(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの多孔質板状体を主体とする超音波計測機器用の圧電素子であって、
気孔率が１５％以上３１％以下であり、
固有音響インピーダンスの平均値が２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下である
ことを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項２】
前記気孔率が２３％以上３１％以下であり、
前記固有音響インピーダンスの平均値が１５ＭＮ・ｓ／ｍ３以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項３】
前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線上にて互いに離間した２０以上の測定点を設定し、前記各測定点にて音速を測定したときの平均値が５２００ｍ／ｓ以下であり、かつ前記各測定点における前記音速の値が前記平均値の±５％以内であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項４】
前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線に沿った切断面において前記直線方向に互いに離間した位置に２０以上の微小測定領域を設定し、前記各微小測定領域にて空孔断面積を測定したときの平均値が３３μｍ２以上６５μｍ２以下であり、標準偏差σが２５μｍ２以上９５μｍ２以下であり、分散ＣＶが８０％以上１５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項５】
前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線に沿って切断した断面において前記直線方向に互いに離間した位置に２０以上の微小測定領域を設定し、前記各微小測定領域にてボロノイ面積を測定したときの平均値が２７０μｍ２以上３７０μｍ２以下であり、標準偏差σが１７０μｍ２以上２００μｍ２以下であり、分散ＣＶが５０％以上６５％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項６】
密度ρが３．７ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項７】
機械的品質係数Ｑｍが４０以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【請求項８】
超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行った場合、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２０％以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波計測機器用の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサや超音波振動子などに用いられる超音波計測機器用の圧電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波センサや超音波振動子などに用いられる圧電素子が知られている。現在、圧電特性の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圧電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１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１８−５１４４９３号公報（請求項１、段落［００３５］，［００４１］等）
【特許文献２】特開２０１１−２４９５３３号公報（段落［００２８］〜［００３０］，［００５４］等）
【発明の開示】
【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圧電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圧電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ているため、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、このような周波数解析を行うためには広帯域の超音波センサが必要とされている。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圧電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計測機器用の圧電素子を提供することにある。また、別の目的は、機械的にも音響的にも均質であるために、超音波計測機器として用いるのに適した品質・性能を有する圧電素子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、ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの多孔質板状体を主体とする超音波計測機器用の圧電素子であって、気孔率が１５％以上３１％以下であり、固有音響インピーダンスの平均値が２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下であることを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子をその要旨とする。【０００８】
従って、請求項１に記載の発明によると、環境に有害な鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスからなる圧電素子が、“多孔質”の板状体を主体とし、気孔率が１５％以上となっている。従って、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際のＳ／Ｎ比や送受感度を、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の多孔質ではない板状体を主体とする場合と同等以上に高くすることができる。また、圧電素子の気孔率が３１％以下であるため、機械的強度を損なうことなく、送受感度を高くすることができる。しかも、圧電素子の固有音響インピーダンスの平均値が２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下と低くなっている。よって、超音波が圧電素子内を伝搬しやすくなるため、送受感度がよりいっそう高くなるとともに、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際の周波数帯域を広げることができる。さらに、圧電素子は、ＰＺＴよりも柔らかいニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスからなり、しかも多孔質の板状体を主体としている。このため、圧電素子がＰＺＴ製の多孔質ではない板状体を主体とする場合よりも、圧電素子の剛性が低くなる。その結果、超音波の送信後に圧電素子の振動が収束しやすくなるため、超音波を送信する際の残響を低減することができる。【０００９】
