JP4382411B2 - 超音波送受波器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響整合部材を有する超音送受波器およびその製造方法に関する。特に気体に対して高感度に超音波を送受波するために、音響整合部材に乾燥ゲルを用いた超音波送受波器およびその製造方法に関する。

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１０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。

図１０に示す超音波流量計では、流量を測定すべき被測定対象流体が管内を流れるように配置されている。管壁１０２には、一対の超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂが相対して設置されている。超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂは、電気機械変換素子として圧電セラミック等の圧電体を用いて構成されており、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。

図１０の例では、最初の段階で、超音波送受波器１０１ａが超音波送波器として用いられ、超音波送受波器１０１ｂが超音波受波器として用いられる。この段階においては、超音波送受波器１０１ａの共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧を超音波送受波器１０１ａ内の圧電体に印加する。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（例えば天然ガスや水素ガス）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。

次に、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。

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。

図１０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。

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。

まず、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。これにより、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の距離と等しく、Ｌであるとする。

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。このようにして動作する装置を「シング・アラウンド型装置」と呼ぶ。

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。

図１０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、つきの式（１）が成立する。

ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）

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、次の式（２）の関係が成立する。

ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）

両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次の式（３）で示される。

Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）

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。

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部材の音響インピーダンスが重要となる。音響整合部材は、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。

以下、図１１を参照しながら、音響整合部材の役割を説明する。図１１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、圧電体１０４と、圧電体１０３の一方の面に接合された音響整合部材１０５とを備えている。音響整合部材１０５は、エポキシ系の接着剤によって圧電体１０５の一方の面に接着されている。

圧電体１０４の超音波振動は、接着層を介して音響整合部材１０５に伝わる。この後、超音波振動は、音響整合部材１０５と接する気体（超音波伝搬媒体）に音波として放射される。

音響整合部材１０５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。

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。

Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４）

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。

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。

Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）^(1/2)・・・（５）

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。

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。

現在、音響整合部材の材料としては、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部材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等などに開示されている。

しかし、これらの材料の音響インピーダンスは、５．０×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒より大きい値であり、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を更に小さくした材料で音響整合部材を形成することが必要である。

このような課題を解決するため、本出願人は、式（５）を充分に満足する音響整合材料を発明し、特願平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。乾燥ゲルなどの音響インピーダンスの極めて低い材料から形成した音響整合部材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、その結果、気体の流量を高い精度で測定することが可能になる。

また、本出願人は、乾燥ゲルを音響整合部材として用いた超音波センサの信頼性を改善するのに保護部を設けることが有効であることを見いだし、特願２００２−１９４２０３号の明細書に開示している。

更に、本出願人は、任意の音響インピーダンスを有する乾燥ゲルからなる単層あるいは多層の音響整合部材を備えた超音波送受波器およびその製造方法を特願２００２−３７０４２１号の明細書に開示している。
特許第２５５９１４４号（特開平２−１７７７９９号公報）

乾燥ゲルから形成した音響整合部材の音響インピーダンスを所望の値に設計する場合、乾燥ゲルの作製条件を調節することより、乾燥ゲルの微細構造を変化させれば、広い範囲で音響インピーダンスを調節することが可能である。

しかし、乾燥ゲルの製造プロセスなどを変更することによって微細構造を変化させるのにも限界があり、より多様な音響インピーダンスを示す音響整合部材が求められている。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、乾燥ゲルのみによっては得にくい音響インピーダンスを示す音響整合部材を備えた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を提供するにある。

本発明の超音波送受波器は、電気機械変換素子と、乾燥ゲルを含む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、乾燥ゲルと、ゲル原料液に沈降し得る複数の粒子とを含む。

好ましい実施形態において、前記音響整合部材は、多層構造を有しており、前記音響整合部材は、複数の粒子と乾燥ゲルとの複合体の層、および前記粒子を実質的に含まない乾燥ゲルの層を有している。

好ましい実施形態において、前記複数の粒子は、互いに化学的に結合していない状態にある。

好ましい実施形態において、前記複数の粒子の少なくとも一部は、ガラスビーズから形成されている。

好ましい実施形態において、前記粒子を実質的に含まない乾燥ゲルの層は音響インピーダンスの異なる複数の層を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記電気機械変換素子を収納する容器を更に備えている。

好ましい実施形態において、前記容器は、前記電気機械変換素子を外部から遮蔽している。

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手段とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器の各々が、上記のいずれかの超音波送受波器である。

