(57)【要約】【課題】耐熱性、耐久性に優れ、音響インピーダンス特性の優れた音響整合層を提供する。【解決手段】基材として、金属やセラミックス等からなる板状部材を用い、音波の伝播方向に設けた完全に密な部分２と、音波の伝播方向に凹部３を設けることにより、音響インピーダンスを低減し、気体への音波の伝達が効率的に行われる。更に、音波が伝播する完全に密な部分２は高密度であるため音響透過損失が小さく、優れた特性を得ることができる。【選択図】図１
2019012921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生源に接合される接合面と音波を放出する振動面が所定厚みの両面に形成された板状の基材と、少なくとも前記振動面に前記接合面に向けて部分的に設けられた凹部または貫通部と、からなる音響整合層。
【請求項２】
前記基材は、シート状材料または棒状材料を複数並べて構成され、
前記貫通部は、前記シート状材料間または前記棒状材料間の空間として形成されたことを特徴とする請求項１記載の音響整合層。
【請求項３】
少なくとも一つの前記凹部または貫通部のスケールは、伝播する音波の波長より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の音響整合層。
【請求項４】
前記凹部または貫通部のスケールは、音波の波長の１／１０以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の音響整合層。
【請求項５】
前記基材の少なくとも一部が樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の音響整合層。
【請求項６】
前記基材の少なくとも一部がセラミックスまたはガラスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の音響整合層。
【請求項７】
前記基材の少なくとも一部が金属であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の音響整合層。
【請求項８】
前記振動面に膜状材料を設置したことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の音響整合層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に超音波の送受信の感度と、機械的強度、耐熱性が高い音響整合層に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超音波発生源から空気等の気体への（超音波の）エネルギー伝達効率は、これらの音響インピーダンス（それぞれの物質の密度と音速の積）が近いほど高くなる。
【０００３】
しかし、超音波発生源はセラミックス（密度と音速が高い）により構成されるのが一般的であり、超音波を伝達させようとする対象である空気等の気体の密度と音速は、セラミックスのそれらより大幅に小さい。従って、超音波発生源から空気へのエネルギー伝達効率は非常に低くなる。この問題を解決するため、超音波発生源と気体の間に、超音波発生源より音響インピーダンスが小さく、空気より音響インピーダンスが大きい音響整合層を介在させ、エネルギー伝達効率を高める対策が行われてきた。
【０００４】
音響整合層の音響インピーダンスの低減は、それを構成する物質を多孔質化することにより密度（と音速）を低減すること等により行われてきた。
【０００５】
しかし、多孔質化することにより、物質の機械的強度が低下するため、工業製品としての取り扱いが難しくなるという問題があった。そこで、音響整合層として、密度は十分に小さい（音響インピーダンスが十分に小さい）が機械的強度が不十分な部材と、密度の低減度は大きいが機械的強度が高い部材を組み合わせることで、音響インピーダンスの低減と機械的強度のいずれをも満たすことが試みられてきた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１９２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の特許文献１に記載の密度測定方法では、少なくとも密度が高い部材と密度が小さい部材を組み合わせる必要があるため、工数が嵩む等、工業製品としての取り扱いに課題があった。
【０００８】
更に、密度が高い部材から発せられた音波と密度が低い部材から発せられた音波の位相を一致させるためには高精度でそれらの厚さを調整する必要があり、工数が高くなる等、工業製品としての取り扱いに課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の音響整合層は、超音波発生源に接合される接合面と音波を放出する振動面が所定厚みの両面に形成された板状の基材と、少なくとも前記振動面に前記接合面に向けて部分的に設けられた凹部または貫通部と、からなるものである。
【００１０】
上記の音響整合層に関する物理的解釈を以下に示す。
【００１１】
まず、音響インピーダンスの定義である密度と音速の積は、その物質の微小単位要素を
構成する物質の運動量を示す。すなわち、微小単位要素を構成する物質の運動量をΔＰ、質量をΔＭ、速度をＶとすると、運動量の定義より、
ΔＰ（運動量）＝ΔＭ×Ｖ（音響インピーダンス）
となり、音響インピーダンスは微小単位要素を構成する物質の運動量であることが判る。
