JP3611796B2 - 超音波送受波器、超音波送受波器の製造方法及び超音波流量計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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計がガスメータ等に利用されつつある。
【０００３】
図１０は超音波流量計の測定原理を示したものである。図１０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１０３には、一対の超音波送受波器１０１、１０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０１、１０２は、電気エネルギー／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振動子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１０１を超音波送波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波受波器として用いる。
【０００４】
その動作は、超音波送波器１０１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、超音波送波器１０１は外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器１０２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１０２を超音波送波器として用い、超音波送受波器１０１を超音波受波器として用いる。超音波送波器１０２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、超音波送波器１０２は外部の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器１０１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、超音波送波器１０１，１０２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。
【０００５】
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ー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１０１に印加して超音波送受波器１０１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Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０２に到達する。超音波送受波器１０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ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１０１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１０１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器１０２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。
【０００６】
図１０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１０１を送波器、超音波送受波器１０２を受波器として用いたときに、超音波送受波器１０１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２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、次式（１）が成立する。
【０００７】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
【０００８】
逆に、超音波送受波器１０２を送波器として、超音波送受波器１０１を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、次式（２）の関係が成立する。
【０００９】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
【００１０】
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、 次式（３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることができる。
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
【００１１】
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆ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きる。
【００１２】
このような超音波流量計では、精度が要求されるが、精度を向上させるためには、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整合層の音響インピーダンスが重要となる。その超音波振動を発生する圧電振動子の音響インピーダンスは約３０×１０６程度であり、空気の音響インピーダンスは４００程度で、音響整合層の音響インピーダンスの理想値は、０．１１×１０６程度である。また、音響インピーダンスは次式（４）で定義される。
【００１３】
音響インピーダンス＝（密度）×（音速）
【００１４】
したがって、音響インピーダンスを低く抑えるのに音響整合層には密度が小さな材料、例えば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が使用されている。また、中空ガラス球を熱圧縮、あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法が採用されていた。これは、例えば特許第２５５９１４４号公報等で知ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波流量計に使用している従来の超音波送受波器に使用している音響整合層は、上述したように中空ガラス球を熱圧縮したり、溶融材料を発泡する等の方法が採られていた。このため、圧力によるガラス球の破損、圧力不足による分離、剥離溶融材料の発泡等の原因によって媒質が不均質になり易く、特性にバラツキが生じ、これが機器精度のバラツキを発生させているという問題があった。また、音響整合層が気体中に露出しているため、湿度で表面が崩壊したり、化学活性物質による劣化が早く、耐久性が悪いという問題等もあった。
【００１６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は特性のバラツキを少なくして精度を安定化させることができるとともに、耐久性の向上等を図ることができる高感度な超音波送受波器、超音波送受波器の製造方法及び超音波流量計を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波送受波器は、圧電体と音響整合層を含む超音波送受波器であって、前記音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、前記乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、前記圧電体と前記音響整合層が化学結合してなる構成を有している。別の構成としては、前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面に配置されてなる構成を有している。これらの構成によれば、疎水化されている乾燥ゲルの固体骨格部により低音響インピーダンスの音響整合層を有する超音波送受波器が得られる。また、前記乾燥ゲルの均質性の高さから特性バラツキの少ないものとなる。
