(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨格を形成する主材料と前記主材料を固める補助材料と空孔形成材を混合し、前記補助材料で前記主材料を結合し、前記空孔形成材を除去して構成する音響整合部材において、前記主材料と前記補助材料に熱膨張係数が異なるものを用いた超音波送受波器。
【請求項２】
音響整合部材の熱膨張係数は主材料と補助材料の相対量で調整することを特徴とする請求項１記載の超音波送受波器。
【請求項３】
振動子を収納した金属ケースと音響整合部材との接合に用いる接合部材の熱膨張係数を前記金属ケースよりも前記音響整合部材の熱膨張係数に近づけるようにした請求項１または２記載の超音波送受波器。
【請求項４】
接合部材の厚さは音響整合部材の空隙に浸透する部分を除いて単独で層を形成することができる厚さにした請求項３記載の超音波送受波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を利用して気体や液体の流量や濃度を測定する装置や、物体との距離を測定する装置などに用いる超音波送受波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の超音波送受波器の構成を示す断面図である。図において、セラミックを材料とする圧電振動子で構成される圧電振動子４５は約５００kHzで振動するように構成されている。耐腐食性のあるステンレスで構成される金属ケース４６には、振動手段１を水や異物から保護し、水の侵入による電気的故障や、異物による破損、振動の妨害を防止する役割がある。
【０００３】
樹脂材料の一つであるエポキシを接着剤４７として用い、この接着剤４７は振動手段４５である圧電振動子とステンレスで構成された金属ケース４６を接着する。
【０００４】
音響整合部材４１は、エポキシである樹脂材料４２にガラスバルーン４３を混合し固めて成形される。ガラスバルーン４３は中空球体であり、その空間は、音の伝搬に影響を与えないように５０〜１００ｕmになるようにしている。また、ガラスバルーンの厚さは、密度を小さくするため数ｕm以下としている。また、エポキシを用いた接着剤４４は、金属ケース４６と音響整合部材４１を接着する。
【０００５】
音響整合部材４１の役割は、振動手段４５の振動（音）を気体、液体、固体などの物質へ効率的に伝えることである。理想的な音響整合部材４１は次の考え方から求めることができる。
【０００６】
物質の音響インピーダンスは密度×音速で求められる。空気の音響インピーダンスＺAIRは約４２８kg/m2s、振動手段４５である圧電振動子の音響インピーダンスＺPZTは約３０×１０6kg/m2s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により音の反射が発生し、空気中への音の放射効率が低下する。これを改善するために用いるものが音響整合部材である。音の反射がない理想的な音響整合部材の音響インピーダンスＺMは、
【０００７】
【数１】
0004400004.tif 000002
【０００８】
から理論的に求められる。上記のＺPZT及びＺAIRの値を用いると、ＺMは約０．１１×１０6kg/m2sとなる。このような理想な音響インピーダンスを持つ音響整合部材を得るため、音響整合部材を構成する材料は、密度が小さく、音速が遅いことが必要である。
【０００９】
以上のことから、従来の音響整合部材では、図に示すように、密度の小さい樹脂材料を用いたり、樹脂材料にガラスバルーンなどを用いて空隙を設け、より密度の小さい構成としている。
【００１０】
電極４８は金属ケース４６を介して振動手段４５である圧電振動子の一方の電極に接続し、電極４９はもう一方の電極に接続している。電極４８、４９は振動手段４５である圧電振動子を振動させるために電力を入れる入力端子と、圧電振動子の出力信号を取り出す出力端子の両方を兼ねることができる。樹脂またはガラスなどの電気的絶縁材料で構成される絶縁手段５０は、電極４９と金属ケース４６を絶縁する。
【００１１】
次に図３に示した従来の超音波送受波器の動作について説明する。
【００１２】