【００１２】
従って、ある物質（超音波発生源）から隣接する物質への効率的なエネルギー伝播は、音響インピーダンスが近いことが望ましいことが判る。
【００１３】
これらを踏まえて、上記音響整合層にて起こる現象を記述する。
【００１４】
一般に物質の音速は、
Ｖ＝（κ／ρ）１／２
と表される。ここでκは体積弾性率、ρは密度である。即ち、物質の音速は体積弾性率と密度により一意的に決まることから、音速を意図的に制御することは困難であることが判る。
【００１５】
従って、音響インピーダンスを低減するためには密度を低減することが有効である。本発明の音響整合層では、凹部または貫通部を部分的に設けることにより、見かけの密度を低減する方法を採っている。
【００１６】
一方、物質に空隙を導入することにより密度を低減すると、音波の伝播が妨げられることによるエネルギー損失の懸念がある。これを避けるため、音波は縦波であることに着目し、音波の伝播方向に沿って完全に密な部分（凹部または貫通部を設けていない部分）に、音波の伝達を担わせることにしている。
【００１７】
凹部または貫通部を有する面が気体に接している場合、完全に密な部分を伝播した音波が気体に伝播する際の現象は下記の通りである。
【００１８】
完全に密な部分と気体の界面で運動量の交換が行われようとするが、それぞれの微小体積要素で比較すると、前者の音響インピーダンスが著しく大きいため、これらの部分のみでは効率的な運動量の交換行われない。ところが、完全に密な部分により気体の微小体積要素に運動量を与えようとすると、主に気体の粘性により、微小体積要素周辺の気体にも運動量を与えることになる。即ち、音響整合層の凹部または貫通部との界面に存在する気体の一部（完全に密な部分の近傍）にも運動量を与えることになる。従って、擬似的に気体の密度が上昇した（音響整合層の密度が低下し、音響インピーダンスが低下した）のと同等の現象が得られる。
【００１９】
従って、凹部または貫通部の気体に、より効率的に運動量を与えるためには、完全に密な部分と凹部または貫通部の繰り返し周期が短いほど有利である。繰り返し周期のスケールは超音波の波長より十分に小さく、概ね１／１０程度であれば、あたかもその密度が、完全に密な部分の密度に、存在比の積である物質と同等の効果が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、密度が高い樹脂、金属、セラミックス等、バルクでは、音響インピーダンスが大きいため、音響整合層として不利な物質であっても音響整合層として用いることができる。従って、高温、高圧環境等、従来用いられてきた樹脂の適用が難しい場合であっても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）実施の形態１における音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式平面図、（ｂ）同Ａ−Ａ断面図
【図２】実施の形態１における運動量交換の模式図
【図３】（ａ），（ｂ）実施の形態１における他の実施例の音響整合層の断面図
【図４】（ａ）実施の形態１における他の実施例の音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式平面図、（ｂ）同Ａ−Ａ断面図
【図５】（ａ）実施の形態１における他の実施例の音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式平面図、（ｂ）同Ａ−Ａ断面図
【図６】（ａ），（ｂ）実施の形態２における音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式断面図
【図７】実施の形態２における運動量交換の模式図
【図８】実施の形態３における音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式断面図
【図９】実施の形態３における運動量交換の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、超音波発生源に接合される接合面と音波を放出する振動面と所定厚みの両面に形成された板状の基材と、少なくとも前記振動面に前記接合面に向けて部分的に設けられた凹部または貫通部と、からなることを特徴とする音響整合層である。
【００２３】
例えばセラミックスからなる圧電素子の音響インピーダンスと、空気等の気体の音響インピーダンスは著しく異なる。従って。このような超音波発生源から発生した音波を、気体へ高効率で伝播させるのは困難である。
【００２４】
そこで、本発明では、圧電素子より小さく、気体より大きな音響インピーダンスを有する音響整合層により超音波発生源から発生した音波を、気体へ高効率で伝播することを可能にする。
【００２５】
まず、基材として板状材料を用い、この板状材料の一方の面を超音波発生源に接合し、板状材料の対面を気体に接触する面とし、凹部または貫通部を部分的に設けるようにする。ここで、板状材料の一部に凹部または貫通部を有するため、超音波発生源から発生した音波は、板状材料の完全に密な部分を集中的に伝播することになる。従って、音波の面内の伝播を担うことができる物質の密度は、板状材料を構成する物質固有の密度に、完全に密な部分の存在比をかけた値になる。更に、完全に密な部分の音速は、物質固有の音速であり、凹部または貫通部の有無によらない値をとる。従って、凹部または貫通部を有する板状材料の音響インピーダンスは、板状材料を構成する物質固有の音響インピーダンスに、完全に密な部分の存在比をかけた値になる。
