JP6454867B2 - 超音波振動子およびそれを用いた超音波流量計 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を計測する超音波振動子および超音波流量計に関するものである。

従来、この種の超音波振動子は、圧電体の超音波送受信面の上面に音響整合層を接合して構成される。また、この種の超音波流量計は、流路の上流側と下流側に上述した構成を有する一対の超音波振動子を配置して構成される（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された従来の超音波振動子および超音波流量計を示すものである。図９（ａ）に示すように、超音波振動子９０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から成る第１圧電体９２１及び第２圧電体９２２で構成される圧電体群９２と、音響整合層９１と、電極９３ａ〜９３ｃで構成されている。ここで、音響整合層９１は第１圧電体９２１及び第２圧電体９２２より大きく、第１圧電体９２１及び第２圧電体９２２を覆うように配置されている。

また、図９（ｂ）に示すように、超音波流量計９４は、流路９５と、上述した構成を有する第１超音波振動子９６と第２超音波振動子９７とから構成されている。第１超音波振動子９６と第２超音波振動子９７は、それぞれ、超音波送信器および超音波受信器として機能し、具体的には、第１超音波振動子９６を超音波送信器として用いる場合には第２超音波振動子９７を超音波受信器として用い、第２超音波振動子９７を超音波送信器として用いる場合には第１超音波振動子９６を超音波受信器として用いる。

超音波流量計９４による流量の計測は、第１超音波振動子９６から第２超音波振動子９７へ超音波が伝播する時間と、第２超音波振動子９７から第１超音波振動子９６へ超音波が伝播する時間との差から、流体の速度を求め、流路９５の断面積と流速との積から流量を求める。

特開２００９−８５９０２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、超音波振動子の製造時における応力や、超音波振動子の製造後における熱衝撃による温度変化によって、音響整合層にクラックや欠けが発生し、また、音響整合層の表面層が剥離し、超音波振動子と超音波流量計の信頼性面において課題を有していた。

音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離は、音響整合層のうち、特に、圧電体の超音波送受信面の外周付近に位置する部分で顕著であった。これは、音響整合層が圧電体を覆う構造の超音波振動子では、超音波振動子の製造時に音響整合層に残存した応力が熱衝撃による温度変化によって解消される際、圧電体の熱膨張係数と音響整合層と熱膨張係数の違いによって、圧電体の超音波送受信面の外周付近に位置する音響整合層に応力歪が集中するためである。

また、超音波振動子を利用して、特に、水素等の密度の低い気体を計測する場合、音響
整合層には、低密度の材料を用いる必要があるが、このような低密度の材料は、一般的には脆弱な材料で構成されるため、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離は、より顕著になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、音響整合層のクラックや欠け、あるいは音響整合層の表面層の剥離を防止できる手段を提供し、特に、水素等の密度の低い気体を計測する場合であっても、長期に亘って安定に動作する、信頼性の高い超音波振動子および超音波流量計を実現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、本発明の第１の超音波振動子は、圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に音響整合層を接合したものである。

これによって、顕著な応力歪が発現する圧電体の超音波送受信面の外周をよけて、音響整合層を圧電体の超音波送受信面面に接合することができるため、音響整合層のクラックや欠けの発生、及び音響整合層の表面層の剥離を防止することができる。

本発明の超音波振動子および超音波流量計は、音響整合層に働く応力歪を解消することができるため、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止でき、特に水素等の密度の低い気体を計測する場合であっても、長期に亘って安定に流量を計測することができる。

本発明の実施の形態１における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態２における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態３における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態４における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態５における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態６における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態７における超音波振動子の構成図 本発明の実施の形態８における超音波流量計の構成図 従来の超音波振動子の構成図

第１の発明は、圧電体と、前記圧電体に接合される音響整合層と、を有し、前記圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合され、前記音響整合層の超音波送受信面は前記圧電体の超音波送受信面よりも大きな外径を有する超音波振動子である。

この構成により、応力歪が顕著な圧電体の超音波送受信面の外周をよけて、圧電体の超音波送受信面に音響整合層を接合することができるため、音響整合層におけるクラックや欠けの発生、及び音響整合層の表面層の剥離を防止することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の音響整合層を、圧電体の超音波送受信面において、超音波の送受信感度が高い部分に接合した超音波波振動子である。

