(57)【要約】【課題】本発明は超音波振動子に用いられる音響整合層の製造方法に関するものであり、特に特性の安定した音響整合層を提供することにある。【解決手段】定容積からなる混合容器３にセラミックスラリー４を所定量投入するとともに、Ｕ字型回転翼６を用いて、定容積混合容器中の気体を全てスラリー中に含ませることにより安定した密度の音響整合層を製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定容積の混合器に、所定量のセラミックスラリーを注入し、前記所定量のセラミックスラリー中に前記定容積混合器内の気体をすべて混入し、含気泡セラミックスラリーとし、ゲル状多孔質成形体を得、乾燥、脱脂、焼成して、セラミック多孔体からなる音響整合層を得る音響整合層の製造方法。
【請求項２】
Ｕ字型回転翼を用いて気体を混入する請求項１記載の音響整合層の製造方法。
【請求項３】
回転翼を複数枚とする請求項２記載の音響整合層の製造方法。
【請求項４】
回転翼の中心軸を傾斜させてなる請求項２記載の音響整合層の製造方法。
【請求項５】
回転翼の中心軸を、定容積混合器の中心から偏芯させてなる請求項２記載の音響整合層の製造方法。
【請求項６】
回転翼と定容積混合器の側壁との距離が所定の距離以下とする請求項２記載の音響整合層の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６にいずれかに１項記載の製造法により製造した音響整合層からなる超音波振動子。
【請求項８】
音響整合層を疎水化してなる請求項７記載の超音波振動子。
【請求項９】
音響整合層の主面の少なくとも一面に緻密層を形成してなる請求項８記載の超音波振動子。
【請求項１０】
流体の流れる流路の上流側と、下流側とに流体を介して対向するように配置された請求項７から９のいずれか１項に記載の一対の超音波振動子を備え、前記超音波振動子間の超音波伝播時間から前記流体の流速を求め、前記流速から流体の流量を演算する超音波流速・流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子に用いられる音響整合層に関するものであり、特に、無機材料であるセラミック多孔体からなる音響整合層とその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の無機材料からなる音響整合層は、界面活性剤を含むセラミックススラリーに外部より気体を導入混合し、気体を多く含んだ気孔率の大きな、即ち、密度の低いセラミック成形体を形成し、乾燥、焼成し製造していた。
【０００３】
このようにして製造した音響整合層を図１２に示す。図１２は、音響整合層１０１の断面図を示し、１０２は連通孔で構成される気孔を示す。超音波振動子に用いられる音響整合層１０１は、一般的に気孔率が８０［％］以上、密度が０．４［ｇ／ｃｍ３］以下である場合が多い（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】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】
【０００４】
このような構成の従来の音響整合層１０１では、連通孔からなる多くの気孔を導入するため、密度が安定しない。あるいは、気孔径が大きくばらつくなどのため、超音波振動子の特性が安定しないなどの課題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、連通孔からなる多くの気孔を含んでも密度が安定し、緻密な気孔径で構成された音響整合層を実現し、安定した特性の超音波振動子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】
【０００６】
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、一定容積の混合器に、所定量のセラミックスラリーを注入し、前記所定量のセラミックスラリー中に前記一定容積混合器内の気体をすべて混入し、含気泡セラミックスラリーとし、ゲル状多孔質成形体を得、乾燥、脱脂、焼成して、セラミック多孔体からなる構成とした。また、セラミックスラリーと気体との混合には、Ｕ字型回転翼を用いる構成とした。
