(57)【要約】【課題】本発明は超音波振動子に関するものであり、セラミック多孔体に有機ガラスの乾燥ゲルを形成した音響整合層を有する信頼性の高い超音波振動子を提供することにある。【解決手段】超音波振動子１を、直方体の圧電体３と、有機ガラスの乾燥ゲルとセラミック多孔体との混合体からな音響整合層４とから構成し、長期信頼性を向上させた。また、この超音波振動子を用い、超音波流速・流量計を構成し、信頼性の高い超音波流速・流量計を実現した。【選択図】図１
2008193194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体からなる材料と、強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体からなる材料とを混合してなる音響整合層を有する超音波振動子。
【請求項２】
前記強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体からなる材料は、前記強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料に内包されてなる請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料を大きい気孔径で構成し、前記強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料を小さい気孔径で構成した請求項１〜２記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料を無機多孔体で構成し、前記強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料を有機ガラスの乾燥ゲルで構成した請求項１〜３記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料の気孔径を用いる超音波波長の２０分の１以下とした請求項１〜４記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記請求項１〜５記載の整合層を複数層有する超音波振動子。
【請求項７】
前記音響整合層の表面をエラストマ−系材料で被覆した請求項１〜６記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記表面被覆層の厚さを１０ミクロン以下とする請求項７記載の超音波振動子。
【請求項９】
流体の流れる流路の上流側と、下流側とに流体を介して対向するように配置された請求項１から８のいずれかに記載の一対の超音波振動子を備え、前記超音波振動子間の超音波伝播時間から前記流体の流速を求め、前記流速から流体の流量を演算する超音波流速・流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体液体などの流体の流量を計測する超音波振動子および超音波流速・流量計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の超音波振動子は、図９に示すような構成であった。図９は、超音波振動子１０１の断面図を示し、１０２は正方柱状の圧電体１０３を収納するキャップ状の缶ケ−スを示す。１０４は、缶ケ−ス１０２上の設けられた２層からなる音響整合層を示す。２層からなる音響整合層１０４を構成する、１０５はセラミック多孔体を、１０６は多孔性の有機ガラスの乾燥ゲルを示す。１０７は缶ケ−ス１０３と溶接接合された台座を、１０８は電極端子１０９と圧電体１０２とを電気的に接続する導電性ゴムを。１１０は電極端子１０９と台座１０７とを電気的に絶縁する封入ガラス部を、１１１は缶ケ−ス１０３、台座１０７とを電気的に接続する接地端子をそれぞれ示す（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−４５３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような構成の従来の超音波振動子１０１では、２層からなる音響整合層１０４が、構成する２層、即ち、多孔性の有機ガラスからなる乾燥ゲルの層１０６、あるいは多孔性セラミック層１０５の一部部分が連続して形成されていたため、製造時の蒸発乾燥あるいは熱サイクルなどの温度変化により、熱膨張係数の違いによると思われる歪みにより、強度的に弱い有機ガラスの乾燥ゲル１０６にクラックなどのひび割れや、表面層の剥離などが発生し、信頼性に、特に長期信頼性に課題を有していた。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、強度的に弱い有機ガラスの乾燥ゲルを保護する構成からなる音響整合層を有する超音波振動子とし、信頼性、特に、長期信頼性に強い超音波振動子および超音波流速・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】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波振動子は、セラミック多孔体などからなる比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体からなる材料と、有機ガラスの乾燥ゲルなどからなる比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体からなる材料との混合体からなる音響整合層を構成し、超音波振動子とした。
【０００６】
