JP2005037219A

JP2005037219A - Ultrasonic transmitter/receiver and manufacturing method therefor

Info

Publication number: JP2005037219A
Application number: JP2003273862A
Authority: JP
Inventors: Hidetomo Nagahara; 英知永原; Taku Hashida; 卓橋田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-sensitivity ultrasonic transmitter/receiver having an acoustic matching member including an arbitrary surface shape. <P>SOLUTION: This ultrasonic transmitter/receiver has: an electromechanical transducing element (a piezoelectric body 2); a pair of electrodes 3 provided on the electromechanical transducing element 2; and an acoustic lens 5 disposed on an ultrasonic transmitting/receiving face side of the electromechanical transducing element 2. The acoustic lens 5 is formed of dried gel. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、乾燥ゲルから形成された音響レンズなどの部材を有する超音送受波器およびその製造方法に関する。特に本発明は気体に対して高い感度で超音波の送受波を行うことができる超音波送受波器およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer having a member such as an acoustic lens formed from a dry gel and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to an ultrasonic transducer capable of transmitting and receiving ultrasonic waves with high sensitivity to a gas and a method for manufacturing the same.

近年、管内を流れる流体を伝搬する超音波が所定の距離を伝達するのに要する時間を計測することにより、流体の移動速度を測定する超音波流量計がガスメータなどとして利用されつつある。このような超音波流量計は例えば特許文献１に開示されている。 In recent years, an ultrasonic flowmeter that measures a moving speed of a fluid by measuring a time required for an ultrasonic wave propagating through a fluid flowing in a pipe to transmit a predetermined distance is being used as a gas meter or the like. Such an ultrasonic flowmeter is disclosed in Patent Document 1, for example.

図１は、上記の超音波流量計の主要部を示す断面図である。図１に示す超音波流量計では、管壁１０２に一対の超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂが相対して設置されている管内を測定対象の流体（例えば、天然ガスや水素ガス）が矢印Ｖの方向に流れている。超音波送受波器１０１ａ、１０１ｂは、それぞれ、圧電セラミックなどの圧電体を用いて構成されており、圧電ブザーや圧電発振子と同様に共振特性を示す。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the main part of the ultrasonic flowmeter. In the ultrasonic flow meter shown in FIG. 1, a fluid to be measured (for example, natural gas or hydrogen gas) is indicated by an arrow V in a pipe in which a pair of ultrasonic transducers 101 a and 101 b are installed opposite to a pipe wall 102. It is flowing in the direction of Each of the ultrasonic transducers 101a and 101b is configured using a piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic, and exhibits resonance characteristics like a piezoelectric buzzer or a piezoelectric oscillator.

図１の超音波流量計によれば、測定シーケンスの最初の段階においては、超音波送受波器１０１ａが超音波送波器として機能しも超音波送受波器１０１ｂは超音波受波器として機能する。この段階においては、超音波送受波器１０１ａの共振周波数近傍における周波数を持つ交流電圧が超音波送受波器１０１ａ内に印加される。すると、超音波送受波器１０１ａは超音波送波器として流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路Ｌ１に沿って流体中を伝搬し、超音波受波器１０１ｂに到達する。このとき、超音波送受波器１０１ｂは受波器として機能し、受け取った超音波を電圧信号に変換する。 According to the ultrasonic flow meter of FIG. 1, in the first stage of the measurement sequence, the ultrasonic transducer 101a functions as an ultrasonic transmitter, but the ultrasonic transducer 101b functions as an ultrasonic receiver. To do. At this stage, an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 101a is applied to the ultrasonic transducer 101a. Then, the ultrasonic transducer 101a radiates ultrasonic waves into the fluid as an ultrasonic transmitter. The emitted ultrasonic wave propagates in the fluid along the path L1, and reaches the ultrasonic receiver 101b. At this time, the ultrasonic transducer 101b functions as a receiver, and converts the received ultrasonic wave into a voltage signal.

次の段階では、超音波送受波器１０１ｂが超音波送波器として機能し、超音波送受波器１０１ａが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受波器１０１ｂの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧が超音波送受波器１０１ｂ内の圧電体に印加されることにより、超音波送受波器１０１ｂから流体中に超音波が放射される。放射された超音波は、経路Ｌ２に沿って流体中を伝搬して、超音波送受波器１０１ａに到達する。超音波送受波器１０１ａは伝搬してきた超音波を受けて電圧信号に変換する。 In the next stage, the ultrasonic transducer 101b functions as an ultrasonic transducer, and the ultrasonic transducer 101a functions as an ultrasonic receiver. That is, by applying an AC voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 101b to the piezoelectric body in the ultrasonic transducer 101b, ultrasonic waves are radiated from the ultrasonic transducer 101b into the fluid. Is done. The emitted ultrasonic wave propagates in the fluid along the path L2, and reaches the ultrasonic transducer 101a. The ultrasonic transducer 101a receives the transmitted ultrasonic wave and converts it into a voltage signal.

このように、超音波送受波器１０１ａおよび１０１ｂは、送波器としての機能と受波器としての機能を交互に果たすために、一般に「超音波送受波器」と総称される。 As described above, the ultrasonic transducers 101a and 101b are generally collectively referred to as “ultrasonic transducers” in order to alternately perform a function as a transmitter and a function as a receiver.

図１に示す超音波流量計では、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ースト電圧信号を駆動電圧として用いられる。 In the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 1, when an alternating voltage is continuously applied, it is difficult to measure the propagation time because the ultrasonic wave is continuously emitted from the ultrasonic transducer, so that it is usually a pulse signal. A burst voltage signal having a carrier wave as a carrier voltage is used as a drive voltage.

以下、上記超音波流量計の測定原理を、より詳細に説明する。 Hereinafter, the measurement principle of the ultrasonic flowmeter will be described in more detail.

まず、駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１０１ａに印加することにより、超音波送受波器１０１ａから超音波バースト信号を放射する。これにより、超音波バースト信号は経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０１ｂに到達する。経路Ｌ１の距離は、経路Ｌ２の距離と等しく、Ｌであるとする。 First, an ultrasonic burst signal is radiated from the ultrasonic transducer 101a by applying a driving burst voltage signal to the ultrasonic transducer 101a. As a result, the ultrasonic burst signal propagates through the path L1 and reaches the ultrasonic transducer 101b after time t. The distance of the path L1 is equal to the distance of the path L2, and is L.

超音波送受波器１０１ｂは、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳＮ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び、超音波送受波器１０１ａに印加して超音波バースト信号を放射する。このようにして動作する装置を「シング・アラウンド型装置」と呼ぶ。 The ultrasonic transducer 101b can convert only the transmitted ultrasonic burst signal into an electric burst signal with a high S / N ratio. This electric burst signal is electrically amplified and applied again to the ultrasonic transducer 101a to radiate the ultrasonic burst signal. An apparatus that operates in this manner is called a “sing-around type apparatus”.

また、超音波パルスが超音波送受波器１０１ａから放射された後、超音波送受波器１０２ｂに到達するまでの時間を「シング・アラウンド周期」という。「シング・アラウンド周期」の逆数は、「シング・アラウンド周波数」と呼ばれる。 In addition, the time from when an ultrasonic pulse is radiated from the ultrasonic transducer 101a until it reaches the ultrasonic transducer 102b is referred to as a “sing-around period”. The reciprocal of the “sing around period” is called the “sing around frequency”.

図１において、管の中を流れる流体の流速をＶ、流体中の超音波の速度をＣ、流体の流れる方向と超音波パルスの伝搬方向の角度をθとする。超音波送受波器１０１ａを超音波送波器、超音波送受波器１０１ｂを超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器１０１ａから出た超音波パルスが超音波送受波器１０１ｂに到達する時間であるシング・アラウンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数ｆ１とすれば、つきの式（１）が成立する。 In FIG. 1, the flow velocity of the fluid flowing in the pipe is V, the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C, and the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse is θ. When the ultrasonic transducer 101a is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transducer 101b is used as an ultrasonic receiver, an ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 101a is converted into an ultrasonic transducer 101b. If the sing-around period, which is the time to reach, is t1, and the sing-around frequency f1 is satisfied, the following equation (1) is established.

ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（１） f1 = 1 / t1 = (C + Vcos θ) / L (1)

逆に、超音波送受波器１０１ｂを超音波送波器として、超音波送受波器１０１を超音波受波器として用いたときのシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数ｆ２とすれば、次の式（２）の関係が成立する。 Conversely, if the ultrasonic transducer 101b is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 101 is used as an ultrasonic receiver, the sing-around period is t2, and the sing-around frequency is f2, The relationship of the following formula (2) is established.

ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（２） f2 = 1 / t2 = (C−Vcos θ) / L (2)

両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次の式（３）で示される。 The frequency difference Δf between both sing-around frequencies is expressed by the following equation (3).

Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（３） Δf = f1-f2 = 2V cos θ / L (3)

式（３）によれば、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆとから、流体の流速Ｖを求めることができる。そして流速Ｖから流量を決定することができる。 According to Expression (3), the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference Δf. The flow rate can be determined from the flow velocity V.

このような超音波流量計では、正確な流量を計測するために高い精度が求められる。精度を高めるためには、送受信する超音波信号のＳ／Ｎを高めることが重要である。 In such an ultrasonic flow meter, high accuracy is required in order to measure an accurate flow rate. In order to increase the accuracy, it is important to increase the S / N of the ultrasonic signal to be transmitted / received.

超音波送受波器における超音波信号のＳ／Ｎを高めるために、音響レンズを用いて超音波を受波用超音波送受波器の位置へ集束させる方法がある。超音波を集束させない平板型の超音波送受波器から超音波を送信する場合には、送信された超音波は、周波数と超音波送受波器の開口サイズで規定される伝搬形態を取ることとなる。このため、超音波を送信している超音波送受波器に対向する位置に置かれた受信用の超音波送受波器に対して、効率的に超音波を受信させる（Ｓ／Ｎを高めること）ことが困難になり、その結果として、精度の高い超音波流量計を実現することが難しい。 In order to increase the S / N ratio of the ultrasonic signal in the ultrasonic transducer, there is a method of focusing the ultrasonic wave on the position of the ultrasonic transducer for reception using an acoustic lens. When transmitting an ultrasonic wave from a flat plate type ultrasonic transducer that does not focus the ultrasonic wave, the transmitted ultrasonic wave has a propagation form defined by the frequency and the opening size of the ultrasonic transducer. Become. For this reason, the receiving ultrasonic transducer placed at the position facing the ultrasonic transducer transmitting the ultrasonic wave efficiently receives the ultrasonic wave (increasing S / N). As a result, it is difficult to realize an ultrasonic flowmeter with high accuracy.

