(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乾燥ゲルの粉末を含む、音響整合層。
【請求項２】
前記乾燥ゲルの密度が５００ｋｇ／ｍ3以下であり、平均細孔直径が１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の音響整合層。
【請求項３】
前記乾燥ゲルの粉末の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にある、請求項１または２に記載の音響整合層。
【請求項４】
前記乾燥ゲルの固体骨格部が、無機酸化物を含む、請求項１から３のいずれかに記載の音響整合層。
【請求項５】
前記無機酸化物は、酸化ケイ素または酸化アルミニウムである、請求項３に記載の音響整合層。
【請求項６】
熱結着性高分子の粉末を全体の４０質量％以下含む、請求項１から５のいずれかに記載の音響整合層。
【請求項７】
前記熱結着性高分子の粉末は、平均粒径が０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある、請求項６に記載の音響整合層。
【請求項８】
音響インピーダンスが５×１０4ｋｇ／ｓ・ｍ2以上２０×１０4ｋｇ／ｓ・ｍ2以下の範囲内にある、請求項１から７のいずれかに記載の音響整合層。
【請求項９】
２５℃以上７０℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−０．０４％／℃以下である、請求項１から８のいずれかに記載の音響整合層。
【請求項１０】
前記音響整合層中を伝播する音波の波長λの約４分の１の厚さを有する、請求項１から９のいずれかに記載の音響整合層。
【請求項１１】
圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた請求項１から１０のいずれかに記載の音響整合層とを備えた超音波送受波器。
【請求項１２】
前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている、請求項１１に記載の超音波送受波器。
【請求項１３】
前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、
前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、
前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に直接結合されている、請求項１１に記載の超音波送受波器。
【請求項１４】
乾燥ゲルの粉末と熱結着性高分子の粉末との混合粉末を用意する工程と、
前記混合粉末を加圧成形する工程と、
を包含する、音響整合層の製造方法。
【請求項１５】
前記混合粉末を用意する工程は、
前記乾燥ゲルを用意する工程と、
前記熱結着性高分子の粉末を用意する工程と、
前記乾燥ゲルと前記熱結着性高分子の粉末とを混合しながら粉砕する工程と、
を包含する請求項１４に記載の音響整合層の製造方法。
【請求項１６】
前記混合粉末を加圧成形する工程は、前記混合粉末を加熱する工程を包含する、請求項１５に記載の音響整合層の製造方法。
【請求項１７】
前記混合粉末を加圧成形する工程は、加圧成形によって得られる前記混合粉末の成形体の厚さを所定の厚さに制御する工程を包含する、請求項１４から１６のいずれかに記載の音響整合層の製造方法。
【請求項１８】
前記混合粉末を加圧成形する工程は、
下側成形面上に所定量の前記混合粉末を供給する工程と、
前記下側成形面上に供給された前記混合粉末が形成する層の上面を平坦化する工程と、を包含する、請求項１４から１７のいずれかに記載の音響整合層の製造方法。
【請求項１９】
圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、
前記音響整合層を請求項１４から１７のいずれかの製造方法によって形成する工程を包含する、超音波送受波器の製造方法。
【請求項２０】
前記音響整合層は前記圧電体層上に直接接合される、請求項１９に記載の超音波送受波器の製造方法。
【請求項２１】
前記超音波送受波器は、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空
間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、
前記音響整合層は前記ケースの前記上板の上面に直接接合される、請求項１９に記載の超音波送受波器の製造方法。
【請求項２２】
圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、
前記音響整合層を形成するプロセスが、
（ａ）ゲル原料液を調製する工程と、
（ｂ）前記音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、
（ｃ）前記面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、
（ｄ）前記面上に付与された前記ゲル原料液が形成する液層の厚さを前記厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、
（ｅ）前記ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、
（ｆ）前記湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程と、
を包含する、超音波送受波器の製造方法。
【請求項２３】
前記音響整合層は、前記圧電体層側に配置された第１音響整合層と、前記第１音響整合層上に設けられた第２音響整合層を有し、
前記第２音響整合層を形成するプロセスが、前記工程（ａ）〜（ｆ）を包含する、請求項２２に記載の超音波送受波器の製造方法。
【請求項２４】
前記厚さ規制部材の高さは、対応する音響整合層中を伝播する音波の波長λの約４分の１である、請求項２２または２３のいずれかに記載の超音波送受波器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響インピーダンスを整合（マッチング）するために用いられる音響整合層、超音波の送受信を行う超音波送受波器、およびこれらの製造方法、ならびにこれらを用いた超音波流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、従来の超音波発生器（「圧電振動子」ということもある。）１０の構成を模式的に示す断面図である。超音波発生器１０は、ケース１、圧電体層（振動手段）２と、音響インピーダンス整合層（整合手段、以下、「音響整合層」という。）である。ケース１と圧電体層２とは接着剤（例えばエポキシ系）からなる接着層を用いて接着されている。ケース１と音響整合層１００とは、同様に接着剤を用いて接続されている。圧電体層は約５００ｋＨｚで振動し、その振動は接着層（不図示）を介してケース１に伝わり、さらに接着層を介して音響整合層１００に伝わる。音響整合層１００の振動は空間に存在する気体に音波として伝搬する。なお、簡単のために説明を省略するが、圧電体層２を厚さ方向に分極させるための一対の電極（不図示）が圧電体層２の両面に設けられており、超音波発生器１０は、圧電体層２によって、電気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換することができる。ケース１は、圧電体層２を内包する凹部を形成する上板１ａと、凹部内の空間を密閉するように配置される底板１ｂとを有し、圧電体層２は凹部内に密閉されている。圧電体層２の一対の主面に形成されている電極の一方は、ケース１を介して端子５ａに接続され、他方は端子５ｂに接続されている。従って、ケース１は、一般に導電性を有する金属から形成される。
