JP2016138810A - 超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の送受波感度が高く、かつ送受波感度のばらつきが小さい超音波振動子を実現すること。【解決手段】超音波振動子１０は、圧電体１１と、前記圧電体１１に接合された加熱手段１５と、前記加熱手段１５に接して配置される音響整合層１４とを備え、音響整合層１４が加熱手段１５によって加熱されることにより、音響整合層１４の弾性率が低下し、音響インピーダンスが小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高く、かつ送受波感度のばらつきが小さい超音波振動子を実現することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を計測する超音波振動子、および超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波振動子は金属板を接着したセミック振動子に発泡樹脂を接着して構成している（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来の超音波振動子を示すものである。図１０に示すように、超音波振動子１００は、超音波送受信装置１０４を接続したセラミック振動子１０１の超音波送受波面に金属板１０２を接着し、該金属板１０２に発泡樹脂１０３を接着して構成されている。ここで、発泡樹脂１０３は硬質の発泡スチロールから構成され、セラミック振動子１０１の音響インピーダンスと空気等の伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取る音響整合層としての役割をし、セラミック振動子１０１と伝搬媒質の境界面での超音波の反射を無くし、セラミック振動子１０１から発生する超音波を効率良く伝搬媒質に伝搬する機能を果たしている。

特開平８−７１５０４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、伝搬媒質の音響インピーダンスが伝搬媒質の種類によって変化するため、伝搬媒質によっては、音響整合層としての発泡樹脂がセラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を十分に取ることができず、セラミック振動子と伝搬媒質との境界面において超音波が反射し、伝搬媒質を伝搬する超音波の強度が弱くなり、超音波の送受波感度が低下するという課題を有していた。以下、この点について、より詳細に説明する。

セラミック振動子の音響インピーダンスをＺ１、伝搬媒質の音響インピーダンスをＺ３、音響整合層の音響インピーダンスをＺ２としたとき、セラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取り、セラミック振動子と伝搬媒質との境界面における超音波の反射をなくし、超音波を効率良く伝搬媒質に伝搬させるためには、音響整合層の音響インピーダンスＺ２は、Ｚ１、Ｚ３との関係において、数式１の関係を満たすことが必要になる。これは、例えば、特許第４１００６４１号で知ることができる。

（数式１）
Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^１／２
ここで、セラミック振動子を固定し、その音響インピーダンスＺ１を一定とすると、伝搬媒質の音響インピーダンスＺ３に依存して、音響整合層に要求される音響インピーダンスＺ２が変化することになる。具体的には、伝搬媒質が音響インピーダンスが小さい水素等の気体の場合は、音響整合層の音響インピーダンスＺ２を小さくすることが必要になり、反対に、伝搬媒質が音響インピーダンスが大きい空気やプロパン等の気体や水等の液体の場合は、音響整合層の音響インピーダンスＺ２を大きくすることが必要になる。

したがって、音響整合層を固定した場合、その音響インピーダンスは一定になるため、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質と、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質のどちらか一方については、セラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができないため、伝搬媒質を伝搬する超音波の強度が弱くなり、超音波の送受波感度が低下することになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発泡樹脂を使用した超音波振動子において、発泡樹脂の弾性率の温度特性を利用して、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることにより、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、セラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスの音響整合を取り、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を提供することを目的の一つとする。また、本発明は、この超音波振動子を用いて、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、また、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を提供することを目的の一つとする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、圧電体と、圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂からなる音響整合層と、音響整合層を加熱するための加熱手段または音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方を有するものである。

これによって、加熱手段を用いて発泡樹脂を加熱し、また冷却手段を用いて発泡樹脂を冷却することで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させ、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を実現することができる。
以下、この点について、より詳細に説明する。

物質の音響インピーダンスをＺとすると、音響インピーダンスＺは、その物質中の音速Ｃとその物質の密度ρとを用いて、数式２で表される。

（数式２）
Ｚ＝Ｃ×ρ
ここで、物質中の音速Ｃは、その物質の密度ρと弾性率Ｅとを用いて、数式３で表される。

（数式３）
Ｃ＝（Ｅ／ρ）^１／２
数式２と数式３から、物質の音響インピーダンスはその物質の弾性率に依存し、弾性率が小さい物質ほど音響インピーダンスが小さく、反対に、弾性率が大きい物質ほど音響インピーダンスが大きくなることが分かる。

