JP3764162B2 - 超音波送受波器およびその製造方法、ならびに超音波流量計 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響整合層を有する超音波送受波器およびその製造方法に関する。また、本発明は、当該超音波送受波器を備えた超音波流量計に関している。
【背景技術】
【０００２】
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計がガスメータ等に利用されつつある。図１は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面図構成を示している。超音波流量計では、流量を測定すべき被測定対象流体が管内を流れるように配置されている。管壁１０２には、一対の超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂが相対して設置されている。超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂ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超音波送受波器を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。
【０００３】
なお、図１に示されている状態では、超音波送受波器１０１ａが超音波送波器として用いられ、超音波送受波器１０１ｂが超音波受波器として用いられている。
【０００４】
超音波送受波器１０１ａの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１ａ内の圧電体（超音波送受波器）に印加すると、超音波送受波器１０１ａは超音波送波器として機能し、流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路Ｌ１に伝搬して、超音波受波器１０１ｂに到達する。このとき、超音波送受波器１０１ｂは受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。
【０００５】
次に、今度は超音波送受波器１０１ｂが超音波送波器として機能し、超音波送受波器１０１ａが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受波器１０１ｂの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１ｂ内の圧電体に印加することにより、超音波送受波器１０１ｂから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路Ｌ２を伝搬して、超音波送受波器１０１ａに到達する。超音波送受波器１０１ａは伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
【０００６】
このように、超音波送受波器１０１ａおよび１０１ｂは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすために、一般に超音波送受波器と総称される。
【０００７】
図１に示す超音波流量計では、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られる。
【０００８】
以下、上記超音波流量計の測定原理をより詳細に説明する。
【０００９】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１０１ａに印加することにより、超音波送受波器１０１ａから超音波バースト信号を放射すると、超音波バースト信号は経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０１ｂに到達する。経路Ｌ１の距離は、経路Ｌ２の距離と同様にＬであるとする。
【００１０】
超音波送受波器１０１ｂは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳＮ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１０１ａ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・アラウンド型装置」と呼ぶ。
【００１１】
また、超音波パルスが超音波送受波器１０１ａから放射された後、超音波送受波器１０２ｂに到達するまでの時間を「シング・アラウンド周期」という。「シング・アラウンド周期」の逆数は「シング・アラウンド周波数」と呼ばれる。
【００１２】
図１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１０１ａを超音波送波器、超音波送受波器１０１ｂを超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１０１ａから出た超音波パルスが超音波送受波器１０１ｂ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、次の（式１）が成立する。
【００１３】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式１）
【００１４】
逆に、超音波送受波器１０１ｂを超音波送波器として、超音波送受波器１０１ａ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、次の（式２）の関係が成立する。
【００１５】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（式２）
【００１６】
両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次の（式３）で示される。
【００１７】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（式３）
【００１８】
（式３）によれば、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆとから、流体の流速Ｖを求めることができる。そしてその流速Ｖから、流量を決定することができる。
【００１９】
このような超音波流量計では、高い精度が求められる。精度を高めるためには、超音波送受波器内の圧電体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。音響整合層は、特に、超音波送受波器が気体に超音波を放射（送波）する場合、および、気体を伝搬してきた超音波を受け取る場合に重要な役割を果たす。
【００２０】
以下、図２を参照しながら、音響整合層の役割を説明する。図２は、従来の超音波送受波器１０３の断面構成を示している。図示されている超音波送受波器１０３は、センサケース１０５の内側に固定された圧電体１０６と、センサケース１０５の外側に固定された音響整合層１０４とを備えている。音響整合層１０４は、エポキシ系の接着剤によってセンサケース１０５に接着されている。同様にして、圧電体１０６もセンサケースに接着されている。
【００２１】
圧電体１０６の超音波振動は、接着層を介してセンサケース１０６に伝わり、更にもう一つの接着層を介して音響整合層１０４に伝わる。この後、超音波振動は、音響整合層１０４と接する気体（超音波伝搬媒体）に音波として放射される。
【００２２】
音響整合層１０４の役割は、圧電体の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。以下、この点をより詳細に説明する。
【００２３】
物質の音響インピーダンスＺは、その物質中の音速Ｃと物質の密度ρとを用いて次の（式４）によって定義される。
【００２４】
Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（式４）
【００２５】