【０００３】
音響整合層１００の役割は圧電体層２の振動を効率良く気体に伝搬させることにある。物質の音速Ｃと密度ρとで（１）式のように定義される音響インピーダンスＺが圧電体層２と気体とで大きく異なる。
【０００４】
Ｚ＝ρ×Ｃ・・・（１）
【０００５】
圧電体層２を構成する圧電体の音響インピーダンスＺ１は３０×１０6（ｋｇ／ｓ・ｍ2）で気体、例えば空気の音響インピーダンスＺ３は４．２８×１０2（ｋｇ／ｓ・ｍ2）である。圧電体と金属の音響インピーダンスはほぼ等しい。このように音響インピーダンスの異なる境界面上では音（振動）の伝搬に反射が生じるようになり、その結果、透過する音の強さが弱くなる。ところが、２つの異なる音響インピーダンスの物質の間に別の音響インピーダンスを持つ物質を挿入することによって、音の反射を軽減することができる。
【０００６】
圧電体層２と空間（音波が放出される側の気体媒体）との間に下記（２）式の関係を満たす音響インピーダンスＺ２を持つ物質を挿入することにより音の反射をなくせることが一般に知られている。
【０００７】
Ｚ２＝（Ｚ１・Ｚ３）1/2・・・（２）
【０００８】
上述のＺ１＝３０×１０6（ｋｇ／ｓ・ｍ2）およびＺ３＝４．２８×１０2（ｋｇ／ｓ・ｍ2）を用いると、このＺ２の値は０．１１×１０6（ｋｇ／ｓ・ｍ2）となる。この音響インピーダンスを満たす物質は、固体で密度が小さく音速の遅いものであることが要求される。
【０００９】
ＰＺＴ等の圧電体を用いた気体用超音波発生器においても、一般に、ＰＺＴで発生した超音波を伝搬媒体である気体（空気）に効率良く放射するため、その振動面に空気との音響インピーダンスを整合するための整合層が設けられる。ＰＺＴで発生した超音波を空気中に放射する超音波トランスデューサでは、空気（気体）の音響インピーダンスＺ１（約４００ｋｇ／ｓ・ｍ2）がＰＺＴ（固体）の音響インピーダンスＺ３（約３０×１０5ｋｇ／ｓ・ｍ2）に対して略１０万分の１と桁違いに小さいため、超音波を効率良く放射するためには、音響整合層の音響インピーダンスが極めて重要になる。
【００１０】
従来、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックスから構成された圧電体層（「超音波振動子」ということもある。）の振動面に設けられる音響整合層として、図１１に示すように、ガラスバルーン（中空の微小なガラス球）１１０が混入されたエポキシ樹脂１１２からなる音響整合層１００が知られている。音響整合層１００は微小なガラスバルーン１１０をエポキシ樹脂１１２で固めたものを用いて密度を小さくしている。ガラスバルーン１１０は音響整合層を伝わる音の波長よりも十分小さくする必要があるので、直径が１００μｍ以下のものを用いている。
【００１１】
音響整合層１００を透過して気体に伝達する音の強さは音響整合層１００の厚さ(音響整合層中を音波が伝播する距離）にも関係する。圧電体層２からの音の波は透過する波と、音響整合層１００と気体との境界面で反射する波とに分かれる。反射した波は音響整合層１００と圧電体層２との境界面で反射し、この場合、位相が反転した波となる。この波の一部が音響整合層１００と気体との境界面で透過する波となる。これらの波が合成されることによって、透過率Ｔが最大となる厚さｔを求めると、ｔ＝λ／４となる。
【００１２】
ガラスバルーン１１０を含む音響整合層１００を用いた場合、その音速は２０００ｍ／ｓなので、音の周波数が５００ｋＨｚの場合は、音響整合層１００中を伝播する音の波長λは４ｍｍとなる。従って音響整合層１００の厚さｔは１ｍｍが最適値となる。
【００１３】
超音波振動子の振動面に音響整合層を設けた場合の超音波振動子から外部伝搬媒体への超音波エネルギー透過率Ｔを求める理論式は、音響整合層の厚さｔをλ／４の整数倍に設定すると下記（３）式のように簡素化されて表される。
【００１４】
Ｔ＝４・Ｚ１・Ｚ３・Ｚ２2／（Ｚ１・Ｚ３＋Ｚ２2）2・・・（３）
【００１５】
従来のガラスバルーン入りエポキシ樹脂を用いた音響整合層１００において、空気に対する超音波エネルギー透過率Ｔと音響整合層１００の音響インピーダンスＺ２との関係を検討すると、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂の音響インピーダンスはおよそ１．２×１０6ｋｇ／ｓ・ｍ2で、Ｚ２2≒１．４４×１０12となるのに対し、上述の例ではＺ１・Ｚ３はＺ１・Ｚ３＝４００×１．２×１０6＝４．８×１０8で、Ｚ１・Ｚ３≪Ｚ２2となるので上記（３）式は、更にＴ≒４・Ｚ１・Ｚ３／Ｚ２2に近似され、超音波エネルギー透過率Ｔは音響整合層１００の音響インピーダンスＺ２の２乗に反比例することがわかる。すなわち、音響整合層１００の音響インピーダンスＺ２は小さい程、超音波エネルギー透過率Ｔは向上する。
【００１６】
また、図９は上述した超音波発生器１０を備える超音波流量計の構成を模式的に示す図である。ここでは、一対の超音波発生器１０を一対の超音波送受波器１０１および１０２として用いている。
【００１７】
一対の超音波発生器１０１および１０２は、図９に示すように、気体の流路５１を規定する管（管壁）５２の内部に配置される。超音波送受波器１０１または１０２が割れると気体が管５２の外部に漏れるので、超音波送受波器１０１および１０２のケース（図９のケース１）の材料にはセラミックや樹脂などの割れやすい材質を選択することが困難である。従って、ケースの材料にはステンレス、鉄などの金属材料が用いられる。
【００１８】
今、図９に示すように、流路５１に流体が速度Ｖにて、流路に沿って太線矢印で示す方向に流れているとする。管壁５２の内側には、一対の超音波送受波器１０１および１０２が互いに相対して設置されている。超音波送受波器１０１および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、例えば、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。また、超音波送波器１０１と超音波受波器１０２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１０１，１０２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、タイマ５７の出力より流量を演算によって求める演算部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。