超音波を目的の位置へ集束させるため、図２に示すように、凹面形状の送受波面を有する超音波送受波器１が提案されている。図２の超音波送受波器１は、一対の電極３が上下面に形成された圧電体２と、圧電体２の主面（超音波放射面）に形成された音響整合部材４とを備えており、圧電体４および音響整合部材４がともに曲率半径Ｒの凹面型を有している。電極３に電圧を印加することによって圧電体２が伸縮し、圧電体２の主面から超音波が放射される。この超音波は、凹面の曲率中心に集束するため、高感度な超音波の送受信が可能となる。
特願平０８−１２８８７４号公報 In order to focus an ultrasonic wave to a target position, as shown in FIG. 2, an ultrasonic wave transmitter / receiver 1 having a concave wave transmitting / receiving surface has been proposed. 2 includes a piezoelectric body 2 having a pair of electrodes 3 formed on the upper and lower surfaces, and an acoustic matching member 4 formed on the main surface (ultrasonic radiation surface) of the piezoelectric body 2. Both the piezoelectric body 4 and the acoustic matching member 4 have a concave surface type with a radius of curvature R. By applying a voltage to the electrode 3, the piezoelectric body 2 expands and contracts, and ultrasonic waves are emitted from the main surface of the piezoelectric body 2. Since this ultrasonic wave is focused on the center of curvature of the concave surface, highly sensitive ultrasonic waves can be transmitted and received.
Japanese Patent Application No. 08-128874

しかしながら、図２のような超音波送受波器１を実現するためには、凹面型の圧電体２を用意した上で、その湾曲した主面に沿って一定の厚さを有する音響整合部材４を形成する必要がある。このため、製造が困難でコスト高となるといった問題があった。 However, in order to realize the ultrasonic transducer 1 as shown in FIG. 2, the acoustic matching member 4 having a certain thickness along the curved main surface is prepared after the concave piezoelectric body 2 is prepared. Need to form. For this reason, there existed a problem that manufacture was difficult and cost became high.

また、図２の超音波送受波器１を超音波流量計に用いる場合、超音波送受波器１の主面が凹型面であるため、測定流体の流れが乱れて渦流を発生し、流量測定誤差を生む要因となる可能性がある。 In addition, when the ultrasonic transducer 1 of FIG. 2 is used in an ultrasonic flowmeter, the main surface of the ultrasonic transducer 1 is a concave surface, so that the flow of the measurement fluid is disturbed to generate a vortex, thereby measuring the flow rate. There is a possibility of causing an error.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、任意の表面形状を有する音響整合部材を備えた高感度の超音波送受波器およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly sensitive ultrasonic transducer including an acoustic matching member having an arbitrary surface shape and a method for manufacturing the same. It is in.

本発明の超音波送受波器は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子上に設けられた一対の電極と、前記電気機械変換素子の超音波送受波面側に配置された音響レンズとを備え、前記音響レンズは乾燥ゲルから形成されている。 An ultrasonic transducer according to the present invention includes an electromechanical transducer, a pair of electrodes provided on the electromechanical transducer, and an acoustic lens disposed on the ultrasonic transducer surface side of the electromechanical transducer. And the acoustic lens is made of a dry gel.

好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、前記音響レンズの表面を規定する内面を有する容器の内部でゲル化した材料から構成されている。 In a preferred embodiment, the dry gel is made of a material gelled inside a container having an inner surface that defines the surface of the acoustic lens.

好ましい実施形態において、前記音響レンズにおける音速は、超音波の伝搬媒体における音速よりも小さい。 In a preferred embodiment, the speed of sound in the acoustic lens is smaller than the speed of sound in an ultrasonic propagation medium.

好ましい実施形態において、前記音響レンズにおける超音波送受波面側の表面は凸型形状である。 In a preferred embodiment, the surface on the ultrasonic wave transmitting / receiving surface side of the acoustic lens has a convex shape.

好ましい実施形態において、記電気機械変換素子と前記音響レンズの間に設けられた音響整合部材を更に備えている。 In a preferred embodiment, an acoustic matching member is further provided between the electromechanical transducer and the acoustic lens.

好ましい実施形態において、前記音響整合部材は、積層された複数の音響整合層を含んでいる。 In a preferred embodiment, the acoustic matching member includes a plurality of stacked acoustic matching layers.

好ましい実施形態において、前記複数の音響整合層の少なくとも１層は、乾燥ゲルから形成されている。 In a preferred embodiment, at least one of the plurality of acoustic matching layers is formed from a dry gel.

好ましい実施形態において、前記音響レンズの音響インピーダンスは、前記音響整合部材の音響インピーダンスより小さい。 In a preferred embodiment, an acoustic impedance of the acoustic lens is smaller than an acoustic impedance of the acoustic matching member.

本発明による他の超音波送受波器は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子上に設けられた一対の電極と、前記電気機械変換素子の超音波送受波面側に配置された音響整合部材とを備え、前記音響レンズは、上面および／または下面が平坦でない面を有する乾燥ゲルから形成されている。 Another ultrasonic transducer according to the present invention includes an electromechanical transducer, a pair of electrodes provided on the electromechanical transducer, and an acoustic matching disposed on the ultrasonic transducer surface side of the electromechanical transducer. The acoustic lens is formed of a dry gel having a surface whose upper surface and / or lower surface is not flat.

好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、前記平坦でない面を規定する内面を有する容器の内部でゲル化した材料から構成されている。 In a preferred embodiment, the dry gel is composed of a material gelled inside a container having an inner surface defining the non-planar surface.

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、超音波信号を送受波する一対の超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測部と、前記計測部からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段とを備えた超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器の各々が、上記のいずれかの超音波送受波器である。 The ultrasonic flowmeter of the present invention includes a flow rate measurement unit through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transducers that are provided in the flow rate measurement unit and transmit / receive ultrasonic signals, and the pair of ultrasonic transmission / reception units. An ultrasonic flowmeter comprising: a measuring unit that measures a time during which an ultrasonic wave propagates between devices; and a flow rate calculation unit that calculates a flow rate based on a signal from the measuring unit, wherein the pair of ultrasonic waves Each of the transducers is one of the above-described ultrasonic transducers.

好ましい実施形態において、前記測定流体は、気体である。 In a preferred embodiment, the measurement fluid is a gas.

好ましい実施形態において、前記超音波送受波器における前記電気機械変換素子は、前記被測定流体から遮蔽されている。 In a preferred embodiment, the electromechanical transducer in the ultrasonic transducer is shielded from the fluid to be measured.

本発明の装置は、上記いずれかの超音波送受波器を備えている。 The apparatus of the present invention includes any one of the above ultrasonic transducers.

本発明の超音波送受波器の製造方法は、平坦でない面を有する乾燥ゲルから形成された部材と電気機械変換素子とを備えた超音波送受波を製造する方法であって、電極が形成された電気機械変換素子を用意する工程と、前記乾燥ゲルの平坦でない面を規定する内面を有する容器の内部にゲル原料液を供給する工程と、前記容器の内部において前記ゲル原料液をゲル化することにより、前記平坦でない面によって規定された表面を有する湿潤ゲルを形成する工程と、前記湿潤ゲルを乾燥して前記乾燥ゲルを形成する工程とを含む。 A method for manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention is a method for manufacturing an ultrasonic transducer including a member formed from a dry gel having a non-planar surface and an electromechanical transducer, wherein an electrode is formed. A step of preparing an electromechanical conversion element, a step of supplying a gel raw material liquid into a container having an inner surface defining an uneven surface of the dried gel, and the gel raw material liquid is gelled inside the container. Thus, the method includes a step of forming a wet gel having a surface defined by the uneven surface, and a step of drying the wet gel to form the dry gel.

好ましい実施形態において、前記平坦でない面はレンズ面を構成している。 In a preferred embodiment, the non-planar surface constitutes a lens surface.

本発明によれば、乾燥ゲルから形成した音響レンズを用いることにより、高感度な超音波送受波器を実現し、かつ高精度な流量測定が可能な超音波流量計を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an ultrasonic flowmeter which can implement | achieve a highly sensitive ultrasonic transducer and can measure a highly accurate flow volume can be provided by using the acoustic lens formed from the dry gel.

（実施形態１）
以下、図３を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第１の実施形態を説明する。 (Embodiment 1)
Hereinafter, a first embodiment of an ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG.

図３に示されている超音波送受波器１は、圧電体２と、圧電体２の両面（主面および底面）に設けられた一対の電極３と、一対の電極３のうちの一方を介して圧電体２の主面（超音波放射面）に設けられた音響整合部材４と、音響整合部材４上に設けられた音響レンズとを備えている。 An ultrasonic transducer 1 shown in FIG. 3 includes a piezoelectric body 2, a pair of electrodes 3 provided on both surfaces (main surface and bottom surface) of the piezoelectric body 2, and one of the pair of electrodes 3. And an acoustic matching member 4 provided on the principal surface (ultrasonic radiation surface) of the piezoelectric body 2 and an acoustic lens provided on the acoustic matching member 4.

本実施形態の音響整合部材４は、第１音響整合層４ａと第２音響整合層４ｂとが積層された２層構造を有している。 The acoustic matching member 4 of this embodiment has a two-layer structure in which a first acoustic matching layer 4a and a second acoustic matching layer 4b are laminated.

音響整合部材４の底面が接合された圧電体２は、圧電性を有する材料から形成されており、図３の上下方向に平行な方向（厚さ方向）に分極されている。圧電体２の上下面に設けられた一対の電極３に電圧信号が印加されると、この電圧信号に基づいて圧電体２から超音波が放射される。圧電体２から放射された超音波は、第１音響整合層４ａ、第２音響整合層４ｂ、および音響レンズ５を介して伝搬媒体６へ放射されることになる。 The piezoelectric body 2 to which the bottom surface of the acoustic matching member 4 is bonded is made of a material having piezoelectricity, and is polarized in a direction (thickness direction) parallel to the vertical direction in FIG. When a voltage signal is applied to the pair of electrodes 3 provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 2, ultrasonic waves are emitted from the piezoelectric body 2 based on the voltage signal. The ultrasonic wave radiated from the piezoelectric body 2 is radiated to the propagation medium 6 via the first acoustic matching layer 4 a, the second acoustic matching layer 4 b, and the acoustic lens 5.

