(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面形状が平行な辺を有する多角形である板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の第１面側に固定された、平面形状が平行な辺を有する多角形から選ばれる形状の成形体からなる振動増幅手段部を有する超音波の送受信素子であって、
前記振動増幅手段部が、一側面から対向する他の側面まで貫通して形成された１または複数の空間部を有しているものである、超音波の送受信素子。
【請求項２】
前記多角形が、長方形、正方形または平行な辺を有する六角形である、請求項１記載の超音波の送受信素子。
【請求項３】
前記多角形が、平行な辺を有する五角形（正五角形を除く）である、請求項１記載の超音波の送受信素子。
【請求項４】
前記圧電素子と前記振動増幅手段部の平面形状がいずれも長方形であり、
前記圧電素子が長辺長さ／短辺長さ＝１．２〜５．０のものであり、
前記圧電素子の投影面積（Ａ１）と前記振動増幅手段部の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２の関係を有しているものであり、
前記貫通した空間部が、前記振動増幅手段の一側面から対向する他の側面まで形成された凹部と、前記圧電素子の第１面で形成されたものである、請求項２記載の超音波の送受信素子。
【請求項５】
前記圧電素子と前記振動増幅手段部の平面形状がいずれも長方形であり、
前記圧電素子が長辺長さ／短辺長さ＝１．２〜５．０のものであり、
前記圧電素子の投影面積（Ａ１）と前記振動増幅手段部の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２の関係を有しているものであり、
前記貫通した空間部が、前記振動増幅手段部のみを一側面から対向する他の側面まで貫通して形成されたものである、請求項２記載の超音波の送受信素子。
【請求項６】
前記圧電素子と前記振動増幅手段部の平面形状がいずれも長方形であり、
前記圧電素子が長辺長さ／短辺長さ＝１．２〜５．０のものであり、
前記圧電素子の投影面積（Ａ１）と前記振動増幅手段部の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２の関係を有しているものであり、
前記貫通した空間部が、前記振動増幅手段部のみを一側面から対向する他の側面まで貫通して形成されたものであり、かつ、前記貫通した空間部が、前記振動増幅手段部の前記圧電素子側の第１面から厚さ方向反対側の第２面までの厚さ範囲のうち、中間位置または前記圧電素子に近い位置に形成されているものである、請求項２記載の超音波の送受信素子。
【請求項７】
前記圧電素子と前記振動増幅手段部の平面形状がいずれも長方形であり、前記圧電素子が長辺長さ／短辺長さ＝１．２〜５であり、および前記圧電素子の投影面積（Ａ１）と前記振動増幅手段部の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２であり、
前記振動増幅手段部が、長さ方向両端側の第１平板部と第２平板部を有しており、さらに第１平板部と第２平板部の間に凸部を有しているものであり、
前記第１平板部と前記第２平板部が前記圧電素子の第１面に固定されており、
前記凸部と前記圧電素子の第１面との間に幅方向に貫通した空間部を有している、請求項２記載の超音波の送受信素子。
【請求項８】
前記板状の圧電素子が、厚さ方向に貫通した穴を有しているものである、請求項１〜７のいずれか１記載の超音波の送受信素子。
【請求項９】
前記振動増幅手段部が、合成樹脂または金属からなるものである、請求項１〜８のいずれか１記載の超音波の送受信素子。
【請求項１０】
前記振動増幅手段部が、繊維状充填材を含有する合成樹脂からなるものである、請求項１〜８のいずれか１記載の超音波の送受信素子。
【請求項１１】
前記振動増幅手段部が熱可塑性樹脂からなるものであり、前記熱可塑性樹脂が、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂から選ばれるものである、請求項１〜８のいずれか１記載の超音波の送受信素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の超音波の送受信素子を備えた超音波の送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の送受信素子とそれを使用した超音波の送受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスなどの圧電素子は、力を加えると電気エネルギーを発生させ、反対に電気エネルギーを加えると伸縮して力を発生させる。このため、このような性質を利用して、様々な分野で使用されている。
【０００３】
特許文献１には、圧電振動子と筐体からなる超音波センサの発明が記載されている（請求項１）。圧電振動子は、円形の金属板と圧電セラミックスからなるものが使用されている（図１、段落番号０００９）。
この超音波センサは、筐体が必要であることから大型化するという問題がある。
【０００４】
特許文献２には、超音波発生素子１を備えた超音波発生デバイス100が図１、図２に示されている。
超音波発生素子１は、枠体２、第１のバイモルフ型圧電振動子３、第２の第１のバイモルフ型圧電振動子４を備えている（段落番号００２５）。枠体２は、セラミックスからなり、第１のバイモルフ型圧電振動子３は、矩形で平板状の圧電セラミックス３ａからなり、第２の第１のバイモルフ型圧電振動子４は、矩形で平板状の圧電セラミックス４ａからなることが記載されている（段落番号００２６〜００２８）。
この超音波発生素子１は、構造が複雑であることと、セラミックスを積層したものであることから割れやすく、耐久性が劣るという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２８８１３号公報
【特許文献２】特開２０１３−８８２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、全体を小型化することができ、耐久性も高めることができる超音波の送受信素子と、それを使用した超音波の送受信装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、平面形状が多角形、円形および楕円形から選ばれる形状である板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の第１面側に固定された、平面形状が多角形、円形および楕円形から選ばれる形状の成形体からなる振動増幅手段部を有する超音波の送受信素子であって、
