JP2003284191A

JP2003284191A - 音響整合部材とその製造方法、それを用いた超音波送受波器、および超音波流量計

Info

Publication number: JP2003284191A
Application number: JP2002080327A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hashimoto; 和彦橋本; Taku Hashida; 卓橋田; Masaaki Suzuki; 正明鈴木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】耐久性があり感度のある、可能な限り音響イ
ンピーダンスの低い、音響インピーダンス整合用複合材
を提供する。【解決手段】音響整合部材が乾燥ゲル１３および補強
材１２からなり、補強材１２が基体に固定されている乾
燥ゲル複合体から構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響インピーダン
スのマッチングに適用される音響整合用複合材、並びに
この複合材を適用した音響整合部材の製造方法、及びこ
の音響整合部材を用いた超音波送受波器、この超音波送
受波器を使用した超音波流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４は従来の超音波発生器の構成を示
す断面図である。１はセンサケース、２は振動手段、１
００は整合手段である。センサケース１と振動手段２と
はエポキシ系の接着剤を用いて接着されている。ケース
１と整合手段１００とは、同様にエポキシ系の接着剤を
用いて接続されている。振動手段は約５００ｋＨｚ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整合手段に
伝わる。整合手段の振動は空間に存在する気体に音波と
して伝搬する。

【０００３】整合手段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。物質の音速Cと密度ρ
とで（数1）のように定義される音響インピーダンスZが Z＝ρC ・・・（数１）振動手段と気体とで大きく異なる。振動手段の音響イン
ピーダンスＺ１は３０×１０⁶（ｋｇ／ｓｍ²）で気体、
例えば空気の音響インピーダンスＺ３は４．２８×１０
²（ｋｇ／ｓｍ²）である。振動手段と金属の音響インピ
ーダンスはほぼ等しい。このように音響インピーダンス
の異なる境界面上では音（振動）の伝搬に反射が生じる
ようになり、その結果、透過する音の強さが弱くなる。
ところが、２つの異なる音響インピーダンスの物質の間
に別の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、音の反射を軽減することができる。

【０００４】振動手段と空間との間に（数２）の関係を
満たす音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入するこ
とにより音の反射をなくせることが一般に知られてい
る。

【０００５】Ｚ２＝（Ｚ１・Ｚ３）^1/2 ・・・（数２）このＺ２の値は０．１１×１０⁶（ｋｇ／ｓｍ²）とな
る。この音響インピーダンスを満たす物質は、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。

【０００６】ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電
素子を用いた気体用圧電振動子においても、一般に、Ｐ
ＺＴで発生した超音波を効率良く伝搬媒体である気体
（空気）に放射するため、その振動面に空気との音響イ
ンピーダンスを整合するための整合層が設けられる。Ｐ
ＺＴで発生した超音波を空気中に放射する超音波トラン
スデューサでは、空気（気体）の音響インピーダンスＺ
１（約３４０ｋｇ／ｓ・ｍ²）がＰＺＴ（固体）の音響
インピーダンスＺ３（約３０×１０⁶ｋｇ／ｓ・ｍ ²）に
対して略１０万分の１と桁違いに小さいため、整合層の
音響インピーダンスが極めて重要になる。

【０００７】従来、図１５に示すように、ＰＺＴ等のピ
エゾセラミックスを用いた超音波振動子の振動面にガラ
スビーズ（中空の微小なガラス球であり、またはガラス
バルーンと称す）１１０が混入されたエポキシ樹脂から
なる音響インピーダンス整合用の整合手段１００が知ら
れている。整合手段は微小な中空のガラスビーズ１１０
をセラミックやエポキシ樹脂で固めたものを用いて密度
を小さくしている。中空のガラスビーズは整合手段を伝
わる音の波長よりも十分小さくする必要があるので、１
００μｍ以下の大きさのものを用いている。

【０００８】さらに整合手段を透過して気体に伝達する
音の強さは整合手段の長さにも関係する。振動手段から
の音の波は透過する波と、整合手段と気体との境界面で
反射する波とに分かれる。反射した波は整合手段と振動
手段の境界面で反射し、この場合、位相が反転した波と
なる。この波の一部が整合手段と気体との境界面で透過
する波となる。これらの波が合成されることによって、
透過率Ｔが最大となる距離ｔを求めると、ｔ＝λ／４と
なる（なお、λは波の波長を表す）。

【０００９】中空のガラスビーズを整合手段として用い
た場合、その音速は２０００ｍ／ｓなので、音の周波数
が５００ｋＨｚの場合は波長λが４ｍｍとなる。従って
整合手段の長さはｌｍｍが最適値となる。

【００１０】超音波振動子の振動面に音響インピーダン
スの整合層を設けた場合の超音波振動子から外部伝搬媒
体への超音波エネルギー透過率Tを求める理論式は、整
合層の厚みｔをλ／４の整数倍に設定すると下記（数
３）のように簡素化されて表される。

【００１１】Ｔ＝４・Ｚ１・Ｚ３・Ｚ２²／（Ｚ１・Ｚ３＋Ｚ２²）² ・・・（数３）従来のエポキシ樹脂を用いた整合層において、空気に対
する超音波エネルギー透過率Ｔと整合層の音響インピー
ダンスＺ２との関係を検討すると、エポキシ樹脂の音響
インピーダンスはおよそ３×１０⁶ｋｇ／ｓ・ｍ²で、Ｚ
２²≒９×１０¹ ²となるのに対し、上述の例ではＺ１・
Ｚ３はＺ１・Ｚ３＝３４０×３０×１０⁶＝９１４×１
０⁷で、Ｚ１・Ｚ３≪Ｚ２²となるので上記（３）式は、
更にＴ≒４・Ｚ１・Ｚ３／Ｚ２²に近似され、超音波エ
ネルギー透過率Ｔは整合層の音響インピーダンスＺ２の
２乗に反比例することがわかる。すなわち、整合層の音
響インピーダンスＺ２は小さい程、超音波エネルギー透
過率Ｔは向上する。

【００１２】また、図１３は上記した超音波発生手段で
ある圧電振動子１０を気体の流路である管に配置した様
子を示している。超音波発生器が割れると気体が管の外
部に漏れるので、超音波発生器のケース材料にはセラミ
ックや樹脂などの割れやすい材質を選択することが困難
である。従って、ケースにはステンレス、鉄、などの金
属が用いられる。

【００１３】今、図１３に示すように、管内には流体が
速度Ｖにて図に示す方向に流れているとする。管壁に
は、一対の超音波送受波器１ａ、１ｂが相対して設置さ
れている。超音波送受波器１ａ、１ｂ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１ａを超音波送波器として用い、超音波送受波器１ｂ
を超音波受波器として用いる。また、超音波送波器１ａ
と超音波受波器１ｂには、これらの送受信を切り替える
切替回路５５を介して、超音波送受波器１ａ，１ｂを駆
動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受信検
知回路５６、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ
５７、該タイマ５７の出力より流量を演算する演算部５
８、駆動回路５４とタイマ５７に制御信号を出力する制
御部５９が接続されている。