一方、超音波を受信する場合には、伝搬媒体６を伝搬してきた超音波が音響レンズ５、第２音響整合層４ｂ、および第１音響整合層４ａを介して圧電体２へ伝搬することになる。超音波が圧電体２に伝搬すると圧電体２は変形し、この変形により電極３間に電圧信号が発生する。 On the other hand, when receiving an ultrasonic wave, the ultrasonic wave propagating through the propagation medium 6 propagates to the piezoelectric body 2 via the acoustic lens 5, the second acoustic matching layer 4b, and the first acoustic matching layer 4a. Become. When the ultrasonic wave propagates to the piezoelectric body 2, the piezoelectric body 2 is deformed, and a voltage signal is generated between the electrodes 3 due to the deformation.

本実施形態で用いる圧電体２の材料は任意であり、公知の圧電性材料を用いることができる。また、圧電体２の代わりに、電歪体を用いてもよい。電歪体を用いる場合にも、その材料は任意であり、公知の材料を用いることができる。また、電極３ａ、３ｂも公知の導電材料から形成される。圧電体や電歪体は「電気機械変換素子」と総称される。 The material of the piezoelectric body 2 used in this embodiment is arbitrary, and a known piezoelectric material can be used. Further, instead of the piezoelectric body 2, an electrostrictive body may be used. Also when using an electrostrictive body, the material is arbitrary and a well-known material can be used. The electrodes 3a and 3b are also formed from a known conductive material. Piezoelectric bodies and electrostrictive bodies are collectively referred to as “electromechanical transducers”.

音響整合部材４は、圧電体２で発生した超音波を伝搬媒体６へ効率よく伝搬させる役割を果たすとともに、伝搬媒体６を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体２へ伝える役割を果たす。本実施形態における第１音響整合層４ａは、シリカとガラスの混合粉を焼結させた多孔質体から形成し、第２音響整合部材４ｂは、乾燥ゲルから形成している。乾燥ゲルは、密度ρと音速Ｃの積（ρ×Ｃ）で規定される音響インピーダンスを極めて小さくすることが可能な材料であり、このため、空気などの気体への超音波の送受波効率を極めて高くすることができる。 The acoustic matching member 4 plays a role of efficiently propagating the ultrasonic wave generated by the piezoelectric body 2 to the propagation medium 6 and also plays a role of efficiently transmitting the ultrasonic wave propagated through the propagation medium 6 to the piezoelectric body 2. The first acoustic matching layer 4a in the present embodiment is formed from a porous body obtained by sintering a mixed powder of silica and glass, and the second acoustic matching member 4b is formed from a dried gel. Dry gel is a material that can make the acoustic impedance defined by the product of density ρ and speed of sound C (ρ × C) extremely small. Therefore, the efficiency of transmitting and receiving ultrasonic waves to a gas such as air is improved. Can be very high.

乾燥ゲルとは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体である。より具体的には、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有する。まず、この固体骨格部が溶媒を含んだ湿潤ゲルが形成され、その後、乾燥によって溶媒を除去することにより、最終的な乾燥ゲルが得られる。この乾燥ゲルは、数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部を有し、この固体骨格部の間に平均細孔直径が１ｎｍ〜数μｍ程度の範囲にある連続気孔が形成された多孔質体である。 A dry gel is a porous body formed by a sol-gel reaction. More specifically, it has a solid skeleton that is solidified by the reaction of the gel raw material liquid. First, a wet gel in which the solid skeleton part contains a solvent is formed, and then the solvent is removed by drying to obtain a final dry gel. This dry gel is a porous body having a solid skeleton part of several nm to several μm, and continuous pores having an average pore diameter in the range of about 1 nm to several μm formed between the solid skeleton parts. is there.

乾燥ゲルは、密度の低い状態では、固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔質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、密度の低い状態では音速が５００ｍ／秒以下の非常に遅い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示す。特に、固体骨格部および細孔径が数ｎｍ程度と小さい場合には、極めて遅い音速を有する多孔質体が得られる。また、ナノメートルサイズの細孔部では、気体の圧損が大きいため音響整合部材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。これは内部での超音波の減衰が極めて少ないと言うことも意味する。 The dry gel has such a property that, in a low density state, the speed of sound propagating through the solid portion becomes extremely small, and the speed of sound propagating through the gas portion in the porous body by the pores becomes extremely small. Therefore, in a low density state, the sound speed shows a very slow value of 500 m / sec or less, and an extremely low acoustic impedance. In particular, when the solid skeleton and the pore diameter are as small as several nanometers, a porous body having an extremely slow sound speed can be obtained. In addition, the nanometer-sized pores have a feature that sound waves can be emitted with a high sound pressure when used as an acoustic matching member because the pressure loss of the gas is large. This also means that the attenuation of ultrasonic waves inside is extremely small.

このように有利な性能を有する乾燥ゲルからなる音響整合部材４の上に更に音響レンズ５が配置されると、超音波送受波器から所定の距離だけ離れた位置に超音波を集束させることができるため、高感度な超音波の送受信が可能となる。 When the acoustic lens 5 is further arranged on the acoustic matching member 4 made of the dried gel having such advantageous performance, the ultrasonic wave can be focused at a position away from the ultrasonic transducer by a predetermined distance. Therefore, highly sensitive ultrasonic waves can be transmitted and received.

医療用や水中用の超音波送受波器には、圧電体２から放射された超音波を集束させるためにシリコンゴムなどから形成された音響レンズが用いられているが、気体用超音波送受波器では、このような音響レンズは用いられていない。気体用超音波送受波器に音響レンズを設けようとすると、音響インピーダンスが極めて小さい材料から音響レンズを形成することにより、超音波の減衰を少なくし、気体との間での超音波の送受波を阻害しないようにする必要がある。しかし、従来、このように音響インピーダンスが低い適当な材料が存在していなかったため、気体用超音波送受波器に音響レンズを用いることは行なわれていなかった。 An acoustic lens made of silicon rubber or the like is used for medical or underwater ultrasonic transducers to focus the ultrasonic waves radiated from the piezoelectric body 2. Such an acoustic lens is not used in the instrument. When an acoustic lens is installed in an ultrasonic transducer for gas, the acoustic lens is formed from a material with extremely low acoustic impedance, thereby reducing ultrasonic attenuation and transmitting / receiving ultrasonic waves to / from the gas. It is necessary not to disturb. Conventionally, however, there has been no suitable material having such a low acoustic impedance, so that an acoustic lens has not been used in a gas ultrasonic transducer.

なお、音響レンズの内部での音速が伝搬媒体における音速よりも大きい場合、超音波を集束させるためには、音響レンズの形状を凹型とする必要がある。このため、音響レンズを備えた超音波送受波器を流量計に用いる場合、超音波送受波器の送受波面の凹みが測定流体の流れに乱れを生じて、正確な測定ができなくなる可能性がある。 When the sound speed inside the acoustic lens is larger than the sound speed in the propagation medium, the shape of the acoustic lens needs to be concave in order to focus the ultrasonic wave. For this reason, when an ultrasonic transducer equipped with an acoustic lens is used in a flow meter, the depression of the transmission / reception surface of the ultrasonic transducer may cause disturbance in the flow of the measurement fluid, and accurate measurement may not be possible. is there.

凸型形状の音響レンズを用いて例えば空気へ超音波を送信するためには、音速が３４０ｍ／秒以下の材料から音響レンズを形成する必要がある。しかし、このように音速の低い材料は従来存在していなかった。 In order to transmit ultrasonic waves to air, for example, using a convex acoustic lens, it is necessary to form the acoustic lens from a material having a sound velocity of 340 m / sec or less. However, no material with such a low sound velocity has existed in the past.

本実施形態では、音速の低い乾燥ゲルから音響レンズを作製しているため、図３に示すような凸型形状の音響レンズ５により、超音波を気体中に集束させることが可能になる。この音響レンズ５は、極めて低い密度と音速、すなわち音響インピーダンスを有するため、音波の反射が少なく、空気の音速より遅いと言う特性を有し得る。その結果、凸型形状に形成して超音波を集束させることができる。したがって、高感度な超音波の送受信が可能となり、また、気体の流れに乱れを作ることも抑制できるため、高精度な流量測定が可能となる。 In this embodiment, since the acoustic lens is produced from a dry gel having a low sound velocity, it is possible to focus the ultrasonic wave in the gas by the convex acoustic lens 5 as shown in FIG. Since the acoustic lens 5 has a very low density and sound velocity, that is, acoustic impedance, the acoustic lens 5 has a characteristic that it has less reflection of sound waves and is slower than the sound velocity of air. As a result, the ultrasonic wave can be focused by forming a convex shape. Accordingly, it is possible to transmit and receive highly sensitive ultrasonic waves, and it is also possible to suppress turbulence in the gas flow, so that highly accurate flow rate measurement is possible.

以下、本実施形態の超音波送受波器の製造方法を説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the ultrasonic transducer of this embodiment will be described.

まず、送受信の対象とする超音波の波長に合わせた圧電体２を用意する。圧電体２としては、圧電セラミックスや圧電単結晶など圧電性の高い材料が好ましい。圧電セラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛などを用いることができる。また圧電単結晶としては、チタン酸ジルコン酸鉛単結晶、ニオブ酸リチウム、水晶などを用いることができる。 First, the piezoelectric body 2 is prepared according to the wavelength of the ultrasonic wave to be transmitted / received. The piezoelectric body 2 is preferably a material having high piezoelectricity such as piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal. As the piezoelectric ceramic, lead zirconate titanate, barium titanate, lead titanate, lead niobate, or the like can be used. As the piezoelectric single crystal, lead zirconate titanate single crystal, lithium niobate, quartz, or the like can be used.

本実施形態では、圧電体２としてチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用い、送受波する超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。この超音波を圧電体２が効率よく送受波できるようにするため、圧電体素子の共振周波数を約５００ｋＨｚに設計する。 In the present embodiment, lead zirconate titanate ceramics are used as the piezoelectric body 2, and the frequency of ultrasonic waves to be transmitted and received is set to 500 kHz. In order to allow the piezoelectric body 2 to efficiently transmit and receive this ultrasonic wave, the resonance frequency of the piezoelectric element is designed to be about 500 kHz.

チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの音速は約３８００ｍ／秒であり、圧電体はその厚さを波長の１／２の厚さとしたときに、強くその共振が出ることが知られており、超音波の送受信効率が良くなる。 The sound speed of lead zirconate titanate ceramics is about 3800 m / sec, and it is known that the piezoelectric body strongly resonates when its thickness is ½ the wavelength. The transmission / reception efficiency is improved.