この構成により、比較的強度の小さい有機ガラスの乾燥ゲルなどからなる音響インピ−ダンスの小さな材料を、比較的強度の大きいセラミック多孔体などからなる音響インピ−ダンスの大きな材料で保護することになる。従って、音響特性は主に音響インピ−ダンスの小さい材料に依存することになり、物理的強度は比較的強度の大きいセラミック多孔体に依存することになる。このため、高感度で、熱サイクルなどの温度変化に強い音響整合層とすることができ、信頼性、特に、長期信頼性に強い超音波振動子を構成することができる。また、この超音波振動子を用いることにより、信頼性の高い超音波流速・流量計をも構成することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の超音波振動子は、上記構成であるため、音響特性に優れ、かつ、強度的にも強い、信頼性、特に長期信頼性に優れた特性を有することになる。また、この超音波振動子
を用いることにより、信頼性の高い超音波流速・流量計を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の発明は、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体からなる材料と、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体からなる材料とを混合して音響整合層を構成し、超音波振動子とした。
【０００９】
この構成により、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体を、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体で保護することができ、熱サイクルなどの温度変化に強い音響整合層とすることができ、信頼性、特に、長期信頼性に強い超音波振動子を構成することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の音響整合層において、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体を、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料に内包される構成とした。
【００１１】
この構成により、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体の外部に、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体を構成することができ、熱サイクルなどの温度変化などにさらに強い音響整合層とすることができ、信頼性、特に、長期信頼性に強い超音波振動子を構成することができる。
【００１２】
第３の発明は、特に、第１および第２の発明における音響整合層において、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料を大きい気孔径で構成し、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料を小さい気孔径で構成した。
【００１３】
この構成により、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料を、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体の内部に簡単・容易に形成することが可能となり、信頼性の高い超音波振動子を実現できる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１〜３の発明の音響整合層において、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料を、セラミックなどの無機多孔体で構成し、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料を有機ガラスなどの乾燥ゲルで構成した。この構成により、音響インピ−ダンスが小さく、音響特性に優れた有機ガラスなどの乾燥ゲルからなる比較的強度の小さい材料を、超音波振動子の音響整合層として実用可能とすることができ、高感度で、かつ、温度特性にも優れた超音波振動子を実現することができる。
【００１５】
第５の発明は、特に、第１〜４の発明の音響整合層において、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料の気孔径を用いる超音波波長の２０分の１以下とする構成とした。
【００１６】
この構成により、音響特性に優れた高感度な超音波振動子を実現できる。
【００１７】
第６の発明は、特に、第１〜５の発明の整合層を、複数層から音響整合層を構成し、超音波振動子とした。
【００１８】
この構成により、超高感度で、信頼性の高い超音波振動子を実現できる。また、超音波流速・流量計に適した超音波振動子をも実現できる。
【００１９】
第７の発明は、特に、第１〜６の発明の音響整合層表面にエラストマ−系材料を被覆し、超音波振動子とした。
【００２０】
この構成により、音響整合層の表面がより一層保護される構成となり、信頼性をより高くすることができる。
【００２１】
第８の発明は、特に、第７の発明のエラストマ−系材料の被覆層の厚さを１０ミクロン以下とする構成とした。この構成により、音響特性を著しく劣化させることなく音響整合層の表面を保護することができ、信頼性が高く、音響特性に優れた超音波振動子を実現できる。
【００２２】
