JP2003329501A

JP2003329501A - 音響整合部材、超音波送受波器および超音波流量計

Info

Publication number: JP2003329501A
Application number: JP2002135668A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Suzuki; 正明鈴木; Taku Hashida; 卓橋田; Kazuhiko Hashimoto; 和彦橋本; Masahiko Hashimoto; 雅彦橋本; Hidetomo Nagahara; 英知永原; Seigo Shiraishi; 誠吾白石; 範久 ▲高▼原; Norihisa Takahara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波送受波器を構成した際の各界面におけ
る音波の損失をできるだけ低減し、効率的に音波を送受
信できる超音波送受波器用の音響整合部材を提供する。【解決手段】音響整合部材を充填材および密度調整材
の複合体で構成し、前記充填材の密度を５０ｋｇ／ｍ³
〜５００ｋｇ／ｍ³とし、かつ前記充填材中を通過する
音の速度を５００ｍ／ｓ未満とし、前記密度調整材の密
度を前記充填材の密度以上とする。また、前記音響整合
部材を、超音波送受波器および流量計に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波センサの音
響整合層に用いる音響整合部材、超音波の送受信を行う
超音波送受波器、および前記超音波送受波器を使用した
超音波流量計に関する。

【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
流量計がガスメータなどに利用されつつある。図１７は
超音波の流量を測定する原理を説明するための超音波流
量計の構成を概念的に示す図である。図１７に示すよう
に、流量測定部を形成する流路管１０３内には、被測定
流体（以下、単に「流体」ともいう。）が速度Ｖにて矢
印に示す方向に流れている。流路管１０３には、一対の
超音波送受波器１０１および１０２が対向して設置され
ている。超音波送受波器１０１および１０２は、電気エ
ネルギー／機械エネルギー変換素子である圧電セラミッ
クなどの圧電振動子を用いて構成されており、圧電ブザ
ーおよび圧電発振子など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場合
を説明する。

【０００３】超音波送受波器１０１を構成する圧電振動
子に、超音波送受波器１０１の共振周波数近傍における
周波数の交流電圧を印加すると、超音波送受波器１０１
は超音波送波器として働き、流路管１０３内の測定流体
中に図１７の矢印Ｌ１で示す伝搬経路に超音波を放射す
る。そして、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。一方、超音波送受
波器１０２を構成する圧電振動子に、超音波送受波器１
０２の共振周波数近傍における周波数の交流電圧を印加
すると、超音波送受波器１０２は流路管１０３内の被測
定流体中に図１７の矢印Ｌ２で示す伝搬経路に超音波を
放射する。そして、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１０１および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。

【０００４】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
るため、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、この場合の超音波
流量の測定原理についてさらに詳細に説明する。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さ
せると、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１０２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。このような原理に基づく装
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。

【０００５】図１７において、流路管１０３内を流れる
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（流路管１０３の管壁に平行な方向）と超音波
パルスの伝搬方向との角度をθとする。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１０
２を超音波受波器として用いた場合、超音波送受波器１
０１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、式(２)：ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ（２）が成立する。逆に、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、式（３）：ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ（３）が成立する。

【０００６】したがって、シング・アラウンド周波数ｆ
１およびｆ２の周波数差Δｆは、式（４）： Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ（４）で表され、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。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。このような超音波流量計には高い精度が要求
され、精度を向上させるためには、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超音波
送受波器を構成する圧電振動子の超音波送受波面に形成
される音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。

【０００７】図１５は、従来の超音波送受波器１０の概
略縦断面図である。この超音波送受波器１０は、音響整
合手段である音響整合部材１、センサケース（容器）５
および振動手段である圧電体４を具備する。センサケー
ス５と音響整合部材１、およびセンサケース５と圧電体
４は、エポキシ系の接着剤などを用いて接合されてい
る。圧電体４で振動された超音波は特定の周波数で振動
し、その振動は接着剤の層を介してケースに伝わり、さ
らに接着剤の層を介して音響整合部材１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。この音響整合部材１の役割は、振動手段であ
る圧電体４の振動を効率よく気体に伝搬させることにあ
る。物質中の音速をＣ、密度をρとすると、音響インピ
ーダンスは、式（５）：Ｚ＝ρ×Ｃ（５）で定義される。

【０００８】振動手段である圧電体４の音響インピーダ
ンスは、超音波の放射媒体である気体の音響インピーダ
ンスと大きく異なる。例えば、一般的な圧電体であるＰ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのピエゾセラミック
スの音響インピーダンスＺ１は、３０×１０⁶ｋｇ／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媒体
の境界面上では、伝搬する音波の一部が反射され、透過
する音波の強さが弱くなる。このような問題を解決する
ために、振動手段である圧電体（音響インピーダンスＺ
１）と超音波の放射媒体である気体（音響インピーダン
スＺ３）との間に、式（６）：Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^1/2 （６）の関係を有する音響インピーダンスＺ２を持つ部材（音
響整合部材）を挿入することによって、音の反射を軽減
して透過する音波の強度を高める方法が一般に知られて
いる。

【０００９】以上の条件を満たすことによって整合させ
た音響インピーダンスの最適値は、１１×１０⁴ｋｇ／
ｍ²／ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす
音響整合部材は、式（５）からわかるように、固体で小
さい密度を有し、かつ当該部材を通過する音の速度が低
いものであることが要求される。このような音響整合部
材の一般的なものとしては、例えばガラスバルーンまた
はプラスチックバルーンを樹脂材料で固めて得られるも
のがあげられ、当該部材は圧電体で構成された超音波振
動子の面に形成して使用されている。また、熱圧縮した
中空ガラス球を用いる方法、および溶融材料を発泡させ
て得られる部材を用いる方法なども使用されている。こ
れらの技術は、例えば特許第２５５９１４４号公報など
に開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
音響整合部材の音響インピーダンスは、５０×１０⁴ｋ
ｇ／ｍ²／ｓより大きい値であり、さらに、気体との整
合を取って高感度を得るためには音響インピーダンスが
さらに小さい部材が必要である。このことは、音響的な
条件が充分に満たされていないときには、超音波送受波
器を構成する圧電体と音響整合層とを接合した際に生じ
る圧電体と音響整合層との境界界面、または音響整合層
と音波を放射する媒体との境界界面における反射強度が
大きくなる。そうすると、前記境界界面を通過する音波
の強度が小さくなり、超音波送受波器の感度が低くなっ
てしまう。