前記振動増幅手段部が、一側面から対向する他の側面まで貫通して形成された１または複数の空間部を有しているものである、超音波の送受信素子を提供する。
【０００８】
本発明の送受信素子は、電圧を印加することで圧電素子を面方向（長さ方向）に伸縮させ、その伸縮による振動を振動増幅手段部で増幅することで超音波を発信する送信素子として機能する。
本発明の送受信素子は、超音波を受信したとき、振動増幅手段部で増幅して圧電素子に振動として伝達し、圧電素子を面方向（長さ方向）に伸縮させて電気エネルギーに変換することで超音波を検知する受信素子として機能する。
本発明の送受信素子は、幅方向に貫通した空間部を有するものであることから、超音波を送信するときは増幅して送信し、超音波を受信するときは増幅して圧電素子に伝達する機能が高められている。
本発明の超音波の送受信素子は、超音波の送受信装置に使用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の送受信素子は、小型化することができ、耐久性も高い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明の超音波の送受信素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は（ａ）とは別実施形態の超音波の送受信素子の斜視図。
【図２】圧電素子と振動増幅手段部の平面形状を説明するための図。
【図３】（ａ）は本発明の別実施形態である超音波の送受信素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は（ａ）とは別形態の超音波の送受信素子の正面図、（ｄ）は、さらに（ａ）とは別実施形態の超音波の送受信素子の斜視図。
【図４】（ａ）は本発明のさらに別実施形態である超音波の送受信素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）とは別実施形態である超音波の送受信素子の斜視図。
【図５】（ａ）は本発明のさらに別実施形態である超音波の送受信素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）の正面図。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本発明のさらに別実施形態である超音波の送受信素子の平面図。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は、本発明のさらに別実施形態である超音波の送受信素子で使用する圧電素子の平面図。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のさらに別実施形態である平面形状が正方形の超音波の送受信素子の斜視図。
【図９】実施例と比較例の送受信素子の性能を試験するための試験装置を使用した測定方法の説明図であり、（ａ）は前記試験装置の側面図、（ｂ）は前記試験装置の部分平面図、（ｃ）は部分拡大図。
【図１０】実施例６で使用した送受信素子の正面図と斜視図。
【図１１】実施例６における受信感度の測定方法の説明図。
【図１２】実施例７の測定結果を示した図。
【図１３】実施例８、９で使用した送受信素子の正面図と斜視図。
【図１４】（ａ）は実施例１０〜１４で使用した送受信素子の平面図、正面図および右側面図、（ｂ）は前記送受信素子の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（１）図１に示す超音波の送受信素子
図１に示す超音波の送受信素子１は、板状の圧電素子１０と振動増幅手段部２０を有するものであり、板状の圧電素子１０の第１面１１側に振動増幅手段部２０が固定されている。
【００１２】
図１に示す板状の圧電素子１０は、交流電圧を印加することで面方向（長さ方向）に収縮する性質を有しているものである。
板状の圧電素子１０は、平面形状が長方形のものである。板状の圧電素子１０は、長辺長さ／短辺長さ＝１．２〜５．０が好ましく、１．５〜４．０がより好ましい。
短辺の長さは、２〜１５ｍｍが好ましく、２〜１０ｍｍがより好ましく、３〜８ｍｍがさらに好ましい。
板状の圧電素子１０における長方形は、例えば、図２（ａ）に示すとおり、長方形の四隅の角が丸みを帯びているもの（但し、丸みを帯びていない角があってもよい）、図２（ｂ）に示すとおり、長方形の四隅の角が直線で切断されたもの（但し、直線で切断されていない角があってもよい）、図２（ｃ）に示すとおり、丸みを帯びているものと直線で切断されたものが混在しているものも含まれる。
さらに長方形の四隅の角のうちの１〜４箇所が丸みを帯びているものの場合、図２（ａ）に示すとおり、凸形状に丸みを帯びているものと、図２（ｄ）に示すとおり、凹形状に丸みを帯びているものが含まれる。
圧電素子１０は、公知のチタン酸ジルコン酸亜鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックス素子からなるものが好ましく、ＰＺＴがより好ましい。
圧電素子１０は、使用時には図示していないリードワイヤやフレキシブルケーブルを介して電源と電気的に接続される。
【００１３】
図１に示す振動増幅手段部２０は、平面形状は長方形である。
振動増幅手段部２０における長方形は、板状の圧電素子１０と同様に図２（ａ）〜（ｄ）に示す形状のものを含む。
振動増幅手段部２０は、底面２１、第１側面２２、第１側面２１と幅方向反対側の第２側面２３、第１端面２４、第１端面２４と長さ方向反対側の第２端面２５を有している。
振動増幅手段部２０は、さらに底面２１の長さ方向の両端部２１ａ、２１ｂ（第１端面２４、第２端面２５）側において、同一方向側に垂設された第１脚部２６と第２脚部２７を有している。
【００１４】
超音波の送受信素子１は、振動増幅手段部２０における振動増幅機能を向上させるため、第１側面２２から第２側面２３まで貫通した空間部３０を有している。
空間部３０は、振動増幅手段部２０の底面部２１、第１脚部２６および第２脚部２７からなる凹部と圧電素子の第１面１１により囲まれて形成されている。
ここで、超音波の送受信素子１は、さらに空間部３０に加えて、第１端面２４から第２端面２５まで貫通した空間部を有していてもよい。これらの２つの空間部を形成したときは、２つの空間部は内部で繋がっている。
