(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、
前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層であって、
複数のクローズドポアを含む硬質プラスチック独立気泡発泡体を含み、
前記クローズドポアの平均ポア径が、１μｍ以上１００μｍ以下であり、
１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有する第１音響整合層と
を備える、
積層体。
【請求項２】
前記硬質プラスチック独立気泡発泡体は、ポリメタクリルイミド発泡体である、請求項１に記載の積層体。
【請求項３】
前記第１音響整合層の音速が５００ｍ／ｓ以上である、請求項１または２に記載の積層体。
【請求項４】
前記クローズドポアの隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内で均一に分布する請求項１から３のいずれか１項に記載の積層体。
【請求項５】
前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2以上３５０×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2の範囲内にある、請求項１から４のいずれかに記載の積層体。
【請求項６】
前記第１音響整合層の厚さが前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である、請求項１から５のいずれかに記載の積層体。
【請求項７】
前記圧電体と前記第１音響整合層との間に位置する第２音響整合層を更に備え、
前記第２音響整合層は、５０ｋｇ／ｍ3以上１５００ｋｇ／ｍ3以下であり、かつ、前記第１音響整合層よりも大きい密度を有する、請求項１から６のいずれかに記載の積層体。
【請求項８】
前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと、前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである、請求項７に記載の積層体。
【請求項９】
前記第２音響整合層の厚さが、前記第２音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である請求項７または８に記載の積層体。
【請求項１０】
前記第１音響整合層は、前記圧電体と直接接合されている、請求項１から６のいずれかに記載の積層体。
【請求項１１】
前記第２音響整合層は、前記第１音響整合層、および、前記圧電体と直接接して配置されている、請求項７に記載の積層体。
【請求項１２】
前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に、１０００ｋｇ／ｍ3以上の密度を有する構造支持層をさらに備える、請求項７に記載の積層体。
【請求項１３】
前記構造支持層の厚さが、前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの１／８未満である、請求項１２に記載の積層体。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかに記載の積層体を備えた超音波送受波器。
【請求項１５】
請求項１から６のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に張り付けられ、
前記第１音響整合層は前記天板の外面に張り付けられている、超音波送受波器。
【請求項１６】
請求項７から９のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に張り付けられ、
前記第２音響整合層は前記天板の外面に張り付けられ、
前記第１音響整合層は前記第２音響整合層に接している、超音波送受波器。
【請求項１７】
前記ケースは金属材料によって構成されている請求項１５または１６に記載の超音波送受波器。
【請求項１８】
被測定流体が流れる流路と、
前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
前記計測回路からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
を備えた超音波流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧電体および音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波が伝搬路伝達する時間を計測し、流体の移動速度を測定して流量を計測する超音波流量計がガスメータ等に利用されつつある。超音波流量計は、一般に圧電振動子を備え、圧電振動子によって超音波を検出する。流体が気体である場合、気体と圧電振動子との間の音響インピーダンスの差が大きいため、気体を伝搬する超音波は圧電振動子との界面で反射されやすい。このため、超音波を圧電振動子に効率よく入射させるため、圧電振動子と気体との界面に音響整合層が設けられる場合がある。
【０００３】
特許文献１は、音響整合層として用いることのできる材料を開示している。特許文献２は、２つの音響整合層を備えた超音波送受波器を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５５９１４４号公報
【特許文献２】特許第３５５２０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の超音波送受波器用では、音響整合層と超音波の放射媒体との音響インピーダンスの整合性が十分ではないため高い感度が得られなかった。本開示は、適切な音響特性の音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の積層体は、圧電体と、前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層であって、１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有する第１音響整合層とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計によれば、適切な音響特性の音響整合層を含むため、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は本開示の超音波流量計を示すブロック図である。
【図２】図２は本開示の積層体および超音波送受波器の第１の実施形態を示す模式的端面図である。
【図３Ａ】図３Ａは第１の実施形態の超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは第１の実施形態の超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】図４は本開示の積層体および超音波送受波の第２の実施形態を示す模式的端面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の概要は以下の通りである。
［項目１］
圧電体と、
前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層であって、
１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有する第１音響整合層と
