(57)【要約】【課題】中空ガラス球を破壊せず均一に分布させた音響整合層を得ること。【解決手段】攪拌機２０１に備えられたパドル２０３を回転させることにより、破壊強度の弱い中空ガラス球１０１ａを予め破壊し、またパドル２０３と攪拌容器２０５に間隙を設け破壊されて割れた中空ガラス球１０１ｂを分離することによって、破壊された中空ガラス球１０１ｂを除去しつつ均一に中空ガラス球１０１ａを成形型３０１内に充填することが出来る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
攪拌機に備えられたパドルを回転させて、内部に密閉された空間を有する球体である中空ガラス球を攪拌しながら攪拌機の吐出ノズルから音響整合層を形成する成形型内に前記中空ガラス球を充填する工程と、
前記成形型内に充填された複数の中空ガラス球間の空隙に樹脂を含浸させる工程と、
前記樹脂を硬化させる工程とを有することを特徴とする音響整合層の製造方法。
【請求項２】
成形型内に中空ガラス球を充填する工程は、攪拌中に破壊された中空ガラス球と破壊されなかった中空ガラス球とを分離しながら成形型内に中空ガラス球を充填することを特徴とする請求項１に記載の音響整合層の製造方法。
【請求項３】
成形型内に中空ガラス球を充填する工程は、攪拌中に破壊された中空ガラス球の密度より小さい密度の中空ガラス球を充填することを特徴とする請求項１または２に記載の音響整合層の製造方法。
【請求項４】
成形型内に中空ガラス球を充填する工程は、パドルの回転軸近傍に斜め下向きに設けられた吐出ノズルから前記中空ガラス球を成形型内に充填することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の音響整合層の製造方法。
【請求項５】
成形型内に中空ガラス球を充填する工程は、前記中空ガラス球のうち破壊された中空ガラス球の含有率が質量比で０．９％以下にすることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の音響整合層の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法により製造されたことを特徴とする音響整合層。
【請求項７】
請求項６に記載の音響整合層を有することを特徴とする超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は中空ガラス球を有する音響整合層の製造方法、および音響整合層、ならびに音響整合層と圧電素子とを有する超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
気体に超音波を伝播させる超音波センサにおいて、一般に圧電素子と気体との音響インピーダンス整合をとるために音響整合層が圧電素子の超音波放射面に設けられる。気体の音響インピーダンスは非常に低いために音響整合層の音響インピーダンスは低いものが好適であり、そのような音響整合層の構成としては、内部に密閉された空間を有する中空ガラス球を樹脂で覆い固めたものが知られている。特に樹脂に対して中空ガラス球の比率が高いほど密度が低く、また音速が低くなるために、密度と音速の積で表現される音響インピーダンスが低下し、超音波センサに設ける音響整合層としては好適である。
【０００３】
このような音響整合層の製造方法の一つとして、中空ガラス球を混入した樹脂を、通常の樹脂成形と同様に射出成形を用いて成形する方法が挙げられる。しかしこの方法は成形時にかかる圧力によって樹脂中の中空ガラス球が破壊され、有効な中空ガラス球の比率が低下するために成形物の密度が上昇し、また破壊されたガラスが樹脂中に含有されると音速が上昇するため、音響インピーダンス、および音速と外形寸法で決定される共振周波数が安定した音響整合層が得られないという問題がある。
【０００４】
また別の製造方法として、押圧成形を用い、樹脂のチクソトロピー性を利用して低い圧力で成形することにより中空ガラス球の破壊を低減させるという方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらに別の製造方法として、所定形状を有する成形型内に予め中空ガラス球のみを充填して中空ガラス球の密度を上げ、その後に中空ガラス球の間隙に樹脂を含浸させた後に樹脂を硬化させることによって、中空ガラス球の樹脂に対する比率を上げ、軽量な音響整合層を得るという方法もある（例えば、特許文献２参照）。図６に特許文献２記載の従来の音響整合層の製造工程図を示す。図６において、通気性を持つフィルタ３０３を成形型３０１の下部に設置し、成形型３０１に少なくとも１つ以上設けられた貫通孔３０２に中空ガラス球１０１ａを充填し、成形型３０１に振動を与えて貫通孔３０２内に充填された中空ガラス球１０１ａの密度を上げる。もう一つのフィルタ３０３を成形型３０１の上部に設置し、貫通孔３０２の一端を真空ポンプ３０４に、もう一端を樹脂で満たされた容器に接続し、真空ポンプ３０４を用いて貫通孔３０２内に樹脂１０２を含浸させる。その後成形型３０１を加熱して樹脂１０２を熱硬化させ、成形物１０３を得る。その後所定の厚みに切削加工を行い、音響整合層１０４を得ている。
