特許 7474995 超音波センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】超音波センサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20240419BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022505066

(86)(22)【出願日】2021-02-08

(86)【国際出願番号】 JP2021004507

(87)【国際公開番号】W WO2021176954

(87)【国際公開日】2021-09-10

【審査請求日】2023-02-13

(31)【優先権主張番号】P 2020035467

(32)【優先日】2020-03-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】弁理士法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桝田 知樹

(72)【発明者】

【氏名】石崎 祐大

(72)【発明者】

【氏名】永原 英知

【審査官】金子 秀彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０１７８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３２１９０４１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００５－１３０３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許第０１１９８５５（ＥＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１４／０８４１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００７／１６１９０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－１３５５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９４２７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも、圧電素子と、互いに積層し接合された複数の音響整合層と、で構成され、
前記複数の音響整合層は、前記圧電素子に隣接する第一音響整合層を含み、
前記第一音響整合層は熱可塑性樹脂と無機フィラーからなり、
前記第一音響整合層における前記無機フィラーの重量比率は３０％以下であり、
前記無機フィラーは針状フィラーと中空フィラーからなり、
前記無機フィラーに占める前記中空フィラーの重量比率は５０％以下である、
超音波センサ。

【請求項2】

前記熱可塑性樹脂は液晶ポリマーである、
請求項１に記載の超音波センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波の送受信を行う超音波センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

互いに接する異なる２つの物質においては、各物質の音響インピーダンスの差異が小さければ、超音波はそれら２つの物質の界面を透過して一方の物質から他方の物質へ伝播する。なお、音響インピーダンスとは、その物質の密度とその物質の音速との積によって表される数値のことである。しかし、互いに接する２つの物質において音響インピーダンスが大きく異なる場合、超音波は、伝播する割合よりも界面で反射する割合の方が高くなる。従って、互いに接する２つの物質においては、各物質の音響インピーダンスの差異が小さくなるに従い、超音波のエネルギー伝播効率は高くなる。

【0003】

しかし、超音波センサに使用される圧電素子は、密度と音速が相対的に高いセラミックスにより構成されるのが一般的である。超音波を伝播させ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、圧電素子から空気への超音波のエネルギー伝播効率は非常に低い。

【0004】

この問題を解決するために、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る対策が行われている。これにより、超音波のエネルギー伝播効率を高めることができる。

【0005】

音響インピーダンスの観点から見た場合、圧電素子から音響整合層を経て気体へ超音波が伝播するときのエネルギー伝播効率が最も高くなるのは、各物質の音響インピーダンスが以下の式（１）により示される関係を満たす場合である。

【0006】

Ｚ２＾２＝Ｚ１×Ｚ３・・・（１）
式（１）において、Ｚ１は圧電素子の音響インピーダンスであり、Ｚ２は音響整合層の音響インピーダンスであり、Ｚ３は気体の音響インピーダンスである。

【0007】

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。音響整合層の内部を伝播する超音波のエネルギー損失の要因の一つは、音響整合層が塑性変形し超音波のエネルギーが熱として散逸することである。従って、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ためには、音響整合層に使用する物質が高弾性であることが望ましい。

【0008】

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を、気体の音響インピーダンスＺ３に近づけるためには、音響インピーダンスＺ２の数値を低下させる必要がある。低い音響インピーダンスを有する物質は、低音速や低密度の物質であり、一般に容易に変形する物質が多い。そして、そのような物質は音響整合層に適さない。具体的には、固体である圧電素子と気体とでは、音響インピーダンスの数値が５桁程度異なる。そのため、式（１）を満足させるためには、音響整合層の音響インピーダンスの数値と圧電素子の音響インピーダンスの数値との差異が３桁程度になるように、音響整合層の音響インピーダンスを低くする必要がある。

【0009】

そこで、音響整合層を二層にして圧電素子から気体へ高効率で超音波を伝播させる検討が行われている。ここでは、気体に接し、超音波を気体に放出する音響整合層を第二音響整合層、第二音響整合層と圧電素子の双方と接する音響整合層を第一音響整合層と定義する。そして、圧電素子から第一音響整合層、第二音響整合層を経て気体へ超音波が伝播するときのエネルギー伝播効率が最も高くなるのは、各物質の音響インピーダンスが式（１）から導かれる以下の式（２）、式（３）により示される関係を満たす場合である。

【0010】

Ｚ２＾２＝Ｚ１×Ｚ３・・・（２）
Ｚ３＾２＝Ｚ２×Ｚ４・・・（３）
式（２）、式（３）において、Ｚ１は圧電素子の音響インピーダンスであり、Ｚ２は第一音響整合層の音響インピーダンスであり、Ｚ３は第二音響整合層の音響インピーダンスであり、Ｚ４は気体の音響インピーダンスである。