ここで、樹脂の弾性率は、その樹脂のガラス転移点を境として、ガラス転移点より高温側では弾性率が小さくなり、ガラス転移点より低温側では弾性率は大きくなる傾向を示す。これは、例えば、「超臨界流体のすべて（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ） 」、２１０１項で知ることができる。

よって、音響整合層に発泡樹脂を使用した場合、その発泡樹脂のガラス転移点より温度
が高い温度領域では弾性率が小さく、したがって音響インピーダンスが小さくなり、ガラス転移点より温度が低い温度領域では弾性率が大きく、したがって音響インピーダンスが大きくなる。

したがって、伝搬媒質が音響インピーダンスが小さい水素等の気体の場合は、加熱手段を用いて発泡樹脂を高温にすることで、音響整合層の音響インピーダンスが小さくなり、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることが可能となり、超音波の送受波感度を高くすることができる。一方、伝搬媒質が音響インピーダンスが大きい空気やプロパン等の気体や水等の液体の場合は、冷却手段を用いて発泡樹脂を低温にすることで、音響整合層の音響インピーダンスが大きくなり、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることが可能となり、超音波の送受波感度を高くすることができる。

また、本発明の超音波流量計は、前記した本発明に係る超音波振動子を一対備えたものである。

これによって、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を用いて流量計を構成できるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒質であっても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質であっても、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現することができる。

本発明の超音波振動子および超音波流量計は、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、水素等の音響インピーダンスの小さい伝搬媒質であっても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質であっても、超音波の送受波感度が高い超音波振動子と高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現することができる。

本発明の実施の形態１における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態２における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態３における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態４における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態５における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態６における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態７における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態８における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態９における超音波流量計を示す構成図 従来の超音波振動子を示す構成図

第１の発明は、圧電体と、前記圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂からなる音響整合層と、前記音響整合層を加熱するための加熱手段または前記音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方を有する超音波振動子である。

この構成により、加熱手段を用いて発泡樹脂を加熱し、また冷却手段を用いて発泡樹脂を冷却することで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させ、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、圧電体の
音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の加熱手段または冷却手段を音響整合層に接して配置した超音波振動子である。

この構成により、加熱手段または冷却手段が断熱性のある発泡樹脂からなる音響整合層を効率的に加熱または冷却することができるので、加熱手段または冷却手段の消費電力が低減し、消費電力が小さい超音波振動子を実現することができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の加熱手段または冷却手段を音響整合層を貫通して配置した超音波振動子である。

この構成により、音響整合層を貫通して配置される加熱手段または冷却手段が、断熱性のある発泡樹脂からなる音響整合層をその内部から加熱または冷却することができるので、発泡樹脂からなる音響整合層の加熱効率または冷却効率が向上し、加熱手段または冷却手段の消費電力をより低減でき、消費電力がより小さい超音波振動子を実現することができる。

第４の発明は、特に、第１乃至第３の発明の加熱手段または冷却手段を、音響整合層の温度を制御するための温度制御手段を有するものとした超音波振動子である。

この構成により、音響整合層が異常に高温になり過加熱によって劣化するのを防止し、または音響整合層が異常に低温になり過冷却によって劣化を防止することができる。また、加熱手段または冷却手段と温度制御手段を用いて音響整合層を常に一定の温度に維持でき、音響整合層の音響インピーダンスが温度によって変動することを防止できるため、超音波振動子の超音波の送受波感度のばらつきを抑えることができる。

第５の発明は、特に、第１乃至第４の発明の加熱手段または冷却手段を圧電体の超音波伝搬空間をよけた部分に配置した超音波振動子である。

この構成により、加熱手段または冷却手段によって超音波の伝搬が妨げられることはなくなるので、加熱手段や冷却手段の配置による超音波振動子の超音波の送受波感度の低下を抑えることができる。

第６の発明は、第１乃至第５の発明に係る超音波振動子を流体の流れる流路の上流側と、下流側とに配置し、超音波振動子間の超音波伝搬時間から前記流体の流速を計測する計測回路と、前記計測回路で計測した流速から流体の流量を演算する演算部とを有する超音波流量計である。

この構成により、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を用いて流量計を構成できるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒質であっても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質であっても、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現することができる。

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、この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は、本発明の実施の形態１における超音波振動子を示す概念図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。