本明細書では、音響インピーダンスの単位を、［ｋｇ／ｍ³］と［ｍ／秒］の積である［ｋｇ／ｍ²／秒］で表現することとする。
【００２６】
超音波の放射対象となる気体の音響インピーダンスは、圧電体の音響インピーダンスと大きく異なっている。一般的な圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾセラミックスの音響インピーダンスＺ１は、２．９×１０⁷ｋｇ／ｍ²／秒程度である。これに対して、空気の音響インピーダンスＺ３は４．０×１０²ｋｇ／ｍ²／秒程度である。
【００２７】
音響インピーダンスの異なる境界面では、音波が反射しやすく、境界面を透過する音波の強度が低下する。このため、圧電体と気体の間に、（式５）で示す音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入することが行われている。
【００２８】
Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^1/2 ・・・（式５）
【００２９】
このような音響インピーダンスＺ２をもつ物質を挿入すると、境界面での反射が抑えられ、音波の透過率が向上する事が知られている。
【００３０】
音響インピーダンスＺ１を２．９×１０⁷ｋｇ／ｍ²／秒、音響インピーダンスＺ３を４．０×１０²ｋｇ／ｍ²／秒とした場合、（式５）を満たす音響インピーダンスＺ２は、１．１×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒程度となる。１．１×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒の値を持つ物質は、当然に、（式４）、すなわち、Ｚ２＝ρ×Ｃを満足しなければならない。このような物質を固体材料の中から見出すことは極めて難しい。その理由は、固体でありながら、密度ρが十分に小さく、かつ、音速Ｃが低いことが要求されるからである。
【００３１】
現在、音響整合層の材料としては、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広く用いられている。また、このような音響整合層に適した材料を作成する方法として、中空ガラス球を熱圧縮する方法や溶融材料を発泡させる等の方法などが、例えば特許文献１などに開示されている。
【００３２】
しかし、これらの材料の音響インピーダンスは、５．０×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒より大きな値であり、（式５）を満足しているとは言い難い。高感度な超音波送受波器を得るためには、音響インピーダンスの更に小さな材料から音響整合層を形成することが必要である。
【００３３】
このような要望に応えるため、本出願人は、（式５）を十分に満足する音響整合材料を発明し、特許文献２に開示している。この材料は、耐久性を付与した乾燥ゲルを用いて作製され、密度ρが小さく、かつ、音速Ｃも低い。このように音響インピーダンスが極めて低い乾燥ゲルなどの材料から形成した音響整合層を備えた超音波送受波器は、気体との間で効率的かつ高感度で超音波の送受波を行うことができる。その結果、気体の流量を高い精度で測定することのできる装置が実現する。
【００３４】
また、本出願人は、２層の音響整合層を有する超音波送受波器の発明を特許文献３に開示している。この音響整合層は、乾燥ゲルと多孔質セラミックスなどとを組み合わせた多層構造を有しており、単層の音響整合層をもつ超音波送受波器に比較して、更に高感度、広帯域な超音波の送受波が可能な超音波送受波器を提供できる。そして、そのような超音波送受波器を用いて流量計を作製すれば、気体の流量を高い精度で測定することが可能となる。
【特許文献１】
特許第２５５９１４４号明細書
【特許文献２】
特開２００２−２６２３９４号公報
【特許文献３】
特願２００３−１３６３２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
乾燥ゲルから形成した音響整合層を備える超音波送受波器は、従来の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から形成した音響整合層を備える超音波送受波器に比較して、著しく高い送受波感度を得ることができる。しかし、パルスまたはバースト状の超音波を送受波する場合には、従来の超音波送受波器に比べ、周波数帯域が狭く、時間的に短い超音波の送受波には必ずしも適していなかった。
【００３６】
また、乾燥ゲルを他の材料と接合した２層の音響整合層を有する超音波送受波器の場合、２層の整合層を構成する材料が異なるため、密着性が悪く、また異なる材料であるため熱に対する線膨張率が異なり、長期信頼性を確保することが困難であった。更に、異なる部材をそれぞれ用意し、２つの部材を結合させる工程、または、成形したセラミックなどの多孔質体の上に乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する工程が必要である。このため、工程が煩雑で、歩留まりおよびコストの観点から問題があった。
【００３７】
なお、多孔質セラミックスは、平均径が数十μｍ程度の比較的大きな空孔を多数含んでいる。このため、多孔質セラミックスが伝搬する超音波の周波数が高くなり、その波長が平均空孔径に近づくと、空孔により反射や減衰が生じるため、音響整合層としての性能が悪くなる。このため、乾燥ゲルおよび多孔質セラミックスの２層の音響整合層を備えた超音波送受波器には、使用できる超音波振動子の周波数帯域が制限されるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の超音波送受波器は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた音響整合部材とを有する超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、音響インピーダンスの異なる少なくとも２つの音響整合層を含んでおり、前記２つの音響整合層は、いずれも、乾燥ゲルから形成されている。
【００３９】
ある好ましい実施形態において、前記各音響整合層は、いずれも、２μｍ以上の厚さを有している。
【００４０】
ある好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルから形成された各音響整合層は、いずれも、平均空孔径が１μｍ以下の多孔質構造部分を有している。
【００４１】
ある好ましい実施形態において、前記各音響整合層の音響インピーダンスは、前記圧電体から伝搬媒体に向かって順次、小さくなる。
【００４２】
ある好ましい実施形態において、前記音響整合部材に含まれる各音響整合層の音響インピーダンスは、いずれも、２．５×１０³ｋｇ／ｍ²／秒以上１．２×１０⁷ｋｇ／ｍ²／秒以下である。
【００４３】
ある好ましい実施形態において、前記音響整合部材に含まれる音響整合層の数は２である。
【００４４】
ある好ましい実施形態において、前記音響整合部材に含まれる各音響整合層の厚さは、送受波される超音波の波長の１／８以上１／３以下の範囲内にある。
【００４５】
ある好ましい実施形態において、前記音響整合部材に含まれる各音響整合層は無機系材料から形成されている。
【００４６】
ある好ましい実施形態において、前記無機系材料は無機酸化物である。
【００４７】
ある好ましい実施形態において、前記無機酸化物は撥水化された固体骨格部を有している。
【００４８】
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、超音波信号を送受波する一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝搬する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た超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器の各々が、上記いずれかの超音波送受波器である。
