JP4014940B2

JP4014940B2 - Acoustic matching member, ultrasonic transducer, ultrasonic flow meter, and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4014940B2
Application number: JP2002167801A
Authority: JP
Inventors: 誠吾白石; 範久 ▲高▼原; 恵美子井垣; 大介別荘; 裕治中林; 英樹両角
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2003111195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用して気体の流量を測定する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置などに用いる超音波送受波器に関するもので、特に、振動子の音響インピーダンスと被測定流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合部材およびその製造方法、さらにはこれを用いた超音波送受波器および超音波流量計に関するものである。
【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。
【０００４】
図１２に示すように、流路を具備した測定管の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振動子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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。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。
（数１）
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（１）
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。
（数２）
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（２）
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。
（数３）
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（３）
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。
【０００８】
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。
【０００９】
図１１は従来の超音波送受波器２０の構成を示す断面図である。１０は音響整合手段である音響整合層、７はセンサケース、５は振動手段である圧電体、６は電極、８は絶縁シール、１４は振動端子である。センサケース７と音響整合層１０、またセンサケース７と圧電体５はエポキシ系の接着剤等を用いて接着されている。圧電体５で振動された超音波は特定の周波数で振動し、その振動はエポキシ系の接着剤を介してケースに伝わり、さらにエポキシ系の接着剤を介して音響整合層１０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。
【００１０】
この音響整合層１０の役割は振動手段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。
（数４）
Ｚ＝ρ×Ｃ・・・（４）
音響インピーダンスは振動手段である圧電体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、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（Ｚ０）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、振動手段である圧電体と超音波の放射媒体である気体のそれぞれの音響インピーダンスＺ０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。
（数５）
Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）^(1/2) ・・・（５）
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／ｍ²・ｓ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からなる超音波振動子の面に形成して使用されている。また、中空ガラス球を熱圧縮する方法、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。
【００１１】
また音響整合部材には図４に示すような多孔質体が用いることもできる。図４は多孔質体の断面模式図で、多孔質体９は骨格材料１と空隙２で構成されている。このような構造体を採用することにより、密度を小さくしすることが可能となり、結果的に音響整合部材の音響インピーダンスを理想値に近づけることができる。
【００１２】
音響整合部材に多孔質体を用いた例として、例えば特開昭６１−１６９１００号公報を挙げることができる。ここでは音響整合部材として高分子多孔膜を用いた例が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に多孔質体を音響整合部材として用いる場合、以下に示すような２つの課題が存在した。
【００１４】
第１の課題は、多孔質体の空隙率を高め密度を小さくし、音響インピーダンスを理想値に近づけていっても、すなわち、音響インピーダンスを小さくしていっても、超音波送受波器の送受信効率が期待通りは向上しなかったという課題である。また第２の課題は、多孔質体の空隙率を高め、密度を小さくしていくに従って、音響整合部材の機械強度が低下し、超音波送受波器を製造する際、前記音響整合部材が壊れやすくという課題が存在した。
【００１５】
上記音響整合層の音響インピーダンスが低いのにもかかわらず、超音波送受効率が期待通りに向上しなかった第１の課題に対して詳細な検討を行った結果、我々は以下の結論に至った。多孔質体を音響整合層部材として用いた場合は、被測定流体に相対する多孔質体表面すなわち多孔質体の断面は、多孔質体を構成する骨格材料の断面と、それ以外の部分は空隙である。一方、超音波の伝搬の本質は、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）にある。前記のように音響整合部材としての多孔質体の断面は多くが空隙であり、そのような形状では、効率よく被測定流体を振動（送信）させることが困難であり、また被計測流体の振動によって自らが効率よく振動すること（受信）が困難である。そのため音響整合部材として多孔質体を用いた超音波送受波器の超音波送受信効率が低くなってしまうとの結論に至った。
【００１６】
本発明は、前記従来の課題を解決し、音響整合層として多孔質体を用いる超音波送受波器の送受信効率を向上させることと、さらには音響整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器を提供することを目的とする。また同超音波送受波器を用いたことにより、高品質な超音波流量計を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の音響整合部材は、圧電振動子を備え、超音波を送信または受信する超音波送受波器に組み込むための音響整合部材であって、多孔質体と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層を具備し、かつ前記多孔質体の表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
次に本発明の超音波送受波器は、前記の音響整合部材と圧電振動子とを備え、超音波を送信または受信する超音波送受波器であって、前記音響整合層部材を備えたことを特徴とする。
【００２１】
次に本発明の超音波流量計は、前記の超音波送受波器を備えた流量計であって、被測定流体が流れる流路を具備した測定管と、前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路と、前記超音波送受波器に超音波を受信させる受信回路と、前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送受切替回路と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算する演算部を含むことを特徴とする。
【００２２】
次に本発明の第１番目の音響整合部材の製造方法は、
（ａ）多孔質体を準備し、
（ｂ）固体化後の空隙率が、少なくと前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率を有するように調整された流動ペーストを準備し、
（ｃ）前記多孔質体表面の少なくともい一部に前記流動性ペーストを層状に形成し、
（ｄ）前記層状に形成した流動性ペースト層を固体化させることで低空隙率層を形成することを特徴とする。
【００２３】
次に本発明の第２番目の音響整合部材の製造方法は、
（ａ）多孔質体を準備し、
（ｂ）コロイダルシリカを主成分とするコロイダルシリカ溶液を準備し、
（ｃ）前記多孔質体の少なくとも一部表面に前記コロイダルシリカ溶液を接触、含浸させ、
（ｄ）コロイダルシリカ溶液を含む前記多孔質体を加熱し、
（ｅ）前記多孔質体の表面および内部にシリカ拡散層を形成したことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い低空隙率層を具備させたり、また表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層を具備させた音響整合部材を、音響整合層として超音波送受波器に用いた結果、従来の音響整合層として多孔質体を用いた超音波送受波器に比較して、送受信効率を向上させ、また音響整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器を提供することができる。なぜならば、本発明による音響整合部材は、前記低空隙層もしくはバインダ拡散層を具備した結果、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、従来の多孔質体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うことができる。
【００２５】
その結果、本発明による音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波器は、超音波送受信効率が高いものとなる。また本発明による音響整合部材は、従来の脆く壊れやすい多孔質体に、前記低空隙層やバインダ拡散層を付加したものであり、その結果従来の多孔質体に比較して機械的強度が向上し、その結果音響整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器を提供することができる。
【００２６】
本発明による音響整合部材は、次のように作成するのが好ましい。
【００２７】
第一に多孔質体を少なくともアルミナ、シリカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつ低空隙層をガラス拡散層で形成することが好ましい。多孔質体および低空隙率層を無機物で構成することが好ましい。音響整合部材を、物性（密度、音速、形状寸法）の温度変化率が有機物のそれに比較して小さい無機酸化物で構成すると、同音響整合部材を用いた超音波送受波器および超音波流量計の使用環境温度変化に対して特性（出力、インピーダンス）変化が小さくなるために好ましい。
【００２８】
第二に多孔質体を少なくともアルミナ、シリカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつ低空隙層を有機材料で形成することが好ましい。音響整合部材の主な構成部分である多孔質体を無機物で構成すると、前記と同様に、使用環境の温度変化に対し、物性および特性変化が小さい音響整合部材、超音波送受波器および超音波流量計を得ることができる。さらに、一般にガラスやセラミックより低い密度を有する有機材料で低空隙層を形成した結果、音響整合部材の密度をより低いものとすることが可能となり、音響インピーダンスをより被測定流体の音響インピーダンスに近づけることができる。またガラスに比較して脆性破壊しにくい有機材料で低空隙層を形成することで、製造時に壊れにくい音響整合部材、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。
【００２９】
第三に多孔質体を少なくともアルミナ、シリカ、ガラスの内の１つ以上を含む成分で形成し、かつバインダ拡散層をコロイダルシリカを原料としたシリカで形成することが好ましい。前記に述べたように、音響整合部材を無機物で構成すると、前記と同様に、使用環境温度変化に対して特性（出力、インピーダンス）変化が小さくなるために好ましい。
【００３０】
第四に低空隙率層とバインダ拡散層の両方を具備することがより好ましい。
【００３１】
また、本発明による超音波送受波器の前記密閉容器は、金属材料で構成することが好ましい。
【００３２】
本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の音響整合部材の断面図である。音響整合部材１１は、多孔質体９と前記多孔質体の表面に形成された低空隙率層３とで構成されている。用いられる多孔質体９は、図４に示したように、骨格材料１と空隙２とで構成されている。本発明による音響整合部材は低空隙層を具備した結果、従来の多孔質体に比べ機械的強度が高く、また本発明による音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波器では、超音波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率が高いものとなる。
【００３４】
（実施の形態２）
図２は、本発明の音響整合部材の断面図である。音響整合部材１２は、多孔質体９と前記多孔質体の表面および内部に含浸担持されたバインダ拡散層４とで構成されている。多孔質体９は、前記実施の形態１と同様に、図４に示したように骨格材料１と空隙２とで構成されている。本発明による音響整合部材はバインダ拡散層を具備した結果、従来の多孔質体に比べ機械的強度が高く、また本発明による音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波器では、超音波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率が高いものとなる。
【００３５】
（実施の形態３）
図３は、本発明の音響整合部材の断面図である。音響整合部材は１３は、多孔質体９と、前記多孔質体の表面および内部に含浸担持されたバインダ拡散層４と、前記多孔質体の表面に形成された低空隙層３とで構成されている。多孔質体９は、前記実施の形態１と同様に、図４に示したように骨格材料１と空隙２とで構成されている。本発明による音響整合部材は低空隙層と、バインダ拡散層とを具備した結果、従来の多孔質体に比べ機械的強度が高く、また本発明による音響整合部材を音響整合層として用いた超音波送受波器では、超音波伝搬の効率が向上し、超音波送受信効率が高いものとなる。
【００３６】
実施の形態１ないし３において、前記多孔質体をセラミックもしくはセラミックとガラスとの混合物の焼結多孔質体で構成することが好ましい。本発明に用いる多孔質体は、低空隙率層もしくはバインダ拡散層を担持できる材料であれば、いすれの材料も適用できるが、前記のような物性の安定性、さらには化学的安定性（耐測定流体安定性）から、セラミックもしくはセラミックとガラスとの混合物の焼結多孔質体を用いることがより好ましい。特に限定するものではないが、被測定流体のひとつである気体に対する整合の意味から、０．４ｇ／ｃｍ³から１．０ｇ／ｃｍ³の見かけ密度を有した多孔質体であって、骨格材料（骨格材料）としては、アルミナやシリカ粉体とガラス粉体とからなる焼結体であることがより好ましい。
【００３７】
本発明における前記多孔質体の空隙率は、０を超え、９０％以下が好ましい。同一の骨格材料を用いた場合、空隙率が大きい程、多孔質体の見掛密度は小さくなり、音響整合部材としての音響整合性は向上するが、一般に入手もしくは製造が容易な多孔質体であること、さらには空隙率の向上による機械強度の低下を考慮すると前記０を越え、９０％以下とすることが好ましい。
【００３８】
また、前記多孔質体のポアサイズは、０．４ｍｍ以下であることが好ましい。ポアサイズの適正値は、多孔質体を伝搬する超音波の音速および周波数から決定される。音響整合部材としての多孔質体は、多孔質体であっても超音波の伝搬に関して単一材料（非多孔質体）と同様な振舞いをすることが好ましい。言い換えるならば、空隙を有している部材（非多孔質体）であっても、超音波伝搬挙動に関して前記空隙が影響しないことが好ましい。多孔質体中の超音波伝搬に関し、ポアサイズ（直径）が伝搬する超音波の波形の１／２０〜１／１０以下の場合、その影響が無視できることが一般に言われている。多孔質体の中に伝搬する超音波の音速およびその周波数によって異なるが、仮に音速を２０００m／ｓ、周波数を５００ｋHｚとすると、波長は４ｍｍであって、ポアサイズをその１／１０である０．４ｍｍ以下にすると超音波伝搬挙動に関し空隙の影響を無視することができることから好ましい。さらにポアサイズを伝搬する超音波の波長の１／１００以下（すなわち０．０４ｍｍ以下のポアサイズ）にするとより好ましい。
