WO2003064981A1 - Couche d'adaptation acoustique, emetteur/recepteur ultrasonore, et debitmetre ultrasonore - Google Patents

Couche d'adaptation acoustique, emetteur/recepteur ultrasonore, et debitmetre ultrasonore Download PDF

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WO2003064981A1
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acoustic matching
matching layer
layer
acoustic
ultrasonic
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PCT/JP2003/000813
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French (fr)
Inventor
Masaaki Suzuki
Takashi Hashida
Kazuhiko Hashimoto
Masahiko Hashimoto
Hidetomo Nagahara
Seigo Shiraishi
Norihisa Takahara
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • the present invention provides an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves to and from an acoustic matching layer used as an acoustic matching layer of an ultrasonic sensor, a method of manufacturing the ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer. It relates to an ultrasonic flow meter. Background art
  • ultrasonic flowmeters that measure the time required for ultrasonic waves to propagate through a propagation path, measure the moving speed of fluid, and measure the flow rate are being used in gas meters and the like.
  • FIG. 12 shows the measurement principle of the ultrasonic flow meter.
  • fluid flows in the pipe in the direction shown in the figure at a velocity V.
  • a pair of ultrasonic transducers 101 and 102 are relative to the pipe wall 103. It has been installed.
  • the ultrasonic transducers 101 and 102 are constructed using a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic as an electric energy / mechanical energy conversion element, and have resonance characteristics similar to a piezoelectric buzzer and a piezoelectric oscillator. Show.
  • the ultrasonic transducer 101 is used as an ultrasonic transducer
  • the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transducer.
  • the operation is as follows.
  • the ultrasonic transducer 101 Acts as a wave transmitter, radiates ultrasonic waves into the external fluid in the propagation path indicated by L1 in the figure, and the ultrasonic transducer 102 receives the propagated ultrasonic waves and generates a voltage. Convert.
  • the ultrasonic transducer 102 is used as an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer 101 is used as an ultrasonic transducer.
  • the ultrasonic transducer 102 By applying an alternating voltage of a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 102 to the piezoelectric vibrator, the ultrasonic transducer 102 is indicated by L 2 in the figure in an external fluid. Ultrasonic waves are radiated to the propagation path, and the ultrasonic transducer 101 receives the transmitted ultrasonic waves and converts them into a voltage. As described above, since the ultrasonic transducers 101 and 102 serve both as a receiver and a transmitter, they are generally referred to as ultrasonic transducers.
  • the ultrasonic burst signal When a driving burst voltage signal is applied to the ultrasonic transducer 101 and an ultrasonic burst signal is emitted from the ultrasonic transducer 101, the ultrasonic burst signal has a propagation path L 1 having a distance L. And arrives at the ultrasonic transducer 102 after time t.
  • the ultrasonic transducer 102 can convert only the transmitted ultrasonic burst signal into an electric burst signal with a high SZN ratio.
  • the electric burst signal is electrically amplified and applied to the ultrasonic transducer 101 again to emit an ultrasonic burst signal.
  • This device is called a sing-around device.
  • the time it takes for the source to radiate from the ultrasonic transducer 101 and propagate along the propagation path to reach the ultrasonic transducer 102 is called the sing-around period, and the reciprocal thereof is the sing-around frequency. That.
  • the ultrasonic transducer 102 is used as the ultrasonic transducer and the ultrasonic transducer 101 is used as the ultrasonic transducer. Assuming that the sing-around period is t 2 and the sing * around frequency f 2 when used as an ultrasonic receiver, the following equation (2) holds.
  • the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic wave propagation path and the frequency difference ⁇ f, and the flow rate can be determined from the flow velocity V.
  • Such ultrasonic flowmeters require high accuracy, and in order to improve the accuracy, an ultrasonic transducer that transmits ultrasonic waves to a gas or receives ultrasonic waves that have propagated through a gas
  • the acoustic impedance of the acoustic matching layer formed on the transmitting and receiving surface of the ultrasonic wave in the piezoelectric vibrator constituting the piezoelectric element is important.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional ultrasonic transducer 10 ′.
  • the ultrasonic transducer 10 ′ has a piezoelectric layer (vibration means) 4 and an acoustic impedance matching layer ( Acoustic matching means, hereinafter referred to as “acoustic matching layer”.) 1 and Case 5.
  • the case 5 and the acoustic matching layer 1 ′ and the case 5 and the piezoelectric layer 4 are bonded by using an adhesive layer made of an adhesive (for example, epoxy).
  • the ultrasonic wave oscillated by the piezoelectric layer 4 oscillates at a specific frequency (for example, 500 kHz), and the vibration is transmitted to the case via an adhesive layer (not shown), and further transmitted through the adhesive layer. Transfer to matching layer 1.
  • the matched vibration propagates as sound waves to the gas, which is a medium existing in space.
  • the role of the acoustic matching layer 1 ′ is to efficiently propagate the vibration of the piezoelectric layer 4 to the gas.
  • the acoustic impedance Z is defined by the sound velocity C and the density ⁇ in the substance as shown in equation (4).
  • the acoustic impedance is significantly different between the piezoelectric layer 4 and the gas that is the ultrasonic radiation medium.
  • the acoustic impedance Z 1 of the piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) is a common piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 2 is 3 0 X 1 0 6 k gZ s ⁇ ⁇ 2 about.
  • the acoustic impedance of the gas that is the radiation medium for example, air ⁇ ⁇ 3 Is about 400 kg Z s * m 2 . On such boundary surfaces of different acoustic impedances, the propagation of sound waves is reflected, and the intensity of transmitted sound waves is weakened.
  • a material that satisfies this acoustic impedance is required to be a solid, low-density, low-sound-speed material, as can be seen from Equation (4).
  • a glass balloon hollow microscopic glass sphere
  • a material obtained by solidifying a plastic balloon with a resin material is applied to the vibrating surface of a piezoelectric layer (also called an “ultrasonic transducer”). Formed and used.
  • a method of thermally compressing a glass balloon or a method of foaming a molten material is also used. This is disclosed, for example, in Japanese Patent No. 25559144.
  • the acoustic impedance of these materials 5 0 X 1 is 0 4 kg / s ⁇ m 2 greater than, in order to further obtain a high sensitivity takes matching with gas acoustic Inpidansu is smaller material is necessary.
  • the applicant of the present application has filed a patent application No. 2001-5651 (filing date: February 28, 2001) by forming an acoustic matching layer using dried gel. Further, it discloses that the acoustic impedance can be further reduced as compared with the conventional epoxy resin system containing a glass balloon, and that the durability can be improved by making the dried gel hydrophobic.
  • the sensitivity as the ultrasonic transducer becomes very high.
  • the rising response of the signal is deteriorated, making it difficult to determine the arrival time. That is, usually, the signal of the wave front that has reached a certain detection level or higher is detected from the reception signal of the ultrasonic wave to determine the arrival.
  • the signal output rises well, the difference between the wave fronts of the ultrasonic waves is large, and the signal of the wave front for which arrival is determined can be recognized well, and the arrival can be determined without error. If the rise of the sound wave reception signal is not good, the difference between the wave fronts of the received ultrasonic wave output becomes small, so that it is difficult to identify the wave front to be determined to reach, and an error tends to occur in the detection. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a sufficiently small acoustic impedance to be capable of transmitting and receiving ultrasonic waves with high sensitivity in conformity with a gas that is a radiation medium of ultrasonic waves, and has a signal responsiveness to rise.
  • the main object of the present invention is to provide an acoustic matching layer for an ultrasonic transducer capable of improving the acoustic wave. Further, the present invention provides an ultrasonic transducer using the same and a flowmeter using the same.
  • Acoustic matching layer of the present invention an acoustic matching layer for matching the acoustic impedance between the piezoelectric layer and the gas, first acoustic in density 5 0 kg Zm 3 or 5 0 O k gZm 3 within the following ranges A matching layer, and a second acoustic matching layer having a density within a range of 400 kg / m 3 or more and 150 O kg / m 3 or less, and a density of the first acoustic matching layer is The density is smaller than the density of the second acoustic matching layer.
  • the density of the first acoustic matching layer is located on the 5 0 k gZ m 3 or more 4 0 0 kg Zm 3 within the range, the density of the second acoustic matching layer 4 0 0 k gZm 3 than It is within the range of 800 kg Zm 3 or less.
  • the relationship between the acoustic impedance Za of the first acoustic matching layer and the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer is Za ⁇ Zb.
  • the thickness of the first acoustic matching layer is approximately one-fourth of a wavelength ⁇ of a sound wave propagating in the first acoustic matching layer.
  • the acoustic Inpidan scan of the first acoustic matching layer is within SX l C ⁇ k gZs ⁇ ⁇ 2 or more 2 0 X 1 0 4 k gZs ' m 2 or less.
  • a thickness of the second acoustic matching layer is approximately one-fourth of a wavelength ⁇ of a sound wave propagating in the second acoustic matching layer.
  • both the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer include an inorganic oxide.
  • the first acoustic matching layer includes a dry gel. In one embodiment, the first acoustic matching layer includes a dry gel powder.
  • the solid skeleton of the dried gel contains an inorganic oxide.
  • the inorganic oxide is silicon oxide. In one embodiment, the solid skeleton of the inorganic oxide is hydrophobized.
  • the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer are directly coupled.
  • the structural support layer has a density 1 0 0 0 kg Z m 3 or more, the structure The thickness of the support layer is less than one-eighth of the wavelength ⁇ of the sound wave propagating in the structural support layer.
  • An ultrasonic transducer includes: a piezoelectric layer; and any one of the above acoustic matching layers provided on the piezoelectric layer, wherein the second acoustic matching layer is disposed on the piezoelectric layer side. Have been.
  • the acoustic matching layer is directly bonded on the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric device further includes a case having an upper plate forming a recess enclosing the piezoelectric layer, and a bottom plate arranged to seal a space in the recess.
  • the acoustic matching layer is bonded to an inner surface of the upper plate of the case, and is coupled to an upper surface of the upper plate so as to face the piezoelectric layer via the upper plate.
  • the case is formed from a metal material.
  • the upper plate of the case is formed integrally with the second acoustic matching layer.
  • the method of manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention is the method of manufacturing an ultrasonic transducer according to any one of the above, wherein the piezoelectric layer or the piezoelectric layer is bonded to the inner surface on the upper plate.
  • An ultrasonic flowmeter includes a flow measurement unit through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transducers provided in the flow measurement unit for transmitting and receiving an ultrasonic signal, and an ultrasonic transducer between the ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic flowmeter comprising: a measurement circuit that measures an ultrasonic propagation time; and a flow calculation circuit that calculates a flow rate based on a signal from the measurement circuit, wherein each of the pair of ultrasonic transducers is It is composed of any one of the above ultrasonic transducers.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an acoustic matching layer of an embodiment according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a piezoelectric vibrator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a sectional view of an ultrasonic transducer shown as a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view of an ultrasonic transducer shown as a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view schematically showing steps (a) to (e) in the method for manufacturing an ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically showing steps (a) to (e) in a method of manufacturing an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams schematically showing a structure of a first acoustic matching layer including a dry powder gel preferably used for the acoustic matching layer of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 (a) to 8 (c) are diagrams showing the reception output characteristics of the ultrasonic transducer used in the present invention
  • FIG. 8 (a) shows the characteristics when a single acoustic matching layer (glass epoxy) is used.
  • FIGS. 9 (a) to 9 (c) are diagrams showing the vibration displacement frequency characteristics of the ultrasonic transducer used in the present invention, and (a) is a diagram using a single acoustic matching layer (glass balloon / epoxy type). (B) is a characteristic diagram using a single acoustic matching layer (silica dry gel), and (c) is a characteristic diagram using a two-layer acoustic matching layer (silica dry gel, porous silica).
  • FIG. 4 is a characteristic diagram in the case.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional ultrasonic transducer.
  • FIG. 11 is a block diagram showing an ultrasonic flowmeter using the ultrasonic transducer of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining the measurement principle of a general ultrasonic flowmeter. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the acoustic matching layer 1 of the embodiment according to the present invention includes a first acoustic matching layer 2 having a small density and a low sound speed, and a second acoustic matching layer 3 having a higher density and a higher sound speed.
  • the density of the first acoustic matching layer 2 is in the range of 50 kgZm 3 or more and 500 kg Zm 3 or less
  • the density of the second acoustic matching layer 3 is 400 kgZm 3 or more and 1 500 kg / m 3 or less.
  • the density of the first acoustic matching layer 2 is lower than the density of the second acoustic matching layer 3.
  • the density of the first acoustic matching layer 2 are 5 0 k gZm 3 or more 400 k gZm 3 or less
  • the density of the second acoustic matching layer 3 is 400 k gZm 3 Ultra 800 k gZm 3 below.
  • the first acoustic matching layer 2 is arranged on the radiation medium side
  • the second acoustic matching layer 3 is arranged on the piezoelectric layer 4 side.
  • the ultrasonic transducer 10 A according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 is an acoustic matching layer of the conventional ultrasonic transducer 10 ′ shown in FIG. Instead of 1 ′, the acoustic matching layer 1 of the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is provided.
  • the first acoustic matching layer 2, which is acoustically impedance-matched with the ultrasonic radiation medium, is disposed on the radiation medium side.
  • 8 (a) to 8 (c) show the reception output characteristics of the ultrasonic wave of the ultrasonic transducer, and show the reception waveform in each acoustic matching layer.
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) use the ultrasonic transducer 10 'of the conventional configuration shown in FIG. 10 having a single acoustic matching layer.
  • Figure 8 (a) shows the acoustic matching layer (thickness 1.
  • the acoustic velocity 2 5 0 0 mZ s shows a case of using the density 5 0 0 kg / m 3)
  • FIG. 8 (b) the acoustic matching layer of the dried silica gel (thickness 9 0 u rn, acoustic velocity 1 8 0 mZ s, shows the case of using the density 2 0 0 k gZm 3).
  • FIG. 8 (c) is a diagram showing characteristics of the ultrasonic transducer 10A of the embodiment according to the present invention shown in FIG.
  • the first acoustic matching layer 2 an acoustic matching layer of silicon dry gel (thickness: 90 m, sound speed: 180 m / s, density: 200 kg / m 3 ) was used, and as the second acoustic matching layer 3 , Silica porous Acoustic matching layer of body (thickness: 750; am, sound velocity: 1500 / s, density: 57
  • a comparison of Figs. 8 (a) and 8 (b) shows that the use of a low-density dry gel as the acoustic matching layer allows the use of a conventionally used glass balloon epoxy resin. It can be seen that the maximum amplitude of the received output voltage (peak-to-peak voltage) is larger than that of the received signal, and that the sensitivity is improved.
  • FIGS. 9 (a) to 9 (c) are diagrams respectively showing the vibration displacement frequency characteristics of the ultrasonic transducer corresponding to FIGS. 8 (a) to 8 (c).
