外に引き出される。また、ケース２０と音響整合層１４と仕切り板２４とによって形成された空間内には、吸音材（図示略）が充填されている。本実施形態の吸音材は、樹脂材料に対して空孔を分散的に配置してなるスポンジであり、残響を抑える機能を有している。
【００２８】
次に、超音波センサシステム１の電気的構成について説明する。
【００２９】
図３に示されるように、超音波センサシステム１は、システム全体を統括的に制御する制御装置４０を備えている。制御装置４０は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３等からなる周知のコンピュータにより構成されている。
【００３０】
ＣＰＵ４１は、送信回路５１を介して第１の超音波センサ１１に電気的に接続され、受信回路５２を介して第２の超音波センサ１２に電気的に接続されている。送信回路５１は、第１の超音波センサ１１に対して送信信号を出力して、第１の超音波センサ１１を駆動させるようになっている。その結果、第１の超音波センサ１１は、超音波Ｗ１を第２の超音波センサ１２に向けて照射（送信）する。また、受信回路５２には、第２の超音波センサ１２が超音波Ｗ１を受信したことを契機として生成される受信信号が入力されるようになっている。なお、受信回路５２に入力された受信信号は、ＣＰＵ４１に入力される。
【００３１】
次に、超音波センサシステム１を用いて障害物Ｓ１を検知する方法を説明する。
【００３２】
まず、超音波センサシステム１の電源（図示略）をオンする。次に、制御装置４０のＣＰＵ４１は、送信回路５１から第１の超音波センサ１１に対して送信信号を出力させる制御を行い、第１の超音波センサ１１を駆動させる。その結果、第１の超音波センサ１１を構成する圧電素子１３が径方向に振動し、第１の超音波センサ１１から第２の超音波センサ１２に対して超音波Ｗ１が照射（送信）される。
【００３３】
そして、ＣＰＵ４１は、第１の超音波センサ１１と第２の超音波センサ１２との間に障害物Ｓ１（図４参照）が存在するか否かを判定する。具体的に言うと、ＣＰＵ４１は、所定時間内（例えば、第１の超音波センサ１１からの超音波Ｗ１の出力時間内）に第２の超音波センサ１２が超音波Ｗ１を受信したか否か、即ち、超音波Ｗ１の受信を契機として生成される受信信号が所定時間内に入力されたか否かを判定する。そして、受信信号が所定時間内に入力されたと判定された場合、ＣＰＵ４１は、第１の超音波センサ１１と第２の超音波センサ１２との間には障害物Ｓ１が存在していないと判定する（図１参照）。一方、受信信号が所定時間内に入力されなかったと判定された場合、ＣＰＵ４１は、第１の超音波センサ１１と第２の超音波センサ１２との間に障害物Ｓ１が存在していると判定する（図４参照）。
【００３４】
その後、作業者が電源をオフすると、制御装置４０により送信回路５１及び受信回路５２が停止し、超音波Ｗ１の照射及び超音波Ｗ１の受信が終了する。
【００３５】
以下、超音波センサ１１，１２の製造方法について詳述する。
【００３６】
まず、圧電素子１３の形成材料（ＫＮＮ系のセラミックス）となる複数種類の原料粉末（純度９９％以上）を準備する。なお、それぞれの原料粉末は、互いに異なる金属元素を含有している。そして、それぞれの金属元素を含有する原料粉末を秤量し、ボールミルによりアルコール中で２４時間混合して混合スラリーを得る。なお、金属元素を含有する原料粉末（化合物）の種類は特に限定されないが、金属元素の酸化物や炭酸塩等を好適に用いることができる。
【００３７】
次に、得られた混合スラリーを乾燥し、９００℃で３時間仮焼きした後に、ボールミルによって２４時間粉砕する。さらに、バインダとしてポリビニルアルコールを添加し、造粒する。そして、造粒後の粉体を圧力２ｋＮ／ｃｍ２にて、外径が１８ｍｍ、厚さが３ｍｍの円板状に加圧成形し、この成形体を１０００〜１２００℃にて２．５時間焼成することにより、焼成体を作製する。なお、このときの焼成温度は、１０００〜１２００℃の間で焼成体が最大密度になる温度とする。
【００３８】
