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WO2017212511A1 - 積層体、超音波送受波器および超音波流量計 - Google Patents

積層体、超音波送受波器および超音波流量計 Download PDF

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Publication number
WO2017212511A1
WO2017212511A1 PCT/JP2016/004900 JP2016004900W WO2017212511A1 WO 2017212511 A1 WO2017212511 A1 WO 2017212511A1 JP 2016004900 W JP2016004900 W JP 2016004900W WO 2017212511 A1 WO2017212511 A1 WO 2017212511A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
matching layer
acoustic matching
ultrasonic
laminate according
acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2016/004900
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English (en)
French (fr)
Inventor
英生 菅谷
知樹 桝田
永原　英知
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from JP2016199512A external-priority patent/JP6751898B2/ja
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Priority to EP16904547.3A priority patent/EP3471438B1/en
Publication of WO2017212511A1 publication Critical patent/WO2017212511A1/ja
Priority to US16/144,569 priority patent/US11162829B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application

Definitions

  • the present disclosure relates to a laminate including a piezoelectric body and an acoustic matching layer, an ultrasonic transducer, and an ultrasonic flowmeter.
  • An ultrasonic flowmeter generally includes a piezoelectric vibrator and detects ultrasonic waves using the piezoelectric vibrator.
  • the fluid is a gas
  • the piezoelectric vibrator since the difference in acoustic impedance between the gas and the piezoelectric vibrator is large, the ultrasonic wave propagating through the gas is easily reflected at the interface with the piezoelectric vibrator.
  • an acoustic matching layer may be provided at the interface between the piezoelectric vibrator and the gas in order to efficiently cause the ultrasonic wave to enter the piezoelectric vibrator.
  • Patent Document 1 discloses a material that can be used as an acoustic matching layer.
  • Patent Document 2 discloses an ultrasonic transducer having two acoustic matching layers.
  • the present disclosure provides a laminate, an ultrasonic transducer, and an ultrasonic flow meter that include an acoustic matching layer with appropriate acoustic characteristics.
  • the laminated body which concerns on 1 aspect of this indication is provided with the 1st acoustic matching layer arrange
  • the first acoustic matching layer includes a plastic closed cell foam including a plurality of closed pores.
  • the average pore diameter of the closed pore is 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the density of the first acoustic matching layer is 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less.
  • the comprehensive or specific aspect of the present disclosure may be realized by a stacked body, a device, an apparatus, a system, a method, or any combination thereof.
  • the ultrasonic transducer and the ultrasonic flowmeter of the present disclosure, since the acoustic matching layer having appropriate acoustic characteristics is included, a highly sensitive ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an ultrasonic flowmeter of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic end view showing the first embodiment of the laminate and the ultrasonic transducer according to the present disclosure.
  • FIG. 3A is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 3B is a process cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic end view showing a second embodiment of the laminated body and ultrasonic wave transmission / reception of the present disclosure.
  • FIG. 5 is an electron micrograph of the surface of a plastic closed cell foam.
  • the left side of FIG. 6 is a view showing an electron micrograph of the surface of the plastic closed cell foam, and the right side is an enlarged view of a part thereof.
  • summary of the laminated body of this indication, an ultrasonic transducer, and an ultrasonic flowmeter is as follows.
  • [Item 1] A piezoelectric body;
  • Item 8 Item 8. The laminate according to Item 7, wherein the relationship between the acoustic impedance Za of the first acoustic matching layer and the acoustic impedance Zb of the second acoustic matching layer is Za ⁇ Zb.
  • the laminate according to item 7 or 8 wherein the thickness of the second acoustic matching layer is approximately 1 ⁇ 4 of the wavelength ⁇ of a sound wave propagating through the second acoustic matching layer.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an ultrasonic flowmeter of the present disclosure.
  • the ultrasonic flowmeter includes a flow path through which a fluid to be measured flows, a pair of ultrasonic transducers 11 and 12 disposed in the flow path, a time measurement unit 31, and a calculation unit 32.
  • the fluid flows at the flow velocity V in the direction shown in the figure. The flow rate of the fluid flowing through this flow path is measured.
  • a pair of ultrasonic transducers (first and second ultrasonic transducers) 11, 12 are installed facing each other.
  • the ultrasonic transducers 11 and 12 include a piezoelectric vibrator such as a piezoelectric ceramic which is an electric energy / mechanical energy conversion element, and exhibit resonance characteristics like a piezoelectric buzzer or a piezoelectric oscillator.
  • the ultrasonic transmitter / receiver 11 is used as an ultrasonic transmitter and the ultrasonic transmitter / receiver 12 is used as an ultrasonic receiver.
  • the time measuring unit 31 applies an AC voltage having a frequency near the resonance frequency to the piezoelectric vibrator of the ultrasonic transducer 11
  • the ultrasonic transducer 11 passes along the propagation path indicated by L1 in the fluid in the tube. Ultrasound is radiated along.
  • the ultrasonic transducer 12 receives the ultrasonic wave propagating in the fluid and converts it into a voltage. Subsequently, on the contrary, the ultrasonic transducer 12 is used as an ultrasonic transmitter, and the ultrasonic transducer 11 is used as an ultrasonic receiver.
  • the time measuring unit 31 applies an alternating voltage having a frequency near the resonance frequency of the ultrasonic transducer 12 to the piezoelectric vibrator
  • the ultrasonic transducer 12 propagates in the fluid in the tube as indicated by L2 in the figure.
  • Ultrasonic waves are radiated along the path, and the ultrasonic transducer 11 receives the propagated ultrasonic waves and converts them into voltages.
  • the ultrasonic transducers 11 and 12 serve as a receiver and a transmitter.
  • a burst voltage signal is used as a drive voltage.
  • the time measurement unit 31 applies a driving burst voltage signal to the ultrasonic transducer 11 and radiates the ultrasonic burst signal from the ultrasonic transducer 11, the ultrasonic burst signal is transmitted through a propagation path L1 having a distance L. And reaches the ultrasonic transducer 12 after time t.
  • the ultrasonic transducer 12 can convert only the transmitted ultrasonic burst signal into an electric burst signal with a high S / N ratio.
  • the time measuring unit 31 electrically amplifies the electric burst signal, applies it to the ultrasonic transducer 11 again, and radiates the ultrasonic burst signal.
  • This device is called a single-around device, and the time required for an ultrasonic pulse to radiate from the ultrasonic transducer 11 and propagate through the propagation path to reach the ultrasonic transducer 12 is called a single-around period.
  • the reciprocal is called the sing-around frequency.
  • the flow velocity of the fluid flowing in the pipe is V
  • the velocity of the ultrasonic wave in the fluid is C
  • the angle between the direction of flow of the fluid and the propagation direction of the ultrasonic pulse is ⁇ .