図１において、超音波振動子１０は、圧電体１１と、前記圧電体１１の上面に設けられた上面電極１２と、前記圧電体１１の下面に設けられた下面電極１３と、前記圧電体１１の超音波送受波面（圧電体１１における超音波を送波し、または受波する面をいう。以下同じ。）に接合された加熱手段１５と、前記加熱手段１５に接して配置される音響整合層１４を主な部材として構成されている。

以上のように構成された超音波振動子について、以下、構成要素の材料や、その構成および作用について具体的に説明する。

圧電体１１は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック素子や、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材料から構成され、上面電極１２と下面電極１３を介して、駆動回路（図示せず）からの制御信号を受けて振動し、音響整合層１４に超音波を伝搬する。

上面電極１２と下面電極１３は、例えば、焼き付け銀等で構成され、圧電体１１の上面と下面に形成される。

加熱手段１５は、金属板１６の上面の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いて面状ヒーター１７を貼り付けて構成され、圧電体１１に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合され、圧電体１１と音響整合層１４との間に配置されている。面状ヒーター１７は、例えば、シリコンラバーヒーターで構成され、音響整合層１４の下面が金属板１６に直接、接するように、金属板１６の外周部分にのみ貼り付けられている。面状ヒーター１７が電極１８を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け発熱し、金属板１６を加熱することで音響整合層１４を加熱して高温状態にし、音響整合層１４の弾性率を低下させ、音響インピーダンスを小さくする。

音響整合層１４は、ポリエチレンテレフタレートフォーム（ガラス転移点は６５℃）からなる発泡樹脂で構成され、金属板１６に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリエチレンテレフタレートフォームは、加熱手段１５によって、ガラス転移点より高い温度、例えば８０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層１４の音響インピーダンスが小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子１０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層に発泡樹脂を使用し、加熱手段を用いて発泡樹脂を加熱して高温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを小さくすることができるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における超音波振動子を示す概念図であり、図２（ａ）
は斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図２に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子２０は、加熱手段に音響整合層の加熱温度を制御できる温度制御手段を配置した点で、実施の形態１に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである温度制御手段の構成および作用について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

図２に示すように、温度制御手段２１は、例えば、サーミスタで構成され、加熱手段１５を制御し、音響整合層１４を一定の高温状態に保ち、音響整合層１４が過加熱によって劣化するのを防止し、また、音響整合層１４の弾性率が温度によって変化するのを防止することで音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子２０の超音波の送受波感度のばらつきを防止する。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリエチレンテレフタレートフォームは、加熱手段１５によって、ガラス転移点より高い温度、例えば８０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層１４の音響インピーダンスが小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子２０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層に発泡樹脂を使用し、加熱手段を用いて発泡樹脂を加熱し高温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを小さくすることができ、また、温度制御手段により、過加熱による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における超音波振動子を示す概念図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図３に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子３０は、加熱手段をシーズヒーターに代え、音響整合層を貫通して配置した点で、実施の形態２に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである加熱手段について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

図３に示すように、加熱手段３１は、例えば、ニクロム線を酸化マグネシアとＳＵＳ３１６で被覆したシーズヒーターであり、音響整合層１４を貫通して配置されている。加熱手段３１は、電極３２を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け発熱し、音響整合層１４をその内部から加熱し、音響整合層１４を高温状態にすることで、音響整合層１４の弾性率を低下させ、音響インピーダンスを小さくする。一方、温度制御手段２１は、加熱手段３１を制御し、音響整合層１４を一定の高温状態に保ち、音響整合層１４が過加熱によって劣化するのを防止し、また、音響整合層１４の弾性率が温度によって変化するのを防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子３０の超音波の送受
波感度のばらつきを防止する。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリエチレンテレフタレートフォームは、加熱手段３１によって、ガラス転移点より高い温度、例えば８０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層１４の音響インピーダンスが小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子３０の超音波の送受波感度を高くすることができる。一方、加熱手段３１を作動させない場合は、ポリエチレンテレフタレートフォームはガラス転移点より低い温度、例えば２５℃になり、弾性率が大きい状態で維持され、音響整合層１４の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子３０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、発泡樹脂からなる音響整合層に加熱手段を具備し、発泡樹脂を加熱して高温状態にし、または発泡樹脂を加熱せずに低温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることができ、また、加熱手段を作動しているときには、温度制御手段により、過加熱による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒体に対しても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における超音波振動子を示す概念図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図４に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子４０は、加熱手段を面状ヒーターとし、金属板を使用せずに音響整合層の外周部分に直接貼り付けた点と、加熱手段を圧電体から発せられる超音波の伝搬空間をよけた部分に配置した点で、実施の形態２に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである、加熱手段について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

