JP6617269B2 - 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金属板を接着したセミック振動子に発泡樹脂を接着して構成している（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の超音波振動子を示す構成図である。図６に示すように、超音波振動子６０は、超音波送受信装置６４を接続したセラミック振動子６１の超音波送受波面に金属板６２を接着し、該金属板６２に発泡樹脂６３を接着して構成されている。ここで、発泡樹脂６３は硬質の発泡スチロールから構成され、セラミック振動子６１の音響インピーダンスと空気等の伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取る音響整合層としての役割をし、セラミック振動子６１と伝搬媒質の境界面における超音波の反射を無くし、セラミック振動子６１から送波する超音波を伝搬媒質に効率良く伝搬する機能を果たしている。

特開平８−７１５０４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、伝搬媒質によっては、音響整合層としての発泡樹脂がセラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を十分に取ることができず、伝搬媒質を伝搬する超音波の伝搬強度が小さくなるため、ひとつの超音波振動子によって、複数の伝搬媒質に対して超音波の送受波感度を高くすることができないという課題を有していた。以下、この点について、より詳細に説明する。

セラミック振動子の音響インピーダンスをＺ１、伝搬媒質の音響インピーダンスをＺ３、音響整合層の音響インピーダンスをＺ２としたとき、セラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取り、超音波を伝搬媒質に効率良く伝搬させるためには、音響整合層の音響インピーダンスＺ２は、Ｚ１、Ｚ３との関係において、数式１の関係を満たすことが必要になる。これは、例えば、特許第４６０６４１号で知ることができる。

ここで、セラミック振動子と音響整合層を固定し、各々の音響インピーダンス（Ｚ１及びＺ２）を一定とすると、セラミック振動子の音響インピーダンスと音響整合を取ることがきる伝搬媒質の音響インピーダンス（Ｚ３）は、数式１から一義的に定まることになる。

したがって、数式１から一義的に定まる特定の音響インピーダンスを有する伝搬媒質に
対しては、音響整合層がセラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるため、伝搬媒質を伝搬する超音波の伝搬強度が大きくなり、超音波の送受波感度が高くなるが、他の音響インピーダンスを有する伝搬媒質に対しては、音響整合層はセラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができないため、伝搬媒質を伝搬する超音波の伝搬強度が小さくなり、超音波の送受波感度が低下することになる。このため、ひとつの超音波振動子を用いて、複数の伝搬媒質に対して超音波の送受波感度を高くできないことが課題となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発泡樹脂を使用した超音波振動子において、発泡樹脂の弾性率の温度特性を利用して、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることにより、複数の伝搬媒質に対して、セラミック振動子の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる構成とし、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を提供することを目的の一つとする。

また、本発明は、この超音波振動子を用いて、複数の伝搬媒質に対して、精度の高い流量計測が可能な超音波流量計を提供することを目的の一つとする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、圧電体と、圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂を含む音響整合層と、発泡樹脂を該転移領域の温度にするために、音響整合層を加熱するための加熱手段、または音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方を有するものである。

これによって、加熱手段を用いて発泡樹脂を加熱し、または冷却手段を用いて発泡樹脂を冷却することで、音響整合層の音響インピーダンスを変化させ、複数の伝搬媒質に対して、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を実現することができる。以下、この点について、より詳細に説明する。

物質の音響インピーダンスをＺとすると、音響インピーダンスＺは、その物質中の音速Ｃとその物質の密度ρとを用いて、数式２で表される。

また、数式２における物質中の音速Ｃは、その物質の密度ρと弾性率Ｅとを用いて、数式３で表される。

数式２と数式３から、物質の音響インピーダンスは、その物質の弾性率と密接に関係し、弾性率が小さい物質ほど音響インピーダンスが小さくなり、反対に、弾性率が大きい物質ほど音響インピーダンスが大きくなることが分かる。

ここで、発泡樹脂の弾性率は、該発泡樹脂のガラス転移点を境として、ガラス転移点より低温側では大きくなり、反対に、ガラス転移点より高温側では小さくなる傾向を示す。

この傾向は、発泡樹脂はガラス転移点より低温側ではガラス状態を示し、ガラス転移点より高温側ではゴム状態を示すことによるものである。また、ガラス転移点より低温側の弾性率が大きいガラス状態から、ガラス転移点より高温側の弾性率が小さいゴム状態に、発泡樹脂の状態が変化する温度領域（以下、ガラス転移点より低温側の弾性率が大きいガラス状態から、ガラス転移点より高温側の弾性率が小さいゴム状態に、発泡樹脂の状態が変化する温度領域を転移領域という）においては、発泡樹脂の弾性率は大きく変化する。これは、例えば、文献「超臨界流体のすべて（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ）」、２８１頁で知ることができる。