【0011】

また、互いに接する異なる２つの物質で音響インピーダンスの差が大きい場合、それら２つの物質が接触する界面で超音波が反射するため、各物資の音響インピーダンスの大きさは、次の関係を満たすことが望ましい。
圧電素子＞第一音響整合層＞第二音響整合＞気体
このような低音響インピーダンスと超音波エネルギーの高い伝播効率とを実現するために、非常に軽量で硬質な素材が音響整合層に用いられる。多くの場合、この密度制御を実現するために、樹脂材料に中空フィラーを混合させたり、発泡樹脂などを適用したりしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】特開２００３－２５９４９１号公報

【発明の概要】

【0013】

特許文献１は、音響整合層を形成する材料として、カルボジイミド樹脂を主成分とし、無機中空体、又は無機中空体と反応性樹脂を含有する組成物を開示している。特許文献１には、この組成物は、カルボジイミド樹脂の吸湿性が低く、カルボジイミド樹脂と無機中空体の密着性がよい、といった特徴を有することから、高湿度下でも性能が低下しにくい超音波センサを製造することができる、と記されている。

【0014】

しかしながら、この製造工程では２００℃で１時間という高温かつ長時間の硬化反応工程が必要である。そのため、この硬化過程において製造物に密度のばらつきが発生する可能性がある。

【0015】

本発明は、熱可塑性樹脂を射出成形することにより製造工程を簡略化し、この熱可塑性樹脂に無機フィラーを所定量混合することで、湿度の影響を受けやすい環境下でも特性変動の小さい音響整合層を生成し、信頼性の高い超音波センサを生産することができる。

【0016】

本発明の超音波センサは、少なくとも、圧電素子と、互いに積層し接合された複数の音響整合層と、で構成される。複数の音響整合層は、圧電素子に隣接する第一音響整合層を含む。第一音響整合層は熱可塑性樹脂と無機フィラーからなり、第一音響整合層における無機フィラーの重量比率は３０％以下である。無機フィラーは針状フィラーと中空フィラーからなり、無機フィラーに占める中空フィラーの重量比率は５０％以下である。このような組成の熱可塑性樹脂を用いることで、射出成型により音響整合層を簡便に生成することができ、湿度耐性の高い超音波センサを生産することができる。

【0017】

無機フィラーの配合比率を規定した熱可塑性樹脂を用いた第一音響整合層は、射出成型という簡便な工法で生産することができ、密度のばらつきなども非常に小さい。熱可塑性樹脂の構成成分である無機フィラーの配合比率を規定することで、高湿度の環境下であっても音響整合層の吸湿量を低減させることが可能となる。この結果、湿度変化による影響を受けにくい超音波センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施の形態１における超音波センサの構成の一例を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、実施の形態１における超音波センサの各実施例における第一音響整合層を形成する配合組成中の無機フィラーに占める中空構造比率に対する第一音響整合層の密度及び吸湿量を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

当該技術に関連する業界では、超音波センサに使用する音響整合層を開発するために、非常に軽量で硬質な材料の検討がなされている。音響整合層の軽量化を図るために、この材料に中空フィラーを配合する検討が一般的になされている。本願発明者らは、この中空フィラーを用いた音響整合層の軽量化の検討により着想を得た。この着想を実現するためには材料への中空フィラーの高充填が必要となる。しかし、本願発明者らは、材料に中空フィラーを高充填することによって、吸湿しやすい環境下で超音波センサの特性が変化することを発見した。そして、本願発明者らは、この問題を解決するために本発明の主題を構成するに至った。

【0020】

以下、図面を参照しながら、本発明の超音波センサの実施形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下で説明する実施の形態は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、いずれも本開示の一例を示すものであり、これにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。また、図面は、必ずしも厳密に図示されたものではなく、本開示をわかりやすく示すために適宜省略等を行った模式図である。

【0021】

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における超音波センサ１の構成の一例を模式的に示す断面図である。超音波センサ１は、圧電素子２と第一音響整合層４と第二音響整合層５とを備える。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、有底筒状の金属筐体３の内面３ｂに接合されている。

【0022】

圧電素子２の両面に構成された電極２ａ、２ｂの内、一方の電極２ａは配線６ａにより引き出され、他方の電極２ｂは金属筐体３を介して配線６ｂで引き出されている。第一音響整合層４は、熱可塑性樹脂と無機フィラーとの混合物により構成されており、金属筐体３の天板の外面３ａに接合されている。更に、第二音響整合層５は第一音響整合層４と接着されている。