本実施形態では、直径が１２ｍｍ、厚さが約３．８ｍｍの円柱形状にすることにより、５００ｋＨｚの超音波の送受波に適した圧電セラミックスから形成された圧電体２を用いている。圧電体２の上下両面には、焼付けによる銀製の電極３が設けられ、圧電体２は、この方向に分極処理されている。 In this embodiment, the piezoelectric body 2 made of a piezoelectric ceramic suitable for transmitting and receiving ultrasonic waves of 500 kHz is used by forming a cylindrical shape having a diameter of 12 mm and a thickness of about 3.8 mm. Silver electrodes 3 by baking are provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body 2, and the piezoelectric body 2 is polarized in this direction.

このような圧電体２の一方の面（主面）に対して第１音響整合層４ａおよび第２音響整合層４ｂをこの順序で形成する。 The first acoustic matching layer 4a and the second acoustic matching layer 4b are formed in this order on one surface (main surface) of the piezoelectric body 2 as described above.

本実施形態では、音響整合層４ａを構成する多孔質体として、シリカとガラスの混合粉を焼結させたものを用いている。これはシリカとガラス、更にアクリルボールを混合して、プレス成型した後、アクリルボールをシリカ／ガラスの焼結時に燃焼除去することによって空孔を形成して作成されたものである。 In the present embodiment, the porous body constituting the acoustic matching layer 4a is obtained by sintering a mixed powder of silica and glass. This is prepared by mixing silica and glass and further acrylic balls, press-molding them, and then burning and removing the acrylic balls during the sintering of the silica / glass to form pores.

この多孔体は、見かけ密度が０．７×１０³ｋｇ／ｍ³、音速が約２０００ｍ／秒、音響インピーダンスが１．４×１０⁶ｋｇ／ｍ²／秒である。この多孔体を圧電体と同じ、直径１２ｍｍに成形し、また音響整合部材の厚さは、送受信する超音波の波長の１／４程度とした時に、特に送受信効率が高くなるため好ましく、今回は音速が２０００ｍ／秒で、超音波の周波数が５００ｋＨｚであるため、第1音響整合層となるシリカ／ガラス多孔質体の厚さを１．０ｍｍに設定した。 This porous body has an apparent density of 0.7 × 10 ³ kg / m ³ , a sound velocity of about 2000 m / sec, and an acoustic impedance of 1.4 × 10 ⁶ kg / m ² / sec. This porous body is formed into a diameter of 12 mm, which is the same as the piezoelectric body, and the thickness of the acoustic matching member is preferably about 1/4 of the wavelength of ultrasonic waves to be transmitted / received, because the transmission / reception efficiency is particularly high. Since the sound velocity was 2000 m / sec and the ultrasonic frequency was 500 kHz, the thickness of the silica / glass porous body serving as the first acoustic matching layer was set to 1.0 mm.

この第１音響整合層４ａ上に第２音響整合層４ｂおよび音響レンズ５を順次形成する。 The second acoustic matching layer 4b and the acoustic lens 5 are sequentially formed on the first acoustic matching layer 4a.

本実施形態では、第２音響整合層４ｂ及び音響レンズ５の両方を乾燥ゲルから形成している。第２音響整合層４ｂ及び音響レンズ５に用いる乾燥ゲルの材質としては、無機材料に限定されず、有機高分子材料を用いてもよい。 In the present embodiment, both the second acoustic matching layer 4b and the acoustic lens 5 are formed from a dry gel. The material of the dry gel used for the second acoustic matching layer 4b and the acoustic lens 5 is not limited to an inorganic material, and an organic polymer material may be used.

無機材料の固体骨格部としては、酸化ケイ素（シリカ）、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化チタンなどを用いることができる。また有機材料の固体骨格部としては、一般的な熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール硬化樹脂、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸メチルなどを用いることができる。 As the solid skeleton portion of the inorganic material, silicon oxide (silica), aluminum oxide (alumina), titanium oxide, or the like can be used. In addition, as the solid skeleton portion of the organic material, a general thermosetting resin or thermoplastic resin can be used. For example, polyurethane, polyurea, phenol curable resin, polyacrylamide, polymethyl methacrylate, or the like can be used. .

本実施形態では、コスト、環境安定性、製造のしやすさなどから固体骨格部として酸化ケイ素を持つ乾燥ゲルを採用している。この材料は第１音響整合層であるシリカ／ガラス多孔質体と組成が近いことから密着性も良い。 In the present embodiment, a dry gel having silicon oxide as a solid skeleton is employed because of cost, environmental stability, and ease of manufacture. Since this material is close in composition to the silica / glass porous body which is the first acoustic matching layer, it has good adhesion.

ここで、第２音響整合層４ｂ及び音響レンズ５に用いる乾燥ゲルの特性を、それぞれ、次のように設定する。 Here, the characteristics of the dry gel used for the second acoustic matching layer 4b and the acoustic lens 5 are set as follows.

［第２音響整合層４ｂ］
密度：０．３×１０³ｋｇ／ｍ³
音速：３５０ｍ／秒
音響インピーダンス：１．０５×１０⁵ｋｇ／ｍ²／秒
［音響レンズ５］
密度：０．１５×１０³ｋｇ／ｍ³
音速：１５０ｍ／秒
音響インピーダンス：２．２５×１０⁴ｋｇ／ｍ²／秒 [Second acoustic matching layer 4b]
Density: 0.3 × 10 ³ kg / m ³
Sound velocity: 350 m / sec Acoustic impedance: 1.05 × 10 ⁵ kg / m ² / sec [Acoustic lens 5]
Density: 0.15 × 10 ³ kg / m ³
Sound velocity: 150 m / sec Acoustic impedance: 2.25 × 10 ⁴ kg / m ² / sec

本出願人は、密度が層ごとに異なる積層構造を有する乾燥ゲルの形成方法を特願２００２−３７０２４１号の明細書に開示している。本実施形態では、特願２００２−３７０２４１号の明細書に開示している方法と同様の方法で第２音響整合層４ｂ及び音響レンズ５を形成することができる。以下、この形成方法を具体的に説明する。 The present applicant has disclosed a method for forming a dry gel having a laminated structure having different densities for each layer in the specification of Japanese Patent Application No. 2002-370241. In the present embodiment, the second acoustic matching layer 4b and the acoustic lens 5 can be formed by a method similar to the method disclosed in the specification of Japanese Patent Application No. 2002-370241. Hereinafter, this formation method will be specifically described.

まず、第２音響整合層４ｂとなるべき乾燥ゲル層を形成する。この乾燥ゲル層は、設計上、音速が３５０ｍ／ｓであるため、その厚さは送受信する超音波波長の１／４となるように０．１７５ｍｍに設定する。第２音響整合層４ｂとなる乾燥ゲル層の密度は、音響レンズ５となる乾燥ゲル層を後に形成する場合に増加する。このため、この密度上昇分を見込み、第２音響整合層４ｂとしては、密度が０．１７×１０³ｋｇ／ｍ³となる乾燥ゲル層を形成する。 First, a dry gel layer to be the second acoustic matching layer 4b is formed. Since this dry gel layer has a sound velocity of 350 m / s by design, its thickness is set to 0.175 mm so as to be 1/4 of the ultrasonic wavelength to be transmitted and received. The density of the dry gel layer that becomes the second acoustic matching layer 4b increases when a dry gel layer that becomes the acoustic lens 5 is formed later. For this reason, in view of this increase in density, a dry gel layer having a density of 0.17 × 10 ³ kg / m ³ is formed as the second acoustic matching layer 4b.

より詳細には、先に形成しているシリカ／ガラス多孔質体からなる第１音響整合層４ａ上に、ゲル原料液（配合比：テトラメトキシシラン／エタノール／アンモニア水＝１／３．２／３．５（モル比））を滴下し、ゲル化する。そして、乾燥後、厚さが０．１７５ｍｍとなるように研磨し、求める第２音響整合層４ｂを得ることができる。 More specifically, on the first acoustic matching layer 4a made of silica / glass porous body previously formed, the gel raw material liquid (blending ratio: tetramethoxysilane / ethanol / ammonia water = 1 / 3.2 / 3.5 (molar ratio)) is dropped and gelled. And after drying, it grind | polishes so that thickness may be set to 0.175 mm, and the 2nd acoustic matching layer 4b calculated | required can be obtained.

次に、こうして形成した第２音響整合層４ｂの上面に別の乾燥ゲルからなる音響レンズ５を形成する。以下、図４（ａ）から（ｆ）を参照しながら、音響レンズ５の形成方法を詳細に説明する。 Next, an acoustic lens 5 made of another dry gel is formed on the upper surface of the second acoustic matching layer 4b thus formed. Hereinafter, a method for forming the acoustic lens 5 will be described in detail with reference to FIGS.

まず、図４（ａ）に示す断面形状を有する音響レンズ形成治具７を用意する。本実施形態では、凸状の音響レンズを作製するため、音響レンズ形成治具７は、半球状の凹型部分が形成されたテフロン（登録商標）製容器から構成されている。この音響レンズ形成治具７の表面は、形成すべき音響レンズ５の形状に応じて任意の形状を有するように設計される。 First, an acoustic lens forming jig 7 having a cross-sectional shape shown in FIG. In this embodiment, in order to produce a convex acoustic lens, the acoustic lens forming jig 7 is composed of a Teflon (registered trademark) container in which a hemispherical concave portion is formed. The surface of the acoustic lens forming jig 7 is designed to have an arbitrary shape according to the shape of the acoustic lens 5 to be formed.

次に、図４（ｂ）に示すように、音響レンズ形成治具７の凹型部分にゲル原料液８を充填する。ゲル原料液は、テトラメトキシシラン、エタノール、およびアンモニア水を混合し、それらの配合比がテトラメトキシシラン／エタノール／アンモニア水＝１／３．９／３．５（モル比）となるように調合する。 Next, as shown in FIG. 4 (b), the gel raw material liquid 8 is filled into the concave portion of the acoustic lens forming jig 7. The gel raw material solution is prepared by mixing tetramethoxysilane, ethanol, and aqueous ammonia so that the mixing ratio thereof is tetramethoxysilane / ethanol / ammonia water = 1 / 3.9 / 3.5 (molar ratio). To do.

