(57)【要約】【課題】高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとすると、音響整合部材の強度を高めておく必要があり、その割れを防止し、強度を高め、長期にわたって安定に計測できる音響整合部材および超音波送受波器、超音波流速流量計を提供すること。【解決手段】一方の構造体である多孔体２において、多孔体２の空隙部２Ａに他方の構造体である乾燥ゲル３を充填した音響整合部材１とすることにより、一方の構造体である多孔体２を他方の構造体である乾燥ゲル３が補強することになり、割れを防止し、強度を高め、長期にわたって安定に計測できる音響整合部材１および超音波送受波器、超音波流速流量計をすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類の構造体を有する音響整合部材であって、一方の構造体に形成された空隙部と、前記空隙部に他方の構造体を充填した音響整合部材。
【請求項２】
空隙部を形成する構造体は複数の部材で構成され、空隙部は前記隣接する部材間に形成された請求項１に記載の音響整合部材。
【請求項３】
空隙部を形成する構造体は中空体を複数結合する構成とした請求項１または２に記載の音響整合部材。
【請求項４】
空隙部を形成する構造体は多孔体とした請求項１に記載の音響整合部材。
【請求項５】
空隙部を形成する構造体で形成される空間の主体となる大きさは、複合されて得られた音響整合部材を伝搬する波長λの五分の一以下で、かつ十分の一以下が８０％以上占める請求項１から４のいずれか１項に記載の音響整合部材。
【請求項６】
多孔体はセラミック材料とした請求項３に記載の音響整合部材。
【請求項７】
空隙部に充填される構造体は乾燥ゲルである請求項１に記載の音響整合部材。
【請求項８】
乾燥ゲルはオルガノシラン化合物を、重合させると共に乾燥してなるシリカ乾燥ゲルとした請求項７に記載の音響整合部材。
【請求項９】
オルガノシラン化合物は、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基が同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を、重合させると共に乾燥してなるシリカ乾燥ゲルを含む請求項８に記載の音響整合部材。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の音響整合部材と圧電体とを備えた超音波送受波器。
【請求項１１】
圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、請求項１から９のいずれか１項に記載の音響整合部材が前記圧電体に対向した外面に配置してなる超音波送受波器。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の超音波送受波器を具備する超音波流速流量計であって、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量を算出する演算手段とを具備する超音波流速流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中に超音波を送信、または、気体中を伝搬する超音波を受信する超音波送受波器に用いる音響整合部材とそれを用いた超音波送受波器、超音波流速流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体中に超音波を送信、または気体中を伝搬する超音波を受信する超音波送受波器７０は、通常、図１１に示すような構成となっている。音響整合部材７１は、圧電体７２とは接着剤などの接合手段７３を介して接合されている。圧電体５２の電極７４、７５とリード線７６，７７とは電気的に接続された構成となっている。この圧電体７２で発生した振動が気体へ効率よく伝搬されるには、音響インピーダンスを考慮する必要がある。
【０００３】
物体の音響インピーダンスＺは音速Ｃと、密度ρとで、式（１）のように定義される。
【０００４】
Ｚ＝ρ×Ｃ                          （１）
振動発生手段である圧電体５５の音響インピーダンスＺＰは、３０×１０６ｋｇ／（ｍ２ｓ）であり、超音波の放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンスＺＡは４００ｋｇ／（ｍ２ｓ）程度であり大きく異なる。このような音響インピーダンスの異なる境界面上では超音波は反射し、透過する超音波の強さが弱くなり、効率よく伝搬されない。
【０００５】
これを、解決するために用いるのが音響整合部材７１であり、圧電体７２と放射媒体との間に形成する。音響整合部材７１の音響インピーダンスＺＭは、次式（２）の関係満たすことで、超音波が放射媒体へ効率よく伝搬する。
【０００６】
ＺＭ＝（ＺＰ×ＺＡ）（１／２）            （２）
この最適な値は、１１×１０４ｋｇ／（ｍ２ｓ）程度となる。式（２）から分かるように、音響整合部材７１は、固体で密度が小さく音速の遅いものが要求される。
【０００７】
従来のこの種の音響整合部材７０Ａは、図１２に示すような構成である。同図において、音響整合部材７０Ａは超音波を送信または受信する超音波送受波器に組み込むための構造体であり、空隙７８を有する骨格材料７９からなる多孔体８０と、被測定流体表面の少なくとも一部に多孔体８０の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層８１、もしくは多孔体８０の表面および内部の少なくとも一部にバインダ拡散層を形成する構成となっている。
