(57)【要約】【課題】音響整合層の変形を防止し、優れた耐久性を有する超音波センサーを得ることを目的とする。【解決手段】少なくとも圧電素子２と第一音響整合層３からなり、第一音響整合層３の厚さ、或いは直径を規定することにより、接合界面に発生するせん断力を緩和することで、第一音響整合層３と第一音響整合層３と接合される部材との接合界面において不可逆変形を及ぼさないようにすることで、優れた耐久性を有する超音波センサー１を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも圧電素子と音響整合層からなり、
前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つ超音波センサー。
【請求項２】
前記音響整合層の厚みを、前記接合面に生じるせん断力により、前記音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない厚さとした請求項１に記載の超音波センサー。
【請求項３】
前記音響整合層の接合面の面積を、前記接合面に生じるせん断力により、前記音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない面積とした請求項１に記載の超音波センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に超音波の送受信を行う超音波センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
しかし、超音波を発生する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。
【０００４】
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場合は、
Ｚ２＾２＝Ｚ１×Ｚ３・・・（１）
を満たす場合である。
【０００５】
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。
【０００６】
更に、圧電素子で発生した超音波を高効率で気体に伝播させるためには、音響整合層を伝播する超音波のエネルギー損失を低く抑えることが必要となる。音響整合層を伝播する超音波のエネルギー損失の大きな要素は、音響整合層を変形させることにより熱として散逸してしまうことである。従って、音響整合層として用いる物質は変形し難い（弾性率が大きい）ことが条件となる。しかし、式（１）から判るように、音響整合層の音響インピーダンスＺ２は、気体の音響インピーダンスＺ３に近づけるため、固体の音響インピーダンスより大幅に小さくする必要がある。音響インピーダンスが小さい物質は、音速が遅く、密度が小さい物質ということになり、一般に変形しやすい物質である場合が多い。このような理由により、音響整合層として必要な特性をいずれも満たす物質は少ない。
【０００７】
これは、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３桁程度小さくする必要があるためである。
【０００８】
そこで、音響整合層を２層用いることで、高効率で超音波を伝達させる事が試みられてきた。気体に接し、超音波を放出する音響整合層を第一音響整合層、圧電素子と接する音響整合層を第二音響整合層と定義すると、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場合は式（１）より、
Ｚ４＾２＝Ｚ１×Ｚ２
Ｚ２＾２＝Ｚ３×Ｚ４
を満たす場合である。
ここで、Ｚ１：圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ２：第一音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ４：第二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。
【０００９】
ここで、第二音響整合層は、第一音響整合層に超音波を効率よく伝播させるため、変形によるエネルギー損失が小さくなる硬質（弾性率が大きい）な材料が望ましく、特に硬質な樹脂や金属が望ましい。
【００１０】
また、第一音響整合層は音響インピーダンスを下げるために、非常に軽量で硬質な素材が望ましく、特にポリメタクリルイミド樹脂の発泡体などの硬質な発泡樹脂が望ましい。
【００１１】
ところが、これらの硬質発泡樹脂は、吸湿による膨張を引き起こす。この結果、第一音響整合層と第二音響整合層の間で、吸水時の膨張率の差から生ずるせん断力により、接合界面付近に発泡樹脂の損傷などの不可逆変化が生じ、センサー感度の低下が起きる。同様に、接合する物体間の熱膨張率の差から生ずるせん断力により、接合界面付近に不可逆変化が生ずる現象が報告されており、この不可逆変化を抑制するための施策がとられてきた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４７０１０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の施策は、音響整合層外周に緩衝部材と封止材を取り付けることにより、音響整合層の膨張を制限し、接合界面付近に不可逆変化を抑制するものである。
【００１４】
しかし、熱膨張率は１０−５／Ｋ程度であるのに対し、吸湿による膨潤は１０−２程度と寸法に対する影響が大きい。また、緩衝部材や封止材を用いることで、部材点数が増えることによるコスト増加や、音響整合層外周に部材を取り付けることによるセンサーの大型化などの問題も生じる。
【００１５】
したがって、本発明は、超音波センサーの接合部材の膨張率の違いにより発生するせん断力を構造によって緩和し、接合界面付近に生じる不可逆変化を抑制することで、感度低下を引き起こさない構造を有する超音波センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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、少なくとも圧電素子と音響整合層からなり、前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つことを特徴とする。
【００１７】
そして、音響整合層の感度低下は接合部材の膨張率差から生じるせん断力によるものであり、このせん断力を低減させるようなセンサー構造とすることで感度低下を防止することができる。
【００１８】