を備える、積層体。
［項目２］
前記第１音響整合層は、ポリメタクリルイミド発泡体を含む、項目１に記載の積層体。
［項目３］
前記第１音響整合層の音速が５００ｍ／ｓ以上である、項目１または２に記載の積層体。
［項目４］
前記ポリメタクリルイミド発泡体は、複数のクローズドポアを含む、項目１から３のいずれかに記載の積層体。
［項目５］
前記クローズドポアの平均ポア径が、１μｍ以上１００μｍ以下である、項目４に記載の積層体。
［項目６］
前記クローズドポアの隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内で均一に分布する項目４または５に記載の積層体。
［項目７］
前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2以上３５０×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2の範囲内にある、項目１から６のいずれかに記載の積層体。
［項目８］
前記第１音響整合層の厚さが前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４ある、項目１から７のいずれかに記載の積層体。
［項目９］
前記圧電体と前記第１音響整合層との間に位置する第２音響整合層を更に備え、
前記第２音響整合層は、５０ｋｇ／ｍ3以上１５００ｋｇ／ｍ3以下であり、かつ、前記第１音響整合層よりも大きい密度を有する、項目１から８のいずれかに記載の積層体。
［項目１０］
前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと、前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである、項目９に記載の積層体。
［項目１１］
前記第２音響整合層の厚さが、前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である項目９または１０に記載の積層体。
［項目１２］
前記第１音響整合層は、前記圧電体と直接接合されている、項目１から８のいずれかに記載の積層体。
［項目１３］
前記第２音響整合層は、前記第１音響整合層、および、前記圧電体と直接接して配置されている、項目９に記載の積層体。
［項目１４］
前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に、１０００ｋｇ／ｍ3以上の密度を有する構造支持層をさらに備える、項目９に記載の積層体。
［項目１５］
前記構造支持層の厚さが、前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの１／８未満である、項目１４に記載の積層体。
［項目１６］
項目１から１５のいずれかに記載の積層体を備えた超音波送受波器。
［項目１７］
項目１から８のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に張り付けられ、
前記第１音響整合層は前記天板の外面に張り付けられている、超音波送受波器。
［項目１８］
項目９から１１のいずれかに記載の積層体と、
天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に張り付けられ、
前記第２音響整合層は前記、天板の外面に張り付けられ、
前記第１音響整合層は前記第２音響整合層に接している、超音波送受波器。
［項目１９］
前記ケースは金属材料によって構成されている項目１７または１８に記載の超音波送受波器。
［項目２０］
被測定流体が流れる流路と、
前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、項目１６から１８のいずれか１項に記載の超音波送受波器と、
前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
前記計測回路からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
を備えた超音波流量計。
【００１０】
以下、図面を参照しながら、本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
以下、本実施形態の超音波送受波器および超音波流量計の一例を詳細に説明する。
【００１２】
［超音波流量計の構成］
図１は本開示の超音波流量計の概略的な構成を示す。図１に示すように、管壁１３によって規定される流量計測部には流体が流速Ｖにて図に示す方向に流れている。管壁１３には、一対の超音波送受波器（第１および第２の超音波送受波器）１１、１２が相対して設置されている。超音波送受波器１１、１２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。まず、超音波送受波器１１を超音波送波器として用い、超音波送受波器１２を超音波受波器として用いる。超音波送受波器１１の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加すると、超音波送受波器１１は管内の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に沿って超音波を放射する。超音波送受波器１２は流体中を伝搬してきた超音波を受けて電圧に変換する。続いて、反対に超音波送受波器１２を超音波送波器として用い、超音波送受波器１１を超音波受波器として用いる。超音波送受波器１２の共振周波数近傍の周波数の交流電圧を圧電振動子に印加することにより、超音波送受波器１２は管内の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に沿って超音波を放射し、超音波送受波器１１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、超音波送受波器１１、１２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。
【００１３】
このような超音波流量計では、連続的に交流電圧を印加すると超音波送受波器から連続的に超音波が放射されて伝搬時間を測定することが困難になるので、通常はパルス信号を搬送波とするバースト電圧信号を駆動電圧として用いる。駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１１に印加して超音波送受波器１１から超音波バースト信号を放射すると、この超音波バースト信号は距離がＬの伝搬経路Ｌ１を伝搬してｔ時間後に超音波送受波器１２に到達する。超音波送受波器１２では、伝達して来た超音波バースト信号のみを高いＳ／Ｎ比で電気バースト信号に変換することができる。この電気バースト信号を電気的に増幅して、再び超音波送受波器１１に印加して超音波バースト信号を放射する。この装置をシング・アラウンド装置と呼び、超音波パルスが超音波送受波器１１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器１２に到達するのに要する時間をシング・アラウンド周期といい、その逆数をシング・アラウンド周波数という。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１１を送波器、超音波送受波器１２を受波器として用いたときに、超音波送受波器１１から出た超音波パルスが超音波送受波器１２に到達する超音波伝搬時間であるシング・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。
