JP2010268262A - 音響整合体およびそれを備えた超音波送受波器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐湿性を損なうことなく特性を安定化し、生産性を改善する音響整合体を提供することを目的とする。
【解決手段】前記多孔質体１３における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層１２を有する整合部材と、前記音波放射面３および前記多孔質体１３の外周壁面に密着された側壁部材１５とを有し、前記緻密層１２および前記側壁部材１５により前記多孔質体１３が封止されるとともに、前記側壁部材１５は音波放射方向に向かって径方向の厚みをほぼ均一設定したものである。したがって、超音波を送信する特性が安定化し、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため計測制度を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体に超音波を放射する音響整合体およびそれを備えた超音波送受波器に関するものである。

近年、超音波が伝播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ている。

超音波流量計は、流体（例えばガス）が流れる流路の上下流側に一対の超音波送受波器が斜めに対設されている。

この超音波流量計で流体の流量を求める場合、先ず、一方の超音波送受波器から流体中に超音波を放射し、他方の超音波送受波器が伝播してきた超音波を受けて電圧に変換し、次に、他方の超音波送受波器から管内を流れる流体中に超音波を放射し、一方の超音波送受波器が伝播してきた超音波を受けて電圧に変換する。

そして、変換した電圧や、超音波の速度、流体の流れ方向に対する超音波パルスの伝播方向の角度、超音波の伝播経路の距離などから流体の流量を求める。

ここで、一対の超音波送受波器は、流路内の流体に超音波を伝えるために、本体の音波放射面（超音波の送受波面）に音響整合体として整合部材が設けられている。

本体は、有底筒状のケースに圧電体が収容され、ケースの開口が端子板で閉鎖され、この端子板に、圧電体に導電ゴムを介して接続された端子が外部に突出させた状態で支持されている。

また、整合部材は、流路内の流体に超音波を効率よく伝えるために、多孔質体（セラミック多孔質体）の整合層を有している。

従来の超音波送受波器の具体的構成を図８を参照して説明を加える。

５０は超音波送受波器を示し、その圧電体５１はケース５２と導電ゴム５３を挿入した端子板５４とで密閉されている。音響整合体５５は、音波放射面５６に配置されている。

この音響整合体５５は、温度変化などによる結露によってセラミック多孔質体内部に水分が混入すると、音響インピーダンスが変化するため、安定して動作することができないという課題がある。

そのため、計測流体に接触する音波放射面に配置した緻密層５７と、側壁部材５８とでセラミック多孔質体５９を密閉するような構成となっている。

この音響整合体５５の密閉構造は、本体における前記音波放射面５６に前記多孔質体５９を密着させてから前記本体および前記多孔質体を一体的に軸回転させながら前記多孔質体の端面に前記側壁部材となる粘体を供給することにより、前記側壁部材が形成されている。

これにより、音波放射方向に対し向かって径方向の厚みが徐々に変化する構成となって
いる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２６１７３２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、前記本体および前記多孔質体を一体的に軸回転させながら前記多孔質体の端面に前記側壁部材となる粘体を供給するため生産性に乏しく、側壁部材が不均一に形成された場合には、特性がばらつく、あるいは生産性に乏しいという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐湿性を損なうことなく特性を安定化し、生産性を改善する超音波送受波器を提供することを目的とする。

本発明の音響整合体は、音波放射面に密着する多孔質体と、前記多孔質体における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層とを備える整合部材と、前記音波放射面および前記多孔質体の外周壁面に密着された側壁部材とを有し、前記緻密層および前記側壁部材により前記多孔質体が封止されるとともに、前記側壁部材は音波放射方向に向かって径方向の厚みをほぼ均一設定した。

したがって、超音波を送信する特性が安定化し、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため計測制度を向上できる。

本発明の超音波送受波器は、超音波を送信する特性が安定化し、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため計測制度を向上でき、かつ、生産性に優れた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。

本発明の実施の形態１における音響整合体を用いた超音波送受波器の断面図 同音響整合体の拡大断面図 同音響整合体に用いるセラミック多孔質体の加工工程フローを示す説明図 同響整合体の製造フローを示す説明図 同響整合体の製造フローを示す説明図 本発明の実施の形態２における音響整合体を用いた超音波送受波器の製造工程フローを示す説明図 本発明の実施の形態３における流体の流れ計測装置の原理説明図 従来の超音波送受波器の断面図