電極４８、４９より電力を供給すると、振動手段４５である圧電振動子が約５００kHzで振動し、接着剤４７、金属ケース４６、接着剤４４を介して、この振動を音響整合部材４１に伝搬する。ここで、接着剤４７、４４と金属ケース４６の厚さは、音の波長に比べ十分に小さいものであり、理論的には音の透過、反射を無視できるようにしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、音響整合部材や、金属ケースと音響整合部材を接着するための接着剤に、エポキシなどの樹脂材料を用いているので、樹脂材料の熱膨張係数をはじめとする温度特性が、超音波送受波器の出力波形などの特性に影響を与え、温度差がある環境では正確に測定できないという第一の課題を有していた。
【００１４】
また、前記樹脂系接着剤の熱膨張係数が大であるために、急激な温度変化がある環境では、音響整合部材と金属ケースの接着が剥がれ、測定が不可能になるという第二の課題を有していた。
【００１５】
これら従来の課題を解決するためには、有機材料を使用せずに、膨張係数が小さく化学的に安定した無機材料を使用して音響整合部材を構成し、金属ケースと音響整合部材とを無機材料からなる接合部材で接合する時に、接合部材を溶融するために高温にすると、金属ケースと音響整合部材とは熱膨張係数が大きく異なるので、冷却の途中で接合部材あるいは音響整合部材に割れが生じあらたな課題が発生することがある。
【００１６】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、温度による特性変化の小さい超音波送受波器を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波送受波器は、音響整合部材の骨格を形成する主材料（無機材料）と前記主材料を固める補助材料（無機材料）と空孔形成材（有機材料）を混合し、加圧した後、補助材料で主材料を結合し、空孔形成材を除去して構成する音響整合部材において、前記主材料と前記補助材料に熱膨張係数が異なるものを用いることにより、音響整合部材の膨張係数を調整できるようにし、さらに、音響整合部材の熱膨張係数は前記主材料と前記補助材料の相対量で調整するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、骨格を形成する主材料と前記主材料を固める補助材料と空孔形成材を混合し、加圧した後、補助材料で主材料を結合し、空孔形成材を除去して構成する音響整合部材において、前記主材料と前記補助材料に熱膨張係数が異なるものを用いることによって、音響整合部材の熱膨張係数を調整することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、主材料と補助材料の相対量を調整することで、音響整合部材の熱膨張係数を調整することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、振動子を収納した金属ケースと音響整合部材との接合に用いる接合部材の熱膨張係数を金属ケースよりも音響整合部材の熱膨張係数に近づけるようにすることで、機械的強度の弱い音響整合部材に負担をかけることなく金属ケースと音響整合部材とを接合することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、接合部材の厚さを音響整合部材に浸透する部分を除いて単独で層を形成することができる厚さにすることで音響整合部材に応力がかからないようにすることができる。
【００２２】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施例１）
音響整合部材を構成する材料は無機材料で構成され、主材料はアルミナの微小粉末で補助材料はガラスの微小粉末である。ガラスの融点（６００℃から１０００℃）はアルミナの融点（１５００℃）よりも低く、ガラスが溶ける温度まで加熱することで、アルミナの微粒子をつなぎとめるようにして骨格を形成する。
【００２４】