【０００７】
所定量のセラミックスラリーを一定容積混合器へ投入し、一定容積混合器内の気体を全てセラミックスラリー内に含むようにしたため、気体を含んだセラミックスラリーの密度は、一定容積混合器の内容積と所定量のセラミックスラリー量で決まるため、再現性よく安定した密度の気体を多く含んだセラミックスラリーとなる。また、Ｕ字型回転翼でセラミックスラリーに気体を混合するので、緻密な気孔が形成され、大きな気孔のない気孔分布のそろったセラミックスラリーが得られる。このセラミックスラリーを乾燥・焼成して音響整合層とする。この音響整合層で超音波振動子を構成すると特性の優れた、また、安定した特性の超音波振動子を実現できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の音響整合層は、密度が低く、かつ、大きな気孔がなく、気孔分布がそろっているので、音響特性に優れているので、特性の優れた、また、安定した特性の超音波振動子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、一定容積からなる混合器に、所定量のセラミックスラリーを注入し、前記所定量のセラミックスラリー中に前記一定容積混合器内の気体をすべて混入し、気泡を含んだセラミックスラリーからなるゲル状多孔質成形体とし、乾燥、脱脂、焼成し、セラミック多孔体からなる音響整合層とする。これにより、再現性よく安定した密度の気泡を多く含んだセラミックスラリーとすることができ、安定した特性の音響整合層を実現することができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明の気体をセラミックスラリーに混合する際に、Ｕ字型回転翼を用いることとした。これにより、緻密な気泡が多く導入され、大きな気泡のない、気孔径分布のそろったセラミックスラリーを得ることができ、安定した特性の音響整合層を実現することができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第２の発明の回転翼を複数枚とする構成とした。この構成により、セラミックスラリーへの気体の導入効率が大幅に向上するとともに、気泡の微細化が促進された。これにより、安定した特性の音響整合層を実現することができ、かつ、生産性があがる結果となった。
【００１２】
第４の発明は、特に、第２の発明の回転翼中心軸を傾斜させる構成とした。この構成により、セラミックスラリーの混合において、上下対流を実現することができ、混合効率が大きく向上するとともに、セラミックスラリーを一定容積混合器内の隅々まで流動させることができ、セラミックスラリーの一様性が大きく向上する結果となった。これにより、気孔分布のそろった音響整合層が実現でき、安定した特性の音響整合層を実現することができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第２の発明の回転翼中心軸を一定容積混合器の中心より偏芯させる構成とした。この構成により、混合器内のセラミックスラリーの流れが非対称となり、スラリーの混合効率が向上し、生産性が向上する。
【００１４】
第６の発明は、特に、第２の発明の回転翼と一定容積混合器の側壁との距離を所定の距離以下とした。この構成により、回転翼と混合器の側壁との間をセラミックスラリーが通過する際に、気泡がより一層微細化され、気孔径の緻密なセラミックスラリーが得られる。このため、音響特性に優れた音響整合層を実現することができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、１〜６のいずれか一つの発明の製造法により製造された音響整合層を用い、超音波振動子を構成した。この構成により、音響特性に優れ、また、再現性にも優れた超音波振動子を実現することができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第７の発明の音響整合層を疎水化する構成とした。この構成により、信頼性、特に、耐水性に優れた超音波振動子を実現することができる。
【００１７】
第９の発明は、特に、第８の発明の音響整合層の少なくとも一主面に緻密層を設ける構成とした。この構成により、音響特性がさらに向上した優れた超音波振動子を実現することができる。