【００１８】
また、本発明の超音波送受波器は、次のようにして具体化すると、より好ましい超音波送受波器が得られる。
・第１に、前記密閉容器が、前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有してなり、前記音響整合層配置部に無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルが充填されてなる構成にすること。
・第２に、前記密閉容器と前記音響整合層が化学結合してなる構成にすること。
・第３に、前記密閉容器が導電性材料である構成にすること。
・第４に、前記導電性材料が金属材料である構成にすること。
・第５に、前記音響整合層を構成する乾燥ゲルが、密度が５００ｋｇ／ｍ3以下であり、平均細孔直径が１００ｎｍ以下である構成にすること。
・第６に、前記乾燥ゲルの固体骨格部が、少なくとも酸化ケイ素または酸化アルミニウムを成分として有する構成にすること。
・第７に、前記音響整合層の表面に、密度８００ｋｇ／ｍ3以上であり、厚みが１０μｍ以下の保護層が形成されてなる構成すること。
・第８に、前記保護層が、金属材料、無機材料、高分子材料のいずれかである構成にすること。
・第９に、前記保護層が、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、非晶質炭素、ポリパラキシレンのいずれかである構成にすること。
【００１９】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、前記圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器に前記乾燥ゲルをロウ付けしてなるようにしたものである。この製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、低音響インピー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。
【００２０】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器にゲル原料液を塗布する成膜工程、前記ゲル原料液より湿潤ゲルを得る固体化工程、前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲルを得る乾燥工程を含んで前記音響整合層を形成してなるようにしたものである。この製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、低音響インピー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。
【００２１】
また、本発明の超音波送受波器の製造方法は、次のようにして具体化すると、より好ましい超音波送受波器が得られる。
・第１に、前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなる超音波送受波器において、前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有しており、前記音響整合層配置部にゲル原料液を塗布してなるようにすること。
・第２に、前記音響整合層の表面に、保護層を乾式成膜法で形成してなること。
【００２２】
また、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手段とを備えてなり、前記超音波送受波器が前記測定流体と圧電体とを遮断した密閉容器で構成されてなる構成としたものである。この超音波流量計は、前記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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態で、超音波流量計に用いる超音波送受波器の圧電振動子の断面図である。図１において、電気−超音波相互変換を行う圧電振動子１は、圧電体２と音響整合層３で構成されている。圧電体２は、超音波振動を発生するもので、圧電セラミックや圧電単結晶等からなり、厚さ方向に分極され、上下面に電極を有している。音響整合層３は、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２の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく出ていき、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２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２の片側に化学結合により貼り合わされている。また、音響整合層３は無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルでなり、乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、その密度が５００ｋｇ／ｍ３以下で、平均の細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）として形成されている。なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）または酸化アルミニウム（アルミナ）を成分としている。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、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。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適用することができる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態で、図１の圧電振動子１を用いた超音波送受波器の断面図である。図２において図１と同一符号を付したものは、図１と同一の材料で、また同じ役目を持って形成されたものを示している。圧電振動子１は、概略筒状をした導電材材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で作られているケース４の内側に貼り付けられている。そのケース４の上面開口は圧電振動子１における音響整合層３の上面と共に保護層５で覆われ、外部流体と遮断された状態になっているとともに、下面は同じく金属等の導電材料で作られている蓋板７で覆われて完全に封止され、ケース４は蓋板７と共に気体遮蔽性容器として作られている。また、蓋板７には駆動端子６ａ，６ｂが取り付けられている。２つの駆動端子６ａ，６ｂのうち、一方の駆動端子６ａは蓋板７及びケース４を介して圧電体２の上面電極に電気的に接続されている。他方の駆動端子６ｂは、絶縁材８で蓋板７と電気的に絶縁されているとともに、ケース４内で圧電体２の下面電極に電気的に接続されている。
【００２５】
保護層５は、密度が８００ｋｇ／ｍ３ 以上、厚みが１０μｍ以下で、金属材料、無機材料、高分子材料等を用いてなる層であり、具体的にはアルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、低融点ガラス、非晶質炭素、高分子（ポリパラキシレン、ポリイミド）等の他に、コーティング樹脂、ＵＶ（紫外線）硬化樹脂、熱硬化樹脂等が使用される。また、アルミニウムを用いた場合は蒸着あるいはスパッタ処理で設けられ、酸化ケイ素、酸化アルミニウムを用いた場合は蒸着処理あるいはスパッタ処理、ＣＶＤ（ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長法）処理等で設けられる。低融点ガラスを用いた場合はコーティング処理で設けられ、非晶質炭素を用いた場合はプラズマＣＶＤ処理で設けられ、高分子（ポリパラキシレン、ポリイミド）を用いた場合は蒸着重合処理等で設けられる。