【００１４】その動作は、超音波送波器１ａ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、
超音波送波器１ａは外部の流体中に同図中のＬで示す伝
搬経路に超音波を放射し、超音波受波器１ｂ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１ｂを超音波送波器として用い、超音波送
受波器１ａを超音波受波器として用いる。超音波送波器
１ｂ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、超音波送波器１ｂは外部の流体
中に同図中のＬで示す伝搬経路に超音波を放射し、超音
波受波器１ａ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、超音波送波器１ａ，１ｂ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。

【００１５】図１３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１ａを送波器、超音波送受波器１ｂを受波器とし
て用いたときに、超音波送受波器１ａから出た超音波パ
ルスが超音波送受波器１ｂ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ｆ
１とすれば、(数４)が成立する。

【００１６】ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（数４）逆に、超音波送受波器１ｂを送波器として、超音波送受
波器１ａを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（数５）の関係が成立する。

【００１７】ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（数５）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、（数６）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。

【００１８】 Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（６）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。

【００１９】従って、音響インピーダンスを低く抑える
のに音響整合層には密度が小さな材料、例えばガラスバ
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
が使用されている。また、これらの中空ガラス球を熱圧
縮、あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法が採用さ
れていた。これは、例えば特許第２５５９１４４号公報
等で知ることができる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波発生器１０では、整合手段１００とケース１との
接着にエポキシ系の樹脂を用いている。また、整合手段
１００を構成する中空のガラス１１０を固めるために、
エポキシ系樹脂の接着剤を用いている。流量を測定した
い気体中には水分が含まれていることがあり、このよう
な場合に水分がエポキシ系樹脂に浸透することがある。
このようになると、整合手段の音響インピーダンスが変
化し、整合手段の本来の目的である効率的な音の放射が
阻害され、正確な計測に支障を来すことがある。また、
流量を測定したい気体中にイオウが含まれていることが
ある。このような場合、超音波発生器を構成する整合手
段と、整合手段とケースとの接着に用いているエポキシ
系の樹脂がイオウによって腐食される懸念がある。整合
手段が腐食され、接着強度が変わると整合手段の本来の
目的である効率的な音の放射が阻害され、正確な計測に
支障を来すことになる。

【００２１】従来の整合層は、エポキシ樹脂に超音波の
波長に比べて粒径の小さいガラスバルーンを混入するこ
とにより（すなわち、エポキシ樹脂内に超音波を乱反射
させないような音響インピーダンスの小さい空気の隙問
を散在させることにより）整合層の音響インピーダンス
Z2を低下させるものであるから、エポキシ樹脂剤に対す
るガラスバルーンの混合比率を高めて音響インピーダン
スの一層の低下を図ることも考えられるが、ガラスバル
ーンの混合比率を高くすると、ガラスバルーン入りのエ
ポキシ樹脂剤の粘度が高くなり、ガラスバルーンとエポ
キシ樹脂剤とを均―に混合することが困難となるので、
エポキシ樹脂剤に対するガラスバルーンの混合比率を高
めるには一定の限界がある。従って、ガラスバルーン入
リエポキシ樹脂でより一層、音響インピーダンスの低い
整合層を製造することは困難である。

【００２２】また、上記従来のガラスバルーン入リエポ
キシ樹脂からなる整合層の音響インピーダンスはおよそ
３×１０⁶ｋｇ／ｓ・ｍ²で、エポキシ樹脂のみからなる
整合層の音響インピーダンスに対して略２／３であるか
ら、エポキシ樹脂のみからなる整合層を用いたものに比
べると、超音波エネルギー透過率Ｔは９／４倍に改善さ
れる。しかし、それでも上記（3）式よリガラスバルー
ン入リエポキシ樹脂からなる整合層を用いた場合の超音
波エネルギー透過率Tを算出すると、Ｔ≒１％であるか
ら、十分でないことが分かる。

【００２３】また、超音波流量計に使用している従来の
超音波送受波器に使用している音響整合層は、上述した
ように中空ガラス球を熱圧縮したり、溶融材料を発泡し
たりする等の方法が採られていた。このため、圧力によ
るガラス球の破損、圧力不足による分離、剥離溶融材料
の発泡等の原因によって媒質が不均質になり易く、特性
にバラツキが生じ、これが機器精度のバラツキを発生さ
せているという問題があった。また、音響整合層が気体
中に露出しているため、湿度で表面が崩壊したり、化学
活性物質による劣化が早く、耐久性が悪いという問題等
もあった。

【００２４】さらに、上記従来のガラスバルーン入リエ
ポキシ樹脂からなる整合層ではカットしたり、表面を研
磨したりすることによって作製するため、表面の凹凸や
厚みの不均一性の問題があり、超音波送受波器としての
十分な感度を得ることができなかった。

【００２５】また、密度の低い材料、例えば音響インピ
ーダンスの低いゲル材料を用いたとしても、密度が低い
材料は強度的に弱く、また基体との密着性が弱いので、
信頼性や感度の点で十分ではないといえる。

【００２６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、多孔体からなる材料に補強材を混合することに
よって、強度を強くし耐久性の向上を図り、またその補
強材を多孔体材料の一部に混合することによって整合層
内部の密度に変化を持たせることによって感度を向上さ
せ、可能な限り音響インピーダンスの低い、音響インピ
ーダンス整合用複合材及びこの複合材の製造方並びにこ
の複合材を適用した超音波送受波器、それを用いた流量
計を提供するものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明の音響整合部材
は、圧電体を用いて超音波を送信または受信する超音波
送受波器で用いられる音響整合部材において、前記音響
整合部材が乾燥ゲルおよび補強材からなり、前記補強材
が基体に固定されている乾燥ゲル複合体から構成される
ことを特徴とするものである。

【００２８】さらに、本発明の音響整合部材は、圧電体
を用いて超音波を送信または受信する超音波送受波器で
用いられる音響整合部材において、前記音響整合部材が
乾燥ゲル層および補強材を含んだ乾燥ゲル複合体層とか
らなり、前記乾燥ゲル複合体層が基体に密着しており、
前記乾燥ゲル層の密度ρ１と前記乾燥ゲル複合体層の密
度ρ２との関係がρ１＜ρ２であることを特徴とする音
響整合部材を提供するものである。

【００２９】また、本発明の音響整合部材は、圧電体を
用いて超音波を送信または受信する超音波送受波器で用
いられる音響整合部材において、前記音響整合部材が補
強材層および補強材を含んだ乾燥ゲル複合体層とからな
り、前記乾燥ゲル複合体層が基体に密着しており、前記
補強材層の密度ρ１’と前記乾燥ゲル複合体層の密度ρ
２との関係がρ１’＜ρ２であることを特徴とする音響
整合部材を提供するものである。

【００３０】さらに、本発明の音響整合部材は、前記音
響整合部材の平均密度が５０〜５００ｋｇ/ｍ³である複
合体から構成されることを特徴とするものである。

【００３１】また、本発明の音響整合部材は、前記補強
材がガラス繊維により構成され、前記ガラス繊維が低融
点ガラス（４００から６００℃で軟化するガラス）によ
り前記基体に固定されていることを特徴とする音響整合
部材を提供するものである。

