JP4888112B2 - 超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して気体の流量を計測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に用いる超音波送受波器に関するもので、特に圧電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層、さらにはこれを用いた超音波送受波器、超音波流量計に関するものである。

近年、超音波が流量計測部を伝搬する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。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において、構成している音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。

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振動子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、一般的な圧電振動子である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３０×１０^６ｋｇ／ｍ^２／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／ｍ^２／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振動子と超音波の放射媒体である気体と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、１１×１０^４ｋｇ／ｍ^２／ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす音響整合層は、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、超音波送受波器としたときにおいても破壊しないことが要求される。

従来この種の超音波送受波器は、音響整合層は密度を小さく出来る空隙を備える多孔質体が用いられることがある。この種の超音波送受波は、空気中、あるいはガス中で使用されることが多く、使用状況によっては、高湿度条件で使用されることもある。このような状況では、多孔質体よりなる音響整合層の空隙部分が吸湿することがある。水の音響インピーダンスは、１．４１×１０^６ｋｇ／ｍ^２／ｓであり、多孔質体よりなる音響整合層に比べ大きく、音響整合層が吸湿すると、見かけ上音響整合層の密度がおおきくなり、音速が速くなり、音響インピーダンスが大きくなる。これによって、空気あるいはガス中へ透過する音波の強さが弱くなるという課題がある。これに対し、多孔質体よりなる音響整合層の固体骨格が吸湿しないように音響整合層を疎水化処理しこのような課題を解決してきた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６２３９４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、疎水化処理を施した音響整合層は接着剤で接合した場合音響整合層と接着剤との密着性が悪く、特性のばらつきが大きくなる。あるいは信頼性試験によって大きく特性が劣化することがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の化が小さい超音波送受波器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、音響整合層に接合部材を浸透させ、振動手段を接合して得られる超音波送受波器において、前記音響整合層は、多孔体で形成される第１構造体と、前記第１構造体の空隙の一部または全部に形成される第２構造体とから成り、前記第２構造体は、前記第１構造体の多孔体よりも小さい空隙を有する疎水性の多孔体で形成され、前記接合部材は前記第２構造体の多孔体の空隙よりも小さい粒子を含む部材よりなり、前記第２構造体は、式（１）で表される化合物または式（１）で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させてなる湿潤ゲルの存在下、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなり、前記オルガノシラン化合物は、式（５）と、式（６）との少なくとも一方と、式（７）で表される化合物との共重合体を含んでいる超音波送受波器としたものである。

これによって、疎水化処理した多孔質音響整合層と接合部材とがより多くの面積で接することになり、確実に接合され、振動手段の振動が音響整合層に効率よく伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。

本発明の超音波送受波器は、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器とすることができる。

第１の発明は、音響整合層に接合部材を浸透させ、振動手段を接合して得られる超音波送受波器において、前記音響整合層は、多孔体で形成される第１構造体と、前記第１構造体の空隙の一部または全部に形成される第２構造体とから成り、前記第２構造体は、前記第１構造体の多孔体よりも小さい空隙を有する疎水性の多孔体で形成され、前記接合部材は前記第２構造体の多孔体の空隙よりも小さい粒子を含む部材よりなり、前記第２構造体は、式（１）で表される化合物または式（１）で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させてなる湿潤ゲルの存在下、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなり、前記オルガノシラン化合物は、式（５）と、式（６）との少なくとも一方と、式（７）で表される化合物との共重合体を含んでいる超音波送受波器とすることにより、接合部材が疎水化した一方の構造体および他方の構造体の複雑な空隙部に浸透して固化するため、音響整合層と振動手段とが確実に接合され、振動手段の振動が音響整合層に効率よく伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。

第２の発明は、請求項１に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、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を算出する演算手段とを具備する超音波流量計とすることにより、高信頼性の流量計を実現するとすることができる。

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、本発明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は本発明第１の実施の形態における超音波送受波器の断面図を示すものである。

図１において、超音波送受波器１は、音響整合層２と、振動手段３と接合部材４とで構成されている。

多孔質の音響整合層２と、対向する電極５、電極６を備えた振動手段３である圧電体とは、接合手段４によって接合された構造である。振動手段３である圧電体の電極５、および電極６はリード線７、およびリード線８に電気的に接合されており、電極とリード線は、例えば溶接あるいは導電ペーストで接続されている。

