JP3552054B2 - 音響整合層および超音波送受波器 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサの音響整合層に用いられる音響整合層と、超音波の送受信を行う超音波送受波器、並びに該超音波送受波器の製造方法及び該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。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波が伝搬路を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。図１２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。管壁１０３には、一対の超音波送受波器１０１、１０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０１、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体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。
【０００４】
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１０２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１０１、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。
【０００５】
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。
【０００６】
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１０１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。
【０００８】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
【０００９】
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。
【００１０】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
【００１１】
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆ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。
【００１２】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
図１０は従来の超音波送受波器１０'の構成を示す断面図である。超音波送受波器１０'は、圧電体層（振動手段）４と、音響インピーダンス整合層（音響整合手段、以下、「音響整合層」という。）１と、ケース５とを有している。ケース５と音響整合層１'およびケース５と圧電体層４は接着剤（例えばエポキシ系）からなる接着層を用いて接着されている。圧電体層４で振動された超音波は特定の周波数（例えば５００ｋＨｚ）で振動し、その振動は接着層（不図示）を介してケースに伝わり、さらに接着層を介して音響整合層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。
【００１６】
この音響整合層１'の役割は圧電体層４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。
【００１７】
Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４）
【００１８】
音響インピーダンスは圧電体層４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、圧電体層２を構成する一般的な圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックスの音響インピーダンスＺ１は３０×１０⁶ｋｇ／ｓ・ｍ²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／ｓ・ｍ²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、圧電体と気体のそれぞれの音響インピーダンスＺ１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。
【００１９】
Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^(1/2) ・・・（５）
【００２０】
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、１１×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²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（中空の微小なガラス球）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層（「超音波振動子」ともいう。）の振動面に形成して使用されている。また、ガラスバルーンを熱圧縮する方法、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。
【００２１】
しかし、これらの材料の音響インピーダンスは、５０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²より大きい値であり、さらに気体との整合を取り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材料が必要である。
【００２２】
本出願人は、特願２００１−５６５０１号（出願日：２００１年２月２８日）に、乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成することによって、従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂系よりもさらに音響インピーダンスを低下させられること、および乾燥ゲルを疎水化することによって耐久性を向上できることを開示している。
【００２３】
上述したように、音響整合層の音響インピーダンスを小さくして超音波の放射媒体である気体との整合を高めると、超音波送受波器としての感度が非常に高くなる。しかしながら、流量計において超音波により伝搬時間を計測する場合のように、パルス信号を搬送波として超音波を送受信すると、信号の立ち上り応答性が悪くなってしまい、到達時間の判定が難しくなる。すなわち、通常は、超音波の受信信号に対して、ある到達検出レベル以上になった波頭の信号を検出して到達の判定を行っている。そのため、信号出力の立ち上りが良いと超音波の波頭の差が大きく、到達判定する波頭の信号を良好に認識することができ、到達判定を誤差なく行うことができる。それに対して、超音波の受信信号の立ち上りが良くないと、受信超音波出力の波頭の差が小さくなるために到達判定する波頭の識別が難しくなり、検出に誤差を生じやすくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波できるとともに、信号の立ち上り応答性を良くできる超音波送受波器用の音響整合層を提供することを主な目的とする。さらに、それを適用した超音波送受波器、およびそれを用いた流量計を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の音響整合層は、圧電体層と気体との音響インピーダンスを整合させる音響整合層であって、密度が５０ｋｇ／ｍ³以上５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある第１音響整合層と、密度が４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある第２音響整合層とを有し、かつ、前記第１音響整合層の密度は前記第２音響整合層の密度よりも小さい。
【００２６】
ある実施形態において、前記第１音響整合層の密度は５０ｋｇ／ｍ³以上４００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にあり、前記第２音響整合層の密度は４００ｋｇ／ｍ³超８００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある。
【００２７】
ある実施形態において、前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである。
【００２８】
