(57)【要約】【課題】特性ばらつきが小さく、信頼性の優れた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】骨格２によって形成される複数の孔部３が傾斜配向したセラミック多孔体において、前記孔部が傾斜配向した表層部を除去して所定の形状とすることにより、音響整合層１の構成部材であるセラミック多孔体の密度の高い表層部を除去することになり、音響整合層１の密度ばらつきが小さくなり、音響整合層１の音響インピーダンスのばらつきが小さくなり、特性ばらつきが小さい、安定した超音波送受波器となる。【選択図】図１
2008193294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨格によって形成される複数の孔部が傾斜配向したセラミック多孔体において、前記孔部が傾斜配向した表層部を除去して所定の形状とした音響整合層。
【請求項２】
含気泡セラミックラリーをゲル化して得たゲル状多孔質成形体を、乾燥、脱脂、焼成したセラミック多孔体において、前記セラミック多孔体表層部を除去して、所定の形状とした音響整合層。
【請求項３】
開気孔率が６０％以上である、請求項１または２に記載の音響整合層。
【請求項４】
セラミックラリーは、難焼結性材料を含む、請求項１または２に記載の音響整合層。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響整合層と振動手段とを備える超音波送受波器。
【請求項６】
音響整合層を疎水化してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
【請求項７】
音響整合層は、焼成後に超音波伝播方向の厚み調整を行った請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
【請求項８】
前記振動手段が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が密閉容器を介して前記圧電振動子と対向した外面に配置されている請求項５〜８のいずれか１項に記載の超音波送受波器。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、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量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して気体の流量を計測する流量計測装置や、物体との距離を測定する距離計測装置に用いる超音波送受波器に関するもので、特に圧電振動子の音響インピーダンスと被測定流体の音響インピーダンスとの整合をとる音響整合層、さらにはこれを用いた超音波送受波器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波が流量計測部を伝搬する時間を計測し、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。このような超音波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において、構成している音響整合層の音響インピーダンスが重要となる。
【０００３】
音響インピーダンスＺは、物質中の音速Ｃと密度ρとで式（１）のように定義される。
【０００４】
Ｚ＝ρ×Ｃ                                      （１）
音響インピーダンスは振動手段である圧電振動子である固体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、一般的な圧電振動子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のピエゾセラミックの音響インピーダンス（Ｚ０）は３０×１０６ｋｇ／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。
【０００５】
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おいて反射を生じて、放射媒体を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振動子と超音波の放射媒体である気体と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（２）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。この物質が音響整合層である。
【０００６】
Ｚ＝（Ｚ０×Ｚ３）（１／２）                    （２）
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、１１×１０４ｋｇ／ｍ２／ｓ程度となる。この音響インピーダンスを満たす音響整合層は、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、超音波送受波器としたときにおいても破壊しないことが要求される。
【０００７】
従来この種の超音波送受波器は、音響整合層は密度を小さく出来る空隙を備えるセラミック多孔質体が用いられることがある。この種のセラミック多孔体においては、難燒結性のセラミック粉末を有する含気泡セラミックラリーをゲル化して得たゲル状多孔質成形体を、乾燥、脱脂、焼成して、セラミック多孔体を得る方法が使われる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６１４６３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、図８に示した前記従来の構成では、セラミック多孔体の表層部６４の密度が高く、この表層より内部に向かって孔部が傾斜配向した部分があり、さらに内部では孔部が均一な部分が存在し、前記セラミック多孔体を音響整合層として使用する場合、セ