ゲル原料液を音響レンズ形成治具７の凹型部分に充填した後、図４（ｃ）に示すように第２音響整合層４ｂの面が音響レンズ形成治具７の凹型面側に位置するように配置する。このとき、ゲル原料液は第１音響整合層４ａおよび第２音響整合層４ｂの全体に含浸することが望ましい。このため、図４（ｄ）のように、ゲル原料液に音響整合層４ａ、４ｂが完全に浸漬するように、ゲル原料液を音響レンズ形成治具７に追加的に供給する。そして、音響レンズ形成治具７を気密容器内に配置して、０．１気圧で３０秒間の脱泡処理を行った後、常圧状態に復帰させる。 After filling the gel raw material liquid into the concave portion of the acoustic lens forming jig 7, the surface of the second acoustic matching layer 4 b is positioned on the concave surface side of the acoustic lens forming jig 7 as shown in FIG. To place. At this time, it is desirable that the gel raw material liquid is impregnated in the entire first acoustic matching layer 4a and the second acoustic matching layer 4b. Therefore, as shown in FIG. 4D, the gel raw material liquid is additionally supplied to the acoustic lens forming jig 7 so that the acoustic matching layers 4a and 4b are completely immersed in the gel raw material liquid. And the acoustic lens formation jig | tool 7 is arrange | positioned in an airtight container, After performing the defoaming process for 30 second at 0.1 atmospheric pressure, it returns to a normal pressure state.

第１音響整合層４ａおよび第２音響整合層４ｂにゲル原料液が浸透しないと、これらの整合部材４ａ、４ｂの内部に密度や音速のばらつきが発生するため、超音波送受波器１の性能が低下するおそれがある。このため、図４（ｄ）に示すように、第１音響整合層４ａおよび第２音響整合層４ｂの全体をゲル原料液中に浸すことが好ましい。 If the gel raw material liquid does not penetrate into the first acoustic matching layer 4a and the second acoustic matching layer 4b, variations in density and sound speed occur inside the matching members 4a and 4b, so the performance of the ultrasonic transducer 1 May decrease. For this reason, as shown in FIG.4 (d), it is preferable to immerse the whole 1st acoustic matching layer 4a and the 2nd acoustic matching layer 4b in a gel raw material liquid.

気密容器から取り出した音響レンズ形成治具７を取り出した後、音響レンズ形成治具７を恒温槽に入れ、７０℃に約６時間保持する。この工程により、図４（ｅ）のように、ゲル原料液のゲル化が完了する。ゲル化後、音響整合部材４および音響レンズ５からなる複合体を音響レンズ形成治具７から取り外す。このとき、音響レンズ５が破損しないように、まず音響レンズ５の背面側および外周にあるゲルを除去した後、音響レンズ５を音響レンズ形成治具７に接するよう押し付けたまま軸方向に回転させる。そして、複合体を音響レンズ形成治具７から取り外し、図４（ｆ）に示す音響整合層４ａ、４ｂおよび音響レンズ５からなる複合体を得る。音響レンズ形成治具７の内面（凹面）は、上記の複合体を取り外す際に音響レンズ５が破損しないように平滑な面から構成されていることが好ましい。 After the acoustic lens forming jig 7 taken out from the airtight container is taken out, the acoustic lens forming jig 7 is put in a thermostatic bath and kept at 70 ° C. for about 6 hours. By this step, gelation of the gel raw material liquid is completed as shown in FIG. After the gelation, the complex composed of the acoustic matching member 4 and the acoustic lens 5 is removed from the acoustic lens forming jig 7. At this time, first, the gel on the back side and the outer periphery of the acoustic lens 5 is removed so that the acoustic lens 5 is not damaged, and then the acoustic lens 5 is rotated in the axial direction while being pressed against the acoustic lens forming jig 7. . Then, the composite is removed from the acoustic lens forming jig 7, and a composite composed of the acoustic matching layers 4a and 4b and the acoustic lens 5 shown in FIG. The inner surface (concave surface) of the acoustic lens forming jig 7 is preferably composed of a smooth surface so that the acoustic lens 5 is not damaged when the composite is removed.

こうして形成した音響レンズ５を構成するゲルは湿潤ゲルの状態にあるため、この後、超臨界乾燥法によってゲルから溶媒を除去し、乾燥ゲルに変化させる工程を行なう。この乾燥により、本実施形態における音響レンズ５が完成する。 Since the gel constituting the acoustic lens 5 formed in this way is in a wet gel state, a process of removing the solvent from the gel by a supercritical drying method and changing it to a dry gel is then performed. By this drying, the acoustic lens 5 in the present embodiment is completed.

本実施形態で形成する音響レンズ５の乾燥ゲルは、密度および音速が極めて小さいため、その強度も比較的低い。強度が低い乾燥ゲルは、溶媒の除去に伴う毛管力の発生によって、破損してしまうことがあるため、毛管力の働かない超臨界乾燥法で溶媒を除去することが有効である。 Since the dry gel of the acoustic lens 5 formed in the present embodiment has extremely low density and sound speed, its strength is relatively low. A dry gel with low strength may be damaged by the generation of capillary force accompanying the removal of the solvent. Therefore, it is effective to remove the solvent by a supercritical drying method in which the capillary force does not work.

具体的には、次のような操作を行うことが好ましい。まず、湿潤ゲル内に残っているゲル原料液をエタノールで置換した後、音響レンズ形成治具７から取り外した複合体を耐圧容器に入れ、湿潤ゲル内のエタノールを液化二酸化炭素で置換する。更に、ポンプで容器内に液化二酸化炭素を送り込むことにより、耐圧容器内の圧力を１０ＭＰａまで上昇させる。その後、５０℃まで昇温し、耐圧容器内を超臨界状態とする。次に、温度を５０℃に保ったまま、圧力をゆっくり低下させることにより、乾燥を完了する。 Specifically, it is preferable to perform the following operations. First, after replacing the gel raw material liquid remaining in the wet gel with ethanol, the complex removed from the acoustic lens forming jig 7 is placed in a pressure resistant container, and the ethanol in the wet gel is replaced with liquefied carbon dioxide. Further, the pressure in the pressure vessel is increased to 10 MPa by feeding liquefied carbon dioxide into the vessel with a pump. Thereafter, the temperature is raised to 50 ° C., and the inside of the pressure vessel is brought into a supercritical state. Next, drying is completed by slowly lowering the pressure while maintaining the temperature at 50 ° C.

溶媒乾燥時の毛管力に対して、ゲルが破損することが無い強度を有する場合には、通常の乾燥法を行っても良い。この場合には超臨界乾燥装置などが必要ないため、時間とコストの低減が実現できる。 When the gel does not break with respect to the capillary force at the time of solvent drying, a normal drying method may be performed. In this case, since a supercritical drying apparatus or the like is not necessary, time and cost can be reduced.

本実施形態では、凸型の音響レンズ５を用いているが、音響レンズ５における音速が超音波の伝搬対象である気体より低い場合は、凹型の音響レンズ５を用いて超音波を集束させることができる。このような凹型の音響レンズ５も、前述した方法と同様の方法で形成することができる。また、音響レンズ５の表面は、一定の曲率を有する必要は無く、非球面であってもよい。 In the present embodiment, the convex acoustic lens 5 is used. However, when the speed of sound in the acoustic lens 5 is lower than the gas that is the propagation target of ultrasonic waves, the ultrasonic waves are focused using the concave acoustic lens 5. Can do. Such a concave acoustic lens 5 can also be formed by the same method as described above. Further, the surface of the acoustic lens 5 does not need to have a certain curvature, and may be an aspherical surface.

上記の方法によって作製される音響レンズの密度は０．１５×１０³ｋｇ／ｍ³であり、ゲル原料液の浸透により、第２音響整合層４ｂの密度も上昇し、第２音響整合層４ｂの密度は０．３０×１０³ｋｇ／ｍ³となる。第１音響整合層４ａの見かけ密度は、０．７×１０³ｋｇ／ｍ³となる。 The density of the acoustic lens produced by the above method is 0.15 × 10 ³ kg / m ³ , and the density of the second acoustic matching layer 4b increases due to the penetration of the gel raw material liquid, and the second acoustic matching layer 4b The density is 0.30 × 10 ³ kg / m ³ . The apparent density of the first acoustic matching layer 4a is 0.7 × 10 ³ kg / m ³ .

なお、第１音響整合層４ａの真比重は約２．８×１０³ｋｇ／ｍ³であるため、第１音響整合層４ａの７５％（体積比率）は空孔である。第１音響整合層４ａの空孔部分に密度０．３×１０³ｋｇ／ｍ³の乾燥ゲルが充填されるため、第１音響整合層４ａの密度は、約０．９２×１０³ｋｇ／ｍ³となる。音速は乾燥ゲルが充填されることによっても変化しないため、２０００ｍ／ｓのままであり、音響インピーダンスは１．８４×１０⁶ｋｇ／ｍ²／秒となる。 Since the true specific gravity of the first acoustic matching layer 4a is about 2.8 × 10 ³ kg / m ³ , 75% (volume ratio) of the first acoustic matching layer 4a is a hole. Since the pores of the first acoustic matching layer 4a are filled with dry gel having a density of 0.3 × 10 ³ kg / m ³ , the density of the first acoustic matching layer 4a is about 0.92 × 10 ³ kg / the m ^3. Since the speed of sound does not change even when the dry gel is filled, it remains 2000 m / s, and the acoustic impedance is 1.84 × 10 ⁶ kg / m ² / sec.

次に、このようにして形成した音響整合層４ａ、４ｂと音響レンズ５の複合体を圧電体２に接合することにより、図３に示す超音波送受波器を得る。 Next, the ultrasonic transducer shown in FIG. 3 is obtained by bonding the composite of the acoustic matching layers 4a and 4b and the acoustic lens 5 thus formed to the piezoelectric body 2.

上記の複合体と圧電体２との接合は、エポキシ系接着剤の接着によって行なうことができる。接合時には音響整合部材４および音響レンズ５を構成する乾燥ゲルが破損しないように、音響レンズ５と同じ曲率の押圧治具を用いることが好ましい。具体的には、圧電体２に印刷により接着剤膜を形成し、その上に音響整合部材４／音響レンズ５の複合体を設置し、１ｋｇ／ｃｍ³で加圧し、１２０℃中で２時間硬化させる。 The composite body and the piezoelectric body 2 can be joined by bonding with an epoxy adhesive. It is preferable to use a pressing jig having the same curvature as that of the acoustic lens 5 so that the dry gel constituting the acoustic matching member 4 and the acoustic lens 5 is not damaged at the time of joining. Specifically, an adhesive film is formed on the piezoelectric body 2 by printing, and a composite of the acoustic matching member 4 / acoustic lens 5 is placed thereon, pressurized at 1 kg / cm ³ , and at 120 ° C. for 2 hours. Harden.

