(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記音響整合層の設置面積は、上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記板状部材を介して上記音響整合層に対向する面積以上である超音波流量計。
【請求項２】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記板状部材の上記音響整合層に対する対向面積は、上記板状部材と上記音響整合層とが上記接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記板状部材に対向する対向面積以上である超音波流量計。
【請求項３】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記板状部材の上記圧電体に対する対向面積は、上記接着層を介して上記板状部材と上記圧電体が接合される接合面積以上、あるいは上記板状部材と上記圧電体が対向する対向面積以上である超音波流量計。
【請求項４】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記音響整合層の対向面積は上記圧電体が上記板状部材と接合される面の接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記板状部材を介して上記音響整合層に対向する対向面積以上、かつ上記板状部材の対向面積は上記板状部材と上記音響整合層が上記接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記板状部材に対向する対向面積以上である超音波流量計。
【請求項５】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記接着層の対向面積は上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面の接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波流量計。
【請求項６】
被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子と、前記一方の超音波振動子を主共振モードと２次共振モードによる駆動を行う手段と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、
前記超音波振動子は、板状部材（３）と、上記板状部材の一方の面に接着層（３０）を介して設置した音響整合層（４）と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層（３１）を介して設置した圧電体（６）とを備え、上記接着層の対向面積は上記音響整合層が上記板状部材と接合する接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波流量計。
【請求項７】
上記音響整合層の面積は、上記板状部材の面積の１００〜１１０％である請求項１〜６のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項８】
上記一対の超音波振動子（１７，１８）は大略同一形状であり、インピーダンスの周波数が２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚの使用範囲である請求項１〜７のいずれか１つに記載の超音波流量計。
【請求項９】
上記一対の超音波振動子（１７，１８）は大略同一形状であり、インピーダンスの周波数が２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚの使用範囲において、上記一対の超音波振動子のインピーダンスの周波数特性相関係数は０．８０以上である請求項８に記載の超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音波振動子および超音波流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の超音波流量計測装置に用いる超音波振動子には、例えば特開平１１−３２５９９２号公報が知られており、ケースの天部の内面に圧電体を備え、天部に音響整合層を設けたものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−３２５９９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、単に音響整合層を設けただけであり、適切な音響整合層、圧電体、ケースに関する考察はなされていないのが実情である。
【０００５】
特に、送受信の感度の点から音響整合層、圧電体、ケースの最適な組み合わせを考慮したものはなく、効率、信頼性の観点から述べられたものではない。
【０００６】
そして、近年のガス流量計においては、その使用ガスの種類や計測精度（例えば都市ガスの流量計測装置に要求される精度は０．５ｎｓｅｃ以上であり、超音波振動子にはこれ以上の精度が要求される）の点から超音波振動子の機能向上が望まれており、このような産業上のニーズからも超音波振動子の機能向上が望まれている。
【０００７】
特に、超音波振動子は、ある超音波振動子から発信した超音波信号をもう一方の超音波振動子にて受信をすることにより、その機能を果たすが、その際に、発信、受信の感度が問題となる。感度が向上すると計測精度が向上し、また圧電体に必要以上の電力を供給する必要もなく経済的である。
【０００８】
本発明の目的は、上記課題を解決するもので、超音波振動子の感度を向上させ、それを用いた超音波流量計の計測特性を向上させる超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１０】
本発明の第１態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記音響整合層の設置面積は、上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記板状部材を介して上記音響整合層に対向する面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１１】
また、本発明の第２態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記板状部材の上記音響整合層に対する対向面積は、上記板状部材と上記音響整合層とが上記接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記板状部材に対向する対向面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１２】
また、本発明の第３態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記板状部材の上記圧電体に対する対向面積は、上記接着層を介して上記板状部材と上記圧電体が接合されるの接合面積以上、あるいは上記板状部材と上記圧電体が対向する対向面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１３】
