WO2020004097A1

WO2020004097A1 - 超音波センサー

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Publication number: WO2020004097A1
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Inventors: 昌道橋田; 知樹桝田; 賢輝信長; 永原　英知; 祐大石崎
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Priority date: 2018-06-25
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Abstract

超音波センサーは、平板部（４ａ）を有する金属製部材（４）と、平板部（４ａ）の一方の第１の面（４ｂ）に接合された圧電素子（２）と、平板部（４ａ）の他方の第２の面（４ｃ）に接着された第１音響整合層（５）と、第１音響整合層（５）を平板部（４ａ）に接着する接着剤（３）と、を備える。超音波センサーの第１音響整合層（５）は、平板部（４ａ）との接着面に向かって開口した開口部（８ａ）と、開口部（８ａ）に連通する空隙（８）を有し、接着剤（３）は、空隙（８）に充填されており、接着剤（３）が空隙（８）内で固化することでアンカー効果が得られる。

Description

超音波センサー

　本発明は、主に超音波の送受信を行うセンサーに関するものである。

　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、超音波は異なる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、超音波は異なる物質の界面で反射する。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。

　しかし、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、セラミックスの密度と音速より大幅に小さい。従って、圧電素子から気体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、気体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採られてきた。

　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。

　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：被伝達物（気体）の音響インピーダンス
である。

　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、音響整合層を伝播する超音波が音響整合層を変形させることにより超音波のエネルギーが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。しかし、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満たす物質は少ない。

　すなわち、固体からなる圧電素子と気体の音響インピーダンスが５桁程度異なることから、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、音響整合層としてその特性を満たす物質は少ない。

　そこで、音響整合層を２層用いることで、圧電素子と一層目（第１音響整合層）の音響インピーダンス、一層目の音響インピーダンスと二層目（第２音響整合層（被伝達物））の音響インピーダンスにおいて式（１）が成立し、二層目の音響インピーダンスと気体の間において式（１）が成立する場合に最も伝達効率が高くなることを用いて、充分な効率で超音波を伝達させることについて試みられてきた。

　ここで、第１音響整合層は、第２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ＰＥＥＫ（Ｐｏｌｙ　Ｅｔｈｅｒ　Ｅｔｈｅｒ　Ｋｅｔｏｎｅ　ポリエーテルエーテルケトン）等の硬質な樹脂が望ましい。

　しかし、一般に硬質な樹脂は接着が困難であるため、圧電素子との熱膨張率の差異により、接合に不具合が生じる可能性あった。従って熱膨張率の差異による接合の不具合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）。

　更に、音響整合層に貫通孔を設けることにより、貼付時の接合面への気泡混入を抑制するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許第４７０１０５９号公報特許第３４８８１０２号公報

　しかしながら、圧電素子と音響整合層は面状の接着剤により接合されている。圧電素子の周囲は緩衝部材により保持されてはいるものの、緩衝部材から遠方の部分、即ち、圧電素子の中央付近はこれらの熱膨張率による応力が大きくなる可能性がある。更に、一般に音響整合層として優れた特性を有するものの候補は、弾性率が大きな樹脂である。ここで、弾性率の大きな樹脂としてはＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックが挙げられるが、これらの樹脂は難接着の樹脂でもある。

　以上の理由により、硬質樹脂を音響整合層として用いた場合、特に中央付近で剥離が生じる可能性があった。また、音響整合層に相当程度以上の直径の貫通孔が設けられている場合、超音波が低減してしまうことにより、超音波センサーとしての性能が低下してしまう可能性があった。

　本開示の超音波センサーは、少なくとも、圧電素子と、圧電素子に接着された第１音響整合層と、圧電素子と第１音響整合層を接着する接着剤と、からなり、第１音響整合層は、圧電素子との接着面に開口した開口部を有する空隙を有し、接着剤は、空隙に充填されている。

　この構成により、本開示の超音波センサーは、圧電素子と第１音響整合層を接着する接着剤と空隙内で固化した接着剤が一体になることで、アンカー効果が得られ、優れた耐久性を得ることができる。

　音響整合層は、圧電素子、或いは電気伝導性を確保するために圧電素子に接合された金属性の部材に接着される。ここで、一般に圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスからなる。