上記超音波計測機器用の圧電素子は、ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの多孔質板状体を主体とする。ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの好適例としては、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）の圧電セラミックスなどがある。ここで、ＫＮＮ系の圧電セラミックスとは、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Ｐｂ（鉛）をはじめとする他の有害有毒な元素を殆どあるいは全く含まないものをいう。なお、ＫＮＮ系の圧電セラミックスは、ＫやＮａ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いし、Ｎｂ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系の圧電セラミックスは、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。【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記気孔率が２３％以上３１％以下であり、前記固有音響インピーダンスの平均値が１５ＭＮ・ｓ／ｍ３以下であることをその要旨とする。【００１１】
従って、請求項２に記載の発明によると、圧電素子の気孔率の下限がより高い値（２３％）となるため、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際のＳ／Ｎ比や送受感度をより高くすることができる。しかも、圧電素子の固有音響インピーダンスの平均値の上限が、より低い値（１５ＭＮ・ｓ／ｍ３）となっている。従って、超音波が圧電素子内をより確実に伝搬するため、送受感度がよりいっそう高くなるとともに、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際の周波数帯域を確実に広げることができる。【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線上にて互いに離間した２０以上の測定点を設定し、前記各測定点にて音速を測定したときの平均値が５２００ｍ／ｓ以下であり、かつ前記各測定点における前記音速の値が前記平均値の±５％以内であることをその要旨とする。【００１３】
従って、請求項３に記載の発明によると、互いに離間した各測定点における音速の値のバラツキが、平均値の±５％以内と小さくなる。即ち、圧電素子が、多孔質板状体の中心部から外周部に亘って音響的に均質になる。しかも、各測定点にて音速を測定したときの平均値が５２００ｍ／以下であるため、固有音響インピーダンスが低くなり、送受感度が高くなる。これにより、超音波計測機器として用いるのに適した品質・性能を有する圧電素子を得ることができる。【００１４】
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、前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線に沿った切断面において前記直線方向に互いに離間した位置に２０以上の微小測定領域を設定し、前記各微小測定領域にて空孔断面積を測定したときの平均値が３３μｍ２以上６５μｍ２以下であり、標準偏差σが２５μｍ２以上９５μｍ２以下であり、分散ＣＶが８０％以上１５０％以下であることをその要旨とする。【００１５】
従って、請求項４に記載の発明によると、同等の空孔断面積を有する空孔が同じように配置された各微小測定領域が、多孔質板状体の中心部から外周部に亘って配置されるため、圧電素子が機械的に均質になる。これにより、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際に、超音波が各微小測定領域を同じ速度で伝搬可能となるため、圧電素子が音響的にも均質になる。従って、超音波計測機器として用いるのに適した品質・性能を有する圧電素子を得ることができる。【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記多孔質板状体の主面の中心を通る直線に沿った切断面において前記直線方向に互いに離間した位置に２０以上の微小測定領域を設定し、前記各微小測定領域にてボロノイ面積を測定したときの平均値が２７０μｍ２以上３７０μｍ２以下であり、標準偏差σが１７０μｍ２以上２００μｍ２以下であり、分散ＣＶが５０％以上６５％以下であることをその要旨とする。【００１７】
従って、請求項５に記載の発明によると、同等のボロノイ面積を有するボロノイ領域が同じように配置された各微小測定領域が、多孔質板状体の中心部から外周部に亘って配置されるため、圧電素子が機械的に均質になる。これにより、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際に、超音波が各微小測定領域を同じ速度で伝搬可能となるため、圧電素子が音響的にも均質になる。従って、超音波計測機器として用いるのに適した品質・性能を有する圧電素子を得ることができる。【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、密度ρが３．７ｇ／ｃｍ３以下であることをその要旨とする。【００１９】