ここで吸水により膨張しやすい材料と膨張しにくい材料を接合し高温多湿環境に投入した場合の、接合界面が不可逆変化を引き起こさないせん断力の条件について考える。吸水により膨張する材料の膨張率βから、ひずみと応力の関係より膨張時のひずみによる応力の大きさＡが求められる。しかし、材料底面が固定されている場合、固定されていることにより膨張が強制的に押し留められる力と変形する材料の厚さ方向の力全てが材料の末端部分に集中する。よって、接合界面の微小単位面積当たりにかかるせん断力Ｅｂｏｔｔｏ
ｍは、膨張率α、膨張時のひずみによる応力Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ、厚さｔ、直径Φを用いて、
Ｅｂｏｔｔｏｍ＝α・β・Φ・ｔ・Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ
と表せる。αは係数である。
【００１９】
接合界面付近の不可逆変化を抑制するには、接合界面付近の微小単位面積当たりにかかるせん断力Ｅｂｏｔｔｏｍが材料の破断応力Ｅｂｒｅａｋ以下であればよいので、
Ｅｂｒｅａｋ＞Ｅｂｏｔｔｏｍ
つまり
Ｅｂｒｅａｋ＞α・β・Φ・ｔ・Ｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ
を満たすように材料の厚さおよび直径を規定することが必要である。
【発明の効果】
【００２０】
超音波センサーの接合部材の膨張率の違いにより発生するせん断力を構造によって緩和し、接合界面付近に生じる不可逆変化を抑制することで、感度低下を引き起こさない構造を有する超音波センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（１）、（２）実施の形態１における超音波センサーの模式図
【図２】実施の形態１における超音波センサーの各実施例と比較例の特性を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、少なくとも圧電素子と音響整合層からなり、前記音響整合層と前記音響整合層と接合される部材の膨張率の差によって接合面に生じるせん断力による接合面付近の不可逆的な変形を抑制する構造を持つ超音波センサーである。
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の超音波センサーの実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
（超音波センサー）
図１（ａ）は、本開示の超音波センサーの一例を示す断面図である。超音波センサー１は、第一音響整合層３と圧電素子２を備える。圧電素子２は、圧電セラミックスによって構成され、厚さ方向に分極されている。圧電素子２は、有底筒状の金属製の筐体５の天板の内側に接合されており、開放端が端子板８で封止されている。
【００２５】
圧電素子２の両面に構成された電極の内、一方の電極はリード線９により引き出され端子６ａに接続さており、他方の電極は筐体５、端子板８を介して、端子板８に接続された端子６ｂと導通している。なお、端子６ａは絶縁材７により端子板８とは絶縁されている。第一音響整合層３は、筐体５の天板の外面に接合されている。
【００２６】
図１（ｂ）に示す超音波センサー１０は、図１（ａ）における第一音響整合層３と筐体５との間に、第二音響整合層４を挿入した構成としており、図１（ａ）の超音波センサー１に比べさらなる特性向上を図ることができる。
【００２７】
そして、第一音響整合層３は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してきた超音波を受波するためのもので、駆動交流電圧により励振される圧電素子２の機械的振動が外部の媒体に対して超音波として効率よく出ていき、到達した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有する。
【００２８】
本発明における第一音響整合層３に適した材料としては、気体と圧電素子の音響インピーダンス整合を考慮すると、クローズドポア構造の発泡樹脂で形成されており、複数の孔部とその隣接する壁部を備えた構成を持つ硬質樹脂発泡体が挙げられる。硬質樹脂発泡体の例として、硬質アクリル発泡体、硬質塩ビ発泡体、硬質ポリプロピレン発泡体、硬質ポリメタクリルイミド発泡体、硬質ウレタン発泡体が挙げられる。硬質アクリル発泡体の例として積水化成品工業株式会社のフォーマック、硬質塩ビ発泡体の例としてＪＦＣ株式会社のナビセル、硬質ポリプロピレン発泡体の例として積水化学株式会社のゼットロン、硬質ポリメタクリルイミド発泡体の例としてダイセル・エボニック株式会社のロハセルなどが販売されている。これらの密度は０．０７ｇ／ｃｍ３であることが好ましい密度条件である。
【００２９】
また、第一音響整合層３と第二音響整合層４を積層することで、気体に対する超音波センサーの特性向上が見込めるが、この時、第二音響整合層４としては、高密度樹脂や金属、ガラスバルーン（中空の微小なガラス球）含有軽量樹脂、第一音響整合層３には前述の硬質樹脂発泡体が材料として適している。
【００３０】
高密度樹脂の例として、硬質アクリル樹脂、硬質ウレタン樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂、ＡＢＳ樹脂が挙げられる。密度としては、０．５ｇ／ｃｍ３から２．０ｇ／ｃｍ３が好ましい。なお、最適である密度は１．３ｇ／ｃｍ３近傍が積層時に高特性を示す。
【００３１】
また、金属は圧電体の厚さ適正化部材としても働き、さらに筐体５とも接合が強固であることから信頼性の観点からも優れた材料である。ガラスバルーン含有軽量樹脂は、樹脂内にガラスバルーンによる空隙を設けたことにより、０．５ｇ／ｃｍ３程度まで密度が低減できる。さらに、表面にはガラスバルーンの半球が露出しており、多数の孔が空いているといった特徴を有する。
【００３２】
本実施の形態の超音波センサー１，１０は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、筐体５、圧電素子２、第一音響整合層３、および第二音響整合層４を用意する。第一音響整合層３及び第二音響整合層４は、予め、所望の厚さを有するように加工されている。筐体５おける天板の内面に接着剤などで圧電素子２を張り付ける。また、天板の外面に第一音響整合層３を張り付ける。音響整合層を２層とする場合は、天板の外面に第二音響整合層４を張り付け、さらに第二音響整合層上に第一音響整合層３を張り付ける。その後、端子板８で筐体５の開口部を封止し、圧電素子２と端子６ａ，６ｂ等との接続を行う。最後に、端子板８と端子６ａの隙間を、接着剤などを用いて絶縁材７で閉じることによって、超音波センサーが完成する。