また、本発明の第４態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記音響整合層の対向面積は上記圧電体が上記板状部材と接合される面の接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記板状部材を介して上記音響整合層に対向する対向面積以上、かつ上記板状部材の対向面積は上記板状部材と上記音響整合層が上記接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記板状部材に対向する対向面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１４】
また、本発明の第５態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記接着層の対向面積は上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面の接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１５】
また、本発明の第６態様によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記接着層の対向面積は上記音響整合層が上記板状部材と接合するの接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波振動子を提供する。
【００１６】
本発明の第７態様によれば、上記音響整合層の面積は、上記板状部材の面積の１００〜１１０％である第１〜６のいずれか１つの態様に記載の超音波振動子を提供する。
【００１７】
本発明の第８態様によれば、被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けられて超音波を送受信する一対の第１〜７のいずれか１項の態様に記載の超音波振動子と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計を提供する。
【００１８】
本発明の第９態様によれば、上記一対の超音波振動子は大略同一形状であり、インピーダンスの周波数が２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚの使用範囲において、上記一対の超音波振動子のインピーダンスの周波数特性相関係数は０．８０以上である第８の態様に記載の超音波流量計を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
まず、本発明の種々の実施形態にかかる超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計を詳細に説明する前に、本発明の種々の形態について説明する。
【００２１】
本発明の第１形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記音響整合層の設置面積は、上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記板状部材を介して上記音響整合層に対向する面積以上である超音波振動子である。この構成により送受信感度の点から説明すると、送受信を兼ねる超音波振動子の場合、音響整合層が駆動源である圧電体より大きいときには、圧電体から発生した超音波信号（または音圧）が板状部材を介して音響整合層に伝搬され、伝搬された超音波信号（または音圧）は殆ど低下しない。
【００２２】
一方、音響整合層の対向面積が圧電体と板状部材の接合面積より小さい場合には、圧電体で発生した超音波信号（または音圧）の一部しか音響整合層に伝搬できないため、送信感度は低下する。また、受信感度については、音響整合層が圧電体より大きい場合にはあまり問題にはならないが、音響整合層が圧電体より小さい場合には、圧電体に伝搬する超音波信号（または音圧）のエネルギー密度が低くなり受信感度が低下する。
【００２３】
また、本発明の第２形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記板状部材の音響整合層に対する対向面積は、上記板状部材と上記音響整合層とが接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは音響整合層が板状部材に対向する対向面積以上である超音波振動子であり、伝搬される超音波信号の低下を抑制できる。
【００２４】
一方、音響整合層が板状部材よりも大きい場合には、接合面積以外の領域は剛性が不十分となる。従って、機械的強度も低くなることから信頼性に欠ける。また、音響的な観点においては、接合面積以外の領域は不要な振動を引き起こし、接合面積で伝搬されるの主たる振動モードと異なる振動モードを発生させやすい。そのため、超音波信号の指向性や感度に悪影響を与える。
【００２５】
また、本発明の第３形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記板状部材の上記圧電体に対する対向面積は、接着層を介して上記板状部材と上記圧電体が接合されるの接合面積以上、あるいは上記板状部材と上記圧電体が対向する対向面積以上である超音波振動子であり、伝搬される超音波信号の低下を抑制できる。
【００２６】
一方、板状部材が圧電体より小さな場合は、明らかに板状部材としての効果は低下、あるいは殆ど効力を果たさない。
【００２７】
また、本発明の第４形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記音響整合層の対向面積は圧電体が板状部材と接合される面の接合面積以上、あるいは圧電体が板状部材を介して音響整合層に対向する対向面積以上、かつ板状部材の対向面積は板状部材と音響整合層が接着層を介して接合される接合面積以上、あるいは音響整合層が板状部材に対向する対向面積以上である超音波振動子であり、伝搬される超音波信号の低下を殆ど抑制できる。
【００２８】
また、本発明の第５形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記接着層の対向面積は上記圧電体が上記板状部材と接合される接合面の接合面積以上、あるいは上記圧電体が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波振動子であり、伝搬される超音波信号の低下を殆ど抑制できる。
【００２９】
音響整合層と板状部材を音響的に結合、物理的に接合する接着層について述べる。上記接着層が板状部材と音響整合層の接合面積あるいは対向面積より小さい場合には、圧電体から板状部材に伝搬された超音波信号は接着層を介して音響整合層に伝搬されるため伝搬効率が低下し、送信感度が低下する。一方、受信感度においても、音響整合層に伝搬された超音波信号は接着層を介して板状部材に伝搬される。従って、接着層が音響整合層よりも小さい場合には、音響整合層で受けた超音波信号が面積の減少に応じて減少するために低下する。ここで対向面積とは、板状部材、音響整合層の各々がお互いに対向して重なる面積を示す。信頼性の一つの指標として音響整合層と板状部材の接着強度があげられるが、この接着強度は接着層の膜厚が一定の場合、その面積に依存する傾向がある。従って、接着層は板状部材と音響整合層の接合面積以上にすることで接着強度を高め信頼性を向上できる。
【００３０】
また、本発明の第６形態によれば、板状部材と、上記板状部材の一方の面に接着層を介して設置した音響整合層と、上記板状部材の上記音響整合層が設けられた面と反対側の面に接合層を介して設置した圧電体とを備え、上記接着層の対向面積は上記音響整合層が上記板状部材と接合するの接合面積以上、あるいは上記音響整合層が上記接着層に対向する対向面積以上である超音波振動子であり、伝搬される超音波信号の低下を殆ど抑制できる。