【００１１】以上のような実情に鑑み、本発明は、上記
問題点を解決することを目的とする。すなわち、本発明
の目的は、超音波送受波器を構成した際の各界面での音
波の損失をできるだけ低減することによって、効率的に
音波の送受信を行うことのできる超音波送受波器用音響
整合部材を提供することにある。さらに、本発明は、前
記音響整合部材を用いた超音波送受波器、および前記超
音波送受波器を用いた流量計を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、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に用いる
音響整合部材であって、厚み方向において密度が連続的
に変化している音響整合部材を提供する。前記音響整合
部材は、充填材および密度調整材の複合体で構成され、
前記充填材の密度が５０ｋｇ／ｍ³〜５００ｋｇ／ｍ³で
あり、かつ前記充填材中を通過する音の速度が５００ｍ
／ｓ未満であり、前記密度調整材の密度が前記充填材の
密度以上であるのが好ましい。

【００１３】また、前記音響整合部材の厚みは、超音波
発信波長の８分の１より大きく、前記超音波発信波長の
一波長未満であるのが好ましい。また、前記音響整合部
材は、複数個の単位密度調整材を含むのが好ましい。さ
らに、前記音響整合部材の一縦断面において、前記単位
密度調整材が鋸歯状に配置されているのが好ましく、ま
た、前記音響整合部材の平面において、前記単位密度調
整材がライン状に配列しているのが好ましい。

【００１４】また、前記音響整合部材の平面に対し、前
記ラインにおいて鋸歯状の前記単位密度調整材が形成す
る２つの面のうち、一方の面が傾斜し他方の面が略鉛直
であるのが好ましい。また、前記傾斜面に対して前記充
填材の厚みが一定であるのが好ましい。また、前記充填
材が無機酸化物の乾燥ゲルであるのが好ましく、また、
無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部が撥水化されている
のが好ましい。

【００１５】一方、本発明は、上記音響整合部材で構成
された音響整合層と、圧電体と、容器とを具備する超音
波を送信または受信する超音波送受波器であって、前記
圧電体から前記超音波を放射する媒体に向かって前記音
響整合層の密度が低下している超音波送受波器を提供す
る。前記超音波送受波器においては、前記圧電体が前記
容器の内面に配置され、前記音響整合層が前記容器の外
面の前記圧電体に対向する位置に配置されているのが好
ましい。また、前記容器が金属で構成されているのが好
ましい。

【００１６】加えて、本発明は、上記音響整合部材で構
成された音響整合層と、圧電体と、容器とを具備する超
音波を送信または受信する超音波送受波器の製造方法で
あって、（Ａ）圧電体に、または前記圧電体を内面に配
置した容器の外面の前記圧電体に対向する位置に、密度
調整材を形成する工程、（Ｂ）前記密度調整材上にゲル
原料液を塗布する工程、（Ｃ）前記ゲル原料液を固体化
して湿潤ゲルとする工程、および（Ｄ）前記湿潤ゲル中
の溶媒を除去して乾燥ゲルを得、前記密度調整材と前記
乾燥ゲルで構成された充填材とを具備する音響整合部材
を得る工程を含む超音波送受波器の製造方法を提供す
る。

【００１７】さらに、本発明は、上記音響整合部材で構
成された音響整合層と、圧電体と、容器とを具備する超
音波を送信または受信する超音波送受波器の製造方法で
あって、（ａ）密度調整材上にゲル原料液を塗布する工
程、（ｂ）前記ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルとする
工程、（ｃ）前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲル
を得、前記密度調整材と前記乾燥ゲルで構成された充填
材とを具備する音響整合部材を得る工程、および（ｄ）
前記音響整合部材を、圧電体に、または前記圧電体を内
面に配置した容器の外面の前記圧電体に対向する位置に
接合する工程を含む超音波送受波器の製造方法を提供す
る。これらの製造方法は、前記密度調整材を成型加工に
より作製する工程を含むのが好ましい。

【００１８】また、本発明は、上記超音波送受波器を具
備する超音波流量計であって、被測定流体が流れる流量
測定部と、前記流量測定部を挟んで設けられ超音波信号
を送受信する一対の前記超音波送受波器と、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
算手段とを具備し、前記超音波送受波器を構成する容器
が、前記被測定流体と前記圧電体を遮断している超音波
流量計も提供する。

【００１９】上記超音波流量計においては、前記一対の
超音波送受波器における前記密度調整材の傾斜面が互い
に対向し、前記音響整合層の平面からの前記傾斜面の傾
斜角φ、および互いに対向する前記傾斜面を鉛直に結ん
だ線と前記流量測定部の壁面とがなす角度θが、関係式
（１）： φ＝９０°−θ （１）（但し、θは０°から９０°の範囲）を満たすのが好ま
しい。

【００２０】

【発明の実施の形態】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に
用いるものであって、音響整合部材の厚み方向にわたっ
て、密度が連続的に変化する構成に特徴を有するもので
ある。実際に音響整合部材を構成するためには、特に、
音響整合部材を密度の異なる密度調整材と充填材との２
種の材料を組み合わせて複合化することによって構成
し、その充填材の密度が５０ｋｇ／ｍ³から５００ｋｇ
／ｍ³の範囲でかつ音速が５００ｍ／ｓ未満のものを用
い、その密度調整材の密度をその充填材の密度以上であ
るものとする。

【００２１】具体的には、本発明における超音波送受波
器を構成する圧電振動子は、図１０に示すように音波を
発振する圧電体４と、密度調整材３および充填材２から
なる音響整合部材１とが接合されて構成される。密度調
整材３はその一方向の断面が鋸歯形状のくさび形を構成
し、その密度調整材３に密度が低い充填材２を複合化し
て層構造を有する音響整合部材１を構成したものであ
る。この構成によって、音響整合部材１の面内で平均し
た密度が、圧電体４側より放射媒体側（図３の矢印の方
向）へ向かって小さくなっている。この構成において超
音波を発信または受信する際に、音響整合部材１からな
る音響整合層を通過する超音波の音速等によって、当該
超音波の波長が異なることになる。したがって、その音
響整合部材１からなる音響整合部材１の厚み方向におけ
る超音波の平均の波長よりも、音響整合部材１の厚みが
薄い場合には、見かけ上、連続的な密度勾配が形成され
ることになる。

【００２２】この音響整合部材１の構成によれば、音響
整合層が単一の密度の材質で構成された場合に比較し
て、音波の反射減衰を生じる圧電体４と音響整合部材１
との界面、および音響整合部材１と放射媒体との界面に
おいて、それぞれの界面の両端における密度の差を小さ
くすることができる。そのため、それぞれの界面におけ
る反射減衰を低く抑えることができ、超音波の送受信に
おける感度を向上させることができる。以下に、本発明
の具体的な実施の形態について図面を参照しながらより
具体的に説明する。