したがって、加熱手段または冷却手段の少なくとも一方を用いて、発泡樹脂を加熱し、または冷却して発泡樹脂を転移領域の温度にすることで、音響整合層の音響インピーダンスを大きく変化させることができ、複数の伝搬媒質に対して、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることが可能となり、超音波の送受波感度を高くすることができることになる。

本発明の超音波振動子は、複数の伝搬媒質に対して、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、ひとつの超音波振動子で複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度を高くすることができる。また、本発明の超音波流量計は、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を用いて超音波流量計を構成できるので、複数の伝搬媒質に対して、精度の高い流量計測が可能になる。

本発明の実施の形態１における超音波振動子を示す構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における音響整合層の弾性率の温度依存性を示す特性図（ｂ）本発明の実施の形態１における音響整合層の音響インピーダンスの温度依存性を示す特性図 本発明の実施の形態２における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態３における超音波振動子を示す構成図 本発明の実施の形態４における超音波流量計を示す構成図 従来の超音波振動子を示す構成図

第１の発明は、圧電体と、圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂を含む音響整合層と、発泡樹脂を該転移領域の温度にするために、音響整合層を加熱するための加熱手段または音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方を有する超音波振動子である。

この構成により、加熱手段を用いて音響整合層を加熱し、また冷却手段を用いて音響整合層を冷却することで、発泡樹脂を転移領域の温度にし、音響整合層の音響インピーダンスを変化させることにより、複数の伝搬媒質に対して、圧電体の音響インピーダンスと伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができるので、ひとつの超音波振動子によって、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度を高くすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の超音波振動子を伝搬媒質の音響インピーダンスに関
する情報を入力する情報手段と、音響整合層の温度を設定する温度設定手段と、音響整合層の温度を検知する温度検知手段とを有するものとし、加熱手段または冷却手段の少なくとも一方は、温度検知手段で検知した音響整合層の温度が温度設定手段で設定した温度になるように、音響整合層を加熱または冷却するものとした超音波振動子である。

この構成により、温度設定手段が、情報手段から入力された伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報から、伝搬媒質毎に、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層の温度を設定し、加熱手段または冷却手段を用いて、温度検知手段で検知した音響整合層の温度が温度設定手段で設定した温度になるように音響整合層を加熱し、または冷却することができるので、ひとつの超音波振動子によって、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度を高くすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の加熱手段または冷却手段を音響整合層に接して配置した超音波振動子である。

この構成により、加熱手段または冷却手段が断熱性のある発泡樹脂からなる音響整合層を効率的に加熱し、または冷却することができるので、加熱手段または冷却手段の消費電力が低減し、超音波振動子の消費電力を小さくすることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の加熱手段または冷却手段を音響整合層を貫通して配置した超音波振動子である。

この構成により、音響整合層を貫通して配置される加熱手段または冷却手段が断熱性のある発泡樹脂からなる音響整合層をその内部から加熱し、または冷却することができるので、音響整合層の加熱効率または冷却効率が向上し、加熱手段または冷却手段の消費電力をより低減することができ、超音波振動子の消費電力をより小さくすることができる。

第５の発明は、特に、第１乃至第４の発明の加熱手段または冷却手段を音響整合層の温度を制御するための温度制御手段を有するものとした超音波振動子である。

この構成により、加熱手段または冷却手段と温度制御手段とを用いて音響整合層を常に一定の温度に維持し、音響整合層の音響インピーダンスが温度によって変動することを防止できるので、超音波振動子の超音波の送受波感度のばらつきを抑えることができる。また、音響整合層が異常に高温になり過加熱によって劣化することを防止し、または音響整合層が異常に低温になり過冷却によって劣化することを防止することができる。

第６の発明は、特に、第１乃至第５の発明の加熱手段または冷却手段を圧電体の超音波伝搬空間をよけた部分に配置した超音波振動子である。

この構成により、加熱手段または冷却手段によって超音波の伝搬が妨げられることがなくなるので、加熱手段や冷却手段の配置による超音波振動子の超音波の送受波感度の低下を抑えることができる。

第７の発明は、第１乃至第６の発明に係る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、超音波振動子間の超音波伝搬時間から流体の流速を計測する計測回路と、計測回路で計測した流速から流体の流量を演算する演算部とを有する超音波流量計である。