　従って、本開示の超音波センサーにおいて接着する対象は難接着性の樹脂と、比較的接着が容易なセラミックス或いは金属である。本開示では、音響整合層には開口部に連通した空隙を備えることで、空隙に充填後硬化した接着剤は音響整合層と、化学的な接合に加え、機械的な接合、即ちアンカー効果により接合される。これにより、難接着（化学結合による接合が脆弱）である音響整合層であっても圧電素子あるいは金属性の部材との強固な接合が担保される。一方、接着剤の対面は、セラミックス或いは金属と比較的容易に接合する。

　以上の構成により、圧電素子と音響整合層は、強固に接合することにより、これらに熱膨張率の差による応力が生じた場合でも容易に剥離せず、優れた耐久性を有する超音波センサーを提供することができる。

　本開示によると、音響整合層には、接合面に開口した開口部とこの開口部に連通する空隙が存在するため、音響整合層と接着剤はアンカー効果により強固な接合を得ることができる。従って、音響整合層が難接着性の材料からなる場合であっても、圧電素子に対して強固な接合を得ることができる。音響整合層として優れた特性を有する硬質樹脂、例えばＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックは、得てして難接着性であるが、アンカー効果により圧電素子と強固な接合を行うことにより、音響整合層として用いることができる。以上のように、優れた特性と信頼性を有する超音波センサーを提供することができる。

図１は、第１の実施の形態における超音波センサーの断面模式図である。図２は、第２の実施の形態における超音波センサーの断面模式図である。図３は、第２の実施の形態における第１音響整合層の上面図である。図４は、第３の実施の形態における超音波センサーの断面模式図である。図５は、第３の実施の形態における第１音響整合層の上面図である。図６Ａは、第１の実施の形態における他の実施例を示す超音波センサーの断面模式図である。図６Ｂは、第１の実施の形態における他の実施例を示す超音波センサーの断面模式図である。図６Ｃは、第１の実施の形態における他の実施例を示す超音波センサーの断面模式図である。

　以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　（第１の実施の形態）
　図１は第１の実施の形態における超音波センサーの断面模式図である。

　図１において、超音波センサー１は、圧電素子２、接着剤３、ケース４、第１音響整合層５、第２音響整合層６、電極７ａ，７ｂを有する。

　ケース４は、有底筒状の金属製部材である。ケース４の平板部である天面４ａの内側である第１の面４ｂに圧電素子２が導電性接着剤９で接合されている。ケース４の天面４ａの外側である第２の面４ｃには圧電素子２に対向するように第１音響整合層５が接着剤３で接合されている。更に、第１音響整合層５のケース４に対向していない面には第２音響整合層６が接着剤３で接合されている。また、電極７ａが圧電素子の電極２ａに接続され、電極７ｂがケース４に接続されている。圧電素子の電極２ｂは導電性接着剤９でケース４に接合されているので、電極７ａ、７ｂ間に所定の電圧を印加することで圧電素子２が発振し、超音波を発する。発生した超音波は、ケース４、第１音響整合層５、第２音響整合層６を介して、最終的に気体に伝達される。なお、ケース４は、有底筒状の形状としているが、平板状であっても良い。

　ここで、第１音響整合層５は、ケース４に対向する面に複数の開口部８ａを有し、ケース４との接合面に平行な断面積が開口部８ａ付近で最も小さくなるくさび形状あるいは円錐台形状の空隙８がそれぞれの開口部８ａに連続して設けられている。

　そして、本実施の形態では、液状の接着剤３を予め空隙８へ充填し、空隙８に充填した接着剤３が濡れた状態で、第１音響整合層５の開口部８ａを有する面とケース４の第２の面４ｃを直接あるいは間に塗布された接着剤３を介して接触させ、接着剤３が固化することにより、ケース４と第１音響整合層５を接合する。

　超音波センサー１に必要な特性は、圧電素子２で発生した超音波を高効率で気体に伝播することであるため、圧電素子２、ケース４、第１音響整合層５、第２音響整合層６間を充分な強度と環境耐久性を確保しつつ接合することが必要である。

　一般に、異なる部材を接合して作製される製品は、それらの熱膨張率を可能な限り近似したものにすることが望ましい。これは、熱膨張率が異なるものを接合した製品に温度変化が加わると、接合界面に熱膨張率差によるせん断力が働き、界面に不具合が発生することを防ぐためである。