【００２６】
このように構成されている超音波送受波器では、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２７】
（第３の実施の態様）
図３は、本発明の第３の実施の形態で、図１の圧電振動子１に若干の変更を加えて、その圧電振動子１をケース１４に組み込んだ超音波送受波器の断面図である。図３において図１及び図２と同一符号を付したものは、図１と同一の材料で、また同じ役目を持って形成されているものであるので、その重複説明は省略し、異なる点だけ説明する。ケース１４は上面１４ａに音響整合層配置部としての凹所１５を設けて上面１４ａの全体が閉じられ、概略筒状をしたケースとして形成されているとともに、下面は蓋板７で閉じられて、気体遮蔽性容器として形成されている。なお、凹所１５の深さは、超音波発振波長の４分の１深さで形成されており、そのケース１４は第１の実施の形態のケース４と同様に、導電材材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で作らている。そして、圧電振動子１は、ケース１４の内部で上面１４ａに圧電体２を貼り付け、外部の凹部１５内に音響整合層３を貼り付けた構造になっている。このように構成されている超音波送受波器でも、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２８】
（第４の実施の態様）
図４は、本発明の第４の実施の形態で、図３に示した超音波送受波器における音響整合層３の上面全体を覆った状態にして保護層５を設け、音響整合層３を音響層配置部である凹所１５内に封止した構造にしたもので、それ以外の構造は図３に示した第３の実施の形態の超音波送受波器の構造と同じである。このように構成されている超音波送受波器でも、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２９】
次に、図１乃至図４に示した音響整合層３を製造し、それを圧電体２あるいはケース１４に貼り付ける方法の実施例について説明する。
（実施例１）
図５は第１の実施例で、音響整合層３を製造し、それを圧電子２に貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第１の実施例を工程１〜工程６の順に説明する。
・工程１：ケイ酸ソーダの電気透析を行い、ｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を作る。
・工程２：ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整し、それを型に流し込む（注型）。そうすると、ケイ酸水溶液が時間と共にゲル化された水性湿潤ゲルブロックを得る。
・工程３：ゲル化されたケイ酸水溶液をトリメチルクロルシラン（ＴＭＳＣ）のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行い、湿潤ゲルブロックを作る。
・工程４：湿潤ゲルブロックを二酸化炭素を使用して超臨界乾燥させ、シリカ乾燥ゲルブロックを作る。
・工程５：シリカ乾燥ゲルブロックをλ／４の厚みにカッティングし、所定の音響整合層３を形成する。
・工程６：工程５でカッティングされた音響整合層３を圧電体２の一面あるいはケース１４の上面１４ａに、銀ロウ付けあるいは接着剤で貼り付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３０】
（実施例２）
図６は第２の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４に貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第２の実施例を工程１〜工程７の順に説明する。
・工程１：テトラエトキシシランとアルミニウム−ｓｅｃ−ブトキシド、エタノールからゾル溶液を形成する。
・工程２：ゾル溶液にゲル化触媒、または酸または塩基を加え、ケース１４に増粘状態で塗布するための、ゲル化開始前の塗布原料液を作る。
・工程３：ケース１４の塗布面に塗布原料液を塗布し、ケース（密閉容器）１４との複合化を図る。
・工程４：塗布原料液の塗布後、ゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜を形成する。
・工程５：エタノールで洗浄し、洗浄後に超臨界乾燥した後に、トリメチルクロルシランの蒸気にて疎水処理して、ケース１４の表面にアルミノシリカ乾燥ゲル膜を形成する。
・工程６：ケース１４の表面に作られたアルミノシリカ乾燥ゲル膜の上に、真空中で乾式の保護膜（保護層５）を形成する。この保護膜５は、酸化ケイ素の蒸着、スパッタリング、あるいはＣＶＤなどにより形成する。
・工程７：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３１】
（実施例３）
図７は第３の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４、特にそのケース１４をステンレス製のケースとした場合に、そのケース１４に音響整合層３を貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第３の実施例を工程１〜工程６の順に説明する。
・工程１：ケイ酸ソーダの電気透析を行い、ｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を作る。
・工程２：ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整し、それをケース１４上に滴下して塗布し、ケイ酸水溶液とケース１４との複合化を図る。
・工程３：塗布原料液の塗布後、その塗布原料液がゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
・工程４：ゲル化されたケイ酸水溶液をトリメチルクロルシラン（ＴＭＳＣ）のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換後、１００℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜を形成する。
・工程５：ケース１４の表面に作られたシリカ乾燥ゲル膜の上に、高周波プラズマＣＶＤによる非結晶炭素（ダイヤモンドライクカーボン）膜の保護膜（保護層５）を形成する。この保護膜５は、硬くて傷が付きにくく、耐薬品性が高い。また、ガスバリア性に優れ、低収着性を有して化学物質が付きにくい。
・工程６：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３２】
（実施例４）
図８は第４の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４、特にそのケース１４をアルミ製のケースとした場合に、そのケース１４に音響整合層３を貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第４の実施例を工程１〜工程７の順に説明する。
・工程１：トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）とトルエンジアミン（ＴＤＡ）をアセトンやテトラヒドロフラン等の非プロトン系溶媒中で混合し、ポリウレア構造を持つ水溶液を作る。この場合の溶媒は、原料と反応しない溶媒を用意することが重要である。