この構成により、圧電体の超音波送受信面において、超音波の送受信感度が高い部分に、音響整合層を接合することができるため、超音波振動素子の超音波送受信感度を高めることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の音響整合層を、圧電体の超音波送受信面の中央
部分に接合した超音波振動子である。

この構成により、超音波の送受信感度が高い圧電体の中央部分に、音響整合層を接合することができるため、超音波振動素子の超音波送受信感度を高めることができる。

第４の発明は、圧電体と、前記圧電体の超音波送受信面と接合している容器と、前記容器と前記圧電体との接合面の裏面に接合される音響整合層と、 を有し、 前記音響整合層は、当該容器において圧電体が接合している外周をよけた部分の裏面に接合され、前記音響整合層の超音波送受信面は前記圧電体の超音波送受信面よりも大きな外径を有する超音波振動子である。

この構成により、応力歪が顕著な圧電体の外周をよけて、音響整合層を圧電体と容器に接合することができるため、音響整合層におけるクラックや欠け、及び音響整合層の表面層の剥離を防止することができる。また、圧電体の超音波送受信面の大きさより、大きい音響整合層を使用する場合、圧電体の外周の外側に存在する音響整合層を容器に固定できるので、音響整合層の接合安定性を向上することができる。

また、本発明の第５の超音波振動子は、第４の発明の音響整合層を、容器と圧電体の接合部分の外周の外側においても容器と接合したものである。

この構成によって、顕著な応力歪が発現する圧電体の外周をよけて、音響整合層を圧電体と容器に接合することができるため、音響整合層のクラックや欠け、及び音響整合層の表面層の剥離を防止することができる。また、圧電体の超音波送受信面の大きさより、大きい音響整合層を使用する場合、圧電体の外周の外側に存在する音響整合層も容器に接合できるので、音響整合層の接合安定性をさらに向上することができる。

第６の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明の圧電体、または第４または第５の発明の容器を、当該圧電体または容器と音響整合層との接合面において、音響整合層を固定するための音響整合層固定部を設けた超音波振動子である。

この構成により、音響整合層を圧電体または容器に接合する際、音響整合層固定部を目印として、音響整合層の接合位置の特定が容易になり、圧電体に音響整合層を接合する製造工程における煩雑さを回避できるため、超音波振動子の製造が容易になる。

第７の発明は、第１〜６のいずれか１つの発明の音響整合層を、ゲル成形体で構成した超音波振動子である。

この構成により、低密度のゲル成形体で音響整合層を構成することができるので、密度の低い気体中でも、超音波の送受信感度を高く維持することができ、水素等の密度の低い気体であっても流量の計測が可能となる。

第８の発明は、第１〜７のいずれか１つの発明の音響整合層を、音響インピーダンスが５．０×１０^４Ｋｇ／ｍ^２・ｓ以上２．０×１０^５Ｋｇ／ｍ^２・ｓ以下の音響整合層で構成した超音波振動子である。

この構成により、水素等の密度の低い気体中であっても、超音波を適切に整合できるので、超音波の送受信感度を高く維持することができ、水素等の密度の低い気体であっても流量の計測が可能となる。

第９の発明は、第１〜８のいずれか１つの発明の超音波振動子を流体の流れる流路の上流側と、下流側とに配置し、超音波振動子の間の超音波伝播時間から前記流体の流速を求め、前記流速から流体の流量を演算する流量計である。

この構成により、音響整合層のクラックや欠け、及び音響整合層の表面層の剥離による超音波振動子の性能低下がなくなるので、水素等の密度の低い気体を計測する場合であっても、長期に亘って、安定に流量を計測することができる超音波流量計を実現することができる。

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、この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は、本発明の実施の形態１における超音波振動子を示す概念図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図１（ｃ）は音響整合層側から見た平面図である。

図１において、超音波振動子１０は、圧電体１４と、前記圧電体１４の上面に設けられた上面電極１２と、前記圧電体１４の下面に設けられた下面電極１３と、前記圧電体１４の上面に接合された音響整合層１１とから構成されている。