ある実施形態において、前記第１音響整合層の厚さが、前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略四分の一である。
【００２９】
ある実施形態において、前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以上２０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以下の範囲内にある。
【００３０】
ある実施形態において、前記第２音響整合層の厚さが、前記第２音響整合層中を伝播する音波の波長λの略四分の一である。
【００３１】
ある実施形態において、前記第１音響整合層と前記第２音響整合層がともに無機酸化物を含む。
【００３２】
ある実施形態において、前記第１音響整合層は乾燥ゲルを含む。
【００３３】
ある実施形態において、前記第１音響整合層は乾燥ゲルの粉末を含む。
【００３４】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの固体骨格部が無機酸化物を含む。
【００３５】
ある実施形態において、前記無機酸化物は酸化ケイ素である。
【００３６】
ある実施形態において、前記無機酸化物の固体骨格部が疎水化されている。
【００３７】
ある実施形態において、前記第１音響整合層と前記第２音響整合層とが直接結合されている。
【００３８】
ある実施形態において、前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に構造支持層をさらに有し、前記構造支持層の密度が１０００ｋｇ／ｍ³以上であり、前記構造支持層の厚さが前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの八分の一未満である。
【００３９】
本発明の超音波送受波器は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上記のいずれかの音響整合層とを備え、前記第２音響整合層が前記圧電体層側に配置されている。
【００４０】
ある実施形態において、前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている。
【００４１】
ある実施形態において、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に結合されている。
【００４２】
ある実施形態において、前記ケースが金属材料から形成されている。
【００４３】
ある実施形態において、前記ケースの前記上板が前記第２音響整合層と一体に形成されている。
【００４４】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、上記のいずれか超音波送受波器の製造方法であって、前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上板上に前記第２音響整合層を形成する工程と、その後で、前記第２音響整合層上に乾燥ゲルからなる前記第１音響整合層を形成する工程とを包含する。あるいは、前記第２音響整合層上に、乾燥ゲルからなる前記第１音響整合層を形成し、前記音響整合層を得る工程と、前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上板上に前記音響整合層を接合する工程とを包含する。
【発明の効果】
【００４５】
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回路とを備える超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器のそれぞれは上記のいずれかの超音波送受波器で構成されている。
【００４６】
本発明によると、密度が小さく音速の遅い第１音響整合層と、それよりも密度が高く音速の速い第２音響整合層とを積層して構成された音響整合層が提供される。それを超音波送受波器へ適用し、超音波の放射媒体と音響インピーダンス整合した第１音響整合層を放射媒体側に配置することで、音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波できるとともに、信号の立ち上り応答性の良い優れた超音波送受波器を得られる。
【００４７】
また、本発明の製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、低音響インピーダンスの音響整合層により高感度化ならびに特性の安定化を図ることができる。
【００４８】
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、音響整合層を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るともに、音響整合層を疎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できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００５０】
本発明による実施形態の音響整合層１は、図１に示すように、密度が小さく音速の遅い第１音響整合層２と、それよりも密度が高く音速の速い第２音響整合層３とを備える。第１音響整合層２の密度は５０ｋｇ／ｍ³以上５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にあり、第２音響整合層３の密度は４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にあり、かつ、第１音響整合層２の密度は第２音響整合層３の密度よりも小さい。例えば、第１音響整合層２の密度は５０ｋｇ／ｍ³以上４００ｋｇ／ｍ³以下であり、第２音響整合層３の密度は４００ｋｇ／ｍ³超８００ｋｇ／ｍ³以下である。
【００５１】
本発明による実施形態の圧電振動子８においては、図２に示すように、第１音響整合層２を放射媒体側に、第２音響整合層３を圧電体層４側に配置される。このように本発明による音響整合層１を備える圧電振動子８を用いることによって、超音波送受波器を高感度化することができる。
【００５２】
例えば、図３に示す本発明の実施形態による超音波送受波器１０Ａは、図１０に示した従来の超音波送受波器１０'の音響整合層１'に代えて、図１に示した本発明の実施形態の音響整合層１を有している。超音波の放射媒体と音響インピーダンス整合した第１音響整合層２を放射媒体側に配置してある。この構成にすることで、音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波できるとともに、信号の立ち上り応答性の良い優れた超音波送受波器を得られる。
【００５３】
以下に、図８（ａ）から（ｃ）および図９（ａ）から（ｃ）を用いて本発明による実施形態の超音波送受波器の構成により得られる効果について詳細に説明する。
【００５４】
図８（ａ）から（ｃ）は超音波送受波器の超音波の受信出力特性を示したもので、各音響整合層における受信波形を示したものである。
【００５５】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、音響整合層が単層である図１０に示した従来構成の超音波送受波器１０'を用いたものである。図８（ａ）は、ガラスバルーン／エポキシ系の音響整合層（厚さ１．２５ｍｍ、音速２５００ｍ／ｓ、密度５００ｋｇ／ｍ³）を用いた場合を示し、図８（ｂ）は、シリカ乾燥ゲルの音響整合層（厚さ９０μｍ、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³）を用いた場合を示している。
【００５６】
図８（ｃ）は、図３に示した本発明による実施形態の超音波送受波器１０Ａの特性を示す図である。第１音響整合層２として、シリカ乾燥ゲルの音響整合層（厚さ９０μｍ、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³）を用い、第２音響整合層３として、シリカ多孔体の音響整合層（厚さ７５０μｍ、音速１５００ｍ／ｓ、密度５７０ｋｇ／ｍ³）を用いた場合を示している。
【００５７】
まず、図８（ａ）と（ｂ）との比較から、低密度な乾燥ゲルを音響整合層として用いることで、従来から一般的に用いられているガラスバルーン／エポキシ系を用いた場合よりも、受信出力電圧の振幅最大幅（ピークトゥピーク電圧）が大きくなっており、感度が向上していることがわかる。
【００５８】
しかしながら、図８（ｂ）では、図８（ａ）に比べて受信信号の立ち上りが鈍くなっていることがわかる。さらに、立ち上りにおける５００ｋＨｚ超音波信号の各波頭とその前後の波頭との出力値の差が小さくなっているため、到達検出レベルによる伝搬時間検知の許容幅が小さくて誤差検知を生じやすくなり検知が難しくなっている。このことから、音響整合層としてシリカ乾燥ゲルを用いた超音波送受波器では、高感度になるが、立ち上り特性の向上が必要である。