【００２３】（１）音響整合部材について本発明に係る音響整合部材１の一断面において、密度調
整材３が鋸歯形状に配置して構成することによって、音
響整合部材１の面内平均密度が厚み方向に連続的に密度
勾配を有する。この際に、構造体として密度勾配を持た
せるために、充填材２を用いる。充填材２は、密度調整
材３よりも密度が小さく、おおよそ空気の音速か、それ
よりも低い音速を有する材料で構成することによって本
発明の効果を得ることができる。充填材２は、その密度
が５０ｋｇ／ｍ³から５００ｋｇ／ｍ³の範囲でかつその
音速が５００ｍ／ｓ未満である。

【００２４】図１〜５に、本発明の実施の形態に係る音
響整合部材１の概略縦断面図を示す。これらの図面は、
音響整合部材１の一断面における鋸歯状の密度調整材３
の形状の例を示すものである。図１は、密度調整材３の
厚みと音響整合部材１の厚みが一致している音響整合部
材１の概略縦断面図である。また、図２に示す音響整合
部材１においては、密度調整材３の厚みよりも音響整合
部材１の厚みが大きく、上部表面側に充填材２のみから
なる層が形成されている。

【００２５】さらに、図３に示す音響整合部材１におい
ては、密度調整材３の厚みと音響整合部材１の厚みが一
致し、密度調整材３に支持層が形成されている。また、
図４に示す音響整合部材１においては、密度調整材３の
鋸歯の片側のみが音響整合部材１の平面に対して傾斜
し、その形状は左右で非対称である。図５に示す音響整
合部材１においては、密度調整材３の鋸歯形状の片側の
みが傾斜しその傾斜面に充填材２の層が形成されている
場合である。本発明に係る音響整合部材１の構造は、厚
み方向において連続的な密度勾配を形成できる限り、こ
れらの構造に限られるものではない。

【００２６】また、図６〜８に本発明の音響整合部材１
における密度調整材３の形状を示す上面図を示す。ここ
で、個々の密度調整材３’のことを単位密度調整材とい
う。図６は一縦断面が鋸歯形状となるくさび構造として
個々の単位密度調整材３’の形状を円錐形状とした場
合、図７は一縦断面が鋸歯形状となるくさび構造として
単位密度調整材３’の形状を四角錐形状とした場合を示
す。また、図８は一縦断面が鋸歯形状となるくさび構造
として、その音響整合部材１の平面内において鋸歯状の
単位密度調整材３’をライン状に配列した場合を示す。

【００２７】また、図８に示す密度調整材３の概略斜視
図を図９に示す。図９に示すように、この密度調整材３
は、音響整合部材１の一縦断面においては（Ｘ方向から
見た場合）、鋸歯状の形状を有しており、音響整合部材
１の平面においては（Ｙ方向から見た場合）、単位密度
調整材が前記縦断面と垂直な方向にライン形状に連続し
ている。

【００２８】特に、図７に示す単位密度調整材３’にお
いては、単位密度調整材３’の一方の面のみが音響整合
部材１の平面に対して傾斜しており、他方の面が音響整
合部材１の平面に対して略鉛直であってもよい（図４参
照）。単位密度調整材の形状は、図６〜８に示すものの
他、三角錐などの錐体でもよく、音響整合部材１の厚み
方向において連続的な密度勾配を形成できるのであれば
よい。

【００２９】音響整合部材１の厚み方向における密度を
見かけ上連続的に変化させるためには、超音波の発信周
波数に対して音響整合部材１の厚みがその音響整合部材
１を通過する平均音速で決まる平均波長より薄い場合で
あり、超音波発信波長の八分の一より大きく、その超音
波発信波長の一波長未満の範囲であるように構成するこ
とが好ましい。

【００３０】また、単位密度調整材３’の配置間隔とし
ては、単位密度調整材３’は図６〜８に示すように接し
ているのが好ましいが、これらに限られるものではな
く、間隔が空いていても音響整合部材１の厚み方向にお
いて平均での密度勾配が得られればよい。また、鋸歯状
の単位密度調整材３’の傾斜部（隣接する頂点）の間隔
は単位密度調整材３’の高さと同等程度が好ましいが、
特に限定されるものではない。

【００３１】密度調整材３と複合化させる充填材２とし
ては、できるだけ密度が小さい充填材を用いるのが好ま
しく、５０ｋｇ／ｍ³から５００ｋｇ／ｍ³の範囲で形成
することができる材料を用いることが必要である。この
ような材料としては、有機高分子および無機材料の繊維
体、フォーム体、焼結多孔体ならびに乾燥ゲルなどが挙
げられるが、特に乾燥ゲルを用いるのが好ましい。ここ
で、乾燥ゲルとは、ゾルゲル反応によって形成される多
孔体であり、まず、ゲル原料液の反応によって固体化し
た固体骨格部と当該骨格部に含まれた溶媒とで構成され
た湿潤ゲルを得、ついで乾燥して溶媒を除去することに
よって形成することができる。

【００３２】この乾燥ゲルは、ナノメートルサイズの固
体骨格部によって平均細孔直径が１ｎｍ〜１００ｎｍの
範囲にある連続気孔が形成されているナノ多孔体であ
る。そのため、ナノ多孔体である乾燥ゲルの密度が５０
０ｋｇ／ｍ³以下の低密度な状態にあると、固体部分を
伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によっ
て多孔体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくな
る。そのため、音速は５００ｍ／ｓ以下の非常に遅い値
となり、低い音響インピーダンスを得ることができる。
また、ナノメートルサイズの細孔部では気体の圧損が大
きいため、前記多孔体を音響整合層として用いた場合、
音波を高い音圧で放射することができる。なお、ナノ多
孔体の比表面積としては、２００ｍ²／ｇ以上であり、
好ましくは５００ｍ²／ｇ以上のものが用いられる。

【００３３】さらに、乾燥ゲルを構成する材料として
は、無機材料および有機高分子材料などを用いることが
できる。無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、酸化ケ
イ素（シリカ）または酸化アルミニウム（アルミナ）な
どゾルゲル反応で得られる一般的なセラミックスで構成
することができる。これらの材料によって耐熱性のある
音響整合部材を提供することができる。さらに、吸湿に
対する耐湿性を付与するために、無機酸化物で構成され
撥水化された固体骨格部も好ましい。

【００３４】密度調整材３を構成する材料としては、無
機材料、有機高分子材料、金属材料、またはこれらの複
合材料などを用いることができる。また、これらの材料
は、バルク体または多孔体の状態で用いることができ
る。例えば、有機高分子、無機セラミックス、フォーム
体、焼結多孔体、乾燥ゲル、ガラスバルーンもしくはプ
ラスチックバルーンを樹脂材料で固化した材料、ならび
に中空ガラス球を熱圧縮して得られた材料などが挙げら
れる。