従って、請求項６に記載の発明によると、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ρが低くなり、圧電素子が気孔を有することによって密度ρがさらに低くなるため、音速と密度との積である固有音響インピーダンスも低くなる。その結果、超音波が圧電素子内を伝搬しやすくなるため、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際の送受感度が高くなる。【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項において、機械的品質係数Ｑｍが４０以下であることをその要旨とする。【００２１】
従って、請求項７に記載の発明によると、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍが４０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束する。即ち、超音波の送信後の残響を低減することができる。【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行った場合、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２０％以上であることをその要旨とする。【００２３】
従って、請求項８に記載の発明によると、圧電素子の比帯域Δｆ／ｆｍが２０％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。即ち、超音波計測機器を用いて超音波の送受信を行う際の周波数帯域を大幅に広くすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、請求項１〜８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圧電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計測機器用の圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態の圧電素子を示す斜視図。
【図２】圧電素子を示す平面図。
【図３】スプレードライヤの構成図。
【図４】サンプルＡ〜Ｃにおける気孔率と送受感度との関係を示すグラフ。
【図５】（ａ）は、サンプルＡにおける超音波の受信波形を示すグラフ、（ｂ）は、サンプルＢにおける超音波の受信波形を示すグラフ、（ｃ）は、サンプルＣにおける超音波の受信波形を示すグラフ。
【図６】（ａ）は、サンプルＡにおいてフーリエ変換処理された受信波形を示すグラフ、（ｂ）は、サンプルＢにおいてフーリエ変換処理された受信波形を示すグラフ、（ｃ）は、サンプルＣにおいてフーリエ変換処理された受信波形を示すグラフ。
【図７】実施例１の圧電素子の外表面を示すＳＥＭ写真。
【図８】実施例２の圧電素子の外表面を示すＳＥＭ写真。
【図９】実施例３の圧電素子の外表面を示すＳＥＭ写真。
【図１０】実施例４の圧電素子の外表面を示すＳＥＭ写真。
【図１１】実施例１〜４及び比較例１〜５において、樹脂ビーズ添加量と気孔率との関係を示すグラフ。
【図１２】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と密度ρ（焼結密度）との関係を示すグラフ。
【図１３】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と音速との関係を示すグラフ。
【図１４】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と固有音響インピーダンスとの関係を示すグラフ。
【図１５】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と誘電率εとの関係を示すグラフ。
【図１６】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と周波数定数Ｎｔとの関係を示すグラフ。
【図１７】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と周波数定数Ｎｐとの関係を示すグラフ。
【図１８】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と電気機械結合係数Ｋｔとの関係を示すグラフ。
【図１９】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と電気機械結合係数Ｋｐとの関係を示すグラフ。
【図２０】ＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（実施例１〜４、比較例１〜４）及びＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子において、気孔率と圧電歪定数ｄ３３との関係を示すグラフ。
【図２１】圧電素子の切断面を示すＳＥＭ写真。
【図２２】２値化した微小測定領域を示すＳＥＭ写真。
【図２３】空孔番号を表示した微小測定領域を示す画像。
【図２４】空孔断面積分布を示すヒストグラム。
【図２５】ボロノイの線及びボロノイ番号が表示された微小測定領域を示す画像。
【図２６】ボロノイ面積分布を示すヒストグラム。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を圧電素子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。【００２７】
図１は圧電素子１０を示す斜視図であり、図２は圧電素子１０を示す平面図である。圧電素子１０は、表面及び裏面を有し、外径が１５ｍｍ、厚さが１ｍｍの円板状をなしている。本実施形態の圧電素子１０は、超音波計測機器である超音波流量計の超音波センサとして使用される。【００２８】
また、圧電素子１０は、ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの多孔質板状体１１を主体としている。本実施形態のニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスは、以下の組成式（１）で表されるニオブ酸カリウムナトリウム系（ＫＮＮ系）の圧電セラミックスであって、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）を含むセラミックスである。
｛Ｌｉｘ（Ｋ１−ｙＮａｙ）１−ｘ｝（Ｎｂ１−ｚＳｂｚ）Ｏ３・・・（１）【００２９】
但し、０．０３≦ｘ≦０．０４５、０．５≦ｙ≦０．５８、０．０３≦ｚ≦０．０４５の範囲を満たす組成を有する。【００３０】