次に、焼成体の両面を平行研磨し、さらに外周面を研磨して、外径が１６ｍｍ、厚さが２．５ｍｍの円板状に加工することにより、圧電素子１３を得る。さらに、圧電素子１３の前面１５に前面側電極層を形成するとともに、圧電素子１３の背面１６に背面側電極層を形成する。具体的には、圧電素子１３の前面１５及び背面１６にそれぞれ銀ペーストを塗布し、塗布した銀ペーストを７００℃で焼成することにより、前面側電極層及び背面側電極層を形成する。続いて、１３０℃のシリコーンオイル中において、前面側電極層及び背面側電極層の間に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を２０分間印加することにより、圧電素子１３を厚さ方向に分極させる。
【００３９】
その後、音響整合層１４に対して、圧電素子１３を前面側電極層を介して接合する。具体的には、前面側電極層の表面及び音響整合層１４の表面１４ａのいずれか一方に対して、接着剤層となる接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、音響整合層１４に対して圧電素子１３を接着固定する。なお、音響整合層１４の形成材料としては、発泡材（ここでは、エポキシ樹脂にガラスバルーンを混合した材料）を用いる。音響整合層１４の密度は０．５２ｇ／ｃｍ３であり、音響整合層１４内を厚さ方向に伝搬する超音波Ｗ１の伝搬時間から算出した音速ｃは２５６９ｍ／ｓである。そして、この時点で、本実施形態の超音波センサ１１，１２が完成する。
【００４０】
なお、超音波センサ１１，１２が完成した後、鉛フリーはんだを用いたはんだ付けを行い、前面側電極層に対して側面端子（図示略）を介して第１のリード線３１の第１端を接続するとともに、背面側電極層に対して第２のリード線３２の第１端を接続する。また、鉛フリーはんだを用いたはんだ付けを行い、ケーブル３３に対して第１のリード線３１の第２端及び第２のリード線３２の第２端を接続する。次に、超音波センサ１１，１２の圧電素子１３をケース２０に収容する。そして、音響整合層１４の表面１４及びケース２０の上端面のいずれか一方に対して接着剤（エポキシ系接着剤など）を塗布し、ケース２０の上端面に対して音響整合層１４を接着固定する。その結果、超音波センサ１１，１２がケース２０に固定される（図２参照）。さらに、ケース３３を仕切り板２４の貫通孔２７に挿通させ、ケース２０と音響整合層１４とによって形成された空間内に吸音材（図示略）を充填する。その後、仕切り板２４をケース２０の段差面２５に当接させることにより、収容孔２１の下端側開口部を閉塞する。さらに、仕切り板２４とケース２０とによって形成された空間を、シリコーン樹脂からなる封止材２６で封止する。
【００４１】
次に、超音波センサの評価方法及びその結果を説明する。
【００４２】
まず、測定用サンプルを次のように準備した。圧電素子がＫＮＮ系のセラミックス（本多電子株式会社製  ＨＣ−９０ＫＮ）からなる超音波センサを準備し、これを実施例Ａとした。圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックス（ＰＺＴ系セラミックス）からなる超音波センサを準備し、これを比較例Ａとした。実施例Ａ及び比較例Ａの各部の寸法を表１に示し、実施例Ａ及び比較例Ａの材料特性を表２に示す。
【表１】
2020184714.tif 000003
【表２】
2020184714.tif 000004
【００４３】
次に、各測定用サンプル（実施例Ａ及び比較例Ａ）に対して比較試験を行った。具体的には、まず、実施例Ａ及び比較例Ａの超音波センサに対して電圧を印加し、超音波センサから２０ｃｍ離れた位置にあるステンレス板の表面に対して超音波を垂直に照射（送信）した。超音波は、振幅１０Ｖｐ−ｐの矩形波とし、かつ０．１ｍｓのバースト波とした。また、１６０ｋＨｚ〜２４０ｋＨｚの間で周波数を複数段階に切り替え、切り替えたそれぞれの周波数において超音波を照射した。
【００４４】