第９の発明は、特に、第１〜８発明の超音波振動子を一対用いて超音波流速・流量計を構成することとした。この構成により、信頼性の高い、超音波流速・流量計を実現できる。
【００２３】
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。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図を示す。図１において、超音波振動子１は、キャップ状の缶ケ−ス２の内部にエポキシ樹脂などで接着された圧電体３と、前記缶ケ−ス２の外部に接着された音響整合層４とから構成されている。
【００２５】
音響整合層４は、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体材料と、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連通孔からなる連続体で構成されている。図２に、音響整合層４の詳細図を示す。図２（ａ）の５は比較的強度の大きな、音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる連通孔で構成される材料を、図２（ｂ）の６は比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる連通孔で構成される材料を示す。図２（ｃ）の４は比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料５と、比較的強度小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料６とを混合して形成した音響整合層を示す。
【００２６】
なお、図１において、音響整合層４の外径は約１２［ｍｍ］、厚さ０．３〜１．５［ｍｍ］とした。圧電体３は、約７．４［ｍｍ］角の角柱状とし、その上面、下面には焼き付け銀などで構成される電極が形成されている（図示せず）。また、台座部７は缶ケ−ス２と周辺部で溶接され、圧電体３を密封する構成とした。導電性のゴム８は圧電体３の下面電極と端子９とを電気的に接続している。端子９は、ハ−メチックシ−ルなどの絶縁性材料１０により台座７に固定されている。他方の端子１１は、台座７に直接固定され、缶ケ−ス２を介して、圧電体３の上面電極に接続される構成とした。
【００２７】
なお、この構成において、音響整合層４と缶ケ−ス２とはエポキシ系接着剤を用いて接着固定した。
【００２８】
一般に、超音波振動子の音響整合層として要求される特性は、音響インピ−ダンスが小さいことである。音響インピ−ダンスは、音速と密度との積として示されるので、音響インピ−ダンスの小さい材料は、密度が低く、且つ、音速の遅い材料となる。音速は、通常の場合、材料自身の結合が弱いほど、遅いと言われている。従って、超音波振動子に要求される音響インピ−ダンスの小さい材料は、比較的強度の弱い材料であることが多い。従って、音響インピ−ダンスの小さい材料を単独で構成材料として使用することは、実用上大変難しい。
【００２９】
このように、本発明の音響整合層は、比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連続体からなる材料と、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連続体からなる材料とを、混合して、新たな音響整合層とすることにより、音響インピ−ダンスも比較的小さく、音響特性に優れ、また、比較的強度が大きく、実用可能な音響整合層とすることができる。
【００３０】
また、それぞれの材料を連続体で構成しているため、音、即ち、振動が効率よく伝播し、減衰の少ない音響整合層を形成できる。即ち、音響的に共振した場合に、感度を大きくとることのできる超音波振動子を実現できる構成となる。
【００３１】
（実施の形態２）
上記構成において、比較的強度の大きい、音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体材料を外側に構成し、その内部に比較的強度の小さい、音響インピ−ダンスの小さい連通孔からなる連続体材料を構成することにより、物理的強度の大きい音響整合層とすることが出来、実用可能な強度を確保することができる。即ち、セラミック多孔体などを、上記の比較的強度の大きい、音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体として用い、有機ガラスの原料を上記セラミック多孔体に含浸させ、有機ガラスの乾燥ゲルを形成することにより、比較的強度の小さい、音響インピ−ダンスの小さい連通孔からなる連続体とすることができる。
【００３２】
（実施の形態３）
上記構成において、比較的強度の大きい、音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体材料を気孔径の大きい材料で構成し、比較的強度の小さい、音響インピ−ダンスの小さい連通孔からなる連続体材料を気孔径の小さい材料で構成することにより、大きい気孔径の内部に小さい気孔径からなる材料を容易に構成することができる。即ち、セラミック多孔体などを、上記の比較的強度の大きい、音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体として用い、連通孔からなる大きい気孔径の中に、有機ガラスの原料を含浸させ、有機ガラスの乾燥ゲルを形成することにより、より気孔径の小さい連通孔からなる連続体とすることができる。この構成により、実用可能な強度を確保するとともに、音響特性に優れた音響整合層を構成することができる。
【００３３】
（実施の形態４）