【００３１】
一方、圧電体と板状部材を音響的に結合、物理的に接合する接着層について述べる。接着層が圧電体と板状部材の対向面積あるいは接合面積より小さい場合には、圧電体から板状部材に伝搬される超音波信号は接着層を介して板状部材に伝搬されるため、接着層の面積が減少するにつれ伝搬効率が低下し、送信感度が低下する。一方、受信感度においても、音響整合層に伝搬され、接着層を介して板状部材に伝搬された超音波信号は接着層を介して圧電体に伝搬される。従って、接着層が圧電体よりも小さい場合には、圧電体で受けた超音波信号が面積の減少に依存して低下する。
【００３２】
また、本発明の第７形態によれば、被測定流体が流れる流量測定部と、この流量測定部に設けら超音波を送受信する一対の上記第１〜６形態のいずれか１つの超音波振動子と、上記超音波振動子間の伝搬時間を計測する計測回路と、上記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であり、被測定流体の流量を精度良く（例えば、都市ガスでは少なくとも３リットル／ｈ以上の精度で）測定することができる。
【００３３】
尚、本願明細書において、対向面積とは、圧電体、板状部材、音響整合層の各々が直接的に又は間接的に対向して重なる面積を示す。
【００３４】
以下、本発明の種々の実施形態にかかる超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計について図１から図１６を用いて説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態における超音波振動子の外観図、図２に同実施形態の断面図、図３、図４に同実施形態における超音波流量計の断面図を示す。
【００３６】
図１において、１は超音波振動子であり、６は駆動源となる圧電体、４は気体又は液体などの伝達媒体に超音波を伝えるための音響整合層、３は、片面（外壁面）３ａに音響整合層４を、反対側（内壁面）３ｂに圧電体６をそれぞれ設けた板状部材であり、具体的には接着層３０、接着層（接合層の一例）３１を介して音響整合層４、圧電体６を設ける。また、板状部材３は、圧電体６の振動を音響整合層４に伝達する振動伝搬部材であり、圧電体６と音響整合層４を音響的に接続している。
【００３７】
２は板状部材３を支える支持体であり、具体的には、板状部材３の外周部を筒状の内周部に係合し接合させている。尚、第１実施形態では、板状部材３と支持体２とで天部３２ａと側壁部３２ｂと開口部３２ｃを有する有底状ケース３２を構成している。５は後述するように超音波流量計の流路に対して連結される超音波振動子１の取付穴を形成する側壁部と超音波振動子１とを接合するためのフランジ部である。
【００３８】
図２において、６は板状部材３の内壁面に配置された圧電体であり、７はフランジ部５に固定された端子板、８ａ、８ｂは端子板７に設けられた端子、９は端子８ａ、８ｂを絶縁する絶縁物、１０は圧電体６と端子８ａとを電気的に接続するための導電性ゴムである。圧電体６は有底状ケース３２と端子板７により塞がれ不活性ガスで密閉されている。
【００３９】
図３に超音波振動子１を備えた超音波流量計１００の断面図を示す。
【００４０】
超音波流量計１００の概略構成を示すと、ガスなどの被測定流体が供給される供給管と連結した入口路１００ａから流入された被測定流体の流量を測定する流量測定部１１と、流量測定部１１と連通し、被測定流体を外部へ導く出口路１００ｂと、この流量測定部１１に設けられて超音波を送受信する一対の超音波振動子１７、１８（それぞれは超音波振動子１に対応する。）と、超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する計測回路１０１と、計測回路１０１からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段１０２とを備えている。よって、一方の超音波振動子１７から他方の超音波振動子１８に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記他方の超音波振動子１８で受信されることにより、計測回路１０１で超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する。次いで、逆に、上記他方の超音波振動子１７から上記一方の超音波振動子１８に向けて超音波を送信し、ガスなどの被測定流体を通過した超音波が上記一方の超音波振動子１８で受信されることにより、計測回路１０１で超音波振動子１７、１８間の伝搬時間を計測する。このように所定回数だけ、上記一対の超音波振動子１７、１８間で超音波の伝搬時間を計測し、流量演算手段１０２でその平均値を基に、ガスなどの被測定流体の流量を算出するようにしている。よって、各超音波振動子１７，１８は送受信を行えるようにしている。ここで、上記計測回路１０１と流量演算手段１０２とより流量算出システムを構成している。
【００４１】
実例として、流量測定部１１では、材料としてＬＰガスや天然ガスの流量計測する家庭用ガスメータを想定しアルミニウム合金ダイカストとする。そして図４に示すようにガスの流路を構成する側壁部１２、１３の端面に例えばコルク材からなるシール材１４を介して上板部１５をネジ止めして、流路断面１６が矩形のものを構成する。また、図３に示すように、超音波振動子１７、１８は、超音波を発信・受信する送受波面が相対するように側壁部１２、１３に斜めに設ける。具体的には側壁部１２、１３に設けた超音波振動子１７、１８の取付穴１９、２０に例えばＯリングからなるシール材２１、２２を介して固定する。これは１つの実例であり、本発明はこれに限られるものではない。
【００４２】
一方、板状部材３は、音響整合層４と圧電体６に挟まれて位置し、物理的な観点からは音響整合層４及び圧電体６の接合部または固定部の役割を果たす。また、音響的な観点からは、音響整合層４から圧電体６に圧電体６から音響整合層４へ超音波信号（または音圧）を伝搬するためのコネクターであり、板状部材３の役割を果たす。そのため、音響整合層４、板状部材３、圧電体６の物理的な接合面積は非常に重要である。
【００４３】
次に、超音波振動子１の動作について説明するとともに発信の伝搬効率を考察する。
【００４４】
圧電体６から発信された超音波信号は、接着層３１、板状部材（振動伝搬部材）３、接着層３０を介して音響整合層４に伝搬される。
【００４５】
（圧電体と板状部材との間の発信の伝搬効率の考察）
圧電体６から発信した超音波信号が板状部材３に伝搬されるとき、圧電体６から板状部材３への伝搬効率は、駆動源である圧電体６が板状部材３と音響的に結合される結合面積の大きさに依存する。この結合面積は、接着層３１を用いて板状部材３に圧電体６を接合される場合の板状部材３、圧電体６、接着層３１が重なる接合面積とほぼ一致する。従って、圧電体６から板状部材３に効率よく超音波信号を伝搬するためには、板状部材３は、板状部材３と圧電体６との接合面積以上（板状部材３と圧電体６とが対向する対向面積以上）が望ましい。
【００４６】
さらに、板状部材３に伝搬された超音波信号は、板状部材３と音響整合層４を接合する接着層３０を介して音響整合層４に伝搬される。
【００４７】
（板状部材と音響整合層との間の発信の伝搬効率の考察）
板状部材３と音響整合層４の音響的な結合面積は、板状部材３と音響整合層４、接着層３０が重なる面積と一致する。従って、板状部材３から音響整合層４に効率よく超音波信号を伝搬するためには、板状部材３は、板状部材３と音響整合層４との接合面積以上（音響整合層４が板状部材３と対向する対向面積以上）が望ましい。