音響整合層２は、複数の空間とそれを形成するための骨格を有する多孔質構造である。材質は、例えば、セラミック多孔体、多孔質有機ガラス、発砲ポリイミド、発砲ポリエチレンなど連続した空隙を有する材料であれば特に限定されるものではなく、より密度を小さくできるため低音響インピーダンスを実現することができる。接合部材４は例えば、主剤となるエポキシ樹脂に、粘度調整のために添加するシリカ、アルミナなどの微細粒子、硬化剤を添加した接着剤、あるいは常温でシート状のシート接着剤などの有機材料などが適用できる。また、銀ペーストなどのような無機導電性粒子を熱硬化性樹脂とともに混合
した導電性ペースト、あるいは、銀ロウなどのロウ付け材料など接合部材として使用可能である。超音波送受波器１の製造方法は、まず、音響整合層２を１／４波長の厚さに調整し、音響整合層２あるいは振動手段３である圧電体の少なくとも一方の電極面に接合部材４を塗布形成し、振動手段３の一方の電極５と、音響整合層２とを張り合わせ、治具などによって加圧固定し、治具ごとオーブンに入れて、接合部材４を硬化して接合する。接合部材４は、加熱によって一時的に粘度が低下して音響整合層２に浸透し、さらに加熱されることによって硬化する材料を選択した。

以上のように構成された超音波送受波器１について以下その動作、作用を説明する。まず、リード線７、リード線８に外部より２００〜６００ＫＨｚ程度の周波数のパルス電圧を加えることによって、振動手段３である圧電体が電極面に対して垂直方向に振動し、その振動に共振する厚み（１／４波長）に調整した音響整合層２が振動し、音響整合層２より、空気中あるいはガス中に振動が効率よく伝えられる。

以上のように、本実施の形態においては、接合部材４が、疎水化した音響整合層２の空隙部に浸透することによって、振動手段３と音響整合層２とが確実に接続され、効率よく、伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。

（実施の形態２）
図２は本発明第２の実施の形態における超音波送受波器１０の断面図を示すものであり、図３は本発明第２の実施の形態における音響整合層１０の断面拡大図を示すものである。

図２および図３において、超音波送受波器１０は、音響整合層１１と、振動手段１２と接合部材１４とで構成されている。

多孔質の音響整合層１１と、対向する電極１５、電極１６を備えた振動手段１２である圧電体とは、接合手段１４によって接合された構造である。振動手段１２である圧電体の電極１５、および電極１６はリード線１７、およびリード線１８に電気的に接合されており、電極とリード線は、例えば溶接あるいは導電ペーストで接続されている。

音響整合層１１は、複数の空間とそれを形成するための骨格を有する一方の構造体１９で形成される多孔体であり、その空隙に一方の構造体１９よりも小さい空隙を有する他方の構造体２０に形成した、複合多孔体である。材質は、例えば、一方の構造体１９はセラミック材料が好ましく、連続した空隙を有する材料であれば特に限定されるものではなく発砲ポリイミド、発砲ポリエチレンなども適用できる。このような多孔体を使用することによって密度を小さくできるため低音響インピーダンスを実現することができる。他方の構造体２０は、例えば多孔質の有機ガラスが用いられる。以下、一方の構造体１９、および他方の構造体の製造方法を以下に示す。

一方の構造体１９の製造方法は、次のように形成するのが好ましい。図４は本発明の実施の形態２における一方の構造体の製造工程を示すものである。

一方の構造体１９は、少なくとも、酸化物系、非酸化物系のセラミックスや、粘土鉱物等で構成される。酸化物系セラミックスとしては、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系等を挙げることができ、非酸化物系セラミックスとしては、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化系アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト等を挙げることができる。一方の構造体１９は、難焼成セラミックスで構成されることが好ましく、より好ましくはチタン酸アルミニウム、コーデュライト、およびリシア・アルミナ・シリカ系化合物から選択
される酸化物材料であるガラスセラミックで構成される。一方の構造体１９がガラスセラミックスで構成されていると、熱膨張係数が小さいため、保持体の超音波送受信器の音響整合部材として使用した場合には、広い温度範囲において安定に音波を送受信できるという点で好ましい。

一方の構造体１９の製造は、これらの難焼結性セラミックスを粉砕する工程と、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ス粉砕工程）
セラミックスの粉砕は、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スを用いると、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）
セラミックススラリーにおいて、セラミックス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。セラミックススラリー中に、セラミックス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、セラミックス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。

セラミックススラリーは、セラミックススラリー気泡導入前に脱泡し、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スラリー円筒状の型に流し込み、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ス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、本発明の一方の構造体１９を得ることができる。

他方の構造体２０の製造方法は、次のように形成するのが好ましい。図５は本発明の実施の形態２における他方の構造体の製造工程を示すものである。

他方の構造体２０は、有機ガラスで形成されており、ゾルゲル法によって形成する。
音響整合層１１に含まれる有機ガラスの材質は特に限定されない。有機ガラスの製造方法に関して詳細に説明する。図５は本発明第２の実施の形態における他の構造体の製造工程を示している。図に示しように４つの工程によって形成される。以下詳細に説明する。