　これらの観点から、圧電素子２とケース４、ケース４と第１音響整合層５、第１音響整合層５と第２音響整合層６の接合に関して俯瞰すると次の通りとなる。

　圧電素子２は一般にセラミックスからなり、ケース４は一般に金属からなる。セラミックス、金属いずれも比較的接着が容易であることや、セラミックスと金属は比較的熱膨張率が近似していることから、これらの接合は比較的容易である。

　第１音響整合層５は樹脂からなり、第２音響整合層６も樹脂からなる場合が多いため、第１音響整合層５と第２音響整合層６は熱膨張率が近似しているため、比較的接着が容易である。

　上記の通り、ケース４は金属、第１音響整合層５は樹脂からなることが多く、ケース４と第１音響整合層５の熱膨張率は大きく異なることが一般的である。更に、第１音響整合層５をなす樹脂は、ＰＥＥＫ等難接着である可能性が高く、接着剤３と界面剥離する場合がある。

　従って、圧電素子２から気体へ高効率で超音波を伝播させるために必要な要素は、接着剤３と第１音響整合層５の接合を確立することである。

　本実施の形態では、開口部８ａ付近で最も断面積が小さくなるくさび形状あるいは円錐台形状の空隙８を設けることにより、空隙８内部で硬化した接着剤は開口部８ａを通過できないため、強力なアンカー効果が得られ、接着剤３と第１音響整合層５の接合は強固となる。従って、接着剤３と第１音響整合層５間に熱膨張率の差によるせん断力が働いても接着剤３と第１音響整合層５が容易に剥離することがない。

　以上の構成により、圧電素子２から第２音響整合層まで優れた接合を得られるため熱衝撃などの環境に対する耐久性に優れた超音波センサーを提供することができる。

　なお、本実施の形態では、空隙８の形状としてくさび形状あるいは円錐台形状としたが、開口部８ａの開口断面積よりも大きな断面積を一部に有していれば良いことは言うまでも無い。

　なお、上記実施の形態において、超音波センサー１を、ケース４及び第２音響整合層６を有する構成とした。しかし、図６Ａに示す超音波センサー３１のように第２音響整合層を用いない構成、図６Ｂに示す超音波センサー４１のようにケースを用いない構成、或いは、図６Ｃに示す超音波センサー５１のようにケースも第２音響整合層も用いない構成であっても、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施することができる。

　（第２の実施の形態）
　図２は第２の実施の形態における超音波センサーの断面模式図であり、図３は図２に示す第１音響整合層の上面図であり、図３に示す破線は、図２における断面の位置を示している。

　図２において、超音波センサー１１は、圧電素子２、接着剤３、ケース４、第１音響整合層１５、第２音響整合層６、電極７ａ，７ｂからなり、基本的な構成は第１の実施の形態で示した符号と同じ符号を付した構成要素は、第１の実施の形態における構成要素と同一の構成を有するものであり、説明を省略する。本実施の形態における超音波センサー１１と第１の実施の形態における超音波センサー１と異なるのは、第１音響整合層１５の構造である。

　図３において、第１音響整合層１５の空隙１８は円筒型であり、ケース４に面する面から、第２音響整合層６に面する面まで貫通した貫通孔として、樹脂を射出成型することにより作製されている。

　本実施の形態において、ケース４、第１音響整合層１５、第２音響整合層６は、予め液状の接着剤３を空隙１８に充填するとともに、接着剤３が濡れている状態でケース４、第１音響整合層１５、および第２音響整合層６を重ね合わせる。そして、接着剤３が固化することによりケース４、第１音響整合層１５、および第２音響整合層６が接合される。

　本実施の形態では、空隙１８である貫通孔に充填された接着剤３を介して第１音響整合層１５の両面の接着剤が結合されるので、強力なアンカー効果が得られ、接着剤３と第１音響整合層１５の接合は強固となる。