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（１）
【００１４】
逆に、超音波送受波器１２を送波器として、超音波送受波器１１を受波器として用いたときの超音波伝搬時間であるシング・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。
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（２）
【００１５】
したがって、両シング・アラウンド周波数の周波数差Δｆは、次式（３）となり、超音波の伝搬経路の距離Ｌと周波数差Δｆから流体の流速Ｖを求めることができる。
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ・・・（３）
【００１６】
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。
【００１７】
超音波流量計は、時間計測部３１および演算部３２を備える。時間計測部３１は、超音波送受波器１１、１２を駆動するバースト電圧信号を生成する駆動回路および超音波送受波器１１、１２で変換された電気バースト信号を電気的に増幅する受信回路を含み、上述した手順によって、超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期ｔ１、ｔ２を求める。演算部３２は、求めたシング・アラウンド周期ｔ１、ｔ２と式（３）の関係から、流体の流速および流量を算出する。時間計測部３１および演算部３２は、例えば、マイコンおよびメモリに記憶され、上述した演算を行う手順を規定したプログラムによって構成される。時間計測部３１および演算部３２の一部は、電子回路等によって構成されていてもよい。
【００１８】
［超音波送受波器］
図２は、本開示の超音波流量計に用いる超音波送受波器１１の一例を示す断面図である。超音波送受波器１２も超音波送受波器１１と同じ構造を備えている。超音波送受波器１１は、積層体２８とケース２９とを備える。
【００１９】
積層体２８は、圧電体２１と第１音響整合層２６とを備える。第１音響整合層２６は直接、または、他の層を介して圧電体２１と接している。圧電体２１は、圧電セラミックスまたは単結晶によって構成され、厚さ方向に分極されている。また、圧電体２１は厚さ方向の上下面に電極を有しており、電極に電圧を印加することによって、超音波振動を発生する。
【００２０】
ケース２９は、天板２２ｕを有する凸形状を備えた本体２２と、蓋板２３とを含む。本体２２および蓋板２３とは導電材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で形成されている。圧電体２１は、本体２２の凸形状内に位置し、天板２２ｕの内面２２ａに貼り付けられている。本体２２の凸形状の底に位置する開口は、蓋板２３で覆われ、本体２２の内空間が封止されている。このため、ケース２９は気体遮蔽性を有し、種々の流体に超音波送受波器１１が曝されても、内部の圧電体２１が劣化することがなく、高い信頼性を備える。蓋板２３には駆動端子２４ａ、２４ｂが取り付けられている。２つの駆動端子２４ａ、２４ｂのうち、一方の駆動端子２４ａは蓋板２３および本体２２を介して圧電体２１の上面電極に電気的に接続されている。他方の駆動端子２４ｂは、絶縁材２５で蓋板２３と電気的に絶縁されているとともに、本体２２内で圧電体２１の下面電極に電気的に接続されている。
【００２１】
第１音響整合層２６は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してき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２１の機械的振動が外部の媒体に対して超音波として効率よく出ていき、到達した超音波が効率よく電圧に変換される役目を有する。第１音響整合層２６は本体２２の天板２２ｕの外面２２ｂに貼り付けられている。
【００２２】
圧電体２１および流体の音響インピーダンスをＺ１、Ｚ２とし、第１音響整合層２６に求められる理想的な音響インピーダンスをＺ３とすると、Ｚ３＝√（Ｚ１・Ｚ２）で求められる。圧電体２１の音響インピーダンスは約３０×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ程度であり、水素の音響インピーダンスは１１０ｋｇ／ｍ2・ｓ程度である。上述した数値をこの式に代入すると、Ｚ３＝５７×１０3（ｋｇ／ｍ2・ｓ）と求められる。また、音響インピーダンスは次式（４）で定義される。
音響インピーダンス＝（密度）×（音速）・・・（４）
【００２３】
本実施形態において、第１音響整合層２６は、１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有する。また、第１音響整合層２６を伝搬する音速は、５００ｍ／ｓ以上であり、望ましくは、５００ｍ/ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下である。この範囲の密度および音速を適切に選択することにより、第１音響整合層２６の音響インピーダンスは５×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2以上３５０×１０3ｋｇ／ｓ・ｍ2の範囲内の値を取ることができる。
【００２４】
このような物性を備える第１音響整合層２６に適した材料としては、例えば、硬質微孔体が挙げられる。より具体的には、第１音響整合層２６は、硬質プラスチック独立気泡（クローズドセル）発泡体、例えば、ポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は、例えば、商標名ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）で、Ｒｏｅｈｍ  Ｇｍｂｈ  ＆  Ｃｏ  ＫＧから販売されており、日本国内では、ダイセル・エボニック株式会社から購入することができる。ＲＯＨＡＣＥＬＬの密度は、１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の範囲内であるとカタログに公表されている。
【００２５】
ポリメタクリルイミド発泡体におけるクローズドポアの平均ポア径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。また、クローズドポアの隣接間距離は５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内で均一に分布していることが望ましい。計算によるシミュレーションおよび以下で説明する実験結果によれば、クローズドポアの平均ポア径およびクローズドポアの隣接間距離は音響伝搬特性に影響する。良好な音響伝搬特性を実現するためにこれらの値は上述した範囲にあることが望ましい。クローズドポアの隣接間距離は、独立気泡の隔壁の平均厚さに相当する。
【００２６】
また、ポリメタクリルイミド発泡体は、剛直で強固な分子構造を備えるため、他の硬質発泡体に比べ、機械的強度および加工性に優れる。
【００２７】