このようにして形成した超音波送受波器１は、音響レンズ５を持たない超音波送受波器に比べ、焦点位置で２倍以上の高い感度で超音波の送受信が可能となる。すなわち本実施形態のように、乾燥ゲルからなる音響レンズ５を用いることにより、高感度な超音波送受波器を実現することが可能となる。 The ultrasonic transducer 1 formed in this way can transmit and receive ultrasonic waves with a sensitivity that is at least twice as high at the focal position as compared to an ultrasonic transducer without the acoustic lens 5. That is, by using the acoustic lens 5 made of dry gel as in the present embodiment, a highly sensitive ultrasonic transducer can be realized.

本実施形態では、音響整合部材が２層構造を有しているが、必要とする超音波の特性に従って１層または３層構造の音響整合部材を用いてよい。また、音響整合部材を省略して圧電体２に直接的に音響レンズ５を設けても良い。 In the present embodiment, the acoustic matching member has a two-layer structure, but an acoustic matching member having a one-layer structure or a three-layer structure may be used according to the required ultrasonic characteristics. Alternatively, the acoustic matching member may be omitted and the acoustic lens 5 may be provided directly on the piezoelectric body 2.

超音波を超音波レンズ５によって収束させる代わりに拡散させたい場合は、音響レンズ５を凹型にしてもよい。また音響レンズを構成する乾燥ゲルの音速を伝搬媒体である気体の音速より高く設定すれば、凸型レンズで超音波の拡散を行うことも可能である。 In the case where it is desired to diffuse the ultrasonic wave instead of being converged by the ultrasonic lens 5, the acoustic lens 5 may be concave. Further, if the sound velocity of the dry gel constituting the acoustic lens is set higher than the sound velocity of the gas that is the propagation medium, it is possible to diffuse the ultrasonic wave with the convex lens.

本実施形態の超音波送受波器の製造方法によれば、音響整合層４ａ、４ｂと音響レンズ５の複合体を形成した後に、この複合体を圧電体２に接合しているが、圧電体２に音響整合層４ａ、４ｂを接合した後に音響レンズ５を形成しても良い。この場合、圧電体２と音響整合層４ａとほ接着する際に生じる応力が乾燥ゲル層に印加されないため、特に強度が低い乾燥ゲルを用いる場合に好適である。 According to the manufacturing method of the ultrasonic transducer of this embodiment, after the composite body of the acoustic matching layers 4a and 4b and the acoustic lens 5 is formed, the composite body is joined to the piezoelectric body 2. 2, the acoustic lens 5 may be formed after the acoustic matching layers 4a and 4b are bonded to each other. In this case, since stress generated when the piezoelectric body 2 and the acoustic matching layer 4a are adhered to each other is not applied to the dry gel layer, it is particularly suitable when a dry gel having low strength is used.

（実施形態２）
次に、図５を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第２の実施形態を説明する。本実施形態の超音波送受波器１は、圧電体２を外部から隔離する構造支持体９を更に備えている点で第１の実施形態における超音波送受波器１とは異なっているが、それ以外の点では、第１の実施形態における超音波送受波器１と同様の構成を有している。 (Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention will be described with reference to FIG. The ultrasonic transducer 1 of the present embodiment is different from the ultrasonic transducer 1 of the first embodiment in that it further includes a structural support 9 that isolates the piezoelectric body 2 from the outside. In other respects, it has the same configuration as the ultrasonic transducer 1 in the first embodiment.

本実施形態の超音波送受波器１は、上述のように圧電体２を密閉する構造支持体９を備えており、この構造支持体９は、容器９ａと、容器９ａを封止する底板９ｂを有している。底板９ｂには、圧電体２を不図示の外部回路に接続するためのリード部９ｃが設けられている。 The ultrasonic transducer 1 of the present embodiment includes the structural support 9 that seals the piezoelectric body 2 as described above. The structural support 9 includes a container 9a and a bottom plate 9b that seals the container 9a. have. The bottom plate 9b is provided with a lead portion 9c for connecting the piezoelectric body 2 to an external circuit (not shown).

容器９ａは、圧電体２の主面が接合された円盤状支持部と、この円盤状支持部から圧電体２の側面を覆うように延びる円筒部とを有している。円筒部の端は外側に折れ曲がり、底板９ｂに対向するリング状の面を形成している。この面に底板９ｂが接合されることにより、内部の圧電体２を外部から遮蔽することができる。このような構造支持体９は、ステンレスをプレス加工することにより好適に作製され得る。 The container 9a has a disk-shaped support part to which the main surfaces of the piezoelectric body 2 are joined, and a cylindrical part extending from the disk-shaped support part so as to cover the side surface of the piezoelectric body 2. The end of the cylindrical portion is bent outward to form a ring-shaped surface facing the bottom plate 9b. By joining the bottom plate 9b to this surface, the internal piezoelectric body 2 can be shielded from the outside. Such a structural support 9 can be suitably manufactured by pressing stainless steel.

容器９ａの円盤状支持部を介して圧電体２の主面側には第１音響整合層４ａおよび第２音響整合層４ｂが積層され、その上には更に音響レンズ５が設けられている。音響整合層４ａ、４ｂおよび音響レンズ５の構成や作製方法は、第１の実施形態について説明したとおりである。 A first acoustic matching layer 4a and a second acoustic matching layer 4b are laminated on the main surface side of the piezoelectric body 2 via a disk-shaped support portion of the container 9a, and an acoustic lens 5 is further provided thereon. The configurations and manufacturing methods of the acoustic matching layers 4a and 4b and the acoustic lens 5 are as described in the first embodiment.

本実施形態では、図５に示す構造支持体９を用いることにより、超音波送受波器１の取り扱いが極めて容易となる。そして、構造支持体９の内部を不活性ガスで満たせば、流量測定の対象とする流体から圧電体２を遮断することができる。 In the present embodiment, the use of the structural support 9 shown in FIG. 5 makes it very easy to handle the ultrasonic transducer 1. And if the inside of the structure support body 9 is filled with an inert gas, the piezoelectric body 2 can be cut off from the fluid to be measured for flow rate.

圧電体２にはリード部９ｃおよび電極３を介して電圧信号が印加されるため、可燃性ガスなどが圧電体２に接すると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし、構造支持体９を密閉性の容器から構成し、圧電体２が配置される内部を外部流体などから遮断することにより、そのような引火を防止することができるため、可燃性ガスなどに対しても安全に超音波の送受波を行なうことができる。 Since a voltage signal is applied to the piezoelectric body 2 via the lead portion 9 c and the electrode 3, there is a risk that the combustible gas may be ignited when the combustible gas contacts the piezoelectric body 2. However, since the structural support 9 is formed of a hermetically sealed container and the inside where the piezoelectric body 2 is disposed is blocked from an external fluid or the like, such ignition can be prevented. In contrast, ultrasonic waves can be transmitted and received safely.

超音波送受波の対象となる流体が可燃性ガスでない場合でも、その流体が圧電体２と反応し、圧電体２に特性の劣化を与える可能性がある場合には、圧電体２を外部の流体から遮断することにより、圧電体２の劣化を防止して、長期間に渡って信頼性の高い動作を実現することが可能となる。 Even when the fluid to be subjected to ultrasonic transmission / reception is not a combustible gas, if the fluid reacts with the piezoelectric body 2 and the piezoelectric body 2 may be deteriorated in characteristics, the piezoelectric body 2 is externally attached. By blocking from the fluid, the piezoelectric body 2 can be prevented from deteriorating and a highly reliable operation can be realized over a long period of time.

構造支持体９の材料は、ステンレスなどの金属材料に限定されるわけではなく、セラミック、ガラス、樹脂などから目的に応じた材料が選択される。本実施形態では、外部の流体と圧電体２を確実に分離し、構造支持体に何らかの機械的な衝撃が加わったとしても、圧電体２と外部流体との接触を防止できる強度を与えるため、金属材料から構造支持体９を作製している。これにより、例えば可燃性や爆発性を有するガスを対象として超音波の送受波を行っても、高い安全性を確保することができる。なお、安全な気体に対して超音波の送受波を行う場合には、コスト低減を目的として、樹脂などの材料からなる構造支持体を用いても良い。 The material of the structural support 9 is not limited to a metal material such as stainless steel, and a material corresponding to the purpose is selected from ceramic, glass, resin, and the like. In the present embodiment, the external fluid and the piezoelectric body 2 are reliably separated, and even if some mechanical impact is applied to the structural support body, in order to give the strength that can prevent the contact between the piezoelectric body 2 and the external fluid, A structural support 9 is made from a metal material. Thereby, for example, even when ultrasonic waves are transmitted / received for flammable or explosive gases, high safety can be ensured. In addition, when performing ultrasonic transmission / reception with respect to safe gas, you may use the structure support body which consists of materials, such as resin, for the purpose of cost reduction.

（実施形態３）
次に、図６を参照しながら、本発明による超音波流量計の実施形態を説明する。 (Embodiment 3)
Next, an embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態の超音波流量計は、流量測定部５１として機能する管内を被測定流体が速度Ｖで流れるようにして設置される。流量測定部５１の管壁５２には、上述した本発明による超音波送受波器１ａおよび１ｂが相対して配置されている。 The ultrasonic flowmeter of the present embodiment is installed so that the fluid to be measured flows at a velocity V in a pipe that functions as the flow rate measuring unit 51. The ultrasonic transducers 1a and 1b according to the present invention described above are disposed on the tube wall 52 of the flow rate measuring unit 51 in a relative manner.

測定動作のある時点では、超音波送受波器１ａが超音波送波器として機能し、超音波送受波器１ｂを超音波受波器として機能するが、他の時点では、超音波送受波器１ａが超音波中は器として機能し、超音波送受波器１ｂを超音波送波器として機能する。この切り替えは切替回路５３によって行われている。 At a certain point in the measurement operation, the ultrasonic transducer 1a functions as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transducer 1b functions as an ultrasonic receiver. At other times, the ultrasonic transducer is used. 1a functions as a device during ultrasonic waves, and the ultrasonic transducer 1b functions as an ultrasonic transmitter. This switching is performed by the switching circuit 53.

超音波送受波器１ａおよび１ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受波器１ａおよび１ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受波検知回路５５とに接続されている。受波検知回路５５の出力は、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５６に送られる。 The ultrasonic transducers 1 a and 1 b are connected via a switching circuit 53 to a drive circuit 54 that drives the ultrasonic transducers 1 a and 1 b and a reception detection circuit 55 that detects ultrasonic pulses. . The output of the received wave detection circuit 55 is sent to a timer 56 that measures the propagation time of the ultrasonic pulse.

