(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の側面の少なくとも一部に接触し、前記圧電体に対して固定された位置に設けられている保護部と、
を備えた超音波送受信器であって、
前記音響整合層は、密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下の材料から形成されている超音波送受信器。
【請求項２】
前記保護部は、前記圧電体の主面と同一レベルの平面から超音波放射方向に突出しており、前記圧電体の主面を基準とする前記保護部の高さが前記音響整合層の厚さを規定している請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項３】
前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である請求項１または２に記載の超音波送受信器。
【請求項４】
前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい請求項３に記載の超音波送受信器。
【請求項５】
前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送信および／または受信される超音波の波長の約１／４である請求項１から４のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項６】
前記音響整合層は、音響インピーダンスが２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下の材料から形成されている請求項１から５のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項７】
前記音響整合層は、無機系材料から形成されている請求項１から６のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項８】
前記無機系材料は、無機酸化物の乾燥ゲルである請求項７に記載の超音波送受信器。
【請求項９】
前記無機酸化物は、撥水化された固体骨格部を有している請求項８に記載の超音波送受信器。
【請求項１０】
前記音響整合層は、前記保護部が設けられた前記圧電体上で流動性状態から固体化されたものである請求項１から９のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項１１】
前記圧電体の主面と前記音響整合層との間に設けられた下層音響整合層を備えている、請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項１２】
前記保護部は、前記下層音響整合層の主面から突出しており、前記音響整合層の主面を基準とする前記保護部の高さが最上層に位置する前記音響整合層の厚さを規定している請求項１１に記載の超音波送受信器。
【請求項１３】
前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって構成され、前記下層音響整合層と一体化している請求項１２に記載の超音波送受信器。
【請求項１４】
前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である請求項１２または１３に記載の超音波送受信器。
【請求項１５】
前記保護部の前記高さは、最上層に位置する前記音響整合層の厚さに略等しい請求項１４に記載の超音波送受信器。
【請求項１６】
前記音響整合層および前記下層音響整合層は、それぞれ、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約１／４の厚さを有している請求項１２から１５のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項１７】
前記下層音響整合層の音響インピーダンスは、前記第１の音響整合層の音響インピーダンスよりも大きく、２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上３．０×１０7ｋｇ／ｍ2／ｓ以下である請求項１２から１６のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項１８】
前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周に存在している請求項１から１７のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項１９】
前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周側面の全体を覆っている請求項１８に記載の超音波送受信器。
【請求項２０】
前記保護部は、前記圧電体の主面の外側に配置されている請求項１８または１９に記載の超音波送受信器。
【請求項２１】
前記保護部は、前記圧電体の主面上に設けられている請求項１から１１のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項２２】
前記保護部は、前記下層音響整合層上に設けられている請求項１１から１７のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項２３】
前記保護部は、前記圧電体の一部によって構成され、前記圧電体と一体化している請求項１から１０のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項２４】
前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えている請求項１から２３のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項２５】
前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えており、
前記保護部が前記構造支持体上に設けられている請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項２６】
前記構造支持体は、プレス成形された金属から形成されており、
前記保護部は、前記構造支持体のプレス成形によって折り曲げられた部分によって構成されている請求項２５に記載の超音波送受信器。
【請求項２７】
前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である請求項２５または２６に記載の超音波送受信器。
【請求項２８】
前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい請求項２７に記載の超音波
送受信器。
【請求項２９】
前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約１／４である請求項２７または２８に記載の超音波送受信器。
【請求項３０】
前記音響整合層の音響インピーダンスは、２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下である請求項２５から２９のいずれかに記載の超音波送受信器
。
【請求項３１】
前記圧電体の背面に配置され、前記圧電体から背面方向に放射される超音波を減衰させる背面負荷材を更に備えており、
前記保護部材は前記背面負荷材上に設けられている請求項１に記載の超音波送受信器。
【請求項３２】
前記保護部は、前記背面負荷材の一部によって構成されており、前記背面負荷材と一体化している請求項３１に記載の超音波送受信器。
【請求項３３】
前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、水酸基を付与する表面処理を受けている請求項１から３２のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項３４】
前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、粗面化処理を受けている請求項１から３２のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項３５】
前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、多孔質である請求項１から３２のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項３６】
超音波送受信器のうち前記音響整合層が接触している部分には、前記音響整合層の一部が浸透し、一体化している請求項１から３２のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項３７】
超音波振動を行う圧電体と、
密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下で、かつ、音響インピーダンスが２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下の材料から形成された上層音響整合層と、
前記圧電体と前記上層音響整合層との間に設けられた下層音響整合層と、
前記下層音響整合層および前記圧電体を支持し、前記圧電体を超音波伝搬流体から遮蔽する構造支持体と、
を備えた超音波送受信器であって、
前記上層音響整合層の側面の少なくとも一部に接触する保護部を備えている、超音波送受信器。
【請求項３８】
前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって形成されており、前記下層音響整合層と一体化している請求項３７に記載の超音波送受信器。
【請求項３９】
前記保護部の弾性率は、前記音響整合層の弾性率に略等しい請求項１から３８のいずれかに記載の超音波送受信器。
【請求項４０】
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信器と、
前記一対の超音波送受信器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測手段と、
前記計測手段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信器の各々が請求項１から３９のいずれかに記載された超音波送
受信器である、超音波流量計。
【請求項４１】
前記超音波送受信器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている請求項４０に記載の超音波流量計。
【請求項４２】
請求項１から３９のいずれかに記載の超音波送受信器を備えた装置。
【請求項４３】
圧電体と、
前記圧電体上に設けられた音響整合層と、
前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部と、
を備えた超音波送受信器であって、
前記音響整合層は、密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下の材料から形成されている超音波送受信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響整合層を有する超音波送受信器およびその製造方法、ならびに、当該超音波送受信器を備えた超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、流体が流れる管内における所定距離を超音波が伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定することにより、その移動速度に基づいて流量を決定する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。
【０００３】
図３５は、このようなタイプの超音波流量計の主要部断面構成を示している。超音波流量計は、流量を測定すべき被測定対象流体が管内を流れるように配置される。管壁１０２には、一対の超音波送受信器１０１ａ、１０１ｂが相対して設置されている。超音波送受信器１０１ａ、１０１ｂ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おり、圧電ブザー、圧電発振子と同様に共振特性を示す。
【０００４】
図３５に示されている状態では、超音波送受信器１０１ａが超音波送波器として用いられ、超音波送受信器１０１ｂが超音波受波器として用いられている。
【０００５】
超音波送受信器１０１ａの共振周波数近傍の周波数を持つ交流電圧を超音波送受信器１０１ａ内の圧電体（圧電振動子）に印加すると、超音波送受信器１０１ａは、超音波送波器として機能し、流体中に超音波を放射する。放射された超音波は、経路Ｌ１に伝搬し、超音波送受信器１０１ｂに到達する。このとき、超音波送受信器１０１ｂは受波器として機能し、超音波を受けて電圧に変換する。
【０００６】
次に、今度は超音波送受信器１０１ｂが超音波送波器として機能し、超音波送受信器１０１ａが超音波受波器として機能する。すなわち、超音波送受信器１０１ｂの共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送受信器１０１ｂ内の圧電体に印加することにより、超音波送受信器１０１ｂから流体中に超音波を放射させる。放射された超音波は、経路Ｌ２を伝搬し、超音波送受信器１０１ａに到達する。超音波送受信器１０１ａは伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。
【０００７】
このように、超音波送受信器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、一般に、超音波送受信器（または超音波送受波器）と総称される。
【０００８】
図３５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信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。
【０００９】
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。
【００１０】
駆動用のバースト電圧信号を超音波送受信器１０１ａに印加することにより、超音波送受信器１０１ａから超音波バースト信号を放射すると、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信器１０１ｂに到達する。経路Ｌ１の距離は、経路Ｌ２の距離と同様にＬであるとする。
【００１１】
超音波送受信器１０１ｂ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、超音波送受信器１０１ａに印加して超音波バースト信号を放射する。このような動作を行う装置を「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信器１０１ａから放射された後、超音波送受信器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。
【００１２】
図３５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。超音波送受信器１０１ａを超音波送波器、超音波送受信器１０１ｂを超音波受波器として用いたときに、超音波送受信器１０１ａから出た超音波パルスが超音波送受信器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、次式(１)が成立する。
【００１３】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
【００１４】
逆に、超音波送受信器１０１ｂを超音波送波器として、超音波送受信器１０１ａ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、次式（２）の関係が成立する。
【００１５】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
【００１６】
両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）で示される。
【００１７】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
【００１８】
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、その流速Ｖから、流量を決定することができる。
【００１９】
このような超音波流量計では、高い精度が求められる。精度を高めるには、超音波送受信器内の圧電体の超音波送受信面に形成される音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。音響整合層は、特に、超音波送受信器が気体に超音波を放射（送波）する場合、および、気体を伝搬して来た超音波を受け取る場合に重要な役割を果たす。
【００２０】