  • the conventional glass balloon / epoxy acoustic matching layer has a two-pole characteristic and a wide frequency band because the acoustic impedance of the gas is not yet sufficiently matched. Therefore, the response to the ultrasonic pulse signal is good, and the rising characteristic is good.
  • the acoustic matching layer of the dried silica gel shown in Fig. 9 (b) has a monopolar characteristic and narrow band due to the matching of the acoustic impedance with the gas. As a result, although the sensitivity is high, it is difficult to respond to a change faster than the resonance frequency, so that the rising characteristic with respect to the pulse signal is deteriorated.
  • the acoustic matching layer of the present invention shown in FIG. 9 (c) When the acoustic matching layer of the present invention shown in FIG. 9 (c) is configured with respect to these single acoustic matching layers, it has a two-layer structure of the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer. In addition, the frequency characteristics of the vibration displacement show tripolar characteristics, and the band is widened. For this reason, the response at the start-up is fast, and the acoustic impedance with the gas as the radiating medium is matched by the first acoustic matching layer facing it, resulting in low attenuation and high sensitivity. It is.
  • a conventional single-layer acoustic matching device can be used in an ultrasonic transducer used for performing measurement or the like by radiating ultrasonic waves to a gas.
  • Layer can transmit and receive highly sensitive and responsive ultrasound You. Further, by using such an ultrasonic transducer, it is possible to obtain an ultrasonic flowmeter which has high sensitivity and small variation in characteristics, thereby improving the stability of flow measurement.
  • the acoustic matching layer of the embodiment according to the present invention typically has a two-layer structure. However, the closer the layer is to the piezoelectric layer, the higher the density of the acoustic matching layer becomes. Three or more acoustic matching layers may be arranged so that the density of the matching layer is low.
  • FIG. 1 schematically shows a configuration of an acoustic matching layer 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the acoustic matching layer 1 includes a first acoustic matching layer 2 having a density in the range from 5 O kgm 3 of 5 0 0 kg Z m 3, 1 densities from 4 0 0 kg Zm 3 5 0 0 kg / m 3
  • the second acoustic matching layer 3 in the range of (2) is laminated.
  • the density of the second acoustic matching layer 3 is higher than the density of the first acoustic matching layer 2.
  • the first acoustic matching layer 2 has a role of achieving high sensitivity by matching acoustic impedance with respect to a gas that is a radiation medium of ultrasonic waves. At this time, it is preferable that the relationship between the acoustic impedance Za of the first acoustic matching layer 2 and the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer 3 is Za ⁇ Zb.
  • the value of the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 2 is, for example, approximately 11 ⁇ 10 kg / s ⁇ m 2, which is a value for matching the acoustic impedance between air and the ceramic piezoelectric material. The degree is preferred.
  • the acoustic impedance of the first acoustic matching layer is, for example, hydrogen with respect to hydrogen. It is preferred to have a value from about 5 ⁇ 10 4 kg / s ⁇ m 2 to about 12 ⁇ 10 4 kgs ⁇ m 2 for propane. In addition, when considering other gas-mixed gas, it is particularly preferable that it be in the range of 5 ⁇ 10 4 kgZs * m 2 or more and 20 ⁇ 10 4 kg / s ⁇ m 2 or less.
  • the density In order for the first acoustic matching layer 2 to obtain the above-described acoustic impedance, the density must be within the range of 50 kgZm 3 or more and 500 kg / m 3 or less, and the sound speed will be less than 500 mZ s. Use things.
  • the second acoustic matching layer 3 has a density in the range of 40 O kg / m 3 or more and 150 O kg / m 3 or less and a sound velocity of 500 m / s or more. . However, it is set so that the relationship of Z a ⁇ Z b is satisfied.
  • the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer 3 is preferably smaller than the acoustic impedance of the piezoelectric layer that emits ultrasonic waves.
  • mapping the acoustic impedance to improve the sensitivity depends on the thickness of the acoustic matching layer.
  • Ultrasonic waves transmitted through the acoustic matching layer are reflected at the boundary between the acoustic matching layer and the ultrasonic radiation medium and the reflection coefficient of the ultrasonic wave, taking into account the reflection coefficient at the interface between the acoustic matching layer and the ultrasonic transducer.
  • Rate has The transmission intensity becomes maximum when the conditions are both small, that is, when the thickness of the acoustic matching layer is a quarter of the ultrasonic oscillation wavelength.
  • the thickness of the first acoustic matching layer 2 is approximately one quarter of the ultrasonic oscillation wavelength passing through the acoustic matching layer.
  • the first acoustic matching layer 2 has a density of 50 kgZm 3 or more and 500 kg / m 3 or less, and a sound velocity of less than 500 m / s.
  • the second acoustic matching layer 3 is in the range density of 4 0 O k gZm 3 or more 1 5 0 0 kg / m 3 or less, correct sound velocity 5 0 0 mZ s or more in a condition of the material is favored .
  • the material of the first acoustic matching layer 2 include an organic polymer, a fibrous body of an inorganic material, a foam body, a sintered porous body, and a dried gel, and the like. Particularly, a dried gel is preferably used. .
  • the “dry gel” is a porous body formed by a sol-gel reaction, and a solid skeleton solidified by a reaction of a gel raw material solution is dissolved. It is formed by drying and removing the solvent after passing through a wet gel containing a medium.
  • the solvent is removed from the wet gel and dried under special conditions such as supercritical drying and freeze-drying, or ordinary drying such as heating drying, drying under reduced pressure, and natural drying.
  • special conditions such as supercritical drying and freeze-drying, or ordinary drying such as heating drying, drying under reduced pressure, and natural drying.
  • a method can be used.
  • Supercritical drying is a method in which a solvent is removed in a supercritical state at a temperature and pressure above its critical point, and there is no gas-liquid interface and no drying stress is applied to the solid skeleton of the gel. A very low-density dry gel can be obtained without the need to do this. On the other hand, dried gels obtained by supercritical drying may be affected by stress in the operating environment, such as condensation, thermal stress, chemical stress, and mechanical stress.
  • dried gels obtained by ordinary drying methods are characterized by high durability against stress in the subsequent use environment because they can withstand drying stress.
  • aging the solid skeleton to increase its strength, applying temperature conditions or a polyfunctional water-phobic agent that is easy to polymerize to reinforce the solid skeleton when hydrophobizing Can be realized by controlling
  • when measuring the gas flow rate it may be used in various environments, so it is preferable to obtain the acoustic matching layer using a dry gel prepared by a normal drying method.
  • the dried gel obtained by the above method is a nanoporous body in which continuous pores having an average pore diameter in the range of 1 nm to 100 nm are formed by a solid skeleton having a nanometer size. Therefore, in a low-density state having a density of 50 O kg Zm 3 or less, preferably 40 O kg Zm 3 or less, the solid portion of the dried gel forming the unique network skeleton has In addition to the extremely low sound speed, the sound speed of propagating through the gas inside the porous body by the pores is extremely low. Therefore, it has a characteristic that it exhibits a very low value of 500 mZs or less as the sound speed, and can obtain a low acoustic impedance.
  • the pore size is less than or equal to the mean free path of gas molecules, and the sound pressure is high when used as an acoustic matching layer due to the large pressure loss of gas. It also has the characteristic that it can be radiated at sound pressure.
  • an inorganic material an organic polymer material, or the like can be used as a material of the dried gel.
  • an inorganic material an organic polymer material, or the like can be used as a material of the dried gel.
  • general ceramics obtained by a sol-gel reaction such as silicon oxide (silica) or aluminum oxide (alumina) can be used as a component.
  • the solid framework of the dried gel of the organic polymer t for example it can be constituted general thermosetting resin, a thermoplastic resin, polyurethane, polyurea, phenol curing resins, Poria Crylamide, polymer methyl acrylate, etc. can be applied.
  • a powder (powder dry gel) obtained by pulverizing these dry gels may be used.
  • the material of the second acoustic matching layer 3 is an organic polymer, an inorganic fiber, a foam, a sintered porous material, a material obtained by solidifying a glass balloon or a plastic balloon with a resin material, or a glass balloon which is thermally compressed. Materials can be used.
  • the second acoustic matching layer 3 preferably has a higher density than the first acoustic matching layer 2, has a higher sound speed, and has a higher acoustic impedance. More concrete, density employed what is 40 O k gZm 3 or more 1 5 0 O k gZm 3 within the following range. With a density in this range, it is possible to obtain sufficient sensitivity to transmit and receive ultrasonic waves without significantly changing the acoustic impedance matching with the gas that is the radiation medium of the ultrasonic waves, and to have excellent responsiveness. Properties can be obtained.
  • the upper limit of the density of the second acoustic integer coupling layer 3 may be an 8 OO k gZm 3.
  • the second acoustic matching layer 3 for example, an acoustic matching layer in which a glass balloon is molded with a thermosetting resin, or a silicon oxide porous body acoustic material in which a mixture of a manganese oxide raw material and a polymer bead is baked to remove the polymer.
  • An acoustic matching layer formed by thermally bonding (thermally compressing) a layer or glass balloon can be suitably used.
  • the formation of the first acoustic matching layer 2 made of a dried gel may cause the permeation of the raw material liquid.
  • the first acoustic matching layer 2 can be formed with the permeation still occurring, but a structure support layer may be formed on the surface of the second acoustic matching layer 3 to avoid the permeation.
  • a structure support layer may be formed on the surface of the second acoustic matching layer 3 to avoid the permeation.
  • the configuration may be determined by the combination of the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3.
  • the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 are both inorganic oxides, they have excellent humidity resistance and chemical resistance, as well as excellent temperature characteristics of acoustic impedance. That is, when a dry gel of an inorganic oxide is used, the temperature change rate of the acoustic impedance in the range of 25 to 70 is not more than 1.04 (the absolute value is not more than 0.04).
  • the temperature change rate of the acoustic impedance is small, for example, when used in an ultrasonic flowmeter described later, high measurement accuracy can be obtained over a wide temperature range.
  • the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer according to the present invention are configured to be chemically bonded. This is effective for ensuring close contact with ultrasonic vibration, easy handling, and durability against vibration during use of the ultrasonic transducer.
  • the inorganic oxide of the dried gel of the acoustic matching layer is silicon oxide
  • the formation of the acoustic matching layer by the sol-gel reaction is preferable.
  • silicon oxide is used for the second acoustic matching layer 3 as well, it is considered that the effect on the characteristics due to the difference in the material can be reduced.
  • the solid skeleton portion of the inorganic oxide is preferably made hydrophobic (water-repellent) because there is a concern about the problem of moisture resistance due to moisture absorption. Hydrophobicity. For example, if moisture or impurities are present in the gas to be measured, they can be made less susceptible to their adsorption or adhesion, and a more reliable acoustic matching layer can be obtained. Can be.
  • Hydrophobization of the solid skeleton of the inorganic oxide is performed using a surface treatment agent such as a silane coupling agent.
  • a surface treatment agent such as a silane coupling agent.
  • the surface treatment agent include halogen-based silane treatment agents such as trimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, methyltrichlorosilane, and ethyltrichlorosilane, and alkoxy-based agents such as trimethylmethoxysilane, trimethylethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, and methyltriethoxysilane.
  • Silane treatment agents silicone-based silane treatment agents such as hexamethyldisiloxane, dimethylsiloxane oligomer, amine-based silane treatment agents such as hexamethyldisilazane, propyl alcohol, butyl alcohol, hexyl alcohol, octyl alcohol
  • An alcohol-based treating agent such as knol and decanol can be used.
  • a fluorinated treating agent in which hydrogen of an alkyl group contained in these treating agents is partially or entirely replaced with fluorine, in addition to hydrophobicity (water repellency), oil repellency, antifouling property, etc. Even better effects can be obtained.
  • FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of a piezoelectric vibrator 8 used in the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric vibrator 8 is used for an ultrasonic transducer of an ultrasonic flowmeter.
  • the piezoelectric vibrator 8 for performing the electric-ultrasonic mutual conversion includes the piezoelectric layer 4 and the acoustic matching layer 1 described in the first embodiment.
  • the piezoelectric layer 4 generates ultrasonic vibrations and is made of a piezoelectric ceramic ⁇ piezoelectric single crystal or the like, is polarized in the thickness direction, and has electrodes (not shown) on upper and lower surfaces. Is for transmitting ultrasonic waves to the gas or receiving the ultrasonic waves propagating through the gas, as described above.
  • the mechanical vibration of the piezoelectric layer 4 excited by the driving AC voltage Is efficiently radiated as ultrasonic waves to an external medium, and has a role of efficiently converting the arriving ultrasonic waves into a voltage. It is formed on one side of layer 4.
  • a structural support layer may be provided between the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 of the acoustic matching layer 1 to improve the mechanical strength of the acoustic matching layer and facilitate handling.
  • the structure support layer has a density of 800 kg Zm 3 or more, preferably 100 kg Zm 3 or more, and the thickness of the structure support layer is the wavelength of the sound wave propagating in the structure support layer. It is preferably less than one-eighth of ⁇ .
  • the structural support layer has a high density Due to the high speed of sound, when the thickness is sufficiently smaller than the ultrasonic oscillation wavelength, the effect on the transmission and reception of ultrasonic waves is extremely small.
  • a protective material such as a metal material, an inorganic sheet such as ceramic or glass, or a plastic sheet can be used.
  • an adhesive layer adheresive or adhesive sheet
  • the upper plate constituting the case existing between the piezoelectric layer 4 and the acoustic matching layer 1 is used.
  • a structural support layer may be formed on the surface (gas side) of the first acoustic matching layer 2. Since the acoustic matching layer 1 is supported by the high-density material, the favorable effect that the handleability of the acoustic matching layer 1 is improved, and the durability is also improved by improving the adhesion is obtained.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 10A shown in FIG. 3 is an ultrasonic transducer using the acoustic matching layer 1 and the piezoelectric layer 4 of the first embodiment to constitute a piezoelectric vibrator.
  • the ultrasonic transducer 1 OA has a case (sealed container) 5 having an upper plate 5 a forming a recess enclosing the piezoelectric layer 4 and a bottom plate 5 b arranged to seal the space in the recess. Is further provided.
  • the piezoelectric layer 4 is bonded (adhered) to the inner surface of the upper plate 5a of the case 5, and the acoustic matching layer 1 is bonded (adhered) to the upper surface of the upper plate 5a at a position facing the piezoelectric layer 4 via the upper plate 5a.
  • the upper plate 5a existing between the piezoelectric layer 4 and the acoustic matching layer 1 also functions as a structural support layer.
  • the thickness of the upper plate 5a is preferably sufficiently smaller than the ultrasonic oscillation wavelength, and is preferably less than one-eighth of the wavelength ⁇ of the sound wave propagating in the upper plate 5a.