【００３９】
なお、本発明における低空隙層とは、本発明における音響整合層部材に用いられる多孔質体に比較して空隙の割合が低いものであればよい。したがって、空隙が全く存在しなくても構わない。
【００４０】
低空隙率層として、ガラス拡散層を用いることができる。ガラス拡散層は、多孔質体表面に、例えば市販のガラスペーストを所望の厚みにスクリーン印刷法を用いて塗布形成し、乾燥、熱処理を行い焼結させることで担持させることで形成することができる。多孔質体の表面にガラスペーストをスクリーン印刷するため、ガラスペーストが一部、多孔質体の空隙中に浸透し、低空隙率のガラス拡散層を形成する。
【００４１】
なお、ここでは、ガラスペースト印刷による低空隙率層の形成について示したが、この方法に限定されるものではなく、例えばガラス粉末と有機バインダとから成る焼結前のガラスグリーンシートを加圧接着して、その後熱処理による有機バインダの除去、ガラス粉末の焼結を経て、低空隙率層を形成しても良い。
【００４２】
低空隙率層として有機材料を用いることができる。有機材料は、例えば市販のエポキシ樹脂を主成分とする半硬化状態の樹脂ペーストを所望の厚みにスクリーン印刷法を用いて形成し、加熱硬化させることで担持させることができる。また市販の半硬化状態のエポキシ系樹脂接着シートを多孔質体の表面に接着硬化担持させることで低空隙率層とすることもできる。
【００４３】
なお、本発明のバインダ拡散層としては、例えばコロイダルシリカを原料としたシリカで形成することができる。例えばコロイダルシリカを含む水溶液を、前記多孔質体の表面に塗布したり、一部表面から含浸させる。その後所望の温度時間で熱処理することで、コロイダルシリカを縮合重合させ、シリカを前記多孔質体中の骨格材料部分に結着させる。前記の方法によるシリカの存在により、骨格材料部分の結合を高めるバインダ拡散層の役割を果たすようになる。コロイダルシリカ溶液の熱処理温度としては、１００℃以上から多孔質体が変質しない温度までの間で行うことが好ましい。また、バインダ拡散層は、本発明の目的が達成される限り、無機物に限定されず、有機物を用いても良い。
【００４４】
なお、実施の形態１ないし３における音響整合部材の低空隙率層もしくはバインダ拡散層は、前記音響整合部材を超音波送受波器に取り付けた際に、被測定流体と相対する多孔質体の少なくとも一部表面に形成されていればよい。
【００４５】
なお、実施の形態１ないし３において、音響整合部材により、音響インピーダンスを整合して超音波送受波器の感度を向上するためには、音響整合層の厚さにも関係する。すなわち、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（被測定流体）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最も小さくなる条件の時であり、音響整合層の厚さが超音波発振波長の１／４の時に透過強度が最大となる。特に限定するものではないが、音響整合部材の厚みがその音響整合部材中を通過する超音波発振波長のおよそ１／４の波長に成るように構成することが高感度に効果がある。なお、超音波発振波長のおよそ１／４の波長とは、１／８波長から３／８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１／２波長に近づくため感度が逆に低下してしまう。
【００４６】
（実施の形態４）
図５に本発明の実施の形態４による超音波送受波器の断面図を示す。図５における超音波送受波器２００は、本発明の前記実施の形態１ないし３のいずれかに記載の音響整合部材１０と、圧電体５と、電極６とで構成されている。本発明においては、圧電体５と電極６とを合わせて圧電振動子という。
【００４７】
さらに音響整合部材１０は、前記音響整合部材中の低空隙率層もしくはバインダ拡散層を形成した表面が、被測定流体と相対するように配置されてなる。圧電体５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６を有している。音響整合部材１０は、前記したように被測定流体に超音波を送波、または被測定流体を伝搬してき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５の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よくでてゆき、到来して超音波を効率よく電圧に変換させる役目を有し、圧電体５の超音波送受波面としての圧電体５の片面に配置されている。
【００４８】
本実施の形態による超音波送受波器は、その音響整合層として本発明による低空隙層もしくはバインダ拡散層を有した音響整合部材を用いた結果、超音波送受信効率が高く、かつ音響整合層の破壊に起因した故障が少ない優れた超音波送受波器を得ることができる。
【００４９】
（実施の形態５）
図６に本発明の実施の形態５による超音波送受波器の断面図を示す。図６における超音波送受波器２０１は、本発明の前記実施の形態１ないし３のいずれかに記載の音響整合部材１０と、圧電体５と、電極６と、密閉容器７とで構成されている。
【００５０】
圧電体５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からなり、厚さ方向に分極され、上下面に電極６を有している。本発明実施の形態５における超音波送受波器では、前記圧電体５が密閉容器７の内面に接着配置されており、さらに音響整合部材１０は、前記音響整合部材中の低空隙率層もしくはバインダ拡散層を形成した表面が、被測定流体と相対するように配置されている。また図６における１４は駆動端子であって、圧電体５の電極６にそれぞれ接続されている。また８は二つの駆動端子の電気的独立を確保するための絶縁シールである。
【００５１】
実施の形態５の構成による超音波送受波器は、前記実施の形態４の構成による効果作用に加え、密閉容器７を設けることで取扱いの簡便さなどの点で有効となる。さらに密閉容器７は機械的に構造を支持する働きを有する。
【００５２】
なお、密閉容器７は、密度０．８ｇ／ｃｍ³以上であり、その構造支持層の厚さが構造支持層中の超音波発振波長の１／８未満が有効である。例えば、０．１〜０．５ｍｍの範囲が好ましい。
【００５３】
このような密度、厚みを選択した場合、すなわち、構造支持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小さな時には、超音波の送受波への影響が極めて小さくなる。
【００５４】
密閉容器７の材料としては、金属材料や、セラミック、ガラスなどの無機材料、さらにプラスチックなどの有機材料を用いることができる。特に密閉容器を構成する材料を導電性材料、特に金属材料を選択した場合、圧電体５を発振、または受信した超音波を検知する電極の働きも有する。被測定流体として、可燃性ガスを検知対象とする場合は、密閉容器７にすることで、圧電体５をガスと隔離することができる。内部は窒素などの不活性ガスをパージしておくことが好ましい。
【００５５】
（実施の形態６）
図７は本実施の形態６における超音波流量計の一例の断面説明図とそのブロック図である。被測定流体が流れる流路５１を具備した測定管５２と、前記測定管に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器１０１および１０２と、前記超音波送受波器に超音波を送信させる送信回路５３と、前記超音波送受波器に超音波を受信させる受信回路５４と、前記一対の超音波送受波器の、送信から受信または受信から送信を切り替える送受切替回路５５と、カウンタ回路とクロック・パルス発生回路から構成される超音波伝搬時間計測回路５６と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量に換算する演算部５７とからなる超音波流量計である。５８はクロック・パルス発生回路、５９はカウンタ回路である。
【００５６】
以下、本発明による超音波流量計の動作について順を追って説明する。
【００５７】
被測定流体、例えばＬＰガスを図面左方向から右方向（図中→方向）に流通させ、送信回路５３より、一定の周期で送信信号を発信させる。送信された信号は、送受切替回路５５によってまず超音波送受波器１０１に伝達され、同超音波送受波器１０１が駆動される。例えば、駆動周波数は約５００ｋＨｚとする。駆動した超音波送受波器１０１から超音波が送信され、その超音波を対向して設置された超音波送受波器１０２が受信し、受信した信号は送受切替回路５５を経由し、受信回路５４に入力される。送信回路５３からの送信信号（Ｔ）と受信回路５４からの受信信号（Ｒ）とが、クロック・パルス発生回路５８およびカウンタ回路５９から構成される超音波伝搬時間計測回路５６に入力され、伝搬時間ｔ１が計測される。次に伝搬時間ｔ１の測定と逆に、送受切替回路５５を用い、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で受信することで、超音波伝搬時間計測回路５６で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００５８】
ここで超音波送受波器１０１と超音波送受波器１０２の中心を結ぶ距離をＬ、被測定流体としてのＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流路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なす角度をθとすると、既知である距離Ｌ、角度θ、音速Ｃ、および計測した伝搬時間ｔ１およびｔ２から流速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り、流量計を構成できる。
【００５９】
【実施例】
以下実施例を用いてさらに具体的に説明する。
【００６０】
（実施例１）
本実施例１は、前記の（実施の形態１）に記載した音響整合部材の一実施例であり、特に低空隙率層としてのガラス拡散層を有する音響整合部材である。図１を用いて詳細に説明する。
（１）多孔質体の形成
多孔質体９の骨格を形成する材料（骨格材料）の原料として、アルミナ粉体とガラス粉体の混合粉体（日本電気硝子社製、商品名「ＭＬＳ−２０００」、真密度が３.２×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が６０００ｍ／ｓｅｃ）を原料粉体として用いた。前記原料粉体とアクリルの微小球（綜研化学社製、商品名「ケミスノー」）を体積比で１０／９０になるように混合し混合粉体とした。次に前記混合粉体にバインダとしてのポリビニルアルコールを含み水溶液を適当量添加し、混練することにより、径が０．１〜１ｍｍの造粒粉を作製した。次に、前記造粒粉を円板成形プレス治具に仕込み、１ｔ／ｃｍ²で１分の圧力をかけることにより、直径２０ｍｍ、厚み２ｍｍの乾式成形円板を得た。次に前記乾式成形円板を４００℃で熱処理し、前記アクリルの微小球およびバインダとしてのポリビニルアルコールを燃焼消失させ、その後９００℃、２時間大気中で熱処理することで多孔質体９としてのセラミック焼結多孔質体を得た。得られた多孔質体を直径１２ｍｍ、厚み０．８ｍｍに上下両面より研磨した。得られた多孔質体は、見かけ密度が０．７８×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が１６００ｍ／ｓｅｃ、音響インピーダンスが１．２×１０⁶ｋｇ／ｍ²ｓの物性値を有するセラミック焼結多孔質体である。
（２）低空隙率層の形成
前記の方法により得られた多孔質体９の表面の一部に、低空隙率層３としてのガラス拡散層を形成した。
【００６１】
以下に前記ガラス拡散層を形成する方法を説明する。
【００６２】
まず、原料として、市販のガラスペースト（奥野製薬「ＯＣ−４９０」）を準備した。次に多孔質体９としての前記セラミック焼結多孔質体の表面にガラスペーストを、スクリーン印刷法を用いて、塗布乾燥後の膜厚が約２０μｍになるように印刷形成した。次に、表面の一部にガラスペースト乾燥膜を有する前記セラミック焼結多孔質体を、５００℃、１０分熱処理することで、ガラスを溶融させ、表面に約１０μｍの低空隙率層３としてのガラス拡散層を形成した。最終的に、図１に示したような、多孔質体の表面の一部に低空隙率層３としてのガラス拡散層を有する本発明による音響整合部材１１を得た。得られた音響整合部材１１の見かけ密度は、０．８６×１０³ｋｇ／ｍ³であった。
【００６３】
（実施例２）
本実施例１は、前記の（実施の形態１）に記載した音響整合部材の一実施例であり、特に低空隙率層が有機材料で形成された音響整合部材である。図１を用いて詳細に説明する。
（１）多孔質体の形成
多孔質体９としては、前記（実施例１）と全く同様なセラミック焼結多孔質体を用いた。
（２）低空隙率層の形成
前記の方法により得られた多孔質体９としてのセラミック焼結多孔質体の表面の一部に、低空隙率層３としての有機材料からなる層（以下、「有機材料層」と記す。）を形成した。
【００６４】
以下に前記有機材料層を形成する方法を説明する。
【００６５】
まず、原料として、市販の硬化前のエポキシ樹脂ペースト（日本ペルノックス社製、商品名「ＣＥ−５１Ａ／Ｂ」）を準備した。次に多孔質体９としての前記セラミック焼結多孔質体の表面に前記エポキシペーストを、スクリーン印刷法を用いて、塗布乾燥後の膜厚が約２０μｍになるように印刷形成した。次に、１５０℃、２時間加熱熱処理することで、エポキシ樹脂ペーストを硬化させ、表面に約９μｍの低空隙率層３としての有機材料層を形成した。最終的に、図１に示したような、多孔質体の表面の一部に低空隙率層３としての有機材料層を有する本発明による音響整合部材１１を得た。得られた音響整合部材１１の見かけ密度は、０．７９×１０³ｋｇ／ｍ³であり、用いたい多孔質体と同等であった。
【００６６】
（実施例３）
本実施例３は、前記の（実施の形態２）に記載した音響整合部材の一実施例である。図２を用いて詳細に説明する。
（１）多孔質体の形成
多孔質体９としては、前記（実施例１）および（実施例２）と全く同様なセラミック焼結多孔質体を用いた。
（２）バインダ拡散層の形成
前記の方法により得られた多孔質体９としてのセラミック焼結多孔質体の表面および内部にバインダ拡散層４を形成した。
【００６７】
以下にバインダ拡散層を形成する方法を説明する。
【００６８】
まず、原料として、市販のコロイダルシリカ溶液（常盤電機「ＦＪ２９４」の２倍希釈液）を準備した。次に、多孔質体９としてのセラミック焼結多孔質体をガラスシャーレ内に配置し、前記コロイダルシリカ溶液を適当量、ガラスシャーレ内の前記セラミック焼結多孔質体が配置していない部分に注ぎいれた。その後５分間減圧し、セラミック焼結多孔質体の表面および内部に前記コロイダルシリカ溶液を含浸させた。さらにコロイダルシリカ溶液を担持したセラミック多孔質体をガラスシャーレより取り出し、１５０℃、３０分間加熱処理し、図２に示したような、表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層４とてのシリカ層を担持した本発明による音響整合部材１２を得た。得られた音響整合部材１１の見かけ密度は、０．９５×１０³ｋｇ／ｍ³であった。
【００６９】
（実施例４）
本実施例４は、前記の（実施の形態３）に記載した音響整合部材の一実施例である。図３を用いて詳細に説明する。
（１）多孔質体の形成
多孔質体９としては、前記（実施例１）〜（実施例３）に用いたセラミック焼結多孔質体と全く同様なものを用いた。
（２）バインダ拡散層の形成
前記（実施例３）に詳細記載した方法と全く同様な方法により、前記セラミック焼結多孔質体の表面および内部の少なくとも一部バインダ拡散層４としてのシリカ層を担持した音響整合部材を得た。すなわち、ここまでの操作により、前記（実施例３）と全く同様な音響整合部材１２を準備した。
（３）低空隙率層の形成
前記までの操作により得られた音響整合部材の表面に、前記（実施例２）（２）に記載した方法により、低空隙率層３としての有機材料からなる有機材料層を形成した。最終的に表面に低空隙率層３としての有機材料層と、の表面および内部にバインダ拡散層としてのシリカ層とを具備した音響整合部材１３を得た。得られた音響整合部材１１の見かけ密度は、０．９６×１０³ｋｇ／ｍ³であった。
【００７０】
なお、本実施例において、最初に、音響整合部材内部にバインダ拡散層を形成し、その後に、音響整合部材表面に低空隙率層を形成する製造方法を示したが、最初に、低空隙率層を形成し、その後に、バインダ拡散層を形成してもよい。
【００７１】
（比較例１）
前記の（実施例１）〜（実施例４）に用いたセラミック焼結多孔質体のみによる音響整合部材を（比較例１）とした。
【００７２】
前記までの本発明による（実施例１）〜（実施例４）による音響整合部材と、比較例として、従来の多孔質体のみを音響整合部材とした（比較例１）の合計５種類の音響整合部材について、機械的強度についての比較を行った。すなわち図８に示したように、準備した５種類の音響整合部材１０を上面プレス治具１４および下面プレス治具１５の二つの治具で挟持し、図面矢印方向（図面中垂直方向）より、所定の荷重を加えた際の破壊する頻度を比較した。各音響整合部材を複数用意し、５ｋｇ／ｃｍ²、７ｋｇ／ｃｍ²、１０ｋｇ／ｃｍ²、および５０ｋｇ／ｃｍ²の４水準の荷重を１分後加えた後、光学顕微鏡観察により、亀裂が確認されたものを破壊したと判断した。各音響整合部材、各条件について、１０個ずつ同様な試験を行い、破壊頻度を算出した。その結果を下記、（表１）にまとめて示す。なお、表中の０／１０とは、１０個試験した内破壊したものがない（０個）ことを意味し、また１０／１０とは、１０個試験をした内の全て（１０個）に破壊が確認されたことを意味する。
【００７３】
【表１】