【００４８】
以上から、圧電体６、板状部材３、音響整合層４の音響的な結合面積が重なる面積が、有効結合面積であり、各々を接合する接合面積にほぼ一致する。よって、音響整合層４は、圧電体６と板状部材３の接合面積以上、あるいは圧電体６が音響整合層４に対向する対向面積以上を必要とし、その面積が上記条件より小さい場合には圧電体６で発生された超音波信号が結合面積の割合しか伝搬されないため、伝搬効率が低下して超音波の送信感度も低下する。従って、圧電体４、板状部材３、音響整合層６の結合面積が重なる面積が、音響的な有効結合面積であり、物理的な有効接合面積である。
【００４９】
次に、超音波信号を受信する場合について考える。
【００５０】
受信の場合は送信の場合と反対の伝搬工程になる。すなわち、音響整合層４から受信された超音波信号は、接着層３０、板状部材３、接着層３１を介して圧電体６に伝搬される。
【００５１】
（板状部材と音響整合層との間の受信の伝搬効率の考察）
音響整合層４で受信した超音波信号は、音響整合層４と板状部材３とを接合する接着層３０を介して板状部材３に伝搬されるため、送信の場合と同様、板状部材３と音響整合層４の接合面積は、板状部材３と音響整合層４、接着層３０とが重なる面積と一致する。従って、音響整合層４から板状部材３に効率よく超音波信号を伝搬するためには、板状部材３は板状部材３と音響整合層４の接合面積以上（音響整合層４が板状部材３に対向する対向面積以上）が望ましい。
【００５２】
さらに板状部材３に伝搬された超音波信号は、板状部材３と圧電体６を接合する接着層３１を介して圧電体６に伝搬される。
【００５３】
（板状部材と圧電体との間の受信の伝搬効率の考察）
板状部材３と圧電体６との接合面積は、板状部材３と圧電体６、接着層３１が重なる面積と一致する。従って、板状部材３から圧電体６に効率よく超音波信号を伝搬するためには、板状部材３は、板状部材３と圧電体６の接合面積以上（板状部材３と圧電体６が対向する対向面積以上）が望ましい。
【００５４】
以上から、送信時と同様に、圧電体６、板状部材３、音響整合層４の接合面積が重なる面積が、音響的な有効結合面積あるいは物理的な有効接合面積である。
【００５５】
従って、受信時においても送信時同様、音響整合層４は圧電体６と板状部材３の接合面積以上、あるいは圧電体６が音響整合層４に対向する対向面積以上を必要とし、その面積が上記条件より小さい場合には圧電体６で発生された超音波信号が接合面積の割合しか伝搬されないため、伝搬効率が低下して超音波の受信感度も低下する。
【００５６】
次に、接着層３１に関して考察する。
【００５７】
圧電体６と板状部材３を接合する接着層３１は、圧電体６と板状部材３を物理的に接合するだけでなく音響的にも結合させるという役割を持つ。接着剤３１は、例えばエポキシ系の熱硬化性接着剤であり、圧電体６と板状部材３とを粘性状態で仮接合し、熱などにより硬化して本接合される。そして、接着層３１は接合のための硬化後、圧電体６および板状部材３と対向する対向面積が圧電体６よりも小さい場合、圧電体６から発生した超音波信号を板状部材３に伝搬する際に圧電体６と板状部材３との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下する。そのため、超音波の送信感度が低下する。
【００５８】
尚、接着層３１の接着剤としてはウレタン系、シアノ系、シリコーン系の樹脂接着剤がある。
【００５９】
一方、音響整合層４から伝搬された超音波信号が板状部材３に伝搬され、接着層３１を介して圧電体６に伝搬される受信では、板状部材３と対向する対向面積が圧電体６よりも小さい場合、板状部材３に伝搬された超音波信号を圧電体６に伝搬する際に圧電体６と板状部材３との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下するため、超音波の受信感度が低下する。
【００６０】
よって、板状部材３と圧電体６を接合する接着層３１は、接着層３１の硬化後の面積は圧電体６と板状部材３との接合面積以上（圧電体６が接着層３１に対向する対向面積以上）であることで、伝搬効率の低下を最小限に止めることが可能になる。
【００６１】
また、物理的な接合、すなわち接着強度面から説明すると、接着層３１の硬化後の面積は、圧電体６が板状部材３と対向する対向面積以上必要とされる。接着層３１の硬化後の面積が圧電体６の板状部材３に対する対向面積より小さい場合には、接着層３１が圧電体６に対して外側に包み込むように回りこまないため、実質的な接合面積が小さくなり、アンカー効果が殆ど期待できないため接着強度が低下する。従って、物理的な接合からも接着層３１の硬化後の面積は圧電体６と板状部材３の接合面積以上、あるいは圧電体６が接着層３１に対向する対向面積以上であることが必要であり、接着強度を向上させ、信頼性の向上を確保できる。
【００６２】
また、音響整合層４と板状部材３を接合する接着層３０も同様に熱硬化性接着剤であり、音響整合層４と板状部材３を物理的に接合するだけでなく音響的にも結合させるという役割を持つ。従って、硬化後の接着層３０は、硬化後、音響整合層４および板状部材３と対向する対向面積が音響整合層４よりも小さい場合、圧電体６から発生した超音波信号を板状部材３、板状部材３から音響整合層４に伝搬する際に板状部材３と音響整合層４の接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下し、超音波の送信感度が低下する。
【００６３】
一方、超音波信号を音響整合層４で受けた後、音響整合層４から板状部材３に伝搬される場合、接着層３０を介して板状部材３に伝搬される受信では、接着層３０は硬化後、板状部材３および音響整合層４と対向する対向面積が音響整合層４よりも小さい場合、音響整合層４に伝搬された超音波信号を板状部材３に伝搬する際に音響整合層４と板状部材３との接合面積が小さくなってしまい、伝搬効率が低下するため、超音波の受信感度が低下する。
【００６４】
よって、音響整合層４と板状部材３を接合する接着層３０の硬化後の面積は音響整合層４の接合面積以上、あるいは音響整合層４が接着層３０に対向する対向面積以上であることで、伝搬効率の低下を最小限に止めることが可能になる。また、物理的な接合、すなわち接着強度面から説明すると、接着層３０の硬化後の面積は、音響整合層４が板状部材３と対向する対向面積以上必要とされる。接着層３０の硬化後の面積が音響整合層４の板状部材３に対する対向面積より小さい場合には、接着層３０が音響整合層４に対して外側に包み込むように回りこまないため、実質的な接合面積が小さくなり、アンカー効果が殆ど期待できないため接着強度が低下する。従って、物理的な接合からも、接着層３０の硬化後の面積は、音響整合層４の接合面積以上、あるいは音響整合層４が接着層３０に対向する対向面積以上であることが必要であり、接着強度を向上させ、信頼性の向上を確保できる。
【００６５】
なお、以上、第１実施形態で述べてきた関係は、音響整合層４、板状部材３、圧電体６の形状、大きさに関わらず、常に成り立つ。
【００６６】
また、図８、図９に示すように、板状部材３と支持体２とを別々に構成するものではなく、図８に示すように板状部材と支持体とを一体形成して設けた有底状ケース３３を用いた第２実施形態や、図９に示すように接着層が存在しない第３実施形態でも同様の効果が得られる。
【００６７】
【実施例】
以下、具体的な実施例により、上記第１実施形態の実験的考察を行う。
【００６８】
（実施例１）