  • the density of the upper plate 5 a is preferably 8 at 0 0 kg Z m 3 or more, further preferably on the l OOO kg Z m 3 or more.
  • case 5 By making the case 5 from a conductive material (for example, a metal material), the case 5 functions not only as a structural support member but also as an electrode (wiring) for oscillating the piezoelectric layer 4 or detecting received ultrasonic waves.
  • the electrodes (not shown) formed on a pair of main surfaces of the piezoelectric layer 2 are connected to one terminal 7 via a case 1 and the other is connected to the other terminal 7 by a wire or the like. I have. Therefore, case 1 is generally formed from a conductive metal. Note that the other terminal 7 is insulated from the case 5 by the insulator 6.
  • the acoustic matching layer 1 which is disposed so as to face the piezoelectric layer 4 via the upper plate 5a of the case 5, has a second acoustic matching layer 3 facing the medium that emits ultrasonic waves from the piezoelectric layer 4 side. And the first acoustic matching layer 2 are laminated in this order.
  • an ultrasonic transducer 10 having high sensitivity and good responsiveness can be obtained.
  • the piezoelectric layer 4 can be isolated from the gas by housing the piezoelectric layer 4 in the case 5. K It is preferable to purge the inside (recess) of the gas 5 with an inert gas such as nitrogen. This has the advantage of high safety when used in an ultrasonic flowmeter for combustible gases.
  • the constituent material of the acoustic matching layer in contact with the combustible gas is preferably one that does not react with the gas or burn. From this viewpoint as well, it is preferable that the acoustic matching layer be made of an inorganic oxide.
  • the piezoelectric layer 4 When a burst signal voltage having an AC signal component having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer is applied to the drive terminal 7, the piezoelectric layer 4 It vibrates in the thickness vibration mode and emits burst-like ultrasonic waves in a fluid such as a gas or liquid.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the ultrasonic transducer according to one embodiment of the present invention.
  • a part of the case 15 is formed by the second acoustic matching layer 13, and the piezoelectric layer 4 is formed by the second acoustic matching layer of the case 15.
  • the first acoustic matching layer 12 is disposed on the inner surface of the second acoustic matching layer 13 facing the position of the piezoelectric layer 4 of the second acoustic matching layer 13.
  • the second acoustic matching layer 13 also plays a role as a structural support layer.
  • the second acoustic matching layer 13 be made of a material having a relatively high density, and the second acoustic matching layer 13 alone matches acoustic impedance with a gas which is a medium for emitting ultrasonic waves. Hateful. However, as shown in FIG. 4, the first acoustic matching layer is placed on the second acoustic matching layer 13. By adopting a structure in which the layer 12 is further laminated, it is possible to match the acoustic impedance with the gas and increase the sensitivity.
  • FIG. 5 is an explanatory view of a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing an ultrasonic transducer includes the steps of: forming a second acoustic matching layer on a piezoelectric layer or a case in which the piezoelectric layer is disposed on an inner surface; and laminating a first acoustic matching layer made of dry gel.
  • the step (d) of forming the first acoustic matching layer 2 includes: a film forming step of applying a gel raw material liquid on the second acoustic matching layer 3; a solidifying step of obtaining a wet gel from the gel raw material liquid; Removing the solvent in the obtained wet gel layer to obtain a dry gel layer.
  • the first acoustic matching layer 2 made of a dried gel may be formed in advance, and bonded to the second acoustic matching layer 3 using an adhesive or the like. This is preferable because the layer 2 and the second acoustic matching layer 3 can be directly bonded (bonded without using an adhesive layer).
  • the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 can be chemically bonded.
  • the first acoustic matching layer 2 is made of an inorganic oxide. It can form a chemical bond when formed from dried gel.
  • a treatment method for generating a hydroxyl group on the surface washing with an acid or alkali, washing with water, ultraviolet irradiation, ozone treatment, oxygen plasma treatment, or the like can be used.
  • the second acoustic matching layer 3 is a continuous pore body, a gel stock solution for forming the first acoustic matching layer 2 permeates, and a stronger chemical bond can be formed.
  • the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 are formed of the same inorganic oxide. Chemical bonding between the first acoustic matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 is preferable because acoustic coupling is strengthened, sensitivity is improved, and stability and reliability of characteristics are improved. .
  • FIG. 6 is an explanatory view of a method for manufacturing an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • the method of manufacturing the ultrasonic transducer according to the present embodiment includes the steps of: forming an acoustic matching layer 1 in which a first acoustic matching layer 2 made of dry gel is laminated on one surface of a second acoustic matching layer 3; This is a manufacturing method including a step of bonding the acoustic matching layer 1 to the case 5 in which the body layer 4 or the piezoelectric layer 4 is arranged on the inner surface.
  • This lamination method includes a film forming step of applying a gel raw material liquid on the second acoustic matching layer 3 and a solidification step of obtaining a wet gel from the gel raw material liquid. The solvent in the obtained wet gel layer is removed. Drying to obtain a layer of dried gel.
  • the first acoustic matching layer 2 made of a dried gel may be formed in advance and bonded to the second acoustic matching layer 3 using an adhesive or the like. It is preferable because the matching layer 2 and the second acoustic matching layer 3 can be directly bonded (bonded without using an adhesive layer). Also, in order to improve the durability of the laminated structure of the first acoustic matching layer and the second acoustic matching layer, a method similar to that of the sixth embodiment can be used.
  • the first acoustic matching layer 2 can also be formed using dry gel powder.
  • the first acoustic matching layer 2A shown in FIG. 7 (a) is composed of a powder of a dried gel (hereinafter, also referred to as a "powder dried gel") 2a and an additive 2b.
  • a powder of a dried gel hereinafter, also referred to as a "powder dried gel”
  • an additive 2b By forming the first acoustic matching layer 2A using the powder of the dried gel, the variation in characteristics due to the unevenness of the drying process of the wet gel is suppressed.
  • powdered dry gel 2a Since the dry powder gel 2a can be prepared in advance, there is also obtained an advantage that the productivity of the ultrasonic transducer can be improved.
  • the step of solidifying the gel raw material liquid to obtain a wet gel and the step of drying the wet gel can be performed in advance, so that the ultrasonic transducer The throughput of vessel production can be improved.
  • the average particle size of the powdery dry gel 2a is preferably 1 or more and 100 or less. If it is smaller than this lower limit, the number of pores in the powder will decrease and the characteristic effect of the dried gel will be reduced, and the required amount of additives for molding will increase, so a low-density acoustic matching layer will be required. It can be difficult to obtain. If the average particle size of the powdered dry gel 2a is larger than the upper limit, it is difficult to control the thickness of the acoustic matching layer, and it is necessary to form an acoustic matching layer with sufficient thickness uniformity and surface flatness. Can be difficult.
  • a polymer powder having thermal binding properties is preferably used as the additive (binder) 2b for bonding the powder dry gels 2a to each other and improving the mechanical strength of the acoustic matching layer 2A.
  • a polymer powder having thermal binding properties is preferably used. Can be. If a liquid material is used, it penetrates into the pores of the dried gel and may change the acoustic characteristics or reduce the formability. Therefore, it is preferable to use a solid material, particularly a powder.
  • thermally binding polymer refers to a polymer that is solid at room temperature, melts or softens by heating, and then solidifies.
  • Thermally binding polymers include not only general thermoplastic resins (for example, engineering plastics such as polyethylene and polypropylene), but also For example, a thermosetting resin (for example, a phenol resin, an epoxy resin, or a resin) that solidifies at room temperature, softens once by heating, and then crosslinks and hardens, can be used.
  • a thermosetting resin for example, a phenol resin, an epoxy resin, or a resin
  • the thermosetting resin contains the main agent and the curing agent, they may be added as separate powders.
  • a mixture of a thermoplastic resin and a thermosetting resin may be used.
  • the melting (softening) temperature of the heat-binding polymer powder is preferably in the range of 80 to 250.
  • a heat-binding polymer typically, as described below, melting (softening) occurs when the mixed powder of the powdery dry gel 2a and the additive is pressed while being heated.
  • the additive thus added serves to join the powder-dried gels 2a by solidifying with cooling and by Z or crosslinking and hardening.
  • the average particle size of the heat-binding polymer powder is preferably 0.1 or more and 50 im or less. If it is smaller than the lower limit, the pore diameter becomes close to the pore diameter of the dried gel, so that the binding property may be reduced or the formability may be reduced. On the other hand, if it is larger than the upper limit, it may be difficult to obtain a low-density acoustic matching layer because the amount of addition required for molding increases. Further, the addition amount of the heat-binding polymer powder is preferably 40% by mass or less of the whole. If the total amount exceeds 40% by mass, the density when molded may increase. In order to obtain sufficient mechanical strength, for example, it is preferable to add 5% by mass or more of the whole.
  • additive A additive (inorganic fiber (eg, glass wool) and organic (Fiber)
  • additive B additive
  • the additive 2b is the same heat-binding polymer powder as described above
  • the additive 2c is a short fiber.
  • the preferred diameter range of the short fibers is approximately the same as the average particle size of the above-mentioned heat-binding polymer powder, and the length of the fibers is preferably several meters to several mm.
  • the addition amount of the two types of additives is preferably 40% by mass or less based on the whole, and the mixing ratio is appropriately set as necessary.
  • the acoustic matching layer using the powdered dry gel has an additional advantage that the acoustic impedance is adjusted and reduced.
  • the sound impedance can be adjusted by mixing a plurality of types of powdered dry gels having different densities.
  • the acoustic impedance can be adjusted by adjusting the amount of the above-mentioned additive A (additive B if necessary).
  • the amounts of the additives A and B be within the above ranges in consideration of moldability and the like.
  • the first acoustic matching layer 2B containing the dry powder gel can be formed, for example, by the following method.
  • the dried gel prepared here does not necessarily have to be a powder. It may be in a block shape.
  • the dried gel is, for example, a silica dried gel having an average pore diameter of 20 nm, and the additive A Is polypropylene powder, and additive B is glass wool with a fiber diameter of about 10 m.
  • the upper surface of the mixed powder layer is flattened by, for example, applying vibration to the mixed powder layer before the powder dried gel and the mixed powder of the additives A and B are pressed. .
  • the characteristics of the obtained first acoustic matching layer 2A can be made more uniform.
  • FIG. 11 shows a block diagram of an ultrasonic flowmeter using an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic flow meter shown in Fig. 11 is installed so that the fluid to be measured flows in the direction shown in the figure at a velocity V in the pipe, which is the flow measuring section 51.
  • the piezoelectric vibrators 101 and 102 as the ultrasonic transducer of the present invention are disposed to face each other.
  • the piezoelectric vibrator 101 is used as an ultrasonic wave transmitter
  • the piezoelectric vibrator 102 is used as an ultrasonic wave receiver.
  • the ultrasonic transmitters 101 and 102 are driven by the ultrasonic transmitter 101 and the ultrasonic receiver 102 via the switching circuit 55 for switching between transmission and reception.
  • Drive circuit 54 a reception detection circuit 56 that detects ultrasonic pulses, an imager 57 that measures the propagation time of ultrasonic pulses, and an arithmetic circuit 5 that calculates the flow rate from the output of the imager 57
  • the control circuit 59 for outputting a control signal to the drive circuit 54 and the drive circuit 57 is connected.
  • the non-measurement fluid is, for example, LP gas, and the driving frequency of the ultrasonic transducers 101 and 102 is about 500 kHz.
  • the control circuit 59 outputs a transmission start signal to the drive circuit 54 and, at the same time, starts time measurement of the timer 7.
  • the drive circuit 54 drives the ultrasonic transducer 101 to transmit an ultrasonic pulse.
  • the transmitted ultrasonic pulse propagates in the flow measurement and is received by the ultrasonic transducer 102.
  • the received ultrasonic pulse is converted into an electric signal by the ultrasonic transducer 102 and output to the reception detection circuit 56.
  • the reception detection circuit 56 determines the reception timing of the reception signal, stops the timer 57, and calculates the propagation time t1 by the calculation circuit 58.
  • the switching circuit 55 switches the ultrasonic transducers 101 and 102 connected to the drive section 54 and the reception detection circuit 56, and the control circuit 59 again transmits a transmission start signal to the drive circuit 54.
  • An ultrasonic pulse is transmitted by the transducer 102, received by the ultrasonic transducer 101, and an arithmetic circuit 58 calculates the propagation time t 2.
  • the distance between the ultrasonic transducer 101 and the center of the ultrasonic transducer 102 is L
  • the sound velocity of the LP gas in the windless state is (:, the flow velocity in the flow rate measuring unit 51).
  • V is the angle between the direction of the flow of the fluid to be measured and the line connecting the centers of the ultrasonic transducers 101 and 102
  • the propagation times t1 and t2 are obtained, respectively. Since L is known, the flow velocity V can be obtained by measuring the times t 1 and t 2, and the flow rate can be determined from the flow velocity V.
  • the ultrasonic transducer of the present invention was manufactured as follows.
  • Heat cured at 120 This cured molded body was cut so as to have a thickness of a quarter of the ultrasonic oscillation wavelength.
  • the ultrasound from about 5 0 0 kH z, acoustic velocity 2 5 0 0mZ s, density 5 0 0 k gZm 3, and a thickness of 1. 2 5 mm.
  • This container was subjected to supercritical drying at 12 MPa and 50 using carbon dioxide to produce a piezoelectric layer with an acoustic matching layer formed by laminating a silica dry gel first acoustic matching layer and a glass epoxy second acoustic matching layer. A vibrator case was obtained.
  • the first acoustic matching layer made of dried silica gel, the ultrasound about 5 0 0 kH z, acoustic velocity 1 80MZs, density 2 00 k gZm 3 der ivy.
  • An ultrasonic transducer was obtained by assembling a cover plate, drive terminals, etc., into the case where the acoustic matching layer was formed.
  • the ultrasonic transducer of the present invention was manufactured as follows.
  • Pressure molding was performed after mixing a spherical acryl resin having a diameter of several tens / zm with a sintered silica powder having a diameter of 1 m or less. After drying this molded body, it was fired at 900 to form a porous silica body. Thereafter, the thickness was adjusted to be one quarter of the ultrasonic oscillation wavelength. The sound velocity was 1500 m / s, the density was 570 kgm 3 , and the thickness was 750 / zm, with respect to the ultrasonic wave of about 500 kHz.
  • a gel material solution prepared by mixing tetramethoxysilane, ethanol, and an aqueous ammonia solution (0.1 standard) at a molar ratio of 1: 3: 4 was washed by plasma cleaning in advance to form hydroxyl groups on the surface. Coating was performed on the matching layer to a thickness of 90 m. After that, the coating film gelled to obtain a solidified wet gel layer.
