JP2003111195A - 音響整合部材、超音波送受波器、超音波流量計およびこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】音響整合層として多孔質体を用いる超音波送受
波器の送受信効率を向上させ、音響整合部材の破壊によ
る故障が少ない超音波送受波器および超音波流量計を提
供する。 【解決手段】圧電振動子を備え、超音波を送信または受
信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材１
１であって、空隙２を有する骨格材料１からなる多孔質
体９と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔
質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層３、もしく
は前記多孔質体の表面および内部の少なくとも一部にバ
インダ拡散層を形成する。音響整合層として用いられる
従来の多孔質体に比較して表面が平面に近いため、超音
波の送受信を効率よく行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波を利用して気
体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測
定する距離計測装置などに用いる超音波送受波器に関す
るもので、特に、振動子の音響インピーダンスと被測定
流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合部材
およびその製造方法、さらにはこれを用いた超音波送受
波器および超音波流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音波が伝搬路伝達する時間を計
測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波
流計がガスメータ等に利用されつつある。

【０００３】図１２は超音波流量計の測定原理を示した
ものである。

【０００４】図１２に示すように、流路を具備した測定
管の管内には流体が速度Ｖにて図に示す方向に流れてい
る。管壁１０３には、一対の超音波送受波器１０１、１
０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０
１、１０２は、電気エネルギー／機械エネルギー変換素
子として圧電セラミック等の圧電振動子を用いて構成さ
れていて、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を
示す。ここでは超音波送受波器１０１を超音波送波器と
して用い、超音波送受波器１０２を超音波受波器として
用いる。

【０００５】その動作は、超音波送受波器１０１の共振
周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加する
と、超音波送受波器１０１は超音波送波器として働い
て、外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音
波を放射し、超音波送受波器１０２が伝搬してきた超音
波を受けて電圧に変換する。続いて、反対に超音波送受
波器１０２を超音波送波器として用い、超音波送受波器
１０１を超音波受波器として用いる。超音波送受波器１
０２の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子
に印加することにより、超音波送受波器１０２は外部の
流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放射
し、超音波送受波器１０１は伝搬してきた超音波を受け
て電圧に変換する。このように、超音波送受波器１０
１、１０２は、受波器としての役目と送波器としての役
目を果たすので、一般に超音波送受波器と呼ばれる。

【０００６】また、このような超音波流量計では、連続
的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に
超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難にな
るので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧
信号を駆動電圧として用いる。以下、測定原理について
さらに詳細な説明を行う。駆動用のバースト電圧信号を
超音波送受波器１０１に印加して超音波送受波器１０１
から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バー
スト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後
に超音波送受波器１０２に到達する。超音波送受波器１
０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ
／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。こ
の電気バースト信号を電気的に増幅して、再び超音波送
受波器１０１に印加して超音波バースト信号を放射す
る。この装置をシング・アラウンド装置と呼び、超音波
パルスが超音波送受波器１０１から放射され伝搬路を伝
搬して超音波送受波器１０２に到達するのに要する時間
をシング・アラウンド周期といい、その逆数をシング・
アラウンド周波数という。

【０００７】図１２において、管の中を流れる流体の流
速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向
と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送
受波器１０１を超音波送波器、超音波送受波器１０２を
超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１０
１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２に到達
する時間であるシング・アラウンド周期をｔ１、シング
・アラウンド周波数ｆ１とすれば、次式(１)が成立す
る。 （数１） ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１） 逆に、超音波送受波器１０２を超音波送波器として、超
音波送受波器１０１を超音波受波器として用いたときの
シング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周
波数ｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。 （数２） ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２） したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δ
ｆは、 次式（３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌ
と周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることができ
る。 （数３） Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３） すなわち、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆか
ら流体の流速Ｖを求めることができ、その流速Ｖから流
量を調べることができる。

【０００８】このような超音波流量計では精度が要求さ
れ、その精度を向上させるために、気体に超音波を送
波、または気体を伝搬して来た超音波を受波する超音波
送受波器を構成している圧電振動子における超音波の送
受波面に形成される音響整合層の音響インピーダンスが
重要となる。

【０００９】図１１は従来の超音波送受波器２０の構成
を示す断面図である。１０は音響整合手段である音響整
合層、７はセンサケース、５は振動手段である圧電体、
６は電極、８は絶縁シール、１４は振動端子である。セ
ンサケース７と音響整合層１０、またセンサケース７と
圧電体５はエポキシ系の接着剤等を用いて接着されてい
る。圧電体５で振動された超音波は特定の周波数で振動
し、その振動はエポキシ系の接着剤を介してケースに伝
わり、さらにエポキシ系の接着剤を介して音響整合層１
０に伝わる。整合した振動は空間に存在する媒体である
気体に音波として伝搬する。

【００１０】この音響整合層１０の役割は振動手段の振
動を効率良く気体に伝搬させることにある。物質中の音
速Ｃと密度ρとで式（４）のように音響インピーダンス
Ｚが定義される。 （数４） Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４） 音響インピーダンスは振動手段である圧電体と超音波の
放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、一般
的な圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の
ピエゾセラミックスの音響インピーダンス（Ｚ０）は３
０×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ程度である。また、放射媒体で
ある気体、例えば空気の音響インピーダンス（Ｚ３）は
４００ｋｇ／ｍ²・ｓ程度である。このような音響イン
ピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬に反射を生
じて、透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する
方法として、振動手段である圧電体と超音波の放射媒体
である気体のそれぞれの音響インピーダンスＺ０とＺ３
に対して、両者の間に式（５）の関係を有する音響イン
ピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反
射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に
知られている。 （数５） Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）^(1/2) ・・・（５） この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最
適な値は、１１×１０ ⁴ｋｇ／ｍ²・ｓ程度となる。この
音響インピーダンスを満たす物質は、式（４）からわか
るように固体で密度が小さく音速の遅いものであること
が要求される。一般的に用いられている材料として、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
た材料を圧電体からなる超音波振動子の面に形成して使
用されている。また、中空ガラス球を熱圧縮する方法、
あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法も使用されて
いる。これは、例えば特許第２５５９１４４号公報等で
開示されている。

【００１１】また音響整合部材には図４に示すような多
孔質体が用いることもできる。図４は多孔質体の断面模
式図で、多孔質体９は骨格材料１と空隙２で構成されて
いる。このような構造体を採用することにより、密度を
小さくしすることが可能となり、結果的に音響整合部材
の音響インピーダンスを理想値に近づけることができ
る。