そして、ステンレス板の表面で反射した超音波は、送信から所定時間経過後に超音波センサで受信され、超音波センサの両端（前面側電極層及び背面側電極層）に電圧信号を生じる。そこで、超音波センサの送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、その結果に基づいて最大送受感度、周波数帯域、下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２を演算した。次に、演算して算出した下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２に基づいて、中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆを算出した。さらに、算出した中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆに基づいて、比帯域Δｆ／ｆｍを算出した。なお、送受感度は、送信電圧振幅Ｖ１に対する受信電圧振幅Ｖ２の比であり、２０×log（Ｖ２／Ｖ１） の式から算出されるものである。そして、最大送受感度は、１６０ｋＨｚ〜２４０ｋＨｚの範囲内で送受感度が最大となる値を示している。周波数帯域は、最大送受感度から６ｄＢ低減した送受感度での周波数の範囲を示している。下限周波数ｆ１は周波数帯域における下限の周波数を示し、上限周波数ｆ２は周波数帯域における上限の周波数を示している。中心周波数ｆｍは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との中間値を示しており、（ｆ１＋ｆ２）／２の式から算出されるものである。周波数帯域幅Δｆは、下限周波数ｆ１と上限周波数ｆ２との差を示している。比帯域Δｆ／ｆｍは、周波数帯域幅Δｆと中心周波数ｆｍとの比を示している。実施例Ａ及び比較例Ａの結果を図５に示す。図５は、縦軸が送受感度を示し、横軸が周波数を示すグラフである。
【００４５】
その結果、図５に示されるように、圧電素子がＫＮＮ系セラミックスからなる実施例Ａでは、最大送受感度が算出される箇所での超音波の周波数が２００ｋＨｚであることが確認された。そして、実施例Ａでは、最大送受感度が−６１．０ｄＢ、周波数帯域が１７３ｋＨｚ以上２２３ｋＨｚ以下、周波数帯域幅Δｆが５０ｋＨｚ、中心周波数ｆｍが１９８ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが２５％となることが確認された。
【００４６】
さらに、図５に示されるように、実施例Ａでは、送受感度を示す波形が、送受感度のピークを３つ有することが確認された。具体的に言うと、送受感度を示す波形は、周波数が２００ｋＨｚであるときに送受感度が−６１．０ｄＢ（最大送受感度）となる第１のピークと、周波数が１７６ｋＨｚであるときに送受感度が−６５．５ｄＢとなる第２のピークと、周波数が２１０ｋＨｚであるときに送受感度が−６５．０ｄＢとなる第３のピークとによって構成されることが確認された。即ち、送受感度を示す波形は、第１のピークの両側に、それよりも送受感度が低いピーク（第２，第３のピーク）をそれぞれ配置することにより構成され、これら３つのピークが所定の送受感度（例えば−６７．０ｄＢ）以上となることが確認された。そして、ピークを有する山が３つ存在することにより、結果的に周波数帯域が広がることも確認された。
【００４７】
一方、圧電素子がＰＺＴ系セラミックスからなる比較例Ａにおいても、最大送受感度が算出される箇所での超音波の周波数が２００ｋＨｚであることが確認された。しかも、比較例Ａでは、最大送受感度が実施例Ａと同等の値（−６１．０ｄＢ）となるため、実施例Ａと同等の感度を有することが確認された。しかしながら、比較例Ａでは、周波数帯域が１９４ｋＨｚ以上２０６ｋＨｚ以下、周波数帯域幅Δｆが１２ｋＨｚ、中心周波数ｆｍが２００ｋＨｚ、比帯域Δｆ／ｆｍが６％となることが確認された。つまり、周波数帯域幅Δｆや比帯域Δｆ／ｆｍが実施例Ａよりも小さい値となるため、周波数帯域が狭くなることが確認された。
【００４８】
さらに、比較試験を行うにあたり、実施例Ａにおいて、圧電素子の径方向の共振周波数ｆと、音響整合層内を伝搬する縦波（超音波）の音速ｃとを計測した。そして、共振周波数ｆ及び音速ｃに基づいて、音響整合層内を伝搬する超音波の波長λ（＝ｃ／ｆ）の値を算出した。さらに、音響整合層の厚さｔを徐々に薄くしながら、比較試験を行い、厚さｔと波長λとの関係や、送受感度を示す波形（図５参照）を確認した。その結果、厚さｔが、波長λの１／４倍よりも薄くなり、波長λの０．２３倍程度（λ／４−７．６％）となった時点で、送受感度を示す波形を構成するピークが３つになることが確認された。
【００４９】