【００１９】
超音波流量計の動作を以下に説明する。
【００２０】
まず、共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送波器１０１の圧電体層に印加すると、超音波送波器１０１は外部の流体中に同図中のＬ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。
【００２１】
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。共振周波数近傍の周波数の交流電圧を超音波送波器１０２の圧電体層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Ｌ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および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。伝播経路Ｌ内の超音波の伝播方向は、伝播経路Ｌ内に示した矢印（双方向）である。
【００２２】
図９において、管５２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（太線矢印）と超音波パルスの伝搬方向（Ｌ内の矢印）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（４）が成立する。
【００２３】
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（４）
【００２４】
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（５）の関係が成立する。
【００２５】
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ  ・・・（５）
【００２６】
従って、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（６）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。
【００２７】
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ  ・・・（６）
【００２８】
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。
【００２９】
従来の超音波発生器においては、音響整合層の音響インピーダンスを低く抑えるために、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などで固めた材料を用いて音響整合層を形成していた。また、ガラスバルーンを熱圧縮する方法、あるいは、溶融材料を発泡させる等の方法によって音響整合層を形成していた。これらの方法は、例えば特許第２５５９１４４号公報等に開示されている。
【００３０】
従来の音響整合層は、エポキシ樹脂に超音波の波長に比べて粒径の小さいガラスバルーンを混入することにより（すなわち、エポキシ樹脂内に超音波を乱反射させないような音響インピーダンスの小さい空気の隙間を散在させることにより）音響整合層の音響インピーダンスＺ２を低下させるものであるから、エポキシ樹脂に対するガラスバルーンの混合比率を高めて音響インピーダンスの一層の低下を図ることも考えられるが、ガラスバルーンの混合比率を高くすると、ガラスバルーン入りのエポキシ樹脂剤の粘度が高くなり、ガラスバルーンとエポキシ樹脂剤とを均―に混合することが困難となるので、エポキシ樹脂剤に対するガラスバルーンの混合比率を高めるには一定の限界がある。従って、ガラスバルーン入リエポキシ樹脂でより一層、音響インピーダンスの低い音響整合層を製造することは困難である。
【００３１】
また、上記従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層の音響インピーダンスはおよそ１．２×１０6ｋｇ／ｓ・ｍ2であり、エポキシ樹脂のみからなる音響整合層の音響インピーダンスに対して略２／３であり、エポキシ樹脂のみからなる音響整合層を用いたものに比べると、超音波エネルギー透過率Ｔは９／４倍に改善される。
【００３２】
しかし、それでも上記（３）式よリガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層を用いた場合の超音波エネルギー透過率Ｔを算出すると、Ｔ≒３％であるから、十分でないことが分かる。
【００３３】
また、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、上述したようにガラスバルーンを熱圧縮したり、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、音響整合層内で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。
【００３４】
さらに、上記従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂からなる音響整合層の製造工程においては、ガラスバルーン入りエポキシ樹脂の硬化物を所望の大きさおよび／または厚さにするために、切断および／または表面研磨などの機械加工を施していたため、音響整合層の厚さが好ましい値からずれたり、または厚さが不均一となったり、あるいは表面に凹凸が形成されるという問題があり、超音波送受波器としての十分な性能を得ることができなかった。
【００３５】
一方、本出願人は、特願２００１−５６５０１号（出願日：２００１年２月２８日）に、乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成することによって、従来のガラスバルーン入リエポキシ樹脂を用いる場合よりも、例えば音響整合層内の特性のばらつきを低減できることを記載している。
【００３６】
しかしながら、例えば、超音波流量計などのさらな高性能化のために、乾燥ゲルを用いた音響整合層の特性のばらつきをさらに低減することが望まれている。
【００３７】
本発明者が検討した結果によると、音響整合層の厚さのばらつきは、従来よりも小さいものの、乾燥ゲルを用いた場合にも発生する。また、湿潤ゲルを乾燥させることによって乾燥ゲルを形成すると、乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきがあることがわかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来よりも特性のばらつきが低減された音響整合層を提供すること、およびそのような音響整合層を備える超音波送受波器ならびに超音波流量計を提供することにある。また、そのような音響整合層および超音波送受波器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
本発明の第１の局面による音響整合層は乾燥ゲルの粉末を含む。