【特許文献１】特開２００３−１４３６８５号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−１６６８６３号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の音響整合層の製造方法は、低圧での押圧であっても射出や押圧の際に一部の破壊強度の弱い中空ガラス球が破壊されてしまう、すなわち中空ガラス球の破壊を低減する効果が十分でないという課題を有し、例えば０．１５ｇ／ｃｍ3の真密度を有する中空ガラス球は輸送過程で約１．０％破壊され、０．５ＭＰａの押圧下でさらに約０．５％破壊されるため、製造された音響整合層の常温における音速は２２００±１００ｍ／ｓ程度ばらついてしまう。
【０００７】
また、特許文献２記載の音響整合層の製造方法は、成形型内に充填された中空ガラス球の密度を上げる際に振動や衝撃を成形型に与えるため一部の破壊強度の弱い中空ガラス球が破壊されてしまうという課題を有する。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、中空ガラス球が破壊されず均一に分布した音響整合層を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、攪拌機に備えられたパドルを回転させて、内部に密閉された空間を有する球体である中空ガラス球を攪拌しながら攪拌機の吐出ノズルから音響整合層を形成する成形型内に中空ガラス球を充填する工程と、成形型内に充填された複数の中空ガラス球間の空隙に樹脂を含浸させる工程と、樹脂を硬化させる工程とを有する。成形型内に中空ガラス球を充填する工程では、攪拌機で予め強度の低い中空ガラス球を破壊し、破壊されたガラスを取り除きながら中空ガラス球を成形型内に充填する。
【００１０】
本構成によって、音響整合層の製造工程において中空ガラス球が破壊されず、均一な音響整合層を得ることが出来る。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明の音響整合層の製造方法によれば、中空ガラス球が破壊されず、均一に分布された複数の中空ガラス球で充填された音響整合層を得ることができる。また本発明の音響整合層によれば、均一に分布された中空ガラス球で充填されていることにより、音響整合層は、音響インピーダンスが低く、また共振周波数が安定している。また、本発明の超音波センサによれば、均一に分布された中空ガラス球で充填されている音響整合層を有する超音波センサであることにより、超音波センサの特性が安定し、特に正確な動作が要求される超音波流量計用の超音波センサとして好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における音響整合層の構造図である。図１において、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。
【００１４】
図１において、音響整合層１は、２０μｍ以上１３０μｍ以下の粒径を有し真密度が０．１４ｇ／ｃｍ3以上０．１８ｇ／ｃｍ3以下である中空ガラス球１０１ａを２液性エポキシ樹脂１０２で覆い固めた構造となっている。中空ガラス球の破壊率、すなわち破壊されて中空ではない割れたガラス１０１ｂの含有率が中空ガラス球１０１ａに対して質量比で０．９％以下となっている。
【００１５】
かかる構成により、通常材料中に１．０％以上含まれる破壊されて割れた中空ガラス球１０１ｂを低減しつつ中空ガラス球１０１ａが充填されているため、音響整合層１の常温における音速が２１５０±４０ｍ／ｓと安定し、従って低い音響インピーダンスおよび安定した共振周波数が要求される気体用超音波センサに用いる音響整合層１として好適である。また、音響整合層１の音速検査を簡略化することができ製造を容易に行うことが出来る。
【００１６】
なお、本実施の形態においては、中空ガラス球１０１ａは２０μｍ以上１３０μｍ以下の粒径を有し真密度が０．１４ｇ／ｃｍ3以上０．１８ｇ／ｃｍ3以下であるものを用い、樹脂は硬化後の真密度が１．１９ｇ／ｃｍ3以上１．２１ｇ／ｃｍ3以下である２液性エポキシ樹脂１０２を用いているが、音響整合層として使用できる材料であれば中空ガラス球１０１ａおよび樹脂１０２の種類はこの限りではない。