【００４９】
ある好ましい実施形態において、前記超音波送受波器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている。
【００５０】
ある好ましい実施形態において、前記被測定流体は、気体である。
【００５１】
本発明の装置は、上記いずれかの超音波送受波器を備えている。
【００５２】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、（ａ）第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、前記第１および第２の面に電極が形成された圧電体を用意する工程と、（ｂ）前記圧電体における前記第１および第２の面の少なくとも一方の側に、音響インピーダンスの異なる少なくとも２つの音響整合層を乾燥ゲルから形成する工程とを含む。
【００５３】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、（ｂ１）前記圧電体の第１および第２の面の少なくとも一方に第１のゲル原料を供給する工程と、（ｂ２）前記第１のゲル原料液をゲル化させて第１の湿潤ゲル層を形成する工程と、（ｂ３）前記第１の湿潤ゲル層の上に第２のゲル原料を供給する工程と、（ｂ４）前記第２のゲル原料液をゲル化させて第２の湿潤ゲル層を形成する工程と、（ｂ５）前記第１および第２の湿潤ゲル層を乾燥させることにより、前記第１および第２の湿潤ゲル層から、それぞれ、第１音響整合層および第２音響整合層を形成する工程とを含む。
【００５４】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ４）において、前記第１音響整合層の音響インピーダンスを変化させるように前記第１の湿潤ゲル層を改質する。
【００５５】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、更に、（ｂ６）前記第２の湿潤ゲル層の上に第３のゲル原料を供給する工程と、（ｂ７）前記第３のゲル原料液をゲル化させて第３の湿潤ゲル層を形成する工程とを含み、前記工程（ｂ５）において、前記第３の湿潤ゲル層を乾燥させて第３音響整合層を形成する。
【００５６】
ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ５）の前に、前記湿潤ゲル層に対する撥水化処理を行う。
【発明の効果】
【００５７】
本発明によれば、乾燥ゲルからなる複数層の音響整合層を持たせることにより、高感度で広帯域な超音波送受波器を実現することが可能となる。また同じ材料から複数層の整合層を構成しているため各層での剥離が起こらず、製造時の歩留まり、使用時の信頼性が向上する。
【００５８】
また同じ素材を用いて任意の音響インピーダンスを有する音響整合層を形成できるため、設計通りの超音波送受波器を実現し、また音響整合層の材料開発・探索を省くことができるという有利な効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波送受波器の実施形態を説明する。
（実施形態１）
【００６０】
図３は、本発明による超音波送受波器の第１の実施形態の断面を示している。本実施形態の超音波送受波器１は、圧電体２と、圧電体２の両面に設けられた一対の電極４ａ、４ｂと、電極４ａを介して圧電体２の一方の面に設けられた第１音響整合層３ａと、第１音響整合層３ａ上に形成された第２音響整合層３ｂとを備えている。
【００６１】
圧電体２は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向に分極されている。圧電体２の上下面に設けられた電極４ａ、４ｂに電圧が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体２から超音波が放射され、音響整合層３ａ、３ｂを介して超音波伝搬媒体（気体など）５へ放射される。また、超音波伝搬媒体５を伝播してきた超音波は音響整合層３ａ、３ｂを介して圧電体２へ伝播する。入射してきた超音波によって圧電体２は変形し、電極４ａと電極４ｂとの間に電圧信号が発生する。
【００６２】
圧電体２の材料は任意であり、種々の公知材料から形成したものを用いることができる。圧電体２の代わりに公知の電歪体を用いてもよい。電極４は、好ましくは金属から形成されるが、金属以外の導電材料から形成されていても良い。
【００６３】
２層の音響整合層３ａ、３ｂは、圧電体２で発生した超音波振動を伝搬媒体５へ効率よく伝搬させ、また、超音波伝搬媒体５を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体２へ伝える機能を有している。
【００６４】
本実施形態の音響整合層３ａ、３ｂは、いずれも、乾燥ゲルから形成され、音響整合層３ａの音響インピーダンスと音響整合層３ｂの音響インピーダンスは異なる値を示すように調節されている。
【００６５】
乾燥ゲルは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体であり、密度ρと音速Ｃとの積（ρ×Ｃ）で規定される音響インピーダンスを極めて小さくすることが可能な材料である。このため、乾燥ゲルから形成した音響整合層３ａ、３ｂを用いることにより、空気などの気体に対する超音波の送受波効率を極めて高くすることができる。
【００６６】
乾燥ゲルは、湿潤ゲルを形成した後、この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる。湿潤ゲルは、まず、ゲル原料液を用意し、このゲル原料液の反応によって湿潤ゲルを作製することができる。湿潤ゲルは、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有しており、この固体骨格部が溶媒を含んだ状態にある。
【００６７】
湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルは、多孔質体であり、数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部の隙間に連続した気孔を有している。気孔の平均サイズは１ｎｍ〜数μｍ程度と極めて小さい。
【００６８】
作製条件を調節して乾燥ゲルの密度を小さくしてゆくと、乾燥ゲルの固体部分における音速が極端に小さくなるとともに、細孔内の気体部分における音速も極端に小さくなる。そのため、乾燥ゲルの音速は、低密度状態で５００ｍ／秒以下の低い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示すことになる。特に固体骨格部および細孔径が数ｎｍ程度と小さいサイズを持つ乾燥ゲルは極めて低い音速を示す。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、乾燥ゲルから音響整合層を形成した場合、音波を高い音圧で放射できる。
【００６９】
後述する製造方法によれば、同じ原料を用いても製造プロセス条件を調節することにより、乾燥ゲルの音響インピーダンスを広い範囲内で任意の値に制御することができる。また、製造プロセス条件を変えることにより、密度が略同程度の大きさでありながら、音速だけを変化させた音響整合層を作製することも可能である。このため、乾燥ゲルから形成した音響整合層を積層することにより、所望の音響インピーダンス分布を持った音響整合部材を作製することが可能になる。
【００７０】
圧電体２と超音波伝搬媒体５との間には、音響インピーダンスの不整合が存在する。特に、超音波伝搬媒体５が気体である場合は、その音響インピーダンスが通常の圧電体の音響インピーダンスよりも著しく小さいため、大きな不整合が存在する。音響インピーダンスの不整合が存在すると、音波の内部反射が生じるため、超音波の効率的な送受信が妨げられる。このような音響インピーダンスの不整合を低減する効果を音響整合層３ａ、３ｂは提供する。音響整合層３ａ、３ｂを設けることにより、音波の内部反射を抑え、効率よく圧電体２から超音波伝搬媒体５へ超音波を放射させることができる。
