JP4702345B2 - 超音波送受波器とそれを使用した流体の流れ計測装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波送受波器およびそれを用いて発生させた超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う流体の流れ計測装置に関するものである。

従来この種の超音波送受波器にあって、例えば図４に示すように、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５０は、空隙５１を有する骨格材料５２からなる多孔質体５３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５４、もしくは前記多孔質体５３の表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層を形成したものであった。

音響整合層として用いられる従来の多孔質体に比較して表面が平面に近いため、超音波の送受信を効率よく行うことができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１１１１９５号公報

しかしながら、前記の従来構成では、音響整合部材５０を形成する多孔質体５３を密閉容器に接着する際に、多孔質体５３の性質上、使用する接着材料が内部に浸透してしまい、それがばらつくと、空隙５１の部分と接着材料が浸透した部分での音の伝わり方がばらついてしまうため、その音の伝達経路が変化することによって出力感度が低下することがあった。

したがって、この音響整合部材５０を備えた超音波送受波器を流れ計測装置に搭載した場合、流速、流量の計測精度が低下してしまう課題を有していた。

特に、音響整合部材５０を形成する多孔質体５３は、それを形成している空隙の状態によって毛細管現象による浸透が変わり、また、接着材料の粘度や、接着時の温度などによっても浸透が変わり、多孔質体５３への接着材料が浸透が複雑にばらついてしまう欠点があった。

また、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、多孔質体５３の密度を小さくすると、強度が弱くなり、組立時などに一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、音響整合体に予め音響整合体への接合手段の浸透を制御する抑制層を形成して、音の伝達経路の安定化を図るとともに、組立時の多孔質体の発塵等による影響を少なくして、高性能な超音波送受波器およびそれを用いた超音流速流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した多孔質材料からなる音響整合体とを備え、前記音響整合体には前記接合手段の浸透を制御する抑制層を形成するとともに、前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に前記抑制層と同一の材質、同一の形状とした音響膜を構成し、前記抑制層と前記音響膜は、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂に粘度を上昇させるために炭化珪素等の微粉末を添加したものである。

上記した構成により、音響整合体は抑制層によって接合手段の浸透を抑制することができ、音の伝達経路の安定化を図ることができる。

また、音響膜と抑制層を形成した音響整合体は、音響膜と抑制層で靱性を付与されるため、欠けや発塵を少なくすることができ、組立時の多孔質体の発塵等による影響を極力少なくすることができる。

本発明によれば、音響整合体への接合手段の浸透を抑制層によって抑制することができるため、音の伝達経路の安定化を図り、安定した出力感度を得ることができるとともに、組立時の欠けや発塵を抑制して多孔体で形成された音響整合体を保護することができるも
ので、これを流れ計測装置に用いれば計測精度の向上が図れるものである。

第１の発明による超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した多孔質材料からなる音響整合体とを備え、前記音響整合体には前記接合手段の浸透を制御する抑制層を形成するとともに、前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に前記抑制層と同一の材質、同一の形状とした音響膜を構成し、前記抑制層と前記音響膜は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂に粘度を上昇させるために炭化珪素等の微粉末を添加した構成としてある。

そして、抑制層と音響膜は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂に粘度を上昇させるために炭化珪素等の微粉末を添加してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面の浸透を抑制することができ、より音響膜の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。

第２の発明は、請求項１記載の超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも１対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした流体の流れ計測装置で、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性の向上させた超音流速流量計を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に示す超音波送受波器１は、導電材料として例えばステンレスからなる有天状のケース２と、そのケース２の有天部内側に密着するように配設した圧電振動子となる圧電体３と、前記ケース２の有天部外側に接合材料であるエポキシ接着剤からなる接合手段４で密着接着した音響整合体５とからなる。

この音響整合体５は、複数の細孔を有するセラミック多孔体６で構成してあり、両面に、炭化珪素等の微粉末を添加した熱硬化性のエポキシ樹脂材料で形成された同一の形状の膜を配設してあり、一方の面が音響膜７、もう一方の面が抑制層８となる。