この種の比較的強度が大きく、音響インピ−ダンスの大きい材料として無機質のセラミック多孔体が適している。密度の低いセラミックとして気孔率の大きい、多孔体が適している。セラミック多孔体として密度は、（０．２５〜０．５０）×１０３［ｋｇ／ｍ３］は容易に準備することができる。また、音速は２０００〜３５００［ｍ／ｓ］程度であり、音響インピ−ダンス（Ｚｉｍｐ）としては、（０．５０〜１．７５）×１０６［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］となる。また、この種の比較的強度が小さく、音響インピ−ダンスの小さい材料として有機ガラスの乾燥ゲルが適している。有機ガラスの乾燥ゲルは、密度（０．１５〜０．４０）×１０６［ｋｇ／ｍ３］  は容易に準備することができ、また音速は、２００〜５００［ｍ／ｓ］程度となる。音響インピ−ダンスとしては、（０．０３〜０．２０）×１０６［ｋｇ／ｍ３］となる。
【００３４】
以下に簡単にこの種の無機質のセラミック多孔体について説明する。
【００３５】
セラミック多孔体に要求される特性は、気孔率が大きく、気孔径分布が一様で、且つ、分布に偏りがないことが重要でとなる。このようなセラミック多孔体を形成するには、気泡を多く含むセラミックスラリ−を固化させ、焼成するゾルキャスティグ法が適している。
【００３６】
簡単に、ゾルキャスティング法の工程を説明する。まず、セラミック粉末原料と、架橋剤、触媒、界面活性剤などを含むゲル化材料とを十分混合する。このとき混合媒体としては水あるいは有機溶媒などを用いるとよい。このようにしてセラミックスラリ−が形成される。このとき、分散剤、滑剤、増粘剤、糊剤などを添加してもよい。
【００３７】
次に、このセラミックスラリ−に気泡剤を添加し、攪拌・混合し、スラリ−中に、気泡を所定量導入する。なお、気泡を導入する前には、セラミックスラリ−を予め充分脱気しておくと、気泡の導入量が安定する。このようにして気泡が導入されたセラミックスラリ−所定の形状となるよう型枠に入れ、成形する。乾燥後、脱型し、界面活性剤などの有機物を焼き飛ばすことにより多くの気泡を含むセラミック成型体が形成される。その後、所定の温度、時間により、セラミック成形体を焼成する。
【００３８】
このとき、セラミック粉末材料として、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系などの酸化物系の材料を用いると、比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。また、炭化珪素系、窒化珪素系、窒化アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト系などの非酸化物系のセラミック材料を用いても比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。
【００３９】
また、非酸化物系のセラミック材料を用いると焼成前後の寸法変化が小さいため、成形性が良い。通常の酸化物系セラミック材料の場合、焼成前後の寸法は、１０〜５０［％］前後収縮するものが多いが、非酸化物系の材料の場合、焼成において若干酸化し、体積が増加するためか、焼成前後の寸法変化が、おおよそ１０［％］以下に収まる場合が多いので、この種の目的のセラミック多孔体として非常に適していることになる。
【００４０】
次に、音響整合層としては、音速が遅く、密度の小さいことが要求され、有機ガラスの乾燥ゲルが適している。有機ガラスの乾燥ゲルは次のようにして準備する。エトキシシランあるいはメトキシシランなどの有機溶液からなるガラス原料を、塩酸系触媒を用い十分活性な状態で、メチルあるいはエチルなどのアルコ−ル系溶媒に分散させる。この分散された溶液をアンモニア水などの塩基性触媒を添加するとともに、テフロン（登録商標）などの反応しない材料で作成された型枠に流し込み、成形する。この状態で、４０〜５０［℃］、３〜６［ｈ］保持すると、成形された湿潤ゲルが得られる。
【００４１】
この湿潤ゲルを再度、エトキシシランあるいはメトキシシランなどの原料溶液とアンモニアなどの塩基性触媒とを用い、再度有機ガラスを形成すると、湿潤ゲルを乾燥させても、収縮しない、即ち、体積変化の殆どしない乾燥ゲルが得られる。この有機ガラスの乾燥ゲルを使用目的に応じて、疎水化処理などを施すことがある。疎水化処理は、ジメチルジエトキシシラン溶液とアンモニアなどの塩基性触媒などを用い実施した。このようにして成形された有機ガラスの乾燥ゲルを準備する。
【００４２】
本発明の音響整合層では、上記で説明した無機質のセラミック多孔体を準備し、その多孔体に上記で説明した有機ガラスの原料を流し込み、セラミック多孔体にお内部に有機ガラスの乾燥ゲルを形成し、音響整合層とした。
【００４３】
このようにして形成した音響整合層を有する超音波振動子の特性を図３（ａ），（ｂ）に示す。セラミック多孔体の密度は約０．３５［ｇ／ｃｍ３］、有機ガラスの乾燥ゲルの密度は約０．２５［ｇ／ｃｍ３］であった。図３（ａ）、（ｂ）は、超音波振動子の感度と周波数との関係を示し、横軸に周波数を、縦軸に感度を示す。図３（ａ）に音響整合層の厚さを変えて作成した比較的感度の大きいかった超音波振動子の周波数特性を示す。１
２は音響整合層が約１．１０［ｍｍ］、１３は約１．０５［ｍｍ］、１４は約１．００［ｍｍ］、１５は約０．９５［ｍｍ］、１５は約０．９０［ｍｍ］の場合の結果をそれぞれ示す。
【００４４】