【特許文献１】特開２００３−１１１１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の空隙７８を有する骨格材料７９からなる多孔体８０を用いた音響整合部材７０Ａは、密度が低く、かつ、音速も遅いので低音響インピーダンスを実現できるが、強度に劣るという課題がある。このような従来の音響整合部材７０Ａを用いた超音波送受信器は、効率よく気体中に超音波を伝播させることができるが、高出力化のためにさらに音響整合部材７０Ａの振幅を大きくしようとすると、音響整合部材７０Ａの強度を高めておく必要がある。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、多孔体の強度を高め、その割れを防止し、強度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の音響整合部材および超音波送受波器、超音波流速流量計は、一方の構造体において前記一方の構造体の空隙部に他方の構造体を充填した音響整合部材としたものである。
【００１１】
これによって、他方の構造体が、一方の構造体を支持し、補強する状態となるため、一方の構造体が補強され、音響整合部材が補強されることになるため、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の音響整合部材および超音波送受波器は、音響整合部材の強度を補強することができ、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、２種類の構造体を有する音響整合部材であって、一方の構造体に形成された空隙部と、この空隙部に他方の構造体を充填した音響整合部材とすることにより、音響整合部材の強度を補強することができ、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。
【００１４】
第２の発明は、一方の構造体は複数の部材で構成され、空隙部は前記隣接する部材間に形成された請求項１に記載の音響整合部材とすることにより、音響整合部材を軽量化することができるため、音響整合部材の低音響インピーダンスとすることができ高出力かを図ることができる。
【００１５】
第３の発明は、一方の構造体は中空体を複数結合する構成とした請求項１または２に記載の音響整合部材とすることにより、音響整合部材を軽量化することができるため、音響整合部材の低音響インピーダンスとすることができ高出力かを図ることができる。
【００１６】
第４の発明は、一方の構造体は多孔体とした請求項１に記載の音響整合部材とすることにより、音響整合部材を軽量化することができるため、音響整合部材の低音響インピーダンスとすることができ高出力かを図ることができる。
【００１７】
第５の発明は、一方の構造体で形成される空間の主体となる大きさは、複合されて得られた音響整合部材を伝搬する波長λの五分の一以下で、かつ十分の一以下が８０％以上占める請求項１から４のいずれか１項に記載の音響整合部材とすることにより、音波放射面より、均一に超音波を発信することができる。
【００１８】
第６の発明は、多孔体はセラミック材料とした請求項３に記載の音響整合部材とすることにより、軽量とすることができ、音響整合部材を軽量化することができるため、音響整合部材の低音響インピーダンスとすることができ高出力かを図ることができる。
【００１９】
第７の発明は、他方の構造体は乾燥ゲルである請求項１に記載の音響整合部材とすることにより、音響整合部材を軽量化することができるため、音響整合部材の低音響インピーダンスとすることができ高出力かを図ることができる。
【００２０】
第８の発明は、乾燥ゲルはオルガノシラン化合物を、重合させると共に乾燥してなるシ
リカ乾燥ゲルとした請求項７に記載の音響整合部材とすることにより、シリカ乾燥ゲルの密度を制御することができる。
【００２１】
第９の発明は、オルガノシラン化合物は、加水分解性有機基と、非加水分解性有機基が同一のケイ素に直接結合したオルガノシラン化合物を、重合させると共に乾燥してなるシリカ乾燥ゲルを含む請求項８に記載の音響整合部材とすることにより、乾燥ゲルを柔軟化することができ、音響整合部材と圧電体とを接合した超音波送受波とした場合に、使用温度変化によって発生する圧電対、あるいは接合した他の部材の熱による伸び縮みに対しても、柔軟であるために破壊することなく超音波を安定して発信することができる。
【００２２】
第１０の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の音響整合部材と圧電体とを備えた超音波送受波器とすることにより、音響整合部材の強度を補強することができ、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。
【００２３】
第１１の発明は、圧電体が密閉容器の内面に配置されてなり、請求項１から９のいずれか１項に記載の音響整合部材が前記圧電体に対向した外面に配置してなる超音波送受波器とすることにより、圧電体が外部の汚染物によって汚染されることがなく、長期にわたって安定して動作することができる。
【００２４】
第１２の発明は、請求項１０または１１に記載の超音波送受波器を具備する超音波流速流量計であって、被測定流体が流れる流量計測部と、前記流量計測部に、前記被測定流体の流れの上流側と下流側とに、対向させて配置した一対の前記超音波送受波器と、前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間計測回路と、前記伝搬時間に基づき、前記被測定流体の流量を算出する演算手段とを具備する超音波流速流量計とすることにより、長期にわたって安定した流量計測を実現できる。
【００２５】