この構成により、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子を
用いて超音波流量計を構成できるので、複数の伝搬媒質に対して、精度の高い流量計測が可能になる。

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構成図である。

図１において、超音波振動子１０は、圧電体１１と、前記圧電体１１の上面に設けられた上面電極１２と、前記圧電体１１の下面に設けられた下面電極１３と、前記圧電体１１の超音波送受波面（圧電体１１における超音波を送波し、または受波する面をいう）に接合された冷却手段１７と、前記冷却手段１７に接して配置される音響整合層１４と、前記冷却手段１７と連動して前記音響整合層１４の温度を制御する温度制御手段１８と、伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報を入力する情報手段１９と、前記情報手段１９からの情報に基づいて前記音響整合層１４の温度を設定する温度設定手段１１０と、前記音響整合層１４の温度を検知する温度検知手段１１１を主な部材として構成される。

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１１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック素子や、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１４に超音波を伝搬する。

上面電極１２と下面電極１３は、焼き付け銀等で構成され、圧電体１１の上面と下面に形成される。

音響整合層１４は、ポリブチレンテレフタレートフォーム（ガラス転移点は２３℃）からなる発泡樹脂で構成され、金属板１５に、エポキシ樹脂等の接着剤（図示せず）を用いて接合される。

ここで、本発明のポイントとなる音響整合層１４として利用するポリブチレンテレフタレートフォームの弾性率と音響インピーダンスについて、図面を参照しながら、より詳細に説明する。

図２は、音響整合層として使用するポリブチレンテレフタレートフォームの性能を示す特性図であり、図２（ａ）は周波数１０ｋＨｚにおける、弾性率の温度依存性を示す特性図、図２（ｂ）は周波数１０ｋＨｚにおける、音響インピーダンスの温度依存性を示す特性図である。なお、弾性率は粘弾性測定装置（日立ハイテクサイエンス社製：型番ＤＭＳ６１００）を用いて計測することができ、音響インピーダンスは音響インピーダンス計測装置（株式会社コベルコ科研製：ＡＣＩＭＳ−ＨＦ）を用いて計測することができる。

図２（ａ）に示すように、ポリブチレンテレフタレートフォームの弾性率は、ガラス転移点より低温側において大きくなり、ガラス転移点より高温側において小さくなる。これは、ポリブチレンテレフタレートフォームはガラス転移点より低温側ではガラス状態を示し、ガラス転移点より高温側ではゴム状態を示すことよるものである。また、ポリブチレンテレフタレートフォームの弾性率は転移領域において大きく変化する。一方、ポリブチレンテレフタレートフォームの音響インピーダンスは、図２（ｂ）に示すように、弾性率
に依存して変化し、特に転移領域において大きく変化する。

冷却手段１７は、ペルチェ素子１６を両面テープ（図示せず）を用いて、金属板１５の上面に貼り付けて構成され、圧電体１１と音響整合層１４との間に配置される。ここで、ペルチェ素子１６は音響整合層１４の下面が金属板１５に直接接するように、金属板１５の外周部分にのみ貼り付けられている。冷却手段１７は駆動回路（図示せず）からの制御信号を受けて冷却動作し、金属板１５を冷却することで音響整合層１４を冷却して低温状態にし、音響整合層１４の音響インピーダンスを変化させる。

温度制御手段１８は、サーミスタで構成され、冷却手段１７と連動して音響整合層１４の温度を制御し、音響整合層１４を一定の温度に保つことで音響整合層１４の音響インピーダンスを一定に維持し、超音波振動子１０の超音波の送受波感度のばらつきを防止し、また、音響整合層１４が過冷却によって劣化することを防止する。

情報手段１９は、圧電体１１の超音波送受波面から送波される超音波が伝搬する伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報を超音波振動子１０に入力する。

温度設定手段１１０は、上述したポリブチレンテレフタレートフォーム等の音響整合層１４の所定の温度における音響インピーダンスに関する情報を格納しており、情報手段１９で入力した伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報から音響整合層１４の音響インピーダンスを演算し、格納した音響整合層１４の所定の温度における音響インピーダンスに関する情報から音響整合層１４の温度を設定する。

温度検知手段１１１は、音響整合層１４の上面に配置され音響整合層１４の温度を検知する。

次に、以上のように構成された超音波振動子について、以下、その動作、作用について説明する。

まず、情報手段１９によって、圧電体１１の超音波送受波面から送波される超音波が伝搬する伝搬媒質の音響インピーダンスが温度設定手段１１０に入力される。ここで、伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報とは、伝搬媒質の音響インピーダンスや伝搬媒質の種類をいう。

