(57)【要約】【課題】本発明は超音波振動子に関するものであり、信頼性の高くするとともに、それを用いた高信頼性の超音波流量計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２で構成するととに、有機ガラスを内包するセラミック多孔体で音響整合層３を構成し、信頼性を向上させた。また、この超音波振動子１を用い、高信頼性の超音波流量計７を実現した。【選択図】図１
2005260409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中の音速よりも遅い音速を有する充填材を内包した多孔体と、圧電体とからなる超音波振動子。
【請求項２】
前記多孔体をセラミックで形成されてなる請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記セラミックが、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも１つを含む材料と結合材としての低融点ガラスで形成されてなる請求項２記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記充填材を有機ガラスで形成されてなる請求項１記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記有機ガラスが、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナから選ばれる少なくとも１つを含む材料で形成されてなる請求項４記載の超音波振動子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の超音波振動子を備えた超音波流体計測装置であって、流体が流れる流路を具備した流体計測部と、前記流路の流体の流れる上流部と下流部とに対向させた一対の前記超音波振動子を備え、前記一対超音波振動子間を超音波が伝播する伝播時間を計測し、流速またはおよび流量を演算する演算部を備えた超音波流体計測装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、可燃性ボールにセラミック粉体を被覆し、成形後、前記可燃性ボールを焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、スラリー状のセラミック粉体に、界面活性剤を混合、気泡を導入し、成形乾燥後、前記界面活性剤を焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項９】
請求項１、４および５のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、セラミック多孔体の内面を予め酸あるいはアルカリで洗浄した後、溶液状の充填材を充填し、乾燥して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１、４、５および９のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、溶液状の充填材を充填する時に、超音波などの振動を加えながら充填して形成することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流速，流量を計測する超音波流体計測装置およびそれに用いる超音波振動子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１１に示すような構成であった。図１１は、超音波振動子１０１の外観を示し、１０２は正方柱状の圧電体を、１０３は圧電体１０２の一方の正方面上に設けられた音響整合層を示す。なお、圧電体１０２の上下面には焼付け銀からなる電極１０４，１０５が設けられている。音響整合層１０３は、ガラスバルーンや、プラスチックバルーンなどの空隙の多い材料と気泡などをエポキシ樹脂などに充填し、固めて使用していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２１５５９４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、音響整合層１０３にエポキシ樹脂を用いているので、高温高湿中では膨潤したり、あるいは、軟化点が比較的低いため、温度特性に問題があるなどの課題を有していた。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、無機材からなる充填材とセラミック多孔体とからなる音響整合層で、超音波振動子を構成した。
【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、無機材からなる充填材とセラミック多孔体とからなる音響整合層と圧電体とで、超音波振動子を構成しているので、高温高湿中でも膨潤したりせず、また、軟化点も比較的高いため、通常用いる温度範囲では、温度特性が安定している超音波振動子を実現できる。また、この超音波振動子を用いて流量計を構成するので、信頼性の高い超音波流量計を提供することをも目的としている。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように、本発明によれば、信頼性の高い超音波振動子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の発明は、超音波振動子を、気体中の音速よりも遅い音速を有する無機材料からなる充填材を内包したセラミック多孔体と、圧電体とからなる構成とした。この構成により、高温高湿中でも膨潤したりせず、また、軟化点も比較的高いため、通常用いる温度範囲では、温度特性が安定した超音波振動子を実現できる。