【００５９】
図８（ｃ）のように、シリカ乾燥ゲルと酸化ケイ素を焼成して作製したシリカ多孔体とからなる２層構造の音響整合層を用いることによって、ピークトゥピーク電圧が大きく感度が高くなるとともに、立ち上り特性も良好な特性が得られている。これは、気体側に配置した密度が小さく音速の遅い第１音響整合層によって、超音波の放射媒体である気体との音響インピーダンス整合をとって高感度化を図ることができた上に、圧電体側に配置した密度が高く音速の速い第２音響整合層による良好な立ち上り特性が確保されているためであると考える。
【００６０】
このような良好な特性が得られた理由についてさらに図９（ａ）から（ｃ）を用いて説明する。図９（ａ）から（ｃ）はそれぞれ図８（ａ）から（ｃ）に対応する超音波送受波器の振動変位周波数特性を示す図である。
【００６１】
図９（ａ）のように従来のガラスバルーン／エポキシ系の音響整合層では、まだ気体との音響インピーダンスの整合が十分ではないために、２極特性を示し周波数帯域が広い。そのために、超音波のパルス信号に対する応答が良く立ち上り特性がよくなる。それに対して、図９（ｂ）に示すシリカ乾燥ゲルの音響整合層においては、気体との音響インピーダンスが整合するために１極特性を示し狭帯域化する。そのために、高感度にはなるが、共振周波数よりも速い変化に応答しにくいためにパルス信号に対する立ち上り特性が悪くなる。
【００６２】
これらの単層での音響整合層に対して、図９（ｃ）に示す本発明の音響整合層の構成にすると、第１音響整合層と第２音響整合層との２層構造であるために、振動変位の周波数特性は３極特性を示すことになり、帯域が広がる。そのために、立ち上りの応答が速くなる上に、放射媒体である気体との音響インピーダンスの整合をそれに面する第１音響整合層によって取っているために減衰が少なく感度が高くなるものである。
【００６３】
本発明による実施形態の２層構造を有する音響整合層を用いることによって、気体へ超音波を放射して計測等を行う際に用いる超音波送受波器において、従来の単層の音響整合層では達成できなかった高感度でかつ応答性の良い超音波の送信と受信を行うことができる。さらに、このような超音波送受波器を用いることによって、高感度でかつ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を図れる超音波流量計を得ることができる。なお、本発明による実施形態の音響整合層は、典型的には２層構造であるが、圧電体層に近いほど音響整合層の密度を高くなり、放射媒体側の表面に近いほど音響整合層の密度が低くなるように、３以上の音響整合層を配置してもよい。
【００６４】
以下に、本発明の具体的な実施の形態について図を用いて説明する。
【００６５】
（実施の形態１）
図１に、本発明による実施形態の音響整合層１の構成を模式的に示す。
【００６６】
音響整合層１は、密度が５０ｋｇ／ｍ³から５００ｋｇ／ｍ³の範囲内にある第１音響整合層２と、密度が４００ｋｇ／ｍ³から１５００ｋｇ／ｍ³の範囲内にある第２音響整合層３とが積層された構造を有している。なお、第１音響整合層２の密度よりも第２音響整合層３の密度の方が高い。
【００６７】
第１音響整合層２は、超音波の放射媒体である気体に対して音響インピーダンスの整合を行って高感度化を図る役割である。このとき、第１音響整合層２の音響インピーダンスＺａと第２音響整合層３の音響インピーダンスＺｂとの関係がＺａ＜Ｚｂであることが好ましい。この第１音響整合層２の音響インピーダンスの値としては、例えば空気とセラミック圧電体との音響インピーダンスの整合を取るための値である略１１×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²程度が好ましい。しかし、他の気体として可燃性ガスの流量計測に本発明の音響整合層を用いた超音波送受波器を用いる場合を例にすると、第１音響整合層の音響インピーダンスとしては、例えば水素に対する５×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²程度の値からプロパンに対する１２×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²程度の値までを有することが好ましい。また、その他のガスや混合ガスなども考えたときには、５×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以上２０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以下の範囲内にあるのが特に好ましい。また、対象の気体に対する音響インピーダンスの整合を若干ずらした状態でも、第１音響整合層２で得られる音響インピーダンスの領域では高い感度が得られるため、５０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以下、好ましくは０.５×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以上５０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以下の範囲である。
【００６８】
第１音響整合層２が上述の音響インピーダンスを得るためには、密度が５０ｋｇ／ｍ³以上５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内でかつ音速が５００ｍ／ｓ未満であるものを使用する。このときに、第２音響整合層３は密度が４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内でかつ音速が５００ｍ／ｓ以上であるのが好ましい。ただし、Ｚａ＜Ｚｂの関係が成り立つように設定する。なお、第２音響整合層３の音響インピーダンスＺｂは、超音波を発信する圧電体層の音響インピーダンスよりも小さいことが好ましい。
【００６９】
また、音響インピーダンスを整合して感度を向上するには、音響整合層の厚さにも関係する。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もっとも小さくなる条件の時、すなわち、音響整合層の厚さが超音波発振波長の四分の一の時に透過強度が最大となる。したがって、第１音響整合層２の厚さが、その音響整合層中を通過する超音波発振波長の略四分の一である構成にすることが高感度化に効果がある。さらに、第２音響整合層３の厚さが、その音響整合層中を通過する超音波発振波長の略四分の一である構成にすることも効果があり、第１音響整合層２及び第２音響整合層３をともに略四分の一波長となるようにするのが最も効果がある。なお、超音波の発振波長の略四分の一とは、八分の一波長から八分の三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二分の一波長に近づくため感度が逆に低下してしまう。
【００７０】
本発明の音響整合層１の材料としては、第１音響整合層２は密度が５０ｋｇ／ｍ³以上５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内であり、音速が５００ｍ／ｓ未満である条件の材料が好ましい。さらに、第２音響整合層３は密度が４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内であり、音速が５００ｍ／ｓ以上である条件の材料が好ましい。
【００７１】
第１音響整合層２の具体的な材料としては、有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、乾燥ゲルなどが候補としてあるが、特に乾燥ゲルを用いるのが好ましい。
【００７２】
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、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が溶媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、乾燥して溶媒除去することで形成されるものである。
【００７３】
乾燥ゲルを得るために、湿潤ゲルから溶媒除去して乾燥する方法としては、超臨界乾燥、凍結乾燥などの特別な条件の乾燥方法や、加熱乾燥、減圧乾燥、自然放置乾燥などの通常の乾燥方法を用いることができる。
【００７４】
超臨界乾燥は、溶媒をその臨界点以上の温度、圧力条件にした超臨界状態で除去する方法であり、気液界面がなくゲルの固体骨格部に乾燥ストレスを与えることがないため収縮したりすること無く、非常に低密度の乾燥ゲルを得ることができる。その反面、超臨界乾燥で得た乾燥ゲルは、使用環境におけるストレス、例えば結露や熱ストレス、薬品ストレス、機械ストレス等の影響を受けることもある。
【００７５】