【0023】

そして、第一音響整合層４と第二音響整合層５とを積層することで、配線６ａ、６ｂを介して電気回路（図示せず）から電極２ａ、２ｂに印加される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、外部の流体に対して超音波として効率よく出ていく。また、圧電素子２に到達した超音波が効率よく電圧に変換される。

【0024】

本発明における第一音響整合層４は、熱可塑性樹脂と強度確保の為の無機フィラーとの混合物で構成されている。第二音響整合層５は、気体との音響整合の為に音響インピーダンスの小さな材料で構成されている。そして、第一音響整合層４と第二音響整合層５との音響インピーダンス整合と音響シミュレーションの結果から、第一音響整合層４の密度は、０．６ｇ／ｃｍ＾３以上１．６ｇ／ｃｍ＾３以下である必要があることがわかった。

【0025】

一方、超音波伝搬の内部損失の低減を考慮すると、第一音響整合層４の密度は、その内部損失を低減できる程度に大きいことが求められる。これにより、第一音響整合層４の密度の下限が決定される。更に、第一音響整合層４の耐熱性を確保する為に、熱可塑性樹脂に混入している無機フィラーの配合量は、所定の耐熱条件を満たすと共に、第一音響整合層４全体の密度が所定範囲に入るように設定する必要がある。これらのことから、本開示においては、無機フィラーを熱可塑性樹脂に重量分率が３０％以下となるように混合することとする。なお、以下に示す実施例１～７においては、熱可塑性樹脂に対する無機フィラーの重量分率は２２％としている。さらに、以下に示す実施例１～７では、第一音響整合層４の密度を変化させる為に、無機フィラーを針状フィラーおよび中空フィラーで構成し、針状フィラーと中空フィラーの重量分率をパラメータとしている。

【0026】

第一音響整合層４の材料としては、成型時に樹脂の流動性による成形ができる熱可塑性を有する材料が必要である。これらの材料として、例えば、硬質ウレタン樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＯＭ樹脂、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー、ＰＳ樹脂などの樹脂が挙げられる。また、熱可塑性樹脂に混合する無機フィラーには、針状フィラーと中空フィラーを混合して使用する。これにより、材料の密度調整も可能となる。針状フィラーの一例としてガラスファイバーが挙げられる。中空フィラーの一例として、ガラスやセラミックスからなる中空バルーンが挙げられる。

【0027】

また、第二音響整合層５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、複数の孔部とそれに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。

【0028】

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（登録商標）などが挙げられ、硬質塩ビ発泡体の例としてＪＦＣ株式会社のナビセル（登録商標）などが挙げられ、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（登録商標）などが挙げられ、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（登録商標）などが挙げられる。これらは販売されている。

【0029】

本実施の形態の超音波センサ１は、例えば以下の手順により、製造できる。

【0030】

まず、金属筐体３、圧電素子２、第一音響整合層４、および第二音響整合層５を用意する。第一音響整合層４及び第二音響整合層５は、予め、所定の厚さを有するように加工されている。金属筐体３における天板の内面３ｂに接着剤などで圧電素子２を張り付ける。また、金属筐体３における天板の外面３ａに第一音響整合層４を張り付け、さらに第一音響整合層４の上に第二音響整合層５を張り付ける。その後、圧電素子２に配線６ａを、金属筐体３に配線６ｂをそれぞれ接続する。こうして超音波センサが完成する。なお、金属筐体３と第一音響整合層４との接合方法、および第一音響整合層４と第二音響整合層５との接合方法には、例えば、エポキシ系樹脂による接着を用いている。

【0031】

（実施例）
以下、実施の形態１の超音波センサ１を、条件を変えて複数作製し、それぞれの特性を調べた結果を説明する。なお、以下では、超音波センサ１および第一音響整合層４を、作製条件に応じて、超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈとし、第一音響整合層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈとする。

【0032】

１．試料の作製
（実施例１）
実施例１として、下記の超音波センサ１ａを作製した。

【0033】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0034】

第一音響整合層４ａを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：５：１７である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ａを作製した。なお、この材料の密度は１．２０ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ａを貼り合わせ、第一音響整合層４ａの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ａおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ａを作製した。

【0035】

（実施例２）
実施例２として、下記の超音波センサ１ｂを作製した。

【0036】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0037】

第一音響整合層４ｂを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：７：１５である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｂを作製した。なお、この材料の密度は１．２３ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｂを貼り合わせ、第一音響整合層４ｂの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｂおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｂを作製した。

