JP4153796B2

JP4153796B2 - 超音波送受波器および超音波流量計

Info

Publication number: JP4153796B2
Application number: JP2003006853A
Authority: JP
Inventors: 英知永原; 卓橋田; 雅彦橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004219248A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、ならびに、当該超音波送受波器を備えた超音波流量計に関する。
【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。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、ｂ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ており、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、次式（１）が成立する。
【００１３】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（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。
【００１５】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（２）
【００１６】
両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）で示される。
【００１７】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（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・・・（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・・・（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、特願２００１−０５６０５１号の明細書に開示している。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】
しかしながら、乾燥ゲルのような音響インピーダンスの極めて低い材料は、機械的強度が低く、製造時の歩留まりや、使用時における信頼性に問題があった。このような問題を解決するため、本出願人は、音響整合層を保護する保護部を設けた超音波送受波器を特願２００２−１９４２０３号明細書に開示している。
【００３５】
【特許文献１】
特許第２５５９１４４号明細書
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
超音波送受波器の十分な信頼性を得るため、あるいは超音波送受波器の大きさが制限されている場合には、乾燥ゲルからなる音響整合層を保護する保護部を、超音波を送受信する圧電体の上部に設けざるを得ない場合がある。
【００３７】
このような場合には、保護部は超音波の高感度な送受信に対して阻害要因となり、感度を十分に高くすることが出来ないという問題を有していた。
【００３８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、乾燥ゲルなどの機械的強度が低く、音速が遅い材料を音響整合層として用いる場合に、製造の容易さや、高信頼性を確保できる保護部を、圧電体上に設けながらも、高感度な超音波の送受波を実現できる超音波送受波器およびその製造方法を提供することにある。
【００３９】
本発明の他の目的は、上記の超音波送受波器を備えた超音波装置および、特に超音波流量計を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波送受波器は、超音波の送波および／または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第１音響整合部分と、前記第１音響整合部分の平均密度よりも低い平均密度を有する第２音響整合部分とを有しており、前記第１音響整合部分は、前記第２音響整合部分の側面と接触している。
【００４１】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部は、前記第２音響整合部よりも厚く、前記圧電体の主面から放射され前記第２音響整合部分を透過して前記第１音響整合部分の上面と同一レベルの位置に到達した超音波の位相と、前記主面から放射され前記第１音響整合部分を透過して前記第１音響整合部分の上面に到達した超音波の位相とが略一致している。
【００４２】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分における超音波の波長をλ１としたとき、前記第１音響整合部分の厚さはｋ１・λ１の大きさ（ｋ１は１／８以上１／３以下）を有し、かつ前記第２１音響整合部分の厚さとは異なっている。
【００４３】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分は、Ｎ層の音響整合層（Ｎは１以上の整数）から構成されており、Ｎ層の音響整合層の各々は、各音響整合層における前記超音波の波長のｋ２倍の大きさ（ｋ２は１／８以上１／３以下）を有している。
【００４４】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の最外層に位置する音響整合層の厚さは、前記第２音響整合部分の最外層に位置する音響整合層における超音波の波長の約１／４である。
【００４５】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第１音響整合部分の材料と同じ材料から構成されている。
【００４６】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第１音響整合部分と一体的に形成されている。
【００４７】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分に含まれる少なくとも１層の音響整合層は、乾燥ゲルから形成されている。
【００４８】
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、無機系材料からなる。
【００４９】
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、撥水化された固体骨格部を有している。
【００５０】
超好ましい実施形態において、音波送受波器を構成する部材のうち、前記音響整合部分に接する面の少なくとも一部が、粗面または多孔質である。
【００５１】
好ましい実施形態において、超音波送受波器を構成する部材のうち、前記第２音響整合部分に接する面の少なくとも一部において、前記第２音響整合部分の一部が前記部材に浸透一体化している。
【００５２】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の少なくとも一部は乾燥ゲルから形成されており、前記第１音響整合部分は前記乾燥ゲルよりも機械的強度の高い材料から形成されている。
【００５３】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分の少なくとも一部は、多孔質セラミックスから形成されている。