【００２６】
更に、板状材料の完全に密な部分と気体の微視的な部分の音響インピーダンスは著しく異なるため効率的に音波を伝播させるのは困難である。ところが、気体は粘性を有するため、完全に密な部分からは、完全に密な部分に接している気体の他、凹部または貫通部近傍の気体へも音波を伝播する。従って、板状材料の気体に接している面の音響インピーダンスと、気体の音響インピーダンスの比は相対的に小さくなることと同等の効果が得られる。
【００２７】
以上のように、凹部または貫通部を有することにより見かけの音響インピーダンスを低減し、音響インピーダンスが大きいため音響整合層としては顕著な特性を示すことが困難な物質であっても、音響整合層として優れた特性を得ることができる。
【００２８】
従って、金属やセラミックス等、耐熱性等に優れた特性があるが、音響インピーダンスが大きいため、これまで音響整合層として用いることができなかった物質を音響整合層と
して用いることができるようになる。
【００２９】
第２の発明は、第１の発明において、前記基材は、シート状材料または棒状材料を複数並べて構成され、前記貫通部は、前記シート状材料間または前記棒状材料間の空間として形成されたことを特徴とするものである。
【００３０】
第３の発明は、第１または２の発明において、少なくとも一つの凹部または貫通部のスケールが、伝播する音波の波長より小さいことを特徴とする音響整合層である。
【００３１】
そして、凹部または貫通部のスケールが伝播する音波の波長より大きい場合、音響整合層内での音波が散乱して伝播が乱れてしまい、伝播効率が低下してしまうが、凹部または貫通部のスケールが、伝播する音波の波長より小さいことにより、伝播効率の著しい低下を防止することができる。
【００３２】
第４の発明は、第１から３のいずれか１つの発明において、凹部または貫通部のスケールが音波の波長の１／１０以下であることを特徴とする音響整合層である。
【００３３】
そして、一般に、波動の伝播経路上に障害物がある場合、そのスケールが波長と同等程度以上であれば、伝播の乱れが顕著になるのに対し、そのスケールが波長より十分に小さい場合、波動の伝播に大きな影響を与えなくなると考えられる。また、凹部または貫通部のスケールが音波の波長の１／１０以下であるため音波の伝播に対する影響を小さくすることができる。
【００３４】
従って、スケールが音波の波長の１／１０以下である凹部または貫通部同士の距離を小さくすることで、材料固有の物質に対して音響インピーダンスを大幅に小さくし、音波の効率的な伝播を確保することができる。
【００３５】
第５の発明は、第１から４のいずれか１つの発明において基材の少なくとも一部が樹脂である音響整合層である。
【００３６】
そして、材料の少なくとも一部が樹脂であることにより、機械加工による成型が容易になる。即ち、材料の一部に凹部または貫通部を設けるためには、ドリル等による孔の形成が一般的である。従って、超音波の波長が数ｍｍ程度の場合に必要と考えられる０．１ｍｍ程度の凹部または貫通部であっても機械加工が可能になる。
【００３７】
第６の発明は、第１から４のいずれか１つの発明において基材の少なくとも一部がセラミックスまたはガラスである音響整合層である。
【００３８】
そして、セラミックスやガラスの特徴として、優れた耐熱性があげられる。従って、自動車の排ガス測定等、高温用に用いることができる。
【００３９】
第７の発明は、第１から４のいずれか１つの発明において基材の少なくとも一部が金属である音響整合層である。
【００４０】
そして、金属の特徴として、優れた耐熱性や耐衝撃性があげられる。従って、自動車の排ガス測定等、高温用に用いることができる。
【００４１】
第８の発明は、第１から６のいずれか１つの発明において、前記振動面に膜状材料を設置した音響整合層である。
【００４２】
そして、膜状材料を設置した面を気体に接した面とすることで、より優れた音響整合層としての特性を得ることができる。
【００４３】
膜状材料を設置していない場合、板状材料の完全に密な部分を伝播した音波が気体部分に伝播する際、気体の粘性により凹部または貫通部近傍の気体にも音波が伝わるが、気体の粘性が小さい場合や、凹部または貫通部の面積が大きい場合、凹部または貫通部のうち、完全に密な部分から離れた位置に存在する気体への音波の伝播は十分とはならない。
【００４４】
一方、膜状材料を設置した場合、膜状材料が音波の伝播方向と平行方向に振動することにより、凹部または貫通部の面積が大きい場合、即ち完全に密な部分から離れた位置に存在する気体にも音波を伝播させることができ、音響整合層として優れた特性を得ることができる。
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式平面図及びそのＡ−Ａ断面図であり、図２は本発明の実施の形態１における運動量交換の模式図である。
【００４７】
図１において、音響整合層１は、基材としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂からなる板状材料を用い、完全に密な部分２、円筒形の凹部３からなる。凹部３は板状材料の一方の気体に接する面側の全面に複数存在し、超音波発生源４は、凹部が存在しない面（以下、接合面５と称す）側に接合して用いる。ここで、凹部３の直径Ｄは超音波発生源４から発生する超音波の波長の１／２０程度である。