図４に示すように、加熱手段４１は、例えば、シリコンラバーヒーター等の面状ヒーターであり、音響整合層１４の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いて貼り付けられている。加熱手段４１は、電極４２を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け発熱し、音響整合層１４をその外周部分から加熱し、音響整合層１４を高温状態にすることで、音響整合層１４の弾性率を低下させ、音響インピーダンスを小さくする。一方、温度制御手段２１は、加熱手段４１を制御し、音響整合層１４を一定の高温状態に保ち、音響整合層１４が過加熱によって劣化するのを防止し、また、音響整合層１４の弾性率が温度によって変化するのを防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子４０の超音波の送受波感度のばらつきを防止する。ここで、圧電体１１から発せられる超音波は、圧電体１１の超音波送受波面から、超音波伝搬空間（超音波送受波面の鉛直上方向に位置する空間をいう。以下同じ。）に伝搬するが、加熱手段４１の配置が超音波が超音波伝搬空間を伝搬するのを妨げないように、加熱手段４１は超音波伝搬空間をよけた部分に
配置されている。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリエチレンテレフタレートフォームは、加熱手段４１によって、ガラス転移点より高い温度、例えば８０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層１４の音響インピーダンスが小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子４０の超音波の送受波感度を高くすることができる。一方、加熱手段４１を作動させない場合は、ポリエチレンテレフタレートフォームはガラス転移点より低い温度、例えば２５℃になり、弾性率が大きい状態で維持され、音響整合層１４の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子４０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、発泡樹脂からなる音響整合層に加熱手段を具備し、発泡樹脂を加熱して高温状態にし、または発泡樹脂を加熱せずに低温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることができ、また、加熱手段を作動しているときには、温度制御手段により、過加熱による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒体に対しても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。また、加熱手段は超音波伝搬空間をよけて配置され、加熱手段によって超音波の伝搬が妨げられることを防止できるので、加熱手段を配置しても超音波の送受波感度が低下しない超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における超音波振動子を示す概念図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図５に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子５０は、面状ヒーターをペルチェ素子に代えることで、加熱手段を冷却手段に代えた点と、発泡樹脂をポリエチレンテレフタレートからポリプロピレンフォームに代えた点で、実施の形態２に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである冷却手段と音響整合層について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

図５に示すように、冷却手段５１は金属板１６の上面の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いてペルチェ素子５２を貼り付けて構成され、圧電体１１と音響整合層５４との間に配置されている。ペルチェ素子５２は音響整合層５４の下面が金属板１６に直接、接するように、金属板１６の外周部分にのみ貼り付けられている。ペルチェ素子５２が電極５３を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け冷却動作し、金属板１６を冷却することで音響整合層５４を冷却して低温状態にし、音響整合層５４の弾性率を増大させ、音響インピーダンスを大きくする。一方、温度制御手段２１は、冷却手段５１を制御し、音響整合層５４を一定の低温状態に保ち、音響整合層５４が過冷却によって劣化するのを防止し、また、音響整合層５４の弾性率が温度によって変化するのを防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子５０の超音波の送受波感度のばらつきを防止
する。

音響整合層５４は、ポリプロピレンフォーム（ガラス転移点は１０℃）からなる発泡樹脂で構成され、金属板１６に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリプロピレンフォームは、冷却手段５１によって、ガラス転移点より低い温度、例えば５℃に冷却されることで、弾性率が増大し、音響整合層５４の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子５０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層に発泡樹脂を使用し、冷却手段を用いて発泡樹脂を冷却し低温にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを大きくすることができ、また、温度制御手段により、過冷却による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン、水等に対して、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６における超音波振動子を示す概念図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図６に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子６０は、面状ヒーターをペルチェ素子に代えることで、加熱手段を冷却手段に代えた点と、発泡樹脂をポリエチレンテレフタレートからポリプロピレンフォームに代えた点で、実施の形態４に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである冷却手段と音響整合層について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。