  • the second acoustic matching layer on which the silica wet gel layer is formed is subjected to hydrophobic treatment in a 5% by weight hexane solution of trimethylethoxysilane. Supercritical drying with carbon dioxide (12 MPa, 50) is performed. Thus, an acoustic matching layer in which a silica dry gel and a second acoustic matching layer were laminated was obtained.
  • an acoustic matching layer having good adhesion can be provided.
  • the first acoustic matching layer made of dried silica gel, the ultrasound about 5 0 0 k H z, acoustic velocity 1 8 0 m / s, the density 2 0 0 k gZm 3 der ivy.
  • one side of the piezoelectric body and the surface of the second acoustic matching layer were combined with the case by applying pressure and heating to harden them.
  • the ultrasonic transducer of the present invention was manufactured as follows.
  • a sintered silica powder having a particle size of several m to several tens / m is molded, and the obtained molded body is fired at 900 to obtain a porous silica having a thickness of about one quarter of the ultrasonic oscillation wavelength.
  • the second acoustic matching layer made of porous silica has a sound velocity of about 400 m / s and a density of about 1200 kg / m with respect to ultrasonic waves (about 500 kHz). 3.
  • the thickness was about 2 mm.
  • this second acoustic matching layer (porous silica), a 3 m-thick glass layer (density: about 300 kg / m 3 ) was formed as a structural support layer. Since the sound speed of this glass layer is about 500 OmZs or more, the wavelength of the sound wave propagating with respect to the ultrasonic wave of about 500 kHz becomes larger than 1 cm. The thickness of the formed glass layer is well below one-eighth of the wavelength, so there is no effect on acoustic matching.
  • the silica wet gel formed in the same manner as in Example 2 was hydrophobized on the glass layer surface of the porous silica formed in (a) while heating from 40 to 70, and then heated at 80 in a nitrogen stream. After drying, an acoustic matching layer in which the first acoustic matching layer made of silica-dried gel was laminated on the second acoustic matching layer was obtained.
  • the one side of the piezoelectric body and the surface of the second acoustic matching layer were combined with the case by heating and pressurizing while being pressed.
  • An ultrasonic transducer including only the second acoustic matching layer (glass epoxy) manufactured in Example 1 was formed.
  • FIGS. 8 (a) to 8 (c) show one example (Comparative Example 1, Comparative Example 2. Example 2).
  • the sensitivity is about 10 times better in Example 1 and about 20 times better in Examples 2 and 3 than the acoustic matching layer of Comparative Example 1 which has been generally used. Characteristics. Also, with respect to the start-up response, the acoustic matching layers of Comparative Example 1 conventionally used in Examples 1, 2 and 3 were equal to, or slightly better than, the acoustic matching layer. That is, while the wave front of the ultrasonic wave peaks at the fifth wave in Comparative Example 1 in FIG. 8 (a), the wave front of the ultrasonic wave peaks at the fourth wave in Example 2 of FIG. 8 (c). Had become. Therefore, it was found that the ultrasonic transducer according to the present invention produced in the examples can obtain characteristics superior in both sensitivity and rising response compared to the conventional one.
  • the ultrasonic transducer of the present invention was manufactured as follows.
  • a sintered silica powder having a diameter of several to several tens of wm was molded in the same manner as in Example 3, and the obtained molded body was fired at 900 ° C so that the thickness was about the ultrasonic oscillation wavelength.
  • a quarter of the porous silica was formed.
  • silica porous body formed in (a) using a silicone oligomer of tetraethoxysilane as a raw material in an isopropyl alcohol solvent, A silica wet gel was formed with the ammonia catalyst. After aging the wet gel at 70, a hydrophobizing treatment with dimethyldimethoxysilane was performed. After that, the solvent was dried and removed by standing naturally to obtain an acoustic matching layer in which the first acoustic matching layer made of silica dry gel was laminated on the second acoustic matching layer.
  • the first acoustic matching layer made of dried silica gel, the ultrasound (approximately 5 0 0 k H z), speed of sound is about 3 0 0 m Z s, a density of about 4 2 O kg / m 3 there were.
  • This first acoustic matching layer was processed to a thickness of 150 m to obtain a final acoustic matching layer.
  • one side of the piezoelectric layer and the surface of the acoustic matching layer on the second acoustic matching layer side are bonded to the upper plate of the case via the adhesive layer.
  • the acoustic matching layer and the piezoelectric layer were joined to the upper plate of the case by heating and curing the adhesive while applying pressure.
  • An ultrasonic transducer was obtained by assembling the case cover plate (bottom plate) and drive terminals.
  • an acoustic matching layer formed by laminating a first acoustic matching layer having a low density and a low sound speed and a second acoustic matching layer having a higher density and a high sound speed.
  • the ultrasonic transducer obtained by using the manufacturing method of the present invention can achieve high sensitivity and stable characteristics by using an acoustic matching layer having low acoustic impedance.
  • the ultrasonic flowmeter of the present invention can improve the stability of flow measurement because the ultrasonic transducer of the present invention has high sensitivity and little characteristic variation.
  • the acoustic matching layer with an inorganic oxide, excellent temperature characteristics of flow measurement can be obtained, and by making the acoustic matching layer hydrophobic, a highly reliable ultrasonic flow rate with excellent moisture resistance is obtained. Can provide a total.

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Description

明 細 書 音響整合層、 超音波送受波器および超音波流量計 技術分野
本発明は、 超音波センサの音響整合層に用いられる音響整合層と 超音波の送受信を行う超音波送受波器、並びに該超音波送受波器の 製造方法及び該超音波送受波器を使用した超音波流量計に関するも のである。 背景技術
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量計がガスメータ等に利用されつ つある。
図 1 2は超音波流量計の測定原理を示したものである。 図 1 2に 示すように、 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 1 0 3には、 一対の超音波送受波器 1 0 1 、 1 0 2が相対して 設置されている。 超音波送受波器 1 0 1 、 1 0 2は、 電気工ネルギ 一/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体を用 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 1 0 1 を超音波送波器として用い、 超音波送受波器 1 0 2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 1 0 1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 1 0 1 は超音 波送波器として働いて、 外部の流体中に同図中の L 1で示す伝搬経 路に超音波を放射し、 超音波送受波器 1 0 2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 1 0 2を 超音波送波器として用い、 超音波送受波器 1 0 1を超音波受波器と して用いる。 超音波送受波器 1 0 2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 1 0 2 は外部の流体中に同図中の L 2で示す伝搬経路に超音波を放射し、 超音波送受波器 1 0 1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 1 0 1、 1 0 2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 一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 1 0 1に印加して超 音波送受波器 1 0 1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 L 1を伝搬して t時間後に 超音波送受波器 1 0 2に到達する。 超音波送受波器 1 0 2では伝達 して来た超音波バースト信号のみを高い S Z N比で電気バース卜信 号に変換することができる。 この電気バース卜信号を電気的に増幅 して、 再び超音波送受波器 1 0 1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 1 0 1から放射され伝搬路を伝搬して超音波送 受波器 1 0 2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 1 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 0とする。 超音波送受波器 1 0 1を超音波送波器、 超音波送受波 器 1 0 2を超音波受波器として用いたときに、 超音波送受波器 1 0 1から出た超音波パルスが超音波送受波器 1 0 2に到達する時間で あるシング · アラウンド周期を t l、 シング · アラウンド周波数 f 1 とすれば、 次式（ 1 )が成立する。
f 1 = 1 / t 1 = (C + V c o s 0 ) ZL · · · ( 1 ) 逆に、 超音波送受波器 1 0 2を超音波送波器として、 超音波送受 波器 1 0 1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 t 2、 シング * アラウンド周波数 f 2とすれば、 次式 （ 2 ) の関係が成立する。