以下、図３６を参照しながら、音響整合層の役割を説明する。図３６は、従来の超音波送受信器１０３の断面構成を示している。
【００２１】
図示されている超音波送受信器１０３は、センサーケース１０５の内側に固定された圧電体１０６と、センサーケース１０５の外側に固定された音響整合層１０４とを備えている。音響整合層１０４は、エポキシ系の接着剤等によってセンサーケース１０５に接着されている。同様にして、圧電体１０６もセンサーケース１０５に接着されている。
【００２２】
圧電体１０６の超音波振動は、接着層を介してセンサーケース１０６に伝わり、更にもうひとつの接着層を介して音響整合層１０４に伝わる。この後、超音波振動は、音響整合層１０４と接する気体（超音波伝搬媒体）に音波として放射される。
【００２３】
音響整合層１０４の役割は、圧電体の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。以下、この点をより詳細に説明する。
【００２４】
物質の音響インピーダンスＺは、その物質中の音速Ｃと物質の密度ρを用いて、次の式（４）によって定義される。
【００２５】
Ｚ＝ρ×Ｃ    ・・・（４）
【００２６】
超音波の放射対象となる気体の音響インピーダンスは、圧電体の音響インピーダンスから大きく異なっている。一般的な圧電体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾセラミックスの音響インピーダンスＺ１は、３０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ程度である。これに対して、空気の音響インピーダンスＺ３は４００ｋｇ／ｍ2／ｓ程度である。
【００２７】
音響インピーダンスが異なる物質の境界面では、音波が反射しやすく、境界面を透過する音波の強度が低下する。このため、圧電体と気体との間に、式（５）で示す音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入することが行われている。
【００２８】
Ｚ２＝（Ｚ１×Ｚ３）1/2  ・・・（５）
【００２９】
このような音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入すると、境界面での反射が抑えられ、音波の透過率が向上する。
【００３０】
音響インピーダンスＺ１を３０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ、音響インピーダンスＺ３を４００ｋｇ／ｍ2／ｓとした場合、式（５）を満たす音響インピーダンスＺ２は、１１×１０4ｋｇ／ｍ2／ｓ程度となる。１１×１０4ｋｇ／ｍ2／ｓの値を持つ物質は、当然に、式（４）、すなわち、Ｚ２＝ρ×Ｃを満足しなければならない。このような物質を固体材料の中から見出すことは極めて難しい。その理由は、固体でありながら、密度ρが充分に小さく、かつ、音速Ｃが低いことが要求されるからである。
【００３１】
現在、音響整合層の材料としては、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広く用いられている。また、このような音響整合層に適した材料を作製する方法として、中空ガラス球を熱圧縮する方法や溶融材料を発泡させる方法などが、例えば特許第２５５９１４４号公報に開示されている。
【００３２】
しかし、これらの材料の音響インピーダンスは、５０×１０4ｋｇ／ｍ2／ｓより大きい値であり、式（５）を満足しているとは言い難い。高感度な超音波送受信器を得るためには、音響インピーダンスを更に小さくした材料で音響整合層を形成することが必要である。
【００３３】
このような要望に応えるため、本願出願人は、式（５）を充分に満足する音響整合材料を発明し、特願平２００１−０５６０５１号の明細書に開示している。この材料は、耐久性を付与した乾燥ゲルを用いて作製され、密度ρが小さく、かつ、音速Ｃも低い。
【００３４】
このような音響インピーダンスの極めて低い乾燥ゲルなどの材料から形成した音響整合層を備えた超音波送受信器は、気体との間で効率的かつ高感度で超音波の送受信を行うことができる。その結果、気体の流量を高い精度で測定することのできる装置が実現する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
しかしながら、乾燥ゲルのような音響インピーダンスが極めて低い材料は、一般に機械的強度が低い。特に、乾燥ゲルは圧縮方向の応力には比較的強いが、引張りや曲げ方向の応力に極めて弱く、弱い衝撃によっても容易に破壊されてしまう。
【００３６】
また、このような材料は音速が非常に遅いため、最大の送受信感度を得るための適切な音響整合層の厚さ（送受信波長の約１／４）が非常に薄くなる。例えば、材料の音速が６０〜４００ｍ／ｓであれば、５００ｋＨｚ程度の超音波の送受信を行う場合、音響整合層の好ましい厚さは３０〜２００μｍ程度となる。このように薄くなると、音響整合層をひとつの部材として取り扱うことが極めて困難であり、センサーケースや圧電体に対して音響整合層を接着して、超音波送受信器を作製することが殆ど不可能であるか、可能であっても製造歩留まりやコストの観点から実用化を難しくしている。
【００３７】
更に、音響整合層の機械的な強度が低いことにより、超音波送受信器として使用中に超音波振動自体が音響整合層の剥がれを誘発するなどして、信頼性が低下する可能性もある。
【００３８】
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、乾燥ゲルなどの機械的強度が低く、音速の遅い材料から形成した音響整合層を備えながら、歩留まり良く製造でき、かつ信頼性の高い超音波送受信器およびその製造方法を提供することにある。
【００３９】
本発明の他の目的は、上記の超音波送受信器を備えた超音波流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明の超音波送受信器は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の側面の少なくとも一部に接触し、前記圧電体に対して固定された位置に設けられている保護部とを備えている。
【００４１】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面と同一レベルの平面から超音波放射方向に突出しており、前記圧電体の主面を基準とする前記保護部の高さが前記音響整合層の厚さを規定している。
【００４２】
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である。
【００４３】
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい。
【００４４】
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送信および／または受信される超音波の波長の約１／４である。
【００４５】
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下の材料から形成されている。
【００４６】
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、音響インピーダンスが２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下の材料から形成されている。
【００４７】
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、無機系材料から形成されている。
【００４８】
好ましい実施形態において、前記無機系材料は、無機酸化物の乾燥ゲルである。
【００４９】
好ましい実施形態において、前記無機酸化物は、撥水化された固体骨格部を有している。
【００５０】
好ましい実施形態において、前記音響整合層は、前記保護部が設けられた前記圧電体上で流動性状態から固体化されたものである。
【００５１】
好ましい実施形態において、前記圧電体の主面と前記音響整合層との間に設けられた下層音響整合層を備えており、前記保護部は、前記下層音響整合層の主面から突出しており、前記音響整合層の主面を基準とする前記保護部の高さが最上層に位置する前記音響整合層の厚さを規定している。
【００５２】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって構成され、前記下層音響整合層と一体化している。
【００５３】
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である。
【００５４】
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、最上層に位置する前記音響整合層の厚さに略等しい。
【００５５】
好ましい実施形態において、前記音響整合層および前記下層音響整合層は、それぞれ、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約１／４の厚さを有している。
【００５６】
好ましい実施形態において、前記第響整合層の密度は、５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下である。
【００５７】
好ましい実施形態において、前記下層音響整合層の音響インピーダンスは、前記音響整合層の音響インピーダンスよりも大きく、２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上３．０×１０7ｋｇ／ｍ2／ｓ以下である。
【００５８】
好ましい実施形態において、前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周に存在している。
【００５９】
好ましい実施形態において、前記保護部は最上層に位置する前記音響整合層の外周側面の全体を覆っている。
【００６０】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面の外側に配置されている。
【００６１】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記圧電体の主面上に設けられている。
【００６２】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層上に設けられている。
【００６３】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって構成され、前記下層音響整合層と一体化している。
【００６４】
好ましい実施形態において、前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えている。
【００６５】
好ましい実施形態において、前記圧電体を支持する構造支持体を更に備えており、前記保護部が前記構造支持体上に設けられている。
【００６６】
好ましい実施形態において、前記構造支持体はプレス成形された金属から形成されており、前記保護部は、前記構造支持体のプレス成形により折り曲げられた部分によって構成されている。
【００６７】
好ましい実施形態において、前記保護部の前記高さは、５μｍ以上２５００μｍ以下である。
【００６８】
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記保護部の前記高さに略等しい。
【００６９】
好ましい実施形態において、前記音響整合層の厚さは、前記圧電体によって送受信される超音波の波長の約１／４である。
【００７０】
好ましい実施形態において、前記音響整合層の密度は、５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下である。
【００７１】
前記音響整合層の音響インピーダンスは、２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下である。
【００７２】
好ましい実施形態において、前記圧電体の背面に配置された背面負荷材を更に備えており、前記保護部材は前記背面負荷材上に設けられている。
【００７３】
好ましい実施形態において、前記保護部は、前記背面負荷材の一部によって構成されており、前記背面負荷材と一体化している。
【００７４】
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、水酸基を付与する表面処理を受けている。
【００７５】
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、粗面化処理を受けている。
【００７６】
好ましい実施形態において、前記音響整合層が前記保持部と接触する面の少なくとも一部は、多孔質である。
【００７７】
好ましい実施形態において、超音波送受信器のうち前記音響整合層が接触している部分には、前記音響整合層の一部が浸透し、一体化している。
【００７８】
本発明の他の超音波送受信器は、超音波振動を行う圧電体と、密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下で、かつ、音響インピーダンスが２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下の材料から形成された上層音響整合層と、前記圧電体と前記上層音響整合層との間に設けられた下層音響整合層と、前記下層音響整合層および前記圧電体を支持し、前記圧電体を超音波伝搬流体から遮蔽する構造支持体とを備えた超音波送受信器であって、前記上層音響整合層の側面の少なくとも一部に接触する保護部を備えている。
【００７９】
前記保護部は、前記下層音響整合層の一部によって形成されており、前記下層音響整合層と一体化している。
【００８０】
好ましい実施形態において、前記保護部の弾性率は、前記音響整合層の弾性率に略等しい。
【００８１】
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信器と、前記一対の超音波送受信器の間を超音波が伝搬する時間を計測する計測手段と、前記計測手段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信器の各々が上記いずれかの超音波送受信器である。
【００８２】
好ましい実施形態において、前記超音波送受信器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている。
【００８３】
本発明の装置は、上記いずれかの超音波送受信器を備えていることを特徴とする。
【００８４】
本発明による超音波送受信器の製造方法は、主面と、前記主面上に受けられた凸部とを有する圧電体を用意する工程（ａ）と、前記圧電体の主面上に音響整合層を形成し、前記音響整合層の側面の少なくとも一部を前記凸部の側面に接触させる工程（ｂ）とを含んでいる。
【００８５】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、ゲル原料を前記圧電体素子の主面上に供給する工程と、前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記音響整合層を形成する工程と、
を含んでいる。
【００８６】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、圧電体の表面を加工し、前記主面および凸部を形成する工程を含んでいる。
【００８７】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、圧電体の表面に前記凸部を固着する工程を含んでいる。
【００８８】
好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、圧電体を構造支持体に固着する工程を含んでいる。
【００８９】
本発明の超音波送受信器の製造方法は、上層音響整合層、圧電体、および、前記上層音響整合層と前記圧電体との間に設けられた下層音響整合層を備えた超音波送受信器を製造する方法であって、凹部を有し、前記下層音響整合層として機能することになる部材を用意する工程（ａ）と、前記部材の凹部に、ゲル原料を供給する工程（ｂ）と、前記ゲル原料を乾燥させ、固化することによって前記上層音響整合層を形成する工程（ｃ）とを含んでいる。
【００９０】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、前記部材に前記ゲル原料を浸透させる工程を含んでいる。
【００９１】
好ましい実施形態において、前記ゲル原料は前記部材の全体に浸透させられる。
【００９２】
好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、前記部材と前記圧電体との配置関係を固定した後に行う。前記工程（ｂ）は、前記部材と前記圧電体との配置関係を固定する前に行ってもよい。
【００９３】
本発明の超音波送受信器は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた音響整合層と、前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部とを備えている。