　従って、本実施の形態では接着剤３と第１音響整合層１５間に熱膨張率の差によるせん断力が働いても不具合を防止することができる。

　以上の構成により、圧電素子２から第２音響整合層６まで優れた接合を得られるため熱衝撃などの環境に対する耐久性に優れた超音波センサーを提供することができる。

　上記密度であることにより、圧電素子２、第２音響整合層６に関して式（１）を成立させることが容易であり、優れた特性を有する超音波センサーを提供することができる。

　なお、第１音響整合層１５の空隙１８（貫通孔）は、樹脂を射出成型することにより作製しても良いし、金属製の円板に機械加工により貫通孔を形成しても良い。

　（第３の実施の形態）
　図４は第３の実施の形態における超音波センサーの断面模式図であり、図５は図４に示す第１音響整合層の上面図である。

　図４において、超音波センサー２１は、圧電素子２、接着剤３、ケース４、第１音響整合層２５、第２音響整合層６、電極７ａ，７ｂからなり、基本的な構成は第１の実施の形態で示した符号と同じ構成要素は、同一の構成を示すものであり、説明は省略する。本実施の形態における超音波センサー２１と第１の実施の形態における超音波センサー１と異なるのは、第１音響整合層２５の構造である。

　図４において第１音響整合層２５は、樹脂の粉末を加熱しながら加圧して成型することにより多孔質としたものである。

　粉末が、例えば略球形で大きさが揃っており、それらが最密充填のごとく配置された場合、粉末で満たされていない空間が、第１音響整合層２５の空隙２８に相当する。

　この場合、空隙２８の開口部は、最表面付近に配置された粉末から形成され、空隙２８は、少なくとも一箇所以上、この開口部に比較して同等以上の面積の部分を有することは明白である。

　このような特徴を有する空隙２８に液状の接着剤３が充填された状態で、ケース４、第１音響整合層２５および第２音響整合層６を重ね合わせて濡れ広がった状態の接着剤３を固化することにより、強固な接合を実現し、優れた信頼性を有する超音波センサーを提供することができる。

　なお、第１音響整合層２５の空隙２８（多孔質）の作成方法としては、金属の粉末を加熱しながら加圧することにより成型することも可能である。

　（実施例）
　以下、実施例により、本開示を更に詳しく説明する。

　実施例では超音波センサーの第１音響整合層の接着強度の比較方法として、－４０℃と８０℃の温度で、１００回熱衝撃を加えた前後でのセンサー特性の変化を指標として用いた。

　超音波センサーの特性の評価指標として、各実施例で評価する超音波センサーと１００ｍｍ離した位置に基準となる超音波センサーを設置し、各実施例で評価する超音波センサーから発した超音波が、基準となるセンサーに伝播して、基準となるセンサーに発生する起電力を用いる。

　基準となるセンサーは、圧電素子として、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、ケースとして厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４製のものを用いた。更に、音響整合層は一層のみとし、エポキシ樹脂にガラスバルーンを添加することで密度を０．５ｇ／ｃｍ^３としたものを厚さ１．２ｍｍ、直径１０ｍｍとしたものを用いた。

　上記の通り、各実施例で用いられる超音波センサーの特性は、基準となる超音波センサーから発生する起電力により知ることができる。

　超音波センサーの接着強度は、熱衝撃試験後の起電力を、熱衝撃試験前の起電力で割り、その値（感度保持率）が大きいものが優れた接着強度を有しているものとする。

　（第１の実施例）
　図２に示す第２の実施の形態において、下記の通り評価を行った。

　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３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。ケース４として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。

　第１音響整合層１５として厚さ１ｍｍ、直径１０ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなり、ケース４側の面の開口部は直径３００μｍ、第２音響整合層６側の面の開口部は４００μｍの貫通孔が空隙８として成型されているものを用いた。孔間距離は、開口部の直径が４００μｍの側で１００μｍである。

　第２音響整合層６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^３としたものを、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工したものを用いた。

　超音波センサー１１の組み立ては下記の通り行った。まず、常温で第１音響整合層１５を接着剤３に浸漬し、下方から、ケース４、第１音響整合層１５、第２音響整合層６の順に配置し、第２音響整合層６の上部より１００ｇ荷重を加えた。この状態で、第１音響整合層１５とケース４、第１音響整合層１５と第２音響整合層６の間には接着剤３が濡れ広がっている。

　この後、１５０℃で６０分加熱することにより、接着剤３を固化させてケース４から第２音響整合層６の接合がなされる。更に、ケース４と圧電素子２は導電性接着剤により接合され、ケース４と電極７ｂ、圧電素子２と電極７ａは半田により接合された。