第１音響整合層２６は、第１音響整合層２６中を伝搬する音波の波長λの略１／４の厚さを有していることが望ましい。これにより、第１音響整合層２６の２つの主面間で反射し圧電体２１へ入射する音波は位相が１／２ずれることによって弱められる。よって、不要な反射によって遅れて圧電体２１へ入射する音波の強度を小さくし、反射波の影響を抑制することができる。
【００２８】
本実施形態では、ケース２９の天板２２ｕは、積層体２８を支持する構造支持層として機能する。構造支持層、つまり、天板２２ｕは、１０００ｋｇ／ｍ3以上の密度を有することが望ましい。また、天板２２ｕの厚さは、天板２２ｕを伝搬する音波の波長λの１／８以下の厚さを有している。この条件を天板２２ｕが満たすことによって、天板２２ｕにおける音波の反射等が抑制される。
【００２９】
本実施形態の超音波送受波器は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、図３（ａ）に示すように、ケース２９、圧電体２１及び第１音響整合層２６を用意する。第１音響整合層２６は、予め、所望の厚さを有するように、加工されている。ケース２９の本体２２における天板２２ｕの内面２２ａに接着剤などで圧電体２１を張り付ける。また、天板１１ｕの外面２２ｂに第１音響整合層２６を張り付ける。その後、図３（ｂ）に示すように、圧電体２１と駆動端子２４ｂ等との接続を行う。最後に、本体２２の開口を、接着剤などを用いて蓋板２３で閉じることによって、超音波送受波器が完成する。
【００３０】
本実施形態の積層体によれば、第１音響整合層２６が１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有することにより、超音波を放射する圧電体と気体との間における音響インピーダンス差による超音波の反射を抑制し、超音波を圧電体に効率よく入射させることができる。したがって、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。特に、第１音響整合層２６が独立気泡を有する構造体によって構成され、クローズドポアの平均ポア径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、クローズドポアの隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内であることにより、優れた音響特性を実現し得る。よって、更に高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。また、第１音響整合層２６の独立気泡を有する構造体はポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は低密度でありながら高弾性であるという特徴を備えるため、製造過程における衝撃に対して耐性を有しており、機械的強度および加工性に優れる。したがって、積層体および超音波送受波器を高い歩留まりで製造することが可能である。したがって、音響整合層の取り扱いが比較的容易であることにより、生産性に優れまた、特性のばらつきが小さく、音波を流体から効率よく圧電体に入射させることが可能な積層体を得ることができる。またこのような積層体を用いることにより、高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
【００３１】
（第２の実施形態）
図４は、本実施形態の超音波流量計に用いられる超音波送受波器の構造を模式的に示している。図４に示す超音波送受波器は、圧電体２１、第１音響整合層２６および第２音響整合層２７を含む積層体２８’を備えている点で第１の実施形態と異なる。
【００３２】
第２音響整合層２７は圧電体２１と第１音響整合層２６との間に位置している。本実施形態では、第２音響整合層２７は天板２２ｕの外面２２ｂに張り付けられており、第１音響整合層２６は第２音響整合層２７に接している。第２音響整合層２７は、５０ｋｇ／ｍ3以上１５００ｋｇ／ｍ3以下の密度を有する。また、第２音響整合層２７の密度は、第１音響整合層の密度よりも大きい。第１音響整合層２６の音響インピーダンスをＺａとし、第２音響整合層２７の音響インピーダンスをＺｂとすると、Ｚａ＜Ｚｂの関係を満たしている。Ｚｂは圧電体２１の音響インピーダンスよりも小さい。積層体２８’が、このような音響特性を有する第２音響整合層２７をさらに含むことにより、第１音響整合層２６に入射した音波を、より効率よく圧電体２１に入射させることが可能となる。
【００３３】
第２音響整合層２７はクローズドポアを有する材料である。例えば、第２音響整合層２７は、ポリメタクリルイミドなどの発泡樹脂または複合材料によって構成されている。複合材料は、例えば、ガラスバルーン（中空の微小なガラス球）またはプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料であってよい。また、これらの発泡樹脂および複合材料は、その表面がガスバリア膜で覆われた構造を有していても良い。第２音響整合層２７の厚さも第１の実施形態と同様の理由により、第２音響整合層２６を伝搬する音波の１／４の厚さを有していることが望ましい。
【００３４】
本実施形態では、第１音響整合層２６と第２音響整合層２７とは互いに直接接している。第２音響整合層２７は、ケース２９の天板２２ｕの外面２２ｂと接している。ケース２９の天板２２ｕは、積層体２８’を支持する構造支持層として機能する。構造支持層、つまり、天板２２ｕは、１０００ｋｇ／ｍ3以上の密度を有することが望ましい。また、天板２２ｕの厚さは、天板２２ｕを伝搬する音波の波長λの１／８以下の厚さを有している。この条件を天板２２ｕが満たすことによって、天板２２ｕにおける音波の反射等が抑制される。
【００３５】
本実施形態の積層体によれば、積層体２８’が第２音響整合層２７を含むため、流体中を伝搬する音波をより高効率で圧電体へ入射させることができる。したがって、第１の実施形態で説明した特徴に加え、より高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
【００３６】
（実施例）
以下、第１および第２の実施形態の超音波送受波器および超音波流量計を作製し、特性を調べた結果を説明する。
【００３７】
１．  試料の作製
［参考例（Ａ）］
（ａ）第２音響整合層（シリカ多孔体）の製造
数十μｍ径の球状アクリル樹脂と１μｍ以下の直径の焼結シリカ粉末を混合した後に加圧成型を行った。この成型体を乾燥した後に、９００℃で焼成してシリカ多孔体を形成した。その後、シリカ多孔体の厚さが超音波発振波長の１／４となるように調製し、第２音響整合層を得た。第２音響整合層中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１５００ｍ／ｓであった。密度は５７０ｋｇ／ｍ3であり、厚さは７５０μｍであった。
【００３８】
（ｂ）第２音響整合層と第１音響整合層の積層
テトラメトキシシランとエタノールとアンモニア水溶液（０．１規定）とをモル比で１対３対４になるように調製したゲル原料液を、予めプラズマクリーニングによって水酸基が表面に露出するように洗浄した第２音響整合層上に、９０μｍの厚さで塗布した。その後、塗布したゲル原料液を固化させ、シリカ湿潤ゲル層を得た。このシリカ湿潤ゲル層を形成した第２音響整合層を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った後に、二酸化炭素による超臨界乾燥（１２ＭＰａ、５０℃）を行って、シリカ乾燥ゲルと第２音響整合層が積層した音響整合層を得た。第２音響整合層上の水酸基とテトラメトキシシランのアルコキシ基が反応して化学結合を形成しているため、密着性の良い第１音響整合層が得られた。第１音響整合層中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１８０ｍ／ｓであり、密度は２００ｋｇ／ｍ3であった。