【００１５】
振動増幅手段部２０の高さ（厚さ）Ｈと空間部３０の高さＨ１の比は、Ｈ１／Ｈが０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８が好ましい。
振動増幅手段部２０の長さＬと空間部３０の長さＬ１の比は、Ｌ１／Ｌが０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８が好ましい。
【００１６】
圧電素子１０と振動増幅手段部２０は、圧電素子１０の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部２０の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２であることが好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜２．０がより好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．８がさらに好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．６が特に好ましい。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）は、圧電素子１０の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部２０の投影面積（Ａ２）がＡ１＝Ａ２の実施形態である。
振動増幅手段部２０は、第１脚部２６と第２脚部２７が圧電素子１０の第１面１１の全面に対して固定されている。
図１では、第１面１１の反対面である第２面１２には振動増幅手段部２０は固定されていないが、第２面１２側にも振動増幅手段部２０が固定されていてもよい。
圧電素子１０と振動増幅手段部２０は、接着剤で固定一体化する方法、インサート成形法を適用して固定一体化する方法により製造することができる。
【００１８】
図１（ｃ）は、圧電素子１０の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部２０の投影面積（Ａ２）がＡ１＜Ａ２の実施形態である。
圧電素子１０は、第１面１１の全面と長さ方向両側の側面１０ａ、１０ｂも振動増幅手段部２０と接触した状態で接着剤などにより固定されており、第２面１２と空間部３０に面した部分を除いて振動増幅手段部２０に埋設された状態になっている。
図１（ｃ）の送受信素子１では、底面２１の反対面側は、圧電素子１０の第２面１２と振動増幅手段部２０が面一となっているため平坦面である。
Ａ１＜Ａ２であるとき、図１（ｃ）の実施形態にすることで、超音波素子１の全ての面が平坦面になるため、取り扱い性が良く、超音波の送受信装置に使用するときにも、他の部品と組み合わせが容易である。
【００１９】
振動増幅手段部２０は、合成樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）または金属からなるものが好ましい。合成樹脂または金属であれば、セラミックスと比べると耐久性は優れている。さらに軽量化と防錆性の観点からは熱可塑性樹脂が好ましい。
振動増幅手段部２０を形成する材質を変えることで、同形状および同寸法であっても、共振周波数を変えることができる。
振動増幅手段部２０が熱可塑性樹脂からなるものであるときは、例えば射出成形などの方法により成形することができ、熱硬化性樹脂からなるものであるときは、プレポリマーの状態で成形した後で硬化させる方法により成形することができる。
振動増幅手段部２０が金属からなるものであるときは、切削加工、複数の部材の張り合わせ、プレス加工などの方法により成形することができる。
【００２０】
熱可塑性樹脂としては、環状オレフィン系樹脂（エチレン−ノルボルネン共重合体など）、スチレン系樹脂（シンジオタクチックポリスチレン樹脂など）、ポリアセタール系樹脂（ポリオキシメチレンなど）、ポリエステル系樹脂（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリアルキレンアリレート、ポリアリレート樹脂、ポリグリコール酸系樹脂、液晶ポリエステルなど）、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド系樹脂（脂肪族ポリアミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂など）、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリアリールケトン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル系樹脂、ポリベンズイミダゾール系樹脂、液晶ポリマー（液晶ポリエステルは除く）、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂を挙げることができる。
熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂が好ましい。
【００２１】
熱硬化性樹脂は、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レソルシノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ビニルウレタンなどを挙げることができる。
【００２２】
振動増幅手段部２０を構成する合成樹脂は、公知の繊維状充填材、公知の粒子状充填材を含有することができる。
前記合成樹脂からなる振動増幅手段部２０が繊維状充填材を含有するときは、前記繊維状充填材が一方向に配向されていてもよいし、配向されていなくてもよい（ランダムでもよい）。
公知の繊維状充填材としては、無機系の繊維状充填材、金属系の繊維状充填材、有機系の繊維状充填材を使用することができる。
これらの繊維状充填材は、必要に応じて、エポキシ系化合物、イソシアネート系化合物、シラン系化合物、チタネート系化合物などで表面処理することもできる。
【００２３】
無機系の繊維状充填材としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維（シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化硼素繊維、窒化珪素繊維、チタン酸カリウム繊維など）を挙げることができる。