次に、実施例Ａ及び比較例Ａについて、温度特性の評価を行った。実施例Ａ及び比較例Ａにおいて、超音波センサを各々２個ずつ準備した。さらに、両超音波センサを、恒温槽内に設置し、恒温槽内において１５ｃｍ離間させた状態で互いに対向配置した。そして、恒温槽の温度を０℃〜６０℃の範囲で変化させ、０℃，２０℃，４０℃，６０℃における周波数と送受感度との関係を測定した。実施例Ａの結果を図６に示し、比較例Ａの結果を図７に示す。その結果、実施例Ａでは、温度が変化したとしても、２００ｋＨｚ（最大送受感度が算出される箇所での超音波の周波数）であるときの送受感度がほぼ一定になることが確認された。これは、周波数帯域が広い（周波数帯域幅Δｆ＝５０ｋＨｚ）ため、温度変化に伴う共振周波数の変動の影響が緩やかになるからであると考えられる。
【００５０】
さらに、超音波の周波数を２００ｋＨｚに設定した状態で、恒温槽の温度を０℃〜６０℃の範囲で変化させ、０℃，１０℃，２０℃，３０℃，４０℃，５０℃，６０℃における実施例Ａの送受感度と、０℃，２０℃，４０℃，６０℃における比較例Ａの送受感度とを測定した。実施例Ａ及び比較例Ａの結果を図８に示す。その結果、実施例Ａでは、温度が変化したとしても、送受感度がほぼ一定に維持されることが確認された。一方、比較例Ａでは、温度上昇に伴って、送受感度が低下する傾向にあることが確認された。
【００５１】
また、測定用サンプルを次のように準備した。圧電素子がＫＮＮ系セラミックスからなる実施例Ａにおいて、各部の寸法を変更した超音波センサを準備し、これを実施例Ｂとした。実施例Ｂの各部の寸法を表３に示す。なお、実施例Ｂは、実施例Ａの材料特性（表２参照）と同じ材料特性を有し、圧電素子の径方向の共振周波数が９７ｋＨｚとなる。また、実施例Ｂでは、音響整合層の密度が０．５２ｇ／ｃｍ３となり、音響整合層内を伝搬する縦波（超音波）の音速ｃが２５６９ｍ／ｓとなる。よって、音響整合層内を伝搬する超音波の波長λは２６．５ｍｍとなる。
【表３】
2020184714.tif 000005
【００５２】
次に、測定用サンプル（実施例Ｂ）に対して比較試験を行った。具体的には、まず、音響整合層の厚さを変更して作製した超音波センサを準備し、これらを実施例Ｂ１〜Ｂ３７とした。実施例Ｂ１〜Ｂ３７を表４に示す。次に、実施例Ｂ１〜Ｂ３７の超音波センサに対して電圧を印加し、超音波センサから０．９ｍ離れた位置にあるステンレス板の表面に対して超音波を垂直に照射（送信）した。超音波は、振幅１００Ｖｐ−ｐ〜２００Ｖｐ−ｐの矩形波とし、かつ０．１ｍｓのバースト波とした。また、６５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの間で周波数を複数段階に切り替え、切り替えたそれぞれの周波数において超音波を照射した。
【表４】
2020184714.tif 000006
【００５３】
そして、ステンレス板の表面で反射した超音波は、送信から所定時間経過後に超音波センサで受信され、超音波センサの両端（前面側電極層及び背面側電極層）に電圧信号を生じる。そこで、超音波センサの送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、その結果に基づいて最大送受感度、周波数帯域、下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２を演算した。次に、演算して算出した下限周波数ｆ１及び上限周波数ｆ２に基づいて、中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆを算出した。さらに、算出した中心周波数ｆｍ及び周波数帯域幅Δｆに基づいて、比帯域Δｆ／ｆｍを算出した。また、音響整合層内を伝搬する超音波の波長λ（２６．５ｍｍ）と音響整合層の厚さｔとの比（＝ｔ／λ）を算出するとともに、λ／４からの厚さｔのずれ（＝（ｔ−λ／４）／（λ／４））を算出した。ここで、比帯域Δｆ／ｆｍとｔ／λとの関係を図１０に示し、最大送受感度とｔ／λとの関係を図１１に示す。
【００５４】