・工程２：水溶液をケース１４上に滴下して塗布し、ケース１４との複合化を図る。
・工程３：塗布原料液の塗布後、その塗布原料液がゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
・工程４：ゲル化された塗布原料液をターシャルプチルアルコールに溶媒置換後、２５℃以下で凍結し、その後、４１Ｔｏｒｒ以下に減圧状態で加熱して乾燥し、有機乾燥ゲル膜を形成する。この有機乾燥ゲル膜は撥水性を有する。
・工程５：ケース１４の表面に作られた有機乾燥ゲル膜の上にウレタン系紫外線（ＵＶ）硬化樹脂をコーティングして硬化し、保護膜（保護層５）を形成する。・工程６：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３３】
図９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９における超音波流量計は、流量測定部５１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５１の管壁には、本発明の超音波送受波器としての圧電振動子１（１ａ，１ｂ）が相対して配置されている。ここでは、圧電振動子１ａを超音波送波器（以下、「超音波送波器１ａ」という）として用い、圧電振動子１ｂを超音波受波器（以下、「超音波受波器１ｂ」という）として用いている。また、超音波送波器１ａと超音波受波器１ｂには、これらの送受信を切り替える切替回路５５を介して、超音波送受波器１ａ，１ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受信検知回路５６、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５７、該タイマ５７の出力より流量を演算する演算部５８、駆動回路５４とタイマ５７に制御信号を出力する制御部５９が接続されている。
【００３４】
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ＬＰガス、超音波送受波器１ａ，１ｂの駆動周波数を約５００ｋＨｚとする。制御部５９では駆動回路５４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ７の時間計測を開始させる。駆動回路５４は送信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１ｂ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１ｂで電気信号に変換され、受信検知回路５６に出力される。受信検知回路５６では受信信号の受信タイミングを決定し、タイマ５７を停止させ、演算部５８で伝搬時間ｔ１を演算する。
【００３５】
引き続き切替回路５５で駆動部５４と受信検知回路５６に接続する超音波送受波器１ａ，１ｂを切り替え、再び制御部５９では駆動回路５４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ５７の時間計測を開始させる。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信し、超音渡送受波器１ａで受信し、演算部５８で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００３６】
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，１ｂの中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１，ｔ２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から流量を調べることができることとなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、 乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、圧電体と音響整合層が化学結合してなる構成を有しているので、疎水化されている乾燥ゲルの固体骨格部により極めて軽量で音響インピーダンスの小さな音響整合層を有する超音波送受波器が得られる。また、乾燥ゲルの均質性の高さから特性バラツキが少ない安定した超音波送受波器が得られる。さらに、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲル形成時に、圧電体表面または容器（ケース）表面のＯＨ基と原料の成分が反応して化学的に結合されて貼り付けられるので、接着層の無い、いわゆる接着層レスの超音波送受波器が得られるという優れた効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の形態として示す超音波受波器の断面図
【図２】本発明の第２の形態として示す超音波受波器の断面図
【図３】本発明の第３の形態として示す超音波受波器の断面図
【図４】本発明の第４の形態として示す超音波受波器の断面図
【図５】本発明の超音波受波器における製造方法の第１実施例を説明する工程図
【図６】本発明の超音波受波器における製造方法の第２実施例を説明する工程図
【図７】本発明の超音波受波器における製造方法の第３実施例を説明する工程図
【図８】本発明の超音波受波器における製造方法の第３実施例を説明する工程図
【図９】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
【図１０】一般的な超音波流量計の測定原理を示す断面図
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 圧電体
３ 音響整合層
４ ケース
５ 保護層
６ａ，６ｂ 駆動端子
７ 蓋板
１４ ケース
１４ａ 上面
１５ 凹所（音響整合層配置部）
５１ 流量測定部
５４ 駆動回路
５５ 切替回路
５６ 受信検知回路
５７ タイマ（計測回路）
５８ 演算部
５９ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
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計がガスメータ等に利用されつつある。
【０００３】
図１０は超音波流量計の測定原理を示したものである。図１０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１０３には、一対の超音波送受波器１０１、１０２が相対して設置されている。超音波送受波器１０１、１０２は、電気エネルギー／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振動子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１０１を超音波送波器として用い、超音波送受波器１０２を超音波受波器として用いる。
【０００４】
その動作は、超音波送波器１０１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、超音波送波器１０１は外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器１０２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１０２を超音波送波器として用い、超音波送受波器１０１を超音波受波器として用いる。超音波送波器１０２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、超音波送波器１０２は外部の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波受波器１０１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、超音波送波器１０１，１０２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。