【００３９】
（ｃ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００４０】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００４１】
［実施例（Ｂ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ３１ＨＰ：密度３０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚さ８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は１２００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは６００μｍに調製した。
【００４２】
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００４３】
（ｃ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００４４】
［実施例（Ｃ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ５１ＲＩＭＡ：密度５０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ４０μｍ、平均壁厚さ２００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は２０００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは１０００μｍに調製した。
【００４５】
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００４６】
（ｃ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００４７】
［実施例（Ｄ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＲＩＭＡ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２５μｍ、平均壁厚さ４００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は３０００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは１５００μｍに調製した。
【００４８】
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００４９】
（ｃ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００５０】
［実施例（Ｅ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＳＬ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２００μｍ、平均壁厚さ２０００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は４００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは２００μｍに調製した。
【００５１】
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００５２】
（ｃ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００５３】
［実施例（Ｆ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＲＩＳＴ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ３００μｍ、平均壁厚さ３２５０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は４６０ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは２３０μｍに調製した。
【００５４】
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００５５】
（ｃ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００５６】
［実施例（Ｇ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００５７】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００５８】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ３１ＨＰ：密度３０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚み８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１２００ｍ／ｓ、であり、厚さは６００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００５９】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００６０】
［実施例（Ｈ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００６１】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００６２】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ３１ＨＰ：密度３０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚み８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１２００ｍ／ｓ、であり、厚さは６００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ１５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００６３】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００６４】