【００９４】
本発明の超音波送受信器は、構造支持体と、前記構造支持体を挟んで対抗する位置に設けられた圧電体および音響整合層と、前記音響整合層の外周面に接するように配置された保護部とを備えている。
【００９５】
本発明の更に他の超音波送受波器は、超音波の送波および／または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第１音響整合部分と、前記第１音響整合部分の平均密度よりも低い平均密度を有する第２音響整合部分とを有しており、前記第１音響整合部分は、前記第２音響整合部分の側面と接触している。
【００９６】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部は、前記第２音響整合部よりも厚く、前記圧電体の主面から放射され前記第２音響整合部分を透過して前記第１音響整合部分の上面と同一レベルの位置に到達した超音波の位相と、前記主面から放射され前記第１音響整合部分を透過して前記第１音響整合部分の上面に到達した超音波の位相とが略一致している
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分における超音波の波長をλ１としたとき、前記第１音響整合部分の厚さはｋ１・λ１の大きさ（ｋ１は１／８以上１／３以下）を有し、かつ前記第２１音響整合部分の厚さとは異なっている。
【００９７】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分は、Ｎ層の音響整合層（Ｎは１以上の整数）から構成されており、Ｎ層の音響整合層の各々は、各音響整合層における前記超音波の波長のｋ２倍の大きさ（ｋ２は１／８以上１／３以下）を有している。
【００９８】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の最外層に位置する音響整合層の厚さは、前記第２音響整合部分の最外層に位置する音響整合層における超音波の波長の約１／４である。
【００９９】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第１音響整合部分の材料と同じ材料から構成されている。
【０１００】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分のうち、前記圧電体の主面に最も近い位置に形成されている音響整合層は、前記第１音響整合部分と一体的に形成されている。
【０１０１】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分に含まれる少なくとも１層の音響整合層は、乾燥ゲルから形成されている。
【０１０２】
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、無機系材料からなる。
【０１０３】
好ましい実施形態において、前記乾燥ゲルは、撥水化された固体骨格部を有している。
【０１０４】
好ましい実施形態において、音波送受波器を構成する部材のうち、前記音響整合部分に接する面の少なくとも一部が、粗面または多孔質である。
【０１０５】
好ましい実施形態において、超音波送受波器を構成する部材のうち、前記第２音響整合部分に接する面の少なくとも一部において、前記第２音響整合部分の一部が前記部材に浸透一体化している。
【０１０６】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の少なくとも一部は乾燥ゲルから形成されており、前記第１音響整合部分は前記乾燥ゲルよりも機械的強度の高い材料から形成されている。
【０１０７】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分の少なくとも一部は、多孔質セラミックスから形成されている。
【０１０８】
好ましい実施形態において、前記第１音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。
【０１０９】
好ましい実施形態において、前記第２音響整合部分の厚さは、前記圧電体の主面における位置に応じて変化している。
【０１１０】
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部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、上記いずれかの超音波送受波器である。
【０１１１】
好ましい実施形態において、前記超音波送受波器の圧電体は、前記被測定流体から遮蔽されている。
【０１１２】
好ましい実施形態において、前記被測定流体は、気体である。
【０１１３】
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。
【０１１４】
本発明の超音波送受波器の製造方法は、（ａ）第１の面および前記第１の面とは反対側の第２の面を有し、前記第１および第２の面に電極が形成された圧電体を用意する工程と、（ｂ）前記圧電体における前記第１および第２の面の少なくとも一方の側に第２音響整合部分を形成する工程と、（ｃ）前記圧電体と前記第２音響整合部分とによって形成された空間内にゲル原料を供給する工程と、（ｄ）前記ゲル原料液をゲル化させて湿潤ゲルを得る工程と、（ｅ）得られた湿潤ゲルを乾燥させる工程とを含む。
【０１１５】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ）は、（ｃ１）前記空間内に第１のゲル原料を供給する工程と、（ｃ２）前記第１のゲル原料液をゲル化させて第１の湿潤ゲル層を形成する工程と、（ｃ３）前記第１の湿潤ゲル層の上に第２のゲル原料を供給する工程と、（ｃ４）前記第２のゲル原料液をゲル化させて第２の湿潤ゲル層を形成する工程とを含み、前記工程（ｅ）は、前記第１および第２の湿潤ゲル層を乾燥させることにより、前記第１および第２の湿潤ゲル層から、それぞれ、第１音響整合層および第２音響整合層を形成する工程とを含む。
【０１１６】
好ましい実施形態において、前記工程（ｃ４）において、前記第１音響整合層の音響インピーダンスを変化させるように前記第１の湿潤ゲル層を改質する。
【０１１７】
本発明の超音波送受波器は、超音波の送波および／または受波を行う主面を有する圧電体と、前記圧電体の主面上に設けられた音響整合部材とを備えた超音波送受波器であって、前記音響整合部材は、第１音響整合部分と、前記第１音響整合部分の機械強度よりも低い機械強度を有する第２音響整合部分とを有しており、前記第１音響整合部分は、前記第２音響整合部分の側面と接触している。
【発明の効果】
本発明によれば、音響インピーダンスが極めて低く、機械的強度の小さな材料から形成した薄い音響整合層を用いた高性能の超音波送受信器を実用化することが可能になる。使用時における信頼性も向上する。本発明の第１の態様では、音響整合層を保護するともに、音響整合層の厚さを規定するためにも利用可能な保護部を設けているため、機械的強度が低く、薄い音響整合層を高い精度で再現性良く形成することができる。その結果、広帯域の超音波を高感度で送受信できる信頼性の高い超音波送受波器が提供される。また、本発明の第２の態様では、音響整合層としても機能する保護部（保護部兼音響整合層＝保護整合層）を圧電体の主面に内の任意の位置に設けることができる。２種類の音響整合層の音速および厚さを調節することにより、厚さの異なる２種類の音響整合層から放射される超音波の位相を揃え、超音波の送受信感度を高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【０１１９】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における超音波送受信器（超音波振動子）の一断面を示している。図示されている超音波送受信器１は、圧電体４と、圧電体４上に設けられた音響整合層３と、圧電体４に対して固定された保護部２とを備えている。
【０１２０】
圧電体４は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向に分極されている。圧電体４の上下面には、不図示の電極が形成され、電極に印加される信号に基づいて超音波を放射する。また、超音波を受けた場合は、電極間に電圧信号を発生させる。本発明では、圧電体４の材料は任意であり、公知のものを用いることができる。
【０１２１】
圧電体４の主面（超音波送受波面）Ｓ１を基準とする保護部２の高さＨは音響整合層３の厚さを規定しており、好ましい態様では、保護部２の高さは音響整合相層３の厚さに略等しい。
【０１２２】
図２は、図１の超音波送受信器１の上面を示している。図２からわかるように、本実施形態の超音波送受信器１では、リング状の保護部２が音響整合層３を取り囲み、音響整合層３の外周面（側面）の全体が保護部２の内周面と接触している。このような保護部２を圧電体４の上面に設けることにより、圧電体４から音響整合層３が剥離しにくくなり、また、音響整合層３の破損を防止することができる。その結果、超音波送受信器１の製造段階および使用段階における信頼性が著しく向上する。
【０１２３】
なお、のちに述べる製造方法によれば、保護部２の高さＨを調節することによって音響整合層３の厚さを高精度で制御することができる。そのため、音響整合層３を高い精度で安定的に形成することができるので、品質に優れた超音波送受信器を歩留りよく製造することが可能となる。音響整合層３の厚さが素子ごとにばらつくと、超音波送受信器の特性（感度など）が変動するため、所定の厚さを有する音響整合層３を再現性良く形成することが重要である。前述したように、最大の送受信感度を得るための適切な音響整合層の厚さは、送受信する超音波の波長の約１／４である。このため、音速が約２８０ｍ／ｓの乾燥ゲルを音響整合層に用いて５００ｋＨｚ程度の超音波の送受信を行う場合は、乾燥ゲルの音響整合層の好ましい厚さを１４０μｍ程度に設定する必要がある。この厚さが１０％程度異なると、送受信感度は２０％程度変動するおそれがある。このように音響整合層３の厚さが僅かに変化するだけで、送受信感度が大きく変動するが、本実施形態によれば、所望の厚さを有する音響整合層３が再現性良く形成されている。
【０１２４】
本実施形態の超音波送受信器１は、例えば、以下のようにして製造される。
【０１２５】
まず、送受信する超音波の波長に合わせた圧電体４を用意する。圧電体４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。圧電セラミックスとしては、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。
【０１２６】
本実施形態では、圧電体４としてチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを用い、送受信する超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。このような超音波を圧電体４が効率よく送受信できるようにするため、素子の共振周波数を５００ｋＨｚに設計する。このため、本実施形態では、直径が１２ｍｍ、厚さが約３ｍｍの円柱形状を有する圧電セラミックスから形成された圧電体４を用いている。
【０１２７】
このような圧電体４に対して、外径１２ｍｍ、内径１１ｍｍ、厚さ１４０μｍのリング状保護部２を接合する。本実施形態では、保護部２として、ステンレス製の金属リングを用いている。ステンレス性の保護部２と圧電体４との接合は、接着剤による接着によって行うことができる。例えば、接着剤としてエポキシ系樹脂を用い、０．２ＭＰａの圧力をかけながら、１５０℃の恒温槽中で、２時間放置して硬化させればよい。
【０１２８】
本実施形態では、乾燥ゲルから音響整合層３を形成する。乾燥ゲルから形成した音響整合層３の音速は約２８０ｍ／ｓであるため、音響整合層３における超音波の波長は約６４０μｍである。このため、音響整合層３の厚さを、音響整合層３における超音波波長の約１／４に等しくなるように、１４０μｍに設定している。この厚さの音響整合層３を形成するため、本実施形態では、保護部２の厚さを１４０μｍに設定している。
【０１２９】
保護部２の役割は、まず第１に、超音波送受信器１の製造段階や使用段階における外部から受ける機械的な衝撃または熱的な衝撃から、音響整合層３を保護することにある。第２に、超音波送受信器１としての動作（使用）時に、送受信する超音波の振動から超音波送受信器１を保護することも重要な役割である。
【０１３０】
音響整合層３が、その役割を果たすためには、圧電体４と音響整合層３とが密着していることが極めて重要である。圧電体４と音響整合層３との間に僅かでも剥離が生じると、音響整合層３としての役割を果たすことができなくなる。
【０１３１】
本願発明者は、圧電体４と音響整合層３との密着性を保持するためには、図２に示すように、音響整合層３の外周部分に保護部２を設けた構造が極めて有効であることを見いだした。保護部２が無い場合には、超音波送受信器１の製造時や使用時に大幅な特性劣化が進行し、高性能の超音波送受信器１を実用化することができなくなる可能性がある。
【０１３２】
本実施形態の音響整合層３は、密度ρと音速Ｃとの積（ρ×Ｃ）で規定される音響インピーダンスが極めて小さい材料から形成される。このため、空気などの気体に対する超音波の送受信効率を極めて高くすることができる。音響インピーダンスが極めて小さい材料として、本実施形態では、前述したように乾燥ゲルを用いている。
【０１３３】
音響整合層３を乾燥ゲルから形成することにより、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従来材料から音響整合層を形成した場合に比較して、気体と圧電体との間の音響整合が極めて良くなるため、超音波送受信効率を格段に向上させることができる。
【０１３４】
本明細書における「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って、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が、溶媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、乾燥して溶媒除去することで形成されたものである。この乾燥ゲルは、ナノメートルサイズの固体骨格部によって平均細孔直径が数ｎｍから数μｍ程度の連続気孔が形成されているナノ多孔質体である。
【０１３５】
このような微細な構造を有する多孔質体であるため、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、音速として５００ｍ／ｓ以下程度の非常に遅い値を示し、従来の音響整合層とは全く異なる低い音響インピーダンスを得ることができる。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に音響整合層として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。
【０１３６】
このような乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料など様々な材料を用いることができる。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。
【０１３７】
本実施形態では、予め圧電体４と保護部２とによって形成された凹型空間Ｐ１（図１参照）の内部に上述の乾燥ゲルから音響整合層３を形成する。すなわち、液体状であるゲル原料液を圧電体４と保護部２とで構成される凹型空間Ｐ１に流し込んだ後、ゲル化、疎水化、および乾燥を行うことにより、音響整合層３となる乾燥ゲルを形成する。なお、本実施形態では、酸化ケイ素の固体骨格部を有する乾燥ゲルを音響整合層３として用いている。
【０１３８】
具体的には、以下に示す工程１〜４を順次行うことにより、音響整合層３を形成することができる。
【０１３９】
１、テトラエトキシシラン、エタノール、およびアンモニア水溶液（０．１規定）を、モル比で、１：３：４となるように調製したゲル原料液（ゾル）を用意する。
【０１４０】
２、このゲル原料液をスポイトで圧電体と保護部で形成される凹型空間に滴下する。そのとき、凹型空間Ｐ１の体積よりも過剰な量のゲル原料液を滴下する。次に、凹型空間Ｐ１の内部に溜まったゲル原料液の高さが保護部の高さＨと同じになるよう、テフロン（登録商標）製の平板（不図示）を用いたすり切り操作を行った後、テフロン板で蓋をする。
【０１４１】
３、室温で約１日放置し、原料液がゲル化（湿潤ゲルの形成）した後、テフロン板を取り外す。その後、トリメチルエトキシシランの５重量％ヘキサン溶液中で、疎水化処理を行う。
【０１４２】
４、超臨界乾燥槽に導入し、二酸化炭素雰囲気のもと、１２ＭＰａ、５０℃の条件で超臨界乾燥をおこなう。こうして、乾燥ゲルが形成される。
【０１４３】
このような工程１〜４により、例えば、密度ρが０．３×１０3ｋｇ／ｍ3、音速Ｃが２８０ｍ／ｓ、厚さが１４０μｍの音響整合層４を形成することができる。