次に、温度設定手段１１０が、情報手段１９により入力された伝搬媒質の音響インピーダンスと予め分かっている圧電体１１の音響インピーダンスとから伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の音響インピーダンスを演算し、予め格納した音響整合層１４の所定の温度における音響インピーダンスに関する情報から伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の温度を設定し、冷却手段１７の駆動回路（図示せず）に冷却動作のための制御信号を送信する。ここで、温度設定手段１１０による音響整合層１４の音響インピーダンスの演算は、具体的には、圧電体１１の音響インピーダンスをＺ１、伝搬媒質の音響インピーダンスをＺ３とし、音響整合層１４の音響インピーダンスＺ２としたとき、数式４によって行われる。

なお、情報手段１９から入力される伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報が伝搬媒質の種類である場合、温度設定手段１１０が伝搬媒質の種類に係る情報を伝搬媒質の音響インピーダンスに変換し、上述した数式４から音響整合層１４の音響インピーダンスを演算する。

続いて、温度検知手段１１１で検知する音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０で設定した温度になるように、音響整合層１４が冷却手段１７によって冷却されるので、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子１０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層１４に発泡樹脂を使用し、冷却手段１７を用いて発泡樹脂を冷却して転移領域の温度にし、また、情報手段１９と温度設定手段１１０により、伝搬媒質毎に、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の温度を設定し、冷却手段１７を用いて、温度検知手段１１１により検知した音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０により設定した温度になるように音響整合層１４を冷却することができるので、ひとつの超音波振動子１０によって、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子１０を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における超音波振動子を示す構成図である。つまり、図３に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子３０は、音響整合層を貫通して配置した加熱手段を追加した点で、実施の形態１に係る超音波振動子とは異なる。

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加熱手段の構成および作用について、図面を参照しながら説明する。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に示すように、加熱手段３１は、ニクロム線を酸化マグネシアとＳＵＳ３１６で被覆したシーズヒーターで構成され、音響整合層１４を貫通して配置されている。加熱手段３１は駆動回路（図示せず）からの制御信号を受け加熱動作し、音響整合層１４をその内部から加熱して高温状態にし、音響整合層１４の音響インピーダンスを変化させる。

次に、以上のように構成された超音波振動子について、以下、その動作、作用について説明する。

まず、情報手段１９によって、圧電体１１の超音波送受波面から送波される超音波が伝搬する伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報が温度設定手段１１０に入力される。ここで、伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報とは、伝搬媒質の音響インピーダンスや伝搬媒質の種類をいう。

次に、温度設定手段１１０が、情報手段１９により入力された伝搬媒質の音響インピーダンスと予め分かっている圧電体１１の音響インピーダンスとから伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の音響インピーダンスを演算し、予め格納した音響整合層１４の所定の温度における音響インピーダンスに関する情報から伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の温度を設定し、冷却手段１７と加熱手段３１の駆動回路（図示せず）に冷却動作と加熱動作のための制御信号を送信する。なお、情報手段１９から入力される伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報が伝搬媒質の種類である場合、温度設定手段１１０が伝搬媒質の種類に係る情報を伝搬
媒質の音響インピーダンスに変換し、上述した数式４から音響整合層１４の音響インピーダンスを演算する。

続いて、温度検知手段１１１で検知した音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０で設定した温度になるように、音響整合層１４が加熱手段３１によって加熱され、または冷却手段１７によって冷却されるので、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子３０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層１４に発泡樹脂を使用し、加熱手段３１または冷却手段１７のうち少なくとも一方を用いて発泡樹脂を加熱し、または冷却して転移領域の温度にし、また、情報手段１９と温度設定手段１１０により、伝搬媒質毎に、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の温度を設定し、加熱手段３１または冷却手段１７を用いて、温度検知手段１１１により検知した音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０により設定した温度になるように音響整合層１４を加熱し、または冷却することができるので、ひとつの超音波振動子３０によって、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子３０を実現することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における超音波振動子を示す構成図である。つまり、図４に示すように、本実施の形態に係る超音波振動子４０は、冷却手段を金属板を使用せずに音響整合層の外周部分に直接貼り付けて構成した点と、音響整合層の外周部分に直接貼り付けて構成した加熱手段を追加した点、さらには、冷却手段と加熱手段を超音波伝搬空間（超音波送受波面の鉛直上方向に位置する空間をいう）をよけた部分に配置した点で、実施の形態１に係る超音波振動子とは異なる。