図６に示すように、冷却手段６１はペルチェ素子で構成され、音響整合層６３の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いて貼り付けられている。冷却手段６１は、電極６２を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け冷却動作し、音響整合層６３をその外周部分から冷却し、音響整合層６３を低温状態にすることで、音響整合層６３の弾性率を増大させ、音響インピーダンスを大きくする。一方、温度制御手段２１は、冷却手段６１を制御し、音響整合層６３を一定の低温状態に保ち、音響整合層６３が過冷却によって劣化するのを防止し、また、音響整合層６３の弾性率が温度によって変化するのを防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子６０の超音波の送受波感度のばらつきを防止する。ここで、冷却手段６１の配置が超音波が超音波伝搬空間を伝搬するのを妨げないように、冷却手段６１は超音波伝搬空間をよけた部分に配置されている。

音響整合層６３は、ポリプロピレンフォーム（ガラス転移点は１０℃）からなる発泡樹脂で構成され、圧電体１１の超音波送受波面に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリプロピレンフォームは、冷却手段６１によって、ガラス転移点より低い温度、例えば５℃に冷却されることで、弾性率が増大し、音響整合層６３の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子６０の超音波の送受波感度を高くすることができる。一方、冷却手段６１を作動させない場合、ポリプロピレンフォームはガラス転移点より高い温度、例えば２５℃になり、弾性率が小さい状態で維持され、音響整合層６３の音響インピーダンスは小さくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質との音響インピーダンスの音響整合を取ることができ、超音波振動子６０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、発泡樹脂からなる音響整合層に冷却手段を具備し、発泡樹脂を冷却して低温状態にし、または発泡樹脂を冷却せずに高温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることができ、また、冷却手段を作動しているときには、温度制御手段により、過冷却による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒体に対しても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。また、冷却手段は超音波伝搬空間をよけて配置され、冷却手段によって超音波の伝搬が妨げられることを防止できるので、冷却手段を配置しても超音波の送受波感度が低下しない超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７における超音波振動子を示す概念図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図７に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子７０は、加熱手段を加熱冷却手段に代えた点と、発泡樹脂をポリエチレンテレフタレートからポリブチレンテレフタレートフォームに代えた点で、実施の形態２に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである加熱冷却手段と音響整合層について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

図７に示すように、加熱冷却手段７１は金属板１６の上面の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いて面状ヒーター７２とペルチェ素子７３を貼り付けて構成され、圧電体１１と音響整合層７４との間に配置されている。面状ヒーター７２とペルチェ素子７３は音響整合層７４の下面が金属板１６に直接、接するように、金属板１６の外周部分にのみ貼り付けられている。面上ヒーター７２は電極７５を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け発熱し、金属板１６を加熱することで音響整合層７４を加熱して高温状態にし、音響整合層７４の弾性率を低下させ、音響インピーダンスを小さくする。また、ペルチェ素子７３は電極７６を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け冷却動作し、金属板１６を冷却することで音響整合層７４を冷却して低温状態にし、音響整合層７４の弾性率を増大させ、音響インピーダンスを大きくする。一方、温度制御手段２１は、加熱冷却手段７１を制御し、音響整合層７４を一定の温度に保ち、音響整合層７４が過加熱や過冷却によって劣化するのを防止し、また、音響整合層７４の弾性率が温度によって変化するの
を防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子７０の超音波の送受波感度のばらつきを防止する。

音響整合層７４は、ポリブチレンテレフタレートフォーム（ガラス転移点は３０℃）からなる発泡樹脂で構成され、金属板１６に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリブチレンテレフタレートフォームは、面状ヒーター７２によって、ガラス転移点より高い温度、例えば６０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層７４の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質との音響インピーダンスの音響整合を取ることができ、超音波振動子７０の超音波の送受波感度を高くすることができる。また、ポリブチレンテレフタレートフォームは、ペルチェ素子７３によって、ガラス転移点より低い温度、例えば５℃に冷却されることで、弾性率が増大し、音響整合層７４の音響インピーダンスを大きくすることができるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対し圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質との音響インピーダンスの音響整合を取ることができ、超音波振動子７０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、発泡樹脂からなる音響整合層に加熱冷却手段を具備し、発泡樹脂を加熱して高温状態にし、または発泡樹脂を冷却して低温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることができ、また、加熱冷却手段を作動しているときには、温度制御手段により、過加熱または過冷却による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒体に対しても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８における超音波振動子を示す概念図であり、図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図である。つまり、図８に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子８０は、加熱手段を加熱冷却手段に代えた点と、発泡樹脂をポリエチレンテレフタレートからポリブチレンテレフタレートフォームに代えた点で、実施の形態４に係る超音波振動子とは異なる。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである加熱冷却手段と音響整合層について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。