　上記の通り作製された超音波センサーの起電力は１００ｍＶ、熱衝撃試験後の超音波センサーの起電力は９８ｍＶであった。従って、超音波センサーの感度保持率は９８％であった。

　（第２の実施例）
　図２に示す第２の実施の形態において、下記の通り評価を行った。

　第１音響整合層１５として厚さ１ｍｍ、直径１０ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなり、直径が３００μｍの貫通孔が空隙１８として成型されているものを用いた。孔間距離は１００μｍである。

　この後、１５０℃で６０分加熱することにより、接着剤３を固化させてケース４から第２音響整合層の接合がなされる。更に、ケース４と圧電素子２は導電性接着剤により接合され、ケース４と電極７ｂ、圧電素子２と電極７ａは半田により接合された。

　第１の実施例と比較して、超音波センサーの特性、接着強度とも第１の実施例と同等であることが判った。

　（第３の実施例）
　図２に示す第２の実施の形態において、下記の通り評価を行った。

　圧電素子２として、厚さ２．８ｍｍ、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３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。ケース４として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。

　第１音響整合層１５として厚さ１ｍｍ、直径１０ｍｍのアルミニウムからなり、直径が２ｍｍの貫通孔が空隙８として成型されているものを用いた。孔間距離は２００μｍである。第２音響整合層として、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^３としたものを、厚さ０．８ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に加工したものを用いた。

　超音波センサー１１の組み立ては下記の通り行った。まず、常温で第１音響整合層１５を接着剤３に浸漬し、下方から、ケース４、第１音響整合層５、第２音響整合層６の順に配置し、第２音響整合層６の上部より１００ｇ荷重を加えた。この状態で、第１音響整合層１５とケース４、第１音響整合層１５と第２音響整合層６の間には接着剤３が濡れ広がっている。

　この後、１５０℃で６０分加熱することにより、接着剤３を固化させてケース４から第２音響整合層の接合がなされる。更に、ケース４と圧電素子２は導電性接着剤により接合され、ケース４と電極７ａ、圧電素子２と電極７ｂは半田により接合された。

　上記の通り作製された超音波センサーの起電力は９５ｍＶ、熱衝撃試験後の超音波センサーの起電力は９５ｍＶであった。従って、超音波センサーの感度保持率は１００％であった。

　第２の実施例と比較して、超音波センサーの起電力は少し小さい値となったが、ほぼ同等であると考えた。第２の実施例では第１音響整合層の平均密度は、密度が１．３ｇ／ｃｍ^３のＰＥＥＫ樹脂と密度が１．０ｇ／ｃｍ^３のエポキシ樹脂の平均の１．２程度であるのに対し、第３の実施例では同様に第１音響整合層の平均密度は１．６ｇ／ｃｍ^３程度と、大きいことが要因の１つとして考えられる。

　一方、感度維持率は１００％であり、第２の実施例に比較して更に改善していることが判った。これは、アルミニウムはＰＥＥＫ樹脂に比較してＳＵＳ３０４からなるケースとの熱膨張率の差が小さいため、熱衝撃試験でのせん断力が低減したためであると判断できる。

　（第４の実施例）
　図４に示す第３の実施の形態において、下記の通り評価を行った。

　第１音響整合層２５として、ＰＥＥＫ樹脂を粉砕し、平均粒径を１００μｍとした粉末を加熱しながら加熱することで厚さ１ｍｍ、直径１０ｍｍに成型したものを用いた。

　超音波センサー２１の組み立ては下記の通り行った。まず、常温で第１音響整合層２５を接着剤３に浸漬し、下方から、ケース４、第１音響整合層２５、第２音響整合層６の順に配置し、第２音響整合層６の上部より１００ｇ荷重を加えた。この状態で、第１音響整合層２５とケース４、第１音響整合層２５と第２音響整合層６の間には接着剤３が濡れ広がっている。

　この後、１５０℃で６０分加熱することにより、接着剤３を固化させることによりケース４から第２音響整合層の接合がなされる。更に、ケース４と圧電素子２は導電性接着剤により接合され、ケース４と電極７ａ、圧電素子２と電極７ｂは半田により接合された。

　上記の通り作製された超音波センサーの起電力は８５ｍＶ、熱衝撃試験後の超音波センサーの起電力は８５ｍＶであった。従って、超音波センサーの感度保持率は１００％であった。