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冷却手段と加熱手段の構成および作用について、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に示すように、加熱手段４１は面状ヒーターから成り、両面テープ（図示せず）を用いて、音響整合層１４の外周部分に貼り付けられて構成され、駆動回路（図示せず）からの制御信号を受け加熱動作し、音響整合層１４をその外周部分から加熱して高温状態にし、音響整合層１４の音響インピーダンスを変化させる。一方、冷却手段４２はペルチェ素子から成り、両面テープ（図示せず）を用いて、音響整合層１４の外周部分に貼り付けられて構成され、駆動回路（図示せず）からの制御信号を受け冷却動作し、音響整合層１４をその外周部分から冷却して低温状態にし、音響整合層１４の音響インピーダンスを変化させる。ここで、加熱手段４１と冷却手段４２の配置によって、超音波が超音波伝搬空間を伝搬することを妨げないように、加熱手段４１と冷却手段４２は超音波伝搬空間をよけた部分に配置されている。

次に、以上のように構成された超音波振動子について、以下、その動作、作用について説明する。

まず、情報手段１９によって、圧電体１１の送受波面から送波される超音波が伝搬する伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報が温度設定手段１１０に入力される。ここで、伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報とは、伝搬媒質の音響インピーダンスや伝搬媒質の種類をいう。

次に、温度設定手段１１０が、情報手段１９により入力された伝搬媒質の音響インピーダンスと予め分かっている圧電体１１の音響インピーダンスとから伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の音響インピーダンスを演算し、予め格納した音響整合層１４の所定の温度における音響インピーダンスに関する情報から伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることが音響整合層１４の温度を設定し、加熱手段４１と冷却手段４２の駆動回路（図示せず）に加熱動作と冷却動作のための制御信号を送信する。なお、情報手段１９から入力される伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報が伝搬媒質の種類である場合、温度設定手段１１０が伝搬媒質の種類に係る情報を伝搬媒質の音響インピーダンスに変換し、上述した数式４から音響整合層１４の音響インピーダンスを演算する。

続いて、温度検知手段１１１で検知した音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０で設定した温度になるように、音響整合層１４が加熱手段４１によって加熱され、または冷却手段４２によって冷却されるので、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができ、超音波振動子４０の超音波の送受波感度を高くすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、音響整合層１４に発泡樹脂を使用し、加熱手段４１または冷却手段４２のうち少なくとも一方を用いて発泡樹脂を加熱し、または冷却して転移領域の温度にし、また、情報手段１９と温度設定手段１１０により、伝搬媒質毎に、伝搬媒質の音響インピーダンスと圧電体１１の音響インピーダンスとの音響整合を取ることができる音響整合層１４の温度を設定し、加熱手段４１または冷却手段４２を用いて、温度検知手段１１１により検知した音響整合層１４の温度が温度設定手段１１０により設定した温度になるように音響整合層１４を加熱し、または冷却することができるので、ひとつの超音波振動子４０によって、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高い超音波振動子４０を実現することができる。また、加熱手段４１と冷却手段４２は超音波伝搬空間をよけて配置され、加熱手段４１や冷却手段４２によって超音波の伝搬が妨げられることを防止できるので、加熱手段４１や冷却手段４２を配置しても超音波の送受波感度が低下しない超音波振動子４０を実現することができる。

なお、上述した各実施の形態において、発泡樹脂は上述したポリブチレンテレフタレートフォームに限られるものではなく、ポリエチレンテレフタレートフォーム、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、ＥＶＡフォーム、フェノールフォーム、シリコーンフォーム、ユリアフォーム、アクリルフォーム、ＥＰＤＭフォーム等の汎用の発泡樹脂を使用することができ、さらには、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル等のエンジニアリングプラスチックや、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、液晶ポリマー等のスーパーエンジニアリングプラスチックの発泡体を使用することも可能である。これら汎用の発泡樹脂やエンジニアリングプラスチック、スーパーエンジニアリングプラスチックの発泡体は、化学発泡剤を利用した化学発泡や液化ガスや超臨界流体を利用した物理発泡により作製することができる。また、上述した各実施の形態において、温度制御手段１８としてサーミスタを使用したが、これに限られるものではなく、熱伝対等による電気式検知手段や、バイメタルや形状記憶合金等による機械的検知手段であっても構わない。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態５における超音波流量計を示す構成図である。

