(57)【要約】【課題】機械的強度に優れ、長期にわたって安定したセンサー特性を保持できる音響整合層用部材およびその製造方法ならびに該音響整合層用部材を有する超音波センサーを提供すること。【解決手段】発泡ガラスを主成分として含有してなる音響整合層用部材、ガラスを発泡材と混合して、焼成する前記音響整合層用部材の製造方法、および前記音響整合層用部材からなる音響整合層を有する超音波センサー。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡ガラスを主成分として含有してなる音響整合層用部材。
【請求項２】
発泡ガラスがシリケートガラスである請求項１記載の音響整合層用部材。
【請求項３】
発泡ガラスのかさ密度が０．３〜０．９ｇ／ｍｌである請求項１または２記載の音響整合層用部材。
【請求項４】
発泡ガラス中の平均気孔径が１０〜２００μｍである請求項１〜３いずれか記載の音響整合層用部材。
【請求項５】
発泡ガラスの吸水率が１０重量％以下である請求項１〜４いずれか記載の音響整合層用部材。
【請求項６】
ガラスを発泡材と混合して、焼成する請求項１〜５いずれか記載の音響整合層用部材の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５いずれか記載の音響整合層用部材からなる音響整合層を有する超音波センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発泡ガラスを含有した音響整合層用部材およびその製造方法、ならびに該音響整合層用部材を有する超音波センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波を用いて物体の存在有無の検知や距離の測定を行うセンサーとして、圧電素子と音響整合層から構成される超音波センサーが知られている。
【０００３】
音響整合層は、圧電素子の音響インピーダンスと超音波が伝搬される媒体の音響インピーダンスとの整合を図るものであるため、音響整合層のインピーダンスは、両者のインピーダンスの間の値となるように制御しなければならない。また、厚みは、使用する超音波の波長（λ）の１／４、つまりλ／４に制御する必要がある。
【０００４】
これらの条件を満たす超音波センサー用音響整合層として、特開平１０−２２４８９５号公報、特開昭６３−１０３９９３号公報、特開平２−１７７７９９号公報等に記載のものが挙げられる。
【０００５】
特開平１０−２２４８９５号公報には、エポキシ樹脂等にガラスバルーンを分散させた音響整合層が開示されているが、樹脂は耐久性に劣るため、長期にわたりセンサーの特性を保持することが困難である。また、ガラスバルーンを樹脂に分散させる時点でガラスバルーンが崩壊し易く、安定した製造が困難である。さらに、製造された整合層も強度が小さく、センサーに用いられた場合、外的な衝撃で破壊されると、超音波センサーそのものが機能しなくなる。
【０００６】
特開昭６３−１０３９９３号公報には、高融点のガラスを用いたマイクロバルーンを低融点のガラス中に内有させた音響整合層が開示されているが、ガラスバルーンを用いる点、バルーンによる空隙よりもマトリックスの占める体積が大きくなり音響特性が劣りやすい点、成分の異なるガラスを用いるため界面での接合性や歪みによる強度低下の点に欠点を有する。
【０００７】
特開平２−１７７７９９号公報には、ガラス発泡体を一体化した超軽量ガラススポンジ構造体からなる音響整合部材が開示されているが、ガラスバルーンを用いる点、物理的および熱的な歪みによる強度低下の点に欠点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、機械的強度に優れ、長期にわたって安定したセンサー特性を保持できる音響整合層用部材およびその製造方法ならびに該音響整合層用部材を有する超音波センサーを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）　発泡ガラスを主成分として含有してなる音響整合層用部材、
（２）　ガラスを発泡材と混合して、焼成する前記音響整合層用部材の製造方法、および
