(57)【要約】【課題】高感度でかつ吸湿による影響を受けない高性能な超音波送受波器およびそれを用いた超音流速流量計を提供することを目的とする。【解決手段】音響整合体６は、複数の細孔を有するセラミック多孔体５にケース２の有天部外側の密着面と反対面に音響膜７を形成するとともに、セラミック多孔体５の側壁に封止手段８を設け、該セラミック多孔体５の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体５の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体６の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できる。また、セラミック多孔体５が音響膜７と接合手段４と封止手段８で保護されるため、セラミック多孔体５の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。【選択図】図１
2008261732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体とを備え、前記音響整合体は、複数の細孔を有するセラミック多孔体に前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に音響膜を形成するとともに、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁に封止手段を設け、該セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封した超音波送受波器。
【請求項２】
前記音響整合体を形成するセラミック多孔体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック多孔体を所定の形状にスライスして構成した請求項１に記載の超音波送受波器。
【請求項３】
前記封止手段は、前記ケースの有天部外側に音響整合体を接合手段で密着するように配設した状態で前記音響膜と前記接合手段の間に接着剤や塗料等を塗布して形成した請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項４】
前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段は、各々の親和性が高い樹脂バインダーを含有させた請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項５】
前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとした請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項６】
前記音響膜は、離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に転写して形成した請求項１〜５のいずれか１項記載の超音波送受波器。
【請求項７】
前記封止手段は、音響整合体の外周に樹脂等のリング状の封止部材を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項８】
前記音響整合体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して棒状に形成したセラミック多孔体で形成された音響整合体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤や塗料等を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した請求項１または２に記載の超音波送受波器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした超音流速流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波送受波器およびそれを用いて発生させた超音波により気体や液体の流量や流速の計測を行う超音流速流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の超音波送受波器にあっては、例えば図７に示すように、圧電振動子を備え、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音響整合部材５０であって、空隙５１を有する骨格材料５２からなる多孔質体５３と、被測定流体側表面の少なくとも一部に前記多孔質体の空隙率よりも低い空隙率の低空隙率層５４、もしくは前記多孔質体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。音響整合体として用いられる従来の多孔質体に比較して表面が平面に近いため、超音波の送受信を効率よく行うことができる（例えば、特許文献１参照）。
【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】
【０００３】
しかしながら、前記の従来構成では、多孔質体の性質上、吸湿しやすく、輸送時などに温度変化が生じた時とか、或いは高温高湿下に放置されると結露し、これを吸湿することによって超音波の反射や拡散を生起し、また、音響整合体の音速が変化することによって出力感度が低下することがあった。したがって、この音響整合体を備えた超音波送受波器を流れ計測装置に搭載した場合、流速、流量の計測精度が低下してしまう課題を有していた。また、多孔質体は、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすると、強度が弱くなり、輸送時などに多孔質体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配があった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、吸湿しやすいセラミック多孔体に化学的蒸着処理を施すことにより、高感度でかつ吸湿による影響を受けない高性能な超音波送受波器およびそれを用いた超音流速流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため本発明の超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体とを備え、前記音響整合体は、複数の細孔を有するセラミック多孔体に前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に音響膜を形成するとともに、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁に封止手段を設け、該セラミック多孔体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封した構成としてある。