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、本発明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。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における音響整合部材１の断面拡大図を示している。
【００２７】
図１において、音響整合部材１は２つの構造体を有し、強度を確保している。音響整合部材１の一方の構造体である多孔体２の骨格によって形成された空隙部２Ａに、他方の構造体である乾燥ゲル３が充填されており、音響整合部材１の骨格を形成する一方の構造体である多孔体２を他方の構造体である乾燥ゲル３により補強する構造となっている。
【００２８】
図２は、本発明の第１の実施の形態における超音波送受波器４の断面図を示している。
【００２９】
図２において、超音波送受波器４は、図１に示した音響整合部材１を備え、音響整合部材１と振動手段５である圧電体５とは接合手段６を介して接合されている。圧電体５は対向した電極７，８を備え、電極７，８とリード線９，１０とは電気的に接合され、リード線９，１０を介して電気信号が伝えられる。
【００３０】
以上のように構成された超音波送受波器４について、以下その動作、作用を説明する。
【００３１】
まず、超音波送受波器４は、リード線９，１０を介して振動手段である圧電体５に２００〜６００ｋＨｚの矩形波、あるいは、正弦波に調整した電気信号を与えることで、振動
手段である圧電体５が振動する。その振動に対し、音響整合部材１は予め音響整合部材１を伝搬する超音波波長（λ）の４分の１の厚さに調整しており、振動手段である圧電体５の振動に音響整合部材１が共振し、音響整合部材１の振動が流速あるいは流量を計測する気体に伝わり、超音波が伝搬する。音響整合部材１は、式（１），式（２）から分かるように、固体であって、密度が小さく音速の遅いものが要求される。
【００３２】
通常このような要求を満たすには、例えば、１）ガラスの中空体を密に充填した隙間に熱硬化性のエポキシ樹脂を流し込んだ音響整合部材や、２）セラミック多孔体の空隙部に乾燥ゲルを形成した音響整合部材、あるいは、３）セラミック多孔体を音響整合部材とし、超音波放射面に表面緻密層を形成した音響整合部材などが用いられる。
【００３３】
これらの音響整合部材１は、特性向上のため軽量化されると、外部応力に対し脆弱になり、音響整合部材１より剥離する粒子によって発塵して測定系が汚染され、計測精度の低下、あるいは測定流体の流れ遮断時に漏れが生じるという課題があった。このような音響整合部材１の構造体である構造体である多孔体２の骨格で形成される空隙部２Ａに、他方の構造体として乾燥ゲル３を形成する。
【００３４】
以下、多孔体２としてセラミック多孔体を採用し、このセラミック多孔体の空隙部２Ａに、乾燥ゲル３としてシリカ乾燥ゲルを形成した音響整合部材１に関して説明する。
【００３５】
本発明の音響整合部材１に用いる多孔体２はセラミック多孔体が好ましく、次のように形成するのが好ましい。
【００３６】
多孔体２としてのセラミック多孔体は、少なくとも、酸化物系、非酸化物系のセラミックや、粘土鉱物等で構成される。酸化物系セラミックとしては、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系等を挙げることができ、非酸化物系セラミックとしては、炭化ケイ素系、窒化ケイ素系、窒化系アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト等を挙げることができる。セラミック多孔体１１は、難焼成セラミックで構成されることが好ましく、より好ましくはチタン酸アルミニウム、コーデュライト、およびリシア・アルミナ・シリカ系化合物から選択される酸化物材料であるガラスセラミックで構成される。セラミック多孔体がガラスセラミックで構成されていると、熱膨張係数が小さいため、セラミック多孔体の超音波送受信器の音響整合部材として使用した場合には、広い温度範囲において安定に音波を送受信できるという点で好ましい。
【００３７】
図３は、セラミック多孔体の製造工程フローを示している。難焼結性セラミックを粉砕する工程と、セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、気泡を導入する工程と、スラリーを型に流し込み成型する工程と、焼成する工程よりなる。以下詳細に説明する。
【００３８】
（難焼結性セラミック粉砕工程）
セラミックの粉砕は、ボールミルやポットミル等で混合、粉砕等することにより得られる。セラミック粉の平均粒径は特に限定しないが、好ましくは、１０μｍ以下である。この範囲の平均粒径のセラミックを用いると、スラリー中での粉末分散性が向上されるとともに、焼結性も向上されるからである。
【００３９】
（セラミックの粉末のスラリー化工程）
セラミックスラリーにおいて、セラミック粉末を懸濁する媒体は、水、有機溶媒、これらの混合溶媒等を使用することができる。好ましくは水を使用する。セラミックスラリー中に、セラミック粉末を均一に含有させるためには、適当な分散剤を使用することが好ましい。分散剤として、ポリカルボン酸系分散剤（アニオン系分散剤）を使用でき、具体的には、ポリカルボン酸アンモニウムやポリカルボン酸ナトリウムを使用できる。好ましく
は、分散剤の添加量に伴うスラリー粘度変化が大きい分散剤を使用する。分散剤の使用量は、好ましくは、セラミック粉末の重量に対して５重量％以下であり、より好ましくは、１重量％以下である。
【００４０】