  • the ultrasonic pulse emitted from the ultrasonic transmitter / receiver 11 reaches the ultrasonic transmitter / receiver 12.
  • the sing-around period which is the sound wave propagation time
  • the sing-around frequency is f1
  • the frequency difference ⁇ f between the two sing-around frequencies is expressed by the following equation (3), and the fluid flow velocity V can be obtained from the ultrasonic propagation path distance L and the frequency difference ⁇ f.
  • the flow velocity V of the fluid can be obtained from the distance L of the ultrasonic propagation path and the frequency difference ⁇ f, and the flow rate can be examined from the flow velocity V.
  • the ultrasonic flowmeter includes a time measurement unit 31 and a calculation unit 32.
  • the time measuring unit 31 includes a drive circuit that generates a burst voltage signal that drives the ultrasonic transducers 11 and 12 and a reception circuit that electrically amplifies the electrical burst signal converted by the ultrasonic transducers 11 and 12.
  • the single-around periods t1 and t2 which are ultrasonic propagation times are obtained by the above-described procedure.
  • the computing unit 32 calculates the flow velocity and flow rate of the fluid from the relationship between the obtained sing-around periods t1 and t2 and Equation (3).
  • the time measurement unit 31 and the calculation unit 32 are configured by, for example, a microcomputer, a memory, and a program that defines a procedure for performing the above-described calculation.
  • a part of the time measurement unit 31 and the calculation unit 32 may be configured by an electronic circuit or the like.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of the ultrasonic transducer 11 used in the ultrasonic flowmeter of the present disclosure.
  • the ultrasonic transducer 12 also has the same structure as the ultrasonic transducer 11.
  • the ultrasonic transducer 11 includes a laminated body 28 and a case 29.
  • the laminated body 28 includes a piezoelectric body 21 and a first acoustic matching layer 26.
  • the first acoustic matching layer 26 is in contact with the piezoelectric body 21 directly or through another layer.
  • the piezoelectric body 21 is made of piezoelectric ceramics or a single crystal and is polarized in the thickness direction.
  • the piezoelectric body 21 has electrodes on the upper and lower surfaces in the thickness direction, and generates ultrasonic vibrations by applying a voltage to the electrodes.
  • Case 29 includes a main body 22 having a convex shape having a top plate 22 u and a lid plate 23.
  • the main body 22 and the lid plate 23 are made of a conductive material, for example, a metal that can ensure reliability against an external fluid.
  • the piezoelectric body 21 is positioned within the convex shape of the main body 22 and is attached to the inner surface 22a of the top plate 22u.
  • the opening located at the bottom of the convex shape of the main body 22 is covered with a cover plate 23 and the inner space of the main body 22 is sealed. For this reason, the case 29 has gas shielding properties, and even if the ultrasonic transducer 11 is exposed to various fluids, the internal piezoelectric body 21 is not deteriorated and has high reliability.
  • Drive terminals 24 a and 24 b are attached to the lid plate 23. Of the two drive terminals 24 a and 24 b, one drive terminal 24 a is electrically connected to the upper surface electrode of the piezoelectric body 21 through the cover plate 23 and the main body 22. The other drive terminal 24 b is electrically insulated from the cover plate 23 by an insulating material 25 and is electrically connected to the lower surface electrode of the piezoelectric body 21 in the main body 22.
  • the first acoustic matching layer 26 transmits ultrasonic waves to the fluid or receives ultrasonic waves that have propagated through the fluid.
  • the first acoustic matching layer 26 efficiently outputs the mechanical vibration of the piezoelectric body 21 excited by the drive AC voltage as an ultrasonic wave to an external medium, and efficiently reaches the ultrasonic wave to the piezoelectric body 21 as the reached ultrasonic wave. Tell. Thereby, a voltage is efficiently converted into an ultrasonic wave, and an ultrasonic wave is efficiently converted into a voltage.
  • the first acoustic matching layer 26 is attached to the outer surface 22 b of the top plate 22 u of the main body 22.
  • the acoustic impedance of the piezoelectric body 21 is about 30 ⁇ 10 6 kg / m 2 ⁇ s, and the acoustic impedance of hydrogen is about 110 kg / m 2 ⁇ s.
  • the acoustic impedance is defined by the following equation (4).
  • Acoustic impedance (density) x (sound speed) (4)
  • the first acoustic matching layer 26 has a density of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less.
  • the speed of sound propagating through the first acoustic matching layer 26 is 500 m / s or more, and preferably 500 m / s or more and 3500 m / s or less.
  • the acoustic impedance of the first acoustic matching layer 26 is in the range of 5 ⁇ 10 3 kg / s ⁇ m 2 to 350 ⁇ 10 3 kg / s ⁇ m 2. Can take a value.
  • Examples of a material suitable for the first acoustic matching layer 26 having such physical properties include a hard microporous body.
  • the first acoustic matching layer 26 is a hard plastic closed cell foam.
  • Examples of rigid plastic closed cell foams include polymethacrylimide foams.
  • the polymethacrylimide foam is, for example, sold by Roehm Gmbh & Co KG under the trade name ROHACEELL (R), and can be purchased from Daicel Evonik Co., Ltd. in Japan.
  • the density of ROHACELL is published in the catalog as being in the range of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less.
  • the average pore diameter of the closed pore in the polymethacrylimide foam is preferably 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the pore diameter is defined by the diameter of each inscribed circle of the closed pore in the observation field by the electron microscope (see FIG. 5).
  • the average pore diameter is defined as the average value of the pore diameters of the closed pores in the observation field of view by an electron microscope including at least 100 closed pores.
  • the average distance between adjacent pores is determined by measuring the distance between adjacent regions in an observation field by an electron microscope including at least 10 closed pores (see FIG. 6). It is desirable that the distance between adjacent pores is uniformly distributed within a range of 50 nm to 1 ⁇ m. According to the simulation by calculation and the experimental results described below, the average pore diameter of the closed pores and the distance between adjacent pores affect the acoustic propagation characteristics. In order to realize good acoustic propagation characteristics, it is desirable that these values be in the above-mentioned range.
  • the distance between adjacent closed pores corresponds to the average thickness of the closed-cell partition walls.
  • the polymethacrylimide foam has a rigid and strong molecular structure, it has excellent mechanical strength and workability compared to other hard foams.
  • the first acoustic matching layer 26 has a thickness approximately 1 ⁇ 4 of the wavelength ⁇ of the sound wave propagating through the first acoustic matching layer 26.
  • the sound wave reflected between the two principal surfaces of the first acoustic matching layer 26 and incident on the piezoelectric body 21 is weakened by a phase shift of 1/2. Therefore, the intensity of the sound wave incident on the piezoelectric body 21 with a delay due to unnecessary reflection can be reduced, and the influence of the reflected wave can be suppressed.
  • the top plate 22 u of the case 29 functions as a structure support layer that supports the stacked body 28.