第１の発明は、音波放射面に密着する多孔質体と、前記多孔質体における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層とを備える整合部材と、前記音波放射面および前記多孔質体の外周壁面に密着された側壁部材とを有し、前記緻密層および前記側壁部材により前記多孔質体が封止されるとともに、前記側壁部材は音波放射方向に向かって径方向の厚みをほぼ均一設定した。

したがって、超音波を送信する特性が安定化し、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため計測制度を向上できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、棒状多孔質体の側壁面に側壁部材を形成したから、前記多孔質体をスライス加工することで形成したもので、側壁部材を一度に多数個分の整合体に処理することができるため、生産性を向上することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、多孔質体のスライス加工切断面の一方の面に緻密層を形成し、この緻密層を計測流体に接触する音波放射面に配置したことにより、測定流体に超音波を効率よく、均等に照射することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３いずれか一つの発明において、多孔質体のスライス加工切断面の両面に緻密層を形成し、一方の面を計測流体に接触する音波放射面に、他方の面を音波発生源側の面に接着配置したことにより、接着剤が音響整合体の構成部材である多孔質体に浸透することを抑制することができ、超音波送受波器として組み込んだ場合、特性を安定化することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４いずれか一つの発明において、棒状多孔質体を軸回転させながら粘体を供給し、前記粘体を硬化させて側壁部材を形成したことにより、側壁部材を一度に多数個分の整合体に処理することができるため、生産性を向上することができる。

第６の発明は、特に、第１〜４いずれか一つの発明において、棒状多孔質体に離型基材にシート状に調整した未硬化状態の側壁部材を接合し、前記側壁部材を硬化させて側壁部材としたことにより、側壁部材を一度に多数個分の整合体に処理することができるため、生産性を向上することができ、シート状とすることで、側壁部材の厚みを均一化することができ、超音波送受波器として組み込んだ場合の特性を安定化することができる。

第７の発明は、特に、第１〜６いずれか一つの発明において、側壁部材に流動抑制粒子を混入したことにより、音響整合体の構成部材である多孔質体へ緻密層を張り合わせた場合に、浸透が抑制され、緻密層の層厚みが安定化することができ、超音波送受波器として組み込んだ場合特性を安定化することができる。また、高温高湿下での緻密層の変形が抑制でき、信頼性の優れた超音波送受波器とすることができる。

第８の発明は、特に、第７の発明において、流動抑制粒子が無機フィラーとすることにより、安価に入手できるだけでなく、超音波送受波器として組み込んだ場合、温度による特性変化を低減することができる。

第９の発明は、特に、第１〜８いずれか一つの発明である音響整合体を音波送受側に配置して超音波送受波器としたもので、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため、計測制度を向上でき、かつ、生産性に優れたものとすることができる。

第１０の発明は、特に、第９の発明である超音波送受波器を流体流路の上、下流側に配置して、音波の流体中の伝搬時間にもとづき前記流体流路を流れる流体の流速および／または流量を計測するようにした流体の流れ計測装置としたものである。

したがって、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、
安定して動作することができるため計測制度を向上でき、かつ、生産性に優れた超音波流れ測定装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、音響整合体２は、超音波送受波器１は、超音波を発生する本体２と、発生した超音波を流体に伝えるために本体２の音波放射面３に設けられた音響整合体４とからなり、前記音響整合体４および本体２のケース５は撥水膜６で被覆されている。

本体２は、先の有底筒状で、勝つ導電性のケース５と、このケース５に収容され、上方の電極がケース頂壁内面に電気的接続状態を保って接着された圧電体７と、この圧電体７の下方の電極に導電ゴム８を介して電気的に接続された端子９と、ケース５の開口部を閉鎖するとともに、端子９を外部に突出させた端子板１０とを有している。

前記ケース５と端子板１０とはフランジ部１１で電気的に接続され、かつ機密性を確保するような構成となっている。

音響整合体に関し、以下詳細に説明する。

前記音響整合体４は、図２のようにケース５の音波放射面３に取り付けられており、音波放射面３に密着された緻密層１２と、前記音波放射面３および多孔質体１３の外周壁面１４に密着された側壁部材１５とを有する。