（工程１：第１ゲル化工程）
本実施形態では、まず、いわゆるゾルゲル法により第１湿潤ゲルを形成する。その際、第１ゲル原料に第１触媒（ゲル化触媒）を加えてゲル化を進行させる。

本実施形態の製造方法で用いられるゲル原料としては、ゾルゲル法に用いられる一般的な原料が用いられる。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタン等の酸化物微粒子や対応するアルコキシド等がある。この中でも金属としてケイ素を含有する化合物が、入手の容易性から好ましい。また、金属アルコキシドの場合、既に述べたように、反応制御の容易性の観点からもケイ素が好ましい。例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランおよびトリアルコキシシラン、ジアルコキシシラン等のケイ素アルコキシドが用いられる。

（実施例）
本発明を実現するための加水分解性有機基と非加水分解性有機基が同一の珪素に直接結合したケイ素化合物は以下のようなものが例示できる。

式（１）または式（２）で表される化合物の加水分解重合物からなり、分子量２００以上であるオルガノシロキサン。ケイ素化合物が式（３）で表される直鎖状ポリシロキサンジオール。

Ｒ^１ としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数１〜４のアルキル基を主原料とするものが用いられる。

Ｒ^２ としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数１〜８の置換または非置換の１価の炭化水素基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基；シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基；２−フェニルエチル基、３−フェニルプロピル基等のアラルキル基；フェニル基、トリル基等のアリール基；ビニル基、アリル基のようなアルケニル基；クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基のようなハロゲン置換炭化水素基；γ−メタクリロキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、３，４−エポキシシクロヘキシルエチル基、γ−メルカプトプロピル基等の置換炭化水素基等を例示することができる。これらの中でも、合成の容易さ、入手の容易さ、硬度が過度に低下しすぎないという点から、炭素数１〜４のアルキル基およびフェニル基が好ましい。

従って、式（１）のオルガノトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、３，３，３−トリフルオロプロピルトリメトキシシランなどが例示できる。

また、式（２）のジオルガノジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが例示できる。

これらのケイ素化合物は式（４、５、６）で表される化合物を含んでいてもよい。

式（４）中のＲ^４ は置換、もしくは非置換の炭素数１〜９の炭化水素基である。

式（５）中のＲ^５ はエポキシ基、グリシジル基およびこれらのうちの少なくとも一方を含む炭化水素基（例えば、γ−グリシドキシプロピル基等）からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の基であるものの内の少なくとも１種である。

式（６）中のＲ^６ はアルコキシシリル基および／またはハロゲン化シリル基を含む炭
化水素基、例えば、トリメトキシシリルプロピル基、ジメトキシメチルシリルプロピル基、モノメトキシジメチルシリルプロピル基、トリエトキシシリルプロピル基、ジエトキシメチルシリルプロピル基、エトキシジメチルシリルプロピル基、トリクロロシリルプロピル基、ジクロロメチルシリルプロピル基、クロロジメチルシリルプロピル基、クロロジメトキシシリルプロピル基、ジクロロメトキシシリルプロピル基等であるものの内の少なくとも１種である。

また、本発明に関わるケイ素化合物は式（７）で表されるケイ素化合物を含有してもよい。式（７）で表されるテトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが例示できる。

（効果）
式（１）から式（６）で表される化合物または重合物或いは共重合物はいずれも乾燥ゲルを柔軟化させ、割れや剥がれを生じさせにくくする成分である。式（１，２）で表される化合物を分子量２００以上となるように重合してもちいることで、得られるゲルに対する柔軟化の効果が大きくなる。例えば、式（１，２）で表される化合物を用いた場合においても、分子量が小さいモノマー等を用いた場合には、乾燥ゲルを柔軟化することが出来ず、十分な効果は得られない。式（３）で表される化合物も柔軟化の効果が大きく、特に式（７）で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合には、これと共重合（架橋）し易いために、反応速度の制御が容易である。式（４，５，６）で表される化合物もゲルの柔軟化に大きな効果がある。式（４）で表されるような比較的単純な化学式で表されるものでもよいが、特に式（５）で表される化合物を用いると、被接合層との密着性が向上し、また、式（６）で表される化合物を用いると、式（７）で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合において、これと共重合（架橋）し易いために、より大きな柔軟化の効果が得られる。