ラミック多孔体表層部の孔部が大変小さく、密度が高い部分が音響整合層の密度ばらつきの原因となるため、音響整合層の音響インピーダンスがばらつくことになり、測定流体への超音波の透過ばらつきの原因となるという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、超音波の透過ばらつきが小さく、特性ばらつきが小さい超音波送受波器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】
【００１０】
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、骨格によって形成される複数の孔部が傾斜配向したセラミック多孔体において、前記孔部が傾斜配向した表層部を除去して所定の形状としたものである。
【００１１】
これによって、音響整合層の構成部材であるセラミック多孔体の密度の高い表層部を除去することになり、音響整合層の密度ばらつきが小さくなり、音響整合層の音響インピーダンスのばらつきが小さくなり、特性ばらつきが小さい、安定した超音波送受波器となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超音波送受波器は、特性ばらつきが小さく、安定した超音波送受波器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、骨格によって形成される複数の孔部が傾斜配向したセラミック多孔体において、前記孔部が傾斜配向した表層部を除去して所定の形状とした音響整合層とすることにより、音響整合層の構成部材であるセラミック多孔体の密度の高い表層部を除去することになり、密度ばらつきの小さい音響整合層となり、超音波送受波器に用いた場合に音響インピーダンスのばらつきが小さくなり、特性ばらつきが小さい、安定した超音波送受波器となる。
【００１４】
第２の発明は、含気泡セラミックラリーをゲル化して得たゲル状多孔質成形体を、乾燥、脱脂、焼成したセラミック多孔体において、前記セラミック多孔体表層部を除去して、所定の形状とした音響整合層とすることにより、音響整合層の構成部材であるセラミック多孔体の密度の高い表層部を除去することになり、密度ばらつきの小さい音響整合層となり、超音波送受波器に用いた場合に音響インピーダンスのばらつきが小さくなり、特性ばらつきが小さい、安定した超音波送受波器となる。
【００１５】
第３の発明は、開気孔率が６０％以上である、請求項１または２に記載の音響整合層とすることにより、音響整合層をより軽量とすることができるため、超音波送受波器に用いた場合に、測定流体への超音波の反射を軽減することができ、優れた特性を実現することができる。
【００１６】
第４の発明は、セラミックラリーは、難焼結性材料を含む、請求項１または２に記載の音響整合層とすることにより熱膨張係数が小さくすることができ、超音波送受波器に用いた場合に信頼性の優れた超音波送受波器とすることができ、さらに、セラミックの骨格の中に多数の粒子間気孔を容易に形成させることができ、より軽量化できるため測定流体への超音波の反射を軽減することができ、優れた特性を実現することができる。
【００１７】
第５の発明は、請求項１〜４にいずれかに記載の音響整合層と振動手段とを備える超音波送受波器とすることにより、信頼性に優れ、特性も優れた超音波送受波器とすることができる。
【００１８】
第６の発明は、音響整合層を疎水化してなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波送受波器とすることにより、高温高湿かでも安定した特性を実現することができる。
【００１９】
第７の発明は、音響整合層は、焼成後に超音波伝播方向の厚み調整を行った請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波送受波器とすることにより、焼成前後の寸法変化によって起こる出力のばらつきを低減することができる。
【００２０】
第８の発明は、前記振動手段が密閉容器の内面に配置されてなり、前記音響整合層が密閉容器を介して前記圧電振動子と対向した外面に配置されている請求項５〜８のいずれかに記載の超音波送受波器とすることができ、振動手段が大気に触れることがないため、高温高湿下においても安定に動作し、長期にわたって安定した特性を維持することができる。
【００２１】
第９の発明は、請求項５〜８のいずれか１項に記載の超音波送受波器を具備する超音波流量計であって、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量計とすることにより、高信頼性の流量計を実現するとすることができる。
【００２２】
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、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明第１の実施の形態における音響整合層の断面拡大図を示すものである。
【００２４】
図１において、音響整合層１は、セラミックで形成されており、骨格２によって形成される複数の孔部３を備えた構成をしている。以上のように構成された音響整合層１について以下、その製造方法について述べる。
【００２５】
音響整合層１に用いるセラミック多孔体の製造方法は、次のように形成するのが好ましい。
【００２６】
図２は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を示すものであり、図３は本発明実施の形態１におけるセラミック多孔体の製造工程断面模式図を示している。
【００２７】
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、保持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。
【００２８】
セラミック多孔体の製造は、図３を用いて説明すると、これらの難焼結性セラミックを