【００１２】音響整合部材に多孔質体を用いた例とし
て、例えば特開昭６１−１６９１００号公報を挙げるこ
とができる。ここでは音響整合部材として高分子多孔膜
を用いた例が開示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特に多
孔質体を音響整合部材として用いる場合、以下に示すよ
うな２つの課題が存在した。

【００１４】第１の課題は、多孔質体の空隙率を高め密
度を小さくし、音響インピーダンスを理想値に近づけて
いっても、すなわち、音響インピーダンスを小さくして
いっても、超音波送受波器の送受信効率が期待通りは向
上しなかったという課題である。また第２の課題は、多
孔質体の空隙率を高め、密度を小さくしていくに従っ
て、音響整合部材の機械強度が低下し、超音波送受波器
を製造する際、前記音響整合部材が壊れやすくという課
題が存在した。

【００１５】上記音響整合層の音響インピーダンスが低
いのにもかかわらず、超音波送受効率が期待通りに向上
しなかった第１の課題に対して詳細な検討を行った結
果、我々は以下の結論に至った。多孔質体を音響整合層
部材として用いた場合は、被測定流体に相対する多孔質
体表面すなわち多孔質体の断面は、多孔質体を構成する
骨格材料の断面と、それ以外の部分は空隙である。一
方、超音波の伝搬の本質は、振動子によって振動させら
れた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり
（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部
材が振動させられること（受信）にある。前記のように
音響整合部材としての多孔質体の断面は多くが空隙であ
り、そのような形状では、効率よく被測定流体を振動
（送信）させることが困難であり、また被計測流体の振
動によって自らが効率よく振動すること（受信）が困難
である。そのため音響整合部材として多孔質体を用いた
超音波送受波器の超音波送受信効率が低くなってしまう
との結論に至った。

【００１６】本発明は、前記従来の課題を解決し、音響
整合層として多孔質体を用いる超音波送受波器の送受信
効率を向上させることと、さらには音響整合部材の破壊
による故障が少ない超音波送受波器を提供することを目
的とする。また同超音波送受波器を用いたことにより、
高品質な超音波流量計を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１番目の音響整合部材は、圧電振動子を
備え、超音波を送信または受信する超音波送受波器に組
み込むための音響整合部材であって、多孔質体と、被測
定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率
よりも低い空隙率の低空隙率層とを具備したことを特徴
とする。

【００１８】次に本発明の第２番目の音響整合部材は、
圧電振動子を備え、超音波を送信または受信する超音波
送受波器に組み込むための音響整合部材であって、多孔
質体と、前記多孔質体の表面および内部の少なくとも一
部にバインダ拡散層とを具備したことを特徴とする。

【００１９】次に本発明の第３番目の音響整合部材は、
圧電振動子を備え、超音波を送信または受信する超音波
送受波器に組み込むための音響整合部材であって、多孔
質体と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔
質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層を具備し、
かつ前記多孔質体の表面および内部の少なくとも一部に
バインダ拡散層とを具備したことを特徴とする。

【００２０】次に本発明の超音波送受波器は、前記の音
響整合部材と圧電振動子とを備え、超音波を送信または
受信する超音波送受波器であって、前記音響整合層部材
を備えたことを特徴とする。

【００２１】次に本発明の超音波流量計は、前記の超音
波送受波器を備えた流量計であって、被測定流体が流れ
る流路を具備した測定管と、前記測定管に、前記被測定
流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した
一対の前記超音波送受波器と、前記超音波送受波器に超
音波を送信させる送信回路と、前記超音波送受波器に超
音波を受信させる受信回路と、前記一対の超音波送受波
器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送
受切替回路と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝
搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定
流体の流量に換算する演算部を含むことを特徴とする。

【００２２】次に本発明の第１番目の音響整合部材の製
造方法は、（ａ）多孔質体を準備し、（ｂ）固体化後の
空隙率が、少なくと前記多孔質体の空隙率よりも低い空
隙率を有するように調整された流動ペーストを準備し、
（ｃ）前記多孔質体表面の少なくともい一部に前記流動
性ペーストを層状に形成し、（ｄ）前記層状に形成した
流動性ペースト層を固体化させることで低空隙率層を形
成することを特徴とする。

【００２３】次に本発明の第２番目の音響整合部材の製
造方法は、（ａ）多孔質体を準備し、（ｂ）コロイダル
シリカを主成分とするコロイダルシリカ溶液を準備し、
（ｃ）前記多孔質体の少なくとも一部表面に前記コロイ
ダルシリカ溶液を接触、含浸させ、（ｄ）コロイダルシ
リカ溶液を含む前記多孔質体を加熱し、（ｅ）前記多孔
質体の表面および内部にシリカ拡散層を形成したことを
特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明によれば、被測定流体側表
面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い
低空隙率層を具備させたり、また表面および内部の少な
くとも一部にバインダ拡散層を具備させた音響整合部材
を、音響整合層として超音波送受波器に用いた結果、従
来の音響整合層として多孔質体を用いた超音波送受波器
に比較して、送受信効率を向上させ、また音響整合部材
の破壊による故障が少ない超音波送受波器を提供するこ
とができる。なぜならば、本発明による音響整合部材
は、前記低空隙層もしくはバインダ拡散層を具備した結
果、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、従来の
多孔質体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面
に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部
材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆
に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられ
ること（受信）を効率よく行うことができる。

【００２５】その結果、本発明による音響整合部材を音
響整合層として用いた超音波送受波器は、超音波送受信
効率が高いものとなる。また本発明による音響整合部材
は、従来の脆く壊れやすい多孔質体に、前記低空隙層や
バインダ拡散層を付加したものであり、その結果従来の
多孔質体に比較して機械的強度が向上し、その結果音響
整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器を提
供することができる。

【００２６】本発明による音響整合部材は、次のように
作成するのが好ましい。

【００２７】第一に多孔質体を少なくともアルミナ、シ
リカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつ
低空隙層をガラス拡散層で形成することが好ましい。多
孔質体および低空隙率層を無機物で構成することが好ま
しい。音響整合部材を、物性（密度、音速、形状寸法）
の温度変化率が有機物のそれに比較して小さい無機酸化
物で構成すると、同音響整合部材を用いた超音波送受波
器および超音波流量計の使用環境温度変化に対して特性
（出力、インピーダンス）変化が小さくなるために好ま
しい。