【０００６】
上記した構成により、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度変化、或いは高温高湿下に放置に伴う音響整合体の吸湿を抑制し
て音響整合体の出力感度を容易に維持でき、かつ、セラミック多孔体で形成された音響整合体を保護することができ、これを流れ計測装置に用いれば計測精度の向上が図れるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明による超音波送受波器は、有天状のケースと、前記ケースの有天部内側に密着するように配設した圧電体と、前記ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体とを備え、前記音響整合体は、複数の細孔を有するセラミック多孔体で形成された音響整合体に前記ケースの有天部外側の密着面と反対面に音響膜を形成するとともに、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁に封止手段を設け、該セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封した構成としてある。
【０００９】
そして、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。
【００１０】
さらに、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に封止手段を配設してあるので、圧電体の振動をケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。
【００１１】
第２の発明による超音波送受波器は、特に、第１の発明の音響整合体を形成するセラミック多孔体で形成された音響整合体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック多孔体を所定の形状にスライスして構成してある。
【００１２】
そして、ゲルキャスティング法で成形したセラミック多孔体は、スラリー中のモノマーがラジカル重合することより、型内でポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体となるため、スラリーの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されることにより、セラミック多孔体中の不均一や欠陥が発生しにくく、一般的な加圧成形や鋳込み成形に対し約１０倍以上の強度を得ることができるとともに、均一の組織となり、密度ばらつきも小さいため、複雑な形状でも対応でき、軽くて強度も高くすることができる。したがって、組立時などにセラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配が少なくなり、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすることができるようになる。
【００１３】
第３の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の封止手段は、前記ケースの有天部外側に音響整合体を接合手段で密着するように配設した状態で前記音響膜と前記接合手段の間に接着剤や塗料等を塗布して形成した構成としてある。
【００１４】
そして、ケースの有天部外側に音響整合体を接合手段で密着するように配設した状態で前記音響膜と前記接合手段の間に接着剤や塗料等を塗布して形成してあるので、音響整合体と接合手段の間に他の部品を使用せずに、簡単な工法で封止することができる。
【００１５】
第４の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜３のいずれか１項記載の発明の音響膜と接合手段と封止手段は、各々の親和性が高い樹脂バインダーを含有させた構成としてある。
【００１６】
そして、音響膜と接合手段と封止手段は、略同一性状を有する各々の親和性が高い樹脂バインダーを含有させてあるので、結合しやすくなり、その強度が増すとともに、音響膜と封止手段あるいは接合手段と封止手段の接合部分に気孔等の発生を抑制することができ、機密性が向上し、より、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性が向上できる。
【００１７】
第５の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜３のいずれか１項記載の発明の音響膜と接合手段と前記封止手段は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとした構成としてある。
【００１８】
そして、音響膜と接合手段と前記封止手段は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてあるので、音響膜と接合手段と前記封止手段を個別に配設しても、１回の加熱硬化工程で同時に硬化できるため、簡素化ができるともに、硬化のための影響を減少させることができるようになるにようになる。
【００１９】
第６の発明による超音波送受波器は、特に、第１〜５のいずれか１項記載の発明の音響膜は、離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に転写して形成した構成としてある。
【００２０】
そして、音響膜は離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に転写して形成してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面に所定量の樹脂材料を塗布することができ、音響膜の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。
【００２１】
第７の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の封止手段は、音響整合体の外周に樹脂等のリング状の封止部材を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。
【００２２】
そして、音響整合体の外周に樹脂等のリング状の封止部材を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封するようにしてあるので、音響整合体の外周にリング状の封止部材を挿入するだけで、封止手段を形成することができ、封止手段形成のための時間短縮ができるようになるとともに、樹脂等のリング状の封止部材は成形品であるため、音響整合体の外周に対し均一とすることができ、封止部材の影響のばらつきを安定化させることができる。