【００４８】
以下、本実施の形態に関して音響整合層１の動作を図２を用いて説明する。
【００４９】
超音波発生源４と接合面５がエポキシ系の接着剤で接合されており、振動面６（気体と接している面）は、面方向に垂直（図における左右方向）に振動する。この際、振動面６と接合面５では、次の通り運動量の交換がなされる。
【００５０】
先ず、接合面５は超音波発生源４と接合されているため、前者は後者の振動により運動量を与えられる。
【００５１】
次に、接合面５に伝播した運動量は、完全に密な部分２を構成する物質（原子や分子）の相互作用により、接合面５から振動面６の整合層分子へ運動量が伝播する。
【００５２】
更に、完全に密な部分２を構成する物質とは直接には接していない気体との運動量交換のメカニズムについて説明する。
【００５３】
まず、完全に密な部分２の振動面６と接している気体は運動量の交換がなされ、振動面６と接する気体分子に大きな運動量（矢印Ａで示す）が与えられるが、前者の音響インピーダンスは後者の音響インピーダンスに比較して著しく大きいため、この部分のみでの効率的な運動量の交換はなされない。即ち、気体分子間の相互作用が無い場合は、完全に密な部分の運動量には大きな余剰分が存在することになる。
【００５４】
ここで、完全に密な部分２と気体が接する部分を含む面内で、凹部３に該当する部分に存在する気体へは気体の粘性により運動量（矢印Ｂ）が加えられる。即ち、完全に密な部
分２と接触していることにより運動量を与えられた気体は、その粘性により、上記面内付近に存在する気体へ運動量を伝播する。このような現象により、完全に密な部分２は凹部３に存在する気体の一部（同一面内の近傍）へも運動量を与えることが可能になり、これは、相対的に気体の密度が向上し、音響インピーダンスの差が小さくなったことに相当する。しかしながら、上記現象が有効である場合は、上記面内の完全に密な部分２の近傍に限られる。
【００５５】
一方、凹部のスケールが小さくなる程、完全に密な部分２の運動量は有効に伝達する。一般に、波動現象では、波長に比較して１／１０以下程度の十分に小さい攪乱因子があっても、波動の伝播には大きな影響は与えられない。従って、凹部３の直径（完全に密な部分２における超音波の伝播に対する攪乱因子）が波長の１／２０程度であることにより、超音波の伝播を妨げることもなく、優れた特性を得ることができる。
【００５６】
本実施の形態では、板状材料の一方の面のみに有底の円筒形の凹部３を設けて、他方の面は凹部３が存在しない面となっているが、いずれの面にも凹部を有してもよい。即ち、図１（ａ）のＡ−Ａ断面形状が、図３（ａ）に示す円筒形の凹部が板状材料を貫通した貫通孔３ａ（貫通部）であるもの、或いは、図３（ｂ）に示す板状材料の双方の面に底面を有する円筒形の凹部３ｂ，３ｃを有するものでも良い。
【００５７】
ここで、板状材料とは、３次元方向の内、一次元方向のスケールが他の２次元方向のスケールに比較して著しく小さいという特徴を有する材料である。
【００５８】
更に、本実施の形態では、板状材料に凹部を設けることにより音響整合層を形成したが、このような方法に限るものではなく、図４（ａ），（ｂ）に示すように、幅Ｗ、厚みＴのシート状材料２１の面方向を音波の伝播方向に対して略平行に、間隔Ｘを設けて超音波発生源４上に多数配置することで貫通部３ｄを構成し、シート状材料２１の端面が揃うことにより振動面６となるように配置して音響整合層１を形成してもよく、この場合、シート状材料２１が完全に密な部分２として機能する。
【００５９】
また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように断面が四角形、長さＷの棒状材料２２を、長さ方向を音波の伝播方向に対して略平行に、相互に間隔Ｙを設けて超音波発生源４上に多数配置することで貫通部３ｅを構成し、棒状材料２２の一端が振動面６となるよう配置して音響整合層１を形成してもよく、この場合、棒状材料２２が完全に密な部分２として機能する。なお、棒状材料２２の断面形状は、図に示す四角形に限定されるものではなく、四角形以外の多角形或いは円形としてもよい。
【００６０】
ここで、スケールとは、完全に密な部分や凹部または貫通部を特徴付ける大きさであり、振動面に沿った凹部または貫通部の形状が、円形の場合はその直径である。振動面に沿った凹部または貫通部の形状が正方形、長方形、或いは不定形であってもそれが独立形状である場合、面積がそれと同一の円の直径であり、所謂、相当直径となる。更に、振動部に沿った凹部または貫通部の形状が、著しく一辺が長い形状である場合、その短い方の距離である。或いは、図４に示すように凹部または貫通部の形状が囲まれていない場合は、間隔Ｘ，Ｙがスケールに相当する。
【００６１】
また、シート状材料とは、３次元方向の内、一次元方向のスケールが他の２次元方向のスケールに比較して著しく小さいものであり、その比が、板状材料に比較しても顕著であるものである。
【００６２】
また、完全に密な部分２を構成する基材はＰＥＥＫに限定するものではなく、ナイロン、アクリル、ポリカーボネート等他の樹脂であってもよく、他の樹脂である場合は、より