【０００５】
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ー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１０１に印加して超音波送受波器１０１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Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１０２に到達する。超音波送受波器１０２では伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ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１０１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１０１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器１０２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。
【０００６】
図１０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１０１を送波器、超音波送受波器１０２を受波器として用いたときに、超音波送受波器１０１から出た超音波パルスが超音波送受波器１０２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、次式（１）が成立する。
【０００７】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
【０００８】
逆に、超音波送受波器１０２を送波器として、超音波送受波器１０１を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、次式（２）の関係が成立する。
【０００９】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
【００１０】
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、 次式（３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることができる。
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
【００１１】
すなわち、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆ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きる。
【００１２】
このような超音波流量計では、精度が要求されるが、精度を向上させるためには、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整合層の音響インピーダンスが重要となる。その超音波振動を発生する圧電振動子の音響インピーダンスは約３０×１０６程度であり、空気の音響インピーダンスは４００程度で、音響整合層の音響インピーダンスの理想値は、０．１１×１０６程度である。また、音響インピーダンスは次式（４）で定義される。
【００１３】
音響インピーダンス＝（密度）×（音速）
【００１４】
したがって、音響インピーダンスを低く抑えるのに音響整合層には密度が小さな材料、例えば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が使用されている。また、中空ガラス球を熱圧縮、あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法が採用されていた。これは、例えば特許第２５５９１４４号公報等で知ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波流量計に使用している従来の超音波送受波器に使用している音響整合層は、上述したように中空ガラス球を熱圧縮したり、溶融材料を発泡する等の方法が採られていた。このため、圧力によるガラス球の破損、圧力不足による分離、剥離溶融材料の発泡等の原因によって媒質が不均質になり易く、特性にバラツキが生じ、これが機器精度のバラツキを発生させているという問題があった。また、音響整合層が気体中に露出しているため、湿度で表面が崩壊したり、化学活性物質による劣化が早く、耐久性が悪いという問題等もあった。
【００１６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は特性のバラツキを少なくして精度を安定化させることができるとともに、耐久性の向上等を図ることができる高感度な超音波送受波器、超音波送受波器の製造方法及び超音波流量計を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波送受波器は、圧電体と音響整合層を含む超音波送受波器であって、前記音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、前記乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、前記圧電体と前記音響整合層が化学結合してなる構成を有している。別の構成としては、前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面に配置されてなる構成を有している。これらの構成によれば、疎水化されている乾燥ゲルの固体骨格部により低音響インピーダンスの音響整合層を有する超音波送受波器が得られる。また、前記乾燥ゲルの均質性の高さから特性バラツキの少ないものとなる。
【００１８】
また、本発明の超音波送受波器は、次のようにして具体化すると、より好ましい超音波送受波器が得られる。
・第１に、前記密閉容器が、前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有してなり、前記音響整合層配置部に無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルが充填されてなる構成にすること。
・第２に、前記密閉容器と前記音響整合層が化学結合してなる構成にすること。
・第３に、前記密閉容器が導電性材料である構成にすること。
・第４に、前記導電性材料が金属材料である構成にすること。
・第５に、前記音響整合層を構成する乾燥ゲルが、密度が５００ｋｇ／ｍ3以下であり、平均細孔直径が１００ｎｍ以下である構成にすること。
・第６に、前記乾燥ゲルの固体骨格部が、少なくとも酸化ケイ素または酸化アルミニウムを成分として有する構成にすること。
・第７に、前記音響整合層の表面に、密度８００ｋｇ／ｍ3以上であり、厚みが１０μｍ以下の保護層が形成されてなる構成すること。
・第８に、前記保護層が、金属材料、無機材料、高分子材料のいずれかである構成にすること。
・第９に、前記保護層が、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、非晶質炭素、ポリパラキシレンのいずれかである構成にすること。
【００１９】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、前記圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器に前記乾燥ゲルをロウ付けしてなるようにしたものである。この製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、低音響インピー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。