その結果、全ての実施例Ｂ１〜Ｂ３７において、比帯域Δｆ／ｆｍが９％以上となり、比帯域Δｆ／ｆｍが６％となる比較例Ａに比べて広帯域となることが確認された。しかしながら、厚さｔがλ／４±１％の範囲内となる実施例Ｂ２３，２４では、最大送受感度は高いものの、比帯域Δｆ／ｆｍが実施例Ｂ１〜Ｂ３７の中でも比較的狭く、９〜１０％程度となることが確認された。一方、厚さｔがλ／４に対して８．０〜１６．３％だけ厚い実施例Ｂ７〜Ｂ１４では、比帯域Δｆ／ｆｍが２４％以上と比較的広くなることが確認された。また、厚さｔがλ／４に対して７．３〜１０．６％だけ薄い実施例Ｂ２８〜Ｂ３０においても、比帯域Δｆ／ｆｍが２５％以上と比較的広くなることが確認された。従って、比帯域Δｆ／ｆｍが２４％以上となるように音響整合層の厚さｔを選択すれば、即ち、厚さｔがλ／４に対して８．０〜１６．３％だけ厚い実施例Ｂ７〜Ｂ１４や、厚さｔがλ／４に対して７．３〜１０．６％だけ薄い実施例Ｂ２８〜Ｂ３０を選択すれば、周波数帯域が広い超音波センサを実現できることが確認された。また、実施例Ｂ７〜Ｂ１４，Ｂ２８〜Ｂ３０では、最大送受感度が比較的良好（−９２．０ｄＢ以上）であることも確認された。なお、厚さｔがλ／４に対して８．０〜１６．３％だけ厚い実施例Ｂ７〜Ｂ１４を選択した場合には、音響整合層が実施例Ｂ２８〜Ｂ３０よりも肉厚になるため、超音波センサの強度を確保しやすくなる。一方、厚さｔがλ／４に対して７．３〜１０．６％だけ薄い実施例Ｂ２８〜Ｂ３０を選択した場合には、音響整合層が実施例Ｂ７〜Ｂ１４よりも肉薄になるため、超音波センサの小型化や軽量化を図ることができる。
【００５５】
また、厚さｔがλ／４の−５．３％以上６．８％以下となる実施例Ｂ１５〜Ｂ２７では、最大送受感度が比較的高い（−８７．９％以上である）ことが確認された。しかしながら、厚さｔがλ／４の−０．８以上６．８％以下となる実施例Ｂ１５〜Ｂ２４では、最大送受感度は高いものの、比帯域Δｆ／ｆｍが実施例Ｂ１〜Ｂ３７の中でも比較的狭く、９〜１０％程度となることが確認された。一方、厚さｔがλ／４の−５．３％以上−３．２％以下となる実施例Ｂ２５〜Ｂ２７では、比帯域Δｆ／ｆｍが１７．５％以上と比較的広くなることが確認された。従って、厚さｔがλ／４の−５．３％以上−３．２％以下となる実施例Ｂ２５〜Ｂ２７を選択した場合には、比較的良好な周波数帯域を確保しつつ、最大送受感度が高い超音波センサを実現できることも確認された。
【００５６】
次に、実施例Ｂ１〜Ｂ３７の中から任意に選択した実施例Ｂ１０，Ｂ２０，Ｂ２６に対して比較試験を行った。具体的には、まず、実施例Ｂ１０，Ｂ２０，Ｂ２６の超音波センサに対して電圧を印加し、超音波センサから０．９ｍ離れた位置にあるステンレス板の表面に対して超音波を垂直に照射した。また、７０ｋＨｚ〜１３０ｋＨｚの間で周波数を複数段階に切り替え、切り替えたそれぞれの周波数において超音波を照射した。なお、ステンレス板の表面で反射した超音波は、送信から所定時間経過後に超音波センサで受信される。
【００５７】
そして、超音波センサの送信時及び受信時の電圧振幅をオシロスコープにより測定し、その結果に基づいて送受感度及び最大送受感度を演算した。なお、最大送受感度は、７０ｋＨｚ〜１３０ｋＨｚの範囲内で送受感度が最大となる値を示している。実施例Ｂ１０，Ｂ２０，Ｂ２６の結果を図９に示す。図９は、縦軸が送受感度を示し、横軸が周波数を示すグラフである。
【００５８】
その結果、図９に示されるように、実施例Ｂ２０では、超音波の周波数が１００ｋＨｚ付近にあるときに送受感度が最大となるものの、周波数が１００ｋＨｚから数ｋＨｚ変化しただけで、送受感度が大きく低下すること（即ち、周波数帯域が狭いこと）が確認された。一方、実施例Ｂ１０では、超音波の周波数が８８ｋＨｚ付近にあるときに送受感度が最大となるが、周波数が７８ｋＨｚ以上８８ｋＨｚ以下の範囲内では、送受感度は殆ど低下しないことが確認された。また、実施例Ｂ２６では、超音波の周波数が１００ｋＨｚ付近にあるときに送受感度が最大となるが、周波数が１００ｋＨｚ以上１１５ｋＨｚ以下の範囲内では、送受感度は殆ど低下しないことが確認された。
【００５９】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００６０】