金属系の繊維状充填材としては、ステンレス繊維、アルミニウム繊維、チタン繊維、銅繊維、真鍮繊維などを挙げることができる。
有機系の繊維状充填材としては、アラミド繊維、フッ素樹脂繊維、アクリル繊維などを挙げることができる。
【００２４】
粒子状充填材は、繊維よりも短い粒状ないし粉状のものであり、ガラスビ−ズ、タルク、カオリン、ワラストナイト、マイカ、シリカ、アルミナ、ケイソウ土、クレー、セッコウ、ベンガラ、グラファイト、炭酸カルシウム、二酸化チタン、酸化亜鉛、銅、ステンレスなどの粉状物、水酸化アルミニウム、ドロマイト、雲母粉、炭化ケイ素、ガラス粉、カーボン、グラファイト、硫酸バリウム、ボロンナイトライド、窒化ケイ素などを挙げることができる。
【００２５】
合成樹脂に対する繊維状充填材の配合量は、合成樹脂と繊維状充填材の合計量中、繊維状充填材の含有割合は５〜６０質量％が好ましく、１０〜５０質量％がより好ましい。
合成樹脂に繊維状充填材や粒子状充填材を含有させることで、同形状、同寸法および同材質の振動増幅手段部２０を使用した送受信素子であっても、共振周波数を変動させることができる。
例えば、ガラスおよびカーボンからなる充填材を配合すると共振周波数を高くすることができ、有機材料からなる充材を配合すると共振周波数を低くできることが考えられる。
さらに前記繊維状充填材や粒子状充填材の含有量を増加または減少させることで、同形状、同寸法および同材質の振動増幅手段部２０を使用した送受信素子であっても、共振周波数を高くしたり、低くしたりすることができる。
送受信素子を含む装置（超音波の送受信装置）は、種類（用途）に応じて最適な周波数（共振周波数）を有しているものであるが、前記繊維状充填材や粒子状充填材の含有量を調整することで共振周波数を制御できるため好ましい。
また送受信素子を含む装置（超音波の送受信装置）は、同形状、同寸法および同材質からなり、繊維状充填材や粒子状充填材の含有量を段階的に変化させた複数の振動増幅手段部２０と圧電素子１０の組み合わせからなる送受信素子を複数組み合わせて使用することで、一つの装置で複数の共振周波数を発信したり、受信したりすることができる。
【００２６】
熱可塑性樹脂には、さらに必要に応じて、着色剤（染料および顔料）、滑剤、安定剤（酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、光安定剤など）、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、アンチブロッキング剤などを配合することができる。
【００２７】
振動増幅手段部２０を構成する合成樹脂が繊維状充填材を含有するときは、繊維状充填材が一方向に配向された状態で熱可塑性樹脂により一体成形された複合体からなるテープを使用することができる。
このようなテープとしては、特許第５５９２７７５号公報に記載の炭素繊維と芳香族ポリアミド樹脂又は脂肪族ポリアミド樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープ、特開２０１２−８６５４８号公報に記載の無機繊維（炭素繊維は含まない）とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる無機繊維テープ、特開２０１２−１０７１８９号公報に記載の炭素繊維とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープ、特開２０１２−１０７１９０号公報に記載の有機繊維とオレフィン系樹脂を含む複合体からなる有機繊維テープを使用することができる。
また、サンワトレーディング（株）から販売されているテンカテ社のＵＤテープ（繊維：カーボン、アラミド、ガラス，樹脂：ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ナイロン６、ＰＥＩ、ＨＤＰＥ）を使用することができる。
上記テープを使用した場合には、繊維状充填材を所望方向に配向させることができる。
【００２８】
振動増幅手段部２０が合成樹脂からなるものであるときには、さらに必要に応じて、着色剤（染料および顔料）、滑剤、安定剤（酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、光安定剤など）、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、アンチブロッキング剤などを配合することができる。
【００２９】
金属としては、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ステンレスおよびそれらの合金などを使用することができる。
【００３０】
（２）図３に示す超音波の送受信素子
図３（ａ）に示す超音波の送受信素子100は、板状の圧電素子110と振動増幅手段部120を有するものである。
図３（ａ）に示す板状の圧電素子110は、平面形状が長方形のものであり、図１に示す板状の圧電素子１０と同じものであり、図２（ａ）〜（ｄ）の形状のものも含む。
【００３１】
図３（ａ）に示す振動増幅手段部120は、平面形状は長方形であり、かつ板状の圧電素子110と同じ大きさの成形体である。
振動増幅手段部120における長方形は、板状の圧電素子１０と同様に図２（ａ）〜（ｄ）の形状のものも含む。
【００３２】
振動増幅手段部120は、第１底面121、第１底面121と厚さ方向反対側の第２底面122、第１側面123、第１側面123と幅方向反対側の第２側面124、第１端面125、第１端面125と長さ方向反対側の第２端面126を有している。
振動増幅手段部120は、図３（ａ）、（ｂ）に示すとおり、全体が一つの成形体からなるものでもよい。
また振動増幅手段部120は、図３（ｃ）に示すとおり、図１に示す振動増幅手段部２０と同形状の第１振動増幅手段部120aと平板形状の第２振動増幅手段部120bが接着剤などで一体にされたものでもよい。図３（ｃ）では、一つの振動増幅手段部120が２つの部材の組み合せから形成されているが、３つ以上の部材の組み合わせで形成されていてもよい。
振動増幅手段部120は、第２底面122が圧電素子110の第１面111に対して固定されている。
図３では、第１面111の反対面である第２面112には振動増幅手段部120は固定されていないが、第２面112側にも振動増幅手段部120が固定されていてもよい。
圧電素子110と振動増幅手段部120は、接着剤で固定一体化する方法、インサート成形法を適用して固定一体化する方法により製造することができる。
【００３３】