セラミックスラリーは、セラミックスラリー気泡導入前に脱法し、スラリーを攪拌しながら気泡を導入する。セラミックスラリーに気泡を導入する際に、目的の形状に成型するため、ゲル化剤や、モノマーと重合開始剤とからなる重合性材料を加える。ゲル化剤を使用すると、温度制御やｐＨ制御等によってスラリーをゲル化することになる。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、寒天、アルギン酸ナトリウム等を挙げることができる。
【００４１】
重合性材料を用いる場合は、重合性材料のモノマーを用いる。具体的には、１または２以上のビニル基やアリル基等を備えたモノマーを挙げることができる。スラリーが水あるいは水性溶媒にて構成される場合には、１または２官能基性の重合性モノマーを用いることが好ましい。
【００４２】
また、スラリーが、有機溶媒にて構成される場合には、２官能基性の重合性モノマーであることが好ましい。特に、スラリーにおいて水を溶媒として調製する場合には、好ましくは、少なくとも１種の１官能基性の（メタ）アクリル酸アミドと、少なくとも１種の２官能基性の（メタ）アクリル酸アミドとを組み合わせて使用する。また、スラリーを有機溶媒で調製する場合には、好ましくは、少なくとも２種の２官能基性の（メタ）アクリル酸を組み合わせて使用する。
【００４３】
１官能基性モノマーや２官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、過硫酸アンモニウムや過硫化カリウム等である。また、２以上の官能基を有する官能基性モノマーを使用する場合には、好ましくは、有機過酸化物や過酸化水素化合物や、アゾあるいはジアゾ化合物を使用する。具体的には、過酸化ベンゾイルである。
【００４４】
導入したガスは、界面活性剤等によって気泡としてスラリー中に保持するようにするのが好ましい。界面活性剤は、当該気泡導入工程において、攪拌等による気泡の導入前にセラミックスラリーに添加することが好ましい。界面活性剤としてはアルキルベンゼンスルホン酸等の陰イオン性界面活剤や、高級アルキルアミノ酸等の陽イオン界面活性剤を例示できる。
【００４５】
具体的には、ｎ−ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウリレート、ポリオキシエチレンモノオレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル及びこれらのナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩を挙げることができる。また、トリエタノールアミンラウリルエーテル等及びこれらのハロゲン化塩や、硫酸塩、酢酸塩、塩酸塩等を挙げることができる。また、ジエチルヘキシルコハク酸及びそのアルカリ金属塩等を挙げることができる。
【００４６】
（気泡導入工程）
以上のようにして作製したスラリーに気泡を導入する。この気泡導入工程において、ゲル化材料として重合性材料を用いる場合には、重合性材料とともに、重合開始剤、あるいは重合開始剤と重合触媒とを添加することが好ましい。重合触媒を添加すれば、ゲル化温度やその添加量によりゲル化工程の時間を調整することができる。通常、重合触媒を添加すると、室温付近で速やかにゲル化（重合）が開始される。したがって、気泡導入方法や気泡導入量等を考慮して、重合触媒の使用や種類が選択される。重合触媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン等を挙げることができる。
【００４７】
（スラリー成型工程）
このようにして調製した含気泡セラミックスラリーを、成形型等に注入して、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。含気泡セラミックスラリー円筒状の型に流し込み、重合反応あるいはゲル化反応を行って、固化させる。スラリーが固化すると、スラリー中に存在していた気泡も、ゲル状体中に保存される。この結果、固化体が多孔質となり、ゲル状多孔質成形体が得られる。これを脱型して、乾燥、脱脂、焼成する。乾燥は、ゲル状多孔質成形体中に含まれている水、溶媒を蒸発させるように行う。乾燥条件（温度、湿度、時間等）は、スラリー調製に用いた溶媒の種類とゲル状多孔質成形体の骨格部分を構成する成分（ゲル化剤あるいは重合体）によって適宜調整する。通常は、２０℃以上であり、好ましくは、２５℃以上８０℃以下であり、より好ましくは、２５℃以上４０℃以下である。
【００４８】
（焼成工程）
つぎに、乾燥体から有機分を除去するために、さらに高温で加熱する。脱脂のための温度と時間は、使用した有機分の量および種類によって調整する。例えば、ゲル化のための材料としてメタクリルアミドとＮ，Ｎ−メチレンビスアクリルアミドを用いたスラリーから調製したゲル状多孔質成形体の場合、７００℃で２日間脱脂する。
【００４９】
脱脂後には、焼成工程を実施する。焼成のための条件は、使用したセラミック材料の種類等を考慮して設定される。このような工程により、本発明のセラミック多孔体を得ることができる。
【００５０】
セラミック多孔体は、多孔体であり、複数の空隙が存在している。空隙はセラミック多孔体１１に分散して存在することが好ましい。空隙は、独立して存在する場合もあり、他の空隙と連続して存在し、外部と連通している場合もある。この音響整合部材１では、空隙部３が連続して存在するほうが好ましい。
【００５１】
セラミック多孔体は、全体として、６０％以上９０％以下の気孔率（ここでは開気孔及び閉気孔を含む全気孔率を意味する）を有していることが好ましい。より好ましくは、８０％以上９０％以下である。全気孔率は、以下に示す計算式（３）によって求められる。
【００５２】
全気孔率（％）＝（１−嵩密度／真密度）×１００      （３）