【００５４】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。
【００５５】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。
【００５６】
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部と、前記計測部からの信号に基づいて流量を算出する流量演算部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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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第２音響整合部分を形成する工程と、（ｃ）前記圧電体と前記第２音響整合部分とによって形成された空間内にゲル原料を供給する工程と、（ｄ）前記ゲル原料液をゲル化させて湿潤ゲルを得る工程と、（ｅ）得られた湿潤ゲルを乾燥させる工程とを含む。
【００６１】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記空間内に第１のゲル原料を供給する工程と、（ｃ２）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、（ｃ３）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、（ｃ４）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を含み、前記工程（ｅ）は、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。
【００６２】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ４）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。
【００６３】
本発明の超音波送受波器は、超音波の送波および／または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第１音響整合部分と、前記第１音響整合部分の機械強度よりも低い機械強度を有する第２音響整合部分とを有しており、前記第１音響整合部分は、前記第２音響整合部分の側面と接触している。
【００６４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００６５】
（実施形態１）
図３は、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。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電極３ａ、３ｂと、圧電体２上に電極３ａを介して設けられた保護整合層（第１音響整合部）４と、圧電体２上に電極３ａを介して設けられた音響整合層（第２音響整合部）５とを備えている。
【００６６】
図４は、図３に示した超音波送受波器１の上面図である。図４からわかるように、本実施形態の超音波送受波器は、厚さ（高さ）の異なる保護整合層４と音響整合層５とが交互に同心円状に配置された構造を有している。
【００６７】
本実施形態における圧電体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３ａ、３ｂに電圧が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体２で超音波が発生し、保護整合層４および音響整合層５を介して超音波伝搬媒体（気体など）６へ放射される。また、超音波伝搬媒体６を伝播してきた超音波は、保護整合層４および音響整合層５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３ａと電極３ｂとの間に電圧信号が発生する。
【００６８】
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３ａ、３ｂ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。
【００６９】
保護整合層４および音響整合層５は、圧電体２で発生した超音波振動を伝搬媒体６へ効率よく伝搬させ、また、超音波伝搬媒体６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。
【００７０】
本実施形態の音響整合層５は、好ましくは、乾燥ゲルから形成される。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５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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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に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。
【００７５】
乾燥ゲルは、このような有利な特徴を有するが、機械的強度が低い。このため、製造歩留まりを高くすることが困難であり、使用時における信頼性も低かった。このように機械的強度の低い乾燥ゲルを保護する部材を設けることにより、製造歩留まりおよび信頼性が向上することを本出願人は特願２００２−１９４２０３の明細書に開示している。
【００７６】
上記出願の明細書では、保護部は超音波送受波器の製造歩留まり、あるいは使用時における信頼性を向上させるのに極めて有効であり、さらに音響整合層の厚さを高精度に制御しうるため、超音波送受波器の性能安定化に対して有効であることが開示されている。この明細書では、圧電体が超音波を放射または受け取る面（主面）上に保護部を設けると、その保護部が音響的な障害となり得ることが指摘され、保護部の位置を圧電体の主面の外側に配置することが好ましいと記載されている。上記出願では、音響整合層の材料とは異なる材料から形成される上記保護部の厚さが、音響整合層の厚さと略等しくなるように設定されている。このため、保護部と音響整合層との間で音速が異なり、音響整合層と略同じ厚さの保護部は音響整合層の役割をせず、実質的には超音波の送受信に対して阻害する要因となるからである。
【００７７】
しかし、更に厳しい環境条件に対する信頼性の確保や、超音波送受波器の外径の制限などによっては、圧電体上部に保護部を設けざるを得ない場合がある。
【００７８】
本実施形態では、圧電体の主面に、音響整合層５を保護する機能を果たす保護部（密度が相対的に高く、音響整合層５よりも機械的強度が高い材料から形成される）を有しながらも、超音波送受波器としての性能を損なわない構成を採用する。
【００７９】
本実施形態では、圧電体２の主面に設けられた保護部の厚さを送受信する超音波の波長の約１／４に設定している。これにより、機械的強度が相対的に高い保護部も音響整合層として機能する。このため、本明細書では、この保護部を「保護整合層」と称する場合がある。このような構成を採用することにより、音響整合層を保護する保護部も音響整合層としての役割を果たすため、高感度な超音波送受波器を実現することができる。
【００８０】
音響整合層としての機能を最もよく発揮する厚さは、超音波の波長の１／４である。一方、保護整合層４における音速と音響整合層５における音速は異なる。このため、保護整合層４の厚さＬ３と音響整合層５の厚さＬ１とは、図３に示されるように、異なる大きさを有している（Ｌ３＞Ｌ１）。