それに対して、通常の乾燥方法によって得られる乾燥ゲルは、乾燥ストレスに耐え得るために、その後の使用環境におけるストレスに対しても耐久性が高いという特徴がある。このような通常の乾燥方法で低密度の乾燥ゲルを得るためには、乾燥する前に湿潤ゲルの段階で、固体骨格部がストレスに耐え得るようにしておく必要がある。例えば、固体骨格部を熟成して強度を増したり、疎水化する際に固体骨格部を補強するように温度条件や重合しやすい多官能の疎水化剤を適用したり、細孔の大きさを制御したりすることで実現することができる。特に、気体の流量を計測する際には、いろいろな環境で使用されることがあるために、通常の乾燥方法で作製した乾燥ゲルで音響整合層を得るのが好ましい。また、通常の乾燥方法を適用する場合には、超臨界乾燥のような高圧のプロセスではないために、設備が簡易になり、取扱いも行いやすいなどの利点もある。
【００７６】
上述の方法で得られる乾燥ゲルは、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から１００ｎｍの範囲内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、密度が５００ｋｇ／ｍ³以下、好ましくは４００ｋｇ／ｍ³以下の低密度な状態では、乾燥ゲルの有する特異な網目状骨格を形成している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という性質を有する。そのため、音速として５００ｍ／ｓ以下の非常に遅い値を示し、低い音響インピーダンスを得ることができるという特徴を有する。
【００７７】
また、ナノメートルサイズの細孔部では、細孔サイズが気体分子の平均自由行程と同程度以下となっており、気体の圧損が大きいために音響整合層として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。
【００７８】
なお、乾燥ゲルの材料としては、無機材料、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を成分として適用することができる。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部としては、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ができる。
【００７９】
また、これらの乾燥ゲルを粉砕することによって得られる粉末（粉末乾燥ゲル）を用いてもよい。
【００８０】
第２音響整合層３の材料としては、有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、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、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。
【００８１】
第２音響整合層３は、第1音響整合層２よりも密度が高く、音速が速くなり音響インピーダンスが大きくなるものがよい。より具体的には、密度が４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にあるものを用いる。この範囲の密度は、超音波の放射媒体である気体に対する音響インピーダンスの整合を大きくずらすことなく超音波の送受波するのに十分な感度を得ることができるとともに、応答性にも優れた特性を得ることができる。これ以上の密度になると圧電体の音響インピーダンスに近くなる傾向であるために、本発明の音響整合層の構成にしている効果が低下してしまうために、感度向上と応答性を両立した特性が得られにくくなる。第２音響整合層３の密度の上限は８００ｋｇ／ｍ³であってもよい。
【００８２】
第２音響整合層３として、例えば、ガラスバルーンを熱硬化樹脂で成型した音響整合層や、酸化ケイ素原料と高分子ビーズを混合して焼成して高分子除去した酸化ケイ素多孔体音響整合層、ガラスバルーンを熱結着（熱圧縮）して成型した音響整合層などを好適に用いることができる。
【００８３】
第２音響整合層３が連続気孔構造を有する場合には、乾燥ゲルからなる第１音響整合層２を形成するときに特に原料液の浸透が生じることがある。この場合には、浸透を生じたまま第１音響整合層２を形成することもできるが、その浸透を避けるために第２音響整合層３の表面に構造支持層を形成してもよい。ただし、第１音響整合層２が第２音響整合層３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。したがって、第１音響整合層２と第２音響整合層３の組合せによって構成は決定すればよい。
【００８４】
第１音響整合層２と第２音響整合層３がともに無機酸化物である場合には、耐湿信頼性や、耐化学薬品性に優れるとともに、音響インピーダンスの温度特性に優れる。すなわち、無機酸化物の乾燥ゲルを用いると、２５℃以上７０℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−０．０４％／℃以下（絶対値が０．０４％／℃以下という意味）の音響整合層を得ることができる。これに対し、従来のエポキシ／ガラスバルーン系や、有機高分子ゲルを用いると、上記音響インピーダンスの温度変化率の絶対値を０．０４％／℃以下とすることは難しい。
【００８５】
音響インピーダンスの温度変化率が小さいと、例えば後述する超音波流量計に用いた場合、広い温度範囲に亘って高い測定精度を得ることができる。
【００８６】
また、本発明における第１音響整合層と第２音響整合層が化学結合してなる構成にするのが好ましい。これによって、超音波振動に対する密着性の確保や、取り扱いの容易さや、超音波送受波器の使用時の振動に対する耐久性などに対して有効になる。この際に、第１音響整合層の乾燥ゲルの無機酸化物が酸化ケイ素である場合には、ゾルゲル反応による音響整合層の形成がしやすいために好ましい。さらに、第２音響整合層３も酸化ケイ素を用いると材質の違いによる特性への影響が低減できると思われる。この構成のときには、第２音響整合層３の酸化ケイ素の表面水酸基は、第１音響整合層２をゾルゲル反応で形成する際に存在するシラノール基と化学結合しやすいために、好ましい効果が得られる。
【００８７】
また、無機酸化物を用いて音響整合層を形成すると、吸湿による耐湿性の課題が懸念されるために、無機酸化物の固体骨格部が疎水化（撥水化）されていることが好ましい。疎水化することによって、例えば、計測対象の気体中に水分や不純物が存在した場合に、それらの吸着や付着の影響を受けにくくできるので、より信頼性の高い音響整合層を得ることができる。
【００８８】
無機酸化物の固体骨格部の疎水化は、例えばシランカップリング剤などの表面処理剤を用いて行う。表面処理剤としては、トリメチルクロルシラン、ジメチルジクロルシラン、メチルトリクロルシラン、エチルトリクロルシランなどのハロゲン系シラン処理剤、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシ系シラン処理剤、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルシロキサンオリゴマーなどのシリコーン系シラン処理剤、ヘキサメチルジシラザンなどのアミン系シラン処理剤、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクタノール、デカノールなどのアルコール系処理剤などを用いることができる。
【００８９】
また、これらの処理剤の有するアルキル基の水素が一部または全てがフッ素に置換したフッ素化処理剤を用いれば、疎水化（撥水性）に加えて、撥油性、防汚性などのさらに優れた効果が得られるものである。
【００９０】
（実施の形態２）
図２に、本発明による実施形態の超音波送受波器に用いられる圧電振動子８の断面構造を模式的に示す。圧電振動子８は、超音波流量計の超音波送受波器に用いられる。
【００９１】
電気−超音波相互変換を行う圧電振動子８は、圧電体層４と実施の形態１で説明した音響整合層１で構成されている。圧電体層４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（不図示）を有している。音響整合層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ためのもので、駆動交流電圧により励振される圧電体層４の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく放射され、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、圧電体層４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層４の片側に形成されている。
【００９２】