なお、本実施形態の圧電素子１０では、気孔率が１５％以上３１％以下、好ましくは２３％以上３１％以下となっている。また、圧電素子１０では、固有音響インピーダンスの平均値が、２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下、好ましくは１５ＭＮ・ｓ／ｍ３以下となっている。さらに、圧電素子１０では、密度ρが３．７ｇ／ｃｍ３以下、機械的品質係数Ｑｍが４０以下となっている。【００３１】
また、圧電素子１０では、厚さ方向の周波数定数Ｎｔが１６００Ｈｚ・ｍ以上２１００Ｈｚ・ｍ以下、径方向の周波数定数Ｎｐが２３００Ｈｚ・ｍ以上２８００Ｈｚ・ｍ以下となっている。さらに、圧電素子１０では、圧電歪定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上２６０ｐＣ／Ｎ以下となっている。【００３２】
そして、超音波流量計の超音波センサから超音波の送受信を行った場合、本実施形態の圧電素子１０では、比帯域Δｆ／ｆｍが２０％以上となる。なお、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。周波数帯域幅Δｆ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超音波センサの周波数帯域と規定した際において、周波数帯域における下限の周波数である下限周波数と、周波数帯域における上限の周波数である上限周波数との差を示している。また、中心周波数ｆｍは、下限周波数と上限周波数との中間値を示している。【００３３】
以下、圧電素子１０の製造方法について詳述する。【００３４】
まず、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｓｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３の原料粉末（純度９９％以上）を準備する。また、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）からなる樹脂ビーズを準備する。そして、それぞれの金属元素を含有する原料粉末と樹脂ビーズとを秤量し、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、それぞれの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、各金属元素の酸化物、炭酸塩等を好適に用いることができる。【００３５】
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水溶液を添加し、造粒する。具体的には、粉砕した混合スラリーにバインダを添加したものを、乾燥室２１内でスプレードライを行うことにより造粒する。そして、造粒後の粉体を、乾燥室２１での落下回収（本体回収）、または、排気経路２２の途中に設けたサイクロン室２３での捕集（サイクロン回収）により回収する（図３参照）。【００３６】
そして、回収した造粒後の粉体を圧力２００ＭＰａにて、外径が１８ｍｍ、厚さが２ｍｍ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。また、粉体を焼結するのに伴い、樹脂ビーズが熱分解して消滅し、消滅した部分が空孔となるため、多孔質の焼成体となる。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１５ｍｍ、厚さが１ｍｍの円板状に加工することにより、多孔質板状体１１を得る。【００３７】
その後、多孔質板状体１１の表面及び裏面にそれぞれ電極を形成する。具体的には、多孔質板状体１１の表面及び裏面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、電極を形成する。続いて、１３０℃のシリコーンオイル中において、両電極間に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を２０分間印加することにより、多孔質板状体１１を厚さ方向に分極させる。この時点で、圧電特性が発現し、圧電素子１０が完成する。【００３８】
次に、圧電素子の評価方法及びその結果を説明する。【００３９】
まず、測定用サンプルを次のように準備した。気孔率が０％のＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子（バルクＰＺＴ）を２個準備し、これらをサンプルＡとした。気孔率が０％のＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（バルクＫＮＮ）を２個準備し、これらをサンプルＢとした。気孔率が３０．５％のＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（ポーラスＫＮＮ）を２個準備し、これらをサンプルＣとした。【００４０】
次に、測定用サンプル（サンプルＡ〜Ｃ）に対して比較試験を行った。具体的には、まず、サンプルＡ〜Ｃのいずれか１つを選択し、選択したサンプルの２個の圧電素子を、超音波流量計を模した検査治具に取り付けた。次に、取り付けた２個の圧電素子（超音波センサ）のうち、例えば第１の圧電素子に対して電圧を印加し、第１の圧電素子から第２の圧電素子に対して超音波を照射（送信）した。【００４１】
そして、超音波は、送信から所定時間経過後に第２の圧電素子で受信され、第２の圧電素子の両端に電圧信号を生じる。このとき、第１の圧電素子の送信時の電圧（送信電圧Ｖ１）及び第２の圧電素子の受信時の電圧（受信電圧Ｖ２）をオシロスコープにより測定し、測定結果に基づいて演算を行うことにより、送受感度を算出した。なお、送受感度は、送信電圧Ｖ１に対する受信電圧Ｖ２の比であり、２０×log（Ｖ２／Ｖ１） の式から算出されるものである。送信電圧Ｖ１，Ｖ２の測定及び送受感度の算出は、サンプルＡ〜Ｃごとに行った。なお、サンプルＡ〜Ｃにおける気孔率と送受感度との関係を図４のグラフに示す。【００４２】
その結果、サンプルＢ（バルクＫＮＮ）では、サンプルＡ（バルクＰＺＴ）よりも送受感度が低くなることが確認された。しかし、サンプルＣ（ポーラスＫＮＮ）では、サンプルＡよりも送受感度が高くなることが確認された。従って、鉛フリーの材料（ＫＮＮ）で圧電素子を形成することで送受感度が低下したとしても、鉛フリーの多孔質材料で圧電素子を形成したサンプルＣを採用すれば、鉛を含む材料（ＰＺＴ）で圧電素子を形成する場合よりも送受感度が高くなることが確認された。【００４３】