  • Top plate 22u it is desirable to have a 1000 kg / m 3 or more density.
  • the thickness of the top plate 22u has a thickness of 1/8 or less of the wavelength ⁇ of the sound wave propagating through the top plate 22u.
  • the ultrasonic transducer of this embodiment can be manufactured, for example, by the following procedure. First, as shown in FIG. 3A, a case 29, a piezoelectric body 21, and a first acoustic matching layer 26 are prepared. The first acoustic matching layer 26 is processed in advance so as to have a desired thickness. The piezoelectric body 21 is attached to the inner surface 22a of the top plate 22u in the main body 22 of the case 29 with an adhesive or the like. The first acoustic matching layer 26 is attached to the outer surface 22b of the top plate 22u. Thereafter, as shown in FIG. 3B, the piezoelectric body 21 and the drive terminal 24b are connected. Finally, the opening of the main body 22 is closed with the lid plate 23 using an adhesive or the like, thereby completing the ultrasonic transducer.
  • the first acoustic matching layer 26 has a density of 10 kg / m 3 or more and 100 kg / m 3 or less, so that the acoustic impedance difference between the piezoelectric body that emits ultrasonic waves and the gas. It is possible to suppress the reflection of the ultrasonic wave due to, so that the ultrasonic wave can be efficiently incident on the piezoelectric body. Therefore, a highly sensitive ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter can be realized.
  • the first acoustic matching layer 26 is composed of a structure having closed cells, the average pore diameter of the closed pores is 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the distance between adjacent pores is within the range of 50 nm to 1 ⁇ m.
  • the structure having closed cells of the first acoustic matching layer 26 includes a polymethacrylimide foam. Since the polymethacrylimide foam has the characteristics of being highly elastic while being low in density, it has resistance to impact during the production process and is excellent in mechanical strength and workability.
  • FIG. 4 schematically shows the structure of an ultrasonic transducer used in the ultrasonic flowmeter of this embodiment.
  • the same or similar components as those in the first embodiment shown in FIG.
  • the description of the same or similar configuration as the first embodiment may be omitted.
  • the ultrasonic transducer shown in FIG. 4 is different from that of the first embodiment in that a laminated body 28 ′ including a piezoelectric body 21, a first acoustic matching layer 26 and a second acoustic matching layer 27 is provided.
  • the second acoustic matching layer 27 is located between the piezoelectric body 21 and the first acoustic matching layer 26.
  • the second acoustic matching layer 27 is attached to the outer surface 22 b of the top plate 22 u, and the first acoustic matching layer 26 is in contact with the second acoustic matching layer 27.
  • the second acoustic matching layer 27 has a density of 50 kg / m 3 or more and 1500 kg / m 3 or less. Further, the density of the second acoustic matching layer 27 is larger than the density of the first acoustic matching layer.
  • the relationship Za ⁇ Zb is satisfied.
  • Zb is smaller than the acoustic impedance of the piezoelectric body 21.
  • the second acoustic matching layer 27 is a material having a closed pore.
  • the second acoustic matching layer 27 is made of a foamed resin such as polymethacrylimide or a composite material.
  • the composite material may be, for example, a material obtained by solidifying a glass balloon (hollow minute glass sphere) or a plastic balloon with a resin material.
  • these foamed resins and composite materials may have a structure in which the surface is covered with a gas barrier film.
  • the thickness of the second acoustic matching layer 27 is desirably 1 ⁇ 4 of the sound wave propagating through the second acoustic matching layer 27 for the same reason as in the first embodiment.
  • the first acoustic matching layer 26 and the second acoustic matching layer 27 are in direct contact with each other.
  • the second acoustic matching layer 27 is in contact with the outer surface 22 b of the top plate 22 u of the case 29.
  • the top plate 22u of the case 29 functions as a structure support layer that supports the stacked body 28 '.
  • the top plate 22u desirably has a density of 1000 kg / m 3 or more.
  • the thickness of the top plate 22u has a thickness of 1/8 or less of the wavelength ⁇ of the sound wave propagating through the top plate 22u.
  • the laminate 28 ′ since the laminate 28 ′ includes the second acoustic matching layer 27, sound waves propagating in the fluid can be incident on the piezoelectric body with higher efficiency. Therefore, in addition to the features described in the first embodiment, an ultrasonic transducer and an ultrasonic flowmeter that can detect a fluid with higher sensitivity can be realized.
  • the second acoustic matching layer on which the silica wet gel layer was formed was hydrophobized in a 5% by weight hexane solution of trimethylethoxysilane, and then supercritical drying with carbon dioxide (12 MPa, 50 ° C.) to obtain silica.
  • An acoustic matching layer in which the dried gel and the second acoustic matching layer were laminated was obtained. Since the hydroxyl group on the second acoustic matching layer and the alkoxy group of tetramethoxysilane reacted to form a chemical bond, a first acoustic matching layer with good adhesion was obtained.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer was 180 m / s, and the density was 200 kg / m 3 .
  • Example (B) (A) Processing of first acoustic matching layer
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) density 30 kg / m 3
  • This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 60 ⁇ m, an average wall thickness of 80 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the speed of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 1200 m / s.
  • the thickness of the first acoustic matching layer 26 was adjusted to 600 ⁇ m.
  • Example (C) (A) Processing of first acoustic matching layer As the first acoustic matching layer 26, polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 50 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 40 ⁇ m, an average wall thickness of 200 nm, and a diameter of 10.8 mm. The speed of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 2000 m / s. The thickness of the first acoustic matching layer 26 was adjusted to 1000 ⁇ m.
  • Example (D) (A) Processing of first acoustic matching layer As the first acoustic matching layer 26, polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 70 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 25 ⁇ m, an average wall thickness of 400 nm, and a diameter of 10.8 mm. The speed of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 3000 m / s. The thickness of the first acoustic matching layer 26 was adjusted to 1500 ⁇ m.
  • Example (G) (A) Manufacture of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27
  • Organic polymer, inorganic material fiber body, foam body, sintered porous body, glass balloon or plastic balloon solidified with resin material, glass balloon heated A compressed material or the like can be used.
  • the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermally cured at 120 ° C.
  • the thickness of the cured molded body was cut so as to be 1 ⁇ 4 of the ultrasonic oscillation wavelength, whereby the second acoustic matching layer 27 was obtained.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the second acoustic matching layer 27 was 2500 m / s.
  • the density was 520 kg / m 3 and the thickness was 1250 ⁇ m.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 30 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 60 ⁇ m, an average wall thickness of 80 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 1200 m / s, and the thickness was 600 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 50 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • Example (H) (A) Manufacture of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27
  • Organic polymer, inorganic material fiber body, foam body, sintered porous body, glass balloon or plastic balloon solidified with resin material, glass balloon heated A compressed material or the like can be used.
  • the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermally cured at 120 ° C.