【００３２】本発明の音響整合部材の製造方法は、圧電
体を用いて超音波を送信または受信する超音波送受波器
で用いられる音響整合部材の製造方法において、（ａ
１）ゲル原料にゲル化触媒を添加して混合物を得る工
程、（ｂ１）前記混合物を前記複合体層を構成する補強
材と共存させた後にゲル化を完了させ、湿潤ゲル複合体
を形成する工程、および（ｃ１）前記湿潤ゲル複合体か
らゲル中の非水溶媒を除去して乾燥ゲル複合体を得る乾
燥工程を、工程（ａ１）〜（ｃ１）の順に含み、前記補
強材が基体に固定されている前記乾燥ゲル複合体から構
成されていることを特徴とする音響整合部材の製造方法
を提供するものである。

【００３３】また、本発明の音響整合部材の製造方法
は、圧電体を用いて超音波を送信または受信する超音波
送受波器で用いられる音響整合部材の製造方法におい
て、（ａ２）ゲル原料と補強材とを共存させる工程、
（ｂ２）工程（ａ２）に引き続き、ゲル化触媒を加える
ことにより、ゲル化を進行させ湿潤ゲル複合体を形成す
る工程、および（ｃ２）前記湿潤ゲル複合体からゲル中
の非水溶媒を除去して乾燥ゲル複合体を得る乾燥工程
を、工程（ａ２）〜（ｃ２）の順に含み、前記補強材が
基体に固定されている前記乾燥ゲル複合体から構成され
ていることを特徴とするものである。

【００３４】さらに、本発明の音響整合部材の製造方法
は、圧電体が容器の内面に配置されてなる超音波送受波
器の音響整合部材の製造方法において、前記容器の前記
圧電体の配置位置に対向した外面の位置に１×１０⁵ｋ
ｇ／ｍ²の強度に耐え得る、超音波発振波長の４分の１
の厚みをもつ補強部を有してなり、前記容器上に乾燥ゲ
ルおよび補強材との乾燥ゲル複合体からなる音響整合層
を形成し、前記補強材が基体に固定されている前記乾燥
ゲル複合体から構成していることを特徴とする音響整合
部材の製造方法を提供するものである。

【００３５】これらの製造方法を用いて得られる音響整
合部材は、低音響インピーダンスで強度が強く、最適な
密度を持った音響整合層を得ることができるので、超音
波送受波器の高感度化ならびに特性の安定化を図ること
ができる。

【００３６】本発明の超音波送受波器は、圧電体と音響
整合層を用いて超音波を送信または受信する超音波送受
波器において、前記音響整合層が請求項１〜５記載の乾
燥ゲル複合体で構成され、前記圧電体の上に直接形成さ
れていることを特徴とする超音波送受波器を提供するも
のである。

【００３７】また、本発明の超音波送受波器は、圧電体
と音響整合層を用いて超音波を送信または受信する超音
波送受波器において、前記圧電体が容器の内面に配置さ
れており、前記音響整合層が請求項１〜５記載の乾燥ゲ
ル複合体で構成され、前記音響整合層が前記容器の前記
圧電体の配置位置に対向した外面に配置されてなること
を特徴とする超音波送受波器を提供するものである。

【００３８】さらに、本発明の超音波送受波器は、圧電
体と音響整合層を用いて超音波を送信または受信する超
音波送受波器において、前記圧電体が容器の内面に配置
されており、セラミックから成る前記音響整合層が前記
容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面に配置され
ており、前記セラミック音響整合層上に請求項１〜５記
載の乾燥ゲル複合体で構成される音響整合層が積層され
ており、前記セラミック音響整合層の密度ρ３と前記乾
燥ゲル複合体層の密度ρ２との関係がρ２＜ρ３である
ことを特徴とする超音波送受波器を提供するものであ
る。

【００３９】また、本発明の超音波送受波器は、圧電体
と音響整合層を用いて超音波を送信または受信する超音
波送受波器において、前記音響整合層が請求項１〜５記
載の乾燥ゲル複合体で構成され、前記音響整合層の表面
に保護層が形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００４０】本発明の超音波流量計は、被測定流体が流
れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波信
号を送受信する一対の超音波送受波器と、前記超音波送
受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、前記
計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算
手段とを備えてなる超音波流量計において、請求項９〜
１２のいずれか記載された前記超音波送受波器が前記測
定流体と圧電体とを遮断した容器で構成された超音波送
受波器を用いることを特徴とする超音波流量計を提供す
るものである。

【００４１】この超音波流量計は、前記超音波送受波器
が高感度および特性バラツキが少ないことから流量計測
の安定性の向上が図れる。

【００４２】

【発明の実施の形態】次に、図１乃至図９を用いて図１
０から１３に示した音響整合層１００を製造し、それを
圧電体２あるいはケース１に貼り付け超音波送受波器を
製造する方法の実施の形態について説明する。

【００４３】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材を
説明する断面図である。

【００４４】本発明の乾燥ゲル複合体の特徴は、図１に
示したように、乾燥ゲル複合体１１が乾燥ゲル層１３と
補強材層１２とからなることである。乾燥ゲル層１３の
全体が補強材層１２によって保護されているために、全
体の強度が確保され、ゲルの欠落が防止される。補強材
層１２は乾燥ゲル層１３の内部全体に形成されており、
乾燥ゲル層１３を固定しているような状態である。

【００４５】すなわち、補強材層１２が乾燥ゲル層１３
に固定されている方が、より強度が増すため好ましく、
固定の形態としては、図１のように補強材層１２が乾燥
ゲル層１３内の全体の領域に侵入して形成される構成が
簡単で好ましい。また、乾燥ゲル複合体１１は補強材層
１２を混合しても５０〜５００ｋｇ/ｍ³という低密度で
あるため、良好な低い音響インピーダンスを示し、超音
波送受波器の音響整合部材として十分機能することがで
きる。

【００４６】本発明で用いられる補強材としては、ハニ
カム構造体、ガラス繊維、カーボン繊維、ロックウール
などの鉱物繊維、アルミナ繊維や窒化ケイ素繊維などの
セラミック繊維、またはポリエステル系繊維、アラミド
系繊維、ナイロン系繊維などの合成繊維および天然繊維
などの有機繊維、ならびにこれらの繊維からなる繊維布
ならびに不織布などの繊維集合体も使用することができ
る。

【００４７】また、ポリウレタン系、ポリエステル系、
塩化ビニル系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、シ
リコン系などのフォームも用いることができる。

【００４８】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材を
説明する断面図である。

【００４９】本発明の乾燥ゲル複合体の特徴は、図２に
示したように、乾燥ゲル複合体１１が乾燥ゲル層１３と
補強材層１２とからなることである。乾燥ゲル層１３の
全体が補強材層１２によって保護されているために、全
体の強度が確保され、ゲルの欠落が防止される。補強材
層１２は乾燥ゲル層１３の内部全体に形成されており、
乾燥ゲル層１３を固定しているような状態である。さら
に、乾燥ゲル複合体１１は補強材層１２によって下地の
基体１４に固定されている。こうすることによって乾燥
ゲル複合体１１と基体１４との密着性を向上させること
ができる。