そして、手順としては、音響膜７と抑制層８の材料となる炭化珪素等の微粉末を添加した熱硬化性のエポキシ樹脂を、離型フィルムに印刷したものを２つ準備し、一方の印刷したものの上に音響整合体５を構成する複数の細孔を有するセラミック多孔体６を載置し、さらに、残りの離型フィルムに印刷した膜を位置ずれしないように重ね合わせる。

次に、この重ね合わしたものを、完全硬化させる所定の時間より短時間で予備硬化させ、音響整合体５を作成する。

そして、有天状のケース２表面に、熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした接合手段４を印刷した後、前述の予備硬化した状態の音響整合体５を載置し、これを所定の温度・時間で加熱して完全硬化させる。

このとき、音響膜７と抑制層８の材料となる炭化珪素等の微粉末を添加した熱硬化性のエポキシ樹脂と、接合手段４の材料は略同一硬化条件を有する熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとしてある。

また、一方、圧電体３は、両端に対向する銀の電極９，１０を備えた、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるもので、上方の電極９が接合材料であるエポキシ接着剤１１を介してケース２の有天部内側に密着するように接着されている。

ケース２の下方開放部を閉塞する導電性の端子板１２には一対の端子１３，１４が取付けてある。

さらに述べると、一方の端子１３は端子板１２に固定されており、ケース２、この端子板１２を介して圧電体３の上方電極９が接続されている。

他方の端子１４はシリコンゴムからなる絶縁部１５を介して端子板１３を絶縁貫通し、ニッケル粒子表面に金メッキを施した導電部１６を介在した形で圧電体３の下方電極１１に接続されている。

ここで、超音波送受波器１を用いた超音流速流量計の測定原理を図２を用いて詳述すると、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２０には、流路を超音波が斜めに横切るように一対の超音波送受波器２１、２２が相対して設置されている。

超音波送受波器２１、２２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２１を超音波送波器として用い、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いる。

その動作は、超音波送受波器２１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２１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２２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２２を超音波送波器として用い、超音波送受波器２１を超音波受波器として用いる。

超音波送受波器２２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２２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２１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２１、２２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。

また、このような超音流速流量計では、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２１に印加して超音波送受波器２１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２２に到達する。

音波送受波器２２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２１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２１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器２２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。

図２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２１を超音波送波器、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器２１から出た超音波パルスが超音波送受波器２２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。

ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
逆に、超音波送受波器２２を超音波送波器として、超音波送受波器２１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。

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。

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。

このような超音流速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体５の音響インピーダンスが重要となる。

本実施の形態では、圧電体３で振動された超音波は特定の周波数で振動し、その振動は接合手段１２であるエポキシ接着剤を介してケース２に伝わり、さらに接合材料であるエポキシ接着剤からなる接合手段４を介してセラミック多孔体６で形成された音響整合体５に伝わり、整合した振動は音響膜７を介して、空間に存在する媒体である気体に音波として伝搬する。

このとき、音響膜７はフィルム状となっており、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、セラミック多孔体６で形成された音響整合体５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体５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体５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ように設けてある。

このように、この音響整合体５の役割は振動手段の振動を効率良く気体に伝搬させるよ
うにしてある。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。

Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４）
音響インピーダンスは振動手段である圧電体９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３０×１００００００ｋｇ／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。

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、１１×１００００ｋｇ／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。

本実施の形態では、前記音響整合体５は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック成形体を所定の形状に加工したセラミック多孔体６で構成されており、音響整合体５の密度を可能な限り、小さくしてある。

以下、セラミック多孔体６の製造方法に関して詳細に説明する。

図３は、音響整合体５に用いたセラミック多孔体６の製造工程フローを示している。

難焼性セラミックを粉砕する工程と、セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、気泡を導入する工程と、スラリーを型に流し込み成型する工程と、焼成する工程よりなる。以下詳細に説明する。

（難焼結性セラミック粉砕工程）
セラミックの粉砕は、ボールミルやポットミル等で混合、粉砕等することにより得られる。セラミック粉の平均粒径は特に限定しないが、好ましくは、１０μｍ以下である。

この範囲の平均粒径のセラミックを用いると、スラリー中での粉末分散性が向上されるとともに、焼結性も向上されるからである。

（セラミックの粉末のスラリー化工程）
セラミックスラリーにおいて、セラミック粉末を懸濁する媒体は、水、有機溶媒、これらの混合溶媒等を使用することができる。好ましくは、水を使用する。