  • the thickness of the cured molded body was cut so as to be 1 ⁇ 4 of the ultrasonic oscillation wavelength, whereby the second acoustic matching layer 27 was obtained.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the second acoustic matching layer 27 was 2500 m / s.
  • the density was 520 kg / m 3 and the thickness was 1250 ⁇ m.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 30 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 60 ⁇ m, an average wall thickness of 80 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 1200 m / s, and the thickness was 600 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 150 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • Example (I) (A) Manufacture of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27
  • Organic polymer, inorganic material fiber body, foam body, sintered porous body, glass balloon or plastic balloon solidified with resin material, glass balloon heated A compressed material or the like can be used.
  • the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermally cured at 120 ° C.
  • the thickness of the cured molded body was cut so as to be 1 ⁇ 4 of the ultrasonic oscillation wavelength, whereby the second acoustic matching layer 27 was obtained.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the second acoustic matching layer 27 was 2500 m / s.
  • the density was 520 kg / m 3 and the thickness was 1250 ⁇ m.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 50 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 40 ⁇ m, an average wall thickness of 200 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 2000 m / s, and the thickness was 100 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 50 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • Example (J) (A) Manufacture of second acoustic matching layer (glass epoxy) 27
  • Organic polymer, inorganic material fiber body, foam body, sintered porous body, glass balloon or plastic balloon solidified with resin material, glass balloon heated A compressed material or the like can be used.
  • the jig was filled with a glass balloon, then impregnated with an epoxy solution, and thermally cured at 120 ° C.
  • the thickness of the cured molded body was cut so as to be 1 ⁇ 4 of the ultrasonic oscillation wavelength, whereby the second acoustic matching layer 27 was obtained.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the second acoustic matching layer 27 was 2500 m / s.
  • the density was 520 kg / m 3 and the thickness was 1250 ⁇ m.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 70 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 25 ⁇ m, an average wall thickness of 400 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 3000 m / s, and the thickness was 1500 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 50 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 70 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 200 ⁇ m, an average wall thickness of 2000 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 400 m / s, and the thickness was 200 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 50 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • polymethacrylimide hard plastic foam ROHACELL (R) (density 70 kg / m 3 ) was used. This material was processed into a cylindrical shape having an average pore size of 300 ⁇ m, an average wall thickness of 3250 nm, and a diameter of 10.8 mm.
  • the sound velocity of the ultrasonic wave of about 500 kHz propagating through the first acoustic matching layer 26 was 460 m / s, and the thickness was 230 ⁇ m.
  • An epoxy resin was applied to the surface of the second acoustic matching layer 27 with a thickness of about 50 ⁇ m, and the first acoustic matching layer 26 was placed thereon and bonded by thermal pressing.
  • the sensitivity of the fabricated ultrasonic transducer was measured.
  • the pair of produced ultrasonic transducers were made to face each other, and one was used as a transmitter and the other was used as a receiver to transmit / receive ultrasonic waves.
  • a value normalized based on the measurement result of Reference Example (A) was obtained.
  • the brittleness / workability of the first acoustic matching layer was evaluated by the bulk modulus. Specifically, a value obtained by normalizing the bulk modulus shown in the catalog of the material used for the first acoustic matching layer with the bulk modulus of the material of Reference Example (A) was obtained. Table 1 summarizes these values and the characteristics of the first acoustic matching layer 26 and the second acoustic matching layer 27.
  • sensitivity ⁇ : Less than 1 ⁇ : 1 or more and less than 1.5 ⁇ : 1.5 or more and less than 2 ⁇ : 2 or more (brittleness / workability) ⁇ : 1 or less ⁇ : 2 or more and less than 5 ⁇ : 5 or more and less than 30 ⁇ : 30 or more