（３）　前記音響整合層用部材からなる音響整合層を有する超音波センサーに関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の音響整合層用部材は発泡ガラスを主成分として含有する。発泡ガラスとは、ガラスに発泡材を含有させ、加熱により発泡させた多孔状のバルクガラスをいう。本発明の音響整合層用部材における発泡ガラスの含有量は、好ましくは５０〜１００重量％、より好ましくは７０〜１００重量％、特に好ましくは９５〜１００重量％である。発泡ガラスの材質は特に限定されず、シリケートガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス等が挙げられるが、化学的耐久性の観点から、シリケートガラスが好ましい。
【００１１】
シリケートガラスとしては、ソーダ石灰シリケートガラス、カリウム石灰シリケートガラス、ホウケイ酸ガラス等が挙げられ、これらの中では発泡性の観点から、ソーダ石灰シリケートガラスが好ましい。ソーダ石灰シリケートガラスの組成は、特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ２　を５０〜９０重量％、Ｎａ２　Ｏを２〜２０重量％、ＣａＯを２〜２０重量％、Ｋ２　Ｏを０〜２０重量％、Ａｌ２　Ｏ３　を０〜１０重量％、それぞれ含有するものが挙げられる。
【００１２】
発泡ガラスのかさ密度は、圧電素子の音響インピーダンスと空気等の気体媒質の音響インピーダンスとの整合性の観点から、０．３〜０．９ｇ／ｍｌが好ましく、０．３５〜０．７ｇ／ｍｌがより好ましい。ここで、かさ密度は、ピクノメーターにより測定する。
【００１３】
発泡ガラス中の平均気孔径は、ガラスマトリックス量およびかさ密度の観点から、１０μｍ以上が好ましく、ガラスマトリックス量、かさ密度および強度の観点から、２００μｍ以下が好ましい。よって、これらの観点から、発泡ガラス中の平均気孔径は、１０〜２００μｍが好ましく、３０〜１５０μｍがより好ましい。ここで、平均気孔径は、発泡ガラスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた画像から無作為に選んだ２００個の気孔径を測定し、その平均値として求める。
【００１４】
また、発泡ガラスの吸水率は、高湿度雰囲気下における音響整合層用部材の音響インピーダンスの安定性の観点から、１０重量％以下が好ましく、０〜８重量％がより好ましい。ここで、吸水率は、ＪＩＳ　Ｒ１４３４の飽水の方法に従って発泡ガラスを飽水させ、飽水重量から乾燥重量を減じて吸水量を求め、吸水量の乾燥重量に対する比（吸水量／乾燥重量）として算出する。
【００１５】
発泡ガラスを含有した本発明の音響整合層用部材は、例えば、ガラスを発泡材と混合して、焼成することにより得られる。このようにして得られる本発明の音響整合層用部材は、気泡により多孔体が形成されるため密度安定性が高く、焼成工程を経ることにより、一層耐久性に優れたものとなる。
【００１６】
発泡材は特に限定されないが、加熱時に水蒸気、炭酸ガス等のガスを発生するものが好ましく、具体的には、金属水酸化物、水ガラス、粘土鉱物、炭素、炭化物、窒化物等が挙げられる。発泡材の使用量は、均一発泡の観点から、ガラス１００重量部に対して、０．１〜３０重量部が好ましい。
【００１７】
焼成温度および時間は、発泡材が発泡しうる条件であれば特に限定されないが、安定発泡性および形状安定性の観点から、温度は５００〜１０００℃程度、時間は１分〜２４０分程度がそれぞれ好ましい。
【００１８】
本発明の音響整合層用部材には、圧電素子の音響インピーダンスと超音波が伝搬される媒体の音響インピーダンスとの整合の効果を奏する範囲内で、他の成分であるポリマーやシランカップリング剤等の表面処理剤等が含有されていてもよい。
【００１９】
本発明の音響整合層用部材を用いて、超音波センサーを作製することができる。超音波センサーは、本発明の音響整合層用部材からなる音響整合層を有するものであれば特に限定されないが、例えば、圧電素子の片面に音響整合層が固定され、さらに該圧電素子を格納するケースが配置されたものが一般に知られている。
【００２０】
圧電素子としては、板状の圧電セラミック板とその上面および下面を被覆するように配置した２枚の電極からなるものを用いることができ、電極に接続したリード線をケース外に引き出し、コネクターに接続することにより、外部回路とも容易に接続することができる。
【００２１】