　実施の形態１～３と比較すると起電力はやや小さくなっている。これは第１音響整合層は、ＰＥＥＫ樹脂からなる多孔質とその空隙をエポキシ樹脂で充填した構造になっているため、超音波が伝播する際、音響インピーダンスが近似しているが、僅かに反射することが繰り返されることにより、効率が僅かに低下するためであると考えられる。

　一方、感度保持率は、第２の実施例に比較しても改善している。これは、第２の実施例では第１音響整合層の一部であるＰＥＥＫ樹脂がケースに面しているため僅かではあるが、熱衝撃によるせん断力による影響を受けているが、第４の実施例では、粒子状のＰＥＥＫ樹脂は、ケースには点接触状に面している、即ちほぼ全面がエポキシ樹脂からなる接着剤が面しているためであると考えられる。

　（第１の比較例）
　第１の実施例において、空隙８の開口部８ａの直径が４００μｍの面をケース側として接合して超音波センサーを作製し、評価を行った。

　上記の通り作製された超音波センサーの起電力は１００ｍＶ、熱衝撃試験後の超音波センサーの起電力は６０ｍＶであった。従って、超音波センサーの感度保持率は６０％であった。

　作製後の超音波センサーの起電力は第１の実施例と同等であることが判った。一方、感度保持率は第１の実施例と比較して低下していることが判った。これは、熱衝撃試験により、ケースと第１音響整合層に生じる線弾力が加わると、第１音響整合層の空隙内の接着剤には面方向に対して垂直方向の遠ざかる方向の力の成分が生じるため、剥離しやすくなるためであると考えられる。

　（第２の比較例）
　第２の実施例２において、第１音響整合層に貫通孔、即ち空隙を設けずに超音波センサーを作製した。

　上記の通り作製された超音波センサーの起電力は１００ｍＶ、熱衝撃試験後の超音波センサーの起電力は２０ｍＶであった。従って、超音波センサーの感度保持率は２０％であった。

　熱衝撃試験後の超音波センサーでは、ケースと音響整合層は容易に剥離した。更に、剥離後、接着剤は、ほぼ全てケースに残存することが判った。これらから、熱衝撃試験で生じるケースと第一の整合層の熱膨張率によるせん断力によりＰＥＥＫ樹脂界面の接合が劣化するためであると判断した。

　以上の実施例、比較例から判るように、音響整合層を熱膨張率の差が大きい材料と接着する場合に、音響整合層の開口部に比較して同等以上の面積の部分を有する空隙が存在するため、接着剤のアンカー効果により優れた接着強度を有することで環境耐久性を向上できる超音波センサーを得られることが判った。

　以上説明したように、第１の開示における超音波センサーは、少なくとも、圧電素子と、圧電素子に接着された第１音響整合層と、圧電素子と第１音響整合層を接着する接着剤と、からなり、第１音響整合層は、圧電素子との接着面に向かって開口した開口部と、開口部と連通する空隙を有し、接着剤が、空隙に充填される。

　以上の構成により、第１の開示における超音波センサーは、圧電素子と第１音響整合層を接着する接着剤と空隙内で固化した接着剤が一体になることで、アンカー効果が得られ、優れた耐久性を得ることができる。

　圧電素子から、第１音響整合層へ高効率で超音波を伝播するため、充分な接合強度を確保する必要がある。

　第１音響整合層は、それが単層の場合、圧電素子から伝播した超音波を気体へ高効率で伝播させる必要があり、それが第１音響整合層、第２音響整合層というように複数の音響整合層で構成される場合、第１音響整合層から第２音響整合層へ、第２音響整合層から気体へ高効率で伝播させる必要がある。

　そして、第１音響整合層に必要な特性として、式（１）で示される音響インピーダンス特性の他、第１音響整合層が変形することによるエネルギーの損失を抑制（高伝播特性）する必要がある。一般に、高伝播特性を有する物質は硬い（高弾性）である。更に、式（１）及び高弾性であることを満たす物質は、ＰＥＥＫ等のスーパーエンジニアリングプラスチックである場合が多い。