粉砕する工程と、図３（ａ）セラミックの粉末に添加剤を加えスラリー化し、図３（ｂ），図３（ｃ）気泡を導入する工程と、図３（ｄ）スラリーを型に流し込み成型する工程と、図３（ｆ）脱型し乾燥する工程と、焼成する工程よりなる。さらに、音響整合層にする場合には図３（ｇ）前記孔部が傾斜配向した表層部を除去する加工工程と、図３（ｈ）厚み調整工程とよりなる。以下詳細に説明する。
【００２９】
（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。
【００３０】
（セラミックの粉末のスラリー化工程）
セラミックラリーにおいて、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。
【００３１】
セラミックラリーは、図３（ａ）に示したように、セラミックラリー気泡導入前に脱泡して容器４の中にセラミックスラリー５を秤量し、攪拌機６で攪拌しながら気泡を導入し、気泡導入したセラミックスラリー７を調整する。セラミック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。
【００３２】
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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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ラリー７を、成形型８に注入して蓋９をし、ゲル化させ、ゲル状多孔質成形体を形成する。含気泡セラミックラリーを例えば円筒状の成形型８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。
【００３８】
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。この状態において、密度の高い多孔体表層部１０と、密度の均一な多孔体内部１１が形成されていると考えられる。
【００３９】
（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。
【００４０】
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。このようにして得られたセラミック多孔体の表層部は、表層より内部に向かって孔部が傾斜配向した部分があり、最表面は内部に比べて密度が高い状態にある。これをそのまま音響整合層として使用した場合に、密度の高い部分が不均一に存在する為、音響整合層の密度ばらつきの原因となる。これを解決する為、密度の高いセラミック多孔体表層部１０を除去する為、セラミック多孔体が円筒形状の場合は、固定部１２および１３で固定し、旋盤などで多孔体表層部１０を除去し、さらに、本工程で、音響整合層１４の外径加工を同時に行う。その後、超音波送受波器に用いる音響整合層の超音波放射面にたいし、厚み方向の加工を行う。たとえば、ダイシングマシンなどを用いて厚み加工を行う。多孔体表層部１０を備える音響整合層１５は密度が不安定なため、製品としては使用しない。
【００４１】
必要に応じて、音響整合層表面を疎水化処理することもある。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。
【００４２】
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。このような工程により、本発明の音響整合層を得ることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、本発明実施の形態２における超音波送受波器の断面図を示すものである。
【００４４】
図４において、超音波送受波器１６は、一対の電極１７、１８を備える振動手段１９である圧電体と、音響整合層２０と、接合部材２１と、前記電極１７、１８に電気的に接続されたリード線２２、２３で構成されている。音響整合部材２０と、振動手段１９とは接合部材２１で接続されている。
【００４５】
接合部材２１は例えば、主剤となるエポキシ樹脂に、粘度調整のために添加するシリカ、アルミナなどの微細粒子、硬化剤を添加した接着剤、あるいは常温でシート状のシート接着剤などの有機材料などが適用できる。また、銀ペーストなどのような無機導電性粒子を熱硬化性樹脂とともに混合した導電性ペースト、あるいは、銀ロウなどのロウ付け材料など接合部材１４として使用可能である。超音波送受波器１６の製造方法は、まず、音響整合層２０を１／４波長の厚さに調整し、音響整合層１６あるいは振動手段１９である圧電体の少なくとも一方の電極面に接合部材を塗布形成し、振動手段１９の一方の電極１７と、音響整合層２０とを張り合わせ、治具などによって加圧固定し、治具ごとオーブンに入れて、接合部材２１を硬化して接合する。接合部材２１は、加熱によって一時的に粘度が低下して音響整合層２０に浸透し、さらに加熱されることによって硬化する材料を選択した。
【００４６】
以上のように構成された超音波送受波器１６について以下その動作、作用を説明する。まず、リード線２２、２３に外部より２００〜６００ＫＨｚ程度の周波数のパルス電圧を加えることによって、振動手段３である圧電体が電極面に対して垂直方向に振動し、その振動に共振する厚み（１／４波長）に調整した音響整合層２０が振動し、音響整合層２０より、空気中あるいはガス中に振動が効率よく伝えられる。
【００４７】
以上のようにして形成した、超音波送受波器によって、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化した超音波送受波器１を提供することが可能となった。
【００４８】
（実施の形態３）
図５は、本発明第３の実施の形態における超音波送受波器３５の断面図を示しており、図６は超音波送受波器３５の製造方法を示す工程断面図である。
【００４９】
以下超音波送受波器３５の製造工程に関して説明する。図６（ａ）工程は音響整合層３７を形成する工程であり、実施の形態２と同様のため省略する。図６（ｂ）工程は、振動手段３６である圧電体であり、焼き付け銀形成した電極３８表面と、密閉容器４２である有天筒状金属ケースの天部外壁面とに接合部材４０である接着剤を印刷する工程である。印刷は、スクリーン印刷、グラビア印刷、転写など接着剤を所定の厚さに印刷できれば限