音響整合層の厚さが厚いほど、中心周波数は低くなった。もっとも感度の大きい１４の中心周波数は約５００［ｋＨｚ］であった。この場合の超音波の音速は、（１／４）波長を１［ｍｍ］と考えることができるので、約２０００［ｍ／ｓ］であった。図３（ｂ）に音響整合層の厚さを変えて作成した比較的感度の小さかった超音波振動子の周波数特性を示す。１７は音響整合層が約１．１０［ｍｍ］、１８は約１．０５［ｍｍ］、１９は約１．００［ｍｍ］、２０は約０．９５［ｍｍ］、２１は約０．９０［ｍｍ］の場合の結果をそれぞれ示す。図３（ａ）の場合と同様に、音響整合層の厚さが厚いほど、中心周波数は低くなった。もっとも感度の大きい１９の中心周波数は約５００［ｋＨｚ］であった。この場合も超音波の音速は、（１／４）波長を１［ｍｍ］、即ち、波長を４［ｍｍ］と考えることができるので、約２０００［ｍ／ｓ］であった。
【００４５】
図４（ａ），（ｂ）に図３（ａ），（ｂ）に示した超音波振動子の音響整合層の表面写真を示す。図４（ａ）は、比較的感度の大きかった図３（ａ）に示した超音波振動子の音響整合層の表面写真を示し、２２ａおよび２２ｂは直径が約２００［μｍ］の気孔を示す。なお、気孔の中に有機ガラスの乾燥ゲルが存在しているのがわかる。写真より、セラミック多孔体の気孔径は、大きくても約２００［μｍ］で、全般的により細かい直径の気孔から構成されていることがわかる。
【００４６】
図４（ｂ）は、比較的感度の小さかった図３（ｂ）に示した超音波振動子の音響整合層の表面写真を示し、２３ａおよび２３ｂは直径が約３００［μｍ］の気孔を示す。また、２４ａは直径が約５００［μｍ］の気孔を示す。なお、気孔の中に有機ガラスの乾燥ゲルが存在しているのが分かる。写真より、セラミック多孔体は、気孔径が約３００［μｍ］以上のものを多く含み、大きいものでは５００［μｍ］程度であることがわかる。また、さらに大きい気孔径のものも散見され、図４（ａ）に示したものに比べ、不均一であることがわかる。
【００４７】
この結果より、比較的感度の大きい超音波振動子の音響整合層を構成するセラミック多孔体は、気孔径が大体均一で約２００［μｍ］以下であることが必要であるといえる。また、図４（ｂ）に示した不均一で大きい気孔径を含んでいる音響整合層を構成するセラミック多孔体を有する超音波振動子は、比較的感度が小さいと言える。
【００４８】
なお、気孔径約２００［μｍ］は、超音波の波長４［ｍｍ］の（１／２０）に相当する。
【００４９】
このようにして形成した音響整合層を有する超音波振動子に対し、熱サイクル試験を実施した結果を図５に示す。なお、熱サイクル試験には、図５（ａ）に示した比較的感度の大きい超音波振動子を用いた。同図において、横軸は熱サイクル試験におけるサイクル数を、縦軸に開始時を１．０とする超音波振動子の相対感度を示す。熱サイクル試験は、＋８０［℃］と、−４０［℃］の気相中に約３０分間、交互に保持する方法とした。図中の白丸で示される実線２２は本発明に基づく超音波振動子の結果（Ｎ＝１０個の平均）を、黒四角で示される破線２３は従来の超音波振動子の結果（Ｎ＝１０個の平均）を示す。
【００５０】
本発明に基づく超音波振動子では、熱サイクル２０００回においても、感度低下は約５［％］以下であり、実用上問題となる１０［％］以上感度低下するものは無かった。従来の超音波振動子では、１５００回以降に劣化するものが多く見られ、２０００回では、実用上問題となる１０［％］以上の感度低下が発生した。本発明に基づく超音波振動子では
、比較的強度の弱い、音響イオンピ−ダンスの小さい有機ガラスの乾燥ゲルが、比較的強度の大きい、音響インピ−ダンスの大きい無機質のセラミック多孔体で保護される構成であるためと考えられる。
【００５１】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における超音波振動子２４の断面図を示す。２５は上記で説明した本発明に基づく比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きい連通孔からなる連続体材料と、比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さい連通孔からなる連続体で構成された音響整合層を２層（２６、２７）備えた音響整合層を示す。２６と２７とは同じ構成の音響整合層であるが、表面に近い２７の方の音響インピ−ダンスが小さくなるように構成した。即ち、２６はセラミック多孔体の密度を０．８〜０．９［ｇ／ｃｍ３］程度とし、２７の方は０．３〜０．４［ｇ／ｃｍ３］程度とした。また、それぞれの内部に形成した有機ガラスの乾燥ゲルの密度は、２６は０．３０〜０．３５［ｇ／ｃｍ３］、２７は０．１５〜０．２５［ｇ／ｃｍ３］とした。なお、それぞれの厚さは、超音波波長の（１／４）となるように調整した。
【００５２】
この構成により、超音波の出力特性は大幅に増加した。即ち、大きい音響インピ−ダンスを持つ圧電体３で発生した超音波は、第１の音響整合層２６、および、第２の音響整合層２７を通り外部に放出されるため、より効率よくインピ−ダンスマッチングが取れるためと考えられる。
【００５３】
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６における超音波振動子２８の断面図を示す。２９は音響整合層４の表面に設けた被覆層を示す。表面の被覆層２９は、シリコンゴムあるいはフッ素ゴムなどの硬化後も粘着力のあるエラストマ−系接着剤で構成した。
【００５４】
この構成により、表面が滑らかとなり、超音波の出力感度がより大きくなった。即ち、図４で示した多孔体の凹凸がなくなり平滑となったため、超音波振動のエネルギ−がより効率よく外部へ伝達されるためと考えられる。また、表面がエラストマ−系材料で被覆されているため、組立て作業などで表面を損傷することもなくなり、また機械的な強度も向上し、作業効率が向上した。