【００５０】すなわち、補強材層１２が乾燥ゲル層１３
に固定され、さらにこの補強材層１２によって基体１４
に固定されることによって、より強度が増すため好まし
く、固定の形態としては、図２のように補強材層１２が
乾燥ゲル層１３内の全体の領域に侵入して形成される構
成が簡単で好ましい。また、乾燥ゲル複合体１１は補強
材層１２を混合しても５０〜５００ｋｇ/ｍ³という低密
度であるため、良好な低い音響インピーダンスを示し、
超音波送受波器の音響整合部材として十分機能すること
ができる。

【００５１】（第３の実施の形態）図３は本発明の第３
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材を
説明する断面図である。

【００５２】超音波送受波器における音響整合部材にお
いては、乾燥ゲル複合体１１が深さ方向に密度分布をも
っていることが好ましい。図１において、補強材層１２
は乾燥ゲル層１３の全体に形成されているが、図３のよ
うに下の領域にのみ補強材層１２を設け、上の領域は乾
燥ゲル１３のみとすることによって乾燥ゲル複合体１１
を構成する。下の領域に補強材層１２があるので強度を
確保することができ、また密度が上の乾燥ゲル層の密度
ρ１と下の補強材層１２の密度ρ２の関係がρ１＜ρ２
であるので、良好な低い音響インピーダンスを示し、超
音波送受波器の音響整合部材として十分機能することが
できる。

【００５３】つまり、この補強材層１２によって乾燥ゲ
ル複合体１１の密度が深さ方向に密度分布を持っている
場合、密度の低い部分が表面近傍であることが好まし
い。上部の密度ρ１と下部の密度ρ２の関係がρ１＜ρ
２であれば、良好な低い音響インピーダンスを示し、超
音波送受波器の音響整合部材として十分機能することが
できる。

【００５４】さらに、乾燥ゲル複合体１１の下部に補強
材層１２を設けることによって下地の基体に固定される
ことも容易である。こうすることによって乾燥ゲル複合
体１１と基体との密着性を向上させることができる。

【００５５】（第４の実施の形態）図４は本発明の第４
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材を
説明する断面図である。

【００５６】超音波送受波器における音響整合部材にお
いては、乾燥ゲル複合体１１が深さ方向に密度分布をも
っていることが好ましい。図１において、補強材層１２
は乾燥ゲル層１３の全体に形成されているが、図４のよ
うに乾燥ゲル層１３の全体および上部にも補強材層１２
を設け、上の領域は補強材層１２のみとすることによっ
て乾燥ゲル複合体１１を構成する。乾燥ゲル複合体１１
全体に補強材層１２があるので強度を十分に確保するこ
とができ、また密度が上の補強材層１２の密度ρ１’と
下の乾燥ゲル複合体１１の密度ρ２の関係がρ１’＜ρ
２であるので、良好な低い音響インピーダンスを示し、
超音波送受波器の音響整合部材として十分に機能するこ
とができる。

【００５７】つまり、この補強材層１２によって乾燥ゲ
ル複合体１１の密度が深さ方向に密度分布を持つことが
でき、密度の低い部分が表面近傍であるので音響インピ
ーダンス的に非常に好ましい。上部の密度ρ１と下部の
密度ρ２の関係がρ１＜ρ２であれば、良好な低い音響
インピーダンスを示し、超音波送受波器の音響整合部材
として十分機能することができる。

【００５８】さらに、乾燥ゲル複合体１１の下部に補強
材層１２を設けることによって下地の基体に固定される
ことも容易である。こうすることによって乾燥ゲル複合
体１１と基体との密着性を向上させることができる。

【００５９】（第５の実施の形態）図５は本発明の第５
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材を
説明する断面図である。

【００６０】図５のように補強材層１２の外側表面に保
護層１５が形成される構成が好ましい。保護層１５が補
強材に接着して形成されているために、乾燥ゲル層１３
上に直接保護層を形成するよりも下地との接着性が増
し、強固な保護層１５が形成される。特に、乾燥ゲル層
１３のゲルが疎水性のゲルの場合にはゲルと保護層１５
との接着性が落ちるため、補強材層１２の表面に保護層
１５が形成された構成をとることが好ましい。

【００６１】また、補強材層１２の上部に、乾燥ゲル層
１３が重ならない部分がある場合、補強材と保護層１５
との接着する面積が増えるため、接着力が増し、好まし
い。

【００６２】保護層１５は、各種有機高分子材料または
無機高分子材料から構成することができる。この保護層
を熱可塑性の有機高分子材料で形成する場合、補強材に
も熱可塑性樹脂を用いることで、熱可塑性樹脂からなる
シートを前記補強材層に融着させて保護膜を容易に形成
することができる。

【００６３】また、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の
前駆体を有機溶媒の溶液または水性エマルジョンとして
補強材層上に塗布し、加熱、紫外線照射、水蒸気の浸入
などにより硬化させて保護層を形成することも可能であ
る。

【００６４】さらに、各種の接着剤を用いて、補強材上
にその有機高分子あるいはシリコン系樹脂などからなる
シートを貼り付けることでも形成可能である。

【００６５】また、上記の有機溶媒や水性エマルジョン
の粘度が低い場合は、ノズルを通して吹き付けて塗布す
ることも可能である。特に、乾燥ゲル層のゲルが疎水性
の場合は、前記ゲルへの有機溶媒の浸入が容易であり、
有機溶媒が乾燥する際にゲルの収縮がおこるため、水溶
性高分子の水溶液あるいは非水溶性高分子の水性エマル
ジョンを用いることが好ましい。

【００６６】（第６の実施の形態）図６は本発明の第６
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材の
製造方法を説明する工程図である。

【００６７】本発明の乾燥ゲル複合体の好ましい製造方
法は、（ａ１）ゲル原料にゲル化触媒を添加して混合物
を得る工程、（ｂ１）前記混合物を前記補強材層を構成
する補強材と共存させた後にゲル化を完了させ、湿潤ゲ
ル複合体を形成する工程、（ｂ１'）必要に応じて非水
溶媒中で疎水化剤によって、前記湿潤ゲル複合体中のゲ
ル表面に疎水化処理を施す工程、および（ｃ１）前記湿
潤ゲル複合体からゲル中の非水溶媒を除去して乾燥ゲル
複合体を得る工程を、工程（ａ１）〜（ｃ１）の順に含
む。

【００６８】工程（ａ１）において用いるゲル原料とし
ては、ゾル−ゲル法に用いられる金属酸化物化合物など
が挙げられる。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコ
ニウム、チタンなどの酸化物がある。このなかでも、ケ
イ素の酸化物化合物が入手の容易性から好ましい。ケイ
素の酸化物化合物としては、テトラメトキシシランなど
のケイ素アルコキシドやそのオリゴマー、コロイダルシ
リカ、水ガラスなどがあり、水ガラスから電気透析によ
り得られるケイ酸水溶液が好適に用いられる。

【００６９】また、金属酸化物の他に、フェノール類−
ホルムアルデヒド、メラミン−ホルムアルデヒド、ポリ
オール−イソシアネートなどの有機化合物も用いること
ができる。

【００７０】上記ゲル原料に用いるゲル触媒としては、
一般的には、アンモニア水、塩酸、硫酸などの無機塩基
および酸の他、有機酸およびピリジンなどの有機塩基を
用いることができる。その他、メラミン−ホルムアルデ
ヒドを原料とする場合には、炭酸ナトリウムなどの金属
塩も好適に用いられる。