【００４０】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの密度が５００ｋｇ／ｍ3以下であり、平均細孔直径が１００ｎｍ以下である。
【００４１】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの粉末の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下の範囲内にある。
【００４２】
ある実施形態において、前記乾燥ゲルの固体骨格部が、無機酸化物を含む。前記固体骨格部は疎水化されていることが好ましい。
【００４３】
ある実施形態において、前記無機酸化物は、酸化ケイ素または酸化アルミニウムである。
【００４４】
ある実施形態において、熱結着性高分子の粉末を全体の４０質量％以下含む。
【００４５】
ある実施形態において、前記熱結着性高分子の粉末は、平均粒径が０．１μｍ以上５０μｍ以下の範囲内にある。
【００４６】
ある実施形態において、音響インピーダンスが５×１０4ｋｇ／ｓ・ｍ2以上２０×１０4ｋｇ／ｓ・ｍ2以下の範囲内にある。
【００４７】
ある実施形態において、２５℃以上７０℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−０．０４％／℃以下（絶対値が０．０４％／℃以下）である。
【００４８】
ある実施形態において、前記音響整合層中を伝播する音波の波長λの約４分の１の厚さを有する。
【００４９】
本発明の第１の局面による超音波送受波器は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた上記のいずれかの音響整合層とを備える。
【００５０】
ある実施形態において、前記音響整合層が前記圧電体層上に直接結合されている。
【００５１】
ある実施形態において、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、前記圧電体層は前記ケースの前記上板の内面に接着されており、前記音響整合層は、前記上板を介して前記圧電体層に対向するように前記上板の上面に直接結合されている。
【００５２】
本発明の第１の局面による超音波流量計は、被測定流体が流れる流量測定部と、前記流量測定部に設けられ超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器と、前記超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する計測回路と、前記計測回路からの信号に基づいて流量を算出する流量演算回路とを備える超音波流量計であって、前記一対の超音波送受波器のそれぞれは、上記のいずれかに記載の超音波送受波器で構成されている。
【００５３】
本発明の第１の局面による音響整合層の製造方法は、乾燥ゲルの粉末と熱結着性高分子の粉末との混合粉末を用意する工程と、前記混合粉末を加圧成形する工程とを包含する。
【００５４】
ある実施形態において、前記混合粉末を用意する工程は、前記乾燥ゲルを用意する工程と、前記熱結着性高分子の粉末を用意する工程と、前記乾燥ゲルと前記熱結着性高分子の粉末とを混合しながら粉砕する工程とを包含する。
【００５５】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、前記混合粉末を加熱する工程を包含する。
【００５６】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、加圧成形によって得られる前記混合粉末の成形体の厚さを所定の厚さに制御する工程を包含する。
【００５７】
ある実施形態において、前記混合粉末を加圧成形する工程は、下側成形面上に所定量の前記混合粉末を供給する工程と、前記下側成形面上に供給された前記混合粉末が形成する層の上面を平坦化する工程とを包含する。
【００５８】
本発明の第１の局面による超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、前記音響整合層を上記のいずれかの製造方法によって形成する工程を包含する。
【００５９】
ある実施形態において、前記音響整合層は前記圧電体層上に直接接合される。
【００６０】
ある実施形態において、前記超音波送受波器は、前記圧電体層を内包する凹部を形成する上板と、前記凹部内の空間を密閉するように配置される底板とを有するケースをさらに有し、前記音響整合層は前記ケースの前記上板の上面に直接接合される。
【００６１】
本発明の第２の局面による超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、前記音響整合層を形成するプロセスが、（ａ）ゲル原料液を調製する工程と、（ｂ）前記音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、（ｃ）前記面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、（ｄ）前記面上に付与された前記ゲル原料液が形成する液層の厚さを前記厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、（ｅ）前記ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、（ｆ）前記湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程とを包含する。第２の局面の超音波送受波器の製造方法によると、音響整合層の厚さが所定の厚さに制御されるので、厚さのばらつきに起因する特性のばらつきが抑制される。
【００６２】
ある実施形態において、前記音響整合層は、前記圧電体層側に配置された第１音響整合層と、前記第１音響整合層上に設けられた第２音響整合層を有し、前記第２音響整合層を形成するプロセスが、前記工程（ａ）〜（ｆ）を包含する。
【００６３】
ある実施形態において、前記厚さ規制部材の高さは、対応する音響整合層中を伝播する音波の波長λの約４分の１である。
【００６４】
本発明による音響整合層に用いられる乾燥ゲルは、無機酸化物を固体骨格部とする乾燥ゲルであっても良いし、有機高分子を固体骨格部とする乾燥ゲルであっても良い。
【発明の効果】
【００６５】
本発明の第１の局面による音響整合層は、乾燥ゲルの粉末を含むので、湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきが抑制される。
【００６６】
本発明の第２の局面によると、音響整合層の製造プロセスにおいて、音響整合層の厚さが制御される。従って、音響整合層の厚さのばらつきや表面の凹凸に起因する特性のばらつきが抑制される。
【００６７】
さらに、無機酸化物または有機高分子の乾燥ゲルの形成時に、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得られる。
【００６８】
また、従来の音響整合層の上層に、この厚さ精度の高い、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を形成することによって、さらに高感度な超音波送受波器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