超音波の送受信素子100は、振動増幅手段部120における振動増幅機能を向上させるため、第１側面123から第２側面124まで貫通した空間部130を有している。
空間部130は、振動増幅手段部120のみに形成されており、図１に示す送受信素子１のように圧電素子とは接していない。
空間部130は、振動増幅手段部120の第１底面121と第２底面122の両方から等距離の位置（高さＨの中間位置）に形成されている。
ここで、超音波の送受信素子100は、さらに空間部130に加えて、第１端面125から第２端面126まで貫通した空間部を有していてもよい。これらの２つの空間部を形成したときは、２つの空間部は内部で繋がっている。
【００３４】
振動増幅手段部120の高さ（厚さ）Ｈと空間部130の高さＨ２の比は、Ｈ２／Ｈが０．２〜０．８が好ましく、０．３〜０．７が好ましい。
振動増幅手段部120の長さＬと空間部130の長さＬ２の比は、Ｌ２／Ｌが０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８が好ましい。
【００３５】
圧電素子110と振動増幅手段部120は、圧電素子110の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部120の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２であることが好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜２．０がより好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．８がさらに好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．６が特に好ましい。
【００３６】
図３（ａ）は、圧電素子110の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部120の投影面積（Ａ２）がＡ１＝Ａ２の実施形態である。
振動増幅手段部120は、圧電素子110の第１面111の全面に対して接着剤などにより固定されている。
【００３７】
図３（ｄ）は、圧電素子110の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部120の投影面積（Ａ２）がＡ１＜Ａ２の実施形態である。
圧電素子110は、第１面111の全面と長さ方向両側の側面110ａ、110ｂも振動増幅手段部120と接触した状態で接着剤などにより固定されており、第２面112を除いて振動増幅手段部120に埋設された状態になっている。
図３（ｄ）の送受信素子100では、底面121の反対面側は、圧電素子110の第２面112と振動増幅手段部120が面一となっているため平坦面である。
Ａ１＜Ａ２であるとき、図３（ｄ）の実施形態にすることで、超音波素子100の全ての面が平坦面になるため、取り扱い性が良く、超音波の送受信装置に使用するときにも、他の部品と組み合わせが容易である。
【００３８】
振動増幅手段部120は、振動増幅手段部２０と同様の熱可塑性樹脂または金属からなるものが好ましい。熱可塑性樹脂または金属であれば、セラミックスと比べると耐久性は優れている。さらに軽量化と防錆性の観点からは熱可塑性樹脂が好ましい。
【００３９】
（３）図４に示す超音波の送受信素子
図４に示す超音波の送受信素子200は、板状の圧電素子210と振動増幅手段部220を有するものである。
図４に示す板状の圧電素子210は、平面形状が長方形のものであり、図１に示す板状の圧電素子１０と同じものであり、図２（ａ）〜（ｄ）の形状のものも含む。
【００４０】
図４に示す振動増幅手段部220は、平面形状は長方形であり、かつ板状の圧電素子210と同じ大きさの成形体である。
振動増幅手段部220における長方形は、板状の圧電素子１０と同様に図２（ａ）〜（ｄ）の形状のものも含む。
振動増幅手段部220は、第１底面221、第１底面221と厚さ方向反対側の第２底面222、第１側面223、第１側面223と幅方向反対側の第２側面224、第１端面225、第１端面225と長さ方向反対側の第２端面226を有している。
振動増幅手段部220は、全体が一つの成形体からなるものであるが、図３（ｃ）で説明したとおり、複数の部材の組み合せから形成されているものでもよい。
振動増幅手段部220は、第２底面222が圧電素子210の第１面211に対して固定されている。
図４では、第１面211の反対面である第２面212には振動増幅手段部220は固定されていないが、第２面212側にも振動増幅手段部220が固定されていてもよい。
圧電素子210と振動増幅手段部220は、接着剤で固定一体化する方法、インサート成形法を適用して固定一体化する方法により製造することができる。
【００４１】
超音波の送受信素子200は、振動増幅手段部220における振動増幅機能を向上させるため、第１側面223から第２側面224まで貫通した空間部230を有している。
空間部230は、振動増幅手段部220のみに形成されており、図１に示す送受信素子１のように圧電素子とは接していない。
空間部230は、振動増幅手段部220の第１面221から第２面222までの厚さ範囲のうち、中間位置（第１底面221と第２底面222の両方から等距離の位置）よりも圧電素子210に近い位置に形成されている。
ここで、超音波の送受信素子200は、さらに空間部230に加えて、第１端面225から第２端面226まで貫通した空間部を有していてもよい。これらの２つの空間部を形成したときは、２つの空間部は内部で繋がっている。
【００４２】
振動増幅手段部220の高さ（厚さ）Ｈと空間部230の高さＨ３の比は、Ｈ３／Ｈが０．１〜０．５が好ましく、０．１５〜０．４が好ましい。
振動増幅手段部220の長さＬと空間部230の長さＬ３の比は、Ｌ３／Ｌが０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８が好ましい。
【００４３】
圧電素子210と振動増幅手段部220は、圧電素子210の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部220の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２であることが好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜２．０がより好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．８がさらに好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．６が特に好ましい。