【００２８】第二に多孔質体を少なくともアルミナ、シ
リカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつ
低空隙層を有機材料で形成することが好ましい。音響整
合部材の主な構成部分である多孔質体を無機物で構成す
ると、前記と同様に、使用環境の温度変化に対し、物性
および特性変化が小さい音響整合部材、超音波送受波器
および超音波流量計を得ることができる。さらに、一般
にガラスやセラミックより低い密度を有する有機材料で
低空隙層を形成した結果、音響整合部材の密度をより低
いものとすることが可能となり、音響インピーダンスを
より被測定流体の音響インピーダンスに近づけることが
できる。またガラスに比較して脆性破壊しにくい有機材
料で低空隙層を形成することで、製造時に壊れにくい音
響整合部材、超音波送受波器および超音波流量計とする
ことができる。

【００２９】第三に多孔質体を少なくともアルミナ、シ
リカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつ
バインダ拡散層をコロイダルシリカを原料としたシリカ
で形成することが好ましい。前記に述べたように、音響
整合部材を無機物で構成すると、前記と同様に、使用環
境温度変化に対して特性（出力、インピーダンス）変化
が小さくなるために好ましい。

【００３０】第四に低空隙率層とバインダ拡散層の両方
を具備することがより好ましい。

【００３１】また、本発明による超音波送受波器の前記
密閉容器は、金属材料で構成することが好ましい。

【００３２】本発明の実施の形態について図面を用いて
詳細に説明する。

【００３３】（実施の形態１）図１は、本発明の音響整
合部材の断面図である。音響整合部材１１は、多孔質体
９と前記多孔質体の表面に形成された低空隙率層３とで
構成されている。用いられる多孔質体９は、図４に示し
たように、骨格材料１と空隙２とで構成されている。本
発明による音響整合部材は低空隙層を具備した結果、従
来の多孔質体に比べ機械的強度が高く、また本発明によ
る音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波
器では、超音波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率
が高いものとなる。

【００３４】（実施の形態２）図２は、本発明の音響整
合部材の断面図である。音響整合部材１２は、多孔質体
９と前記多孔質体の表面および内部に含浸担持されたバ
インダ拡散層４とで構成されている。多孔質体９は、前
記実施の形態１と同様に、図４に示したように骨格材料
１と空隙２とで構成されている。本発明による音響整合
部材はバインダ拡散層を具備した結果、従来の多孔質体
に比べ機械的強度が高く、また本発明による音響整合部
材を音響整合層として用いた超音波送受波器では、超音
波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率が高いものと
なる。

【００３５】（実施の形態３）図３は、本発明の音響整
合部材の断面図である。音響整合部材は１３は、多孔質
体９と、前記多孔質体の表面および内部に含浸担持され
たバインダ拡散層４と、前記多孔質体の表面に形成され
た低空隙層３とで構成されている。多孔質体９は、前記
実施の形態１と同様に、図４に示したように骨格材料１
と空隙２とで構成されている。本発明による音響整合部
材は低空隙層と、バインダ拡散層とを具備した結果、従
来の多孔質体に比べ機械的強度が高く、また本発明によ
る音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波
器では、超音波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率
が高いものとなる。

【００３６】実施の形態１ないし３において、前記多孔
質体をセラミックもしくはセラミックとガラスとの混合
物の焼結多孔質体で構成することが好ましい。本発明に
用いる多孔質体は、低空隙率層もしくはバインダ拡散層
を担持できる材料であれば、いすれの材料も適用できる
が、前記のような物性の安定性、さらには化学的安定性
（耐測定流体安定性）から、セラミックもしくはセラミ
ックとガラスとの混合物の焼結多孔質体を用いることが
より好ましい。特に限定するものではないが、被測定流
体のひとつである気体に対する整合の意味から、０．４
ｇ／ｃｍ³から１．０ｇ／ｃｍ³の見かけ密度を有した多
孔質体であって、骨格材料（骨格材料）としては、アル
ミナやシリカ粉体とガラス粉体とからなる焼結体である
ことがより好ましい。

【００３７】本発明における前記多孔質体の空隙率は、
０を超え、９０％以下が好ましい。同一の骨格材料を用
いた場合、空隙率が大きい程、多孔質体の見掛密度は小
さくなり、音響整合部材としての音響整合性は向上する
が、一般に入手もしくは製造が容易な多孔質体であるこ
と、さらには空隙率の向上による機械強度の低下を考慮
すると前記０を越え、９０％以下とすることが好まし
い。

【００３８】また、前記多孔質体のポアサイズは、０．
４ｍｍ以下であることが好ましい。ポアサイズの適正値
は、多孔質体を伝搬する超音波の音速および周波数から
決定される。音響整合部材としての多孔質体は、多孔質
体であっても超音波の伝搬に関して単一材料（非多孔質
体）と同様な振舞いをすることが好ましい。言い換える
ならば、空隙を有している部材（非多孔質体）であって
も、超音波伝搬挙動に関して前記空隙が影響しないこと
が好ましい。多孔質体中の超音波伝搬に関し、ポアサイ
ズ（直径）が伝搬する超音波の波形の１／２０〜１／１
０以下の場合、その影響が無視できることが一般に言わ
れている。多孔質体の中に伝搬する超音波の音速および
その周波数によって異なるが、仮に音速を２０００m／
ｓ、周波数を５００ｋHｚとすると、波長は４ｍｍであ
って、ポアサイズをその１／１０である０．４ｍｍ以下
にすると超音波伝搬挙動に関し空隙の影響を無視するこ
とができることから好ましい。さらにポアサイズを伝搬
する超音波の波長の１／１００以下（すなわち０．０４
ｍｍ以下のポアサイズ）にするとより好ましい。

【００３９】なお、本発明における低空隙層とは、本発
明における音響整合層部材に用いられる多孔質体に比較
して空隙の割合が低いものであればよい。したがって、
空隙が全く存在しなくても構わない。

【００４０】低空隙率層として、ガラス拡散層を用いる
ことができる。ガラス拡散層は、多孔質体表面に、例え
ば市販のガラスペーストを所望の厚みにスクリーン印刷
法を用いて塗布形成し、乾燥、熱処理を行い焼結させる
ことで担持させることで形成することができる。多孔質
体の表面にガラスペーストをスクリーン印刷するため、
ガラスペーストが一部、多孔質体の空隙中に浸透し、低
空隙率のガラス拡散層を形成する。

