(57)【要約】【課題】無機酸化物の乾燥ゲルからなる多孔質体の音響整合層は、小さな音響インピーダンスであるが強度が弱く取り扱いにくいという課題がある。この課題を解決することを目的とする。【解決手段】音響整合層１は無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体を用いる。この無機酸化物の乾燥ゲルには例えばリン酸ガラスがある。この方法で得られた多孔体はナノサイズの空隙を有するもので、音響インピーダンスは２×１０５ｋｇ／ｍ２ｓから１０×１０５ｋｇ／ｍ２ｓのものが得られ、かつ、強固なものとすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体からなることを特徴とする音響整合層。
【請求項２】
無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られる第１多孔体と、前記第１多孔体よりも音響インピーダンスの異なる第２多孔体との複合構造で、かつ、第１多孔体の形成は第２多孔体が存在する中で行ったことを特徴とする音響整合層。
【請求項３】
無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体はリン酸ガラスであることを特徴とする請求項１または２記載の音響整合層。
【請求項４】
第２多孔体がセラミックスであることを特徴とする請求項２記載の音響整合層。
【請求項５】
第２多孔体を難焼結性のセラミック粉末を有する含気泡セラミックスス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、焼成して構成したことを特徴とする請求項４記載の音響整合層。
【請求項６】
請求項１〜６のいずれか１項記載の音響整合層を具備した超音波送受信器を流体流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置した流体の流れ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率よく超音波を送信または受信するための音響整合層とそれを用いた超音波送受信器を流体流路に配置した流体の流れ計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
音響整合層は超音波送受信器から気体中へ効率よく超音波を送信するために用いられる部材で、その役割は特許文献１に記載されている。また、気体中を伝播してきた超音波を超音波受信装置で受信する場合にも、音響整合層は効率よく受信できるように作用する。
【０００３】
従来の音響整合層の製造方法は、先の特許文献１および特許文献２、特許文献３に記載されている。
【０００４】
これらはいずれも無機物であり、多孔体構造とすることで低密度とし、音響整合層に必要とされる低密度・低音速を実現するものである。音響整合層の性能を示す数値として、音響インピーダンスがある。これは密度と音速の掛け算で表され、特に気体との整合をとる場合は、低い値にすることが必要とされている。
【０００５】
無機物で構成することで温度による特性変化が小さいことや、耐ガス性が向上する特徴がある。また、多孔体の孔の大きさは超音波が音響整合層中を伝播する際に障害にならないような大きさにされている。
【０００６】
特許文献２の記載は、中空球体のマトリクスを組み隣接する中空球体のマトリクスの接点で相互に結合しているが、中空球体間には空隙が存在する構成である。この構造体の音速は約９００ｍ／ｓｅｃ、音響インピーダンスは約４．５×１０５ｋｇ／ｍ２ｓと記載されている。音響インピーダンスは密度と音速の掛け算で定義されるので、この中空球体のマトリクスは密度が約０．５ｇ／ｃｍ３であると考えられる。
【０００７】
一方、特許文献４には無機酸化物の乾燥ゲルからなる音響整合層が記載されている。これも多孔体構造であり、孔の大きさがナノメータの単位で形成されることが記載されている。特許文献３では、このような無機酸化物の乾燥ゲルを用いることが記載されており、これによれば無機酸化物の乾燥ゲルは、密度が５００ｋｇ／ｍ３以下、音速が５００ｍ／ｓｅｃ以下のものが得られると記載されている。この音響インピーダンスは、２．５×１０５ｋｇ／ｍ２ｓとなり、特許文献２で記載されているものよりも小さな値であるので、性能がよいと考えられる。
【０００８】