前記圧電体７で振動された超音波が特定の周波数で振動し、その振動はケース５を介して多孔質体１３に伝わる。

そして、多孔質体１３に伝わった振動は緻密層１２に伝えられ、流体中に音波として伝播する。

ここで、整合部材４の役割は、圧電体７の振動に対し効率よく共振し、振幅を増幅させ、流体に効率よく振動を伝播させることにある。

流体中の音速Ｃと密度ρとで次式（１）のように音響インピーダンスが定義される。

Ｚ＝ρ×Ｃ （１）
音響インピーダンスは圧電体７と流体とでは大きく異なる。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波の伝播に反射を生じて、透過する音波の強さが弱くなる。そこで、圧電体７の音響インピーダンスＺ１と、流体の音響インピーダンスＺ２とに対して、両者の間に次式（２）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で、音波の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が知られている。

Ｚ＝（Ｚ１×Ｚ２）（１／２） （２）
この音響インピーダンスを満たす物質は、前記の式（２）から分かるように、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。

そこで、音響整合体４に多孔質体１３を備えることで、固体で密度が小さく音速が遅いという条件を満たすようにした。

そして、多孔質体１３を備えるために音響整合部材４を次のように構成した。

すなわち、音響整合体４は、音波放射面３に密着する多孔質体１３と、この多孔質体１３における表面、すなわち、計測流体に接触する面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子（流動抑制粒子）からなる緻密層１２とを備えている。

多孔質体１３は、緻密層１２および側壁部材１５により封止されている。この多孔質体１３は、一例として、図２に示すように、骨格１６が空隙１７を備えたセラミック製の多孔質体が用いられている。

また、セラミック多孔質体は、骨格１６自体に孔を有すものである。

例えば、セラミック多孔質体が、セラミックスマトリックスを構成するセラミックス粒子を含み、当該セラミックマトリックスが複数の空隙部１７を規定し、当該セラミックスマトリックスにおいて、セラミックス粒子間空隙が形成されており、密度を小さくすることができる。

また、空隙部１７とセラミックス粒子間空隙が存在することにより、セラミックスマトリックスの骨格は直線的に延びることはなく、超音波に対して曲がりくねった経路を与える。

このことは超音波の伝搬速度を低減させる。したがって、多孔質体１３は、低密度および低音速の特性を有するものとなり、これを音響整合体４として使用する超音波送受波器１は、超音波の伝播特性が有意に向上したものとなる。

ここで、空隙部１７とは、複数のセラミックス粒子から成るセラミックマトリックスを巨視的に（例えば倍率２０倍程度の顕微鏡で）観察したときに、空孔として認識される部分をいう。

セラミックス粒子間空隙とは、セラミックスマトリックスを構成する粒子と粒子との間に形成される微小な空間をいい、具体的には直径１０μｍ以下の小孔である。

あるいは、空隙部１７は、後述する方法に従ってセラミックススラリーを発泡させることにより形成される空孔ともいえ、セラミックス粒子間空隙は、発泡の有無にかかわらず、セラミックス中に形成される空孔であるともいえる。

この音響整合体４は、多孔質体１３において、空隙部１７が、その孔径分布の中心値が１０μｍから５００μｍの範囲内にある寸法を有することが好ましい。

多孔質体１３がそのような寸法の空隙部１７を有すると、圧電体７で発生した振動を、被測定流体に均一に伝達することができる。

このセラミックスマトリックスは、好ましくは難焼成性セラミックスを含むが、難焼成性セラミックスを含まなくてよい。

難焼成性セラミックスは、好ましくはセラミックスマトリックスの８０ｖｏｌ％を占め、より好ましくは９０ｖｏｌ％を占め、さらに好ましくは１００ｖｏｌ％を占める。

圧電体３に、接合体４である接着剤で接合されて、超音波送受波器１を形成する。圧電体３には、対向する電極５、６が形成されている。電極は、銀または金などの導電性ペー
ストを加熱し、焼き付けて形成する。この圧電体３はケース７と導電ゴム８を挿入した端子板９とフランジ部１０で密閉された構成となっており、電極５と端子板９の端子１１とは電気的に接続されて。また、圧電体３の電極６と端子１２とは導電ゴム９とで電気的に接続された構成となっている。
以下、音響整合体２について説明し、さらに、音響整合体２を形成する多孔質体１３について説明する。