［実施例（Ｉ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００６５】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００６６】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ５１ＲＩＭＡ：密度５０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ４０μｍ、平均壁厚み２００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２０００ｍ／ｓであり、厚さは１００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００６７】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００６８】
［実施例（Ｊ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００６９】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００７０】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＲＩＭＡ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２５μｍ、平均壁厚み４００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は３０００ｍ／ｓであり、厚さは１５００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００７１】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００７２】
［実施例（Ｋ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００７３】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００７４】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＳＬ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２００μｍ、平均壁厚み２０００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は４００ｍ／ｓであり、厚さは２００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００７５】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００７６】
［実施例（Ｌ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、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材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ/ｍ3であり、厚さは１２５０μｍであった。
【００７７】
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
【００７８】
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体  ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（型番ＲＣ７１ＲＩＳＴ：密度７０ｋｇ／ｍ3）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ３００μｍ、平均壁厚み３２５０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は４６０ｍ／ｓであり、厚さは２３０μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
【００７９】
（ｄ）超音波送受波器の形成
本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
【００８０】
２．特性の評価
作製した超音波送受波器の感度を測定した。作製した１対の超音波送受波器を対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。参考例（Ａ）による測定結果を基準として規格化した値を求めた。また、第１音響整合層の脆さ・加工性を体積弾性率によって評価した。具体的には、第１音響整合層に用いた材料のカタログに示された体積弾性率を、参考例（Ａ）の材料の体積弾性率で規格化した値を求めた。表１にこれらの値、および、第１音響整合層２６および第２音響整合層２７の特性をまとめて示す。
【００８１】
表１における性能評価の欄における、×、△、〇、◎の記号は以下の範囲に従って分類した。
【００８２】
（感度）
×：１未満
△：１以上１．５未満
○：１．５以上２未満
◎：２以上
（脆性・加工性）
×：１以下
△：２以上５未満
○：５以上３０未満
◎：３０以上
【００８３】
【表１】
0006032512.tif 000002
【００８４】
３．結果の考察
表１に示すように、ポリメタクリルイミド発泡体は、シリカ多孔体に比べて、脆さ・加工性に優れていることが分かる。また、実施例ＢからＦの平均気泡径と感度との関係から、平均気泡径が１００μｍ以下であり、隔壁の平均厚さが１μｍ以下である方が、感度がよいことが分かる。本願発明者の詳細な実験の結果によれば、平均気泡径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、隔壁の平均厚さが５０ｎｍ以上１μｍ以下であることによって、超音波送受波器の感度は向上する。また、第１音響整合層の音速は、５００ｍ／ｓよりも大きい方が高い感度が得られることが分かる。
【００８５】
実施例Ｇ〜Ｌと実施例Ｂ〜Ｆとの比較から、積層体が第２音響整合層２７をさらに備えることによって、第１音響整合層２６のみを備える場合に比べて感度がより向上することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本開示の積層体および超音波送受波器は、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００８７】
１１、１２  超音波送受波器
２２    本体
２２ｕ  天板
２２ａ  内面
２２ｂ  外面
２３  蓋板
２４ａ、２４ｂ  駆動端子
２５  絶縁材
２６  第１音響整合層
２７  第２音響整合層
２８、２８’  積層体
２９  ケース
３１  時間計測部
３２  演算部
【要約】      （修正有）【課題】機械的強度が高く、適切な音響特性の音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計を提供する。【解決手段】積層体２８は、圧電体２１と、前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層２６とを備え、第１音響整合層の密度は１０ｋｇ／ｍ3以上１００ｋｇ／ｍ3以下である。【選択図】図２【図１】
0006032512.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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