特許文献４の音響整合層（同文献４では「音響整合部材」と記載されている）は、第１層と第２層を有する複合構造で、第１層の音響インピーダンスＺ１と第２層の音響インピーダンスＺ２とは、Ｚ１＞Ｚ２の関係になるようにしており、第２層に無機酸化物の乾燥ゲルを用いている。第１層には同文献の「実施例１」の「（１）多孔質体の形成」に記載されているように、アクリル製微小球とＳｉＯ２粉とガラスフリットを混合した粉体をプレスした後に、４００℃の熱処理でアクリル製微小球除去して空隙を形成し、さらに９００℃の熱処理で焼結させる製造方法で得られた多孔質体を、適切な大きさ（同文献では直径１２ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍ）に研磨して用いることが記載されている。
【０００９】
さらに、特許文献３には、音響整合層を音響インピーダンスの異なる複数の部材、特に異なる部材によって構成することに有用性があることが記載されている。これを実現するために、前記第１層の音響整合層（多孔質体）にゲル化して乾燥する前の流動性を有する無機酸化物材料を充填してから固形化して、前記第２層の音響整合層を形成することが記載されている。この製造方法によれば前記第１層と前記第２層とは一部分の連続性により一体化しているため、物理的形状効果（アンカー効果）があり層間での剥離が起こりにくいと記載されている。
【００１０】
図７は第１層５１と第２層５２との複合構造の音響整合層５３の断面構造を示したもので、第１層５１の多孔質体の空隙部分５４にも第２層５２を形成する乾燥ゲルが侵入している。前記第２層５２は乾燥ゲルのみで形成されている。
【００１１】
図８は複合構造の音響整合層５３を用いた超音波送受信器を示し、送信の場合は、端子５５，５６間に信号が印加されると、振動子５７が励振され複合構造の音響整合層５３を伝播して、気体５８中に超音波が放射される。受信の場合は、これとは反対に気体５８中から進入した超音波が複合構造の音響整合層５３を伝播して振動子５７が励振されることで、端子５５，５６間に電圧が発生する。
【００１２】
特許文献５には、圧電体を用いて超音波を送信または受信する超音波送受波器に用いる複合構造の音響整合部材であって、密度が５０ｋｇ／ｍ３から４００ｋｇ／ｍ３の範囲である第１音響整合層と、密度が４００ｋｇ／ｍ３から８００ｋｇ／ｍ３の範囲である第２音響整合層とが積層した構成が記載されている。
【００１３】
同文献５には、音響整合層の音響インピーダンスを小さくして超音波の放射媒体である気体との整合を高めると、超音波送受波器としての感度は非常に高くなるが、超音波により伝搬時間を計測する場合のように、パルス信号を搬送波として超音波を送受信すると、信号の立ち上り応答性が悪くなり、到達時間の判定が難しくなるという課題の解決手段として述べられている。また、第１音響整合層が無機酸化物の乾燥ゲルであることが記載されている。
【００１４】
このように音響整合層には無機材料からなる多孔質体を用いているが、この多孔質体の製造にはさまざまな方法がある。
【００１５】
音響整合層としてではないが、特許文献６に記載されている方法もセラミックス多孔体の製造方法の一つである。これは難焼結性のセラミックス粉末を有する含気泡セラミックススラリーをゲル化して得たゲル状多孔質成型体を乾燥、脱脂、焼成してセラミックス多孔体を得る製造方法で、開気孔率６０％以上のものを得られることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−５１３９８号公報
【特許文献２】特開平２−１７７７９９号公報
【特許文献３】特開２００２−１４０６８７号公報
【特許文献４】特開２００２−２６２３９４号公報
【特許文献５】特開２００２−０１８０４７号公報
【特許文献６】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】
【００１６】
しかしながら、前記従来の構成で製造された無機酸化物の乾燥ゲルからなる多孔質体の音響整合層（複合構造の整合層を含む）は、密度が５０ｋｇ／ｍ３から４００ｋｇ／ｍ３で、音速は３００ｍ／ｓｅｃから５００ｍ／ｓｅｃ程度、音響インピーダンスは０．１５×１０５ｋｇ／ｍ２ｓから２．０×１０５ｋｇ／ｍ２ｓ程度となり、小さな音響インピーダンスを実現することができるが、強度が弱く取り扱いにくいという課題がある。
【００１７】
また、無機酸化物の乾燥ゲル強度を上げるため、ゲル骨格を強くするようにすると、密度が大きく、音速が速くなる傾向があるので、密度と音速の掛け算で表される音響インピーダンスが大となり、超音波出力が減少する。このため無機酸化物の乾燥ゲル強度を、良好な特性を維持して上げることは困難であるという課題がある。
【００１８】
本発明はこのような従来の課題を解決したもので、効率よく超音波の送信および受信が行える音響整合層を具備した超音波送受信器および同超音波送受信器を搭載した流体の流れ計測装置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】