【００７１】
なお、単一周波数を有する超音波（連続波の超音波）を送受波する場合は、その超音波の波長に基づいて決定される厚さの音響整合層を１層設けるだけで充分である。しかし、通常の超音波送受波器では、パルスまたはバースト状の超音波を送受波することが一般的である。パルスまたはバースト状の超音波は、単一の周波数成分でなく、広範囲の周波数成分を含んでいる。このような超音波の送受波を高感度に行うためには、圧電体３と超音波伝搬媒体５との間で、音響整合層の音響インピーダンスを徐々に変化させることが好ましい。音響インピーダンスを徐々に変化させるには、複数の音響整合層を積層して、音響整合層ごとに音響インピーダンスを徐々に変化させてゆけばよい。
【００７２】
音響整合層の音響インピーダンスは、超音波送受波器の性能に大きく影響する。単層の音響整合層における音響インピーダンスは、（式５）に示す関係を満足するように設定することが一般的であるが、２層の音響整合層におけるそれぞれの音響インピーダンスは、例えば、以下の（式６）および（式７）の関係を満足するように設定される。
【００７３】
Ｚ１＝（Ｚ０⁴×Ｚ３³）^1/7 ・・・（式６）
Ｚ２＝（Ｚ０×Ｚ３⁶）^1/7 ・・・（式７）
【００７４】
（式６）および（式７）において、Ｚ０は圧電体の音響インピーダンス、Ｚ１は第１音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ２は第２音響整合層の音響インピーダンス、Ｚ３は伝搬媒体の音響インピーダンスである。
【００７５】
ここで、伝搬媒体５が空気であると仮定し、超音波を送受波する場合を考える。約２０℃において、空気の密度は約１．１８ｋｇ／ｍ³であり、音速は約３４０ｍ／秒であるので、空気の音響インピーダンスＺ３は約４．０×１０²ｋｇ／ｍ²／秒になる。
【００７６】
また、圧電体２として、チタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックスを用いる場合は、その密度が約７．７×１０³ｋｇ／ｍ³であり、音速が約３８００ｍ／秒であるので、圧電体２の音響インピーダンスＺ０は２．９×１０⁷ｋｇ／ｍ／秒程度となる。
【００７７】
以上の値を、（式６）に代入することによってＺ１およびＺ２を算出すると、Ｚ１は約２．４０×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒となり、Ｚ２は１．９８×１０³ｋｇ／ｍ²／秒となる。
【００７８】
このような音響インピーダンスを持つ材料を用いて２層の音響整合層を形成することが理想であるが、第２音響整合層３ｂに求められる上記音響インピーダンス値Ｚ２は、固体材料としては非常に低い。このように低い音響インピーダンス値Ｚ２を実現するには、例えば、密度が５×１０ｋｇ／ｍ²／秒、音速が４０ｍ／秒となるような固体材料から音響整合層を形成する必要がある。しかし、上記の密度および音速を示す既存の固体材料を見つけること難しく、仮に見つかったとしても、その強度は極めて低く、実用に適さないと考えられる。このため、上記の音響インピーダンス値に近い値を示す材料として、本実施形態では、密度が１５０ｋｇ／ｍ³、音速が１００ｍ／秒、音響インピーダンスが１．５×１０⁴ｋｇ／ｍ²／秒である乾燥ゲル層を用い、第２音響整合層３ｂを形成している。
【００７９】
また、第１音響整合層３ａとしては、密度が８００ｋｇ／ｍ³、音速が１０００ｍ／秒、音響インピーダンスが８．０×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒である乾燥ゲル層を用いる。第１音響整合層３ａの音響インピーダンス値は、１次元の計算機シミュレーションにより、送受波感度の高くなる音響インピーダンス値を設定した。
【００８０】
第１音響整合層３ａの好ましい音響インピーダンス値は、圧電体２、第２音響整合層３ｂ、および伝播媒体５の各々の音響インピーダンス値によって異なる。第２音響整合層３ｂに用いる乾燥ゲルの音響インピーダンス値を低くするほど、乾燥ゲルの機械的な強度が低下するため、ある値以下に低くすることは好ましくない。このため、本実施形態では、第２音響整合層３ｂの音響インピーダンスを理想値よりも大きな値に設定している。これに対して、第１音響整合層３ａの音響インピーダンス値の設定範囲は、機械的強度の観点からの制約は無く、相対的に広い。
【００８１】
後述する製造方法によれば、乾燥ゲルの音響インピーダンスを広範囲の中から任意の大きさに設定できる。このため、本実施形態では、設計通りの所望の性能を超音波送受波器に与えることが可能である。
【００８２】
以下、上記音響整合層を有する超音波送受波器１の製造方法の一例を説明する。
【００８３】
まず、送受波する超音波の波長に合わせた圧電体２を用意する。圧電体２は、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料から形成することが好ましい。圧電セラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また、圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。
【００８４】
本実施形態では、圧電体２としてチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用い、送受波する超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。このような超音波を圧電体２が効率よく送受波できるようにするため、圧電体２の共振周波数を約５００ｋＨｚに設計する。
【００８５】
圧電体２の音速は、上述のように約３８００ｍ／秒であり、圧電体２の厚さを超音波の波長の１／２に設定したときに、強く共振することが知られている。本実施形態では、５００ｋＨｚの超音波の送受波に適した圧電体２を得るため、圧電セラミックスから、直径が１２ｍｍ、厚さが約３．８ｍｍの円柱形状を有する圧電体２を作製し、これを使用している。圧電体２の厚さ方向に離間した２つの面（上面および底面）には、焼付けによる銀製の電極４が設けられ、圧電体２は厚さ方向に分極処理されている。
【００８６】
本実施形態では、このような圧電体２の一方の面に対して、乾燥ゲルからなる音響整合層３ａ、３ｂを形成する。上述のように、第１音響整合層３ａの音速は約１０００ｍ／秒とし、第２音響整合層３ｂの音速は約１００ｍ／秒に設定しているため、第１音響整合層３ａにおける超音波の波長は２ｍｍであり、第２音響整合層３ｂにおける超音波の波長は０．２ｍｍである。
【００８７】
音響整合層３ａ、３ｂは、その厚さをそれぞれの波長の１／４とした時に最も超音波の内部反射が少なく、感度が高くなることが知られている。このため、第１音響整合層３ａの厚さを５００μｍとし、第２音響整合層３ｂの厚さを５０μｍに設定する。
【００８８】
なお、音響整合層の好ましい厚さは、超音波の波長に１／４に限定されるわけではない。周波数帯域を広げるためには、音響整合層の厚さを超音波波長の１／４よりも小さくすることが有効である。音響整合層の特に好ましい厚さ範囲は、超音波波長の１／８以上１／３以下であり、更に好ましい厚さ範囲は１／８以上１／４以下である。なお、音響整合層として機能するには２μｍ以上の厚さが必要である。
【００８９】
音響整合層３ａ、３ｂを構成する乾燥ゲルは、無機材料、有機高分子材料などを用いて形成することができる。無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタンなどを用いることができる。また有機材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、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用いることができる。