（１）本実施形態の超音波センサ１１，１２では、圧電素子１３の機械的品質係数Ｑｍが５０以下と低いため、超音波Ｗ１の送信後に圧電素子１３の振動が素早く収まるようになる。この場合、超音波Ｗ１の受信時には圧電素子１３が振動していないため、入射してきた超音波Ｗ１を正確に受信可能となる。また、次の超音波Ｗ１を送信するまでの時間を短縮することもできる。しかも、広範囲の周波数の超音波Ｗ１を受信可能となるため、温度などの周期環境の変化に対しても安定した動作が可能となる。また、広帯域の圧電素子１３は、径方向の周波数定数Ｎｐが２８００Ｈｚ・ｍ以上であり、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる場合の周波数定数Ｎｐ（２０９５Ｈｚ・ｍ）よりも大きい。この場合、所望の周波数の超音波Ｗ１を出力するためには、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合よりも圧電素子１３の外径を大きくする必要があるが、結果として、圧電素子１３の音響放射面（前面１５）の面積が大きくなるため、超音波センサ１１，１２の送受感度を高くすることができる。また、前面１５の面積が大きくなることにより、圧電素子１３から出力される超音波Ｗ１の指向性も高くなる。以上のことから、超音波センサ１１，１２を、例えば、近年進展しつつあるデジタル信号処理技術（ＣＨＩＲＰ発信等）に用いる場合には、ＰＺＴからの置き換えが進み、環境汚染や健康への影響を低減できることが期待される。
【００６１】
（２）ところで、本実施形態のように圧電素子１３が径方向に振動する場合、音響整合層１４の厚さｔを、同音響整合層１４内を伝搬する超音波Ｗ１の波長λの１／４にすると、共振周波数がｆとなる超音波Ｗ１が音響整合層１４内を伝搬する際に透過波と反射波との位相が合うため、中心周波数ｆｍにおいて送受感度が最適（最大）になる。しかしながら、本実施形態では、音響整合層１４の厚さｔを、λ／４±２０％の範囲内であって、λ／４から１％よりも大きくずらしている。その結果、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合と比べて、超音波センサ１１，１２の周波数帯域が広くなる。さらに、本実施形態では、音響整合層１４の厚さｔをλ／４からずらすことに加えて、圧電素子１３の機械的品質係数Ｑｍが低いことや、圧電素子１３の密度が低いために固有音響インピーダンスが低くなることも、超音波センサ１１，１２の広帯域化に寄与している。
【００６２】
（３）特許文献６に記載の従来技術には、圧電素子と筒状をなす音響整合層とを備える超音波センサにおいて、音響整合層の天面の端部にテーパ部（Ｃ面）を形成することにより、３つの共振周波数のピーク（引用文献６の図２〜図４参照）を生じさせる技術が提案されている。しかしながら、面取りの作業が必要であるため、超音波センサの製造コストが上昇してしまうという問題がある。しかも、テーパ部の形成により、振動面である天面の面積が減少するため、超音波センサの送受感度が低下し、圧電素子から出力される超音波の指向性が低くなるという問題がある。さらに、テーパ部から超音波が拡散し、拡散した超音波がノイズになるという問題もある。
【００６３】
一方、本実施形態では、ニオブ酸アルカリ系のセラミックスからなる圧電素子１３に対して円板状をなす音響整合層１４を接合することにより、縦軸が送受感度を示し、横軸が周波数を示すグラフにおいて、送受感度を示す波形に３つのピークを生じさせている（図５参照）。この場合、テーパ部の形成が不要となるため、テーパ部に起因する上記の問題を解決することができる。また、各ピークとなる周波数は互いに異なるため、最大送受感度から６ｄＢ低減した送受感度での周波数の範囲を示す周波数帯域が結果的に広くなる。
【００６４】
（４）本実施形態では、圧電素子１３の密度が３．９６ｇ／ｃｍ３以上４．８４ｇ／ｃｍ３以下であり、圧電素子１３がチタン酸ジルコン酸鉛からなる場合の密度（７．５ｇ／ｃｍ３）よりも低くなっている。その結果、圧電素子１３の固有音響インピーダンスが低くなるため、圧電素子１３から照射される超音波Ｗ１が音響整合層１４に伝わりやすくなる。しかも、音響整合層１４は、エポキシ樹脂にガラスバルーンを混合した材料からなり、比重が０．５以下である。その結果、音響整合層１４の固有音響インピーダンスが低くなるため、音響整合層１４内を伝搬する超音波Ｗ１が空気中に照射されやすくなる。つまり、超音波Ｗ１が圧電素子１３内及び音響整合層１４内を伝搬しやすくなるため、超音波センサ１１，１２の送受感度がよりいっそう高くなる。
【００６５】