タイマ５６の出力は、流量を演算する演算部５７に送られる。演算部５７では、測定された超音波パルスの伝搬時間に基づいて、流量測定部５１内を流れる流体の速度Ｖが計算され、流量が求められる。駆動回路５４およびタイマ５６は、制御部５８に接続され、制御部５８から出力された制御信号によって制御される。 The output of the timer 56 is sent to a calculation unit 57 that calculates the flow rate. The computing unit 57 calculates the velocity V of the fluid flowing in the flow rate measuring unit 51 based on the measured propagation time of the ultrasonic pulse, and obtains the flow rate. The drive circuit 54 and the timer 56 are connected to the control unit 58 and controlled by a control signal output from the control unit 58.

以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。 Hereinafter, the operation of this ultrasonic flowmeter will be described in more detail.

被測定流体として、例えばＬＰガスが流量測定部５１を流れる場合を考える。超音波送受波器１ａおよび１ｂの駆動周波数を約５００ｋＨｚとする。制御部５８は、駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。 Consider a case in which LP gas flows through the flow rate measuring unit 51 as a fluid to be measured, for example. The drive frequency of the ultrasonic transducers 1a and 1b is about 500 kHz. The control unit 58 starts the time measurement of the timer 56 at the same time as outputting the transmission start signal to the drive circuit 54.

駆動回路５４は送波開始信号を受けると、超音波送受波器１ａを駆動し、超音波パルスを送波する。送波された超音波パルスは流量測定部５１内を伝搬して、超音波送受波器１ｂで受波される。受波された超音波パルスは超音波送受波器１ｂで電気信号に変換され、受波検知回路５５に出力される。 When the drive circuit 54 receives the transmission start signal, the drive circuit 54 drives the ultrasonic transducer 1a to transmit an ultrasonic pulse. The transmitted ultrasonic pulse propagates through the flow rate measuring unit 51 and is received by the ultrasonic transducer 1b. The received ultrasonic pulse is converted into an electrical signal by the ultrasonic transmitter / receiver 1 b and output to the received wave detection circuit 55.

受波検知回路５５では受波信号の受波タイミングを決定し、タイマ５６を停止させる。演算部５７は、伝搬時間ｔ１を演算する。 The reception detection circuit 55 determines the reception timing of the reception signal and stops the timer 56. The calculator 57 calculates the propagation time t1.

次に、切替回路５３により、駆動回路５４および受波検知回路５５に接続する超音波送受波器１ａおよび１ｂを切り替える。そして、再び、制御部５９は駆動回路５４に送波開始信号を出力すると同時に、タイマ５６の時間計測を開始させる。 Next, the ultrasonic transducers 1 a and 1 b connected to the drive circuit 54 and the received wave detection circuit 55 are switched by the switching circuit 53. Then, again, the control unit 59 outputs a transmission start signal to the drive circuit 54 and simultaneously starts time measurement of the timer 56.

伝搬時間ｔ１の測定と逆に、超音波送受波器１ｂで超音波パルスを送波し、超音渡送受波器１ａで受波し、演算部５７で伝搬時間ｔ２を演算する。 Contrary to the measurement of the propagation time t1, an ultrasonic pulse is transmitted by the ultrasonic transducer 1b, received by the ultrasonic transducer 1a, and the propagation time t2 is calculated by the calculation unit 57.

ここで、超音波送受波器１ａと超音渡送受波器１ｂの中心を結ぶ距離をＬ、ＬＰガスの無風状態での音速をＣ、流量測定部５１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１ａおよび１ｂの中心を結ぶ線との角度をθとする。 Here, L is the distance connecting the centers of the ultrasonic transducer 1a and the ultrasonic transducer 1b, C is the velocity of sound in the absence of LP gas, V is the flow velocity in the flow measurement unit 51, and the non-measurement fluid Is the angle between the direction of the flow and the line connecting the centers of the ultrasonic transducers 1a and 1b.

伝搬時間ｔ１、ｔ２は、それぞれ、測定によって求められる。距離Ｌは既知であるので時間ｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められ、その流速Ｖから流量を決定することができる。 The propagation times t1 and t2 are each obtained by measurement. Since the distance L is known, the flow velocity V can be obtained by measuring the times t1 and t2, and the flow rate can be determined from the flow velocity V.

このような超音波流量計において、伝搬時間ｔ１、ｔ２はゼロクロス法と呼ばれる方法によって測定される。この方法では、受信した超音波の波形に対して適切なスレッショルドレベルを設定した上で、そのスレッショルドレベルを超えて次に振幅が０になる点の時間を計測する。 In such an ultrasonic flowmeter, the propagation times t1 and t2 are measured by a method called a zero cross method. In this method, an appropriate threshold level is set for the received ultrasonic waveform, and the time at which the amplitude becomes zero after the threshold level is measured is measured.

受波信号のＳ／Ｎが悪い場合、ノイズレベルによっては振幅が０となる点が時間的に変動するため、正確にｔ１、ｔ２を測定することが出来ず、正確な流量を測定することが困難になる場合がある。 When the S / N of the received signal is poor, the point at which the amplitude becomes 0 fluctuates with time depending on the noise level. Therefore, t1 and t2 cannot be measured accurately, and an accurate flow rate can be measured. It can be difficult.

このような超音波流量計の超音波送受波器として、本発明の超音波送受波器を用いると、受波信号のＳ／Ｎが向上して、ｔ１、ｔ２を高い精度で測定することが可能となる。 When the ultrasonic transducer of the present invention is used as the ultrasonic transducer of such an ultrasonic flowmeter, the S / N of the received signal is improved, and t1 and t2 can be measured with high accuracy. It becomes possible.

本実施形態で用いる超音波送受波器１ａ、１ｂは、図３または図５に示すように、超音波の送受波面が凸型となっているため、送受波面が平型、あるいは凹型となった超音波送受波器と比較し、測定流体の流れの妨げることが少ない。このため、管内に渦流などが発生しにくく、高い精度で流量を測定することが可能となる。 As shown in FIG. 3 or 5, the ultrasonic transducers 1 a and 1 b used in this embodiment have a convex or concave ultrasonic wave transmission / reception surface, so that the transmission / reception surface is flat or concave. Compared to ultrasonic transducers, there is less obstruction of the flow of measurement fluid. For this reason, a vortex etc. are hard to generate | occur | produce in a pipe | tube and it becomes possible to measure a flow volume with high precision.

本実施形態では、超音波送受波器１ａ、１ｂの配置として、図６に示すような所謂Ｚパス型配置を採用しているが、超音波送受信器１ａ、１ｂの配置は、これに限定されない。例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｖパス、Ｗパス、Ｉパスなどの配置形態を採用しても良い。 In the present embodiment, a so-called Z-path arrangement as shown in FIG. 6 is adopted as the arrangement of the ultrasonic transducers 1a and 1b, but the arrangement of the ultrasonic transceivers 1a and 1b is not limited to this. . For example, as shown in FIGS. 7A to 7C, arrangement forms such as a V path, a W path, and an I path may be employed.

以上説明してきた実施形態では、音響レンズ５の表面において、乾燥ゲルが伝搬媒体６と直接接触する構成を採用しているが、この面を厚さ１０μｍ以下程度の保護膜でカバーしてもよい。このような保護膜は、大気と乾燥ゲルとの間の直接的な接触を避け、乾燥ゲルの性能を長期に渡って保持するのに寄与する。保護膜は、例えばアルミニウム、酸化ケイ素、低融点ガラス、高分子などの材料からなる膜（単層に限定されない）によって構成され得る。保護膜の形成は、スパッタリングやＣＶＤ法などの公知の薄膜堆積技術によって行うことができる。 In the embodiment described above, a configuration in which the dry gel is in direct contact with the propagation medium 6 on the surface of the acoustic lens 5 is employed, but this surface may be covered with a protective film having a thickness of about 10 μm or less. . Such a protective film avoids direct contact between the atmosphere and the dried gel, and contributes to maintaining the performance of the dried gel over a long period of time. The protective film may be constituted by a film (not limited to a single layer) made of a material such as aluminum, silicon oxide, low-melting glass, or polymer. The protective film can be formed by a known thin film deposition technique such as sputtering or CVD.

（実施形態４）
上記の各実施形態における超音波送受波器１ａ、１ｂは、乾燥ゲルから形成した音響レンズ５を備えているが、図４（ａ）から（ｆ）を参照して説明した音響レンズ５の作製方法は、厚さが面内分布をもつ（厚さが一様ではない）音響整合部材４にも適用可能である。より具体的には、前述した方法により、図８（ａ）から（ｃ）に示す断面構造を有する音響整合部材４を作製することができる。 (Embodiment 4)
The ultrasonic transducers 1a and 1b in each of the above embodiments include the acoustic lens 5 formed from a dried gel. However, the acoustic lens 5 described with reference to FIGS. 4A to 4F is manufactured. The method can also be applied to the acoustic matching member 4 having a thickness distribution in the plane (the thickness is not uniform). More specifically, the acoustic matching member 4 having the cross-sectional structure shown in FIGS. 8A to 8C can be manufactured by the method described above.

図８（ａ）の超音波送受波器は、広帯域の超音波の送受信を可能とするため厚さに分布を有する圧電体２を有している。図８（ａ）に示される圧電体２は、その主面の面内方向に沿って厚さが変化しているため、超音波の周波数が面内の位置に応じて変化する分布を示すことになる。このため、音響整合部材４の厚さも、超音波の周波数に応じて面内分布を有することが好ましい。図８（ａ）の例では、圧電体２の厚さは中央で３ｍｍであり、周辺部で６ｍｍである。圧電体２がチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスから形成されている場合、音速が約３８００ｍ／ｓである。圧電体２は、その厚さが超音波の波長の１／２のときに強く共振するため、共振周波数は圧電体２の中央部で約６３０ｋＨｚ、周辺部で約３２０ｋＨｚとなる。 The ultrasonic transducer shown in FIG. 8A has a piezoelectric body 2 having a thickness distribution in order to enable transmission / reception of broadband ultrasonic waves. Since the thickness of the piezoelectric body 2 shown in FIG. 8A changes along the in-plane direction of the main surface, the piezoelectric body 2 shows a distribution in which the frequency of the ultrasonic waves changes according to the position in the surface. become. For this reason, it is preferable that the thickness of the acoustic matching member 4 also has an in-plane distribution according to the frequency of the ultrasonic wave. In the example of FIG. 8A, the thickness of the piezoelectric body 2 is 3 mm at the center and 6 mm at the peripheral portion. When the piezoelectric body 2 is made of lead zirconate titanate ceramics, the speed of sound is about 3800 m / s. Since the piezoelectric body 2 resonates strongly when the thickness is ½ of the ultrasonic wavelength, the resonance frequency is about 630 kHz in the central portion of the piezoelectric body 2 and about 320 kHz in the peripheral portion.