  • the laminated body and ultrasonic transducer of the present disclosure are suitably used for flow meters for measuring various fluids. Further, the present invention is suitably used for various devices having sonar performance, such as a detection device that detects a target object and a distance measuring device that measures a distance to the target object.

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Abstract

積層体は、圧電体と、前記圧電体と直接または他の層を介して接して配置されている第１音響整合層と、を備える。第１音響整合層は、複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含む。クローズドポアの平均ポア径は、１μｍ以上１００μｍ以下である。第１音響整合層の密度は１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下である。

Description

積層体、超音波送受波器および超音波流量計
　本開示は、圧電体および音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計に関する。
　近年、超音波が伝搬路伝達する時間を計測し、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。超音波流量計は、一般に圧電振動子を備え、圧電振動子によって超音波を検出する。流体が気体である場合、気体と圧電振動子との間の音響インピーダンスの差が大きいため、気体を伝搬する超音波は圧電振動子との界面で反射されやすい。このため、超音波を圧電振動子に効率よく入射させるため、圧電振動子と気体との界面に音響整合層が設けられる場合がある。
　特許文献１は、音響整合層として用いることのできる材料を開示している。特許文献２は、２つの音響整合層を備えた超音波送受波器を開示している。
特許第２５５９１４４号公報 特許第３５５２０５４号公報
　従来の超音波送受波器用では、音響整合層と超音波の放射媒体との音響インピーダンスの整合性が十分ではないため高い感度が得られなかった。本開示は、適切な音響特性の音響整合層を含む積層体、超音波送受波器および超音波流量計を提供する。
　本開示の一態様に係る積層体は、圧電体と、前記圧電体と直接または他の層を介して接して配置されている第１音響整合層と、を備える。第１音響整合層は、複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含む。クローズドポアの平均ポア径は、１μｍ以上１００μｍ以下である。第１音響整合層の密度は１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下である。なお、本開示の包括的または具体的な態様は、積層体、デバイス、装置、システム、方法、またはこれらの何れかの組み合わせで実現されてもよい。
　本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計によれば、適切な音響特性の音響整合層を含むため、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
図１は本開示の超音波流量計を示すブロック図である。 図２は本開示の積層体および超音波送受波器の第１の実施形態を示す模式的端面図である。 図３Ａは第１の実施形態の超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。 図３Ｂは第１の実施形態の超音波送受波器の製造方法を示す工程断面図である。 図４は本開示の積層体および超音波送受波の第２の実施形態を示す模式的端面図である。 図５は、プラスティック独立気泡発泡体の表面の電子顕微鏡写真を示す図である。 図６の左は、プラスティック独立気泡発泡体の表面の電子顕微鏡写真を示す図であり、右は、その一部の拡大図である。
　本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の概要は以下の通りである。
　　［項目１］
　圧電体と、
　前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層であって、
　複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含み、
　前記クローズドポアの平均ポア径が、１μｍ以上１００μｍ以下であり、
１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有する第１音響整合層と
を備える、
積層体。
　　［項目２］
　前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以上３５０×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以下の範囲内にある、項目１に記載の積層体。
　　［項目３］
　前記クローズドポアの平均隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下である、項目１または２に記載の積層体。
　　［項目４］
　前記第１音響整合層の音速が５００ｍ／ｓ以上である、項目１から３のいずれか１項に記載の積層体。
　　［項目５］
　前記プラスチック独立気泡発泡体は、ポリメタクリルイミド発泡体である、項目１から４のいずれかに記載の積層体。
　　［項目６］
　前記第１音響整合層の厚さが前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である、項目１から５のいずれかに記載の積層体。
　　［項目７］
　前記圧電体と前記第１音響整合層との間に位置する第２音響整合層を更に備え、
　前記第２音響整合層は、５０ｋｇ／ｍ３以上１５００ｋｇ／ｍ３以下であり、かつ、前記第１音響整合層よりも大きい密度を有する、項目１から６のいずれかに記載の積層体。
　　［項目８］
　前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと、前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである、項目７に記載の積層体。
　　［項目９］
　前記第２音響整合層の厚さが、前記第２音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である項目７または８に記載の積層体。
　　［項目１０］
　前記第１音響整合層は、前記圧電体と直接接合されている、項目１から６のいずれかに記載の積層体。
　　［項目１１］
　前記第２音響整合層は、前記第１音響整合層、および、前記圧電体と直接接して配置されている、項目７に記載の積層体。
　　［項目１２］
　前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に、１０００ｋｇ／ｍ３以上の密度を
有する構造支持層をさらに備える、項目７に記載の積層体。
　　［項目１３］
　前記構造支持層の厚さが、前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの１／８未満である、項目１２に記載の積層体。
　　［項目１４］
　項目１から１３のいずれかに記載の積層体を備えた超音波送受波器。
　　［項目１５］
　項目１から６のいずれかに記載の積層体と、
　天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
　前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
　前記第１音響整合層は前記天板の外面に固定されている、超音波送受波器。
　　［項目１６］
　項目７から９のいずれかに記載の積層体と、
　天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
　前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
　前記第２音響整合層は前記天板の外面に固定され、
　前記第１音響整合層は前記第２音響整合層に接している、超音波送受波器。
　　［項目１７］
　前記ケースは金属材料によって構成されている項目１５または１６に記載の超音波送受波器。
　　［項目１８］
　被測定流体が流れる流路と、
　前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、項目１４から１６のいずれか１項に記載の超音波送受波器と、
　前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
　前記時間計測部からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
を備えた超音波流量計。
　以下、図面を参照しながら、本開示の積層体、超音波送受波器および超音波流量計の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　以下、本実施形態の超音波送受波器および超音波流量計の一例を詳細に説明する。
　［超音波流量計の構成］
　図１は本開示の超音波流量計の概略的な構成を示す。図１に示すように、超音波流量計は、被測定流体が流れる流路と、流路に配置された一対の超音波送受波器１１および１２と、時間計測部３１と、演算部３２と、を備える。管壁１３によって規定される流路には流体が流速Ｖにて図に示す方向に流れている。この流路を流れる流体の流量が測定される。管壁１３には、一対の超音波送受波器（第１および第２の超音波送受波器）１１、１２が相対して設置されている。超音波送受波器１１、１２は、電気エネルギー／機械エネルギー変換素子である圧電セラミック等の圧電振動子を含み、圧電ブザーまたは圧電発振子と同様に共振特性を示す。まず、超音波送受波器１１を超音波送波器として用い、超音波送受波器１２を超音波受波器として用いる。時間計測部３１が超音波送受波器１１の圧電振動子に共振周波数近傍の周波数の交流電圧を印加すると、超音波送受波器１１は管内の流体中に同図中のＬ１で示す伝搬経路に沿って超音波を放射する。超音波送受波器１２は流体中を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１２を超音波送波器として用い、超音波送受波器１１を超音波受波器として用いる。時間計測部３１が超音波送受波器１２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１２は管内の流体中に同図中のＬ２で示す伝搬経路に沿って超音波を放射し、超音波送受波器１１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１１、１２は、受波器としての役目と送波器としての役目を果たす。