好ましい実施形態において、前記測定流体は、気体である。

好ましい実施形態において、前記超音波送受波器における電気機械変換素子は、前記被測定流体から遮蔽されている。

本発明の装置は、上記のいずれかの超音波送受波器を備えている。

本発明の超音波送受波器の製造方法は、電気機械変換素子と音響整合部材とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、（ａ）底面部および側面部を有するケースを用意し、前記ケースの内側にゲル原料液に沈降し得る複数の粒子を供給する工程と、（ｂ）前記ケースの内部に前記ゲル原料を供給する工程と、（ｃ）前記ゲル原料液から乾燥ゲルを形成し、内部に複数の粒子が存在する音響整合部材を形成する工程とを含む。

本発明によれば、小径粒子を乾燥ゲル中に配置することにより、乾燥ゲル単体では得にくい音響インピーダンスを示す音響整合部材を備えた超音波送受波器が提供される。これにより、気体との間で超音波の送受波をより効率的に行なうことが可能となり、気体などの流量を超音波によって高い精度で測定することができるようになる。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明による超音波送受波器の第１の実施形態の一断面を示している。図示されている超音波送受波器１は、圧電体（電気機械変換素子）２と、圧電体２の両面に設けられた一対の電極３ａ、３ｂと、電極３ａを介して圧電体２の主面（超音波送受波面）に接合された整合部材ケース４と、整合部材ケース４の内側に形成された音響整合部材５とを備えている。

圧電体２は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向（図１の上下方向）に分極されている。圧電体２の上面側に設けられた電極３ａと下面側に設けられた電極３ｂとの間に電圧信号が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体２が伸縮し、圧電体２の超音波送受波面から超音波が放射されることになる。この超音波は、整合部材ケース４の底面部分、および整合部材ケース４の内部に形成された音響整合部材５を介して、超音波の伝搬媒体（例えば気体）６へ放射される。一方、伝搬媒体６を伝播してきた超音波は、音響整合部材５および整合部材ケース４の底面部分を介して圧電体２へ達し、電極３ａ、３ｂの間に電圧信号を発生させる。このように本実施形態の超音波送受波器１は、１つで超音波の送信および受信の両方を行うことができる。

本実施形態で用いる圧電体２の材料は任意であり、公知の圧電性材料を用いることができる。また、圧電体２の代わりに、電歪体を用いてもよい。電歪体を用いる場合にも、その材料は任意であり、公知の材料を用いることができる。また、電極３ａ、３ｂも公知の導電材料から形成される。

音響整合部材５は、圧電体２で発生した超音波を伝搬媒体６へ効率よく伝搬させる役割を果たすとともに、伝搬媒体６を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体２へ伝える役割を果たす。本実施形態の音響整合部材５は、小径粒子および乾燥ゲルの複合体である第１音響整合層５ａと、第１音響整合層５ａ上に形成された乾燥ゲルからなる第２音響整合層５ｂとを有している。各音響整合層５ａ、５ｂの厚さは、送受信する超音波の波長の１／４程度となるように設定されている。

本実施形態では、ガラスビーズからなる小径粒径５０を含む乾燥ゲルを第１音響整合層５ａとして用い、乾燥ゲルからなる第２音響整合層５ｂと圧電体２との間に配置しているため、気体との間で超音波の送受波を効率的な行なうのに適した音響インピーダンスを示す音響整合部材５を得ることができる。第１音響整合層５ａを多孔質セラミックス材料などから形成する場合に比べて、作製工程が簡単であるため、本実施形態の超音波送受波器は量産に適している。

以下、本実施形態の超音波送受波器１を製造する方法を説明する。

まず、送信および／または受信の対象とする超音波の波長に合わせた圧電体２を用意する。圧電体２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。圧電セラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。

本実施形態では、圧電体２としてチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用い、送受波する超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。このような超音波を圧電体２が効率よく送受波できるようにするため、圧電体２の共振周波数を約５００ｋＨｚに設計する。

圧電体２は、その厚さを超音波の波長の１／２の大きさに設定したときに強く共振し、超音波の送受信効率が良くなる。チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの音速は約３８００ｍ／秒であるので、圧電体２における周波数が５００ｋＨｚの超音波の波長は、７．６ｍｍとなる。このため、本実施形態では、厚さが約３．８ｍｍで、直径が１２ｍｍの円柱形状を有する圧電体２を用いる。