【００１８】
第１０の発明は、特に、第７〜９発明の超音波振動子を一対用いて流体の流れる流路の上流側と、下流側とに流体を介して対向するように配置し超音波流速・流量計を構成することとした。この構成により、高精度な超音波流速・流量計を実現できる。
【００１９】
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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（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断面図を示す。図１において、１は音響整合層を示す。音響整合層１として要求される特性は、一般に、音響インピーダンスが小さいことが求められる。そのため、密度が小さく、且つ、音速の遅い材料が求められる。従って、連通孔からなる多くの気孔２を含む多孔質な無機セラミック体で構成される。
【００２１】
以下に、簡単にこの種の多孔質な無機セラミックの製造法について説明する。多孔質なセラミック体に要求される特性は、気孔率が大きく、気孔径分布が一様で、且つ、分布に偏りがないことが重要となる。このような多孔質なセラミック体を形成するには、気泡を多く含むセラミックスラリーを固化させ、焼成するゾルキャスティグ法が適している。簡単に、ゾルキャスティング法の工程を説明する。まず、セラミック粉末原料と、架橋剤、触媒、界面活性剤などを含むゲル化材料とを十分混合する。このとき混合媒体としては水あるいは有機溶媒などを用いるとよい。このようにしてセラミックスラリーが形成される。このとき、分散剤、滑剤、増粘剤、糊剤などを添加してもよい。
【００２２】
次に、このセラミックスラリーに気泡剤を添加し、攪拌・混合し、スラリー中に、気泡を所定量導入する。なお、気泡を導入する前には、セラミックスラリーを予め充分脱気しておくと、気泡の導入量が安定する。このようにして気泡が導入されたセラミックスラリー所定の形状となるよう型枠に入れ、成形する。乾燥後、脱型し、界面活性剤などの有機物を焼き飛ばすことにより多くの気泡を含むセラミック成型体が形成される。
【００２３】
その後、所定の温度、時間により、セラミック成形体を焼成する。このとき、セラミック粉末材料として、アルミナ系、ムライト系、ジルコニア系などの酸化物系の材料を用いると、比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。また、炭化珪素系、窒化珪素系、窒化アルミニウム系、窒化ホウ素系、グラファイト系などの非酸化物系のセラミック材料を用いても比較的簡単に、ゾルキャスティング法により、この種のセラミック多孔体を形成することができる。
【００２４】
また、非酸化物系のセラミック材料を用いると焼成前後の寸法変化が小さいため、成形性が良い。通常の酸化物系セラミック材料の場合、焼成前後の寸法は、１０〜５０［％］前後収縮するものが多いが、非酸化物系の材料の場合、焼成において若干酸化し、体積が増加するためか、焼成前後の寸法変化が、おおよそ１０［％］以下に収まる場合が多いので、この種の目的のセラミック多孔体として非常に適していることになる。
【００２５】
以上、説明した工程で、安定した物づくりにとってもっとも重要な工程は、スラリー中に、所定量の気泡を導入する工程である。
【００２６】
図２に本発明の実施の形態１におけるスラリー混合器を示す。図２において、３は、一定容積の混合器を示す。４は一定容積混合器３内に脱気後投入されたセラミックスラリーを示す。５は混合器３を密封するための蓋を、６はＵ字型の回転翼を、７の矢印は回転翼６の回転軸８の回転方向を示す。Ｕ字型の回転翼６を約５００〜３０００［ｒｐｍ］で回転させると、約５〜６分前後で、セラミックスラリー４は混合器３内の残留気体を含む含気泡スラリーとなって、膨張し混合器３内全体を満たすようになる。このように定容積混合器３でスラリー４を混合することにより、安定した密度の含気泡セラミックスラリーを得ることができ、安定した密度を有する多孔質なセラミック体からなる音響整合層１を実現することができる。例えば、定容積混合器３の内容積を５００［ｍＬ］、セラミックスラリー４の焼成後の固形分換算量で１５０［ｇ］とすると、焼成後の多孔質セラミックの密度は、約０．３０［ｇ／ｃｍ３］となる。このとき、スラリーの投入量を±５．０［ｇ