　このような超音波流量計では、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。時間計測部３１が駆動用のバースト電圧信号を超音波送受波器１１に印加して超音波送受波器１１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１２に到達する。超音波送受波器１２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。時間計測部３１は、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１１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１１から放射され伝搬路を伝搬して超音波送受波器１２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。図１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１１を送波器、超音波送受波器１２を受波器として用いたときに、超音波送受波器１１から出た超音波パルスが超音波送受波器１２に到達する超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期をｔ１、シング・アラウンド周波数をｆ１とすれば、次式（１）が成立する。
　ｆ１＝１／ｔ１＝（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）／Ｌ・・・（１）
　逆に、超音波送受波器１２を送波器として、超音波送受波器１１を受波器として用いたときの超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期をｔ２、シング・アラウンド周波数をｆ２とすれば、次式（２）の関係が成立する。
　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。
　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。
　超音波流量計は、時間計測部３１および演算部３２を備える。時間計測部３１は、超音波送受波器１１、１２を駆動するバースト電圧信号を生成する駆動回路および超音波送受波器１１、１２で変換された電気バースト信号を電気的に増幅する受信回路を含み、上述した手順によって、超音波伝搬時間であるシング・アラウンド周期ｔ１およびｔ２を求める。演算部３２は、求めたシング・アラウンド周期ｔ１およびｔ２と式（３）の関係から、流体の流速および流量を算出する。時間計測部３１および演算部３２は、例えば、マイコン、メモリ、およびメモリに記憶され、上述した演算を行う手順を規定したプログラムによって構成される。時間計測部３１および演算部３２の一部は、電子回路等によって構成されていてもよい。
　［超音波送受波器］
　図２は、本開示の超音波流量計に用いる超音波送受波器１１の一例を示す断面図である。超音波送受波器１２も超音波送受波器１１と同じ構造を備えている。超音波送受波器１１は、積層体２８とケース２９とを備える。
　積層体２８は、圧電体２１と第１音響整合層２６とを備える。第１音響整合層２６は直接、または、他の層を介して圧電体２１と接している。圧電体２１は、圧電セラミックスまたは単結晶によって構成され、厚さ方向に分極されている。また、圧電体２１は厚さ方向の上下面に電極を有しており、電極に電圧を印加することによって、超音波振動を発生する。
　ケース２９は、天板２２ｕを有する凸形状を備えた本体２２と、蓋板２３とを含む。本体２２および蓋板２３とは導電材料、例えば外部の流体に対して信頼性が確保できる金属等の材料で形成されている。圧電体２１は、本体２２の凸形状内に位置し、天板２２ｕの内面２２ａに貼り付けられている。本体２２の凸形状の底に位置する開口は、蓋板２３で覆われ、本体２２の内空間が封止されている。このため、ケース２９は気体遮蔽性を有し、種々の流体に超音波送受波器１１が曝されても、内部の圧電体２１が劣化することがなく、高い信頼性を備える。蓋板２３には駆動端子２４ａおよび２４ｂが取り付けられている。２つの駆動端子２４ａおよび２４ｂのうち、一方の駆動端子２４ａは蓋板２３および本体２２を介して圧電体２１の上面電極に電気的に接続されている。他方の駆動端子２４ｂは、絶縁材２５で蓋板２３と電気的に絶縁されているとともに、本体２２内で圧電体２１の下面電極に電気的に接続されている。
　第１音響整合層２６は、流体に超音波を送波、または流体を伝搬してきた超音波を受波する。第１音響整合層２６は、駆動交流電圧により励振される圧電体２１の機械的振動を外部の媒体に対して超音波として効率よく出力し、到達した超音波を振動として効率よく圧電体２１に伝える。これにより、電圧が効率よく超音波に変換され、超音波が効率よく電圧に変換される。第１音響整合層２６は本体２２の天板２２ｕの外面２２ｂに貼り付けられている。
　圧電体２１および流体の音響インピーダンスを、それぞれＺ１、Ｚ２とし、第１音響整合層２６に求められる理想的な音響インピーダンスをＺ３とすると、音響インピーダンスＺ３は、Ｚ３＝√（Ｚ１・Ｚ２）で求められる。圧電体２１の音響インピーダンスは約３０×１０６ｋｇ／ｍ２・ｓ程度であり、水素の音響インピーダンスは１１０ｋｇ／ｍ２・ｓ程度である。上述した数値をこの式に代入すると、Ｚ３＝５７×１０３（ｋｇ／ｍ２・ｓ）と求められる。また、音響インピーダンスは次式（４）で定義される。
　音響インピーダンス＝（密度）×（音速）・・・（４）
　本実施形態において、第１音響整合層２６は、１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有する。また、第１音響整合層２６を伝搬する音速は、５００ｍ／ｓ以上であり、望ましくは、５００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下である。この範囲の密度および音速を適切に選択することにより、第１音響整合層２６の音響インピーダンスは５×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以上３５０×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以下の範囲内の値を取ることができる。
　このような物性を備える第１音響整合層２６に適した材料としては、例えば、硬質微孔体が挙げられる。例えば、第１音響整合層２６は、硬質プラスチック独立気泡（クローズドセル）発泡体である。硬質プラスチック独立気泡発泡体の例としては、ポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は、例えば、商標名ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）で、Ｒｏｅｈｍ　Ｇｍｂｈ　＆　Ｃｏ　ＫＧから販売されており、日本国内では、ダイセル・エボニック株式会社から購入することができる。ＲＯＨＡＣＥＬＬの密度は、１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下の範囲内であるとカタログに公表されている。
　図５および６に、プラスチック独立気泡発泡体の表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真の一例を示す。この写真で、比較的白く見えているのが、孔、すなわち、独立気泡（クローズドポア）であり、独立気泡と、独立気泡の間で、比較的黒く見えているのが、隔壁（プラスチック）である。したがって、クローズドポアの隣接間距離は、隔壁の厚みの最も薄い部分に相当する。
　ポリメタクリルイミド発泡体におけるクローズドポアの平均ポア径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。ここでポア径とは、電子顕微鏡による観察視野において、クローズドポアのそれぞれの内接円の直径で定義する（図５参照）。また、平均ポア径は、少なくとも１００個のクローズドポアを含む電子顕微鏡による観察視野におけるクローズドポアのポア径の平均値で定義する。
　また、クローズドポアの平均隣接間距離は、少なくとも１０個のクローズドポアを含む電子顕微鏡による観察視野において、隣接間距離を測定し、それを平均する（図６参照）。クローズドポアの隣接間距離は５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内で均一に分布していることが望ましい。
　計算によるシミュレーションおよび以下で説明する実験結果によれば、クローズドポアの平均ポア径およびクローズドポアの隣接間距離は音響伝搬特性に影響する。良好な音響伝搬特性を実現するためにこれらの値は上述した範囲にあることが望ましい。クローズドポアの隣接間距離は、独立気泡の隔壁の平均厚さに相当する。
　また、ポリメタクリルイミド発泡体は、剛直で強固な分子構造を備えるため、他の硬質発泡体に比べ、機械的強度および加工性に優れる。
　第１音響整合層２６は、第１音響整合層２６中を伝搬する音波の波長λの略１／４の厚さを有していることが望ましい。これにより、第１音響整合層２６の２つの主面間で反射し圧電体２１へ入射する音波は位相が１／２ずれることによって弱められる。よって、不要な反射によって遅れて圧電体２１へ入射する音波の強度を小さくし、反射波の影響を抑制することができる。
　本実施形態では、ケース２９の天板２２ｕは、積層体２８を支持する構造支持層として機能する。天板２２ｕは、１０００ｋｇ／ｍ３以上の密度を有することが望ましい。また、天板２２ｕの厚さは、天板２２ｕを伝搬する音波の波長λの１／８以下の厚さを有している。この条件を天板２２ｕが満たすことによって、天板２２ｕにおける音波の反射等が抑制される。
