(57)【要約】【課題】超音波送受波器の感度を向上させるために、異なる音響インピーダンスを持つ二層以上の音響整合部材を一体化した音響整合部材において、空中放射超音波送受波器へ適用可能な低音響インピーダンス値と、機械的強度や耐久性を両立することを目的とする。【解決手段】本発明は超音波を伝達し放出するための音響整合部材であって、ガラスを主成分とする第一の整合層１１と、第一の整合層１１と一体に接合されるとともに、ガラスを主成分とする第二の整合層１２とを、少なくとも備え、第一の整合層１１および第二の整合層１２は内部に複数の気孔を有するとともに、第二の整合層１２の単位体積あたりの気孔の体積は、第一の整合層１１の単位体積あたりの気孔の体積よりも大きいものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を伝達し放出するための音響整合部材であって、
ガラスを主成分とする第一の整合層と、
前記第一の整合層と一体に接合されるとともに、ガラスを主成分とする第二の整合層とを、少なくとも備え、
前記第一の整合層および前記第二の整合層は内部に複数の気孔を有するとともに、
前記第二の整合層の単位体積あたりの気孔の体積は、
前記第一の整合層の前記単位体積あたりの気孔の体積よりも大きくし、第二の整合層から超音波を放射する音響整合部材。
【請求項２】
前記第一の整合層および前記第二の整合層にはアルカリ土類金属元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の音響整合部材。
【請求項３】
前記第一の整合層および前記第二の整合層は同一材組成系からなる請求項１に記載の音響整合部材。
【請求項４】
前記第一の整合層および前記第二の整合層にはホウ珪酸ガラスが含まれる請求項１に記載の音響整合部材。
【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や液体などの流体の流量を測定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などに用いる超音波送受波器に関するもので、特に超音波を送受信する振動子と空気などの伝搬媒体との音響インピーダンスの整合をとる音響整合部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超音波を用いて流体の流量検知や物体との距離の測定を行うセンサとして、圧電振動子と音響整合部材からなる超音波センサが知られている。
【０００３】
ここで、従来の音響整合部材を以下に述べる。
【０００４】
特許文献１には、音響インピーダンス値が互いに異なる音響整合部材をスクリーン印刷法により多層した音響整合部材において、エポキシ系樹脂に各種金属微粉末の添加量が異なる音響整合部材を一体に形成することで音波伝達の感度を高めた超音波探触子が開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の音響整合部材は樹脂材料からなるために、強度が低く、耐久性にも劣る。また樹脂材料は体積膨張率が比較的高いことから実使用温度の変化によって音響インピーダンスが変動してしまうといった課題がある。また、その製造方法はスクリーン印刷と樹脂の固化を繰り返すため、工程が煩雑になり、音響整合部材として高コストなものとならざるを得ない。
【０００６】
特許文献２には、機械的強度に優れ、長期にわたって安定したセンサ特性を保持できる音響整合部材として、発泡ガラスを主成分として含有してなる音響整合部材が開示されている。しかしながら、その音響インピーダンスは対空気放射用途の音響整合部材としては、非常に高いものであると推測されるとともに、単一の音響整合部材であるがゆえに音波伝達の感度が低いという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８-１９７２５１号公報
【特許文献２】特開２００４−８８６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の音響整合部材は上記課題を解決するものであり、音響整合部材としての機械的強度、耐久性、さらには超音波の伝達感度の向上のみならず、空中放射超音波送受波器へ適用可能な低音響インピーダンス値を実現させたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は超音波を伝達し放出するための音響整合部材であって、ガラスを主成分とする第一の整合層と、前記第一の整合層と一体に接合されるとともに、ガラスを主成分とする第二の整合層とを、少なくとも備え、前記第一の整合層および前記第二の整合層は内部に複数の気孔を有するとともに、前記第二の整合層の単位体積あたりの気孔の体積は、前記第一の整合層の前記単位体積あたりの気孔の体積よりも大きくし、第二の整合層から超音波を放射するものである。