圧電体６に対する音響整合層４の有効面積を確認するために、有限要素法（ＦＥＭ）による３次元シュミレーションを用いて圧電体６から発生された音圧が音響整合層４に対してどのように影響を及ぼしているかを調べた。
【００６９】
構造は図２に示すようなものであり、圧電体／接着剤／ケース／接着剤／音響整合層とし、圧電体については圧電定数ｄ３１＝−１８５．９×１０−１２ｍ／Ｖ、ｄ３１＝３６６．５×１０−１２ｍ／Ｖ、ｄ１５＝５７８．５×１０−１２ｍ／Ｖ、弾性定数ｓ１１＝１５．８×１０−１２ｍ２／Ｎ、ｓ３３＝１７．６×１０−１２ｍ２／Ｎを用い、ｓ１２、ｓ１３は周波数定数と電気機械結合係数より演算した（周波数定数ｎ１＝１９６０Ｈｚ・ｍ、ｎ２＝１４３０Ｈｚ・ｍ、ｎ３＝１４１０Ｈｚ・ｍ、ｎ４＝１９８０Ｈｚ・ｍ、ｎ２＝８５６Ｈｚ・ｍ、電気機械結合係数ｋｒ＝０．６５、ｋ３１＝０．３８、ｋ３３＝０．７１、ｋｔ＝０．５０、ｋ１５＝０．７０）。また、ポアソン比：０．３、誘電率：ε３３＝１９５０×０．９、ε＝２１３０×０．９、密度：７．７０ｇ／ｃｍ３、機械Ｑ：７０（減衰比０．０００７１１４）、支持体と板状部材からなるケースの板状部材はヤング率：０．１７８（１０１２Ｎ／ｍ２）、ポアソン比：０．２９、密度７．９３ｇ／ｃｍ３、接着剤はヤング率：０．００３、ポアソン比：０．３、密度１．４ｇ／ｃｍ３、減衰比：０．０１、音響整合層はヤング率：０．００１９０６Ｎ／ｍ２、ポアソン比：０．３７１８、横弾性係数：Ｇ＝０．０００６９４６Ｎ／ｍ２、横波速度（２ＭＨｚ）：１１６７ｍ／ｓ（実測値）、縦波速度：２４９４ｍ／ｓ（横波の実測値より演算）、機械Ｑ：５０（減衰比０．００１）として計算を行った。
【００７０】
その結果を図５〜図７で示す。図５（Ａ）、（Ｂ）はインピーダンスと位相の周波数特性を実測したものと、シュミレーション解析したものである。左は超音波振動子に交流電圧を供給し、その周波数を変化させて出力インピーダンスを測定した実測値であり、右は解析値である。実測値と解析値が非常によく適合していることがわかる。特にＡ〜Ｄの共振周波数を比較すると、ほぼ同じ周波数でそれぞれの共振が見られる。それぞれの共振モードを解析すると、Ａ：主共振（縦波）でｆ＝４７５ＫＨｚ、Ｂ：主共振（横波）でｆ＝１９０ＫＨｚ、Ｃ：２次共振で５９０ＫＨｚ、Ｄ：スプリット共振でｆ＝４３０ＫＨｚ、Ｅ：反共振でｆ＝６５０ＫＨｚである。この中で超音波信号の発生に大きく寄与する共振モードはＡ：主共振（縦波）とＣ：２次共振である。この２つの共振モードで超音波信号が発生する。それぞれの共振周波数におけるモード解析結果を図示する。
【００７１】
図６（Ａ）はＡ：主共振（縦波）でｆ＝４７５ＫＨｚの時の圧電体、板状部材、音響整合層それぞれの変位を濃度分布で示した図である。変位としては、音響整合層の中心部を中心にほぼ圧電体と板状部材との接合面、または圧電体の板状部材に対する接合面で特に大きく変位していることがわかる。
【００７２】
また、図６（Ｂ）はＣ：２次共振で５９０ＫＨｚの時の圧電体、板状部材、音響整合層それぞれの変位を濃度分布で示した図である。変位は、音響整合層の外周付近を中心に、Ａの主共振と同様にほぼ圧電体と板状部材との接合面、または圧電体の板状部材に対する接合面で特に大きく変位していることがわかる。
【００７３】
そして、この主共振と２次共振とが音響整合層の振動に影響を与え、その合成成分は図６（Ａ）、（Ｂ）との合成となり、結果として音響整合層に関し、ほぼ圧電体と板状部材との接合面、または圧電体の板状部材に対する接合面で特に大きく変位している。
【００７４】
図７（Ａ）、（Ｂ）は図６（Ａ）、（Ｂ）の変位を音響整合層の真上側から示した図である。
【００７５】
図７（Ａ）はＡ：主共振（縦波）でｆ＝４７５ＫＨｚの時の圧電体、板状部材、音響整合層それぞれの変位を濃度分布で示した。また、図７（Ｂ）はＣ：２次共振で５９０ＫＨｚの時の圧電体、板状部材、音響整合層それぞれの変位を濃度分布で示した。このモデルでは圧電素子は板状部材との対向面側がスリット状に加工されていて４分割されている。またケースは筒状の支持体と板状部材から構成（ここでは板状部材と支持体が同じ材質で連続的につながっていると仮定）され、音響整合層は板状部材に比べて少し小さめの円形状とした。主共振では主にその４分割された中央の２本を中心に大きな変位が見られる。変位面積は、ほぼ圧電体が板状部材と接着される接合面積より少し大きい。
【００７６】
一方、図７（Ｂ）の２次共振は、圧電体の外側の２本と中央付近で大きな変位が見られ、圧電体と板状部材の接合面積あるいは結合面積が主な駆動範囲であり、主な変位を検出可能な範囲である。板状部材は円形状であるため支持体の筒部分との境界は剛性が非常に高いと仮定した。従って主に振動する部分は天面部分の形状（ここでは板状部材）に変位分布が見られる。
【００７７】
以上の点から、音響整合層は圧電体と板状部材の接合面積以上、あるいは圧電体が音響整合層に対向する対向面積以上必要であることは明らかである。
【００７８】
（実施例２）
実施例１の３次元シュミレーション解析の結果を確認するために以下の検討を行った。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体の板状部材との対向面側にスリット構造を設けている。音響整合層は形状を主に２種類用いた。１つは３次元解析と同様な円形のものであり、もう１つは平面的に圧電体の形状に近い正方形のものである。円形のものは圧電体を包み込める最小大きさ、すなわち対角線の長さ（１０．４６ｍｍ）を直径とした円形状を、正方形のものは圧電体と同じ大きさ（７．４ｍｍ×７．４ｍｍ）を基準として、それぞれの音響整合層の面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、それぞれの形状で超音波振動子の送受信感度を測定した。その結果を表１に示す。
【００７９】
測定は、超音波振動子の間隔を７０ｍｍとし、測定電圧３０Ｖ、測定周波数５００ＫＨｚにて条件で行った。
【００８０】
【表１】
0003629481.tif 000002
【００８１】
以上の結果より、音響整合層の設置面積（対向面積）は、圧電体が板状部材と接合する接合面積（縮小拡大率１００％以上）あるいは圧電体が板状部材と対向する対向面積より小さい場合、送信感度、受信感度が極端に低下していき、逆に圧電体が板状部材と接合する接合面積（縮小拡大率１００％以上）あるいは圧電体が板状部材と対向する対向面積以上にすることで、送信感度、受信感度の変化はほとんどなく感度変化の差は小さく、伝搬効率の低下を抑制でき、送受信感度の低下を防止することが可能となる。
【００８２】
（実施例３）
次に板状部材と圧電体について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体の板状部材との対向面側にスリット構造を設けている。板状部材は円形と正方形とし、板状部材の面積を変化させて超音波振動子を作製した。圧電体を包み込める最小大きさすなわち対角線の長さ（１０．４６ｍｍ）を直径とした円の面積と圧電体の接合面積７．４ｍｍ×７．４ｍｍをそれぞれの基準として、面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、それぞれの板状部材の形状で超音波振動子の送受信感度を測定した。表２にその結果を示す。測定条件は実施例２と同様である。
【００８３】
【表２】
0003629481.tif 000003
【００８４】
表２に示される結果から、円形および正方形の板状部材の両方において、板状部材が圧電体に対して縮小された（天部の面積比が１００％以下）場合、送信感度、受信感度が極端に低下していき、逆に板状部材が圧電体に対して増加する場合は、送信感度、受信感度の変化はほとんどなく感度変化の差は小さい。