図２は本発明の実施の形態１による多孔質体１３で形成された音響整合体２の要部断面拡大図を示している。図２において、音響整合体２は、多孔質体１３の骨格１４と、その骨格によって形成された空隙部１５と、多孔質体の骨格１４と、流速流量を計測する被測定流体と接する面に形成された緻密層１６と、側壁部材１７とで構成されている。

例えば、セラミック多孔質体が、セラミックスマトリックスを構成するセラミックス粒子を含み、当該セラミックマトリックスが複数の空隙部１５を規定し、当該セラミックスマトリックスにおいて、セラミックス粒子間空隙が形成されており、密度を小さくすることができる。また、空隙部１５とセラミックス粒子間空隙が存在することにより、セラミックスマトリックスの骨格は直線的に延びることはなく、超音波に対して曲がりくねった経路を与える。このことは超音波の伝搬速度を低減させる。したがって、多孔質体１３は、低密度および低音速の特性を有するものとなり、これを音響整合体２として使用する超音波送受波器１は、超音波の伝播特性が有意に向上したものとなる。

ここで、「空隙部１５」とは、複数のセラミックス粒子から成るセラミックマトリックスを巨視的に（例えば倍率２０倍程度の顕微鏡で）観察したときに、空孔として認識される部分をいう。「セラミックス粒子間空隙」とは、セラミックスマトリックスを構成する粒子と粒子との間に形成される微小な空間をいい、具体的には直径１０μｍ以下の小孔である。あるいは、「空隙部１５」は、後述する方法に従ってセラミックススラリーを発泡させることにより形成される空孔ともいえ、「セラミックス粒子間空隙」は、発泡の有無にかかわらず、セラミックス中に形成される空孔であるともいえる。

この音響整合体２は、多孔質体１３において、空隙部１５が、その孔径分布の中心値が１０μｍから５００μｍの範囲内にある寸法を有することが好ましい。第１多孔質体がそのような寸法の空隙部１５を有すると、圧電体３で発生した振動を、被測定流体に均一に伝達することができる。

このセラミックスマトリックスは、好ましくは難焼成性セラミックスを含むが、難焼成性セラミックスを含まなくてよい。難焼成性セラミックスは、好ましくはセラミックスマトリックスの８０ｖｏｌ％を占め、より好ましくは９０ｖｏｌ％を占め、さらに好ましくは１００ｖｏｌ％を占める。
図３は、音響整合体４に用いたセラミック多孔質体の製造工程フローを示している。難焼成性セラミックを粉砕する工程と、セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、気泡を導入する工程と、スラリーを型に流し込み成型する工程と、焼成する工程よりなる。以下詳細に説明する。

（難焼成性セラミック粉砕工程）
セラミックの粉砕は、ボールミルやポットミル等で混合、粉砕等することにより得られる。

セラミック粉の平均粒径は特に限定しないが、好ましくは、１０μｍ以下である。この範囲の平均粒径のセラミックを用いると、スラリー中での粉末分散性が向上されるとともに、焼成性も向上されるからである。

（セラミックの粉末のスラリー化工程）
セラミックスラリーにおいて、セラミック粉末を懸濁する媒体は、水、有機溶媒、これらの混合溶媒等を使用することができる。好ましくは水を使用する。

セラミックスラリー中に、セラミック粉末を均一に含有させるためには、適当な分散剤を使用することが好ましい。

分散剤として、ポリカルボン酸系分散剤（アニオン系分散剤）を使用でき、具体的には、ポリカルボン酸アンモニウムやポリカルボン酸ナトリウムを使用できる。好ましくは、分散剤の添加量に伴うスラリー粘度変化が大きい分散剤を使用する。

分散剤の使用量は、好ましくは、セラミック粉末の重量に対して５重量％以下であり、より好ましくは、１重量％以下である。

セラミックスラリーは、セラミックスラリー気泡導入前に脱法し、スラリーを攪拌しながら気泡を導入する。

セラミックスラリーに気泡を導入する際に、目的の形状に成型するため、ゲル化剤や、モノマーと重合開始剤とからなる重合性材料を加える。

ゲル化剤を使用すると、温度制御やｐＨ制御等によってスラリーをゲル化することになる。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、寒天、アルギン酸ナトリウム等を挙げることができる。