　本実施形態の超音波送受波器は、例えば以下の手順により、製造することができる。まず、図３Ａに示すように、ケース２９、圧電体２１及び第１音響整合層２６を用意する。第１音響整合層２６は、予め、所望の厚さを有するように、加工されている。ケース２９の本体２２における天板２２ｕの内面２２ａに接着剤などで圧電体２１を張り付ける。また、天板２２ｕの外面２２ｂに第１音響整合層２６を張り付ける。その後、図３Ｂに示すように、圧電体２１と駆動端子２４ｂ等との接続を行う。最後に、本体２２の開口を、接着剤などを用いて蓋板２３で閉じることによって、超音波送受波器が完成する。
　本実施形態の積層体によれば、第１音響整合層２６が１０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有することにより、超音波を放射する圧電体と気体との間における音響インピーダンス差による超音波の反射を抑制し、超音波を圧電体に効率よく入射させることができる。したがって、高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。特に、第１音響整合層２６が独立気泡を有する構造体によって構成され、クローズドポアの平均ポア径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、クローズドポアの隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内であることにより、優れた音響特性を実現し得る。よって、更に高感度な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。また、第１音響整合層２６の独立気泡を有する構造体はポリメタクリルイミド発泡体を含む。ポリメタクリルイミド発泡体は低密度でありながら高弾性であるという特徴を備えるため、製造過程における衝撃に対して耐性を有しており、機械的強度および加工性に優れる。したがって、積層体および超音波送受波器を高い歩留まりで製造することが可能である。したがって、音響整合層の取り扱いが比較的容易であることにより、生産性に優れまた、特性のばらつきが小さく、音波を流体から効率よく圧電体に入射させることが可能な積層体を得ることができる。またこのような積層体を用いることにより、高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
（第２の実施形態）
　図４は、本実施形態の超音波流量計に用いられる超音波送受波器の構造を模式的に示している。図４において、図１に示した第１の実施形態と同一または同様の構成には同一の符号を付している。第１の実施形態と同一または同様の構成については、その説明は省略する場合がある。図４に示す超音波送受波器は、圧電体２１、第１音響整合層２６および第２音響整合層２７を含む積層体２８’を備えている点で第１の実施形態と異なる。
　第２音響整合層２７は圧電体２１と第１音響整合層２６との間に位置している。本実施形態では、第２音響整合層２７は天板２２ｕの外面２２ｂに張り付けられており、第１音響整合層２６は第２音響整合層２７に接している。第２音響整合層２７は、５０ｋｇ／ｍ３以上１５００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有する。また、第２音響整合層２７の密度は、第１音響整合層の密度よりも大きい。第１音響整合層２６の音響インピーダンスをＺａとし、第２音響整合層２７の音響インピーダンスをＺｂとすると、Ｚａ＜Ｚｂの関係を満たしている。Ｚｂは圧電体２１の音響インピーダンスよりも小さい。積層体２８’が、このような音響特性を有する第２音響整合層２７をさらに含むことにより、第１音響整合層２６に入射した音波を、より効率よく圧電体２１に入射させることが可能となる。
　第２音響整合層２７はクローズドポアを有する材料である。例えば、第２音響整合層２７は、ポリメタクリルイミドなどの発泡樹脂または複合材料によって構成されている。複合材料は、例えば、ガラスバルーン（中空の微小なガラス球）またはプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料であってよい。また、これらの発泡樹脂および複合材料は、その表面がガスバリア膜で覆われた構造を有していても良い。第２音響整合層２７の厚さも第１の実施形態と同様の理由により、第２音響整合層２７を伝搬する音波の１／４の厚さを有していることが望ましい。
　本実施形態では、第１音響整合層２６と第２音響整合層２７とは互いに直接接している。第２音響整合層２７は、ケース２９の天板２２ｕの外面２２ｂと接している。ケース２９の天板２２ｕは、積層体２８’を支持する構造支持層として機能する。天板２２ｕは、１０００ｋｇ／ｍ３以上の密度を有することが望ましい。また、天板２２ｕの厚さは、天板２２ｕを伝搬する音波の波長λの１／８以下の厚さを有している。この条件を天板２２ｕが満たすことによって、天板２２ｕにおける音波の反射等が抑制される。
　本実施形態の積層体によれば、積層体２８’が第２音響整合層２７を含むため、流体中を伝搬する音波をより高効率で圧電体へ入射させることができる。したがって、第１の実施形態で説明した特徴に加え、より高感度で流体を検出することが可能な超音波送受波器および超音波流量計が実現し得る。
　（実施例）
　以下、第１および第２の実施形態の超音波送受波器および超音波流量計を作製し、特性を調べた結果を説明する。
　１．　試料の作製
　［参考例（Ａ）］
（ａ）第２音響整合層（シリカ多孔体）の製造
　数十μｍ径の球状アクリル樹脂と１μｍ以下の直径の焼結シリカ粉末を混合した後に加圧成型を行った。この成型体を乾燥した後に、９００℃で焼成してシリカ多孔体を形成した。その後、シリカ多孔体の厚さが超音波発振波長の１／４となるように調製し、第２音響整合層を得た。第２音響整合層中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１５００ｍ／ｓであった。密度は５７０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは７５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層と第１音響整合層の積層
　テトラメトキシシランとエタノールとアンモニア水溶液（０．１規定）とをモル比で１対３対４になるように調製したゲル原料液を、予めプラズマクリーニングによって水酸基が表面に露出するように洗浄した第２音響整合層上に、９０μｍの厚さで塗布した。その後、塗布したゲル原料液を固化させ、シリカ湿潤ゲル層を得た。このシリカ湿潤ゲル層を形成した第２音響整合層をトリメチルエトキシシランの５重量％ヘキサン溶液中で疎水化処理を行った後に、二酸化炭素による超臨界乾燥（１２ＭＰａ、５０℃）を行って、シリカ乾燥ゲルと第２音響整合層が積層した音響整合層を得た。第２音響整合層上の水酸基とテトラメトキシシランのアルコキシ基が反応して化学結合を形成しているため、密着性の良い第１音響整合層が得られた。第１音響整合層中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１８０ｍ／ｓであり、密度は２００ｋｇ／ｍ３であった。
（ｃ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｂ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度３０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚さ８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は１２００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは６００μｍに調製した。
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｃ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度５０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ４０μｍ、平均壁厚さ２００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は２０００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは１０００μｍに調製した。
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｄ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２５μｍ、平均壁厚さ４００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は３０００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは１５００μｍに調製した。
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［参考例（Ｅ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２００μｍ、平均壁厚さ２０００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は４００ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは２００μｍに調製した。
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［参考例（Ｆ）］
（ａ）第１音響整合層の加工
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ３００μｍ、平均壁厚さ３２５０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の速度は４６０ｍ／ｓであった。第１音響整合層２６の厚さは２３０μｍに調製した。