【００８５】
このように圧電体が板状部材を介して音響整合層と音響的に結合あるいは物理的に接合される面積が縮小されるため送受信感度は低下する。しかし、圧電体に比べて板状部材の面積が大きくなる場合には、板状部材が大きくなっても音響的に結合する有効面積は殆ど変化しないため、送受信感度へも殆ど影響を与えない。
【００８６】
以上の結果から、板状部材は、板状部材と圧電体との接合面積以上、あるいは板状部材と圧電体が対向する対向面積以上が望ましい。
【００８７】
（実施例４）
次に板状部材と音響整合層について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体の板状部材との接合面側にスリット構造を設けている。板状部材は円形と正方形とし、音響整合層の面積を変化させて超音波振動子を作製した。圧電体を包み込める最小大きさ、すなわち対角線の長さ（１０．４６ｍｍ）を直径とした円形および圧電体の接合面積と同面積を基準として、それぞれの面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、それぞれの形状で超音波振動子の送受信感度を測定した。表３にその結果を示す。測定条件は実施例２と同様である。
【００８８】
【表３】
0003629481.tif 000004
【００８９】
以上の結果から音響整合層の面積が板状部材の面積に対して増加する場合には、音響的に結合する面積に変化はないものの、板状部材と接合面積が増加しないために、自由に振動する面積が増加し、主共振、２次共振とは異なるモードが発生する。そのため送受信感度が低下する現象が見られた。また、ノイズレベルも増加した。一方、音響整合層の面積が減少する場合には、板状部材の面積よりも圧電体の面積が大きく影響し、圧電体と音響整合層の関係、すなわち実施例２で検討した結果（表１）と同様の傾向が見られた。従って、板状部材は板状部材と音響整合層の接合面積以上、あるいは音響整合層が板状部材に対向する対向面積以上必要であり、更に音響整合層は圧電体と板状部材の接合面積以上、あるいは圧電体が音響整合層に対向する対向面積以上必要である。
【００９０】
（実施例５）
次に圧電体と、圧電体と板状部材を接合する接着層３１について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体の板状部材との接合面側にスリット構造を設けている。音響整合層は圧電体をカバーできる最小面積（直径は１０．４６ｍｍ）とした。また、板状部材は円形とし、接着層３１の面積を変化させて超音波振動子を作製した。圧電体の最大接合面積（７．４ｍｍ×７．４ｍｍ）を基準とし、接着層３１の面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、超音波振動子の送受信感度を測定した。さらに、−４０℃〜８０℃のヒートサイクルによる信頼性試験の結果を表４に示す。測定条件は実施例２と同様である。
【００９１】
【表４】
0003629481.tif 000005
〇：感度変化なし、△：感度低下率１０％以下、×：感度低下率５０％以上
【００９２】
表４の結果から接着層３１の面積が減少すると、送受信感度の低下見られた。また、信頼性試験の結果からも面積比が７０％以下になると感度低下率が５０％以上となり、超音波振動子としての信頼性が低下する。よって、接着層３１の硬化後の面積は圧電体の接合面積以上、あるいは圧電体が接着層３１に対向する対向面積以上必要である。
【００９３】
（実施例６）
次に音響整合層と、音響整合層と板状部材を接合する接着層３０について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体の板状部材との接合面側にスリット構造を設けている。音響整合層は圧電体をカバーできる最小面積（直径は１０．４６ｍｍ）とした。また、板状部材は円形、面積は１２８．８４ｍｍ２として、接着層３０の面積を変化させて超音波振動子を作製した。音響整合層の最大接合面積（８５．８９ｍｍ２）を基準とし、接着層３０の面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、超音波振動子の送受信感度を測定した。さらに、−４０℃〜８０℃のヒートサイクルによる信頼性試験の結果を表５に示す。
【００９４】
【表５】
0003629481.tif 000006
〇：感度変化なし、△：感度低下率１０％以下、×：感度低下率５０％以上
【００９５】
表５の結果から接着層３０の面積が減少すると、送受信感度の低下見られた。これは板状部材との接合面積が減少し、音響的な結合面積が減少するために伝搬効率が低下する要因と、接合されていない部分が主共振モードとは異なるモードの振動を生じさせる要因から感度が低下する。
【００９６】
また、信頼性試験の結果からも面積比が７０％以下になると感度低下率が５０％以上となり、超音波振動子としての信頼性が低下する。よって、接着層３０の硬化後の面積は音響整合層の接合面積以上、あるいは音響整合層が接着層３０に対向する対向面積以上にする必要がある。
【００９７】
上記各実施例は板状部材との関係にて述べたものであるが、板状部材が図８、図９に示す一体型の有底型のケースであっても同様の効果を示す。但し、実施例３、４に関しては圧電体とケースとの収納関係により、実験結果が異なるために、以下、実施例７、実施例８は図８、図９に示す一体型の有底型のケースに関する第２及び第３実施形態を用いて説明する。
【００９８】
（実施例７）
ケースと圧電体について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様にケースとの圧電体の接合面側にスリット構造を設けている。ケースは有底筒状形状と有底箱形とし、ケース天面の面積を変化させて超音波振動子を作製した。圧電体を包み込める最小大きさすなわち対角線の長さ（１０．４６ｍｍ）を直径とした円形状を基準として、それぞれの面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、それぞれの形状で超音波振動子の送受信感度を測定した。表６にその結果を示す。
【００９９】
【表６】
0003629481.tif 000007
【０１００】
表６示される結果から、有天面筒状および箱形のケース両方とも、ケースが縮小されたとき圧電体がケース内に入らないため超音波振動子ーとして作製することが不可能である。しかし、圧電体に比べてケースが大きい場合には、送受信感度の感度低下は見られない。一方、圧電体と対向するケース面積が大きくなる場合には、ケースが大きくなっても音響的に結合する有効面積は殆ど変化しないため、感度へも殆ど影響を与えない。以上の結果から、ケースはケースと圧電体の接合面積以上、あるいはケースと圧電体が対向する対向面積以上が望ましい。
【０１０１】
（実施例８）
ケースと音響整合層について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様に圧電体はケースとの接合面側にスリット構造を設けている。ケースは有天面筒状形状と有底箱型とし、音響整合層の面積を変化させて超音波振動子を作製した。圧電体を包み込める最小大きさすなわち対角線の長さ（１０．４６ｍｍ）を直径とした円形状を基準として、それぞれの面積を相似的に５０％縮小したものから１５０％まで拡大したものを作製し、それぞれの形状で超音波振動子の超音波送受信感度を測定した。表７にその結果を示す。
【０１０２】
【表７】
0003629481.tif 000008