【００８１】
保護整合層４および音響整合層５の厚さがいずれも音速の１／４程度に設定されると、保護整合層４の厚さが音響整合層５の厚さと異なるため、音響整合層５の上面から放射された超音波と、保護整合層４の上面から放射された超音波が干渉する場合がある。高感度な超音波送受波器を実現するためには、それぞれから放射される超音波の位相関係が極めて重要となる。
【００８２】
図５（ａ）は、保護整合層４の上面における超音波の波形を示し、図５（ｂ）は、音響整合層５の上方において、保護整合層４の上面と同じレベルにおける超音波の波形を示している。なお、図５（ｂ）における符号「ｔａ」は、超音波が超音波伝搬媒体６を伝搬する時間を示している。各グラフにおける横軸の１目盛りは、超音波の周波数が５００ｋＨｚのとき、約３μ秒である。
【００８３】
音響整合層５の上面から放射された超音波は、気体などの超音波伝播媒体６を通って保護整合層４の上面と同じレベルに達する。このため、伝搬媒体６における音速や伝播媒体６のサイズＬ２によっては、音響整合層５の上方において、保護整合層４の上面と同じレベルにおける超音波の波形の位相が変化する。
【００８４】
なお、図５（ａ）および（ｂ）の信号波形は、保護整合層４および音響整合層５から放射される超音波の波長および振幅が等しいと仮定して求めたものである。
【００８５】
保護整合層４の厚さＬ３および音響整合層５の厚さＬ１が、それぞれ、各層における超音波波長の１／４であるとき、保護整合層４の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間は、音響整合層５の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間に等しい。従って、音響整合層５の上面から放射された超音波が保護整合層４の上面と同じレベルの位置に達した超音波の位相は、保護整合層４を伝搬して保護整合層４の上面に達した超音波の位相に比べて、遅れている。この位相の遅れは、音響整合層５の上面から出た超音波が伝搬媒体６の中を距離Ｌ２だけ伝播する時間に対応している。
【００８６】
送受信する超音波の周波数をｆ［秒^-1］とすると、超音波の１波長に等しい距離だけ超音波が進むのに必要な時間は１／ｆ［秒］である。超音波が本実施形態の保護整合層４を通過するのに必要な時間ｔ３は、１／４ｆ［秒］である。一方、超音波が本実施形態の音響整合層５を通過するのに必要な時間ｔ２も、１／４ｆ［秒］である。ここで、超音波が伝搬媒体６の中をＬ２の距離だけ伝搬するために必要な時間をｔ２（＝ｔａ）とすると、時間ｔ２に依存して、保護整合層４の上面から放射された超音波と音響整合層５の上面から放射された超音波との間に干渉が発生する。この干渉により、超音波の波形および感度が変化する。
【００８７】
図５（ｃ）は、時間ｔ２が１／２ｆ［秒］である場合に観測される超音波波形を示しており、図５（ｄ）は、時間ｔ２が１／ｆ［秒］である場合に観測される超音波波形を示している。図５（ｃ）および（ｄ）からわかるように、時間ｔ２の値により、観測される超音波の感度が大きく異なる。時間ｔ２が１／２ｆ［秒］と等しいとき、位相のずれが超音波の半波長となり、観測される超音波の感度は低くなる。一方、時間ｔ２が１／ｆ［秒］のとき、位相のずれが超音波振動子の波長の整数倍となるため、観測される超音波の感度は高くなる。時間ｔ２が１／２ｆ〜１／ｆ［秒］の範囲内にあるとき、ｔ２が１／２ｆ［秒］から１／ｆ［秒］に近づくほど、超音波の送受信感度が上昇する。
【００８８】
音響整合層５から放射された超音波が伝搬媒体６を伝搬して保護整合層４の上面と同じレベルに達したとき、その超音波の位相が保護整合層４を伝搬してきた超音波の位相と略一致するように音響整合層５および保護整合層４の厚さを調節すると、高感度の超音波送受波器を提供できる。なお、本明細書で「位相が略一致する」とき、超音波の位相の差が超音波波長の１／４以下になることを意味し、位相の差は小さいほど好ましい。
【００８９】
図６は、時間ｔ２が１／ｆ［秒］である場合の超音波の位相を模式的に示した断面図である。この図では、保護整合層４の上面における超音波の位相と、音響整合層５の上方であって保護整合層の上面と同レベルにおける超音波の位相とが一致している。このような位相の一致が生じしたとき、超音波の送受信感度が最大化される。なお、このような位相の完全な一致が生じない場合でも、位相のずれが少なく設定されると、超音波の送受信感度は従来よりも充分に向上される。位相のずれは、超音波伝搬媒体における超音波波長の１／４以下に調節されていることが好ましく、１／８以下に調節されていることが更に好ましい。
【００９０】
音響整合層５の厚さＬ１および保護整合層４の厚さＬ３を、それぞれ、音響整合層５および保護整合層４における超音波波長の１／４程度に制御するだけでは、Ｌ２の大きさは（Ｌ３−Ｌ１）として一義的に決まるため、ｔ２を任意に設定することができない。このため、時間ｔ２が所望の大きさになるようにするには、音響整合層５や保護整合層４の厚さだけではなく、音響整合層５や保護整合層４における音速を適切に制御する必要がある。本発明の好ましい実施形態では、音響整合層５を音速の制御が容易な乾燥ゲルから形成する。
【００９１】
次に、図７（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器１の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態においては、超音波伝搬媒体６として空気（密度：１．１８ｋｇ／ｍ³、音速：約３４０ｍ／ｓ、音響インピーダンス約４．０×１０²ｋｇ／ｍ²／ｓ）を考える。
【００９２】
まず、図７（ａ）に示すように、送受信する超音波の波長に合わせた圧電体２を用意する。この段階の圧電体２には、図７（ａ）に示す保護整合層４は設けられていない。圧電体２としては、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料が好ましい。圧電セラミックスとしては、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。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。
【００９３】
本実施形態では、圧電体２としてチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスを用い、送受信する超音波の波長を５００ｋＨｚに設定している。このような超音波を圧電体２が効率よく送受信できるようにするため、圧電体２の共振周波数を５００ｋＨｚに設計する。このため本実施形態では、直径が１２ｍｍ、厚さが約３．８ｍｍの円柱形状を有する圧電セラミックスから形成された圧電体２を用いている。圧電体２の両面には銀の焼付けによる電極３ａ、３ｂが形成され、この方向に分極処理が施されている。
【００９４】
次に、保護整合層４としての機能する３つのリング状部材を用意し、図７（ａ）に示すように圧電体２の主面に接合する。このとき、図４に示すように、リング状部材の各中心が圧電体２の中心に揃うようにする。保護整合層４としての機能する３つのリング状部材は、それぞれ、外径１２ｍｍ、内径１１ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第１リング状部材、外形８ｍｍ、内径７ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第２リング状部材、および、外形４ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第３リング状部材である。