（実施例）
以下、実施形態の超音波センサーを作製し、特性を調べた結果を説明する。
１．試料の作製
以下の実施例では、吸湿膨潤しやすい発泡体としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いている。密度０．０７ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド発泡樹脂の膨張率１％、破断応力１．５ＭＰａ膨張時のひずみによる応力０．３ＭＰａ、係数６．７６×１０＾７、半径１０ｍｍの条件から接合界面付近の不可逆変化を抑制する厚さは０．７４ｍｍであると分かった。また、密度０．０５ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド発泡樹脂の膨張率１％、破断応力０．８ＭＰａ膨張時のひずみによる応力０．０４ＭＰａ、補正係数６．７６×１０＾７、半径１０ｍｍの条件から接合界面付近の不可逆変化を抑制する厚さは３ｍｍであると分かった。なお、音響整合層の厚さは非接触式のレーザー変位測定器を用いて測定を行っている。
【００３３】
（実施例１）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
【００３４】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００３５】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００３６】
（実施例２）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
【００３７】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００３８】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００３９】
（実施例３）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００４０】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００４１】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００４２】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００４３】
（実施例４）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００４４】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００４５】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００４６】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００４７】
（実施例５）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００４８】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００４９】
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のアルミニウムを用いた。
【００５０】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。なお、参考として厚さ０．７０ｍｍについても作成し特性を調べた。
【００５１】
（実施例６）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００５２】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００５３】
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂を用いた。ＰＥＥＫ樹脂の密度は１．３ｇ／ｃｍ３であり、シミュレーションの結果から硬質発泡樹脂を積層構造にする際の最適な密度であることが分かっている。
【００５４】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。なお、参考として厚さ０．７０ｍｍについても作成し特性を調べた。
【００５５】
（実施例７）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００５６】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を
用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００５７】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００５８】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００５９】
（実施例８）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００６０】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００６１】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００６２】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．７４ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍが最適厚さとなるが、本実施例ではより薄い音響整合層を使用している。
【００６３】
（実施例９）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００６４】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００６５】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００６６】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０５ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