【０１０３】
以上の結果から音響整合層の面積がケースの天面の面積に対して増加する場合には、音響的に結合する面積に変化はないものの、ケースと接合面積が増加しないために、自由に振動する面積が増加し、主共振、２次共振とは異なるモードが発生する。そのため、超音波の送受信感度が低下する現象が見られた。また、ノイズレベルも増加した。一方、音響整合層の面積が減少する場合には、ケースの面積よりも圧電体の面積が大きく影響し、圧電体と音響整合層の関係、すなわち実施例２で検討した結果（表１）と同様の傾向が見られた。従って、ケースはケースと音響整合層の接合面積以上、あるいは音響整合層がケースに対向する対向面積以上必要であり、更に、音響整合層は圧電体とケースの接合面積以上、あるいは圧電体が音響整合層に対向する対向面積以上必要である。
【０１０４】
次に、１つの超音波振動子１，１７，１８における、ケース（板状部材）３と音響整合層４との関係について説明する。ここでは、圧電体を基準に、圧電体と音響整合層の面積比を１００％としたときについて説明する。
【０１０５】
ケース（板状部材）３と音響整合層４との面積比率の範囲は、異常共振モードが発生しない範囲として、音響整合層４の面積は、ケース（板状部材）３の面積の１５％〜１５０％が好ましい。ケース（板状部材）３の面積の１５０％とはケース天面と同面積であることを意味する。音響整合層４の面積がケース（板状部材）３の面積の１５０％より大きい場合には、インピーダンスの周波数特性に異常な共振モードが発生するため使用不可能となる。また、音響整合層４の面積が１５％未満になると、音響整合層自身の厚さ方向の形状異方性が強くなり、異なる共振モードが発生するため、使用不可能となる。
【０１０６】
一方、音響整合層４の面積と感度低下率（送信時）のグラフより、感度低下率が２５％以下の範囲とするためには、圧電体６と音響整合層４の形状が同一のときは音響整合層４の面積が圧電体６の面積の３５％〜１５０％、圧電体６と音響整合層４の形状が異なるときは音響整合層４の面積が圧電体６の面積の４５％〜１５０％とすることが好ましい（：図１０、図１１参照）。この理由は、音響整合層４の面積が圧電体６の面積の（３５％〜４５％）未満では、上記流量算出システム上、検出限界に近くなって計測性能（精度）が低下してしまう一方、１５０％を超えると、異常共振が発生してしまうからである。すなわち、図１０によれば、送信時の感度低下率が２５％以下の範囲は、ケース（板状部材）３の面積が１２８．８４ｍｍ２のとき、正方形の音響整合層４の面積が３０ｍｍ２以上、円形の音響整合層４の面積が３８ｍｍ２以上とすればよい。図１１によれば、送受信時の感度低下率が２５％以下の範囲は、ケース（板状部材）３の面積が１２８．８４ｍｍ２のとき、正方形の音響整合層４の面積が３８ｍｍ２以上、円形の音響整合層４の面積が４５ｍｍ２以上とすればよい。感度低下率が２５％を超えると、上記流量算出システム上、検出限界に近くなって計測性能（精度）が低下することから、感度低下率が２５％以下の範囲とすることが好ましい。
【０１０７】
また、超音波振動子の指向性及び感度から考慮すると、音響整合層４の面積は大きいほうがよいので、音響整合層４の面積は、ケース（板状部材）３の面積の１００％〜１５０％の範囲が好ましい。これは、感度低下は２０％までは許されるが、感度低下２５％は限界値であるため上記流量算出システム上の不安定な領域に近く、保証範囲の余裕が無いことから、１００％以上とする一方、１５０％を超えると、異常共振が発生してしまうので、１５０％以下とする。また、１００％〜１５０％の範囲ならば、超音波振動子の指向性を良くすることによって、余計な信号を検出しないため、外乱に強くなる。従って、計測精度を向上させることができる。ただし、音響整合層４が接着層３０より大きい場合には指向性は狭くなり、逆に、音響整合層４が接着層３０より小さい場合には指向性は広くなる。また、圧電体６が接着層３１より大きい場合には感度は高くなり、逆に、圧電体６が接着層３１より小さい場合には感度は低くなる。
【０１０８】
以上から総合的に判断して、音響整合層４の面積は、ケース（板状部材）３の面積の１００〜１５０％が望ましい。ただし、指向性、感度、異常共振を考慮して、超音波振動子を使用する場合にどの特性を重要視するかで、上記１００〜１５０％の範囲内で面積範囲を適宜選択することが望ましい。すなわち、上記１００〜１５０％の範囲内で面積範囲を適宜選択すれば、指向性が良くなり、感度低下率を２５％以下の範囲とすることができ、さらに、異常共振モードの発生を防止することができる。
【０１０９】
（実施例９）
次に、圧電体と音響整合層について検討した。圧電体の大きさは縦・横・高さが７．４ｍｍ×７．４ｍｍ×２．６５ｍｍの直方体とした。３次元解析と同様にケースとの圧電体の接合面側にスリット構造を設けている。ケースは有底筒状形状と有底箱型とし、有底形状のケース天面と同じ形状の音響整合層の面積を変化させて超音波振動子を作製した。有底筒状ケースの天面はφ１１ｍｍ、有底箱形ケースの天面は８ｍｍ×８ｍｍである。圧電体を覆うことが可能な最小の面積を基準として、相対的に５０％縮小したものからケース天面の面積まで拡大したものまで変化させて感度低下率を調べた。その結果を表８に示す。
【０１１０】
【表８】
0003629481.tif 000009
【０１１１】
以上の結果、音響整合層を圧電体の面積に対して相対的に小さくすると感度が低下し、逆にケース天面の大きさを最大として大きくすると殆ど感度は変化しないことがわかった。よって、音響整合層は圧電体の面積以上、ケースの天面以下必要である。
【０１１２】
次に、超音波振動子の指向性と感度について考察する。
【０１１３】
（Ｉ）送信の場合：
超音波振動子に指向性が生じる理由は、以下の理由からである。すなわち、遠距離であっても超音波の送信方向が超音波振動子の板状部材３の中心軸からずれると、
【０１１４】
【数１】
0003629481.tif 000010
【０１１５】
の積分において位相差が大きくなって、積分された速度ポテンシャルは超音波振動子の板状部材３の中心軸方向より小さくなる。ここで、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、超音波振動子の板状部材３が円形ピストンの場合、中心軸からγの方向で中心からの距離がｒ０である点Ｐ点とを含む平面と、振動面上の（ｘ，ｙ）にあるｄｓからＰ点までの距離は、図１２のように
【０１１６】
【数２】
ｒ＝ｒ０−ｙｓｉｎγ
であるから、
【０１１７】
【数３】
0003629481.tif 000011
となる。ただし、分母ではｒ≒ｒ０として距離を無視しているが、これはΦの絶対値に影響するだけであるから、ｒ≫ａならば差し支えない。この積分の結果は、
【０１１８】
【数４】
0003629481.tif 000012
となる。ただし、ａは板状部材３の半径である。
また、Ｚは
Ｚ＝ｋ×ａ×ｓｉｎγ＝（πｄ／λ）×ｓｉｎγ＝（πｄｆ／ｃ）×ｓｉｎγ
である。ただし、ａは板状部材３の半径、ｃは超音波の伝搬速度、ｋは超音波の波長定数、ｄは板状部材３の直径、Ｊ１（Ｚ）はベッセル関数である。
【０１１９】
以上より、超音波振動子において、周波数が一定の場合は、板状部材３の直径が大きいほど指向性が鋭いことになる。板状部材３の直径が一定の場合には、周波数が高いほど指向性が鋭いことになる。
【０１２０】
（ＩＩ）受信の場合：