【００７４】
（表１）の結果から明らかなように、従来の音響整合部材としての多孔質体である（比較例１）に比較して、本発明による音響整合部材である（実施例１）〜（実施例４）による音響整合部材は機械的強度が高いことが確かめられた。
【００７５】
（実施例５、６）
本実施例５および実施例６は、前記の（実施の形態１）に記載した音響整合部材を用い、（実施の形態５）に記載の超音波送受波器を得た例である。図１および図６を用いて詳細に説明する。
（１）音響整合層
音響整合層として、図１に示したように、前記の本発明による低空隙率層３を具備した多孔質体９から成る音響整合部材１１を用いた。（実施例５）としては前記の（実施例１）に詳細記載した低空隙率層３としてのガラス拡散層を具備した音響整合部材を用いた。また（実施例６）では、前記（実施例２）に詳細記載した低空隙率層３として有機材料層を具備した音響整合部材を用いた。
（２）圧電体と容器
圧電体５としては、所望サイズのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT)セラミック体の上下面に電極６を形成し、分極した振動子を用いた。また密閉容器７としては、ステンレス製のステンレスケースを準備した。
（３）超音波送受波器の形成
前記のそれぞれの方法により得られた音響整合層としての音響整合部材と、密閉容器７としてのステンレスケースと、圧電体５としての振動子を、層間にそれぞれ厚み５０μｍのエポキシ系樹脂接着シート（日立化成製、品番；T2100)を配置し、上下面より５ｋｇ／ｃｍ²の圧力をかけ、１５０℃、２時間の加熱熱処理を行うことにより、３者を接着一体化させた。最終的に図６に示したような、音響整合層として、本発明の低空隙率層としてのガラス拡散層を具備した音響整合部材を用いた超音波送受波器（実施例５）と、音響整合層として、本発明の低空隙率層としての有機材料層を具備した音響整合部材を用いた超音波送受波器（実施例６）とを得た。
【００７６】
（実施例７）
本実施例７は、前記の（実施の形態２）に記載した音響整合部材を用い、（実施の形態５）に記載の超音波送受波器を得た例である。図２および図６を用いて詳細に説明する。
（１）音響整合層
音響整合層として、図２に示したように、前記の本発明によるバインダ拡散層４を具備した多孔質体９から成る音響整合部材１２を用いた。より具体的には、前記の（実施例３）に詳細記載したバインダ拡散層４としてのシリカ層を担持した音響整合部材を用いた。
（２）圧電体と容器
前記の（実施例５）および（実施例６）と同様とした。
（３）超音波送受波器の形成
前記、（実施例５）および（実施例６）と全く同様の材料および方法用い、超音波送受波器を形成した。最終的に図６に示したような、音響整合層として、本発明のバインダ拡散層としてのシリカ層を担持した音響整合部材を用いた超音波送受波器を得た。
【００７７】
（実施例８）
本実施例８は、前記の（実施の形態３）に記載した音響整合部材を用い、（実施の形態５）に記載の超音波送受波器を得た例である。図３および図６を用いて詳細に説明する。
（１）音響整合層
音響整合層として、図３に示したように、前記の本発明による低空隙率層３とバインダ拡散層４を具備した多孔質体９から成る音響整合部材１３を用いた。より具体的には、前記の（実施例３）に詳細記載した、低空隙率層３としての有機材料層と、バインダ拡散層４としてのシリカ層とを具備した音響整合部材を用いた。
（２）圧電体と容器
前記の（実施例５）および（実施例６）と同様とした。
（３）超音波送受波器の形成
前記の（実施例５）および（実施例６）と同様の材料および方法用い、超音波送受波器を形成した。最終的に図６に示したような、音響整合層として、本発明の低空隙率層３としての有機材料層と、バインダ拡散層４としてのシリカ層を担持した音響整合部材を用いた超音波送受波器を得た。
【００７８】
（比較例２）
比較例２として、音響整合層として従来の多孔質体を用いた超音波送受波器を製作した。より具体的には、前記の（比較例１）による多孔質体、すなわち前記本発明による音響整合部材の多孔質体部分であるセラミック焼結多孔質体のみを音響整合層として用いた。音響整合部材を従来の多孔質体とした以外の項目は、すべて前記（実施例５〜８）と同様にし、従来技術による超音波送受波器を得た。
【００７９】
以上得られた本発明による超音波送受波器である（実施例５）〜（実施例８）による超音波送受波器と、従来技術による超音波送受波器である（比較例２）による超音波送受器との合計５種類の超音波送受波器の送受信効率の比較評価を行った。図９を用いて説明する。
【００８０】
図９中の２０は評価対象である超音波送受波器であり、１６は超音波を反射する反射板であり、両者は間に空気（距離；２０ｃｍ）を介し相対して配置されている。評価する超音波送受波器２０に周波数５００ｋＨｚ、電圧２０Ｖの送信信号を加え、超音波を空気中に送信させる。送信された超音波は反射板で反射され、同一の超音波送受波器２０で受信される。同一の送信信号を超音波送受波器に加えた際の受信波形の一定部位の電圧を出力電圧とし、この出力電圧が大きいものを超音波送受信効率が良いと評価した。
【００８１】
送信側信号波形と受信側信号波形の模式図を図１０に示す。図１０において、受信波形のＡ部分の電圧が大きいものを超音波の送受信効率が良いとした。なお、図１０における送信および受信の波形はその波形形状の模式図であって、グラフ軸のスケールには特別な意味はない。各送受波器について評価した結果を次の（表２）に示す。
【００８２】
【表２】