以上のように構成された超音波振動子について、以下、構成要素の材料や、その構成および作用について具体的に説明する。

圧電体１４は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材料から構成され、上面電極１２と下面電極１３を介して、駆動回路（図示せず）からの制御信号を受けて振動し、音響整合層１１に超音波を伝播する。

音響整合層１１は、例えば、有機ガラスの乾燥ゲル成形体で構成される。ここで、有機ガラスの乾燥ゲルは、例えば次のようにして作製する。つまり、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの有機溶液からなるガラス原料を、塩酸系触媒を用い、メチルアルコールあるいはエチルアルコール等のアルコ−ル系溶媒に分散させ、この分散された溶液をアンモニア水などの塩基性触媒を添加するとともに、ポリテトラフルオロエチレン等で作製された型枠に流し込み成形する。この状態で、４０℃で、２４時間保持し、成形された湿潤ゲルを得る。続いて、湿潤ゲルを、湿潤ゲルの体積に対して、５倍体積のイソプロピルアルコールに浸漬して２回洗浄を行った後、室温に放置し、溶媒を乾燥させ、乾燥ゲル成形体を得る。このようにして作製した乾燥ゲル成形体は、密度が３００ｋｇ／ｍ^３、音速が４００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが１．２×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓであった。

上面電極１２と、下面電極１３は、例えば、焼き付け銀等で構成され、圧電体１４の上面と、下面に形成される。

音響整合層１１は、圧電体１４の超音波送受信面１４ｂの外周１４ａをよけた状態で、超音波送受信面１４ｂの面内に収まるように、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。

なお、本実施の形態においては、音響整合層１１は、外径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍの円筒形状とし、圧電体１４は、一辺１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの立方体形状とした。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるため、長期に亘
って安定に動作する超音波振動子を実現することができる。

（実施の形態２）
音響整合層を、円錐台形状の音響整合層に代えたこと以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、超音波振動子を構成した。

図２は、本発明の実施の形態２における超音波振動子を示す概念図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図２（ｃ）は音響整合層側から見た平面図である。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層と圧電体について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

図２において、超音波振動子２０は、圧電体２４と、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体２４の上面に接合された音響整合層２１とから構成されている。

ここで、音響整合層２１は、図２（ａ）に示すように、円錐台形状である。このような音響整合層は、乾燥ゲル成形体を作製する際に使用する型枠に円錐台形状の型枠を使用することにより作製することができ、または、乾燥ゲル成形体の一部を削り取り、円錐台形状に加工することで作製することができる。こうして作製した乾燥ゲル成形体は密度が３００ｋｇ／ｍ^３、音速が４００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが１．２×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓであった。

音響整合層２１と圧電体２４とは、圧電体２４の超音波送受信面２４ｂの外周２４ａをよけた状態で、超音波送受信面２４ｂの面内に収まるよう、円錐台形状の上側を下にして、圧電体２４の超音波送受信面２４ｂに、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。

なお、本実施の形態においては、音響整合層１１は、超音波送受信面に対向する側が外径１２ｍｍ、その反対側が外径２２ｍｍ、厚さ２．５ｍｍの円錐台形状とし、圧電体１４は、一辺１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの立方体形状とした。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるため、長期に亘って安定に動作する超音波流量計を実現することができる。

（実施の形態３）
音響整合層を、その断面積の長径が、圧電体の超音波送受信面の一辺の長さより長い音響整合層に代えたこと、また、音響整合層を、圧電体の超音波送受信面の外周に該当する部分をよけて、圧電体の超音波送受信面に接合したこと以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、超音波振動子を構成した。

図３は、本発明の実施の形態３における超音波振動子を示す概念図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図３（ｃ）は音響整合層側から見た平面図である。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層と圧電体について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１と同
様であるので、説明を省略する。

図３において、超音波振動子３０は、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体３４の上面に接合された音響整合層３１とから構成されている。

音響整合層３１は、図３（ａ）に示すように楕円筒形状であり、その断面積の長径は圧電体３４の超音波送受信面３４ａの一辺の長さより長く構成される。また、音響整合層３１の下側の断面において、二本の溝３５が設けられている。このような溝３５は、乾燥ゲル成形体の一部を削りとることにより作製することができる。こうして作製した乾燥ゲル成形体は密度が３００ｋｇ／ｍ^３、音速が４００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが１．２×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓであった。