　ところが、一般に、スーパーエンジニアリングプラスチックは接着が困難という特性がある。そこで、第１音響整合層が、圧電素子、或いは圧電素子に接合された部材に面した開口部を有することにより、空隙に充填後硬化した接着剤は音響整合層と、化学的な接合に加え、機械的な接合、即ちアンカー効果により接合される。これにより、難接着（化学結合による接合が脆弱）であっても強固な接合が担保される。一方、接着剤の対面は、セラミックス或いは金属と比較的容易に接合する。

　以上の通り、圧電素子と第１音響整合層は、強固に接合することにより、これらに熱膨張率の差による応力が生じた場合でも容易に剥離せず、優れた耐久性を有する超音波センサーを提供することができる。

　第２の開示における超音波センサーは、少なくとも、平板部を有する金属製部材と、平板部の一方の第１の面に接合された圧電素子と、平板部の他方の第２の面に接着された第１音響整合層と、第１音響整合層を平板部に接着する接着剤と、からなる。第１音響整合層は、平板部との接着面に向かって開口した開口部と、開口部に連通する空隙を有し、接着剤が、空隙に充填されている。

　この構成により、第２の開示における超音波センサーは、圧電素子に接合された平板部と第１音響整合層を接着する接着剤と空隙内で固化した接着剤が一体になることで、アンカー効果が得られ、優れた耐久性を得ることができる。

　第３の開示における超音波センサーは、第１または第２のいずれか１つの開示において、開口部の開口面積が、空隙の断面積以下であってもよい。

　この構成により、更に大きなアンカー効果を得ることができる。

　第４の開示における超音波センサーは、第１から第３のいずれか１つの開示において、第１音響整合層に接着剤で接着された第２音響整合層を有し、空隙は、第２音響整合層に連通する開口部を有してもよい。

　第５の開示における超音波センサーは、第１から第４のいずれか１つの開示において、第１音響整合層の少なくとも一部が樹脂であってもよい。

　空隙を有する物質に液状の接着剤を充填し、固化させた後の物質の密度は、これらの物質の密度の存在比率による平均となる。

　一方、音響整合層が圧電素子側の第１音響整合層とこれに積層された第２音響整合層の２層である場合、第２音響整合層の密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３程度の場合、第一整合層の密度（音速の樹脂依存性は小さいため、音響インピーダンスは密度の依存性が大きい）は、式（１）によると、１ｇ／ｃｍ^３程度となる。この密度は一般的な樹脂の密度に相当する。更に、エポキシ系などの接着剤の密度は１ｇ／ｃｍ^３程度である。従って、音響整合層が樹脂製であることにより、その空隙に密度が１ｇ／ｃｍ^３程度の接着剤が充填された場合の平均密度も１ｇ／ｃｍ^３程度となる。

　従って、音響整合層が樹脂であることにより、優れた特性を有する超音波センサーを提供することができる。

　第６の開示における超音波センサーは、第１から第４のいずれか１つの開示において、第１音響整合層の少なくとも一部が無機物或いは金属であってもよい。

　無機物や金属は耐熱性が高いため、接着剤として合金からなるロウ材等を用いることにより、耐熱性に優れた超音波センサーを提供することができる。

　第７の開示における超音波センサーは、第１から第６のいずれか１つの開示において、空隙の少なくとも一部が略円筒形状であってもよい。

　工業生産性の観点から、一部が略円筒形状である音響整合層は生産に適している。例えば、略円筒形状として、音響整合層の、圧電素子あるいは圧電素子に接合した部材に面する面と面しない面の間の貫通孔はこの空隙に該当する。このような形状は、例えば音響整合層が熱可塑性の樹脂の場合、射出成型や、板状の部材に機械加工で貫通孔を形成することによる生産が可能である。一方、音響整合層が金属の場合、ダイキャスト成型や、板状の部材に機械加工で貫通孔を形成することが可能である。

　更に、空隙に接着剤が充填され固化された状態では、音響整合層と圧電素子或いは圧電素子に接合された部材の熱膨張率の差による応力は、空隙内の接着材にほぼ垂直に加わるため、これらの界面に発生する不具合を抑制する効果も充分である。

　第８の開示における超音波センサーは、第１から第６のいずれか１つの開示において、空隙の少なくとも一部が粉末を成型することにより得られてもよい。

　一般に粉末を成型することにより得られた部材は、開口部より広い面積を有する空隙を有する。更に、このような成型が可能な物質は、無機物、金属、樹脂等多岐にわたる。従って、密度、弾性率、耐熱温度等適正な物性を有する音響整合層を形成することができ、優れた特性を有する超音波センサーを提供することができる。