【０１４４】
本発明は、密度が５０ｋｇ／ｍ3以上１０００ｋｇ／ｍ3以下で、かつ、音響インピーダンスが２．５×１０3ｋｇ／ｍ2／ｓ以上１．０×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓ以下の材料から音響整合層を形成する場合に顕著な効果を発揮するが、上記の方法によれば、このような音響整合層を好適に作製することが可能となる。
【０１４５】
上記方法によれば、音響整合層３の厚さを保護部２の高さＨに略等しくすることができるため、保護部２によって音響整合層３の厚さを高精度で制御できる。保護部２は、製造工程のある段階においては、ゲル原料液のガイドとして機能しているといえる。
【０１４６】
上記方法によれば、厚さばらつきの少ない音響整合層３を歩留まり良く形成できるため、超音波送受信器の特性ばらつきを抑制することが可能になる。なお、本発明において、保護部２の高さを音響整合層３の厚さと等しくすることは不可欠ではない。保護部２の高さが音響整合層３の厚さより大きい場合は、音響整合層３の収縮を抑制し、機械的な衝撃から保護する機能は充分に発揮される。逆に、保護部２の高さが音響整合層３の厚さより小さい場合でも、保護部２を設けない場合にくられべれば、音響整合層３の収縮を抑制し、機械的な衝撃から保護する機能が高い程度で発揮される。
【０１４７】
上記方法で作製した音響整合層３を備えた超音波送受信器について、その送受信波形を測定した。測定により得られた波形図を図３（ａ）に示す。比較のため、ガラスバルーンをエポキシで固めた材料を音響整合層に用いた場合の送受信波形を図３（ｂ）に示す。ここで用いたガラスバルーンの音響整合層は、密度が０．５２ｇ／ｃｍ3、音速が２５００ｍ／ｓ、厚さが１．２５ｍｍである。
【０１４８】
なお、従来技術について説明したように、音響整合層の音響インピーダンスは、式（５）で規定される値を示すことが望ましい。本実施形態では、圧電体４にチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを用い、超音波を伝搬する伝搬媒体としては空気を設定している。従って、圧電体４の密度が７．７×１０3ｋｇ／ｍ3であり、音速が３８００ｍ／ｓであるので、音響インピーダンスは約２９×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓとなる。一方、空気の密度は０．００１１８ｋｇ／ｍ3であり、その音速は３４０ｍ／ｓであるので、音響インピーダンスは約０．０００４×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓとなる。このため、式（５）より、音響整合層の好ましい音響インピーダンスは、理論上、約０．１×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓとなる。
【０１４９】
本実施形態の超音波送受信器１における音響整合層３の音響インピーダンスは、密度が０．３×１０3ｋｇ／ｍ3で、音速が２８０ｍ／ｓであるため、約０．０８４×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓとなり、理論上の理想値に極めて近いものとなっている。
【０１５０】
図３からわかるように、本実施形態によれば、従来のセンサに比較して３倍以上の送受信感度を得ることができる。また、本実施形態では、保護部２を設けているため、機械的強度が低く壊れやすい乾燥ゲルから形成した音響整合層を有する超音波送受信器でも、歩留まり良く製造され、しかも、使用時においても、長期間信頼に足る動作を継続することができる。外部振動テスト、熱的衝撃のテスト、連続振動テストなどを行い、音響整合層３が圧電体４から剥離するか否かを厳しい条件下で評価したが、超音波送受信器の性能が劣化することは無く、極めて安定な動作を確認することができた。
【０１５１】
本実施形態では、上記工程４において、湿潤ゲルを乾燥させて乾燥ゲルを得る際、超臨界乾燥法を用いたが、通常の大気中での乾燥を行っても良い。この場合、湿潤ゲルから乾燥ゲルへの変化する過程で収縮が起こり、１０〜２０％程度の体積変化が発生する。このような体積収縮が生じると、従来の構成では、音響整合層３が圧電体４から剥離する。しかし、本実施形態の場合は、図４に示すように、保護部２が存在するため、乾燥ゲルの収縮が主として厚さ方向にのみ起こる。すなわち、圧電体４と音響整合層３との界面で、面内方向の応力がほとんど発生せず、音響整合層３の剥離が効果的に防止される。従って、超臨界乾燥法よりも簡便な大気中乾燥法を採用しても、高感度・高信頼性の超音波送受信器１を作製することができ、製造コストを低減することが可能となる。
【０１５２】
なお、保護部２の高さは、乾燥ゲルの収縮率を考慮して、最終的な音響整合層３の厚さが最適な大きさを持つように設定されることが好ましい。なお、収縮の程度が大きくなりすぎて、音響整合層３の最も薄い部分の厚さが平均厚さの９０％以下に減少すると、音響整合層３の特性が劣化するので好ましくない。超臨界乾燥法によれば、音響整合層３の最も薄い部分の厚さを平均厚さの９８％以上に維持することができる。
【０１５３】
音響整合層３の下面と接する圧電体４の上面、および音響整合層３の側面と接する保護部２の内側面に対しては、前もって、プラズマクリーニングや酸処理などの表面処理を行っておくことが好ましい。このような処理によって接触面に水酸基を形成しておくと、乾燥ゲルと圧電体４および保護部２との間の化学的な結合をより強固にすることができる。
【０１５４】
音響整合層３と圧電体４および保護部２と間で強固な結合を実現するには、圧電体４および保護部２の表面のうち、音響整合層３に接する領域を粗面化してもよい。粗面化の手法としては、通常のヤスリがけや、ブラスト処理、物理的あるいは化学的なエッチング操作などが有用に利用することができる。
【０１５５】
音響整合層３と保護部２との密着性を向上させるには、保護部２の材料として多孔質材料を用いることも有効である。多孔質体から保護部２を形成することにより、音響整合層３の一部が保護部２の内部まで浸透して一体化するため、更に強固な密着状態を得ることができる。
【０１５６】
保護部２に使用可能な多孔質体としては、例えば、発泡法等によって製造された金属、セラミック、樹脂などがあげられる。多孔質金属としては、ステンレス、ニッケル、銅など、セラミックとしてはアルミナ、チタン酸バリウムなど、樹脂としてはエポキシ、ウレタンなど様々な材料を用いることもできる。
【０１５７】
なお、本明細書において、「音響整合層を保護する」とは、音響整合層を機械的な振動や衝撃から守ることだけではなく、形成時に収縮する材料から音響整合層を作製する工程で音響整合層の剥離を抑制することをも含むものとする。音響整合層をこのようにして保護する部材を採用することにより、機械的強度が弱く、収縮性を有する材料から音響整合層を形成しても、音響整合層の機能（音響的な整合により圧電体と超音波の伝搬媒体との間の超音波の送受信を効率的に行えるような働き）を実用レベルで持続させることができる。
【０１５８】
（実施形態２）
図５を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。
【０１５９】
本実施形態では、保護部と圧電体とが一体化されている。具体的には、圧電体５の主面中央部に凹部５ａを形成し、圧電体５の一部５ｂを保護部として用いている。言い換えると、圧電体５の一部５ｂが保護部として機能し、保護部と圧電体が一体的に形成されている。
【０１６０】
図５の超音波送受信器は、次のようにして作製される。
【０１６１】
まず、分極処理の済んだ圧電体５を用意した後、圧電体５の一方の面（主面）を加工して凹部５ａを形成する。凹部５ａを形成するための加工は、エンドミルやサンドブラストによって行うことができる。凹部５ａの深さは、保護部（５ｂ）の高さに対応する。この後、凹部５ａが形成された面に電極を形成し、圧電体の凹部と反対側の面にも電極を形成する。電極は、例えば、めっきやスパッタなどにより、金、ニッケルなどの金属膜を形成することによって作製される。
【０１６２】
本実施形態によれば、圧電体５を加工し、その主面の周辺部を保護部と機能させるため、別途作製した保護部を圧電体に接合する工程が不要となる。保護部の接合に接着を用いた場合は、接着層の存在による保護部の高さの変化を考慮する必要があるが、本実施形態によれば、高さが高い精度で規定された保護部によって音響整合層３の厚さを高精度で調節できるため、安定して高性能の超音波送受信器を提供することができる。
【０１６３】
本実施形態においても、圧電体５の表面のうち、音響整合層３と接触する部分に対して水酸基を形成する処理を行うことが好ましい。また、圧電体５に凹部５ａを形成する加工に際して、圧電体５を粗面化すれば、音響整合層３と圧電体５との密着性を更に向上させることができる。
【０１６４】
上記の実施形態１および実施形態２では、保護部として機能する部分は、圧電体５の主面に垂直な側面を有するリング状に形成されている。しかし、この保護部の側面は、図６に示すように、テーパを有していても良い。また、図７に示すように、音響整合層３の外周側面の全てに接触している必要は無く、複数の部分に分割された構造や、一部に切り欠きが形成された構造を有していても良い。
【０１６５】
上記の実施形態１または２の構成によれば、乾燥ゲルなどの密度が低く、音速の遅い材料を音響整合層に用いた場合でも、保護部が音響整合層と圧電体との結合を強固にして、高い送受信感度を発揮するとともに、超音波送振動子の製造工程段階における取り扱いを容易にし、高性能の超音波送振動子を高歩留まりで提供することが可能となる。また、超音波送振動子の使用段階における機械的衝撃や、超音波の送受信に伴う振動によっても特性の劣化しにくく信頼性に優れた素子が実現する。
【０１６６】
（実施形態３）
図８を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。
【０１６７】
本実施形態に特徴的な点は、構造支持体６を有している点にある。図８に示す構造支持体６は、音響整合層３なとが固定される円板状支持部６ａと、この円盤状支持部から軸方向に連続的に延びる円筒部６ｂとを備えている。円筒部の端部は、断面がＬ字型に折れ曲がり、遮蔽のためのプレート６０や、他の装置などに固定されやすくなっている。
【０１６８】
構造支持体６の支持部６ａの表面には、音響整合層３と保護部２とが配置されており、支持部６ａの裏面には圧電体４が配置されている。すなわち、圧電体４および音響整合３は、それぞれ、構造支持体６を挟んで対向する位置に設けられている。このような構造支持体６を用いることにより、超音波送受信器（超音波送受波器）の取り扱いが極めて容易となる。
【０１６９】
構造支持体６を密閉可能な容器（センサーケース）から構成することができる。この場合、構造支持体６の円筒部６ｂの開放端を遮蔽用プレート６０などで塞ぎ、かつ、構造支持体６の内部を不活性ガスで満たせば、流速測定の対象とする流体から圧電体４を遮断することができる。圧電体４には電圧が印加されるため、可燃性ガスで圧電体４が囲まれていると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし、構造支持体６を密閉型の容器から構成し、内部を外部から遮断することにより、そのような引火を防止できるため、可燃性ガスに対しても安全に超音波を放射することができる。また、外部のガスが可燃性でなくとも、圧電体４と反応し、圧電体４の特性を劣化する可能性のあるガスに超音波を放射する場合でも、圧電体４を外部のガスから遮断することにより、圧電体４の劣化を抑制し、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。
【０１７０】
なお、図８の例では、保護部２は、圧電体４の超音波送受信面の外側周辺部に配置されている。一般に保護部２は音響整合層３の役割を果たさないため、圧電体４の主面上に保護部２が配置すると、その部分は超音波の送受信に寄与しない部分となり、送受信感度が低下してしまう。
【０１７１】
構造支持体６が音響的阻害要因とならないようにするには、圧電体４が接触する円板状支持部６ａの厚さを、送受信する超音波の波長の１／８以下とすることが望ましい。この厚さを波長の１／８程度以下とすることにより、構造支持体６は超音波の伝搬を阻害しなくなる。
【０１７２】
本実施形態では、構造支持体６の材料としてステンレスを用い、構造支持体６の厚さを０．２ｍｍに設定している。ステンレス中の音速は、約５５００ｍ／ｓであるため、０．２ｍｍは周波数５００ｋＨｚの超音波における波長の約５５分の１に相当する。このように薄いステンレスから構造支持体６を形成しているため、構造支持体６が超音波の伝搬経路内に介在しても、殆ど音響的な障害とはならない。
【０１７３】
構造支持体６の材料は、金属材料に限定されず、セラミック、ガラス、樹脂なから目的に応じた材料が選択され得る。本実施形態では、外部の流体と圧電体とを確実に分離し、構造支持体６に何らかの機械的衝撃が加わったとしても、圧電体と外部流体との接触を防止することができる強度を与えるため、金属材料から構造支持体６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信を行っても、高い安全性を確保することができる。
【０１７４】
安全な気体に対して超音波の送受信を行う場合には、コスト低減を目的として、樹脂などの材料から構造支持体６を形成しても良い。
【０１７５】
構造支持体６と音響整合層３との密着性を高めるため、構造支持体６の表面のうち、音響整合層３と接触する部分に、前もって、水酸基を付加するプラズマ処理や酸処理を行うことが好ましい。また、やすりがけやサンドブラスト処理、化学的および／または物理的エッチングなどによって、この部分の粗面化を行ってもよい。
【０１７６】
（実施形態４）
次に、図９を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。
【０１７７】
本実施形態の超音波送受信器では、構造支持体７の一部７ａが保護部として機能し、構造支持体７と保護部とが一体化している。例えばステンレスなどの金属材料をプレス成形することによって構造支持体７を作製する際、その円板状支持部に凹部７ｂを形成し、凹部７ｂの周辺（構造支持体７のプレス成形によって折り曲げられた部分７ａ）を保護部として用いることができる。
【０１７８】
このような構成を採用することにより、保護部を構造支持体に接合する工程を省くことができる。また、実施形態１と同様に、接着層によって保護部の高さがばらつくこともなくなるため、高感度な超音波送受信器を歩留まり良く作製することができる。
【０１７９】
なお、図９では、構造支持体７を密閉するためのプレートを記載していないが、必要に応じて、このようなプレートを構造支持体７に固着または一体化してもよい。以下に説明する他の実施形態でも同様である。
【０１８０】
（実施形態５）
図１０および図１１を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。
【０１８１】
本実施形態の超音波送受信器は、音響整合層３と圧電体４との間に配置された他の音響整合層（下層の音響整合層）８を備えている。下層音響整合層８の挿入を除けば、本実施形態の構成は実施形態２の構成と同様である。
【０１８２】
音響整合層は、音響インピーダンスの不整合による音波の内部反射を抑え、効率よく超音波を圧電体から媒体（超音波伝搬媒体）に放射させる役割を果たす。このような音響整合層は、単一の周波数を有する超音波（連続波の超音波）を送信または受信する場合には、１層で充分である。
【０１８３】
これに対し、通常の超音波送受信器では、パルスまたはバースト状の超音波を送受信する。パルスまたはバースト状の超音波は、単一の周波数成分ではなく、広帯域の周波数成分を含んでいる。このような超音波の送受信を高感度で行うためには、圧電体と超音波伝搬媒体との間で、音響整合層の音響インピーダンスを徐々に変化されることが好ましい。このように音響インピーダンスを徐々に変化させるには、音響整合層を多層化し、構成層の音響インピーダンスを徐々にシフトさせればよい。
【０１８４】
本実施形態では、図１０に示すように、音響整合層を２層化している。具体的には、下層の音響整合層８として、セラミックスからなる多孔質焼結体を用いている。この音響整合層８は、見かけ密度が約０．６４×１０3ｋｇ／ｍ3、音速が２０００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが約１．２８×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓである。セラミックスとしては、チタン酸バリウム系の材料を用いている。
【０１８５】
「見かけ密度」とは、多孔質体に含まれる空間部分も含んだ密度である。多孔質セラミックスは、体積の約８０％が空間部分（空孔）であり、セラミックスの実体部は全体の約２０体積％である。このような多孔質セラミックスは、樹脂製のボールとセラミックス粉末を混合、加圧成形した後に、セラミックスを焼結させる過程において、樹脂ボールを加熱、燃焼除去することによって形成される。焼結に際して加熱を急激に行うと、樹脂ボールが膨張または急激なガス化を起こし、セラミックス構造体を破壊してしまうため、緩やかな加熱を行うことが好ましい。