【０００８】
第２の発明は、特に第１の発明の多孔体をセラミックで構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明のセラミックを、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも１つを含む材料と結合材としての低融点ガラスとで構成した。この構成により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に構成することができた。
【００１０】
第４の発明は、第１の充填材を、有機ガラスで構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明の有機ガラスを、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナから選ばれる少なくとも１つを含む材料で構成した。この構成により、高温高湿中でも膨潤しない音響整合層を実現できた。
【００１２】
第６の発明は、第１〜第５の発明のいずれかに記載の超音波振動子を備え、流体が流れる流路を具備した流体計測部と、前記流路の流体の流れる上流部と下流部とに対向させた一対の前記超音波振動子を備え、前記一対超音波振動子間を超音波が伝播する伝播時間を計測し、流量を演算する演算部を備えた構成とした。この構成により、信頼性の高い超音波流体計測装置を実現できた。
【００１３】
第７の発明は、第１〜第３の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、可燃性ボールにセラミック粉体を被覆し、成形後、前記可燃性ボールを焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に実現できた。
【００１４】
第８の発明は、第１〜第３の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、スラリー状のセラミック粉体に、界面活性剤を混合後、気泡を導入し、成形乾燥後、前記界面活性剤を焼き飛ばし、焼結して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、空孔率の大きいセラミック多孔体を容易に、効率よく実現できた。
第９の発明は、第１、第４および第５の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、セラミック多孔体の内面を予め酸あるいはアルカリで洗浄した後、溶液状の充填材を充填し、乾燥して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、信頼性の高い音響整合層を実現できた。
【００１５】
第１０の発明は、第１、第４、第５および第９の発明のいずれかの超音波振動子の製造方法を示し、溶液状の充填材を充填する時に、超音波などの振動を加えながら充填して形成することを特徴とする製造方法とした。この製造方法により、高信頼性の音響整合層を安定して実現することができた。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中の同一番号を付けているものは、同一なものを示しているので、説明を省略する。
【００１７】
（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１の外観図を示し、２は直方体の圧電体を示し、高さＴ、幅Ｗ、長さＬを図１に示したように定義する。圧電体２の上面には音響整合層３を設けた。また、圧電体の上面、下面には焼き付け銀からなる電極４および５を形成した。図２に音響整合層３の主要部を示す。６は、セラミック多孔体の空孔部分を示し、内部に音速が気体中の音速よりも遅い音速を有する充填材で充填されている。この構成により、セラミック多孔体の強度が大きくなり、音響整合層として最適な板厚に研磨加工するときに、破断することが無くなった。
【００１８】
また、音響整合層３の表面も滑らかになり、音響特性が若干、約１５［％］程度向上した。これは充填材を内包することにより、内部の振動が効率よく気体中に伝達されるようになった結果と考えられる。また、充填材中の超音波の音速が気体中の音速よりも遅いため、充填材の有無による音速の変化が非常に小さくなり、音響整合層の設計が容易になるという結果も得られた。
【００１９】
なお、セラミック多孔体の構成材は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトから選ばれる少なくとも１つの材料から構成した。これらの材料と低融点ガラスとを用いることにより、アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどのセラミック構成材を、十分細かく粉砕しておくことにより、多孔体の骨材部分を充分薄く構成することができた。また、低融点ガラスを用いるので、低温度で焼成でき、骨材を構成する上記材料の焼結は殆ど進むことがなく、低密度のセラミック多孔体を構成することができた。