音響整合層３１は、圧電体３４の超音波送受信面３４ｂと、音響整合層３１の溝３５の内側部分を介して、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。ここで、音響整合層３１の二本の溝３５が、圧電体３４の超音波送受信面３４ｂの外周３４ａに配置されるように音響整合層３１が接合される。音響整合層３１の接合は、エポキシ樹脂等の接着剤を溝３５の内側部分だけに塗布し、圧電体３４の超音波送受信面３４ｂに接合した。

なお、本実施の形態においては、音響整合層３１は、長径２２ｍｍ、短径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍの楕円筒形状とし、圧電体３４は、一辺１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの立方体形状とした。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるので、長期に亘って安定に動作する超音波振動子を実現することができる。

なお、本実施の形態では、３１を楕円筒形状としたが、この形状に限られず円状や方形であっても良い。

（実施の形態４）
音響整合層を、圧電体の超音波送受信面において、その面内であって、超音波の送受信感度が高い部分に接合したこと以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、超音波振動子を構成した。

図４は、本発明の実施の形態４における超音波振動子を示す概念図であり、図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図４（ｃ）は音響整合層側から見た平面図、図４（ｄ）は圧電体の超音波送受信面における超音波の送受信感度の分布を示したものである。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層と圧電体について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

図４において、超音波振動子４０は、圧電体４４と、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体４４の上面に接合された音響整合層４１とから構成されている。

図４（ｄ）に示すように、圧電体４４は、中央部分に超音波の送受信感度が高い領域（以降、超音波の送受信感度が高い領域を高感度領域４４ｃという）を有し、中央部分から
離れた外側では超音波の送受信感度が低下する。音響整合層４１は、圧電体４４の超音波送受信面４４ｂにおいて、圧電体４４の外周４４ａをよけた部分であって、高感度領域４４ｃに配置される。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるので、長期に亘って安定に動作する超音波振動子を実現することができる。

また、本実施の形態においては、圧電体の超音波送受信面において高感度領域に音響整合層を接合したことにより、送受信感度の高い超音波を音響整合層に伝播することができるので、精度の高い流量計測が可能となる。

なお、本実施の形態においては、高感度領域が、圧電体の中央部分に存在したため、音響整合層を圧電体の中央部分に接合したが、高感度領域が、圧電体の中央部分から外れた部分に存在する場合は、圧電体の外周をよけた部分であって、当該高感度領域に接合することが好ましい。

（実施の形態５）
音響整合層を、その断面積の長径が、圧電体の超音波送受信面の一辺の長さより長い音響整合層に代えたこと、また、音響整合層と圧電体の間に容器を配置したこと、更には、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけて、前記容器に接合したこと以外は、上述した実施の形態３と同一の構成により、超音波振動子を構成した。

図５は、本発明の実施の形態５における超音波振動子を示す概念図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図５（ｃ）は音響整合層側から見た平面図である。

以下、本実施の形態の超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層と圧電体及び容器について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１または実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。

図５において、超音波振動子５０は、圧電体５４と、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体５４の上部に接合された容器５６と、前記容器５６において前記圧電体５４が接合される面の裏面に接合される音響整合層５１とから構成されている。

ここで、音響整合層５１は、図５（ａ）に示すように、楕円筒形状であり、その断面積の長径は圧電体５４の超音波送受信面５４ｂの一辺の長さより長く構成される。また、音響整合層５１の下側の断面において、二本の溝５５が設けられている。このような溝５５は、乾燥ゲルの一部を削りとることで作製することができる。

圧電体５４と容器５６とは、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。音響整合層５１は、圧電体５４が接合された容器５６の裏面であって、圧電体５４が接合した外周５４ａをよけた部分に、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。音響整合層５１の接合は、エポキシ樹脂等の接着剤を、音響整合層５１の圧電体５４の超音波送受信面５４ｂと対向する面において、溝５５以外の全ての面に塗布し、容器５６に接合した。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけて、容器に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整
合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるので、長期に亘って安定に動作する超音波振動子を実現することができる。

