JP2005037219A - 超音波送受波器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の表面形状を有する音響整合部材を備える高感度な超音波送受波器を提供する。
【解決手段】 本発明の超音波送受波器は、電気機械変換素子（圧電体２）と、電気機械変換素子２上に設けられた一対の電極３と、電気機械変換素子２の超音波送受波面側に配置された音響レンズ５とを備え、音響レンズ５は乾燥ゲルから形成されている。
【選択図】 図３

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／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。

ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／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。

Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

好ましい実施形態において、前記測定流体は、気体である。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 （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。 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。 本発明による超音波流量計の構成を示す図である。 （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。 （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。

符号の説明

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

Claims (16)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。

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