音響整合層の機械的な強度を向上し、取り扱いを容易にするために、音響整合層１の第１音響整合層２と第２音響整合層３との間に構造支持層を設けても良い。構造支持層としては、密度が８００ｋｇ／ｍ³以上、好ましくは１０００ｋｇ／ｍ³以上であり、その構造支持層の厚さが構造支持層中を伝播する音波の波長λの八分の一未満であることが好ましい。すなわち、構造支持材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に小さいときには、超音波の送受波には影響が極めて小さくなる。構造支持層を形成する材料としては、金属材料や、セラミック、ガラスなどの無機シート、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。第１音響整合層２と第２音響整合層３とを接着層（接着剤または接着シート）を介して接合した場合、接着層が構造支持層として機能する。
【００９３】
圧電体層４をケースの内面に接着し、ケースの外面に音響整合層１を接着する構成を採用する場合、圧電体層４と音響整合層１との間に存在するケースを構成する上板が構造支持層として機能する。
【００９４】
さらに、第１音響整合層２の表面（気体側）に構造支持層を形成してもよい。密度の高い材料で支持されるために、音響整合層１の取り扱い性が向上し、密着性が向上することによって耐久性も向上するという好ましい効果が得られる。
【００９５】
（実施の形態３）
図３に、本発明による実施形態の超音波送受波器の模式的な断面図を示す。
【００９６】
図３に示す超音波送受波器１０Ａは、実施形態１の音響整合層１と圧電体層４とを用いて圧電振動子を構成した超音波送受波器である。
【００９７】
超音波送受波器１０Ａは、圧電体層４を内包する凹部を形成する上板５ａと、凹部内の空間を密閉するように配置される底板５ｂとを有するケース（密閉容器）５をさらに有している。圧電体層４はケース５の上板５ａの内面に結合（接着）されており、音響整合層１は、上板５ａを介して圧電体層４に対向する位置に上板５ａの上面に結合（接着）されている。
【００９８】
圧電体層４と音響整合層１との間に存在する上板５ａは、構造支持層としても機能する。上板５ａの厚さは、超音波発振波長よりも十分に小さいことが好ましく、上板５ａ中を伝播する音波の波長λの八分の一未満であることが好ましい。また、上板５ａの密度は８００ｋｇ／ｍ³以上であることが好ましく、１０００ｋｇ／ｍ³以上であることがさらに好ましい。
【００９９】
ケース５を導電性材料（例えば、金属材料）で作ることによって、ケース５は構造支持部材として機能するとともに、圧電体層４を発振、または受信した超音波を検知するための電極（配線）の働きもする。圧電体層４の一対の主面に形成されている電極（不図示）は、ケース５を介して一方の端子７に接続され、他方はワイヤなどによって他方の端子７に接続されている。従って、ケース５は、一般に導電性を有する金属から形成される。なお、他方の端子７は絶縁体６によってケース５から絶縁されている。
【０１００】
圧電体層４にケース５の上板５ａを介して対向するように配置された音響整合層１は、圧電体層４側から超音波を放射する媒体に向かって第２音響整合層３と第１音響整合層２とをこの順で積層されている。音響整合層１をこのように配置することによって、図８（ｃ）および図９（ｃ）を参照しながら上述したように、感度が高く、応答性の良い超音波送受波器１０が得られる。
【０１０１】
可燃性ガスを検知対象とする場合は、圧電体層４をケース５内に収容することで、圧電体層４をガスと隔離することができる。ケース５の内部（凹部）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。このようにすると、可燃性ガスを対象とした超音波流量計に用いた場合に、安全性が高いという利点が得られる。また、可燃性ガスに接触する音響整合層の構成材料も、ガスと反応したり、燃焼したりしないものが好ましい。この観点からも、音響整合層を無機酸化物で構成することが好ましい。
【０１０２】
このように構成されている超音波送受波器１０Ａでは、駆動端子７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、圧電体層４は厚さ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。
【０１０３】
（実施の形態４）
図４に、本発明の一実施の形態における超音波送受波器の断面図を示す。
【０１０４】
図４に示す超音波送受波器１０Ｂは、ケース１５の一部が第２音響整合層１３で形成されており、圧電体層４がそのケース１５の第２音響整合層１３の内面に配置され、第１音響整合層１２がその第２音響整合層１３の圧電体層４の配置位置に対向した外面に配置されている。第２音響整合層１３が構造支持層としての役割も果たしている。そのため、第２音響整合層１３は比較的密度が高い材料で構成することが好ましく、第２音響整合層１３だけでは超音波の放射媒体である気体との音響インピーダンスの整合は取りにくい。しかしながら、図４のように、第２音響整合層１３上に第１音響整合層１２をさらに積層した構成とすることによって、気体との音響インピーダンスの整合をとり、高感度化することができる。
【０１０５】
（実施の形態５）
図５に、本発明による実施形態の超音波送受波器の製造方法の説明図を示す。
【０１０６】
本実施形態の超音波送受波器の製造方法は、圧電体層または圧電体層を内面に配置したケースに第２音響整合層を形成した後に、乾燥ゲルからなる第１音響整合層を積層する工程を含む方法である。
【０１０７】
工程（ａ）：第２音響整合層３を用意する。
【０１０８】
工程（ｂ）：圧電体層４およびケース５を用意する。
【０１０９】
工程（ｃ）：圧電体層４と第２音響整合層３をケース５に接着剤などを用いて接合する。
【０１１０】
工程（ｄ）：第２音響整合層３上に、乾燥ゲルからなる第１音響整合層を形成する。
【０１１１】
工程（ｅ）：電極、端子板（ケース５の底板）５ｂを取りつけて超音波送受波器を得る。
【０１１２】
第１音響整合層２を形成する工程（ｄ）は、第２音響整合層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とを含む。また、予め乾燥ゲルからなる第１音響整合層２を形成しておき、接着剤などを用いて第２音響整合層３上に接合してもよいが、上述した方法によると、第１音響整合層２と第２音響整合層３とを直接結合（接着層を介さず結合）できるので好ましい。
【０１１３】
第１音響整合層２と第２音響整合層３の積層構造の耐久性を向上するために、第１音響整合層２と第２音響整合層３とを化学結合させることもできる。例えば、第１音響整合層２を無機酸化物で構成し、第２音響整合層３を洗浄等によって表面に水酸基が存在するように処理しておくと、第１音響整合層２を無機酸化物の乾燥ゲルで形成する際に、化学結合を形成することが出来る。表面に水酸基を生成する処理方法としては、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。
【０１１４】
また、第２音響整合層３が連続気孔体であるときは、第１音響整合層２を形成するためのゲル原液が浸透し、さらに強固な化学結合が形成され得る。このとき、第１音響整合層２と第２音響整合層３とを同じ無機酸化物で形成することが好ましい。第１音響整合層２と第２音響整合層３とが化学的に結合することにより、音響的な結合が強くなり感度が向上するとともに、特性の安定性や信頼性が向上するので好ましい。
【０１１５】
（実施の形態６）
図６に、本発明による他の実施形態の超音波送受波器の製造方法の説明図を示す。
【０１１６】
本実施形態の超音波送受波器の製造方法は、第２音響整合層３の一方の面に、乾燥ゲルからなる第１音響整合層２を積層した音響整合層１を形成した後に、圧電体層４または圧電体層４を内面に配置したケース５に音響整合層１を貼り合わせる工程を含む製造方法である。
【０１１７】
工程（ａ）：第２音響整合層３を用意する。
【０１１８】
工程（ｂ）：第２音響整合層３の片面に、第１音響整合層２を積層する。この積層方法は、第２音響整合層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とを含む。また、予め乾燥ゲルからなる第１音響整合層２を形成しておき、接着剤などを用いて第２音響整合層３上に接合してもよいが、上述した方法によると、第１音響整合層２と第２音響整合層３とを直接結合（接着層を介さず結合）できるので好ましい。また、第１音響整合層と第２音響整合層の積層構造の耐久性を向上するために、実施形態６と同様の方法を用いることができる。
【０１１９】
工程（ｃ）：圧電体層４およびケース５を用意する。
【０１２０】
工程（ｄ）：第１音響整合層２と第２音響整合層３を積層した音響整合層１と、圧電体層４とケース５（ｃ）を接着剤等によって、接合する。
【０１２１】
工程（ｅ）：電極、端子板（ケース５の底板）５ｂを取りつけて超音波送受波器を得る。
【０１２２】
（実施の形態７）