本発明の第１の局面による音響整合層は、乾燥ゲルの粉末を含む。音響整合層を乾燥ゲルの粉末を用いて形成することによって、湿潤ゲルの乾燥過程の不均一さに起因する特性のばらつきが抑制される。
【００７０】
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明の第１の局面による実施形態の音響製造層の構造を模式的に示す。
【００７１】
図１（ａ）に示す音響整合層３Ａは、乾燥ゲルの粉末（以下、「粉末乾燥ゲル」ということもある。）３ａと、添加剤３ｂとで構成されている。
【００７２】
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体であり、ゲル原料液の反応によって固体化した固体骨格部が溶媒を含んで構成された湿潤ゲルを経て、乾燥して溶媒除去することで形成されるものである。
【００７３】
乾燥ゲルを得るために、湿潤ゲルから溶媒除去して乾燥する方法としては、超臨界乾燥、凍結乾燥などの特別な条件の乾燥方法や、加熱乾燥、減圧乾燥、自然放置乾燥などの通常の乾燥方法を用いることができる。
【００７４】
超臨界乾燥は、溶媒をその臨界点以上の温度、圧力条件にした超臨界状態で除去する方法であり、気液界面がなくゲルの固体骨格部に乾燥ストレスを与えることがないため収縮したりすること無く、非常に低密度の乾燥ゲルを得ることができる。その反面、超臨界乾燥で得た乾燥ゲルは、使用環境におけるストレス、例えば結露や熱ストレス、薬品ストレス、機械ストレス等の影響を受けることもある。
【００７５】
それに対して、通常の乾燥方法によって得られる乾燥ゲルは、乾燥ストレスに耐え得るために、その後の使用環境におけるストレスに対しても耐久性が高いという特徴がある。このような通常の乾燥方法で低密度の乾燥ゲルを得るためには、乾燥する前に湿潤ゲルの段階で、固体骨格部がストレスに耐え得るようにしておく必要がある。例えば、固体骨格部を熟成して強度を増したり、疎水化する際に固体骨格部を補強するように温度条件や重合しやすい多官能の疎水化剤を適用したり、細孔の大きさを制御したりすることで実現することができる。特に、気体の流量を計測する際には、いろいろな環境で使用されることがあるために、通常の乾燥方法で作製した乾燥ゲルで音響整合層を得るのが好ましい。また、通常の乾燥方法を適用する場合には、超臨界乾燥のような高圧のプロセスではないために、設備が簡易になり、取扱いも行いやすいなどの利点もある。
【００７６】
上述の方法で得られる乾燥ゲルは、ナノメートルサイズの固体骨格部によって平均細孔直径が１ｎｍから１００ｎｍの範囲内にある連続気孔が形成されているナノ多孔体ある。そのため、密度が５００ｋｇ／ｍ3以下、好ましくは４００ｋｇ／ｍ3以下の低密度な状態では、乾燥ゲルの有する特異な網目状骨格を形成している固体部分を伝搬する音速が極端に小さくなるとともに、細孔によって多孔体内の気体部分を伝搬する音速も極端に小さくなるという性質を有する。そのため、音速として５００ｍ／ｓ以下の非常に遅い値を示し、低い音響インピーダンスを得ることができるという特徴を有する。
【００７７】
また、ナノメートルサイズの細孔部では、細孔サイズが気体分子の平均自由行程と同程度以下となっており、気体の圧損が大きいために音響整合層として用いた場合に、音波を高い音圧で放射できるという特徴も有する。
【００７８】
粉末乾燥ゲルの平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末中の細孔数が減少して乾燥ゲルの特徴的な効果が低減されるとともに、成形する際の添加剤の必要量が増加するため低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。粉末乾燥ゲルの平均粒径が上限値よりも大きいと、音響整合層の厚さ制御が難しくなり、厚さの均一性および表面の平坦性が十分な音響整合層を形成することが難しくなることがある。
【００７９】
乾燥ゲルの固体骨格部は、無機酸化物または有機高分子であってもよい。また、固体骨格部が疎水化されていることが好ましい。疎水化することによって、例えば、計測対象の気体中に水分や不純物が存在した場合に、それらの吸着や付着の影響を受けにくくできるので、より信頼性の高い音響整合層を得ることができる。
【００８０】
無機酸化物の乾燥ゲルの固体骨格部の疎水化は、例えばシランカップリング剤などの表面処理剤を用いて行う。表面処理剤としては、トリメチルクロルシラン、ジメチルジクロルシラン、メチルトリクロルシラン、エチルトリクロルシランなどのハロゲン系シラン処理剤、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシ系シラン処理剤、ヘキサメチルジシロキサン、ジメチルシロキサンオリゴマーなどのシリコーン系シラン処理剤、ヘキサメチルジシラザンなどのアミン系シラン処理剤、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクタノール、デカノールなどのアルコール系処理剤などを用いることができる。
【００８１】
また、これらの処理剤の有するアルキル基の水素が一部または全てがフッ素に置換したフッ素化処理剤を用いれば、疎水化（撥水性）に加えて、撥油性、防汚性などのさらに優れた効果が得られるものである。
【００８２】
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）を成分とするものを好適に用いることができる。また、有機高分子の乾燥ゲルの固体骨格部は、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もできる。
【００８３】
特に、無機酸化物の固体骨格部を有する乾燥ゲルは、耐湿信頼性や、耐化学薬品性に優れると共に、音響インピーダンスの温度特性に優れる。すなわち、無機酸化物の乾燥ゲルを用いると、２５℃以上７０℃以下の範囲内における音響インピーダンスの温度変化率が、−０．０４％／℃以下（絶対値が０．０４％／℃以下という意味）の音響整合層を得ることができる。これに対し、従来のエポキシ／ガラスバルーン系や、有機高分子ゲルを用いると、上記音響インピーダンスの温度変化率の絶対値を０．０４％／℃以下とすることは難しい。
【００８４】
音響インピーダンスの温度変化率が小さいと、例えば後述する超音波流量計に用いた場合、広い温度範囲に亘って高い測定精度を得ることができる。
【００８５】
粉末乾燥ゲル３ａを互いに結合し、音響整合層３Ａの機械的な強度を向上するための添加剤（バインダ）３ｂとしては、熱結着性を有する高分子粉末を好適に用いることができる。液状の材料を用いると、乾燥ゲルの細孔内部に浸透し、音響特性を変えてしまったり、成形性を低下させることがあるので、固形材料、特に粉末を用いることが好ましい。
【００８６】