また、サンプルＡ〜Ｃにおける超音波の受信波形を、オシロスコープに表示した（図５（ａ）〜（ｃ）参照）。さらに、デジタル化した受信波形の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことにより、周波数成分のパワースペクトルを演算した（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。【００４４】
各サンプルＡ〜Ｃの受信波形を比較した結果、気孔率３０．５％の材料からなるサンプルＣの受信波形（図５（ｃ）参照）では、振動が気孔率０％の材料からなるサンプルＡ，Ｂの受信波形（図５（ａ），（ｂ）参照）よりも短時間で収束する（０Ｖになる）ことが確認された。即ち、サンプルＣでは、圧電素子から超音波を送信する際の残響が小さいため、次の超音波を送信するまでの時間を短縮できることが確認された。また、各サンプルＡ〜Ｃのパワースペクトルにおいて、送受感度の極大値（最大送受感度）から６ｄＢ低減以内の送受感度での周波数の範囲を周波数帯域とした場合、サンプルＣの受信波形の周波数帯域は、サンプルＡ，Ｂの受信波形の周波数帯域よりも広いことが確認された（図６参照）。【００４５】
さらに、測定用サンプルを次のように準備した。ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを１０．０ｗｔ％添加してなる混合スラリーをスプレードライにて造粒し、造粒後の粉体を本体回収とサイクロン回収とにより回収した。そして、それぞれ回収した粉体を用いて圧電素子１０を製作し、サイクロン回収を実施例１（図７参照）、本体回収を実施例３（図９参照）とした。本体回収では比較的重い粒子が回収され、サイクロン回収では比較的軽い粒子が回収されることから、本体回収とサイクロン回収とでは樹脂ビーズの含有比率が異なる。その結果、本体回収のみで作製した圧電素子とサイクロン回収のみで作製した圧電素子とでは、気孔率が異なるものとなる。また、ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを２０．０ｗｔ％添加してなる混合スラリーをスプレードライにて造粒し、造粒後の粉体を本体回収とサイクロン回収とにより回収した後、それぞれ回収した粉体を用いて圧電素子１０を製作し、サイクロン回収を実施例２（図８参照）、本体回収を実施例４（図１０参照）とした。【００４６】
一方、ＫＮＮ系圧電セラミックスの仮焼粉と樹脂ビーズとを混合し、これにバインダ溶液を滴下して混錬したものを乾燥、粉砕して造粒する方法（半湿式造粒）でも造粒粉を作製した。具体的には、ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを０．０ｗｔ％添加してなる（添加しない）スラリーを半湿式造粒し、造粒後の粉体を用いて圧電素子を製作し、これを比較例１とした。ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを２．９ｗｔ％添加してなる混合スラリーを半湿式造粒し、造粒後の粉体を用いて圧電素子を製作し、これを比較例２とした。ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを４．４ｗｔ％添加してなる混合スラリーを半湿式造粒し、造粒後の粉体を用いて圧電素子を製作し、これを比較例３とした。ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを５．９ｗｔ％添加してなる混合スラリーを半湿式造粒し、造粒後の粉体を用いて圧電素子を製作し、これを比較例４とした。ＫＮＮ系圧電セラミックスに樹脂ビーズを３０．０ｗｔ％添加してなる混合スラリーを半湿式造粒し、造粒後の粉体を用いて圧電素子を製作し、これを比較例５とした。実施例１〜４及び比較例１〜５の材料特性を表１に示す。なお、半湿式造粒では、スプレードライによる造粒と違って、調合比率通りに樹脂ビーズを配合することができる反面、混合状態が不均一になりやすいという問題がある。
【表１】
0006885565.tif 000002
【００４７】
次に、各測定用サンプル（実施例１〜４及び比較例１〜５）の圧電素子について、電気的特性を測定した。その測定結果を表１及び図１１〜図２０のグラフに示す。また、気孔率０％，１５％，２１％，２５％のＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子についても、各測定用サンプルと同様に電気的特性を測定した。その測定結果を図１２〜図２０に示す。なお、比較例５は、気孔率が極めて高い（気孔率６１．６％）ことから、強度が低いために破損してしまい、全ての電気的特性を測定することはできなかった。【００４８】
具体的には、まず、実施例１〜４及び比較例１〜５において、圧電素子の気孔率を測定した。具体的には、アルキメデス法、重量気孔率法等の従来公知の手法を用いて気孔率を測定した。その結果、実施例１〜４では、気孔率が１５％以上３１％以下となることが確認された。特に、実施例２〜４では、気孔率が２３％以上３１％以下となることが確認された。実施例１〜４及び比較例１〜５の気孔率の値を表１、図１１に示す。また、図１１のグラフは、半湿式造粒の場合（比較例１〜５）、スプレー造粒（本体回収）の場合（実施例３，４）、及び、スプレー造粒（サイクロン回収）の場合（実施例１，２）のそれぞれにおいて、樹脂ビーズ添加量と気孔率との関係を示している。その結果、造粒方法に関係なく、樹脂ビーズ添加量が増大するのに伴って気孔率が高くなることが確認された。【００４９】
次に、実施例１〜４及び比較例１〜５において、圧電素子の密度ρを計測した。具体的には、多孔質板状体（圧電素子）の外径及び厚さを測定し、測定した外径及び厚さに基づいて多孔質板状体の体積を算出した。また、多孔質板状体の質量を測定した。そして、算出した体積と測定した質量とに基づいて、密度ρを算出した。その結果、気孔率が１５％以上の実施例１〜４及び比較例５では、密度ρが３．７ｇ／ｍ３以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４の密度ρよりも小さいことが確認された（表１、図１２参照）。また、実施例１〜４、比較例１〜４であるＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子（以下、「ＫＮＮ」という）の密度ρは、ＰＺＴ系圧電セラミックスからなる圧電素子（以下、「ＰＺＴ」という）の密度ρよりも全体的に低いことが確認された（図１２参照）。【００５０】