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成とすることにより、本発明の音響整合部材は機械的強度や耐久性が良好であるとともに、超音波の伝達感度にも優れ、特に空中放射用の超音波送受信器に適した音響整合部材となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態における音響整合部材の構成を示した断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、音響整合部材に求められる機能について説明する。
【００１３】
音響整合部材として求められる機能としては大きく三点あり、一点目は、音響インピーダンス整合である。物体の音響インピーダンスは密度×音速で求められ、空気の音響インピーダンスＺAIRは約４２８ｋｇ／ｍ2・ｓ、超音波を発生する手段である圧電振動子の音響インピーダンスＺPZTは約２９×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓである。圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合、両者の音響インピーダンスの差異によって音の反射が発生し、音の放射効率が低下する。この音響インピーダンスの差異による音の反射を低減するために音響整合部材が用いられる。この音響整合部材の音響インピーダンスＺMの理想とする値は計算から、
ＺM＝√（ＺPZT×ＺAIR）
で表され、この値が音の伝搬効率が最大となる理想値である。上記したＺPZT及びＺAIRの値を用いると、この値はＺM≒０．１１×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓとなる。
【００１４】
二点目は、各層の厚みの最適化である。音響整合部材の厚みは、使用される周波数の波長λに対してλ／４付近に設定されることが必要である。
【００１５】
三点目は、各層の良好な接合状態である。固体中を伝わる音波は弾性による疎密波であるため、音響整合部材の各層および圧電振動子などのセンサ構造との接合状態が良好であることが重要である。また、音響インピーダンスの異なる層を単純に接着剤により接合する場合は、熱膨張係数の不一致や接着不良といった要因から、剥離や音響整合部材破損といった問題を生じ易い。
【００１６】
以上の内容を鑑みて、図１に示される本発明の一実施の形態における音響整合部材１を詳細に説明する。
【００１７】
図１の音響整合部材１は主としてガラスからなり、そのガラス内部に複数の気孔を設けた第一の整合層１１と、同じく主としてガラスからなり、そのガラス内部に複数の気孔を設け、第一の整合層１１よりも単位体積あたりの気孔の体積が大きい第二の整合層１２とを、中間層を介することなく一体化した構成を有し、第二の整合層１２の露出面（超音波放射面１２Ａ）から音響が放射されるものとなる。
【００１８】
音響整合部材１として第一の整合層１１よりも単位体積あたりの気孔の体積が大きい第二の整合層１２とすることで、音波の伝達効率が向上するものとなる。なお、図１に示す音響整合部材１は第一の整合層１１および第二の整合層１２から構成されているが、特に限定されるものではなく、複数の整合層でかつ超音波放射面１２Ａに近づくに従って、単位体積あたりの気孔体積が大きければよい。
【００１９】
本発明の音響整合部材１における、第一の整合層１１および第二の整合層１２の内部に設けられる気孔は、熱分解し気体を発生するような無機発泡剤を原材料であるガラス粉末に混合し、これを焼成することで内部に気体を発生させて形成される。これによって生じる気孔によって、第一の整合層１１および第二の整合層１２は低密度になり、第一の整合層１１および第二の整合層１２の音響インピーダンスを極めて低くすることができる。
【００２０】
第二の整合層１２の作製時に添加される無機発泡剤の量を、第一の整合層１１の作製時に添加される無機発泡剤の量に比べて多くすることで、第二の整合層１２内部の単位体積あたりの気孔の体積を第一の整合層１１内部の単位体積あたりの気孔の体積よりも大きくすることができる。好ましくは、第二の整合層１２の気孔率を５０％〜９０％とすることで、高い機械的強度を保ちつつ好適に低音響インピーダンス化を図ることができる。
【００２１】