重合性材料を用いる場合は、重合性材料のモノマーを用いる。具体的には、１または２以上のビニル基やアリル基等を備えたモノマーを挙げることができる。

スラリーが水あるいは水性溶媒にて構成される場合には、１または２官能基性の重合性モノマーを用いることが好ましい。

また、スラリーが、有機溶媒にて構成される場合には、２官能基性の重合性モノマーであることが好ましい。特に、スラリーにおいて水を溶媒として調製する場合には、好ましくは、少なくとも１種の１官能基性の（メタ）アクリル酸アミドと、少なくとも１種の２官能基性の（メタ）アクリル酸アミドとを組み合わせて使用する。

また、スラリーを有機溶媒で調製する場合には、好ましくは、少なくとも２種の２官能基性の（メタ）アクリル酸を組み合わせて使用する。

１官能基性モノマーや２官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、過硫酸アンモニウムや過硫化カリウム等である。

また、２以上の官能基を有する官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、有機過酸化物や過酸化水素化合物や、アゾあるいはジアゾ化合物を使用する。具体的には、過酸化ベンゾイルである。

導入したガスは、界面活性剤等によって気泡としてスラリー中に保持するようにするのが好ましい。

界面活性剤は、当該気泡導入工程において、攪拌等による気泡の導入前にセラミックス
ラリーに添加することが好ましい。

界面活性剤としてはアルキルベンゼンスルホン酸等の陰イオン性界面活剤や、高級アルキルアミノ酸等の陽イオン界面活性剤を例示できる。具体的には、ｎ−ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウリレート、ポリオキシエチレンモノオレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル及びこれらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩を挙げることができる。

また、トリエタノールアミンラウリルエーテル等及びこれらのハロゲン化塩や、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等を挙げることができる。

また、ジエチルヘキシルコハク酸及びそのアルカリ金属塩等を挙げることができる。

（気泡導入工程）
以上のようにして作製したスラリーに気泡を導入する。この気泡導入工程において、ゲル化材料として重合性材料を用いる場合には、重合性材料とともに、重合開始剤、あるいは重合開始剤と重合触媒とを添加することが好ましい。

重合触媒を添加すれば、ゲル化温度やその添加量によりゲル化工程の時間を調整することができる。通常、重合触媒を添加すると、室温付近で速やかにゲル化（重合）が開始される。

したがって、気泡導入方法や気泡導入量等を考慮して、重合触媒の使用や種類が選択される。重合触媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン等を挙げることができる。

（スラリー成型工程）
このようにして調製した含気泡セラミックスラリーを、成形型等に注入して、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。

含気泡セラミックスラリー円筒状の型に流し込み、重合反応あるいはゲル化反応を行って、固化させる。スラリーが固化すると、スラリー中に存在していた気泡も、ゲル状体中に保存される。この結果、固化体が多孔質となり、ゲル状多孔質成形体が得られる。

これを脱型して、乾燥、脱脂、焼成する。乾燥は、ゲル状多孔質成形体中に含まれている水、溶媒を蒸発させるように行う。

乾燥条件（温度、湿度、時間等）は、スラリー調製に用いた溶媒の種類とゲル状多孔質成形体の骨格部分を構成する成分（ゲル化剤あるいは重合体）によって適宜調整する。

通常は、２０℃以上であり、好ましくは、２５℃以上８０℃以下であり、より好ましくは、２５℃以上４０℃以下である。

（焼成工程）
次に、乾燥体から有機分を除去するために、さらに高温で加熱する。脱脂のための温度と時間は、使用した有機分の量および種類によって調整する。

例えば、ゲル化のための材料としてメタクリルアミドとＮ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミドを用いたスラリーから調製したゲル状多孔質成形体の場合、７００℃で２日間脱脂する。