【００４４】
図４（ａ）は、圧電素子110の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部120の投影面積（Ａ２）がＡ１＝Ａ２の実施形態である。
振動増幅手段部220は、圧電素子210の第１面211の全面に対して接着剤などにより固定されており、第１面211の反対面である第２面212には振動増幅手段部220は固定されていない。
【００４５】
図４（ｂ）は、圧電素子210の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部220の投影面積（Ａ２）がＡ１＜Ａ２の実施形態である。
圧電素子210は、第１面211の全面と長さ方向両側の側面210ａ、210ｂも振動増幅手段部220と接触した状態で接着剤などにより固定されており、第２面212を除いて振動増幅手段部220に埋設された状態になっている。
図４（ｂ）の送受信素子200では、底面221の反対面側は、圧電素子210の第２面212と振動増幅手段部220が面一となっているため平坦面である。
Ａ１＜Ａ２であるとき、図４（ｂ）の実施形態にすることで、超音波素子200の全ての面が平坦面になるため、取り扱い性が良く、超音波の送受信装置に使用するときにも、他の部品と組み合わせが容易である。
【００４６】
振動増幅手段部220は、振動増幅手段部２０と同様の熱可塑性樹脂または金属からなるものが好ましい。熱可塑性樹脂または金属であれば、セラミックスと比べると耐久性は優れている。さらに軽量化と防錆性の観点からは熱可塑性樹脂が好ましい。
【００４７】
（４）図５に示す超音波の送受信素子
図５に示す超音波の送受信素子300は、板状の圧電素子310と振動増幅手段部320を有するものである。
図５に示す板状の圧電素子310は、平面形状が長方形のものであり、図１に示す板状の圧電素子１０と同じものである。
【００４８】
図５に示す振動増幅手段部320は、平面形状は長方形であり、板状の圧電素子310と同じ幅であるが、板状の圧電素子310よりも長くなっている。
圧電素子310と振動増幅手段部320は、圧電素子310の投影面積（Ａ１）と振動増幅手段部320の投影面積（Ａ２）がＡ１≦Ａ２であることが好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜５．０がより好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜４．５がさらに好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜４．０が特に好ましい。
【００４９】
振動増幅手段部320は、長さ方向両端側の第１平板部321と第２平板部322を有しており、さらに第１平板部321と第２平板部322の間に凸部323を有している。
凸部323は、平面部324と、平面部324の両端側から第１平板部321と第２平板部322に延ばされた第１傾斜面部325aと第２傾斜面部325bを有しているものである。第１傾斜面部325aが第１平板部321と一体になり、第２傾斜面部325bが第２平板部322と一体になっている。
振動増幅手段部320は、凸部323側の第１平板部321の一部と、凸部323側の第２平板部322の一部が圧電素子310の第１面311に接着剤などで固定されており、第１面311の反対面である第２面312には振動増幅手段部320は固定されていない。
【００５０】
超音波の送受信素子300は、振動増幅手段部320における振動増幅機能を向上させるため、幅方向（長方形の短辺方向）に貫通した空間部330を有している。
幅方向に貫通した空間部330は、振動増幅手段部320の凸部323と圧電素子の第１面311により挟まれて形成されている。
【００５１】
振動増幅手段部320の長さＬ10と空間部330を含む凸部323の高さＨ10の比は、Ｌ10／Ｈ10が１０〜２０が好ましく、１２〜１８が好ましい。
【００５２】
振動増幅手段部320は、振動増幅手段部２０と同様の熱可塑性樹脂または金属からなるものが好ましい。熱可塑性樹脂または金属であれば、セラミックスと比べると耐久性は優れている。さらに軽量化と防錆性の観点からは熱可塑性樹脂が好ましい。
【００５３】
図１〜図４に示す超音波の送受信素子１、100、200、300は、それぞれの板状の圧電素子と振動増幅手段部の平面形状が、長方形を除いた他の多角形、円形および楕円形から選ばれる形状であるものでもよい。
例えば、図６（ａ）〜（ｅ）に示すような、正方形、五角形（正五角形）、六角形（正六角形）、円形、楕円形にすることもできる。
これらの多角形の場合にも、それぞれの角部は図２（ａ）〜（ｄ）に示す形状のものにすることができる。
【００５４】
図１〜図４に示す超音波の送受信素子１、100、200、300は、それぞれの板状の圧電素子が厚さ方向に貫通孔を有しているものでもよい。
図７（ａ）は、平面形状が長方形の圧電素子８０Ａであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
図７（ｂ）は、平面形状が正方形の圧電素子８０Ｂであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
図７（ｃ）は、平面形状が正五角形の圧電素子８０Ｃであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
図７（ｄ）は、平面形状が正六角形の圧電素子８０Ｄであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
図７（ｅ）は、平面形状が円形の圧電素子８０Ｅであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
図７（ｆ）は、平面形状が楕円形の圧電素子８０Ｆであり、外側の枠部８１と内側の厚さ方向への貫通穴８２を有している。
【００５５】
図７（ａ）〜（ｆ）では貫通穴８２は一つであるが、圧電素子８０Ａ〜８０Ｆの強度を高めるため、枠部８１の内側に２または３以上の穴が分離されて形成されたものでもよい。
貫通穴８２の形状は、枠部８１と同じ形状でなくてもよいが、圧電素子の強度を高める点からは、円形または楕円形が好ましい。
【００５６】