【００１７】
音響整合層中１の中空ガラス球破壊率ｂは、以下のように測定する。まず音響整合層１を加熱し、樹脂部分２を焼き飛ばして中空ガラス球１０１ａのみを取出して、ヘリウム等を用いたガス置換式真密度計を用いて中空ガラス球１０１ａの真密度ρ1を測定する。その後、中空ガラス球１０１ａを純水等の比重１ｇ／ｃｍ3程度の液体に投入して、比重が約２．３ｇ／ｃｍ3程度である割れたガラス１０１ｂを沈殿させて取り除き、乾燥させて再度真密度ρ2を測定する。割れたガラスの比重をρgとすると、破壊率ｂは
ｂ＝（ρg／ρ1）・（ρ1−ρ2）／（ρg−ρ2）
で与えられる。
【００１８】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における超音波センサの断面図である。図２において、図１および図６と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。
【００１９】
図２において、１１１は超音波センサ、１０６は電気伝導性を有するケース、１０４はケース１０６の天面に接着された音響整合層、１０５はケース１０６内壁面に接着された圧電素子、１０６ａはケース１０６を固定するための支持部、１０７は支持部１０６ａに固定された端子板、１０８は導通体、１１０ａおよび１１０ｂは端子板１０７に固定された端子、１０９は端子１１０ａと端子１１０ｂの絶縁を保つための絶縁部、１０５ａは圧電体に設けられた溝である。音響整合層１０４は２０μｍ以上１３０μｍ以下の粒径を有し真密度が０．１４ｇ／ｃｍ3以上０．１８ｇ／ｃｍ3以下である中空ガラス球１０１ａと、前記中空ガラス球１０１ａを覆う固体のエポキシ樹脂１０２からなり、前記中空ガラス球１０１ａのうち破壊されて中空ではなくなったガラス１０１ｂの含有率が質量比で０．９％以下となっている。かかる構造によって、端子１１０ａ、１１０ｂから導通体１０８を介して圧電素子１０５に電圧を加えて振動させ、音響整合層１０４を介して気体中に超音波を伝播させるとき、音響整合層１０４の音響インピーダンスが低いために超音波の出力を高くすることが出来る。また、音響整合層１０４に割れたガラス１０１ｂがほとんど含まれておらず、構造が製品ごとに安定しているため、温度変化に対する共振周波数の変化も一様となり、特に広い温度範囲で使用されるガス流量計用の超音波センサとして好適である。
【００２０】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における音響整合層の製造工程を示す概要図であり、図４は攪拌機の断面図である。図３において図１、図２、および図６と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。まず、破壊された中空ガラス球１０１ｂを含む中空ガラス球１０１ａを、吐出ノズル２０４が回転軸２０２上に約１０°斜め下向きになるように設置された円筒形状の攪拌機２０１に充填し、回転軸２０２に直交する向きに複数設けられた平板のパドル２０３を回転軸２０２回りに回転させる。このときパドル２０３の回転軸２０２は攪拌容器２０５の重心より上に配置され、パドル２０３の回転領域と攪拌容器２０５の内壁との間、特に攪拌容器２０５の下側に間隙２０６が存在し、従って間隙２０６に存在する中空ガラス球１０１ａはパドル２０３によって直接攪拌されない。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、吐出ノズル２０４は回転軸２０２上に約１０°斜め下向きに設けたが、攪拌された中空ガラス球１０１ａを滑らかに吐出でき、かつ間隙２０６内の直接攪拌されない中空ガラス球１０１ａを吐出しなければ、吐出ノズル２０４の向きおよび位置はこの限りではない。また、攪拌される中空ガラス球１０１ａの粒径が２０μｍ以上１３０μｍ以下であったため、間隙２０６の幅を粒径に対して十分大きくなるよう５ｍｍとしたが、もちろん攪拌時に中空ガラス球１０１ａの径に対し十分に広い間隙を設けることが出来れば間隙２０６の寸法はこの限りではない。また十分な間隙２０６を攪拌容器２０５の下部に設けることが出来れば、回転軸２０２を攪拌容器２０５の重心に配しパドル２０３の形状を小さくしても良く、図５に示す他の攪拌機の断面図のように攪拌容器形状を楕円筒や多角形柱あるいは楕円錐や多角形錐形状としても良い。また本実施の形態ではパドルの形状として回転軸に直交する向きに設けられた平板のパドルを用いたが、パドルの形状はこれに限るものではなく、回転軸に対し傾きを持ったり、捩れていたり、スクリュー形状をしていても良い。