【００７１】工程（ｂ１）において、補強材に対するゲ
ル原料の量を調整することによって、または補強材層を
浸漬する深さによって、図１〜４に示されるような構成
を実現できる。

【００７２】また、工程（ｂ１）において、ゲル化時
に、補強材を上から板状のもので押さえつけて成型する
ことによって、上面に近い部分の密度が高い乾燥ゲル複
合体を得ることができる。上から押さえつけて成型する
場合には、特に繊維集合体を補強材として用いる際に生
じ易い深さ方向のムラ（部分的に補強材のない部分が生
じる）が圧縮によりなくなり、表面の強度が得られ易い
ため、好ましい。

【００７３】また、工程（ｂ１）において、繊維集合体
や各種フォームとゲル原料を共存させる際、ゲル化が短
時間で進む場合あるいはゲル原料の粘度が高い場合に
は、補強材に充分ゲル原料が含浸されないうちにゲル化
が起こり、最終的に乾燥ゲル層内に空気が残ることがよ
くある。この場合、得られる乾燥ゲル複合体の密度は前
記の空気の存在のために低くなる。

【００７４】これを避けるためには、ゲル原料と触媒と
の混合物を補強材に加える前に、補強材が占める空間を
減圧状態とし、その中へ前記の混合物を注入することが
好ましい。簡単には、密閉された容器を用意し、その中
に補強材を設置し、この容器内を減圧にした後、減圧に
された容器内に前記の混合物を注入する。こうすること
で、補強材中に空気が残ることなく短時間でゲル原料と
ゲル化触媒との混合物を補強材と共存させることができ
る。

【００７５】つぎに工程（ｂ１'）では、必要に応じて
疎水化剤処理を行う。超音波送受波器における音響整合
層として用いる場合には水の吸着を抑制することが重要
であり、特にケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チ
タンなどの金属酸化物をゲル原料とする際には、この疎
水化処理を行うことが好ましい。疎水化処理の前には、
後述する疎水化剤が水と反応して失われることを避ける
ために、通常は水溶性溶媒による溶媒置換により水を除
くが、水溶性溶媒と非水溶性溶媒の混合溶媒中で疎水化
を行えば、前記の溶媒置換を行わなくても疎水化処理を
行うことも可能である。また、疎水化処理は、乾燥後に
疎水化剤蒸気を用いて行うことも可能である。

【００７６】本発明に用いることのできる疎水化剤とし
てはシリル化剤が反応性が高く好ましく、例えばジシラ
ザン、クロロシラン、アルキルシラノール、アルコキシ
シランなどがあげられる。これらのシリル化剤がジシラ
ザン化合物、クロロシラン化合物、アルコキシシラン化
合物の場合は、直接あるいは加水分解を受けて、対応す
るアルキルシラノールになってからゲル表面のシラノー
ル基と反応する。またアルキルシラノールをシリル化剤
として用いれば、そのまま表面のシラノール基と反応す
る。

【００７７】具体的には、トリメチルクロロシラン、メ
チルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシランなどの
クロロシラン化合物、ヘキサメチルジシラザンなどのシ
ラザン化合物、メトキシトリメチルシラン、エトキシト
リメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキ
シジエチルシラン、ジエトキシジメチルシランなどのア
ルコキシシラン化合物、トリメチルシラノール、トリエ
チルシラノールなどのシラノール化合物に代表されるシ
リル化剤を好適に用いることができる。

【００７８】これらの表面にトリメチルシリル基などの
アルキルシリル基を導入することによって疎水化が進行
する。

【００７９】また、疎水化剤として、フッ素化されたシ
リル化剤を用いれば、疎水性が強くなり非常に効果的で
ある。例えば、パーフルオロフルオロアルキル基を有し
たクロロシラン類を好適に用いることができる。

【００８０】また、疎水化剤としてはエタノール、プロ
パノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、
オクタノール、エチレングリコール、グリセロールなど
のアルコール類の他、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、コハ
ク酸などのカルボン酸なども用いることができる。これ
らは、ゲル表面の水酸基と反応してエステルを形成する
ことで疎水化を進めるが、反応が比較的遅いため高温の
条件が必要である。

【００８１】また、本発明の疎水化処理で使用される非
水溶媒としては、水溶性の溶媒と非水溶性の溶媒がある
が、水溶性の溶媒と、非水溶性の溶媒の混合溶媒が用い
られることが疎水化を好適に進めるため好ましい。

【００８２】疎水化処理時に使用する水溶性溶媒として
は、アセトン、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラ
ン、１，３−ジオキソランなどが好適に用いられる。そ
の他にも、メタノール、エタノール、イソプロパノー
ル、ターシャリ−ブタノールなどの低級アルコール、蟻
酸、酢酸、プロピオン酸などの低級カルボン酸も用いる
ことができる。しかし、疎水化剤としてクロロシランを
用いる場合、低級アルコールの存在でクロロシランの疎
水化が阻害されることがあるため、低級アルコールの使
用は避けるべきである。

【００８３】非水溶性の溶媒としては、特に制限は受け
ないが、入手の容易性と乾燥の容易性から、低沸点の炭
化水素であるペンタン、ヘキサン、へプタンあるいはそ
れらの混合物であることが好ましい。

【００８４】最後に、工程（ｃ１）において、湿潤ゲル
複合体からゲル中の非水溶媒を除去して乾燥ゲル複合体
を得る。乾燥は、超臨界乾燥によれば、収縮無く良好な
低密度乾燥ゲル複合体を得ることが可能である。一方、
超臨界乾燥によらなくても、凍結乾燥の適用も可能であ
る他、湿潤ゲル表面が疎水化されている場合には、臨界
点未満条件で加熱乾燥が可能となる。

【００８５】臨界点未満条件での乾燥では、湿潤ゲル中
に保持される非水溶媒は、その表面張力の小さい方が、
毛管力が小さくなるため、収縮を起こしにくく有利であ
る。従って、乾燥する際に、表面張力の低い液体に置換
することも効果がある。このような本発明で好適に用い
られる非水溶媒としては、官能基を含まない炭化水素、
フッ素化された炭化水素、エーテル、アルコールの他、
アルキルシラン、ジメチルポリシロキサンなどのケイ素
化合物が好ましい。特に沸点での表面張力が０．０１６
Ｎ／ｍ以下の液体が好ましい。

【００８６】この条件を満たす液体として、デカン、ノ
ナン、オクタン、ヘプタン、ヘキサン、ペンタン、ブタ
ンなどで環状構造を有しない炭化水素および、その異性
体がある。その他に、ハイドロフルオロカーボン化合物
（ＨＦＣ）であるＨＦＣ−１３４ａ、ＨＦＣ−１５２
ａ、オクタフルオロシクロペンタンなど、ハイドロフル
オロエーテル化合物（ＨＦＥ）であるノナフルオロブチ
ルメチルエーテル、ノナフルオロブチルエチルエーテル
など、フルオロアルコールであるヘキサフルオロイソプ
ロパノールなど、アルキルシランであるテトラメチルシ
ランなど、ジメチルポリシロキサンであるヘキサメチル
ジシロキサン、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オ
クタメチルトリシロキサンなどがある。