【００２０】
なお、セラミック多孔体の空孔は連通孔として形成されているので、音速の遅い低密度の有機ガラスを容易に空孔内部に浸透させることができ、充填することができた。このような有機ガラスは、酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどから構成される有機ガラスが適している。
【００２１】
また、セラミック多孔体の空孔部分に充填材が充填されているので、高温高湿中に放置しておいても、空孔内部に結露することも無く特性の安定した、信頼性の高い超音波振動子を構成することが出来た。また、音響整合層を無機材料からなるセラミック多孔体で構成したので、軟化点を比較的大きくすることができ、温度特性にも安定した超音波振動子を実現することができた。
【００２２】
（実施の形態２）
図３に、本発明に基づく超音波流体計測装置の一例としての超音波振動子一対を用いた超音波流量計７を示す。一対の超音波振動子８、９は流体の流れる流路１０の上流側および下流側に、対向して設けた。実線の矢印１１は流体の流れる方向を、破線の両矢印１２は超音波の伝搬する方向を、それぞれ示す。また、角度θは、流体の流れる方向１１と、超音波の伝搬する方向１２との交叉角を示す。
【００２３】
このような構成の超音波流体計測装置としての超音波流量計の計測原理を簡単に説明する。流路１０を流れる流体の流速をＶｆ、超音波の伝搬速度をＶｓとし、超音波振動子間の距離をＬｄとすると、上流側の超音波振動子８から下流側の超音波振動子９への超音波の伝搬時間計測結果をＴｕｄとすると、
Ｔｕｄ＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
となる。
【００２４】
同様にして、下流側の超音波振動子９から上流側の超音波振動子８への超音波の伝播時間測結果をＴｄｕとすると、以下のようになる。
【００２５】
Ｔｄｕ＝｛Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］｝
これらより、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）］
従って、
Ｖｓ＋Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ
Ｖｓ−Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕ
これらより、上の式から下の式の両辺を引き算すると、超音波の音速Ｖｓの項を消去することができ、以下のようになる。
【００２６】
２×Ｖｆ×ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｕｄ｝−｛１／Ｔｄｕ｝］
この結果より、超音波振動子間の距離Ｌｄおよび交差角（θ）は、それぞれ既知であるので、簡単に計算することができる。このようにして流体の流速Ｖｆが得られる。この流速Ｖｆに流路１０の断面積Ｓｒを乗じて流量Ｑｍを演算する。
【００２７】
また、同様に上の式と下の式の両辺を足し算すると、流体の流速の項が消去されて、以下のようになる。
【００２８】
２×Ｖｓ＝Ｌｄ×［｛１／Ｔｕｄ｝＋｛１／Ｔｄｕ｝］
この結果より、音速Ｖｓも得られ、これより流体の温度も算出することもできる。
【００２９】
このようにして、信頼性の高い超音波流量計を構成することができた。また、温度変化に対しても特性の安定した超音波流量計を実現することができた。
【００３０】
なお、本実施の形態では、流体の流速Ｖｆを求めて流量Ｑｍを演算したが、必ずしも流量を求める必要はなく、流速Ｖｆを求めるだけでもよく、これによっても、流体の漏洩を検知することができる。
【００３１】
（実施の形態３）
セラミック多孔体の製造方法について、説明する。アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどの無機材料と低融点ガラスとを充分細かく粉砕する。粒径は、１０μｍ以下になるように準備する。より望ましくは、１μｍ以下。この粉砕された粉体に、バインダーとしてのポリビニルアルコールなどと混合し、スラリーを形成する。
【００３２】
次に、アクリルなどの樹脂ボールに、このスラリーを霧状にして吹きつけ貼付し、乾燥する。吹きつけ貼付された粉体は、数μｍ程度の厚さが望ましい。樹脂ボールの直径は１０〜５０μｍ程度が良い。霧状のスラリーを吹き付けられ貼付、乾燥した樹脂ボールを、所定の形状に圧縮成形し、焼成する。
【００３３】
この焼成においては、酸素を充分に与えることにより、樹脂ボールが炭化し、二酸化炭素として成形体から放出される。この時、樹脂ボールは成形体の表面から順次、二酸化炭素として抜けてゆき、後には連通孔としての空孔が残る。酸素の供給量が不十分であれば、炭化物として成形体内部に残存する結果となる。このようにして形成された空孔がセラミック多孔体となる。
【００３４】
このようにして作成したセラミック多孔体の空孔分布を図４に示す。図４は、横軸に空孔径を、縦軸に相対比を示す。１３は、空孔分布を示す曲線を、破線１４は用いた樹脂ボールの粒径分布を示す。図より、空孔分布１３は、樹脂ボールの粒径分布１３に比べ、かなりブロードな分布を示している。これは、樹脂ボールの抜け殻が合体したり、あるいは接触している抜け殻が界面を通してつながっているためと考えられる。このように、形成された空孔は５０〜１００μｍの間に大部分が分布していることがわかる。また、複数個の空孔が合体し、連通孔が形成されたと結果とも考えることができる。