枠部８１の幅は、圧電素子８０Ａ〜８０Ｆの強度を維持でき、振動増幅手段部を固定できる程度の幅である。例えば、図１に示す形状の振動増幅手段部２０を使用するときは、第１脚部２６と第２脚部２７を固定できる程度の幅である。
なお、振動増幅手段部は圧電素子８０Ａ〜８０Ｆに固定するものであるから、圧電素子８０Ａ〜８０Ｆの投影面積（Ａ１）は、圧電素子８０Ａ〜８０Ｆの貫通穴８２がないものの投影面積（Ａ１）となる。
このため、圧電素子８０Ａ〜８０Ｆの投影面積（Ａ１）とそれに固定する振動増幅手段部の投影面積（Ａ２）は、上記と同様にＡ１≦Ａ２であることが好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜２．０がより好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．８がさらに好ましく、Ａ２／Ａ１＝１．０〜１．６が特に好ましい。
【００５７】
圧電素子として、図７（ａ）〜（ｆ）のように貫通穴８２を有するものを使用すると、送受信素子を軽量化することができるほか、製造コストも低下させることができるため好ましい。
【００５８】
次に、超音波の送受信素子の板状の圧電素子と振動増幅手段部の平面形状を正方形にした実施形態を図８（ａ）〜（ｄ）により説明する。
図８（ａ）は、超音波の送受信素子400Ａが板状の圧電素子410と振動増幅手段部420からなり、空間部430Ａを有しているものであり、図１の超音波の送受信素子１に対応するものである。
図８（ｂ）は、超音波の送受信素子400Ｂが板状の圧電素子410と振動増幅手段部420からなり、空間部430Ｂを有しているものであり、図３の超音波の送受信素子100と図４の超音波の送受信素子200に対応するものである。
【００５９】
図８（ｃ）は、図８（ａ）において、２つの空間部430Ｃ、431Ｃを形成したものであり、図１の超音波の送受信素子１において２つの空間部を形成したものに対応するものである。
図８（ｄ）は、図８（ｂ）において、２つの空間部430Ｄ、431Ｄを形成したものであり、図３の超音波の送受信素子100と図４の超音波の送受信素子200において２つの空間部を形成したものに対応するものである。
【００６０】
次に、図１に示す超音波の送受信素子１の動作を説明する。
圧電素子１０に交流電流を流して電圧を印加すると、それにより圧電素子１０は面方向（長さ方向）に伸びたり縮んだりする伸縮を繰り返す。
圧電素子１０の面方向（長さ方向）の伸縮による振動を受けて、振動増幅手段部２０は厚さ方向（図１の上下方向）に振動する。前記上下方向の振動は空間部３０によって増幅されて、超音波として送信される。
逆に超音波を受信するときは、超音波による振動を振動増幅手段部２０が受けて上下方向に振動して増幅させ、その振動を受けた圧電素子１０が長さ方向に伸縮する。その後、前記伸縮により圧電素子１０が電気エネルギーを発生させるため、それにより超音波を検知することができる。
【００６１】
本発明の超音波の送受信装置は、上記した超音波の送受信素子を備えたものである。
また本発明の超音波の送受信装置は、上記した超音波の送受信素子を多数組み合わせたフェーズドアレイ型の超音波の送受信装置にすることもでき、特に平面形状が長方形のものがフェーズドアレイ型の超音波の送受信装置に適している。
フェーズドアレイ型の超音波の送受信装置にするときは、多数の送受信装置１が並列に配置されたものにすることができる。
【実施例】
【００６２】
実施例１〜５および比較例１
表１に示す材質および形状からなる送受信素子を製造した。各例とも圧電素子は、同じもの（ＰＺＴ；（株）富士セラミックス  Ｃ２１３）である。
【００６３】
（圧電素子の寸法）
実施例１〜３と比較例１：縦（長さ）１７ｍｍ、横（幅）５ｍｍ、厚み０．５ｍｍ
実施例４：縦（長さ）１７ｍｍ、横（幅）１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ
【００６４】
（振動増幅手段部の寸法）
実施例１（図１）：振動増幅手段部20の縦（長さ）Ｌ＝１７ｍｍ、横（幅）５ｍｍ、空間部30長さＬ１＝９ｍｍ、高さＨ＝２ｍｍ、空間部30高さＨ１＝１ｍｍ
実施例２（図３）：振動増幅手段部120の縦（長さ）長さＬ＝１７ｍｍ、横（幅）５ｍｍ、空間部130長さＬ２＝９ｍｍ、高さＨ＝３ｍｍ、空間部130高さＨ２＝１ｍｍ
実施例３（図４）：振動増幅手段部220の縦（長さ）Ｌ＝１７ｍｍ、横（幅）５ｍｍ、空間部230の長さＬ３＝９ｍｍ、高さＨ＝４．７５ｍｍ、空間部230の高さＨ３＝１ｍｍ
実施例４、５（図５）：振動増幅手段部320の縦（長さ）Ｌ10＝３０ｍｍ、横（幅）１０ｍｍ、空間部330の高さH10＝２ｍｍ、第１平板部321と第２平板部322長さ＝それぞれ１０．５ｍｍ、平面部324長さ７ｍｍ
比較例１：縦（長さ）１７ｍｍ、横（幅）５ｍｍ、高さ４．７５ｍｍの直方体（空間部なし）
【００６５】
実施例５を除いて、各例とも振動増幅手段部は射出成形して得た。実施例５の振動増幅手段部は、アルミニウム（Ａ５０５２）板を切削加工で作製した。
各例とも、圧電素子と振動増幅手段部は、いずれも同量のハンツマン・ジャパン（株）製の「Araldite  スタンダード」で接着した。
【００６６】
実施例と比較例の送受信素子を使用して、図９（ａ）、（ｂ）に示す装置により音圧を測定した。なお、圧電素子（ＰＺＴ）にはリードワイヤが接続された電極をはんだ付けした。
平坦な床面４０上に第１固定台５０と第２固定台５１を置き、第１固定台５０に送受信素子１を固定し、第２固定台５１にマイク６０を固定した。送受信素子１は、送受信素子１の長さ方向が図９の上下方向になるように置いた。
送受信素子１とマイク６０の距離は１ｍ、いずれも床面４０からの高さ１ｍの位置に固定した。なお、床面４０からの音響反射がないことを予め確認した。
送受信素子１に通電したときに送信される超音波を音圧としてマイク６０で測定した。
また、実施例４については、素子１の中心Ｏが固定された状態で、図９（ｃ）の軸Ｙに沿う位置から軸Ｚに沿う位置まで１０°ずつ変化させて、＋６０°〜−６０°まで合計１３箇所の位置においても測定した。
【００６７】
【表１】
0006683483.tif 000002
【００６８】
【表２】
0006683483.tif 000003
【００６９】
ＰＰＳ／ＣＦ３０％は、ＰＰＳ７０質量％とＣＦ（炭素繊維）３０質量％からなるものを示す。なお、振動増幅手段部中、ＣＦは配向されておらず、ランダム状態で含有されている。以下の実施例において繊維状充填材を含むものも同様である。