【００２２】
また、パドル２０３の回転数は、回転によって生じるせん断力によって一部の中空ガラス球１０１ａを破壊するように設定する。中空ガラス球１０１ａは流動性の高い粉体であり、直接的にせん断力をもとめることは難しいため、後述する破壊率ｂの測定を行い、攪拌前と比較して０．５％以上のガラスの破壊が認められた回転数１００ｒｐｍとした。
【００２３】
なお、本実施の形態では回転数１００ｒｐｍでパドル２０３を回転させたが、回転数は中空ガラス球１０１ａの強度やパドル２０３の形状に応じてこの限りではない。また、攪拌容器２０５にハンマーや圧電素子等の振動子を設けたり、攪拌容器２０５を振動試験機に接続するなどして外部から攪拌容器に振動を与えることによって中空ガラス球１０１ａの破壊を促進しても良い。
【００２４】
かかるパドル２０３の回転によって、攪拌された中空ガラス球１０１ａは攪拌容器２０５内で対流し、その結果比重、すなわち真密度の重い中空ガラス球１０１ａは前記間隙２０６の下部に滞留する。破壊されて割れた中空ガラス球１０１ｂの真密度は、中空ガラス球の真密度である約０．１５ｇ／ｃｍ3に対して約２．３ｇ／ｃｍ3と非常に重いため、その大部分がこの間隙２０６に滞留する。
【００２５】
前記のようにパドル２０３に回転を加え、攪拌しながら前記攪拌機の回転軸近傍に設けられた吐出ノズル２０４から成形型３０１に設けられた複数の貫通孔３０２に中空ガラス球１０１ａを充填する。その後、成形型３０１に振動を加え中空ガラス球バルーン１０１ａの密度を上げる。
【００２６】
かかる方法で充填された中空ガラス球１０１ａは破壊されず均一に成形型３０１に充填される。その破壊率ｂは０．９％以下となり、以下の方法で測定される。
【００２７】
まず貫通孔３０２内に充填された中空ガラス球１０１ａを取出し、ヘリウム等を用いたガス置換によって中空ガラス球１０１ａの真密度ρ1を算出する。その後、純水等に浸漬させて沈殿物を取り除き、再度乾燥重量および体積を測定、真密度ρ2を算出する。破壊されて割れたガラスの真密度をρgとすると、破壊率ｂは
ｂ＝（ρg／ρ1）・（ρ1−ρ2）／（ρg−ρ2）
で表される。
【００２８】
中空ガラス球１０１ａの充填後、成形型の上部にフィルタ３０３を設置し、成形型３０１内の貫通孔３０２の一端を真空ポンプに、もう一端を樹脂１０２で満たされた容器に接続し、前記真空ポンプを用いて貫通孔３０２内に樹脂１０２を含浸させる。
【００２９】
その後、樹脂１０２を熱硬化させて成形物１０３を得、所定の厚みに切削加工を行って音響整合層１０４を得る。
【００３０】
なお、本実施の形態においては成形物１０３を切削して音響整合層１０４を得たが、成形型３０１に設けられた貫通孔３０２は音響整合層１個分の形状であってもよく、その場合には切削加工を省略することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の音響整合層の製造方法は、破壊された中空ガラス球を分離して均一に充填することが出来、かかる製造方法によって作製された音響整合層は、均一かつ気体への超音波の伝播効率が高く、従って気体流量計用超音波センサに用いる音響整合層として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の音響整合層の構造図
【図２】本発明の超音波センサの構造図
【図３】本発明の実施の形態３における音響整合層の製造工程図
【図４】本発明の実施の形態３における攪拌機の断面図
【図５】本発明の実施の形態３における他の攪拌機の断面図
【図６】従来の音響整合層の製造工程図
【符号の説明】
【００３３】
１０１ａ    中空ガラス球
１０１ｂ    割れた中空ガラス球
１０２      樹脂
１０３      成形物
１０４      音響整合層
１０５      圧電素子
１０５ａ    スリット
１０６      ケース
１０６ａ    支持部
１０７      端子板
１０８      導通体
１０９      絶縁部
１１０ａ    端子
１１０ｂ    端子
１１１      超音波センサ
２０１      攪拌機
２０２      回転軸
２０３      パドル
２０４      吐出ノズル
２０５      攪拌容器
２０６      間隙
３０１      成形型
３０２      貫通孔
３０３      フィルタ
３０４      真空ポンプ
【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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