（濃度）
式（１）から式（６）で表される化合物または重合物或いは共重合物の乾燥ゲル中に含まれる濃度は特に規定はされないが、０．０１％乃至１００であることが好ましい。この成分の濃度が低すぎると乾燥ゲルの割れ、剥がれが防げなくなる。逆に高すぎると強度が低下して湿潤ゲルの乾燥の際に収縮を生じる。これらの理由から、この化合物の濃度は０．１乃至１０％であることがさらに好ましい。

ゲル化触媒としては、一般的な有機酸、無機酸、有機塩基、無機塩基が用いられる。有機酸として、酢酸、クエン酸など、無機酸として、硫酸、塩酸、硝酸など、有機塩基として、ピペリジンなど、無機塩基として、アンモニアなどがある。また、ピペリジン等のイミン系のものを用いれば細孔径が大きくなる効果があるため毛管力低減の観点からより好ましい。 溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等の低級アルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールのモノあるいはジエーテル、アセトン等の低級ケトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等の低級エーテルのような水溶性有機溶媒が用いられる。また、第１ゲル原料の加水分解、縮重合でゲルが形成される場合には、加水分解に必要な水も添加される（工程２：再構築工程）。

第１ゲル化工程に引き続き、再構築工程が実施される。

尚、第１ゲル化工程時に、湿潤ゲルが形成された場合は、第１湿潤ゲルが再構築原料溶液に触れるように、配置し再構築処理を行う。

再構築工程では、第１ゲル化工程で形成された第１湿潤ゲルの固体骨格の一部を分解し
ながら、新たな固体骨格（第２固体骨格）を形成する。具体的には、まず再構築工程のための再構築原料と、再構築触媒および水と、必要に応じて溶媒を添加混合することによって再構築原料溶液を調製し、これに第１ゲル化工程で得られた第１湿潤ゲルを浸漬させる。

上記の再構築触媒の添加は重合を進め、新たな固体骨格の成長を加速する。また、水および再構築触媒の添加は、加水分解により第１湿潤ゲルの固体骨格を構成する微粒子の分解（溶解）を進め、第１湿潤ゲルの微細な細孔構造を崩すように作用する。さらに、この加水分解は上記の再構築触媒によっても加速される。このように、古い固体骨格（第１固体骨格）を崩す速度と、新たな固体骨格（第２固体骨格）を形成する速度が共に非常に大きいために、大幅な細孔構造の変化を伴う固体骨格の再構築が可能になると考えられる。

再構築工程で用いられる再構築触媒としては、第１ゲル化工程で用いられるゲル化触媒群の中のものを使用することができるが、特に、第１ゲル化工程時のゲル化触媒と同一のものである必要はない。

また、再構築工程で用いられる再構築ゲル原料としては、第１ゲル化工程で用いられるゲル原料が用いられ、第１ゲル原料と再構築ゲル原料との関係は、特に制限を受けない。例えば、第１ゲル化工程で、ゲル原料としてアルコキシシランであるテトラエトキシシランが用いられた場合には、再構築工程では、再構築ゲル原料としてテトラエトキシシランを用いることができる他、ゲル原料が溶解する溶媒を選べば、他の金属アルコキシドや、ケイ酸水溶液等も用いることも可能である。

この工程で用いられる溶媒は、上で述べたように再構築ゲル原料、再構築触媒が溶解すれば特に制限を受けない。

（実施例）
本発明を実現するための加水分解性有機基と非加水分解性有機基が同一の珪素に直接結合したケイ素化合物は以下のようなものが例示できる。

式（１）または式（２）で表される化合物の加水分解重合物からなり、分子量２００以上であるオルガノシロキサン。ケイ素化合物が式（３）で表される直鎖状ポリシロキサンジオール。

Ｒ^１としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数１〜４のアルキル基を主原料とするものが用いられる。

Ｒ^２としては、特に限定はされないが、例えば、炭素数１〜８の置換または非置換の１価の炭化水素基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基；シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基；２−フェニルエチル基、３−フェニルプロピル基等のアラルキル基；フェニル基、トリル基等のアリール基；ビニル基、アリル基のようなアルケニル基；クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基のようなハロゲン置換炭化水素基；γ−メタクリロキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、３，４−エポキシシクロヘキシルエチル基、γ−メルカプトプロピル基等の置換炭化水素基等を例示することができる。これらの中でも、合成の容易さ、入手の容易さ、硬度が過度に低下しすぎないという点から、炭素数１〜４のアルキル基およびフェニル基が好ましい。

従って、式（１）のオルガノトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラ
ン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、３，３，３−トリフルオロプロピルトリメトキシシランなどが例示できる。