【００１９】
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無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体を用いたものである。この無機酸化物の乾燥ゲルには例えばリン酸ガラスがある。この方法で得られた多孔体はナノ（１０−９メータ）サイズの空隙を有するもので、密度は１０００ｋｇ／ｍ３程度、音速は２００ｍ／ｓｅｃから１０００ｍ／ｓｅｃ程度、音響インピーダンスは２×１０５ｋｇ／ｍ２ｓから１０×１０５ｋｇ／ｍ２ｓのものが得られる。
【００２０】
これによって、音響整合層は効率よく超音波の送信および受信が行えるとともに、強固なものとすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の音響整合層は、無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体を用いているために多孔体の密度が増加し、構造的に強固なものとすることができると共に、その音速は低く抑えられるという効果がある。これはナノ（１０−９メータ）サイズの空隙を有する多孔体の構造上の効果と考えられる。これにより音響インピーダンスは低くすることができる。
【００２２】
そして、このような音響整合層を用いた超音波送受信器は、効率よく超音波の送信と受信ができ、したがって、同超音波送受信器を用いた超音波流量計は、受信信号が大きいことから、受信信号の主信号（Ｓ）と外乱信号（ノイズ）Ｎとの比（Ｓ／Ｎ）が大きくなり、より計測精度を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】
【００２３】
第１の発明は、無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体の音響整合層とすることにより、強固でかつ、音響インピーダンスの低い音響整合層とすることができる。
【００２４】
第２の発明は、無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られる第１多孔体と、この第１多孔体と音響インピーダンスの異なる第２多孔体との複合構造で、第２多孔体は第１多孔体の焼成温度よりも十分高い耐熱温度を有したものを選択し、第１多孔体の形成を第２多孔体が存在する中で行うことにより、複合構造の音響整合層を容易に製造でき、かつ、この音響整合層を用いた超音波送受信器の受信波形は立ち上り応答性をよくすることができる。
【００２５】
第３の発明は、無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体をリン酸ガラスとすることにより、ナノ（１０−９メータ）サイズの空隙を有し、密度は１０００ｋｇ／ｍ３程度、音速は２００ｍ／ｓｅｃから１０００ｍ／ｓｅｃ程度、音響インピーダンスは２×１０５ｋｇ／ｍ２ｓから１０×１０５ｋｇ／ｍ２ｓ程度の音響整合層とすることができる。
【００２６】
第４の発明は、第１多孔体の焼結温度で構造変化のおきないセラミックスを第２多孔体に用いることにより、第１多孔体の形成は第２多孔体が存在する中で行うことができるので、第１多孔体と第２多孔体との接合が容易に行える。
【００２７】
第５の発明は、難焼結性のセラミック粉末を有する含気泡セラミックスス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、焼成して得られた多孔体を第２多孔体として用いることにより、第２多孔体は第１多孔体の無機酸化物の乾燥ゲルの焼結温度では構造や組成が変化しないものとすることができる。
【００２８】
第６の発明は、これら音響整合層を具備した超音波送受信器を流体流路の上流側と下流側に少なくとも一対配置して流れ測定装置としたものである。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態において本発明が限定されるものではない。
【００３０】
（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無機酸化物の乾燥ゲルを焼結して得られた多孔体の音響整合層１の構造を示す。この音響整合層はナノサイズの空隙２と、無機酸化物の骨格３を有した多孔体であり、密度約１１００ｋｇ／ｍ３、音速が約２０７ｍ／ｓｅｃ、音響インピーダンスが、約２．２８×１０５ｋｇ／ｍ２ｓである。
【００３１】