【００４１】なお、ここでは、ガラスペースト印刷によ
る低空隙率層の形成について示したが、この方法に限定
されるものではなく、例えばガラス粉末と有機バインダ
とから成る焼結前のガラスグリーンシートを加圧接着し
て、その後熱処理による有機バインダの除去、ガラス粉
末の焼結を経て、低空隙率層を形成しても良い。

【００４２】低空隙率層として有機材料を用いることが
できる。有機材料は、例えば市販のエポキシ樹脂を主成
分とする半硬化状態の樹脂ペーストを所望の厚みにスク
リーン印刷法を用いて形成し、加熱硬化させることで担
持させることができる。また市販の半硬化状態のエポキ
シ系樹脂接着シートを多孔質体の表面に接着硬化担持さ
せることで低空隙率層とすることもできる。

【００４３】なお、本発明のバインダ拡散層としては、
例えばコロイダルシリカを原料としたシリカで形成する
ことができる。例えばコロイダルシリカを含む水溶液
を、前記多孔質体の表面に塗布したり、一部表面から含
浸させる。その後所望の温度時間で熱処理することで、
コロイダルシリカを縮合重合させ、シリカを前記多孔質
体中の骨格材料部分に結着させる。前記の方法によるシ
リカの存在により、骨格材料部分の結合を高めるバイン
ダ拡散層の役割を果たすようになる。コロイダルシリカ
溶液の熱処理温度としては、１００℃以上から多孔質体
が変質しない温度までの間で行うことが好ましい。ま
た、バインダ拡散層は、本発明の目的が達成される限
り、無機物に限定されず、有機物を用いても良い。

【００４４】なお、実施の形態１ないし３における音響
整合部材の低空隙率層もしくはバインダ拡散層は、前記
音響整合部材を超音波送受波器に取り付けた際に、被測
定流体と相対する多孔質体の少なくとも一部表面に形成
されていればよい。

【００４５】なお、実施の形態１ないし３において、音
響整合部材により、音響インピーダンスを整合して超音
波送受波器の感度を向上するためには、音響整合層の厚
さにも関係する。すなわち、音響整合層を透過する超音
波が音響整合層と超音波の放射媒体（被測定流体）との
境界面および音響整合層と超音波振動子との境界面での
反射係数を考慮して求めた超音波の反射率が最も小さく
なる条件の時であり、音響整合層の厚さが超音波発振波
長の１／４の時に透過強度が最大となる。特に限定する
ものではないが、音響整合部材の厚みがその音響整合部
材中を通過する超音波発振波長のおよそ１／４の波長に
成るように構成することが高感度に効果がある。なお、
超音波発振波長のおよそ１／４の波長とは、１／８波長
から３／８波長の範囲程度である。つまり、それ以上に
小さいと音響整合層として働かなくなり、それより大き
いと反射率が極大になる１／２波長に近づくため感度が
逆に低下してしまう。

【００４６】（実施の形態４）図５に本発明の実施の形
態４による超音波送受波器の断面図を示す。図５におけ
る超音波送受波器２００は、本発明の前記実施の形態１
ないし３のいずれかに記載の音響整合部材１０と、圧電
体５と、電極６とで構成されている。本発明において
は、圧電体５と電極６とを合わせて圧電振動子という。

【００４７】さらに音響整合部材１０は、前記音響整合
部材中の低空隙率層もしくはバインダ拡散層を形成した
表面が、被測定流体と相対するように配置されてなる。
圧電体５は、超音波振動を発生するもので、圧電セラミ
ックや圧電単結晶等からなり、厚さ方向に分極され、上
下面に電極６を有している。音響整合部材１０は、前記
したように被測定流体に超音波を送波、または被測定流
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体５の機械的振動が外部
の媒体に超音波として効率よくでてゆき、到来して超音
波を効率よく電圧に変換させる役目を有し、圧電体５の
超音波送受波面としての圧電体５の片面に配置されてい
る。

【００４８】本実施の形態による超音波送受波器は、そ
の音響整合層として本発明による低空隙層もしくはバイ
ンダ拡散層を有した音響整合部材を用いた結果、超音波
送受信効率が高く、かつ音響整合層の破壊に起因した故
障が少ない優れた超音波送受波器を得ることができる。

【００４９】（実施の形態５）図６に本発明の実施の形
態５による超音波送受波器の断面図を示す。図６におけ
る超音波送受波器２０１は、本発明の前記実施の形態１
ないし３のいずれかに記載の音響整合部材１０と、圧電
体５と、電極６と、密閉容器７とで構成されている。

【００５０】圧電体５は、超音波振動を発生するもの
で、圧電セラミックや圧電単結晶からなり、厚さ方向に
分極され、上下面に電極６を有している。本発明実施の
形態５における超音波送受波器では、前記圧電体５が密
閉容器７の内面に接着配置されており、さらに音響整合
部材１０は、前記音響整合部材中の低空隙率層もしくは
バインダ拡散層を形成した表面が、被測定流体と相対す
るように配置されている。また図６における１４は駆動
端子であって、圧電体５の電極６にそれぞれ接続されて
いる。また８は二つの駆動端子の電気的独立を確保する
ための絶縁シールである。

【００５１】実施の形態５の構成による超音波送受波器
は、前記実施の形態４の構成による効果作用に加え、密
閉容器７を設けることで取扱いの簡便さなどの点で有効
となる。さらに密閉容器７は機械的に構造を支持する働
きを有する。

【００５２】なお、密閉容器７は、密度０．８ｇ／ｃｍ
³以上であり、その構造支持層の厚さが構造支持層中の
超音波発振波長の１／８未満が有効である。例えば、
０．１〜０．５ｍｍの範囲が好ましい。

【００５３】このような密度、厚みを選択した場合、す
なわち、構造支持層は密度が高く音速が速いことによっ
て、その厚さが超音波発振波長よりも十分小さな時に
は、超音波の送受波への影響が極めて小さくなる。

【００５４】密閉容器７の材料としては、金属材料や、
セラミック、ガラスなどの無機材料、さらにプラスチッ
クなどの有機材料を用いることができる。特に密閉容器
を構成する材料を導電性材料、特に金属材料を選択した
場合、圧電体５を発振、または受信した超音波を検知す
る電極の働きも有する。被測定流体として、可燃性ガス
を検知対象とする場合は、密閉容器７にすることで、圧
電体５をガスと隔離することができる。内部は窒素など
の不活性ガスをパージしておくことが好ましい。