【００９５】
本実施形態における保護整合層４には、機械的強度が高く、音響整合層を保護できる機能が求められるだけでなく、音響整合層の機能を果たすために比較的低い音響インピーダンスを有することが求められる。このような材料として、本実施形態では、多孔質体のセラミックスを用いる。この多孔質セラミックスは、見かけ密度が０．６４×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が２０００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが約１．２８×１０⁶ｋｇ／ｍ³である。セラミックスとしては、チタン酸バリウム系の材料を用いている。なお、「見かけ密度」とは、多孔質体に含まれる空間部分をも含んだ密度である。多孔質セラミックスは、体積の約８０％程度が空間部分であり、セラミックスの実体部分は約２０体積％である。
【００９６】
上述のように、保護整合層４の音速が約２０００ｍ／ｓであるため、５００ｋＨｚにおける波長の１／４の厚さは１．０ｍｍに相当する。このため、本実施形態では保護整合層４として機能するリング状部材の厚さを１．０ｍｍに設定している。
【００９７】
本実施形態で用いる多孔質セラミックスは、次のようにして作製され得る。
【００９８】
まず、樹脂製の微小なボールとセラミックス粉末を混合、加圧成形する。その後、セラミックスを焼結する。この焼結過程において、樹脂ボールは加熱され、燃焼して除去される。焼結に際して、加熱を急激に行うと、樹脂ボールが膨張または急激なガス化を起こし、セラミックス構造体を破壊してしまうおそれがある。このため、焼結は緩やかな加熱によって行うことが好ましい。
【００９９】
本実施形態では、このような多孔質セラミックスから形成したの保護整合層４と圧電体２とを接着剤による接着によって接合する。例えば、接着剤としてはエポキシ系樹脂を用い、０．１ＭＰａ程度の圧力をかけながら、１５０℃の恒温槽中で２時間程度放置すると、接着剤は硬化し、保護整合層４と圧電体２とが接合する。
【０１００】
次に、こうして形成した圧電体２／保護整合層４からなる複合体上に、図７（ｂ）に示すように音響整合層５を設ける。本実施形態では、音響整合層５を乾燥ゲルから形成する。
【０１０１】
本実施形態では、まず、図７（ｂ）に示す厚さの音響整合層５を形成した後、図７（ｃ）に示すようように音響整合層５を薄くする。このとき、図３に示す距離Ｌ２（＝Ｌ３−Ｌ１）が空気中に超音波の１波長に等しくなるように、保護整合層４の厚さＬ３および音響整合層の厚さＬ１を設定する。具体的には、送受信する超音波の周波数が５００ｋＨであるので、この超音波の空気中における１波長は、０．６２ｍｍである。一方、保護整合層４の厚さＬ３は１．０ｍｍであるため、音響整合層５の厚さＬ１は、０．３２ｍｍ（＝１．０ｍｍ−０．６２ｍｍ）とになる。また、音響整合層５が音響整合層として適切に機能するためには、この厚さＬ１（＝０．３２ｍｍ）が音響整合層５を伝搬する超音波の波長の１／４となることが最も望ましい。従って、０．３２ｍｍが送受信する超音波の波長の１／４となるような音速を有する材料特性を有することが必要となる。計算によれば、音速が６４０ｍ／ｓとなるような乾燥ゲルから厚さ０．３２ｍｍの音響整合層５を形成すれば良い。
【０１０２】
なお、保護整合層４の厚さは、保護整合層４における超音波波長の１／４であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲であれば良く、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲であることが更に好ましい。超音波の波長に分布がある場合、ピーク波長を基準にして厚さを決定することが好ましい。本明細書においては、波長に分布からある場合、「波長の１／４」とは「ピーク波長の１／４」を意味するものとする。
【０１０３】
音響整合層５が単層である場合、音響整合層５の厚さも、音響整合層５における超音波波長の１／４であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲であれば良く、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲であることが更に好ましい。音響整合層が多層構造を有している場合、各構成層が上記の厚さを有していることが好ましい。音響整合層が多層構造を有している超音波送受波器は、実施形態２として後述する。
【０１０４】
音響整合層５を構成する乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料など様々な材料を用いることができる。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。
【０１０５】
本実施形態では、音響整合層５の材料として、コスト、環境安定性、製造のしやすさ、超音波送受波器の安定な温度特性などの観点から、固体骨格部として酸化ケイ素（シリカ）を持つ乾燥ゲルを採用する。
【０１０６】
６４０ｍ／ｓの音速は、乾燥ゲルの音速としては比較的高い値である。このため、本実施形態では、音響整合層５として乾燥ゲル層を形成する際に、ゲル化工程（以下、「第１ゲル化工程」と称する。）に引き続いて乾燥工程を行う従来の製造方法ではなく、第１ゲル化工程後に第２ゲル化工程を行う方法を採用する。
【０１０７】
第２ゲル化工程を行わずに第１ゲル化工程だけを行う場合は、相対的に高い音速を示す乾燥ゲルを得ることが困難である。なお、乾燥ゲルの密度は、音速と略比例して高くなるため、「高い音速」は「高い密度」を意味する。ゲルの音速を高くする目的で、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、ゲル化反応が均一に進行せず、ランダムな音速分布を持つ湿潤ゲルが形成される。この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルも、ランダムな密度分布を持つこととなる。このため、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、音速を均一化することは極めて難しくなる。
【０１０８】
本実施形態では、ゲルの不均一化を避けるため、第１ゲル化工程で形成する乾燥ゲルの音速は２００ｍ／ｓ程度以下に調節し、第２ゲル化工程によって密度を更に上昇させ、均一に音速を上昇させる。第２ゲル化工程では、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを再びゲル原料液（第２ゲル化原料液）に浸漬する処理を行う。そして、第２ゲル化工程では、第２ゲル化原料液中の触媒となるアンモニアの濃度を低く調整する。このため、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの外ではゲル化が起こらない。しかし、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの内部では、第１ゲル化工程で形成された骨格に第２ゲル化原料液が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。このようにしてゲルの音速、密度を変化させることが可能となる。
【０１０９】
具体的には、以下に示す工程を行うことにより、乾燥ゲルによる音響整合層５を形成する。
【０１１０】
工程１：第１ゲル化ゲル原料液の用意