ただし、嵩密度＝試料の重量／試料の嵩体積である。真密度は、例えば、極めて微粉化した試料の任意量をピクノメータに投入し、所定の容積に至るまで水を注入して煮沸等してボイドを排除した上で、その重さと容積との関係から求めることができる。全気孔率が、６０％以下では、音響整合部材１の密度ρ１が大きくなり孔径９０％を超えると機械的強度の低下が著しいからである。開気孔率は、より好ましくは、６５％以上であり、また、８５％以下である。以上の材料、および製造条件を最適化し、本発明の実施の形態における音響整合部材１のセラミック多孔体の密度を２００ｋｇ／ｍ３以上４００ｋｇ／ｍ３未満で調整することで密度の低く強度の大きいセラミック多孔体を実現することができた。
【００５３】
本発明の音響整合部材１において、他方の構造体として用いる乾燥ゲル３は次のように形成するのが好ましい。
【００５４】
図４は、本発明第１の実施の形態における乾燥ゲル３として用いたシリカ乾燥ゲルの製造工程フローを示すものである。
【００５５】
図４において、シリカ乾燥ゲルの製造工程は、（イ）原料準備工程２０、（ロ）ゲル化工程２１、（ハ）再構築工程２２、（ニ）疎水化工程２３、（ホ）乾燥工程２４によって形成する。以下各工程に関して詳細に説明する。
【００５６】
（イ）原料準備工程２０
この工程では、シリカ乾燥ゲルの主原料となるオルガノシラン化合物と、これを加水分解するための水、反応溶媒、触媒を加えて出発原材料である混合溶液を作る工程である。オルガノシラン化合物は、例えば図５、６に示す分子配置概念図のような構造を有する。
【００５７】
図５に示した分子は、非加水分解性有機基２６がケイ素２７に直接結合しており、他のオルガノシラン化合物とは加水分解が行われない。加水分解性有機基２８も、直接ケイ素２７に結合しており、加水分解によって他のオルガノシラン化合物と加水分解し重合する。図５、図６に示したオルガノシラン化合物２５、２９は、個々の原料を単一あるいは複数混合して用いても良い。
【００５８】
非加水分解有機基は、特に限定はされないが、例えば、炭素数１〜８の置換または非置換の１価の炭化水素基が挙げられる。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基；シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基；２−フェニルエチル基、３−フェニルプロピル基等のアラルキル基；フェニル基、トリル基等のアリール基；ビニル基、アリル基のようなアルケニル基；クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基のようなハロゲン置換炭化水素基；γ−メタクリロキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、３，４−エポキシシクロヘキシルエチル基、γ−メルカプトプロピル基等の置換炭化水素基等を例示することができる。これらの中でも、合成の容易さ、入手の容易さ、硬度が過度に低下しすぎないという点から、炭素数１〜４のアルキル基およびフェニル基が好ましい。
【００５９】
従って、式（２）のオルガノトリアルコキシシランとしては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、３，３，３−トリフルオロプロピルトリメトキシシランなどが例示できる。
【００６０】
また、式（３）のジオルガノジアルコキシシランとしては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが例示できる。
【００６１】
また、本発明に関わる乾燥ゲル３を得るための出発物質は、図６に示す分子配置概念図のように、加水分解性有機基２８のみによって構成された、式（１）で表される例えばテトラアルコキシシランを含有してもよい。これらの例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが挙げられる。
【００６２】
以上に例示した、図５の分子概念図に該当する分子はいずれも乾燥ゲル３を柔軟化させ、破損を生じさせにくくする成分である。
【００６３】
触媒としては、一般的な有機酸、無機酸、有機塩基、無機塩基が用いられる。有機酸として、酢酸、クエン酸など、無機酸として、硫酸、塩酸、硝酸など、有機塩基として、ピペリジンなど、無機塩基として、アンモニアなどがある。また、ピペリジン等のイミン系のものを用いれば細孔径が大きくなる効果があるため毛管力低減の観点からより好ましい。
【００６４】
溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等の低級アルコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールのモノあるいはジエーテル、アセトン等の低級ケトン、テトラヒドロフラン、１，
３−ジオキソラン等の低級エーテルのような水溶性有機溶媒が用いられる。また、第１ゲル原料の加水分解、縮重合でゲルが形成される場合には、加水分解に必要な水も添加される。
【００６５】
以上に示した化合物を、攪拌混合して、原料準備を行う。これらのオルガノシラン化合物が触媒によって加水分解され、重合される。
【００６６】
（ロ）ゲル化工程２１
原料準備工程２０に引き続きこの工程では、準備された混合溶液に触媒を加えて加水分解重合を促進させることによってゲルの固体骨格を形成させ、ゲルに溶剤を含んだ状態である湿潤ゲルをつくる工程である。ゲル化を促進するため、必要に応じて触媒の添加、溶液温度上昇を行う。触媒は、原料準備工程において例示してあるため省略する。
【００６７】