【００９０】
本実施形態では、コスト、環境安定性、および製造のしやすさなどから、固体骨格部として酸化ケイ素を持つ乾燥ゲルを採用する。このような乾燥ゲルからなる第１音響整合層３ａおよび第２音響整合層３ｂを、順次、圧電体２の主面上に直接形成していく。
【００９１】
次に、これらの音響整合層３ａ、３ｂの製造方法を説明する。
【００９２】
２層以上の音響インピーダンスが異なる乾燥ゲルを形成するため、本実施形態では、通常のゲル化工程から乾燥工程を経る従来方法とは異なり、通常のゲル化工程（以下、「第１ゲル化工程」と称する。）の後に第２ゲル化工程を行う。
【００９３】
第２ゲル化工程では、第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの固体骨格部を含む領域に、ゲル原料液が重合しながら新たな固体骨格を形成する。このように新たなゲル骨格が形成されることにより、湿潤ゲルの密度および音速、すなわち音響インピーダンスを変化させることが可能となる。
【００９４】
第２ゲル化工程には、大きく分けて、以下に説明する２つの工程がある。
【００９５】
（１）第２−１ゲル化工程
第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの外側で、ゲル原料液がゲル化しないようにゲル原料液の配合を調整し、第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの密度および音速を変化させる工程（以下、「第２−１ゲル化工程」と称する。）
【００９６】
第２−１ゲル化工程では、湿潤ゲルの外側においてゲル原料液自体がゲル化することは無い。しかし、第１ゲル化工程で形成されたゲル内部では、ゲル原料液が、第１ゲル化工程で形成された骨格に付着していくように成長する。このため、ゲル原料液自体がゲル化しない条件においても、この反応は進行する。
【００９７】
この第２−１ゲル化工程は、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの形状を変化させること無く、密度や音速を特に高くする必要がある場合に有効である。
【００９８】
（２）第２−２ゲル化工程
第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの外側でも、ゲル原料液がゲル化するように原料液の配合を調整する。この工程を、以下、「第２−２ゲル化工程」と称する。
【００９９】
この第２−２ゲル化工程では、第１ゲル化工程で得られたゲルの密度および音速を変化させながら、その外側部分に他のゲル層を同時に形成することができる。
【０１００】
多層の乾燥ゲル層を形成するのには、第２−２ゲル化工程は、不可欠であり、必要に応じて第２−１ゲル化工程を行うこととなる。第１ゲル化工程で得られた層（第１層）と、その層の外側に第２−２ゲル化工程で形成される層（第２層）との間には明確な界面は存在しない。この第１層と第２層とは化学的な結合によって連続している。また、第１層および第２層の熱膨張率が極めて近く、両者の密着性が向上する。このため、下層に多孔質セラミックスなどの材料からなる音響整合層を用いる場合に比べて長期信頼性を向上させることができる。
【０１０１】
なお、本明細書では、「第２−１ゲル化工程」および「第２−２ゲル化工程」を総称して、「第２ゲル化工程」と称することとする。
【０１０２】
本実施形態では、第１ゲル化工程の後に第２ゲル化工程を行うことにより、２層以上の音響整合層の各々の音響インピーダンスを好ましい大きさに設定する。
【０１０３】
本実施形態では、以下の工程を行うことにより、２層の乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する。２層の音響整合層における各層の音響インピーダンスは、下記の通りに設定する。
【０１０４】
［第１音響整合層３ａ］
密度：８００ｋｇ／ｍ³
音速：１０００ｍ／秒
音響インピーダンス：８．０×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒
［第２音響整合層３ｂ］
密度：１５０ｋｇ／ｍ³
音速：１００ｍ／秒
音響インピーダンス：１．５×１０⁴ｋｇ／ｍ²／秒
【０１０５】
本実施形態の超音波送受波器における音響整合層は、第１音響整合層３ａの音響インピーダンスが比較的高く、また第２音響整合層３ｂの音響インピーダンスから大きく異なる。このため、第１ゲル化工程とおよび第２−２ゲル化工程だけでは、上記の音響整合層を形成することが困難である。
【０１０６】
乾燥ゲルから音響整合層を形成する場合、各音響整合層の音響インピーダンスを２．５×１０³ｋｇ／ｍ²／秒以上１．２×１０⁷ｋｇ／ｍ²／秒以下の範囲から任意の値を設定することが可能である。
【０１０７】
第１ゲル化工程で形成する乾燥ゲルおよび第２−２ゲル化工程で新たに形成される乾燥ゲルの音響インピーダンスは、ゲル化反応の安定性などの点から、２×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒程度以下とすることが望ましい。第１音響整合層３ａとなる乾燥ゲルの音響インピーダンスは、第１ゲル化工程および第２−２ゲル化工程を行うだけでは、必要な大きさにまで上昇しない。
【０１０８】
このため、本実施形態では、第１ゲル化工程の後に、まず、第２−１ゲル化工程を行うことにより、第１音響整合層３ａの音響インピーダンスを高くする。その後、第２−２ゲル化工程を行うことにより、第１音響整合層３ａの音響インピーダンスを高くするとともに、第２音響整合層３ｂを形成する。こうして、適切な音響インピーダンスを示す２層の音響整合層３ａ、３ｂを形成することができる。
【０１０９】
図４は、ゲル化工程を行うことによって第１音響整合層の音響インピーダンスがどのように変化するかを模式的に示している。図４からわかるように、第１ゲル化工程によって形成した層の音響インピーダンスは、その後に行う第２ゲル化工程で増加する。また、第１ゲル化工程の後に行う第２−１ゲル化工程の条件は、第２−２ゲル化工程で生じる音響インピーダンスの増加を見込んで設定する。
【０１１０】
なお、２つの音響整合層の音響インピーダンスに大きな差を設ける必要が無い場合などには、第２−１ゲル化工程を省略して、工程を単純にすることも可能である。
【０１１１】
以下、図５（ａ）から（ｆ）を参照しながら、本実施形態における乾燥ゲルの形成方法を具体的に説明する。
【０１１２】
工程１： 第１ゲル化工程（ゲル原料液の用意）
テトラエトキシシラン／エタノール／水／塩化水素を、モル比で１／２／１／０．０００７８で混合し、６５度の恒温槽中で３時間、テトラエトキシシランの加水分解を進行させる。更に、テトラエトキシシランに対するモル比で２．５／０．００５７の割合の水／ＮＨ₃を加え、第１ゲル原料液が得られる。
【０１１３】
工程２： 第１ゲル化工程（第１音響整合層の形成）
上記の方法を用いて用意した第１ゲル化原料液を圧電体２の一方の面に滴下する。具体的には、まず図５（ａ）に示すように、第１音響整合層３ａの厚さを規定する筒状の枠体６ａを圧電体２の外周に設けておく。次に、圧電体２と枠体６ａとによって囲まれた空間内にゲル原料液を滴下する。その後、フッ素樹脂板７により、余分なゲル原料液をすり切り除去し、そのまま、フッ素樹脂板７で蓋をする。
【０１１４】
このような枠体６ａを設けることにより、音響整合層３ａの厚さを高精度に制御することが可能となる。音響整合層３ａの厚さは、超音波送受波器の特性に大きく影響を与えるので、高精度の制御は特性向上に寄与する。
【０１１５】
上記の状態のまま、５０℃で約１日放置する。これにより、圧電体２および枠体６ａによって形成された空間内でゲル原料液がゲル化し、湿潤ゲルが形成される。こうして、図５（ｂ）に示すように、圧電体２と湿潤ゲル８からなる構造体が形成される。