【００３５】これらの材料の選定においては、密度調整
材と充填材との密着性、音響整合部材における密度調整
材と圧電体および容器との接合性、密度調整材を含む超
音波送受波器の感度および温度特性の安定性、耐熱性お
よび耐湿性などの耐環境性、ならびに音響整合のための
密度の制御性などについての観点から検討した結果、無
機酸化物のバルク体または多孔体を好ましく用いること
ができることがわかった。無機酸化物の多孔体の密度と
しては、充填材よりも密度を高ければよく、好ましくは
５００ｋｇ／ｍ³以上、材料の固有密度までの範囲であ
るのがよい。

【００３６】音響整合部材の一縦断面を構成する密度調
整材の鋸歯形状を形成するためには、密度調整材を構成
する材料を用いて所定の形状を有する密度調整材を作製
する必要がある。この場合、例えば切削加工、加圧成
型、射出成型、およびエンボス加工などの一般的な加工
方法を用いて密度調整材を作製することができる。ま
た、例えば、ゾルゲル反応によって無機酸化物の膜を形
成する際に、当該膜に型を押し当ててながら加熱による
ゲル化、乾燥、および離型を行って、所定の形状を有す
る密度調整材を作製することもできる。この方法では、
無機酸化物のバルク体、および乾燥ゲルの多孔体を作製
することも可能である。無機酸化物としては、酸化ケイ
素（シリカ）または酸化アルミニウム（アルミナ）など
ゾルゲル反応で得られる一般的なセラミックスを用いる
ことができる。

【００３７】なお、密度調整材がその内部に連続気孔を
有する場合は、乾燥ゲルからなる充填材を形成するとき
に用いる原料液が密度調整材に浸透してしまうことがあ
る。この場合には、浸透させたまま充填材を形成するこ
ともできるが、その浸透を避けるために密度調整材の表
面に膜状の構造支持材を形成してもよい。ただし、充填
材が密度調整材に部分的に浸透した場合には両者の密着
性が上がるという効果もあるため、充填材と密度調整材
との組合せによって構成を決定する必要がある。

【００３８】本発明の音響整合部材における充填材およ
び密度調整材の両方に無機酸化物を用いた場合には、超
音波送受波器を用いる動作環境の温度に対して、出力が
変動する温度特性が小さくなるため、好ましい。また、
本発明の音響整合部材における充填材と密度調整材とは
化学結合しているのが好ましい。これによって、超音波
振動に対する密着性の確保、取り扱いの容易さ、および
超音波送受波器の使用時の振動に対する耐久性などを確
保することができる。

【００３９】この際、充填材の乾燥ゲルおよび密度調整
材の無機酸化物が酸化ケイ素で構成されている場合、ゾ
ルゲル反応による音響整合層を作製し易いため、好まし
い。さらに、密度調整材にも酸化ケイ素を用いると、材
質の違いが特性に及ぼす影響を低減させることができる
と思われる。加えて、無機酸化物には吸湿による耐湿性
の問題が懸念されるため、無機酸化物の固体骨格部を撥
水化しておくのが好ましい。

【００４０】また、音響整合部材の厚みが超音波発信波
長の一波長以上である場合、音響整合部材の一断面にお
いて密度調整材が鋸歯形状であり、その音響整合部材の
平面内において密度調整材の鋸歯形状の各単位をライン
形状に配列してなる構成にしておき、さらにその密度調
整材の各単位ラインにおいて、その単位ラインの一面の
みを傾斜させ、他の面が音響整合部材の平面に略鉛直で
ある構成とするのが好ましい。

【００４１】この構成によると、音波の放射方向を傾斜
面の略法線方向に制御することができる。この密度調整
材の単位ラインの傾斜面に対して、充填材が一定の厚み
で形成されて構成することによって、放射強度を高くす
ることができる。特に、充填材の厚みが、充填材を透過
する音波の波長の四分の一にした際に感度が良くなり、
受信、送信出力が高くなる。この構成の際には、密度調
整材の厚みに対して傾斜面の間隔を長くすることによっ
て、放射効率が良くなるために好ましい。

【００４２】（２）圧電振動子について図１０に本発明に係る超音波送受波器に用いる圧電振動
子の一実施の形態を示す。具体的には、図１０は、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。図１０において、電気−超音波相互変換を行う
圧電振動子８は、圧電体４と上述した音響整合部材１と
で構成されている。圧電体４は、超音波振動を発生する
もので、圧電セラミックまたは圧電単結晶などからな
り、厚み方向に分極され、上下面に電極を有している。

【００４３】音響整合部材１は、前述したように気体に
超音波を送波、または気体を伝搬して来た超音波を受波
するもので、駆動交流電圧により励振される圧電体４の
機械的振動が、外部の媒体に対する超音波として効率よ
く出ていき、到来した超音波を効率よく電圧に変換する
役目を有する。また、音響整合部材１は、圧電体４との
間に超音波の送受波面を形成するように、圧電体４の片
側の面上に形成されている。

【００４４】本発明の音響整合部材を用いて作製した圧
電振動子には、取り扱いの簡便さなどの観点から、構造
支持層を設けることが有効である。このとき、音響整合
部材１が構造支持層を有し、前記構造支持層が密度８０
０ｋｇ／ｍ³以上であり、その構造支持層の厚みが構造
支持層中の超音波発振波長の八分の一未満であることが
有用である。構造支持材層が高い密度を有し、その内部
を通過する音の速度が速く、かつその厚みが超音波発振
波長よりも十分に小さいときには、構造支持材層の超音
波の送受波に対する影響が極めて小さくなる。

【００４５】このような構造支持層としては、例えば金
属材料、セラミックおよびガラスなどからなる無機シー
ト、ならびにプラスチックシートなどの保護コートを用
いることができる。構造支持層の形状を容器状にしても
構わない。構造支持層を形成・配置する位置に関して
は、圧電体４と音響整合部材１との間に構造支持層を設
けるのが一般的である。金属材料で構成された容器を構
造支持層として用いる場合、圧電体４を前記容器内に配
置すればよい。また、接着剤または接着シートを用いて
圧電体４と音響整合部材１とを貼り合わせてもよい。こ
の場合、接着材または接着シートからなる層が構造支持
層になる。

【００４６】（３）超音波送受波器について図１１に、本発明の一実施の形態における超音波送受波
器の概略縦断面図を示す。図１１に示す超音波送受波器
１０は、上述の特徴を有する構成の音響整合部材１と、
圧電体４とを用いて構成した圧電振動子を含む。構造支
持層として、超音波発振波長よりも十分に小さい厚みを
有する容器５が、音響整合部材１と圧電体４との間に介
在しており、圧電体４を密封している。