【００５５】（実施の形態６）図７は本実施の形態６に
おける超音波流量計の一例の断面説明図とそのブロック
図である。被測定流体が流れる流路５１を具備した測定
管５２と、前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流
側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波
送受波器１０１および１０２と、前記超音波送受波器に
超音波を送信させる送信回路５３と、前記超音波送受波
器に超音波を受信させる受信回路５４と、前記一対の超
音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切
り替える送受切替回路５５と、カウンタ回路とクロック
・パルス発生回路から構成される超音波伝搬時間計測回
路５６と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流
量に換算する演算部５７とからなる超音波流量計であ
る。５８はクロック・パルス発生回路、５９はカウンタ
回路である。

【００５６】以下、本発明による超音波流量計の動作に
ついて順を追って説明する。

【００５７】被測定流体、例えばＬＰガスを図面左方向
から右方向（図中→方向）に流通させ、送信回路５３よ
り、一定の周期で送信信号を発信させる。送信された信
号は、送受切替回路５５によってまず超音波送受波器１
０１に伝達され、同超音波送受波器１０１が駆動され
る。例えば、駆動周波数は約５００ｋＨｚとする。駆動
した超音波送受波器１０１から超音波が送信され、その
超音波を対向して設置された超音波送受波器１０２が受
信し、受信した信号は送受切替回路５５を経由し、受信
回路５４に入力される。送信回路５３からの送信信号
（Ｔ）と受信回路５４からの受信信号（Ｒ）とが、クロ
ック・パルス発生回路５８およびカウンタ回路５９から
構成される超音波伝搬時間計測回路５６に入力され、伝
搬時間ｔ１が計測される。次に伝搬時間ｔ１の測定と逆
に、送受切替回路５５を用い、超音波送受波器１０２で
超音波パルスを送信し、超音波送受波器１０１で受信す
ることで、超音波伝搬時間計測回路５６で伝搬時間ｔ２
を演算する。

【００５８】ここで超音波送受波器１０１と超音波送受
波器１０２の中心を結ぶ距離をＬ、被測定流体としての
ＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流路５１内での流速
をＶ、被測定流体の流れの方向と超音波送受波器１０１
および１０２の中心を結ぶ線とのなす角度をθとする
と、既知である距離Ｌ、角度θ、音速Ｃ、および計測し
た伝搬時間ｔ１およびｔ２から流速Ｖが求められ、その
流速Ｖから流量を調べることができることとなり、流量
計を構成できる。

【００５９】

【実施例】以下実施例を用いてさらに具体的に説明す
る。

【００６０】（実施例１）本実施例１は、前記の（実施
の形態１）に記載した音響整合部材の一実施例であり、
特に低空隙率層としてのガラス拡散層を有する音響整合
部材である。図１を用いて詳細に説明する。 （１）多孔質体の形成 多孔質体９の骨格を形成する材料（骨格材料）の原料と
して、アルミナ粉体とガラス粉体の混合粉体（日本電気
硝子社製、商品名「ＭＬＳ−２０００」、真密度が３.
２×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が６０００ｍ／ｓｅｃ）を原
料粉体として用いた。前記原料粉体とアクリルの微小球
（綜研化学社製、商品名「ケミスノー」）を体積比で１
０／９０になるように混合し混合粉体とした。次に前記
混合粉体にバインダとしてのポリビニルアルコールを含
み水溶液を適当量添加し、混練することにより、径が
０．１〜１ｍｍの造粒粉を作製した。次に、前記造粒粉
を円板成形プレス治具に仕込み、１ｔ／ｃｍ²で１分の
圧力をかけることにより、直径２０ｍｍ、厚み２ｍｍの
乾式成形円板を得た。次に前記乾式成形円板を４００℃
で熱処理し、前記アクリルの微小球およびバインダとし
てのポリビニルアルコールを燃焼消失させ、その後９０
０℃、２時間大気中で熱処理することで多孔質体９とし
てのセラミック焼結多孔質体を得た。得られた多孔質体
を直径１２ｍｍ、厚み０．８ｍｍに上下両面より研磨し
た。得られた多孔質体は、見かけ密度が０．７８×１０
³ｋｇ／ｍ³、音速が１６００ｍ／ｓｅｃ、音響インピー
ダンスが１．２×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓの物性値を有するセ
ラミック焼結多孔質体である。 （２）低空隙率層の形成 前記の方法により得られた多孔質体９の表面の一部に、
低空隙率層３としてのガラス拡散層を形成した。

【００６１】以下に前記ガラス拡散層を形成する方法を
説明する。

【００６２】まず、原料として、市販のガラスペースト
（奥野製薬「ＯＣ−４９０」）を準備した。次に多孔質
体９としての前記セラミック焼結多孔質体の表面にガラ
スペーストを、スクリーン印刷法を用いて、塗布乾燥後
の膜厚が約２０μｍになるように印刷形成した。次に、
表面の一部にガラスペースト乾燥膜を有する前記セラミ
ック焼結多孔質体を、５００℃、１０分熱処理すること
で、ガラスを溶融させ、表面に約１０μｍの低空隙率層
３としてのガラス拡散層を形成した。最終的に、図１に
示したような、多孔質体の表面の一部に低空隙率層３と
してのガラス拡散層を有する本発明による音響整合部材
１１を得た。得られた音響整合部材１１の見かけ密度
は、０．８６×１０³ｋｇ／ｍ³であった。

【００６３】（実施例２）本実施例１は、前記の（実施
の形態１）に記載した音響整合部材の一実施例であり、
特に低空隙率層が有機材料で形成された音響整合部材で
ある。図１を用いて詳細に説明する。 （１）多孔質体の形成 多孔質体９としては、前記（実施例１）と全く同様なセ
ラミック焼結多孔質体を用いた。 （２）低空隙率層の形成 前記の方法により得られた多孔質体９としてのセラミッ
ク焼結多孔質体の表面の一部に、低空隙率層３としての
有機材料からなる層（以下、「有機材料層」と記す。）
を形成した。