また、圧電体の超音波送受信面の大きさより、大きい音響整合層を使用する場合、圧電体の外周に位置する音響整合層も容器に接合することができるので、音響整合層の接合安定性が向上する。

なお、本実施の形態においては、音響整合層は容器と圧電体との接合部分における外周の裏面の内側と外側において容器に接合されているが、音響整合層は容器と圧電体との接合部分における外周の裏面の内側だけにおいて、または、外側だけにおいて容器に接合されていても構わない。

なお、本実施の形態では、５１を楕円筒形状としたが、この形状に限られず円状や方形であっても良い。

（実施の形態６）
圧電体を、その超音波送受信面において、音響整合層を固定するための音響整合層固定部を設けたこと以外は、上述した実施の形態４と同一の構成により、超音波振動子を構成した。ここで、固定とは、音響整合層が一定の位置に留まって動かないようにすることだけでなく、音響整合層が配置される位置を決定すること、いわば位置決めや位置あわせなども含む（以下、同じ）。また、音響整合層固定部とは、音響整合層と接するなどして、音響整合層を一定の位置に留まって動かないようにする物だけでなく、音響整合層と接することなく、音響整合層が配置される位置を特定する、目印となるような物もいう（以下、同じ）。

図６は、本発明の実施の形態６における超音波振動子を示す概念図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図６（ｃ）は音響整合層側から見た平面図、図６（ｄ）は圧電体の超音波送受信面における超音波の送受信感度の分布を示したものである。

以下、本実施の形態に係る超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層固定部について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１または実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。

図６において、超音波振動子６０は、圧電体４４と、前記圧電体４４の上部に設けられた音響整合層固定部６１と、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体４４の上部に接合される音響整合層４１とから構成されている。

圧電体４４には、その超音波送受信面４４ｂの上に、高感度領域４４ｃを囲むように音響整合層固定部６１が設置され、音響整合層固定部６１を目印として、圧電体４４の超音波送受信面４４ｂにおける音響整合層４１の接合位置を特定している。音響整合層４１は、音響整合層固定部６１の設置位置に基づいて、圧電体４４の超音波送受信面４４ｂの外周４４ａをよけた部分であって、高感度領域４４ｃに接合される。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層固定部を設けることで、音響整合層を固定する箇所を容易に特定できるので、圧電体の超音波送受信面に音響整合層を接合する作業を容易に行うことができる。

なお、本実施の形態においては、音響整合層固定部を圧電体とは別に構成したが、音響整合層固定部を圧電体と一体に形成しても構わない。

また、本実施の形態では、圧電体の超音波送受信面に音響整合層固定部を設けたが、実施の形態５のように容器を有する形態においては、圧電体の超音波送受信面に代えて、容器に音響整合層固定部を設けることも可能である。

（実施の形態７）
音響整合層を、音響インピーダンスが小さい音響整合層に代えたこと以外は、上述した実施の形態１と同一の構成により、超音波振動子を構成した。

図７は、本発明の実施の形態７における超音波振動子を示す概念図であり、図７（ａ）は斜視図、図７（ｂ）は厚さ方向から見た側面図、図７（ｃ）は音響整合層側から見た平面図である。

以下、本実施の形態の超音波振動子の発明のポイントである、音響整合層７１について、図面を参照し説明する。ここで、他の構成要素やその動作は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

図７において、超音波振動子７０は、圧電体１４と、上面電極１２と、下面電極１３と、前記圧電体１４の上面に接合される音響整合層７１とから構成されている。

音響整合層７１は、例えば、有機ガラスの乾燥ゲル成形体で構成される。ここで、有機ガラスの乾燥ゲル成形体は次のようにして作製する。つまり、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの有機溶液からなるガラス原料を、塩酸系触媒を用い、メチルアルコールあるいはエチルアルコール等のアルコ−ル系溶媒に分散させ、この分散された溶液をアンモニア水などの塩基性触媒を添加するとともに、ポリテトラフルオロエチレン等で作製された型枠に流し込み成形する。この状態で、４０℃で、２４時間保持し、成形された湿潤ゲルを得る。続いて、この湿潤ゲルを再度、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの原料溶液とアンモニアなどの塩基性触媒とを用い、再度湿潤ゲルを得る。引き続き、再度作製した湿潤ゲルを、湿潤ゲルの体積に対して、５倍体積のイソプロピルアルコールに浸漬して２回洗浄を行った後、室温に放置し、溶媒を乾燥させ、乾燥ゲル成形体を得る。こうして作製した乾燥ゲルは密度が１５０ｋｇ／ｍ^３、音速が４００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが６．０×１０^４ｋｇ／ｍ^２・ｓであった。