（５）本実施形態では、キュリー温度Ｔｃが３３０℃以上と高く、圧電定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上の圧電特性を有するニオブ酸アルカリ系の圧電素子１３を用いている。この圧電素子１３を用いて超音波センサ１１，１２を構成すると、超音波Ｗ１を効率良く送受信することができるため、超音波センサシステム１の製品信頼性を十分に確保することができる。
【００６６】
（６）本実施形態の超音波センサ１１，１２では、圧電素子１３が鉛を含まないニオブ酸アルカリ系セラミックスからなっている。さらに、鉛フリーはんだを用いたはんだ付けを行うことにより、圧電素子１３の電極層（前面側電極層及び背面側電極層）に対してリード線３１，３２を接続するとともに、ケーブル３３に対してリード線３１，３２を接続している。以上の結果、超音波センサ１１，１２が完全に鉛フリーとなるため、超音波センサ１１，１２を廃棄する際に、環境への悪影響を回避することができる。
【００６７】
なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。
【００６８】
・上記実施形態の超音波センサ１１，１２では、ＫＮＮ系のセラミックスからなる圧電素子１３を用いたが、圧電素子１３は他のニオブ酸アルカリ系セラミックスからなっていてもよい。例えば、圧電素子１３は、ペロブスカイト構造の結晶相を含み、以下の組成式（２）で示される組成物であってもよい。
｛Ｌｉｘ（Ｋ１−ｙＮａｙ）１−ｘ｝ａ（Ｎｂ１−ｚ−ｗＴａｚＳｂｗ）Ｏ３・・・（２）
但し、上記組成式（２）において、０．９０≦ａ≦１．２、０．０２≦ｘ≦０．２、０．２≦ｙ≦０．８、０≦ｚ≦０．５、０≦ｗ≦０．２の組成範囲にあるものが圧電素子１３として用いられる。また、上記組成式（２）において、ＢｉやＦｅなどの金属元素を添加物として含ませることにより、圧電素子１３を製造してもよい。
【００６９】
・上記実施形態では、送受感度を示す波形が、送受感度のピークを３つ有していた（図５参照）。しかし、送受感度を示す波形は、２つのピークを有していてもよいし、４つ以上のピークを有していてもよい。
【００７０】
・上記実施形態の超音波センサ１１，１２では、エポキシ樹脂に対して中空のガラスバルーンを混合した材料からなる音響整合層１４を用いたが、音響整合層１４の形成材料は特に限定されるものではない。例えば、中空のガラスビーズやプラスチックビーズを混合したゴムからなる音響整合層、発泡ポリウレタンや発泡スチレンのような独立気泡を有するプラスチック発泡体からなる音響整合層、アルミナの多孔体からなる音響整合層などを用いてもよい。また、音響整合層は、上記の中空材料や気泡を含んでいなくてもよい。この場合、音響整合層の形成材料としては、例えば、エポキシ樹脂やＡＢＳ樹脂などの樹脂材料を挙げることができる。
【００７１】
・上記実施形態の超音波センサ１１，１２は、音響整合層１４を１層のみ備えた構造を有していたが、複数の音響整合層１４を積層した構造を有していてもよい。この場合、少なくとも１層の音響整合層１４において、音響整合層１４内を伝搬する超音波Ｗ１の波長をλとし、音響整合層１４の厚さをｔとしたときに、ｔ＝λ／４の関係を満たすことが好ましい。さらに広帯域とするためには、厚さｔを、λ／４±２０％の範囲内であって、λ／４±１％の範囲外とすることが良い。
【００７２】
なお、音響整合層１４を複数層にする場合には、各層の音響整合層１４の固有音響インピーダンスを、圧電素子１３から離れるのに従って例えば徐々に小さくすることが好ましい。このようにすれば、音響整合層１４と圧電素子１３との界面での超音波Ｗ１の透過率を高めることができる。また、隣接する音響整合層１４の固有音響インピーダンスの値が十分に近い場合（例えば、固有音響インピーダンスの差が約１０％以内である場合）には、それらを１つの整合層として考え、整合層内を伝搬する超音波Ｗ１の波長の平均値に基づいて、整合層の厚さを決定することもできる。
【００７３】
・上記実施形態の超音波センサ１１，１２では、圧電素子１３に接着される音響整合層１４は円板状であったが、これに限定される訳ではない。例えば、中央部に貫通孔を有する枠状（リング状）の音響整合層としてもよいし、複数の貫通孔を有する格子状の音響整合層としてもよい。また、三角形や四角形などの多角形の板状に形成した音響整合層であってもよい。