【００８７】また、乾燥工程で表面張力を低下させて毛
管力を低減するために、界面活性剤を添加させることが
効果的で好ましい。また、界面活性剤の添加による表面
張力の低下は、繊維などの補強材へのゲル原料の含浸を
容易にするためにも好ましい。界面活性剤としては、シ
リコン系、炭化水素系に加え、前記の界面活性剤がフッ
素化されたフッ素系などがあり、各々アニオン型、カチ
オン型、ノニオン型があるが、実現される表面張力の低
さからフッ素系の界面活性剤が好ましい。例えば、パー
フルオロアルキル基を有するフッ素系では０．０２Ｎ／
ｍ程度以下まで表面張力が低下するものもある。このよ
うに界面活性剤の添加は、水系だけでなく、ゲルに保持
される液体がアルコールの場合でも有効であり、水溶性
溶媒と水との混合系に関しても効果がある。

【００８８】以上より、低密度で、強度の強い、音響イ
ンピーダンスの低い、信頼性の高い、高精度な音響整合
層を形成することができ、これを用いることによって高
感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることが
できる。

【００８９】（第７の実施の形態）図７は本発明の第７
の実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材の
製造方法を説明する工程図である。

【００９０】また、本発明の乾燥ゲル複合体の別の製造
方法は、（ａ２）ゲル原料と補強材とを共存させる工
程、（ｂ２）工程（ａ２）に引き続き、ゲル化触媒を加
えることにより、ゲル化を進行させ湿潤ゲル複合体を形
成する工程、（ｂ２'）必要に応じて非水溶媒中で疎水
化剤によって、前記湿潤ゲル複合体中のゲル表面に疎水
化処理を施す工程、および（ｃ２）前記湿潤ゲル複合体
からゲル中の非水溶媒を除去して乾燥ゲル複合体を得る
乾燥工程を、工程（ａ２）〜（ｃ２）の順に含む。

【００９１】この製造方法が、上記の製造方法と異なる
のは、ゲル原料と繊維体を共存させてからゲル化触媒を
加える点である。この方法により、上で既に述べたよう
に、ゲル化が短時間で進む場合、あるいはゲル原料の粘
度が高い場合に補強材の間に空気が残ることを回避する
ことができる。つまり、この製造方法では、繊維体にゲ
ル原料が充分に含浸されてからゲル化が進行するため、
上で述べた空気の残存がなく、強度の強いものが得られ
る効果がある。

【００９２】また、シリカ乾燥ゲル複合体を製造する場
合、コストの点からは、価格の低い水ガラスを用いるこ
とが好ましいが、水ガラスをゲル化触媒によりゲル化さ
せる場合、水ガラスの粘度が高いために、繊維体などの
補強材に含浸あるいは混合させることが困難な場合があ
る。また、水ガラスをイオン交換してゲル化させる場
合、ゲル化時間をコントロールするのが難しい上に、形
成されたゲルは、湿潤ゲルの状態で収縮を起こしやすい
ために、複雑な型に入れて成型した場合割れの発生を抑
制することが難しい。

【００９３】これに対して、水ガラスから電気透析によ
って得られたケイ酸水溶液を用いると、粘度が低く繊維
体などの補強材に含浸あるいは混合が容易なのに加え
て、湿潤ゲル形成時の収縮が小さく、型に入れてゲル化
させた場合の割れなどが生じにくい効果がある。

【００９４】また、さらにケイ酸水溶液に界面活性剤を
添加することで表面張力を低下させることも繊維集合体
などの細かな空隙を有する補強材に含浸するには有効で
ある。

【００９５】本発明の製造方法では、乾燥工程を、流通
させる気体の圧力を調製することで、前記湿潤ゲル複合
体中の非水溶媒の蒸気圧よりも高い圧力で行うことが好
ましい。これは、乾燥を行う圧力が、非水溶媒の蒸気圧
以下になると、前記非水溶性溶媒の沸騰が起こり、この
ことによりゲルの欠損などの損傷が生じ易いためであ
る。例えば、乾燥容器内に加圧気体を導入し、乾燥容器
から排出される気体の量を調整することで、乾燥容器内
の圧力を非水溶媒の蒸気圧よりも高い状態に保つことが
できる。

【００９６】以上より、低密度で、強度の強い、音響イ
ンピーダンスの低い、信頼性の高い、高精度な音響整合
層を形成することができ、これを用いることによって高
感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることが
できる。

【００９７】（第８の実施の形態）図８は本発明の第８
の実施の形態の整合層を備えた超音波送受波器の製造方
法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の
順に説明する。

【００９８】・工程１：センサケース１に圧電体２を接
着させる。

【００９９】・工程２：このセンサケース１の上に整合
層の強度を向上させるためにガラスフィラー等から成る
補強材５１を設置する。

【０１００】・工程３：この補強材５１が設置されたセ
ンサケース１の上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケ
イ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調
整する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３
を形成する。この湿潤ゲルがゲル化するときに、ケース
１の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して化学
結合し、ケース１の表面に湿潤ゲル膜が形成される。

【０１０１】・工程４：ゲル化されたケイ酸水溶液をト
リメチルクロルシラン(ＴＭＳＣ)のアセトン溶液にて疎
水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換
後、１００℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素の
シリカ乾燥ゲル膜３４を形成する。そうすると、低密度
で強度の高い、乾燥ゲル膜が固定化され、整合層を得る
ことができる。

【０１０２】このようにすることによって、乾燥ゲルか
らなる整合層は、接着剤を使用せずにセンサケース１に
接着することができる。

【０１０３】また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる
整合層を形成した後に接着させてもよい。

【０１０４】以上より、低密度で、強度の強い、音響イ
ンピーダンスの低い、信頼性の高い、高精度な音響整合
層を形成することができ、これを用いることによって高
感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることが
できる。

【０１０５】（第９の実施の形態）図９は本発明の第９
の実施の形態の整合層を備えた超音波送受波器の製造方
法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の
順に説明する。

【０１０６】・工程１：センサケース１に圧電体２、セ
ラミック６１を接着させる。

【０１０７】・工程２：このセンサケース１の上のセラ
ミック６１上に整合層の厚みを制御しλ／４の厚みにな
るように、また整合層の強度を強くするために、ガラス
ファイバーからなる補強材３１を設置する。

【０１０８】・工程３：この補強材３１が設置されたセ
ラミック６１上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケイ
酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整
する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３を
形成する。この湿潤ゲルがゲル化するときに、セラミッ
ク６１の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して
化学結合し、セラミック６１の表面に湿潤ゲル膜が形成
される。

【０１０９】・工程４：ゲル化されたケイ酸水溶液をト
リメチルクロルシラン(ＴＭＳＣ)のアセトン溶液にて疎
水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換
後、１００℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素の
シリカ乾燥ゲル膜３４を形成する。そうすると、低密度
の乾燥ゲル膜が固定化され、整合層を得ることができ
る。その後、ケース１に蓋板、駆動端子等を組み付ける
と圧電振動子１０が出来上がる。

【０１１０】このようにすることによって、乾燥ゲルか
らなる整合層は、接着剤を使用せずにセラミック６１に
接着することができ、さらに２層整合層による高感度化
を達成することができる。

【０１１１】また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる
整合層を形成した後に接着させてもよい。