【０１１６】
圧電体２の上面から突出する枠体６ａのサイズは、第１音響整合層での超音波（周波数５００ｋＨｚ）の波長の約１／４となるように設定している。本実施形態の場合、第１音響整合層３ａとなる乾燥ゲルの音速が約１０００ｍ／秒であるため、圧電体２の上面から突出する枠体６ａのサイズは５００μｍに設定している。
【０１１７】
工程３： 第２−１ゲル化工程（第１音響整合層の音響インピーダンス調整）
工程２で得られた湿潤ゲルをエタノールで洗浄する一方で、第２−１ゲル原料液を準備する。第２−１ゲル原料液として、テトラエトキシシラン／エタノール／０．１規定アンモニア水を、体積比で６０／３５／５を混合したものを用いる。
【０１１８】
図５（ｂ）に示す圧電体２、枠体６ａ、および湿潤ゲルからなる構造体を、図５（ｃ）に示すように、密閉容器１０の第２−１ゲル原料液中に浸漬させる。この密閉容器１０を７０℃の恒温槽中で約１日放置する。この処理により、第１音響整合層の音響インピーダンスが増加する。
【０１１９】
工程４： 第２−２ゲル化工程（第２音響整合層の形成）
次に、図５（ｄ）に示すように、第２−１ゲル原料液の中から構造体を取り出し、枠体６ａを取り除く。その後、第２音響整合層３ｂの厚さを規定する筒状の枠体６ｂを取り付ける。枠体６ｂは、第１音響整合層３ａの上に、更に第２音響整合層３ｂを形成するためのものである。枠体６ｂのうち第１音響整合層３ａの上面からの上方に突出する部分のサイズは、第２音響整合層３ｂの厚さを規定する大きさに設定される。本実施形態では、第２音響整合層３ｂとして機能する乾燥ゲルの音速が１００ｍ／秒程度であるため、第２音響整合層３ｂにおける超音波の波長は約２００μｍである。このため、第２音響整合層３ｂの厚さを、その波長の約１／４となるように５０μｍに設定している。
【０１２０】
次に、第１音響整合層３ａと枠体６ａによって形成される空間に、第２−２ゲル化原料液を充填する。第２−１ゲル化工程で使用したゲル原料液が第１音響整合層３ａとなる湿潤ゲルに残っているため、第２−２ゲル化原料液の充填を行う前に、エタノール／水の混合液によって洗浄を行うことが好ましい。
【０１２１】
第２−２ゲル化原料液としては、テトラエトキシシラン／エタノール／０．０５規定アンモニア水をモル比で１／４／３の割合で混合した液を用いることができる。第２−２ゲル化原料液を上記の空間内において枠体６ａの上端まで充填する。この充填により、第１音響整合層３ａとなる湿潤ゲル内のエタノールは第２−２ゲル化原料液によって置換される。
【０１２２】
その後、フッ素樹脂板によって余分なゲル原料液をすり切り除去した後、そのフッ素樹脂板により蓋をする。このままの状態で、室温にて約１日放置することにより、圧電体２と枠体６ａで形成された空間でゲル原料液がゲル化し、湿潤ゲルが形成する。
【０１２３】
更に、第１音響整合層となる部分の湿潤ゲル内においても、新たなゲル化が起こり、その部分の音響インピーダンスが高くなる。
【０１２４】
こうして、図５（ｅ）に示すように、圧電体２の上面に音響インピーダンスの異なる２層の湿潤ゲル層が形成される。
【０１２５】
工程５： 疎水化工程
疎水化工程は必須の工程ではないが、吸湿によって性能が劣化する場合があるため、行うことが好ましい。疎水化工程は、次のようにして行う。まず、第２−２ゲル化工程を行った後、音響整合層となる湿潤ゲル内に残留している第２−２ゲル原料液をエタノールによって置換・洗浄する。次に、ジメチルジメトキシシラン／エタノール／１０重量％アンモニア水を重量比で４５／４５／１０の割合で混合して得られた疎水化液に、前記構造体を４０℃で約１日間浸漬する。
【０１２６】
工程６： 乾燥工程
以上の工程で得られた湿潤ゲルから乾燥ゲルを得るために、乾燥工程を行う。本実施形態では、乾燥方法として、超臨界乾燥法を用いる。乾燥ゲルは、前述のように非常に小さなナノメートルサイズ程度の多孔質体である。骨格部分の太さや、結合の強さ、空孔の大きさによっては、湿潤ゲルから乾燥ゲルへの溶媒乾燥の際に、溶媒の表面張力によって破壊されてしまうことがある。
【０１２７】
このような破壊を防止するため、表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることが好ましい。具体的には、疎水化液をエタノールで置換した後、図５（ｆ）に示すように、圧電体／湿潤ゲルの構造体を耐圧容器に入れ、ゲル内のエタノールを液化二酸化炭素で置換する。更に、ポンプで容器内に液化二酸化炭素を送り込むことにより、耐圧容器内の圧力を１０ＭＰａまで上昇させる。その後、５０℃まで昇温し、耐圧容器内を超臨界状態とする。次に、温度を５０℃に保ったまま、圧力をゆっくり低下させることにより、乾燥を完了する。
【０１２８】
次に、このようにして得られた２層の音響整合層を有する超音波送受波器の音響特性を評価した。図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら、評価結果を説明する。
【０１２９】
図６（ａ）は、本実施形態の超音波送受波の送受波波形を示す。これに対して、図６（ｂ）は、ガラスバルーンをエポキシ樹脂でモールドした材料を音響整合層として用いた比較例の送受波波形を示す。いずれのグラフにおいても、横軸は時間（Ｔｉｍｅ）であり、縦軸は信号振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）である。横軸の例えば「３．Ｅ−０．５」の数値は、「３．０×１０^-5」を意味しており、単位は秒（ｓ）である。
【０１３０】
比較例と本実施形態との差異は、音響整合層の構成にあり、それ以外の点は同一である。なお、比較例におけるガラスバルーンを樹脂でモールドした材料は、密度が５２０ｋｇ／ｍ³、音速が２５００ｍ／秒、音響インピーダンスが１．３×１０⁶ｋｇ／ｍ²／秒である。
【０１３１】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の超音波送受波器によれば、従来の整合層を用いた超音波送受波器に比較して、５０倍以上の送受波感度を得ることができる。
【０１３２】
なお、本実施形態の超音波送受波器では、２層の音響整合層が同じ酸化シリカから形成されているため、剥離などの不良が起こりにくく、歩留まり良く製造されるという利点がある。また、使用時においても長期信頼性に優れ、安定した動作を継続することができる。
【０１３３】
本実施形態の製造方法によれば、同じ原料を用いながら、ゲル原料液の配合、処理温度、または時間を調節することにより、所望の音響インピーダンスを得ることができる。このため、求められる特性を有する音響整合層を容易に製作することができ、設計上の要求を満足する材料の探索に手間取られることがない。
【０１３４】
なお、本実施形態の超音波送受波器は、２層の音響整合層を有しているが、３層以上の音響整合層を備えていてもよい。この場合も、同様の製造方法で音響整合層を作製することができる。ただし、３層以上の音響整合層の全ての乾燥ゲルから形成する必要は無い。設計上、乾燥ゲルから作製した方が好ましい音響特性が得られる層だけを乾燥ゲルから形成しても良い。
【０１３５】
本実施形態の製造方法では、圧電体２に対して、第１音響整合層３ａおよび第２音響整合層３ｂを順次形成しているが、第１音響整合層３ａと第２音響整合層３ｂを別に形成して、後に圧電体２に対して接合させてもよい。
【０１３６】
また、本実施形態では、圧電体に形成した電極上に音響整合層を形成しているが、音響整合層は電極の上に限らず、電極の側面側に形成しても良い。また、音響整合層は圧電体と直接的に接触する必要はなく、圧電体と音響的に結合するように配置されていればよい。ここでいう「音響的な結合」とは、音響整合層と圧電体との間で超音波振動が伝搬しえる配置関係にあることを意味するものとする。従って、音波の送受信の阻害要因になりにくい部材が圧電体と音響整合層との間に介在していてもよい。このような部材には、後に説明する実施形態２の構造支持体（ケース）が含まれる。