圧電体２の上下両面には、焼付けによる銀製の電極３ａ、３ｂが設けられ、圧電体２は、この方向に分極処理されている。

このような圧電体２の一方の主面に対しては、後に詳しく述べる方法で内部に音響整合部材５が作製されたステンレス製の整合部材ケース４を接合する。

整合部材ケース４には、以下のような特性が必要とされる。

１、ゲル原料液をその内側部分に保持できること
２、ゲル原料液に対して、化学的に安定であること
３、圧電体と接着が可能であること
４、音響的な阻害になりにくいこと。

ステンレスは、以上の１〜３の条件を満足している。そして、整合部材ケース４の底面部分を構成する素材の音速を考慮して、その部分の厚さを適切に設定すれば、音響的な阻害とならないようにすることができるので、第４の条件をも満足させることができる。

整合部材ケース４の底面部分の厚さは、送受信する超音波の波長の１／２０以下に設定することが好ましい。この部分の厚さが、送受信する超音波の波長の１／２０より大きいと、感度の低下や波形に対して、大きな影響を与えることとなるからである。

ステンレスの音速は約５５００ｍ／秒であるため、５００ｋＨｚの超音波のステンレス中におやける波長は約１１ｍｍとなる。よって、整合部材ケース４の厚さを０．５５ｍｍ以下に設定することにより、整合部材ケース４が超音波送受信器の性能に与える影響が少なくなる。

整合部材ケース４の底面部分の厚さは、送受信する超音波の波長の１／４０以下とすることが更に好ましい。本実施形態の整合部材ケース４は、金属のプレス成型によって作製しやすいように、０．２ｍｍの厚さに設定しているため、音響的阻害を抑制するとともに、大量生産に適している。この０．２ｍｍの厚さは、送受信する超音波波長の約１／５５であり、超音波送受信器の性能に与える影響は極めて少ない。

なお、本実施形態では、整合部材ケース４をプレス成型されたステンレスから形成しているが、上記１〜４の条件を満足する材料であればステンレスに限定されず、他の材料から形成することができる。コストや使用環境などを総合的に勘案して、他の材料（セラミックや他の金属）を適宜選択すればよい。

以下、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態における音響整合部材５の作製方法を説明する。

まず、上述した材料や厚さの要件を具備する整合部材ケース４を用意する。整合部材ケース４の底面のサイズは、圧電体の主面のサイズ（直径１２ｍｍ）と略等しく設定されている。整合部材ケース４の深さは、後に説明する工程でゲル原料液が整合部材ケース４の内部から溢れたり、形成された音響整合部材５に手が触れたりすることが無いように、形成すべき音響整合部材５の厚さよりも大きく設定される。本実施形態では、音響整合部材５の厚さが１．１５ｍｍであるので、整合部材ケース４の深さを５ｍｍに設定している。

整合部材ケース４の内部と音響整合部材５との間の密着性が良くなるように、整合部材ケース４の内面をアセトンで超音波洗浄した後、整合部材ケース４の内側にプラズマ処理を行って水酸基を付与することが好ましい。水酸基をケース内面に付与することにより、乾燥ゲルとケース４とが化学的に結合する。

次に、図２（ａ）に示すように、後に充填するゲル原料液に沈降する密度を有する小径粒子５０を整合部材ケースの中に所定量入れ、最密充填に近くなるようにセットする。この際、安定的に最密充填するように超音波振動を整合部材ケース４に印加することが好ましい。本実施形態では、小径粒子として粒子径約５０μｍのガラスビーズを用いている。小径粒子５０の直径が大きすぎると、超音波の送受信に対して阻害要因となる。このため、本実施形態で用いる小径粒子５０の粒径は、１００μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

整合部材ケース４に入れる小径粒子５０の量は、形成すべき第１音響整合層５ａの厚さ（すなわち、「小径粒子／乾燥ゲル複合体」の厚さ）によって決まる。本実施形態で作成する小径粒子／乾燥ゲル複合体の音速は約２０００ｍ／秒であるので、第１音響整合層５ａの厚さは、送受信する超音波の波長の約１／４となるように約１．０ｍｍとする。なお、図では、小径粒子５０の大きさを実際のスケールを無視して大きく記載されている。図２（ａ）では、２層状に配列した小径粒子５０が記載されているが、現実には、粒径５０μｍ程度の小径粒子５０が数十の層構造を形成している。

なお、球体をある空間に充填する場合の充填率は面心立方格子構造の状態が最も密に充填された状態である。このような充填状態にある場合、第１音響整合層５ａの体積の約７４％が小径粒子５０で充填されていることとなる。しかし、実際には、このように高い充填率を実現することは殆ど不可能であるため、本実施形態では小径粒子５０の充填率は６０％程度になる。