【００６４】以下に前記有機材料層を形成する方法を説
明する。

【００６５】まず、原料として、市販の硬化前のエポキ
シ樹脂ペースト（日本ペルノックス社製、商品名「ＣＥ
−５１Ａ／Ｂ」）を準備した。次に多孔質体９としての
前記セラミック焼結多孔質体の表面に前記エポキシペー
ストを、スクリーン印刷法を用いて、塗布乾燥後の膜厚
が約２０μｍになるように印刷形成した。次に、１５０
℃、２時間加熱熱処理することで、エポキシ樹脂ペース
トを硬化させ、表面に約９μｍの低空隙率層３としての
有機材料層を形成した。最終的に、図１に示したよう
な、多孔質体の表面の一部に低空隙率層３としての有機
材料層を有する本発明による音響整合部材１１を得た。
得られた音響整合部材１１の見かけ密度は、０．７９×
１０³ｋｇ／ｍ³であり、用いたい多孔質体と同等であっ
た。

【００６６】（実施例３）本実施例３は、前記の（実施
の形態２）に記載した音響整合部材の一実施例である。
図２を用いて詳細に説明する。 （１）多孔質体の形成 多孔質体９としては、前記（実施例１）および（実施例
２）と全く同様なセラミック焼結多孔質体を用いた。 （２）バインダ拡散層の形成 前記の方法により得られた多孔質体９としてのセラミッ
ク焼結多孔質体の表面および内部にバインダ拡散層４を
形成した。

【００６７】以下にバインダ拡散層を形成する方法を説
明する。

【００６８】まず、原料として、市販のコロイダルシリ
カ溶液（常盤電機「ＦＪ２９４」の２倍希釈液）を準備
した。次に、多孔質体９としてのセラミック焼結多孔質
体をガラスシャーレ内に配置し、前記コロイダルシリカ
溶液を適当量、ガラスシャーレ内の前記セラミック焼結
多孔質体が配置していない部分に注ぎいれた。その後５
分間減圧し、セラミック焼結多孔質体の表面および内部
に前記コロイダルシリカ溶液を含浸させた。さらにコロ
イダルシリカ溶液を担持したセラミック多孔質体をガラ
スシャーレより取り出し、１５０℃、３０分間加熱処理
し、図２に示したような、表面および内部の少なくとも
一部にバインダ拡散層４とてのシリカ層を担持した本発
明による音響整合部材１２を得た。得られた音響整合部
材１１の見かけ密度は、０．９５×１０³ｋｇ／ｍ³であ
った。

【００６９】（実施例４）本実施例４は、前記の（実施
の形態３）に記載した音響整合部材の一実施例である。
図３を用いて詳細に説明する。 （１）多孔質体の形成 多孔質体９としては、前記（実施例１）〜（実施例３）
に用いたセラミック焼結多孔質体と全く同様なものを用
いた。 （２）バインダ拡散層の形成 前記（実施例３）に詳細記載した方法と全く同様な方法
により、前記セラミック焼結多孔質体の表面および内部
の少なくとも一部バインダ拡散層４としてのシリカ層を
担持した音響整合部材を得た。すなわち、ここまでの操
作により、前記（実施例３）と全く同様な音響整合部材
１２を準備した。 （３）低空隙率層の形成 前記までの操作により得られた音響整合部材の表面に、
前記（実施例２）（２）に記載した方法により、低空隙
率層３としての有機材料からなる有機材料層を形成し
た。最終的に表面に低空隙率層３としての有機材料層
と、の表面および内部にバインダ拡散層としてのシリカ
層とを具備した音響整合部材１３を得た。得られた音響
整合部材１１の見かけ密度は、０．９６×１０³ｋｇ／
ｍ³であった。

【００７０】なお、本実施例において、最初に、音響整
合部材内部にバインダ拡散層を形成し、その後に、音響
整合部材表面に低空隙率層を形成する製造方法を示した
が、最初に、低空隙率層を形成し、その後に、バインダ
拡散層を形成してもよい。

【００７１】（比較例１）前記の（実施例１）〜（実施
例４）に用いたセラミック焼結多孔質体のみによる音響
整合部材を（比較例１）とした。

【００７２】前記までの本発明による（実施例１）〜
（実施例４）による音響整合部材と、比較例として、従
来の多孔質体のみを音響整合部材とした（比較例１）の
合計５種類の音響整合部材について、機械的強度につい
ての比較を行った。すなわち図８に示したように、準備
した５種類の音響整合部材１０を上面プレス治具１４お
よび下面プレス治具１５の二つの治具で挟持し、図面矢
印方向（図面中垂直方向）より、所定の荷重を加えた際
の破壊する頻度を比較した。各音響整合部材を複数用意
し、５ｋｇ／ｃｍ²、７ｋｇ／ｃｍ²、１０ｋｇ／ｃ
ｍ²、および５０ｋｇ／ｃｍ²の４水準の荷重を１分後加
えた後、光学顕微鏡観察により、亀裂が確認されたもの
を破壊したと判断した。各音響整合部材、各条件につい
て、１０個ずつ同様な試験を行い、破壊頻度を算出し
た。その結果を下記、（表１）にまとめて示す。なお、
表中の０／１０とは、１０個試験した内破壊したものが
ない（０個）ことを意味し、また１０／１０とは、１０
個試験をした内の全て（１０個）に破壊が確認されたこ
とを意味する。

【００７３】

【表１】

【００７４】（表１）の結果から明らかなように、従来
の音響整合部材としての多孔質体である（比較例１）に
比較して、本発明による音響整合部材である（実施例
１）〜（実施例４）による音響整合部材は機械的強度が
高いことが確かめられた。

【００７５】（実施例５、６）本実施例５および実施例
６は、前記の（実施の形態１）に記載した音響整合部材
を用い、（実施の形態５）に記載の超音波送受波器を得
た例である。図１および図６を用いて詳細に説明する。 （１）音響整合層 音響整合層として、図１に示したように、前記の本発明
による低空隙率層３を具備した多孔質体９から成る音響
整合部材１１を用いた。（実施例５）としては前記の
（実施例１）に詳細記載した低空隙率層３としてのガラ
ス拡散層を具備した音響整合部材を用いた。また（実施
例６）では、前記（実施例２）に詳細記載した低空隙率
層３として有機材料層を具備した音響整合部材を用い
た。 （２）圧電体と容器 圧電体５としては、所望サイズのチタン酸ジルコン酸鉛
（PZT)セラミック体の上下面に電極６を形成し、分極し
た振動子を用いた。また密閉容器７としては、ステンレ
ス製のステンレスケースを準備した。 （３）超音波送受波器の形成 前記のそれぞれの方法により得られた音響整合層として
の音響整合部材と、密閉容器７としてのステンレスケー
スと、圧電体５としての振動子を、層間にそれぞれ厚み
５０μｍのエポキシ系樹脂接着シート（日立化成製、品
番；T2100)を配置し、上下面より５ｋｇ／ｃｍ²の圧力
をかけ、１５０℃、２時間の加熱熱処理を行うことによ
り、３者を接着一体化させた。最終的に図６に示したよ
うな、音響整合層として、本発明の低空隙率層としての
ガラス拡散層を具備した音響整合部材を用いた超音波送
受波器（実施例５）と、音響整合層として、本発明の低
空隙率層としての有機材料層を具備した音響整合部材を
用いた超音波送受波器（実施例６）とを得た。