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で混合して、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、水／ＮＨ₃を、２．５／０．００５７の割合（テトラエトキシシランに対するモル比）を加えて混合したゲル原料液を用意する。
【０１１１】
工程２：第１ゲル化工程
上記のようにして調整したゲル原料液（第１ゲル化原料液）を、圧電体２と保護整合層４で形成された空間に滴下する。この際、一番外側の保護整合層４の外周にテフロン（登録商標）製のシートを巻きつけ、ゲル原料液がこぼれないように枠を形成する。
【０１１２】
ゲル原料液を滴下したサンプルを恒温槽中で水平を保ちながら５０℃で約１日放置する。こうして、圧電体２と保護整合層４とによって形成された空間内に供給されたゲル原料液がゲル化し、湿潤ゲルを形成する。
【０１１３】
工程３：第２ゲル化工程（音速、密度の調整）
第１ゲル化工程で得られた音響整合層に対して、そのまま乾燥工程を行った場合、密度は２．０×１０²ｋｇ／ｍ³程度、音速は２００ｍ／ｓ程度となる。本実施形態では、音速、密度を更に高くする目的で第２ゲル化工程を行う。
【０１１４】
まず、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルをエタノールで洗浄し、第２ゲル化原料液を準備する。第２ゲル化原料液として、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。
【０１１５】
第１ゲル化工程で得られた圧電体２／湿潤ゲル／保護整合層４からなる複合体を密閉容器中の第２ゲル化原料液に浸漬し、７０℃の恒温槽中で約４８時間放置する。この第２ゲル化工程により第１ゲル化工程で得られたゲル骨格が成長し、密度、音速が高くなる。
【０１１６】
工程４：疎水化工程
疎水化工程は、必ずしも必要ではないが、吸湿により性能が劣化することがあるため、行うことが好ましい。疎水化工程は、第２ゲル化工程の後、湿潤ゲル内に残留している、第２ゲル化原料液をエタノールにより置換・洗浄した後、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、４０℃で、約１日間、浸漬することによって、疎水化工程を行う。
【０１１７】
工程５：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り、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。
【０１１８】
このため、表面張力の働かない超臨界乾燥法が有用に利用することができる。具体的には、上述の疎水化液をエタノールで置換した後、以上の工程で得られた圧電体２／湿潤ゲル／保護部研音響整合層５の複合体を耐圧容器に入れて、湿潤ゲル内のエタノールを液化二酸化炭素に置換する。
【０１１９】
更に容器内にポンプで液化二酸化炭素を送り込むことにより、容器内の圧力を１０ＭＰａまで上昇させる。その後、５０℃まで昇温することで容器内を超臨界状態とした。次に温度を５０℃に保ったまま、圧力をゆっくり開放することで乾燥を完了する。
【０１２０】
工程６：厚さ調整工程
こうして形成した乾燥ゲル層を、旋盤によりその厚さを０．３２ｍｍとなるように音響整合層５のみの部分を研削した。
【０１２１】
このようにして得られた音響整合層５を形成する乾燥ゲルの密度は、約０．６×１０³ｋｇ／ｍ³であり、音速は約６４０ｍ／ｓとなる。また保護整合層４の一部に、音響整合層５となる乾燥ゲルが浸透しているが、保護整合層４の音速には影響を与えない。
【０１２２】
乾燥ゲルから音響整合層を形成する工程の前に、電極３ｂと音響整合層５との密着性が良くなるように電極３ｂの表面を処理するすることが好ましい。表面処理によって電極３ｂと音響整合層５との密着性が増すと、信頼性が更に向上する。このような表面処理としては、乾燥ゲルと化学的な結合をしやすい圧電体表面の電極に水酸基が付与されるようなプラズマ処理などを採用することができる。あるいは、電極３ｂの表面に物理的な凹凸を形成することによってアンカー効果を付与することも有効である。具体的には、化学的および／または物理的なエッチング処理を好適に採用することができる。
【０１２３】
本実施形態では、音響整合層５となるゲルを形成した後、旋盤による研削を行い、乾燥ゲルの厚さを調整する。厚さの調節は、第１ゲル化工程の際に滴下する第１ゲル化原料液の量（高さ）を調整することによって行ってもよい。この場合には、形成される音響整合層の厚さが最終的に０．３２ｍｍ程度となるように、３３．９μＬのゲル原料液をマイクロピペットで正確に量り取り、圧電体２上に滴下する。保護整合層４が８０％の空隙を有する多孔質体であるため、多孔質体に吸収される体積を換算して滴下量を計算する必要がある。
【０１２４】
このようにして製造した超音波送受波器の送受信波形を図８に示す。図８において、本実施形態の超音波送受波形は実線で示され、保護部と音響整合層５とが同じ厚さを有する超音波送受波器（比較例）の超音波送受信波形は点線で示されている。図８からわかるように、本実施形態によれば、信号の振幅が増加する。本発明の構造を用いることで高感度化を達成できる。
【０１２５】
本実施形態では、保護整合層４の上面と同一レベルの位置における超音波の位相を揃えるため、音響整合層５および伝搬媒体６を伝搬してきた超音波が、保護整合層４を伝搬してきた超音波に比べて、ちょうど波長分だけ位相の遅れを生じるようにしている。さらに大きな音速を有する材料から保護整合層４を形成する場合や、保護整合層４の厚さＬ３を大きく設定する場合には、伝搬媒体６による位相遅れを超音波波長の２波長以上に設定してもよい。
【０１２６】
（実施形態２）
次に、図９を参照しながら、本発明の超音波送受波器の第２の実施形態２を説明する。本実施形態の主な特徴点は、音響整合層が第１音響整合層５ａおよび第２音響整合層５ｂを含む積層構造を有している点である。
【０１２７】
音響整合層５が２層構造を有する場合にも、各音響整合層５ａ、５ｂの厚さのそれぞれを、各音響整合層における超音波波長の１／４程度に設定することが好ましい。
【０１２８】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、保護整合層４の上面と同一レベルの位置において超音波の位相を揃えるため、音響整合層５および伝搬媒体６を伝搬してきた超音波が、保護整合層４を伝搬してきた超音波に比べて、超音波波長の略整数倍分だけの位相の遅れを生じるようにしている。
【０１２９】
図９に示す構成では、超音波が保護整合層４を伝播して保護整合層４の上面に達したとき、その超音波と同位相の超音波は第１音響整合層と第２音響整合層５ｂの境界面に達している。これは、第１音響整合層５ａの音速が保護整合層４における音速よりも小さいためである。超音波が第１音響整合層５ａの上面から第２音響整合層５ｂの上面に達するまでに、更に１／４ｆ［秒］の時間がかかる。このため音響整合層５ｂの上面から伝搬媒体６を伝搬して保護整合層４の上面と同じレベルに達するまでの時間が３／４ｆ［秒］となるように設定すると、保護整合層４の上面レベルで位相が揃う。このような構成を採用すると、音響整合層５ａおよび５ｂを透過して放射された超音波と、保護整合層４を透過して放射された超音波との間に、１波長分のずれが生じ、両超音波が干渉して強め合うため、超音波の振幅が大きくなる。
【０１３０】
本実施形態における音響整合層５ａ、５ｂの製造方法を説明する。
【０１３１】
まず、第１の実施形態における音響整合層５の製造方法と同様にして、保護整合層４を作製する。保護整合層４の材料として多孔質セラミックスを用い、その厚さ（Ｌ７）を１．０ｍｍに設定する。