【００８３】
（表２）における出力電圧の結果から判るように、本発明によるいずれの超音波送受波器も、従来の技術による超音波送受波器に比較して、出力電圧が大きく超音波送受信効率が良いことがわかった。
【００８４】
本発明による超音波送受波器に用いた音響整合部材は、従来の多孔質体、すなわち（比較例２）で用いたセラミック焼結多孔質体に、低空隙率層、バインダ拡散層もしくはその両方を付加したものである。本発明による音響整合部材は、音響整合部材単体での見かけ密度が、基材であるセラミック焼結多孔質体（比較例２で音響整合層として用いた多孔質体）に比較して同等か若干大きい。したがって本発明による音響整合部材の音響インピーダンスは、（比較例２）で用いたセラミック焼結多孔質体の音響インピーダンスに比較しても、大きいことが類推され、先に説明した音響インピーダンスの理想値との格差は、大きいと考えることができる。それにも関わらず、本発明による音響整合部材を音響整合層として用いた上記（実施例５〜８）の超音波送受波器の超音波送受信効率が、従来のそれに比較して高いことは、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、従来の多孔質体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うことができた結果であると考えられる。
【００８５】
なお、前記までの実施例では、密閉容器を具備する超音波送受波器の例を示したが、密閉容器を具備しない超音波送受波器に適用してもかまわない。超音波送受信効率の向上の意味において、前記密閉容器がない超音波送受波器の場合においても前記の理由から同様な効果作用を得られる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明による音響整合部材は、多孔質体を用いる音響整合部材であり、空隙を有する骨格材料からなる多孔質体と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層を具備させるか、または表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層を具備させることにより、従来の多孔質体に比較して機械的強度を向上させた音響整合部材を提供できる。
【００８７】
さらに本発明のよる音響整合部材を用いた超音波送受波器は、前記低空隙層もしくはバインダ拡散層を具備することにより、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、従来の多孔質体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うことができ、超音波送受信効率の高い超音波送受波器を提供できる。
【００８８】
さらに本発明による音響整合部材を用いた超音波送受波器および超音波流量計は、本発明の音響整合部材が、従来の脆く壊れやすい多孔質体に、前記低空隙層やバインダ拡散層を付加したものであるため従来の多孔質体に比較して機械的強度が向上し、その結果音響整合部材の破壊による故障が少ない超音波送受波器および超音波流量計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における音響整合部材の断面模式図。
【図２】本発明の実施の形態２における音響整合部材の断面模式図。
【図３】本発明の実施の形態３における音響整合部材の断面模式図。
【図４】比較例の音響整合部材に用いた従来の多孔質体の断面模式図。
【図５】本発明の実施の形態４における超音波送受波器の断面模式図。
【図６】本発明の実施の形態５における超音波送受波器の断面模式図。
【図７】本発明の実施の形態６における超音波流量計の動作を説明するブロック図。
【図８】音響整合部材の機械的強度を評価する方法についての説明図。
【図９】超音波送受波器の送受信効率を評価する方法についての説明図。
【図１０】送信信号波形と受信信号波形の一例を示す模式図。
【図１１】従来の超音波送受波器の断面模式図。
【図１２】超音波流量計の原理説明図。
【符号の説明】
１骨格材料
２空隙
３低空隙率層
４バインダ拡散層
５圧電体
６電極
７密閉容器
８絶縁シール
９多孔質体
１０，１１，１２，１３音響整合部材
１４駆動端子
１５上面プレス治具
１６下面プレス治具
１７反射板
２０，１０１，１０２，２０１，２０２超音波送受波器
５１流路
５２測定管
５３送信回路
５４受信回路
５５送受切替回路
５６超音波伝搬時間計測回路
５７演算部
５８クロック・パルス発生回路
５９カウンタ回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer for use in a flow rate measurement device that measures the flow rate of gas using ultrasonic waves, a distance measurement device that measures a distance from an object, and the like. The present invention relates to an acoustic matching member that matches the acoustic impedance of a fluid to be measured, a manufacturing method thereof, and an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, ultrasonic flowmeters that measure the time during which ultrasonic waves propagate through a propagation path, measure the moving speed of a fluid, and measure the flow rate are being used in gas meters and the like.
[0003]
FIG. 12 shows the measurement principle of the ultrasonic flowmeter.
[0004]
As shown in FIG. 12, the fluid flows in the direction of the figure at a velocity V in the pipe of the measurement pipe provided with the flow path. A pair of

ultrasonic transducers

101 and 102 are installed on the tube wall 103 so as to face each other. The

ultrasonic transducers

101 and 102 are configured using a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric ceramic as an electrical energy / mechanical energy conversion element, and exhibit resonance characteristics like a piezoelectric buzzer and a piezoelectric oscillator. Here, the ultrasonic transmitter / receiver 101 is used as an ultrasonic transmitter, and the ultrasonic transmitter / receiver 102 is used as an ultrasonic receiver.
[0005]
The operation is as follows. When an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 101 is applied to the piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer 101 functions as an ultrasonic transducer and is inserted into an external fluid. Ultrasound is radiated to the propagation path indicated by L1 in the inside, and the ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transducer 102 is received and converted into a voltage. Subsequently, on the contrary, the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transmitter, and the ultrasonic transducer 101 is used as an ultrasonic receiver. By applying an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 102 to the piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer 102 applies ultrasonic waves to the propagation path indicated by L2 in the external fluid. The ultrasonic transducer 101 radiates and propagates the ultrasonic wave and converts it into a voltage. Thus, since the