【００２０】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器にゲル原料液を塗布する成膜工程、前記ゲル原料液より湿潤ゲルを得る固体化工程、前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲルを得る乾燥工程を含んで前記音響整合層を形成してなるようにしたものである。この製造方法を用いて得られる超音波送受波器は、低音響インピー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。
【００２１】
また、本発明の超音波送受波器の製造方法は、次のようにして具体化すると、より好ましい超音波送受波器が得られる。
・第１に、前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなる超音波送受波器において、前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有しており、前記音響整合層配置部にゲル原料液を塗布してなるようにすること。
・第２に、前記音響整合層の表面に、保護層を乾式成膜法で形成してなること。
【００２２】
また、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手段とを備えてなり、前記超音波送受波器が前記測定流体と圧電体とを遮断した密閉容器で構成されてなる構成としたものである。この超音波流量計は、前記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。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態で、超音波流量計に用いる超音波送受波器の圧電振動子の断面図である。図１において、電気−超音波相互変換を行う圧電振動子１は、圧電体２と音響整合層３で構成されている。圧電体２は、超音波振動を発生するもので、圧電セラミックや圧電単結晶等からなり、厚さ方向に分極され、上下面に電極を有している。音響整合層３は、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２の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく出ていき、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２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２の片側に化学結合により貼り合わされている。また、音響整合層３は無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルでなり、乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、その密度が５００ｋｇ／ｍ３以下で、平均の細孔直径が１００ｎｍ以下のナノ多孔体乾燥ゲル（ナノ多孔質乾燥ゲル）として形成されている。なお、無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部は、少なくとも酸化ケイ素（シリカ）または酸化アルミニウム（アルミナ）を成分としている。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、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。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適用することができる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態で、図１の圧電振動子１を用いた超音波送受波器の断面図である。図２において図１と同一符号を付したものは、図１と同一の材料で、また同じ役目を持って形成されたものを示している。圧電振動子１は、概略筒状をした導電材材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で作られているケース４の内側に貼り付けられている。そのケース４の上面開口は圧電振動子１における音響整合層３の上面と共に保護層５で覆われ、外部流体と遮断された状態になっているとともに、下面は同じく金属等の導電材料で作られている蓋板７で覆われて完全に封止され、ケース４は蓋板７と共に気体遮蔽性容器として作られている。また、蓋板７には駆動端子６ａ，６ｂが取り付けられている。２つの駆動端子６ａ，６ｂのうち、一方の駆動端子６ａは蓋板７及びケース４を介して圧電体２の上面電極に電気的に接続されている。他方の駆動端子６ｂは、絶縁材８で蓋板７と電気的に絶縁されているとともに、ケース４内で圧電体２の下面電極に電気的に接続されている。
【００２５】
保護層５は、密度が８００ｋｇ／ｍ３ 以上、厚みが１０μｍ以下で、金属材料、無機材料、高分子材料等を用いてなる層であり、具体的にはアルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、低融点ガラス、非晶質炭素、高分子（ポリパラキシレン、ポリイミド）等の他に、コーティング樹脂、ＵＶ（紫外線）硬化樹脂、熱硬化樹脂等が使用される。また、アルミニウムを用いた場合は蒸着あるいはスパッタ処理で設けられ、酸化ケイ素、酸化アルミニウムを用いた場合は蒸着処理あるいはスパッタ処理、ＣＶＤ（ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相成長法）処理等で設けられる。低融点ガラスを用いた場合はコーティング処理で設けられ、非晶質炭素を用いた場合はプラズマＣＶＤ処理で設けられ、高分子（ポリパラキシレン、ポリイミド）を用いた場合は蒸着重合処理等で設けられる。
【００２６】
このように構成されている超音波送受波器では、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２７】
（第３の実施の態様）
図３は、本発明の第３の実施の形態で、図１の圧電振動子１に若干の変更を加えて、その圧電振動子１をケース１４に組み込んだ超音波送受波器の断面図である。図３において図１及び図２と同一符号を付したものは、図１と同一の材料で、また同じ役目を持って形成されているものであるので、その重複説明は省略し、異なる点だけ説明する。ケース１４は上面１４ａに音響整合層配置部としての凹所１５を設けて上面１４ａの全体が閉じられ、概略筒状をしたケースとして形成されているとともに、下面は蓋板７で閉じられて、気体遮蔽性容器として形成されている。なお、凹所１５の深さは、超音波発振波長の４分の１深さで形成されており、そのケース１４は第１の実施の形態のケース４と同様に、導電材材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で作らている。そして、圧電振動子１は、ケース１４の内部で上面１４ａに圧電体２を貼り付け、外部の凹部１５内に音響整合層３を貼り付けた構造になっている。このように構成されている超音波送受波器でも、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２８】
（第４の実施の態様）