【0038】

（実施例３）
実施例３として、下記の超音波センサ１ｃを作製した。

【0039】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0040】

第一音響整合層４ｃを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：１３：９である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｃを作製した。なお、この材料の密度は１．３０ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｃを貼り合わせ、第一音響整合層４ｃの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｃおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｃを作製した。

【0041】

（実施例４）
実施例４として、下記の超音波センサ１ｄを作製した。

【0042】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0043】

第一音響整合層４ｄを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：１５：７である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｄを作製した。なお、この材料の密度は１．３５ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｄを貼り合わせ、第一音響整合層４ｄの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｄおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｄを作製した。

【0044】

（実施例５）
実施例５として、下記の超音波センサ１ｅを作製した。

【0045】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0046】

第一音響整合層４ｅを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：１８：４である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｅを作製した。なお、この材料の密度は１．４０ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｅを貼り合わせ、第一音響整合層４ｅの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｅおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｅを作製した。

【0047】

（実施例６）
実施例６として、下記の超音波センサ１ｆを作製した。

【0048】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0049】

第一音響整合層４ｆを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーと中空のガラスバルーンの混合物を無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：２１：１である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｆを作製した。なお、この材料の密度は１．５０ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｆを貼り合わせ、第一音響整合層４ｆの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｆおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｆを作製した。

【0050】

（実施例７）
実施例７として、下記の超音波センサ１ｇを作製した。

【0051】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0052】

第一音響整合層４ｇを形成する材料として、液晶ポリマーに針状のガラスファイバーを無機フィラーとして配合したものを用いた。なお、この混合物にガラスバルーンは無添加とした。そのため、この混合物における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、７７：２２：０である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｇを作製した。なお、この材料の密度は１．６０ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｇを貼り合わせ、第一音響整合層４ｇの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｇおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｇを作製した。

【0053】

（比較例１）
比較例１として、下記の超音波センサ１ｈを作製した。

【0054】

圧電素子２として、厚さ２．６５ｍｍ、長軸方向の長さ７．４ｍｍ、短軸方向の長さ３．５５ｍｍの直方体状のチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。この圧電素子２は長軸方向に溝を有している。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。金属筐体３として厚さ０．２ｍｍのＳＵＳ３０４からなるものを用いた。第二音響整合層５としてポリメタクリルイミド発泡樹脂を用いた。密度は０．０７ｇ／ｃｍ＾３であり、寸法は直径１０ｍｍ、厚み０．７５ｍｍの円板状に加工したポリメタクリルイミド発泡樹脂を第二音響整合層５として使用した。

【0055】

第一音響整合層４ｈを形成する材料として、無機フィラーが無添加の液晶ポリマーを使用した。このため、この材料における液晶ポリマー、ガラスファイバー、ガラスバルーンの重量比率は、１００：０：０である。各素材をこの比率で配合して形成したペレットを、射出成型により、厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｍｍの円板状に成形して第一音響整合層４ｈを作製した。なお、この材料の密度は１．４５ｇ／ｃｍ＾３であった。そして、圧電素子２を固定した金属筐体３に、この第一音響整合層４ｈを貼り合わせ、第一音響整合層４ｈの上に第二音響整合層５を積層して接合した。このようにして、圧電素子２、金属筐体３、第一音響整合層４ｈおよび第二音響整合層５を備えた超音波センサ１ｈを作製した。

【0056】

２．特性の評価
まず、射出成型によって作製した第一音響整合層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈの各々の吸湿量を測定した。具体的には、７０℃９５％の恒温恒湿槽に、上記した各条件で作製した第一音響整合層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈを１００時間投入した。そして、各第一音響整合層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈの投入前後の重量をそれぞれ計測し、重量の変化から吸湿量を算出した。次に、第一音響整合層４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈを用いて作製した超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈを上記と同条件の恒温恒湿槽に同時間投入し、投入前後のインピーダンス波形を比較して、周波数のシフト量を計測した。このシフト量が１０ｋＨｚ以下の超音波センサ１を「〇」、このシフト量が１０ｋＨｚより大きい超音波センサ１を「×」とした。耐熱特性の測定では、－４０℃の恒温槽と８０℃の恒温槽に、超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈを各々３０分間ずつ投入する熱衝撃試験を２００サイクル実施した。そして、各超音波センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈのセンサ感度を、熱衝撃試験の実施前後でそれぞれ比較し、その変化を確認した。そして、感度変化が２０％以上の超音波センサ１を「×」とし、感度変化が２０％未満の超音波センサ１を「〇」とした。