【０１８６】
本実施形態では、このような下層の音響整合層８を圧電体４（直接的には構造支持体６）に対して固定した後、この音響整合層８のうち、圧電体４とは反対側の面に対して、保護部２を接合する。保護部２は、実施形態１で用いた保護部２と同様にステンレス製のリングから作製したものを用いることができる。接合は全てエポキシ系の接着剤で行うことができる。
【０１８７】
こうして下層の音響整合層８と保護部２とによって形成された凹部内に、実施形態１と同様にして、音響整合層３となる乾燥ゲル層を形成した。
【０１８８】
本実施形態では、実施形態１における工程１と同様の工程１において、ゲル化反応触媒となるアンモニアの濃度を変更することにより、乾燥ゲルの密度を調整し、音響整合層として密度０．２×１０3ｋｇ／ｍ3、音速１６０ｍ／ｓ、音響インピーダンス約０．０３２×１０6ｋｇ／ｍ2／ｓの乾燥ゲル層を形成する。保護部２の高さは、音響整合層の音速が１６０ｍ／ｓであるため、音響整合層における超音波波長の１／４となるよう、８０μｍに設定している。保護部２の内側面には、プラズマエッチングにより水酸基を付与する処理を行うことが好ましい。
【０１８９】
図１１（ａ）は、本実施形態における超音波送受信器の送受信波形を示している。図１１のグラフ中において、縦軸は信号振幅、横軸は時間である。軸上の数値は指数標記であり、例えば「２．０Ｅ−０４」は２．０×１０-4を意味している。他のグラフも同様である。
【０１９０】
測定に用いた超音波送受信器では、下層の音響整合層８となる多孔質セラミックスの厚さを１ｍｍとし、保護部２および第１音響整合層（乾燥ゲル層）３の厚さを８０μｍに設定した。
【０１９１】
比較のため、図１０の超音波送受信器において、２層の音響整合層３、８の代わりに、ガラスバルーンをエポキシで固めた従来の音響整合層を用いた超音波送受信器を作製し、その送受信波形を測定した。測定結果を図１１（ｂ）に示す。
【０１９２】
音響整合層を２層とすることにより、従来の超音波センサに比較して約２０倍の高い感度を得ることができた。また、実施形態１における超音波センサと比較しても、高感度化と同時に広帯域化（短パルス化）が図られたことがわかる。このように、音響整合層の２層化により、パルスやバースト波を送受信するのに極めて好適な超音波送受信器を提供することが可能となる。
【０１９３】
（実施形態６）
図１２を参照しながら、本発明の第６の実施形態を説明する。
【０１９４】
本実施形態では、下層の音響整合層９の一部が保護部として機能し、音響整合層９と保護部とが一体化している。この例では、音響整合層９を加工して、その主面に凹部を形成している。上層の音響整合層３となる乾燥ゲル層は、下層の音響整合層９の凹部内に形成される。
【０１９５】
このような構成を採用することにより、保護部を音響整合層９に接合する工程を省くことができる。また、接着層によって保護部の高さがばらつくという問題も解決することができ、広帯域において高感度で動作する超音波送受信器を歩留まり良く製造することができる。
【０１９６】
本実施形態では、下層の音響整合層９を多孔質体から形成している。このため、上層の音響整合層３との結合が強く、高感度、高安定性を確保することができる。この密着性を更に高めるため、上層の音響整合層３と下層の音響整合層９との接触面に対して、前もって、水酸基を付与するプラズマ処理または酸処理などを行ってことが好ましい。
【０１９７】
本実施形態および前述の実施形態５では、音響整合層が２層構造を有しているが、本発明の超音波振動子は、このような構成に限定されず、３層以上の多層構造を有していてもよい。音響整合層を多層化することにより、更に感度を高め、帯域を広くすることができる。ただし、多層化によって感度を高めるには、音響インピーダンスが極めて低い材料から最外層となる音響整合層を形成する必要があるため、実用上は、２層構造の採用が現実的である。
【０１９８】
（実施形態７）
図１３〜１５を参照しながら、本発明の第７の実施形態を説明する。
【０１９９】
本実施形態の超音波送受信器は、図１３に示すように、圧電体４の背面側に背面負荷材１０が接合されており、保護部２は背面負荷材１０の上部に形成されている。この他の点では、実施形態３と同様の構成を有している。
【０２００】
背面負荷材１０は、圧電体４から背面側へ放射される超音波を減衰させる機能を有しており、そのような機能を発揮し得る材料であれば、どのような材料から形成されていても良い。
【０２０１】
保護部２は、筒状の金属から形成されており背面負荷材１０の主面に接着されている。保護部２の厚さは、圧電体４、下層の音響整合層８、および上層の音響整合層３の合計厚さに等しい。本実施形態では、圧電体４の厚さを３ｍｍ、音響整合層８の厚さを１ｍｍ、音響整合層３の厚さを０．０８ｍｍに設定しているため、保護部２の厚さは４．０８ｍｍである。
【０２０２】
本実施形態の背面負荷材１０はフェライトゴムから形成されている。フェライトゴムは、ゴム中に鉄粉を分散させた材料であり、音波の減衰率が高い。このような背面負荷材１０を圧電体４の背面に接合することにより、圧電体４の背面側から放射された超音波を減衰させ、広帯域の（パルス幅の短い）超音波を送受信することが可能となる。
【０２０３】
図１４は、図１３の構成を有する超音波送受信器について測定した送受信波形を示している。実施形態３の超音波送受信器に比べて、本実施形態の送受信感度は低下しているが、より広い帯域での動作が実現し、幅の短いパルスの送受信に適した超音波送受信器を構成することができる。
【０２０４】
図１３に示す背面負荷材１０に代えて、図１５に示す背面負荷材１１を用いても良い。図１５に示す背面負荷材１１は、その一部が保護部として機能し、保護部と背面負荷材とが一体化している。背面負荷材１１は、主面の周辺部を除く領域に凹部が形成された構成を有しており、凹部内に圧電体４が挿入され、背面負荷材１１の凹部内面に接着されている。背面負荷材１１に設けられた凹部の深さは、圧電体４の高さよりも大きく設定されており、挿入後の圧電体４の上面に音響整合層となる乾燥ゲル層を形成すれば、図１５の構成が得られる。背面負荷材１１の採用により、図１３の超音波送受信器と同様の広帯域化が達成される。
【０２０５】
（実施形態８）
図１６を参照しながら、図１２に示す超音波送受信器の製造方法の実施形態を説明する。
【０２０６】
まず、図１６（ａ）に示すように、圧電体４および下層の音響整合層９を構造支持体６に接合する。接合には接着剤を用いることができる。前述のように、圧電体４は圧電セラミックスから形成され、構造支持体６はステンレスから形成されている。下層の音響整合層９は、上面に凹部を有する多孔質セラミックスから形成されている。この凹部は、平板状の多孔質セラミックスの上面を旋盤などによって加工することによって形成される。
【０２０７】
次に、図１６（ｂ）に示すように、構造支持体６に接着された状態の音響整合層９の凹部に対し、上層の音響整合層となる乾燥ゲルを形成する。乾燥ゲルの形成は、第１の実施形態について説明した方法で行うことができる。
【０２０８】
多孔質セラミックスから形成された音響整合層９にゲル原料を充分に浸透させるため、ゲル原料を流し込んだ後、真空または減圧雰囲気内に配置することが好ましい。このようにして、本実施形態では、ゲル原料を、音響整合層９の保護部として機能する部分だけではなく、音響整合層９の内部全体に浸透させる。こうすることにより、乾燥ゲルを下層の音響整合層９に強固に結合させるとともに、音響整合層９の特性を均一にすることが可能となる（図１６（ｃ））。以下、この点を、図１７を参照して説明する。
【０２０９】
図１７（ａ）は、下層の音響整合層９にゲル原料が充分に浸透した状態を示している。このため、下層の音響整合層９は音響的に単一つの層として機能し、音響インピーダンスは、音響整合層９の相対的に高い値から、上層の音響整合層の相対的に低い値へ階段状に減少する。
【０２１０】
一方で、ゲル原料の浸透が不十分である場合には、図１７（ｂ）に示すように、実質的に３層構造を有する音響整合層が形成される。この場合、ゲル原料の浸透が不充分な最下層（第１層）の音響インピーダンスが設定値よりも小さくなるため、真ん中の層（第２層）の音響インピーダンスが最も大きくなる。音響インピーダンスの分布が図１７（ｂ）に示すようになると、図中の下方に配置される圧電体（不図示）から超音波伝搬媒体となる気体に向かって音響インピーダンスが段階的に小さくならず、超音波送受波器の特性が劣化してしまうため、ゲル原料の浸透を充分に行うことが好ましい。
【０２１１】
上記の実施形態では、図１６に示すように、下層の音響整合層９を構造支持体６に固定する工程の後、第１音響整合層３を形成する工程を行っているが、これらの工程の順序を反対にしてもよい。図１８（ａ）から（ｄ）を参照して、他の製造方法を説明する。
【０２１２】
まず、図１８（ａ）に示すように、保護部として機能する部分を有する音響整合層９を用意する。次に、図１８（ｂ）に示すように、音響整合層９の凹部にゲル原料を滴下し、凹部内のゲル原料の高さを保護部の高さに一致させるようにすり切り、ゲル原料を音響整合層９の全体に浸透させる。ゲル材料の硬化、疎水化の後、超臨界乾燥法でゲル原料を乾燥させ、図１８（ｃ）に示すように、乾燥ゲルからなる音響整合層３を下層の音響整合層上９に形成する。
【０２１３】
その後、図１８（ｄ）に示すように、圧電体４が固定された状態の構造支持体６に音響整合層を接着する。なお、構造支持体６を用いず、図１８（ｃ）の音響整合層を圧電体４に直接接着しても良い。
【０２１４】
なお、接着時に加圧によって乾燥ゲルが破壊されないように、最適な加圧条件を選択することが好ましい。乾燥ゲルの圧縮方向の応力に対する強度は比較的高いため、上記接着工程で製造歩留まりが低下することは殆ど無い。
【０２１５】
なお、上層の音響整合層３の弾性率と下層の音響整合層９の弾性率とが相互に近い値を示すように、音響整合層３および音響整合層９の材料を選定することが好ましい。両者の弾性率が近いと、接着面の全体に均一な圧力を与えることができ、感度の高い超音波送受信器を高い歩留まりで製造することが容易になる。
【０２１６】
図１８（ａ）から（ｄ）に示す方法では、音響整合層９の上に乾燥ゲルを形成する工程において、圧電体や構造支持体を取り扱う必要が無いため、乾燥装置などの設備が小型で済み、低コストで超音波送受波器を製造することが可能となる。
【０２１７】
乾燥ゲルの形成工程においては、接着層などの有機物に化学的な負荷がかかる可能性があるが、接着工程を乾燥ゲル形成の後に行うことにより、接着部分を劣化させない。
【０２１８】
（実施形態９）
図１９を参照しながら、本発明の他の実施形態を説明する。
【０２１９】
本実施形態に特徴的な点は、保護部２が音響整合層３が形成された領域の外周部だけでなく、当該領域の内部にも形成されていることにある。
【０２２０】
ゲル原料から湿潤ゲルを経て乾燥ゲル層を形成する際、乾燥ゲル層の上面に凹凸が形成される場合がある。また、湿潤ゲルの乾燥を超臨界乾燥によらずに通常の乾燥法で行う場合、乾燥ゲルの収縮が起こるため、図４に示すような凹部が乾燥ゲルに形成されやすい。
【０２２１】
超音波送受波面が広い場合、上記の凹凸は大きくなりやすく、音響整合層の厚さを最適値に設定していても、現実には場所によっては音響整合層の厚さが最適な値から大きくシフトしてしまうことになる。
【０２２２】
乾燥ゲル層中の音速は著しく遅いため、音響整合層として適切に機能させるには、極めて薄く形成する必要があり、厚さの許容される誤差範囲も小さい。
【０２２３】
図１９（ａ）または図１９（ｂ）に示すようなレイアウトを有する保護部を形成すれば、音響整合層の厚さの誤差を目標値から±５％以内程度に抑えることができる。
【０２２４】
図１９（ａ）または図１９（ｂ）に示すように、超音波送受信器における超音波放射面の内部にも保護部２を設けると、音響整合層３の厚さの変動を最小に抑えることができるが、超音波放射面の内側に設けられた保護部２は、超音波の送受信に対して阻害要因となり得る。保護部２による音響的な特性劣化を防止するために、保護部２の大きさを、保護部２としての役割を果たす範囲においてできる限り小さくすることが好ましい。
【０２２５】
図１９（ａ）の構成例では、断面が円形の保護部２をランダムに配置しているが、保護部２の断面形状は円形に限定されず、矩形や多角形であってもよい。また、その配列もやランダム配置に限定されない。
【０２２６】
図１９（ｂ）の構成例では、同心円状の保護部２が設けられている。この構成例では、超音波送受信器における超音波放射面の内部にも保護部２が存在しているが、超音波送受信器の特性劣化が防止される。図１９（ｂ）の構成は、超音波送受器の中心軸上において超音波放射面から近距離Ｌだけ離れた位置へ超音波を送信する場合に有効である。
【０２２７】
保護部２と超音波放射面の中心との間の距離をｒとすると、距離ｒは、次の式（６）を満足することが好ましい。
【０２２８】
【数１】
0003633926.tif 000002
【０２２９】
ここで、λは超音波が伝搬する気体中の波長であり、Ｌは超音波送受信器の超音波放射面からの距離である。例えば、周波数が５００ｋＨｚ、超音波伝搬媒体が空気（音速３４０ｍ／ｓ）、測定距離Ｌが１０ｍｍの場合、（式６）から、中心からの半径ｒが２．６〜３．７ｍｍ、４．６〜５．４ｍｍ、６．１〜６．７ｍｍ・・・の位置に保護部２を設けることが好ましいことがわかる。このような位置に保護部２を設けると、音の干渉による音場の乱れを防止し、近距離における超音波の感度劣化を防止するのに有効である。
【０２３０】
超音波送受信器の音波放射面の各点を、それぞれ、点音源に見立てると、それぞれの点音源から放射された球面波を合成したものが送信される超音波となる。超音波放射面からの距離が短い場合、位相の異なる超音波が相殺するため、高出力の超音波を送信することができない位置が存在する。超音波放射面から位相の同じ超音波のみを放射させるためには、位相の異なる超音波を放射する領域に保護部２を設けることが有効である。このような領域に保護部２が設けられると、位相の異なる超音波の放射を抑えることができるため、近距離における音場の乱れを防止して、高出力の超音波送信が可能となる。
【０２３１】
（実施形態１０）
図２０は、本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態を示す断面図である。本実施形態の超音波送受波器２１は、圧電体２２と、圧電体２２の両面に設けられた電極２３ａ、２３ｂと、圧電体２２上に電極２３ａを介して設けられた保護整合層（第１音響整合部）２４と、圧電体２２上に電極２３ａを介して設けられた音響整合層（第２音響整合部）２５とを備えている。
【０２３２】
図２１は、図２０に示した超音波送受波器２１の上面図である。図２１からわかるように、本実施形態の超音波送受波器は、厚さ（高さ）の異なる保護整合層２４と音響整合層２５とが交互に同心円状に配置された構造を有している。
【０２３３】
本実施形態における圧電体２２は、圧電性を有する材料から形成され、厚さ方向に分極されている。圧電体２２の上下面に設けられた電極２３ａ、２３ｂに電圧が印加されると、電圧信号に基づいて圧電体２２で超音波が発生し、保護整合層２４および音響整合層２５を介して超音波伝搬媒体（気体など）２６へ放射される。また、超音波伝搬媒体２６を伝播してきた超音波は、保護整合層２４および音響整合層２５を介して圧電体２２へ伝播する。入射してきた超音波によって圧電体２２は変形し、電極２３ａと電極２３ｂとの間に電圧信号が発生する。
【０２３４】
圧電体２２の材料は任意であり、種々の公知材料から形成したものを用いることができる。圧電体２２の代わりに公知の電歪体を用いてもよい。電極２３ａ、２３ｂは好ましくは金属から形成されるが、金属以外の導電材料から形成されていても良い。
【０２３５】
保護整合層２４および音響整合層２５は、圧電体２２で発生した超音波振動を伝搬媒体２６へ効率よく伝搬させ、また、超音波伝搬媒体２６を伝搬してきた超音波を効率よく圧電体２２へ伝える機能を有している。
【０２３６】
本実施形態の音響整合層２５は、好ましくは、乾燥ゲルから形成される。乾燥ゲルは、ゾルゲル反応によって形成される多孔質体であり、密度ρと音速Ｃとの積（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る。このため、乾燥ゲルから形成した音響整合層２５を用いることにより、空気などの気体に対する超音波の送受波効率を極めて高くすることができる。
【０２３７】
乾燥ゲルは、湿潤ゲルを形成した後、この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる。湿潤ゲルは、まず、ゲル原料液を用意し、このゲル原料液の反応によって湿潤ゲルを作製することができる。湿潤ゲルは、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部を有しており、この固体骨格部が溶媒を含んだ状態にある。
【０２３８】
湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルは、多孔質体であり、数ｎｍ〜数μｍ程度の固体骨格部の隙間に連続した気孔を有している。気孔の平均サイズは１ｎｍ〜数μｍ程度と極めて小さい。
【０２３９】
作製条件を調節して乾燥ゲルの密度を小さくしてゆくと、乾燥ゲルの固体部分における音速が極端に小さくなるとともに、細孔内の気体部分における音速も極端に小さくなる。そのため、乾燥ゲルの音速は、低密度状態で５００ｍ／秒以下の低い値を示し、極めて低い音響インピーダンスを示すことになる。特に固体骨格部および細孔径が数ｎｍ程度と小さいサイズを持つ乾燥ゲルは極めて低い音速を示す。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、乾燥ゲルから音響整合層を形成した場合、音波を高い音圧で放射できる。
【０２４０】
後述する製造方法によれば、同じ原料を用いても製造プロセス条件を調節することにより、乾燥ゲルの音響インピーダンスを広い範囲内で任意に値に制御することができる。また、製造プロセス条件を変えることにより、密度が略同程度の大きさでありながら、音速だけを変化させた音響整合層を作製することも可能である。
【０２４１】
乾燥ゲルは、このような有利な特徴を有するが、機械的強度が低い。このため、製造歩留まりを高くすることが困難であり、使用時における信頼性も低かった。このように機械的強度の低い乾燥ゲルを保護する部材を設けることにより、製造歩留まりおよび信頼性が向上することは、実施形態１〜９について示したとおりである。
【０２４２】
実施形態１〜９における保護部は、超音波送受波器の製造歩留まり、あるいは使用時における信頼性を向上させるのに極めて有効であり、さらに音響整合層の厚さを高精度に制御しうるため、超音波送受波器の性能安定化に対して有効である。しかし、前述のように、圧電体が超音波を放射または受け取る面（主面）上に保護部を設けると、その保護部が音響的な障害となり得る。これは、また、実施形態１〜９では、音響整合層の材料とは異なる材料から形成される上記保護部の厚さが、音響整合層の厚さと略等しくなるように設定されているため、保護部と音響整合層との間で音速が異なり、音響整合層と略同じ厚さの保護部は音響整合層の役割をしないためである。このため、実施形態１〜９の保護部は、超音波の送受信に対して阻害する要因となり得るため、圧電体の主面の外側に配置することが好ましい。
【０２４３】
しかし、更に厳しい環境条件に対する信頼性の確保や、超音波送受波器の外径の制限などによっては、圧電体上部に保護部を設けざるを得ない場合がある。
【０２４４】
本実施形態では、圧電体の主面に、音響整合層２５を保護する機能を果たす保護部（密度が相対的に高く、音響整合層２５よりも機械的強度が高い材料から形成される）を有しながらも、超音波送受波器としての性能を損なわない構成を採用する。
【０２４５】
本実施形態では、圧電体２２の主面に設けられた保護部の厚さを送受信する超音波の波長の約１／４に設定している。これにより、機械的強度が相対的に高い保護部も音響整合層として機能する。このため、本明細書では、このような保護部を「保護整合層」と称する場合がある。このような構成を採用することにより、音響整合層を保護する保護部も音響整合層としての役割を果たすため、高感度な超音波送受波器を実現することができる。
【０２４６】
音響整合層としての機能を最もよく発揮する厚さは、超音波の波長の１／４である。一方、保護整合層２４における音速と音響整合層２５における音速は異なる。このため、保護整合層２４の厚さＬ３と音響整合層２５の厚さＬ１とは、図２０に示されるように、異なる大きさを有している（Ｌ３＞Ｌ１）。
【０２４７】
保護整合層２４および音響整合層２５の厚さがいずれも音速の１／４程度に設定されると、保護整合層２４の厚さが音響整合層２５の厚さと異なるため、音響整合層２５の上面から放射された超音波と、保護整合層２４の上面から放射された超音波が干渉する場合がある。高感度な超音波送受波器を実現するためには、それぞれから放射される超音波の位相関係が極めて重要となる。
【０２４８】
図２２（ａ）は、保護整合層２４の上面における超音波の波形を示し、図２２（ｂ）は、音響整合層２５の上方において、保護整合層２４の上面と同じレベルにおける超音波の波形を示している。なお、図２２（ｂ）における符号「ｔａ」は、超音波が超音波伝搬媒体２６を伝搬する時間を示している。各グラフにおける横軸の１目盛りは、超音波の周波数が５００ｋＨｚのとき、約３μ秒である。
【０２４９】
音響整合層２５の上面から放射された超音波は、気体などの超音波伝播媒体２６を通って保護整合層２４の上面と同じレベルに達する。このため、伝搬媒体２６における音速や伝播媒体２６のサイズＬ２によっては、音響整合層２５の上方において、保護整合層２４の上面と同じレベルにおける超音波の波形の位相関係が変化する。
【０２５０】
なお、図２２（ａ）および（ｂ）の信号波形は、保護整合層２４および音響整合層２５から放射される超音波の波長および振幅が等しいと仮定して求めたものである。
【０２５１】
保護整合層２４の厚さＬ３および音響整合層２５の厚さＬ１が、それぞれ、各層における超音波波長の１／４であるとき、保護整合層２４の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間は、音響整合層２５の下面と上面との間を超音波が伝搬するに要する時間に等しい。従って、音響整合層２５の上面から放射された超音波が保護整合層２４の上面と同じレベルの位置に達した超音波の位相は、保護整合層２４を伝搬して保護整合層２４の上面に達した超音波の位相に比べて、遅れている。この位相の遅れは、音響整合層２５の上面から出た超音波が伝搬媒体２６の中を距離Ｌ２だけ伝播する時間に対応している。
【０２５２】
送受信する超音波の周波数をｆ［秒-1］とすると、超音波の１波長に等しい距離だけ超音波が進むのに必要な時間は１／ｆ［秒］である。超音波が本実施形態の保護整合層２４を通過するのに必要な時間ｔ３は、１／４ｆ［秒］である。一方、超音波が本実施形態の音響整合層２５を通過するのに必要な時間ｔ２も、１／４ｆ［秒］である。ここで、超音波が伝搬媒体２６の中をＬ２の距離だけ伝搬するために必要な時間をｔ２（＝ｔａ）とすると、時間ｔ２に依存して、保護整合層２４の上面から放射された超音波と音響整合層２５の上面から放射された超音波との間に干渉が発生する。この干渉により、超音波の波形および感度が変化する。
【０２５３】
図２２（ｃ）は、時間ｔ２が１／２ｆ［秒］である場合に観測される超音波波形を示しており、図２２（ｄ）は、時間ｔ２が１／ｆ［秒］である場合に観測される超音波波形を示している。図２２（ｃ）および（ｄ）からわかるように、時間ｔ２の値により、観測される超音波の感度が大きく異なる。時間ｔ２が１／２ｆ［秒］と等しいとき、位相のずれが超音波の半波長となり、観測される超音波の感度は低くなる。一方、時間ｔ２が１／ｆ［秒］のとき、位相のずれが超音波振動子の波長の整数倍となるため、観測される超音波の感度は高くなる。時間ｔ２が１／２ｆ〜１／ｆ［秒］の範囲内にあるとき、ｔ２が１／２ｆ［秒］から１／ｆ［秒］に近づくほど、超音波の送受信感度が上昇する。
【０２５４】
音響整合層２５から放射された超音波が伝搬媒体２６を伝搬して保護整合層２４の上面と同じレベルに達したとき、その超音波の位相が保護整合層２４を伝搬してきた超音波の位相と略一致するように音響整合層２５および保護整合層２４の厚さを調節すると、高感度の超音波送受波器を提供できる。なお、本明細書で「位相が略一致する」とき、超音波の位相の差が超音波波長の１／４以下になることを意味し、位相の差は小さいほど好ましい。
【０２５５】
図２３は、時間ｔ２が１／ｆ［秒］である場合の超音波の位相を模式的に示した断面図である。この図では、保護整合層２４の上面における超音波の位相と、音響整合層２５の上方であって保護整合層の上面と同レベルにおける超音波の位相とが一致している。このような位相の一致が生じしたとき、超音波の送受信感度が最大化される。なお、このような位相の完全な一致が生じない場合でも、位相のずれが少なく設定されると、超音波の送受信感度は従来よりも充分に向上される。位相のずれは、超音波伝搬媒体における超音波波長の１／４以下に調節されていることが好ましく、１／８以下に調節されていることが更に好ましい。
【０２５６】
音響整合層２５の厚さＬ１および保護整合層２４の厚さＬ３を、それぞれ、音響整合層２５および保護整合層２４における超音波波長の１／４程度に制御するだけでは、Ｌ２の大きさは（Ｌ３−Ｌ１）として一義的に決まるため、ｔ２を任意に設定することができない。このため、時間ｔ２が所望の大きさになるようにするには、音響整合層２５や保護整合層２４の厚さだけではなく、音響整合層２５や保護整合層２４における音速を適切に制御する必要がある。本発明の好ましい実施形態では、音響整合層２５を音速の制御が容易な乾燥ゲルから形成する。
【０２５７】
次に、図２４（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器２１の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態においては、超音波伝搬媒体２６として空気（密度：１．１８ｋｇ／ｍ3、音速：約３４０ｍ／ｓ、音響インピーダンス約４．０×１０2ｋｇ／ｍ2／ｓ）を考える。
【０２５８】
まず、図２４（ａ）に示すように、送受信する超音波の波長に合わせた圧電体２２を用意する。この段階の圧電体２２には、図２４（ａ）に示す保護整合層２４は設けられていない。圧電体２２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。圧電セラミックスとしては、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。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。
【０２５９】
本実施形態では、圧電体２２としてチタン酸ジルコン酸鉛セラミックスを用い、送受信する超音波の波長を５００ｋＨｚに設定している。このような超音波を圧電体２２が効率よく送受信できるようにするため、圧電体２２の共振周波数を５００ｋＨｚに設計する。このため本実施形態では、直径が１２ｍｍ、厚さが約３．８ｍｍの円柱形状を有する圧電セラミックスから形成された圧電体２２を用いている。圧電体２２の両面には銀の焼付けによる電極２３ａ、２３ｂが形成され、この方向に分極処理が施されている。
【０２６０】
次に、保護整合層２４としての機能する３つのリング状部材を用意し、図２４（ａ）に示すように圧電体２２の主面に接合する。このとき、図２１に示すように、リング状部材の各中心が圧電体２２の中心に揃うようにする。保護整合層２４としての機能する３つのリング状部材は、それぞれ、外径１２ｍｍ、内径１１ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第１リング状部材、外径８ｍｍ、内径７ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第２リング状部材、および、外径４ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの第３リング状部材である。
【０２６１】
本実施形態における保護整合層２４には、機械的強度が高く、音響整合層を保護できる機能が求められるだけでなく、音響整合層の機能を果たすために比較的低い音響インピーダンスを有することが求められる。このような材料として、本実施形態では、多孔質体のセラミックスを用いる。この多孔質セラミックスは、見かけ密度が０．６４×１０3ｋｇ／ｍ3、音速が２０００ｍ／ｓ、音響インピーダンスが約１．２８×１０6ｋｇ／ｍ3である。セラミックスとしては、チタン酸バリウム系の材料を用いている。なお、「見かけ密度」とは、多孔質体に含まれる空間部分をも含んだ密度である。多孔質セラミックスは、体積の約８０％程度が空間部分であり、セラミックスの実体部分は約２０体積％である。
【０２６２】
上述のように、保護整合層２４の音速が約２０００ｍ／ｓであるため、５００ｋＨｚにおける波長の１／４の厚さは１．０ｍｍに相当する。このため、本実施形態では保護整合層２４として機能するリング状部材の厚さを１．０ｍｍに設定している。
【０２６３】
本実施形態で用いる多孔質セラミックスは、次のようにして作製され得る。
【０２６４】
まず、樹脂製の微小なボールとセラミックス粉末を混合、加圧成形する。その後、セラミックスを焼結する。この焼結過程において、樹脂ボールは加熱され、燃焼して除去される。焼結に際して、加熱を急激に行うと、樹脂ボールが膨張または急激なガス化を起こし、セラミックス構造体を破壊してしまうおそれがある。このため、焼結は緩やかな加熱によって行うことが好ましい。
【０２６５】
本実施形態では、このような多孔質セラミックスから形成したの保護整合層２４と圧電体２２とを接着剤による接着によって接合する。例えば、接着剤としてはエポキシ系樹脂を用い、０．１ＭＰａ程度の圧力をかけながら、１５０℃の恒温槽中で２時間程度放置すると、接着剤は硬化し、保護整合層２４と圧電体２２とが接合する。
【０２６６】
次に、こうして形成した圧電体２２／保護整合層２４からなる複合体上に、図２４（ｂ）に示すように音響整合層２５を設ける。本実施形態では、音響整合層２５を乾燥ゲルから形成する。
【０２６７】
本実施形態では、まず、図２４（ｂ）に示す厚さの音響整合層２５を形成した後、図２４（ｃ）に示すようように音響整合層２５を薄くする。このとき、図２０に示す距離Ｌ２（＝Ｌ３−Ｌ１）が空気中に超音波の１波長に等しくなるように、保護整合層２４の厚さＬ３および音響整合層の厚さＬ１を設定する。具体的には、送受信する超音波の周波数が５００ｋＨであるので、この超音波の空気中における１波長は、０．６２ｍｍである。一方、保護整合層２４の厚さＬ３は１．０ｍｍであるため、音響整合層２５の厚さＬ１は、０．３２ｍｍ（＝１．０ｍｍ−０．６２ｍｍ）とになる。また、音響整合層２５が音響整合層として適切に機能するためには、この厚さＬ１（＝０．３２ｍｍ）が音響整合層２５を伝搬する超音波の波長の１／４となることが最も望ましい。従って、０．３２ｍｍが送受信する超音波の波長の１／４となるような音速を有する材料特性を有することが必要となる。計算によれば、音速が６４０ｍ／ｓとなるような乾燥ゲルから厚さ０．３２ｍｍの音響整合層２５を形成すれば良い。
【０２６８】
なお、保護整合層２４の厚さは、保護整合層２４における超音波波長の１／４であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲であれば良く、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲であることが更に好ましい。超音波の波長に分布がある場合、ピーク波長を基準にして厚さを決定することが好ましい。本明細書においては、波長に分布がある場合、「波長の１／４」とは「ピーク波長の１／４」を意味するものとする。
【０２６９】
音響整合層２５が単層である場合、音響整合層２５の厚さも、音響整合層２５における超音波波長の１／４であることが好ましいが、その大きさに限定されるわけではない。超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲であれば良く、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲であることが更に好ましい。音響整合層が多層構造を有している場合、各構成層が上記の厚さを有していることが好ましい。音響整合層が多層構造を有している超音波送受波器は、実施形態２として後述する。
【０２７０】
音響整合層２５を構成する乾燥ゲルの材質としては、無機材料、有機高分子材料など様々な材料を用いることができる。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。
【０２７１】
本実施形態では、音響整合層２５の材料として、コスト、環境安定性、製造のしやすさ、超音波送受波器の安定な温度特性などの観点から、固体骨格部として酸化ケイ素（シリカ）を持つ乾燥ゲルを採用する。
【０２７２】
６４０ｍ／ｓの音速は、乾燥ゲルの音速としては比較的高い値である。このため、本実施形態では、音響整合層２５として乾燥ゲル層を形成する際に、ゲル化工程（以下、「第１ゲル化工程」と称する。）に引き続いて乾燥工程を行う従来の製造方法ではなく、第１ゲル化工程後に第２ゲル化工程を行う方法を採用する。
【０２７３】
第２ゲル化工程を行わずに第１ゲル化工程だけを行う場合は、相対的に高い音速を示す乾燥ゲルを得ることが困難である。なお、乾燥ゲルの密度は、音速と略比例して高くなるため、「高い音速」は「高い密度」を意味する。ゲルの音速を高くする目的で、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、ゲル化反応が均一に進行せず、ランダムな音速分布を持つ湿潤ゲルが形成される。この湿潤ゲルを乾燥することによって得られる乾燥ゲルも、ランダムな密度分布を持つこととなる。このため、ゲル原料液中におけるゲル原料の濃度を高くすると、音速を均一化することは極めて難しくなる。