【０１３７】
次に、図面を参照しながら、本実施形態で用いる２層の音響整合層の構造を説明する。
【０１３８】
図７（ａ）は、本実施形態の音響整合層３ａ、３ｂを模式的に示す断面図であり、図７（ｂ）は、多孔質セラミックから形成した第１音響整合層３ａと乾燥ゲルから形成した第２音響整合層３ｂとを模式的に示す断面図である。
【０１３９】
図７（ｂ）の構造では、多孔質セラミックからなる第１音響整合層３ａの空孔径が大きいため、超音波が伝搬する際に第１音響整合層３ａの内部における反射や減衰が発生しやすい。このため、多孔質セラミックから形成した音響整合層の特性は良くない。多孔質セラミックは、通常、平均粒径が１μｍ以上の粉末粒子を焼結することによって作製され、平均空孔径は数十μｍ以上である。
【０１４０】
一方、図７（ａ）に示す本実施形態の構成では、各音響整合層３ａ、３ｂを構成している乾燥ゲルは、数ｎｍ〜数μｍ程度の微細な空孔部分を持つ多孔質体である。このため、周波数が比較的高い超音波であっても、その波長が空孔部分よりも充分に大きいため、内部で超音波の反射や減衰が生じにくく、超音波の伝達性能が高い。
【０１４１】
空孔によって超音波の反射や減衰が生じないようにするには、平均空孔径を超音波の波長の１０分の１程度以下にすることが好ましい。多孔質セラミックの場合、空孔径をナノメートルオーダーに小さく形成することは、ほとんど不可能である。多孔質セラミックの音速が２０００ｍ／秒程度、平均空孔径が５０μｍ程度であるとすると、４ＭＨｚ以下の超音波は効率的に送受信することは可能であるが、４ＭＨｚを超える周波数の超音波を送受信することは実用的ではない。これに対して、乾燥ゲルの平均空孔径は数ｎｍであるため、４ＭＨｚを超える高い周波数の超音波でも効率的な送受信が可能である。
（実施形態２）
【０１４２】
図８を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第２の実施形態を説明する。
【０１４３】
本実施形態の超音波送受波器は、圧電体２と第１音響整合層３ａとの間に構造支持体を有している点を除けば、実施形態１の超音波送受波記録媒体の構成と同様の構成を有している。
【０１４４】
構造支持体１３は音響整合層３ａなどが固定される円盤状支持部と、この円盤状支持部から軸方向に連続的に伸びる円筒部とを備えている。円筒部の端面は、断面がＬ字型に折れ曲がり、圧電体２の遮蔽のためのプレート（不図示）や、他の装置などに固定しやすくなっている。
【０１４５】
構造支持体１３の表面には音響整合層３ａ、３ｂが配置されており、支持部裏面には圧電体２が配置されている。このような構造支持体１３を用いることにより、超音波送受波器の取り扱いが極めて容易となる。
【０１４６】
構造支持体は、密閉可能な容器（センサケース）から構成することができる。この場合、構造支持体１３の円筒部の開放端を遮蔽プレートなどで塞ぎ、かつ、構造支持体１３の内部を不活性ガスで満たせば、流量測定の対象とする流体から圧電体２を遮断することができる。
【０１４７】
圧電体２には電圧が印加されるため、可燃性ガスなどと圧電体が接すると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし構造支持体１３を密閉性の容器から構成し、圧電体のある内部を外部流体などと遮断することによって、そのような引火を防止して、可燃性ガスなどに対しても安全に超音波を送受波することができる。
【０１４８】
また可燃性ガスでなくとも、圧電体２と反応し、圧電体２に特性の劣化を与える可能性のあるガスとの間で超音波を送受波する場合でも、圧電体２が外部ガスから遮断することが好ましい。そうすることにより、圧電体２の劣化を防止し、長期間に渡って信頼性の高い動作を実現することが可能となる。
【０１４９】
構造支持体１３のうち、圧電体２と第１音響整合層３ａとの間に位置する部分は音響整合層として機能しない。このため、構造支持体１３がが音響的な阻害として働かないようにするため、構造支持体１３のうち、圧電体２と第１音響整合層３ａとの間に位置する部分の厚さを、送受波する超音波の波長の１／８程度以下とすることが望ましい。
【０１５０】
本実施形態では、構造支持体１３をステンレスから形成し、上記部分の厚さを０．２ｍｍに設定している。
【０１５１】
ステンレスの音速は約５５００ｍ／秒であり、超音波の５００ｋＨｚにおける波長は約１１ｍｍとなる。０．２ｍｍの厚さは波長の約１／５５に相当するため、構造支持体１３の存在は殆ど音響的阻害要因にはならない。
【０１５２】
構造支持体１３の材料は、ステンレスなどの金属材料に限定される物ではなく、セラミック、ガラス、樹脂などから目的に応じた材料が選択される。本実施形態では、外部の流体と圧電体を確実に分離し、構造支持体に何らかの機械的な衝撃が加わったとしても、圧電体と外部流体との接触を防止できる強度を与えるため、金属材料から構造支持体１３を作製している。これにより、例えば可燃性や爆発性を有するガスを対象として超音波の送受波を行っても高い安全性を確保することができる。
【０１５３】
なお、安全な気体に対して超音波の送受波を行う場合には、コスト低減を目的として、樹脂などの材料からなる構造支持体を用いても良い。
（実施形態３）
【０１５４】
図９を参照しながら、本発明による超音波流量計の実施形態を説明する。
【０１５５】
本実施形態の超音波流量計は、流量測定部５１として機能する管内を被測定流体が速度Ｖで流れるようにして設置される。流量測定部５１の管壁５２には、本発明の超音波送受波器から形成した超音波送受波器１ａおよび１ｂが相対して配置されている。
【０１５６】
ある時点では、超音波送受波器１ａが超音波送波器として機能し、超音波送受波器１ｂを超音波受波器として機能するが、他の時点では、超音波送受波器１ａが超音波受波器として機能し、超音波送受波器１ｂが超音波送波器として機能する。この切り替えは切替回路５３によって行われている。
【０１５７】
超音波送受波器１ａおよび１ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受波器１ａおよび１ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受波検知回路５５とに接続されている。受波検知回路５５の出力は、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５６に送られる。
【０１５８】
タイマ５６の出力は、流量を演算する演算部５７に送られる。演算部５７では、測定された超音波パルスの伝搬時間に基づいて、流量測定部５１内を流れる流体の速度Ｖが計算され、流量が求められる。駆動回路５４およびタイマ５６は、制御部５８に接続され、制御部５８から出力された制御信号によって制御される。
【０１５９】
以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。
【０１６０】
被測定流体として、例えばＬＰガスが流量測定部５１を流れる場合を考える。超音波送受波器１ａおよび１ｂの駆動周波数を約５００ｋＨｚとする。制御部５８は、駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。
【０１６１】
駆動回路５４は送波開始信号を受けると、超音波送受波器１ａを駆動し、超音波パルスを送波する。送波された超音波パルスは流量測定部５１内を伝搬して、超音波送受波器１ｂで受波される。受波された超音波パルスは超音波送受波器１ｂで電気信号に変換され、受波検知回路５５に出力される。
【０１６２】
受波検知回路５５では受波信号の受波タイミングを決定し、タイマ５６を停止させる。演算部５７は、伝搬時間ｔ１を演算する。
【０１６３】
次に、切替回路５３により、駆動回路５４および受波検知回路５５に接続する超音波送受波器１ａおよび１ｂを切り替える。そして、再び、制御部５９は駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。