【０１３２】
本実施形態では、空気などの伝搬媒体６を伝搬する時間が３／４ｆ［秒］となるように、第２音響整合層５ｂの上面から保護整合層４の上面レベルまでの距離（Ｌ６）を０．５１ｍｍに設定する。この結果、第１音響整合層５ａと第２音響整合層５ｂの合計厚さ（Ｌ４＋Ｌ５）は、０．４９ｍｍに等しくなる。
【０１３３】
本実施形態では、第２音響整合層５ｂの音速を２００ｍ／ｓに設定すると、第２音響整合層５ｂの厚さ（Ｌ５）は０．１０ｍｍに設定することが好ましい。Ｌ５＝０．１０ｍｍとすると、第１音響整合層５ａの厚さ（Ｌ４）は０．３９ｍｍ（＝０．４９ｍｍ−０．１０ｍｍ）となる。第１音響整合層５ａの厚さが第１音響整合層５ａにおける超音波の１／４波長に相当するようにするには、第１音響整合層５ａの音速を７８０ｍ／ｓにする必要がある。
【０１３４】
次に、上記のような２層の音響整合層５ａ、５ｂの作製方法を説明する。この方法で特徴的な点は、第１の実施形態で行った第２ゲル化工程を２度行うことにある。すなわち、本実施形態では、第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの外側ではゲル化をしない第２ゲル化工程（第２−１ゲル化工程）を行った後に、湿潤ゲルの外側でもゲル化が生じる第２ゲル化工程（第２−２ゲル化工程）を行う。
【０１３５】
本実施形態では、まず、第１の実施形態で行った工程１〜工程６と同様の工程を行うことにより、第１音響整合層５ａを形成する。ただし、このときの第２ゲル化工程は、第２−１ゲル化工程である。
【０１３６】
この後に行う第２−２ゲル化工程における音響インピーダンスの増加を見込み、第２−１ゲル化工程では、第１音響整合層５ａの密度約０．５×１０³ｋｇ／ｍ³、音速５００ｍ／ｓ程度となるように処理時間を調節する。本実施形態では、処理時間を第１の実施形態における第２ゲル化工程の処理時間よりも短縮し、約３６時間に設定する。
【０１３７】
次に、第２−２ゲル化工程を行うことにより、第１音響整合層５ａの音響インピーダンスを増加ざせるとともに、第１音響整合層５ａの上部に第２音響整合層５ｂを形成する。この第２−２ゲル化工程は、具体的には、以下のようにして行った。
【０１３８】
第２−２ゲル化工程：
まず、第２−２ゲル化原料液として、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意する。この第２−２ゲル化原料液を、第１音響整合層５ａと保護整合層４によって形成された空間内に充填する。次に、このまま室温で約２４時間放置することにより、ゲル化を完了する。こうして、第１音響整合層５ａの音響インピーダンスを調整するとともに、第２音響整合層５ｂとなる湿潤ゲルを形成する。
【０１３９】
この後、第１の実施形態と同様にして、疎水化工程、乾燥工程、および厚さ調整工程を行うことにより、音響整合層５ａ、５ｂを完成する。本実施形態における音響整合層５ａ、５ｂは、以下のように特徴付けられる。
【０１４０】
第１音響整合層５ａ
密度：０．７×１０³ｋｇ／ｍ³、音速：７８０ｍ／ｓ
音響インピーダンス：５．４６×１０⁵ｋｇ／ｍ²／ｓ
厚さ：０．３９ｍｍ
第２音響整合層５ｂ
密度：０．２×１０³ｋｇ／ｍ³、音速：２００ｍ／ｓ
音響インピーダンス：４．０×１０⁴ｋｇ／ｍ²／ｓ
厚さ：０．１０ｍｍ
【０１４１】
本実施形態の超音波送受信器の送受信波形を図１０に示す。図１０において、本実施形態の超音波送受波器の超音波送受波形は実線で示され、音響整合層と保護整合層の厚さを等しくした超音波送受波器（比較例）の送受波形形は点線で示される。図１０からわかるように、本実施形態の超音波送受波器によれば、高感度化を実現することができる。
【０１４２】
本実施形態では、音響整合層５を２層とした構成としたが、３層以上としても、保護整合層４の上面部分で、超音波の位相が揃うように設計することで同様の効果が得られる。
【０１４３】
（実施形態３）
図１１を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第３の実施形態を説明する。本実施形態の特徴的な点は、第１音響整合層５ａと保護整合層４とが、同じ材料によって一体的に形成されている点にある。第１音響整合層５ａの上部には乾燥ゲルから形成した第２音響整合層５ｂが形成されている。
【０１４４】
本実施形態では、第１音響整合層５ａおよび保護整合層４における超音波の音速や波長が等しく、しかも、保護整合層４の厚さＬ１１を超音波の１／４波長に設定する。このため、第１音響整合層５ａの厚さＬ８は超音波の１／４波長よりも小さい。第１音響整合層５ａの厚さＬ８は、第２音響整合層５ｂの厚さＬ９と、第２音響整合層５ｂの上面から保護整合層４の上面レベルまでの距離Ｌ１０によって決まる。
【０１４５】
本実施形態においても、音響整合層５ａおよび５ｂを透過して放射された超音波と、保護整合層４を透過して放射された超音波との間に、超音波波長の整数倍の位相遅れが生じる構成を採用している。このため、保護整合層４の上面レベルにおいて、音響整合層５ａ、５ｂおよび伝搬媒体６を伝搬してきた超音波の位相が揃う。
【０１４６】
音響整合層５ａ、５ｂを透過してきた超音波の感度を高めるには、第１音響整合層５ａの厚さよりも第２音響整合層５ｂの厚さが重要である。本実施形態では、第２音響整合層５ｂの厚さは、送受信する超音波の波長の約１／４に設定する。第１音響整合層５ａの厚さも、感度に影響を与えるが、その影響の多くは周波数の比帯域に及ぶ。
【０１４７】
このため、本実施形態では、まず材質の機械的強度などの点から、第２音響整合層５ｂを構成しうる乾燥ゲル層の特性を決定する。次に、保護整合層４と同じ材料から形成する第１音響整合層５ａの厚さＬ８と、音波伝搬媒体の厚さＬ１０とを設定する。
【０１４８】
本実施形態では、保護整合層４の材料として、前述の実施形態と同様に多孔質セラミックスを用い、その厚さ（Ｌ１１）を超音波波長の１／４に設定する。すなわち、Ｌ１１を１．０ｍｍに設定する。この場合、上記の多孔質セラミックスから形成される第１音響整合層５ｂの音速は２００ｍ／ｓ、密度は０．２×１０³ｋｇ／ｍ³となる。乾燥ゲルから形成する第２音響整合層５ｂの厚さを超音波波長の１／４に設定するため、Ｌ９を０．１０ｍｍとする。
【０１４９】
このとき、以下の式６が成立する。
【０１５０】
Ｌ８＋Ｌ１０＝０．９［ｍｍ］・・・（６）
【０１５１】
式６は、Ｌ１１を１．０ｍｍ、Ｌ９を０．１ｍｍに設定したことから導かれる。
【０１５２】
優れた特性を発揮するには、以下の式が成立することが好ましい。
【０１５３】
Ｌ８／１＋Ｌ１０／（１７／２５）＝１［波長］・・・（７）
【０１５４】
本実施形態では、周波数が５００ｋＨｚの超音波を送受信するため、音響整合層５ａにおける超音波の１波長は１．０ｍｍ、音波伝搬媒体６における超音波の１波長は１７／２５ｍｍとなる。式７は、超音波の１波長に対する第１音響整合層５ａの厚さＬ８の比率と、超音波の１波長に対する伝搬媒体６の厚さＬ１０の比率との和である。式８を満足するということは、超音波が第１音響整合層５ａおよび音波伝搬媒体６を透過する際に１波長だけ進むことを意味している。言い換えると、超音波が感じする第１音響整合層５ａおよび音波伝搬媒体６の実効的な厚さが１波長分であることを意味する。
【０１５５】
式６および式７を満足するＬ８およびＬ１０を算出すると、Ｌ８＝約０．６９ｍｍ、Ｌ１０＝０．２１ｍｍとなる。
【０１５６】
次に、図１２（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器の製造方法を説明する。
【０１５７】