前記音響整合層１を用いた超音波送受信器４を図２に示す。圧電振動子５は金属製のケース６ａ，６ｂに収められている。金属ケース６ａと圧電振動子５の一方の電極面とは接着剤で接合されている。
【００３２】
圧電振動子５の他方の電極は導電性ゴム７を通して、電極８に接触している。電極８と金属ケース６ａ，６ｂとは電気的に絶縁されている。他方の電極９と金属ケース６ａ，６ｂとは導電している。金属ケース６ａの上面には、前述した音響整合層１が接着剤で接合されている。
【００３３】
電極８，９間に５００ｋＨｚ程度の交流信号が入力されると圧電振動子５が振動し、その振動は音響整合層１に伝達される。音響整合層１は、空気などの気体と圧電振動子５、あるいは金属ケース６ａと気体との音響インピーダンスの整合をとり、前記圧電振動子５の振動を効率よく気体に伝達する。
【００３４】
反対に、気体中から音響整合層１に伝達した振動は、空気などの気体と圧電振動子５、あるいは金属ケース６ａと気体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合層１により効率よく圧電振動子５に伝達される。振動を受けた圧電振動子５は振動の大きさに応じて、電気信号を電極８，９間に出力する。
【００３５】
図３はこのような超音波送受信器４をすくなくとも一対用いた流体の流れ計測装置１０を示している。すなわち、気体が流れる流体流路１１に一対の超音波送受信器４ａ，４ｂが流れ方向に対して角度を持って相対するように配置され、流体に向かって一方の超音波送受信器４ａから送信される超音波を他方の超音波送受信器４ｂで受信する構成としている。
【００３６】
超音波送受信器４ａ，４ｂは電池１２で駆動される計測回路１３に接続されており、送信信号はこの計測回路１３から供給され、また、受信信号は同じく計測回路１３で増幅して計測のための処理がなされる。
【００３７】
今、流体、例えば気体の流れ方向が同図の流路上に示される矢印の向きである場合、上流側の超音波送受信器４ａから気体中へ出力された超音波が、下流側の超音波送受信器４ｂで受信されるまでの時間（伝播時間）をＴ１とし、反対に、下流側の超音波送受信器４ｂから気体中へ出力された超音波が、上流側の超音波送受信器４ａで受信されるまでの時間（伝播時間）をＴ２とすると、気体の流量Ｑは（１／Ｔ１−１／Ｔ２）に比例するので、計測回路１３は伝播時間Ｔ１、Ｔ２を計測して流速を算定し、必要に応じてこれに流路断面積および補正係数を乗じて流量を演算する。
【００３８】
超音波送受信器４ａ，４ｂで得られる受信信号は微弱であるので、計測回路１３で処理する場合は増幅する必要がある。受信信号には計測に必要な主信号の他に、不要な外乱信号（ノイズ）が重畳する。外乱信号は増幅回路での発生や、超音波送受信器４ａ，４ｂｂと計測回路１３とを接続するリード線に外部電磁波が重畳するなどが考えられるが、いずれにしても超音波送受信器の受信信号（主信号）が大きいほど、外乱信号の影響が小さくなり計測精度が向上する。
【００３９】
（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体である多孔体の音響整合層の製造方法を示す工程図である。
【００４０】
この無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体の製造方法は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ１１，ｐａｇｅ２９−３２  ［Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｉｏｎｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｓｏｌ−Ｇｅｌ−Ｄｅｒｉｖｅｄ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｇｌａｓｓｅｓ］にも詳しく述べられている。
【００４１】
図４に示される工程２１は水、エタノール、塩酸、エチルシリケートをモル比１：１：０．０１：１で混合して３０分攪拌する工程である。工程２２はリン酸トリメチルを加え１時間攪拌する工程である。Ｐ２Ｏ５―ＳｉＯ２ガラスのＰ２Ｏ５を２０モル％とする場合は、リン酸トリメチルはエチルシリケート１モルに対して０．５モルである。
【００４２】
工程２３は水、エタノール、塩酸を混合する工程である。混合するモル比は全アルコキシド１モルに対して水、エタノール、塩酸が４：１：０．０４である。全アルコキシドは５．５モルである。
【００４３】
工程２４はフォルムアミドを加えて１時間攪拌する工程である。フォルムアミドはＳｉＯ２とＰ２Ｏ５の量５ｇに対して１ｍｌ（ミリリッター）とする。ＳｉＯ２とＰ２Ｏ５の総量は９５．５７ｇなので、フォルムアミドは１９．１１ｍｌとなる。