ここで、「熱結着性高分子」とは、室温において固形で、加熱によって溶融または軟化し、その後固化する高分子を指す。熱結着性高分子は、一般的な熱可塑性樹脂（例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのエンジニアリングプラスチック）だけでなく、例えば室温においては固形で加熱によって一旦軟化し、その後、架橋硬化する熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂）を用いることができる。また、熱硬化性樹脂が主剤と硬化剤とを含む場合、それぞれを別粉末として添加しても良い。もちろん、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とを混合して用いても良い。熱結着性高分子粉末の溶融（軟化）温度は８０℃以上２５０℃以下の範囲にあることが好ましい。
【００８７】
添加剤として熱結着性高分子を用いると、典型的には、後述するように、粉末乾燥ゲル３ａと添加剤との混合粉末を加熱しながら加圧成形する際に、溶融（軟化）した添加剤が、冷却に伴って固化することにより、および／または、架橋硬化することにより、粉末乾燥ゲル３ａ同士を接合する役割を果たす。
【００８８】
熱結着性高分子粉末の平均粒径は０．１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。この下限値よりも小さいと粉末乾燥ゲルの細孔径に近くなるため、結着性が低下したり、成形性が低下することがある。また上限値よりも大きいと、成形に必要な添加量が増加するため、低密度の音響整合層を得ることが難しくなることがある。
【００８９】
また、熱結着性高分子粉末の添加量は全体の４０質量％以下であることが好ましい。全体の４０質量％を超えると、成形した際の密度が高くなってしまうことがある。また、十分な機械強度を得るためには、例えば、全体の５質量％以上添加することが好ましい。
【００９０】
上記の添加剤（「添加剤Ａ」ということがある。）と粉末乾燥ゲルとの接合を強化するために、図１（ｂ）に模式的に示した音響整合層３Ｂのように、繊維（無機繊維（例えはグラスウール）や有機繊維）やウィスカなどをさらに添加しても良い（「添加剤Ｂ」ということがある。）。図１（ｂ）の音響整合層３Ｂにおいて、添加剤３ｂは上記と同じ熱結着性高分子の粉末であり、添加剤３ｃは短繊維である。短繊維の好適な直径の範囲は上記の熱結着性高分子粉末の平均粒径と同程度であり、繊維の長さは数μｍ〜数ｍｍ程度であることが好ましい。
【００９１】
２種類の添加剤の添加量は、全体に対して、４０質量％以下であることが好ましく、配合比率は、必要に応じて適宜設定される。
【００９２】
本発明の粉末乾燥ゲルを用いた音響整合層は、音響インピーダンスを調整しやすいという利点をさらに有している。例えば、互いに異なる密度を有する複数の種類の粉末乾燥ゲルを混合することによって、音響インピーダンスを調整することができる。さらに、上記の添加剤Ａ（必要に応じて添加剤Ｂ）の量を調節することによって、音響インピーダンスを調整することができる。勿論、添加剤ＡおよびＢの添加量は、成形性などを考慮して上記の範囲内とすることが好ましい。
【００９３】
なお、音響整合層３Ａおよび３Ｂの厚さは、それぞれの音響整合層中を伝播する音波の波長λの約４分の１の厚さとすることが好ましい。
【００９４】
本発明の第２の局面による実施形態の超音波送受波器の製造方法は、圧電体層と、圧電体層上に設けられた音響整合層とを備えた超音波送受波器の製造方法であって、音響整合層を形成するプロセスが、（ａ）ゲル原料液を調製する工程と、（ｂ）音響整合層が形成される面上に、所定の高さを有する厚さ規制部材を設ける工程と、（ｃ）面上に前記ゲル原料液を付与する工程と、（ｄ）面上に付与されたゲル原料液が形成する液層の厚さを厚さ規制部材の高さに略一致させる工程と、（ｅ）ゲル原料液から湿潤ゲルを形成する固体化工程と、（ｆ）湿潤ゲルに含まれる溶媒を除去することによって乾燥ゲルを形成する乾燥工程とを包含する。従って、音響整合層の厚さが所定の厚さに制御されるので、厚さのばらつきに起因する特性のばらつきが抑制される。
【００９５】
勿論、音響整合層を上記の粉末乾燥ゲルを用いて形成することによって、更に特性のばらつきが抑制されることは言うまでもない。また、粉末乾燥ゲルを用いると、予め粉末乾燥ゲルを作製しておくことができるので、超音波送受波器の生産性を向上することができるという利点も得られる。すなわち、上述した超音波送受波器の製造プロセスにおいて、ゲル原料液を固体化して湿潤ゲルを得る工程およびこれを乾燥する工程を予め実行しておくことができるので、超音波送受波器の製造のスループットを向上できる。
【００９６】
以下、本発明のより具体的な実施形態を説明する。なお、音響整合層およびその接合構造を除く、超音波送受波器の基本的な構成は図１０に示した従来の超音波送受波器１０と同じであるので、重複する説明は省略する。
【００９７】
次に、図２から図７を用いて、図８に示した音響整合層１００を製造し、それを圧電体層２あるいはケース１に貼り付け超音波送受波器を製造する方法の実施の形態について説明する。
【００９８】
（第１の実施の形態）
図２は本発明の第１の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の順に説明する。
【００９９】
・工程１：多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲル（密度約２００ｋｇ／ｍ3〜４００ｋｇ／ｍ3）と１０質量％程度（全体に対して）の添加剤Ａと添加剤Ｂとを用意する。ここで用意する乾燥ゲルは粉末である必要は必ずしもない。ブロック状でもよい。乾燥ゲルは例えば平均細孔径が２０ｎｍのシリカ乾燥ゲルであり、添加剤Ａはポリプロピレン粉末であり、添加剤Ｂは繊維径が１０μｍ程度のグラスウールである。
【０１００】
・工程２：これらを同一容器内に入れ、混合粉砕し、微細な紛末を作製する。典型的にはミルを用いて実行される。ここで、上述した所望の平均粒径の粉末乾燥ゲルが得られるように、粉砕条件を調整する。また、必要に応じて分級してもよい。もちろん、乾燥ゲルの粉砕工程と、混合工程とを別に行っても良い。
【０１０１】
・工程３：低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤Ａと添加剤Ｂとからなる混合粉末を所望の量秤量し、圧電体層２が接着されたケース１の上に供給する。
【０１０２】
・工程４：この上から混合粉末３の成形体の厚さを制御し、約λ／４の厚さになるようにするために厚さ規制部材（制御部）４を設置し、加熱加圧成型する。そうすると、添加剤Ａが一旦溶融し、その後冷却固化することによって、低密度の粉末乾燥ゲルが固定化される。また、添加剤Ｂは、添加剤Ａが粉末乾燥ゲル同士の結合強度をさらに高めるに作用し、硬い音響整合層を得ることができる。
【０１０３】
また、このようにすることによって、粉末乾燥ゲルと添加剤Ａと添加剤Ｂとからなる音響整合層３は、接着剤を使用せずにケース１に接着することができる。
【０１０４】