ガラスの微小粉末（補助材料）とアルミナの微小粉末（主材料）の混合の際に、空孔形成材としてアクリル球を混合する。これは有機材料であるが、融点が１５０℃であるので、補助材料のガラスが溶ける温度まで加熱する段階で蒸発してしまう。アクリル球の蒸発した後が微小な空隙となるので、このようにして得られる構造体の密度は主材料や補助材料の密度よりは軽いものとなる。
【００２５】
金属ケースと音響整合層との接続は、音響整合部材を構成する補助材料であるガラス（以下ガラスＡと呼ぶ）に比べて融点の低いガラス（以下ガラスＢと呼ぶ）を用いて行う。すなわち、金属ケースにガラスＢを塗布して、音響整合部材を載せ、加重を加えながらガラスＢが溶融する温度まで加熱した後に冷却することで、ガラスＢが凝固して音響整合部材と金属ケースとを接合するようにしている。ところが、金属ケースはステンレスを用いているのでその膨張係数は１５０程度あり、音響整合部材の骨格を構成するアルミナの膨張係数はこれより小さく２から６の値を持ち、さらに、両者の接合に使用するガラスＢは膨張係数が４０〜８０程度になるので、金属ケースと音響整合部材とをガラスＢで接合しようとしても膨張係数の差が大きいので、割れが生じて確実に接合することが出来ない。そこで、金属ケースの表面に銀ロウにチタンを混ぜたものを塗布して、焼き付ける方法が取られる。チタンは膨張係数が８０程度であるので、銀ロウ、チタンの混合層とガラスＢとの膨張係数の差を少なくする工夫がなされる。さらに、銀ロウ、チタンの混合層を凹凸形状にすることにより、膨張係数の差により生じるガラスＢとの間に働く応力のベクトル方向をランダムにすることで応力を弱める工夫もなされる。
【００２６】
しかしながら、ガラスＢと音響整合部材の膨張係数が異なると、この部分で割れが生じるようになる。音響整合層は空隙を多く含むので、アルミナとをつなげるガラスＡとで構成される骨格の機械強度は極めて弱いものになっている。従って、この部分に応力がかかると音響整合層に割れが入ってしまう。そこで、ガラスＡはガラスＢと同等の膨張係数を有する種類のものを採用し、アルミナ（主材料）とガラスＡ（補助材料）で構成される構造体（音響整合層）の膨張係数をガラスＡの膨張係数に近いものにする。これによって、ガラスＢとアルミナとガラスＡで構成される構造体（音響整合層）の間に働く応力を極めて小さいものにする。
【００２７】
具体的な構成について図を参照して説明する。図１は本発明の実施例における超音波送受波器の断面図を示すものである。図１において、振動手段１は、セラミックを材料とする圧電振動子で構成されている。
【００２８】
振動手段１と金属ケース３を接着する接着剤２は、樹脂材料の一つであるエポキシを用いている。接着剤２の厚さは極めて薄く約１０ｕmとしているので、この部分が電気的特性に与える影響は少ない。
【００２９】
金属ケース３は、耐腐食性に優れたステンレスで構成され、内部に振動手段１を配設して、密閉する。金属ケース３には、振動手段１である圧電振動子を正常に動作させるために、内部に水や気体などから保護する役割がある。金属ケース３の厚さは２００〜３００ｕmとしている。
【００３０】
本実施例では、骨格を形成する主材料と主材料を固める補助材料と空孔形成材を混合して加圧した後、補助材料が溶ける温度まで加熱して補助材料で主材料を結合し、その過程で空孔形成材が蒸発して除去される製造方法によって音響整合部材４が成形される。主材料には融点が約１５００℃のアルミナを用い、補助材料には熱膨張係数が４０で軟化点が９００℃のガラス（ガラスＡ）を用いている。空孔形成材にはアクリル球を用いており、この融点は１５０℃である。音響整合部材４はこれらの材料を混合して、ガラスＡの軟化点である９００℃で焼成している。音響整合部材４のかさ密度は０．４〜０．６g/cm3、音速を１０００〜１５００m/s程度である。音響整合部材４の厚さは、およそ音の１/４波長になるようにしている。音の波長λは次の式で求めることができる。
（数２）
λ＝ｃ／ｆ（ここでｃは音速、ｆは動作周波数）・・・（２）
本実施例では、５００kHzの音を伝搬するので、音の１/４波長は０．５〜０．７５mmとなる。
【００３１】
金属ケース表面に設けられた銀ロウとチタンとを混合して焼き付けたロウ付け層５は、表面に酸化したチタン膜が形成された構成となっている。このロウ付け層５の厚さは２０〜５０ｕmであり、酸化チタン膜の厚さは数ｕmとなっている。また、ロウ付け層の表面は凸凹になるようにしている。