f 2 = 1 / t 2 = (C - V c o s 0 ) /L · · · ( 2 ) したがって、 両シング · アラウンド周波数の周波数差 Δ f は、 次式 （ 3 ) となり、 超音波の伝搬経路の距離 Lと周波数差 Δ f から 流体の流速 Vを求めることができる。
A f = f l - f 2 = 2 V c o s 0 /L · · · ( 3 )
すなわち、 超音波の伝搬経路の距離 Lと周波数差 Δ f 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 さる。 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層の音響ィンピーダンスが重 要となる。
図 1 0は従来の超音波送受波器 1 0 ' の構成を示す断面図である, 超音波送受波器 1 0 ' は、 圧電体層 （振動手段） 4と、 音響インピ 一ダンス整合層 （音響整合手段、 以下、 「音響整合層」 という。 ） 1 と、 ケース 5 とを有している。 ケース 5 と音響整合層 1 ' および ケース 5 と圧電体層 4は接着剤 （例えばエポキシ系） からなる接着 層を用いて接着されている。 圧電体層 4で振動された超音波は特定 の周波数 （例えば 5 0 0 k H z ) で振動し、 その振動は接着層 （不 図示） を介してケースに伝わり、 さらに接着層を介して音響整合層 1 に伝わる。 整合した振動は空間に存在する媒体である気体に音波 として伝搬する。
この音響整合層 1 ' の役割は圧電体層 4の振動を効率良く気体に 伝搬させることにある。 物質中の音速 Cと密度 ιθ とで式 （4) のよ うに音響ィンピーダンス Zが定義される。
Z = p X C · · · ( 4 )
音響インピーダンスは圧電体層 4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、 圧電体層 2を構成する一般的な圧電 体である P Z T (チタン酸ジルコン酸鉛） 等の圧電セラミックスの 音響インピーダンス Z 1 は 3 0 X 1 06k gZ s · ιη2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 Ζ 3 は 4 0 0 k g Z s * m2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、 圧電体と気体のそ れぞれの音響ィンピーダンス Z 1 と Z 3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 2 = (Z 1 X Z 3 ) (1/2) · · · ( 5 )
この条件を満たす音響ィンピーダンスが整合した時の最適な値は, 1 1 X 1 04k g/ s · πι2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。 一般的に用いられている材料 として、 ガラスバルーン （中空の微小なガラス球） やプラスチック バルーンを樹脂材料で固めた材料を圧電体層 （ 「超音波振動子」 と もいう。 ） の振動面に形成して使用されている。 また、 ガラスバル 一ンを熱圧縮する方法、 あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法 も使用されている。 これは、 例えば特許第 2 5 5 9 1 44号公報等 で開示されている。
しかし、 これらの材料の音響インピーダンスは、 5 0 X 1 04 k g/ s · m2より大きい値であり、 さらに気体との整合を取り高感 度を得るためには音響ィンピーダンスがさらに小さい材料が必要で ある。
本出願人は、 特願 2 0 0 1— 5 6 5 0 1号 （出願日 ： 2 0 0 1年 2月 2 8 日） に、 乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成することによ つて、 従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂系よりもさらに音響 ィンピーダンスを低下させられること、 および乾燥ゲルを疎水化す ることによって耐久性を向上できることを開示している。
上述したように、 音響整合層の音響インピーダンスを小さく して 超音波の放射媒体である気体との整合を高めると、 超音波送受波器 としての感度が非常に高くなる。 しかしながら、 流量計において超 音波により伝搬時間を計測する場合のように、 パルス信号を搬送波 として超音波を送受信すると、 信号の立ち上り応答性が悪くなつて しまい、 到達時間の判定が難しくなる。 すなわち、 通常は、 超音波 の受信信号に対して、 ある到達検出レベル以上になった波頭の信号 を検出して到達の判定を行っている。 そのため、 信号出力の立ち上 りが良いと超音波の波頭の差が大きく、 到達判定する波頭の信号を 良好に認識することができ、 到達判定を誤差なく行うことができる, それに対して、 超音波の受信信号の立ち上りが良くないと、 受信超 音波出力の波頭の差が小さくなるために到達判定する波頭の識別が 難しくなり、 検出に誤差を生じやすくなる。 発明の開示
本発明は、 上記課題に鑑みてなされたものであり、 音響インピー ダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に整合して高感 度な超音波送受波できるとともに、 信号の立ち上り応答性を良くで きる超音波送受波器用の音響整合層を提供することを主な目的とす る。 さらに、 それを適用した超音波送受波器、 およびそれを用いた 流量計を提供するものである。 本発明の音響整合層は、 圧電体層と気体との音響インピーダンス を整合させる音響整合層であって、 密度が 5 0 k g Zm 3以上 5 0 O k gZm3以下の範囲内にある第 1音響整合層と、 密度が 4 0 0 k g/m3以上 1 5 0 O k g/m3以下の範囲内にある第 2音響整 合層とを有し、 かつ、 前記第 1音響整合層の密度は前記第 2音響整 合層の密度よりも小さい。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層の密度は 5 0 k gZ m3以上 4 0 0 k g Zm 3以下の範囲内にあり、 前記第 2音響整合 層の密度は 4 0 0 k gZm3超 8 0 0 k g Zm3以下の範囲内にあ る。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層の音響ィンピーダン ス Z aと前記第 2音響整合層の音響ィンピーダンス Z bとの関係が， Z a < Z bである。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層の厚さが、 前記第 1 音響整合層中を伝播する音波の波長 λの略四分の一である。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層の音響ィンピーダン スが S X l C^k gZs · ιη2以上 2 0 X 1 04k gZs ' m2以下の 範囲内にある。
ある実施形態において、 前記第 2音響整合層の厚さが、 前記第 2 音響整合層中を伝播する音波の波長 λの略四分の一である。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合 層がともに無機酸化物を含む。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層は乾燥ゲルを含む。 ある実施形態において、 前記第 1音響整合層は乾燥ゲルの粉末を 含む。
ある実施形態において、 前記乾燥ゲルの固体骨格部が無機酸化物 を含む。
ある実施形態において、 前記無機酸化物は酸化ケィ素である。 ある実施形態において、 前記無機酸化物の固体骨格部が疎水化さ れている。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合 層とが直接結合されている。
ある実施形態において、 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合 層との間に構造支持層をさらに有し、 前記構造支持層が密度 1 0 0 0 k g Z m 3以上であり、 前記構造支持層の厚さが前記構造支持層 中を伝播する音波の波長 λの八分の一未満である。
本発明の超音波送受波器は、 圧電体層と、 前記圧電体層上に設け られた上記のいずれかの音響整合層とを備え、 前記第 2音響整合層 が前記圧電体層側に配置されている。
ある実施形態において、 前記音響整合層が前記圧電体層上に直接 結合されている。
ある実施形態において、 前記圧電体層を内包する凹部を形成する 上板と、 前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有 するケースをさらに有し、 前記圧電体層は前記ケースの前記上板の 内面に接着されており、 前記音響整合層は、 前記上板を介して前記 圧電体層に対向するように前記上板の上面に結合されている。 ある実施形態において、 前記ケースが金属材料から形成されてい る。
ある実施形態において、 前記ケースの前記上板が前記第 2音響整 合層と一体に形成されている。
本発明の超音波送受波器の製造方法は、 上記のいずれか超音波送 受波器の製造方法であって、 前記圧電体層上または前記圧電体層を 前記内面に接合した前記上板上に前記第 2音響整合層を形成するェ 程と、 その後で、 前記第 2音響整合層上に乾燥ゲルからなる前記第 1音響整合層を形成する工程とを包含する。 あるいは、 前記第 2音 響整合層上に、 乾燥ゲルからなる前記第 1音響整合層を形成し、 前 記音響整合層を得る工程と、 前記圧電体層上または前記圧電体層を 前記内面に接合した前記上板上に前記音響整合層を接合する工程と を包含する。
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信する一対の超音波送受 波器と、 前記超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回 路と、 前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算 回路とを備える超音波流量計であって、 前記一対の超音波送受波器 のそれぞれは上記のいずれかの超音波送受波器で構成されている。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明による実施形態の音響整合層の模式的な断面図で ある。 図 2は、 本発明による実施形態の圧電振動子の模式的な断面図で ある。
図 3は、 本発明の第 3の形態として示す超音波送受波器の断面図 である。
図 4は、 本発明の第 4の形態として示す超音波送受波器の断面図 である。
図 5は、 本発明による実施形態の超音波送受波器の製造方法にお ける工程 （ a) から （e ) を模式的に示す図である。
図 6は、 本発明による他の実施形態の超音波送受波器の製造方法 における工程 （ a) から （e ) を模式的に示す図である。
図 7 ( a) および （b) は、 本発明の実施形態の音響整合層に好 適に用いられる粉末乾燥ゲルを含む第 1音響整合層の構造を模式的 に示す図である。
図 8 ( a) から （ c ) は、 本発明で用いた超音波送受波器の受信 出力特性を示す図であり、 （ a) は単一音響整合層 （ガラスェポキ シ） を用いた場合の特性図、 （b) は単一音響整合層 （シリカ乾燥 ゲル） を用いた場合の特性図、 （ c ) は 2層音響整合層 （シリカ乾 燥ゲル、 シリカ多孔体） を用いた場合の特性図である。
図 9 ( a) から （C) は、 本発明で用いた超音波送受波器の振動 変位周波数特性を示す図であり、 （ a ) は単一音響整合層 （ガラス バルーン/エポキシ系） を用いた場合の特性図、 （b) は単一音響 整合層 （シリカ乾燥ゲル） を用いた場合の特性図、 （ c ) は 2層音 響整合層 （シリカ乾燥ゲル、 シリカ多孔体） を用いた場合の特性図 である。 図 1 0は、 従来の超音波送受波器の構成を示す断面図である。 図 1 1は、 本発明の超音波送受波器を用いた超音波流量計を示す ブロック図である。
図 1 2は、 一般的な超音波流量計の測定原理を説明するための断 面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
本発明による実施形態の音響整合層 1は、 図 1に示すように、 密 度が小さく音速の遅い第 1音響整合層 2と、 それよりも密度が高く 音速の速い第 2音響整合層 3とを備える。 第 1音響整合層 2の密度 は 5 0 k gZm3以上 500 k g Zm3以下の範囲内にあり、 第 2 音響整合層 3の密度は 400 k gZm3以上 1 500 k g/m3以 下の範囲内にあり、 かつ、 第 1音響整合層 2の密度は第 2音響整合 層 3の密度よりも小さい。 例えば、 第 1音響整合層 2の密度は 5 0 k gZm3以上 400 k gZm3以下であり、 第 2音響整合層 3の 密度は 400 k gZm3超 800 k gZm3以下である。
本発明による実施形態の圧電振動子 8においては、 図 2に示すよ うに、 第 1音響整合層 2を放射媒体側に、 第 2音響整合層 3を圧電 体層 4側に配置される。 このように本発明による音響整合層 1を備 える圧電振動子 8を用いることによって、 超音波送受波器を高感度 化することができる。
例えば、 図 3に示す本発明の実施形態による超音波送受波器 1 0 Aは、 図 1 0に示した従来の超音波送受波器 1 0 ' の音響整合層 1 ' に代えて、 図 1に示した本発明の実施形態の音響整合層 1を有 している。 超音波の放射媒体と音響ィンピ一ダンス整合した第 1音 響整合層 2を放射媒体側に配置してある。 この構成にすることで、 音響インピーダンスが十分に小さく超音波の放射媒体である気体に 整合して高感度な超音波送受波できるとともに、 信号の立ち上り応 答性の良い優れた超音波送受波器を得られる。
以下に、 図 8 ( a) から （ c ) および図 9 ( a) から （ c ) を用 いて本発明による実施形態の超音波送受波器の構成により得られる 効果について詳細に説明する。
図 8 ( a) から （ c ) は超音波送受波器の超音波の受信出力特性 を示したもので、 各音響整合層における受信波形を示したものであ る。
図 8 ( a) および図 8 (b) は、 音響整合層が単層である図 1 0 に示した従来構成の超音波送受波器 1 0 ' を用いたものである。 図 8 ( a) は、 ガラスバルーン Zエポキシ系の音響整合層 （厚さ 1.
2 5 mm, 音速 2 5 0 0 mZ s、 密度 5 0 0 k g/m3) を用いた 場合を示し、 図 8 ( b) は、 シリカ乾燥ゲルの音響整合層 （厚さ 9 0 u rn, 音速 1 8 0 mZ s、 密度 2 0 0 k gZm3) を用いた場合 を示している。
図 8 ( c ) は、 図 3に示した本発明による実施形態の超音波送受 波器 1 0 Aの特性を示す図である。 第 1音響整合層 2として、 シリ 力乾燥ゲルの音響整合層 （厚さ 9 0 m、 音速 1 8 0 m/ s、 密度 2 0 0 k g/m3) を用い、 第 2音響整合層 3として、 シリカ多孔 体の音響整合層 （厚さ 7 5 0 ;am、 音速 1 5 0 0 / s、 密度 5 7
0 k g /m3) を用いた場合を示している。
まず、 図 8 ( a) と （b) との比較から、 低密度な乾燥ゲルを音 響整合層として用いることで、 従来から一般的に用いられているガ ラスバルーンノエポキシ系を用いた場合よりも、 受信出力電圧の振 幅最大幅 （ピーク トウピーク電圧） が大きくなつており、 感度が向 上していることがわかる。
しかしながら、 図 8 ( b) では、 図 8 ( a) に比べて受信信号の 立ち上りが鈍くなつていることがわかる。 さらに、 立ち上りにおけ る 5 0 0 k H z超音波信号の各波頭とその前後の波頭との出力値の 差が小さくなつているため、 到達検出レベルによる伝搬時間検知の 許容幅が小さくて誤差検知を生じやすくなり検知が難しくなってい る。 このことから、 音響整合層としてシリカ乾燥ゲルを用いた超音 波送受波器では、 高感度になるが、 立ち上り特性の向上が必要であ る。
図 8 (c ) のように、 シリカ乾燥ゲルと酸化ケィ素を焼成して作 製したシリカ多孔体とからなる 2層構造の音響整合層を用いること によって、 ピーク トウピーク電圧が大きく感度が高くなるとともに. 立ち上り特性も良好な特性が得られている。 これは、 気体側に配置 した密度が小さく音速の遅い第 1音響整合層によって、 超音波の放 射媒体である気体との音響ィンピーダンス整合をとつて高感度化を 図ることができた上に、 圧電体側に配置した密度が高く音速の速い 第 2音響整合層による良好な立ち上り特性が確保されているためで あると考える。 このような良好な特性が得られた理由についてさらに図 9 ( a ) から （c ) を用いて説明する。 図 9 ( a ) から （ c ) はそれぞれ図 8 ( a ) から （ c ) に対応する超音波送受波器の振動変位周波数特 性を示す図である。
図 9 ( a ) のように従来のガラスバルーン/エポキシ系の音響整 合層では、 まだ気体との音響ィンピーダンスの整合が十分ではない ために、 2極特性を示し周波数帯域が広い。 そのために、 超音波の パルス信号に対する応答が良く立ち上り特性がよくなる。 それに対 して、 図 9 ( b ) に示すシリカ乾燥ゲルの音響整合層においては、 気体との音響ィンピーダンスが整合するために 1極特性を示し狭帯 域化する。 そのために、 高感度にはなるが、 共振周波数よりも速い 変化に応答しにくいためにパルス信号に対する立ち上り特性が悪く なる。