図４は、本発明の第４の実施の形態で、図３に示した超音波送受波器における音響整合層３の上面全体を覆った状態にして保護層５を設け、音響整合層３を音響層配置部である凹所１５内に封止した構造にしたもので、それ以外の構造は図３に示した第３の実施の形態の超音波送受波器の構造と同じである。このように構成されている超音波送受波器でも、駆動端子６ａ，６ｂ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、圧電振動子１は厚み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。
【００２９】
次に、図１乃至図４に示した音響整合層３を製造し、それを圧電体２あるいはケース１４に貼り付ける方法の実施例について説明する。
（実施例１）
図５は第１の実施例で、音響整合層３を製造し、それを圧電子２に貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第１の実施例を工程１〜工程６の順に説明する。
・工程１：ケイ酸ソーダの電気透析を行い、ｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を作る。
・工程２：ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整し、それを型に流し込む（注型）。そうすると、ケイ酸水溶液が時間と共にゲル化された水性湿潤ゲルブロックを得る。
・工程３：ゲル化されたケイ酸水溶液をトリメチルクロルシラン（ＴＭＳＣ）のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行い、湿潤ゲルブロックを作る。
・工程４：湿潤ゲルブロックを二酸化炭素を使用して超臨界乾燥させ、シリカ乾燥ゲルブロックを作る。
・工程５：シリカ乾燥ゲルブロックをλ／４の厚みにカッティングし、所定の音響整合層３を形成する。
・工程６：工程５でカッティングされた音響整合層３を圧電体２の一面あるいはケース１４の上面１４ａに、銀ロウ付けあるいは接着剤で貼り付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３０】
（実施例２）
図６は第２の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４に貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第２の実施例を工程１〜工程７の順に説明する。
・工程１：テトラエトキシシランとアルミニウム−ｓｅｃ−ブトキシド、エタノールからゾル溶液を形成する。
・工程２：ゾル溶液にゲル化触媒、または酸または塩基を加え、ケース１４に増粘状態で塗布するための、ゲル化開始前の塗布原料液を作る。
・工程３：ケース１４の塗布面に塗布原料液を塗布し、ケース（密閉容器）１４との複合化を図る。
・工程４：塗布原料液の塗布後、ゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜を形成する。
・工程５：エタノールで洗浄し、洗浄後に超臨界乾燥した後に、トリメチルクロルシランの蒸気にて疎水処理して、ケース１４の表面にアルミノシリカ乾燥ゲル膜を形成する。
・工程６：ケース１４の表面に作られたアルミノシリカ乾燥ゲル膜の上に、真空中で乾式の保護膜（保護層５）を形成する。この保護膜５は、酸化ケイ素の蒸着、スパッタリング、あるいはＣＶＤなどにより形成する。
・工程７：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３１】
（実施例３）
図７は第３の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４、特にそのケース１４をステンレス製のケースとした場合に、そのケース１４に音響整合層３を貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第３の実施例を工程１〜工程６の順に説明する。
・工程１：ケイ酸ソーダの電気透析を行い、ｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を作る。
・工程２：ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整し、それをケース１４上に滴下して塗布し、ケイ酸水溶液とケース１４との複合化を図る。
・工程３：塗布原料液の塗布後、その塗布原料液がゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料のアルコキシ基が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
・工程４：ゲル化されたケイ酸水溶液をトリメチルクロルシラン（ＴＭＳＣ）のアセトン溶液にて疎水化し、脱水処理を行う。また、ヘキサンに溶媒置換後、１００℃に維持した容器中で乾燥し、酸化ケイ素のシリカ乾燥ゲル膜を形成する。
・工程５：ケース１４の表面に作られたシリカ乾燥ゲル膜の上に、高周波プラズマＣＶＤによる非結晶炭素（ダイヤモンドライクカーボン）膜の保護膜（保護層５）を形成する。この保護膜５は、硬くて傷が付きにくく、耐薬品性が高い。また、ガスバリア性に優れ、低収着性を有して化学物質が付きにくい。
・工程６：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３２】
（実施例４）
図８は第４の実施例で、音響整合層３を製造し、それを金属密封型のケース１４、特にそのケース１４をアルミ製のケースとした場合に、そのケース１４に音響整合層３を貼り付ける方法を工程順に示している説明図である。その第４の実施例を工程１〜工程７の順に説明する。
・工程１：トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）とトルエンジアミン（ＴＤＡ）をアセトンやテトラヒドロフラン等の非プロトン系溶媒中で混合し、ポリウレア構造を持つ水溶液を作る。この場合の溶媒は、原料と反応しない溶媒を用意することが重要である。
・工程２：水溶液をケース１４上に滴下して塗布し、ケース１４との複合化を図る。
・工程３：塗布原料液の塗布後、その塗布原料液がゲル化されるときに、ケース１４の表面のＯＨ基と原料が反応して化学結合し、ケース１４の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
・工程４：ゲル化された塗布原料液をターシャルプチルアルコールに溶媒置換後、２５℃以下で凍結し、その後、４１Ｔｏｒｒ以下に減圧状態で加熱して乾燥し、有機乾燥ゲル膜を形成する。この有機乾燥ゲル膜は撥水性を有する。
・工程５：ケース１４の表面に作られた有機乾燥ゲル膜の上にウレタン系紫外線（ＵＶ）硬化樹脂をコーティングして硬化し、保護膜（保護層５）を形成する。・工程６：その後、ケース１４に圧電体２、蓋板７、駆動端子６ａ，６ｂ等を組み付けると圧電振動子１が出来上がる。
【００３３】
図９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９における超音波流量計は、流量測定部５１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５１の管壁には、本発明の超音波送受波器としての圧電振動子１（１ａ，１ｂ）が相対して配置されている。ここでは、圧電振動子１ａを超音波送波器（以下、「超音波送波器１ａ」という）として用い、圧電振動子１ｂを超音波受波器（以下、「超音波受波器１ｂ」という）として用いている。また、超音波送波器１ａと超音波受波器１ｂには、これらの送受信を切り替える切替回路５５を介して、超音波送受波器１ａ，１ｂを駆動する駆動回路５４と、超音波パルスを検知する受信検知回路５６、超音波パルスの伝搬時間を計測するタイマ５７、該タイマ５７の出力より流量を演算する演算部５８、駆動回路５４とタイマ５７に制御信号を出力する制御部５９が接続されている。
【００３４】