］で制御すれば、多孔質セラミックの密度は、０．３０±０．０１［ｇ／ｃｍ３］で制御されることになる。通常の計測精度、即ち、±１．０［ｇ］であれば、さらに安定し多孔質セラミックが得られ、その密度は、０．３００±０．００２［ｇ／ｃｍ３］に制御されることになる。
【００２７】
次に、図３に従来の混合器を示す。９は開放型の混合器、１０は投入されたセラミックスラリー、１１は籠型の回転翼、矢印１２は籠型の回転翼の回転軸１３の回転方向をそれぞれ示す。従来は、籠型の回転翼１１を約５００〜３０００［ｒｐｍ］で回転させ、セラミックスラリー１０が気体を含み膨張する高さを目視などで調整し、含気泡スラリーの密度を調整していた。このため、含気泡スラリーの密度が不安定となり、多孔質セラミックからなる音響整合層の特性も安定しない結果となっていた。
【００２８】
また、従来は、籠型の回転翼を用いていたので、籠型回転翼の頂点部分１４に気体が閉じ込められ、この部分で気体が合体し、セラミックスラリー１０の粘性と回転翼の回転速度などとの兼ね合いで決まる大きな気泡となり、混合容器９内に膨張した含気泡スラリー内に放出されることになる。このため、従来の含気泡スラリーでは大きな気泡を取り除くことが非常に困難となり、音響整合層としての特性を劣化させる要因となっていた。
【００２９】
図４，図５に、このようにして製造した多孔質セラミック棒の外観写真を示す。図４は本発明の実施の形態１によるＵ字型の回転翼を用いて製造した多孔質セラミック棒１５を示す。セラミック棒１５は、外径約１５［ｍｍ］、長さ約１００［ｍｍ］であり、音響整合層として用いる場合には円板状に切断して用いる。滑らかな表面を示している。
【００３０】
一方、図５に示す従来の籠型回転翼を用いて製造した多孔質セラミック棒１６では、矢印１７の先に、外径約１〜２［ｍｍ］の大きな気泡が散見される。このように本発明によるＵ字型回転翼でスラリーを混合した場合には、多孔質セラミックは滑らかな表面をもち、緻密な気泡からなっていることがわかる。
【００３１】
図６に、これらの多孔質セラミック棒の気孔径の分布を示す。同図において、横軸に気孔径を、縦軸に累積百分率［％］を示す。実線１８は本発明に基づくＵ字型回転翼で混合したセラミックスラリーで製造したセラミック棒の断面における気孔径分布を示し、気孔径は約１０［μｍ］から立ち上がり、約１００から１５０［μｍ］で累積百分率８０［％］を超えるような分布を示した。一方、点線１９に示す気孔径分布は、従来の籠型回転翼で混合したセラミックスラリーから製造したセラミック棒の断面による。この場合、気孔径は約１０［μｍ］から徐々に立ち上がり約５００［μｍ］で累積百分率がやっと８０［％］を超える程度である。
【００３２】
なお、これらの多孔質セラミック棒の密度は、どちらも約０．３０［ｇ／ｃｍ３］であった。
【００３３】
（実施の形態２）
図７に実施の形態２における混合器を示す。実施の形態１と異なるところは、Ｕ字型回転翼が複数としたところである。２つのＵ字型回転翼２０，２１はそれぞれ回転軸２２、２３を中心とし矢印２４、２５に示すように互い逆回転となるようにした。この構成により、混合の効率が格段に向上し、回転数約５００〜３０００［ｒｐｍ］で、セラミックスラリー４が混合容器内全体に数分で膨張充満させることができた。
【００３４】
また、Ｕ字型回転翼２０，２１を複数枚としたので、セラミックスラリーが含む気孔径はさらに微細化され、気孔径分布は図６に一点鎖線２６に示すようになった。気孔径約１００［μｍ］で累積百分率が９０［％］を超えるまでに微細化された。これは、Ｕ字型回
転翼２０，２１が互いに逆回転するため、回転翼の相対速度が非常に大きくなり、スラリーに含まれる気泡が引きちぎられる結果であると考えられる。
【００３５】
（実施の形態３）
図８に本発明の実施の形態３における混合容器を示す。実施の形態２と異なるところは、Ｕ字型回転翼を傾斜させたところにある。２つのＵ字型回転翼２７，２８はお互いに傾斜した状態で逆回転する。この構成によりスラリー４の混合効率はさらに向上した。即ち、Ｕ字型回転翼２７，２８を傾斜させることで、気体を含み膨張・充満した含気泡スラリーを上下に対流混合させることができるようになった。この結果、上下に発生しやすい密度差もなくなり、よりいっそう均一な含気泡スラリーが得られるようになり安定した音響整合層を製造できるようになった。