セラミックスラリー中に、セラミック粉末を均一に含有させるためには、適当な分散剤を使用することが好ましい。

分散剤として、ポリカルボン酸系分散剤（アニオン系分散剤）を使用でき、具体的には、ポリカルボン酸アンモニウムやポリカルボン酸ナトリウムを使用できる。

好ましくは、分散剤の添加量に伴うスラリー粘度変化が大きい分散剤を使用する。

分散剤の使用量は、好ましくは、セラミック粉末の重量に対して５重量％以下であり、より好ましくは、１重量％以下である。

セラミックスラリーは、セラミックスラリー気泡導入前に脱法し、スラリーを攪拌しながら気泡を導入する。

セラミックスラリーに気泡を導入する際に、目的の形状に成型するため、ゲル化剤や、モノマーと重合開始剤とからなる重合性材料を加える。

ゲル化剤を使用すると、温度制御やｐＨ制御等によってスラリーをゲル化することになる。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、寒天、アルギン酸ナトリウム等を挙げることができる。

重合性材料を用いる場合は、重合性材料のモノマーを用いる。

具体的には、１または２以上のビニル基やアリル基等を備えたモノマーを挙げることができる。

スラリーが水あるいは水性溶媒にて構成される場合には、１または２官能基性の重合性モノマーを用いることが好ましい。

また、スラリーが、有機溶媒にて構成される場合には、２官能基性の重合性モノマーであることが好ましい。特に、スラリーにおいて水を溶媒として調製する場合には、好ましくは、少なくとも１種の１官能基性の（メタ）アクリル酸アミドと、少なくとも１種の２官能基性の（メタ）アクリル酸アミドとを組み合わせて使用する。

また、スラリーを有機溶媒で調製する場合には、好ましくは、少なくとも２種の２官能基性の（メタ）アクリル酸を組み合わせて使用する。

１官能基性モノマーや２官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、過硫酸アンモニウムや過硫化カリウム等である。

また、２以上の官能基を有する官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、有機過酸化物や過酸化水素化合物や、アゾあるいはジアゾ化合物を使用する。

具体的には、過酸化ベンゾイルである。

導入したガスは、界面活性剤等によって気泡としてスラリー中に保持するようにするのが好ましい。

界面活性剤は、当該気泡導入工程において、攪拌等による気泡の導入前にセラミックスラリーに添加することが好ましい。

界面活性剤としてはアルキルベンゼンスルホン酸等の陰イオン性界面活剤や、高級アルキルアミノ酸等の陽イオン界面活性剤を例示できる。

具体的には、ｎ−ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウリレート、ポリオキシエチレンモノオレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル及びこれらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩を挙げることができる。

また、トリエタノールアミンラウリルエーテル等及びこれらのハロゲン化塩や、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等を挙げることができる。

また、ジエチルヘキシルコハク酸及びそのアルカリ金属塩等を挙げることができる。

（気泡導入工程）
以上のようにして作製したスラリーに気泡を導入する。

この気泡導入工程において、ゲル化材料として重合性材料を用いる場合には、重合性材料とともに、重合開始剤、あるいは重合開始剤と重合触媒とを添加することが好ましい。重合触媒を添加すれば、ゲル化温度やその添加量によりゲル化工程の時間を調整することができる。

通常、重合触媒を添加すると、室温付近で速やかにゲル化（重合）が開始される。

したがって、気泡導入方法や気泡導入量等を考慮して、重合触媒の使用や種類が選択される。重合触媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン等を挙げることができる。

（スラリー成型工程）
このようにして調製した含気泡セラミックスラリーを、成形型等に注入して、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。含気泡セラミックスラリーを円筒状の成形型に流し込み、重合反応あるいはゲル化反応を行って、固化させる。