次に、図２（ｂ）に示すように、整合部材ケース４の内部にゲル原料液６０を静かに注入する。この際、小径粒子５０は互いに結合していないため、できるだけ、図に示す層状構造が崩れないようにする必要がある。ゲル原料液６０は、形成される乾燥ゲルの密度が０．２５×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が３００ｍ／ｓとなるように調合する。

ゲル原料液６０は、小径粒子５０を完全にゲル原料液６０に浸漬させ、更に第２音響整合層５ｂを構成することになるゲル単体の層（第２音響整合層５ｂ）の厚さを考慮して注入する。本実施形態では、第２音響整合層５ｂとして、音速３００ｍ／ｓの乾燥ゲルを形成するため、超音波波長の約１／４となる１５０μｍの厚さの第２音響整合部材５ｂを形成できるようにゲル原料液６０の注入量を設定する。ゲル原料液６０を整合部材ケース４の内部に充填した後、更に気泡の除去、小径粒子５０の再充填のため超音波振動を印加することが好ましい。

なお、ゲル原料液６０の体積は、ゲル化及び乾燥による収縮のため、乾燥工程後には乾燥前の９０％程度に減少する。このため、本実施形態では、最終的に形成される音響整合部材５の厚さが１．１５ｍｍとなるように、ゲル原料液６０の滴下量を約９５μｌに設定することができる。ゲル原料液６０は、トラメトキシシラン、エタノール、アンモニア水が１：１：４（モル比）で配合されたものを用いることができる。ゲル原料液６０の量は、用いる圧電体２や音響整合部材５の大きさ、超音波の周波数に基づいて適宜最適化される。

内部にゲル原料液６０を滴下した整合部材ケース４を、５０℃に設定された恒温槽中の水平台上で約１日放置することにより、整合部材ケース４の内部でゲル原料液６０をゲル化させ、湿潤ゲルを形成する。このとき、図示していない多数の整合部材ケース４を１つトレイ上に配列してバッチ処理を行えば、効率的である。以下の処理も同様である。

こうして形成した湿潤ゲルに対して、更に疎水化処理を行う。疎水化処理は、湿潤ゲルを形成した後、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行う。この疎水化処理は本発明に必須の処理ではないが、乾燥ゲルの安定化のため行うことが好ましい。

最後に、湿潤ゲルを大気中で乾燥し、図２（ｃ）に示すように、第１音響整合部材５ａおよび第２音響整合部材５ｂを得ることができる。

本実施形態の製造方法によれば、ゲル原料液６０をゲル化（固化）させることにより、小径粒子５０の相対位置関係を固定することができる。このため、小径粒子５０および乾燥ゲルからなる第１音響整合層５ａと、乾燥ゲルから構成される第２音響整合層５ｂとを同時に形成でき、１度のゲル化工程によって２層構造の音響整合部材５を形成できる。

ガラスビーズからなる小径粒子５０の真密度は約２．２×１０³ｋｇ／ｍ³であり、第１音響整合層５ａにおける充填率が６０％であるため、第１音響整合層５ａの密度は約１．４×１０³ｋｇ／ｍ³になる。第１音響整合層５ａに含まれる小径粒子５０は相互に接触しているのみで、本質的には粒子同士が接合していない。このため、音速が比較的遅く、空中用超音波送受波器の音響整合層として好適に用いられ得る。このため、本実施形態の超音波送受波器によれば、従来の超音波送受波器と比較して、約１０倍の送受信感度を得ることができる。

なお、本実施形態で形成する乾燥ゲルは、密度ρと音速Ｃ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り、空気などの気体への超音波の送受波効率を極めて高くすることができる。

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る。より具体的には、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有する。まず、この固体骨格部が溶媒を含んだ湿潤ゲルが形成され、その後、乾燥によって溶媒を除去することにより、最終的な乾燥ゲルが得られる。この乾燥ゲルは、数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部を有し、この固体骨格部の間に平均細孔直径が１ｎｍ〜数μｍ程度の範囲にある連続気孔が形成された多孔質体である。

乾燥ゲルは、密度の低い状態では、固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔質体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。そのため、密度の低い状態では音速が５００ｍ／秒以下の非常に遅い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示す。特に、固体骨格部および細孔径が数ｎｍ程度と小さい場合には、極めて遅い音速を有する多孔質体が得られる。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音響整合部材として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。