また、式（２）のジオルガノジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが例示できる。

これらのケイ素化合物は式（４、５、６）で表される化合物を含んでいてもよい。

式（４）中のＲ^４は置換、もしくは非置換の炭素数１〜９の炭化水素基である。

式（５）中のＲ^５はエポキシ基、グリシジル基およびこれらのうちの少なくとも一方を含む炭化水素基（例えば、γ−グリシドキシプロピル基等）からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の基であるものの内の少なくとも１種である。

式（６）中のＲ^６はアルコキシシリル基および／またはハロゲン化シリル基を含む炭化水素基、例えば、トリメトキシシリルプロピル基、ジメトキシメチルシリルプロピル基、モノメトキシジメチルシリルプロピル基、トリエトキシシリルプロピル基、ジエトキシメチルシリルプロピル基、エトキシジメチルシリルプロピル基、トリクロロシリルプロピル基、ジクロロメチルシリルプロピル基、クロロジメチルシリルプロピル基、クロロジメトキシシリルプロピル基、ジクロロメトキシシリルプロピル基等であるものの内の少なくとも１種である。

また、本発明に関わるケイ素化合物は式（７）で表されるケイ素化合物を含有してもよい。式（７）で表されるテトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが例示できる。

（効果）
式（１）から式（６）で表される化合物または重合物或いは共重合物はいずれも乾燥ゲルを柔軟化させ、割れや剥がれを生じさせにくくする成分である。式（１，２）で表される化合物を分子量２００以上となるように重合してもちいることで、得られるゲルに対する柔軟化の効果が大きくなる。例えば、式（１，２）で表される化合物を用いた場合においても、分子量が小さいモノマー等を用いた場合には、乾燥ゲルを柔軟化することが出来ず、十分な効果は得られない。式（３）で表される化合物も柔軟化の効果が大きく、特に式（７）で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合には、これと共重合（架橋）し易いために、反応速度の制御が容易である。式（４，５，６）で表される化合物もゲルの柔軟化に大きな効果がある。式（４）で表されるような比較的単純な化学式で表されるものでもよいが、特に式（５）で表される化合物を用いると、被接合層との密着性が向上し、また、式（６）で表される化合物を用いると、式（７）で示されるテトラアルコキシシランと同時に用いる場合において、これと共重合（架橋）し易いために、より大きな柔軟化の効果が得られる。

（濃度）
式（１）から式（６）で表される化合物または重合物或いは共重合物の乾燥ゲル中に含まれる濃度は特に規定はされないが、０．０１％乃至１００であることが好ましい。この成分の濃度が低すぎると乾燥ゲルの割れ、剥がれが防げなくなる。逆に高すぎると強度が低下して湿潤ゲルの乾燥の際に収縮を生じる。これらの理由から、この化合物の濃度は０．１乃至１０％であることがさらに好ましい。

（工程３：疎水化工程）
再構築工程に続き、疎水化工程を実施する。この工程では、再構築工程までに得られた湿潤ゲルの表面に、溶媒中に溶解した疎水化剤を反応させることで、疎水基を導入する。疎水化剤は、後述するクロロシラン等の場合は、水と反応して湿潤ゲル表面との反応性が低下するため、疎水化の前に、水溶性の溶媒により洗浄することで、あるいは水と共沸する溶媒を用いて留去することで水を除くことが好ましい。

本発明に用いられる疎水化剤としては、反応性が高い点からシリル化剤が好ましく、例えばシラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルシラノール化合物およびアルキルアルコキシシラン化合物等がある。

これらのシリル化剤は、シラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルアルコキシシラン化合物の場合は、直接あるいは加水分解を受けて、対応するアルキルシラノールになってからゲル表面のシラノール基と反応する。また、アルキルシラノールをシリル化剤として用いれば、そのまま表面のシラノール基と反応する。

これらの中でも、疎水化時の反応性が高いことと入手の容易性から、クロロシラン化合物、シラザン化合物が特に好ましく、入手の容易性及び疎水化時に塩化水素、アンモニア等のガスを発生しないことからはアルキルアルコキシシランが特に好適に用いられる。

具体的には、トリメチルクロロシラン、メチルトリクロロシランおよびジメチルジクロロシランなどのクロロシラン化合物、ヘキサメチルジシラザンなどのシラザン化合物、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシランおよびジエトキシジメチルシランなどのアルキルアルコキシシラン化合物、トリメチルシラノールおよびトリエチルシラノールなどのシラノール化合物に代表されるシリル化剤がある。これらを用いれば、湿潤ゲル表面にトリメチルシリル基などのアルキルシリル基を導入することで疎水化を進行させることができる。