なお、この第一の整合層１１および第二の整合層１２は、共に内部に複数の気孔を設けたガラス材料で構成することにより、焼成時に一体同時焼成が可能となり、焼成後、両層が中間層を介することなく一体化した構成となるため音波伝達の感度が向上する。
【００２２】
この気孔を有した第一の整合層１１および第二の整合層１２の作製方法としては、原材料であるガラス粉末と、焼成温度域で熱分解して気体が発生するような無機発泡剤とを混合することが望ましい。
【００２３】
一般的にガラスやセラミックス内部への気孔形成手法としては、焼成焼失粒子（ポリエチレン等の樹脂粒子）や中空粒子を原料粉末へ添加する手法が広く用いられている。    
【００２４】
しかしながら、樹脂粒子を焼成消失粒子として用いた気孔形成手法では、樹脂粒子が概ね５００℃よりも低い温度で消失してしまうため、単位体積あたりの気孔の体積を大きくしようとすると連通開気孔を生成し易く、この気孔から水分が侵入してしまう等により特性変動を生じ易い。この連通開気孔を生じないよう、焼結を進めると気孔率が低くなってしまう。また、中空粒子を利用した気孔形成手法では、一般には高価な中空粒子を用いるため、製造コストが高くならざるを得ない。
【００２５】
本発明における無機発泡剤を添加する手法では、焼成温度域である程度焼成収縮が進行し、ガラス融液が無機発泡剤を濡らした後に、発泡剤が熱分解して気体を発生させることで、この気体がガラス内部に好適にトラップされる。それゆえ、独立閉気孔を高密度に生成させることができ、単位体積あたりの気孔の体積を高くすることができる上に、概ね独立気孔のみが形成されるため、吸湿等による特性変動を生じ難い。
【００２６】
なお、ここでいう開気孔とは、その一部が当該ガラス材料外部と通じている気孔を指し、閉気孔とは当該ガラス材料内部にあって、当該ガラス系材料外部と通じていない気孔を指す。また、連通気孔とは複数の気孔が連なった形態を有する気孔を指し、独立気孔とは当該ガラス材料内部に単独で存在する気孔を指す。
【００２７】
無機発泡剤としては、ＣａＣＯ3またはＳｒＣＯ3が特に好適に用いられる。これらのアルカリ土類炭酸塩を用いた場合には、焼成過程で炭酸基が炭酸ガス発生に寄与すると共に、アルカリ土類金属元素がガラス中に溶け込むことでガラスの粘性を下げるため、特に好適に発泡を生じさせることができる。このように無機発泡剤としては、ＣａＣＯ3またはＳｒＣＯ3が望ましいが、各種炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等であれば使用可能であり、例えば、ＢａＣＯ3、Ａｌ2（ＳＯ4）3、Ｃｅ2（ＳＯ4）3があげられる。
【００２８】
なお、無機発泡剤の添加量は、ガラス粉末１００重量部に対して０．５重量部〜２重量部が望ましく、３重量部以下であれば、気孔同士の繋がった、連通開気孔がほとんど生成しないため、第一の整合層１１および第二の整合層１２の吸水率を５％以下とすることができる。これにより、気孔から水分が侵入することによる特性変動を抑制することができる。
【００２９】
第一の整合層１１および第二の整合層１２の主たる構成要素であるガラスの組成は、特に限定されず、シリケートガラス、ホウ珪酸ガラス、ホウ酸ガラス、リン酸ガラス等が挙げられるが、好適な発泡、多孔質化と化学的耐久性を両立させるためにはホウ珪酸ガラスが好ましい。また、環境への悪影響を考慮し、ＰｂＯは実質的に含まないことが望ましい。
【００３０】
次に、本発明の一実施の形態における音響整合部材１の製造方法について、詳細に説明する。
【００３１】
まず、第一の整合層１１を構成する第一のシートとして、ホウ珪酸ガラス粉末（屈服点６００℃、密度２．１５ｇ／ｃｍ3）１００重量部に対し、無機発泡剤としてＳｒＣＯ3粉末１重量部を添加、混合して混合粉末を作製した。その後、この混合粉末と、有機バインダーとしてＰＶＢ（ブチラール樹脂）、および可塑剤ＢＢＰ（フタル酸ベンジルブチル）とを混合、分散してスラリーを作製した。
【００３２】
次にこのスラリーを用いて、ドクターブレード法にてＰＥＴフィルム上に第一のシートを成形した。また、第二の整合層１２を構成する第二のシートは、ホウ珪酸ガラス粉末１００重量部に対し無機発泡剤としてＳｒＣＯ3粉末２重量部を添加、混合し、第一のシートと同様に成形した。
【００３３】
なお、上記第一および第二のシートには、焼成時の収縮膨張挙動の制御のために適宜少量のセラミックフィラーを添加してもよいが、好適に発泡、低密度化を図るため、そのフィラー添加量はガラス粉末１００重量部に対し、２０重量部以下であることが好ましい。
【００３４】