　第９の開示における超音波センサーは、第１から第８のいずれか１つの開示において、接着剤は、硬化時の平均密度が０．８ｇ／ｃｍ^３以上、１．５ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。

　音響整合層が２層であり、第２音響整合層の密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３程度の場合、第１音響整合層の密度（音速の樹脂依存性は小さいため、音響インピーダンスは密度の依存性が大きい）は、式（１）によると、１ｇ／ｃｍ^３程度となる。この密度は一般的な樹脂の密度に相当する。更に、エポキシ系のなどの接着剤の密度は１ｇ／ｃｍ^３程度である。従って、音響整合層が樹脂製であることにより、その空隙に密度が１ｇ／ｃｍ^３程度の接着剤が充填された場合の平均密度も１ｇ／ｃｍ^３程度となる。更に、第２音響整合層の密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３より大きい場合、小さい場合それぞれにおいて、超音波センサーとして最大の効率を得ることができる第１音響整合層の密度は異なり、０．８ｇ／ｃｍ^３以上、１．５ｇ／ｃｍ^３以下程度の場合、最適となる。

　第１０の開示における超音波センサーは、第１から第９のいずれか１つの開示において、接着剤が、液状で空隙に充填された後、硬化することにより接合を行うものでよい。

　一例として、音響整合層の空隙に液状の接着を充填するため、空隙の総体積に比較して過剰の接着剤を塗布した場合、音響整合層の表面には少なくとも塗布量と、空隙の総体積の差分に相当する液状の接着剤が残存する。このような状態で、圧電素子或いは圧電素子に接合された部材に音響整合層が接触すると、これらの界面に液状の接着剤が濡れ広がる。

　一般に、圧電素子或いは圧電素子に接合された部材は無機物、金属からなるため、比較的接合が容易である。従って、液状の接着剤は固化することにより、圧電素子或いは圧電素子に接合された部材とは化学結合を主とする結合力により接合され、音響整合層とはアンカー効果を主とする結合力により接合される。これら一連の効果により、圧電素子或いは圧電素子に接合された部材と音響整合層は強固に接合され、優れた信頼性を有する超音波センサーを提供することができる。

　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、室温に比較して高温や低温環境で優れた耐久性を要する用途に、好適に用いられる。

　１、１１、２１、３１、４１、５１　超音波センサー
　２　圧電素子
　３　接着剤
　４　ケース（金属製部材）
　４ａ　天面（平板部）
　５、１５、２５　第１音響整合層
　６　第２音響整合層
　８、１８、２８　空隙

Claims

少なくとも、圧電素子と、前記圧電素子に接着された第１音響整合層と、前記圧電素子と前記第１音響整合層を接着する接着剤と、からなり、
前記第１音響整合層は、前記圧電素子との接着面に向かって開口した開口部と、前記開口部と連通する空隙を有し、前記接着剤が、前記空隙に充填されている超音波センサー。
少なくとも、平板部を有する金属製部材と、前記平板部の一方の第１の面に接合された圧電素子と、前記平板部の他方の第２の面に接着された第１音響整合層と、前記第１音響整合層を前記平板部に接着する接着剤と、からなり、
前記第１音響整合層は、前記平板部との接着面に向かって開口した開口部と、前記開口部に連通する空隙を有し、
前記接着剤が、前記空隙に充填されている超音波センサー。
前記開口部の開口面積は、前記空隙の断面積以下である請求項１または２のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記第１音響整合層に前記接着剤で接着された第２音響整合層を有し、
前記空隙は、第２音響整合層に連通する開口部を有した請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記第１音響整合層の少なくとも一部が樹脂である請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波センサー。
記第１音響整合層の少なくとも一部が無機物或いは金属である請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記空隙の少なくとも一部が略円筒形状である請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記空隙の少なくとも一部が粉末を成型することにより得られたものである請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記接着剤は、硬化時の平均密度が０．８ｇ／ｃｍ^３以上、１．５ｇ／ｃｍ^３以下である請求項１から８のいずれか１項に記載の超音波センサー。
前記接着剤は、液状で前記空隙に充填された後、硬化することにより接合を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の超音波センサー。