また、疎水化剤として、フッ素化されたシリル化剤を用いれば、疎水性が強くなり非常に効果的である。

また、疎水化剤としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、エチレングリコールおよびグリセロールなどのアルコール類の他、蟻酸、酢酸、プロピオン酸およびコハク酸などのカルボン酸なども用いることができる。これらは、ゲル表面の水酸基と反応してエーテルまたはエステルを形成することで疎水化を進めるが、反応が比較的遅いため高温の条件が必要である（工程４：乾燥工程）。

疎水化工程に続き、乾燥工程を実施する。この工程では、疎水化工程までに得られた湿潤ゲルから溶媒を除くことにより、乾燥ゲルを得る。

湿潤ゲルから溶媒を除く乾燥方法としては、（１）加熱乾燥法（２）超臨界乾燥法（３）凍結乾燥法の３つの方法がある。加熱乾燥法は、最も一般的で簡便な乾燥法であり、溶媒を含む湿潤ゲルを加熱することで、液体状態の溶媒を気化させて除去するものであり、この乾燥によることがコストの観点から最も好ましい。なお、ここでいう「加熱乾燥」は、上記の加熱の程度が極端に低い場合として、加熱を行わずに放置して乾燥する自然乾燥も含むものとする。乾燥時に、ゲルの密度が低い場合にはゲル中の溶媒の表面張力に比例する毛管力のために、ゲルが一時的に収縮し割れを生じることがある。このため、乾燥時の溶媒は沸点での表面張力が小さい炭化水素系の溶媒が好ましく、特に安価なヘキサン、ペンタンあるいはその混合物が好ましい。一方、安全性の観点からは、イソプロパノール
、エタノール、ブタノール等のアルコール類、さらに水あるいは水と有機溶媒との混合溶媒からの乾燥が好ましい。本実施の形態では湿潤ゲルが、一方の構造体１９によって全体的に保持されているため、アルコール類、水をはじめとする多くの溶媒からの乾燥によっても割れ、収縮が抑制される。

超臨界乾燥法では、溶媒は超臨界状態から液体状態を経ずに取り除かれるため、気液界面の形成により始めて生じる毛管力の発生がない。乾燥に用いられる超臨界流体として、水、アルコール、二酸化炭素等の超臨界状態があるが、最も低温で超臨界状態が得られ、しかも無害である二酸化炭素が好適に用いられる。

具体的には、まず耐圧容器中に液化二酸化炭素を導入することで、耐圧容器中の湿潤ゲル中の溶媒を液化二酸化炭素に置換する。次に、圧力と温度を臨界点以上に上げることで超臨界状態とし、温度を保ったまま徐々に二酸化炭素を放出して乾燥を完了させる。

凍結乾燥法は、湿潤ゲル中の溶媒を凍結させた後に、昇華により溶媒を除く乾燥方法である。液体状態を経ず、ゲル中に気液界面を生じず毛管力が働かないために乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。

凍結乾燥法に用いられる溶媒は、凝固点での蒸気圧が高いものが好ましく、第３ブタノール、グリセリン、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、パラ−キシレン、ベンゼン、フェノールなどが挙げられる。これらのなかでも、融点における蒸気圧が高いという点から、特に第３ブタノール、シクロヘキサンが好ましい。

凍結乾燥時には、湿潤ゲル中の溶媒を、上記の凝固点での蒸気圧が高い溶媒に置換しておくことが効果的である。また、ゲル化時に用いる溶媒を、凝固点での蒸気圧が高い溶媒にしておけば、溶媒置換を省略して効率的な製造が可能となるためより好ましい。

乾燥は、疎水化工程の後に行ってもよいし、疎水化工程の前に行ってもよい。乾燥工程を経た後で疎水化する場合は、乾燥ゲルを溶液中ではなく、疎水化剤の蒸気にさらすことで乾燥ゲル表面に疎水基を導入する。従って、使用する溶媒量が減少するという効果を奏する。

この時使用する、疎水化剤としては、上述の疎水化剤を用いることができるが、反応性の高さからトリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラン等のクロロシラン化合物が最も好ましい。また、クロロシラン化合物以外の疎水化剤を用いる場合は、アンモニアや塩化水素等の気体状態で導入可能な触媒を用いることも有効である。

また、気相で疎水化を行う場合は、溶媒や疎水化剤の沸点に制限を受けずに疎水化時の温度を高めることができる。従って、気相での疎水化は、反応を早めるために有効である。また、湿潤ゲルが薄膜や粉体であれば、疎水化剤蒸気の浸入が容易であり、薄膜の場合は溶媒量削減の効果も大きいためより好ましい。