定されるものではない。前記有天筒状ケースは金属ケースであり、鉄、真鍮、銅、アルミ、あるいは、これらの合金、あるいはこれらの金属の表面にめっきを施した金属など何でも良い。
【００５０】
接合部材４０である接着剤を印刷した振動手段３である圧電体を、密閉容器４２である有天筒状金属ケース天部内壁面に、天部外壁面に音響整合層３７を振動手段３である圧電体と対向するように貼り付ける。このような状態で、加圧しながら、接着剤を硬化する。接着剤は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアノアクリレート樹脂など特に限定されない。
【００５１】
図６（ｃ）工程は、有天筒状金属ケースの開口部に導電手段４４を挿入した端子板４５を溶接によって接合する。端子板４５は電極端子４６と電極端子４７とを備え、端子板絶縁部４８によって電気的に絶縁されている。導電手段４４は、シリコンゴム、ブタジエンゴム、エラストマーなどの弾性体と、導電体とで構成され、電極３９と電極端子４７とを電気的に接続し、電極３８と密閉容器４２である有天筒状ケースと電極端子４６とは電気的に接続されている。
【００５２】
密閉容器４２である有天筒状金属ケースと端子板４５との溶接時に、密閉容器４２である有天筒状金属ケースと端子板４５とで形成した密閉空間４３内部に不活性ガスを注入し超音波送受信器３５を製造した。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るものではない。溶接時に有天筒状ケース内に不活性ガスを挿入することによって銀電極を備えた振動手段３６である圧電体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。
【００５３】
以上のように構成した超音波送受波器は、低音響インピーダンスの音響整合層となり高感度ならびに特性の安定化した超音波送受波器３５を提供することが可能となった。
【００５４】
（実施の形態４）
図７は、本発明第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。
【００５５】
図７において、流路４９で構成される流体の流れる流量計測部５０に、超音波送受波器５１、超音波送受波器５２が一対流体の流れに対し斜めに角度をもって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５１から伝播する超音波の伝達経路を示しており、Ｌ２は下流側に配置された超音波送受波器５２の超音波の伝達経路を示している。
【００５６】
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５１を超音波送波器、超音波送受波器５２を超音波受波器として用いたときに、超音波送受波器５１から出た超音波パルスが超音波送受波器５２に到達する伝搬時間ｔ１は、
ｔ１＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）                  （３）
で示される。
【００５７】
次に、超音波送受波器５２から出た超音波パルスが、超音波送受波器５１に到達する伝搬時間ｔ２は、
ｔ２＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）                  （４）
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））      （５）
の式が得られる。
【００５８】
Ｌとθが既知なら、計測回路５３にてｔ１とｔ２とを測定すれば、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５０の断面積Ｓと補正係数Ｋとを乗じれば、流量Ｑを求めることができる。演算手段５３は、上記Ｑ＝ＫＳＶを演算するものである。
【００５９】
本発明の超音波送受波器を用いることにより、超音波送受波器の特性の安定化することができるため、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかる音響整合層および超音波送受波器は、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現することが可能となるので、高性能で、長期信頼性を要求される家庭用ガスメータ、水道用メータなどの用途の適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態１における音響整合層の断面拡大図
【図２】本発明の実施の形態１における音響整合層に用いるセラミック多孔体の製造工程図
【図３】本発明の実施の形態１における音響整合層に用いるセラミック多孔体の製造工程断面模式図
【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３における超音波送受波器の製造工程断面図
【図７】本発明の実施の形態４における流速・流量計の断面図
【図８】従来の音響整合層の断面拡大図
【符号の説明】
【００６２】
１  音響整合層
２  骨格
３  孔部
１０  表層部
１９  振動手段
２０  音響整合層
２１  接合部材
３５  超音波送受波器
４６  振動手段
５０  流量計測部
５１、５２  超音波送受波器
５３  計測回路
５４  演算手段
【図２】
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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１】
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【図３】
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【図８】
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