【００２３】
第８の発明による超音波送受波器は、特に、第１または２の発明の音響整合体は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤や塗料等を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。
【００２４】
そして、棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤や塗料等を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成してある
ので、音響整合体と封止手段を一体化でき、一度に複数の音響整合体に封止手段を形成でき、封止手段の安定化をさせやすくできるとともに、工程の簡素化できる。
【００２５】
また、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくしても、スライス前より強度を保持している棒状態で、セラミック多孔体の外殻表面に、接着剤や塗料等を塗布して形成した封止手段で強度アップが図れ、スライス時の欠け等が防げるとともに、スライスしたものも、強度アップが図れるようになり、音響整合体の取扱いがしやすくなる。
【００２６】
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の超音波送受波器を被測定流体が流れる流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置し、両超音波送受波器間の超音波伝搬時間にもとづいて前記被測定流体の流速および／または流量を測定するようにした超音流速流量計とすることにより、上記した第１〜第９のいずれか１つの発明の作用効果が得られ、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性の向上させた信頼性の高い計測精度の向上を図った超音流速流量計を提供できる。
【００２７】
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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるセラミック多孔体で形成された超音波送受波器１の断面図、図２は超音流速流量計の測定原理説明図である。
【００２９】
図１に示す超音波送受波器１は、導電材料として例えばステンレスからなる有天状のケース２を有し、ケース２の有天部内側に密着するように配設した圧電体３と、前記ケース２の有天部外側に接合手段４であるエポキシ接着剤からなる接合手段で密着するように配設したセラミック多孔体５で形成された音響整合体６を接着して固定するとともに、その反対面にフィルム状の音響膜７を形成するとともに、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔が露出する側壁に封止手段８を設け、該セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封してある。
【００３０】
セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手順としては、有天状のケース２表面に、接合手段４となる熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、封止手段８となるエポキシ樹脂からなるリング状のシートをその周囲に挿入したセラミック多孔体５で形成された音響整合体６を載置する。次に、音響膜７は、音響膜７の材料となるエポキシ樹脂を、離型フィルムに印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体６の表面に転写して形成し、これを所定の温度・時間で加熱する。このとき、音響膜７と接合手段４と封止手段８とは、エポキシ樹脂の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてある。
【００３１】
また、一方、圧電体９は、両端に対向する銀の電極２１１を備えた、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるもので、上方の電極１０が接合手段１２であるエポキシ接着剤を介してケース２の有天部内側に密着するように接着されている。ケース２の下方開放部を閉塞する導電性の端子板１３には一対の端子１４，１５が取付けてある。さらに述べると、一方の端子１４は端子板１３に固定されており、ケース２、この端子板１３を介して圧電体９の上方電極１０が接続されている。他方の端子１５はシリコンゴムからなる絶縁部１６を介して端子板１３を絶縁貫通し、ニッケル粒子表面に金メッキを施した導電部１７を介在した形で圧電体９の下方電極１１に接続されている。
【００３２】
ここで、超音波送受波器１を用いた超音流速流量計の測定原理を詳述すると、図２に示
すように、流路を具備した測定管の管内には流体が速度Ｖにて図に示す方向に流れている。管壁２０には、一対の超音波送受波器２１、２２が相対して設置されている。超音波送受波器２１、２２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。ここでは超音波送受波器２１を超音波送波器として用い、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いる。
【００３３】
その動作は、超音波送受波器２１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２１は超音波送波器として働いて、外部の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波送受波器２２が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２２を超音波送波器として用い、超音波送受波器２１を超音波受波器として用いる。超音波送受波器２２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２２は外部の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に超音波を放射し、超音波送受波器２１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２１、２２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。