【００５５】
なお、被覆膜の厚さは、概ね１０［μｍ］以下とした。被覆膜が厚すぎると、音響インピ−ダンスの逆転層として作用するようになり、超音波の出力特性が低下するようになる。被覆膜が１０［μｍ］以下の場合には、音響整合層としては無視できるようになし、超音波出力特性が低下することはない。
【００５６】
（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７における超音波流速・流量計の断面図を示す。３０は超音波流速・流量計の断面図を示し、３１は流体の流れる流路、３２は上流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子、３３は下流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子。なお、実線の矢印３４は流体の流れる方向を、破線の矢印３５は上流側の振動子３２と、下流側の振動子３３との間での超音波の伝播する方向をそれぞれ示す。図中のθは、流体の流れる方向と、超音波の伝播する方向との交差角を示す。
【００５７】
この構成において、上流側の超音波変換器３２から超音波を送信し、下流側の超音波変換器３３で受信し、また下流側の超音波変換器３３から超音波を送信し、上流側の超音波変換器３２で受信するよう交互に繰り返している。このとき、上流側の超音波変換器３２から下流側の超音波変換器３３への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器３３から上流側の超音波変換器３２への超音波の伝播時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を
伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
となる。なお、Ｌｄは超音波振動子間の距離を示す。
【００５８】
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕ
となり、これらの両辺を引き算すると、
２＊Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）−（Ｌｄ／Ｔｄｕ）
＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となる。よって、
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得られる。さらに、流路３１の断面積Ｓｒを乗じると、流量Ｑｍとなる。
【００５９】
即ち、Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。このように超音波振動子間の距離Ｌｐ、および流路３１の断面積Ｓｒは、予めわかっているので、上述のように流路３１を流れる流体の流速Ｖｆおよび流量Ｑｍが計測されることになる。
【００６０】
本発明の超音波振動子を用いることにより、即ち、セラミック多孔体などからなる比較的強度の大きい音響インピ−ダンスの大きいな連続体からなる材料と、有機ガラスの乾燥ゲルなどからなる比較的強度の小さい音響インピ−ダンスの小さな連続体からなる材料との混合体からなる音響整合層を有しているので、感度が大きいので、Ｓ／Ｎよく流体の流速・流量を計測することができる。また、機械的強度も大きくので、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】
【００６１】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、感度が大きく、信頼性にも優れているので、高性能な超音波流速・流量計をも実現できる。従って、長期信頼性を要求される家庭用ガスメ−タ、水道用メ−タなどの用途の適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波振動子の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における音響整合層の断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における音響整合層の断面図（ｂ）本発明の実施の形態２における音響整合層の平面図
【図４】本発明の実施の形態４における音響整合層の表面の顕微鏡写真
【図５】本発明の実施の形態４における熱サイクル試験の特性図
【図６】本発明の実施の形態５おける超音波振動子の断面図
【図７】本発明の実施の形態６おける超音波振動子の断面図
【図８】本発明の実施の形態７おける超音波流速・流量計の断面図
【図９】従来の超音波振動子の断面図
【符号の説明】
【００６３】
１  超音波振動子
２  缶ケ−ス
３  圧電体
４  音響整合層
５  セラミック多孔体
６  有機ガラス
【図１】
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【図３】
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【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８】
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【図９】
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