ultrasonic transducers

101 and 102 serve as a receiver and a transmitter, they are generally called ultrasonic transducers.
[0006]
Also, in such an ultrasonic flow meter, if an alternating voltage is applied continuously, it is difficult to measure the propagation time because the ultrasonic wave is continuously emitted from the ultrasonic transducer, so it is usually a pulse signal. A burst voltage signal having a carrier wave as a carrier voltage is used as a drive voltage. Hereinafter, the measurement principle will be described in more detail. When a driving burst voltage signal is applied to the ultrasonic transducer 101 and an ultrasonic burst signal is radiated from the ultrasonic transducer 101, the ultrasonic burst signal propagates through a propagation path L1 having a distance L and t. The ultrasonic transducer 102 is reached after a time. The ultrasonic transducer 102 can convert only the transmitted ultrasonic burst signal into an electric burst signal with a high S / N ratio. The electric burst signal is electrically amplified and applied to the ultrasonic transducer 101 again to emit the ultrasonic burst signal. This device is called a single-around device, and the time required for an ultrasonic pulse to be radiated from the ultrasonic transducer 101 and propagate through the propagation path to reach the ultrasonic transducer 102 is referred to as a single-around period. The reciprocal is called the sing-around frequency.
[0007]
In FIG. 12, the flow velocity of the fluid flowing in the pipe is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse is θ. When the ultrasonic transmitter / receiver 101 is used as an ultrasonic transmitter / receiver and the ultrasonic transmitter / receiver 102 is used as an ultrasonic receiver, an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 101 is converted into an ultrasonic transmitter / receiver 102. Assuming that the sing-around period, which is the time to reach, is t1, and the sing-around frequency f1, the following equation (1) is established.
(Equation 1)
f1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L (1)
Conversely, if the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 101 is used as an ultrasonic receiver, the sing-around period is t2, and the sing-around frequency f2 is The relationship of following Formula (2) is materialized.
(Equation 2)
f2 = 1 / t2 = (C−Vcos θ) / L (2)
Therefore, the frequency difference Δf between the two sing-around frequencies is expressed by the following equation (3), and the fluid flow velocity V can be obtained from the ultrasonic propagation path distance L and the frequency difference Δf.
(Equation 3)
Δf = f1-f2 = 2V cos θ / L (3)
That is, the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference Δf, and the flow rate can be examined from the flow velocity V.
[0008]
In such an ultrasonic flowmeter, accuracy is required, and in order to improve the accuracy, an ultrasonic transducer is configured to transmit ultrasonic waves to the gas or receive ultrasonic waves that have propagated through the gas. The acoustic impedance of the acoustic matching layer formed on the ultrasonic wave transmitting / receiving surface of the piezoelectric vibrator is important.
[0009]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional ultrasonic transducer 20. 10 is an acoustic matching layer as acoustic matching means, 7 is a sensor case, 5 is a piezoelectric body as vibration means, 6 is an electrode, 8 is an insulating seal, and 14 is a vibration terminal. The sensor case 7 and the acoustic matching layer 10, and the sensor case 7 and the piezoelectric body 5 are bonded using an epoxy adhesive or the like. The ultrasonic wave vibrated by the piezoelectric body 5 vibrates at a specific frequency, and the vibration is transmitted to the case via the epoxy adhesive and further to the acoustic matching layer 10 via the epoxy adhesive. The matched vibration propagates as a sound wave to the gas that is a medium existing in the space.
[0010]
The role of the acoustic matching layer 10 is to efficiently propagate the vibration of the vibration means to the gas. The acoustic impedance Z is defined by the sound velocity C and the density ρ in the substance as shown in Expression (4).
(Equation 4)
Z = ρ × C (4)
The acoustic impedance is greatly different between the piezoelectric body as the vibration means and the gas as the ultrasonic radiation medium. For example, the acoustic impedance (Z0) of a piezoelectric ceramic such as PZT (lead zirconate titanate), which is a general piezoelectric body, is 30 × 10. ⁶ kg / m ² ・ It is about s. Further, the acoustic impedance (Z3) of a gas as a radiation medium, for example, air, is 400 kg / m. ² ・ It is about s. On such boundary surfaces having different acoustic impedances, the propagation of the sound wave is reflected, and the intensity of the transmitted sound wave becomes weak. As a method for solving this, the acoustic impedances Z0 and Z3 of the piezoelectric body serving as the vibration means and the gas serving as the ultrasonic radiation medium have acoustic impedances having the relationship of the formula (5) between the two. A method is generally known in which a substance is inserted to reduce sound reflection and increase the intensity of sound wave transmission.
(Equation 5)
Z = (Z0 × Z3) ^(1/2) ... (5)
The optimum value when the acoustic impedance satisfying this condition is matched is 11 × 10 ^Four kg / m ² ・ It becomes about s. A substance satisfying this acoustic impedance is required to be solid, low in density and slow in sound speed as can be seen from Equation (4). As a generally used material, a material obtained by solidifying a glass balloon or a plastic balloon with a resin material is used by forming it on the surface of an ultrasonic vibrator made of a piezoelectric material. In addition, a method of thermally compressing a hollow glass sphere or a method of foaming a molten material is also used. This is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 2559144.
[0011]
A porous body as shown in FIG. 4 can also be used as the acoustic matching member. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a porous body. The porous body 9 is composed of a skeleton material 1 and voids 2. By adopting such a structure, the density can be reduced, and as a result, the acoustic impedance of the acoustic matching member can be brought close to an ideal value.
[0012]
As an example using a porous body for the acoustic matching member, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-169100 can be cited. Here, an example using a polymer porous membrane as an acoustic matching member is disclosed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in particular, when a porous body is used as the acoustic matching member, there are two problems as shown below.
[0014]
The first problem is that even if the porosity of the porous body is increased and the density is reduced and the acoustic impedance is brought close to the ideal value, that is, the acoustic impedance is reduced, the transmission / reception of the ultrasonic transducer is performed. The problem is that efficiency did not improve as expected. The second problem is that as the porosity of the porous body is increased and the density is decreased, the mechanical strength of the acoustic matching member is lowered, and the acoustic matching member is broken when the ultrasonic transducer is manufactured. There was an issue of ease.
[0015]
As a result of a detailed study on the first problem in which the ultrasonic transmission / reception efficiency did not improve as expected despite the low acoustic impedance of the acoustic matching layer, we came to the following conclusion: . When a porous body is used as an acoustic matching layer member, the surface of the porous body opposite to the fluid to be measured, that is, the cross section of the porous body, is the cross section of the skeletal material constituting the porous body, and the other portions are voids. It is. On the other hand, the essence of the propagation of ultrasonic waves is that the vibration of the acoustic matching member vibrated by the vibrator vibrates the measured fluid (transmission), and conversely, the acoustic matching member is vibrated by the vibration of the measured fluid. (Receiving). As described above, the cross section of the porous body as the acoustic matching member is mostly a void, and with such a shape, it is difficult to efficiently vibrate (transmit) the fluid to be measured, and the vibration of the fluid to be measured. Therefore, it is difficult for the user to vibrate (receive) efficiently. Therefore, it came to the conclusion that the ultrasonic transmission / reception efficiency of the ultrasonic transducer using a porous body as an acoustic matching member would be low.
[0016]
The present invention solves the above-described conventional problems, improves transmission / reception efficiency of an ultrasonic transducer using a porous body as an acoustic matching layer, and further, ultrasonic transducers with less failure due to destruction of the acoustic matching member The purpose is to provide a vessel. Another object of the present invention is to provide a high-quality ultrasonic flowmeter by using the ultrasonic transducer.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention sound of The acoustic matching member is an acoustic matching member that includes a piezoelectric vibrator and is incorporated into an ultrasonic transducer that transmits or receives ultrasonic waves, and is provided on at least a part of the porous body and the surface of the fluid to be measured. Low porosity layer with a porosity lower than the porosity of the porous body And a binder diffusion layer on at least a part of the surface and the inside of the porous body. It is characterized by that.
[0020]
Next, an ultrasonic transducer of the present invention includes the acoustic matching member and the piezoelectric vibrator, and is an ultrasonic transducer that transmits or receives ultrasonic waves, and includes the acoustic matching layer member. It is characterized by.
[0021]
Next, an ultrasonic flowmeter of the present invention is a flowmeter provided with the above-mentioned ultrasonic transducer, a measuring tube having a flow path through which the fluid to be measured flows, and the fluid to be measured in the measuring tube A pair of the ultrasonic transducers arranged opposite to the upstream side and the downstream side of the flow, a transmission circuit for transmitting ultrasonic waves to the ultrasonic transducer, and an ultrasonic wave to the ultrasonic transducers A receiving circuit for receiving sound waves; a transmission / reception switching circuit for switching transmission from reception to reception or transmission of the pair of ultrasonic transducers; and an ultrasonic propagation time measuring circuit between the pair of ultrasonic transducers; An arithmetic unit that converts the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation time is included.
[0022]
Next, the manufacturing method of the 1st acoustic matching member of this invention is as follows.
(A) preparing a porous body;
(B) preparing a fluid paste adjusted so that the porosity after solidification is at least lower than the porosity of the porous body;
(C) forming the fluid paste in a layer form on at least a part of the surface of the porous body;
(D) The low-porosity layer is formed by solidifying the fluid paste layer formed in the layer shape.
[0023]
Next, the manufacturing method of the second acoustic matching member of the present invention is as follows.
(A) preparing a porous body;
(B) preparing a colloidal silica solution containing colloidal silica as a main component;
(C) contacting and impregnating the colloidal silica solution on at least a part of the surface of the porous body;
(D) heating the porous body containing a colloidal silica solution;
(E) A silica diffusion layer is formed on the surface and inside of the porous body.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, a low porosity layer lower than the porosity of the porous body is provided on at least a part of the surface to be measured fluid side, or a binder diffusion layer is provided on at least a part of the surface and the inside. As a result of using the acoustic matching member for an ultrasonic transducer as an acoustic matching layer, the transmission / reception efficiency is improved compared to the conventional ultrasonic transducer using a porous material as an acoustic matching layer, and It is possible to provide an ultrasonic transducer with few failures due to destruction of the alignment member. This is because the acoustic matching member according to the present invention includes the low void layer or the binder diffusion layer, so that the porosity in the vicinity of the surface relative to the fluid to be measured is compared with the porosity in the vicinity of the surface of the conventional porous body. Therefore, the vibration of the acoustic matching member vibrated by the vibrator vibrates the measured fluid (transmission), and conversely, the acoustic matching member is vibrated by the vibration of the measured fluid. (Reception) can be performed efficiently.
[0025]
As a result, the ultrasonic transducer using the acoustic matching member according to the present invention as the acoustic matching layer has high ultrasonic transmission / reception efficiency. In addition, the acoustic matching member according to the present invention is obtained by adding the low void layer and the binder diffusion layer to the conventional brittle and fragile porous body, and as a result, the mechanical strength is improved as compared with the conventional porous body. As a result, it is possible to provide an ultrasonic transducer with few failures due to destruction of the acoustic matching member.
[0026]
The acoustic matching member according to the present invention is preferably produced as follows.
[0027]
First, it is preferable that the porous body is formed of a component containing at least one of alumina, silica, and glass, and the low void layer is formed of a glass diffusion layer. The porous body and the low porosity layer are preferably composed of an inorganic substance. When the acoustic matching member is made of an inorganic oxide whose physical property (density, sound speed, shape size) is smaller than that of organic matter, the ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter using the acoustic matching member It is preferable because the change in characteristics (output, impedance) becomes small with respect to the change in the operating environment temperature.
[0028]
Secondly, it is preferable to form the porous body with a component containing at least one of alumina, silica, and glass, and to form the low void layer with an organic material. When the porous body, which is the main component of the acoustic matching member, is made of an inorganic material, as described above, the acoustic matching member, the ultrasonic transducer, and the ultrasonic wave, whose physical properties and characteristic changes are small with respect to the temperature change of the usage environment. A flow meter can be obtained. Furthermore, as a result of forming the low void layer with an organic material generally having a lower density than glass or ceramic, the density of the acoustic matching member can be made lower, and the acoustic impedance is made closer to the acoustic impedance of the fluid to be measured. be able to. In addition, by forming the low void layer with an organic material that is less susceptible to brittle fracture than glass, an acoustic matching member, an ultrasonic transducer, and an ultrasonic flowmeter that are less likely to break during manufacturing can be obtained.
[0029]
Thirdly, it is preferable that the porous body is formed of a component containing at least one of alumina, silica, and glass, and the binder diffusion layer is formed of silica using colloidal silica as a raw material. As described above, it is preferable that the acoustic matching member is made of an inorganic material because the characteristic (output, impedance) change is small with respect to the change in the use environment temperature as described above.
[0030]
Fourth, it is more preferable to have both a low porosity layer and a binder diffusion layer.
[0031]
Moreover, it is preferable that the said airtight container of the ultrasonic transducer by this invention is comprised with a metal material.
[0032]