【００３４】
また、このような超音流速流量計では、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。以下、測定原理についてさらに詳細な説明を行う。駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器２１に印加して超音波送受波器２１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２２に到達する。超音波送受波器２２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２１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２１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器２２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。
【００３５】
図２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２１を超音波送波器、超音波送受波器２２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器２１から出た超音波パルスが超音波送受波器２２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。
【００３６】
（数１）
ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（１）
逆に、超音波送受波器２２を超音波送波器として、超音波送受波器２１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。
【００３７】
（数２）
ｆ２＝１／ｔ２＝（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）／Ｌ ・・・（２）
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。
【００３８】
（数３）
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２Ｖｃｏｓθ／Ｌ ・・・（３）
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。
【００３９】
このような超音流速流量計では精度が要求され、その精度を向上させるために、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超音波送受波器を構成している圧電振動子における超音波の送受波面に形成される音響整合体の音響インピーダンスが重要となる。
【００４０】
本実施例では、圧電体９で振動された超音波は特定の周波数で振動し、その振動は接合手段１２であるエポキシ接着剤を介してケース２に伝わり、さらに接合手段４として用いたエポキシ接着剤を介してセラミック多孔体５で形成された音響整合体６に伝わり、整合した振動は音響膜５を介して、空間に存在する媒体である気体に音波として伝搬する。このとき、音響膜７はフィルム状となっており、被測定流体に相対する表面近傍の空隙率が、セラミック多孔体で形成された音響整合体の表面近傍の空隙率に比較して低く、より平面に近いため、振動子によって振動させられた音響整合部材の振動が被測定流体を振動させたり（送信）、また逆に被測定流体の振動により音響整合部材が振動させられること（受信）を効率よく行うことができるように設けてある。
【００４１】
このように、この音響整合体６の役割は振動手段の振動を効率良く気体に伝搬させるようにしてある。物質中の音速Ｃと密度ρとで式（４）のように音響インピーダンスＺが定義される。
【００４２】
（数４）
Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・（４）
音響インピーダンスは振動手段である圧電体９と超音波の放射媒体である気体とでは大きく異なる。例えば、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（Ｚ０）は３０×１００００００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度である。また、放射媒体である気体、例えば空気の音響インピーダンス（Ｚ３）は４００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度である。このような音響インピーダンスの異なる境界面上では音波の伝搬に反射を生じて、透過する音波の強さが弱くなる。これを解決する方法として、振動手段である圧電体と超音波の放射媒体である気体のそれぞれの音響インピーダンスＺ０とＺ３に対して、両者の間に式（５）の関係を有する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、音の反射を軽減して音波の透過する強度を高める方法が一般に知られている。
【００４３】
（数５）
Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）(１/２) ・・・（５）
この条件を満たす音響インピーダンスが整合した時の最適な値は、１１×１００００ｋｇ／ｍ2・ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす物質は、式（４）からわかるように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。
【００４４】
本実施例では、前記音響整合体６は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して造られるセラミック成形体を所定の形状にスライスしたセラミック多孔体で構成されており、音響整合体６の密度を可能な限り、小さくしてある。以下、セラミック多孔体の製造方法に関して詳細に説明する。
【００４５】
図３は、音響整合体６に用いたセラミック多孔体５の製造工程フローを示している。難焼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。
【００４６】
（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。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。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。
【００５２】