これらの単層での音響整合層に対して、 図 9 ( c ) に示す本発明 の音響整合層の構成にすると、 第 1音響整合層と第 2音響整合層と の 2層構造であるために、 振動変位の周波数特性は 3極特性を示す ことになり、 帯域が広がる。 そのために、 立ち上りの応答が速くな る上に、 放射媒体である気体との音響ィンピーダンスの整合をそれ に面する第 1音響整合層によって取っているために減衰が少なく感 度が高くなるものである。
本発明による実施形態の 2層構造を有する音響整合層を用いるこ とによって、 気体へ超音波を放射して計測等を行う際に用いる超音 波送受波器において、 従来の単層の音響整合層では達成できなかつ た高感度でかつ応答性の良い超音波の送信と受信を行うことができ る。 さらに、 このような超音波送受波器を用いることによって、 高 感度でかつ特性バラツキが少ないことから流量計測の安定性の向上 を図れる超音波流量計を得ることができる。 なお、 本発明による実 施形態の音響整合層は、 典型的には 2層構造であるが、 圧電体層に 近いほど音響整合層の密度を高くなり、 放射媒体側の表面に近いほ ど音響整合層の密度が低くなるように、 3以上の音響整合層を配置 してもよい。
以下に、 本発明の具体的な実施の形態について図を用いて説明す る。
(実施の形態 1 )
図 1 に、 本発明による実施形態の音響整合層 1の構成を模式的に 示す。
音響整合層 1は、 密度が 5 O k g m 3から 5 0 0 k g Z m 3の 範囲内にある第 1音響整合層 2 と、 密度が 4 0 0 k g Zm 3から 1 5 0 0 k g /m 3の範囲内にある第 2音響整合層 3 とが積層された 構造を有している。 なお、 第 1音響整合層 2の密度よりも第 2音響 整合層 3の密度の方が高い。
第 1音響整合層 2は、 超音波の放射媒体である気体に対して音響 ィンピーダンスの整合を行って高感度化を図る役割である。 このと き、 第 1音響整合層 2の音響インピーダンス Z aと第 2音響整合層 3の音響ィンピ一ダンス Z bとの関係が Z a < Z bであることが好 ましい。 この第 1音響整合層 2の音響ィンピ一ダンスの値としては， 例えば空気とセラミック圧電体との音響ィンピーダンスの整合を取 るための値である略 1 1 X 1 0 k g / s · m 2程度が好ましい。 し
5 かし、 他の気体として可燃性ガスの流量計測に本発明の音響整合層 を用いた超音波送受波器を用いる場合を例にすると、 第 1音響整合 層の音響インピーダンスとしては、 例えば水素に対する 5 X 1 04 k g / s · m2程度の値からプロパンに対する 1 2 X 1 04 k g s · m2程度の値までを有することが好ましい。 また、 その他のガ スゃ混合ガスなども考えたときには、 5 X 1 04k gZs * m2以上 2 0 X 1 04k g/ s · m2以下の範囲内にあるのが特に好ましい。 また、 対象の気体に対する音響ィンピ一ダンスの整合を若干ずらし た状態でも、 第 1音響整合層 2で得られる音響ィンピーダンスの領 域では高い感度が得られるため、 5 0 X 1 04 k g s · m2以下、 好ましくは 0. 5 X 1 04k g_/ s ' m2以上 5 0 X 1 04k g/ s · m2以下の範囲である。
第 1音響整合層 2が上述の音響ィンピーダンスを得るためには、 密度が 5 0 k gZm3以上 5 0 0 k g /m 3以下の範囲内でかつ音 速が 5 0 0 mZ s未満であるものを使用する。 このときに、 第 2音 響整合層 3は密度が 4 0 O k g/m3以上 1 5 0 O k g/m3以下 の範囲内でかつ音速が 5 0 0 m/ s以上であるのが好ましい。 ただ し、 Z a < Z bの関係が成り立つように設定する。 なお、 第 2音響 整合層 3の音響インピーダンス Z bは、 超音波を発信する圧電体層 の音響インピーダンスよりも小さいことが好ましい。
また、 音響インピーダンスを整合して感度を向上するには、 音響 整合層の厚さにも関係する。 音響整合層を透過する超音波が音響整 合層と超音波の放射媒体との境界面および音響整合層と超音波振動 子との境界面での反射係数を考慮して求めた超音波の反射率がもつ とも小さくなる条件の時、 すなわち、 音響整合層の厚さが超音波発 振波長の四分の一の時に透過強度が最大となる。 したがって、 第 1 音響整合層 2の厚さが、 その音響整合層中を通過する超音波発振波 長の略四分の一である構成にすることが高感度化に効果がある。 さ らに、 第 2音響整合層 3の厚さが、 その音響整合層中を通過する超 音波発振波長の略四分の一である構成にすることも効果があり、 第 1音響整合層 2及び第 2音響整合層 3をともに略四分の一波長とな るようにするのが最も効果がある。 なお、 超音波の発振波長の略四 分の一とは、 八分の一波長から八分の三波長の範囲程度である。 つ まり、 それ以上に小さいと音響整合層として働かなくなり、 それよ り大きいと反射率が極大になる二分の一波長に近づくため感度が逆 に低下してしまう。
本発明の音響整合層 1の材料としては、 第 1音響整合層 2は密度 が 5 0 k gZm3以上 5 0 0 k g/m3以下の範囲内であり、 音速 が 5 0 0 m/ s未満である条件の材料が好ましい。 さらに、 第 2音 響整合層 3は密度が 4 0 O k gZm3以上 1 5 0 0 k g/m3以下 の範囲内であり、 音速が 5 0 0 mZ s以上である条件の材料が好ま しい。
第 1音響整合層 2の具体的な材料としては、 有機高分子、 無機材 料の繊維体、 フォーム体、 焼結多孔体、 乾燥ゲルなどが候補として あるが、 特に乾燥ゲルを用いるのが好ましい。
ここで、 「乾燥ゲル」 とは、 ゾルゲル反応によって形成される多 孔体であり、 ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が溶 媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、 乾燥して溶媒除去すること で形成されるものである。
乾燥ゲルを得るために、 湿潤ゲルから溶媒除去して乾燥する方法 としては、 超臨界乾燥、 凍結乾燥などの特別な条件の乾燥方法や、 加熱乾燥、 減圧乾燥、 自然放置乾燥などの通常の乾燥方法を用いる ことができる。
超臨界乾燥は、 溶媒をその臨界点以上の温度、 圧力条件にした超 臨界状態で除去する方法であり、 気液界面がなくゲルの固体骨格部 に乾燥ストレスを与えることがないため収縮したりすること無く、 非常に低密度の乾燥ゲルを得ることができる。 その反面、 超臨界乾 燥で得た乾燥ゲルは、 使用環境におけるストレス、 例えば結露や熱 ストレス、 薬品ストレス、 機械ストレス等の影響を受けることもあ る。
それに対して、 通常の乾燥方法によって得られる乾燥ゲルは、 乾 燥ストレスに耐え得るために、 その後の使用環境におけるストレス に対しても耐久性が高いという特徴がある。 このような通常の乾燥 方法で低密度の乾燥ゲルを得るためには、 乾燥する前に湿潤ゲルの 段階で、 固体骨格部がストレスに耐え得るようにしておく必要があ る。 例えば、 固体骨格部を熟成して強度を増したり、 疎水化する際 に固体骨格部を補強するように温度条件や重合しやすい多官能の疎 水化剤を適用したり、 細孔の大きさを制御したりすることで実現す ることができる。 特に、 気体の流量を計測する際には、 いろいろな 環境で使用されることがあるために、 通常の乾燥方法で作製した乾 燥ゲルで音響整合層を得るのが好ましい。 また、 通常の乾燥方法を 適用する場合には、 超臨界乾燥のような高圧のプロセスではないた めに、 設備が簡易になり、 取扱いも行いやすいなどの利点もある。 上述の方法で得られる乾燥ゲルは、 ナノメートルサイズの固体骨 格部によって平均細孔直径が 1 n mから 1 0 0 n mの範囲内にある 連続気孔が形成されているナノ多孔体ある。 そのため、 密度が 5 0 O k g Z m 3以下、 好ましくは 4 0 O k g Z m 3以下の低密度な状 態では、 乾燥ゲルの有する特異な網目状骨格を形成している固体部 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 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、 音速として 5 0 0 m Z s以下の非常に遅い値を示 し、 低い音響ィンピーダンスを得ることができるという特徴を有す る。
また、 ナノメートルサイズの細孔部では、 細孔サイズが気体分子 の平均自由行程と同程度以下となっており、 気体の圧損が大きいた めに音響整合層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。
なお、 乾燥ゲルの材料としては、 無機材料、 有機高分子材料など を用いることができる。 無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、 酸 化ケィ素 （シリカ） または酸化アルミニウム （アルミナ） などゾル ゲル反応で得られる一般的なセラミックスを成分として適用するこ とができる。 また、 有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部としては、 一般的な熱硬化性樹脂、 熱可塑性樹脂により構成することができる t 例えば、 ポリウレタン、 ポリウレア、 フエノール硬化樹脂、 ポリア クリルアミ ド、 ポリメ夕クリル酸メチルなどを適用することができ る。
また、 これらの乾燥ゲルを粉砕することによって得られる粉末 (粉末乾燥ゲル） を用いてもよい。
第 2音響整合層 3の材料としては、 有機高分子、 無機材料の繊維 体、 フォーム体、 焼結多孔体、 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、 ガラスバルーンを熱圧縮した材料な どを用いることができる。
第 2音響整合層 3は、 第 1 音響整合層 2よりも密度が高く、 音 速が速くなり音響インピーダンスが大きくなるものがよい。 より具 体的には、 密度が 40 O k gZm3以上 1 5 0 O k gZm3以下の 範囲内にあるものを用いる。 この範囲の密度は、 超音波の放射媒体 である気体に対する音響インピーダンスの整合を大きくずらすこと なく超音波の送受波するのに十分な感度を得ることができるととも に、 応答性にも優れた特性を得ることができる。 これ以上の密度に なると圧電体の音響ィンピーダンスに近くなる傾向であるために、 本発明の音響整合層の構成にしている効果が低下してしまうために, 感度向上と応答性を両立した特性が得られにくくなる。 第 2音響整 合層 3の密度の上限は 8 O O k gZm3であってもよい。
第 2音響整合層 3として、 例えば、 ガラスバルーンを熱硬化樹脂 で成型した音響整合層や、 酸化ゲイ素原料と高分子ビーズを混合し て焼成して高分子除去した酸化ゲイ素多孔体音響整合層、 ガラスバ ルーンを熱結着 （熱圧縮） して成型した音響整合層などを好適に用 いることができる。 第 2音響整合層 3が連続気孔構造を有する場合には、 乾燥ゲルか らなる第 1音響整合層 2を形成するときに特に原料液の浸透が生じ ることがある。 この場合には、 浸透を生じたまま第 1音響整合層 2 を形成することもできるが、 その浸透を避けるために第 2音響整合 層 3の表面に構造支持層を形成してもよい。 ただし、 第 1音響整合 層 2が第 2音響整合層 3に部分的に浸透した場合には両者の密着性 が上がるという効果もある。 したがって、 第 1音響整合層 2と第 2 音響整合層 3の組合せによって構成は決定すればよい。
第 1音響整合層 2と第 2音響整合層 3がともに無機酸化物である 場合には、 耐湿信頼性や、 耐化学薬品性に優れるとともに、 音響ィ ンピーダンスの温度特性に優れる。 すなわち、 無機酸化物の乾燥ゲ ルを用いると、 2 5 以上 7 0 以下の範囲内における音響インピ 一ダンスの温度変化率が、 一 0 . 0 4 以下 （絶対値が 0 . 0
4 % / 以下という意味） の音響整合層を得ることができる。 これ に対し、 従来のエポキシ ガラスバルーン系や、 有機高分子ゲルを 用いると、 上記音響インピーダンスの温度変化率の絶対値を 0 . 0 4 % /で以下とすることは難しい。
音響ィンピーダンスの温度変化率が小さいと、 例えば後述する超 音波流量計に用いた場合、 広い温度範囲に亘つて高い測定精度を得 ることができる。
また、 本発明における第 1音響整合層と第 2音響整合層が化学結 合してなる構成にするのが好ましい。 これによつて、 超音波振動に 対する密着性の確保や、 取り扱いの容易さや、 超音波送受波器の使 用時の振動に対する耐久性などに対して有効になる。 この際に、 第 1音響整合層の乾燥ゲルの無機酸化物が酸化ケィ素である場合には ゾルゲル反応による音響整合層の形成がしゃすいために好ましい。 さらに、 第 2音響整合層 3も酸化ケィ素を用いると材質の違いによ る特性への影響が低減できると思われる。 この構成のときには、 第 2音響整合層 3の酸化ケィ素の表面水酸基は、 第 1音響整合層 2を ゾルゲル反応で形成する際に存在するシラノール基と化学結合しゃ すいために、 好ましい効果が得られる。
また、 無機酸化物を用いて音響整合層を形成すると、 吸湿による 耐湿性の課題が懸念されるために、 無機酸化物の固体骨格部が疎水 化 （撥水化） されていることが好ましい。 疎水化することによって. 例えば、 計測対象の気体中に水分や不純物が存在した場合に、 それ らの吸着や付着の影響を受けにく くできるので、 より信頼性の高い 音響整合層を得ることができる。
無機酸化物の固体骨格部の疎水化は、 例えばシランカツプリング 剤などの表面処理剤を用いて行う。 表面処理剤としては、 トリメチ ルクロルシラン、 ジメチルジクロルシラン、 メチルトリクロルシラ ン、 ェチルトリクロルシランなどのハロゲン系シラン処理剤、 トリ メチルメ トキシシラン、 トリメチルエトキシシラン、 ジメチルジメ トキシシラン、 メチルトリエトキシシランなどのアルコキシ系シラ ン処理剤、 へキサメチルジシロキサン、 ジメチルシロキサンオリゴ マーなどのシリコーン系シラン処理剤、 へキサメチルジシラザンな どのアミン系シラン処理剤、 プロピルアルコール、 ブチルアルコー ル、 へキシルアルコール、 ォク夕ノール、 デカノールなどのアルコ ール系処理剤などを用いることができる。 また、 これらの処理剤の有するアルキル基の水素が一部または全 てがフッ素に置換したフッ素化処理剤を用いれば、 疎水化 （撥水 性） に加えて、 撥油性、 防汚性などのさらに優れた効果が得られる ものである。
(実施の形態 2 )
図 2に、 本発明による実施形態の超音波送受波器に用いられる圧 電振動子 8の断面構造を模式的に示す。 圧電振動子 8は、 超音波流 量計の超音波送受波器に用いられる。
電気一超音波相互変換を行う圧電振動子 8は、 圧電体層 4と実施 の形態 1で説明した音響整合層 1で構成されている。 圧電体層 4は. 超音波振動を発生するもので、 圧電セラミックゃ圧電単結晶等から なり、 厚さ方向に分極され、 上下面に電極 （不図示） を有している, 音響整合層 1は、 前述したよう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ためのもので、 駆動交流電圧によ り励振される圧電体層 4の機械的振動が外部の媒体に超音波として 効率よく放射され、 到来した超音波が効率よく電圧に変換される役 目を有し、 圧電体層 4における超音波の送受波面を形成する状態に して圧電体層 4の片側に形成されている。
音響整合層の機械的な強度を向上し、 取り扱いを容易にするため に、 音響整合層 1の第 1音響整合層 2と第 2音響整合層 3との間に 構造支持層を設けても良い。 構造支持層としては、 密度が 8 0 0 k g Z m 3以上、 好ましくは 1 0 0 0 k g Z m 3以上であり、 その構 造支持層の厚さが構造支持層中を伝播する音波の波長 λの八分の一 未満であることが好ましい。 すなわち、 構造支持材層は密度が高く 音速が速いことによって、 その厚さが超音波発振波長よりも十分に 小さいときには、 超音波の送受波には影響が極めて小さくなる。 構 造支持層を形成する材料としては、 金属材料や、 セラミック、 ガラ スなどの無機シート、 プラスチックシートなどの保護コ一トを用い ることができる。 第 1音響整合層 2 と第 2音響整合層 3とを接着層 (接着剤または接着シート） を介して接合した場合、 接着層が構造 支持層として機能する。
圧電体層 4をケースの内面に接着し、 ケースの外面に音響整合層 1 を接着する構成を採用する場合、 圧電体層 4と音響整合層 1 との 間に存在するケースを構成する上板が構造支持層として機能する。 さらに、 第 1音響整合層 2の表面 （気体側） に構造支持層を形成 してもよい。 密度の高い材料で支持されるために、 音響整合層 1の 取り扱い性が向上し、 密着性が向上することによって耐久性も向上 するという好ましい効果が得られる。
(実施の形態 3 )
図 3に、 本発明による実施形態の超音波送受波器の模式的な断面 図を示す。
図 3に示す超音波送受波器 1 0 Aは、 実施形態 1の音響整合層 1 と圧電体層 4とを用いて圧電振動子を構成した超音波送受波器であ る。
超音波送受波器 1 O Aは、 圧電体層 4を内包する凹部を形成する 上板 5 aと、 凹部内の空間を密閉するように配置される底板 5 bと を有するケース （密閉容器） 5をさらに有している。 圧電体層 4は ケース 5の上板 5 aの内面に結合 （接着） されており、 音響整合層 1は、 上板 5 aを介して圧電体層 4に対向する位置に上板 5 aの上 面に結合 （接着） されている。