図８（ａ）の例では、１層の音響整合部材４を構成している乾燥ゲルの密度は約０．２×１０³ｋｇ／ｍ³であり、音速は約２００ｍ／ｓである。上述した圧電体２の面内周波数分布に対応して最適な厚さ分布を有する音響整合部材４を形成するには、音響整合部材４の厚さは面の中央部で約８０μｍ、周辺部で約１６０μｍに設定することが好ましい。このような厚さ分布を与えることにより、音響整合部材４の厚さが位置に依らず超音波波長の約１／４となる。 In the example of FIG. 8A, the density of the dry gel constituting one layer of the acoustic matching member 4 is about 0.2 × 10 ³ kg / m ³ and the speed of sound is about 200 m / s. In order to form the acoustic matching member 4 having an optimum thickness distribution corresponding to the in-plane frequency distribution of the piezoelectric body 2 described above, the thickness of the acoustic matching member 4 is about 80 μm at the center of the surface and at the periphery. It is preferable to set to about 160 μm. By providing such a thickness distribution, the thickness of the acoustic matching member 4 becomes about 1/4 of the ultrasonic wavelength regardless of the position.

このような音響整合部材４は、第１の実施形態について説明した音響レンズ５の作成方法と同様の方法で作製することができる。 Such an acoustic matching member 4 can be produced by a method similar to the production method of the acoustic lens 5 described in the first embodiment.

凹型の曲率を有する音響整合部材４を形成する代わりに、図８（ｂ）に示すように、圧電体２が面の中央部で低い周波数、周辺部で高い周波数の超音波を放射する構造を有している場合には、凸型の音響整合部材４を用いることが好ましい。 Instead of forming the acoustic matching member 4 having a concave curvature, as shown in FIG. 8B, the piezoelectric body 2 has a structure that emits ultrasonic waves having a low frequency at the center portion and a high frequency at the peripheral portion. When it has, it is preferable to use the convex acoustic matching member 4.

また、図８（ｃ）に示すように、表面に複数の凹部および／または凸部が存在する音響整合部材４を形成してもよい。このような音響整合部材４を用いることにより、広帯域な超音波送受波器を実現することができる。なお、音響整合部の表面における凹凸の深さと位置を制御することにより、音波の送受信効率を音波放射面上の場所によって変化させることもできる。この場合、近距離領域の音場を制御して良好な計測を実現することが可能になる。 Moreover, as shown in FIG.8 (c), you may form the acoustic matching member 4 in which a some recessed part and / or convex part exist in the surface. By using such an acoustic matching member 4, a broadband ultrasonic transducer can be realized. In addition, by controlling the depth and position of the unevenness on the surface of the acoustic matching unit, the transmission / reception efficiency of sound waves can be changed depending on the location on the sound wave radiation surface. In this case, it is possible to realize a good measurement by controlling the sound field in the short distance region.

従来の超音波送受波器を備えた流量計を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flowmeter provided with the conventional ultrasonic transducer. 超音波を収束する機能を備えた超音波送受波器の従来例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the prior art example of the ultrasonic transducer provided with the function to converge an ultrasonic wave. 本発明による超音波送受波器の第１の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the ultrasonic transducer by this invention. （ａ）から（ｆ）は、本発明の第１の実施形態における音響レンズの製造方法を示す工程断面図である。FIGS. 5A to 5F are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an acoustic lens according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 本発明による超音波送受波器の第２の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the ultrasonic transducer by this invention. 本発明による超音波流量計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic flowmeter by this invention. （ａ）から（ｃ）は、超音波流量計における超音波送受波器の配置例を示す図である。(C) is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the ultrasonic transducer in an ultrasonic flowmeter. （ａ）から（ｃ）は、第１の実施形態について説明した方法によって作製した種々の音響整合部材を備える超音波送受波器を示す断面図である。(A) to (c) is a cross-sectional view showing an ultrasonic transducer including various acoustic matching members manufactured by the method described in the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１超音波送受波器
２圧電体
３電極
４音響整合部材
４ａ第１音響整合層
４ｂ第２音響整合層
５音響レンズ
６伝搬媒体（気体などの流体）
７音響レンズ形成治具
８ゲル原料液
９構造支持体
５１流量測定部
５２管壁
５３切替回路
５４駆動回路
５５受波検知回路
５６タイマ
５７演算部
５８制御部
１０１ａ超音波送受波器
１０１ｂ超音波送受波器
１０２管壁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic transducer 2 Piezoelectric body 3 Electrode 4 Acoustic matching member 4a 1st acoustic matching layer 4b 2nd acoustic matching layer 5 Acoustic lens 6 Propagation medium (fluids, such as gas)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 Acoustic lens formation jig | tool 8 Gel raw material liquid 9 Structure support body 51 Flow measurement part 52 Tube wall 53 Switching circuit 54 Drive circuit 55 Receive detection circuit 56 Timer 57 Calculation part 58 Control part 101a Ultrasonic transmitter / receiver 101b Ultrasonic transmitter / receiver Waver 102 tube wall

Claims

電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子上に設けられた一対の電極と、
前記電気機械変換素子の超音波送受波面側に配置された音響レンズと、
を備え、
前記音響レンズは乾燥ゲルから形成されている超音波送受波器。 An electromechanical transducer,
A pair of electrodes provided on the electromechanical transducer;
An acoustic lens disposed on the ultrasonic wave transmitting / receiving surface side of the electromechanical transducer;
With
The acoustic lens is an ultrasonic transducer formed of a dry gel.

前記乾燥ゲルは、前記音響レンズの表面を規定する内面を有する容器の内部でゲル化した材料から構成されている請求項１に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the dry gel is made of a material gelled inside a container having an inner surface that defines a surface of the acoustic lens.

前記音響レンズにおける音速は、超音波の伝搬媒体における音速よりも小さい請求項１または２記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein a sound speed in the acoustic lens is smaller than a sound speed in an ultrasonic propagation medium.

前記音響レンズにおける超音波送受波面側の表面は凸型形状である請求項１から３のいずれかに記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 3, wherein a surface of the acoustic lens on the ultrasonic transmission / reception surface side has a convex shape.

前記電気機械変換素子と前記音響レンズの間に設けられた音響整合部材を更に備えている請求項１から４のいずれかに記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 1, further comprising an acoustic matching member provided between the electromechanical transducer and the acoustic lens.

前記音響整合部材は、積層された複数の音響整合層を含んでいる請求項５に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein the acoustic matching member includes a plurality of stacked acoustic matching layers.

前記複数の音響整合層の少なくとも１層は、乾燥ゲルから形成されている請求項６に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 6, wherein at least one of the plurality of acoustic matching layers is formed of a dry gel.

前記音響レンズの音響インピーダンスは、前記音響整合部材の音響インピーダンスより小さい請求項５から７のいずれかに記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 5, wherein an acoustic impedance of the acoustic lens is smaller than an acoustic impedance of the acoustic matching member.

電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子上に設けられた一対の電極と、
前記電気機械変換素子の超音波送受波面側に配置された音響整合部材と、
を備え、
前記音響レンズは、上面および／または下面が平坦でない面を有する乾燥ゲルから形成されている超音波送受波器。 An electromechanical transducer,
A pair of electrodes provided on the electromechanical transducer;
An acoustic matching member disposed on the ultrasonic wave transmitting / receiving surface side of the electromechanical transducer;
With
The acoustic lens is an ultrasonic transducer formed of a dry gel having a surface whose upper surface and / or lower surface is not flat.

前記乾燥ゲルは、前記平坦でない面を規定する内面を有する容器の内部でゲル化した材料から構成されている請求項９に記載の超音波送受波器。 The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the dry gel is made of a material gelled inside a container having an inner surface that defines the uneven surface.

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、超音波信号を送受波する一対の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測部と、
前記計測部からの信号に基づいて流量を算出する流量演算手段と、
を備えた超音波流量計であって、
前記一対の超音波送受波器の各々が、請求項１から１０のいずれかに記載の超音波送受波器である、超音波流量計。 A flow rate measurement unit through which the fluid to be measured flows;
A pair of ultrasonic transducers provided in the flow rate measurement unit for transmitting and receiving ultrasonic signals;
A measurement unit that measures the time for ultrasonic waves to propagate between the pair of ultrasonic transducers;
Flow rate calculation means for calculating a flow rate based on a signal from the measurement unit;
An ultrasonic flowmeter comprising:
An ultrasonic flowmeter, wherein each of the pair of ultrasonic transducers is the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 10.

前記測定流体は、気体である請求項１１に記載の超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 11, wherein the measurement fluid is a gas.

前記超音波送受波器における前記電気機械変換素子は、前記被測定流体から遮蔽されている請求項１２に記載の超音波流量計。 The ultrasonic flowmeter according to claim 12, wherein the electromechanical transducer element in the ultrasonic transducer is shielded from the fluid to be measured.

請求項１から１０のいずれかに記載の超音波送受波器を備えた装置。 An apparatus comprising the ultrasonic transducer according to claim 1.

平坦でない面を有する乾燥ゲルから形成された部材と電気機械変換素子とを備えた超音波送受波を製造する方法であって、
電極が形成された電気機械変換素子を用意する工程と、
前記乾燥ゲルの平坦でない面を規定する内面を有する容器の内部にゲル原料液を供給する工程と、
前記容器の内部において前記ゲル原料液をゲル化することにより、前記平坦でない面によって規定された表面を有する湿潤ゲルを形成する工程と、
前記湿潤ゲルを乾燥して前記乾燥ゲルを形成する工程と、
を含む超音波送受波器の製造方法。 A method of manufacturing an ultrasonic wave transmission / reception device comprising a member formed from a dry gel having a non-planar surface and an electromechanical transducer,
Preparing an electromechanical transducer having an electrode formed thereon;
Supplying a gel raw material liquid into a container having an inner surface defining an uneven surface of the dried gel;
Forming a wet gel having a surface defined by the non-planar surface by gelling the gel raw material liquid inside the container;
Drying the wet gel to form the dry gel;
A method of manufacturing an ultrasonic transmitter / receiver including:

前記平坦でない面はレンズ面を構成している請求項１５に記載の超音波送受波の製造方法。 The method of manufacturing an ultrasonic wave transmission / reception according to claim 15, wherein the uneven surface constitutes a lens surface.