また、再構築工程と疎水化工程とを同時に行うことも可能である。この場合二つの工程を同時に進めるために、短時間で乾燥ゲルからなる多孔体が得られるという効果が得られる。

再構築工程兼疎水化工程は、具体的には、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを、再構築工程で用いる再構築ゲル原料溶液と疎水化剤とを混合した処理液に浸漬することで実施する。こうすることで、ゲルの再構築と疎水化が同時に進行する。再構築原料、疎水化時の疎水化剤は、上述のものと同じものを用いることが可能である。例えば、水ガラスから
電気透析により得られるケイ酸水溶液から第１ゲル化を行った後、得られた湿潤ゲルを、水溶性溶媒を用いること等により、ゲル原料であるアルコキシシランと、疎水化剤であるシラザン化合物等とを溶解させた溶液中で、再構築と疎水化とが同時に行われる。

接合部材１４は例えば、主剤となるエポキシ樹脂に、粘度調整のために添加するシリカ、アルミナなどの微細粒子、硬化剤を添加した接着剤、あるいは常温でシート状のシート接着剤などの有機材料などが適用できる。また、銀ペーストなどのような無機導電性粒子を熱硬化性樹脂とともに混合した導電性ペースト、あるいは、銀ロウなどのロウ付け材料など接合部材１４として使用可能である。超音波送受波器１０の製造方法は、まず、音響整合層１１を１／４波長の厚さに調整し、音響整合層１１あるいは振動手段１２である圧電体の少なくとも一方の電極面に接合部材を塗布形成し、振動手段１２の一方の電極１５と、音響整合層１１とを張り合わせ、治具などによって加圧固定し、治具ごとオーブンに入れて、接合部材１４を硬化して接合する。接合部材１４は、加熱によって一時的に粘度が低下して音響整合層２に浸透し、さらに加熱されることによって硬化する材料を選択した。

以上のように構成された超音波送受波器１０について以下その動作、作用を説明する。まず、リード線１７、リード線１８に外部より２００〜６００ＫＨｚ程度の周波数のパルス電圧を加えることによって、振動手段３である圧電体が電極面に対して垂直方向に振動し、その振動に共振する厚み（１／４波長）に調整した音響整合層２が振動し、音響整合層２より、空気中あるいはガス中に振動が効率よく伝えられる。

以上のように、本実施の形態においては、接合部材１４が、疎水化した音響整合層１１の空隙部に浸透することによって、振動手段１２と音響整合層１１とが確実に接続され、効率よく、伝わり、特性ばらつきが小さく、信頼性試験によっても特性の劣化が小さい超音波送受波器となる。

以上のようにして形成した、超音波送受波器によって、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化を想定した信頼性試験によって音響整合層が変形しても、音響整合層が相対的に柔軟な乾燥ゲルであるため、破壊せず、広い温度範囲において安定に動作することができるため、長期にわたって使用することができ、取り扱いが容易な超音波送受波器１を提供することが可能となった。

（実施の形態３）
図１０は、本発明第３の実施の形態における超音波送受波器３５の断面図を示しており、図１１は超音波送受波器３５の製造方法を示す工程断面図である。

以下超音波送受波器３５の製造工程に関して説明する。工程（ａ）は音響整合層３７を形成する工程であり、実施の形態２と同様のため省略する。工程（ｂ）は、振動手段３６である圧電体であり、焼き付け銀形成した電極３８表面と、密閉容器４２である有天筒状金属ケースの天部外壁面とに接合部材４０である接着剤を印刷する工程である。印刷は、スクリーン印刷、グラビア印刷、転写など接着剤を所定の厚さに印刷できれば限定されるものではない。前記有天筒状ケースは金属ケースであり、鉄、真鍮、銅、アルミ、あるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など何でも良い。

接合部材４０である接着剤を印刷した振動手段３である圧電体を、密閉容器４２である有天筒状金属ケース天部内壁面に、天部外壁面に音響整合層３７を振動手段３である圧電体と対向するように貼り付ける。このような状態で、加圧しながら、接着剤を硬化する。接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアノアクリレート樹脂など特に限定されな
い。

工程（ｃ）は、有天筒状金属ケースの開口部に導電手段４４を挿入した端子板４５を溶接によって接合する。端子板４５は電極端子４６と電極端子４７とを備え、端子板絶縁部４８によって電気的に絶縁されている。導電手段４４は、シリコンゴム、ブタジエンゴム、エラストマーなどの弾性体と、導電体とで構成され、電極３９と電極端子４７とを電気的に接続し、電極３８と密閉容器４２である有天筒状ケースと電極端子４６とは電気的に接続されている。