【００４７】この容器５は、超音波送受波器の構造を機
械的に支持する働きをし、金属などの導電性材料で構成
されていることから、圧電体４を発振させる働き、およ
び受信した超音波を検知する電極の働きも有する。ま
た、圧電体４が構造支持層である容器５の内面に配置さ
れており、音響整合部材１がその容器５の外面において
圧電体４に対向する位置に配置されている。その圧電体
４から超音波を媒体に向かって放射する方向に、音響整
合部材１の密度が連続して低くなる構成を採用すること
によって、感度が高く、応答性の良い超音波送受波器１
０を提供することができる。

【００４８】可燃性ガスを検知対象とする場合は、容器
５を密閉状態にすることで、圧電体４をガスと隔離する
ことができる。容器５の内部は窒素などの不活性ガスで
パージしておくのが好ましい。このように構成されてい
る超音波送受波器１０では、駆動端子７に超音波送受波
器の共振周波数近傍となる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８は厚み振
動モードで振動し、気体または液体などの流体中にバー
スト状の超音波を放射することになる。

【００４９】図１２に本発明の別の実施の形態における
超音波送受波器の概略縦断面図を示す。図１２に示す超
音波送受波器１０は、非導電材料で構成された部分を有
する密閉状態の容器（センサケース）１３を含み、圧電
体４がその容器１３の内面に配置されてなり、音響整合
部材１が容器１３の外面において圧電体４に対向する位
置に配置されている。非導電材料で構成された容器１３
が構造支持層としての役割を果たしている。そのため、
容器１３は音響整合層としての役割も発揮することがで
きるが、構造を支持するために比較的密度が高い材料で
構成する必要がある。

【００５０】したがって、非導電材料で構成された容器
１３を用いるだけでは、圧電体４の音響インピーダンス
と超音波の放射媒体である気体の音響インピーダンスと
の整合は取りにくい。したがって、図１２に示すよう
に、一部が非導電性材料で構成された容器１３を用いる
場合には、受信出力、送信出力および感度の向上という
観点から、音響整合部材１を複数積層させるのが効果的
である。この際には、音響整合層を兼ねる非導電材料で
構成された容器１３の密度は、音響整合部材１が容器１
３に接する面の平均密度と同等か、それ以上である必要
がある。

【００５１】（４）超音波送受波器の製造方法について図１３に、本発明の一実施の形態における超音波送受波
器の製造方法の説明図を示す。本発明の超音波送受波器
の製造方法においては、圧電体または圧電体を内面に配
置した容器の外面に密度調整材を形成した後、密度調整
材の上から乾燥ゲルからなる充填材で構成された層を形
成し、密度調整材および充填材を含む音響整合部材で構
成された音響整合層を作製する。

【００５２】まず、図１３の（１）に示すように、圧電
体４を接合した容器５に、ゾルゲル法によって原料溶液
を塗布する。得られた塗膜を、当該塗膜に押し型を当て
た状態で加熱し、無機酸化物からなる断面鋸歯形状を有
するくさび構造の密度調整材３を形成する（図１３の
（２））。この密度調整材３の上にゲル原料液を塗布お
よび充填し、乾燥ゲルからなる充填材２を形成し、充填
材２および密度調整材３で構成された音響整合層を得る
（図１３の（３））。

【００５３】最後に、図１３の（４）に示すように、圧
電体４に電極５ａおよび端子板５ｂを取りつけて本発明
の超音波送受波器を得る。音響整合部材１の充填材２を
形成する工程（図１３の（３））においては、密度調整
材３の上に、ゲル原料液を塗布する成膜工程、そのゲル
原料液より湿潤ゲルを得る固体化工程、得られた湿潤ゲ
ル層中の溶媒を除去して乾燥ゲルの層を得る乾燥工程に
よって充填材を形成することができる。

【００５４】音響整合部材を構成する密度調整材と充填
材の耐久性を向上させるために、密度調整材と充填材と
を化学的に結合させることが効果的である。両者を構成
する材料に無機酸化物を用いることによって、特に好ま
しい効果が得られる。あらかじめ、密度調整材に洗浄な
どの処理を施すことによって当該密度調整材の表面に水
酸基を存在させておけば、さらに良好な密着性を確保す
ることができる。この処理方法としては、酸またはアル
カリによる洗浄、水洗、紫外線照射、オゾン処理、酸素
プラズマ処理などを用いて行うことができる。

【００５５】図１４に、本発明の別の実施の形態におけ
る超音波送受波器の製造方法の説明図を示す。本発明の
超音波送受波器の製造方法においては、図１４の（１）
に示すように、あらかじめ鋸歯形状の断面を有するくさ
び構造の密度調整材３を形成しておく。この密度調整材
３のくさび構造の上面に、乾燥ゲルからなる充填材２を
形成して音響整合部材１を得る（図１４の（２））。ま
た、容器５の内面に圧電体４を設置する（図１４の
（３））。ただし、音響整合部材１を直接圧電体４に接
合する場合は、容器５の内面に圧電体４を接合しなくて
もよい。

【００５６】密度調整材３に充填材２を形成するために
は、密度調整材３のくさび構造の面に、ゲル原料液を塗
布する成膜工程、そのゲル原料液より湿潤ゲルを得る固
体化工程、得られた湿潤ゲル層中の溶媒を除去して乾燥
ゲルの層を得る乾燥工程によって形成することができ
る。また、得られた音響整合部材１と、圧電体４または
容器５とを接着剤などによって接合する（図１４の
（４））。そして、最後に、圧電体４に電極５ａおよび
端子板５ｂを取りつけて本発明の超音波送受波器を得
る。

【００５７】（４）超音波流量計について図１６に、本発明に係る超音波送受波器を用いた超音波
流量計の構成を説明するためのブロック図を示す。図１
６における超音波流量計は、流量測定部５１である管内
を被測定流体が速度Ｖにて図１６の矢印で示す方向に流
れるように設置される。その流量測定部５１を形成する
流路管５２の壁には、本発明に係る超音波送受波器であ
る圧電振動子１０１および１０２が相対して配置されて
いる。

【００５８】ここでは、圧電振動子１０１を超音波送波
器として用い、圧電振動子１０２を超音波受波器として
用いている。また、超音波送波器１０１と超音波受波器
１０２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１０１および１０２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５
７、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。