まず、図１２（ａ）に示すように、多孔質セラミックスからなる厚さ１．０ｍｍのペレットを用意し、このペレットを図１２（ｂ）に示すように加工する。本実施形態では、ペレットの上面に溝を形成し、溝底部の厚さを０．６９ｍｍに調節する。この溝底部が第１音響整合層５ａとして機能する部分である。溝は図４に示すようにリング状に形成する。
【０１５８】
次に、図１２（ｃ）に示すように、溝の内部に第２音響整合層５ｂを形成する。音響整合層５ｂの厚さが０．１ｍｍになるようにする。保護整合層４／音響整合層５ａ、５ｂの複合体を、図１２（ｄ）に示すように、圧電体２に接合し、超音波送受波器１を形成する。
【０１５９】
第１音響整合層５ｂは、テトラメトキシシラン／エタノール／０．０５規定アンモニア水をモル比で、１／７／４の割合で混合した液を用いて、実施形態１と同様にして第１ゲル化工程を行うことによって形成する。
【０１６０】
保護整合層４／音響整合層５ａ、５ｂからなる複合体の圧電体への接着は、実施形態１と同様に、エポキシ系の接着剤によって行うことができる。
【０１６１】
本実施形態によれば、保護整合層４と音響整合層５ａを一括的に形成できるため、製造工程を簡単にし、製造コストを低減できる。
【０１６２】
（実施形態４）
図１３を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第４の実施形態を説明する。本実施形態に特徴的な点は、構造支持体を有している点である。
【０１６３】
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５や保護整合層４との間に構造支持体７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。
【０１６４】
構造支持体７は音響整合層５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。
【０１６５】
構造支持体７の表面には音響整合層５や保護整合層４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。
【０１６６】
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７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７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。
【０１６７】
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７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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
構造支持体７のうち、圧電体２と音響整合層５や保護整合層４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７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７のうち、圧電体２と音響整合層５や保護整合層４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。
【０１７０】
本実施形態では、構造支持体７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。
【０１７１】
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７の存在は殆ど音響的阻害要因にはならない。
【０１７２】
構造支持体７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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
（実施形態５）
図１４（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第５の実施形態を説明する。図１４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の上面図である。
【０１７５】
図４に示す例では、保護整合層４として機能する多孔質セラミック製のリング（同じ幅で直径の異なる３つのリング状部材）を用い、それらの中心が一致するように圧電体主面に配置しているが、図１４（ａ）に示すように幅の異なるリングを用いて保護整合層４を形成しても良い。また、図１４（ｂ）に示すように、島状の保護整合層４をランダムに配置してもよい。
【０１７６】
保護整合層４と音響整合層５とが、超音波送受波器の主面上に規則的に配列されている場合、その主面に対して或る角度を持った方向に超音波の位相が揃い、振幅が強まる。これは、「サイドローブ」と呼ばれ、超音波計測を行う上で阻害要因となる。しかし、図１４に示すように、保護整合層４の配列が周期性を持たない構成を採用することにより、サイドローブを抑制し、精度および信頼性の高い超音波計測を可能とすることができる。
【０１７７】
（実施形態６）
図１５を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第６の実施形態を説明する。
【０１７８】
本実施形態の超音波送受波器は、保護整合層４の厚さが面内分布を有している点に第１の特徴点を有している。前述の各実施形態では、保護整合層４の厚さが面内で一様に設定されているが、本実施形態では、意図的に面内分布が与えられている。また、本実施形態の第２の特徴点は、圧電体２上に設けられた保護整合層４が異なる２種類の材料から形成されていることにある。
【０１７９】
本実施形態の構成によれば、異なる材料の採用および／または異なる厚さの面内分布を付与することにより、サイドローブを抑制したり、送受信する超音波の周波数を変化させて広帯域化することができる。
【０１８０】
なお、各保護整合層４の厚さは、超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲内に含まれてことが好ましく、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲内に含まれていることが更に好ましい。ただし、異なる厚さを有する保護整合層４の一部の厚さが上記の範囲から外れていてもよい。上記の範囲から外れた厚さを有する保護整合層４は、音響整合層としては機能しないため、超音波送受信の感度が低下する。しかし、音響整合層として機能しない保護層（もはや「保護整合層」とは呼べない）を圧電体上の適当な位置に置くことにより、近距離における超音波場の乱れを防止して良好な超音波計測を可能にすることができる。
【０１８１】
（実施形態７）
図１６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。
【０１８２】
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１ａおよび１ｂが相対して配置されている。超音波送受波器の構成は、前述の実施形態のいずれであってもよい。
【０１８３】
本実施形態における超音波流量計の動作によると、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を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。
【０１８４】