【０１６４】
伝搬時間ｔ１の測定フローとは逆に、超音波送受波器１ｂで超音波パルスを送波し、超音波送受波器１ａで受波し、演算部５７で伝搬時間ｔ２を演算する。
【０１６５】
ここで、超音波送受波器１ａと超音波送受波器１ｂ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１ａおよび１ｂの中心を結ぶ線との角度をθとする。
【０１６６】
伝搬時間ｔ１、ｔ２は、それぞれ、測定によって求められる。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から流量を決定することができる。
【０１６７】
このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２はゼロクロス法と呼ばれる方法によって測定される。この方法では、図１０（ａ）に示すような受波波形に対して、適切なスレッショルドレベルを設定し、そのスレッショルドレベルを超えて、次に振幅が０になる点の時間を計測する。
【０１６８】
受波信号のＳ／Ｎが悪い場合、ノイズレベルによっては振幅が０となる点が時間的に変動するため、正確にｔ１、ｔ２を測定することが出来ず、正確な流量を測定することが困難になる場合がある。
【０１６９】
このような超音波流量計の超音波送受波器として、本発明の超音波送受波器を用いると、受波信号のＳ／Ｎが向上して、ｔ１、ｔ２を高い精度で測定することが可能となる。
【０１７０】
図１０（ｂ）に示すように、図１０（ａ）の場合に比べて受波信号の立ち上がりが遅い（狭帯域である）と、スレッショルドレベルの設定値に対して、ｔ１、ｔ２を測定する受波信号の山の位置が変動し、測定誤差となる可能性がある。
【０１７１】
しかし、本発明による超音波送受波器は広帯域で適切に動作するため、受波信号の立ち上がりがよく、正確な流量測定を安定的に行うことが可能となる。なお、ｔ１、ｔ２の値としては、複数回の測定によって得られた値の平均値を用いることが好ましい。
【０１７２】
広帯域の超音波を送受波できるということは、信号の立下りも早いことを意味する。このため、測定の繰り返しを早くした場合にも、前の送受波信号の影響を受けることが無い。その結果、測定の繰り返し周波数を高くして、瞬時の計測を可能とするものであり、ガス漏れなどを瞬時に計測する流量計を実現することが可能となる。
【０１７３】
なお、本実施形態では、図９に示すように、いわゆる「Ｚパス」と呼ばれる形態で超音波送受波器を配置している。本発明は上記の配置に限定されなず、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す各種の配置を採用しても良い。図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、「Ｖパス」、「Ｗパス」、および「Ｉパス」と呼ばれる配置形態を示している。いずれの配置によっても、本発明の超音波送受波器は前述の効果を発揮することができる。
【０１７４】
以上の各実施形態では、最上層の音響整合層（第１音響整合層）の上面は露出しているが、この面を厚さ１０μｍ以下程度の保護幕でカバーしてもよい。このような保護膜は、大気と音響整合層の直接的な接触を避け、音響整合層の特徴を長期に渡って保持するのに寄与する。保護膜は、例えば、アルミニウム、酸化ケイ素、低融点ガラス、高分子などの材料からなる膜（単層に限定されない）によって構成される。保護膜は例えばスパッタリングやＣＶＤ法などによって堆積される。
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
本発明によれば、乾燥ゲルからなる複数層の音響整合層を持たせることにより、高感度で広帯域な超音波送受波器を実現することが可能となる。また同じ材料から複数層の整合層を構成しているため各層での剥離が起こらず、製造時の歩留まり、使用時の信頼性が向上する。
【０１７６】
また同じ素材を用いて任意の音響インピーダンスを有する音響整合層を形成できるため、設計通りの超音波送受波器を実現し、また音響整合層の材料開発・探索を省くことができるという有利な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】従来の超音波流量計を示す断面図である。
【図２】従来の超音波送受波器を示す断面図である。
【図３】本発明による超音波送受波器の第１の実施形態を示す断面図である。
【図４】ゲル化工程を行うことによって第１音響整合層の音響インピーダンスがどのように変化するかを模式的に示すグラフである。
【図５】（ａ）から（ｆ）は、本発明の実施形態１における超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施形態１における超音波送受波器の送受信波形を示すグラフであり、（ｂ）は、比較例における送受信波形を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本実施形態の音響整合層を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、多孔質セラミックから形成した第１音響整合層と乾燥ゲルから形成した第２音響整合層とを示す断面図である。
【図８】本発明の超音波送受波器の第２の実施形態を示す断面図である。
【図９】本発明による超音波流量計の実施形態を示す図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、図５の超音波流量計による伝搬時間測定方法を示す図である。
【図１１】（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、超音波流量計におけるＶパス、Ｗパス、およびＩパスの配置例を示す図である。

Claims (3)

1. （ａ）第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、前記第１および第２の面に電極が形成された圧電体を用意する工程と、
   （ｂ）前記圧電体における前記第１および第２の面の少なくとも一方の側に、音響インピーダンスの異なる少なくとも２つの音響整合層を乾燥ゲルから形成する工程と、
   を含み、
   前記工程（ｂ）は、
   （ｂ１）前記圧電体の第１および第２の面の少なくとも一方に第１のゲル原料を供給する工程と、
   （ｂ２）前記第１のゲル原料液をゲル化させて第１の湿潤ゲル層を形成する工程と、
   （ｂ３）前記第１の湿潤ゲル層の上に第２のゲル原料を供給し、前記第２のゲル原料によって前記第１の湿潤ゲルを改質し、前記第１の湿潤ゲルの音響インピーダンスを変化させる工程と、
   （ｂ４）前記第１の湿潤ゲル層の上に前記第２のゲル原料を更に供給し、前記第１の湿潤ゲルの外側で前記第２のゲル原料液をゲル化させることにより、前記第１の湿潤ゲルの音響インピーダンスを変化させるとともに前記第１の湿潤ゲル上に第２の湿潤ゲル層を形成する工程と、
   （ｂ５）前記第１および第２の湿潤ゲル層を乾燥させることにより、前記第１および第２の湿潤ゲル層から、それぞれ、第１音響整合層および第２音響整合層を形成する工程と、
   を含む、超音波送受波器の製造方法。
2. 前記工程（ｂ）は、更に、
   （ｂ６）前記第２の湿潤ゲル層の上に第３のゲル原料を供給する工程と、
   （ｂ７）前記第３のゲル原料液をゲル化させて第３の湿潤ゲル層を形成する工程と、
   を含み、
   前記工程（ｂ５）において、前記第３の湿潤ゲル層を乾燥させて第３音響整合層を形成する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記工程（ｂ５）の前に、前記湿潤ゲル層に対する撥水化処理を行う請求項１または２に記載の製造方法。

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