【００３６】
（実施の形態４）
図９に本発明の実施の形態４における混合容器３０を示す。図９において、Ｕ字型回転翼２９の回転中心は混合容器３０の中心から偏芯させて固定した。この構成により、スラリー４の回転流れは混合容器３０内で非対称な流れとなり、混合効率が向上した。また、非対称であるため、Ｕ字型回転翼２９の混合容器３０の側壁に近い部分（図９であは右側）では、含気泡スラリーがＵ字型回転翼２９と混合容器３０側壁との間に圧縮力を受けるため、気体を含んだ気泡がつぶされることになり、気泡が微細化されきめ細かくなる結果となった。
【００３７】
即ち、図９の右側では急速な流れとなり、また左側ではゆったりとした流れとなる。このようにＵ字型回転翼２９で発生した非対称流れに強弱が追加された結果、より微細化が進んだと考えることができる。この傾向は、特に、Ｕ字型回転翼２９と混合容器３０の側壁との距離が数ｍｍ以下になった場合顕著に観察された。
【００３８】
（実施の形態５）
図１０に本発明の実施の形態５における超音波振動子の断面図を示す。上記の実施の形態で説明したセラミック棒から、外径１０〜１１［ｍｍ］、厚さ０．７５〜１．００［ｍｍ］の円板状に切り出し、音響整合層とした。なお、音響整合層３２の密度は約０．３０［ｇ／ｃｍ３］、音速は約１５００［ｍ／ｓ］であった。
【００３９】
図１０において、３１は超音波振動子を示し、３２は音響整合層を示し、キャップ状の缶ケース３３の上面に接着固定した。缶ケ−ス３３の内部には圧電体３４が接着固定されている。また圧電体３４の上下面には焼き付け銀などで構成された電極が設けられている。また、缶ケ−ス３３の下部周辺は台座部３５に溶接固定した。導電性のゴム３６は圧電体３４の下面電極と端子３７とを電気的に接続している。端子３７は、ハーメチックシールなどの絶縁性材料３８により台座３５に固定されている。他方の端子３９は、台座３５に直接固定され、缶ケース３３を介して、圧電体３４の上面電極に接続される構成とした。
【００４０】
この構成において、高周波の電圧を端子３７と３９との間に印加すると、圧電体３４が振動し、その振動が音響整合層３２を介してその表面から超音波として放出される。このように安定した特性の音響整合層３２からなる超音波振動子はその出力特性が非常にそろったものとなった。即ち、従来、１００±５［％］程度であった出力ばらつきが、本発明に基づく超音波振動子では、その０出力バラツキは１００±２［％］以内となった。
【００４１】
また、多孔質セラミックからなる音響整合層３２を疎水化処理することにより、特に耐湿特性に優れた特性を示し、信頼性の高い超音波振動子とすることができた。即ち、高温高湿放置試験においても出力の劣化は認められなくなった。これは、多孔質セラミックか
らなる音響整合層３２を疎水化処理したため、内部に結露などが発生しなくなったためと考えられる。
【００４２】
また、音響整合層３２の表面に緻密層、例えば、薄いエポキシシート、あるいは薄いガラス印刷層、あるいはガラス、金属などの蒸着層を設けることにより、一層出力を向上させることができた。これは、表面がより滑らかとなり、超音波の出力がより大きくなったと考えられる。即ち、多孔質セラミック表面の凹凸がなくなり平滑となったため、超音波振動のエネルギ−がより効率よく外部へ伝達される結果と考えられる。
【００４３】
（実施の形態６）
図１１は、本発明の実施の形態６における超音波流速・流量計の断面図を示す。４０は超音波流速・流量計の断面図を示し、４１は流体の流れる流路、４２は上流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子、４３は下流側に設けられた本発明に基づく超音波振動子。なお、実線の矢印４４は流体の流れる方向を、破線の矢印４５は上流側の振動子４２と、下流側の振動子４３との間での超音波の伝播する方向をそれぞれ示す。図中のθは、流体の流れる方向と、超音波の伝播する方向との交差角を示す。
【００４４】