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of an acoustic matching member of the present invention. The acoustic matching member 11 includes a porous body 9 and a low porosity layer 3 formed on the surface of the porous body. The porous body 9 used is composed of a skeleton material 1 and voids 2 as shown in FIG. As a result of the acoustic matching member according to the present invention having a low void layer, the mechanical strength is higher than that of a conventional porous body, and in an ultrasonic transducer using the acoustic matching member according to the present invention as an acoustic matching layer, The efficiency of sound wave propagation is improved, and the ultrasonic wave transmission / reception efficiency is high.
[0034]
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the acoustic matching member of the present invention. The acoustic matching member 12 includes a porous body 9 and a binder diffusion layer 4 impregnated and supported on the surface and inside of the porous body. As in the first embodiment, the porous body 9 is composed of the skeletal material 1 and the voids 2 as shown in FIG. As a result of the acoustic matching member according to the present invention having the binder diffusion layer, the mechanical strength is higher than that of the conventional porous body, and in the ultrasonic transducer using the acoustic matching member according to the present invention as the acoustic matching layer, The efficiency of sound wave propagation is improved, and the ultrasonic wave transmission / reception efficiency is high.
[0035]
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the acoustic matching member of the present invention. The acoustic matching member 13 includes a porous body 9, a binder diffusion layer 4 impregnated and supported on the surface and inside of the porous body, and a low void layer 3 formed on the surface of the porous body. ing. As in the first embodiment, the porous body 9 is composed of the skeletal material 1 and the voids 2 as shown in FIG. The acoustic matching member according to the present invention has a low void layer and a binder diffusion layer. As a result, the mechanical strength of the acoustic matching member is higher than that of a conventional porous body. In the transducer, the efficiency of ultrasonic propagation is improved and the ultrasonic transmission / reception efficiency is high.
[0036]
In Embodiments 1 to 3, the porous body is preferably composed of a sintered porous body made of ceramic or a mixture of ceramic and glass. The porous body used in the present invention can be any material as long as it is a material capable of supporting a low porosity layer or a binder diffusion layer. However, the stability of physical properties as described above, and further the chemical stability ( From the viewpoint of (measurement fluid stability), it is more preferable to use a sintered porous body of ceramic or a mixture of ceramic and glass. Although not particularly limited, 0.4 g / cm is used from the viewpoint of matching with a gas that is one of the fluids to be measured. ^Three To 1.0 g / cm ^Three More preferably, the skeleton material (skeleton material) is a sintered body made of alumina or silica powder and glass powder.
[0037]
The porosity of the porous body in the present invention is more than 0 and preferably 90% or less. When the same skeletal material is used, the larger the porosity, the smaller the apparent density of the porous body and the better the acoustic matching as an acoustic matching member, but it is generally a porous body that is easily available or manufactured. In consideration of the decrease in mechanical strength due to the improvement of the porosity, and further, it is preferable to exceed 0 and not more than 90%.
[0038]
The pore size of the porous body is preferably 0.4 mm or less. The appropriate pore size is determined from the sound speed and frequency of the ultrasonic wave propagating through the porous body. Even if the porous body as the acoustic matching member is a porous body, it is preferable to behave similarly to a single material (non-porous body) with respect to the propagation of ultrasonic waves. In other words, even if the member has a void (non-porous body), it is preferable that the void does not affect the ultrasonic propagation behavior. Regarding ultrasonic propagation in a porous body, it is generally said that the influence can be ignored when the pore size (diameter) is 1/20 to 1/10 or less of the waveform of the ultrasonic wave propagating. Although it differs depending on the sound velocity and frequency of the ultrasonic wave propagating in the porous body, if the sound velocity is 2000 m / s and the frequency is 500 kHz, the wavelength is 4 mm and the pore size is 1/10 of 0.4 mm. The following is preferable because the influence of the air gap on the ultrasonic propagation behavior can be ignored. Furthermore, it is more preferable to set it to 1/100 or less of the wavelength of the ultrasonic wave propagating through the pore size (that is, a pore size of 0.04 mm or less).
[0039]
In addition, the low void layer in the present invention only needs to have a lower void ratio than the porous body used in the acoustic matching layer member in the present invention. Therefore, there may be no voids at all.
[0040]
A glass diffusion layer can be used as the low porosity layer. The glass diffusion layer can be formed by, for example, applying and forming a commercially available glass paste on the surface of the porous body to a desired thickness using a screen printing method, and drying and heat-treating it to carry it. . Since the glass paste is screen-printed on the surface of the porous body, a part of the glass paste permeates into the voids of the porous body to form a low porosity glass diffusion layer.
[0041]
In addition, although it showed about formation of the low porosity layer by glass paste printing here, it is not limited to this method, For example, the glass green sheet before sintering which consists of glass powder and an organic binder is pressure-bonded Then, the low porosity layer may be formed by removing the organic binder by heat treatment and sintering the glass powder.
[0042]
An organic material can be used as the low porosity layer. The organic material can be supported, for example, by forming a semi-cured resin paste having a commercially available epoxy resin as a main component in a desired thickness by using a screen printing method, and curing it by heating. Moreover, it can also be set as a low-porosity layer by carrying out adhesion hardening carrying | support of the commercially available epoxy-type resin adhesive sheet of a semi-hardened state on the surface of a porous body.
[0043]
Note that the binder diffusion layer of the present invention can be formed of silica using, for example, colloidal silica as a raw material. For example, an aqueous solution containing colloidal silica is applied to the surface of the porous body or partially impregnated from the surface. Thereafter, by performing a heat treatment at a desired temperature time, the colloidal silica is subjected to condensation polymerization, and the silica is bound to the skeleton material portion in the porous body. Due to the presence of silica by the above-described method, it plays a role of a binder diffusion layer that enhances bonding of the skeleton material portion. The heat treatment temperature of the colloidal silica solution is preferably between 100 ° C. or higher and the temperature at which the porous body does not change. Further, the binder diffusion layer is not limited to an inorganic material as long as the object of the present invention is achieved, and an organic material may be used.
[0044]
Note that the low porosity layer or the binder diffusion layer of the acoustic matching member in Embodiments 1 to 3 is at least a porous body that faces the fluid to be measured when the acoustic matching member is attached to an ultrasonic transducer. It may be formed on a part of the surface.
[0045]
In the first to third embodiments, in order to improve the sensitivity of the ultrasonic transducer by matching the acoustic impedance by the acoustic matching member, it is also related to the thickness of the acoustic matching layer. That is, in consideration of the reflection coefficient of the ultrasonic wave transmitted through the acoustic matching layer at the boundary surface between the acoustic matching layer and the ultrasonic radiation medium (measuring fluid) and the boundary surface between the acoustic matching layer and the ultrasonic transducer The transmission intensity is maximized when the calculated ultrasonic reflectance is the smallest and when the thickness of the acoustic matching layer is 1/4 of the ultrasonic oscillation wavelength. Although not particularly limited, it is highly effective to configure the acoustic matching member so that the thickness of the acoustic matching member is approximately ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength that passes through the acoustic matching member. Note that the wavelength of about ¼ of the ultrasonic oscillation wavelength is in the range of 1/8 wavelength to 3/8 wavelength. That is, if it is smaller than that, it will not work as an acoustic matching layer, and if it is larger than that, it approaches a half wavelength where the reflectance becomes a maximum, so that the sensitivity is lowered.
[0046]
(Embodiment 4)
FIG. 5 shows a cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to the fourth embodiment of the present invention. An ultrasonic transducer 200 in FIG. 5 includes the acoustic matching member 10 according to any one of the first to third embodiments of the present invention, the piezoelectric body 5, and the electrode 6. In the present invention, the piezoelectric body 5 and the electrode 6 are collectively referred to as a piezoelectric vibrator.
[0047]
Furthermore, the acoustic matching member 10 is arranged so that the surface on which the low porosity layer or the binder diffusion layer in the acoustic matching member is formed is opposed to the fluid to be measured. The piezoelectric body 5 generates ultrasonic vibrations, is made of piezoelectric ceramic, piezoelectric single crystal, or the like, is polarized in the thickness direction, and has electrodes 6 on the upper and lower surfaces. The acoustic matching member 10 is for transmitting an ultrasonic wave to the fluid to be measured as described above or receiving an ultrasonic wave that has propagated through the fluid to be measured, and is used for the piezoelectric body 5 excited by a driving AC voltage. Mechanical vibration is efficiently generated as an ultrasonic wave on an external medium, and has a function of efficiently converting the ultrasonic wave into a voltage when it arrives on one surface of the piezoelectric body 5 as an ultrasonic wave transmitting / receiving surface of the piezoelectric body 5. Has been placed.
[0048]
As a result of using the acoustic matching member having the low void layer or the binder diffusion layer according to the present invention as the acoustic matching layer, the ultrasonic transducer according to the present embodiment has high ultrasonic transmission / reception efficiency and the acoustic matching layer An excellent ultrasonic transducer with few failures due to destruction can be obtained.
[0049]
(Embodiment 5)
FIG. 6 shows a cross-sectional view of an ultrasonic transducer according to the fifth embodiment of the present invention. An ultrasonic transducer 201 in FIG. 6 includes the acoustic matching member 10 according to any one of the first to third embodiments of the present invention, the piezoelectric body 5, the electrode 6, and the sealed container 7. Yes.
[0050]
The piezoelectric body 5 generates ultrasonic vibrations, is made of piezoelectric ceramic or a piezoelectric single crystal, is polarized in the thickness direction, and has electrodes 6 on the upper and lower surfaces. In the ultrasonic transducer according to the fifth embodiment of the present invention, the piezoelectric body 5 is bonded to the inner surface of the hermetic container 7, and the acoustic matching member 10 is a low porosity layer or binder in the acoustic matching member. The surface on which the diffusion layer is formed is disposed so as to face the fluid to be measured. Further, reference numeral 14 in FIG. 6 denotes a drive terminal which is connected to the electrode 6 of the piezoelectric body 5. Reference numeral 8 denotes an insulating seal for ensuring electrical independence of the two drive terminals.
[0051]
The ultrasonic transducer according to the configuration of the fifth embodiment is effective in terms of ease of handling and the like by providing the hermetic container 7 in addition to the effect and operation of the configuration of the fourth embodiment. Further, the sealed container 7 has a function of mechanically supporting the structure.
[0052]
The sealed container 7 has a density of 0.8 g / cm. ^Three As described above, it is effective that the thickness of the structural support layer is less than 1/8 of the ultrasonic oscillation wavelength in the structural support layer. For example, a range of 0.1 to 0.5 mm is preferable.
[0053]
When such a density and thickness are selected, that is, when the thickness of the structural support layer is sufficiently smaller than the ultrasonic oscillation wavelength due to the high density and the speed of sound, the influence on the ultrasonic wave transmission / reception is extremely high. Get smaller.
[0054]
As the material of the sealed container 7, a metal material, an inorganic material such as ceramic or glass, and an organic material such as plastic can be used. In particular, when a conductive material, particularly a metal material is selected as the material constituting the hermetic container, it also functions as an electrode that oscillates the piezoelectric body 5 or detects received ultrasonic waves. When a flammable gas is a detection target as the fluid to be measured, the piezoelectric body 5 can be isolated from the gas by using the sealed container 7. The inside is preferably purged with an inert gas such as nitrogen.
[0055]
(Embodiment 6)
FIG. 7 is an explanatory cross-sectional view of an example of the ultrasonic flowmeter according to the sixth embodiment and a block diagram thereof. A measurement tube 52 having a flow path 51 through which the fluid to be measured flows, and a pair of the ultrasonic transducers 101 disposed on the measurement tube opposite to the upstream side and the downstream side of the flow of the fluid to be measured. And 102, transmission circuit 53 for transmitting ultrasonic waves to the ultrasonic transducer, reception circuit 54 for receiving ultrasonic waves to the ultrasonic transducer, and transmission of the pair of ultrasonic transducers. A transmission / reception switching circuit 55 for switching between reception and transmission, an ultrasonic propagation time measuring circuit 56 composed of a counter circuit and a clock / pulse generation circuit, and an operation for converting the flow rate of the fluid under measurement based on the propagation time This is an ultrasonic flow meter including the unit 57. 58 is a clock pulse generating circuit, and 59 is a counter circuit.
[0056]
Hereinafter, the operation of the ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described in order.
[0057]
A fluid to be measured, for example, LP gas is circulated from the left side of the drawing to the right side (→ direction in the figure), and a transmission signal is transmitted from the transmission circuit 53 at a constant cycle. The transmitted signal is first transmitted to the ultrasonic transducer 101 by the transmission / reception switching circuit 55, and the ultrasonic transducer 101 is driven. For example, the driving frequency is about 500 kHz. An ultrasonic wave is transmitted from the driven ultrasonic wave transmitter / receiver 101, and the ultrasonic wave transmitter / receiver 102 placed opposite to the ultrasonic wave receives the signal, and the received signal passes through the transmission / reception switching circuit 55 and is received by the receiving circuit 54. Is input. The transmission signal (T) from the transmission circuit 53 and the reception signal (R) from the reception circuit 54 are input to an ultrasonic propagation time measurement circuit 56 composed of a clock / pulse generation circuit 58 and a counter circuit 59, and propagated. Time t1 is measured. Next, contrary to the measurement of the propagation time t1, the ultrasonic wave transmission time measurement circuit uses the transmission / reception switching circuit 55 to transmit an ultrasonic pulse by the ultrasonic transducer 102 and receive it by the ultrasonic transducer 101. 56, the propagation time t2 is calculated.
[0058]
Here, the distance connecting the centers of the ultrasonic transducer 101 and the ultrasonic transducer 102 is L, the speed of sound of LP gas as the fluid to be measured in the no-wind state is C, the flow velocity in the flow path 51 is V, Assuming that the angle formed by the flow direction of the measurement fluid and the line connecting the centers of the