硬質の樹脂であれば、音響伝達効率が高いため、優れた特性を有する音響整合層が得られる。更に、樹脂に限定するものではなく、セラミックスや金属等であってもよく、音響インピーダンスを低減しつつ、音響伝播効率が優れているものが望ましい。
【００６３】
なお、本実施の形態において、音響整合層１の材料としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂を用いたが、ステンレスを用い、ステンレスからなる完全に密な部分２、円筒形の凹部３、３ｂ、３ｃ、或いは貫通部３ａ、３ｄ、３ｅから構成しても良い。
【００６４】
一般に、ＰＥＥＫ樹脂の音速は２５００ｍ／ｓ程度であり、ステンレスの音速は６０００ｍ／ｓ程度であり、それらの比は約２．４である。さらに、超音波の波長は音速に比例するため、最も優れた特性が得られる条件である波長の１／４となる厚さが２．４倍程度となる。更に、超音波の波長が長くなることから、凹部または貫通部のスケールも相当に大きくなることが可能であり、整合層の成型が容易になる。更に、ステンレスであるため、より高い温度で使用することも可能となる。
【００６５】
また、音響整合層１の材料としてガラスまたはセラミックを用い、ガラスまたはセラミックからなる完全に密な部分２、円筒形の凹部３、３ｂ、３ｃ、或いは貫通部３ａ、３ｄ、３ｅから構成しても良い。
【００６６】
ガラスの音速は５０００ｍ／ｓであり、ＰＥＥＫの音速に比較して大きいことから、整合層が最も優れた特性を得られる厚さや、凹部または貫通部のスケールが異なることは実施の形態３と同等である。
【００６７】
更に音響整合層１はガラスまたはセラミックからなるため、酸化雰囲気中であっても影響が少なく、耐久性に優れた音響整合層を得ることができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における音響整合層の模式断面図であり、図７は本発明の実施の形態２における運動量交換の模式図である。
【００６９】
図６において、音響整合層１は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂からなる完全に密な部分２、凹部３ｆからなる。ここで、完全に密な部分２は、超音波発生源４近傍の部分が最も太く、気体近傍の部分が最も細くなるように連続的に配置された円柱形状のものであり、本実施の形態では、太い円柱部２ａと細い円柱部２ｂの２段で構成されており、取り扱いを容易にするため、超音波発生源４側の面はシート状のＰＥＥＫ樹脂と接合されており、図６（ａ）で示されているシート状のＰＥＥＫ樹脂８は一様なものであり、図６（ｂ）で示されているシート状のＰＥＥＫ樹脂９は超音波の伝播方向に沿って、凹部３ｆの底部３ｇの面積よりも小さな断面積の貫通孔９ａが開けられている。
【００７０】
振動面６は、太さが異なる円柱の段差部にも存在し、その面積は、細い円柱部２ａにより占められていない部分と、最も細い円柱の気体側の面の合計であり、最も太い円柱部２ｂの面積に等しい。
【００７１】
以下、本実施の形態に関して音響整合層１の動作を図７を用いて説明する。
【００７２】
図６（ａ）では、音響整合層１は超音波発生源４と、接合面８ａで、エポキシ系の接着剤で接合されており、振動面６は気体に接しており、垂直（図における左右方向）に振動する。
【００７３】
図６（ｂ）では、音響整合層１は超音波発生源４と、最も太い部分である接合面９ｂで
、エポキシ系の接着剤で接合されており、振動面６は気体に接しており、垂直（図における左右方向）に振動する。
【００７４】
図６（ａ）における超音波発生源４と接合面８ａ、図６（ｂ）における超音波発生源４と完全に密な部分２の最も太い部分である接合面９ｂでは、次の通り運動量の交換がなされる。
【００７５】
ここで、振動面６の面積は、最も太い円柱２ａの面積と同等であることから、その運動量交換は最も太い円柱のみで形成されている場合と同等である。
【００７６】
更に、完全に密な部分２が最も太い円柱２ａのみからなる場合、気体の粘性による、完全に密な部分２と気体が接する部分を含む面内で、凹部３ｆに該当する部分に存在する気体への運動量の交換は、完全に密な部分２の円周部近傍のみである。これに対し、本実施の形態のように完全に密な部分２は、超音波発生源４近傍のものが最も太く、気体近傍のものが最も細くなるように連続的に配置された円柱形状のものであるため、運動量の交換は、それぞれの太さの円柱の振動面６、６ａの円周部近傍で起こるため、効率的な運動量の交換がなされる。
【００７７】
ここで、最も細い円柱２ｂの面が含まれる面において、それぞれの振動面から発生した音波が強め合うように、それぞれの円柱２ａ、２ｂの長さは、気体を伝播する音波の波長の１／４の整数倍であることが望ましい。
【００７８】
なお、本実施の形態の図６（ａ）に示す音響整合層１では、超音波発生源４側の接合面８ａは、シート状のＰＥＥＫ樹脂で接合されているため、整合層の取り扱い性が向上する。
【００７９】
また、超音波発生源４が金属やセラミックス等、非常に音響インピーダンスが大きな材料である場合、凹部３ｆを設けた音響整合層１との音響インピーダンスの違いが顕著となり、運動量の交換が効率的に行われなくなる可能性があるが、超音波発生源４と比較して音響インピーダンス（密度）が小さく、最も太い円柱からなる部分と比較して音響インピーダンス（密度）が大きい部材（バッファー）を超音波発生源４と音響整合層１の間に挿入すると、まず、超音波発生源４とバッファーの間で効率的に運動量の交換がなされ、次に、バッファーと最も太い円柱からなる部分との間で効率的に運動量の交換がなされる。この結果、超音波発生源４と最も太い円柱からなる部分の音響インピーダンス（密度）の差が顕著な場合であっても効率的に運動量を交換することができる。