脱脂後には、焼成工程を実施する。焼成のための条件は、使用したセラミック材料の種類等を考慮して設定される。

このような工程により、セラミック多孔質体を得ることができる。

セラミック多孔質体が本実施の形態の多孔質体１３であり、複数の空隙が存在している。空隙はセラミック多孔質体に分散して存在することが好ましい。

空隙は、独立して存在する場合もあり、他の空隙と連続して存在し、外部と連通している場合もある。本音響整合体４では孔部が連続して存在するほうが好ましい。

セラミック多孔質体は、全体として、６０％以上９０％以下の気孔率（ここでは開気孔及び閉気孔を含む全気孔率を意味する。）を有していることが好ましい。より好ましくは、８０％以上９０％以下である。

全気孔率は、以下に示す計算式（３）によって求められる。

全気孔率（％）＝（１−かさ密度／真密度）×１００ （３）
ただし、かさ密度＝試料の重量／試料のかさ体積である。真密度は、例えば、極めて微粉化した試料の任意量をピクノメータに投入し、所定の容積に至るまで水を注入して煮沸等してボイドを排除した上で、その重さと容積との関係から求めることができる。

前記効率が、６０％以下では、音響整合体１の密度ρ１が大きくなり孔径９０％を超えると機械的強度の低下が著しいからである。

開気孔率は、より好ましくは、６５％以上であり、また、８５％以下である。

以上の材料、および製造条件を最適化し、本実施の形態における音響整合体４のセラミック多孔質体の密度を２００ｋｇ／ｍ３以上４００ｋｇ／ｍ３未満で調整することで密度の低く強度の大きいセラミック多孔質体を実現することができた。

あるいは、セラミックス多孔質体は、セラミックスマトリックスを形成する材料（例えば、アルミナ）に空孔形成材を混合し、空孔形成材をセラミックスマトリックスを形成する材料に混合した状態で加圧し、さらに焼成処理を行って、当該材料同士を結合し、空孔形成材を除去する方法で製造されたものであってよい。

空孔形成材は、焼成の際に溶融する材料、または特定の溶剤に溶解する材料で形成され、例えば、アクリル球（焼成の際に溶融する）または鉄球（硫酸に溶解する）である。

セラミックスマトリックスを形成する材料は、骨格を形成する主材料と、主材料と異なる大きさでかつ主材料を固める補助材料から成ってよい。補助材料は、例えばガラスである。

以上のように、音響整合体４に用いる多孔質体１３の製造方法を実施することにより、被測定流体に対し効率よく音波を照射することのできる多孔質体を製造することができる。

図４は棒状多孔質体への側壁部材形成とスライス加工状態斜視図を示している。

図４の（ａ）は、棒状多孔質体１３ａであり、前記セラミック多孔体成形工程において、円筒状の収納容器に成形することで得られる。

その後の焼成工程で、割れあるいはそりなどが生じた場合には、必要に応じて外形加工を行う。

（ｂ）は、この棒状多孔質体１３ａの外周壁面１８に側壁部材１５７を形成した状態を示している。

以下側壁部材１５７の形成方法について説明する。

側壁部材１７側壁部材１５は、例えば、離型フィルム上に均一な膜厚でシート状に調整した熱硬化性樹脂を、棒状多孔体１３ａに転写形成する事で得られる。さらに、形成厚みは、シート状に形成した膜厚を管理することで実現できる。

この熱硬化性樹脂の材料としては、例えば、エポキシ樹脂や、アクリル樹脂などシート状に調整できる樹脂材料であれば特に限定されるものではない。

樹脂材料には、流動抑制粒子を混入してある。これは、棒状多孔体１３ａの空隙部分に樹脂材料が浸透するのを抑制することができる。あるいは、ダイコート工法によって一定のギャップを形成したダイより押し出し、それに同期させて棒状多孔質体１３ａを回転させ、必要に応じてスクレッパーで余分な側壁部材の粘体を除去することで、均一に側壁部材１７側壁部材１５をコーティングすることができる。形成方法に関しては、特に限定さされるものではない。

側壁部材１５を形成後、光あるいは熱を加えることで硬化する。

その後、（ｃ）において、所定の厚みにスライス加工し、側壁部材１７多孔質体１３が形成される。この多孔質体１３のスライス加工は、ダイシング加工などの高精度厚み加工を実施するのが好ましい。