ultrasonic transducers

101 and 102 is θ, from the known distance L, angle θ, sound velocity C, and measured propagation times t1 and t2. The flow velocity V is obtained, and the flow rate can be checked from the flow velocity V, so that a flow meter can be configured.
[0059]
【Example】
Hereinafter, it demonstrates more concretely using an Example.
[0060]
Example 1
Example 1 is an example of the acoustic matching member described in the above (Embodiment 1), and particularly an acoustic matching member having a glass diffusion layer as a low porosity layer. This will be described in detail with reference to FIG.
(1) Formation of porous body
As a raw material of the material (skeleton material) for forming the skeleton of the porous body 9, a mixed powder of alumina powder and glass powder (manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd., trade name “MLS-2000”, true density is 3.2) × 10 ^Three kg / m ^Three The sound velocity was 6000 m / sec). The raw material powder and acrylic microspheres (trade name “Chemisnow” manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.) were mixed at a volume ratio of 10/90 to obtain a mixed powder. Next, an appropriate amount of an aqueous solution containing polyvinyl alcohol as a binder was added to the mixed powder and kneaded to prepare a granulated powder having a diameter of 0.1 to 1 mm. Next, the granulated powder is charged into a disk forming press jig, 1 t / cm. ² Was applied for 1 minute to obtain a dry-formed disk having a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm. Next, the ceramic as the porous body 9 is obtained by heat-treating the dry-molded disk at 400 ° C. to burn off the acrylic microspheres and polyvinyl alcohol as the binder, and then heat-treat in the atmosphere at 900 ° C. for 2 hours. A sintered porous body was obtained. The obtained porous body was polished from the upper and lower surfaces to a diameter of 12 mm and a thickness of 0.8 mm. The resulting porous body has an apparent density of 0.78 × 10 ^Three kg / m ^Three , Sound speed is 1600m / sec, acoustic impedance is 1.2 × 10 ⁶ kg / m ² It is a ceramic sintered porous body having physical properties of s.
(2) Formation of a low porosity layer
A glass diffusion layer as the low porosity layer 3 was formed on a part of the surface of the porous body 9 obtained by the above method.
[0061]
A method for forming the glass diffusion layer will be described below.
[0062]
First, a commercially available glass paste (Okuno Pharmaceutical "OC-490") was prepared as a raw material. Next, a glass paste was printed on the surface of the ceramic sintered porous body as the porous body 9 by screen printing so that the film thickness after coating and drying was about 20 μm. Next, the ceramic sintered porous body having a glass paste dry film on a part of the surface is heat-treated at 500 ° C. for 10 minutes to melt the glass, and the surface has a low porosity layer 3 of about 10 μm. A glass diffusion layer was formed. Finally, an acoustic matching member 11 according to the present invention having a glass diffusion layer as the low porosity layer 3 on a part of the surface of the porous body as shown in FIG. 1 was obtained. The apparent density of the obtained acoustic matching member 11 is 0.86 × 10. ^Three kg / m ^Three Met.
[0063]
(Example 2)
Example 1 is an example of the acoustic matching member described in the above (Embodiment 1), and is particularly an acoustic matching member in which a low porosity layer is formed of an organic material. This will be described in detail with reference to FIG.
(1) Formation of porous body
As the porous body 9, a ceramic sintered porous body exactly the same as the above (Example 1) was used.
(2) Formation of a low porosity layer
A layer made of an organic material as the low porosity layer 3 (hereinafter referred to as “organic material layer”) on a part of the surface of the ceramic sintered porous body as the porous body 9 obtained by the above method. Formed.
[0064]
A method for forming the organic material layer will be described below.
[0065]
First, a commercially available epoxy resin paste (manufactured by Nippon Pernox, trade name “CE-51A / B”) was prepared as a raw material. Next, the epoxy paste was printed on the surface of the ceramic sintered porous body as the porous body 9 by screen printing so that the film thickness after coating and drying was about 20 μm. Next, the epoxy resin paste was cured by heat treatment at 150 ° C. for 2 hours to form an organic material layer as a low porosity layer 3 of about 9 μm on the surface. Finally, an acoustic matching member 11 according to the present invention having an organic material layer as the low porosity layer 3 on a part of the surface of the porous body as shown in FIG. 1 was obtained. The apparent density of the obtained acoustic matching member 11 is 0.79 × 10. ^Three kg / m ^Three It was equivalent to the porous body to be used.
[0066]
(Example 3)
Example 3 is an example of the acoustic matching member described in the above (Embodiment 2). This will be described in detail with reference to FIG.
(1) Formation of porous body
As the porous body 9, a ceramic sintered porous body exactly the same as in the above (Example 1) and (Example 2) was used.
(2) Formation of binder diffusion layer
The binder diffusion layer 4 was formed on the surface and inside of the ceramic sintered porous body as the porous body 9 obtained by the above method.
[0067]
A method for forming the binder diffusion layer will be described below.
[0068]
First, a commercially available colloidal silica solution (a two-fold diluted solution of Tokiwa Electric “FJ294”) was prepared as a raw material. Next, a ceramic sintered porous body as the porous body 9 is placed in a glass petri dish, and an appropriate amount of the colloidal silica solution is poured into a portion of the glass petri dish where the ceramic sintered porous body is not placed. inserted. Thereafter, the pressure was reduced for 5 minutes, and the surface and the inside of the ceramic sintered porous body were impregnated with the colloidal silica solution. Further, the ceramic porous body carrying the colloidal silica solution is taken out from the glass petri dish and heat-treated at 150 ° C. for 30 minutes, and the silica as the binder diffusion layer 4 is formed on at least a part of the surface and inside as shown in FIG. An acoustic matching member 12 according to the present invention carrying a layer was obtained. The apparent density of the obtained acoustic matching member 11 is 0.95 × 10 ^Three kg / m ^Three Met.
[0069]
(Example 4)
Example 4 is an example of the acoustic matching member described in the above (Embodiment 3). This will be described in detail with reference to FIG.
(1) Formation of porous body
As the porous body 9, the same ceramic sintered porous body as used in the above (Example 1) to (Example 3) was used.
(2) Formation of binder diffusion layer
An acoustic matching member carrying a silica layer as the binder diffusion layer 4 at least partially in the surface and inside of the ceramic sintered porous body was obtained by the same method as described in detail in the above (Example 3). . That is, the acoustic matching member 12 exactly the same as the above (Example 3) was prepared by the operations so far.
(3) Formation of a low porosity layer
On the surface of the acoustic matching member obtained by the above operations, an organic material layer made of an organic material as the low porosity layer 3 was formed by the method described in (Example 2) and (2). Finally, an acoustic matching member 13 having an organic material layer as the low porosity layer 3 on the surface and a silica layer as the binder diffusion layer on the surface and inside thereof was obtained. The apparent density of the obtained acoustic matching member 11 is 0.96 × 10 ^Three kg / m ^Three Met.
[0070]
In the present embodiment, a manufacturing method in which a binder diffusion layer is first formed inside the acoustic matching member and then a low porosity layer is formed on the surface of the acoustic matching member has been shown. A layer may be formed, and then a binder diffusion layer may be formed.
[0071]
(Comparative Example 1)
The acoustic matching member made only of the ceramic sintered porous body used in the above (Example 1) to (Example 4) was defined as (Comparative Example 1).
[0072]
A total of five types of acoustic matching members according to (Example 1) to (Example 4) according to the present invention described above and (Comparative Example 1) using only a conventional porous body as an acoustic matching member as a comparative example. The alignment members were compared for mechanical strength. That is, as shown in FIG. 8, the five types of prepared acoustic matching members 10 are sandwiched between two jigs, an upper surface pressing jig 14 and a lower surface pressing jig 15, and from the drawing arrow direction (vertical direction in the drawing), The frequency of destruction when a predetermined load was applied was compared. Prepare multiple acoustic matching members, 5kg / cm ² 7kg / cm ² 10 kg / cm ² , And 50 kg / cm ² After adding a load of 4 levels after 1 minute, it was judged that the crack was confirmed by optical microscope observation. Ten similar tests were performed for each acoustic matching member and each condition, and the fracture frequency was calculated. The results are summarized in (Table 1) below. In addition, 0/10 in the table means that none of the 10 pieces tested were destroyed (0 pieces), and 10/10 means that all of the 10 pieces tested (10 pieces) were tested. It means that destruction was confirmed.
[0073]
[Table 1]