【００７６】（実施例７）本実施例７は、前記の（実施
の形態２）に記載した音響整合部材を用い、（実施の形
態５）に記載の超音波送受波器を得た例である。図２お
よび図６を用いて詳細に説明する。 （１）音響整合層 音響整合層として、図２に示したように、前記の本発明
によるバインダ拡散層４を具備した多孔質体９から成る
音響整合部材１２を用いた。より具体的には、前記の
（実施例３）に詳細記載したバインダ拡散層４としての
シリカ層を担持した音響整合部材を用いた。 （２）圧電体と容器 前記の（実施例５）および（実施例６）と同様とした。 （３）超音波送受波器の形成 前記、（実施例５）および（実施例６）と全く同様の材
料および方法用い、超音波送受波器を形成した。最終的
に図６に示したような、音響整合層として、本発明のバ
インダ拡散層としてのシリカ層を担持した音響整合部材
を用いた超音波送受波器を得た。

【００７７】（実施例８）本実施例８は、前記の（実施
の形態３）に記載した音響整合部材を用い、（実施の形
態５）に記載の超音波送受波器を得た例である。図３お
よび図６を用いて詳細に説明する。 （１）音響整合層 音響整合層として、図３に示したように、前記の本発明
による低空隙率層３とバインダ拡散層４を具備した多孔
質体９から成る音響整合部材１３を用いた。より具体的
には、前記の（実施例３）に詳細記載した、低空隙率層
３としての有機材料層と、バインダ拡散層４としてのシ
リカ層とを具備した音響整合部材を用いた。 （２）圧電体と容器 前記の（実施例５）および（実施例６）と同様とした。 （３）超音波送受波器の形成 前記の（実施例５）および（実施例６）と同様の材料お
よび方法用い、超音波送受波器を形成した。最終的に図
６に示したような、音響整合層として、本発明の低空隙
率層３としての有機材料層と、バインダ拡散層４として
のシリカ層を担持した音響整合部材を用いた超音波送受
波器を得た。

【００７８】（比較例２）比較例２として、音響整合層
として従来の多孔質体を用いた超音波送受波器を製作し
た。より具体的には、前記の（比較例１）による多孔質
体、すなわち前記本発明による音響整合部材の多孔質体
部分であるセラミック焼結多孔質体のみを音響整合層と
して用いた。音響整合部材を従来の多孔質体とした以外
の項目は、すべて前記（実施例５〜８）と同様にし、従
来技術による超音波送受波器を得た。

【００７９】以上得られた本発明による超音波送受波器
である（実施例５）〜（実施例８）による超音波送受波
器と、従来技術による超音波送受波器である（比較例
２）による超音波送受器との合計５種類の超音波送受波
器の送受信効率の比較評価を行った。図９を用いて説明
する。

【００８０】図９中の２０は評価対象である超音波送受
波器であり、１６は超音波を反射する反射板であり、両
者は間に空気（距離；２０ｃｍ）を介し相対して配置さ
れている。評価する超音波送受波器２０に周波数５００
ｋＨｚ、電圧２０Ｖの送信信号を加え、超音波を空気中
に送信させる。送信された超音波は反射板で反射され、
同一の超音波送受波器２０で受信される。同一の送信信
号を超音波送受波器に加えた際の受信波形の一定部位の
電圧を出力電圧とし、この出力電圧が大きいものを超音
波送受信効率が良いと評価した。

【００８１】送信側信号波形と受信側信号波形の模式図
を図１０に示す。図１０において、受信波形のＡ部分の
電圧が大きいものを超音波の送受信効率が良いとした。
なお、図１０における送信および受信の波形はその波形
形状の模式図であって、グラフ軸のスケールには特別な
意味はない。各送受波器について評価した結果を次の
（表２）に示す。

【００８２】

【表２】

【００８３】（表２）における出力電圧の結果から判る
ように、本発明によるいずれの超音波送受波器も、従来
の技術による超音波送受波器に比較して、出力電圧が大
きく超音波送受信効率が良いことがわかった。

【００８４】本発明による超音波送受波器に用いた音響
整合部材は、従来の多孔質体、すなわち（比較例２）で
用いたセラミック焼結多孔質体に、低空隙率層、バイン
ダ拡散層もしくはその両方を付加したものである。本発
明による音響整合部材は、音響整合部材単体での見かけ
密度が、基材であるセラミック焼結多孔質体（比較例２
で音響整合層として用いた多孔質体）に比較して同等か
若干大きい。したがって本発明による音響整合部材の音
響インピーダンスは、（比較例２）で用いたセラミック
焼結多孔質体の音響インピーダンスに比較しても、大き
いことが類推され、先に説明した音響インピーダンスの
理想値との格差は、大きいと考えることができる。それ
にも関わらず、本発明による音響整合部材を音響整合層
として用いた上記（実施例５〜８）の超音波送受波器の
超音波送受信効率が、従来のそれに比較して高いこと
は、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、従来の
多孔質体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面
に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部
材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆
に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられ
ること（受信）を効率よく行うことができた結果である
と考えられる。

【００８５】なお、前記までの実施例では、密閉容器を
具備する超音波送受波器の例を示したが、密閉容器を具
備しない超音波送受波器に適用してもかまわない。超音
波送受信効率の向上の意味において、前記密閉容器がな
い超音波送受波器の場合においても前記の理由から同様
な効果作用を得られる。

【００８６】

【発明の効果】本発明による音響整合部材は、多孔質体
を用いる音響整合部材であり、空隙を有する骨格材料か
らなる多孔質体と、被測定流体側表面の少なくとも一部
に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層
を具備させるか、または表面および内部の少なくとも一
部にバインダ拡散層を具備させることにより、従来の多
孔質体に比較して機械的強度を向上させた音響整合部材
を提供できる。