【００６７】
（比較例１）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１の作製を行った。
【００６８】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００６９】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
【００７０】
（比較例２）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００７１】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００７２】
第二音響整合層４として直径１０ｍｍの円板状のガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めたガラスエポキシを用いた。このガラスエポキシにおいて、センサーが発信する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓｅｃであった。密度は、０．５ｇ／ｃｍ３であったため、厚さは超音波発振波長の１／４になるよう１２５０μｍとした。
【００７３】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
【００７４】
（比較例３）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００７５】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００７６】
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のアルミニウムを用いた。
【００７７】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
【００７８】
（比較例４）
実施の形態１において、下記の通り超音波センサー１０の作製を行った。
【００７９】
圧電素子２として、厚さ３．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のチタン酸ジルコン酸鉛を
用いた。接着剤として、常温で液状であり、加熱により固化するエポキシ系の接着剤を用いた。筐体として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。
【００８０】
第二音響整合層４として厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状のＰＥＥＫ樹脂を用いた。
【００８１】
第一音響整合層３として、ポリメタクリルイミド樹脂を発泡して独立気泡からなる成型物とし、密度を０．０７ｇ／ｃｍとしたものを、厚さ０．８０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工し用いた。音響整合層の最も伝播効率が高くなる厚さは、音響整合層中を伝播する超音波の波長の１／４倍のであるため、０．８ｍｍは最適厚さとなる。
２．特性の評価
作製した超音波センサーの感度を測定した。測定方法は、作製した一対の超音波センサーを対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。また、接合の信頼性を確認する方法として恒温恒湿試験を実施し、試験実施後１日経過させたセンサーの感度特性測定によって評価した。図２にこれらの結果をまとめて示す。
【００８２】
また、信頼性については比較例１と同程度、もしくはそれ以上に感度低下しているものは「×」、比較例１に対して感度変化していない試料に「◎」、感度は低下していないが増加した試料に「〇」を記した。
【００８３】
図２に示すように、第一音響整合層３に使用したポリメタクリルイミド樹脂発泡体（密度０．０７ｇ／ｃｍ３）の厚みを規定値（０．７４ｍｍ）以下に設定することで、感度が低下しない優れた信頼性を得ることができる。感度低下したセンサーに関しては、試験実施後１週間経過しても感度は元に戻らないことから、音響整合層に不可逆変化が生じている。
【００８４】
また、第二音響整合層４にガラスエポキシを用いた場合、感度の変化率が鈍感になった。これはガラスエポキシの表面の孔がせん断力を緩和するように働いたためであると考えられる。
【００８５】
さらに、第一音響整合層３として、密度０．０５ｇ／ｃｍ３のポリメタクリルイミド樹脂発泡体を音響整合層に使用した時、膨潤時のひずみによる応力が密度０．０７ｇ／ｃｍ３に比べて低下することから、厚さ適応範囲が厚くなり、音響整合層中を伝搬する音波の波長λの略１／４の厚さである０．８ｍｍを用いても感度低下を引き起こさない。
【００８６】
以上から、音響整合層の厚みを、接合面に生じるせん断力により、音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない厚さとすることで、感度低下を引き起こさない超音波センサーを得られることが分かる。
【００８７】
なお、今回の実験においては、音響整合層の厚みに着目したが、音響整合層の端部にかかるせん断力は、音響整合層の中心からの距離に応じて増大するため、接合面積を小さくすることでも、せん断力を低減することができることから、音響整合層の接合面の面積を、接合面に生じるせん断力により、音響整合層の不可逆的な変形を引き起こさない面積とすることで同様の効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
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。特に、使用環境が、室内環境に比較して多湿環境で優れた耐久性を要する用途に、好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８９】
１、１０  超音波センサー
２  圧電素子
３  第一音響整合層（音響整合層）
４  第二音響整合層（音響整合層）
【図１】
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【図２】
2019193130.tif 000004