もちろん、上述したように粉末乾燥ゲルを用いて音響整合層を形成する過程で、音響整合層の厚さを制御することが好ましいが、粉末乾燥ゲルを用いるだけでも、従来よりも特性のばらつきの小さい音響整合を得ることができる。また、上述の方法を用いると、接着剤を用いることなく、音響整合層３をケース１に直接接合することができるので、従来のようにエポキシ系の接着剤を必要とせず、化学的な安定性（例えば硫黄Ｓを含むガスに対する安定性）が向上する。しかしながら、用途などによっては、予め形成した音響整合層を接着剤を用いてケースに接合しても良い。
【０１０５】
また、この時、圧電体は粉末乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する加圧加熱成型時に同時に接着させてもよい。
【０１０６】
本実施形態によると、低密度で、硬い、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【０１０７】
なお、ここでは、圧電体層２を内包する凹部を形成する上板１ａと、凹部内の空間を密閉するように配置される底板１ｂとを有するケース１を用いた例を示したが、これに限られない。例えば、圧電体層２上に音響整合層３を直接接合したものを円筒状のケース内に密閉してもよい。
【０１０８】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程５の順に説明する。
【０１０９】
・工程１：多孔体からなる低密度の粉末乾燥ゲルと、１０質量％程度の添加剤Ａとを用意する。ここで、添加剤Ａとして、エポキシ樹脂（主剤）の粉末（添加剤Ａ１）と、このエポキシ樹脂の硬化剤となるポリアミド樹脂の粉末（添加剤Ａ２）とを用いる。
【０１１０】
・工程２：これらを同一容器内に入れ、混合粉砕し、微細な紛末を作製する。
【０１１１】
・工程３：低密度の粉末乾燥ゲルと添加剤Ａ１と添加剤Ａ２とからなる混合粉末を所望の量秤量し、圧電体層２が接着されたケース１の上に供給する。
【０１１２】
この工程までは、上記の実施形態１と同様に実行することができる。
【０１１３】
・工程４：この混合粉末３の投入されたケース１を加震器等により振動を加え、投入された混合粉末３の層の平坦化を行う。
【０１１４】
・工程５：この上から混合粉末３の成形体の厚さを制御し、約λ／４の厚さになるようにするために厚さ規制部材（制御部）４を設置し、加熱加圧成型する。そうすると、添加剤Ａ１と添加剤Ａ２とが架橋硬化反応を起こし、低密度の粉末乾燥ゲルが固定化され、硬い（機械強度の優れた）音響整合層を得ることができる。
【０１１５】
このようにすることによって、粉末乾燥ゲルと添加剤Ａ１と添加剤Ａ２とからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース１に接着することができる。
【０１１６】
また、この時、圧電体は粉末乾燥ゲルからなる音響整合層を形成する加圧加熱成型時に同時に接着させてもよい。
【０１１７】
本実施形態によると、加圧成形によって混合粉末の成形体を形成する前に、混合粉末の層の上面を平坦化する工程をさらに包含しているので、実施形態１で得られる音響整合層よりもさらに特性のばらつきが小さい。
【０１１８】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の順に説明する。
【０１１９】
・工程１：ケース１に圧電体層２を接着する。接着は公知の接着剤などを用いて行うことができる。
【０１２０】
・工程２：このケース１の上に音響整合層の厚さを制御し、約λ／４の厚さになるようにするために厚さ規制部材（制御部）として有機膜等からなるＯ−リング３１を設置する。
【０１２１】
・工程３：このＯ−リング３１が設置されたケース１の上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース１の表面のＯＨ基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース１の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【０１２２】
・工程４：得られた湿潤ゲル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３４を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【０１２３】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース１に接着することができる。
【０１２４】
なお、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【０１２５】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【０１２６】
（第４の実施の形態）
図５は本発明の第４の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の順に説明する。
【０１２７】
・工程１：ケース１に圧電体層２を接着させる。
【０１２８】
・工程２：このケース１の上に音響整合層の厚さを制御し、約λ／４の厚さになるようにするために厚さ規制部材（制御部）として金属等からなるワイア４１を設置する。
【０１２９】
・工程３：このワイア４１が設置されたケース１の上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース１の表面のＯＨ基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース１の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【０１３０】
・工程４：得られた湿潤ゲル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３４を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【０１３１】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース１に接着することができる。
【０１３２】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【０１３３】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【０１３４】
（第５の実施の形態）
図６は本発明の第５の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の順に説明する。
【０１３５】
・工程１：ケース１に圧電体層２を接着させる。
【０１３６】
・工程２：このケース１の上に音響整合層の厚さを制御しλ／４の厚さになるようにするために厚さ制御部としてビーズ５１を設置する。ビーズ５１としては、例えば、後工程の処理において、溶けたり、変質しないものであればよく、ガラスなどの無機材料や架橋された高分子などの有機材料などから形成されたビーズを用いることができる。
【０１３７】