【００８０】
そして、図６（ｂ）に示す音響整合層１では、シート状のＰＥＥＫ樹脂９には貫通孔９ａが形成されているため、密度はＰＥＥＫ樹脂より小さくなる。更に、貫通孔９ａにより欠損する面積が、完全に密な部分２の最も太い部分の間の凹部３ｇの面積より小さい場合、密度は最も太い部分より大きくなる。従って、超音波発生源４の密度より小さく、最も太い部分の密度より大きいという条件が満たされ、バッファーとしての効果を発揮し、より効率的な音響整合層を得ることができる。
【００８１】
従って、図６（ｂ）に示す音響整合層１では、シート状のＰＥＥＫ樹脂に貫通孔９ａが形成されているので図６（ａ）に示す音響整合層１に比べ、運動量の交換が更に効率的になる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、完全に密な部分２を直径の異なる２つの円柱２ａ、２ｂで構成したが、実施の形態１における凹部を直径の異なる２つの円筒状に形成することでも、本願の同様の効果を得ることができる。
【００８３】
（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３における音響整合層を超音波発生源と接合した状態の模式断面図であり、図９は本発明の実施の形態３における運動量交換の模式図である。
【００８４】
図８において、音響整合層１は、基材としてポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂からなる板状材料を用い、完全に密な部分２、円筒形の凹部３からなる。凹部３は板状材料の一方の気体に接する面側の全面に存在し、超音波発生源４は、凹部３が存在しない面（以下、接合面５と称す）側に接合して用いる。ここで、凹部３の直径は超音波発生源４から発生する超音波の波長の１／２０程度である。更に、凹部３にはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂からなる膜状材料７が貼り付けられている。
【００８５】
以下、本実施の形態に関して音響整合層１の動作を図９を用いて説明する。
【００８６】
超音波発生源４と接合面５がエポキシ系の接着剤で接合されており、振動面６は、面方向に垂直（図における左右方向）に振動する。この際、振動面６（膜状材料７と同一面）と気体では、次の通り運動量の交換がなされる。
【００８７】
まず、完全に密な部分２と接している気体は運動量の交換がなされるが、前者の音響インピーダンスは後者の音響インピーダンスに比較して著しく大きいため、この部分のみでの効率的な運動量の交換はなされない。
【００８８】
ここで、膜状材料７の凹部３を被う部分は付近の気体と運動量を交換する。この際、膜状材料７は気体と接触しているため、完全に密な部分２から相当の距離の部分であっても運動量を交換することができ、特に、気体の粘度が小さいときにこの効果は顕著となる。
【００８９】
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明する。実施例では音響整合層の特性の評価指標として、超音波発生源として用いる圧電素子に接合した音響整合層を対にして１００ｍｍ離して設置し、一方の超音波発生源から発した超音波が、他方の音響整合層から、圧電素子に伝播して起電力が発生するようにする。更に、オシロスコープによりこの起電力を測定する。起電力は、音響整合層の伝播特性の増加関数であることから、起電力により、音響整合層の伝播特性が明らかとなる。
【実施例】
【００９０】
（実施例１）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円盤に直径３００μｍの円筒形状の凹部が３００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。
【００９１】
（実施例２）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円盤に直径３００μｍの円筒形状の凹部が２００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は５０ｍＶであった。
【００９２】
実施例１に比較して起電力が大きくなっている。これは、凹部の間隔が小さいため、音響整合層の見かけの密度が小さくなっていることにより、音響インピーダンスが小さくな
っていることにより、より、空気との運動量交換が容易になったためであると考えられる。
【００９３】
（実施例３）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円盤に直径３００μｍの円筒形状の凹部が１００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は６０ｍＶであった。
【００９４】
実施例２に比較して起電力が大きくなっている。これは、凹部の間隔が更に小さいため、音響整合層の見かけの密度が小さくなっていることにより、音響インピーダンスが小さくなっていることにより、より、空気との運動量交換が容易になったためであると考えられる。