[0074]
As is clear from the results of (Table 1), the acoustic matching member according to the present invention (Example 1) to (implementation) is compared with the porous body (Comparative Example 1) as the conventional acoustic matching member. The acoustic matching member according to Example 4) was confirmed to have high mechanical strength.
[0075]
(Examples 5 and 6)
Example 5 and Example 6 are examples in which the acoustic transducer described in (Embodiment 1) is used and the ultrasonic transducer described in (Embodiment 5) is obtained. This will be described in detail with reference to FIGS.
(1) Acoustic matching layer
As the acoustic matching layer, as shown in FIG. 1, an acoustic matching member 11 made of a porous body 9 provided with the low porosity layer 3 according to the present invention was used. As (Example 5), an acoustic matching member including a glass diffusion layer as the low porosity layer 3 described in detail in the above (Example 1) was used. In (Example 6), an acoustic matching member including an organic material layer was used as the low porosity layer 3 described in detail in (Example 2).
(2) Piezoelectric body and container
As the piezoelectric body 5, a polarized vibrator having electrodes 6 formed on the upper and lower surfaces of a lead zirconate titanate (PZT) ceramic body having a desired size was used. As the sealed container 7, a stainless steel case was prepared.
(3) Formation of ultrasonic transducer
An acoustic matching member as an acoustic matching layer obtained by each of the above methods, a stainless steel case as a sealed container 7, and a vibrator as a piezoelectric body 5 are respectively bonded to an epoxy resin adhesive sheet having a thickness of 50 μm (Hitachi). Kasei, product number: T2100), 5 kg / cm above and below ² The three were bonded and integrated by applying heat pressure of 150 ° C. and performing heat treatment at 150 ° C. for 2 hours. Finally, as shown in FIG. 6, as an acoustic matching layer, an ultrasonic transducer (Example 5) using an acoustic matching member having a glass diffusion layer as a low porosity layer of the present invention, and an acoustic As the matching layer, an ultrasonic transducer (Example 6) using an acoustic matching member including the organic material layer as the low porosity layer of the present invention was obtained.
[0076]
(Example 7)
Example 7 is an example in which the acoustic transducer described in (Embodiment 2) is used to obtain the ultrasonic transducer described in (Embodiment 5). This will be described in detail with reference to FIGS.
(1) Acoustic matching layer
As the acoustic matching layer, as shown in FIG. 2, an acoustic matching member 12 made of a porous body 9 provided with the binder diffusion layer 4 according to the present invention was used. More specifically, an acoustic matching member carrying a silica layer as the binder diffusion layer 4 described in detail in the above (Example 3) was used.
(2) Piezoelectric body and container
Same as (Example 5) and (Example 6).
(3) Formation of ultrasonic transducer
An ultrasonic transducer was formed using the same materials and methods as in (Example 5) and (Example 6). Finally, an ultrasonic transducer using an acoustic matching member carrying a silica layer as a binder diffusion layer of the present invention as an acoustic matching layer as shown in FIG. 6 was obtained.
[0077]
(Example 8)
In Example 8, the acoustic matching member described in (Embodiment 3) is used, and the ultrasonic transducer described in (Embodiment 5) is obtained. This will be described in detail with reference to FIGS.
(1) Acoustic matching layer
As an acoustic matching layer, as shown in FIG. 3, an acoustic matching member 13 made of a porous body 9 provided with the low porosity layer 3 and the binder diffusion layer 4 according to the present invention was used. More specifically, the acoustic matching member including the organic material layer as the low porosity layer 3 and the silica layer as the binder diffusion layer 4 described in detail in the above (Example 3) was used.
(2) Piezoelectric body and container
Same as (Example 5) and (Example 6).
(3) Formation of ultrasonic transducer
An ultrasonic transducer was formed using the same materials and methods as in (Example 5) and (Example 6). Finally, as shown in FIG. 6, as an acoustic matching layer, an ultrasonic wave using an acoustic matching member carrying an organic material layer as the low porosity layer 3 of the present invention and a silica layer as the binder diffusion layer 4 is used. I got a transducer.
[0078]
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, an ultrasonic transducer using a conventional porous body as an acoustic matching layer was manufactured. More specifically, only the porous body according to the above (Comparative Example 1), that is, the ceramic sintered porous body which is the porous body portion of the acoustic matching member according to the present invention was used as the acoustic matching layer. All the items except that the acoustic matching member was a conventional porous body were the same as in the above (Examples 5 to 8), and an ultrasonic transducer according to the prior art was obtained.
[0079]
The ultrasonic transducers according to (Example 5) to (Example 8), which are ultrasonic transducers according to the present invention obtained as described above, and the ultrasonic transducer according to the conventional technique (Comparative Example 2). A comparative evaluation of the transmission and reception efficiencies of a total of five types of ultrasonic transducers with the acoustic transducers was performed. This will be described with reference to FIG.
[0080]
In FIG. 9, 20 is an ultrasonic transducer that is an evaluation object, 16 is a reflecting plate that reflects the ultrasonic wave, and both are disposed to face each other via air (distance: 20 cm). A transmission signal having a frequency of 500 kHz and a voltage of 20 V is added to the ultrasonic transducer 20 to be evaluated, and ultrasonic waves are transmitted into the air. The transmitted ultrasonic waves are reflected by the reflecting plate and received by the same ultrasonic transducer 20. The voltage at a certain part of the received waveform when the same transmission signal was applied to the ultrasonic transducer was used as the output voltage, and a high output voltage was evaluated as having good ultrasonic transmission / reception efficiency.
[0081]
A schematic diagram of the transmission-side signal waveform and the reception-side signal waveform is shown in FIG. In FIG. 10, the ultrasonic wave transmission / reception efficiency is good when the voltage of the A portion of the received waveform is large. Note that the transmission and reception waveforms in FIG. 10 are schematic diagrams of the waveform shapes, and the scale of the graph axis has no special meaning. The evaluation results for each transducer are shown in the following (Table 2).
[0082]
[Table 2]

[0083]
As can be seen from the results of the output voltage in Table 2, all the ultrasonic transducers according to the present invention have a large output voltage and good ultrasonic transmission / reception efficiency as compared with the ultrasonic transducers according to the prior art. I understood it.
[0084]
The acoustic matching member used in the ultrasonic transducer according to the present invention includes a conventional porous body, ie, a ceramic sintered porous body used in (Comparative Example 2), a low porosity layer, a binder diffusion layer, or both. Is added. In the acoustic matching member according to the present invention, the apparent density of the acoustic matching member alone is equal to or slightly equal to that of the ceramic sintered porous body (the porous body used as the acoustic matching layer in Comparative Example 2) as the base material. large. Therefore, it can be inferred that the acoustic impedance of the acoustic matching member according to the present invention is large even compared with the acoustic impedance of the ceramic sintered porous body used in (Comparative Example 2). The disparity can be considered large. Nevertheless, the ultrasonic transmission / reception efficiency of the ultrasonic transducers of the above (Examples 5 to 8) using the acoustic matching member according to the present invention as the acoustic matching layer is higher than that of the conventional one. The porosity of the surface near the surface of the measurement fluid is lower than the porosity near the surface of a conventional porous body, and is closer to a flat surface. This is considered to be a result of efficiently performing vibration (transmission) of the fluid, and conversely, the acoustic matching member is vibrated (reception) by the vibration of the fluid to be measured.
[0085]
In the above embodiments, an example of an ultrasonic transducer having a sealed container has been described. However, the present invention may be applied to an ultrasonic transducer having no sealed container. In the sense of improving ultrasonic transmission / reception efficiency, a similar effect can be obtained for the above reason even in the case of an ultrasonic transducer without the sealed container.
[0086]
【The invention's effect】
An acoustic matching member according to the present invention is an acoustic matching member using a porous body, and is made of a porous body made of a skeletal material having voids, and at least part of the surface of the fluid to be measured than the porosity of the porous body. An acoustic matching member having a low porosity layer having a low porosity, or having a binder diffusion layer on at least a part of the surface and inside thereof, which has improved mechanical strength compared to a conventional porous body. Can provide.
[0087]
Further, the ultrasonic transducer using the acoustic matching member according to the present invention includes the low porosity layer or the binder diffusion layer so that the porosity in the vicinity of the surface relative to the fluid to be measured has a conventional porous body. The porosity of the acoustic matching member vibrated by the vibrator vibrates (measures) the fluid under measurement (transmission), and vice versa. Thus, the acoustic matching member can be efficiently vibrated (received), and an ultrasonic transducer with high ultrasonic transmission / reception efficiency can be provided.
[0088]
Furthermore, in the ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter using the acoustic matching member according to the present invention, the acoustic matching member according to the present invention adds the low void layer and the binder diffusion layer to the conventional brittle and fragile porous body. Therefore, the mechanical strength is improved as compared with the conventional porous body, and as a result, it is possible to provide an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter with few failures due to destruction of the acoustic matching member.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an acoustic matching member according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an acoustic matching member according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an acoustic matching member according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a conventional porous body used for an acoustic matching member of a comparative example.
FIG. 5 is a schematic sectional view of an ultrasonic transducer according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view of an ultrasonic transducer according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram for explaining the operation of an ultrasonic flowmeter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for evaluating the mechanical strength of an acoustic matching member.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a method for evaluating transmission / reception efficiency of an ultrasonic transducer.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a transmission signal waveform and a reception signal waveform.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a conventional ultrasonic transducer.
FIG. 12 is a diagram illustrating the principle of an ultrasonic flow meter.
[Explanation of symbols]
1 Skeletal material
2 gap
3 Low porosity layer
4 Binder diffusion layer
5 Piezoelectric material
6 electrodes
7 Sealed container
8 Insulation seal
9 Porous material
10, 11, 12, 13 Acoustic matching member
14 Drive terminal
15 Upper surface pressing jig
16 Bottom press jig
17 Reflector
20, 101, 102, 201, 202 Ultrasonic transducer
51 flow path
52 Measuring tube
53 Transmitter circuit
54 Receiver circuit
55 Transmission / reception switching circuit
56 Ultrasonic propagation time measurement circuit
57 Calculation unit
58 Clock pulse generator
59 Counter circuit

Claims

An acoustic matching member including a piezoelectric vibrator and incorporated in an ultrasonic transducer for transmitting or receiving ultrasonic waves, wherein the porous body and at least a part of the surface of the fluid to be measured have a void in the porous body An acoustic matching member comprising a low-porosity layer having a porosity lower than the porosity, and a binder diffusion layer on at least a part of the surface and inside of the porous body.

The acoustic matching member according to claim 1 , wherein the porous body is formed of a material containing at least one selected from alumina, silica, and glass.

The acoustic matching member according to claim 1 , wherein the low porosity layer is formed of a glass diffusion layer or an organic material.

The acoustic matching member according to claim 1 , wherein the binder diffusion layer is formed of silica using colloidal silica as a raw material.

The porous body is formed of a material containing at least one selected from alumina, silica and glass, the low porosity layer is formed of a glass diffusion layer or an organic material, and the binder diffusion layer is made of colloidal silica as a raw material. The acoustic matching member according to claim 1 , wherein the acoustic matching member is formed of silica.

Equipped with an acoustic matching member and the piezoelectric vibrator according to any one of claims 1 to 5 ultrasonic transducer for transmitting or receiving ultrasonic waves.

The ultrasonic transmission / reception wave according to claim 6 , wherein the piezoelectric vibrator is disposed on an inner surface of the sealed container, and the acoustic matching layer member is disposed on an outer surface of the sealed container facing the position of the piezoelectric vibrator. vessel.

The ultrasonic transducer according to claim 7 , wherein the sealed container is a metal material.

An ultrasonic flowmeter comprising the ultrasonic transducer according to any one of claims 6 to 8 ,
A measuring tube having a flow path through which the fluid to be measured flows;
A pair of the ultrasonic transducers disposed opposite to the upstream side and the downstream side of the flow of the fluid to be measured;
A transmission circuit for transmitting ultrasonic waves to the ultrasonic transducer;
A receiving circuit that causes the ultrasonic transducer to receive ultrasonic waves;
A transmission / reception switching circuit for switching from transmission to reception or from reception to transmission of the pair of ultrasonic transducers;
An ultrasonic propagation time measuring circuit between the pair of ultrasonic transducers,
An ultrasonic flowmeter comprising: a calculation unit that converts the flow rate of the fluid to be measured based on the propagation time.

It is a manufacturing method of the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 5 ,
(A) preparing a porous body;
(B) preparing a fluid paste adjusted so that the porosity after solidification is at least lower than the porosity of the porous body;
(C) forming the fluid paste in a layer form on at least a part of the surface of the porous body;
(D) A method for producing an acoustic matching member, characterized in that a low porosity layer is formed by solidifying the fluid paste layer formed into a layer.

It is a manufacturing method of the acoustic matching member according to any one of claims 1 to 5 ,
(A) preparing a porous body;
(B) preparing a colloidal silica solution containing colloidal silica as a main component;
(C) contacting and impregnating the colloidal silica solution on at least a part of the surface of the porous body;
(D) heating the porous body containing a colloidal silica solution;
(E) A method for producing an acoustic matching member, wherein a silica diffusion layer is formed on the surface and inside of the porous body.