なお、原料準備工程２０とゲル化工程２１とで触媒を特に分割して添加しなくてもよく、原料準備工程２０とゲル化工程２１とを１度に行っても良い。
【００６８】
（ハ）再構築工程２２
ゲル化工程２１に引き続きこの工程では、ゲル化工程２１で形成された湿潤ゲルの固体骨格の一部を分解しながら、新たな固体骨格を形成する。
【００６９】
具体的には、まず再構築工程のための再構築原料と、再構築触媒および水と、必要に応じて溶媒を添加混合することによって再構築原料溶液を調製し、これにゲル化工程で得られた湿潤ゲルを浸漬させる。この工程の処理時間、処理温度によって、シリカ乾燥ゲルの密度を調整することができる。
【００７０】
再構築工程で用いられる再構築触媒、あるいはオルガノシラン化合物は、原料調整工程２０で例示したものを使用することができるが、特に、ゲル化工程時と同一のものである必要はない。ゲル骨格増強後、反応停止を行う目的で、再構築原料溶液を例えばイソプロピルアルコールに置換すること反応を停止させる。
【００７１】
（ニ）疎水化工程２３
再構築工程２２に引き続きこの工程では、再構築工程２２までに得られた湿潤ゲルの表面に、溶媒中に疎水化剤を溶解した疎水化溶液を反応させることで、疎水基を導入する。
【００７２】
本発明に用いられる疎水化剤としては、反応性が高い点からシリル化剤が好ましく、例えばシラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルシラノール化合物およびアルキルアルコキシシラン化合物等がある。
【００７３】
これらのシリル化剤は、シラザン化合物、クロロシラン化合物、アルキルアルコキシシラン化合物の場合は、直接あるいは加水分解を受けて、対応するアルキルシラノールになってからゲル表面のシラノール基と反応する。また、アルキルシラノールをシリル化剤として用いれば、そのまま表面のシラノール基と反応する。
【００７４】
これらの中でも、疎水化時の反応性が高いことと入手の容易性から、クロロシラン化合物、シラザン化合物が特に好ましく、入手の容易性及び疎水化時に塩化水素、アンモニア等のガスを発生しないことからはアルキルアルコキシシランが特に好適に用いられる。
【００７５】
具体的には、トリメチルクロロシラン、メチルトリクロロシランおよびジメチルジクロロシランなどのクロロシラン化合物、ヘキサメチルジシラザンなどのシラザン化合物、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメ
トキシジエチルシランおよびジエトキシジメチルシランなどのアルキルアルコキシシラン化合物、トリメチルシラノールおよびトリエチルシラノールなどのシラノール化合物に代表されるシリル化剤がある。これらを用いれば、湿潤ゲル表面にトリメチルシリル基などのアルキルシリル基を導入することで疎水化を進行させることができる。
【００７６】
また、疎水化剤として、フッ素化されたシリル化剤を用いれば、疎水性が強くなり非常に効果的である。
【００７７】
また、疎水化剤としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、エチレングリコールおよびグリセロールなどのアルコール類の他、蟻酸、酢酸、プロピオン酸およびコハク酸などのカルボン酸なども用いることができる。これらは、ゲル表面の水酸基と反応してエーテルまたはエステルを形成することで疎水化を進めるが、反応が比較的遅いため高温の条件が必要である。
【００７８】
疎水化工程は最終的に得られる乾燥ゲル３が、吸湿しないようにするための処理で、ゲルをシランカップリング処理液に投入したのち、溶液を例えばイソプロピルアルコールに置換することでシラン処理反応を停止させる。
【００７９】
（ホ）乾燥工程２４
この工程では、疎水化工程までに得られた湿潤ゲルから溶媒を除き乾燥ゲル３として用いるシリカ乾燥ゲルを得る。
【００８０】
湿潤ゲルから溶媒を除く乾燥方法としては、（１）自然乾燥法、（２）特殊乾燥法がある。
【００８１】
（１）自然乾燥法は、最も一般的で簡便な乾燥法であり、溶媒を含む湿潤ゲルを放置することで、液体状態の溶媒を気化させて除去するものであり、この乾燥法がコストの観点から最も好ましい。生産性の観点から湿潤ゲルを加熱する加熱乾燥、あるいは湿潤ゲルを大気圧以下に減圧する減圧乾燥も自然乾燥法に含むものとする。
【００８２】
なお加熱する温度は、溶媒が蒸発する温度であれば特に限定されない。
【００８３】
乾燥時に、ゲルの密度が低い場合にはゲル中の溶媒の表面張力に比例する毛管力のために、ゲルが一時的に収縮し割れを生じることがある。このため、乾燥時の溶媒は沸点での表面張力が小さい炭化水素系の溶媒が好ましく、特に安価なヘキサン、ペンタンあるいはその混合物が好ましい。一方、安全性の観点からは、イソプロパノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類、さらには水と有機溶媒との混合溶媒からの乾燥が好ましい。そのため、目的に応じて上に示した溶剤と、湿潤ゲル形成時に使用した溶剤とを置換することで乾燥時の応力を低減することができ、湿潤ゲルが乾燥時に割れにくくなる。
【００８４】
（２）特殊乾燥法は、超臨界乾燥や凍結乾燥の２つの方法がある。
【００８５】
超臨界乾燥は、溶媒を超臨界状態として液体状態を経ずに取り除くことができるので、気液界面の形成される毛管力の発生がない。このため湿潤ゲルが乾燥時に割れにくくなる。乾燥に用いられる超臨界流体として、水、アルコール、二酸化炭素等がある。最も低温で超臨界状態が得られ、しかも無害である二酸化炭素が多く用いられる。
【００８６】
具体的には、まず耐圧容器中に液化二酸化炭素を導入し、耐圧容器中の湿潤ゲル溶媒を液化二酸化炭素に置換する。次に、圧力と温度を臨界点以上に上げ超臨界状態とし、温度を保ったまま徐々に二酸化炭素を放出して乾燥を完了させる。