【００９５】
以上より、凹部のスケールが同一である場合、より多くの凹部が存在することにより、見かけの密度が小さくなり、音響インピーダンスが小さくなるため、運動量の交換が効率的になされるようになると考えられる。
【００９６】
凹部の存在により見かけの密度が小さくなる現象は、気体の粘度が大きいときにより顕著に現れる。即ち、音響整合層の完全に密な部分の振動により運動量を得た気体は、その粘性により、完全な密な部分から運動量が伝播する。気体の粘度が大きくなるに従って、完全に密な部分からより離れた気体へも運動量を与えることができる。従って、完全に密な部分はより多くの気体に対して運動量を与えることになり、相対的に完全な密な部分と気体の密度の差が小さくなるのと同等の効果が得られる。
【００９７】
（実施例４）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
上記の場合、起電力は４５ｍＶであった。
【００９８】
（実施例５）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ２．５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ２．５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
上記の場合、起電力は４３ｍＶであった。
【００９９】
（実施例６）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ０．６２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ０．６２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部
材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
上記の場合、起電力は２５ｍＶであった。
【０１００】
（実施例７）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
【０１０１】
ここで、ＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートの、ＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と接合されていない部分には直径０．１ｍｍの貫通孔が、０．１ｍｍ間隔で設けられている。
上記の場合、起電力は４７ｍＶであった。
【０１０２】
（実施例８）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ２．５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ２．５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
【０１０３】
ここで、ＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートの、ＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と接合されていない部分には直径０．１ｍｍの貫通孔が、０．１ｍｍ間隔で設けられている。
上記の場合、起電力は４５ｍＶであった。
【０１０４】
（実施例９）
実施の形態２において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は、直径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートに、直径１ｍｍ、長さ０．６２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と、直径０．５ｍｍ長さ０．６２ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円柱を、中心軸を一致させて接合された形状の部材を、直径が１ｍｍの部分が最密となるように配列して接合されたものである。
【０１０５】
ここで、ＰＥＥＫ樹脂からなる円形のシートの、ＰＥＥＫ樹脂からなる円柱と接合されていない部分には直径０．１ｍｍの貫通孔が、０．１ｍｍ間隔で設けられている。
上記の場合、起電力は２７ｍＶであった。
【０１０６】
実施例４の音響整合層に対して実施例５の音響整合層では、超音波発生源気体へ超音波が伝達する距離が２倍と長くなっているのに対し、起電力の減少は僅かである。これに対し、実施例４の音響整合層に対して実施例５の音響整合層では、超音波発生源気体へ超音波が伝達する距離が１／２程度と短くなっているのに対し、起電力が減少している。
【０１０７】
以上より、実施例４と実施例５では、直径が１ｍｍの円柱状の部分と直径が０．５ｍｍの円柱状の部分それぞれの長さがＰＥＥＫ樹脂を伝播する超音波の波長の１／４であるため、伝播する超音波の位相が揃うことにより強め合うため、気体へ効率的に超音波が伝播することが判る。これは、一般にＰＥＥＫ樹脂の音速は２５００ｍ／ｓであることと一致する。更に、音響整合層の厚さが２倍になっても超音波到達距離の現象が僅かであることから、ＰＥＥＫ樹脂は高効率で超音波を伝播する材料であることが判る。
【０１０８】