圧電体層 4と音響整合層 1との間に存在する上板 5 aは、 構造支 持層としても機能する。 上板 5 aの厚さは、 超音波発振波長よりも 十分に小さいことが好ましく、 上板 5 a中を伝播する音波の波長 λ の八分の一未満であることが好ましい。 また、 上板 5 aの密度は 8 0 0 k g Z m 3以上であることが好ましく、 l O O O k g Z m 3以 上であることがさらに好ましい。
ケース 5を導電性材料 （例えば、 金属材料） で作ることによって ケース 5は構造支持部材として機能とともに、 圧電体層 4を発振、 または受信した超音波を検知するための電極 （配線） の働きもする, 圧電体層 2の一対の主面に形成されている電極 （不図示） は、 ケー ス 1を介して一方の端子 7に接続され、 他方はワイヤなどによって 他方の端子 7に接続されている。 従って、 ケース 1は、 一般に導電 性を有する金属から形成される。 なお、 他方の端子 7は絶縁体 6に よってケース 5から絶縁されている。
圧電体層 4にケース 5の上板 5 aを介して対向するように配置さ れた音響整合層 1は、 圧電体層 4側から超音波を放射する媒体に向 かって第 2音響整合層 3と第 1音響整合層 2とをこの順で積層され ている。 音響整合層 1をこのように配置することによって、 図 8
( c ) および図 9 ( c ) を参照しながら上述したように、 感度が高 く、 応答性の良い超音波送受波器 1 0が得られる。
可燃性ガスを検知対象とする場合は、 圧電体層 4をケース 5内に 収容することで、 圧電体層 4をガスと隔離することができる。 ケー ス 5の内部 （凹部） は窒素などの不活性ガスでパージしておくのが 好ましい。 このようにすると、 可燃性ガスを対象とした超音波流量 計に用いた場合に、 安全性が高いという利点が得られる。 また、 可 燃性ガスに接触する音響整合層の構成材料も、 ガスと反応したり、 燃焼したりしないものが好ましい。 この観点からも、 音響整合層を 無機酸化物で構成することが好ましい。
このように構成されている超音波送受波器 1 O Aでは、 駆動端子 7に超音波送受波器の共振周波数近傍の周波数の交流信号成分を持 つバースト信号電圧を印加すると、 圧電体層 4は厚さ振動モードで 振動し、 気体または液体中等の流体中にバースト状の超音波を放射 することになる。
(実施の形態 4 )
図 4に、 本発明の一実施の形態における超音波送受波器の断面図 を示す。
図 4に示す超音波送受波器 1 0 Bは、 ケース 1 5の一部が第 2音 響整合層 1 3で形成されており、 圧電体層 4がそのケース 1 5の第 2音響整合層 1 3の内面に配置され、 第 1音響整合層 1 2がその第 2音響整合層 1 3の圧電体層 4の配置位置に対向した外面に配置さ れている。 第 2音響整合層 1 3が構造支持層としての役割も果たし ている。 そのため、 第 2音響整合層 1 3は比較的密度が高い材料で 構成することが好ましく、 第 2音響整合層 1 3だけでは超音波の放 射媒体である気体との音響ィンピーダンスの整合は取りにくい。 し かしながら、 図 4のように、 第 2音響整合層 1 3上に第 1音響整合 層 1 2をさらに積層した構成とすることによって、 気体との音響ィ ンピーダンスの整合をとり、 高感度化することができる。
(実施の形態 5 )
図 5に、 本発明による実施形態の超音波送受波器の製造方法の説 明図を示す。
本実施形態の超音波送受波器の製造方法は、 圧電体層または圧電 体層を内面に配置したケースに第 2音響整合層を形成した後に、 乾 燥ゲルからなる第 1音響整合層を積層する工程を含む方法である。 工程 （ a ) ： 第 2音響整合層 3を用意する。
工程 （b ) ： 圧電体層 4およびケース 5を用意する。
工程 （ c ) ： 圧電体層 4と第 2音響整合層 3をケース 5に接着剤 などを用いて接合する。
工程 （d ) ： 第 2音響整合層 3上に、 乾燥ゲルからなる第 1音響 整合層を形成する。
工程 （ e ) ： 電極、 端子板 （ケース 5の底板） 5 bを取りつけて 超音波送受波器を得る。
第 1音響整合層 2を形成する工程 （d ) は、 第 2音響整合層 3の 上に、 ゲル原料液を塗布する成膜工程、 そのゲル原料液より湿潤ゲ ルを得る固体化工程、 得られた湿潤ゲル層中の溶媒を除去して乾燥 ゲルの層を得る乾燥工程とを含む。 また、 予め乾燥ゲルからなる第 1音響整合層 2を形成しておき、 接着剤などを用いて第 2音響整合 層 3上に接合してもよいが、 上述した方法によると、 第 1音響整合 層 2と第 2音響整合層 3とを直接結合 （接着層を介さず結合） でき るので好ましい。 第 1音響整合層 2 と第 2音響整合層 3の積層構造の耐久性を向上 するために、 第 1音響整合層 2 と第 2音響整合層 3 とを化学結合さ せることもできる。 例えば、 第 2音響整合層 2を無機酸化物で構成 し、 第 2音響整合層 3を洗浄等によって表面に水酸基が存在するよ うに処理しておく と、 第 1音響整合層 2を無機酸化物の乾燥ゲルで 形成する際に、 化学結合を形成することが出来る。 表面に水酸基を 生成する処理方法としては、 酸またはアルカリによる洗浄、 水洗、 紫外線照射、 オゾン処理、 酸素プラズマ処理などを用いて行うこと ができる。
また、 第 2音響整合層 3が連続気孔体であるときは、 第 1音響整 合層 2を形成するためのゲル原液が浸透し、 さらに強固な化学結合 が形成され得る。 このとき、 第 1音響整合層 2 と第 2音響整合層 3 とを同じ無機酸化物で形成することが好ましい。 第 1音響整合層 2 と第 2音響整合層 3 とが化学的に結合することにより、 音響的な結 合が強くなり感度が向上するとともに、 特性の安定性や信頼性が向 上するので好ましい。
(実施の形態 6 )
図 6に、 本発明による他の実施形態の超音波送受波器の製造方法 の説明図を示す。
本実施形態の超音波送受波器の製造方法は、 第 2音響整合層 3の 一方の面に、 乾燥ゲルからなる第 1音響整合層 2を積層した音響整 合層 1 を形成した後に、 圧電体層 4または圧電体層 4を内面に配置 したケース 5に音響整合層 1 を貼り合わせる工程を含む製造方法で ある。 工程 （ a ) ： 第 2音響整合層 3を用意する。
工程 （b ) ： 第 2音響整合層 3の片面に、 第 1音響整合層 2を積 層する。 この積層方法は、 第 2音響整合層 3の上に、 ゲル原料液を 塗布する成膜工程、 そのゲル原料液より湿潤ゲルを得る固体化工程. 得られた湿潤ゲル層中の溶媒を除去して乾燥ゲルの層を得る乾燥ェ 程とを含む。 また、 予め乾燥ゲルからなる第 1音響整合層 2を形成 しておき、 接着剤などを用いて第 2音響整合層 3上に接合してもよ いが、 上述した方法によると、 第 1音響整合層 2と第 2音響整合層 3とを直接結合 （接着層を介さず結合） できるので好ましい。 また. 第 1音響整合層と第 2音響整合層の積層構造の耐久性を向上するた めに、 実施形態 6と同様の方法を用いることができる。
工程 （c ) ： 圧電体層 4およびケース 5を用意する。
工程 （d ) ： 第 1音響整合層 2と第 2音響整合層 3を積層した音 響整合層 1 と、 圧電体層 4とケース 5 ( c ) を接着剤等によって、 接合する。
工程 （ e ) ： 電極、 端子板 （ケース 5の底板） 5 bを取りつけて 超音波送受波器を得る。
(実施の形態 7 )
第 1音響整合層 2を乾燥ゲルの粉末を用いて形成することもでき る。 図 7 ( a ) に示す第 1音響整合層 2 Aは、 乾燥ゲルの粉末 （以 下、 「粉末乾燥ゲル」 ということもある。 ） 2 aと、 添加剤 2 bと で構成されている。 第 1音響整合層 2 Aを乾燥ゲルの粉末を用いて 形成することによって、 湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する 特性のばらつきが抑制される。 また、 粉末乾燥ゲル 2 aを用いると， 予め粉末乾燥ゲル 2 aを作製しておくことができるので、 超音波送 受波器の生産性を向上することができるという利点も得られる。 す なわち、 上述した超音波送受波器の製造プロセスにおいて、 ゲル原 料液を固体化して湿潤ゲルを得る工程およびこれを乾燥する工程を 予め実行しておくことができるので、 超音波送受波器の製造のスル ープッ 卜を向上できる。
粉末乾燥ゲル 2 aの平均粒径は 1 以上 1 0 0 以下である ことが好ましい。 この下限値よりも小さいと粉末中の細孔数が減少 して乾燥ゲルの特徴的に効果が低減されるとともに、 成形する際の 添加剤の必要量が増加するため低密度の音響整合層を得ることが難 しくなることがある。 粉末乾燥ゲル 2 aの平均粒径が上限値よりも 大きいと、 音響整合層の厚さ制御が難しくなり、 厚さの均一性およ び表面の平坦性が十分な音響整合層を形成することが難しくなるこ とがある。
粉末乾燥ゲル 2 aを互いに結合し、 音響整合層 2 Aの機械的な強 度を向上するための添加剤 （バインダ） 2 bとしては、 熱結着性を 有する高分子粉末を好適に用いることができる。 液状の材料を用い ると、 乾燥ゲルの細孔内部に浸透し、 音響特性を変えてしまったり , 成形性を低下させることがあるので、 固形材料、 特に粉末を用いる ことが好ましい。
ここで、 「熱結着性高分子」 とは、 室温において固形で、 加熱に よって溶融または軟化し、 その後固化する高分子を指す。 熱結着性 高分子は、 一般的な熱可塑性樹脂 （例えば、 ポリエチレンやポリプ ロピレンなどのエンジニアリングプラスチック） だけでなく、 例え ば室温においては固形で加熱によって一旦軟化し、 その後、 架橋硬 化する熱硬化性榭脂 （例えば、 フエノール樹脂、 エポキシ樹脂、 ゥ レ夕ン榭脂） を用いることができる。 また、 熱硬化性樹脂が主剤と 硬化剤とを含む場合、 それぞれを別粉末として添加しても良い。 も ちろん、 熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とを混合して用いても良い。 熱結着性高分子粉末の溶融 （軟化） 温度は 8 0 以上 2 5 0 以下 の範囲にあることが好ましい。
添加剤として熱結着性高分子を用いると、 典型的には、 後述する ように、 粉末乾燥ゲル 2 aと添加剤との混合粉末を加熱しながら加 圧成形する際に、 溶融 （軟化） した添加剤が、 冷却に伴って固化す ることにより、 および Zまたは、 架橋硬化することにより、 粉末乾 燥ゲル 2 a同志を接合する役割を果たす。
熱結着性高分子粉末の平均粒径は 0 . 1 以上 5 0 i m以下で あることが好ましい。 この下限値よりも小さいと粉末乾燥ゲルの細 孔径に近くなるため、 結着性が低下したり、 成形性が低下すること がある。 また上限値よりも大きいと、 成形に必要な添加量が増加す るため、 低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。 また、 熱結着性高分子粉末の添加量は全体の 4 0質量％以下であ ることが好ましい。 全体の 4 0質量％を超えると、 成形した際の密 度が高くなつてしまうことがある。 また、 十分な機械強度を得るた めには、 例えば、 全体の 5質量％以上添加することが好ましい。 上記の添加剤 （ 「添加剤 A」 ということがある。 ） と粉末乾燥ゲ ルとの接合を強化するために、 図 7 ( b ) に模式的に示した音響整 合層 2 Bのように、 繊維 （無機繊維 （例えはグラスウール） や有機 繊維） ゃゥイス力などをさらに添加しても良い （ 「添加剤 B」 とい うことがある。 ） 。 図 7 (b) の音響整合層 2 Bにおいて、 添加剤 2 bは上記と同じ熱結着性高分子の粉末であり、 添加剤 2 cは短繊 維である。 短繊維の好適な直径の範囲は上記の熱結着性高分子粉末 の平均粒径と同程度であり、 繊維の長さは数 m〜数 mm程度であ ることが好ましい。
2種類の添加剤の添加量は、 全体に対して、 4 0質量％以下であ ることが好ましく、 配合比率は、 必要に応じて適宜設定される。 粉末乾燥ゲルを用いた音響整合層は、 音響ィンピ一ダンスを調整 しゃすいという利点をさらに有している。 例えば、 互いに異なる密 度を有する複数の種類の粉末乾燥ゲルを混合することによって、 音 響インピーダンスを調整することができる。 さらに、 上記の添加剤 A (必要に応じて添加剤 B) の量を調節することによって、 音響ィ ンピーダンスを調整することができる。 勿論、 添加剤 Aおよび Bの 添加量は、 成形性などを考慮して上記の範囲内とすることが好まし い。
粉末乾燥ゲルを含む第 1音響整合層 2 Bは、 例えば、 以下の方法 で形成することができる。
工程 （ a) ： 多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲル （密度約 2 0 0 k gZm3〜 40 0 k g Zm3) と 1 0質量％程度 （全体に対し て） の添加剤 Aと添加剤 Bとを用意する。 ここで用意する乾燥ゲル は粉末である必要は必ずしもない。 ブロック状でもよい。 乾燥ゲル は例えば平均細孔径が 2 0 nmのシリカ乾燥ゲルであり、添加剤 A はポリプロピレン粉末であり、 添加剤 Bは繊維径が 1 0 m程度の グラスウールである。
工程 （b ) ： これらを同一容器内に入れ、 混合粉砕し、 微細な紛 末を作製する。 典型的にはミルを用いて実行される。 ここで、 上述 した所望の平均粒径の粉末乾燥ゲルが得られるように、 粉砕条件を 調整する。 また、 必要に応じて分級してもよい。 もちろん、 乾燥ゲ ルの粉砕工程と、 混合工程とを別に行っても良い。
工程 （ c ) ： 低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤 Aと添加剤 Bとから なる混合粉末を所望の量秤量し、 加熱しながら加圧成形する。 この とき、 第 2音響整合層 3の表面に直接加圧成形することによって、 第 1音響整合層 2を第 2音響整合層 3に直接結合させることができ る。
また、 粉末乾燥ゲルと添加剤 Aおよび Bとの混合粉末とを加圧成 形する前に、 混合粉末の層に振動を加えるなどして、 混合粉末の層 の上面を平坦にすることが好ましい。 このようにすることによって, 得られる第 1音響整合層 2 Aの特性をさらに均一にすることができ る。
(実施の形態 8 )
図 1 1に、 本発明による実施形態の超音波送受波器を用いた超音 波流量計のブロック図を示す。
図 1 1における超音波流量計は、 流量測定部 5 1である管内を被 測定流体が速度 Vにて図に示す方向に流れるようにして設置される, その流量測定部 5 1の管壁 5 2には、 本発明の超音波送受波器とし ての圧電振動子 1 0 1および 1 0 2が相対して配置されている。 こ こでは、 圧電振動子 1 0 1を超音波送波器として用い、 圧電振動子 1 0 2を超音波受波器として用いている。 また、 超音波送波器 1 0 1 と超音波受波器 1 0 2には、 これらの送受信を切り替える切替回 路 5 5を介して、 超音波送受波器 1 0 1および 1 0 2を駆動する駆 動回路 5 4と、 超音波パルスを検知する受信検知回路 5 6、 超音波 パルスの伝搬時間を計測する夕イマ 5 7、 夕イマ 5 7の出力より流 量を演算する演算回路 5 8、 駆動回路 5 4と夕イマ 5 7に制御信号 を出力する制御回路 5 9が接続されている。
このように構成された超音波流量計の動作を次に説明する。 非測 定流体を、 例えば L Pガス、 超音波送受波器 1 0 1および 1 0 2の 駆動周波数を約 5 0 0 k H z とする。 制御回路 5 9では駆動回路 5 4に送信開始信号を出力すると同時に、 夕イマ 7の時間計測を開始 させる。 駆動回路 5 4は送信開始信号を受けると超音波送受波器 1 0 1を駆動し、 超音波パルスを送信する。 送信された超音波パルス は流量測定内を伝搬し、 超音波送受波器 1 0 2で受信される。 受信 された超音波パルスは超音波送受波器 1 0 2で電気信号に変換され. 受信検知回路 5 6に出力される。 受信検知回路 5 6では受信信号の 受信タイミングを決定し、 夕イマ 5 7を停止させ、 演算回路 5 8で 伝搬時間 t 1を演算する。
引き続き、 切替回路 5 5で駆動部 5 4と受信検知回路 5 6に接続 する超音波送受波器 1 0 1および 1 0 2を切り替え、 再び制御回路 5 9では駆動回路 5 4に送信開始信号を出力すると同時に、 夕イマ 5 7の時間計測を開始させる。 伝搬時間 t 1の測定と逆に、 超音波 送受波器 1 0 2で超音波パルスを送信し、超音渡送受波器 1 0 1で 受信し、 演算回路 5 8で伝搬時間 t 2を演算する。
ここで、 超音波送受波器 1 0 1 と超音渡送受波器 1 0 2の中心を 結ぶ距離を L、 L Pガスの無風状態での音速を（：、 流量測定部 5 1 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 1 0 1 および 1 0 2の中心を結ぶ線との角度を 0 とすると、 伝搬時間 t 1 t 2はそれぞれ求められる。 また、 距離 Lは既知であるので時間 t 1 と t 2を測定すれば流速 Vが求められ、 その流速 Vから流量を調 ベることができることとなる。
[実施例]
以下に、 本発明の具体的な実施例について述べる。
(実施例 1 )
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
(a) 第 2音響整合層 （ガラスエポキシ） の製造
治具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて.