【０２７４】
本実施形態では、ゲルの不均一化を避けるため、第１ゲル化工程で形成する乾燥ゲルの音速は２００ｍ／ｓ程度以下に調節し、第２ゲル化工程によって密度を更に上昇させ、均一に音速を上昇させる。第２ゲル化工程では、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルを再びゲル原料液（第２ゲル化原料液）に浸漬する処理を行う。そして、第２ゲル化工程では、第２ゲル化原料液中の触媒となるアンモニアの濃度を低く調整する。このため、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの外ではゲル化が起こらない。しかし、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルの内部では、第１ゲル化工程で形成された骨格に第２ゲル化原料液が付着していくように成長する。このため、ゲル原料液自体がゲル化しない条件においても、この反応は進行する。このようにしてゲルの音速、密度を変化させることが可能となる。
【０２７５】
具体的には、以下に示す工程を行うことにより、乾燥ゲルによる音響整合層２５を形成する。
【０２７６】
工程１：  第１ゲル化ゲル原料液の用意
テトラエトキシシラン／エタノール／水／塩化水素を、モル比で１／２／１／０．０００７８で混合して、６５度の恒温槽中で３時間、テトラエトキシシランの加水分解を進行させる。更に、水／ＮＨ3を、２．５／０．００５７の割合（テトラエトキシシランに対するモル比）を加えて混合したゲル原料液を用意する。
【０２７７】
工程２：  第１ゲル化工程
上記のようにして調整したゲル原料液（第１ゲル化原料液）を、圧電体２２と保護整合層２４で形成された空間に滴下する。この際、一番外側の保護整合層２４の外周にテフロン製のシートを巻きつけ、ゲル原料液がこぼれないように枠を形成する。
【０２７８】
ゲル原料液を滴下したサンプルを恒温槽中で水平を保ちながら５０℃で約１日放置する。こうして、圧電体２２と保護整合層２４とによって形成された空間内に供給されたゲル原料液がゲル化し、湿潤ゲルを形成する。
【０２７９】
工程３：  第２ゲル化工程（音速、密度の調整）
第１ゲル化工程で得られた音響整合層に対して、そのまま乾燥工程を行った場合、密度は２．０×１０2ｋｇ／ｍ3程度、音速は２００ｍ／ｓ程度となる。本実施形態では、音速、密度を更に高くする目的で第２ゲル化工程を行う。
【０２８０】
まず、第１ゲル化工程で得られた湿潤ゲルをエタノールで洗浄し、第２ゲル化原料液を準備する。第２ゲル化原料液として、テトラエトキシシラン／エタノール／０．１規定アンモニア水を、体積比で６０／３５／５を混合したものを用いる。
【０２８１】
第１ゲル化工程で得られた圧電体２２／湿潤ゲル／保護整合層２４からなる複合体を密閉容器中の第２ゲル化原料液に浸漬し、７０℃の恒温槽中で約４８時間放置する。この第２ゲル化工程により第１ゲル化工程で得られたゲル骨格が成長し、密度、音速が高くなる。
【０２８２】
工程４：  疎水化工程
疎水化工程は、必ずしも必要ではないが、吸湿により性能が劣化することがあるため、行うことが好ましい。疎水化工程は、第２ゲル化工程の後、湿潤ゲル内に残留している、第２ゲル化原料液をエタノールにより置換・洗浄した後、ジメチルジメトキシシラン／エタノール／１０重量％アンモニア水を、重量比で４５／４５／１０の割合で混合して得られた疎水化液に、４０℃で、約１日間、浸漬することによって、疎水化工程を行う。
【０２８３】
工程５：  乾燥工程
以上の工程で得られた湿潤ゲルから、乾燥ゲルを得るために、乾燥工程を行う。本実施形態では、乾燥方法として、超臨界乾燥法を用いる。乾燥ゲルは前述のように、非常に小さなナノメートルサイズ程度の多孔質体であり、骨格部分の太さや、結合の強さ、空孔の大きさによっては、湿潤ゲルから乾燥ゲルへの溶媒乾燥の際に、溶媒の表面張力によって、破壊されてしまうことがある。
【０２８４】
このため、表面張力の働かない超臨界乾燥法が有用に利用することができる。具体的には、上述の疎水化液をエタノールで置換した後、以上の工程で得られた圧電体２２／湿潤ゲル／保護部研音響整合層２５の複合体を耐圧容器に入れて、湿潤ゲル内のエタノールを液化二酸化炭素に置換する。
【０２８５】
更に容器内にポンプで液化二酸化炭素を送り込むことにより、容器内の圧力を１０ＭＰａまで上昇させる。その後、５０℃まで昇温することで容器内を超臨界状態とした。次に温度を５０℃に保ったまま、圧力をゆっくり開放することで乾燥を完了する。
【０２８６】
工程６：  厚さ調整工程
こうして形成した乾燥ゲル層を、旋盤によりその厚さを０．３２ｍｍとなるように音響整合層２５のみの部分を研削した。
【０２８７】
このようにして得られた音響整合層２５を形成する乾燥ゲルの密度は、約０．６×１０3ｋｇ／ｍ3であり、音速は約６４０ｍ／ｓとなる。また保護整合層２４の一部に、音響整合層２５となる乾燥ゲルが浸透しているが、保護整合層２４の音速には影響を与えない。
【０２８８】
乾燥ゲルから音響整合層を形成する工程の前に、電極２３ｂと音響整合層２５との密着性が良くなるように電極２３ｂの表面を処理するすることが好ましい。表面処理によって電極２３ｂと音響整合層２５との密着性が増すと、信頼性が更に向上する。このような表面処理としては、乾燥ゲルと化学的な結合をしやすい圧電体表面の電極に水酸基が付与されるようなプラズマ処理などを採用することができる。あるいは、電極２３ｂの表面に物理的な凹凸を形成することによってアンカー効果を付与することも有効である。具体的には、化学的および／または物理的なエッチング処理を好適に採用することができる。
【０２８９】
本実施形態では、音響整合層２５となるゲルを形成した後、旋盤による研削を行い、乾燥ゲルの厚さを調整する。厚さの調節は、第１ゲル化工程の際に滴下する第１ゲル化原料液の量（高さ）を調整することによって行ってもよい。この場合には、形成される音響整合層の厚さが最終的に０．３２ｍｍ程度となるように、３３．９μＬのゲル原料液をマイクロピペットで正確に量り取り、圧電体２２上に滴下する。保護整合層２４が８０％の空隙を有する多孔質体であるため、多孔質体に吸収される体積を換算して滴下量を計算する必要がある。
【０２９０】
このようにして製造した超音波送受波器の送受信波形を図２５に示す。図２５において、本実施形態の超音波送受波形は実線で示され、保護部と音響整合層２５とが同じ厚さを有する超音波送受波器（比較例）の超音波送受信波形は点線で示されている。図２５からわかるように、本実施形態によれば、信号の振幅が増加する。
本発明の構造を用いることで高感度化を達成できる。
【０２９１】
本実施形態では、保護整合層２４の上面と同一レベルの位置における超音波の位相を揃えるため、音響整合層２５および伝搬媒体２６を伝搬してきた超音波が、保護整合層２４を伝搬してきた超音波に比べて、ちょうど波長分だけ位相の遅れを生じるようにしている。さらに大きな音速を有する材料から保護整合層２４を形成する場合や、保護整合層２４の厚さＬ３を大きく設定する場合には、伝搬媒体２６による位相遅れを超音波波長の２波長以上に設定してもよい。
【０２９２】
（実施形態１１）
次に、図２６を参照しながら、本発明の超音波送受波器の第１１の実施形態を説明する。本実施形態の主な特徴点は、音響整合層が下層の第１音響整合層２５ａおよび上層の第２音響整合層２５ｂを含む積層構造を有している点である。
【０２９３】
音響整合層２５が２層構造を有する場合にも、各音響整合層２５ａ、２５ｂの厚さのそれぞれを、各音響整合層における超音波波長の１／４程度に設定することが好ましい。
【０２９４】
本実施形態でも、第１０の実施形態と同様に、保護整合層２４の上面と同一レベルの位置において超音波の位相を揃えるため、音響整合層２５および伝搬媒体２６を伝搬してきた超音波が、保護整合層２４を伝搬してきた超音波に比べて、超音波波長の略整数倍分だけの位相の遅れを生じるようにしている。
【０２９５】
図２６に示す構成では、超音波が保護整合層２４を伝播して保護整合層２４の上面に達したとき、その超音波と同位相の超音波は第１音響整合層と第２音響整合層２５ｂの境界面に達している。これは、第１音響整合層２５ａの音速が保護整合層２４における音速よりも小さいためである。超音波が第１音響整合層２５ａの上面から第２音響整合層２５ｂの上面に達するまでに、更に１／４ｆ［秒］の時間がかかる。このため音響整合層２５ｂの上面から伝搬媒体２６を伝搬して保護整合層２４の上面と同じレベルに達するまでの時間が３／４ｆ［秒］となるように設定すると、保護整合層２４の上面レベルで位相が揃う。このような構成を採用すると、音響整合層２５ａおよび２５ｂを透過して放射された超音波と、保護整合層２４を透過して放射された超音波との間に、１波長分のずれが生じ、両超音波が干渉して強め合うため、超音波の振幅が大きくなる。
【０２９６】
本実施形態における音響整合層２５ａ、２５ｂの製造方法を説明する。
【０２９７】
まず、第１０の実施形態における音響整合層２５の製造方法と同様にして、保護整合層２４を作製する。保護整合層２４の材料として多孔質セラミックスを用い、その厚さ（Ｌ７）を１．０ｍｍに設定する。
【０２９８】
本実施形態では、空気などの伝搬媒体２６を伝搬する時間が３／４ｆ［秒］となるように、第２音響整合層２５ｂの上面から保護整合層２４の上面レベルまでの距離（Ｌ６）を０．５１ｍｍに設定する。この結果、第１音響整合層２５ａと第２音響整合層２５ｂの合計厚さ（Ｌ４＋Ｌ５）は、０．４９ｍｍに等しくなる。
【０２９９】
本実施形態では、第２音響整合層２５ｂの音速を２００ｍ／ｓに設定すると、第２音響整合層２５ｂの厚さ（Ｌ５）は０．１０ｍｍに設定することが好ましい。Ｌ５＝０．１０ｍｍとすると、第１音響整合層２５ａの厚さ（Ｌ４）は０．３９ｍｍ（＝０．４９ｍｍ−０．１０ｍｍ）となる。第１音響整合層２５ａの厚さが第１音響整合層２５ａにおける超音波の１／４波長に相当するようにするには、第１音響整合層２５ａの音速を７８０ｍ／ｓにする必要がある。
【０３００】
次に、上記のような２層の音響整合層２５ａ、２５ｂの作製方法を説明する。この方法で特徴的な点は、第１０の実施形態で行った第２ゲル化工程を２度行うことにある。すなわち、本実施形態では、第１ゲル化工程で形成された湿潤ゲルの外側ではゲル化をしない第２ゲル化工程（第２−１ゲル化工程）を行った後に、湿潤ゲルの外側でもゲル化が生じる第２ゲル化工程（第２−２ゲル化工程）を行う。
【０３０１】
本実施形態では、まず、第１０の実施形態で行った工程１〜工程６と同様の工程を行うことにより、第１音響整合層２５ａを形成する。ただし、このときの第２ゲル化工程は、第２−１ゲル化工程である。
【０３０２】
この後に行う第２−２ゲル化工程における音響インピーダンスの増加を見込み、第２−１ゲル化工程では、第１音響整合層２５ａの密度約０．５×１０3ｋｇ／ｍ3、音速５００ｍ／ｓ程度となるように処理時間を調節する。本実施形態では、処理時間を第１０の実施形態における第２ゲル化工程の処理時間よりも短縮し、約３６時間に設定する。
【０３０３】
次に、第２−２ゲル化工程を行うことにより、第１音響整合層２５ａの音響インピーダンスを増加ざせるとともに、第１音響整合層２５ａの上部に第２音響整合層２５ｂを形成する。この第２−２ゲル化工程は、具体的には、以下のようにして行った。
【０３０４】
第２−２ゲル化工程：
まず、第２−２ゲル化原料液として、テトラエトキシシラン／エタノール／０．０５規定アンモニア水をモル比で、１／４／３の割合で混合した液を用意する。この第２−２ゲル化原料液を、第１音響整合層２５ａと保護整合層２４によって形成された空間内に充填する。次に、このまま室温で約２４時間放置することにより、ゲル化を完了する。こうして、第１音響整合層２５ａの音響インピーダンスを調整するとともに、第２音響整合層２５ｂとなる湿潤ゲルを形成する。
【０３０５】
この後、第１０の実施形態と同様にして、疎水化工程、乾燥工程、および厚さ調整工程を行うことにより、音響整合層２５ａ、２５ｂを完成する。本実施形態における音響整合層２５ａ、２５ｂは、以下のように特徴付けられる。
【０３０６】
第１音響整合層２５ａ
密度：０．７×１０3ｋｇ／ｍ3、音速：７８０ｍ／ｓ
音響インピーダンス：５．４６×１０5ｋｇ／ｍ2／ｓ
厚さ：０．３９ｍｍ
第２音響整合層２５ｂ
密度：０．２×１０3ｋｇ／ｍ3、音速：２００ｍ／ｓ
音響インピーダンス：４．０×１０4ｋｇ／ｍ2／ｓ
厚さ：０．１０ｍｍ
【０３０７】
本実施形態の超音波送受信器の送受信波形を図２７に示す。図２７において、本実施形態の超音波送受波器の超音波送受波形は実線で示され、音響整合層と保護整合層の厚さを等しくした超音波送受波器（比較例）の送受波形形は点線で示される。図２７からわかるように、本実施形態の超音波送受波器によれば、高感度化を実現することができる。
【０３０８】
本実施形態では、音響整合層２５を２層とした構成としたが、３層以上としても、保護整合層２４の上面部分で、超音波の位相が揃うように設計することで同様の効果が得られる。
【０３０９】
（実施形態１２）
図２８を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第１２の実施形態を説明する。本実施形態の特徴的な点は、第１音響整合層２５ａと保護整合層２４とが、同じ材料によって一体的に形成されている点にある。第１音響整合層２５ａの上部には乾燥ゲルから形成した第２音響整合層２５ｂが形成されている。
【０３１０】
本実施形態では、第１音響整合層２５ａおよび保護整合層２４における超音波の音速や波長が等しく、しかも、保護整合層２４の厚さＬ１１を超音波の１／４波長に設定する。このため、第１音響整合層２５ａの厚さＬ８は超音波の１／４波長よりも小さい。第１音響整合層２５ａの厚さＬ８は、第２音響整合層２５ｂの厚さＬ９と、第２音響整合層２５ｂの上面から保護整合層２４の上面レベルまでの距離Ｌ１０によって決まる。
【０３１１】
本実施形態においても、音響整合層２５ａおよび５ｂを透過して放射された超音波と、保護整合層２４を透過して放射された超音波との間に、超音波波長の整数倍の位相遅れが生じる構成を採用している。このため、保護整合層２４の上面レベルにおいて、音響整合層２５ａ、２５ｂおよび伝搬媒体２６を伝搬してきた超音波の位相が揃う。
【０３１２】
音響整合層２５ａ、２５ｂを透過してきた超音波の感度を高めるには、第１音響整合層２５ａの厚さよりも第２音響整合層２５ｂの厚さが重要である。本実施形態では、第２音響整合層２５ｂの厚さは、送受信する超音波の波長の約１／４に設定する。第１音響整合層２５ａの厚さも、感度に影響を与えるが、その影響の多くは周波数の比帯域に及ぶ。
【０３１３】
このため、本実施形態では、まず材質の機械的強度などの点から、第２音響整合層２５ｂを構成しうる乾燥ゲル層の特性を決定する。次に、保護整合層２４と同じ材料から形成する第１音響整合層２５ａの厚さＬ８と、音波伝搬媒体の厚さＬ１０とを設定する。
【０３１４】
本実施形態では、保護整合層２４の材料として、前述の実施形態と同様に多孔質セラミックスを用い、その厚さ（Ｌ１１）を超音波波長の１／４に設定する。すなわち、Ｌ１１を１．０ｍｍに設定する。この場合、上記の多孔質セラミックスから形成される第１音響整合層２５ａの音速は２００ｍ／ｓ、密度は０．２×１０3ｋｇ／ｍ3となる。乾燥ゲルから形成する第２音響整合層２５ｂの厚さを超音波波長の１／４に設定するため、Ｌ９を０．１０ｍｍとする。
【０３１５】
このとき、以下の式７が成立する。
【０３１６】
Ｌ８＋Ｌ１０＝０．９［ｍｍ］・・・（７）
【０３１７】
式７は、Ｌ１１を１．０ｍｍ、Ｌ９を０．１ｍｍに設定したことから導かれる。
【０３１８】
優れた特性を発揮するには、以下の式が成立することが好ましい。
【０３１９】
Ｌ８／１＋Ｌ１０／（１７／２５）＝１［波長］・・・（８）
【０３２０】
本実施形態では、周波数が５００ｋＨｚの超音波を送受信するため、音響整合層２５ａにおける超音波の１波長は１．０ｍｍ、音波伝搬媒体２６における超音波の１波長は１７／２５ｍｍとなる。式８は、超音波の１波長に対する第１音響整合層２５ａの厚さＬ８の比率と、超音波の１波長に対する伝搬媒体２６の厚さＬ１０の比率との和である。式８を満足するということは、超音波が第１音響整合層２５ａおよび音波伝搬媒体２６を透過する際に１波長だけ進むことを意味している。言い換えると、超音波が感じる第１音響整合層２５ａおよび音波伝搬媒体２６の実効的な厚さが１波長分であることを意味する。
【０３２１】
式７および式８を満足するＬ８およびＬ１０を算出すると、Ｌ８＝約０．６９ｍｍ、Ｌ１０＝０．２１ｍｍとなる。
【０３２２】
次に、図２９（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本実施形態の超音波送受波器の製造方法を説明する。
【０３２３】
まず、図２９（ａ）に示すように、多孔質セラミックスからなる厚さ１．０ｍｍのペレットを用意し、このペレットを図２９（ｂ）に示すように加工する。本実施形態では、ペレットの上面に溝を形成し、溝底部の厚さを０．６９ｍｍに調節する。この溝底部が第１音響整合層２５ａとして機能する部分である。溝は図２１に示すようにリング状に形成する。