この構成において、上流側の超音波変換器４２から超音波を送信し、下流側の超音波変換器４３で受信し、また下流側の超音波変換器４３から超音波を送信し、上流側の超音波変換器４２で受信するよう交互に繰り返している。このとき、上流側の超音波変換器４２から下流側の超音波変換器４３への超音波の伝播時間をＴｕｄ、下流側の超音波変換器４３から上流側の超音波変換器４２への超音波の伝播時間をＴｄｕとし、超音波が流体中を伝搬する伝搬速度をＶｓ、流体の流速をＶｆとすると、
Ｔｕｄ＝Ｌｄ／［Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
Ｔｄｕ＝Ｌｄ／［Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）］
となる。なお、Ｌｄは超音波振動子間の距離を示す。
これらより、
Ｖｓ＋Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｕｄ
Ｖｓ−Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝Ｌｄ／Ｔｄｕ
となり、これらの両辺を引き算すると、
２＊Ｖｆ・ｃｏｓ（θ）＝（Ｌｄ／Ｔｕｄ）−（Ｌｄ／Ｔｄｕ）
＝Ｌｄ＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となる。よって、
Ｖｆ＝｛Ｌｄ／［２・ｃｏｓ（θ）］｝＊［（１／Ｔｕｄ）−（１／Ｔｄｕ）］
となり、流体の流速Ｖｆが得られる。さらに、流路４１の断面積Ｓｒを乗じると、流量Ｑｍとなる。
【００４５】
即ち、Ｑｍ＝Ｓｒ＊Ｖｆが、計測した流量値となる。このように超音波振動子間の距離Ｌｐ、および流路４１の断面積Ｓｒは、予めわかっているので、上述のように流路４１を流れる流体の流速Ｖｆおよび流量Ｑｍが計測されることになる。
【００４６】
本発明の超音波振動子を用いることにより、即ち、多孔質セラミック体からなる音響整合層を有する超音波振動子から構成される超音波流速・流量計では、超音波出力特性が安定しているので、歩留まりよく製造することができる。また、超音波振動子の信頼性も高いので、信頼性の高い超音波流速・流量計うぃ実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明にかかる超音波振動子は、超音波出力が安定しているので、再現性に優れた、信頼性の高い高性能な超音波流速・流量計をも実現できる。
【００４８】
従って、高性能で、長期信頼性を要求される家庭用ガスメータ、水道用メータなどの用途の適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１における音響整合層の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における混合容器の断面図
【図３】従来の混合容器の断面図
【図４】本発明の実施の形態１における多孔質セラミック棒の外観写真を示す図
【図５】従来の多孔質セラミック棒の外観写真を示す図
【図６】本発明の実施の形態１おける気孔分布図
【図７】本発明の実施の形態２おける混合容器の断面図
【図８】本発明の実施の形態３おける混合容器の断面図
【図９】本発明の実施の形態４おける混合容器の断面図
【図１０】本発明の実施の形態５おける超音波振動子の断面図
【図１１】本発明の実施の形態６おける超音波流速・流量計の断面図
【図１２】従来の音響整合層の断面図
【符号の説明】
【００５０】
１  音響整合層
２  気孔
３  定容積混合器
４  セラミックスラリー
６  Ｕ字型回転翼
【図１】
2008193293.tif 000003
【図６】
2008193293.tif 000004
【図１１】
2008193293.tif 000005
【図１２】
2008193293.tif 000006
【図２】
2008193293.tif 000007
【図３】
2008193293.tif 000008
【図４】
2008193293.tif 000009
【図５】
2008193293.tif 000010
【図７】
2008193293.tif 000011
【図８】
2008193293.tif 000012
【図９】
2008193293.tif 000013
【図１０】
2008193293.tif 000014