図５において、超音波流量計５０は、流路５１と、前記流路５１において上流側に配置された上流側超音波振動子５２と、前記流路５１において前記上流側超音波振動子５２の下流側に配置された下流側超音波振動子５３と、前記上流側超音波振動子５２と下流側超音波振動子５３の間の超音波伝搬時間から前記流体の流速を計測する計測回路５４と、前記計測回路５４で計測した流速から流体の流量を演算する演算部５５から構成される。

ここで、上流側超音波振動子５２と下流側超音波振動子５３は、上述した実施の形態１に係る超音波振動子である。また、上流側超音波振動子５２と下流側超音波振動子５３は、超音波を送波する機能と受波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５２と下流側超音波振動子５３との間での超音波の伝搬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搬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５０の構成において、上流側超音波振動子５２から超音波を送波し、下流側超音波振動子５３で受波し、また、下流側超音波振動子５３から超音波を送波し、上流側超音波振動子５２で受波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５２から下流側超音波振動子５３への超音波の伝搬時間をＴｕｄ、下流側超音波振動子５３から上流側超音波振動子５２への超音波の伝搬時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆ、上流側超音波振動子５２と下流側超音波振動子５３との間の距離をＬｄとすると、Ｔｕｄと、Ｔｄｕは、数式５よって計算される。

また、流量の流速Ｖｆは、数式５から、数式６によって計算される。

さらに、流体の流速Ｖｆと流路５１の断面積Ｓｒから、流量Ｑｍは数式７によって計算される。

計測回路５４は、上述したＴｄｕ、Ｔｕｄを計測し、予め分かっているＬｄとの関係から流体の流速Ｖｆを計測する。

演算部５５は、計測回路５４で計測した流体の流速Ｖｆの情報を受け、予め分かっている流路５１の断面積Ｓとの関係から流量Ｑｍを演算する。

以上のように、本実施の形態においては、複数の伝搬媒質に対して送受波感度が高い上流側超音波振動子５２と下流側超音波振動子５３を用いて流量計を構成できるので、複数の伝搬媒質に対して、精度の高い流量計測が可能な超音波流量計５０を実現することができる。

なお、本実施の形態において、上流側超音波振動子５２、下流側超音波振動子５３として、実施の形態１に係る超音波振動子を利用したが、これに代えて、実施の形態２または実施の形態３に係る超音波振動子を利用した超音波流量計であっても同一の効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る超音波振動子および超音波流量計は、複数の伝搬媒質に対して、超音波の送受波感度が高く、高精度な流量計測ができるので、精度の高い流量計測が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、３０、４０ 超音波振動子
１１ 圧電体
１４ 音響整合層
１５ 金属板
１７、４２ 冷却手段
１８ 温度制御手段
１９ 情報手段
３１、４１ 加熱手段
５０ 超音波流量計
５１ 流路
５２ 上流側超音波振動子
５３ 下流側超音波振動子
５４ 計測回路
５５ 演算部
１１０ 温度設定手段
１１１ 温度検知手段

Claims (6)

1. 圧電体と、前記圧電体の超音波送受波面に接合される発泡樹脂を含む音響整合層と、前記音響整合層を加熱するための加熱手段または前記音響整合層を冷却するための冷却手段の少なくとも一方を有し、
   前記加熱手段または前記冷却手段により、前記発泡樹脂を転移領域の温度にすることで前記音響整合層の音響インピーダンスを変更して、前記圧電体の音響インピーダンスと超音波が伝搬する伝搬媒質の音響インピーダンスとの音響整合を図ることを特徴とする超音波振動子であって、
   伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報を入力する情報手段と、前記情報手段から入力された伝搬媒質の音響インピーダンスに関する情報に基づいて前記音響整合層の温度を設定する温度設定手段と、前記音響整合層の温度を検知する温度検知手段と、をさらに有し、前記加熱手段または冷却手段の少なくとも一方は、前記温度検知手段で検知した音響整合層の温度が前記温度設定手段で設定した温度になるように、前記音響整合層を加熱または冷却する超音波振動子。
2. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層に接して配置される請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層を貫通して配置される請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記加熱手段または冷却手段は、前記音響整合層の温度を制御するための温度制御手段を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
5. 前記加熱手段または冷却手段は、前記圧電体の超音波伝搬空間をよけた部分に配置される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
6. 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５のいずれか１項に記載の一対の超音波振動子と、前記超音波振動子の間の超音波伝搬時間から前記流体の流速を計測する計測回路と、前記流速から流体の流量を演算する演算部とを有する超音波流
   量計。