このように有利な性能を有する乾燥ゲルであるが、強度が低いため取り扱いが困難であるという問題を有している。このため所望の形状への加工や、取り扱いの際の衝撃、あるいは他の部品との接合の際の加圧により、破損してしまうことがある。また、破損しなくても、マイクロクラックが生じて初期の性能には変化が見られない場合でも、長期の使用や、熱的な衝撃の繰り返しによりクラックが増大して、超音波送受波器の性能が劣化してしまうことがある。更に、安定化のために疎水化処理を行った乾燥ゲルは、その撥水性のため接着が困難であるか、ほとんど不可能である。

このため、製造の歩留まりを向上させ、超音波送受波器の信頼性を向上させるためには、形成後の乾燥ゲルに対しては加工を行わず、乾燥ゲルをハンドリングするときや超音波送受波器の組み込む際にも乾燥ゲルに応力が加わらないようにすることが望ましい。

本実施形態では、このように機械的強度の低い乾燥ゲルを用いて、信頼性の高い超音波送受波器を実現するため、整合部材ケース４を採用し、ケース４の内部で乾燥ゲル層を形成している。本実施形態では、整合部材ケース４と音響整合部材５とが一体化した複合体を作製した後、その複合体を圧電体２に接合するため、乾燥ゲルに加工を行なう必要がなく、また、音響整合部材５をハンドリングする際にも乾燥ゲルには直接触れることがない。更に、音響整合部材５を圧電体２に固定する工程でも応力が乾燥ゲルに殆ど印加されないため、初期のマイクロクラックが乾燥ゲルに形成されないという利点もある。この結果、本実施形態の構成によれば、超音波送受波器を長期間使用する場合や、熱的な衝撃が繰り返し印加されるような環境においても、音響整合部材５の破損を防止して、長期信頼性を確保することができる。

音響整合部材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、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。

次に、上述の方法で作製した整合部材ケース／音響整合部材の複合体を、図１に示すように圧電体２に接合する。接合は、エポキシ系接着剤の接着により行う。この接合時にも、音響整合部材５である乾燥ゲルに大きな力が加わらないように、圧電体２には印刷によって接着剤膜を形成し、その上に整合部材ケース／音響整合部材の複合体を設置する。この後、整合部材ケース４の折り曲げられている上部端を、０．１ｋｇ／ｃｍ³で加圧し、１２０℃中で２時間硬化させる。圧電体２と整合部材ケース４との間に形成された接着層の厚さは例えば約３０μｍである。

このようにして形成した超音波送受波器は、従来のガラスバルーンをエポキシ樹脂で固めた音響整合部材を有する超音波送受波器に比べ、約７倍の高い超音波の送受信が可能となる。

なお、本実施形態では、整合部材ケース４の内側に２層構造を有する音響整合部材５を形成した後に、整合部材ケース／音響整合部材からなる複合体を圧電体２に接合して超音波送受波器１を製造しているが、圧電体２に整合部材ケース４を接合した後に音響整合部材５を形成しても良い。このようにする場合は、整合部材ケース／圧電体の複合体を取り扱うことになるため、ゲル層を形成する際に扱う部品が大きくなるなどの量産上の課題があるが、接着の際の応力が発生しないため、更に強度の低い乾燥ゲルを用いる場合などには好適である。

（実施形態２）
次に、図３を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第２の実施形態を説明する。

本実施形態の超音波送受波器では、音響整合部材５が異なる音響インピーダンスを有する３層構造を有している。より詳細には、小径粒子５０を含む層以外の部分が２層構造の乾燥ゲルによって構成されている。この点を除けば、本実施形態の超音波送受波器１は、実施形態１における超音波送受波器の構成と同様の構成を有している。

音響整合部材は、音響インピーダンスの不整合による音波の内部反射を抑えて、効率よく圧電体２から超音波伝搬媒体へ超音波を放射させる役割を果たす。単一の周波数を有する超音波（すなわち連続波の超音波）を送受波する場合には、その周波数に合わせた厚さの均一な音響インピーダンスを有する音響整合部材を１層だけ設けるだけで十分である。

しかし、通常の超音波送受波器では、パルスまたはバースト状の超音波を送受波することが一般的である。パルスまたはバースト状の超音波は、単一の周波数成分でなく、広範囲の周波数成分を含んでいる。このような超音波の送受波を高感度に行うためには、圧電体２と超音波伝搬媒体の間で、音響整合部材５の音響インピーダンスを徐々に変化させることが好ましい。音響インピーダンスを徐々に変化させるには、音響整合部材５を本実施形態のように多層化し、構成層の音響インピーダンスを徐々に変化させればよい。