（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。
【００５３】
（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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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１１を得ることができる。
【００５６】
セラミック多孔体１１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。本音響整合体１０では、孔部が連続して存在するほうが好ましい。
【００５７】
セラミック多孔体１１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。
【００５８】
全気孔率（％）＝（１−かさ密度／真密度）×１００      （３）
ただし、かさ密度＝試料の重量／試料のかさ体積である。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。前記効率が、６０％以下では、音響整合体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％以下であり、強度の許す範囲で軽くして、密度が小さく音速の遅いものに近づけようにしてある。
【００５９】
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体１の
セラミック多孔体１１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１１を実現することができた。
【００６０】
あるいは、セラミックス多孔体は、セラミックスマトリックスを形成する材料（例えば、アルミナ）に空孔形成材を混合し、空孔形成材をセラミックスマトリックスを形成する材料に混合した状態で加圧し、さらに焼成処理を行って、当該材料同士を結合し、空孔形成材を除去する方法で製造されたものであってよい。空孔形成材は、焼成の際に溶融する材料、または特定の溶剤に溶解する材料で形成され、例えば、アクリル球（焼成の際に溶融する）または鉄球（硫酸に溶解する）である。セラミックスマトリックスを形成する材料は、骨格を形成する主材料と、主材料と異なる大きさでかつ主材料を固める補助材料から成ってよい。補助材料は、例えばガラスである。
【００６１】
以上のように、本実施の形態においては、音響整合体６を構成するセラミック多孔体５で形成された細孔を前記音響膜７と前記接合手段４と前記封止手段８で密封してあるので、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体５で形成された音響整合体６のセラミック部分の骨格が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６が前記音響膜７と前記接合手段と前記封止手段８で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。
【００６２】
さらに、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に封止手段を配設してあるので、圧電体の振動は、ケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。
【００６３】
また、音響整合体を構成するゲルキャスティング法で成形したセラミック多孔体は、スラリー中のモノマーがラジカル重合することより、型内でポリマーのネットワークが形成され、ゲル湿潤成形体となるため、スラリーの流動過程と固化過程が完全に分離し、粒子がその場で固定されることにより、セラミック多孔体５中の不均一や欠陥が発生しにくく、一般的な加圧成形や鋳込み成形に対し約１０倍以上の強度を得ることができるとともに、均一の組織となり、密度ばらつきも小さいため、複雑な形状でも対応でき、軽くて強度も高くすることができる。したがって、輸送時などにセラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵して、他の機器に悪影響を与える心配が少なくなり、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくすることができるようになる。
【００６４】
そして、音響膜７と接合手段４と封止手段８は、エポキシ樹脂をベースとした樹脂材料として、略同一性状を有する各々の親和性が高い樹脂バインダーとしてあるので、結合しやすくなり、その強度が増すとともに、音響膜と封止手段あるいは接合手段と封止手段の接合部分に気孔等の発生を抑制することができ、機密性が向上し、より、温度変化、或いは高温高湿に対する信頼性が向上できる。
【００６５】
また、音響膜７と接合手段４と前記封止手段８は、エポキシ樹脂等の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂をベースとしてあるので、音響膜と接合手段と前記封止手段を個別に配設しても、１回の加熱硬化工程で同時に硬化できるため、簡素化ができるともに、硬化のための加熱回数を少なくでき、その影響を減少させることができるようになるにようになる。
【００６６】
さらに、音響膜７は離型フィルムにエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の表面に転写して形成してあるので、凹凸があり吸い込みやすいセラミック多孔体５で形成された音響整合体
６の表面に所定量の樹脂材料を塗布することができ、音響膜７の厚さを所定の厚さにできるため、音響膜７の膜厚の変化による音響性能を安定化させることができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における超音波送受波器３０の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
【００６８】
セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の細孔を音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手順としては、有天状のケース２表面に、接合手段となる熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体で形成された音響整合体６を載置し、次に、音響膜７は、離型フィルムに熱硬化性のエポキシ樹脂をベースとした樹脂材料を印刷した後、セラミック多孔体５で形成された音響整合体６の表面に転写して形成し、これを所定の温度・時間で焼成する。このとき、音響膜７と接合手段４は、エポキシ樹脂の略同一硬化条件を有する熱硬化性の樹脂接着剤をベースとしてある。次に、この焼成して硬化したものに、封止手段８であるシリコンを、セラミック多孔体で形成された音響整合体の側壁全周にポッティングして、セラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を密封する封止手段を形成してある。