第１音響整合層２を乾燥ゲルの粉末を用いて形成することもできる。図７（ａ）に示す第１音響整合層２Ａは、乾燥ゲルの粉末（以下、「粉末乾燥ゲル」ということもある。）２ａと、添加剤２ｂとで構成されている。第１音響整合層２Ａを乾燥ゲルの粉末を用いて形成することによって、湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきが抑制される。また、粉末乾燥ゲル２ａを用いると、予め粉末乾燥ゲル２ａを作製しておくことができるので、超音波送受波器の生産性を向上することができるという利点も得られる。すなわち、上述した超音波送受波器の製造プロセスにおいて、ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルを得る工程およびこれを乾燥する工程を予め実行しておくことができるので、超音波送受波器の製造のスループットを向上できる。
【０１２３】
粉末乾燥ゲル２ａの平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末中の細孔数が減少して乾燥ゲルの特徴的に効果が低減されるとともに、成形する際の添加剤の必要量が増加するため低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。粉末乾燥ゲル２ａの平均粒径が上限値よりも大きいと、音響整合層の厚さ制御が難しくなり、厚さの均一性および表面の平坦性が十分な音響整合層を形成することが難しくなることがある。
【０１２４】
粉末乾燥ゲル２ａを互いに結合し、音響整合層２Ａの機械的な強度を向上するための添加剤（バインダ）２ｂとしては、熱結着性を有する高分子粉末を好適に用いることができる。液状の材料を用いると、乾燥ゲルの細孔内部に浸透し、音響特性を変えてしまったり、成形性を低下させることがあるので、固形材料、特に粉末を用いることが好ましい。
【０１２５】
ここで、「熱結着性高分子」とは、室温において固形で、加熱によって溶融または軟化し、その後固化する高分子を指す。熱結着性高分子は、一般的な熱可塑性樹脂（例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのエンジニアリングプラスチック）だけでなく、例えば室温においては固形で加熱によって一旦軟化し、その後、架橋硬化する熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂）を用いることができる。また、熱硬化性樹脂が主剤と硬化剤とを含む場合、それぞれを別粉末として添加しても良い。もちろん、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とを混合して用いても良い。熱結着性高分子粉末の溶融（軟化）温度は８０℃以上２５０℃以下の範囲にあることが好ましい。
【０１２６】
添加剤として熱結着性高分子を用いると、典型的には、後述するように、粉末乾燥ゲル２ａと添加剤との混合粉末を加熱しながら加圧成形する際に、溶融（軟化）した添加剤が、冷却に伴って固化することにより、および／または、架橋硬化することにより、粉末乾燥ゲル２ａ同士を接合する役割を果たす。
【０１２７】
熱結着性高分子粉末の平均粒径は０．１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末乾燥ゲルの細孔径に近くなるため、結着性が低下したり、成形性が低下することがある。また上限値よりも大きいと、成形に必要な添加量が増加するため、低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。
【０１２８】
また、熱結着性高分子粉末の添加量は全体の４０質量％以下であることが好ましい。全体の４０質量％を超えると、成形した際の密度が高くなってしまうことがある。また、十分な機械強度を得るためには、例えば、全体の５質量％以上添加することが好ましい。
【０１２９】
上記の添加剤（「添加剤Ａ」ということがある。）と粉末乾燥ゲルとの接合を強化するために、図７（ｂ）に模式的に示した音響整合層２Ｂのように、繊維（無機繊維（例えはグラスウール）や有機繊維）やウィスカなどをさらに添加しても良い（「添加剤Ｂ」ということがある。）。図７（ｂ）の音響整合層２Ｂにおいて、添加剤２ｂは上記と同じ熱結着性高分子の粉末であり、添加剤２ｃは短繊維である。短繊維の好適な直径の範囲は上記の熱結着性高分子粉末の平均粒径と同程度であり、繊維の長さは数μｍ〜数ｍｍ程度であることが好ましい。
【０１３０】
２種類の添加剤の添加量は、全体に対して、４０質量％以下であることが好ましく、配合比率は、必要に応じて適宜設定される。
【０１３１】
粉末乾燥ゲルを用いた音響整合層は、音響インピーダンスを調整しやすいという利点をさらに有している。例えば、互いに異なる密度を有する複数の種類の粉末乾燥ゲルを混合することによって、音響インピーダンスを調整することができる。さらに、上記の添加剤Ａ（必要に応じて添加剤Ｂ）の量を調節することによって、音響インピーダンスを調整することができる。勿論、添加剤ＡおよびＢの添加量は、成形性などを考慮して上記の範囲内とすることが好ましい。
【０１３２】
粉末乾燥ゲルを含む第１音響整合層２Ｂは、例えば、以下の方法で形成することができる。
【０１３３】
工程（ａ）：多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲル（密度約２００ｋｇ／ｍ³〜４００ｋｇ／ｍ³）と１０質量％程度（全体に対して）の添加剤Ａと添加剤Ｂとを用意する。ここで用意する乾燥ゲルは粉末である必要は必ずしもない。ブロック状でもよい。乾燥ゲルは例えば平均細孔径が２０ｎｍのシリカ乾燥ゲルであり、添加剤Ａはポリプロピレン粉末であり、添加剤Ｂは繊維径が１０μｍ程度のグラスウールである。
【０１３４】
工程（ｂ）：これらを同一容器内に入れ、混合粉砕し、微細な紛末を作製する。典型的にはミルを用いて実行される。ここで、上述した所望の平均粒径の粉末乾燥ゲルが得られるように、粉砕条件を調整する。また、必要に応じて分級してもよい。もちろん、乾燥ゲルの粉砕工程と、混合工程とを別に行っても良い。
【０１３５】
工程（ｃ）：低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤Ａと添加剤Ｂとからなる混合粉末を所望の量秤量し、加熱しながら加圧成形する。このとき、第２音響整合層３の表面に直接加圧成形することによって、第１音響整合層２を第２音響整合層３に直接結合させることができる。
【０１３６】
また、粉末乾燥ゲルと添加剤ＡおよびＢとの混合粉末とを加圧成形する前に、混合粉末の層に振動を加えるなどして、混合粉末の層の上面を平坦にすることが好ましい。このようにすることによって、得られる第１音響整合層２Ａの特性をさらに均一にすることができる。
【０１３７】
（実施の形態８）
図１１に、本発明による実施形態の超音波送受波器を用いた超音波流量計のブロック図を示す。
【０１３８】
図１１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にて図に示す方向に流れるようにして設置される。その流量測定部５１の管壁５２には、本発明の超音波送受波器としての圧電振動子１０１および１０２が相対して配置されている。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５７、タイマ５７の出力より流量を演算する演算回路５８、駆動回路５４とタイマ５７に制御信号を出力する制御回路５９が接続されている。
【０１３９】
このように構成された超音波流量計の動作を次に説明する。被測定流体を、例えばＬＰガス、超音波送受波器１０１および１０２の駆動周波数を約５００ｋＨｚとする。制御回路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。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部内を伝搬し、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５６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、演算回路５８で伝搬時間ｔ１を演算する。
【０１４０】
引き続き、切替回路５５で駆動部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、再び制御回路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、超音波送受波器１０１で受信し、演算回路５８で伝搬時間ｔ２を演算する。
【０１４１】
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、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角度をθとすると、伝搬時間ｔ１、ｔ２はそれぞれ求められる。また、距離Ｌは既知であるので時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速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る。