【０１１２】さらに、補強材３１を先にセラミック６１
の上に設置したが、あらかじめゾル溶液の中に入れてお
き、ゾル溶液の滴下と一緒に補強材をセラミック上に形
成しても良い。

【０１１３】以上より、低密度で、強度の高い、音響イ
ンピーダンスの低い、信頼性の高い、高精度な２層音響
整合層を形成することができ、これを用いることによっ
て高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得るこ
とができる。

【０１１４】（第１０の実施の形態）図１０は本発明の
第１０の実施の形態の超音波流量計に用いる超音波送受
波器の圧電振動子の断面図である。

【０１１５】この図において、電気−超音波相互変換を
行う圧電振動子１０は、圧電体２と音響整合層１００で
構成されている。圧電体２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、上下面に電極を有している。音響整合層
１００は、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ためのもので、駆動交流電圧によ
り励振される圧電体２の機械的振動が外部の媒体に超音
波として効率よく出ていき、到来した超音波が効率よく
電圧に変換される役目を有し、上記実施の形態を用いて
形成され、圧電体２における超音波の送受波面を形成す
る状態にして圧電体２の上側に化学結合により貼り合わ
されている。また、音響整合層１００は無機酸化物また
は有機高分子の乾燥ゲルでなり、乾燥ゲルの固体骨格部
が疎水化され、その密度が５００ｋｇ／ｍ³以下で、平
均の細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル
（ナノ多孔質乾燥ゲル）として形成されている。さら
に、補強材１０１によって整合層１００の強度および厚
みが規定されので、厚み精度の高い、強度の強い音響整
合層を得ることができる。

【０１１６】また、この整合層において補強材を下部の
み、あるいは整合層の上部にも形成することによって、
整合層内部の密度に変化を持たせることによって、感度
の高い、信頼性の高い超音波送受波器を得ることができ
る。

【０１１７】なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部
は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）または酸化アルミ
ニウム（アルミナ）を成分としている。また、有機高分
子の乾燥ゲルの固体骨格部は、一般的な熱硬化性樹脂、
熱可塑性樹脂により構成することができる。例えば、ポ
リウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリア
クリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを適用する
こともできる。

【０１１８】このように構成されている超音波送受波器
では、駆動端子に超音波送受波器の共振周波数近傍の周
波数の交流信号成分を持つバースト信号電圧を印加する
と、圧電振動子１０は厚み振動モードで振動し、気体ま
たは液体中等の流体中にバースト状の超音波を放射する
ことになる。

【０１１９】（第１１の実施の形態）図１１は本発明の
第１１の実施の形態の超音波流量計に用いる超音波送受
波器の圧電振動子の断面図である。

【０１２０】この図において、電気−超音波相互変換を
行う圧電振動子１０は、圧電体２と音響整合層１００で
構成されている。圧電体２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、上下面に電極を有している。音響整合層
１００は、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ためのもので、駆動交流電圧によ
り励振される圧電体２の機械的振動が外部の媒体に超音
波として効率よく出ていき、到来した超音波が効率よく
電圧に変換される役目を有し、上記実施の形態を用いて
形成され、圧電体２における超音波の送受波面を形成す
る状態にしてセンサケース１の外側に化学結合により貼
り合わされている。また、音響整合層１００は無機酸化
物または有機高分子の乾燥ゲルでなり、乾燥ゲルの固体
骨格部が疎水化され、その密度が５００ｋｇ／ｍ³以下
で、平均の細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥
ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）として形成されている。さ
らに、補強材１０１によって整合層１００の強度および
厚みが規定されので、厚み精度の高い、強度の強い音響
整合層を得ることができる。

【０１２１】また、この整合層において補強材を下部の
み、あるいは整合層の上部にも形成することによって、
整合層内部の密度に変化を持たせることによって、感度
の高い、信頼性の高い超音波送受波器を得ることができ
る。

【０１２２】（第１２の実施の形態）図１２は本発明の
第１２の実施の形態の超音波流量計に用いる超音波送受
波器の圧電振動子の断面図である。

【０１２３】この図において、電気−超音波相互変換を
行う圧電振動子１０は、圧電体２とセラミック１０２、
および音響整合層１００で構成されている。圧電体２
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
極を有している。音響整合層１００は、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ため
のもので、駆動交流電圧により励振される圧電体２の機
械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく出てい
き、到来した超音波が効率よく電圧に変換される役目を
有し、上記実施の形態を用いて形成され、圧電体２にお
ける超音波の送受波面を形成する状態にしてセラミック
１０２の外側に化学結合により貼り合わされている。ま
た、音響整合層１００は無機酸化物または有機高分子の
乾燥ゲルでなり、乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、
その密度が５００ｋｇ／ｍ³以下で、平均の細孔直径が
１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥
ゲル）として形成されている。また、このセラミック音
響整合層の密度ρ３と乾燥ゲル複合体層の密度ρ２との
関係がρ２＜ρ３であり、さらに、補強材１０１によっ
て整合層１００の強度および厚みが規定されるので、厚
み精度の高い、高感度な、強度の強い音響整合層を得る
ことができる。このような２層整合層にすることによっ
て、感度の高い、信頼性の高い超音波送受波器を得るこ
とができる。

【０１２４】（第１３の実施の形態）本発明の第１３の
実施の形態の音響整合層を用いた超音波送受波器による
超音波流量計について説明する。

【０１２５】第６の実施の形態の作製方法を用いて作製
した音響整合層が、第１の実施の形態の音響整合層のよ
うな乾燥ゲル複合体から構成されている。この音響整合
層が、第８の実施の形態のようなプロセスで超音波送受
波器に取り付けられている。この補強材が混合した乾燥
ゲル複合体からなる音響整合層を持った超音波送受波器
が、測定流体と圧電体とを遮断した密閉容器で構成され
ている。この配管の被測定流体に面するようなかたちで
設置した超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器
からなる流量測定部と、この超音波送受波器間の超音波
伝搬時間を計測する計測回路と、この計測回路からの信
号に基づいて流量を算出する流量演算手段とからなる超
音波流量計を構成する。こうすることによって、高精度
で高信頼性な超音波流量計を得ることができる。

【０１２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、乾燥ゲ
ルに補強材を混合した乾燥ゲル複合体からなる音響整合
層からなるので、機械的強度や耐久性が強く、極めて軽
量で音響インピーダンスが小さく、また、補強材が基体
に固定されているので、密着状態もよく、高感度な特性
バラツキが少ない安定した音響整合層を有する超音波送
受波器が得られる。さらに、補強材を乾燥ゲルの一部に
混合することによって、音響整合層の内部の密度に最適
な変化を持たせることができ、高感度な音響整合層を有
する超音波送受波器が得られる。

【０１２７】また、乾燥ゲル複合体の表面に保護層を形
成することによって信頼性や感度を向上させることが可
能です。

【０１２８】さらに、乾燥ゲル複合体形成時に、圧電体
表面または容器（ケース）表面に補強材が固定化される
ことによって、接着層の無い、いわゆる接着層レスの超
音波送受波器が得られるという優れた効果も期待でき
る。