音響整合層には、本発明の音響整合層用部材からなるものを用いるが、その厚みは、圧電素子で励振される超音波の波長（λ）の１／４、つまりλ／４に制御しなければならない。
【００２２】
ケースとしては、両端に開口部を有する筒状の部材を有し、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール等のプラスチック材料からなるものを用いることができるが、かかるプラスチック材料は、音響整合層よりも大きいインピーダンスを有していることが好ましい。
【００２３】
本発明の音響整合層用部材を用いた超音波センサーは、極めて優れた耐久性および安定性を有する。
【００２４】
【実施例】
実施例１
珪砂、炭酸ソーダ、炭酸カルシウムを用い、ＳｉＯ２　７２重量％、Ｎａ２　Ｏ１５重量％、ＣａＯ１０重量％、その他成分（Ｆｅ２　Ｏ３　、Ｋ２　Ｏ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　等）３重量％からなるソーダ石灰シリケートのガラスカレットを溶融法により調製した。得られたカレットをボールミルで１０μｍ以下に粉砕した粉砕物１００重量部を、発泡材として３号粉末水ガラス１５重量部と混合し、この混合物を型に充填した後、７００℃で３０分間加熱焼成し、発泡ガラスを得た。得られた発泡ガラスのかさ密度は０．６５ｇ／ｍｌ、平均気孔径は６３μｍ、吸水率は３．９重量％であった。この発泡ガラスの破面の電子顕微鏡写真を図１に示す。
【００２５】
次いで、発泡ガラスを直径１５ｍｍ、厚み３ｍｍの円板に、木工旋盤で加工し、音響整合層用部材を得た。
【００２６】
実施例２
実施例１と同様にして得られたガラスカレットの粉砕物１００重量部を、発泡材として炭素微粉末５重量部と混合し、７５０℃で６０分間加熱焼成し、発泡ガラスを得た。得られた発泡ガラスのかさ密度は０．６７ｇ／ｍｌ、平均気孔径は１０９μｍ、吸水率は５．４重量％であった。さらに、実施例１と同様にして円板に加工し、音響整合層用部材を得た。
【００２７】
比較例１
平均粒径５０μｍのガラスバルーン１００重量部を、フェノール型エポキシ樹脂３０重量部と混合し、実施例１と同様にして円板に加工し、音響整合層用部材を得た。
【００２８】
試験例
実施例１、２および比較例１で得られた音響整合層用部材をチタン酸ジルコン酸塩系圧電素子に張り付け、超音波センサー（周波数２００ｋＨｚ）を作製した。
下記の方法に従って、超音波センサーの性能を評価した。結果を表１に示す。
【００２９】
（１）　出力安定性
超音波パルスを印加し、パルス１００回の信号の立ち上がり電圧の変動幅を求め、下記の評価基準に従って評価した。
〔評価基準〕
○：±１％以内
△：±５％以内
【００３０】
（２）　高温多湿下での出力保持率
温度６０℃、相対湿度９０％の雰囲気下で超音波センサーを１４８時間保存した。保存前後における超音波パルス印加後の信号の立ち上がり電圧を測定し、出力保持率（保存後の電圧／保存前の電圧）を求め、下記の評価基準に従って評価した。
〔評価基準〕
○：９５％以上
×：９５％未満
【００３１】
（３）　機械的衝撃抵抗性
コンクリート床上１．５ｍの高さから超音波センサーを落下させた時の音響整合層用部材の状態を目視により観察し、下記の評価基準に従って評価した。
〔評価基準〕
○：亀裂や破断がなく、超音波センサーからの脱落もない。
×：亀裂や破断、または超音波センサーからの脱落が生じた。
【００３２】
【表１】
2004088626.tif 000002
【００３３】
以上の結果より、樹脂中にガラスバルーンを分散させた比較例１の音響整合層用部材と対比して、実施例１、２の音響整合層用部材は、出力安定性が高く、高温多湿下での出力保持率が高く、かつ機械的衝撃抵抗性にも優れていることが分かる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の音響整合層用部材は、機械的強度に優れ、長期にわたって安定したセンサー特性を保持することができる。これにより、かかる音響整合層用部材からなる音響整合層を有する超音波センサーも、耐久性および安定性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１により得られた発泡ガラスの破面の電子顕微鏡写真である。
【図１】
2004088626.tif 000003