【００８７】
凍結乾燥は、湿潤ゲル中の溶媒を凍結させた後に、昇華により溶媒を除く乾燥方法である。液体状態を経ず、ゲル中に気液界面を生じないので毛管力が働かない。このため、乾燥時のゲルの収縮を抑制することができる。
【００８８】
凍結乾燥法に用いられる溶媒は、凝固点での蒸気圧が高いものが好ましく、第３ブタノール、グリセリン、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、パラ−キシレン、ベンゼン、フェノールなどが挙げられる。これらのなかでも、融点における蒸気圧が高いという点から、特に第３ブタノール、シクロヘキサンが好ましい。
【００８９】
凍結乾燥時には、湿潤ゲル中の溶媒を、上記の凝固点での蒸気圧が高い溶媒に置換しておくことが効果的である。また、ゲル化時に用いる溶媒を、凝固点での蒸気圧が高い溶媒にしておけば、溶媒置換を省略して効率的な製造が可能となるためより好ましい。
【００９０】
乾燥は、疎水化工程の後に行ってもよいし、疎水化工程の前に行ってもよい。乾燥工程を経た後で疎水化する場合は、乾燥ゲル３を溶液中ではなく、疎水化剤の蒸気にさらすことで、乾燥ゲル３表面に疎水基を導入する。従って、使用する溶媒量を削減することができる。
【００９１】
この時使用する疎水化剤としては、上述の疎水化剤を用いることができるが、反応性の高さからトリメチルクロロシラン、ジメチルジクロロシラン等のクロロシラン化合物が最も好ましい。また、クロロシラン化合物以外の疎水化剤を用いる場合は、アンモニアや塩化水素等の気体状態で導入可能な触媒を用いることも有効である。
【００９２】
また、気相で疎水化を行う場合は、溶媒や疎水化剤の沸点に制限を受けずに疎水化時の温度を高めることができる。従って、気相での疎水化は、反応を早めるために有効である。また、湿潤ゲルが薄膜や粉体であれば、疎水化剤蒸気の浸入が容易であり、薄膜の場合は溶媒量削減の効果も大きいためより好ましい。
【００９３】
以上のように、本実施の形態においては、音響整合部材１の一方の構造体である多孔体２において、この多孔体２の空隙部２Ａに、音響整合部材１の他方の構造体である乾燥ゲル３を充填した音響整合部材１とすることにより、音響整合部材１の強度を補強することができ、高出力化のためにさらに音響整合部材１の振幅を大きくしようとした時ときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。また、これを用いた超音波流量計は、高精度で、長期にわたって安定した計測が可能となる。
【００９４】
（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における音響整合部材３０の断面図である。
【００９５】
図７において、音響整合部材３０は、一方の構造体として用いた空隙形成部材３１同士が隣接して配置され、空隙形成部材３１で形成された骨格の空隙部３２に、音響整合部材３０の他方の構造体として、乾燥ゲル３３が充填された構造となっている。
【００９６】
なお、本発明の音響整合部材３０に用いる空隙形成部材３１は、樹脂バルーン、セラミックバルーン、ガラスバルーンなど、中空材料であれば限定されない。樹脂バルーンはたとえば、フェノール樹脂バルーン、ユリア樹脂バルーン、ウレタン樹脂バルーンなど中空の構造体であれば特に限定されるものではない。
【００９７】
これらの、空隙形成部材３１を、たとえば円筒容器内に投入して、容器全体をタッピングして充填し、充填後、空隙形成部材３１に加圧を加えた状態で、他方の構造体として、
乾燥ゲル３３を形成する。乾燥ゲル３３の形成方法は、実施の形態１と同様のため省略する。
【００９８】
（実施の形態３）
図８は本実施の形態３におけるケースを有する本発明の超音波振動子４０の一形態の断面図を示し、図９は超音波振動子４０の製造工程図である。以下超音波振動子４０の製造工程に関して説明する。
【００９９】
工程（ｉ）は音響整合部材１を形成する工程であり、先の実施の形態で説明した通りであるから、詳細な説明を省略する。工程（ii）は、圧電体４１に焼き付け銀で形成した電極４２の表面、および被接合部材である有天筒状金属ケース４３の天部外壁面に、接合部材４４，４５として接着剤を印刷する工程である。印刷は、接着剤を所定の厚さに印刷できる方法であれば限定されず、スクリーン印刷、グラビア印刷、または転写などであってよい。有天筒状金属ケース４３は、例えば、鉄、真鍮、銅、アルミ、ステンレス、もしくはこれらの合金、またはこれらの金属の表面にめっきを施した金属で形成してよい。
【０１００】
圧電体４１は、頂部の内壁面に取り付け、音響整合部材１は、有天筒状金属ケース４３頂部の外壁面に取り付ける。音響整合部材１と圧電体４１は、対向するように配置する。このような状態で、加圧しながら、接着剤を硬化させる。なお接合部材４４，４５としての接着剤は、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、またはシアノアクリレート樹脂であってよい。
【０１０１】
工程（iii）は、接着剤によって、圧電体４１と音響整合部材１とを接合した有天筒状金属ケース４３と、導電手段４６を挿入した端子板４７とを、溶接によって接合する。端子板４７は、電極端子４８と電極端子４９とを備える。これらの端子４８，４９は、端子板絶縁部５０によって電気的に互いに絶縁されている。導電手段４６は、シリコンゴム、ブタジエンゴム、またはエラストマーのような弾性体と、導電体とで構成され、電極５１と電極端子４９とを電気的に接続する。電極４２と、有天筒状金属ケース４３と、電極端子４７とは、電気的に接続されている。
【０１０２】