図８に示すように、加熱冷却手段８１は、面状ヒーター８２とペルチェ素子８３とから構成され、音響整合層８４の外周部分に両面テープ（図示せず）を用いて貼り付けられている。面状ヒーター８２は、電極８５を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け発熱し、音響整合層８４をその外周部分から加熱し、音響整合層８４を高温状態にすることで、音響整合層８４の弾性率を低下させ、音響インピーダンスを小さくする。また、ペルチェ素子８３は電極８６を介して電源（図示せず）からの制御信号を受け冷却動作し、音響整合層８４をその外周部分から冷却し、音響整合層８４を低温状態にすることで、音響
整合層８４の弾性率を増大させ、音響インピーダンスを大きくする。一方、温度制御手段２１は、加熱冷却手段８１を制御し、音響整合層８４を一定の温度に保ち、音響整合層８４が過加熱や過冷却によって劣化するのを防止し、また、音響整合層８４の弾性率が温度によって変化するのを防止することで、音響インピーダンスの変動を抑え、超音波振動子８０の超音波の送受波感度のばらつきを防止する。ここで、加熱冷却手段８１の配置が超音波が超音波伝搬空間を伝搬するのを妨げないように、加熱冷却手段８１は超音波伝搬空間をよけた部分に配置されている。

音響整合層８４は、ポリブチレンテレフタレートフォーム（ガラス転移点は３０℃）からなる発泡樹脂で構成され、圧電体１１の超音波送受波面に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

つづいて、以上のように構成された超音波振動子について、以下その動作、作用について説明する。

音響整合層として作用するポリブチレンテレフタレートフォームは、面状ヒーター８２によって、ガラス転移点より高い温度、例えば６０℃に加熱されることで、弾性率が低下し、音響整合層８４の音響インピーダンスが大きくなるので、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質である水素等の気体に対して、圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質との音響インピーダンスの音響整合を取ることができ、超音波振動子８０の超音波の送受波感度を高くすることができる。また、ポリブチレンテレフタレートフォームは、ペルチェ素子８３によって、ガラス転移点より低い温度、例えば５℃に冷却されることで、弾性率が増大し、音響整合層８４の音響インピーダンスを大きくすることができるので、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質である空気やプロパン等の気体、水等の液体に対し圧電体１１の音響インピーダンスと伝搬媒質との音響インピーダンスの音響整合を取ることができ、超音波振動子８０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、発泡樹脂からなる音響整合層に加熱冷却手段を具備し、発泡樹脂を加熱して高温状態にし、または発泡樹脂を冷却して低温状態にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることができ、また、加熱冷却手段を作動しているときには、温度制御手段により、過加熱または過冷却による音響整合層の劣化を抑え、音響整合層の温度変動による音響整合層の音響インピーダンスの変動を抑えることができるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒体に対しても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高く、かつ超音波の送受波感度のばらつきが小さい高精度の超音波振動子を実現することができる。また、加熱冷却手段は超音波伝搬空間をよけて配置され、加熱冷却手段によって超音波の伝搬が妨げられることを防止できるので、加熱冷却手段を配置しても超音波の送受波感度が低下しない超音波振動子を実現することができる。

なお、上述した実施の形態において、温度制御手段としてサーミスタを使用したが、これに限られるものではなく、熱伝対等による電気式検知手段や、バイメタルや形状記憶合金等による機械的検知手段であっても構わない。また、音響整合層や伝搬媒質等の温度を検知するための温度検知手段を超音波振動子に具備する構成とすることもできる。

さらに、また、発泡樹脂は、上述した実施の形態において使用したポリエチレンテレフタレートフォーム、ポリプロピレンフォーム、ポリブチレンテレフタレートフォームに限られるものではなく、例えば、軟質ポリウレタンフォーム、硬質ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、ＥＶＡフォーム、フェノールフォーム、シリコーンフォーム、ユリアフォーム、アクリルフォーム、ＥＰＤＭフォーム等を汎用の発泡樹脂を使用することができ、さらには、ポリアセタール、
ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマー等のスーパーエンジニアリングプラスチックの発泡体を使用することも可能である。

これらエンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチックの発泡体は、化学発泡剤を利用した化学発泡や液化ガスや超臨界流体を利用した物理発泡により作製することができる。