【0057】

これら吸湿量と、インピーダンスのシフト量および耐熱特性の判定結果を表１に記載する。なお、この表１には配合組成中の無機フィラー比率、無機フィラー中の中空構造比率も併せて記している。なお、表１において「実施例１」の列には、上記実施例１で作製した第一音響整合層４ａに関する各数値、およびこの第一音響整合層４ａを備えた超音波センサ１ａにおける判定結果を示した。他の実施例２～７および比較例１も同様である。また、表１では、吸湿量の算出結果を「吸湿量（ｇ）」の行に、周波数のシフト量の判定結果を「吸湿耐性（判定結果）」の行に、センサの感度変化の判定結果を「耐熱特性（判定結果）」の行に、それぞれ記載した。

【0058】

【表1】

【0059】

３．結果の考察
図２は、表１に示す各実施例における第一音響整合層４を形成する配合組成中の無機フィラーに占める中空構造比率に対する第一音響整合層４の密度及び吸湿量を示すグラフである。図２において、横軸は第一音響整合層４を形成する配合組成中の無機フィラーに占める中空構造比率を表し、縦軸は第一音響整合層４の密度及び吸湿量を表す。

【0060】

表１および図２に示す様に、第一音響整合層４の吸湿量は、第一音響整合層４を形成する配合組成中の無機フィラーに占める中空フィラーの比率（表１、図２には、中空構造比率（％）として示す）に関連しており、中空フィラーの比率が少ない程、吸湿量も減少する傾向を示した。また、超音波センサの吸湿耐性（インピーダンスシフト量）は吸湿量との相関があることを確認した。これらの結果より、第一音響整合層４に中空構造のフィラーを導入することにより、吸湿量が増加し、超音波センサの吸湿耐性（インピーダンスシフト量）も悪化することがわかった。表１の判定結果より、無機フィラーに占める中空構造のフィラー比率の好ましい比率は５０％以下であることがわかった。この場合、第一音響整合層４の密度は、１．２５～１．６０ｇ／ｃｍ＾３に設定することができ、前述した要求される密度の条件を満たすことができる。

【0061】

なお、吸湿量を低減させるために無機フィラーに占める中空構造のフィラー比率（中空構造比率）を０％とした実施例７の第一音響整合層４ｇ（超音波センサ１ｇ）は、低吸湿量でありインピーダンスシフト量も問題ないが、密度が前述した上限の１．６ｇ／ｃｍ＾３に達している。密度上限よりも超音波センサの音波の伝播性能を向上させるために、無機フィラーにおける中空フィラーの重量比率は、１％以上であることが望ましい。また、無機フィラーを０％とした比較例１の第一音響整合層４ｈ（超音波センサ１ｈ）は、密度は条件を満たすものの、耐熱特性の判定結果が「×」であった。したがって、耐熱性を向上させる観点から、第一音響整合層４における無機フィラーの重量比率は１０％以上であることが望ましい。

【0062】

これらの結果より、第一音響整合層４に少なくとも無機フィラーを重量比率で３０％以下添加し、さらに無機フィラーに占める中空構造のフィラーを重量比率で５０％以下にすることで、耐熱特性にも悪影響を与えず、吸湿耐性に優れた超音波センサ１を得ることができることが分かった。なお、第一音響整合層４における無機フィラーの比率、及び、無機フィラーに占める中空構造のフィラーの比率は、超音波センサに求められる感度、耐熱性、吸湿性に応じて、適宜、上記した範囲内で選択することができる。

【0063】

以上説明したように、第１の開示における超音波センサは、少なくとも、圧電素子と、互いに積層し接合された複数の音響整合層と、で構成され、複数の音響整合層は、圧電素子に隣接する第一音響整合層を含み、第一音響整合層は熱可塑性樹脂と無機フィラーからなり、第一音響整合層における無機フィラーの重量比率は３０％以下であり、無機フィラーは針状フィラーと中空フィラーからなり、無機フィラーに占める中空フィラーの重量比率は５０％以下である。

【0064】

第２の開示における超音波センサは、第１の開示において、熱可塑性樹脂が液晶ポリマーである。

【産業上の利用可能性】

【0065】

以上のように、本発明にかかる超音波センサは、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。特に、本発明にかかる超音波センサは、高温、もしくは低温といった使用環境下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】

【0066】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 超音波センサ
２ 圧電素子
２ａ，２ｂ 電極
３ 金属筐体
３ａ 外面
３ｂ 内面
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ 第一音響整合層
５ 第二音響整合層
６，６ａ，６ｂ 配線

【図1】

【図2】