超音波送受波器１ａ、１ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受波器１ａ、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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。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。
【０１９０】
伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器１ｂで超音波パルスを送波し、超音渡送受波器１ａで受波し、演算部５７で伝搬時間ｔ２を演算する。
【０１９１】
ここで、超音波送受波器１ａと超音渡送受波器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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。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。
【０１９４】
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り、正確な流量測定が可能となる超音波流量計を提供することができる。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。
【０１９５】
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以下程度の保護膜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、スパッタリングやＣＶＤ法などによって堆積される。
【０１９６】
【発明の効果】
本発明による超音波送受波器は、相対的に密度が低く、機械的強度の小さな音響整合層を保護する部材が音響整合層としても機能する。このため、音響整合層としても機能する保護部（保護部兼音響整合層＝保護整合層）を圧電体の主面に内の任意の位置に設けることができる。また、２種類の音響整合層の音速および厚さを調節することにより、厚さの異なる２種類の音響整合層から放射される超音波の位相を揃え、超音波の送受信感度を高めることが可能になる。
【０１９７】
本発明では、相対的に密度が高く、従って機械的強度も高い保護整合層の存在により、相対的に密度および機械的強度が低い低インピーダンス材料から音響整合層を形成することが可能となる。このため、気体に対する送受信感度が高く、信頼性に優れた超音波送受波器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波流量計を示すブロック図である。
【図２】従来の超音波送受波器の断面図である。
【図３】本発明による超音波送受波器の第１の実施形態の断面図である。
【図４】本発明による超音波送受波器の第１の実施形態の上面図である。
【図５】本発明による超音波送受波器の第１の実施形態における超音波の干渉を示すグラフである。
【図６】保護整合層および音響整合層を伝搬した超音波の位相を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、本発明による超音波送受波器の第１の実施形態を製造する方法を示す工程断面図である。
【図８】本発明による超音波送受波器の第１の実施形態の送受信波形図である。
【図９】本発明による超音波送受波器の第２の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明による超音波送受波器の第２の実施形態の送受信波形図である。
【図１１】本発明による超音波送受波器の第３の実施形態の断面図である。
【図１２】（ａ）から（ｄ）は、本発明による超音波送受波器の第３の実施形態を製造する方法を示す工程断面図である。
【図１３】本発明による超音波送受波器の第４の実施形態の断面図である。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は、それそれ、本発明による超音波送受波器の第５の実施形態の上面図である。
【図１５】本発明による超音波送受波器の第６の実施形態の断面図である。
【図１６】本発明による超音波流量計の実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１超音波送受波器
１ａ、１ｂ超音波送受波器
２圧電体
３ａ、３ｂ電極
４保護整合層（第１音響整合部）
５音響整合層（第２音響整合部）
６伝搬媒体
７構造支持体
５１流量測定部
５２管壁
５３切替回路
５４駆動回路
５５受信検知回路
５６タイマ
５７演算部
５８制御部
１０１超音波送受波器
１０２管壁
１０３超音波送受波器
１０４音響整合層
１０５センサケース
１０６圧電体

Claims

圧電体と、
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層を保護する保護整合層と、を備える超音波送受波器であって、
前記音響整合層と前記保護整合層とは、前記圧電体の中心から、前記圧電体の側面に向かって交互に並べられ、
前記音響整合層と前記保護整合層とのそれぞれの前記圧電体からの高さが、前記音響整合層と前記保護整合層とのそれぞれを伝搬する超音波の波長のａ倍（ａは１／８以上１／３以下）となる高さであり、
前記保護整合層の前記圧電体からの高さは、前記音響整合層の前記圧電体からの高さよりも、伝搬媒体中を伝搬する超音波の波長の定数倍長い、超音波送受波器。
前記保護整合層上面と前記伝搬媒体とが接する面に至るまでに進んだ、前記保護整合層を伝搬する超音波の位相と、
前記音響整合層上面と前記伝搬媒体とが接する面に至るまで進んだ後、前記保護整合層上面と前記伝搬媒体とが接する面を含む水平面上に至るまで進んだ、前記音響整合層と前記伝搬媒体中とを伝搬する超音波の位相とが、略一致する、請求項１に記載の超音波送受波器。
前記音響整合層は、乾燥ゲルから形成されている請求項１または請求項２に記載の超音波送受波器。
前記乾燥ゲルは、無機系材料からなる請求項３に記載の超音波送受波器。
前記乾燥ゲルは、撥水化された固体骨格部を有している請求項３に記載の超音波送受波器。
前記保護整合層は前記乾燥ゲルよりも機械的強度の高い材料から形成されている請求項３に記載の超音波送受波器。
前記保護整合層の少なくとも一部は、多孔質セラミックスから形成されている請求項６に記載の超音波送受波器。
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部と、
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部と、
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、
圧電体と、
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層を保護する保護整合層と、を備える超音波送受波器であって、
前記音響整合層と前記保護整合層とは、前記圧電体の中心から、前記圧電体の側面に向かって交互に並べられ、
前記音響整合層と前記保護整合層とのそれぞれの前記圧電体からの高さが、前記音響整合層と前記保護整合層とのそれぞれを伝搬する超音波の波長のａ倍（ａは１／８以上１／３以下）となる高さであり、
前記保護整合層の前記圧電体からの高さは、前記音響整合層の前記圧電体からの高さよりも、伝搬媒体中を伝搬する超音波の波長の定数倍長い、超音波送受波器である、超音波流量計。