続いて、側壁部材１７側壁部材１５形成後の緻密層１６緻密層１２の形成方法について説明する。

図５は、音波放射面および、圧電振動子と多孔質体との間に介在する緻密層１６緻密層１２を供える音響整合体の製造方法を示している。

（ａ）は、壁部材１７スライス加工した多孔質体１３を示している。緻密層１２は、転写法により形成されている。

転写法としては、一例として、スクリーン印刷、メタルマスク印刷などによって他の基材１９（離型性を付与したＰＥＴフィルム）上にエポキシ樹脂を印刷し、この上に多孔質体１３を配置し、その表面に転写する方法で形成されている（ｂ〜ｃ）。

前記多孔質体２２に離型基材フィルム２３に例えば、スクリーン印刷した未硬化緻密層１６を前記多孔質体２２と位置決めして貼り合わせ、
加圧し、必要に応じて加熱あるいは光照射することで硬化させる。その後、基材１９をはがすことで（ｄ）、音響整合体４を形成することができる（ｅ）。

ここで緻密層１２に関し詳細に説明する。緻密層１２は熱硬化性樹脂および流動抑制粒
子からなり、表面が平坦に形成されたシート状に成形している。

緻密層１２は、転写法により形成されている。

図４に示す緻密層１２の熱硬化性樹脂は、一例として、バインダーとしてエポキシ系樹脂が用いられている。

また、緻密層１２の流動抑制粒子は、緻密層１２の粘度高めるもので、固形分率（容積固形分濃度）が３０〜５０％である。また、流動抑制粒子は、平均粒径が０．０５μｍ〜５μｍである。

以上のように、本実施の形態においては、超音波送受波器１における本体２に取り付けられる音響整合体４であって、前記本体２の音波放射面３に密着する多孔質体１３と、前記多孔質体１３における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層１２とを備える整合部材４と、前記音波放射面お３よび前記多孔質体１３の外周面に密着する側壁部材１５とを有し、前記緻密層１２および前記側壁部材１５により多孔質体１３が封止され、前記側壁部材１５は、音波放射方向に向かって厚みがほぼ均一に形成されていることにより、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため、計測制度を向上できる。

（実施の形態２）
図６は超音波送受波器１の製造工程を示している。

すなわち、（ａ）は、実施の形態１に記載した音響整合体４を示しており、（ｂ）は、圧電体７に熱硬化性接着剤なる接合手段２０を、ケース５の頂壁外面に同様に接合手段２１を塗布形成する。

（ｃ）において、圧電体７をケース５の頂壁内面に、音響整合体２を同頂壁外面にそれぞれ貼り合わせる。

このとき、圧電体７、ケース５、および音響整合体４に、約２から１０ｋｇ／ｃｍ２の加圧を加えた状態で、接合手段２０および２１として用いた熱硬化性接着剤を硬化させる目的で、加熱を行う。

（ｄ）は、以上の工程によって加熱硬化し接合された半完成品を示している。その後、導電ゴム８を挿入した端子板１０をフランジ部１１で接合、溶接することで電気的に接合する。

この溶接時に、ケース５にアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスを封入し、圧電体７の電極の劣化、圧電体７とケース５との接合部分の劣化を軽減する役割を果たす。

前記ケース５は、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレスあるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など導電性を有す材料であれば良い。

接合手段として用いた熱硬化性接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂など熱硬化性樹脂であれば特に限定されない。

場合によっては、熱可塑性樹脂であっても、ガラス点移転が高温使用温である７０℃以下であれば接着剤として使用できる。

（ｅ）は、超音波送受波器の外周表面に撥水膜６を形成した状態である。

撥水膜６は、一例として、パリレン材が蒸着で音響整合体４およびケース５表面を被覆する構成となっている。

音響整合体４およびケース５を撥水膜６で被覆することで、音響整合体４およびケース５の経時変化を抑えることができる。

特に、音響整合体４に備えた緻密層１２の表面の経時変化を抑えることで、計測精度を安定させることができる。

撥水膜はたとえば、パリキシレンンなどの原料を蒸着法によって形成した状態である。

以上のように、本実施の形態においては、ケース５と、前記ケース５に収容される圧電体７と、前記圧電体７に導電ゴム８を介して接続された端子９と、前記ケース５の開口を閉鎖するとともに、前記端子９を外部に突出させた状態で支持する端子板１０とを有し、前記ケース５の音波放射面に音響整合体４を取り付け、前記音響整合体４および前記ケース４を撥水膜６により被覆したものである。