（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９における超音波流量計を示す構成図である。

図９において、超音波流量計９０は、流路９１と、前記流路９１において上流側に配置された上流側超音波振動子９２と、前記流路９１において前記上流側超音波振動子９２の下流側に配置された下流側超音波振動子９３と、前記上流側超音波振動子９２と下流側超音波振動子９３の間の超音波伝搬時間から前記流体の流速を計測する計測回路９４と、前記計測回路９４で計測した流速から流体の流量を演算する演算部９５から構成される。

ここで、上流側超音波振動子９２と下流側超音波振動子９３は、上述した実施の形態１に係る超音波振動子である。また、上流側超音波振動子９２と下流側超音波振動子９３は、超音波を送波する機能と受波する機能を備えている。なお、実線の矢印Ａは流体の流れる方向を、破線の矢印Ｂは上流側超音波振動子９２と下流側超音波振動子９３との間での超音波の伝搬する方向をそれぞれ示す。図中のθは、流体の流れる方向と超音波の伝搬する方向との交差角を示す。

以上のように構成された超音波流量計について、以下、動作と流量の計測方法について説明する。

上述した超音波流量計９０の構成において、上流側超音波振動子９２から超音波を送波し、下流側超音波振動子９３で受波し、また、下流側超音波振動子９３から超音波を送波し、上流側超音波振動子９２で受波するよう交互に繰り返している。このとき、上流側超音波振動子９２から下流側超音波振動子９３への超音波の伝搬時間をＴｕｄ、下流側超音波振動子９３から上流側超音波振動子９２への超音波の伝搬時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆ、上流側超音波振動子９２と下流側超音波振動子９３との間の距離をＬｄとすると、Ｔｕｄと、Ｔｄｕは、数式４によって計算される。

（数式４）
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
また、流量の流速Ｖｆは、数式４から、数式５によって計算される。

（数式５）
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝×［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
さらに、流体の流速Ｖｆと流路９１の断面積Ｓｒから、流量Ｑｍは数式６によって計算される。

（数式６）
Ｑｍ＝Ｓｒ×Ｖｆ
計測回路９４は、上述したＴｄｕ、Ｔｕｄを計測し、予め分かっているＬｄとの関係か
ら流体の流速Ｖｆを計測する。

演算部９５は、計測回路９４で計測した流体の流速Ｖｆの情報を受け、予め分かっている流路９１の断面積Ｓとの関係から流量Ｑｍを演算する。

以上のように、本実施の形態においては、音響インピーダンスが小さい伝搬媒質に対しても、音響インピーダンスが大きい伝搬媒質に対しても、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を用いて流量計を構成できるので、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒質であっても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質であっても、高精度な流量計測が可能な超音波流量計を実現することができる。

なお、本実施の形態において、超音波振動子として、実施の形態１に係る超音波振動子を利用したが、これに代えて、実施の形態２乃至実施の形態６に係る超音波振動子を利用した超音波流量計であっても同一の効果を奏することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子および超音波流量計は、水素等の音響インピーダンスが小さい伝搬媒質であっても、空気やプロパン、水等の音響インピーダンスが大きい伝搬媒質であっても、超音波の送受波感度が高く、かつ送受波感度のばらつきが小さい高精度の流量計測ができるので、精度の高い流量計測が要求される家庭用や工業用のガス流量計、水道用流量計等の用途に適用できる。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 超音波振動子
１１ 圧電体
１４、５４、６３、７４、８４ 音響整合層
１５、３１、４１ 加熱手段
１６ 金属板
２１ 温度制御手段
５１、６１ 冷却手段
７１、８１ 加熱冷却手段
９０ 超音波流量計
９１ 流路
９２ 上流側超音波振動子
９３ 下流側超音波振動子
９４ 計測回路
９５ 演算部

Claims (6)

1. 圧電体と、
   前記圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂からなる音響整合層と、
   前記音響整合層を加熱するための加熱手段または前記音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方、
   を有する超音波振動子。
2. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層に接して配置される、請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層を貫通して配置される、請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層の温度を制御するための温度制御手段を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
5. 前記加熱手段または冷却手段は、前記圧電体の超音波伝搬空間をよけた部分に配置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
6. 流体の流れる流路の上流側と、下流側とに、配置された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の一対の超音波振動子と、
   前記超音波振動子の間の超音波伝搬時間から前記流体の流速を計測する計測回路と、
   前記流速から流体の流量を演算する演算部と、
   を有する超音波流量計。

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