【００３２】
音響整合層４とロウ付け層とを接合するためのガラスＢは熱膨張係数が４０で軟化点温度が４５０℃のものを用いている。
【００３３】
電極７、８によって振動手段１に電力を入力し、また振動手段１の出力信号を取り出すものである。電極７は金属ケース３を介して振動手段１である圧電振動子の一方の電極に接着剤の層２を介して接続され、電極８は、圧電振動子のもう一方の電極に接続されている。
【００３４】
ガラスや樹脂などで構成された絶縁手段９は、電極８の外周を覆うことで、電極８と金属ケース３を電気的に絶縁する。
【００３５】
音響整合部材４を構成するアルミナはガラスＡに比べ熱膨張係数が小さいので、ガラスＡとアルミナの混合比をガラスＡのほうを大きくするほど、音響整合部材４全体の熱膨張係数をガラスＡの膨張係数に近づけることができる。しかしながら、ガラスＡの比率を大きくしすぎると、空孔形成材が蒸発した後に出来る空隙を維持することが難しくなり、音響整合部材４の密度が大きくなることもあるので、アルミナとガラスＡとの混合比は重量比でおよそ４：６にしている。これにより音響整合部材４の熱膨張係数はアルミナの持つ熱膨張係数よりも大きくすることができる。
【００３６】
図２は図１で示される超音波送受波器の断面の破線部分で囲われた部分を拡大した図である。音響整合部材４には骨格１０及び空隙１１が存在している。図中に示されるａの部分はガラスＢが音響整合部材４の空隙１１に浸透している部分で１００μmから１５０μm程度ある。ｂはガラスＢだけの層でおよそ５０μmある。５のロウ付け層の表面に形成されているチタンの膨張係数はおよそ８０である。ガラスＢの膨張係数は４０なので、両者の境界面には応力がかかるが、ロウ付け層に凹凸があることと、両者の膨張係数の差が４０程度であることから、応力によってガラスＢに割れが生じるということがない。また、ガラスＢは音響整合部材４の空隙１１に浸透していくが、音響整合部材４の膨張係数とガラスＢの膨張係数との差はわずかであることと、空隙１１の形状は複雑なものであることからガラスＢと音響整合部材４との接合は、割れなどが発生せずに確実に成されている。
【００３７】
ガラスＢの音響整合部材４への浸透の度合いは、ガラスＢの粘性と接合時の加圧によって調整することが出来る。図に示した状態はガラスＢに日本電気硝子株式会社製の品番ＬＳ１３０１のガラス（軟化温度４５０℃）を用いて、温度を４７５℃で粘性の高い状態の温度まで加熱しておき、加圧を６３９g/cm2の状態で焼成した場合で、１００μmから１５０μmの深さまで浸透している。
【００３８】
音響整合部材４の厚さは波長の１/４が望ましいが、ガラスＢ浸透する部分は音響整合部材４として機能しないので、この部分の厚さを除いて波長の１/４の厚さにする必要がある。
【００３９】
同図のｂの部分はガラスＢだけで構成される層で厚さは５０μm程度になるようにしている。このガラスＢだけの層を設けることにより、ロウ付け層とガラスＢとの間に生じる応力にも、ガラスＢ層は絶えることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば熱膨張係数がそれぞれに異なる、金属ケースと無機材料からなる音響整合部材との接続を、接合部材として無機材料であるガラスを用いて、４００〜５００℃の高温でそのガラスを溶かして、両者を接続することができる。これにより、音響整合部材と金属とその接合部とが都市ガスやＬＰガスなどの気体中に暴露されても、無機材料だけで構成されているので、腐食に対して強く、かつ、安定した温度特性の超音波送受波器を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における超音波送受波器の断面図
【図２】図１のＫ部を拡大した断面図
【図３】従来の超音波送受波器の断面図
【符号の説明】
１  振動子
３  金属ケース
４  音響整合部材
５  ロウ付け層
６  接合部材（ガラスＢ）
１０  骨格
１１  空隙
【図１】
0004400004.tif 000003
【図２】
0004400004.tif 000004
【図３】
0004400004.tif 000005