次に、実施例１〜４及び比較例１〜４において、圧電素子内を伝搬する縦波（超音波）の音速を計測した。具体的には、図２に示されるように、多孔質板状体１１の主面１２の中心Ｃ１を通る直線Ｌ１を設定し、直線Ｌ１上にて互いに離間した２０個の測定点Ｐ１を設定し、各測定点Ｐ１にて音速を測定した。なお、各測定点Ｐ１は、直線Ｌ１上において等間隔に配置した。そして、各測定点Ｐ１にて音速を測定したときの平均値を算出した。その結果、気孔率が１０％以上の実施例１〜４及び比較例４では、音速の平均値が５２００ｍ／ｓ以下となり、気孔率が１０％未満の比較例１〜３の音速の平均値よりも低いことが確認された（表１、図１３参照）。また、実施例１では、各測定点Ｐ１における音速の最大値が５２５０ｍ／ｓであって、各測定点Ｐ１における音速の最小値が５１２０ｍ／ｓであることが確認された。同様に、実施例２では、音速の最大値が４５７０ｍ／ｓ、最小値が４１００ｍ／ｓであることが確認され、実施例３では、音速の最大値が４５８０ｍ／ｓ、最小値が４１２０ｍ／ｓであることが確認され、実施例４では、音速の最大値が３９７０ｍ／ｓ、最小値が３８００ｍ／ｓであることが確認された。即ち、実施例１〜４では、各測定点Ｐ１における音速の値が平均値の±５％以内であることが確認された。また、ＫＮＮの音速の平均値は、ＰＺＴの音速の平均値よりも全体的に高いことが確認された（図１３参照）。【００５１】
そして、実施例１〜４及び比較例１〜４において、圧電素子の固有音響インピーダンスを計測した。具体的には、圧電素子の密度ρと超音波の音速の平均値との積を算出し、算出した積を固有音響インピーダンスとした。その結果、実施例１〜４及び比較例４では、固有音響インピーダンスが２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下となることが確認された。特に、実施例２〜４では、固有音響インピーダンスが１５ＭＮ・ｓ／ｍ３以下となることが確認された。実施例１〜４及び比較例１〜４の固有音響インピーダンスの値を表１、図１４に示す。また、ＫＮＮの固有音響インピーダンスは、ＰＺＴの固有音響インピーダンスよりも全体的に低いことが確認された（図１４参照）。従って、固有音響インピーダンスが比較的低い実施例１〜４及び比較例４、特に、実施例２〜４を採用すれば、超音波が圧電素子内を伝搬しやすくなるため、送受感度が高くなることが確認された。また、超音波の送受信を行う際の周波数帯域を広げることができ、かつ超音波を送信する際の残響を低減できることが確認された。【００５２】
また、実施例１〜４及び比較例１〜５において、圧電素子の誘電率εを測定した。その結果、気孔率が高くなるのに従って、誘電率εが低下する傾向にあることが確認された（表１、図１５参照）。また、ＫＮＮの誘電率εは、ＰＺＴの誘電率εよりも低い傾向にあるものの、気孔率が２５％以上であるときに、ＰＺＴの誘電率εと同等になることが確認された（図１５参照）。【００５３】
実施例１〜４及び比較例１〜５において、圧電素子の機械的品質係数Ｑｍを測定した。その結果、気孔率が１５％以上の実施例１〜４及び比較例５では、機械的品質係数Ｑｍが４０以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４の機械的品質係数Ｑｍよりも小さいことが確認された（表１参照）。従って、機械的品質係数Ｑｍが比較的低い実施例１〜４及び比較例５、特に、気孔率が３１％以下の実施例１〜４を採用すれば、超音波の送信後に圧電素子の振動が素早く収束し、残響が低減されることが確認された。【００５４】
さらに、実施例１〜４及び比較例１〜４において、圧電素子の厚さ方向の周波数定数Ｎｔを測定した。その結果、気孔率が１５％以上の実施例１〜４では、周波数定数Ｎｔが１６００Ｈｚ・ｍ以上２１００Ｈｚ・ｍ以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４よりも小さいことが確認された（図１６参照）。また、ＫＮＮの周波数定数Ｎｔは、ＰＺＴの周波数定数Ｎｔよりも全体的に大きいことが確認された（図１６参照）。【００５５】
実施例１〜４及び比較例１〜５において、圧電素子の径方向の周波数定数Ｎｐを測定した。その結果、気孔率が１５％以上３１％以下の実施例１〜４では、周波数定数Ｎｐが２３００Ｈｚ・ｍ以上２８００Ｈｚ・ｍ以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４や気孔率が３１％よりも高い比較例５よりも小さいことが確認された（表１、図１７参照）。また、ＫＮＮの周波数定数Ｎｐは、ＰＺＴの周波数定数Ｎｐよりも全体的に大きいことが確認された（図１７参照）。【００５６】
また、インピーダンスアナライザを用いて、圧電素子の厚さ方向の電気機械結合係数Ｋｔを２５℃の温度で測定した。その結果、気孔率が１５％以上の実施例１〜４では、電気機械結合係数Ｋｔが４１％以上４４％以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４と同程度であることが確認された（表１、図１８参照）。また、ＫＮＮの電気機械結合係数Ｋｔは、ＰＺＴの電気機械結合係数Ｋｔよりも全体的に低いことが確認された（図１８参照）。【００５７】
インピーダンスアナライザを用いて、圧電素子の径方向の電気機械結合係数Ｋｐを２５℃の温度で測定した。その結果、気孔率が１５％以上３１％以下の実施例１〜４では、電気機械結合係数Ｋｐが２７％以上３６％以下となり、気孔率が１５％未満の比較例１〜４よりは低いものの、気孔率が３１％よりも大きい比較例５よりは高いことが確認された（表１、図１９参照）。また、ＫＮＮの電気機械結合係数Ｋｐは、気孔率が２０％以下の範囲内では、ＰＺＴの電気機械結合係数Ｋｐよりも低いものの、気孔率が２０％よりも大きくなると、ＰＺＴの電気機械結合係数Ｋｐよりも高くなることが確認された（図１９参照）。【００５８】
さらに、ｄ３３／ｄ３１メータを用いて、圧電素子の圧電歪定数ｄ３３を２５℃の温度で測定した。その結果、実施例１〜４では、圧電歪定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上２６０ｐＣ／Ｎ以下となり、比較例１，２よりも低く、比較例３，４よりも高いことが確認された（表１、図２０参照）。また、ＫＮＮの圧電歪定数ｄ３３は、ＰＺＴの圧電歪定数ｄ３３よりも全体的に低いことが確認された（図２０参照）。【００５９】
次に、画像解析ソフトを用いて、実施例１〜４及び比較例１〜５の画像解析を行った。具体的には、まず、実施例１〜４及び比較例１〜５のＳＥＭ画像の読み込みを行った。なお、ここで用いられるＳＥＭ画像は、多孔質板状体１１（圧電素子１０）の主面１２の中心Ｃ１を通る直線Ｌ１に沿った切断面を２００倍に拡大した画像である。【００６０】