本実施形態では、音響インピーダンスの異なる音響整合層５ａ、５ｂ、５ｃを形成する際、ゲル化工程を２段階に分け、第１ゲル化および第２ゲル化工程を行なう。本出願人は第１、第２ゲル化工程を用いて、音響インピーダンスの異なる多層の乾燥ゲル層を形成する方法を特願２００２―３７０４２１に開示しており、本実施形態でも同じ方法で多層の乾燥ゲル層を形成することができる。

第１のゲル化工程では、第１の実施形態について説明したように、第１音響整合層５ａと第２音響整合層５ｂが形成され、第２ゲル化工程では、第２音響整合層５ｂの上に第３音響整合層５ｃが形成されることになる。

小径粒子５０と乾燥ゲルの複合体からなる部分と、更にその上に形成された２層の乾燥ゲルとを含む音響整合部材を用いることにより、従来のガラスバルーンを音響整合部材として用いた超音波送受波器よりも優れた送受波感度を得ることができる。

本実施形態では、音響整合層５ｂ、５ｃが同じ酸化シリカから形成されているため、剥離などの不良が起こりにくく、歩留まり良く製造された。また、使用時においても長期信頼にたる動作を継続することができる。本実施形態の音響整合部材５は、３層構造を有しているが、音響整合部材は４層以上の多層構造を有していても良い。

（実施形態３）
図４を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。

本実施形態の超音波送受波器は、図４に示すように、整合部材ケース４の上部における屈曲部に取り付けられたセンサカバー７を有している。この点以外では、本実施形態の超音波送受波器は、実施形態１における超音波送受波器と同様の構成を有している。

センサカバー７は、メッシュ状の前面保護部７ａと、前面保護部７ａを整合部材ケース４に固定する取付け部７ｂとから構成されている。前面保護部７ａのメッシュ構造の網目の大きさは、流体の流れを乱さないようにしつつ、超音波の伝搬を阻害しないように、例えば２０〜１０００μｍ程度の大きさに設定されている。本実施形態では、センサカバー７はステンレスから形成されており、整合部材ケース４と取付け部７ｂとの接合、および前面保護部７ａと取付け部７ｂとの接合は、いずれも、溶接によって行われている。

図４に示すように、音響整合部材５の表面をセンサカバー７で保護することにより、超音波送受波器１の取り扱いの際に、音響整合部材５に触れることが無くなる。そのため、超音波送受波器１に不良要因を与えることなく、その後の作業を行うことができる。また、センサカバー７を取り付けることにより、整合部材ケース４の強度が高まるため、大きな力が整合部材ケース４に加わっても、ケース変形が抑制される。このため、整合部材ケース４からの音響整合部材５の剥離を防止して、信頼性を高めることができる。

センサカバー７の形状は、図４に示すものに限定されない。例えば、図５に示すように、前面保護部７ａが、音響整合部材５の表面に立てた法線に対して角度θ（０°＜θ＜９０°）だけ傾斜していてもよい。前面保護部７ａに、このような傾斜を与えると、後に図８を参照しつつ説明する超音波流量計に用いる場合に特に好ましい効果が得られる。すなわち、２つの超音波送受波器が対向している面を結ぶ線と流体が流れる方向とが形成する角と、前面保護部７ａの傾斜角θとを等しく設定することにより、測定部における流体の流れを乱すこと無く、流量を正確に測定することが可能になる。

（実施形態４）
図６を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。

本実施形態の超音波送受信波器は、圧電体２を外部から遮蔽する構造支持体８を更に備えている。この点以外において、本実施形態の超音波送受信波器は、実施形態１における超音波送受波器と同様の構成を有している。

構造支持体８は、圧電体２を収容する容器８ａと、この容器８ａを封止する底板８ｂとを備えている。底板８ｂには、図示していない回路と圧電体２とを接続するためのリード部８ｃが設けられている。リード部８ｃを介して電極３ａ、３ｂに信号電圧が供給される。

圧電体２は、容器８ａの平坦部分に接合され、容器８ａの円筒状側面部が圧電体２を取り囲んでいる。容器８ａの側面部の端は、外側に折れ曲がり、底板８ｂと接合されている。このような構造支持体８は、例えば、ステンレスをプレス加工することによって容易に作製され縷々。

圧電体２を外部から遮蔽する構造支持体８を用いることにより、超音波送受波器１の取り扱いが更に容易となる。また、構造支持体８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ため、可燃性ガスの流量を測定する際に安全性を高めることが可能になる。動作時に圧電体２の電極３ａ、３ｂには電圧が印加されるため、可燃性ガスなどと圧電体２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８を密閉性の容器から構成し、圧電体２が設けられている内部空間を外部の流体などから遮断することにより、そのような引火を防止し、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。