これに対し、実施の形態６では、音響整合層が薄くなっているにもかかわらず起電力が小さくなっているが、これは、直径が１ｍｍの円柱状の部分と直径が０．５ｍｍの円柱状の部分それぞれの長さがＰＥＥＫ樹脂を伝播する超音波の波長の１／４に満たないため、位相が揃わないためであると考えら得る。
【０１０９】
実施例４と実施例７、実施例５と実施例８、実施例６と実施例９を比較すると、いずれも起電力が大きくなっていることが判る。これは、シート状のＰＥＥＫ樹脂には貫通孔が形成されているため、その密度が、超音波発生源と超音波発生源の密度より小さく、最も太い部分の密度より大きいという条件が満たされ、優れた特性が得られているためである。
【０１１０】
（実施例１０）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ２．９ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円盤に直径５００μｍの円筒形状の凹部が５００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。
【０１１１】
（実施例１１）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ３０４からなる円盤に直径５００μｍの円筒形状の凹部が５００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は２０ｍＶであった。
【０１１２】
実施例１１では、実施例１０より音響整合層が薄くなっているにもかかわらず超音波到達距離が著しく短くなっているが、これは、音響整合層が薄くなっているため、伝播する超音波の波長の１／４に満たないため、位相が揃わないためであると考えられる。
【０１１３】
（実施例１２）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ２．８ｍｍのソーダガラスからなる円盤に直径５００μｍの円筒形状の凹部が５００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は４０ｍＶであった。
【０１１４】
（実施例１３）
実施の形態１において、下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍのソーダガラスからなる円盤に直径５００μｍの円筒形状の凹部が５００μｍの間隔で配置されている。
上記の場合、起電力は１７ｍＶであった。
【０１１５】
実施例１３では、実施例１２より音響整合層が薄くなっているにもかかわらず超音波到達距離が著しく短くなっているが、これは、音響整合層が薄くなっているため、伝播する超音波の波長の１／４に満たないため、位相が揃わないためであると考えられる。
【０１１６】
（実施例１４）
実施の形態３において下記の通り起電力の評価を行った。
（１）超音波発生源は直径１０ｍｍの円形のものである。
（２）音響整合層は直径１０ｍｍ、厚さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円盤に直径３００μｍの円筒形状の凹部が３００μｍの間隔で配置されている。
振動面には膜状材料としてＰＥＥＫ樹脂からなる厚さ１０μｍのフィルムが貼り付けられている。
上記の場合、起電力は１００ｍＶであった。
【０１１７】
実施例１と比較して起電力が大きくなっているが、これは膜状材料により、凹部のうち、振動面から離れた場所においても運動量の交換が効率的になされたためであると考えられる。
【０１１８】
（比較例１）
実施例１において、凹部が存在しない厚さ１．２５ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる円盤を音響整合層として起電力を評価した。
上記の場合、起電力は５ｍＶであった。
【０１１９】
実施例１に比較して起電力が著しく小さくなっている。これは、音響整合層に凹部が存在しないため、音響インピーダンスがＰＥＥＫ樹脂の音響インピーダンスとなるため、超音波を伝達する対象の気体の音響インピーダンスと大きく異なるためである。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
以上のように、本発明にかかる音響整合層は、金属やセラミックス等、耐熱性や耐熱性に優れた材料を用いることができる。従って、自動車、発電、航空機の熱機関等、高温に対する耐久性が必要であるため、従来は適用が難しかった分野への適用も可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  音響整合層
２  完全に密な部分
３、３ｃ、３ｂ、３ｆ  凹部
３ａ  貫通孔（貫通部）
３ｄ、３ｅ  貫通部
４  超音波発生源
５、８ａ、９ｂ  接合面
６、６ａ  振動面
７  膜状材料
【図１】
2019012921.tif 000003
【図２】
2019012921.tif 000004
【図３】
2019012921.tif 000005
【図４】
2019012921.tif 000006
【図５】
2019012921.tif 000007
【図６】
2019012921.tif 000008
【図７】
2019012921.tif 000009
【図８】
2019012921.tif 000010
【図９】
2019012921.tif 000011