【０１４２】
［実施例］
以下に、本発明の具体的な実施例について述べる。
【０１４３】
（実施例１）
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
【０１４４】
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）の製造
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℃で熱硬化させた。この硬化成型体を超音波発振波長の四分の一の厚さとなるように切削した。
【０１４５】
なお、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速２５００ｍ／ｓ、密度５００ｋｇ／ｍ³、厚さ１．２５ｍｍであった。
【０１４６】
（ｂ）第２音響整合層と圧電体およびケースとの接合
ケースの天面の両側に接着剤を印刷し、圧電体層の片面および第２音響整合層の片面に接着剤を印刷した。この状態で圧電体と第２音響整合層とケースを合わせて加圧しながら加熱して硬化接合した。
【０１４７】
（ｃ）第１音響整合層の積層
まず、ケイ酸ソーダの電気透析を行い、ｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液（水溶液中のシリカ成分濃度１４重量％）を作る。そのケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整したのちに、予め紫外線照射によって水酸基を表面に形成するように洗浄した第２音響整合層上に、厚さ９０μｍとなるように塗布を行った。この後に塗膜がゲル化して固体化したシリカ湿潤ゲル層を得た。この容器を二酸化炭素を使用して１２ＭＰａ、５０℃で超臨界乾燥させることで、シリカ乾燥ゲル第１音響整合層とガラスエポキシ第２音響整合層とを積層した音響整合層を形成した圧電振動子ケースを得た。
【０１４８】
なお、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層は、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³であった。
【０１４９】
（ｄ）超音波送受波器の形成
音響整合層を形成したケースに蓋板、駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【０１５０】
（実施例２）
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
【０１５１】
（ａ）第２音響整合層（シリカ多孔体）の製造
数十μｍ径の球状アクリル樹脂と径１μｍ以下の焼結シリカ粉末を混合した後に加圧成型を行った。この成型体を乾燥した後に、９００℃で焼成してシリカ多孔体を形成した。その後に厚さが超音波発振波長の四分の一になるように調製した。
【０１５２】
なお、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１５００ｍ／ｓ、密度５７０ｋｇ／ｍ³、厚さ７５０μｍであった。
【０１５３】
（ｂ）第２音響整合層と第１音響整合層の積層
テトラメトキシシラン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、予めプラズマクリーニングによって水酸基を表面に形成するように洗浄した第２音響整合層上に、厚さ９０μｍとなるように塗布を行った。この後に塗膜がゲル化して固体化したシリカ湿潤ゲル層を得た。
【０１５４】
このシリカ湿潤ゲル層を形成した第２音響整合層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、シリカ乾燥ゲルと第２音響整合層が積層した音響整合層を得た。
【０１５５】
なお、第２音響整合層上の水酸基とテトラメトキシシランのアルコキシ基が反応して化学結合をしているため、密着性の良い音響整合層を提供できる。
【０１５６】
なお、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層は、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³であった。
【０１５７】
（ｃ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケースの天面の両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体の片面および第２音響整合層面とケースを合わせて加圧しながら加熱して硬化接合した。
【０１５８】
（ｄ）超音波送受波器の形成
ケースに蓋板、駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【０１５９】
（実施例３）
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
【０１６０】
（ａ）第２音響整合層（シリカ多孔体）の製造
粒径が数μｍから数十μｍの焼結シリカ粉末を成型し、得られた成型体を９００℃で焼成して、厚さが超音波発振波長の約四分の一のシリカ多孔体を形成した。なお、このシリカ多孔体からなる第２音響整合層は、超音波（約５００ｋＨｚ）に対して、音速が約４０００ｍ／ｓ、密度が約１２００ｋｇ／ｍ³、厚さが約２ｍｍであった。
【０１６１】
この第２音響整合層（シリカ多孔体）の片面に構造支持層として、厚さ３μｍのガラス層（密度約３０００ｋｇ／ｍ³）を形成した。このガラス層の音速はおおよそ５０００ｍ／ｓ以上であるため、超音波約５００ｋＨｚに対して伝搬する音波の波長は１ｃｍより大きくなる。形成したガラス層の厚さは波長の八分の一よりも十分に小さいために、音響整合に関しては影響がない。
【０１６２】
（ｂ）第２音響整合層と第１音響整合層の積層
（ａ）で形成したシリカ多孔体のガラス層面に，実施例２と同様に形成したシリカ湿潤ゲルを４０℃から７０℃に加熱しながら疎水化したのちに、窒素気流下で８０℃にて加熱乾燥して、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層を第２音響整合層に積層した音響整合層を得た。
【０１６３】
なお、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層は、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速１８０ｍ／ｓ、密度２００ｋｇ／ｍ³であった。
【０１６４】
（ｃ）音響整合層とケース、圧電体との接合
ケースの天面の両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体の片面および第２音響整合層面とケースを合わせて加圧しながら加熱して硬化接合した。
【０１６５】
（ｄ）超音波送受波器の形成
ケースに蓋板、駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【０１６６】
（比較例１）
実施例１で作製した第２音響整合層（ガラスエポキシ）のみの超音波送受波器を形成した。
【０１６７】
（比較例２）
実施例１に記載した方法で圧電振動子のケース上にシリカ乾燥ゲルのみを音響整合層として作製した超音波送受波器を得た。
【０１６８】
以下に、上述の実施例１から３、および比較例１と２の超音波５００ｋＨｚでの送受波特性を比較した。それぞれの実施例、比較例で作製した超音波送受波器を一対対向して超音波流量計を形成した。そのときに、一方の超音波送受波器から発信した音波を他の超音波送受波器で受信したときの出力波形にて評価を行った。
【０１６９】
なお、図８（ａ）から（ｃ）は、その一例（比較例１、比較例２、実施例２）を示したものである。
【０１７０】
感度：（実施例２）≒（実施例３）＞（実施例１）＞（比較例２）≫（比較例１）
立ち上り応答性：（実施例１）≒（実施例２）≒（実施例３）≧（比較例１）≫（比較例２）
【０１７１】
上記のように、感度に関しては、従来から一般に用いられている比較例１の音響整合層に対して、実施例１では約１０倍、実施例２および実施例３では約２０倍の優れた特性を示した。また、立ち上り応答性に関しては、従来から一般に用いられている比較例１の音響整合層に対して、実施例１、２および３では同等か、それより若干良い特性であった。すなわち、図８（ａ）の比較例１では超音波の波頭が５波目でピークになるのに対して、図８（ｃ）の実施例２では超音波の波頭が４波目でピークになっていた。したがって、実施例で作製した本発明の超音波送受波器では、感度および立ち上り応答性がともに従来よりも優れた特性が得られることがわかった。
【０１７２】
（実施例４）
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
【０１７３】
（ａ）第２音響整合層（シリカ多孔体）の製造