次に、切断面において直線Ｌ１方向に互いに離間した位置に、四角形状の微小測定領域Ａ１（図２１参照）を２０以上設定した。その後、設定した２０以上の微小測定領域Ａ１の中から１つの微小測定領域Ａ１を切り取った。さらに、切り取った微小測定領域Ａ１を、空孔の部分が黒く表示され、空孔とは別の部分が白く表示されるように２値化した（図２２参照）。そして、１０μｍ２以上の空孔の数をカウントした。また、カウントした空孔ごとに空孔番号を付与した（図２３参照）。【００６１】
なお、上述した切り取り→２値化→空孔のカウント→空孔番号の付与の処理は、それぞれの微小測定領域Ａ１に対して行った。そして、各微小測定領域Ａ１において、空孔の数（Count）、空孔断面積の最小値（Min
）、空孔断面積の平均値（Mean）、空孔断面積の最大値（Max ）、標準偏差σ（StdDev）、分散ＣＶを算出した。また、空孔の断面積分布を示すヒストグラム（図２４参照）を作成した。その結果、実施例１〜４では、例えば、空孔断面積の平均値が３３μｍ２以上６５μｍ２以下となり、標準偏差σが２５μｍ２以上９５μｍ２以下となり、分散ＣＶが８０％以上１５０％以下となることが確認された。実施例１〜４及び比較例１〜５の空孔の数、空孔断面積の最小値、空孔断面積の平均値、空孔断面積の最大値、標準偏差σ及び分散ＣＶを表２に示す。なお、空孔断面積の平均値が小さいほど、空孔がきめ細かく分散していることを示し、標準偏差σが小さいほど、均一に分散していることを示し、分散ＣＶが小さいほど、平均値から遠い空孔断面積が少ないことを示している。一方、比較例５のように、空孔断面積の分散ＣＶが３０５％と大きい場合には、空孔の偏りによって機械的強度が不均一となり、製造上の歩留まり低下や、超音波駆動における信頼性低下が生じることが確認された。
【表２】
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【００６２】
次に、空孔の分散度を解析した。まず、切り取った微小測定領域Ａ１に存在する多数の空孔の中から、隣接する一対の空孔を選択した。次に、選択した両空孔において、空孔の開口縁からの距離が互いに等しくなる箇所に点を設定し、設定した点を通る線の画像を作成した。そして、空孔を取り囲むように線を描画し、線（外形線）に囲まれた領域をボロノイ領域Ａ２とした。ここでは、微小測定領域Ａ１にある全ての空孔に対して、ボロノイ領域Ａ２を設定した。次に、ボロノイ領域Ａ２の外形線が黒く表示され、外形線とは別の部分が白く表示されるように２値化した（図２５参照）。なお、ボロノイ領域Ａ２の外形線が白く表示され、外形線とは別の部分が黒く表示されるように２値化してもよい。そして、ボロノイ領域Ａ２の数をカウントした。また、カウントしたボロノイ領域Ａ２ごとにボロノイ番号を付与した（図２５参照）。【００６３】
なお、上述したボロノイ領域Ａ２の設定→２値化→ボロノイ領域Ａ２のカウント→ボロノイ番号の付与の処理は、それぞれの微小測定領域Ａ１に対して行った。そして、各微小測定領域Ａ１において、ボロノイ領域Ａ２の数（Count）、ボロノイ領域Ａ２の面積（ボロノイ面積）の最小値（Min
）、ボロノイ面積の平均値（Mean）、ボロノイ面積の最大値（Max ）、標準偏差σ（StdDev）、分散ＣＶを算出した。また、ボロノイ領域Ａ２の面積分布を示すヒストグラム（図２６参照）を作成した。その結果、実施例１〜４では、ボロノイ面積の平均値が２７０μｍ２以上５６０μｍ２以下となり、標準偏差σが１７０μｍ２以上７００μｍ２以下となり、分散ＣＶが５０％以上１２５％以下となることが確認された。特に、実施例１〜３では、ボロノイ面積の平均値が２７０μｍ２以上３７０μｍ２以下となり、標準偏差σが１７０μｍ２以上２００μｍ２以下となり、分散ＣＶが５０％以上６５％以下となることが確認された。実施例１〜４及び比較例１〜５のボロノイ領域Ａ２の数、ボロノイ面積の最小値、ボロノイ面積の平均値、ボロノイ面積の最大値、標準偏差σ及び分散ＣＶを表３に示す。なお、ボロノイ面積の平均値が小さいほど、空孔がきめ細かく分散していることを示し、標準偏差σが小さいほど、均一に分散していることを示し、分散ＣＶが小さいほど、平均値から遠いボロノイ面積が少ないことを示している。一方、比較例５のように、ボロノイ面積の分散ＣＶが１５６％と大きい場合には、空孔の偏りによって機械的強度が不均一となり、製造上の歩留まり低下や、超音波駆動における信頼性低下が生じることが確認された。
【表３】
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【００６４】
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。【００６５】
（１）本実施形態では、環境に有害な鉛を含まないＫＮＮ系圧電セラミックスからなる圧電素子１０が、“多孔質”の板状体を主体とし、気孔率が１５％以上となっている。従って、超音波流量計を用いて超音波の送受信を行う際のＳ／Ｎ比や送受感度を、圧電素子がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の多孔質ではない板状体を主体とする場合と同等以上に高くすることができる。また、圧電素子１０の気孔率が３１％以下であるため、機械的強度を損なうことなく、送受感度を高くすることができる。しかも、圧電素子１０の固有音響インピーダンスの平均値が２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下と低くなっている。よって、超音波が圧電素子１０内を伝搬しやすくなるため、送受感度がよりいっそう高くなるとともに、超音波流量計を用いて超音波の送受信を行う際の周波数帯域を広げることができる。さらに、圧電素子１０は、ＰＺＴよりも柔らかいＫＮＮ系圧電セラミックスからなり、しかも多孔質の板状体を主体としている。このため、圧電素子がＰＺＴ製の多孔質ではない板状体を主体とする場合よりも、圧電素子１０の剛性が低くなる。その結果、超音波の送信後に圧電素子１０の振動が収束しやすくなるため、超音波を送信する際の残響を低減することができる。【００６６】
（２）本実施形態では、圧電素子１０の機械的品質係数Ｑｍが４０以下と低いため、超音波の送信後に圧電素子１０の振動が素早く収束する。換言すると、残響が低減されるため、超音波流量計を用いて超音波の送受信を行う際の周波数帯域も広くすることができる。また、超音波の送信後に圧電素子１０の振動が素早く収束する結果、超音波の受信時には圧電素子１０の振動が既に収まっているため、入射した超音波を正確に受信可能となる。また、次の超音波を送信するまでの時間を短縮することもできる。【００６７】