また、可燃性ガス以外の流体であっても、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媒体が存在する。そのような媒体との間で超音波を送受波する場合でも、本実施形態によれば、圧電体２の劣化を防止して、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。

構造支持体８の材料は、ステンレスなどの金属材料に限定されず、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２を確実に分離し、構造支持体８に何らかの機械的な衝撃が加わったとしても、圧電体２と外部流体との接触を防止するような強度を与えるため、金属材料から構造支持体１３を作製している。

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８を用いても良い。

構造支持体８と整合部材ケース４との接合は、整合部材ケース４の内部に音響整合部材５を形成したあとに行うことが好ましい。乾燥ゲルからなる音響整合部材５を形成する工程では、ケースの熱容量を小さくし、温度分布を一様化することが好ましいからである。整合部材ケース４と構造支持体８とを接合した後に乾燥ゲルの形成を行うと、整合部材ケース４および構造支持体８が全体として大きな熱容量を持つため、乾燥ゲル中に密度や音速の不均一な部分が形成される可能性がある。このため、整合部材ケース４を構造支持体８に取り付ける前に、ケース４内で乾燥ゲルを完成しておくことが好ましい。

（実施形態５）
前述の各実施形態では、底面が平坦な整合部材ケース４を用いているが、整合部材ケース４の底面には凹凸が設けられていても良い場合がある。図７（ａ）は、底面に凹凸が存在する整合部材ケース４と圧電体２との組み合わせの断面を示しており、図７（ｂ）は、その上面図である。

図７（ａ）および（ｂ）に示すような凹凸がケース４の底面に設けられている場合、ケース４の底面と圧電体２との間に隙間が形成される。この隙間の空間内に接着剤を充填させることによって、ケース４と圧電体２とを接合すると、接着力が増加するという利点がある。この底面の凹凸が超音波の波長に比べて充分に小さい場合、音響的な阻害要因とはならない。

一方、ケース４の底面部に形成されている凹凸のサイズを大きくして、接着層の最大厚さが超音波の波長に比べて無視できないサイズに設定すると、その部分における超音波の放射音響パワーが低下する。図７（ｂ）に示すような同心円状の凹凸を整合部材ケース４の底面部に形成することにより、近距離における超音波の干渉による音場の乱れを防止することが可能となる利点がある。

本実施形態で好適に用いられる整合部材ケース４の形状は、音響整合部材を内部に保持して圧電体の超音波送受波面に固定され得る底面部と、この底面部から超音波放射方向に突出する側面部とを有しており、この側面部は音響整合部材の側面全体をカバーしている。このような構成を有している限り、図１に示すケース４から高い自由度で改変することが可能である。

（実施形態６）
図８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。

本実施形態の超音波流量計は、流量測定部５１として機能する管内を被測定流体が速度Ｖで流れるようにして設置される。流量測定部５１の管壁５２には、本発明の超音波送受波器から形成した超音波送受波器１ａおよび１ｂが相対して配置されている。

測定シーケンスのある時点では、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。

超音波送受波器１ａおよび１ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受波器１ａおよび１ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受波検知回路５５とに接続されている。受波検知回路５５の出力は、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５６に送られる。

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。

以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２はゼロクロス法と呼ばれる方法によって測定される。この方法では、図９（ａ）に示すような受波波形に対して、適切なスレッショルドレベルを設定し、そのスレッショルドレベルを超えて、次に振幅が０になる点の時間を計測する。

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。

このような超音波流量計の超音波送受波器として、本発明の超音波送受波器を用いると、受波信号のＳ／Ｎが向上して、ｔ１、ｔ２を高い精度で測定することが可能となる。

また本実施形態では、超音波送受波器１ａ、１ｂの配置として、図８に示すような所謂Ｚパス型配置を採用しているが、超音波送受信器１ａ、１ｂの配置は、これに限定されない。例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｖパス、Ｗパス、Ｉパスなどの配置形態を採用しても良い。

以上の各実施形態では、音響整合部材５の上面は、乾燥ゲル層が露出し、伝播媒体６と直接的に接触しているが、この面を厚さ１０μｍ程度以下の保護膜でカバーしてもよい。このような保護膜は、大気と乾燥ゲルとの間の直接的な接触を避け、乾燥ゲルの性能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）によって構成され得る。保護膜の形成は、スパッタリングやＣＶＤ法などの公知の薄膜堆積技術によって行うことができる。