スラリーが固化すると、スラリー中に存在していた気泡も、ゲル状体中に保存される。この結果、固化体が多孔質となり、ゲル状多孔質成形体が得られる。

これを脱型して、乾燥、脱脂、焼成する。乾燥は、ゲル状多孔質成形体中に含まれている水、溶媒を蒸発させるように行う。

乾燥条件（温度、湿度、時間等）は、スラリー調製に用いた溶媒の種類とゲル状多孔質成形体の骨格部分を構成する成分（ゲル化剤あるいは重合体）によって適宜調整する。通常は、２０℃以上であり、好ましくは、２５℃以上８０℃以下であり、より好ましくは、２５℃以上４０℃以下である。

（焼成工程）
つぎに、乾燥体から有機分を除去するために、さらに高温で加熱する。

脱脂のための温度と時間は、使用した有機分の量および種類によって調整する。

例えば、ゲル化のための材料としてメタクリルアミドとＮ，Ｎ−メチレンビスアクリル
アミドを用いたスラリーから調製したゲル状多孔質成形体の場合、７００℃で２日間脱脂する。

脱脂後には、焼成工程を実施する。

焼成のための条件は、使用したセラミック材料の種類等を考慮して設定される。

このような工程により、本発明のセラミック多孔体６を得ることができる。

セラミック多孔体６は、多孔質であり、複数の空隙が存在している。空隙はセラミック多孔体６に分散して存在することが好ましい。

空隙は、独立して存在する場合もあり、他の空隙と連続して存在し、外部と連通している場合もある。本音響整合体５では、孔部が連続して存在するほうが好ましい。

セラミック多孔体６は、全体として、６０％以上９０％以下の気孔率（ここでは開気孔及び閉気孔を含む全気孔率を意味する。）を有していることが好ましい。

より好ましくは、８０％以上９０％以下である。全気孔率は、以下に示す計算式によって求められる。

全気孔率（％）＝（１−かさ密度／真密度）×１００
ただし、かさ密度＝試料の重量／試料のかさ体積である。真密度は、例えば、極めて微粉化した試料の任意量をピクノメータに投入し、所定の容積に至るまで水を注入して煮沸等してボイドを排除した上で、その重さと容積との関係から求めることができる。

前記効率が、６０％以下では、音響整合体５の密度ρ１が大きくなり孔径９０％を超えると機械的強度の低下が著しいからである。

開気孔率は、より好ましくは、６５％以上であり、また、８５％以下であり、強度の許す範囲で軽くして、密度が小さく音速の遅いものに近づけようにしてある。

以上の材料、および製造条件を最適化し、本発明の実施の形態における音響整合体５のセラミック多孔体６の密度を２００ｋｇ／ｍ３以上４００ｋｇ／ｍ３未満で調整することで密度の低く強度の大きいセラミック多孔体６を実現することができた。

以上のように、本実施の形態においては、高感度の超音波送受波器を得ることを目的とし、音響整合体５は音の反射を軽減して音波の透過する強度を高めるため、固体で密度が小さく音速の遅いものとして、脆く壊れやすい低密度のセラミック多孔体６を用い、また、効率よく音響整合体５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体５が振動させられるようにするため、音響整合体５に音響膜７を配設してある。

さらに、音響整合体５は、気孔径が小さく気孔率が高いセラミック多孔体６等の多孔質材料で形成するとともに、前記音響整合体５に予め音響整合体５への接合手段の浸透を抑制する抑制層８を形成してあるので、抑制層８によって、接合手段の浸透を抑制することができ、音の伝達経路の安定化を図ることができる。

ここで、多孔質材料としてもちいる脆く壊れやすい低密度のセラミック多孔体６は、その中を通過する音の伝達からは緻密であった方がよく、被測定物流体への伝達効率からす
ると密度ができるだけ小さい方が良いため、その気孔径ができるだけ小さく均一にそろい、かつ、気孔率が高いことが条件となる。このような気孔径が小さく気孔率が高いすなわち気孔部分が多い形状では、毛細管現象による吸引がよくはたらくため、エポキシ樹脂等の熱硬化性の高粘度の樹脂であっても熱硬化するまでの加熱時に粘度が下がり浸透してしまい、浸透した場合、低密度のセラミック多孔体６が浸透した場合、その分密度が高くなってしまい、被測定物流体への音の伝達効率が悪くなってしまううえに、伝達経路まで変わってしまうため、その損失は大きくなってしまう。