（３）本実施形態の圧電素子１０は、ＰＺＴよりも柔らかいＫＮＮ系圧電セラミックスからなり、しかも多孔質である。このため、脆いだけでなく、超音波流量計を用いて超音波の送受信を行う際に超音波を均質に出力できないおそれがある。そこで、本実施形態では、同等の空孔断面積を有する空孔が同じように配置され、かつ同等のボロノイ面積を有するボロノイ領域Ａ２が同じように配置された各微小測定領域Ａ１（図２３，図２５参照）を、多孔質板状体１１の中心部から外周部に亘って配置している。その結果、圧電素子１０が機械的に均質になるため、各微小測定領域Ａ１から同じ速度の超音波を送信できるとともに、各微小測定領域Ａ１において超音波を同じように受信することができる。よって、圧電素子１０が音響的に均質になり、超音波の送受信を高精度で行うことができる。ゆえに、超音波流量計として用いるのに適した品質・性能を有する圧電素子１０を得ることができる。【００６８】
（４）本実施形態の圧電素子１０は、径方向の周波数定数Ｎｐが２３００Ｈｚ・ｍ以上２８００Ｈｚ・ｍ以下であり、圧電素子１０と同じ気孔率におけるＰＺＴ製の圧電素子の周波数定数Ｎｐ（１７００Ｈｚ・ｍ以上２０００Ｈｚ・ｍ以下）よりも大きい（図１７参照）。この径方向振動を用いて超音波を送受信する場合、ＰＺＴのときと同等の周波数を実現するには、ＰＺＴ製の圧電素子よりも圧電素子１０の外径を大きくする必要がある。すると、圧電素子１０（多孔質板状体１１）の主面１２の面積が大きくなるため、結果的に送受感度を高くすることができる。また、圧電素子１０は、厚さ方向の周波数定数Ｎｔが１６００Ｈｚ・ｍ以上２１００Ｈｚ・ｍ以下であり、圧電素子１０と同じ気孔率におけるＰＺＴ製の圧電素子の周波数定数Ｎｔ（１０００Ｈｚ・ｍ以上１５５０Ｈｚ・ｍ以下）よりも大きい（図１６参照）。この厚さ方向振動を用いて超音波を送受信する場合、ＰＺＴのときと同等の周波数を実現するには、ＰＺＴ製の圧電素子よりも圧電素子１０を厚くする必要があるが、結果として、圧電素子１０の強度を確保することができる、厚さ方向の加工精度の寸法公差を緩和することができる、圧電素子の耐電圧を高くすることができるなどの利点が生じる。【００６９】
（５）本実施形態における実施例１〜４の圧電素子１０は、添加物である金属元素としてＴａ（タンタル）を含んでいない。ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電素子では、添加物である金属元素としてＴａを含ませることで圧電特性が良好となることが知られているが、Ｔａは他の元素（ＮｂやＳｂ）と比較して高価な材料である。従って、本実施形態では、Ｔａを含ませなくても圧電特性が良好な圧電素子１０を製造することができ、製造コストを低く抑えることが可能となる。【００７０】
なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。【００７１】
・上記実施形態では、ＫＮＮ系のセラミックスからなる圧電素子１０を用いたが、圧電素子１０は他のニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスからなっていてもよい。例えば、圧電素子１０は、ペロブスカイト構造の結晶相を含み、以下の組成式（２）で示される圧電素子であってもよい。
｛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１０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１０を製造してもよい。【００７２】
・上記実施形態の圧電素子１０は、超音波流量計の超音波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。例えば、圧電素子１０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、超音波の減衰率に基づいて液体の濃度を検出する超音波濃度計、空気中で距離を計測する空中センサ、超音波の受信可否に基づいて障害物の有無を判定する障害物検知センサなどの超音波計測機器に用いてもよい。また、上記の用途以外に、エンジンのノッキングセンサなどの超音波計測機器に圧電素子１０を用いてもよい。なお、本実施形態の圧電素子１０は、円板状であったが、用途に応じて素子の形状（例えば矩形状）やサイズを適宜変更してもよい。【００７３】
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。【００７４】
（１）請求項１乃至８のいずれか１項において、厚さ方向の周波数定数Ｎｔが１６００Ｈｚ・ｍ以上２１００Ｈｚ・ｍ以下であることを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子。【００７５】
（２）請求項１乃至８のいずれか１項において、径方向の周波数定数Ｎｐが２３００Ｈｚ・ｍ以上２８００Ｈｚ・ｍ以下であることを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子。【００７６】
（３）請求項１乃至８のいずれか１項において、圧電歪定数ｄ３３が２５０ｐＣ／Ｎ以上２６０ｐＣ／Ｎ以下であることを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子。【００７７】
（４）請求項１乃至８のいずれか１項において、前記ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスがＫＮＮ系圧電セラミックスであることを特徴とする超音波計測機器用の圧電素子。
【符号の説明】
【００７８】
１０…圧電素子
１１…多孔質板状体
１２…多孔質板状体の主面
Ａ１…微小測定領域
Ｃ１…主面の中心
ｆｍ…中心周波数
Δｆ…周波数帯域幅
Δｆ／ｆｍ…比帯域
Ｌ１…直線
Ｐ１…測定点
【要約】
鉛を含まないニオブ酸アルカリ系圧電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計測機器用の圧電素子の提供を課題とする。本発明の超音波計測機器用の圧電素子１０は、ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックスの多孔質板状体１１を主体とする。圧電素子１０は、気孔率が１５％以上３１％以下であり、固有音響インピーダンスの平均値が２０ＭＮ・ｓ／ｍ３以下である。選択図：図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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