実施例３と同様に数μｍ径から数十μｍ径の焼結シリカ粉末を成型し、得られた成型体を９００℃で焼成して、厚さが超音波発振波長の約四分の一のシリカ多孔体を形成した。なお、このシリカ多孔体からなる第２音響整合層は、超音波約５００ｋＨｚに対して、音速が約４０００ｍ／ｓ、密度が約１２００ｋｇ／ｍ³、厚さが約２ｍｍであった。
【０１７４】
（ｂ）第２音響整合層と第1音響整合層の積層
（ａ）で形成したシリカ多孔体に、テトラエトキシシランのシリコーンオリゴマーを原料として、イソプロピルアルコール溶媒中、アンモニア触媒でシリカ湿潤ゲルを形成した。７０℃で湿潤ゲルを熟成した後に、ジメチルジメトキシシランによる疎水化処理を行った。その後に、自然放置で溶媒を乾燥除去して、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層を第２音響整合層に積層した音響整合層を得た。
【０１７５】
なお、シリカ乾燥ゲルからなる第１音響整合層は、超音波（約５００ｋＨｚ）に対して、音速が約３００ｍ／ｓ、密度が約４２０ｋｇ／ｍ³であった。この第１音響整合層の部分を厚さ１５０μｍに加工して、最終的な音響整合層とした。
【０１７６】
（ｃ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
凹構造のケースの上板の両側にエポキシ系接着剤を塗布した後に、圧電体層の片面および音響整合層の第２音響整合層側の面を接着剤層を介してケースの上板に貼り合わせ、加圧しながら接着剤を加熱して硬化することによって、音響整合層および圧電体層をケースの上板に接合した。
【０１７７】
（ｄ）超音波送受波器の形成
ケースの蓋板（底板）、駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【０１７８】
このように作製した超音波送受波器についても、１対で送受信特性を評価したところ、感度、立上り応答性についても、比較例１、比較例２よりも優れた特性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】本発明による実施形態の音響整合層の模式的な断面図である。
【図２】本発明による実施形態の圧電振動子の模式的な断面図である。
【図３】本発明の第３の形態として示す超音波送受波器の断面図である。
【図４】本発明の第４の形態として示す超音波送受波器の断面図である。
【図５】本発明による実施形態の超音波送受波器の製造方法における工程（ａ）から（ｅ）を模式的に示す図である。
【図６】本発明による他の実施形態の超音波送受波器の製造方法における工程（ａ）から（ｅ）を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態の音響整合層に好適に用いられる粉末乾燥ゲルを含む第１音響整合層の構造を模式的に示す図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、本発明で用いた超音波送受波器の受信出力特性を示す図であり、（ａ）は単一音響整合層（ガラスエポキシ）を用いた場合の特性図、（ｂ）は単一音響整合層（シリカ乾燥ゲル）を用いた場合の特性図、（ｃ）は２層音響整合層（シリカ乾燥ゲル、シリカ多孔体）を用いた場合の特性図である。
【図９】（ａ）から（ｃ）は、本発明で用いた超音波送受波器の振動変位周波数特性を示す図であり、（ａ）は単一音響整合層（ガラスバルーン／エポキシ系）を用いた場合の特性図、（ｂ）は単一音響整合層（シリカ乾燥ゲル）を用いた場合の特性図、（ｃ）は２層音響整合層（シリカ乾燥ゲル、シリカ多孔体）を用いた場合の特性図である。
【図１０】従来の超音波送受波器の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明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である。
【図１２】一般的な超音波流量計の測定原理を説明するための断面図である。

Claims (21)

1. 圧電体層と気体との音響インピーダンスを整合させる音響整合層であって、
   密度が５０ｋｇ／ｍ³以上５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある第１音響整合層と、
   密度が４００ｋｇ／ｍ³以上１５００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある第２音響整合層と、を有し、かつ、前記第１音響整合層の密度は前記第２音響整合層の密度よりも小さい、音響整合層。
2. 前記第１音響整合層の密度は５０ｋｇ／ｍ³以上４００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にあり、前記第２音響整合層の密度は４００ｋｇ／ｍ³超８００ｋｇ／ｍ³以下の範囲内にある、請求項１に記載の音響整合層。
3. 前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである請求項１または２に記載の音響整合層。
4. 前記第１音響整合層の厚さが、前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略四分の一である請求項１から３のいずれかに記載の音響整合層。
5. 前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以上２０×１０⁴ｋｇ／ｓ・ｍ²以下の範囲内にある請求項１から４のいずれかに記載の音響整合層。
6. 前記第２音響整合層の厚さが、前記第２音響整合層中を伝播する音波の波長λの略四分の一である請求項１から５のいずれかに記載の音響整合層。
7. 前記第１音響整合層と前記第２音響整合層がともに無機酸化物を含む、請求項１から６のいずれかに記載の音響整合層。
8. 前記第１音響整合層は乾燥ゲルを含む、請求項１から７のいずれかに記載の音響整合層。
9. 前記第１音響整合層は乾燥ゲルの粉末を含む、請求項８に記載の音響整合層。
10. 前記乾燥ゲルの固体骨格部が無機酸化物を含む、請求項８または９に記載の音響整合層。
11. 前記無機酸化物が酸化ケイ素である請求項１０に記載の音響整合層。
12. 前記無機酸化物の固体骨格部が疎水化されている、請求項１０または１１に記載の音響整合層。
13. 前記第１音響整合層と前記第２音響整合層とが直接結合されている請求項１から１２のいずれかに記載の音響整合層。
14. 前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に構造支持層をさらに有し、
    前記構造支持層の密度が１０００ｋｇ／ｍ³以上であり、前記構造支持層の厚さが前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの八分の一未満である請求項１から１２のいずれかに記載の音響整合層。
15. 圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた請求項１から１４のいずれかに記載の音響整合層とを備え、前記第２音響整合層が前記圧電体層側に配置されている、超音波送受波器。
16. 前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている、請求項１５に記載の超音波送受波器。
17. 前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、
    前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、
    前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に結合されている、請求項１５に記載の超音波送受波器。
18. 前記ケースが金属材料から形成されている請求項１７に記載の超音波送受波器。
19. 前記ケースの前記上板が前記第２音響整合層と一体に形成されている、請求項１７に記載の超音波送受波器。
20. 請求項１５から１９のいずれかに記載の超音波送受波器の製造方法であって、
    前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上板上に前記第２音響整合層を形成する工程と、
    その後で、前記第２音響整合層上に乾燥ゲルからなる前記第１音響整合層を形成する工程と、
    を包含する超音波送受波器の製造方法。
21. 請求項１５から１９のいずれかに記載の超音波送受波器の製造方法であって、
    前記第２音響整合層上に、乾燥ゲルからなる前記第１音響整合層を形成し、前記音響整合層を得る工程と、
    前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上板上に前記音響整合層を接合する工程と、
    を包含する超音波送受波器の製造方法。

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