有天筒状金属ケース４３と端子板４７との溶接時に、有天筒状金属ケース４３と端子板４７とで形成した密閉空間５２内部に不活性ガスを注入し、超音波振動子４０を完成させる。不活性ガスは、ヘリウムガスおよび窒素ガスなど、銀電極と反応しない気体であれば限定されない。溶接時に有天筒状金属ケース４３内に不活性ガスを注入することによって、銀電極を備えた圧電体４１は外部環境から隔離され、長期にわたって電気的接続は安定化し、長期信頼性が確保される。
【０１０３】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の第４の実施の形態における超音波流速・流量計の断面図を示すものである。
【０１０４】
図１０において、流体の流れる流量計測部６０に本発明の音響整合部材１を有する超音波送受波器６１，６２が一対、流体の流れる方向に対し角度を有するよう斜めに配置された構成となっている。Ｌ１は、上流側に配置された超音波送受波器６１から伝搬する超音波の伝搬経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器６２の超音波の伝搬経路を示している。
【０１０５】
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（図示せず）、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６１を超音波送波器、超音波送受波器６２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器６１から出た
超音波パルスが超音波送受波器６２に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                      （４）
で示される。
【０１０６】
次に超音波送受波器６２から出た超音波パルスが超音波送受波器６１に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                      （５）
で示される。
そして、（１）と（２）の式から流体の音速Ｃを消去すると、
Ｖ＝（Ｌ／２ｃｏｓθ）（（１／ｔ１）−（１／ｔ２））      （６）
の式が得られる。
【０１０７】
Ｌとθが既知なら、計測回路６３にてｔ１とｔ２を測定すれば流速Ｖが求められる。必要に応じて、この流速Ｖに流量計測部４２の断面積Ｓと補正係数Ｋを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段６４は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【０１０８】
以上のように構成した超音波送受波器６１，６２は、防塵層を備えた音響整合部材１を備えるため、一方の構造体において前記一方の構造体の空隙部に他方の構造体を充填した音響整合部材とすることにより、音響整合部材の強度を補強することができ、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。また、これを用いた超音波流量計は、高精度で、長期にわたって安定した計測が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
以上のように、本発明にかかる音響整合部材とそれを用いた超音波送受波器、超音波流速流量計は、高出力化のためにさらに音響整合部材の振幅を大きくしようとしたときにおいても安定して動作することができ、長期動作信頼性も向上することができる。また、これを用いた超音波流量計は、高精度で、長期にわたって安定した計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の実施の形態１における音響整合部材１の断面拡大図
【図２】本発明の実施の形態１における超音波送受波器の断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるセラミック多孔体の製造工程フローチャート
【図４】本発明の実施の形態１における乾燥ゲルとして用いたシリカ乾燥ゲルの製造工程フローチャート
【図５】本発明の音響整合体の製造で使用するオルガノシラン化合物の分子を示す模式図
【図６】本発明の音響整合体の製造で使用するオルガノシラン化合物の分子を示す模式図
【図７】本発明の実施の形態２における音響整合部材の断面図
【図８】本発明の実施の形態３におけるケースを有する超音波振動子の一形態の断面図
【図９】本発明の実施の形態３における超音波振動子の製造工程図
【図１０】本発明の実施の形態４における超音波流速・流量計の断面図
【図１１】従来の超音波送受波器の断面図
【図１２】従来の音響整合部材断面図
【符号の説明】
【０１１１】
１  音響整合部材
２  多孔体（構造体）
３  乾燥ゲル（構造体）
４  超音波送受波器
６１、６２  超音波送受波器
６３  計測回路
６４  演算手段
【図１】
2008288658.tif 000003
【図２】
2008288658.tif 000004
【図３】
2008288658.tif 000005
【図５】
2008288658.tif 000006
【図６】
2008288658.tif 000007
【図８】
2008288658.tif 000008
【図９】
2008288658.tif 000009
【図１０】
2008288658.tif 000010
【図１１】
2008288658.tif 000011
【図１２】
2008288658.tif 000012
【図４】
2008288658.tif 000013
【図７】
2008288658.tif 000014