【００５９】つぎに、このように構成された超音波流量
計の動作を説明する。例えばＬＰガスなどの被測定流体
を用い、超音波送受波器１０１および１０２の駆動周波
数を約５００ｋＨｚとする。制御部５９では駆動回路５
４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ５７の時
間計測を開始させる。駆動回路５４は送信開始信号を受
けると超音波送受波器１０１を駆動し、超音波パルスを
送信する。送信された超音波パルスは流量測定内を伝搬
して、超音波送受波器１０２で受信される。受信された
超音波パルスは超音波送受波器１０２で電気信号に変換
され、受信検知回路５６に出力される。受信検知回路５
６では受信信号の受信タイミングを決定し、タイマ５７
を停止させ、演算部５８で伝搬時間ｔ１を演算する。

【００６０】引き続き切替回路５５で駆動回路５４と受
信検知回路５６に接続する超音波送受波器１０１および
１０２を切り替え、再び制御部５９では駆動回路５４に
送信開始信号を出力すると同時に、タイマ５７の時間計
測を開始させる。伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送
受波器１０２で超音波パルスを送信し、超音渡送受波器
１０１で受信し、演算部５８で伝搬時間ｔ２を演算す
る。

【００６１】ここで、超音波送受波器１０１と超音渡送
受波器１０２の中心を結ぶ距離をＬ、ＬＰガスの無風状
態での音速をＣ、流量測定部５１内での流速をＶ、非測
定流体の流れの方向と超音波送受波器１０１および１０
２の中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１
およびｔ２をそれぞれ求めることができる。また、距離
Ｌは既知であるので時間ｔ１およびｔ２を測定すれば、
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。

【００６２】図１８に、本発明の超音波送受波器を用い
た別の超音波流量計のブロック図を示す。また、図１９
に図１８に示す超音波流量計の測定原理を説明するため
の流量測定部の模式的な断面図を示す。上述した本発明
に係る音響整合部材の厚みが超音波発信波長の一波長以
上である場合、音響整合部材において、その一縦断面に
おいて密度調整材を鋸歯形状とし、その音響整合部材の
平面内において密度調整材の鋸歯形状の各単位をライン
形状に配列させておき、さらにその単位密度調整材の各
ラインにおいて形成される一方の面のみを傾斜させ、他
方の面を音響整合部材の平面に対して略鉛直とする。本
発明に係る超音波流量計に含まれる超音波送受波器は、
以上の構成の音響整合部材を含む圧電振動子を具備す
る。

【００６３】図１８に示す超音波流量計は、超音波送受
波器１０４および１０５の配置に関してのみ、図１６に
示す超音波流量計と異なる。その他の測定原理および制
御方法などは同じである。ここで用いる超音波送受波器
１０４および１０５においては、超音波送受波器の放射
面に対して、音波の放射方向を傾斜面の略法線方向に制
御することができる。ここで、図１９は、図１８に示す
超音波流量計の寸法などの設計を説明するための図であ
る。図１９の（ａ）に示す流路管１０３の壁内に設けら
れた超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器１０
４および１０５には、図１９の（ｂ）に示される単位密
度調整材２１が含まれている。すなわち、ここでは、一
縦断面において図４に示す鋸歯形状を有する音響整合部
材が用いられている。

【００６４】図１９の（ｂ）に示すように、それぞれの
超音波送受波器１０４および１０５における単位密度調
整材２１が形成するラインの傾斜面２３が互いに対向す
るように配置されている場合、単位密度調整材２１が形
成するラインの傾斜面２３が、音響整合層の平面と平行
な面２２からの傾斜面２３の傾斜角φと、互いに対向す
る傾斜面２３を鉛直に結んだ線２４と流路管１０３の壁
面と平行な面２２とのなす角度θとが、概ね、関係式
（１）： φ＝９０°−θ （１）（但し、θは０°から９０°の範囲）を満たすのが好ま
しい。

【００６５】このような構成を有する本発明に係る超音
波流量計を用いれば、図１７に示すような一般的な構造
の超音波流量計を用いる場合と比較して、流路に窪んだ
部分がないため流路を流れる被測定対象である流体の流
れを乱すことがなく、より正確な流量の計測が可能にな
る。以下に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明
するが、本発明はこれらのみに限定されるものではな
い。

【００６６】

【実施例】《実施例１》図１３に示す方法にしたがっ
て、本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行っ
た。密度調整材の形成ここでは、密閉し得る容器５の内部天面にエポキシ系接
着剤を印刷し、圧電体４を合わせて加圧しながら加熱し
て硬化接合した。テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）と
ｐＨ２以下に調整した水とを重量比で約８対２に調製し
てシリカゾル液を得、このシリカゾル液にｐＨ１１に調
整したアンモニア水溶液を数滴滴下した。その後、シリ
カゾル液を上記容器５の外面において前記圧電体４に対
向する位置に塗布し、縦断面が鋸歯形状で四角錘状の凹
部を有する金型で、前記天面を保持した。

【００６７】この状態で前記シリカゾル液を１日間かけ
てゲル化させ、金型をはずして室温で放置乾燥し、続い
て６０℃で放置乾燥して酸化ケイ素（シリカ）からなる
密度調整材３を形成した。この密度調整材の密度は約１
１００ｋｇ／ｍ³であり、シリカのバルク密度約２２０
０ｋｇ／ｍ³に比較して小さな値であるために、多孔質
構造であると考えられる。また、この密度調整材のシリ
カ部分における音速は、超音波約５００ｋＨｚに対し
て、約３０００ｍ／ｓであった。

【００６８】音響整合層の形成前記容器５の外面に形成した密度調整材３の上から、電
気透析によりケイ酸ソーダからナトリウム成分を除去し
て得られたｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液（水溶液中のシ
リカ成分濃度１４重量％）を塗布した。得られた塗膜が
ゲル化して固体化し、シリカ湿潤ゲル層が得られた後、
ジメトキシジメチルシラン溶液中で前記シリカ湿潤ゲル
層の表面の疎水化処理を行った。その後、前記シリカ湿
潤ゲル層を、二酸化炭素を使用して１２ＭＰａ、５０℃
で超臨界乾燥させ、シリカ乾燥ゲルからなる充填材２と
シリカからなる密度調整材３とで構成された音響整合部
材１を形成した。こうして、圧電体４、容器５および音
響整合部材１を具備する圧電振動子ケースを得た。

【００６９】なお、シリカ乾燥ゲルからなる充填材は、
超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１８０ｍ／ｓ、密
度２００ｋｇ／ｍ³であった。このときの音響整合部材
１の平均音速は約１６００ｍ／ｓであった。音響整合部
材１の厚みは約１ｍｍで、単位密度調整材３の傾斜面
（頂点）の間隔も約１ｍｍとした。超音波送受波器の形成前記圧電振動子ケースに蓋板および駆動端子などを取り
付けて、本発明に係る超音波送受波器を作製した。