【０３２４】
次に、図２９（ｃ）に示すように、溝の内部に第２音響整合層２５ｂを形成する。音響整合層２５ｂの厚さが０．１ｍｍになるようにする。保護整合層２４／音響整合層２５ａ、２５ｂの複合体を、図２９（ｄ）に示すように、圧電体２２に接合し、超音波送受波器２１を形成する。
【０３２５】
第１音響整合層２５ｂは、テトラメトキシシラン／エタノール／０．０５規定アンモニア水をモル比で、１／７／４の割合で混合した液を用いて、実施形態１と同様にして第１ゲル化工程を行うことによって形成する。
【０３２６】
保護整合層２４／音響整合層２５ａ、２５ｂからなる複合体の圧電体への接着は、実施形態１と同様に、エポキシ系の接着剤によって行うことができる。
【０３２７】
本実施形態によれば、保護整合層２４と音響整合層２５ａを一括的に形成できるため、製造工程を簡単にし、製造コストを低減できる。
【０３２８】
（実施形態１３）
図３０を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第１３の実施形態を説明する。本実施形態に特徴的な点は、構造支持体を有している点である。
【０３２９】
本実施形態の超音波送受波器は、圧電体２２と第１音響整合層２５や保護整合層２４との間に構造支持体２７を有している点を除けば、実施形態１の超音波送受波記録媒体の構成と同様の構成を有している。
【０３３０】
構造支持体２７は音響整合層２５などが固定される円盤状支持部と、この円盤状支持部から軸方向に連続的に伸びる円筒部とを備えている。円筒部の端面は、断面がＬ字型に折れ曲がり、圧電体２２の遮蔽のためのプレート（不図示）や、他の装置などに固定しやすくなっている。
【０３３１】
構造支持体２７の表面には音響整合層２５や保護整合層２４が配置されており、支持部裏面には圧電体２２が配置されている。このような構造支持体２７を用いることにより、超音波送受波器の取り扱いが極めて容易となる。
【０３３２】
構造支持体は、密閉可能な容器（センサケース）から構成することができる。この場合、構造支持体２７の円筒部の開放端を遮蔽プレートなどで塞ぎ、かつ、構造支持体２７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２２を遮断することができる。
【０３３３】
圧電体２２には電圧が印加されるため、可燃性ガスなどと圧電体が接すると、可燃性ガスに引火する危険性もある。しかし構造支持体２７を密閉性の容器から構成し、圧電体２２のある内部を外部流体などと遮断することによって、そのような引火を防止して、可燃性ガスなどに対しても安全に超音波を送受波することができる。
【０３３４】
また可燃性ガスでなくとも、圧電体２２と反応し、圧電体２２に特性の劣化を与える可能性のあるガスとの間で超音波を送受波する場合でも、圧電体２２が外部ガスから遮断することが好ましい。そうすることにより、圧電体２２の劣化を防止し、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。
【０３３５】
構造支持体２７のうち、圧電体２２と音響整合層２５や保護整合層２４との間に位置する部分は音響整合層として機能しない。このため、構造支持体２７が音響的な阻害として働かないようにするため、構造支持体２７のうち、圧電体２２と音響整合層２５や保護整合層２４との間に位置する部分の厚さを、送受波する超音波の波長の１／８程度以下とすることが望ましい。
【０３３６】
本実施形態では、構造支持体２７をステンレスから形成し、上記部分の厚さを０．２ｍｍに設定している。
【０３３７】
ステンレスの音速は約５５００ｍ／秒であり、超音波の５００ｋＨｚにおける波長は約１１ｍｍとなる。０．２ｍｍの厚さは波長の約１／５５に相当するため、構造支持体２７の存在は殆ど音響的阻害要因にはならない。
【０３３８】
構造支持体２７の材料は、ステンレスなどの金属材料に限定される物ではなく、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２７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。
【０３３９】
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。
【０３４０】
（実施形態１４）
図３１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第１４の実施形態を説明する。図３１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の上面図である。
【０３４１】
図２１に示す例では、保護整合層２４として機能する多孔質セラミック製のリング（同じ幅で直径の異なる３つのリング状部材）を用い、それらの中心が一致するように圧電体主面に配置しているが、図３１（ａ）に示すように幅の異なるリングを用いて保護整合層２４を形成しても良い。また、図３１（ｂ）に示すように、島状の保護整合層２４をランダムに配置してもよい。
【０３４２】
保護整合層２４と音響整合層２５とが、超音波送受波器の主面上に規則的に配列されている場合、その主面に対して或る角度を持った方向に超音波の位相が揃い、振幅が強まる。これは、「サイドローブ」と呼ばれ、超音波計測を行う上で阻害要因となる。しかし、図３１に示すように、保護整合層２４の配列が周期性を持たない構成を採用することにより、サイドローブを抑制し、精度および信頼性の高い超音波計測を可能とすることができる。
【０３４３】
（実施形態１５）
図３２を参照しながら、本発明による超音波送受波器の第１５の実施形態を説明する。
【０３４４】
本実施形態の超音波送受波器は、保護整合層２４の厚さが面内分布を有している点に第１の特徴点を有している。前述の各実施形態では、保護整合層２４の厚さが面内で一様に設定されているが、本実施形態では、意図的に面内分布が与えられている。また、本実施形態の第２の特徴点は、圧電体２２上に設けられた保護整合層２４が異なる２種類の材料から形成されていることにある。
【０３４５】
本実施形態の構成によれば、異なる材料の採用および／または異なる厚さの面内分布を付与することにより、サイドローブを抑制したり、送受信する超音波の周波数を変化させて広帯域化することができる。
【０３４６】
なお、各保護整合層２４の厚さは、超音波波長の１／８以上１／３以下の範囲内に含まれていることが好ましく、超音波波長の１／６以上１／４以下の範囲内に含まれていることが更に好ましい。ただし、異なる厚さを有する保護整合層２４の一部の厚さが上記の範囲から外れていてもよい。上記の範囲から外れた厚さを有する保護整合層２４は、音響整合層としては機能しないため、超音波送受信の感度が低下する。しかし、音響整合層として機能しない保護層（もはや「保護整合層」とは呼べない）を圧電体上の適当な位置に置くことにより、近距離における超音波場の乱れを防止して良好な超音波計測を可能にすることができる。
【０３４７】
（実施形態１６）
図３３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。
【０３４８】
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で流れるよう設置される。流量測定部５１の管壁５２には、本発明の超音波送受信器から形成した超音波送信受波器１ａおよび１ｂが相対して配置されている。
【０３４９】
ある時点では、超音波送受信器１ａが超音波送波器として機能し、超音波送受信器１ｂを超音波受波器として機能するが、他の時点では、超音波送受信器１ａが超音波受波器として機能し、超音波送受信器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によって行われる。
【０３５０】
超音波送受信器１ａ、１ｂは、切替回路５３を介して、超音波送受信器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信検知回路５５とに接続されている。受信検知回路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。
【０３５１】
以下、この超音波流量計の動作をより詳細に説明する。
【０３５２】
被測定流体として、ＬＰガスが流量測定部５１を流れる場合が考える。超音波送信受波器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に送信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、送信開始信号を受けると、超音波送信受波器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部５１内を伝搬して、超音波送信受波器１ｂで受信される。受信された超音波パルスは超音波送信受波器１ｂで電気信号に変換され、受信検知回路５５に出力される。
【０３５３】
受信検知回路５５は、受信信号の受信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。
【０３５４】
次に、切替回路５３により、駆動回路５４および受信検知回路５５に接続する超音波送信受波器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に送信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、超音波送信受波器１ｂで超音波パルスを送信し、超音渡送信受波器１ａで受信し、演算部５７で伝搬時間ｔ２を演算する。
【０３５５】
ここで、超音波送信受波器１ａと超音渡送信受波器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、被測定流体の流れの方向と超音波送信受波器１ａおよび１ｂの中心を結ぶ線との角度をθとする。
【０３５６】
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。
【０３５７】
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、図３４（ａ）に示すような受信波形に対して、適切なスレッショルドレベルを設定し、そのスレッショルドレベルを超えて次に振幅が０となる点の時間を測定する。受信信号の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を測定することができず、正確な流量を測定することが困難になる場合がある。
【０３５８】
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信器を用いると、受信信号のＳ／Ｎが向上し、ｔ１、ｔ２を高い精度で測定することが可能となる。
【０３５９】
図３４（ｂ）に示すように、図３４（ａ）の場合に比べて、受信信号の立ち上がりが遅い（狭帯域である）と、スレッショルドレベルの設定値に対して、ｔ１、ｔ２を測定する受信信号の山の位置が変動し、測定誤差となる可能性がある。しかし、本発明による超音波送受信器は広帯域で適切に動作するため、受信信号の立ち上がりがよく、正確な流量測定を安定的に行うことが可能となる。なお、ｔ１、ｔ２の値としては、他数回の測定によって得られた値の平均値を用いることが好ましい。
【０３６０】
広帯域の超音波を送受信できるということは、信号の立下りも早いことを意味する。このため、測定の繰り返しを速く行った場合でも、前の送受信信号の影響を受けることが無い。その結果、測定の繰り返し周波数を高くしても、瞬時の計測を可能とするものであり、ガスもれなどを瞬時に検知することが可能となる。
【０３６１】
以上の各実施形態では、最上層の音響整合層（第１音響整合層）の上面は露出しているが、この面を厚さ１０μｍ以下の保護膜でカバーしても良い。このような保護膜は、大気と音響整合層との直接的な接触を避け、音響整合層の特性を長期にわた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）によって構成される。保護膜は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって堆積される。
【０３６２】
【図面の簡単な説明】
【０３６３】
【図１】本発明の実施形態１における超音波送受信器を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態１における超音波送受信器の上面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態１における超音波送受波器の送受信波形を示すグラフであり、（ｂ）は、従来の超音波送受波器の送受信波形を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態１において、音響整合層が収縮した場合を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態２における超音波送受信器の断面図である。
【図６】本発明の実施形態２における保護部の他の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態２における保護部の他の構成を示す上面図である。
【図８】本発明の実施形態３における超音波送受信器の断面図である。
【図９】本発明の実施形態４における超音波送受信器の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態５における超音波送受信器の断面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施形態５における超音波送受波器の送受信波形を示すグラフであり、（ｂ）は、従来の超音波送受波器の送受信波形を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態６における下層音響整合層の他の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態７における超音波送受信器の断面図である。
【図１４】本発明の実施形態７における超音波送受波器の送受信波形を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態７における別構成の超音波送受信器の断面図である。
【図１６】（ａ）から（ｃ）は、図１２に示す超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。
【図１７】（ａ）は、図１６に示す製造工程において、ゲルの浸透が充分な場合の音響整合層を示す断面図であり、（ｂ）は、ゲルの浸透が不充分な場合の音響整合層を示す断面図である。
【図１８】（ａ）から（ｄ）は、図１２に示す超音波送受波器の他の製造方法を示す工程断面図である。
【図１９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、保護部の他の構成例を示す上面図である。
【図２０】本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態の断面図である。
【図２１】本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態の上面図である。
【図２２】本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態における超音波の干渉を示す模式図である。
【図２３】保護整合層および音響整合層を伝搬した超音波の位相を模式的に示す断面図である。
【図２４】（ａ）から（ｃ）は、本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態を製造する方法を示す工程断面図である。
【図２５】本発明による超音波送受波器の第１０の実施形態の送受信波形図である。
【図２６】本発明による超音波送受波器の第１１の実施形態の断面図である。
【図２７】本発明による超音波送受波器の第１１の実施形態の送受信波形図である。
【図２８】本発明による超音波送受波器の第１２の実施形態の断面図である。
【図２９】（ａ）から（ｄ）は、本発明による超音波送受波器の第１２の実施形態を製造する方法を示す工程断面図である。
【図３０】本発明による超音波送受波器の第１３の実施形態の断面図である。
【図３１】（ａ）および（ｂ）は、それそれ、本発明による超音波送受波器の第１４の実施形態の上面図である。
【図３２】本発明による超音波送受波器の第１５の実施形態の断面図である。
【図３３】本発明の実施形態１６における超音波流量計を示すブロック図である。
【図３４】（ａ）および（ｂ）は、本発明の超音波流量計で測定される波形を示すグラフである。
【図３５】従来の超音波流量計を示す断面図である。
【図３６】従来の超音波送受信器の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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