・工程３：このビーズ５１が設置されたケース１の上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース１の表面のＯＨ基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース１の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【０１３８】
・工程４：得られた湿潤ゲルをジメチルジメトキシシラン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３４を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。
【０１３９】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにケース１に接着することができる。
【０１４０】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【０１４１】
以上により、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い、高精度な音響整合層を形成することができ、これを用いることによって高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【０１４２】
（第６の実施の形態）
図７は本発明の第６の実施の形態の音響整合層を備えた超音波送受波器の製造方法を説明する工程図である。この図を工程１〜工程４の順に説明する。
【０１４３】
・工程１：ケース１に圧電体層２およびセラミック６１を接着させる。セラミック６１は第１の音響整合層として機能する。例えば、セラミック６１としては、シリカ、アルミナ、ジルコニアなどを好適に用いることができる。
【０１４４】
・工程２：このケース１の上のセラミック６１上の周辺に音響整合層の厚さを制御し、約λ／４の厚さになるようにするために厚さ規制部材（制御部）として有機膜等からなるＯ−リング３１を設置する。
【０１４５】
・工程３：このＯ−リング３１が設置されたセラミック６１上に、ゾル溶液としてｐＨ９〜１０のケイ酸水溶液を滴下し、ケイ酸水溶液のｐＨを５．５に調整する。その後、上から平板３２で押え、湿潤ゲル３３を形成する。このケイ酸水溶液がゲル化するときに、ケース１の表面のＯＨ基と原料のシラノール基が反応して化学結合し、ケース１の表面に湿潤ゲル膜が形成される。
【０１４６】
・工程４：得られた湿潤ゲル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。さらに、５０℃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３４を形成する。そうすると、低密度の乾燥ゲル膜が固定化され、音響整合層を得ることができる。その後、ケース１の底板（蓋板）、駆動端子等を組み付けると圧電振動子１０が出来上がる。
【０１４７】
このようにすることによって、乾燥ゲルからなる音響整合層は、接着剤を使用せずにセラミック６１に接着することができ、さらに２層音響整合層による高感度化を達成することができる。
【０１４８】
また、この時、圧電体は乾燥ゲルからなる音響整合層を形成した後に接着させてもよい。
【０１４９】
２層構造の音響整合層（圧電体層側を第１音響整合層、気体側を第２音響整合層とする）を採用する場合、第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂが第１音響整合層の音響インピーダンスＺａよりも小さいことが好ましい。また、第１音響整合層の密度が４００ｋｇ／ｍ3以上１５００ｋｇ／ｍ3以下の範囲内にあり、第２音響整合層の密度が５０ｋｇ／ｍ3以上５００ｋｇ／ｍ3以下の範囲内にあり、かつ第２音響整合層の密度が第１音響整合層の密度よりも小さいことが好ましい。例えば、第１音響整合層の密度が４００ｋｇ／ｍ3超８００ｋｇ／ｍ3以下の範囲内にあり、第２音響整合層の密度が５０ｋｇ／ｍ3以上４００ｋｇ／ｍ3以下の範囲内にある。
【０１５０】
第１音響整合層は、ここで例示したセラミックスや、無機材料の繊維体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂マトリクスで固めた材料などの公知の材料を用いて形成することができる。一方、乾燥ゲルを用いることによって上記の条件を満足する第２音響整合層を得ることができる。
【０１５１】
本実施形態によると、低密度で、音響インピーダンスの低い、厚さ精度の高い第２音響整合層を形成することができるので、２層構造の音響整合層の特性をさらに向上することができる。従って、本実施形態の音響整合層を用いることによって、高感度な信頼性の高い安定な超音波送受波器を得ることができる。
【０１５２】
（第７の実施の形態）
図８は本発明の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。この図において、電気−超音波相互変換を行う圧電振動子１０は、圧電体層２と音響整合層１００で構成されている。圧電体層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１００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層２の機械的振動が外部の媒体に超音波として効率よく放射され、到来した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有し、上記実施の形態を用いて形成され、圧電体層２における超音波の送受波面を形成する状態にしてケース１の外側に化学結合により貼り合わされている。
【０１５３】
さらに、厚さ制御部１０１によって音響整合層１００の厚さが厳密に規定されることによって表面凹凸も存在しない。
【０１５４】
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１０は厚さ振動モードで振動し、気体または液体中等の流体中にバースト状の超音波を放射することになる。
【図面の簡単な説明】
【０１５５】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態による音響製造層の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態の超音波送受波器における製造方法を説明する工程図である。
【図８】本発明の超音波送受波器の断面図である。
【図９】従来の超音波送受波器を用いた超音波流量計の構成を模式的に示すブロック図である。
【図１０】従来の超音波受波器の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、従来の超音波受波器の音響整合層の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上から見た図である。
【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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