（ｂ）音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第１音響整合層２６で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｇ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度３０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚み８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１２００ｍ／ｓ、であり、厚さは６００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｈ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度３０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ６０μｍ、平均壁厚み８０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は１２００ｍ／ｓ、であり、厚さは６００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ１５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｉ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度５０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ４０μｍ、平均壁厚み２００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２０００ｍ／ｓであり、厚さは１００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［実施例（Ｊ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２５μｍ、平均壁厚み４００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は３０００ｍ／ｓであり、厚さは１５００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［参考例（Ｋ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ２００μｍ、平均壁厚み２０００ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は４００ｍ／ｓであり、厚さは２００μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　［参考例（Ｌ）］
（ａ）第２音響整合層（ガラスエポキシ）２７の製造
　有機高分子、無機材料の繊維体、フォーム体、焼結多孔体、ガラスバルーンやプラスチックバルーンを樹脂材料で固めた材料、ガラスバルーンを熱圧縮した材料などを用いることができる。ここでは、冶具にガラスバルーンを充填した後にエポキシ溶液を含浸させて、１２０℃で熱硬化させた。この硬化した成型体の厚さを超音波発振波長の１／４になるように切削し、第２音響整合層２７を得た。第２音響整合層２７中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は２５００ｍ／ｓであった。密度は、５２０ｋｇ／ｍ３であり、厚さは１２５０μｍであった。
（ｂ）第２音響整合層とケース、圧電体層との接合
　ケース２９の本体２２の天板２２ｕの両側にエポキシ系接着シートを仮結着したのちに、圧電体２１および第２音響整合層２７で天板２２ｕを挟み加圧しながら加熱して硬化接合した。
（ｃ）第２音響整合層２７と第１音響整合層２６の積層
　第１音響整合層２６として、ポリメタクリルイミド硬質プラスチック発泡体ＲＯＨＡＣＥＬＬ（Ｒ）（密度７０ｋｇ／ｍ３）を使用した。この材料は、平均ポアサイズ３００μｍ、平均壁厚み３２５０ｎｍであり、直径１０．８ｍｍの円柱形状に加工した。第１音響整合層２６中を伝搬する約５００ｋＨｚの超音波の音速は４６０ｍ／ｓであり、厚さは２３０μｍであった。第２音響整合層２７の表面におよそ５０μｍの厚さでエポキシ樹脂を塗布し、その上に前記第１音響整合層２６を、配置し、熱加圧することにより接合した。
（ｄ）超音波送受波器の形成
　本体２２に蓋板２３、駆動端子２４ａ、２４ｂ等を組み付けて超音波送受波器を得た。
　２．特性の評価
　作製した超音波送受波器の感度を測定した。作製した１対の超音波送受波器を対向させ、一方を送信器とし、他方を受信器として、超音波の送受信を行った。参考例（Ａ）による測定結果を基準として規格化した値を求めた。また、第１音響整合層の脆さ・加工性を体積弾性率によって評価した。具体的には、第１音響整合層に用いた材料のカタログに示された体積弾性率を、参考例（Ａ）の材料の体積弾性率で規格化した値を求めた。表１にこれらの値、および、第１音響整合層２６および第２音響整合層２７の特性をまとめて示す。
　表１における性能評価の欄における、×、△、〇、◎の記号は以下の範囲に従って分類した。
　（感度）
　　　×：１未満
　　　△：１以上１．５未満
　　　○：１．５以上２未満
　　　◎：２以上
　（脆性・加工性）
　　　×：１以下
　　　△：２以上５未満
　　　○：５以上３０未満
　　　◎：３０以上
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　３．結果の考察
　表１に示すように、ポリメタクリルイミド発泡体は、シリカ多孔体に比べて、脆さ・加工性に優れていることが分かる。また、実施例ＢからＦの平均気泡径と感度との関係から、平均気泡径が１００μｍ以下であり、隔壁の平均厚さが１μｍ以下である方が、感度がよいことが分かる。本願発明者の詳細な実験の結果によれば、平均気泡径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、隔壁の平均厚さが５０ｎｍ以上１μｍ以下であることによって、超音波送受波器の感度は向上する。また、第１音響整合層の音速は、５００ｍ／ｓよりも大きい方が高い感度が得られることが分かる。
　実施例Ｇ～Ｌと実施例Ｂ～Ｆとの比較から、積層体が第２音響整合層２７をさらに備えることによって、第１音響整合層２６のみを備える場合に比べて感度がより向上することが分かる。
　本開示の積層体および超音波送受波器は、種々の流体の測定用流量計に好適に用いられる。また、目標対象物を探知する探知装置、目標対象物までの距離を測定する測距装置等、ソナー性能を有する種々の装置に好適に用いられる。
　１１，１２　超音波送受波器
　２２　本体
　２２ｕ　天板
　２２ａ　内面
　２２ｂ　外面
　２３　蓋板
　２４ａ，２４ｂ　駆動端子
　２５　絶縁材
　２６　第１音響整合層
　２７　第２音響整合層
　２８，２８’　積層体
　２９　ケース
　３１　時間計測部
　３２　演算部

Claims (18)

  1. 　圧電体と、
    　前記圧電体と、直接または他の層を介して、接して配置されている第１音響整合層であって、
    　複数のクローズドポアを含むプラスチック独立気泡発泡体を含み、
    　前記クローズドポアの平均ポア径が、１μｍ以上１００μｍ以下であり、
    １０ｋｇ／ｍ３以上１００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有する第１音響整合層と
    を備える、
    積層体。
  2. 　前記第１音響整合層の音響インピーダンスが５×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以上３５０×１０３ｋｇ／ｓ・ｍ２以下の範囲内にある、請求項１に記載の積層体。
  3. 　前記クローズドポアの平均隣接間距離が５０ｎｍ以上１μｍ以下である、請求項１または２に記載の積層体。
  4. 　前記第１音響整合層の音速が５００ｍ／ｓ以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の積層体。
  5. 　前記プラスチック独立気泡発泡体は、ポリメタクリルイミド発泡体である、請求項１から４のいずれかに記載の積層体。
  6. 　前記第１音響整合層の厚さが前記第１音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である、請求項１から５のいずれかに記載の積層体。
  7. 　前記圧電体と前記第１音響整合層との間に位置する第２音響整合層を更に備え、
    　前記第２音響整合層は、５０ｋｇ／ｍ３以上１５００ｋｇ／ｍ３以下であり、かつ、前記第１音響整合層よりも大きい密度を有する、請求項１から６のいずれかに記載の積層体。
  8. 　前記第１音響整合層の音響インピーダンスＺａと、前記第２音響整合層の音響インピーダンスＺｂとの関係が、Ｚａ＜Ｚｂである、請求項７に記載の積層体。
  9. 　前記第２音響整合層の厚さが、前記第２音響整合層中を伝播する音波の波長λの略１／４である請求項７または８に記載の積層体。
  10. 　前記第１音響整合層は、前記圧電体と直接接合されている、請求項１から６のいずれかに記載の積層体。
  11. 　前記第２音響整合層は、前記第１音響整合層、および、前記圧電体と直接接して配置されている、請求項７に記載の積層体。
  12. 　前記第１音響整合層と前記第２音響整合層との間に、１０００ｋｇ／ｍ３以上の密度を
    有する構造支持層をさらに備える、請求項７に記載の積層体。
  13. 　前記構造支持層の厚さが、前記構造支持層中を伝播する音波の波長λの１／８未満である、請求項１２に記載の積層体。
  14. 　請求項１から１３のいずれかに記載の積層体を備えた超音波送受波器。
  15. 　請求項１から６のいずれかに記載の積層体と、
    　天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
    　前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
    　前記第１音響整合層は前記天板の外面に固定されている、超音波送受波器。
  16. 　請求項７から９のいずれかに記載の積層体と、
    　天板を有する凸形状を備えた本体、および、前記凸形状の開口を覆う蓋板を有するケースをさらに備え、
    　前記圧電体は、前記凸形状内に位置し、前記天板の内面に固定され、
    　前記第２音響整合層は前記天板の外面に固定され、
    　前記第１音響整合層は前記第２音響整合層に接している、超音波送受波器。
  17. 　前記ケースは金属材料によって構成されている請求項１５または１６に記載の超音波送受波器。
  18. 　被測定流体が流れる流路と、
    　前記流路に配置された、超音波信号を送受信する一対の超音波送受波器であって、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の超音波送受波器と、
    　前記一対の超音波送受波器間の超音波伝搬時間を計測する時間計測部と、
    　前記時間計測部からの信号に基づいて前記流路の流量を算出する演算部と、
    を備えた超音波流量計。
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