さらに、セラミック多孔体６への浸透がばらつくと、音の伝達経路がばらつき、それが性能のばらつきにつながるため、抑制層８によって、接合手段４の浸透を抑制することで、音の伝達経路の安定化を図ることによって、性能を向上し、かつ、安定化させることができるようになる。

また、音響膜７と抑制層８を形成した音響整合体５は、硬くて脆いセラミック多孔体６等の多孔質材料に音響膜７と抑制層８で靱性を付与されるため、欠けや発塵を少なくすることができ、組立時の多孔質体の発塵等による影響を極力少なくすることができる。

また、音響整合体５を構成するゲルキャスティング法で成形したセラミック多孔体６は、スラリー中のモノマーがラジカル重合することより、型内でポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体となるため、スラリーの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されることにより、セラミック多孔体６中の不均一や欠陥が発生しにくく、一般的な加圧成形や鋳込み成形に対し約１０倍以上の強度を得ることができるとともに、均一の組織となり、密度ばらつきも小さいため、複雑な形状でも対応でき、軽くて強度も高くすることができる。

したがって、輸送時などにセラミック多孔体６で形成された音響整合体５の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配が少なくなり、セラミック多孔体６で形成された音響整合体５を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすることができるようになる。

そして、音響整合体５に形成する抑制層８と音響膜７は、同一の材質かつ形状としてあるので、音響整合体５に表裏がなくなるため、音響整合体５をケースの有天部外側に接合手段４で密着する時の表裏の間違いがなくなり、組立時の取扱いが楽になり、組立の信頼性が向上できる。

そして、抑制層８と音響膜７は、離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体６で形成された音響整合体５の表面に転写して形成してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体６で形成された音響整合体５の表面に所定量の樹脂材料を塗布することができ、音響膜７の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜７の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。

また、抑制層８と音響膜７は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂に粘度を上昇させるために炭化珪素等の微粉末を添加してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体６で形成された音響整合体５の表面の浸透を抑制することができ、より音響膜７の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜７の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。

そして、接合手段４と抑制層８と音響膜７は、略同一硬化条件を有する熱硬化性のエポキシ樹脂としてあるので、抑制層８と音響膜７をまず前処理加熱硬化工程で短時間で予備
硬化した後、接合手段４と抑制層８と音響膜７を後処理加熱硬化工程で同時に完全硬化できるため、加熱硬化工程の短縮および簡素化ができるともに、硬化のための影響を減少させることができるようになるにようになる。

尚、本実施例では、高感度の超音波送受波器を得ることを目的とし、音響整合体５は音の反射を軽減して音波の透過する強度を高めるため、固体で密度が小さく音速の遅いものとして、脆く壊れやすい低密度のセラミック多孔体６を用い、また、効率よく音響整合体５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体５が振動させられるようにするため、音響整合体５に音響膜７を配設してあり、これらを組合せ完成時のばらつきなどなくすため、抑制層８と音響膜７および接合手段４を同一のエポキシ樹脂をベースとしたが、これは、別の硬化条件のものを組み合わせてもよく、その他各部の構成も本発明の目的を達成する範囲であればその構成はどのようなものであってもよい。

以上のように、本発明にかかる超音波送受波器およびそれを用いた流れ計測装置は、高感度の超音波送受波器を得ることが可能となるので、検針用ガスメータ等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図 本発明の実施の形態１における超音流速流量計の測定原理説明図 本発明の実施の形態１における音響整合体に用いたセラミック多孔体の製造工程を示す説明図 従来の超音波送受波器に組み込むための音響整合体一部断面拡大図

１ 超音波送受波器
２ 有天状のケース
３ 圧電体
４ 接合手段
５ 音響整合体
６ セラミック多孔体
７ 音響膜
８ 抑制層

Claims (2)

1. 有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した多孔質材料からなる音響整合体とを備え、前記音響整合体には前記接合手段の浸透を制御する抑制層を形成するとともに、前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に前記抑制層と同一の材質、同一の形状とした音響膜を構成し、前記抑制層と前記音響膜は、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂に粘度を上昇させるために炭化珪素等の微粉末を添加した超音波送受波器。
2. 請求項１記載の超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも１対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした流体の流れ計測装置。