音響整合層７１は、圧電体１４の超音波送受信面１４ｂの外周１４ａをよけた状態で、超音波送受信面１４ｂの面内に収まるように、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）で接合される。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層を圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合することで、音響整合層に働く応力を解消することができ、音響整合層のクラックや欠け、音響整合層の表面層の剥離を防止することができるので、長期に亘って安定に動作する超音波振動子を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、音響インピーダンスの小さい音響整合層を用いて、実施の形態１と同じ形態で超音波振動子を構成したが、これ以外の形態として、本実施の形態に係る音響整合層を用いて、上述した実施の形態２乃至６の形態で超音波振動子を構成しても構わない。

上述した実施の形態１乃至７においては、音響インピーダンスが１．２×１０^５ｋｇ/
ｍ^２・ｓ、または６．０×１０^４ｋｇ／ｍ^２・ｓの音響整合層を用いたが、音響インピーダンスが、概ね５．０×１０^４ｋｇ／ｍ^２・ｓ〜２．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓの範囲内
であれば他の音響整合層であっても同一の効果を奏することができる。

音響インピーダンスが２．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓより大きい場合、水素等の密度の低い気体との音響インピーダンスの整合が不十分で、超音波の伝播が阻害され、密度の低い気体の流量の計測ができなくなる。

なお、超音波振動子の振動面に整合層を設けた場合の超音波振動子から外部伝搬媒体への超音波の透過率は、整合層の音響インピーダンスの２乗に反比例するため、超音波の透過率を向上させ、超音波振動子の性能を増すためには音響インピーダンスが小さい整合層が必要になる。発明者らの経験によると、水素の計測では、音響インピーダンスはおよそ２．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓより小さいことが必要であることがわかっている。もちろん、これは、環境により変化する数値であり、２．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓを超えていても、超音波が計測できれば良い。

また、音響インピーダンスが５．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓより小さい場合は、音響整合層の強度が著しく小さくなり、音響整合層を圧電体に接着する際に整合層が破損したり、超音波振動子の製造後における熱衝撃等により、音響整合層のクラックや欠け、表面層の剥離が顕著になり、音響整合層を安定して使用することが著しく困難になる。

なお、整合層の音響インピーダンスと整合層の強度は密接不可分の関係があり、一般的に音響インピーダンスが小さくなると強度が小さくなる傾向を示す。音響インピーダンスが小さいほど超音波の透過率が良くなり、超音波振動子の性能も向上するが、小さくし過ぎると、整合層の強度が小さく、脆すぎて整合層として使用できない事態が発生する。整合層を使いこなせる脆さを考慮した場合、音響インピーダンスの下限は概ね５．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓになる。もちろんこれも環境により変化する数値であり、音響インピーダンスが５．０×１０^５ｋｇ／ｍ^２・ｓより低くても整合層としての機能を果たすことができれば良い。

（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８における超音波流量計の断面図を示す。

図８において、超音波流量計８０は、流路８１と、前記流路８１において上流側に配置された上流側超音波振動子８２と、前記流路８１において前記上流側超音波振動子８２の下流側に配置された下流側超音波振動子８３とから構成される。ここで、上流側超音波振動子８２と、下流側超音波振動子８３は、上述した実施の形態１で構成される超音波振動子である。ここで、上流側超音波振動子８２と下流側超音波振動子８３は、超音波を送信する機能と受信する機能を備えている。なお、実線の矢印Ａは、流体の流れる方向を、破線の矢印Ｂは、上流側超音波振動子８２と下流側超音波振動子８３との間での超音波の伝播する方向をそれぞれ示す。図中のθは、流体の流れる方向と、超音波の伝播する方向との交差角を示す。