送音の指向性利得は、同じ音響出力を出しても指向性送音器はその軸方向には無指向性送音器に比べて指向性利得倍の強度を与える。しかし、受波においては指向性利得は全く別の意味を持つ。一つの方向から来る平面波を受けるのに、指向性受音器の軸を向ければ無指向性受音器より感度が良いという傾向があるが、その程度は指向性利得と直接の関係はない。周波数を一定とすれば、指向性受音器の方が受音面積が大きいから感度の良い受音器を作れる。あるいは、両受音器の能率を等しいとすれば、入力パワーが受音面積に比例するから電気出力もそれだけ多くとれる。同じ大きさの受音器を高周波で使えば低周波の場合より指向性利得は大きいが、音圧を一定としたとき高周波の方が指向性利得も比して電気出力が大きくなることはあり得ない。従って、受音の場合は、目的の信号は一つの方向から来る平面波であり、妨害する雑音は全立体角から均等に来ると仮定すると、無指向性受話器を使った場合に比べてＳＮ比が指向性利得だけ改善される。
【０１２１】
以上より判断して、音響整合層４の大きさはできるだけケース（振動板）３の大きさと等しいほうが望ましい。
【０１２２】
一方、超音波流量計として一対の超音波振動子１７，１８を用いた場合の特徴は以下のとおりである。
【０１２３】
まず、一対の超音波振動子１７，１８の相関係数は、インピーダンスの周波数が２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚ（より好ましくは、３５０ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚ）のとき、０．８０以上、好ましくは０．９６０以上とするのが好ましい。ここで、相関係数とは、各超音波振動子１７，１８のインピーダンスの周波数特性（図１３及び図１４）を測定した後、それぞれの周波数に対するインピーダンスがどの程度一致しているかを求めたものである。周波数範囲は使用周波数域の２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚの各測定点で計算する。
【０１２４】
電流型回路を用いた場合、超音波振動子１７，１８のインピーダンスとしてはできるだけ似ている必要がある。理由としては、図１５及び図１６に示すように理想的な電流型回路の場合には、２次側短絡であれば流路、超音波振動子のインピーダンスに関係なく、出力電流は受信、送信を入れ替えても同じである。しかし、出力電流を測定するためには２次側を完全に短絡状態にすることは不可能で、ある程度の抵抗が必要となる。このとき、理想的な電流型回路にならないため、超音波振動子１７，１８に対してできるだけ似たインピーダンスが要求される。超音波振動子１７，１８の相関係数の値が０．８０以上、好ましくは０．９６０以上であれば、計測回路側でその相関係数を補正することにより、被測定流体の流量を精度良く（例えば、都市ガスでは少なくとも３リットル／ｈ以上の精度で）測定することができる超音波流量計として、それらの超音波振動子１７，１８が使用可能となる。
【０１２５】
また、超音波流量計として使用するときの一対の対向するそれぞれの超音波振動子１７，１８は大略同一形状であり、かつ、それぞれの中心はできるだけ合わせた方がよいとともに、上記一対の対向する超音波振動子１７，１８の対向面（対向する音響整合層の対向面）間の平行度は、できるだけ合わせるほうが望ましい。
【０１２６】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０１２７】
【発明の効果】
この発明によれば、音響整合層、板状部材、圧電体、接着層の大きさを適正化することで、効率性と信頼性を兼ね備えた超音波振動子および超音波流量計を実現する。
【０１２８】
また、音響整合層の面積を板状部材の面積の１００〜１１０％とする場合には、指向性が良くなり、感度低下率を２５％以下の範囲とすることができ、さらに、異常共振モードの発生を防止することができる。
【０１２９】
さらに、一対の超音波振動子を備える超音波流量計において、上記一対の超音波振動子は大略同一形状であり、インピーダンスの周波数が２００ＫＨｚ〜７５０ＫＨｚのとき、上記一対の超音波振動子の相関係数は０．８０以上であるようにすれば、被測定流体の流量を精度良く（例えば、都市ガスでは少なくとも３リットル／ｈ以上の精度で）測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における超音波振動子の外観図である。
【図２】上記第１実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図３】上記第１実施形態における超音波流量計の断面図である。
【図４】上記第１実施形態における超音波流量計の断面図である。
【図５】（Ａ）上記第１実施形態の超音波振動子におけるインピーダンスの周波数特性の実測値を示す図、（Ｂ）上記第１実施形態の超音波振動子におけるインピーダンスの周波数特性の解析値を示す図である。
【図６】（Ａ）上記第１実施形態における超音波振動子の主共振の解析結果を示す図、（Ｂ）上記第１実施形態における超音波振動子の２次共振の解析結果を示す図である。
【図７】（Ａ）上記第１実施形態における超音波振動子の主共振の解析結果を示す図、（Ｂ）上記第１実施形態における超音波振動子の２次共振の解析結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態における超音波振動子の断面図である。
【図１０】整合層の面積と感度低下率（送信）の関係を示すグラフである。
【図１１】整合層の面積と感度低下率（送受信）の関係を示すグラフである。
【図１２】（Ａ），（Ｂ）は板状部材が円形ピストンの場合の超音波振動子の指向性と感度について説明するための超音波振動子の模式例の正面図及び断面側面図である。
【図１３】超音波振動子のインピーダンスと周波数との関係を示すグラフである。
【図１４】超音波振動子の位相と周波数との関係を示すグラフである。
【図１５】理想的な電流型回路を示す説明図である。
【図１６】理想的な電流型回路を示す説明図である。
【符号の説明】
１…超音波振動子、２…支持体、３…板状部材、４…音響整合層、５…フランジ部、６…圧電体、７…端子板、８ａ，８ｂ…端子、９…絶縁物、１０…導電性ゴム、１１…流量測定部、１２…側壁部、１３…側壁部、１４…シール材、１５…上板部、１６…流路断面、１７…超音波振動子、１８…超音波振動子、１９…振動子取り付け穴、２０…振動子取り付け穴、２１…シール材、２２…シール材、３０…接着層、３１…接着層、３２…有底状ケース、１００…超音波流量計、１００ａ…入口路、１００ｂ…出口路、１０１…計測回路、１０２…流量演算手段。
【図１】
0003629481.tif 000013
【図２】
0003629481.tif 000014
【図３】
0003629481.tif 000015
【図４】
0003629481.tif 000016
【図５】
0003629481.tif 000017
【図６】
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【図７】
0003629481.tif 000019
【図８】
0003629481.tif 000020
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003629481.tif 000023
【図１２】
0003629481.tif 000024
【図１３】
0003629481.tif 000025
【図１４】
0003629481.tif 000026
【図１５】
0003629481.tif 000027
【図１６】
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