高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても、安定して動作することができるため、計測制度を向上でき、被測定流体を安定的に計測することができる。

（実施の形態３）
図７は実施の形態１，２で述べたにおいて超音波送受波器１を用いた流体の流れ計測装置を示すものである。

すなわち、流体の流れる流体流路２２の上、下流側対向壁に一対の超音波送受波器１，１を配置し、超音波が流れる流体を斜めに横切るように伝搬するようにしてある。

図中、Ｌ１は上流側に配置された超音波送受波器１から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器１の超音波の伝搬経路を示している。

流体流路２２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伝搬方向の角度をθとする。

今、上流側の超音波送受波器１を超音波送波器、下流側の超音波送受波器１を超音波受波器として用いたときに、上流側の超音波送受波器１から出た超音波パルスが下流側の超音波送受波器１に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （４）
となる。

次に、下流側の超音波送受波器１から出た超音波パルスが上流側の超音波送受波器１に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝ Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （５）
となる。

そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝Ｌ／２ｃｏｓθ［（１／ｔ１）−（１／ｔ２）］ （６）
となる。

Ｌとθが既知なら、計時装置２３にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流体流路２２の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。

演算手段２４は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

以上のように、本実施の形態においては、実施の形態１および２に示した超音波送受波器１を用いて流体の流速および／または流量を演算するようにしたもので、高温高湿環境下、あるいは温度の変化などによる結露環境化においても安定して計測動作を行うことができ、計測精度の向上面で優れたものが得られる。

以上のように、本発明にかかる音響整合体およびそれを用いた超音波送受波器は、それを流体の流れ計測装置に応用することによって、安定した流れ計測が可能となり、家庭用流量計、産業用流量計のみならず、超音波での距離計測、自動車のバックソナーなどの用途に適用できる。

１ 超音波送受波器
２ ケース
３ 音波放射面
４ 音響整合体
６ 撥水膜
７ 圧電体
８ 導電ゴム
１０ 端子板
１２ 緻密層
１３ 多孔質体
１５ 側壁部材
１６ 多孔質体

Claims (10)

1. 音波放射面に密着する多孔質体と、前記多孔質体における表面に積層され、熱硬化性樹脂および流動抑制粒子からなる緻密層とを備える整合部材と、前記音波放射面および前記多孔質体の外周壁面に密着された側壁部材とを有し、前記緻密層および前記側壁部材により前記多孔質体が封止されるとともに、前記側壁部材は音波放射方向に向かって径方向の厚みをほぼ均一設定した音響整合体。
2. 棒状多孔質体の側壁面に側壁部材を形成したから、前記多孔質体をスライス加工することで形成した請求項１記載の音響整合体。
3. 多孔質体のスライス加工切断面の一方の面に緻密層を形成し、この緻密層を計測流体に接触する音波放射面に配置した請求項１または２記載の音響整合体。
4. 多孔質体のスライス加工切断面の両面に緻密層を形成し、一方の面を計測流体に接触する音波放射面に、他方の面を音波発生源側の面に配置した請求項１〜３いずれか１項記載の音響整合体。
5. 棒状多孔質体を軸回転させながら粘体を供給し、前記粘体を硬化させて側壁部材を形成した請求項１〜４いずれか１項記載の音響整合体。
6. 棒状多孔質体に離型基材にシート状に調整した未硬化状態の側壁部材を接合し、前記側壁部材を硬化させて側壁部材とした請求項１〜４いずれか１項記載の音響整合体。
7. 側壁部材に流動抑制粒子を混入した請求項１〜６いずれか１項記載の音響整合体。
8. 流動抑制粒子が無機フィラーであることを特徴とする請求項７記載の音響整合体。
9. 請求項１〜８いずれか１項記載の音響整合体を音波送受側に配置した超音波送受波器。
10. 請求項９記載の超音波送受波器を流体流路の上、下流側に配置して、音波の流体中の伝搬時間にもとづき前記流体流路を流れる流体の流速および／または流量を計測するようにした流体の流れ計測装置。

Images