投影面積は、実施例１〜３（図１、図３、図４）と比較例１は平面積であり、実施例４、５（図５）は、第１傾斜面部325aと第２傾斜面部325bも平面で見たときの面積であることを示している。
周波数は、素子ごとの共振周波数を示す。共振周波数は素子の形状や大きさにより異なる。
実施例と比較例との対比から、空間部の有無により音圧に違いが生じることが確認できた。
【００７０】
実施例６（受信感度）、比較例２
実施例６は、図４と同じ構造の送受信素子１を送信側素子１Ａ、受信側に受信側素子１Ｂとして使用した。
（送受信素子）
圧電素子：(株)富士セラミックスのＣ２１３（長さ１７ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）
振動増幅手段部：図１０に示す寸法のもの（ＰＰＳ／ＣＦ３０％）
比較例２は、受信側素子１Ｂに代えて、市販の受信素子（日本セラミック(株)のPR40-18N）を受信側素子として使用した。
【００７１】
図１１に示すとおり、送信側素子１Ａと受信側素子１Ｂをそれぞれの振動増幅手段部が対向するように水平台上に配置した。
図１１に示す状態にて、送信側素子１Ａから発信した超音波を受信側素子１Ｂで受信して計測した。
送信側素子１Ａからの発信は、送信側素子１Ａの圧電素子側から３０ｃｍの位置においた超音波マイクによって、１３０ｄＢの発信強度を有する４０ｋＨｚの周期電圧をかけて行った。
発信側素子１Ａと受信側素子１Ｂの距離を１０ｃｍ〜１００ｃｍの間で変化させたときの受信電圧をオシロスコープにより検出して、受信感度を評価した。結果を表３に示す。
【００７２】
【表３】
0006683483.tif 000004
【００７３】
実施例６と比較例２では、距離に拘わらず実施例６の受信感度が高かった。また、実施例６は、距離１０ｃｍを基準としたときの感度の低下率も小さかった。
【００７４】
実施例７（指向性）
実施例６と同じ送受信素子を使用して、図９（ａ）、（ｂ）に示す装置により実施例４と同様にして音圧を測定した。但し、送受信素子は、送受信素子の長さ方向が図９の上下方向と直交する方向になるように置き、マイク６０との距離は３０ｃｍとし、＋９０°〜−９０°まで１０°ずつ変化させた。結果を図１２に示す。
図１２は、正面）（角度０°）の音圧を０ｄＢとしたときの音圧の低下を示している。
【００７５】
実施例８〜１１（共振周波数の制御）
実施例６と同じ送受信素子であり、振動増幅手段部が図１３に示す寸法のものを使用した。
図９（ａ）に示す装置を使用して、送受信素子に対して１０〜６０ｋＨｚの周波数の交流電圧を印加したときの最も音圧の高い周波数を共振周波数として測定した。但し、送受信素子は、送受信素子の長さ方向が図９の上下方向と直交する方向になるように置き、送受信素子とマイク６０との距離は３０ｃｍとした。結果を表４に示す。
【００７６】
【表４】
0006683483.tif 000005
【００７７】
表４から明らかなとおり、同形状で同寸法の送受信素子であっても、材質を変化させることで共振周波数を変えることができた。
この結果から、材質を変化させることで共振周波数を制御できることが確認できた。
【００７８】
実施例１２〜１６
図８（ｄ）に示す送受信素子であり、図１４に示す形状および寸法の送受信素子を使用した。
（送受信素子）
圧電素子：(株)富士セラミックスのＣ２１３（長さ１７ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み０．５ｍｍ）
振動増幅手段部：図１４に示す寸法のもの。
【００７９】
図９（ａ）に示す装置を使用して、送受信素子に対して１０〜１００ｋＨｚの周波数の交流電圧を印加したときの最も音圧の高い周波数を共振周波数として測定した。但し、送受信素子とマイク６０との距離は３０ｃｍとした。
その後、共振周波数において高電圧を印加したときの音圧（ｄＢ）を測定した。結果を表５に示す。
【００８０】
【表５】
0006683483.tif 000006
【００８１】
表５から明らかなとおり、同形状で同寸法の送受信素子であっても、材質を変化させることで共振周波数を変えることができ、最大音圧を変えることができた。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の超音波の送受信素子とそれを使用した超音波の送受信装置は、被測定物までの正確な距離を測定するための手段として使用することができる。
そのほか、防犯用センサ、自動車用障害物検知センサ、自動走行台車（ロボット台車）、ドローンなどの障害物および距離検知センサ、自動手洗い機用センサ、自動ドアセンサなどの各種人検知センサ、自動車洗車機用などの各種物体移動検知センサ、踏切の自動車検知センサ、駐車場の管理システム用センサ、ゴルフカート衝突防止用センサ、モノレール用車両衝突防止センサ、ヘリコプター用障害物検知センサ、果樹などへの無人薬剤散布センサ、スポットクーラー用人追尾センサ、コンベア上の物体検出センサ、入浴者の安全監視センサ、介護および福祉施設などにおける人の見守りセンサ、冷凍庫、サウナ風呂などにおける人の安全監視センサ、容器内の内容物量の検知センサ、コピー機における紙の二枚送り検知センサおよび紙切れ検知センサなどに使用することができる。
さらにその他の用途として、屋内および屋外におけるねずみなどの小動物の忌避装置、屋外における鳥（カラスなど）、猪、鹿、猿、害虫などの忌避装置として使用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１  超音波の送受信素子
１０  圧電素子
２０  振動増幅手段部
２１  底面
２２  第１側面
２３  第２側面
２４  第１端面
２５  第２端面
２６  第１脚部
２７  第２脚部
３０  空間部
【図１】
0006683483.tif 000007
【図２】
0006683483.tif 000008
【図３】
0006683483.tif 000009
【図４】
0006683483.tif 000010
【図５】
0006683483.tif 000011
【図６】
0006683483.tif 000012
【図７】
0006683483.tif 000013
【図８】
0006683483.tif 000014
【図９】
0006683483.tif 000015
【図１０】
0006683483.tif 000016
【図１１】
0006683483.tif 000017
【図１２】
0006683483.tif 000018
【図１３】
0006683483.tif 000019
【図１４】
0006683483.tif 000020