【００８７】さらに本発明のよる音響整合部材を用いた
超音波送受波器は、前記低空隙層もしくはバインダ拡散
層を具備することにより、被測定流体に相対する表面近
傍の空隙率が、従来の多孔質体の表面近傍の空隙率に比
較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動
させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させ
たり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整
合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うこ
とができ、超音波送受信効率の高い超音波送受波器を提
供できる。

【００８８】さらに本発明による音響整合部材を用いた
超音波送受波器および超音波流量計は、本発明の音響整
合部材が、従来の脆く壊れやすい多孔質体に、前記低空
隙層やバインダ拡散層を付加したものであるため従来の
多孔質体に比較して機械的強度が向上し、その結果音響
整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器およ
び超音波流量計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における音響整合部材の
断面模式図。

【図２】本発明の実施の形態２における音響整合部材の
断面模式図。

【図３】本発明の実施の形態３における音響整合部材の
断面模式図。

【図４】比較例の音響整合部材に用いた従来の多孔質体
の断面模式図。

【図５】本発明の実施の形態４における超音波送受波器
の断面模式図。

【図６】本発明の実施の形態５における超音波送受波器
の断面模式図。

【図７】本発明の実施の形態６における超音波流量計の
動作を説明するブロック図。

【図８】音響整合部材の機械的強度を評価する方法につ
いての説明図。

【図９】超音波送受波器の送受信効率を評価する方法に
ついての説明図。

【図１０】送信信号波形と受信信号波形の一例を示す模
式図。

【図１１】従来の超音波送受波器の断面模式図。

【図１２】超音波流量計の原理説明図。

【符号の説明】

１ 骨格材料 ２ 空隙 ３ 低空隙率層 ４ バインダ拡散層 ５ 圧電体 ６ 電極 ７ 密閉容器 ８ 絶縁シール ９ 多孔質体 １０，１１，１２，１３ 音響整合部材 １４ 駆動端子 １５ 上面プレス治具 １６ 下面プレス治具 １７ 反射板 ２０，１０１，１０２，２０１，２０２ 超音波送受波
器 ５１ 流路 ５２ 測定管 ５３ 送信回路 ５４ 受信回路 ５５ 送受切替回路 ５６ 超音波伝搬時間計測回路 ５７ 演算部 ５８ クロック・パルス発生回路 ５９ カウンタ回路

フロントページの続き (72)発明者 井垣 恵美子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 別荘 大介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 中林 裕治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 両角 英樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F035 DA05 DA08 DA19 5D019 AA16 BB02 FF01 GG01

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子を備え、超音波を送信または
   受信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材
   であって、多孔質体と、被測定流体側表面の少なくとも
   一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙
   率層とを具備した音響整合部材。
2. 【請求項２】 圧電振動子を備え、超音波を送信または
   受信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材
   であって、多孔質体と、前記多孔質体の表面および内部
   の少なくとも一部にバインダ拡散層とを具備した音響整
   合部材。
3. 【請求項３】 圧電振動子を備え、超音波を送信または
   受信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材
   であって、多孔質体と、被測定流体側表面の少なくとも
   一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙
   率層を具備し、かつ前記多孔質体の表面および内部の少
   なくとも一部にバインダ拡散層とを具備した音響整合部
   材。
4. 【請求項４】 前記多孔質体が、アルミナ、シリカおよ
   びガラスから選ばれる少なくとも１つを含む材料で形成
   されている請求項１〜３のいずれかに記載の音響整合部
   材。
5. 【請求項５】 前記低空隙率層がガラス拡散層または有
   機材料で形成されている請求項１または３に記載の音響
   整合部材。
6. 【請求項６】 前記バインダ拡散層がコロイダルシリカ
   を原料としたシリカで形成されている請求項２に記載の
   音響整合部材。
7. 【請求項７】 前記多孔質体が少なくともアルミナ、シ
   リカおよびガラスから選ばれる少なくとも１つを含む材
   料で形成され、かつ低空隙率層がガラス拡散層もしくは
   有機材料で形成され、かつバインダ拡散層がコロイダル
   シリカを原料としたシリカで形成されている請求項３に
   記載の音響整合部材。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の音響整
   合部材と圧電振動子とを備えた、超音波を送信または受
   信する超音波送受波器。
9. 【請求項９】 前記圧電振動子が密閉容器の内面に配置
   されてなり、前記音響整合層部材が密閉容器の前記圧電
   振動子の配置位置に対向した外面に配置されている請求
   項８記載の超音波送受波器。
10. 【請求項１０】 前記密閉容器が金属材料である請求項
    ９に記載の超音波送受波器。
11. 【請求項１１】 請求項８〜１０のいずれかに記載の超
    音波送受波器を備えた超音波流量計であって、 被測定流体が流れる流路を具備した測定管と、 前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側
    とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器
    と、 前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路と、 前記超音波送受波器に超音波を受信させる受信回路と、 前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信
    から送信を切り替える送受切替回路と、 前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路
    とを備え、 前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算す
    る演算部を含むことを特徴とする超音波流量計。
12. 【請求項１２】 請求項１、４、５のいずれかに記載の
    音響整合部材の製造方法であって、（ａ）多孔質体を準
    備し、（ｂ）固体化後の空隙率が、少なくと前記多孔質
    体の空隙率よりも低い空隙率を有するように調整された
    流動ペーストを準備し、（ｃ）前記多孔質体表面の少な
    くとも一部表面に前記流動性ペーストを層状に形成し、
    （ｄ）前記層状に形成した流動性ペースト層を固体化さ
    せることで低空隙率層を形成することを特徴とする音響
    整合部材の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項２または６に記載の音響整合部
    材の製造方法であって、（ａ）多孔質体を準備し、
    （ｂ）コロイダルシリカを主成分とするコロイダルシリ
    カ溶液を準備し、（ｃ）前記多孔質体の少なくとも一部
    表面に前記コロイダルシリカ溶液を接触、含浸させ、
    （ｄ）コロイダルシリカ溶液を含む前記多孔質体を加熱
    し、（ｅ）前記多孔質体の表面および内部にシリカ拡散
    層を形成したことを特徴とする音響整合部材の製造方
    法。
14. 【請求項１４】 請求項３または７に記載の音響整合部
    材の製造方法であって、 請求項１２または１３に記載の製造方法を含むことを特
    徴とする音響整合部材の製造方法。