また、上記の各実施形態では、一定の粒径を有するガラスビーズを小径粒子５０として含む第１音響整合層５ａを形成していているが、小径粒径５０のサイズは、単一または複数の大きさにピークを有する粒度分布を有していてもよい。たとえは、粒径の異なる２種類の大きさの小径粒径を混在させることにより、充填率を向上させることが可能である。

小径粒子の材料はガラスに限定されず、求める音響インピーダンスを実現する上で好適な材料が適宜選択されえる。

本発明の超音波送受波器は、気体などの流体との間で超音波を送受波する装置に広く用いることができ、特に、超音波を精度良くを検出することが求められるセンサや流量計などに好適に用いられる。

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。 （ａ）から（ｃ）は、図１に示す超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。 本発明による超音波送受波器の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による超音波送受波器の第３実施形態を示す断面図である。 本発明による超音波送受波器の第３実施形態の改変例を示す断面図である。 本発明による超音波送受波器の第４実施形態を示す断面図である。 （ａ）は、底面に凹凸が形成されているケースの断面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明による超音波流量計の実施形態を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、それぞれ、図８に示す超音波流量計の改変良例を示す図である。 従来の超音波流量計の一断面を示す図である。 従来の超音波送受波器の一断面を示す図である。

符号の説明

１ 超音波送受波器
２ 圧電体
３ 電極
４ 整合部材ケース
５ 音響整合部材
５ａ 第１音響整合層
５ｂ 第２音響整合層
５ｃ 第３音響整合層
６ 超音波の伝播媒体（気体などの流体）
７ センサカバー
８ 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 受波検知回路
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 圧電体
１０５ 音響整合部材

Claims (12)

1. 両面に電極を有する電気機械変換素子と、
   音響整合部材が内部に形成され、前記電気機械変換素子に電極を介して接続される整合部材ケースと
   を備え、
   前記音響整合部材は、
   複数の粒子が前記整合部材ケース内の底部で互いに接触して配列され、前記複数の粒子間に生じる空間は乾燥ゲルで充填されている第１音響整合層と、
   前記第１音響整合層上に形成され、乾燥ゲルから構成される第２音響整合層と、
   を含む層状構造を有する超音波送受波器。
2. 前記複数の粒子が前記整合部材ケース内の底部で最密充填するように配列されている請求項１または２に記載の超音波送受波器。
3. 前記複数の粒子は、互いに化学的に結合していない状態にある請求項１または２に記載の超音波送受波器。
4. 前記複数の粒子の少なくとも一部は、ガラスビーズから形成されている請求項１から３のいずれかに記載の超音波送受波器。
5. 前記第２音響整合層は音響インピーダンスの異なる複数の層を含んでいる請求項１から４のいずれかに記載の超音波送受波器。
6. 前記電気機械変換素子を収納する容器を更に備えている請求項１から５のいずれかに記載の超音波送受波器。
7. 前記容器は、前記電気機械変換素子を外部から遮蔽している請求項６に記載の超音波送受波器。
8. 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手段と、を備えた超音波流量計であって、
   前記一対の超音波送受波器の各々が、請求項１から７のいずれかに記載の超音波送受波器である超音波流量計。
9. 前記測定流体は、気体である請求項８に記載の超音波流量計。
10. 前記超音波送受波器における電気機械変換素子は、前記被測定流体から遮蔽されている請求項８または９に記載の超音波流量計。
11. 請求項１から７のいずれかに記載の超音波送受波器を備えた装置。
12. 両面に電極を有する電気機械変換素子と、音響整合部材と、前記音響整合部材が内部に形成され、前記電気機械変換素子に電極を介して接続される整合部材ケースとを備える超音波受波器の製造方法であって、
    （ａ）ゲル原料液に沈降し得る複数の粒子を前記整合部材ケース内の底部で互いに接触するように配列する工程と、
    （ｂ）前記音響整合部材ケースの内部に、前記複数の粒子を浸漬するように前記ゲル原料液を供給する工程と、
    （ｃ）前記ゲル原料液から乾燥ゲルを形成することにより、前記複数の粒子が前記整合部材ケース内の底部で互いに接触するように配列され、前記複数の粒子間の空隙に生じる乾燥ゲルで充填されている第１音響整合層と、前記第１音響整合層上に形成され、乾燥ゲルから構成される第２音響整合層とを含む層状構造を有する前記音響整合部材を形成する工程と、
    を含む超音波送受波器の製造方法。
    

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