密閉容器４２である有天筒状金属ケースと端子板４５との溶接時に、密閉容器４２である有天筒状金属ケースと端子板４５とで形成した密閉空間４３内部に不活性ガスを注入し超音波送受信器３５を製造した。不活性ガスは、ヘリウムガスおよび窒素ガスなど銀電極と反応しない気体であれば限定されるものではない。溶接時に有天筒状ケース内に不活性ガスを挿入することによって銀電極を備えた振動手段３６である圧電体は外部環境から隔離され、長期にわたって電気的接続は安定化し、長期信頼性が確保される。

以上のように構成した超音波送受波器は、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化を想定した信頼性試験によって音響整合層が変形しても、音響整合層が相対的に柔軟な乾燥ゲルであるため、破壊せず、広い温度範囲において安定に動作することができるため、長期にわたって使用することができ、取り扱いが容易な超音波送受波器３５を提供することが可能となった。

（実施の形態４）
図１２は、本発明第４の実施の形態における超音波流速・流量計の断面図を示すものである。

図１２において、流路４９で構成される流体の流れる流量計測部５０に超音波送受波器５１、超音波送受波器５２が一対斜めに配置された構成となっている。Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器５１から伝播する超音波の伝達経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器５２の超音波の伝達経路を示している。

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（図示せず）、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５１を超音波送波器、超音波送受波器５２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器５１から出た超音波パルスが超音波送受波器５２に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ） （１）
で示される。

次に超音波送受波器５２から出た超音波パルスが超音波送受波器５１に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ） （２）
で示される。
そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）・（（１／ｔ１）−（１／ｔ２）） （３）
の式が得られる。

Ｌとθが既知なら、計測回路５３にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部５０の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段５３は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。

本発明の超音波送受波器を用いることにより、超音波送受波器の特性の安定化を図ることができ、使用環境の温度変化においても安定に動作することができるため、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現することができる。

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２における超音波送受波器１０の断面図 本発明の実施の形態２における音響整合層の断面拡大図 本発明の実施の形態２における一方の構造体の製造工程図 本発明の実施の形態２における他方の構造体の製造工程図 本発明の実施の形態２におけるオルガノシラン化合物の分子配置概念図 本発明の実施の形態２におけるオルガノシラン化合物の分子配置概念図 本発明の実施の形態２におけるシリカ乾燥ゲル製造工程のオルガノシラン化合物概念図 本発明の実施の形態２におけるシリカ乾燥ゲル製造工程のオルガノシラン化合物概念図 本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図 本発明の実施の形態３における超音波送受波器の製造工程断面図 本発明の実施の形態４における流速・流量計の断面図 従来の超音波送受波器の断面図

１ 超音波送受波器
２ 音響整合層
３ 振動手段
４ 接合部材
１９ 一方の構造体
２０ 他方の構造体
３７ 音響整合層
３５ 超音波送受波器
４６ 振動手段
４２ 密閉容器
５０ 流量計測部
５１、５２ 超音波送受波器
５３ 計測回路
５４ 演算手段

Claims (2)

1. 音響整合層に接合部材を浸透させ、振動手段を接合して得られる超音波送受波器において、
   前記音響整合層は、多孔体で形成される第１構造体と、前記第１構造体の空隙の一部または全部に形成される第２構造体とから成り、
   前記第２構造体は、前記第１構造体の多孔体よりも小さい空隙を有する疎水性の多孔体で形成され、
   前記接合部材は前記第２構造体の多孔体の空隙よりも小さい粒子を含む部材よりなり、
   前記第２構造体は、式（１）で表される化合物または式（１）で表される化合物の部分加水分解重合物を、重合させてなる湿潤ゲルの存在下、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基とが同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を重合させると共に乾燥してなり、
   前記オルガノシラン化合物は、式（５）と、式（６）との少なくとも一方と、式（７）で表される化合物との共重合体を含んでいる超音波送受波器。
   式（１） Ｓｉ（ＯＲ１）４
   式（５） ＣＨ２＝ＣＲ３（ＣＯＯＲ４）
   ここで、Ｒ３は水素原子及び／またはメチル基を示す。
   Ｒ４は置換もしくは非置換の炭素数１〜９の１価炭化水素基である。
   式（６） ＣＨ２＝ＣＲ３（ＣＯＯＲ５）
   ここで、Ｒ５はエポキシ基、グリシジル基及びこれらのうち少なくとも一方を含む炭化水素基からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の基である。
   式（７） ＣＨ２＝ＣＲ３（ＣＯＯＲ６）
   ここで、Ｒ６はアルコキシシリル基及び／またはハロゲン化シリル基を含む炭化水素基である。
2. 請求項１に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、
   被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、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を算出する演算手段とを具備する超音波流量計。