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ＬＰガス、超音波送受波器１ａ，１ｂの駆動周波数を約５００ｋＨｚとする。制御部５９では駆動回路５４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ７の時間計測を開始させる。駆動回路５４は送信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１ｂ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１ｂで電気信号に変換され、受信検知回路５６に出力される。受信検知回路５６では受信信号の受信タイミングを決定し、タイマ５７を停止させ、演算部５８で伝搬時間ｔ１を演算する。
【００３５】
引き続き切替回路５５で駆動部５４と受信検知回路５６に接続する超音波送受波器１ａ，１ｂを切り替え、再び制御部５９では駆動回路５４に送信開始信号を出力すると同時に、タイマ５７の時間計測を開始させる。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信し、超音渡送受波器１ａで受信し、演算部５８で伝搬時間ｔ２を演算する。
【００３６】
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，１ｂの中心を結ぶ線との角度をθとすると、伝搬時間ｔ１，ｔ２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から流量を調べることができることとなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、 乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、圧電体と音響整合層が化学結合してなる構成を有しているので、疎水化されている乾燥ゲルの固体骨格部により極めて軽量で音響インピーダンスの小さな音響整合層を有する超音波送受波器が得られる。また、乾燥ゲルの均質性の高さから特性バラツキが少ない安定した超音波送受波器が得られる。さらに、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲル形成時に、圧電体表面または容器（ケース）表面のＯＨ基と原料の成分が反応して化学的に結合されて貼り付けられるので、接着層の無い、いわゆる接着層レスの超音波送受波器が得られるという優れた効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の形態として示す超音波受波器の断面図
【図２】本発明の第２の形態として示す超音波受波器の断面図
【図３】本発明の第３の形態として示す超音波受波器の断面図
【図４】本発明の第４の形態として示す超音波受波器の断面図
【図５】本発明の超音波受波器における製造方法の第１実施例を説明する工程図
【図６】本発明の超音波受波器における製造方法の第２実施例を説明する工程図
【図７】本発明の超音波受波器における製造方法の第３実施例を説明する工程図
【図８】本発明の超音波受波器における製造方法の第３実施例を説明する工程図
【図９】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
【図１０】一般的な超音波流量計の測定原理を示す断面図
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 圧電体
３ 音響整合層
４ ケース
５ 保護層
６ａ，６ｂ 駆動端子
７ 蓋板
１４ ケース
１４ａ 上面
１５ 凹所（音響整合層配置部）
５１ 流量測定部
５４ 駆動回路
５５ 切替回路
５６ 受信検知回路
５７ タイマ（計測回路）
５８ 演算部
５９ 制御部
Claims (16)
- 圧電体と音響整合層を含む超音波送受波器であって、前記音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、前記乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、前記圧電体と前記音響整合層が化学結合してなる超音波送受波器。
- 圧電体と音響整合層を含む超音波送受波器であって、前記音響整合層が無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなり、前記乾燥ゲルの固体骨格部が疎水化され、前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面に配置されてなる超音波送受波器。
- 前記密閉容器が、前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有してなり、前記音響整合層配置部に無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルが充填されてなる請求項２記載の超音波送受波器。
- 前記密閉容器と前記音響整合層が化学結合してなる請求項２または３記載の超音波送受波器。
- 前記密閉容器が導電性材料である請求項２から４のいずれかに記載の超音波送受波器。
- 前記導電性材料が金属材料である請求項５記載の超音波送受波器。
- 前記音響整合層を構成する前記乾燥ゲルが、密度が５００ｋｇ／ｍ3以下であり、平均細孔直径が１００ｎｍ以下である請求項１から６のいずれかに記載の超音波送受波器。
- 前記乾燥ゲルの固体骨格部が、少なくとも酸化ケイ素または酸化アルミニウムを成分として有する請求項１から７のいずれかに記載の超音波送受波器。
- 前記音響整合層の表面に、密度８００ｋｇ／ｍ3以上であり、厚みが１０μｍ以下の保護層が形成されてなる請求項１から８のいずれかに記載の超音波送受波器。
- 前記保護層が、金属材料、無機材料、高分子材料のいずれかである請求項９記載の超音波送受波器。
- 前記保護層が、アルミニウム、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、非晶質炭素、ポリパラキシレンのいずれかである請求項１０記載の超音波送受波器。
- 固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、前記圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器に前記乾燥ゲルをロウ付けしてなることを特徴とする超音波送受波器の製造方法。
- 固体骨格部が疎水化された無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルからなる音響整合層と圧電体とを含む超音波送受波器の製造方法であって、前記圧電体または前記圧電体を内面に配置した気体遮蔽性容器にゲル原料液を塗布する成膜工程、前記ゲル原料液より湿潤ゲルを得る固体化工程、前記湿潤ゲル中の溶媒を除去して乾燥ゲルを得る乾燥工程を含んで前記音響整合層を形成してなることを特徴とする超音波送受波器の製造方法。
- 前記圧電体が密閉容器の内面に配置されてなる超音波送受波器において、前記密閉容器の前記圧電体の配置位置に対向した外面の位置に超音波発振波長の４分の１深さの凹形状の音響整合層配置部を有してなり、前記音響整合層配置部にゲル原料液を塗布してなる請求項１３記載の超音波送受波器の製造方法。
- 前記音響整合層の表面に、保護層を乾式成膜法で形成してなる請求項１２から１４のいずれかに記載の超音波送受波器の製造方法。
- 請求項１から１１のいずれか記載された超音波送受波器を用いた超音波流量計であって、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手段とを備えてなり、前記超音波送受波器が前記測定流体と圧電体とを遮断した密閉容器で構成されてなることを特徴とする超音波流量計。
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