【００６９】
このようにセラミック多孔体で形成された音響整合体の細孔を密封してあるので、実施の形態１と同様な効果が得られ、性質上吸湿しやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体の表面が露出しなくなり、温度変化、或いは高温高湿下に放置されても音響整合体の吸湿が抑制され、良好な出力感度を維持できることとなる。また、セラミック多孔体で形成された音響整合体が前記音響膜と前記接合手段と前記封止手段で保護されるため、セラミック多孔体で形成された音響整合体の一部が欠けたり、発塵する心配もなくなる。
【００７０】
さらに、音響膜と接合手段の間の側壁全周にポッティングするようにしてあるので、ポッティング時に、目視で確認しながら作業ができ、音響膜と接合手段の間の側壁全周を確実に調整しながらポッティングすることができる。
【００７１】
また、ケースの有天部外側に接合手段で密着するように配設した音響整合体の周囲に柔軟性を有する常温硬化型のシリコンからなる封止手段を配設してあるので、実施の形態１よりさらに、圧電体の振動をケースを介して音響整合体に伝達する際に生じるケースの残響を制振することができるようになり、測定精度の向上が図れる。
【００７２】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における超音波送受波器３１の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜７と接合手段４と封止手段８で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段８の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
【００７３】
超音波送受波器３１は、音響整合体６の外周に樹脂等のリング状の封止部材８を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜７と前記接合手段４とで密封した構成としてある。
【００７４】
そして、音響整合体６の外周に樹脂等のリング状の封止部材８を配設して形成し、その上下端部を前記音響膜７と前記接合手段で密封するようにしてあるので、音響整合体６の外周にリング状の封止部材８を挿入するだけで、封止手段を形成することができ、封止手段８形成のための時間短縮ができるようになるとともに、樹脂等のリング状の封止部材８は成形品であるため、音響整合体６の外周に対し均一とすることができ、封止部材の影響
のばらつきを安定化させることができる。
【００７５】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における超音波送受波器３３の断面図である。なお、本実施の形態は、実施の形態１の音響膜と接合手段と封止手段で密封する手段を他の手法で行ったもので、封止手段の構成が実施の形態１の発明と異なるだけで、同一の番号を付与し、異なる構成についてのみ説明を行う。
【００７６】
超音波送受波器３３は、気泡導入された酸化物系セラミック材料からなるスラリーあるいはアクリルボール等の多孔化材を添加した酸化物系セラミック材料からなるスラリー中にモノマーを溶解させ成形用型内に注入するゲルキャスティング法で成形したものを焼成して棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成し、その上下端部を前記音響膜と前記接合手段で密封した構成としてある。
【００７７】
そして、棒状に形成したセラミック多孔体の外殻表面に、所定の厚みになるように接着剤を塗布して封止手段を形成したのち、所定の形状にスライスして構成してあるので、音響整合体と封止手段を一体化でき、一度に複数の音響整合体に封止手段を形成でき、封止手段の安定化をさせやすくできるとともに、工程の簡素化できる。
【００７８】
また、セラミック多孔体で形成された音響整合体を、超音波の送受信をより効率よく行わせるために、その密度を小さくしても、スライス前より強度を保持している棒状態で、セラミック多孔体の外殻表面に、接着剤や塗料等を塗布して形成した封止手段で強度アップが図れ、スライス時の欠け等が防げるとともに、スライスしたものも、強度アップが図れるようになり、音響整合体の取扱いがしやすくなる。
【００７９】
尚、ようにすることができ、その他各部の構成も本発明の目的を達成する範囲であればその構成はどのようなものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上のように、本発明にかかる超音波送受波器およびそれを用いた流れ計測装置は、従来の脆く壊れやすいセラミック多孔体で形成された音響整合体に、音響膜と接合手段と封止手段で密封したものであるため、機械的強度が向上するとともに、温度変化、あるいは高温高湿下に放置に伴う音響整合体の結露をおさえ、結露による出力感度の低下を抑制することが可能となるので、外気にさらされるような自動車のバックソナー等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】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２】本発明の実施の形態１における超音流速流量計の測定原理説明図
【図３】本発明の実施の形態１における音響整合体に用いたセラミック多孔体の製造工程を示す図
【図４】本発明の実施の形態２における超音波送受波器の断面図
【図５】本発明の実施の形態３における超音波送受波器の断面図
【図６】本発明の実施の形態４における超音波送受波器の断面図
【図７】従来の超音波送受波器に組み込むための音響整合部材一部断面拡大図
【符号の説明】
【００８２】
１  超音波送受波器
２  有天状のケース
４  接合手段
５  セラミック多孔体
６  音響整合体
７  音響膜  
８  封止手段
９  圧電体
【図３】
2008261732.tif 000003
【図１】
2008261732.tif 000004
【図２】
2008261732.tif 000005
【図４】
2008261732.tif 000006
【図５】
2008261732.tif 000007
【図６】
2008261732.tif 000008
【図７】
2008261732.tif 000009