その後、第一のシート上に第二のシートを積層し、円筒形金型で打ち抜くことで、直径１３ｍｍのシート積層体を得た。
【００３５】
次に、このシート積層体を第一のシートが下面になるように多孔質の焼成用サヤに設置し、当該シート積層体の上に多孔質アルミナ基板を載せて、８４０℃で３０分間焼成して二層が一体化した音響整合部材１を得た。
【００３６】
この音響整合部材１における第一の整合層１１の気孔率は７８％、音響インピーダンスは１．２２×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ、第二の整合層１２の気孔率は８６％、音響インピーダンスは０．６６×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓであり、これらの音響インピーダンス値は、圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合の音響整合部材に望まれる理想値である０．１１×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓよりも大きいものの、現在広く空中放射超音波送受波器へ適用されている、エポキシ樹脂にガラスバルーンを分散させた音響整合部材（概ね音響インピーダンスが１．３×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ）よりも理想値に近いものであり、個々が空中放射超音波送受波器の感度向上に有効な音響整合部材であると言える。また、第一の整合層１１の音響インピーダンス（１．２２×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ）は、第二の整合層１２の音響インピーダンス（０．６６×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ）と圧電振動子の音響インピーダンスＺPZT（約２９×１０6ｋｇ／ｍ2・ｓ）の中間値となるため音波の伝達効率が向上するものとなり得る。
【００３７】
さらに、第一の整合層１１および第二の整合層１２の二層を一体化した音響整合部材１となるため、音響整合部材としての多層効果により、空中放射超音波送受波器の感度をさらに高めることが可能となる。
【実施例】
【００３８】
以上のような工程を経て得られる本発明の音響整合部材１についてさらに詳細に説明する。
【００３９】
本実施例では、上記音響整合部材１の片面側を平面研削することで、第一の整合層１１のみからなる音響整合部材と、第二の整合層１２のみからなる音響整合部材を作製し、それらを一液性エポキシ接着剤にて貼り合わせることで、気孔率、音響インピーダンスの異なる二層からなる音響整合部材を得た。
【００４０】
二層を一体同時焼成した本発明の音響整合部材１と、二層を接着剤で貼り合わせた音響整合部材の両者を各１００個、過酷試験として１５０℃の高温環境下に１００時間放置し、その後、全サンプルを高さ１ｍよりビニールタイル床に落下させ、目視にて剥離、亀裂、破断等の確認されたＮＧサンプル数をカウントした。その結果、接着剤接合した音響整合部材のＮＧ数が９３個であったのに対し、二層を一体同時焼成した音響整合部材１のＮＧ数は２個のみと高い生存率を示した。
【００４１】
なお、上記した本発明の一実施の形態における音響整合部材１においては、第一の整合層１１および第二の整合層１２をシート化し、積層したものについて説明したが、第二の整合層１２は、ホウ珪酸ガラス粉末に無機発泡剤を添加、混合した混合粉末をペースト化し、それを第一の整合層１１を構成する第一のシート上にスクリーン印刷して形成することも可能である。また、上記した本発明の一実施の形態における音響整合部材１においては、第一の整合層１１および第二の整合層１２の二層を、中間層を介さずに一体化したものについて説明したが、積層される気孔率の異なる音響整合部材の層数は二層に限ったものではなく、三層以上とし一体化した音響整合部材としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、超音波送受波器の感度を向上させるために、異なる音響インピーダンスを持つ二層以上の音響整合部材を一体化した音響整合部材に関するものであり、低音響インピーダンス値と、高い機械的強度や耐久性を両立することができ、特に空中放射超音波送受波器へ好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  音響整合部材
１１  第一の整合層
１２  第二の整合層
１２Ａ  超音波放射面
【図１】
2014137254.tif 000003