1 2 0 で熱硬化させた。 この硬化成型体を超音波発振波長の四分 の一の厚さとなるように切削した。
なお、 超音波約 5 0 0 kH zに対して、 音速 2 5 0 0mZ s、 密 度 5 0 0 k gZm3、 厚さ 1. 2 5 mmであった。
(b) 第 2音響整合層と圧電体およびケースとの接合
ケースケースの天面の両側に接着剤を印刷し、 圧電体層の片面お よび第 2音響整合層の片面に接着剤を印刷した。 この状態で圧電体 と第 2音響整合層とケースを合わせて加圧しながら加熱して硬化接 合した。 (c) 第 1音響整合層の積層
まず、 ゲイ酸ソーダの電気透析を行い、 pH 9〜 1 0のゲイ酸水 溶液 （水溶液中のシリカ成分濃度 14重量％) を作る。 そのゲイ酸 水溶液の pHを 5. 5に調整したのちに、 予め紫外線照射によって 水酸基を表面に形成するように洗浄した第 2音響整合層上に、 厚さ 90 mとなるように塗布を行った。 この後に塗膜がゲル化して固 体化したシリカ湿潤ゲル層を得た。 この容器を二酸化炭素を使用し て 1 2MP a、 50でで超臨界乾燥させることで、 シリカ乾燥ゲル 第 1音響整合層とガラスエポキシ第 2音響整合層とを積層した音響 整合層を形成した圧電振動子ケースを得た。
なお、 シリカ乾燥ゲルからなる第 1音響整合層は、 超音波約 5 0 0 kH zに対して、 音速 1 80mZs、 密度 2 00 k gZm3であ つた。
( d ) 超音波送受波器の形成
音響整合層を形成したケースに蓋板、 駆動端子等を組み付けて超 音波送受波器を得た。
(実施例 2 )
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
(a) 第 2音響整合層 （シリカ多孔体） の製造
数十/ z m径の球状ァクリル樹脂と径 1 m以下の焼結シリカ粉末 を混合した後に加圧成型を行った。 この成型体を乾燥した後に、 9 00 で焼成してシリカ多孔体を形成した。 その後に厚さが超音波 発振波長の四分の一になるように調製した。 なお、 超音波約 5 0 0 kH zに対して、 音速 1 5 0 0 m/ s、 密 度 5 7 0 k g m3、 厚さ 7 5 0 /zmであった。
(b) 第 2音響整合層と第 1音響整合層の積層
テトラメ トキシシランとエタノールとアンモニア水溶液 （ 0. 1 規定） をモル比で 1対 3対 4になるように調製したゲル原料液を、 予めプラズマクリーニングによって水酸基を表面に形成するように 洗浄した第 2音響整合層上に、 厚さ 9 0 mとなるように塗布を行 つた。 この後に塗膜がゲル化して固体化したシリ力湿潤ゲル層を得 た。
このシリカ湿潤ゲル層を形成した第 2音響整合層を トリメチルェ トキシシランの 5重量％へキサン溶液中で疎水化処理を行った後に. 二酸化炭素による超臨界乾燥 （ 1 2 MP a、 5 0 ） を行って、 シ リカ乾燥ゲルと第 2音響整合層が積層した音響整合層を得た。
なお、 第 2音響整合層上の水酸基とテトラメ トキシシランのアル コキシ基が反応して化学結合をしているため、 密着性の良い音響整 合層を提供できる。
なお、 シリカ乾燥ゲルからなる第 1音響整合層は、 超音波約 5 0 0 k H zに対して、 音速 1 8 0 m/ s、 密度 2 0 0 k gZm3であ つた。
( c ) 音響整合層とケース、 圧電体層との接合
ケースの天面の両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに， 圧電体の片面および第 2音響整合層面とケースを合わせて加圧しな がら加熱して硬化接合した。
(d) 超音波送受波器の形成 ケースに蓋板、 駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。
(実施例 3)
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
( a) 第 2音響整合層 （シリカ多孔体） の製造
粒径が数 mから数十/ mの焼結シリカ粉末を成型し、 得られた 成型体を 9 0 0 で焼成して、 厚さが超音波発振波長の約四分の一 のシリカ多孔体を形成した。 なお、 このシリカ多孔体からなる第 2 音響整合層は、 超音波 （約 5 0 0 kH z ) に対して、 音速が約 4 0 0 0 m/ s , 密度が約 1 2 0 0 k g/m3、 厚さが約 2 mmであつ た。
この第 2音響整合層 （シリカ多孔体） の片面に構造支持層として 厚さ 3 mのガラス層 （密度約 3 0 0 0 k g /m3) を形成した。 このガラス層の音速はおおよそ 5 0 0 O mZ s以上であるため、 超 音波約 5 0 0 k H zに対して伝搬する音波の波長は 1 c mより大き くなる。 形成したガラス層の厚さは波長の八分の一よりも十分に小 さいために、 音響整合に関しては影響がない。
(b) 第 2音響整合層と第 1音響整合層の積層
( a) で形成したシリカ多孔体のガラス層面に， 実施例 2と同様 に形成したシリカ湿潤ゲルを 4 0 から 7 0 に加熱しながら疎水 化したのちに、 窒素気流下で 8 0 にて加熱乾燥して、 シリカ乾燥 ゲルからなる第 1音響整合層を第 2音響整合層に積層した音響整合 層を得た。 なお、 シリカ乾燥ゲルからなる第 1音響整合層は、 超音波約 5 0 0 kH zに対して、 音速 1 8 0 mZ s、 密度 Z O O k gZm3であ つた。
(c ) 音響整合層とケース、 圧電体との接合
ケースケースの天面の両側にエポキシ系接着シートを仮結着した のちに、 圧電体の片面および第 2音響整合層面とケースを合わせて 加圧しながら加熱して硬化接合した。
(d) 超音波送受波器の形成
ケースに蓋板、 駆動端子等を組み付けて超音波送受波器を得た。 (比較例 1 )
実施例 1で作製した第 2音響整合層 （ガラスエポキシ） のみの超 音波送受波器を形成した。
(比較例 2)
実施例 1に記載した方法で圧電振動子のケース上にシリカ乾燥ゲ ルのみを音響整合層として作製した超音波送受波器を得た。
以下に、 上述の実施例 1から 3、 および比較例 1 と 2の超音波 5 0 0 k H zでの送受波特性を比較した。 それぞれの実施例、 比較例 で作製した超音波送受波器を一対対向して超音波流量計を形成した, そのときに、 一方の超音波送受波器から発信した音波を他の超音波 送受波器で受信したときの出力波形にて評価を行った。
なお、 図 8 ( a) から （ c ) は、 その一例 （比較例 1、 比較例 2. 実施例 2 ) を示したものである。
感度 ： （実施例 2 ) = (実施例 3 ) > (実施例 1 ) > (比較例 2 ) » (比較例 1 ) 立ち上り応答性 ： （実施例 1 ) （実施例 2 ) = (実施例 3) ≥ (比較例 1 ) 》 （比較例 2 )
上記のように、 感度に関しては、 従来から一般に用いられている 比較例 1の音響整合層に対して、 実施例 1では約 1 0倍、 実施例 2 および実施例 3では約 2 0倍の優れた特性を示した。 また、 立ち上 り応答性に関しては、 従来から一般に用いられている比較例 1の音 響整合層に対して、 実施例 1、 2および 3では同等か、 それより若 干良い特性であった。 すなわち、 図 8 ( a) の比較例 1では超音波 の波頭が 5波目でピークになるのに対して、 図 8 ( c ) の実施例 2 では超音波の波頭が 4波目でピークになっていた。 したがって、 実 施例で作製した本発明の超音波送受波器では、 感度および立ち上り 応答性がともに従来よりも優れた特性が得られることがわかった。
(実施例 4)
本発明の超音波送受波器の製造を以下のように行った。
( a) 第 2音響整合層 （シリカ多孔体） の製造
実施例 3と同様に数/ 径から数十 w m径の焼結シリカ粉末を成 型し、 得られた成型体を 9 0 0 °Cで焼成して、 厚さが超音波発振波 長の約四分の一のシリカ多孔体を形成した。 なお、 このシリカ多孔 体からなる第 2音響整合層は、 超音波約 5 0 0 k H zに対して、 音 速が約 40 0 0 m/ s、 密度が約 1 2 0 0 k gZm3、 厚さが約 2 mmであった。
(b) 第 2音響整合層と第 1 音響整合層の積層
( a) で形成したシリカ多孔体に、 テトラエトキシシランのシリ コーンオリゴマーを原料として、 イソプロピルアルコール溶媒中、 アンモニア触媒でシリカ湿潤ゲルを形成した。 7 0でで湿潤ゲルを 熟成した後に、 ジメチルジメ トキシシランによる疎水化処理を行つ た。 その後に、 自然放置で溶媒を乾燥除去して、 シリカ乾燥ゲルか らなる第 1音響整合層を第 2音響整合層に積層した音響整合層を得 た。
なお、 シリカ乾燥ゲルからなる第 1音響整合層は、 超音波 （約 5 0 0 k H z ) に対して、 音速が約 3 0 0 m Z s、 密度が約 4 2 O k g / m 3であった。 この第 1音響整合層の部分を厚さ 1 5 0 mに 加工して、 最終的な音響整合層とした。
( c ) 音響整合層とケース、 圧電体層との接合
凹構造のケースの上板の両側にエポキシ系接着剤を塗布した後に 圧電体層の片面および音響整合層の第 2音響整合層側の面を接着剤 層を介してケースの上板に貼り合わせ、 加圧しながら接着剤を加熱 して硬化することによって、 音響整合層および圧電体層をケースの 上板に接合した。
( d ) 超音波送受波器の形成
ケースの蓋板 （底板） 、 駆動端子等を組み付けて超音波送受波器 を得た。
このように作製した超音波送受波器についても、 1対で送受信特 性を評価したところ、 感度、 立上り応答性についても、 比較例 1 、 比較例 2よりも優れた特性が得られた。 産業上の利用可能性
本発明によると、 密度が小さく音速の遅い第 1音響整合層と、 そ れよりも密度が高く音速の速い第 2音響整合層とを積層して構成さ れた音響整合層が提供される。 それを超音波送受波器へ適用し、 超 音波の放射媒体と音響ィンピーダンス整合した第 1音響整合層を放 射媒体側に配置することで、 音響ィンピーダンスが十分に小さく超 音波の放射媒体である気体に整合して高感度な超音波送受波できる とともに、 信号の立ち上り応答性の良い優れた超音波送受波器を得 られる。
また、 本発明の製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、 低 音響ィンピ一ダンスの音響整合層により高感度化ならびに特性の安 定化を図ることができる。
さらに、 本発明の超音波流量計は、 本発明の超音波送受波器が高 感度および特性バラツキが少ないことから流量計測の安定性の向上 が図れる。 また、 音響整合層を無機酸化物で構成することで流量計 測の温度特性が優れた特性が得られるともに、 音響整合層を疎水化 することによって耐湿性に優れた信頼性の高い超音波流量計を提供 できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 圧電体層と気体との音響インピーダンスを整合させる音響整 合層であって、
密度が 50 k gZm3以上 500 k gZm3以下の範囲内にある 第 1音響整合層と、
密度が 400 k gZm3以上 1 5 00 k gZm3以下の範囲内に ある第 2音響整合層と、
を有し、 かつ、 前記第 1音響整合層の密度は前記第 2音響整合層の 密度よりも小さい、 音響整合層。
2. 前記第 1音響整合層の密度は 50 k g/m3以上 40 0 k g Zm3以下の範囲内にあり、 前記第 2音響整合層の密度は 400 k gZm3超 800 k gZm3以下の範囲内にある、 請求項 1に記載 の音響整合層。
3. 前記第 1音響整合層の音響インピーダンス Z aと前記第 2音 響整合層の音響ィンピーダンス Z bとの関係が、 Z a <Z bである 請求項 1または 2記載の音響整合層。
4. 前記第 1音響整合層の厚さが、 前記第 1音響整合層中を伝播 する音波の波長 λの略四分の一である請求項 1から 3のいずれかに 記載の音響整合層。
5. 前記第 1音響整合層の音響ィンピーダンスが 5 X 1 04k g / s * m2以上 2 0 X 1 04k gZ s - m2以下の範囲内にある請求 項 1から 4いずれかに記載の音響整合層。
6. 前記第 2音響整合層の厚さが、 前記第 2音響整合層中を伝播 する音波の波長 λの略四分の一である請求項 1から 5のいずれかに 記載の音響整合層。
7. 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合層がともに無機酸化 物を含む、 請求項 1から 6のいずれかに記載の音響整合層。
8. 前記第 1音響整合層は乾燥ゲルを含む、 請求項 1から 7のい ずれかに記載の音響整合層。
9. 前記第 1音響整合層は乾燥ゲルの粉末を含む、 請求項 8に記 載の音響整合層。
1 0. 前記乾燥ゲルの固体骨格部が無機酸化物を含む、 請求項 8 または 9に記載の音響整合層。
1 1. 前記無機酸化物が酸化ケィ素である請求項 1 0に記載の音 響整合層。
1 2 . 前記無機酸化物の固体骨格部が疎水化されている、 請求項 1 0または 1 1に記載の音響整合層。
1 3 . 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合層とが直接結合さ れている請求項 1から 1 2のいずれかに記載の音響整合層。
1 4 . 前記第 1音響整合層と前記第 2音響整合層との間に構造支 持層をさらに有し、
前記構造支持層が密度 1 0 0 0 k g Z m 3以上であり、 前記構造 支持層の厚さが前記構造支持層中を伝播する音波の波長 λの八分の 一未満である請求項 1から 1 2のいずれかに記載の音響整合層。
1 5 . 圧電体層と、 前記圧電体層上に設けられた請求項 1から 1 4のいずれかに記載の音響整合層とを備え、 前記第 2音響整合層が 前記圧電体層側に配置されている、 超音波送受波器。
1 6 . 前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている、 請求項 1 5に記載の超音波送受波器。
1 7 . 前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、 前記凹部 内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさら に有し、
前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、 前記音響整合層は、 前記上板を介して前記圧電体層に対向するよ うに前記上板の上面に結合されている、 請求項 1 5に記載の超音波 送受波器。
1 8 . 前記ケースが金属材料から形成されている請求項 1 7に記 載の超音波送受波器。
1 9 . 前記ケースの前記上板が前記第 2音響整合層と一体に形成 されている、 請求項 1 7に記載の超音波送受波器。
2 0 . 請求項 1 5から 1 9のいずれかに記載の超音波送受波器 の製造方法であって、
前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上 板上に前記第 2音響整合層を形成する工程と、
その後で、 前記第 2音響整合層上に乾燥ゲルからなる前記第 1音 響整合層を形成する工程と、
を包含する超音波送受波器の製造方法。
2 1 . 請求項 1 5から 1 9のいずれかに記載の超音波送受波器 の製造方法であって、
前記第 2音響整合層上に、 乾燥ゲルからなる前記第 1音響整合層 を形成し、 前記音響整合層を得る工程と、
前記圧電体層上または前記圧電体層を前記内面に接合した前記上 板上に前記音響整合層を接合する工程と、 を包含する超音波送受波器の製造方法。
2 2 . 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信する一対の超音波送受波器と、 前記超音波 送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、 前記計測回路 からの信号に基づいて流量を算出する流量演算回路とを備える超音 波流量計であって、
前記一対の超音波送受波器のそれぞれは、 請求項 1 5から 1 9の いずれかに記載の超音波送受波器で構成されている、 超音波流量計,
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