【００７０】《実施例２》本実施例においては、図１４
に示す方法により本発明に係る超音波送受波器を製造し
た。密度調整材の形成数十μｍ径の球状アクリル樹脂粉末と径１μｍ以下の焼
結シリカ粉末とを混合し、得られた混合物を加圧成形し
た。得られた成形体を、乾燥した後、９００℃で焼成し
てシリカ多孔体を形成した。このシリカ多孔体の厚みが
１ｍｍになるように調製し、研削加工によって縦断面に
おいて図３に示すように支持部（２５０μｍ）を有し、
かつ上面において図８に示すライン形状の構造を有する
密度調整材３を得た。なお、この密度調整材の固体部分
は、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１５００ｍ／
ｓ、密度５７０ｋｇ／ｍ³であった。

【００７１】音響整合部材の形成上記密度調整材３にプラズマクリーニングを施すことに
より、その表面に水酸基を導入した。ついで密度調整材
３上に、ＴＭＯＳとエタノールとアンモニア水溶液
（０．１規定）をモル比で１対３対４になるように調製
したゲル原料液を塗布した。この後、得られた塗膜をゲ
ル化し、固体化したシリカ湿潤ゲルの充填材２を得た。
このシリカ湿潤ゲルをトリメチルエトキシシランの５重
量％ヘキサン溶液中で疎水化処理を行った後に、二酸化
炭素による超臨界乾燥（１２ＭＰａ、５０℃）を行っ
て、シリカ乾燥ゲルの充填材２と密度調整材３で構成さ
れた音響整合部材１を得た。

【００７２】なお、密度調整材３上の水酸基とＴＭＯＳ
のアルコキシ基が反応して化学結合をしているため、得
られた音響整合部材１は密着性に優れていた。また、シ
リカ乾燥ゲルからなる充填材２は、超音波約５００ｋＨ
ｚに対して、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³
であった。さらに、このときの音響整合部材の平均音速
は約８４０ｍ／ｓであった。音響整合部材１の厚みは約
１ｍｍで、密度調整材３の縦断面における鋸歯の高さは
７５０μｍ、傾斜面の間隔は８００μｍとした。

【００７３】音響整合部材と容器、圧電体との接合容器５の天面の内面および外面にエポキシ系接着剤を塗
布した後、圧電体４および音響整合部材１と容器５とを
合わせて仮結着し、加圧しながら加熱して硬化接合し
た。ついで、圧電体４と音響整合部材１を接合した容器
５に蓋板および駆動端子などを取り付け、本発明に係る
超音波送受波器を得た。

【００７４】《比較例１および２》均質な密度を有する
音響整合層として、ガラスバルーンをエポキシ樹脂で硬
化したガラスエポキシ音響整合層を形成した。この音響
整合層は、治具にガラスバルーンを充填した後にエポキ
シ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させることによ
って作製した。得られた硬化成形体を、厚みが超音波発
振波長の四分の一となるように切削し、音響整合層とし
た。こうして得られた音響整合層を用いた他は実施例１
と同様にして、超音波送受波器を作製した（比較例
１）。なお、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速２５
００ｍ／ｓ、密度５００ｋｇ／ｍ³、厚み１．２５ｍｍ
であった。また、圧電振動子ケース上にシリカ乾燥ゲル
のみからなる均質な密度の音響整合層を形成した他は実
施例１と同様にして、超音波送受波器を得た（比較例
２）。

【００７５】［評価］以下に、上述の実施例１および
２、ならびに比較例１および２で得られた超音波送受波
器の超音波５００ｋＨｚに対する送受波特性を評価し
た。実施例１および２、ならびに比較例１および２の超
音波送受波器をそれぞれ２個ずつ作製し、図１６に示す
構造を有する超音波流量計を作製した。なお、比較例１
および２の超音波送受波器においては、密度調整材が含
まれていないため、傾斜面の角度などの制御は必要とし
なかった。こうして得られた超音波流量計において、一
方の超音波送受波器から発信した音波を他方の超音波送
受波器で受信したときの出力波形を測定した。得られた
出力波形の振幅強度の大きさに基づいて、それぞれの超
音波送受波器の感度を比較した。その結果、感度は、（実施例２）≧（実施例１）＞（比較例２）≫（比較例
１）の順に優れていた。この結果から、従来から一般に用い
られている比較例１の音響整合層を用いた超音波送受波
器に対して、比較例２は約８〜１０倍、実施例１では約
１５倍、実施例２では約２０倍の優れた特性を示すこと
がわかった。

【００７６】《実施例３》本実施例においては、実施例
２と同様に図１４に示す方法にしたがって、図１８に示
す構造を有する超音波送流量計を製造した。密度調整材の形成実施例２と同様にして密度調整材３を形成した。ただ
し、ラインの傾斜面は片方のみに形成し、他方の面は音
響整合部材１の平面に対して鉛直になるように設定し
た。密度調整材３の高さは３．５ｍｍであり、傾斜面
（鋸歯の頂点）の間隔は３．３ｍｍとした。音響整合部材の形成実施例２と同様にして充填材２を形成した。ただし、ラ
インの傾斜面のみに、厚み９０μｍの乾燥ゲルからなる
充填材２からなる層を形成し、音響整合部材１を得た。

【００７７】実施例２と同様にして、音響整合部材１
と容器５および圧電体４とを接合し、ついで超音波送受
波器を作製した。さらに、この超音波送受波器２個を用
い、図１９に示すように縦断面における鋸歯のラインに
おいて形成される傾斜面が対向させるように配置し、本
発明にかかる超音波流量計を構成した。この超音波流量
計によれば、感度約１０倍以上の良好な送受信を行うこ
とができることを確認できた。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、音響
整合部材として、音響整合部材の厚み方向にわたって、
密度が連続的に変化するように構成する。特に、密度の
連続的な変化を得るために、音響整合部材の厚みをその
超音波発信波長の一波長未満であるように構成し、かつ
音響整合部材の一断面において、密度調整材が鋸歯形状
に配置されて構成する。この音響整合部材を超音波送受
波器へ適用することによって、超音波の放射媒体側で
は、その音響整合層との境界界面で反射減衰を低減する
ことができる。また、圧電体側でも、その音響整合層と
の境界界面での反射減衰を低減することができる。これ
らによって、本発明の超音波送受波器は優れた送受信感
度を得られるものである。

【００７９】さらに、本発明の超音波流量計は、本発明
の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。また、流量
計測の際にシング・アラウンド方式では、高感度化によ
って繰返しの回数を低減することができるために、１回
当りの測定に必要とされる消費電力を低減することもで
きる。また、音響整合部材をすべて無機酸化物で構成す
ることで流量計測の温度特性が優れた特性が得られ、信
頼性の高い計測を行うことができる。さらに、音響整合
部材を撥水化することによって耐湿性に優れた信頼性の
高い超音波流量計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る音響整合部材の概略
縦断面図