【００４４】
このような材料の混合工程を経て、ゲル化が行われる。得られたゲルは１週間から１カ月の乾燥工程２５をへて乾燥ゲルとなる。乾燥したゲルは工程２６で、およそ６００℃で焼成する。
【００４５】
これらの工程を通して得られた無機酸化物の乾燥ゲルの焼成体は、密度およそ１１００ｋｇ／ｍ３、音速がおよそ２００ｍ／ｓｅｃから１５００ｍ／ｓｅｃのものが得られるので、音響整合層として適している。
【００４６】
（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における複合構造の音響整合層３１を示したものである。直径約１０．８ｍｍの円盤である第１多孔体３２は無機酸化物（リン酸ガラス）の乾燥ゲルの焼成体である。
【００４７】
第２多孔体３３は難焼結性のセラミック粉末（たとえばＳｉＣ）を有する含気泡セラミックスス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、焼成して得たもので、焼成温度は約１３００℃である。
【００４８】
得られた第２多孔体３３の空隙３４の大きさは直径１００μｍから５００μｍ程度で連通孔となっている。音速は約２０００ｍ／ｓｅｃ、密度約８００ｋｇ／ｍ３以下、音響インピーダンス１６×１０５ｋｇ／ｍ２ｓである。厚さは超音波の周波数を５００ｋＨｚに選んでいるので、１．２５ｍｍが最適である。
【００４９】
一方、無機酸化物（リン酸ガラス）の乾燥ゲルの焼成体である第１多孔体３２は、密度約１１００ｋｇ／ｍ３、音速が約２０７ｍ／ｓｅｃ、音響インピーダンスが約２．２８×１０５ｋｇ／ｍ２ｓである。第１多孔体３２の最適厚さは約０．１ｍｍとなる。このような音響インピーダンスの異なる２つの構造体を複合した複合構造の音響整合層を用いた超音波送受信器は、流量計測に適した立ち上がりが急峻な超音波の受信波形になる。
【００５０】
複合構造の音響整合層は次のようにして製造することができる。
【００５１】
図６は複合構造の音響整合層を製造する容器４１を示し、容器４１内の型４２に第２多孔体３３を挿入し、これに図４で示される無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体である多孔体の音響整合層の製造方法の工程２４を終えた溶液４４を満たす。
【００５２】
溶液４４は第２多孔体３３の空隙に浸透していく。この状態でゲル化を待ち、できたゲルを乾燥させると、第１多孔体３２と第２多孔体３３とが接合した複合構造とすることができる。急激に乾燥させるとワレが生じやすいので、１週間程度以上の時間をかけてゆっくりと乾燥させる。
【００５３】
乾燥したものを型から取り出し６００℃の温度で焼成する。第２多孔体３３は１３００℃の高温で焼成されたものなので、６００℃の温度では構造・組成の変化はおきない。できた焼成体は研磨することで、第１多孔体３２を最適厚さに調整する。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる音響整合層は気体と振動子との音響インピーダンスの整合をとり、超音波発生装置からの超音波出力を向上し、また、気体を伝播する超音波を受信する超音波受信装置の受信出力を向上させることができるので、天然ガスや液化石油ガス流量を測定する業務用、または家庭用の超音波式ガス流量測定装置（ガスメータ）や、水素のように音速が早く、振動子との音響インピーダンスの整合をとりにくいガスの流量を測定する超音波式の流量測定装置への用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１における音響整合層の構造を示す断面図
【図２】実施の形態１における音響整合層を用いた超音波送受信器の断面図
【図３】超音波流量計の概観斜視図
【図４】本発明の実施の形態２における無機酸化物の乾燥ゲルの焼結体である多孔体の音響整合層の製造方法を示す工程図
【図５】本発明の実施の形態３における複合構造の音響整合層の構造を示した断面図
【図６】本発明の実施の形態３における複合構造の整合層を製造する容器の断面図
【図７】従来の音響整合層の構造を示した断面図
【図８】従来の音響整合層を用いた超音波送受信器の断面図
【符号の説明】
【００５６】
１  音響整合層
４  超音波送受信器
１０  流れ計測装置
３２  第１多孔体
３３  第２多孔体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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