【００７４】
・上記実施形態では、圧電素子１３が収容されるケース２０が、アルミニウムを用いて形成されていた。しかし、ケース２０は、ステンレス等の他の金属材料を用いて形成されていてもよいし、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂）やエポキシ樹脂などの樹脂材料を用いて形成されていてもよい。なお、強度や加工性を考慮すると、アルミニウムを用いてケース２０を形成することが好ましい。
【００７５】
・上記実施形態では、圧電素子１３の電極層（前面側電極層及び背面側電極層）に接続したリード線３１，３２の第２端を、１芯シールド線からなるケーブル３３に接続し、リード線３１，３２を接続したケーブル３３をケース２０外に引き出していたが、この構造に限定される訳ではない。例えば、両リード線３１，３２の第２端をそれぞれ端子ピンに接続し、両端子ピンをケース２０外に引き出してもよい。また、両リード線３１，３２の第２端をそのままケース２０外に引き出してもよい。
【００７６】
・上記実施形態の吸音材は、樹脂材料に対して空孔を分散的に配置してなるスポンジであったが、樹脂材料やゴムに対して、金属やセラミックスからなる粒子または繊維を含有させたものを吸音材として用いてもよい。また、ケース２０と音響整合層１４と仕切り板２４とによって形成された空間内に対して、吸音材を充填せずに、空間内の空気そのものに吸音の機能を持たせてもよい。このようにすれば、吸音材を省略できるため、超音波センサ１１，１２の製造コストを抑えることができる。しかし、コストを抑えつつ、残響を効果的に減らすためには、スポンジを用いることが好ましい。
【００７７】
・上記実施形態の超音波センサ１１，１２は、超音波Ｗ１を空気中に照射することにより、障害物Ｓ１の有無を検知する空中センサとして用いられていたが、これに限定される訳ではない。具体的には、超音波センサ１１，１２を、空気中で距離を計測する空中センサとして用いてもよい。また、超音波センサ１１，１２を、液体中を伝搬する超音波の減衰率を測定し、その減衰率に基づいて気泡の有無を判定する気泡検知センサや、ＡＥ波を検出して音波診断を行うＡＥセンサや、一対のセンサ間で送受信される超音波の伝搬時間の差に基づいて気体の流量を計測する超音波流量計などに用いてもよい。また、上記の用途以外に、エンジンのノッキングセンサ、アクチュエータなどに超音波センサ１１，１２を用いてもよい。
【００７８】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００７９】
（１）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記圧電素子は、キュリー温度が３３０℃以上であることを特徴とする超音波センサ。
【００８０】
（２）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記圧電素子は鉛を含まないことを特徴とする超音波センサ。
【００８１】
（３）請求項４において、前記比帯域Δｆ／ｆｍが１５％以上３０％以下であることを特徴とする超音波センサ。
【００８２】
（４）請求項１乃至４のいずれか１項において、縦軸が送受感度を示し、横軸が周波数を示すグラフでは、前記送受感度を示す波形が、前記送受感度のピークを複数有することを特徴とする超音波センサ。
【符号の説明】
【００８３】
１１…超音波センサとしての第１の超音波センサ
１２…超音波センサとしての第２の超音波センサ
１３…圧電素子
１４…音響整合層
２０…ケース
ｔ…音響整合層の厚さ
Ｗ１…超音波
【図１】
2020184714.tif 000007
【図２】
2020184714.tif 000008
【図３】
2020184714.tif 000009
【図４】
2020184714.tif 000010
【図５】
2020184714.tif 000011
【図６】
2020184714.tif 000012
【図７】
2020184714.tif 000013
【図８】
2020184714.tif 000014
【図９】
2020184714.tif 000015
【図１０】
2020184714.tif 000016
【図１１】
2020184714.tif 000017