以上のように構成された超音波流量計について、以下、動作と、流量の計測方法について説明する。

上述した超音波流量計８０の構成において、上流側超音波振動子８２から超音波を送信し、下流側超音波振動子８３で受信し、また、下流側超音波振動子８３から超音波を送信し、上流側超音波振動子８２で受信するよう交互に繰り返している。このとき、上流側超音波振動子８２から下流側超音波振動子８３への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側超音波振動子８３から上流側超音波振動子８２への超音波の伝播時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を伝播する伝播速度をＶｓ、流体の流速をＶｆ、上流側超音波振動子８２と下流側
超音波振動子８３との間の距離をＬｄとすると、Ｔｕｄと、Ｔｄｕは、数式１によって計算される。

（数式１）
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］

また、流量の流速Ｖｆは、数式１から、数式２によって計算される。
（数式２）
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝×［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］

さらに、流体の流速Ｖｆと流路８１の断面積Ｓｒから、流量Ｑｍは、数式３によって計算される。
（数式３）
Ｑｍ＝Ｓｒ×Ｖｆ
ここで、超音波振動子間の距離Ｌｄ、および流路８１の断面積Ｓｒは、予めわかっているので、流路８１を流れる流体の流速Ｖｆおよび流量Ｑｍが計測されることになる。

以上のように、本実施の形態においては、本発明の超音波振動子を用いることにより、水素等の密度の低い気体を計測する場合であっても、長期に亘って、安定に流量を計測することができる超音波流量計を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、超音波振動子として、実施の形態１に係る超音波振動子を用いたが、これに代えて、上述した実施の形態２乃至６に係る超音波振動子を用いても同一の効果を奏することができる。

以上のように、本発明にかかる超音波振動子および超音波流量計は、感度が高く、信頼性にも優れ、また水素等の密度の低い気体の流量も計測できるので、長期信頼性を要求される家庭用や工業用のガス流量計、水道用流量計等の用途に適用できる。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ 超音波振動子
１１、２１、３１、４１、５１、７１ 音響整合層
１２ 上面電極
１３ 下面電極
１４、２４、３４、４４、５４ 圧電体
１４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ、５４ａ 外周
１４ｂ、２４ｂ、３４ｂ、４４ｂ、５４ｂ 超音波送受信面
４４ｃ 高感度領域
３５、５５ 溝
５６ 容器
６１ 音響整合層固定部
８０ 超音波流量計
８１ 流路
８２ 上流側超音波振動子
８３ 下流側超音波振動子

Claims (9)

1. 圧電体と、
   前記圧電体に接合される音響整合層と、
   を有し、
   前記音響整合層は、前記圧電体の超音波送受信面の外周をよけた部分に接合され、
   前記音響整合層の超音波送受信面は前記圧電体の超音波送受信面よりも大きな外径を有する超音波振動子。
2. 前記音響整合層は、前記圧電体の超音波送受信面において、超音波の送受信感度が高い部分と接合している、請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記音響整合層は、前記圧電体の超音波送受信面の中央部分と接合している、請求項１または２に記載の超音波振動子。
4. 圧電体と、
   前記圧電体の超音波送受信面と接合している容器と、
   前記容器と前記圧電体との接合面の裏面に接合される音響整合層と、
   を有し、
   前記音響整合層は、前記容器の圧電体との接合部分における外周をよけた部分の裏面に接合され、前記音響整合層の超音波送受信面は前記圧電体の超音波送受信面よりも大きな外径を有する超音波振動子。
5. 前記音響整合層は、前記外周の裏面の外側で前記容器に接合している、請求項４に記載の超音波振動子。
6. 前記圧電体または前記容器と前記音響整合層との接合面において、前記音響整合層を固定するための音響整合層固定部を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波振動子。
7. 前記音響整合層は、ゲル成形体である、請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波振動
   子。
8. 前記音響整合層は、音響インピーダンスが５．０×１０４ｋｇ／ｍ２・ｓ以上２．０×１０５ｋｇ／ｍ２・ｓ以下の音響整合層である、請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波振動子。
9. 流体の流れる流路の上流側と、下流側とに、配置された請求項１乃至８のいずれかに記載の一対の超音波振動子を備え、前記超音波振動子の間の超音波伝播時間から前記流体の流速を求め、前記流速から流体の流量を演算する超音波流量計。
   

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