【０１２９】また、従来の整合層の上層に、この機械的
強度の高い、乾燥ゲル複合体からなる音響整合層を形成
することによって、さらに高感度な超音波送受波器が得
られるという優れた効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の超音波送受波器に
おける音響整合部材を説明する図

【図２】本発明の第２の実施の形態の超音波送受波器に
おける音響整合部材を説明する図

【図３】本発明の第３の実施の形態の超音波送受波器に
おける音響整合部材を説明する図

【図４】本発明の第４の実施の形態の超音波送受波器に
おける音響整合部材を説明する図

【図５】本発明の第５の実施の形態の超音波送受波器に
おける音響整合部材を説明する図

【図６】（工程ａ１）〜（工程ｃ１）は本発明の第６の
実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材の製
造方法を説明する工程図

【図７】（工程ａ２）〜（工程ｃ２）は本発明の第７の
実施の形態の超音波送受波器における音響整合部材の製
造方法を説明する工程図

【図８】（工程１）〜（工程４）は本発明の第８の実施
の形態の整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説
明する工程図

【図９】（工程１）〜（工程４）は本発明の第９の実施
の形態の整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説
明する工程図

【図１０】本発明の第１０の実施の形態の超音波送受波
器の断面図

【図１１】本発明の第１１の実施の形態の超音波送受波
器の断面図

【図１２】本発明の第１２の実施の形態の超音波送受波
器の断面図

【図１３】従来の超音波送受波器を用いた超音波流量計
を示すブロック図

【図１４】従来の超音波受波器の断面図

【図１５】従来の超音波受波器の整合層の断面および表
面図

【符号の説明】

１センサケース２圧電体１０圧電振動子１１乾燥ゲル複合体１２補強材層１３乾燥ゲル１４基体１５保護層３１補強材３２平板３３湿潤ゲル３４乾燥ゲル５１補強材６１セラミック１００整合層１０１補強材１０２セラミック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木正明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 DA16 DA19 5D019 AA14 AA21 AA26 FF02 GG01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体を用いて超音波を送信または受信
する超音波送受波器で用いられる音響整合部材におい
て、前記音響整合部材が乾燥ゲルおよび補強材からなり、前
記補強材が基体に固定されている乾燥ゲル複合体から構
成されることを特徴とする音響整合部材。
【請求項２】圧電体を用いて超音波を送信または受信
する超音波送受波器で用いられる音響整合部材におい
て、前記音響整合部材が乾燥ゲル層および補強材を含んだ乾
燥ゲル複合体層とからなり、前記乾燥ゲル複合体層が基
体に密着しており、前記乾燥ゲル層の密度ρ１と前記乾
燥ゲル複合体層の密度ρ２との関係がρ１＜ρ２である
ことを特徴とする音響整合部材。
【請求項３】圧電体を用いて超音波を送信または受信
する超音波送受波器で用いられる音響整合部材におい
て、前記音響整合部材が補強材層および補強材を含んだ乾燥
ゲル複合体層とからなり、前記乾燥ゲル複合体層が基体
に密着しており、前記補強材層の密度ρ１’と前記乾燥
ゲル複合体層の密度ρ２との関係がρ１’＜ρ２である
ことを特徴とする音響整合部材。
【請求項４】前記音響整合部材の平均密度が５０〜５
００ｋｇ/ｍ³である複合体から構成されることを特徴と
する請求項１〜３のいずれかに記載の音響整合部材。
【請求項５】前記補強材がガラス繊維により構成さ
れ、前記ガラス繊維が低融点ガラスにより前記基体に固
定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
に記載の音響整合部材。
【請求項６】圧電体を用いて超音波を送信または受信
する超音波送受波器で用いられる音響整合部材の製造方
法において、（ａ１）ゲル原料にゲル化触媒を添加して混合物を得る
工程、（ｂ１）前記混合物を前記複合体層を構成する補強材と
共存させた後にゲル化を完了させ、湿潤ゲル複合体を形
成する工程、および（ｃ１）前記湿潤ゲル複合体からゲル中の非水溶媒を除
去して乾燥ゲル複合体を得る乾燥工程を、工程（ａ１）
〜（ｃ１）の順に含み、前記補強材が基体に固定されて
いる前記乾燥ゲル複合体から構成されていることを特徴
とする音響整合部材の製造方法。
【請求項７】圧電体を用いて超音波を送信または受信
する超音波送受波器で用いられる音響整合部材の製造方
法において、（ａ２）ゲル原料と補強材とを共存させる工程、（ｂ２）工程（ａ２）に引き続き、ゲル化触媒を加える
ことにより、ゲル化を進行させ湿潤ゲル複合体を形成す
る工程、および（ｃ２）前記湿潤ゲル複合体からゲル中の非水溶媒を除
去して乾燥ゲル複合体を得る乾燥工程を、工程（ａ２）
〜（ｃ２）の順に含み、前記補強材が基体に固定されて
いる前記乾燥ゲル複合体から構成されていることを特徴
とする音響整合部材の製造方法。
【請求項８】圧電体が容器の内面に配置されてなる超
音波送受波器の音響整合部材の製造方法において、前記容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置
に１×１０⁵ｋｇ／ｍ²の強度に耐え得る、超音波発振波
長の４分の１の厚みをもつ補強部を有してなり、前記容
器上に乾燥ゲルおよび補強材との乾燥ゲル複合体からな
る音響整合層を形成してなり、前記補強材が前記容器に
固定されている前記乾燥ゲル複合体から成ることを特徴
とする音響整合部材の製造方法。
【請求項９】圧電体と音響整合層を用いて超音波を送
信または受信する超音波送受波器において、前記音響整合層が請求項１〜５のいずれかに記載の乾燥
ゲル複合体で構成され、前記圧電体の上に直接形成され
ていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項１０】圧電体と音響整合層を用いて超音波を
送信または受信する超音波送受波器において、前記圧電体が容器の内面に配置されており、前記音響整
合層が請求項１〜５のいずれかに記載の乾燥ゲル複合体
で構成され、前記音響整合層が前記容器の前記圧電体の
配置位置に対向した外面に配置されてなることを特徴と
する超音波送受波器。
【請求項１１】圧電体と音響整合層を用いて超音波を
送信または受信する超音波送受波器において、前記圧電体が容器の内面に配置されており、セラミック
から成る前記音響整合層が前記容器の前記圧電体の配置
位置に対向した外面に配置されており、前記セラミック
音響整合層上に請求項１〜５記載の乾燥ゲル複合体で構
成される音響整合層が積層されており、前記セラミック
音響整合層の密度ρ３と前記乾燥ゲル複合体層の密度ρ
２との関係がρ２＜ρ３であることを特徴とする超音波
送受波器。
【請求項１２】圧電体と音響整合層を用いて超音波を
送信または受信する超音波送受波器において、前記音響整合層が請求項１〜５のいずれかに記載の乾燥
ゲル複合体で構成され、前記音響整合層の表面に保護層
が形成されていることを特徴とする超音波送受波器。
【請求項１３】被測定流体が流れる流量測定部と、前
記流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する一対の
超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の超音波伝搬
時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に
基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えてなる超
音波流量計において、請求項９〜１２のいずれかに記載された前記超音波送受
波器が前記測定流体と圧電体とを遮断した容器で構成さ
れた超音波送受波器を用いることを特徴とする超音波流
量計。