【００３５】
このようにしてセラミック多孔体を製造することにより、連通孔としての多孔体を構成することができ、有機ガラスを空孔内部に導入するのに適した構成となっていると考えられる。
【００３６】
（実施の形態４）
セラミック多孔体の他の製造方法について、説明する。
【００３７】
アルミナ、シリカ、ジルコニア、コーディエライトなどの無機材料と低融点ガラスとを充分細かく粉砕する。粒径は、１０μｍ以下になるように準備する。より望ましくは、１μｍ以下。この粉砕された粉体に、界面活性剤を混合し、スラリーを形成する。次に、このスラリーに気体を導入し、スラリーを発泡させ、多数個の気泡を導入する。この状態にし、放置乾燥後、低融点ガラスの融点温度で焼成し、固形化し、セラミック多孔体を形成する。
【００３８】
この時、皮膜状の界面活性剤は、焼成時の酸素と反応し、成形体の表面から順次、焼損して抜けてゆき、後には連通孔としての空孔が残る。酸素の供給量が不十分であれば、炭化物として成形体内部に残存する結果となる。このようにして形成された空孔がセラミック多孔体となる。このようにして作成したセラミック多孔体の空孔分布は、図４に示した結果と同様な特性が得られた。この結果、連通孔でつながった空孔が得られる。このようにしてセラミック多孔体を製造することにより、連通孔としての多孔体を構成することができ、有機ガラスを空孔内部に容易に導入することができる構成が得られる。
【００３９】
（実施の形態５）
有機ガラスのセラミック多孔体への導入方法について説明する。
【００４０】
酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどの有機ガラス材料を準備する。この材料をメアルコールなどの溶媒で希釈し、適当な触媒と混合する。
【００４１】
次に多孔体セラミックを酸あるいはアルカリ溶液でエッチング処理する。このエッチング処理によりセラミック多孔体の内部、即ち空孔内部の表面が一部エッチングされ、活性化される。この活性化処理された状態のところに、溶媒で希釈した有機ガラスを浸透させ、セラミック多孔体の空孔と反応させて、有機ガラスを空孔内部に含浸させ、音響整合層とした。このようにして作成した内部に有機ガラスが形成されたセラミック多孔体の音響整合層を、最適な板厚となるよう両面研磨を実施したところ、有機ガラスとセラミック多孔体との接着強度が著しく向上したことがわかった。
【００４２】
即ち、有機ガラスが形成されていないセラミック多孔体では、研磨中に一部が欠けたりしていたが、あるいは一部が欠けた場合、セラミック多孔体の一部と、有機ガラスの一部とは、バラバラに分断されることがあったが、有機ガラスとセラミック多孔体との接着強度が向上してからは、セラミック多孔体が研磨中に欠けることは非常に少なくなった。また、一部が欠けた場合でも、セラミック多孔体の一部と有機ガラスの一部とがバラバラになることもなく欠けるようになった。このように、接着強度が大きくなり、音響整合層としての加工性は非常に向上した。
【００４３】
（実施の形態６）
有機ガラスのセラミック多孔体への導入方法について説明する。セラミック多孔体に、溶媒に希釈された酸化ケイ素、酸化チタン、ジルコニア、アルミナなどの有機ガラスを浸漬導入する際に、超音波振動などで溶液を遥動させることにより、導入された有機ガラスの特性、密度が安定することがわかった。
【００４４】
即ち、事前に計測したセラミックの空孔率、嵩密度と、有機ガラス導入後の重量、嵩密度とから、導入した有機ガラスの密度を推定すると、溶液を遥動させた場合、導入した有機ガラスの密度推定値は、０．３±０．０３［ｇ／ｃｃ］であったが、溶液を遥動しなかった場合は、０．３±０．０８［ｇ／ｃｃ］となった。これらは、溶液を遥動した結果、溶液中の有機ガラスが一様に希釈されるとともに、反応の一様性も向上したためと考えられる。このように、溶液を遥動しながら有機ガラスを導入することにより、一様な特性を有する音響整合層を形成することができた。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明の超音波振動子、超音波流量計およびそれらの製造方法は、ガスだけではなく水等の液体の流速、流量を計測する超音波流体計測装置およびそれに用いる超音波振動子に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波振動子の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に音響整合層拡大図
【図３】本発明の実施の形態２における超音波流量計の概念図
【図４】本発明の実施３例における粒径分布図
【図５】従来の超音波振動子の斜視図
【符号の説明】
【００４７】
１  超音波振動子
２  圧電体
３  音響整合層
４、５  電極
７  超音波流量計（流体計測装置）
８、９  超音波振動子
１０  流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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