【図２】本発明の実施の形態に係る別の音響整合部材の
概略縦断面図

【図３】本発明の実施の形態に係るさらに別の音響整合
部材の概略縦断面図

【図４】本発明の実施の形態に係る別の音響整合部材の
概略縦断面図

【図５】本発明の実施の形態に係る別の音響整合部材の
概略縦断面図

【図６】本発明の音響整合部材における密度調整材の形
状を示す上面図

【図７】本発明の音響整合部材における密度調整材の形
状を示す上面図

【図８】本発明の音響整合部材における密度調整材の形
状を示す上面図

【図９】図８に示す密度調整材の概略斜視図

【図１０】本発明に係る超音波送受波器に用いた圧電振
動子の概略縦断面図

【図１１】本発明の一実施の形態における超音波送受波
器の概略縦断面図

【図１２】本発明の別の実施の形態における超音波送受
波器の概略縦断面図

【図１３】本発明の一実施の形態における超音波送受波
器の製造方法の説明図

【図１４】本発明の別の実施の形態における超音波送受
波器の製造方法の説明図

【図１５】従来の超音波送受波器の概略縦断面図

【図１６】本発明に係る超音波送受波器を用いた超音波
流量計の構成を説明するためのブロック図

【図１７】超音波の流量を測定する原理を説明するため
の超音波流量計の構成を概念的に示す図

【図１８】本発明の超音波送受波器を用いた別の超音波
流量計のブロック図

【図１９】図１８に示す超音波流量計を用いて超音波の
流量を測定する原理を説明するための説明図

【符号の説明】

１音響整合部材２充填材３密度調整材４圧電体５容器７駆動端子８圧電振動子１０超音波送受波器１３容器５１流量測定部５２流路管５４駆動回路５５切替回路５６受信検知回路５７タイマ（計測回路）５８演算部５９制御部１０１、１０２超音波送受波器１０３流路管１０４、１０５超音波送受波器

フロントページの続き (72)発明者橋本和彦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)発明者橋本雅彦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)発明者永原英知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)発明者白石誠吾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 ▲高▼原範久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 AA06 DA05 DA16 5D019 AA22 GG02

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に用いる音響整合部材であって、厚
み方向において密度が連続的に変化している音響整合部
材。
【請求項２】充填材および密度調整材の複合体で構成
され、前記充填材の密度が５０ｋｇ／ｍ³〜５００ｋｇ
／ｍ³であり、かつ前記充填材中を通過する音の速度が
５００ｍ／ｓ未満であり、前記密度調整材の密度が前記
充填材の密度以上である請求項１記載の音響整合部材。
【請求項３】超音波発信波長の８分の１より大きく、
前記超音波発信波長の一波長未満である厚みを有する請
求項１または２記載の音響整合部材。
【請求項４】前記密度調整材が複数個の単位密度調整
材を含む請求項１〜３のいずれかに記載の音響整合部
材。
【請求項５】前記音響整合部材の一縦断面において、
前記単位密度調整材が鋸歯状に配置されている請求項１
〜４のいずれかに記載の音響整合部材。
【請求項６】前記音響整合部材の平面において、前記
単位密度調整材がライン状に配列している請求項５記載
の音響整合部材。
【請求項７】前記音響整合部材の平面に対し、前記ラ
インにおいて鋸歯状の前記単位密度調整材が形成する２
つの面のうち、一方の面が傾斜し他方の面が略鉛直であ
る請求項５記載の音響整合部材。
【請求項８】前記傾斜面に対して前記充填材の厚みが
一定である請求項７記載の音響整合部材。
【請求項９】前記充填材が無機酸化物の乾燥ゲルであ
る請求項１〜８のいずれかに記載の音響整合部材。
【請求項１０】無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部が
撥水化されている請求項９記載の音響整合部材。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の音
響整合部材で構成された音響整合層と、圧電体と、容器
とを具備する超音波を送信または受信する超音波送受波
器であって、前記圧電体から前記超音波を放射する媒体
に向かって前記音響整合層の密度が低下している超音波
送受波器。
【請求項１２】前記圧電体が前記容器の内面に配置さ
れ、前記音響整合層が前記容器の外面の前記圧電体に対
向する位置に配置されている請求項１１記載の超音波送
受波器。
【請求項１３】前記容器が金属で構成されている請求
項１２記載の超音波送受波器。
【請求項１４】請求項１〜１０のいずれかに記載の音
響整合部材で構成された音響整合層と、圧電体と、容器
とを具備する超音波を送信または受信する超音波送受波
器の製造方法であって、（Ａ）圧電体に、または前記圧電体を内面に配置した容
器の外面の前記圧電体に対向する位置に、密度調整材を
形成する工程、（Ｂ）前記密度調整材上にゲル原料液を塗布する工程、（Ｃ）前記ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルとする工
程、および（Ｄ）前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲルを得、
前記密度調整材と前記乾燥ゲルで構成された充填材とを
具備する音響整合部材を得る工程を含む超音波送受波器
の製造方法。
【請求項１５】請求項１〜６のいずれかに記載の音響
整合部材で構成された音響整合層と、圧電体と、容器と
を具備する超音波を送信または受信する超音波送受波器
の製造方法であって、（ａ）密度調整材上にゲル原料液を塗布する工程、（ｂ）前記ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルとする工
程、（ｃ）前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲルを得、
前記密度調整材と前記乾燥ゲルで構成された充填材とを
具備する音響整合部材を得る工程、および（ｄ）前記音響整合部材を、圧電体に、または前記圧電
体を内面に配置した容器の外面の前記圧電体に対向する
位置に接合する工程を含む超音波送受波器の製造方法。
【請求項１６】前記密度調整材を成型加工により作製
する工程を含む請求項１４または１５記載の超音波送受
波器の製造方法。
【請求項１７】請求項１１〜１３のいずれかに記載の
超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部を挟んで設けられ超音波信号を送受信す
る一対の前記超音波送受波器と、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
演算手段とを具備し、前記超音波送受波器を構成する容器が、前記被測定流体
と前記圧電体を遮断している超音波流量計。
【請求項１８】前記一対の超音波送受波器における前
記密度調整材の傾斜面が互いに対向し、前記音響整合層
の平面からの前記傾斜面の傾斜角φ、および互いに対向
する前記傾斜面を鉛直に結んだ線と前記流量測定部の壁
面とがなす角度θが、関係式（１）： φ＝９０°−θ （１）（但し、θは０°から９０°の範囲）を満たす請求項１
７記載の超音波流量計。